JP2005285959A - 雰囲気制御された接合装置、接合方法および電子装置 - Google Patents

雰囲気制御された接合装置、接合方法および電子装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 半導体パッケージや電子素子を配線板等の基板に高温、高圧条件で圧接接合すると、基板を形成する樹脂の分解、解離が生じたり、金属材料の酸化による劣化が生じている。
【解決手段】 圧接部を圧接する接合装置において、その内部における圧接部雰囲気の水分濃度を装置外部雰囲気の水分濃度に比較して小さくすることによって、低温、低圧条件下で圧接を可能にしている。この場合、圧接部を形成する接合金属端子と被接合金属端子の各表面の吸着水分量を1×1016分子/cm以下にする。
【選択図】 図2

Description

本発明は、電子装置の製造とくに実装において必ず用いられる接合装置に関する。さらに詳しくは、半導体チップ等の電子素子上の端子と外部引き出し用の端子とを電気的に接続するためのワイヤボンディング、フリップチップボンディング等のボンディングや、半導体素子、コンデンサ等の電子素子をプリント配線板やパッケージ基板等の実装基板に実装する際に金属端子を圧接し、電気的に接合するのに用いられる接合装置および接合方法に関する。このような接合方法は、FPC(Flexible Printed Circuit)への実装を含み、またTAB(Tape Automated Bonding)、ワイヤボンディング、フリップチップなどのワイヤレスボンディング等を含む。
近年、携帯電話や携帯情報端末、デジタルビデオ端末等の電子装置の小型化、高機能化、高性能化に対する進展により、半導体パッケージや電子素子を搭載するプリント配線板も高機能化、小型化、軽量化が強く求められている。プリント基板に対する設計要求も従来の50〜100μmデザインルールから将来的には10μm以下のデザインルール要求されており、微細化要求が高まっている。これに応じ、素子とプリント基板間を電気的に接合する端子サイズが縮小する上に、端子間隔も狭ピッチ化するために、高電気的特性や高信頼性を持つ接合方法が求められている。また、デバイスのパッケージ内におけるチップと外部引出し端子との電気的接続についても高度に微細化しており、そこでも高い電気特性や高信頼性を持つ接合方法が求められている。このような接合には圧接による金属端子(はんだバンプ等も含む)同士の接合が一般的であるが、従来の圧接接合は、400℃以上の高温で1.8乃至2トン/cmの高圧で行なわれている。このような高温・高圧条件下においては、大気中の酸素や水分と端子金属や基板材料の樹脂などとが容易に反応して、金属材料の酸化劣化や樹脂の分解・解離などが生じ、接合部の電気的特性の劣化や機械的強度の低下による信頼性の低下、分解した有機物による汚染の問題が生じている。
接合時の酸化劣化を抑制する方法として、特許文献1に記載のワイヤボンディング装置などに例示されるように、処理雰囲気を不活性ガス雰囲気にすることで酸化劣化を抑制する手法がある。
特開平5−109793号公報
前述のような手法を取り入れた接合装置においても、装置立ち上げ直後の接合特性が安定しない問題や、突発的に接合特性が劣化する問題が生じ、短時間で確実に接合を形成するために、圧接圧力や圧接温度を上昇せざるを得ない。圧接圧力を上昇すると、基板となる樹脂の変形の問題を生じてしまい、圧接温度を上昇すると、樹脂が劣化するという問題を生じてしまう。
