超音波フリップチップ接合装置
【課題】 半導体チップを破損することなく、半導体チップと回路基板とを確実にフリップチップ接合することができる超音波フリップチップ接合装置を提供する。
【解決手段】 超音波ホーン２２は、超音波振動子２５の超音波振動によって超音波振動方向Ａに共振する。超音波ホーン２２には、チップ保持体２７が設けられる。チップ保持体２７は、半導体チップ２３を超音波振動方向Ａに平行に保持し、基板保持体２８は、回路基板２４を半導体チップ２３に対して平行に保持し、押圧手段２９は、半導体チップ２３を回路基板２４に押圧する。このような接合装置２１で、超音波ホーン２２の腹位置の部分が、超音波振動方向Ａに振動可能となるように、支持手段２６によって支持される。また超音波振動子２５は、超音波ホーン２２の節位置に配置され、超音波振動方向Ａの両端部２５ａ，２５ｂが超音波ホーン２２に接触した状態で超音波ホーン２２に設けられる。
【解決手段】 超音波ホーン２２は、超音波振動子２５の超音波振動によって超音波振動方向Ａに共振する。超音波ホーン２２には、チップ保持体２７が設けられる。チップ保持体２７は、半導体チップ２３を超音波振動方向Ａに平行に保持し、基板保持体２８は、回路基板２４を半導体チップ２３に対して平行に保持し、押圧手段２９は、半導体チップ２３を回路基板２４に押圧する。このような接合装置２１で、超音波ホーン２２の腹位置の部分が、超音波振動方向Ａに振動可能となるように、支持手段２６によって支持される。また超音波振動子２５は、超音波ホーン２２の節位置に配置され、超音波振動方向Ａの両端部２５ａ，２５ｂが超音波ホーン２２に接触した状態で超音波ホーン２２に設けられる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップと回路基板とを超音波振動を利用してフリップチップ接合する超音波フリップチップ接合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体チップと回路基板とを接合する接合方式には、ワイヤボンディング方式およびフリップチップ接合方式がある。ワイヤボンディング方式は、半導体チップの電極と回路基板の電極とを、ワイヤを介して接合する方式である。フリップチップ接合方式は、半導体チップの電極と回路基板の電極とを、バンプを介して接合する方式である。
【０００３】
フリップチップ接合方式では、ワイヤボンディング方式に比べて、実装面積を小さくすることができ、また配線長を短くすることもできる。さらにフリップチップ接合方式では、半導体チップの電極群と回路基板の電極群とを一括して接合するので、このフリップチップ接合方式は、ワイヤボンディング方式に比べて生産性の点で優れている。このようなフリップチップ接合方式は、高密度実装、および高速半導体チップの実装に適している。
【０００４】
フリップチップ接合方式には、熱圧着接合方式および超音波接合方式がある。特に、超音波接合方式では、１５０℃よりも低い温度での接合が可能であり、接合に要する接合時間が１秒前後と短い。このような超音波接合方式は、接合生産性の観点から、昨今、注目を浴びている。フリップチップ接合方式の中の超音波接合方式は、超音波フリップチップ接合方式とも呼ばれる。
【０００５】
近年、超音波フリップチップ接合方式を実現するための超音波フリップチップ接合装置が、種々、開発されている。
【０００６】
第１の従来技術は、特許文献１に開示される。この従来技術の超音波接合装置では、超音波ホーンは、超音波の１波長分の長さを有する。この超音波ホーンの中央には、被接合部材と係合する係合チップが設けられる。超音波ホーンの両端には、超音波ホーンと同軸上に、ブースタがそれぞれ連結される。各ブースタは、超音波の半波長の長さを有し、その両端が共振の腹となり、中央が共振の節となる。各ブースタの中央部は、一対の支持部材に、直接機械的に強靭にそれぞれクランプされている。一方のブースタには、このブースタと同軸上に、超音波振動子が連結される。加圧手段は、被接合部材を載置した受台と、各支持部材とを相対的に移動させて、前記係合用チップが被接合部材を加圧するように構成される。
【０００７】
図８は、第２の従来技術の超音波接合装置１の構成を簡略化して示す正面図である。第２の従来技術は、特許文献２に開示される。この従来技術の超音波接合装置１では、超音波ホーン２は、超音波の１波長分の長さに予め設定され、その両端および中央が共振の腹となる。超音波ホーン２の中央部には、接合作用部３が設けられる。超音波ホーン２の一端部には、同軸上に超音波振動子４が連結される。超音波振動子４は、超音波ホーン２を横振動させる。超音波ホーンの節となる２つの部分は、支持部材５ａ，５ｂによってそれぞれ固定される。加圧手段６は、受台７に載置されたプリント基板８と、接合作用部３によって保持されるベアチップ９とを接触させ、両者を加圧するように構成される。
【０００８】
【特許文献１】特許第２５８３３９８号公報
【特許文献２】特開２００４−３３０２２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前記第１の従来技術では、超音波振動子が超音波ホーンの外部に設けられるので、超音波振動子は、超音波振動方向の片側から支持される。したがって超音波振動のときに超音波振動子が変位してしまうので、共振の安定性が低く、被接合部材の安定した接合が得にくいという問題がある。
【００１０】
また前記第１の従来技術では、各ブースタは、共振の節となる中央部で、各支持部材にそれぞれ固定されるので、超音波振動方向に垂直な方向の振動が発生する。したがって被接合部材が破損しやすいという問題がある。
【００１１】
詳細に述べると、各ブースタの共振の節となる部分は、振動しないけれども、圧力が最も変化する。各ブースタは、剛性の高い材質から成るので、非圧縮性を有し、圧力の変化に対して体積の変化がごく僅かである。このような各ブースタでは、共振の節において、圧力変化が、超音波振動方向に垂直な断面の面積の変化となって現れる。したがって各ブースタを共振の節で各支持部材に固定すると、超音波振動方向に垂直な方向の振動が発生する。これによって被接合部材が破損しやすい。
【００１２】
前記第２の従来技術では、超音波振動子４が超音波ホーン２の外部に設けられるので、超音波振動子４は、超音波振動方向の片側から支持される。したがって第１の従来技術と類似の問題、すなわちプリント基板８とベアチップ９との安定した接合が得にくいという問題がある。
【００１３】
また前記第２の従来技術では、超音波ホーン２は、共振の節で、各支持部材５ａ，５ｂによって固定される。したがって第１の従来技術と類似の問題、すなわちベアチップ９が破損しやすいという問題がある。
【００１４】
詳細に述べると、超音波ホーン２の共振の節となる部分は、振動しないけれども、圧力が最も変化する。超音波ホーン２は、剛性の高い材質から成るので、非圧縮性を有し、圧力の変化に対して体積の変化がごく僅かである。このような超音波ホーン２では、共振の節において、圧力変化が、超音波振動方向に垂直な断面の面積の変化となって現れる。したがって超音波ホーン２を共振の節で各支持部材５ａ，５ｂに固定すると、超音波振動方向に垂直な方向の振動が発生する。これによってベアチップ９が破損しやすい。
【００１５】
したがって本発明の目的は、半導体チップを破損することなく、半導体チップと回路基板とを確実にフリップチップ接合することができ、これによって歩留まりを向上させることができる超音波フリップチップ接合装置を提供することである。
【００１６】
また前記第１および第２の従来技術では、超音波振動子４が超音波ホーン２の外部に設けられるので、超音波振動子４は、超音波振動方向の片側から支持される。したがって超音波振動子４の超音波振動が片側だけ有効となるので、超音波振動の伝達効率が悪いという問題がある。
【００１７】
したがって本発明の他の目的は、超音波振動の伝達効率を向上させることができる超音波フリップチップ接合装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、半導体チップと回路基板とを超音波振動を利用してフリップチップ接合する超音波フリップチップ接合装置であって、
超音波振動する超音波振動子と、
超音波振動子による超音波振動によって超音波振動方向に共振する超音波ホーンと、
超音波ホーンを支持する支持手段と、
超音波ホーンに設けられ、半導体チップを、超音波振動方向に平行に保持するチップ保持体と、
回路基板を、チップ保持体によって保持される半導体チップに対して平行に保持する基板保持体と、
チップ保持体によって保持される半導体チップを、基板保持体によって保持される回路基板に押圧する押圧手段とを含み、
支持手段は、超音波ホーンにおける共振の腹位置の部分が超音波振動方向に振動可能となるように、超音波ホーンの前記腹位置の部分を支持し、
超音波振動子は、超音波ホーンにおける共振の節位置に配置され、超音波振動方向の両端部が超音波ホーンに接触した状態で超音波ホーンに設けられる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。
【００１９】
また本発明は、超音波ホーンにおける共振の節位置が複数、存在する場合、
超音波振動子は、複数の節位置のうちチップ保持体から最も離れた節位置に配置されることを特徴とする。
【００２０】
また本発明は、支持手段は、超音波ホーンの超音波振動方向の両端部を支持することを特徴とする。
【００２１】
また本発明は、超音波ホーンの慣性質量は、装置全体の慣性質量の１．０％以下に選ばれることを特徴とする。
【００２２】
また本発明は、支持手段は、
超音波ホーンの前記腹位置の部分に連結されて半導体チップの押圧方向に延び、超音波振動方向に可撓性を有する支持部材と、
支持部材の超音波ホーンに連結される側とは反対側の端部に連結されるホルダとを含み、
基板保持体は、支持部材の超音波ホーンに連結される側とは反対側の端部よりも、半導体チップの押圧方向とは反対方向に退避した位置で、回路基板を保持することを特徴とする。
【００２３】
また本発明は、半導体チップと回路基板とを超音波振動を利用してフリップチップ接合する超音波フリップチップ接合装置であって、
超音波振動する超音波振動子と、
超音波振動子による超音波振動によって超音波振動方向に共振する超音波ホーンと、
超音波ホーンに設けられ、半導体チップを、超音波振動方向に平行に保持するチップ保持体と、
回路基板を、チップ保持体によって保持される半導体チップに対して平行に保持する基板保持体と、
チップ保持体によって保持される半導体チップを、基板保持体によって保持される回路基板に押圧する押圧手段とを含み、
超音波振動子は、超音波ホーンにおける共振の節位置に配置され、超音波振動方向の両端部が超音波ホーンに接触した状態で超音波ホーンに設けられる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。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、超音波振動子が超音波振動する。この超音波振動子の超音波振動によって、超音波ホーンが超音波振動方向に共振する。超音波ホーンには、チップ保持体が設けられる。このチップ保持体は、超音波ホーンとともに共振する。
【００２５】
チップ保持体は、半導体チップを、超音波振動方向に平行に保持する。基板保持体は、回路基板を、チップ保持体によって保持される半導体チップに対して平行に保持する。押圧手段は、チップ保持体によって保持される半導体チップを、基板保持体によって保持される回路基板に押圧する。
【００２６】
したがって半導体チップを回路基板に押圧した押圧状態で、前記半導体チップをこの半導体チップに対して平行な方向に振動させることができる。これによって半導体チップと回路基板とをフリップチップ接合することができる。
【００２７】
超音波ホーンの腹位置の部分は、残余の部分に比べて、超音波振動方向に垂直な方向への振動が小さい。これを考慮して、前記腹位置の部分を支持手段によって支持する。これによって前記押圧状態で半導体チップがこの半導体チップに対して垂直な方向に振動してしまうという不具合を可及的に抑制することができる。したがって半導体チップの破損を防ぐことができる。
【００２８】
超音波ホーンの腹位置の部分は、超音波振動方向に振動する。これを考慮して、前記腹位置の部分が超音波振動方向に振動可能となるように、前記腹位置の部分を支持手段によって支持する。これによって超音波ホーンを支持する支持手段が超音波ホーンの共振に与える影響を抑えることができる。
【００２９】
超音波振動子は、超音波ホーンにおける共振の節位置に配置される。超音波ホーンの節位置の部分での微小な振動は、超音波ホーンの腹位置の部分で大きな振動になる。したがって超音波振動子の超音波振動を有効に利用することができ、超音波振動の伝達効率を向上させることができる。
【００３０】
しかも超音波振動子は、超音波振動方向の両端部が超音波ホーンに接触した状態で超音波ホーンに設けられる。このように超音波振動子が超音波振動方向の両側から支持されるので、超音波振動のときに超音波振動子が変位してしまうという不具合が防がれる。これによって共振の安定性を向上させることができ、半導体チップと回路基板とを確実にフリップチップ接合することができる。また前記不具合が防がれるので、超音波振動子の超音波振動をさらに有効に利用することができ、超音波振動の伝達効率をさらに向上させることができる。
