JP2017525163A - マイクロ電気機械部品を特に熱接合するための装置 - Google Patents

マイクロ電気機械部品を特に熱接合するための装置 Download PDF

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Abstract

【解決手段】本発明は、プロセスチャンバ（Ｂ）においてマイクロ電気機械部品（２，３）を特に熱接合するための装置に関し、部品（２，３）のうちの少なくとも１つの第１部品（２）を保持するための下部支持板（１１）と、接合される部品（２，３）のうちの少なくとも１つの第２部品（３）へ少なくとも１つの第１部品（２）の方向に加圧するための加圧装置（１５）とを備える。加圧装置（１５）は、少なくとも１つの第２部品（３）と接触するように設けられる膨張膜（１９）を備える。流体圧力、特に気体圧力は、膨張膜（１９）へ接合される部品（２，３）から離間する側で付与され得る。【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ電気機械部品を特に熱接合するための装置に関し、当該装置は、互いに接合される上記部品を加圧するための加圧装置を含む。
半導体技術において、例えば、チップもしくはダイ、ウェハ、ＬＥＤ等、またはこれらからなるアセンブリのようなマイクロ電気機械部品をキャリアに取り付けるために、種々の方法が用いられている。
これに関連して、電源モジュールの取り付け技術は、シリコン製の半導体または使用頻度の高い半導体物質であるシリコンカーバイド（ＳｉＣ）および窒化ガリウム（ＧａＮ）の継続的な更なる開発のためだけでなく、新たな応用分野および複雑なトポグラフィーのために、スイッチング速度、導電損失およびスイッチング損失、ならびに耐熱性に関連する増加し続ける要求を満たす必要がある。
パワー半導体は、通常、構造化された銅またはアルミニウムを有するキャリア基板上に実装される。この基板は、ＩＭＳ（絶縁金属基板）であってよく、またはＤＣＢ（ｄｉｒｅｃｔ ｃｏｐｐｅｒ ｂｏｎｄ）、ＤＡＢ（ｄｉｒｅｃｔ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｂｏｎｄ）またはＡＭＢ（ａｃｔｉｖｅ ｍｅｔａｌ ｂｒａｚｉｎｇ）基板と呼ばれる、酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウムの内部セラミック層を有する基板が使用されてもよい。
高い応力に耐え得る接続には、ＴＬＰＢ（ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｌｉｑｕｉｄ ｐｈａｓｅ ｂｏｎｄｉｎｇ）またはＴＬＰＳ（ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｌｉｑｕｉｄ ｐｈａｓｅ ｓｏｌｄｅｒｉｎｇ）としても知られるＡｇ焼結（Ａｇ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）または拡散はんだ付け（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｓｏｌｄｅｒｉｎｇ）のような、より最近の接合技術が用いられる。
これらすべての公知の接合方法は、接合される部品上への加圧を必要とし、付与される圧力は、上記接合動作の間、所定時間中、そのプロセスに応じて、例えばＡｇ焼結においては数秒間で３０ＭＰａに、維持されなければならない。
接合される部品のための支持材としての加熱プレートおよび垂直方向に変位可能な加圧または接着ヘッドを有する真空チャンバを通常備える、実務から知られる装置において、圧力は、平面状のプレス板を有する上記接着ヘッドを介して付与される。実際上は、異なるチップの高さに対して略均一に接触することを可能にするために、シリコーンマットが、上記接着ヘッドまたは上記プレス板のそれぞれに、接合の間、半導体構造上に動作圧力を付与するために用いられる。
不都合なことに、相対的に柔らかいシリコーンマットであっても、高さの異なる部材上への均一な圧力分布を保証するものではない。最も高いかまたは他より高いチップはそれぞれ、その高さに応じて加圧されることができるが、他より低いチップは所要の接触圧を受けない。同様のことが、一部の領域に渡って十分に加圧される不均質なチップにも当てはまる。したがって、シリコーンマットを有するプレス板を使用する場合ですら、その接合品質が高抵抗接続にとっての課題となっている。
