JP4870557B2 - 接合方法 - Google Patents

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Description

本発明は、電子部品の電極と基板に形成された電極との間を直接接合して電子部品を基板に実装する場合などに適用する接合方法及びその装置に関するものである。
複数の被接合物どうしを直接接合する実装方法として、各被接合物を真空チャンバー内に配して、減圧ガス雰囲気中で接合物の表面にエネルギー波を照射して洗浄し、真空もしくは不活性ガス又は被接合物と反応しないガスを密封したチャンバー内で被接合物どうしを対面させて加圧接合する方法が知られている（特許文献１参照）。
また、電子部品のＡｕバンプと基板の接続端子表面のＡｕ膜とを金属接合で接合するに際し、電子部品及び基板をチャンバー内に収容して真空雰囲気とし、高速原子線やイオンビームなど一方向に加速されたエネルギー粒子により電子部品のＡｕバンプと基板の接続端子表面のＡｕ膜を洗浄し、真空雰囲気又はガス雰囲気を保ち、洗浄により活性化されたバンプと接続端子とを接触させ、加圧することにより常温で両者を接合する接合方法が知られている（特許文献２参照）。本従来技術においては、大気中での接合も可能であるとし、洗浄工程によって得られた活性化状態が維持できる時間を１０分以内として、室温から１５０℃に加熱して接合する。
特開２００１−３５１８９２号公報 特開２００３−１９７６７３号公報
しかしながら、従来技術に係る接合方法においては、洗浄工程からの搬送及び接合工程内に少なくとも１つの真空チャンバー又は不活性ガス雰囲気を作り出すためのチャンバーが必要であり、加えて真空ポンプ、バルブ、制御系など一連の真空設備が必要となり、超音波加熱接合やペースト硬化による接合方法に比して設備コストが高くなる課題がある。また、電子部品や基板をチャンバーに搬入、搬出するために、減圧またはガス封入／大気開放を行うことに時間を要するため、生産タクトが低下する課題がある。
上記課題を解決するために、特許文献２に示す従来技術中に開示されているように、洗浄工程からの搬送及び接合を大気中で行い得るようにすると、接合のために真空設備等を設ける必要がなく、接合のための設備コスト及び生産タクトを改善することができる。しかし、接合のために加熱が必要になるため、接合面に生じる酸化物や吸着物などの接合を阻害する物質の除去、更には再吸着の防止、吸着量の管理が課題となる。
そこで本発明は、少なくとも接合有害物質を除去する表面処理から接合工程までの工程を大気中且つ常温で行い得るようにした接合方法及びその装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するための本願第１発明は、複数の被接合物の接合面に表面処理をした後、複数の被接合物をそれぞれの接合面間で接合する接合方法であって、複数の被接合物の接合する少なくとも一方の接合面を所定粗さにする表面粗さ制御工程と、前記被接合物の接合面に紫外線を照射し前記被加工物の接合面の酸化物や有機物を除去して前記被加工物の接合面の表面状態を改質する表面処理工程と、前記複数の被接合物のそれぞれの接合面を当接させて接合する接合工程と、前記表面粗さ制御工程の前に、前記被接合物の接合面を洗浄する初期表面洗浄工程とを含み、前記表面処理工程と前記表面粗さ制御工程と前記接合工程と前記初期表面洗浄工程とを大気圧雰囲気中で実施することを特徴とする。