本発明の発明者らが鋭意研究を重ねた結果、接合温度の低温化、低圧力化、接合強度の強化を行うためには、接合時における接合部表面の吸着水分を十分に除去することが必要であることが明らかになった。そのためには、接合部雰囲気の水分を減少させることが重要である。また接合部の温度をある程度上げて接合部表面の水分を飛ばすことも必要である。さらに、雰囲気乾燥ガスの流路となる装置内表面の水分をも除去しかつその表面を水分を吸着しにくい不活性な表面とする必要があることが明らかになった。また雰囲気に含まれる酸素濃度を減らすことも効果がある。水分や酸素をそれぞれ10体積ppm以下、好ましくは1ppm以下、さらに好ましくは0.1ppm以下含んだ不活性ガス雰囲気を用いる。水素を、爆発限界の4%以下含ませてもよい。接合部を250℃〜300℃程度まで加熱することにより、接合部の密着が高まり、圧接の圧力を0.5〜10トン/cm程度まで下げることができ、その結果素子特性の劣化を防止できる。ただし、このような乾燥した雰囲気では静電気が発生し素子の破壊を招く。これを防ぐために、静電気除去手段を設けることが好ましい。静電気除去のためには軟X線照射が効果的である。
特許文献1記載の手法をはんだバンプなどの接合装置に応用し、酸化劣化を抑制することが考えられるが、特許文献1の手法によれば、ボンディングを行う処理部に不活性ガスを通じることが例示されているのみで、ガス中に含まれる水分量や、ガス中に含まれる水分量を低減するための装置構成は例示されていない。金属端子表面に水分が吸着していると端子同士の密着を阻害するので、圧着の温度・圧力を高めざるを得ない。
本発明は上述の問題に鑑みてなされたものであり、電子装置の電気的接合部が酸化劣化等で変質することなく高性能高信頼性化が達成できる低温・低圧条件下で圧接可能な電子装置製造用接合装置と、これを用いた接合方法および電子装置を提供することを目的とする。
本発明の接合装置は、接合金属端子と被接合金属端子とを圧接し電気的に接合する接合装置において、圧接部雰囲気の水分濃度を装置外部雰囲気の水分濃度に比べて小さくしたことを特徴とし、また前記圧接部における接合金属端子表面および被接合金属端子表面の吸着水分量は1×1016分子/cm以下であることを特徴とする。さらに、本発明の接合装置は少なくとも圧接部には不活性ガスが流通されていることを特徴とし、また該接合装置には装置外部より前記不活性ガスを供給する供給口を有し、該供給口における前記不活性ガスの水分含有量は10体積ppm以下であることを特徴とする。さらに、前記不活性ガスが接触する装置内表面の吸着水分量は1×1016分子/cm以下であることを特徴とする。このような装置内表面としては、電解研磨ステンレス表面、電解複合研磨ステンレス表面、酸化クロムを主成分とする電解研磨もしくは電解複合研磨表面、酸化アルミニウムを主成分とする電解研磨もしくは電解複合研磨表面が例示される。本発明の接合装置において、前記不活性ガスは、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトンおよびキセノンの少なくともいずれかを含むことを特徴とする。
さらに本発明の接合装置は、前記接合金属端子表面および前記被接合金属端子表面から吸着水分を1×1016分子/cm以下に減少させる機構を有することを特徴とする。
本発明の接合装置は、装置内部において前記接合金属端子、被接合金属端子、ならびに、その周囲のいずれかまたは全部に発生する静電気を中和する機構を有することを特徴とし、該静電気の中和には軟X線を用いることが好ましい。
本発明の金属端子の接合方法は、接合金属端子と被接合金属端子とを圧接し、電気的に接合する接合方法であって、該接合金属端子表面および被接合金属端子表面は鉛、錫、銀、金、銅、亜鉛、アルミニウム、ビスマス、インジウム、ニッケルの少なくともいずれかを含んでおり、圧接部において接合を形成する表面に吸着する水分を1×1016分子/cm以下に減少させた後に接合を形成するものである。
前記圧接部における接合金属端子表面および被接合金属端子表面の吸着水分量は1×1016分子/cm以下であることが好ましく、単分子層吸着となる2×1015分子/cm以下であることがより好ましい。これについて図1を用いて説明する。図1は銅表面と錫−鉛半田表面の吸着水分量を制御して接合を形成した際の接合特性を示す図であり、水分吸着量が1×1014分子/cmの場合の接合強度で規格化してプロットしている。吸着水分量の制御は、予め対象表面と同種の表面を用いて雰囲気水分濃度と吸着水分量の関係を実験的に導出し、雰囲気の水分濃度を制御することで行った。図1より、接合を形成する面の吸着水分量が単分子層吸着から多分子層吸着となる2×1015分子/cmより接合特性が劣化し始め1×1016分子/cmを超えると著しく劣化することがわかる。
