JP2007035757A - 超音波接合装置、超音波接合方法及び半導体部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 超音波特性の変化や経時変化がなく、安定して品質で良好な接合を行うことができる超音波接合装置を提供する。
【解決手段】 超音波振動を生じさせる超音波発生源２と、超音波発生源２に一方の端部で接続し、他方の端部に貫通孔３ａを有する超音波ホーン３と、超音波ホーン３の貫通孔３ａと同軸に近接して配設され、貫通孔３ａの内径よりも大きい内径を有する吸引管１１と、吸引管１１を支持する支持部材１２と、超音波ホーン３の貫通孔３ａを有する側の端部を、被接合部材に向かう方向に移動可能な加圧装置６、７、８とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超音波を併用して接合を行う超音波接合装置、超音波接合方法及び半導体部品の製造方法に関する。

フリップチップボンダなどのように、電子部品などの接合部材を、リードフレームや基板などの被接合部材に対して、超音波振動を加えつつ加圧し、更に必要に応じて接合部近傍を加熱して、接合する超音波接合装置が知られている。

超音波接合装置は、超音波振動を発生させる超音波発生源と、この超音波発生源に接続して超音波発生源で発生した超音波振動を伝達する超音波ホーンとを備えている。この超音波ホーンの前記超音波発生源と接続する側とは反対側の端部に、接合部材を保持するボンディングツールを取り付けるための貫通孔が設けられ、この貫通孔にボンディングツールが着脱可能に取り付けられる。また、超音波接合装置は、ボンディングツールが接続された超音波ホーンを移動させる加圧装置を備え、この加圧装置により、ボンディングツールに吸着保持された接合部材を被接合部材に向けて移動させ、接合部材と被接合部材とを加圧しつつ、超音波発生源から超音波振動を接合部材に伝達させて接合する。

従来の超音波接合装置の一例について、ボンディングツール近傍の要部を斜視図で図６に示す。同図において、超音波接合装置の超音波発生源４１に超音波ホーン４２が接続され、この超音波ホーン４２の先端部に、棒状のボンディングツール４３が、その軸線方向中間部で挟持されている。このボンディングツール４３は、軸線方向に貫通孔を有している。このボンディングツール４３の一方の端部には、ボンディングツール４３の外径よりも若干小さな内径になり、可撓性を有するチューブ４４が、このチューブ４４の内径をボンディングツール４３が押し広げるようにして固着されている。このチューブ４４は、図示しない真空排気装置に接続され、この真空排気装置により真空排気することで、ボンディングツール４３の貫通孔部が負圧となり、ボンディングツール４３の他方の端部において、接合部材としてのチップ４５が真空吸着され、被接合材としての基板などに接合されるまで保持される。

従来の超音波接合装置では、図６に示したように、ボンディングツール４３の一端にチューブ４４が固着して取り付けられているため、接合作業中に超音波ホーン４２からボンディングツール４３に伝達される超音波振動の状態が、チューブ４４によって影響を受ける場合がある。例えば、チューブ４４の取付け状態によって、超音波特性が変化する懸念があった。また、チューブ４４の劣化等によって、経時的に超音波特性が変化する懸念があった。更に、超音波ホーン４２から伝達される超音波振動によって、ボンディングツール４３からチューブ４４が抜け外れること等についても懸念されていた。

超音波接合装置によって多数の接合部材を個々に被接合部材へ接合する半導体部品の製造時には、ボンディングツールを介して各接合部材に加えられる超音波振動の状態が変動しないことが求められるところ、上述のように超音波振動がチューブ４４によって影響を受ける場合があり、その結果、接合品質のばらつきが生じたり、また、チューブ４４がボンディングツール４３から外れることなどにより超音波接合装置のトラブルの原因となったりしていた。

