(57)【要約】【課題】接合品質を確保するとともに接合作業に要する時間を短縮し、さらに接合ツールの長寿命化を実現することができる部品接合方法を提供すること。【解決手段】部品に設けられた部品電極を基板に設けられた基板電極に振動により接合する部品接合方法において、振動子により部品に振動を印加して部品電極を基板電極に接合する接合工程において、第１電圧値Ｖ１による第１の振動を第１印加時間Ｔ１の間だけ継続して印加する第１振動印加工程ＵＳ１と、第２電圧値Ｖ２による第２の振動を第２印加時間Ｔ２の間だけ継続して印加する第２振動印加工程ＵＳ２とを反復して印加する振動印加パターンを採用する。これにより、同じ強さの振動が連続して印加されることに起因する接合ツールと部品の当接面の滑りを極力低減させることができ、接合品質を確保するとともに接合に要する時間を短縮し、さらに接合ツールの長寿命化が実現される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
部品に設けられた部品電極を基板に設けられた基板電極に振動により接合する部品接合方法であって、
前記部品電極を前記基板電極に当接させる当接工程と、複数の単位振動印加工程を反復することによって前記部品に振動を印加し前記部品電極を前記基板電極に接合する接合工程とを含み、
前記複数の単位振動印加工程のうち、時間的に直接の先行後続関係にある２つの単位振動印加工程において、相異なる強さの振動を印加することを特徴とする部品接合方法。
【請求項２】
前記接合工程において、強さが相異なる第１の振動および第２の振動をそれぞれ印加する第１振動印加工程および第２振動印加工程を、交互に反復して実行することを特徴とする請求項１記載の部品接合方法。
【請求項３】
前記接合工程において、前記第１の振動を接合工程の開始から終了に至るまで段階的に強くすることを特徴とする請求項２記載の部品接合方法。
【請求項４】
前記接合工程において、前記第１の振動を接合工程の開始から終了に至るまで段階的に弱くすることを特徴とする請求項２記載の部品接合方法。
【請求項５】
前記接合工程において、前記第１の振動を接合工程の開始から途中に至るまで段階的に強くし、前記途中から接合工程の終了に至るまで段階的に弱くすることを特徴とする請求項２記載の部品接合方法。
【請求項６】
前記第２の振動は、実質的に零の強さであることを特徴とする請求項２乃至５記載の部品接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フリップチップなどの部品を基板に接合する部品接合方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
フリップチップなどの部品を基板に接合する方法として超音波接合が知られている。超音波接合においては、部品に設けられたバンプを基板の電極に押圧しながら超音波振動を付与することにより、接合面を相互に摩擦させてバンプを電極に金属接合する（例えば特許文献１参照）。この特許文献例においては、接合ツールに保持された部品を基板に対して下降させてバンプを電極に押圧する際に、押圧荷重が所定荷重に到達したタイミングにて、予め設定された強さの超音波振動を所定時間連続して部品に印加するようにしている。
【特許文献１】特許第３５３９２０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、接合ツールから部品に振動を伝達する際には、振動は必ずしもそのまま部品には伝わらず、一般に接合ツールと部品の当接面に滑りを生じる。このため、バンプと電極との接合面に十分な強さの振動を伝達して良好な接合品質を確保するためには、滑りによる伝達ロスを見込んだ上で超音波振動源の出力を強めに設定したり、あるいは振動印加時間を長めに設定する必要があった。
【０００４】
このため、接合対象の部品には適正な接合状態を得るために本来的に必要とされる振動強さを超えて、過大な強さの超音波振動が余分な時間連続して印加される事態が生じやすく、部品の損傷を招くとともに余分な接合作業時間を要する場合があった。また接合ツールと部品の間に滑りが生じている状態で振動印加を行うことから、接合ツールと部品との当接面に摩耗が発生しやすく、接合ツールの寿命が短くなって消耗品コストが増大するとともに、接合ツールの摩耗状態の経時変化に起因する接合品質の変動などの不具合を生じる場合があった。
【０００５】
