JP5018760B2

JP5018760B2 - 超音波接合方法

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Publication number: JP5018760B2
Application number: JP2008321036A
Authority: JP
Inventors: 孝夫米山; 久幸竹内; 昌則山本; 賢三熊沢
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2008-02-28
Filing date: 2008-12-17
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2028-12-17
Also published as: JP2009231802A

Description

本発明は、半導体素子と基板を金属バンプを介して超音波接合する超音波接合方法に関する。

半導体素子（第２の部材）の接合用電極に形成した金属バンプを、基板（第１の部材）の接合用電極にフリップチップ接合する場合、超音波接合する方法が知られている（特許文献１参照）。この場合、基板を超音波接合装置のステージの上面に固定し、半導体素子を超音波振動ヘッドに取り付けることが一般的である。しかし、大型の嵩高部品（嵩高部材）、例えば一端部が閉塞した円筒状部品の閉塞部（底部）の外面に予め接合された半導体素子と、フレキシブル基板とを超音波接合する場合には、嵩高部品をステージの上面に固定し、フレキシブル基板を超音波振動ヘッドに取り付けて超音波振動させる必要がある。これは、大型の嵩高部品を安定して超音波振動させることが困難なためである。
特開２００６−２３７２７８公報

しかし、フレキシブル基板を超音波振動させて接合すると、振動によりフレキシブル基板が変形するため、振動方向が乱れ、バンプ下地にダメージが発生することがあった。また、嵩高部品の上に予め接合した半導体素子の接合用電極に形成した金属バンプにフレキシブル基板を超音波接合する場合、嵩高部品の下部をステージの上面に固定すると、バンプ下地にダメージが発生することがあった。これは、嵩高部品の上端部が超音波振動するのに対し、嵩高部品の下部は固定されているため、嵩高部品が傾き、バンプに作用する振動方向が乱れるためであると考えられる。

尚、バンプ下地に対するダメージを防止する構成の一例として、特許文献１の構成が知られている。この構成では、半導体素子の金属バンプの下地としてＵＢＭ（Under Bump Metal）膜（例えばＴｉＷなどからなる膜）を用いて補強している。しかし、このＵＢＭ膜を用いて補強する構成は、製造コストが高くなるという不具合があった。

また、嵩高部品ではない平坦な形状の部材に予め接合した半導体素子を基板に超音波接合する構成であっても、半導体素子に形成された複数個の金属バンプを超音波接合する場合、各金属バンプで接合完了の時間が異なるため、各金属バンプの接合完了と同時に超音波発振を止めることが困難であった。このため、接合完了後に過剰な振動エネルギーが加わることがあり、そのような場合には、バンプ下地にダメージが発生することがあった。

そこで、本発明の目的は、第１の部材と第２の部材とを金属バンプを介して超音波接合する場合に、第１の部材または第２の部材に設けた金属バンプの下地にダメージが発生することを防止できる超音波接合方法を提供することにある。

請求項１の発明によれば、第１の部材と、嵩高部材上に固着された第２の部材とを金属バンプを介して超音波接合する方法において、超音波振動ヘッドに前記第１の部材を取り付け、超音波接合装置のステージの上面に前記嵩高部材を取り付けた場合に、前記嵩高部材が前記ステージの上面で発振開始直後からスライド可能なように構成し、前記嵩高部材の傾きを防止する治具を前記ステージ上に設け、前記嵩高部材と前記ステージとの間の摩擦係数を小さくする手段として、固体潤滑剤を塗布したので、第１の部材または第２の部材に設けた金属バンプの下地にダメージが発生することを防止できる。
また、請求項２の発明のように、第１の部材と、嵩高部材上に固着された第２の部材とを金属バンプを介して超音波接合する方法において、超音波振動ヘッドに前記第１の部材を取り付け、超音波接合装置のステージの上面に前記嵩高部材を取り付けた場合に、前記嵩高部材が前記ステージの上面で発振開始直後からスライド可能なように構成し、前記嵩高部材の傾きを防止する治具を前記ステージ上に設け、前記嵩高部材と前記ステージとの間の摩擦係数を小さくする手段として、前記嵩高部材の下面または前記ステージの上面の面粗度を静止摩擦係数が０．７以下になるように調整することも好ましい。

この構成の場合、請求項３の発明のように、前記第２の部材は、接合用電極としてＡｌ電極が形成された半導体素子であると共に、前記Ａｌ電極の下地層としてＳｉＯ_２膜が形成されているものを用いることができる。また、請求項４の発明のように、前記第１の部材として樹脂基板を使用することもできる。

請求項５の発明によれば、前記ステージに減圧吸引用の孔を設けたので、前記嵩高部材を前記ステージ上に減圧吸引により仮固定したり、スライドし易さを調整することができる。

また、請求項６の発明のように、前記金属バンプとして、Ａｕバンプを用いることが好ましい。
請求項７の発明のように、第１の部材と、嵩高部材上に固着された第２の部材とを金属バンプを介して超音波接合する方法において、超音波振動ヘッドに前記第１の部材を取り付け、超音波接合装置のステージの上面に前記嵩高部材を取り付けた場合に、前記嵩高部材が前記ステージの上面で発振開始直後からスライド可能なように構成し、前記第１の部材として樹脂基板を使用し、前記樹脂基板として、超音波振動ヘッドと異なる固有振動数を持ち、補強板が接着剤層を介して予め接合された構造のフレキシブル基板を用い、前記嵩高部材の傾きを防止する治具を前記ステージ上に設け、前記嵩高部材と前記ステージとの間の摩擦係数を小さくする手段として、固体潤滑剤を塗布することが良い構成である。
請求項８の発明のように、第１の部材と、嵩高部材上に固着された第２の部材とを金属バンプを介して超音波接合する方法において、超音波振動ヘッドに前記第１の部材を取り付け、超音波接合装置のステージの上面に前記嵩高部材を取り付けた場合に、前記嵩高部材が前記ステージの上面で発振開始直後からスライド可能なように構成し、前記第１の部材として樹脂基板を使用し、前記樹脂基板として、超音波振動ヘッドと異なる固有振動数を持ち、補強板が接着剤層を介して予め接合された構造のフレキシブル基板を用い、前記嵩高部材の傾きを防止する治具を前記ステージ上に設け、前記嵩高部材と前記ステージとの間の摩擦係数を小さくする手段として、前記嵩高部材の下面または前記ステージの上面の面粗度を静止摩擦係数が０．７以下になるように調整することが好もしい。

