JP4038435B2

JP4038435B2 - Die bonding equipment

Info

Publication number: JP4038435B2
Application number: JP2003000746A
Authority: JP
Inventors: 勝斉藤; 洋安西; 直幸八幡
Original assignee: Juki Corp
Current assignee: Juki Corp
Priority date: 2002-10-15
Filing date: 2003-01-07
Publication date: 2008-01-23
Anticipated expiration: 2023-01-07
Also published as: JP2004193533A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体チップを基板上に接合するためのダイボンディング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバによる通信技術の実用化が急速に広まりつつある。これにともない、光通信用のレーザ光を発する半導体レーザ発光装置も、よりすぐれた性能のものが要求されるようになっている。半導体レーザ発光装置の製造工程で重要なものの一つとして、半導体レーザチップをサブマウント上に接合するためのダイボンディングである。図８は、半導体レーザチップ用に一般に使用されているダイボンディング装置を示すものである。このダイボンディング装置は、電熱線が内蔵されたヒータ１と、半導体レーザチップ４を真空吸着するチップノズル３とを具備する。このダイボンディング装置は、ヒータ１上にサブマウント２を真空吸着し、チップノズル３で半導体レーザチップ４を真空吸着する。その後、ダイボンディング装置は、チップノズル３とともに半導体レーザチップ４をサブマウント２の上方に位置決めした後に、チップノズル３を下降して半導体レーザチップ４をサブマウント２に軽く押し付ける。次いで、ダイボンディング装置は、ヒータ１でサブマウント２を加熱することで、サブマウント２と半導体レーザチップ４との間に介在するろう材を溶融して、半導体レーザチップ４をサブマウント２にダイボンディングする。
【０００３】
しかし、以上のダイボンディング装置では、加熱はヒータ１に内蔵された電熱線で行われているので、ろう材の溶融温度まで加熱するには長時間を要している。また、加熱時間が長くなると、サブマウント２及びろう材に蓄積される熱エネルギーも多くなり、サブマウント２が冷却するために要する時間も長くなる。そのため、ろう材が完全に凝固するまで、半導体レーザチップ４の位置を保持する必要がある。つまり、加熱時間及び冷却時間が長いため、生産能率が著しく低い。更に、加熱時間及び冷却時間が長い場合には半導体レーザチップ４に熱歪みがしばしば残留してしまい、熱歪みにより半導体レーザチップ４の発光特性が一様でなくなってしまう。そのため、半導体レーザ発光装置の信頼性低下の一因となっている。
【０００４】
このような不具合を解決するものとして、ガスヒータから２００〜３００℃に加熱された不活性ガスを吹出して、チップノズルおよびこのチップノズルに吸着保持された半導体レーザチップ及び加熱体に載置されたサブマウントを、１００〜２００℃に予熱する。次に加熱体に対して１〜５秒間大電流（２００〜８００Ａ）を給電して短時間でろう材を溶融するようにしたもの（特公平０５−０５４２６０）が提案されている。
また、ＩＣリードの半田付け方法として、ハロゲンランプの１次加熱源を用いて押圧部材を熱線照射して加熱し、この加熱された押圧部材を２次加熱源として、半田付けすべきワークを押えながら半田を溶融して半田付けを行っている（特公平０７−０４９１４９）例が上げられる。
【０００５】
【特許文献１】
特公平０５−０５４２６０
【特許文献２】
特公平０７−０４９１４９
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した予熱と加熱体による急速加熱は加熱時間が短くなるが、加熱体の熱容量が大きいために冷却時間が短縮されない。また、ＩＣリードの半田付け方法を応用して、半導体レーザチップを吸着保持するチップノズルにハロゲンランプを照射して加熱した場合、ろう材を溶融するための温度と熱量がチップノズルを介して直接半導体レーザチップにかかるため、半導体レーザチップを破壊する恐れがある。
そこで、本発明は、半導体レーザチップに熱歪みが残留せずに更に短時間、効率的に半導体レーザチップをサブマウントに接合することをその課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために、請求項１記載の発明は、例えば図１に示すように、ノズル（例えばチップノズル１３）に吸着保持された半導体チップ（例えば半導体レーザチップ１８）を基板（例えばサブマウント２３）の表面に載置して前記半導体チップをダイボンディングするダイボンディング装置において、
前記基板を載せる加熱プレート２４と、上下に貫通する吸引孔１２ａを設け、前記加熱プレート２４を載せる台座１２と、上下に貫通する吸気孔１１ｃを設けた上壁部１１ａを有し、前記上壁部１１ａの上面に前記台座１２を載せ、前記基台１１及び前記加熱プレート２４を前記上壁部１１ａ上面に載置する基台１１と、前記吸気孔１１ｃと前記吸引孔１２ａを通して、前記加熱プレート２４の下面にレーザ光１５を照射するレーザ発光手段１６とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
ここで、上記「半導体チップ」には半導体レーザチップ、ＩＣチップ、ＬＳＩチップ等のように半導体に該当する素子の電子回路が形成されるチップ全般を示すものとする。
また「基板」とは、アルミナ基板やセラミック基板を含む上述の半導体チップがダイボンディングされる基板全般をいうものとする。従って、アルミナ基板、セラミック基板、半導体レーザチップに対するサブマウント等も「基板」の概念に含むものとする。
【０００９】
請求項１記載の発明では、加熱プレートと基台の間に台座をはさんだ状態で、加熱プレートを基台に取り付け、基台の内側下部にはレーザ発光手段を設けた。基台の上壁部と台座には貫通孔を設けたので、レーザ発光手段から発せられたレーザ光は前記貫通孔を通して、加熱プレートの下面に集光する。前記構成において加熱プレートの大きさを小さくして熱容量をさげたので加熱プレートは急速に加熱される。そして加熱プレートには熱伝導率の高い材料を採用したので、加熱プレート上の基板も加熱プレートからの熱伝導と輻射熱で急速に加熱されるから、ろう材の溶融温度まで短時間に加熱されてろう材が溶融する。
また、加熱プレートの熱容量が小さいので加熱プレートに蓄積される熱エネルギーが小さい。従って、加熱終了後の冷却工程において加熱プレートの放熱冷却がすみやかになされるから、ろう材が凝固するのに要する時間が短い。
以上より、半導体チップと基板の接合は短時間になされるから生産効率が向上するとともに、半導体チップに熱応力をかけず信頼性の高い接合がなされる。
【００１０】
請求項２記載の発明は、例えば図１又は２に示すように、請求項１記載のダイボンディング装置において、前記吸引孔１２ａ及び前記吸気孔１１ｃに通じ、上下に貫通するように前記加熱プレート２４に設けた吸着孔２４ａと、前記上壁部１１ａの裏面側に近接して前記基台１１の内部に配置された透光性部材（例えばガラス基板１７）と、前記基台１１と前記透光性部材１７とにより囲まれる空間（例えば上方空間部２０）に真空圧を発生する真空発生源２６とを備え、前記レーザ光１５は前記透光性部材１７を透過して照射されることを特徴とする。
【００１１】
請求項２記載の発明では、吸着孔を介して基板を真空吸着することで、基板が加熱プレートに固定される。そのため、ろう材が溶融してから凝固するまでの間、基板がしっかり位置決めされる。そのうえ、基台と透光性部材とにより囲まれる領域により空間が構成され、その空間には吸着孔及び真空発生源が通じている。透過性部材は基台の上劈部に近接して設けたので前記空間の体積を小さくすることができるため、吸引開始から基板を吸着するのに要する時間を短縮することができる。さらに、レーザ光は透光性部材を透過するので、レーザ光の照射を妨げることなく加熱プレート下面にレーザ光を集光できる。さらに吸着孔は加熱プレートに集光するレーザ光の円の外側に配列されているから、効率よく加熱プレートを熱することができる。
【００１２】
請求項３記載の発明は、例えば図３に示すように、請求項１記載のダイボンディング装置において、加熱プレート２４Ａは、熱伝播板２７と、熱伝播板上に配置し、熱伝播板よりも熱伝導率が低い伝熱遅延板２８とより構成した多層構造体の上面に熱伝播板を載置したことを特徴とする。
