(57)【要約】【課題】配線が高密度に配置された場合においても、超音波振動による配線の変位をほぼ同一にし、すべての配線でほぼ均等な接合状態を得ることができる電子部品装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】電子部品２０の電極と基板１０Ａの配線１１，１２とをバンプ２２を介して超音波振動Ｕを用いて一括して接合する。配線１１，１２は、超音波振動の方向と略平行な平行配線１２と、超音波振動Ｕの方向と略垂直な垂直配線１１とからなり、垂直配線１１の下部の基板内部に基板材料より剛性の高い変位抑制層１３を設けた。【選択図】                図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に複数の配線を互いに異なる方向に形成し、これら複数の配線に対し、電子部品の複数の電極をバンプを介して超音波振動を用いて一括して接合してなる電子部品装置において、
上記超音波振動の方向とのなす角度θが大きい方の配線の下部の基板内部に、基板材料より剛性の高い変位抑制層を設けたことを特徴とする電子部品装置。
【請求項２】
上記基板には、超音波振動の方向と略平行な第１の配線と、超音波振動の方向と略垂直な第２の配線とが略直交方向に形成され、
上記変位抑制層は上記第２の配線の下部の基板内部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電子部品装置。
【請求項３】
上記第２の配線は隣接して複数本設けられ、
上記変位抑制層は上記複数の第２の配線の下部に連続して設けられていることを特徴とする請求項２に記載の電子部品装置。
【請求項４】
上記変位抑制層は、基板表面から１ｍｍ以内の領域に設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の電子部品装置。
【請求項５】
上記基板は、多層プリント配線板であり、
上記変位抑制層は多層プリント配線板の内層に設けた導体パターンであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の電子部品装置。
【請求項６】
上面に複数の配線を互いに異なる方向に形成した基板を準備する工程であって、上記配線のうち、一方方向の配線の下部の基板内部に、基板材料より剛性の高い変位抑制層を設けた基板を準備する工程と、
一方の主面に設けた電極上にバンプを形成した電子部品を準備する工程と、
上記電子部品のバンプを基板の配線に対向させ、超音波振動を用いて一括して接合する工程であって、超音波振動の方向と上記変位抑制層を設けた配線の方向とのなす角度θが、他の配線の方向とのなす角度θより大きくなるように、超音波振動を印加する工程と、を有することを特徴とする電子部品装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電子部品を基板上にバンプを介して実装してなる電子部品装置、特にフリップチップ接合方法を用いて実装した電子部品装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開昭６３−２８８０３１号公報
【特許文献２】特開２００２−１８４８１２号公報
従来、半導体チップの電極部に形成されたバンプと、加熱ステージ上に配置された基板の配線パターンとを位置合わせし、チップの裏面にツールを介して圧力と超音波とを付加し、バンプと基板の配線パターンとを接合するフリップチップ接合方法が特許文献１で提案されている。
【０００３】
図１は電子部品装置の一例を示し、図２はその接合方法、図３は基板を示している。
１は基板、２ａ，２ｂは配線、３はバンプ、４は電子部品である。
基板１上には配線２ａ，２ｂが縦横に形成され、バンプ３は電子部品４の電極（図示せず）に予め形成されている。接合ツール５で電子部品４の上面を押圧し、かつ水平方向の超音波振動Ｕを与えることで、バンプ３を配線２ａ，２ｂに接合する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、電子部品４と基板１の配線パターンとを一括して接合する関係で、どうしても超音波振動Ｕの方向に対して垂直方向に延びる配線（以下、垂直配線と呼ぶ）２ａと平行に延びる配線（以下、平行配線と呼ぶ）２ｂとが生じてしまう。ここで、超音波振動が作用したとき、基板１は変形しようとするが、基板１より剛性の大きな配線２ａ，２ｂが変形を抑制しようとする。しかし、垂直配線２ａは、超音波振動方向に対して長手方向に設けられている平行配線２ｂに比べて抑制効果が小さいため、図４に示すように平行配線２ｂよりも大きく変位する。図４において、６は電子部品４の電極部、δは変位を表す。
