JP6379447B2

JP6379447B2 - Ｉｃチップの実装方法

Info

Publication number: JP6379447B2
Application number: JP2013085573A
Authority: JP
Inventors: 片岡　慎; 慎片岡
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2013-04-16
Filing date: 2013-04-16
Publication date: 2018-08-29
Anticipated expiration: 2033-04-16
Also published as: JP2014207405A

Description

本発明は、超音波振動を利用したＩＣチップと基板間の端子同士の接合技術に係り、特には、超音波振動を相対する端子の一方に十全に伝達するためのＩＣチップ側の構成及び超音波ホーン側の構成に関する。

半導体素子（以下、ＩＣチップと記す。）には、入出力用の端子ピッチが狭く且つその数が多い場合には、一旦ピッチ拡張用のインターポーザー基板に実装してから、プリント基板に搭載される。この場合、ＩＣチップのインターポーザーへの接続は、ワイヤーボンディングやはんだを使ったフリップチップ接続が採用される。

一方、ＩＣカードやＩＣタグに使われるＩＣチップは、端子の数が数個と少なく離間距離も十分あるため、ＡＣＰ（Anisotropic Conductive Paste）あるいはＡＣＦ（Anisotropic Conductive Firm）を介してインレット基材側（以下、単に基板と記す。）の端子に接続されてきたが、超音波振動を利用した金属端子同士の直接接合がなされることも多い。

一般に同種の金属で、表面が清浄で結晶粒界が露出しているのであれば、接触により
一体化して強固な金属結合に至るが、表面に酸化膜が存在したり、汚れていると金属結合が生じない。超音波接合は、接合すべき界面を超音波振動により平行方向に接触しつつ往復運動させて酸化膜や汚染物質を除去して、金属粒界同士を原子間距離程度に近接させて接合させるもので、接合を加速するために融点の１／３程度の温度で行われるのが普通である。

超音波接合は、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように接続端子３ａを備える基板３を金床５（アンビルとも記す。）に固定し、超音波ホーン４の吸着面４ａに接続端子１ａ側が露出するようにＩＣチップ１を固定し、超音波ホーン４をアンビル５側に押し付けて端子同士を当接し振動を加えれば極めて短時間で接続を行える。したがって、ＩＣチップ実装工程の工程数が少なく、樹脂固定が介在するＡＣＦ、ＡＣＰの間接接合に比較して、接続強度が格段に優れ、生産性が高いという利点がある。

特開平８−１３９１３８号公報

ところで、超音波振動による直接接合方式には以下の問題がある。
ＩＣチップと基板（ＩＣカード、ＩＣタグであればインレット基材）の端子部がそれぞれ接触・加圧された状態で、ＩＣチップに超音波ホーンにより超音波振動を加えようとした場合、端子同士が接触する接触部における摩擦力がＩＣチップとそれを吸着している超音波ホーンの摩擦力とくらべて同等か大きい場合、ＩＣチップと超音波ホーンの界面で滑り（スリップ）が発生することがある。スリップが生じるとエネルギーロスが生じ、超音波エネルギーが、端子同士の接触部に十分伝達されず、両者を金属結合させることが困難となる場合がある。

ＩＣチップと超音波ホーンとの摩擦力を向上させるために、両者が接触する界面に細か
い凹凸をつけて荒らす等の手法も考えられるが、その場合、ＩＣチップには抗折強度の低下、超音波ホーンにはＩＣチップ吸着時のエアー漏れによるＩＣ吸着不良の発生といった問題が発生し好ましくはない。

また、ＩＣチップと超音波ホーンとの摩擦力を向上させる別の方法として、ＩＣチップ及び超音波ホーンの材質をより柔らかいものに変更する（例えばヤング率のより低いもの）等が考えられるが、その場合、ＩＣチップについてはその生産プロセスの問題から材料の変更が困難であることと、超音波ホーンについてはホーンの繰返し使用による磨耗が激しくなるといった問題が想定される。

そこで、本発明は、ＩＣチップ側と超音波ホーンとの摩擦力を大きくして、チップ表面と超音波ホーン間のスリップを低減させる構造・構成を、ＩＣチップ側とホーン側について提供することを課題とした。

