マイクロバンプを用いたフリップチップ接続のための高速・高精度接合技術

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解説論文

マイクロバンプを用いたフリップチップ接続のための高速・高精度接

合技術

寺田

勝美

†a)

_川上

_幹夫

†

High Speed and High Accuracy Flip-Chip Bonding Technology Using Microbumps

Katsumi TERADA

†a)

and Mikio KAWAKAMI

†

あらまし半導体パッケージの小型，薄型化が進む中，フリップチップボンディング技術を用いた量産化が本格的になっており，メモリとロジックを接続するCoC (Chip on Chip) 構造では，はんだバンプで接合する工法が主流となっている．半導体チップはより高周波，高密度実装のために多バンプ化しており，バンプ径や高さもより小さくなったマイクロバンプを用いたフリップチップ接合においては，XY 方向及び Z 方向の精度がます ます重要となり，高精度に位置決めし高さ制御する接合技術が求められている．これらの要求に対して従来の ±3 µm から ±2 µm に高精度かつ高速で位置決めする技術及び，チップと基板間の接続ギャップを微小圧力のも と圧力変動なく高精度に制御できる技術を解説する．キーワードマイクロバンプ，フリップチップ，ボンディング

1. まえがき

これまで，1パッケージ内にメモリと論理回路を

納めたい場合は，SoC (System on a Chip)や，SiP (System in Package)を利用していた．ところが二つの方法には一長一短があり，大容量メモリの搭載とメモリ論理回路間の高速データ伝送を両立することは難しかった．CoC技術を使うと，より安価な製造コストで，これらの要求を同時に満たすことができる． CoC技術で大容量メモリの内蔵と高速データ伝送を両立できるのは，メモリ・チップと論理LSIを積層し，両者を微小バンプで接続する方法を採用するからである．高速データ伝送を達成できるのは，微小バンプの数を増やしてビット幅を広げられるためである．微小バンプの直径は数十ミクロンと小さい．微小バンプをアレイ状に並べるので，ワイヤ・ボンディングに比べて接続数を増やせる．はんだ接合においては接続部のはんだには圧縮や引張応力が複合的にかかるため，はんだ形状の最適化 †_{東レエンジニアリング株式会社ファインプロセス機器部，大津市}

Fine Process Manufacturing Dept., Toray Engineering Co., Ltd., 1–45 Oe 1-chome, Otsu-shi, 520–2141 Japan a) E-mail: katsumi [email protected]

が必要であり，そのためには実装位置精度と，チップと基板間のギャップの制御は接合技術の重要な要素となっている．本論文では良好な接合断面形状を得るための，実装精度の向上化とギャップコントロール方法による解決の可能性について報告する．

2. 高精度フリップチップ接合技術

2. 1 高精度アラインメントマイクロバンプを用いたフリップチップはんだ接合には，高精度な実装精度が必要となっている．これは，マイクロバンプのはんだ粒径が小さくなるほど，はんだの半径Rが小さくなり，図1に示すようにマイクロバンプ同士が中心位置からずれると接線方向にすべ図 1 互いに接触したマイクロバンプに作用する力

Fig. 1 Force acting on microbumps contacted each other.

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図 2 2視野カメラによるアラインメントマーク認識 Fig. 2 Alignment mark recognition by two-sight