【００３１】
このような本発明では、半導体チップを破損することなく、半導体チップと回路基板とを確実にフリップチップ接合することができる。したがって歩留まりを向上させ、生産コストを低減することができる。
【００３２】
また本発明によれば、超音波ホーンにおける共振の節位置が複数、存在する場合、複数の節位置のうちチップ保持体から最も離れた節位置に、超音波振動子が配置される。したがって超音波振動子がチップ保持体から受ける影響を抑えることができる。たとえば、チップ保持体が加熱される場合、超音波振動子までも加熱されてしまうという不具合が防がれる。前記不具合が防がれるので、耐熱性の低い圧電素子でも超音波振動子として用いることができる。
【００３３】
また本発明によれば、超音波ホーンの超音波振動方向の両端部は、共振の腹位置の部分であり、支持手段によって支持するのは、前記超音波ホーンの超音波振動方向の両端部であるので、ボルト部材を用いた締結などによって、超音波ホーンと支持手段とを容易に連結することができる。
【００３４】
また本発明によれば、超音波ホーンの慣性質量は、装置全体の慣性質量の１．０％以下に選ばれる。超音波ホーンは、共振しているとき、重心が不変であるけれども、前記腹位置の部分は、超音波振動方向に振動する。したがって支持手段には、振動が伝達されることになる。この振動によって、装置全体のうち超音波ホーンを除く残余の部分が振動することがある。超音波ホーンの慣性質量が装置全体の慣性質量の１．０％を超えると、前記残余の部分が超音波ホーンの共振に伴って振動してしまう。超音波ホーンの慣性質量を装置全体の慣性質量の１．０％以下にすると、前記残余の部分が超音波ホーンの共振に伴って振動してしまうという不具合が防がれる。
【００３５】
また本発明によれば、支持部材は、超音波ホーンの前記腹位置の部分に連結されて半導体チップの押圧方向に延びる。この支持部材の超音波ホーンに連結される側とは反対側の端部には、ホルダが連結される。基板保持体は、支持部材の超音波ホーンに連結される側とは反対側の端部よりも、半導体チップの押圧方向とは反対方向に退避した位置で、回路基板を保持する。したがって装置全体を大形化することなく、基板保持体を大きくして基板保持体の慣性質量を大きくすることができる。
【００３６】
このように基板保持体の慣性質量を大きくすることによって、超音波フリップチップ接合時に発生する基板保持体の振動を抑えることができる。これによって半導体チップと回路基板との相対振動の低下を抑え、半導体チップと回路基板とを確実にフリップチップ接合することができる。したがって高い信頼性を有するモジュールを得ることができ、歩留まりを向上させることができる。
【００３７】
本発明によれば、超音波振動子が超音波振動する。この超音波振動子の超音波振動によって、超音波ホーンが超音波振動方向に共振する。超音波ホーンには、チップ保持体が設けられる。このチップ保持体は、超音波ホーンとともに共振する。
【００３８】
チップ保持体は、半導体チップを、超音波振動方向に平行に保持する。基板保持体は、回路基板を、チップ保持体によって保持される半導体チップに対して平行に保持する。押圧手段は、チップ保持体によって保持される半導体チップを、基板保持体によって保持される回路基板に押圧する。
【００３９】
したがって半導体チップを回路基板に押圧した押圧状態で、前記半導体チップをこの半導体チップに対して平行な方向に振動させることができる。これによって半導体チップと回路基板とをフリップチップ接合することができる。
【００４０】
超音波振動子は、超音波ホーンにおける共振の節位置に配置される。超音波ホーンの節位置の部分での微小な振動は、超音波ホーンの腹位置の部分で大きな振動になる。したがって超音波振動子の超音波振動を有効に利用することができ、超音波振動の伝達効率を向上させることができる。
【００４１】
しかも超音波振動子は、超音波振動方向の両端部が超音波ホーンに接触した状態で超音波ホーンに設けられる。このように超音波振動子が超音波振動方向の両側から支持されるので、超音波振動のときに超音波振動子が変位してしまうという不具合が防がれる。これによって、超音波振動子の超音波振動をさらに有効に利用することができ、超音波振動の伝達効率をさらに向上させることができる。また前記不具合が防がれるので、共振の安定性を向上させることができ、半導体チップと回路基板とを確実にフリップチップ接合することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
図１は、本発明の実施の一形態の超音波フリップチップ接合装置２１の構成を説明するための図であり、図１（１）は超音波ホーン２２付近の正面図であり、図１（２）は超音波ホーン２２に生じる定常波の波形を示す図である。本実施の形態の超音波フリップチップ接合装置（以下「接合装置」という）２１は、半導体チップ２３と回路基板２４とをフリップチップ接合するために用いられる。
【００４３】
半導体チップ２３は、たとえばシリコン基板に微細な電子回路パターンが形成されて構成される。この半導体チップ２３の一表面には、複数の電極が形成される。回路基板２４は、たとえば有機基板に配線パターンが形成されて構成される。この回路基板２４の一表面には、複数の電極が形成される。半導体チップ２３の各電極には、バンプがそれぞれ設けられる。バンプは、たとえばＡｕボールバンプである。Ａｕボールバンプの径は、たとえば６０μｍである。フリップチップ接合では、半導体チップ２３の各電極と回路基板２４の各電極とが、各バンプを介してそれぞれ接合される。
【００４４】
本実施の形態の接合装置２１は、半導体チップ２３と回路基板２４とをフリップチップ接合するにあたって、超音波振動を利用する。この接合装置２１は、超音波振動する超音波振動子２５と、超音波振動子２５による超音波振動によって超音波振動方向Ａに共振する超音波ホーン２２と、超音波ホーン２２を支持する支持手段２６と、超音波ホーン２２に設けられ、半導体チップ２３を保持するチップ保持体２７と、回路基板２４を保持する基板保持体２８と、チップ保持体２７によって保持される半導体チップ２３を、基板保持体２８によって保持される回路基板２４に押圧する押圧手段２９とを含む。
【００４５】
このような接合装置２１では、各バンプを介して半導体チップ２３の各電極を回路基板２４の各電極に押圧した押圧状態で、前記半導体チップ２３および各バンプを半導体チップ２３に対して平行な方向に振動させることができる。これによって各バンプと回路基板２４の各電極とが擦れ合い、各バンプの表面を覆っている汚染層と回路基板２４の各電極の表面を覆っている汚染層とが除去され、各バンプと回路基板２４の各電極とが接合される。このようにして半導体チップ２３と回路基板２４とが接合される。
【００４６】
前記超音波振動子２５は、予め定める周波数で超音波振動する。予め定める周波数は、たとえば、５０ｋＨｚに選ばれる。超音波振動子２５は、圧電素子によって実現される。圧電素子は、ピエゾ素子とも呼ばれる。圧電素子は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換するエネルギー変換器である。超音波振動子２５は、たとえばジルコンチタン酸鉛の圧電素子によって実現される。
【００４７】
前記超音波ホーン２２は、超音波振動子２５の超音波振動方向Ａに関して、超音波の１波長分の長さＤ１を有する。したがって超音波ホーン２２は、超音波振動子２５による超音波振動によって超音波振動方向Ａに共振することができる。超音波ホーン２２の長さの基準となる超音波の波長は、超音波振動子２５の超音波振動によって超音波ホーン２２を伝わる超音波の波長である。超音波ホーン２２は、略円柱状であり、その軸線方向が超音波振動方向Ａに一致する。超音波ホーン２２は、たとえば鉄から成る。超音波ホーン２２の慣性質量は、超音波ホール２２の所要の剛性が得られる範囲内で、接合装置２１全体の慣性質量の１．０％以下に選ばれる。
【００４８】
前記支持手段２６は、超音波ホーン２２の超音波振動方向Ａの両端部２２ａ，２２ｂが超音波振動方向Ａに振動可能となるように、超音波ホーン２２の前記両端部２２ａ，２２ｂを支持する。したがって超音波ホーン２２は、超音波振動子２５による超音波振動によって、その超音波振動方向Ａの両端を自由端として、超音波振動方向Ａに共振することができる。
【００４９】
前記チップ保持体２７は、超音波ホーン２２の超音波振動方向Ａの両端部２２ａ，２２ｂ間の中央部２２ｃに設けられる。チップ保持体２７は、超音波振動方向Ａに平行なチップ保持面２７ａが形成される。チップ保持面２７ａの面積は、半導体チップ２３のチップ面積よりも大きい。チップ保持面２７ａには、半導体チップ２３の他表面が当接する。したがってチップ保持体２７は、半導体チップ２３を、超音波振動方向Ａに平行に保持することができる。本実施の形態では、チップ保持面２７ａは水平な一平面を成し、チップ保持体２７は、半導体チップ２３を水平に保持し、この半導体チップ２３の一表面は下方に臨む。チップ保持体２７は、たとえば鉄から成る。チップ保持体２７は、前記超音波ホーン２２と一体的に形成される。
【００５０】
前記基板保持体２８は、超音波振動方向Ａに平行な基板保持面２８ａが形成される。基板保持面２８ａの面積は、回路基板２４の基板面積よりも大きい。基板保持面２８ａには、回路基板２４の他表面が当接する。したがって基板保持体２８は、回路基板２４を、チップ保持体２７によって保持される半導体チップ２３に対して平行に保持することができる。本実施の形態では、基板保持面２８ａは水平な一平面を成し、基板保持体２８は、回路基板２４を水平に保持し、この回路基板２４の一表面は上方に臨む。基板保持体２８は、たとえばステンレス鋼（ＳＵＳ）から成る。基板保持体２８は、ボンディグステージとも呼ばれる。
【００５１】
前記押圧手段２９は、基準軸線Ｌ１に沿う押圧方向Ｂ１の押圧力を、支持手段２６および超音波ホーン２２を介して、チップ保持体２７に与える。基準軸線Ｌ１は、前記チップ保持面２７ａに垂直であり、超音波ホーン２２の超音波振動方向Ａの中央で超音波ホーン２２の軸線と交差する。このような押圧手段２９によって、チップ保持体２７に保持される半導体チップ２３を、基板保持体２８に保持される回路基板２４に押圧することができる。
【００５２】
図２は、支持部材３１ａを示す斜視図である。図１をも参照して、前記支持手段２６は、一対の支持部材３１ａ，３１ｂと、一対の連結部材３２ａ，３２ｂと、ホルダ３３とを有する。本実施の形態では、支持手段２６は、予め定める仮想一平面に関して面対称に構成される。予め定める仮想一平面は、基準軸線Ｌ１を含み、かつ超音波振動方向Ａに垂直である。
【００５３】
各支持部材３１ａ，３１ｂは、超音波ホーン２２の超音波振動方向Ａの両端部２２ａ，２２ｂにボルト部材によってそれぞれ連結されて、押圧方向Ｂ１にそれぞれ延びる。各連結部材３２ａ，３２ｂは、各支持部材３１ａ，３１ｂの超音波ホーン２２に連結される側とは反対側の端部にボルト部材によってそれぞれ連結されて、互いに離反する方向にそれぞれ延びる。
【００５４】
ホルダ３３は、大略的にＣ字状であり、超音波ホーン２２を外囲するように設けられる。ホルダ３３は、超音波振動方向Ａに延びる天板３４と、この天板３４の超音波振動方向Ａの両端部に屈曲して連なって押圧方向Ｂ１に延びる一対の側板３５ａ，３５ｂとを有する。各側板３５ａ，３５ｂの天板３４に連なる側とは反対側の端部には、各連結部材３２ａ，３２ｂの各支持部材３１ａ，３１ｂに連結される側とは反対側の端部が、ボルト部材によってそれぞれ連結される。
【００５５】
各支持部材３１ａ，３１ｂは、鉄から成る偏平な板状体である。一例として述べると、各支持部材３１ａ，３１ｂの厚さＴ１は、５〜１５ｍｍである。このような各支持部材３１ａ，３１ｂは、厚み方向Ｃには可撓性を有し、かつ厚み方向Ｃに垂直な方向には剛性を有する。
【００５６】
各支持部材３１ａ，３１ｂは、それらの厚み方向Ｃが超音波振動方向Ａに一致した状態で、超音波ホーン２２の超音波振動方向Ａの両端部２２ａ，２２ｂにそれぞれ連結される。したがって各支持部材３１ａ，３１ｂは、超音波ホーン２２の前記両端部２２ａ，２２ｂが超音波振動方向Ａに振動可能となるように、超音波ホーン２２の前記両端部２２ａ，２２ｂを支持することができる。
【００５７】
各支持部材３１ａ，３１ｂは、同一であるので、一方の支持部材３１ａについて詳細に説明し、他方の支持部材３１ｂについては詳細な説明を省略する。支持部材３１ａの長手方向一端部３６には、厚み方向Ｃに貫通する第１貫通孔３７が形成される。この第１貫通孔３７には、超音波ホーン２２と支持部材３１ａとを連結するためのボルト部材のねじ部が緩やかに挿通される。支持部材３１ａの長手方向他端部３８には、厚み方向Ｃに貫通する第２貫通孔３９が形成される。この第２貫通孔３９には、支持部材３１ａと連結部材３２ａとを連結するためのボルト部材のねじ部が緩やかに挿通される。
【００５８】
図３は、超音波ホーン２２の超音波振動方向Ａの一端部２２ａを拡大して示す断面図である。超音波ホーン２２は、挿入孔４１が形成されるホーン本体４２と、このホーン本体４２の前記挿入孔４１に挿し込まれるプラグ４３とを有する。
【００５９】
ホーン本体４２の超音波振動方向Ａの一端面４４には、開口４５が形成される。開口４５には、超音波振動方向Ａに延びる挿入孔４１が連通する。開口４５から、予め定める退避量Ｄ２だけ、ホーン本体４２の超音波振動方向Ａの他端面に向かって退避した位置には、底面４６が形成される。この底面４６は、前記開口４５および挿入孔４１が形成される凹部４７の底面である。底面４６は、超音波振動方向Ａに垂直な一平面を成す。
