(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チップを回路基板の所定の位置に位置合わせし、前記チップの電極と前記回路基板の電極とをバンプを介して接合するため、接合面に押圧力と超音波振動とを付与してフェイスダウン接合するフリップチップ実装装置であって、
回路基板を載置するステージと、
チップを吸着保持する接合ツールと、
前記接合ツールを介して前記チップを前記回路基板に向けて押圧する加圧手段と、
前記接合ツールを超音波振動させる超音波振動発生手段と、
前記回路基板に発生する撓み振動の前記押圧の方向の変位を計測するレーザ変位測定器と
を有することを特徴とする超音波フリップチップ実装装置。
【請求項２】
前記接合ツールに、前記レーザ変位測定器が発射するレーザ光の光軸を変化させる傾斜した反射面を設けたことを特徴とする請求項１に記載の超音波フリップチップ実装装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
ＩＣチップ等のベアチップを回路基板に実装する場合に、チップの電極あるいは回路基板の電極に形成したバンプを介してチップと回路基板とをフェイスダウン状態で挟持し、接合面に押圧力と超音波振動とを付与して金属間接合する超音波フリップチップ実装装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、モバイル情報通信関連商品等においては、回路実装基板のよりいっそうの小型、軽量、高周波化による高性能化と、コストダウンとが切望されている。そのため、チップと回路基板の直接実装が可能なフリップチップ実装が有効となる。中でも超音波振動を利用した金属間接合は、低接続抵抗、高接合強度、短時間接合等の特徴があり、ますます注目を集めている。
【０００３】
ここで図６、図７、図８および図９に基づいて従来の超音波フリップチップ実装方法を説明する。図６はチップの電極にワイヤのボールボンディング工法を利用してバンプを形成する方法、図７はチップの電極にめっき処理を施しバンプを形成する方法を示す。
【０００４】
まず図６（ａ）において、キャピラリ２０１に保持されたＡｕ等の金属から成るワイヤ２０２の先端に放電作用によりボール２０３を形成し、キャピラリ２０１を矢印アの方向に移動させることによりボール２０３をチップ２０４の電極２０５に押圧し接合する。この接合には熱圧着あるいはこれに超音波振動を加える方法がある。またこの場合超音波振動は、矢印イのように接合界面と平行な方向に付与されるのが一般的である。
【０００５】
さらに図６（ｂ）で示すように、ワイヤ２０２と共にキャピラリ２０１を矢印ウの方向に移動させることによりワイヤ２０２を引きちぎり、電極２０５上にバンプ２０７を形成する。このようにして形成されたバンプ２０７は台座部２０７Ａと突出部２０７Ｂで構成された鋲形状を呈する。これを鋲状バンプと称する。
【０００６】
また図７（ａ）では、チップ２０４の電極２０５が在る方の面に、電極２０５の上部空間２０９を避けて所定の厚さにマスキング層２０８を形成する。その後図７（ｂ）で示すようにめっき処理を行い電極２０５直上に金属層２１０を形成する。さらに図７（ｃ）で示すように前記マスキング層２０８を除去することにより、残った金属層２１０によって角柱あるいは円柱形状のバンプを形成する。これをめっきバンプと称する。
【０００７】
また、図７においてはめっきによるバンプ形成を説明したが、このマスキング法を基本として蒸着や塗布等他の工法でバンプ形成が可能なことは言うまでもない。
【０００８】
以上図６および図７に基づいてチップの電極上にバンプを形成する方法を説明したが、回路基板の電極上に対しても同様の技術で同様のバンプが形成できる。この場合は、回路基板の電極上に形成したバンプとチップの電極との接合でフリップチップ実装を実現する。
【０００９】
また以下の説明においては説明の重複を避けるため、フェイスダウン接合前のバンプはチップの電極上に形成するものとして表現する。フェイスダウン接合前のバンプを回路基板の電極上に形成した場合については、フェイスダウン接合時の接合面がバンプと回路基板の電極との接触面からバンプとチップの電極との接触面に置き換わるだけで、本発明による作用および効果は同等である。
【００１０】
