JP4064366B2 - 超音波フリップチップ接合装置および接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体チップと回路基板とをフリップチップ接合するに際し、超音波振動を印加する超音波フリップチップ接合装置および接合方法に関する。

従来、たとえば半導体チップを回路基板またはパッケージに実装する手法には、半導体チップの電極と回路基板の電極またはパッケージとに、極細ワイヤの両端をそれぞれボンディングして電気的接続を得るワイヤボンディング接合方法が用いられていたけれども、近年では、より生産効率の高いフリップチップ接合方法が用いられるに至っている。

フリップチップ接合方法は、半導体チップの電極と、回路基板などの電極とを、導電性を有する接続部材であるバンプによって接合する実装方法である。このバンプには、形成プロセスが比較的容易である金（Ａｕ）ボールバンプが広く実用化されている。フリップチップ接合方法は、バンプを介して複数の接合箇所を一括して接合することができるので、基本的に接合箇所を１箇所ずつ順番に極細ワイヤでボンディングするワイヤボンディング接合方法に比べて生産効率が高いという利点を有している。またフリップチップ接合方法では、接合端子である電極の配置が半導体チップの周辺に限定されないので、接合端子の数を大幅に増大することができるとともに、半導体チップの実装面積を小さくすることができ、また回路の配線長さも短くすることができる。したがって、フリップチップ接合方法は、高密度実装や高速度半導体チップの実装などに適している。

このフリップチップ接合方法の具体的手法としては、導電性ペーストのような中間材を介してバンプと回路基板の電極とを接合する手法、また熱圧着や超音波併用熱圧着によって直接接合する手法などがある。後者の直接接合する手法は、中間材を省くことができ、工程数が少なく、さらに超音波を併用する手法では接合時間を短縮することができるという利点があるので、多用されるようになっている。

図７は、従来の超音波フリップチップ接合装置におけるボンディングツール付近の構成を簡略化して示す側面図である。図７では、バンプ１の設けられた半導体チップ２を吸着するボンディングツール３と、ボンディングツール３に吸着される半導体チップ２を臨んで配置される回路基板４とを示す。

半導体チップ２は、ボンディングツール３の下面に開口部の形成される吸着孔から大気を吸引し、この吸引による真空吸着力によって、ボンディングツール３に保持される。半導体チップ２に設けられるバンプ１と、回路基板４の半導体チップ２を臨む面上に予め形成される電極５とが、対応するように、ボンディシングツール３を回路基板４に対して位置合わせする。次いで、ボンディングツール３を回路基板４に向って下降させ、半導体チップ２に設けられるバンプ１を回路基板４の電極５に押圧し、ボンディングツール３を介して半導体チップ２に超音波振動を印加させて、半導体チップ２のバンプ１と回路基板４の電極５とを接合する。

この接合動作時において、ボンディングツール３による半導体チップ２の保持力の水平成分は、ボンディングツール３によって半導体チップ２を回路基板４に対して押圧する荷重と、ボンディングツール３によって半導体チップ２を吸着する真空吸引力とに基づいて、ボンディングツール３と半導体チップ２との互いの当接面で発生する摩擦力である。

半導体チップ２は自ら振動することがなく、ボンディングツール３の超音波振動に追従して振動するので、ボンディングツール３と半導体チップ２との互いの当接面における摩擦力よりも、半導体チップ２のバンプ１と回路基板４の電極５との当接面における摩擦力の方が大きいと、半導体チップ２がボンディングツール３の超音波振動に追従することができず、半導体チップ２とボンディングツール３との当接面において滑り現象が発生する。このような滑り現象が発生すると、ボンディングツール３に印加された超音波振動が、バンプ１と電極５との当接面に充分に伝達されないので、バンプ１と電極５との接合が不充分になるという問題がある。充分な接合強度を得るべく、超音波振動の印加時間を長くすると、過度の超音波振動エネルギーによって、半導体チップがダメージを受けるという問題がある。

このような問題を解決する従来技術の一つに、ボンディングツールと半導体チップとの間の滑り現象を抑制するものがある（たとえば、特許文献１参照）。図８は、滑り現象を抑制する従来技術の超音波フリップチップ接合装置におけるボンディングツール付近の構成を簡略化して示す部分断面図である。

