JP6745918B2 - 半導体チップの実装装置および実装方法 - Google Patents

Description

本願は、半導体チップを基板または他の半導体チップの上にボンディングして実装する実装装置および実装方法に関する。

従来から、半導体チップを、基板の上面または他の半導体チップの上面（以下、まとめて「実装面」と呼ぶ）にボンディングして実装する実装装置が広く知られている。半導体チップの底面には、熱硬化性樹脂からなる接着剤や、電気的接続を確保するためのバンプと呼ばれる導電性金属が設けられている。この接着剤を加熱して硬化させたり、バンプを実装面の電極に溶着させたりすることで、半導体チップが実装面にボンディングされる。

実装装置には、半導体チップをボンディングするために、半導体チップを、上面から加圧して加熱するボンディングヘッドが設けられている。このボンディングヘッドで、半導体チップの上面を、加熱加圧することで、熱硬化性の接着剤が硬化し、また、バンプが、電極に溶着される。

しかし、従来の実装装置では、半導体チップは、主に上面から加熱されていた。この場合、実装の態様や、半導体チップの種類によっては、ボンディング時に温度のバラツキが生じ、ひいては、実装品質のバラツキが生じることがあった。例えば、一部では、複数の半導体チップを厚み方向に積層して、多段スタックとして実装する技術が知られている。この場合、ボンディングチップは、複数の半導体チップを、一つずつ順番に仮圧着しながら積層した後、得られた積層体の上面を加熱加圧することで、複数の半導体チップを一括で本圧着する。本圧着の際には、全ての半導体チップが、接着剤の硬化温度以上、かつ、バンプの溶融温度以上に加熱されることが望まれる。しかし、従来の実装装置では、本圧着の際には、ボンディングヘッドで、積層体の上面を加熱加圧しているため、積層体の下側に近づくほど（下層の半導体チップほど）、温度が低下しやすかった。換言すれば、従来の実装装置において、多段スタックを実行した場合、積層方向に温度勾配が生じていた。こうした温度勾配は、接着剤の硬化やバンプの溶融の進行度合いの差を招き、ひいては、実装品質の差を招いていた。

また、半導体チップを一段だけボンディングする場合であっても、そのサイズが比較的、大きい場合は、当該半導体チップ内での温度差が生じやすかった。すなわち、大サイズの半導体チップを、ボンディングヘッドで上面から加熱加圧した場合、半導体チップの周縁近傍が、中央部に比べて低温になりやすかった。結果として、一つの半導体チップ内で温度勾配が発生し、実装品質の低下を招いていた。

そこで、本願では、半導体チップの実装品質をより向上できる実装装置を開示する。

本願で開示する実装装置は、半導体チップを基板または他の半導体チップに押圧しながらボンディングするボンディングヘッドであって、２以上の半導体チップを仮圧着しながら積層した後、得られた積層体の上面を加熱および加圧することで、前記２以上の半導体チップを一括で本圧着するボンディングヘッドと、前記本圧着の際に、前記積層体を側方から加熱する加熱機構と、を備え、前記加熱機構は、前記ボンディングヘッドと連動して、または、独立して昇降することで、前記本圧着実行時に、前記半導体チップの側方に配され、前記加熱機構は、熱源により加熱される加熱体、または、前記半導体チップの側方に、光を照射することで光加熱するランプアニール機構、または、前記本圧着実行時に前記積層体の側方に位置するとともに温風を吹き出すノズル、を含む、ことを特徴とする。
本願で開示する他の実装装置は、半導体チップを基板または他の半導体チップに押圧しながらボンディングするボンディングヘッドと、前記ボンディング実行時に前記半導体チップを側方から加熱する加熱機構と、を備え、前記加熱機構は、前記ボンディングヘッドと連動して、または、独立して昇降することで、前記ボンディング実行時に、前記半導体チップの側方に配され、前記加熱機構は、前記ボンディングヘッドの先端部に取り付けられて、前記ボンディングヘッドの熱を伝達する伝熱体であって、前記先端部の周縁近傍より下方に延びる伝熱体を含む、ことを特徴とする。
本願で開示する他の実装装置は、半導体チップを基板または他の半導体チップに押圧しながらボンディングするボンディングヘッドと、前記ボンディング実行時に前記半導体チップを側方から加熱する加熱機構と、を備え、前記加熱機構は、前記ボンディングヘッドと連動して、または、独立して昇降することで、前記ボンディング実行時に、前記半導体チップの側方に配され、前記加熱機構は、前記半導体チップの周囲に配され、交流電流が印加されることで前記半導体チップを誘導加熱するコイルを含む、ことを特徴とする。