上記接合方法によれば、表面粗さ制御工程により接合する一方の接合面の表面が所定粗さに処理されるので、一方の接合面には微細なピークが微細な間隔で形成された状態が得られ、この接合面を接合工程において他方の接合面に押し付けると、ピークにより接合面の表面に存在する酸化物や吸着物などの接合阻害物質の層がせん断され、ほぼ均等な分布で、あるいは規則的に並ぶピークと他方の接合面が金属接合して接合面間は接合される。所要の接合強度は接合面の一方に形成された微細なピーク部分が他方の接合面と点状に接合する面積の総和である接合箇所の総接合面積に依存するので、表面粗さ制御工程における一方の接合面の粗さを形成するピークの形状や寸法、更には接合工程において所定粗さに形成された一方の接合面を他方の接合面に当接させるときの押し込み量等を最適に選択することにより、所望の接合強度が得られる。このとき、接合面につき接合阻害物質の除去、接合有効物質の付着を図る表面処理工程が実施されていることにより、接合阻害物質がなく接合有効物質の存在下で接合が行われるので、ピークと他方の接合面との接合は接合阻害物質の邪魔なく接合有効物質の働きを得てより確実になされる。
上記接合方法の表面処理工程の一部として、各工程に先立って接合面に存在する接合阻害物質を除去する初期表面洗浄工程を実施するのがより好ましく、より清浄化された状態で各工程が実施でき、表面洗浄工程後の表面は再吸着した物質の存在下で接合有効物質が付着する改質によって、大気圧雰囲気中で接合を実施することができる。
また、表面粗さ加工制御工程は、表面粗さが接合面の材質に対応しない範囲である場合、対応する表面粗さに加工制御するもので、所定粗さの凹凸が形成された凹凸形成部材により接合する一方の接合面に凹凸を転写する方法、あるいは、大気圧プラズマ処理による方法、あるいは、微細粒子を吹き付けるブラスト処理による方法を適用することができる。
また、表面処理工程は、大気圧下でエネルギー粒子又はエネルギー波を接合面に照射する方法が好適で、接合工程を大気圧及び室温雰囲気下で実施することができる。具体的には、紫外線の照射あるいは大気圧プラズマによる生成物の照射を適用することができ、この表面処理工程は、接合工程と並行して実施することにより接合阻害物質の除去、接合有効物質の付着がなされた後、速やかに接合することができる。
なお、本発明の接合方法は、複数の被接合物の接合面につき表面処理した後、複数の接合物をそれぞれの接合面間で接合する接合方法であって、接合する少なくとも一方の接合面を所定粗さに管理し、接合阻害物質のないまたは除去した接合面につき大気雰囲気中の吸着物質の存在下で接合有効物質を付着させて改質する表面処理工程と、複数の被接合物をそれぞれの接合面を前記改質下で当接させて、接合する接合工程とを有することをも特徴として、大気雰囲気中での常温接合が確実に行える。
以上説明したとおり本発明によれば、第１の洗浄工程により被接合物の表面を洗浄して酸化物や吸着物等の接合阻害物質の除去を行った後、表面粗さ制御工程により一方の接合面に所定粗さの凹凸を形成し、第２の洗浄工程により接合面に付着した再吸着物の除去を行って凹凸形成した接合面を他方の接合面に押し付けて接合することにより、常温で且つ大気中での接合が可能となる。
本実施の形態は、電子部品に形成された電極ランドに形成したバンプ電極を基板に形成された電極ランドに接合して電子部品を基板に実装する場合に適用した例を示すものである。尚、バンプ電極は基板の電極ランド上に形成してもよく、基板及び電子部品それぞれの電極ランドにバンプ電極を形成してもよい。バンプ電極は、一般に電極ランドの厚さは１μｍ以下であるため、電子部品及び基板の反りを吸収し、双方に形成されている複数の電極ランドの接合による導通を確実に達成するためには、高さ数〜数十μｍ程度の緩衝材として不可欠である。
図１は、本実施の形態に係る接合方法の各工程手順を示すもので、以下、各工程について図２〜図４を参照して説明する。尚、図１に示すＳ１、Ｓ２…は、工程手順を示すステップ番号であって、本文中に添記する番号に一致する。
