JP2004087704A - ダイボンディング装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体チップの良好なダイボンディングを実現すること。
【解決手段】半導体チップTと基板Sとを加熱加圧して、それらに介在するロウ材により接合するダイボンディング装置20であって、基板Sを載置すると共に加熱する加熱手段6と、その先端部で半導体チップTを保持する保持部材12と、この保持部材12を介して半導体チップTを加熱手段6に載置された基板T側に加圧する加圧手段と、を有し、保持部材12の少なくとも先端部を熱伝導率がルビーよりも低い素材から形成する。
【選択図】 図1
【解決手段】半導体チップTと基板Sとを加熱加圧して、それらに介在するロウ材により接合するダイボンディング装置20であって、基板Sを載置すると共に加熱する加熱手段6と、その先端部で半導体チップTを保持する保持部材12と、この保持部材12を介して半導体チップTを加熱手段6に載置された基板T側に加圧する加圧手段と、を有し、保持部材12の少なくとも先端部を熱伝導率がルビーよりも低い素材から形成する。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体チップを基板に接合するダイボンディング装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年の半導体の需要の増大化に伴い、その製造については自動化が進んでいる。半導体の製造工程の中には、半導体チップをロウ材により基板に接合するダイボンディング工程というものがあるが、かかる工程についても自動化が行われている。
【0003】
半導体としての半導体レーザ素子の製造工程におけるダイボンディング工程を行う場合を例に従来のダイボンディング装置50を図4により説明する。この半導体レーザ素子は、例えばGaAlAs系の半導体レーザチップTと、外部への接続リードを備えるリード基板(図示略)と、これらの間に介挿される銅やシリコンからなるサブマウントSとを備えている。そして、ダイボンディング装置50は、サブマウントSに対する半導体レーザチップTのダイボンディングを行うものである。サブマウントSには半導体レーザチップTのボンディング位置に予めロウ材のとしてのAu−Sn系又はAu−Si系の共晶ハンダ膜Hが形成されており、ダイボンディング装置50は、かかるボンディング位置において半導体レーザチップTを加圧して加熱することでこれらを接合する。
【0004】
具体的には、ダイボンディング装置50は、載置されたサブマウントSを吸着保持すると共に下方から加熱するヒータステージ51と、半導体レーザチップTを保持して搬送すると共にヒータステージ51上のサブマウントSに半導体レーザチップTを加圧するチップノズル52とを備えている。
かかるチップノズル52は、図5に示すように、その中心線に沿って貫通穴53を有する管状に形成されており、図における下端部の端面の外形は直径300[μm],内径は100[μm]に設定されている。また、チップノズル52の上端部は貫通穴53の内部を負圧とする図示しない吸引手段と接続されている。従って、下端部側から外気を吸引することになり、当該下端部端面に半導体レーザチップTを保持することを可能とする。
【0005】
そして、このように、チップノズル52の下端部で半導体レーザチップTを保持した状態でヒータステージ51上のサブマウントSまで搬送し、チップノズル51を押し下げて半導体レーザチップTをサブマウントS側に加圧すると共に下方から280〜380[℃]で1[sec]間加熱し、共晶ハンダ膜Hの溶融によりこれらを接合する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のダイボンディング装置50は、半導体レーザチップTをサブマウントS側に加圧しながらサブマウントSの下方から加熱して接合を行う。従って、サブマウントSが加熱されて半導体レーザチップTに熱が伝わり、さらに、半導体レーザチップTの熱はチップノズル52にも伝達される。かかるチップノズル52は、その熱伝導率が75[W/m・K]程度の超硬金属や30[W/m・K]程度のルビー或いは30[W/m・K]程度のアルミナを素材としているため、半導体チップTはチップノズルTが接触する部分とそうではない部分とで10[℃]程度の温度差が生じてしまう、という問題があった。
かかる場合、半導体レーザチップTとサブマウントSとの間に介在する共晶ハンダ層Hには溶融が十分に行われる部分とそうではない部分とが生じ、接合不良を生じてしまう可能性があった。また、半導体チップTの内部で上述のような温度差が生じると、図4に示すように、バイメタル効果により半導体チップTにソリを生じ、さらに接合不良を生じる可能性があった。
【0007】
また、半導体チップTはチップノズル52の吸引により保持されているので、加熱時において、半導体レーザチップTとチップノズル52の先端面との隙間から外気空気の流入を生じ、この流動する空気もまた温度差の発生の原因となっていた。
【0008】
本発明は、半導体チップと基板とを良好に接合することを、その目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の発明は、半導体チップとその基板とを加熱加圧して、それらに介在するロウ材により接合するダイボンディング装置であって、基板を載置すると共に加熱する加熱手段と、その先端部で半導体チップを保持する保持部材と、この保持部材を介して半導体チップを加熱手段に載置された基板側に加圧する加圧手段とを有し、保持部材の少なくとも先端部を熱伝導率がルビーよりも低い素材から形成する、という構成を採っている。
【0010】
ここで、上記「半導体チップ」には、半導体レーザチップ,ICチップ,LSIチップ等のように半導体に該当する素子の電子回路が形成されるチップ全般を示すものとする。
また「基板」とは、アルミナ基板やセラミック基板を含む上述の半導体チップがダイボンディングされる基板全般をいうものとする。従って、アルミナ基板,セラミック基板,半導体レーザチップに対するサブマウント等も「基板」の概念に含むものとする。
【0011】
上記構成では、加熱手段において基板を加熱し、これと前後して保持部材の先端に保持された半導体チップを基板上面に載置すると共に加圧する。このとき、基板と半導体チップとの間には加熱によって溶融するロウ材が介挿されている。かかるロウ材は、ダイボンディング工程の前に予め基板又は半導体チップのいずれかにその接合面に層状に形成しても良く、また、基板側に半導体チップを加圧する際に介挿せしめても良い。
【0012】
そして、加熱手段からの加熱により、基板を介して熱が伝導されてロウ材が溶融し、半導体チップ側からの加圧によりロウ材は基板とチップの隙間に広がり、加熱手段からの熱は半導体チップにも伝導する。このとき、保持部材が熱伝導率の高い素材であると、半導体チップに伝導した熱はさらに保持部材側に逃げて、半導体チップの加熱状態が保持部材の接触している部分としていない部分とで不均一となるが、上記構成では、保持部材の先端部は熱伝導率が低い素材により形成されているので、保持部材側への熱量の損失が少なく、上述のような不均一状態の発生が抑制される。
【0013】
請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明と同様の構成を備えると共に、保持部材の先端部の端面に凹部と凸部とを設け、凸部のみで半導体チップと接触して保持する、という構成を採っている。
上記凹部と凸部には、保持部材の先端面に溝部を設けた場合をも含むものとする。その場合、溝部が凹部であり、溝部以外の部分が凸部となる。
