(57)【要約】【課題】接合界面に効率よく安定した超音波振動を印加することを可能とし、接合品質の高い超音波フリップチップ実装方法および装置を提供する【解決手段】接合界面に押圧力と超音波振動を印加してフェイスダウン接合するフリップチップ実装において、回路基板１０４を載置するステージ１０３と、金バンプ２０７が形成されたチップ２０４を吸着保持して所定の接合位置に位置決めする接合ツール１０１と、接合ツール１０１を１５ｋＨｚ以上４０ｋＨｚ以下の周波数で超音波振動させる超音波振動発生手段１６、１７、１８と、前記接合ツール１０１をステージ１０３に向けて押圧する加圧手段１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を提供する。【選択図】　　　　　図１
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【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金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において、
前記金バンプの数が５０個以上６００個以下の範囲であって、
且つ前記チップの背面に対する最大押圧力が２５Ｎ以上３００Ｎ以下の範囲であり、
超音波振動の周波数が１５ｋＨｚ以上４０ｋＨｚ以下の範囲であること、
を条件として接合することを特徴とする超音波フリップチップ実装方法。
【請求項２】
フェイスダウン接合前の金バンプが、チップの電極上に形成される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方法。
【請求項３】
フェイスダウン接合前の金バンプが、回路基板の電極上に形成される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方法。
【請求項４】
金バンプが、金ワイヤを電極にボールボンディングし引きちぎることにより形成されることを特徴とする請求項２あるいは３に記載の超音波フリップチップ実装方法。
【請求項５】
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金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において、
回路基板を載置するステージと、
チップを吸着保持して所定の接合位置に位置決めする接合ツールと、
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有し、
請求項１から４のいずれかに記載の方法で接合することを特徴とする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】
本発明は半導体等のチップをバンプを介して回路基板にフェイスダウン接合するフリップチップ実装のうち、バンプと電極との接合に超音波振動の作用を利用する超音波フリップチップ実装方法および装置に関する。
【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、半導体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２、図５、図６および図７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はチップの電極に対するワイヤのボールボンディング工法を利用したバンプの形成方法、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、金ワイヤ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金ワイヤ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、残った前記金属層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】
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。
【０００８】
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金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金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金バンプと回路基板の電極との接触面から金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。
【０００９】
図５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２は図６で示したボールボンディング法を利用して形成した鋲状バンプの接合過程を説明する図である。図５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。
【００１０】
さらにステージ１０３上に回路基板１０４を載置し、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。
【００１１】
さらに前記超音波振動はホーン１０８により矢印オ方向の縦波として伝達され、ホーン１０８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。