特許文献１に開示されるボンディング（吸着）ツール６には、ＩＣチップ７の吸着される側の端面に四角錐台状の凹所８が形成される。したがって、凹所８には、対向してテーパを構成する面取部９ａ，９ｂと称される内側面が形成される。ボンディングツール６でＩＣチップ７を吸着するとき、ＩＣチップ７の角部７ａ，７ｂとボンディングツール６の面取部９ａ，９ｂとが当接するように保持する。次いで、ＩＣチップ７に設けられるバンプ１０と、基板１１に形成される電極１２とを位置合わせして当接させ、ボンディングツール６を介して超音波振動を印加して接合する。このとき、ＩＣチップ７がボンディングツール６の面取部９ａ，９ｂにおいて把持されているので、ボンディングツール６とＩＣチップ７との滑り現象が防止されるというものである。

しかしながら、特許文献１に開示される従来技術には、次のような問題がある。ボンディングツール６によれば、ボンディングツール６とＩＣチップ７との当接面積が小さく、ＩＣチップ７の角部７ａ，７ｂに対して、接合時に負荷される荷重と超音波振動とが集中するので、このことに起因してＩＣチップ７の角部７ａ，７ｂにクラックが発生する。

特開２００１−１２７１１４号公報

本発明の目的は、半導体チップに損傷を与えることなく、ボンディングツールから半導体チップに超音波振動を効率的に伝達し、優れた接合強度を得ることのできる超音波フリップチップ接合装置および接合方法を提供することである。

本発明は、超音波振動を印加して、半導体チップを回路基板に接合する超音波フリップチップ接合装置において、
回路基板が保持され少なくとも１軸以上の方向に移動可能なテーブルと、
テーブルに保持される回路基板に対して近接離反するように移動可能に設けられるボンディングツールと、
半導体チップを吸引することによってボンディングツールに吸着させる吸着手段と、
ボンディングツールに超音波振動を印加する超音波振動印加手段と、
半導体チップの振動の振幅を検出する振幅検出手段と、
吸着手段によって半導体チップがボンディングツールに吸引される吸引圧力を検出する圧力検出手段とを含むことを特徴とする超音波フリップチップ接合装置である。

また本発明は、振幅検出手段および圧力検出手段の検出出力に応答し、
吸着手段による半導体チップの吸引を停止して吸着状態を解除し、
ボンディングツールをテーブルに保持される回路基板から離反する方向に移動させるように制御する制御手段をさらに含むことを特徴とする。

また本発明は、超音波振動を印加して、半導体チップを回路基板に接合する超音波フリップチップ接合方法において、
少なくとも１軸以上の方向に移動可能なテーブルに回路基板を保持し、
テーブルに保持される回路基板に対して近接離反するように移動可能に設けられるボンディングツールに半導体チップを吸着させ、
ボンディングツールを回路基板に対して近接するように移動させてボンディングツールに吸着される半導体チップを回路基板に当接し、
ボンディングツールに超音波振動を印加し、
半導体チップの振動の振幅と、半導体チップがボンディングツールに吸着される吸引圧力とを検出し、
検出される振幅が予め定める値以下、かつ検出される吸引圧力が予め定める値以上になるとき、
ボンディングツールと半導体チップとの吸着状態を解除し、
ボンディングツールを回路基板から離反する方向に移動することを特徴とする超音波フリップチップ接合方法である。

本発明によれば、超音波振動を印加しながら半導体チップと回路基板とを接合するに際し、半導体チップの振動の振幅を検出することができ、また半導体チップがボンディングツールに吸着される吸引圧力を検出することができるので、半導体チップのバンプと回路基板の電極との間に印加されている振動エネルギーの水準を精度良く把握することが可能になる。このことによって、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の再現性が向上し、半導体チップと回路基板との優れた接合強度を安定して得ることが可能になる。また接合時の半導体チップの振動状態を検出し、適正な処理をすることによって、半導体チップ実装工程における良好な製造品質管理をすることが可能になるとともに、接合時の条件を常に適切に維持することによって、接合不良品の発生を抑制することが可能になる。

また本発明によれば、振幅検出手段および圧力検出手段の検出出力に基づいて、半導体チップのバンプと回路基板の電極との接合完了時期を知ることができる。すなわち、検出される振幅および吸引圧力の、たとえば接合開始初期値からの変化量が、予め定める値以上になったとき、半導体チップのバンプと回路基板の電極との接合が完了したと見極めることが可能である。

