JP4044559B2 - 電子部品等の接合方法、およびそれに用いる接合装置 - Google Patents
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Description
【0001】
本発明は、導体からなる接合部を有する異なる2つの接合対象物(例えば、電子部品や回路基板)を超音波振動を付与しながら接合する接合方法、および接合装置に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、電子機器に対する高性能化および小型化などの要求に伴い、電子機器に組み込まれる電子部品の高密度実装化が急速に進んでいる。例えば、高密度実装された半導体集積回路の接合パッドのサイズは、100μm角程度またはこれ以下であり、加えて隣接パッド間距離は、20μm程度またはこれ以下である。そのため、従来の半田接合では、隣接する接合部の半田が溶融一体化して短絡する可能性が高いので、高密度実装化の要望に対応できない。
【0003】
そこで、高密度実装化の要請に対応するために、超音波エネルギを利用した接合方法が採用されている。この接合方法では、例えば、半導体チップの各接合パッドに金バンプを形成し、基板の対応する接合パッドにこれら金バンプを押し付けながら超音波振動を印加するのである。このような接合方法は、例えば、特開平5−136205号公報、特開平7−115109号公報および特開2000−208560号公報に開示されている。
【0004】
超音波振動を利用した従来の接合方法をより具体的に説明するために、添付図面の図3および図4a〜4cを参照する。図3は、ICチップと回路基板とを接触させた段階での全体図であり、図4a〜4cは、ICチップと回路基板との間の接合界面を表す拡大断面図である。
【0005】
図3に示すように、超音波振動を利用して例えばICチップ100と回路基板110とが接合される。ICチップ100は接合パッド101を有しており、当該接合パッド101に金バンプ102が形成されている。回路基板110は、ICチップ100の接合パッド101に対応する接合パッド111を有している。
【0006】
上記ICチップ100と回路基板110とを接合するに際しては、バンプ102と接合パッド111とを接触させた上で、荷重fを印加した状態でICチップ100と回路基板110の一方または両方に超音波振動を供給する。
【0007】
図4aは、荷重fを印加した直後における各バンプ102と対応する接合パッド111との界面の拡大断面図である。荷重fの印加により押し潰されたバンプ102の接合対象面102aと、接合パッド111の接合対象面111aとは、いずれも微細な凹凸を有している。そのため、接合対象面102aと接合対象面111aとは、微視的には、複数箇所で点接触しているに過ぎない。
【0008】
この状態で荷重fに直交する方向に超音波振動を印加すると、図4bに示すように、当初点接触していた複数箇所で凝着核140(接合の基点となる合金化部分)が生じ、これら凝着核140が接合界面に沿って広がってゆく。図4b中において、符号120は、バンプ102の接合対象面102aと接合パッド111の接合対象面111aとが接触はしているが、未だ接合していない部分(未接合接触部分)を表し、符号130は両接合対象面102a,111a間に生じた空隙を表している。
【0009】
さらに、超音波振動に伴う摩擦によって金属が塑性流動するため、図4cに示すように、界面において凝着核140の成長が進むとともに、空隙130が縮小あるいは消滅する。これにより、当初に未接合接触部分120であったものは接合に至る。しかしながら、空隙130が存在した部分では、未だ接合するまでには至らず、縮小した空隙130や未接合接触部分120として残っている割合が高い。なお、図面上の点線で示した部分は、バンプ102や接合パッド111の表面に当初存在していた酸化物の残留部分を示す。
【0010】
このように、上記日本国特許公報に開示されている技術において、超音波振動は、荷重fの向きに対して直交する方向にのみ印加されている。そのため、荷重の向きに対して平行な方向へ伝わるエネルギは比較的小さく、塑性流動を起こす深さは小さい。したがって、塑性流動による移動量が少なく、超音波振動の印加時間を十分に長くしないとバンプと接合パッドとの間の界面に空隙部や接合未完部が残り、接合不良を起こす可能性が高い。
【0011】
