JP4525210B2

JP4525210B2 - 超音波接合装置

Info

Publication number: JP4525210B2
Application number: JP2004191032A
Authority: JP
Inventors: 祐三東山
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2004-06-29
Publication date: 2010-08-18
Anticipated expiration: 2024-06-29
Also published as: JP2006013297A

Description

本発明は部品に押圧力と超音波振動を加えて被接合面に対して接合する超音波接合装置、特にボンディングツールの改良に関するものである。

半導体素子や圧電素子などの電子部品を基板などにフリップチップ実装する際に、超音波接合装置が広く用いられている。
超音波接合装置は、一方主面にバンプなどの金属接合部が形成され、他方主面に平滑面が形成された部品の他方主面をボンディングツールで吸着保持し、部品に押圧力と超音波振動とを印加して金属接合部を被接合面に接合するものである。

特許文献１には、ステンレス鋼よりなるボンディングツールの吸着面に硬化処理層を有するとともに、表面が所定の面粗度を持つ粗面に形成されたものが提案されている。このように、吸着面を粗面に形成することで、部品に対する摩擦力が大きくなり、超音波振動を加えた時の部品との間のすべりが抑制され、振動の伝達性が向上し、接合品質が向上する。

しかしながら、上記の構造では、ボンディングツールの吸着面にコーティングや改質処理により硬化処理を施したとしても、ボンディングを繰り返していくうちに粗面が摩耗して滑りが発生するため、振動伝達性が悪くなり、安定した接合品質を維持できなくなる。さらに、粗面を回復するための再生処理（再研磨）を行う方法も提案されているが、このような処理は手間がかかり、メンテナンスコストがかかるという問題がある。
特開２０００−９１３８５号公報

そこで、本発明の目的は、ボンディングを繰り返しても振動伝達性が低下せず、安定した接合品質を得ることができ、再生処理も不要な超音波接合装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、一方主面に金属接合部が形成され、他方主面に平滑面が形成された部品の他方主面にボンディングツールを接触させ、部品に押圧力と超音波振動とを印加して金属接合部を被接合面に接合する超音波接合装置において、上記ボンディングツールの部品との接触面をＲａ０．１μｍ以下の平滑面とするとともに、上記接触面に、部品と同じ材質で、粒子径が１０〜１００ｎｍの微粒子を分散して付着させたことを特徴とする超音波接合装置を提供する。

本発明では、ボンディングツールの部品との接触面を平滑面とし、この接触面に部品と同じ材質の微粒子を付着させる。接触面を予めＲａ０．１μｍ以下の平滑面とするのは、微粒子の粒子径が１０〜１００ｎｍと小さいため、接触面に１００ｎｍ以上の凹凸があると、微粒子が凹内に入り込み、微粒子を部品に確実に接触させることができなくなるからである。このような微粒子は、単なる粗面とは異なり、活性が高く、部品との分子間力が強い。大きな表面エネルギーを有する微粒子と部品との間に働く分子間力のため、ボンディングツールと部品との間の滑りを防止できる。しかも、微粒子は部品と同じ材質よりなるので、分子間力が一層強くなる。その結果、ボンディングツールから部品への振動伝達性が良好となり、高品質の接合を行うことができる。
本発明は、粗面のように機械的な摩擦力により滑りを防止するのではなく、部品と同じ材質で活性の高い微粒子を付着させ、微粒子と部品との間に働く分子間力を利用して滑りを防止するものである。一般的な粗面であれば、ボンディングを繰り返すことで摩耗し、滑りが発生するが、分子間力を利用しているので、摩耗の影響を受けず、ボンディングを繰り返しても滑りが発生しない。そのため、定期的な再生処理（再研磨など）を行う必要がなく、メンテナンスコストを低減できる。

請求項２のように、ボンディングツールの部品との接触面をジルコニアで構成するのがよい。
ボンディングツールとしては、ステンレス、超硬材（タングステンカーバイト）、ジルコニアなどがあるが、このうち微粒子の付着性が最も良好な点でジルコニアが好ましい。また、ジルコニアは靱性が高く、超音波接合時の割れや欠けが起こりにくい点でも有利である。