この場合、請求項９の発明のように、前記補強板として、シリコン製、金属製、または、セラミックス製の板材を用いることが可能である。また、請求項１０の発明のように、前記接着剤として、厚さが２０±１０μｍのエポキシ系接着フィルムを用いることが良い。

また、請求項１１の発明のように、前記樹脂基板として、超音波振動ヘッドと異なる固有振動数を持ち、補強板に予め樹脂成形した構造のフレキシブル基板を用いることも好ましい構成である。更に、請求項１２の発明のように、前記フレキシブル基板として、ポリイミド系基材を用いることが可能である。更にまた、請求項１３の発明のように、前記樹脂基板に設けられた接合用電極の表層部には、Ａｕ層が形成されていることが良い。また、請求項１４の発明のように、前記樹脂基板に設けられた接合用電極として、Ａｕバンプを用いることも可能である。

また、請求項１５の発明のように、前記半導体素子に設けられたＡｌ電極の上に、Ａｕバンプが形成されていることが好ましい構成である。更に、請求項１６の発明のように、前記半導体素子に設けられたＡｌ電極の表層部には、Ａｕ層が形成されていても良い。

更にまた、請求項１７の発明のように、前記嵩高部材として中空構造部品を用いる場合、前記中空構造部品の固有振動数が、前記超音波振動ヘッドの振動数と異なるように構成することが良い。また、請求項１８の発明のように、前記嵩高部材として、ダイヤフラム部に圧力センサを接合したほぼ円筒状の金属ステムを用いるように構成することが好ましい。

以下、本発明の第１の実施例について、図１ないし図４を参照しながら説明する。圧力センサにおいては、嵩高部材である円筒形部品（いわゆるステム）に予め接合したセンサチップ（半導体素子）からフレキシブル基板によって垂直方向に電極を取り出すように構成している。この場合、センサチップ（半導体素子）とフレキシブル基板とをＡｕバンプを介して超音波接合する製造方法が用いられている。この超音波接合時に、円筒形部品（ステム）が傾き、Ａｕバンプの下地（ＳｉＯ_２膜）にダメージが発生する不具合が発生することがある。以下、この不具合を防止することができる超音波接合方法について、具体的に説明する。

まず、図１は、本実施例の超音波接合装置１にセットした部品の全体構成を概略的に示す図である。図１に示すように、超音波接合装置１のステージ２の上面には、第２の部材としての嵩高の円筒形部品（嵩高部材）３が載置されている。この円筒形部品３は、外径寸法ｄが４ｍｍ程度、高さ寸法ｈが４ｍｍ程度の鉄系金属から成る中空構造の部材であり、その一端部である上端部が閉塞している。この閉塞部３ａはダイヤフラム部を構成しており、円筒形部品３は圧力センサの金属ステムを構成している。

上記円筒形部品３の閉塞部３ａ上には、半導体素子４がガラス接合されて固着されており、この半導体素子４は例えば半導体圧力センサで構成されている。ここで、半導体素子４のうちの接合用電極部分の構成について、図２を参照して説明する。図２に示すように、半導体素子４のシリコン基板５上にはＳｉＯ_２膜６が形成され、このＳｉＯ_２膜６上にＡｌ配線７、即ち、Ａｌ電極７が形成されている。この場合、ＳｉＯ_２膜６はＡｌ電極７の下地層であり、比較的脆い絶縁膜、例えばPSG（Phospho- silicate glass）またはBPSG（Boro- phospho- silicate glass）などの薄膜で構成されている。上記Ａｌ電極７上に、金属バンプである例えばＡｕバンプ８が形成されている。尚、半導体素子４の上面のうちＡｕバンプ８及びその周囲のＡｌ電極７の一部を除く部分は、保護膜９で覆われている。また、ＵＢＭ（Under Bump Metal）膜（ＴｉＷなど）は用いられていない。

一方、ステージ２には、減圧吸引用の孔２ａが一個または複数個設けられており、この孔２ａを通して円筒形部品３内の空気を真空吸引することにより、円筒形部品３をステージ２の上面に吸着している。ここで、ステージ２の上面の面粗さは、例えばＲｚ０．８μｍに設定されている。これにより、円筒形部品３に対して設定強さ以上の外力が作用すると、円筒形部品３はステージ２の上面でスライドする。即ち、円筒形部品３はステージ２の上面でスライド可能な構成となっている。

この場合、ステージ２の上面の面粗さの数値を変更したり、円筒形部品３の下端面とステージ２の上面との間に、固体潤滑剤を介在させたり、真空吸引の強さを調整したりすることにより、円筒形部品３がステージ２の上面でスライド開始するときに、円筒形部品３に対して作用する外力の強さ（即ち、静止摩擦係数）を調整することが可能なように構成されている。この外力の強さの調整については、後述する。

