(57)【要約】【課題】超音波フリップチップ接合において、チップを傷つけることなく安定した接合が継続できるようにする。また、接合ツールのメインテナンスの負担を低減する。【解決手段】位置合わせされたチップの電極と回路基板の電極とを、バンプを介して超音波接合する超音波フリップチップ接合方法において、接合ツール１４の押圧面とチップの背面とのあいだに樹脂フィルム１９を介在させることにより、接合ツール１４が押圧力と超音波振動を樹脂フィルム１９を介してチップに付与する。また、接合動作の繰り返しに応じて樹脂フィルム１９をフィードする。【選択図】          図３
2004165536.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チップの電極と回路基板の電極とを、バンプを介して超音波接合する超音波フリップチップ接合方法であって、
接合ツールの押圧面と前記チップの背面とのあいだに樹脂フィルムを介在させ、前記接合ツールが押圧力と超音波振動を前記樹脂フィルムを介してチップに付与することを特徴とする超音波フリップチップ接合方法。
【請求項２】
接合動作の繰り返しに応じて前記樹脂フィルムをフィードす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接合方法。
【請求項３】
チップの電極と回路基板の電極とを、バンプを介して超音波接合する超音波フリップチップ接合装置であって、
ワークを載置するワークステージと、
前記ワークを前記ワークステージの方向に押圧する接合ツールと、
前記接合ツールを超音波振動させる超音波発生手段と、
前記接合ツールの押圧面と前記ワークとのあいだに設けた樹脂フィルムを有することを特徴とする超音波フリップチップ接合装置。
【請求項４】
接合動作の繰り返しに応じて前記樹脂フィルムをフィードする樹脂フィルム供給手段を備えたことを特徴とする請求項３に記載の超音波フリップチップ接合装置。
【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を付与することにより前記両電極を電気的および機械的に接合する超音波フリップチップ実装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。このフリップチップ実装は伝送経路の短縮によるディレイの減少と耐ノイズ性の強化、さらには高密度接続や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】
ここで従来の超音波フリップチップ接合方法を図４に基づいて説明する。図４は従来からある超音波フリップチップ接合方法を示す側面図である。ここで５１はチップ、５２はチップ５１の電極、５３は電極５２上に形成されたバンプ、５４は接合ツール、５５は回路基板、５６は回路基板５５の電極、５７はワークステージ、５８は接着剤である。
【０００４】
接合動作は、まずチップ５１の電極５２と回路基板５５の電極５６とがバンプ５３を介して位置合わせされた状態で、接合ツール５４とワークステージ５７とのあいだに挟持される。一般的にはバンプ５３の素材として金が多用され、電極５６には金めっきが施される。
【０００５】
ここではバンプ５３はチップ５１の電極５２上に形成されているが、回路基板５５の電極５６上に形成される場合もある。またバンプ５３は、めっき層の析出により形成したり、ワイヤボンディングの一種であるボールボンディング工法を利用して形成するのが一般的である。
【０００６】
次に接合ツール５４は、チップ５１の背面に法線方向の押圧力（矢印タ）を加えながら超音波振動（矢印チ）を付与する。この超音波振動の方向は接合界面と平行、換言すると接合ツール５４の押圧面と平行な方向であるのが一般的である。
【０００７】
このように付与された押圧力と超音波振動により接合界面にある酸化皮膜が破れ、その他埃等の異物が除去され、加えてバンプが塑性変形してつぶれることによりバンプ内部から接合界面に新生面が現れ、接合が成される。またこのとき接合界面の超音波振動による摩擦熱により温度上昇が得られることも接合に大きく寄与する。
【０００８】
この接合工程において使用される接合ツール５４は、真空吸着ノズルでチップをピックアンドプレイスする場合もあるが、図４で示すように位置決めしてマウントされた状態（半硬化状態の接着剤５８で仮固定する場合が多い）のチップ５１と回路基板５５を本接合する場合がある。
【０００９】
こうした超音波接合が行われる場合、接合ツール５４の押圧面とチップ５１の背面とのあいだには押圧力による摩擦力が発生するが、接合ツール５４からチップ５１への超音波振動の伝達は、大半がこの摩擦力に依存している。
【００１０】
また一般的にこのような場合、接合の過程で前記押圧面には滑りが発生している。この滑り現象が小さい方が超音波振動の伝達効率が高くなることは自明であるが、一方で接合面の接合が進行してきた場合、ある程度の滑り現象がなければ超音波振動のエネルギーを吸収することができず、チップ５１の電極５２等にダメージを与えてしまう危険性がある。
【００１１】
したがって接合ツールの押圧面にチップ外形と一致するような凹所を具設し、チップを完全に固定するような手段は、接合後のワークの品質を低下させる危険性を高めるものであった。そのため超音波接合における超音波振動の伝達は押圧面における滑り現象を伴うようにしたのが一般であり、接合ツールの押圧面にもこの滑り現象を前提とした工夫が成されてきた。
