(57)【要約】【課題】非導電性接着剤中にて被接合物の電極同士を加熱によるハンダ溶融を介して接合するに際し、ファインピッチ化された被接合物に対しても、低圧力、さらには低温での高精度、低ダメージ実装を可能ならしめ、かつ、微妙な圧力コントロールを不要化しつつ、目標とする実装高さに容易にかつ高精度に決めることができ、望ましい電気的接合状態を確実に得ることができる実装方法および実装装置を提供する。【解決手段】対向する被接合物の電極同士を、非導電性接着剤中にて、加熱によるハンダ溶融を介して接合するに際し、実装前に、少なくとも一方の被接合物の電極Ａを、ハンダ溶融温度では溶融しない突出した金属層と、該金属層上に積層されたハンダ層とから形成し、実装時に、該電極Ａを他方の被接合物の電極Ｂに非導電性接着剤中にて当接させ、加熱により前記ハンダ層を溶融させた後、被接合物同士をより近接させる方向に加圧あるいは高さコントロールして、電極Ａを電極Ｂを接合する実装方法、および実装装置。【選択図】　図７
2004088041.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する被接合物の電極同士を、非導電性接着剤中にて、加熱によるハンダ溶融を介して接合する実装方法であって、実装前に、少なくとも一方の被接合物の電極Ａを、ハンダ溶融温度では溶融しない突出した金属層と、該金属層上に積層されたハンダ層とから形成し、実装時に、該電極Ａを他方の被接合物の電極Ｂに非導電性接着剤中にて当接させ、加熱により前記ハンダ層を溶融させた後、被接合物同士をより近接させる方向の加圧力を上げて前記電極Ａを相対的に電極Ｂ側に押し込むことを特徴とする実装方法。
【請求項２】
対向する被接合物の電極同士を、非導電性接着剤中にて、加熱によるハンダ溶融を介して接合する実装方法であって、実装前に、少なくとも一方の被接合物の電極Ａを、ハンダ溶融温度では溶融しない突出した金属層と、該金属層上に積層されたハンダ層とから形成し、実装時に、該電極Ａを他方の被接合物の電極Ｂに非導電性接着剤中にて当接させ、加熱により前記ハンダ層を溶融させた後、被接合物間の間隙が予め定めた目標値となるように前記電極Ａを相対的に電極Ｂ側に押し込むことを特徴とする実装方法。
【請求項３】
前記電極Ａを相対的に電極Ｂ側に押し込む際に、被接合物の外縁側に非導電性接着剤のフィレットを形成する、請求項１または２の実装方法。
【請求項４】
対向する被接合物の電極同士を、非導電性接着剤中にて、加熱によるハンダ溶融を介して接合する実装方法であって、実装前に、少なくとも一方の被接合物の電極Ａを、ハンダ溶融温度では溶融しない突出した金属層と、該金属層上に積層されたハンダ層とから形成し、実装時に、該電極Ａを他方の被接合物の電極Ｂに非導電性接着剤中にて当接させ、加熱により前記ハンダ層を溶融させた後、被接合物同士をより近接させる方向に加圧して、前記電極Ａにおける金属層の高さと、前記電極Ｂの高さまたは前記電極Ｂも金属層を備えている場合にはその金属層の高さとにより、被接合物同士の実装間隙を決めることを特徴とする実装方法。
【請求項５】
前記金属層上のハンダ層を、前記実装間隙が決められた状態における、前記電極Ａの金属層と前記電極Ｂとの間の隙間の容積の５０〜１５０％のハンダ量を有する層に形成する、請求項４の実装方法。
【請求項６】
前記金属層上のハンダ層を、厚さ１〜３０μｍの層に形成する、請求項１〜５のいずれかに記載の実装方法。
【請求項７】
前記電極Ａの金属層または／および前記電極Ｂあるいは前記電極Ｂも金属層を備えている場合のその金属層の頂面を、凸状に形成する、請求項１〜６のいずれかに記載の実装方法。
【請求項８】
前記金属層を、電解メッキまたは無電解メッキにより形成する、請求項１〜７のいずれかに記載の実装方法。
【請求項９】
前記ハンダ層を、電解メッキ、無電解メッキ、蒸着、ディップ法のいずれかの方法により形成する、請求項１〜８のいずれかに記載の実装方法。
【請求項１０】
前記金属層を、厚さ３０μｍ以下の層に形成する、請求項１〜９のいずれかに記載の実装方法。
【請求項１１】
前記金属層上のハンダ層の量により、非導電性接着剤中における被接合物の電極同士の接合の際に少なくとも一方の被接合物の外側に向けて押し出される非導電性接着剤の量を制御し、それによってその被接合物の外側に形成される非導電性接着剤のフィレットの形状を所定形状に制御する、請求項１〜１０のいずれかに記載の実装方法。
【請求項１２】
前記非導電性接着剤として、常温では塗布された状態にて自己形状を保持可能な第１の粘度を有し、温度上昇に伴い粘度が前記第１の粘度から第２の粘度に低下するとともに予め設定された所定の温度と時間範囲で実質的に前記第２の粘度に維持され、該所定の温度範囲で所定の時間経過後に粘度が前記第２の粘度から上昇し硬化が進行する接着剤を用いる、請求項１〜１１のいずれかに記載の実装方法。
【請求項１３】
前記電極Ａを他方の被接合物の電極Ｂに当接させた後、ハンダ溶融温度に加熱する、請求項１２の実装方法。
【請求項１４】
ハンダ溶融温度に加熱した後、さらに昇温させて前記非導電性接着剤を硬化させる、請求項１３の実装方法。
【請求項１５】
前記非導電性接着剤として、硬化開始の誘発点となるトリガ温度を有し、接着剤の温度が一旦トリガ温度に到達した後には、接着剤の温度にかかわらず硬化が進行する接着剤を用いる、請求項１２〜１４のいずれかに記載の実装方法。
【請求項１６】
前記非導電性接着剤が完全に硬化する前に、加熱を停止あるいは加熱手段を離間させる、請求項１５の実装方法。