【００１３】
請求項３記載の発明では、加熱プレートの底面中央部にレーザ光が照射されると加熱プレート底面の熱伝播板は熱伝導率が高いので上方及び水平方向に急速に熱が伝わる。熱伝播板の熱は伝熱遅延板の中央部に伝わるが、伝熱遅延版の熱伝導率はが熱伝播板の熱伝導率のよりも低いので伝熱遅延板の表面に熱が伝わる前に伝熱遅延版の底面全体が加熱状態となる。従って、加熱プレートの上面は水平方向に温度差の少ない温度分布が得られる。
【００１４】
請求項４記載の発明は、例えば図４に示すように、請求項１記載のダイボンディング装置において、加熱プレート２４Ｂは、熱伝播板３１及び熱伝播部材３３よりも低い熱伝導率を有する伝熱遅延部材３２と、伝熱遅延部材の周囲に配した複数の熱伝播部材と、伝熱遅延部材と熱伝播部材の上下に配置した熱伝播板とからなることを特徴とする。
【００１５】
請求項４記載の発明では、加熱プレートの底面中央部にレーザ光が照射されると加熱プレート下面の熱伝播板は熱伝導率が高いので上方及び水平方向に急速に熱が伝わる。下部の熱伝播板の中央部には伝熱遅延部材が配置され、下部の熱伝播板の熱を上部の熱伝播板に伝えるが、伝熱遅延部材の熱伝導率は熱伝播板と熱伝播部材の熱伝導率よりも低いので、伝熱遅延部材から上部の熱伝播板に熱伝わる時には伝熱遅延板の周囲に配置された熱伝播部材は下部熱伝播板から上部熱伝播板に熱を伝える。従って、加熱プレートの上面は水平方向に温度差の少ない温度分布が得られる。
【００１６】
請求項５記載の発明は、例えば図５に示すように、請求項１記載のダイボンディング装置において、加熱プレートは、中心部に向かって没入する孔を有する熱伝播リング３５と、ラッパ状外形をなし、熱伝播リングより低い熱伝導率を有し、前記熱伝播リングの孔と嵌合する伝熱遅延コア３６とからなる構造体の上面に熱伝播板を載置したことを特徴とする。
【００１７】
請求項５記載の発明では、加熱プレートの中央部にレーザ光が照射されると加熱プレート底面の中央部に配置された上方に広がるラッパ形状の伝熱遅延コアの底部が加熱される。同時に熱伝播リングの下面の中央部も過熱されるが、熱伝播リングの熱伝導率の高いので上方及び水平方向に急速に熱が伝わり、伝熱遅延コアに熱を伝える。伝熱遅延コアの熱伝導率は熱伝播リングの熱伝導率よりも低いので伝熱遅延コア中央部の熱が下面から伝熱遅延コア中央部の上面に伝わる時には熱伝播リングの熱も伝熱遅延コアの上面に伝わり、さらに熱伝播板に伝わる。従って、加熱プレートの上面は水平方向に温度差の少ない温度分布が得られる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を用いて本発明の具体的な態様について説明する。
【００１９】
図１には、ダイボンディング装置１０が示されている。
ダイボンディング装置１０は、水平方向に移動及び水平方向に回転するＸＹΘテーブルである基台１１と、基台１１上に配置された台座１２と、台座１２上に配置された加熱プレート２４と、気体を吸引して真空を発生させるための真空発生源２６と、半導体チップである半導体レーザチップ１８を真空吸着するためのチップノズル１３と、不活性ガス１９を噴射するためのガス噴射ノズル１４と、レーザ光１５を発光するレーザ発光手段１６と、ダイボンディング装置１０全体を制御する演算制御装置（図示略）等と、を具備する。
【００２０】
基台１１は、図示しないステッピングモータによって駆動されて、水平方向に移動及び回転することができる。また、このステッピングモータが演算処理装置からの信号によって制御されることで、基台１１の位置決めがなされる。
【００２１】
基台１１の内部は空洞となっている。基台１１の内部には、上壁部１１ａに近接して透光性を有する透明部材としてのガラス基板１７が略水平となって取り付けられている。このガラス基板１７によって、基台１１の内部空間は上方空間部（チャンバ）２０と下方空間部２１の二つの空間に区切られている。上方空間部２０は、る基台１１の上壁部１１ａ、基台１１の側壁部１１ｂ及びガラス基板１７によって囲まれる空間である。下方空間部２１は、基台１１の底壁部（図示略）、側壁部１１ｂ及びガラス基板１７によって囲まれる空間である。
【００２２】
側壁部１１ｂには配管２２が取り付けられており、配管２２の一端は上方空間部２０に通じている。一方、配管２２の他端は真空発生装置に接続されており、上方空間部２０内の気体が真空発生装置によって吸引されるようになっている。更に、上壁部１１ａには上下方向に貫通する吸気孔１１ｃが形成されており、吸気孔１１ｃは上方空間部２０に通じている。
【００２３】
台座１２は、上壁部１１ａの上面に固定されている。この台座１２は、セラミック、ステンレス鋼等の比較的熱伝導率の低い材料からなる。例えば、セラミックは１〜５Ｗ／ｍ・Ｋ程である。台座１２には上下方向に貫通する吸引孔１２ａが形成されており、この吸引孔１２ａは吸気孔１１ｃに連なっている。なお、吸引孔１２ａの径と吸気孔１１ｃの径はほぼ同一の大きさとなっている。
【００２４】
加熱プレート２４は、台座１２の上面に固定されている。この台座１２は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）等の熱伝導率の高い材料からなる。例えば、窒化アルミニウムは１００〜１５０Ｗ／ｍ・Ｋ程である。加熱工程において、加熱プレート２４の熱が基台１１に奪われないようになっている。加熱プレート２４は縦３ｍｍ、横３ｍｍ、厚さ３００μｍと小型であるから、小さな熱容量である。加熱プレート２４には上下方向に貫通する複数の吸着孔２４ａが形成されており、この吸着孔２４ａは吸引孔１２ａに連なっている。吸着孔２４ａはその下面に照射するレーザ光１５の集光する円、すなわち集光円２４（図２）の外側となるように配置され、吸着孔２４ａの全ては吸引孔１２ａに連なるようになっている。例えば、図２では集光円の径は０．３ｍｍ、吸着孔２４ａの径は０．１５ｍｍの時、吸引孔１２ａの径は約１ｍｍである。そして、この加熱プレート２４の上面が載置面であり、加熱プレート２４の上にサブマウント２３が載置されることになる。そして、真空発生源２６によって上方空間部２０から空気が吸引されると、上方空間部２０、吸気孔１１ｃ、吸引孔１２ａ及び吸着孔２４ａが負圧となって、サブマウント２３が加熱プレート２４に真空吸着されて、サブマウント２３が加熱プレート２４に固定されるようになっている。
【００２５】
チップノズル１３は、加熱プレート２４の上方に配されている。このチップノズル１３は、図示しない昇降装置によって上下方向に移動することができる。また、チップノズル１３は真空発生装置に接続されており、チップノズル１３を通じて気体が真空発生装置によって吸引されるようになっている。これにより、チップノズル１３が、半導体レーザチップ１８を真空吸着できるようになっている。
【００２６】
ガス噴射ノズル１４は、加熱プレート２４の上方に配されているとともに、上下方向に見て吸引孔１２ａ及び吸気孔１１ｃからずれて配されている。ガス噴射ノズル１４の先端は吸引孔１２ａに向いている。このガス噴射ノズル１４はアルゴンガス又は窒素ガス等の図示せぬ不活性ガス源に接続されている。ガス噴射ノズル１４の先端から不活性ガス１９が噴射されるようになっている。
【００２７】
レーザ発光手段１６は、下方空間部２１に配設されている。更に、レーザ発光手段１６から発光されたレーザ光１５はガラス基板１７を透過し、吸気孔１１ｃ及び吸引孔１２ａに向かい、更に、加熱プレート２４の下面へ向かうようになっている。つまり、レーザ光１５の焦点は加熱プレート２４の下面にあり、レーザ発光手段１６により、レーザ光１５は加熱プレート２４の下面で集光するようになっている。なお、加熱プレート２４の下面におけるレーザ光１５の集光円２５の径（フォーカシング径）は約０．３ｍｍである。
【００２８】
レーザ発光手段１６の発光源付近には、レーザ光１５の照射強度を検出して監視するためのモニタ（つまり、検出器）が設けられている。モニタによって検出されたレーザ光１５の照射強度は、演算制御装置にフィードバックされるようになっている。そして、演算制御装置は、フィードバック信号に基づいてレーザ発光手段１６を制御して、レーザ光１５の照射強度或いは照射時間等を制御するようになっている。
【００２９】
