CN1462067A - 焊接载物台 - Google Patents
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Abstract
一种将半导体元件安装在印刷电路板上时，作为压接载物台使用的焊接载物台，可针对半导体元件及印刷电路板上高密度的电极配置设计，提供高精度接合用载物台。与半导体元件接触的载物台上面，由高导热率物质构成，载物台面温度分布均匀，载物台主体外周部由导热率较低的材质构成，以抑制对周边构件的热辐射。另外，由于载物台表面采用对树脂材料浸湿性低的材料，所以在使用过程中树脂材料不易粘附并易清除已粘附的树脂。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体制造工序中，半导体元件与印刷电路板的电极在焊接时采用的焊接载物台。
背景技术
在半导体元件与COG(Chip on glass)COF(chip on film)、FPC(FlexiblePrinted Circuit)等载膜上设置的电极端子或引线框上安装连接时，传统的工艺方法仅用已加热到接合材料熔点以上的焊接头加热并压接半导体元件。最近，为了缩短生产时间提高安装的可靠性，在加热焊接头的基础上，也加热下面的支撑载物台，以便使半导体元件与印刷电路板或载膜接合，采取了从印刷电路板及半导体元件两侧加热的方法。在同一方法中，载物台的加热温度比接合材料的熔点低，比焊接头的温度低200～300℃。但是，随着半导体元件的多端子化和成本竞争的激烈化，为了进一步缩短生产时间和提高焊接的可靠性，需要增加向半导体元件加入的热量。为此，需要逐步将载物台的加热温度提高到与焊接头大致相同的水平来进行安装。该载物台设在安装装置内置的金属加热器座的上面，载物台本身没有加热机构。
通常，焊接头应安装在安装装置内不干涉周围构件的位置上，但载物台位于高密度组装了载膜的箝位器(clamper)、印刷电路板座、半导体元件座和拾波器(pick-up)等部件的位置上时，发生下列问题。
①加热到高温时，周围的零件受到辐射热而温度升高，因热膨胀致使接合位置的精度下降。
②因温度增高而自载物台表面的放热影响增大，为控制温度而增大输出，从而增加了电源负荷。
③与安装装置内置式加热器的温度的偏离差增大。
另外，要求半导体元件与印刷电路板接合的高可靠性，对载物台表面平面度也有要求。
另外，关于通过ACF(Anisotropic Conductive Film)、ACP(AnisotropicConductive Paste)、NCP(Non Conductive Paste)树脂材料的接合，因接合温度低，载物台或焊接头粘附着树脂，所以需要定期清理载物台和焊接头的表面。为了能在粘附树脂后仍继续安装，就要通过加热凝固，并不损坏载物台或焊接头的焊接面而清除，需要长时间浸泡在有机溶剂中处理，很麻烦。
本发明的宗旨是解决上述技术问题，提供一种能够减小安装设备内的热负荷，使半导体元件的全部端子与印刷电路板或载膜的导线高精度焊接合的焊接载物台。另外，在通过树脂材料的接合法中，提供一种树脂不易粘附在表面上并易清除的焊接载物台。
发明内容
本发明焊接载物台的特征是，主体部由导热率为100W/mK以上的构件组成，该主体部的外缘至少有一部分由导热率为50W/mK以下的构件组成的外周部。要求焊接载物台的载物台面内的温度分布应该均匀，以便使形成在半导体元件的各电极端子可靠地与印刷电路板电极端子接合。在其最上面，构成载物台面的主体部可采用导热率高的物质，导热率最好为100W/mK以上。在载物台加热到一定温度、所使用的固定加热方式中，当导热率为100W/mK以下时，得不到所需的温度均匀性。在周期性急剧升温降温的脉冲加热方式中，导热率应更高最好在120W/mK以上。另外，为了减少对周边零件的热辐射，焊接载物台的外周部的材质，应采用导热率低的材质，导热率最好在50W/mK以下。在为50W/mK以上时，从表面的散热量增大，周边零件的温度上升，致使零件产生热膨胀，使安装位置的精度明显下降。另外，由于需要加入很大的热量，所以增大了加热器的电力。图1是本发明的焊接载物台的一例。
