JP2007234713A - 部品接合方法および部品積層方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】熱圧着工程の生産性向上を実現することができる部品接合方法および部品積層方法を提供することを目的とする。
【解決手段】下面に熱硬化性の接着層１３ｃが設けられた半導体部品１３を、表面に樹脂層を有する基板５に接合する部品接合において、予め基板５の樹脂表面５ａをプラズマ処理によって表面改質を行って濡れ性を向上させた後、加熱手段を有する部品保持ノズル１２によって半導体部品１３を保持し、表面改質された樹脂層に接着層１３ｃを当接させ、接着層１３ｃを加熱手段によって加熱して熱硬化させる。これにより接着層１３ｃと樹脂表面５ａの密着性を向上させて、部品保持ノズル１２を接着層１３ｃの完全硬化を待たずに半導体部品１３から離隔させることができ、部品接合に要する時間を短縮して熱圧着工程の生産性向上を実現することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、表面に樹脂層を有する基板に熱硬化性の接着層を有する半導体部品を接合する部品接合方法および一方の面に樹脂層を有し他方の面に熱硬化性の接着層を有する複数の部品を積層する部品積層方法に関するものである。
半導体装置の製造工程において、半導体ウェハから切り出された個片の半導体素子は、接着剤を介してリードフレームやフレキシブル基板などの基板に実装される。半導体素子の基板への搭載工程は、従来は基板上に予め塗布された接着剤上に半導体素子を搭載する方法が採用されていたが、近年半導体素子の薄型化に伴って従来工法をそのまま適用することが困難になってきている。
すなわち半導体素子を基板に良好な状態で接着するには、基板と半導体素子の間に薄膜状の接着剤を均一に介在させることが求められるが、撓みやすくて剛性が小さい薄型の半導体素子を接着剤上に搭載する場合には、予め塗布された接着剤を半導体素子自体の剛性によって押し広げることが難しい。また薄型の半導体素子を接着剤上に押しつけると、接着剤は半導体素子の上面に這い上がりやすく、搭載ツールを汚損して正常な部品保持動作を妨げる不具合を生じやすい。
このため近年、半導体素子を個片に分割する前の半導体ウェハ状態において、予め半導体ウェハに半硬化状態の接着用樹脂をフィルム状にしたダイアタッチフィルムを貼着して半導体素子自体に接着層を形成する方法が採用されるようになっている（例えば特許文献１参照）。これにより、半導体素子を樹脂層によって補強して撓みやすい薄型の半導体素子の取り扱いを容易にするとともに、基板への搭載時の接着剤の這い上がりなどの不具合を排除することができる。
特開２００１−１８５５６３号公報
しかしながら、上述の公知文献例に示す半導体素子の搭載においては、接着用樹脂を熱硬化させるために熱圧着ツールによって半導体素子を基板に対して押圧した状態を所定時間保持する必要があった。この保持時間は接着用樹脂をある程度硬化させる必要があることから通常は秒オーダーの時間を必要とし、大幅な時間短縮は困難であった。そしてこのことが熱圧着工程における時間短縮を困難にして生産性向上を阻害する要因となっており、特に薄型の半導体部品を基板上において積層するチップオンチップ構造の実装形態において特に顕著となっていた。
そこで本発明は、熱圧着工程の生産性向上を実現することができる部品接合方法および部品積層方法を提供することを目的とする。
本発明の部品接合方法は、表面に樹脂層を有する基板に熱硬化性の接着層を有する半導体部品を前記接着層を介して接合する部品接合方法であって、プラズマ処理によって前記樹脂層の表面改質を行い、部品保持ノズルによって前記半導体部品を保持し、表面改質された前記樹脂層に前記接着層を当接させ、前記接着層を加熱手段によって加熱して熱硬化させる。
