JP3176580B2 - 電子部品の実装方法及び実装装置 - Google Patents
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Description
体への実装方法に関し、特にフリップチップボンディン
グを行う際のボンディングの接合の良否を検査する方法
と装置に関する。
板導体への高密度実装方式として、フリップチップボン
ディング方式が開発され、実用化されている。
半導体チップの電極または基板導体の電極にバンプ(半
田バンプや金バンプ)を形成し、半導体チップの電極を
フェイスダウンで基板導体の対向する電極にバンプを介
して接合する方式であり、チップ表面の任意の位置から
電極が取り出せるので、基板導体と最短距離の接続が可
能なばかりでなく、電極数が増えてもチップサイズが大
形にならず、しかも超薄形実装ができるのが特徴であ
る。
ける半導体チップの電極または基板導体の電極に設けた
バンプと相手側の電極との接合方法としては、半田リフ
ロー、異方導電性樹脂接続、熱圧着、超音波併用熱圧着
などが採用されている。
は、図12のように、超音波振動発生装置8と、ホーン
7と、コレットツール6と、基板導体加熱装置4と、制
御系装置9と、からなり、フリップチップボンディング
方式の超音波併用熱圧着接続を行う電子部品である半導
体チップ3の実装装置10における基板導体1側を基板
導体加熱装置4で加熱しながら半導体チップ3側のコレ
ットツール6に圧電素子8等によってホーン7を介して
超音波振動を加え、半導体チップ3に形成したバンプ5
と基板導体1の電極2とを拡散接合する方法である。
て、(イ)接合材料が不要であること、(ロ)短時間で
接続可能なこと、(ハ)比較的低温で接続可能なこと、
等のメリットがある。
来のフリップチップボンディング方式の超音波併用熱圧
着接続方法による実装方法は、上記種々のメリットがあ
る一方で、超音波振動の伝搬が不安定で接合不良を起こ
す危険性があるという問題が生じている。これは、図1
2における従来の半導体チップ3の裏面(図の上面)と
コレットツール6の間での滑り、ホーン7からの振動の
拡散、圧電素子8の経時劣化等が原因と考えられる。
は、接合部分が外から見て半導体チップ3の裏側に隠れ
てしまうため、接合部を後から外観検査することができ
ない。したがって、上記接合不良の発生は特に重大な問
題となる。
あり、電子部品を超音波併用熱圧着接続方法にて基板導
体にフリップチップボンディングする際のボンディング
の接合状態を逐次検査しながら実装する方法及びその実
装装置を提供するものである。
ルと、基板導体加熱装置と、制御系装置と、からなり、
フリップチップボンディング方式の超音波併用熱圧着接
続を行う電子部品の実装装置において、電子部品の電極
または基板導体の電極に設けたバンプの沈み込み量をモ
ニタリングする高さ測定装置を前記制御系装置と連結し
て備え、前記制御系装置は前記高さ測定装置で得たバン
プの沈み込み量が所望の範囲内か否かで接合の良否判定
を行いつつ実装することを特徴とする電子部品の実装装
置を提供することにより上記目的を達成するものであ
る。
電子部品を基板導体に対して降下させ、電子部品の電極
または基板導体の電極に設けたバンプが対向する相手側
の電極と接した時点から所定加重を印加し、次に所定加
重と超音波振動を所定時間印加することによるバンプの
沈み込み量を高さ測定装置にてモニタリングし、前記超
音波振動印加時のバンプの沈み込み量が所望の範囲内で
あるか否かによってフリップチップボンディング方式の
超音波併用熱圧着接続による接合の良否判定を行うこと
を特徴とする電子部品の実装方法を提供することにより
上記目的を達成するものである。
いて、バンプが対向する相手側の電極と接した時点から
所定加重を所定時間印加した状態での第1段階のバンプ
の沈み込み量と、さらに超音波振動を所定時間印加する
ことによる第2段階のバンプの沈み込み量と、を高さ測
定装置にて個別にモニタリングし、前記各段階のバンプ
の沈み込み量が各々所望の範囲内であるか否かによって
フリップチップボンディング方式の超音波併用熱圧着接
続による接合の良否判定を行うことを特徴とする電子部
品の実装方法を提供することにより上記目的を達成する