そこで本発明は、接合品質を確保するとともに接合作業に要する時間を短縮し、さらに接合ツールの長寿命化を実現することができる部品接合方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の部品接合方法は、部品に設けられた部品電極を基板に設けられた基板電極に振動により接合する部品接合方法であって、前記部品電極を前記基板電極に当接させる工程と、複数の単位振動印加工程を反復することによって前記部品に振動を印加し前記部品電極を前記基板電極に接合する接合工程とを含み、前記複数の単位振動印加工程のうち、先行後続関係にある２つの単位振動印加工程において、相異なる強さの振動を印加する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、部品電極を基板電極に接合する接合工程を構成する複数の単位振動印加工程のうち、先行後続関係にある２つの単位振動印加工程において、異なる強さの振動を印加することにより、接合ツールの当接面と部品との相対滑りを極力低減させることができ、接合品質を確保するとともに接合に要する時間を短縮し、さらに接合ツールの長寿命化が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
次に本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施の形態の超音波ボンディング装置の構成を示すブロック図、図２は本発明の一実施の形態の超音波ボンディング装置の動作説明図、図３、図４、図５、図６、図７は本発明の一実施の形態の超音波ボンディング装置における超音波振動印加パターンの説明図、図８は従来の超音波ボンディング装置における超音波振動印加パターンの説明図である。
【０００９】
まず図１を参照して、超音波ボンディング装置の構造を説明する。図１において、位置決めテーブル１の上面に設けられた基板保持部２には、基板３が保持されている。位置決めテーブル１は、テーブル駆動部１１によって駆動される。基板３には、部品としての半導体チップ４が超音波ボンディングにより実装される。基板３の上面には基板電極としての回路電極３ａが設けられており、半導体チップ４の下面には、部品電極としてのバンプ４ａが設けられている。半導体チップ４の基板３への実装は、バンプ４ａを回路電極３ａに超音波振動により接合することにより行われる。
【００１０】
位置決めテーブル１の上方にはボンディング機構が配設されている。ボンディング機構は、昇降押圧機構５によって昇降動作を行う昇降ブロック６の下面に、接合ツール７を装着して構成されている。昇降押圧機構５は、ヘッド昇降駆動部１４によって駆動される。接合ツール７は棒状部材であるホーン８を主体としており、ホーン８の１方側の端部には振動子１０が装着されている。振動子駆動部１２によって振動子１０を駆動することにより、ホーン８には超音波振動が付与される。
【００１１】
ホーン８の下面の中央部には接合作用部９が設けられており、接合作用部９の下面はボンディング対象の半導体チップ４に当接する当接面９ａとなっている。なお当接面９ａは、ホーン８の定在波振動の腹に相当する位置に設けられている。ホーン８の内部には吸引孔８ａが設けられており、吸引孔８ａは当接面９ａに設けられた吸着孔９ｂに連通している。吸引孔８ａは吸引駆動部１３に接続されている。吸引駆動部１３を駆動することにより吸着孔９ｂから真空吸引し、当接面９ａに当接した半導体チップ４を真空吸着により保持する。
【００１２】
テーブル駆動部１１，振動子駆動部１２，吸引駆動部１３，ヘッド昇降駆動部１４は、制御部１５によって制御される。記憶部１６には後述する部品接合動作の動作プログラムのほか、振動子１０を駆動して半導体チップ４に振動を付与する際の振動印加パターンに関するデータが記憶されている。入力部１７はキーボードやマウスなどの入力手段であり、操作コマンドや振動印加パターンなどのデータを入力する。表示部１８は表示パネルであり、操作画面やデータ入力画面を表示する。
【００１３】
図２は、超音波ボンディング装置による部品接合動作を示している。部品接合動作に際しては、まず接合ツール７の接合作用部９に半導体チップ４を保持させ、図２（ａ）に示すように、バンプ４ａを基板３の回路電極３ａに対して位置合わせする。次いで、接合ツール７を下降させて図２（ｂ）に示すように、バンプ４ａを回路電極３ａに当接させる（当接工程）。次いで、振動子１０を駆動して、図２（ｃ）に示すように、接合作用部９を介して半導体チップ４に振動を印加し、バンプ４ａを回路電極３ａに荷重と振動により金属接合する（接合工程）。
