JP3896277B2 - 超音波フリップチップ実装方法および装置 - Google Patents

超音波フリップチップ実装方法および装置 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ICチップを単体(ベアチップ)の状態で回路基板に実装する場合に、ICチップの電極に形成したバンプを回路基板の電極に押圧しつつ超音波振動を与えて接合する超音波フリップチップ実装方法と、装置とに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、モバイル情報通信関連商品等においては、回路実装基板のよりいっそうの小型、軽量、高周波化による高性能化と、コストダウンとが切望されている。そのため、ICと回路基板の直接実装が可能なフリップチップ実装が有効となる。中でも超音波振動を利用した金属拡散接合は、低接続抵抗、高接合強度、短時間接合等の特徴があり、ますます注目を集めている。
【0003】
ここで図7、図8および図9に基づいて従来の超音波フリップチップ実装方法を説明する。図7はICチップの電極に対するワイヤボンディング工法を利用したバンプの形成方法を示す。まず、図7(a)において、キャピラリ201に保持された金ワイヤ202の先端に放電作用によりボール203を形成し、キャピラリ201を矢印アの方向に移動させることによりボール203をICチップ204の電極205に押圧し接合する。
【0004】
この接合には熱圧着あるいはこれに超音波振動を加える方法がある。さらに図7(b)で示すように、金ワイヤ202と共にキャピラリ201を矢印イの方向に移動させることにより金ワイヤ202を引きちぎり、電極205上にバンプ206を形成する。このようにして形成されたバンプ206は先端206Aが尖った鋲状の形態を呈する。
【0005】
図8は従来の一般的な超音波フリップチップ実装装置の主要部を示す。図9はその接合過程を説明する図である。まず、前述した方法でバンプ206が形成されたICチップ204をバンプ206の形成面を下にして、接合ツール先端101にエア流路102を利用して発生させた負圧により吸着保持する。
【0006】
さらにステージ103上に回路基板104を載置し、ICチップ204に形成されたバンプ206と回路基板104上の電極105とを位置合わせしたのち、接合ツール101を矢印エの方向に下降させる。この結果バンプ206の先端206Aが電極105に当接し、先端206Aが僅かにつぶれる。ここで、超音波信号発生器(発振器)106で発生した電気エネルギーが振動子107に伝達され、振動子107は前記電気エネルギーを物理的な超音波振動に変換する。
【0007】
さらに前記超音波振動は振動ホーン108により矢印ウ方向の縦波として伝達され、これに連結された接合ツール101に所定の超音波振動を与える。このようにして、接合部に回路基板104の表面と平行方向の超音波振動を付与し、同時に回路基板104の表面に対して垂直に押圧する矢印エ方向の荷重(加圧力)を加える。さらにこの接合部を所定の温度に加熱しておくことでバンプ206は図9(a)から図9(b)のように変形しながら電極105に接合する。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、前記した接合方法の結果においてバンプ206と電極105の接合部を分析してみると、下記の現象が見出された。図9(a)の段階では、矢印エの方向に押圧されることによりバンプ206の先端206Aがつぶれ、その結果生じたバンプ206と電極105の当接面は前記分析の結果拡散接合していないか、接合していたとしてもその接合力が弱いことが解った。また図9(b)の段階、つまり超音波振動と加熱及び加圧によりバンプ206が変形した段階では電極105に当接した部分は両金属間で拡散接合していることが解った。
【0009】
言い換えると、接合部は中心部で拡散接合せず、周囲だけが拡散接合することになり、いわゆるドーナッツ形現象が生じていることになる。この結果から、より強固で信頼性のある接合を得るために、図9(a)の段階におけるバンプ206の先端206Aのつぶれは極力小さい方が有利になることが解った。
