JP2007214165A

JP2007214165A - リフロー装置およびリフロー方法

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Publication number: JP2007214165A
Application number: JP2006029286A
Authority: JP
Inventors: Osamu Kuwabara; 治桑原
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2006-02-07
Filing date: 2006-02-07
Publication date: 2007-08-23

Abstract

【課題】半田ボールを備えたＣＳＰ等の半導体装置において、ウエハ状態のシリコン基板に反りが発生していても、ホットプレートを用いて半田ボールを良好に形成することができる手段を提供する。
【解決手段】ウエハ状態のシリコン基板を含む半導体装置形成用構成体１２には中心部に対して外周部が浮き上がるような反りが発生している。そして、ホットプレート２４上の容器２５内に変形可能な伝熱層２６を設け、この伝熱層２６上に変形可能な伝熱補助材２７を介して半導体装置形成用構成体１２を配置すると、半導体装置形成用構成体１２の反りを伝熱層２６の変形により吸収して、反りが発生した半導体装置形成用構成体１２の下面全体を伝熱補助材２７を介して伝熱層２６の上面にムラなく確実に密着させることができ、したがってホットプレート２４を用いて半田ボールを良好に形成することができる。
【選択図】図５

Description

この発明は、半導体基板等の基板上の導電性ボール形成領域に半田ボール等の導電性ボールを形成するためのリフロー装置およびリフロー方法に関する。

例えばＢＧＡ(Ball Grid Array)と呼ばれる半導体装置では、半導体基板上の複数の半田ボール形成領域に半田ボールを形成している。従来のこのような半田ボールの形成方法には、半導体基板上の複数の半田ボール形成領域に半田ボールが配置されたものをホットプレート上に配置し、ホットプレートで加熱することにより、半導体基板上の複数の半田ボール形成領域に半田ボールを固着させて形成するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−４４９８０号公報（第２４段落）

ところで、半導体装置の製造方法では、一般的に、生産性の向上を図るため、ウエハ状態の半導体基板上の複数の半田ボール形成領域に半田ボールを固着させて形成し、この後、ダイシングによりウエハ状態の半導体基板を切断して個片化している。この場合、ウエハ状態の半導体基板に中心部に対して外周部が浮き上がるような反りが発生していることが多く、しかも、この反りが比較的大きく且つその反力も比較的大きい場合がある。

したがって、このような反りが発生したウエハ状態の半導体基板をホットプレートの平坦な上面に配置すると、ウエハ状態の半導体基板の外周側が浮き上がり、ウエハ状態の半導体基板の上面外周部をリング状の押え治具で押え付けても、ウエハ状態の半導体基板の反りを完全に矯正することができず、ウエハ状態の半導体基板の下面外周側をホットプレートの平坦な上面に確実に密着させることができない場合がある。この結果、ウエハ状態の半導体基板の上面外周側の半田ボール形成領域に配置された半田ボールを溶融させることができず、半田ボール形成不良が発生してしまうという問題があった。

そこで、この発明は、ホットプレートを用いても導電性ボール形成不良が発生しにくいようにすることができるリフロー装置およびリフロー方法を提供することを目的とする。

この発明は、上記目的を達成するため、基板上の導電性ボール形成領域に配置された導電性ボールをホットプレートを用いて加熱することにより、前記基板上の導電性ボール形成領域に導電性ボールを形成するリフロー装置において、前記ホットプレート上に設けられた容器と、前記容器内に設けられたそれ自体でまたは予め設定された加熱温度で変形可能な伝熱層とを有することを特徴とするものである。

この発明によれば、ホットプレート上の容器内に変形可能な伝熱層を設け、この伝熱層上に基板を配置するようにしているので、基板に反りが発生していても、この基板の反りを伝熱層の変形により吸収して、反りが発生した基板の下面全体を伝熱層の上面にムラなく確実に密着させることができ、したがってホットプレートを用いても導電性ボール形成不良が発生しにくいようにすることができる。

図１はこの発明の一実施形態としての後述するリフロー装置を用いて形成された半田ボールを備えたものの一例としての半導体装置の断面図を示す。この半導体装置は、ＣＳＰ(chip size package)と呼ばれるもので、シリコン基板（半導体基板）１を備えている。シリコン基板１の上面には集積回路（図示せず）が設けられ、上面周辺部にはアルミニウム系金属等からなる複数の接続パッド２が設けられている。