高さの異なる半導体部材の高抵抗接続には、シングル・チップ接続が選択されてもよいが、シングル・チップ接続は、総じて長い処理時間およびこれに相当するコスト高をもたらす。
以上より、本発明は、マイクロ電気機械部品を特に熱接合するための装置であって、接合される部品上への加圧装置の均一な加圧が、部品に対する加圧装置の接近距離が異なっていても確保され、もって、同時に接合される複数の異なる部材に対してでさえ、再生可能な高い接合品質を確保する装置の提供を目的とする。
上述の目的は、マイクロ電気機械部材を特に熱接合するための装置によって達成され、当該装置は、接合される部材のうちの少なくとも１つの第１部材を受け取るための下部支持板を有し、かつ、接合される部材うちの少なくとも１つの第２部材上に、上記少なくとも１つの第１部材の方向に、加圧するための加圧装置を有する、プロセスチャンバを備える。本発明によれば、上記加圧装置は、上記少なくとも１つの第２部材に接触するように設けられる膨張膜を用いて形成されており、上記加圧装置において、流体圧力、特に気体圧力を、当該膜上に、接合される部材から離間する側に付与することができる。
本発明の装置は、幾可学的形状および高さの異なる数個のマイクロ電気機械部材が、高い接合品質をもってキャリアへ同時に接合されることを可能にするという利点を有する。部材、特にチップ上に、上記膨張膜によって付与された圧力は、加圧される全てのチップに対して同じである。というのも、上記膜は、流体圧力による上記膜の膨張のせいで、加圧装置の流体圧力が全てのチップ上に均一に作用するように、ターゲット面に、つまり加圧される部材のトポグラフィーに適合するからである。
有利なことに、異なる形状の半導体部材の静水圧プレス成形もまた、複数のそのような半導体部材が、ＴＬＰＢ（ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｌｉｑｕｉｄ ｐｈａｓｅ ｂｏｎｄｉｎｇ）プロセスまたはＴＬＰＳ（ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｌｉｑｕｉｄ ｐｈａｓｅ ｓｏｌｄｅｒｉｎｇ）プロセスによるＡｇ焼結や平面状の拡散はんだ付けのような、熱圧接着を用いて高抵抗接続を生じさせるための接合方法を用いる接合ステップにおいて処理されることを可能とする。
複数の異なる半導体部材が静水圧プレス成形により同時に接合されることを可能とする上記膜によって、当該部材は、シングル・チップ方法とは対照的に、それらの最終位置に正確に配置されることができ、例えば、さらに有利なことに、真空雰囲気中で、特に高純度の雰囲気を有する無酸素中で、処理されることができる。
流体圧力によって膨張可能な上記膜を有する加圧装置は、接合方法に関して、つまり、従来の平面上のはんだ付けから拡散はんだ付けそして焼結技術に関して、また、チップのような、例えば、その表面が、チップキャリア等上の基板またはウェハ、ウェハ相互間、ＬＥＤ、およびこれらの異なる幾可学的形状に対して高感度でもよい、接合される上記部品に関して、汎用的に適用可能であることが示されている。
本発明による加圧装置は、さらに、接合される部材を担持する支持板に対する接触板のまたは接着ヘッドの潜在的なスキューイングが、流体圧力下で対応するターゲット面に適合する上記膜によって補正されることができるという利点を有する。
さらにまた、はんだ付けまたは拡散はんだ付けの間、換言すると、ＴＬＰＳプロセス中、高さの違いは一般的に上記膜によって補正されるので、上記膜の柔軟性がはんだ材料の異なる厚さの選択を可能にする。
上記膨張膜による加圧は、ターゲット表面へ上記膜を適合させることが、接触させられる部品の位置決めの精度にも、これらの表面感度にも影響を与えないというもう一つの利点を有する。
上記加圧装置が上記柔軟性膜に実装されるところの適切な流体媒体源からの流体は、好ましくは気体であり、この気体は圧縮空気または加圧が可能なそれ以外の気体であってもよい。
選択された流体に応じて、用いられる接合技術によって、同時に冷却または加熱のために上記流体を使用することもできる。
一般的に、流体は、上記柔軟性膜上に、特に冷却と組み合わせて、加圧のための気体の代わりに選択されてもよい。しかしながら、加圧のために流体を使用する場合には、これにともなって、接合される部材および／または装置にダメージを与える可能性のある流体の漏れを防止するために、高い密封要求が満たされる必要がある。