【0010】
しかしながら、前記したように図9(a)の段階のつぶれ量を小さくすると、下記のような問題が生じる。接合装置は精密作業を目的として設計、製造されたものであるから、その機構的精度の確保には多大な努力が注がれている。しかし、図8におけるステージ103の上面と矢印エの方向にICチップ204を押圧する摺動機構の直角度、あるいはステージ103の上面と接合ツール101の下面の平行度の誤差がプラマイナスゼロということはほぼ有り得ない。
【0011】
また、ICチップ204あるいは回路基板104の厚みが完全に均一であることもほぼ有り得ない。このような状況の中で図9(b)のように矢印ウの方向に超音波振動が加えられると、ICチップ204は位置決めされた位置からずれようとする挙動を呈す。その時、バンプ206の先端206Aが僅かしかつぶれていない場合には、バンプ206の先端206Aと電極105との摩擦による制動力が少ないために次第に位置ずれを起こしたり、細長く残ったバンプ206の突出部(先端206A)が座屈変形して横ずれを起こしたりすることで、致命的な欠陥の発生に至る場合があり得る。
【0012】
この発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、超音波振動の付与直後にバンプの位置ずれが発生するのを防止しICチップを正確な位置に実装することを可能にすると共に、バンプと回路基板の電極との間の拡散接合の領域を増やして接合の信頼性を高めることが可能になる超音波フリップチップ実装方法を提供することを第1の目的とする。
【0013】
またこの方法の実施に直接使用する超音波フリップチップ実装装置を提供することを第2の目的とする。
【0014】
【発明の構成】
この発明によれば第1の目的は、ICチップの電極に形成した先端が尖った形状のバンプを、回路基板の電極に位置合わせして超音波接合する超音波フリップチップ実装方法であって、前記回路基板の電極に対する前記バンプの加圧力を時間の経過に伴い増大させる一方、前記バンプの先端が所定量つぶれる加圧力を第1設定加圧力とし、加圧力がこの第1設定加圧力に到達した時点から所定時間遅れて接合部に超音波エネルギーを加え始め、この超音波エネルギーを接合初期に小さくしその後増大させることを特徴とする超音波フリップチップ実装方法、により達成される。
【0015】
超音波エネルギーを増減させるためには、振動子の制御要素の一つである振幅を変化させればよい。振幅を変化させるためには超音波振動子の駆動電圧を変化させればよい。またこの振動子が多数の素子を積層した構造のものであれば、駆動する素子数を変えることによって振動子の出力の振幅を変化させることも可能である。
【0016】
接合部に加える超音波エネルギーは0から100%まで連続的に、例えば直線的あるいは2次曲線のような曲線的に変化させてもよいが、ステップ状に増加するように変化させてもよい。超音波エネルギーは接合初期から接合終了までの全期間内に亘って次第に増加させてもよいが、接合初期の一定時間内だけで増加させ、その後は一定となるようにしてもよい。
【0017】
超音波エネルギーを加え始める時期は、バンプの加圧力が接合初期の第1設定加圧力に到達した時点から所定時間遅れた時点であり、ここに用いる第1設定加圧力は、バンプの尖った先端が回路基板の電極に当たって所定量つぶれる荷重に設定するものであるが(この第1設定加圧力をトリガー荷重ともいう)バンプの先端がつぶれる面積の部分では正常な金属間拡散接合が生成していないので、この面積はできるだけ小さくするのが望ましい。
【0018】
バンプの加圧力を連続的に増加させる場合に、第1設定加圧力になった時点から加圧力の制御方式を切り換える方式が考えられる。この場合には、加圧力の制御方式の切換えに伴って加圧力の増加に遅れが生じ得る。そこでこの場合にはこの遅れを考慮して、第1設定加圧力に到達した後所定時間(遅れ時間)遅れて超音波エネルギーの付与を開始するのがよい。例えば制御方法の変更後に加圧力の増加が安定してから超音波エネルギーを加え始める。
【0019】
