JP2011001445A - 三次元半導体積層基板への絶縁性接着剤の注入方法および注入装置 - Google Patents
三次元半導体積層基板への絶縁性接着剤の注入方法および注入装置 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】三次元半導体積層基板の絶縁性接着剤にボイドが発生するのを防止することができる注入装置の提供。
【解決手段】三次元半導体積層基板である積層基板1は半導体回路が形成された基板を複数積層したものであって、側周面に接着剤を注入するための注入口12および真空排気するための排気口13が設けられている。この積層基板1の隙間に絶縁性接着剤としての接着剤21を注入する場合には、積層基板1の排気口13に接続部3を接続して積層基板1の隙間を真空ポンプ5で真空排気し、容器2に収納された接着剤21を注入口12に接液させて、接着剤21を積層基板1に供給する。積層基板1の隙間を真空に保持しつつ接着剤21の注入を行うので、注入された接着剤中にボイドが発生するのを防止できる。
【選択図】図1
【解決手段】三次元半導体積層基板である積層基板1は半導体回路が形成された基板を複数積層したものであって、側周面に接着剤を注入するための注入口12および真空排気するための排気口13が設けられている。この積層基板1の隙間に絶縁性接着剤としての接着剤21を注入する場合には、積層基板1の排気口13に接続部3を接続して積層基板1の隙間を真空ポンプ5で真空排気し、容器2に収納された接着剤21を注入口12に接液させて、接着剤21を積層基板1に供給する。積層基板1の隙間を真空に保持しつつ接着剤21の注入を行うので、注入された接着剤中にボイドが発生するのを防止できる。
【選択図】図1
Description
本発明は、三次元半導体積層基板への絶縁性接着剤の注入方法および注入装置に関する。
3次元半導体装置は、複数の半導体装置(半導体集積回路)を3次元積層したものである。積層する方法の一つとして、多数のチップが形成されたウェハ単位で積層する方法がある。積層されたウェハ間の隙間には、ウェハの接合性や放熱の促進およびウェハの熱応力緩和などの目的で絶縁性接着剤が注入される。そのような接着剤を注入する装置として、積層ウェハの全周に接着剤を配し、真空差圧法によって接着剤を注入する方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、積層ウェハの微小な隙間への接着剤注入では、その隙間に残留するガスによって接着剤にボイドが発生する。また、接着剤からガスが発生するため、そのガスが積層ウェハ内に残留することによってもボイドが発生する。このようなボイドが形成されると、半導体装置の放熱性能の低下を招くという問題があった。
請求項1に係る発明は、半導体回路が形成された基板が複数積層され、側周面に接着剤注入口および排気口が設けられた三次元半導体積層基板に対して、該三次元半導体積層基板の隙間に絶縁性接着剤を注入する注入装置であって、排気口に接続され、三次元半導体積層基板の隙間を真空排気する真空排気装置と、真空排気装置が接続された三次元半導体積層基板の接着剤注入口に接続され、絶縁性接着剤を供給する供給装置とを備えたことを特徴とする。
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の注入装置において、真空排気装置は、排気口を覆うように三次元半導体積層基板に取り付けられる接続部と、排気口を囲むように接続部に装着され、三次元半導体積層基板の基板面および側周面に密着して排気口の周囲を封止するシール材と、シール材で囲まれた排気口から三次元半導体積層基板の隙間を真空排気する真空ポンプとを備えることを特徴とする。
請求項3に係る発明は、請求項2に記載の注入装置において、シール材は弾性部材で形成され、シール材を弾性圧縮して、該シール材の基板面および側周面への密着力を増加させる圧縮装置を備えたことを特徴とする。
請求項4に係る発明は、請求項2に記載の注入装置において、シール材は、圧縮気体が供給される空洞が形成された弾性材から成るチューブであって、圧縮気体の供給によるチューブ外径の増加により、チューブ外周面が基板面および側周面に密着することを特徴とする。
請求項5に係る発明は、請求項3に記載の注入装置において、大気圧状態および真空状態のいずれかが選択的に可能であって、真空状態において、三次元半導体積層基板に接続部を接続する前の予備真空排気が行われ、大気圧状態において、真空排気装置による三次元半導体積層基板の真空排気および供給装置による絶縁性接着剤の供給が行われる真空チャンバを備えることを特徴とする。
