JP2005159061A - 超音波ツール及び超音波接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 超音波ツール及び超音波接合装置に関し、エネルギー伝達率の向上と量産に伴う耐久性の向上を両立する。
【解決手段】 少なくとも被接合部品との接触面の表面に、酸化クロムを主成分とするコーティング層２を設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は超音波ツール及び超音波接合装置に関するものであり、特に、半導体デバイスや他の電子デバイスをフリップチップボンディングするための超音波接合装置の先端部に取り付ける超音波ツールの耐久性を向上するとともに、超音波エネルギーの伝達効率を向上するための構成に特徴のある超音波ツール及び超音波接合装置に関するものである。

従来より、樹脂や金属の接合装置として超音波接合装置が知られており、この様な超音波接合装置は、基材と、この基材に接合する被接合物を重ね合わせ、その接合面を超音波による高周波で摺動させることにより発生する摩擦及び摩擦熱を利用して両者を接合するものである（例えば、特許文献１或いは特許文献２参照）。

即ち、接合面を高周波で摺動させた場合、摺動に伴う摩擦及び摩擦熱により基材及び被接合物が溶融するか、または、基材及び被接合物の表面の酸化物等が除去されて樹脂或いは金属同士の間に強固な強度の接合が形成される。

従来より、部品下面にバンプを設けた電子部品をサブストレート基板等に実装する場合に、この様な超音波接合を用いていたので、ここで、図６を参照して従来の超音波接合工程を説明する。

図６参照
まず、実装基板３０上に配線パターンに連なるＣｕパッド３１を設けるとともに、Ｃｕパッド３１の周囲を囲むようにソルダーレジスト３２を設ける。

次いで、例えば、エポキシ樹脂にカップリング剤を混ぜたアンダーフィル樹脂３３を実装する電子部品（４０）のサイズに併せて、電子部品（４０）に下部を完全に充填するように塗布する。

次いで、Ｃｕパッド４１を介してＡｕバンプ４２を設けた電子部品４０を、電子部品４０に設けたＡｕバンプ４２と実装基板に設けたＣｕパッド３１とが対向するように重ね合わせたのち、超音波接合装置の先端部に設けられたＦｅを含有した金属材料からなる超音波ツール５１を電子部品４０の上面に押し当てて電子部品４０を実装基板３０に加圧すると同時に超音波を印加して電子部品４０に設けたＡｕバンプ４２と実装基板に設けたＣｕパッド３１とを接合する。

次いで、アンダーフィル樹脂３３を熱硬化させることによって、実装構造が完成する。 なお、図における符号５２は超音波接合装置を構成するホーンである。
特開２００１−１０５１５９号公報 特開平０７−３２６６１９号公報

しかし、上述のように、電子部品を加圧しながら超音波エネルギを印加する場合、今までの超音波ツールでは印加エネルギーのおよそ６０％程度しか電子部品に伝わらないという問題がある。
但し、
エネルギー伝達率＝電子部品の振動／超音波ツールの振動
で定義する。

図７参照
これは、超音波ツール５１と電子部品４０との界面の摩擦抵抗が低いため、界面で滑りが生ずるためと考えられ、この様な超音波ツール５１を用いて連続的な実装を行った場合、超音波ツール５１及び電子部品４０を互いを損傷する結果となる。

この様な状況の下で、従来においては、損傷が発生する前に超音波ツールを取り外して再生処理を施さなければならず、多くの工数と費用を必要とした。

また、エネルギー伝達のロス分が大きいため、接合品質が安定しないという問題があった。
この場合、エネルギー伝達率を高めるためには、表面を粗面化して摩擦抵抗を高めることが考えられるが、安易に粗面化を行うと電子部品の表面に傷を付けるとともに、量産化の障害になる。

したがって、本発明は、エネルギー伝達率の向上と量産に伴う耐久性の向上を両立することを目的とする。

図１は本発明の原理的構成図であり、ここで図１を参照して、本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図１参照
上記課題を解決するために、本発明は、超音波ツール１において、少なくとも被接合部品との接触面の表面に、酸化クロムを主成分とするコーティング層２を設けたことを特徴とする。

この様に、超音波ツール１の表面に、酸化クロムを主成分とするコーティング層２を設けることによって、実装される被接合部品の表面の損傷を回避することができるとともに、超音波ツール１としては被接合部品との間に充分な摩擦抵抗を得る面状態を実現することができ、それによって、量産に伴う耐久性を向上することができる。

従来においても、超音波ツール１の表面にコーティング層２を設けたものは存在したが、従来のコーティング層２ではエネルギー伝達率の向上と量産に伴う耐久性の向上の両立はできなかった。
なお、本発明における「超音波ツール」とは、ホーン５にロウ付けする別体型の場合には、ホーン５を含まないものを意味し、或いは、ホーン５の先端部と一体型の場合には、ホーン５の先端部を含んだ部分を意味する。

