JP3804649B2 - 電子回路装置の製造方法および電子回路装置 - Google Patents

Description

本発明はワイヤーボンディング法を用いて形成したバンプを介して基板上に回路素子を接合する電子回路装置の製造方法および電子回路装置に関するものである。

近年、携帯電話やパソコンなどの高性能化、小型化、低背化のため、バンプを用いたフリップチップ実装方法の採用が増えている。バンプは基板側またはチップ（回路素子）側のいずれかに設けられる。

チップを基板にバンプを介して搭載する場合、基板の配線パターンの一部を認識パターンとして登録し、認識パターンと実装中心位置との相対的な座標を登録して、チップの搭載位置を決定している。チップを基板に搭載する際、良好な導通を得るためには、チップの電極中心と接続バンプの中心とを合わせることが望ましい。

しかし、基板にセラミック焼成基板や樹脂基板を用いた場合、配線形成精度が±３０μｍ程度であるため、配線パターンを基準にチップの搭載位置を決めた場合には、チップ電極と接続バンプとの間に位置ずれが生じる。

特許文献１では、基板の電極上にワイヤーボンディング法によって接続バンプを形成し、この接続バンプを介してチップを搭載するとともに、基板のチップ搭載位置の外側であって、チップの対角位置の２箇所に認識マークを形成し、この認識マークによって基板とチップとの位置関係を認識してチップを搭載した半導体装置が提案されている。

しかし、上記認識マークは、例えばインクを基板に塗布することで形成される。つまり、認識マークと接続バンプとが全く異なる工程で形成される。ワイヤーボンディング法による接続バンプの形成は、常に基板電極の一定位置に行われる訳ではなく、多少のずれが発生する。そのため、認識マークと接続バンプとの相対位置が一定せず、認識マークを基準にしてチップを搭載しても、チップ電極中心と接続バンプ中心との位置ずれを低減できない。

特許文献２には、基板の電極上にめっき法により認識バンプと接続バンプとを同時に形成し、認識バンプを認識パターンとして登録し、チップ搭載位置を決定するものが提案されている。この場合には、バンプ形成精度が±５μｍ程度と配線精度よりも高精度であるため、チップ電極中心と接続バンプ中心との位置ずれを低減できるという利点がある。

認識バンプを画像認識する場合、光源から基板に照射された光の反射光をカメラによって撮像し、反射光の強度の二値化あるいは多値化することで認識対象のコントラストを得るようになっている。ここで、基板に照射される光はカメラと同軸の落射光あるいはリング照明による落射光である。

めっきバンプは、上面がほぼ平坦な形状を有する。めっきバンプを認識バンプとして用いた場合、その上面からの反射光は認識バンプ用電極からの反射光と同等の強度を持つ。そのため、カメラで撮像した反射光を二値化あるいは多値化しても、認識バンプと認識バンプ用電極との間のコントラストが得られず、認識バンプの位置を精度よく検出できない問題があった。
特開平９−１８１０９８号公報 特開２００２−９３４７号公報

そこで、本発明の目的は、バンプの形成精度を高めてチップ電極中心と接続バンプ中心との位置ずれを低減するとともに、認識バンプを画像認識する際のコントラストが得やすい電子回路装置の製造方法および電子回路装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、一方主面上に電極を有する回路素子と、一方主面上に設けられた接続バンプ用電極と認識バンプ用電極とを有する基板とを準備する工程と、上記接続バンプ用電極と上記認識バンプ用電極とにそれぞれワイヤーボンディング法を用いて接続バンプと認識バンプとを連続的に形成する工程と、光学的手段を用いて撮影した上記認識バンプの画像に基づき、上記認識バンプの位置を検出する工程と、上記認識バンプの位置に基づき、上記回路素子を上記接続バンプを介して上記基板上に接合する工程と、を有することを特徴とする電子回路装置の製造方法を提供する。