【請求項１７】
対向する被接合物の電極同士を、非導電性接着剤中にて、加熱によるハンダ溶融を介して接合する実装装置であって、ハンダ溶融温度では溶融しない突出した金属層と、該金属層上に積層されたハンダ層とから形成した少なくとも一方の被接合物の電極Ａを他方の被接合物の電極Ｂに非導電性接着剤中にて当接させるためのより低い加圧力と、加熱により前記ハンダ層を溶融させた後前記電極Ａを相対的に電極Ｂ側に押し込むためのより高い加圧力とに制御可能な加圧制御手段を備えたことを特徴とする実装装置。
【請求項１８】
対向する被接合物の電極同士を、非導電性接着剤中にて、加熱によるハンダ溶融を介して接合する実装装置であって、一方の被接合物の他方の被接合物に対する相対的な高さを、ハンダ溶融温度では溶融しない突出した金属層と、該金属層上に積層されたハンダ層とから形成した少なくとも一方の被接合物の電極Ａを他方の被接合物の電極Ｂに非導電性接着剤中にて当接させるためのより高い高さと、加熱により前記ハンダ層を溶融させた後前記電極Ａを相対的に電極Ｂ側に押し込むためのより低い高さとに制御可能な高さ制御手段を備えたことを特徴とする実装装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハンダ接合による被接合物の実装方法および実装装置に関し、とくに、ファインピッチ化された電極やバンプを備えた被接合物を低圧力で高精度に接合でき、かつ、実装高さ（実装される被接合物間の間隙）を容易に高精度に決めることができる実装方法および実装装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
非導電性接着剤中にて、被接合物の電極同士を、たとえばチップと基板の電極同士を、加熱によるハンダ溶融を介して接合する技術が知られている。このような実装方法においては、従来、被接合物の電極、たとえばチップの電極は、ボール状のバンプに形成されていたが、非導電性接着剤中で加熱接合する際には、非導電性接着剤の粘度が低下しかつハンダが溶融しているため、接合用加圧力については微妙な圧力コントロールが要求される。圧力が高すぎると、ハンダが押しつぶされて広がりすぎ、隣接する電極がショートするおそれがあり、逆に圧力が低すぎると、ハンダが適切に回り込めず、信頼性の高い電気的接合状態が得られないおそれがある。
【０００３】
従来は、最初から高い圧力（たとえば、５０ｇ／バンプ程度）で実装していた。しかし、近年の半導体に対する多機能化や高性能化の要求の高まりから、一つのパッケージの高度なシステム機能を詰め込んだＳｉＰ（Ｓｙｓｔｅｍ　Ｉｎ　Ｐａｃｋａｇｅ）が注目を集めており、このようなＳｉＰを実現するためのＣＯＣ（Ｃｈｉｐ　Ｏｎ　Ｃｈｉｐ）実装形態では一層の薄型、小型化、高密度化（ファインピッチ化）が要求されている。このような薄型ファインピッチＣＯＣでは、周辺バンプから回路上へのエリアバンプとなり、回路上のダメージの問題から従来のような高い圧力での実装では達成が困難になっており、より低圧力での実装が必要となっている。また、より低ダメージとするため、実装条件として、より低圧力であることに加え、より低温化も求められ、さらには、より低コストでの実装も要求されるようになってきた。
【０００４】
また、ハンダ接合による実装においては、被接合物の電極を、ハンダ付けの際には溶融しない金属からなる基層と、その基層上に形成されたハンダバンプとから構成した、二重構造のバンプ構成にすることも知られている（たとえば、特許文献１）。しかしこの提案構造では、大気中でハンダを加熱溶融させているため、加熱による酸化防止のためフラックスを塗布する必要がある。また、ハンダ接合後に両被接合物間に接着剤を注入し、該接着剤にて接合部を封止する接合方法となっているため、ハンダバンプを加熱する際に、両被接合物間の熱膨張差を溶融ハンダで吸収するようにしている。この熱膨張差の吸収のため、ハンダバンプをあるレベル以上に高く形成しておかなければならず（たとえば、少なくとも高さ３０〜６０μｍを確保しておかなければならず）、かつ、接着剤で封止されるまで比較的ボリュームのあるハンダ部分でクラック等を生じさせることなく接合状態を維持しておかなければならないので、結局、接合される両被接合物間の実装間隙を大幅に縮めることは困難であった。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−９７７９１号公報（特許請求の範囲）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明の課題は、上記のような問題点に着目し、とくに非導電性接着剤中にて被接合物の電極同士を加熱によるハンダ溶融を介して接合するに際し、ファインピッチ化された被接合物に対しても、低圧力、さらには低温での高精度、低ダメージ実装を可能ならしめ、かつ、微妙な圧力コントロールを不要化しつつ、目標とする実装高さに、とくに従来高さに比べより低い実装高さに、容易にかつ高精度に決めることができ、望ましい電気的接合状態を確実に得ることができる実装方法および実装装置を提供することにある。
【０００７】
