(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を発生する振動装置に固定されていて、チップに超音波振動を加えるチップ接合用ノズルであって、
ノズルセンターを中心にチップの２辺のエッジと平行に接触する相対する斜面と、前記ノズルセンターに開口する真空吸引穴とを備え、
前記斜面は鏡面に形成されていて、かつ該鏡面の表面粗さを中心線平均粗さで表したとき、中心線平均粗さが１.６μｍ未満であることを特徴とするチップ接合用ノズル。
【請求項２】
前記鏡面の表面の硬度がＨｒＣ４０以上である請求項１記載のチップ接合用ノズル。
【請求項３】
前記斜面が平面又は円弧面である請求項１又は２記載のチップ接合用ノズル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体回路素子等を製造する際に、半導体、ＳＡＷ素子等のチップを供給装置から取り出してプリント基板へ高周波ボンディング等で接合するためのチップ接合用ノズルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体回路素子等を製造する際に、チップを供給装置から取り出し、プリント基板へ接合する構成手段と方法について以下に説明する。また、対象とするチップはフリップチップ工法によるフェイスダウン実装として使用されるものとする。
【０００３】
供給装置に用意された半導体、ＳＡＷ素子等のチップを個々に取り出し、チップをＸＹＺ方向に移動できる手段を備えた移載ノズルによって仮置き台まで移動する。この時、供給装置に用意されたチップがフェイスアップである場合はその移動手段とその移載過程の間でフェイスダウンの姿勢になるようフリップし、フェイスダウンである場合は移動のみとする。
【０００４】
図２０（Ａ）のように、仮置き台１０に移動されたチップ１は、仮置き台上に設置してある前後左右のそれぞれが動くセンタリング用の４つの爪１１により同図（Ｂ）のように位置矯正される。その後、図２０（Ｃ）の如く仮置き台１０上のチップ１を移載ノズルとは別のＸＹＺ方向に移動手段を備え更に超音波を発生する振動装置に固定されたチップ接合用ノズル２０を用い、同図（Ｄ）のようにチップをその接合用ノズル２０によってピックアップし、移動し、同図（Ｅ）の如く接合しようとするプリント基板３０の目的位置の上部に位置させる。この状態から接合用ノズル２０の下部先端のチップ１の表面に形成されてあるバンプ（導体金属）２と、プリント基板３０上の導体パターン（導体金属）３１が接触するまで図２０（Ｆ）の如く下降し、さらに同図（Ｇ）のようにチップ１に圧力を加えてから超音波を接合用ノズル２０の先端に発生させ接合を行う。例えば、代表的な接合方法として  ＧＧＩ（Ｇｏｌｄ  ｔｏ  Ｇｏｌｄ  Ｉｎｔｅｒｃｏｎｅｃｔｉｏｎ）等がある。また、他のフェイスダウン実装の接合方法としては、熱による方法、熱と圧力による方法、特殊な接合媒体をチップとプリント基板の間に介在させる方法等があげられる。
【０００５】
上記の如き超音波振動を利用して接合する装置は、特開昭５９−２０８８４４号にも提案されている。但し、ノズルの凹部は角錐状であると思量される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図２０に図示したように、従来一般的なチップ接合用ノズル２０は、チップ１をピックアップする下端面２１が単純な平坦面で、ノズルセンターに真空吸引穴２２を形成したものである。このようなチップ接合用ノズル２０を用いたチップの接合では、接合しようとするチップ１の表面もしくはチップの表面に形成されているバンプ２の高さと接合されようとするプリント基板３０のパターン３１表面の平行度を極めて正確に出すことは困難である。とくに、最近のチップのバンプ数の増大、微細化により接合に伴うバンプ自体の変形余裕度が少なくなっているので、バンプ２の頂点とプリント基板３０間の平行度の小さなずれも問題となってくる。例えば、図２１のように数ミクロン（μｍ）傾いた状態（傾き＝ｈ１−ｈ２）で接合用ノズル２０を用いてチップ１を加圧した時、接合時の加重応力の不均一によりチップ１の欠けやクラックが発生したり、さらに直後の超音波の発生による接合に於いては接合部の強度が不均一であったりすることで、接合に必要な強度が得られなかった。特にこのチップ１とプリント基板３０との傾きによる接合不良は、超音波を発生する振動方向に対し平行な場合（図２１に図示の場合）に多く発生していた。