本发明的另一实施例为，焊接载物台主体部由导热率均为100W/mK以上的至少两个构件组成。这是因焊接载物台总体设计、而使主体部的形状变得复杂的情况。作为本发明主体部而使用的高导热率材料，大多数是难加工的材料，很难加工成复杂形状且成本增高。这种情况下，主体部若由几个形状简单的构件组合的话，即可用较低的成本制造形状复杂的高精度的主体部。
另外，所述至少两个以上构件最好接合成一体。该至少两个以上构件间的接合方法，最好是利用金属焊接剂的接合方法接合成一体。另外，使用时如果是耐高温的结构，也可以用机械方法固定。用金属接合剂的接合方法，需要在比半导体元件安装温度高的高温下接合。例如，在安装半导体元件时，焊接载物台可加热的最高温度，在Au-Sn接合时为450～500℃，构件的接合温度应超过该温度，最好在600℃以上。
在载物台主体部由上述的至少两个以上构件构成的情况下，两个相邻构件的热膨胀系数之差最好在室温与最高使用温度之间，即，在3×10-6/℃以下。这是因为，当室温与最高使用温度的热膨胀率之差超过3×10-6时，载物台上面的平面度增大，半导体元件的安装精度变差。
本发明的焊接载物台的又一实施例是，主体部载物台面，最好涂覆氮化物陶瓷膜。另外，在该主体部的载物台面上所涂覆的氮化物陶瓷膜的、与环氧树脂的接触角度最好为55°以上。采用氮化铬作为氮化物陶瓷能够满足这些要求。在半导体制造生产线中，如前所述，在用金属材料接合的基础上，正在扩大到利用电性树脂片或浆的接合。与金属比较，树脂材料的接合具有接合温度低的优点。但缺点是树脂易粘附在载物台或焊接头上。很多树脂材料的主要成分是环氧树脂，正在寻求不易粘附环氧树脂并易清理的材质。如果粘附环氧树脂，则必须长时间浸泡在有机溶剂中清洗，由于不是由机械的组装作业，所以成本增高。
本发明的发明人刻苦研究的结果发现，氮化物陶瓷的表面与环氧树脂的接触角度为55°以上，环氧树脂不易粘附，而且热硬化后极易清除。形成载物台前端面的材质不必采用整体材料，可在表面涂覆陶瓷膜。
在本发明的焊接载物台中，在上述主体部载物台面上涂覆的氮化物陶瓷膜的硬度最好在1800kg/mm2以上。这样在清除树脂时，一般用砂轮或刷子清理不会划伤载物台面，载物台面涂覆的氮化物陶瓷膜的硬度如果为1800kg/mm2以上，则进行清除处理时，载物台不会留下擦痕。
另外，在本发明的焊接载物台中，在上述主体部的载物台面上所涂覆的氮化物陶瓷膜的表面光洁度最好在0.05μm以上、0.2μm以下。如果表面光洁度超过0.2μm，则树脂易粘附。以不足0.05μm的表面光洁度加工，在技术上是可能的。但是，研磨非常费时并使制造成本提高，对于树脂的粘附性和清除的难易程度效果没有变化。
在氮化物陶瓷中满足上述要求的最好的是氮化铬。氮化铬之外的氮化陶瓷也可使用氮化硅、氮化铝等。
在本发明的焊接载物台中，上述主体部最好由从立方晶一氮化硼烧结体、金刚石烧结体、单晶金刚石、气相合成金刚石、氮化铝烧结体、钼、钨中选择出的至少一种以上的材料构成，上述外周部最好由从镍钴合金、硬质合金、铁镍钴合金、氧化铝陶瓷烧结体、氧化锆陶瓷烧结体中选择出的至少一种以上的材料加工而成。主体部采用的材质应考虑导热率、热膨胀系数、半导体芯片材质的Si或对清除金属接合材的粘附物的砂轮的耐磨性，从上述组合中选择。另外，低导热率的外周部，同上可从上述的组合中选择。
本发明焊接载物台，主体部台面的平面度最好在1μm以下。近年来由于半导体元件的小型化高密度端子化，焊接头的平面度降低，安装温度下，要求精度在2μm以下1μm以上，作为载物台的平面度，最好为在1μm以下的凸面。
在本发明另一实施例的焊接载物台中，所述主体部至少应设有一处测温用温度计插入孔。传统的载物台是通过检测具有载物台固定功能的金属加热器座部分的温度来控制加热器的输出。为此，加热器控制温度和载物台上面的温度产生偏离差。本发明的产品可将温度计插进载物台内控制温度，所以，安装温度的控制性甚佳。温度计最好靠近载物台上面。
附图说明
图1是本发明的焊接载物台的实例。