ものである。
トツールと、基板導体加熱装置と、制御系装置と、から
なり、フリップチップボンディング方式の超音波併用熱
圧着接続を行う電子部品の実装装置において、電子部品
またはバンプの振動状態をモニタリングする振動測定装
置を制御系装置と連結して備えてなることを特徴とする
電子部品の実装装置を提供することにより上記目的を達
成するものである。
実装時の電子部品の振動状態を測定するとともにこれを
基準波形と比較することにより超音波振動が正常に印加
されたか否かを判定して接合の良否を検査することを特
徴とするフリップチップボンディング方式の超音波併用
熱圧着接続方法による基板導体への電子部品の実装方法
を提供することにより上記目的を達成するものである。
トツールと、基板導体加熱装置と、制御系装置と、から
なり、フリップチップボンディング方式の超音波併用熱
圧着接続を行う電子部品の実装装置において、超音波振
動発生装置に印加される電圧または電流またはその双方
をモニタリングする測定装置を制御系装置と連結して備
えてなることを特徴とする電子部品の実装装置を提供す
ることにより上記目的を達成するものである。
て超音波振動発生装置に印加される電圧・電流を測定す
るとともにこれを基準波形と比較することにより超音波
振動が正常に印加されたか否かを判定して接合の良否を
検査することを特徴とするフリップチップボンディング
方式の超音波併用熱圧着接続方法による基板導体への電
子部品の実装方法を提供することにより上記目的を達成
するものである。
装時の電子部品(主に半導体チップ)のバンプの高さ変
位(沈み込み量)をモニタリングする手段、また上記
(4)、(5)は実装時の電子部品あるいはバンプの振
動状態(振幅または振動速度または振動加速度など)を
モニタリングする手段、また上記(6)、(7)は超音
波振動発生装置(主に圧電素子を利用)に印加される電
圧・電流をモニタリングする手段を用いながら接合の良
否を基準と比較しつつ実装を行うのである。
て詳細に説明する。なお、従来と同等部材については同
符合にて指称する。
わる電子部品の実装装置のシステム概念図である。
す図であり、図3は実装時のツールヘッドの動きを説明
するための図である。
との接合強度の関係を表すグラフである。
出手段を備えた電子部品の実装装置のシステム概念図で
ある。
検出手段を備えた電子部品の実装装置のシステム概念図
である。
わる実装装置のシステム概念図である。
形W0との比較図である。
クトルを各々基準波形W0の対応する基準波スペクトル
と比較した図である。
係わる電子部品の実装装置のシステム概念図である。
した電流波形iと基準電流波形i0との比較図である。
置20は、フリップチップボンディング方式の超音波併
用熱圧着接続を行う装置であって、超音波振動発生装置
8と、ホーン7と、コレットツール6と、基板導体加熱
装置(図示略)と、制御系装置9と、加えて上記コレッ
トツール6に吸着された電子部品としての半導体チップ
3の電極または基板導体(図示略)の電極に設けたバン
プ5の沈み込み量をモニタリングする高さ測定装置とし
てのレーザー変位計11を前記制御系装置9と連結して
備え、前記制御系装置9は前記レーザー変位計11で得
たバンプの沈み込み量が所望の範囲内か否かで接合の良
否判定を行いつつ実装することを特徴とする(請求項1
に対応)。
を用いた基板導体への実装は以下のステップで行なわれ
る。
ように高さH=50μmのバンプ5(例えばAuバン
プ)を電極に形成した半導体チップ3をコレットツール
のヘッド12にて吸着して基板導体1の電極2に対向し
て下降させる。
導体チップ3のバンプ5と基板導体1の電極2とが接し
た時点で所定加重R(バンプ5の材質・形状・大きさと
個数等によって適宜設定されるが、通常は数百gw〜1
kgwである。)を概ね数百ミリ秒印加する。この際、
前記所定加重Rによってバンプ5は多少潰されて沈み込
む(これを第1段階の沈み込み量H1とする)。
定加重Rと超音波振動US(横方向の振動)を所定時間
印加して半導体チップ3の電極と基板導体1の電極2と
をバンプ5の超音波併用熱圧着で接合させる。
レットツールのヘッド12を半導体チップ3から離して
上昇させるとともに、前記所定加重Rと超音波振動US
