JP2005244228A - ダイ取付け装置および方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体ダイスのキャリア又は基板上への接合に於いて、非金属材に対するダメージのリスクを低減するためのダイ取付け処理中にキャリア、又は基板の温度を調整する装置及び方法を提供する。
【解決手段】非金属材と、共晶コーティングを有するダイ１０を受けるよう構成された金属材とを含む基板上１３へのダイの取付け用装置を提供する。ダイ取付けポジションにおけるダイと金属材との間の接合を容易にするべく共晶接合温度まで金属材を加熱するためにそれを通って基板が移動できる加熱管路２２が設けられる。誘導加熱デバイス３４はダイ取付けポジションにおいて基板の金属材を、ダイの金属材上への取付けに先立って共晶接合温度まで加熱する。
【選択図】図５

Description

本発明は半導体ダイスのキャリアまたは基板上への接合に関する。このダイスはたいてい、通常はダイスの共晶接合と呼ばれる処理中にキャリアまたは基板と接触し、かつそれと金属結合を形成するためのはんだの層で覆われた裏面を有する。
通常、半導体ダイスの形態の半導体デバイスまたは集積回路はパッケージ内に収容される。パッケージは、たとえばデバイスを機械的および化学的ダメージから保護するといったさまざまな重要な機能を発揮する。それはまた、デバイスをパッケージングの隣のレベルと相互接続するブリッジでもある。ダイ取付けは、その間にダイがキャリアまたは基板上に形成されたダイパッド上に載置されかつそれに取り付けられるパッケージング処理に含まれるステップの一つである。デバイスをダイパッド上に取り付けるための方法には、さまざまなものがある。たとえば、デバイスをパッド上に張り付けるための接着剤としてエポキシおよび接着樹脂を用いる方法、あるいはパッド上に融剤をスタンプし、そしてはんだリフロー処理を実施する前にその裏面にはんだを担持したダイを融剤上に載置する方法が挙げられる。
ますます普及している方法は、裏面がはんだでコートされたダイを加熱された基板上に直接搭載するものである。はんだは、それが加熱された基板と接したときに溶融し、そして基板に対する結合がなされる。この方法は慣例的に共晶ダイ接合(eutectic die bonding)と呼ばれる。なぜなら、ダイのはんだは通常、共晶合金の組成物から形成されるからである。共晶ダイ接合は、純溶融に比べて、共晶合金の融点がより低いということを利用する。基板の温度は、デバイスがダイパッドと接触したときに、はんだが即座に溶融するよう、ダイの裏面のはんだの融点以上まで上昇させなければならない。基板がそれに続いて冷えたとき、ダイの裏面と基板上のパッドとの間には冶金学的結合が形成される。エポキシ接合に対する共晶接合のいくつかの利点としては、ダイに関するより高い使用温度性能、ダイと基板との間の良好な熱／電気伝導性および高い信頼性が挙げられる。
発光ダイオード(“ＬＥＤ”)のようなデバイスをパッケージングする際、プラスチックハウジングのような非金属材が、ある種の搭載機能を促進するためダイパッドに隣接して存在することがある。プラスチックハウジングは通常、２８０℃よりも低いガラス転移温度を有し、典型的な推奨処理温度は２６０℃以下である。共晶接合に無鉛はんだを使用するのが全世界的趨勢であるので、常に設備製造業者およびパッケージング処理技師の努力が徒労に終わるという一つのジレンマが生じる。現在、最も一般的な無鉛はんだは、Ｓｎ-ＡｇまたはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ混合物からなり、これは約２２０℃の融点を持つ。処理温度は通常、はんだの溶融温度よりも３０ないし４０℃高いものであるべきなので、実際には、効果的なダイ接合を保証する一方でプラスチックハウジングの過熱を抑止する処理ウインドウ(process window)を見出すのが難しい。そうした問題を呈するパッケージングの他のタイプの例は、高分子および金属からなる複合基板である。基板の高分子部分に関するガラス転移温度はさらに低く、通常は１８０〜２３０℃の範囲にあり、共晶ダイ接合を行う際に高分子基板の過熱を抑止することが課題である。
