JP2010103541A - 加熱されたボンドヘッドを利用した直接ダイボンディング - Google Patents

加熱されたボンドヘッドを利用した直接ダイボンディング Download PDF

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Abstract

【課題】本発明の目的は、少なくともある程度、前述の従来技術のダイボンディング方法の欠陥を防止するダイボンディングのための直接ダイボンディング方法を提供することである。
【解決手段】融点Ｔｍを有するはんだ層を備えたダイをボンディングするための方法を提供する。ボンドヘッドをＴｍより高いボンドヘッド設定温度Ｔ１に加熱し、基板をＴｍより低い基板設定温度Ｔ２に加熱する。その後、ボンドヘッドでダイを持ち上げ、はんだ層を融解するために、温度Ｔ１に向かってダイを加熱する。ダイを前記基板にボンディングするために、ダイのはんだ層を基板上に押し付け、その後、はんだ層がＴ２に向かって冷却されて凝固するように、ダイをボンドヘッドから分離する。
【選択図】図２

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の半導体型またはチップの基板上へのボンディングに関する。
電子回路パッケージの組み立ての間のダイボンディングにおいて、低電気抵抗、低熱抵抗、並びに良好な機械的及び電気的完全性を実現するために、強固なダイ接着工程が不可欠である。高輝度ＬＥＤ（ＨＢＬＥＤ）装置のための従来のダイボンディング工程は、典型的に銀（Ａｇ）エポキシボンディング、金‐錫（ＡｕＳｎ）共晶ボンディング、金（Ａｕ）スタッドによる熱超音波（ＴＳ）ボンディング、またはフリップチップボンディングのためのはんだバンプによるはんだリフローボンディングを含む。銀エポキシボンディングは、簡単で完成された方法であるが、その低熱伝導度のために、用途が高出力の用途に限定されている。フリップチップ構造は、有効な熱放散のための接触面積が比較的小さいという欠点を有する。これらのダイボンディング方法のうちで、金‐錫共晶ボンディングは、電源デバイスへの応用に特に有用な低い熱抵抗及び比較的大きな接触面積という利点を提供する。チップ製造の間に、チップの底部に金８０％／錫２０％共晶金属層が堆積される。この金属層の融解温度は典型的に約２８０℃である。
現在、金−錫共晶ダイボンディングには、いわゆるフラックス共晶ダイボンディング及び直接共晶ボンディングの２つの手法がある。フラックス共晶ダイボンディングの間、少量のフラックスがパッケージ基板上に配置され、ＬＥＤがそのフラックス上に配置される。その後、複数のＬＥＤが搭載された基板は、ボンディングを完成するためにリフロー炉内に配置される。工程を通して外力は加えられない。この方法の利点は、ダイボンディング金属の押し出しが起こらないことである。しかしながら、処理の効果が遅延する問題がある。最も懸念されるのは、フラックスの残留物であり、水分の浸食によってパッケージの信頼性問題も引き起こされ得る。さらに、フラックス量及び正確な均一性の制御が困難であるため、ダイの傾斜及びダイの回転を含むチップの移動を避けることはできない。フラックスが不十分であれば金‐錫物質が浸潤されず、フラックスが多すぎると金‐錫物質の浸潤が悪くなり、配置の精度に影響を及ぼす。
直接共晶ダイボンディングは、遮蔽ガスを有するチャンバにおいて基板を３００〜３２０℃に予熱し、その後ボンドヘッドコレットによってＬＥＤが持ち上げられ、加熱された基板上に押し付けられる。一定時間（約１００から２００ｍｓ）の後、接触力は解放される。この方法において最初、金‐錫共晶層は基板上で融解状態となる。基板ボンドパッド物質（金、銀、パラジウム等）が融解金‐錫層に溶解し、この温度での飽和限界に達した後、非共晶組成の融点が高いため、凝固が起こる。結果として、ＬＥＤは、金‐錫共晶物質によって基板上に接合される。前記ＬＥＤダイボンディングの間に外力が使用され、この工程の間にフラックスが必要ないため、フラックス共晶ダイボンディングと比較して、ボンディング性能はより有望であると考えられている。