【００６０】
挿入孔４１には、開口４５を介して、超音波振動子２５が挿入されて、さらにプラグ４３が挿し込まれる。このプラグ４３によって、超音波振動子２５に予圧力を与えることができる。挿入孔４１にプラグ４３が挿し込まれた状態では、プラグ４３の先端面４８は、超音波振動方向Ａに垂直な一平面を成す。
【００６１】
超音波振動子２５の超音波振動方向Ａの一端部２５ａは、プラグ４３の先端面４８に接触する。超音波振動子２５の超音波振動方向Ａの他端部２５ｂは、凹部４７の底面４６に接触する。したがって超音波振動子２５は、その超音波振動方向Ａの両端部２５ａ，２５ｂが超音波ホーン２２に接触した状態で超音波ホーン２２に内蔵される。
【００６２】
前記予め定める退避量Ｄ２は、超音波の１／４波長分の長さＤ３に超音波振動子２５の超音波振動方向Ａの寸法の１／２の長さＤ４を加えた長さに選ばれる。したがって超音波振動子２５の超音波振動方向Ａの中央を、超音波ホーン２２の超音波振動方向Ａの一端から１／４波長分だけ他端に近寄った位置に配置することができる。
【００６３】
凹部４７の底面４６およびプラグ４３の先端面４８は、超音波ホーン２２の超音波振動方向Ａに垂直な断面上の中央に配置される。したがって超音波ホーン２２を、前記断面上の中央に配置することができる。これによって、超音波ホーン２２全体を安定して共振させることができる。
【００６４】
ホーン本体４２の挿入孔４１の周囲には、前記挿入孔４１に連通する引出孔４９が形成される。引出孔４９は、超音波振動方向Ａに関して、超音波振動子２５と同じ位置に配置される。ホーン本体４２の引出孔４９に臨む内周面には、電気絶縁性を有する樹脂層が形成される。
【００６５】
超音波振動子２５には、ケーブル５０が電気的に接続される。ケーブル５０は、引出孔４９を挿通して、ホーン本体４２の外部に引き出される。ホーン本体４２の外部に引き出されたケーブル５０は、少し弛んだ状態で、高周波発生装置５１まで導かれる。これによって超音波ホーン２２の超音波振動方向Ａに垂直な方向への振動を許容することができる。
【００６６】
ケーブル５０は、高周波発生装置５１に電気的に接続される。高周波発生装置５１は、ケーブル５０を介して、高周波の電気信号を超音波振動子２５に与える。超音波振動子２５は、高周波発生装置５１から与えられる高周波の電気信号に応じて機械振動、すなわち超音波振動する。
【００６７】
図４は、チップ保持体２７の断面図である。前記図１をも参照して、チップ保持体２７は、短四角柱状であり、超音波ホーン２２の外周面から外方に突出する。チップ保持体２７の先端面は、前記チップ保持面２７ａである。
【００６８】
チップ保持面２７ａには、開口６１が形成される。開口６１は、チップ保持面２７ａの中央に配置される。開口６１には、基準軸線Ｌ１に沿って延びる第１吸着孔６２が連通する。第１吸着孔６２には、超音波振動方向Ａに延びる第２吸着孔６３が連通する。第２吸着孔６３には、チップ保持面２７ａに平行かつ超音波振動方向Ａに垂直な方向に延びる第３吸着孔６４が連通する。第３吸着孔６４には、管路６５を介して真空源６６が接続される。したがってチップ保持面２７ａに当接する半導体チップ２３を真空吸着することができる。
【００６９】
図５は、接合装置２１の全体の構成を簡略化して示す正面図である。接合装置２１は、テーブル７１をさらに含む。テーブル７１は、可動テーブルである。テーブル７１には、基板保持体２８が載置される。テーブル７１は、基板保持体２８を、Ｘ方向およびＹ方向に移動させる。Ｘ方向およびＹ方向は、基板保持面２８ａに平行な方向であり、直交する２軸方向である。このようなテーブル７１によって、半導体チップ２３と回路基板２４とを位置合わせすることができる。
【００７０】
前記押圧手段２９は、基台７２と、この基台７２に基準軸線Ｌ１に沿って移動可能に設けられる可動体７３と、可動体７３を基台７２に対して基準軸線Ｌ１に沿って変位させる変位駆動手段７４とを有する。
【００７１】
基台７２は、固定基板７５と、この固定基板７５に連なって基準軸線Ｌ１に沿って押圧方向Ｂ１に延びる一対の案内部材７６ａ，７６ｂとを有する。可動体７３には、各案内部材７６ａ，７６ｂが挿通する挿通孔７７ａ，７７ｂが形成される。可動体７３は、各案内部材７６ａ，７６ｂによって案内される。可動体７３には、ホルダ３３の天板３４が連結される。
【００７２】
変位駆動手段７４は、固定基板７５に固定されるモータ７８と、このモータ７８の出力軸に連結されるおねじ部７９と、おねじ部７９が挿通して螺合するめねじ部８０とを有する。おねじ部７９は、基準軸線Ｌ１と同軸である。めねじ部８０は、可動体７３と一体的に形成される。このような変位駆動手段７４によって、チップ保持体２７を、基板保持体２８に対して基準軸線Ｌ１に沿って前進および後退させることができる。また変位駆動手段７４によって、半導体チップ２３を回路基板２４に押圧することができる。
【００７３】
前記基板保持体２８は、各支持部材３１ａ，３１ｂの超音波ホーン２２に連結される側とは反対側の端部６８，６９よりも、押圧方向Ｂ１とは反対方向Ｂ２に退避した位置で、回路基板２４を保持する。これによってチップ保持体２７のチップ保持面２７ａと基板保持体２８の基板保持面２８ａとの間の距離を小さくして、必要とされるチップ保持体２７の移動量を小さくすることができる。
【００７４】
図６は、接合装置２１の電気的構成を示すブロック図である。接合装置２１は、前記真空源６６と、カメラ８１と、カメラ移動装置８２と、圧力センサ８３と、前記高周波発生装置５１と、制御手段８４とをさらに含む。カメラ８１は、半導体チップ２３および回路基板２４を撮像する。カメラ移動装置８２は、カメラ８１を、撮像位置と退避位置とにわたって移動させる。圧力センサ８３は、回路基板２４に対する半導体チップ２３の押圧力を検出する。
【００７５】
制御手段８４は、中央演算処理装置（Central Processing Unit、略称ＣＰＵ）などによって構成される。制御手段８４は、カメラ８１から撮像結果を与えられ、圧力センサ８３から検出結果を与えられる。制御手段８４は、真空源６６、テーブル７１、モータ７８カメラ移動装置８２および高周波発生装置５１を制御する。制御手段８４は、タイマ８５を有する。
【００７６】
図７は、接合装置２１の接合動作を説明するためのフローチャートである。接合動作は、チップ保持体２７によって半導体チップ２３が保持され、基板保持体２８によって回路基板２４が保持された状態で、開始される。この状態では、半導体チップ２３の一表面は下方に臨み、回路基板２４の一表面は上方に臨み、半導体チップ２３の一表面と回路基板２４の一表面とは対向する。半導体チップ２３の保持にあたっては、チップ保持体２７のチップ保持面２７ａに半導体チップ２３の他表面が当接された状態で、真空源６６によって吸引する。
【００７７】
接合動作を開始すると、ステップａ１で、半導体チップ２３と回路基板２４とを位置合わせする。このステップａ１では、まず、カメラ移動装置８２によって、カメラ８１を退避位置から撮像位置に移動させ、これによってカメラ８１を、半導体チップ２３と回路基板２４との間の空間に非接触で侵入させる。次に、カメラ８１によって、半導体チップ２３と回路基板２４とを撮像する。カメラ８１から撮像結果を与えられると、撮像結果に基づいて、半導体チップ２３と回路基板２４との相対的な位置ずれを検出する。そして前記検出結果に基づいて、半導体チップ２３を基準にして回路基板２４の位置ずれを補正するように、テーブル７１を制御する。位置合わせが終了すると、カメラ移動装置８２によって、カメラ８１を撮像位置から退避位置に移動させ、ステップａ２に進む。
【００７８】
ステップａ２では、モータ７８によるチップ保持体２７の前進を開始し、ステップａ３に進む。ステップａ３では、圧力センサ８３から与えられる検出結果に基づいて、回路基板２４に対する半導体チップ２３の押圧力が予め定める押圧値を超えたか否かを判定する。前記予め定める押圧値を超えるまで、ステップａ３の動作を繰り返し実行し、前記予め定める押圧値を超えたと判定すると、ステップａ４に進む。ステップａ４では、モータ７８によるチップ保持体２７の前進を終了し、ステップａ５に進む。
【００７９】
ステップａ５では、高周波発生装置５１による超音波振動子２５の超音波振動を開始し、ステップａ６に進む。ステップａ６では、タイマ８５によって計時し、超音波振動子２５による超音波振動を開始してから予め定める接合時間を経過したか否かを判定する。前記予め定める接合時間を経過するまで、ステップａ６の動作を繰り返し実行し、前記予め定める接合時間を経過したと判定すると、ステップａ７に進む。ステップａ７では、高周波発生装置５１による超音波振動子２５の超音波振動を終了し、ステップａ８に進む。ステップａ８では、モータ７８によって、チップ保持体２７を後退させ、接合動作を終了する。
【００８０】
このような接合動作では、前記ステップａ３で前記予め定める押圧値を超えたと判定すると前記ステップａ４でモータ７８によるチップ保持体２７の前進を終了するけれども、前記判定後も、前記予め定める押圧値よりも高い予め定める他の押圧値になるまで、チップ保持体２７の前進を継続してもよい。
【００８１】
本実施の形態では、超音波ホーン２２には、図１（２）に示すような定常波が生じる。図１（２）は、超音波ホーン２２内の各点の変位を示す。図１（２）において、横軸は、各点の静止時の位置を示し、縦軸は、各点の、静止時の位置からの変位を示す。縦軸では、静止時の位置から超音波振動方向一方Ａ１への変位を正とし、静止時の位置から超音波振動方向他方Ａ２への変位を負とする。図１（２）では、各点の、静止時の位置からの変位が最大となる第１および第２時刻ｔ１，ｔ２における定常波の波形だけを示す。
【００８２】
第１時刻ｔ１における定常波の波形は、実線９１で示すような正弦曲線となり、第２時刻ｔ２における定常波の波形は、仮想線９２で示すような正弦曲線となる。第１時刻ｔ１では、超音波ホーン２２の超音波振動方向Ａの両端で、超音波振動方向一方Ａ１への変位が最大となり、前記両端間の中央で、超音波振動方向他方Ａ２への変位が最大となる。第２時刻ｔ２では、超音波ホーン２２の超音波振動方向Ａの両端で、超音波振動方向他方Ａ２への変位が最大となり、前記両端間の中央で、超音波振動方向一方Ａ１への変位が最大となる。
【００８３】
超音波ホーン２２内の各点の中には、共振時に超音波振動方向Ａに最も振動する点が存在する。前記最も振動する点の静止時の位置は、超音波ホーン２２における共振の腹位置という。本実施の形態では、超音波ホーン２２の超音波振動方向Ａの両端Ｐ１，Ｐ２と、前記両端間の中央Ｐ３とが、腹位置となる。超音波ホーン２２の腹位置の部分は、残余の部分に比べて、圧力変化が小さく、したがって圧力変化に起因する超音波振動方向Ａに垂直な方向への振動が小さい。
【００８４】
超音波ホーン２２内の各点の中には、共振時に超音波振動方向Ａに振動しない点が存在する。前記振動しない点の静止時の位置は、超音波ホーン２２における共振の節位置という。本実施の形態では、超音波ホーン２２の超音波振動方向Ａの一端から１／４波長分だけ他端に近寄った位置Ｐ４と、超音波ホーン２２の超音波振動方向Ａの他端から１／４波長分だけ一端に近寄った位置Ｐ５とが、節位置となる。超音波ホーン２２の節位置の部分は、圧力変化が最も大きく、したがって圧力変化に起因する超音波振動方向Ａに垂直な方向への振動が最も大きい。
【００８５】
以上のような本実施の形態によれば、超音波ホーン２２の超音波振動方向Ａの両端部２２ａ，２２ｂを、支持手段２６によって支持する。超音波ホーン２２の前記両端部２２ａ，２２ｂは、超音波ホーン２２の腹位置の部分である。超音波ホーン２２の腹位置の部分は、残余の部分に比べて、超音波振動方向Ａに垂直な方向への振動が小さい。したがって押圧状態で半導体チップ２３がこの半導体チップ２３に対して垂直な方向に振動してしまうという不具合を可及的に抑制することができる。したがって半導体チップ２３の破損を防ぐことができる。
【００８６】
超音波ホーン２２の前記両端部２２ａ，２２ｂは、超音波ホーン２２の腹位置の部分であり、したがって超音波振動方向Ａに振動する。これを考慮して、超音波ホーン２２の前記両端部２２ａ，２２ｂが超音波振動方向Ａに振動可能となるように、超音波ホーン２２の前記両端部２２ａ，２２ｂを支持手段２６によって支持する。これによって超音波ホーン２２の前記両端部２２ａ，２２ｂの振動を許容し、超音波ホーン２２を支持する支持手段２６が超音波ホーン２２の共振に与える影響を抑えることができる。
【００８７】
超音波振動子２５は、超音波ホーン２２の超音波振動方向Ａの一端から１／４波長分だけ他端に近寄った位置に配置される。この位置は、超音波ホーン２２の節位置である。超音波ホーン２２の節位置の部分での微小な振動は、超音波ホーン２２の腹位置の部分で大きな振動になる。したがって超音波振動子２５の超音波振動を有効に利用することができ、超音波振動の伝達効率を向上させることができる。
【００８８】
しかも超音波振動子２５は、その超音波振動方向Ａの両端部２５ａ，２５ｂが超音波ホーン２２に接触した状態で超音波ホーン２２に内蔵される。このように超音波振動子２５が超音波振動方向Ａの両側から支持されるので、超音波振動のときに超音波振動子２５が変位してしまうという不具合が防がれる。これによって共振の安定性を向上させることができ、半導体チップ２３と回路基板２４とを確実にフリップチップ接合することができる。また前記不具合が防がれるので、超音波振動子２５の超音波振動をさらに有効に利用することができ、超音波振動の伝達効率をさらに向上させることができる。
