(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の被接合部品を互いに重ね合わせて挟持し、この挟持による押圧力と振動子で発生し超音波ホーンを介して伝達された超音波振動とを同時に加えることにより、互いに位置合わせされた前記被接合部品の接合部を非溶解接合する超音波接合装置であって、
超音波ホーンにおいて、超音波ホーンに具設された被接合部品保持部を挟んだ２点に電極をそれぞれ接続し、前記２点間に電流を流すことにより前記被接合部品保持部の加熱を行うものであり、前記２点のうち少なくとも１点が複数に分割配置され並列に電流を流すことを特徴とする超音波接合装置。
【請求項２】
複数の被接合部品を互いに重ね合わせて挟持し、この挟持による押圧力と振動子で発生し超音波ホーンを介して伝達された超音波振動とを同時に加えることにより、互いに位置合わせされた前記被接合部品の接合部を非溶解接合する超音波接合装置であって、
超音波ホーンにおいて、超音波ホーンに具設された被接合部品保持部を挟んだ２点に電極をそれぞれ接続し、前記２点間に電流を流すことにより前記被接合部品保持部の加熱を行うものであり、前記電極として可動電極を用い、この可動により超音波ホーンに対して電極の当接と離隔が行えるようにしたことを特徴とする超音波接合装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子回路用プリント基板に電子部品例えばＩＣチップを単体（ベアチップ）の状態で実装するフリップチップ実装のうち、ＩＣチップの電極に金属塊（以下バンプと記す）を形成し、この面を回路基板に対向させて該バンプと回路基板の電極を位置合わせし、ＩＣチップを回路基板に押圧すると共に熱と超音波振動を与え接合する超音波フリップチップ実装方法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、コストダウンが切望されている。そのため、ＩＣ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固相拡散接合は、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３、図４及び図５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３はＩＣチップの電極に対するバンプ形成方法の一例として、ワイヤボンディング工法を利用した形成方法を示す。まず、図３（ａ）において、キャピラリ２０１に保持された金ワイヤ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ＩＣチップ２０４の電極２０５に押圧し接合する。
【０００４】
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。さらに図３（ｂ）で示すように、金ワイヤ２０２と共にキャピラリ２０１を矢印イの方向に移動させることにより金ワイヤ２０２を引きちぎり、電極２０５上にバンプ２０６を形成する。このようにして形成されたバンプ２０６は先端２０６Ａが尖った鋲状の形態を呈する。
【０００５】
次に図４は従来の一般的な超音波接合装置の主要部を示す。まず、前述した方法でバンプ２０６が形成されたＩＣチップ２０４をバンプ２０６の形成面を下にして、被接合部品保持部であるＩＣチップ保持部１０１にエア流路１０を利用して発生させた負圧により吸着保持する。
【０００６】
さらにステージ１０３上に回路基板１０４を載置し、ＩＣチップ２０４に形成されたバンプ２０６と回路基板１０４上の電極１０５とを位置合わせしたのち、ＩＣチップ保持部１０１を矢印エの方向に下降させる。この結果バンプ２０６の先端２０６Ａが電極１０５に当接し、先端２０６Ａが僅かにつぶれる。ここで、発振器１０６で発生した電気エネルギーが振動子１０７に伝達され、振動子１０７は前記電気エネルギーを物理的な超音波振動に変換する。
【０００７】
さらに前記超音波振動は超音波ホーン１０８により矢印ウ方向の縦波として伝達され、これに具設されたＩＣチップ保持部１０１に所定の超音波振動を与える。このようにして、接合部に回路基板１０４の上面と平行方向の超音波振動を付与し、同時に加圧手段１により回路基板１０４の上面に対して垂直に押圧する矢印エ方向の荷重を加える。さらにこの接合部を所定の温度に加熱しておくことでバンプ２０６は図５（ａ）から図５（ｂ）のように変形しながら電極１０５に接合する。ここで、この接合は固相拡散作用による非溶解接合である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前記接合は一般に拡散接合と呼ばれ、以前より熱圧着接合法によっても実現されている。この熱圧着接合法は接合面に熱と荷重とを加えることによって拡散接合を実現するが、これに接合面と平行方向の超音波振動を加えることにより両接合部の界面にある酸化膜や不純物を除去し、摩擦エネルギーにより拡散作用を促進することで、それまで熱圧着接合法で必要とされていた熱と荷重を大幅に低減できるのが超音波接合法である。