图2是实施例1制造的焊接载物台的结构概念图。
图3是实施例1实施的焊接载物台的结构图。
图4是实施例2实施的焊接载物台的结构图。
图5是实施例3实施的焊接载物台的结构图。
具体实施方式
实施例1
试制了图2的(a)～(c)所示3种形状的焊接载物台。(a)为主体部1由整体构件构成并与外周部3接合。(b)为主体部1、2由接合的两个构件组成，并且构成主体部的两个构件中的一个构件与外周部3接合。(c)是主体部1由整体构件构成，并且主体部不与外周部接合。所制造的焊接载物台的材质组成出示在表1中，所使用的材质的导热率和热膨胀率出示在表2中。
表1焊接载物台的材质组成
| No. | 形状 | 外周部 | 主体部 | ||
| 主体部1 | 主体部2 | 热膨胀差 | |||
| 1 | (b) | Ni-Co | cBN | AlN | 0.5×10-6 |
| 2 | (a) | Fe-Ni-Co | 金刚石烧结体 | Mo | 2.7×10-6 |
| 3 | (c) | 氧化锆 | W | - | - |
| 4 | (b) | 氧化铝 | CVD金刚石 | Mo | 1.7×10-6 |
| 5 | (b) | 硬质合金 | 单晶金刚石 | Mo | 1.7×10-6 |
| 6 | (a) | W | cBN | - | - |
| 7 | (a) | Ni-Co | 氧化铝 | - | - |
| 8 | (b) | 氧化锆 | 单晶金刚石 | Cu | 14.7×10-6 |
表2用于载物台的构件的物理参数
| 材质名称 | 导热率 | 热膨胀率 |
| W/m·K | ×10-6 | |
| Ni-Co | 30 | 5.0 |
| Fe-Ni-Co | 17 | 5.0 |
| 氧化锆 | 3 | 10.0 |
| 硬质合金 | 20 | 5.0 |
| Cbn | 100 | 5.0 |
| 金刚石烧结体 | 300 | 2.3 |
| W | 140 | 4.5 |
| CVD金刚石 | 1000 | 2.3 |
| 单晶金刚石 | 2000 | 2.3 |
| 氧化铝 | 17 | 6.7 |
| AlN | 170 | 4.5 |
| Mo | 130 | 5.0 |
| Cu | 400 | 17.0 |
下面介绍制造工序。
准备厚度为3mm的cBN烧结体、金刚石烧结体、表面利用CVD法合成的多晶金刚石膜的厚度为3mm的陶瓷、厚度为1mm的单晶金刚石作为焊接载物台前端材料。
用YAG激光切割机将cBN烧结体、金刚石烧结体、CVD金刚石合成陶瓷切割成20mm×20mm，将单晶金刚石切割成4mm×4mm。激光输出和振荡频率因加工材料而异。输出为3～100W，振荡频率在1～10KHz范围可调。
用线电火花加工、由金刚石砂轮的平面研磨和车床加工Mo、W、Fe-Ni-Co、Ni-Co、Cu构件。采用金刚石砂轮的研磨加工修整AlN。主体部之间的接合通过采用活性钎焊料的真空钎焊，主体部与外周部的接合采用大气下的Au-Au压接接合。
在形状(a)及(b)焊接载物台的全部构件接合之后，只对形状(c)主体部分的上下面进行平面研磨加之后，一面用热电偶检测，一面用加热器加热，并且一面使载物台面保持在比安装温度低50～100℃的温度下，一面用金刚石砂轮研磨载物台面。
这样，一面用热电偶检测所试制的焊接载物台的温度，一面用加热器加热安装温度，并用激光干涉仪检测表面平面度。
安装在安装设备上之前，应在载物台表面涂覆黑色涂料，然后用红外热摄像仪检测载物台前端面的温度分布。这时，将载物台中央部分的温度与加热器控制温度之差作为加热温度与表面温度的偏离差量记录。另外，在安装过程中，用银焊剂连接热电偶、检测安装设备的带型印刷电路板箝位器的温度，作为周边温度。
然后，按照图3的方法用该焊接载物台安装半导体元件。用热电偶24测温并用加热器25将焊接头13加热到320℃，用加热器附近的热电偶16检测焊接载物台11的温度，并保持在350℃，按压半导体元件的上面，使半导体元件12背面的电极与印刷电路板的电极接合。接合方式为共晶焊。表3出示了载物台的形状精度、控制性、安装时的状态和元件端子与印刷电路板侧电极的接合状态的评价结果。
