(57)【要約】      （修正有）【課題】歩留まりを向上することが可能なフリップチップ実装方法を提供する。【解決手段】超音波振動を印加して、半導体素子を回路基板に実装するフリップチップ実装方法であって、半導体素子及び回路基板を用意するＳ１、Ｓ２工程と、半導体素子に設けた電極部に金属バンプを形成するＳ３工程と、半導体素子を回路基板に対して近接及び離反方向に移動可能なボンディングツールに固定するＳ４工程と、ボンディングツールを回路基板に近接させ、金属バンプを回路基板上に設けられた電気配線部上に載置するＳ５工程と、ボンディングツールに超音波振動を印加して、金属バンプを介して半導体素子と前記回路基板を接合するＳ６工程とを含み、接合前における金属バンプは、電極部との間における単位面積当たりの接合強度が、第１基板と電極部との間における単位面積当たりの接合強度より小さくなるよう形成されていることを特徴とする。【選択図】図２
2012204420.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波振動を印加して、半導体素子を回路基板に実装するフリップチップ実装方法であって、
第１基板と、前記第１基板上に形成された素子部と、前記第１基板上に素子部と電気的に接続して設けられた電極部とを備える半導体素子と、を用意する工程と、
第２基板と、前記第２基板上に形成された電気配線部とを備える回路基板を用意する工程と、
前記電極部に金属バンプを形成する工程と、
前記半導体素子を前記回路基板に対して近接及び離反方向に移動可能なボンディングツールに固定する工程と、
前記ボンディングツールを前記回路基板に近接させ、前記金属バンプを前記回路基板上に設けられた前記電気配線部上に載置する工程と、
前記ボンディングツールに超音波振動を印加して、前記金属バンプを介して前記半導体素子と前記回路基板を接合する工程とを含み、
前記接合前における前記金属バンプは、前記電極部との間における単位面積当たりの接合強度が、前記第１基板と前記電極部との間における単位面積当たりの接合強度より小さくなるよう形成されている
ことを特徴とするフリップチップ実装方法。
【請求項２】
前記電極部に金属バンプを形成する工程は、
前記金属バンプと同素材の金属線を用意し、前記金属線の先端を加熱して球状部を形成し、前記球状部を前記電極部に押圧しながら超音波振動を印加して前記球状部と前記電極部を接合する工程を含み、
前記金属バンプと前記電極部との間における単位面積当たりの接合強度は、当該工程における超音波振動エネルギー、前記球状部を前記電極部に押圧する荷重、接合する時間のいずれか一つ、またはそれらの組み合わせにより調整する
ことを特徴とする請求項１に記載のフリップチップ実装方法。
【請求項３】
前記電極部と前記金属バンプ間の前記接合前におけるシェア強度は、
前記電極部と前記金属バンプ間における接合面積が、前記電極部と前記金属バンプ間における接触面積と等しい場合における、前記電極部と前記金属バンプ間におけるシェア強度の７０％以下であり、かつ、２０％以上である
ことを特徴とする請求項１または２に記載のフリップチップ実装方法。
【請求項４】
前記電極部と前記金属バンプ間の前記接合前における接合面積が、前記電極部と前記金属バンプ間における接触面積の９０％以下であり、かつ、１０％以上である
ことを特徴とする請求項１または２に記載のフリップチップ実装方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のフリップチップ実装方法を含む光電変換モジュールの製造方法であって、
前記半導体素子は、光電変換部と、該光電変換部と電気的に接続された電極部とが基板上に搭載された光電変換素子であり、
前記回路基板は、光ファイバが固定される光ファイバ保持穴が貫通形成された絶縁樹脂製基体と、該光ファイバ保持穴に挿入される前記光ファイバの先端が位置決め固定される素子搭載面に露出して形成された電気配線部とを備える光フェルールであり、
前記光電変換部が前記光フェルールの前記素子搭載面における前記光フェルール保持穴の開口位置に固定される、