【００８９】
このような本実施の形態では、半導体チップ２３を破損することなく、半導体チップ２３と回路基板２４とを確実にフリップチップ接合することができる。したがって歩留まりを向上させ、生産コストを低減することができる。
【００９０】
また本実施の形態によれば、超音波ホーン２２の超音波振動方向Ａの両端部２２ａ，２２ｂは、共振の腹位置の部分であり、支持手段２６によって支持するのは、前記超音波ホーン２２の超音波振動方向Ａの両端部２２ａ，２２ｂであるので、ボルト部材を用いた締結によって、超音波ホーン２２と支持手段２６とを容易に連結することができる。
【００９１】
また本実施の形態によれば、超音波ホーン２２の慣性質量は、接合装置２１全体の慣性質量の１．０％以下に選ばれる。超音波ホーン２２は、共振しているとき、重心が不変であるけれども、腹位置の部分は、超音波振動方向Ａに振動する。したがって支持手段２６には、振動が伝達されることになる。この振動によって、接合装置２１全体のうち超音波ホーン２２を除く残余の部分が振動することがある。
【００９２】
特に、本実施の形態のように、各支持部材３１ａ，３１ｂ間の距離が超音波の波長の自然数倍の長さに相当する場合、各支持部材３１ａ，３１ｂに連結される超音波ホーン２２の超音波振動方向Ａの両端部２２ａ，２２ｂは、同一方向に振動する。したがって前記残余の部分が振動することがある。
【００９３】
超音波ホーン２２の慣性質量が接合装置２１全体の慣性質量の１．０％を超えると、前記残余の部分が超音波ホーン２２の共振に伴って振動してしまう。超音波ホーン２２の慣性質量を接合装置２１全体の慣性質量の１．０％以下すると、前記残余の部分が超音波ホーン２２の共振に伴って振動してしまうという不具合が防がれる。
【００９４】
さらに言えば、可動体７３が基台７２と剛な構造である場合、前記残余の部分の慣性質量は、可動体７３と基台７２とを合わせた慣性質量とみなすことができる。これに対して、可動体７３が基台７２に柔に取付けられる場合、前記残余の部分の慣性質量は、可動体７３の慣性質量とみなすべきである。この場合は、超音波ホーン２２の慣性質量は、可動体７３の慣性質量よりも十分（２桁以上）小さくなるように選ばれる。具体的には、超音波ホーン２２の慣性質量は、可動体７３の慣性質量の１％以下に選ばれる。
【００９５】
また本実施の形態によれば、各支持部材３１ａ，３１ｂは、超音波ホーン２２の前記両端部２２ａ，２２ｂにそれぞれ連結されて半導体チップ２３の押圧方向Ｂ１に延びる。この支持部材３１ａ，３１ｂの超音波ホーン２２に連結される側とは反対側の端部には、各連結部材３２ａ，３２ｂを介してホルダ３３が連結される。基板保持体２８は、支持部材３１ａ，３１ｂの超音波ホーン２２に連結される側とは反対側の端部６８，６９よりも、押圧方向Ｂ１とは反対方向Ｂ２に退避した位置で、回路基板２４を保持する。接合装置２１全体を大形化することなく、基板保持体２８を大きくして基板保持体２８の慣性質量を大きくすることができる。
【００９６】
このように基板保持体２８の慣性質量を大きくすることによって、超音波フリップチップ接合時に発生する基板保持体２８の振動を抑えることができる。これによって半導体チップ２３と回路基板２４との相対振動の低下を抑え、半導体チップ２３と回路基板２４とを確実にフリップチップ接合することができる。したがって高い信頼性を有するモジュールを得ることができ、歩留まりを向上させることができる。
【００９７】
表１は、本実施の形態の接合装置２１および従来の接合装置を用いてそれぞれ作成したサンプルについての、せん断強度と、半導体チップの破損発生率とを示す。本実施の形態の接合装置２１を用いて、予め定める接合条件で、５０個のサンプルを作成した。また比較のために、図８に示すような従来の接合装置を用いて、前記予め定める接合条件と同一の接合条件で、５０個のサンプルを作成した。これらの各サンプルから、せん断強度と、半導体チップの破損発生率とを求めた。サンプルの作成には、以下のような半導体チップおよび回路基板を用いた。
【００９８】
半導体チップの外形寸法は、１０×１０×０．１（ｍｍ）である。半導体チップの一表面には、３５０個の電極が形成される。各電極は、スパッタリングによって形成され、アルミニウムから成る。各電極は、９０μｍ角であり、厚みが１μｍである。各電極には、直径６０μｍ、高さ３０μｍの金ボールバンプがそれぞれ設けられる。
【００９９】
回路基板の外形寸法は、１４×１４×０．１（ｍｍ）である。回路基板は、ガラスエポキシ基板などから成り、回路基板の一表面には、３５０個の電極が形成される。各電極は、回路基板の一表面に形成される銅配線上に、ニッケル（Ｎｉ）および金（Ａｕ）を順次、めっきすることによって形成される。最表層に形成される金は、たとえば無電解めっき法で０．５μｍ厚に形成される。
【０１００】
半導体チップと回路基板とを接合するにあたっては、半導体チップと回路基板とを位置合わせした後、半導体チップに設けられる各バンプへの加圧を開始し、バンプ１個あたりの加圧力が３０ＭＰａに達すると、超音波振動を開始した。超音波出力は１Ｗとし、この出力を５００ｍｓ間、維持した。バンプ１個あたりの加圧力は、最終的に９０ＭＰａまで上昇させた。
【０１０１】
せん断強度を測定するにあたっては、半導体チップと回路基板とをフリップチップ接合した後、まず、半導体チップを、各バンプを残して除去した。そして各バンプと、回路基板の各電極との接合部のせん断強度を、シェアツールを用いて測定した。前記接合部のせん断強度は、接合強度に相当する。
【０１０２】
【表１】
【０１０３】
表１に示すように、従来の接合装置を用いた場合は、せん断強度は充分高いけれども、５０個のうち８個に、断線などの破損が散見された。これに対して、本実施の形態の接合装置２１を用いた場合は、従来の接合装置を用いた場合よりも高いせん断強度が得られ、かつ半導体チップの破損は見られなかった。
【０１０４】
表２は、超音波出力を下げた場合の、せん断強度と、半導体チップの破損発生率とを示す。本実施の形態の接合装置２１を用いて、前記予め定める接合条件と類似の接合条件で、５０個のサンプルを作成した。前記予め定める接合条件と異なるのは、超音波出力を、１Ｗの半分である５００ｍＷにした点である。前記作成した各サンプルから、せん断強度と、半導体チップの破損発生率とを求めた。
【０１０５】
【表２】
【０１０６】
表２に示すように、超音波出力を５００ｍＷに下げた場合でも、表１の従来の接合装置を用いた場合と、同等のせん断強度が得られた。このことから、本実施の形態の接合装置２１を用いた場合は、従来の接合装置に比べて、超音波振動の伝達効率が約２倍、向上され、低い超音波エネルギーにてフリップチップ接合が可能であることが判る。また超音波出力を５００ｍＷに下げた場合も、半導体チップの破損は見られなかった。
【０１０７】
前述の実施の形態は、本発明の例示に過ぎず、本発明の範囲内において構成を変更することができる。超音波ホーン２２と各支持部材３１ａ，３１ｂとの連結については、強固に固定することができればよく、超音波ホーン２２と各支持部材３１ａ，３１ｂとは、たとえば溶接によって連結されてもよい。各支持部材３１ａ，３１ｂと各連結部材３２ａ，３２ｂとの連結、および各連結部材３２ａ，３２ｂとホルダ３３との連結についても、同様である。
【０１０８】
超音波振動子２５は、圧電素子に限らず、たとえば磁歪素子であってもよい。超音波ホーン２２の材質は、鉄に限らず、たとえばアルミニウム合金、黄銅、ステンレス鋼およびチタン合金であってもよい。
【０１０９】
超音波ホーン２２は、超音波振動方向Ａに関して、超音波の波長の自然数倍の長さ、および超音波の波長の自然数倍に超音波の半波長を加えた長さのいずれか一方の長さを有していればよい。超音波ホーン２２における共振の節位置が複数、存在する場合、複数の節位置のうちチップ保持体２７から最も離れた節位置に、超音波振動子２５が配置される。したがって超音波振動子２５がチップ保持体２７から受ける影響を抑えることができる。
【０１１０】
超音波フリップチップ接合時に、加熱手段によって回路基板２４を加熱してもよい。この場合、回路基板２４の温度を温度計によって計測し、制御手段８４は、タイマによる計時結果と、温度計による計測結果とに基づいて、接合時間を決定してもよい。
【０１１１】
回路基板２４が加熱される場合、各バンプおよび半導体チップ２３を介してチップ保持体２７も加熱されてしまう。これを考慮して、前述のように、複数の節位置のうちチップ保持体２７から最も離れた節位置に、超音波振動子２５を配置することよって、超音波振動子２５とチップ保持体２７との間の距離を大きくする。
【０１１２】
このように超音波振動子２５とチップ保持体２７との間の距離を大きくすることによって、超音波振動子２５までも加熱されてしまうという不具合が防がれる。また超音波振動子２５とチップ保持体２７との間の距離を大きくし、冷却ファンなどの冷却手段を用いて、超音波ホーン２２における超音波振動子２５の周囲の部分に風を送ることによって、超音波振動子２５までも加熱されてしまうという不具合がより確実に防がれる。前記冷却手段は、たとえばホルダ３３に取付けられる。
【０１１３】
前述のように、超音波振動子２５までも加熱されてしまうという不具合が防がれるので、耐熱性の低い圧電素子でも超音波振動子２５として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】本発明の実施の一形態の超音波フリップチップ接合装置２１の構成を説明するための図である。
【図２】支持部材３１ａを示す斜視図である。
【図３】超音波ホーン２２の超音波振動方向Ａの一端部２２ａを拡大して示す断面図である。
【図４】チップ保持体２７の断面図である。
【図５】接合装置２１の全体の構成を簡略化して示す正面図である。
【図６】接合装置２１の電気的構成を示すブロック図である。
【図７】接合装置２１の接合動作を説明するためのフローチャートである。
【図８】第２の従来技術の超音波接合装置１の構成を簡略化して示す正面図である。
【符号の説明】
【０１１５】
２１ 超音波フリップチップ接合装置
２２ 超音波ホーン
２３ 半導体チップ
２４ 回路基板
２５ 超音波振動子
２６ 支持手段
２７ チップ保持体
２８ 基板保持体
２９ 押圧手段
３１ａ，３１ｂ 支持部材
３２ａ，３２ｂ 連結部材
３３ ホルダ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップと回路基板とを超音波振動を利用してフリップチップ接合する超音波フリップチップ接合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体チップと回路基板とを接合する接合方式には、ワイヤボンディング方式およびフリップチップ接合方式がある。ワイヤボンディング方式は、半導体チップの電極と回路基板の電極とを、ワイヤを介して接合する方式である。フリップチップ接合方式は、半導体チップの電極と回路基板の電極とを、バンプを介して接合する方式である。
【０００３】
フリップチップ接合方式では、ワイヤボンディング方式に比べて、実装面積を小さくすることができ、また配線長を短くすることもできる。さらにフリップチップ接合方式では、半導体チップの電極群と回路基板の電極群とを一括して接合するので、このフリップチップ接合方式は、ワイヤボンディング方式に比べて生産性の点で優れている。このようなフリップチップ接合方式は、高密度実装、および高速半導体チップの実装に適している。
【０００４】
フリップチップ接合方式には、熱圧着接合方式および超音波接合方式がある。特に、超音波接合方式では、１５０℃よりも低い温度での接合が可能であり、接合に要する接合時間が１秒前後と短い。このような超音波接合方式は、接合生産性の観点から、昨今、注目を浴びている。フリップチップ接合方式の中の超音波接合方式は、超音波フリップチップ接合方式とも呼ばれる。
【０００５】
近年、超音波フリップチップ接合方式を実現するための超音波フリップチップ接合装置が、種々、開発されている。
【０００６】
第１の従来技術は、特許文献１に開示される。この従来技術の超音波接合装置では、超音波ホーンは、超音波の１波長分の長さを有する。この超音波ホーンの中央には、被接合部材と係合する係合チップが設けられる。超音波ホーンの両端には、超音波ホーンと同軸上に、ブースタがそれぞれ連結される。各ブースタは、超音波の半波長の長さを有し、その両端が共振の腹となり、中央が共振の節となる。各ブースタの中央部は、一対の支持部材に、直接機械的に強靭にそれぞれクランプされている。一方のブースタには、このブースタと同軸上に、超音波振動子が連結される。加圧手段は、被接合部材を載置した受台と、各支持部材とを相対的に移動させて、前記係合用チップが被接合部材を加圧するように構成される。
【０００７】
