JP2006269539A - 電子部品の製造方法および電子部品の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 超音波併用の熱圧着を行う第１の導体に形成されたバンプ電極と第２の導体との間のボンディング工程において、超音波振動を発生させる超音波振動系のインピーダンスを検出し、インピーダンスの低下を検出するとボンディングを終了することとして、十分な接合強度を確保しつつ、より短い接合時間で接合を行うことによって生産性の向上を図ることができる電子部品の製造方法および電子部品の製造装置を提供する。
【解決手段】 第１の導体１１上にバンプ電極１１ａを形成し、第１の導体１１と対向する位置にバンプ電極１１ａを介して第２の導体１２を載置し、バンプ電極１１ａと第２の導体１２との間に超音波振動を併用した熱圧着を行うボンディングを開始するとともに、ボンディングにおいて超音波振動を発生させる超音波振動系５のインピーダンスを検出し、超音波振動系５のインピーダンスの低下を検出するとボンディングを終了する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子部品の製造方法および電子部品の製造装置に関する。

半導体等の電子部品の基板に形成された電極と配線基板の基板に形成された電極とをバンプを介して接合する方法の一例であるフリップチップボンディングは、実装面積が小さく、また、回路の配線長が短いという特徴があり、高密度実装や高周波デバイスの実装に適している。フリップチップボンディングの方式としては、近年形成プロセスが比較的容易である金ボールバンプ（以下、適宜「バンプ」或いは、「バンプ電極」と表記する。）を用いた開発例が増加している。

電子部品の基板に形成された電極とバンプとの接合には、導電ペーストなど中間材を介する方法や熱圧着、超音波併用熱圧着により直接接合する方法などがある（特許文献１参照）。熱圧着、超音波併用熱圧着の方法は工程数が少なく、中間材が不要であり、さらに接合時間が短くなるため、実装コストを低減することができるメリットがある。
特開平０８−３３０８８０号公報

しかしながら、上述のフリップチップボンディングを用いた電子部品の製造方法および電子部品の製造装置には以下のような問題があった。

フリップチップボンディングを行う時間、すなわち接合時間を横軸にとり、電子部品の基板に形成された電極とバンプとの接合強度を縦軸にとって、両者の関係を示したグラフ（図１１）によれば、フリップチップボンディングをある時間をかけて行えば、一定の接合強度が得られるとともに、所定の時間経過後は接合強度が飽和状態になることがわかる。例えば、図１１では一点鎖線１０１で示されるボンディング工程において、接合強度が飽和状態となる時間を接合時間１００としている。この接合時間１００は、電子部品の基板に形成された電極の材料やバンプの材料等、様々な条件を考慮して十分な接合強度が得られると判断された接合時間である。従って、通常この接合時間１００を経過すれば十分な接合強度に達したと判断することができ、ボンディング工程は終了する。

この接合時間１００を基準として一定の接合強度が得られるまでにかかる時間を比較してみると、点線１０２で表わされたボンディング工程の場合は、電子部品の基板に形成された電極とバンプとの接合の進行が早く進んでいるが、点線１０３で表わされたボンディング工程の場合は両者の接合の進行は遅い。このように接合の進行状態にバラツキが出るのは、例えば電子部品の裏面状態、バンプ形成状態、フレームの固定状態等によって電極とバンプとの接合の進行状態が左右されるからである。

点線１０２で表わされた場合は、接合が飽和しているにも拘わらず接合時間１００に達するまでの間ボンディング工程が継続されるため、タクトタイムが長くなってしまい生産性が低下する。一方、点線１０３で表わされた場合は、ボンディングが十分に行われていないにも拘わらずボンディング工程が終了してしまうことになり、接合不良が発生して歩留まりが低下するおそれがある。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、超音波併用の熱圧着を行う第１の導体に形成されたバンプ電極と第２の導体との間のボンディング工程において、超音波振動を発生させる超音波振動系のインピーダンスを検出し、インピーダンスの低下を検出するとボンディングを終了することとして、十分な接合強度を確保しつつ、より短い接合時間で接合を行うことによって生産性の向上を図ることができる電子部品の製造方法および電子部品の製造装置を提供することである。

本発明の実施の形態に係る第１の特徴は、電子部品の製造方法において、第１の導体上にバンプ電極を形成する工程と、この第１の導体と対向する位置にバンプ電極を介して第２の導体を載置する工程と、バンプ電極と第２の導体との間に超音波振動を併用した熱圧着を行うボンディングを開始する工程と、このボンディングにおいて超音波振動を発生させる超音波振動系のインピーダンスを検出する工程と、超音波振動系のインピーダンスの低下を検出するとボンディングを終了する工程とを備える。