本発明の部品積層方法は、一方の面に樹脂層を有し他方の面に熱硬化性の接着層を有し少なくとも第１の部品および第２の部品を含む複数の部品を基板上において積層する部品積層方法であって、前記基板に前記第１の部品を搭載し、プラズマ処理によって前記第１の部品の樹脂層の表面改質を行い、部品保持ノズルによって前記第２の部品を保持し、表面改質された前記第１の部品の樹脂層に前記第２の部品の接着層を当接させ、前記第２の部品の接着層を加熱手段によって加熱して熱硬化させる。
本発明によれば、プラズマ処理によって樹脂層の表面改質を行うことにより、半導体部品に予め設けられた接着層と樹脂層との密着性を向上させ、部品接合に要する時間を短縮して熱圧着工程の生産性向上を実現することができる。
（実施の形態１）
図１、図２、図３、図４，図５，図６は本発明の実施の形態１の部品接合方法の工程説明図である。ここに示す部品接合においては、表面にポリイミドやガラスエポキシなど樹脂層を有する基板に、熱硬化性の接着層が予め形成された半導体部品を熱圧着により接合して実装する。
熱圧着に先立って、まず基板表面の濡れ性を向上させることを目的として、基板の表面改質のためのプラズマ処理がプラズマ処理装置によって行われる。図１（ａ）に示すようにプラズマ処理装置１は、真空密の真空チャンバ１ａによって形成された処理室２の内部に、下部電極３および上部電極４を対向させて配置した構成となっている。表面改質処理対象の基板５は、表面の樹脂層を上向きにした姿勢で下部電極３上に載置される。
プラズマ処理に際しては、処理室２内を真空排気部６により真空排気して減圧し、次いで処理室２内にガス供給部７によってプラズマ発生用ガスを供給しながら、高周波電源８によって下部電極３と上部電極４との間に高周波電圧を印加する。ここではプラズマ発生用ガスとして、酸素ガスもしくはアルゴンガスが用いられる。これにより図１（ｂ）に示すように、処理室２内には、酸素ガスやアルゴンガスのプラズマが発生し、基板５の表面の樹脂層を対象としたプラズマ処理が行われる。このプラズマ処理により、樹脂層の表面が改質され、表面の濡れ性が向上する。すなわち本実施の形態においては、酸素ガスもしくはアルゴンガスをプラズマ発生用ガスとして用いたプラズマ処理によって、基板５の表面の樹脂層の表面改質を行うようにしている。
ここで表面改質について説明する。基板５の表面の樹脂層を構成するポリイミドなどの樹脂は各種の有機結合によって構成されており、樹脂層には炭素単結合基（Ｃ−Ｃ）やカルボニル基（Ｃ＝Ｏ）など、炭素と酸素、水素等を含む原子同士が固有の形態で結合した有機結合が多数存在する。有機結合はそれぞれ固有の結合エネルギを有しており、この結合エネルギ値より大きなエネルギが外部から与えられることによって、これらの有機結合は分解する。
表面改質を目的としたプラズマ処理においては、樹脂層に存在する複数種類の有機結合のうち、カルボニル基など親水性の有機結合基を残して、他の結合基を選択的に除去することが可能なプラズマ処理条件が設定される。すなわち、プラズマによって発生する荷電粒子のエネルギを制御することにより、結合エネルギの大きいカルボニル基などの有機結合基を残して、結合エネルギの低い炭素単結合基等を選択的に除去することが可能なエネルギ域の荷電粒子を衝突させるようにする。これにより、基板５の樹脂表面層ではカルボニル基など親水性の有機結合基の割合が増加し、濡れ性が大幅に向上する。
この後、表面改質後の基板５は部品実装装置９に送られ、図２（ａ）に示すように、搬送機構１１によって搬送され、部品実装位置に位置決め保持される。部品実装装置９は、加熱手段を有する部品保持ノズル１２によって実装対象の部品を保持して基板５に圧着する機能を有しており、部品保持ノズル１２はまず最初に第１の半導体部品１３を保持する。なお、搬送機構１１も必要に応じて加熱手段を有している。