まず、予備の表面処理工程として、電子部品１のバンプ電極１ｂ及び基板２の電極ランド２ａの初期洗浄処理を行う（Ｓ１）。初期洗浄処理は、大気中、真空中のいずれであってもよく、プラズマによるエネルギー粒子、イオンビームや化学薬品によるウェットエッチングなどを実施する。この初期洗浄工程により、バンプ電極１ｂ及び電極ランド２ａの表面に存在する接合を阻害する酸化物や吸着物を除去することができ、バンプ電極１ｂ及び電極ランド２ａを形成する金属が表面に露出する。もっとも、初期洗浄工程はＳｉなど接合阻害物質の付着がないか、ほとんどない接合面であるような場合は省略し、後述する主表面処理だけ実施してもよい。
初期洗浄された電子部品１は、表面粗さ制御工程を実施する表面処理ステージ４上に搬送され、基板２はボンディングステージ７上に搬送される（Ｓ２）。表面粗さ制御工程において、バンプ電極１ｂの表面が所定粗さに粗面化される（Ｓ３）。この表面粗さ制御工程は、図２（ａ）に示すように、表面に所定粗さに粗面部３ａが形成された凹凸プレート（凹凸形成部材）３をステージ４上に保持された電子部品１のバンプ電極１ｂに向けて下降させ、図２（ｂ）に示すように、バンプ電極１ｂを所定圧力で加圧した後、凹凸プレート３をバンプ電極１ｂから離反上昇させると、図２（ｃ）に示すように、バンプ電極１ｂの表面に凹凸形状が形成される。この凹凸形状を形成することの作用効果についての詳細は後述する。
上記表面粗さ加工制御工程によりバンプ電極１ｂに表面粗さの加工制御がなされた電子部品１は接合工程に向けて搬送され（Ｓ４）、図３（ａ）に示すように、接合ツール（接合手段）６に保持され、基板２を保持するボンディングステージ７の上方に、バンプ電極１ｂと電極ランド２ａとが一致するように接合ツール６の位置が制御される。
図３（ａ）に示す状態で、図示するように第１の紫外線照射装置（表面処理手段）５ａから電子部品１に向けて紫外線を照射し、第２の紫外線照射装置（表面処理手段）５ｂから基板２に向けて紫外線を照射して、バンプ電極１ｂ及び電極ランド２ａに初期洗浄後に付着している接合阻害物質の除去、再吸着している吸着物存在下での接合有効物質の付着を図る主表面処理工程（表面処理工程）を実施する（Ｓ５）。
所定時間の主表面処理工程を実施した後、接合ツール６を下降動作させ、図３（ｂ）に示すように、電子部品１のバンプ電極１ｂが基板２の電極ランド２ａに加圧されるように当接させると、バンプ電極１ｂはその表面に形成された凸部分で電極ランド２ａに接合する（Ｓ６）。この接合のメカニズムの詳細については後述する。
バンプ電極１ｂと電極ランド２ａとの間が接合すると、接合ツール６は電子部品１の保持を解除して上昇するので、図３（ｃ）に示すように、バンプ電極１ｂを電極ランド２ａに接合して電子部品１は基板２に実装される。
上記第２の洗浄工程は接合工程が終了するまで継続するのがより好ましい（Ｓ７）。また、紫外線による吸着物の解離から除去を促進するため、Ｏ２ブローを行うこともできる。
上記表面粗さ制御工程によるバンプ電極１ｂの表面処理の作用効果及び表面処理されたバンプ電極１ｂと電極ランド２ａとの間の接合メカニズムについて以下に詳細を説明する。
バンプ電極１ｂは、電解、無電解メッキによるものや、スタッドバンプボンディング工法によるものが主流である。その表面には十点平均粗さでマイクロメートルオーダーのうねりがあり、更に、うねりの１つ１つにはナノメートルオーダーのうねりがある。前記マイクロメートルオーダーのうねり（十点平均粗さ）を大粗さ、ナノメートルオーダーのうねり（十点平均粗さ）を小粗さと定義すると、大粗さは、粗さ測定器やレーザー測定が可能であるが、小粗さは原子間力顕微鏡ほどの分解能によって測定できるレベルとなる。図４に示すように、大粗さの三角波近似を行ったときのピーク値をｈ１、波形のピッチをｂ１とし、小粗さのピーク値をｈ２、波形のピッチをｂ２とすると、一般的に、金（Ａｕ）スパッタ膜によるバンプ電極１ｂの場合では、大粗さのピーク値ｈ１はサブマイクロメートル程度であり、小粗さのピーク値ｈ２は１０ｎｍ程度であり、メッキによるバンプ電極１ｂの場合では、大粗さのピーク値ｈ１は数マイクロメートル、小粗さのピーク値ｈ２は５０ｎｍ程度である。