すなわち、本発明者らは、従来、ボール状のバンプを形成することにより、接合時に熱膨張差等によってかかる応力を該ボール状バンプで緩和できるようにしていたが、非導電性接着剤中での接合であれば、必ずしもボール状のバンプに形成することは必要ないという点と、応力を緩和させるだけのハンダ量も必要がないという点とに鑑み、とくに電極を従来のボール状バンプとは異なった構成とすることにより、ファインピッチ化された電極同士を容易にかつ高精度に低ダメージで接合できるとともに、微妙な圧力コントロールなしで、目標とする実装高さに容易にかつ高精度に決めることが可能であることを見出し、本発明を完成するに至ったものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る実装方法は、対向する被接合物の電極同士を、非導電性接着剤中にて、加熱によるハンダ溶融を介して接合する実装方法であって、実装前に、少なくとも一方の被接合物の電極Ａを、ハンダ溶融温度では溶融しない突出した金属層と、該金属層上に積層されたハンダ層とから形成し、実装時に、該電極Ａを他方の被接合物の電極Ｂに非導電性接着剤中にて当接させ、加熱により前記ハンダ層を溶融させた後、被接合物同士をより近接させる方向の加圧力を上げて前記電極Ａを相対的に電極Ｂ側に押し込むことを特徴とする方法からなる。ここで電極Ａを相対的に電極Ｂ側に押し込むとは、加圧のための実際の移動動作は、電極Ａ側でも、電極Ｂ側でも、それら両側でもよいということである。
【０００９】
また、本発明に係る実装方法は、対向する被接合物の電極同士を、非導電性接着剤中にて、加熱によるハンダ溶融を介して接合する実装方法であって、実装前に、少なくとも一方の被接合物の電極Ａを、ハンダ溶融温度では溶融しない突出した金属層と、該金属層上に積層されたハンダ層とから形成し、実装時に、該電極Ａを他方の被接合物の電極Ｂに非導電性接着剤中にて当接させ、加熱により前記ハンダ層を溶融させた後、被接合物間の間隙が予め定めた目標値となるように前記電極Ａを相対的に電極Ｂ側に押し込むことを特徴とする方法からなる。
【００１０】
これら本発明に係る実装方法においては、上記電極Ａを相対的に電極Ｂ側に押し込む際に、被接合物間に存在している非導電性接着剤を適量押し出して、被接合物の外縁側に非導電性接着剤のフィレットを形成することが可能である。
【００１１】
また、本発明に係る実装方法は、対向する被接合物の電極同士を、非導電性接着剤中にて、加熱によるハンダ溶融を介して接合する実装方法であって、実装前に、少なくとも一方の被接合物の電極Ａを、ハンダ溶融温度では溶融しない突出した金属層と、該金属層上に積層されたハンダ層とから形成し、実装時に、該電極Ａを他方の被接合物の電極Ｂに非導電性接着剤中にて当接させ、加熱により前記ハンダ層を溶融させた後、被接合物同士をより近接させる方向に加圧して、前記電極Ａにおける金属層の高さと、前記電極Ｂの高さまたは前記電極Ｂも金属層を備えている場合にはその金属層の高さとにより、被接合物同士の実装間隙を決めることを特徴とする方法からなる。
【００１２】
上記金属層上のハンダ層は、上記実装間隙が決められた状態における、上記電極Ａの金属層と上記電極Ｂとの間の隙間の容積の５０〜１５０％のハンダ量を有する層に、および／または、上記金属層上のハンダ層が、厚さ１〜３０μｍの層に形成されることが好ましい。すなわち、従来のボール状バンプに比べ、はるかに少ないハンダ量の、あるいははるかに薄い層に形成できる。なお、上記電極Ａの金属層と上記電極Ｂとの間の隙間の容積とは、電極Ａの金属層と電極Ｂとの間に面積の大小がある場合には、狭い方の面積に対応する容積のことである。
【００１３】
また、上記電極Ａの金属層または／および上記電極Ｂあるいは上記電極Ｂも金属層を備えている場合のその金属層の頂面が、凸状に形成されていることが好ましい。金属層の頂面を凸状に形成しておくことにより、接触部は、頂面の一部のみ、つまり、頂面の中央部のみとなり、この金属層と相手方の電極または金属層との間に十分に高い接合信頼性を得るに足るだけのハンダ量を含んだ形態での接合が可能になる。
【００１４】
上記金属層は、電解メッキまたは無電解メッキにより形成することができ、とくに無電解メッキが好ましい。メッキであるから、基本的に熱履歴を受けず、表面に酸化膜が形成されないか、たとえ形成されても問題のないごく薄い層に抑えることができる。この金属層は、ハンダ層に対してアンダーバリア層を形成し、この金属層としては、たとえば、ニッケルの単層や、ニッケル／金の二層構造に形成できる。
【００１５】
上記ハンダ層は、上記金属層上に、電解メッキ、無電解メッキ、蒸着、ディップ法のいずれかの方法により形成することができる。とくに、ディップ法では、簡単なプロセスで極めて容易に形成できる。また、これらの方法では、基本的に熱履歴を受けないか、影響の出るような熱履歴を受けないので、ハンダ層の表面にも酸化膜が形成されないか、たとえ形成されても問題のないごく薄い層に抑えることができる。したがって、従来の熱履歴を伴うボール状ハンダバンプの形成に比べ、酸化膜除去のための一次洗浄は基本的に不要となる。
【００１６】
このハンダ層を構成するハンダの材質としては、上記金属層よりも低い溶融温度を有するものであればとくに限定されず、鉛や錫を主体にしたものに限らず、ビスマスや銀などを含む材質であってもよく、特に金属種を限定せずに溶融させて接合を行うものの全てを含む。
【００１７】