【０００５】
その結果、垂直配線２ａとバンプ３の接合界面に十分な超音波振動が伝わらなくなり、垂直配線２ａでは平行配線２ｂに比べて接合が不完全になる。このように１つの電子部品内の接合性に配線の方向によってばらつきがあると、早く接合する配線とそうでない配線とが混在してしまい、すべての配線が十分に接合するまで超音波印加時間を長くした場合、早く接合した配線にクラックが発生し始めるという問題があった。
【０００６】
表１は、超音波振動として強制変位１μｍを静的にチップ表面に与えた時の配線の変位および基板表面の変位を有限要素法によって解析した結果を示す。
【表１】
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【０００７】
表１に示すように、平行配線に比べて垂直配線の方が変位が大きい。そして、超音波振動を与えている間、この変位が繰り返し生じるため、接合性に差が生じる。変位と接合性との関係を示す例として、配線の変位と接合強度の関係を図５に示す。図５から明らかなように、変位が大きいと、接合強度が小さくなることがわかる。
このような接合性に差が生じる電子部品を超音波印加時間を長くして接合した場合、１０〜５０％の電子部品にチップ電極のクラックが発生した。
【０００８】
このような問題を解決するため、特許文献２では、超音波振動とのなす角度θが大きい方の配線の接続部を角度θが小さい方の接続部より幅広に形成することで、超音波振動による配線の変位をほぼ同一にし、すべての配線でほぼ均等な接合状態を得る電子部品装置が提案されている。すなわち、垂直配線の幅を平行配線の幅に比べて大きくしたものである。
しかし、この場合には、垂直配線の接続部を幅広に形成する必要があるため、配線が高密度に配置されるときは、十分な形成幅を確保することが難しい。そのため、すべての配線でほぼ均等な接合状態を得ることが困難であった。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、配線が高密度に配置された場合においても、超音波振動による配線の変位をほぼ同一にし、すべての配線でほぼ均等な接合状態を得ることができる電子部品装置およびその製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、基板上に複数の配線を互いに異なる方向に形成し、これら複数の配線に対し、電子部品の複数の電極をバンプを介して超音波振動を用いて一括して接合してなる電子部品装置において、上記超音波振動の方向とのなす角度θが大きい方の配線の下部の基板内部に、基板材料より剛性の高い変位抑制層を設けたことを特徴とする電子部品装置を提供する。
【００１１】
請求項６に係る発明は、上面に複数の配線を互いに異なる方向に形成した基板を準備する工程であって、上記配線のうち、一方方向の配線の下部の基板内部に、基板材料より剛性の高い変位抑制層を設けた基板を準備する工程と、一方の主面に設けた電極上にバンプを形成した電子部品を準備する工程と、上記電子部品のバンプを基板の配線に対向させ、超音波振動を用いて一括して接合する工程であって、超音波振動の方向と上記変位抑制層を設けた配線の方向とのなす角度θが、他の配線の方向とのなす角度θより大きくなるように、超音波振動を印加する工程と、を有することを特徴とする電子部品装置の製造方法を提供する。
【００１２】
例えば電子部品の電極上にバンプを形成しておき、このバンプを対面する基板の配線に対して超音波振動を用いて接合する。この場合、超音波振動の方向とのなす角度θが大きい配線と、角度θが小さい配線とが生じるが、本発明では超音波振動の方向とのなす角度θが大きい方の配線の下部の基板内部に、基板材料より剛性の高い変位抑制層を設けたので、超音波振動による配線の変位をほぼ同一にでき、角度θの大小に関係なく全ての配線においてほぼ均等な接合状態を得ることができる。そのため、不完全接合やクラックの発生を防止できる。
また、配線の幅を広くする必要がないので、配線が高密度に配置された場合でも問題がない。
