(57)【要約】【課題】半導体チップを超音波振動を利用して回路基板にフリップチップ接続する際に、半導体チップの位置ずれを防止して正確に回路基板に搭載可能とする。【解決手段】バンプ１２と該バンプ１２よりも大径でかつ突出高さの高い位置決め用のバンプ１３が形成された半導体チップ１０を、バンプ１２が接合される電極端子２２と位置決め用のバンプ１３が接合されるパッド２３が設けられた回路基板２０に、フリップチップ接続により搭載する電子部品の実装方法であって、半導体チップ１０に超音波振動を印加しつつ、位置決め用のバンプ１３と前記パッド２３とを接合し、次いで、半導体チップ１０に超音波振動を印加しつつ、バンプ１２と電極端子２２とを接合する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バンプと該バンプよりも大径でかつ突出高さの高い位置決め用のバンプが形成された半導体チップを、前記バンプが接合される電極端子と前記位置決め用のバンプが接合されるパッドが設けられた回路基板に、フリップチップ接続により搭載する電子部品の実装方法であって、
前記半導体チップに超音波振動を印加しつつ、前記位置決め用のバンプと前記パッドとを接合し、
次いで、前記半導体チップに超音波振動を印加しつつ、前記バンプと前記電極端子とを接合することを特徴とする電子部品の実装方法。
【請求項２】
バンプと該バンプよりも大径でかつ突出高さの高い位置決め用のバンプが形成された半導体チップを、前記バンプが接合される電極端子と前記位置決め用のバンプが接合されるパッドが設けられた回路基板に、フリップチップ接続により搭載する電子部品の実装方法であって、
前記半導体チップに超音波振動を印加しつつ、前記位置決め用のバンプと前記パッドとを接合して、前記半導体チップを前記回路基板に仮接合した後、
仮接合した状態での半導体チップの回路基板における正規の搭載位置からの位置ずれを検査し、
該検査結果に基づいて、前記半導体チップに超音波振動を印加しつつ、前記位置ずれを補正するように前記半導体チップを回路基板に本接合することを特徴とする電子部品の実装方法。
【請求項３】
前記半導体チップを回路基板に本接合する際に、回路基板を支持する支持テーブルを前記位置ずれを補正する移動位置または傾きに制御して本接合することを特徴とする請求項２記載の電子部品の実装方法。
【請求項４】
前記半導体チップを回路基板に本接合する際に、前記半導体チップに印加する荷重を位置ずれを補正するように制御して本接合することを特徴とする請求項２記載の電子部品の実装方法。
【請求項５】
前記半導体チップを回路基板に本接合する際に、前記半導体チップに印加する超音波振動を、一方向への移動速度を他方向への移動速度よりも速く設定し、片側へ大きく振幅させる非対称の振動に制御して本接合することを特徴とする請求項２記載の電子部品の実装方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電子部品の実装方法に関し、より詳細には超音波を利用した電子部品の実装方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
フリップチップ接続によって半導体チップを回路基板に実装する際には、半導体チップのバンプ形成面を回路基板側に向け、半導体チップに設けた金バンプあるいははんだバンプを回路基板に設けた電極端子に接合することによって半導体チップを搭載する。半導体チップと基板との間には非導電性のアンダーフィル樹脂が充填され、半導体チップの回路面を保護するとともに、バンプの腐蝕防止、半導体チップと基板との接合強度の向上が図られる。
このフリップチップ接続によって半導体チップを実装する方法として、接合時に半導体チップに超音波振動を印加し、バンプと電極端子との接合部を合金化させて接続する方法が行われるようになってきた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、最近は半導体チップの小型化、多ピン化が進んだことにより、バンプのピッチ間隔が狭くなったため、超音波振動を利用して半導体チップを回路基板に接合した際に、回路基板に設けられた電極端子と半導体チップのバンプ位置が位置ずれし、バンプと電極端子との電気接続の信頼性が低下するという問題が顕在化している。