また振幅検出手段および圧力検出手段の検出出力に応答して、吸着手段による半導体チップの吸引を停止して吸着状態を解除するとともに、ボンディングツールをテーブルに保持される回路基板から離反する方向に移動させるように制御する制御手段がさらに備えられるので、半導体チップのバンプと回路基板の電極との接合が完了すると同時に、半導体チップを吸着しているボンディングツールの吸着状態を解除することができる。このことによって、半導体チップに対する過度な超音波振動の印加を防止できるので、半導体チップに損傷を与えることなく、しかも回路基板の電極に対して強固に接合することが可能になる。

さらに、たとえば前述のように接合開始初期値に対する変化量に閾値を設けることによって、接合完了を検知することができるので、品種切替え等による適正接合完了条件を、その都度抽出することが不要になるので、生産効率向上が実現される。

また本発明の超音波フリップチップ接合方法によれば、半導体チップに損傷を与えることなく、ボンディングツールから半導体チップに超音波振動を効率的に伝達し、優れた接合強度を得ることが可能になる。

図１は本発明の実施の一形態である超音波フリップチップ接合装置２０の構成を簡略化して示す系統図であり、図２は図１に示す超音波フリップチップ接合装置２０に備わるボンディングツール２５まわりの構成を簡略化して示す図である。超音波フリップチップ接合装置２０（以後、単に接合装置２０と略称する）は、超音波振動を印加して、半導体チップ２１と回路基板２２とをバンプ２３を介して接合することに用いられる。

接合装置２０は、大略回路基板２２が保持され少なくとも１軸以上の方向に移動可能なテーブル２４と、テーブル２４に保持される回路基板２２に対して近接離反するように移動可能に設けられるボンディングツール２５と、半導体チップ２１を吸引することによってボンディングツール２５に吸着させる吸着手段２６と、ボンディングツール２５に超音波振動を印加する超音波振動印加手段２７と、半導体チップの振動の振幅を検出する振幅検出手段２８と、吸着手段２６によって半導体チップ２１がボンディングツール２５に吸引される吸引圧力を検出する圧力検出手段２９と、振幅検出手段２８および圧力検出手段２９の検出出力に応答し、吸着手段２６による半導体チップ２１の吸引を停止して吸着状態を解除し、ボンディングツール２５をテーブル２４に保持される回路基板２２から離反する方向に移動させるように制御する制御手段３０とを含む。

半導体チップ２１は、たとえばシリコン基板上に微細回路の形成されたものであり、その表面には、接続端子として複数のパッドが形成され、さらにパッド上にたとえばＡｕボールバンプ２３が予め設けられる。回路基板２２は、その表面の実装位置に、半導体チップ２１に形成されるパッドに対応する接続端子として、半導体チップ２１に形成されるのと同数の電極２２ａが形成されている。半導体チップ２１に形成されるパッドと、回路基板２２に形成される電極とが、Ａｕボールバンプ２３を介して超音波振動を印加されて接合される。

回路基板２２は、前述のようにテーブル２４に保持される。本実施の形態では、テーブル２４は、直交する２軸方向ならびにθ方向に移動可能なＸ−Ｙ−θテーブルであり、図１の紙面では、左右のＸ軸方向と、前後のＹ軸方向と、θ方向とに可動である。このテーブル２４は、テーブル２４に接続されるテーブル制御部３１からの移動するべき座標位置を与える動作制御信号に従って、テーブル２４に保持される回路基板２２を、Ｘ−Ｙ−θ方向の所望の位置に移動させることができる。なお、テーブル制御部３１は、接合装置２０全体の総合的な動作制御を行う処理回路であり、前記制御手段３０として機能する主制御部３０に電気的に接続される。テーブル制御部３１は、たとえばカメラおよび画像情報処理装置などの情報に基づいて主制御部３０から送られる信号に従ってテーブル２４を動作制御する。

ボンディングツール２５は、たとえば鉄系素材からなり、略直方体形状を有する。図２（ａ）には、ボンディングツール２５まわりの構成を正面図にて示し、図２（ｂ）には底面図にて示し、図２（ｃ）には右側面図にて示す。なお、図２（ｂ）および図２（ｃ）では、ブースタと超音波ホーンならびに超音波振動子とを省いて示す。