本発明の特徴の１つは、ワイヤーボンディング法によって接続バンプと認識バンプとを形成し、認識バンプを回路素子の搭載位置を決めるための認識パターンに利用している点である。接続バンプと認識バンプとは連続的に形成される。連続的とは、一度の基板パターン認識によって接続バンプと認識バンプとを形成することをいう。接続バンプと認識バンプの形成の順番は、交互に形成してもよいし、一方のバンプ（例えば認識バンプ）をすべて形成した後で他方のバンプ（例えば接続バンプ）を形成してもよい。このようにバンプを連続的に形成するため、バンプ形成精度は±１０μｍ程度になり、基板にセラミック焼成基板や樹脂基板を用いた場合の配線形成精度（±３０μｍ）に比べて高くなり、チップ電極中心と接続バンプ中心との位置ずれを低減できる。

本発明の特徴の他の１つは、位置認識に用いる認識バンプの形状が、めっきバンプとは異なり、上面が平坦ではないという点である。図１の（ａ）に示すようなめっきバンプの場合には、バンプも電極も金属であり、かつ上面が平坦であるため、たとえ構成する材料を変えたとしても、金属光沢による同じような強度の反射光を光学的手段に返す。そのためコントラストが弱い。一方、ワイヤバンプは、周知のように、金属ワイヤ（例えば金ワイヤ）の先端にスパークを発生させてイニシャルボールを形成し、このボールを電極に接合した後、ワイヤを引きちぎることによりバンプを形成するものである。そのため、図１の（ｂ）に示すように認識バンプの上部は凸形状となり、光学的手段からの落射光によるバンプ上部からの反射光は乱反射する。したがって、認識バンプから光学的手段への反射光は認識バンプ用電極からの反射光よりも弱くなり、両者のコントラストが強く、光学的手段で撮像した反射光を二値化あるいは多値化処理することで、認識バンプの位置を正確に認識できる。つまり、回路素子を基板に対して精度よく正確に搭載することができる。

請求項２のように、認識バンプ用電極は、光学的手段を用いて認識バンプを撮影する際、認識パターンとして登録される範囲内に認識バンプ用電極の端部が含まれない十分な幅寸法を有するのがよい。
撮像した認識バンプの認識パターンの登録範囲内に認識バンプ用電極の端部が含まれないので、認識バンプの端部（縁部）を認識バンプ用電極の端部と誤認識される危険性を低減できるからである。
なお、接続バンプ用電極は接続バンプとほぼ同等の幅に形成すればよい。接続バンプを撮像した際、接続バンプ用電極の端部も同時に撮像されるので、接続バンプを認識バンプと誤認する危険性がない。また、接続バンプ用電極を狭ピッチ間隔で形成できるので、回路素子および基板を小型化できる。

請求項３のように、認識バンプ用電極とその登録パターンとはほぼ相似形であり、接続バンプ用電極におけるバンプ中心から最も近い電極エッジ部までの距離をＬ₁ 、接続バンプの径をｄ₁ 、認識バンプ用電極におけるバンプ中心から最も近い電極エッジ部までの距離をＬ₂ 、認識バンプの径をｄ₂ 、登録パターンにおける認識バンプのコントラストの径をｄ₀ 、登録パターンの幅を２Ｌ₀ 、バンプ形成精度を±δ、撮像時の光学的手段の倍率をαとすると、
α（Ｌ₁ −ｄ₁ ／２−δ）＜Ｌ₀ −ｄ₀ ／２＜α（Ｌ₂ −ｄ₂ ／２−δ）
とするのがよい。
図２の（ａ）は認識バンプ用電極Ｅ２および認識バンプＢ２を示し、（ｂ）は接続バンプ用電極Ｅ１および接続バンプＢ１を示し、（ｃ）は登録された認識パターンを示す。
図２に示すように、バンプ中心から最も近い電極エッジ部までの距離をＬ₁ ，Ｌ₂ とする。認識パターンにおいて、バンプのコントラストＢ０は登録エリアＥ０の中心に設定する。バンプ形成ずれをδとすると、バンプ外径から電極エッジ部端部までの最短距離は、
Ｄ₁ ＝Ｌ₁ −ｄ₁ ／２−δ
Ｄ₂ ＝Ｌ₂ −ｄ₂ ／２−δ
なお、Ｄ₁ は接続バンプＢ１における最短距離、Ｄ₂ は認識バンプＢ２における最短距離である。
認識パターンにおいて、バンプコントラストＢ０の外径から登録エリアＥ０端部までの最短距離は、
Ｄ₀ ＝Ｌ₀ −ｄ₀ ／２
認識パターン撮像時のカメラ倍率をαとすると、以下の関係式が成り立つようにするのがよい。
αＤ₁ ＜Ｄ₀ ＜αＤ₂
以上のようにバンプ、電極幅および認識パターンの大きさを設定すれば、認識パターンには電極端部が含まれず、バンプ位置ずれによる一致率の低下を防止できる。