を所定時間印加したことによるバンプ5の沈み込み量
(これを第2段階の沈み込み量H2とする)を図1のレ
ーザー変位計11(高さ測定装置)にてモニタリング
し、前記バンプ5の沈み込み量H2が所望の範囲内であ
るか否かによってフリップチップボンディング方式の超
音波併用熱圧着接続による接合の良否判定を行う。
の高さ方向の動きは図2のようになっており、図3と対
応させると以下の通りである。(A)はヘッド12の下
降の段階であり、図3の(a)の状態に対応する。
(B)はバンプ5と相手側の基板導体1の電極2とが接
した時点から所定加重Rを所定時間T1印加する段階で
あり、図3の(b)の状態に対応する。(C)は所定加
重Rと超音波振動USを所定時間T2印加する段階であ
り、図3の(c)の状態に対応する。(D)は接合終了
してバンプの前記(C)の段階の沈み込み量H2をモニ
タリングして接合の良否を判定するとともにヘッド12
を上昇させる段階であり、図3の(d)の状態に対応す
る。
込み量H2(換言すれば、バンプ5が所定加重Rと超音
波振動USを印加されて潰れることによる半導体チップ
3の基板導体に対する高さの変位量)と当該バンプ5に
よる半導体チップ3の電極と基板導体1の電極2との接
合強度は実験から図4のような関係にあることが分かっ
ている。
電極2への接合強度が50gf以上を良、それ未満を不
可とする判定基準を予め設定するならば、図2の(C)
の過程での第2段階の沈み込み量H2が25μm以上を
良、25μm未満を否とし、先のレーザー変位計11か
らのモニタリングデータを基に制御系装置9にて接合の
良否判定を行う(請求項2に対応)。
の製品は否となるため、不良として以後処理するか、あ
るいは再度超音波を印加して所望の沈み込み量H2が得
られれば再生することができ、これにより接合不良を後
工程に流すことなく、また製品歩留まりを上げることが
できる。
の過程での第2段階の沈み込み量H2のみをモニタリン
グする方法であって、勿論このモニタリング手段でも接
合状態の良否判定に不足はないが、より精度良く良否判
定を行うには、前記第1段階の沈み込み量H1をもモニ
タリングして、第1段階の沈み込み量H1と第2段階の
沈み込み量H2の両者を接合の良否判定のデータにする
方が望ましいといえる。
が対向する相手側の電極と接した時点から所定加重Rを
所定時間T1印加した状態での第1段階のバンプの沈み
込み量H1と、さらに超音波振動USを所定時間T2印
加することによる第2段階のバンプの沈み込み量H2
と、を高さ測定装置のレーザー変位計11にて個別にモ
ニタリングし、前記各段階のバンプの沈み込み量H1、
H2が各々所望の範囲内であるか否かを制御系装置9に
て判定することによってフリップチップボンディング方
式の超音波併用熱圧着接続による当該半導体チップ3の
基板導体1への接合の良否判定を行う(請求項3に対
応)。
階での所定加重Rを所定時間T1印加した際のバンプ5
の沈み込み量H1が設定された通常の数値範囲から外れ
た場合は、バンプ形状異常やバンプの抜けが起こってい
ると考えられるので、接合前の前段階でのバンプの良否
判定ができることになる。このように第1段階の沈み込
み量H1と第2段階の沈み込み量H2を分けて各々モニ
タリング、評価することによって、接合の良否判定を高
い精度で行うことができる。
H2をモニタリングするためのヘッド12の高さを逐次
モニタリングする高さ測定装置としては上記レーザー変
位計11以外のもの、例えばパルスモータのパルス数カ
ウントなど他の装置であってもよい。
示されるようなシステムとして、コレットツール6にグ
リッドGを目盛りとして入れる手段、即ち、電子部品を
吸着して基板導体に接合するコレットツール6の側面に
例えば1μm刻みのグリッドGを形成し、コレットツー
ル先端のヘッドの半導体チップ3がバンプに触れた時を
基準として、超音波振動US印加中にグリッドセンサー
31を通過するグリッドの数を光、レーザーなどでカウ
ントし、チップの第2段階の沈み込み量H2をこれより
求めることもできる。なお、上記グリッドGの形成を磁
性体で行い、磁気センサーでカウントしてもよい。ま
た、グリッドを入れる位置はホーン7の先端でもよい。