かかる構成とすることで、半導体チップを、側方からも加熱でき、ボンディング対象の半導体チップの温度のバラツキを低減できる。その結果、半導体チップの実装品質をより向上できる。

前記加熱機構は、前記半導体チップの全周囲から加熱してもよい。

かかる構成とすることで、ボンディング対象の半導体チップの温度のバラツキをより低減でき、半導体チップの実装品質をより向上できる。

また、前記ボンディングヘッドは、２以上の半導体チップを仮圧着しながら積層した後、得られた積層体の上面を加熱および加圧することで、前記２以上の半導体チップを一括で本圧着し、前記加熱機構は、前記本圧着の際に、前記積層体を側方から加熱してもよい。

かかる構成とすることで、多段スタックで実装する際に問題になる積層方向の温度のバラツキを低減でき、多段スタックでも実装品質を向上できる。

本願で開示する実装装置および実装方法によれば、半導体チップを、側方からも加熱でき、ボンディング対象の半導体チップの温度のバラツキを低減できる。その結果、半導体チップの実装品質をより向上できる。

実装装置で、複数の半導体チップを多段スタックとして実装する様子を示す図である。 実装装置で、半導体チップを積層することなく実装する様子を示す図である。 実装装置で、複数の半導体チップをＮＡＮＤスタックとして実装する様子を示す図である。 加熱機構の構成の一例を示す図である。 加熱機構の構成の他の一例を示す図である。 加熱機構の構成の他の一例を示す図である。 加熱機構の構成の他の一例を示す図である。 加熱機構の構成の他の一例を示す図である。

以下、半導体チップ１００の実装装置について、図面を参照して説明する。図１は、実装装置を用いて半導体チップ１００を実装する様子を示す概略図である。図１では、複数の半導体チップ１００を積層した状態で、すなわち、多段スタックで実装する様子を示している。ただし、後述するように、本願で開示する技術は、多段スタックで実装する場合に限らず、他の場合にも適用できる。

図１の例において、各半導体チップ１００の底面には、下側に位置する基板１１０の上面または他の半導体チップ１００の上面（以下、まとめて「実装面」と呼ぶ）に形成された電極に電気的に接続するためのバンプ１０２が形成されている。バンプ１０２は、導電性金属、例えば、銅等からなり、規定の溶融温度Ｔｍ以上で、可逆的に軟化し、溶融する。

また、半導体チップ１００の底面には、当該バンプ１０２を覆うように、非導電性フィルム１０４（以下「ＮＣＦ１０４」と呼ぶ）が設けられている。ＮＣＦ１０４は、熱硬化性樹脂からなり、規定の軟化温度Ｔｓ以上になれば、可逆的に軟化し、軟化温度よりも高い硬化温度Ｔｈ以上になれば不可逆的に硬化する。

複数の半導体チップ１００を多段スタックで実装する場合には、通常、基板１１０の上に、複数（図示例では４つ）の半導体チップ１００を順番に、一つずつ、仮圧着しながら積層して仮積層体を形成し、その後、当該仮積層体の上面を加熱しながら加圧することで、複数の半導体チップ１００を一括で本圧着する。ここで、仮圧着の際には、半導体チップ１００を、実装面に押し付けながら、ＮＣＦ１０４の軟化温度Ｔｓ以上、硬化温度Ｔｈ未満、かつ、バンプ１０２の溶融温度Ｔｍ未満で加熱する。これにより、ＮＣＦ１０４が軟化し、半導体チップ１００と実装面との間に隙間なく回り込む。また、このとき、適度に加圧することで、バンプ１０２が、ＮＣＦ１０４をかき分けて、実装面の電極に接触する。本圧着の際には、仮積層体を押圧しながら、半導体チップ１００を、ＮＣＦ１０４の硬化温度Ｔｈ以上、かつ、バンプ１０２の溶融温度Ｔｍ以上に加熱する。これにより、バンプ１０２が対応する電極に溶着されるとともに、ＮＣＦ１０４が硬化する。