ボンディングツール２５は、半導体チップ２1を吸着する下面３２、すなわちテーブル２４に保持される回路基板２２を臨む面３２に開口するように第１吸着孔３３と第２吸着孔３４ａ，３４ｂとが形成される。本実施の形態では、第１吸着孔３３が一つ、第２吸着孔３４ａ，３４ｂが２つ形成される。

第１吸着孔３３は、前記下面３２のほぼ中央部に矩形状の開口部を有するように形成される。第１吸着孔３３は、開口部の寸法のままボンディングツール２５内を貫き、開口部の反対側で、後述する吸着制御部４９に連なる管路に接続される。

第２吸着孔３４ａ，３４ｂは、第１吸着孔３３に関して対称となる位置に、長方形状の開口部を有するように形成される。第２吸着孔３４ａ，３４ｂが、ボンディングツール２５の下面３２に開口される開口部の最大寸法は、半導体チップ２１がボンディングツール２５に吸着される面の最小寸法よりも小さくなるように形成される。本実施の形態では、第２吸着孔３４ａ，３４ｂの開口部は、長方形状に形成されるので、その最大寸法は対角線の寸法である。しかしながら、第２吸着孔３４ａ，３４ｂの開口部は、極めて細長い長方形に形成されるので、対角線寸法が長方形の長辺Ｌ１にほぼ等しい。また半導体チップ２１も平面投影形状が長方形状に形成され、そのボンディングツール２５に吸着される面の最小寸法は、長方形の短辺Ｌ２である。したがって、第２吸着孔３４ａ，３４ｂの開口部の長辺Ｌ１が、半導体チップ２１の短辺Ｌ２よりも小さくなるように形成される。

第２吸着孔３４ａ，３４ｂは、ボンディングツール２５の下面３２に開口部を有する横孔部３５と、前述の長辺Ｌ１のほぼ中央付近で横孔部３５に連通し、ボンディングツール２５を縦方向に貫いて形成される縦孔部３６とを含んで構成される。第２吸着孔３４ａ，３４ｂの縦孔部３６は、後述する吸着制御部４９に連なる管路に接続される。

第１吸着孔３３および第２吸着孔３４ａ，３４ｂは、ボンディングツール２５に半導体チップ２１が吸着された状態で、半導体チップ２１がボンディングツール２５に当接する下面３２上に、半導体チップ２１の輪郭として画される領域内に開口するように形成される。

第１吸着孔３３および第２吸着孔３４ａ，３４ｂが管路で接続される吸着制御部４９は、第１吸着孔３３および第２吸着孔３４ａ，３４ｂおよびそれらに接続される管路を通じて大気を吸引する真空ポンプと、真空ポンプのオン／オフ切換動作を制御する切換動作制御部とを含む。これらの第１吸着孔３３および第２吸着孔３４ａ，３４ｂと、管路と、吸着制御部４９とが、吸着手段２６を構成する。吸着制御部４９を動作させ、第１吸着孔３３および第２吸着孔３４ａ，３４ｂならびにそれらに接続される管路を通じて大気を吸引することによって、たとえば不図示のチップトレイに収容される半導体チップ２１を、ボンディングツール２５で真空吸着してチップトレイからピックアップすることができる。なお、吸着制御部４９は、前述の主制御部３０に電気的に接続される。

ボンディングツール２５の側面には、超音波ホーン３７，３８ならびに振動の振幅を増減するとともに、ホルダーに固定するブースタ４７，４８が接続され、少なくとも一方の超音波ホーン３８には、ブースタ４８を介して超音波振動子３９が接続される。超音波振動子３９は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する圧電素子または磁歪素子等のようなエネルギー変換器である。超音波振動子には、特にジルコンチタン酸鉛などの圧電素子が好適に用いられる。超音波振動子３９は、超音波発振器４０に電気的に接続され、超音波発振器４０から供給される電力と信号に応じて、所定周波数の超音波振動を発生して出力する。超音波発振器４０と、ブースタ４７，４８と、超音波振動子３９と、超音波ホーン３７，３８とが、超音波振動印加手段２７を構成する。超音波発振器４０からの信号に基づいて超音波振動子３９が、超音波振動を発生し、その超音波振動が、ブースタ４８および超音波ホーン３８を介してボンディングツール２５に伝達され、さらにボンディングツール２５からボンディングツール２５に吸着される半導体チップ２１に伝達され、半導体チップ２１が矢符４１方向に振動する。

