JP4507582B2 - バンプ付電子部品の実装方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数の金属バンプが形成されたバンプ付き電子部品を基板に実装するバンプ付電子部品の実装方法に関するものである。

フリップチップなど半導体素子に接続用電極である金属バンプが設けられたバンプ付電子部品を基板に実装する実装方法として、超音波接合による方法が用いられている（例えば特許文献１，２参照）。この実装方法においては、バンプ付電子部品に超音波振動と熱と加圧力を作用させながらこのバンプ付電子部品を基板に対して押圧することにより、金属バンプを基板の電極に超音波接合によって金属接合し、金属バンプを電極に電気的に接続する。
特開平１０−３３５３７３号公報 特開２００１−２９８１４６号公報

ところでバンプ付電子部品に形成された金属バンプのサイズにはばらつきが存在し、上述の超音波接合においては、サイズの大きなバンプから順に電極に接触して金属接合される。そして接合過程で金属バンプが加圧力によって幾分押し潰されて全ての金属バンプが電極に金属接合されることにより、超音波接合が完了する。

しかしながら、従来のバンプ付電子部品を対象とした超音波接合においては、バンプサイズの相違により金属バンプごとに超音波接合の進展度合いが異なるため、先行して金属接合が開始された金属バンプについては、下端部が既に電極に金属接合された状態で超音波振動が継続して付与される事態が発生する。そしてこのような超音波振動が過剰に付与された金属バンプには、バンプ基部に振動変位による過大な応力が生じる結果、超音波接合過程が終了した状態でバンプ基部にクラックなどのダメージが発生するという問題があった。

そこで本発明は、超音波接合過程におけるダメージを防止することができるバンプ付電子部品の実装方法を提供することを目的とする。

本発明のバンプ付電子部品の実装方法は、複数の金属バンプが形成されたバンプ付電子部品を複数の電極が形成された基板に実装するバンプ付電子部品の実装方法であって、前記バンプ付電子部品と前記基板との間に熱硬化性の樹脂を介在させた状態で前記複数の金属バンプを前記複数の電極に位置合わせする工程と、前記バンプ付電子部品に超音波振動と熱と加圧力を作用させながらこのバンプ付電子部品を基板に対して押圧する工程と、全ての金属バンプを前記電極に接触させて電気的に接続するとともにそのうちの一部の金属バンプを前記電極に金属接合した段階で前記超音波振動を実質的に停止する工程と、前記超音波振動を実質的に停止した後も、前記バンプ付電子部品に対して熱と加圧力を継続して作用させることにより前記熱硬化性樹脂の硬化を進展させる工程を含む。

本発明によれば、バンプ付電子部品に超音波振動と熱と加圧力を作用させながらこのバンプ付電子部品を基板に対して押圧する過程において、全ての金属バンプを電極に接触させて電気的に接続するとともに、そのうちの一部の金属バンプを電極に金属接合した段階で超音波振動を実質的に停止し、超音波振動を実質的に停止した後も、バンプ付電子部品に対して熱と加圧力を継続して作用させることにより熱硬化性樹脂の硬化を進展させることにより、先行して金属接合が開始した金属バンプに超音波振動が過剰に作用することに起因するダメージを防止することができる。

次に本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施の形態の電子部品実装方法の工程説明図、図２は本発明の一実施の形態の電子部品実装構造の断面図、図３は本発明の一実施の形態の電子部品実装方法における押圧荷重と超音波出力のタイムチャートである。

まず図１を参照して、電子部品実装方法について説明する。この電子部品実装方法は、複数の金属バンプが形成されたバンプ付電子部品を、複数の電極が形成された基板に実装するものである。ここでは、金属バンプとして金を材質とする金バンプが用いられ、また電極として表面に金メッキによる金層が形成されたものを対象としている。

図１（ａ）において、基板保持部１には上面に電極３が形成された基板２が保持されている。基板２の上面には予めエポキシ樹脂などの熱硬化性の樹脂４がディスペンサによる塗布などの方法で供給されている。樹脂４を供給する方法としては、樹脂４をシート状にした樹脂シートを、基板２の表面に貼着するようにしてもよい。

次に図１（ｂ）に示すように、下面に接続用電極である金属バンプ６が形成されたバンプ付電子部品５（以下、単に「電子部品５」と略記）を超音波圧着用のツール７に保持させる。すなわち、電子部品５の背面（バンプ形成面の反対面）にツール７の保持面を接触させ、吸引孔７ａから真空吸引することにより電子部品５を吸着保持する。

ツール７が装着された圧着装置（図示省略）は、振動付与装置、加熱装置および押圧機構を備えており、電子部品５の背面にツール７を接触させた状態において、ツール７を介して電子部品５に超音波振動と熱と加圧力を作用させることができる。そしてここで振動付与装置は、超音波振動の発停および出力が任意に制御可能となっており、加熱装置は加熱温度の設定が、また押圧機構は押圧荷重の設定がそれぞれ可能となっている。