以上の不具合を避けるために、荷重f自体や荷重fの印加時間(接合時間)を増加させることが考えられるが、バンプ102の押し潰し変形量が大きくなり、隣接するバンプ102間の間隔が小さい場合(実装密度が高い)には、バンプ102が相互に接触するおそれがある。また、荷重f自体や荷重fの印加時間の増大により、ICチップ100や回路基板110にダメージを与える可能性もある。
【発明の開示】
【0012】
そこで、本発明は、より短時間で、より確実に接合不良部位を減少させることによって、作業効率および接合信頼性に優れた接合方法および接合装置を提供することを目的としている。
【0013】
本発明の第1の側面によれば、導体からなる第1接合部を有する第1接合対象物と、導体からなる第2接合部を有する第2接合対象物とを、前記第1接合部と前記第2接合部とが接合面にて接するように接合する接合方法が提供される。この接合方法では、前記第1接合対象物に対して前記接合面に交差する方向に超音波振動を印加すると同時に、前記第2接合対象物に対して前記接合面に交差する方向に交差する別の方向の超音波振動を印加する。
【0014】
以上の接合方法によれば、第1接合部と第2接合部とは、より短時間で、より確実に接合させることができる。具体的には、前記別の方向のみならず、前記接合面に交差する方向にも超音波振動を印加することにより、第1接合部と第2接合部との界面において生じる空隙部を押し潰すとともに、当該界面において生じる塑性流動の深さが拡大する。これにより、空隙部がより短時間でより確実に消滅するため、接合信頼性に優れた接合を行うことができる。また、前記接合面に交差する方向の超音波振動により、凝着核の成長も促進されるので、それによって接合に要する時間を短縮できる。したがって、接合対象物にかかる荷重の印加時間が短くなるので、接合対象物へのダメージも少なくなる。しかも、本発明では、荷重自体を増加させる必要はないので、荷重の増加による接合対象物へのダメージもない。
【0015】
好ましくは、前記接合面に交差する方向は前記接合面に直交しており、前記別の方向は前記接合面に平行である。
【0016】
好ましくは、第1接合部または第2接合部は、導体からなるバンプを有し、第1接合対象物と第2接合対象物との接合は、当該バンプを介して行われる。バンプは例えば金からなる。
【0017】
好ましくは、前記接合面に交差する方向の超音波振動の振動周波数は、20〜500kHzであり、前記別の方向の超音波振動の振動周波数は、20〜500kHzである。前記接合面に交差する方向の超音波振動と前記別の方向の超音波振動とは、同一の周波数であってもよいし、異なる周波数であってもよい。
【0018】
また、前記接合面に交差する方向の超音波振動の振幅は、0.1〜5μmであり、前記別の方向の超音波振動の振幅は、0.1〜5μmであるのが好ましい。
【0019】
本発明の好ましい実施形態においては、前記両方向の超音波振動の印加時間は、0.1〜1secである。印加時間が0.1sec未満では界面にて塑性流動を起こすのに十分な超音波振動エネルギを付与できず、接合が不十分となる。また、印加時間が1secを超えると、すでに良好な接合を行うのに十分な超音波振動エネルギが界面に付与されているので、エネルギの無駄になり好ましくない。
【0020】
本発明の第2の側面によれば、導体からなる第1接合部を有する第1接合対象物と、導体からなる第2接合部を有する第2接合対象物とを、前記第1接合部と前記第2接合部とが接合面にて接するように接合するための接合装置が提供される。この接合装置は、前記第1接合対象物に対して前記接合面に交差する方向に超音波振動を印加するための超音波振動印加手段と、前記第2接合対象物に対して前記接合面に交差する方向に交差する別の方向に超音波振動を印加するための追加の超音波振動印加手段とを備えている。
【0021】
本発明の他の目的、特徴および利点は、以下に添付図面に基づいて説明する好適な実施形態から明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【0022】
図1は、本発明の好適な実施形態に係る接合装置X1の概略構成を示す断面図である。なお、本実施形態においては、導体からなる接合部を有する接合対象物として、接合パッド10を有する第1のICチップ1と接合パッド20を有する第2のICチップ2とを用いるが、接合対象物は、これらに限られない。
【0023】
図1に示したように、接合装置X1は、ボンディングツール3と、支持ツール4と、ボンディングステージ5と、加圧装置6と、第1および第2の超音波発振器7,8とを備えている。
【0024】