【０００７】
本発明は、上記の点に鑑み、チップをプリント基板に接合する場合にチップを常に接合されるプリント基板のパターンと平行な状態で接合することが可能で、均一で強い接合強度を持ったチップの実装が可能なチップ接合用ノズルを提供することを目的とする。
【０００８】
本発明のその他の目的や新規な特徴は後述の実施の形態において明らかにする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、超音波を発生する振動装置に固定されていて、チップに超音波振動を加えるチップ接合用ノズルであって、
ノズルセンターを中心にチップの２辺のエッジと平行に接触する相対する斜面と、前記ノズルセンターに開口する真空吸引穴とを備え、
前記斜面は鏡面に形成されていて、かつ該鏡面の表面粗さを中心線平均粗さで表したとき、中心線平均粗さが１.６μｍ未満であることを特徴としている。
【００１０】
このような構成により、チップ接合用ノズルが、チップをピックアップする過程乃至プリント基板に載置する過程でチップの下方向表面もしくはバンプ等と呼ばれる各導体金属の頂点高さをプリント基板上面と平行となるよう位置矯正し、更に接合するチップの表面もしくは各導体金属頂点高さと接合される基板パターンの面とが常に平行を保ちながら接触し、加圧され、超音波等による接合ができるようにしている。
【００１１】
前記チップ接合用ノズルにおいて、前記鏡面の表面の硬度がＨｒＣ４０以上であるとよい。
【００１３】
前記斜面は平面又は円弧面であるとよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るチップ接合用ノズルの実施の形態を図面に従って説明する。
【００１５】
図１乃至図４で本発明の第１の実施の形態に係るチップ接合用ノズルの先端構造について説明する。これらの図に示す如く、チップ接合用ノズル４０はノズルセンターを中心にチップの２辺のエッジと平行に接触する相対する斜平面４３を有しており、この結果ノズル先端面にチップ上部が部分的に入る凹部４４が形成されることになる。前記ノズルセンター、つまり凹部４４の中心位置には真空吸引穴４２が開口している。前記斜平面４３は鏡面に形成されており、好ましくは鏡面の表面粗さを中心線平均粗さで表したとき、中心線平均粗さが１．６μｍ未満に設定される。また、チップ接合用ノズル４０の材質は炭素鋼等であり、好ましくは表面処理としてＤＬＣ（ｄｉａｍｏｎｄ  ｌｉｋｅ  ｃａｒｂｏｎ）処理を施すようにする。なお、斜平面４３のノズルセンター軸Ｐに対する傾斜角度θは３０°≦θ≦６０°で例えば４５°に設定する。
【００１６】
図５で第１の実施の形態のチップ接合用ノズル４０を用いたフェイスダウンのチップのプリント基板への実装動作を示す。
【００１７】
図５（Ａ）のように、まず接合しようとするチップ１を仮置き台１０の上に載せておく。次に、図５（Ｂ）に示すようにチップ１の中心とチップ接合用ノズル４０の中心とが一致するように仮置き台１０上で前後左右のセンタリング用の４つの爪１１で位置合せを行う。チップ接合用ノズル４０は、ＸＹＺ方向に移動手段を備え更に超音波を発生する振動装置に固定されるものであり、この接合用ノズル４０の先端形状は、図１乃至図４のようにノズルセンターを中心にチップ１の２辺のエッジと平行に接触する相対する斜平面４３をもち、その斜平面４３はチップ１のエッジとの摩擦を極力小さくするために鏡面加工し、さらにＤＬＣ表面処理を施してある。その後、図５（Ｃ）のように接合用ノズル４０をチップ上面の２辺のエッジに接触するまで降下させ、ノズル先端で発生する真空吸引力によりチップ１を吸着保持する。このピックアップする過程において、チップのエッジが斜平面４３を滑ることで、仮置き台１０のチップ載置面に対して接合用ノズル４０のノズルセンター軸Ｐが垂直になっていなくとも接合用ノズル４０はチップ１を前記チップ載置面と平行状態で吸着保持できる。
【００１８】
