JP5796249B2 - 接合装置および接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、接合装置および接合方法に関し、特に、電子部品を基板に実装するにあたり、電子部品の接続端子と基板の接続端子とを接合する接合装置および接合方法に適用して有効な技術に関する。

特開平４−１７１９４９号公報（特許文献１）には、基板上に複数の半導体素子を一括圧着用治具によって加圧するとともに加熱して圧着する半導体装置の製造方法に関する技術が開示されている。ここでは、半導体素子と基板の電気的接続を保ったまま、機械的にもこれらを保持させる絶縁樹脂が用いられている。

特開２００６−１２０７２４号公報（特許文献２）には、半導体チップを基板に超音波接合（超音波溶接）する超音波実装方法に関する技術が開示されている。

特開平４−１７１９４９号公報 特開２００６−１２０７２４号公報

例えば、電子部品（例えば半導体チップ）を配線基板に実装する場合、電子部品の接続端子（接続バンプ）と基板の接続端子（接続パッド）は、確実に電気的に接続されている必要がある。また、接続端子間を保護するために、電子部品と配線基板との間に絶縁樹脂を設けて接続信頼性を確保する必要がある。例えば、絶縁樹脂としてはＮＣＦ（Non Conductive Film）やＮＣＰ（Non Conductive Paste）の接着層が用いられる。なお、特許文献１では、熱エネルギーによって硬化する絶縁樹脂が用いられている。

ところで、はんだバンプからなる電子部品の接続端子を一旦溶融して、電子部品の接続端子と配線基板の接続端子の接続を図る場合、電子部品の接続端子をはんだの融点まで加熱する必要がある。

しかしながら、配線基板が載置される側の熱容量が大きい場合、はんだの融点まで昇温するまでの加熱時間が長くなり、はんだによって配線基板の接続端子と電気的に接続される前に、接着層の硬化が進行してしまい、接続不良を起こす恐れもある。また、加熱時間が長くなると、接着層によっては予め混入した微細な空気が加熱により膨張したり発泡したりして、接続不良を引き起こすことも想定される。なお、特許文献１の技術は、接着層（絶縁樹脂）を硬化させるために熱エネルギーを加えるためのものであり、電子部品の接続端子を溶融するまで熱エネルギーを加えた場合には、このような接続不良が起きてしまうものと考えられる。

また、電子部品を配線基板に搭載するに際して、はんだを溶融して接続端子を接合すると共に、接着層を加熱硬化させる場合、電子部品の接続端子と配線基板の接続端子間に、接着層や酸化膜などの接続を妨げるもの（異物）が介在すると、接続不良が起こる。

本発明の目的は、複数の部材を含むワークをクランプして接合された各部材の接続信頼性を向上することのできる技術を提供することにある。本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。本発明の一実施形態における接合装置は、第１部材と前記第１部材上で接着層を介して接着された複数の第２部材とを含むワークをクランプして各部材を一括で接合する接合装置であって、少なくともいずれかが上下動する第１ベースおよび第２ベースを有し、前記第１ベースと前記第２ベースとを近接させて前記ワークをクランプするクランプ機構と、前記ワークを加圧する加圧機構と、前記ワークを加熱する加熱機構と、前記ワークに超音波振動を加える振動機構と、前記ワークを内包する空間をシールするシール機構と、を備え、前記クランプ機構は、前記第１部材に対応して前記ワークをクランプする第１クランパと、前記第１クランパと対向し、前記複数の第２部材のそれぞれに対応して前記ワークをクランプする複数の第２クランパと、前記複数の第２クランパを支持する支持プレートとを有し、前記第１ベースと前記第２ベースとの間において、前記第１クランパが前記第１ベースに固定して設けられ、前記複数の第２クランパが前記第２ベースに対して前記支持プレートを介して前記加圧機構によってフローティング支持されるように設けられ、前記加熱機構は、前記第１クランパ側から、クランプされた前記ワークを加熱するヒータを有し、前記振動機構は、前記第２クランパ側から、クランプされた前記ワークに超音波振動を加える超音波振動子を有し、前記シール機構は、前記第１クランパと前記複数の第２クランパの周囲に設けられ、クランプされた前記ワークが内包される密閉空間を形成し、前記加圧機構によって前記第２ベースに対して前記複数の第２クランパをフローティング支持しながら前記第１クランパと前記複数の第２クランパとで前記ワークをクランプした状態において、前記振動機構によって前記ワークに超音波振動が加えられ、前記クランプ機構によって前記第１ベースと前記第２ベースとを近接させて前記第２ベースに対して前記支持プレートを当接させながら前記第１クランパと前記複数の第２クランパとで前記ワークをクランパした状態において、前記加熱機構によって前記接着層を加熱硬化させる。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、次のとおりである。この一実施形態によれば、複数の部材を含むワークをクランプして接合された各部材の接続信頼性を向上することができる。