camera. り摩擦力が働き，同じ力ではRが小さくなるほどずれ量の許容値が小さくなってくる．またずれが大きいとすべり摩擦力も大きくなる．これはバンプ数が多いほど影響が大きく，バンプに荷重をかけた場合にチップの保持力やヘッド剛性が弱いとバンプがずれ落ちてしまうことになり，安定した接合状態が得られない問題がある．この精度は30 μm径のマイクロバンプでは±2 μm以下の実装精度が必要といわれている．フリップチップ接合の場合，図2に示すようにボンディングヘッドに保持されたチップと基板保持ステージ上の基板を高精度に位置合せするため，チップ側のアラインメントマークを認識するCCDカメラと，基板側のアラインメントマークを認識するCCDカメラを実装位置で認識可能なようにそれぞれのCCDカメラを一体化し，上下を同時に観察可能な2視野カメラを搭載している．このカメラテーブルが，それぞれのマーク読取り位置に移動してマーク画像を取り込み，画像処理により位置情報を認識し位置ずれ量の計算を行っている．位置ずれ量に基づくXY θ方向補正移動はチップ側または基板側の移動手段によって行われる．2視野カメラテーブルの移動手段にはリニアサーボモータを用いており，このときカメラによるチップ，基板の位置情報の認識に誤差があると正確な位置決めができない問題がある．これまでの±3 μmの精度のボンダでは，まずカメラテーブルが認識位置まで移動し，リニアサーボモータの位置決め完了信号がONしてから整定するまで待つ．その後，画像を取り込んでアラインメントマークの認識を行っていた．また，補整計算もカメラテー図 3 カメラがX 軸方向へ動作する際に取得する信号の 波形

Fig. 3 Waveforms of signals obtained during camera movement inX axis. ブルの指令値をもとに計算を行っていた．位置決め完了信号は，指令値に対する現在値のフィードバック座標との差が一定の幅以内にあるときに出力される信号である．この指定幅は要求される動作精度により設定するが，本論文の高精度なボンダの場合±3パルスの値を設定している．図 3に示すように，リニアサーボモータ軸は指令パルスを受け終わって速度を落としながら完全停止するまでの間，モータトルクが減衰しながら停止する．この間でこの軸が位置決め完了幅の ±3パルスを超えたり入ったりして減衰しながら停止するので，位置決め完了信号がON–OFFを繰り返しながら停止することになる．この軸が位置決め完了信号がONしてから完全停止するまでの整定時間は，動作パターンや負荷によって変動するため，また完全停止状態であってもサーボ軸は±1パルスで変動しているため，画像を取り込むタイミングによっては変動による読取り誤差を含んでしまう問題があった．この読取り誤差は，チップと基板のアラインメントマークの画像を取り込む際にそれぞれで4回の読取り誤差が発生するために，実装精度への影響が大きくなる．精度良く実装するためには完全停止するまでの時間を長くすればよいが，これではタクトタイムが延びるため生産性への影響が出てしまうことになる．以下の手順によってこの問題の解決を試みた．まず，アラインメントマークが同一視野で認識できるように基板を保持しているボンディングテーブルを移動させる．次いで，2視野カメラを上下チップの間に進入させて，認識位置に移動させた後にCCDカメラのシャッターを高速で上下同時に起動する．最後に，画像の取込みを行う動作とそのときのカメラテーブルの位置座標を高精度のリニアスケールで読み取る動作を完全同期させる．この動作により正確なアラインメントマー

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ク位置を最小誤差で認識することが可能となる．従来の非同期のブロック図と改良された完全同期のブロック図を図4 (a)，(b)に示す．非同期制御時でチップと基板のアラインメントマークをそれぞれ2視野カメラの上カメラと下カメラで個別に取り込む動作と，完全同期制御時でチップと基板のアラインメントマークを2視野カメラの上カメラと下カメラで同時に取り込む動作で，それぞれの取込精度を比較することで完全同期制御の有効性についてテスト評価を行った．テスト方法は，以下の手順で行った．当社TEGガラスワークを用いて，基板側のTEG ガラスをステージに，チップ側のTEGガラスをヘッド側にそれぞれ吸着保持させる．最初にチップ側のアラインメントマーク（上カメラで認識）と基板側のアラインメントマーク（下カメラで認識）のマーク中心位置をあらかじめ2視野カメラで撮像される画像のほぼ中心となるようにティーチングしておく．次に，カメラテーブルをX軸方向に10 mm退避した位置からティーチング位置までカメラX 軸を高速移動図 4 カメラのXY 軸位置制御機構のブロック図：(a) 従 来の非同期制御，(b) 改良後の完全同期制御 Fig. 4 Block diagram of control system for camera

