JP2013247361A

JP2013247361A - 基板接合方法及び基板リフロ処理装置

Info

Publication number: JP2013247361A
Application number: JP2013104110A
Authority: JP
Inventors: Dae Hee Hahn; ヘハン，デ; Hee Sun Chae; スンチェ，ヘ
Original assignee: PSK Inc
Current assignee: PSK Inc
Priority date: 2012-05-25
Filing date: 2013-05-16
Publication date: 2013-12-09
Also published as: KR101330225B1; TW201349361A

Abstract

【課題】バンプ連結部分の信頼性向上のための基板接合方法及び基板リフロ処理装置を提供する。
【解決手段】本発明は、第１基板の第１接続部と第２基板の第２接続部が電気的に連結されるように第１基板と第２基板を接合する基板接合方法を提供する。本発明による基板接合方法は、第１基板の第１接続部と第２基板の第２接続部とが接触された仮締結状態で第１接続部及び第２接続部に存在する湿気と酸化物を除去するための事前熱処理段階と、第１接続部と第２接続部が接合されるように溶融結合する溶融熱処理段階と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は基板接合方法及び基板リフロ処理装置に関する。

高性能携帯機器は情報通信技術の発達によって、その需要が増加している。このような要求を満たすために使用される半導体製品の大容量化及び高性能化に対する要求は、続いて増加する趨勢である。このような需要に対応するために、半導体素子は持続的に高集積化が進行されて来た。

特に、最近では、高性能化及び大容量化のための手段としてもパッケージ技術が適用されるが、パッケージの構造でさえバンプ（ｂｕｍｐ）の使用が必須的となる位、バンプの適用範囲が広くなっている趨勢である。

従来では、半導体装置でバンプを適用する場合、多数のパッドが形成された半導体基板上に当該多数のパッドと整列された位置に多様な方法で多数のバンプを形成し、半導体装置が実装される基板や互いに異なる半導体装置同士を、バンプを利用して電気的に連結する。このような構造に形成された多数のバンプの間又はバンプと基板との間を堅固に連結するために、バンプを一定な温度に加熱して構造的又は電気的連結を達成する方法が採用されている。このようなバンプの連結を効率的に達成するために、多様な種類の金属材料が使用され、１つ又は２つ以上の合金材料を利用してバンプを連結する工程を最適化させている。特にバンプを効果的に熱処理するためにはフォーミング（ｆｏｒｍｉｎｇ）ガス雰囲気でバンプの熱処理を実施して複数のバンプ間の連結の信頼性を高くする努力がなされている。

しかし、従来の方法でバンプの連結を実施する場合、相変わらず信頼性の問題が残っている。すなわち、多数のバンプ連結における、連結部分及びその周囲に残っている空気や湿気、酸化物等の介入により連結部分の信頼性が低下して、電子部品や機器の信頼性が低下する問題がある。また、最近では、環境に対する配慮への重要性が増加することに伴い、環境配慮への要求を満たすためにバンプの形成に適用できる材料やガス等の使用に制限が存在するので、工程条件の制約によって、上記問題はさらに深刻となっている。

韓国特許公開第１０−２０１１‐００２６６７１号公報

本発明の目的はバンプ連結部分の信頼性向上のための基板接合方法及び基板リフロ処理装置を提供することにある。本発明の目的はここの記載に制限されることはなく、言及されないその他の目的は、下の記載から当業者に明確に理解され得る。

本発明の一側面によれば、第１基板の第１接続部と第２基板の第２接続部とが接触された仮締結状態で、前記第１接続部及び前記第２接続部に存在する湿気と酸化物を除去するための事前熱処理段階と、前記第１接続部と前記第２接続部が接合されるように溶融結合する溶融熱処理段階と、を含む基板接合方法が提供され得る。

また、前記第１接続部と前記第２接続部との中少なくともいずれか１つはソルダバンプ（ＳｏｌｄｅｒＢｕｍｐ）であり得る。

また、前記事前熱処理段階は前記ソルダバンプの融点温度より低い温度雰囲気で進行され、前記溶融熱処理段階は、前記ソルダバンプの融点温度と同一であるか、或いは高い温度雰囲気で進行され得る。

