(57)【要約】【課題】複数のバンプを有する半導体チップなどの部品を一括で基板等に超音波振動により安定して接合でき、また、接合ツール（ホーン）の磨耗量を抑えることができるバンプを備えた部品の超音波ボンディング方法を得ること。【解決手段】本発明のバンプを備えた部品の超音波ボンディング方法は、バンプＢを備えた部品、例えば、半導体チップＳに超音波振動を印加しながら半導体チップＳを基板Ｐ上の接点パッドのような金属部分にボンディングする超音波ボンディング方法において、半導体チップＳに対する超音波振動の印加終了時のタイミングを、バンプＢの沈み込み量Ｈの微分係数値Ｈｄを基にバンプＢと接点パッドとの接合面が破壊モードに移行する直前に止める方法を採っている。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バンプを備えた部品に超音波振動を印加しながら前記部品を基板上の金属部分にボンディングする超音波ボンディング方法において、
前記部品に対する超音波振動の印加終了時のタイミングを、前記バンプの沈み込み量の微分係数値を基に前記バンプと前記金属部分との接合面が破壊モードに移行する直前に設定することを特徴とするバンプを備えた部品の超音波ボンディング方法。
【請求項２】
前記部品が活性面にバンプが形成された半導体チップであることを特徴とする請求項１に記載のバンプを備えた部品の超音波ボンディング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置のように多数のバンプを備えた部品を、超音波振動を印加しながら基板上の接点パッドなどの金属部分にボンディングするバンプを備えた部品の超音波ボンディング方法。
【０００２】
【従来の技術】
先ず、図を用いて、従来の技術の超音波ボンディング装置及びその方法を説明する。
【０００３】
図４は従来技術の超音波ボンディング装置のボンディング部分を示す断面概念図、図５は超音波ボンディングプロセスにおける基準のバンプを備えた半導体チップの基板に対する沈み込み量（介在複数バンプの変形）を示す基準プロファイル、図６は図５に示したバンプのバラツキによる半導体チップの基板に対する半導体チップの沈み込み量を模式的に示したプロファイル、図７は図４における超音波ボンディング装置による第１のボンディング方法を説明するためのフローチャート、そして図８は図４における超音波ボンディング装置による第２のボンディング方法を説明するためのフローチャートである。
【０００４】
半導体技術分野においては、超音波による金属の接合技術が一般的に用いられている。例えば、複数の電極に形成されているバンプ（金属）を備えた半導体チップを接点パッド（金属）が形成されている基板に実装する場合には、超音波振動を印加しながらバンプと接点パッドとを接合している。即ち、超音波振動によるバンプと接点パッドとの接合は、バンプに、接合面に対して垂直に圧力を加え、同時に接合面に対して水平に超音波振動を印加することにより、バンプが横方向に弾性変形しながら縦方向に塑性変形し、このようなプロセス中に接合界面に新生面が形成されて、基板上の金属面に凝着することによって実現されている。この接合メカニズムは一般によく知られていて、例えば、特開昭５８−１６１３３４「ワイヤボンディング装置」でワイヤに超音波振動を印加してボンディングする技術で開示されている。
【０００５】
前記の超音波接合の完了とは、バンプの接合面に対する垂直方向の断面形状にもよるが、垂直加圧により塑性変形がバランスし、かつ水平方向の超音波振動に対して、塑性変形によりバンプの抗力が上昇し弾性変形が追従しなくなった時点と定義する。一方、接合ツール（ホーン）側は、振動を一定に保つために、負荷が増加した分（この場合は接合が進むことによる）パワーを増加させる。
【０００６】
従って、この時点以降、水平方向の超音波振動を印加し続けると、一体化された半導体チップ、バンプ、基板のなかで、最も弱い個所の破壊を誘発することになる。最も弱い個所は、通常、半導体チップとバンプの界面、またはバンプと基板との界面となる。つまり、超音波振動による接合プロセスで接合した界面が破壊モードに移行して行くことになる。理想的な超音波接合という観点からすると、バンプの弾性変形が追従できなくなった時点で超音波振動の印加を終了させることである。