一方、超音波接合装置１の超音波振動ヘッド１０の下面には、第２の部材としての樹脂基板１１が例えば真空吸引により取り付けられている。樹脂基板１１は、厚さ寸法が例えば２５μｍの例えばポリイミド系樹脂から成るフレキシブル基板１２の裏面（図１中の上面）に補強板１３を接着剤１４を介して接着して構成されている。補強板１３は、例えばシリコン基板（Ｓｉ基板）で構成されている。尚、接着剤１４としては、エポキシ系樹脂から成る非導電性接着フィルム（Non Conductive Film）（厚さｔ＝２０μｍ）を用いた。

ここで、樹脂基板１１のうちの接合用電極部分の構成について、図３を参照して説明する。図３に示すように、ポリイミドからなるフレキシブル基板１２の上面（図３中の下面）には、Ｃｕ配線１５が形成され、このＣｕ配線１５の上面（図３中の下面）にＮｉ層１６とＡｕ層１７が積層形成されている。尚、Ａｕ層１７の表面、即ち、Ａｕめっき電極１７の表面は、例えばＡｒ真空プラズマ処理されて清浄化されている。

本実施例においては、フレキシブル基板１２の上記Ａｕめっき電極１７と、半導体素子４のＡｕバンプ８とを対向させて当接させた状態で、超音波振動ヘッド１０を超音波振動させることにより超音波接合する。

この場合、超音波振動ヘッド１０の振幅は０．８５μｍ、発振時間は０．５秒、発振周波数は４０ｋＨｚ、ピーク荷重は２．５Ｎ／４バンプ、半導体素子４の温度は２００℃に設定している。また、ステージ２側の真空吸引の強さは、△７０ｋＰａに設定している。更に、円筒形部品３の下面とステージ２の上面との間の静止摩擦係数は、０．３６に設定している。このような条件設定により、真空吸引も弱く、静止摩擦係数も小さいので、円筒形部品３は、超音波振動ヘッド１０の発振開始直後からステージ２の上面でスライド可能である。

ここで、ステージ２の上面には、図４に示すように、円筒形部品３を挟むように２個のガイドレール１８、１９が配設されている。このガイドレール１８、１９により、円筒形部品３はＸ方向（超音波振動ヘッド１０の振動方向）に移動可能な構成となっており、円筒形部品３は傾いたりしない構成となっている。また、円筒形部品３の固有振動数が、超音波振動ヘッド１０の振動数と異なるように構成されており、これにより、共振を防止している。

そして、上記したように超音波接合を実行した後、Ａｕバンプ８を王水（aqua regia）（HNO₃＋3HCl）でエッチングして、バンプ下地（即ち、ＳｉＯ_２膜６及びシリコン基板５）のダメージの有無を調査したが、ダメージは見られなかった。

次に、円筒形部品３の下面とステージ２の上面との間の静止摩擦係数、即ち、円筒形部品３のスライドのし易さの程度を種々変更して、バンプ下地（ＳｉＯ_２膜６）のダメージの有無を調査してみた。この調査結果を、下記の表１に示す。

まず、静止摩擦係数を、上記０．３６よりも小さく設定する場合について説明する。この場合、円筒形部品３の下端面に固体潤滑剤（例えば二流化ダングステン：ＷＳ₂）を塗布してからステージ２の上面にセットした。これにより、円筒形部品３の下面とステージ２の上面との間の静止摩擦係数は、０.３２となり、円筒形部品３がステージ２の上面で移動し易くなる。この場合も、超音波接合後のバンプ下地には、ダメージは見られなかった。

また、上記固体潤滑剤を塗布する構成において、超音波振動ヘッド１０の振幅を１．０μｍに増大して、超音波接合を実行してみた。そして、この場合も、超音波接合後のバンプ下地には、ダメージが見られなかった。この結果から、静止摩擦係数を、０．３６から０.３２に小さくすると、接合条件範囲（process window）が拡大したと考えられる。このように接合条件範囲が拡大する理由は、ステージ２の上面で円筒形部品３がＸ方向に移動可能になることにより、円筒形部品３の傾きを防止でき、Z方向の振動成分が発生すること（即ち、ダメージ発生）を防止できるためであると考えられる。また、超音波接合完了後に過剰な振動エネルギーが加わっても、それを逃がすことができるから、ダメージを防止できるためであると考えられる。

次に、静止摩擦係数を、前記した０．３６よりも大きく設定する場合について説明する。この場合、ステージ２の上面の面粗さを、Ｒｚ０．８μｍからＲｚ３．２μｍへ大きく変更してみた。これにより、円筒形部品３の下面とステージ２の上面との間の静止摩擦係数は、０.５８となり、静止摩擦係数が０.３６の場合よりも、円筒形部品３がステージ２の上面で移動し難くなる。しかし、この構成の場合も、超音波接合後のバンプ下地には、ダメージは見られなかった。

また、静止摩擦係数を、上記０．５８よりも更に大きく設定してみた。この場合、ステージ２の上面の面粗さを、Ｒｚ３．２μｍからＲｚ６．３μｍへ大きく変更してみた。これにより、円筒形部品３の下面とステージ２の上面との間の静止摩擦係数は、０.７０となり、静止摩擦係数が０.５８の場合よりも、円筒形部品３がステージ２の上面で移動し難くなる。しかし、この構成の場合も、超音波接合後のバンプ下地には、ダメージは見られなかった。

次に、静止摩擦係数を、上記０．７０よりも更に大きく設定してみた。この場合、ステージ２の上面の面粗さを、Ｒｚ６．３μｍからＲｚ２５μｍへ大きく変更してみた。これにより、円筒形部品３の下面とステージ２の上面との間の静止摩擦係数は、０.８４となり、静止摩擦係数が０.７０の場合よりも、円筒形部品３がステージ２の上面で更に移動し難くなる。そして、この程度まで移動し難くすると、超音波接合後のバンプ下地に、小さいダメージ（例えばＳｉＯ_２膜６のしわの発生）が見られるようになった。従って、円筒形部品３の下面とステージ２の上面との間の静止摩擦係数が０．７以下になるように調整すると、超音波接合後にバンプ下地にダメージが発生することを防止できることがわかった。

