JP2012019096A - 半導体チップの接合方法及び半導体チップの接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体チップの実装時に加熱される半導体チップに生じる温度分布のバラツキを抑え、接合不良の発生を防ぐ。
【解決手段】半導体チップ３を基板２の実装面２ａに載置して接合材で接合する、半導体チップ３の接合方法において、コレット１７に保持された半導体チップ３を加熱して接合材を溶融させる加熱工程と、加熱工程で加熱された半導体チップ３を、接合材を介して基板２の実装面２ａに接合する接合工程と、を有する。加熱工程は、メインヒータ２０と、メインヒータ２０よりも加熱温度が高いサブヒータ２１〜２４とによってコレット１７を加熱することで、コレット１７を介して半導体チップ３を加熱し、基板２の実装面２ａに平行な、半導体チップ３の上面３ａにおける中央部をメインヒータ２０によって加熱すると共に、半導体チップ３の上面３ａの外周部をサブヒータ２１〜２４によって加熱する。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体チップを加熱することで接合材を溶融させて半導体チップを実装領域に接合する、半導体チップの接合方法及び半導体チップの接合装置に関する。

半導体チップと基板、または半導体チップと半導体チップとの接合方法として、半田材やＡｕバンプ等の接合材を用いる接続方法が知られている（例えば特許文献１参照）。これらの接合方法では、半導体チップと基板、または半導体チップと半導体チップとの接合部に、接合材を付着させた状態で接合部同士を互いに接触させ、接合材を溶融凝固させて、配線部を接続する。このとき、接合材を溶融させるために、半導体チップや基板をヒータ等の熱源を用いて加熱する必要がある。

通常、半導体チップ側から加熱するのが一般的であり、半導体チップのサイズなどを考慮し、単体のヒータを用いて半導体チップを加熱している。なお、半導体チップの実装処理時間を短くするためには、半導体チップを速やかに加熱冷却する必要があり、例えばセラミックヒータのような熱容量が小さい高熱応答ヒータが用いられている。

特開２００７−２５８４８３号公報

しかしながら、ヒータによって加熱された半導体チップや基板の温度分布にバラツキが生じるので、半導体チップ内における接合材の溶融状態にバラツキが存在する。特にセラミックヒータ等の高熱応答ヒータは、熱容量が小さいので、外乱による温度降下を引き起こしやすく、また熱拡散率も金属材に比べて小さいので、熱均一性にも優れているわけではない。このような熱均一性が乏しいことに起因して、加熱された半導体チップの温度分布が不均一になりやすい。

具体的には、例えばＦＣＢＧＡ（Flip Chip Ball Grid Array）等が用いられる、外形寸法が比較的大きい半導体チップなどでは、半導体チップの中央部よりも半導体チップの外周部の方が、周囲の空気に熱を奪われやすい。このため、半導体チップの中央部から半導体チップの外周部に向かって温度が低くなり、温度によっては半導体チップの外周部において接合材が未溶融の状態になり、接合不良を招く問題がある。

この問題の対策としては、加熱温度を高くしたり、半導体チップの外周部が十分に加熱されるように加熱時間を長くしたりすることが考えられる。しかしながら、加熱に伴って接合材の内部からガスが発生し、接合材の内部に未接合部として残るおそれがある。このため、高温な加熱状態や加熱状態を長く保つことでガスが発生しやすくなるので、加熱温度を高くしたり加熱時間を長くしたりすることでは、接合不良を防ぐことが困難である。

そこで、本発明の目的は、上述した課題を解決することができる、半導体チップの接合方法及び半導体チップの接合装置を提供することを目的とする。

本発明の目的の一例は、半導体チップの実装時に加熱された半導体チップにおける温度分布のバラツキを最小限に抑えることで、接合不良を生じさせることなく半導体チップを基板上に実装することができる、半導体チップの接合方法及び半導体チップの接合装置を提供することにある。

