JP4210269B2 - 超音波フリップチップ実装装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子等の電子部品をフェイスダウン状態で基板に実装する場合の実装
装置に関するものである。

従来から、半導体素子等の電子部品をベアチップの状態で基板に実装する技術が公知で
あり、中でも電子部品のアクティブ面（接続端子の存在する面）を基板に対向させた状態
で実装するフェイスダウン方式の実装が近年広く行われている。この方式によると、小面
積で多ピン接続が可能になることや伝送経路を短縮できること等から、高密度、高周波、
低電圧の回路に有利なことが知られている。

この方式のフリップチップ実装では、電子部品の電極に突起電極、所謂バンプを形成し
、このバンプが基板に設けた電極と対応するように位置合わせし、これらを所定の温度に
加熱した状態で、接触面に押圧力を加える方法が一般に行われており、さらにこの接触面
に超音波振動を加える方法がある。

押圧力と共に接触面に超音波振動を加えることで、バンプのダイナミックな変形（潰れ
）を起こしつつ前記接触面に介在する酸化膜等の不純物層を破壊するので、同時に加える
熱と合わせて作用することで良好な接合が可能となる。したがって、このように超音波振
動を併用した熱圧着接合法が近年注目されている。以下この実装を超音波フリップチップ
実装と記載する。

また、フリップチップ実装が終了した後にチップとチップの実装面との間隙に絶縁性樹
脂からなるアンダーフィルを注入する固定方法が従来からあり、このアンダーフィルによ
って空気中の酸素やその他接続に有害となるガス、あるいは水分から接続部を保護し、実
装後に接続部に作用する応力を分散させることができるので広く用いられている。

さらに近年ではチップを実装する前に実装面にアンダーフィル層を形成しておき、チッ
プに形成したバンプが前記アンダーフィルを貫通するように押圧してフリップチップ実装
を行う方法が採用されるようになってきた。この場合バンプが容易にアンダーフィルを押
し退けて対向する電極と確実に接触するためのアンダーフィルの軟化温度、加えて実装後
のアンダーフィルの硬化温度を制御することが極めて重要であることは言うまでもない。
（以下これをプリコートアンダーフィルと称し、実装後注入するアンダーフィルをポスト
コートアンダーフィルと称す）

そこで、実装時の接合部を所定の温度に加熱する方法としては、基板を載置するステー
ジにヒータを設け、基板の実装面の裏側から熱を加える方法が考えられるが、一般的には
この方法のみでは不十分な場合が多く、これに加えてチップを吸着保持する接合ツール側
からも加熱することで十分な温度制御が可能となることが知られている。

そこで接合ツールを加熱するための工夫が従来から種々行われてきた。その代表的な方
法が超音波ホーンにヒータを埋設する方法である。例えば特許文献１には超音波ホーンの
ノーダルポイント（振動の節）に電熱ヒータを設ける技術が記載されている（図６）。こ
のようにすれば前記ノーダルポイントが超音波振動の最小振幅点なので、ヒータやヒータ
に接続された給電部材による超音波振動への影響を少なくできる。

このほかに、特許文献２記載のように、最大振幅点ではあるが最小応力点である振動の
腹にヒータを設ける技術（図７）や、特許文献３記載のように、超音波ホーンの側面にヒ
ータを貼り付ける技術（図８）、さらには特許文献４記載のように、超音波ホーンに対し
て非接触で加熱を行う技術（図９）が考えられている。

特開平９−１２２９３４号公報（第１頁、図２） 特開２００４−９５８１０号公報（第１頁、図２） 特開２００４−７１６０７号公報（第１頁、図２） 特開２００４−３５６４１９号公報（第１頁、図３）

しかしながら特許文献１乃至４に記載されている技術は、何れも超音波ホーンを加熱す
ることで超音波ホーンに具設された接合ツールを介してチップに熱を伝導させるものであ
る。したがってこのような技術を採用する限り、超音波ホーンの温度変化に起因する共振
周波数の変化（シフト）が避けられない。

超音波ホーンは所定の共振周波数になるような材質と形状で作成されるので、全体が常
温でない状態で使用されるのを想定して設計するのは極めて難易度が高く手間のかかる作
業となる。またこのような設計がクリアされたとしても、超音波ホーンに穴あけ等の局所
的な加工を施してヒータを具設した場合は、超音波振動の伝達あるいは増幅の経路に局所
的な乱れが生じ、これを予測するのは極めて困難である。