positioning in X–Y axis: (a) conventional asynchronous control, (b) improved full syn-chronous control. （400 mm/s，立上速度0.1 s）させる．移動後に，カメラX軸の位置決め完了信号が出力されてから画像取込開始までの時間（サーチ前時間）を経過した後にアラインメントマークを認識させて，CCDカメラの座標軸上のマーク中心位置のずれ量を計測する．計測ポイントはサーチ前時間を0.01 sずつ変化させて1.0 sまで100ポイントとした．計測結果から2視野個別取込動作と2視野同時取込動作で上下カメラ間でのずれ量の相関性を確認した．位置ずれ量はCCDカメラの中心点を基準として画素数として結果が出力される．上下のCCDカメラの分解能はそれぞれ約2.5 μm/pixel となっている．非同期制御の2視野個別取込動作時と完全同期制御の2視野同時取込動作時の上下カメラ間でのずれ量の結果をそれぞれ図5 (a)，(b)に示す．図では上カメラと下カメラの画素の符号が反転しているが，これは CCDの取付け方向によるもので軸の移動方向とは関係がない．また図を見やすくするため個別取込の図では図 5 アラインメントマークのサーチ時間に対する上下カメラの相対的なずれ量：(a) 従来の非同期制御，(b) 改良後の完全同期制御

Fig. 5 Relationship between time for searching align-ment marks and relative positioning error be-tween upper and lower cameras: (a) conven-tional asynchronous control, (b) improved full synchronous control.

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下カメラの画素軸はオフセットさせて表示させている．個別取込動作では図より上下カメラ間での相関性はサーチ前時間が0.5 s以下では相関性がなく0.5∼1 s までの間で相関性が高いことが分かる．0.5 s以下ではカメラX 軸がまだ整定していない状態なので上下カメラの取込タイミングのずれ量により差が大きくなっており，0.5 sでほぼ整定状態となる．そのため，タイミングのずれがあっても相関性があるので完全停止状態で取込みできていることが分かる．これに対して2視野同時取込動作ではサーチ前時間 0 sからでも上下カメラのサーチ結果の相関は高くサーチ前時間0∼1 sまでの間で上下カメラの位置ずれは， 0.15画素= 0.375 μm以内で検出できることが分かった．従来の非同期動作と比較してマーク画像取込み時で起こるサーチ前時間のずれによる実装ずれを解消できることになる．またサーチ前時間が必要なくなり軸が完全停止していない状態でもマーク画像の取込みができるので，タクトタイムも早くなり生産性が向上することになる．例えば，図5 (a)の結果から高精度な実装を行うためにサーチ前時間を0.5 sとした場合に，チップ側のアラインメントマーク2箇所と基板側のアラインメントマーク2箇所を個別にマーク画像を取り込んだ場合には0.5 s× 2 + 0.5 s × 2 = 2 s/1実装当りの取込み時間が必要となっていたが，サーチ前時間を0 sとすることで取込み時間も0 s（実際にはカメラの露光時間が数百μs必要であるがほとんど無視される値である）となり，1実装当り2 sの短縮が可能となっている． 2. 2 高精度ギャップ制御はんだ溶融に必要な高温で加熱する，ローカルリフローでのはんだ接合においては，加熱用のヒータやチップ及び基板を保持している部材の熱膨張や収縮により，接合プロセス中にはんだバンプには圧縮・引張応力がかかるため，はんだのオープン/ショート不良や，アンダーフィル充てんに必要なチップ基板間のギャップ（スタンドオフ高さ）が不安定になるという課題がある[1]．図6 に示すとおり，はんだバンプにかかる荷重条件を変化させたときのチップと基板間のギャップ（スタンドオフ高さ）の関係をテストした結果，全バンプを接合するためにはある程度の荷重が必要で，更に荷重を大きくするとスタンドオフ高さは低くなり， 1.0 gf/bump以上の荷重でスタンドオフ高さはほとんど変わらないため，接合界面やチップ自身に不要な負図 6 実装荷重とスタンドオフ高さの関係

Fig. 6 Relationship between bonding force and standoﬀ height.

