JPH10178071A - チップボンディング装置及びチップボンディング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 バンプ付きの回路基板に半導体チップを接続
する場合に確実な金属接合を実現することができなかっ
た。 【解決手段】 複数の電極パッドを有する半導体チップ
１を回路基板３上の導体パターンにバンプを介して接続
するチップボンディング装置であり、半導体チップ１を
保持するボンディングツール２と、半導体チップ１と対
向する状態で回路基板３を保持するボンディングステー
ジ４と、ボンディングツール２で保持した半導体チップ
１とボンディングステージ４で保持した回路基板３とを
バンプを介して加圧接触させる加圧手段と、加圧手段の
加圧方向と直交する方向にボンディングステージ４を微
動させるスクラブ機能部７とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ベアチップ方式の
実装技術に用いて好適なチップボンディング装置及びチ
ップボンディング方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、高密度実装を実現する手法の一
つとして、半導体チップの電極パッド（アルミニウム・
パッド）上にバンプを形成し、これをフェースダウンで
回路基板上の導体パターンに接続するベアチップ方式
（フリップチップ方式）が知られている。図７はこのベ
アチップ方式に用いられる従来のチップボンディング装
置の概略構成図である。図７に示すチップボンディング
装置は、主として、半導体チップ５０を保持するボンデ
ィングツール５１と、回路基板５２を保持するボンディ
ングステージ５３と、これらを駆動する駆動系から構成
されている。

【０００３】このうち、ボンディングツール５１は、そ
のツール先端部（図中下端部）に図示せぬ真空吸着部を
有し、この真空吸着部にて半導体チップ５０をフェース
ダウン、つまり電極形成面が下向きになるように保持す
るものである。またボンディングツール５１には、図示
せぬ加熱用のヒータとともに、ボンディング荷重を検知
するためのロードセルが内蔵されている。このボンディ
ングツール５１は、サーボモータ５４の駆動によってＺ
方向（垂直方向）に移動可能に支持されている。またサ
ーボモータ５４の回転駆動は、コントローラ５５からの
ドライブ信号により制御される構成となっている。

【０００４】一方、ボンディングステージ５３は、その
ステージ上に図示せぬ真空吸着部を有し、この真空吸着
部にて回路基板５２のチップ実装面側が上向きになるよ
う、回路基板５２を半導体チップ５０と対向する状態で
保持するものである。またボンディングステージ５３に
も図示せぬ加熱用のヒータが内蔵されている。このボン
ディングステージ５３は、サーボモータ５６の駆動によ
ってＸＹ方向（水平方向）に移動可能に支持されてい
る。またサーボモータ５６の回転駆動は、コントローラ
５７からのドライブ信号により制御される構成となって
いる。

【０００５】続いて、上記従来のチップボンディング装
置の動作について説明する。先ず、図７に示したよう
に、ボンディングツール５１の先端部に電極形成面側を
下向きにして半導体チップ５０を吸着させる一方、ボン
ディングステージ５３上にチップ実装面側を上向きにし
て回路基板５２を吸着させる。次に、サーボモータ５６
を駆動しつつ、半導体チップ５０の電極パッド（不図
示）と回路基板５２の導体パターン（不図示）との位置
合わせを行ったのち、サーボモータ５４の駆動によりボ
ンディングツール５１を下降させて半導体チップ５０と
回路基板５２とを接触させる。このとき、半導体チップ
５０の電極パッド上には図示せぬバンプが形成されてい
ることから、このバンプを介して半導体チップ５０と回
路基板５２とが接触する。また、半導体チップ５０及び
回路基板５２はそれぞれ図示せぬヒータにより加熱され
た状態で接触し、その接触圧（ボンディング荷重）が所
定のレベルに達した時点でボンディングツール５１の下
降動作が停止する。これにより半導体チップ５０上のバ
ンプが回路基板５２上の導体パターンに熱圧着され、両
者の間に電気的かつ機械的な接続状態が得られる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで周知のベアチ
ップ方式（フリップチップ方式）では、半導体チップ５
０の電極パッド上にメッキ法等によってバンプを形成す
ることから、半導体製造メーカにとっては、バンプ形成
のための工程を新たに付加する必要があり、ウエハ処理
工程が長くなるという不都合があった。そこで近年にお
いては、図８に示すようにチップ実装基板となる回路基
板５２側にバンプ５８を形成し、このバンプ５８を半導
体チップ５０の電極パッド５９に接合するようにした新
規なベアチップ実装技術が提案されている。

