JP3484414B2 - チップ基板接合部を形成する装置および方法 - Google Patents

チップ基板接合部を形成する装置および方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】本発明は、例えば半導体チップを基板には
んだ付けすることによりチップ基板接合部を形成する装
置および方法に関する。ここでこの装置は、支持体およ
びチップ基板接合部に配属された加熱装置とを有してお
り、この支持体に基板が一時的に支えられる。
【０００２】半導体チップをその裏面で基板に接合する
場合（これは通例チップボンディングまたはダイボンデ
ィングと称される）、機械的に十分に固定するという点
および良好な熱伝導性および導電性の点についての要求
を、適用事例に応じて個別にまたは共通に満たさなけれ
ばならない。ここではチップと基板の相性が重要であ
る。すなわち接合し合う双方が熱負荷時に膨張特性の点
で適合するかどうかが重要である。現在では実質的に、
合金(硬ろう付け)、はんだ(軟ろう付け)および接着の３
つの相異なるチップ固定方法が一般的である。本発明の
有利な適用分野は軟ろう付けである。この方法の原理に
よれば、例えば共晶的なＳｉ／Ａｕ硬ろう付けと異な
り、チップ固定のためにチップのシリコンは溶融しな
い。むしろ軟ろう付けにおいて、４５０℃よりも著しく
温度が低く、したがって関与する金属の溶融点よりもは
るかに温度が低い際には、メタライズされた接合し合う
双方が溶融したはんだによって濡らされて接合される。
軟ろう付けの際に生じる温度は、この方法をふつうの基
板すべてに適用することを許容するが、この方法は有利
には金属製のシステム支持体（いわゆるリードフレー
ム）およびセラミックケーシング底部に使用される。一
般的にはんだ付けによるチップ固定時に、接合相手の熱
膨張特性を整合させることが望まれるが、ここでは許容
限度は合金の場合よりも広くなる。
【０００３】ふつう未処理のチップ裏面は軟ろう付けに
よって濡らされることはなく、このチップ裏面はメタラ
イズされなければならない。この場合にも半導体および
阻止層のない接合部への良好に固定するという要求はあ
てはまるが、これとは別に良好なはんだ付け性すなわち
濡れに対する要求が加わる。ここでｎ−Ｓｉ−層上の阻
止層のない接合部に対しては、主としてＴｉ，ＮｉＳｉ
およびＡｕＳｂからなるはんだが、ｐ−Ｓｉ−層上の阻
止層のない接合部に対してはＡｌ，ＣｒおよびＡｕから
なるはんだが有利であることが判った。基板表面は通
例、化学的にニッケルめっきされる。低いはんだ付け温
度が所望される場合、電気銀めっきを行うこともでき
る。
【０００４】接合すべき材料と半導体チップとを加熱す
るための熱源として、これまでは抵抗加熱はんだ槽また
は加熱巻線が使用されている。しかしこれらの熱源は、
はんだ付け温度までの加熱速度が長すぎる（通例いずれ
も１秒よりもはるかに長い）という欠点を有しており、
これによりはんだの酸化が発生し、ひいては保護ガスま
たは還元雰囲気を使用しなければならない。ＥＰ−Ａ−
３２１１４２Ａ２から、ダイオードレーザを使用するは
んだ付け方法が公知である。ここでは接合すべき部分を
つり鐘状に覆う加熱素子が、レーザビームを吸収する材
料から形成されており、この加熱素子がレーザ光の放射
ビームによって加熱されて、熱エネルギーを接合すべき
部分に出力する。加熱素子は、接合すべき部分に機械的
に直接接触しておらず、開口部が設けられており、この
開口部によって十分な空気の循環が保証される。ＧＢ−
Ａ−２２４４３７４から、半導体ウェハー基板と集積回
路とをレーザによりはんだ付けする方法が公知である。
ここではレーザの赤外線ビームは、ウェハー基板を通し
て、はんだ付けすべき接合部に直接配向される。別のレ
ーザビームないしは放射ビームを使用するはんだ付け方
法が、ＩＢＭＴＤＢ 第２２巻第２号、１９７９年７月
およびＩＢＭ ＴＤＢ 第２４巻第８号、１９８２年１
月から公知である。
【０００５】本発明の課題は、チップ基板接合部を形成
するための装置と方法、例えばはんだ付けにより半導体
チップを基板例えば金属製のシステム支持体またはセラ
ミックケーシング底部に固定する装置と方法とを改善し
て、はんだ付け接合を形成するための典型的には３５０
℃以上の加熱が、極めて短い時間すなわち約１秒または
それ以下で可能となるようにし、しかも同時に当該半導
体チップの熱負荷を可能な限り低く維持するようにする
ことである。
【０００６】上記課題は本発明により、装置については
請求項１により、方法については請求項１０により解決