さらには実際のフリップチップ実装に臨んだ場合、実装する対象の耐熱温度、接合面を
形成する金属の素材（例えば金バンプや錫めっき電極等）、温度に依存するアンダーフィ
ルの物性、あるいはチップと基板との熱膨張率の差等を考慮して加熱温度を設定すべきで
あるのに対し、前述の理由から、ある超音波ホーンを採用するとした場合そのホーンを最
適の状態で使用する温度は予め定まってしまっている。

本発明はこのような課題を解決すべく創出されたもので、超音波ホーンを常温の状態で
使用すると共に、この超音波ホーンに具設された接合ツールによって接合されるチップの
接合時の温度を最適の温度に加熱可能とする超音波フリップチップ実装装置を提供するも
のである。

本発明は第１の態様として、電子部品を基板にフェイスダウン状態で押圧し、前記電子部品の電極と前記基板の電極とをバンプを介して接続する超音波フリップチップ実装の実装装置において、前記基板を載置するステージと、超音波振動を発生する超音波振動子と、超音波振動を伝達する超音波ホーンと、前記超音波ホーンに具設された接合ツールと、上下方向に弾性的に、且つ前記接合ツールと離隔可能に保持され、少なくとも接合時には前記接合ツールと前記電子部品とのあいだに介在するヒータとを備え、前記ヒータは、発熱すると同時に前記接合ツールからの押圧力と超音波振動とを前記電子部品に伝達することを特徴とする超音波フリップチップ実装装置を提供するものである。

これによりヒータは直接電子部品を加熱し、一方超音波ホーンが接合ツールに伝達する
超音波振動は、接合ツールとヒータ間およびヒータと電子部品間の押圧力によって発生す
る摩擦力によって、電子部品と基板との接合部に伝達される。

そしてこれにより、接合ツールが電子部品を基板の方向に押圧するとき以外の時間は、接合ツールとヒータとを離隔した状態に保持することができる。

また、ヒータは上下方向に弾性的に保持されているので、あいだにヒータを介在させるにも関わらず接合ツールの押圧力のコントロールのみで電子部品への押圧力をコントロールできる。

さらに本発明は第２の態様として、前記ヒータに取り付けた温度センサとパルスヒート電源とを備え、このパルスヒート電源に前記ヒータの温度情報がフィードバックされることで、前記ヒータが、パルスヒート方式により加熱制御されることを特徴とする第１の態様として記載した超音波フリップチップ実装装置を提供するものである。

このようにヒータをパルス的な通電により発熱させ、急速な過熱と即応性の高い温度制
御を可能とするパルスヒート方式を用いることにより、コンスタントヒート方式のヒータ
と比較して熱容量の小さいヒータにすることが可能となる。

請求項１の発明によれば、超音波ホーンへの熱的影響を低減できるので、超音波ホーン
の共振周波数のシフト量も小さく抑えることができ、効率の良い振動伝達性能を得ること
ができる。また、常温使用を前提として超音波ホーンの設計製造が行えるので、超音波ホ
ーンの設計や試作評価あるいは製品検査の手間が減少する。

また、単一の超音波ホーンで接合時の接合部の加熱温度を自由に選択できるので、被接合
物に応じた、つまり電子部品や基板の耐熱温度、接合面を形成する金属の素材、温度に依
存するアンダーフィルの物性、あるいはチップと基板との熱膨張率の差等を考慮した最適
の温度設定が可能となり、高い接続信頼性を得ることができる。

さらに、熱容量の大きな超音波ホーンを加熱する必要がないので、ヒータやその電源を
大掛りなものにしなくて済み、異なる温度設定を要求する被接合物に応じた複数の超音波
ホーンを用意する必要がないので、設備がシンプルになり、コストも低くなる。

請求項２の発明によれば、パルスヒート電源によりヒータの温度をフィードバックして精密な温度制御が可能となるので、ヒータが接合ツールと接触し熱流が発生する短い接合時間中であっても、これに対して応答の早い温度制御が可能となり、熱容量の小さなヒータを使用することが可能となる。そして熱容量の小さなヒータを使用することにより、接合に必要な最低限の時間以外は加熱電流を遮断するようにすれば、機械的には必要以上にヒータと接合ツールが接触していても、超音波ホーンへの熱伝導を最小限に抑えることができる。

加えて本発明のように接合ツールの作用面と電子部品とのあいだにヒータを介在させた
場合は、電子部品との摩擦によりヒータ下面が磨耗したり接合ツールとの摩擦によりヒー
タ上面が磨耗するのが通常であり、また容易にこのようにすることが可能である。したが
って従来は電子部品と接合ツールとの摩擦によって接合ツールが磨耗し、接合ツールの研
磨又は交換が必要とされていたのに対し、ヒータをメンテナンスするだけでよくなり、取
付取り外しの手間や部品交換のコストが削減できる。またヒータが直接接触した電子部品
を加熱できることから、接合条件として接合部に２００℃以上の高温が求められる場合に
も対応可能となる。