しかしながら、近年、ＨＢＬＥＤ装置の製造の間の直接ダイボンディングに２つの問題が生じている。第１に、厚い金‐錫層の凝固速度が遅いため、ボンドヘッドがチップ表面から取り除かれた後、押し出されたはんだが逆流する傾向にあり、ボンディングの後、ＬＥＤと基板との間の界面に隙間が生じ得る。パッケージ化電子機器の信頼性はダイボンディング品質に強く依存し、いかなる隙間または小さな剥離も、ダイにおける急激な温度上昇を引き起こし得、後にパッケージの欠陥をもたらすため、隙間は許容されない。さらに重要なことは、基板サイズの増加にともなって、各基板上にボンディングされるべきユニットの数は、数百または数千ユニットにさえ達する。全基板上へのＬＥＤのボンディングを完了するには相当な時間を要し、すでにボンディングされたＬＥＤは、加熱された基板上で長い間アニーリングに耐えなければならないため、ＬＥＤ性能が劣化する。
界面における隙間の出現を制御するために、はんだ凝固速度を十分に加速することが望まれる。さらに、劣化につながる加熱された基板上に既にボンディングされたＬＥＤのアニーリングを防止することが望まれる。
従って、本発明の目的は、少なくともある程度、前述の従来技術のダイボンディング方法の欠陥を防止するダイボンディングのための直接ダイ接着方法を提供することである。
融点Ｔｍを有するはんだ層を備えたダイのボンディング方法であって、Ｔｍより高いボンドヘッド設定温度Ｔ１にボンドヘッドを加熱する段階と、Ｔｍより低い基板設定温度Ｔ２に基板を加熱する段階と、前記ボンドヘッドで前記ダイを持ち上げ、前記はんだ層を融解するために、温度Ｔ１に向かって前記ダイを加熱する段階と、前記ダイを前記基板にボンディングするために、前記ダイの前記はんだ層を前記基板上に押し付ける段階と、その後、前記はんだ層がＴ２に向かって冷却されて凝固するように、前記ダイを前記ボンドヘッドから分離する段階とを含む方法を提供する。
今後、添付の図面を参照することによって、本発明をより詳細に説明する。特定の図面及び関連する説明は、特許請求の範囲によって定義される本発明の幅広い特定の概念に優先するものではないことを理解されたい。
ダイを基板上に搭載するための工程段階を連続的に示す本発明の好ましい実施形態によるダイボンディング作業の概略側面図である。 本発明の好ましい実施形態による直接ダイボンディング作業に関連する制御段階のフローチャートである。 図１及び図２において説明した異なる工程段階の間の金‐錫共晶層の温度を示すグラフである。
ここで、本発明の好ましい実施形態によるダイボンディング方法の例を添付の図面を参照して説明する。
図１（ａ）から１（ｄ）に、ダイを基板上に搭載するための工程段階を連続的に示す本発明の好ましい実施形態によるダイボンディング作業の概略側面図を図示する。
図１（ａ）において、初めにボンドヘッド１０をボンドヘッド設定温度Ｔ１まで加熱する。本実施形態におけるボンドヘッド１０は、発熱体１２と、そこに連結された真空吸引システムとを備える。真空吸引システム（図示せず）は、ダイコレット１６の吸引孔１４において負圧を維持するために使用される。吸引孔１４の寸法は、高輝度またはその他のＬＥＤチップであり得るダイ１８のサイズより小さい。コレットの吸引によってボンドヘッド１０がダイ１８を保持している場合、ボンドヘッド１０の発熱体１２から生成される熱は、ダイコレット１６、続いてダイ１８に伝導される。
ダイ１８は、底部に融点Ｔｍを有する共晶層２０等のはんだ層を備える。ボンドヘッド設定温度Ｔ１は、共晶層２０の融点Ｔｍより高い。好ましくは、Ｔ１はＴｍより５〜５０℃高い。その結果、典型的に融解温度約２８０℃を有する金‐錫共晶層２０を融解させるために、ダイ１８を加熱するボンドヘッドの温度は、２８５〜３３０℃に設定され得る。