ことを特徴とする光電変換モジュールの製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載の光電変換モジュールの製造方法の後に、
前記光ファイバ保持穴に光ファイバを挿入する工程と、
前記光電変換素子と光フェルールとの間にアンダーフィル材を充填して硬化するアンダーフィル工程と
をさらに備えることを特徴とする光電変換モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波フリップチップ実装方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子部品を回路基板に搭載する方法として、フリップチップ実装が知られている。例えば特許文献１には、超音波発信手段を備えたチップボンディング装置により、半導体チップの電極端子と回路基板上の回路パターンとを超音波エネルギーにより金属バンプを介して金属接合する超音波接合法が開示されている。この超音波接合法は、短時間で接合可能であり、また、接合に要する温度が低温で済み、かつ低コストである点で、はんだ接合法などと比較して有利である。なお、金属バンプは、銅、アルミ、金のメッキによる電極上に、金、アルミなどの金属を半球状に突出形成したものである。
【０００３】
超音波接合法では、接合強度においてはんだ接合法などと比べて弱いため、接合部における接合強度信頼性を確保するために、接合された半導体チップと回路基板との間に熱硬化性樹脂を充填・硬化して外部ストレスを緩和するアンダーフィル処理が行われる。
【０００４】
また、特許文献２にはチップボンディング装置において、半導体チップに超音波振動を印加するボンディングツールから、半導体チップへの効率的な超音波振動伝達を可能にすることで、半導体チップと回路基板との接合強度を安定して得ることを可能にする技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１−１４６３３７号公報
【特許文献２】特開２００５−２７６９４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のような超音波接合法においては、電子部品の製造工程、取り扱い、試験時など、アンダーフィル処理前に金属バンプに機械的な衝撃が加わる場合があり、接合強度が劣化したり、金属バンプが欠落し、歩留まり低下の原因となる。そのため、金属バンプと電極端子及び回路パターンの接合強度を強固にすることが望まれる。
【０００７】
金属バンプは、半導体チップ上の金属製電極端子と、回路基板上の金属製回路パターンのいずれかに形成される。一方、半導体チップの電極端子や回路基板上の回路パターンは基板上に形成される。しかし、一般に金属間結合に対して、金属と基板の接合強度は原子間力による結合であるため弱くなり易い。
【０００８】
これを、図９を参照して説明する。半導体チップ１００は第１基板１０１と、図示しない素子部と、第１基板１０１上に素子部と電気的に接合して設けられた電極端子１０２と、電極端子１０２上に形成された金属バンプ１０３から構成される。また、半導体チップ１００が搭載される回路基板１０５は、第２基板１０７と、その表面に形成された金属製の回路パターン１０６から構成される。第１基板及び第２基板表面には図示しない絶縁層が形成されており、電極端子及び回路基板からの漏れ電流発生を防止する。
【０００９】
半導体チップ１００は、第１基板１０１の裏側からボンディングツール１０４に吸着固定されており、この状態でボンディングツール１０４から超音波振動を印加すると、超音波振動エネルギーはボンディングツール１０４から第１基板１０１、電極端子１０２を経て、金属バンプ１０３に伝導する。しかしながら、第１基板１０１と金属製の電極端子１０２は接合強度の弱いので、超音波印加時にはこの当接面において滑り現象Ｓが発生する。このような滑り現象Ｓが発生すると、ボンディングツール１０４に印加された超音波振動が金属バンプ１０３と電極端子１０２及び回路パターン１０６の当接面に充分に伝達されないので、半導体チップ１００と回路基板１０５の接合力が不足する。充分な接合強度を得るべく超音波印加時間を長くしたり、超音波振動強度を大きくすると、過度の超音波エネルギーが半導体チップ１００の第１基板１０１と電極端子１０２の当接面に加わり、滑り現象Ｓがより顕著となるため、半導体チップ１０２が損傷するという問題がある。