【０００７】
超音波振動を用いて半導体チップのバンプを基板の接点パッドに接合するボンディング装置の一例を図４に示した。図４において、符号１０は従来技術の超音波ボンディング装置のボンディング部を指す。このボンディング部１０は、接合ツール（ホーン）１１、アンビル１２、加圧器１３、超音波発振器１４、スケール１５、制御装置１６などから構成されている。
【０００８】
接合ツール１１の内部には、図示していない真空発生器に接続されている吸着経路１７が形成されており、負圧にすることによって部品である半導体チップＳを真空吸引して固定、保持し、また、エアシリンダーなどにより上下動できるように構成されている加圧器１３が連結されている。更にまた、この接合ツール１１には、超音波発振器１４が連結されていて、超音波振動を接合ツール１１に印加できるように構成されている。
【０００９】
そしてアンビル１２の内部には、これも図示していない真空発生器に接続されている吸着経路１８が形成されており、負圧にすることによって部品を実装する基板Ｐを真空吸引して固定、保持する。
【００１０】
スケール１５は磁気センサー、光センサーなどで極微細に測定できる高さ測定器であって、加圧器１３の近傍に配設されており、加圧器１３により下降する接合ツール１１の高さ位置を計測し、その読み取りデータを制御装置１６に伝送する。スケール１５と制御装置１６とはインターフェースボード（Ｉ／Ｆボード）１９を介して接続されている。
【００１１】
制御装置１６にはコンピュータが内蔵されており、スケール１５からのデータに基づいて生成される制御信号を加圧器１３及び超音波発振器１４に伝送して半導体チップＳの基板Ｐへの超音波ボンディングを制御する機能を備えている。
【００１２】
符号Ｓは金属接合用の複数のバンプＢが形成されている半導体チップを指し、符号Ｐは半導体チップＳを実装するための金属部分である接点パッド、配線などが形成されている基板を指す。
【００１３】
このような構成の超音波ボンディング装置を用いて、半導体チップＳを基板Ｐに実装する場合には、先ず、半導体チップＳを接合ツール１１の吸着経路１７により吸引し、接合ツール１１の下面に固定する。また、基板Ｐをアンビル１２の吸着経路１８により吸引、固定し、アンビル１２の上面に水平に固定する。接合ツール１１とアンビル１２に吸引、固定された半導体チップＳと基板Ｐとを、エアシリンダーなどによって駆動される加圧器１３を下降させることによって、後記するような予めプロプラムされた加圧プロファイルに基づいて加圧し、両者を密着させる。これらが加圧、密着中に、超音波発振器１４を作動させ、発生する超音波振動によって接合ツール１１を共振モードで振動させる。この振動によってバンプＢと基板Ｐの金属面との接合界面に相対運動が発生し、接合プロセスが進行する。
【００１４】
この超音波振動により接合を行う場合、バンプＢが変形し、半導体チップＳが沈み込む。その基板Ｐに対する半導体チップＳの沈み込み量の基準プロファイル２１を図５に示した。縦軸は基板Ｐに対する半導体チップＳの高さ（ｍｍ）、横軸は超音波振動の印加後の経過時間（ｓｅｃ）を示す。接合プロセスの初期は、バンプＢの先端形状、加圧プロファイルにより独特な変形を示すが、以降後半に掛けては双曲線状に変形が進行するのが判る。また、或る一定時間後、または一定変形後は変形が徐々に停止して行くことが判る。
【００１５】
半導体チップＳには複数個のバンプＢが形成されているが、全てのバンプＢの高さ、形状が同一ではなく、どちらかと言えば不揃いであり、同一型式の半導体チップＳの基板に対する沈み込み量も若干異なるものである。
【００１６】
図６に数例の半導体チップＳの基板に対する沈み込み量の模式的プロファイルを示した。図５に示した基準プロファイル２１を図６では３１として示した。バンプＢの高さが高くなると、符号３２に示すプロファイルになり、基板Ｐと半導体チップＳが平行でない場合も符号３２に示すプロファイルとなる。また、バンプＢの形状が製造プロセスのバラツキにより変化して、垂直加圧に対して変形し易い形状になった場合は、符号３３に示すプロファイルとなり、逆に変形し難い形状に変化した場合は、符号３４に示すプロファイルとなる。ただし、何れの場合もプロセス末期には必ず変形が飽和するプロファイルが確認される。
【００１７】