図７は、超音波振動を利用して半導体チップ１０を回路基板２０にフリップチップ接続した際にバンプ１２と回路基板２０に設けられた電極端子２２とが位置ずれする様子を示している。図７(a)は、半導体チップ１０を回路基板２０に搭載した際の、回路基板２０に設けられた電極端子２２と半導体チップ１０に設けられたバンプ１２との平面配置関係を示す説明図、図７(b)は接続部を拡大して正面方向から見た状態を示す。
【０００４】
半導体チップ１０に超音波振動を印加すると、半導体チップ１０は超音波振動の振動方向に往復動（図７(a)では左右方向）する。回路基板２０に形成されている電極端子２２は、細長い長方形に形成されているから、超音波振動の振動方向と長手方向が平行になるように配置されている電極端子２２ａについては、バンプ１２ａが位置ずれした位置で接合されても問題にならないのであるが、超音波振動方向の振動方向が短手方向となる配置にある電極端子２２ｂについては、バンプ１２ｂが位置ずれすることによって、電極端子２２ａの中央位置から偏位した位置で接合されるといったことが生じる。
【０００５】
図８は、半導体チップ１０に超音波振動を加えない場合、超音波振動の振動数を５０kHzとした場合、超音波振動の振動数を２００kHzとした場合について、半導体チップ１０に加える荷重を５、１０、１５(gf/bump)としてフリップチップ接続した場合に、超音波振動の振動方向にどの程度、位置ずれして半導体チップ１０が搭載されるかを調べた結果を示す。この結果によると、超音波振動を加えない場合には、荷重を変えても半導体チップ１０の搭載位置の位置ずれは小さいのに対して、超音波振動を印加することによって、位置ずれが起きやすくなり、全体として高周波になるにしたがって位置ずれ量が大きくなることがわかる。
【０００６】
なお、同一の周波数の超音波振動を印加する場合でも、荷重が小さいほど位置ずれが大きくなることを示す。したがって、半導体チップ１０の損傷を防止するためには、接合時の荷重を小さくすることが望ましいのであるが、印加荷重を低下させると、搭載位置の位置ずれが大きくなるという問題が生じる。
【０００７】
本発明は、これらの課題を解決すべくなされたものであり、半導体チップに形成されるバンプの間隔が微細になった場合でも、超音波振動を用いたフリップチップ接続の際に、回路基板に形成されている電極端子とバンプとの位置ずれを防止して、半導体チップを確実に回路基板に搭載することができる電子部品の実装方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記目的を達成するため次の構成を備える。
すなわち、バンプと該バンプよりも大径でかつ突出高さの高い位置決め用のバンプが形成された半導体チップを、前記バンプが接合される電極端子と前記位置決め用のバンプが接合されるパッドが設けられた回路基板に、フリップチップ接続により搭載する電子部品の実装方法であって、前記半導体チップに超音波振動を印加しつつ、前記位置決め用のバンプと前記パッドとを接合し、次いで、前記半導体チップに超音波振動を印加しつつ、前記バンプと前記電極端子とを接合することを特徴とする。半導体チップの位置決め用のバンプを回路基板のパッドに先に接合することによって、半導体チップを回路基板に対して位置決めすることができ、半導体チップが回路基板に対して大きく位置ずれすることを防止して半導体チップを回路基板に搭載することができる。
【０００９】
また、バンプと該バンプよりも大径でかつ突出高さの高い位置決め用のバンプが形成された半導体チップを、前記バンプが接合される電極端子と前記位置決め用のバンプが接合されるパッドが設けられた回路基板に、フリップチップ接続により搭載する電子部品の実装方法であって、前記半導体チップに超音波振動を印加しつつ、前記位置決め用のバンプと前記パッドとを接合して、前記半導体チップを前記回路基板に仮接合した後、仮接合した状態での半導体チップの回路基板における正規の搭載位置からの位置ずれを検査し、該検査結果に基づいて、前記半導体チップに超音波振動を印加しつつ、前記位置ずれを補正するように前記半導体チップを回路基板に本接合することを特徴とする。