つぎに、以上のように構成されたダイボンディング装置１０を用いたダイボンディング方法について説明する。ここで、接合する半導体レーザチップ１８は、例えば、ＧａＡｌＡｓ系の化合物半導体であり、その寸法は縦４００μｍ、横２５０μｍ、厚さ８０〜１３０μｍである。また、サブマウント２３は、例えば、窒化アルミニウム、炭化シリコン又はシリコン等からなり、その寸法は縦２ｍｍ、横１．２ｍｍ、厚さ２２０μｍである。更に、サブマウント２３の表面には、金メッキによる電気回路が施され、さらにＡｕ−Ｓｎ系ろう材、Ａｕ−Ｓｉ系ろう材、Ｉｎ系ろう材又はＳｕ−Ｐｂ系ろう材等のろう材がメッキされている。あるいは、前記材質からなるろう材の箔をサブマウント２３の表面に載せる。
【００３０】
まず、サブマウント２３の表面を上方に向けて、サブマウント２３を台座１２上に載置する。そして、真空発生源２６で上方空間部２０、吸気孔１１ｃ、吸引孔１２ａ及び吸着孔２４ａを負圧にして、サブマウント２３を真空吸着する。一方、真空発生装置でチップノズル１３を負圧にして、半導体レーザチップ１８をチップノズル１３の先端に真空吸着する。なお、真空発生装置の作動は、演算制御装置により制御される。
【００３１】
次いで、サブマウント２３の上方に配置された図示しないＣＣＤカメラでサブマウント２３を撮像する。そしてサブマウント２３にめっきされた基準マーク、あるいはサブマウント２３の外形から画像処理装置にてサブマウント２３のずれ量を計算し、演算装置に計算結果を伝える。そして演算制御装置がステッピングモータを制御することで、基台１１の位置決めがなされる。ここで、サブマウント２３上の半導体レーザチップ１８搭載目標位置がチップノズル１３の直下に位置するように基台１１の位置決めがなされる。基台１１の位置決めがなされると、演算制御装置がレーザ発光手段１６を制御して、レーザ発光手段１６がレーザ光１５を発光する。これにより、ガラス基板１７、上方空間部２０、吸気孔１１ｃ及び吸引孔１２ａを通じてレーザ光１５が加熱プレート２４の下面に照射される。この際、加熱プレート２４の下面におけるレーザ光１５のフォーカシング径は約０．３ｍｍである。レーザ光１５が加熱プレート２４の下面に照射されることで、加熱プレート２４が加熱され、さらに加熱プレート２４からの熱伝導及び輻射熱によりサブマウント２３は例えば１００〜２００℃に加熱される。なお、この際のサブマウント２３の温度はろう材の融点（共晶点）より低い。
【００３２】
レーザ光１５が発光されているのと同時に、ガス噴射ノズル１４から不活性ガス１９をサブマウント２３の表面に向けて噴射する。不活性ガス１９がサブマウント２３の表面に噴射されることで、熱によるろう材の酸化が不活性ガス１９によって防止される。
【００３３】
次いで、演算制御装置が昇降装置を制御して、チップノズル１３が昇降装置によって下降する。そして、チップノズル１３の先端に吸着された半導体レーザチップ１８がサブマウント２３の表面に接して、更に、半導体レーザチップ１８が例えば約１０ｇ程度でサブマウント２３に押し付けられる。この際にも、加熱プレート２４にはレーザ光１５が照射され続けており、更に、ガス噴射ノズル１４から不活性ガス１９が噴射され続けている。
【００３４】
次いで、演算制御装置がレーザ発光手段を制御して、レーザ光１５の照射強度を上昇させる。この際、レーザ光１５のパワー密度が例えば１０４Ｗ／ｃｍ＾2となるように演算制御装置がレーザ発光手段を制御する。そして、レーザ光１５のパワー密度が１０4Ｗ／ｃｍ＾2になったら、例えばレーザ発光装置が約１秒間レーザ光１５を加熱プレート２４に照射し続けるように演算制御装置がレーザ発光装置を制御する。すると、加熱プレート２４の温度が上昇するとともにサブマウント２３に伝熱され、ろう材が融点（例えば、３００〜３５０℃、ろう材の種類により異なる。）まで上昇する。その結果、サブマウント２３の表面と半導体レーザチップ１８との間に介在しているろう材が溶融する。溶融したろう材は、不活性ガスによる酸化防止作用により最良の濡れ性をもってサブマウント２３と半導体レーザチップ１８との間に浸透する。
【００３５】
約１秒間の照射時間が経過したら、演算制御装置はレーザ発光手段１６を制御して、レーザ発光手段１６からレーザ光１５が発光されることが停止する。レーザ光１５の発光が停止すると、ろう材が冷えて、ろう材が凝固する。そして、チップノズル１３が昇降装置によって上昇して、更に、ガス噴射ノズル１４からの不活性ガスの吹き付けも停止して、ダイボンディングに係る工程が終了する。
【００３６】
以上の実施の形態では、レーザ光１５によって熱容量が小さく、熱伝導率の高い加熱プレート２４を加熱し、加熱プレート２４からの熱伝導及び輻射伝熱によりサブマウント２３を加熱しているため、サブマウント２３と半導体レーザチップとの間に介在するろう材を瞬時に融点まで加熱することができ、ろう材を極めて短時間で溶融することができる。そのため、半導体レーザチップ１８をサブマウント２３にダイボンディングするのに要する時間が比較的短く、ダイボンディングに係る生産効率が向上する。また、レーザ光１５を照射する面が加熱プレート２４の面であるから、ワークであるサブマウント２３の材質や表面処理が変わっても、レーザ光１５の反射率や吸収率は変わらないので接合品質のばらつきがない。
【００３７】
また、加熱プレート２４の熱容量を小さくしたので、ろう材を溶融するのに要する時間が短時間である。従って、サブマウント２３及びろう材に蓄積される熱エネルギーが小さい。さらに、加熱プレート２４の熱容量を小さくしたことから、レーザ光１５の照射を停止した後からろう材が凝固するまでに要する時間が短くなる。ろう材が凝固するまでの間は、チップノズル１３を下降させた状態でサブマウント２３に対する半導体レーザチップ１８の位置を保持させる必要があるが、その保持時間が短くて済み、チップノズル１３をすぐに上昇することができる。そのため、次サイクルで、半導体レーザチップ１８をサブマウント２３に接合するための準備（例えば、次サイクルに接合する半導体レーザチップ１８をチップノズル１３に吸着すること）等を前サイクルの接合工程後すぐに行え、生産効率が向上する。
【００３８】
更に、サブマウント２３及びろう材の加熱時間及び冷却時間が短いため、半導体レーザチップ１８に熱歪みが生ずることがない。そのため、本発明に係るダイボンディング方法で接合された半導体レーザチップ１８を用いた半導体レーザ装置をより高い品質及び信頼性で提供することができる。
【００３９】
また、溶融したろう材が、不活性ガスによる酸化防止作用によってサブマウント２３及び半導体レーザチップ１８によく濡れるため、予めスクラブ洗浄を行う必要がなくなる。更に、濡れ性が良いため、接合中に半導体レーザチップ１８をサブマウント２３に高い荷重で押圧する必要がなくなり、その結果、半導体レーザチップ１８の損傷を防止することができる。
【００４０】
なお、本発明は、上記各実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改良並びに設計の変更を行っても良い。
例えば、チップノズル１３は上下方向の移動のみならず、水平方向への移動もできるようにしても良い。この場合、基台１１の水平方向の移動、及び、チップノズル１３の水平方向の移動によって、サブマウント２３に対する半導体レーザチップ１８の相対的位置が決まる。
【００４１】
図３は加熱プレート２４Ａの第２の実施の形態である。図３（ａ）は正面図、図３（ｂ）は側面図である。加熱プレート２４Ａは熱伝播板２７と伝熱遅延板２８から構成され、熱伝播板２７の上面に伝熱遅延板２８を配し、３層に積み上げた多層構造となっている。さらに多層構造体の上面に熱伝播板を配置して冷却効率を上げるようになっている。中央部には下面から上面に貫通する孔２９を有し、サブマウント２３を真空吸着する。熱伝播板２７は厚さが０．４５ｍｍであり、熱伝導率の高い窒化アルミニウム（ＡｌＮ）材料からなる。例えば、窒化アルミニウムは１００〜１５０Ｗ／ｍ・Ｋ程である。伝熱遅延板２８は厚さが０．１５ｍｍであり、窒化アルミニウムより熱伝導率の低いアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）材料からなる。例えば、９９．９％アルミナは３８Ｗ／ｍ・Ｋ程である。多層構造体の積層間はろう付けあるいは拡散接合によって接合されている。
【００４２】
加熱プレート２４Ａの底面中央部にレーザ光が照射されると加熱プレート２４Ａ底面の熱伝播板２７は熱伝導率が高いので上方及び水平方向に急速に熱が伝わる。熱伝播板２７の熱は伝熱遅延板２８の中央部に伝わるが、伝熱遅延版２８の熱伝導率はが熱伝播板２７の熱伝導率のよりも低いので伝熱遅延板２８の表面に熱が伝わる前に伝熱遅延版２８の底面全体が加熱状態となり、伝熱遅延版２８の上面は熱伝播板２７の上面より水平方向に温度差の少ない温度分布となる。３層の多層構造にする事で温度分布の改善が３回行われる。従って、加熱プレート２４Ａの上面は水平方向に温度差の少ない温度分布が得られる。図７は温度分布を解析したものであり、加熱プレート２４Ａの下面中央部は９００℃であるが、多層構造体の積層を熱が伝わるたびに温度分布が積分されて、加熱プレート２４Ａの上面は広い範囲で３５０℃の温度分布となっている。