プロファイル３１のときの最適印加時間がＴ１、最適沈み込み量がＨ１とすると、プロファイル３２の場合では最適接合のためには沈み込み量Ｈ１では不十分となり、沈み込み量Ｈ２が必要となる。また、プロファイル３３の場合では最適印加時間Ｔ１では長すぎ、最適印加時間Ｔ３で充分となる。そしてプロファイル３４の場合では最適印加時間Ｔ１では短すぎ、最適印加時間Ｔ４が必要となる。
【００１８】
従来、前記構成の超音波ボンディング装置を用いた前記の超音波振動の印加は、半導体チップＳと基板ＰとがバンプＢを介して或る設定圧力で接したタイミングで開始され、そして下記に示す２種類のタイミングで終了させる方法が採られている。即ち、
１）予め設定された時間経過した後、終了させる方法
２）バンプＢが予め設定された変形量まで沈み込んだ時に終了させる方法
である。
【００１９】
前者の超音波振動による接合方法は、図７に示した接合フローチャートで行われる。即ち、先ず、制御装置１６のコンピュータにバンプＢの高さ、形状、材質などに応じて超音波振動をバンプＢに印加する時間Ｔを予め設定しておく。
【００２０】
次に、基板Ｐがアンビル１２の上面に水平に固定され、そして半導体チップＳが接合ツール１１の下面に吸着、固定された状態で、加圧器１３を作動させ（ステップＳ１）、接合ツール１１を降下させ、半導体チップＳを基板Ｐ上の所定の位置で加圧する。超音波トリガー加圧値Ｔｒに達した時（Ｓ２）に超音波発振器１４を作動させ、発振させて、接合ツール１１を振動させ、半導体チップＳを振動させる（Ｓ３）。この超音波振動の印加時間が前記設定時間Ｔに達すると（Ｓ４）、超音波発振器１４の発振を停止し（Ｓ５）、そして加圧器１３による半導体チップＳの加圧を停止し（Ｓ６）、加圧器１３を逆に作動させて接合ツール１１を上昇させる。このようにして１個の半導体チップＳの基板Ｐへの超音波接合が完了する。
【００２１】
後者の超音波振動による接合方法は、図８に示した接合フローチャートで行われる。即ち、先ず、制御装置１６のコンピュータにバンプＢの形状、材質などに応じて押圧力と超音波振動をバンプＢに加え、バンプＢの沈み込み量（高さ）Ｈを予め設定しておく。
【００２２】
次に前記と同様に、基板Ｐがアンビル１２の上面に水平に固定され、そして半導体チップＳが接合ツール１１の下面に吸着、固定された状態で、加圧器１３を作動させ（ステップＳ１１）、接合ツール１１を降下させ、半導体チップＳを基板Ｐ上の所定の位置で加圧する。超音波トリガー加圧値Ｔｒに達した時（Ｓ１２）に超音波発振器１４を作動させ、発振させて、接合ツール１１を振動させ、半導体チップＳを振動させる（Ｓ１３）。この超音波振動の印加によりバンプＢが潰れて沈み込み始め、その沈み込み量をスケール１５で読み取り（Ｓ１４）を開始し、その沈み込み量が沈み込み量Ｈに達すると（Ｓ１５）、超音波発振器１４の発振を停止し（Ｓ１６）、そして加圧器１３による半導体チップＳの加圧を停止し（Ｓ１７）、加圧器１３を逆に作動させて接合ツール１１を上昇させる。このようにして１個の半導体チップＳの基板Ｐへの超音波接合が完了する。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前者の接合方法の場合、実際の接合プロセスを監視している訳ではないため、充分な接合が行われていない状態で印加を停止したり、逆に、接合プロセスが終了しているにも係わらず界面破壊モードに移行してから超音波振動の印加を停止する可能性がある。
【００２４】
後者の方法の場合、一見合理的な方法に見えるが、実際のワークでは、スタッドバンプで形成されるバンプＢの高さが製造ロット毎にバラツキが存在したり、基板Ｐの実装面にある接合パッドの高さがばらついていることがあり、このような好ましくないバラツキを考慮すると、必ずしも全てのワークが同一の沈み込み量（バンプ変形量）で理想的な接合が完了するとは限らない。つまり、更に細かいレベルで前者の方法での弊害が発生していると考えられる。
【００２５】
更に、接合プロセスが終了しても、超音波振動を印加し続けることは、
１）接合が完了している半導体チップ或いは接点パッドを超音波振動による破壊を開始させてしまう
２）接合が強固に行われる場合は、半導体チップの裏面と接合ツール１１の間で滑りが発生し、接合ツール１１の磨耗を促進させてしまう
という現象が生じる。
【００２６】