表面処理の予備洗浄も主表面処理も何も施さない場合、図５（ａ）に示すように、大気中ではバンプ電極１ｂ及び電極ランド２ａの表面には酸化物や有機物の吸着物などの接合を阻害する阻害物質Ｇが存在するため、金属の表面どうしが直接接触する状態にはならないので接合に失敗する。初期洗浄を行うと、阻害物質Ｇが金属表面から除去されるので、金属表面が他の物質と反応しやすい状態となるため、金属どうしを接触させると、金属結合による接合が可能となる。しかし、大気中での接合や１×１０-4Ｐａ程度の真空度では、阻害物質Ｇが除去された後も再吸着があり、やはり接合に失敗する。このとき、接合が可能となる場合は、図５（ｂ）に示すように、前述したように金属表面、ここではバンプ電極１ｂ及び電極ランド２ａの表面には大小のうねりがあり、うねりの頂上部分の位置が互いに一致しているような場合に、バンプ電極１ｂが電極ランド２ａに押し付けられると、再吸着物Ｆの層がせん断し、金属の新生面など、の反応の高い活性面が界面に生成され、その部分で金属結合による接合箇所Ｅにより接合がなされる。しかし、このような接合箇所Ｅは全くのランダムに生じるため、確実な接合状態が得られる保証はなく、接合強度にもばらつきが生じる。
本発明は上記接合メカニズムを応用し、量産工程下においても安定した接合状態が得られるように、凹凸プレート３の粗面部３ａには大粗さのパラメータｈ１，ｂ１で規格化された凹凸を形成する。図２に示すように、この凹凸プレート３にピーク間隔ｂｐ、ピーク高さｈｐで凹凸が形成された粗面部３ａが押し付けられたバンプ電極１ｂの表面には、図５（ｃ）に示すように、電極ランド２ａに対する接合箇所Ｅの数が管理された凹凸が形成される。この表面粗さ制御工程における粗さの管理により、再吸着物を確実にせん断する部分を発生させることができ、接合強度品質を量産工程内で管理することができる。
○接合箇所：Ｅ
○接合箇所間の寸法：ｂｐ（凹凸プレート３に形成された凹凸のピーク間隔であり、設計により決定される寸法）
○接合箇所における接合面積：ｓ（接合箇所Ｅの形状、寸法、押し込み量によって決定される理論値）
○単位面積当りの接合面積：Ｓｃ
○接合物の被接合面積：Ｓ（実測可能な値）
○総接合面積：Ｓｏ、とすると、
単位面積１とＥを４頂点とする１辺長さｂｐの正方形の面積（ｂｐ）2との比は、単位面積当りの接合面積Ｓｃと接合面積ｓ（１頂点当りの接合面積ｓ／４の４頂点分として、４×ｓ／４）との比に等しくなり、下式（１）が成り立つ。
１：（ｂｐ）2＝Ｓｃ：ｓ…（１）
ここで、接合物の被接合面積：Ｓとは、接合箇所Ｅにおける正味の有効接合面積ｓとは異なり、図５（ｃ）に示すように、有効接合部と非接合部とを含み、外見上は接合部と認識される実測上の投影総面積を意味する。
上記（１）式から単位面積当りの接合面積Ｓｃは、下式（２）として得られ、接合部の正味の総接合面積Ｓｏは、外見上の接合面積である被接合面積Ｓに単位面積当りの接合面積Ｓｃを乗じたものとなるので、下式（３）として表すことができる。この式（３）に式（４）を代入すると、下式（４）が得られる。
Ｓｃ＝ｓ／（ｂｐ）2…（２）
Ｓｏ＝Ｓ×Ｓｃ…（３）
Ｓｏ＝Ｓ×ｓ／（ｂｐ）2…（４）
上記総接合面積Ｓｏと接合強度との相関関係を把握しておけば、所定の接合強度を得るために必要な総接合面積Ｓｏを求めることができるので、式（４）から総接合面積Ｓｏを得るために必要な接合面積ｓ、あるいは接合箇所間の寸法ｂｐを決定すればよい。そのとき、接合面積ｓは、凹凸プレート３に形成された粗面部３ａの１接合箇所の形状や寸法、押し込み量等の数値を選択することにより決定することができる。
