(57)【要約】【課題】  半導体パッケージや電子素子を配線板等の基板に高温、高圧条件で圧接接合すると、基板を形成する樹脂の分解、解離が生じたり、金属材料の酸化による劣化が生じている。【解決手段】  圧接部を圧接する接合装置において、その内部における圧接部雰囲気の水分濃度を装置外部雰囲気の水分濃度に比較して小さくすることによって、低温、低圧条件下で圧接を可能にしている。この場合、圧接部を形成する接合金属端子と被接合金属端子の各表面の吸着水分量を１×１０１６分子／ｃｍ２以下にする。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接合金属端子と被接合金属端子とを圧接し電気的に接合する接合装置において、圧接部雰囲気の水分濃度を装置外部雰囲気の水分濃度に比べて小さくしたことを特徴とする接合装置。
【請求項２】
請求項１に記載の接合装置において、圧接部における接合金属端子表面および被接合金属端子表面の吸着水分量は1×１０１６分子／ｃｍ２以下であることを特徴とする接合装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の接合装置において、圧接部雰囲気の水分濃度を１０体積ｐｐｍ以下にしたことを特徴とする接合装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のうちの一つに記載の接合装置において、圧接部雰囲気の酸素濃度を１０体積ｐｐｍ以下にしたことを特徴とする接合装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のうちの一つに記載の接合装置において、少なくとも圧接部には不活性ガスが流通されていることを特徴とする接合装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のうちの一つに記載の接合装置において、少なくとも圧接部には水分を除く不純物の濃度が１００体積ｐｐｍ以下、水分の濃度が１０体積ｐｐｍ以下、酸素の濃度が１０体積ｐｐｍ以下の高純度不活性ガスが流通されていることを特徴とする接合装置。
【請求項７】
請求項６に記載の接合装置において、前記不活性ガス中の水分濃度が１体積ｐｐｍ以下であることを特徴とする接合装置。
【請求項８】
請求項項１乃至７のうちの一つに記載の接合装置において、該接合装置には装置外部より不活性ガスを供給する供給口を有し、該供給口における前記不活性ガスの水分含有量は１０体積ｐｐｍ以下であることを特徴とする接合装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のうちの一つに記載の接合装置において、前記接合装置内表面の吸着水分量が1×１０１６分子／ｃｍ２以下であることを特徴とする接合装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９のうちの一つに記載の接合装置において、前記装置内表面は電解研磨ステンレス表面、電解複合研磨ステンレス表面、酸化クロムを主成分とする電解研磨もしくは電解複合研磨表面、酸化アルミニウムを主成分とする電解研磨もしくは電解複合研磨表面のいずれかであることを特徴とする接合装置。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のうちの一つに記載の接合装置において、前記接合金属端子表面および前記被接合金属端子表面の吸着水分を1×１０１６分子／ｃｍ２以下に減少させる手段を有することを特徴とする圧接装置。
【請求項１２】
請求項５乃至８のうちの一つに記載の接合装置において、前記不活性ガスは、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトンおよびキセノンのうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする接合装置。
【請求項１３】
請求項５乃至８のうちの一つまたは請求項１２に記載の接合装置において、前記不活性ガスに水素を添加することを特徴とする接合装置。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のうちの一つに記載の接合装置において、前記接合金属端子、前記被接合金属端子および前記圧接部の周囲のうちの少なくとも一つに発生する静電気を中和または除去する手段を備えたことを特徴とする接合装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の接合装置において、前記中和または除去手段が軟Ｘ線発生手段を含むことを特徴とする接合装置。