前述のように本実施の形態の接合装置２０には、振幅検出手段２８と圧力検出手段２９とが備えられる。振幅検出手段２８は、半導体チップ２１の振動を検出する振動測定センサ４２と、振動測定センサ４２が検出した振動からその振幅を計測する振動振幅計測部４３とを含む。振動測定センサ４２は、たとえば非接触型振動計であるレーザドップラー振動計によって実現され、半導体チップ２１の側面に照射したレーザ光の反射光を受光し、その反射光の振動数のドップラー効果による変化を測定する。

圧力検出手段２９は、前述の吸着制御部４９に接続される管路とは、別に設けられる管路によって第２吸着孔３４ａ，３４ｂに接続される圧力計であり、図１では真空度検知部と表記する。圧力検出手段２９は、第２吸着孔３４ａ，３４ｂから大気を吸引し、半導体チップ２１を吸着させる吸引圧力を測定する。

前述のように半導体チップ２１は自ら振動することがなく、ボンディングツール２５の超音波振動に追従して振動する。したがって、半導体チップ２１のバンプ２３と、回路基板２２の電極２２ａとの接合にまで至らない段階では、半導体チップ２１がボンディングツール２５に吸着されてボンディングツール２５の超音波振動に追従して振動する。ただし、この段階でも、半導体チップ２１の振動の振幅は、ボンディングツール２５と半導体チップ２１との間の摩擦等に起因し、ボンディングツール２５の振動の振幅に比べて若干減少するのが普通である。

半導体チップ２１のバンプ２３と、回路基板２２の電極２２ａとの接合が進行すると、バンプ２３と電極２２ａとの間の摩擦力が、ボンディングツール２５と半導体チップ２１との間の摩擦力を上回るようになる。このような段階では、半導体チップ２１がボンディングツール２５の振動に充分に追従しなくなるので、半導体チップの振動の振幅が、超音波振動の印加開始時に比べて小さくなる。

一方、ボンディングツール２５の振動の振幅は、バンプ２３と電極２２ａとの接合の段階に関わらず変化することがないので、ボンディングツール２５と半導体チップ２１との間に滑り現象が発生するようになる。ボンディングツール２５の下面３２に対して半導体チップ２１が滑ると、半導体チップ２１による吸着孔、特に第２吸着孔３４ａ，３４ｂの開口部に対する吸引が破れ、いわゆるリークするので、吸着手段２６による吸引圧力が高く（真空度が低く）なる。

振幅検出手段２８および圧力検出手段２９は、このような半導体チップ２１の振動の振幅減少および吸引圧力の増加を検出することができる。たとえば、半導体チップ２１と回路基板２２とを接合するべく、半導体チップ２１をボンディングツール２５で吸着し、超音波振動の印加を開始した時点における半導体チップ２１の振動の振幅と吸引圧力とを、初期値として設定する。次いで、半導体チップ２１と回路基板２２との適正な接合が完了した時点における半導体チップ２１の振動の振幅が初期値に対して減少した割合、および吸引圧力が増加した割合を求める。このようにして、接合完了の指標となる半導体チップ２１の振動振幅の初期値に対する減少割合および吸引圧力の初期値に対する増加割合を定めておき、半導体チップ２１と回路基板２２との接合に際し、半導体チップ２１の振動振幅と吸引圧力とをリアルタイムで検出し、上記の設定した割合に達したか否かを検知することによって、半導体チップ２１と回路基板２２との接合完了時点を判定することが可能になる。

接合装置２０は、半導体チップ２１と回路基板２２との接合完了を判定することが可能に構成される。すなわち、振幅検出手段２８および圧力検出手段２９によって検出された振幅および圧力のアナログデータは、アナログ／デジタル（略称Ａ／Ｄ）変換回路４４へ伝送されてデジタルデータに変換される。Ａ／Ｄ変換回路４４でデジタルデータに変換された振幅および圧力のデータは、接合完了判断部４５に伝送され、接合完了判断部４５において半導体チップ２１と回路基板２２との接合完了の有無が判定される。

