JP2007149897A - ダイボンディング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】接着部材を有する半導体装置をダイボンドする場合に、当該半導体装置の接着部材の溶融温度以上の温度で溶融するダイボンディング材料を用いることができるダイボンディング装置を提供する。
【解決手段】ダイボンディング装置１は、実装基板４を保持するステージ５と、ステージ５と対向する位置に配置され半導体装置２に当接した状態で半導体装置２を保持する金属製のコレット６とを備える。半導体装置２と実装基板４との接合時に共晶半田３が半導体装置２の接着部材８の溶融温度以上に加熱されても、半導体装置２の温度が当該半導体装置２の接着部材８の溶融温度を超えにくいように、コレット６には、コレット６に保持された半導体装置２の接着部材８の溶融温度よりも低温を発生する冷却手段１１が付設される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ダイボンディング材料を用いて半導体装置を被実装体にダイボンドするダイボンディング装置に関するものである。

従来から、この種のダイボンディング装置として、被実装体を保持するステージと、半導体装置を吸着保持するコレットとを備え、半導体装置と被実装体との間にＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ半田などからなるダイボンディング材料を介在させ、ダイボンディング材料を加熱して溶融させた状態で半導体装置を被実装体に押し付けるようにコレットを加圧することにより半導体装置と被実装体とを接合するものが知られている（たとえば特許文献１参照）。なお、ダイボンディング材料としては加熱する必要のない銀ペーストを用いることもある。

さらに、ダイボンディング材料としてはＡｕ−Ｓｎ共晶半田を用いることもあり、ダイボンディング材料にＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ半田や銀ペーストを用いるよりも、Ａｕ−Ｓｎ共晶半田を用いるほうが半導体装置と被実装体との接合強度は高くなることが知られている。したがって、接合強度の点からはダイボンディング材料としてＡｕ−Ｓｎ共晶半田を用いることが望ましいと考えられる。ただし、ダイボンディング材料としてＡｕ−Ｓｎ共晶半田を用いる場合には、半導体装置と被実装体との接合時にダイボンディング材料を溶融させるために、上述のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ半田を用いる場合に比べて高い温度（例えば３００℃）にダイボンディング材料を加熱する必要があり、これに伴って半導体装置および被実装体も高温になる。
特開平７−１７６５４９号公報（第２頁）

ところで、半導体装置としては、加熱されることにより溶融する接着部材（たとえばＡｕ−Ｓｎ共晶半田）を用いて半導体素子と別部材とを接合して成るものがある。この種の半導体装置をダイボンドする場合には、上述のように半導体装置が高温になると、半導体装置自体の温度が接着部材の溶融温度を超えることにより、半導体装置内の接着部材が溶融するおそれがある。万一、接着部材が溶融すると、半導体素子と別部材との接合強度が低下し半導体素子と別部材との間に位置ずれが生じることがある。したがって、接着部材を有する半導体装置をダイボンドする場合には、ダイボンディング材料として、結合強度の点からＡｕ−Ｓｎ共晶半田を用いたくても、半導体装置の接着部材の溶融温度よりも低温で溶融可能なＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ半田、あるいは銀ペーストなどを用いざるを得ない。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、接着部材を有する半導体装置をダイボンドする場合に、当該半導体装置の接着部材の溶融温度以上の温度で溶融するダイボンディング材料を用いることができるダイボンディング装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、加熱されることにより溶融する接着部材を用いて半導体素子と別部材とを接合した半導体装置を、前記接着部材の溶融温度以上の温度に加熱されることにより溶融するダイボンディング材料を用いて被実装体にダイボンドするダイボンディング装置であって、被実装体を保持するステージと、ステージと対向する位置に配置され半導体装置に当接した状態で半導体装置を保持する金属製のコレットとを有し、コレットには、コレットに保持された半導体装置の接着部材の溶融温度よりも低温を発生する冷却手段が付設されていることを特徴とする。

この構成によれば、コレットに保持された半導体装置の接着部材の溶融温度よりも低温を発生する冷却手段がコレットに付設されているので、半導体装置と被実装体との接合時に、ダイボンディング材料を半導体装置の接着部材の溶融温度以上に加熱しても、コレットが半導体装置を冷却することにより半導体装置の温度上昇は抑制され、半導体装置の温度は当該半導体装置の接着部材の溶融温度を超えにくくなる。したがって、接着部材を有する半導体装置をダイボンドする場合でも、当該半導体装置の接着部材の溶融温度以上の温度で溶融するダイボンディング材料を用いることができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記冷却手段が、前記コレットの内部に冷却媒体が流れる流路を備えることを特徴とする。

この構成によれば、コレットの内部を通して冷却媒体を流すことができるから、冷却媒体がコレットの内部を通らない場合に比べて、冷却媒体とコレットとの接触面積が大きく冷却媒体とコレットとの間で熱交換が行われやすい。したがって、冷却手段によるコレットの冷却効率を高めることができる。

