(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極上に配設されたバンプと第２の電極とを接合する接合方法において、
前記第１の電極と前記第２の電極とを多段的に大きく設定した荷重で押圧するとともに、前記荷重に対応させて多段的に大きく設定した出力で超音波を印加して前記バンプと前記第２の電極とを接合する工程を有することを特徴とする接合方法。
【請求項２】
前記多段的に大きく設定する超音波出力と荷重との設定値の比は、前記バンプ１個あたり約０．００１Ｗ／ｇｆよりも大きくなるように調節することを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
【請求項３】
第１の電極上に配設されたバンプと第２の電極とを接合する接合方法において、
前記第１の電極と前記第２の電極とを前記バンプの高さのレベリングに要する第１の荷重よりも大きな第２の荷重で押圧するとともに、第１の出力で超音波を印加して前記バンプと前記第２の電極とを接合する第１の接合工程と、
前記第１の電極と前記第２の電極とを前記第２の荷重よりも大きい第３の荷重で押圧するとともに、前記第１の出力よりも大きい第２の出力で前記超音波を印加して前記導電性バンプと前記第２の接続端子とを接合する第２の接合工程と
を有することを特徴とする接合方法。
【請求項４】
前記１の出力と前記第２の荷重との比および前記第２の出力と前記第３の荷重との比は、前記バンプ１個あたり約０．００１Ｗ／ｇｆよりも大きくなるように調節することを特徴とする請求項３に記載の接合方法。
【請求項５】
前記第２の接合工程は前記第２の出力および前記第３の荷重を増加させながら多段階にわたって行うことを特徴とする請求項３乃至請求項４のいずれかに記載の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は弾性表面波素子や半導体素子等の電子部品を基板に搭載した電子装置の製造方法に関し、特にチップ型電子部品をフリップチップ方式により基板上に実装する電子装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子をはじめとする各種チップ形状の電子部品を基板、パッケージなどに実装する手法の１つにフリップチップ方式がある。これは、電子部品に配設された接続端子と、基板などに配設された接続端子とを導電性バンプにより接続する実装方法である。
【０００３】
弾性表面波フィルタ、弾性表面波共振子などの弾性表面波装置（ＳＡＷデバイス）のような電子部品の実装は、従来ワイヤボンディング方式が主流であったが、近年では超音波、加熱、押圧を併用したフリップチップ方式が導入されている。  例えば「フリップチップ型ＧＨｚ帯ＳＡＷフィルタ」（信学技報、１９９５年５月７日、社団法人電子情報通信学会発行）には、フェ−スダウンボンディングを用いたフリップチップ型ＳＡＷデバイスに関する技術が記載されている。
ここには、フェースダウンボンディングを行う際の超音波、荷重の効果的な条件が記載されている。これによれば、１チップに対して２回のフェースダウンボンディングを行う手法を用いており、１回目は定荷重で弱い超音波を併用して、バンプ平坦化（レベル合わせ）を行い、２回目では１回目と同じ定荷重で、１回目よりも強い超音波を併用し、バンプと接続端子との接合を行う手法である。この手法によれば、４０ｇｆ／バンプ程度のシェア強度のフェ−スダウンボンディングが可能であるという記載がある。
【０００４】
バンプ接続のシェア強度は、半導体素子や、弾性表面波装置を搭載した電子装置の用途、使用条件等により様々に異なっている。前述の手法により得られる接合強度は、十分な接合強度を必要とせず、かつ十分な接合信頼性を必要としない場合には十分なシェア強度であると考えられる。
【０００５】
しかしながら、使用条件が厳しかったり、高度の信頼性が要求される場合には、より大きな接合強度を確保することが必要となる。
例えば半導体素子や弾性表面波素子などのチップと、このチップを搭載する基板の熱膨張率の差が大きい場合には、製造工程や、実際の使用環境により印加される熱的な負荷などに起因して、バンプ剥離等の接続不良が発生するおそれが大きい。
