JP4924480B2

JP4924480B2 - 半導体装置の製造方法および装置

Info

Publication number: JP4924480B2
Application number: JP2008051717A
Authority: JP
Inventors: 浩司川勝; 芳直北野; 義則植野; 由里黒田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2008-03-03
Filing date: 2008-03-03
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2028-03-03
Also published as: JP2009212186A

Description

本願は、半導体の製造方法および装置に関して、特にフリップチップ方式によるバンプ接続において、接合プロセス中の搭載ヘッドの位置情報から、接合部の接合状態が判断できる製造方法および装置に関する。

電気製品では小型化、高性能化、多機能化といった要求がある。また、製品を支える半導体装置も、その要求に応えるために多ピン化、小型化、高密度化（一定の面積内にできるだけたくさんの半導体装置を配置できるようにすること）などを実現するための各種実装方法が開発されている。その中でも、半導体装置の多ピン化や優れた電気特性を実現するのがフリップチップ方式である。

チップとパッケージ基板を電気的に接続する方法として、フリップチップ方式では、チップの回路面を下にして、半田や金の端子を使いチップをパッケージ基板に接続することで電気的な接続を行っている。フリップチップ方式は、金の細線を使って接続するワイヤ・ボンディング方式に比べて、配線の長さが短いため電気特性に優れ、高速化や高密度化に対応できる。また、チップの真下にもピンを二次元的に配置できるため数千ピンという多ピン化が容易といった特長を有している。さらに、構造上、チップ背面から熱を逃すことが可能なため、放熱性にも優れている。

一方、フリップチップ方式で接続されたＣＳＰやＢＧＡ等の半導体装置は、半田接合面の可視化が困難であるため、生産の局面では、主に組立工程後の検査工程で電気検査を行うことで良否判定を行っている。このため、搭載不良が発生しても、検査工程まで不良品に価値を付加しつづける問題が発生してしまう。

また、搭載プロセスでの品質を保証するために、１個／ロットあるいは１個／日等の抜き取りにより、接合部分の目視によるプロセス確認を行う場合が多い。しかし、全数検査ではないため、不良品の流出は免れなかった。また、品質的に問題がある場合、Ｘ線あるいは超音波顕微鏡等を用いて非破壊による内部観察により、問題の把握を行う事があるが、全数に適用することは生産効率の低下が否めなかった。

従来の技術として、特許文献１に記載されている「電子部品実装装置」は、超音波インピーダンスとノズル変位量とノズル圧力とバンプ温度を測定し、これらの波形データ若しくは温度データと、基準データとを比較して、接合中の状態および接合温度の良否を判断する方法である。

また、特許文献２に記載されている「半導体装置の製造方法および半導体製造装置」は、搭載プロセスの全行程について基板に係る荷重をモニタリングすることで、接合するバンプ同士あるいはバンプと電極との接触状態および接合状態を検査する方法である。
特開２００１−９４２４５特開２００６−５４２７５

フリップチップ方式の接合を有する半導体装置は、半田接合面の可視化が困難なため、組立工程後の検査工程により良否判定を行っている。また、非破壊検査であるＸ線検査、超音波検査等を実施する場合もある。超音波検査の場合、対象品を水中に入れる必要があり、技術評価用あるいは抜き取り検査として利用されることが多い。上記のＸ線検査・超音波検査では、検査時間が長いため全数実施するのは、生産局面では生産効率の低下が否めない。さらに、超音波検査は、対象品を水中に入れるため、破壊検査と同様な扱いとなってしまう。そのため、全数検査を実施することは困難であり、接合状態に不具合があったとしても、検査工程まではそのまま流れてしまうという課題がある。

また、接合の良否を判断する従来技術において、超音波インピーダンスとノズル変位量とノズル圧力とバンプ温度を測定し、これらの波形データ若しくは温度データと、基準データとを比較して、接合中の状態および接合温度の良否を判断する方法や、搭載プロセスの全行程について基板に係る荷重をモニタリングすることで、接合するバンプ同士あるいはバンプと電極との接触状態および接合状態を検査する方法では、データを測定するために多くの手段を装置に組み込む必要がある。また、高温下での圧力・荷重を測定するためには、耐熱性のセンサを用いるか熱の影響を受けない構造にする必要があり、いずれにしても装置の構成が複雑になると同時に高価になるという課題があった。

