JP3573112B2 - ボンディングダメージの計測用基板 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体チップなどの電子部品を基板にボンディングする際に基板に生じるダメージを計測する目的で使用されるボンディングダメージの計測用基板に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
半導体チップなどの電子部品の製造や電子部品の基板への実装においては、ワイヤボンディングやフリップチップボンディングなどの超音波接合が多用されている。この超音波接合は、ワイヤやバンプなどの接合物を被接合対象である電極に対して押圧するとともに接合物に超音波振動を付与することにより、接合界面を形成するものである。
【0003】
この超音波接合においては、接合対象となる半導体チップや基板に対して荷重と超音波振動という機械的負荷が作用するため、荷重や超音波出力などの接合条件が適正でない場合には、クラックなどのダメージを発生させるおそれがある。このため、ボンディングに際しては、個々の半導体チップや基板について適切な接合条件を設定する必要がある。従来よりこの接合条件の設定は、超音波接合を実際に行った後に剥離試験などによって接合部の評価を行い、試行錯誤的に適正条件を求める条件出し作業によって行われていた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、接合後の評価のみに依存する従来の条件出し作業では、接合条件と発生したダメージとの対応関係を知ることができるものの、接合部のクラックなどのダメージの発生メカニズムを具体的に特定するための定量的なデータを得ることができず、適切な接合条件の設定やダメージ防止対策の立案のための有効なデータ入手が困難であるという問題点があった。
【0005】
そこで本発明は、接合部に発生するダメージの要因についてのデータを定量的に計測することができるボンディングダメージの計測用基板を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載のボンディングダメージの計測用基板は、ボンディングにより基板に生じるダメージを歪みゲージにより計測するボンディングダメージの計測用基板であって、基板の表面に形成されたボンディング用の電極と、この電極の下方に絶縁層を介して形成された歪みゲージと、この歪みゲージに接続する信号線とを備えた。
【0007】
請求項2記載のボンディングダメージの計測用基板は、請求項1記載のボンディングダメージの計測用基板であって、前記基板は、半導体より成る。
【0008】
請求項3記載のボンディングダメージの計測用基板は、ボンディングにより基板に生じるダメージを歪みゲージにより計測するボンディングダメージの計測用基板であって、基板の表面に形成された複数のボンディング用の電極と、それぞれの電極の下方に絶縁層を介して形成された歪みゲージと、それぞれの歪みゲージに接続する信号線と計測手段に接続する計測線とを選択的に導通させるスイッチング回路と、このスイッチング回路を駆動する駆動回路とを備え、前記ボンディング用の電極、歪みゲージ、スイッチング回路および駆動回路が、1枚の基板に形成されている。
【0009】
請求項4記載のボンディングダメージの計測用基板は、請求項3記載のボンディングダメージの計測用基板であって、前記基板は、半導体より成る。
【0010】
本発明によれば、ボンディングダメージの計測用基板を、基板の表面に形成されたボンディング用の電極と、この電極の下方に絶縁層を介して形成された歪みゲージと、この歪みゲージに接続する信号線とで構成し、ボンディング時の基板に発生する歪みを計測することにより、ボンディングにおいて発生するダメージの要因についてのデータを定量的に計測することができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図1は本発明の一実施の形態のボンディングダメージの計測装置の側面図、図2は本発明の一実施の形態のボンディングダメージの計測用基板の斜視図、図3は本発明の一実施の形態のボンディングダメージの計測用基板の平面図、図4は本発明の一実施の形態のボンディングダメージの計測用基板のボンディングパッドの拡大斜視図、図5は本発明の一実施の形態のボンディングダメージの計測装置の制御系の構成を示すブロック図、図6は本発明の一実施の形態のボンディングダメージの計測方法の説明図、図7は本発明の一実施の形態のボンディングダメージの計測装置の側面図である。
【0012】