また第1設定加圧力の付近ではバンプの先端がつぶれるため、この時点から直ちに大きな超音波エネルギーを加えると加圧力が不安定に変化することがある。この場合は第1加圧力に到達した後で加圧力の増加が安定するのを待ってから超音波エネルギーを加え始めるのがよい。
【0020】
超音波エネルギーの付与は、加圧力が第2設定加圧力に到達した時点で停止させ、接合処理を終了させることができる。ここに第2設定加圧力は前記第1加圧力よりも大きい。このように加圧力を監視して接合終了を検出すれば、超音波エネルギーの付与時間で接合終了を検出する方式に比べて接合性が安定し、信頼性が向上する。加圧力が確実に第2設定加圧力に到達していることを確認しているからである。
【0021】
この発明で用いるバンプは、金などのボンディングワイヤの先端を放電作用によりボール状に形成し、このボールをICチップの電極に加圧接合した後ワイヤをこのボールから引きちぎる方法(ワイヤボンディング工法)で形成することができる。
【0022】
この発明によれば第2の目的は、ICチップの電極に形成した先端が尖った形状のバンプを、回路基板の電極に位置合わせして超音波接合する超音波フリップチップ実装装置であって、回路基板を載置し保持するステージと、ICチップをそのバンプを前記回路基板の電極に位置合わせして保持する接合ツールと、この接合ツールを介して前記バンプの前記回路基板の電極に対する加圧力を加える加圧手段と、前記接合ツールに超音波振動子の振動エネルギーを伝達する振動ホーンと、前記超音波振動子を駆動する超音波発振器と、前記加圧手段による加圧力を時間経過に伴って増大させる一方前記バンプの先端が所定量つぶれる加圧力を第1設定加圧力として加圧力がこの第1設定加圧力に到達した時点から所定時間遅れて接合部に超音波エネルギーを加え始めこの超音波エネルギーを接合初期に小さくその後増大させるように前記超音波発振器を制御するコントローラと、を備えることを特徴とする超音波フリップチップ実装装置、により達成される。
【0023】
【作用】
ICチップのバンプの先端を回路基板の電極に押圧し、バンプ先端が所定量つぶれる加圧力 ( 第1設定加圧力 ) に到達した時点から所定時間遅れてこの接合部に超音波エネルギーが付加される。超音波エネルギーは加圧力が小さい接合初期に小さいから、バンプの尖った先端は回路基板の電極上で踊って大きく移動することなく、超音波エネルギーはバンプの先端に集中する。このためバンプの先端が電極に確実に接合される。その後加圧力の増加に伴い超音波エネルギーを増加させても、バンプは移動することが無いから良好に電極に接合される。
【0024】
【実施態様】
図1はこの発明の一実施態様における接合部付近を示す斜視図、図2は実装装置の概念図、図3は接合過程の説明図、図4は超音波エネルギーの制御特性例を示す図、図5、6はそれぞれ加圧力の異なる制御方法を示す図である。
【0025】
図1、2において、101は図示しない吸着ノズルを有した接合ツール、204は前記図7で説明したバンプ206が下面に形成されたICチップ、104は回路基板、105は回路基板104上に形成された電極、103は回路基板104を載置するステージである。
【0026】
ステージ103は垂直な接合ツール101に対して水平方向に位置決め可能である。このステージ103を移動させることによってICチップ204に形成されたバンプ206に対して回路基板104上に形成された電極105を位置決めする。その後、矢印エの方向に接合ツール101を下降させ、接合動作に入る。
【0027】
接合ツール101には、加圧手段101AによってICチップ204に対する下向きの加圧力が加えられる。ここに加圧手段101Aは、この加圧力を連続的に制御可能である。加圧手段101Aは、空気圧や電圧により加圧力を連続制御可能なエアシリンダやモータなどのアクチュエータを内蔵する。この加圧手段101Aによる下向きの加圧力は、荷重センサ101Bで検出される。
【0028】
図2において106Aはコントローラである。このコントローラ106Aは発振器106、加圧手段101Aなどを制御する。この制御方法については図4〜6を用いて後記する。