従って被接合金属端子表面の吸着水分量は1×1016分子/cm以下であることが好ましく、単分子層吸着となる2×1015分子/cm以下であることがより好ましい。このような水分吸着量を実現するためには、圧接部に不活性ガスを流通することで吸着水分量を低減することができる。供給する不活性ガスの水分含有量は10体積ppm以下であることが好ましい。この場合、接合面への水分吸着量が1×1016分子/cmとなることが実験により明らかになっている。前記不活性ガスが接触する装置内表面に水分が吸着すると、装置立ち上げ時に装置内に吸着した水分の除去に長時間を要したり、吸着水分が脱離して接合面に吸着して接合特性を悪化させたりする。したがって前記不活性ガスが接触する装置内表面の吸着水分量は1×1016分子/cm以下であることが好ましく、2×1015分子/cm以下がより好ましい。このような装置内表面としては、電解研磨ステンレス表面、電解複合研磨ステンレス表面、酸化クロムを主成分とする電解研磨もしくは電解複合研磨表面、酸化アルミニウムを主成分とする電解研磨もしくは電解複合研磨表面が水分吸着量が水分吸着量が少なく好ましい。本発明の接合装置において、前記不活性ガスは、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンなどが例示されるが、これらを混合して用いても良い。接合部の酸化を抑制する観点から、0.1%以上4%以下の水素を混合することがより好ましい。
本発明の接合装置および接合方法は、圧接部雰囲気の水分濃度が装置外部雰囲気の水分濃度に比べて小さいため、接合強度を劣化することなく、接合温度の低温化、接合圧力の低圧化が可能となる。これにより、素子の電気的特性の劣化や、樹脂の熱劣化や変形を抑えて接合を形成することができる。さらに、本発明の接合では軟X線を用いた静電気中和装置を有しているため、静電気により製品が破壊することを抑制することができる。
本発明の実施例における接合装置について図2を用いて説明する。図2は本実施例の接合装置の構造を示す概略図であり、実装基板10を基板導入室11から導入し、基板表面吸着水分除去室12において乾燥不活性ガス13を導入して水分を除去する。
一方、実装基板10に実装されるべき素子20は素子導入室21から素子表面吸着水分除去室22に導入され乾燥不活性ガス23によって表面の水分が除去される。両者は圧接アーム34と圧接ステージ35を有する圧接室31で圧接される。
接合装置は、図示しない基板搬送機構と、同様に図示しない素子搬送機構と、図示しない基板搬出室とを有している。基板表面吸着水分除去室12および素子表面吸着水分除去室22には、低露点不活性ガス13、23がそれぞれ供給され、基板10および素子20保持中に吸着水分が除去される。供給された低露点不活性ガスは、接合部となる表面を流通し排気される。排気部は、外部からの水分の逆拡散が生じないようにオリフィス14、24をそれぞれ備えている。
本実施例では、供給ガス13、23の流量1リットル/min、オリフィス部14、24の通過風速を33cm/秒、オリフィス径8mm、オリフィス長を10cmとした。装置内表面はすべて酸化クロム皮膜電解研磨ステンレス表面し、水分の吸着を抑止した。圧接部においては圧接アーム34に乾燥雰囲気中で素子20を受け渡しが可能になっており、圧接アーム部ではアーム34駆動部からの水分進入を抑制するためにアーム駆動部に向かってガス流33を形成している。圧接ステージ35上には圧接部不活性ガス導入機構32を設け、圧接部の水分量を徹底的に削減した。圧接部低露点不活性ガス導入機構32は配管にガス噴射用の***を多数設けたものを用いた。図示された装置は、装置内部において接合金属端子、被接合金属端子、ならびに、その周囲のいずれか、または、全部に発生する静電気を中和する機構として、軟X線照射装置36を備え、当該軟X線照射装置36かせの軟X線により、静電気を中する構造を有していめ。