請求項6に係る発明は、請求項1〜5のいずれか一項に記載の注入装置において、真空排気装置は、複数の三次元半導体積層基板が接続可能に構成されていることを特徴とする。
請求項7に係る発明による三次元半導体積層基板への絶縁性接着剤の注入方法は、半導体回路が形成された基板を複数積層して成る三次元半導体積層基板に、該三次元半導体積層基板の隙間を排気するための排気口、および隙間に絶縁性接着剤を注入するための注入口を形成する封止工程と、排気口から排気しつつ注入口から絶縁性接着剤を注入する注入工程と、を有することを特徴とする。
請求項8に係る発明は、請求項7に記載の三次元半導体積層基板への絶縁性接着剤の注入方法において、注入工程に先立って、三次元半導体積層基板の隙間を真空排気する予備真空排気工程を有することを特徴とする。
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の注入装置において、真空排気装置は、排気口を覆うように三次元半導体積層基板に取り付けられる接続部と、排気口を囲むように接続部に装着され、三次元半導体積層基板の基板面および側周面に密着して排気口の周囲を封止するシール材と、シール材で囲まれた排気口から三次元半導体積層基板の隙間を真空排気する真空ポンプとを備えることを特徴とする。
請求項3に係る発明は、請求項2に記載の注入装置において、シール材は弾性部材で形成され、シール材を弾性圧縮して、該シール材の基板面および側周面への密着力を増加させる圧縮装置を備えたことを特徴とする。
請求項4に係る発明は、請求項2に記載の注入装置において、シール材は、圧縮気体が供給される空洞が形成された弾性材から成るチューブであって、圧縮気体の供給によるチューブ外径の増加により、チューブ外周面が基板面および側周面に密着することを特徴とする。
請求項5に係る発明は、請求項3に記載の注入装置において、大気圧状態および真空状態のいずれかが選択的に可能であって、真空状態において、三次元半導体積層基板に接続部を接続する前の予備真空排気が行われ、大気圧状態において、真空排気装置による三次元半導体積層基板の真空排気および供給装置による絶縁性接着剤の供給が行われる真空チャンバを備えることを特徴とする。
請求項6に係る発明は、請求項1〜5のいずれか一項に記載の注入装置において、真空排気装置は、複数の三次元半導体積層基板が接続可能に構成されていることを特徴とする。
請求項7に係る発明による三次元半導体積層基板への絶縁性接着剤の注入方法は、半導体回路が形成された基板を複数積層して成る三次元半導体積層基板に、該三次元半導体積層基板の隙間を排気するための排気口、および隙間に絶縁性接着剤を注入するための注入口を形成する封止工程と、排気口から排気しつつ注入口から絶縁性接着剤を注入する注入工程と、を有することを特徴とする。
請求項8に係る発明は、請求項7に記載の三次元半導体積層基板への絶縁性接着剤の注入方法において、注入工程に先立って、三次元半導体積層基板の隙間を真空排気する予備真空排気工程を有することを特徴とする。
本発明によれば、三次元半導体積層基板の絶縁性接着剤にボイドが発生するのを防止することができる。
以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図1は本発明に係る注入装置の一実施の形態を示す図であり、注入装置の概略構成を示すブロック図である。注入装置100は、接続部3、容器2、真空ポンプ4,5、バルブV,V1〜V3および真空チャンバ6を備えている。バルブVは流量調整用のニードルバルブであり、バルブV1〜V3はストップバルブである。真空チャンバ6内は、バルブV1を開いて真空ポンプ4により排気することで減圧状態とすることができる。また、バルブV3を開いて窒素ガス等の不活性ガスを導入することで、真空チャンバ6内を減圧状態から大気圧状態に戻すことができる。
真空チャンバ6内には容器2と接続部3とが設けられており、容器2は昇降機構8により上下に昇降される。容器2内には、積層基板1の隙間内に絶縁性接着剤として注入するための接着剤21が入っている。接続部3は、配管7およびバルブV2を介して真空ポンプ5に接続されている。詳細は後述するが、接続部3は積層基板1の排気口13に接続され、バルブV2を開くことにより積層基板1の隙間内が真空ポンプ5によって真空排気される。