【００１２】
例えば特許文献１においては、接合ツールの接合作用部に超硬合金チップをろう付けしてこの超硬合金を押圧面としたり、接合作用部の押圧面をチタンコーティングすることで耐摩耗性を向上させている。
【００１３】
この技術は接合ツールの押圧面の硬度を上げて接合ツールの摩耗を減少させるためのものであるが、逆にチップの背面を削り取る作用を生み、その削り粉が押圧面に介在してチップ背面を傷つけてしまうことになる。
【００１４】
これに対して特許文献２は別のアプローチでこの問題の解決を試みたもので、接合ツールの押圧面を摩耗しないようにするのではなく、超音波ホーンに対して接合作用部を交換容易に取り付けることにより、押圧面が摩耗した場合の押圧面の再研磨や接合作用部の交換を容易にする技術を開示している。
【００１５】
しかしこの技術を利用しても接合作用部の再研磨による再生は回数が限られる。なぜならば接合作用部は超音波伝達の共振系の一部であり、研磨の繰り返しにより共振周波数が所望の数値から外れてしまうからである。また、接合作用部を新しいものに交換する場合も取付部の締結力や突き合わせ部の面精度により振動伝達率がばらつく場合が多い。また接合作用部自体のコストは無視できない。
【００１６】
そこでさらなる工夫として、特許文献３では接合ツールの押圧面を樹脂材料で形成することで、チップが削られることを抑止するとしている。また接合ツールの押圧面がチップの硬度よりも極端に低いために摩擦力が大きくなり、超音波振動の伝導性がよくなるとしている。
【００１７】
【特許文献１】特開平１０−１５６７３号公報
【特許文献２】特開平１１−３１４１６８号公報
【特許文献３】特開２００１−７１６０号公報
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら特許文献３が開示する技術を使用した場合、接合ツールの押圧面に形成した樹脂層の摩耗が、それまでの金属面と比較して著しく早く進行することは自明であり、そのため再生のための研磨の頻度が上がることは避けられない。
【００１９】
一方前記樹脂層は硬度が低く、樹脂層を厚くすると超音波振動を吸収してしまい、エネルギー伝達効率が著しく低下してしまうという問題が発生する。
【００２０】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、接合ツールがチップに超音波振動を付与する際にも、チップの背面を削って削り粉を発生させることなく、同時に接合ツールの摩耗を抑制するために接合ツールの押圧面の硬度を上げることができる超音波フリップチップ接合を実現可能にすることを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明は第１の態様として、チップの電極と回路基板の電極とを、バンプを介して超音波接合する超音波フリップチップ接合方法において、接合ツールの押圧面と前記チップの背面とのあいだに樹脂フィルムを介在させ、
前記接合ツールが押圧力と超音波振動を前記樹脂フィルムを介してチップに付与することを特徴とする超音波フリップチップ接合方法を提供する。
【００２２】
また第２の態様として、接合動作の繰り返しに応じて前記樹脂フィルムをフィードす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接合方法を提供する。
【００２３】
さらに第３の態様として、ワークを載置するワークステージと、前記ワークを前記ワークステージの方向に押圧する接合ツールと、前記接合ツールを超音波振動させる超音波発生手段と、前記接合ツールの押圧面と前記ワークとのあいだに設けた樹脂フィルムを有することを特徴とする超音波フリップチップ接合装置を提供する。
【００２４】
加えて第４の態様として、接合動作の繰り返しに応じて前記樹脂フィルムをフィードする樹脂フィルム供給手段を備えたことを特徴とする第３の態様として記載の超音波フリップチップ接合装置を提供する。
【００２５】
【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接合方法の側面図である。図１において１はチップ、２はチップ１の電極、３は電極２上に形成されたバンプ、４は接合ツール、５は回路基板、６は回路基板５の電極、７はワークステージ、８は接着剤、９は樹脂フィルム、１０は止め輪である。
【００２６】
まず、図１（ａ）で示すように接合ツール４の押圧面を樹脂フィルム９で覆い、この樹脂フィルム９の周縁部をオーリング等の弾性を有する止め輪１０で固定する。このとき接合ツール４の側面全周に４Ａで示すような溝あるいは段差を設けておくことで樹脂フィルム９のずれを回避する。
【００２７】
次に図１（ｂ）で示すように接合ツール４を矢印アの方向に移動してチップ１の背面に押圧力を付与する。さらにこれに加えて所定のタイミングで超音波振動（矢印イ）を発生させる。
【００２８】
この結果チップ１の電極２に形成されたバンプ３が回路基板５の電極６に接合するが、チップ１の背面が接合ツール４の押圧面によって樹脂フィルム９を介して擦られるので、チップ１が削られることなく、したがって削り粉も発生しない。
【００２９】
また、接合動作の繰り返しによって樹脂フィルム９が傷つきやがて破断するが、適時樹脂フィルム９を交換することで接合作業を継続することができる。