本発明の一実施形態における動作中の接合装置を模式的に示す断面図である。 図１に続く動作中の接合装置を模式的に示す断面図である。 図２に続く動作中の接合装置を模式的に示す断面図である。 本発明の他の実施形態における動作中の接合装置を模式的に示す断面図である。 図４に続く動作中の接合装置を模式的に示す断面図である。 図５に続く動作中の接合装置を模式的に示す断面図である。 本発明の他の実施形態における下クランパを模式的に示す断面図である。 図７に続く動作中の下クランパを模式的に示す断面図である。 図８に続く動作中の下クランパを模式的に示す断面図である。 本発明の一実施形態における製造工程中の半導体装置を模式的に示す断面図である。 図１０に続く製造工程中の半導体装置を模式的に示す断面図である。 図１１に続く製造工程中の半導体装置を模式的に示す断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

（実施形態１）
本実施形態における接合装置の構成について図１を参照して説明する。この接合装置１Ａは、配線基板２（第１部材）とこの上で接着された複数の電子部品３（第２部材）とを含むワークＷ（図１０参照）をクランプして、配線基板２と複数の電子部品３とを一括で接合（圧着）するものである。すなわち、接合装置１Ａは、配線基板２に複数の電子部品３が実装（電気的に接続）された半導体装置７（図１２参照）を製造する半導体製造装置である。なお、図１１に示すように、接続バンプ６が接続パッド５に接触する程度の接着状態としたワークＷの一括接合を行っても良い。

接合装置１Ａは、ワークＷを挟み込んでクランプするクランプ機構１０と、クランプされたワークＷを加圧する加圧機構１１（荷重機構）と、クランプされたワークＷを加熱する加熱機構１２と、クランプされたワークＷに超音波振動を加える振動機構１３とを備えている。さらに、接合装置１Ａは、クランプされたワークＷを内包する空間をシールするシール機構１４と、シールされた空間を圧縮空間にする圧縮機構１５とを備えている。

まず、接合装置１Ａのクランプ機構１０について具体的に説明する。クランプ機構１０は、上下で対向するように設けられ、ワークＷを挟み込んでクランプし、加圧可能な加圧手段（加圧部）でもある、上クランパ１６（第１クランパ）および複数の下クランパ１７（第２クランパ）を有している。上クランパ１６は、例えば合金工具鋼からなり、上クランプ面１６ａが形成されている。また、下クランパ１７は、例えば合金工具鋼からなり、下クランパ面１７ａが形成されている。これら上クランプ面１６ａ、下クランプ面１７ａでワークＷがクランプされる。本実施形態では、配線基板２に対応する上クランパ１６と、複数の電子部品３のそれぞれに対応する複数の下クランパ１７とで、ワークＷがクランプされることとなる。

上クランパ１６は、上ベース２１（例えば合金工具鋼からなる）下に固定して組み付けられている。また、複数の下クランパ１７は、互いに所定間隔で支持プレート２２（例えば合金工具鋼からなる）上に固定して設けられている。この複数の下クランパ１７はそれぞれ、下向き凹状のフレーム２７（例えば合金工具鋼からなる）の底部を厚さ方向に貫通する複数の貫通孔２７ａに挿入されるように設けられている。貫通孔２７ａを所定間隔で形成されたフレーム２７を用いて、支持プレート２２で下クランパ１７の位置合わせを精度良く行うことができる。

本実施形態では、配線基板２の大きさに合わせて上クランパ１６をブロック状とし、配線基板２よりも小さい電子部品３の大きさに合わせて下クランパ１７をロッド状として、上クランプ面１６ａに対して直交するロッド状の複数の下クランパ１７を所定間隔で設けている。また、本実施形態では、下クランパ１７側からワークＷに超音波振動を加えるので、ワークＷに当接する面である下クランパ１７のクランパ面１７ａを、ワークＷの形状（大きさ）、すなわち電子部品３の大きさに合わせた大きさとしている。

また、上クランパ１６に対して複数の下クランパ１７が所定間隔で離間して設けられた構成とすることで、複数の下クランパ１７の熱容量の総和が上クランパ１６の熱容量より小さくなる。換言すれば、上クランパ１６よりも複数の下クランパ１７の全体の容積の方が小さくなっているため本実施形態のように同様の材質で構成されたときには、下クランパ１７全体の熱容量のほうが上クランパ１６よりも小さいこととなる。後述するが、本実施形態では、加熱機構１２を上クランパ１６側に設けている。このため、上クランパ１６と下クランパ１７とでワークＷをクランプした場合、熱容量の小さい下クランパ１７は予め加熱されている上クランパ１６によって急速に加熱され、ワークＷも急速に所定温度に加熱することができる。

ワークＷが急速に加熱されることで、接着層４が硬化する前に、接続バンプ６のはんだも急速に溶融する。このため、接続パッド５と接続バンプ６との接合が図られる前に、接着層４が硬化することによって発生する接続不良を防止することができる。また、ワークＷが急速に加熱されることで、接着層４に仮に微細な空気が混入していたとしても、後述の圧縮空間ではその空気を膨張したり発泡したりすることを防止し、接続不良が発生するのを防止することができる。