【００４３】
図６は多層構造体の積層間を接合しない場合の実施例である。熱伝播板２７Ａと伝熱遅延板２８Ａの４隅に上下に貫通する貫通孔３０を設ける。ただし、最上部の熱伝播板２７の４隅には貫通孔を設けない。そして貫通孔３０の下部から真空吸引する事により貫通孔３０内は負圧となり、多層構造体である積層板は下方向に押し付けられて固定される。
【００４４】
図４は加熱プレート２４Ｂの第３の実施の形態である。図４（ａ）は正面図、図４（ｂ）は側面図である。加熱プレート２４Ｂは熱伝播板３１と円筒状の伝熱遅延部材３２と円筒状の熱伝播部材３３から構成され、中心部に伝熱遅延部材３２を配置し、伝熱遅延部材３２の外側に熱伝播部材３３を４個配置する。そして熱伝播板３１は伝熱遅延部材３２と熱伝播部材３３とを上下ではさみ込む構造となっている。中央部には下面から上面に貫通する孔３４を有し、サブマウント２３を真空吸着する。熱伝播板３１と熱伝播部材３３は熱伝導率の高い窒化アルミニウム材料からなる。伝熱遅延部材３２は窒化アルミニウムより熱伝導率の低いアルミナ材料からなる。上下の熱伝播板３１と伝熱遅延部材３２及び熱伝播部材３３はろう付けによって接合されている。
【００４５】
加熱プレート２４Ｂの下面中央部にレーザ光が照射されると加熱プレート２４Ｂ下面の熱伝播板３１は熱伝導率の高いので上方及び水平方向に急速に熱が伝わる。下部の熱伝播板の中央部には伝熱遅延部材３２が配置され、下部の熱伝播板３１の熱を上部の熱伝播板３１に伝えるが、伝熱遅延部材３２の熱伝導率は熱伝播板３１と熱伝伝播部材３３の熱伝導率よりも低いので、伝熱遅延部材３２から上部の熱伝播板３１に熱伝わる時には伝熱遅延板３２の周囲に配置された熱伝播部材３３は下部の熱伝播板３１から上部の熱伝播板３１に熱を伝える。従って、加熱プレート２４Ｂの上面は水平方向に温度差の少ない温度分布となる。
【００４６】
図５は加熱プレート２４Ｃの第４の実施の形態である。図５（ａ）は正面図、図５（ｂ）は断面図である。加熱プレート２４Ｃは、ラッパ状外形の伝熱遅延コア３６と、伝熱遅延コア３６のラッパ状外形に嵌合する孔を有する熱伝播リング３５から構成され、伝熱遅延コア３６と熱伝播リング３５を嵌合し、伝熱遅延コア３６のラッパ形状が上方に向かって開くように配置する。さらに上面に熱伝播板３５Ａを配置して冷却効率を上げるようになっている。伝熱遅延コア３６と熱伝播板３５Ａの中央部には下面から上面に貫通する孔３７を有し、サブマウント２３を真空吸着する。熱伝播板リング３５と熱伝播板３５Ａは熱伝導率の高い窒化アルミニウム材料からなる。伝熱遅延コア３６は窒化アルミニウムより熱伝導率の低いアルミナ材料からなる。熱伝播リング３５と伝熱遅延コア３６はろう付けによって接合されている。
【００４７】
加熱プレート２４Ｃの中央部にレーザ光が照射されると加熱プレート２４Ｃの中央部に配置された上方に広がるラッパ形状の伝熱遅延コア３６の下部が加熱される。同時に熱伝播リング３５の下面の中央部も加熱されるが、熱伝播リング３５の熱伝導率の高いので上方及び水平方向に急速に熱が伝わり、伝熱遅延コア３６に熱を伝える。伝熱遅延コア３６の熱伝導率は熱伝播リング３５の熱伝導率よりも低いので伝熱遅延コア３６の中央部の熱が下面から伝熱遅延コア３６中央部の上面に伝わる時には熱伝播リング３５の熱も伝熱遅延コア３６の上面に伝わり、さらに熱伝播板３５Ａに伝熱される。従って、加熱プレート２４Ｃの上面は水平方向に温度差の少ない温度分布となる。
【００４８】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、レーザ発光手段によってレーザ光が、熱容量が小さく熱伝導率の高い加熱プレートに照射され、加熱プレートからの熱伝導及び輻射伝熱により基板が加熱されるため、ろう材の溶融温度まで基板及びろう材を極めて短時間に加熱することができる。従って、半導体チップと基板の接合に係る生産効率が向上する。
また、加熱プレートの熱容量を小さくしたので加熱プレートに蓄積される熱エネルギーが小さい。従って、ろう材が凝固するのに要する時間が短い。そのため、ろう材が凝固するまでの間半導体チップを保持している時間が短くなり、半導体チップと基板の接合に関する生産効率が向上する。
更に、ろう材及び基板の加熱時間及び冷却時間が短いため、半導体チップに熱歪みが生ずることがなくなる。
レーザ光をサブマウントに直接照射するのではなく、加熱プレートにレーザ光を照射し、加熱プレートをを介してサブマウントを加熱するので、サブマウント下面の回路パターン等を変色させることがない。さらにレーザ光の照射は加熱プレートであるから、ワークであるサブマウントの材質や表面処理が変わっても、レーザ光の反射率や光吸収率は変わらないので信頼性の高いダイボンディングが行える。
【００４９】
請求項２記載の発明によれば、吸着孔を介して基板を真空吸着するので、ろう材が溶融してから凝固するまでの間、基板がしっかり位置決めされる。そのうえ、加熱プレート、台座、基台及び透光性部材とにより囲まれる領域により空間が構成され、その空間には吸引孔及び真空発生源が通じているが、透光性部材を基台の上壁部に近接して設けたことにより空間の体積を小さくすることができる。そのため、基板を吸着するのに要する時間を短縮することができる。さらに、透光性部材はレーザ光を透過するのでレーザ光を照射する妨げとはならない。従って、レーザ光が加熱プレートに効率よく照射されるため、ろう材が溶融するのに要する加熱時間に影響を及ぼさない。
【００５０】
請求項３記載の発明によれば、加熱プレートを熱伝導率の高い材料の板と熱伝導率の低い材料の板を交互に積み重ねて多層構造とした。これにより小さな集光径でレーザ光が照射され加熱プレートの下面ではレーザ光を照射された中央部は高温であるが中央部から離れた下面では温度は低いが、上部に伝熱し多層構造体の積層を通過するごとに熱分布が積分されて加熱プレートの上面は水平方向に温度差の少ない温度分布となる。従って、基板は均一な温度に加熱され、基板と半導体チップの間に介在するろう材は均一に溶融するので基板と半導体チップの接合の信頼性が向上する。
【００５１】
請求項４記載の発明によれば、加熱プレートの上面には中央部に配置した伝熱遅延部材を介して伝熱されるとともに、周囲に配置した熱伝播部材を介して伝熱される。すなわち中央部及びその周囲から伝熱されるから加熱プレートの上面は水平方向に温度差の少ない温度分布となる。従って、基板は均一な温度に加熱され、基板と半導体チップの間に介在するろう材は均一に溶融するので基板と半導体チップの接合の信頼性が向上する。
【００５２】
請求項５記載の発明によれば、熱伝導率の高い熱伝播リングは伝熱遅延コアのラッパ状外形全体に伝熱するから加熱プレートの上面は熱勾配の小さな温度分布となる。従って、基板は均一な温度に加熱され、基板と半導体チップの間に介在するろう材は均一に溶融するので基板と半導体チップの接合の信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るダイボンディング装置の具体的態様が示された縦断面図である。
【図２】図１に開示した加熱プレートの下面図である。
【図３】加熱プレートの第２の実施の形態正面図および側面図
【図４】加熱プレートの第３の実施の形態正面図および側面図
【図５】加熱プレートの第４の実施の形態正面図および断面図
【図６】加熱プレートの第２の実施の形態における応用例側面図
【図７】加熱プレートの第２の実施の形態における温度分布解析図
【図８】従来のダイボンディング装置が示された縦断面図である。
【符号の説明】
１０ダイボンディング装置
１１基台
１１ａ上壁部
１１ｃ吸気孔
１２台座
１２ａ吸引孔
１３チップノズル（ノズル）
１４ガス噴射ノズル
１５レーザ光
１６レーザ発光手段
１７ガラス基板（透光性部材）
１８半導体レーザチップ（半導体チップ）
１９不活性ガス
２０上方空間部（空間）
２２配管
２３サブマウント（基板）
２４２４Ａ２４Ｂ２４Ｃ加熱プレート
２４ａ吸着孔
２５集光円
２６真空発生源
２７３１３５Ａ熱伝播板
２８伝熱遅延板
３２伝熱遅延部材
３３熱伝播部材
３５熱伝播リング
３６伝熱遅延コア
１００ダイボンディング装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a die bonding apparatus for bonding a semiconductor chip onto a substrate.
