(57)【要約】【課題】超音波フリップチップ実装装置において、接合条件の設定と接合結果の確認を正確で容易なものとする。【解決手段】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装置であって、条件入力部には、押圧力プロファイル、超音波振動振幅プロファイル、押圧力時間積、超音波振動出力時間積、異常検出範囲を設定可能とし、表示部には設定した、押圧力プロファイル、超音波振動振幅プロファイル、押圧力時間積、超音波振動出力時間積、異常検出範囲を表示可能とし、合わせて接合結果である押圧力結果、超音波振動出力結果、押圧力時間積結果、超音波振動出力時間積結果を表示可能とする。【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装置であって、
回路基板を載置するステージと、チップを吸着保持する接合ツールと、前記接合ツールを介して前記チップを前記回路基板に向けて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、前記加圧手段と前記超音波振動発生手段とを制御する制御部と、条件入力部と、表示部を有し、
前記条件入力部には接合条件として、押圧力プロファイル、超音波振動振幅プロファイル、押圧力時間積、超音波振動出力時間積、異常検出範囲を設定可能とし、
前記表示部には、接合条件として設定した、押圧力プロファイル、超音波振動振幅プロファイル、押圧力時間積、超音波振動出力時間積、異常検出範囲を表示可能とし、
合わせて接合結果である、押圧力結果、超音波振動出力結果、押圧力時間積結果、超音波振動出力時間積結果を表示可能とすることを特徴とする超音波フリップチップ実装装置。
【請求項２】
前記表示部に表示される各種データのうち、少なくとも設定した超音波振動振幅プロファイルと、接合結果である押圧力結果と、接合結果である超音波振動出力結果とは、同一時間軸に描かれたグラフの重ね合わせ表示であ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装置。
【請求項３】
設定する前記異常検出範囲は、少なくとも設定した押圧力プロファイル、超音波振動出力、押圧力時間積および超音波振動出力時間積に対する範囲であることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の超音波フリップチップ実装装置。
【請求項４】
前記異常検出範囲のうち、設定した押圧力プロファイルと超音波振動出力とに関する範囲設定は２段階設定とし、第１段階である範囲１は１回の接合において予め定めた複数回以上の範囲到達を異常とみなし、第２段階である範囲２は１回でも範囲到達が生じれば異常とみなす事を特徴とする請求項３に記載の超音波フリップチップ実装装置。
【請求項５】
前記条件入力部と前記表示部とで構成される形態が、タッチパネル付表示装置であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の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】
ＩＣチップ等のベアチップを回路基板に実装する場合に、チップの電極あるいは回路基板の電極に形成したバンプを介してチップと回路基板をフェイスダウン状態で挟持し、接合面に押圧力と超音波振動とを付与して金属間接合する超音波フリップチップ実装装置に関するものである。
【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、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４、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４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５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４（ａ）において、キャピラリ２０１に保持されたＡｕ等の金属から成るワイヤ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４（ｂ）で示すように、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５（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５（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５（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】
また、図５においてはめっきによるバンプ形成を説明したが、このマスキング法を基本として蒸着や塗布等他の工法でバンプ形成が可能なことは言うまでもない。
【０００８】