【0029】
次に図3を用いて接合過程を説明する。図3(a)は、接合ツール101が下降することにより、バンプ206の先端206Aと回路基板104上の電極105が接触した状態である。
【0030】
一般的な超音波フリップチップ接合に用いられる直径25μmの金ワイヤでは、高さ80μm前後の鋲状バンプが形成される。これに対し超音波振動を付与する前に矢印エの方向の静荷重、言わばトリガー荷重(例えば10グラム/1バンプ)加えると、このバンプは高さが60μm程度になるまで変形する。図3(b)はこの状態を示している。このトリガー荷重はバンプ206の先端206Aが所定量つぶれる荷重(加圧力)であり、本発明の第1設定加圧力(Wa)に相当する。ここで、回路基板104上にパターン形成された電極105の厚みを15μmとし図3(b)に当てはめると、寸法Xは75μmになる。
【0031】
図3(c)は超音波接合を終了した状態を示す。この超音波接合を行うためには、熱と矢印エ方向の荷重(加圧力)を加えながら矢印ウ方向の超音波振動を付与する。荷重および超音波振動を数百マイクロ秒から1秒間加えると、バンプ206は高さ35μm程度にまで変形し、電極105との間に固相拡散による接合が成される。
【0032】
この時に加える荷重(加圧力)と超音波エネルギーの制御方法を図4〜6に基づいて説明する。図4に示す制御方法は、接合初期の発振開始時点t0(t=0.0)から所定時間(0.0〜0.1秒)の間で超音波振動の振幅を連続的に増加させ、所定時間の経過後(0.1秒以降)は最大振幅(3μm)で振動させるものである。最大振幅(3μm)になるまでの時間(0.1秒)をここでは漸増時間Tgということにする。
【0033】
漸増時間Tg内で振幅を増加させる場合、図4の実線(A)で示すように直線的に増加させてもよいし、破線(B)で示すように曲線的に変化させて漸増時間Tg経過後の最大振幅に滑らかに連続させてもよい。これらの(A)、(B)の場合に、加圧手段101Aによる荷重(加圧力)は時間経過と共に増加させる。
【0034】
図5は荷重(加圧力)の制御例を示す。この実施態様では、1つのバンプ当たりの加圧力(バンプ当たりの荷重、単位g)を0から10g(=Wa)までの間は、加圧手段101Aは位置および速度制御で動作する。図5で特性Aがこの状態を示す。また荷重がW=10gになった時点(ta)の後では、加圧力(荷重)をフィードバックする高速荷重制御を行う。図5で特性Bはこの状態を示す。
【0035】
このように荷重の制御方式を変化させる場合には、切換え時間(tb−ta)があるため、荷重Wは特性Aから特性Bに不連続に変化する。図5で特性Cはこの不連続変化の範囲を示す。
【0036】
このように制御系の切換え時間(tb−ta)があると、バンプ206に加わる実際の荷重は特性Eのようになる。この特性Eは前記特性Bを時間軸(横軸)方向に切換え時間(tb−ta)だけ平行移動したものとなる。
【0037】
この図5に示すように、荷重Wが特性A→特性C→特性Eに変化するものに、前記図4に示す超音波振幅制御を組合せた場合を考える。コントローラ106A(図2)は加圧力(荷重W)をセンサ101Bにより監視し、荷重(W)が第1設定加圧力(Wa)に到達すると、超音波発振器106を起動させ、図4に示す特性に従って振幅を変化させる。
【0038】
このため第1設定荷重Waで超音波振幅は0から次第に連続的に増大する。この超音波振動により、バンプ206の先端206Aから接合が進む。この時の超音波加振力は小さいので、バンプ206は電極105に対して踊ったり移動することがない。
【0039】
なお荷重Waをバンプ206の先端206Aが所定量つぶれる荷重(トリガー荷重)に設定した場合に、この荷重Waを検出して直ちに大きな(たとえば最大)超音波エネルギーを加えると、バンプ206が急激につぶれることにより荷重Wは特性Dに示すように非線形に変化する。すなわち荷重Wが不安定になって接合が不均一になることが考えられる。
【0040】