半導体チップを回路基板に仮接合した状態で回路基板上における半導体チップの搭載位置を検査し、この検査結果に基づいて半導体チップの位置ずれを補正するように本接合することで、高精度のフリップチップ接続による搭載を可能にする。
【００１０】
また、前記半導体チップを回路基板に本接合する際に、回路基板を支持する支持テーブルを前記位置ずれを補正する移動位置または傾きに制御して本接合すること、また、前記半導体チップを回路基板に本接合する際に、前記半導体チップに印加する荷重を位置ずれを補正するように制御して本接合すること、また、前記半導体チップを回路基板に本接合する際に、前記半導体チップに印加する超音波振動を、一方向への移動速度を他方向への移動速度よりも速く設定し、片側へ大きく振幅させる非対称の振動に制御して本接合することにより、確実に半導体チップの位置ずれを補正して本接合することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る電子部品の実装方法によれば、半導体チップに超音波振動を印加させて半導体チップを搭載する際に、半導体チップのバンプと回路基板に設けられた電極端子との位置ずれを防止して、確実なフリップチップ接続による実装を可能にすることができる。これによって、バンプのピッチ間隔が狭い半導体チップ等の微細化された電子部品であっても確実に回路基板に搭載することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る電子部品の実装方法を適用して半導体チップをフリップチップ接続する実装装置の構成図である。
【図２】半導体チップのバンプと回路基板の電極端子との配置を示す説明図である。
【図３】半導体チップのバンプと回路基板の電極端子との配置を示す説明図である。
【図４】半導体チップのバンプと回路基板の電極端子との配置を示す説明図である。
【図５】半導体チップのバンプと回路基板の電極端子の平面配置を示す説明図である。
【図６】仮接合と本接合による実装方法を示す説明図である。
【図７】フリップチップ接続時にバンプと電極端子とが位置ずれする様子を示す説明図である。
【図８】半導体チップの搭載位置の位置ずれ量を測定した結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の好適な実施の形態について、添付図面とともに詳細に説明する。
図１は、本発明に係る電子部品の実装方法を利用して回路基板２０に半導体チップ１０をフリップチップ接続する実装装置の構成図を示す。
電子部品の実装装置５０は、超音波ヘッド側の構成として、半導体チップ１０をエア吸着して支持する超音波ヘッド５２と、超音波ヘッド５２に超音波振動を印加する超音波発信器５４と、半導体チップ１０を回路基板に向けて加圧する加圧機構５６と、加圧機構５６による荷重を制御する加圧制御部５８とを備える。
【００１４】
また、回路基板２０を支持する支持テーブル側の構成として、支持テーブルをアライメント位置に合わせてＸ−Ｙ−θ方向に移動可能に支持するアライメント機構６０と、アライメント機構６０を位置制御してフリップチップ接続時における、半導体チップ１０と回路基板２０との相互位置を調節するアライメント機構制御部６２とを備える。
【００１５】
また、半導体チップ１０と回路基板２０との相互の配置位置を検知する検知機構として、撮像ユニット６４と、撮像ユニット６４により得られた画像を画像処理する画像処理部６６と、撮像ユニット６４を任意位置に移動可能に支持する撮像ユニット移動機構６８と、撮像ユニット移動機構６８を駆動して撮像ユニット６４を所定位置に移動させる撮像ユニット移動機構制御部６９とを備える。
【００１６】
メイン・コントローラ７０は、画像処理部６６の検知結果に基づきアライメント機構制御部６２を制御して半導体チップ１０と回路基板２０とを相互に位置合わせし、加圧制御部５８によりフリップチップ接続時における荷重を制御しつつ、超音波発信器５４を駆動することにより、回路基板２０の所定位置に半導体チップ１０を実装する操作を制御する。
