JP5385004B2

JP5385004B2 - 回路部品

Info

Publication number: JP5385004B2
Application number: JP2009123871A
Authority: JP
Inventors: 慎一杉浦; 弘道渡辺; 毅神澤
Original assignee: Denso Ten Ltd
Current assignee: Denso Ten Ltd
Priority date: 2009-05-22
Filing date: 2009-05-22
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2029-05-22
Also published as: JP2010272716A

Description

本発明は、表面にバンプを備え、当該バンプが超音波接合により回路基板の電極に接合される回路部品に関する。

半導体集積回路などの回路部品（以下、チップという）を回路基板に接合する、フリップチップ実装が知られている。フリップチップ実装では、チップに設けられた突起電極（以下、バンプという）を回路基板の電極（以下、基板電極という）に対向させ、回路基板にチップを実装する。そして、加熱や超音波の印加によりバンプと基板電極とを接合する。特許文献１には、かかるフリップチップ実装について記載されている。

高周波用途の回路を製造する場合には、低抵抗の金がバンプや基板電極の材質として用いられる。ここで、金材質のバンプと基板電極とを加熱により接合する熱圧着の場合には、３００℃以上の温度での熱処理が必要となる。すると、回路基板を構成する基板に、耐熱性が要求される。しかし、低廉な樹脂基板はかかる耐熱性を有さない。かといって、セラミック基板は高価であり、部品コストの増加につながる。そこで、比較的低温で接合可能な超音波による接合方式が用いられる。

超音波接合方式は、超音波をチップに印加してバンプを振動させ、基板電極と擦れ合うことで金属結合を発生させる。具体的には、チップに荷重をかけてバンプの上部面（接合面）を基板電極に圧着させ、その状態でチップに超音波を印加する。すると、バンプが超音波により振動し、接合面が基板電極と擦れ合う。このとき、バンプ、基板電極それぞれの表面を覆う有機皮膜が摩擦により除去される。そして、バンプと基板電極との金属結合が生じる。

特開２００７−２４５４２号公報

ところで、金バンプの形成方法には、スタッド方式やメッキ方式が知られている。スタッド方式では、金ワイヤ片をチップに移植することでバンプを形成する。一方、メッキ方式では、金メッキをレジストにより成長させてバンプを形成する。

メッキ方式では、チップ表面の信号線パターンやバンプの分布密度に起因して、バンプの接合面の高さにばらつきが生じる場合がある。すると、超音波接合の際、基板電極とバンプを圧着させると、接合面が高いバンプに荷重が集中する。すると、そのバンプでは超音波振動に対する抵抗力が増大し、接合面が基板電極と十分に擦れ合わない。よって、有機皮膜が十分に除去されず、所望の接合強度が得られない。

このように、バンプの接合面の高さにばらつきが生じると、超音波接合した際に接合面が高いバンプの接合強度が低下するという問題がある。

そこで、本発明の目的は、超音波接合の際に接合面が高いバンプの接合強度低下を防止できるようなチップを提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明によれば、表面に信号線を有し、当該信号線の上に所定の高さのバンプを備え、当該バンプが超音波接合により回路基板の電極に接合される回路部品（チップ）であって、前記表面からの高さが最も低い第１の信号線の上に設けられ、所定の断面積を有する第１のバンプと、前記表面からの高さが前記第１の信号線より高い第２の信号線の上に設けられ、前記所定の断面積と異なる断面積を有する第２のバンプとを有する回路部品が提供される。

本発明によれば、超音波接合の際に接合面が高いバンプの接合強度低下を防止できる。

超音波接合方式のフリップチップ実装について説明する図である。バンプの接合面の高さにばらつきがある場合の接合強度について説明する図である。第１の実施形態について説明する図である。第２の実施形態について説明する図である。第２の実施形態における接合面のバンプ径（横軸）と、接合強度（縦軸）との関係を示す図である。

