JP4523819B2

JP4523819B2 - バンプ形成方法及び装置

Info

Publication number: JP4523819B2
Application number: JP2004269338A
Authority: JP
Inventors: 誠今西; 知規伊藤; 和也後川; 弘幸小林; 幹夫長谷川
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-09-16
Filing date: 2004-09-16
Publication date: 2010-08-11
Anticipated expiration: 2024-09-16
Also published as: JP2006086324A

Description

本発明は、ＩＣチップの電極に電気接続用のバンプを形成するバンプ形成方法及び装置に関するものである。

ワイヤボンディング技術を応用してＩＣチップの電極に電気接続用のバンプを形成する方法は、従来から知られている（例えば、特許文献１参照。）。

従来のワイヤボンディング技術を応用したバンプボンダーを用いてバンプを形成する方法においては、図８に示すように、電子部品を供給部から接合ステージに移送し位置決めして保持する工程（ステップＳ１１）と、ボンディングヘッドのキャピラリの先端で金ワイヤの先端部を溶融して金ボールを形成する工程（ステップＳ１２）と、ボンディングヘッドを移動してキャピラリ３１の先端の金ボール３２を電子部品３０の電極３３の上に位置決めする工程（ステップＳ１３）（図９（ａ）参照）と、キャピラリ３１により金ボール３２を電極３３に所定荷重で加圧しつつ水平方向の超音波振動３５を印加することで金ボール３２と電極３３を超音波接合し（図９（ｂ）参照）、接合後キャピラリ３１を電極３３から離間動作させ金ワイヤを金ボール３２との境界部で切断してバンプを形成する工程（ステップＳ１４）と、以上の金ボール形成・位置決め・接合工程を電子部品の全ての電極に対して繰り返す工程と、電子部品の全ての電極にバンプを形成した後ボンディングステージから排出部に電子部品を移送する工程（ステップＳ１５）とを有している。

なお、バンプボンダーは、加熱手段を内蔵した接合ステージと、金ボールを形成して接合するボンディングヘッドとを備え、ボンディングヘッドは接合ステージの側方にＸＹ２方向に移動及び位置決め可能に配設されている。また、ボンディングヘッドは、ワイヤの供給手段と、ワイヤを把持するクランパと、ワイヤを挿通して先端から突出させるキャピラリと、キャピラリの先端から突出したワイヤの先端部との間でスパーク電流を流してキャピラリの先端にボールを形成するトーチと、キャピラリ及びクランパを上下動作させる昇降駆動手段と、キャピラリに超音波振動を印加する超音波振動付与手段を備えた構成とされている。

また、ＩＣチップを基板に実装する方法として、図１０に示すように、まずキャピラリ４１の下端にボール４２を形成してＩＣチップ４３の電極４４上に位置させる（ａ）工程と、ＩＣチップ４３の電極４４にボール４２を接合してＩＣチップ４３の各電極４４にバンプ４５を形成する（ｂ）工程と、このバンプ４５を形成したＩＣチップ４３の上下を反転して平板状のレベリングステージ４６に向けて加圧することにより各バンプ４５の先端面を平面状に形成する（ｃ）工程と、バンプ４５の先端面に必要に応じて導電性ペースト４７を塗布し、基板４８上にＩＣチップ４３を固着する熱硬化性接着剤５０を塗布し、ＩＣチップ４３のバンプ４５と基板４８の電極４９が対向位置するように位置決めする（ｄ）工程と、加熱ヘッド５１にてＩＣチップ４３を基板４８に対して加圧するとともに加熱してＩＣチップ４３のバンプ４５を基板４８の電極４９に電気的に接続する（ｅ）工程とを有するものが知られている（例えば、特許文献２参照。）。
特開平１１−４０５９４号公報特開平１１−１１１７６１号公報

