JP2004503939A - 赤外線加熱によるはんだバンプおよびワイヤボンディング - Google Patents

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Abstract

積層されたダイアセンブリの基板および／またはダイ、またはフリップチップアセンブリのボンディング区域を信頼性を持って加熱し、それによって基板とダイとの高品質のはんだまたはワイヤ接合を確実にする方法および装置が提供される。実施例は、積層されたダイパッケージのダイのワイヤボンディング区域を、ワイヤボンディング処理の前およびその間にダイの上表面に赤外ランプまたは赤外線銃を方向付けることで赤外線放射により加熱すること、またはフリップチップを装着すべき基板の上表面のボンディングパッド区域をランプまたは銃からの赤外線放射で上方から所望の温度まで加熱し、その後フリップチップを基板に接合することを含む。ダイおよび／または基板の上表面に方向付けられた赤外線放射加熱を用いることで、それぞれのボンディング区域が確実に必要な時間期間内に適切な温度まで加熱され、高品質のワイヤボンディングまたはダイボンディングと歩留り増加を可能にする。

Description

【０００１】
【発明の分野】
この発明はアセンブリ動作の間に半導体装置および回路基板を加熱するための方法および装置に関する。この発明は特に積層されたダイアセンブリのワイヤボンディングおよびフリップチップボンディングに適用され得る。
【０００２】
【背景技術】
従来の積層されたダイパッケージング技術では、第１のダイが金属リードフレームまたは積層されたプラスチックまたはセラミック回路基板等の基板にエポキシまたはポリイミドペーストまたはフィルムテープ等により装着され、第２のダイがこれもまたエポキシまたはポリイミドペーストまたはフィルムテープによって第１のダイの上表面に装着される。その後ワイヤボンディング動作が行なわれるが、ここでは金または銅のワイヤが、典型的には超音波および熱を用いて、基板およびダイの上表面のボンディングパッドに溶融される。ワイヤボンディングのために適切な温度、典型的には摂氏約１９０度まで、基板とダイとを加熱するために、通常はヒータブロックを用いて基板を底から熱伝導により予熱する。言い換えれば、ワイヤボンディング（すなわちワイヤ端部のはんだ付け）が基板とダイとの上表面で生じるにもかかわらず、これらは底から加熱される。
【０００３】
ヒータブロックを用いて底から基板を予熱することは、基板が銅のリードフレーム等の熱伝導性のよい薄い金属リードフレームである場合には満足な結果となるが、この従来の技術は他の種類の基板では問題がある。特に、暖まるのが遅い厚い積層されたプラスチックまたはセラミック基板は、予熱のために利用できる時間内（ワイヤボンダーの速さとダイアセンブリごとのワイヤの数に依存して、たとえば約４秒以下）に、ブロックヒータによってワイヤボンディングのための適切な温度まで上昇させることができないであろう。さらに、ダイは基板の底から離れているので、そのボンディング区域は基板よりさらに暖まるのが遅く、したがってブロックヒータによって好ましいワイヤボンディング温度にまで上昇させる可能性はより低いであろう。この結果、ワイヤボンドの品質と製造歩留りが悪影響を受ける。
【０００４】
従来のフリップチップアセンブリ方法にも同様の問題が存在するが、ここでは半導体ダイが典型的にはプラスチックまたはセラミック回路基板である基板の上表面に直接はんだ付けされる。基板上のボンディングパッドははんだで覆われ、「はんだバンプ」と呼ばれるはんだの予成形品がアセンブリに先立ってダイに付着される。熱と圧力とを用いて基板上のはんだとダイ上のはんだとを溶かし、ダイを基板に接合する。典型的なフリップチップアセンブリ技術は、上述のとおり、ヒータブロックを用いて基板を予熱し、はんだバンプを部分的に溶かす。しかしながら、積層されたダイアセンブリの場合と同様に、ヒータブロックは基板の上表面およびはんだバンプの温度を、ダイと基板との高品質なはんだによる接続を確実にするほど迅速に上昇させることができないかもしれず、これによって歩留りと信頼性に悪影響を与える。
【０００５】
ダイと基板とをフリップチップおよびワイヤボンディングする適切な加熱を確実にして、製造歩留りを改良するとともにコストを下げるための方法が必要である。