【０００９】
このように超音波接合法によれば、加熱温度を低く設定できるので、常温に戻った時の両被接合物の熱膨張率の差による残留応力を軽減できる。また荷重を小さく設定できるので、被接合物の電極に与える押圧によるダメージを軽減できる。したがって超音波接合においては、常温下で接合可能になることが理想である。しかしながら現実的には、常温下での超音波接合は接続信頼性に問題があり、一般には加熱環境において超音波接合が行われている。
【００１０】
この場合の加熱方法としては、回路基板を載置するステージを加熱する方法と、ＩＣチップ保持部を具備する超音波ホーンを加熱する方法と、これら両者を併用する方法が考えられる。
ステージを加熱する方法においては、回路基板の素材の特性として熱伝導率の低いものが多く、その場合に回路基板の反対面にある電極を加熱することは非常に効率が悪い。また、回路基板が薄いフィルム状であった場合、熱による変形を避けるためにステージの加熱温度に限度が生じる。
【００１１】
前記理由から、ステージの加熱と超音波ホーンの加熱を併用することが望ましいのは当業者間において一般的な考え方である。
しかしながら従来技術によれば、超音波ホーンを加熱する方法の一つとして電熱ヒーターを超音波ホーンに接触あるいは埋設する方法がとられている。この場合ヒーター線等を超音波ホーンに巻き付けて接触させ加熱する方法では、ヒーター線の僅かな接触部以外の熱は空気中に放出されて無駄になるので非常に効率が悪い。
【００１２】
また、前記効率の悪さを解消するために電熱ヒーターを超音波ホーンに埋設する方法（特許第３０７８２３１号）があるが、埋設という超音波ホーンの音響特性に影響する手段をとるため、ＩＣチップ保持部から離れた位置にあるノーダルポイント（最小振幅点）を電熱ヒーターの位置として選択しなければならない。したがって、電熱ヒーターを超音波ホーンの表面に接触させるにしても、ノーダルポイントに埋設するにしても、ＩＣチップ保持部を昇温させるためには超音波ホーン自体の熱伝導に依らなければならない。
【００１３】
超音波ホーンの素材にはステンレスやチタン等種々の素材が採用されるが、その選択はその剛性と振動特性が最重要選択条件であるため、熱伝導において大きな温度勾配が発生することを避けられないのが実状である。
本発明は、上記課題を解決するために成されたもので、超音波ホーン表面のＩＣチップ保持部を挟む位置に電極を接続し通電を行うことにより、超音波ホーンの素材自体の電気抵抗によるジュール熱の発生を導き出し、前記ＩＣチップ保持部自身を発熱させる加熱手段を有した超音波接合装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するために、複数の被接合部品を互いに重ね合わせて挟持し、この挟持による押圧力と振動子で発生し超音波ホーンを介して伝達された超音波振動とを同時に加えることにより、互いに位置合わせされた前記被接合部品の接合部を非溶解接合する超音波接合装置において、第１の態様として、超音波ホーンのＩＣチップ保持部を挟んだ２点に電極をそれぞれ接続し、前記２点間に電流を流すことにより前記被接合部品保持部の加熱を行うものであり、前記２点のうち少なくとも１点が複数に分割配置され並列に電流を流すことを特徴とする超音波接合装置を提供する。
【００１９】
第２の態様として、超音波ホーンのＩＣチップ保持部を挟んだ２点に電極をそれぞれ接続し、前記２点間に電流を流すことにより前記被接合部品保持部の加熱を行うものであり、前記電極として可動電極を用い、この可動により超音波ホーンに対して電極の当接と離隔が行えるようにしたことを特徴とする超音波接合装置を提供する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施形態を示す超音波接合装置の斜視図、図２は本発明の実施の他の一形態を示す超音波接合装置の斜視図である。
まず、図１に基づいて実施の形態を説明する。図１において、１０１は超音波ホーン１０８に具設されたＩＣチップ保持部である。ＩＣチップ保持部１０１は、超音波ホーン内部に設けられたエア流路１０により発生させたエアの負圧によりＩＣチップ２０４を吸着保持する。ここで、ＩＣチップ２０４の下面には図示しないバンプが形成されている。