また、前記事前熱処理段階は大気圧より低い圧力で進行され得る。

また、前記事前熱処理段階はフォーミングガス又は不活性ガスを含む雰囲気で進行され得る。

また、前記溶融熱処理段階は大気圧より低い圧力雰囲気とフォーミングガス又は不活性ガスを含む雰囲気で進行され得る。

また、前記第１基板と前記第２基板との中少なくともいずれか１つは、印刷回路基板又は半導体チップが搭載された印刷回路基板又はフリップチップタイプの半導体チップを包含することができる。

本発明の一側面によれば、第１基板と第２基板とがソルダバンプを媒介して仮締結された状態で、前記ソルダバンプの融点温度より低い温度雰囲気で熱処理する事前熱処理段階と、前記ソルダバンプを通じて前記第１基板と第２基板とが接合されるように、前記ソルダバンプの融点温度と同一であるか、或いは高い温度雰囲気で熱処理する溶融熱処理段階と、を含む基板接合方法が提供され得る。

また、前記事前熱処理段階は大気圧より低い圧力で進行され、フォーミングガス又は不活性ガスを含む雰囲気ガスが一定の時間供給され得る。

本発明の一側面によれば、第１基板上にソルダバンプを媒介して第２基板が仮締結された基板結合体を、ローディング／アンローディングするインデックスモジュールと、前記インデックスモジュールとゲートバルブを通じて連結され、内部空間について大気圧と真空圧との選択的転換が可能であるロードロックチャンバーと、前記ロードロックチャンバーとゲートバルブを通じて連結され、前記基板結合体を搬送するための搬送装置が具備されたトランスファーチャンバーと、前記トランスファーチャンバーとゲートバルブを通じて連結され、前記基板結合体に対する基板接合工程を処理するリフロチャンバーと、及び前記リフロチャンバーで処理された前記基板結合体をクーリングするクーリングチャンバーと、を含む基板リフロ処理装置が提供されることができる。

また、前記リフロチャンバーは前記基板結合体が置かれる少なくとも１つのステージを有する真空チャンバーと、前記真空チャンバー内にフォーミングガス又は不活性ガスを供給するガス供給部と、前記基板結合体のソルダバンプを真空雰囲気でリフロする加熱手段と、及び前記加熱手段を制御する制御部と、を包含することができる。

また、前記制御部は前記加熱手段を前記ソルダバンプの融点温度と同一であるか、或いは高い温度に制御する前に前記ソルダバンプの融点温度より低い温度に制御することができる。

本発明によると、バンプ連結部分の信頼性を向上させることができる。

本実施形態による基板リフロ処理装置を示す構成図である。リフロチャンバーの断面図である。図１に図示された基板リフロ処理装置で処理される基板結合体を示す図面である。本発明の基板接合方法を説明するためのフローチャートである。

本明細書で使用される用語と添付された図面は本発明を容易に説明するためのものであり、本発明を用語と図面とによって限定するためではない。本発明に利用される技術の中で、本発明の思想と密接な関連がない公知の技術に関する詳細な説明は省略する。本明細書に記載される実施形態は、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者に本発明を明確に説明するためのものであり、本発明を本明細書に記載された実施形態に限定するためのものではなく、本発明の範囲は本発明の思想を逸脱しない修正例又は変形形態を含むと解釈されなければならない。

以下では、本発明による基板接合方法及び基板リフロ処理装置の一実施形態に関して説明する。

図１は本実施形態による基板リフロ処理装置を示す構成図である。

本実施形態の基板リフロ処理装置１０００は、パッケージ工程で被処理体に提供されたソルダバンプをリフロする工程を遂行する。ここで、後述の図３に示したように、被処理体とは、第１基板１０と第２基板２０とが複数のソルダバンプ１４を媒介させることで仮締結された基板結合体１であり得る。一例として、第１基板１０と第２基板２０とは、電気基板又はチップマウンティング工程（ｃｈｉｐｍｏｕｎｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ）が遂行された半導体チップが実装された印刷回路基板又はフリップチップタイプの半導体チップ、若しくは半導体基板を包含することができる。電気基板は、例えば、印刷配線ボードＰＣＢ、印刷された回路ボード、難燃ガラス繊維（ＦＲ４）ボード、有機回路ボード、マザーボード、又は電気的コンポーネントをハウジングし、接続するための任意の単層又はマルチ層ボードであり得る。若しくは、電気基板は、セラミック基板、ハイブリッド回路基板、又は集積回路パッケージ、ポリイミドテープ、フレキシブル（ｆｌｅｘｉｂｌｅ）回路、高密度相互接続ボード、又は電子モジュールであり得る。なお、電気基板は、他のフリップチップ及び他のアクティブ及びパッシブコンポーネント（ｐａｓｓｉｖｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）を包含することができる。

