JP2019179834A - 実装装置ならびに実装方法およびこれを用いた半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 金属粒子ペーストを用いて電子部品のバンプと基板の電極を接合する実装において、接合部の導電性に優れ実装位置精度も確保した確実な実装が可能な、実装装置ならびに実装方法およびこれを用いた半導体装置の製造方法を提供すること。【解決手段】 基板を電極が存在する面の反対面から保持し、前記基板を面方向に移動させることが出来るステージと、電子部品をバンプが存在する面の反対面から保持して前記基板に向けて駆動する機能を有するとともに、ヒータを内蔵したボンディングヘッドと、前記バンプに前記金属粒子ペーストを転写するペースト転写部と、前記ステージ、前記ボンディングヘッドの動作を制御する制御部を備えた実装装置ならびに実装方法およびこれを用いた半導体装置の製造方法を提供する。【選択図】 図１

Description

本発明は、バンプを有する電子部品を電極を有する基板に実装する、実装方法および実装装置に関する。特に、バンプを有する半導体チップを、電極を有する基板にフリップチップ実装する実装装置および実装方法に係る。

近年の電子機器開発において、そこに搭載される電子部品に対して種々の要求があり、これに応えるべく早いサイクルでの開発が進められている。この一環として、半導体チップ等の電子部品の基板への実装方法では、伝送距離の短縮や小型化等の要求に応えるため、フリップチップ実装の普及が進んでいる。フリップチップ実装は、電子部品のバンプを基板の電極に接合させる工法であるが、バンプとしてはんだバンプを用いる工法が多く採用されている（図１２（ａ））。

フリップチップ実装においても、実装密度の向上等の要求を背景に、バンプの小型化およびバンプ間隔の狭ピッチ化が進んでいる。これに対し、はんだバンプを用いる工法では、銅ピラーの先端部にはんだＳを用いるなどして対応している（図１２（ｂ））。しかし、銅ピラーＰの小径化に伴うはんだＳの減少により、はんだＳと他の金属（基板Wの電極Ｅ、銅ピラーＰ）との界面に生成される、機械的に脆い金属間化合物ＩＭＣの割合が増すことになり接合部の信頼性に悪影響を及ぼす。

このため、実装密度向上に伴い、はんだを用いない工法が求められており、特許文献１のような金属粒子ペーストを用いた工法が提案されている。金属粒子ペーストを用いた工法は、粒径が１μｍより小さい銀ナノ粒子等の金属ナノ粒子を樹脂中に分散した金属粒子ペーストを用いるものであり、金属ナノ粒子が融点よりも低い温度で焼結することを利用して金属結合を形成するものである。

特に、非特許文献１に記載されているような銅ナノ粒子が分散された銅ナノ粒子ペーストを用いれば、ピラーＰと電極Ｅの材質として通常は銅が用いられていることから、銅と銅を焼結された銅が接合することになり、金属間化合物ＩＭＣの問題を解消することができる。

金属粒子ペーストを用いた実装プロセスを図１３および図１４に示す。図１３（ａ）は、ピラーバンプＰＢを有する半導体チップＣを、所定厚みの金属粒子ペーストＮＰが塗布された平板Ｔの上に配置した状態であり、平板Ｔ側に降下させた状態が図１３（ｂ）で、ピラーバンプＰＢの下側が金属粒子ペーストＮＰに浸される。この後、半導体チップＣを上昇させれば、ピラーバンプＰＢの先端側（下側）に所定量の金属粒子ペーストＮＰが転写された状態となる。

図１４（ａ）はピラーバンプＰＢの先端側に所定量の金属粒子ペーストＮＰが転写された半導体チップＣを、基板Ｗ上に、ピラーバンプＰＢと基板Ｗの電極Ｅの位置合わせを行って配置した状態である。この状態から半導体チップＣを徐々に降下させて、ピラーバンプＰＢ先端側の金属粒子ペーストＮＰが電極Ｅと接触した状態が図１４（ｂ）である。

この後、金属粒子ペーストＮＰを加熱して焼結させる必要があるが、金属粒子ペーストＮＰを加熱する手法として、図１４（ｂ）の状態で、実装装置により半導体チップＣを加圧しながら加熱する方法と、図１４（ｃ）のように半導体チップＣが金属粒子ペーストＮＰを介して仮固定されている基板Ｗを加熱炉２００内に移して加熱する方法（所謂リフロー）とがある。

特開２００７−２０８０８２号公報

Ｊ Ｚｕｒｃｈｅｒ ｅｔ ａｌ．，"Ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ ａｎｄ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ Ｔｏｗａｒｄｓ Ａｌｌ−Ｃｏｐｐｅｒ Ｆｌｉｐ Ｃｈｉｐ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｓ，" ｉｎ Ｐｒｏｃ． ６５ｔｈ ＩＥＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｆ．（ＥＣＴＣ），Ｓａｎ Ｄｉｅｇｏ，ＣＡ，Ｍａｙ ２６−２９，２０１５，ｐｐ、１１１５−１１２１．