【請求項１６】
接合金属端子と被接合金属端子とを圧接し電気的に接合する接合方法において、圧接部雰囲気の水分濃度を装置外部雰囲気の水分濃度に比べて小さくすることを特徴とする接合方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の接合方法において、圧接部における接合金属端子表面および被接合金属端子表面の吸着水分量を1×１０１６分子／ｃｍ２以下にして圧接することを特徴とする接合方法。
【請求項１８】
請求項１６または１７に記載の接合方法において、圧接部雰囲気の水分濃度を１０体積ｐｐｍ以下にすることを特徴とする接合方法。
【請求項１９】
請求項１６乃至１８のうちの一つに記載の接合方法において、圧接部雰囲気の酸素濃度を１０体積ｐｐｍ以下にすることを特徴とする接合方法。
【請求項２０】
請求項１６乃至１９のうちの一つに記載の接合方法において、少なくとも圧接部には不活性ガスを流通することを特徴とする接合方法。
【請求項２１】
請求項１６乃至２０のうちの一つに記載の接合方法において、少なくとも圧接部には水分を除く不純物の濃度が１００体積ｐｐｍ以下、水分の濃度が１０体積ｐｐｍ以下、酸素の濃度が１０体積ｐｐｍ以下の高純度不活性ガスを流通することを特徴とする接合方法。
【請求項２２】
請求項２１に記載の接合方法において、前記不活性ガス中の水分濃度を１体積ｐｐｍ以下とすることを特徴とする接合方法。
【請求項２３】
請求項１６乃至２２のうちの一つに記載の接合方法において、前記圧接部を外部雰囲気から遮断しつつ前記圧接を行い、かつ前記遮断部の内表面の吸着水分量を1×１０１６分子／ｃｍ２以下とすることを特徴とする接合方法。
【請求項２４】
請求項２０乃至２２のうちの一つに記載の接合方法において、前記不活性ガスは、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトンおよびキセノンのうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする接合方法。
【請求項２５】
請求項２０乃至２２のうちの一つまたは請求項２４に記載の接合方法において、前記不活性ガスに水素を添加することを特徴とする接合方法。
【請求項２６】
請求項１６乃至２５のうちの一つに記載の接合方法において、前記接合金属端子、前記被接合金属端子および前記圧接部の周囲のうちの少なくとも一つに発生する静電気を中和または除去することを特徴とする接合方法。
【請求項２７】
請求項２６に記載の接合方法において、前記静電気の中和または除去を軟Ｘ線を用いて行うことを特徴とする接合方法。
【請求項２８】
表面に鉛、錫、銀、金、銅、亜鉛、アルミニウム、ビスマス、インジウムおよびニッケルのうちの少なくとも一つを含む接合金属端子と表面に鉛、錫、銀、金、銅、亜鉛、アルミニウム、ビスマス、インジウムおよびニッケルのうちの少なくとも一つを含む被接合金属端子とを圧接し電気的に接合する接合方法であって、圧接部において接合を形成する表面に吸着する水分を1×１０１６分子／ｃｍ２以下に減少させた後に接合を形成することを特徴とする金属端子の接合方法。
【請求項２９】
請求項１６乃至２８のうちの一つに記載の接合方法を用いて接合した金属端子を有することを特徴とする電子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子装置の製造とくに実装において必ず用いられる接合装置に関する。さらに詳しくは、半導体チップ等の電子素子上の端子と外部引き出し用の端子とを電気的に接続するためのワイヤボンディング、フリップチップボンディング等のボンディングや、半導体素子、コンデンサ等の電子素子をプリント配線板やパッケージ基板等の実装基板に実装する際に金属端子を圧接し、電気的に接合するのに用いられる接合装置および接合方法に関する。このような接合方法は、FPC（Flexible Printed Circuit）への実装を含み、またTAB（Tape Automated Bonding）、ワイヤボンディング、フリップチップなどのワイヤレスボンディング等を含む。