JP4423166B2 - 電子部品の超音波実装方法および超音波実装装置 - Google Patents

電子部品の超音波実装方法および超音波実装装置 Download PDF

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Description

本発明は電子部品の超音波実装方法および超音波実装装置に関する。
フリップチップ接続によって半導体チップを回路基板に搭載する操作は、半導体チップのバンプ形成面を回路基板側に向け、半導体チップに設けた金バンプあるいははんだバンプを回路基板に設けた電極端子に接合することによって行われる。半導体チップと基板との間には非導電性のアンダーフィル樹脂が充填され、半導体チップの回路面を保護するとともに、バンプの腐蝕防止、半導体チップと基板との接合強度の向上が図られる。
このフリップチップ接続によって半導体チップを実装する方法として、接合時に半導体チップに超音波振動を印加し、バンプと電極端子との接合部を合金化させて接続する方法が行われるようになってきた。
図８は、超音波振動を利用して半導体チップ１０をフリップチップ接続する方法を示す。半導体チップ１０はボンディングツール４０にエア吸着されて支持され、支持ステージ３０に支持された回路基板２０に位置合わせした状態で、ボンディングツール４０の端部に装着された超音波振動子４９により半導体チップ１０に超音波振動を印加することによって接合される。
図９に、半導体チップ１０に超音波振動を作用させて回路基板２０に半導体チップ１０を実装する状態を拡大して示す。半導体チップ１０にチップ面と平行に超音波振動が印加され、支持ステージ３０に吸着支持された回路基板２０に対して半導体チップ１０が横方向に振動することにより、半導体チップ１０に形成されたバンプ１２と回路基板２０に設けられた電極端子２２とが擦り合わされて接合される。
なお、半導体チップを超音波実装する際には、半導体チップはチップ面と平行に振動させる方法が一般的であるが、超音波振動の振動方向を半導体チップ等の電子部品のチップ面に垂直にして実装する方法も提案されている（特許文献１）。
特開２００１−５７３７６号公報
一般に、超音波実装によって実装する際の印加エネルギーは以下の式によってあらわされる。
ここで、印加エネルギーＥ（μＪ／ｍ2)、バンプ／パッド間摩擦係数μ、荷重Ｌ（Ｐａ）、周波数ｆ（Ｈｚ）、振幅Ａ（μｍ）、時間ｔ（ｓ）である。この式より、周波数および振幅を一定として実装する場合は、荷重が大きいほど実装時の印加エネルギーが大きくなることがわかる。
図１０は、半導体チップ１０のチップ面に平行に超音波振動を印加した際に、バンプ１２がどのような動きをするかを説明的に示している。図１０(a)は、振動方向での変位が０の状態、図１０(b)は変位が最大の状態を示す。半導体チップ１０に超音波振動を作用させると、バンプ１２は左右に若干倒れるような動きをし、このとき、バンプ１２に作用する応力はバンプ１２の外周部（図のＡ部分）に集中的に作用するようになる。
図１１は、超音波実装の際にバンプ１２にどのような応力が作用するかをシミュレーションした結果を示す。図は、バンプ１２の変位が最大となったときにバンプ１２の外周部に応力が集中するようになることを示している。
このように、バンプ１２の変位が最大になったときにバンプ１２の外周部に応力が集中することから、バンプ１２の外周部では金属接合が促進されるものの、バンプ１２の中央部では金属接合が不十分になる。この結果、バンプ１２と電極端子２２との接触面内における接合性が不均一となり、これに起因してバンプ１２の接合部にボイドが発生し、接合信頼性が低下するという問題が生じている。図１２に、バンプ１２にボイドＢが発生した状態を示す。ボイドＢは、バンプ１２の外周部側に形成されている。
なお、超音波振動を電子部品の搭載面に垂直に印加して接合する方法は、樹脂基板のような比較的軟らかい基板に電子部品を搭載する場合には、印加エネルギーを的確に接合部に作用させることができず、したがって所要の接合強度を有する実装ができない場合があるという問題があった。