金属粒子ペーストＮＰ中の金属ナノ粒子は、樹脂に被覆されているために表面酸化し難くなっている。しかし、金属粒子ペーストＮＰの表層付近においては、大気と接触している金属ナノ粒子の表面が酸化し易い状態となっている。

このため、図１３（ｂ）から図１４（ｂ）に至る過程において、金属粒子ペーストＮＰの表面が大気と触れる時間が長いと、図１４（ｂ）の状態で電極Ｅと接触する金属粒子ペーストＮＰ表面の金属ナノ粒子が酸化してしまい、焼結後の電極Ｅとの界面に（絶縁体である）金属酸化物層が残り、導電性に悪影響を及ぼすことがある。特に、銅ナノ粒子は酸化し易いため、表面酸化対策は必須である。

そこで、図１４（ｃ）のように、加熱炉２００で焼結を行なう場合においては、加熱炉２００内の酸素濃度を下げることや、還元性の気体を含ませて加熱を行なうことで、表面酸化部分を還元して導電性を回復させることも可能である。

しかし、加熱炉２００による焼結を行なう場合においては、半導体チップＣが金属粒子ペーストＮＰを介して仮固定されている基板Ｗを加熱炉２００内に移す必要があり、基板Ｗを移動する際に半導体チップＣが基板Ｗに対して位置ズレを生じることがあるので好ましくない。特に小径のピラーバンプＰＢを有する半導体チップＣの実装においては僅かな位置ズレも実装後の半導体装置の性能に悪影響を及ぼすので、基板Ｗを加熱炉２００に移して焼結する手法は不適である。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、金属粒子ペーストを用いて電子部品のバンプと基板の電極を接合する実装において、接合部の導電性に優れ実装位置精度も確保した、低温かつ低加圧での確実な実装が可能な、実装装置ならびに実装方法およびこれを用いた半導体装置の製造方法を提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、電子部品の有するバンプと基板が有する電極の間に介した金属粒子ペーストを焼結させて、基板上に電子部品を実装する実装装置であって、
前記基板を前記電極が存在する面の反対面から保持し、前記基板を面方向に移動させることが出来るステージと、前記電子部品を前記バンプが存在する面の反対面から保持して前記基板に向けて駆動する機能を有するとともに、ヒータを内蔵したボンディングヘッドと、前記バンプに前記金属粒子ペーストを転写するペースト転写部と、前記ステージ、前記ボンディングヘッドの動作を制御する制御部を備えた実装装置である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の実装装置であって、
前記ペースト転写部を前記ステージとともに移動するように設けた実装装置である。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の実装装置であって、
前記ボンディングヘッドに前記半導体チップを搬送する搬送手段を更に備え、
前記ペースト転写部を前記搬送手段に設けた実装装置である。

請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の実装装置であって、
前記ステージを覆う形状で、前記ボンディングヘッドと対向する位置に開口部を有するステージカバーと、前記ステージカバー内に気体を放出するノズルとを更に備え、
前記制御部が前記ノズルの動作も制御する実装装置である。

請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の実装装置を用いて、基板上に電子部品を実装する実装方法であって、
前記バンプに前記金属粒子ペーストを転写する転写工程と、前記バンプが前記電極に対向配置されるよう、前記電子部品と前記基板の位置合わせを行う位置合わせ工程と、前記バンプに転写された金属粒子ペーストが前記電極に接触し前記バンプと前記電極の距離が所定の範囲に入るまで、前記電子部品を前記基板に接近させる接近工程と、前記金属粒子ペーストを加熱する焼結工程とを備えた実装方法である。

請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の実装装置を用いて、基板上に電子部品を実装する実装方法であって、
前記バンプに前記金属粒子ペーストを転写する転写工程と、前記バンプが前記電極に対向配置されるよう、前記電子部品と前記基板の位置合わせを行う位置合わせ工程と、前記バンプに転写された金属粒子ペーストが前記電極に接触し前記バンプと前記電極の距離が所定の範囲に入るまで、前記電子部品を前記基板に接近させる接近工程と、前記金属粒子ペーストを加熱する焼結工程とを備え、
少なくとも前記焼結工程において、前記ノズルが不活性気体を放出して、前記ステージカバー内の酸素濃度を低下させる実装方法である。