半導体チップ１００を実装する実装装置には、図１に示す通り、ボンディングステージ１２と、ボンディングヘッド１４と、が設けられている。ボンディングステージ１２は、基板１１０が載置されるステージである。ボンディングステージ１２は、ボンディングヘッド１４に対して水平方向に移動可能となっている。また、ボンディングステージ１２は、ヒータ（図示せず）を内蔵していてもよく、必要に応じて、基板１１０を加熱してもよい。

ボンディングヘッド１４は、半導体チップ１００を、実装面に、押しつけながら加熱することで、当該半導体チップ１００を実装面にボンディングする。具体的には、ボンディングヘッド１４は、その先端部１８に半導体チップ１００を吸引保持でき、また、鉛直な軸Ｒｂ回りの回転と、鉛直な軸Ｒｂに沿った昇降と、が可能となっている。このボンディングヘッド１４は、先端部１８を適宜、加熱するヒータ２０を有している。ボンディングヘッド１４は、図示しないチップ供給装置により供給された半導体チップ１００を吸引保持して、実装面上に載置する。また、ボンディングヘッド１４は、実装面に載置された半導体チップ１００の上面を実装面に押し付けながら加熱する。

ここで、既述した通り、複数の半導体チップ１００を多段スタックで実装する際には、複数の半導体チップ１００を、一つずつ順番に、仮圧着しながら積層した後、得られた積層体を上面から加熱しつつ加圧することで、複数の半導体チップ１００を一括で本圧着する。この本圧着の際には、全ての半導体チップ１００のＮＣＦ１０４を硬化温度Ｔｈ以上に、また、バンプ１０２を溶融温度Ｔｍ以上に加熱する必要がある。しかし、ボンディングヘッド１４は、積層体を上面からのみ加熱する関係上、複数の半導体チップ１００のうち、上層の半導体チップ１００は、高温に、下層の半導体チップ１００は、低温になりやすくなる。すなわち、一つの積層体において、下に近づくほど低温になる温度勾配が生じる。こうした温度勾配は、ＮＣＦ１０４の硬化やバンプ１０２の溶融の進行度合いの差を生み、半導体チップ１００間での実装状態のバラツキ、ひいては、実装品質のバラツキを招く。

本願で開示する実装装置では、こうした、半導体チップ１００間、または、半導体チップ１００内での温度勾配の発生を抑制するために、半導体チップ１００を側方から加熱する加熱機構１６を設けている。加熱機構１６の具体的な構成例は、後に詳説するが、この加熱機構１６は、半導体チップ１００を側方から加熱できるのであれば、その構成は、特に限定されない。ただし、加熱機構１６は、ボンディング処理の邪魔にならないように、ボンディングヘッド１４と連動して、または、ボンディングヘッド１４とは独立して、昇降できることが望ましい。

また、加熱機構１６は、半導体チップ１００を加熱できるのであれば、他の発熱体（例えばボンディングヘッド１４等）の熱を半導体チップ１００に伝達する構成でもよいし、自ら発熱する発熱体を有していてもよい。また、加熱機構１６は、電磁気作用や光加熱作用により半導体チップ１００自身を発熱させる構成でもよい。また、加熱機構１６は、半導体チップ１００の全周囲を加熱することが望ましいが、一部のみを加熱する構成でもよい。したがって、例えば、加熱機構１６は、半導体チップ１００の左側にのみ設けられ、当該左側からのみ加熱するような構成でもよい。

いずれにしろ、本圧着実行時に、加熱機構１６により、半導体チップ１００の積層体を側方から加熱することで、下層に位置する半導体チップ１００も適切に加熱することができる。結果として、積層体内での温度勾配の発生を抑制でき、複数の半導体チップ１００間での実装品質を均一化できる。

