JP2662131B2 - ボンディング装置 - Google Patents

ボンディング装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は多電極、狭ピッチの半導
体素子を配線基板に高密度に実装する技術に関するもの
で、特に、光硬化性樹脂を用い、半導体素子をフェース
ダウンでシリコン、セラミック等の不透明な配線基板に
接続するためのボンデイング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】多端子、狭ピッチの電極を有する半導体
素子を回路基板へフェイスダウンで直接、一括接合で実
装できる実装技術としてＭＢＢ（Ｍｉｃｒｏ Ｂｕｍｐ
Ｂｏｎｄｉｎｇ）実装技術がある。ＭＢＢ実装のため
のボンディング装置を（図５）とともに、実装の工程を
（図６）、（図７）とともに説明する。まず（図５）に
示すように、ボンディング装置はボンディングツール１
と、加圧装置２と、ステージ３よりなる。ボンディング
ツール１は、加圧チップ４、ホルダー５より構成され、
加圧チップ４は、超硬合金、セラミック等よりなる。ボ
ンデイングツール１の外周には数束の光ファイバー６を
設置する。ホルダー上面７は、ボンデイングツール１に
圧力を加えるための加圧装置２に接続されている。ボン
デイングツール１の下方は、実装する半導体素子８を載
置するステージ３である。ボンデイング時、半導体素子
８とボンデイングツール１とを位置合わせするために、
ステージ３は可動となっている。
【０００３】次に、ＭＢＢ方式の実装工程を説明する。
（図６）の（ａ）に示すようにステージ３上に載置し
た、シリコン、セラミック等よりなる不透明な配線基板
９の導体配線１０を有する面に、絶縁性の樹脂１１を塗
布する。導体配線１０はＣｒ‐Ａｕ、Ａｌ，Ｃｕ等であ
り、樹脂１１は紫外線硬化型のエポキシ、シリコン、ア
クリル等である。次に（図６）の（ｂ）に示す様に半導
体素子８の突起電極１２と導体配線１０とを一致させ、
半導体素子８を紫外線硬化性の樹脂１１の上から、配線
基板９上に搭載する。突起電極１２はＡｌ、Ａｕ、Ｃｕ
等である。次に（図６）の（ｃ）に示すように、ボンデ
イングツール１で、半導体素子８を加圧し、配線基板９
に押し当てる。ボンデイングツール１の外周に数束の光
ファイバー６が設置される理由は、１束の光ファイバー
６では紫外光を照射したとき、半導体素子８の周囲を同
時に照射することができないからである。光ファイバー
６の束数は、長方形の半導体素子８の各辺に光ファイバ
ー６を１束ずつ割り当てる場合は、計４束を必要とす
る。あるいは、さらに半導体素子８の辺コーナー部分に
も光ファイバー６を照射する場合は、計８束必要であ
る。ボンデイングツール１により半導体素子８を加圧す
る時、導体配線１０上の樹脂１１は半導体素子８の周囲
に押し出され、半導体素子８の突起電極１２と導体配線
１０は電気的に接触する。次に、加圧状態で、光ファイ
バー６の全束から同時に紫外線を照射し、半導体素子８
と配線基板９の間隙の樹脂１１を硬化する。樹脂１１の
硬化のメカニズムは、紫外光が半導体素子８の表面、配
線基板９の表面等での反射、散乱を繰り返し、半導体素
子８の端部より奥部の樹脂１１を硬化することにある。
最後に（図６）の（ｄ）に示すようにボンデイングツー
ル１を取り去り、半導体素子８を配線基板９に、固着す
るとともに、樹脂１１の硬化収縮力により、半導体素子
８の突起電極１２と導体配線１０を電気的に接続するも
のである。
【０００４】以上に述べたＭＢＢ実装技術を、高密度実
装に適用する場合に生じる問題点を以下に述べる。まず
第１の問題点を述べる。（図７）の（ａ）のように、ボ
ンデイングツール１により加圧する半導体素子８と、隣
接する半導体素子１３との間に十分広い間隙１４があれ
ば、光ファイバー６からの出射光は、この間隙１４を通
って樹脂１１に入射することができる。ここで、光ファ
イバー６からの出射光が半導体素子８に対してなす角度
βは、樹脂１１の硬化効率を評価して決めた一定値であ
る。ところが、（図７）の（ｂ）に示すように、高密度