【０００７】しかしながら図８に示すベアチップ実装技
術を採用した場合は、チップボンディングを行うまでの
間に半導体チップ５０の電極パッド５９表面が経時的に
酸化し、これによって強固な酸化膜が形成されてしまう
ことから、図９に示すように従来のチップボンディング
装置による加熱・加圧作用だけでは電極パッド５９表面
の酸化膜６０を十分に破壊することができなかった。そ
のため、図１０に示すように酸化膜６０の内層のアルミ
ニウム新生面５９ａとバンプ金属５８ａとが十分に接触
せず、これによって両者間での合金形成が不十分とな
り、確実な金属接合を実現することができなかった。そ
の結果、ボンディング後の導通不良や環境試験での接続
抵抗劣化等を引き起し、チップボンディング工程での歩
留りや製品トータルの信頼性を低下させるという問題を
招いていた。

【０００８】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたもので、その目的とするところは、バンプ付きの回
路基板に半導体チップを接続する場合においても確実な
金属接合を実現することができるチップボンディング装
置及びチップボンディング方法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するためになされたもので、複数の電極パッドを有す
る半導体チップを回路基板上の導体パターンにバンプを
介して接続するチップボンディング装置において、半導
体チップを保持するボンディングツールと、半導体チッ
プと対向する状態で回路基板を保持するボンディングス
テージと、ボンディングツールで保持した半導体チップ
とボンディングステージで保持した回路基板とをバンプ
を介して加圧接触させる加圧手段と、ボンディングツー
ルとボンディングステージとを加圧手段の加圧方向と直
交する方向に相対的に微動させるスクラブ手段とを備え
た構成となっている。

【００１０】上記構成からなるチップボンディング装置
においては、ボンディングツールに保持された半導体チ
ップを、これに対向する状態でボンディングステージに
保持された回路基板にバンプを介して加圧接触させる。
このとき、バンプが回路基板側に形成されている場合で
も、スクラブ手段でもって加圧手段の加圧方向と直交す
る方向にボンディングツールとボンディングステージと
を相対的に微動させることにより、回路基板上のバンプ
が半導体チップの電極パッド表面に擦られる。このスク
ラブ作用が付加されることで、電極パッド表面の酸化膜
が破壊され、バンプと電極パッドとの間に確実な金属接
合が得られる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は本発明に係
るチップボンディング装置の第１実施形態を示す概略構
成図である。図１に示すチップボンディング装置は、主
として、半導体チップ１を保持するボンディングツール
２と、回路基板３を保持するボンディングステージ４
と、ボンディングツール１を昇降自在に支持するツール
駆動系５と、ボンディングステージ４を水平移動自在に
支持するステージ駆動系６と、ボンディングステージ４
を水平方向に微動させるためのスクラブ機能部７とから
構成されている。

【００１２】ボンディングツール２は、そのツール先端
部（図中下端部）に図示せぬ真空吸着部を有し、この真
空吸着部にて半導体チップ１をフェースダウン、つまり
電極形成面が下向きになるように保持するものである。
またボンディングツール２には、図示せぬ加熱用のヒー
タとともに、ボンディング荷重を検知するためのロード
セルが内蔵されている。

【００１３】ボンディングステージ４は、そのステージ
上に図示せぬ真空吸着部を有し、この真空吸着部にて回
路基板３のチップ実装面側が上向きになるよう、回路基
板３を半導体チップ１と対向する状態で保持するもので
ある。

【００１４】ツール駆動系５は、駆動源となるサーボモ
ータ７と、このサーボモータ７を制御するコントローラ
８と、サーボモータ７とボンディングツール２とを連結
する連結機構９等から成るもので、駆動対象となるボン
ディングツール２をＺ方向（垂直方向）に移動可能に支
持している。

【００１５】ステージ移動系６は、駆動源となるサーボ
モータ１０と、このサーボモータ１０を制御するコント
ローラ１１と、サーボモータ１０とボンディングステー
ジ４との間を連結する連結機構１２等から成るもので、
駆動対象となるボンディングステージ４をＸＹ方向（水
平方向）に移動可能に支持している。

【００１６】スクラブ機能部７は、ボンディングステー
ジ４をＸＹ方向（水平方向）に微動させるもので、例え
ば上述したステージ駆動系６とは独立したかたちでボン
ディングステージ４の基板保持部分４ａ（図中ステージ
上部）のみをＸＹ方向に微動させる駆動系、或いはステ
ージ駆動系６に高精度なサーボモータ１０を採用し、こ
のサーボモータ１０をコントローラ１１からのドライブ
信号により正逆回転させることでボンディングステージ
４をＸＹ方向に微動させる駆動系により構成される。

