JP4010960B2 - 半導体装置の製造方法およびそれに使用されるボンディング装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置の製造技術、特に、半導体チップ(chip of semiconductor 。能動素子、受動素子、これらを電気的に接続する回路を含む集積回路が作り込まれたチップ。以下、チップという。)をキャリア(carrier )に機械的に接続(bond。原子間力が働く程度に密着していない機械的な接続。以下、ボンディングという。)するボンディング技術に関し、例えば、メモリモジュールを製造するのに利用して有効な技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、メモリモジュールのキャリアにチップをボンディングするボンディング装置として、超音波フリップチップボンディング装置(以下、超音波ダイボンダという。)が、普及しつつある。超音波ダイボンダに使用されている超音波振動付勢用の振動子の支持構造としては、振動子の一端部を支持する片持ち構造(例えば、特許文献1参照)と、振動子の両端部を支持する両持ち構造(例えば、特許文献2参照)とがある。
【0003】
【特許文献1】
特開2002−261121号公報
【特許文献2】
特許第3290632号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、片持ち構造の超音波ダイボンダにおいては、印加荷重を大きく設定することができないために対象製品が限定されてしまうという問題点や、荷重変化によって微妙に先端平坦度の狂いが発生するためにボンディングが不安定になるという問題点がある。
【0005】
他方、両持ちの超音波ダイボンダにおいては、重量増加によるボンディング速度の低下が発生するという問題点がある。
【0006】
本発明の目的は、ボンディング速度の低下を回避しつつ安定的にボンディングすることができる半導体装置の製造技術を提供することにある。
【0007】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を説明すれば、次の通りである。
【0009】
すなわち、半導体チップとキャリアとの接触部に超音波振動を振動子によって付勢して前記接触部を接合するボンディング装置であって、
前記振動子の一端部が非接触軸受によって支承されていることを特徴とする。
【0010】
前記した手段によれば、振動子の一端部が非接触形軸受によって支承されていることにより、片持ち構造であるのに振動子の一端部に取り付けたボンディングツールの真上から押圧力を印加することができるので、押圧力を大きく設定することができ、また、傾きによる平坦度の狂いを防止することができる。さらに、振動子の振動方向の振動エネルギをロスすることなくボンディングすることができるので、ボンディング速度を高めることができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を図面に即して説明する。
【0012】
本実施の形態において、本発明に係る半導体装置の製造方法は、メモリモジュールを製造する方法として構成されており、その特徴工程である図1に示されたチップ10を図2に示されたキャリアとしての配線基板20にボンディングするダイボンディング工程は、図3および図4に示された超音波ダイボンダ30によって実施される。
【0013】
図1に示されたチップ10は長方形の平板形状に形成されたサブストレート11を備えており、サブストレート11のアクティブエリア側の主面である第一主面12側にはRAM回路が作り込まれている。サブストレート11の第一主面12には複数個の電極パッド13が両長辺の端部にそれぞれ一列ずつ整列されて形成されており、チップ10の第一主面12にはパッシベーション膜(passivation film)14が各電極パッド13をそれぞれ露出させた状態で全体的に被着されている。各電極パッド13には金材料(金または金合金)からなるバンプ15がそれぞれ突設されており、各バンプ15の頭部はパッシベーション膜14の上面から突出した状態になっている。バンプ15は金線が使用されたワイヤボンディング技術によって略半球形状に形成されている。
【0014】
超音波ダイボンダ30の他方のワークである図2に示された配線基板20は、基板本体(以下、本体という。)21を備えており、本体21はガラス含浸エポキシ樹脂やセラミック等の絶縁材料が使用されて長方形の平板形状に形成されている。本体21の短辺はチップ10の長辺よりも大きく設定されており、本体21の長辺は七個のチップ10が横並びに表面実装されてもなお余裕が残るように設定されている。本体21の表裏両主面における一方の長辺の端部には多数個の外部端子22が、互いに平行に並べられて形成されている。本体21の表側主面における外部端子22群を除く領域には仮想的に形成された略長方形のボンディングエリア23が七箇所、所定の間隔をもって設定されており、各ボンディングエリア23は長辺方向が本体21の長辺と平行な中心線に直交されている。各ボンディングエリア23にはチップ10を機械的かつ電気的に接続するためのランド24が複数個、左右で一対の列に配置されてそれぞれ形成されており、各ランド24は本体21の内部に配線された電気配線(図示せず)によって所定の各外部端子22に互いに絶縁されてそれぞれ接続されている。
【0015】
図3に示されているように、超音波ダイボンダ30は機台31を備えており、機台31の略中央部にはボンディングステージ32が設定されている。ボンディングステージ32にはXYΘ駆動部33が設置されており、XYΘ駆動部33の上には配線基板20を保持するボンディングテーブル34が設置されている。XYΘ駆動部33はボンディングテーブル34を水平面内の縦横であるX方向とY方向に移動させるとともに、水平面内の基準点を中心とした回転角であるΘ方向に回転させるように構成されている。