請求項７に記載の発明は、請求項４に記載の実装装置を用いて、基板上に電子部品を実装する実装方法であって、
前記バンプに前記金属粒子ペーストを転写する転写工程と、前記バンプが前記電極に対向配置されるよう、前記電子部品と前記基板の位置合わせを行う位置合わせ工程と、前記バンプに転写された金属粒子ペーストが前記電極に接触し前記バンプと前記電極の距離が所定の範囲に入るまで、前記電子部品を前記基板に接近させる接近工程と、前記金属粒子ペーストを加熱する焼結工程とを備え
少なくとも前記焼結工程において、前記ノズルが還元性元素を含む気体を放出して、前記ステージカバー内を還元性雰囲気とする実装方法である。

請求項８に記載の発明は、請求項５から請求項７のいずれかに記載の実装方法であって、
前記焼結工程において、前記電子部品を前記基板に向けて加圧する実装方法である。

請求項９に記載の発明は、前記電子部品として半導体チップを用い、請求項５から請求項８のいずれかの実装方法で前記半導体チップを基板に実装する、半導体装置の製造方法である。

本発明により、金属粒子ペーストを用いて半導体チップのバンプと基板の電極を接合する実装において、実装位置精度と接合部の導電性に優れた確実な実装が実現する。

本発明の実施形態に係る実装装置を示す図である。 本発明の実施形態に係る実装装置のステージおよびボンディングヘッドについて説明する図である。 本発明の実施形態に係る実装装置の制御構成を示すブロック図である。 （ａ）本発明の実施形態に係る転写工程で、半導体チップの直下にペースト転写部を配置した状態を示す図である（ｂ）同転写工程で、半導体チップを降下してピラーバンプを金属粒子ペーストに浸漬した状態を示す図である（ｃ）同転写工程で半導体チップのピラーバンプに金属粒子ペーストを転写した後の状態を示す図である。 （ａ）本発明の実施形態に係る位置合わせ工程で、位置合わせ前の状態を示す図である（ｂ）同位置合わせ工程で、位置合わせ後の状態を示す図である。 （ａ）本発明の実施形態に係る接近工程で、半導体チップを基板に接近させる途上を説明する図である（ｂ）本発明の実施形態に係る接近工程の完了から焼結工程に至る状態を示す図である（ｃ）本発明の実施形態に係る焼結工程が完了した後の状態を示す図である。 本発明の実施形態に係る実装装置が転写工程を行なう際の状態を説明する図である。 （ａ）本発明の実施形態の変形例に係る実装装置の外観を示す図である（ｂ）本発明の実施形態の変形例に係る実装装置の構成を示す図である。 （ａ）ボンディングヘッドの直下に半導体チップを搬送する搬送手段について説明する図である（ｂ）同搬送手段の構成例を示す図である。 （ａ）本発明の別の実施形態に係る実装装置で、ボンディングヘッドが半導体チップを保持する前の状態を示す図である（ｂ）同実装装置で、ボンディングヘッドが半導体チップを保持した後の状態を示す図である（ｃ）同実装装置で、搬送手段に設けられたペースト転写部を用いた転写工程を説明する図である。 搬送手段に設けられたペースト転写部の一例を示す図である。 （ａ）フリップチップ実装の接合について説明する図であって、はんだバンプを用いた接合部の断面図である（ｂ）同接合を説明する図であって、先端部にはんだを有するピラーバンプを用いた接合の断面図である。 （ａ）金属粒子ペーストを半導体チップのピラーバンプに転写する工程を説明する図で、金属粒子ペーストの上部に半導体チップを配置した状態である（ｂ）同工程で半導体チップを降下してピラーバンプを金属粒子ペーストに浸漬した状態を示す図である（ｃ）同工程で、ピラーバンプに金属粒子ペーストが転写された半導体チップを上昇させた状態を示す図である。 （ａ）金属粒子ペーストをピラーバンプに転写した半導体チップを基板に実装する工程で、半導体チップを基板上に配置した状態を示す図である（ｂ）同工程で、金属粒子ペーストを介して基板の電極にピラーバンプが接続された状態を示す図である（ｃ）同工程で金属粒子ペーストを加熱して焼結させる状態を示す図である。

本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。
図１は本発明の実施形態に係る実装装置１を示すもので、図２は実装装置１の主要部分の断面図、図３は実装装置１の制御構成を示すブロック図である。実装装置１は、電子部品である半導体チップＣを基板Ｗに実装するものであり、基台２、支持フレーム３、ステージ４、加圧ユニット５、ボンディングヘッド６、画像認識手段７、真空ポンプ８、ペースト転写部９、制御部１０を備えている。なお、半導体チップＣは図１３（ａ）のようにピラーバンプＰＢを有し、基板Ｗは図１４（ａ）のように電極Ｅを有している。半導体チップＣを基板Ｗに実装する際は、ピラーバンプＰＢと電極Ｅを電気的に接合しつつ基板Ｗ上に半導体チップＣを機械的に固定する。