図 7 超低加圧ヘッドシステムの構成

Fig. 7 Schematic of ultra low pressure head system.

荷がかかっていると考えられている．本評価では，無電解NiめっきによるUBM (Under Barrier Metal)を成膜した後，これをはんだ槽に浸漬し，UBM上にはんだバンプを形成している．このはんだバンプの高さは平均6 μmであるが，バンプ径や高さによってはんだ量が変わるため，接合時に最低限必要な荷重やZ軸方向の位置制御が重要となっている． 2. 2. 1 高精度荷重–位置制御はんだ溶融接合において密接に関係する接合時の荷重とZ軸方向の位置の最適化を図るには，図7に示す構造の加圧システムが最も適した手段であると考えている．圧力発生手段は圧縮エアによるエアシリンダを用いた構造を基本としている．微小な加圧を実現するためにシリンダ内部のシリンダロッドの摺動部はエアベアリングといわれる圧縮空気を用いた静圧気体軸受け構造とすることで摩擦をなくし，圧力変動がなく微小加圧領域まで安定した荷重を発生させることができる[2]．圧力コントロールは圧縮空気の圧力を0.2 Mpaまで

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の範囲で高精度にディジタルで可変させることで推力をプログラマブルに設定できるようになっている．低圧領域ではシリンダロッドやチップ加熱用のヒータ部材の自重とカウンタエアによるキャンセルさせる方向の力との差分で荷重を発生させ，高圧領域では加圧エアによる推力と自重を加えた力で荷重を発生させている．またシリンダ上部に内蔵した変位センサで変位センサ先端からシリンダのシリンダロッド上部との距離 (Δt)を測定することで，ヒータやチップ及び基板の保持部材の熱膨張によるZ 方向の伸びや伸縮を計測することが可能となっている．シリンダのボディーは，チップと基板をアラインメントしてからボンディング動作を行うためにZ軸方向に昇降可能なボンディングZ軸テーブル上に配置されて一体的に動作が可能で，シリンダの高さを制御できるようになっている．ボンディングZ軸の移動に伴うシリンダボディーの位置変位や，ヒータ加熱による熱膨張の変位に対して，実荷重の圧力の変動の評価を行った．テスト方法は以下の手順で行う．最初に，ボンディングZ軸をヘッド先端に取り付けられたヒータがロードセルに接触する位置まで下降させて，その位置から更に80 μm下降させた位置（シリンダボディーからピストンを浮かせた状態）を実荷重の圧力測定の開始点とする．次に，ボンディングZ軸を±50 μm上下にステップ動作させる条件と，ヒータ温度をステップ昇温させる条件とで，ロードセルから出力されるそれぞれの圧力変動を計測する．テスト1，テスト2の条件設定を表1に示す．それぞれの結果を図8 (a)，(b)に示す．図8 (a)の結果から，ボンディングZ軸の上下動の起動時のタイミングで圧力変動は0.8 div程度の変動幅しかなく，約2 gf以下であり大きな変動がないことが分かる．また図8 (b)の結果からは，ヒータの熱膨張に対しても変位センサは30◦Cから300◦Cの昇温表 1 実荷重変動テスト条件表

Table 1 Real load change test condition table.

に対して約10 μmの伸びを示しているが圧力の変動はほとんどないことが分かる．したがって，はんだバンプが基板の電極バンプやパッドに当接したときや，高さ制御を行うためにボンディングZ軸が昇降動作を行うときなどで荷重方向に対する変動があっても，はんだバンプにかかる圧力変動がなく，またはんだ溶融・凝固させるためにヒータの温度を昇降温させた場合でも，はんだバンプにかかる圧力変動が極小状態でボンディングすることが可能となっているといえる． 2. 2. 2 高精度ギャップ制御フリップチップ接合では接合部の保護や，接合強度を増すために，通常チップと基板の隙間はエポキシ系の樹脂で封止されている．マイクロバンプ接合においては，この隙間がますます小さくなりまたより高周波になってくると，隙間のばらつきも性能に影響を与えることから高精度なギャップ制御が求められている．これまではプロセス条件を変えるたびに断面を観察して接合後のギャップ高さを測定し，ヒータやその他部材の熱膨張・収縮による影響を評価していた．そのつ図 8 超低加圧ヘッドシステムの圧力変動プロファイル：(a) ボンディングヘッドの段階的なZ 軸昇降時 (b) ヒー タ温度の段階的な昇温時