凹凸プレート３の粗面部３ａはドライエッチングあるいはサンドブラスト等により一定の粗さが周期性のある状態になるように形成される。そのピーク高さｈｐ及びピーク間隔ｂｐの決定は、バンプ電極１ｂの表面状態、サイズ、材質に依存する。本実施の形態においては、バンプ電極１ｂの材質は金とし、電極１つ当たりの接合しようとする表面積が３０μｍ2程度の微小なものを考慮して、ｈｐ＝２〜５マイクロメートル、より良くは３マイクロメートル前後、ｂｐ＝１〜３マイクロメートル、より良くは１．７マイクロメートル前後としている。しかし、これは接合材料によって異なり、潰れにくいＳｉどうしの接合ではより細かくして対応する。
上記粗面化により規格化された接合箇所Ｅを設けても再吸着物Ｆの大小により各接合箇所Ｅでの接合達成度にバラツキが生じることが懸念されるし、実際に接合を失敗することがある。これを解消するために、前記主表面処理工程が設けられており、大気中での金属表面の化学状態を管理し制御する目的で再吸着物Ｆ中の接合阻害物質の除去、接合有効物質の付着が図られる。ここでは、第１の紫外線照射装置５ａから電子部品１のバンプ電極１ｂ形成面に向けて紫外線を照射し、第２の紫外線照射装置５ｂから基板２の電極ランド２ａ形成面に向けて紫外線を照射し、紫外光により再吸着物Ｆにおける接合阻害物質の除去、接合有効物質の付着を図る主表面処理がなされる。この結果、残余吸着物の存在下でも接合有効物質の働きによって残余吸着物の影響を緩和ないしは無くして接合が首尾よく達成される。これは、接合有効物質が残余吸着物層の接合部での剪断を促進しているものと思われる。つまり、残余吸着物層が接合を邪魔しないように接合面の表面状態が接合有効物質によって改質したものといえる。
以上説明した構成においては、予備表面処理としての初期洗浄工程が終了した電子部品１を表面処理ステージ４上に搬送して凹凸形状を転写するようにしているが、初期洗浄工程が終了した電子部品１を接合ツール６により保持し、粗面部３ａを上向き配置した凹凸プレート３上に接合ツール６を下降させ、保持した電子部品１のバンプ電極１ｂを粗面部３ａに押し付け、バンプ電極１ｂの表面に凹凸を転写するように構成することもできる。
また、表面粗さ加工制御工程を実施する手段として説明した凹凸プレート３による凹凸形状の転写の他、プラズマ処理やブラスト処理によって凹凸形状即ち粗面を直接形成することもできる。また、主表面処理工程を実施する手段として説明した大気圧プラズマにより生成されるイオン等の生成物の照射によっても可能である。
また、接合工程において電子部品１及び基板２を５０〜２５０℃程度に加熱することにより、金属の拡散速度を加速させることができるので、接合力を更に強化することができる。
尚、以上説明した構成においては、電子部品１に形成されたバンプ電極１ｂに表面粗さ制御工程を施すようにしているが、基板２側の電極ランド２ａに粗面形成処理を行っても同様の効果が得られる。
次に、最良の形態における参考工程と実施の結果について、以下１〜４の工程につき説明する。
１．Ａｕスタッドバンプ１ｂを電子部品１上に形成
２．電子部品１の接合部であるＡｕ表面を、Ｓｉ基板をエッチング加工して作成した型で規則的な凹凸をつけてる粗面化工程を表面粗さ加工制御工程として実施
（傾斜角５４．７°、異方性エッチング１．７μｍ高さ、ピッチ３μｍ）
３．粗面化された電子部品１上のＡｕバンプと、電子部品２上のＡｕスパッタ電極をＵＶランプにて同時に表面処理し、接合阻害物質の除去、接合有効物質の付着を図る
（低圧水銀ランプ 波長１８５〜２５４ｎｍ、照度２０ｍＷ／ｃｍ2、照射時間９０ｓ）
４．接合面温度１００℃になるよう、電子部品１、電子部品２の両方、もしくは一方を加熱し、下圧することにより、凝着またはおよび拡散接合を起こし、接合させる
以上の工程によって、Ａｕ−Ａｕ接合強度としては、接合面積φ５０μｍ（１９６３μｍ2）にて、均一な剪断破壊強度２００ｍＮを得た。また、初期洗浄工程として、Ａｒプラズマ洗浄（２００Ｗ、３０ｓ）を行うと、より接合強度が上昇し、同接合においてせん断破壊強度が３００ｍＮ以上となった。ただし、この場合、せん断破壊部位が接合界面以外で発生したため、接合強度の定量化はできていないが、接合強度を保証する上では十分な隔靴をえることができた。