ところで、電子部品３０における回路配線ピッチがナノオーダーまで精細化するのに伴って層間絶縁膜３６に、例えば従来のＳｉＯ₂に代えてＳｉＯＣなどの低誘電率の物質が用いられるようになっているが、このような低誘電率の物質は強度が小さいという物性を有している。そのため、上記特許文献１に開示されたバンプ形成方法に基づいて、図９（ａ）に示すように、キャピラリ３１の下端にボール３２を形成した後、図９（ｂ）に示すように、キャピラリ３１にてボール３２を電子部品３０の電極３３に向けて所定の荷重、例えば０．１〜０．５Ｎの荷重で加圧しつつ、振幅０．５〜１．０μｍ、周波数６０〜７０ＫＨｚ（例えば、６３．５ＫＨｚ）程度の超音波振動を付与し、ボール３２を押し潰して整形しつつ電極３３に接合すると、ボール３２の整形のために電子部品３０の電極３３に大きな荷重が負荷されるために、層間絶縁膜３６にクラック３７が発生して電子部品３０が破損する恐れがあるという問題が発生して来た。

なお、特許文献２には、バンプ４５を形成したＩＣチップ４３を基板４８に実装する際に、ＩＣチップ４３の各バンプ４５を均等にかつ確実に接合するため、ＩＣチップ４３をレベリングステージ４６に押圧し、各バンプ４５の先端が同一平面上に位置するようにバンプ４５の先端部を変形させることは開示されているが、ＩＣチップ４３の電極４４にバンプ４５を形成する工程では上記特許文献１と同一の技術を適用しており、上記問題が同様に存在しており、その解決手段を示唆するものではない。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、強度の小さい層間絶縁膜を有する電子部品においても、その電子部品の電極にバンプ形成部材を接合してバンプを形成する際に、電子部品を破損する恐れのないバンプ形成方法及び装置を提供することを目的とする。

本発明のバンプ形成方法は、バンプ形成部材を接合ツールの先端部に形成若しくは保持する工程と、接合ツールにてバンプ形成部材を整形ステージに押圧して整形する工程と、整形したバンプ形成部材を電子部品の電極上に位置決めして当接させる工程と、接合ツールからバンプ形成部材と電極の間に接合エネルギーを付与して接合し電極上にバンプを形成する工程と、接合ツールをバンプから離間させる工程とを有し、前記バンプを形成する工程では、接合エネルギーは、接合ツールにてバンプ形成部材を電極に０．０４〜０．０８Ｎの加圧力で加圧した状態で、接合ツールに振幅が０．５〜１．５μｍであり周波数が５０〜１２０ｋＨｚの超音波振動を印加することで付与することを特徴とするものである。

この構成によれば、接合ツールにて保持したバンプ形成部材を整形ステージに押圧して電子部品の電極との接合面を予め整形することにより、バンプ形成部材を電子部品の電極に接合する際に負荷する荷重を大幅に低減することができ、したがって強度の小さい層間絶縁膜を有する電子部品においても電子部品を破損する恐れなくバンプを形成することができる。また、接合エネルギーを、接合ツールにてバンプ形成部材を電極に所定の加圧力で加圧した状態で接合ツールに超音波振動を印加することで付与すると、超音波振動エネルギーの付与により小さい加圧力で生産性良く接合することができる。なお、超音波振動エネルギーの付与時に加熱し、熱エネルギーも併用すると短時間で信頼性の高い接合を実現することができる。なお、バンプ形成部材の材質によっては、熱エネルギーを付与することで、バンプ形成部材を溶融させて接合したり、小さな加圧力下で熱エネルギーを付与することで金属間接合にて接合することも可能である。また、超音波振動付与時の加圧力を０．０４〜０．０８Ｎ、超音波振動の振幅を０．５〜１．５μｍ、周波数を５０〜１２０ｋＨｚとするのが好適である。加圧力を上記範囲にすることで、低誘電率の層間絶縁膜を損傷する恐れなく効率的に接合することができる。０．０４Ｎ未満では確実に接合されない恐れがあり、０．０８Ｎを超えると層間絶縁膜を損傷する恐れが生じてくる。また、振幅を上記範囲にすることで、接合エネルギーを確実に付与しながら振動によってバンプに位置ずれを生じる恐れがない。また周波数を上記範囲にすることで、短時間にかつばらつきを生じることなく接合することができる。周波数が高くなると接合時間は短縮できるがばらつきが大きくなるため、信頼性の高い接合を確保するのが困難になる。

また、キャピラリに挿通されてその先端から突出されたワイヤの先端部を溶融し、バンプ形成部材としてのボールを形成すると、技術が確立しているバンプボンディング技術によりバンプ形成部材を高い信頼性をもって効率的に形成することができる。