ピックアームは、ウエハーテーブル上の接着シートからダイ１８を持ち上げる。この接着シートはマイラーペーパーであり得る。ダイ１８は、共晶層２０が下向きでマイラーペーパー上に搭載されると好ましい。その後ピックアームは、ダイ１８を加熱せずに、共晶層２０が下方に面するようにステージ２２上にダイ１８を配置する。加熱されたボンドヘッド１０は、ステージ２２からダイを持ち上げる。ステージ２２は、ウエハーテーブルから加熱されたボンドヘッド１０へとダイ１８を移動させる媒体として使用される。熱はウエハーを支持するマイラーペーパーを損傷し、持ち上げられていない他のダイスの支持構造に悪影響を与えるため、加熱されたボンドヘッド１０は、マイラーペーパーに直接接触しないようにするべきである。変形例では、ピックアームを、ウエハーテーブル上のマイラーペーパーからダイ１８を持ち上げるために使用することもができ、ダイ１８は、共晶層２０が上向きで搭載されている。その後、共晶層２０が下方向に面し、加熱されたボンドヘッド１０がピックアームから直接ダイ１８を持ち上げるように、ピックアームはダイをひっくり返す。
図１（ｂ）において、基板３０は、熱トンネル３６を備えたチャンバ内に実質的に包含されている。基板３０は、共晶層２０の融点Ｔｍより低い基板設定温度Ｔ２まで加熱される。好ましくは、Ｔ２はＴｍより５〜５０℃低い。従って、基板３０を予熱するアンビルブロック２８の温度は、金‐錫共晶融点の２８０℃より低い２３０〜２７５℃に設定され得る。これは、ダイ１８上での高温アニーリングを低減するように作用するため、ボンディング後のダイ１８の劣化を避けるという目的、及びダイ１８から加熱されたボンドヘッド１０を分離した後に、ボンディング部の高速凝固がもたらされるという目的の２つが達成される。
基板のボンドパッド３２上にダイを接着した後、共晶層２０の温度は低下するため、基板３０の予熱は不可欠である。基板３０を予熱しなければ、ボンディング部の浸潤品質が保証されず、圧着時間が延長され、ボンディング工程の生産性が犠牲になる。さらに重要なことは、ボンドパッド３２が室温である場合、ボンドパッド３２と直接接触するようになることから加熱されたダイ１８が熱衝撃を受けるだろう。結果的に、ＬＥＤチップの損傷がもたらされるだろう。アンビルブロック２８の下部の発熱体３４から生成される熱は、基板３０及びそのボンドパッド３２へと伝導されるだろう。基板３０は、リードフレームあるいは任意のセラミック、シリコンまたはプラスチックベースの基板またはその他の基板であってよく、ボンドパッド３２は金、銀、パラジウムまたはその他の金属を含んでよい。
基板３０と、ボンドパッド３２と、共晶層２０とを酸化から保護するために、ボンディング工程は、カバー３８に包含された熱トンネル３６において実施され、全チャンバには、窒素などの遮蔽ガス４０が充填される。そのため、熱トンネル３６のチャンバにおける遮蔽ガス４０によって酸素レベルは一定レベル以下に制御される。
ダイ１８の共晶層２０もさらに、加熱後空気中での酸化から保護されなければならない。ダイ１８を保護するためのさまざまな手法がある。第１に、遮蔽ガスを加熱されたダイ１８に吹き付けるための吹き込みノズルが、加熱されたボンドヘッド１０上に取り付けられ得る。従って、図１（ｂ）に示すように、基板３０が配置された熱トンネル３６の保護された環境内に移動するまで、加熱されたボンドヘッド１０によってダイが保持されている場合、ダイ１８を保護することができる。第２に、加熱されたダイ１８の移動経路に沿ったいかなるシステムも、遮蔽ガス４０でダイ１８を保護するように設計され得、ステージ２２またはひっくり返した後のピックアームの位置、及びステージ２２またはひっくり返した後のピックアームの位置から基板３０のボンドパッド３２への加熱されたダイ１８の移動経路を含む。もちろん、ガスフロー圧に沿ったボンドヘッド１０の移動のための熱トンネル３６のサイズ及び開口部の形状は、酸化に対する保護を確実に有効にする。
ダイ１８及び基板３０の両方の加熱が完了した後にボンディングが実施され得る。加熱されたダイ１８の融解した共晶層２０は、ボンドヘッド１０によって基板３０の基板パッド３２上に押し付けられる。図１（ｃ）に示すように、ボンドヘッド１０は、既定のボンディング力に達するまで押し付け続け、その後ボンディング力は、既定時間の間維持される。