【０００６】
【発明の概要】
この発明の利点は、基板および／またはダイのボンディング区域を信頼性を持って加熱して、基板とダイとの高品質なはんだまたはワイヤ接合を確実にする方法および装置である。
この発明のさらなる利点および他の特徴は一部は以下の説明で述べられ、一部は以下を検討することにより当業者には明らかになり、またはこの発明の実施から学ばれることであろう。発明の利点は添付の請求項に特に指摘したように実現され獲得される。
この発明によれば、上述の利点および他の利点は、一部には基板に装着された半導体ダイの上表面のボンディング区域を加熱する方法によって達成され、この方法はボンディング区域をダイの上表面に方向付けられた赤外線放射によって加熱するステップを含む。
この発明の別の局面は、上述の発明の方法を実施するための装置である。
この発明のさらなる利点は当業者には以下の詳細な説明から容易に明らかとなるであろう。この説明では単にこの発明を実施するのに考えられるベストモードを例として、この発明の好ましい実施例のみを示し説明している。認められるように、この発明は他の異なる実施例も可能であり、そのいくつかの詳細な点はこの発明から逸脱することなく、さまざまな自明な点において修正が可能である。したがって、図面と説明は例示のためのものであって、限定と見なすべきではない。
同じ参照番号が同様の要素を示す添付の図面を参照する。
【０００７】
【発明の説明】
従来の、積層されたダイパッケージをワイヤボンディングするため方法、およびフリップチップパッケージの組立のための方法は、基板および／またはダイのボンディング区域を高品質のはんだ接合またはワイヤボンドを形成するための適切な温度まで信頼性を持って加熱せず、このため製造歩留りを減じさせている。この発明は従来の製造プロセスから由来するこれらの問題に対処しこれを解決する。
【０００８】
この発明の一実施例の方法によれば、積層されたダイパッケージのダイのワイヤボンディング区域は、ワイヤボンディングプロセスの前とその間とに、ダイの上表面に方向付けられる従来の赤外ランプまたは赤外線銃等で、赤外線放射により加熱される。加えて、基板のワイヤボンディング区域もまた赤外線放射により上方から加熱することができる。さらに、基板の底は従来の熱伝導性ヒータブロックを用いて予熱され得る。この発明の、ダイおよび基板の上表面に方向付けた赤外線放射加熱の使用により、それぞれのワイヤボンディング区域が約４秒以下の必要な時間期間内に適切なワイヤボンディング温度（すなわち摂氏約１９０度）まで確実に加熱され、これによって高品質のワイヤボンディングとワイヤボンディング歩留りの増加が可能となる。
【０００９】
この発明の別の実施例によれば、フリップチップが取付けられるべき基板の上表面のボンディングパッド区域が、ランプまたは銃からの赤外線放射により上方から、たとえば摂氏約２００度の所望の温度まで加熱される。その後フリップチップは圧力と赤外線加熱を用いて接合される。加えて、基板の底を従来の熱伝導性ヒータブロックを用いて予熱することもできる。こうして、この発明により、基板上のはんだは確実に、ボンディング動作の前およびその間にフリップチップボンディングに適切な温度にある。この結果、フリップチップと基板とのはんだ接合の品質が改良される。
【００１０】
この発明の実施例を図１に例示する。たとえばＰＡ、ウィローグローブのクリックアンドソファーインダストリー社（Ｋｕｌｉｃｋｅ ａｎｄ Ｓｏｆｆａ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ， Ｉｎｃ． Ｗｉｌｌｏｗ Ｇｒｏｖｅ）から入手可能なモデル８０２８ワイヤボンダー等の従来のワイヤボンダーに基づく、ワイヤボンディングのための発明の装置１００は、従来の熱伝導性ブロックヒータ１１０、従来のワイヤボンディングヘッド１２０および赤外線ヒータ１３０を含む。発明の方法および装置を用いてワイヤ接合されるべき従来の積層されたダイパッケージ構造は、セラミックまたは積層されたプラスチック回路基板等の基板１４０と、下側半導体ダイ１５０と、上側半導体ダイ１６０とを含み、これらは典型的にはエポキシ接着剤（図示せず）により互いに組立てられている。
【００１１】