その後、図５（Ｄ）の如く接合用ノズル４０で吸着保持されたチップ１は上昇し、接合されるプリント基板３０上の目的位置まで同図（Ｅ）のように移動される。
【００１９】
次に図５（Ｆ）のように接合用ノズル４０を、チップ表面の各バンプ２の頂点高さとプリント基板３０上のパターン３１とが接触する迄降下させ、さらにチップ１を上方から加圧する。この時、接合用ノズル４０の斜平面４３がチップ１の２辺のエッジと接触し滑りながらチップ１の姿勢をプリント基板３０の接合面と平行に保つ動作を促す。仮置き台１０のチップ載置面とプリント基板３０の接合面とが完全に平行であれば、チップ１の各バンプ２の頂点がプリント基板３０の接合面に均等に接する筈であるが、この接合用ノズル４０によれば、仮置き台１０のチップ載置面とプリント基板３０の接合面との平行度にずれがあっても、接合するチップ１と接合されるプリント基板３０との間は平行に保たれ、図５（Ｇ）のように接合用ノズル４０を介してチップ１に超音波振動を加えることにより、それぞれのバンプ２とパターン接合面が均一な接合強度を持った接合が得られる。
【００２０】
図６はチップ接合用ノズル４０のノズルセンター軸Ｐとプリント基板３０のパターン３１を有する接合面に対する垂線Ｑとの間に僅かな傾きα°がある場合のチップ接合用ノズル４０の動作を示し、接合用ノズル４０の斜平面４３が摩擦の少ない鏡面でかつ硬い面であるためチップ１の２辺のエッジと接触しても円滑に滑ることが可能で、チップ左右の基板接合面との間隔ｈ１，ｈ２は同じ、つまり  ｈ１−ｈ２＝０となるようにチップ１と基板接合面とが平行に保たれることがわかる。
【００２１】
図７乃至図１０を用いてチップ接合用ノズル４０の斜平面４３が鏡面にまで達しないやや粗い面である場合と、鏡面加工を施してある場合とで、バンプの接合強度（ここではシェア強度を測定した）及びバンプ単位でみた割れ、クラック発生率がどのように変わるかを示す。
【００２２】
図７及び図８はグラインダによる研削加工でノズルセンター軸Ｐに対して対称な傾斜角４５°の斜平面４３を形成したノズル４０を用いるものであり、表面粗さを中心線平均粗さで表したとき、中心線平均粗さが３．２μｍ程度である場合であって、図７はシェア強度、図８はバンプ単位でみた割れ、クラック発生率を示している。また、測定試料は形状の異なる品種▲１▼、品種▲２▼、品種▲３▼について各２０個用意し、測定を行った。
【００２３】
図７からシェア強度に品種毎、測定品毎のばらつきが非常に大きく、５００ｇｆを大きく下回る場合が多く、強度不足が発生する頻度が多い問題がある。また、図８から割れ、クラックも高率で発生していることがわかり、問題である。
【００２４】
図９及び図１０は研削加工後に鏡面仕上げの加工（バフ仕上げ）をノズルセンター軸Ｐに対して対称な傾斜角４５°の斜平面４３に施したノズル４０を用いたものであり、表面粗さを中心線平均粗さで表したとき、中心線平均粗さが０．２μｍ程度である場合であって、図９はシェア強度、図１０はバンプ単位でみた割れ、クラック発生率を示している。また、測定試料は図７、図８と同じである。
【００２５】
図９からシェア強度は全品種の全測定品にわたって、ばらつきが少なく、ほぼ５００ｇｆ以上を確保しており、強度不足は発生しないことがわかる。また、図１０から割れ、クラックも品種▲１▼▲３▼では皆無であり、これらの品種については問題ないことがわかる。
【００２６】
この第１の実施の形態によれば、次の通りの効果を得ることができる。
【００２７】
（１）  チップ接合用ノズル４０は、ノズルセンターを中心にチップ１の２辺のエッジと平行に接触する相対する鏡面の斜平面４３を備えているため、チップ１のエッジが斜平面４３を円滑に滑ってチップ１の姿勢を変えることができる。従って、フリップチップのフェイスダウン実装においてチップ１をプリント基板３０に接合する場合、チップ１を常に接合されるプリント基板３０のパターン３１と平行な状態で接合することが可能になり、これにより均一で強い接合強度を持った実装が可能である。とくに、超音波接合の場合に有効性が高い。
【００２８】
（２）  鏡面加工された斜平面４３にＤＬＣ表面処理を施して表面硬度をＨｒＣ４０以上の硬い面としたことで、耐摩耗性を確保でき、長寿命とすることができる。
【００２９】