[0002]
[Prior art]
The practical application of communication technology using optical fibers is rapidly spreading. As a result, semiconductor laser light emitting devices that emit laser light for optical communication are also required to have better performance. One important thing in the manufacturing process of a semiconductor laser light emitting device is die bonding for bonding a semiconductor laser chip onto a submount. FIG. 8 shows a die bonding apparatus generally used for semiconductor laser chips. The die bonding apparatus includes a heater 1 with a built-in heating wire and a chip nozzle 3 that vacuum-sucks the semiconductor laser chip 4. In this die bonding apparatus, the submount 2 is vacuum-sucked on the heater 1, and the semiconductor laser chip 4 is vacuum-sucked by the chip nozzle 3. Thereafter, the die bonding apparatus positions the semiconductor laser chip 4 together with the chip nozzle 3 above the submount 2, and then lowers the chip nozzle 3 to lightly press the semiconductor laser chip 4 against the submount 2. Next, the die bonding apparatus heats the submount 2 with the heater 1 to melt the brazing material interposed between the submount 2 and the semiconductor laser chip 4, so that the semiconductor laser chip 4 is attached to the submount 2. Bond.
[0003]
However, in the above die bonding apparatus, since the heating is performed with the heating wire built in the heater 1, it takes a long time to heat up to the melting temperature of the brazing material. Further, when the heating time is increased, the heat energy accumulated in the submount 2 and the brazing material is increased, and the time required for cooling the submount 2 is also increased. Therefore, it is necessary to maintain the position of the semiconductor laser chip 4 until the brazing material is completely solidified. That is, since the heating time and the cooling time are long, the production efficiency is remarkably low. Furthermore, when the heating time and the cooling time are long, thermal strain often remains in the semiconductor laser chip 4, and the light emission characteristics of the semiconductor laser chip 4 become non-uniform due to the thermal strain. For this reason, this is a cause of a decrease in the reliability of the semiconductor laser light emitting device.
[0004]
In order to solve such a problem, an inert gas heated to 200 to 300 ° C. is blown out from a gas heater, and a chip nozzle, a semiconductor laser chip adsorbed and held by the chip nozzle, and a sub mounted on a heating body Pre-mount the mount to 100-200 ° C. Next, there has been proposed a method in which a high current (200 to 800 A) is fed to the heating body for 1 to 5 seconds to melt the brazing material in a short time (Japanese Patent Publication No. 05-054260).
Further, as a method for soldering IC leads, a pressing member is heated by irradiating with a heat ray using a primary heating source of a halogen lamp, and the workpiece to be soldered is pressed using the heated pressing member as a secondary heating source. However, there is an example in which solder is melted to perform soldering (Japanese Patent Publication No. 07-049149).
[0005]
[Patent Document 1]
JP 05-054260
[Patent Document 2]
JP 07-049149
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Although the preheating and the rapid heating by the heating body described above shorten the heating time, the cooling time is not shortened because the heating body has a large heat capacity. In addition, when the IC nozzle soldering method is applied and the chip nozzle that holds and holds the semiconductor laser chip is irradiated with a halogen lamp and heated, the temperature and amount of heat for melting the brazing material are directly passed through the chip nozzle. Since it is applied to the semiconductor laser chip, the semiconductor laser chip may be destroyed.
Accordingly, an object of the present invention is to efficiently bond a semiconductor laser chip to a submount for a shorter time without thermal strain remaining in the semiconductor laser chip.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, the invention described in claim 1 includes a semiconductor chip (for example, a semiconductor laser chip 18) held by suction (for example, a chip nozzle 13) on a substrate (for example, as shown in FIG. 1). In a die bonding apparatus that is mounted on the surface of the submount 23) and die-bonds the semiconductor chip,
A heating plate 24 for placing the substrate; a suction hole 12a penetrating vertically; a pedestal 12 for placing the heating plate 24; and an upper wall portion 11a having an intake hole 11c penetrating vertically; The pedestal 12 is placed on the upper surface of the portion 11a, and the heating plate is passed through the base 11 on which the base 11 and the heating plate 24 are placed on the upper surface of the upper wall portion 11a, the suction hole 11c, and the suction hole 12a. The laser light emitting means 16 which irradiates the laser beam 15 to the lower surface of 24 is provided.
[0008]
Here, the above “semiconductor chip” indicates all chips on which an electronic circuit of an element corresponding to a semiconductor is formed, such as a semiconductor laser chip, an IC chip, and an LSI chip.
The “substrate” refers to all substrates on which the above-described semiconductor chip including an alumina substrate or a ceramic substrate is die-bonded. Accordingly, the concept of “substrate” includes an alumina substrate, a ceramic substrate, a submount for a semiconductor laser chip, and the like.
[0009]
In the first aspect of the present invention, the heating plate is attached to the base with the pedestal sandwiched between the heating plate and the base, and the laser emitting means is provided in the lower part inside the base. Since a through hole is provided in the upper wall portion and the base of the base, the laser light emitted from the laser emitting means is condensed on the lower surface of the heating plate through the through hole. In the above configuration, the heating plate is rapidly heated because the size of the heating plate is reduced to reduce the heat capacity. And since the material with high thermal conductivity is adopted for the heating plate, the substrate on the heating plate is also heated rapidly by the heat conduction and radiant heat from the heating plate, so it is heated in a short time to the melting temperature of the brazing material. The brazing material melts.
Moreover, since the heat capacity of the heating plate is small, the heat energy accumulated in the heating plate is small. Therefore, since the heat radiation of the heating plate is promptly cooled in the cooling step after the heating is completed, the time required for the brazing material to solidify is short.
As described above, since the semiconductor chip and the substrate are bonded in a short time, the production efficiency is improved and the semiconductor chip is bonded with high reliability without applying thermal stress.
[0010]
In the die bonding apparatus according to claim 1, for example, as shown in FIG. 1 or 2, the heating plate 24 communicates with the suction hole 12 a and the suction hole 11 c and penetrates up and down. A light-transmitting member (for example, a glass substrate 17) disposed inside the base 11 in the vicinity of the back surface side of the upper wall portion 11a, the base 11 and the light transmitting A vacuum generation source 26 that generates a vacuum pressure is provided in a space (for example, the upper space portion 20) surrounded by the transmissive member 17, and the laser beam 15 is irradiated through the transmissive member 17. And
[0011]
In the second aspect of the invention, the substrate is fixed to the heating plate by vacuum suction of the substrate through the suction holes. Therefore, the substrate is firmly positioned between the time when the brazing material melts and solidifies. In addition, a space is formed by a region surrounded by the base and the translucent member, and the suction hole and the vacuum generation source communicate with the space. Since the permeable member is provided close to the upper collar portion of the base, the volume of the space can be reduced, so that the time required to suck the substrate from the start of suction can be shortened. Furthermore, since the laser light passes through the translucent member, the laser light can be condensed on the lower surface of the heating plate without hindering the irradiation of the laser light. Further, since the suction holes are arranged outside the circle of the laser beam condensed on the heating plate, the heating plate can be efficiently heated.
[0012]
For example, as shown in FIG. 3, the heating plate 24 </ b> A is arranged on the heat propagation plate 27 and the heat propagation plate, as shown in FIG. 3. It is characterized in that a heat propagation plate is placed on the upper surface of a multilayer structure composed of a heat transfer delay plate 28 having a low thermal conductivity.
[0013]
In the third aspect of the present invention, when the laser beam is irradiated to the central portion of the bottom surface of the heating plate, the heat propagation plate on the bottom surface of the heating plate has a high thermal conductivity, so that heat is rapidly transmitted upward and horizontally. The heat of the heat transfer plate is transferred to the center of the heat transfer delay plate, but before the heat is transferred to the surface of the heat transfer delay plate, the heat conductivity of the heat transfer delay plate is lower than that of the heat transfer plate. In addition, the entire bottom surface of the heat transfer delay plate is heated. Therefore, a temperature distribution with a small temperature difference in the horizontal direction can be obtained on the upper surface of the heating plate.
[0014]
For example, as shown in FIG. 4, the heating plate 24 </ b> B has a lower heat conductivity than the heat propagation plate 31 and the heat propagation member 33 in the die bonding apparatus according to the first aspect. It is characterized by comprising a delay member 32, a plurality of heat propagation members disposed around the heat transfer delay member, and heat transfer plates disposed above and below the heat transfer delay member and the heat transfer member.
[0015]
In the invention according to claim 4, when the laser beam is irradiated to the central portion of the bottom surface of the heating plate, the heat propagation plate on the lower surface of the heating plate has a high thermal conductivity, so that heat is rapidly transmitted upward and horizontally. A heat transfer delay member is arranged at the center of the lower heat transfer plate, and the heat of the lower heat transfer plate is transferred to the upper heat transfer plate, but the heat conductivity of the heat transfer delay member is the same as that of the heat transfer plate. Since the heat conductivity of the member is lower than that of the heat transfer delay member, the heat transfer member disposed around the heat transfer delay plate heats the heat transfer plate from the lower heat transfer plate to the upper heat transfer plate. Tell. Therefore, a temperature distribution with a small temperature difference in the horizontal direction can be obtained on the upper surface of the heating plate.
[0016]
The invention according to claim 5 is the die bonding apparatus according to claim 1, for example, as shown in FIG. 5, wherein the heating plate has a heat propagation ring 35 having a hole recessed toward the center and a trumpet-shaped outer shape. None, characterized in that a heat propagation plate is placed on the upper surface of a structure having a heat conductivity lower than that of the heat propagation ring and comprising a heat transfer delay core 36 fitted into the hole of the heat propagation ring.
