JP4998502B2

JP4998502B2 - バンプ付きの電子部品のボンディング方法

Info

Publication number: JP4998502B2
Application number: JP2009092614A
Authority: JP
Inventors: 隆稔石川; 哲平小塩; 浩三金氣
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2009-04-07
Filing date: 2009-04-07
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2029-04-07
Also published as: JP2010245306A

Description

本発明は、フリップチップなどのバンプ付きの電子部品を基板などの被圧着面にボンディングするバンプ付きの電子部品のボンディング方法に関するものである。

フリップチップなどのバンプ付きの電子部品を、基板などの被圧着面にボンディングする方法として超音波圧接を用いる方法が知られている。この方法は、電子部品のバンプを基板に押圧しながら超音波振動を付与し、接合面を相互に摩擦させてボンディングするものである（特許文献１参照）。この特許文献に示す先行技術例においては、コレットツールに吸着された半導体チップをボンディングするフリップチップボンディングにおいて、予めボンディング条件として設定された所定荷重と超音波振動を印加する例が示されている。そしてここでは、荷重と超音波振動が作用することによるバンプの沈み込み量を監視しながらボンディング動作を実行する例が示されている。

特開平１１−２９７７６１号公報

しかしながら上述の先行技術例においては、バンプを沈み込ませながら超音波振動を印加するようにしていることに起因して、接合状態が不安定になりやすいという課題があった。すなわち、バンプを沈み込ませる過程においては、バンプが押しつぶされることによってバンプ下面と電極の被圧着面との当接面積が変化する。換言すれば、バンプの下面のうち、最初に当接した中央部には長時間超音波振動の作用が及ぶが、バンプ下面の周辺部にはバンプを沈み込ませる過程の最終段階においてのみ超音波振動が作用する。このため、同一バンプの内部において中央部と周辺部とで接合状態が均一とならず、良好な接合強度が得られないという課題があった。

そこで本発明は、同一バンプの内部において均一な接合状態を実現して、良好な接合強度を確保することができるバンプ付きの電子部品のボンディング方法を提供することを目的とする。

本発明のバンプ付きの電子部品のボンディング方法は、ボンディングヘッドによってバンプ付きの電子部品のバンプを被圧着面の電極に押圧してこの電子部品に超音波振動を印加することにより、前記バンプを前記電極にボンディングするバンプ付きの電子部品のボンディング方法であって、前記電子部品を保持したボンディングヘッドを下降させて前記バンプを前記電極に当接させた後、前記バンプが所定の高さになるまで前記ボンディングヘッドを更に下降させる工程と、前記ボンディングヘッドの高さ位置を計測する高さ計測手段により、前記電子部品と被圧着面との間の隙間を監視する工程と、全てのバンプが予め規定されたバンプ高さまで押しつぶされて前記隙間を予め設定された目標値に維持した状態で、前記電子部品に超音波振動を所定時間印加することにより、バンプへの振動作用時間の最初から最後まで、バンプの下端部は同一の面積で被圧着面に押し付けられた状態を保つ工程とを含む。

本発明によれば、バンプ付きの電子部品のバンプを被圧着面の電極に押圧して超音波振動を印加することによりバンプを電極にボンディングするバンプ付きの電子部品のボンディングにおいて、電子部品を保持したボンディングヘッドを下降させてバンプを電極に当
接させてバンプが所定の高さになるまでボンディングヘッドを更に下降させ、バンプ付きの電子部品と被圧着面との隙間を予め設定された目標値に維持した状態でボンディングヘッドに超音波振動を所定時間印加することにより、超音波振動が印加される時間をバンプ下面において被圧着面と当接する全範囲について等しくすることができ、同一バンプの内部において均一な接合状態を実現して、良好な接合強度を確保することができる。

本発明の一実施の形態のバンプ付きの電子部品のボンディング装置の正面図本発明の一実施の形態のバンプ付きの電子部品のボンディング方法を示すフロー図本発明の一実施の形態のバンプ付きの電子部品のボンディング方法におけるボンディングヘッドの高さの時間的変化および超音波振動子駆動部の駆動電源出力を示すグラフ本発明の一実施の形態のバンプ付きの電子部品のボンディング方法におけるバンプの挙動を示す図

次に本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施の形態のバンプ付きの電子部品のボンディング装置の正面図、図２は本発明の一実施の形態のバンプ付きの電子部品のボンディング方法を示すフロー図、図３は本発明の一実施の形態のバンプ付きの電子部品のボンディング方法におけるボンディングヘッドの高さの時間的変化および超音波振動子駆動部の駆動電源出力を示すグラフ、図４は本発明の一実施の形態のバンプ付きの電子部品のボンディング方法におけるバンプの挙動を示す図である。