また、本発明のバンプ形成装置は、バンプ形成部材を先端部で支持する接合ツールと、整形ステージの表面を、ガラスまたはサファイアまたは金属表面に対する表面処理層にて構成し、整形ステージの表面硬度がバンプ形成部材の硬度の３倍以上である、バンプ形成部材を押圧して整形する整形ステージと、電子部品を保持する接合ステージと、接合ツールをバンプ形成部材の支持位置と整形ステージと接合ステージの間で移動させ、かつ整形ステージ上と接合ステージ上の電子部品の電極上で昇降させるツール移動手段と、接合ツールを介してバンプ形成部材と電極の間に接合エネルギーを付与する接合エネルギー付与手段とを備えたものである。この構成によると、上記バンプ形成方法を実施することができ、強度の小さい層間絶縁膜を有する電子部品においても電子部品を破損する恐れなくバンプを形成することができる。また、整形ステージの表面を、ガラスまたはサファイアまたは金属表面に対する表面処理層にて構成すると、整形ステージの表面精度及び表面材質が安定して好適である。また、多数回バンプ形成部材の整形動作を繰り返しても整形ステージの表面精度を維持することができて好適である。

バンプ形成部材を先端部で支持する接合ツールと、整形ステージの表面を、ガラスまたはサファイアまたは金属表面に対する表面処理層にて構成し３５０℃の温度条件下でもバンプ形成部材と合金を形成しない、バンプ形成部材を押圧して整形する整形ステージと、電子部品を保持する接合ステージと、接合ツールをバンプ形成部材の支持位置と整形ステージと接合ステージの間で移動させ、かつ整形ステージ上と接合ステージ上の電子部品の電極上で昇降させるツール移動手段と、接合ツールを介してバンプ形成部材と電極の間に接合エネルギーを付与する接合エネルギー付与手段とを備えたものである。この構成によると、上記バンプ形成方法を実施することができ、強度の小さい層間絶縁膜を有する電子部品においても電子部品を破損する恐れなくバンプを形成することができる。また、整形ステージの表面材質を、３５０℃の温度条件下でもバンプ形成部材と合金を形成しない材質とすると、整形ステージを加熱して整形性を高くしても、整形ステージの表面材質に変化を生じる恐れが無くて好適である。また、整形ステージの表面を、ガラスまたはサファイアまたは金属表面に対する表面処理層にて構成すると、整形ステージの表面精度及び表面材質が安定して好適である。

また、本発明のバンプ形成装置は、バンプ形成部材を先端部で支持する接合ツールと、バンプ形成部材を押圧して整形する整形ステージと、電子部品を保持する接合ステージと、接合ツールをバンプ形成部材の支持位置と整形ステージと接合ステージの間で移動させ、かつ整形ステージ上と接合ステージ上の電子部品の電極上で昇降させるツール移動手段と、接合ツールを介してバンプ形成部材と電極の間に接合エネルギーを付与する接合エネルギー付与手段と整形ステージの表面をクリーニングするクリーニング機構とを備えたものである。

この構成によると、上記バンプ形成方法を実施することができ、強度の小さい層間絶縁膜を有する電子部品においても電子部品を破損する恐れなくバンプを形成することができる。また、整形ステージの表面をクリーニングするクリーニング機構を設けると、整形ステージの表面に付着したごみ等がバンプ形成部材に付着して接合の信頼性が低下するのを確実に防止できて好適である。

本発明のバンプ形成方法及び装置によれば、接合ツールにて保持したバンプ形成部材を整形ステージに押圧して電子部品の電極との接合面を予め整形することにより、バンプ形成部材を電子部品の電極に接合する際に負荷する荷重を大幅に低減することができ、したがって強度の小さい層間絶縁膜を有する電子部品においても電子部品を破損する恐れなくバンプを形成することができる。

