JP3872763B2

JP3872763B2 - ボンディング方法

Info

Publication number: JP3872763B2
Application number: JP2003048731A
Authority: JP
Inventors: 朗山内
Original assignee: Toray Engineering Co Ltd
Current assignee: Toray Engineering Co Ltd
Priority date: 2003-02-26
Filing date: 2003-02-26
Publication date: 2007-01-24
Anticipated expiration: 2023-02-26
Also published as: JP2004259917A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、樹脂基板などの基板上に半導体素子や表面実装部品などの実装部材を実装するためのボンディング方法およびその装置に係り、とくに基板上に実装部材を効率よく実装する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、基板（例えば、液晶、ＥＬ(Electro Luminescence)、プラズマディスプレイなどのフラット表示パネル）の製造工程において、実装部材（例えば、半導体チップなど）を基板に実装している。実装部材（以下、単に「チップ」という）を基板に実装するボンディング方法としては、基板とチップの間に樹脂、例えば異方導電性膜(ＡＣＦ：Anisotropic Conductive Film）や非導電性樹脂(ＮＣＰ：Non-Conductive Paste)などを介在させ、加熱圧着手段をチップ上方から押圧させながら、樹脂を加熱硬化してチップを基板に加熱圧着している。
【０００３】
ボンディング方法としては、実装部材の仮圧着工程と加熱圧着させる本圧着工程に分かれ、本圧着工程では、具体的には、図５に示すように、マルチヘッドでチップ４ごとに個々のヘッド３１とバックアップ７とで挟み込んで加熱圧着している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなボンディング装置の場合には、次のような問題がある。
【０００５】
すなわち、実装部材（例えば、ＩＣチップ、半導体チップ、光素子、表面実装部品、チップ、ウエハ、ＴＣＰ（Tape Carrier Package）、ＦＰＣ（Flexible Printed Circuit）など）には個々に厚みのバラツキがあり、チップごとにヘッドを押圧しなければ精度よく基板に固着させることができないという不都合がある。
【０００６】
また、隣接するチップ同士のピッチが狭いために、チップ形状よりも大型のヘッドで隣接するチップを同時に加熱圧着することができない。そのため、図５に示すように、例えばチップ４を１個飛ばしで加熱圧着するようにヘッド３１を配備しなければならない。つまり、複数個のチップ４を一度に加熱圧着することができないので、作業効率が悪いといった不都合がある。
【０００７】
基板を一括加熱することができれば基板とチップの熱膨張差を軽減できるが、１個飛ばしでは、基板が十分に伸びない。つまり、実装部材を含んだ加圧エリア全体を一括して全面加熱することができないといった不都合がある。
【０００８】
また、このとき、下方から加熱硬化のための加熱をするとヘッドが押圧していないチップ部分については、その箇所の樹脂が加圧されることなく硬化してしまい、例えばＡＣＦを使用した場合、樹脂内の導電粒子がチップ側のバンプと基板電極に接触しない、結果、導通不良が発生するといった問題がある。
【０００９】
また、チップを高温で加熱した状態では、樹脂がガラス転移点（Ｔｇ）以上であるために完全に硬化していない。前記状態のまま加圧解除すると、高温によるチップと基板の熱膨張差による歪み・反りをもったまま加圧解除されることになり、その歪み・反りにより押し付けられていた電極とバンプ間に隙間が生じ、抵抗値の増大、接合不良を起こすといった問題もある。
【００１０】