融解された金‐錫共晶層２０は、ボンドパッド３２上において浸潤させるために塗布される金‐錫物質であるボンドパッド３２の物質と完全に反応し、ボンドパッド３２物質は、融解された金‐錫共晶物質中に溶解する。図１（ｄ）に示すように、既定ボンディング時間の経過後、ボンドヘッド１０はダイ１８表面から分離される。ここで、ボンドヘッド１０から加熱されないため、はんだ／ボンドパッド界面またはボンディング部４２の温度は、金‐錫共晶層２０の融点Ｔｍより低い基板３０の予熱温度Ｔ２へと急速に低下する。結果として、ボンディング部４２においてはんだは冷却され、急速に凝固し、隙間のない強固な接合を形成する。
図２は、本発明の好ましい実施形態による直接ダイボンディング作業に関連する制御段階のフローチャートである。初めに、共晶物質の融点より高いボンドヘッド設定温度にボンドヘッドを加熱する（５０）。共晶層の融点より低い基板設定温度に基板を加熱する（５２）。ピックアームが、ダイが搭載されているマイラーペーパーから共晶層が下方に面するダイを持ち上げ、ステージ上に配置する（５４）。変形例として、ピックアームが、ダイが搭載されているマイラーペーパーから共晶層が上方に面しているダイを持ち上げ、共晶層が下方に面するようにひっくり返す（５４）。その後、加熱されたボンドヘッドは、ステージまたはひっくり返したピックアームから直接共晶層が下方に面するダイを持ち上げる（５６）。
その後、ボンドヘッドは、ダイを基板の位置まで移動し、基板のボンドパッド上にダイを押し付ける（５８）。ボンドヘッドは、既定の接合力に達しているか（６０）、及び既定時間が経過したか（６２を）検知する。そうであれば、ダイは基板に接合されており、加熱されたボンドヘッドは取り外されるかまたはダイから分離される（６４）。
ダイ１８及びその金‐錫共晶層２０の温度は、加熱されたボンドヘッドのボンディング工程の間厳密に制御される。図３は、図１及び図２において説明した異なる工程段階の間の金‐錫共晶層の温度を示すグラフである。ピックアームがマイラーペーパーからダイ１８を持ち上げてステージ２２上に配置するかまたはひっくり返すとき、ダイ１８への熱伝導が無く、ダイの共晶層は室温Ｔ０（約２５℃）である。加熱されたボンドヘッド１０がダイ１８を保持し、基板３０が配置されている熱トンネル３６へと移動させた後、保持時間の間、共晶層２０は、加熱されたボンドヘッド１０の設定温度Ｔ１（約２８５〜３３０℃）まで急速に加熱される。この期間の間、共晶層２０は完全に融解する。
しかしながら、ダイ１８が基板３０のボンドパッド３２に接触し、ボンドパッド上に押し付けられた後、熱伝導のために、界面温度は、融点（Ｔｍ：約２８０℃）より高いが依然として十分接合する温度Ｔ３（ボンドヘッド温度Ｔ１と基板温度Ｔ２の間であり約２３０〜２７５℃）へと低下する。ボンドヘッド１０とダイ１８とが分離されるとすぐに、ボンディング部４２の温度は、基板３０の温度Ｔ２（約２３０〜２７５℃）まで急速に冷却され、ボンディング部４２におけるはんだは急速に凝固する。共晶層２０の融点より低い基板温度Ｔ２は、ダイスをさらに基板３０上に接合すると同時に、接合されたダイ１８のアニーリングを防止する。
本発明は、金‐錫共晶はんだボンディングだけに限定されるものではない。その他のはんだ材料を使用することも可能である。さらに、本発明は、上記で説明及び図示したＬＥＤチップに限定されるものではない。本発明の好ましい実施形態による加熱ボンドヘッド直接共晶ボンディング工程を使用して、その他の装置をボンディングすることも可能である。
説明した新規の直接共晶ダイボンディング方法は、ダイ１８を基板上にボンディングした後のチップ加熱の影響を低減するために、基板加熱温度を低下する結果、ＬＥＤチップの劣化を防ぐことに有用であるため、ＨＢＬＥＤチップボンディングに応用する場合特に有利である。さらに、共晶層の高速凝固によって、ボンディング速度が向上し、従来の直接ダイボンディングにおいて見られたはんだ逆流挙動が効果的に抑制される。
隙間の排除、より広いボンディング範囲、ダイ傾斜の減少によって、ボンディング性能が強化される。さらに、熱及び電気伝導に優れ、且つボンドラインの厚さのプロセス変動が向上する。ボンディング界面及びボンディング部の特性が強化され、且つチップの劣化が減少することによって、ボンディングの信頼性が効果的に向上する。