また、基板上にフェースダウンボンディングされたチップをモールド樹脂などで樹脂封止するような場合、すなわち、封止用樹脂の硬化収縮応力や熱膨張応力が直接チップに働くような場合にも上述のシェア強度では不十分である。
【０００６】
また、このような電子部品の実装は大量に行われることが多いため、実装に要するコスト、タクトタイムを如何に低減するかが、生産性を高める上で大きな課題となる。このように、十分な接合強度を確保しつつ高い生産性で電子部品を実装する技術の確立が求められている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような問題を解決するためになされたものである。
すなわち本発明はバンプ接続のシェア強度を向上でき、信頼性の高い電子装置の製造方法を提供することを目的とする。また本発明は、接続信頼性を向上するとともに生産性を向上することができる電子装置の製造方法を提供することを目的とする。
また本発明は電子部品と基板との接合強度を向上するとともに、接触抵抗を低減することができる電子装置の製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するため本発明は以下のような構成を採用している。
【０００９】
本発明の接合方法は、第１の電極上に配設されたバンプと第２の電極とを接合する接合方法において、前記第１の電極と前記第２の電極とを多段的に大きく設定した荷重で押圧するとともに、前記荷重に対応させて多段的に大きく設定した出力で超音波を印加して前記バンプと前記第２の電極とを接合する工程を有することを特徴とする。前記多段的に大きく設定する超音波出力と荷重との設定値の比は、前記バンプ１個あたり約０．００１Ｗ／ｇｆよりも大きくなるように調節するようにしてもよい。
【００１０】
また本発明の接合方法は、第１の電極上に配設されたバンプと第２の電極とを接合する接合方法において、前記第１の電極と前記第２の電極とを前記バンプの高さのレベリングに要する第１の荷重よりも大きな第２の荷重で押圧するとともに、第１の出力で超音波を印加して前記バンプと前記第２の電極とを接合する第１の接合工程と、前記第１の電極と前記第２の電極とを前記第２の荷重よりも大きい第３の荷重で押圧するとともに、前記第１の出力よりも大きい第２の出力で前記超音波を印加して前記導電性バンプと前記第２の接続端子とを接合する第２の接合工程とを有することを特徴とする。
【００１１】
前記１の出力と前記第２の荷重との比および前記第２の出力と前記第３の荷重との比は、前記バンプ１個あたり約０．００１Ｗ／ｇｆよりも大きくなるように調節するようにしてもよい。
また、前記第２の接合工程は前記第２の出力および前記第３の荷重を増加させながら多段階にわたって行うようにしてもよい。
【００１２】
すなわち本発明の接合方法は、いわゆるフェースダウンボンディングにより弾性表面波素子、半導体素子などの電子部品をパッケージの基板、母基板などのホスト側（単に基板という）に搭載する際に、加熱、押圧、超音波印加を組み合わせた複数段階のボンディングによりバンプと電極（接続端子）との固相拡散接続を行うものである。そして、１段階目からレベル合わせに要する荷重よりも大きな、実質的にバンプと電極との固相拡散接続に寄与する荷重を印加しながら超音波を印加するものである。このような接合を行うことにより、従来よりも大きな接合強度が得られ、接続信頼性を向上することができる。また本発明によれば接合強度を向上することができるだけでなく、接合に要する時間を大幅に短縮することができる。したがって、電子部品の実装工程の生産性を大きく向上することができ、製品コストを低減することができる。
【００１３】
さらに、各段のボンディング工程で印加する荷重と超音波出力との比を最適化することにより全体のタクトタイムを長くすることなく、接合不良の発生率を大幅に低減することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明についてさらに詳細に説明する。
【００１５】
（実施形態１）
図１は本発明における超音波熱圧着方法におけるボンディング条件の例を示すタイムチャートである。比較のため従来の超音波熱圧着方法におけるボンディング条件を示すタイムチャートの例を図２に示した。