【００１７】このスクラブ機能部７によるスクラブ量、
スクラブスピード、スクラブ回数等については、ステー
ジ移動方向となるＸ，Ｙ方向ごとに、その駆動系の動作
制御プログラムを変更することで任意に設定できる構成
になっている。また、スクラブ機能部７は、他のボンデ
ィングパラメータから独立しているため、スクラブ動作
を開始するタイミングや、その時のボンディング条件
（温度，荷重等）についても任意に設定できる構成にな
っている。

【００１８】続いて、本第１実施形態のチップボンディ
ング装置の動作について説明する。なお、ここでは回路
基板３の導体パターン上にバンプが形成され、このバン
プ付きの回路基板３に半導体チップ１を接続する場合に
ついて説明する。先ず、図１に示したように、ボンディ
ングツール２の先端部に電極形成面側を下向きにして半
導体チップ１を吸着させる一方、ボンディングステージ
４上にチップ実装面側を上向きにして回路基板３を吸着
させる。次に、サーボモータ１０を駆動しつつ、半導体
チップ１の電極パッド（不図示）と回路基板３のバンプ
（不図示）との位置合わせを行ったのち、サーボモータ
７の駆動によりボンディングツール２を下降させて半導
体チップ１と回路基板３とを接触させる。

【００１９】このとき、先にも述べたとおり回路基板３
上にバンプが形成されていることから、このバンプを介
して半導体チップ１と回路基板３とが接触し、その接触
圧（ボンディング荷重）が所定のレベルに達した時点で
ボンディングツール２の下降動作が停止し、この状態で
半導体チップ１が図示せぬヒータにより所定の温度に加
熱される。なお、半導体チップ１を加熱するタイミング
は、回路基板３との接触前に設定してもよいが、本出願
人による実験では、上述のように接触後に半導体チップ
１を加熱した方が良好な結果が得られた。

【００２０】この加熱・加圧状態の下で、スクラブ機能
部７がボンディングステージ４をＸＹ方向に微動させ
る。そうすると図２に示すように、半導体チップ１の電
極パッド１３が固定の状態で、回路基板３上のバンプ１
４がボンディングステージ４と一体に水平微動するた
め、電極パッド１３表面の酸化膜１５にバンプ１４が擦
り付けられる。このスクラブ作用がボンディングツール
２とボンディングステージ４の加熱・加圧作用に付加さ
れることで、電極パッド１３表面の強固な酸化膜１５が
破壊される。その結果、図３に示すように、酸化膜１５
の内層のアルミニウム新生面１３ａとバンプ金属１４ａ
とが十分に接触した状態となるため、両者間での合金形
成が促進されて確実な金属接合が実現される。

【００２１】ここで本出願人は、上記スクラブ作用の付
加効果を確認するために、以下のようなボンディング試
験を実施した。先ず、試験用のサンプルとして、全面ア
ルミニウム蒸着の半導体チップ１と、ポリイミドフィル
ムを基板ベース材料に採用した回路基板３とをそれぞれ
８個ずつ用意した。また、各々の回路基板３の導体パタ
ーン材料には銅を採用し、その導体パターン上に１６０
個の金バンプを形成したものを用意した。

【００２２】一方、ボンディング条件としては、「スク
ラブ無し」の場合と「スクラブ有り」の場合とに区分
し、「スクラブ有り」の場合の条件としては〔スクラブ
量：２０μｍ、スクラブスピード：２０μｍ／秒、スク
ラブ回数：Ｘ，Ｙ方向にそれぞれ１往復〕に設定し、そ
の他の条件についてはスクラブの有無に関わらずいずれ
も〔温度：３５０℃、ボンディング荷重：１００ｇ、ボ
ンディング時間：１０秒〕に設定した。

【００２３】このようなボンディング条件で実際に各々
の半導体チップ１をバンプ付きの回路基板３に接続（ボ
ンディング）し、それぞれのボンディング結果を次式で
示す「良品率（％）」で評価してみた。 良品率＝（電気的導通がとれたバンプ数）÷（全バンプ
数：１６０個）×１００ そうしたところ、「スクラブ無し」の場合には、サンプ
ルNO. １＝６１％、サンルNO. ２＝１００％、サンプル
NO. ３＝６０％、サンプルNO. ４＝９０％となり、平均
＝７８％という結果であったのに対し、「スクラブ有
り」の場合には、サンプルNO. １〜NO. ４でいずれも１
００％というきわめて良好な結果が得られた。これによ
り、チップボンディング時のスクラブ作用がボンディン
グ結果に顕著な効果をもたらすことが実証された。

