JP2003224162A - 超音波フリップチップ実装方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】超音波振動に起因するＩＣチップや回路基板の
ダメージを軽減する。 【解決手段】ＩＣチップの電極に形成した先端の尖った
形状のバンプを、回路基板の電極に位置合わせして超音
波接合する超音波フリップチップ実装方法であって、前
記回路基板の電極に対する前記バンプの加圧力を時間の
経過に伴い増大させる一方、接合部に加える超音波振動
の振幅を、前記加圧力の増大に応じて減少させることを
特徴とする超音波フリップチップ実装方法および装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】ＩＣチップを単体（ベアチッ
プ）の状態で回路基板に実装する場合に、ＩＣチップの
電極に形成したバンプを回路基板の電極に押圧しつつ超
音波振動を与えて接合する超音波フリップチップ実装方
法と、装置と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、ＩＣ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
用した金属拡散接合は、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および図６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
ＩＣチップの電極に対するワイヤボンディング工法を利
用したバンプの形成方法を示す。まず、図４（ａ）にお
いて、キャピラリ２０１に保持された金ワイヤ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ＩＣチップ２０４の電極２０５に押圧し接合す
る。

【０００４】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。さらに図４（ｂ）で示すよう
に、金ワイヤ２０２と共にキャピラリ２０１を矢印イの
方向に移動させることにより金ワイヤ２０２を引きちぎ
り、電極２０５上にバンプ２０６を形成する。このよう
にして形成されたバンプ２０６は先端２０６Ａが尖った
鋲状の形態を呈する。

【０００５】図５は従来の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６はその接合過程を説明
する図である。まず、前述した方法でバンプ２０６が形
成されたＩＣチップ２０４をバンプ２０６の形成面を下
にして、接合ツール先端１０１にエア流路１０を利用し
て発生させた負圧により吸着保持する。

【０００６】さらにステージ１０３上に回路基板１０４
を載置し、ＩＣチップ２０４に形成されたバンプ２０６
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２０６の先端２０６Ａが
電極１０５に当接し、先端２０６Ａが僅かにつぶれる。
ここで超音波発振器１０６は電気エネルギーを振動子１
０７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。

【０００７】さらに前記超音波振動は超音波ホーン１０
８により矢印ウ方向の縦波として伝達され、これに連結
あるいは形成された接合ツール１０１に所定の超音波振
動を与える。このようにして、接合部に回路基板１０４
の表面と平行方向の超音波振動を付与し、同時に回路基
板１０４の表面に対して垂直に押圧する矢印エ方向の加
圧力を加える。さらにこの接合部を所定の温度に加熱し
ておくことでバンプ２０６は図６（ａ）から図６（ｂ）
のように変形しながら電極１０５に接合する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ここで接合初期の段
階、つまり図６（ａ）の段階においては、回路基板１０
４の表面と平行方向の超音波振動が加わったとしても、
バンプ２０６の細く突出した部分の撓み変形により超音
波振動の過剰な振幅成分は吸収される。

【０００９】しかし、その後矢印エ方向の加圧力を増加
させつつ接合が進行し、バンプ２０６の形状が図６
（ｂ）のようにつぶれた状態になったときには、バンプ
２０６におけるあらゆる高さでの水平断面の面積が大き
くなり、前記したバンプ２０６の撓み変形がほぼ生じな
くなる。

【００１０】このとき超音波振動は、バンプ２０６と回
路基板１０４の電極１０５との接合面、バンプ２０６と
ＩＣチップ２０４の電極２０５との接合面、さらには回
路基板１０４本体と電極１０５との接合面、およびＩＣ
チップ２０４本体と電極２０５との接合面に対して剪断
力を加えることになる。

【００１１】また前記４箇所の接合面には、前記剪断力
に加えて、バンプ２０６の高さ方向の軸心が傾斜しよう
とする力が各接合面に与えるモーメントとなり、特に各
電極の端部では引き剥がし力と押圧力が繰り返し加えら
れることになる。

【００１２】したがって、矢印エ方向の加圧力が増大し
バンプ２０６がつぶれた状態においては、超音波振動の
過剰振幅成分はＩＣチップ２０４と回路基板１０４の両
電極部にダメージを与える危険因子となる他、せっかく
進行したバンプ２０６と電極１０５との接合面や予め接
合していたバンプ２０６と電極２０５との接合面にも悪
影響を与える。