ボンディングツールの接触面に微粒子を付着させる方法としては、請求項３のように、ボンディングツールの部品との接触面を微粒子と同じ材質の部材に対して押圧荷重と超音波振動を印加して接触させる方法を用いてもよい。
この場合には、格別な装置を必要とせず、簡単に微粒子を付着させることができる。

請求項４のように、微粒子を、ボンディングツールの部品との接触面に分散配置した後、高温下で焼き付けることで付着させる方法を用いてもよい。
この場合には、所望の粒径で部品と同材質の微粒子を予め湿式合成法（水熱合成法など）や固相反応法（仮焼など）により作製しておき、これをボンディングツールの表面にまぶして高温下（必要であれば高圧、振動などを印加して）で焼き付け、付着させる方法を用いる。これにより、微粒子を確実に付着させることができる。

請求項５のように、微粒子を、ボンディングツールの部品との接触面にプラズマ溶射により溶着してもよい。
この場合は、溶射により溶けた状態の微粒子がボンディングツールの接触面に付着し固化するので、自動的に微粒子を付着させることができる。

請求項６のように、微粒子を、ボンディングツールの部品との接触面に蒸着、スパッタリング、またはイオンプレーティングの何れかの方法により付着させてもよい。
これらの方法は薄膜形成法の範疇に入るが、１０〜１００ｎｍの微粒子を付着させるということは、実質的に薄膜形成を行っているのに等しく、微粒子を均等に付着させることができる。

請求項１に係る発明によれば、ボンディングツールの部品との接触面に、部品と同質で１０〜１００ｎｍの大きさの微粒子を付着させたので、ボンディングツールと部品との間に働く分子間力により、部品に対する振動伝達性が高くなり、接合品質が向上すると同時に、短時間接合、常温を含む低温接合が可能になる。
また、粗面による機械的な摩擦力を利用したものと異なり、分子間力によって振動伝達性を高めたものであるから、摩耗の影響を受けず、ボンディングを繰り返しても振動伝達性が低下しない。そのため、定期的な再生処理を行う必要がなく、メンテナンスコストを低減できる。

以下に、本発明の実施の形態を、実施例を参照して説明する。

図１は本発明にかかる超音波接合装置の一例の構造を示し、図２は接合部の拡大図を示す。
超音波接合装置１は、バンプ付きの部品（例えばＬｉＴａＯ₃ チップ）Ｐを基板Ｂに対して押圧荷重と超音波振動とを加えて接合するものであり、超音波ホーン１０を備えている。この実施例の超音波ホーン１０は、アルミ合金、超硬合金、チタン合金、ステンレスなどの金属材料で逆二等辺三角形状に一体形成されている。超音波ホーン１０の下頂部１１と左右の頂部１２，１３にはそれぞれカット面が設けられている。下頂部１１のカット面は上辺１４に対して平行であり、左右の頂部１２，１３のカット面はそれぞれ斜辺１５，１６に対してほぼ垂直である。

超音波ホーン１０の左右一方の頂部（ここでは右頂部１３）のカット面には、圧電振動子２０が固定されており、超音波ホーン１０の右頂部１３に対して斜辺１６とほぼ平行な超音波振動Ｕinを与える。振動周波数としては、例えば２０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚの範囲が望ましいが、ここでは約６０ｋＨｚを用いた。なお、超音波ホーン１０は左右対称形状であるから、振動子２０を左右いずれの頂部１２，１３に設けても、同様の作用効果を有する。下頂部１１に対向する上辺１４の中央部付近であって、かつ上辺１４からやや下方位置の表裏両面にフランジ状の連結部１８が突設されている。連結部１８は、ホーン１０の振動のノード部に設けられており、連結部１８の突出長さは超音波振動周波数で共振しないように設計されている。上記連結部１８には、下方への押圧荷重を印加する荷重印加装置（図示せず）の一対の出力軸２１がボルト２２によって連結されている。これら出力軸２１は超音波ホーン１０の連結部１８以外の部位に接触することがない。