また、円筒形部品３をステージ２の上面で移動できないように固定した場合には、超音波接合後のバンプ下地に、大きなダメージ（例えばＳｉ基板５のクラック）の発生が見られた。

尚、上記表１において、摩擦角とは、ステージ２を傾斜させたときに、即ち、ステージ２の傾斜角を少しずつ大きくしていったときに、円筒形部品３が移動し始めるときの傾斜角のことである。例えば、静止摩擦係数が０.３２のときは、摩擦角１８度で円筒形部品３が移動し始めることを示している。

従って、上記表１から、円筒形部品３の下面とステージ２の上面との間の静止摩擦係数が０．７以下になるように構成すれば、円筒形部品３がステージ２の上面でスライド可能となり、超音波接合後にバンプ下地にダメージが発生することを防止できる。即ち、上記静止摩擦係数が０．７以下になるように、円筒形部品３の下面の平滑性やステージ２の上面の面粗さを適宜設定するように構成すれば良い。つまり、ステージ２の上面の面粗さは、表１中の各値に制約されることはない。

また、上記第１の実施例においては、半導体素子４の接合用電極にＡｕバンプ８（図２参照）を形成し、樹脂基板１１（フレキシブル基板１２）の接合用電極にＡｕ層１７（図３参照）を形成したが、図５に示す本発明の第２の実施例のように、樹脂基板１１（フレキシブル基板１２）の接合用電極のＡｕ層１７の上にＡｕバンプ２０を形成するように構成しても良い。この構成の場合、樹脂基板１１の接合用電極のＡｕバンプ２０と、半導体素子４の接合用電極のＡｕバンプ８とを超音波接合する。

尚、樹脂基板１１の接合用電極側にＡｕバンプ２０を形成した構成の場合は、半導体素子４の接合用電極にＡｕバンプ８を形成することを止めて、Ａｕ層を形成するように構成しても良い。また、補強板１３の材質については、Ｓｉ以外の材料、例えばステンレスなどの金属や、ガラスなどのセラミックスで構成しても良い。

図６は、本発明の第３の実施例を示すものである。尚、第１の実施例と同一構成には、同一符号を付している。この第３の実施例においては、図６に示すように、樹脂基板１１に補強板１３を用いない構成とした。即ち、ポリイミド系樹脂からなる厚さ寸法ｔが２５μｍの樹脂基板（フレキシブル基板１２）１１を超音波振動ヘッド１０の下面に取り付けて、超音波接合した。上述した以外の第３の実施例の構成は、第１の実施例の構成と同じである。そして、超音波接合後に、バンプ下地のダメージの有無を調査したところ、ダメージは見られなかった。

ここで、第１の実施例と同様にして、円筒形部品３の下面とステージ２の上面との間の静止摩擦係数、即ち、円筒形部品３のスライドのし易さの程度を種々変更して、バンプ下地のダメージの有無を調査してみた。この調査結果を、下記の表２に示す。

この表２から、静止摩擦係数が０．３６と０．３２の場合は、ダメージが発生せず良好であり、他の場合（静止摩擦係数が０．５８と０．７０の場合）は、ダメージが発生し、不良であったことがわかる。この結果から、樹脂基板１１に補強板１３を接着しない構成とすると、接合条件範囲が狭くなったと考えられる。

そして、この場合、上記表２から、円筒形部品３の下面とステージ２の上面との間の静止摩擦係数が０．３６以下になるように構成すれば、超音波接合後にバンプ下地にダメージが発生することを防止できる。即ち、上記静止摩擦係数が０．３６以下になるように、円筒形部品３の下面の平滑性やステージ２の上面の面粗さを適宜設定するように構成すれば良い。つまり、ステージ２の上面の面粗さは、表２中の各値に制約されることはない。

次に、本発明の基になった、超音波接合の実行時の各要素（条件）の接合品質への影響について、図７ないし図１４を参照しながら考察する。
まず、図７は、本発明の第４の実施例を示すものである。尚、第１の実施例と同一構成には、同一符号を付している。この第４の実施例においては、図７に示すように、半導体素子４を単品にしてステージ２の上面に載置し、樹脂基板（フレキシブル基板１２）１１との超音波接合を実施した。この場合、樹脂基板１１に補強板１３を取り付けた効果を調べるために、補強板１３を取り付けた場合と、取り付けなかった場合と、更に、補強板１３を取り付けた場合には接着剤の厚さ寸法を種々変更した場合とについて、超音波接合し、バンプ下地のダメージの有無を調査してみた。この調査結果を、下記の表３に示す。尚、この場合のステージ２の上面の面粗さは、Ｒｚ１．６μｍに設定した。また、超音波振動ヘッド１０の振幅を１．３μｍ、発振時間を０．５秒と設定した。

この表３から、補強板１３が無い樹脂基板１１（フレキシブル基板１２）の場合、ダメージが発生した。そして、超音波接合後に、樹脂基板１１（フレキシブル基板１２）がバンプ接合位置で裏側（バンプと反対側）へ数μｍ膨らんでいることが観察された。この場合、フレキシブル基板１２（樹脂基板１１）の変形量が大きいほど、ダメージ発生が激しいという傾向が見られた。

これに対して、フレキシブル基板１２（樹脂基板１１）に補強板１３を接着することにより、ダメージが低減することがわかった。即ち、ダメージの発生しない接合条件（超音波振動ヘッド１０の振幅）範囲は、補強板１３の貼付けにより大幅に拡大することがわかった。これは、超音波接合中のフレキシブル基板１２の変形が抑制されることから、ランダムな振動（特に、ダメージが発生し易いｚ方向の振動成分）が抑制されようになり、ダメージの発生を防止できるためであると考えられる。