本発明の有利な実施形態において、上記膜は気密性のあるシート材料、特にゴム状材料で製造される。この材料選択は、各接合方法、通常使用される温度、所要の接触圧力およびターゲット表面のトポグラフィーに左右される。気密性があり耐引裂性があるシート材料は、本発明による加圧装置が低コストで標準的な材料で実現されることができるように、種々の厚さおよび材料組成において商業的に利用可能である。
上記膜の厚さおよびその膨張性は、好ましくは、上記膜が、その接触動作条件において、部材間に存在する高さの違いにかかわらず、部材上に少なくとも略同一の接触圧力を付与するように、接合される部材のトポグラフィーに従って選択される。
特に有利な実施形態において、上記膜は、少なくとも実質的に上記支持板に平行な平面となるように、かつ、少なくともそれに垂直になるように移動可能に配置されるところの圧力板（接着板またはダイとも呼ばれる）に広がっていてもよい。ここで、圧力媒体は、上記膜が、接合される部品の方へ膨張するように、上記膜と上記圧力板との間に設けられることができる。
この場合、上記膜は、安定した密封態様で、その周辺領域において上記圧力板へ適切な保持固定装置を用いて取り付けられてもよい。
接着板の通常の構造は、例えば、その接触表面から離間する側に中心ガイド棒を有する質量板として設けられた場合には、本発明に基づき具現されるために、わずかな修正しか必要としない。このことは、圧力媒体が、上記圧力板の接触側へ、ひいてはそれに接触する膜へ、上記圧力板における少なくとも１つの適切な孔を通じて、供給されることを可能とする。圧力媒体源に対応する接続は、上記圧力板または上記ガイド棒における別個の柔軟性チューブおよび／または貫通孔によって、それぞれ影響を受けてもよい。
上記保持固定装置は、公知のいかなる固定方法によっても、例えば、ネジおよび／またはクリップ接続のように、容易に脱離可能な接続を用いて実現されてもよく、このことは、摩耗により要求される上記膜の置換または変化するプロセス要求の点で有利である。
密封装置は、上記圧力板と上記膜との間に設けられるものであるので、上記保持固定装置が、特に上記膜の周囲に拡張する締付リングを備えており、上記膜が上記圧力板および／または介在する密封装置に固定されるのを可能とするのであれば、有利であるかもしれない。
一つの有利な実施形態において、負圧が、接合される部材から離間する側の上記膜上に付与され得ることが、さらに想定されていてもよい。
上記膜の、例えば圧力板への、非接触動作条件における吸引は、上記膜が、重力のために潜在的に垂れ下がることを有利に防止し、これにより、接合される部品に接触し、これらの位置決め精度に悪影響を与えることを防止する。
加熱装置は、各接続タイプに必要とされる温度を調整するために、上記圧力板の上におよび／または上記支持板の下に設けられてもよい。従来、上記支持板自体は、加熱板として設けられている。
上部加熱装置および下部熱装置を使用して、２ゾーン加熱を確立することができる。ここで、これらの加熱装置は、赤外線（ＩＲ）放射装置として設けられてもよく、例えば、平行するハロゲン管のアレイを備えていてもよい。
このようなＩＲ加熱装置は、急速加熱を可能とし、全ての要素が均一温度に保たれるという利点を有しているので、これにより、装置内における高い温度均一性が確保されるとともに、部材の接続の質的な等価が確保される。
還元性雰囲気を有する閉鎖系を通常必要とする、高応力接合を生じさせるための接合プロセスを可能にするためには、上記プロセスチャンバが、密閉筺体を有する真空チャンバとして設けられ、そして、上記筺体の少なくとも１つの開口が、上記真空チャンバの、脱気または排気のために、および気体の曝気または導入のために、それぞれ設けられていると有利である。
選択されたプロセスによって、特にＴＬＰプロセス、ＴＬＰＢプロセスまたは焼結プロセスにおいて、最適な接触圧力を確保するため、本発明の有利な実施形態は、上記加圧装置の少なくとも流体圧力を、選択されたプロセスに、そして接合される部材のトポグラフィーに従って調整することができる手段を有する制御装置を提供する。
本発明に係る装置のさらなる利点および有利な実施形態は、発明の詳細な説明、図面および特許請求の範囲から明らかである。
キャリアへ半導体チップを熱的に接合するための本発明の装置の典型的な一つの実施形態が、概略的に簡略化された態様で図面に示される。以下、詳細に説明する。