図８は一般的な超音波フリップチップ実装装置の主要部を示す図であり、図９は図６で示した鋲状バンプの接合過程を説明する図である。図８において、ボールボンディング法で形成したバンプ２０７を持つチップ２０４を、バンプ２０７の形成面を下にして接合ツール１０１先端に吸着保持する。吸着作用はエア流路１０を利用して発生させた負圧による。
【００１１】
さらにステージ１０３上に回路基板１０４を載置して保持する。この保持は例えば吸着による方法があり、ステージ１０３に設けたエア流炉１０３Ａに発生させた負圧により回路基板１０４を吸着して保持する。また他にも吸着作用を利用せずに回路基板１０４を浅い凹所に嵌合させ、回路基板１０４のステージ１０３上でのずれを阻止する場合もある。
【００１２】
次に、チップ２０４に形成されたバンプ２０７と回路基板１０４上の電極１０５とを位置合わせしたのち、接合ツール１０１を加圧手段１により矢印エの方向に下降させる。この結果バンプ２０７の先端が電極１０５に当接し、この先端が僅かにつぶれる。ここで発振器１０６は電気エネルギーを振動子１０７に出力し、振動子１０７は前記電気エネルギーを機械的な超音波振動に変換する。
【００１３】
さらに前記超音波振動はホーン１０９により矢印オ方向の縦波として伝達され、ホーン１０９に連結あるいは形成された接合ツール１０１に超音波振動を与える。このようにして、接合部に接合界面と平行方向の超音波振動を付与し、同時に接合界面に対して垂直に押圧する矢印エ方向の押圧力を加える。
【００１４】
前記２方向の物理的作用でバンプ２０７は図９（ａ）から図９（ｂ）のように変形しながら電極１０５に接合する。図９では鋲状バンプの接合過程を示しているが、図７に基づいて説明したようなめっき法で形成したバンプ２１０であっても、突出部がないだけで、バンプ２１０の高さが２０％程度圧縮変形しながら接合が成される。
【００１５】
ここで、バンプが接合対象である電極に接触してから接合が完了するまでの過程において、押圧力の変化と超音波振動の開始及び停止のタイミング、加えて超音波振動の振幅のコントロールが接合の品質に大きく影響するのは言うまでもない。
【００１６】
また同時に、これらの押圧力や超音波振動が必要以上にチップ２０４の電極２０５に加わった場合には、チップ２０４の内部構造にダメージを与える危険性が高く、このダメージは即座にチップ内の回路パターンを破壊する等して歩留まりを悪くする場合もあれば、破壊に到る前の状態で製品となり、その後の熱的応力等により不具合を引き起こす場合もある。
【００１７】
こうした理由から、前記した押圧力と超音波振動を適正にコントロールすることは、超音波フリップチップ実装において極めて重要である。これを受けて特許文献１では、高さ方向のセンサを設けてバンプの沈み込み量をモニタリングするほかに、超音波振動の方向にセンサを設けて、振動状態をモニタリングする工夫を開示している。
【００１８】
【特許文献１】
特開平１１−２９７７６１号公報
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらこれら意図的に発生させる振動の他にも、超音波振動の影響で回路基板１０４が上下方向（撓み方向）に意図せず振動してしまい、この振動がチップ２０４にダメージを与えたり接合品質に大きく影響していることが近年わかってきた。
【００２０】
この撓み振動は、回路基板１０４の形状や物性（密度、ヤング率等）、固定状態、超音波振動周波数等の条件の組合せによって生じる共振であり、回路基板１０４が一般に複合材料であることからも、前もってこの撓み振動を予測するのは極めて困難である。
【００２１】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、超音波フリップチップ実装において意図せず発生する回路基板１０４の撓み振動を監視し、この撓み振動によるチップ２０４への機械的ダメージと接合状態への悪影響を排除できるようにするものである。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明は第１の態様として、回路基板を載置するステージと、チップを吸着保持する接合ツールと、前記接合ツールを介して前記チップを前記回路基板に向けて押圧する加圧手段と、前記接合ツールを超音波振動させる超音波振動発生手段とを備えて、接合面に押圧力と超音波振動とを付与してフェイスダウン接合するフリップチップ実装装置であって、前記回路基板に発生する撓み振動の前記押圧の方向の変位を計測するレーザ変位測定器を有することを特徴とする超音波フリップチップ実装装置を提供する。