【0016】
機台31の上には支持フレーム40が立設されており、支持フレーム40にはモータ41が垂直方向下向きに設置されているとともに、一対のガイドポール42、42がモータ41の両脇に配置されて垂下されている。両ガイドポール42、42の間にはリフトベース44が昇降自在に架設されており、リフトベース44とモータ41の出力軸との間には、モータ41の出力軸の正逆回転によってリフトベース44を昇降させる送りねじ軸装置43が介設されている。リフトベース44にはエアシリンダ装置45が垂直方向下向きに設置されており、エアシリンダ装置45のピストンロッド45aの下端にはホルダ46が吊持されている。ホルダ46の上面のピストンロッド45aの両脇には一対のガイドシャフト47、47が垂直方向上向きに突設されており、両ガイドシャフト47、47は両ガイドポール42、42に摺動自在に嵌入されている。
【0017】
ホルダ46の左端部には支持部48が垂直方向下向きに突設されており、ホルダ46の略中央部には非接触軸受としてのエア浮上軸受49が垂直方向下向きに突設されている。支持部48には水平面内で左右方向に延在するように配置された振動子50の一端部が固定されており、図4に示されているように、エア浮上軸受49には振動子50の他端部が挿入されて軸方向に摺動自在に支承されている。振動子50の左端面には発振子51が同軸に配置されて結合されている。発振子51は電気エネルギを機械エネルギに変換する圧電素子や磁歪素子等のエネルギ変換器によって構築されており、超音波発生器(図示せず)から供給された電力によって所定の周波数の縦波の超音波振動を発生して出力するように構成されている。振動子50は発振子51からの超音波振動に共振する共振周波数の1波長の長さを有し、支持部48は最大振動振幅点が位置するようになっている。振動子50の先端部の最大振動振幅点にはボンディングツール52が垂直方向下向きに取り付けられている。図4に示されているように、ボンディングツール52の下端面にはチップ10を真空吸着保持する吸引口53が開設されており、吸引口53には吸引路54が接続されている。
【0018】
機台31のボンディングステージ32の片脇にはY軸ロボット61がY方向に敷設されており、Y軸ロボット61はX軸ロボット62をY方向に往復移動させるように構成されている。X軸ロボット62はその前端に設置された画像認識装置63をX方向に往復移動させるように構成されている。画像認識装置63はボンディングテーブル34に保持された配線基板20の上面の特徴パターンと、ボンディングツール52に保持されたチップ10の特徴パターンとを認識するように構成されている。
【0019】
次に、前記構成に係る超音波ダイボンダによる本発明の一実施の形態であるメモリモジュールの製造方法のダイボンディング工程を説明する。
【0020】
図1に示されているように、超音波ダイボンダ30の一方のワークである配線基板20はボンディングテーブル34の上にランド24側を上向きにして保持される。図4に示されているように、他方のワークであるチップ10はバンプ15側を下向きにしてボンディングツール52に吸引口53に印加される吸引力によって吸着されて保持された状態でボンディングステージ32に搬送され、配線基板20に対向される。
【0021】
ボンディングツール52のチップ10がボンディングステージ32において配線基板20のボンディングエリア23に対向されると、Y軸ロボット61がX軸ロボット62を前進させることにより、図1に想像線で示されているように、画像認識装置63が配線基板20の上面とチップ10との間に挿入される。画像認識装置63は配線基板20のボンディングエリア23の特徴パターンとボンディングツール52に保持されたチップ10の特徴パターンとを認識することにより、配線基板20の上面のランド24とボンディングツール52のチップ10のバンプ15とを位置合わせする。位置合わせが終了すると、画像認識装置63はY軸ロボット61によって元の位置に戻される。
【0022】
画像認識装置63に基づく位置合わせが終了すると、ボンディングテーブル34がXYΘ駆動部33によって移動され、モータ41の正回転による送りねじ軸装置43を介してのリフトベース44を下降およびエアシリンダ装置45のピストンロッド45aの伸長によるホルダ46の下降によってボンディングツール52が下降され、チップ10のバンプ15が配線基板20のボンディングエリア23のランド24に押圧される。同時に、発振子51が発振して振動子50が超音波振動をチップ10のバンプ15と配線基板20のランド24との接触部分に付勢する。この加圧力と超音波振動の付勢力とにより、チップ10のバンプ15と配線基板20のランド24とが接合する。この際、配線基板20のボンディングエリア23の各ランド24とボンディングツール52のチップ10の各バンプ15とが予め位置合わせされているため、ボンディングツール52のチップ10は配線基板20のボンディングエリア23に適正にボンディングされる。
【0023】
以上の作動が繰り返されることにより、チップ10が配線基板20にボンディングツール52によって順次にボンディングされて行き、図5に示されたメモリモジュール25が製造される。なお、超音波ダイボンダ30において、チップ10が配線基板20にボンディングされると、ボンディング済みの配線基板20がボンディングテーブル34から排出され、次の配線基板20がボンディングテーブル34に自動的に供給されて来る。
【0024】
前記実施の形態によれば、次の効果が得られる。
【0025】