上記のような形状の超音波ホーン１０に対し、例えば右頂部１３に斜辺１６とほぼ平行な超音波振動Ｕinを入力すると、下頂部１１には水平方向（被接合面Ｂと平行）の振動Ｕout が発生する。しかも、下頂部１１では右頂部１３より振幅が大きい。つまり、右頂部１３から入力された超音波振動Ｕinの振幅が増幅されて、下頂部１１から大きな水平方向の超音波振動Ｕout が出力される。

また、超音波ホーン１０のノード領域内に設けた連結部１８を荷重入力部とし、この入力部１８に荷重印加装置の出力軸２１を連結してあるので、連結部１８から荷重印加装置へ超音波振動が伝播せず、外乱振動を発生させない。荷重印加装置によって下向きの押圧荷重を印加すれば、押圧荷重のベクトルが下頂部１１を通るので、超音波ホーン１０に撓みを発生させず、下頂部１１から部品Ｐに押圧荷重を直に作用させることができる。そのため、超音波振動と押圧荷重とを接合部全体に均一に作用させることができ、均一で良好な接合を得ることができる。

超音波ホーン１０の下頂部１１のカット面には、耐摩耗性材料（例えば超硬合金，セラミックス，ジルコニア等）よりなるボンディングツール３０が着脱可能に固定されている。図２に示すように、部品Ｂの上面に接触するボンディングツール３０の接触面３１は、予め平滑面に加工され、この面に部品Ｂと同材質の粒径１０〜１００ｎｍ（望ましくは５０ｎｍ程度）の微粒子３３を付着させてある。例えば、部品ＢがＬｉＴａＯ₃ チップの場合、微粒子３３もＬｉＴａＯ₃ で構成される。ボンディングツール３０が導電性ジルコニアからなる場合、その接触面３１にＬｉＴａＯ₃ からなる微粒子３３を付着させるには、ボンディングツール３０の接触面３１をＬｉＴａＯ₃ からなる部材に対して押圧荷重と超音波振動を印加することで、容易に付着させることができる。ボンディングツール３０の接触面３１には部品Ｂを吸着するための吸着穴３２が形成されている。この吸着穴３２は超音波ホーン１０に設けられた吸引穴（図示せず）を介して真空吸引装置（図示せず）と接続されている。

ここで、上記構成よりなるボンディング装置の動作を図２を参照して説明する。
部品Ｐを基板Ｂにボンディングする際、基板Ｂを加熱ステージＳ上に載置し、予め加熱しておく。ボンディングツール３０に吸着された部品Ｐを基板Ｂに対して押圧した状態で、圧電振動子２０から超音波ホーン１０の右頂部１３に対して超音波振動Ｕinを印加すると、ボンディングツール３０には被接合面である基板Ｂの電極Ｂ１に対して平行な振動Ｕout が発生し、ボンディングツール３０と部品Ｐとの間に働く摩擦力によって振動が部品Ｐに伝達される。これにより、部品Ｐに形成されたバンプＰ１と基板２とが接合される。

ボンディングツール３０の接触面３１には、部品Ｐと同材質の微粒子３３が付着している。微粒子３３の大きさは１０〜１００ｎｍであるため、活性が高く、部品Ｐとの間に作用する分子間力が大きくなる。特に、微粒子３３と部品Ｐとが同材質であるため、分子間力が一層大きくなる。その結果、ボンディングツール３０と部品Ｐとの間に働く摩擦力が大きくなり、部品Ｐへの振動伝達性が向上する。
ここで、ボンディングツール３０の接触面３１の表面粗さはＲａ０．１μｍ以下の鏡面であり、ボンディングを繰り返しても、振動伝達性は殆ど変化することがなく、一定である。

図３，図４は、ボンディングツールの表面をＳＰＭ（走査型プローブ顕微鏡）により観察した結果を示す。図３は微粒子を付着させる前のボンディングツールの表面、図４は微粒子を付着させた後のボンディングツールの表面である。
ここで、ボンディングツールとして導電性ジルコニアを用い、微粒子としてＬｉＴａＯ₃ を用いた。
平滑面であるボンディングツールの表面に微粒子がほぼ均一に分散・付着していることがわかる。