接合完了判断部４５は、たとえば演算回路である。半導体チップ２１と回路基板２２との接合を開始するべく印加した振動の半導体チップ２１における振幅と吸引圧力とを初期値とし、接合動作中に検出される振幅と圧力との初期値に対する比を演算し、その比が接合完了指標として予め定める値以上もしくは以下になったとき、接合完了の信号を送出するように構成される。またこれに限定されず、半導体チップ２１の種類によって、接合完了の指標となる振幅および圧力がほとんど一定の場合、接合完了指標となる振幅と圧力の値を定めて接合完了判断部４５のメモリにストアしておき、接合動作中に検出される振幅と圧力と予め定める値との偏差を演算し、偏差が零（０）以上もしくは０以下になったとき、接合完了と判定するような構成であってもよい。この接合完了判断部４５から送出される信号は、吸着制御部４９と主制御部３０とに入力され、吸着手段２６の動作制御に用いられる。

前述したボンディングツール２５、超音波ホーン３７，３８、ブースタ４７，４８および超音波振動子３９は、ホルダー４６に支持される。ホルダー４６には、加圧シリンダ５１のピストンロッド５２が装着される。加圧シリンダ５１は、ピストンロッド５２の反対側の取付面が昇降板５３に装着される。昇降板５３には、２つの貫通孔が形成され、互いに平行になるように対向して設けられる第１案内棒部材５４と、第２案内棒部材５５とが、貫通孔にそれぞれ挿通される。昇降板５３は、第１および第２案内棒部材５４，５５に対して摺動可能であり、第１および第２案内棒部材５４，５５に案内される上下方向に移動することができる。

第１および第２案内棒部材５４，５５は、昇降板５３に関してホルダー４６と反対側に配置される支持フレーム５６にそれぞれ立設される。支持フレーム５６のほぼ中央部であって、前記加圧シリンダ５１のピストンロッド５２の進退方向の延長線上には、電動機５７が装着される。電動機５７は、その出力軸５８が昇降板５３を臨むように配置される。電動機５７の出力軸５８にはおねじ部材５９の一端部が連結される。おねじ部材５９は、昇降板５３に固設されるナット６０に螺合されるとともに、その他端部が昇降板５３に回転自在に支持される。

電動機５７には、その回転動作を制御するモータ駆動部６１が接続され、さらにモータ駆動部６１が前述の主制御部３０に接続される。また加圧シリンダ５１には、加圧ユニット６２が配管系によって接続され、加圧ユニット６２には、加圧ユニット６２の加圧動作を制御する荷重制御部６３が電気的に接続され、さらに荷重制御部６３が前述の主制御部３０に接続される。

モータ駆動部６１からの動作制御信号によって電動機５７を回転駆動し、その出力軸５８に連結されるおねじ部材５９を回転させる。おねじ部材５９の回転運動が、おねじ部材５９に螺合されるナット６０およびナット６０が固設される昇降板５３の直進運動に変換され、昇降板５３が、第１および第２案内棒部材５４，５５に案内されて上下動する。昇降板５３の上下動に従って、昇降板５３に装着される加圧シリンダ５１および加圧シリンダ５１のピストンロッド５２に装着されるホルダー４６が上下動する。

前述のようにして昇降板５３を所望の位置に移動させた状態で、荷重制御部６３からの制御信号に応じて加圧ユニット６２を動作させ、加圧シリンダ５１のピストンロッド５２を進退させることによって、ホルダー４６、すなわちホルダー４６に支持されるボンディングツール２５を、テーブル２４に保持される回路基板２２に対して近接離反させることができるとともに、ボンディングツール２５に吸着保持される半導体チップ２１を回路基板２２に対して押圧させることができる。

テーブル制御部３１、超音波発振器４０、吸着制御部４９、モータ駆動部６１および荷重制御部６３が電気的に接続される主制御部３０は、たとえば中央処理装置（略称ＣＰＵ）を備えるマイクロコンピュータなどによって実現される処理回路であり、前述のように接合装置２０全体の動作を総合的に制御する。

振幅検出手段２８および圧力検出手段２９の検出出力に基づいて接合完了判断部４５が、半導体チップ２１と回路基板２２との接合完了の信号を主制御部３０に対して出力したとき、該出力を受けた主制御部３０は、吸着制御部４９に動作指示信号を出力して、吸着制御部４９の真空ポンプをオフにして、吸着手段２６による半導体チップ２１の吸着状態を解除する。吸着制御部４９に動作指示信号を出力するのと同時に、主制御部３０は、荷重制御部６３、モータ駆動部６１および超音波発振器４０に対しても動作指示信号を出力し、超音波振動子３９の超音波発振を停止し、加圧シリンダ５１のピストンロッド５２を後退させ、電動機５７を前述とは逆方向へ回転させて昇降板５３を上昇させる。すなわち主制御部３０が、振幅検出手段２８および圧力検出手段２９の検出出力に応答して、ボンディングツール２５と半導体チップ２１との吸着状態を解除し、ボンディングツール２５を回路基板２２から離反する方向に移動するように制御する制御手段である。