凹状のフレーム２７は、開口縁部が下ベース２８（例えば合金工具鋼からなる）で固定して組み付けられている。本実施形態のクランプ機構１０では、上ベース２１を固定とし、この上ベース２１に対して図示しない電動モータやトグルリングなどを用いて下ベース２８を上動または下動可能としている。なお、下ベース２８を固定とし、この下ベース２８に対して上ベース２１を上下動するようにしても良い。

また、下ベース２８の中央部には、厚さ方向に貫通する貫通孔２８ａが形成されている。この下ベース２８の貫通孔２８ａに加圧機構１１が設けられる。複数の下クランパ１７は、この加圧機構１１によって、下ベース２８に対して支持プレート２２を介してフローティング支持されている。フローティング支持されたロッド状の下クランパ１７は、振動機構１３により振動され易くなっている。

次に、接合装置１Ａの加圧機構１１について具体的に説明する。加圧機構１１は、上下方向に昇降可能な昇降機構２４を備えている。この昇降機構２４上には、熱加熱機構１２からの熱が昇降機構２４への伝導を防止する断熱ブロック２３（例えば合金工具鋼からなる）が設けられている。この断熱ブロック２３上には、支持プレート２２が設けられている。

昇降機構２４は、支持プレート２２を所定の位置で振動機構１３によるワークＷの加振が有効に作用するように支持している。また、昇降機構２４は、クランプ機構１０の動作に伴って支持プレート２２の下ベース２８に当接するまで押し下げられるようになっている（図３参照）。

断熱ブロック２３には、中央部で貫通する断面凸状の貫通孔２３ａが形成されており、その両端にはシール部材２５、２６（例えばＯリング）が設けられている。貫通孔２３ａでは、昇降機構２４側の開口面積を支持プレート２２側の開口面積を大きくすることで、昇降機構２４側へ熱を伝わりにくくしている。また、シール部材２５、２６により内部空間がシールされた貫通孔２３ａにより、断熱ブロック２３の熱容量を小さくしている。

本実施形態では、上クランパ１６側からクランプされたワークＷを加熱するものである。ワークＷを急速に加熱するために、下クランパ１７側では、熱容量が小さいことが望まれる。その一方で、下クランパ１７などが急速に加熱されるので、支持プレート２２およびその下のブロックを介して、昇降機構２４にも熱が急速に伝導されてしまうことが考えられる。そこで、本実施形態では、昇降機構２４側の開口面積を支持プレート２２側の開口面積を大きくした凸状の貫通孔２３ａを有する断熱ブロック２３を用いて、昇降機構２４側へ熱を伝わりにくくしている。

次に、接合装置１Ａの加熱機構１２について具体的に説明する。加熱機構１２は、上クランプ１６側からクランプされたワークＷを加熱するヒータ３１を備えている。ヒータ３１は、図１の紙面垂直方向に延在するように、上クランパ１６に内蔵されている。すなわち、加熱能力を向上させるために、上クランプ面１６ａと並行となるように、ヒータ３１が設けられている。

また、ヒータ３１の加熱能力は、上クランパ１６、下クランパ１７などの熱容量を有する部材を考慮し、配線基板２と電子部品３との間の接着層４を硬化させる温度であって、かつ、電子部品３の接続バンプ６を溶融する温度を、クランプされたワークＷに加えられることが必要となる。なお、接続バンプ６は、はんだバンプで有る場合には融点は例えば２５０〜２６０℃程度である。また、接着層４は、ＮＣＦやＮＣＰである場合には例えば２００℃〜２６０℃で所定時間が加わることで硬化する。

次に、接合装置１Ａの振動機構１３について具体的に説明する。振動機構１３は、下クランパ１７側から、クランプされたワークＷに超音波振動を加える超音波振動子３２を備えている。超音波振動子３２は、ロッド３３および支持プレート２２を介して下クランパ１７と接続されている。これにより、振動機構１３は、超音波振動子３２を振動源とし、ロッド３３、支持プレート２２および下クランパ１７をホーン部としてクランプされたワークＷを加振する。超音波振動子３２の周波数としては例えば２０〜１００ｋＨｚ程度である。なお、図１では、ロッド３３は、フレーム２７および下シールブロック３５を貫通するように設けられているが、その貫通孔はシールされている。

この支持プレート２２上にロッド状の下クランパ１７が、フレーム２７の貫通孔２７ａを貫通して複数設けられている。この貫通穴２７ａの大きさは、下クランパ１７の振動時に干渉しない大きさであり、貫通孔２７ａの内壁と下クランパ１７の側面との間には空隙が形成されている。

前述した加熱機構１２においては、ブロック状の上クランパ１６に対して、下クランパ１７をロッド状として、熱容量を低減している。これにより、加熱機構１２の加熱能力を向上させている。振動機構１３においては、対象物が小さいほど効率を低減させずに加振できるため、配線基板２より小さい電子部品３に加振できるように、電子部品３の大きさに合わせたクランプ面１７ａのロッド状の下クランパ１７を設けている。すなわち、本実施形態では、加熱機構１２および振動機構１３を機能させるために、下クランパ１７を兼用している。これにより、接合装置１Ａの部品点数を少なくすることができる。