上記構成では、請求項1記載の発明と同様の動作が行われると共に、保持部材がその先端部の端面全体ではなく凸部のみで半導体チップと接触するので、接触面積が低減され、半導体チップから保持部材側へ伝導される熱量をさらに低減することができる。
【0014】
請求項3記載の発明は、請求項1又は2記載の発明と同様の構成を備えると共に、保持部材が半導体チップを保持する際には、空気吸引手段を作動させて、その先端部からの外気の吸引を行う。これにより、管状の保持部材はその内部が大気圧よりも低圧となり、保持部材の先端部に半導体チップが吸着する。そして、かかる状態で、加熱手段上の基板に対して保持部材は加圧を行う。すると、加圧検出手段により加圧状態が検出され、吸引停止機能により、保持部材における吸引状態が非吸引状態に切り替えられる。その結果、保持部材の先端部では半導体チップを吸着することができなくなるが、既に、半導体チップは基板と保持部材との間に挟まれているので、加熱及び加圧が有効に行われ、半導体チップは基板に接合される。
【0015】
ここで、加圧検出手段は、保持部材の加圧状態を直接的に検出するセンサや、加圧手段への加圧開始を指示する制御信号を検出する手段をも含まれるものとする。
また、保持部材の吸引状態と非吸引状態との切り替えは、空気吸引手段に対する作動と非作動を制御信号により指示する場合や、保持部材と空気吸引手段との間でその接続状態と非接続状態とを制御信号により切り替える場合を含むものとする。
【0016】
【発明の実施の形態】
(実施の形態の全体構成)
本発明の実施の形態を図1〜図3に基づいて説明する。本実施形態たるダイボンディング装置20は、半導体チップとしての半導体レーザチップTを基板としてのサブマウントSに対してダイボンディングするための装置である。かかるダイボンディング装置20は、ダイボンディング前のサブマウントSを複数載置可能なサブマウントトレー2をその上部に備えるサブマウントトレーステージ1と、ダイボンディング前の半導体レーザチップTを複数載置可能な半導体レーザチップトレー4をその上部に備えるチップトレーステージ3と、上方からの加圧によりサブマウントSに蒸着されたハンダ層の酸化膜を破壊するための作業をその上面で行うサブステージ9と、サブステージ9の上面に載置されたサブマウントSに対して上方から加圧を行うマウント加圧機構11と、熱源であるヒータ6aを内蔵する加熱手段としてのヒータステージ6と、このヒータステージ6をX方向及びY方向に移動して位置決めするX−Yテーブル5と、サブマウントSを保持して所定位置まで搬送するサブマウント搬送手段としてのサブマウントヘッド15と、半導体レーザチップTを保持すると共に所定位置に搬送するチップヘッド13と、ヒータステージ6上のサブマウントSの位置認識を行うためのカメラ16と、上記各構成の動作制御を行う動作制御手段7とを備えている。
【0017】
(各ステージ)
上記各ステージ1,9,6,3は、サブマウントトレーステージ1,サブステージ9,ヒータステージ6,チップトレーステージ3の順番でX方向に沿って一列に並んで配設されている。そして、各ステージ1,9,6,3はいずれもその用途に応じてサブマウントS又は半導体レーザチップTを載置できるようにその上面部が水平且つ平坦に形成されている。
【0018】
また、ステージ1,9,3はその位置が固定されているが、ヒータステージ6のみはX−Yテーブル5によってX方向及びY方向に沿って位置調節可能に支持されている。さらに、ヒータステージ6は、前述したようにヒータ6aを内蔵しているので、その上面に載置されたサブマウントS及び半導体レーザチップTを加熱することが可能となっている。
また、ヒータステージ6とサブステージ9とは、いずれも、その上面にバキュームエアを通すことにより空気吸入を行う吸引孔が設けられている。これは、各ステージ6,9上での作業時において、サブマウントSを所定位置で吸着し、位置ズレを防ぐためのものである。
【0019】
また、ヒータステージ6の近傍には図示しない不活性ガス供給手段と冷却手段とが設けられている。不活性ガス供給手段は、不活性ガスである窒素ガスの供給源とヒータステージ6上に向けられた吹き出しノズルとを有しており、サブマウントSに半導体レーザチップTをボンディングする際にこれらに窒素ガスの吹きつけを行う。また、冷却手段は、冷却エアの供給源とヒータステージ6上に向けられた吹き出しノズルとを有しており、サブマウントSに半導体レーザチップTをボンディングした後にその加熱された状態を冷却エアの吹きつけにより冷却する。
【0020】
(マウント加圧機構)
マウント加圧機構11は、サブステージ9の上方に配設されている。そして、後述する図示しないXYZガントリ及びこれにより移動するマウントヘッド15との衝突を回避し,またそれらの可動を妨げないように、マウント加圧機構11は、Z軸昇降機構(図示略)によりZ方向に沿って移動可能に支持され、上方に退避することが可能である。
【0021】
また、このマウント加圧機構11自体も当該加圧機構11からZ方向に沿って突出移動と退避移動とが可能な加圧治具10を有している。この加圧治具10は、その突出移動(下方への移動)により、その下端部の端面がサブステージ9上のサブマウントSに当接し、加圧することが可能となっている。かかるマウント加圧機構11による上方からの加圧は、サブステージ9上に載置されたサブマウントSの上面に蒸着形成されたハンダ層の酸化膜を破壊するために行われるものである。従って、加圧治具10は、酸化膜の破壊に好適であるように、その下端部の端面に凹凸が形成されるような素材,具体的には他孔質セラミック等により形成されている。また、この加圧治具10は、サブマウントSを全体的に加圧できるように、その下端部の端面がサブマウントSの上面よりも大きく設定されている。
【0022】
(サブマウントヘッド)
サブマウントヘッド15は、図示を省略したXYZガントリにより、X方向,Y方向,Z方向に沿って移動し位置決め可能に支持されている。このサブマウントヘッド15は、下方に突出した状態でサブマウントノズル14を有している。かかるサブマウントノズル14は、超硬である金属素材により形成されており、その下端部の端面から上端部にかけて貫通穴が形成されている。そして、サブマウントノズル14の上端部は図示しない電磁弁を介して図示しないエジェクター等の空気吸引手段と接続されており、その貫通穴にバキュームエアを通すことにより、その下端部の端面にサブマウントSを吸着保持することを可能としている。また、電磁弁は動作制御手段7によりサブマウントノズル14を空気吸引手段と大気開放側とに切り替え可能であり、空気吸引手段側に接続したときにバキュームエアを貫通穴に通してサブマウントSを吸着可能状態とし、大気開放側に接続したときにサブマウントノズル14内を大気圧状態とし、吸着可能状態を解除する。
【0023】
(チップヘッド)
チップヘッド13は、図示を省略したXYZガントリにより、X方向,Y方向,Z方向に沿って移動し位置決め可能に支持されている。なお、このXYZガントリは、前述したマウントヘッド15を支持するXYZガントリと共用化が図られている。つまり、XYZガントリは、X方向とY方向の移動についてはチップヘッド13もマウントヘッド15も共通する構成により実行し、Z方向への移動についてはチップヘッド13とマウントヘッド15とについてそれぞれ個別に実行する構成を備えている。
【0024】
上記チップヘッド13は、下方に突出した状態で保持部材としてのチップノズル12を有している。図2は、かかるチップノズル12の斜視図である。