なお吸着制御部４９は、主制御部３０からの信号によらず、接合完了判断部４５からの出力信号に応答して真空ポンプをオフにするように構成されても良く、この場合制御手段は、接合完了判断部４５と主制御部３０とからなる。

図３は本発明の超音波フリップチップ接合方法を説明するフローチャートであり、図４〜図６は図３に示すフローチャートに対応する半導体チップ２１と回路基板２２との接合ステップを説明する図である。図３を参照して本発明の超音波フリップチップ接合方法を説明する。

スタートのステップｓ１では、接合装置２０が準備されて、テーブル２４上には搬送装置によって、接合対象である回路基板２２が保持されている状態である。またチップトレイには、回路基板２２と接合される対象である半導体チップ２１が収容されている状態である。

ステップｓ２では、主制御部３０から吸着制御部４９に動作指示信号が出力され、吸着制御部４９によってボンディングツール２５に形成される第１吸着孔３３および第２吸着孔３４ａ，３４ｂから大気を吸引し、チップトレイに収容される半導体チップ２１を、ボンディングツール２５の下面３２に半導体チップ２１を吸着保持する。次いで、たとえばカメラと画像情報処理装置からの情報に応じて、主制御部３０の動作指示信号により、テーブル制御部３１がテーブル２４を駆動させて、半導体チップ２１のバンプ２３と、回路基板２２の電極２２ａとが対応するように位置合わせする。

ステップｓ３では、主制御部３０が、モータ駆動部６１と荷重制御部６３とに動作指示信号を出力し、半導体チップ２１を吸着保持するボンディングツール２５を、図４に示す矢符６４方向に移動、すなわちテーブル２４に保持される回路基板２２に向って下降させ、半導体チップ２１のバンプ２３を回路基板２２の電極２２ａに押圧する。このとき、半導体チップ２１を回路基板２２に対して押圧する力は、主制御部３０からの制御信号に従い、荷重制御部６３が加圧ユニット６２の出力を制御することによって調節される。半導体チップ２１を回路基板２２に対して押圧した状態で、回路基板２２が不図示の加熱手段からの伝熱により加熱される。半導体チップ２１を回路基板２２に対して押圧し、回路基板２２が加熱された状態で、主制御部３０が超音波発振器４０に制御信号を出力し、超音波振動子３９に超音波振動を発振させる。図５は、半導体チップ２１に、荷重を付加して回路基板２２に対して押圧し、ボンディングツール２５を介して超音波振動を印加している状態を示す。

ステップｓ４では、圧力検出手段２９によって、吸着手段２６による半導体チップ２１の吸引圧力（図３では真空度と表記）を検出し、ステップｓ５では、振幅検出手段２８によって、半導体チップ２１の振動振幅を検出する。フローチャートでは、ステップｓ４とステップｓ５とを、時系列に記載するけれども、この２つのステップは同時に行われて良く、また順序が逆であっても良い。ステップｓ６では、振動振幅の減少量および圧力の増加量（真空度の場合は低下量となる）が、予め定める値に達したか否かが判断される。この判断は、接合完了判断部４５において実行される。判断結果が肯定のとき、ステップｓ７へ進み、判断結果が否定のとき、ステップｓ４およびｓ５を繰返す。

ステップｓ７では、接合完了判断部４５において、半導体チップ２１と回路基板２２との接合完了が判定され、接合完了判断部４５から主制御部３０に接合完了信号が出力され、該出力に応じて主制御部３０が吸着制御部４９に真空ポンプの動作をオフに成さしめる動作指示信号を出力する。吸着制御部４９が真空ポンプを停止し、ボンディングツール２５に対する半導体チップ２１の吸着を解除する。