電子部品５を保持したツール７は、予め電極３上に樹脂４が供給された基板２上に移動する。そして電子部品５と基板２との間に樹脂４を介在させた状態で、複数の金属バンプ６を樹脂４で覆われた複数の電極３に位置合わせする。次いで図１（ｃ）に示すように、ツール７を電子部品５ととも下降させて金属バンプ６の下端面を電極３の表面に着地させ、超音波振動（矢印ａ参照）と熱（矢印ｂ参照）および加圧力（矢印ｃ参照）によって、金属バンプ６を電極３に接合する。

この接合過程について、図３のタイムチャートを参照して説明する。図３は、金属バンプ６の電極３への着地が開始されるタイミングｔ１以降の押圧荷重および超音波出力の変化を時系列的に示したものである。なお、図３に示すタイミングの間、加熱装置はＯＮ状態にあり、ツール７による電子部品５の加熱が継続して行われる。したがって、基板２と電子部品５の間に介在する樹脂４はタイミングｔ１から加熱され熱硬化を開始する。

ここで金属バンプ６にはサイズに多少のばらつきがあり、タイミングｔ１では複数の金属バンプ６のうち、サイズが相対的に大きい幾つかの金属バンプ６がまず着地する。そしてタイミングｔ１以降、ツール７によって電子部品５を押し下げることにより、押圧荷重が増加するとともに、当初電極３に接触した金属バンプ６はこの増加しつつある荷重によって幾分押しつぶされ、当初接触していなかった金属バンプ６が順次電極３に接触するようになる。

そしてタイミングｔ２にて、約半数の金属バンプ６を超音波接合するのに十分な押圧荷重として予め設定された第１の荷重Ｗ１に到達したならば、振動付与装置をＯＮにして規定出力Ｐ１にて超音波振動の付与を開始する。そしてタイミングｔ２から第１の押圧時間Ｔ１が経過するタイミングｔ３までの間、第１の荷重Ｗ１を保持する。

この間、金属バンプ６と電極３との接触面には、熱と押圧荷重と超音波振動とが作用し、これにより、先行して電極３に接触した金属バンプ６の下端部の金は電極３表面の金層に金属接合される。そして超音波付与時間Ｔ２がタイムアップするタイミングｔ５まで振動付与を継続することにより、金属バンプ６は電極３に接触した順に電極３の表面に順次金属接合される。なお、本発明による金属接合とは、本実施の形態のような金と金による同種の金属による接合のほか、異種金属間での接合（例えば金と錫）も含む。

そしてタイミングｔ３にて押圧荷重を第１の荷重Ｗ１から増加させ、全ての金属バンプ６を電極３に接触させるのに十分な押圧荷重として設定された第２の荷重Ｗ２に到達したタイミングｔ４から、第２の押圧時間Ｔ３が経過するタイミングｔ６までの間、第２の荷重Ｗ２を保持する。これにより、金属バンプ６の荷重による塑性変形の度合いが増加し、全ての金属バンプ６が電極３に接触するに至る。そしてこの後ツール７を上昇させることにより、タイミングｔ７にて押圧荷重が零になり、接合課程が終了する。

ここで図３に示すように、超音波付与時間Ｔ２は、タイミングｔ５がタイミングｔ６よりも早く終了して以下の条件を満たすように設定される。すなわち、全ての金属バンプ６の下端部の金が電極３表面の金層に金属接合される前に超音波振動の付与が停止されるよう、換言すれば電極３に接触した金属バンプ６のうちの一部の金属バンプ６のみが電極３に金属接合された状態であり、他の金属バンプ６は電極３に接触したのみで金属接合されていない状態で、超音波振動付与が停止されるような時間に設定される。この超音波付与時間Ｔ２は対象となる基板２や電子部品５の品種に応じて個々に設定され、前述の第１の荷重Ｗ１，第２の荷重Ｗ２および超音波振動の規定出力Ｐ１などの条件を種々変化させた条件出し作業の結果に基づいて実証的に決定される。

超音波付与時間Ｔ２の後半域においては、樹脂４は熱硬化によるゲル化が進行しており、ツール７を介して電子部品５の金属バンプ６に伝達される超音波振動のエネルギの一部は、金属バンプ６の周囲の樹脂４によって吸収される。これにより、超音波振動が過度に金属バンプ６の周囲に作用することによる電子部品５へのダメージを防止することができる。

そして、タイミングｔ５からタイミングｔ６までの時間においては、図１（ｄ）に示すように、ツール７による電子部品５への熱と荷重の付与が継続される結果、樹脂４の熱硬化が進展して樹脂４が収縮することにより、金属接合されるに至っていない金属バンプ６と電極３との接触面圧を増大させて、密着性を向上させるという作用効果を有する。