本実施形態において、ピラーバンプＰＢおよび電極Ｅの材質としては銅を前提としているが、これに限定されるものではない。いずれも導電性、機械的特性が用途に適するものであれば他の金属素材を用いてもよく、ピラーバンプＰＢと電極Ｅが異なる素材であってもよい。さらに、ピラーバンプＰＢおよび／または電極Ｅの表面にニッケルや金の薄膜がメッキ等で形成されていてもよい。

基台２は、実装装置１を構成する主な構造体である。基台２は充分な剛性を有するよう構成されている。基台２は、支持フレーム３とステージ４を支持している。

支持フレーム３は、加圧ユニット５を支持するものである。支持フレーム３は、基台２のステージ４近傍からＺ方向に延びるように構成されている。

ステージ４は、基板Ｗを電極Ｅが存在する面の反対面から保持しつつ、移動させるものである。ステージ４は、Ｙ方向駆動ユニット４ａ、Ｘ方向駆動ユニット４ｂ、吸着テーブル４ｃによって構成されている。ステージ４は基台２に取り付けられ、Ｘ方向駆動ユニット４ｂによって吸着テーブル４ｃをＸ方向に、Ｙ方向駆動ユニット４ａによって（Ｘ方向駆動ユニット４ｂおよび）吸着テーブル４ｃをＹ方向に移動できるように構成されている。また、図２に示すように、吸着テーブル４ｃは基板Ｗを吸着するための基板吸着穴４Ｈを有しており、吸着テーブル４ｃ内に設けたステージ内流路４Ｅを経て真空ポンプ８に通じている。ここで、真空ポンプ８および、真空ポンプ８に通じる流路に設けたバルブ４Ｖの動作により基板吸着穴４Ｈ内を減圧して基板Ｗを吸着テーブル４ｃに吸着保持することが出来る。

以上の構成により、ステージ４は、基台２上において吸着テーブル４ｃが吸着した基板Ｗを、基板Ｗの面内方向であるＸ方向、Ｙ方向に移動させることが出来る。

加圧ユニット５は、ボンディングヘッド６を移動させるものである。加圧ユニット５は、図示しないサーボモータによってボールねじを回転させることによりボールねじの軸方向の駆動力を発生させるよう構成されている。加圧ユニット５は、ボールねじの軸方向が基板Ｗに対して垂直なＺ方向の駆動力（加圧力）を発生するように構成されている。加圧ユニット５は、サーボモータの出力を制御することによりＺ方向の荷重Ｐｚを任意に設定できるように構成されている。ボンディング時の位置ズレの観点から、ボンディングヘッド６はＺ方向のみ可動できる構成とすることが望ましい。

なお、本実施形態において、加圧ユニット５は、サーボモータとボールねじの構成としたが、これに限定されるものではなく、空圧アクチュエータ、油圧アクチュエータやボイスコイルモータから構成してもよい。また、加圧ユニット５は、ボンディングヘッド６をθ方向に回転させる機能を有していてもよい。

ボンディングヘッド６は、加圧ユニット５の駆動力を半導体チップＣに伝達するとともに、半導体チップを加熱するものである。ボンディングヘッド６は、図２に示すように、アタッチメントツール６１、ヒータ６２、断熱ブロック６３、ヘッド本体６４から構成されている。

アタッチメントツール６１には電子部品吸着穴６Ｈが設けられ、電子部品吸着穴６Ｈはボンディングヘッド６内に形成されたヘッド内流路６Ｅを経て真空ポンプ８に通じている。ここで、真空ポンプ８および、真空ポンプ８に通じる流路に設けたバルブ６Ｖの動作により電子部品吸着穴６Ｈ内を減圧して、半導体チップＣをバンプが存在する面の反対面からアタッチメントツール６１に吸着して保持することが出来る。またヒータ６２には、セラミックヒータ等の電熱部材が内蔵されており、ヒータ温度制御のための温度センサが内蔵されていてもよい。

ボンディングヘッド６は、加圧ユニット５を構成している図示しないボールねじとナットに取り付けられている。つまり、ボンディングヘッド６（のアタッチメントツール６１）はステージ４（の吸着テーブル４ｃ）と平行に対向するように配置されている。すなわち、ボンディングヘッド６は加圧ユニット５によってＺ方向に移動されることで、半導体チップＣを基板Ｗに接近させることが出来る。

画像認識手段７は画像により半導体チップＣと基板Ｗの位置情報を取得するものである。画像認識手段７は、ステージ４に保持されている基板Ｗ上面の位置合わせマークと、ボンディングヘッド６に保持されている半導体チップＣの位置合わせマークを画像認識して、基板Ｗと半導体チップＣの（ＸＹ面内における）位置情報を取得するように構成されている。