される。
【０００７】本発明では加熱装置はビーム源を有してお
り、基板を支持する支持体は、加熱装置の構成部材とし
ての加熱体を有しており、ここでこの加熱体はチップ基
板接合部に配属されており、しかも装置の動作中に電磁
的なビームを備えるビーム源により加熱される。本発明
の原理では以下、ビーム源は赤外線波長領域のレーザビ
ームを備えるレーザである。
【０００８】チップ固定のための軟ろう付けに従来使用
されている加熱源に対して、本発明は殊に以下の利点を
有する。
【０００９】典型的には約９５０ｎｍの赤外線波長領域
のレーザビームを使用することにより、半導体チップと
基板とのはんだ付け接合部が極めて短い時間、すなわち
典型的には約１秒またはそれ以下の時間で、約３５０゜
以上に加熱される。ここで使用されるレーザ出力は、熱
放射により加熱される加熱体に応じて選択され、これに
より加熱体がこのレーザビームを十分に吸収して、この
赤外線の光エネルギーが熱エネルギーに変換されるよう
にする。またその一方でレーザ出力を、接合すべき半導
体チップが過度の熱負荷にさらされない程度の大きさに
する。
【００１０】はんだ付け温度に至るまでの加熱速度が極
めて高いことにより、はんだの酸化が回避されるので、
保護ガスまたは還元雰囲気を使用しなくても作業するこ
とができる。はんだ付け用フラックスは、はんだ付け温
度に到達するまでの期間が極めて短いため、使用せずに
済む。
【００１１】短時間の加熱をほぼ逐一したがってチップ
毎に行うことができ、これによりその都度の該当する半
導体チップだけをはんだ付け接合を形成するために制御
して加熱でき、しかもこれに隣接する半導体チップの温
度はあまり上昇しない。
【００１２】「チップ基板接合部」という概念は、ウェ
ーハ結合体から切り取られたないしは切り出された、個
々のチップの接合部とだけ理解されるべきでなく、ウェ
ーハ結合体からなる、つながってたままの複数の半導体
チップいわゆるチップインゴットの接合部とも理解され
るべきである。
【００１３】本発明では有利にはチップ基板接合部に配
属された加熱装置の加熱体は、ビーム源の熱放射に対し
て透過性または少なくとも半透過性の材料を有する。加
熱体のための有利な材料としての石英は、膨張率が極め
て小さいために、狭い間隔で局所的に発生する温度変動
により亀裂や破損が生じないという利点を有する。
【００１４】本発明の原理によればさらに加熱体は、チ
ップ基板接合部を向いた側に、ビーム源から供給される
光ビームを良好に吸収する材料を有している。殊に有利
であるのは、この吸収率の高い材料を薄い金属膜例えば
薄いクロム膜として、チップ基板接合部を向いた加熱体
の表面に被着することである。透過性の加熱体例えば石
英の場合には、被着されるクロム膜の厚さは、有利には
数１００ｎｍであり、最大で約数μｍ、またはこのクロ
ム膜が加熱体に十分に固定されるという点で問題がない
ことが予想される場合にはそれ以上である。加熱体上の
レーザを良好に吸収する材料によって本発明では殊に有
利にも、レーザビームの良好な吸収が十分に行われ、こ
れにより赤外線の光エネルギーが熱エネルギーに変換さ
れる。また同時にこの材料の吸収率が高いことにより、
使用するレーザ出力を低減することができ、これによっ
てさらにすでに利用されている、殊に適切なレーザ光源
例えば半導体レーザダイオードを、本発明によるチップ
基板接合部の形成に使用することができる。
【００１５】レーザ吸収材料を被膜した加熱体の場合、
加熱体それ自体は、熱伝導率が低く、しかも理想的には
レーザビームに対して透過性を有しなければならない。
または熱伝導率が高い場合、熱容量が十分に小さくなけ
ればならない。これにより上記のいずれの場合にも、主
材料の加熱に使用されないエネルギーの成分を小さく抑
えることができる。この意味でも、エネルギー吸収体と
して使用されるクロム膜を備える石英製の加熱体は有利
である。
【００１６】殊に有利であるのは、吸収率の高い材料の
膨張を、チップ基板接合部のまさに当該半導体チップの
加熱すべき区分に制限できることである。これによりチ
ップを、隣接するチップを不必要に加熱することなく個
別にボンディング可能である。
【００１７】以下では本発明を図面に示した実施例によ
り詳しく説明する。
【００１８】図１に示した実施例には、個別の半導体チ
ップ２を基板３にはんだ付けすることによりチップ基板
接合部１を形成する本発明の装置が示されている。参照
符号４は、単純化のために概略的に、半導体チップ２の
裏面にチップ基板接合部を形成する必要な材料全体を表