以下、図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。

図１は、超音波接合方式のフリップチップ実装について説明する図である。図１（Ａ）には、高周波用途の電子回路を製造する回路製造装置１０が示される。高周波用途の電子回路には、ミリ波レーダやデジタル放送の送受信回路、マイクロコンピュータなどの演算処理回路などが含まれる。この回路製造装置１０は、回路基板３４を載置第２６に載置し、その上に半導体集積回路（チップ）３０を積載して超音波接合方式によりフリップチップ実装を行い、上記のような電子回路を製造する。ここでは、回路基板３４とチップ３０の側面から見た概略が示される。

回路基板３４は、樹脂基板に金メッキ処理された導体により形成される電極（基板電極）３６を有する。また、チップ３０は、ＧａＡｓなどの半導体材質で構成され、その表面に金材質のバンプ３２を有する。バンプ３２は、スタッド方式あるいはメッキ方式により形成される。チップ３０が、本発明の「回路部品」に対応する。チップ３０は、たとえば一辺が２〜４ｍｍの矩形形状を有し、数十〜数百個に及ぶバンプ３２を有する。またバンプ３２は、略円柱形状を有し、その寸法は例えば直径（バンプ径）４０μｍ、高さ（バンプ高さ）２０〜３０μｍである。

回路基板３４は、図示されない搬送機構や手動により載置台２６に載置され、真空吸着などにより固定される。載置台２６は、一般にボンディグステージと称される。そして回路基板３４は、撮像部２２により撮像される。撮像データは制御部１２に送られる。

保持部２０は、図示されない搬送機構からチップ３０が供給され、真空吸着などによりチップ３０を保持する。保持部２０は、一般ボンディングツールと称される。チップ３０は、バンプ３２を有する面が基板電極３６に対向するように保持される。保持部２０のほぼ中心部には、駆動部１４が設けられる。保持部２０は駆動部１４により水平・垂直方向に駆動可能に構成される。駆動部１４は、駆動機構としてのモータと、バンプ３２が基板電極３６に接触したときの圧力を検知する圧力センサとを有する。圧力の検知信号は制御部１２に送られる。

制御部１２は、一例としてマイクロコンピュータで構成される。制御部１２は、回路基板３４の撮像データに基づき、載置台２６上の基板電極３６の位置を検出する。そして、基板電極３６の位置にチップ３０のバンプ３２の水平位置が一致するように、保持部２０の水平方向の駆動量を導出する。さらに制御部１２は、バンプ３２が基板電極３６に接触するように、保持部２０の垂直方向の駆動量を導出する。そして、導出した水平・垂直方向の駆動量を駆動部１４に指示する。

制御部１２は、バンプ３２にかかる圧力を検出しながら、駆動部１４を制御してチップ３０に荷重をかける。所定の荷重をかけた時点で、制御部１２は、保持部２０内に設けられるとともに超音波発振器を備えた接合治具を駆動する。これにより、チップ３０に超音波が印加される。

図１（Ｂ）では、超音波が印加されたときのチップ３０等の状態が示される。保持部２０を介して超音波が印加されると、チップ３０とともにバンプ３２が振動する。これにより、バンプ３２の上部面（接合面）と基板電極３６が矢印Ｓで示すように擦れ合い、それぞれの表面の有機皮膜が除去される。そして、バンプ３２と基板電極３６とが金属結合することで、チップ３０が回路基板３４に接合される。

図２は、バンプの接合面の高さにばらつきがある場合の接合強度について説明する図である。図２（Ａ）、（Ｂ）は、チップ３０の表面に備えられたバンプ高さが異なるバンプ３２_１、３２＿２の側面図と平面図を示す。以下では、バンプ高さはバンプ３２＿１、３２＿２の底面から接合面までの高さをいう。ただし、図２〜図４では、上下方向を図１に対応させて示す。よって、バンプ高さにおける上下方向は、図面の上下方向とは反転して示される。このようなバンプ３２＿１、３２＿２を図１で示した方法で超音波接合する場合について説明する。