ボンディングツール3は、後述する超音波ホーン70(概略的にのみ図示)の先端部に設けられ、吸引路30を有している。この吸引路30は、ICチップ1をボンディングツール3に吸着固定するために設けられている。ICチップ1をボンディングツール3に固定する方法は、吸着方式に限られない。
【0025】
支持ツール4は、後述する超音波ホーン80(概略的にのみ図示)の先端部に設けられ、吸引路40を有している。この吸引路40は、ICチップ2を支持ツール4に吸着固定するために設けられている。ICチップ2を支持ツール4に固定する方法も、吸着方式に限られない。
【0026】
ボンディングステージ5は、支持ツール4を支持するために設けられている。ボンディングステージ5の形状は、支持ツール4の形状などに応じて任意に定めればよい。
【0027】
加圧装置6は、両ICチップ1,2の接合部位を加圧するためのものである。この加圧は、ボンディングツール3の真上からボンディングツール3に荷重を作用させることにより行われ、その荷重の向き(荷重方向)を矢印fで表す。
【0028】
第1の超音波発振器7は、ICチップ1に対して荷重方向fに直交する第1の方向に超音波振動を印加することができるように、超音波ホーン70を介してボンディングツール3に結合されている。第2の超音波発振器8は、ICチップ2に対して荷重方向fに平行な第2の方向に超音波振動を印加することができるように、超音波ホーン80を介して支持ツール4に結合されている。なお、超音波発振器7,8による両ICチップ1,2に対する超音波振動の第1の方向と第2の方向とを入れ替えてもよい。
【0029】
次に、以上の構成の接合装置を用いた接合方法について説明する。まず、第1のICチップ1の各接合パッド10に従来のワイヤボンディング方法を利用してバンプ9を形成する。バンプ9は、金線(直径10〜25μm)を3000〜5000Vの高電圧でスパークして金ボールを形成した後、超音波振動(振動周波数:60〜110kHz、振幅:0.3〜0.6μm)を0.005〜0.04秒間付与しつつ、200〜300℃の加熱下で1バンプ当り8〜25g程度の荷重をかけることにより各接合パッド10上に形成する。なお、バンプ9の形成方法は、ワイヤボンディング方法を利用したものに限られず、バンプ9の構成材料も、金に限られない。
【0030】
次に、このようにバンプ9を形成した第1のICチップ1を、吸引路30を介してボンディングツール3に吸着固定する。また、第2のICチップ2を、吸引路40を介して支持ツール4に吸着固定する。
【0031】
次に、第1のICチップ1のバンプ9を第2のICチップ2の接合パッド20に対して位置合わせした後、ボンディングツール3を0.1〜10mm/secの速度で荷重方向fに平行な方向(図1の下方)に移動させる。この下方移動は、第1のICチップ1に形成されたバンプ9が第2のICチップ2の接合パッド20に接触するまで行われる。ボンディングツール3の移動メカニズムとしては、公知のものが用いられるため、ここでは図示を省略する。
【0032】
次に、加圧装置6により、接合部位であるバンプ9と接合パッド20との間に1バンプ
当り0.5〜20gの荷重を印加する。この荷重の印加状態は、後述する超音波振動の印加時も保持される。
【0033】
次に、第1のICチップ1と第2のICチップ2をバンプ9を介して接合させる。具体的には、第1の超音波発振器7により超音波ホーン70およびボンディングツール3を介して、第1のICチップ1に対して荷重方向fに直交する第1の方向に超音波振動を印加し、これと同時に、第2の超音波発振器8により超音波ホーン80および支持ツール4を介して、第2のICチップ2に対して荷重方向fに平行な第2の方向に超音波振動を印加する。第1のICチップ1に印加される超音波振動は、周波数が40〜200kHz、振幅0.1〜5μmであり、第2のICチップ2に印加される超音波振動は、周波数が20〜40kHz、振幅0.1〜5μmである。また、両ICチップ1,2に印加される超音波振動の印加時間は、0.1〜1secであり、より好ましくは0.2〜0.6secである。これによって、ICチップ2に対してICチップ1を接合することができる。なお、当該接合時において接合部位を加熱する必要はないが、別途加熱手段を用いて加熱するようにしてもよい。
【0034】
以上の接合方法において、第1のICチップ1の各バンプ9と第2のICチップ2の接合パッド20との界面では、図2a〜2cに示すような変化が生じる。
【0035】