次に、接合装置１Ａのシール機構１４について具体的に説明する。シール機構１４は、上クランパ１６と複数の下クランパ１７の周囲に設けられ、クランプされたワークＷが内包される密閉空間（シールされた空間３７）を形成するものである。このシール機構１４は、上クランパ１６および下クランパ１７の周囲に設けられた上シールブロック３４および下シールブロック３５を有している。

上シールブロック３４は、例えば合金工具鋼からなる筒状であり、上ベース２１下の外周部で固定して組み付けられている。この筒状の上シールブロック３４の内部に、上クランパ１６が設けられている。この上シールブロック３４の下シールブロック３５側の縁部には、シール部材４２（例えばＯリング）が設けられている。また、下シールブロック３５は、例えば合金工具鋼からなる筒状であり、下ベース２８上の外周部で固定して組み付けられている。この筒状の下シールブロック３５の内部に、下クランパ１７が設けられている。また、下シールブロック３５の上シールブロック３４側の縁部は、シール部材４２と対向するように設けられている。

接合装置１Ａでは、下ベース２８の貫通孔２８ａの内壁と断熱ブロック２３の側面との間には空隙が形成されている。この空隙は、振動機構１３の動作により支持プレート２２下の断熱ブロック２３が下ベース２８と接触して振動の妨げとならないようにするためや、加圧機構１１を上下動させる際の摩擦を低減させるために形成されている。このような空隙が形成されるために、シール機構１４は、下ベース２８の貫通孔２８ａと断熱ブロック２３との間をシールするシール部材４３（例えばＯリング）を有している。

このような構成のシール機構１４によって、上ベース２１および下ベース２８が近接することで、シール部材４２が下シールブロック３５の縁部に当接して、シールされた空間３７（図２参照）が形成され、この密閉空間において加熱機構１２によりワークＷを急速に加熱可能となっている。

次に、接合装置１Ａの圧縮機構１５について具体的に説明する。圧縮機構１５は、下シールブロック３５に形成された流路３６を通じて、シールされた空間３７内に圧縮空気を導入するコンプレッサ４１を備えている。クランプされたワークＷに超音波を加振する場合、超音波振動により接着層４（図１１参照）からボイドが発生することも考えられる。そこで、本実施形態では、圧縮された空間３７（以下、圧縮空間３７という）で超音波を加振することで、ボイドの発生を抑制することができる。このようにボイドの発生を抑制することで、ワークＷに設けられた接続パッド５と接続バンプ６間の接続信頼性を向上することができる。

また、クランプ前に加熱機構１２からの輻射熱によって接着層４が加熱される際には、接着層４がボイドの発生によって膨張し電子部品３を配線基板２から引き離す力が加わるおそれがあるが、ワークＷが圧縮空間３７で加熱されるので電子部品３が浮き上がったり傾いたりする不具合を効果的に防止することができる。また、超音波加振する際に圧縮空間３７としておくことにより、接着層４においてボイドの発生や膨張によって接着層４自体が膨張することで接続端子同士をずらすような力が加わることも効率的に防止することができる。また、圧縮空間３７において配線基板２に複数の電子部品３を接合する構成であるため、複数の接着層４に対して一様の圧力を加えながら超音波加振及び加圧加熱を行うことができ、成形品質の均一化を図ることもできる。

次に、本実施形態における接合装置１Ａを用いて、積層された配線基板２および複数の電子部品３を含むワークＷをクランプして各部材を一括で接合する接合方法と共に、配線基板２に電子部品３を実装する電子部品３の実装方法（半導体装置７の製造方法）について、図１〜図３および図１０〜図１２を参照して具体的に説明する。図１０〜図１２は、図１〜図３の動作中の接合装置１ＡにおけるワークＷに対応しており、その要部を拡大して示している。

まず、図１０に示すように、配線基板２の複数の接続パッド５と対応する各電子部品３の複数の接続バンプ６とを対向して位置合わせして、配線基板２上に接着層４（例えば、ＮＣＦやＮＣＰ）を介して複数の電子部品３を接着したワークＷを準備する。この配線基板２には、例えば、公知のフリップチップボンダを用いて、複数の電子部品３がマトリクス状に位置合わせと仮圧着される。

配線基板２は、例えばガラスエポキシ基板であり、その内部に配線パターンが形成されており、また絶縁層８から露出する接続パッド５が形成されている。また、電子部品３は、例えば半導体チップやチップコンデンサであり、接続バンプ６としてはんだバンプが用いられている。なお、本実施形態では、接続バンプ６（はんだバンプ）を溶融して、接続パッド５と接合する。

続いて、図１に示すように、上クランパ１６と下クランパ１７とが離間した状態で、図示しない搬送装置によって下クランパ１７にワークＷを載置する。具体的には、複数の下クランパ１７のクランプ面１７ａのそれぞれに複数の電子部品３を配置する。また、ワークＷの配線基板２は、上クランパ１６のクランプ面１６ａと対向して配置する。