図２（Ａ）では、初期状態のバンプ３２＿１、３２＿２が示される。初期状態では、バンプ３２＿１はバンプ高さＨ１であり、バンプ３２＿２はバンプ高さＨ２（＞Ｈ１）である。また、バンプ３２＿１、３２＿２は同じバンプ径Ｒを有する。よって、バンプ３２＿１の接合面Ｔ１とバンプ３２＿２の接合面Ｔ２は同面積である。なお、このときの基板電極３６の相対的な位置は３６Ａとして示される。

超音波接合の工程が開始されると、バンプ３２＿１、３２＿２が基板電極３６に圧着される。すると、まず高い方のバンプ３２＿２が接合面Ｔ２にて先に基板電極３６に接触する。このとき、基板電極３６の相対的な位置は３６Ｂに変位する。すると、接触が検知されて超音波の印加が開始される。しかしこの時点では、バンプ３２＿２に荷重が集中し、荷重過多の状態になる。すると、バンプ３２＿２における超音波振動に対する抵抗力が増大する。よって、接合面Ｔ２と基板電極３６が十分に擦れ合わない。よって、接合面Ｔ２による有機皮膜が十分に除去されず、金属結合の際、十分な接合強度が得られない。

さらに圧着が進むと、バンプ３２＿２が押しつぶされ、バンプ３２＿１が接合面Ｔ１にて基板電極３６に接触する。このときの状態は、図２（Ｂ）に示される。

図２（Ｂ）に示すように、バンプ３２＿２は、押しつぶされることにより、その円柱形状のアスペクト比が変化する。すなわち、円柱形状が高さ方向に縮小し、直径方向に拡大する。ここにおいて、バンプ３２＿２のバンプ高さは、バンプ３２＿１のバンプ高さＨ１と略一致する。一方、バンプ３２＿２の接合面Ｔ２´は当初の接合面Ｔ２より面積が増大している。そして、バンプ３２＿１の接合面Ｔ１と、バンプ３２＿２の接合面Ｔ２´のチップ３０表面からの高さが略一致する。

この時点で、バンプ３２＿１、３２＿２に対し荷重が分散する。よって、バンプ３２＿１、３２＿２における超音波振動に対する抵抗力はある程度以下に抑えられる。よって、バンプ３２＿１においては、接合面Ｔ１と基板電極３６が十分な回数と振幅で擦れ合う。よって、接合面Ｔ１が所望の強度で金属結合される。

一方、バンプ３２＿２においては、当初の接合面Ｔ２は既にある程度金属結合されているので、拡大した接合面Ｔ２´におけるハッチングされた外周部分Ｔ２´´において、基板電極３６と十分に擦れ合う。よって、外周部分Ｔ２´´において所望の強度で金属結合される。

結果として、バンプ３２＿２では接合強度にむらが生じ、バンプ３２＿１との比較においてバンプ全体としての接合強度が低下する。

本発明では、２つの方法により、かかる接合強度の低下を防止する。第１の方法は、バンプ３２＿２における接合強度が低下する部分、つまり当初の接合面Ｔ２の面積を減少させる方法である。第２の方法は、バンプ３２＿２における所望の接合強度が得られる部分、つまり外周部分Ｔ２´´の面積を増大させる方法である。これらの方法によれば、バンプ３２＿２全体としてみたときに、基板電極３６との接合面Ｔ２´における外周部分Ｔ２´´が占める割合を増大させることができる。よって、接合強度の低下を防止できる。

以下では、チップ３０の信号線パターンに起因してバンプ高さがばらつく場合の、上記第１、第２の方法に対応する本発明の実施形態について説明する。第１、第２の実施形態は、それぞれ上記第１、第２の方法に対応する実施形態である。

[第１の実施形態]
図３は、第１の実施形態について説明する図である。図３（Ａ）、（Ｂ）は、チップ３０に備えられた、バンプ３２＿１１、３２＿１２の側面図と、平面図を示す。図３（Ａ）には、バンプ３２＿１１、３２＿１２の初期状態が示される。ここで、バンプ３２＿１１、３２＿１２は同じバンプ高さＨ１を有する。