本発明は、これらの問題を有利に解決するためになされたものであり、超音波特性の変化や経時変化がなく、安定して品質で良好な接合を行うことができる超音波接合装置、超音波接合方法及び半導体部品の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の超音波接合装置は、超音波振動を生じさせる超音波発生源と、前記超音波発生源に一方の端部で接続し、他方の端部に貫通孔を有する超音波ホーンと、前記超音波ホーンの貫通孔と同軸に近接して配設され、前記貫通孔の内径よりも大きい内径を有する吸引管と、前記吸引管を支持する支持部材と、前記超音波ホーンの貫通孔を有する側の端部を、被接合部材に向かう方向に移動可能な加圧装置と、を備えることを特徴とする。

本発明の超音波接合装置においては、前記吸引管の内径が、前記超音波ホーンの貫通孔に着脱可能に取り付けられるボンディングツールの外径よりも大きく、かつ、この前記吸引管の内周面と前記ボンディングツールの外周面との間の隙間が、ボンディングツールの貫通孔の内径よりも小さいことことが好ましい。

また、前記吸引管の内径が、前記超音波ホーンの貫通孔に着脱可能に取り付けられるボンディングツールの外径よりも大きく、かつ、この前記吸引管の内周面と前記ボンディングツールの外周面との間の断面積が、ボンディングツールの貫通孔の断面積よりも小さい構成とすることもできる。

また、本発明の超音波接合装置においては、前記吸引管の内径が、前記超音波ホーンの貫通孔に着脱可能に取り付けられるボンディングツールの段付部の外径よりも大きい構成とすることもできる。

本発明の超音波接合方法は、超音波接合装置の超音波ホーンの端部に設けられた貫通孔に取り付けられ、一方の端部が前記貫通孔と同軸に近接して配設された吸引管の内面に非接触に挿入されているボンディングツールの他方の端部に、接合部材を吸着保持する工程と、前記接合部材を加圧装置により被接合部材に接触加圧させ、超音波発生源からの超音波振動を前記超音波ホーンを通じて前記接合部材に印加して被接合部材と接合する工程と、を備えることを特徴とする。

本発明の半導体部品の製造方法は、一つの面にバンプを有する複数の半導体チップから一つの半導チップを選択する工程と、超音波接合装置の超音波ホーンの端部に設けられた貫通孔に取り付けられ、一方の端部が前記貫通孔と同軸に近接して配設された吸引管の内面に非接触に挿入されているボンディングツールの他方の端部に、前記半導体チップを吸着保持する工程と、前記半導体チップのバンプを加圧装置により基板の配線上に合わせて接触加圧させ、超音波発生源からの超音波振動を前記超音波ホーンを通じて前記半導体チップに印加して基板と接合する工程と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、超音波特性の変化や経時変化がなく、安定して品質で良好な接合を行うことができる。

（第１の実施形態）
本発明の超音波接合装置の一実施形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明の超音波接合装置の一実施形態の説明図である。

図１において、本実施形態の超音波接合装置１は、超音波振動を発生させる超音波発生源２を備えている。この超音波発生源２は、例えばＰＺＴなどの圧電素子などを用いることができる。この超音波発生源２から生じた超音波振動を伝達する超音波ホーン３が、この超音波発生源２に接続して水平方向に延設されている。

この超音波ホーン３の前記超音波発生源２と接続する側とは反対側の端部に、ボンディングツール２１を取り付けるための貫通孔３ａが垂直方向に形成されていて、この貫通孔３ａにボンディングツール２１が着脱可能に取り付けられる。このボンディングツール２１は、軸線方向に貫通孔を有している。なお、このボンディングツール２１は、従来公知のものが本実施形態の超音波接合装置１に取り付けられている。

前記超音波ホーン３は、超音波接合装置のフレーム４内において、超音波ホーン支持部５により支持されている。超音波ホーン支持部５にはナット６が、そのネジ孔を垂直方向にして固着されている。このナット６と螺合して雄ねじ、例えばボールネジ７が垂直方向に設けられている。このボールネジ７の一方の端部にはモータ８が設けられている。ナット６、ボールネジ７及びモータ８は加圧装置を構成し、このモータ８によりボールネジ７を軸中心に回転させることにより、ナット６が超音波ホーン支持部５を上下方向に直線的に移動させることができるようになっている。