【００１７】
図２、３は、本発明に係る電子部品の実装構造の実施形態として、半導体チップ１０を、超音波振動を利用して回路基板２０にフリップチップ接続する際における半導体チップ１０に設けるバンプ１２と、回路基板２０設ける電極端子２２の配置を示す。
従来、半導体チップ１０を回路基板２０にフリップチップ接続する際には、半導体チップ１０に設けるバンプ１２と、回路基板２０に設ける電極端子２２とは、配置位置が互いに合致するように設定されている。これに対して、本実施形態においては、半導体チップ１０に設けるバンプ１２の径中心と、回路基板２０に設ける電極端子２２の幅方向の中心位置とが相互に若干偏位する配置とし、超音波振動を利用して半導体チップ１０を回路基板２０に接続する際に、電極端子２２に対してバンプ１２全体が位置ずれして接合されることがないように配置したことを特徴とする。
【００１８】
図２は、半導体チップ１０に均等間隔に配置されたバンプ１２に対して、回路基板２０に設けられる電極端子２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、２２２ｆについては、各々対応するバンプ１２の中心位置に対して、右、左、右、左といったように交互に偏位させて配置した例を示す。このように、半導体チップ１０に設けられたバンプ１２の位置（径中心位置）に対して、電極端子２２を幅方向で偏位させた配置とすると、超音波振動を作用して半導体チップ１０をフリップチップ接続する際に、バンプ１２が振動してバンプ１２と電極端子２２とが位置ずれしても、すべてのバンプ１２と電極端子２２とが全体として位置ずれすることを防止することができる。
【００１９】
すなわち、半導体チップ１０に超音波振動を作用させた場合に、バンプ１２の中心位置と電極端子２２の幅方向の中心位置とが一致する配置となっている場合には、バンプ１２は全体として電極端子２２に対して一方向あるいは他方向に動くことになるから、いったん、一方向あるいは他方向にバンプ１２が滑り出すと、バンプ１２全体が電極端子２２から滑り落ちるといった事態が生じる。
これに対して、本実施形態のように、バンプ１２と電極端子２２との相互配置を偏位させた配置とした場合には、バンプ１２が一方向あるいは他方向に全体として滑った場合でも、すべての電極端子２２からバンプ１２が位置ずれしてしまうことはなく、一定数の電極端子２２はバンプ１２を受け止めるように作用するから、バンプ１２が全体として滑り落ちるといったことを防止し、半導体チップ１０の全体として、バンプ１２と電極端子２２との接合性を良好にすることが可能になる。
【００２０】
バンプ１２の配置位置に対して回路基板２０の電極端子２２を偏位させる量は、半導体チップ１０を回路基板２０に搭載する際の搭載精度のばらつきとして許容される範囲内としておけばバンプ１２と電極端子２２との電気接続について問題となることはない。
たとえば、バンプ１２の径が２０μｍ、隣接するバンプ１２の中心間距離が４０μｍの場合、バンプ１２と電極端子２２の位置ずれ（中心間間隔）は１０μｍ程度まで許容される。なお、超音波振動による振動幅は１μｍ程度である。
【００２１】
上述した実装方法は、半導体チップ１０に均等間隔でバンプ１２を設け、回路基板２０側の電極端子２２を偏位させた配置とした例であるが、図３は、回路基板２０に設ける電極端子２２を均等間隔とし、半導体チップ１０に設けるバンプ１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆを電極端子２２の幅方向の中心位置に対して、右、左、右、左と交互に逆向きに偏位させて配置した実施形態を示す。
このように、本発明においては、半導体チップ１０に設けるバンプ１２と、回路基板２０に設ける電極端子２２との相対的配置を、バンプ１２と電極端子２２の中心位置が合致する配置から、相互に偏位させた配置とするものであり、一方が均等配置となる場合に限らず、ともに均等配置でない場合でも、相対的な配置が相互に偏位する配置とすることで同様の作用効果が得られる。
【００２２】