図８は、第２の従来技術の超音波接合装置１の構成を簡略化して示す正面図である。第２の従来技術は、特許文献２に開示される。この従来技術の超音波接合装置１では、超音波ホーン２は、超音波の１波長分の長さに予め設定され、その両端および中央が共振の腹となる。超音波ホーン２の中央部には、接合作用部３が設けられる。超音波ホーン２の一端部には、同軸上に超音波振動子４が連結される。超音波振動子４は、超音波ホーン２を横振動させる。超音波ホーンの節となる２つの部分は、支持部材５ａ，５ｂによってそれぞれ固定される。加圧手段６は、受台７に載置されたプリント基板８と、接合作用部３によって保持されるベアチップ９とを接触させ、両者を加圧するように構成される。
【０００８】
【特許文献１】特許第２５８３３９８号公報
【特許文献２】特開２００４−３３０２２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前記第１の従来技術では、超音波振動子が超音波ホーンの外部に設けられるので、超音波振動子は、超音波振動方向の片側から支持される。したがって超音波振動のときに超音波振動子が変位してしまうので、共振の安定性が低く、被接合部材の安定した接合が得にくいという問題がある。
【００１０】
また前記第１の従来技術では、各ブースタは、共振の節となる中央部で、各支持部材にそれぞれ固定されるので、超音波振動方向に垂直な方向の振動が発生する。したがって被接合部材が破損しやすいという問題がある。
【００１１】
詳細に述べると、各ブースタの共振の節となる部分は、振動しないけれども、圧力が最も変化する。各ブースタは、剛性の高い材質から成るので、非圧縮性を有し、圧力の変化に対して体積の変化がごく僅かである。このような各ブースタでは、共振の節において、圧力変化が、超音波振動方向に垂直な断面の面積の変化となって現れる。したがって各ブースタを共振の節で各支持部材に固定すると、超音波振動方向に垂直な方向の振動が発生する。これによって被接合部材が破損しやすい。
【００１２】
前記第２の従来技術では、超音波振動子４が超音波ホーン２の外部に設けられるので、超音波振動子４は、超音波振動方向の片側から支持される。したがって第１の従来技術と類似の問題、すなわちプリント基板８とベアチップ９との安定した接合が得にくいという問題がある。
【００１３】
また前記第２の従来技術では、超音波ホーン２は、共振の節で、各支持部材５ａ，５ｂによって固定される。したがって第１の従来技術と類似の問題、すなわちベアチップ９が破損しやすいという問題がある。
【００１４】
詳細に述べると、超音波ホーン２の共振の節となる部分は、振動しないけれども、圧力が最も変化する。超音波ホーン２は、剛性の高い材質から成るので、非圧縮性を有し、圧力の変化に対して体積の変化がごく僅かである。このような超音波ホーン２では、共振の節において、圧力変化が、超音波振動方向に垂直な断面の面積の変化となって現れる。したがって超音波ホーン２を共振の節で各支持部材５ａ，５ｂに固定すると、超音波振動方向に垂直な方向の振動が発生する。これによってベアチップ９が破損しやすい。
【００１５】
したがって本発明の目的は、半導体チップを破損することなく、半導体チップと回路基板とを確実にフリップチップ接合することができ、これによって歩留まりを向上させることができる超音波フリップチップ接合装置を提供することである。
【００１６】
また前記第１および第２の従来技術では、超音波振動子４が超音波ホーン２の外部に設けられるので、超音波振動子４は、超音波振動方向の片側から支持される。したがって超音波振動子４の超音波振動が片側だけ有効となるので、超音波振動の伝達効率が悪いという問題がある。
【００１７】
したがって本発明の他の目的は、超音波振動の伝達効率を向上させることができる超音波フリップチップ接合装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、半導体チップと回路基板とを超音波振動を利用してフリップチップ接合する超音波フリップチップ接合装置であって、
超音波振動する超音波振動子と、
超音波振動子による超音波振動によって超音波振動方向に共振する超音波ホーンと、
超音波ホーンを支持する支持手段と、
超音波ホーンに設けられ、半導体チップを、超音波振動方向に平行に保持するチップ保持体と、
回路基板を、チップ保持体によって保持される半導体チップに対して平行に保持する基板保持体と、
チップ保持体によって保持される半導体チップを、基板保持体によって保持される回路基板に押圧する押圧手段とを含み、
支持手段は、超音波ホーンにおける共振の腹位置の部分が超音波振動方向に振動可能となるように、超音波ホーンの前記腹位置の部分を支持し、
超音波振動子は、超音波ホーンにおける共振の節位置に配置され、超音波振動方向の両端部が超音波ホーンに接触した状態で超音波ホーンに設けられる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。
【００１９】
また本発明は、超音波ホーンにおける共振の節位置が複数、存在する場合、
超音波振動子は、複数の節位置のうちチップ保持体から最も離れた節位置に配置されることを特徴とする。
【００２０】
また本発明は、支持手段は、超音波ホーンの超音波振動方向の両端部を支持することを特徴とする。
【００２１】
また本発明は、超音波ホーンの慣性質量は、装置全体の慣性質量の１．０％以下に選ばれることを特徴とする。
【００２２】
また本発明は、支持手段は、
超音波ホーンの前記腹位置の部分に連結されて半導体チップの押圧方向に延び、超音波振動方向に可撓性を有する支持部材と、
支持部材の超音波ホーンに連結される側とは反対側の端部に連結されるホルダとを含み、
基板保持体は、支持部材の超音波ホーンに連結される側とは反対側の端部よりも、半導体チップの押圧方向とは反対方向に退避した位置で、回路基板を保持することを特徴とする。
【００２３】
また本発明は、半導体チップと回路基板とを超音波振動を利用してフリップチップ接合する超音波フリップチップ接合装置であって、
超音波振動する超音波振動子と、
超音波振動子による超音波振動によって超音波振動方向に共振する超音波ホーンと、
超音波ホーンに設けられ、半導体チップを、超音波振動方向に平行に保持するチップ保持体と、
回路基板を、チップ保持体によって保持される半導体チップに対して平行に保持する基板保持体と、
チップ保持体によって保持される半導体チップを、基板保持体によって保持される回路基板に押圧する押圧手段とを含み、
超音波振動子は、超音波ホーンにおける共振の節位置に配置され、超音波振動方向の両端部が超音波ホーンに接触した状態で超音波ホーンに設けられる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。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、超音波振動子が超音波振動する。この超音波振動子の超音波振動によって、超音波ホーンが超音波振動方向に共振する。超音波ホーンには、チップ保持体が設けられる。このチップ保持体は、超音波ホーンとともに共振する。
【００２５】
チップ保持体は、半導体チップを、超音波振動方向に平行に保持する。基板保持体は、回路基板を、チップ保持体によって保持される半導体チップに対して平行に保持する。押圧手段は、チップ保持体によって保持される半導体チップを、基板保持体によって保持される回路基板に押圧する。
【００２６】
したがって半導体チップを回路基板に押圧した押圧状態で、前記半導体チップをこの半導体チップに対して平行な方向に振動させることができる。これによって半導体チップと回路基板とをフリップチップ接合することができる。
【００２７】
超音波ホーンの腹位置の部分は、残余の部分に比べて、超音波振動方向に垂直な方向への振動が小さい。これを考慮して、前記腹位置の部分を支持手段によって支持する。これによって前記押圧状態で半導体チップがこの半導体チップに対して垂直な方向に振動してしまうという不具合を可及的に抑制することができる。したがって半導体チップの破損を防ぐことができる。
【００２８】
超音波ホーンの腹位置の部分は、超音波振動方向に振動する。これを考慮して、前記腹位置の部分が超音波振動方向に振動可能となるように、前記腹位置の部分を支持手段によって支持する。これによって超音波ホーンを支持する支持手段が超音波ホーンの共振に与える影響を抑えることができる。
【００２９】
超音波振動子は、超音波ホーンにおける共振の節位置に配置される。超音波ホーンの節位置の部分での微小な振動は、超音波ホーンの腹位置の部分で大きな振動になる。したがって超音波振動子の超音波振動を有効に利用することができ、超音波振動の伝達効率を向上させることができる。
【００３０】
しかも超音波振動子は、超音波振動方向の両端部が超音波ホーンに接触した状態で超音波ホーンに設けられる。このように超音波振動子が超音波振動方向の両側から支持されるので、超音波振動のときに超音波振動子が変位してしまうという不具合が防がれる。これによって共振の安定性を向上させることができ、半導体チップと回路基板とを確実にフリップチップ接合することができる。また前記不具合が防がれるので、超音波振動子の超音波振動をさらに有効に利用することができ、超音波振動の伝達効率をさらに向上させることができる。
【００３１】
このような本発明では、半導体チップを破損することなく、半導体チップと回路基板とを確実にフリップチップ接合することができる。したがって歩留まりを向上させ、生産コストを低減することができる。
【００３２】
また本発明によれば、超音波ホーンにおける共振の節位置が複数、存在する場合、複数の節位置のうちチップ保持体から最も離れた節位置に、超音波振動子が配置される。したがって超音波振動子がチップ保持体から受ける影響を抑えることができる。たとえば、チップ保持体が加熱される場合、超音波振動子までも加熱されてしまうという不具合が防がれる。前記不具合が防がれるので、耐熱性の低い圧電素子でも超音波振動子として用いることができる。
【００３３】
また本発明によれば、超音波ホーンの超音波振動方向の両端部は、共振の腹位置の部分であり、支持手段によって支持するのは、前記超音波ホーンの超音波振動方向の両端部であるので、ボルト部材を用いた締結などによって、超音波ホーンと支持手段とを容易に連結することができる。
【００３４】
また本発明によれば、超音波ホーンの慣性質量は、装置全体の慣性質量の１．０％以下に選ばれる。超音波ホーンは、共振しているとき、重心が不変であるけれども、前記腹位置の部分は、超音波振動方向に振動する。したがって支持手段には、振動が伝達されることになる。この振動によって、装置全体のうち超音波ホーンを除く残余の部分が振動することがある。超音波ホーンの慣性質量が装置全体の慣性質量の１．０％を超えると、前記残余の部分が超音波ホーンの共振に伴って振動してしまう。超音波ホーンの慣性質量を装置全体の慣性質量の１．０％以下にすると、前記残余の部分が超音波ホーンの共振に伴って振動してしまうという不具合が防がれる。
【００３５】
また本発明によれば、支持部材は、超音波ホーンの前記腹位置の部分に連結されて半導体チップの押圧方向に延びる。この支持部材の超音波ホーンに連結される側とは反対側の端部には、ホルダが連結される。基板保持体は、支持部材の超音波ホーンに連結される側とは反対側の端部よりも、半導体チップの押圧方向とは反対方向に退避した位置で、回路基板を保持する。したがって装置全体を大形化することなく、基板保持体を大きくして基板保持体の慣性質量を大きくすることができる。
【００３６】
このように基板保持体の慣性質量を大きくすることによって、超音波フリップチップ接合時に発生する基板保持体の振動を抑えることができる。これによって半導体チップと回路基板との相対振動の低下を抑え、半導体チップと回路基板とを確実にフリップチップ接合することができる。したがって高い信頼性を有するモジュールを得ることができ、歩留まりを向上させることができる。
【００３７】
本発明によれば、超音波振動子が超音波振動する。この超音波振動子の超音波振動によって、超音波ホーンが超音波振動方向に共振する。超音波ホーンには、チップ保持体が設けられる。このチップ保持体は、超音波ホーンとともに共振する。
【００３８】
チップ保持体は、半導体チップを、超音波振動方向に平行に保持する。基板保持体は、回路基板を、チップ保持体によって保持される半導体チップに対して平行に保持する。押圧手段は、チップ保持体によって保持される半導体チップを、基板保持体によって保持される回路基板に押圧する。
【００３９】
したがって半導体チップを回路基板に押圧した押圧状態で、前記半導体チップをこの半導体チップに対して平行な方向に振動させることができる。これによって半導体チップと回路基板とをフリップチップ接合することができる。
【００４０】
超音波振動子は、超音波ホーンにおける共振の節位置に配置される。超音波ホーンの節位置の部分での微小な振動は、超音波ホーンの腹位置の部分で大きな振動になる。したがって超音波振動子の超音波振動を有効に利用することができ、超音波振動の伝達効率を向上させることができる。
【００４１】
しかも超音波振動子は、超音波振動方向の両端部が超音波ホーンに接触した状態で超音波ホーンに設けられる。このように超音波振動子が超音波振動方向の両側から支持されるので、超音波振動のときに超音波振動子が変位してしまうという不具合が防がれる。これによって、超音波振動子の超音波振動をさらに有効に利用することができ、超音波振動の伝達効率をさらに向上させることができる。また前記不具合が防がれるので、共振の安定性を向上させることができ、半導体チップと回路基板とを確実にフリップチップ接合することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