以上図４および図５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。この場合は、回路基板の電極上に形成したバンプとチップの電極との接合でフリップチップ実装を実現する。
【０００９】
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バンプと回路基板の電極との接触面から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。
【００１０】
図６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７は図４で示した鋲状バンプの接合過程を説明する図である。図６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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
前記２方向の物理的作用でバンプ２０７は図７（ａ）から図７（ｂ）のように変形しながら電極１０５に接合する。図７では鋲状バンプの接合過程を示しているが、図５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。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、バンプの先端が接合対象である電極に接触してから接合が完了するまでの過程において、押圧力の変化と超音波振動の開始及び停止のタイミング、加えて超音波振動の振幅のコントロールが接合の品質に大きく影響するのは言うまでもない。
【００１５】
つまりバンプが押圧力の変化によってつぶれて行く過程で、超音波振動が如何に付与されるか（タイミングと振幅）が接合の品質に大きく関わってくる。
【００１６】
また、これらはバンプや電極の材質、バンプの形状、バンプ数等ワークの品種により異なる設定を行わねばならないのが現状である。さらには押圧力の変動による超音波振動の負荷の変動、加えて接合の進行によって接合完了面積が増大することによる超音波振動の負荷変動が生じるため、実際の超音波振動振幅が設定どおりに付与されているかを確認することが接合品質の維持において重要となる。
【００１７】
また、接合過程全体で接合部に付与したエネルギーの総量も接合品質に大きく関与するため、押圧力時間積および超音波振動出力時間積を管理する必要がある。
【００１８】
しかしながら従来技術においては、超音波振動の波形はオシロスコープを超音波発生手段に接続して確認することが多く、近年でも例えば特許第３１７６５８０号公報で開示されているように、フィードバックされた振動の波形そのものを基準値と比較する方法（図８）や、この波形を基準周波数のスペクトルとして比較する方法（図９）にすぎない。
【００１９】
また特開２００１−１２７１１２公報で開示された技術においても、フィードバックした振動の波形そのものを予め用意した最適波形と比較し、基準値から外れた場合に異常を表示するにすぎない。
【００２０】
つまり従来の技術では、押圧力の変化の情報あるいは超音波振動振幅の設定情報と共にこれらと時間的にリンクさせながら実際の超音波振動の出力状態を確認することが不可能であった。
【００２１】
また、従来のように超音波振動波形の基準値との比較をもとに異常を検出することのみでは接合の異常検出においては不十分であり、これと同時に押圧力の異常検出、接合時間全体で付与した各種エネルギーの異常検出も行う必要があった。
【００２２】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、超音波フリップチップ実装において主たる接合条件である押圧力と超音波振動状態とを時間経過における変化を含めて表示可能とすることで、接合条件の的確な設定を操作者が容易に行えるようにし、接合状態の確認においても操作者が容易に把握できるようにする。
【００２３】
またさらに、押圧力や超音波振動状態を様々な方向から異常監視することを可能とする。
【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、回路基板を載置するステージとチップを吸着保持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向けて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前記加圧手段と前記超音波振動発生手段とを制御する制御部と条件入力部と表示部を有し、前記条件入力部には接合条件として、押圧力プロファイル、超音波振動振幅プロファイル、押圧力時間積、超音波振動出力時間積、異常検出範囲を設定可能とし、前記表示部には接合条件として設定した、押圧力プロファイル、超音波振動振幅プロファイル、押圧力時間積、超音波振動出力時間積、異常検出範囲を表示可能とし、合わせて接合結果である、押圧力結果、超音波振動出力結果、押圧力時間積結果、超音波振動出力時間積結果を表示可能と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。
【００２５】