【００１３】前記した超音波振動の過剰振幅成分による
悪影響は従来の技術では、図５で示す接合ツール１０１
の吸着面とＩＣチップ２０４の上面である被吸着面の滑
り作用により回避するしかなかった。前記吸着面と被吸
着面間には矢印エ方向の加圧力により摩擦力が発生する
が、この摩擦力は前記吸着面と被吸着面双方の摩擦係数
と前記加圧力により左右されるため、ワークであるＩＣ
チップ２０４のバンプ数、あるいはバンプ２０６の形状
や大きさに応じてコントロールすることが困難であっ
た。

【００１４】また接合の繰り返しによる摩耗で前記摩擦
係数が変化するため、長期間摩擦力を一定に保つのが困
難であり、更には矢印エ方向の加圧力が増大するのに伴
ってバンプがつぶれ、超音波振動の過剰振幅成分を吸収
する作用として前記吸着面の滑りに依存する割合が高ま
るのに対して、吸着面の摩擦力は前記加圧力の増大に伴
って増大し滑りにくくなるため、接合の進行に伴う時間
の経過において両者は理想と逆方向の相対的変化を示
す。

【００１５】つまり、前記加圧力が増大しても前記吸着
面の滑り量が減少しないという、従来から一般に見られ
る超音波接合の現象は、吸着面の摩擦力の増大にもかか
わらず吸着面に滑りを生じさせ得る力でもって、ＩＣチ
ップ２０４や回路基板１０４の電極部、更にはバンプ２
０６と電極の接合面に機械的負荷（ダメージ）を与えて
いることになる。

【００１６】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたもので、ＩＣチップ２０４の電極２０５や回路基板
１０４の電極１０５、加えてバンプ２０６と両電極２０
５，１０５との接合面に対して与えるダメージを低減す
ることで不良率の低い接合を実現することにより、信頼
性の高い超音波フリップチップ実装方法および装置を提
供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は、ＩＣチップの
電極に形成した先端の尖った形状のバンプを、回路基板
の電極に位置合わせして超音波接合する超音波フリップ
チップ実装方法であって、第１の態様として、前記回路
基板の電極に対する前記バンプの加圧力を時間の経過に
伴い増大させる一方、接合部に加える超音波振動の振幅
を、前記加圧力の増大に応じて減少させることを特徴と
する超音波フリップチップ実装方法を提供する。

【００１８】第２の態様として、接合部に加える超音波
振動の振幅を、前記加圧力に基づいて制御することを特
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
実装方法を提供する。

【００１９】第３の態様として、前記バンプの加圧力を
時間の経過に基づいて制御する一方、接合部に加える超
音波振動の振幅を、前記加圧力と対応付けられた前記時
間の経過に基づいて制御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実装方法を提供す
る。

【００２０】第４の態様として、接合部に加える超音波
振動の振幅を、前記加圧力の増大に伴って変化する前記
バンプの変形量に基づいて制御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実装方法を
提供する。

【００２１】第５の態様として、接合部に加える超音波
振動の振幅を、前記加圧力の増大に応じて、ほぼ連続的
に減少させ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方法を提
供する。

【００２２】第６の態様として、回路基板の電極に対す
るバンプの加圧力は、時間経過に対してほぼ連続的に増
大する第１から第５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方法を提供する。

【００２３】第７の態様として、バンプは、ボンディン
グワイヤの先端に放電作用によって形成したボールをＩ
Ｃチップの電極に加圧あるいは加圧に超音波振動を付加
して接合した後、ワイヤを引きちぎることにより形成さ
れる第１から第６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方法を提供する。

【００２４】第８の態様として、ＩＣチップの電極に形
成した先端が尖った形状のバンプを、回路基板の電極に
位置合わせして超音波接合する超音波フリップチップ実
装装置であって、回路基板を載置し保持するステージ
と、ＩＣチップをそのバンプを前記回路基板の電極に位
置合わせして保持する接合ツールと、この接合ツールを
介して、前記バンプに前記回路基板の電極に対する加圧
力を発生させる加圧手段と、前記接合ツールに振動子の
超音波振動を伝達する超音波ホーンと、前記振動子を駆
動する超音波発振器と、前記加圧手段による加圧力を時
間の経過に伴い増大させる一方、超音波振動の振幅を前
記加圧力の増大に応じて減少させるように前記超音波発
振器を制御するコントローラとを備えることを特徴とす
る超音波フリップチップ実装装置を提供する。

【００２５】

【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、ＩＣ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を
利用して発生させた負圧により吸着保持される。

【００２６】回路基板１０４上の電極１０５とＩＣチッ
プ２０４の下面に形成してある図示しないバンプ２０６
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。