赤外線ヒータ１３０はワイヤ接合されるべきパッケージ構造の上方に位置付けられて、各々がボンディングパッドＢＰを含む、ダイ１５０の上表面１５０ａ、ダイ１６０の上表面１６０ａ、および基板１４０の「ボンディング区域」、すなわち基板１４０の上表面１４０ａのボンディングパッドＢＰを有する部分、を加熱する。ヒータ１３０は従来の赤外ランプまたは赤外線銃であり、またはワイヤボンダー１００で利用可能な限られた空間内で動作するように最適化された特別に設計した赤外線ヒータであってもよい。たとえば、基板１４０およびダイ１５０、１６０に向けて赤外線放射を方向付けるために柔軟な光ファイバ管を用いることもできる。
【００１２】
赤外線ヒータ１３０の強度および波長は用途ごとに特定される。強度は、好ましくは、所望の温度プロファイルが達成できるようなものである、すなわちダイの上表面１５０ａ、１６０ａおよび基板１４０のボンディング区域の温度が、ワイヤボンダー１００の速さと所望のスループットとに依存して、約４秒以内の必要なランプアップ時間内に摂氏約１９０度のワイヤボンディング温度に達するようなものである。赤外線放射の波長は加熱すべき材料によって決まる。なぜなら赤外線波長によってはある材料に吸収されないからである（すなわちそれらはその材料を加熱しない）。したがって、ダイ１５０、１６０（主にシリコンからなる）と基板１４０（プラスチックまたはセラミックからなる）とを加熱するために、異なる波長の赤外線放射を提供することが必要であるか、または望ましいであろう。
【００１３】
積層されたダイパッケージに依存して、所望のワイヤボンディング温度および温度プロファイルを達成するのを容易にするために、赤外線ヒータ１３０と関連させて熱伝導性ヒータ１１０を用いることができる。たとえばもしワイヤ接合されるべき積層されたダイパッケージ１００がセラミックまたはプラスチック基板１４０を含む場合、パッケージの予熱のために熱伝導性ヒータ１１０を用いるのが好ましく、赤外線ヒータ１３０は上述のとおり、基板１４０およびダイ１５０、１６０のボンディング区域を加熱するのに用いられる。しかしながら、もし積層されたダイパッケージ１００が金属リードフレーム基板１４０を含む場合、赤外線ヒータ１３０をダイ表面１５０ａ、１６０ａの加熱のために方向付けることができるが、基板表面１４０ａを加熱することは必要でない、なぜなら、熱伝導性ヒータ１１０のみでも薄い金属基板を適切に加熱することができるからである。
【００１４】
動作において、積層されたダイパッケージは、たとえば別のパッケージがワイヤボンドされている間に、熱伝導性ヒータ１１０で予熱され、その後ワイヤボンディングヘッド１２０下の位置まで移動される。その後赤外線ヒータ１３０が動作して、ボンディングパッドＢＰを含む基板１４０およびダイ１５０、１６０の区域を摂氏約１９０度まで加熱し、この間にボンディングヘッド１２０がワイヤ１７０をボンディングパッドＢＰに付着させる。ボンディングパッドＢＰは熱伝導性ヒータ１１０および／または赤外線ヒータ１３０によって適切に加熱されているので、ワイヤ１７０は信頼性を持ってボンディングパッドＢＰに接合される。
【００１５】
この発明の別の実施例が図２Ａおよび２Ｂに例示される。スイスのＥＳＥＣから入手可能なモデルミクロン２（Ｍｉｃｒｏｎ ２）等の従来のフリップチップダイボンダーに基づく、フリップチップボンディングのための発明の装置２００は、従来の熱伝導性ヒータ２１０、従来のボンディングヘッド２２０および赤外線ヒータ２３０を含む。フリップチップダイ２５０に接合されるべき従来のフリップチップ基板２４０が、セラミックまたは積層されたプラスチック回路基板等のダイボンダー２００で示される。
【００１６】
赤外線ヒータ２３０は基板２４０の上方に位置付けられ、ダイ２５０を基板２４０に押圧するに先立って、はんだ２４０ｃで覆われたボンディングパッド２４０ｂを含む基板２４０の上表面２４０ａを加熱する。上述の実施例と同様に、ヒータ２３０は従来の赤外ランプまたは赤外線銃であり、またはダイボンダー２００で利用可能な限られた空間内で動作するように最適化された、特別に設計された赤外線ヒータであってもよい。上で議論したとおり、赤外線ヒータ２３０の強度と波長とは、所望の温度プロファイルが得られるように、すなわち基板の上表面２４０ａの温度が、ダイボンダー２００の速さと所望のスループットに依存して、たとえば約０．６６秒の必要なランプアップ時間内に摂氏約２００度のボンディング温度に達するように定められる。赤外線放射の波長は基板２４０の材料によって決定される。熱伝導性ヒータ２１０が赤外線ヒータ２３０と関連して用いられて、所望のダイボンディング温度および温度プロファイルを達成するのを容易にする。