[0017]
According to the fifth aspect of the present invention, when the center portion of the heating plate is irradiated with laser light, the bottom portion of the trumpet-shaped heat transfer delay core that is disposed at the center portion of the bottom surface of the heating plate and that extends upward is heated. At the same time, the central portion of the lower surface of the heat propagation ring is also superheated. However, since the heat conductivity of the heat propagation ring is high, heat is rapidly transferred in the upward and horizontal directions, and is transferred to the heat transfer delay core. Since the heat conductivity of the heat transfer delay core is lower than that of the heat transfer ring, when the heat in the center of the heat transfer delay core is transferred from the lower surface to the upper surface of the heat transfer delay core, the heat of the heat transfer ring is also transferred. It is transmitted to the upper surface of the delay core and further to the heat propagation plate. Therefore, a temperature distribution with a small temperature difference in the horizontal direction can be obtained on the upper surface of the heating plate.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0019]
FIG. 1 shows a die bonding apparatus 10.
The die bonding apparatus 10 includes a base 11 that is an XYΘ table that moves in the horizontal direction and rotates in the horizontal direction, a base 12 that is disposed on the base 11, a heating plate 24 that is disposed on the base 12, and a gas. A vacuum generation source 26 for generating a vacuum by sucking the gas, a chip nozzle 13 for vacuum-sucking a semiconductor laser chip 18 which is a semiconductor chip, a gas injection nozzle 14 for injecting an inert gas 19, A laser light emitting means 16 for emitting laser light 15 and an arithmetic control device (not shown) for controlling the entire die bonding apparatus 10 are provided.
[0020]
The base 11 is driven by a stepping motor (not shown) and can move and rotate in the horizontal direction. Further, the base 11 is positioned by controlling the stepping motor with a signal from the arithmetic processing unit.
[0021]
The inside of the base 11 is hollow. Inside the base 11, a glass substrate 17 as a transparent member having translucency is attached in a substantially horizontal manner in the vicinity of the upper wall portion 11 a. The glass substrate 17 divides the internal space of the base 11 into two spaces, an upper space portion (chamber) 20 and a lower space portion 21. The upper space portion 20 is a space surrounded by the upper wall portion 11 a of the base 11, the side wall portion 11 b of the base 11, and the glass substrate 17. The lower space 21 is a space surrounded by the bottom wall (not shown) of the base 11, the side wall 11 b, and the glass substrate 17.
[0022]
A pipe 22 is attached to the side wall part 11 b, and one end of the pipe 22 communicates with the upper space part 20. On the other hand, the other end of the pipe 22 is connected to a vacuum generator, and the gas in the upper space 20 is sucked by the vacuum generator. Further, the upper wall portion 11 a is formed with an intake hole 11 c penetrating in the vertical direction, and the intake hole 11 c communicates with the upper space portion 20.
[0023]
The pedestal 12 is fixed to the upper surface of the upper wall portion 11a. The pedestal 12 is made of a material having a relatively low thermal conductivity such as ceramic or stainless steel. For example, ceramic is about 1 to 5 W / m · K. The pedestal 12 is formed with a suction hole 12a penetrating in the vertical direction, and the suction hole 12a is connected to the suction hole 11c. The diameter of the suction hole 12a and the diameter of the intake hole 11c are substantially the same size.
[0024]
The heating plate 24 is fixed to the upper surface of the base 12. The pedestal 12 is made of a material having high thermal conductivity such as aluminum nitride (AlN) or silicon carbide (SiC). For example, aluminum nitride is about 100 to 150 W / m · K. In the heating process, the heat of the heating plate 24 is not taken away by the base 11. Since the heating plate 24 is small with a length of 3 mm, a width of 3 mm, and a thickness of 300 μm, it has a small heat capacity. A plurality of suction holes 24a penetrating in the vertical direction are formed in the heating plate 24, and the suction holes 24a are connected to the suction holes 12a. The suction holes 24a are arranged so as to be outside the condensing circle of the laser beam 15 irradiating the lower surface thereof, that is, the condensing circle 24 (FIG. 2). ing. For example, in FIG. 2, when the diameter of the condensing circle is 0.3 mm and the diameter of the suction hole 24a is 0.15 mm, the diameter of the suction hole 12a is about 1 mm. The upper surface of the heating plate 24 is a mounting surface, and the submount 23 is mounted on the heating plate 24. When air is sucked from the upper space 20 by the vacuum generation source 26, the upper space 20, the suction hole 11 c, the suction hole 12 a and the suction hole 24 a become negative pressure, and the submount 23 is attached to the heating plate 24. The submount 23 is fixed to the heating plate 24 by vacuum suction.
[0025]
The chip nozzle 13 is disposed above the heating plate 24. The tip nozzle 13 can be moved in the vertical direction by a lifting device (not shown). The tip nozzle 13 is connected to a vacuum generator, and gas is sucked by the vacuum generator through the tip nozzle 13. Thereby, the chip nozzle 13 can vacuum-suck the semiconductor laser chip 18.
[0026]
The gas injection nozzle 14 is disposed above the heating plate 24 and is shifted from the suction hole 12a and the suction hole 11c when viewed in the vertical direction. The tip of the gas injection nozzle 14 faces the suction hole 12a. The gas injection nozzle 14 is connected to an inert gas source (not shown) such as argon gas or nitrogen gas. An inert gas 19 is jetted from the tip of the gas jet nozzle 14.
[0027]
The laser light emitting means 16 is disposed in the lower space portion 21. Further, the laser light 15 emitted from the laser light emitting means 16 passes through the glass substrate 17, travels toward the suction hole 11 c and the suction hole 12 a, and further toward the lower surface of the heating plate 24. That is, the focal point of the laser beam 15 is on the lower surface of the heating plate 24, and the laser beam 15 is condensed on the lower surface of the heating plate 24 by the laser light emitting means 16. The diameter (focusing diameter) of the condensing circle 25 of the laser beam 15 on the lower surface of the heating plate 24 is about 0.3 mm.
[0028]
A monitor (that is, a detector) for detecting and monitoring the irradiation intensity of the laser beam 15 is provided in the vicinity of the light emitting source of the laser emitting means 16. The irradiation intensity of the laser beam 15 detected by the monitor is fed back to the arithmetic and control unit. The arithmetic and control unit controls the laser emission means 16 based on the feedback signal to control the irradiation intensity or irradiation time of the laser light 15.
[0029]
Next, a die bonding method using the die bonding apparatus 10 configured as described above will be described. Here, the semiconductor laser chip 18 to be bonded is, for example, a GaAlAs compound semiconductor, and the dimensions are 400 μm in length, 250 μm in width, and 80 to 130 μm in thickness. The submount 23 is made of, for example, aluminum nitride, silicon carbide, silicon, or the like, and has dimensions of 2 mm in length, 1.2 mm in width, and 220 μm in thickness. Further, the surface of the submount 23 is subjected to an electric circuit by gold plating, and further plated with a brazing material such as an Au—Sn brazing material, an Au—Si brazing material, an In based brazing material, or a Su—Pb brazing material. Has been. Alternatively, a brazing foil made of the above material is placed on the surface of the submount 23.
[0030]
First, the submount 23 is placed on the base 12 with the surface of the submount 23 facing upward. And the upper space part 20, the suction hole 11c, the suction hole 12a, and the suction hole 24a are made into a negative pressure with the vacuum generation source 26, and the submount 23 is vacuum-sucked. On the other hand, the chip nozzle 13 is set to a negative pressure by a vacuum generator, and the semiconductor laser chip 18 is vacuum-adsorbed to the tip of the chip nozzle 13. The operation of the vacuum generator is controlled by an arithmetic control device.
[0031]
Next, the submount 23 is imaged by a CCD camera (not shown) disposed above the submount 23. Then, the shift amount of the submount 23 is calculated by the image processing device from the reference mark plated on the submount 23 or the outer shape of the submount 23, and the calculation result is transmitted to the arithmetic device. Then, the base 11 is positioned by the arithmetic and control unit controlling the stepping motor. Here, the base 11 is positioned so that the target position for mounting the semiconductor laser chip 18 on the submount 23 is located immediately below the chip nozzle 13. When the base 11 is positioned, the arithmetic and control unit controls the laser light emitting means 16 and the laser light emitting means 16 emits the laser light 15. Thereby, the lower surface of the heating plate 24 is irradiated with the laser beam 15 through the glass substrate 17, the upper space portion 20, the intake holes 11 c and the suction holes 12 a. At this time, the focusing diameter of the laser beam 15 on the lower surface of the heating plate 24 is about 0.3 mm. By irradiating the lower surface of the heating plate 24 with the laser beam 15, the heating plate 24 is heated, and the submount 23 is further heated to, for example, 100 to 200 ° C. by heat conduction and radiant heat from the heating plate 24. At this time, the temperature of the submount 23 is lower than the melting point (eutectic point) of the brazing material.