【００２７】やがてバンプ２０６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。

【００２８】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超音波ホーン１０８に
出力する。超音波ホーン１０８はこの超音波振動を接合
ツール１０１に伝達し、バンプ２０６と電極１０５は矢
印エ方向の圧力が加えられると共に回路基板１０４の表
面と平行方向の超音波振動が加えられる。

【００２９】このときの加圧力と超音波振動の振幅と時
間との関係を図２に示す。まずバンプ２０６の先端が電
極１０５表面に接触した時点Ｔａにおいては、１バンプ
あたりの加圧力Ｐａはゼロである。その後加圧力を増加
させることにより尖ったバンプの先端が所定量（約２０
μｍ）つぶれる。圧力特性Ｑで示すように、この時刻Ｔ
ｂ加圧力Ｐｂの状態で、全てのバンプが電極１０５に当
接し先端が若干つぶれた状態となり、超音波接合の開始
準備が整う。このＰｂを第１設定荷重とする。

【００３０】その後第１設定荷重Ｐｂから更に加圧力を
ほぼ連続的に増大させるのであるが、本実施例では加圧
力がほぼ増減しない時間帯ＴＲが存在する。この時間Ｔ
Ｒは加圧力Ｐｂをトリガーとして、加圧力制御系を高速
圧力制御系に切換えるために設けている時間帯であり、
バンプ２０６と電極１０５の接触当初から接合終了まで
制御系を切換えない場合には必要ないものである。

【００３１】圧力特性Ｑが第１設定荷重Ｐｂから第２設
定荷重Ｐｃに向けて上昇し始めたのち、時刻Ｔｃにおい
て超音波振動の印加を開始する。このときの振幅が最大
設定振幅Ｓｃであるのは、接合面の超音波振動による摩
擦熱を利用しバンプ２０６の接合面を短時間で加熱する
目的に基づいている。またこの時、過剰振幅成分が存在
してもバンプ先端の細く突出した部分の撓み変形で吸収
されるため、ＩＣチップ２０４と回路基板１０４の両電
極部に対して大きなダメージを与える心配はない。

【００３２】また本実施例では時刻Ｔｃにおいて、超音
波振動の振幅が２値的な立ち上がり方をしているが、こ
れが振幅特性Ｖで示すような連続的に振幅を増加させる
ような立ち上がりでも良いし、図示しないが段階的に振
幅Ｓｃに立ち上がっていく設定を行っても良い。

【００３３】その後接合が進行し加圧力（特性Ｑ）の増
加と共にバンプが変形しつぶれていくが、第２設定荷重
Ｐｃに近づいた時点Ｔｄにおいて超音波振動を振幅特性
Ａのように振幅Ｓｂに切換える。従来の振幅特性Ｗのよ
うに接合が終了するまで最大設定振幅Ｓｃを維持するの
ではなく、振幅を小さくすることにより過剰振幅成分の
発生を抑える。（請求項１）

【００３４】ここで、振幅特性Ａのように２段階あるい
は３段階以上にして段階的に振幅を減少させる方法のほ
か、振幅特性Ｂのように一定の変化率で減少させる方法
や振幅特性Ｃのように２次曲線等の関数曲線に沿うよう
に減少させる方法をとって、振幅を連続的に減少させる
方法も有効である。（請求項５）

【００３５】前述したように加圧力の増大に応じて超音
波振動の振幅を減少させる方法として、次の方法が可能
である。第１には図１で示すように、加圧手段の下にロ
ードセル等の圧力センサ３を設け、これから加圧力を制
御部２にフィードバックすることにより、加圧力に基づ
いた超音波振動の振幅制御を行う。（請求項２）

【００３６】第２には図２で示すように、加圧力の制御
を接合工程において経過する時間に基づいて行い、この
加圧力と対応付けられた時間に基づいて超音波振動の振
幅制御を行う。（請求項３）

【００３７】第３には図１で示すように、モータである
加圧手段１にあるエンコーダ４から得られる位置（高
さ）情報により、バンプの変形量の最も主要な要素であ
るつぶれ量を制御部２にフィードバックし、このつぶれ
量に基づいて超音波振動の振幅制御を行う。図３にこの
場合の高さ特性Ｈと超音波振動の振幅制御との関係を示
す。（請求項４）

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、加圧力の増大に応じて
超音波振動の振幅を減少させることにより、接合が進行
することによりつぶれたバンプが超音波振動の過剰振幅
成分を吸収できなくなり、ＩＣチップ２０４や回路基板
１０４の電極部にダメージを与えることを防ぎ、接合の
工程での歩留まりを向上させ、信頼性の高いフリップチ
ップ実装を実現することが可能となる。（請求項１）