図２に示すように、従来の超音波熱圧着方式では、バンプ高さをそろえるためにために必要な荷重をかけながら、弱い超音波出力を印加して１段目のボンディングを行い、ついでバンプと電極とを超音波熱圧着するために、１段目と同じ荷重を加えながら、１段目よりも強い超音波出力を印加して２段目のボンディングを行っている。つまり、実質的に同じ負荷の荷重を与えながら超音波出力を変化させて２段のボンディングを行っている。
【００１６】
これに対して本発明の接合方法は、印加する荷重と、超音波出力とをどちらも多段階的に大きくしながら複数段のボンディングを行うものである。また１段目のボンディングの際に与える荷重は単にバンプ高さのレベリングに必要な荷重よりも大きな、バンプと電極との固相拡散接続に寄与する荷重を与えている。
【００１７】
このようなボンディングを行うことにより、従来の接合方法よりも大きな接合強度を得ることができ、電子装置の信頼性を向上することができる。
【００１８】
図３は本発明によりフリップチップボンディングを行う際の接合部の様子を説明するための図である。荷重と超音波出力とを多段階的に増加しながらボンディングを行うことにより、図３に示すように、弾性表面波素子上の接続端子１２ａとバンプ１４との接触部１２ｘ、ならびにバンプ１４と基板１１上に配設された接続端子１１ａとの接触部１１ｘとの接合強度が、図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）、図３（ｄ）の順にほぼ連続的に大きくなることがわかる。このため、接合強度が向上するだけでなく、より低い超音波出力でも強固な接合を得ることができる。したがって、全体として接合後の接合強度を安定・向上することができる。
【００１９】
図４は本発明を適用して製造した電子装置の構造の例を概略的に示す図である。この電子装置は、基板１１上に半導体素子１２をフェースダウン型に搭載し、さらにモールド樹脂１３により封止した半導体パッケージである。
半導体素子１２の基板１１に対向する面には例えばＡｌなどからなる接続端子１２ａが配設されている。一方基板１１の半導体素子１２搭載面には例えばＡｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕまたはこれらの合金などからなる接続端子１１ａが配設されている。そして半導体素子１２と基板１１とは、半導体素子１２の接続端子１２ａと、基板１１の接続端子１１ａとに挟持された例えばＡｕなどからなるバンプ１４により固相拡散接続して接合されている。バンプ１４は半導体素子１２に配設しておくようにしてもよいし、基板１１に配設しておくようにしてもよい。このようなバンプ１４は例えばＡｕのボンディングワイヤをボンディングツールで接続端子上に接触させ、電圧を印加することにより形成するようにしてもよい。
本発明の接合方法によれば、従来の接合方法による場合よりも接合強度を向上することができるの。したがって、例えばモールド樹脂１３が硬化収縮する場合に基板１１と半導体素子１２との熱膨張係数の差異に起因して、基板１１と半導体素子１２との間に作用する応力や、このような半導体パッケージ等の電子部品を実際に使用にサイクリックに印加される熱的負荷により、基板１１と半導体素子１２との間に応力に対抗するのに十分な強度で接合することができ、接合状態を安定して保持することができる。したがって、本発明を適用することにより信頼性の高い電子装置を提供することができる
（実施形態２）
次に、本発明の接合方法の効果を確認するために行った実験の結果について説明する。
半導体素子、弾性表面波素子などの主としてＡｌからなる接続端子上に、例えばボンディングツールなどによりＡｕバンプを形成した。一方、この素子を搭載する配線基板上にはＡｕからなる接続端子を形成した。そして、配線基板の接続端子と、素子のバンプとが対向するように配置し、全体を約２００℃程度に加熱しながら、ボンディングヘッドで素子の背面を押圧するとともに、超音波を印加してバンプと接続端子とを固相拡散接続させた。
【００２０】
この例では１段目のボンディングを、荷重約１５０ｇｆ／バンプ、超音波出力約０．０７Ｗ／バンプで行い、２段目のボンディングを荷重約２５０ｇｆ／バンプ、超音波出力約０．２９Ｗ／バンプに設定して行った。
この結果、従来の接合方法により得られる接合強度の約３倍以上に相当する約１５０ｇｆ／バンプ程度のシェア強度を得ることができた。
【００２１】