従来の共晶ダイ接合用の加熱システムは、いくつかの加熱ゾーンからなるヒートトンネルシステムを使用する。各加熱ゾーンには、キャリアまたは基板を加熱するためのいくつかの加熱要素が埋め込まれた加熱ブロックが存在する。基板はヒートトンネルを通って搬送されるので、加熱は基板上でなされ、しかも、好ましくはダイを受けるダイパッドのみが上記接合温度まで加熱されるべきであっても、基板のかなりの部分の温度が、共晶接合が生じるのに必要な温度まで上昇させられる。基板の他の部分は好ましくは加熱されないか、あるいは僅かな熱を受け取るべきである。問題は、プラスチック材の非常に低い熱伝導率に起因して、プラスチックハウジングまたは高分子基板のある部分の温度がダイパッドの温度よりもさらに高くなることがあるという点である。この状況では、プラスチック材の温度はそのガラス転移温度よりも高くなる可能性がある。その結果、プラスチックハウジングまたは高分子基板は変形したり損傷したりするおそれがある。
本発明の目的は、キャリアまたは基板を共晶ダイ接合中に加熱する際、このキャリアまたは基板上に存在している非金属材へのダメージを排除するかまたは軽減することにより、従来技術の欠点のいくつかを克服することである。本発明の他の目的は、非金属材に対するダメージのリスクを低減するためダイ取付け処理中にキャリアまたは基板の温度を調整することである。
本発明の第１の態様によれば、非金属材と、共晶コーティングを有するダイを受けるよう構成された金属材とを具備する基板上へのダイ取付け用装置が提供され、この装置は、ダイ取付けポジションにおいてダイと金属材との間の接合を容易にするべく共晶接合温度まで金属材を加熱するために、それを通って基板が移動可能である加熱管路と、ダイ取付けポジションにおける共晶接合温度まで金属材を加熱するための誘導加熱デバイスと、を具備してなる。
本発明の第２の態様によれば、非金属材と、ダイを受けるよう構成された金属材とを具備する基板への、共晶コーティングを有するダイの取付けのための方法が提供され、この方法は、加熱管路を設けるステップと、加熱管路を通って基板を移動させる間に、ダイ取付けポジションにおいてダイと金属材との間の接合を容易にするため、加熱管路内で共晶接合温度まで金属材を加熱するステップと、ダイ取付けポジションにおいて共晶接合温度まで誘導加熱手段によって金属材を加熱するステップと、ダイ取付けポジションにおいて金属材にダイを取り付けるステップと、を具備する。
以下、本発明の一実施形態を図示する添付図面を参照して本発明をより詳細に説明するのが好都合であろう。図面の細部および関係する説明は、特許請求の範囲によって規定される本発明の広範な特徴の一般性を無にするものであると解すべきではない。
ここで、本発明による装置および方法の好ましい実施形態の実例について添付図面を参照して説明する。
図１は、金属部１３およびプラスチックハウジング１４を備えたリードフレームキャリア１２上に載置されかつ取り付けられる、その裏面にはんだ１１を有するダイ１０の側面図である。ダイ１０はプラスチックハウジング１４によって境界が定められた領域内で、リードフレームキャリア１２の金属部１３の表面上に載置される。プラスチックハウジング１４を備えたそうしたリードフレームキャリア１２は、特にＬＥＤ製造時の使用に好適であり、このプラスチックハウジングは他のコンポーネントとの係合のためのサポートとして有用である。
図２は、高分子基板１６上に載置されかつ取り付けられる、その裏面にはんだ１１を有するダイ１０の側面図である。高分子基板１６は主としてプラスチック細片２０からなり、このプラスチック細片２０上に設けられた金属リードフレーム１８を備える。ダイ１０は高分子基板１６の金属リードフレーム１８部分上に載置される。
図３は、プラスチックハウジング１４を備えたリードフレームキャリア１２の金属部１３上へのダイ１０の取付けを容易にするための従来のヒートトンネル２２の側面図である。ヒートトンネル２２は上面カバー２４によって覆われ、かつ上部ホットプレート２６および下部ホットプレート２８からなるリードフレームキャリア１２用の搬送面を有する。上部および下部ホットプレート２６，２８は、リードフレームキャリア１２から突出するプラスチックハウジング１４を収容するため段付き路を形成する。上部および下部ホットプレート２６，２８は、ヒートトンネル２２に沿って配置された埋込み型加熱要素３２を備える加熱ブロック３０によって加熱される。上面カバーにはダイ取付けポジションに窓があり、ここで、その裏面にはんだ１０が担持されたダイ１０がリードフレームキャリア１２上に載置される。