前者は半導体チップの実装プロセスで発生させてはいけないことであり、後者は量産を考えた場合の生産性、コスト、品質、全てに悪影響を及ぼすという課題がある。
【００２７】
本発明はこのような課題を解決しようとするものであって、前記のように、超音波フリップチップボンダー等で、複数のバンプＢを有する半導体チップＳを一括で基板等に超音波振動により接合する場合に、安定した接合を行うためには、また、接合ツール（ホーン）の磨耗量を抑えるためには、超音波振動の印加タイミングの制御が大変重要になる。特にボンディング終了時の超音波振動の印加タイミングを接合面が破壊モードに移行する前に止める必要があることから、本発明においては、バンプの沈み込み量の微分係数値を監視し、その値でスレツシュホールドを設定し、それを超音波振動の印加終了のタイミングとすることにより実現するバンプを備えた部品の超音波ボンディング方法を得ることを目的とするものである。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
それ故、前記課題を解決するために、本発明のバンプを備えた部品の超音波ボンディング方法は、バンプを備えた部品に超音波振動を印加しながら前記部品を基板上の金属部分にボンディングする超音波ボンディング方法において、前記部品に対する超音波振動の印加終了時のタイミングを、前記バンプの沈み込み量の微分係数値を基に前記バンプと前記金属部分との接合面が破壊モードに移行する直前に止める方法を採っている。
【００２９】
従って、本発明によれば、超音波ボンディング方法で、複数のバンプを有する半導体チップなどの部品を一括で基板等に超音波振動により安定して接合でき、また、接合ツール（ホーン）の磨耗量を抑えることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、図を用いて、本発明の実施形態のバンプを備えた部品の超音波ボンディング方法を説明する。
【００３１】
図１は超音波ボンディング装置における本発明の一実施形態の機能ブロック図、図２は本発明の一実施形態のバンプを備えた部品の超音波ボンディング方法を説明するためのフローチャート、そして図３は図６に示したバンプのバラツキに対応した半導体チップの基板に対する沈み込み量のプロファイルを示すカーブとそれらの微分係数値を表すカーブである。
【００３２】
本発明のバンプを備えた部品の超音波ボンディング方法は、図４に示した超音波ボンディング装置の制御装置１６のコンピュータに、予め、実装しようとする半導体チップＳの基板に対する沈み込み量の微分係数値を入力し、これを基準値として行われる。
【００３３】
図３Ａは見やすくするために図４に示した半導体チップＳの基板に対する沈み込み量の各プロファイル３１、３２、３３、３４を再掲したカーブであり、図３Ｂは図３Ａに示した各カーブを連続的に微分して得た微分係数値のカーブであって、縦軸に沈み込み量の微分係数Ｈｄを、横軸に経過時間（ｓｅｃ）をとり、それぞれのカーブのスレッシュホールドを０として表した一例である。
【００３４】
そして図３Ｂにおいて、時間Ｔ３１、Ｔ３２、Ｔ３３、Ｔ３４は、超音波振動の開始からバンプＢを介して半導体チップＳが完全に沈み込む（沈み込み量の微分係数値が０）までの時間とする。この図示の例ではＴ３１＝Ｔ１、Ｔ３２＝Ｔ３２、Ｔ３３＝Ｔ３、Ｔ３４＝Ｔ４である。
【００３５】
沈み込み量の各プロファイル３１、３２、３３、３４のそれぞれの微分係数値Ｈｄでスレッシュホールドが０の時は、バンプＢを介して半導体チップＳが既に沈み込んだ時点、即ち、バンプＢと接点パッドの金属部分との接合面が破壊モードに移行することを意味する。従って、スレッシュホールドは０となる直前、例えば、０．１ｓｅｃ程度前に設定することである。このスレッシュホールドの時点はバンプＢの形状、材質などを考慮して実験的に決められるものである。それ故、制御装置１６のコンピュータには、このように半導体チップＳに対する超音波振動の印加終了時のタイミングを、バンプＢの沈み込み量の微分係数値Ｈｄを基にバンプＢと接点パッドの金属部分との接合面が破壊モードに移行する直前の値に予め設定しておく。
【００３６】