また、上記金属層としても、厚さ３０μｍ以下の層に形成することができる。したがって、このような金属層と上記ハンダ層を足しても、従来のボール型バンプに比べはるかに高さの低い電極構造に構成できる。すなわち、従来の接合方法では、前述したように、溶融ハンダ部分で、接着剤で封止されるまで両被接合物間の熱膨張差を吸収し（熱膨張差に起因する応力を吸収し、不都合を生じさせることなく接合形態を維持しておかなければならなかったため、バンプ全体の高さを高くしておかなければならなかった。しかし、本発明に係る方法では、非導電性接着剤中にて加熱接合されるので、つまり、接合と同時に封止も行われているので、周囲に存在する封止非導電性接着剤により溶融ハンダ部分の強度、自己形状保持性が確保されることとなり、従来のようなバンプ高さにする必要はなくなり、電極Ａを低く、より具体的には、金属層とハンダ層をともに低く設定することが可能となる。その結果、最終的な実装高さも、従来に比べはるかに低くすることが可能になる。したがって、例えば三次元実装の場合のように、より低い実装高さが要求される場合、特に有利になる。
【００１８】
また、本発明に係る実装方法においては、前記金属層上のハンダ層の量により、非導電性接着剤中における被接合物の電極同士の接合の際に少なくとも一方の被接合物の外側に向けて押し出される非導電性接着剤の量を制御し、それによってその被接合物の外側に形成される非導電性接着剤のフィレットの形状を所定形状に制御することが可能である。従来は、たとえばチップと基板の間隙を決めようとしても、チップや基板に厚みのばらつきがあることから実際には決めることが難しく、圧力で樹脂の飛び出す量をコントロールするしかなかった。しかし本発明に係る実装方法においては、溶融しない下層の金属層の高さでチップと基板の間隙を決めることができるので、事前に塗布する接着剤の量を制御しておけば、はみ出しにより形成されるフィレット形成用接着剤量は一定になり、安定したフィレットを形成することが可能になる。特に印刷や非導電性フィルムによりチップ形状に応じて塗布しておけば、全周にわたって均一なフィレットも形成しやすくなる。
【００１９】
また、本発明に係る実装方法においては、前記非導電性接着剤として、特殊な特性を有するものを使用できる。すなわち、前記非導電性接着剤として、常温では塗布された状態にて自己形状を保持可能な第１の粘度を有し、温度上昇に伴い粘度が前記第１の粘度から第２の粘度に低下するとともに予め設定された所定の温度と時間範囲で実質的に前記第２の粘度に維持され、該所定の温度範囲で所定の時間経過後に粘度が前記第２の粘度から上昇し硬化が進行する接着剤を用いることができる。
【００２０】
このような非導電性接着剤を用いる場合、たとえば、前記電極Ａを他方の被接合物の電極Ｂに当接させた後、ハンダ溶融温度に加熱する。また、ハンダ溶融温度に加熱した後、さらに昇温させて非導電性接着剤を硬化させることができる。
【００２１】
また、このような非導電性接着剤として、硬化開始の誘発点となるトリガ温度を有し、接着剤の温度が一旦トリガ温度に到達した後には、接着剤の温度にかかわらず硬化が進行する接着剤を用いることもできる。このようなトリガ温度を有する非導電性接着剤を用いれば、該非導電性接着剤が完全に硬化する前に、加熱を停止あるいは加熱手段を離間させることが可能になる。
【００２２】
また、本発明で使用する被接合物、とくに半導体としては、対向する他方の被接合物の電極と接合される電極が、ハンダ溶融温度では溶融しない突出した金属層と、該金属層上に積層されたハンダ層とから形成されており、該ハンダ層の体積あるいは厚みが、前述の如き本発明に係る実装方法の実施に好適な値に設定された半導体を使用する。
【００２３】
上記のような実装方法を実施するための、本発明に係る実装装置は、対向する被接合物の電極同士を、非導電性接着剤中にて、加熱によるハンダ溶融を介して接合する実装装置であって、ハンダ溶融温度では溶融しない突出した金属層と、該金属層上に積層されたハンダ層とから形成した少なくとも一方の被接合物の電極Ａを他方の被接合物の電極Ｂに非導電性接着剤中にて当接させるためのより低い加圧力と、加熱により前記ハンダ層を溶融させた後前記電極Ａを相対的に電極Ｂ側に押し込むためのより高い加圧力とに制御可能な加圧制御手段を備えたことを特徴とするものからなる。
【００２４】
また、本発明に係る実装装置は、対向する被接合物の電極同士を、非導電性接着剤中にて、加熱によるハンダ溶融を介して接合する実装装置であって、一方の被接合物の他方の被接合物に対する相対的な高さを、ハンダ溶融温度では溶融しない突出した金属層と、該金属層上に積層されたハンダ層とから形成した少なくとも一方の被接合物の電極Ａを他方の被接合物の電極Ｂに非導電性接着剤中にて当接させるためのより高い高さと、加熱により前記ハンダ層を溶融させた後前記電極Ａを相対的に電極Ｂ側に押し込むためのより低い高さとに制御可能な高さ制御手段を備えたことを特徴とするものからなる。
【００２５】
上記のような本発明に係る実装方法および実装装置においては、基本的に、非導電性接着剤中での接合に際し、電極Ａが電極Ｂに当接された後、加熱によりハンダ層が溶融され、加圧力を上げて電極Ａをさらに押し込む方法、および、ハンダ層が溶融された後、高さ（被接合物同士の実装間隙）をコントロールして電極Ａをさらに所定量押し込む方法のいずれも採用できる。このような方法においては、金属層上に薄く形成されたハンダ層が溶融した後に、電極を押し込むことにより接合するので、低圧力での実装が可能になり、回路上にエリアバンプ化された被接合物の場合にも低ダメージで高精度の実装が可能となる。
【００２６】