【００２４】
また、ステージ１０３上には回路基板１０４が載置され、図示しない保持手段により保持される。回路基板１０４の上面には電極１０５が形成されており、この電極１０５と前述したＩＣチップの下面にある図示しないバンプとを接合する。接合にあたっては、パルスヒート電源６により発生したパルス電流が一対のワイヤ３Ａ、３Ｂを介して超音波ホーン１０８に具設されたＩＣチップ保持部１０１の両側面間（４Ａ、４Ｂ間）に流される。４Ａ、４Ｂではワイヤ３Ａ、３Ｂの先端がそれぞれボルトの螺着によって固定されている。
【００２５】
両側面４Ａ、４Ｂ間を流れるパルス電流は、ＩＣチップ保持部１０１自身の電気抵抗と作用してジュール熱を発生し、ＩＣチップ保持部１０１を加熱する。ここで、前記パルス電流はＩＣチップ保持部１０１に着設された熱電対５から得たＩＣチップ保持部１０１の温度のフィードバック値に基づいて制御部２によってコントロールされる。またこのとき、必要に応じてステージ１０３としてヒーターステージを用い回路基板１０４を加熱しても良い。
【００２６】
本実施形態では、加熱方法としてパルスヒート方式を用いているが、短時間急速加熱を可能としたこのパルスヒート方式ではなく、時間の制約が許せば、長時間で所定の温度上昇を実現する通常の加熱方法（コンスタントヒート方式）を用いても良い。
【００２７】
次にＩＣチップ２０４下面にある図示しないバンプと回路基板１０４上面にある電極１０５の相対的位置合わせを行い、位置合わせが終了すると加圧手段１が超音波ホーン１０８を矢印エ方向に下降させ、前記バンプと電極１０５を当接させる。さらに、制御部２の制御に基づいて加圧手段１は接合部に荷重を加えると同時に同じく制御部２の制御に基づいて発振器１０６が超音波振動の電気エネルギーを発生させる。
【００２８】
前記電気エネルギーは振動子１０７により物理的な超音波振動に変換され、超音波ホーン１０８およびＩＣチップ２０４本体を介して接合部に付与される。
かくして、接合部には荷重と超音波振動と熱が接合動作中の所定の時間帯において同時に加えられ、拡散接合が成される。
【００２９】
更に、本実施形態の説明では、ＩＣチップ保持部１０１に一対のワイヤ３Ａ、３Ｂがそれぞれ一箇所で固定されるように説明しているが、それぞれのワイヤ３Ａ、３Ｂを根元からあるいは途中から分離して複数のより細いワイヤとし、ＩＣチップ保持部１０１の側面の複数箇所で固定しても良い。これによりワイヤはよりフレキシブルになり、接合部に付与すべき超音波振動が減衰するのを緩和することができる。
【００３０】
次に本発明の実施の他の一形態を説明する。図２において、ＩＣチップ２０４及び回路基板１０４の保持方法、加圧手段１による加圧方法、超音波振動の付与方法は、前述した図１に基づく説明と同等であるから、本実施形態の説明において、これらの詳細説明は省略する。
【００３１】
本実施形態においては、パルスヒート電源６の出力は、一対のワイヤ等の導通手段７Ａ、７Ｂを介して可動電極８Ａ、８Ｂに接続されている。この可動電極８Ａ、８Ｂはエアシリンダ等の駆動手段９Ａ、９Ｂにより制御部２からの指令に基づいて移動し、超音波ホーン１０８に具設されたＩＣチップ保持部１０１の両側面に当接したり離隔したりする。したがって、可動電極８Ａ、８ＢがＩＣチップ保持部１０１の両側面に当接しているときは、この電極間にパルス電流を流すことができる。
【００３２】
前記両側面間を流れるパルス電流は、ＩＣチップ保持部１０１自身の電気抵抗と作用してジュール熱を発生し、ＩＣチップ保持部１０１を加熱する。ここで、前記パルス電流はＩＣチップ保持部１０１に着設された熱電対５から得たＩＣチップ保持部１０１の温度のフィードバック値に基づいて制御部２によってコントロールされる。
【００３３】
しかし、少なくとも超音波振動がバンプと電極１０５の接合作用に寄与しているあいだは、前記可動電極８Ａ、８Ｂは前記両側面から離隔しているので、加熱は行われない。つまり本実施形態は、可動電極８Ａ、８Ｂが前記両側面に当接しているあいだにパルス電流によりＩＣチップ保持部１０１を所定の温度に加熱しておき、接合部に超音波振動を加えている時間（通常は１秒足らず）は、その余熱によって所定の温度を得るものである。
【００３４】
ここで、可動電極８Ａ、８Ｂは、超音波振動がバンプと電極１０５の接合作用に寄与しているあいだだけＩＣチップ保持部１０１の両側面から離隔しても良いし、加圧手段１が接合部に荷重を加えているあいだ離隔しても良いし、さらにそれ以上の時間離隔しても良い。またこのとき、必要に応じてステージ１０３としてヒーターステージを用い回路基板を加熱しても良い。