また、この様な酸化クロムを主成分とするコーティング層２としては、酸化クロムのみから構成されても良いし、或いは、酸化クロム中にセラミック粒子等の粒子を混入しても良いものであり、それによって、コーティング層２の表面粗さを調整することができる。

また、超音波ツール１を構成する母材３としては、５００〜６００℃において温度による変形の少ない鉄を含有する金属材料からなることが望ましく、「鉄を含有する金属材料」としては、ＪＩＳ規格による組成範囲の炭素鋼、ステンレス鋼、或いは、チタン鋼が典型的なものである。

この場合、コーティング層２の膜厚が３μｍを超えると超音波ツール１の表面の凹凸が大きくなり、特に、５μｍを超えると平面度を保つことができなくなり、一方、１μｍ未満の場合には、所期の耐久性が得られなくなるので、コーティング層２の膜厚としては、１μｍ〜３μｍの範囲が望ましく、それによって、界面の滑りが減少するので連続実装の耐久性を増すことができる。
なお、この場合のコーティング層２の膜厚とは、母材３との界面に形成されるＦｅとＣｒの化合物層４の厚さを含んだ厚さである。

また、コーティング層２の表面粗さＲ_a （ＪＩＳ規格）としては、０．８μｍ±０．１μｍであることが望ましく、表面粗さＲ_a が小さすぎると摩擦抵抗が小さくなってエネルギー伝達効率が低下し、大きすぎると被接合部品の表面に傷をつけることになる。
なお、表面粗さＲ_a の調整は、コーティング層２の表面を研削したり、或いは、コーティング層２中にセラミック粒子等を混入することによって行う。

また、上述の構成を有する超音波ツール１を先端部に備えることによって、エネルギー伝達率が高く、且つ、耐久性に優れた超音波接合装置を実現することができる。

本発明によれは、超音波ツールの表面に酸化クロムを主成分とするコーティング層を設けているので、超音波ツールの耐久性が向上し、それによって、超音波ツールの再生処理が不要になるためコスト低減、生産性の向上が可能になる。

また、酸化クロムを主成分とするコーティング層を設けることにより、界面の滑りがなくなるためエネルギー伝達率が向上し、その結果、接合品質が安定するので品質向上に寄与するところが大きい。

本発明は、炭素鋼、ステンレス鋼、或いは、チタン鋼等のＦｅを含有する金属材料からなる母材の表面を洗浄したのち、母材をクロム化合物を含む溶液中に浸漬して母材にクロム化合物を含浸させ、焼成することにより酸化クロムを主成分とするコーティング層を形成し、この工程をコーティング層の膜厚が１〜３μｍになるまで繰り返し、最後に、コーティング層の表面を研削することによって、表面荒さＲ_a がＲ_a ＝０．８μｍ±０．１μｍになるように仕上げ加工を施すものである。
この様に作製した超音波ツールをホーンに取り付けることによって超音波接合装置が完成する。

ここで、図２乃至図７を参照して、本発明の実施例１の超音波ルーツを説明する。
図２参照
図２は、本発明の実施例１の超音波ツールを組み込んだ超音波接合装置の一例を示す概略的構成図であり、ここでは、接合時の動作が理解しやすいように、電子部品等も併せて図示している。

図に示した超音波接合装置１０は、超音波発振源となる振動子１１、振動子１１による超音波の振幅を制御するブースター１２、ブースター１２からの超音波を超音波ツール２０にきれいな正弦波のかたちで伝達するホーン１３、ホーン１３を設備に取り付けるためのホーンホルダ１４、電子部品等に接触させて接合を行う超音波ツール２０から構成される。
なお、振動子１１に電力を供給する電源等は図示を省略している。

この超音波接合装置１０の先端部にロウ付けされた超音波ツール２０を、ステージ１５上に載置した実装基板３０に設けたＣｕパッド３１に対応する様にＡｕバンプ４２を対向させた電子部品４０の表面（上面）側に押しつけ、圧力を加えると同時に超音波を印加し、Ａｕバンプ４２とＣｕパッド３１とを摺動させて接合する。

次に、図３を参照して、本発明の実施例１の超音波ツールの製造工程を説明する。
図３参照
まず、例えば、長辺が１２ｍｍで厚さが１ｍｍの直方体であって、中央部に例えば、直径５ｍｍの真空吸着用穴２２を有し、例えば、ステンレス鋼からなる母材２１を、脱脂、アルカリ洗浄、酸洗浄等を行ってコーティング面を清浄にする。