基板材料としては、樹脂やセラミック材料などがあるが、セラミック材料の場合、剛性が高いので、超音波振動による変位が少ない。これに対し、樹脂基板の場合には超音波振動による変位量が大きいので、接合性にばらつきが発生しやすい。したがって、本発明では樹脂基板を用いた場合に効果的である。
【００１３】
請求項２のように、基板に、超音波振動の方向と略平行な第１の配線と、超音波振動の方向と略垂直な第２の配線とが略直交方向に形成され、変位抑制層を第２の配線の下部の基板内部に設けるのがよい。
超音波振動の方向と配線の方向は任意に設定できるが、超音波振動の方向と略平行な第１の配線と略垂直な第２の配線とが形成されている場合には、第２の配線の下部に変位抑制層を設けることで、本発明の効果を最大限に発揮することができる。
【００１４】
請求項３のように、第２の配線を隣接して複数本設けた場合には、変位抑制層を複数の第２の配線の下部に連続して設けるのがよい。
すなわち、個々の第２の配線の下部に変位抑制層を個別に設ける方法もあるが、複数の第２の配線の下部に変位抑制層を連続して設けると、第２の配線の間に位置する基板部分の変位も変位抑制層が抑制するので、第２の配線の変位抑制効果が高くなる。
但し、全ての第２の配線に対して変位抑制層が連続している必要はなく、少なくとも隣合う２本の第２配線に対して変位抑制層が連続しておればよい。
【００１５】
請求項４のように、変位抑制層を基板表面から１ｍｍ以内の領域に設けるのが望ましい。
超音波振動による配線の変位を効果的に抑制するため、変位抑制層はできるだけ配線を設けた基板の表面近くに設けるのがよい。例えば、基板が樹脂基板である場合には、変位抑制層を基板表面から１ｍｍ以内の領域に設けるのがよい。
なお、変位抑制層は基板表面に近い方が一層効果的であり、例えば１０μｍ〜１５０μｍとするのがよい。
【００１６】
請求項５のように、基板は多層プリント配線板であり、変位抑制層は多層プリント配線板の内層に設けた導体パターンとしてもよい。
基板が多層プリント配線板である場合、両面の外層の配線パターンの他に内層に導体パターンが設けられているので、その１つを変位抑制層とすれば、特別な工法を用いることなく簡単に変位抑制層を形成できるとともに、変位抑制層にグランドやシールドとしての機能を持たせることも可能である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明にかかる電子部品装置の第１実施例を図６〜図８を用いて説明する。図６は電子部品装置の平面図、図７は電子部品装置の側面図、図８は接合部分の拡大断面図である。
【００１８】
基板１０Ａは、ガラスエポキシ樹脂、ＢＴ（ビスマレイドトリアジン）樹脂などの有機基板、アルミナなどのセラミック基板、さらにはシリコンなどの結晶基板であり、この基板１０Ａ上に互いに直交方向に延びる複数の配線１１，１２が形成されている。図６に示すように、配線１１が後述する超音波振動Ｕの方向とのなす角度θが大きい方（θ１  ＞４５°）の配線であり、配線１２が超音波振動Ｕの方向とのなす角度θが小さい方（θ２  ＜４５°）の配線である。
以下の説明では、配線１１が角度θ１  ＝９０°つまり超音波振動Ｕの方向に対して垂直方向の配線（垂直配線）であり、配線１２が角度θ２  ＝０°つまり超音波振動Ｕの方向に対して平行な配線（平行配線）の例について説明する。
【００１９】
上記配線１１，１２のうち、垂直配線１１の下部の基板１０Ａの内部には、基板材料より剛性の高い変位抑制層１３が設けられている。この実施例では、個々の垂直配線１１の下部にそれぞれ独立した変位抑制層１３が設けられている。変位抑制層１３は、垂直配線１１の電子部品搭載部（図６に二点鎖線で示す）に対応する部分、つまりランド部１１ａ，１２ａを含む領域に設けられている。下部とは、例えば基板表面から１ｍｍ以内の領域であるが、基板表面により近い方が望ましく、例えば基板表面から１０μｍ〜１５０μｍがよい。変位抑制層１３としては、例えばＣｕその他の金属材料、アルミナなどの剛性の高い材料がよい。剛性は温度によっても変化するが、基板１０Ａが有機基板の場合には１０ＧＰａ〜６０ＧＰａであり、Ｃｕでは１２０ＧＰａ以上であるから、変位抑制層１３として有効である。
【００２０】
基板１０Ａの形状は特に限定されず、基板１０Ａの厚みも任意であり、例えば０．２ｍｍ〜２ｍｍとすることができる。配線１１，１２は、めっき法、薄膜形成法あるいは厚膜形成法により形成され、その厚みは数μｍ〜数十μｍとするのが望ましいが、この限りではない。この実施例では、配線１１，１２は、５〜３５μｍ厚のＣｕ箔にＮｉ：３μｍ、Ａｕ：０．０３μｍ以上などの電解あるいは無電解めっきを施したものを使用した。