図１を参照すれば、基板リフロ処理装置１０００は、インデックスモジュール１００及び工程処理部２００を含む。

インデックスモジュール１００は、基板リフロ処理装置１０００の前方に配置される、設備前方端部モジュール（ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｆｒｏｎｔｅｎｄｍｏｄｕｌｅ：ＥＦＥＭ）であり得る。インデックスモジュール１００は、フレーム１１０と、その一側壁に基板結合体が積載されたキャリヤー１２２が安着されるロードポート１２０を含む。フレーム１１０の内部には、ロードポート１２０に安着されたキャリヤー１２２と工程処理部２００との間で基板結合体を移送するために動作することができる移送ロボット１３０が提供される。移送ロボット１３０は、ロードポート１２０に置かれたキャリヤー１２２から１回の動作で少なくとも１枚ずつ基板結合体を搬出してロードロックチャンバー２１０へ各々搬入する。

工程処理部２００は、インデックスモジュール１００の後方に配置される。工程処理部２００は、２つのロードロックチャンバー（ｌｏａｄｌｏｃｋｃｈａｍｂｅｒ）２１０、搬送チャンバー（ｔｒａｎｓｆｅｒｃｈａｍｂｅｒ）２３０、リフロチャンバー２４０、クーリングチャンバー２５０、及び基板搬送装置（ｓｕｂｓｔｒａｔｅｔｒａｎｓｆｅｒａｐｐａｒａｔｕｓ）２２０を含む。

工程処理部２００は、中央に多角形状の搬送チャンバー２３０が配置され、インデックスモジュール１００と搬送チャンバー２３０との間には、リフロ工程が遂行される基板結合体又はリフロ工程を終えた基板結合体が置かれるロードロックチャンバー２１０が配置される。通常、ロードロックチャンバー２１０は、２つ以上の異なる環境、例えば大気圧環境と真空環境との間での緩衝空間としての役割を果たし、工程処理するための基板結合体が一時的に待機するようになる。

また、搬送チャンバー２３０の各々の側面には、基板結合体に対して所定の工程を遂行するリフロチャンバー２４０及びクーリングチャンバー２５０が配置される。

リフロチャンバー２４０では、基板結合体のソルダバンプをリフロするリフロ工程が進行する。又、リフロチャンバー２４０では、基板結合体のソルダバンプをリフロする前にソルダバンプの融点温度より低い温度で熱処理する事前熱処理工程が進行され得る。本実施形態では、不純物除去のための事前熱処理工程とリフロ工程とがリフロチャンバー２４０で進行されることを例として説明した。しかし、不純物除去のための事前熱処理工程は、別の工程チャンバーで進行され得る。

クーリングチャンバー２５０では、リフロ工程を終えた基板結合体をクーリングするクーリング工程が進行される。

図２はリフロチャンバーの断面図である。

リフロチャンバー２４０は、真空チャンバー２４２、サセプタ２４４、ガス供給部２４６、加熱手段２４８、及び制御部２４９を含む。真空チャンバー２４２は、内部に基板結合体１に対するリフロ工程処理を遂行するプロセス空間を提供する。サセプタ２４４は、真空チャンバー２４２内に設置され、真空チャンバー２４２で基板結合体１を支持するために提供される。ガス供給部２４６は、真空チャンバー２４２内へフォーミングガス又は不活性ガスを供給する。加熱手段２４８は、基板結合体１のソルダバンプが真空雰囲気で溶融されるように熱エネルギーを提供する。加熱手段２４８としては、サセプタで提供されるホットプレート又は真空チャンバー２４２内に設置されるＩＲランプ又は対流オーブン（ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅｏｖｅｎ）装置のような多様な加熱装置が使用され得る。

制御部２４９は、加熱手段２４８を制御する。制御部２４９は加熱手段２４８をソルダバンプ１４の融点温度と同一か、或いは高い温度に制御する前にソルダバンプ１４の融点温度より低い温度に制御する。

一方、前記実施形態は、リフロチャンバー２４０が１つのサセプタ２４４を具備することについて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、リフロチャンバー２４０には２つ以上のサセプタが提供され得る。