そこで、本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、超音波振動を利用して半導体チップ等の電子部品を基板に搭載する際に、バンプと基板との接合部が均一に接合できるようにし、これによって接合信頼性の高い超音波実装を可能にする電子部品の超音波実装方法および超音波実装装置を提供することを目的とする。
本発明は、上記目的を達成するため次の構成を備える。
すなわち、電極端子が設けられた回路基板に、超音波振動を半導体チップに印加してフリップチップ接続により半導体チップを搭載する電子部品の超音波実装方法において、前記半導体チップに対して、チップ面に平行に超音波振動を作用させるとともに、チップ面に垂直に、前記超音波振動の振動サイクルと連動して周期的に荷重を作用させることにより半導体チップを実装することを特徴とする。この場合の周期的とは、周期関数的に制御する他、間欠的な周期操作によって荷重を印加する操作を含む意である。
また、前記半導体チップのチップ面に垂直に作用させる荷重を、前記半導体チップのチップ面に平行となる振動方向での変位が０となる位置においては最大となり、前記半導体チップのチップ面に平行となる振動方向での変位が最大となる位置おいては最小となるように、制御することにより、半導体チップと回路基板との接合部における接合性を良好にして、確実なフリップチップ接続を可能にすることができる。なお、本発明による作用効果は、半導体チップの振動方向での変位が正確に０、または正確に最大となる場合以外には生じないものではなく、半導体チップの振動方向での変位が０または０近傍、半導体チップの振動方向での変位が最大または最大近傍で上記条件となることで、本発明の作用効果を十分に得ることができる。
また、前記半導体チップのチップ面に垂直に作用させる荷重を、前記荷重が最大となる時点と、前記荷重が最小となる時点との間で、周期関数的に振動変化するように制御することにより、半導体チップと回路基板との間で、無理なく荷重を変動させながら印加することができ、半導体チップを確実にフリップチップ接続することができる。
また、前記半導体チップのチップ面に垂直に作用させる荷重の周波数を、前記半導体チップのチップ面に平行に作用させる超音波振動の２倍の周波数に設定することにより、半導体チップに作用する超音波振動によって半導体チップに設けられたバンプの中央部に応力が作用しないときには、バンプに荷重が印加されて接合性が良好になるとともに、バンプの外周部に応力が集中するときには、バンプに作用する応力が緩和されてバンプの外周部に過度に応力が集中することを防止する。これによって、接合部が均一に接合される。 また、前記半導体チップのチップ面に垂直に作用させる荷重を、前記半導体チップの前記超音波振動の振動方向の変位が０となる時点でのみパルス的に作用させることによっても、接合部での接合性を向上させることが可能になる。
また、電極端子が設けられた回路基板を支持する支持ステージと、半導体チップを支持するとともに、半導体チップのチップ面に平行に超音波振動を作用させるボンディングツールを備え、前記回路基板に半導体チップをフリップチップ接続により搭載する超音波実装装置において、前記ボンディングツールに、前記半導体チップに対して、チップ面に平行に超音波振動を作用させる超音波振動子と、前記半導体チップのチップ面に垂直に荷重を作用させる振動機構とを設け、前記超音波振動子と前記振動機構を駆動し、前記超音波振動子の振動サイクルに連動して周期的に前記半導体チップに荷重を作用させる制御機構を設けたことを特徴とする。
また、前記制御機構は、前記超音波振動子により半導体チップのチップ面に平行に超音波振動を作用させた際に、半導体チップのチップ面に垂直に作用する荷重が、前記半導体チップのチップ面に平行となる振動方向での変位が０となる位置においては最大となり、前記半導体チップのチップ面に平行となる振動方向での変位が最大となる位置おいては最小となるように振動機構を制御することを特徴とする。
また、前記制御機構は、前記半導体チップのチップ面に垂直に作用させる荷重が、前記荷重が最大となる時点と、前記荷重が最小となる時点との間で、周期関数的に振動変化するように振動機構を制御することを特徴とする。