なお、こうした加熱機構１６は、多段スタックで実装する実装装置に限らず、他の実装装置に設けられてもよい。例えば、図２に示すように、半導体チップ１００を積層することなく、一段で基板１１０に実装（本圧着）する実装装置に加熱機構１６を設けてもよい。特に、比較的、大サイズ（例えば１０ｍｍ角以上）の半導体チップ１０を取り扱う実装装置の場合、側方から加熱する加熱機構１６を設けることが望ましい。

大サイズの半導体チップ１０を取り扱う場合には、当然ながら、当該半導体チップ１０を加熱加圧するボンディングヘッド１４の先端部１８も大サイズになる。こうした大サイズの先端部１８は、場所ごとの温度のバラツキが生じやすい。特に、先端部１８のうち、周縁近傍は、熱源（ヒータ２０）から離れており、また、外部空間への放熱等も生じるため、中心部近傍に比べて、低温になりやすい。かかる先端部１８で半導体チップ１０を加熱加圧すると、半導体チップ１０の場所によって温度のバラツキ、ひいては、実装品質にバラツキが生じる。

そこで、この場合には、加熱機構１６を設け、半導体チップ１０を側方から加熱することが望ましい。かかる構成とすることで、一つの半導体チップ１０内での温度のバラツキを低減でき、実装品質を安定化できる。

また、加熱機構１６は、複数の半導体チップ１００を、ＮＡＮＤスタックとして実装する実装装置に設けられてもよい。すなわち、ＮＡＮＤスタックでは、図３に示すように、複数の半導体チップ１００をその端部をずらしながら積層していき、各半導体チップ１００の端部近傍に設けられた電極同士を、ワイヤボンディングで電気的に接続する。ここで、ＮＡＮＤスタックを形成するために、ボンディングヘッド１４を用いて複数の半導体チップ１００を積層する。半導体チップ１００の底面には、熱硬化性の接着剤が設けられており、この接着剤を加熱して不可逆的に硬化させることで、半導体チップ１００がボンディング（固定）される。このボンディングの実行時に、半導体チップ１００を、ボンディングステージ１２の下部に設けられた（不図示の）下部ヒータから加熱するだけでなく、加熱機構１６で側方からも加熱するようにしてもよい。

次に、加熱機構１６の構成例について説明する。図４は、加熱機構１６の一例を示す図である。加熱機構１６は、図４に示すように、ボンディングヘッド１４の先端部１８に取り付けられて、先端部１８の熱を伝達する伝熱体２２であってもよい。この場合、伝熱体２２は、先端部１８の周縁から下方に延びており、ボンディング実行時、半導体チップ１００の側方に位置するようになっている。そして、ボンディング実行時には、ボンディングヘッド１４の熱により、この伝熱体２２が加熱され、さらに、この加熱された伝熱体２２により半導体チップ１００が側方から加熱される。

伝熱体２２は、半導体チップ１００の周囲全体を覆えるように、半導体チップ１００と略同心の筒状であることが望ましいが、必ずしも、筒状である必要はない。また、伝熱体２２の高さは、半導体チップ１００（積層体）の高さに応じて設定されることが望ましい。具体的には、ボンディング実行時、伝熱体２２の下端は、最も下層に位置する半導体チップ１００の下端（積層体の下端）近傍に位置していることが望ましい。

こうした伝熱体２２は、伝熱性に優れた材料、例えば、アルミナイト等からなる。また、伝熱体２２のうち、少なくとも、半導体チップ１００の側面との対向面は、黒体処理されていることが望ましい。黒体処理することで、輻射熱が発生し、半導体チップ１００をより効率的に加熱できる。また、伝熱体のうち、外側に面する面には、断熱部材２４が設けられてもよい。かかる構成とすることで、ボンディングヘッド１４からの熱の放熱が抑制され、より効率的に加熱できる。

図５は、加熱機構１６の他の一例を示す図である。加熱機構１６は、図５に示すように、熱源となるヒータ２８を有し、ボンディングヘッド１４とは別部材として設けられた加熱体２６でもよい。この場合、加熱体２６は、ボンディングヘッド１４と連動して、または、独立して昇降する。また、加熱体２６は、下降した際に、半導体チップ１００の側方に位置するのであれば、その形状は、特に限定されないが、半導体チップ１００の周囲全体を覆えるように、略筒状であることが望ましい。