本発明の実施の形態に係る第２の特徴は、電子部品の製造装置において、第１の導体を載置するステージと、第２の導体を保持するボンディングツールと、第１の導体と第２の導体との間をバンプ電極を介して加熱し圧着する熱圧着手段と、ボンディングツールに連結された超音波振動系と、超音波振動系のインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、インピーダンスの低下に基づきボンディングを終了する制御手段とを備える。

本発明によれば、超音波併用の熱圧着を行う第１の導体に形成されたバンプ電極と第２の導体との間のボンディング工程において、超音波振動を発生させる超音波振動系のインピーダンスを検出し、インピーダンスの低下を検出するとボンディングを終了することとして、十分な接合強度を確保しつつ、より短い接合時間で接合を行うことによって生産性の向上を図ることができる電子部品の製造方法および電子部品の製造装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る電子部品の製造装置１は、第１の導体１１を載置するステージ２と、第２の導体１２を形成したチップ１２ａを保持するボンディングツール３と、ステージ２内にあって第１の導体１１を加熱する加熱部４ａと第１の導体１１と第２の導体１２との間を圧着する上下動機構４ｂとから構成される熱圧着手段４と、ボンディングツール３に連結された超音波振動系５と、超音波振動系５のインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段６と、検出したインピーダンスの低下に基づいて熱圧着の処理を終了する制御手段７とから構成される。さらに、ステージ２に載置される第１の導体１１とボンディングツール３に保持される第２の導体１２との接合位置を正確に決めるために用いられるカメラ８ａ、８ｂが設けられている。

ステージ２には第１の導体１１が固定されて載置される。そして、熱圧着が行われる際には、このステージ２が図１に示すＸ方向或いはＹ方向に移動し、第２の導体１２との間で熱圧着する場所がずれることのないように正確に位置決めがなされる。また、後述するように、ステージ２内には第１の導体１１を加熱する加熱部４ａを備えている。

ボンディングツール３は、チップ１２ａを吸着保持する。本実施形態においては、図示しないフレキシブルなホースがボンディングツール３に接続されている。さらにこのホースには図示しない排気装置が接続されており、この排気装置がホース内の空気を排気することで、ボンディングツール３はチップ１２ａを吸着保持する。

熱圧着手段４は、第１の導体１１と第２の導体１２との間を後述するバンプ電極１１ａを介して熱圧着するための手段である。加熱部４ａは、ステージ２内に設けられており、第１の導体１１を加熱する。また、上下動機構４ｂは、後述する超音波ホーン５ａを図１に示すＺ方向に沿って上下に移動させるように駆動する。超音波ホーン５ａがこのように移動することで、第１の導体１１と第２の導体１２を加熱し、圧着することができる。

超音波振動系５は、ボンディングツール３と連結されている超音波ホーン５ａと、この超音波ホーン５ａに超音波を与える超音波発振器５ｂとを備えている。超音波発振器５ｂによって発振された超音波は、超音波ホーン５ａを介してボンディングツール３に吸着保持されているチップ１２ａ上の第２の導体１２とバンプ電極１１ａ、第１の導体１１とに印加される。

インピーダンス検出手段６は、超音波発振器５ｂに接続され、超音波振動系５のインピーダンスを検出する。これは、本実施形態においては、インピーダンス検出手段６内に、印加された超音波の電流値及び電圧値を計測する計測手段（図示せず。）が設けられており、計測された電流値及び電圧値からインピーダンスの値を求める。このようにして求められたインピーダンスの値からインピーダンスの低下を検出する。

制御手段７は、インピーダンス検出手段６によりインピーダンスの低下が検出された場合に、ボンディングを終了させる制御を行う。また、超音波ホーン５ａを上下動機構４ｂを介して図１に示すＺ方向に沿って移動するように駆動させる制御や超音波発振器５ｂに超音波発振の開始、終了を指示する制御を行う。

次に、このように構成された電子部品の製造装置１を用いてフリップチップボンディングを行う工程を図２ないし図６を用いて説明する。

まず、第１の導体１１にバンプ電極を形成する工程を説明する。図２に示されているように、第１の導体１１上にはバンプ電極１１ａが形成される途上にある。本実施形態においては、バンプ電極１１ａとして金ボールバンプを用いている。このバンプ電極１１ａは、キャピラリ２１内を貫通する図示しない金ワイヤを放電により溶融し、金ボール２２を形成する。そしてキャピラリ２１でこの金ボール２２を第１の導体１１上に加圧し、同時に超音波を印加して接合する。その後金ワイヤを引きちぎりバンプ電極１１ａを形成する。本実施形態においては第１の導体１１にバンプ電極１１ａを形成したが、第２の導体１２側にバンプを形成してもかまわない。