次に添付図面を参照して本発明に係る超音波フリップチップ実装装置の実施形態を詳細
に説明する。

図１は本発明の一実施形態を示す模式図である。図１において符号１はステージ、符号
２はステージ１上に載置され図示しない吸着手段により保持された基板、符号３は基板２
に実装する電子部品である。この電子部品３は下面に外部と接続するための図示しない電
極を有しており、この電極上にバンプ３Ａが形成されている。そして基盤２上に予め形成
された電極２Ａと互いに位置合わせされ接合される状態が図示してある。

符号４はヒータであり、矢印ア、アの方向に弾性体で吊られた状態で保持されている（
保持の具体的構造に関しては後述する）。このようにヒータ４は上下方向に弾性的に保持
され、図示しない可撓性の高いワイヤが給電手段として接続されている。また、符号５は
接合ツールであり、図示しない超音波ホーンに作用面である下面が突出するように固定さ
れるか、あるいは超音波ホーンと一体構造でホーンの下方に突出するように加工されて構
成される。

図１において、接合ツール５が図よりも上方に位置しているときは、ヒータ４は接合ツ
ール５と離隔しているが、接合動作に入って接合ツール５が下降すると接合ツール５の下
面はヒータ４に接触し、さらに矢印ア、ア方向の弾性力に抗して下降を続ける。やがてバ
ンプ３Ａが電極２Ａに当接し、接合ツール５の押圧力により潰れ始める。このとき図示し
ない超音波振動子が振動を開始し、その超音波振動は図示しない超音波ホーンにより伝達
され接合ツール５を基板２の上面と略平行方向（矢印イの方向）に振動させる。

超音波振動する接合ツール５はヒータ４と接触しているので、ヒータ４はその摩擦力に
より基板２の上面と略平行方向に振動する。また、ヒータ４は電子部品３と接触している
ので、これも基板２の上面と略平行方向に振動する。その結果バンプ３Ａが接合ツール５
からの押圧力を受けて潰れるのと同時に、接合面に接合面と略平行方向の超音波振動が加
わり、接合が進行する。

このときステージ１に設けられた図示しないヒータが基板２を下方から加熱しており、その熱は熱伝導により接合面に達している。また、ヒータ４が発生させる熱は電子部品３を上方から加熱し、その熱も接合面に達する。

また、この接合がプリコートアンダーフィルを用いる方式である場合は、予め基板２上
の実装領域に塗布してあった絶縁性樹脂からなるアンダーフィルをバンプ３Ａが貫通し、
さらに接合ツール５からの押圧力により、バンプ３Ａと電極２Ａとの間のアンダーフィル
を押し退けつつ接触面積を増大させることになる。図１の符号６としてバンプ３Ａに押し
退けられた後のプリコートアンダーフィルを示す。

このようにヒータ４は、直接電子部品３に接触して熱を伝えるので、小さなエネルギー
でも効率良く接合部を加熱できる。したがって電子部品３と比較して著しく熱容量の大き
な超音波ホーンの温度変化は極めて小さなものとなり、それが超音波振動に対して与える
影響も無視できる程度に小さなものとなる。

さらに接合時間は０．５から１秒程度しか必要としないので、少なくともこの時間だけ
接合ツール５とヒータ４が接触していればよく、実際の接合工程では部品供給や位置決め
等を含めた工程全体のほとんどの時間において接合ツール５とヒータ４を離隔させておけ
るので、いっそう超音波ホーンへの熱的影響を少なくできる。

加えてヒータ４にフィードバック用のセンサを取り付けると共に、加熱方法をパルスヒ
ート方式にすることで、ヒータ４の発熱体を瞬間的に温度上昇させることができるので、
必要最低限の時間に必要なだけ熱エネルギーを発生させることができると共に、ヒータ４
が接合ツール５や電子部品に接触すること等による熱的外乱（温度変化）をフィードバッ
クし、即時対応することが可能となる。

次に、装置の構造と動作に関して説明する。図２は本発明に係る実装装置の１実施形態
を示す側面図であり、図を見て左側が装置の前面側となるように描いてある。また符号１
乃至５は図１で示した構成と同等の要素なので同一の符号で示してある。ここで、符号７
は接合ツール５を備える超音波ホーンであり、支持点７Ａ、７Ｂにノーダルポイントを持
ち最大振幅領域（振動の腹）に接合ツール５を具設したホーンである。