上述した目的を達成するため、本発明に係る半導体チップの接合方法は、半導体チップを実装領域に載置して接合材で接合する、半導体チップの接合方法において、チップ保持部材に保持された半導体チップを加熱して接合材を溶融させる加熱工程と、加熱工程で加熱された半導体チップを、接合材を介して実装領域に接合する接合工程と、を有する。加熱工程は、メインヒータと、このメインヒータよりも加熱温度が高いサブヒータとによってチップ保持部材を加熱することで、チップ保持部材を介して半導体チップを加熱し、実装領域に平行な、半導体チップの上面における中央部をメインヒータによって加熱すると共に、半導体チップの上面の外周部をサブヒータによって加熱する。

また、本発明に係る半導体チップの接合装置は、半導体チップを実装領域に載置して接合材で接合する半導体チップの接合装置において、半導体チップを保持するチップ保持部材と、チップ保持部材に隣接して配置され、チップ保持部材に保持された半導体チップを、チップ保持部材を介して加熱して接合材を溶融する加熱部と、を備える。加熱部は、実装領域に平行な、半導体チップの上面における中央部を加熱するためのメインヒータと、メインヒータの外周部に配置され、半導体チップの上面の外周部をメインヒータよりも高い温度で加熱するためのサブヒータと、を有している。

本発明によれば、メインヒータよりも加熱温度が高いサブヒータで半導体チップの外周部を加熱することによって、メインヒータのみで半導体チップを加熱した場合に低温状態になる外周部を補助的に加熱することが可能となる。このため、加熱された半導体チップにおける温度分布のバラツキを小さくすることができる。したがって、本発明によれば、未溶融半田や残留ボイド等による接合不良を生じさせることなく半導体チップを基板上に実装することができる。

実施形態の半導体チップの接合装置を示す斜視図である。 実施形態におけるチップ加熱部を示す分解斜視図である。 実施形態におけるコレット及びチップ加熱部の構成を示す模式図である。 他の実施形態におけるコレット及びチップ加熱部の構成を示す模式図である。 他の実施形態におけるコレット及びチップ加熱部の構成を示す模式図である。 他の実施形態におけるコレット及びチップ加熱部の構成を示す模式図である。 他の実施形態におけるコレット及びチップ加熱部の構成を示す模式図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、実施形態の半導体チップの接合装置を示す斜視図である。図２は、実施形態におけるチップ加熱部を示す分解斜視図である。

本実施形態の半導体チップの接合装置は、図１に示すように、半導体チップ３を実装領域としての基板２の実装面２ａに載置して接合材（不図示）で接合するための製造装置である。半導体チップの接合装置は、半導体チップ３が載置されて実装される基板２を支持する基板ステージ１２と、この基板ステージ１２をＸ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ移動させるＸ軸ステージ１３及びＹ軸ステージ１４と、基板２の実装面２ａに対して半導体チップ３をＺ軸方向に移動させるＺ軸ステージ１６と、を備えている。すなわち、基板２は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向を含む水平方向に移動可能に支持されている。また、半導体チップ３は、Ｚ軸方向である鉛直方向に移動可能に保持されている。

また、半導体チップの接合装置は、半導体チップ３を保持するチップ保持部材としてのコレット１７と、コレット１７に保持された半導体チップ３を、コレット１７を介して加熱して接合材を溶融する加熱部としてのチップ加熱部１５と、を備える。

コレット１７は、クランプ機構（不図示）を有しており、半導体チップ３を把持するように構成されている。なお、コレット１７は、例えば真空発生器に接続されて、負圧を発生する吸着孔によって半導体チップ３を吸着して保持するように構成されてもよい。

また、本実施形態では、外径寸法が異なる各種の半導体チップ３に対応するためや、半導体チップ３の構成部品との材料上の適合性を確保するためや、清掃作業の容易性等を考慮して、半導体チップ３を把持するコレット１７が用いられている。しかし、本実施形態のようにチップ加熱部１５とコレット１７とを独立して備える構成に限定されず、コレットとチップ加熱部とが一体に構成されて、チップ加熱部によって半導体チップ３を直接保持するように構成されてもよい。