表3焊接载物台的检测结果
| No. | 平面度 | 表面温度分布 | 与加热器温度的差 | 周边温度 | 接合状态 |
| 1 | 1.0μm | 4℃以下 | 60℃ | 50℃ | ○ |
| 2 | 0.8μm | 2℃以下 | 65℃ | 45℃ | ○ |
| 3 | 0.8μm | 4℃以下 | 40℃ | 40℃ | ○ |
| 4 | 1.0μm | 2℃以下 | 60℃ | 45℃ | ○ |
| 5 | 0.8μm | 2℃以下 | 65℃ | 45℃ | ○ |
| 6 | 0.8μm | 4℃以下 | 55℃ | 80℃ | △ |
| 7 | 0.8μm | 10℃以下 | 100℃ | 50℃ | △ |
| 8 | 5.0μm | 2℃以下 | 30℃ | 40℃以下 | △ |
以外周部的导热率小于50W/m·K、主体部的导热率大于100W/m.K，主体部由整体构件构成或由两个构件构成，其热膨胀率之差在3×10-6以下的No.1～5中，载物台面的平面度在1μm以下，面内温度分布在5℃以下，为适合安装的状态，半导体元件安装评价结果良好。No.6为载物台周边的温度上升，安装半导体元件的树脂制带型印刷电路板发生变形。No.7因控制温度与加热器温度的差大，载物台温度没有控制在最佳温度范围。No.8中载物台面的平面度较差，有接合不均匀的部分。
实施例2
在实施例1制造的No.1焊接载物台的载物台面上，经PVD法制成1～10μm的TiN、CrN、TiAlN、DLC(类金刚石碳膜)4种涂膜。对TiN、CrN，制成了膜最大表面光洁度各异的两种膜。用微努普压头和薄膜硬度检测计测涂膜硬度。涂覆膜与环氧树脂间的接触角，可通过在涂覆膜上滴微量环氧树脂粘接材料，用折射放大镜检测液滴表面切线与膜表面的角度。另外，还用表面光洁度计用金刚石触针检测表面光洁度。
用所制造的载物台将半导体元件安装在印刷电路板上。粘接材料采用ACF，按图4的方法将半导体元件12粘接在载物台11上，焊接头13从印刷电路板背面推压进行热压接合。一面用热电偶测温，一面用加热器加热，将载物台的温度加热到220℃，焊接头的温度加热到200℃。安装100个半导体元件后，检查载物台上ACF树脂粘附情况。另外，安装200个半导体元件后，检查载物台上面与半导体元件之间是否有摩擦、元件是否破损等。检测结果见表4。
表4载物台表面涂覆膜的评价结果
| 涂覆膜材料 | 硬度 | 接触角度 | 表面光洁度μm | 粘附物的清除 | 耐磨性 |
| TiN | 2000 | 60° | 0.03 | 用酒精棉擦3次 | 无磨损和伤痕 |
| TiN | 2000 | 60° | 0.05 | 用酒精棉擦3次 | 无磨损和伤痕 |
| TiAlN | 4000 | 55° | 0.2 | 用酒精棉擦3次 | 无磨损和伤痕 |
| TiAlN | 4000 | 55° | 0.3 | 用酒精棉擦5次 | 无磨损和伤痕 |
| CrN | 1800 | 60° | 0.2 | 用酒精棉擦1次 | 无磨损和伤痕 |
| DLC | 3000 | 38° | 0.1 | 丙酮保持2小时+酒精棉擦拭 | 无磨损和伤痕 |
| 无(cBN) | 4500 | 46° | 0.1 | 丙酮保持1小时+酒精棉擦拭 | 无磨损和伤痕 |
| 无(PCD) | 8000 | 53° | 0.1 | 丙酮保持5小时+酒精棉擦拭 | 无磨损和伤痕 |
| 无(AlN) | 1200 | 50° | 0.1 | 丙酮保持5小时+酒精棉擦拭 | 有磨损 |