【００２３】
また第２の態様として、前記接合ツールに、前記レーザ変位測定器が発射するレーザ光の光軸を変化させる傾斜した反射面を設けたことを特徴とする第１の態様として記載の超音波フリップチップ実装装置を提供する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の１実施形態を示す超音波フリップチップ実装装置の斜視図である。図１において、回路基板１０４はステージ１０３に載置され図示しない保持手段により位置ずれしないように保持される。また、チップ２０４は超音波ホーン１０９に具設された接合ツール３０１の吸着面に、エア流路１０によるバキューム作用で吸着保持される。
【００２５】
ここで操作者は、押圧力設定情報、超音波振動設定情報等の接合条件を条件入力部１１に入力する。制御部２はこれらの設定情報を条件入力部１１から受け取り、その内容を表示部１２に数値表示やグラフ表示で表示する。
【００２６】
その後操作者が接合動作開始を命じると、回路基板１０４上の電極１０５とチップ２０４の下面に形成してある図示しないバンプ２０７を位置合わせしたのち、加圧手段１の駆動により接合ツール３０１が下降し、これに伴ってチップ２０４が下降する。
【００２７】
制御部２はエンコーダ４からフィードバックされる位置情報（加圧手段１の動作情報）と圧力センサ３からフィードバックされる圧力情報を取得し、押圧動作の制御を行う。
【００２８】
やがてバンプ２０７の先端が電極１０５に当接し、その後加圧手段１が更に加圧力を増大させると共に制御部２から超音波振動開始の指令が発せられ、超音波振動発生手段１０８が動作を開始する。
【００２９】
次にホーン１０９は振動子１０７で発生した超音波振動を接合ツール３０１に伝達し、バンプ２０７と電極１０５の接合面には矢印エ方向の押圧力が加えられると共に接合面と平行方向の超音波振動が加えられる。
【００３０】
このとき発振器１０６は、振動子１０７からフィードバックされてくる接合ツール３０１の振動負荷を反映した情報に基づきながら指令値どおりの振動を発生させるように出力を制御する。また前述したように、このとき制御部２は圧力センサ３から圧力情報を取得し、加圧手段１で発生する押圧力を制御している。
【００３１】
また一方、レーザ変位測定器であるレーザドップラ干渉測定器１３が回路基板１０４の撓み振動を測定し、測定結果を振動計測部１４に出力する。測定結果を受け取った振動計測部はこれを分析し、その結果を制御部２に出力する。
【００３２】
ここで前記撓み振動の測定と分析に関して、図２および図３に基づいて詳しく説明する。図２および図３は、本実施形態の接合動作中の状態を示す要部側面図である。本図が示すのは、ステージ１０３上に回路基板１０４が保持され、接合ツール３０１に保持されたチップ２０４のバンプ２０７が回路基板１０４上の図示しない電極に当接し、さらに接合面に垂直な方向（矢印エ）の押圧力と、接合面に平行な方向（矢印オ）の超音波振動が加えられている状態である。
【００３３】
このときステージ１０３に配設されたエア流路１０３Ａに真空吸着されているにもかかわらず、前述したように回路基板１０４は超音波振動の影響で撓み方向（矢印カ）に共振する場合がある。
【００３４】
この状態でレーザドップラ干渉測定器１３は接合ツール３０１の側面下端に形成された傾斜した反射面３０１Ａにレーザ光を射出し、この反射面３０１Ａでの反射によりレーザ光の光軸を回路基板１０４の主面に対し垂直にすることで、回路基板１０４の撓み方向（矢印カの方向）の変位を測定する。
【００３５】
この場合接合ツール３０１は矢印オの方向に振動しているから、図３で示すようにレーザドップラ干渉測定器１３は接合ツール３０１の振動振幅キであらわせる変位と回路基板１０４の振動振幅クであらわせる変位とを重畳した変位としてとらえる。この変位信号を入力した振動測定部１４はこれを周波数スペクトル解析し、図４で示すように周波数に基づいた各スペクトルに分解する。
【００３６】