【００３９】また発明の詳細な説明で示した鋲状バンプ
に限らず、あらゆる製法で形成されたミクロな目で見て
複数の尖った先端を有するバンプに関しても同様の作用
が生じ、フリップチップ実装の品質を高めるのに有効で
ある。（請求項１）

【００４０】ここで、超音波振動の振幅制御を加圧力情
報に基づいて行うことにより、加圧力の変化が何らかの
要因で時間的に前後しても、その時点での加圧力に最適
な超音波振動の振幅が得られる。（請求項２）

【００４１】また、加圧力の制御を時間の経過に基づい
て行い、超音波振動の振幅制御を加圧力と対応付けられ
た時間に基づいて行うことにより、接合動作の時間管理
が容易に行え、さらに制御が単純に統一されて制御系全
体のコントロールが容易になる。（請求項３）

【００４２】また、超音波振動の振幅制御をバンプの変
形量に基づいて行うことにより、最も制御の目的に近い
情報をフィードバックすることができ、バンプの素材の
違いや物性のばらつきに左右されない制御が実現でき
る。（請求項４）

【００４３】また、超音波振動の振幅を加圧力の増大に
応じてほぼ連続的に減少させることで、段階的に減少さ
せるよりも、拡散接合自体に与える振幅変動の影響を適
切にコントロールできる。（請求項５）

【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】加圧力制御と超音波振動の振幅制御の一例を示
す図

【図３】バンプの高さ情報と超音波振動の振幅制御の一
例を示す図

【図４】バンプ形成方法を示す断面図

【図５】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６】従来の接合過程を説明する図

【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 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 超音波ホーン ２０４ ＩＣチップ ２０５ 電極 ２０６ バンプ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＩＣチップの電極に形成した先端の尖っ
   た形状のバンプを、回路基板の電極に位置合わせして超
   音波接合する超音波フリップチップ実装方法であって、 前記回路基板の電極に対する前記バンプの加圧力を時間
   の経過に伴い増大させる一方、 接合部に加える超音波振動の振幅を、前記加圧力の増大
   に応じて減少させることを特徴とする超音波フリップチ
   ップ実装方法。
2. 【請求項２】 接合部に加える超音波振動の振幅を、前
   記加圧力に基づいて制御することを特徴とする請求項１
   の超音波フリップチップ実装方法。
3. 【請求項３】 前記バンプの加圧力を時間の経過に基づ
   いて制御する一方、 接合部に加える超音波振動の振幅を、前記加圧力と対応
   付けられた前記時間の経過に基づいて制御することを特
   徴とする請求項１の超音波フリップチップ実装方法。
4. 【請求項４】 接合部に加える超音波振動の振幅を、前
   記加圧力の増大に伴って変化する前記バンプの変形量に
   基づいて制御することを特徴とする請求項１の超音波フ
   リップチップ実装方法。
5. 【請求項５】 接合部に加える超音波振動の振幅を、前
   記加圧力の増大に応じて、ほぼ連続的に減少させること
   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方法。
6. 【請求項６】 回路基板の電極に対するバンプの加圧力
   は、時間経過に対してほぼ連続的に増大する請求項１か
   ら５のいずれかに記載の超音波フリップチップ実装方
   法。
7. 【請求項７】 バンプは、ボンディングワイヤの先端に
   放電作用によって形成したボールをＩＣチップの電極に
   加圧あるいは加圧に超音波振動を付加して接合した後、
   ワイヤを引きちぎることにより形成される請求項１から
   ６のいずれかに記載の超音波フリップチップ実装方法。
8. 【請求項８】 ＩＣチップの電極に形成した先端が尖っ
   た形状のバンプを、回路基板の電極に位置合わせして超
   音波接合する超音波フリップチップ実装装置であって、 回路基板を載置し保持するステージと、 ＩＣチップをそのバンプを前記回路基板の電極に位置合
   わせして保持する接合ツールと、 この接合ツールを介して、前記バンプに前記回路基板の
   電極に対する加圧力を発生させる加圧手段と、 前記接合ツールに振動子の超音波振動を伝達する超音波
   ホーンと、 前記振動子を駆動する超音波発振器と、 前記加圧手段による加圧力を時間の経過に伴い増大させ
   る一方,超音波振動の振幅を前記加圧力の増大に応じて
   減少させるように前記超音波発振器を制御するコントロ
   ーラと、 を備えることを特徴とする超音波フリップチップ実装装
   置。