第１の半導体部品１３は、図２（ｂ）に示すように、上面に樹脂層１３ｂを有する半導体チップ１３ａの下面に、接着層１３ｃを形成した構成となっている。接着層１３ｃは半硬化状態の熱硬化性樹脂より成り、半導体チップ１３ａが個片に分割される前の半導体ウェハ状態において、半硬化状態の樹脂をシート状にしたダイアタッチフィルムを貼着することにより形成されている。第１の半導体部品１３を保持した部品保持ノズル１２は、基板５上に移動し第１の半導体部品１３を実装位置に位置合わせする。
次に図２（ｃ）に示すように、第１の半導体部品１３を保持した部品保持ノズル１２を下降させ、接着層１３ｃを基板５の表面の表面改質された樹脂層に当接させる。次いで、図２（ｄ）に示すように、部品保持ノズル１２に内蔵された加熱手段によって第１の半導体部品１３を加熱しながら、第１の半導体部品１３を基板５に対して押圧する。これにより半硬化状態であった接着層１３ｃの熱硬化が進行する。このとき、基板５の樹脂表面５ａは前工程で表面改質されて濡れ性が大幅に向上していることから、半硬化状態の接着層１３ｃは樹脂表面５ａで速やかに流動して、内部に気泡を残留させることなく樹脂表面５ａの表面と良好に密着する。
そして所定の熱圧着時間が経過した後、図３（ａ）に示すように、部品保持ノズル１２を基板５から上昇させて第１の半導体部品１３から離隔させる。このとき、接着層１３ｃは樹脂表面５ａと密着して剥離や位置ずれを生じるおそれがないことから、接着層１３ｃが完全に熱硬化する前に部品保持ノズル１２を上昇させて第１の半導体部品１３から離隔させることが可能となっている。これにより、従来のダイアタッチフィルムによる部品接合過程において数秒のオーダーで必要とされていた熱圧着時間が約０．２秒に短縮され、生産性を大幅に向上させることが可能となっている。
この後、図３（ｂ）に示すように、他の実装対象の第１の半導体部品１３を同様に基板５に熱圧着により接合し、全ての第１の半導体部品１３の熱圧着が完了したならば、基板５をキュア工程に送る。すなわち、熱圧着完了後の基板５はキュア炉１４内に収容され、所定のキュア温度で所定時間保持される。これにより接着層１３ｃの熱硬化が完了し、第１の半導体部品１３の基板５への接合が完了する。なお、図２（ｄ）に示す熱圧着過程において十分に熱硬化反応が進行している場合には、図３（ｃ）の別工程によるキュア工程は省略してもよい。
この後、第１の半導体部品１３が接合された基板５は再びプラズマ処理装置１に送られ、図４（ａ）に示すように、真空チャンバ１ａ内の下部電極３上に第１の半導体部品１３を上向きにした姿勢で載置される。そして図４（ｂ）に示すように、処理室２においてプラズマ放電を発生させることにより、樹脂層である樹脂層１３ｂの上面がプラズマ処理によって表面改質される。この後表面改質後の基板５は、図５（ａ）に示すように再び部品実装装置９に送られ、搬送機構１１に保持される。
次いで、図５（ｂ）に示すように、第２の半導体部品２３を保持した部品保持ノズル１２を基板５上に移動させ、第１の半導体部品１３に対して位置合わせする。第２の半導体部品２３は、第１の半導体部品１３と同様構成の半導体部品であり、上面に樹脂層２３ｂを有する半導体チップ２３ａの下面に、接着層２３ｃを形成した構成となっている。接着層２３ｃは接着層１３ｃと同様にダイアタッチフィルムを貼着することにより形成されて
いる。なお第２の半導体部品２３を第１の半導体部品１３上に積層した状態において第１の半導体部品１３を対象としたワイヤボンディングの妨げとならないように、第２の半導体部品２３の外形寸法は第１の半導体部品１３よりも一回り小さく設定されている。
次に図５（ｃ）に示すように、第２の半導体部品２３を保持した部品保持ノズル１２を下降させ、接着層２３ｃを第１の半導体部品１３の表面の表面改質された樹脂層１３ｂに当接させる。次いで、図５（ｄ）に示すように、部品保持ノズル１２に内蔵された加熱手段によって第２の半導体部品２３を加熱しながら第２の半導体部品２３を第１の半導体部品１３に対して押圧する。これにより半硬化状態であった接着層２３ｃの熱硬化が進行する。このとき、第１の半導体部品１３の樹脂表面１３ｄは前工程で表面改質されて濡れ性が大幅に向上していることから、半硬化状態の接着層２３ｃは樹脂表面１３ｄで速やかに流動して樹脂表面１３ｄの表面と良好に密着する。