ここでは、配線１１，１２の幅を同一としたが、配線１１，１２の形状および幅は互いに異なっていてもよい。また、配線１１，１２の電子部品搭載部（図６に二点鎖線で示す）に対応する部分、つまりランド部１１ａ，１２ａだけが外部に露出し、それ以外の部分はレジスト等の絶縁物で覆われていてもよい。
【００２１】
電子部品２０は、例えば半導体チップやＳＡＷデバイスなどよりなり、その下面には、例えば１００μｍ角のＡｌ，Ａｕなどからなる電極パッド２１（図８参照）が基板１０Ａのランド部１１ａ，１２ａと対応する位置に形成されている。これら電極パッド２１には、めっき法、ワイヤボンディング法、蒸着法などを用いてバンプ２２がそれぞれ形成されている。これらバンプ２２には、Ａｕ，Ａｇ，Ｐｄ，Ｃｕ，Ａｌあるいははんだを使用することができる。
電子部品２０に対して、後述するように、超音波振動、荷重、さらには必要に応じて熱を加えることによって、バンプ２２が配線１１，１２のランド部１１ａ，１２ａに一括して接合される。
【００２２】
次に、電子部品２０を基板１０Ａにフリップチップ接合する方法について説明する。
まず、電子部品２０の電極パッド２１にバンプ２２を形成する。この電子部品２０の上面（背面）を接合ツール（図示せず）によって吸着し、電子部品２０をピックアップしてバンプ２２と基板１０Ａの配線１１，１２のランド部１１ａ，１２ａとを高精度に位置合わせする。その後、電子部品２０のバンプ２２と配線１１，１２のランド部１１ａ，１２ａとを接触させ、ツールを介して基板１０Ａの表面と平行な方向で、かつ垂直配線１１に対して垂直な方向（平行配線１２に対して平行な方向）に、例えば２０ｋＨｚ〜１５０ｋＨｚの超音波振動Ｕを与え、バンプ２２とランド部１１ａ，１２ａとを接合する。なお、接合に際して、基板１０Ａと電子部品２０との間に荷重を印加したり、基板１０Ａまたは電子部品２０を加熱してもよい。
上記のように接合した後、接合信頼性を確保するため、電子部品２０と基板１０Ａと線膨張差を緩和しかつ接合部を保護するために、電子部品２０と基板１０Ａとの隙間に樹脂封止を行ってもよい。この樹脂封止は、電子部品２０と基板１０Ａとの接合後に樹脂を塗布してもよいし、樹脂を先に基板の配線上に塗布しておき、バンプが樹脂層を突き破りながら基板の配線と接合されるようにしてもよい。この場合には、接合と樹脂封止とを同時に行うことができる。
超音波振動Ｕを印加した際、垂直配線１１は平行配線１２に比べて振動方向に対する剛性が低いが、垂直配線１１の下部に変位抑制層１３が設けられているので、図８に示すように垂直配線１１と平行配線１２との変位差が小さくなり、バンプ２２との接合性のばらつきが小さくなり、ほぼ均等な接合強度を得ることができる。したがって、不完全接合や電極にクラック等が発生するのを抑制できる。
【００２３】
図９，図１０は本発明にかかる電子部品装置の第２実施例を示す。図９，図１０において、図６，図７と同一部分には同一符号を付す。
この実施例の基板１０Ｂも、その表面に互いに直交方向に延びる複数の配線１１，１２が形成されている。垂直配線１１の下部の基板１０Ｂの内部には、基板材料より剛性の高い変位抑制層１３が設けられている。この実施例の変位抑制層１３は、複数（ここでは３本）の垂直配線１１に対して連続して設けられている。つまり、隣合う垂直配線１１の間にも変位抑制層１３が設けられている。
この実施例では、垂直配線１１の間に位置する基板１０Ｂの部分も変位抑制層１３によって変位が抑制されるので、超音波振動による垂直配線１１およびその周辺部分の変位が抑制され、平行配線１１との変位差を一層小さくすることができる。そのため、さらに均一な接合強度を得ることができる。
【００２４】
図９，図１０に示す実施例モデルを用い、７０μｍ厚のＣｕからなる変位抑制層を垂直配線の下部であって基板表面から３０μｍ離した位置に設けた場合について、有限要素法による解析を行うと、平行配線と垂直配線の変位の差は０．０３μｍとなり、変位抑制層がない場合の０．０９μｍの１／３に減少する。したがって、各接合部の接合性がほぼ均等になり、ダメージを抑制可能になる。
【００２５】
図１１は本発明にかかる電子部品装置の第３実施例を示す。図１１において、図６，図７と同一部分には同一符号を付す。