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、基板に実装部材を効率よく実装するボンディング方法およびその装置を提供することを主たる目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。すなわち、請求項１に記載の発明は、実装部材と基板の間に樹脂を介在させて実装部材を基板に実装するボンディング方法において、基板上の複数個の実装部材と加圧手段との間に弾性材を介在させた状態で、加圧手段と基板を支持する支持部材とにより挟み込んで複数個の実装部材を同時に加圧する加圧工程と、前記加圧状態にある前記樹脂に、前記支持部材に含まれる下部からの基板側加熱手段により加熱し前記加圧手段の温度が前記基板側加熱手段温度より低く、かつ前記樹脂の硬化温度より低い範囲で加熱硬化する加熱工程とを備えたことを特徴とするものである。
【００１２】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のボンディング方法において、前記実装部材が、厚み誤差が１μｍ以上である、ことを特徴とするものである。
（作用・効果）基板上の複数個の厚み誤差が１μｍ以上ある実装部材を覆うように弾性材を介在させ、この弾性材の上方から加圧手段により同時に加圧することにより、チップの厚みバラツキが弾性材により吸収されてチップが均等に加圧される。この状態では、弾性材がツールとの間に入っているので、チップ側からの加熱は難しい。このとき、基板側からの加熱手段が基板を透過して樹脂を加熱硬化させる。また、チップと基板の線膨張係数を考えたとき、特にガラスの場合チップより基板側が小さいので、チップより基板側温度が高い方が冷却後の反りを緩和することができる。よって下部から加熱することが有効である。したがって、基板上に複数個の厚み誤差が１μｍ以上ある実装部材を一度に効率よく実装することができる。また、支持部材を加熱することにより、支持部材からの熱が基板に伝達される。したがって、チップと基板の両方が加熱されて両部材が略同じ温度になることから、両部材の熱膨張係数の差により発生する反りを緩和することができる。特に、基板がフラット表示パネルのように線膨張係数が小さいガラスである場合、支持部材の温度を上げて基板側から熱を伝達する。
【００１３】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のボンディング方法において、下部からの加熱手段が実装部材を含む加圧エリアを一括して加熱することを特徴とするものである。
【００１４】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１に記載のボンディング方法において、前記実装部材が、メッキバンプ付きチップであることを特徴とするものである。
（作用・効果）ボンディング方法は、電極を押圧した状態で樹脂を硬化させる方法であるが、多バンプの場合はメッキ方式が有利である。スタッドバンプの場合は、バンプのつぶし代でチップ厚み誤差を緩和できるが、メッキバンプの場合は難しいが、特にＡＣＦ工法では、粒子の弾性変形量を均一にする必要性から数μｍ以内の平行度が要望され平坦なメッキバンプが使用される。この場合、スタッドバンプの様にバンプのつぶし代でチップ厚みを緩和できないので、本方式が好適である。
【００１６】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１に記載のボンディング方法において、前記弾性材の厚みが２０μｍ以上であることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１に記載のボンディング方法において、前記樹脂が、導電粒子を混入した樹脂であることを特徴とするものである。
（作用・効果）導電粒子を含んだ樹脂を介在させて実装部材が基板に加熱圧着される。したがって、複数個の実装部材が均一に加圧されるので樹脂に含まれる導電粒子の均等に弾性変形する、結果、実装部材および基板に対する導電粒子の接触面積を十分に確保できるので、抵抗値不良を回避できる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
本実施例ではＮＣＰ、ＮＣＦ（Non-Conductive Film）などの樹脂中で圧接実装させる方法と、ＡＣＰ（Anisotropic Conductive paste）、ＡＣＦのみにて導電粒子を含めたものなどの樹脂を使用して、実装部材であるチップを基板に実装する場合を例に採って説明する。
【００３４】
なお、本発明における「実装部材」としては、例えば、ＩＣチップ、半導体チップ、光素子、表面実装部品、チップ、ウエハ、ＴＣＰ（Tape Carrier Package）、ＦＰＣ（Flexible Printed Circuit）などの種類や大きさに関係なく、基板と接合させる側の全ての形態を示し、フラット表示パネルへのチップボンディングであるＣＯＧ（Chip On Glass）やＴＣＰ、およびＦＰＣのボンディングであるＯＬＢ（Outer Lead Bonding）が考えられる。