すなわち、上述の電子部品実装方法における金属バンプ６の電極３に対する接合過程は、電子部品５に超音波振動と熱と加圧力を作用させながらこの電子部品５を基板２に対して押圧する工程と、全ての金属バンプ６を電極３に接触させて電気的に接続するとともに
、そのうちの一部の金属バンプ６を電極３に金属接合した段階で、超音波振動を実質的に停止する工程とを含む形態となっている。

そして、超音波振動を実質的に停止した後も、電子部品５に対して熱と加圧力を継続して作用させるようにしている。ここで、超音波振動の実質的の停止とは、金属バンプ６に対してダメージを与えるおそれがある出力レベルの超音波振動付与を停止することをいう。したがってタイミングｔ５の後に、電子部品５にダメージを与えない出力レベルで超音波振動を継続する場合にも、超音波振動の実質的な停止に該当する。

これにより、接合過程において先行して電極３に接触し早期に超音波接合が開始された金属バンプ６に対して、適正な超音波接合時間を超えて超音波振動が過剰に印加される事態が発生しない。したがって、超音波振動が過剰に印加されることに起因するダメージの発生を有効に防止することができる。

さらにこの電子部品実装方法においては、複数の金属バンプ６のうち一部を電極３に金属接合するようにしていることから、実装過程において樹脂４の熱硬化が不十分な場合においても、電子部品５はこれら金属接合された金属バンプ６によって基板２に固着される。したがって、樹脂４を十分に硬化させることを目的としてツール７による押圧時間を不必要に長くすることによる実装タクトタイムの遅延を防止することができ、効率的な実装作業が実現できる。

図３は、上述の電子部品実装方法によって得られた実装構造、すなわち複数の金属バンプ６が形成された電子部品５に、超音波振動と熱と加圧力を作用させながらこの電子部品５を複数の電極３が形成された基板２に対して押圧することにより、金属バンプ６を複数の電極３に接触させて電気的に接続するとともに、基板２と電子部品５とを熱硬化性の樹脂４で接着したバンプ付電子部品の実装構造の断面を示している。

上記実装構造において、複数の金属バンプ６のうち、矢印ｄで示す金属バンプ６は、下端部表面の金が電極３の表面の金層と金属接合した金属接合層８を介して電極３と接続されており、そしてこれら金属接合された金属バンプ６以外の金属バンプ６は、下端部が電極３の表面に接触することにより電極３と導通している。すなわち、複数の金属バンプ６のうち一部の金属バンプ６を電極３に金属接合によって接続するとともに、残りの金属バンプ６を電極３と接触させて電気的に接続した構成となっている。

このようなバンプ付電子部品の実装構造においては、電子部品５は熱硬化した樹脂４によって基板２に固着されるが、金属バンプ６の幾つかが電極３に金属接合されていることから、実装後の使用状態におけるヒートサイクルによって樹脂４と電子部品５との剥離が生じた場合にあっても、金属バンプ６と電極３との導通が断たれる状態が発生しにくく、信頼性の高い実装構造が実現される。

本発明のバンプ付電子部品の実装方法は、先行して金属接合が開始した金属バンプに超音波振動が過剰に作用することに起因するダメージ発生を防止することができるという効果を有し、多数の金属バンプが形成された電子部品を基板に実装する用途に有用である。

本発明の一実施の形態の電子部品実装方法の工程説明図 本発明の一実施の形態の電子部品実装構造の断面図 本発明の一実施の形態の電子部品実装方法における押圧荷重と超音波出力のタイムチャート

符号の説明

２ 基板
３ 電極
４ 樹脂
５ 電子部品
６ 金属バンプ

Claims (4)

1. 複数の金属バンプが形成されたバンプ付電子部品を複数の電極が形成された基板に実装するバンプ付電子部品の実装方法であって、前記バンプ付電子部品と前記基板との間に熱硬化性の樹脂を介在させた状態で前記複数の金属バンプを前記複数の電極に位置合わせする工程と、前記バンプ付電子部品に超音波振動と熱と加圧力を作用させながらこのバンプ付電子部品を基板に対して押圧する工程と、全ての金属バンプを前記電極に接触させて電気的に接続するとともにそのうちの一部の金属バンプを前記電極に金属接合した段階で前記超音波振動を実質的に停止する工程と、前記超音波振動を実質的に停止した後も、前記バンプ付電子部品に対して熱と加圧力を継続して作用させることにより前記熱硬化性樹脂の硬化を進展させる工程を含むことを特徴とするバンプ付電子部品の実装方法。
2. 前記バンプ付電子部品の背面にツールを接触させ、このツールを介してバンプ付電子部品に超音波振動と熱と加圧力を作用させることを特徴とする請求項１記載のバンプ付電子部品の実装方法。
3. 前記金属バンプが金バンプであることを特徴とする請求項１記載のバンプ付電子部品の実装方法。
4. 前記基板の電極上に予め前記樹脂を供給した後、前記金属バンプを前記樹脂で覆われた電極に位置合わせすることを特徴とする請求項１記載のバンプ付電子部品の実装方法。

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