（３）  ノズルセンター軸に対称な相対する斜平面４３を形成すればよく、加工が容易である。
【００３０】
（４）  斜平面４３を形成した凹部４４の両側面は開放されているため、空気の流通があり、冷却効果が高く、チップ１の温度上昇を緩和できる。また、チップ接合用ノズル４０先端部の温度変化も少なくできる。さらに、側面開放部分からチップ１とプリント基板３０との平行度や、バンプのつぶし量をモニターでき、さらにノズル４０や基板３０の異常もモニター可能である。
【００３１】
図１１は本発明の第２の実施の形態を示す。この場合、チップ接合用ノズル４０Ａはノズルセンター軸Ｐに非対称に相対する斜平面４３Ａ，４３Ｂを形成している。つまり、斜平面４３Ａが基板面（ノズルセンター軸に垂直な平面）と成す角度θ１と斜平面４３Ｂが基板面と成す角度θ２とが異なり、θ１＞θ２である。角度θ１の斜平面４３Ａの方がチップのエッジが摺動しやすく、チップの片側エッジを基準にすることができる。
【００３２】
なお、その他の構成は前述の第１の実施の形態と同様であり、同一又は相当部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００３３】
図１２は本発明の第３の実施の形態を示す。この場合、チップ接合用ノズル４０Ｂはノズルセンター軸Ｐに対称な相対する円弧斜面４５を形成している。つまり、左右の円弧斜面４５の曲率半径を等しく設定している。この場合、両方の円弧斜面４５がチップエッジの滑り面として作用する。また、円弧面であるため、製造も比較的容易である。
【００３４】
なお、その他の構成は前述の第１の実施の形態と同様であり、同一又は相当部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００３５】
図１３及び図１４は本発明の第４の実施の形態を示す。この場合、チップ接合用ノズル４０Ｃはノズルセンター軸Ｐに対称な相対する斜平面４３を形成している点は第１の実施の形態と同じであるが、図１３の側面よりみたチップ接合用ノズル４０Ｃの側面幅Ｗがチップ１の側面幅Ｗｃよりも狭くなっている。
【００３６】
この第４の実施の形態の場合、チップ１をプリント基板上に並べて実装する場合に、隣接チップが邪魔にならず、高密度実装に適する。また、放熱効果も優れており、チップ１の温度上昇を緩和できる。なお、その他の構成は前述の第１の実施の形態と同様であり、同一又は相当部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００３７】
図１５及び図１６は本発明の第５の実施の形態を示す。この場合、チップ接合用ノズル４０Ｄはノズルセンター軸Ｐに対称な相対する斜平面４３を形成している点は第１の実施の形態と同じであるが、板ばね等のばね部材５０を外周部に固着し、相対する斜平面４３による凹部４４内に下部分が延長している。
【００３８】
この場合、ばね部材５０がチップ１を押し下げ方向に付勢することで、図１６のようにチップ１をプリント基板３０のパターン面に実装するときに、チップ１と斜平面４３間の摩擦を減じてチップ１のエッジがさらに円滑に滑って姿勢を修正可能としている。なお、その他の構成は前述の第１の実施の形態と同様であり、同一又は相当部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００３９】
図１７乃至図１９は本発明の第６、第７及び第８の実施の形態をそれぞれ示す。この場合、チップ接合用ノズル４０Ｅ，４０Ｆ，４０Ｇはノズルセンター軸に対称な相対する斜平面４３を形成している点は第１の実施の形態と同じであるが、側面よりみたチップ接合用ノズルの横幅が高さ方向の位置によって変化している。これにより、チップのエッジが当たる位置でのチップ接合用ノズルの幅Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３が各々異なり、チップ接合用ノズルを保持した超音波を発生する振動装置側からみたチップ実装時のインピーダンスを変化させ、インピーダンス整合を図ることができる。なお、その他の構成は前述の第１の実施の形態と同様であり、同一又は相当部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００４０】