図５は、微粒子の付着の有無と振動伝達率（部品の振幅とボンディングツールの振幅との比）との関係を実験により求めたものである。ここで、ボンディングツール３０として導電性ジルコニアを用い、部品Ｐおよび微粒子３３としてＬｉＴａＯ₃ を用いた。
図５から明らかなように、接触面３１に微粒子３３を付着させない場合には、振動伝達率が３３％程度であるのに対し、接触面３１に微粒子３３を付着させた場合には、振動伝達率が５０％以上に上昇した。つまり、振動伝達性が約１．５倍以上に向上したことがわかる。

図６は、ボンディング回数に対する振動伝達率（部品の振幅とボンディングツールの振幅との比）の変化を表したものである。ボンディングツール３０、部品Ｐおよび微粒子３３の材質は図５と同じである。
図６から明らかなように、ボンディングを２００００回繰り返しても、振動伝達率はほぼ５０％を維持していることがわかる。
したがって、従来の粗面のように定期的な再研磨などを実施することなく、安定した接合性能を維持できる。

上記実施例では、微粒子３３を接触面３１に付着させるために、ボンディングツール３０の接触面３１を微粒子を構成する部材に対して押圧荷重と超音波振動を印加して接触させたが、これに限るものではない。
例えば、微粒子をボンディングツールの部品との接触面に分散配置した後、高温下で焼き付けしてもよいし、微粒子をボンディングツールの部品との接触面にプラズマ溶射により溶着してもよいし、ボンディングツールの部品との接触面に蒸着、スパッタリング、またはイオンプレーティングの何れかの方法により付着させてもよい。
いずれにしても、粒径が１０〜１００ｎｍの範囲の微粒子を付着させることができればよい。

本発明は上記実施例に限定されるものではない。
上記実施例では、バンプ付き部品の基板へのフリップチップ実装について説明したが、本発明はＴＡＢと呼ばれる複数のリードを有するチップのテープに対するボンディングや、金属同士の接合にも適用できる。つまり、金属と金属とを超音波振動を利用して接合するすべての装置に適用可能である。
上記実施例では、超音波ホーンの下頂部にボンディングツールを着脱可能に取り付けたが、超音波ホーンそのものをボンディングツールとして用いてもよい。
上記実施例では、逆三角形状の超音波ホーンを用いたが、超音波ホーンの形状は任意であり、公知の超音波ホーンを使用することもできる。

本発明にかかる超音波接合装置の一例の側面図である。図１に示す超音波接合装置の一部拡大断面である。微粒子を付着させる前のボンディングツールの表面のＳＰＭ図である。微粒子を付着させた後のボンディングツールの表面のＳＰＭ図である。微粒子の有無と振動伝達率との関係を示す図である。ボンディング回数に対する振動伝達率の変化を示す図である。

符号の説明

Ｂ基板（被接合面）
Ｐ部品
１超音波接合装置
１０超音波ホーン
２０振動子
２１出力軸（荷重印加手段）
３０ボンディングツール
３１接触面
３３微粒子

Claims

一方主面に金属接合部が形成され、他方主面に平滑面が形成された部品の他方主面にボンディングツールを接触させ、部品に押圧力と超音波振動とを印加して金属接合部を被接合面に接合する超音波接合装置において、
上記ボンディングツールの部品との接触面をＲａ０．１μｍ以下の平滑面とするとともに、
上記接触面に、部品と同じ材質で、粒子径が１０〜１００ｎｍの微粒子を分散して付着させたことを特徴とする超音波接合装置。
上記ボンディングツールの部品との接触面がジルコニアで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波接合装置。
上記微粒子は、ボンディングツールの部品との接触面を微粒子と同じ材質の部材に対して押圧荷重と超音波振動を印加して接触させることにより付着させたものであることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波接合装置。
上記微粒子は、ボンディングツールの部品との接触面に分散配置した後、高温下で焼き付けたものであることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波接合装置。
上記微粒子は、ボンディングツールの部品との接触面にプラズマ溶射により溶着されたものであることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波接合装置。
上記微粒子は、ボンディングツールの部品との接触面に蒸着、スパッタリング、またはイオンプレーティングの何れかの方法により付着されたものであることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波接合装置。