上述したように、本実施形態の電子部品の実装方法において使用する半導体チップ１０と回路基板２０は、半導体チップ１０に作用させる超音波振動の振動方向に平行となる方向を基準方向とし、この基準方向でのバンプ１２と電極端子２２との相対的な配置が偏位するように設ければよい。偏位方向は１つおきに一方向（＋方向）、他方向（−方向）と偏位させる方法の他、ランダムに＋方向と−方向に偏位させる方法も可能である。
【００２３】
図７に示すように、半導体チップ１０では一般的に平面形状が矩形状に形成されたチップの縁部の各辺に沿ってバンプ１２が配列されているから、偏位させるバンプ１２あるいは電極端子２２は、超音波振動の振動方向と配列方向が平行になるバンプ１２あるいは電極端子２２が対象となる。ただし、電極端子２２が必ずしも細長い長方形状に形成されていない場合には、超音波振動の振動方向と直交する配列方向の電極端子２２についても、同様にバンプ１２の中心位置に対して、超音波振動の振動方向に平行となる基準方向に対して電極端子２２を偏位させた配置とすることも有効である。
【００２４】
図４、５は、電子部品の実装方法についての他の実施形態を示す。本実施形態では半導体チップ１０に、電気接続用のバンプ１２に加えて、位置決め用のバンプ１３を形成したことを特徴とする。
すなわち、図４に示すように、半導体チップ１０には電気接続用のバンプ１２と、バンプ１２よりも大径で、突出高さがより高く形成された位置決め用のバンプ１３を形成し、回路基板２０にはバンプ１２が接合される電極端子２２と、位置決め用のバンプ１３が接合される位置決め用のパッド２３を形成する。パッド２３は位置決め用のバンプ１２を接合するため、電極端子２２よりも広幅に形成される。
【００２５】
半導体チップ１０を回路基板２０に搭載する際には、半導体チップ１０に設けられた位置決め用のバンプ１３が、電気接続用のバンプ１２よりも先に位置決め用のパッド２３に接触し、次いでバンプ１２が電極端子２２に接触して接合される。位置決め用のバンプ１３が回路基板２０のパッド２３に接触することにより、超音波振動によって半導体チップ１０が大きく位置ずれすることを防止し、半導体チップ１０のバンプ１２と回路基板２０の電極端子２２との位置ずれを防止して実装することが可能となる。
【００２６】
図４では、半導体チップ１０に設ける位置決め用のバンプ１３をバンプ列の最端部に設けた例を示すが、位置決め用のバンプ１３はバンプ列内の適宜位置に設けることができる。
図５は、位置決め用のバンプ１３を形成した半導体チップ１０を回路基板２０に実装する方法を示す。この実施形態では、半導体チップ１０の振動方向に直交するバンプ列、いいかえれば振動方向に細長く形成されるパッド２３に接合されるバンプを位置決め用のバンプ１３とし、振動方向に平行なバンプ列を電気接続用のバンプ１２としている。
このように振動方向に直交する向きに配列されるバンプを位置決め用のバンプ１３とすることにより、半導体チップ１０を回路基板２０に実装する際に、バンプ１２よりも先に位置決め用のバンプ１３がパッド２３に接触し、位置決め用のバンプ１３が歯止めのように作用して、バンプ１２を位置ずれさせずに電極端子２２に接合することができる。
【００２７】
なお、図５に示す実施形態では、振動方向に直交するバンプ列のバンプをすべて位置決め用のバンプ１３としているが、これらのバンプのうちの一部を電気接続用のバンプ１２としておくことも可能である。また、振動方向に平行となる方向のバンプ列内に位置決め用のバンプ１３を設けることももちろん可能である。
また、位置決め用のバンプ１３は単なる位置決めに用いる他、信号ライン、接地ライン等の電気接続用のバンプとして利用することももちろん可能である。
【００２８】
上述した位置決め用のバンプ１３を用いて半導体チップ１０を回路基板２０に実装する際には、位置決め用のバンプ１３が電気接続用のバンプ１２よりも先に回路基板２０のパッド２３に接触するから、位置決め用のバンプ１３を用いて半導体チップ１０を回路基板２０に仮接合し、その状態で回路基板２０における半導体チップ１０の搭載位置を検査し、搭載位置の検査結果に基づいて、回路基板２０を支持するアライメント機構６０を制御して半導体チップ１０を回路基板２０に本接合するように制御することも可能である。
【００２９】