プラスチックハウジング１４を備えたリードフレームキャリア１２は、図３では左から右へと移動させられる。リードフレームキャリア１２は、ダイ１０とリードフレームキャリア１２との間で共晶接合を生じさせるため、ダイ取付けポジションにおいて、ある温度まで熱せられる必要がある。各加熱ブロック３０は加熱ゾーンを形成し、これはリードフレームキャリア１２を所定温度まで加熱するよう構成される。リードフレームキャリア１２がヒートトンネル２２を通ってダイ取付けポジションに向かって移動させられるとき、それは、各加熱ブロック３０を通過して移動させられるのと同様、漸進的様式の加熱特性に従って加熱される。
ヒートトンネル２２に沿った加熱ブロック３０の配置構成から得られる加熱特性も図３に示す。Ｔｂはダイ取付けポジションにおける目標接合温度であり、そこで共晶接合が生じる。Ｘ１およびＸ２はダイ取付けポジションでの上面カバー２４における窓の始点および終点を示す。図３に示すようにリードフレームキャリア１２は、それがヒートトンネル２２を通過する際、徐々に加熱される。Ｘ１とＸ２との間のダイ取付けポジションにおいて、リードフレームキャリア１２の金属部１３は、共晶接合に好適な温度Ｔｂまで加熱されてしまう。ポジションＸ２以後、リードフレームキャリア１２は周囲温度まで徐々に冷却される。
そうした配置構成に伴う問題は、加熱ブロック３０が、Ｘ１およびＸ２ポジションの間で、およびそれを越えて、長い時間にわたってリードフレームキャリア１２の金属部１３およびプラスチックハウジング１４の両方を加熱するということである。プラスチック材の低い熱伝導率および加熱ブロック３０から受け取る熱に起因して、プラスチックハウジング１４の温度がそのガラス温度を超えて上昇し、熱によって変形したり、その他の損傷をこうむったりすることがある。最終製品の品質がこうして悪影響を受けることがある。
図４は、高分子基板１６上へのダイ１０の取付けを容易にするための従来技術のヒートトンネル２２の側面図であり、この高分子基板１６は、プラスチック細片２０上に設けられた金属リードフレーム１８を備えたプラスチック細片２０からなる。ヒートトンネル２２は、その上面に関しては上面カバー２４によって、そしてその底面に関してはホットプレート２７によって境界が定められる。ホットプレート２７の上を高分子基板１６が搬送される。上面カバー２４は、高分子基板１６の金属リードフレーム１８の上に、その裏面にはんだを担持したダイ１０を載置するための窓をダイ取付けポジションに有する。
図３と同様、高分子基板１６は図の左から右へと移動させられ、そしてそれは、埋込み式加熱要素３２を備えた加熱ブロック３０を通過する際、加熱特性に従って加熱される。ヒートトンネル２２に沿った加熱ブロック３０の配置構成から得られる加熱特性は図４に示すとおりである。上面カバー２４の窓の幅によって規定されるＸ１およびＸ２ポジションの間では、金属リードフレーム１８の温度はＴｂであり、これは共晶接合が生じることを可能にするものである。
だか、金属リードフレーム１８の温度が長時間にわたって、すなわちＸ１およびＸ２の間およびそれを越えてもＴｂに保たれることがわかる。この結果、熱伝導率の低い高分子基板１６のプラスチック細片２０が、それが吸収する熱によって変形したり、あるいは他の損傷をこうむったりすることがある。
図５は、本発明の好ましい実施形態に従ったプラスチックハウジング１４のような非金属材を備えたリードフレームキャリア１２の形態の基板上への、共晶コーティングを有するダイ１０の取付けを容易にするための、本発明の好ましい実施形態によるヒートトンネル２２の側面図である。この基板は、非金属プラスチックハウジング１４およびダイ１０を取り付けるための金属部１３を具備する。ヒートトンネル２２のような加熱管路は、上面カバー２４、および上部ホットプレート２６ならびに下部ホットプレート２８を具備するリードフレームキャリア１２用の搬送面によって境界が定められる。基板またはリードフレームキャリア１２はヒートトンネル２２を通って移動可能である。