図１は、本発明の実施の一形態の超音波フリップチップ接合装置２１の構成を説明するための図であり、図１（１）は超音波ホーン２２付近の正面図であり、図１（２）は超音波ホーン２２に生じる定常波の波形を示す図である。本実施の形態の超音波フリップチップ接合装置（以下「接合装置」という）２１は、半導体チップ２３と回路基板２４とをフリップチップ接合するために用いられる。
【００４３】
半導体チップ２３は、たとえばシリコン基板に微細な電子回路パターンが形成されて構成される。この半導体チップ２３の一表面には、複数の電極が形成される。回路基板２４は、たとえば有機基板に配線パターンが形成されて構成される。この回路基板２４の一表面には、複数の電極が形成される。半導体チップ２３の各電極には、バンプがそれぞれ設けられる。バンプは、たとえばＡｕボールバンプである。Ａｕボールバンプの径は、たとえば６０μｍである。フリップチップ接合では、半導体チップ２３の各電極と回路基板２４の各電極とが、各バンプを介してそれぞれ接合される。
【００４４】
本実施の形態の接合装置２１は、半導体チップ２３と回路基板２４とをフリップチップ接合するにあたって、超音波振動を利用する。この接合装置２１は、超音波振動する超音波振動子２５と、超音波振動子２５による超音波振動によって超音波振動方向Ａに共振する超音波ホーン２２と、超音波ホーン２２を支持する支持手段２６と、超音波ホーン２２に設けられ、半導体チップ２３を保持するチップ保持体２７と、回路基板２４を保持する基板保持体２８と、チップ保持体２７によって保持される半導体チップ２３を、基板保持体２８によって保持される回路基板２４に押圧する押圧手段２９とを含む。
【００４５】
このような接合装置２１では、各バンプを介して半導体チップ２３の各電極を回路基板２４の各電極に押圧した押圧状態で、前記半導体チップ２３および各バンプを半導体チップ２３に対して平行な方向に振動させることができる。これによって各バンプと回路基板２４の各電極とが擦れ合い、各バンプの表面を覆っている汚染層と回路基板２４の各電極の表面を覆っている汚染層とが除去され、各バンプと回路基板２４の各電極とが接合される。このようにして半導体チップ２３と回路基板２４とが接合される。
【００４６】
前記超音波振動子２５は、予め定める周波数で超音波振動する。予め定める周波数は、たとえば、５０ｋＨｚに選ばれる。超音波振動子２５は、圧電素子によって実現される。圧電素子は、ピエゾ素子とも呼ばれる。圧電素子は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換するエネルギー変換器である。超音波振動子２５は、たとえばジルコンチタン酸鉛の圧電素子によって実現される。
【００４７】
前記超音波ホーン２２は、超音波振動子２５の超音波振動方向Ａに関して、超音波の１波長分の長さＤ１を有する。したがって超音波ホーン２２は、超音波振動子２５による超音波振動によって超音波振動方向Ａに共振することができる。超音波ホーン２２の長さの基準となる超音波の波長は、超音波振動子２５の超音波振動によって超音波ホーン２２を伝わる超音波の波長である。超音波ホーン２２は、略円柱状であり、その軸線方向が超音波振動方向Ａに一致する。超音波ホーン２２は、たとえば鉄から成る。超音波ホーン２２の慣性質量は、超音波ホール２２の所要の剛性が得られる範囲内で、接合装置２１全体の慣性質量の１．０％以下に選ばれる。
【００４８】
前記支持手段２６は、超音波ホーン２２の超音波振動方向Ａの両端部２２ａ，２２ｂが超音波振動方向Ａに振動可能となるように、超音波ホーン２２の前記両端部２２ａ，２２ｂを支持する。したがって超音波ホーン２２は、超音波振動子２５による超音波振動によって、その超音波振動方向Ａの両端を自由端として、超音波振動方向Ａに共振することができる。
【００４９】
前記チップ保持体２７は、超音波ホーン２２の超音波振動方向Ａの両端部２２ａ，２２ｂ間の中央部２２ｃに設けられる。チップ保持体２７は、超音波振動方向Ａに平行なチップ保持面２７ａが形成される。チップ保持面２７ａの面積は、半導体チップ２３のチップ面積よりも大きい。チップ保持面２７ａには、半導体チップ２３の他表面が当接する。したがってチップ保持体２７は、半導体チップ２３を、超音波振動方向Ａに平行に保持することができる。本実施の形態では、チップ保持面２７ａは水平な一平面を成し、チップ保持体２７は、半導体チップ２３を水平に保持し、この半導体チップ２３の一表面は下方に臨む。チップ保持体２７は、たとえば鉄から成る。チップ保持体２７は、前記超音波ホーン２２と一体的に形成される。
【００５０】
前記基板保持体２８は、超音波振動方向Ａに平行な基板保持面２８ａが形成される。基板保持面２８ａの面積は、回路基板２４の基板面積よりも大きい。基板保持面２８ａには、回路基板２４の他表面が当接する。したがって基板保持体２８は、回路基板２４を、チップ保持体２７によって保持される半導体チップ２３に対して平行に保持することができる。本実施の形態では、基板保持面２８ａは水平な一平面を成し、基板保持体２８は、回路基板２４を水平に保持し、この回路基板２４の一表面は上方に臨む。基板保持体２８は、たとえばステンレス鋼（ＳＵＳ）から成る。基板保持体２８は、ボンディグステージとも呼ばれる。
【００５１】
前記押圧手段２９は、基準軸線Ｌ１に沿う押圧方向Ｂ１の押圧力を、支持手段２６および超音波ホーン２２を介して、チップ保持体２７に与える。基準軸線Ｌ１は、前記チップ保持面２７ａに垂直であり、超音波ホーン２２の超音波振動方向Ａの中央で超音波ホーン２２の軸線と交差する。このような押圧手段２９によって、チップ保持体２７に保持される半導体チップ２３を、基板保持体２８に保持される回路基板２４に押圧することができる。
【００５２】
図２は、支持部材３１ａを示す斜視図である。図１をも参照して、前記支持手段２６は、一対の支持部材３１ａ，３１ｂと、一対の連結部材３２ａ，３２ｂと、ホルダ３３とを有する。本実施の形態では、支持手段２６は、予め定める仮想一平面に関して面対称に構成される。予め定める仮想一平面は、基準軸線Ｌ１を含み、かつ超音波振動方向Ａに垂直である。
【００５３】
各支持部材３１ａ，３１ｂは、超音波ホーン２２の超音波振動方向Ａの両端部２２ａ，２２ｂにボルト部材によってそれぞれ連結されて、押圧方向Ｂ１にそれぞれ延びる。各連結部材３２ａ，３２ｂは、各支持部材３１ａ，３１ｂの超音波ホーン２２に連結される側とは反対側の端部にボルト部材によってそれぞれ連結されて、互いに離反する方向にそれぞれ延びる。
【００５４】
ホルダ３３は、大略的にＣ字状であり、超音波ホーン２２を外囲するように設けられる。ホルダ３３は、超音波振動方向Ａに延びる天板３４と、この天板３４の超音波振動方向Ａの両端部に屈曲して連なって押圧方向Ｂ１に延びる一対の側板３５ａ，３５ｂとを有する。各側板３５ａ，３５ｂの天板３４に連なる側とは反対側の端部には、各連結部材３２ａ，３２ｂの各支持部材３１ａ，３１ｂに連結される側とは反対側の端部が、ボルト部材によってそれぞれ連結される。
【００５５】
各支持部材３１ａ，３１ｂは、鉄から成る偏平な板状体である。一例として述べると、各支持部材３１ａ，３１ｂの厚さＴ１は、５〜１５ｍｍである。このような各支持部材３１ａ，３１ｂは、厚み方向Ｃには可撓性を有し、かつ厚み方向Ｃに垂直な方向には剛性を有する。
【００５６】
各支持部材３１ａ，３１ｂは、それらの厚み方向Ｃが超音波振動方向Ａに一致した状態で、超音波ホーン２２の超音波振動方向Ａの両端部２２ａ，２２ｂにそれぞれ連結される。したがって各支持部材３１ａ，３１ｂは、超音波ホーン２２の前記両端部２２ａ，２２ｂが超音波振動方向Ａに振動可能となるように、超音波ホーン２２の前記両端部２２ａ，２２ｂを支持することができる。
【００５７】
各支持部材３１ａ，３１ｂは、同一であるので、一方の支持部材３１ａについて詳細に説明し、他方の支持部材３１ｂについては詳細な説明を省略する。支持部材３１ａの長手方向一端部３６には、厚み方向Ｃに貫通する第１貫通孔３７が形成される。この第１貫通孔３７には、超音波ホーン２２と支持部材３１ａとを連結するためのボルト部材のねじ部が緩やかに挿通される。支持部材３１ａの長手方向他端部３８には、厚み方向Ｃに貫通する第２貫通孔３９が形成される。この第２貫通孔３９には、支持部材３１ａと連結部材３２ａとを連結するためのボルト部材のねじ部が緩やかに挿通される。
【００５８】
図３は、超音波ホーン２２の超音波振動方向Ａの一端部２２ａを拡大して示す断面図である。超音波ホーン２２は、挿入孔４１が形成されるホーン本体４２と、このホーン本体４２の前記挿入孔４１に挿し込まれるプラグ４３とを有する。
【００５９】
ホーン本体４２の超音波振動方向Ａの一端面４４には、開口４５が形成される。開口４５には、超音波振動方向Ａに延びる挿入孔４１が連通する。開口４５から、予め定める退避量Ｄ２だけ、ホーン本体４２の超音波振動方向Ａの他端面に向かって退避した位置には、底面４６が形成される。この底面４６は、前記開口４５および挿入孔４１が形成される凹部４７の底面である。底面４６は、超音波振動方向Ａに垂直な一平面を成す。
【００６０】
挿入孔４１には、開口４５を介して、超音波振動子２５が挿入されて、さらにプラグ４３が挿し込まれる。このプラグ４３によって、超音波振動子２５に予圧力を与えることができる。挿入孔４１にプラグ４３が挿し込まれた状態では、プラグ４３の先端面４８は、超音波振動方向Ａに垂直な一平面を成す。
【００６１】
超音波振動子２５の超音波振動方向Ａの一端部２５ａは、プラグ４３の先端面４８に接触する。超音波振動子２５の超音波振動方向Ａの他端部２５ｂは、凹部４７の底面４６に接触する。したがって超音波振動子２５は、その超音波振動方向Ａの両端部２５ａ，２５ｂが超音波ホーン２２に接触した状態で超音波ホーン２２に内蔵される。
【００６２】
前記予め定める退避量Ｄ２は、超音波の１／４波長分の長さＤ３に超音波振動子２５の超音波振動方向Ａの寸法の１／２の長さＤ４を加えた長さに選ばれる。したがって超音波振動子２５の超音波振動方向Ａの中央を、超音波ホーン２２の超音波振動方向Ａの一端から１／４波長分だけ他端に近寄った位置に配置することができる。
【００６３】
凹部４７の底面４６およびプラグ４３の先端面４８は、超音波ホーン２２の超音波振動方向Ａに垂直な断面上の中央に配置される。したがって超音波ホーン２２を、前記断面上の中央に配置することができる。これによって、超音波ホーン２２全体を安定して共振させることができる。
【００６４】
ホーン本体４２の挿入孔４１の周囲には、前記挿入孔４１に連通する引出孔４９が形成される。引出孔４９は、超音波振動方向Ａに関して、超音波振動子２５と同じ位置に配置される。ホーン本体４２の引出孔４９に臨む内周面には、電気絶縁性を有する樹脂層が形成される。
【００６５】
超音波振動子２５には、ケーブル５０が電気的に接続される。ケーブル５０は、引出孔４９を挿通して、ホーン本体４２の外部に引き出される。ホーン本体４２の外部に引き出されたケーブル５０は、少し弛んだ状態で、高周波発生装置５１まで導かれる。これによって超音波ホーン２２の超音波振動方向Ａに垂直な方向への振動を許容することができる。
【００６６】
ケーブル５０は、高周波発生装置５１に電気的に接続される。高周波発生装置５１は、ケーブル５０を介して、高周波の電気信号を超音波振動子２５に与える。超音波振動子２５は、高周波発生装置５１から与えられる高周波の電気信号に応じて機械振動、すなわち超音波振動する。
【００６７】
図４は、チップ保持体２７の断面図である。前記図１をも参照して、チップ保持体２７は、短四角柱状であり、超音波ホーン２２の外周面から外方に突出する。チップ保持体２７の先端面は、前記チップ保持面２７ａである。
【００６８】
チップ保持面２７ａには、開口６１が形成される。開口６１は、チップ保持面２７ａの中央に配置される。開口６１には、基準軸線Ｌ１に沿って延びる第１吸着孔６２が連通する。第１吸着孔６２には、超音波振動方向Ａに延びる第２吸着孔６３が連通する。第２吸着孔６３には、チップ保持面２７ａに平行かつ超音波振動方向Ａに垂直な方向に延びる第３吸着孔６４が連通する。第３吸着孔６４には、管路６５を介して真空源６６が接続される。したがってチップ保持面２７ａに当接する半導体チップ２３を真空吸着することができる。
【００６９】
図５は、接合装置２１の全体の構成を簡略化して示す正面図である。接合装置２１は、テーブル７１をさらに含む。テーブル７１は、可動テーブルである。テーブル７１には、基板保持体２８が載置される。テーブル７１は、基板保持体２８を、Ｘ方向およびＹ方向に移動させる。Ｘ方向およびＹ方向は、基板保持面２８ａに平行な方向であり、直交する２軸方向である。このようなテーブル７１によって、半導体チップ２３と回路基板２４とを位置合わせすることができる。
【００７０】
前記押圧手段２９は、基台７２と、この基台７２に基準軸線Ｌ１に沿って移動可能に設けられる可動体７３と、可動体７３を基台７２に対して基準軸線Ｌ１に沿って変位させる変位駆動手段７４とを有する。
【００７１】
基台７２は、固定基板７５と、この固定基板７５に連なって基準軸線Ｌ１に沿って押圧方向Ｂ１に延びる一対の案内部材７６ａ，７６ｂとを有する。可動体７３には、各案内部材７６ａ，７６ｂが挿通する挿通孔７７ａ，７７ｂが形成される。可動体７３は、各案内部材７６ａ，７６ｂによって案内される。可動体７３には、ホルダ３３の天板３４が連結される。