次いで、母材２１を六価クロム等のクロム化合物２３を含む溶液中に浸漬することによって、少なくとも母材２１のコーティング面にクロム化合物２３を含浸させる。

次いで、焼成を行うことによって、クロム化合物２３を酸化させてクロム酸化物を主成分とするコーティング薄膜２４を形成する。
この時、母材２１の表面において母材２１の成分であるＦｅとクロム化合物を構成するＣｒとが反応してＦｅとＣｒの化合物からなる化合物層２５が形成され、強固なコーティング薄膜２４が形成される。

この工程をコーティング薄膜２４の膜厚が、化合物層２５を含めて１〜３μｍになるまで繰り返してコーティング被膜２６を形成する。
最後に、コーティング被膜２６の表面を研削加工することによって、表面粗さＲ_a が、Ｒ_a ＝０．８μｍ±０．１μｍになるように粗面化することによって、本発明の実施例１の超音波ツール２０が完成する。

この実施例１の超音波ツール２０をホーン１３の先端部にロウ付けした超音波接合装置を用いて電子部品４０を実装基板３０に実装することによりエネルギー伝達効率が２０％程度増加し、また、シェア測定により計測したシェア強度（ｇ／バンプ）も大幅に向上した。

図４参照
図４は、上述のように超音波接合した場合の、エネルギー伝達率とシェア強度の超音波振幅依存性の説明図であり、ここでは、コーティング被膜２６の膜厚を２μｍとし、８．５μｍ□のＣＯＣ（Ｃｈｉｐ ｏｎ Ｃｈｉｐ）チップを同じサイズのＳｉ基板上に超音波接合した場合の結果を示したものであり、１０ｇ／バンプになるまで荷重を印加してから、周波数５０ｋＨｚの高周波を０．５秒間印加した場合の結果を示している。

エネルギー伝達率は、超音波振幅の増大とともに減少するが、コーティング被膜を設けない場合に比べて２０％程度向上する。
これは、表面粗さＲ_a を適当な範囲にした酸化クロムを主成分とするコーティング被膜を設けることにより摩擦係数が大きくなって、エネルギー伝達率が増大したと考えられる。

なお、ＣＯＣチップと超音波ツールとは摩擦抵抗と真空吸着のみで固定されているため、超音波の振幅が増大すると超音波ツールの揺れ速度が速くなりＣＯＣチップを十分保持することができなくなるため、エネルギー伝達率が低下するものと考えられる。

また、シェア強度は、超音波振幅の増大とともに急激に増加し、コーティング被膜を設けない場合に比べて大幅に向上することが分かる。
これは、接合時にＣｕパッド３１をＡｕバンプ４２で擦ることにより接合面を平坦化、清浄化して接合していると考えられ、そのために、振幅が大きくなると摩擦が大きくなりより強固な接合が形成されると考えられる。

表１は、各種の母材にコーティング被膜を設けない場合及びコーティング被膜の種類を変えた場合の各素材の硬度、並びに、クラック発生頻度及びＳｉ付着に基づく判定結果を纏めたものである。
なお、表における硬度を示すＨＲＣはメッキ膜等の硬度を表すのに好適なロックウエル硬度、ＨＲＡは微粒子等の硬度を表すのに好適なロックウエルＡ、及び、Ｈｖはヴィッカース硬度を示す。

表１から明らかなように、母材の表面に酸化クロムからなるコーティング被膜を設けた場合のみクラックが発生せず、且つ、Ｓｉ付着に見られなかった。
なお、Ｓｉ付着とは、コーティング被膜が剥がれた場合或いはコーティング被膜を設けない場合に、母材の表面にＣＯＣチップを構成するＳｉが付着する現象である。

また、酸化クロムは、Ｈｖ＝１７００と適度の硬度を有しているので、連続実装工程における耐久性も保証することができる。

次に、図５を参照して、本発明の実施例２の超音波ツールを説明する。
図５参照
まず、上記の実施例１と同様に、例えば、長辺が１２ｍｍで厚さが１ｍｍの直方体であって、中央部に例えば、直径５ｍｍの真空吸着用穴２２を有し、例えば、ステンレス鋼からなる母材２１を、脱脂、アルカリ洗浄、酸洗浄等を行ってコーティング面を清浄にする。

次いで、母材２１を六価クロム等のクロム化合物２３を含むとともにセラミックス粒子２７を混合した溶液中に浸漬することによって、少なくとも母材２１のコーティング面にセラミックス粒子２７を含んだクロム化合物２３を含浸させる。