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話や携帯情報端末、デジタルビデオ端末等の電子装置の小型化、高機能化、高性能化に対する進展により、半導体パッケージや電子素子を搭載するプリント配線板も高機能化、小型化、軽量化が強く求められている。プリント基板に対する設計要求も従来の５０〜１００μｍデザインルールから将来的には１０μｍ以下のデザインルール要求されており、微細化要求が高まっている。これに応じ、素子とプリント基板間を電気的に接合する端子サイズが縮小する上に、端子間隔も狭ピッチ化するために、高電気的特性や高信頼性を持つ接合方法が求められている。また、デバイスのパッケージ内におけるチップと外部引出し端子との電気的接続についても高度に微細化しており、そこでも高い電気特性や高信頼性を持つ接合方法が求められている。このような接合には圧接による金属端子（はんだバンプ等も含む）同士の接合が一般的であるが、従来の圧接接合は、４００℃以上の高温で１．８乃至２トン／ｃｍ２の高圧で行なわれている。このような高温・高圧条件下においては、大気中の酸素や水分と端子金属や基板材料の樹脂などとが容易に反応して、金属材料の酸化劣化や樹脂の分解・解離などが生じ、接合部の電気的特性の劣化や機械的強度の低下による信頼性の低下、分解した有機物による汚染の問題が生じている。
【０００３】
接合時の酸化劣化を抑制する方法として、特許文献１に記載のワイヤボンディング装置などに例示されるように、処理雰囲気を不活性ガス雰囲気にすることで酸化劣化を抑制する手法がある。
【０００４】
【特許文献１】特開平５−１０９７９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述のような手法を取り入れた接合装置においても、装置立ち上げ直後の接合特性が安定しない問題や、突発的に接合特性が劣化する問題が生じ、短時間で確実に接合を形成するために、圧接圧力や圧接温度を上昇せざるを得ない。圧接圧力を上昇すると、基板となる樹脂の変形の問題を生じてしまい、圧接温度を上昇すると、樹脂が劣化するという問題を生じてしまう。
【０００６】
本発明の発明者らが鋭意研究を重ねた結果、接合温度の低温化、低圧力化、接合強度の強化を行うためには、接合時における接合部表面の吸着水分を十分に除去することが必要であることが明らかになった。そのためには、接合部雰囲気の水分を減少させることが重要である。また接合部の温度をある程度上げて接合部表面の水分を飛ばすことも必要である。さらに、雰囲気乾燥ガスの流路となる装置内表面の水分をも除去しかつその表面を水分を吸着しにくい不活性な表面とする必要があることが明らかになった。また雰囲気に含まれる酸素濃度を減らすことも効果がある。水分や酸素をそれぞれ１０体積ｐｐｍ以下、好ましくは１ｐｐｍ以下、さらに好ましくは０．１ｐｐｍ以下含んだ不活性ガス雰囲気を用いる。水素を、爆発限界の４％以下含ませてもよい。接合部を２５０℃〜３００℃程度まで加熱することにより、接合部の密着が高まり、圧接の圧力を０．５〜１０トン／ｃｍ２程度まで下げることができ、その結果素子特性の劣化を防止できる。ただし、このような乾燥した雰囲気では静電気が発生し素子の破壊を招く。これを防ぐために、静電気除去手段を設けることが好ましい。静電気除去のためには軟Ｘ線照射が効果的である。
【０００７】
特許文献１記載の手法をはんだバンプなどの接合装置に応用し、酸化劣化を抑制することが考えられるが、特許文献１の手法によれば、ボンディングを行う処理部に不活性ガスを通じることが例示されているのみで、ガス中に含まれる水分量や、ガス中に含まれる水分量を低減するための装置構成は例示されていない。金属端子表面に水分が吸着していると端子同士の密着を阻害するので、圧着の温度・圧力を高めざるを得ない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上述の問題に鑑みてなされたものであり、電子装置の電気的接合部が酸化劣化等で変質することなく高性能高信頼性化が達成できる低温・低圧条件下で圧接可能な電子装置製造用接合装置と、これを用いた接合方法および電子装置を提供することを目的とする。
【０００９】