まず、図１を参照してバンプ付きの電子部品のボンディング装置の全体構造を説明する。垂直に配設された支持フレーム１の前面には、第１昇降板２と第２昇降板３が昇降自在に設けられている。第１昇降板２にはシリンダ４がロッド５を下方に向けた垂直姿勢で装着されており、ロッド５は第２昇降板３に結合されている。シリンダ４は常時第２昇降板３を下方へ付勢しており、第２昇降板３にはボンディングヘッド１０が装着されている。支持フレーム１の上面にはＺ軸モータ６が設けられており、Ｚ軸モータ６は垂直な送りねじ７を回転駆動する。送りねじ７は第１昇降板２の背面に設けられたナット８に螺合しており、Ｚ軸モータ６によって送りねじ７を回転駆動することによりナット８は送りねじ７に沿って上下動し、これにより第１昇降板２および第２昇降板３も上下動する。

図１において、基板３２は被圧着面である上面３２ａを上向きにした姿勢で基板ホルダ３３上に載せられており、上面３２ａには電子部品３０のバンプ３０ａがボンディングされる電極３２ｂ（図４参照）が形成されている。基板ホルダ３３は可動テーブル３４上に載せられており、可動テーブル３４を駆動することにより基板ホルダ３３はＸ方向、Ｙ方向へ水平移動し、これにより基板３２は所定の位置に位置決めされる。

制御系について説明する。主制御部３５は、モータ駆動部３６を介してＺ軸モータ６を制御し、またテーブル制御部３７を介して可動テーブル３４を制御する。また主制御部３５は荷重制御部３８を介してシリンダ４のロッド５の突出力を制御する。これにより、ボンディングツール２０によってバンプ付きの電子部品３０を基板３２に対して押し付ける押圧荷重が制御される。

ボンディングヘッド１０の本体１１の下端部には、ロードセル１３を介してホルダ１２が結合されている。ホルダ１２にはブロック１４が装着されており、ブロック１４にはボンディングツール２０が固定されている。ボンディングツール２０は超音波振動を発生する超音波振動子２１を備えており、超音波振動子２１は超音波振動子駆動部３９により駆
動される。ボンディングツール２０は、中央部の下面に突出して設けられた保持部２０ａに電子部品３０を吸着して保持する。電子部品３０を保持した状態でボンディングヘッド１０を下降させ、電子部品３０のバンプ３０ａを基板３２の電極３２ｂに対して押圧しながら超音波振動子２１を駆動することにより、電子部品３０には超音波振動が印加され、バンプ３０ａは基板３２の電極３２ｂにボンディングされる。

上記ボンディング過程において、以下に述べる３種類の計測値が監視対象として設定されている。まずボンディング時の押圧荷重はロードセル１３によって検出され、荷重読取部４２によって荷重データとして読みとられ、主制御部３５に伝達される。また、ボンディングヘッド１０の高さ位置は、第２昇降板３に設けられたリニアスケールユニット４０によって計測され、高さ読取部４１によって高さデータとして読みとられて主制御部３５へ伝達される。リニアスケールユニット４０および高さ読取部４１は、ボンディングヘッド１０の高さ位置を計測する高さ計測手段を構成する。

このときの高さ計測の基準となる基準面は基板３２の上面３２ａであり、予め標準的な基準面を想定して、固定された基準面を設定しておいてもよく、また基板によるばらつきを排除するため、ボンディング動作の都度基板３２の上面の高さ位置を計測して基準面を補正するようにしてもよい。上述の高さ計測手段によってボンディングヘッド１０の高さ位置を計測することにより、その時点における基板３２の上面３２ａと電子部品３０との間の隙間、換言すれば押圧荷重によって高さ方向に幾分押しつぶされて変形した状態のバンプ３０ａの高さを計測することができる。

ボンディング過程における超音波振動子２１の駆動電流は、電流測定部４３によって測定され、測定結果は主制御部３５へ伝達される。主制御部３５には表示部４４が接続されており、表示部４４のモニタ画面には、図３に示すように、上記計測値、すなわちボンディングヘッド１０の高さ（図３（ａ））および超音波振動子駆動部３９による電源出力（図３（ｂ））がグラフ表示される。なお本発明の実施の形態に示すバンプ付きの電子部品のボンディング方法においては、ロードセル１３によって検出され、荷重読取部４２によって読みとられる荷重データを参照することなく、ボンディング動作の制御を行うようにしている。