測る他の測定手段として、静電容量による計測手段があ
る。即ち、図6に示されるようにホーン7の下死点から
例えば1mm下方に平板電極Bを設け、この平板電極B
と金属でできたホーン7との間の静電容量Cを求める。
静電容量Cはホーン7と平板電極Bの間の距離Sによっ
て決まることから該静電容量Cを静電容量検出計で計る
ことによって半導体チップ3の沈み込み量を検知し、前
述の実施の形態同様に良否の判定を行うことができる。
としてコイルホーンを直接取り付けてそのインダクタン
ス成分により当該コイルホーンと基板導体との距離を求
めることもできる。
及び請求項5に係る実装方法について説明する。
であるが、従来の電子部品(半導体チップ)の実装装置
10に加えて、半導体チップ3またはバンプ5の振動状
態をモニタリングする振動測定装置21を制御系装置9
と連結して備えてなることを特徴とし(請求項4に対
応)、実装時の半導体チップ3の例えば振動波形Wを測
定するとともにこれを図8の予め設定された基準波形W
0と比較することにより、超音波振動USが正常に印加
されたか否かを判定して接合の良否を検査する(請求項
5に対応)。
振動USによる振動波形は接合過程において一定の変化
を示すため、基準振動波形W0とモニタリングした振動
波形Wとのずれから、接合部に超音波振動USが正常に
印加されたか否かを判断することができるのである。
て振動波形Wを測定対象にし、振動測定装置21として
レーザードップラー振動計22を備える。そして上記半
導体チップ3に前記レーザードップラー振動計22のレ
ーザー光を照射し、実装時の半導体チップ3の振動状態
(振幅と振動速度)を波形としてモニタリングする。得
られた振動波形Wを制御系装置9にて基準波形W0と比
較することにより、超音波振動USが正常にバンプ5に
印加されたか否かを検知することができ、基準波形W0
の許容範囲から外れたものを不良として処理する。
振動波形WをFFT(高速フーリエ変換)により周波数
分解して各スペクトルW1,W2,・・を各々基準波形
W0の対応する基準波スペクトルW01,W02,・・と比
較すれば、より定量的に比較判定ができる。
わる実装装置について説明する。
図であるが、従来の電子部品(半導体チップ)の実装装
置10に加えて、超音波振動発生装置(圧電素子)8に
印加される電流iをモニタリングする測定装置を制御系
装置9と連結してその内部に備えてなることを特徴とし
(請求項6に対応)、測定された電流iの波形を図11
の予め設定された基準電流波形i0と比較することによ
り超音波振動USが正常にバンプ5に印加されたか否か
を判定して接合の良否を検査する(請求項7に対応)。
発生装置8としての圧電素子に印加される電圧V・電流
iは接合過程において一定の変化を示すため、基準電圧
波形V0または基準電流波形i0とモニタリングした対応
する波形V,iとのずれから、接合時に超音波振動US
が正常であったかどうか判断することができるのであ
る。
わりに印加する電圧Vの波形またはその双方をモニタリ
ングして各々予め設定された基準波形と比較しても良
い。
に流れる電流iをモニタリングする測定装置としてホー
ル素子を用いた電流プローブを使用すれば、測定時のノ
イズが低減でき測定精度が上がるであろう。
電流波形i0とを比較することにより(前述のFFTに
よるスペクトル比較分析)、超音波振動USが正常にバ
ンプ5に印加されたか否かを知ることができ、基準電流
波形i0の許容範囲から外れたものを不良として以後処
理する。
ンプ5が半導体チップ3の電極側に設けられているケー
スであったが、バンプ5が基板導体1の電極2側に設け
られているケースでも同様であることは言うまでもな
い。
の実装方法は、主に半導体チップ3を対象として説明し
たが、超音波併用熱圧着方式にてフリップチップボンデ
ィング可能な電子部品の全てに適用可能であることは言
うまでもない。
ように、本発明に係る電子部品の実装方法及び実装装置
は、電子部品の電極または基板導体の電極に設けたバン
プの沈み込み量または振動状態または超音波振動発生装
置(圧電素子)の電圧・電流をモニタリングして基準値
もしくは基準波形と比較することにより、当該電子部品
のバンプによる接合状態・超音波振動状態が正常かどう