図３は、実施形態におけるコレット１７及びチップ加熱部１５の構成を示す模式図である。図３において、（ａ）がチップ加熱部を示す平面図、（ｂ）がチップ加熱部及びコレットを示す断面図、（ｃ）がコレット側から示す下面図である。

図２及び図３に示すように、チップ加熱部１５は、コレット１７の半導体チップ３が保持される側の反対側に、コレット１７に隣接して配置されている。チップ加熱部１５は、基板２の実装面２ａに平行な、半導体チップ３の上面３ａにおける中央部を含む領域を加熱するためのメインヒータ２０と、メインヒータ２０の外周部に配置され、半導体チップ３の上面３ａの外周部をメインヒータ２０よりも高い温度で補助的に加熱するための複数のサブヒータ（補助ヒータ）２１、２２，２３，２４と、を有している。

サブヒータ２１〜２４は、正方形状のメインヒータ２０の周囲を取り囲むように配置されている。なお、サブヒータの個数は、４つに限定されるものではなく、１つまたは２つ以上のサブヒータを備える構成であってもよい。

本実施形態において、サブヒータ２１〜２４の加熱温度は、メインヒータ２０の加熱温度よりも１０℃程度高くなるように設定されている。なお、メインヒータ２０とサブヒータ２１〜２４の加熱温度の差は、メインヒータ２０及びサブヒータ２１〜２４によって加熱された半導体チップ３の温度分布が最小になるように、加熱される半導体チップ３の外形寸法、形状や仕様等に応じて適宜設定される。

以上のように構成された半導体チップの接合装置を用いて行う、半導体チップの接合方法について説明する。

実施形態の半導体チップの接合方法は、コレット１７に保持された半導体チップ３を加熱して接合材を溶融させる加熱工程と、加熱工程で加熱された半導体チップ３を、接合材を介して基板２の実装面２ａに接合する接合工程と、を有している。そして、加熱工程は、メインヒータ２０と、メインヒータ２０よりも加熱温度が高いサブヒータ２１〜２４とによってコレット１７を加熱することで、コレット１７を介して半導体チップ３を加熱し、基板２の実装面２ａに平行な、半導体チップ３の上面３ａにおける中央部をメインヒータ２０によって加熱すると共に、半導体チップ３の上面３ａの外周部をサブヒータ２１〜２４によって加熱する。

これによって、コレット１７に保持された半導体チップ３は、上面３ａの中央部よりも相対的に温度が低くなる低温部分になる外周部の温度が、上面３ａの中央部の温度に近づくように加熱される。このため、メインヒータ２０だけを用いて半導体チップ３を加熱した場合に発生しやすい半導体チップ３の外周部における温度の低下が解消され、半導体チップ３全体での温度分布のバラツキが小さくなる。

上述したように、本実施形態の半導体チップの接合装置によれば、メインヒータ２０よりも加熱温度が高いサブヒータ２１〜２４で半導体チップ３の外周部を加熱することによって、メインヒータ２０のみで半導体チップ３を加熱した場合に低温状態になる外周部を補助的に加熱することが可能となる。このため、本実施形態は、加熱された半導体チップ３における温度分布のバラツキを小さく抑えることができる。その結果、本実施形態によれば、未溶融半田や残留ボイド等による接合不良を生じさせることなく半導体チップ３を基板２上に実装することが可能になり、半導体チップ３の実装時の信頼性を向上することができる。

なお、本実施形態では、半導体チップ３が実装される実装領域の一例として、基板２の実装面２ａを挙げたが、半導体チップ３が他の半導体チップの接合領域に接合される構成にされてもよい。

また、図示しないが、実施形態では、コレット１７を介して半導体チップ３を加熱する構成が採られたが、メインヒータまたはサブヒータが半導体チップの一部に当接するように配置されて、メインヒータまたはサブヒータによって半導体チップが直接的に加熱されるように構成されてもよい。