なお、接合温度は室温からみて、高ければ高いほど良好な接合結果を得ている。また、前記主表面処理の前後において、図６（ａ）の通り炭素Ｃのピークが低くなっていて、図６（ｂ）に示す通り酸素Ｏのピークが高くなっている。ここに、断素Ｃが除去され、酸素Ｏ付着して増加したことで、接合に有利な表面状態に改質でき、上記好結果を得たものといえる。そして、Ｃは接合有害物質であり、Ｏは接合有効物質であるといえる。
以上説明したとおり本発明によれば、第１の洗浄工程により被接合物の表面を洗浄して酸化物や吸着物等の接合阻害物質の除去を行った後、表面粗さ制御工程により一方の接合面に所定粗さの凹凸を形成し、第２の洗浄工程により接合面に付着した再吸着物の除去を行って凹凸形成した接合面を他方の接合面に押し付けて接合することにより、常温で且つ大気中での接合が可能となることから、フリップチップ方式による電子部品実装に適用することに有効である。
実施形態に係る接合方法の工程手順を示すフローチャートである。 表面粗さ制御工程の手順を示す模式図である。 接合工程及び表面洗浄工程を示す模式図である。 表面粗さを説明する模式図である。 表面粗さ制御された接合面による接合を説明する模式図である。 主表面処理前と処理後との、接合阻害物質の増減を示すグラフおよび接合有効物質の増減を示すグラフである。

Claims (8)

  1. 複数の被接合物の接合面に表面処理をした後、複数の被接合物をそれぞれの接合面間で接合する接合方法であって、
    複数の被接合物の接合する少なくとも一方の接合面を所定粗さにする表面粗さ制御工程と、前記被接合物の接合面に紫外線を照射し前記被加工物の接合面の酸化物や有機物を除去して前記被加工物の接合面の表面状態を改質する表面処理工程と、前記複数の被接合物のそれぞれの接合面を当接させて接合する接合工程と、
    前記表面粗さ制御工程の前に、前記被接合物の接合面を洗浄する初期表面洗浄工程とを含み、
    前記表面処理工程と前記表面粗さ制御工程と前記接合工程と前記初期表面洗浄工程とを大気圧雰囲気中で実施する接合方法。
  2. 複数の被接合物の接合面に表面処理をした後、複数の被接合物をそれぞれの接合面間で接合する接合方法であって、
    複数の被接合物の接合する少なくとも一方の接合面を所定粗さにする表面粗さ制御工程と、前記被接合物の接合面に大気圧プラズマによる生成物を照射し前記被加工物の接合面の酸化物や有機物を除去して前記被加工物の接合面の表面状態を改質する表面処理工程と、前記複数の被接合物のそれぞれの接合面を当接させて接合する接合工程と、
    前記表面粗さ制御工程の前に、前記被接合物の接合面を洗浄する初期表面洗浄工程とを有し、
    前記表面処理工程と前記表面粗さ制御工程と前記接合工程と前記初期表面洗浄工程とを大気圧雰囲気中で実施する接合方法。
  3. 前記表面粗さ制御工程は、所定の表面粗さに加工する請求項１または２のいずれかの請求項に記載の接合方法。
  4. 前記表面粗さ制御工程は、所定粗さの凹凸が形成された凹凸形成部材により、前記接合する少なくとも一方の接合面に前記凹凸形成を転写する請求項３に記載の接合方法。
  5. 前記表面粗さ制御工程は、大気圧プラズマ処理である請求項３に記載の接合方法。
  6. 前記表面粗さ制御工程は、微細粒子を吹き付けるブラスト処理である請求項３に記載の接合方法。
  7. 前記表面処理工程は、前記接合工程と並行して実施する請求項１から請求項６に記載の接合方法。
  8. 前記接合工程は、室温雰囲気下で実施する請求項１から請求項７に記載の接合方法。
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