上記の課題を達成するための請求項１に記載の発明は、金床の上に接続用端子を有するＩＣチップ実装用基板を載置する工程と、ＩＣチップを超音波ホーンの平面状吸着面に吸着させる工程と、ＩＣチップの接続用端子とＩＣチップ実装用基板の接続用端子が当接するようにＩＣチップもしくはＩＣチップ実装用基板を加圧する工程と、超音波振動を加えて接続用端子同士を金属結合させる工程と、音波ホーンからＩＣチップを分離する工程と、を有することを特徴とするＩＣチップの実装方法であって、該超音波ホーンの平面状吸着面が、ＩＣチップの面積とほぼ同じ面積で吸着面周囲より凹んでいる凹みを有し、一方の面にＩＣチップの接続用端子を有するＩＣチップが、ＩＣチップの接続用端子を有する面と反対側の面上に、単層又は複層からなるスリップ防止層が積層されたＩＣチップであって、該スリップ防止層はＩＣチップのシリコン面に接着固定されてなり、単層からなるスリップ防止層がシリコンよりも軟質なガラスクロス入りエポキシ樹脂からなり、また複層からなるスリップ防止層の最上層がシリコンよりも軟質なガラスクロス入りエポキシ樹脂からなることを特徴とするＩＣチップの実装方法であって、該凹みの深さが、ＩＣチップに積層されているスリップ防止層の総厚と同等かそれよりも小さいことを特徴とするＩＣチップの実装方法としたものである。

本発明になるＩＣチップの表面構成と超音波ホーン吸着面の構造を採用すると、ＩＣチップ表面と超音波ホーン表面がスリップすることが少ない。また超音波振動の内部減衰も少ないので、超音波振動がＩＣチップの接続用バンプに確実に伝達される。その結果、基板側の接続端子と接続用バンプの端子同士が安定して接触し確実に金属結合に到るという効果がある。

ＩＣチップ表面に積層したスリップ防止層は、チップ保護層として使用できるので、ＩＣチップに外力あるいは衝撃が加わった場合に、これらを緩和してＩＣが破損するのを防止することが期待できる。また、スリップ防止層は、既存のウエハプロセスをそのまま利用できるという効果があり低価格化につながる。

超音ホーンに設けた凹み等は、接合時にＩＣチップの角部に加わる圧縮応力を軽減し、ＩＣチップの曲がり、反り等の変形を防止することができるので、ＩＣチップ実装基板の信頼性向上が期待できる。

本発明になるスリップ防止層を備えるＩＣチップの構成を説明する断面視の図である。（ａ）単層の場合、（ｂ）多層の場合である。本発明になる超音波ホーン吸着面の凹みを説明する正面視の図である。（ａ）ＩＣチップ吸着前、（ｂ）吸着後。本発明になる超音波ホーン吸着面の凹みの別の構成を説明する正面視の図である。（ａ）ＩＣチップ吸着前、（ｂ）吸着後。超音波ホーン吸着面の凹みに、ＩＣチップが収容される態様を模式的に説明する図である。（ａ）接触前、（ｂ）吸着時、（ｃ）加圧・接合時。（ａ）〜（ｅ）超音波接合のプロセスを模式的に説明する図面である。

先ず、超音波接合について簡単に説明する。図５が超音波振動による端子金属同士の接合の様子を模式的に示した図である。超音波振動４ｂは、超音波振動源、トランスデューサ、ブースター等を経て超音波ホーン４からホーン先端で面状に接触する物体、図ではＩＣチップ１の一方の面に伝達される。ホーン４先端の接触部分の形状は適宜設定できるが接触面積は広いほうが好ましいので一般には平面である。ＩＣチップ１の他方の面（裏面）に形成された接続用の金属バンプ１ａも同じように水平方向に振動する。振動数は概ね数十ｋＨｚ〜数百ｋＨｚ，振幅は数μｍ程度である（図５（ａ））。

ＩＣチップ１が実装されるべき実装用基板３（一般にはインレットである。）は、真空吸引等によりアンビル５に固定される(図５（ｂ）)。基板３側の接続用端子３ａとホーン４側のＩＣチップ１の接続バンプ１ａを位置合わせし、ホーン４あるいはアンビル５のい
ずれかもしくは両方を加圧して端子同士を当接させ、その状態のままホーン４を所定の条件（振動数、振幅、温度等）で振動させる（図５（ｃ））。振動に伴う表面同士の摩擦によって互いに擦れあって酸化皮膜など汚染層が除去され、振動を停止すると速やかに金属粒界同士が金属結合するようになる。端子表面は、金属結合しやすい金メッキ層、あるいはニッケル下地金メッキ層で被覆しておくのが好ましい。