この装置において、圧接ステージ35上での水分濃度を計測したところ、10体積ppbであり、基板および素子への水分吸着量は1014分子/cmであった。この装置を用いて接合を形成した結果、従来に比べ低温の300℃において従来の約半分の圧接圧力である10t/cmで良好な接合を形成できた。
本発明の接合装置および接合方法は、パッケージ内での素子端子と外部引き出し端子との圧接接合に適用して効果があるだけでなく、デバイスパッケージまたはベアチップを実装基板に実装する際の圧接接合に適用して効果がある。本発明によれば、本発明の接合方法を用いて接合した金属端子を有する高信頼性の半導体装置、フラットパネルディスプレイ装置、コンピュータ、携帯電話、携帯情報端末、デジタルビデオ端末等の電子装置を提供することが出来る。
銅表面と錫−鉛半田表面の吸着水分量を制御して接合を形成した際の接合特性を示す図である。 本発明の実施例に係る接合装置を示す概略図である。
符号の説明
10 実装基板
11 基板導入室
12 基板表面吸着水分除去室
13 乾燥不活性ガス
20 実装されるべき素子
21 素子導入室
22 素子表面吸着水分除去室
23 乾燥不活性ガス
31 圧接室
34 圧接アーム
35 圧接ステージ
36 軟X線照射装置

Claims (29)

  1. 接合金属端子と被接合金属端子とを圧接し電気的に接合する接合装置において、圧接部雰囲気の水分濃度を装置外部雰囲気の水分濃度に比べて小さくしたことを特徴とする接合装置。
  2. 請求項1に記載の接合装置において、圧接部における接合金属端子表面および被接合金属端子表面の吸着水分量は1×1016分子/cm以下であることを特徴とする接合装置。
  3. 請求項1または2に記載の接合装置において、圧接部雰囲気の水分濃度を10体積ppm以下にしたことを特徴とする接合装置。
  4. 請求項1乃至3のうちの一つに記載の接合装置において、圧接部雰囲気の酸素濃度を10体積ppm以下にしたことを特徴とする接合装置。
  5. 請求項1乃至4のうちの一つに記載の接合装置において、少なくとも圧接部には不活性ガスが流通されていることを特徴とする接合装置。
  6. 請求項1乃至5のうちの一つに記載の接合装置において、少なくとも圧接部には水分を除く不純物の濃度が100体積ppm以下、水分の濃度が10体積ppm以下、酸素の濃度が10体積ppm以下の高純度不活性ガスが流通されていることを特徴とする接合装置。
  7. 請求項6に記載の接合装置において、前記不活性ガス中の水分濃度が1体積ppm以下であることを特徴とする接合装置。
  8. 請求項項1乃至7のうちの一つに記載の接合装置において、該接合装置には装置外部より不活性ガスを供給する供給口を有し、該供給口における前記不活性ガスの水分含有量は10体積ppm以下であることを特徴とする接合装置。
  9. 請求項1乃至8のうちの一つに記載の接合装置において、前記接合装置内表面の吸着水分量が1×1016分子/cm以下であることを特徴とする接合装置。
  10. 請求項1乃至9のうちの一つに記載の接合装置において、前記装置内表面は電解研磨ステンレス表面、電解複合研磨ステンレス表面、酸化クロムを主成分とする電解研磨もしくは電解複合研磨表面、酸化アルミニウムを主成分とする電解研磨もしくは電解複合研磨表面のいずれかであることを特徴とする接合装置。
  11. 請求項1乃至10のうちの一つに記載の接合装置において、前記接合金属端子表面および前記被接合金属端子表面の吸着水分を1×1016分子/cm以下に減少させる手段を有することを特徴とする圧接装置。