Fig. 8 Pressure proﬁle of ultra low pressure head sys-tem: (a) during stepwise head movement in

Z axis, (b) during stepwise increase in heater

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ど，設定値を変更して最適化を図っていたが，非常に時間がかかる手法であった．これらを解決するため，はんだの溶融温度におけるヒータやその他部材の熱膨張・収縮の時間当りの変化量をあらかじめ装置内で計測し，その結果をボンディング動作中に反映することで高精度なギャップ高さと，目的のギャップ高さを直接入力設定することで指定のギャップ高さに接合することを可能とした．設定値と実際に得られるギャップ高さの校正は，変位センサを用いて行っている．まず，実際のボンディングと同じ温度条件にてヘッドを基板保持ステージに接触させ，昇降温動作を行う．その後，ヒータや部材の時間当りの伸縮量を変位センサで測定している．変位センサの測定値は図9に示すタイミングで取得される．このキャリブレーション結果に基づいて実際のボンディング動作を行う．装置に与えられる条件は，ボンディング前のチップの厚さ，バンプ高さ，基板の厚さ，バンプ高さの情報及び，接合後のチップと基板間のギャップ高さの情報を入力値として設定する．ボンディング動作は，チップと基板の実装位置を補正した後に，チップを保持したヘッドがボンディングZ軸の動作で実装前の高さまで下降する．次いで変位センサをオフセットキャンセルにて0点校正を行う．その後，ボンディングZ軸を更に下降させてチップのバンプが基板のバンプに当接した位置を変位センサにて検知して接触ポイントの座標基準を取得する．この位置から更図 9 ヒータ稼働状態，変位センサ位置，ボンディングZ 軸位置の関係

Fig. 9 Relationship between heater operation status, displacement sensor position, and bondingZ axis position. にボンディングZ 軸を所定量d1だけ下降させるが，このときの変位センサの偏差量ΔX (= X1 − X0)が d1 − ΔX > 3 μmとなった場合にはバンプが滑り落ちて実装ずれをしていると判断してボンディング動作は中止するようになっている．接触後にヒータの温度をはんだの溶融温度以上に昇温するが，昇温動作中に変位センサの偏差を計測し，はんだが溶融したならばシリンダ下部のヘッドは落下するので偏差が大きくなりはんだが溶融したポイントを検出できる．この溶融して落下した状態は図7のΔZが0となった状態である．その状態からボンディングZ軸とヘッドが一体となって，キャリブレーション結果で得られたヒータや他の部材の熱膨張・収縮による変位動作に倣うようにボンディングZ軸動作に指令値を与える．コントローラーで当接高さから指定のギャップ高さになるように演算を行いボンディングZ軸を制御するようになっている．このときのボンディングZ軸の追従性を評価した結果を図10 (a)，(b)に示す．ギャップコントロールを無効にした状態では変位センサの値がヒータや部材の伸縮に比例しており，ギャップコントロール有効にした状態ではボンディングZ 軸を追従させることで変位センサの値は一定値を示しギャップが安定していることが分かる．このときの変動量は1.4 μm以内に制御できた．またキャリブレーション後にギャップ量を指定して実際にCoC構造でボンディングした結果の断面写真を図11に示す．指定したギャップに対して，断面解析結果からのギャップ高さの実測値の平均値との差は0.3 μm以下と良好な結果が得られ，有効性が確認できた．上記結果は比較的短いプロセス時間で良好な結果が得られたが，プロセス時間を長くするとヒータの伸縮は1次直線で表される挙動を示さないことが分かった．キャリブレーション補正前の動作と現行のヒータの伸縮動作の2区間を3点の1次直線で補正した結果をそれぞれ図12 (a)，(b)に示す．このような動作パターンの場合，バンプに与える高さ方向の変化量も大きくなり，はんだ冷却動作中にヒータが収縮して，チップを吸着して保持したままだとチップとバンプには引き剥がす方向の上向きの力がかかってしまう．そのため，はんだの凝固速度によってはバンプ下部のチップの素子にストレスを与えることになりダメージを与えてしまうと考えられる．これを解決するため，キャリブレーション中の変位