【００１２】
前記２方向の物理的作用でバンプ２０７は図２（ａ）から図２（ｂ）のように変形しながら電極１０５に接合する。図２ではボールボンディング法で形成した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。
【００１３】
このように超音波振動が印加されながら接合が進行していく過程においては、図２（ｂ）で示す接合ツール１０１の矢印オ方向の超音波振動が接合対象である接合界面１０５Ａに効率よく伝達されることが必要である。
ところが、接合ツール１０１とチップ２０４の背面との接触面１０１Ａでは滑り作用が生じているため、接合界面１０５Ａに達するまでに超音波振動エネルギーの損失を招いている。
【００１４】
一般には人間の可聴周波数領域を超えた２０ｋＨｚ以上を超音波と呼ぶが、工業的には人間が聞くこと以外の物理的な目的をもった高周波数領域の音波を超音波と称し、その中でも接合のために一般的に使用されている超音波の周波数範囲は１５ｋＨｚから２００ｋＨｚである。
【００１５】
一方超音波フリップチップ実装よりも以前から広く実施されているワイヤボンディングは、離隔した電極間を金属線であるワイヤで接続する方法であるが、図６（ａ）で示すように、これも矢印イ方向の超音波振動を付与することで接合効率と接合信頼性を高めることが多い。そしてこのとき付与する超音波振動の周波数は６０ｋＨｚ以上であるのが一般的である。（近年では１２０ｋＨｚを超えるものもある）
【００１６】
このように高周波数である理由は、ワイヤ先端のボール２０３に超音波振動が付与されたとき、ボール２０３自体に振動による瞬間的な塑性変形が繰り返し生じ、超音波エネルギーの伝達に損失を与えることが考えられるため、できるだけ高い周波数にした方が塑性変形を抑制することができ、接合に望ましいこと。
【００１７】
振動子からキャピラリ２０１に振動を伝達する超音波ホーンが振動の半波長あるいはその整数倍でなければならないので高周波数であった方が装置がコンパクトになること。等の利点があるからである。
【００１８】
こうした超音波ワイヤボンディングの技術から派生した超音波フリップチップ実装方法であるため、振動周波数はそのまま６０ｋＨｚ以上であるのが従来から一般であった。現実には超音波ワイヤボンディングで使用されてきた発振器等の超音波振動発生手段をそのまま流用して開発が進められてきた。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら図６で示す超音波ワイヤボンディングにおいては、キャピラリ２０１がボール２０３を直接保持しつつ超音波振動を印加しているため滑り面という損失要素はないが、前述したように超音波フリップチップ実装においては図２（ｂ）で示すように接触面１０１Ａという滑り面が存在する。
【００２０】
そこで当業者間では従来より、この接触面の滑りをコントロールするために、接触面１０１Ａの表面粗さを変化させたり素材を変更したりして工夫を重ねたが、表面粗さをコントロール（例えば粗面化）しても実装を繰り返すうちに短期間で接触面１０１Ａが摩耗し、表面粗さを維持できない。また素材（例えば硬度）を変更しても、接合ツール側を硬くすればチップに傷を発生させ、軟らかくすれば偏った摩耗が接合ツール側に発生し、不安定な振動や偏った押圧力を生じさせ接合の信頼性を低下させる。
【００２１】
このように当業者間では接触面の摩擦力には早くから注目してはいたが、その摩擦係数のコントロールに着目した工夫がほとんどであった。これは、クーロンの法則の一つとして周知な「動摩擦力は滑り速度の大小には無関係である」という観念からこの傾向が生じたものと解される。
【００２２】
しかしながら発明者は接触面１０１Ａの滑り動作は振動であることに着目し、正逆方向の繰り返し運動である振動においては図３のＸで示す低速領域が繰り返し存在すること。この低速領域は静止摩擦係数μｓから動摩擦係数μｋに至るまでの過渡領域であり、摩擦係数が速度によって変化する負の速度特性を持つ領域であることに思い至った。またここでμｓ＞μｋであることも周知である。
【００２３】
そこで本発明はチップ背面の面積とバンプ数を考慮し、押圧力と超音波振動周波数との好適な組み合わせ範囲の超音波フリップチップ実装方法とその装置を提供するものである。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明は第１の態様として、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金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において、前記金バンプの数が５０個以上６００個以下の範囲であって、且つ前記チップの背面に対する最大押圧力が２５Ｎ以上３００Ｎ以下の範囲であり、超音波振動の周波数が１５ｋＨｚ以上４０ｋＨｚ以下の範囲であることを条件として接合することを特徴とする超音波フリップチップ実装方法を提供するものである。
【００２５】
また第２の態様として、フェイスダウン接合前の金バンプが、チップの電極上に形成される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方法を提供するものである。
【００２６】