このバンプ付きの電子部品のボンディング装置は上記のように構成されており、次にボンディングヘッド１０によってバンプ付きの電子部品３０のバンプ３０ａを被圧着面の電極に押圧し、電子部品３０に超音波振動を印加することにより、バンプ３０ａを電極３２ｂにボンディングするバンプ付きの電子部品のボンディング方法について、図２のフローに沿って図３のグラフを参照しながら説明する。

まずボンディングツール２０の保持部２０ａに電子部品３０を真空吸着させて保持し、電子部品３０を基板３２の上方に位置させて電極３２ｂに対して位置合わせした状態から、図２のフローが開始する。まずタイミングｔ０にてＺ軸モータ６を駆動して、電子部品３０を保持したボンディングヘッド１０を下降させる（ＳＴ１）。この後ボンディングヘッド１０は下降し、タイミングｔ１にて電子部品３０のバンプ３０ａが基板３２の電極３２ｂに当接する。するとロードセル１３の出力が変化してこの当接が主制御部３５によって検出される（ＳＴ２）。

このタイミングｔ１の後さらにボンディングヘッド１０を下降させて、ボンディングツール２０によって電子部品３０を押し下げ、バンプ押圧を開始する（ＳＴ３）。すなわち電子部品３０をさらに下降させてバンプ３０ａを基板３２に押し付ける。またバンプ押圧開始とともに高さ読取部４１によりバンプ高さを監視する（ＳＴ４）。すなわちリニアスケールユニット４０および高さ読取部４１より成る高さ計測手段によって、ボンディング
ヘッド１０の高さ位置を計測することにより、電子部品３０と基板３２との間の隙間の寸法で示されるバンプ高さ、すなわち上下方向に幾分つぶされて変形した状態のバンプ３０ａの高さを常に計測する。

タイミングｔ１からタイミングｔ２の過程で、電子部品３０のバンプ３０ａは、ボンディングヘッド１０がｈ１からｈ２へ下降することにより、ボンディングツール２０によって押しつぶされて変形しバンプ高さが減少する。そしてこのバンプ高さの減少により、バンプ３０ａの基板３２への当接状態が均一化される。すなわちバンプ３０ａが最初に基板３２に当接したタイミングｔ１の時点では、バンプ３０ａの高さのばらつきや基板３２のうねり等により、ごく一部のバンプ３０ａのみが基板３２に接触しているだけであるが、ボンディングヘッド１０が予め規定された目標高さｈ２まで下降したタイミングｔ２の時点では、全てのバンプ３０ａは予め規定されたバンプ高さｂ（図４参照）まで押しつぶされて変形しており、全てのバンプ３０ａが基板３２と当接した状態となる。

ボンディングヘッド１０の目標高さｈ２は、次のようにして決定される。まず、対象となる電子部品３０におけるバンプ３ａの高さのばらつき状態を示すデータを取得する。そしてこれらの高さのばらつきを考慮し、これらのバンプ３０ａを一律に上から押し付けて上下方向に変形させた場合に、全てのバンプ３０ａが略均一な当接状態となるようなバンプ高さｂを推定する。そしてこのバンプ高さｂに対応してボンディングヘッド１０の目標高さｈ２を設定する。換言すれば、前述の高さ計測手段がボンディングツール１０の高さ位置を監視することにより、バンプ３０ａのバンプ高さｂ（電子部品３０と基板３２との間の隙間）を監視していることになる。

そしてこのバンプ高さの監視においては、バンプ高さが規定の目標値として設定されたバンプ高さｂに到達したか否かが判断される（ＳＴ５）。そしてタイミングｔ２にてバンプ高さが目標値ｂに到達したならば、すなわち図３（ａ）に示すように、ボンディングヘッド高さｈがｈ２に到達したならば、Ｚ軸モータ６の駆動を停止して、Ｚ軸の高さ（ボンディングヘッド１０の高さ位置）を保持する（ＳＴ６）。これにより、電子部品３０と基板３２との間の隙間は、予め設定された目標値ｂに維持される。