まず図1を参照してボンディングダメージの計測装置の構成について説明する。ボンディングダメージの計測装置は、基板にワイヤボンディングを行う際に基板に生じるダメージを計測するものである。計測には後述するように、複数のボンディングパッドが形成されそれぞれのボンディングパッドの位置に対応して歪みゲージが形成された専用の計測用基板が用いられる。ダメージの計測においては、この計測用基板にボンディング対象物であるワイヤをボンディングしたときの歪みゲージの電気的変化を計測手段で計測する。これにより、ボンディング過程において基板に生じる歪みの経時的変化が求められる。
【0013】
図1において、基板保持部1(保持手段)上には、ボンディングダメージ計測用の基板ユニット2が保持されている。基板ユニット2は、外部接続用のサブ基板3上にボンディングダメージの計測用基板4(以下、単に「基板4」と略記する。)を載置して構成されている。基板保持部1の側方には、移動テーブル5a上にホーン駆動機構5bを装着して構成されたワイヤボンディング装置5が配設されており、ホーン駆動機構5bからはホーン6が基板保持部1の上方に延出している。ホーン6の先端部にはキャピラリツール6aが設けられており、キャピラリツール6aには、ボンディング用のワイヤ7が挿通している。
【0014】
ワイヤ7の下端部にボール7aを形成させた状態で、キャピラリツール6aによってボール7aを基板4のボンディングパッド上に押しつけるとともに、ホーン駆動機構5bによって超音波振動をボール7aに印加することにより、ボール7aは超音波振動と荷重の作用によって基板4にボンディングされる。このワイヤボンディングにより、基板4のボンディングパッド上にはバンプが形成される。ホーン駆動機構5b、ホーン6およびキャピラリツール6aは、ボンディング機構(図5に示すボンディング機構23)を構成する。
【0015】
このワイヤボンディングの過程においては、ボンディングパッドの位置に形成された歪みゲージの電気的変化が、サブ基板3に接続された計測手段9によって計測される。このとき、基板4に形成された複数のボンディングパッドに対応する歪みゲージのうち、ワイヤボンディングが行われるボンディングパッドに対応する歪みゲージが、ワイヤボンディング装置5の制御部8からの指示によって、計測手段9に選択的に接続される。すなわち、ワイヤボンディング装置5は、計測手段9に接続されている歪みゲージ20に対応したボンディングパッド10にボンディング対象物をボンディングするボンディング手段となっている。
【0016】
次に図2、図3、図4を参照して、基板ユニット2および基板4について説明する。図2に示すようにサブ基板3上には、基板4が載置されている。基板4は半導体であるシリコンより成り、基板4の上面には複数のボンディング用の電極であるボンディングパッド10が格子状に形成されている。
【0017】
図4は、基板4から1つのボンディングパッド10を切り出した状態を示しており、基板4はシリコン基板4aの上面に、2層の絶縁層4b,4cを形成した構成となっている。ボンディングパッド10の表面は、導電体より成る電極10aで覆われており、電極10aの下方には、2層の絶縁層4c,4bを介して細長形状の歪みゲージ20がシリコン基板4aの上面に形成されている。歪みゲージ20はピエゾ抵抗素子であり、2軸方向(水平方向、すなわち基板4の表面に平行な方向、およびこの方向と直交する垂直方向)の微小歪みを計測することができる。
【0018】
図3、図4に示すように、歪みゲージ20は、1本の抵抗素子に複数の結線電極20aを等ピッチで形成することにより複数の歪みゲージを直列に連結した構成となっている。このような構成により、歪み計測の空間分解能を向上させるとともに、結線電極の総数を減少させて所要計測チャンネル数の低減が可能となっている。
【0019】
各結線電極20aには絶縁層4b,4c(図4参照)の界面に形成された信号線21が接続されている。各歪みゲージ20の信号線21は、配線回路を介して基板4に作り込まれたスイッチング回路18に接続されており、スイッチング回路18には、同様に基板4に作り込まれた駆動回路19が接続されている。すなわち、基板4には、ボンディング用の電極としてのボンディングパッド10、歪みゲージ20、スイッチング回路18および駆動回路19が、1枚の基板に形成されている。また基板4の中心位置には熱電対等の温度検出部22が形成されており、歪み計測時に基板4の温度も同時に検出し、温度による計測値の変動を較正するための温度データを取得することができるようになっている。
【0020】
基板4の上面の相対向する2辺には、外部接続用の電極11,12が列状に形成されている。片側の電極11は計測信号出力用の電極であり、電極11のうちの2つの電極11aは温度検出部22に接続されており、4つの電極11bはスイッチング回路18を介して歪みゲージ20の信号線と接続される。また他方側の列状の電極12は、駆動回路19と接続されている。