【００１０】
本発明は、上記問題点を解消するためになされたものであり、超音波接合法によるフリップチップ実装において、超音波振動強度を小さく、また超音波印加時間を短くしても金属バンプと半導体チップ及び回路基板の接合強度を強固にすることが可能な超音波フリップチップ実装方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のフリップチップ実装方法は、（１）第１基板と、第１基板上に形成された素子部と、第１基板上に素子部と電気的に接続して設けられた電極部とを備える半導体素子を用意する工程と、（２）第２基板と、第２基板上に形成された電気配線部とを備える回路基板を用意する工程と、（３）電極部に金属バンプを形成する工程と、（４）半導体素子を回路基板に対して近接及び離反方向に移動可能なボンディングツールに固定する工程と、（５）ボンディングツールを回路基板に近接させ、金属バンプを回路基板上に設けられた電気配線部上に載置する工程と、（６）ボンディングツールに超音波振動を印加して、金属バンプを介して半導体素子と回路基板を接合する工程とを含む。さらに、接合前における金属バンプは、電極部との間における単位面積当たりの接合強度が、第１基板と電極部との間における単位面積当たりの接合強度より小さくなるよう形成されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明のフリップチップ実装方法において、（３）電極部に金属バンプを形成する工程は、金属バンプと同素材の金属線を用意し、金属線の先端を加熱して球状部を形成し、球状部を電極部に押圧しながら超音波振動を印加して球状部と電極部を接合する工程を含み、金属バンプと電極部との間における単位面積当たりの接合強度は、当該工程における超音波振動エネルギー、球状部を電極部に押圧する荷重、接合する時間のいずれか一つ、またはそれらの組み合わせにより調整するのが好適である。
【００１３】
本発明のフリップチップ実装方法において、電極部と金属バンプ間の接合前におけるシェア強度は、電極部と金属バンプ間における接合面積が、電極部と金属バンプ間における接触面積と等しい場合における、電極部と金属バンプ間におけるシェア強度の７０％以下であり、かつ、２０％以上であることが好ましい。
【００１４】
本発明のフリップチップ実装方法において、電極部と金属バンプ間の接合前における接合面積が、電極部と金属バンプ間における接触面積の９０％以下であり、かつ、１０％以上であることが好ましい。
【００１５】
本発明の光電変換モジュールの製造方法は、上記のフリップチップ実装方法において、（１）半導体素子は、光電変換部と、該光電変換部と電気的に接続された電極部とが基板上に搭載された光電変換素子であり、（２）回路基板は、光ファイバが固定される光ファイバ保持穴が貫通形成された絶縁樹脂製基体と、該光ファイバ保持穴に挿入される前記光ファイバの先端が位置決め固定される素子搭載面に露出して形成された電気配線部とを備える光フェルールであり、（３）光電変換部が光フェルールの素子搭載面における光フェルール保持穴の開口位置に固定されることを特徴とする。
【００１６】
上記の光電変換モジュールの製造方法は、上記光電変換モジュールの製造方法の後に、
（１）光ファイバ保持穴に光ファイバを挿入する工程と、（２）電変換素子と光フェルールとの間にアンダーフィル材を充填し、硬化するアンダーフィル工程とをさらに備えていてもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のフリップチップ実装方法および光電変換モジュールの製造方法によれば、超音波振動強度を小さく、また超音波印加時間を短くしても、金属バンプと半導体素子及び回路基板の接合強度を強固にすることができるから、工程における歩留まりを向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明のフリップチップ実装方法に適用可能な半導体素子の一例を示す図である。