以下、本発明のバンプ形成方法及び装置の一実施形態について、図１〜図７を参照しながら説明する。

図１は、本実施形態のバンプ形成に用いるバンプボンダーの全体概略構成を示す。図１において、１０はバンプボンダーで、バンプを形成すべき半導体チップなどの電子部品１を供給する供給部２と、バンプを電子部品１の電極に接合する接合ステーション３と、バンプを形成した電子部品１を排出する排出部４と、接合ステーション３の後部に配設されたボンディングヘッド５と、供給部２と接合ステーション３と排出部４の前部に配設されそれらの間で電子部品１を移送する移送手段６とを備えている。ボンディングヘッド５は、上記特許文献１に開示されているものと基本的に同じ構成であり、周知の如くワイヤの供給手段と、ワイヤを把持するクランパと、ワイヤを挿通して先端から突出させるキャピラリと、キャピラリの先端から突出したワイヤの先端部との間でスパーク電流を流してキャピラリの先端にボールを形成するトーチと、キャピラリ及びクランパを上下動作させる昇降駆動手段と、キャピラリに超音波振動を印加する超音波振動付与手段にて構成されており、かつＹ方向（前後方向）とＸ方向（左右方向）の２方向に移動及び位置決め可能なＸＹテーブル７上に設置されている。

接合ステーション３には、図２に示すように、左右一対の接合ステージ８ａ、８ｂとそれらの中間に捨て接合するための捨て接合ステージ９が設けられ、接合ステージ９の後部に整形ステージ１１が設けられている。接合ステージ８ａ、８ｂ、９は内蔵された加熱手段にて２００〜３００℃、例えば２５０℃程度に加熱可能に構成されている。両接合ステージ８ａ、８ｂの間の上面上には凸字状の規制部材１２が配設され、ＸＹ移動手段１３にてＸ方向とＹ方向に移動及び位置決め可能に構成されており、規制部材１２の凸部両側の位置決め角部１２ａ、１２ｂに電子部品１のコーナーを係合させた状態で所定位置に移動させることにより電子部品１を所定位置に位置決めするように構成されている。また、接合ステージ８ａ、８ｂ及び捨て接合ステージ９には吸着口が形成され、位置決めされた電子部品１を吸着して固定するように構成されている。６ａは、電子部品１を吸着保持して搬送する吸着ヘッドである。

整形ステージ１１は、図３に示すように、焼入れした高速度鋼から成る基体１４の表面に、窒化チタン、窒化チタンとカーボンなどの硬質表面コート層１５や表面処理層が形成され、若しくはガラス、サファイアなどの部品が組み付けられ、整形ステージ１１の表面を、バンプ形成部材である金ボールの硬度の３倍以上から１００倍程度の硬度に設定し、繰り返し加圧整形を行っても摩耗する恐れがなく、また３５０℃以上の温度下でも金ボールと合金を形成することがなく、さらに金ボールとの間で低い摩擦係数が得られるように構成されている。また、整形ステージ１１の表面精度は、平面度が０．０１以下、表面粗さＲａが１μｍ以下に設定されている。また、整形ステージ１１も、必要に応じて加熱手段を内蔵させて、２００〜３００℃、例えば２５０℃程度に加熱可能に構成される。さらに、整形ステージ１１には、その表面上を移動してクリーニングするエアブローや金属ブラシなどから成るクリーニング手段１６が配設されている。

なお、図１、図２の例では、左右一対の接合ステージ８ａ、８ｂを設けることで、一方の接合ステージでバンプの形成動作をしている間に、他方の接合ステージに対する電子部品１の搬入搬出や位置決め動作を行うことで効率を高めるようにするとともに、それらの間に整形ステージ１１を配設した例を示したが、図４（ａ）に示すように、単一の接合ステージ８が配設されている場合にその一側に隣接若しくは近接して整形ステージ１１を配設した構成としても良く、また図４（ｂ）に示すように、一対の接合ステージ８ａ、８ｂが配設されている場合にもそれぞれの外側に隣接若しくは近接してそれぞれの整形ステージ１１ａ、１１ｂを配設した構成としても良い。

さらに、以上の例では整形ステージ１１を接合ステージ８（８ａ、８ｂ）に隣接若しくは近接させて固定的に配設した例を示したが、図５に示すように、ボンディングヘッド５に整形ステージ１１を出退移動可能に配設しても良い。すなわち、ボンディングヘッド５の上下移動可能なキャピラリ５ａの下部に、整形ステージ１１を配設するとともにこの整形ステージ１１をキャピラリ５ａの直下位置とキャピラリ５ａの下降移動経路から退避した退避位置との間で出退移動させる出退駆動手段１７を設けた構成としても良い。なお、図５において、５ｂは、キャピラリ５ａが先端に固定され、基端に超音波振動を付与する超音波振動発生手段（図示せず）が結合された超音波ホーン、５ｃはキャピラリ５ａに挿通供給される金ワイヤを把持するクランパである。