このチップノズル12は、熱伝導率が3[W/m・K]程度のジルコニアや0.23[W/m・K]程度のポリイミド樹脂のような低熱伝導率で適度に硬度を備える素材により形成されており、その下端部の端面から上端部にかけて貫通穴17が形成されている。そして、チップノズル12の上端部は図示しない電磁弁を介して図示しないエジェクター等の空気吸引手段と接続されており、その貫通穴にバキュームエアを通すことにより、その下端部の端面に半導体レーザチップTを吸着保持することを可能としている。また、電磁弁は動作制御手段7によりチップノズル12を空気吸引手段と大気開放側とに切り替え可能であり、空気吸引手段側に接続したときにバキュームエアを貫通穴に通して半導体レーザチップTを吸着可能状態とし、大気開放側に接続したときにチップノズル12内を大気圧状態とし、吸着可能状態を解除する。
【0025】
さらに、チップノズル12の下端部にはその端面の外縁部から貫通穴17を通過する凹部としての溝部18を有している。かかる溝部18を設けることで、チップノズル12が半導体レーザチップTを吸着する際に、溝部18以外の下端部端面(凸部)で半導体レーザチップTと接触するために端面との接触面積が低減され、チップノズル12側への伝達される熱量が低減されることにより、半導体レーザチップT及びサブマウントSの温度変化を抑制する効果を発揮する。また、チップノズル12の吸着時において、外気がかかる溝部18を通って吸引されるのでこれがない場合と比較して吸引外気の整流効果を発揮する。
【0026】
また、チップヘッド13は、チップノズル12をZ方向に沿って駆動させる図示しない加圧手段としてのチップ加圧機構を備えている。これにより、半導体レーザチップTをサブマウントSにダイボンディングする際に加圧することを可能としている。さらに、チップノズル12における半導体レーザチップTの加圧状態及び加圧力を検出する図示しない加圧検出手段が加圧手段には併設されている。かかる加圧検出手段は、例えば、チップヘッド13がチップノズル12を弾性体を介して支持すると共に当該チップノズル12をサブマウントS側に押し付けたときの反力による弾性体の変形量から測定できる。
【0027】
(動作制御手段及びこれに基づくダイボンディング装置の動作)
図3は、ダイボンディング装置20の制御系を示すブロック図である。動作制御手段7は、CPU,ROM,RAM等を含む演算装置で構成され、これらに所定のプログラムが入力されることにより、ヒータ6a,X−Yテーブル5,マウント加圧機構11,チップ加圧機構,Z軸昇降機構,不活性ガス供給手段,XYZガントリ,サブマウントヘッド用の吸気吸引手段,チップヘッド用の空気吸引手段,冷却手段に対して下記に示す動作に従って動作制御を実行する。
【0028】
また、この動作制御手段7は、吸引停止機能19を有している。かかる吸引停止機能19により、チップヘッド13のチップ加圧機構により半導体レーザチップTの加圧を行う際に、チップノズル12の電磁弁を大気開放側へ切り替えて当該チップノズル12内への大気吸引を中断させる動作制御が行われる。例えば、チップヘッド13にチップノズル12の加圧時における反力を検出するセンサを設け、その反力が規定値を上回る際に電磁弁を大気開放側へ切り替えるように制御することで実現する。
【0029】
以下、ダイボンディング装置20の動作を説明する。前述したように、このダイボンディング装置20は、サブマウントS上に半導体レーザチップTをダイボンディングさせることを目的とする装置である。そして、サブマウントSは窒化アルミニウム又はシリコンから形成されており、半導体レーザチップTを接合する面(図1における上面)の表面にはAu−Snからなる共晶ハンダ膜が3[μm]程度蒸着されている。また、半導体レーザチップTは、例えば、GaAlAs系であり、大きさは縦300[μm],横500[μm],厚さ80〜130[μm]程度のものを対象とする(無論、これに限定されるものではない)。そして、ダイボンディング装置20は、サブマウントSの共晶ハンダ膜を加熱し溶融させることにより半導体レーザチップTを固着させるものである。
【0030】
まず、サブマウントヘッド15のサブマウントノズル14が吸引状態となるように電磁弁が切り替えられ、XYZガントリによりサブマウントヘッド15をサブマウントトレーステージ1上のいずれかのサブマウントSに位置決めする。そして、サブマウントヘッド15をZ方向に沿って下降させ、サブマウントノズル14先端にサブマウントSを吸着させる。
【0031】
そして、サブマウントヘッド15をサブステージ9に搬送し、ステージ9上の所定位置にサブマウントSを載置し、電磁弁を大気開放側に切り替えて、サブマウントSを吸着状態から開放する。その後、サブマウントヘッド15はマウント加圧機構11の邪魔とならないようにサブステージ9上から退避させる。一方、サブステージ9の吸引孔を吸引状態としてサブマウントSをステージ上の所定位置に吸着保持させる。
【0032】
次に、マウント加圧機構11がZ軸昇降機構により加圧作業を行うための所定高さまで下降され、その高さが決まると、加圧治具10を下降させて、その端面によりサブステージ9上のサブマウントSを1〜2[N]の加圧力にて加圧する。かかる加圧力の設定は、例えば、マウント加圧機構11が加圧治具10を弾性体を介して支持すると共に当該治具10をサブマウントSに押し付けたときの反力による弾性体の変形量から測定できる。
そして、かかる加圧によりサブマウントSのハンダ膜の表面に形成されていた酸化膜が破壊される。
【0033】
加圧が済むと、マウント加圧機構11はZ軸昇降機構により退避位置まで退避させられる。そして、再びマウントヘッド15がXYZガントリによりサブステージ9上のサブマウントSに位置決めされ、電磁弁を吸引状態に切り替えてサブマウントノズル14によりサブマウントSを吸着する。また、このときサブステージ9の吸引孔は吸引状態を解除する。
【0034】
一方、ヒータステージ6のヒータ6aは、予めプリヒート温度である100[℃]に加熱されている。なお、ヒータステージ6は図示しない温度検出手段を備えており、その出力から動作制御手段7は温度制御を行っている。そして、温度維持されたヒータステージ6上にサブマウントヘッド15が位置決めされ、電磁弁を大気開放側に切り替えて、サブマウントSを吸着状態から開放する。その後、サブマウントヘッド15はチップヘッド14の邪魔とならないようにヒータステージ6上から退避させる。一方、ヒータステージ6の吸引孔を吸引状態としてサブマウントSをステージ上の所定位置に吸着保持させる。
【0035】
その後、図示しないゆらぎ対策手段によりゆらぎ対策を行いながら、カメラ16によりヒータステージ6上のサブマウントSを撮像し、取得された撮像データからヒータステージ6又はサブマウントS又は双方に付されたマーク(図示略)を利用して、或いはヒータステージ6の上面及びサブマウントSの外形(エッジ)を利用してサブマウントSがヒータステージ6の上面において所定位置にあるか否かを認識する。もし、位置ズレが許容範囲外の時にはX−Yテーブル5を作動させてサブマウントSの位置修正を行う。
なお、プリヒート温度である100[℃]は、カメラ16による撮像において、ゆらぎ対策を実行しつつ位置認識を実行する場合の認識精度に影響が出ない範囲内であってその上限値に近い温度である。
また、ゆらぎ対策手段としては、独立した構成としても設けても良いが、前述した冷却手段により実現することができる。即ち、冷却手段により低圧力でエアを吹き付けることで、ヒータステージ6上における揺らぎの原因となる加熱空気を除去することで実現される。
【0036】
上記認識作業が完了すると、チップヘッド13がそのXYZガントリによりチップトレーステージ3上に搬送される。そして、チップノズル12はその電磁弁が吸引状態に切り替えられ、その下端部の端面に半導体レーザチップTを吸着する。さらに、チップヘッド13はヒータステージ6上に搬送され、サブマウントS上に半導体レーザチップTを載置する。
【0037】
なお、ヒータ6aは前述したサブマウントS位置認識作業完了から上述の半導体レーザチップTをサブマウントS上に載置するまでにその加熱温度を100[℃]から250[℃]まで昇温する。この250[℃]という温度は、サブマウントSの共晶ハンダ膜が溶融を生じる直前の温度である。