本実施形態の場合は超音波振動周波数を４０ｋＨｚとしたので、４０ｋＨｚ未満の周波数（例えば２０ｋＨｚ）での周波数成分が図４のようにみとめられた場合、回路基板１０４が撓み方向に激しく共振し、チップ２０４にダメージを与えたり接合に悪影響をもたらしている状態であることが認識できる。
【００３７】
次に図１で示すように、振動計測部１４は前記周波数スペクトル解析の結果を制御部２に出力する。制御部２はこの情報に基づいて表示部１２に情報取得結果を表示させ、同時に接合動作を停止する等の動作指令を出力する。操作者はこの情報を受けて回路基板１０４の反りの確認や、エア流路１０３Ａによる真空吸着力の調整を行い、フリップチップ実装作業の改善を行うことができる。
【００３８】
ここで、接合ツール３０１の反射面３０１Ａは鏡面仕上げを施しても良いが、超音波の伝達用に選定されたチタン系や鉄系合金の鏡面仕上げが困難な場合はアルミ合金の鏡面シートを貼り付けるかめっきや蒸着等の表面処理を施すとよい。また、測定対象である回路基板１０４の表面は反射率の低い場合が多いので、ここにも反射シートを貼り付けるのが望ましく、より大量生産に好ましくするには回路基板１０４の配線パターン形成時に、反射用のパッドを形成するのがよい。
【００３９】
本実施形態では、レーザドップラ干渉測定器１３から発射されるレーザ光を接合ツール３０１に反射させて回路基板１０４の変位を計測したが、例えば図５で示すように、鏡筒などの導光手段１５を設けてその先端に反射鏡１５Ａを配しても回路基板１０４の変位を計測することができる。
【００４０】
この場合は接合ツール３０１の超音波振動が計測されないので周波数スペクトル解析の必要はないが、接合部により近い部位の変位計測を行うには物理的に不利である。さらに、意図しない振動が反射鏡１５Ａに発生するのを防ぐ必要がある。
【００４１】
また本実施形態では、周波数スペクトル分析で回路基板１０４の撓み振動の成分を判別していたが、例えばローパスフィルタのような周波数フィルタリングを用いても前記撓み振動の成分を抽出可能であることは言うまでもない。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、意図しない回路基板１０４の撓み振動が接合中に検出できるので、接合動作中リアルタイムでこれを監視することができる。したがって、前記撓み振動がチップ２０４に対してダメージを与えるのを防ぐことが可能となり、加えて前記撓み振動が接合品質に悪影響を与えるのを防ぐことが可能となる。
【００４３】
また、接合ツール３０１の下端に設けた反射面３０１Ａを介して回路基板１０４の撓み振動を計測し、周波数スペクトル解析を行った場合は、この撓み振動に重畳して得られる接合ツール１０１の超音波振動振幅情報を超音波発生手段１０８のフィードバック制御に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施の形態を示す超音波フリップチップ実装装置の斜視図
【図２】本発明の１実施の形態を示す超音波フリップチップ実装装置の要部側面図
【図３】本発明の１実施の形態を示す超音波フリップチップ実装装置の要部側面図
【図４】周波数スペクトル解析をあらわすグラフ
【図５】撓み振動計測の他の一例を示す側面図
【図６】バンプ形成方法の一形態を示す断面図
【図７】バンプ形成方法の他の一形態を示す断面図
【図８】従来の超音波フリップチップ実装装置の主要部を示す図
【図９】超音波フリップチップ実装の過程を示す側面図
【符号の説明】
１  加圧手段
２  制御部
３  圧力センサ
４  エンコーダ
１０  エア流路
１１  条件入力部
１２  表示部
１３  レーザドップラ干渉測定器
１４  振動計測部
１５  導光手段
１０１、３０１  接合ツール
１０３  ステージ
１０４  回路基板
１０５  電極
１０６  超音波発振器
１０７  振動子
１０８  超音波振動発生手段
１０９  ホーン
２０４  チップ
２０７  バンプ
【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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【図９】
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