なお、本実施形態において、導体とは、チップ上の電極、配線基板上の電極、或いはリード等を指す。そして本実施形態においては、第２の導体１２は、チップ１２ａに形成されている。

第１の導体１１上にバンプ電極１１ａが形成されると、図３の模式図に示すように、次に第２の導体１２とバンプ電極１１ａを接合する工程に入る。

チップ１２ａには予め第２の導体１２が形成されて、この第２の導体１２が形成された面が下を向くようにボンディングツール３によってチップ１２ａが保持されている。図１に示したカメラ８ａ、８ｂを用いて、チップ１２ａに設けられた第２の導体１２の位置と接合の対象となるバンプ電極１１ａの位置とをステージ２を移動させることで行う。それとともに、ステージ２の上に載置する第１の導体１１を２００℃に加熱する。図１に示した上下動機構４ｂを介して超音波ホーン５ａをＺ方向に上下に移動させて、チップ１２ａとバンプ電極１１ａを接触させ、さらに１．２５（Ｎ・ｂｕｍｐ）で荷重を負荷する。同時に超音波発振器５ｂが発生させた超音波を超音波ホーン５ａ、ボンディングツール３とチップ１２ａを介して第２の導体１２とバンプ電極１１ａの接合界面に出力１Ｗで印加する。

次に、第２の導体１２とバンプ電極１１ａとが接合していく過程を図４を用いて説明する。第２の導体１２はチップ１２ａにすでに接合されており、その接合強度は十分である。また、バンプ電極１１ａと第１の導体１１との間も同様に十分な接合強度をもって接合されている。この第２の導体１２はバンプ電極１１ａに対して上方から接合されることから、チップ１２ａは、上述のようにボンディングツール３よって第２の導体１２が形成された面を下にして吸着保持されている。すなわち、チップ１２ａはバンプ電極１１ａとの接合に際して少なくとも落下しない程度の吸着力でボンディングツール３に保持されていることになる。一方、第２の導体１２とバンプ電極１１ａとは、両者の接合工程を開始したばかりのときは未だ接合をしていないため、両者の接合強度は非常に弱い状態である。

超音波が図４に示すＵの方向に印加されると、その振動がボンディングツール３、チップ１２ａ、第２の導体１２、バンプ電極１１ａ、第１の導体１１の全てに伝わることになる。そのため、それぞれ接触する部分のうち最も接合状態が弱い部分が超音波の振動により動くことになる。つまり接合工程を開始した直後は、上述のように図４のＡに示す部分（ボンディングツール３とチップ１２ａと第２の導体１２）とＢに示す部分（バンプ電極１１ａと第１の導体１１）との間にある第２の導体１２とバンプ電極１１ａとの間の接合が最も弱いため、この部分において両者が接触しつつ互いに動いている状態になる。

ボンディングの時間が経過することにより、次第に第２の導体１２とバンプ電極１１ａとの間の接合強度は増してくる。それに伴って、第１の導体１１、バンプ電極１１ａ、第２の導体１２、チップ１２ａとは互いに十分な強度を持って接合される。チップ１２ａとボンディングツール３との間は、上述のように第２の導体１２とバンプ電極１１ａとを接合するに際して少なくとも落下しない程度の吸着力で保持されているに過ぎない。そのため、第２の導体１２とバンプ電極１１ａとが十分な強度を持って接合されてくると、一定の強度、すなわち接合強度が飽和状態になったときを境にして、超音波が印加されることによって動く部分はこれまでの第２の導体１２とバンプ電極１１ａとの間ではなく、チップ１２ａとボンディングツール３との間の部分となる。図５に示すようにＡ’に示す部分（ボンディングツール３）とＢ’に示す部分（チップ１２ａと第２の導体１２とバンプ電極１１ａと第１の導体１１）との間部分において両者が接触しつつ互いに動いている状態になる。

上述の状態変化を、印加される超音波のインピーダンスの変化という観点から見てみると以下のようになる。すなわち、第２の導体１２とバンプ電極１１ａとの接合を開始する前或いは開始直後は、ボンディングツール３はチップ１２ａを保持しているため、ボンディングツール３には大きな負荷がかかっている。従って、所定の振幅の超音波を印加しようとするならば、ボンディングツール３に負荷がかかっていない場合と比べてより大きなパワー（所定の振幅を得るための力）が必要となり、インピーダンスも高い値を示す。さらに接合が進んで第２の導体１２とバンプ電極１１ａとの接合強度が飽和状態になると、印加された超音波の振動により動く部分は、上述のようにボンディングツール３とチップ１２ａとの間となる。この状態においてボンディングツール３にかかる負荷は、接合開始時よりも小さくなっている。そのため接合当初と同じ超音波を印加するのに必要なパワーは、接合強度が飽和状態になった時点で接合開始当初に比べて小さくなり、インピーダンスの値も低下する。