図1に示す積層基板1は、半導体回路が形成されたウェハを複数枚積層したものであって、三次元半導体デバイスを有するチップ領域が複数形成されている。積層基板1は、基板端面部分に接着剤21を注入するための注入口12と、基板間隙間を真空排気するための排気口13とを備えている。注入口12および排気口13を除くその他の基板側周面には、基板間の隙間を封止するシール材14が設けられている。シール材14には接着剤等の絶縁性樹脂が用いられる。なお、積層されるウェハは薄く研磨されてサポート機能を失うため、ガラス基板のようなサポート基板も積層基板1内に含まれることがある。
図2は、接続部3の詳細を示す図である。図2において、(a)は積層基板表面に対して平行に断面した図であり、(b)はガスケット315の斜視図である。接続部3は、配管7が接続されるボディ311と、ボディ311内に配設されるガスケット315と、ガスケット315を圧縮するためのプレート312と、プレート312をボディ311に対して図示上下方向に移動するためのボルト314を備えている。
ガスケット315はゴム等の弾性部材で形成され、長方形の溝315a内には、積層基板1の排気口13が形成された部分が挿入される。溝315aの溝長さおよび溝幅は、積層基板1の厚さや、積層基板1の挿入しやすさおよびシール性を考慮して設定される。ガスケット315は、ボディ311の下面に形成されたガスケット用溝311a内に装着されている。溝311a内に装着されたガスケット315は、溝311aから外れないようにプレート312によって保持されている。ボディ311の溝311aは配管7と連通している。図1のバルブV2を開くと、溝315aの領域が真空ポンプ5によって排気されることになる。
接続部3に積層基板1を装着する場合には、積層基板1の排気口13が形成されている部分を、図2(a)に示すようにガスケット315の溝315a内に挿入する。この挿入時には、ボルト314が緩められ、ガスケット315がプレート312により圧縮されていない状態とされる。
積層基板1の排気口13の部分を溝315aに挿入したならば、ボルト314を締め付けて、図3の矢印で示すようにプレート312と溝311aとの間に挟み込むようにガスケット315を圧縮する。図3は、図2(a)のA−A断面図である。破線はガスケット315が溝311a,プレート312および積層基板1と接触する面を示しているが、ガスケット315を弾性圧縮すると、これらの面と溝311a,プレート312および積層基板1とがより強く密着することになる。なお、破線はガスケット断面の左側のみに記載したが、右側も同様である。また、積層基板1の側周面においては、ガスケット315の溝315aの縁が側周面に密着する。その結果、図3の符号Bで示す空間は密閉され、図1のバルブV2を開くと真空ポンプ5により排気されて真空に保持される。
なお、ガスケット315の溝315aの幅寸法を積層基板1の厚さ寸法よりも若干小さめに設定し、ガスケット315を弾性変形させて積層基板1を溝315aに挿入する構造とすることで、プレート312による弾性圧縮無しでシール機能を持たせることも可能である。
図4〜6は、接続部3の第2の例を示す図である。図4は接続部3の断面を示す図であり、図5は図4のC−C断面を示す図である。図4に示すように、第2の例では、接続部3のボディを2つのケーシング316,317で構成し、そのケーシング316,317の内部にチューブシール318を設けた。チューブシール318は上述したガスケット315に代わるシール材であり、ケーシング316の溝316aとケーシング317の溝317aとで形成される空間に装着される。ケーシング316,317はボルト314により一体とされる。
図6はチューブシール318の斜視図であり、積層基板1を二点差線で示した。チューブシール318は、内部にガスを導入することができるチューブ状のシールであり、チューブシール318内へガスを導入したり、チューブシール318内のガスを排出したりするためのチューブ45を備えている。図6は、チューブシール318がケーシング316,317に収められた状態における形状を示したものである。チューブシール318は環状のチューブであって、積層基板1の表裏両方の基板面をシールするシール部318aと、積層基板1の側周面をシールするシール部318bとを備えている。図4,5では、チューブシール318の断面を円形としたが、矩形断面とすることも可能である。