しており、すなわち軟ろう付けと場合によっては別のは
んだ付け可能な被膜とを示している。半導体チップを固
定する土台として使用される基板３は、図１では同様に
概略的にかつ断面でしか示されていない。ここでは前も
って作製された金属製のシステム支持体（いわゆるリー
ドフレーム）が示されており、このリードフレームは殊
にプラスティックケーシング内での使用に関して、極め
て普及している基板形態である。基板３は通例、金属ベ
ルトの無限軌道の形態で、チップ基板接合部を形成する
装置に供給される。個別の半導体チップは、専用に成形
された吸着ロッド５により（詳細に図示しない）接着シ
ートから取り外される。この接着シートにはチップが板
として切り出されるために接着されている。さらにこの
チップはそのために設けられた基板３の位置に、図１に
示したように位置決めされて外される。これに引き続い
て半導体チップ２と基板３との接合が、本発明による装
置を用いてはんだ付けにより行われる。この装置は架台
６に固定された支持体７と、チップ基板接合部１に配属
された加熱装置８とを有しており、ここでこの支持体に
またはその上で基板３が一時的に支持される。
【００１９】本発明では加熱装置８は有利には半導体レ
ーザダイオードである赤外線レーザビーム源９を含んで
いる。この赤外線レーザビーム源９は、電気的に結合さ
れた制御部１０により制御される。このビーム源の波長
約９５０ｎｍのレーザビームは、ビームガイド１１と光
学的な焦点レンズ１２，１３とを介して、光ビーム１４
により加熱される加熱体１５に案内される。この加熱体
１５は石英板から構成されており、この石英板のチップ
基板接合部１を向いた表面１６には、１００ｎｍ〜約３
００ｎｍの厚さのクロム膜１７が設けられている。ここ
でこのクロム膜１７は、供給されるレーザビーム１４を
吸収する吸収層として使用されており、入射した赤外線
光エネルギーを熱エネルギーに変換し、この熱エネルギ
ーを加熱体１５に密接に熱結合された基板３に伝搬し、
ひいてははんだ剤４に伝搬する。本発明の重要なアイデ
アによれば、基板３を支持する支持体７は加熱装置８の
一部を構成する。つまりこの支持体７はビーム源９から
の加熱ビームにより加熱される加熱体１５を成す。本発
明の装置により、接合すべき構成部材すなわち半導体チ
ップ２と基板３だけをふつうは１秒よりも短い、極めて
短い時間インターバルで３５０℃よりもいくらか高い所
望のはんだ付け温度にすることができる。これにより接
合すべき構成部分の加熱に使用されない、レーザ９のエ
ネルギー成分を、可能な限り少なく抑えることができ
る。補助として、予熱のために既知の構造の熱源を設け
ることも可能であるが、これは図１には詳しく示されて
いない。 ［図面の簡単な説明］
【図１】赤外線レーザビーム源を用いて半導体チップを
はんだ付けすることにより、チップ基板接合部を形成す
る装置の概略断面図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヴェルナー シュペート ドイツ連邦共和国 ホルツキルヒェン ブルクスターラーシュトラーセ 10 (72)発明者 ゲオルク ボークナー ドイツ連邦共和国 ハインザッカー ア ム ザントビューゲル 12 (56)参考文献 特開 平７−37911（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−142695（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−245623（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−18190（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/52 H01L 21/60 H01L 23/12

Claims (18)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 例えば半導体チップ（２）を基板（３）
    にはんだ付けすることによりチップ基板接合部（１）を
    形成する装置であって、 該装置は支持体（７）と、チップ基板接合部（１）に配
    属された加熱装置（８）とを有しており、 前記支持体（７）に前記基板（３）が一時的に支持さ
    れ、 前記加熱装置（８）は、ビーム源（９）を有している形
    式のチップ基板接合部を形成する装置において、 基板（３）を一時的に支持する前記支持体（７）は、前
    記加熱装置（８）の構成部材として、前記ビーム源