接続パッド２の中央部を除くシリコン基板１の上面には酸化シリコン等からなる絶縁膜３が設けられ、接続パッド２の中央部は絶縁膜３に設けられた開口部４を介して露出されている。絶縁膜３の上面にはポリイミド系樹脂等からなる保護膜５が設けられている。絶縁膜３の開口部４に対応する部分における保護膜５には開口部６が設けられている。

保護膜５の上面には銅等からなる下地金属層７が設けられている。下地金属層７の上面全体には銅からなる配線８が設けられている。下地金属層７を含む配線８の一端部は、絶縁膜３および保護膜５の開口部４、６を介して接続パッド２に接続されている。配線８の接続パッド部上面には銅からなる柱状電極９が設けられている。配線８を含む保護膜５の上面にはエポキシ系樹脂等からなる封止膜１０がその上面が柱状電極９の上面と面一となるように設けられている。柱状電極９の上面には半田ボール１１が設けられている。

次に、この半導体装置の製造方法の一例について説明する。まず、図２に示すように、ウエハ状態のシリコン基板（半導体基板）１上に、接続パッド２、絶縁膜３、保護膜５、下地金属層７、配線８、柱状電極９および封止膜１０が形成され、半田ボール１１のみが形成されていないものを用意する。なお、図２において、符号２１で示す領域はダイシングストリートに対応する領域である。

ここで、図２は、ウエハ状態のシリコン基板１全体の中の一部の断面図であり、反りが発生していないように図示しているが、これは図示の都合上であり、実際には、ウエハ状態のシリコン基板１の中央部側に対して外周部側が浮き上がるような僅かな反りが発生している（以下、同様の図において同じ）。なお、この反りの発生要因としては、例えば、シリコン基板１とエホキシ系樹脂等からなる封止膜１０との間の熱膨張係数差が挙げられる。

次に、図３に示すように、スクリーン印刷法により、柱状電極９の上面にフラックス２２を塗布する。次に、半田ボール真空吸着手段等を用いた半田ボール搭載方法により、フラックス２２の上面に半田ボール１１を搭載して付着させる。ここで、図３に示す状態におけるものを半導体装置形成用構成体１２という。

次に、図４に示すように、リフロー装置２３を用意する。このリフロー装置２３はホットプレート２４を備えている。ホットプレート２４は、ヒータ（図示せず）を内蔵した板状のものであり、その上面は平坦となっている。ホットプレート２４の上面には方形箱状で深さが一様な容器２５が設けられている。容器２５は、アルミニウム、銅、鉄等の熱伝導性の良い金属によって形成されている。

容器２５の内部には伝熱層２６が設けられている。この場合、伝熱層２６は、容器２５の内部に満杯となるように充填されたアルミニウム、銅、鉄等の熱伝導性の良い金属からなる多数の金属微粒子によって構成されている。容器２５内に充填される金属微粒子は、アルミニウム、銅、鉄のいずれかであってもよく、また、そのうちの２種以上であってもよい。また、熱伝導率が０．１ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃以上であれば、これら以外の金属微粒子を用いてもよい。そして、伝熱層２６は、金属微粒子が移動することにより、その上面側が変形可能となっている。

容器２５の上面側には伝熱補助材２７が伝熱層２６の上面を覆うように設けられている。伝熱補助材２７は、例えば、厚さ５０μｍ以下の熱伝導性の良いアルミニウム箔や銅箔等からなり、変形可能となっている。伝熱補助材２７は、容器２５内に設けられた伝熱層２６を構成する金属微粒子（金属粉末）が舞い上がって飛散するのを防止し、且つ、熱分布をより一層均一化するためのものである。

伝熱補助材２７の上方には鉄等からなるリング状の押え治具２８が配置されるようになっている。押え治具２８には複数の円形状の貫通孔２９が等間隔に設けられている。押え治具２８は、図示していないが、真空吸着ヘッドの下面に取り付けられている。真空吸着ヘッドは、押え治具２８の貫通孔２９を介して、半導体装置形成用構成体１２の上面外周部を真空吸着することができるようになっている。