請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記冷却媒体が、液体であることを特徴とする。

この構成によれば、冷却媒体の流量や冷却媒体自体の温度によって冷却装置が発生する温度を容易に調節することができる。

請求項４の発明は、請求項２の発明において、前記冷却媒体が、気体であることを特徴とする。

この構成によれば、冷却媒体の流量や冷却媒体自体の温度によって冷却装置が発生する温度を容易に調節することができる。

請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかの発明において、前記コレットが、前記ステージとの対向面に前記半導体装置が嵌り込む凹部を備えることを特徴とする。

この構成によれば、半導体装置が凹部に嵌り込むから、半導体装置を被実装体に接合する際に、コレットに対する半導体装置の位置ずれが生じることはなく、被実装体に対する半導体装置の位置合わせの精度が高くなる。しかも、凹部が設けられていない場合に比べて、半導体装置とコレットとの接触面積が大きく半導体装置とコレットとの間で熱交換が行われやすいので、冷却手段でコレットを冷却することによる半導体装置の冷却効率が向上する。

請求項６の発明は、請求項５の発明において、前記凹部が、前記半導体素子と前記別部材との両方が嵌り込む形状に形成されていることを特徴とする。

この構成によれば、半導体素子と別部材との両方が凹部に嵌り込むので、半導体装置を被実装体に接合する際に、万一接着部材の接合強度が低下することがあっても、半導体素子と別部材との間に位置ずれが生じることはない。

本発明は、コレットに保持された半導体装置の接着部材の溶融温度よりも低温を発生する冷却手段がコレットに付設されているので、半導体装置と被実装体との接合時に、ダイボンディング材料を半導体装置の接着部材の溶融温度以上に加熱しても、コレットが半導体装置を冷却することにより半導体装置の温度上昇は抑制され、半導体装置の温度は当該半導体装置の接着部材の溶融温度を超えにくくなる。したがって、接着部材を有する半導体装置をダイボンドする場合でも、当該半導体装置の接着部材の溶融温度以上の温度で溶融するダイボンディング材料を用いることができるという利点がある。

本実施形態のダイボンディング装置１は、図２（ａ）に示すように、半導体装置２をダイボンディング材料としての共晶半田３（ここではＡｕ−Ｓｎ共晶半田）を用いて実装基板４（被実装体）にダイボンドするものであって、実装基板４を保持するステージ５と半導体装置２を保持するコレット６とを互いに対向させて備えている。ここで用いる半導体装置２は、ＳｉＣ（あるいはＡｌＮ）からなるサブマウント基板７（別部材）上に、共晶半田（ここではＡｕ−Ｓｎ共晶半田）からなる接着部材８を用いてＬＥＤ素子９（半導体素子）を接合することにより構成されたものである。

本実施形態では、ステージ５はコレット６との対向面である上面に実装基板４が載置された状態で実装基板４を保持し、コレット６はステージ５との対向面である下面に半導体装置２を真空吸着により吸着保持する。したがって、コレット６が半導体装置２を保持した状態でコレット６の下面は半導体装置２に当接することになる。コレット６には下面に通じる吸着孔１０（図１（ｃ）参照）が貫設されており、この吸着孔１０に真空源（図示せず）が接続されることによりコレット６による半導体装置２の吸着保持が実現される。なお、コレット６は下方ほど外径を小さくするテーパ状に形成されている。

以下に、ダイボンディング装置１の基本動作について図２を参照して説明する。

まず、図２（ａ）に示すように、コレット６によりサブマウント基板７を実装基板４側に向けて半導体装置２を吸着保持する。このとき、ステージ５上に載置された実装基板４のうち、一表面上の半導体装置２を接合する部位には、板状に形成された共晶半田３が配置されており、コレット６は半導体装置２を共晶半田３に突き合わせる位置に配置される。

次に、図２（ｂ）に示すように、ステージ５に内蔵されたヒータ（図示せず）によって共晶半田３を加熱し溶融させるとともに、コレット６を加圧することにより半導体装置２を実装基板４に押し付ける。このとき、ヒータは共晶半田３を高温（３００℃以上）に加熱する。その後ヒータを停止し、共晶半田３の温度を低下させて共晶半田３を凝固させることによって、半導体装置２と実装基板４とが接合される。

ところで、本実施形態では、コレット６に付設する形でコレット６を冷却する冷却手段を設けてある。冷却手段は、コレット６に保持された半導体装置２の接着部材８の溶融温度よりも低温を発生するものであって、金属製であって熱伝導率がよいコレット６を冷却する。これにより、半導体装置２と実装基板４との接合時に共晶半田３の熱が半導体装置２に伝わっても、コレット６が半導体装置２を冷却することにより半導体装置２の温度上昇を抑制し、半導体装置２の温度が接着部材８の溶融温度以上となることを防止されることになる。すなわち、半導体装置２自体が高温になって半導体装置２内の接着部材８が溶融することを防止している。