請求項４のように、認識バンプの直径を接続バンプの直径より大きくしてもよい。
回路素子および基板の小型化のため、認識バンプと接続バンプとが近い位置に形成されることがあるが、認識バンプを接続バンプより大きくすることで、接続バンプを認識バンプと誤認識する危険性をさらに低減できる。
なお、好ましくは認識バンプの大きさを接続バンプの１．５倍以上とするのがよい。

請求項５のように、認識バンプは、回路素子の搭載部分の外側であって、かつ回路素子の対角線上に少なくとも２箇所に設けられているのがよい。
接続バンプは回路素子の外周に沿った位置に形成されるが、認識バンプは接続バンプの外側に形成されるので、回路素子を基板に搭載した時、回路素子と認識バンプとの干渉を防止でき、回路素子の接合性に影響を与えない。また、回路素子の対角線上に設けることで、角度補正、とりわけ小型回路素子における角度補正の精度が向上する。

請求項６のように、接続バンプおよび認識バンプを形成する工程と、回路素子を接続バンプを介して基板上に接合する工程は、それぞれ基板が略同じ温度で実施するのがよい。
バンプ形成時の基板の熱膨張がチップ搭載時に再現され、接続バンプとチップ電極との位置ずれを低減することができる。

請求項７のように、請求項１ないし６のいずれかに記載の製造方法を用いて電子回路装置を製造すれば、接続バンプとチップ電極との位置ずれが少なく、基板と回路素子との間の導通不良がなく、信頼性の高い電子回路装置を製造することができる。

本発明によれば、ワイヤーボンディング法によって接続バンプと認識バンプとを連続的に形成し、認識バンプを回路素子の搭載位置を決めるための認識パターンに利用したので、バンプ形成精度が高くなり、チップ電極中心と接続バンプ中心との位置ずれを低減できる。また、位置認識に用いる認識バンプがワイヤーボンディング法により形成されるので、画像認識の際に認識バンプと認識バンプ用電極とのコントラストが得やすく、認識バンプの位置を正確に認識できる。そのため、回路素子を基板に対して精度よく正確に搭載することができる。

以下に、本発明の実施の形態を、実施例を参照して説明する。

図３，図４は本発明にかかる製造方法により製造した電子回路装置の第１実施例を示す。
この電子回路装置は、一方主面（上側主面）上に設けられた接続バンプ用電極２と認識バンプ用電極３とを有する基板１と、一方主面（下側主面）上にチップ電極１１を有するチップ（回路素子）１０とを備え、チップ１０の電極１１と接続バンプ用電極２とが接続バンプ１２を介して接続されている。また、認識バンプ用電極３上には、認識バンプ１３が固定されている。

基板１は、ガラスエポキシ基板などの樹脂基板、あるいはアルミナなどの焼成基板で構成されている。基板１の上面には、チップ搭載位置４の外周にほぼ沿った位置に複数の接続バンプ用電極２が形成され、チップ搭載位置の外側であってその対角位置の２箇所に認識バンプ用電極３が形成されている。これら電極２，３は、例えばＡｕ／Ｎｉ／Ｃｕの多層構造としてもよいし、単層構造としてもよい。材質も問わない。接続バンプ用電極２の配線幅は８０〜１２０μｍ程度に形成され、配線厚みは１５〜５０μｍ程度に形成されている。幅方向の配線形成精度は±３０μｍ程度である。認識バンプ用電極３の配線幅は、認識バンプ１３の径の２〜１０倍程度としてある。実装エリアの小型化などの要求が高くない場合には、１０倍以上の幅に設定してもよい。ここでは、認識バンプ用電極３を円形としたが、四角形としてもよい。認識バンプ用電極３の配線厚さは接続バンプ用電極２と同程度である。生産性を向上させるため、基板１上には接続バンプ用電極２と認識バンプ用電極３の同一パターンが複数個形成され、チップ実装後、分割される。なお、図示していないが、基板１上に表面実装部品などを搭載するための別の電極を設ける場合もある。