【図２】本発明のフリップチップ実装方法の一例を示すフローチャートである。
【図３】本発明のフリップチップ実装方法の一例を示す概念図である。
【図４】シェア強度の測定方法を示す概念図である。
【図５】金属バンプと電極部との接触面を示す図である。
【図６】金属バンプと電極部との接触面積と称する接合面積の比率とシェア強度の関係を示すグラフである。
【図７】金属バンプを半導体素子の電極部上に形成する方法の一例を示す図である。
【図８】光電変換モジュールの製造方法の一部を示す図である。
【図９】従来のフリップチップ実装における接合部を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複説明を省略する。
【００２０】
（半導体素子）
図１は、本発明の超音波フリップチップ実装方法に適用可能な半導体素子の一例を示す図である。半導体素子１０は第１基板１１と、第１基板１１上に形成された素子部１２と、第１基板１１上に素子部１２と電気的に接続された電極部１３を備える。素子部１２及び電極部１３は基板の一方の面に集積して設けられているのが好適である。
【００２１】
第１基板１１は、無機材料であっても、有機材料であっても良い。無機材料である場合としては、半導体素子１０が、半導体基板上に素子部が形成された半導体チップである場合や、当該半導体チップがベース基板上に固定された電子部品である場合が想定される。無機材料である第１基板１１は、例えば前者の場合には半導体基板でありＳｉやＧａＡｓ等の半導体基板が使用でき、後者の場合にはベース基板でありアルミナや窒化アルミ、窒化シリコン等を用いることができる。第１基板１１が有機材料である場合としては、半導体チップがベース基板上に固定された電子部品である場合が想定される。有機材料である第１基板１１としては、例えばコスト的に有利なフェノール樹脂やエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂などを主体として構成することができる。また、ベース基板は有機材料に無機材料を混合した材料であっても良く、例えばガラスやアルミナのフィラーを混合したエポキシ樹脂を用いれば、基板作製時の体積変化を抑制することができる。
【００２２】
なお、超音波振動伝導性の観点からは、無機材料を用いることが好ましい。後に説明するように、超音波振動は第１基板１１の裏面に取り付けられるボンディングツールから印加され、表面に形成される金属バンプへと伝導することとなる（先出の図９において同様）が、この時、半導体素子１０が超音波振動に追随して振動可能であることが好ましい。即ち、一般に硬度の近い材料同士は密着力が高いから、硬度の高い無機材料を第１基板１１として用いれば、硬度の高い金属製の電極部１３との密着力を向上できる。その結果、超音波振動印加時に第１基板１１と電極部１３の接合面において滑り現象が発生することを防止でき、好適に超音波振動を伝導することができる。
【００２３】
さらに、第１基板１１が硬度の低い有機材料である場合、超音波振動により微小な形状の変動が生じやすい。つまり、超音波振動に第１基板１１が追随できず、超音波振動エネルギーが第１基板１１の体積変動に消費されることとなるから、超音波振動が逃げやすい。即ち、硬度の高い無機材料からなる第１基板１１を用いれば、好適に超音波振動を伝導することができる。
【００２４】
なお、硬度の高いセラミック基板等の無機材料基板では、硬度の低い有機材料基板に対し、一般に超音波振動により基板にクラックが入り易いという問題が指摘される。これは、超音波接合すべき部分（後に説明する、電極部１３上に形成される金属バンプ）に十分な超音波振動を与えるために、半導体素子１０に大きな超音波振動を加える必要があるためである。しかし、後述するように、本発明によれば第１基板１１から超音波接合すべき部分に至るまでに超音波振動が逃げることを防止できるから、半導体素子１０に加える超音波振動そのものを小さくできる。即ち、硬度の高い無機材料からなる第１基板１１を用いても、基板にクラックが入ることを防止して、超音波接合すべき部分に十分な超音波振動を与えることができる。