  12. 請求項5乃至8のうちの一つに記載の接合装置において、前記不活性ガスは、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトンおよびキセノンのうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする接合装置。
  13. 請求項5乃至8のうちの一つまたは請求項12に記載の接合装置において、前記不活性ガスに水素を添加することを特徴とする接合装置。
  14. 請求項1乃至13のうちの一つに記載の接合装置において、前記接合金属端子、前記被接合金属端子および前記圧接部の周囲のうちの少なくとも一つに発生する静電気を中和または除去する手段を備えたことを特徴とする接合装置。
  15. 請求項14に記載の接合装置において、前記中和または除去手段が軟X線発生手段を含むことを特徴とする接合装置。
  16. 接合金属端子と被接合金属端子とを圧接し電気的に接合する接合方法において、圧接部雰囲気の水分濃度を装置外部雰囲気の水分濃度に比べて小さくすることを特徴とする接合方法。
  17. 請求項16に記載の接合方法において、圧接部における接合金属端子表面および被接合金属端子表面の吸着水分量を1×1016分子/cm以下にして圧接することを特徴とする接合方法。
  18. 請求項16または17に記載の接合方法において、圧接部雰囲気の水分濃度を10体積ppm以下にすることを特徴とする接合方法。
  19. 請求項16乃至18のうちの一つに記載の接合方法において、圧接部雰囲気の酸素濃度を10体積ppm以下にすることを特徴とする接合方法。
  20. 請求項16乃至19のうちの一つに記載の接合方法において、少なくとも圧接部には不活性ガスを流通することを特徴とする接合方法。
  21. 請求項16乃至20のうちの一つに記載の接合方法において、少なくとも圧接部には水分を除く不純物の濃度が100体積ppm以下、水分の濃度が10体積ppm以下、酸素の濃度が10体積ppm以下の高純度不活性ガスを流通することを特徴とする接合方法。
  22. 請求項21に記載の接合方法において、前記不活性ガス中の水分濃度を1体積ppm以下とすることを特徴とする接合方法。
  23. 請求項16乃至22のうちの一つに記載の接合方法において、前記圧接部を外部雰囲気から遮断しつつ前記圧接を行い、かつ前記遮断部の内表面の吸着水分量を1×1016分子/cm以下とすることを特徴とする接合方法。
  24. 請求項20乃至22のうちの一つに記載の接合方法において、前記不活性ガスは、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトンおよびキセノンのうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする接合方法。
  25. 請求項20乃至22のうちの一つまたは請求項24に記載の接合方法において、前記不活性ガスに水素を添加することを特徴とする接合方法。
  26. 請求項16乃至25のうちの一つに記載の接合方法において、前記接合金属端子、前記被接合金属端子および前記圧接部の周囲のうちの少なくとも一つに発生する静電気を中和または除去することを特徴とする接合方法。
  27. 請求項26に記載の接合方法において、前記静電気の中和または除去を軟X線を用いて行うことを特徴とする接合方法。
  28. 表面に鉛、錫、銀、金、銅、亜鉛、アルミニウム、ビスマス、インジウムおよびニッケルのうちの少なくとも一つを含む接合金属端子と表面に鉛、錫、銀、金、銅、亜鉛、アルミニウム、ビスマス、インジウムおよびニッケルのうちの少なくとも一つを含む被接合金属端子とを圧接し電気的に接合する接合方法であって、圧接部において接合を形成する表面に吸着する水分を1×1016分子/cm以下に減少させた後に接合を形成することを特徴とする金属端子の接合方法。
  29. 請求項16乃至28のうちの一つに記載の接合方法を用いて接合した金属端子を有することを特徴とする電子装置。

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