【0038】
さらにチップヘッド13は、チップ加圧機構によりチップノズル12を介して半導体レーザチップTを0.3〜0.5[N]程度の荷重で加圧する。また、かかる加圧時において、吸引停止機能19により電磁弁が大気開放側に切り替えられ、チップノズル12内への大気の流動が停止され、大気流動による熱損失が抑えられるので、ボンディング時における半導体レーザチップTの局所的な温度格差が抑制される。
【0039】
上記半導体レーザチップTの加圧と同時に、不活性ガス供給手段が作動し、ヒータステージ6上に窒素ガスが吹き付けられる。また、これと同時に、ヒータ6aがサブマウントSのAu−Snハンダ膜の溶融温度である280[℃]を考慮した設定温度である360[℃]まで加熱される。そして、ヒータ6aは、かかる設定温度状態を1[sec]維持してサブマウントSの共晶ハンド膜を溶融させ、その後加熱を停止する。
【0040】
その後、冷却工程に移行する。即ち、冷却手段が作動し、ヒータステージ6上に0.5[MPa]のエア圧で冷却エアの吹きつけが行われ、半導体レーザチップTと及びサブマウントSとが250[℃]まで冷却される。これにより共晶ハンダは溶融状態から凝固状態となり、半導体レーザチップTがサブマウントS上に接合される。
【0041】
そして、チップヘッド13は電磁弁を吸引状態に切り替えてチップノズル12により半導体レーザチップTをサブマウントSごと吸着する。このときヒータステージ6の吸引孔は吸引状態を解除する。また、冷却手段は、チップノズル12に保持された半導体レーザチップT及びサブマウントSが位置ズレや脱落を生じないよう範囲までエア圧が低減される(例えば0.2[MPa])。
さらに、XYZガントリにより図示しないダイボンディング済みの格納トレーに搬送されて吸着を解除し、当該トレーに半導体レーザチップTがダイボンディングされたサブマウントSが格納される。
また、冷却手段は、ヒータステージ6の近傍からサブマウントS及び半導体レーザチップTが離れると、再びエア圧を0.5[MPa]に戻し、ヒータステージ6がプリヒート温度である100[℃]となるまで継続して冷却する。
【0042】
(ダイボンディング装置の効果)
上位ダイボンディング装置20では、チップノズル12を熱伝導率の低い素材であるジルコニアから形成したので、加圧時において、半導体チップまで伝導された熱がさらにチップノズル12に伝導されることによる熱量の損失が低減される。従って、半導体チップTにチップノズル12が接触する部分と接触しない部分との温度差が約2[℃]にまで低減することができ、半導体レーザチップ全体における加熱ムラを抑制することが可能となる。従って、加熱不均一を原因とする接合不良を効果的に抑制することが可能となる。また、加熱不均一による半導体チップのたわみの発生も効果的に抑制することが可能となる。
【0043】
また、チップノズル12をポリイミド樹脂により形成した場合にも、その熱伝導率の低さから半導体チップTにチップノズル12が接触する部分と接触しない部分との温度差が約0.2[℃]にまで低減することができ、半導体レーザチップ全体における加熱ムラを抑制することが可能となる。従って、加熱不均一を原因とする接合不良を効果的に抑制し、半導体チップのたわみの発生も効果的に抑制することが可能となる。
【0044】
なお、チップノズルはその全体だけではなく半導体レーザチップTと接触する先端部のみを低熱伝導率の素材としても良い。また、チップノズルの素材については上述のものに限定されるものではなく、ルビー(熱伝導率30[W/m・K])よりも低い素材であれば良いが、熱伝導率10[W/m・K]以下程度のものであって広範な種類の半導体チップについてソリを生じない程度に加熱ムラを低減し得ることを可能とすることが望ましい。例えば、熱伝導率10〜5[W/m・K]の低熱伝導率アルミナ等がこれに該当する。さらに、半導体チップの保持を可能な程度の硬度を有する樹脂や低熱伝導率のセラミック等であっても良い。好ましくは、熱伝導率5〜1 [W/m・K]、さらに好ましくは熱伝導率1〜0.1[W/m・K]の素材である。
【0045】
また、上記実施形態では、チップノズル12の先端部に溝部18を設けることで凹部と凸部を形成する構成を例示したが、凹部と凸部の形成によりチップノズルの先端面の半導体チップに対する接触面積の低減が図れればいかなる形状又は構造であっても良い。例えば、チップノズルの先端部により多くの溝を設けても良いし、多孔質としてもよく、また逆に複数の突起を有する構造としても良い。なお、より望ましくは、溝や穴を設ける構造として、放熱効果を生じにくいものとする方が、半導体レーザチップの温度差を低減する観点からは有利である。
【0046】
【発明の効果】
請求項1記載の発明は、保持部材の先端部を熱伝導率の低い素材から形成したので、加圧時において、半導体チップまで伝導された熱がさらに保持部材に伝導されることによる熱量の損失が低減される。従って、半導体チップの保持部材が接触する部分と接触しない部分とでの加熱不均一状態が抑制される。従って、半導体チップ全体における加熱ムラを原因とする接合不良を効果的に抑制することが可能となる。また、加熱ムラによる半導体チップのソリの発生も効果的に抑制することが可能となる。
【0047】
請求項2記載の発明は、保持部材がその先端部の端面全体ではなく凸部のみで半導体チップと接触するので、接触面積の低減により、半導体チップから保持部材側へ伝導される熱量がさらに低減され、より半導体チップの接合部全体が均一に加圧され、接合不良や半導体チップのたわみがより効果的に抑制される。
【0048】
請求項3記載の発明は、吸引停止機能により、半導体チップが基板側に加圧されると、それまで外気吸引により半導体チップを吸着保持していた保持部材の吸引状態が解除されるので、保持部材の先端部と半導体チップとの隙間から流入する外気により奪われる半導体チップの熱量の損失が有効に回避され、より半導体チップの接合部全体が均一に加圧され、接合不良や半導体チップのたわみがより効果的に抑制される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態の全体構成を示す概略構成図である。
【図2】図1に開示したチップノズルの斜視図である。
【図3】実施形態の制御系を示すブロック図である。
【図4】従来例の要部を示す部分説明図である。
【図5】図4に開示したチップノズルの斜視図である。
【符号の説明】
6 ヒータステージ(加熱手段)
7 動作制御手段
12 チップノズル(保持部材)
18 溝部(凹部)
19 吸引停止機能
20 ダイボンディング装置
S サブマウント(基板)
T 半導体レーザチップ(半導体チップ)
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体チップを基板に接合するダイボンディング装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年の半導体の需要の増大化に伴い、その製造については自動化が進んでいる。半導体の製造工程の中には、半導体チップをロウ材により基板に接合するダイボンディング工程というものがあるが、かかる工程についても自動化が行われている。
【0003】
半導体としての半導体レーザ素子の製造工程におけるダイボンディング工程を行う場合を例に従来のダイボンディング装置50を図4により説明する。この半導体レーザ素子は、例えばGaAlAs系の半導体レーザチップTと、外部への接続リードを備えるリード基板(図示略)と、これらの間に介挿される銅やシリコンからなるサブマウントSとを備えている。そして、ダイボンディング装置50は、サブマウントSに対する半導体レーザチップTのダイボンディングを行うものである。サブマウントSには半導体レーザチップTのボンディング位置に予めロウ材のとしてのAu−Sn系又はAu−Si系の共晶ハンダ膜Hが形成されており、ダイボンディング装置50は、かかるボンディング位置において半導体レーザチップTを加圧して加熱することでこれらを接合する。