ホーン４先端に、ＩＣチップ１のような軽いものは吸着して固定される。吸着はホーン４の平坦な吸着面４ａに吸着穴を所定数設けて行う（図示せず）。接合後、ホーン４とＩＣチップ１の分離を行うには、吸着穴より圧縮空気を送り込めば簡単に外すことができる（図５（ｄ），（ｅ））。

したがって、超音波接合を効果的に遂行するには、振動する側の端子がホーンに同期して確実に振動すること、すなわち、ホーン先端部がＩＣチップを完全に保持してスリップしないことが肝要である。ところが、ＩＣチップを組成するシリコンが硬質（ヤング率；１８５ＧＰａ程度）で、ホーン表面に対してスリップしやすく、シリコンが同期して振動しにくいという問題がある。

そこで、本発明は、図１（ａ）と（ｂ）に示すように、ＩＣチップに関してはホーン側のＩＣチップ１表面にシリコンよりも軟質な素材、例えばＦＲ−４（ガラスクロス入りエポキシ樹脂）等からなる単層もしくは複数の層を積層してスリップしにくくした（以下、スリップ防止層２と記す。）ものである。

図１（ｂ）の複数層の場合、内層２ｂのヤング率はシリコンより大きくても構わないが、少なくともホーンと接する最上層２ａは、ヤング率をシリコンより小さく設定する必要がある。また、シリコンと接触する最下層（図１では２ｂ）を含め、層同士は、それぞれの層を接着・粘着又は過熱・加圧等の手法により固着して層間でずれないようにする必要がある。

しかしながら、積層した層のヤング率があまり低すぎると、当該スリップ防止層２だけが変形・振動するようになり、加えられた超音波エネルギーが吸収されてＩＣチップ１が十分振動しなくなるから、これら各層のヤング率は、０．０１ＧＰａよりは大きい値であることが好ましい。因みに、０．０１ＧＰａは天然ゴムのヤング率である。

天然ゴムの皮膜付ＩＣチップ（ＩＣチップの厚み１５０μｍ、皮膜厚み１００μｍ）を用いて、金メッキ付Ｃｕ配線基板に対し、５Ｎの加重・３μｍの振幅・４０ｋＨｚの超音波振動を用いたＩＣチップの実装を行ったところ、皮膜がない場合は接合可能であったが、上記皮膜を形成した場合にはＩＣバンプと基板端子の接合が行われなかったので余り低いヤング率は好ましくない。

スリップ防止層２を設ける別の利点は、ＩＣチップ実装後には、ＩＣチップ１が外部に面する部分がほぼ全体的にスリップ防止層２で覆われることとなり、ＩＣチップ１に何らかの衝撃等、外力が加わった際にはそれを緩和し、ＩＣチップ本体（シリコン）が破損することを防止できることである。

前記スリップ防止層２を備えるＩＣチップは、通常のウエハプロセスを用いて製造できる。一般には配線形成したウエハーは、ダイシングして個片に分割されるが、ウエハレベルパッケージのようにダイシングする前に、裏面に順次、所定の材料をスピンコート、乾燥等所定の手順で下層側と接着固定するようにベタ形成してくことは容易である。既存設備を用いて容易に製造できる。

超音波接合では、接合する金属表面は、互いに平行で面的に接触する必要がある。ＩＣチップの接続バンプ１ａが、図示はしないが直線上に配置されるような場合には、平行バランスが悪化して擦れあわず金属接合しなくなる。一般には突起３個で支持するのが平行バランスが優れるので、端子も直線状にない３点で支持して超音波接合するのが好ましい態様である。超音波実装の信頼性向上につながる。

本発明は、ＩＣチップ１側の構成だけでなく超音波ホーン４の形状もＩＣチップ１に適合させることでスリップ防止を達成している。すなわち、図２（ａ）に示すようにホーン４先端部表面にＩＣチップ１が、きっちりと収容されるような底面が平坦な凹み６を形成している。