上記のうち実装間隙を決める方法の範疇に入る、本発明の一形態に係る実装方法においては、非導電性接着剤中での接合に際し、被接合物同士の実装間隙、つまり実装高さを決めるために、ハンダ層が溶融した状態にて、電極Ａにおける金属層と電極Ｂあるいは電極Ｂも金属層を備えている場合にはその金属層とが実質的に当接されて、該電極Ａにおける金属層の高さと、電極Ｂの高さまたは該電極Ｂも金属層を備えている場合にはその金属層の高さとにより、被接合物同士の実装間隙（実装高さ）が決められる。このとき、両者の間には溶融ハンダが膜状に薄く残ってはいる。また、複数の電極同士が接合される場合には、必ずしも全ての金属層が当接される必要はなく、少なくとも一つの金属層が当接されれば、実装高さは決まる。このように、機械的な当接によって実装高さが決められることになるので、実装高さ決定上不安定な流動性を有する溶融ハンダは、実装高さを決める動作上は入り込む余地がなくなり、単に上記当接動作（あるいは加圧動作）を行わせるだけで、初期設定された所定の実装高さに正確に決められることになる。したがって、従来のような微妙な圧力コントロールを必要とせず、ハンダ層溶融後に適切な押し込み圧力さえ加えられれば、容易にしかも高精度に所定の実装高さに決めることができる。
【００２７】
また、ハンダ層のハンダ量としては、上記金属層が当接した状態で相手方電極との隙間を埋めて信頼性の高い電気的接合を得るに十分な量さえ確保しておけばよく、ごく少量あるいはごく薄い層でよい。このハンダの量を適切にコントロールしておくことにより、接合時の加圧により（適切な押し込み圧力により）、溶融ハンダが金属層と相手電極との隙間を埋めるとともに適切に押し出されて金属層と電極の周りに余剰を生じることなく回り込むことができる。その結果、隣接電極との間にショートなどの不都合を生じることなく、良好に回り込むことが可能になり、信頼性の高い接合状態が得られる。
【００２８】
さらに、本発明に係る実装方法および実装装置では、非導電性接着剤中で被接合物の電極同士を接合するので、基本的にフラックスレスで実装を行うことができる。すなわち、従来方法では、たとえハンダ積層構造を採用していたとしても、非導電性接着剤中で加熱する方法ではないため、とくに相手方の電極の酸化が問題となり、フラックスを使用しないと現実的には酸化防止をはかった接合は難しい。しかし本発明では、非導電性接着剤中で加熱するので、このような酸化の問題が発生せず、フラックスレスにて酸化を生じさせることなく所望の接合を行うことが可能になる。そして前述したように、非導電性接着剤中で溶融ハンダが補強された状態で接合することになるので、ハンダ層の高さを低く設定でき、最終的な実装高さも小さく抑えることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係る実装方法および実装装置を示しており、基板２（たとえば、回路基板や液晶基板、ウエハー）に半導体チップ１（たとえば、ＩＣチップやウエハー）を実装する場合の、チップ実装直前の状態を示している。チップ１には電極３が、基板２には電極４が、それぞれ設けられており、対応する電極同士が接合される。チップ１は、チップボンディングマシンのチップ保持ツール５の下面に、たとえば吸着により保持されている。基板２は、チップ１の下方で、ボンディングマシンの基板保持ツール６上に保持固定されている。このボンディングマシンでは、チップ保持ツール５の下面に吸着保持されたチップ１の位置に対し、基板保持ツール６上に保持固定された基板２の位置が制御されるようになっており、とくに、対応する電極同士が位置合わせされるようになっている。電極同士の接合は、図１に示したようにいずれか一方の被接合物に（本実施態様では基板２上に）塗布された非導電性接着剤７が、図２に示すように展延され、その非導電性接着剤７中にて、加熱によるハンダ溶融を介して、行われる。このハンダ溶融のための加熱および後述の如く展延された非導電性接着剤７の加熱硬化のために、本実施態様では、ヒータ８が基板保持ツール６に内蔵されており、とくに本実施態様では、ヒータ８は急速加熱が可能なセラミックヒータに構成されている。また、加熱のために、基板保持ツール６側に代えてチップ保持ツール５側にヒータ９が内蔵されていてもよく、また、基板保持ツール６側とチップ保持ツール５側の両方にヒータが内蔵されていてもよい。
【００３０】
なお、本実施態様では、チップ保持ツール５側（チップ保持ヘッド側）が、本発明で言う加圧制御手段あるいは高さ制御手段に構成されているが、加圧力あるいは高さの制御は、チップ１と基板２との間で相対的に行われればよいので、基板保持ツール６側あるいはチップ保持ツール５側と基板保持ツール６側の両方を加圧制御手段あるいは高さ制御手段に構成することも可能である。
【００３１】
上記非導電性接着剤７は、非導電性ペーストとともに非導電性フィルムを含む概念である。図１に示した状態では、非導電性接着剤７を凸状に盛り上がるように塗布してある。このような凸状の塗布は、たとえばディスペンサによる塗布で行うことができる。この他、スクリーン印刷により、たとえば、部分的に平板状に塗布することも可能である。ただし、非導電性接着剤７の展延の際にボイドの巻き込みを防止するためには、上記の如く凸状に盛り上がるように塗布することが好ましい。また、スクリーン印刷等により非導電性接着剤を平板状に塗布した場合でも凸状に塗布した場合でも、基板保持ツールに内蔵されたヒータにより非導電性接着剤を加熱することで該接着剤の粘度を下げ巻き込んだボイドを抜けやすくすることにより、最終的にボイドレスとすることも有効である。
【００３２】