ここで説明した本発明は、詳細に説明したもの以外の変形、修正及び／または追加を受け入れることが可能であり、本発明が、上記精神及び範囲に含まれるあらゆるそのような変形、修正及びまたは追加を含むことを理解されたい。
１０ ボンドヘッド
１２ 発熱体
１４ 吸引孔
１６ ダイコレット
１８ ダイ
２０ 共晶層
２２ ステージ
２８ アンビルブロック
３０ 基板
３２ ボンドパッド
３４ 発熱体
３６ 熱トンネル
３８ カバー
４０ 遮蔽ガラス
４２ ボンディング部

Claims (14)

  1. 融点Ｔｍを有するはんだ層を備えたダイのボンディング方法であって、
    Ｔｍより高いボンドヘッド設定温度Ｔ１にボンドヘッドを加熱する段階と、
    Ｔｍより低い基板設定温度Ｔ２に基板を加熱する段階と、
    前記ボンドヘッドで前記ダイを持ち上げ、温度Ｔ１に向かって前記ダイを加熱して前記はんだ層を融解する段階と、
    前記ダイの前記はんだ層を前記基板上に押し付けて前記ダイを前記基板にボンディングする段階と、
    その後、前記はんだ層がＴ２に向かって冷却されて凝固するように、前記ダイを前記ボンドヘッドから分離する段階と、を含むことを特徴とする方法。
  2. 前記ボンドヘッド設定温度Ｔ１が、Ｔｍより５〜５０℃高いことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 前記基板設定温度Ｔ２が、Ｔｍより５〜５０℃低いことを特徴とする請求項２に記載の方法。
  4. 前記ダイを前記基板上に押し付ける段階の間に、前記ダイの温度が、Ｔ１とＴｍとの間であるＴ３へと低下することを特徴とする請求項１に記載の方法。
  5. 前記はんだ層の融点Ｔｍが、約２８０℃であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  6. 前記ボンドヘッドでステージから前記ダイを持ち上げる段階の前に、
    初めにはんだ層が下方に面するように接着シート上に前記ダイを搭載し、その後ピックアームで前記ダイを持ち上げて前記ステージ上に配置する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  7. 前記ピックアームによって、はんだ層が下方に面するように前記ダイが前記ステージ上に配置されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
  8. 前記ボンドヘッドでピックアームから前記ダイを持ち上げる段階の前に、
    初めにはんだ層が上方に面するように接着シート上に前記ダイを搭載し、その後ピックアームで前記ダイを持ち上げて、はんだ層が下方に面するように前記ピックアームで前記ダイをひっくり返す段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  9. 前記基板が、熱トンネルを備えたチャンバ内に実質的に包含されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  10. 前記はんだ層及び前記基板の酸化を防ぐために、前記熱トンネルがカバーによって覆われ、前記チャンバが遮蔽ガスで充填されていることを特徴とする請求項９に記載の方法。
  11. 前記はんだ層の酸化を防ぐために、加熱された前記ボンドヘッドによって保持されている場合、遮蔽ガスを前記ダイに吹き付ける段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  12. 前記ダイが、既定時間の間、既定の接合力で前記基板上に押し付けられることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  13. 前記はんだ層が、金‐錫物質を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  14. 前記ダイが、高輝度ＬＥＤチップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
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