【0004】
具体的には、ダイボンディング装置50は、載置されたサブマウントSを吸着保持すると共に下方から加熱するヒータステージ51と、半導体レーザチップTを保持して搬送すると共にヒータステージ51上のサブマウントSに半導体レーザチップTを加圧するチップノズル52とを備えている。
かかるチップノズル52は、図5に示すように、その中心線に沿って貫通穴53を有する管状に形成されており、図における下端部の端面の外形は直径300[μm],内径は100[μm]に設定されている。また、チップノズル52の上端部は貫通穴53の内部を負圧とする図示しない吸引手段と接続されている。従って、下端部側から外気を吸引することになり、当該下端部端面に半導体レーザチップTを保持することを可能とする。
【0005】
そして、このように、チップノズル52の下端部で半導体レーザチップTを保持した状態でヒータステージ51上のサブマウントSまで搬送し、チップノズル51を押し下げて半導体レーザチップTをサブマウントS側に加圧すると共に下方から280〜380[℃]で1[sec]間加熱し、共晶ハンダ膜Hの溶融によりこれらを接合する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のダイボンディング装置50は、半導体レーザチップTをサブマウントS側に加圧しながらサブマウントSの下方から加熱して接合を行う。従って、サブマウントSが加熱されて半導体レーザチップTに熱が伝わり、さらに、半導体レーザチップTの熱はチップノズル52にも伝達される。かかるチップノズル52は、その熱伝導率が75[W/m・K]程度の超硬金属や30[W/m・K]程度のルビー或いは30[W/m・K]程度のアルミナを素材としているため、半導体チップTはチップノズルTが接触する部分とそうではない部分とで10[℃]程度の温度差が生じてしまう、という問題があった。
かかる場合、半導体レーザチップTとサブマウントSとの間に介在する共晶ハンダ層Hには溶融が十分に行われる部分とそうではない部分とが生じ、接合不良を生じてしまう可能性があった。また、半導体チップTの内部で上述のような温度差が生じると、図4に示すように、バイメタル効果により半導体チップTにソリを生じ、さらに接合不良を生じる可能性があった。
【0007】
また、半導体チップTはチップノズル52の吸引により保持されているので、加熱時において、半導体レーザチップTとチップノズル52の先端面との隙間から外気空気の流入を生じ、この流動する空気もまた温度差の発生の原因となっていた。
【0008】
本発明は、半導体チップと基板とを良好に接合することを、その目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の発明は、半導体チップとその基板とを加熱加圧して、それらに介在するロウ材により接合するダイボンディング装置であって、基板を載置すると共に加熱する加熱手段と、その先端部で半導体チップを保持する保持部材と、この保持部材を介して半導体チップを加熱手段に載置された基板側に加圧する加圧手段とを有し、保持部材の少なくとも先端部を熱伝導率がルビーよりも低い素材から形成する、という構成を採っている。
【0010】
ここで、上記「半導体チップ」には、半導体レーザチップ,ICチップ,LSIチップ等のように半導体に該当する素子の電子回路が形成されるチップ全般を示すものとする。
また「基板」とは、アルミナ基板やセラミック基板を含む上述の半導体チップがダイボンディングされる基板全般をいうものとする。従って、アルミナ基板,セラミック基板,半導体レーザチップに対するサブマウント等も「基板」の概念に含むものとする。
【0011】
上記構成では、加熱手段において基板を加熱し、これと前後して保持部材の先端に保持された半導体チップを基板上面に載置すると共に加圧する。このとき、基板と半導体チップとの間には加熱によって溶融するロウ材が介挿されている。かかるロウ材は、ダイボンディング工程の前に予め基板又は半導体チップのいずれかにその接合面に層状に形成しても良く、また、基板側に半導体チップを加圧する際に介挿せしめても良い。
【0012】
そして、加熱手段からの加熱により、基板を介して熱が伝導されてロウ材が溶融し、半導体チップ側からの加圧によりロウ材は基板とチップの隙間に広がり、加熱手段からの熱は半導体チップにも伝導する。このとき、保持部材が熱伝導率の高い素材であると、半導体チップに伝導した熱はさらに保持部材側に逃げて、半導体チップの加熱状態が保持部材の接触している部分としていない部分とで不均一となるが、上記構成では、保持部材の先端部は熱伝導率が低い素材により形成されているので、保持部材側への熱量の損失が少なく、上述のような不均一状態の発生が抑制される。
【0013】
請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明と同様の構成を備えると共に、保持部材の先端部の端面に凹部と凸部とを設け、凸部のみで半導体チップと接触して保持する、という構成を採っている。
上記凹部と凸部には、保持部材の先端面に溝部を設けた場合をも含むものとする。その場合、溝部が凹部であり、溝部以外の部分が凸部となる。
上記構成では、請求項1記載の発明と同様の動作が行われると共に、保持部材がその先端部の端面全体ではなく凸部のみで半導体チップと接触するので、接触面積が低減され、半導体チップから保持部材側へ伝導される熱量をさらに低減することができる。
【0014】
請求項3記載の発明は、請求項1又は2記載の発明と同様の構成を備えると共に、保持部材が半導体チップを保持する際には、空気吸引手段を作動させて、その先端部からの外気の吸引を行う。これにより、管状の保持部材はその内部が大気圧よりも低圧となり、保持部材の先端部に半導体チップが吸着する。そして、かかる状態で、加熱手段上の基板に対して保持部材は加圧を行う。すると、加圧検出手段により加圧状態が検出され、吸引停止機能により、保持部材における吸引状態が非吸引状態に切り替えられる。その結果、保持部材の先端部では半導体チップを吸着することができなくなるが、既に、半導体チップは基板と保持部材との間に挟まれているので、加熱及び加圧が有効に行われ、半導体チップは基板に接合される。
【0015】
ここで、加圧検出手段は、保持部材の加圧状態を直接的に検出するセンサや、加圧手段への加圧開始を指示する制御信号を検出する手段をも含まれるものとする。
また、保持部材の吸引状態と非吸引状態との切り替えは、空気吸引手段に対する作動と非作動を制御信号により指示する場合や、保持部材と空気吸引手段との間でその接続状態と非接続状態とを制御信号により切り替える場合を含むものとする。
【0016】
【発明の実施の形態】
(実施の形態の全体構成)
本発明の実施の形態を図1〜図3に基づいて説明する。本実施形態たるダイボンディング装置20は、半導体チップとしての半導体レーザチップTを基板としてのサブマウントSに対してダイボンディングするための装置である。かかるダイボンディング装置20は、ダイボンディング前のサブマウントSを複数載置可能なサブマウントトレー2をその上部に備えるサブマウントトレーステージ1と、ダイボンディング前の半導体レーザチップTを複数載置可能な半導体レーザチップトレー4をその上部に備えるチップトレーステージ3と、上方からの加圧によりサブマウントSに蒸着されたハンダ層の酸化膜を破壊するための作業をその上面で行うサブステージ9と、サブステージ9の上面に載置されたサブマウントSに対して上方から加圧を行うマウント加圧機構11と、熱源であるヒータ6aを内蔵する加熱手段としてのヒータステージ6と、このヒータステージ6をX方向及びY方向に移動して位置決めするX−Yテーブル5と、サブマウントSを保持して所定位置まで搬送するサブマウント搬送手段としてのサブマウントヘッド15と、半導体レーザチップTを保持すると共に所定位置に搬送するチップヘッド13と、ヒータステージ6上のサブマウントSの位置認識を行うためのカメラ16と、上記各構成の動作制御を行う動作制御手段7とを備えている。