ここで、ウエハ状態のシリコン基板１の上面外周部の非有効領域は、一般的に、ウエハ状態のシリコン基板１の外周端面から内側に向かって３〜４ｍｍの範囲であるので、押え治具２８で真空吸着する（押え付ける）ときの位置ずれを考慮すると、ウエハ状態のシリコン基板１の外周端面から内側に向かって１〜２ｍｍの部分を押え治具２８で真空吸着する（押え付ける）ようにすればよい。

次に、このリフロー装置２３を用いてリフローする場合について説明する。まず、図３に示す半田ボール１１搭載工程後に、押え治具２８を備えた真空吸着ヘッドで半導体装置形成用構成体１２の上面外周部を真空吸着し、真空吸着ヘッドの移動により、図４に示すように、半導体装置形成用構成体１２を伝熱補助材２７の上面中央部にただ単に配置する。ここで、図４に示す状態では、半導体装置形成用構成体１２に中心部に対して外周部が浮き上がるような反りが発生している。

次に、図５に示すように、押え治具２８を備えた真空吸着ヘッドを下降させると、押え治具２８によって半導体装置形成用構成体１２が反ったまま伝熱補助材２７の上面中央部に押し付けられる。すると、半導体装置形成用構成体１２の反りに応じて、伝熱層２６の上面側が伝熱補助材２７と共に変形し、半導体装置形成用構成体１２の反りが伝熱層２６の上面側の変形により吸収される。したがって、この状態では、反りが発生した半導体装置形成用構成体１２の下面全体は伝熱補助材２７を介して伝熱層２６の上面にムラなく確実に密着される。

また、元々反りの無い半導体装置形成用構成体１２を加熱する際においても、押え治具２８により伝熱補助材２７の上面中央部に押し付けることで、伝熱層２６の熱により発生しようとする反りが伝熱層２６の上面側の変形により吸収され、反りを最小限に抑えることができる。

そして、この状態において、ホットプレート２４で発生した熱が容器２５、伝熱層２６および伝熱補助材２７を介して半導体装置形成用構成体１２全体に均等に伝導されると、フラックス２２（図３参照）が蒸発して取り除かれるとともに、図６に示すように、柱状電極９の上面に半田ボール１１が固着されて形成される。

このように、反りが発生した半導体装置形成用構成体１２の下面全体を伝熱補助材２７を介して伝熱層２６の上面にムラなく確実に密着させることができるので、ホットプレート２４を用いても半田ボール形成不良が発生しにくいようにすることができる。次に、図７に示すように、ウエハ状態のシリコン基板１等をダイシングストリート２１に沿って切断すると、図１に示す半導体装置が複数個得られる。

なお、伝熱補助材２７を用いずに、反りが発生した半導体装置形成用構成体１２の下面全体を伝熱層２６の上面に直接押し付けるようにしてもよい。また、上記構成のリフロー装置２３を真空チャンバー（図示せず）内に設けるようにしてもよい。このようにした場合には、柱状電極９上に形成される半田ボール１１にボイドが発生しないようにすることができる。

また、伝熱補助材２７を備えた状態において、伝熱層２６を、油等の液体、または、半田ボール１１の溶融可能な温度（例えば２００〜３００℃）で溶融する金属材料（例えば錫、錫合金（錫系金属））あるいは有機材料によって構成するようにしてもよい。後者の場合、すなわち、伝熱層２６を半田ボール１１の溶融可能な温度で溶融する金属材料あるいは有機材料によって構成した場合には、図４に示す状態において、金属材料あるいは有機材料を溶融させて液状としておくと、変形可能とすることができる。

この発明の一実施形態としてのリフロー装置を用いて形成された半田ボールを備えたものの一例としての半導体装置の断面図。図１に示す半導体装置の製造に際し、当初用意したものの断面図。図２に続く工程の断面図。図３に続く工程の断面図。図４に続く工程の断面図。図５に続く工程の断面図。図６に続く工程の断面図。