また第２の態様として、前記表示部に表示される各種データのうち、少なくとも設定した超音波振動振幅プロファイルと、接合結果である押圧力結果と、接合結果である超音波振動出力結果とは、同一時間軸に描かれたグラフの重ね合わせ表示であ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装置を提供する。
【００２６】
また第３の態様として、設定する前記異常検出範囲は、少なくとも設定した押圧力プロファイル、超音波振動出力、押圧力時間積および超音波振動出力時間積に対する範囲であることを特徴とする第１あるいは第２の態様として記載の超音波フリップチップ実装装置を提供する。
【００２７】
さらに第４の態様として、前記異常検出範囲のうち、設定した押圧力プロファイルと超音波振動出力とに関する範囲設定は２段階設定とし、第１段階である範囲１は１回の接合動作において予め定めた複数回以上の範囲到達を異常とみなし、第２段階である範囲２は１回でも範囲到達が生じれば異常とみなす事を特徴とする第３の態様として記載の超音波フリップチップ実装装置を提供する。
【００２８】
加えて第５の態様として、前記条件入力部と前記表示部とで構成される形態が、タッチパネル付表示装置であることを特徴とする第１から第４のいずれかの態様として記載の超音波フリップチップ実装装置を提供する。
【００２９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の１実施形態を示す超音波フリップチップ実装装置の斜視図である。図１において、回路基板１０４はステージ１０３に載置され図示しない保持手段により位置ずれしないように保持される。また、チップ２０４は超音波ホーン１０８に具設された接合ツール１０１の吸着面に、エア流路１０によるバキューム作用で吸着保持される。
【００３０】
ここで操作者は、時間情報を伴った押圧力設定情報（以下押圧力プロファイルと記す）と時間情報を伴った超音波振動設定情報（以下超音波振動振幅プロファイルと記す）と異常検出範囲設定情報を条件入力部１１に入力する。
【００３１】
前記３種の設定情報を条件入力部１１から受け取った制御部２は、これらを表示部１２に表示する。特に超音波振動振幅プロファイルに関しては、数値表示と共にグラフ表示も行う。
【００３２】
その後操作者が接合動作開始を命じると、回路基板１０４上の電極１０５とチップ２０４の下面に形成してある図示しないバンプ２０７を位置合わせしたのち、制御部２から加圧手段１に指令が発せられ、接合ツール１０１の下降に伴ってＩＣチップ２０４が下降する。
【００３３】
制御部２はエンコーダ４からフィードバックされる位置情報（加圧手段１の動作情報）と圧力センサ３からフィードバックされる圧力情報を取得し、押圧動作の制御を行う。
【００３４】
やがてバンプ２０７の先端が電極１０５に当接し、その後加圧手段１が更に加圧力を増大させると共に制御部２から発振器１０６に指令が発せられ、発振器１０６は超音波振動の電気エネルギーを振動子１０７に出力する。
【００３５】
振動子１０７は入力された電気エネルギーを機械的な超音波振動に変換してホーン１０８に出力する。ホーン１０８はこの超音波振動を接合ツール１０１に伝達し、バンプ２０７と電極１０５の接合面には矢印エ方向の押圧力が加えられると共に接合面と平行方向の超音波振動が加えられる。
【００３６】
このとき発振器１０６は、振動子１０７からフィードバックされてくる接合ツール１０１の振動負荷を反映した情報に基づきながら指令値どおりの振動を発生させるように出力を制御しつつ、制御部２に対して実際の超音波振動の出力情報を送信する。また前述したように、このとき制御部２は、圧力センサ３から圧力情報を取得している。
【００３７】
制御部２は、前記超音波振動の出力情報から得た超音波振動出力結果と前記圧力情報から得た押圧力結果を表示部１２に出力する。これらを表示部１２は、すでに表示済みの超音波振動振幅プロファイルのグラフに同一時間軸上に重ね合わせて表示する。
【００３８】
このときの表示部１２の表示を図２および図３に基づいて説明する。図２のグラフにおいて、横軸としては時間、縦軸としては押圧力と超音波振動出力と超音波振動振幅が設定されている。ここで線Ａは前記した押圧力結果であり縦軸のうち単位（Ｎ）で表わした線である。また線Ｂは操作者が設定した超音波振動振幅プロファイルであり、縦軸のうち単位（μｍ）で表わした線である。
【００３９】
さらに線Ｃは前記した超音波振動出力結果、つまり接合時に実際出力された超音波振動出力が表示されたものである。ここで線Ｃは縦軸のうち単位（Ｗ）で表わされ、前記した超音波振動振幅プロファイル（線Ｂ）と単位は異なるが、同一時間軸上でそれぞれの値の変化が比較できるようになっている。
【００４０】
また図２下部には、押圧力時間積結果と超音波振動出力時間積結果が表示されるようになっており、押圧力あるいは超音波振動によって接合部に与えらたエネルギーの総量が即座に操作者に分かるようになっている。
【００４１】
次に図３に基づいて異常検出範囲の表示を説明する。図３で示す表示画面には大きく二つの欄があり、上覧は押圧力に関する設定情報、下欄は超音波振動に関する設定情報が表示される。