【００７２】
変位駆動手段７４は、固定基板７５に固定されるモータ７８と、このモータ７８の出力軸に連結されるおねじ部７９と、おねじ部７９が挿通して螺合するめねじ部８０とを有する。おねじ部７９は、基準軸線Ｌ１と同軸である。めねじ部８０は、可動体７３と一体的に形成される。このような変位駆動手段７４によって、チップ保持体２７を、基板保持体２８に対して基準軸線Ｌ１に沿って前進および後退させることができる。また変位駆動手段７４によって、半導体チップ２３を回路基板２４に押圧することができる。
【００７３】
前記基板保持体２８は、各支持部材３１ａ，３１ｂの超音波ホーン２２に連結される側とは反対側の端部６８，６９よりも、押圧方向Ｂ１とは反対方向Ｂ２に退避した位置で、回路基板２４を保持する。これによってチップ保持体２７のチップ保持面２７ａと基板保持体２８の基板保持面２８ａとの間の距離を小さくして、必要とされるチップ保持体２７の移動量を小さくすることができる。
【００７４】
図６は、接合装置２１の電気的構成を示すブロック図である。接合装置２１は、前記真空源６６と、カメラ８１と、カメラ移動装置８２と、圧力センサ８３と、前記高周波発生装置５１と、制御手段８４とをさらに含む。カメラ８１は、半導体チップ２３および回路基板２４を撮像する。カメラ移動装置８２は、カメラ８１を、撮像位置と退避位置とにわたって移動させる。圧力センサ８３は、回路基板２４に対する半導体チップ２３の押圧力を検出する。
【００７５】
制御手段８４は、中央演算処理装置（Central Processing Unit、略称ＣＰＵ）などによって構成される。制御手段８４は、カメラ８１から撮像結果を与えられ、圧力センサ８３から検出結果を与えられる。制御手段８４は、真空源６６、テーブル７１、モータ７８カメラ移動装置８２および高周波発生装置５１を制御する。制御手段８４は、タイマ８５を有する。
【００７６】
図７は、接合装置２１の接合動作を説明するためのフローチャートである。接合動作は、チップ保持体２７によって半導体チップ２３が保持され、基板保持体２８によって回路基板２４が保持された状態で、開始される。この状態では、半導体チップ２３の一表面は下方に臨み、回路基板２４の一表面は上方に臨み、半導体チップ２３の一表面と回路基板２４の一表面とは対向する。半導体チップ２３の保持にあたっては、チップ保持体２７のチップ保持面２７ａに半導体チップ２３の他表面が当接された状態で、真空源６６によって吸引する。
【００７７】
接合動作を開始すると、ステップａ１で、半導体チップ２３と回路基板２４とを位置合わせする。このステップａ１では、まず、カメラ移動装置８２によって、カメラ８１を退避位置から撮像位置に移動させ、これによってカメラ８１を、半導体チップ２３と回路基板２４との間の空間に非接触で侵入させる。次に、カメラ８１によって、半導体チップ２３と回路基板２４とを撮像する。カメラ８１から撮像結果を与えられると、撮像結果に基づいて、半導体チップ２３と回路基板２４との相対的な位置ずれを検出する。そして前記検出結果に基づいて、半導体チップ２３を基準にして回路基板２４の位置ずれを補正するように、テーブル７１を制御する。位置合わせが終了すると、カメラ移動装置８２によって、カメラ８１を撮像位置から退避位置に移動させ、ステップａ２に進む。
【００７８】
ステップａ２では、モータ７８によるチップ保持体２７の前進を開始し、ステップａ３に進む。ステップａ３では、圧力センサ８３から与えられる検出結果に基づいて、回路基板２４に対する半導体チップ２３の押圧力が予め定める押圧値を超えたか否かを判定する。前記予め定める押圧値を超えるまで、ステップａ３の動作を繰り返し実行し、前記予め定める押圧値を超えたと判定すると、ステップａ４に進む。ステップａ４では、モータ７８によるチップ保持体２７の前進を終了し、ステップａ５に進む。
【００７９】
ステップａ５では、高周波発生装置５１による超音波振動子２５の超音波振動を開始し、ステップａ６に進む。ステップａ６では、タイマ８５によって計時し、超音波振動子２５による超音波振動を開始してから予め定める接合時間を経過したか否かを判定する。前記予め定める接合時間を経過するまで、ステップａ６の動作を繰り返し実行し、前記予め定める接合時間を経過したと判定すると、ステップａ７に進む。ステップａ７では、高周波発生装置５１による超音波振動子２５の超音波振動を終了し、ステップａ８に進む。ステップａ８では、モータ７８によって、チップ保持体２７を後退させ、接合動作を終了する。
【００８０】
このような接合動作では、前記ステップａ３で前記予め定める押圧値を超えたと判定すると前記ステップａ４でモータ７８によるチップ保持体２７の前進を終了するけれども、前記判定後も、前記予め定める押圧値よりも高い予め定める他の押圧値になるまで、チップ保持体２７の前進を継続してもよい。
【００８１】
本実施の形態では、超音波ホーン２２には、図１（２）に示すような定常波が生じる。図１（２）は、超音波ホーン２２内の各点の変位を示す。図１（２）において、横軸は、各点の静止時の位置を示し、縦軸は、各点の、静止時の位置からの変位を示す。縦軸では、静止時の位置から超音波振動方向一方Ａ１への変位を正とし、静止時の位置から超音波振動方向他方Ａ２への変位を負とする。図１（２）では、各点の、静止時の位置からの変位が最大となる第１および第２時刻ｔ１，ｔ２における定常波の波形だけを示す。
【００８２】
第１時刻ｔ１における定常波の波形は、実線９１で示すような正弦曲線となり、第２時刻ｔ２における定常波の波形は、仮想線９２で示すような正弦曲線となる。第１時刻ｔ１では、超音波ホーン２２の超音波振動方向Ａの両端で、超音波振動方向一方Ａ１への変位が最大となり、前記両端間の中央で、超音波振動方向他方Ａ２への変位が最大となる。第２時刻ｔ２では、超音波ホーン２２の超音波振動方向Ａの両端で、超音波振動方向他方Ａ２への変位が最大となり、前記両端間の中央で、超音波振動方向一方Ａ１への変位が最大となる。
【００８３】
超音波ホーン２２内の各点の中には、共振時に超音波振動方向Ａに最も振動する点が存在する。前記最も振動する点の静止時の位置は、超音波ホーン２２における共振の腹位置という。本実施の形態では、超音波ホーン２２の超音波振動方向Ａの両端Ｐ１，Ｐ２と、前記両端間の中央Ｐ３とが、腹位置となる。超音波ホーン２２の腹位置の部分は、残余の部分に比べて、圧力変化が小さく、したがって圧力変化に起因する超音波振動方向Ａに垂直な方向への振動が小さい。
【００８４】
超音波ホーン２２内の各点の中には、共振時に超音波振動方向Ａに振動しない点が存在する。前記振動しない点の静止時の位置は、超音波ホーン２２における共振の節位置という。本実施の形態では、超音波ホーン２２の超音波振動方向Ａの一端から１／４波長分だけ他端に近寄った位置Ｐ４と、超音波ホーン２２の超音波振動方向Ａの他端から１／４波長分だけ一端に近寄った位置Ｐ５とが、節位置となる。超音波ホーン２２の節位置の部分は、圧力変化が最も大きく、したがって圧力変化に起因する超音波振動方向Ａに垂直な方向への振動が最も大きい。
【００８５】
以上のような本実施の形態によれば、超音波ホーン２２の超音波振動方向Ａの両端部２２ａ，２２ｂを、支持手段２６によって支持する。超音波ホーン２２の前記両端部２２ａ，２２ｂは、超音波ホーン２２の腹位置の部分である。超音波ホーン２２の腹位置の部分は、残余の部分に比べて、超音波振動方向Ａに垂直な方向への振動が小さい。したがって押圧状態で半導体チップ２３がこの半導体チップ２３に対して垂直な方向に振動してしまうという不具合を可及的に抑制することができる。したがって半導体チップ２３の破損を防ぐことができる。
【００８６】
超音波ホーン２２の前記両端部２２ａ，２２ｂは、超音波ホーン２２の腹位置の部分であり、したがって超音波振動方向Ａに振動する。これを考慮して、超音波ホーン２２の前記両端部２２ａ，２２ｂが超音波振動方向Ａに振動可能となるように、超音波ホーン２２の前記両端部２２ａ，２２ｂを支持手段２６によって支持する。これによって超音波ホーン２２の前記両端部２２ａ，２２ｂの振動を許容し、超音波ホーン２２を支持する支持手段２６が超音波ホーン２２の共振に与える影響を抑えることができる。
【００８７】
超音波振動子２５は、超音波ホーン２２の超音波振動方向Ａの一端から１／４波長分だけ他端に近寄った位置に配置される。この位置は、超音波ホーン２２の節位置である。超音波ホーン２２の節位置の部分での微小な振動は、超音波ホーン２２の腹位置の部分で大きな振動になる。したがって超音波振動子２５の超音波振動を有効に利用することができ、超音波振動の伝達効率を向上させることができる。
【００８８】
しかも超音波振動子２５は、その超音波振動方向Ａの両端部２５ａ，２５ｂが超音波ホーン２２に接触した状態で超音波ホーン２２に内蔵される。このように超音波振動子２５が超音波振動方向Ａの両側から支持されるので、超音波振動のときに超音波振動子２５が変位してしまうという不具合が防がれる。これによって共振の安定性を向上させることができ、半導体チップ２３と回路基板２４とを確実にフリップチップ接合することができる。また前記不具合が防がれるので、超音波振動子２５の超音波振動をさらに有効に利用することができ、超音波振動の伝達効率をさらに向上させることができる。
【００８９】
このような本実施の形態では、半導体チップ２３を破損することなく、半導体チップ２３と回路基板２４とを確実にフリップチップ接合することができる。したがって歩留まりを向上させ、生産コストを低減することができる。
【００９０】
また本実施の形態によれば、超音波ホーン２２の超音波振動方向Ａの両端部２２ａ，２２ｂは、共振の腹位置の部分であり、支持手段２６によって支持するのは、前記超音波ホーン２２の超音波振動方向Ａの両端部２２ａ，２２ｂであるので、ボルト部材を用いた締結によって、超音波ホーン２２と支持手段２６とを容易に連結することができる。
【００９１】
また本実施の形態によれば、超音波ホーン２２の慣性質量は、接合装置２１全体の慣性質量の１．０％以下に選ばれる。超音波ホーン２２は、共振しているとき、重心が不変であるけれども、腹位置の部分は、超音波振動方向Ａに振動する。したがって支持手段２６には、振動が伝達されることになる。この振動によって、接合装置２１全体のうち超音波ホーン２２を除く残余の部分が振動することがある。
【００９２】
特に、本実施の形態のように、各支持部材３１ａ，３１ｂ間の距離が超音波の波長の自然数倍の長さに相当する場合、各支持部材３１ａ，３１ｂに連結される超音波ホーン２２の超音波振動方向Ａの両端部２２ａ，２２ｂは、同一方向に振動する。したがって前記残余の部分が振動することがある。
【００９３】
超音波ホーン２２の慣性質量が接合装置２１全体の慣性質量の１．０％を超えると、前記残余の部分が超音波ホーン２２の共振に伴って振動してしまう。超音波ホーン２２の慣性質量を接合装置２１全体の慣性質量の１．０％以下すると、前記残余の部分が超音波ホーン２２の共振に伴って振動してしまうという不具合が防がれる。
【００９４】
さらに言えば、可動体７３が基台７２と剛な構造である場合、前記残余の部分の慣性質量は、可動体７３と基台７２とを合わせた慣性質量とみなすことができる。これに対して、可動体７３が基台７２に柔に取付けられる場合、前記残余の部分の慣性質量は、可動体７３の慣性質量とみなすべきである。この場合は、超音波ホーン２２の慣性質量は、可動体７３の慣性質量よりも十分（２桁以上）小さくなるように選ばれる。具体的には、超音波ホーン２２の慣性質量は、可動体７３の慣性質量の１％以下に選ばれる。
【００９５】
また本実施の形態によれば、各支持部材３１ａ，３１ｂは、超音波ホーン２２の前記両端部２２ａ，２２ｂにそれぞれ連結されて半導体チップ２３の押圧方向Ｂ１に延びる。この支持部材３１ａ，３１ｂの超音波ホーン２２に連結される側とは反対側の端部には、各連結部材３２ａ，３２ｂを介してホルダ３３が連結される。基板保持体２８は、支持部材３１ａ，３１ｂの超音波ホーン２２に連結される側とは反対側の端部６８，６９よりも、押圧方向Ｂ１とは反対方向Ｂ２に退避した位置で、回路基板２４を保持する。接合装置２１全体を大形化することなく、基板保持体２８を大きくして基板保持体２８の慣性質量を大きくすることができる。
【００９６】
このように基板保持体２８の慣性質量を大きくすることによって、超音波フリップチップ接合時に発生する基板保持体２８の振動を抑えることができる。これによって半導体チップ２３と回路基板２４との相対振動の低下を抑え、半導体チップ２３と回路基板２４とを確実にフリップチップ接合することができる。したがって高い信頼性を有するモジュールを得ることができ、歩留まりを向上させることができる。
【００９７】
表１は、本実施の形態の接合装置２１および従来の接合装置を用いてそれぞれ作成したサンプルについての、せん断強度と、半導体チップの破損発生率とを示す。本実施の形態の接合装置２１を用いて、予め定める接合条件で、５０個のサンプルを作成した。また比較のために、図８に示すような従来の接合装置を用いて、前記予め定める接合条件と同一の接合条件で、５０個のサンプルを作成した。これらの各サンプルから、せん断強度と、半導体チップの破損発生率とを求めた。サンプルの作成には、以下のような半導体チップおよび回路基板を用いた。
【００９８】