【００２５】
（フリップチップ実装方法）
図２は、本発明のフリップチップ実装方法の一例を示すフローチャートである。また、図３は半導体素子が光電変換素子（例えばＶＣＳＥＬ、フォトダイオード等）であり、回路基板が光フェルールである場合における、本発明のフリップチップ実装方法を示す概念図である。以下、この場合を例にとって本発明のフリップチップ実装方法を詳細に説明する。
【００２６】
まず、第１基板１１と、第１基板１１上に形成された素子部１２と、第１基板１１上に素子部１２と電気的に接続して設けられた電極部１３とを備える半導体素子１０を用意する（工程Ｓ１）。上述のように、半導体素子１０としては種々の部材を適用できるが、本実施形態では光電変換素子である場合を例に説明する。
【００２７】
図３（ａ）に示すように、光電変換素子３０は第１基板３１、第１基板３１上に形成された光電変換部（素子部）３２、第１基板３１上に光電変換部３２と電気的に接続された電極部３３を備える。光電変換素子３０は例えばフォトダイオード等の受光素子、ＶＣＳＥＬ（垂直共心型面発光レーザ）等の発光素子である。
【００２８】
次に、第２基板と、第２基板上に形成された電気配線部とを備える回路基板を用意する（工程Ｓ２）。回路基板は、半導体素子が実装される電気配線部が表面に露出して設けられていれば良く、種々の電子部材等を適宜適用できる。本実施形態では回路基板として、第２基板である絶縁樹脂により形成された樹脂製基体（以下、単に樹脂製基体と称する）４２の表面に電気配線部４４が露出して設けられている光フェルール４０を用いる場合を例に説明する。
【００２９】
図３（ｂ）に示すように、光フェルール４０は光ファイバが固定される光ファイバ保持穴４１が貫通形成された樹脂製基体４２からなる。樹脂製基体は絶縁性樹脂により形成されており、例えばフェノール樹脂やエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂などを主体として構成することができる。また、両者を混合した材料であっても良く、例えばガラスやアルミナのフィラーを混合したエポキシ樹脂を用いれば、成形工程における寸法変化を抑制できる。光ファイバ保持穴４１に挿入される光ファイバの先端が位置決め固定される素子搭載面４３には、電気配線部４４が露出して形成されている。素子搭載面４３に形成された電気配線部４４は金属バンプを介して光電変換素子３０を搭載可能である。さらに、電気配線部４４は素子搭載面４３に隣接する交差面４５に延出して連続形成されていても良い。このようにすれば、電気配線部４４が接触するように上面を他の図示しない回路基板等に実装することで、電気配線部４４を介して電気供給や信号取り出しが容易になる。このような光フェルール４０は公知の方法により製造可能であり、例えば特開２００７−２７９３００に記載されている。
【００３０】
次に、図３（ｃ）に示すように、光電変換素子（半導体素子）３０の電極部３３上に金属バンプ３４を形成する（工程Ｓ３）。金属バンプ３４は、銅、アルミ、金等のメッキによる電極部３３上に、金、アルミなどの金属を半球状に突出形成したものである。ここで、金属バンプ３４は、電極部３３との間における単位面積当たりの接合強度が、第１基板３１と電極部３３との間における単位面積当たりの接合強度より小さくなるよう形成する。このようにすることで、後に説明する光電変換素子３０（半導体素子）と光フェルール４０（回路基板）とを、金属バンプ３４を介して超音波接合する工程（Ｓ４）において、超音波振動印加による金属バンプ３４と電極部３３との間で生じる摩擦に対し、第１基板３１と電極部３３の当接面において滑り現象が発生することを防止でき、好適に超音波振動を金属バンプに伝導することができる。また、超音波振動により第１基板３１と電極部３３の当接面に過度の摩擦が生じることを防止できるから、超音波印加により光電変換素子３０が損傷することを防止できる。
【００３１】
なお、金属バンプ３４と電極部３３との接合強度は、一般にシェア強度により評価できる。シェア強度は、金属バンプ３４に対し接合面３３に平行な力を加え、金属バンプ３４が電極部３３から欠落する際の力（剪断力）に対抗し得る強度である。