続いて、クランプ機構１０により上ベース２１および下ベース２８を近接させることで、シール機構１４によりクランプされたワークＷが内包される空間３７をシールする。その後、圧縮機構１５によりシールされた空間３７に圧縮空気を導入して圧縮空間３７を形成する。この場合、圧縮空気を導入することで圧縮空間３７の圧力を大気圧より高くボイドの膨脹を抑制する程度に高い圧力に設定する必要があり、好ましくは、ボイドを潰す程度に高い圧力に設定するのが好ましい。圧縮空間３７は、例えば空間３７のシールが解除されるまでの間、形成しておくことができる。ただし、空気の発泡防止や積極的な空気の排出のため、少なくとも接着層４が硬化されるまで、圧縮空間３７が形成されるのが好ましい。

次いで、図２に示すように、上ベース２１および下ベース２８を更に近接させることで、配線基板２に対する上クランパ１６および複数の電子部品３にそれぞれ対する複数の下クランパ１７でワークＷを挟み込んで加圧する。これにより、配線基板２上の複数の電子部品３が一括してクランプされたこととなる。

また、各電子部品３では、図１１に示すように、接着層４を接続バンプ６で押し出して、配線基板２の複数の接続パッド５に対して、対応する複数の接続バンプ６を一括して当接させる。上クランパ１６は、加熱機構１２により予め加熱されているため、上クランパ１６がワークＷに当接したときから、接続パッド５および接続バンプ６は加熱され始める。本実施形態では、上クランパ１６の熱容量より複数の下クランパ１７の熱容量の総和が小さいため、接続パッド５および接続バンプ６は急速に加熱され始める。

次いで、振動機構１３（超音波振動子３２）により、ワークＷに超音波振動（例えば、２０〜１００ｋＨｚ程度）を加えて互いに当接された接続パッド５および接続バンプ６を振動させる。前述したように、接続バンプ６は接着層４を押し出して接続パッド５と当接する。このため、接続パッド５と接続バンプ６との間には押し出しきれなかった接着層４が介在することも考えられる。また、配線基板２と電子部品３が接着層４で接着される前では、接続パッド５および接続バンプ６の表面が露出しているので、表面に酸化膜が形成されていることも考えられる。

そこで、超音波振動子３２は、当接された接続パッド５および接続バンプ６を振動させて、接着層４や酸化膜を除去する。また、加熱された接続バンプ６が溶融するまで、ワークＷに超音波振動を加えることで、より多くの接着層４や酸化膜を除去することができる。したがって、これらが除去された状態の接続パッド５および接続バンプ６が接合されることで、ワークＷに設けられた接続パッド５と接続バンプ６間の接続信頼性を向上することができる。

また、接続パッド５と接続バンプ６と同じ材質（金、銀、銅、はんだ等）を用いる場合には、超音波加振して酸化膜を除去することで確実に拡散接合させることができるためより確実な接合が可能となる。このような場合にもワークＷに設けられた接続パッド５と接続バンプ６間の接続信頼性を向上することができる。なお、本実施形態では、加熱により電子部品３の接続端子（接続バンプ６）が溶融する場合について説明するが、これに限らず、配線基板２の接続端子を溶融させても、また、配線基板２の接続端子と電子部品３の接続端子とも溶融させても、配線基板２の接続端子と電子部品３の接続端子とを接合することができる。

なお、シール後、圧縮空間３７が形成される前に、流路３６を通じて真空ポンプ（図示しない）でシールされた空間３７を減圧しても良い。減圧することで、接着層４内の微細な空気や、ワークＷが内包される空間３７内の異物（浮遊物）を除去することができる。これにより、配線基板２および電子部品３を含む半導体装置７に異物などの混入を防止することができる。

本実施形態では、圧縮空間３７内でワークＷに超音波振動を加えている。これにより、仮に接着層４に予め微細な空気が混入していた場合であっても、ボイドの発生を抑制することができる。このようにボイドの発生を抑制することで、ワークＷに設けられた接続パッド５と接続バンプ６間の接続信頼性を向上することができる。

続いて、図３および図１２に示すように、クランプ機構１０により上ベース２１および下ベース２８を図２の状態から更に近接させることで、下クランパ１７、支持プレート２２および断熱ブロック２３は、加圧機構１１（昇降機構２４）の押圧力（第１押圧力）に抗して押し下げられて支持プレート２２が下ベース２８に当接する位置まで押し下げられる。次いで、加熱機構１２により加熱された接続パッド５および接続バンプ６に対して、第１押圧力より高い第２押圧力で加圧機構１１を駆動させて上クランパ１６および下クランパ１７でさらに加圧して接合させると共に、接着層４を加熱硬化させる。

このように接合装置１Ａを用いて、配線基板２上で接着された複数の電子部品３を含むワークＷに対してクランプして、各部材を一括で接合する。これにより、配線基板２に電子部品３が実装され、半導体装置７が製造される。