（他の実施形態）
つぎに、他の実施形態の半導体チップの接合装置について説明する。他の実施形態は、コレット及びチップ加熱部の構成が異なるだけであるので、コレット及びチップ加熱部についてのみ説明する。

図４〜図７は、他の実施形態におけるコレット及びチップ加熱部の構成を示す模式図である。図４〜図７において、（ａ）がチップ加熱部を示す平面図、（ｂ）がチップ加熱部及びコレットを示す断面図、（ｃ）がコレット側から示す下面図である。

チップ加熱部が有するサブヒータの配置例としては、さまざまな構成が考えられる。図３に示した複数のサブヒータ２１〜２４を、図４に示すように１個のサブヒータ１５に置き換えて構成されてもよい。

また、図５に示すように、直交する２方向の長さが異なる例えば長方形状の半導体チップ４を加熱する場合には、半導体チップ４の長手方向の端部のみに一組のサブヒータ２６，２７が配置されてもよい。この構成では、メインヒータ２０が長方形状の半導体チップ４の上面の中央部を加熱し、一組のサブヒータ２６，２７が、長方形状の半導体チップ４の上面における長手方向の両端部を加熱する。

また、例えば長方形状の半導体チップ４を加熱する場合には、図３に示したチップ加熱部の構成において、メインヒータ２０を間に挟んで対向する一組のサブヒータ２１，２３と、一組のサブヒータ２２，２４との加熱温度をそれぞれ異ならせてもよい。

長方形状の半導体チップ４の長手方向が一組のサブヒータ２２，２４に跨ってコレット１７に保持される場合、チップ加熱部は、長方形状の半導体チップ４の上面における長手方向の両端部を加熱する第１のサブヒータとしての一組のサブヒータ２２，２４と、半導体チップ４の上面における短手方向の両端部を、一組のサブヒータ２２，２４と異なる温度で加熱する第２のサブヒータとしての一組のサブヒータ２１，２３と、有して構成されてもよい。

この構成の場合、半導体チップ４の短手方向を加熱する第２のサブヒータとしての一組のサブヒータ２１，２３の加熱温度は、例えば、メインヒータ２０の加熱温度よりも高く、かつ、半導体チップ４の長手方向を加熱する第１のサブヒータとしての一組のサブヒータ２２，２４の加熱温度よりも小さく設定されている。

また、図６に示すように、コレット４７に比べて外形寸法が小さい半導体チップ５を加熱する場合のように、コレット４７の側面と隣接する半導体チップ５との距離が比較的大きいときなどは、コレット４７の側面部に接触するようにサブヒータ２８，２９が配置されてもよい。この構成の場合、コレット４７は、半導体チップ５の上面に当接する当接面と、この当接面に直交する側面とを有し、当接面がメインヒータ２０で加熱され、側面がサブヒータ２８，２９でそれぞれ加熱される。この構成によれば、半導体チップ５の外周部近傍を容易に加熱できるので、半導体チップ５に生じる温度分布のバラツキを更に小さくできる。

また、図示しないが、チップ加熱部は、コレット４７の側面の全周にわたってサブヒータによって加熱されるように構成されてもよい。

また、図７に示すように、特に単一のヒータのみを用いて加熱した場合に温度が最も低くなる半導体チップ３の４隅のみがサブヒータ３０によって加熱されるように構成されてもよい。この場合、図４に示したチップ加熱部のメインヒータ２０の中心回りに、正方形状のコレット５７の向きを４５度回転させて配置することで、図７（ｃ）に示すように、サブヒータ２０によって正方形状の半導体チップ３の四隅だけがそれぞれ加熱されるように構成されている。

なお、本実施形態では、加熱温度が異なるメインヒータとサブヒータを用いて構成されたが、加熱温度が異なる２種類以上のヒータを用いられてもよく、半導体チップの外形寸法や形状に応じて、複数種類のヒータによって半導体チップの温度分布が均一になるように加熱される構成にされてもよい。