【００１４】
次に、図３を参照して、上述の接合工程における振動子１０による振動印加パターンについて説明する。図３は、接合工程において振動子１０を発振させるために、振動子駆動部１２によって振動子１０に対して出力される駆動電流の電圧値Ｖの時間変動を示している。ここでは、この電圧値Ｖが超音波振動の振幅、すなわち振動の強さを示す指標となっ
ている。
【００１５】
図３に示すように、本実施の形態に示す部品接合方法の接合工程においては、一様な強さの振動を連続して印加するのではなく、所定時間の間だけ一定強さの振動を印加する単位振動印加工程を、複数回反復するようにしている。すなわち、振動印加開始のタイミングｔ１から振動印加終了のタイミングｔｎまでの間に、第１電圧値Ｖ１による振動を第１印加時間Ｔ１の間だけ印加する第１振動印加工程ＵＳ１と、第２電圧値Ｖ２による振動を第２印加時間Ｔ２の間だけ印加する第２振動印加工程ＵＳ２とを、交互に反復する形態となっている。
【００１６】
振動印加に際しては、まずタイミングｔ１において、ボンディング条件によって規定される第１電圧値Ｖ１によって振動子１０を駆動することにより、ホーン８に第１電圧値Ｖ１に応じた強さの振動（第１の振動）を印加する。そして第１印加時間Ｔ１が経過したタイミングｔ２にて、第１電圧値Ｖ１よりも小さい第２電圧値Ｖ２に電圧値Ｖを切り換えて、第２電圧値Ｖ２に応じた強さの振動（第２の振動）を印加する。第２電圧値Ｖ２の意義については後述する。そして第２印加時間Ｔ２が経過したタイミングｔ３にて再度電圧値Ｖを第１電圧値Ｖ１に切り換えて第１の振動を印加し、以降同様のパルス状の電圧値切換による振動印加パターンを反復実行する。
【００１７】
すなわち、図３に示す振動印加パターンに基づく接合工程においては、複数の単位振動印加工程を反復することによって半導体チップ４に振動を印加するようにしている。そしてこれら反復される複数の単位振動印加工程のうち、時間的に直接の先行後続関係にある２つの単位振動印加工程において、相異なる強さの振動を印加するようにしている。図３に示す例では、強さが相異なる第１の振動および第２の振動をそれぞれ印加する第１振動印加工程および第２振動印加工程を、交互に反復して実行する振動印加形態となっている。
【００１８】
振動と荷重による部品接合において、このような振動印加形態を採用することの意義について説明する。図８は、図１と同様の超音波ボンディング装置を用いて、従来の振動印加形態によって半導体チップを接合する場合における、接合ツールから半導体チップへの振動伝達挙動を示すものである。図８（ａ）、（ｂ）は、それぞれ部品接合過程における押圧荷重Ｐと超音波出力Ｗとの時間変化をグラフで示しており、図８（ｃ）は、部品接合過程において接合ツール７と半導体チップ４にそれぞれ伝達される振動の振幅の時間変化をグラフで示している。
【００１９】
部品接合動作が開始されると、図８（ａ）に示すように、押圧荷重Ｐは接合ツール７が半導体チップ４に当接するタイミングｔ０から上昇し、タイミングｔ１にて規定押圧荷重Ｐ０に到達する。そしてこのタイミングｔ１にて図７（ｂ）に示すように、振動子１０の駆動を開始して振動印加が開始される。このとき、従来は振動印加開始のタイミングｔ１から振動印加終了のタイミングｔｎまで、規定の超音波出力に対応した一様の電圧値Ｖ０にて、振動子１０を連続して駆動するようにしていた。
【００２０】
このようにして振動子１０を駆動することにより、接合ツール７には超音波振動がホーン８を介して伝達され、さらに接合作用部９から半導体チップ４には振動が当接面９ａを介して伝達される。図８（ｃ）はこのときの接合作用部９、半導体チップ４のそれぞれの振幅の変動を、グラフ線ａ、ｂにて示している。これらのグラフ線から分かるように、振動印加開始のタイミングｔ１から接合作用部９の当接面９ａにおける振幅Ａは時間経過とともに増加し、ある時間が経過した後には電圧値Ｖ０に対応した振幅Ａ０に収束する。
【００２１】
これに対し、半導体チップ４に伝達される振動の振幅Ａは、振動印加開始後、極短い時
間の間は接合作用部９の振幅に略追従して増加するが、ある初期時間Ｔ（数１０ｍｓｅｃ．程度）が経過した時点で極値Ａ１まで到達した後は、接合ツールの振幅に追従することなく低下し、接合作用部９の振幅Ａ０よりも大幅に小さい振幅Ａｍに収束する傾向を示す。
【００２２】