また第３の態様として、フェイスダウン接合前の金バンプが、回路基板の電極上に形成される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方法を提供するものである。
【００２７】
また第４の態様として、金バンプが、金ワイヤを電極にボールボンディングし引きちぎることにより形成されることを特徴とする第２あるいは第３の態様として記載の超音波フリップチップ実装方法を提供するものである。
【００２８】
さらに、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金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において、回路基板を載置するステージと、チップを吸着保持して所定の接合位置に位置決めする接合ツールと、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有し、前記第１から第４のいずれかの態様として記載の方法で接合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ものである。
【００２９】
【発明の実施の形態】
振動を速度で表わすとｖ＝ω・ｒ・ｃｏｓ（ω・ｔ）となる。ここでｖは速度、ωは角（円）振動数、ｒは半振幅、ｔは時間である。したがって、時間ｔがｃｏｓ（ω・ｔ）＝１となるときｖは最大速度となりｖｍａｘ＝ω・ｒとなる。また振動の周波数をｆとするとω＝２・π・ｆであるから、速度はｖ＝２・π・ｆ・ｒ・ｃｏｓ（２・π・ｆ・ｔ）、最大速度はｖｍａｘ＝２・π・ｆ・ｒで表わせる。
【００３０】
したがって全振幅をδとするとδ＝２・ｒでるから最大速度はｖｍａｘ＝δ・π・ｆとなり、周波数ｆを一定とすると最大速度と振幅は比例関係になり、振幅の異なる２つの振動は図４に示すような２つの速度曲線で表すことができる。
ここで図３に基づいて述べた低速領域Ｘを図４に重ねて示す。Ｘの値は素材の摩擦面の特性に依存するので、ここではｖｍａｘ１、ｖｍａｘ２がＸより高速であると仮定してある。
【００３１】
その結果、図４のグラフからｖｍａｘ２の方がｖｍａｘ１よりも低速領域Ｘの時間における割合が大きいことが分かる。つまり最大速度ｖｍａｘが低いほど低速領域Ｘで示す摩擦力の速度依存領域の占める割合が多くなる。さらに図３のように、速度依存領域の摩擦係数は動摩擦係数より大きい。
【００３２】
また図４では周波数ｆを一定とし半振幅ｒを変化させたが、半振幅ｒを一定とし周波数ｆを下げた場合、ω＝２・π・ｆであることからωが下がり、ｖ＝ω・ｒ・ｃｏｓ（ω・ｔ）であることから速度ｖも下がる。
したがって、超音波振動の摩擦力は振動による摩擦面の相対的速度によって変化し、その半振幅ｒを小さくすること、あるいは周波数ｆを下げることにより速度ｖが下がり、その結果摩擦力の増大が予測できる。
【００３３】
発明者は前述した予測に基づいて、本実施例においては、一般に使用されていた超音波振動周波数６０ｋＨｚ以上のものよりも低い４０ｋＨｚの超音波振動発生装置を用い、全振幅（ピークツーピーク（Ｐ−Ｐ））δを変化させることで最大速度ｖｍａｘを変化させ、これに対応する摩擦力に基づいた適切な振動伝達の得られる条件を実験的に導き出した。
【００３４】
まず本発明による実装装置を図１に示す。この装置は従来技術の説明で引用した図５で示す超音波フリップチップ実装装置と類似の構成であるので、図１において、図５と同等の機能を有す構成要素については同一番号を付す。
【００３５】
図１においてバンプ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。
【００３６】
さらにステージ１０３上に回路基板１０４を載置し、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。
【００３７】
このあと発振器１６は電気エネルギーを振動子１７に出力し、振動子１７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。さらに前記超音波振動はホーン１８により矢印オ方向の縦波として伝達され、これに連結あるいは形成された接合ツール１０１に所定の超音波振動を与える。
【００３８】
ここで、発振器１６、振動子１７、ホーン１８からなる振動発生手段が発生する振動の周波数を４０ｋＨｚとした。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。
【００３９】
さらに、従来からの経験上バンプ２０７とパッド１０５との接合性は超音波振動の振幅に大きく依存することが分かっており、チップの全振幅が１μｍ以上である場合に接合が好適に行われることを、今回の実験結果の分析において考慮することとした。
【００４０】
また今回使用する直径２５μｍの金ワイヤで形成したバンプ２０７は、１バンプ当たりの最大押圧力を０．５Ｎ程度とするのが経験上理想的であることが分かっている。
【００４１】
また鋲状バンプ２０７に限らず、前述しためっきバンプ２１０の場合、あるいは金以外の金属や樹脂をコアとしてまわりに金の層をめっきで析出させたバンプにおいても、超音波振動の印加開始のタイミングが若干異なるだけで、概ね同様の接合条件が適用可能である。
【００４２】
このとき、前記理想の最大押圧力を超えるとバンプのつぶれすぎによる隣接電極間のショートが発生したり、チップの電極２０５にダメージを与える結果を招く確率が高くなり、もちろん最大押圧力が小さすぎた場合は接合面積を十分確保できなくなる。