【００４２】
まず上覧には押圧力プロファイルを数値的に表示する表が設けられ、押圧力、目標押圧力に到達するまでの到達時間、目標押圧力の保持時間の３項目を一次押圧、二次押圧、三次押圧の三段階で表示できるようにしてある。
【００４３】
また上覧には他に異常検出範囲の表示欄が設けてある。異常検出の設定は大きく２項目に別れており、一つは押圧力プロファイルに対する範囲、もう一つは押圧力時間積に対する範囲が表示できるようになっている。
【００４４】
さらに押圧力プロファイルに対する異常検出範囲は２段階になっており、第１段階である範囲１は、１回の接合動作において、設定した範囲に複数回（例えば１０回）以上到達した場合を異常とみなす。また第２段階である範囲２は、設定した範囲に１回でも到達した場合を異常とみなす。
【００４５】
本実施例では、これらの範囲を押圧力プロファイルの値の±パーセントで設定できるようになっている。同様に押圧力時間積の異常検出範囲も、予め設定した基準値とこの基準値から何％以上離れたときを異常と認識するかを表示できるようにしてある。
【００４６】
下欄には超音波振動振幅プロファイルを数値的に表示する表が設けられ、超音波振動振幅、目標振幅に到達するまでの到達時間、目標振幅の保持時間の３項目を一次加振、二次加振、三次加振の三段階で表示できるようにしてある。
【００４７】
また下覧にも異常検出範囲の表示欄が設けてある。異常検出の設定は大きく２項目に別れており、一つは超音波振動出力に対する範囲、もう一つは超音波振動出力時間積に対する範囲が表示できるようになっている。
【００４８】
前記超音波振動出力は、設定した超音波振動振幅プロファイルで実際にサンプルワークを接合したときの超音波振動出力結果から得られるもので、これを記憶し、次からの接合の異常検出範囲の基準値とする。つまり、図２線Ｃに相当する曲線を品種毎に１度サンプリングし、基準値として使用するものである。
【００４９】
さらにこの超音波振動出力に対する範囲も２段階になっており、第１段階である範囲１は、１回の接合動作において、設定した範囲に複数回（例えば１０回）以上到達した場合を異常とみなす。また第２段階である範囲２は、設定した範囲に１回でも到達した場合を異常とみなす。
【００５０】
本実施例では、これらの範囲を超音波振動出力の値の±パーセントで設定できるようになっている。同様に超音波振動出力時間積の異常検出範囲も、予め設定した基準値から何％以上離れたときを異常と認識するかを表示できるようにしてある。
【００５１】
ここまで接合条件の設定を行う条件入力部１１と、接合条件のプロファイルおよび接合結果を表示する表示部１２を構造上別個のもののように表現してきたが、表示部の画面上にタッチパネルを配して条件入力部１１と表示部１２を一体化することができる。
【００５２】
前記した図２で示す画面と図３で示す画面は同一表示部に切換表示することが容易であるから、条件値入力用の表示も加えてタッチパネルで入力するようにすれば、超音波フリップチップ実装装置全体をよりコンパクトにできる。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、１秒足らずの短時間で行われる接合において、押圧力と超音波振動の組み合わせによる接合の条件を、時間軸を統一して視覚的に把握しながら設定できる。これにより、接合対象の品種毎に最適な条件設定を容易に行うことができる。
【００５４】
また設定したプロファイルどおりに接合が行われているか否かを、前記時間軸上でほぼリアルタイムで確認することができ、操作者は装置の異常あるいは条件設定の不適にいち早く気づくことができる。さらには、設定した異常検出範囲に達しない接合の状態の傾向をも把握することが可能となる。
【００５５】
また、接合対象の品種毎の諸条件を時間の経過とリンクした形で総合的に記録することが容易となり、信頼性の高い条件データが蓄積できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施の形態を示す超音波フリップチップ実装装置の斜視図
【図２】接合条件と接合結果のグラフ表示の一例を示す図
【図３】設定条件と異常検出範囲の数値表示の一例を示す図
【図４】バンプ形成方法の一形態を示す断面図
【図５】バンプ形成方法の他の一形態を示す断面図
【図６】従来の超音波フリップチップ実装装置の主要部を示す図
【図７】超音波フリップチップ実装の過程を示す側面図
【図８】従来技術による超音波振動の波形表示
【図９】従来技術による超音波振動のスペクトル表示
【符号の説明】
１　加圧手段
２　制御部
３　圧力センサ
４　エンコーダ
１０　エア流路
１１　条件入力部
１２　表示部
１０１　接合ツール
１０３　ステージ
１０４　回路基板
１０５　電極
１０６　超音波発振器
１０７　振動子
１０８　ホーン
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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