【００３２】
このシェア強度は、例えば特開２００４−２２１６１７に開示されているように、図４に示した方法により測定する。まず、例えば後述するような公知の方法により、電極部３３上に金属バンプ３４を形成する。次に、この金属バンプ３４が形成された光電変換素子３０を専用治具６０上に載置する。次に、図４（ａ）に示すように、シェアツール６１を光電変換素子３０の第１基板３１の表面に接触するまで硬化させ、図示しないテスタに表面位置を認識させ、所定距離ｄ（約０．１〜０．２ｍｍ）だけシェアツール６１を上昇させる。次に、図４（ｂ）に示すように、シェアツール６１を水平方向に速度０．３ｍｍ／ｍｉｎで移動させ、金属バンプ３４に対して横方向から圧力を加えて、金属バンプ３４が電極部３３から欠落させる。この時シェアツール６１が金属バンプ３４に加えた水平方向の力がテスタに表示され、シェア強度の測定が完了する。
【００３３】
このシェア強度は、金属バンプ３４と電極部３３との接触面の面積（以下、単に接触面積と称する）に対する接合面の面積（以下、単に接合面積と称する）の比率に比例する。これを図５、６を参照して説明する。
【００３４】
図５は電極部３３上に金属バンプ３４を形成し、その後金属バンプ３４を電極部３３から剥離し、接合部３５を撮像して取得される画像の例である。接触面積とは接合部３５における金属バンプ３４の外周により閉じられた領域の面積（図５において、斜線で示した接合面７１の面積と空白部７２の面積の和）である。また、接合面積とは電極部３３と金属バンプ３４の合金層が形成された領域の面積（図５において、斜線で示した接合面７１の面積）である。
【００３５】
図６は、上記接触面積に対する上記接合面の面積の比率と、シェア強度の関係を示すグラフである。金属バンプ３４と電極部３３の接合強度は、両者の界面において合金層が形成されて接合された領域の面積に比例して大きくなるから、図６に示すように、シェア強度は接触面積に対する接合面積の比率に比例する。
【００３６】
ここで、電極部３３と金属バンプ３４間のシェア強度Ｑ１およびＱ２（以下、単にＱとする）は、電極部３３と金属バンプ３４間における接合面積が接触面積と等しい場合におけるシェア強度Ｐの７０％以下であって、かつ、２０％以上であることが好適である。７０％以下に設定することで、金属バンプ３４に対し十分に超音波振動が伝導されるから、第１基板３１が無機材料である場合は勿論、フェノール樹脂やエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂など、基板として一般に用いられる有機材料であっても、金属バンプ３４と電極部３３との間における接合強度が十分に確保される。
【００３７】
一方、上記観点からすれば、金属バンプ３４と電気配線部４４の超音波接合前における、電極部３３と金属バンプ３４のシェア強度は小さい方が望ましいといえるが、小さすぎる場合には、超音波接合工程において、金属バンプ３４が電極部３３から欠落する問題が生じる。そこで、２０％以上に設定することで、このような問題を解消するのに十分な接合強度を確保できる。即ち、７０％以下であって、かつ、２０％以上となるように設定することで、歩留まりの高いフリップチップ実装方法を提供することが可能となる。
【００３８】
また、同様に電極部３３と金属バンプ３４間の接合面積が接触面積の９０％以下であり、かつ、１０％以上のも好適である。電極部３３と金属バンプ３４間の接合面積が接触面積の９０％である場合、電極部３３と金属バンプ３４間における接合面積が接触面積と等しい場合におけるシェア強度の７０％程度となり、同様に電極部３３と金属バンプ３４間の接合面積が接触面積の２０％である場合、電極部３３と金属バンプ３４間における接合面積が接触面積と等しい場合におけるシェア強度の１０％程度となることが経験的に把握された。このように、シェア強度、接合面積のいずれの指標を用いても、歩留まりの高いフリップチップ実装方法を提供可能な電極部３３と金属バンプ３４間の接合状態を設定することができる点において、工程における自由度が高まる。