また、前記振動機構は、前記ボンディングツールに設けられたピエゾ素子からなる振動部を備えていること、前記ボンディングツールに設けられた振動部を備えること、前記振動機構は、回路基板の基板面に垂直に荷重を作用させる、支持ステージに設けられた振動部を備えることを特徴とする。振動部は超音波振動子等を用いて構成される。
本発明に係る電子部品の超音波実装方法および超音波実装装置によれば、半導体チップに対してチップ面に平行に超音波振動を作用させるとともに、チップ面に垂直に、荷重を作用させて半導体チップを搭載するように構成したから、超音波振動と荷重の印加を制御することによって半導体チップを確実に回路基板に搭載することが可能になる。
以下、本発明の好適な実施の形態について、添付図面とともに詳細に説明する。
図１は、本発明に係る電子部品の超音波実装方法を適用して回路基板２０に半導体チップ１０を搭載する超音波実装装置の構成図を示す。
この超音波実装装置５０は、超音波ヘッド側の構成として、半導体チップ１０をエア吸着して支持する超音波ヘッド５２と、超音波ヘッド５２に超音波振動を印加する超音波発信器５４と、半導体チップ１０を回路基板に向けて加圧する加圧機構５６と、加圧機構５６による荷重を制御する加圧制御部５８とを備える。
また、回路基板２０を支持する支持ステージ側の構成として、支持ステージをアライメント位置に合わせてＸ−Ｙ−θ方向に移動可能に支持するアライメント機構６０と、アライメント機構６０を位置制御して、フリップチップ接続時における半導体チップ１０と回路基板２０との相互位置を調節するアライメント機構制御部６２とを備える。
また、半導体チップ１０と回路基板２０との相互の配置位置を検知する検知機構として、撮像ユニット６４と、撮像ユニット６４により得られた画像を画像処理する画像処理部６６と、撮像ユニット６４を任意位置に移動可能に支持する撮像ユニット移動機構６８と、撮像ユニット移動機構６８を駆動して撮像ユニット６４を所定位置に移動させる撮像ユニット移動機構制御部６９とを備える。
メイン・コントローラ７０は、画像処理部６６の検知結果に基づきアライメント機構制御部６２を制御して半導体チップ１０と回路基板２０とを相互に位置合わせし、加圧制御部５８によりフリップチップ接続時における荷重を制御しつつ、超音波発信器５４を駆動して、回路基板２０の所定位置に半導体チップ１０を実装する操作を制御する。
（超音波実装方法）
図２は、本発明に係る電子部品の超音波実装方法を利用して半導体チップ１０を回路基板２０に実装する際における、１回の振動サイクルについての実装動作と、そのときのバンプ１２の動きを説明的に示している。
すなわち、図２(a)は超音波振動の振動方向への半導体チップ１０の変位が０の状態、図２(b)は超音波振動の振動方向の一方側へ最大変位した状態、図２(c)は変位０の位置に戻った状態、図２(d)は変位０の位置から振動方向の他方側へ最大変位した状態を示す。図２(d)の状態から図２(a)の状態に戻ることにより、超音波振動の１サイクルに対応する動作となる。
前述したように、半導体チップ１０にチップ面と平行に超音波振動を作用させると、図２(b)、(d)に示すように、最大変位位置でバンプ１２は傾いた状態になり、バンプ１２の外周部（Ａ部）に応力が集中するようになる。
本実施形態においては、超音波実装時の印加エネルギーが、周波数および振幅が一定の場合には、荷重が大きいほど大きくなることを利用し、半導体チップ１０をチップ面に平行に振動させる操作（横方向の振動）と、バンプ１２に印加する荷重を半導体チップ１０に作用させる横方向の振動タイミングに合わせて強弱させる操作を組み合わせて半導体チップ１０を回路基板２０に接合するよう制御することを特徴とする。
バンプ１２に印加される荷重は、半導体チップ１０を回路基板２０に向けて押圧すること、いいかえれば半導体チップ１０と回路基板２０との間隔を狭めることによって大きくなり、半導体チップ１０と回路基板２０との間隔を広げることによって小さくなる。すなわち、半導体チップ１０のチップ面に垂直方向に振動を加え（縦方向の振動）ることにより、バンプ１２に作用させる荷重を制御することが可能となる。
図２では、半導体チップ１０に作用させる横方向の振動と縦方向の振動とをどのように組み合わせるかを矢印で示している。
すなわち、図２(a)の状態（振動方向の変位が０で、バンプ１２の外周部に応力が集中しない状態）では、半導体チップ１０と回路基板２０との間隔を狭め、バンプ１２に加える荷重を強めるようにする。