なお、上記第１の実施の形態では、チップ接合用ノズルの鏡面仕上げの斜面をＤＬＣ処理で、非常に硬度の高い斜面として形成したが、ＤＬＣ処理に限らず、ＨｒＣ４０以上の硬度のノズル材質又は表面処理とすれば、実用上十分な耐摩耗性を確保できる。
【００４１】
また、上記第１の実施の形態では、チップ接合用ノズルの斜面の表面粗さを中心線平均粗さが０．２μｍ程度の極めて滑らかな鏡面としたが、図７及び図８を測定したときの表面粗さよりも１ランク以上の滑らかな表面粗さ、つまり中心線平均粗さが１．６μｍ未満にすることで、実質的に鏡面仕上げとなり、チップのエッジと斜面間の摩擦抵抗を十分低減可能である。
【００４２】
以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者には自明であろう。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るチップ接合用ノズルによれば、チップのフェイスダウン実装においてチップをプリント基板に接合する場合に、チップを常に接合されるプリント基板のパターンと平行な状態で接合可能となり、これにより均一で強い接合強度を持った実装が可能である。
【００４４】
この効果はとくにフリップチップ工法の実装の中でも圧力を接合要素として接合する場合全てに有効であり、超音波を接合要素に持つ場合においてさらに大きな効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るチップ接合用ノズルの第１の実施の形態を示す斜視図である。
【図２】同正面図である。
【図３】同底面図である。
【図４】同側面図である。
【図５】第１の実施の形態に示したチップ接合用ノズルによるチップ実装動作を示す説明図である。
【図６】プリント基板のパターン面の垂線とチップ接合用ノズルのノズルセンター軸とに僅かなずれがある場合の実装動作を説明する正断面図である。
【図７】チップ接合用ノズルの斜平面が鏡面にまで達しないやや粗い面である場合のバンプの接合強度（シェア強度）を品種▲１▼▲２▼▲３▼毎に示すグラフである。
【図８】チップ接合用ノズルの斜平面が鏡面にまで達しないやや粗い面である場合のバンプ単位でみた割れ、クラック発生率を品種▲１▼▲２▼▲３▼毎に示すグラフである。
【図９】チップ接合用ノズルの斜平面が鏡面である場合のバンプの接合強度（シェア強度）を品種▲１▼▲２▼▲３▼毎に示すグラフである。
【図１０】チップ接合用ノズルの斜平面が鏡面である場合のバンプ単位でみた割れ、クラック発生率を品種▲１▼▲２▼▲３▼毎に示すグラフである。
【図１１】本発明の第２の実施の形態を示す正面図である。
【図１２】本発明の第３の実施の形態を示す正面図である。
【図１３】本発明の第４の実施の形態を示す側面図である。
【図１４】本発明の第４の実施の形態を示す正面図である。
【図１５】本発明の第５の実施の形態であってチップのピックアップ時の正面図である。
【図１６】同じくチップの実装時の正面図である。
【図１７】本発明の第６の実施の形態を示す側面図である。
【図１８】本発明の第７の実施の形態を示す側面図である。
【図１９】本発明の第８の実施の形態を示す側面図である。
【図２０】従来のチップ接合用ノズルによるチップ実装動作を示す説明図である。
【図２１】プリント基板のパターン面の垂線と従来のチップ接合用ノズルのノズルセンター軸とに僅かなずれがある場合の実装動作を説明する正断面図である。
【符号の説明】
１  チップ
２  バンプ
１０  仮置き台
１１  爪
２０，４０，４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ，４０Ｄ，４０Ｅ，４０Ｇ  チップ接合用ノズル
２２，４２  真空吸引穴
３０  プリント基板
３１  導体パターン
４３，４３Ａ，４３Ｂ  斜平面
４４  凹部
４５  円弧斜面
５０  ばね部材
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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