また符号８は超音波ホーンに機械的な超音波振動を付与する振動子、符号９は振動子に
振動エネルギーを付与する発振器、符号１０は発振器９の動作を制御する制御部である。
ここで制御部１０は、発振器９以外に操作及び表示部１１や、接続線は図示していないが
他のあらゆる駆動部や発熱部の全ての動作を制御する。

符号１２は接合ツール５をステージ１に向かって進退させる昇降駆動部である。昇降駆
動部１２にはロッド１３を上下動させるためにモータが内蔵されており、ロッド１３の下
端には超音波ホーン７を支持するアングル部材１４が固定されている。またこの昇降駆動
部１２は図示しない圧力センサからの圧力信号に基づき、接合ツール５による下方への押
圧力をコントロールしている。

符号１５は筐体であり、上部では昇降駆動部１２を保持し、中間部ではステージ１を保
持し、下部では制御部等の電子回路部を収納している。またステージ１は、ロッド１３の
軸方向である上下方向をＺ軸とすると、Ｘ軸およびＹ軸方向に移動可能であり、さらにロ
ッド１３の軸回りに微量回転可能としてあるので、図示しない上下２視野カメラを基板２
と電子部品３との間隙に一時的に挿入して得た両者の画像から得られる位置情報に基づい
てステージ１を所定の補正量移動あるいは回転させることにより、バンプ３Ａと電極２Ａ
との位置合わせが行える。

次は、この実装装置の動作を説明する。まず基板２がステージ１に載置され、図示しな
い吸着手段により保持される。またステージ１は図示しない加熱手段を内蔵しており、基
板２を下方から加熱する。この基板２に対する加熱は上方のヒータ４から電子部品３を介
して接合部に作用する熱と合わさって作用するものであるが、基板２と電子部品３との温
度差制御を考慮して温度設定することができる。

次に電子部品３がヒータ４の下面に吸着保持され、前述したような画像情報に基づいて
位置合わせされる。符号１６はヒータ４を保持する保持機構であるが、ヒータ４の吸着構
造と共に詳細は後述する。このとき、ヒータ４がコンスタントヒート方式であれば接合に
先立って加熱を開始し電子部品３を所定の温度に昇温させるが、パルスヒート方式であれ
ばこの段階では本加熱は行わない。

次に制御部１０の指令により昇降駆動部１２が駆動して接合ツール５を下降させる。こ
のとき制御部１０は操作および表示パネル１１に入力された設定値に基づいて、動作、押
圧力、温度等の制御を行う。これにより接合ツール５の作用面がヒータ４の上面に当接し
、さらにヒータ４を下方に押圧することにより、電子部品３のバンプ３Ａが基板２の電極
２Ａに押圧される。次にこの押圧を維持しながら制御部１０の指令により発振器９が動作
し、振動子８が振動する。ここでヒータ４がパルスヒート方式である場合は、バンプ３Ａ
が所定の温度で電極２Ａに接触するようなタイミングで加熱開始すればよい。

この超音波振動により超音波ホーン７が共振し、接合ツール５が基板２の上面と略平行
方向に振動する。接合ツール５の振動は摩擦によりヒータ４に伝達され、ヒータ４は電子
部品３を同じく摩擦伝達により振動させる。本実施形態ではバンプ３Ａと電極２Ａとのあ
いだに振幅１μｍ前後の超音波振動を付与するために、接合ツール５の振動振幅を５μｍ
前後に制御している。これは、接合ツール５とヒータ４間、ヒータ４と電子部品３間の滑
りによる振幅減衰率が夫々３０〜４０％トータルで６０〜８０％見込まれるからである。

次に本発明に係るヒータの保持構造に関して説明する。図３はヒータ４の保持構造を示
した側面図である。ここでヒータ４には水平方向に広い板状のものを用いる。図３（ａ）
は接合ツール５がヒータ４に対して上方に隔離している状態。図３（ｂ）は接合ツール５
が下降してヒータ４に接触し、さらにヒータ４を下方に押圧している状態を示す。

図３において、ヒータ４は弾性体であるコイルバネ１８、１８によって保持機構１６、
１６に繋がれている。保持機構１６、１６は図では両側に分離して描かれているが、両者
が相対的に位置移動することはないので、ヒータ４以外の領域で一体となっている。また
、符号１９はヒータ３の発熱体への給電線であり、符号１７はヒータ３本体に形成された
吸着孔である。この吸着孔１７は、片端をエア流路２０により真空発生源に接続し、他端
に発生する吸着作用で電子部品３を真空吸着する。