ペースト転写部９は、所定厚みの金属粒子ペーストＮＰを蓄えたものであり、少なくとも半導体チップＣの全てのピラーバンプＰＢを同じ深さに浸漬させる受け皿形状を有している。なお、所定厚みの金属粒子ペーストＮＰは、図示していないペースト供給手段により所定量供給されるが、具体的なペースト供給手段としては孔版印刷機構やディスペンサ等が用いられる。

図１の実装装置１では、ペースト転写部９は、吸着テーブル４ｃに接続するよう配置されており、吸着テーブル４ｃと同様に、Ｙ方向駆動ユニット４によって吸着テーブル４ｃをＹ方向に、Ｘ方向駆動ユニット４ｂによってＸ方向に移動できるように構成されている。

制御部１０は、図３に示すように、ステージ４、ノズル４１、加圧ユニット５、ボンディングヘッド６、画像認識手段７と接続されている。また、真空ポンプ８は制御部１０から独立してもよいが、制御部１０に接続されていてもよい。制御部１０は、実体的には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＨＤＤ等がバスで接続される構成であっても、あるいはワンチップＬＳＩからなる構成であってもよい。制御部１０は接続先から信号を取得したり制御するための種々のプログラムやデータが収納されている。

制御部１０は、ステージ４に接続され、Ｙ方向駆動ユニット４ａ、Ｘ方向駆動ユニット４ｂを個々に制御する。また、制御部１０はバルブ４Ｖを制御することにより、吸着テーブル４ｃによる基板Ｗの吸着有無を制御する。このため、制御部１０は、Ｙ方向吸着ユニット４ａ、Ｙ方向吸着ユニット４ｂおよびバルブ４Ｖの制御により、基板ＷをＸＹ面内の位置を任意に変化させることが出来る。

制御部１０は、加圧ユニット５に接続され、加圧ユニット５のＺ方向の高さおよび荷重Ｐｚを制御することができる。また、加圧ユニット５がボンディングヘッド６のθ方向への回転機能を有している場合は、制御部５がボンディングヘッドのθ方向回転角を制御する構成としてもよい。

制御部１０は、ボンディングヘッド６に接続され、ヒータ６２を所定の温度に制御することができる。また、制御部１０はバルブ６Ｖを制御することにより、アタッチメントツール６１による半導体チップＣの吸着有無を制御する。

制御部１０は、画像認識手段７に接続され、画像認識手段７の位置を制御するとともに、画像情報から基板Ｗと半導体チップＣの位置情報を取得することができる。

制御部１０は、真空ポンプ８に接続されているときは、実装動作開始前に真空ポンプ８を稼働するよう制御する。このため、バルブ４Ｖおよびバルブ６Ｖの開閉により、基板Ｗおよび半導体チップＣの吸着有無が制御される。

以下、図１から図３で説明した実装装置１を用いて、半導体チップＣを基板Ｗに実装する工程について、図４から図６を用いて説明する。

まず、図４は転写工程を説明する図である。図４（ａ）は、図示していない搬送手段により搬送された半導体チップＣをボンディングヘッド６のアタッチメントツール６１が吸着保持し、半導体チップＣの直下にペースト転写部９を配置した状態を示している。ここで、ペースト転写部９は、制御部１０がステージ４のＹ方向駆動ユニット４ａとＸ方向駆動ユニット４ｂを制御することで、図７に示すように、半導体チップＣの直下に配置されている。なお、ペースト転写部９を半導体チップＣの直下に位置調整するのに際しては、画像認識手段７を用いてもよい。

図４（ａ）のように半導体チップＣの直下にペースト転写部９を配置した後は、制御部１０は加圧ユニット５を制御してボンディングヘッド６を所定長さだけ降下させる。この動作により、半導体チップＣのピラーバンプＰＢは、ペースト転写部９に蓄えられた金属粒子ペーストＮＰに浸漬する。

ここで、本発明で対象とする金属粒子ペーストＮＰは、粒径が１μｍ未満の金属ナノ粒子を含む金属粒子が樹脂バインダ中に分散されたものである。本実施形態において半導体チップＣのピラーバンプＰＢおよび基板Ｗの電極Ｅが銅であることを前提としており、金属ナノ粒子としては銅ナノ粒子が好適であるが、これに限定されるものではなく基板Ｗに実装後の半導体素子としての用途および焼結時の加熱温度等の条件に応じて、銀ナノ粒子、錫ナノ粒子、インジウムナノ粒子等の他の金属ナノ粒子であってもよい。またバインダ樹脂としては、エポキシ樹脂が一般的であるが、ポリイミド樹脂やアクリル樹脂等であってもよく、バインダ樹脂を用いずに溶媒中に金属ナノ粒子を分散させた所謂ナノインク性状のものであってもよい。