樹脂フィルム９の交換は止め輪１０を取り外すことにより行われる。
【００３０】
本実施例では樹脂フィルムと９してポリ塩化ビニリデンを使用し、その厚さは１５μｍ程度とした。接合ツール４の押圧面の超音波振動振幅（Ｐ−Ｐ）が５μｍ程度なので、樹脂フィルム９を厚くしすぎた場合には振動の伝達率が低下するからである。厚さの設定は超音波振動の振幅にも依存するが、フリップチップ接合の場合３０μｍ以下とすることが望ましい。
【００３１】
次に、図２は本発明の他の実施形態を示す超音波フリップチップ接合方法の側面図である。図２において１４は接合ツール、１９は樹脂フィルム、２１は巻き出しローラ、２２は巻き取りローラ、２３は巻き出しローラ２１の支持台、２４は巻き取りローラ２２の支持台である。
【００３２】
またこの支持台２３と２４は、図を見て前後方向に移動可能であり、なお且つ両者の相対的位置関係が固定となっている。これは、支持台２３、２４の夫々の駆動手段が常に同一距離、同一方向の移動を行うように規制しても、あるいは機構的に連結してもよい。さらに２０はワークであり、図１で示す１〜３および５〜８と同等の構成である。
【００３３】
まず、図２（ａ）で示すようにワーク２０をワークテーブル２５に載置する。ここで支持台２３、２４を前後方向に移動させ、それに伴い予め別の位置にあった樹脂フィルム１９を接合ツール１４とワーク２０とのあいだに移動する。
【００３４】
次に図２（ｂ）で示すように接合ツール１４を矢印カの方向に移動してワーク２０に押圧力を付与する。さらにこれに加えて所定のタイミングで超音波振動（矢印キ）を発生させる。
【００３５】
この結果ワーク２０においてフリップチップ接合が成される。また図１で説明した実施例と同様に、チップの背面が接合ツール１４の押圧面によって樹脂フィルム１９を介して擦られるので、チップが削られることなく、したがって削り粉も発生しない。
【００３６】
さらに接合動作の繰り返しに応じて樹脂フィルム１９をフィードすることで、接合作業を継続することができる。フィードは接合ツール１４がワーク２０から離隔しているとき、巻き出しローラ２１から樹脂フィルム１９を巻き出すと同時に巻き込みローラ２２で巻き取ることで行われる。またこのフィードは手動であっても容易に実行可能であるが、図示しない駆動手段によることでより大量生産に好適となる。
【００３７】
図３は図２で説明した他の実施例の超音波フリップチップ接合の装置の斜視図である。図３において２５はワークステージ、１４は接合ツール、３１は超音波発生手段、３２は発振器、３３は振動子、３４は加圧手段、３５は樹脂フィルム供給手段である。
【００３８】
接合動作は、まずワーク２０をワークステージ２５上に載置し、樹脂フィルム供給手段３５を矢印サの方向に移動させる。樹脂フィルム１９が接合ツール１４とワーク２０とのあいだに位置したところで加圧手段３４が接合ツール１４を下方に移動させる。
【００３９】
接合ツール１４が樹脂フィルム１９を介してワーク２０に押圧を開始したのち、所定のタイミングで発振器３２が超音波発振を開始する。発振器から入力した電気エネルギーを振動子３３が機械的振動に変換し接合ツール１４を超音波振動させる。
【００４０】
このような接合動作の繰り返しに応じて樹脂フィルム１９をフィードし、接合が継続される。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、チップよりも硬度の低い樹脂フィルムによってチップ背面を押圧し加振するので、チップが削れて削り粉が発生することを回避できる。
したがって削り粉が押圧面に挟まってチップ背面を傷つけたり接合ツールの押圧面を傷つけたりすることがない。
【００４２】
また、接合ツールの押圧面の硬度を高くできるので、接合の繰り返しによる摩耗を抑制することが可能となる。加えて当接するのが硬度の低い樹脂フィルムのみなので摩耗量を極めて小さくすることが可能となり、接合ツール再生処理の必要性も極めて低くなる。
【００４３】
さらに硬度の低い樹脂フィルムを介すことで比較的高い摩擦係数が得られ、超音波振動の伝達ロスが少なくなる。また樹脂フィルムをフィードすることで、継続的に安定した摩擦面が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施形態を示す超音波フリップチップ接合方法の側面図
【図２】本発明の他の実施形態を示す超音波フリップチップ接合方法の側面図
【図３】図２で説明した他の実施例の超音波フリップチップ接合の装置の斜視図
【図４】従来の技術を示すフリップチップ接合方法の側面図
【符号の説明】
１  チップ
２  電極
３  バンプ
４  接合ツール
５  回路基板
６  電極
７  ワークステージ
８  接着剤
９  樹脂フィルム
１０  止め輪
１４  接合ツール
１９  樹脂フィルム
２０  ワーク
２１  巻き出しローラ
２２  巻き取りローラ
２３  支持台
２４  支持台
２５  ワークステージ
３１  超音波発生手段
３２  発振器
３３  振動子
３４  加圧手段
３５  樹脂フィルム供給手段
【図１】
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【図２】
2004165536.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004165536.tif 000006