また、加熱体２６は、上述した伝熱体２２と同様に、伝熱性に優れた材料、例えば、アルミナイト等からなることが望ましい。さらに、加熱体２６の内面は、黒体処理され、外面は、断熱処理されていることが望ましい。

熱源であるヒータ２８は、ボンディングヘッド１４のヒータ２０とは別に設けられ、加熱体２６の内部または外部に配される。このヒータ２８は、加熱体２６を所定の温度に加熱する。なお、図５では、ヒータ２８を加熱体２６の高さ方向略中央にのみ設けているが、当該箇所に替えて、または、加えて、別の箇所に、ヒータ２８を設けてもよい。例えば、加熱体２６の下端近傍、中央、上端近傍それぞれにヒータ２８を設け、加熱体２６の温度が、下端に近づくほど高温になるようにしてもよい。すなわち、ボンディングヘッド１４から積層体（半導体チップ１００）に付与される熱は、下層に近づくほど小さくなるため、この熱勾配を相殺するように、加熱体２６から積層体に付与される熱は、下層に近づくほど大きくなるようにしてもよい。

図６は、加熱機構１６の他の一例を示す図である。加熱機構１６は、温風を利用して半導体チップ１００を加熱する構成でもよい。すなわち、加熱機構１６は、図６に示すように、半導体チップ１００の側方に向かって、温風を吹き付ける温風噴射機構３０を有していてもよい。温風噴射機構３０は、十分に加熱された気体を噴射できるのであれば、特に限定されず、例えば、噴射気流を生成するためファンと、ファンを駆動するモータと、当該ファンで生成された噴射気流を加熱して温風にするヒータと、温風を半導体チップ１００の側方まで導く配管と、を備える構成でもよい。なお、図６では、温風は、ほぼ水平方向に噴射されているが、温風は、少なくとも、半導体チップ１００の側面に当たるのであれば、その噴射方向は、特に限定されず、斜め下向きや、斜め上向きでもよい。

図７は、加熱機構１６の他の一例を示す図である。加熱機構１６は、電磁気的作用を利用して半導体チップ１００自身を発熱させる構成でもよい。すなわち、加熱機構１６は、図７に示すように、半導体チップ１００の周囲に配され、交流電流が印加されることで半導体チップ１００を誘導加熱するコイル３２を有していてもよい。この場合、コイル３２は、鉛直な軸Ｒｂ回りにらせん状に巻かれている。また、コイル３２は、昇降可能となっており、ボンディング実行時には、下降して、このコイル３２の内側に、半導体チップ１００を位置させる。また、コイル３２には、交流電源３４が接続されている。ボンディング実行時、交流電源３４がオンされて、コイル３２に交流電流が流れると、電磁気的作用により、半導体チップ１００内の金属（例えばバンプ１０２等）に電流が流れ、その際に発生するジュール熱により半導体チップ１００自身が発熱する。

図８は、加熱機構１６の他の一例を示す図である。加熱機構１６は、光加熱により半導体チップ１００を加熱する構成でもよい。すなわち、加熱機構１６は、図８に示すように、半導体チップ１００の側方に、光を照射することで光加熱するランプアニール機構３６を含んでもよい。ランプアニール機構３６は、光を照射する光源３８を有している。この光源３８としては、ハロゲンランプや、キセノンランプ、赤外線ランプ等を用いることができる。また、光源３８は、連続的に点灯するのでもよいし、瞬間的に点灯する閃光タイプでもよい。光源３８は、図８に示すように、半導体チップ１００の側方に配されて、光源３８からの光が、半導体チップ１００の側面に直接、当たるようにしてもよい。また、別の形態として、光源３８は、半導体チップ１００と離れたところに配置し、光源３８からの光を、各種光学部材（レンズや反射ミラー等）を用いて、半導体チップ１００の側面に導くようにしてもよい。いずれにしても、光源３８から照射された高エネルギーの光が、半導体チップ１００の側面に当たることで、半導体チップ１００の側面が加熱される。