図１には、冷却手段１１の一例として、一部がコレット６の内部に埋設され冷却媒体の流路を形成するパイプ１２を備えたものを例示する。パイプ１２に流す冷却媒体には冷却水などの液体を用いるが、空気など種々の気体を冷却媒体として用いてもよい。図１のパイプ１２は、コレット６の下端部に埋設され吸着孔１０の周囲に螺旋状に引き回された埋設路１３と、埋設路１３の一端に連続し埋設路１３へ冷却媒体を供給する供給路１４と、埋設路１３の他端に連続し埋設路１３から冷却媒体を排出する排出路１５とを有する。これにより、パイプ１２には冷却媒体を連続的に流すことができ、埋設路１３を通過する冷却媒体とコレット６との間で熱交換を行うことによりコレット６に当接している半導体装置２の温度上昇を抑制することができる。ここでは、排出路１５から排出された冷却媒体を冷却し再び供給路１４に供給することにより、冷却媒体を循環させている。なお、供給路１４に流す冷却媒体の温度は、半導体装置２と実装基板４との接合時に埋設路１３を流れる冷却媒体の温度を接着部材８の溶融温度以下に抑えることができるように設定される。

また、冷却手段１１としては上述したようにコレット６が直接冷却される構成に限らず、例えば、図３に示すように、コレット６に保持された半導体装置２の接着部材８の溶融温度よりも低温を発生する冷却装置１７に、熱伝導率のよい金属製の冷却バー１６を介してコレット６が連結され、冷却バーを介してコレットが間接的に冷却される構成を採用してもよい。冷却バー１６は、棒状であって一端部がコレット６に連結され他端部が冷却装置１７に連結される。この構成であっても、コレット６を直接冷却する上述の冷却手段１１と同様にコレット６を冷却することができるので、コレット６に当接している半導体装置２の温度上昇は抑制される。

また、図４に示すように、コレット６におけるステージ５との対向面（下面）に半導体装置２が嵌り込む凹部１８を設けてもよい。この構成によれば、半導体装置２はコレット６におけるステージ５との対向面内においてコレット６に対して定位置に固定されることになるので、ダイボンド時に半導体装置２と実装基板４との間に位置ずれが生じることはなく、凹部１８が設けられていない構成に比べて実装基板４と半導体装置２との位置合わせの精度が高くなる。さらに、凹部１８を設けた構成では、図２に示すような半導体装置２とコレット６とが面同士で当接しているだけの構成に比べて、半導体装置２とコレット６との接触面積が大きくなり半導体装置２の熱がコレット６に伝達されやすくなるので、冷却手段１１を設けたことによる半導体装置２の冷却効率が向上する。しかも、図４においては、サブマウント基板７とＬＥＤ素子９との両方が嵌り込むように凹部１８が半導体装置２の外形状に合わせて形成されているので、ダイボンド時に、万一接着部材８の接合強度が低下することがあっても、サブマウント基板７とＬＥＤ素子９との間に位置ずれが生じることはない。

本発明の実施形態の構成を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は要部の側面図、（ｃ）は要部の断面図である。 同上の基本動作を示す説明図である。 同上の他の構成を示す正面図である。 同上のさらに他の構成を示し、（ａ）は要部の下面図、（ｂ）は要部の断面図である。

符号の説明

１ ダイボンディング装置
２ 半導体装置
３ 共晶半田（ダイボンディング材料）
４ 実装基板（被実装体）
５ ステージ
６ コレット
７ サブマウント基板（別部材）
８ 接着部材
９ ＬＥＤ素子（半導体素子）
１１ 冷却手段
１２ パイプ
１８ 凹部

Claims (6)

1. 加熱されることにより溶融する接着部材を用いて半導体素子と別部材とを接合した半導体装置を、前記接着部材の溶融温度以上の温度に加熱されることにより溶融するダイボンディング材料を用いて被実装体にダイボンドするダイボンディング装置であって、被実装体を保持するステージと、ステージと対向する位置に配置され半導体装置に当接した状態で半導体装置を保持する金属製のコレットとを有し、コレットには、コレットに保持された半導体装置の接着部材の溶融温度よりも低温を発生する冷却手段が付設されていることを特徴とするダイボンディング装置。
2. 前記冷却手段は、前記コレットの内部に冷却媒体が流れる流路を備え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。
3. 前記冷却媒体は、液体であることを特徴とする請求項２記載のダイボンディング装置。
4. 前記冷却媒体は、気体であることを特徴とする請求項２記載のダイボンディング装置。
5. 前記コレットは、前記ステージとの対向面に前記半導体装置が嵌り込む凹部を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のダイボンディング装置。
6. 前記凹部は、前記半導体素子と前記別部材との両方が嵌り込む形状に形成されていることを特徴とする請求項５記載のダイボンディング装置。

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