従来の例でも超音波出力を２段階で大きくした超音波熱圧着方法が採用されているが、１段目のボンディング工程で印加する超音波出力はあくまでもバンプの高さをそろえるレベリングのための工程であり、印加される荷重に対し超音波が弱いために、バンプと電極との接合面積を増やし、シェア強度を向上させる効果を得ることはできない。
これに対して、本発明では荷重に対して最適化した出力で超音波を多段的に加えることにより、格段に接合強度を向上し、信頼性の高い実装を行うことができる。
【００２２】
（実施形態３）
実施形態２で説明した例のとは異なる条件で超音波熱圧着方法によりボンディングを行い、本発明の接合方法の効果を確認した。
【００２３】
この例では、１段目のボンディングを荷重約５０ｇｆ／バンプ、超音波出力約０．０３Ｗ／バンプに設定し、２段目のボンディングを荷重約１５０ｇｆ／バンプ、超音波出力約０．０７Ｗ／バンプに設定し、３段目のボンディングを荷重約２５０ｇｆ／バンプ、超音波出力約０．２９Ｗ／バンプに設定して電極とバンプとの超音波熱圧着を行った。このような３段階の接合工程により上述した２段階の接合工程と同等のシェア強度約１５０ｇｆ／バンプが得られた。
さらに超音波発振や荷重印加に必要な処理時間を１段階のボンディングあたり約１／２に短縮することができた。したがって従来の接合方法や実施形態２の接合方法に比べても工程に必要な時間を約２／３に短縮することができる。
このように本発明によれば、電極とバンプとの接合強度を向上することができるだけでなく、生産性も大きく向上することができる。
【００２４】
（実施形態４）
上述のように本発明の接合方法は、荷重、超音波出力ともに多段階に大きくしながらボンディングを行うものであり、かつバンプのレベリングに要する荷重よりも大きい荷重を最初から加えるものである。さらに、接合工程全体にわたって印加する荷重に対する超音波出力の値を適正に調節することにより、常に拡散接合を進行させることができる。
【００２５】
本発明者らは、各段のボンディングで電極とバンプとに印加する荷重と超音波出力の値を、バンプ１個あたり約０．００１Ｗ／ｇｆよりも大きくなるように調節することにより、さらに良好な接合状態を得ることができることを見出だした。  本発明の効果を確認するために行ったさらに別の実験結果について説明する。  まず１段のボンディング工程で接続した場合について説明する。
ボンディング時に印加する荷重を２５０ｇｆ／バンプ、超音波出力を０．２９Ｗに設定した。このときの（超音波出力／荷重）は約０．００１２Ｗ／ｇｆである。従来の接合方法では、１段目で印加する超音波出力はレベリングを目的としているためにこれよりもずっと微弱な出力であり、実質的な電極−バンプ間の固相拡散接合の形成に寄与していない。また従来の接合方法では、１段目で印加する荷重は複数のバンプのレベリングを目的としているため約４０ｇｆ／バンプ程度である。これに対し本発明では、１段目のボンディング工程から電極−バンプ間の固相拡散接合の形成実質的に寄与するような荷重、超音波出力を印加している。このような本発明の接合方法により、従来例の２段にわたるボンディング工程で得られるシェア強度４０ｇｆ／バンプに比べ３倍以上に当たる１５０ｇｆ／バンプのシェア強度を得ることができた。
この実験の際のプロセス時間は０．５秒であり、従来例の１．６秒と比べ１／３以下にまで短縮することができた。しかしながら、サンプルの一部を抜き取って行ったシェアテスト時の剥離箇所を調べたところ、全体の約３０％のバンプに接合不良が見られた。
【００２６】
（実施形態５）
２段階のボンディングを行った例について説明する。
１段目のボンディング時に印加する荷重を約１２１ｇｆ／バンプ、超音波出力を０．１４Ｗに設定し、２段目のボンディング時に印加する荷重を約２５０ｇｆ／バンプ、超音波出力を約０．２９Ｗに設定した。このときの（超音波出力Ｗ／荷重ｇｆ）の値は１段目、２段目とも約０．００１２Ｗ／ｇｆである。
【００２７】
接合完了後サンプルの接合状態を調べたところ、得られたシェア強度は１段階のボンディングにより得られる強度をと同等の約１５０ｇｆ／バンプであったが、接合不良のバンプを全体の約１０％にまで低減することができた。このボンディングでのプロセス時間は各段０．２５秒とし、合計０．５秒で実施した。
このように超音波出力Ｗと荷重ｇｆとの比を約０．００１２Ｗ／ｇｆ以上に設定して各段のボンディングを行うことにより接合強度を向上するとともに生産性を向上することができる。