【００２４】図４は本発明に係るチップボンディング装
置の第２実施形態を示す概略構成図である。図４に示す
チップボンディング装置においては、上記第１実施形態
の装置構成と異なる点として、スクラブ機能部１６がボ
ンディングツール２をθ方向（回転方向）に微動し得る
構成となっている。このスクラブ機能部１６は、例えば
図示はしないがボンディングツール２に歯車伝達機構，
ベルト伝達機構等を介して回転力を付与するサーボモー
タと、このサーボモータを制御するコントローラとから
成るもので、コントローラからのドライブ信号に従って
サーボモータを正逆回転させることでボンディングツー
ル２をθ方向に微動させるものである。

【００２５】このスクラブ機能部１６によるθ方向のス
クラブ量、スクラブスピード、スクラブ回数等について
は、その駆動系の動作制御プログラムを変更することで
任意に設定できる構成になっている。また、スクラブ機
能部１６も、他のボンディングパラメータから独立して
いるため、スクラブ動作を開始するタイミングや、その
時のボンディング条件（温度，荷重等）についても任意
に設定できる構成になっている。

【００２６】上記構成からなるチップボンディング装置
では、上記第１実施形態と同様の手順で半導体チップ１
と回路基板３とをバンプを介して加圧接触させた際に、
スクラブ機能部１６によってボンディングツール２をθ
方向に微動させる。そうすると、回路基板３上のバンプ
が固定の状態で、半導体チップ１の電極パッドがθ方向
に微動するため、先程と同様に電極パッド表面の酸化膜
にバンプが擦り付けられ、このスクラブ作用によって電
極パッド表面の酸化膜が破壊される。その結果、酸化膜
の内層のアルミニウム新生面とバンプ金属とが十分に接
触した状態となるため、両者間で確実な金属接合が実現
される。

【００２７】図５は本発明に係るチップボンディング装
置の第３実施形態を示す概略構成図である。図５に示す
チップボンディング装置では、上記第１実施形態におけ
るスクラブ機能部７と上記第２実施形態におけるスクラ
ブ機能部１６の両方を備えた構成となっている。

【００２８】この第３実施形態の場合には、上記同様の
手順で半導体チップ１と回路基板３とをバンプを介して
加圧接触させた際に、スクラブ機能部７によってボンデ
ィングステージ４をＸＹ方向に微動させるとともに、ス
クラブ機能部１６によってボンディングツール２をθ方
向に微動させる。そうすると、回路基板３上のバンプは
ＸＹ方向に微動し、半導体チップ１の電極パッドはθ方
向に微動するため、先程と同様に電極パッド表面の酸化
膜にバンプが擦り付けられ、このスクラブ作用によって
電極パッド表面の酸化膜が破壊される。その結果、酸化
膜の内層のアルミニウム新生面とバンプ金属とが十分に
接触した状態となるため、両者間で確実な金属接合が実
現される。なお、スクラブ機能部７によるステージ微動
とスクラブ機能部１６によるツール微動とは同時に行っ
てもよいし、順不同で個別に行ってもよい。

【００２９】図６は本発明に係るチップボンディング装
置の第４実施形態を示す概略構成図である。図６に示す
チップボンディング装置においては、スクラブ機能部１
７が超音波振動をもってボンディングツール２を水平方
向に微動し得る構成となっている。このスクラブ機能部
１７は、超音波振動子等の発振源１７ａで生成された超
音波振動をボンディングツール２に伝達するもので、発
振源１７ａの駆動はツール昇降用のサーボモータ７と同
様にコントローラ８からのドライブ信号によって制御さ
れる構成となっている。

【００３０】この第４実施形態の場合には、上記同様の
手順で半導体チップ１と回路基板３とをバンプを介して
加圧接触させた際に、スクラブ機能部１７が超音波振動
をもってボンディングツール２を水平方向に微動させ
る。そうすると、回路基板３上のバンプが固定の状態
で、半導体チップ１の電極パッドが水平方向に超音波振
動（微動）するため、先程と同様に電極パッド表面の酸
化膜にバンプが擦り付けられ、このスクラブ作用によっ
て電極パッド表面の酸化膜が破壊される。その結果、酸
化膜の内層のアルミニウム新生面とバンプ金属とが十分
に接触した状態となるため、両者間で確実な金属接合が
実現される。