チップ１０は、例えばＳｉ，ＧａＡｓ等よりなる半導体素子を用いてもよいし、ＬｉＴａＯ₃ ，ＬｉＮｂＯ₃ ，水晶等よりなる表面弾性波素子を用いてもよい。チップサイズは一辺が１〜３ｍｍ程度である。チップ電極１１は、Ａｌ，Ａｕなどよりなり、電極厚みは１〜２μｍ程度である。チップ１０は予め個片に分割されている。

次に、上記構成よりなる電子回路装置の製造方法について、図５〜図７にしたがって説明する。
図５に示すように、基板１上の電極２，３上に接続バンプ１２および認識バンプ１３を形成するワイヤーボンディング法は、次のように実施される。バンプ材質はＡｕ，Ａｌ，Ｃｕなどが使われる。
キャピラリ（ワイヤーボンディングツール）２０の先端からワイヤ２１を導出し、ワイヤ２１の先端を電気トーチ（図示せず）によって溶融し、ボール２２を形成する。ボール径は狙いのバンプ径によって異なるが、通常ワイヤ径（φ２０〜３０μｍ程度）の２〜３倍程度とするのがよい。ボール径を変更するには、主にスパーク条件で変更できる。スパーク条件（放電エネルギー等）を強くすると、Ａｕワイヤ２１先端の溶融する部分が長くなり、ボール径が大きくなる。この他に、キャピラリ２０から導出するワイヤ２１の長さを変えることで、ボール径を変更することもできる。

まず、基板１のパターン認識を行い、バンプ１２，１３を形成すべき位置を決定する。
次に、最初に認識バンプ１３を形成する場合には、図５の（ａ）のように大径なボール２２を形成し、パターン認識で得られた認識バンプ用電極３上にキャピラリ２０を移動させ、ボール２２を押し付けるとともに、超音波を印加することで電極３上に接合する（図５の（ｂ）参照）。この時の基板温度は２５〜２００℃程度、押圧荷重は４００〜１２００ｍＮ程度、超音波出力は５０〜３００ｍＷ程度、超音波印加時間は１０〜５０ｍｓ程度がよい。電極３に接合した後、キャピラリ２０を引き上げる途中で、ワイヤ２１が引きちぎられ、バンプ１３が形成される。特に、ボール２２が大径であるため、大径の認識バンプ１３を形成できる。

次に、図５の（ｃ）のように所定距離だけキャピラリ２０または基板１を水平方向に移動させ、ワイヤ２１の先端に小径のボール２２を形成し、これを接続バンプ用電極２上に接合することで、小径の接続バンプ１２を形成する（図５の（ｄ）および（ｅ）参照）。バンプの形成精度は±１０μｍ程度である。
後述する画像認識時の誤認識を防止するため、認識バンプ１３のバンプ径は接続バンプ１２のバンプ径の１．５倍以上とするのがよい。ここでは、接続バンプ１２のバンプ径を６０〜１２０μｍ、認識バンプ１３のバンプ径を９０〜１８０μｍとした。接続バンプ数は１個のチップ当たり６〜１００個程度である。