積層基板1を下側のケーシング317に形成された溝317bに挿入すると(図4,5参照)、図6に示すように積層基板1がシール部318aによって挟まれるように配置される。図5に示すように、チューブシール318のチューブ45には、圧力計41、バルブ42,43、レギュレータ44が設けられている。圧力計41の検出値はコントローラ40に入力され、コントローラ40によりバルブ42,43の開閉が制御される。チューブシール318は内部の気体の圧力によって線径(断面径)が変化し、バルブ42を開いて圧縮ガスを導入すると径が増大し、接続部3に接続された積層基板1の表裏面および側周面に密着する。逆に、バルブ43を開いてチューブシール318内を排気すると、チューブシール318の線径が減少する。接続部3を積層基板1に着脱する際にはチューブシール318内を排気する。
圧縮ガスが供給されていない状態においては、チューブシール318は種々の形状に容易に変形することができる。そのため、積層基板1の側周面に形成された排気口13の周囲を囲むような立体的なシール構造(図6参照)であっても容易に対応することができ、確実なシールを行うことができる。
図7は、積層基板1への接着剤の注入手順を説明するフローチャートである。ステップS10においては、積層基板1の側周面の注入口12および排気口13となる部分を除き、シール材4を塗布する。塗布されたシール材4は、加熱等を行って硬化される。ステップS20では、積層基板1を真空チャンバ6へ搬入する。ステップS30では、バルブV1を開いて真空チャンバ6内を真空ポンプ4で真空排気する。この真空排気を行うことにより、積層基板1の内部の隙間に残留する気体が排気され、残留気体に起因するボイドの発生を抑えることができる。
ステップS40では、接続部3を積層基板1に接続する。ステップS50では、接着剤21の入った容器2を積層基板1の方向に上昇させて、積層基板1の注入口12を接着剤21に接液させる。ステップS60では、バルブV2を開いて積層基板1の排気口13側を真空排気する。さらに、バルブV1を閉じた後にバルブV3を開いて真空チャンバ6内に不活性ガスを導入し、真空チャンバ6内の圧力を大気圧に戻す。その結果、排気口13側と注入口12側との圧力差により、接着剤21が積層基板1の隙間に注入される。
ステップS70では、注入を開始してからの経過時間が予め定めた所定時間となったか否かを判定する。所定時間が経過したと判定されるとステップS70からステップS80へ進み、注入完了とする。すなわち、接続部3を積層基板1から外し、容器2を下げて接液状態を解除する。その後、ステップS90において積層基板1を真空チャンバ6から搬出して、一連の注入動作を終了する。次工程においては、接着剤21が注入された積層基板1を加熱することにより接着剤21の硬化が行われる。
上述した実施の形態では、接着剤21を積層基板1に注入する前に、真空チャンバ6内にて積層基板1の真空排気(ガス出し)を行ったが、図8に示す手順のように、真空チャンバ6を使用しないで、接続部3を用いて注入前の積層基板1内の真空排気を行うようにしても良い。
ステップS110においてシール材14を塗布し硬化させたならば、ステップS120に進んで接続部3を積層基板1に接続する。その後、ステップS130において積層基板1の注入口12を接着剤21に接液させ、ステップS140でバルブV2を開いて積層基板1の排気口13側を真空排気する。その結果、積層基板1は真空ポンプ5により真空排気され、差圧により接着剤21が積層基板1内に注入される。積層基板1内の隙間は非常に狭く、また、接着剤21にある程度の粘性があるため、注入時間は非常に長い。その注入の間、積層基板1内は真空ポンプ5により常に真空排気されているので、ガス出しが十分に行われる。さらに、接着剤21から出るガスも積層基板1内から排出される。
ステップS140では、注入開始から所定時間が経過したか否かを判定し、所定時間が経過したならばステップS150へ進み、注入完了とする。すなわち、接続部3を積層基板1から外し、接液状態を解除する。
図9は、従来の注入方法と本実施の形態における注入方法とを比較説明するための図である。従来は、図9(a)に示すように、積層基板1の真空排気を停止した後に、真空差圧法によって積層基板1の全周から接着剤21を注入するようにしている。そのため、基板内に排気されなかったガスが残留しやすく、接着剤21内に、特に中央付近の接着剤21内にボイドが発生しやすい。また、注入作業中は、接着剤21の粘度を下げて注入速度を上げるために基板加熱が適宜行われるので、接着剤21からガスが発生しやすく、発生したガスに起因するボイドも生じる。
一方、本実施の形態では、図9(b)に示すように、注入作業中も接続部3を介して積層基板1内の真空排気が継続されるため、積層基板1内のガス出しが十分に行われるとともに、接着剤21から放出されたガスGも積層基板1内に滞留することなく排出される。その結果、接着剤21中にボイドが発生するのを防止することができる。