次いで図３（ｂ）に示すように、超音波振動ＯＮにより超音波振動子２１の駆動が開始され（ＳＴ７）、次いで超音波振動ＯＮから所定時間（ｔ２〜ｔ３の時間）が経過したか否かを監視する（ＳＴ８）。そしてここで所定時間の経過が確認されたならば、超音波振動をＯＦＦにし（ＳＴ９）、次いで電子部品３０を基板３２にボンディングした後のボンディングヘッド１０を上昇させる（ＳＴ１０）。これにより、１つのバンプ付きの電子部品３０を対象としたボンディング動作の１サイクルが終了する。

すなわち上述のバンプ付きの電子部品３０のボンディング方法は、ボンディングヘッド１０によって電子部品３０のバンプ３０ａを被圧着面の電極３２ｂに押圧して超音波振動を印加することにより、バンプ３０ａを電極３２ｂにボンディングするものであり、電子部品３０を保持したボンディングヘッド１０を下降させてバンプ３０ａを電極３２ｂに当接させた後、バンプ３０ａが予め設定された所定のバンプ高さｂになるまでボンディングヘッド１０を更に下降させる工程と、ボンディングヘッド１０の高さ位置を計測する高さ計測手段により、電子部品３０と被圧着面である電極３２ｂとの間の隙間を監視する工程と、この隙間を予め設定された目標値に維持した状態で、ボンディングツール２０に超音波振動を所定時間印加する工程とを含む形態となっている。

ボンディングツール２０に超音波振動を所定時間（ｔ２〜ｔ３）印加する工程においては、図４に示すように、ボンディングヘッド高さｈは常にｈ２に保持されており、したがって電子部品３０のバンプ３０ａのバンプ高さｂも、常に予め設定された目標値に維持さ
れている。したがってバンプ３０ａの下面が電極３２ｂに押圧されて当接する当接部の面積Ａは、超音波振動がＯＮされる振動作用時間（ｔ２〜ｔ３）を通じて常に一定に保たれる。

すなわち、本実施の形態に示すボンディング動作においては、バンプ３０ａへの振動作用時間の最初から最後まで、バンプ３０ａの下端部は常に同一の面積Ａで被圧着面に押し付けられた状態を保つ。したがってバンプ３０ａが被圧着面に当接した面積Ａの全範囲において、振動作用時間の最初から最後まで超音波振動が同一時間だけ作用する。これにより、同一のバンプ３０ａ内において面積Ａの全範囲について均一な接合状態が実現され、良好な接合強度を確保することができる。

また上記実施の形態に示すバンプ付きの電子部品のボンディング方法においては、電子部品３０のバンプ３０ａを目標値として設定されたバンプ高さｂまで変形させるように制御すればよいことから、ボンディングヘッド１０によって電子部品３０を基板３２に対して押圧するボンディング荷重を、ボンディング条件を規定する要素として考慮する必要がない。これにより、適正なボンディング条件を見出すために実行される条件出し作業において、対象となる基板とバンプとの組み合わせや、ボンディングに先だって塗布される樹脂の有無などの種々の要素条件が異なる場合にあっても、条件出し作業におけるボンディング条件の組み合わせを簡略化することが可能となり、適正なボンディング条件の設定を容易に行うことができる。

本発明のバンプ付きの電子部品のボンディング方法は、同一バンプの内部において均一な接合状態を実現して、良好な接合強度を確保することができるという効果を有し、フリップチップなどのバンプ付きの電子部品をボンディングツールによって基板に実装する分野において有用である。

１０ボンディングヘッド
２０ボンディングツール
２１超音波振動子
３０電子部品
３０ａバンプ
３２基板
３２ａ上面（被圧着面）
３２ｂ電極
４０リニアスケールユニット（高さ計測手段）

Claims

ボンディングヘッドによってバンプ付きの電子部品のバンプを被圧着面の電極に押圧してこの電子部品に超音波振動を印加することにより、前記バンプを前記電極にボンディングするバンプ付きの電子部品のボンディング方法であって、
前記電子部品を保持したボンディングヘッドを下降させて前記バンプを前記電極に当接させた後、前記バンプが所定の高さになるまで前記ボンディングヘッドを更に下降させる工程と、前記ボンディングヘッドの高さ位置を計測する高さ計測手段により、前記電子部品と被圧着面との間の隙間を監視する工程と、全てのバンプが予め規定されたバンプ高さまで押しつぶされて前記隙間を予め設定された目標値に維持した状態で、前記電子部品に超音波振動を所定時間印加することにより、バンプへの振動作用時間の最初から最後まで、バンプの下端部は同一の面積で被圧着面に押し付けられた状態を保つ工程とを含むことを特徴とするバンプ付きの電子部品のボンディング方法。