ここで、フレキシブル基板１２（樹脂基板１１）に補強板１３を接着する際の接着剤１４の厚さの影響について説明する。上記表３に示すように、接着剤１４の厚さ寸法の違いによりダメージ発生状況が異なった。これは、接着剤１４の厚さ寸法の違いによってフレキシブル基板１２の振動状態が変化したためであると考えられる。これにより、フレキシブル基板１２に補強板１３を接着して取り付けた実装構造体としての樹脂基板１１の固有振動数が超音波振動ヘッド１０の振動数と異なるように構成して、共振を防止することが必要であると考えられる。

次に、樹脂基板１１（フレキシブル基板１２）への補強板１３の取り付けの有無の差によるダメージ発生状況について、超音波接合時の振動状態と対応させて考察する。この場合、レーザ・ドップラー振動測定装置により振動を測定することにより補強板１３有無の差を調査した。まず、補強板１３無しの樹脂基板１１、即ち、フレキシブル基板１２の振動を測定する場合、図８（ａ）に示すように、レーザ・ドップラー振動測定装置２１、２１により、超音波振動ヘッド１０の端面と、樹脂基板１１の端面とにレーザを照射して振動を測定した。この場合、補強板１３無しの樹脂基板１１、即ち、フレキシブル基板１２は厚みが薄い（ポリイミド層１２の厚み寸法ｔは２５μm、Ｃｕ配線１５の厚み寸法ｔは１７μｍ、Ｎｉ層１６の厚み寸法ｔは１０μｍ、Ａｕ層１７の厚み寸法ｔは１μｍであり、厚み寸法の合計は、５３μｍである）ので、３枚のフレキシブル基板１２を貼り合せたものを用意し、更に、この貼り合わせたものの端面に、レーザの反射を良くするためにＡｇ色塗料を塗布した。

また、補強板１３ありの樹脂基板１１の振動を測定する場合は、図８（ｂ）に示すように、レーザ・ドップラー振動測定装置２１、２１により、超音波振動ヘッド１０の端面と、補強板１３の端面とにレーザを照射して振動を測定した。この場合、フレキシブル基板１２は薄いので、補強板１３の端面で代用した。

振動測定結果を、図９（ａ）と図１０（ａ）に示す。図９（ａ）中の実線は、補強板１３無しの場合のフレキシブル基板１２の端面の振動の包絡線を示し、図９（ａ）中の破線は、補強板１３無しの場合の超音波振動ヘッド１０の端面の振動の包絡線を示す。図１０（ａ）中の実線は、補強板１３有りの場合の補強板１３の端面の振動の包絡線を示し、図１０（ａ）中の破線は、補強板１３有りの場合の超音波振動ヘッド１０の端面の振動の包絡線を示す。

また、図９（ｂ）は、補強板１３無しの場合の、超音波振動ヘッド１０の振幅の大きさと、ダメージの発生状況との関係を示す。丸印はダメージ無し、×印は大きいダメージ有り、三角印は小さいダメージ有りを示す。この場合、超音波振動ヘッド１０の振幅が０．８μｍのとき、ダメージが発生しないことがわかる。

また、図１０（ｂ）は、補強板１３有りの場合の、超音波振動ヘッド１０の振幅と、ダメージ発生状況との関係を示す。丸印はダメージ無し、×印は大きいダメージ有り、三角印は小さいダメージ有りを示す。この場合、超音波振動ヘッド１０の振幅が０．６〜２．０μｍの全範囲で、ダメージが発生しないことがわかる。尚、図９（ｂ）中のＡ１表示は、図９（ａ）に示す振動測定の条件であり、図１０（ｂ）中のＢ２表示は、図１０（ａ）に示す振動測定の条件である。

また、図９（ａ）と図１０（ａ）から、フレキシブル基板１２の端面（補強板１３無し）で観測された揺れ（ランダム振動）が、補強板１３有りの場合は無くなったことがわかる。この揺れ（ランダム振動）が無くなることと、補強板１３有りの場合（フレキシブル基板１２に補強板１３を接着した場合）にダメージが低減したこととを考え合わせると、補強板１３によりフレキシブル基板１２のランダムな振動（ダメージを発生し易い振動）が抑制され、ダメージの発生を防止できると考えられる。

次に、図８（ｃ）に示すように、半導体素子４単品をステージ２の上面にセットし（真空吸引のみで治具による固定なしとして移動可能なように構成した）、超音波接合時の半導体素子４の振動状態を調査した。即ち、レーザ・ドップラー振動測定装置２１、２１により、超音波振動ヘッド１０の端面と、半導体素子４の端面とにレーザを照射して振動を測定した。その結果、図１１に示すように、半導体素子４は超音波振動ヘッド１０の発振開始直後から僅かに振動していることがわかった。図１１において、実線は、半導体素子４の振動を示し、破線は、超音波振動ヘッド１０の振動を示す。

尚、図１１は、超音波接合開始後、１０ｍｓ経過後の状態（１０ｍｓ経過時点の前後の状態）を示す。上記半導体素子４が、超音波振動ヘッド１０の発振開始直後から僅かに振動していることは、従来の常識とは異なり新規に発見された現象であり、本発明の基礎となる。即ち、半導体素子４の僅かな振動が、ダメージ低減に有効であることがわかった（図１０（ｂ）参照）。比較のため、半導体素子４をステージ２の上面に固定して超音波接合した場合には、同じ接合条件の場合でもダメージが発生した（図１２（ａ）参照）。