浸漬実施後、制御部１０が加圧ユニット５を制御してボンディングヘッド６を上昇させれば、図４（ｃ）に示すように半導体チップＣの個々のピラーバンプＰＢに金属粒子ペーストＮＰが転写された状態となる。

図５は位置合わせ工程を説明する図である。位置合わせ工程では、まず、制御部１０がステージ４のＹ方向駆動ユニット４ａとＸ方向駆動ユニット４ｂを制御することで基板Ｗを水平方向に移動し、基板Ｗの被実装部を半導体チップＣの直下近傍に配置した後に、ピラーバンプＰＢの直下に電極Ｅが配置されるように位置合わせを行う。なお、画像認識手段７を用いて位置合わせを行うに際して、図５（ａ）から図５（ｂ）の間に画像認識を行なってもよいが、図５（ａ）の状態で画像認識に時間を要することは好ましくない。そこで、転写工程より前に、画像認識手段７を用いてピラーバンプＰＢの直下に電極Ｅが配置されるような位置確認を行い、その際に記憶した位置情報に基づいた位置合わせを転写工程後に行ってもよい。

図５（ｂ）で位置合わせを行った後は、制御部１０は加圧ユニット５を制御してボンディングヘッド６を降下させ（図６（ａ））、ピラーバンプＰＢに転写された金属粒子ペーストＮＰを電極Ｅに接触させ（図６（ｂ））、ピラーバンプＰＢと電極Ｅの距離が所定の範囲内になったらボンディングヘッド６の降下を止める。このようにボンディングヘッド６を降下させて停止するまでが接近工程である。なお、ピラーバンプＰＢと電極Ｅの距離を測定するのに際しては、光学的な手段を用いた距離測定でもよいが、金属粒子ペーストＮＰと電極Ｅの接触による反発力を測定する手段をボンディングヘッド６に設けて、反発力から距離を推定する方法であってもよい。

その後、図６（ｂ）の状態から、ボンディングヘッド６のヒータ６２を加熱することにより金属粒子ペーストＮＰを加熱して焼結するのが焼結工程である。この際、金属粒子ペーストＮＰの特性に応じて焼結温度は異なるが、金属粒子ペーストＮＰが焼結しつつ半導体チップＣに熱的な悪影響を与えないような温度となるよう、制御部１０はヒータ６２の温度を制御する。

なお、接近工程においてボンディングヘッド６の降下を止めた時の位置を維持したままヒータ６２を加熱して焼結を行なっても、焼結した金属粒子ペーストＮＰはピラーバンプＰＢと電極Ｅの導通は確保できる。しかし、焼結過程において、金属粒子ペーストＮＰのバインダ樹脂が収縮したり脱泡が生じるため、ボンディングヘッド６の位置を維持したまま焼結を行なうと、金属粒子ペーストＮＰの金属粒子間の隙間が多い状態で焼結体となり、導電性および機械的強度が充分に得られない場合がある。そこで、焼結工程において加圧ユニット５によりボンディングヘッド６に圧力を加え、ピラーバンプＰＢと電極Ｅが徐々に接近しながら金属粒子ペーストＮＰが焼結するようにしてもよい。焼結時にボンディングヘッド６に適切な圧力を加えることにより、焼結後の金属粒子間の接触面積が増し空間密度が上がることから、導電性および機械的強度の向上が図れる。

金属粒子ペーストＮＰが焼結した後は、アタッチメントツール６１による半導体チップＣの吸着を解除してから、制御部１０は加圧ユニット５を制御してボンディングヘッド６を上昇させる（図６（ｃ））。これで半導体チップＣは基板Ｗに実装され、必要に応じて基板Ｗの分離等の工程を経て半導体装置が製造される。

以上のような実装装置１を用いた本実施形態の実装方法では、ボンディングヘッド６のアタッチメントツール６１に半導体チップＣを吸着した状態で、ピラーバンプＰＢへの金属粒子ペーストＮＰの転写から、ピラーバンプＰＢに転写された金属粒子ペーストＮＰと基板Ｗの電極Ｅの接触までの工程を短時間で行なうことが出来る。このため、電極Ｅと接触する金属粒子ペーストＮＰ（の金属粒子）の酸化を抑制することが出来、ピラーバンプＰＢと電極Ｅを導電性良好に接合することが出来る。

また、半導体チップＣと基板Ｗが位置合わせされた状態で、金属粒子ペーストＮＰを焼結することで、位置精度に優れた実装が行える。

上述のとおり、図１に示した実装装置１を用いることで、電極Ｅと接触する金属粒子ペーストＮＰ（の金属粒子）の酸化を抑制することが出来るが、この酸化抑制効果を更に高めるための変形例としての実装装置１０１を図８に示す。実装装置１０１の外観を示すものでが図８（ａ）であり、図８（ｂ）は図８（ａ）の外観で隠れている内部構成を示すものである。