図６に、この仮接合と本接合による半導体チップ１０の実装方法を工程図として示す。  まず、上述したようにバンプ１３を利用して半導体チップ１０を回路基板２０に仮接合する（ステップ８０）。次いで、キャリブレーション工程として、図１の撮像ユニット移動機構制御部６９により撮像ユニット移動機構６８を制御して、撮像ユニット６４を支持テーブルの上方に移動させ、半導体チップ１０の回路基板２０上における仮接合位置を撮像する（ステップ８２）。回路基板２０上における半導体チップ１０の接合位置は赤外線による撮像ユニットを用いることにより、半導体チップ１０の接合位置を透視するようにして検知することができる。
ステップ８４では撮像ユニット６４による撮像結果に基づき、画像処理部６６により半導体チップ１０の回路基板２０上における正規の搭載位置からの位置ずれを検知する。
【００３０】
次いで、ステップ８４での検知結果に基づいてアライメント機構６０、あるいは超音波発信器５４および加圧機構５６による制御内容を修正する修正制御内容をメイン・コントローラ７０により設定し（ステップ８６）、半導体チップ１０を回路基板２０に本接合する（ステップ８８）。
ステップ８６における修正制御内容は、回路基板２０上における半導体チップ１０の接合位置の位置ずれ量、位置ずれ方向をフィードバックして、本接合の際に半導体チップ１０を正規位置に補正して接合させるためのものである。
【００３１】
位置ずれを補正する修正制御内容としては、アライメント機構６０を構成する回路基板２０の支持テーブルをＸ−Ｙ−θ方向へ微動させ、位置ずれを補正して正規位置に接合させる方法、支持テーブルの傾きを制御して本接合時に位置ずれを補正する方法、半導体チップに作用させる荷重を調節する方法、半導体チップ１０に印加する超音波振動の振動を非対称形として位置ずれを補正する方法、およびこれらを複合させて使用する方法による。超音波振動を非対称形とするとは、超音波振動の一方向への移動速度を他方向への移動速度よりも速くして、片側へ大きく振幅させるように振動させることをいう。
【００３２】
このように、半導体チップ１０を回路基板２０に実装する際に、仮接合と本接合の２工程とし、仮接合時における半導体チップ１０の回路基板２０への搭載位置を検査し、仮接合時の位置ずれをフィードバックして位置ずれを補正するように本接合することによって、より高精度のフリップチップ接続が可能になる。そして、このような高精度のフリップチップ実装を可能とすることで、フリップチップ接続の歩留まりを向上させることができ、フリップチップ接続による実装が不可能であった微細化された製品についてもフリップチップ接続による実装を可能にすることができる。
【００３３】
また、フリップチップ接続の際に半導体チップ１０に印加する超音波振動の周波数を高くすると搭載位置の位置ずれが大きくなるという問題があるが、本実施形態の実装方法によれば、高周波による超音波振動を印加した場合でも確実に、かつ高精度に半導体チップ１０を回路基板２０に実装することが可能になる。高周波による超音波振動が可能になることで、超音波振動を利用したフリップチップ接続操作の接合に要する時間を短縮することができ、確実でより効率的なフリップチップ実装が可能になる。
【符号の説明】
【００３４】
１０  半導体チップ
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆ  バンプ
１３  位置決め用のバンプ
２０  回路基板
２２、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、２２ｆ  電極端子
２３  パッド
５０  実装装置
５２  超音波ヘッド
５４  超音波発信器
５６  加圧機構
５８  加圧制御部
６０  アライメント機構
６２  アライメント機構制御部
６４  撮像ユニット
６６  画像処理部
６８  撮像ユニット移動機構
６９  撮像ユニット移動機構制御部
７０  メイン・コントローラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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