尚、図１２（ｂ）は、半導体素子４をステージ２の上面に固定する構成を示している。この場合、半導体素子４を素子固定用アルミ板２３に接着剤２４により接着し、上記素子固定用アルミ板２３をステージ２の上面にアルミ板固定用耐熱テープ２５で貼り付け固定している。

次に、図８（ｄ）に示すように、半導体素子４を接合した円筒形部品３をステージ２の上面にセットし（真空吸引のみで治具による固定なしとして移動可能なように構成した）、超音波接合時の円筒形部品３の振動状態を調査した。即ち、レーザ・ドップラー振動測定装置２１、２１により、超音波振動ヘッド１０の端面と、円筒形部品３の上端部の周面とにレーザを照射して振動を測定した。また、円筒形部品３の下端面とステージ２の上面との間に固体潤滑剤を塗布した構成において、超音波接合時の円筒形部品３の振動状態を調査した。固体潤滑剤を塗布しない構成の調査結果を図１３に示し、固体潤滑剤を塗布した構成の調査結果を図１４に示す。

これら図１３、１４から、固体潤滑剤塗布により、超音波接合初期に見られた揺れ（円筒形部品３、即ち、嵩高部品の傾きと考えられる）の振動が無くなった。この場合、前述したように、固体潤滑剤により、円筒形部品３の下端面とステージ２の上面との間の静止摩擦係数が低下することから、円筒形部品３の下端部の動きが円筒形部品３の上端部の動きと合うようになり、傾きが低下し、Ｚ方向の振動成分が減少するため、バンプ下地のダメージが低減すると考えられる。また、超音波接合完了後に過剰な振動エネルギーが加わっても、それを逃がすことができ、バンプ下地のダメージを防止できると考えられる。尚、円筒形部品３、即ち、嵩高部品は、背が低い方が傾きが小さくなり、バンプ下地のダメージ防止には有利である。

次に、図１５に示すように、半導体素子４を接合した円筒形部品３をステージ２の上面にセットし（真空吸引のみで治具による固定なしとして移動可能なように構成した）、超音波接合時（超音波接合条件は第１の実施例と同じ）の円筒形部品３の振動状態、特には、円筒形部品３の上部と下部のそれぞれの振動を調査した。即ち、レーザ・ドップラー振動測定装置２１、２１により、円筒形部品３の上端部の周面と、円筒形部品３の下端部の周面とにレーザを照射して振動を測定した。この測定結果を図１６に示す。図１６において、円筒形部品３の上端部の振動を実線で示し、円筒形部品３の下端部の振動を破線で示す。

上記図１６から、円筒形部品３の上端部と下端部は、ほぼ同じ方向に振動していることがわかった。この場合、２つのレーザ・ドップラー振動測定装置２１、２１は、反対方向から測定するように配設されているので、図１６のグラフでは、片方を反転させて考える必要がある。すなわち、発振開始直後から円筒形部品３が傾くことなく良好にスライドしていることがわかる。

次に、円筒形部品３をＸ方向に移動可能、且つ、円筒形部品３の傾きを防止する構成の種々の実施例を図１７ないし図２７を参照して説明する。
図１７は、本発明の第５の実施例を示すものであり、片側の１本のガイドレール１８だけで円筒形部品３をガイド支持するように構成したものである。

図１８は、本発明の第６の実施例を示すものであり、上記第５の実施例のガイドレール１８に加えて、Ｘ方向に移動可能なクランパー２６により円筒形部品３を挟んで支持するように構成したものである。上記クランパー２６は、ステージ２上でガイド軸（スプリング機構含む）２７によりＸ方向に移動可能なように構成されている。この構成の場合、所定以上の力が円筒形部品３に作用すると、クランパー２６と一緒に移動する構成となっている。尚、クランパー２６のつめ２６ａ、２６ｂを可動なように構成しても良い。

図１９は、本発明の第７実施例を示すものであり、Ｘ方向に移動可能な２個のクランパー２６、２８により円筒形部品３を挟んで支持するように構成したものである。上記クランパー２６、２８は、ステージ２上でガイド軸（スプリング機構含む）２７、２９によりＸ方向に移動可能なように構成されている。

図２０は、本発明の第８の実施例を示すものであり、この第８の実施例では、円筒形部品３の両側を凹面を有するストッパー部材３０、３１により挟んで支持するように構成している。ストッパー部材３０、３１は、ステージ２上にピン３２を支点として回動可能に設けられており、スプリング３３により円筒形部品３を狭持する方向に付勢されている。この構成の場合、所定以上の力が円筒形部品３に作用すると、ストッパー部材３０、３１が動き、円筒形部品３が移動する。

図２１は、本発明の第９の実施例を示すものであり、第９の実施例が上記第８の実施例と異なるところは、ストッパー部材３０、３１を、それぞれ２個のスプリング３３、３４により円筒形部品３を狭持する方向に付勢するように構成した点である。

図２２は、本発明の第１０の実施例を示すものであり、この第１０の実施例では、ステージ２上において支持ブロック３５をガイドレール１８、１９によりＸ方向に移動可能なように設け、この支持ブロック３５に形成された収納部に円筒形部品３を嵌合固定するように構成した。尚、支持ブロック３５の下面は、ステージ２上ですべり易いような平滑な面となっている。

図２３は、本発明の第１１の実施例を示すものであり、第１０の実施例と異なるところを説明する。この第１１の実施例では、支持ブロック３７に挟み角３〜５度のテーパー部３７ａを設けた。このテーパー部３７ａ内に円筒形部品３を収容固定するように構成した。支持ブロック３７には、テーパー部３７ａ内から円筒形部品３を押し出すためのピンを挿入する貫通孔３７ｂが形成されている。また、支持ブロック３７の下面は、ステージ２の上面でスライドし易いような平滑面となっている。尚、ガイド１８、１９は省略しても良い。