またチップ３０は、バンプ３２＿１１、３２＿１２が設けられるチップ表面３０Ｓに、金メッキによる信号線ＳＬを有する。そして、バンプ３２＿１１、３２＿１２は信号線ＳＬ上に設けられる。よって、バンプ３２＿１１、３２＿１２が基板電極３６と接合されることにより、チップ３０の信号線ＳＬは基板電極３６と導通して、電気信号を伝送する。

信号線ＳＬが交差する箇所では、金メッキ配線が重畳する。すると、チップ表面３０Ｓを基準としたときに、交差する信号線ＳＬの数に応じて、その部分の高さが高くなる。たとえば、チップ３０の外周部では、金メッキ配線が重畳してその部分の高さが高くなる。ここでは、チップ表面３０Ｓからの高さが最も低い部分にバンプ３２＿１１が設けられ、これより高い部分にバンプ３２＿１２が設けられる。すると、バンプ３２＿１１、３２＿１２のバンプ高さが等しくても、バンプ３２＿１２の接合面Ｔ１２のチップ表面３０Ｓからの高さは、バンプ３２＿１１の接合面Ｔ１１の高さより高くなる。すなわち、チップ表面３０Ｓを基準としたときに、図２で示したように異なるバンプ高さを有するバンプが設けられた場合と等価な状態になる。

ここで、第１の実施形態では、バンプ３２＿１１のバンプ径Ｒ１に対し、バンプ３２＿１２のバンプ径Ｒ２（＜Ｒ１）となるように構成される。すなわち、チップ表面３０Ｓと平行な面における断面積を比較したときに、バンプ３２＿１１よりバンプ３２＿１２の方が小さい断面積を有する。

超音波接合の工程が開始され、基板電極３６と圧着されるときに、基板電極３６の相対的位置が３６Ａから３６Ｂに変位し、バンプ３２＿１２が接合面Ｔ１２にて基板電極３６と接触する。さらに圧着が進むと、バンプ３２＿１２が押しつぶされ、基板電極３６の相対的位置が３６Ｃに変位し、バンプ３２＿１が接合面Ｔ１にて基板電極３６に接触する。このときの状態は、図３（Ｂ）に示される。

図３（Ｂ）に示すように、バンプ３２＿１２は接合面Ｔ１２にて基板電極３６に接触した後荷重により押しつぶされる。これにより、その円柱形状のアスペクト比が変化する。よって、バンプ径Ｒ２がＲ１２に増大し、接合面Ｔ１２はＴ１２´に拡大される。そして、バンプ３２＿１１の接合面Ｔ１１と、バンプ３２＿１２の接合面Ｔ１２´のチップ３０表面からの高さが略一致する。

ここで、バンプ３２＿１２の当初のバンプ径Ｒ２をバンプ３２＿１１のバンプ径Ｒ１より小さくすることにより、図２（Ｂ）に示したように接合強度が低下する部分、つまり当初の接合面Ｔ１２の面積を小さくすることができる。一方、押しつぶされたときのバンプ３２＿１２の接合面Ｔ１２´において、ハッチングで示す外周部分Ｔ１２´´では、バンプ３２＿１１と同等の接合強度が得られる。よって、バンプ径Ｒ２を予め小さくしておくことにより、接合面Ｔ１２´において接合強度が低下する部分の割合を小さくすることができる。

第１の実施形態におけるチップ３０は、バンプが設けられる部分の信号線路の高さが信号線のパターンにより予め把握できることから、信号線路の高さに応じてバンプ径を調節することで実現される。バンプ径の調節は、スタッド方式では径が異なる金ワイヤを用いることにより、メッキ方式ではレジストの開口部の径が異なるようにレジストを構成することにより、実現できる。

このようにすることで、接合面が高いバンプの接合強度を低下させることなく、回路基板に超音波接合することができる。さらに、バンプ３２＿１２はダミー用のバンプではなく電子回路全体の信号線を構成するバンプであるので、その接合強度低下を防止することにより、電子回路の信頼性を向上できる。