かくして、接合部には荷重と超音波振動と熱が接合動作中の所定の時間帯において同時に加えられ、拡散接合が成される。
【００３５】
本実施形態においても加熱方法としてパルスヒート方式を用いているが、短時間急速加熱を可能としたこのパルスヒート方式ではなく、時間の制約が許せば、長時間で所定の温度上昇を実現する通常のコンスタントヒート方式を用いて良い。しかし本実施形態の場合、可動電極が離隔して温度制御不能な時間帯が存在するので、この時間帯の後に急速加熱することが可能なパルスヒート方式を用いることは、接続作業全体の所要時間を短縮することにつながる。
【００３６】
更に、前述した可動電極８Ａ、８Ｂは、一対の電極がそれぞれ一つとして説明されていたが、それぞれが複数の電極から構成され、その一つ一つが接触面と略垂直方向の弾性を有している場合、ＩＣチップ保持部１０１の両側面の平面度が十分確保されていない場合でも、より確実な接触が得られる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、ＩＣチップ保持部１０１の両側面に電極を接続し通電することにより、ＩＣチップ保持部１０１自体がジュール熱を発生し、直接的にＩＣチップ２０４を昇温することが可能となる。したがって、ＩＣチップ保持部１０１以外の場所を加熱し、熱伝導の作用によりＩＣチップ保持部１０１に達した熱をもってＩＣチップ２０４を昇温させることの効率の悪さを排除することができ、更に時間遅れの少ない温度制御が可能となる。その結果、超音波接合の接続信頼性を高めることができる。
【００３８】
ここで、接合動作時においても接合動作時以外においても前記加熱を行うことにより、接合時の加熱温度のコントロールが容易になる。このために、前記加熱のための電極をワイヤ３Ａ、３Ｂの先端とした場合、ＩＣチップ２０４に加えるべき超音波振動のエネルギーの減衰を小さく押えることができる。
【００３９】
また前記加熱が、超音波振動が接合作用に寄与している時間を除いて行われるようにし、超音波振動が接合作用に寄与している時間はＩＣチップ保持部１０１の余熱をもって接合部を所定の温度に保つようにした場合、可動電極８Ａ、８ＢをＩＣチップ保持部１０１の両側面から離隔する事ができ、電極の接続による超音波振動への悪影響を完全に排除することができる。
【００４０】
前記電極としてワイヤ３Ａ、３Ｂの先端を固定する方法を選択した場合、複数のワイヤに分離して複数箇所に固定し並列に電流を流せば、よりワイヤは細くフレキシブルになり超音波振動のエネルギーの減衰も小さくなる。また、前記電極として可動電極８Ａ、８Ｂを用いＩＣチップ保持部１０１に当接／離隔するようにした場合は、それぞれの電極を複数に分離し、当接面に略垂直な弾性をもって当接するようにすれば、より確実な接触が可能となり、接触抵抗を低減することができる。
【００４１】
前記加熱がパルスヒート方式であれば、長時間ＩＣチップ保持部１０１の高温を保つ必要が無く、急速加熱によって所定の短い時間帯だけ高温環境を作り出すことができる。また、接合作業において加熱時間がクリティカルな要素であった場合は、所定温度に達する時間が短いことにより、接合作業全体の所要時間も短縮できる。
【００４２】
前記加熱が温度制御を伴う加熱であれば、ＩＣチップ保持部１０１の温度を安定してコントロールすることができる。
【００４３】
前記温度制御が加熱部に着設した熱電対５からの出力に基づいて行われるようにすれば、加熱部の温度を直接的に正確にフィードバックでき、正確で応答の速い温度制御が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す超音波接合装置の斜視図
【図２】本発明の実施の他の一形態を示す超音波接合装置の斜視図
【図３】ＩＣチップの電極に対するバンプの形成方法を示す断面図
【図４】従来の超音波接合装置の主要部を示す側面図
【図５】超音波接合の状態を示すＩＣチップと回路基板の側面図
【符号の説明】
１  加圧手段
２  制御部
３Ａ、３Ｂ  ワイヤ
４Ａ、４Ｂ  ＩＣチップ保持部の両側面
５  熱電対
６  パルスヒート電源
７Ａ、７Ｂ  導通手段
８Ａ、８Ｂ  可動電極
９Ａ、９Ｂ  駆動手段
１０  エア流路
１０１  ＩＣチップ保持部
１０３  ステージ
１０４  回路基板
１０５  電極
１０６  発振器
１０７  振動子
１０８  超音波ホーン
２０４  ＩＣチップ
【図１】
0003560584.tif 000002
【図２】
0003560584.tif 000003
【図３】
0003560584.tif 000004
【図４】
0003560584.tif 000005
【図５】
0003560584.tif 000006