次に、基板１へのチップ搭載位置を決定するために、事前に認識パターンおよび認識パターンと実装中心位置との関係を登録する。
まず、登録するエリアを決定する。登録エリアは認識バンプ１３のバンプ径の１〜３倍程度に設定する。
次に、既に形成されている認識バンプ１３を用いて、図６に示すような認識パターンを登録する。認識パターンは二値化もしくは多値化画像として登録され、認識バンプ１３と認識バンプ用電極３とが異なるコントラストにて登録される。このとき、登録された認識パターンには、認識バンプ用電極３の端部は含まれていない。
通常、認識パターンは２箇所以上登録する。角度補正精度を向上させるために、チップ１０に対して略対角に位置する２つの認識バンプ１３を登録することが望ましい。但し、角度補正の必要がない場合には、認識パターンを１箇所のみとしてもよい。
次に、認識バンプ１３と実装中心位置との相対的な位置関係を登録する。
チップ１０についても同様に、事前に認識パターンおよび認識パターンと実装中心位置の関係を登録する必要がある。チップ１０の場合、認識パターンには電極などの特徴的な箇所を用いればよい。

次に、認識および実装方法について、図７に従って説明する。
基板１は搬送手段によって実装用ステージ３２上に搬送され、吸着あるいは機械的に固定される。
実装用ステージ３２の上部には、基板観察用のカメラ３０が設けられ、このカメラ３０によって実装位置が撮像される（図７の（ａ）参照）。撮像された領域において、事前に登録された認識パターンと類似する位置を検出する。
認識バンプ１３はワイヤーボンディング法によって形成されているので、バンプ１３の上部は凸形状を持つが、認識バンプ用電極３の上面は平坦であるため、撮像カメラ３０の撮像画像には認識バンプ１３と認識バンプ用電極３との明瞭なコントラストが得られる。そのため、認識バンプ１３の位置を正確に検出できる。

認識パターンにおいて、認識バンプ用電極３の端部を含まないように、認識バンプ用電極３は接続バンプ用電極２よりも大きくしてある。ここで、バンプと電極と認識パターンの大きさは、図２に従って説明した計算式に基づいて決定される。このように認識パターンには電極端部が含まれていないため、バンプ位置ずれによる一致率の低下はない。表１は認識バンプの位置ずれと一致率との関係を示したものである。なお、接続バンプおよび認識バンプの径を共に１００μｍとした。

表１から明らかなように、接続バンプ用電極２の配線幅および認識バンプ用電極３の配線幅を共に１００μｍとした場合、認識バンプ１３の形成位置が２０μｍずれた時の一致率は５０％まで低下する。一方、接続バンプ用電極２の配線幅を１００μｍ、認識バンプ用電極３の配線幅を５００μｍとした場合、認識バンプ１３の形成位置が８０μｍずれたとしても、一致率は８９％までしか低下しない。したがって、誤認識を防止できる。

検出された認識バンプ１３の位置と、事前に登録した認識パターンと実装中心との位置関係から、基板１における実装中心Ｏを決定する。
チップ１０に関しても同様の手法によりチップ中心を決定する。
認識バンプ１２に基づいて決定した実装中心Ｏと、チップ中心とが一致するように位置補正を行うことで、各接続バンプ１２の中心と各チップ電極１１の中心とが一致する。

位置補正後、図７の（ｂ）のようにフリップチップボンダ３１を用いてチップ１０を基板１に搭載する。搭載精度は±１５μｍ程度である。この時、基板１を常温〜２００℃程度に加熱し、チップ１０を常温〜３００℃に加熱して、０．５〜２Ｎ／バンプ程度で加圧する。接合時に、チップ１０に超音波を印加してもよい。
特に、バンプ１２，１３の形成時における基板温度とチップ１０の搭載時における基板温度とをほぼ同じ温度とするのがよい。その場合には、バンプ形成時の基板１の熱膨張がチップ搭載時に再現され、基板１の接続バンプ１２とチップ１０の電極１１との位置ずれを最小限とすることが可能になる。

以上のような工程でチップ１０を基板１に搭載すると、ワイヤーボンディング法によって形成した認識バンプ１３をチップ１０の搭載位置を決めるための認識パターンに利用しているため、チップ電極１１の中心と接続バンプ２の中心とを正確に一致させることができ、基板の配線パターンを認識パターンとして利用した場合に比べて位置ずれを低減できる。