【００３５】
また、本発明における「基板」とは、例えば、樹脂基板、ガラス基板、フィルム基板などを示す。
【００３６】
先ず、本実施例に使用する装置について図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明に係るボンディング装置である本圧着装置１の概略構成を示した斜視図、図２は実施例装置の要部構成を示した側面図、図３は実施例装置の概略構成を示した側面図である。
【００３７】
図１に示すように、本発明における本圧着装置１は、図示しない実装部材を基板に仮圧着する仮圧着ユニットから搬送されてくる基板２を、水平保持する可動テーブル３と、チップ４を上方から加圧する加圧手段５と、チップ４と加圧手段５との間に介在させる弾性材６と、基板２の下方から加圧手段５とでチップ４を挟み込んで支持するバックアップヒータ７と、樹脂を加熱硬化させる加熱手段８と、基板２および／またはチップ４を冷却する冷却手段９とを備えている。
【００３８】
可動テーブル３は、図１に示すように、基板２を吸着保持する基板保持ステージ１０を備え、この基板保持ステージ１０が水平２軸（Ｘ，Ｙ）方向、上下（Ｚ）方向、およびＺ軸周り（θ）方向に、それぞれ移動自在に構成されている。
【００３９】
加圧手段５は、この手段５の上方に配設されたシリンダー１１と連結し、上下動可能なヘッド１２を備えている。このヘッド１２は、凸形状であって基板２のチップ４整列方向に伸びている。つまり凸部先端で弾性材６を介して複数個のチップ４を同時に加圧する。
【００４０】
弾性材６は、加圧手段５とチップ４との間に介在するように、待機位置にあるヘッド１２を挟み込むように配備された巻取ローラ１３と繰り出しローラ１４とに懸架されている。なお、この弾性材６を巻き取ることにより、繰り出しローラ１４から新たな弾性材６が供給されるようになっている。なお、弾性材６には、例えばガラスクロス入りのシリコンシートなどが使用される。また、弾性材６の厚みは、使用する実装部材などによって適宜に変更される。
【００４１】
冷却手段９は、図２に示すように、バックアップヒータ７の側部に配備され、バックアップヒータ７の傾斜部１５と基板２の裏面側の間にエアーを供給するようになっている。つまり、加熱される基板裏面部分の表面を冷却する。
【００４２】
図３に示す制御部２０は、樹脂の加熱硬化処理が終了すると、冷却手段９および／または基板保持ステージ１０からエアーを大量に供給させて基板２および／またはチップ４を冷却させるとともに、基板温度が樹脂のガラス転移点（Ｔｇ）に到達するとエアーの供給を停止するようにしている。また、その時点での基板２とチップ４の常温からの伸び量を略等しくするために基板２側および／またはチップ４側ヒータの温度をコントロールする。
【００４３】
また、従来は仮圧着時に１ｋｇｆ程度（バンプ面積で割ると１０ＭＰａ程度）で加圧しており、ＡＣＦ上部にチップ４を仮接合するに留まり、本圧着時に１０ｋｇｆ（バンプ面積で割ると１００ＭＰａ程度）押圧することによりバンプを押しつけ粒子を変形させて電気的接続を行っていたが、本発明では、チップ４仮圧着時に本圧着時の圧力以上の圧力で加圧する方法を採用している。本圧着時に弾性材６を介して複数チップを押し込むにあたり弾性材６の変形にともないＺ方向以外にも分力が加わるためチップ４をずらすことになる。これを防ぐためにチップ４仮圧着時にチップ４を押込んでおくと、本圧着時に分力が働いたとしてもずれが発生しなくなる。
【００４４】
次に上述の実施例装置を用いてＡＣＦでチップ４を基板２に実装する一巡の動作について図を参照しながら説明する。なお、本実施例では、前工程の仮圧着工程でチップ４が基板２に予め仮圧着された状態で搬送されたものに対し、基板２にチップ４を完全に本圧着する場合を例に採って説明する。
【００４５】
前段の仮圧着工程で樹脂を介してチップ４が仮圧着された基板２が、図示しない搬送手段により、本圧着装置１へと搬送される。この基板２は、可動テーブル３の基板保持ステージ１０に移載されて吸着保持される。基板保持ステージ１０は図示しない駆動機構によって、前方（図１のＹ方向）である、ヘッド１２とバックアップヒータ７との間に向かって移動し、ヘッド１２とバックアップヒータ７とでチップ４を上下方向から挟み込めるように基板４の位置あわせを行う。
【００４６】