【００３９】
なお、電極部３３と金属バンプ３４間における接合面積が接触面積と等しい場合におけるシェア強度は以下のようにして把握できる。図６に示すように、シェア強度は金属バンプ３４と電極部３３との接触面積に対する接合面積の比率に比例する。即ち、電極部３３と金属バンプ３４間における接合面積が接触面積と等しいサンプルを作製して、そのシェア強度を直接測定しても良いし、少なくとも２つのサンプルを作製して、それらのシェア強度Ｑ１及びＱ２と、電極部３３と金属バンプ３４間における接合面積及び接触面積を測定し、その比率Ｒ１及びＲ２を求めて、図６に示したグラフを作成することによって、電極部３３と金属バンプ３４間における接合面積が接触面積と等しい場合におけるシェア強度Ｐを算出してもよい。さらに、多数のサンプルを作成し、最小二乗法により図６に示したグラフを近似的に作成するのが好適である。
【００４０】
このような条件に適合するように、金属バンプを半導体素子の電極部上に形成する方法として好適な実施の形態を、図７を参照して説明する。図７は半導体素子である光電変換素子３０の電極部３３上に金属バンプ３４を形成する工程（図２における工程Ｓ３）をさらに詳細に説明する図である。図７（ａ）に示すように、金属バンプ３４形成用治具であるキャピラリ８０は超音波振動を印加可能であり、また、貫通孔８１を備える。この貫通孔８１に金属バンプ３４と同素材の金属線８２を挿入し、先端を貫通孔８１から押し出す。次に、図７（ｂ）に示すように、金属線８２の先端をアーク放電等により加熱して、球状部８３を形成する。そして、図７（ｃ）に示すように、この球状部８３を電極部３３に押圧しながら超音波振動を印加し、球状部８３と電極部３３を接合する。最後に、図７（ｄ）に示すように、キャピラリ８０を引き上げ、球状部８３から引き離すことによって金属線８２を球状部８３から切り離し、金属バンプ３４の形成が完了する。
【００４１】
このとき、接合時にキャピラリ８０に印加される超音波振動エネルギーやキャピラリ８０から球状部８３と電極部３３に加えられる押圧荷重、及び超音波振動による押圧接合時間を適宜設定することによって、電極部３３と金属バンプ３４間のシェア強度は容易に制御され得る。例えば、電極部３３が金メッキにより形成され、金属バンプ３４及び金属線８２として金を用いる場合、超音波出力を１００ｍＷ、押圧荷重を５５ｇ、接合時間を３０ｍｓに設定すれば、電極部３３と金属バンプ３４間のシェア強度を、電極部３３と金属バンプ３４間における接合面積が接触面積と等しい場合におけるシェア強度の６５％程度に設定することができる。
【００４２】
次に、光電変換素子３０（半導体素子）を光フェルール４０（回路基板）に対して近接及び離反方向に移動可能なボンディングツール５０に固定する（工程Ｓ４）。図３（ｄ）に示すように、ボンディングツール５０には吸着穴５１が貫通形成され、図示しない吸着器に接続されている。この吸着穴５１から大気を吸引し、吸引による真空吸着力によって、光電変換素子３０はボンディングツール５０の下面の開口部に吸着固定される。
【００４３】
次に、図３（ｅ）に示すように、ボンディングツール５０を光フェルール４０の素子搭載面４３に近接させる。そして、光電変換素子３０の電極部３３に形成された金属バンプ３４を光フェルール４０の素子搭載面４３に設けられた電気配線部４４上に載置する（工程５）。
【００４４】
そして、ボンディングツール５０に超音波振動を印加して、金属バンプ３４を介して光電変換素子３０（半導体素子）と光フェルール４０（回路基板）を接合する（工程Ｓ６）。ボンディングツール５０から第１基板３１、電極部３３を介して超音波振動が金属バンプ３４に印加され、その際に生じる摩擦により金属バンプ３４と電極部３３及び電気配線部４４が接合される。（図３（ｆ））
【００４５】