そして所定の熱圧着時間が経過した後、図６（ａ）に示すように、部品保持ノズル１２を上昇させて第２の半導体部品２３から離隔させる。これにより、基板５上において第１の半導体部品１３と第２の半導体部品２３を積層した２層積層体１５が形成される。このとき、図２（ｄ）と同様に接着層２３ｃは樹脂表面１３ｄと密着して剥離や位置ずれを生じるおそれがないことから、接着層２３ｃが完全に熱硬化する前に部品保持ノズル１２を上昇させて第２の半導体部品２３から離隔させることが可能となっている。これにより、同様に熱圧着時間が短縮され、生産性を大幅に向上させることができる。
この後、図６（ｂ）に示すように、同様に他の２層積層体１５を基板５上に形成する作業が完了したならば、基板５をキュア工程に送る。すなわち、２層積層体１５形成完了後の基板５はキュア炉１４内に収容され、所定のキュア温度で所定時間保持される。これにより接着層２３ｃの熱硬化が完了し、２層積層体１５の形成が完了する。なお、同様に図５（ｄ）に示す熱圧着過程において十分に熱硬化反応が進行している場合には、図６（ｃ）の別工程によるキュア工程は省略してもよい。
この後、２層積層体１５が形成された基板５はワイヤボンディング工程に送られ、図６（ｄ）に示すように、半導体チップ１３ａ、２３ａの外縁部に形成された接続用端子と基板５の電極とをボンディングワイヤ１６によって接続して、基板５上に２つの電子部品を積層したチップオンチップ構造の実装体が完成する。
上述のチップオンチップ構造の実装体を形成するための部品接合においては、プラズマ処理によって樹脂層の表面改質を行うことにより、半導体部品に予め設けられた接着層と樹脂層との密着性を向上させるようにしている。これにより、ダイアタッチフィルムによって部品接合を行う場合に適用されていた従来のプロセスと比較して、部品接合に要する時間を大幅に短縮して、熱圧着工程の生産性向上を実現することができる。
（実施の形態２）
図７，図８，図９，図１０は本発明の実施の形態２の部品積層方法の工程説明図である。この部品積層方法においては、一方の面に樹脂層を有し他方の面に熱硬化性の接着層を有する複数の部品を、基板５上において積層するものである。本実施の形態２では、２つの半導体部品を、スペーサ２４を介して積層する例を示している。
図７（ａ）において、部品実装装置９の搬送機構１１に保持された基板５には、実施の形態１に示すものと同様の第１の半導体部品１３が接合されている。第１の半導体部品１３の基板５への接合は、実施の形態１において図１〜図４にて示す方法と同様の過程で行われる。
次いで、図７（ｂ）に示すように、スペーサ２４を保持した部品保持ノズル１２を基板５上に移動させ、第１の半導体部品１３に対して位置合わせする。スペーサ２４は、類似の外形寸法を有する２つの半導体部品を積層する構成の半導体装置において、下層部品のワイヤボンディングを可能とするための隙間を確保することを目的として２つの部品の間に介在させる用途に用いられる。スペーサ２４は樹脂製の樹脂板２４ａの下面に、接着層２４ｂを形成した構成となっている。接着層２４ｂは、接着層１３ｃと同様にダイアタッチフィルムを貼着することにより形成されている。
次に図７（ｃ）に示すように、スペーサ２４を保持した部品保持ノズル１２を下降させ、接着層２４ｂを第１の半導体部品１３の表面の表面改質された樹脂層１３ｂに当接させる。次いで、図７（ｄ）に示すように、部品保持ノズル１２に内蔵された加熱手段によってスペーサ２４を加熱しながらスペーサ２４を第１の半導体部品１３に対して押圧する。これにより半硬化状態であった接着層２４ｂの熱硬化を進行させる。このとき、第１の半導体部品１３の樹脂表面１３ｄは前工程で表面改質されて濡れ性が大幅に向上していることから、半硬化状態の接着層２４ｂは樹脂表面１３ｄで速やかに流動して樹脂表面１３ｄの表面と良好に密着する。