下記の実施形態では、第１基板と第２基板とが印刷回路基板である場合を例として説明する。

図３は図１に図示された基板リフロ処理装置で処理される基板結合体を示す図面である。

図３を参照すれば、基板結合体１は、第１基板１０と第２基板２０とがソルダバンプ１４を媒介して仮締結され、リフロ工程を通じて接合される。一例として、第１基板１０と第２基板２０とは印刷回路基板であり得る。

第１基板１０は、一面に第１接続部を有する。第１接続部は、ソルダバンプ又はソルダバンプに接続される金属パッドであり得る。本実施形態では、第１接続部がソルダバンプ１４である場合を例として説明する。第１基板１０と第２基板２０との間の電気接続は、ソルダバンプ１４によって提供される。ソルダバンプ１４は、第１基板１００のバンプパッド１２上に形成される。

ソルダバンプ１４は多様な方法で形成され得る。例えば、ソルダバンプは、金（Ａｕ）、Ｓｎ化合物（錫＋銀）のような１つ以上の金属を電気鍍金によって形成され得る。又は、ソルダバンプは基板のアクティブ表面上に１つ以上の金属の層を被着し、従来のリソグラフィー技術を利用して任意の望む金属をパターニングし、エッチングすることによって形成され得る。ソルダバンプは、ソルダペーストをパッド上に選択的にスクリーン印刷した後、これを加熱してソルダを溶かし、バンプを形成することによって提供され得る。これと異なり、ソルダバンプはパッド上にソルダボールを配置し、ソルダボールを加熱してこれらをバンプパッドに付着することによって形成され得る。ソルダバンプは、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ａｇ、Ｚｎ及びこれらの合金の中から選択されるいずれか１つの金属からなり得る。

第２基板２０は、ソルダバンプ１４と電気的接続のための第２接続部を有する。第２接続部は、ソルダバンプ又は金属パッドであり得る。本実施形態では、第２接続部が金属パッド２２である場合を例として説明する。金属パッド２２は、第１基板１０のソルダバンプ１４に対応するように提供される。

図示しないが、第１基板１０と第２基板２０とには、仮締結状態を維持するために導電性接着剤が使用され得る。即ち、第１基板１０のソルダバンプ１４表面と第２基板２０の金属パッド２２との間に導電性接着剤を介在させて互いに接着され得る。一例として、導電性接着剤としては、異方性導電フィルム（Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅｆｉｌｍ））や異方性導電ペースト（Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅｐａｓｔｅ）等が使用され得る。

図４は本発明の基板接合方法を説明するためのフローチャートである。

図２及び図４を参照すれば、本実施形態に係る基板接合方法は、ソルダバンプ及びその連結部分に残っている空気や湿気、酸化物等の不純物が介入して、連結部分の信頼性を低下させることを防止する方法である。当該基板接合方法は、ソルダバンプ１４が溶ける温度又はその付近の温度以上まで上昇させて接着する溶融熱処理過程（Ｓ１２０）を進行する前に、ソルダバンプ１４が溶ける温度より低い温度で大気圧より低い圧力雰囲気で事前熱処理する工程（Ｓ１１０）がある。事前熱処理工程（Ｓ１１０）を通じて、ソルダバンプ１４及びその連結部分に残っている空気や湿気又は望まない酸化物等を効果的に除去でき、このような事前熱処理工程を進行した後に、ソルダバンプを溶融させる熱処理工程を進行する。

そして、事前熱処理工程（Ｓ１１０）は、大気圧より低い圧力でフォーミングガス又は窒素等の不活性ガスを含む雰囲気ガスを一定の時間の間に供給して、真空チャンバー２４２の内部に圧力を変化させ得る。このように大気圧より低い圧力で高温に熱処理を実施する場合、仮締結された基板結合体１とソルダバンプ１４部位とに残っている空気や湿気、酸化物等が、熱と圧力及び雰囲気ガスの変化によって除去される。続いて、このような事前熱処理工程を通じて不純物が除去された基板結合体は、構造的又は電気的連結を進行する溶融熱処理工程が実施される（Ｓ１２０）。溶融熱処理工程（Ｓ１２０）は、大気圧より低い圧力で雰囲気ガスを一定の時間供給して圧力を変化させ得る。このような過程を通じて、基板結合体に残っているかも知れない不純物を追加的に除去できる。

なお、事前熱処理工程（Ｓ１１０）及び溶融熱処理工程（Ｓ１２０）で熱処理温度と熱処理時間は、ソルダバンプ１４の材料の融点温度にしたがって異なり得る。

又、基板接合方法で事前熱処理工程は１回実施することと説明したが、事前熱処理工程は当業者によって変更が可能であり、この時の温度、圧力、雰囲気ガス等の条件を変更しながら実施できる。