本実施形態のように、加熱と同時に加圧を行うことで、接続パッド５および接続バンプ６の接合時には接続バンプ６は溶融しているので、接続パッド５および接続バンプ６を容易に接合（圧着）することができる。また、配線基板２に電子部品３を実装するまで圧縮空間３７を維持しておくことで、接着層４に微細な空気が含まれていたとしても、微細な空気を圧縮して微小化させることで、配線基板２と電子部品３との間を高品質にアンダーフィルすることができる。これにより、ワークＷに設けられた接続パッド５と接続バンプ６との接続不良を低減させると共に、接続信頼性を向上することができる。

（実施形態２）
本実施形態における接合装置の構成について図４を参照して説明する。前記実施形態１における接合装置１Ａは、下クランパ１７側からクランプされたワークＷに超音波振動を加えたが、本実施形態における接合装置１Ｂは、上クランパ１６側から加振するものである。

超音波振動子３２と接続され、複数の下クランパ１７と対向する位置にそれぞれワークＷに当接する複数の突起部４４ａが形成されたホーン４４が、上クランパ１６下に設けられている。下クランパ１７と対向する位置に突起部４４ａを設けることで、ホーン４４と下クランパ１７でワークＷを挟み込んでクランプすることができる。

本実施形態では、ホーン４４を介して上クランパ１６と下クランパ１７でワークＷをクランプするので、ホーン４４がクランパとしてみなすことができる。すわなち、ホーン４４は、電子部品３の大きさに合わせたクランプ面４４ｂを有する突起部４４ａが形成されたクランパである。また、本実施形態では、上クランパ１７側からワークＷに超音波振動を加えるので、ワークＷに当接する面であるホーン４４（クランパ）のクランパ面４４ｂを、ワークＷの形状（大きさ）、すなわち電子部品３の大きさに合わせた大きさとしている。

接合装置１Ａでは、複数の下クランパ１７のクランプ面１７ａのそれぞれに複数の電子部品３を配置する構成であるが、電子部品３の厚さが薄いと配置することが難しい場合もある。そこで、本実施形態では、基板保持プレート４５を用いて、その上でワークＷを保持して、配線基板２に電子部品３を実装している。なお、セラミックス基板のように剛性が高く撓みが少ない配線基板２を用いた場合には、基板保持プレート４を省略して配線基板２が下クランパ１７に支持されるようにしても良い。

次に、本実施形態における接合装置１Ｂを用いて、積層された配線基板２および複数の電子部品３を含むワークＷをクランプして各部材を一括で接合する接合方法と共に、配線基板２に電子部品３を実装する電子部品３の実装方法（半導体装置７の製造方法）について図４〜図６および図１０〜図１２を参照して具体的に説明する。図１０〜図１２は、図４〜図６の動作中の接合装置１ＢにおけるワークＷに対応しており、配線基板２と電子部品３を上下逆にして、その要部を拡大して示している。

まず、図１０に示すように、配線基板２の複数の接続パッド５と対応する各電子部品３の複数の接続バンプ６とを対向して位置合わせして、配線基板２上に接着層４（例えば、ＮＣＦやＮＣＰ）を介して接着されたワークＷを準備する。続いて、図４に示すように、上クランパ１６と下クランパ１７とが離間した状態で、図示しない搬送装置によって下クランパ１７にワークＷを載置する。この際、複数の電子部品３がそれぞれホーン４４の複数の突起部４４ａと対向して配置される。

続いて、クランプ機構１０により上ベース２１および下ベース２８を近接させることで、シール機構１４によりクランプされたワークＷを内包する空間３７をシールする。また、図５に示すように、上クランパ１６（ホーン４４）および下クランパ１７でワークＷを挟み込んでクランプし、図１１に示すように、接着層４を接続バンプ６で押し出して接続パッド５と接続バンプ６とを当接させる。

その後、圧縮機構１５によりシールされた空間３７に圧縮空気を導入して圧縮空間３７を形成する。次いで、振動機構１３（超音波振動子３２）により、ワークＷに超音波振動（例えば、２０〜１００ｋＨｚ程度）を加えて接続パッド５および接続バンプ６を振動させる。

続いて、図６および図１２に示すように、クランプ機構１０により上ベース２１および下ベース２８を図５の状態から更に近接させることで、下クランパ１７、支持プレート２２および断熱ブロック２３は、加圧機構１１（昇降機構２４）の押圧力（第１押圧力）に抗して押し下げられて支持プレート２２が下ベース２８に当接する位置まで押し下げられる。次いで、加熱機構１２により加熱された接続パッド５および接続バンプ６に対して、第１押圧力より高い第２押圧力で加圧機構１１を駆動させて上クランパ１６および下クランパ１７でさらに加圧して接合させると共に、接着層４を加熱硬化させる。

このように接合装置１Ｂを用いて、配線基板２上で接着された複数の電子部品３を含むワークＷに対してクランプして、各部材を一括で接合する。これにより、配線基板２に電子部品３が実装され、半導体装置７が製造される。

このように、接合装置１Ｂを用いて、配線基板２の接続パッド５と電子部品３の接続バンプ６とを接合して、配線基板２に電子部品３を実装することで、前記実施形態１における接合装置１Ａと同様に、ワークＷに設けられた接続パッド５と接続バンプ６間の接続信頼性を向上することができる。