そして所定の熱圧着時間が経過した後、図８（ａ）に示すように、部品保持ノズル１２を上昇させてスペーサ２４から離隔させる。これにより、基板５上において第１の半導体部品１３とスペーサ２４を積層した２層積層体２５が形成される。このとき、図２（ｄ）と同様に接着層２４ｂは樹脂表面１３ｄと密着して剥離や位置ずれを生じるおそれがないことから、接着層２４ｂが完全に熱硬化する前に部品保持ノズル１２を上昇させてスペーサ２４から離隔させることが可能となっている。これにより、同様に熱圧着時間が短縮され、生産性を大幅に向上させることができる。
この後、図８（ｂ）に示すように、同様に他の２層積層体２５を基板５上に形成する作業が完了したならば、基板５をキュア工程に送る。すなわち、２層積層体２５形成完了後の基板５はキュア炉１４内に収容され、所定のキュア温度で所定時間保持される。これにより接着層２４ｂの熱硬化が完了し、２層積層体２５の形成が完了する。
この後、２層積層体２５が形成された基板５は再びプラズマ処理工程に送られ、図４（ａ）に示すように、プラズマ処理装置１内の下部電極３上に載置される。そして図４（ｂ）に示すように、処理室２においてプラズマ放電を発生させることにより、樹脂層である樹脂板２４ａの上面がプラズマ処理によって表面改質される。この後表面改質後の基板５は、図９（ａ）に示すように、再び部品実装装置９に送られ、搬送機構１１に保持される。
次いで、図９（ｂ）に示すように、第３の半導体部品２６を保持した部品保持ノズル１２を基板５上に移動させ、２層積層体２５に対して位置合わせする。第３の半導体部品２６は、第１の半導体部品１３と同様構成の半導体部品であり、上面に樹脂層２６ｂを有する半導体チップ２６ａの下面に、接着層２６ｃを形成した構成となっている。接着層２６ｃは、接着層１３ｃと同様にダイアタッチフィルムを貼着することにより形成されている。
次に図９（ｃ）に示すように、第３の半導体部品２６を保持した部品保持ノズル１２を下降させ、接着層２６ｃをスペーサ２４の表面の表面改質された樹脂板２４ａに当接させる。次いで、図９（ｄ）に示すように、部品保持ノズル１２に内蔵された加熱手段によって第３の半導体部品２６を加熱しながら第３の半導体部品２６をスペーサ２４に対して押圧する。これにより半硬化状態であった接着層２６ｃの熱硬化を進行させる。このとき、スペーサ２４の樹脂板２４ａは前工程で表面改質されて濡れ性が大幅に向上していること
から、半硬化状態の接着層２６ｃは樹脂表面２４ｃで速やかに流動して樹脂板２４ａと良好に密着する。
そして所定の熱圧着時間が経過した後、図１０（ａ）に示すように、部品保持ノズル１２を上昇させて第３の半導体部品２６から離隔させる。これにより、基板５上において２層積層体２５上にさらに第３の半導体部品２６を積層した３層積層体２７が形成される。このとき、図２（ｄ）と同様に接着層２６ｃは樹脂板２４ａと密着して剥離や位置ずれを生じるおそれがないことから、接着層２６ｃが完全に熱硬化する前に部品保持ノズル１２を上昇させて第３の半導体部品２６から離隔させることが可能となっている。これにより、同様に熱圧着時間が短縮され、生産性を大幅に向上させることができる。
この後、図１０（ｂ）に示すように、同様に他の３層積層体２７を基板５上に形成する作業が完了したならば、基板５をキュア工程に送る。すなわち、３層積層体２７形成完了後の基板５はキュア炉１４内に収容され、所定のキュア温度で所定時間保持される。これにより接着層２６ｃの熱硬化が完了し、３層積層体２７の形成が完了する。なお、同様に図９（ｄ）に示す熱圧着過程において十分に熱硬化反応が進行している場合には、図１０（ｃ）の別工程によるキュア工程は省略してもよい。
この後、３層積層体２７が形成された基板５はワイヤボンディング工程に送られ、図１０（ｄ）に示すように、半導体チップ１３ａ、２６ａの外縁部に形成された接続用端子と基板５の電極とをボンディングワイヤ２８によって接続して、基板５上に２つの第１の半導体部品１３、第３の半導体部品２６を３層積層体２７を介して積層したチップオンチップ構造の実装体が完成する。