【0017】
(各ステージ)
上記各ステージ1,9,6,3は、サブマウントトレーステージ1,サブステージ9,ヒータステージ6,チップトレーステージ3の順番でX方向に沿って一列に並んで配設されている。そして、各ステージ1,9,6,3はいずれもその用途に応じてサブマウントS又は半導体レーザチップTを載置できるようにその上面部が水平且つ平坦に形成されている。
【0018】
また、ステージ1,9,3はその位置が固定されているが、ヒータステージ6のみはX−Yテーブル5によってX方向及びY方向に沿って位置調節可能に支持されている。さらに、ヒータステージ6は、前述したようにヒータ6aを内蔵しているので、その上面に載置されたサブマウントS及び半導体レーザチップTを加熱することが可能となっている。
また、ヒータステージ6とサブステージ9とは、いずれも、その上面にバキュームエアを通すことにより空気吸入を行う吸引孔が設けられている。これは、各ステージ6,9上での作業時において、サブマウントSを所定位置で吸着し、位置ズレを防ぐためのものである。
【0019】
また、ヒータステージ6の近傍には図示しない不活性ガス供給手段と冷却手段とが設けられている。不活性ガス供給手段は、不活性ガスである窒素ガスの供給源とヒータステージ6上に向けられた吹き出しノズルとを有しており、サブマウントSに半導体レーザチップTをボンディングする際にこれらに窒素ガスの吹きつけを行う。また、冷却手段は、冷却エアの供給源とヒータステージ6上に向けられた吹き出しノズルとを有しており、サブマウントSに半導体レーザチップTをボンディングした後にその加熱された状態を冷却エアの吹きつけにより冷却する。
【0020】
(マウント加圧機構)
マウント加圧機構11は、サブステージ9の上方に配設されている。そして、後述する図示しないXYZガントリ及びこれにより移動するマウントヘッド15との衝突を回避し,またそれらの可動を妨げないように、マウント加圧機構11は、Z軸昇降機構(図示略)によりZ方向に沿って移動可能に支持され、上方に退避することが可能である。
【0021】
また、このマウント加圧機構11自体も当該加圧機構11からZ方向に沿って突出移動と退避移動とが可能な加圧治具10を有している。この加圧治具10は、その突出移動(下方への移動)により、その下端部の端面がサブステージ9上のサブマウントSに当接し、加圧することが可能となっている。かかるマウント加圧機構11による上方からの加圧は、サブステージ9上に載置されたサブマウントSの上面に蒸着形成されたハンダ層の酸化膜を破壊するために行われるものである。従って、加圧治具10は、酸化膜の破壊に好適であるように、その下端部の端面に凹凸が形成されるような素材,具体的には他孔質セラミック等により形成されている。また、この加圧治具10は、サブマウントSを全体的に加圧できるように、その下端部の端面がサブマウントSの上面よりも大きく設定されている。
【0022】
(サブマウントヘッド)
サブマウントヘッド15は、図示を省略したXYZガントリにより、X方向,Y方向,Z方向に沿って移動し位置決め可能に支持されている。このサブマウントヘッド15は、下方に突出した状態でサブマウントノズル14を有している。かかるサブマウントノズル14は、超硬である金属素材により形成されており、その下端部の端面から上端部にかけて貫通穴が形成されている。そして、サブマウントノズル14の上端部は図示しない電磁弁を介して図示しないエジェクター等の空気吸引手段と接続されており、その貫通穴にバキュームエアを通すことにより、その下端部の端面にサブマウントSを吸着保持することを可能としている。また、電磁弁は動作制御手段7によりサブマウントノズル14を空気吸引手段と大気開放側とに切り替え可能であり、空気吸引手段側に接続したときにバキュームエアを貫通穴に通してサブマウントSを吸着可能状態とし、大気開放側に接続したときにサブマウントノズル14内を大気圧状態とし、吸着可能状態を解除する。
【0023】
(チップヘッド)
チップヘッド13は、図示を省略したXYZガントリにより、X方向,Y方向,Z方向に沿って移動し位置決め可能に支持されている。なお、このXYZガントリは、前述したマウントヘッド15を支持するXYZガントリと共用化が図られている。つまり、XYZガントリは、X方向とY方向の移動についてはチップヘッド13もマウントヘッド15も共通する構成により実行し、Z方向への移動についてはチップヘッド13とマウントヘッド15とについてそれぞれ個別に実行する構成を備えている。
【0024】
上記チップヘッド13は、下方に突出した状態で保持部材としてのチップノズル12を有している。図2は、かかるチップノズル12の斜視図である。
このチップノズル12は、熱伝導率が3[W/m・K]程度のジルコニアや0.23[W/m・K]程度のポリイミド樹脂のような低熱伝導率で適度に硬度を備える素材により形成されており、その下端部の端面から上端部にかけて貫通穴17が形成されている。そして、チップノズル12の上端部は図示しない電磁弁を介して図示しないエジェクター等の空気吸引手段と接続されており、その貫通穴にバキュームエアを通すことにより、その下端部の端面に半導体レーザチップTを吸着保持することを可能としている。また、電磁弁は動作制御手段7によりチップノズル12を空気吸引手段と大気開放側とに切り替え可能であり、空気吸引手段側に接続したときにバキュームエアを貫通穴に通して半導体レーザチップTを吸着可能状態とし、大気開放側に接続したときにチップノズル12内を大気圧状態とし、吸着可能状態を解除する。
【0025】
さらに、チップノズル12の下端部にはその端面の外縁部から貫通穴17を通過する凹部としての溝部18を有している。かかる溝部18を設けることで、チップノズル12が半導体レーザチップTを吸着する際に、溝部18以外の下端部端面(凸部)で半導体レーザチップTと接触するために端面との接触面積が低減され、チップノズル12側への伝達される熱量が低減されることにより、半導体レーザチップT及びサブマウントSの温度変化を抑制する効果を発揮する。また、チップノズル12の吸着時において、外気がかかる溝部18を通って吸引されるのでこれがない場合と比較して吸引外気の整流効果を発揮する。
【0026】
また、チップヘッド13は、チップノズル12をZ方向に沿って駆動させる図示しない加圧手段としてのチップ加圧機構を備えている。これにより、半導体レーザチップTをサブマウントSにダイボンディングする際に加圧することを可能としている。さらに、チップノズル12における半導体レーザチップTの加圧状態及び加圧力を検出する図示しない加圧検出手段が加圧手段には併設されている。かかる加圧検出手段は、例えば、チップヘッド13がチップノズル12を弾性体を介して支持すると共に当該チップノズル12をサブマウントS側に押し付けたときの反力による弾性体の変形量から測定できる。
【0027】
(動作制御手段及びこれに基づくダイボンディング装置の動作)
図3は、ダイボンディング装置20の制御系を示すブロック図である。動作制御手段7は、CPU,ROM,RAM等を含む演算装置で構成され、これらに所定のプログラムが入力されることにより、ヒータ6a,X−Yテーブル5,マウント加圧機構11,チップ加圧機構,Z軸昇降機構,不活性ガス供給手段,XYZガントリ,サブマウントヘッド用の吸気吸引手段,チップヘッド用の空気吸引手段,冷却手段に対して下記に示す動作に従って動作制御を実行する。