次いで、焼成を行うことによって、クロム化合物２３を酸化させてクロム酸化物を主成分とするとともにセラミックス粒子２７を含んだコーティング薄膜２８を形成する。

この工程をコーティング薄膜２８の膜厚が、化合物層２５を含めて１〜３μｍになるまで繰り返すことによって、セラミックス粒子２７によって表面粗さＲ_a が０．８μｍ±０．１μｍのコーティング被膜２９が得られる。

このように、本発明の実施例２においては、コーティング被膜２９にセラミックス粒子２７を混入しているので、コーティング被膜２９の表面粗さＲ_a を、混入するセラミック粒子２７の粒径及び混入量によって制御することができる。

以上、本発明の各実施例を説明してきたが、本発明は各実施例に記載した条件・構成に限られるものではなく、各種の変更が可能であり、例えば、実施例に記載した超音波ツールの形状及びサイズは単なる一例であり、接合対象となる被接合部品の形状・サイズ等に応じて適宜変更されるものである。

また、上記の各実施例においては、超音波ツールの母材をステンレス鋼としているが、ステンレス鋼に限られるものではなく、ステンレス鋼と同様に５００〜６００℃における温度による変形の少ない炭素鋼或いはチタン鋼等のＦｅを主成分とする金属材料であれば良く、その組成もＪＩＳ規格で言うところのステンレス鋼、炭素鋼、或いは、チタン鋼等であれば良い。

また、上記の各実施例においては、超音波ツールとホーンとが別体になった超音波接合装置として説明しているが、超音波ツールとホーンの一部が一体になった超音波接合装置の場合にも適用されるものであり、その場合には、ホーン部分の表面にも酸化クロムからなるコーティング被膜を設けても良いが、少なくとも被接合部品との接触面が酸化クロムからなるコーティング被膜で覆われていれば良い。

また、上記の各実施例においては、ブースターを組み合わせて超音波の振幅を増幅或いは減衰されるタイプの超音波接合装置として示しているが、それは一例であり、電源自体のパワーを調整することによって超音波の振幅を制御する超音波接合装置にも適用されるものである。

また、上記の実施例の超音波ツールを用いた接合工程の説明において、所定の荷重まで加圧した後に超音波を印加しているが、所定の荷重まで超音波を印加しながら徐々に加圧した場合にも同様な効果が得られる。

また、上記の実施例の超音波ツールを用いた接合工程の説明において、アンダーフィル樹脂を塗布したのち、超音波接合しているが、逆に、超音波接合した後に、電子部品の下部にアンダーフィル樹脂を注入して効果するようにしても良く、この場合にも同様な効果が得られる。

本発明の活用例としては、半導体チップのフリップチップボンディングが典型的なものであるが、接合対象物は半導体チップに限られるものではなく、強誘電体デバイスや液晶パネル等の他の電子部品でも良く、さらには、接合対象は金属に限られるものではなく樹脂でも良い。

本発明の原理的構成の説明図である。 本発明の実施例１の超音波ツールを組み込んだ超音波接合装置の一例を示す概略的構成図である。 本発明の実施例１の超音波ツールの製造工程の説明図である。 本発明の超音波ツールを用いて超音波接合した場合のエネルギー伝達率とシェア強度の超音波振幅依存性の説明図である。 本発明の実施例２の超音波ツールの製造工程の説明図である。 従来の超音波接合工程の説明図である。 従来の超音波接合工程における問題点の説明図である。

符号の説明

１ 超音波ツール
２ コーティング層
３ 母材
４ 化合物層
５ ホーン
１０ 超音波接合装置
１１ 振動子
１２ ブースター
１３ ホーン
１４ ホーンホルダ
１５ ステージ
２０ 超音波ツール
２１ 母材
２２ 真空吸着用穴
２３ クロム化合物 ２４ コーティング薄膜
２５ 化合物層
２６ コーティング被膜
２７ セラミック粒子
２８ コーティング薄膜
２９ コーティング被膜
３０ 実装基板
３１ Ｃｕパッド
３２ ソルダーレジスト
３３ アンダーフィル樹脂
４０ 電子部品
４１ Ｃｕパッド
４２ Ａｕバンプ
５１ 超音波ツール
５２ ホーン

Claims (5)

1. 少なくとも被接合部品との接触面の表面に、酸化クロムを主成分とするコーティング層を設けたことを特徴とする超音波ツール。
2. 上記超音波ツールを構成する母材が、鉄を含有する金属材料からなることを特徴とする請求項１記載の超音波ツール。
3. 上記コーティング層の膜厚が、１μｍ〜３μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波ツール。
4. 上記コーティング層の表面粗さＲ_a が、０．８μｍ±０．１μｍであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波ツール。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超音波ツールを備えたことを特徴とする超音波接合装置。

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