以上の説明を総括すると、本発明によるフリップチップ実装方法によれば、半導体素子と回路基板とを、半導体素子上の電極部と回路基板の電気配線部を金属バンプを介して超音波接合する工程において、接合前における金属バンプと電極部との間における単位面積当たりの接合強度が、第１基板と電極部との間における単位面積当たりの接合強度より小さくなるよう形成されていることを特徴としている。これにより、超音波振動印加による金属バンプと電極部との間で生じる摩擦に対し、第１基板と電極部の当接面において滑り現象が発生することを防止でき、超音波振動が当該当接面において逃げることなく、金属バンプに伝導されることとなる。また、超音波振動により第１基板と電極部の当接面に過度の摩擦が生じることを防止できるから、超音波振動により半導体素子が損傷することを防止できる。即ち、超音波振動強度を小さく、また超音波印加時間を短くしても、金属バンプと半導体素子及び回路基板の接合強度を強固にすることができるから、工程における歩留まりを向上することができる。
【００４６】
続いて、上記のようにしてフリップチップ実装が完了した光電変換素子３０及び光フェルール４０を用いて、光電変換モジュールを製造する方法を、図８を参照して説明する。まず、図８（ａ）に示すように、フリップチップ実装により接合された光電変換素子３０及び光フェルール４０を組み立て治具９０に固定する。そして、光フェルール４０に設けられた光ファイバ保持穴４１に光ファイバを挿入し、図８（ｂ）に示すように、先端を光電変換素子３０の素子部（３２は、受光部又は発光部）に位置決めする。光電変換素子３０の素子部３２が、光フェルール４０の光ファイバ保持穴４１の、素子搭載面４３における開口部に位置するようにフリップチップ実装を行うことで、光ファイバ９１を光ファイバ保持穴に挿入するだけで、容易に光ファイバ９１の先端を素子部３２に位置決めできる。この状態で、図８（ｃ）に示すように、光ファイバ保持穴４１に接着剤を充填・硬化して光ファイバを固定する。さらに、接合された光電変換素子３０と光フェルール４０との間にアンダーフィル材９２（例えば透明な熱硬化性樹脂）を充填・硬化してアンダーフィル処理を行い、光電変換モジュール９３の製造が完了する。この過程において、光ファイバ９７の挿入時などに、金属バンプ３４に機械的な衝撃が加わる場合があるが、本発明によるフリップチップ実装方法によれば、光電変換素子３０と光フェルール４０は強固に接合されているので、金属バンプ３４の欠落が抑制される。その結果、歩留まりを向上することができる。
【００４７】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では半導体素子が光電変換素子（例えばＶＣＳＥＬ、フォトダイオード等）であり、回路基板が光フェルールである場合について説明したが、半導体素子は基板表面に絶縁膜が形成された半導体基板上に電極部及び素子部を形成した半導体チップである場合の他、半導体チップが絶縁性基板上に搭載された種々の電子部品を適用することもできる。さらに、回路基板も同様に、ベース基板上に電気配線部が形成された構成を備えていれば、本発明における回路基板として適用可能である。
【００４８】
また、上記実施形態では半導体素子に設けられた電極部上に金属バンプを形成し、半導体素子をボンディングツールに吸着させた上で回路基板に近接させ、金属バンプを回路基板上に設けられた電気配線部上に載置し、半導体素子側から金属バンプに対して超音波エネルギーを付与する場合を例示したが、回路基板に設けられた電気配線部上に金属バンプを形成し、回路基板をボンディングツールに吸着させた上で半導体素子に近接させ、金属バンプを半導体素子上に設けられた電極部上に載置し、回路基板側から金属バンプに対して超音波エネルギーを付与しても良い。
【符号の説明】
【００４９】
１０：半導体素子、１１：第１基板、１２：素子部、１３：電極部、３０：光電変換素子（半導体素子）、３１：第１基板、３２：光電変換部（素子部）、３３：電極部、３４：金属バンプ、４０：光フェルール（回路基板）、４１：光ファイバ保持穴、４２：樹脂製基体（第２基板）、４３：素子搭載面、４４：電気配線部、４５：交差面、５０：ボンディングツール、６１：シェアツール、８０：キャピラリ、８２：金属線、８３：球状部
【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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