[0032]
At the same time as the laser beam 15 is emitted, an inert gas 19 is jetted from the gas jet nozzle 14 toward the surface of the submount 23. The inert gas 19 is injected onto the surface of the submount 23, so that the oxidation of the brazing material due to heat is prevented by the inert gas 19.
[0033]
Next, the arithmetic control device controls the lifting device, and the tip nozzle 13 is lowered by the lifting device. Then, the semiconductor laser chip 18 adsorbed on the tip of the chip nozzle 13 comes into contact with the surface of the submount 23, and the semiconductor laser chip 18 is further pressed against the submount 23 with about 10 g, for example. Also at this time, the laser beam 15 continues to be applied to the heating plate 24, and the inert gas 19 continues to be injected from the gas injection nozzle 14.
[0034]
Next, the arithmetic and control unit controls the laser emission means to increase the irradiation intensity of the laser beam 15. At this time, the arithmetic and control unit controls the laser emission means so that the power density of the laser beam 15 is, for example, 104 W / cm 2. When the power density of the laser beam 15 reaches 10 4 W / cm 2, for example, the arithmetic and control unit controls the laser beam emitter so that the laser beam emitter continues to irradiate the heating plate 24 with the laser beam 15 for about 1 second. Then, the temperature of the heating plate 24 rises and heat is transferred to the submount 23, and the brazing material rises to the melting point (for example, 300 to 350 ° C., depending on the type of brazing material). As a result, the brazing material interposed between the surface of the submount 23 and the semiconductor laser chip 18 is melted. The molten brazing material permeates between the submount 23 and the semiconductor laser chip 18 with the best wettability by the oxidation preventing action by the inert gas.
[0035]
When the irradiation time of about 1 second elapses, the arithmetic and control unit controls the laser light emitting means 16 to stop the laser light 15 from being emitted from the laser light emitting means 16. When the light emission of the laser beam 15 is stopped, the brazing material is cooled and the brazing material is solidified. Then, the chip nozzle 13 is raised by the lifting device, and further, the blowing of the inert gas from the gas injection nozzle 14 is stopped, and the process relating to die bonding is completed.
[0036]
In the above embodiment, the heating plate 24 having a small heat capacity and high thermal conductivity is heated by the laser beam 15, and the submount 23 is heated by the heat conduction and radiant heat transfer from the heating plate 24. The brazing material interposed between the mount 23 and the semiconductor laser chip can be instantaneously heated to the melting point, and the brazing material can be melted in a very short time. Therefore, the time required for die bonding the semiconductor laser chip 18 to the submount 23 is relatively short, and the production efficiency related to die bonding is improved. Further, since the surface irradiated with the laser beam 15 is the surface of the heating plate 24, the reflectance and absorption rate of the laser beam 15 do not change even if the material and surface treatment of the submount 23 that is a workpiece are changed. There is no variation.
[0037]
Moreover, since the heat capacity of the heating plate 24 is reduced, the time required to melt the brazing material is short. Therefore, the thermal energy accumulated in the submount 23 and the brazing material is small. Furthermore, since the heat capacity of the heating plate 24 is reduced, the time required for the brazing material to solidify after the irradiation of the laser beam 15 is shortened. Until the brazing material is solidified, it is necessary to hold the position of the semiconductor laser chip 18 with respect to the submount 23 while the chip nozzle 13 is lowered. Can rise to. Therefore, in the next cycle, preparation for bonding the semiconductor laser chip 18 to the submount 23 (for example, adsorbing the semiconductor laser chip 18 to be bonded in the next cycle to the chip nozzle 13) is performed immediately after the bonding process in the previous cycle. Can improve production efficiency.
[0038]
Further, since the heating time and cooling time of the submount 23 and the brazing material are short, the semiconductor laser chip 18 is not thermally strained. Therefore, a semiconductor laser device using the semiconductor laser chip 18 bonded by the die bonding method according to the present invention can be provided with higher quality and reliability.
[0039]
Further, since the molten brazing material is well wetted by the submount 23 and the semiconductor laser chip 18 due to the antioxidant action by the inert gas, it is not necessary to perform scrub cleaning beforehand. Furthermore, since the wettability is good, it is not necessary to press the semiconductor laser chip 18 against the submount 23 with a high load during bonding. As a result, damage to the semiconductor laser chip 18 can be prevented.
[0040]
The present invention is not limited to the above embodiments, and various improvements and design changes may be made without departing from the spirit of the present invention.
For example, the chip nozzle 13 may be moved not only in the vertical direction but also in the horizontal direction. In this case, the relative position of the semiconductor laser chip 18 with respect to the submount 23 is determined by the horizontal movement of the base 11 and the horizontal movement of the chip nozzle 13.
[0041]
FIG. 3 shows a second embodiment of the heating plate 24A. FIG. 3A is a front view, and FIG. 3B is a side view. The heating plate 24A includes a heat propagation plate 27 and a heat transfer delay plate 28, and has a multilayer structure in which the heat transfer delay plate 28 is disposed on the upper surface of the heat propagation plate 27 and stacked in three layers. Further, a heat propagation plate is arranged on the upper surface of the multilayer structure to increase the cooling efficiency. The central portion has a hole 29 penetrating from the lower surface to the upper surface, and the submount 23 is vacuum-sucked. The heat propagation plate 27 has a thickness of 0.45 mm and is made of an aluminum nitride (AlN) material having a high thermal conductivity. For example, aluminum nitride is about 100 to 150 W / m · K. The heat transfer delay plate 28 has a thickness of 0.15 mm and is made of an alumina (Al2O3) material having a lower thermal conductivity than aluminum nitride. For example, 99.9% alumina is about 38 W / m · K. The multilayer structures are laminated by brazing or diffusion bonding.
[0042]
When the laser beam is irradiated to the center of the bottom surface of the heating plate 24A, the heat propagation plate 27 on the bottom surface of the heating plate 24A has high thermal conductivity, so that heat is rapidly transmitted upward and horizontally. The heat of the heat transfer plate 27 is transmitted to the center of the heat transfer delay plate 28, but the heat conductivity of the heat transfer delay plate 28 is lower than the heat conductivity of the heat transfer plate 27. Before the heat is transferred to the heat transfer delay plate 28, the entire bottom surface of the heat transfer delay plate 28 is heated, and the upper surface of the heat transfer delay plate 28 has a temperature distribution with a smaller temperature difference in the horizontal direction than the upper surface of the heat transfer plate 27. The temperature distribution is improved three times by using a three-layer structure. Therefore, a temperature distribution with a small temperature difference in the horizontal direction can be obtained on the upper surface of the heating plate 24A. FIG. 7 shows an analysis of the temperature distribution. The central portion of the lower surface of the heating plate 24A is 900 ° C. However, the temperature distribution is integrated every time heat is transmitted through the multilayer structure, and the upper surface of the heating plate 24A is The temperature distribution is 350 ° C. over a wide range.
[0043]
FIG. 6 shows an embodiment in the case where the multilayer structures are not joined. Through holes 30 penetrating vertically are provided at the four corners of the heat propagation plate 27A and the heat transfer delay plate 28A. However, no through holes are provided in the four corners of the uppermost heat propagation plate 27. By vacuuming from the lower part of the through hole 30, the inside of the through hole 30 becomes negative pressure, and the laminated plate which is a multilayer structure is pressed downward and fixed.
[0044]
FIG. 4 shows a third embodiment of the heating plate 24B. 4A is a front view, and FIG. 4B is a side view. The heating plate 24 </ b> B includes a heat propagation plate 31, a cylindrical heat transfer delay member 32, and a cylindrical heat transfer member 33. The heat transfer delay member 32 is disposed at the center, and the heat transfer delay member 32 is heated outside the heat transfer delay member 32. Four propagation members 33 are arranged. The heat propagation plate 31 has a structure in which the heat transfer delay member 32 and the heat propagation member 33 are sandwiched vertically. The central portion has a hole 34 penetrating from the lower surface to the upper surface, and the submount 23 is vacuum-sucked. The heat propagation plate 31 and the heat propagation member 33 are made of an aluminum nitride material having high thermal conductivity. The heat transfer delay member 32 is made of an alumina material having a lower thermal conductivity than aluminum nitride. The upper and lower heat propagation plates 31, the heat transfer delay member 32, and the heat propagation member 33 are joined by brazing.
[0045]
When the laser beam is irradiated to the center of the lower surface of the heating plate 24B, the heat propagation plate 31 on the lower surface of the heating plate 24B has high thermal conductivity, so that heat is rapidly transmitted upward and horizontally. A heat transfer delay member 32 is disposed at the center of the lower heat propagation plate, and heat from the lower heat propagation plate 31 is transmitted to the upper heat propagation plate 31. The heat conductivity of the heat transfer delay member 32 is the heat propagation. Since the heat conductivity of the plate 31 and the heat transfer propagation member 33 is lower, the heat transfer member 33 arranged around the heat transfer delay plate 32 is lower when the heat transfer from the heat transfer delay member 32 to the upper heat transfer plate 31. Heat is transferred from the heat propagation plate 31 to the upper heat propagation plate 31. Therefore, the upper surface of the heating plate 24B has a temperature distribution with a small temperature difference in the horizontal direction.