半導体部材を熱接合するための装置を示す簡略化された三次元正面図であり、当該装置は真空チャンバを備える。 図１の装置の縦断面図における別の三次元図である。
図１および２は、第１マイクロ電気機械部材２を第２マイクロ電気機械部材３へ熱接合するための装置１を示しており、この場合において、第１部材２は異なる高さのＳｉチップであり、第２部品３はＣｕキャリアである。
装置１は２部品構成の筺体４を備え、これは旋回機構５によって開閉され、かつ、密封機構６、７によってその環境へ密封することができる。筺体４内に形成されたプロセスチャンバ８は、目下、上記真空チャンバの、脱気または排気のため、および気体の曝気または導入のため、それぞれ、開口９を有する真空チャンバとして例示される。
上記プロセスチャンバにおいて、Ｃｕキャリア状の第１部材２に対する、およびその上に第２部材３として配置されるＳｉチップに対する支持板１１は、支持装置１０上に配置される。図示される実施形態において接合プロセスとして用いられるＴＬＰＳプロセスのため、支持板１１は加熱板として設けられる。さらに、所要のプロセス温度に調整するために、上部加熱装置１３は、筺体４の旋回カバー４ａに支持板１１を覆うように配置され、上部加熱装置１３は、平行するハロゲン管のアレイ１３を備える赤外線（ＩＲ）放射装置として設けられる。
上部加熱装置１２と同じように、下部加熱装置１４は支持板１１の下方に設けられる。この下部加熱装置１４もまた、平行するハロゲン管のアレイを備える赤外線（ＩＲ）放射装置として設けられ、よって、接合プロセス間の適切な温度分布を有する２ゾーンの温度調製が可能となる。
加圧装置１５はＣｕキャリア２上にチップ３を加圧するために設けられる。加圧装置１５は、支持板１１に対して平行に配置され、かつ圧接側から離間する側に、ガイド棒１７へ接続される、金属圧板または接着板１６をそれぞれ備える。ガイド棒１７は真空密封された態様で筺体４から延出し、支持板１１の水平面と垂直な方向において、つまり、本実施形態においては垂直方向に、部材２、３へ向かってこれらから離れて、モータ１８を用いて移動可能である。圧力媒体ダクト２５は、詳細に示されていないが、ガイド棒１７内部に形成される。圧力媒体ダクト２５は、単に象徴的に示されているが、圧力媒体源２６に接続し、部材２、３にまで、よって、ターゲット表面側の圧力板１６の側まで、圧力板１６を通って延びている。
膨張膜１９は、圧力板１６の圧接側に配置され、この膜１９は、気密な弾性シート部材で製造され、本実施形態においては、圧力媒体としての圧縮空気を受けるように設計される。
図示される実施形態において、上記膜は、ここでは円形である圧力板１６の周囲にまで延び、保持固定装置２０を用いて圧力板１６の周辺領域に取り付けられる。保持固定装置２０は、膜１９の周囲に延びる締付けリング２１を備える。締付けリング２１は、上記膜と圧力板１６の周辺上のフランジ状ステップとの間で、上記密封装置を形成する密封リング２２に接続され、そして、圧力板１６自体に接続される。
保持固定装置２０の接続手段として、ネジ結合２３が設けられ、これらは、締付けリング２１の周囲および圧力板１６の周囲に渡って分布する。
制御装置２４は、所定のプロセスパラメータおよび接合される部材２、３のトポグラフィーに従って、加圧装置１５の少なくとも流体圧力を調整するために設けられ、制御装置２４は、圧力板１６の接触面と膜１９との間の領域内に圧力媒体源１８から圧縮空気を移動させる。このことは、膜１９が、ターゲット面を形成するチップ３の方へ延びること、および静水接触圧が、目下、異なる幾可学的形状および異なる高さを有するすべてのチップ３に付与されるように接続することの原因となる。
圧力媒体ダクト２５を介して加圧されることに加えて、膜１９は、この状態において、圧力板１６と面接触し、接合される部材２、３の方へ膨張せず、したがってこれらに悪影響を及ぼすことができないような非接触状態において、吸引されてもよい。
図示された装置１は、汎用的に適用可能であり、本明細書に記載のＴＬＰＳプロセスに対してだけでなく、他のはんだ付けおよび拡散はんだ付けプロセス、そして焼結プロセスに対しても利用可能である。選択される接合プロセスに応じて、温度、雰囲気および場合によっては、交換可能な上記膜の材料および厚さのような、そのプロセスパラメータのみが変化する。

Claims (11)