（実施形態３）
本実施形態における下クランパについて図７〜図９を参照して説明する。前記実施形態１における下クランパ１７は単体で構成されていたが、本実施形態における下クランパ１７Ａは、ワークＷに超音波振動を加えるピン状の加振用部材５１と、加振用部材５１が挿入され、ワークＷに当接する筒状の加圧用部材５２とを含んで構成されている。なお、加振用部材５１は超音波振動子３１と接続されており、加圧用部材５２は昇降機構２４と接続されている。

図２を参照して説明した、ワークＷに超音波振動を加えて接続パッド５および接続バンプ６を振動させる工程では、加圧用部材５２に対して相対的に加振用部材５１を突き出し、加振用部材５１が当接した状態でワークＷに超音波振動を加える（図７参照）。また、図３を参照して説明した、加熱された接続パッド５および接続バンプ６に対して、上クランパ１６および下クランパ１７で加圧して接合させると共に、接着層４を加熱硬化させる工程では、加振用部材５１からに対して相対的に加圧用部材５２を突き出し（図８参照）、さらに突き出した加圧用部材５２が電子部品３に当接した状態で接続パッド５および接続バンプ６を加圧する（図９参照）。

前記実施形態１では、加熱された接続パッド５および接続バンプ６に対して、上クランパ１６および下クランパ１７で加圧する際、下クランパ１７はロッド３３を介して超音波振動子３２に接続されているので、超音波振動子３２が熱膨張して、精度良く加圧できない場合がある。そこで、本実施形態における下クランパ１７Ａでは、加振用と加圧用に分けて、加振用部材５１と加圧用部材５２を設けることで、精度良く加圧して接合することができ、ワークＷに設けられた接続パッド５と接続バンプ６間の接続信頼性を向上することができる。また、超音波振動子３２への加熱を抑制することもできる。

以上、本発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

例えば、前記実施形態では、積層された第１および第２部材を含むワークをクランプして各部材を一括で接合する接合方法において、第１部材を配線基板２とした場合について説明した。これに限らず、第１部材として、例えば、有機基板やセラミック基板のような無機基板などの他の種類の基板（配線基板）、リードフレーム、または半導体ウエハであっても良い。また、第１、第２部材にさらに第３部材を積層する場合であっても良い。例えば、第１部材を配線基板とし、第２、第３部材を半導体チップとしても良い。

また、例えば、前記実施形態１では下クランパ１７側からワークＷに加振し、前記実施形態２では上クランパ１６側からワークＷを加振した場合について説明したが、それらを組み合わせて上クランパ１６および下クランパ１７の両側からワークＷを加振しても良い。両側から加振することでより異物を除去することができる。

１Ａ、１Ｂ 接合装置
２ 配線基板（第１部材）
３ 電子部品（第２部材）
４ 接着層
５ 接続パッド（第１接続端子）
６ 接続バンプ（第２接続端子）
１６ 上クランパ（第１クランパ）
１７、１７Ａ 下クランパ（第２クランパ）
３１ ヒータ
３２ 超音波振動子
Ｗ ワーク

Claims (11)