すなわち、図2aに示すように、荷重fの印加により押し潰されたバンプ9の接合対象面9aと、接合パッド20の接合対象面20aとは、いずれも微細な凹凸を有している。そのため、両接合対象面9a,20aは、微視的には、複数箇所で点接触しているに過ぎない。
【0036】
この状態で荷重fに直交する第1の方向と荷重fに平行な第2の方向に超音波振動を印加すると、図2bに示すように、当初は点接触していた複数箇所で凝着核14(接合の基点となる合金化部分)が生じ、これら凝着核14が接合界面に沿って広がってゆく。このように、接合開始の状態は、図4bに示した従来の接合方法と基本的に異なるものではない(図4b参照)。したがって、接合開始時においては、未接合接触部分12や空隙13が存在している。
【0037】
しかしながら、本発明の接合方法では、荷重fに直交する第1の方向のみならず、荷重fに平行な第2の方向にも超音波振動を印加しているので、凝着核14の成長が著しく速い。これは第2の方向の超音波振動により、両接合対象面9a,20aが瞬間的に近づく位相があるため、空隙13の押し潰しと塑性流動の深さの増加が生じるからである。この結果、図2cに示すように、短時間で凝着核14が成長し、空隙13が消滅する。接合完了時においては、両接合対象面9a,20aの界面であった部分には、若干の酸化物(図2cに点線で示す)が残存するものの、未接合接触部分12や空隙13は残っていないため、両ICチップ1,2の電気的な接合状態は良好なものとなる。しかも、荷重fと平行な第1の方向に超音波振動させるものの、荷重f自体や荷重fの印加時間を増加させるわけではないので、これらICチップ1,2へのダメージが問題となることもない。
【0038】
上述の接合方法において、ICチップ1,2に対して超音波振動を印加する前に、ICチップ2における接合パッド20の形成面に封止用の絶縁性樹脂を配置し、超音波振動の印加終了後に、当該絶縁性樹脂を100〜200℃の加熱下で30〜120分間加熱硬化させるようにしてもよい。
【0039】
以上に説明したように、本発明によるとバンプと接合パッドとの接合において、界面に生じる空隙部や未接合接触部などの接合不良箇所をより短時間で、より確実に減少することができる。また、荷重f自体や荷重fの印加時間を増加させる必要がないので、繊細な
ICチップなどのような繊細な接合対象物がダメージを受ける可能性が低くなる。
【図面の簡単な説明】
【0040】
【図1】 図1は、本発明の実施の形態に係る接合装置の概略構成図である。
【図2a〜2c】 図2a〜2cは、同接合装置を用いてICチップと回路基板とを接合する場合の両者の界面の変化状態を示す模式図である。
【図3】 図3は、従来の接合方法によるICチップと回路基板との接合直前の状態を示す正面図である。
【図4a〜4c】 図4a〜4cは、従来の接合方法におけるICチップと回路基板との界面の変化状態を示す模式図である。
Claims (6)
- 導体からなる第1接合部を有する第1接合対象物と、導体からなる第2接合部を有する第2接合対象物とを、前記第1接合部と前記第2接合部とが接合面にて接するように接合する方法であって、
前記接合面に交差する方向の超音波振動を印加すると同時に、前記接合面に交差する方向と交差する別の方向の超音波振動を印加する、接合方法。 - 前記接合面に交差する方向は前記接合面に直交しており、前記別の方向は前記接合面に平行である、請求項1に記載の接合方法。
- 前記第1接合部または前記第2接合部は、導体からなるバンプを有し、前記第1接合対象物と前記第2接合対象物との接合は、当該バンプを介して行われる、請求項1に記載の接合方法。
- 前記接合面に交差する方向の超音波振動の振動周波数は、20〜500kHzであり、前記別の方向の超音波振動の振動周波数は、20〜500kHzである、請求項1に記載の接合方法。
- 導体からなる第1接合部を有する第1接合対象物と、導体からなる第2接合部を有する第2接合対象物とを、前記第1接合部と前記第2接合部とが接合面にて接するように接合するための装置であって、
前記接合面に交差する方向の超音波振動を印加するための超音波振動印加手段と、前記接合面に交差する方向と交差する別の方向の超音波振動を印加するための追加の超音波振動印加手段とを備えることを特徴とする、接合装置。 - 前記接合面に交差する方向は前記接合面に直交しており、前記別の方向は前記接合面に平行である、請求項5に記載の接合装置。
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