すなわち、振動子１０が発生する振動は、接合作用部９まではホーン８の振動伝達特性にしたがって伝達されるものの、接合対象の半導体チップ４にはその振動はそのまま伝達されず、特に上述の初期時間Ｔが経過した後には、接合作用部９と半導体チップ４との間には滑りが発生することが判る。換言すれば、半導体チップ４に接合作用部９を当接させて基板に押圧する部品接合過程においては、接合作用部９に伝達された振動がさらに半導体チップ４へ伝達される際の振動伝達は、振動印加開始時点から初期時間Ｔの範囲内のみ効率的であるということができる。
【００２３】
そして初期時間Ｔ経過以降は半導体チップ４への振動伝達効率は低く、接合作用部９に伝達された振動エネルギーの相当部分は接合作用部９と半導体チップ４との滑りによって無駄になっていた。このような振動伝達の時間変動については従来明らかにされておらず、本発明者が超音波ボンディングにおける品質・効率の改善を目的として行った種々の試行実験において、新たな知見として得られたものである。そして図８（ｃ）に示す現象は、広い荷重範囲、超音波出力範囲で生じることが確認されている。
【００２４】
このような低い振動伝達効率のため、従来は接合対象の半導体チップには適正な接合状態を得るために本来的に必要とされる振動強さを超えて、過大な強さの超音波振動が余分な時間連続して印加される事態が生じやすく、半導体チップの損傷を招くとともに余分な接合作業時間を要してしまう場合があった。また接合ツールと半導体チップとの間に滑りが生じている状態で振動印加を行うことから、接合ツールと半導体チップとの当接面に摩耗が発生しやすく、接合ツールの寿命が短くなって消耗品コストが増大するとともに、接合ツールの摩耗状態の経時変化に起因する接合品質の変動などの不具合を生じる場合があった。
【００２５】
図３に示す振動印加パターンは、上述の知見に基づいて接合作用部９から半導体チップ４への振動伝達の効率化を実現するために設定されたものである。すなわち図３において、まず第１電圧値Ｖ１を、対象とする半導体チップのボンディング条件から決定し、第１電圧値Ｖ１による振動（第１の振動）を印加する第１振動印加工程ＵＳ１の第１印加時間Ｔ１を、図８（ｃ）に示す初期時間Ｔに相当する時間に設定する。
【００２６】
そして第２電圧値Ｖ２を、接合作用部９と半導体チップ４との滑りが生じない振幅範囲内となるような低い出力値に設定し、第２電圧値Ｖ２による振動（第２の振動）を印加する第２振動印加工程ＵＳ２の第２印加時間Ｔ２を、所定の時間に設定する。本実施の形態では、第２印加時間Ｔ２を第１印加時間Ｔ１とほぼ同程度の時間に設定した例を図示しているが、なるべく短い時間（例えば５ｍｓｅｃ．程度）にしたほうが、接合時間短縮のために望ましい。このような振動印加パターンを採用することにより、図８（ｃ）に示すような初期時間Ｔ内における振動伝達状態が反復されることになり、接合作用部９と半導体チップ４との間に滑りが生じることによる振動伝達のロスを極小にすることができる。
【００２７】
このようにして振動伝達効率が改善されることにより、本来的に必要とされる振動強さを超えて過大な強さの超音波振動が余分な時間連続して印加される事態が発生しない。したがって、半導体チップ４が過大振動によって損傷する不具合を防止することができるとともに、余分な接合作業時間を排して作業時間を短縮することができる。また接合作用部９と半導体チップ４との間の相対滑りが抑制されることから、接合作用部９の当接面９ａの摩耗が軽減され、接合ツール７の寿命を延長することができるとともに、接合作用部９
の摩耗状態の経時変化に起因する接合品質の変動などの不具合を防止することが可能となっている。
【００２８】
なお上記実施の形態においては、第１振動印加工程ＵＳ１における第１の振動の強さを常に一定にする例を示したが、図４に示すように、第１の振動の強さを変化させる振動印加パターンを採用してもよい。すなわち、図４（ａ）に示す例では、第１振動印加工程ＵＳ２電子部品の第２電圧値Ｖ２を一定にした状態で、第１の振動を与える電圧値を、振動印加開始のタイミングｔ１における第１電圧値Ｖ１から振動印加終了のタイミングｔｎにおける第３電圧値Ｖ３まで段階的に弱くなるように設定する。すなわちこの例では、第１の振動を接合工程の開始から終了に至るまで段階的に弱くするようにしている。
【００２９】