符号の説明

１シリコン基板
２接続パッド
８配線
９柱状電極
１０封止膜
１１半田ボール
１２半導体装置形成用構成体
２１ダイシングストリート
２２フラックス
２３リフロー装置
２４ホットプレート
２５容器
２６伝熱層
２７伝熱補助材
２８押え治具
２９貫通孔

Claims

基板上の導電性ボール形成領域に配置された導電性ボールをホットプレートを用いて加熱することにより、前記基板上の導電性ボール形成領域に導電性ボールを形成するリフロー装置において、前記ホットプレート上に設けられた容器と、前記容器内に設けられたそれ自体でまたは前記導電性ボールの溶融可能な温度で変形可能な伝熱層とを有することを特徴とするリフロー装置。
請求項１に記載の発明において、前記伝熱層は、前記容器内に充填された多数の金属微粒子によって形成されていることを特徴とするリフロー装置。
請求項１に記載の発明において、前記容器内に設けられた前記伝熱層を覆う変形可能な伝熱補助材を有することを特徴とするリフロー装置。
請求項３に記載の発明において、前記伝熱層は、前記容器内に充填された液体または前記導電性ボールの溶融可能な温度で溶融する金属材料あるいは有機材料によって形成されていることを特徴とするリフロー装置。
請求項１に記載の発明において、前記ホットプレートおよび前記容器は真空チャンバー内に設けられていることを特徴とするリフロー装置。
請求項１に記載の発明において、前記基板は複数の接続パッドを有するウエハ状態の半導体基板であり、前記導電性ボール形成領域は前記各接続パッドに接続された柱状電極の上面であることを特徴とするリフロー装置。
請求項６に記載の発明において、前記柱状電極は前記半導体基板上に形成された配線上に形成されていることを特徴とするリフロー装置。
請求項６に記載の発明において、前記伝熱層上に配置された前記半導体基板上の外周部を押え付けるリング状の押え治具を有することを特徴とするリフロー装置。
請求項８に記載の発明において、前記押え治具に複数の貫通孔が設けられ、前記押え治具の貫通孔を介して前記半導体基板上の外周部を真空吸着する真空吸着ヘッドを有することを特徴とするリフロー装置。
請求項１に記載の発明において、前記導電性ボールは半田ボールであることを特徴とするリフロー装置。
基板上の導電性ボール形成領域に配置された導電性ボールをホットプレートを用いて加熱することにより、前記基板上の導電性ボール形成領域に導電性ボールを形成するリフロー方法であって、
前記ホットプレート上に容器を設ける工程と、
それ自体でまたは前記導電性ボールの溶融可能な温度で変形可能な伝熱層を前記容器内に設ける工程と、
を有することを特徴とするリフロー方法。
請求項１１に記載の発明において、前記容器内に多数の金属微粒子を充填し、前記伝熱層を形成することを特徴とするリフロー方法。
請求項１１に記載の発明において、前記容器内に設けられた前記伝熱層上に前記伝熱層を覆う変形可能な伝熱補助材を設け、前記伝熱補助材を介して前記基板と前記伝熱層を対面させることを特徴とするリフロー方法。
請求項１３に記載の発明において、前記伝熱層は、前記容器内に充填された液体または前記導電性ボールの溶融可能な温度で溶融する金属材料あるいは有機材料によって形成することを特徴とするリフロー方法。
請求項１１に記載の発明において、前記ホットプレートおよび前記容器を真空チャンバー内に設けることを特徴とするリフロー方法。
請求項１１に記載の発明において、前記基板は複数の接続パッドを有するウエハ状態の半導体基板であり、前記各接続パッドに接続された柱状電極の上面を前記導電性ボール形成領域とすることを特徴とするリフロー方法。
請求項１６に記載の発明において、前記柱状電極は前記半導体基板上に形成された配線上に形成することを特徴とするリフロー方法。
請求項１６に記載の発明において、前記伝熱層上に配置された前記半導体基板上の外周部を、リング状の押え治具によって押え付けることを特徴とするリフロー方法。
請求項１８に記載の発明において、前記押え治具に複数の貫通孔を設け、前記押え治具の貫通孔を介して前記半導体基板上の外周部を真空吸着することを特徴とするリフロー方法。
請求項１１に記載の発明において、前記導電性ボールは半田ボールであることを特徴とするリフロー方法。