【００２８】
（実施形態６）
さらに、３段階のボンディングを行った例について説明する。
１段目のボンディング時に印加する荷重を約６４ｇｆ／バンプ、超音波出力を０．０７Ｗに設定し、２段目のボンディング時に印加する荷重を約１２１ｇｆ／バンプ、超音波出力を０．１４Ｗに設定し、３段目のボンディング時に印加する荷重を約２５０ｇｆ／バンプ、超音波出力を０．２９Ｗに設定して連続的にボンディングを行った。
このときの（超音波出力Ｗ／荷重ｇｆ）の値は、１段目が約０．００１１Ｗ／ｇｆであり、２段目が約０．００１２Ｗ／ｇであり、３段目が約０．００１２Ｗ／ｇｆである。
【００２９】
３段階の接合を終えた抜き取って接合状態を調べたところ、得られたシェア強度は１段階で接合した場合、および２段階で接合した場合と同等の約１５０ｇｆ／バンプであったが、接合不良の発生率を全体のバンプの約３％にまで低下することができた。この実験でのプロセス時間は各段０．１７秒とし、合計０．５秒で実施した。
【００３０】
（実施形態７）
さらに、４段階のボンディングを行った例について説明する。
１段目のボンディング時に印加する荷重を約６４ｇｆ／バンプ、超音波出力を０．０７Ｗに設定し、２段目のボンディング時に印加する荷重を約１２１ｇｆ／バンプ、超音波出力を０．１４Ｗに設定し、３段目のボンディング時に印加する荷重を約１８８ｇｆ／バンプ、超音波出力を０．２１Ｗに設定し、４段目のボンディング時に印加する荷重を約２５０ｇｆ／バンプ、超音波出力を０．２９Ｗに設定して連続的にボンディングを行った。
このときの（超音波出力Ｗ／荷重ｇｆ）の値は、１段目が約０．００１１Ｗ／ｇｆであり、２段目が約０．００１２Ｗ／ｇであり、３段目が約０．００１１Ｗ／ｇｆであり、４段目が約０．００１２Ｗ／ｇｆである。
【００３１】
４段階の接合を終えた時の接合状態を調べたところ、得られたシェア強度は１段階で接合した場合、２段階で接合した場合、および３段階で接合した場合と同等の約１５０ｇｆ／バンプであったが、接合不良の発生率を全バンプの１％にまで低減することができた。この実験でのプロセス時間は各段０．１３秒とし、合計０．５秒で実施した。
【００３２】
以上の実験からも分かるように荷重と超音波出力の適正化はシェア強度の大幅な改善に効果がある。さらに上記のように荷重と超音波出力を適正に調節して多段階的なボンディングを行うことにより、プロセス時間の延長を伴わうことなくバンプと電極の接合性を飛躍的に改善することができる。なお、電極、バンプの材質は上述の例以外にも本発明は適用することができた。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、バンプと電極との接合強度を向上することができる。したがって弾性表面波素子、半導体素子等の電子部品を搭載した電子装置の信頼性を大きく向上することができる。
また本発明によれば接合強度を向上することができるだけでなく、接合に要する時間を大幅に短縮することができる。したがって、電子部品の実装工程の生産性を大きく向上することができ、製品コストを低減することができる。
【００３４】
さらに、各段のボンディング工程で印加する荷重と超音波出力との比を最適化することにより全体のタクトタイムを長くすることなく、接合不良の発生率を大幅に低減することができる。
このように本発明によればバンプと電極との接合強度を向上し、タクトタイムを短縮し、歩留まりを向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の接合方法における荷重と超音波出力の印加条件を示すタイムチャート。
【図２】  従来の接合方法における荷重と超音波出力の印加条件を示すタイムチャート。
【図３】  本発明の接合作用を説明するための図であり、接合部の構造を模式的に示す図。
【図４】  本発明により実装した半導体パッケージの構造の例を概略的に示す図。
【符号の説明】
１１…………基板
１１ａ………接続端子（第１の電極）
１２…………電子部品
１２ａ………接続端子（第２の電極）
１３…………モールド樹脂
【図１】
0003795644.tif 000002
【図２】
0003795644.tif 000003
【図３】
0003795644.tif 000004
【図４】
0003795644.tif 000005