上記実施例では、認識バンプの大きさを接続バンプより大きくしたが、接続バンプを誤認する危険性が少ない場合には、接続バンプと同等の大きさとしてもよい。また、認識バンプを接続バンプより小さくすることで、誤認の危険性を低減させてもよい。
本実施例では、認識バンプを接続バンプの外側でかつ回路素子の対角位置に形成したが、対角位置に限るものではない。認識バンプを接続バンプの外側に形成することで、角度補正の精度が向上しかつチップ実装時に認識バンプがチップと干渉するのを防止できる。
なお、認識バンプを接続バンプの内側、つまりチップ搭載部の範囲内に形成することもできる。この場合には、バンプ形成に要するエリアを小さくできるため、実装領域の小型化に寄与する。但し、チップ実装時に認識バンプがチップと干渉しないように、認識バンプの高さを接続バンプより低くするのがよい。
認識バンプ用電極の形状は、実施例のような円形のほか、四角形、長方形など如何なる形状であってもよい。また、認識バンプ用電極は島状電極に限らず、いずれかの接続バンプ用電極や別の電極とパターン接続されたものでもよい。

めっきバンプとワイヤバンプの画像認識の違いを示す図である。 バンプ、電極および認識パターンの大きさの設定方法を示す図である。 本発明にかかる製造方法により製造した電子回路装置の第１実施例の断面図である。 図３に示す電子回路装置の基板の平面図である。 ワイヤーボンディング法を用いたバンプ形成方法を示す図である。 認識バンプの認識パターン図である。 位置認識工程および実装工程を示す図である。

符号の説明

１ 基板
２ 接続バンプ用電極
３ 認識バンプ用電極
１０ 回路素子（チップ）
１１ チップ電極
１２ 接続バンプ
１３ 認識バンプ
２０ キャピラリ（ワイヤーボンディングツール）
２１ ワイヤ
２２ ボール
３０ カメラ（光学的手段）
３１ フリップチップボンダ

Claims (7)

1. 一方主面上に電極を有する回路素子と、一方主面上に設けられた接続バンプ用電極と認識バンプ用電極とを有する基板とを準備する工程と、
   上記接続バンプ用電極と上記認識バンプ用電極とにそれぞれワイヤーボンディング法を用いて接続バンプと認識バンプとを連続的に形成する工程と、
   光学的手段を用いて撮影した上記認識バンプの画像に基づき、上記認識バンプの位置を検出する工程と、
   上記認識バンプの位置に基づき、上記回路素子を上記接続バンプを介して上記基板上に接合する工程と、を有することを特徴とする電子回路装置の製造方法。
2. 上記認識バンプ用電極は、上記光学的手段を用いて上記認識バンプを撮影する際、認識パターンとして登録される範囲内に上記認識バンプ用電極の端部が含まれない十分な幅寸法を有することを特徴とする請求項１に記載の電子回路装置の製造方法。
3. 上記認識バンプ用電極とその登録パターンとはほぼ相似形であり、接続バンプ用電極におけるバンプ中心から最も近い電極エッジ部までの距離をＬ₁ 、接続バンプの径をｄ₁ 、認識バンプ用電極におけるバンプ中心から最も近い電極エッジ部までの距離をＬ₂ 、認識バンプの径をｄ₂ 、登録パターンにおける認識バンプのコントラストの径をｄ₀ 、登録パターンの幅を２Ｌ₀ 、バンプ形成精度を±δ、撮像時の光学的手段の倍率をαとすると、
   α（Ｌ₁ −ｄ₁ ／２−δ）＜Ｌ₀ −ｄ₀ ／２＜α（Ｌ₂ −ｄ₂ ／２−δ）
   としたことを特徴とする請求項１または２に記載の電子回路装置の製造方法。
4. 上記認識バンプの直径を、上記接続バンプの直径より大きくしたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の電子回路装置の製造方法。
5. 上記認識バンプは、上記回路素子の搭載部分の外側であって、かつ回路素子の対角線上に少なくとも２箇所に設けられていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の電子回路装置の製造方法。
6. 上記接続バンプおよび上記認識バンプを形成する工程と、上記回路素子を上記接続バンプを介して上記基板上に接合する工程は、それぞれ上記基板が略同じ温度で実施されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の電子回路装置の製造方法。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の製造方法を用いて製造されたことを特徴とする電子回路装置。

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