チップ１の電極３は、本実施態様では図３に示すように形成されている。すなわち、チップ１の一面上に設けられた、ハンダ溶融温度では溶融しない突出した金属層１１と、該金属層１１上に積層されたハンダ層１２とから形成されている。ハンダ層１２は、１〜３０μｍの厚さで薄く形成されている。このような金属層１１とハンダ層１２とからなる電極構成は、一方の被接合物の電極Ａ（本実施態様ではチップ１の電極３）だけでなく、他方の被接合物の電極Ｂ（本実施態様では基板２の電極４）に対しても適用されてもよい。
【００３３】
本実施態様では、金属層１１は無電解メッキにより基本的に熱履歴を受けることなく形成されており、その上に、ハンダ層１２がメッキ、蒸着あるいはディップ法により、基本的に大きな熱履歴を受けないか、影響の出るような熱履歴を受けることなく形成されている。したがって、実装前に形成された電極３は、基本的に熱履歴を受けておらず、実装前には加熱に伴う一次酸化膜は実質的に生じていないか、たとえ生じたとしても問題がない程度に微量であり、その状態で非導電性接着剤７中にて大気に触れない状態で実装されるから、実装前に敢えて酸化膜を洗浄除去するための処理は不要である。
【００３４】
上記のような金属層１１とハンダ層１２とからなる電極３が、図２に示したように非導電性接着剤７中で基板２の電極４に当接され、加熱によりハンダ層１２が溶融された後、チップ１がさらに基板２に近接する方向に押し込まれる。このときの加熱温度は、ハンダ層１２は溶融させるが、金属層１１は溶融させない温度とされているので、金属層１１は対向する電極４に当接し、金属層１１と電極４との間に存在していた溶融ハンダはその一部がその間で薄い膜を形成するとともに、残りが金属層１１と電極４の周囲に回り込み、図４に示すような接合状態を形成する。
【００３５】
このとき、金属層１１が対向する電極４に当接することにより、チップ１と基板２の実装間隙（実装高さ）は、金属層１１の高さと電極４の高さとの合計高さによって機械的にかつ自然に決められることになる。したがって、これら金属層１１の高さと電極４の高さが所定の高さに形成されている限り、微妙な圧力コントロールを行うことなく、容易に実装高さが高精度で決められることになる。たとえば、適切な大きさの圧力でチップ１を基板２に向けて押し込めば、実装高さは自然に高精度で決められることになる。このとき、押し込みのためには加圧力を少し上げるようにすればよい。また、高さをコントロールして所定量押し込むようにしてもよい。
【００３６】
また、上記加圧により非導電性接着剤７の展延状態もより適切なものとされ、たとえば図５に示すように、周囲に適当な大きさのフィレット１３が形成された状態とすることができる。そして、上記加熱とともに、あるいは加熱を続行することにより、非導電性接着剤７の硬化が進行し、所望の実装が完了する。上記フィレット１３の大きさは、前述したように、金属層１１上のハンダ層１２の量により、非導電性接着剤７中における電極同士の接合の際に少なくとも一方の被接合物の外側に向けて押し出される非導電性接着剤７の量を制御し、それによってその被接合物の外側に形成される非導電性接着剤７のフィレット１３の形状を所定形状に制御することができる。
【００３７】
このように、本実施態様に係る実装方法では、ボンディング条件に影響されずに、とくに微妙な圧力コントロールを行うことなく、最初に設定するハンダ層１２におけるハンダ量さえ所定の量にコントロールしておけば、最適なハンダの回り込みが可能となり、高精度でしかも信頼性の高い接合状態が容易に得られる。金属層上に形成した薄いハンダ層を溶融させた後に、押し込みのために低圧力を加えればよいので、従来のような高加圧力はふようであり、低ダメージで高精度の実装が可能である。
【００３８】
また、本発明に係る実装方法においては、金属層または／および他方の電極あるいは該他方の電極も金属層を備えている場合のその金属層の頂面を、凸状に形成しておくことが好ましい。たとえば、図６に別の実施態様を示すように、チップ２１の電極２２を、頂面が凸面２３に形成された金属層２４と、その金属層２４上に薄く積層された適切なハンダ量のハンダ層２５とから形成することができる。
【００３９】
このような頂面が凸状に形成された金属層２４を備えた電極２２を有するチップ２１を、たとえば図７に示すように非導電性接着剤２６中にて基板２７に実装する場合には、図７に示すように、適切な大きさの加圧力により凸状の金属層２４の頂面と基板２７の電極２８の頂面とが当接され、該当接状態にて両頂面間に適切な隙間が形成されるので、溶融したハンダがこの隙間を十分に埋めるとともに、金属層２４と電極２８の周囲に適切に回り込むことができる。したがって、金属層２４と電極２８の、より信頼性の高い接合が可能となる。もちろん、金属層２４の高さと電極２８の高さを適切に設定しておくことにより、実装高さは容易に高精度に決められる。このように少なくとも一方の頂面を凸状に形成しておけば、より望ましい実装が可能になる。
【００４０】
さらに本発明に係る実装方法においては、非導電性接着剤として特殊な特性挙動を示すものを使用することができる。すなわち、非導電性接着剤として、熱硬化性のものであって、塗布された状態にて図１に示したような凸状に隆起した自己形状を保持可能な、比較的高い第１の粘度を有し、温度上昇に伴い粘度が第１の粘度から比較的低い第２の粘度に低下するとともに予め設定された所定の温度範囲内で所定時間、実質的にその第２の粘度に維持され、その所定時間経過後に、第２の粘度に到達した時点から時間遅れをもって、硬化開始のためのトリガ温度の設定により、粘度が第２の粘度から上昇し硬化が進行する特性を有しているものを使用できる。