次に、以上の構成のバンプボンダー１０を用いて電子部品１にバンプを形成する動作について、図６、図７を参照して説明する。

供給部２には予めバンプを形成すべき電子部品１が搬入されており、この供給部２から移送手段６にて接合ステージ８ａ又は８ｂに電子部品１を移送し、ＸＹ移動手段１３にて規制部材１２を移動させて電子部品１を位置決めし、接合ステージ８ａ又は８ｂ上で吸着固定する（ステップＳ１）。

一方、ボンディングヘッド５において、キャピラリ５ａの先端から突出している金ワイヤ１８の先端部とトーチ（図示せず）との間でスパーク電流を流して金ワイヤ１８の先端部を溶融させ、図７（ａ）に示すように、バンプ形成部材としての金ボール２０を形成する（ステップＳ２）。

次に、ＸＹテーブル７にてボンディングヘッド５を移動させ、形成した金ボール２０を整形ステージ１１上に位置決めした後、キャピラリ５ａの昇降駆動手段（図示せず）にてキャピラリ５ａを所定荷重で下降させ、キャピラリ５ａから金ボール２０に対して所定の加圧力を負荷し、また必要に応じて熱や超音波振動も負荷することにより、図７（ｂ）に示すように、金ボール２０を変形させ、その下面に所要の接合面積を有する平面状の接合面２１が形成されるように金ボール２０を整形する（ステップＳ３）。

次に、再びＸＹテーブル７にてボンディングヘッド５を移動させ、整形した金ボール２０を接合ステージ８ａ又は８ｂ上で位置決めされ、吸着固定されている電子部品１の所定の電極２２上に位置決めする（ステップＳ４）。

次に、図７（ｃ）に示すように、キャピラリ５ａの昇降駆動手段（図示せず）にてキャピラリ５ａを下降させ、キャピラリ５ａから金ボール２０に対して０．０４〜０．０６Ｎ程度の小さい加圧力を作用させた状態で、超音波振動発生手段（図示せず）から超音波ホーン５ｂを介してキャピラリ５ａに振幅：１．０μｍ、周波数：６３．５ｋＨｚの超音波振動を印加する。また、接合ステージ８ａ又は８ｂは加熱手段にて２５０℃程度に加熱されており、熱エネルギーと超音波振動エネルギーの両方を付与されて効率的に接合される。かくして、電子部品１に形成されている強度の小さい層間絶縁膜２４に亀裂などの損傷を生じさせることなく、整形された金ボール２０が確実にかつ高い信頼性を持ってまた位置ずれを生じることなく電子部品１の電極２２に超音波接合される。その後、クランパ５ｃにて金ワイヤ１８をクランプした状態でキャピラリ５ａとともに上方に移動させることにより、金ワイヤ１８が金ボール２０との境界部で容易に破断し、電子部品１の電極２０に接合された金バンプが形成される（ステップＳ５）。

その後、以上のステップＳ２〜ステップＳ５の動作を繰り返すことで、電子部品１に設けられている全ての電極２２に対してバンプを形成する。次に、電子部品１の吸着固定を解除し、移送手段６にて電子部品１を接合ステージ８ａ又は８ｂから排出部４に移送することで、電子部品１に対する一連のバンプ形成動作が終了する（ステップＳ６）。

なお、上記実施形態では、整形ステージ１１を別途に設けた例を示したが、場合によっては規制部材１２を整形ステージと兼用しても良い。

また、上記実施形態では、接合ツールとしてキャピラリ５ａを用い、その先端にバンプ形成部材として金ボール２０を形成する例を示したが、本発明はこれにげんていされるものではなく、例えば接合ツールとして吸着ノズルを用い、別途に製造したバンプ形成部材をこの吸着ノズルで吸着保持し、以降上記実施形態と同様にバンプを形成するようにすることもできる。