このことを図６を用いて説明する。図６では横軸にボンディングを行う時間をとり、接合強度とインピーダンスとの関係を明らかにするために縦軸に両者を上下に並べて示している。図６によれば、ボンディングを行う時間が経過するに従って接合強度は増していくことがわかる。そして接合強度が飽和状態となる時点を接合時間３１とすると、接合時間３１の時点以降は一定の接合強度以上とはならない。一方、ボンディングを行う時間に対するインピーダンス値の変化を見ると、接合時間３１の時点以降は、接合開始時点よりもインピーダンスの値が低下している。すなわち、接合強度とインピーダンスの関係は、接合時間３１の時点を境に、接合強度は飽和状態に移行し、インピーダンス値は接合開始当初の値よりも低下し、これ以上超音波を印加しても接合強度が増すことはない、という関係がある。

従って、インピーダンス値を計測しその値が低下した時点以降は、接合強度が飽和状態となり十分な接合強度が得られていることになるため、インピーダンス値の低下をインピーダンス検出手段６で検出したことをもって熱圧着によるボンディング工程を終了する。なお、ボンディングの工程が終了すると、モールド工程、ホーニング工程、リードめっき工程、リードカット工程を経て、電子部品は完成となる。

このようにして、熱圧着によるボンディング工程において印加される超音波のインピーダンス値と、第２の導体１２とバンプ電極１１ａとの接合強度との間には上述のような関係があることから、インピーダンス値を計測することで、ボンディング工程を終了する時機を簡易に知ることが可能となる。従って、接合時間が短いことに起因する接合強度の不足や接合時間が長くなることに起因してタクトタイムが長くなることを防止することができるため、十分な接合強度を確保しつつ、より短い接合時間で接合を行うことによって生産性を向上させることができる。

（第２の実施の形態）
次に本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第２の実施の形態において、上述の第１の実施の形態において説明した構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、同一の構成要素の説明は重複するので省略する。

本実施形態は、超音波を印加する時間として所定の時間を設定し、この所定の超音波印加時間内にインピーダンスの低下をインピーダンス検出手段６で検出できた場合は、第２の導体１２とバンプ電極１１ａとの接合が十分になされ、所望の接合強度を得た状態にあると判断する。一方、上記所定の時間内にインピーダンスの低下が検出されなかった場合は、第２の導体１２とバンプ電極１１ａとの接合が十分になされておらず、不良であると判断する。なお、この接合の良否は、例えば制御手段７にインストールされたソフトを用いて判断される。

ここで所定の時間とは、第１の導体１１や第２の導体１２、バンプ電極１１ａ等の材質等、様々な条件を考慮して算出された時間である。従って、この時間があれば十分な接合強度をもって第２の導体１２とバンプ電極１１ａとを接合することができる時間のことであり、良品と不良品とを選別するために用いられる。そこで、以下、この所定の時間を選別時間という。

本実施形態においては、図７に示すように、制御手段７に時間測定手段７ａを有している。この時間測定手段７ａは、例えばカウンタ等のように、ボンディングの経過時間が設定された選別時間に達したか否かを測定するものである。

このバンプ電極１１ａと第２の導体１２との接合の良否を判定する工程を図８のフローチャート及び図９、図１０のグラフを使用して詳細に説明する。すなわち、まず、上述した選別時間を設定する（ＳＴ１）。これば、例えば、図９における選別時間４１、或いは図１０における選別時間５１である。

次にボンディングを開始することになるが（ＳＴ２）、このボンディングの開始と同時に、インピーダンス検出手段６によってインピーダンスの検出を開始し（ＳＴ３）、ボンディングの経過時間も時間測定手段７ａによって測定を開始される（ＳＴ４）。

時間測定手段７ａによって測定されたボンディングの経過時間が、図９に示す選別時間４１内にある場合であって、インピーダンス検出手段６によってインピーダンスの低下を検出した場合は（ＳＴ５のＹ、ＳＴ６のＹ）、ボンディングが良好に行われたと判断して（ＳＴ７）、ボンディングを終了する（ＳＴ８）。この場合は、選別時間４１内にインピーダンス検出手段６によってインピーダンス値の低下を測定することができたため、バンプ電極１１ａと第２の導体１２との接合強度は飽和状態に達し、両者が十分な接合強度をもって接合されたと判断できる。