    （９）の電磁ビーム例えばレーザビームにより加熱され
    る加熱体（１５）を有し、 該加熱体（１５）は、基板（３）に密接に熱結合されて
    いることを特徴とするチップ基板接合部を形成する装
    置。
  2. 【請求項２】 ビーム源（９）は、赤外線波長領域のレ
    ーザビームを備えるレーザである請求項１に記載の装
    置。
  3. 【請求項３】 前記レーザビームの波長は約９５０ｎｍ
    である請求項２に記載の装置。
  4. 【請求項４】 チップ基板接合部（１）に配属される、
    加熱装置（８）の加熱体（１５）は、ビーム源（９）の
    熱放射に対して透過性または少なくとも半透過性の材料
    を有する請求項１から３までのいずれか１項に記載の装
    置。
  5. 【請求項５】 加熱体（１５）は石英を有する請求項４
    に記載の装置。
  6. 【請求項６】 加熱体（１５）は、チップ基板接合部
    （１）を向いた側に、ビーム源（９）から供給される光
    ビーム（１４）を良好に吸収する材料（４）を有する請
    求項１から５までのいずれか１項に記載の装置。
  7. 【請求項７】 チップ基板接合部（１）を向いた、加熱
    体（１５）の表面には、ビーム源（９）から放射される
    光ビーム（１４）に対して良好な吸収率を有する材料
    （４）が被着されている請求項６に記載の装置。
  8. 【請求項８】 加熱体（１５）には、チップ基板接合部
    （１）を向いた表面（１６）に薄いクロム膜（１７）が
    設けられている請求項６または７に記載の装置。
  9. 【請求項９】 吸収率の高い材料（４）の膨張は、チッ
    プ基板接合部（１）に直接関係する半導体チップ（２）
    の加熱すべき区分に制限される請求項６から８までのい
    ずれか１項に記載の装置。
  10. 【請求項１０】 例えば半導体チップ（２）を基板
    （３）にはんだ付けすることによりチップ基板接合部
    （１）を形成する方法であって、 支持体（７）と、チップ基板接合部（１）に配属された
    加熱装置（８）とを使用し、 前記支持体（７）に前記基板（３）を一時的に支持し、 加熱装置（８）としてビーム源（９）を使用する形式の
    チップ基板接合を形成する方法において、 加熱装置（８）としてビーム源（９）を使用し、 基板（３）を一時的に支持する支持体（７）は、加熱装
    置（８）の構成部材として加熱体（１５）を有してお
    り、 該加熱体（１５）を、ビーム源（９）の電磁ビーム例え
    ばレーザビームにより加熱し、 該加熱体（１５）は基板（３）に密接に熱結合されてい
    ることを特徴とするチップ基板接合部を形成する方法。
  11. 【請求項１１】 ビーム源（９）として赤外線波長領域
    のレーザビームを備えるレーザを使用する請求項１０に
    記載の方法。
  12. 【請求項１２】 前記レーザビームの波長は約９５０ｎ
    ｍである請求項１１に記載の方法。
  13. 【請求項１３】 チップ基板接合部（１）に配属された
    加熱装置（８）の加熱体（１５）は、ビーム源（９）の
    熱放射に対して透過性または少なくとも半透過性の材料
    （４）を有する請求項１０から１２までのいずれ１項に
    記載の方法。
  14. 【請求項１４】 加熱体（１５）は石英を有する請求項
    １３に記載の方法。
  15. 【請求項１５】 加熱体（１５）は、チップ基板接合部
    （１）を向いた側に、ビーム源（９）により供給される
    光ビーム（１４）を良好に吸収する材料（４）を有する
    請求項１０から１４までのいずれか１項に記載の方法。
  16. 【請求項１６】 チップ基板接合部（１）を向いた、加
    熱体（１５）の表面に、ビーム源（９）から放射された
    光ビーム（１４）を良好に吸収する材料（４）を被着す
    る請求項１５に記載の方法。
  17. 【請求項１７】 加熱体（１５）のチップ基板接合部
    （１）を向いた表面に、薄いクロム膜（１７）を設ける
    請求項１５または１６に記載の方法。
  18. 【請求項１８】 吸収率の高い材料（４）の膨張を、チ
    ップ基板接合部（１）に直接関係する半導体チップ
    （２）の加熱すべき区分に制限する請求項１５から１７
    までのいずれか１項に記載の方法。
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