超音波接合装置のフレーム４は、ＸＹテーブル９上に載置されていて、ベース部１０上におけるＸＹテーブル９の移動により、水平面内で自在に移動できるようになっている。

超音波ホーン３の貫通孔３ａの上方には、中空管状の吸引管１１がこの貫通孔３ａと同軸に近接して設けられている。

この吸引管１１近傍の要部を図２〜図４に示す。図２は吸引管１１近傍の斜視図、図３は図２のＡ−Ａ線断面図、図４は図３のＢ−Ｂ線断面図である。図２において、超音波ホーン３の端部に設けられた貫通孔にボンディングツール２１が挿入されて取り付けられている。図４に示すように超音波ホーン３の先端部は、貫通孔３ａに達する切込みにより２分割されていて、貫通孔３ａにボンディングツール２１を挿入した後に、この２分割された先端部をボルト３ｂで締結することにより、ボンディングツール２１は、超音波ホーン３の貫通孔３ａに固定される。

吸引管１１は、前述したように超音波ホーン３の貫通孔３ａの上方に、前記貫通孔３ａと同軸に近接して設けられる。この吸引管１１は、前記貫通孔３ａの内径よりも大きい内径を有している。吸引管１１が貫通孔３ａの内径よりも大きい内径を有していることにより、超音波ホーン３の貫通孔３ａにボンディングツール２１が固定されたとき、ボンディングツール２１の上端部が吸引管１１の中空部に挿入される位置関係になる。これを図３（ａ）の縦断面図で示すと、ボンディングツール２１の外周面が、吸引管１１の内周面に間隙を空けて非接触で対向する位置関係になる。この間隙については、同図（ｂ）の部分拡大図に示すように、ボンディングツール２１に形成されている軸線方向の貫通孔の内径に比べて、十分に小さい。そのため、この隙間から空気が吸引管１１内に流入するのが抑制されている。

具体的には、ボンディングツール２１の内径ａは０．８ｍｍ、吸引管１１の内周面とボンディングツール２１の外周面との間隙の長さｂは０．１ｍｍ程度、吸引管１１の軸線方向先端部と超音波ホーンの外周面との間隙ｃは０．１ｍｍ程度である。なお、超音波ホーンに伝達される超音波振動の振幅は１μｍ程度であり、前記間隙ｂよりも十分に小さく、超音波振動により吸引管１１の内周面にボンディングツール２１の外周面が接触することはない。

前記吸引管１１を上述した位置関係で保持するために、図２に示すように、吸引管１１を支持する支持部材１２が、前記超音波ホーン支持部５に取り付け固定されている。また、この吸引管の１１の上側端部には、排気チューブ１３が気密に取り付けられ、この排気チューブ１３には真空排気装置としての例えばポンプ１４が接続されている。このポンプ１４を作動させることにより、排気チューブ１３を介して接続される吸引管１１及びボンディングツール２１の内部の貫通孔が減圧状態となり、ボンディングツール２１の先端部に吸引力を生じさせる。

図１に示した超音波接合装置１を用いて、ステージ２２上に載置された基板２３上の配線と半導体チップ２４のバンプ２５とを接合する工程を説明する。まず半導体チップ２４は、ウェーハから複数個が切り出され、その中の一つの半導体チップ２４がピックアップ装置（図示しない）によって、超音波ホーン３に取付けられたボンディングツール２１の先端部へ搬送される。一方、ポンプ１４を動作させてボンディングツール２１の先端部には、前述した吸引力を生じさせておくことにより、搬送された半導体チップ２４は吸着保持される。