従来技術と同様、上部および下部ホットプレート２６，２８は、リードフレームキャリア１２から突出するプラスチックハウジング１４を収容するため段付き路を形成する。上面カバーのダイ取付けポジションには窓が存在し、ここで、その裏面にはんだが担持されたダイ１０が、共晶接合のためにリードフレームキャリア１２の金属部１３上に載置される。ゆえに、リードフレームキャリア１２の金属部１３は、ダイ取付けポジションにおけるダイと金属材との間の接合を容易にするため共晶接合温度まで加熱される必要がある。
上部および下部ホットプレート２６，２８は主に、従来技術と同様、ヒートトンネル２２に沿って配置された埋込み型加熱要素３２を備えた加熱ブロック３０によって加熱される。だがダイ取付けポジションでは、リードフレームキャリア１２は加熱ブロック３０の代わりに誘導コイル３４のような誘導加熱デバイスによって加熱される。誘導コイル３４は単巻線または多重巻線を備えた金属コイルからなる。それは、コイルに交流電流を流すための、出力および周波数が可変である交流電源に接続される。好ましくは、誘導コイル３４の出力は１０キロワットの大きさまで調整可能であり、かつ周波数は１０メガヘルツの値まで調整可能である。誘導コイル３４はソレノイドまたはパンケーキ型、あるいは他の形式とすることができる。さらに磁束の妨害を回避するため、ダイ取付け領域における金属ホットプレート２６，２８は、セラミックプレート３６のようなセラミック材から形成可能な非金属支持面によって置き換えられ、誘導加熱のための誘導コイル３４とリードフレームキャリア１２の金属部１３との間の電磁誘導を促進する。
加熱要素３２を備えた従来型加熱ブロック３０の代わりに誘導加熱を使用する利点は、リードフレームキャリア１２の金属部１３を集中加熱することができることである。プラスチックハウジング１４は誘導コイル３４と相互作用せず、それゆえ直接加熱されない。その代わりにプラスチックハウジング１４は金属部１３から間接的に熱を受け取り、その低い熱伝導率は問題ではなくなる。それゆえ非金属ハウジングへのダメージのリスクは、その直接加熱を伴わずに排除あるいは軽減できる。
本発明の好ましい実施形態による加熱ブロック３０および誘導コイル３４の配置構成から得られる加熱特性も図５に示す。ヒートトンネル２２に沿った加熱ブロック３０および誘導コイル３４の配置構成によって、リードフレームキャリア１２は、ダイ取付けポジションに到達する前に加熱特性に従って加熱ブロック３０によって徐々に加熱される。そのポイントでのリードフレームキャリア１２のダイ接合ポジションの温度は好ましくはＴａであり、これはプラスチックハウジング１４の素材の公知のガラス転移温度すなわちガラス点以下である。リードフレームキャリア１２のダイ接合ポジションの温度は、好ましくはダイ取付けポジションにおける誘導加熱に先立って、ガラス点以下に維持されるべきである。
上面カバー２４の窓によって規定されるＸ１とＸ２との間のダイ取付けポジションにおいて、リードフレームキャリア１２のダイ接合ポジションのＴｂからＴａまでの加熱速度は、従来技術に比べて、かつ周囲温度からガラス点の僅かに下まで加熱する速度に比べて実質的に増大させられる。ＴｂからＴａへの冷却速度も、実質的に、プラスチックハウジング１４が高温にさらされるのを低減するために従来技術に比べて、かつガラス点以下から周囲温度まで冷却する速度に比べて増大させられる。ここでの目的は、ダイを金属部に接合するため基板またはリードフレームキャリア１２の金属部分１３を十分な時間にわたって、ただし非金属材がそのガラス点以上に加熱される前に共晶接合温度に維持することである。
この結果、リードフレームキャリア１２の金属部１３はより短い時間だけ、共晶接合温度Ｔｂに維持される。金属部１３が温度Ｔｂに置かれる時間を減らすことにより、リードフレームキャリア１２の金属部１３からプラスチックハウジング１４へ伝達される熱によるプラスチックハウジング１４へのダメージのリスクがさらに低減される。
図６は、本発明の好ましい実施形態による非金属材を含む高分子基板１６上へのダイ１０の取付けを容易にするためのヒートトンネル２２の側面図である。図５のヒートトンネルとの主要な差異は、主に高分子基板１６の構造に起因して、上部および下部ホットプレート２６，２８の代わりに１層のホットプレート２７が存在することである。ヒートトンネル２２の他の部分は図５のそれと同じであり、これ以上は説明しない。