1. 第１部材と前記第１部材上で接着層を介して接着された複数の第２部材とを含むワークをクランプして各部材を一括で接合する接合装置であって、
   少なくともいずれかが上下動する第１ベースおよび第２ベースを有し、前記第１ベースと前記第２ベースとを近接させて前記ワークをクランプするクランプ機構と、
   前記ワークを加圧する加圧機構と、
   前記ワークを加熱する加熱機構と、
   前記ワークに超音波振動を加える振動機構と、
   前記ワークを内包する空間をシールするシール機構と、
   を備え、
   前記クランプ機構は、前記第１部材に対応して前記ワークをクランプする第１クランパと、前記第１クランパと対向し、前記複数の第２部材のそれぞれに対応して前記ワークをクランプする複数の第２クランパと、前記複数の第２クランパを支持する支持プレートとを有し、前記第１ベースと前記第２ベースとの間において、前記第１クランパが前記第１ベースに固定して設けられ、前記複数の第２クランパが前記第２ベースに対して前記支持プレートを介して前記加圧機構によってフローティング支持されるように設けられ、
   前記加熱機構は、前記第１クランパ側から、クランプされた前記ワークを加熱するヒータを有し、
   前記振動機構は、前記第２クランパ側から、クランプされた前記ワークに超音波振動を加える超音波振動子を有し、
   前記シール機構は、前記第１クランパと前記複数の第２クランパの周囲に設けられ、クランプされた前記ワークが内包される密閉空間を形成し、
   前記加圧機構によって前記第２ベースに対して前記複数の第２クランパをフローティング支持しながら前記第１クランパと前記複数の第２クランパとで前記ワークをクランプした状態において、前記振動機構によって前記ワークに超音波振動が加えられ、
   前記クランプ機構によって前記第１ベースと前記第２ベースとを近接させて前記第２ベースに対して前記支持プレートを当接させながら前記第１クランパと前記複数の第２クランパとで前記ワークをクランパした状態において、前記加熱機構によって前記接着層を加熱硬化させることを特徴とする接合装置。
2. 請求項１記載の接合装置において、
   前記シール機構に形成された流路を通じて、シールされた空間内に圧縮空気を導入するコンプレッサと、を更に備えていることを特徴とする接合装置。
3. 請求項１または２記載の接合装置において、
   前記超音波振動子とは別の超音波振動子と接続され、前記複数の第２クランパと対向するそれぞれの位置に前記ワークに当接する突起部が形成されたホーンが、前記第１クランパに設けられていることを特徴とする接合装置。
4. 請求項１、２または３記載の接合装置において、
   前記複数の第２クランパはそれぞれ、前記ワークに超音波振動を加えるピン状の加振用部材と、前記加振用部材が挿入され、前記ワークに当接する筒状の加圧用部材とを含んで構成されていることを特徴とする接合装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の接合装置において、
   前記複数の第２クランパの熱容量の総和が、前記第１クランパの熱容量より小さく、
   前記ワークがクランプされる前には、前記加熱機構によって前記第１クランパ側が加熱されていることを特徴とする接合装置。
6. 少なくともいずれかが上下動する第１ベースおよび第２ベースを有し、前記第１ベースと前記第２ベースとを近接させてワークをクランプするクランプ機構と、前記ワークを加圧する加圧機構とを用い、第１部材と前記第１部材上で接着層を介して接着された複数の第２部材とを含む前記ワークをクランプして各部材を一括で接合する接合方法であって、
   （ａ）前記第１部材の複数の第１接続端子と対応する各前記第２部材の複数の第２接続端子とを対向して位置合わせして、前記第１部材上に前記接着層を介して前記複数の第２部材を接着した前記ワークを準備する工程と、
   （ｂ）前記ワークを内包する空間をシールすると共に、前記第１部材に対する第１クランパと前記複数の第２部材にそれぞれ対する複数の第２クランパとで前記ワークをクランプして加圧する工程と、
   （ｃ）前記（ｂ）工程後、前記ワークに超音波振動を加えて、互いに当接された前記第１接続端子および前記第２接続端子を振動させる工程と、
   （ｄ）前記（ｃ）工程後、前記第１クランパと前記複数の第２クランパとで前記ワークをさらに加圧して、加熱された前記第１接続端子と前記第２接続端子とを接合させると共に、前記接着層を加熱硬化させる工程と、
   を含み、
   前記クランプ機構は、前記第１クランパと、前記複数の第２クランパと、前記複数の第２クランパを支持する支持プレートとを有し、前記第１ベースと前記第２ベースとの間において、前記第１クランパが前記第１ベースに固定して設けられ、前記複数の第２クランパが前記第２ベースに対して前記支持プレートを介して前記加圧機構によってフローティング支持されるように設けられ、
   前記（ｂ）工程では、前記加圧機構によって前記第２ベースに対して前記複数の第２クランパをフローティング支持しながら前記第１クランパと前記複数の第２クランパとで前記ワークをクランプし、
   前記（ｄ）工程では、前記クランプ機構によって前記第１ベースと前記第２ベースとを近接させて前記第２ベースに対して前記支持プレートを当接させながら前記第１クランパと前記複数の第２クランパとで前記ワークをクランパした状態において、前記加熱機構によって前記接着層を加熱硬化させることを特徴とする接合方法。
7. 請求項６記載の接合方法において、
   前記（ｃ）工程では、加熱された前記第１接続端子または前記第２接続端子の少なくともいずれか一方が溶融するまで、前記ワークに超音波振動を加えることを特徴とする接合方法。
8. 請求項６または７記載の接合方法において、
   前記（ｂ）工程では、シールされた前記空間に圧縮空気を導入して圧縮空間を形成し、
   前記（ｃ）工程では、前記圧縮空間内で前記ワークに超音波振動を加えることを特徴とする接合方法。
9. 請求項６または７記載の接合方法において、
   前記（ｂ）工程では、シールされた前記空間を減圧し、その後に圧縮空気を導入して圧縮空間を形成し、
   前記（ｃ）工程では、前記圧縮空間内で前記ワークに超音波振動を加えることを特徴とする接合方法。
10. 請求項６〜９のいずれか一項に記載の接合方法において、
    前記第２クランパは、前記ワークに超音波振動を加えるピン状の加振用部材と、前記加振用部材が挿入され、前記ワークに当接する筒状の加圧用部材とを含んで構成されており、
    前記（ｃ）工程では、前記加圧用部材に対して相対的に前記加振用部材を突き出し、前記加振用部材が当接した状態で前記ワークに超音波振動を加え、
    前記（ｄ）工程では、前記加振用部材からに対して相対的に前記加圧用部材を突き出し、前記加圧用部材が当接した状態で前記第１接続端子および前記第２接続端子を加圧することを特徴とする接合方法。
11. 請求項６〜１０のいずれか一項に記載の接合方法において、
    前記複数の第２クランパの熱容量の総和が、前記第１クランパの熱容量より小さく、
    前記ワークがクランプされる前には、前記加熱機構によって前記第１クランパ側が加熱されていることを特徴とする接合方法。

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