本発明の接合装置は、接合金属端子と被接合金属端子とを圧接し電気的に接合する接合装置において、圧接部雰囲気の水分濃度を装置外部雰囲気の水分濃度に比べて小さくしたことを特徴とし、また前記圧接部における接合金属端子表面および被接合金属端子表面の吸着水分量は1×１０１６分子／ｃｍ２以下であることを特徴とする。さらに、本発明の接合装置は少なくとも圧接部には不活性ガスが流通されていることを特徴とし、また該接合装置には装置外部より前記不活性ガスを供給する供給口を有し、該供給口における前記不活性ガスの水分含有量は１０体積ｐｐｍ以下であることを特徴とする。さらに、前記不活性ガスが接触する装置内表面の吸着水分量は1×１０１６分子／ｃｍ２以下であることを特徴とする。このような装置内表面としては、電解研磨ステンレス表面、電解複合研磨ステンレス表面、酸化クロムを主成分とする電解研磨もしくは電解複合研磨表面、酸化アルミニウムを主成分とする電解研磨もしくは電解複合研磨表面が例示される。本発明の接合装置において、前記不活性ガスは、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトンおよびキセノンの少なくともいずれかを含むことを特徴とする。
【００１０】
さらに本発明の接合装置は、前記接合金属端子表面および前記被接合金属端子表面から吸着水分を1×１０１６分子／ｃｍ２以下に減少させる機構を有することを特徴とする。
【００１１】
本発明の接合装置は、装置内部において前記接合金属端子、被接合金属端子、ならびに、その周囲のいずれかまたは全部に発生する静電気を中和する機構を有することを特徴とし、該静電気の中和には軟Ｘ線を用いることが好ましい。
【００１２】
本発明の金属端子の接合方法は、接合金属端子と被接合金属端子とを圧接し、電気的に接合する接合方法であって、該接合金属端子表面および被接合金属端子表面は鉛、錫、銀、金、銅、亜鉛、アルミニウム、ビスマス、インジウム、ニッケルの少なくともいずれかを含んでおり、圧接部において接合を形成する表面に吸着する水分を1×１０１６分子／ｃｍ２以下に減少させた後に接合を形成するものである。
【００１３】
前記圧接部における接合金属端子表面および被接合金属端子表面の吸着水分量は1×１０１６分子／ｃｍ２以下であることが好ましく、単分子層吸着となる２×１０１５分子／ｃｍ２以下であることがより好ましい。これについて図１を用いて説明する。図１は銅表面と錫−鉛半田表面の吸着水分量を制御して接合を形成した際の接合特性を示す図であり、水分吸着量が1×1014分子／ｃｍ２の場合の接合強度で規格化してプロットしている。吸着水分量の制御は、予め対象表面と同種の表面を用いて雰囲気水分濃度と吸着水分量の関係を実験的に導出し、雰囲気の水分濃度を制御することで行った。図１より、接合を形成する面の吸着水分量が単分子層吸着から多分子層吸着となる２×１０１５分子／ｃｍ２より接合特性が劣化し始め１×１０１６分子／ｃｍ２を超えると著しく劣化することがわかる。
【００１４】
従って被接合金属端子表面の吸着水分量は1×１０１６分子／ｃｍ２以下であることが好ましく、単分子層吸着となる２×１０１５分子／ｃｍ２以下であることがより好ましい。このような水分吸着量を実現するためには、圧接部に不活性ガスを流通することで吸着水分量を低減することができる。供給する不活性ガスの水分含有量は１０体積ｐｐｍ以下であることが好ましい。この場合、接合面への水分吸着量が１×１０１６分子／ｃｍ２となることが実験により明らかになっている。前記不活性ガスが接触する装置内表面に水分が吸着すると、装置立ち上げ時に装置内に吸着した水分の除去に長時間を要したり、吸着水分が脱離して接合面に吸着して接合特性を悪化させたりする。したがって前記不活性ガスが接触する装置内表面の吸着水分量は1×１０１６分子／ｃｍ２以下であることが好ましく、２×１０１５分子／ｃｍ２以下がより好ましい。このような装置内表面としては、電解研磨ステンレス表面、電解複合研磨ステンレス表面、酸化クロムを主成分とする電解研磨もしくは電解複合研磨表面、酸化アルミニウムを主成分とする電解研磨もしくは電解複合研磨表面が水分吸着量が水分吸着量が少なく好ましい。本発明の接合装置において、前記不活性ガスは、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンなどが例示されるが、これらを混合して用いても良い。接合部の酸化を抑制する観点から、０．