図８（ｂ）から判るように、実装装置１０１の基本構成は図１に示した実装装置１と同じであり、ステージカバー４とノズル４１が更に設けられたものである。

ステージカバー４０は、ステージ４を覆うカバーであり、ボンディングヘッド６と対向する上面に開口部４０Ｈを有している。ここで、開口部４０Ｈはボンディングヘッド６が上下動する際に支障なく通過する形状を有しつつ、ボンディングヘッド６と開口部４０Ｈ（の縁）との隙間は５ｍｍ以下とすることが望ましい。なお、ステージカバー４０内への基板Ｗの出し入れに関しては、ステージカバー４０の側面に開閉部を設けて行なってもよいし、ステージカバー４０全体が上昇して基板Ｗの出し入れをする構成としてもよい。

ノズル４１はステージカバー４０に覆われた内部に気体を放出するものであり、気体放出有無は図示しないバルブのを制御部１０が開閉制御する。また、バルブとして、流量または圧力を制御可能なものを用いてもよい。
この実装装置１０１を用いた実装方法は、実装装置１を用いた場合と同様に、転写工程、位置合わせ工程、接近工程、焼結工程からなるが、少なくとも焼結工程においてノズル４１が不活性ガスを放出することで、ステージカバー４０内の酸素濃度が低下して、金属粒子ペーストＮＰ（の金属粒子）の酸化を一層抑制することが出来、導電性と機械的強度の向上により接合信頼性を高めることが出来る。ここで、不活性ガスとしてはアルゴンやキセノンのような希ガスも有効であるが、比較的安価な窒素ガスを用いることが望ましい。なお、ノズル４１による不活性ガスの放出は焼結工程に限定されず、転写工程、位置合わせ工程、接近工程の各工程において実施してもよい。

また、ノズル４１から放出する気体として還元性気体を用いてもよい。還元性気体としては不活性ガスに、塩素やフッ素のような還元性を有する気体が少量含まれたものが好適である。少なくとも焼結工程においてノズル４１が還元性ガスを放出することで、ステージカバー４０内が還元性の雰囲気になり、金属粒子ペーストＮＰ（の金属粒子）の酸化皮膜を還元する効果も期待できる。更に、還元性気体をステージカバー４０内に放出するのであれば、金属ナノ粒子の代わりに酸化物ナノ粒子（例えば酸化銅ナノ粒子）を用いたものを金属粒子ペーストＮＰとして用いることも可能になる。ただし、還元性気体は実装装置１０１に用いられる構造材料や人体に悪影響を及ぼす懸念があるので取り扱いには注意が必要である。

ところで、ボンディングヘッド６のアタッチメントツール６１に半導体チップＣを供給する際に、図９（ａ）に示したチップスライダ１７のようなものが一般的に用いられる。チップスライダ１７は、図９（ｂ）に示した搬送手段１１において半導体チップＣを保持した状態で搬送レールに沿ってスライドするものであり、図９（ａ）に示した状態のように、アタッチメントツール６１の直下に半導体チップを配置すれば、その後にボンディングヘッド６が下降してアタッチメントツール６１が半導体チップＣを吸着保持する。

そこで、この機構を利用した本発明の別の実施形態として、チップスライダ１７と同様な動作を行なう転写部スライダ１８に（実装装置１のペースト転写部９と同様な形態の）ペースト転写部１９を搭載した例を図１０に示す。

図１０（ａ）は半導体チップＣを保持したチップスライダ１７が、搬送レール１６に沿って移動し、半導体チップＣをアタッチメントツール６１の直下に配置した状態であり、図１０（ｂ）はアタッチメントツール６１が半導体チップＣを吸着保持してから上昇した後の状態である。図１０（ｂ）の状態の後に、転写部スライダ１８が搬送レール１６に沿って移動し、ペースト転写部１９をアタッチメントツール６１（が保持する半導体チップＣ）の直下に配置した状態を示したのが図１０（ｃ）である。この後、ボンディングヘッド６が下降および上昇することにより、図４（ａ）から図４（ｃ）に示したのと同様に、半導体チップＣのピラーバンプＰＢには金属粒子ペーストＮＰが転写される。この後は、図５および図６を用いて説明したのと同様に位置合わせ工程、接近工程、焼結工程を進めることで実装が完了する。

なお、チップスライダ１７を拡大して半導体チップＣとともにペースト転写部１９を搭載することも可能であるが、ペースト厚みを均一に維持する必要があるペースト転写部１９を高速移動が求められるチップスライダ１７に搭載することはプロセス的に好ましくない。このため、図１１に示すような、チップスライダ１７とペースト転写部１８を独立に移動させることが可能な搬送手段１２を用いることが好ましい。