なお、これまで、説明した構成は、全て、一例であり、ボンディングヘッド１４で、半導体チップ１００をボンディングする際に、当該半導体チップ１００を側方から加熱する加熱機構１６を有しているのであれば、その他の構成は、適宜、変更されてもよい。例えば、これまでの説明では、ボンディングヘッド１４を一つだけとしているが、ボンディングヘッド１４は、複数でもよい。したがって、例えば、仮圧着用のボンディングヘッド１４と本圧着用のボンディングヘッド１４との二種類が設けられていてもよい。また、上述の説明では、一つの半導体チップ１００の上面にのみ接触するボンディングヘッド１４のみを例示したが、ボンディングヘッド１４は、面方向に隣接して並ぶ２以上の半導体チップを同時に加熱加圧する構成としてもよい。この場合、加熱機構１６は、同時に加熱加圧される２以上の半導体チップそれぞれを、側方から加熱することが望ましい。また、上述では、図４〜図８を参照して加熱機構１６の一例を説明したが、加熱機構１６の構成は、半導体チップ１００を側方から加熱できるのであれば、他の構成でもよい。

１０ 半導体チップ、１２ ボンディングステージ、１４ ボンディングヘッド、１６ 加熱機構、１８ 先端部、２０，２８ ヒータ、２２ 伝熱体、２４ 断熱部材、２６ 加熱体、３０ 温風噴射機構、３２ コイル、３４ 交流電源、３６ ランプアニール機構、３８ 光源、１００ 半導体チップ、１０２ バンプ、１０４ ＮＣＦ、１１０ 基板。

Claims (5)

1. 半導体チップを基板または他の半導体チップに押圧しながらボンディングするボンディングヘッドであって、２以上の半導体チップを仮圧着しながら積層した後、得られた積層体の上面を加熱および加圧することで、前記２以上の半導体チップを一括で本圧着するボンディングヘッドと、
   前記本圧着の際に、前記積層体を側方から加熱する加熱機構と、
   を備え、
   前記加熱機構は、前記ボンディングヘッドと連動して、または、独立して昇降することで、前記本圧着実行時に、前記半導体チップの側方に配され、
   前記加熱機構は、熱源により加熱される加熱体、または、前記半導体チップの側方に、光を照射することで光加熱するランプアニール機構、または、前記本圧着実行時に前記積層体の側方に位置するとともに温風を吹き出すノズル、を含む、
   ことを特徴とする実装装置。
2. 半導体チップを基板または他の半導体チップに押圧しながらボンディングするボンディングヘッドと、
   前記ボンディング実行時に前記半導体チップを側方から加熱する加熱機構と、
   を備え、
   前記加熱機構は、前記ボンディングヘッドと連動して、または、独立して昇降することで、前記ボンディング実行時に、前記半導体チップの側方に配され、
   前記加熱機構は、前記ボンディングヘッドの先端部に取り付けられて、前記ボンディングヘッドの熱を伝達する伝熱体であって、前記先端部の周縁近傍より下方に延びる伝熱体を含む、ことを特徴とする実装装置。
3. 半導体チップを基板または他の半導体チップに押圧しながらボンディングするボンディングヘッドと、
   前記ボンディング実行時に前記半導体チップを側方から加熱する加熱機構と、
   を備え、
   前記加熱機構は、前記ボンディングヘッドと連動して、または、独立して昇降することで、前記ボンディング実行時に、前記半導体チップの側方に配され、
   前記加熱機構は、前記半導体チップの周囲に配され、交流電流が印加されることで前記半導体チップを誘導加熱するコイルを含む、ことを特徴とする実装装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の実装装置であって、
   前記加熱機構は、前記半導体チップの全周囲から加熱することを特徴とする実装装置。
5. 請求項２または３に記載の実装装置であって、
   前記ボンディングヘッドは、２以上の半導体チップを仮圧着しながら積層した後、得られた積層体の上面を加熱および加圧することで、前記２以上の半導体チップを一括で本圧着し、
   前記加熱機構は、前記本圧着の際に、前記積層体を側方から加熱する、
   ことを特徴とする実装装置。

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