な実装では、半導体素子８と、隣接する半導体素子１３
間の間隙１４が極めて狭い。このため、光ファイバー６
からの出射光が樹脂１１へ入射する効率が低下するとい
う問題が生ずる。次に第２の問題点を述べる。（図７）
の（ｃ）に示すように、ボンデイングツール１の加圧面
１５は加圧する半導体素子８の面積より少し大きく作製
するのが通常である。これは、もし加圧面１５が半導体
素子８と同じサイズであれば、ボンデイング時、加圧面
１５と半導体素子８が少しでも位置ずれを起こした場
合、半導体素子８を均一に加圧できないからである。こ
のとき、加圧面１５の面積が半導体素子８の面積より大
きいことが、光ファイバー６から出射した紫外線の樹脂
１１へ入射効率を低下させるという問題点がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記のように紫外線を
照射する方法は、下記のような問題点がある。 １）前述のように、隣接する半導体素子間の間隙が極め
て狭い場合は、光ファイバーから出射した紫外光が樹脂
へ入射する効率が低下する。 ２）また、加圧面の面積が半導体素子の面積より大きい
ために、光ファイバーから出射した紫外光が樹脂へ入射
する効率が低下する。
【０００６】本発明は上記問題点に鑑み、以下の条件を
満たすボンディングツールと、半導体の実装方法を提供
することを目的とする。 １）隣接する半導体素子間の間隔が極めて狭い場合で
も、出射光の樹脂への入射効率を低下させない。 ２）加圧面の面積が半導体素子の面積より大きくとも、
出射光の樹脂への入射効率を低下させない。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、平面領域を有
する主面、光入射口が設置された反対面、前記主面と前
記反対面との間に位置し、前記主面に対し鈍角となる側
面を具備した光透過性加圧冶具と前記加圧冶具を加圧す
る手段と前記加圧冶具の主面側に設置された半導体素子
を載置する載置台からなるボンデイング装置を提供する
ものである。
【０００８】また本発明は、主面の面積が、加圧治具に
て加圧する半導体素子の面積よりも大きいことを特徴と
する前記のボンディング装置を提供するものである。
【０００９】また本発明は、加圧冶具の材料が石英ガラ
スであることを特徴とする前記のボンデイング装置を提
供するものである。
【００１０】
【作用】１）本発明によれば、光は加圧面より出射する
ため、隣接する半導体素子間の間隔が極めて狭くとも、
それによって出射光の樹脂への入射効率が低下すること
はない。 ２）また、本発明によれば、光は加圧面より出射するた
め、加圧面の面積が加圧する半導体素子の面積より大き
くとも、それによって出射光の樹脂への入射効率が低下
することはない。
【００１１】
【実施例】以下本発明の第１の実施例のボンデイング装
置について、（図１）とともに説明する。なお、（図
１）、（図２）および（図３）に示す本実施例のボンデ
ィング装置および実装方法は、基本的には（図５）、
（図６）に示した従来のボンディング装置および実装方
法と同じ構成であるので、同一構成部分には同一番号を
記す。まず、（図１）に示すように、ボンデイング装置
は、ボンデイングツール１と加圧装置２とステージ３よ
り構成される。はじめにボンデイングツール１の構成を
述べる。ボンディングツール１は加圧チップ４とホルダ
ー５、および光ファイバー６から構成される。加圧チッ
プ４は、長方形の加圧面１５と、加圧面１５に対し鈍角
αをなす側面１６、および加圧面１５に平行な上面１７
をもち、全体が石英ガラス等の紫外線透過性の材料より
なる。なお、加圧面１５、側面１６、および上面１７に
は鏡面を与えてある。ホルダー５には、ホルダー上面７
からホルダー下面１８へ垂直に抜ける貫通孔１９が、４
箇所開けられており、１つの貫通孔１９につき１束ずつ
光ファイバー６が挿入されている。４個の貫通孔１９が
開けてあるのは、半導体素子８の周囲を同時に照射する
ためである。加圧チップ４とホルダー５との固定は接着
剤等による。次に、加圧装置２は、半導体素子８を、ボ
ンデイングツール１を介して加圧するために、ホルダー