与环氧树脂间的接触角度在55°以上的TiN、TiAlN、CrN不易粘附树脂，用酒精棉就能简单地擦干净。结论是威氏硬度在1800以上的材质，未见Si屑引起的磨损和摩擦痕迹，结果是耐磨性良好。特别是即使粘附了CrN屑也易清除，得到了最佳结果。另外，对TiN的两种表面光洁度作了评价，但该两例中未见因表面光洁度引起的性能差异，表面光洁度在0.05μm即可。表面光洁度与载物台面的研磨时间有很大关系，硬质材料的研磨加工时间长成本高，所以表面光洁度不必超过所需程度。另外，改变TiAlN的表面光洁度进行了比较，发现表面光洁度在0.3μm以上时，虽无磨损或伤痕，但粘附的接合材料不易清除，表面光洁度最好在0.05以上0.2μm以下。载物台面涂覆氮化物陶瓷的与未涂覆DLC涂覆膜及未涂覆涂覆膜的相比较，其抗附着性和易剥离性均佳。
实施例3
采用实施例1的No.2制成的焊接载物台，热电偶的插入位置改变了三处，用加热器加热，对温度控制性做了比较。用放射温度计检测载物台表面的温度，对控制温度进行了比较。进而将载物台保持在550℃下，按照图5的方法用Au压接，使半导体元件与薄膜印刷电路板的导线端子接合，对接合状态进行了评价。评价结果见表5。
表5加热试验结果
| 热电偶安装位置 | 稳定加热时 | 安装结果 | ||
| 控制温度 | 表面温度 | 状态 | 备注 | |
| 图5的热电偶位置 | 550℃ | 530℃ | ◎ | 均匀接合 |
| 加热器座上部 | 550℃ | 450℃ | ○ | 被接合方不均匀 |
| 加热器座下部 | 650℃ | 540℃ | × | 接合强度弱，有的端子与导线脱离 |
当安装温度增高时，加热器座下部的温度检测的控制与表面温度的差增大，难以控制。温度控制用热电偶的安装位置，越靠近焊接载物台的台面效果越佳。至少应在加热器座的上部或安设在焊接载物台部分上。
产业应用的可能性
本发明的焊接载物台，由于主体部采用具有高导热率的构件，所以载物台面的温度分布均匀，因周边部采用低导热率的构件，故载物台整体的热效率增高，尚能减少对周边部的热影响。再者，因载物台面采用氮化物陶瓷，能够减少树脂等的粘附，即使在粘附树脂时也易清除。
通过使用该焊接载物台能够缩短生产时间，提高半导体制造装置的焊接合格率，进一步降低维修频率和时间，提高生产线总体效率。
Claims (12)
1.一种焊接载物台，其特征在于：主体部由导热率为100W/mK以上的构件组成，并存在该主体部的外缘至少有一部分是由导热率为50W/mK以下的构件组成的外周部。
2.如权利要求1所述的焊接载物台，其特征在于：所述主体部由导热率均为100W/mK以上的至少两个构件组成。
3.如权利要求2所述的焊接载物台，其特征在于：构成所述主体部的至少两个构件被接合成一体。
4.如权利要求2或3所述的焊接载物台，其特征在于：构成所述主体部的至少两个相邻构件的热膨胀系数之差为3×10-6/℃以下。
5.如权利要求1～4中任意一项所述的焊接载物台，其特征在于：所述主体部的载物台面涂覆有氮化物陶瓷膜。
6.如权利要求1～5中任意一项所述的焊接载物台，其特征在于：在所述主体部的载物台面上所涂覆的氮化物陶瓷膜的、与环氧树脂的接触角度为55°以上。
7.如权利要求1～6中任意一项所述的焊接载物台，其特征在于：在所述主体部的载物台面上所涂覆的氮化物陶瓷膜的硬度为180kg/mm2以上。
8.如权利要求1～7中任意一项所述的焊接载物台，其特征在于：在所述主体部的载物台面上所涂覆的氮化物陶瓷膜的表面光洁度在0.05μm以上、0.2μm以下。
9.如权利要求1～8中任意一项所述的焊接载物台，其特征在于：在所述主体部的载物台面上所涂覆的氮化物陶瓷膜为氮化铬。
10.如权利要求1～9中任意一项所述的焊接载物台，其特征在于：所述主体部由从立方晶一氮化硼烧结体、金刚石烧结体、单晶金刚石、气相合成金刚石、氮化铝烧结体、钼、钨中选择出的至少一种以上的材料构成，所述外周部由从镍钴合金、硬质合金、铁镍钴合金、氧化铝陶瓷烧结体、氧化锆陶瓷烧结体中选择出的至少一种以上的材料加工而成。
11.如权利要求1～10中任意一项所述的焊接载物台，其特征在于：所述主体部的载物台面的平面度为1μm以下。
12.如权利要求1～11中任意一项所述的焊接载物台，其特征在于：所述主体部至少有一个部位设有测温用温度计插入孔。
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