【００１７】
図２Ａを参照して、動作において、基板２４０はたとえば別のアセンブリがダイボンドされている間に熱伝導性ヒータ２１０によって予熱され、ボンディングパッド２４０ｂに対応するはんだバンプ２６０を含むフリップチップ２５０を保持するボンディングヘッド２２０の下の位置まで移動される。その後赤外線ヒータ２３０が動作して、パッド２４０ｂを含む上表面２４０ａを摂氏約２００度まで加熱し、ボンディングパッド２４０ｂ上のはんだ２４０ｃを少なくとも部分的に溶かす。その後ダイボンディングヘッド２２０が下降して（図２Ｂを参照）、ボンディングパッド２４０ｂをはんだバンプ２６０に押付ける。こうしてはんだバンプ２６０はボンディングパッド２４０ｂを覆うはんだ２４０ｃとともに溶けて、フリップチップ２５０を基板２４０に接合する。ボンディングパッド２４０ｂは熱伝導性ヒータ２１０と赤外線ヒータ１３０とによってダイボンディングに先立って適切に加熱されているので、フリップチップ２５０とボンディングパッド２４０ｂとの接続の品質は高く、この結果製造歩留りと信頼性が改善される。
【００１８】
この発明は従来の材料、方法および設備を用いて実施することが可能である。したがってこのような材料、設備および方法の詳細はここでは詳細に述べない。上述の説明では、特定の材料、構成、化学薬品、処理等の特定の詳細が、この発明の十分な理解を提供するために述べられた。しかしながら、この発明は具体的に述べた詳細に頼ることなく実施できることを認識すべきである。別の部分では、この発明を不必要に曖昧にするのを避けるために、周知の処理構造は詳細に説明していない。
【００１９】
この発明の好ましい実施例とその多様性のわずかな例のみをこの開示で示し説明した。この発明はさまざまな他の組合せおよび環境とともに用いることが可能であり、ここで示された発明の概念の範囲内で変更または修正が可能であることが理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例に従った装置の側面図である。
【図２Ａ】この発明の実施例に従った方法の連続した段階を概略的に示す図である。
【図２Ｂ】この発明の実施例に従った方法の連続した段階を概略的に示す図である。

Claims (10)

  1. 基板に装着される半導体ダイの上表面のボンディング区域を加熱する方法であって、ボンディング区域をダイの上表面に方向付けられた赤外線放射によって加熱するステップを含む、方法。
  2. 基板の上表面のボンディング区域に赤外線放射を方向付けるステップを含む、請求項１に記載の方法。
  3. ダイの上表面に赤外線放射を方向付けながらボンディング区域にワイヤを付着させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
  4. フリップチップを基板に組立てる方法であって、基板の上表面のボンディング区域を上表面に方向付けられた赤外線放射で加熱するステップを含む、方法。
  5. ボンディング区域がはんだを含み、さらに
    ボンディング区域上にはんだを含むフリップチップを配置するステップと、
    フリップチップを押圧してボンディング区域とフリップチップのはんだを溶かし、フリップチップを基板に付着させるステップとを含む、請求項４に記載の方法。
  6. 基板に装着された半導体ダイの上表面のボンディング区域を加熱するための装置であって、ダイの上表面に方向付けられた赤外線放射でボンディング区域を加熱するための赤外ヒータを含む、装置。
  7. 基板の底表面を加熱するための第２のヒータを含む、請求項６に記載の装置。
  8. 赤外ヒータは基板の上表面のボンディング区域を加熱するためのものでもある、請求項６に記載の装置。
  9. 赤外ヒータと第２のヒータとはボンディング区域を約４秒以内に摂氏約１９０度まで加熱するためのものである、請求項７に記載の装置。
  10. 赤外ヒータは赤外ランプまたは赤外線銃を含む、請求項６に記載の装置。
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