[0046]
FIG. 5 shows a fourth embodiment of the heating plate 24C. FIG. 5A is a front view, and FIG. 5B is a cross-sectional view. The heating plate 24 </ b> C includes a heat transfer delay core 36 having a trumpet shape and a heat propagation ring 35 having a hole that fits into the trumpet shape of the heat transfer delay core 36, and the heat transfer delay core 36 and the heat transfer ring 35. Are fitted so that the trumpet shape of the heat transfer delay core 36 opens upward. Further, a heat propagation plate 35A is arranged on the upper surface to increase the cooling efficiency. A central portion of the heat transfer delay core 36 and the heat transfer plate 35A has a hole 37 penetrating from the lower surface to the upper surface, and the submount 23 is vacuum-adsorbed. The heat propagation plate ring 35 and the heat propagation plate 35A are made of an aluminum nitride material having a high thermal conductivity. The heat transfer delay core 36 is made of an alumina material having a lower thermal conductivity than aluminum nitride. The heat transfer ring 35 and the heat transfer delay core 36 are joined by brazing.
[0047]
When the central portion of the heating plate 24C is irradiated with laser light, the lower portion of the trumpet-shaped heat transfer delay core 36 that is disposed at the central portion of the heating plate 24C and that extends upward is heated. At the same time, the central portion of the lower surface of the heat propagation ring 35 is also heated. However, since the heat conductivity of the heat propagation ring 35 is high, the heat is rapidly transmitted upward and horizontally, and the heat is transmitted to the heat transfer delay core 36. Since the heat conductivity of the heat transfer delay core 36 is lower than the heat conductivity of the heat transfer ring 35, when the heat at the center of the heat transfer delay core 36 is transferred from the lower surface to the upper surface of the heat transfer delay core 36, the heat transfer ring The heat of 35 is also transferred to the upper surface of the heat transfer delay core 36 and further transferred to the heat transfer plate 35A. Therefore, the upper surface of the heating plate 24C has a temperature distribution with a small temperature difference in the horizontal direction.
[0048]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, the laser light is radiated to the heating plate having a small heat capacity and high thermal conductivity by the laser light emitting means, and the substrate is heated by heat conduction and radiant heat transfer from the heating plate. The substrate and brazing material can be heated in a very short time to the melting temperature of the brazing material. Therefore, the production efficiency related to the joining of the semiconductor chip and the substrate is improved.
Further, since the heat capacity of the heating plate is reduced, the thermal energy accumulated in the heating plate is small. Therefore, the time required for the brazing material to solidify is short. As a result, the time during which the semiconductor chip is held until the brazing material is solidified is shortened, and the production efficiency relating to the bonding of the semiconductor chip and the substrate is improved.
Furthermore, since the heating time and cooling time of the brazing material and the substrate are short, the semiconductor chip is not subjected to thermal distortion.
Rather than irradiating the laser beam directly to the submount, the laser beam is irradiated to the heating plate and the submount is heated via the heating plate, so that the circuit pattern or the like on the lower surface of the submount is not discolored. Furthermore, since the laser beam is irradiated on the heating plate, the laser beam reflectivity and light absorption rate do not change even if the material and surface treatment of the submount, which is a workpiece, change, so that highly reliable die bonding can be performed.
[0049]
According to the second aspect of the present invention, since the substrate is vacuum-sucked through the suction holes, the substrate is firmly positioned between the time when the brazing material is melted and solidified. In addition, a space is defined by a region surrounded by the heating plate, the pedestal, the base, and the translucent member. The space is connected to the suction hole and the vacuum generation source. By providing it close to the wall, the volume of the space can be reduced. Therefore, the time required for adsorbing the substrate can be shortened. Further, since the translucent member transmits the laser beam, it does not hinder the irradiation with the laser beam. Therefore, since the laser beam is efficiently applied to the heating plate, the heating time required for melting the brazing material is not affected.
[0050]
According to the third aspect of the present invention, the heating plate has a multilayer structure in which plates of a material having a high thermal conductivity and plates of a material having a low thermal conductivity are alternately stacked. As a result, the laser beam is irradiated with a small condensing diameter, and the lower surface of the heating plate is irradiated with the laser beam at a high temperature, but the lower surface away from the central region is low in temperature, but heat is transferred to the upper part and the multilayer structure is Each time it passes through the stack, the heat distribution is integrated, and the upper surface of the heating plate has a temperature distribution with a small temperature difference in the horizontal direction. Accordingly, the substrate is heated to a uniform temperature, and the brazing material interposed between the substrate and the semiconductor chip is uniformly melted, so that the reliability of bonding between the substrate and the semiconductor chip is improved.
[0051]
According to the fourth aspect of the present invention, heat is transferred to the upper surface of the heating plate via the heat transfer delay member disposed in the center portion, and is also transferred via the heat transfer member disposed in the periphery. That is, since heat is transferred from the central portion and the periphery thereof, the upper surface of the heating plate has a temperature distribution with little temperature difference in the horizontal direction. Accordingly, the substrate is heated to a uniform temperature, and the brazing material interposed between the substrate and the semiconductor chip is uniformly melted, so that the reliability of bonding between the substrate and the semiconductor chip is improved.
[0052]
According to the fifth aspect of the present invention, since the heat propagation ring having a high thermal conductivity conducts heat to the entire trumpet shape of the heat transfer delay core, the upper surface of the heating plate has a temperature distribution with a small thermal gradient. Accordingly, the substrate is heated to a uniform temperature, and the brazing material interposed between the substrate and the semiconductor chip is uniformly melted, so that the reliability of bonding between the substrate and the semiconductor chip is improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a specific embodiment of a die bonding apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a bottom view of the heating plate disclosed in FIG. 1;
FIG. 3 is a front view and a side view of a second embodiment of a heating plate.
FIG. 4 is a front view and a side view of a third embodiment of a heating plate.
FIG. 5 is a front view and a cross-sectional view of a heating plate according to a fourth embodiment.
FIG. 6 is a side view of an application example of the heating plate according to the second embodiment.
FIG. 7 is a temperature distribution analysis diagram of the heating plate according to the second embodiment.
FIG. 8 is a longitudinal sectional view showing a conventional die bonding apparatus.
[Explanation of symbols]
10 Die bonding equipment
11 base
11a Upper wall
11c Air intake hole
12 pedestal
12a Suction hole
13 Tip nozzle (nozzle)
14 Gas injection nozzle
15 Laser light
16 Laser emission means
17 Glass substrate (translucent member)
18 Semiconductor laser chip (semiconductor chip)
19 Inert gas
20 Upper space (space)
22 Piping
23 Submount (substrate)
24 24A 24B 24C Heating plate
24a Adsorption hole
25 Condensation circle
26 Vacuum source
27 31 35A Heat propagation plate
28 Heat transfer delay plate
32 Heat transfer delay member
33 Heat propagation member
35 Heat propagation ring
36 Heat transfer delay core
100 die bonding equipment

Claims

In a die bonding apparatus for mounting a semiconductor chip adsorbed and held by a nozzle on the surface of a substrate and die bonding the semiconductor chip,
A heating plate on which the substrate is placed;
A suction hole penetrating vertically, and a pedestal on which the heating plate is placed;
A base having an upper wall provided with an intake hole penetrating vertically, placing the pedestal on an upper surface of the upper wall, and placing the pedestal and the heating plate on the upper surface of the upper wall;
A die bonding apparatus comprising: a laser emitting unit that irradiates a lower surface of the heating plate with a laser beam through the suction hole and the suction hole.

A suction hole provided in the heating plate, leading to the suction hole and the suction hole;
A translucent member disposed in the base near the back side of the upper wall,
A vacuum generation source that generates a vacuum pressure in a space surrounded by the base and the translucent member;
The die bonding apparatus according to claim 1, wherein the laser beam is irradiated through the translucent member.

The heating plate
A heat propagation plate is placed on the upper surface of a multilayer structure comprising a heat propagation plate and a heat transfer delay plate disposed on the heat propagation plate and having a lower thermal conductivity than the heat propagation plate. Item 2. A die bonding apparatus according to Item 1.

The heating plate
A heat transfer delay member having a lower thermal conductivity than the heat transfer plate and the heat transfer member, a plurality of heat transfer members arranged around the heat transfer delay member, and arranged above and below the heat transfer delay member and the heat transfer member The die bonding apparatus according to claim 1, comprising a heat propagation plate.

The heating plate
A heat propagation ring having a hole that immerses toward the center, and a heat transfer delay core that has a trumpet shape and has a lower thermal conductivity than the heat propagation ring and fits into the hole of the heat propagation ring The die bonding apparatus according to claim 1, wherein a heat propagation plate is placed on the upper surface of the structure.