また、本発明は、ＦＣ（フリップチップ）接合装置のように半導体チップの搭載と接合を同時に行う接合装置に用いられて好適である。

２ 基板
２ａ 実装面
３ 半導体チップ
３ 上面
１２ 基板ステージ
１３ Ｘ軸ステージ
１４ Ｙ軸ステージ
１５ チップ加熱部
１６ Ｚ軸ステージ
１７ コレット
２０ メインヒータ
２１〜２４ サブヒータ

Claims (10)

1. 半導体チップを実装領域に載置して接合材で接合する、半導体チップの接合方法において、
   チップ保持部材に保持された前記半導体チップを加熱して前記接合材を溶融させる加熱工程と、
   前記加熱工程で加熱された前記半導体チップを、前記接合材を介して前記実装領域に接合する接合工程と、を有し、
   前記加熱工程は、メインヒータと、該メインヒータよりも加熱温度が高いサブヒータとによって前記チップ保持部材を加熱することで、前記チップ保持部材を介して前記半導体チップを加熱し、前記実装領域に平行な、前記半導体チップの上面における中央部を前記メインヒータによって加熱すると共に、前記半導体チップの前記上面の外周部を前記サブヒータによって加熱する、半導体チップの接合方法。
2. 前記加熱工程は、前記半導体チップの前記上面に当接する前記チップ保持部材の当接面を前記メインヒータによって加熱すると共に、前記当接面に直交する前記チップ保持部材の側面を前記サブヒータによって加熱する、請求項１に記載の半導体チップの接合方法。
3. 前記加熱工程は、長方形状の前記半導体チップの前記上面における長手方向の両端部を前記サブヒータによって加熱する、請求項１に記載の半導体チップの接合方法。
4. 前記加熱工程は、長方形状の前記半導体チップの前記上面における長手方向の両端部を第１のサブヒータによって加熱すると共に、前記半導体チップの前記上面における短手方向の両端部を、前記第１のサブヒータと加熱温度が異なる第２のサブヒータによって加熱する、請求項１に記載の半導体チップの接合方法。
5. 前記加熱工程は、四角形状の前記半導体チップの前記上面の四隅を前記サブヒータによって加熱する、請求項１に記載の半導体チップの接合方法。
6. 半導体チップを実装領域に載置して接合材で接合する半導体チップの接合装置において、
   前記半導体チップを保持するチップ保持部材と、
   前記チップ保持部材に隣接して配置され、前記チップ保持部材に保持された前記半導体チップを、前記チップ保持部材を介して加熱して前記接合材を溶融する加熱部と、を備え、
   前記加熱部は、前記実装領域に平行な、前記半導体チップの上面における中央部を加熱するためのメインヒータと、
   前記メインヒータの外周部に配置され、前記半導体チップの前記上面の外周部を前記メインヒータよりも高い温度で加熱するためのサブヒータと、を有している、半導体チップの接合装置。
7. 前記チップ保持部材は、前記半導体チップの前記上面に当接する当接面と、該当接面に直交する側面とを有し、前記当接面が前記メインヒータで加熱され、前記側面が前記サブヒータで加熱される、請求項６に記載の半導体チップの接合装置。
8. 前記加熱部の前記サブヒータは、長方形状の前記半導体チップの前記上面における長手方向の両端部を加熱する、請求項６に記載の半導体チップの接合装置。
9. 前記加熱部は、長方形状の前記半導体チップの前記上面における長手方向の両端部を加熱する第１のサブヒータと、前記半導体チップの前記上面における短手方向の両端部を、前記第１のサブヒータと異なる温度で加熱する第２のサブヒータと、有する、請求項６に記載の半導体チップの接合装置。
10. 前記加熱部の前記サブヒータは、四角形状の前記半導体チップの前記上面の四隅を加熱する、請求項６に記載の半導体チップの接合装置。

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