上述した実施の形態では、一組の積層基板1に接続部3を接続して注入作業を行っているが、図10に示すように、ボディ320に複数のガスケット315(不図示)あるいは、複数の基板挿入用スリットが形成された1枚のガスケットを設け、複数の積層基板1が装着できるような構成としても良い。複数のガスケット315はプレート322により圧縮される。200は複数の積層基板1を保持するカセットである。また、接着剤21の入った容器2を積層基板1に対して上下移動させたが、積層基板1側を上下させても良い。さらに、容器2内の接着剤21を真空差圧により注入する代わりに、積層基板1の注入口12に接着剤21を注入する治具を装着し、接着剤21を直接供給するようにしても良い。
上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
1:積層基板、2:容器、3:接続部、4,5:真空ポンプ、6:真空チャンバ、8:昇降機構、12:注入口、13:排気口、14:シール材、21:接着剤、40:コントローラ、41:圧力計、41,43:V,V1〜V3:バルブ、44:レギュレータ、311:ボディ、312:プレート、315:ガスケット、314:ボルト、316,317:ケーシング、318:チューブシール
Claims (8)
- 半導体回路が形成された基板が複数積層され、側周面に接着剤注入口および排気口が設けられた三次元半導体積層基板に対して、該三次元半導体積層基板の隙間に絶縁性接着剤を注入する注入装置であって、
前記排気口に接続され、前記三次元半導体積層基板の隙間を真空排気する真空排気装置と、
前記真空排気装置が接続された前記三次元半導体積層基板の前記接着剤注入口に接続され、絶縁性接着剤を供給する供給装置とを備えたことを特徴とする注入装置。 - 請求項1に記載の注入装置において、
前記真空排気装置は、
前記排気口を覆うように前記三次元半導体積層基板に取り付けられる接続部と、
前記排気口を囲むように前記接続部に装着され、前記三次元半導体積層基板の基板面および側周面に密着して前記排気口の周囲を封止するシール材と、
前記シール材で囲まれた前記排気口から前記三次元半導体積層基板の隙間を真空排気する真空ポンプとを備えることを特徴とする注入装置。 - 請求項2に記載の注入装置において、
前記シール材は弾性部材で形成され、
前記シール材を弾性圧縮して、該シール材の前記基板面および側周面への密着力を増加させる圧縮装置を備えたことを特徴とする注入装置。 - 請求項2に記載の注入装置において、
前記シール材は、圧縮気体が供給される空洞が形成された弾性材から成るチューブであって、前記圧縮気体の供給によるチューブ外径の増加により、チューブ外周面が前記基板面および側周面に密着することを特徴とする注入装置。 - 請求項3に記載の注入装置において、
大気圧状態および真空状態のいずれかが選択的に可能であって、前記真空状態において、前記三次元半導体積層基板に前記接続部を接続する前の予備真空排気が行われ、前記大気圧状態において、前記真空排気装置による前記三次元半導体積層基板の真空排気および前記供給装置による絶縁性接着剤の供給が行われる真空チャンバを備えることを特徴とする注入装置。 - 請求項1〜5のいずれか一項に記載の注入装置において、
前記真空排気装置は、複数の前記三次元半導体積層基板が接続可能に構成されていることを特徴とする注入装置。 - 半導体回路が形成された基板を複数積層して成る三次元半導体積層基板に、該三次元半導体積層基板の隙間を排気するための排気口、および前記隙間に絶縁性接着剤を注入するための注入口を形成する封止工程と、
前記排気口から排気しつつ前記注入口から絶縁性接着剤を注入する注入工程と、を有することを特徴とする三次元半導体積層基板への絶縁性接着剤の注入方法。 - 請求項7に記載の三次元半導体積層基板への絶縁性接着剤の注入方法において、
前記注入工程に先立って、前記三次元半導体積層基板の隙間を真空排気する予備真空排気工程を有することを特徴とする三次元半導体積層基板への絶縁性接着剤の注入方法。
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JP2012043980A (ja) * | 2010-08-19 | 2012-03-01 | Shimadzu Corp | 接着剤注入装置および接着剤注入方法 |
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