このような問題の発生を防ぎ、または抑制するためには、前記のように超音波エネルギーの付与を初めは小さくしその後漸増させればよいが、一層確実にするためには超音波エネルギーを加え始めるタイミングを遅らせるのがよい。すなわち図4の加振開始時点t0をTd(=t0−t′0、図4参照)遅らせる。この時の遅れ時間Tdを特性Cの範囲(tb−ta)よりも大きくすれば、バンプ206のつぶれによる荷重特性Dの影響を完全に避けて、荷重の上昇域(特性E)で超音波を付与することができる。この遅れ時間Tdは制御系の切換え時間(tb−ta)を考慮して前者(Td)が後者(tb−ta)より大きく設定するのが望ましい。
【0041】
荷重Wを増加しながら超音波発振を続けると、バンプ206と電極105との接触面積が増加してゆく。コントローラ106Aは、第1設定加圧力Waの検出時点taからの経過時間をタイマーで監視して、一定時間例えば0.3秒経過した時点teを終了時とし、超音波発振を停止させる。
【0042】
終了時点teはタイマーで監視するのに代えて、荷重Wが第2設定加圧力Wb(=50g)に到達した時点tcを基準にして一定時間(te−tc)後に終了させるものとしてもよい。この一定時間(te−tc)はゼロとしてもよい。
【0043】
図6は荷重(加圧力)の他の制御例を示す。この実施態様は加圧器101A(図2参照)が荷重を一定速度で増加させるものである。すなわち荷重(W)の時間変化dW/dtを一定としたものである。この場合には前記図5において説明した制御系の切換えによる遅れ(tb−ta)は発生しないが、バンプ206のつぶれによる遅れ時間Tfが発生する。
【0044】
すなわち第1設定加圧力Wa(=10g)から、実際の荷重はほぼ遅れ時間Tfの遅れをもって増加する。この実施態様では荷重Wが第1設定加圧力Waになった時点taを起点として、図4に示した特性に従った超音波発振を開始する。従って接合初期における超音波加振力は小さくなり、バンプ206は電極105上で移動しない。漸増時間Tgの経過により超音波発振の振幅は100%(3μm)に増加する。荷重Wが第2設定加圧力Wbに到達すると、コントローラ106Aは接合を終了させる。すなわち超音波発振を止め、接合ツール101を上昇させる。
【0045】
以上の各実施態様では、第1設定加圧力Waを10gとし、第2設定加圧力Wbを50gとしているが、これらはバンプ206の材料や寸法など、種々の条件により変えてもよいのは勿論である。これらの設定値は任意に設定できるようにしておくのがよい。
【0046】
【発明の効果】
請求項1の発明によれば、バンプの加圧力(荷重)を時間経過と共に増加させる一方、接合部に加える超音波エネルギーは接合初期に小さくしその後増大させるから、超音波振動によってバンプが回路基板側の電極上でいわば踊って移動することがなくなり、ICチップを正確な位置に接合することができる。またバンプの尖った先端を狭い接触面積で接合させることができるので、拡散接合領域を増やして接合信頼性を高めることができる。
【0047】
この場合に接合部に加える超音波エネルギーは、加圧力(W)が接合初期の第1設定加圧力(Wa)に到達した時点(ta)から所定時間遅れて加え始め、初め小さくしその後増大させるが、第1設定加圧力(Wa)をバンプの先端が所定量つぶれる荷重にするために、この第1設定加圧力で加圧力の制御方法を変更すると、この加圧力の変化が一時的に遅れる。またこの第1設定加圧力(Wa)で加圧力の変化が不安定になって時間遅れが生じる。この場合にはこの時間遅れ(tb−ta)よりも後で超音波エネルギーの付与を開始するようにすれば、バンプの移動は確実に防ぐことができる(請求項2、3)。
【0048】
接合終了は、加圧力が第2設定加圧力(Wb)に到達したことから決めることができる。この場合は、タイマーによって始点(ta)からの時間経過により終点を検出する方法に比べて、加圧力が確実に増大していることを確認するから、接合の安定性がよく、信頼性は一層向上する(請求項)。
【0049】
この発明で用いるバンプは、ボンディングワイヤ先端に放電作用で作ったボールを電極に接合し、ワイヤを引きちぎることにより形成することができる(請求項)。超音波エネルギーは、振幅を変化させることによって制御することができる(請求項)。この場合には、例えば振動子の駆動電圧を変化させればよいので制御が簡単である。
