JP2006278415A - 超音波接合装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電子部品のサイズを問わず良好な接合品質を実現できる超音波接合装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】基板７上にバンプ６を介してチップ５を接合させるため、チップ５を吸引保持して、加圧と超音波振動を作用させる加圧保持部３を備えた超音波接合装置において、上記加圧保持部３の作業面８は、吸引力を作用させる吸引穴３ａを形成し、前記チップ５を吸着保持する部品吸着面８ａと、その外周に形成される位置ズレ阻止面８ｂとで構成され、上記位置ズレ阻止面８ｂは、上記部品吸着面８ａよりも粗面の度合いが大きくなっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波接合装置及びその製造方法に係り、詳しくは、半導体素子等の電子部品を吸引保持して、加圧と超音波振動を作用させ、基板上に電子部品を実装させる超音波接合装置及びその製造方法に関する。

従来より、基板上に形成されたバンプと半導体素子等の電子部品とをフリップチップ実装する際には、上記のような超音波接合装置が広く用いられており、該装置の加圧保持部により、吸着保持された電子部品をバンプの上に下降させ、電子部品をバンプに押し当てた状態にして、加圧し超音波振動を与えることにより、電子部品とバンプと溶融接合している。
上述のように溶融接合されるまでの工程において、加圧保持部による加圧力や超音波振動のコントロールが接合品質に大きく影響するが、加圧保持部は真空吸着して電子部品を保持しているだけでその保持力が小さいので、超音波振動により横方向に電子部品が加圧保持部の部品吸着面からずれてしまい、接合不良となったり、バンプとの接合強度が低下する等の問題があった。

上記問題を解決するために、特許文献１には、超音波接合装置において、吸着ノズル（加圧保持部）の吸着面を接合させる電子部品より硬度が低い耐熱性樹脂材料によって形成し、その表面が所定の面粗度を持つ粗面に形成されたものが開示されている。
特開２００４−３３６０７１号公報

これによれば、吸着面の硬度が電子部品よりも低いため、接合させる電子部品との摩擦力が大きくなり、吸着面と電子部品との間の滑りを抑制でき、また電子部品の表面が削られるという心配もない。
しかしながら、上記のものにおいても、吸着ノズル自体の吸着力は従来のものと変わらず小さいため、電子部品のサイズが大きい場合には、位置ずれを起こしてしまうという問題は解決されなかった。

本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであり、電子部品のサイズを問わず良好な接合品質を実現できる超音波接合装置及びその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の超音波接合装置は、基板上にバンプを介してチップを接合させるため、チップを吸引保持して、加圧と超音波振動を作用させる加圧保持部を備えた超音波接合装置において、前記加圧保持部の作業面は、吸引力を作用させる吸引穴を形成し、前記チップを吸着保持する部品吸着面と、その外周に形成される位置ズレ阻止面とで構成され、上記位置ズレ阻止面は、上記部品吸着面よりも粗面の度合いが大きくなっている。

本発明において、請求項２の発明のように、加圧保持部の作業面は、超硬合金とすることができ、請求項３の発明のように、部品吸着面は、最大表面粗さが０．２μｍ以下とし、位置ズレ阻止面は、最大表面粗さが０．８μｍ以上とすることができる。また請求項４の発明のように、部品吸着面は、１ｍｍ角以上とすることができる。

更に請求項５の発明では、請求項１〜４に記載された超音波接合装置は、加圧保持部の作業面に最大表面粗さが０．８μｍ以上の粗面を形成し、次いでかくして形成された粗面に、上記作業面よりも硬度の高い研磨材料片を加圧しながら超音波を作用させることで、該研磨材料片に応じた寸法の最大表面粗さが０．２μｍ以下とした部品吸着面を形成して、上記作業面に、上記部品吸着面の周囲に上記位置ズレ阻止面を形成することができる。

請求項１に記載の超音波接合装置によれば、チップを吸着保持する部品吸着面と、その外周に形成される位置ズレ阻止面とには粗面が形成されているので、チップとの間の摩擦抵抗が増え、チップのずれを低減させることができる。また位置ズレ阻止面は、部品吸着面よりも粗面の度合いが大きくなっているので、チップの周囲が粗い面、すなわち位置ズレ阻止面に囲まれることとなり、超音波振動がチップに印加してもチップがすべって移動してしまうことが妨げられ、接合の際のチップのズレ及び接合強度の低下を低減させることができ、接合品質を向上させることができる。

請求項２に記載の超音波接合装置によれば、加圧保持部の作業面は、超硬合金で形成されるので、超音波振動による摩擦で磨耗することが少なく、加圧保持部の寿命を長くすることができ、長期に亘って安定した接合を維持できる。