高分子基板１６はヒートトンネル２２を通って左から右へと移動させられ、ヒートトンネル２２に沿って配置された加熱ブロック３０によって加熱される。ダイ取付けポジションにおいて、加熱ブロック３０は誘導コイル３４で置き換えられ、しかも高分子基板１６はセラミックプレート３６によって支持される。ゆえに、ダイ１０が取り付けられる金属リードフレーム１８の金属材は、ダイ取付けポジションにおいて誘導加熱を用いて誘導コイル３４によって加熱される。
本発明の好ましい実施形態による加熱ブロック３０および誘導コイル３４の配置構成によって得られる加熱特性も図６に示す。加熱ブロック３０は金属リードフレーム１８上のダイ接合ポジションを温度Ｔａまで熱する。この温度Ｔａは、高分子基板１６の非金属プラスチック細片２０のガラス点以下である。その後、短い時間だけ、金属リードフレーム１８を温度Ｔｂで維持する前に、誘導コイル３４は従来技術に比べて実質的により高い速度で金属リードフレーム１８のダイ接合ポジションを共晶接合温度Ｔｂまで加熱する。ダイ取付けが実施された後、金属リードフレーム１８は、再び従来技術に比べて実質的により高い速度で温度Ｔａまで冷却される。その時点から、金属リードフレーム１８は従来プロセスを用いた場合と同様に漸進的速度で冷却可能であってもよい。
上記説明は、従来型加熱ブロックの形態の、ダイ取付けポジションの外側の誘導加熱以外の手段の使用に関するものであるが、基板が加熱管路を通って移動する際に、この基板の温度プロフィールを適当に調整するためダイ取付けポジションの外側に誘導加熱デバイスをさらに設けることができることが理解されるであろう。ダイ取付けポジションでの誘導加熱の利用は、非金属材がそのガラスすなわち溶融温度に達する速度を低下させるために、キャリアまたは基板に備わった非金属材へ熱が直接伝達されるのを回避する。むしろ熱は、金属リードフレーム１８からプラスチック細片２０に間接的に伝達される。さらに共晶接合温度Ｔｂはより短い時間だけ維持される。この時間は、ダイの載置およびダイとそれが接合される金属面との間で共晶接合が生じるのに、ちょうど十分なものである。上記要因により、非金属材のダメージのリスクが排除されるか、あるいは低減され、こうして最終製品の品質を改善可能である。
本明細書に開示した発明は、特に説明した以外の変形、変更および／または付加が可能であり、本発明は、上記説明の精神および範囲内に収まる全てのそうした変形、変更および／または付加を包含することを理解されたい。
プラスチックハウジングを備えたリードフレームキャリア上に載置されかつ取り付けられる、その裏面にはんだが担持されたダイの側面図である。 高分子基板上に載置されかつ取り付けられる、その裏面にはんだが担持されたダイの側面図である。 プラスチックハウジングを備えたリードフレームキャリア上へのダイの取付けを容易にするための従来のヒートトンネルの側面図であり、ヒートトンネルに沿った加熱ブロックの配置構成によって得られた加熱特性を併せて示す。 高分子基板上へのダイの取付けを容易にするための従来のヒートトンネルの側面図であり、ヒートトンネルに沿った加熱ブロックの配置構成によって得られた加熱特性を併せて示す。 プラスチックハウジングを備えたリードフレームキャリア上へのダイの取付けを容易にするためのヒートトンネルの側面図であり、本発明の好ましい実施形態による、ヒートトンネルに沿った加熱ブロックおよび誘導コイルの配置構成によって得られた加熱特性を併せて示す。 高分子基板上へのダイの取付けを容易にするためのヒートトンネルの側面図であり、本発明の好ましい実施形態による、ヒートトンネルに沿った加熱ブロックおよび誘導コイルの配置構成によって得られた加熱特性を併せて示す。
符号の説明
１０ ダイ
１１ はんだ
１２ リードフレームキャリア
１３ 金属部
１４ プラスチックハウジング
１６ 高分子基板
１８ 金属リードフレーム
２０ プラスチック細片
２２ ヒートトンネル
２４ 上面カバー
２６ 上部ホットプレート
２７ ホットプレート
２８ 下部ホットプレート
３０ 加熱ブロック
３２ 埋込み型加熱要素
３４ 誘導コイル
３６ セラミックプレート

Claims (17)

  1. 非金属材と、共晶コーティングを有するダイを受けるよう構成された金属材とを具備する基板上へのダイ取付けのための装置であって、