次に、図２(b)の状態（振動方向の一方向への変位が最大で、バンプ１２の外周部に応力が集中する状態）では、半導体チップ１０と回路基板２０との間隔を広げて、バンプ１２に作用する荷重を緩めるようにする。
次に、図２(c)の状態（振動方向の変位が０で、バンプ１２の外周部に応力が集中しない状態）では、半導体チップ１０と回路基板２０との間隔を狭め、バンプ１２に加える荷重を強めるようにする。
次に、図２(d)の状態（振動方向の他方向への変位が最大で、バンプ１２の外周部に応力が集中する状態）では、半導体チップ１０と回路基板２０との間隔を広げ、バンプ１２に作用する荷重を緩めるようにする。
これら図２(a)〜(d)の操作に続いて、図２(a)の状態に戻ることにより、半導体チップ１０に作用させる超音波振動（横方向の振動）での一サイクルに対応する操作が完了する。半導体チップ１０を回路基板２０に実装する際には、多数回の超音波振動（横方向の振動）が半導体チップ１０に作用する。本実施形態の超音波実装方法では、これらの超音波振動における一サイクルごとに、図２(a)〜(d)に示した操作を行うよう制御することにより、半導体チップ１０をチップ面に平行に押動する作用と、チップ面に垂直方向に押動する作用が組み合わされて半導体チップ１０が回路基板２０に接合されることになる。
本実施形態の超音波実装方法は、バンプ１２の外周部に応力が集中しないときには、バンプ１２に作用させる荷重を強めることによりバンプ１２の中央部に作用する応力を高めて、バンプ１２の中央部における接合性を確保し、また、バンプ１２の外周部に応力が集中するときには、バンプ１２に作用させる荷重を弱めることによって、バンプ１２の外周部に応力が集中することを緩和し、バンプ１２の外周部に過度に応力が集中することを抑制するようにして実装するものである。
バンプ１２に作用させる荷重については、半導体チップ１０の超音波振動方向の変位が０で荷重が最大になる時点と、変位が最大で荷重が最小となる時点との間で、周期関数的に滑らかに変動するように印加することができる。この場合には荷重を作用させる周期は超音波振動の２倍の周波数になる。
また、バンプ１２に作用させる荷重をパルス的に制御し、半導体チップ１０の超音波振動方向の変位が０となる時点でのみ、荷重をパルス的に印加して、その時点で平均荷重にパルス的な印加荷重が加わるように制御することも可能である。
こうして、バンプ１２の中央部においてはバンプ１２の中央部に作用する応力が小さいために接合性が劣るという問題を解消して所要の接合力を得ることができ、バンプ１２の外周部においては応力が集中することによってボイドが発生するといった問題を解消して、バンプ１２と電極端子２２との接合部の全体としての接合性を均一化することができる。本実施形態の超音波実装方法によれば、バンプ１２と電極端子２２との接合力を向上させることができ、バンプ１２と電極端子２２との接合不良といった問題を解消して、半導体チップ１０を確実に回路基板２０に実装することが可能になる。
（ボンディングツール）
図３、４は、半導体チップ１０のチップ面に平行に超音波振動を印加し、チップ面に垂直方向に荷重を印加して半導体チップ１０を回路基板２０に超音波実装するためのボンディングツール４１の構成を示す。
図３に示すボンディングツール４１は、ツール本体４１ａに設けた半導体チップ１０の吸着部４１ｂにピエゾ素子からなる振動部４４を装着し、振動部４４によって半導体チップ１０に対してチップ面と垂直方向の荷重を印加できるように構成したものである。ボンディングツール４１の端部には超音波振動子４９が設けられ、吸着部４１ｂに設けられる振動部４４はツール本体４１ａの長手方向と直交する方向を振動方向とするように設けられている。
図４は、ボンディングツール４１のピエゾ素子からなる振動部４４を装着した部位を拡大して示す。ピエゾ素子からなる振動部４４が半導体チップ１０のチップ面と垂直方向に振動し、吸着部４１ｂに吸着支持された半導体チップ１０に対して、横方向の振動と縦方向の振動が作用することを示す。