【0028】
また、この動作制御手段7は、吸引停止機能19を有している。かかる吸引停止機能19により、チップヘッド13のチップ加圧機構により半導体レーザチップTの加圧を行う際に、チップノズル12の電磁弁を大気開放側へ切り替えて当該チップノズル12内への大気吸引を中断させる動作制御が行われる。例えば、チップヘッド13にチップノズル12の加圧時における反力を検出するセンサを設け、その反力が規定値を上回る際に電磁弁を大気開放側へ切り替えるように制御することで実現する。
【0029】
以下、ダイボンディング装置20の動作を説明する。前述したように、このダイボンディング装置20は、サブマウントS上に半導体レーザチップTをダイボンディングさせることを目的とする装置である。そして、サブマウントSは窒化アルミニウム又はシリコンから形成されており、半導体レーザチップTを接合する面(図1における上面)の表面にはAu−Snからなる共晶ハンダ膜が3[μm]程度蒸着されている。また、半導体レーザチップTは、例えば、GaAlAs系であり、大きさは縦300[μm],横500[μm],厚さ80〜130[μm]程度のものを対象とする(無論、これに限定されるものではない)。そして、ダイボンディング装置20は、サブマウントSの共晶ハンダ膜を加熱し溶融させることにより半導体レーザチップTを固着させるものである。
【0030】
まず、サブマウントヘッド15のサブマウントノズル14が吸引状態となるように電磁弁が切り替えられ、XYZガントリによりサブマウントヘッド15をサブマウントトレーステージ1上のいずれかのサブマウントSに位置決めする。そして、サブマウントヘッド15をZ方向に沿って下降させ、サブマウントノズル14先端にサブマウントSを吸着させる。
【0031】
そして、サブマウントヘッド15をサブステージ9に搬送し、ステージ9上の所定位置にサブマウントSを載置し、電磁弁を大気開放側に切り替えて、サブマウントSを吸着状態から開放する。その後、サブマウントヘッド15はマウント加圧機構11の邪魔とならないようにサブステージ9上から退避させる。一方、サブステージ9の吸引孔を吸引状態としてサブマウントSをステージ上の所定位置に吸着保持させる。
【0032】
次に、マウント加圧機構11がZ軸昇降機構により加圧作業を行うための所定高さまで下降され、その高さが決まると、加圧治具10を下降させて、その端面によりサブステージ9上のサブマウントSを1〜2[N]の加圧力にて加圧する。かかる加圧力の設定は、例えば、マウント加圧機構11が加圧治具10を弾性体を介して支持すると共に当該治具10をサブマウントSに押し付けたときの反力による弾性体の変形量から測定できる。
そして、かかる加圧によりサブマウントSのハンダ膜の表面に形成されていた酸化膜が破壊される。
【0033】
加圧が済むと、マウント加圧機構11はZ軸昇降機構により退避位置まで退避させられる。そして、再びマウントヘッド15がXYZガントリによりサブステージ9上のサブマウントSに位置決めされ、電磁弁を吸引状態に切り替えてサブマウントノズル14によりサブマウントSを吸着する。また、このときサブステージ9の吸引孔は吸引状態を解除する。
【0034】
一方、ヒータステージ6のヒータ6aは、予めプリヒート温度である100[℃]に加熱されている。なお、ヒータステージ6は図示しない温度検出手段を備えており、その出力から動作制御手段7は温度制御を行っている。そして、温度維持されたヒータステージ6上にサブマウントヘッド15が位置決めされ、電磁弁を大気開放側に切り替えて、サブマウントSを吸着状態から開放する。その後、サブマウントヘッド15はチップヘッド14の邪魔とならないようにヒータステージ6上から退避させる。一方、ヒータステージ6の吸引孔を吸引状態としてサブマウントSをステージ上の所定位置に吸着保持させる。
【0035】
その後、図示しないゆらぎ対策手段によりゆらぎ対策を行いながら、カメラ16によりヒータステージ6上のサブマウントSを撮像し、取得された撮像データからヒータステージ6又はサブマウントS又は双方に付されたマーク(図示略)を利用して、或いはヒータステージ6の上面及びサブマウントSの外形(エッジ)を利用してサブマウントSがヒータステージ6の上面において所定位置にあるか否かを認識する。もし、位置ズレが許容範囲外の時にはX−Yテーブル5を作動させてサブマウントSの位置修正を行う。
なお、プリヒート温度である100[℃]は、カメラ16による撮像において、ゆらぎ対策を実行しつつ位置認識を実行する場合の認識精度に影響が出ない範囲内であってその上限値に近い温度である。
また、ゆらぎ対策手段としては、独立した構成としても設けても良いが、前述した冷却手段により実現することができる。即ち、冷却手段により低圧力でエアを吹き付けることで、ヒータステージ6上における揺らぎの原因となる加熱空気を除去することで実現される。
【0036】
上記認識作業が完了すると、チップヘッド13がそのXYZガントリによりチップトレーステージ3上に搬送される。そして、チップノズル12はその電磁弁が吸引状態に切り替えられ、その下端部の端面に半導体レーザチップTを吸着する。さらに、チップヘッド13はヒータステージ6上に搬送され、サブマウントS上に半導体レーザチップTを載置する。
【0037】
なお、ヒータ6aは前述したサブマウントS位置認識作業完了から上述の半導体レーザチップTをサブマウントS上に載置するまでにその加熱温度を100[℃]から250[℃]まで昇温する。この250[℃]という温度は、サブマウントSの共晶ハンダ膜が溶融を生じる直前の温度である。
【0038】
さらにチップヘッド13は、チップ加圧機構によりチップノズル12を介して半導体レーザチップTを0.3〜0.5[N]程度の荷重で加圧する。また、かかる加圧時において、吸引停止機能19により電磁弁が大気開放側に切り替えられ、チップノズル12内への大気の流動が停止され、大気流動による熱損失が抑えられるので、ボンディング時における半導体レーザチップTの局所的な温度格差が抑制される。
【0039】
上記半導体レーザチップTの加圧と同時に、不活性ガス供給手段が作動し、ヒータステージ6上に窒素ガスが吹き付けられる。また、これと同時に、ヒータ6aがサブマウントSのAu−Snハンダ膜の溶融温度である280[℃]を考慮した設定温度である360[℃]まで加熱される。そして、ヒータ6aは、かかる設定温度状態を1[sec]維持してサブマウントSの共晶ハンド膜を溶融させ、その後加熱を停止する。
【0040】
その後、冷却工程に移行する。即ち、冷却手段が作動し、ヒータステージ6上に0.5[MPa]のエア圧で冷却エアの吹きつけが行われ、半導体レーザチップTと及びサブマウントSとが250[℃]まで冷却される。これにより共晶ハンダは溶融状態から凝固状態となり、半導体レーザチップTがサブマウントS上に接合される。
【0041】
そして、チップヘッド13は電磁弁を吸引状態に切り替えてチップノズル12により半導体レーザチップTをサブマウントSごと吸着する。このときヒータステージ6の吸引孔は吸引状態を解除する。また、冷却手段は、チップノズル12に保持された半導体レーザチップT及びサブマウントSが位置ズレや脱落を生じないよう範囲までエア圧が低減される(例えば0.2[MPa])。
さらに、XYZガントリにより図示しないダイボンディング済みの格納トレーに搬送されて吸着を解除し、当該トレーに半導体レーザチップTがダイボンディングされたサブマウントSが格納される。
また、冷却手段は、ヒータステージ6の近傍からサブマウントS及び半導体レーザチップTが離れると、再びエア圧を0.5[MPa]に戻し、ヒータステージ6がプリヒート温度である100[℃]となるまで継続して冷却する。
【0042】
(ダイボンディング装置の効果)