一方、ボンディングの経過時間が図１０に示す選別時間５１を越えて、しかも未だインピーダンス検出手段６によってインピーダンスの低下を検出しない場合は（ＳＴ５のＮ、ＳＴ６のＮ）、ボンディング不良と判断して（ＳＴ９）、ボンディングを中断する（ＳＴ１０）。この場合は、選別時間５１内にインピーダンス検出手段６によってインピーダンス値の低下を測定できず、バンプ電極１１ａと第２の導体１２とは未だ十分な接合強度をもって接合されていないと判断できるため、製造された電子部品は不良品であると判断する。このように判断された場合は、電子部品の製造装置を止めて、不良品が発生したことを製造装置のオペレータに知らせ、不良品を取り除く。

このようにして、熱圧着による接合工程において印加される超音波のインピーダンス値と、第２の導体１２とバンプ電極１１ａとの接合強度との間には、接合強度の飽和する時点でインピーダンス値も低下するという関係があることから、選別時間を設け、この時間内にインピーダンス値の低下を測定できるか否かで、第２の導体１２とバンプ電極１１ａとの接合の良否を判定することが可能となる。従って、簡易な方法により電子部品の製造について歩留まりの向上を図ることができ、生産性の向上につなげることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る電子部品の製造装置を示す構成図である。 第１の導体にバンプを形成する工程を説明する模式図である。 チップ電極とバンプとの接合工程を説明する製造装置の部分拡大図である。 印加された超音波の振動により動く部分を説明する部分拡大図である。 印加された超音波の振動により動く部分を説明する部分拡大図である。 ボンディング時間に対応する接合強度とインピーダンスの値との関係を示すグラフである。 本発明の第２の実施の形態に係る電子部品の製造装置を示す構成図である。 本発明の第２の実施の形態に係る電子部品の製造方法を説明するフローチャートである。 ボンディング時間に対応する接合強度とインピーダンスの値との関係を示すグラフである。 ボンディング時間に対応する接合強度とインピーダンスの値との関係を示すグラフである。 ボンディング時間と接合強度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１…電子部品の製造装置、２…ステージ、３…ボンディングツール、４…熱圧着手段、４ａ…加熱部、４ｂ…上下動機構、５…超音波振動系、５ａ…超音波ホーン、５ｂ…超音波発振器、６…インピーダンス検出手段、７…制御手段、８…カメラ、１１…第１の導体、１１ａ…バンプ電極、１２…第２の導体、１２ａ…チップ

Claims (4)

1. 第１の導体上にバンプ電極を形成する工程と、
   前記第１の導体と対向する位置に前記バンプ電極を介して第２の導体を載置する工程と、
   前記バンプ電極と第２の導体との間に超音波振動を併用した熱圧着を行うボンディングを開始する工程と、
   前記ボンディングにおいて前記超音波振動を発生させる超音波振動系のインピーダンスを検出する工程と、
   前記超音波振動系のインピーダンスの低下を検出すると前記ボンディングを終了する工程と、
   を備えたことを特徴とする電子部品の製造方法。
2. 前記ボンディングの良否の選別時間を設定する工程と、
   前記ボンディングの経過時間を測定する工程と、
   前記ボンディングの経過時間が前記選別時間内において、前記超音波振動系のインピーダンスの低下を検出した場合、前記ボンディングを良好と判断する工程と、
   前記ボンディングの経過時間が前記選別時間を越えても前記超音波振動系のインピーダンスの低下を検出しない場合、前記ボンディングを不良と判断する工程と、
   を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の電子部品の製造方法。
3. 第１の導体を載置するステージと、
   第２の導体を保持するボンディングツールと、
   前記第１の導体と前記第２の導体との間をバンプ電極を介して加熱し圧着する熱圧着手段と、
   前記ボンディングツールに連結された超音波振動系と、
   前記超音波振動系のインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、
   前記インピーダンスの低下に基づきボンディングを終了する制御手段と、
   を備えることを特徴とする電子部品の製造装置。
4. 前記ボンディングの良否の選別時間を設定する選別時間設定手段と、
   前記ボンディングの経過時間を測定する時間測定手段と、
   前記ボンディングの経過時間が前記選別時間内において前記超音波振動系のインピーダンスの低下を検出した場合、前記ボンディングを良好と判断し、前記選別時間を越えてもインピーダンスの低下を検出しない場合、前記ボンディングを不良と判断するボンディング良否判定手段と、
   を更に備えることを特徴とする請求項３に記載の電子部品の製造装置。

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