１％以上４％以下の水素を混合することがより好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の接合装置および接合方法は、圧接部雰囲気の水分濃度が装置外部雰囲気の水分濃度に比べて小さいため、接合強度を劣化することなく、接合温度の低温化、接合圧力の低圧化が可能となる。これにより、素子の電気的特性の劣化や、樹脂の熱劣化や変形を抑えて接合を形成することができる。さらに、本発明の接合では軟Ｘ線を用いた静電気中和装置を有しているため、静電気により製品が破壊することを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の実施例における接合装置について図２を用いて説明する。図２は本実施例の接合装置の構造を示す概略図であり、実装基板１０を基板導入室１１から導入し、基板表面吸着水分除去室１２において乾燥不活性ガス１３を導入して水分を除去する。
【００１７】
一方、実装基板１０に実装されるべき素子２０は素子導入室２１から素子表面吸着水分除去室２２に導入され乾燥不活性ガス２３によって表面の水分が除去される。両者は圧接アーム３４と圧接ステージ３５を有する圧接室３１で圧接される。
【００１８】
接合装置は、図示しない基板搬送機構と、同様に図示しない素子搬送機構と、図示しない基板搬出室とを有している。基板表面吸着水分除去室１２および素子表面吸着水分除去室２２には、低露点不活性ガス１３、２３がそれぞれ供給され、基板１０および素子２０保持中に吸着水分が除去される。供給された低露点不活性ガスは、接合部となる表面を流通し排気される。排気部は、外部からの水分の逆拡散が生じないようにオリフィス１４、２４をそれぞれ備えている。
【００１９】
本実施例では、供給ガス１３、２３の流量１リットル／ｍｉｎ、オリフィス部１４、２４の通過風速を３３ｃｍ／秒、オリフィス径８ｍｍ、オリフィス長を１０ｃｍとした。装置内表面はすべて酸化クロム皮膜電解研磨ステンレス表面し、水分の吸着を抑止した。圧接部においては圧接アーム３４に乾燥雰囲気中で素子２０を受け渡しが可能になっており、圧接アーム部ではアーム３４駆動部からの水分進入を抑制するためにアーム駆動部に向かってガス流３３を形成している。圧接ステージ３５上には圧接部不活性ガス導入機構３２を設け、圧接部の水分量を徹底的に削減した。圧接部低露点不活性ガス導入機構３２は配管にガス噴射用の小穴を多数設けたものを用いた。図示された装置は、装置内部において接合金属端子、被接合金属端子、ならびに、その周囲のいずれか、または、全部に発生する静電気を中和する機構として、軟Ｘ線照射装置３６を備え、当該軟Ｘ線照射装置３６かせの軟Ｘ線により、静電気を中する構造を有していめ。
【００２０】
この装置において、圧接ステージ３５上での水分濃度を計測したところ、１０体積ｐｐｂであり、基板および素子への水分吸着量は１０１４分子／ｃｍ２であった。この装置を用いて接合を形成した結果、従来に比べ低温の３００℃において従来の約半分の圧接圧力である１０ｔ／ｃｍ２で良好な接合を形成できた。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
本発明の接合装置および接合方法は、パッケージ内での素子端子と外部引き出し端子との圧接接合に適用して効果があるだけでなく、デバイスパッケージまたはベアチップを実装基板に実装する際の圧接接合に適用して効果がある。本発明によれば、本発明の接合方法を用いて接合した金属端子を有する高信頼性の半導体装置、フラットパネルディスプレイ装置、コンピュータ、携帯電話、携帯情報端末、デジタルビデオ端末等の電子装置を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】銅表面と錫−鉛半田表面の吸着水分量を制御して接合を形成した際の接合特性を示す図である。
【図２】本発明の実施例に係る接合装置を示す概略図である。
【符号の説明】
【００２３】
１０    実装基板
１１    基板導入室
１２    基板表面吸着水分除去室
１３    乾燥不活性ガス
２０    実装されるべき素子
２１    素子導入室
２２    素子表面吸着水分除去室
２３    乾燥不活性ガス
３１    圧接室
３４    圧接アーム
３５    圧接ステージ
３６    軟Ｘ線照射装置
【図１】
2005285959.tif 000003
【図２】
2005285959.tif 000004