この実施例の基板１０Ｃは、平行配線１２の下部にのみ変位抑制層１３を設けないようにしたものである。すなわち、基板１０ｃの内部のほぼ全域に変位抑制層１３を設けるとともに、平行配線１２の下部に対応する変位抑制層１３の部分に窓穴１３ａを設けたものである。
この場合は、超音波振動による垂直配線１１およびその周辺部分の変位を一層効果的に抑制できると同時に、変位抑制層１３にグランドやシールドとしての機能を持たせることが可能である。
【００２６】
一般に、導体パターンが３層以上あるプリント配線板を多層プリント配線板と呼ぶが、これは両面の外層の配線パターンに加えて、内層に導体パターン（一般的にＣｕ）を設けた基板のことを指す。このような多層プリント配線板において、樹脂層よりも剛性の高い内層の導体パターンを変位抑制層として配置することで、特別な工法を用いることなく、容易に本発明の効果を得ることができる。また、多層プリント配線板を使用するような商品に対して適用する場合には、コスト上昇もなく、実現が可能になる。
【００２７】
本発明は上記実施例に限定されるものではない。
上記実施例では、バンプを電子部品に形成したが、基板の配線上にバンプを形成しておき、このバンプを電子部品の電極パッドに接合する場合についても同様の効果を得ることができる。
また、上記実施例では、基板の表面に超音波振動に対して垂直方向と水平方向の配線を設けた例を示したが、超音波振動の方向に対して傾いた方向に配線を設けてもよい。
上記実施例では垂直配線と平行配線の幅を同一としたが、変位抑制層を設けた垂直配線の幅を平行配線の幅より広くしてもよい。この場合には、変位抑制層と垂直配線の幅の設計自由度が高まるという利点がある。
基板の材質は特に問わないが、樹脂基板を用い、かつ超音波振動を併用した熱圧着により接合する場合に、本発明は効果的である。なぜなら、樹脂基板の場合、超音波振動を併用した熱圧着を行うと、基板が変形するので、配線の変位が大きくなるからである。
本発明の電子部品装置は、電子部品素子として半導体チップを用いたものに限らず、抵抗素子、コンデンサ、圧電部品など如何なるチップ部品のバンプを介した実装にも適用可能である。
【００２８】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、請求項１に記載の発明によれば、基板上に互いに異なる方向に形成された複数の配線に対し、電子部品の複数の電極をバンプを介して超音波振動を用いて一括して接合する場合に、超音波振動による配線の変位がほぼ同一になるように超音波振動の方向とのなす角θが大きい方の配線の下部の基板内部に、基板材料より剛性の高い変位抑制層を設けたので、超音波の伝達効率がほぼ均等になり、全ての配線においてほぼ均等な接合状態を得ることができる。そのため、不完全接合やクラックの発生を防止でき、信頼性の高い電子部品装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的な電子部品装置の構成を示す斜視図である。
【図２】図１の電子部品装置を接合する方法を示す斜視図である。
【図３】図１の電子部品装置に用いられる基板の斜視図である。
【図４】超音波振動を与えた時の垂直配線と平行配線の変位を示す図である。
【図５】配線の変位と接合強度の関係を示す図である。
【図６】本発明にかかる電子部品装置の一例の平面図である。
【図７】図５に示す電子部品装置の接合時の側面図である。
【図８】図７に示す基板の部分拡大図である。
【図９】本発明にかかる基板の第２実施例の平面図である。
【図１０】図９に示す電子部品装置の側面図である。
【図１１】本発明にかかる基板の第３実施例の平面図である。
【符号の説明】
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ    基板
１１          垂直配線
１２                    平行配線
１３          変位抑制層
２０          電子部品
２１          電極パッド
２２          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】
2004273777.tif 000010
【図８】
2004273777.tif 000011
【図９】
2004273777.tif 000012
【図１０】
2004273777.tif 000013
【図１１】
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