上面７に接続されている。最後にステージについて述べ
る。ボンデイング時、半導体素子８と加圧チップ４とを
位置合わせするために、ステージ３は可動となってい
る。ステージ３は、半導体素子８を均一に加圧するた
め、加圧面１５に平行な面を持つ。
【００１２】加圧面１５に対し側面１６がなす鈍角αの
大きさについて、同じ（図１）とともに述べる。光ファ
イバー６の光軸は、まず加圧チップ４の上面１７の点Ａ
に垂直に入射し、加圧チップ４の内部を透過し、側面１
６の点Ｂに到る。鈍角αの値が不適切のときは、光軸は
側面１６を透過し、加圧チップ４外へ出射してしまうた
め、光を樹脂硬化に使うことができない。しかし、鈍角
αの値を適切にとると、光軸は側面１６の点Ｂ上で全反
射し、光は加圧チップ４外に出射することはない。この
ように、光軸が全反射するための鈍角αは、加圧チップ
４の光学屈折率ｎ1と、側面１６が接する外層の光学屈
折率ｎ2により決まる。すなわち、sin（α−９０°）＞
ｎ2／ｎ1を満たさなければならない。加圧チップ４が石
英ガラスのときはｎ1＝１．５、外層は通常空気である
ためｎ2＝１となり、αは１３１．８゜から９０゜の間
にとる必要がある。
【００１３】次に、（図２）を用いて加圧面１５の面積
について述べる。（図２）の（ａ）に示すように加圧面
１５の面積は、加圧する半導体素子８の面積より大きく
作成する必要がある。その理由は、前述の点Ｂで全反射
した光が加圧チップ４内を透過し、ボンデイング時に加
圧面１５より出射するためである。もし、（図２）の
（ｂ）のように加圧面１５の面積と半導体素子８の面積
とが等しければ、光は半導体素子８裏面で反射され、加
圧面１５より出射することができない。
【００１４】本発明のボンデイングツール１を用いた、
半導体素子８の実装方法について（図３）とともに述べ
る。まず、（図３）の（ａ）に示すように、シリコン、
セラミック等よりなり、導体配線１０を有した配線基板
９をステージ３上に載置する。導体配線１０はＡｕ、Ｃ
ｕ、Ａｌ等であり、その厚みは０．１〜３５μｍ程度で
ある。続いて、配線基板９上に光硬化性樹脂１１を塗布
する。光硬化性樹脂１１はアクリル、エポキシ、シリコ
ン等であり粘度は１０００〜５０００ｃｐ程度のもので
ある。次に、（図３）の（ｂ）に示すように、半導体素
子８の突起電極１２と導体配線１０を位置合わせし、配
線基板９に設置する。続いて、（図３）の（ｃ）に示す
ように、本実施例のボンディングツール１の加圧面１５
で半導体素子８を加圧し、突起電極１２を導体配線１０
に押し当てる。光硬化性樹脂１１は周囲に押し出され、
突起電極１２と導体配線１０は電気的に接触する。加圧
力は、１突起電極あたり、１０〜５０ｇ程度である。次
に半導体素子８を加圧した状態で、光ファイバー６より
紫外線を照射し、光硬化性樹脂１１を硬化する。
【００１５】ここで、紫外線が光ファイバー６より出射
し、樹脂１１を硬化するまでの光路について述べる。前
述のように、光ファイバー６からの出射光は、まず加圧
チップ４の上面１７の点Ａに垂直に入射し、加圧チップ
４の内部を透過し、側面１６の点Ｂで全反射する。その
後、光は加圧チップ４内を透過し、加圧面１５の点Ｃを
経て、加圧チップ４外へ、半導体素子８側面と角度βを
なして出射する。加圧面１５と側面１６のなす角度αと
出射角度βとの間には、スネルの法則よりsin（９０°
−β）＝（ｎ1／ｎ2）・sin（２α−１８０°）の関係
がある。ここでｎ1は加圧チップ４の光学屈折率、ｎ2は
側面１６が接する外層の光学屈折率である。加圧チップ
４からの出射光は、ボンデイングツール１により加圧し
ている半導体素子８と配線基板９の間隙の樹脂１１に点
Ｄにおいて入射し、樹脂１１を硬化する。加圧面１５か
らの出射光は、上述のように４つの貫通孔１９を通る光
ファイバー６から出射したものであるから、半導体素子
８の周囲を同時に硬化する。最後に（図３）の（ｄ）に
示すように、ボンディングツール１を取り去り、半導体
素子８を配線基板９に固着するとともに、光硬化性樹脂
１１の硬化収縮力により、半導体素子８の突起電極１２
と導体配線１０の接触を保持することができる。