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図 10 接合時の温度とヘッド変位量の関係：(a) ギャップコントロール無効，(b) ギャップコントロール有効 Fig. 10 Relationship between bonding temperature, displacement sensor position and bondingZ axis position: (a) without gap control (b) with gap control.

図 11 互いに接合したマイクロバンプの断面写真：指定

ギャップ量と得られたギャップの関係

Fig. 11 Cross-sectional images of microbumps con-nected each other: relationship between the setting and the resulting gaps.

センサの値を多区間でサンプリングし，ボンディング Z軸の補正動作用のマッピングテーブルを作成して微小な変化に追従させることを行った．図13にボディングZ軸を補正移動させた結果を示す．これらの結果から，プロセス時間が長い場合でも図 12 プロセス時間が長い場合の接合時のヘッド変位量とボンディングZ 軸指令座標の関係：(a) 較正前， (b)較正後（1 次直線）

Fig. 12 Relationship between displacement sensor position and bondingZ axis position when process time is long: (a) before calibration (b) after calibration (Primary line).

図 13 プロセス時間が長い場合の接合時のヘッド変位量

とボンディングZ 軸指令座標の関係：マッピング

テーブルによる補正した結果

Fig. 13 Relationship between displacement sensor position and bondingZ axis position when process time is long: The Results are cor-rected with mapping table.

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マッピングテーブルによる補正により安定した高さを得られることが分かった．

3. むすび

本論文で述べてきた結果から，マイクロバンプを用いたはんだ接合において，XY 方向の精度はもとより，微小な荷重でもギャップ寸法を高い精度で提供できる可能性が高いことを確認できた．またギャップ高さもチップ，基板の接合部材の寸法の入力情報からギャップ高さを直接入力することで，指定ギャップ高さの実装結果が得られるなど，実装プロセス開発のスピードアップにも貢献できると考える．今後微細化が進みバンプ数も増大し，また半導体チップの厚さも薄くなってくることから，全バンプを確実に接合させるためにはローカルリフロー方式のはんだ接続技術が主流になってくると考えられ，より高度なボンディング技術が求められるが，量産化するためにはプロセス時間が長いなどまだまだ課題も多くあり，本技術が課題解決の手段となることを願っている．文献 [1] 渡辺明洋，森俊裕，山内朗，畑田賢造，“無電解めっき方式とディップ方式バンプを用いたファインピッチ CoC 接合技術，”第 18 回エレクトロニクス実装学術講演大会講演論文集，vol.18, pp.17–18, 2004.

[2] A. Yamauchi, “Submicron bonding technology with passive alignment for optical modules,”エレクトロニクス実装学会誌，vol.6, no.1, pp.59–59, 2003. （平成 23 年 6 月 2 日受付，8 月 15 日再受付）寺田勝美 1984静岡大・工・機械卒．同年東レエンジニアリング（株）入社．自動巻線機の開発設計を経て 1995 よりフリップチップボンダの開発設計に従事．エレクトロニクス実装学会会員．日本半導体製造装置協会，装置技術ロードマップ専門委員会，組立 WG 委員．川上幹夫 1981長浜商工高・機械卒．同年東レエンジニアリング（株）入社．フイルム製造装置，自動巻線機の組立を経て 1995 よりフリップチップボンダの開発装置の評価・プロセス開発に従事．