上位ダイボンディング装置20では、チップノズル12を熱伝導率の低い素材であるジルコニアから形成したので、加圧時において、半導体チップまで伝導された熱がさらにチップノズル12に伝導されることによる熱量の損失が低減される。従って、半導体チップTにチップノズル12が接触する部分と接触しない部分との温度差が約2[℃]にまで低減することができ、半導体レーザチップ全体における加熱ムラを抑制することが可能となる。従って、加熱不均一を原因とする接合不良を効果的に抑制することが可能となる。また、加熱不均一による半導体チップのたわみの発生も効果的に抑制することが可能となる。
【0043】
また、チップノズル12をポリイミド樹脂により形成した場合にも、その熱伝導率の低さから半導体チップTにチップノズル12が接触する部分と接触しない部分との温度差が約0.2[℃]にまで低減することができ、半導体レーザチップ全体における加熱ムラを抑制することが可能となる。従って、加熱不均一を原因とする接合不良を効果的に抑制し、半導体チップのたわみの発生も効果的に抑制することが可能となる。
【0044】
なお、チップノズルはその全体だけではなく半導体レーザチップTと接触する先端部のみを低熱伝導率の素材としても良い。また、チップノズルの素材については上述のものに限定されるものではなく、ルビー(熱伝導率30[W/m・K])よりも低い素材であれば良いが、熱伝導率10[W/m・K]以下程度のものであって広範な種類の半導体チップについてソリを生じない程度に加熱ムラを低減し得ることを可能とすることが望ましい。例えば、熱伝導率10〜5[W/m・K]の低熱伝導率アルミナ等がこれに該当する。さらに、半導体チップの保持を可能な程度の硬度を有する樹脂や低熱伝導率のセラミック等であっても良い。好ましくは、熱伝導率5〜1 [W/m・K]、さらに好ましくは熱伝導率1〜0.1[W/m・K]の素材である。
【0045】
また、上記実施形態では、チップノズル12の先端部に溝部18を設けることで凹部と凸部を形成する構成を例示したが、凹部と凸部の形成によりチップノズルの先端面の半導体チップに対する接触面積の低減が図れればいかなる形状又は構造であっても良い。例えば、チップノズルの先端部により多くの溝を設けても良いし、多孔質としてもよく、また逆に複数の突起を有する構造としても良い。なお、より望ましくは、溝や穴を設ける構造として、放熱効果を生じにくいものとする方が、半導体レーザチップの温度差を低減する観点からは有利である。
【0046】
【発明の効果】
請求項1記載の発明は、保持部材の先端部を熱伝導率の低い素材から形成したので、加圧時において、半導体チップまで伝導された熱がさらに保持部材に伝導されることによる熱量の損失が低減される。従って、半導体チップの保持部材が接触する部分と接触しない部分とでの加熱不均一状態が抑制される。従って、半導体チップ全体における加熱ムラを原因とする接合不良を効果的に抑制することが可能となる。また、加熱ムラによる半導体チップのソリの発生も効果的に抑制することが可能となる。
【0047】
請求項2記載の発明は、保持部材がその先端部の端面全体ではなく凸部のみで半導体チップと接触するので、接触面積の低減により、半導体チップから保持部材側へ伝導される熱量がさらに低減され、より半導体チップの接合部全体が均一に加圧され、接合不良や半導体チップのたわみがより効果的に抑制される。
【0048】
請求項3記載の発明は、吸引停止機能により、半導体チップが基板側に加圧されると、それまで外気吸引により半導体チップを吸着保持していた保持部材の吸引状態が解除されるので、保持部材の先端部と半導体チップとの隙間から流入する外気により奪われる半導体チップの熱量の損失が有効に回避され、より半導体チップの接合部全体が均一に加圧され、接合不良や半導体チップのたわみがより効果的に抑制される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態の全体構成を示す概略構成図である。
【図2】図1に開示したチップノズルの斜視図である。
【図3】実施形態の制御系を示すブロック図である。
【図4】従来例の要部を示す部分説明図である。
【図5】図4に開示したチップノズルの斜視図である。
【符号の説明】
6 ヒータステージ(加熱手段)
7 動作制御手段
12 チップノズル(保持部材)
18 溝部(凹部)
19 吸引停止機能
20 ダイボンディング装置
S サブマウント(基板)
T 半導体レーザチップ(半導体チップ)
Claims (3)
- 半導体チップと基板とを加熱加圧して、それらに介在するロウ材により接合するダイボンディング装置であって、
前記基板を載置すると共に加熱する加熱手段と、その先端部で半導体チップを保持する保持部材と、この保持部材を介して前記半導体チップを前記加熱手段に載置された基板側に加圧する加圧手段と、を有し、
前記保持部材の少なくとも先端部を熱伝導率がルビーよりも低い素材から形成したことを特徴とするダイボンディング装置。 - 前記保持部材の先端部の端面に凹部と凸部とを設け、前記凸部のみで前記半導体チップと接触して保持することを特徴とする請求項1記載のダイボンディング装置。
- 前記保持部材を管状に形成し、
前記保持部材を介してその先端部から外気を吸引する空気吸引手段と、
前記保持部材の先端部での吸引状態と非吸引状態との切り替えを行う動作制御手段と、
前記保持部材による加圧状態を検出する加圧検出手段と、を備え、
前記動作制御手段は、前記加圧検出手段により加圧状態を認識すると,前記保持部材の先端部での吸引状態を非吸引状態へ切り替える吸引停止機能を有することを特徴とする請求項1又は2記載のダイボンディング装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002245501A JP2004087704A (ja) | 2002-08-26 | 2002-08-26 | ダイボンディング装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002245501A JP2004087704A (ja) | 2002-08-26 | 2002-08-26 | ダイボンディング装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2004087704A true JP2004087704A (ja) | 2004-03-18 |
Family
ID=32053675
Family Applications (1)
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---|---|---|---|
JP2002245501A Pending JP2004087704A (ja) | 2002-08-26 | 2002-08-26 | ダイボンディング装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2004087704A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11607741B2 (en) | 2019-09-06 | 2023-03-21 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Semiconductor chip bonding apparatus including head having thermally conductive materials |
-
2002
- 2002-08-26 JP JP2002245501A patent/JP2004087704A/ja active Pending
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