【００３１】ちなみに、超音波振動によるスクラブ作用
は上記第１〜第３実施形態の場合に比較して若干、半導
体チップ１の電極パッドにダメージを与えやすい傾向に
あるため、この点を考慮して超音波振動の印加時間や他
のボンディングパラメータ（ボンディング荷重、ボンデ
ィング時間等）を適宜設定することが肝要である。

【００３２】また、本第４実施形態の超音波振動による
スクラブ機能部１７については、ボンディングツール２
とボンディングステージ４の少なくともいずれか一方を
水平方向に微動させる構成であればよく、さらに上記第
１〜第３実施形態における各スクラブ機能部７，１６と
適宜組み合わせた構成であってもよい。

【００３３】加えて、本発明に係るチップボンディング
装置及び方法については、上記第１〜第４実施形態のよ
うにバンプ付きの回路基板３に半導体チップ１を接続す
る場合に限らず、バンプ付きの半導体チップを回路基板
に接続する場合にも同様に適用することができる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、半
導体チップを保持するボンディングツールと回路基板を
保持するボンディングステージとを、加圧手段の加圧方
向と直交する方向に相対的に微動させるスクラブ手段を
備えた構成となっているため、実際のボンディング動作
時においては、半導体チップと回路基板とをバンプを介
して加圧接触させた際に、上記スクラブ手段によって半
導体チップと回路基板とを相対的に微動させることによ
り、バンプ付きの回路基板に半導体チップを接続する場
合でも、電極パッド表面の酸化膜を十分に破壊して確実
な金属接合を実現することができる。その結果、チップ
ボンディング工程での歩留りが向上するとともに、信頼
性の高いベアチップ型の半導体装置を提供することが可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るチップボンディング装置の第１実
施形態を示す概略構成図である。

【図２】本発明によるスクラブ動作を説明する図であ
る。

【図３】本発明による電極間の接合状態を示す模式図で
ある。

【図４】本発明に係るチップボンディング装置の第２実
施形態を示す概略構成図である。

【図５】本発明に係るチップボンディング装置の第３実
施形態を示す概略構成図である。

【図６】本発明に係るチップボンディング装置の第４実
施形態を示す概略構成図である。

【図７】従来のチップボンディング装置を示す概略構成
図である。

【図８】ベアチップ方式の実装例を示す図である。

【図９】従来の課題を説明するための図である。

【図１０】従来装置による電極間の接合状態を示す模式
図である。

【符号の説明】

１ 半導体チップ ２ ボンディングツール ３
回路基板 ４ ボンディングステージ ５ ツール駆動系 ６
ステージ駆動系 ７，１６，１７ スクラブ機能部 １３ 電極パッド
１４ バンプ

フロントページの続き (72)発明者 戸川 実栄 大分県東国東郡国東町大字小原3319番地の ２ ソニー大分株式会社内 (72)発明者 寺田 透 石川県金沢市大豆田本町甲58番地 澁谷工 業株式会社内 (72)発明者 松本 康久 石川県金沢市大豆田本町甲58番地 澁谷工 業株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の電極パッドを有する半導体チップ
   を回路基板上の導体パターンにバンプを介して接続する
   チップボンディング装置において、 前記半導体チップを保持するボンディングツールと、 前記半導体チップと対向する状態で前記回路基板を保持
   するボンディングステージと、 前記ボンディングツールで保持した半導体チップと前記
   ボンディングステージで保持した回路基板とを前記バン
   プを介して加圧接触させる加圧手段と、 前記ボンディングツールと前記ボンディングステージと
   を前記加圧手段の加圧方向と直交する方向に相対的に微
   動させるスクラブ手段とを備えたことを特徴とするチッ
   プボンディング装置。
2. 【請求項２】 前記スクラブ手段は、前記ボンディング
   ツールと前記ボンディングステージとを超音波振動をも
   って相対的に微動させることを特徴とする請求項１記載
   のチップボンディング装置。
3. 【請求項３】 複数の電極パッドを有する半導体チップ
   を回路基板上の導体パターンにバンプを介して接続する
   チップボンディング方法において、 前記半導体チップと前記回路基板とを前記バンプを介し
   て加圧接触させた際に、その加圧方向と直交する方向に
   前記半導体チップと前記回路基板とを相対的に微動させ
   ることを特徴とするチップボンディング方法。