また図４（ｂ）に示す例では、第１の振動を与える電圧値を、振動印加開始のタイミングｔ１における第４電圧値Ｖ４から振動印加終了のタイミングｔｎにおける第５電圧値Ｖ５まで段階的に強くなるように設定する。すなわちこの例では、第１の振動を接合工程の開始から終了に至るまで段階的に強くするようにしている。さらに図４（ｃ）に示す例では、上記２例を組み合わせた振動印加パターンとなっており、  第１の振動を与える電圧値を、振動印加開始のタイミングｔ１における第６電圧値Ｖ６から第７電圧値Ｖ７まで強くした後、振動印加終了のタイミングｔｎにおける第８電圧値Ｖ８まで段階的に弱くなるように設定する。すなわちこの例では、第１の振動を接合工程の開始から途中に至るまで段階的に強くし、途中から接合工程の終了に至るまで段階的に弱くするように設定するようにしている。
【００３０】
また図５は、図３に示す振動印加パターンにおいて、第２振動印加工程ＵＳ２における第２の振動の強さを、実質的に零に設定した例を示している。すなわち、第２振動印加工程ＵＳ２における振動子駆動部１２の出力状態を、第２電圧値Ｖ２を零に設定することによってＯＦＦ状態とし、第１振動印加工程ＵＳ１においてのみ振動子１０を作動させる完全な間欠駆動状態とする。そして図６に示す例は、図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す３例において、同様に第２振動印加工程ＵＳ２における第２の振動の強さを、実質的に零に設定した例を示している。
【００３１】
このように本発明における振動印加パターンにおいては、接合工程において複数の単位振動印加工程を反復することによって半導体チップ４に振動を印加し、複数の単位振動印加工程のうち、時間的に直接の先行後続関係にある２つの単位振動印加工程において、相異なる強さの振動を印加するようにしている。これにより、同じ強さで振動印加を継続して行うことに起因する接合作用部９と半導体チップ４との相対滑りを抑制して、振動伝達効率を向上させることができる。
【００３２】
なお、図３〜図６に示す振動印加パターンにおいては、第１振動印加工程ＵＳ１と第２振動印加工程ＵＳ２を交互に反復する際に、振動の強さが強い第１振動印加工程ＵＳ１から振動印加を開始する例を示したが、振動の強さが弱い第２振動印加工程ＵＳ２から振動印加を開始するようにしてもよい。
【００３３】
また図３〜図６に示す振動印加パターンにおいては、第１の振動、第２の振動の強さを一定値または規則的に変化する規則変動値に設定する例を示したが、図７に示すように、複数の単位振動印加工程において、電圧値を単位振動印加工程毎にランダムに設定して、同じ強さの振動が連続して印加されないようにしてもよい。この例においても、時間的に直接の先行後続関係にある２つの単位振動印加工程において、相異なる強さの振動を印加するパターンとなっており、同じ強さで振動印加を継続して行うことに起因する接合作用部９と半導体チップ４との相対滑りを抑制して、同様の効果を得る。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明の部品接合方法は、接合ツールの当接面と部品との相対滑りを極力低減させ、接合品質を確保するとともに接合に要する時間を短縮し、さらに接合ツールの長寿命化を実現することができるという効果を有し、フリップチップなど荷重と振動によって電子部品を実装する部品実装分野に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施の形態の超音波ボンディング装置の構成を示すブロック図
【図２】本発明の一実施の形態の超音波ボンディング装置の動作説明図
【図３】本発明の一実施の形態の超音波ボンディング装置における超音波振動印加パターンの説明図
【図４】本発明の一実施の形態の超音波ボンディング装置における超音波振動印加パターンの説明図
【図５】本発明の一実施の形態の超音波ボンディング装置における超音波振動印加パターンの説明図
【図６】本発明の一実施の形態の超音波ボンディング装置における超音波振動印加パターンの説明図
【図７】本発明の一実施の形態の超音波ボンディング装置における超音波振動印加パターンの説明図
【図８】従来の超音波ボンディング装置における超音波振動印加パターンの説明図
【符号の説明】
【００３６】
３  基板
３ａ  回路電極
４  半導体チップ
４ａ  バンプ
７  接合ツール
９  接合作用部
１０  振動子
ＵＳ１  第１振動印加工程
ＵＳ２  第２振動印加工程
【図１】
2006165244.tif 000003
【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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