図２４及び図２５は、本発明の第１２の実施例を示すものであり、この第１２の実施例では、円筒形部品３の外周部に凸部、例えば鍔状部３ｂが設けられている場合に、ガイドレール１８、１９の上端部に上記鍔状部３ｂをガイドする凸部１８ａ、１９ａを設けた。

図２６及び図２７は、本発明の第１３の実施例を示すものであり、この第１３の実施例では、ステージ２の上面に、円筒形部品３の内部に嵌合する円柱状部３６を突設し、この円柱状部３６に円筒形部品３を嵌合させるように構成した。この場合、嵌合させた状態で、円柱状部３６の外周面部と円筒形部品３の内周面部との間に、例えば２００μｍ程度の隙間が形成される構成となっている。これにより、円筒形部品３は±２００μｍ程度移動することが可能な構成となっている。尚、円柱状部３６の上面部と円筒形部品３の内底面部との間にも、適切な隙間が形成される構成となっている。

次に、円筒形部品３のアスペクト比（円筒形部品３の高さをＨ、直径をＤとしたときのＨ／Ｄ）を変えた場合の超音波接合後のダメージ発生状況を調査した。超音波接合条件は第１の実施例の場合と同じである。尚、第１の実施例の円筒形部品３のアスペクト比は１である。調査結果は、下記の表４のようになった。

この表４において、スライド治具とは、図１７〜図２７に示す構成、即ち、円筒形部品３をＸ方向に移動可能、且つ、円筒形部品３の傾きを防止する構成のことである。上記表４から、次に述べることがわかった。即ち、アスペクト比が大きくなると、円筒形部品３の傾きが大きくなり、ダメージが発生し易くなった。また、円筒形部品３の下面と超音波接合装置のステージ２の上面との間の摩擦係数を小さくすると、円筒形部品３がスライドし易くなり、すなわち、円筒形部品３の傾きが小さくなり、ダメージが低減する。また、スライド治具を用いた場合、アスペクト比が大きい場合であっても、ダメージ低減効果がある。

図２８及び図２９は、本発明の第１４の実施例を示すものであり、この第１４の実施例には、本発明の超音波接合方法を適用して製造した燃焼圧センサ（圧力検出装置）４１を示す。図２８は燃焼圧センサ４１の全体構成を概略的に示す断面図であり、図２９はハウジング４２のパイプ部４３の先端部近傍を拡大して示す断面図である。尚、この燃焼圧センサ４１は、自動車のエンジンヘッドに取り付けられて、エンジンの燃焼室内の圧力を検出するセンサである。上記燃焼圧センサ４１の具体的構成は、特開２００６−１９４７３６号公報に記載されている。

上記燃焼圧センサ４１を製造する場合、センシング用検出素子４４を円筒形状部品（金属ステム）４５の受圧部４６の外面に予めガラス接合した後、センシング用検出素子４４の接合用電極にＡｕバンプ（いずれも図示していない）を形成する。その後、フレキシブル基板４７（の接合用電極）をセンシング用検出素子４４（のＡｕバンプ）に本発明の超音波接合方法により超音波接合する。そして、接合部をアンダーフィル樹脂（図示していない）により補強する。

次いで、フレキシブル基板４７をハウジング４２内に通した後、円筒形状部品４５とパイプ部４３とを溶接する。フレキシブル基板４７の端部４８を回路基板４９に半田付けした後、コネクターケース５０をハウジング４２に組付ける。

一方、メタルケース５１と受圧用ダイヤフラム５２とを溶接した部材５３を、円筒形状部品４５に溶接する。このとき、部材５３及び円筒形状部品４５の内部に圧力伝達部材５４を収容しておき、受圧用ダイヤフラム５２で受けた圧力を圧力伝達部材５４を介して受圧部４６ひいてはセンシング用検出素子４４へ伝達する構成となっている。

上記第１４の実施例によれば、フレキシブル基板４７の接合用電極をセンシング用検出素子４４のＡｕバンプに本発明の超音波接合方法により超音波接合するように構成したので、センシング用検出素子４４のバンプ下地にダメージが発生することを防止することができる。

本発明の第１の実施例を示す超音波接合装置（部品セット部）の縦断面図半導体素子の接合用電極部分の縦断面図樹脂基板の接合用電極部分の縦断面図ステージ及び円筒形部品の斜視図本発明の第２の実施例を示す図３相当図本発明の第３の実施例を示す図１相当図本発明の第４の実施例を示す図１相当図超音波接合時の各部の振動を測定するための構成を説明する図補強板無しの場合の振動測定結果とダメージの有無の結果を示す図補強板有りの場合の振動測定結果とダメージの有無の結果を示す図半導体素子だけをステージ上でスライド可能に構成した場合の振動測定結果を示す図（ａ)は半導体素子をステージ上で固定した場合のダメージの有無の結果を示す図、（ｂ）は図１相当図固体潤滑剤を塗布しない構成の振動調査結果を示す図固体潤滑剤を塗布した構成の振動調査結果を示す図超音波接合時の円筒形部品の振動を測定するための構成を説明する図円筒形部品の振動測定結果を示す図本発明の第５の実施例を示す図４相当図本発明の第６の実施例を示す図４相当図本発明の第７の実施例を示す図４相当図本発明の第８の実施例を示すステージ及び円筒形部品の上面図本発明の第９の実施例を示すステージ及び円筒形部品の上面図本発明の第１０の実施例を示す図４相当図本発明の第１１の実施例を示す図４相当図本発明の第１２の実施例を示す図４相当図ステージ及び円筒形部品の側面図本発明の第１３の実施例を示す図４相当図ステージ及び円筒形部品の縦断面図本発明の第１４の実施例を示す燃焼圧センサの縦断面図燃焼圧センサの要部の拡大縦断面図