ボンディングツール２１の先端に半導体チップ２４を吸着保持した状態で、ＸＹテーブル９の移動によって半導体チップ２４を基板２３の配線上に位置合わせした後、ボールねじ７を回転させるモータ８を作動させて、超音波ホーン支持部５に支持された超音波ホーン３を下降させて半導体チップ２４をステージ２２上の基板２３に接触させる。次いで超音波発生源２からの超音波振動を、超音波ホーン３を通じてボンディングツール２１先端に吸着された半導体チップ２４に印加するとともに、超音波ホーン３の降下により加圧し、また、必要に応じてステージ２２を加熱することによって、半導体チップ２４と基板２３とは短時間で接合される。

次に、ポンプ１４の運転を停止して半導体チップ２４の吸着を止めるとともに、モータ８を逆回転させて超音波ホーン３を上昇させる。この後、ＸＹテーブル９を移動させて、新たな半導体チップをボンディングツール２１の先端に吸着保持させ、上記と同様にして接合作業を繰り返す。

本実施形態の超音波接合装置１は、ボンディングツール２１に吸引管１１が接触していないことから、接合作業においてボンディングツール２１の先端部に半導体チップ２４を吸着保持しているとき、従来の超音波接合装置のように、真空排気用のチューブがボンディングツールに固着していることによる問題を生じない。すなわち、ボンディングツール２１と吸引管１１とが非接触であることから、超音波ホーン３からボンディングツール２１に伝達される超音波振動の状態が、吸引管１１により影響を受けることがなく、これによる接合品質のばらつきが生じない。また、吸引管１１は、超音波接合装置１の超音波ホーン支持部５に取り付けられている支持部材１２に支持固定されているので、超音波振動の影響を受けてボンディングツール２１から外れることもない。よって接合品質のばらつきを無くすことができ品質の向上を図ることができる。また、メンテナンス性を向上させることができる。

また、吸引管１１の内面にボンディングツール２１の上端部を挿入したときの前記吸引管１１の内周面と前記ボンディングツール２１の外周面との間の隙間ｂは、ボンディングツールの内径ａよりも十分に小であり、また、前記吸引管の先端部と前記超音波ホーンｃとの隙間ｃも、ボンディングツールの内径ａよりも十分に小である。したがって、吸引管１１に排気チューブ１３を介して接続されるポンプ１４を作動させたときに、外部の空気が前記隙間ｂ及び隙間ｃから吸引管１１内に流入するとしても、排気チューブ１３から吸引管１１を経てボンディングツール２１に至る流路が真空排気の主経路となる。そのため、ボンディングツール２１の先端部に吸着される半導体チップ２４の吸引力の低下は抑制され、ボンディングツール２１の下端部に吸着される半導体チップ２４を確実に吸着保持することができる。

また、前記隙間ｂの流路断面積が、ボンディングツール２１の貫通孔の流路断面積よりも小である場合も、吸引管１１に排気チューブ１３を介して接続されるポンプ１４を作動させたときに、外部の空気が前記隙間ｂ及び隙間ｃから吸引管１１内に流入するとしても、排気チューブ１３から吸引管１１を経てボンディングツール２１に至る流路が真空排気の主経路となる。そのため、ボンディングツール２１の先端部に吸着される半導体チップ２４の吸引力の低下は抑制され、ボンディングツール２１の下端部に吸着される半導体チップ２４を確実に吸着保持することができる。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態の超音波接合装置の要部を示す縦断面図である。図５に示す本実施形態においては、超音波ホーン３の貫通孔３ａに挿入され、ボルト３ｂの締結により固定されるボンディングツール３１が、上端部近傍の外径が小さくなる段付構造になる。このボンディングツール３１の上端部近傍の径は、超音波ホーン３の貫通孔３ａと同軸に近接して配設された吸引管１１の内径に比べてわずかに小さい径になる。また、ボンディングツール３１は、ボンディングツール３１の段付構造の段差部分に吸引管１１の先端が近接するように取り付け固定される。これ以外の構成は、前述した実施形態と同様であり、超音波ホーン３の貫通孔３ａの内径よりも大きい内径を有する吸引管１１の内面にボンディングツール３１の先端部が非接触状態で挿入されている点も同じである。