凹みとＩＣチップとがサイズ的に同じであると凹み６への収容が難しいこともあるので、図２（ｂ）に示すように開口部のサイズをＩＣチップ１のサイズより大きくして側壁６ｂをテーパー状に形成し、底面６ａのサイズをチップ１サイズより小さく設定するのが好ましい。テーパー角については、図４（ａ）にも示したが４５°以上、望ましくは６０°以上である。いずれにしても凹み６のテーパー部分６ａでＩＣチップ１の4辺を支えることによりスリップを抑制するものである。

上記の場合には、スリップ防止層２の厚さＡと凹み深さＢの相対的関係も重要となる。これは特にＩＣチップ１のサイズにばらつきがある場合に有用である（ダイシング時の公差）。凹みの深Ｂさは、スリップ防止層２の厚みＡと同等か小さく設定するのが好ましい（Ａ≧Ｂ、図４（ａ））。このようにするとスリップ防止層２が、加圧と真空吸着によって徐々に凹み６の中に入り込み（図４（ｂ））、最終的にスリップ防止層６が凹み６内に収容される（図４（ｃ））。ＩＣチップ１のサイズがばらついていても、らつきは防止層に吸収されて吸着性、平行度に影響を与えることはない。確実にテーパー６ａ部分でチップ１を平行に支えるので凹み６とチップ１の食いつきがよくなって超音波振動のロスが低減される。

さらに食いつきを向上させてチップサイズばらつきを吸収する態様は、図３に示すように凹み６部分の４隅を切削し、ＩＣチップ１の角を凹み６の辺部分に接触させないようにすることである。ＩＣチップ１は奥まで入り込めるようになるのでテーパー６ｂでチップ１を確実に把持できるようになる。スリップ防止層２の最外層２が凹み６の底面６ａに接触することで、食いつきとチップの平行性が向上し、全ての端子同士を確実に超音波接合させることができる。

図４（ｃ）の次の工程で、超音波ホーン４からチップ実装済み基板３を引き剥がすには、チップ吸着用の吸引穴から圧縮空気を送出して行う。凹み６部分とスリップ防止層２の間に摩擦力を生じており、単純に引き剥がすと、金属接合部分を損傷するおそれがあるからである。尚、ホーン吸着部に吸着用の穴が複数個形成されるが、図では全て省略してある。

１、ＩＣチップ
１ａ、接続用バンプ
２、積層された層
２ａ、最外層
２ｂ、内層
３、基板
３ａ、接続用端子
３ｂ、基材
４、超音波ホーン（コレット）
４ａ、吸着面
４ｂ、振動方向
５、金床（アンビル）
６、凹み（吸着面の）
６ａ、凹みの底面
６ｂ、テーパー部
７、欠損部
Ａ：スリップ防止層の厚み
Ｂ：凹みの深さ

Claims

金床の上に接続用端子を有するＩＣチップ実装用基板を載置する工程と、
ＩＣチップを超音波ホーンの平面状吸着面に吸着させる工程と、
ＩＣチップの接続用端子とＩＣチップ実装用基板の接続用端子が当接するようにＩＣチップもしくはＩＣチップ実装用基板を加圧する工程と、
超音波振動を加えて接続用端子同士を金属結合させる工程と、
超音波ホーンからＩＣチップを分離する工程と、を有することを特徴とするＩＣチップの実装方法であって、
該超音波ホーンの平面状吸着面が、ＩＣチップの面積とほぼ同じ面積で吸着面周囲より凹んでいる凹みを有し、
一方の面にＩＣチップの接続用端子を有するＩＣチップが、ＩＣチップの接続用端子を有する面と反対側の面上に、単層又は複層からなるスリップ防止層が積層されたＩＣチップであって、該スリップ防止層はＩＣチップのシリコン面に接着固定されてなり、単層からなるスリップ防止層がシリコンよりも軟質なガラスクロス入りエポキシ樹脂からなり、また複層からなるスリップ防止層の最上層がシリコンよりも軟質なガラスクロス入りエポキシ樹脂からなることを特徴とするＩＣチップの実装方法であって、
該凹みの深さが、ＩＣチップに積層されているスリップ防止層の総厚と同等かそれよりも小さいことを特徴とするＩＣチップの実装方法。