本発明のバンプ形成方法及び装置によれば、バンプ形成部材を整形ステージに押圧して電子部品の電極との接合面を予め整形することにより、バンプ形成部材を電子部品の電極に接合する際に負荷する荷重を大幅に低減でき、したがって強度の小さい層間絶縁膜を有する電子部品であっても破損の恐れなくバンプを形成でき、強度の小さい層間絶縁膜を有する電子部品の実装に有効に利用できる。

本発明の一実施形態のバンプボンダーの概略構成を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）はレイアウトを示す平面図。同バンプボンダーの要部構成を示す斜視図。同バンプボンダーの整形ステージの断面図。同バンプボンダーの接合ステージと整形ステージのレイアウトの変形例を示す平面図。同バンプボンダーの変形構成例を示す要部の側面図。同バンプボンダーによるバンブ形成動作のフロー図。同バンプボンダーによるバンブ形成動作の説明図。従来例のバンブ形成動作のフロー図。従来例におけるバンブ形成動作の説明図。他の従来例における電子部品実装工程の説明図。

符号の説明

１電子部品
３接合ステーション
５ボンディングヘッド
８、８ａ、８ｂ接合ステージ
１１、１１ａ、１１ｂ整形ステージ
１５硬質表面コート層
１６クリーニング手段
１７出退駆動手段
２０金ボール（バンプ形成部材）
２１接合面
２２電極

Claims

バンプ形成部材を接合ツールの先端部に形成若しくは保持する工程と、
接合ツールにてバンプ形成部材を整形ステージに押圧して整形する工程と、
整形したバンプ形成部材を電子部品の電極上に位置決めして当接させる工程と、
接合ツールからバンプ形成部材と電極の間に接合エネルギーを付与して接合し電極上にバンプを形成する工程と、
接合ツールをバンプから離間させる工程を有し、
前記バンプを形成する工程では、接合エネルギーは、接合ツールにてバンプ形成部材を電極に０．０４〜０．０８Ｎの加圧力で加圧した状態で、接合ツールに振幅が０．５〜１．５μｍであり周波数が５０〜１２０ｋＨｚの超音波振動を印加することで付与することを特徴とするバンプ形成方法。
キャピラリに挿通されてその先端から突出されたワイヤの先端部を溶融し、バンプ形成部材としてのボールを形成することを特徴とする請求項１記載のバンプ形成方法。
バンプ形成部材を先端部で支持する接合ツールと、
整形ステージの表面を、ガラスまたはサファイアまたは金属表面に対する表面処理層にて構成し、整形ステージの表面硬度がバンプ形成部材の硬度の３倍以上である、バンプ形成部材を押圧して整形する整形ステージと、
電子部品を保持する接合ステージと、
接合ツールをバンプ形成部材の支持位置と整形ステージと接合ステージの間で移動させ、かつ整形ステージ上と接合ステージ上の電子部品の電極上で昇降させるツール移動手段と、
接合ツールを介してバンプ形成部材と電極の間に接合エネルギーを付与する接合エネルギー付与手段
とを備えたことを特徴とするバンプ形成装置。
バンプ形成部材を先端部で支持する接合ツールと、整形ステージの表面を、ガラスまたはサファイアまたは金属表面に対する表面処理層にて構成し、３５０℃の温度条件下でもバンプ形成部材と合金を形成しない、バンプ形成部材を押圧して整形する整形ステージと、電子部品を保持する接合ステージと、接合ツールをバンプ形成部材の支持位置と整形ステージと接合ステージの間で移動させ、かつ整形ステージ上と接合ステージ上の電子部品の電極上で昇降させるツール移動手段と、接合ツールを介してバンプ形成部材と電極の間に接合エネルギーを付与する接合エネルギー付与手段とを備えたことを特徴とするバンプ形成装置。
バンプ形成部材を先端部で支持する接合ツールと、バンプ形成部材を押圧して整形する整形ステージと、電子部品を保持する接合ステージと、接合ツールをバンプ形成部材の支持位置と整形ステージと接合ステージの間で移動させ、かつ整形ステージ上と接合ステージ上の電子部品の電極上で昇降させるツール移動手段と、接合ツールを介してバンプ形成部材と電極の間に接合エネルギーを付与する接合エネルギー付与手段と整形ステージの表面をクリーニングするクリーニング機構とを備えたことを特徴とするバンプ形成装置。