ボンディングツール４１および超音波振動子４９および振動部４４は、超音波実装装置５０のメイン・コントローラ７０等の制御機構、加圧機構５６および加圧制御部５８等を介して駆動制御される。超音波振動子４９および振動部４４は制御機構により、周波数、振幅、位相が制御され、超音波振動子４９による横方向の振動と、振動部４４による縦方向の振動を位相を制御して半導体チップ１０に作用させることによって、上述した横方向の振動と縦方向の振動を作用させて半導体チップ１０を回路基板２０に超音波実装することができる。
図５は、半導体チップ１０の超音波実装に用いられるボンディングツールの他の構成例を示す。本実施形態のボンディングツール４２は、ツール本体４２ａの半導体チップ１０の吸着部４２ｂが設けられた面と反対側の面に、吸着部４２ｂと対称となる配置に振動部を構成する超音波振動子４５を設けたものである。超音波振動子４５はツール本体４２ａに対して、ツール本体４２ａの長手方向とは直交する向きに超音波振動を印加する作用をなす。
超音波振動子４９および超音波振動子４５によって印加される超音波振動の周波数、振幅、位相は超音波振動子４９および超音波振動子４５を個別に制御することによって適宜制御される。吸着部４２ｂに吸着支持された半導体チップ１０には、超音波振動子４９による横方向の振動と、超音波振動子４５による縦方向の振動とが重畳して作用し、上述した横方向の振動と縦方向の振動とを作用させて半導体チップ１０を回路基板２０に超音波実装することができる。
図６は、半導体チップ１０の超音波実装に用いられるボンディングツールのさらに他の構成例を示す。本実施形態のボンディングツール４３は、ツール本体４３ａを加圧する加圧機構５６に半導体チップ１０に縦方向の振動を作用させる超音波振動子４７ａを組み込む構成としたものである。
ツール本体４３ａを加圧機構５６に装着するため、本実施形態では、ツール本体４３ａを上方から保持するホルダ４６と、ホルダ４６と加圧機構５６との間で超音波振動子４７ａを支持するアダプター４７を設けている。本実施形態ではホルダ４６、アダプター４７および超音波振動子４７ａが振動部を構成する。
本実施形態のボンディングツール４３を使用して実装する場合も、超音波振動子４９によって半導体チップ１０に横方向の振動を印加し、超音波振動子４７ａによって縦方向の振動を印加することによって、半導体チップ１０に横方向と縦方向の振動を作用させて半導体チップ１０を回路基板２０に超音波実装することができる。ホルダ４６は、超音波実装時にツール本体４３ａを安定して支持する作用をなす。
図７は、半導体チップ１０の超音波実装に用いられるボンディング装置の他の構成例を示す。本実施形態のボンディング装置は、半導体チップ１０に横方向の振動を作用させるボンディングツール４０については従来と同じものを使用する一方、回路基板２０を支持する支持ステージ３０に、回路基板２０に対して基板面に垂直な振動を作用させる超音波振動子４８を振動部として組み込んだことを特徴とする。
本実施形態においては、回路基板２０を支持する支持ステージ３０から回路基板２０に縦方向の振動を印加することにより、半導体チップ１０のバンプ１２に作用する縦方向の荷重を可変とすることができるから、ボンディングツール４０に対して横方向の振動を作用させる超音波振動子４９と、回路基板２０に対して縦方向の振動を作用させる超音波振動子４８の周波数、振幅、位相を制御することにより、半導体チップ１０に横方向の振動と縦方向の振動を作用させて半導体チップ１０を回路基板２０に超音波実装することができる。
本発明に係る電子部品の超音波実装方法を適用して半導体チップをフリップチップ接続する実装装置の構成図である。 本発明に係る電子部品の超音波実装方法を示す説明図である。 ボンディングツールの構成を示す説明図である。 ボンディングツールによる作用を示す説明図である。 ボンディングツールの構成を示す説明図である。 ボンディングツールの構成を示す説明図である。 支持ステージに超音波振動子を装着した構成を示す説明図である。 従来のボンディングツールの構成を示す説明図である。 従来の超音波実装の作用を示す説明図である。 従来の超音波実装によるバンプの動作を示す説明図である。 従来の超音波実装による場合のバンプに作用する応力をシミュレーションした結果を示す図である。 従来の超音波実装によって接合されたバンプの内部構造を示す電子顕微鏡写真である。
符号の説明
１０ 半導体チップ
１２ バンプ