  1. 接合されるマイクロ電気機械部材（２，３）のうちの少なくとも１つの第１部材（２）を受け取るための下部支持板（１１）を有し、かつ、前記接合される部材（２，３）のうちの少なくとも１つの第２部材（３）上に前記少なくとも１つの第１部材（２）の方向に加圧するための加圧装置（１５）を有するプロセスチャンバ（Ｂ）において、前記部材（２，３）を特に熱接合するための装置であって、
    前記加圧装置（１５）が、前記少なくとも１つの第２部材（３）と接触するように設けられる膨張膜（１９）を用いて形成され、
    流体圧力、特に気体圧力が、前記膜（１９）上に、前記接合される部材（２，３）から離間する側で付与され得ることを特徴とする装置。
  2. 前記膜（１９）が、気密性のあるシート材料、特にゴム状材料で製造されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  3. 前記膜（１９）の厚さおよびその膨張性が、好ましくは、前記膜（１９）が、その接触動作条件において、前記部材（２，３）間に存在する高さの違いにかかわらず、前記部材（２，３）上に少なくとも略同一の接触圧力を付与するように、前記接合される部材（２，３）のトポグラフィーに従って選択されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の装置。
  4. 前記膜（１９）が、少なくとも実質的に前記支持板（１１）に平行な平面となるように、かつ、少なくともそれに垂直になるように移動可能に配置されるところの圧力板（１６）に広がっており、圧力媒体が、前記膜（１９）が接合される前記部材（２，３）の方へ膨張するように、前記膜（１９）と前記圧力板（１６）との間に設けられることができることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の装置。
  5. 前記膜（１９）が、安定した密封態様で、その周辺領域において前記圧力板（１６）へ保持固定装置（２０）を用いて取り付けられることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の装置。
  6. 前記保持固定装置（２０）が、特に前記膜（１９）の周囲に拡張する締付リング（２１）を備えており、前記膜（１９）が前記圧力板（１６）および／または介在する密封装置（２２）に固定されるのを可能とすることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の装置。
  7. 負圧が、特に前記膜（１９）の非接触動作条件において、接合される前記部材（２，３）から離間する側の前記膜（１９）上に付与され得ることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の装置。
  8. 加熱装置（１２，１４）が、前記圧力板（１６）の上におよび／または前記支持板（１１）の下に設けられることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の装置。
  9. 前記支持板（１１）が、加熱板として設けられることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の装置。
  10. 前記プロセスチャンバ（Ｂ）が、密閉筐体（４）を有し、かつ、真空チャンバ（８）の脱気または排気のためおよび気体の曝気または導入のために設けられるところの前記筐体（４）の少なくとも１つの開口（９）を有する前記真空チャンバ（８）として設けられることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の装置。
  11. 制御装置（２４）を用いて、前記加圧装置（１５）の少なくとも前記流体圧力を、前記選択されたプロセス、特にＴＬＰＳ（ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｌｉｑｕｉｄ ｐｈａｓｅ ｓｏｌｄｅｒｉｎｇ）プロセス、ＴＬＰＢ（ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｌｉｑｕｉｄ ｐｈａｓｅ ｂｏｎｄｉｎｇ）プロセスまたは焼結プロセスに従って、および、接合される前記部材（２，３）のトポグラフィーに従って調整することができることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の装置。
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