請求項３に記載の超音波接合装置によれば、部品吸着面は、最大表面粗さが０．２μｍ以下とし、位置ズレ阻止面は、最大表面粗さが０．８μｍ以上とされるので、チップの周囲が粗い面、すなわち位置ズレ阻止面に囲まれることとなり、超音波振動がチップに印加してもチップがすべって移動してしまうことが妨げられ、接合の際のチップのズレ及び接合強度の低下を低減させることができ、接合品質を向上させることができる。
なお、部品吸着面の最大表面粗さを０．３μｍ以上とした場合は、摩擦抵抗が大きくなりすぎてしまい、チップに損傷を与えてしまう。一方、位置ズレ阻止面の最大表面粗さを０．７μｍとした場合は、チップの移動を阻止することができず、接合の際にずれを起こしてしまう。

請求項４に記載の超音波接合装置によれば、接合面積が１ｍｍ角以上のチップで、超音波出力が大きくなる場合であっても、位置ズレ阻止面によりチップの移動が阻止されるので、チップズレの抑制効果が高まる。

請求項５に記載の方法によれば、簡易な方法で、本発明の超音波接合装置を製造することができる。

以下に本発明の最良の実施の形態について、図面に基づいて説明する。

図１は本発明の超音波接合装置の要部断面図（図２におけるＸ部の拡大断面図）図２は本発明の超音波接合装置の加圧保持部の構成を示す部分断面図、図３は本発明の加圧保持部の作業面を示す平面図、図４（ａ）（ｂ）は本発明の超音波接合装置の製造工程を示す断面図である。

本発明の超音波接合装置１は、ＬＥＤチップ等の電子部品（以下チップ５という）を基板７に押圧荷重と超音波振動とを加えてフェイスダウン実装する装置であり、超音波ホーン２の先端に取り付けた加圧保持部３と接合面を上にした基板７が載置されるステージ部４とを備えている。ステージ部４には、基板７を加熱し短時間で接合可能とする温度調節が可能なヒータ部４ａが内蔵されており、該基板７はクランプ機構（不図示）により固定保持されている。加圧保持部３は上下方向に動作可能であり、図２に示すように、チップを吸着するために吸引力を作用させる吸引穴３ａが形成されている。この吸引穴３ａは加圧保持部３を貫く中空構造となっており、真空配管９を介して真空吸引装置（不図示）へと接続されている（図２参照）。こうして加圧保持部３は、チップ５を下方から真空吸引し吸着保持して、ステージ部４上面に配置された基板７への移送を可能としている。

基板７の表面には、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕ等により形成された電極７ａを備えており、そこにワイヤボンディング技術等により形成した金属製、或いはＣｕ、Ａｌやその合金、金メッキのバンプ６が形成されている。ここで、パンプ６は上述のように、基板７側に形成されるものに限定されず、チップ５側の電極に形成されたものでもよい。また基板７はセラミック、合成樹脂、フィルム、金属、リードフレーム、Ｓｉ、Ａｌ等により形成される。

超音波ホーン２の基端部（不図示）には超音波振動子を備えており、ここで発生させた超音波により加圧保持部３を図１及び図２の矢印に示すようにチップ５に対して水平方向（横方向）に揺動させ、加圧保持部３の作業面８とチップ５との間に超音波振動を与えてチップ５を振動させ、上方より加圧することにより、バンプ６との間に摩擦を生じさせて溶融接合する。ここで加圧及び超音波を印加させる時間等は、接合させるチップ５の構造、大きさ等に応じて制御可能である。

本発明の超音波接合装置１では、加圧保持部３の作業面８は、吸引力を作用させる吸引穴３ａを形成し、前記チップ５を吸着保持する部品吸着面８ａと、その外周に形成される位置ズレ阻止面８ｂとで構成され、上記位置ズレ阻止面８ｂは、上記部品吸着面８ａよりも粗面の度合いが大きくなっていることを特徴とする。
これによれば、チップ５を基板７に接合する際、チップ５に超音波振動が印加され、加圧保持部３の作業面８からズレようとしても、位置ズレ阻止面８ｂにより横方向への動きを阻止され、チップ５が吸着されるべき箇所から移動してしまうことを防ぐことができる。
ここで、加圧保持部３の作業面８を超硬合金製とすれば、表面粗さの凹凸の変化を小さくすることができ、超音波振動による摩擦で磨耗することが少ないので、加圧保持部の寿命を長くすることができ、長期に亘って安定した接合を維持できる。超硬合金にはＷＣ−Ｃｏ系、ＷＣ−Ｔｉ（Ｔａ、Ｎｂ）Ｃ−Ｃｏ系等がある。