ステップｓ８では、図６に示すように、接合完了判断部４５からの出力信号を受けて主制御部３０が出力する動作指示信号に従い、超音波発振器４０が超音波振動子３９の超音波発振を停止し、荷重制御部６３が加圧シリンダ５１のピストンロッド５２を後退させ、モータ駆動部６１が電動機５７を回転させて昇降板５３を上昇させて、ステップｓ９に進み半導体チップ２１と回路基板２２との接合が完了する。このようにして、半導体チップ２１が回路基板２２のチップ実装位置に表面実装される。

本発明は、半導体チップを回路基板に超音波フリップチップ接合するものであるけれども、電子部品を基板に接合するに際し、超音波振動を印加するような場合も本発明の範疇に含まれる。

本発明の実施の一形態である超音波フリップチップ接合装置２０の構成を簡略化して示す系統図である。 図１に示す超音波フリップチップ接合装置２０に備わるボンディングツール２５まわりの構成を簡略化して示す図である。 本発明の超音波フリップチップ接合方法を説明するフローチャートである。 図３に示すフローチャートに対応する半導体チップ２１と回路基板２２との接合ステップを説明する図である。 図３に示すフローチャートに対応する半導体チップ２１と回路基板２２との接合ステップを説明する図である。 図３に示すフローチャートに対応する半導体チップ２１と回路基板２２との接合ステップを説明する図である。 従来の超音波フリップチップ接合装置におけるボンディングツール付近の構成を簡略化して示す側面図である。 滑り現象を抑制する従来技術の超音波フリップチップ接合装置におけるボンディングツール付近の構成を簡略化して示す部分図である。

符号の説明

２０ 接合装置
２１ 半導体チップ
２２ 回路基板
２３ バンプ
２４ テーブル
２５ ボンディングツール
２６ 吸着手段
２７ 超音波振動印加手段
２８ 振幅検出手段
２９ 圧力検出手段
３０ 主制御部
３１ テーブル制御部
３３ 第１吸着孔
３４ａ，３４ｂ 第２吸着孔
３７，３８ 超音波ホーン
３９ 超音波振動子
４０ 超音波発振器
４２ 振動測定センサ
４３ 振動振幅計測部
４４ Ａ／Ｄ変換回路
４５ 接合完了判断部
４６ ホルダー
４７，４８ ブースタ
４９ 吸着制御部
５１ 加圧シリンダ
５３ 昇降板
５４，５５ 案内棒部材
５６ 支持フレーム
５７ 電動機
６１ モータ駆動部
６２ 加圧ユニット
６３ 荷重制御部

Claims (3)

1. 超音波振動を印加して、半導体チップを回路基板に接合する超音波フリップチップ接合装置において、
   回路基板が保持され少なくとも１軸以上の方向に移動可能なテーブルと、
   テーブルに保持される回路基板に対して近接離反するように移動可能に設けられるボンディングツールと、
   半導体チップを吸引することによってボンディングツールに吸着させる吸着手段と、
   ボンディングツールに超音波振動を印加する超音波振動印加手段と、
   半導体チップの振動の振幅を検出する振幅検出手段と、
   吸着手段によって半導体チップがボンディングツールに吸引される吸引圧力を検出する圧力検出手段とを含むことを特徴とする超音波フリップチップ接合装置。
2. 振幅検出手段および圧力検出手段の検出出力に応答し、
   吸着手段による半導体チップの吸引を停止して吸着状態を解除し、
   ボンディングツールをテーブルに保持される回路基板から離反する方向に移動させるように制御する制御手段をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の超音波フリップチップ接合装置。
3. 超音波振動を印加して、半導体チップを回路基板に接合する超音波フリップチップ接合方法において、
   少なくとも１軸以上の方向に移動可能なテーブルに回路基板を保持し、
   テーブルに保持される回路基板に対して近接離反するように移動可能に設けられるボンディングツールに半導体チップを吸着させ、
   ボンディングツールを回路基板に対して近接するように移動させてボンディングツールに吸着される半導体チップを回路基板に当接し、
   ボンディングツールに超音波振動を印加し、
   半導体チップの振動の振幅と、半導体チップがボンディングツールに吸着される吸引圧力とを検出し、
   検出される振幅が予め定める値以下、かつ検出される吸引圧力が予め定める値以上になるとき、
   ボンディングツールと半導体チップとの吸着状態を解除し、
   ボンディングツールを回路基板から離反する方向に移動することを特徴とする超音波フリップチップ接合方法。

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