なお、第１の実施形態における好適な態様では、バンプ３２＿１１、３２＿１２は略円錐台形状に構成され、いずれも上部の接合面にて基板電極３６と接触する。ここで、バンプ３２＿１１の接合面のバンプ径を３５μｍ、底面のバンプ径を４０μｍ、バンプ高さを２６μｍとする。そして、バンプ３２＿１２がチップ表面３０Ｓから２μｍの高さの部分に設けられたとする。このとき、バンプ３２＿１２の接合面のバンプ径を３０μｍ、底面のバンプ径を３５μｍとする。そうすることにより、バンプ３２＿１１を基準としたときに、バンプ３２＿１２の接合強度の低下を防止できる。ただし、第１の実施形態は、ここにあげた数値範囲に限定されない。

[第２の実施形態]
図４は、第２の実施形態について説明する図である。図４（Ａ）、（Ｂ）は、チップ３０に備えられた、バンプ３２＿１１、３２＿１３の側面図と、平面図を示す。図４（Ａ）には、バンプ３２＿１１、３２＿１３の初期状態が示される。ここで、バンプ３２＿１１、３２＿１３は同じバンプ高さＨ１を有する。

バンプ３２＿１１、３２＿１３は、チップ３０の信号線ＳＬ上に設けられる。バンプ３２＿１１、３２＿１３が回路基板３４の基板電極３６と接合されることにより、チップ３０の信号線ＳＬは回路基板３４の信号線と導通する。そしてここでは、チップ表面３０Ｓから最も低い高さの部分にバンプ３２＿１１が設けられ、これより高い部分にバンプ３２＿１３が設けられる。よって、バンプ３２＿１１、３２＿１２のバンプ高さが同じであっても、バンプ３２＿１３の接合面Ｔ１３の位置は、バンプ３２＿１１の接合面Ｔ１１の位置より高くなる。すなわち、チップ表面３０Ｓを基準としたときに、異なるバンプ高さを有するバンプが設けられた場合と等価な状態になる。

ここで、第２の実施形態では、バンプ３２＿１１のバンプ径Ｒ１に対し、バンプ３２＿１２のバンプ径Ｒ３（＞Ｒ１）となるように構成される。すなわち、チップ表面３０Ｓと平行な面における断面積を比較したときに、バンプ３２＿１１よりバンプ３２＿１３の方が大きい断面積を有する。

超音波接合の工程が開始され、基板電極３６と圧着されるときに、基板電極３６の相対的位置が３６Ａから３６Ｂに変位し、バンプ３２＿１３が接合面Ｔ１３にて基板電極３６と接触する。さらに圧着が進むと、バンプ３２＿１３が押しつぶされ、基板電極３６の相対的位置が３６Ｃに変位し、バンプ３２＿１１が接合面Ｔ１にて基板電極３６に接触する。このときの状態は、図４（Ｂ）に示される。

図４（Ｂ）に示すように、バンプ３２＿１３は接合面Ｔ１３にて基板電極３６に接触した後荷重により押しつぶされる。これにより、その円柱形状のアスペクト比が変化する。よって、バンプ径Ｒ３がＲ１３に増大し、接合面Ｔ１３はＴ１３´に拡大される。そして、バンプ３２＿１１の接合面Ｔ１１と、バンプ３２＿１３の接合面Ｔ１３´のチップ３０表面からの高さが略一致する。

ここで、図２（Ｂ）に示したように、当初の接合面Ｔ１３では接合強度が低下する。その一方、押しつぶされたときの接合面Ｔ１３´において、ハッチングで示す外周部分Ｔ１３´´では、バンプ３２＿１１と同等の接合強度が得られる。ここで、バンプ３２＿１３の当初のバンプ径Ｒ３を、バンプ３２＿１１のバンプ径Ｒ１より大きくすることにより、接合面Ｔ１３´において所望の接合強度が得られる部分の割合を増加させることができる。