【0021】
図2に示すように、基板4の電極11,12はサブ基板3に形成された電極13a,13b,14にワイヤボンディングによって接続されている。電極13a,13b,14はさらに図示しない内部回路によって、外部接続用の端子15a,15b,16にそれぞれ接続されている。端子15a,15bは、外部配線(計測線)により計測手段9と接続され、また端子16は外部配線(制御配線)により制御部8にそれぞれ接続されている。
【0022】
図5に示すように、基板4がサブ基板3を介して計測手段9、制御部8と接続された状態では、スイッチング回路18及び温度検出部22は計測手段9と接続され、駆動回路19は、制御部8と接続される。計測手段9は、歪みゲージ20の電気的変化、すなわち抵抗値の変化を計測するとともに、温度検出部22によって検出された基板4の温度を計測する。
【0023】
計測手段9による歪みゲージ20の電気的変化の計測において、駆動回路19がスイッチング回路18を駆動することにより、複数の歪みゲージ20のうちワイヤボンディングが行われるボンディングパッド10に対応した歪みゲージ20と計測手段9とを導通させる。すなわち、歪みゲージ20に接続する信号線21と計測手段9に接続する計測線とを選択的に導通させるスイッチング回路18と、スイッチング回路18を駆動する駆動回路19は、計測手段9と歪みゲージ20とを選択的に接続する選択手段となっている。
【0024】
そして、この選択手段によって計測手段9に接続されている歪みゲージ20に対応したボンディングパッド10に、ボンディング機構23によってワイヤボンディングが行われる。このワイヤボンディングの対象となるボンディングパッド10の位置の指示は、ワイヤボンディング装置5の制御部8によって行われる。すなわち、制御部8は、駆動回路19に対してボンディング対象となるボンディングパッド10に対応した歪みゲージ20を指示する指示手段となっている。
【0025】
このボンディングダメージの計測装置は上記のように構成されており、以下ボンディングダメージの計測について説明する。この計測は、基板4のボンディングパッドにワイヤボンディングによって金属バンプを形成する際の歪みゲージ20の抵抗値の変化を計測手段9によって計測して、ボンディング位置に発生する歪みを求めるものである。
【0026】
まず、歪みゲージ20に接続する信号線21と計測手段9に接続する計測線とを選択的に導通させるスイッチング回路を駆動して、歪みゲージ20のうちのいずれか1つを計測手段9に接続する(第1の工程)。
【0027】
次に、ワイヤボンディング装置5により、ワイヤボンディングを実行する。すなわち、計測手段9に接続されている歪みゲージ20に対応したボンディングパッド10に、ボンディング手段によりワイヤ7のボール7aをボンディングする。このボンディングにおいては、図6に示すように、キャピラリツール6aによってボール7aをボンディングパッド10に対して所定荷重で押しつけるとともに、ボール7aに対して超音波振動を矢印a方向に印加する。
【0028】
そしてこのボンディング過程において、当該歪みゲージ20の抵抗値の変化を計測手段9により計測する(第2の工程)。これにより、ボンディング位置の直下における基板4の歪みの時間的変化が求められ、ボンディング過程での当該計測位置における水平方向および垂直方向の応力状態を知ることができ、ボンディングによる基板4のダメージの状態を示す定量データを計測によって求めることができる。
【0029】
そして上記歪みゲージの選択(第1の工程)と、選択された歪みゲージに対応したボンディングパッドを対象としたワイヤボンディングおよび当該歪みゲージを対象とした上記計測(第2の工程)が繰り返し行われる。これにより、同一の基板4に形成された複数のボンディングパッド10におけるボンディングダメージの計測を効率よく行うことができる。
【0030】
なお、上記説明においては、ボンディングの形態がワイヤボンディングであり、ボンディング対象物としてのボール7aを基板4のボンディングパッド10にボンディングする例を示したが、フリップチップボンディングに対しても本発明を適用することができる。すなわち図7に示すように、この場合においては、下面にバンプ31が形成されたフリップチップ30がボンディング対象物であり、このフリップチップ30を基板4にボンディングする際に基板4に生じるボンディングダメージが計測の対象となる。
【0031】
図7において、基板保持部1は図1に示すものと同様に、基板4が載置された基板ユニット2を保持する。基板保持部1の上方には、ボンディングツール32およびボンディングツール32を駆動するツール駆動機構33を備えたチップボンディング装置34が配設されている。フリップチップ30を保持したボンディングツール32を基板4に対して下降させ、バンプ31を基板4のボンディングパッド10に対して押圧するとともに超音波振動を印加することにより、バンプ31は基板4のボンディングパッド10に超音波振動と荷重によりボンディングされる。