【００４１】
上記第１の粘度、第２の粘度は、非導電性接着剤の自己形状保持性能、ハンダ層の溶融温度等に応じて、適切に設定され、実質的に第２の粘度に維持される上記所定の温度範囲および所定の時間は、溶融ハンダが確実に所望の形態にまで展延、回り込みできる時間を考慮して、適切に設定される。すなわち、第１の粘度は、塗布された状態にて、図１に示したような凸状に隆起した自己形状や、たとえばスクリーン印刷で塗布された所定の自己形状を保持可能な粘度で、かつ、図２に示したようにチップ１と基板２の間で押し拡げられて展延される際、比較的高粘度を維持してボイドを巻き込まないように雰囲気気体を周囲に押し出していくことのできる粘度に設定される。第２の粘度は、たとえばハンダ層が溶融開始した際の溶融ハンダの流動性との関係で定められ、それが押し拡げられる際に大きな抵抗とならないように十分に低い粘度に設定される。そして、実質的に第２の粘度に維持される上記所定の温度範囲あるいは所定の時間は、少なくともハンダ接合のために必要な時間内は非導電性接着剤の硬化が開始されないか、あるいは硬化が進行せず、溶融ハンダが所望の形状に押し拡げられるに必要な時間を確保できる範囲に設定される。
【００４２】
このような時間の確保は、とくにトリガ温度に応じて次のように行うことができる。すなわち、トリガ温度をハンダの融点以下に設定した場合は、トリガがかかってから非導電性接着剤の硬化に至るまでの時間で設定することができる。また、トリガ温度をハンダの融点よりも高い温度に設定した場合には、ハンダの融点に達した後その温度に維持するかトリガ温度よりも低い温度に維持することにより、硬化がそれほど進行しない上記の時間を自由に設定でき、所望の接合が行われた後に再度温度を上げトリガ温度以上に上昇させることにより、非導電性接着剤を急速硬化させることができる。
【００４３】
このような非導電性接着剤の特性挙動は、温度との関係では、たとえば図８に示すように表され、時間との関係では、後述の図１０（Ｃ）に示すように表される。図８に示す特性においては、常温では比較的高い第１の粘度を示し、温度上昇に伴って徐々に粘度が低下し、やがて比較的低い第２の粘度に至り、所定の温度範囲内にある間は、実質的にその低い第２の粘度に維持され、所定の温度範囲よりも温度が上昇すると、粘度が上昇し比較的急速に硬化していく特性として表すことができる。この所定の温度範囲は、チップ実装の際の昇温特性等に応じて適切に設定すればよい。このような非導電性接着剤の特性は、非導電性接着剤を構成する樹脂とその硬化剤の組み合わせおよび組成を調整することにより達成できる。たとえば、図８に示したような特性を、比較的大きな自由度をもって、所望の特性に調整するためには、液状のビスマレイミド樹脂と、過酸化物の硬化剤を用いることが好ましい。この液状のビスマレイミド樹脂と過酸化物の硬化剤からなる非導電性接着剤は、常温では上記の如く比較的高い粘度を示し、温度が上昇すると、樹脂と硬化剤との反応が開始し、温度上昇に伴ってまず粘度が低下する。温度が上昇すると、粘度は上記のような第２の粘度まで低下し、その後温度が上昇しても所定の温度範囲内では実質的に第２の粘度に維持され、その間にハンダ接合のために必要な時間が確保される。さらに温度が上昇し、設定されたトリガ温度に到達すると、比較的急速に粘度が上昇し比較的急速に硬化する。このトリガ温度は、硬化剤の調合により比較的任意に設定可能であり、トリガ温度が高いほど急速に硬化する。
【００４４】
ちなみに従来の非導電性接着剤として用いていた樹脂は、図９に示すような粘度−温度特性を有している。すなわち、常温からの温度上昇により非導電性接着剤の粘度は低下するが、低下した粘度を維持できる温度範囲が実質的に存在せず、温度上昇により粘度が直ちに上昇し始め、硬化が開始する。したがって、本発明におけるハンダの押し拡げおよびそのハンダによる接合のための必要な粘度低下時間が十分に確保されない。また、硬化の進行が遅いため、硬化が開始してから完全硬化に近い状態になるまで長時間を要し、その間、金属層と電極の接合状態が不良にならないよう、チップを加圧した状態に保持し続ける必要がある。チップの加圧を解除できるまでの時間が長いので、タクトタイムの短縮が困難である。本発明ではこのような問題も解消される。
【００４５】
上記のような特性挙動を示す非導電性接着剤を用いたチップ実装の一連の工程を図示すると、たとえば図１０（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すようになる。各図の横軸は時間軸であり、図１０（Ａ）は、チップ保持ツール５のヘッドの上下方向の位置を示しており、チップ保持ツール５を下降させてチップ１を基板２に対し加圧し、ある時間加圧した後その加圧を解除する動作を示している。図１０（Ｂ）は、非導電性接着剤の温度の挙動を示しており、徐々に加熱されて第２の粘度に対応する温度に達した後、本例では、その後も緩やかに温度上昇され、所定の温度範囲内で非導電性接着剤の粘度が実質的に前述の第２の粘度あるいはその近傍の低粘度に維持される。温度が非導電性接着剤のトリガ温度に到達すると、非導電性接着剤の硬化が開始され、適当な温度にて加熱を停止し、非導電性接着剤を自然硬化させる。また、非導電性接着剤の硬化開始後適当な時間経過後、チップ１の加圧が解除される。
【００４６】