上述の部品積層方法においては、基板５に第１の部品としての第１の半導体部品１３を搭載し、酸素ガスもしくはアルゴンガスをプラズマ発生用ガスとして用いたプラズマ処理によって第１の半導体部品１３の樹脂層１３ｂの表面改質を行い、加熱手段を有する部品保持ノズル１２によって第２の部品としてのスペーサ２４を保持し、表面改質された樹脂層１３ｂにスペーサ２４の接着層２４ｂを当接させ、接着層２４ｂを加熱手段によって加熱して熱硬化させるプロセスを採用している。そして、スペーサ２４の接着層２４ｂが完全に熱硬化する前に、部品保持ノズル１２をスペーサ２４から離隔させるようにしている。
同様に２層積層体２５上に第３の半導体部品２６を積層する工程においては、スペーサ２４が第１の部品に、第３の半導体部品２６が第２の部品にそれぞれ該当し、これらの２部品の積層には上述と同様のプロセスが適用されている。すなわち本実施の形態２に示す部品積層方法においては、少なくとも第１の部品および第２の部品を含む複数の部品を対象としている。この部品積層方法においても、実施の形態１と同様の効果を各階層ごとに得ることができ、積層される階層数が多くなるにつれてその効果は特に顕著となる。
本発明の部品接合方法および部品積層方法は、熱圧着工程の生産性向上を実現することができるという効果を有し、表面に樹脂層を有する基板に熱硬化性の接着層を有する半導体部品を熱圧着により接合する分野において有用である。
本発明の実施の形態１の部品接合方法の工程説明図 本発明の実施の形態１の部品接合方法の工程説明図 本発明の実施の形態１の部品接合方法の工程説明図 本発明の実施の形態１の部品接合方法の工程説明図 本発明の実施の形態１の部品接合方法の工程説明図 本発明の実施の形態１の部品接合方法の工程説明図 本発明の実施の形態２の部品積層方法の工程説明図 本発明の実施の形態２の部品積層方法の工程説明図 本発明の実施の形態２の部品積層方法の工程説明図 本発明の実施の形態２の部品積層方法の工程説明図
符号の説明
１ プラズマ処理装置
５ 基板
９ 部品実装装置
１２ 部品保持ノズル
１３ 第１の半導体部品（第１の部品）
１４ キュア炉
１５、２５ ２層積層体
１３ａ、２３ａ、２６ａ 半導体チップ
１３ｂ、２３ｂ、２６ｂ 樹脂層
１３ｃ、２３ｃ、２６ｃ 接着層
２３ 第２の半導体部品
２４ スペーサ（第２の部品）
２６ 第３の半導体部品
２７ ３層積層体

Claims (4)

  1. 表面に樹脂層を有する基板に熱硬化性の接着層を有する半導体部品を前記接着層を介して接合する部品接合方法であって、
    プラズマ処理によって前記樹脂層の表面改質を行い、
    部品保持ノズルによって前記半導体部品を保持し、
    表面改質された前記樹脂層に前記接着層を当接させ、
    前記接着層を加熱手段によって加熱して熱硬化させることを特徴とする部品接合方法。
  2. 前記接着層が完全に熱硬化する前に、前記部品保持ノズルを前記半導体部品から離隔させることを特徴とする請求項１記載の部品接合方法。
  3. 一方の面に樹脂層を有し他方の面に熱硬化性の接着層を有し少なくとも第１の部品および第２の部品を含む複数の部品を基板上において積層する部品積層方法であって、
    前記基板に前記第１の部品を搭載し、
    プラズマ処理によって前記第１の部品の樹脂層の表面改質を行い、
    部品保持ノズルによって前記第２の部品を保持し、
    表面改質された前記第１の部品の樹脂層に前記第２の部品の接着層を当接させ、
    前記第２の部品の接着層を加熱手段によって加熱して熱硬化させることを特徴とする部品積層方法。
  4. 前記第２の部品の接着層が完全に熱硬化する前に、前記部品保持ノズルを前記第２の部品から離隔させることを特徴とする請求項３記載の部品積層方法。
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