    ダイ取付けポジションにおいて前記ダイと前記金属材との間の接合を容易にするべく共晶接合温度まで前記金属材を加熱するために、それを通って前記基板が移動可能である加熱管路と、
    前記ダイ取付けポジションにおいて前記共晶接合温度まで前記金属材を加熱するための誘導加熱デバイスと、を具備してなることを特徴とするダイ取付け装置。
  2. 前記ダイ取付けポジションに前記基板用の非金属支持面を備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  3. 前記非金属支持面はセラミック材からなることを特徴とする請求項２に記載の装置。
  4. 前記誘導加熱デバイスは、単巻線または多重巻線を備えた金属コイルからなる誘導コイルを具備してなることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  5. 前記誘導加熱デバイスの出力は１０キロワット以下であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  6. 前記誘導加熱デバイスは１０メガヘルツ以下の周波数で作動させられることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  7. 誘導加熱が生じる前記ダイ取付けポジションの外側に配置された一つ以上の誘導加熱デバイスを具備してなることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  8. 非金属材と、ダイを受けるよう構成された金属材とを具備する基板への、共晶コーティングを有するダイの取付けのための方法であって、
    加熱管路を設けるステップと、
    前記加熱管路を通って前記基板を移動させる間に、ダイ取付けポジションにおいて前記ダイと前記金属材との間の接合を容易にするため、前記加熱管路内で共晶接合温度まで前記金属材を加熱するステップと、
    前記ダイ取付けポジションにおいて前記共晶接合温度まで誘導加熱手段によって前記金属材を加熱するステップと、
    前記ダイ取付けポジションにおいて前記金属材にダイを取り付けるステップと、を具備することを特徴とするダイ取付け方法。
  9. 前記ダイ取付けポジションでの誘導加熱に先立って、前記非金属材のガラス転移温度以下に前記金属材の温度を維持するステップを具備することを特徴とする請求項８に記載の方法。
  10. 前記ダイを前記金属材に接合するために十分な時間にわたって、ただし前記非金属材がそのガラス転移温度以上に加熱される前に、前記金属材を前記共晶接合温度で維持するステップを具備することを特徴とする請求項９に記載の方法。
  11. 前記ガラス転移温度以下から前記共晶接合温度まで前記金属材を加熱する速度は、実質的に、それを周囲温度から前記ガラス転移温度以下まで加熱する速度よりも高いことを特徴とする請求項９に記載の方法。
  12. 前記ダイ取付けポジションにおける前記ダイの取付け後、前記非金属材の前記ガラス転移温度以下の温度まで前記金属材を冷却するステップを具備することを特徴とする請求項９に記載の方法。
  13. 前記共晶接合温度から前記ガラス転移温度以下まで前記金属材を冷却する速度は、実質的に、前記ガラス転移温度から周囲温度まで前記金属材を冷却する速度よりも高いことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
  14. 前記誘導加熱手段は、単巻線または多重巻線を備えた金属コイルからなる誘導コイルを具備してなることを特徴とする請求項８に記載の方法。
  15. 前記ダイ取付けポジションにおいて非金属サポートを用いて前記基板を支持することを具備することを特徴とする請求項８に記載の方法。
  16. 前記非金属サポートはセラミック材からなることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
  17. 誘導加熱が生じる前記ダイ取付けポジションの外側で誘導加熱手段によって前記金属材を加熱することを具備することを特徴とする請求項８に記載の方法。
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