基板２の位置合わせがが終了すると、図示しない駆動機構によりヘッド１２が下降し、このヘッド１２と基板２の下側にあるバックアップヒータ７とで複数個のチップ４が同時に挟み込まれる。このとき、チップ４とヘッド１２との間に介在する弾性材６がヘッド１２によって同時下降させられ、基板２上に整列して実装された複数個のチップ４を同時に覆う。すなわち、加圧時に弾性材６が、図４に示すように、チップ４の厚みのバラツキを吸収し、各チップ４には略均一な圧力が加わる。
【００４７】
したがって、チップ４側のバンプ２１と基板電極２２の間に在る導電粒子２３も均一に弾性変形し、両電極間の接触抵抗を十分に確保する。
【００４８】
ヘッド１２とバックアップヒータ７とでチップ４が挟み込まれると、加熱手段８から、加圧エリア全面が一括して加熱される。
【００４９】
所定時間、加熱されると加熱を終了し、冷却手段９からエアーを供給して基板２を裏面および／または上面から冷却する。
【００５０】
ガラス転移点(Ｔｇ)近辺以下になったところで、加圧を解除してヘッド１２を上方の待機位置に復帰させ、基板保持ステージ１０を基板受け渡し位置まで移動する。受け渡し位置に移動した基板２は、図示しない基板搬送機構によって基板収納ユニットに搬送されて基板回収マガジンに収納される。以上で１枚の基板２についてチップ４のボンディングが終了する。
【００５１】
上述のように、複数個のチップ４とヘッド１２の間に弾性材６を介在させて加熱圧着することにより、チップ４ごとの厚みのバラツキを弾性材６が吸収し、複数個のチップ４を一度に基板２に均一に加熱圧着することができ、加熱圧着時間の短縮、つまり、作業効率の向上を図ることができる。
【００５２】
また、基板２への加熱時間の短縮および基板２全体の温度上昇を回避するこができることから、熱ストレスに弱いフラット表示パネルのような基板について、本実施例を有効に利用することができる。
【００５３】
さらに、樹脂を加熱硬化した後、ガラス転移点まで冷却してからヘッド１２による加圧を解除することにより、樹脂が略完全に硬化した状態となる。つまり、低温で加圧を解除するため、基板２とチップ４の熱膨張差により歪み・反りをなくすことができる、結果、チップ４が確実に実装された基板２を取り扱うことができる。
【００５４】
特に、フラット表示パネルのようなガラス基板を用いた場合、チップ４よりガラス基板の線膨張係数が小さいことから、ガラス基板側から加熱することにより、反りの発生を一層緩和することができる。
【００５５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、複数個の厚み誤差が１μｍ以上ある実装部材と加圧手段との間に弾性材を介在させて、複数個の実装部材を覆う弾性材の部分を加圧手段で加圧することにより、実装部材を基板に同時に加熱圧着することができる。このとき、弾性材が実装部材の厚みのバラツキを吸収した状態で下部から加熱手段により実装部材を含んだ加圧エリア全体を一括して樹脂の加熱硬化を行うため、実装部材を基板に均一に加熱圧着することができる。また、ガラス転移点(Ｔｇ)近辺以下まで冷却した後に加圧解除することで、信頼性の高いチップの接合が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例に係る本圧着装置の概略構成を示した斜視図である。
【図２】実施例装置に係るヘッド周辺の要部構成を示した断面図である。
【図３】実施例装置の要部構成を示した断面図である。
【図４】チップを基板に加熱圧着する状態を示した断面図である。
【図５】従来の本圧着装置の概略構成を示した斜視図である。
【符号の説明】
１ … 本圧着装置
２ … 基板
３ … 可動テーブル
４ … チップ
５ … 加圧手段
６ … 弾性材
７ … バックアップヒータ

Claims

実装部材と基板の間に樹脂を介在させて実装部材を基板に実装するボンディング方法において、基板上の複数個の実装部材と加圧手段との間に弾性材を介在させた状態で、加圧手段と基板を支持する支持部材とにより挟み込んで複数個の実装部材を同時に加圧する加圧工程と、前記加圧状態にある前記樹脂に、前記支持部材に含まれる下部からの基板側加熱手段により加熱し前記加圧手段の温度が前記基板側加熱手段温度より低く、かつ前記樹脂の硬化温度より低い範囲で加熱硬化する加熱工程とを備えたことを特徴とするボンディング方法。
前記実装部材が、厚み誤差が１μｍ以上である、請求項１のボンディング方法。
前記支持部材に含まれる下部からの加熱手段が実装部材を含む加圧エリア全面を一括して加熱する、請求項１のボンディング方法。
前記実装部材が、メッキバンプ付きチップである、請求項１のボンディング方法。
前記弾性材の厚みが２０μｍ以上である、請求項１に記載のボンディング方法。
前記樹脂が、導電粒子を混入した樹脂である、請求項１に記載のボンディング方法。