【００１６】以上のような樹脂硬化のために、加圧面１
５の面積をどれだけ半導体素子８の面積より大きくとる
必要があるかを述べる。（図３）の（ｃ）で、点Ｃから
の出射光が、点Ｄで樹脂１１に入射するとき、tanβ＝
（ＥＤ）／（ＣＥ）が成り立つ。ここでＥは半導体素子
８の裏面側の端部である。つまり、半導体素子８の厚さ
が（ＥＤ）のときは、加圧面１５のサイズを２（ＣＥ）
＝２（ＥＤ）／（tanβ）だけ、半導体素子８のサイズ
より大きく作成する必要がある。
【００１７】加圧チップ４により半導体素子８を加圧す
る際、加圧面１５に対する半導体素子８の位置は、通常
（図４）の（ａ）に示すように、加圧面１５の端辺２０
と半導体素子８の端辺２１が平行な位置に設置する。し
かし、（図４）の（ｂ）に示すように、加圧面１５の端
辺２０と半導体素子８の端辺２１が４５゜をなす位置に
設置することもできる。この場合のメリットは、半導体
素子８の端辺２１に２方向の光が同時入射するため、ボ
ンデイング時の樹脂硬化時間が半分に短縮されることで
ある。
【００１８】
【発明の効果】１）本発明によれば、光がボンデイング
ツールの加圧面より出射して樹脂を硬化するため、隣接
する半導体素子間の間隙が極めて狭い、高密度実装の場
合でも、樹脂への光の入射効率が低下することはない。 ２）また本発明によれば、光がボンデイングツールの加
圧面より出射して樹脂を硬化するため、加圧面の面積が
加圧する半導体素子の面積より大きくとも、樹脂への光
の入射効率が低下することはない。
【００１９】したがって、本発明は多電極、狭ピッチの
半導体素子を配線基板に接続する、高密度実装に大きく
寄与するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例におけるボンディング装置の構
成図
【図２】同実施例における加圧面サイズの説明図
【図３】同実施例における実装工程図
【図４】同実施例におけるボンディングツールの加圧面
と半導体素子の配置図
【図５】従来技術におけるボンデイング装置の構成図
【図６】従来技術による半導体実装法の工程図
【図７】従来技術における問題点の説明図
【符号の説明】
１ ボンデイングツール ２ 加圧装置 ３ ステージ ４ 加圧チップ ５ ホルダー ６ 光ファイバー ７ ホルダー上面 ８ 半導体素子 ９ 配線基板 １０ 導体配線 １１ 樹脂 １２ 突起電極 １３ 隣接する半導体素子 １４ 間隙 １５ 加圧面 １６ 側面 １７ 上面 １８ ホルダー下面 １９ 貫通孔 ２０ 加圧面１５の端辺 ２１ 半導体素子８の端辺
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤本 博昭 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 竹下 良信 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 子工業株式会社内 (56)参考文献 特開 平３−55858（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−280888（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】平面領域を有する主面、光入射口が設置さ
    れた反対面、前記主面と前記反対面との間に位置し、前
    記主面に対し鈍角をなす側面を具備した光透過性加圧冶
    具と前記加圧冶具を加圧する手段と前記加圧冶具の前記
    主面側に設置された半導体素子を載置する載置台からな
    るボンディング装置。
  2. 【請求項２】主面の面積が、加圧治具にて加圧する半導
    体素子の面積よりも大きいことを特徴とする特許請求の
    範囲第１項記載のボンディング装置。
  3. 【請求項３】加圧冶具の材料が石英ガラスであることを
    特徴とする特許請求の範囲第１項、第２項記載のボンデ
    ィング装置。
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