1) 振動子の先端部をエア浮上軸受によって支承することにより、片持ち構造であるのに振動子の先端部に取り付けたボンディングツールの真上から押圧力を印加することができるので、押圧力を大きく設定することができ、また、従来の片持ち構造の超音波ダイボンダの場合における振動子の傾きによる平坦度の狂いを防止することができる。その結果、大きな押圧力が必要な製品(チップ)であっても、安定的に適正に超音波ダイボンディングすることができる。
【0026】
2) 振動子の先端部をエア浮上軸受によって支承することにより、振動子の振動方向の振動エネルギをロスすることなく、先端の上下方向の荷重よる撓み量を低減し、重量増加によるボンディング速度の低下を防止することができるので、チップのバンプを配線基板のランドに効率よく超音波ダイボンディングすることができる。
【0027】
3) 片持ち構造で両持ち構造と同等の超音波ダイボンディング性能を得ることができ、同等の両持ち構造の超音波ダイボンダに比べて製造コストを低減することができる。
【0028】
以上本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【0029】
例えば、振動子の先端部を支承するエア浮上軸受は、図6に示されているように、振動子の下面を受けないように構成してもよい。すなわち、エア浮上軸受49Aは超音波ダイボンディング時にボンディングツール52に加わる反作用を支持し得る構造に構成してもよい。
【0030】
振動子の先端部を支承する非接触形軸受はエア浮上軸受によって構成するに限らず、図7に示されているように、磁気浮上軸受49Bによって構成してもよい。
【0031】
以上の説明では主として本発明者によってなされた発明をその背景となった利用分野であるメモリモジュールの製造技術について説明したが、それに限定されるものではなく、超音波振動を利用した半導体装置の製造技術全般に適用することができる。
【0032】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、次の通りである。
【0033】
振動子の先端部を非接触形軸受によって支承することにより、片持ち構造であるのに振動子の先端部に取り付けたボンディングツールの真上から押圧力を印加することができるので、押圧力を大きく設定することができ、また、従来の片持ち構造の超音波ダイボンダの場合における振動子の傾きによる平坦度の狂いを防止することができる。さらに、振動子の振動方向の振動エネルギをロスすることなくボンディングすることができるので、ボンディング速度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態であるメモリモジュールの製造方法に使用される各チップを示しており、(a)は平面図、(b)はb−b線に沿う断面図である。
【図2】同じく配線基板を示しており、(a)は一部省略平面図、(b)は主要部の拡大平面図、(c)は(b)のc−c線に沿う断面図である。
【図3】本発明の一実施の形態である超音波ダイボンダを示す正面図である。
【図4】その主要部を示しており、(a)は正面断面図、(b)は(a)のb−b線に沿う側面断面図である。
【図5】メモリモジュールを示しており、(a)は一部省略平面図、(b)は主要部の拡大平面図、(c)は(b)のc−c線に沿う断面図である。
【図6】エア浮上軸受の他の実施の形態を示しており、(a)は正面断面図、(b)は(a)のb−b線に沿う側面断面図である。
【図7】磁気浮上軸受の実施の形態を示しており、(a)は正面断面図、(b)は(a)のb−b線に沿う側面断面図である。
【符号の説明】
10…チップ、11…サブストレート、12…第一主面、13…電極パッド、14…パッシベーション膜、15…バンプ、20…配線基板、21…基板本体(本体)、22…外部端子、23…ボンディングエリア、24…ランド、25…メモリモジュール(半導体装置)、30…超音波ダイボンダ、31…機台、32…ボンディングステージ、33…XYΘ駆動部、34…ボンディングテーブル、40…支持フレーム、41…モータ、42…ガイドポール、43…送りねじ軸装置、44…リフトベース、45…エアシリンダ装置、45a…ピストンロッド、46…ホルダ、47…ガイドシャフト、48…支持部、49、49A…エア浮上軸受(非接触形軸受)、49B…磁気浮上軸受(非接触形軸受)、50…振動子、51…発振子、52…ボンディングツール、53…吸引口、54…吸引路、61…Y軸ロボット、62…X軸ロボット、63…画像認識装置。
Claims (5)
- 半導体チップとキャリアとの接触部に超音波振動を振動子によって付勢して前記接触部を接合する工程を備えた半導体装置の製造方法であって、前記振動子がその一端部を非接触軸受によって支承された状態で、前記超音波振動を前記接触部に付勢することを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 半導体チップとキャリアとの接触部に超音波振動を振動子によって付勢して前記接触部を接合するボンディング装置であって、
前記振動子の一端部が非接触軸受によって支承されていることを特徴とするボンディング装置。 - 前記非接触形軸受が少なくとも前記振動子の前記接触部と反対側の部分を支承するように構成されていることを特徴とする請求項2に記載のボンディング装置。
- 前記非接触形軸受がエア浮上軸受によって構成されていることを特徴とする請求項2または3に記載のボンディング装置。
- 前記非接触形軸受が磁気浮上軸受によって構成されていることを特徴とする請求項2または3に記載のボンディング装置。
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