図５に示した本実施形態の超音波接合装置は、ボンディングツール３１の段付構造の段差部分に吸引管１１の先端が近接するようにボンディングツール３１と吸引管１１とが配設されることから、このボンディングツール３１と段差部分と吸引管１１の先端との間隙をより小さくすることができる。このため、この間隙から吸引管１１へ流入する空気量をいっそう少なくすることができ、主真空経路の吸着力の低下を防止して確実に吸着保持することができる。

以上、図面を用いて本発明の超音波接合装置をフリップチップボンディングの礼で説明したが、本発明の超音波接合装置は、フリップチップボンディングに限定されるものではなく、超音波を併用して接合するものに適用でき、同様の効果が得られる。

本発明の超音波接合装置の一実施形態の説明図。 本発明の超音波接合装置の要部の斜視図。 図２のＡ−Ａ線断面図。 図４のＢ−Ｂ線断面図。 本発明の超音波接合装置の第２実施形態の要部説明図。 従来の超音波接合装置の要部斜視図。

符号の説明

１…超音波接合装置、２…超音波発生源、３…超音波ホーン、１１…吸引管、１２…支持部材

Claims (6)

1. 超音波振動を生じさせる超音波発生源と、
   前記超音波発生源に一方の端部で接続し、他方の端部に貫通孔を有する超音波ホーンと、
   前記超音波ホーンの貫通孔と同軸に近接して配設され、前記貫通孔の内径よりも大きい内径を有する吸引管と、
   前記吸引管を支持する支持部材と、
   前記超音波ホーンの貫通孔を有する側の端部を、被接合部材に向かう方向に移動可能な加圧装置と、
   を備えることを特徴とする超音波接合装置。
2. 前記吸引管の内径が、前記超音波ホーンの貫通孔に着脱可能に取り付けられるボンディングツールの外径よりも大きく、かつ、この前記吸引管の内周面と前記ボンディングツールの外周面との間の隙間が、ボンディングツールの貫通孔の内径よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の超音波接合装置。
3. 前記吸引管の内径が、前記超音波ホーンの貫通孔に着脱可能に取り付けられるボンディングツールの外径よりも大きく、かつ、この前記吸引管の内周面と前記ボンディングツールの外周面との間の断面積が、ボンディングツールの貫通孔の断面積よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の超音波接合装置。
4. 前記吸引管の内径が、前記超音波ホーンの貫通孔に着脱可能に取り付けられるボンディングツールの段付部の外径よりも大きい請求項２記載の超音波接合装置。
5. 超音波接合装置の超音波ホーンの端部に設けられた貫通孔に取り付けられ、一方の端部が前記貫通孔と同軸に近接して配設された吸引管の内面に非接触に挿入されているボンディングツールの他方の端部に、接合部材を吸着保持する工程と、
   前記接合部材を加圧装置により被接合部材に接触加圧させ、超音波発生源からの超音波振動を前記超音波ホーンを通じて前記接合部材に印加して被接合部材と接合する工程と、
   を備えることを特徴とする超音波接合方法。
6. 一つの面にバンプを有する複数の半導体チップから一つの半導チップを選択する工程と、
   超音波接合装置の超音波ホーンの端部に設けられた貫通孔に取り付けられ、一方の端部が前記貫通孔と同軸に近接して配設された吸引管の内面に非接触に挿入されているボンディングツールの他方の端部に、前記半導体チップを吸着保持する工程と、
   前記半導体チップのバンプを加圧装置により基板の配線上に合わせて接触加圧させ、超音波発生源からの超音波振動を前記超音波ホーンを通じて前記半導体チップに印加して基板と接合する工程と、
   を備えることを特徴とする半導体部品の製造方法。

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