【0032】
サブ基板3に形成された端子は、図1と同様に計測手段9及びチップボンディング装置34の制御部35に接続される。これにより、前述のワイヤボンディングの例と同様に、ボンディングとともに行われる計測において計測手段9と計測対象として特定された歪みゲージ20とが選択的に接続される。そして、計測手段9に接続されている歪みゲージ20に対応したボンディングパッド10に、フリップチップ30のバンプ31がボンディングされる。このフリップチップボンディングの対象となるボンディングパッド10の位置の指示は、制御部35によって行われる。
【0033】
フリップチップボンディングを対象としたボンディングダメージの計測において、図5に示すように追加の計測チャンネルを備えた計測手段9’を増設することにより、ボンディング過程において複数のボンディングパッドを対象として同時に計測を行うことができ、計測作業の効率を向上させることができる。
【0034】
なお上記実施の形態では、計測用の基板4として、ボンディング用の電極としてのボンディングパッド10、歪みゲージ20、スイッチング回路18および駆動回路19が、同一の基板4に形成された構成のものを用いているが、スイッチング回路18および駆動回路19の機能を基板4と別個に設けるようにしてもよい。この場合には、基板4の各ボンディングパッド10の位置に設けられた歪みゲージ20を、信号線21によって基板4と別個に設けられたスイッチング回路18と接続させる。
【0035】
更に上記実施の形態では、複数の歪みゲージ20に対して1つの温度検出部22を共用しているが、各歪みゲージ20の近傍に、それぞれの歪みゲージ専用の温度検出部22を設け、スイッチング回路18により1つの歪みゲージ20とその近傍の温度検出部22とを計測手段9に選択的に接続するようにしてもよい。
【0036】
【発明の効果】
本発明によれば、ボンディングダメージの計測用基板を、基板の表面に形成されたボンディング用の電極と、この電極の下方に絶縁層を介して形成された歪みゲージと、この歪みゲージに接続する信号線とで構成し、ボンディング時の基板に発生する歪みを計測するようにしたので、接合部に発生するダメージの要因についてのデータを定量的に計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態のボンディングダメージの計測装置の側面図
【図2】本発明の一実施の形態のボンディングダメージの計測用基板の斜視図
【図3】本発明の一実施の形態のボンディングダメージの計測用基板の平面図
【図4】本発明の一実施の形態のボンディングダメージの計測用基板のボンディングパッドの拡大斜視図
【図5】本発明の一実施の形態のボンディングダメージの計測装置の制御系の構成を示すブロック図
【図6】本発明の一実施の形態のボンディングダメージの計測方法の説明図
【図7】本発明の一実施の形態のボンディングダメージの計測装置の側面図
【符号の説明】
1 基板保持部
4 基板
5 ワイヤボンディング装置
5b ホーン駆動機構
6 ホーン
7 ワイヤ
7a ボール
8 制御部
9 計測手段
10 ボンディングパッド
10a 電極
18 スイッチング回路
19 駆動回路
20 歪みゲージ
21 信号線
Claims (4)
- ボンディングにより基板に生じるダメージを歪みゲージにより計測するボンディングダメージの計測用基板であって、基板の表面に形成されたボンディング用の電極と、この電極の下方に絶縁層を介して形成された歪みゲージと、この歪みゲージに接続する信号線とを備えたことを特徴とするボンディングダメージの計測用基板。
- 前記基板は、半導体より成ることを特徴とする請求項1記載のボンディングダメージの計測用基板。
- ボンディングにより基板に生じるダメージを歪みゲージにより計測するボンディングダメージの計測用基板であって、基板の表面に形成された複数のボンディング用の電極と、それぞれの電極の下方に絶縁層を介して形成された歪みゲージと、それぞれの歪みゲージに接続する信号線と計測手段に接続する計測線とを選択的に導通させるスイッチング回路と、このスイッチング回路を駆動する駆動回路とを備え、前記ボンディング用の電極、歪みゲージ、スイッチング回路および駆動回路が、1枚の基板に形成されていることを特徴とするボンディングダメージの計測用基板。
- 前記基板は、半導体より成ることを特徴とする請求項3記載のボンディングダメージの計測用基板。
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