このような本発明に係る実装方法による効果を、とくにファインピッチ化された被接合物の実装における、低加圧力化の効果およびその場合の実装の信頼性を、試験により確認した。試験は、東レエンジニアリング（株）性ボンダーＯＦ−２０００を用いて行った。従来は、多数の電極（バンプ）を有する被接合物を実装する場合、最初から高い圧力（５０ｇ／バンプ程度）で実装していた。しかし、本発明に係る実装方法では、以下の試験結果の如く、極めて低い圧力にて所望の実装を行うことが可能となった。
【００４７】
４ｍｍ□、バンプピッチ１５μｍ、バンプサイズ１０μｍ□、バンプ数８００のチップを、対応する数の電極を備えた基板に実装した。チップのバンプ高さの平均は４．８４μｍで、バンプ高さのばらつきは±１０〜１３％であった。バンプは、Ｎｉ金属層上に、低温ハンダを溶融させたハンダ槽にディップしてハンダ槽を形成した。試験においては、０．２ｇ／バンプ、０．４ｇ／バンプ、１．０ｇ／バンプで加圧を行ったが、０．２ｇ／バンプの加圧の場合では、導通がとれないバンプが生じた。０．４ｇ／バンプの加圧の場合、導通はとれるものの高さ制御できないものがあった。１．０ｇ／バンプの加圧の場合、すべてのバンプで優れた導通が得られるとともに、高さもすべて望ましい高さに制御できた。この１．０ｇ／バンプという加圧力は、従来の加圧力に比べ、はるかに低圧力であり、低ダメージで高精度の実装が可能であることが確認できた。この試験において行った、高さ制御（チップ側ヘッドの高さ制御）、温度制御、圧力制御の特性図を図１１に示した。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る実装方法および実装装置によれば、非導電性接着剤中にて被接合物の電極同士を加熱によるハンダ溶融を介して接合するに際し、少なくとも一方の電極をハンダ溶融温度では溶融しない突出した金属層と、該金属層上に積層されたハンダ層とから形成し、実装時に、ハンダ層を溶融させた後、加圧または高さコントロールしながら被接合物を押し込むようにしたので、低圧力で実装することが可能になり、電極が回路上にエリアバンプ化された被接合物に対しても低ダメージで高精度の実装が可能となる。
【００４９】
また、金属層の高さと他方の電極の高さにより、被接合物同士の実装間隙を決めるようにすれば、従来のような微妙な圧力コントロールを行うことなく、容易に所定の実装間隙に高精度で決めることができるようになり、実装の容易化と制御の容易化の両方を達成できる。また、非導電性接着剤中での加熱接合により、フラックスレスでの実装が可能になる。
【００５０】
また、上記ハンダ層の厚みやハンダ量さえ適切に設定しておけば、ボンディング条件に影響されることなく最適なハンダの回り込みを達成でき、容易に所望の接合状態が得られる。とくに、低い実装高さが要求される場合に、極めて好適な方法を提供できる。
【００５１】
さらに、特殊な特性挙動を示す非導電性接着剤を使用すれば、溶融ハンダの挙動や接着剤の硬化についても最適な状態とすることが可能となり、一層望ましい接合状態を得ることが可能になるとともに、実装タクトの短縮をはかることも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施態様に係る実装方法および実装装置におけるチップ実装前の状態を示す概略側面図である。
【図２】図１の実装方法および実装装置において非導電性接着剤を展延させ該非導電性接着剤中で電極同士を当接させた状態を示す概略縦断面図である。
【図３】図１の実装方法および実装装置におけるチップ電極の構成を示す拡大縦断面図である。
【図４】図１の実装方法および実装装置における金属層と他方の電極が溶融ハンダを介して接合された状態を示す拡大部分縦断面図である。
【図５】図１の実装方法および実装装置における図４のステップ後の実装状態を示す概略縦断面図である。
【図６】本発明の別の実施態様に係る実装方法におけるチップ電極の構成を示す部分縦断面図である。
【図７】図６の金属層と他方の電極が溶融ハンダを介して接合された状態を示す拡大部分縦断面図である。
【図８】本発明の一実施態様に係る実装方法に使用する非導電性接着剤の温度−粘度特性の一例を示す特性図である。
【図９】従来の非導電性接着剤の温度−粘度特性の一例を示す特性図である。
【図１０】本発明の一実施態様に係る実装方法における非導電性接着剤の挙動の一例を示す特性図である。
【図１１】本発明の一実施態様に係る実装方法を試験した場合の高さ、温度、圧力の制御特性図である。
【符号の説明】
１　チップ
２　基板
３　チップの電極
４　基板の電極４
５　チップ保持ツール
６　基板保持ツール
７　非導電性接着剤
８、９　ヒータ
１１　金属層
１２　ハンダ層
１３　フィレット
２１　チップ
２２　チップの電極
２３　凸面に形成された頂面
２４　金属層
２５　ハンダ層
２６　非導電性接着剤
２７　基板
２８　基板の電極
【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】
2004088041.tif 000008
【図７】
2004088041.tif 000009
【図８】
2004088041.tif 000010
【図９】
2004088041.tif 000011
【図１０】
2004088041.tif 000012
【図１１】
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