図３には、本発明の超音波接合装置１の加圧保持部３の作業面８の平面図を示している。
部品吸着面８ａは、接合させるチップ５のサイズに応じて形成されており、最大表面粗さが０．２μｍ以下に形成される。また、位置ズレ阻止面８ｂは、最大表面粗さが０．８μｍ以上に形成されている。
これによれば、チップ５の周囲が粗い面、すなわち位置ズレ阻止面８ｂに囲まれることとなり、超音波振動をチップ５に印加してもチップ５がすべって横方向に移動してしまうことが妨げられ、接合の際のチップ５のズレ及び接合強度の低下を低減させることができる。よって、チップ５が接合すべき箇所から移動してしまうことを防ぐことができ、接合品質を向上させることができる。
ここで部品吸着面８ａの最大表面粗さを０．３μｍ以上とした場合は、チップ５に損傷を与えてしまうので適切でない。また位置ズレ阻止面８ｂの最大表面粗さを０．７μｍとした場合は、チップ５の移動を阻止することができないので、接合の際にずれを起こしてしまう。

また通常、チップ５のサイズが大きくなり、接合面積が増えると超音波出力が大きくなってしまうので、チップ５のずれが起こりやすいが、本発明によれば、１ｍｍ角以上のチップ５であっても、位置ズレ阻止面８ｂによりチップ５の移動が阻止されるので、チップズレを抑制することができる。

次いで、本発明の超音波接合装置１の製造方法について説明する。
図４は本発明の作業面８の形成方法を示している。まず、図４（ａ）に示すように作業面８の全面８０を最大表面粗さ０．８μｍ以上となるように一様に加工する。このときの表面加工の方法は特に限定されるものではないが、ブラスト加工、エッチング加工、吹き付け加工等がある。ついでかくして形成された粗面を図４（ｂ）に示すように、作業面８よりも硬度の高い研磨材料片Ｓを加圧しながら超音波を作用させて、最大表面粗さが０．２μｍ以下となるように表面加工する。このとき研磨材料片Ｓとしては、サファイア片が好適であるがこれに限定されず、作業面８を研磨できる素材であればよい。また研磨材料片Ｓは、基板７に接合するチップ５と同サイズものを用いてなされる。このようにすれば、表面粗さの異なる面を容易に形成することができる。

本発明の超音波接合装置の要部断面図（図２におけるＸ部の拡大断面図）である。 本発明の超音波接合装置の加圧保持部の構成を示す部分断面図である。 本発明の加圧保持部の作業面を示す平面図である。 （ａ）（ｂ）本発明の超音波接合装置の製造工程を示す断面図である。

符号の説明

１ 超音波接合装置
２ 超音波ホーン
３ 加圧保持部
３ａ 吸引穴
５ チップ
８ 作業面
８ａ 部品吸着面
８ｂ 位置ズレ阻止面

Claims (5)

1. 基板上にバンプを介してチップを接合させるため、チップを吸引保持して、加圧と超音波振動を作用させる加圧保持部を備えた超音波接合装置において、
   上記加圧保持部の作業面は、吸引力を作用させる吸引穴を形成し、前記チップを吸着保持する部品吸着面と、その外周に形成される位置ズレ阻止面とで構成され、上記位置ズレ阻止面は、上記部品吸着面よりも粗面の度合いが大きくなっている超音波接合装置。
2. 請求項１において、
   上記加圧保持部の作業面は、超硬合金でなることを特徴とする超音波接合装置。
3. 請求項１又は２において、
   上記部品吸着面は、最大表面粗さが０．２μｍ以下であり、上記位置ズレ阻止面は、最大表面粗さが０．８μｍ以上であることを特徴とする超音波接合装置。
4. 請求項１乃至３において、
   上記部品吸着面は、１ｍｍ角以上であることを特徴とする超音波接合装置。
5. 請求項１乃至４に記載された超音波接合装置を製造する方法であって、
   加圧保持部の作業面に最大表面粗さが０．８μｍ以上の粗面を形成し、次いでかくして形成された粗面に、上記作業面よりも硬度の高い研磨材料片を加圧しながら超音波を作用させることで、該研磨材料片に応じた寸法の最大表面粗さが０．２μｍ以下とした部品吸着面を形成して、上記作業面に、上記部品吸着面の周囲に上記位置ズレ阻止面を形成することを特徴とする超音波接合装置の製造方法。

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