ところで、転写工程において半導体チップＣそのものに金属粒子ペーストＮＰが付着することは避けねばならないことから、バンプとしては柱状のピラーバンプＰＢを用いる事を前提としているが、バンプ先端部付近のみに金属粒子ペーストを転写することが可能であればピラーバンプＰＢに限定されるものではなく、他の形状のバンプを用いても本発明は有効である。

１ 実装装置
２ 基台
３ フレーム
４ ステージ
４ａ Ｙ方向駆動ユニット
４ｂ Ｘ方向駆動ユニット
４ｃ 吸着テーブル
４Ｅ 排気流路
４Ｈ 基板吸着穴
５ 加圧ユニット
６ ボンディングヘッド
６Ｈ 電子部品吸着穴
７ 画像認識手段
８ 真空ポンプ
９、１９ ペースト転写部
１０ 制御部
１１、１２ 搬送手段
１６ 搬送レール
１７ チップスライダ
１８ 供給部スライダ
４０ ステージカバー
４０Ｈ 開口部
４１ ノズル
６１ アタッチメントツール
６２ ヒータ
２００ 加熱炉
Ｃ 半導体チップ（電子部品）
Ｅ 電極
ＮＰ 金属粒子ペースト
ＰＢ ピラーバンプ
Ｗ 基板

Claims (9)

1. 電子部品の有するバンプと基板が有する電極の間に介した金属粒子ペーストを焼結させて、基板上に電子部品を実装する実装装置であって、
   前記基板を前記電極が存在する面の反対面から保持し、前記基板を面方向に移動させることが出来るステージと、
   前記電子部品を前記バンプが存在する面の反対面から保持して前記基板に向けて駆動する機能を有するとともに、ヒータを内蔵したボンディングヘッドと、
   前記バンプに前記金属粒子ペーストを転写するペースト転写部と、
   前記ステージ、前記ボンディングヘッドの動作を制御する制御部を備えた実装装置。
2. 請求項１に記載の実装装置であって、
   前記ペースト転写部を前記ステージとともに移動するように設けた実装装置。
3. 請求項１に記載の実装装置であって、
   前記ボンディングヘッドに前記半導体チップを搬送する搬送手段を更に備え、
   前記ペースト転写部を前記搬送手段に設けた実装装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の実装装置であって、
   前記ステージを覆う形状で、前記ボンディングヘッドと対向する位置に開口部を有するステージカバーと、
   前記ステージカバー内に気体を放出するノズルとを更に備え、
   前記制御部が前記ノズルの動作も制御する実装装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の実装装置を用いて、基板上に電子部品を実装する実装方法であって、
   前記バンプに前記金属粒子ペーストを転写する転写工程と、
   前記バンプが前記電極に対向配置されるよう、前記電子部品と前記基板の位置合わせを行う位置合わせ工程と、
   前記バンプに転写された金属粒子ペーストが前記電極に接触し前記バンプと前記電極の距離が所定の範囲に入るまで、前記電子部品を前記基板に接近させる接近工程と、
   前記金属粒子ペーストを加熱する焼結工程とを備えた実装方法。
6. 請求項４に記載の実装装置を用いて、基板上に電子部品を実装する実装方法であって、
   前記バンプに前記金属粒子ペーストを転写する転写工程と、
   前記バンプが前記電極に対向配置されるよう、前記電子部品と前記基板の位置合わせを行う位置合わせ工程と、
   前記バンプに転写された金属粒子ペーストが前記電極に接触し前記バンプと前記電極の距離が所定の範囲に入るまで、前記電子部品を前記基板に接近させる接近工程と、
   前記金属粒子ペーストを加熱する焼結工程とを備え、
   少なくとも前記焼結工程において、前記ノズルが不活性気体を放出して、前記ステージカバー内の酸素濃度を低下させる実装方法。
7. 請求項４に記載の実装装置を用いて、基板上に電子部品を実装する実装方法であって、
   前記バンプに前記金属粒子ペーストを転写する転写工程と、
   前記バンプが前記電極に対向配置されるよう、前記電子部品と前記基板の位置合わせを行う位置合わせ工程と、
   前記バンプに転写された金属粒子ペーストが前記電極に接触し前記バンプと前記電極の距離が所定の範囲に入るまで、前記電子部品を前記基板に接近させる接近工程と、
   前記金属粒子ペーストを加熱する焼結工程とを備え
   少なくとも前記焼結工程において、前記ノズルが還元性元素を含む気体を放出して、前記ステージカバー内を還元性雰囲気とする実装方法。
8. 請求項５から請求項７のいずれかに記載の実装方法であって、
   前記焼結工程において、前記電子部品を前記基板に向けて加圧する実装方法。
9. 前記電子部品として半導体チップを用い、請求項５から請求項８のいずれかの実装方法で前記半導体チップを基板に実装する、半導体装置の製造方法。

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