次に、基板Ｐをアンビル１２の上面に水平に固定し、そして半導体チップＳを接合ツール１１の下面に吸着、固定した状態で、加圧器１３、超音波発信器１４などを作動させ（ステップＳ２１）、超音波発信器１４から超音波振動で振動する接合ツール１１を降下させて、半導体チップＳを基板Ｐ上の所定の位置で加圧し、半導体チップＳを水平方向に振動させる。この超音波振動の印加と相まってバンプＢが潰れて半導体チップＳが沈み込み始める。加圧力が設定荷重値Ｔｒに達した時（Ｓ２２）に、スケール１５は半導体チップＳの沈み込み量（高さ）を測定し始め、そのスケールパルスを制御装置１６内のパルスカウンター１６１でカウントを開始する。パルスカウンー１６１ではカウントされたスケールパルスはｉ番目の単位時間Δｔ（ｉ）当たりのパルス数ｎ（ｉ）（Ｓ２４）と（ｉ＋１）番目の単位時間Δｔ（ｉ＋１）当たりのパルス数ｎ（ｉ＋１）（Ｓ２５）とを計数して微分演算器１６２でスケールパルスが微分され、微分計数値Ｈｄを計算し（Ｓ２６）、予め設定しておいたスレッシュホールド値と時々刻々比較して半導体チップＳが微分計数値Ｈｄに達したか否かを判定手段１６３で判定される（Ｓ２７）。微分計数値Ｈｄが設定値に達すると、加圧器１３の加圧動作は停止され、同時に電源コントローラー１４１により超音波発信器１４が停止させられる（Ｓ２８）。そして加圧器１３を逆に作動させて接合ツール１１を上昇させる。このようにして１個の半導体チップＳの基板Ｐへの超音波接合が完了する。
【００３７】
以後、各半導体チップＳに対してこの動作を繰り返し行えば、各基板Ｐに半導体チップＳを実装することができる。
【００３８】
以上説明したように、不安定要素を加味して、超音波振動を終了させるタイミングを、半導体チップＳの沈み込み量、即ち、そのバンプＢの変形量の微分係数でスレツシュホールドを設定で設定することにより、条件の変化に対して、定性的に半導体チップＳの基板Ｐに対する接合状態を監視することができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によるバンプの沈み込み量の微分系数値を管理して終了させる超音波接合方法は、
１．超音波接合プロセスが終了し、破壊モードに移行するタイミングを定性的、かつ定量的に知る最も優れた手法であり、安定した超音波による金属接合ができる
２．超音波接合プロセスの終了後も超音波振動エネルギーを印加し続けることにより発生する半導体チップの裏面と接合ツール（ホーン）間での滑りによる接合ツールの磨耗を最小限に抑えることができる
など、数々の優れた効果がえられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波ボンディング装置の機能ブロック図である。
【図２】超音波ボンディング装置による本発明の実施形態のバンプを備えた部品の超音波ボンディング方法を説明するためのフローチャートである。
【図３】図６に示したバンプのバラツキに対応した半導体チップの基板に対する沈み込み量のプロファイルを示すカーブとそれらの微分係数値を表すカーブである。
【図４】従来技術の超音波ボンディング装置のボンディング部分を示す断面概念図である。
【図５】超音波ボンディングプロセスにおける基準のバンプを備えた半導体チップの基板に対する沈み込み量（介在複数バンプの変形）を示す基準プロファイルである。
【図６】図５に示したバンプのバラツキによる半導体チップの基板に対する半導体チップの沈み込み量を模式的に示したプロファイルである。
【図７】図４における超音波ボンディング装置による第１のボンディング方法を説明するためのフローチャートである。
【図８】図４における超音波ボンディング装置による第２のボンディング方法を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
１０…従来技術の超音波ボンディング装置、１１…接合ツール、１２…アンビル、１３…加圧器、１４…超音波発振器、１５…スケール、１６…制御装置、１７，１８…吸着経路、Ｓ…部品（半導体チップ）、Ｂ…半導体チップＳのバンプ、Ｐ…基板、Ｔｒ…超音波トリガー加圧値、Ｔ…超音波発振停止設定の時間、Ｈ…バンプＢの沈み込み量、Ｈｄ…超音波発振停止設定の微分係数値
【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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