以上のように、本発明では、真空チャンバーの内部において大気圧より低い圧力で事前熱処理工程及び溶融リフロ工程が遂行されるので、酸素によるソルダバンプ及び連結部分の酸化を遮断することができる。また、リフロ工程の時、雰囲気ガスを供給すれば、接合性能をさらに向上させることができる。

１００・・・インデックスモジュール、
２００・・・工程処理部、
２１０・・・ロードロックチャンバー、
２２０・・・基板搬送装置、
２３０・・・搬送チャンバー、
２４０・・・リフロチャンバー、
２５０・・・クーリングチャンバー。

Claims

第１基板の第１接続部と第２基板の第２接続部が電気的に連結されるように、前記第１基板と前記第２基板を接合する基板接合方法において、
前記第１基板の前記第１接続部と前記第２基板の第２接続部とが接触された仮締結状態で、前記第１接続部及び前記第２接続部に存在する湿気と酸化物を除去するための事前熱処理段階と、
前記第１接続部と前記第２接続部が接合されるように溶融結合する溶融熱処理段階と、を含むことを特徴とする基板接合方法。
前記第１接続部と前記第２接続部との中少なくともいずれか１つはソルダバンプであることを特徴とする請求項１に記載の基板接合方法。
前記事前熱処理段階は、前記ソルダバンプの融点温度より低い温度雰囲気で進行され、
前記溶融熱処理段階は、前記ソルダバンプの融点温度と同一であるか、或いは高い温度雰囲気で進行されることを特徴とする請求項２に記載の基板接合方法。
前記事前熱処理段階は、大気圧より低い圧力で進行されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の基板接合方法。
前記事前熱処理段階は、フォーミングガス又は不活性ガスを含む雰囲気で進行されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の基板接合方法。
前記溶融熱処理段階は、大気圧より低い圧力雰囲気とフォーミングガス又は不活性ガスを含む雰囲気で進行されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の基板接合方法。
前記第１基板と前記第２基板との中少なくともいずれか１つは、印刷回路基板又は半導体チップが搭載された印刷回路基板又はフリップチップタイプの半導体チップを含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の基板接合方法。
第１基板と第２基板とを電気的に連結させる基板接合方法において、
第１基板と第２基板とがソルダバンプを媒介して仮締結された状態で、前記ソルダバンプの融点温度より低い温度雰囲気で熱処理する事前熱処理段階と、
前記ソルダバンプを通じて前記第１基板と第２基板とが接合されるように、前記ソルダバンプの融点温度と同一であるか、或いは高い温度雰囲気で熱処理する溶融熱処理段階と、を含む基板接合方法。
前記事前熱処理段階は大気圧より低い圧力で進行され、フォーミングガス又は不活性ガスを含む雰囲気ガスが一定の時間供給されることを特徴とする請求項８に記載の基板接合方法。
基板リフロ処理装置において、
第１基板上にソルダバンプを媒介して第２基板が仮締結された基板結合体を、ローディング／アンローディングするインデックスモジュールと、
前記インデックスモジュールとゲートバルブを通じて連結され、内部空間について大気圧と真空圧との選択的転換が可能であるロードロックチャンバーと、
前記ロードロックチャンバーとゲートバルブを通じて連結され、前記基板結合体を搬送するための搬送装置が具備されたトランスファーチャンバーと、
前記トランスファーチャンバーとゲートバルブを通じて連結され、前記基板結合体に対する基板接合工程を処理するリフロチャンバーと、
前記リフロチャンバーで処理された前記基板結合体をクーリングするクーリングチャンバーと、を含む基板リフロ処理装置。
前記リフロチャンバーは、
前記基板結合体が置かれる少なくとも１つのステージを有する真空チャンバーと、
前記真空チャンバー内にフォーミングガス又は不活性ガスを供給するガス供給部と、
前記基板結合体のソルダバンプを真空雰囲気でリフロする加熱手段と、
前記加熱手段を制御する制御部と、を含む請求項１０に記載の基板リフロ処理装置。
前記制御部は、
前記加熱手段を前記ソルダバンプの融点温度と同一であるか、或いは高い温度に制御する前に前記ソルダバンプの融点温度より低い温度に制御することを特徴とする請求項１１に記載の基板リフロ処理装置。