【００４３】
前記２点の条件（チップの最低振幅と１バンプ当たりの最大押圧力）を踏まえて、今後のフリップチップ実装の被実装物で主流になると予測されるチップ形態に有効となるように、チップ外形が□５ｍｍ程度でバンプ数が数百個であるチップを想定し実験を試みた。
【００４４】
図８で示すように２種類のチップ（□５．７ｍｍでバンプ数１１２個、□５．７ｍｍでバンプ数２１２個）を用意し、チップ背面に対する面圧力を１１２バンプの方には０．７ＭＰａと１．３ＭＰａ、２１２バンプの方には１．５ＭＰａと２．８ＭＰａに設定した。
【００４５】
この４水準で実験することにより、０．７ＭＰａの圧力を加えるチップの背面には約２３Ｎ、１．３ＭＰａのチップには約４２Ｎ、１．５ＭＰａのチップには約４９Ｎ、２．８ＭＰａのチップには約９１Ｎの押圧力が働くことになる。
【００４６】
これら４段階の押圧力から１バンプあたりの押圧力を０．５Ｎとしたときのバンプ数に換算すると、バンプ数４６個のチップから１８２個のチップまでの範囲で、４段階でチップ背面の押圧力と摩擦力との関係を実験したことに相当する。
【００４７】
実験は、チップ２０４の振動をレーザドップラ振動計を用いて観察しつつ、金バンプ付のサンプルチップを前記４水準で実際に接合するものである。
図９および図１０に実験結果を示す。図９、図１０において周波数は４０ｋＨｚで固定なので、前述したｖｍａｘ＝δ・π・ｆから接合ツールの振幅と接合ツールの最大速度は比例関係にある。接合ツールの全振幅をゼロから８μｍまで変化させることにより接合ツールの最大速度はゼロから１００ｃｍ／ｓｅｃまで変化する。
【００４８】
図９では前記４水準で接合を実施し、レーザドップラ振動計で得たチップ２０４の振動波形の全振幅をグラフの縦軸とした。
この結果、各水準のデータはある程度までは揃った値を示すが、最大速度が増して行くと急激にばらつきが大きくなることがわかる。
【００４９】
このばらつきは接合の不安定要素となり得るので、伝達率４０％でチップの全振幅即ち接合界面の全振幅が１μｍとなる値、つまり接合ツールの全振幅が２．５μｍ程度が適切な接合であると考えられる。さらにこの実験により、これ以上振幅を拡大させると最大速度が増加し振動伝達にばらつきが出ることから、最大速度を増加させないで振幅を拡大させる方法としては、周波数を下げること、つまり周波数を４０ｋＨｚ以下に下げていく方法が直接的に推測できる。
【００５０】
次に図１０に最大速度と振動伝達率の関係をグラフで示す。前述した接合ツールの全振幅が２．５μｍ程度の値を境に最大速度が小さくなると伝達率が確実に上昇するのが確認できる。また同様に最大速度が大きくなると振動伝達のばらつきが大きくなることが確認できる。
【００５１】
この実験により、バンプ数が約５０個から約１８０個までのチップに対しては、接合ツールの全振幅が２．５μｍ程度で周波数が４０ｋＨｚ以下であるところに、振動伝達率にばらつきが少なく値も４０％以上（チップの全振幅１μｍ以上となる）という安定領域を見出すことができた。
【００５２】
また、前記条件のまま１チップ当たりのバンプ数が増えた場合には、チップ背面への押圧力が増加することを意味し、クーロンの法則の別の一つ「摩擦力は界面に働く垂直力に比例する」から振動伝達率が上昇することが容易に推測可能であり。実際にバンプ数６００個のチップまで実装確認した結果、良好な実装が実現できた。
【００５３】
以上の実験結果から金バンプを介したチップの超音波フリップチップ実装においては、チップの全振幅が１μｍ以上、１バンプ当たりの最大荷重が０．５Ｎ程度であることを前提とするならば、超音波振動の周波数を４０ｋＨｚ以下に設定することが安定したフリップチップ実装を実現するのに適していることが明らかになった。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば、周波数４０ｋＨｚ以下の超音波振動を印加してフリップチップ実装することで、バンプ数５０個以上のチップに対しては接触面１０１Ａの振動伝達率を４０％以上とすることが可能となり、さらにばらつきの少ない安定した振動を伝達することが可能となるため、チップにおいては全振幅１μｍ以上の安定した超音波振動が得られる。
【００５５】
その結果、接合界面に効率よく安定した超音波振動を印加することができ、接合品質の高い超音波フリップチップ実装方法および装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す斜視図
【図２】接合の状態を示す側面図
【図３】摩擦係数と速度のグラフ
【図４】振動の速度曲線
【図５】従来の接合装置の斜視図
【図６】鋲状バンプの形成方法を示す断面図
【図７】めっきバンプの形成方法を示す断面図
【図８】実験実施の４水準を示す表
【図９】接合ツールの最大速度とチップの全振幅との関係を示すグラフ
【図１０】接合ツールの最大速度と振動伝達率との関係を示すグラフ
【符号の説明】
１　加圧手段
１０　エア流路
１６　発振器
１７　振動子
１８　ホーン
１０１　接合ツール
１０３　ステージ
１０４　回路基板
１０５　電極
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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【図１０】
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