符号の説明

図面中、１は超音波接合装置、２はステージ、３は円筒形部品（嵩高部材）、４は半導体素子（第２の部材）、８はＡｕバンプ（金属バンプ）、１０は超音波振動ヘッド、１１は樹脂基板（第１の部材）、１２はフレキシブル基板、１３は補強板、１４は接着剤、１８、１９はガイドレール、２０はＡｕバンプ、２１、２２はレーザ・ドップラー振動測定装置、２６はクランパー、２７はガイド軸、２８、２９、３０、３１はストッパー部材、３３、３４はスプリングを示す。

Claims

第１の部材と、嵩高部材上に固着された第２の部材とを金属バンプを介して超音波接合する方法において、
超音波振動ヘッドに前記第１の部材を取り付け、
超音波接合装置のステージの上面に前記嵩高部材を取り付けた場合に、前記嵩高部材が前記ステージの上面で発振開始直後からスライド可能なように構成し、
前記嵩高部材の傾きを防止する治具を前記ステージ上に設け、
前記嵩高部材と前記ステージとの間の摩擦係数を小さくする手段として、固体潤滑剤を塗布したことを特徴とする超音波接合方法。
第１の部材と、嵩高部材上に固着された第２の部材とを金属バンプを介して超音波接合する方法において、
超音波振動ヘッドに前記第１の部材を取り付け、
超音波接合装置のステージの上面に前記嵩高部材を取り付けた場合に、前記嵩高部材が前記ステージの上面で発振開始直後からスライド可能なように構成し、
前記嵩高部材の傾きを防止する治具を前記ステージ上に設け、
前記嵩高部材と前記ステージとの間の摩擦係数を小さくする手段として、前記嵩高部材の下面または前記ステージの上面の面粗度を静止摩擦係数が０．７以下になるように調整したことを特徴とする超音波接合方法。
前記第２の部材は、接合用電極としてＡｌ電極が形成された半導体素子であると共に、前記Ａｌ電極の下地層としてＳｉＯ _２膜が形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の超音波接合方法。
前記第１の部材として樹脂基板を使用したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の超音波接合方法。
前記ステージに減圧吸引用の孔を設けたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の超音波接合方法。
前記金属バンプとして、Ａｕバンプを用いることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の超音波接合方法。
第１の部材と、嵩高部材上に固着された第２の部材とを金属バンプを介して超音波接合する方法において、
超音波振動ヘッドに前記第１の部材を取り付け、
超音波接合装置のステージの上面に前記嵩高部材を取り付けた場合に、前記嵩高部材が前記ステージの上面で発振開始直後からスライド可能なように構成し、
前記第１の部材として樹脂基板を使用し、
前記樹脂基板として、超音波振動ヘッドと異なる固有振動数を持ち、補強板が接着剤層を介して予め接合された構造のフレキシブル基板を用い、
前記嵩高部材の傾きを防止する治具を前記ステージ上に設け、
前記嵩高部材と前記ステージとの間の摩擦係数を小さくする手段として、固体潤滑剤を塗布したことを特徴とする超音波接合方法。
第１の部材と、嵩高部材上に固着された第２の部材とを金属バンプを介して超音波接合する方法において、
超音波振動ヘッドに前記第１の部材を取り付け、
超音波接合装置のステージの上面に前記嵩高部材を取り付けた場合に、前記嵩高部材が前記ステージの上面で発振開始直後からスライド可能なように構成し、
前記第１の部材として樹脂基板を使用し、
前記樹脂基板として、超音波振動ヘッドと異なる固有振動数を持ち、補強板が接着剤層を介して予め接合された構造のフレキシブル基板を用い、
前記嵩高部材の傾きを防止する治具を前記ステージ上に設け、
前記嵩高部材と前記ステージとの間の摩擦係数を小さくする手段として、前記嵩高部材の下面または前記ステージの上面の面粗度を静止摩擦係数が０．７以下になるように調整したことを特徴とする超音波接合方法。
前記補強板として、シリコン製、金属製、または、セラミックス製の板材を用いることを特徴とする請求項７または８記載の超音波接合方法。
前記接着剤として、厚さが２０±１０μｍのエポキシ系接着フィルムを用いることを特徴とする請求項７または８記載の超音波接合方法。
前記樹脂基板として、超音波振動ヘッドと異なる固有振動数を持ち、補強板に予め樹脂成形した構造のフレキシブル基板を用いることを特徴とする請求項７または８記載の超音波接合方法。
前記フレキシブル基板として、ポリイミド系基材を用いることを特徴とする請求項７ないし１１のいずれかに記載の超音波接合方法。
前記樹脂基板に設けられた接合用電極の表層部には、Ａｕ層が形成されていることを特徴とする請求項７ないし１２のいずれかに記載の超音波接合方法。
前記樹脂基板に設けられた接合用電極として、Ａｕバンプを用いることを特徴とする請求項７ないし１２のいずれかに記載の超音波接合方法。
前記半導体素子に設けられたＡｌ電極の上に、Ａｕバンプが形成されていることを特徴とする請求項７ないし１２のいずれかに記載の超音波接合方法。
前記半導体素子に設けられたＡｌ電極の表層部には、Ａｕ層が形成されていることを特徴とする請求項７ないし１２のいずれかに記載の超音波接合方法。
前記嵩高部材として中空構造部品を用いる場合、前記中空構造部品の固有振動数が、前記超音波振動ヘッドの振動数と異なるように構成したことを特徴とする請求項１ないし１６のいずれかに記載の超音波接合方法。
前記嵩高部材として、ダイヤフラム部に圧力センサを接合したほぼ円筒状の金属ステムを用いるように構成したことを特徴とする請求項１ないし１７のいずれかに記載の超音波接合方法。