２０ 回路基板
２２ 電極端子
３０ 支持ステージ
４０、４１、４２、４３ ボンディングツール
４１ａ、４２ａ、４３ａ ツール本体
４１ｂ、４２ｂ 吸着部
４２ ボンディングツール
４４ 振動部
４５、４７ａ、４８、４９ 超音波振動子
４６ ホルダ
５０ 実装装置
５２ 超音波ヘッド
５４ 超音波発信器
５６ 加圧機構
６０ アライメント機構
７０ メイン・コントローラ

Claims (11)

  1. 電極端子が設けられた回路基板に、超音波振動を半導体チップに印加してフリップチップ接続により半導体チップを搭載する電子部品の超音波実装方法において、
    前記半導体チップに対して、チップ面に平行に超音波振動を作用させるとともに、チップ面に垂直に、前記超音波振動の振動サイクルと連動して周期的に荷重を作用させることにより半導体チップを実装することを特徴とする電子部品の超音波実装方法。
  2. 前記半導体チップのチップ面に垂直に作用させる荷重を、
    前記半導体チップのチップ面に平行となる振動方向での変位が０となる位置においては最大となり、前記半導体チップのチップ面に平行となる振動方向での変位が最大となる位置おいては最小となるように、制御することを特徴とする請求項１記載の電子部品の超音波実装方法。
  3. 前記半導体チップのチップ面に垂直に作用させる荷重を、
    前記荷重が最大となる時点と、前記荷重が最小となる時点との間で、周期関数的に振動変化するように制御することを特徴とする請求項２記載の電子部品の超音波実装方法。
  4. 前記半導体チップのチップ面に垂直に作用させる荷重の周波数を、前記半導体チップのチップ面に平行に作用させる超音波振動の２倍の周波数に設定することを特徴とする請求項３記載の電子部品の超音波実装方法。
  5. 前記半導体チップのチップ面に垂直に作用させる荷重を、
    前記半導体チップの前記超音波振動の振動方向の変位が０となる時点でのみパルス的に作用させることを特徴とする請求項１記載の電子部品の超音波実装方法。
  6. 電極端子が設けられた回路基板を支持する支持ステージと、半導体チップを支持するとともに、半導体チップのチップ面に平行に超音波振動を作用させるボンディングツールを備え、前記回路基板に半導体チップをフリップチップ接続により搭載する超音波実装装置において、
    前記ボンディングツールに、前記半導体チップに対して、チップ面に平行に超音波振動を作用させる超音波振動子と、前記半導体チップのチップ面に垂直に荷重を作用させる振動機構とを設け、
    前記超音波振動子と前記振動機構を駆動し、前記超音波振動子の振動サイクルに連動して周期的に前記半導体チップに荷重を作用させる制御機構を設けたことを特徴とする超音波実装装置。
  7. 前記制御機構は、
    前記超音波振動子により半導体チップのチップ面に平行に超音波振動を作用させた際に、半導体チップのチップ面に垂直に作用する荷重が、
    前記半導体チップのチップ面に平行となる振動方向での変位が０となる位置においては最大となり、前記半導体チップのチップ面に平行となる振動方向での変位が最大となる位置おいては最小となるように振動機構を制御することを特徴とする請求項６記載の超音波実装装置。
  8. 前記制御機構は、
    前記半導体チップのチップ面に垂直に作用させる荷重が、前記荷重が最大となる時点と、前記荷重が最小となる時点との間で、周期関数的に振動変化するように振動機構を制御することを特徴とする請求項７記載の超音波実装装置。
  9. 前記振動機構は、前記ボンディングツールに設けられたピエゾ素子からなる振動部を備えることを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項記載の超音波実装装置。
  10. 前記振動機構は、前記ボンディングツールに設けられた振動部を備えることを特徴とする請求項６〜９のいずれか一項記載の超音波実装装置。
  11. 前記振動機構は、回路基板の基板面に垂直に荷重を作用させる、支持ステージに設けられた振動部を備えることを特徴とする請求項６〜１０のいずれか一項記載の超音波実装装置。
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