【0050】
加圧力はほぼ連続的に増大させるのが望ましい(請求項)。第1設定加圧力などを正確に検出するのに適するからである。例えば加圧力の時間変化率(dW/dT)を略一定にすることができる(請求項)。請求項の発明によれば、請求項1の方法の実施に直接使用する装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施態様の接合部付近を示す斜視図
【図2】同じく実装装置の概念を示す図
【図3】接合過程を説明するための図
【図4】超音波エネルギーの制御特性例を示す図
【図5】加圧力の制御方法の一例を示す図
【図6】加圧力の制御方法の他の例を示す図
【図7】バンプ形成方法を示す図
【図8】従来の実装装置の概念図
【図9】従来の接合過程を説明する図
【符号の説明】
101 接合ツール
101A 加圧手段
103 テーブル
104 回路基板
105 電極
106 超音波発振器
106A コントローラ
107 振動子
108 振動ホーン
204 ICチップ
206 バンプ
206A 先端

Claims (9)

  1. ICチップの電極に形成した先端が尖った形状のバンプを、回路基板の電極に位置合わせして超音波接合する超音波フリップチップ実装方法であって、
    前記回路基板の電極に対する前記バンプの加圧力を時間の経過に伴い増大させる一方、
    前記バンプの先端が所定量つぶれる加圧力を第1設定加圧力とし、加圧力がこの第1設定加圧力に到達した時点から所定時間遅れて接合部に超音波エネルギーを加え始め、この超音波エネルギーを接合初期に小さくしその後増大させることを特徴とする超音波フリップチップ実装方法。
  2. 加圧力が第1設定加圧力に到達すると加圧力の制御方法を変更する一方、この制御方法の変更後であってかつ加圧力の増加中に超音波エネルギーを加え始める請求項の超音波フリップチップ実装方法。
  3. 加圧力が第1設定加圧力に到達した後であってかつ加圧力の安定した増加中に超音波エネルギーを加え始める請求項の超音波フリップチップ実装方法。
  4. 加圧力が第2設定加圧力に到達した時点で超音波エネルギーの付加を停止させ、接合処理を終了させる請求項1〜のいずれかの超音波フリップチップ実装方法。
  5. バンプは、ボンディングワイヤの先端に放電作用によって形成したボールをICチップの電極に加圧接合した後、ワイヤを引きちぎることにより形成される請求項1〜のいずれかの超音波フリップチップ実装方法。
  6. 超音波エネルギーは超音波振動子の振幅により制御される請求項1〜のいずれかの超音波フリップチップ実装方法。
  7. 回路基板の電極に対するバンプの加圧力は、時間経過に対してほぼ連続的に増大する請求項1〜のいずれかの超音波フリップチップ実装方法。
  8. 回路基板の電極に対するバンプの加圧力は、その増加率が略一定となるようにほぼ連続的に増大する請求項の超音波フリップチップ実装方法。
  9. ICチップの電極に形成した先端が尖った形状のバンプを、回路基板の電極に位置合わせして超音波接合する超音波フリップチップ実装装置であって、
    回路基板を載置し保持するステージと、
    ICチップをそのバンプを前記回路基板の電極に位置合わせして保持する接合ツールと、
    この接合ツールを介して前記バンプの前記回路基板の電極に対する加圧力を加える加圧手段と、
    前記接合ツールに超音波振動子の振動エネルギーを伝達する振動ホーンと、
    前記超音波振動子を駆動する超音波発振器と、
    前記加圧手段による加圧力を時間経過に伴って増大させる一方前記バンプの先端が所定量つぶれる加圧力を第1設定加圧力として加圧力がこの第1設定加圧力に到達した時点から所定時間遅れて接合部に超音波エネルギーを加え始めこの超音波エネルギーを接合初期に小さくその後増大させるように前記超音波発振器を制御するコントローラと、
    を備えることを特徴とする超音波フリップチップ実装装置。
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