図３（ｂ）で示すように、接合ツール５がヒータ４を下方に押圧することでコイルバネ
１８、１８が伸長し、矢印エの方向の弾性的な応力をヒータ３に与える。この斜め方向の
応力の水平成分は対称構造であるために互いに打ち消し合い、ヒータ４にとっては上方へ
の応力のみとなる。したがってヒータ４は上下方向に弾性的に保持されることとなる。

次に本発明に係るヒータの保持構造の他の実施形態を図４に基づいて説明する。図４に
おいて、符号４’はヒータ、符号１６’は保持機構である。この実施形態のヒータ４’は
水平方向に広い板状であるが、中央部が厚く周辺部が薄い２段形状となっており、上面に
段差が設けられている。また、この２段の水平面は傾斜面２１で連結されている。

保持機構１６’は中央部に穴が設けられた水平方向に広い板状の構造物で、前記穴を形
成する端面は下方側の開口面積が広がる方向の傾斜面２２で構成されている。また、保持
機構１６’に上端を係止されたコイルバネ１８’の下端がヒータ４’を吊り下げる状態に
なっており、ヒータ４’に他の外力が加わらない状態ではコイルバネ１８’の収縮力によ
り、ヒータ４’の傾斜面２１と保持機構１６’の傾斜面２２とが係合した状態で維持され
るようになっている。

したがって図４（ａ）のように接合ツール５とヒータ４’とが離隔している状態では、
保持機構１６’とヒータ４’とが弾性部材を介さずに係合するので、接合動作に入る前に
行うバンプ３Ａと電極２Ａとの位置合わせの際には、ヒータ４’に吸着保持された電子部
品３の水平方向の遥動が発生せず、精度のよい位置合わせが可能となる。

次に接合ツール５が下降してヒータ４’を押し下げることで、図４（ｂ）で示すように
保持機構１６’とヒータ４’との傾斜面２１、２２での係合が外れ、ヒータ４’はコイル
バネ１８’、１８’によって上下方向に弾性的に保持された状態となる。

上に掲げた２例の実施形態では弾性部材としてコイルバネ１８、１８’を使用したが、
ヒータ４、４’の振動を減衰させにくいものであればこれに限らない。また、ヒータ４、
４’は熱容量の大きな超音波ホーンを加熱する必要がないので、セラミックヒータや抵抗
線巻きつけプレート等の複数の種類から比較的小型軽量のヒータを選択すればよい。

また本実施形態に加えて、超音波ホーンへのヒータからの熱的影響をさらに低減するに
は、図５に示すようにヒータの上方にノズル２３を設け、所定のタイミングで接合ツール
５や超音波ホーンに向けて冷却空気を吹き付けるようにするとよい。

本発明の実施形態を示す模式図 本発明の実施形態を示す側面図 本発明の実施形態を示す模式図 本発明の実施形態を示す模式図 本発明の実施形態を示す模式図 従来の技術を示す模式図 従来の技術を示す模式図 従来の技術を示す模式図 従来の技術を示す模式図

符号の説明

１ ステージ
２ 基板
２Ａ 電極
３ 電子部品
３Ａ バンプ
４ ヒータ
５ 接合ツール
６ アンダーフィル
７ 超音波ホーン
７Ａ、７Ｂ ノーダルポイント
８ 振動子
９ 発振器
１０ 制御部
１１ 操作および表示部
１２ 昇降駆動部
１３ ロッド
１４ アングル部材
１５ 筐体

Claims (2)

1. 電子部品を基板にフェイスダウン状態で押圧し、前記電子部品の電極と前記基板の電極とをバンプを介して接続する超音波フリップチップ実装の実装装置において、
   前記基板を載置するステージと、
   超音波振動を発生する超音波振動子と、
   超音波振動を伝達する超音波ホーンと、
   前記超音波ホーンに具設された接合ツールと、
   上下方向に弾性的に、且つ前記接合ツールと離隔可能に保持され、少なくとも接合時には前記接合ツールと前記電子部品とのあいだに介在するヒータとを備え、
   前記ヒータは、発熱すると同時に前記接合ツールからの押圧力と超音波振動とを前記電子部品に伝達することを特徴とする超音波フリップチップ実装装置。
2. 前記ヒータに取り付けた温度センサとパルスヒート電源とを備え、このパルスヒート電源に前記ヒータの温度情報がフィードバックされることで、前記ヒータが、パルスヒート方式により加熱制御されることを特徴とする請求項１に記載の超音波フリップチップ実装装置。

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