半導体チップの外形寸法は、１０×１０×０．１（ｍｍ）である。半導体チップの一表面には、３５０個の電極が形成される。各電極は、スパッタリングによって形成され、アルミニウムから成る。各電極は、９０μｍ角であり、厚みが１μｍである。各電極には、直径６０μｍ、高さ３０μｍの金ボールバンプがそれぞれ設けられる。
【００９９】
回路基板の外形寸法は、１４×１４×０．１（ｍｍ）である。回路基板は、ガラスエポキシ基板などから成り、回路基板の一表面には、３５０個の電極が形成される。各電極は、回路基板の一表面に形成される銅配線上に、ニッケル（Ｎｉ）および金（Ａｕ）を順次、めっきすることによって形成される。最表層に形成される金は、たとえば無電解めっき法で０．５μｍ厚に形成される。
【０１００】
半導体チップと回路基板とを接合するにあたっては、半導体チップと回路基板とを位置合わせした後、半導体チップに設けられる各バンプへの加圧を開始し、バンプ１個あたりの加圧力が３０ＭＰａに達すると、超音波振動を開始した。超音波出力は１Ｗとし、この出力を５００ｍｓ間、維持した。バンプ１個あたりの加圧力は、最終的に９０ＭＰａまで上昇させた。
【０１０１】
せん断強度を測定するにあたっては、半導体チップと回路基板とをフリップチップ接合した後、まず、半導体チップを、各バンプを残して除去した。そして各バンプと、回路基板の各電極との接合部のせん断強度を、シェアツールを用いて測定した。前記接合部のせん断強度は、接合強度に相当する。
【０１０２】
【表１】
【０１０３】
表１に示すように、従来の接合装置を用いた場合は、せん断強度は充分高いけれども、５０個のうち８個に、断線などの破損が散見された。これに対して、本実施の形態の接合装置２１を用いた場合は、従来の接合装置を用いた場合よりも高いせん断強度が得られ、かつ半導体チップの破損は見られなかった。
【０１０４】
表２は、超音波出力を下げた場合の、せん断強度と、半導体チップの破損発生率とを示す。本実施の形態の接合装置２１を用いて、前記予め定める接合条件と類似の接合条件で、５０個のサンプルを作成した。前記予め定める接合条件と異なるのは、超音波出力を、１Ｗの半分である５００ｍＷにした点である。前記作成した各サンプルから、せん断強度と、半導体チップの破損発生率とを求めた。
【０１０５】
【表２】
【０１０６】
表２に示すように、超音波出力を５００ｍＷに下げた場合でも、表１の従来の接合装置を用いた場合と、同等のせん断強度が得られた。このことから、本実施の形態の接合装置２１を用いた場合は、従来の接合装置に比べて、超音波振動の伝達効率が約２倍、向上され、低い超音波エネルギーにてフリップチップ接合が可能であることが判る。また超音波出力を５００ｍＷに下げた場合も、半導体チップの破損は見られなかった。
【０１０７】
前述の実施の形態は、本発明の例示に過ぎず、本発明の範囲内において構成を変更することができる。超音波ホーン２２と各支持部材３１ａ，３１ｂとの連結については、強固に固定することができればよく、超音波ホーン２２と各支持部材３１ａ，３１ｂとは、たとえば溶接によって連結されてもよい。各支持部材３１ａ，３１ｂと各連結部材３２ａ，３２ｂとの連結、および各連結部材３２ａ，３２ｂとホルダ３３との連結についても、同様である。
【０１０８】
超音波振動子２５は、圧電素子に限らず、たとえば磁歪素子であってもよい。超音波ホーン２２の材質は、鉄に限らず、たとえばアルミニウム合金、黄銅、ステンレス鋼およびチタン合金であってもよい。
【０１０９】
超音波ホーン２２は、超音波振動方向Ａに関して、超音波の波長の自然数倍の長さ、および超音波の波長の自然数倍に超音波の半波長を加えた長さのいずれか一方の長さを有していればよい。超音波ホーン２２における共振の節位置が複数、存在する場合、複数の節位置のうちチップ保持体２７から最も離れた節位置に、超音波振動子２５が配置される。したがって超音波振動子２５がチップ保持体２７から受ける影響を抑えることができる。
【０１１０】
超音波フリップチップ接合時に、加熱手段によって回路基板２４を加熱してもよい。この場合、回路基板２４の温度を温度計によって計測し、制御手段８４は、タイマによる計時結果と、温度計による計測結果とに基づいて、接合時間を決定してもよい。
【０１１１】
回路基板２４が加熱される場合、各バンプおよび半導体チップ２３を介してチップ保持体２７も加熱されてしまう。これを考慮して、前述のように、複数の節位置のうちチップ保持体２７から最も離れた節位置に、超音波振動子２５を配置することよって、超音波振動子２５とチップ保持体２７との間の距離を大きくする。
【０１１２】
このように超音波振動子２５とチップ保持体２７との間の距離を大きくすることによって、超音波振動子２５までも加熱されてしまうという不具合が防がれる。また超音波振動子２５とチップ保持体２７との間の距離を大きくし、冷却ファンなどの冷却手段を用いて、超音波ホーン２２における超音波振動子２５の周囲の部分に風を送ることによって、超音波振動子２５までも加熱されてしまうという不具合がより確実に防がれる。前記冷却手段は、たとえばホルダ３３に取付けられる。
【０１１３】
前述のように、超音波振動子２５までも加熱されてしまうという不具合が防がれるので、耐熱性の低い圧電素子でも超音波振動子２５として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】本発明の実施の一形態の超音波フリップチップ接合装置２１の構成を説明するための図である。
【図２】支持部材３１ａを示す斜視図である。
【図３】超音波ホーン２２の超音波振動方向Ａの一端部２２ａを拡大して示す断面図である。
【図４】チップ保持体２７の断面図である。
【図５】接合装置２１の全体の構成を簡略化して示す正面図である。
【図６】接合装置２１の電気的構成を示すブロック図である。
【図７】接合装置２１の接合動作を説明するためのフローチャートである。
【図８】第２の従来技術の超音波接合装置１の構成を簡略化して示す正面図である。
【符号の説明】
【０１１５】
２１ 超音波フリップチップ接合装置
２２ 超音波ホーン
２３ 半導体チップ
２４ 回路基板
２５ 超音波振動子
２６ 支持手段
２７ チップ保持体
２８ 基板保持体
２９ 押圧手段
３１ａ，３１ｂ 支持部材
３２ａ，３２ｂ 連結部材
３３ ホルダ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップと回路基板とを超音波振動を利用してフリップチップ接合する超音波フリップチップ接合装置であって、
超音波振動する超音波振動子と、
超音波振動子による超音波振動によって超音波振動方向に共振する超音波ホーンと、
超音波ホーンを支持する支持手段と、
超音波ホーンに設けられ、半導体チップを、超音波振動方向に平行に保持するチップ保持体と、
回路基板を、チップ保持体によって保持される半導体チップに対して平行に保持する基板保持体と、
チップ保持体によって保持される半導体チップを、基板保持体によって保持される回路基板に押圧する押圧手段とを含み、
支持手段は、超音波ホーンにおける共振の腹位置の部分が超音波振動方向に振動可能となるように、超音波ホーンの前記腹位置の部分を支持し、
超音波振動子は、超音波ホーンにおける共振の節位置に配置され、超音波振動方向の両端部が超音波ホーンに接触した状態で超音波ホーンに設けられることを特徴とする超音波フリップチップ接合装置。
【請求項２】
超音波ホーンにおける共振の節位置が複数、存在する場合、
超音波振動子は、複数の節位置のうちチップ保持体から最も離れた節位置に配置される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。
【請求項３】
支持手段は、超音波ホーンの超音波振動方向の両端部を支持することを特徴とする請求項１または２記載の超音波フリップチップ接合装置。
【請求項４】
超音波ホーンの慣性質量は、装置全体の慣性質量の１．０％以下に選ばれることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の超音波フリップチップ接合装置。
【請求項５】
支持手段は、
超音波ホーンの前記腹位置の部分に連結されて半導体チップの押圧方向に延び、超音波振動方向に可撓性を有する支持部材と、
支持部材の超音波ホーンに連結される側とは反対側の端部に連結されるホルダとを含み、
基板保持体は、支持部材の超音波ホーンに連結される側とは反対側の端部よりも、半導体チップの押圧方向とは反対方向に退避した位置で、回路基板を保持することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の超音波フリップチップ接合装置。
【請求項６】
半導体チップと回路基板とを超音波振動を利用してフリップチップ接合する超音波フリップチップ接合装置であって、
超音波振動する超音波振動子と、
超音波振動子による超音波振動によって超音波振動方向に共振する超音波ホーンと、
超音波ホーンに設けられ、半導体チップを、超音波振動方向に平行に保持するチップ保持体と、
回路基板を、チップ保持体によって保持される半導体チップに対して平行に保持する基板保持体と、
チップ保持体によって保持される半導体チップを、基板保持体によって保持される回路基板に押圧する押圧手段とを含み、
超音波振動子は、超音波ホーンにおける共振の節位置に配置され、超音波振動方向の両端部が超音波ホーンに接触した状態で超音波ホーンに設けられることを特徴とする超音波フリップチップ接合装置。
【請求項１】
半導体チップと回路基板とを超音波振動を利用してフリップチップ接合する超音波フリップチップ接合装置であって、
超音波振動する超音波振動子と、
超音波振動子による超音波振動によって超音波振動方向に共振する超音波ホーンと、
超音波ホーンを支持する支持手段と、
超音波ホーンに設けられ、半導体チップを、超音波振動方向に平行に保持するチップ保持体と、
回路基板を、チップ保持体によって保持される半導体チップに対して平行に保持する基板保持体と、
チップ保持体によって保持される半導体チップを、基板保持体によって保持される回路基板に押圧する押圧手段とを含み、
支持手段は、超音波ホーンにおける共振の腹位置の部分が超音波振動方向に振動可能となるように、超音波ホーンの前記腹位置の部分を支持し、
超音波振動子は、超音波ホーンにおける共振の節位置に配置され、超音波振動方向の両端部が超音波ホーンに接触した状態で超音波ホーンに設けられることを特徴とする超音波フリップチップ接合装置。
【請求項２】
超音波ホーンにおける共振の節位置が複数、存在する場合、
超音波振動子は、複数の節位置のうちチップ保持体から最も離れた節位置に配置される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。
【請求項３】
支持手段は、超音波ホーンの超音波振動方向の両端部を支持することを特徴とする請求項１または２記載の超音波フリップチップ接合装置。
【請求項４】
超音波ホーンの慣性質量は、装置全体の慣性質量の１．０％以下に選ばれることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の超音波フリップチップ接合装置。
【請求項５】
支持手段は、
超音波ホーンの前記腹位置の部分に連結されて半導体チップの押圧方向に延び、超音波振動方向に可撓性を有する支持部材と、
支持部材の超音波ホーンに連結される側とは反対側の端部に連結されるホルダとを含み、
基板保持体は、支持部材の超音波ホーンに連結される側とは反対側の端部よりも、半導体チップの押圧方向とは反対方向に退避した位置で、回路基板を保持することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の超音波フリップチップ接合装置。
【請求項６】
半導体チップと回路基板とを超音波振動を利用してフリップチップ接合する超音波フリップチップ接合装置であって、
超音波振動する超音波振動子と、
超音波振動子による超音波振動によって超音波振動方向に共振する超音波ホーンと、
超音波ホーンに設けられ、半導体チップを、超音波振動方向に平行に保持するチップ保持体と、
回路基板を、チップ保持体によって保持される半導体チップに対して平行に保持する基板保持体と、
チップ保持体によって保持される半導体チップを、基板保持体によって保持される回路基板に押圧する押圧手段とを含み、
超音波振動子は、超音波ホーンにおける共振の節位置に配置され、超音波振動方向の両端部が超音波ホーンに接触した状態で超音波ホーンに設けられることを特徴とする超音波フリップチップ接合装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００７−５５４６（Ｐ２００７−５５４６Ａ）
【公開日】平成１９年１月１１日（２００７．１．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１８３５０３（Ｐ２００５−１８３５０３）
【出願日】平成１７年６月２３日（２００５．６．２３）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１月１１日（２００７．１．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年６月２３日（２００５．６．２３）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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