か実装と同時に判断できるので、それにより異常が生じ
た場合には、(a)直ちに機械を停止して異常を報知す
る、(b)製品を不良としてマーキングする、(c)再
度超音波を印加して製品を再生する、(d)正常となる
まで超音波を印加し続ける、という措置を適宜採ること
ができ、接合不良を判別あるいは再生できるという優れ
た効果を有する。
品の実装装置のシステム概念図である。
る。
図である。
度の関係を表すグラフである。
えた電子部品の実装装置のシステム概念図である。
備えた電子部品の実装装置のシステム概念図である。
置のシステム概念図である。
比較図である。
々基準波形W0の対応する基準波スペクトルと比較した
図である。
部品の実装装置のシステム概念図である。
の波形と基準電流波形i0との比較図である。
音波併用熱圧着接続方法による実装装置のシステム概念
図である。
Claims (7)
- 【請求項1】 超音波振動発生装置と、ホーンと、コレ
ットツールと、基板導体加熱装置と、制御系装置と、か
らなり、フリップチップボンディング方式の超音波併用
熱圧着接続を行う電子部品の実装装置において、電子部品の電極または基板導体の電極に設けたバンプの
沈み込み量 をモニタリングする高さ測定装置を前記制御
系装置と連結して備え、前記制御系装置は前記高さ測定
装置で得たバンプの沈み込み量が所望の範囲内か否かで
接合の良否判定を行いつつ実装することを特徴とする電
子部品の実装装置。 - 【請求項2】 請求項1記載の電子部品の実装装置にて
電子部品を基板導体に対して降下させ、電子部品の電極
または基板導体の電極に設けたバンプが対向する相手側
の電極と接した時点から所定加重を印加し、次に所定加
重と超音波振動を所定時間印加することによるバンプの
沈み込み量を高さ測定装置にてモニタリングし、前記超
音波振動印加時のバンプの沈み込み量が所望の範囲内で
あるか否かによってフリップチップボンディング方式の
超音波併用熱圧着接続による接合の良否判定を行うこと
を特徴とする電子部品の実装方法。 - 【請求項3】 請求項2記載の電子部品の実装方法にお
いて、バンプが対向する相手側の電極と接した時点から
所定加重を所定時間印加した状態での第1段階のバンプ
の沈み込み量と、さらに超音波振動を所定時間印加する
ことによる第2段階のバンプの沈み込み量と、を高さ測
定装置にて個別にモニタリングし、前記各段階のバンプ
の沈み込み量が各々所望の範囲内であるか否かによって
フリップチップボンディング方式の超音波併用熱圧着接
続による接合の良否判定を行うことを特徴とする電子部
品の実装方法。 - 【請求項4】 超音波振動発生装置と、ホーンと、コレ
ットツールと、基板導体加熱装置と、制御系装置と、か
らなり、フリップチップボンディング方式の超音波併用
熱圧着接続を行う電子部品の実装装置において、 電子部品またはバンプの振動状態をモニタリングする振
動測定装置を制御系装置と連結して備えてなることを特
徴とする電子部品の実装装置。 - 【請求項5】 請求項4記載の電子部品の実装装置にて
実装時の電子部品の振動状態を測定するとともにこれを
基準波形と比較することにより超音波振動が正常に印加
されたか否かを判定して接合の良否を検査することを特
徴とするフリップチップボンディング方式の超音波併用
熱圧着接続方法による基板導体への電子部品の実装方
法。 - 【請求項6】 超音波振動発生装置と、ホーンと、コレ
ットツールと、基板導体加熱装置と、制御系装置と、か
らなり、フリップチップボンディング方式の超音波併用
熱圧着接続を行う電子部品の実装装置において、 超音波振動発生装置に印加される電圧または電流または
その双方をモニタリングする測定装置を制御系装置と連
結して備えてなることを特徴とする電子部品の実装装
置。 - 【請求項7】 請求項6記載の電子部品の実装装置にて
超音波振動発生装置に印加される電圧・電流を測定する
とともにこれを基準波形と比較することにより超音波振
動が正常に印加されたか否かを判定して接合の良否を検
査することを特徴とするフリップチップボンディング方
式の超音波併用熱圧着接続方法による基板導体への電子
部品の実装方法。
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