また、バンプ径Ｒ３を大きくすることにより、バンプ３２＿１３が押しつぶされたときのバンプ高さＨ１に対するバンプ径Ｒ１３の比は、バンプ３２＿１１のバンプ高さＨ１に対するバンプ径Ｒ１の比より大きい。よって、バンプ３２＿１３では剛性が増大するので、超音波振動が接合面Ｔ１３´´に伝達されやすくなる。よって、外周部分Ｔ１３´´では基板電極３６と十分に擦れ合うことができ、金属結合の強度が増加する。

第２の実施形態におけるチップ３０は、第１の実施形態と同様、バンプが設けられる部分の信号線路の高さが信号線のパターンにより予め把握できることから、高さに応じてバンプ径を調節することで実現される。

このようにすることで、接合面が高いバンプの接合強度を低下させることなく、回路基板に超音波接合することができる。さらにここでも、バンプ３２＿１３はダミー用のバンプではなく電子回路全体の信号線を構成するバンプであるので、その接合強度低下を防止することにより、電子回路の信頼性を向上できる。

なお、第２の実施形態における好適な態様では、バンプ３２＿１１、３２＿１３は略円錐台形状に構成され、いずれも上部の接合面にて基板電極３６と接触する。ここで、バンプ３２＿１１の接合面のバンプ径を３５μｍ、底面のバンプ径を４０μｍ、バンプ高さを２６μｍとする。そして、バンプ３２＿１３がチップ表面３０Ｓから２μｍの高さに設けられる。このとき、バンプ３２＿１３の接合面のバンプ径を４０μｍ、底面のバンプ径を４５μｍとする。そうすることにより、バンプ３２＿１１を基準としたときに、バンプ３２＿１２の接合強度の低下を防止できる。

図５は、第２の実施形態におけるバンプ３２＿１３の接合面のバンプ径（横軸）と、接合強度を示す転写率（縦軸）との関係を示す。ここで転写率は、いわゆるチッププル試験の結果を示す数値である。チッププル試験では、接合後にチップ３０を回路基板３４から引きはがし、回路基板３４に残った、つまり転写されたバンプの数をカウントする。ここで、チップに搭載されたバンプの数をα、チッププル試験の結果回路基板３４に転写されたバンプの数をβとすると、転写率＝１００×β／αとして算出される。よって、転写率が１００％に近づくほど、高い接合強度を示す。図示するように、接合面が高いバンプのバンプ径を大きくすることにより、転写率が高くなる。つまり、接合強度の低下が防止される。なお、第２の実施形態は、ここに示す数値範囲に限定されるものではない。

上述の説明では、金バンプを例としたが、本発明の実施形態は、金以外にも、アルミニウムや銅などで構成されるバンプに適用でき、超音波接合したときの接合強度低下を防止できる。

以上説明したとおり、本発明によれば、接合面の高さが異なるバンプを超音波接合する場合において、接合面が高いバンプの接合強度低下を防止することができる。

１２：制御部、１４：駆動部、２０：保持部、２２：撮像部、２６：載置台、３０：チップ、３２：バンプ、３４：回路基板、３６：基板電極

Claims

表面に信号線を有し、当該信号線の上に所定の高さのバンプを備え、当該バンプが超音波接合により回路基板の電極に接合される回路部品であって、
前記表面からの高さが最も低い第１の信号線の上に設けられ、所定の断面積を有する第１のバンプと、
前記表面からの高さが前記第１の信号線より高い第２の信号線の上に設けられ、前記所定の断面積よりも狭い断面積を有する第２のバンプとを有し、
前記電極の接合面に対して第１、第２のバンプの高さが異なり、
前記表面を基準とした前記第２のバンプの高さは、前記表面を基準とした前記第１のバンプの高さよりも高く、前記第１、第２のバンプの前記断面積は、前記回路基板に対して平行な、バンプの中心を通る断面の面積である回路部品。
請求項１において、
前記第２のバンプを介して前記回路基板と電気信号の伝送を行うことを特徴とする回路部品。