そこで、本願の課題は、上述の従来技術において生じる不便さを解消することが一例として挙げられ、装置の構成が簡単で安価な半導体装置の製造方法および装置等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、半導体チップを実装基板上に搭載するための搭載手段と、前記搭載手段を前記実装基板に対して近接離間させるための駆動手段と、前記搭載手段の現在位置を検出する位置検出手段と、半田を溶融するために前記搭載手段を加熱する加熱手段と、前記位置検出手段から位置情報の読み込み、および、前記駆動手段並びに前記加熱手段をコントロールする制御手段とを備え、前記位置検出手段から読み込んだ前記位置情報から、前記半田の未溶融状態および短絡状態を含む前記半田の接合状態を判断する機能を前記制御部に有することを特徴とする。

上記の課題を解決するために、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の半導体装置の製造装置において、前記位置検出手段は前記搭載手段に搭載された前記半導体チップと前記実装基板との接触を検知し、前記検知後に前記加熱手段は前記搭載手段を加熱して前記半田を溶融させ、前記位置検出手段は前記検知後の予め定められた時間が経過した時点の前記搭載手段の位置を検出し、前記接触位置から前記搭載手段が検出された前記位置までの位置範囲に基づき前記制御部は前記半田の接合状態を判断することを特徴とする。

上記の課題を解決するために、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の半導体装置の製造装置において、前記位置検出手段は前記搭載手段に搭載された前記半導体チップと前記実装基板との接触を検知し、前記検知後に前記加熱手段は前記搭載手段を加熱して前記半田を溶融させ、前記制御部は前記検知後から前記搭載手段と溶融した前記半田との間でバランスが取れた高さに到達するまでの時間を検出し、前記検出時間が予め定められた時間よりも長い場合には前記制御部は前記半田の接合状態が不良であると判断することを特徴とする。

上記の課題を解決するために、請求項４に記載の発明は、半導体チップを実装基板上に搭載するための搭載工程と、前記搭載工程における前記半導体チップを前記実装基板に対して近接離間させるための駆動工程と、前記搭載工程における前記半導体チップの現在位置を検出する位置検出工程と、半田を溶融するために前記搭載工程における前記半導体チップを加熱する加熱工程と、前記位置検出工程における位置情報の読み込み、および前記駆動工程並びに前記加熱工程をコントロールする制御工程とを備え、前記位置検出工程において読み込んだ前記位置情報から、前記半田の未溶融状態および短絡状態を含む前記半田の接合状態を判断する機能を前記制御工程に有することを特徴とする。

上記の課題を解決するために、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の半導体装置の製造方法において、前記位置検出工程において前記搭載工程において搭載された前記半導体チップと前記実装基板との接触を検知し、前記検知後に前記加熱工程において前記半導体チップを加熱して前記半田を溶融させ、前記位置検出工程において、前記検知後、予め定められた時間が経過した時点の前記半導体チップの位置を検出し、前記接触位置から前記半導体チップが検出された前記位置までの位置範囲に基づき前記制御工程において前記半田の接合状態を判断することを特徴とする。

上記の課題を解決するために、請求項６に記載の発明は、請求項４または５に記載の半導体装置の製造方法において、前記位置検出工程において前記搭載工程において搭載された前記半導体チップと前記実装基板との接触を検知し、前記検知後に前記加熱工程において前記半導体チップを加熱して前記半田を溶融させ、前記制御工程において前記検知後から前記半導体チップと溶融した前記半田との間でバランスが取れた高さに到達するまでの時間を検出し、前記検出時間が予め定められた時間よりも長い場合には前記制御工程において前記半田の接合状態が不良であると判断することを特徴とする。

上記の課題を解決するために、請求項７に記載の発明は、半導体装置の製造装置に含まれるコンピュータを、半導体チップを実装基板上に搭載するための搭載手段、前記搭載手段を前記実装基板に対して近接離間させるための駆動手段、前記搭載手段の現在位置を検出する位置検出手段、半田を溶融するために前記搭載手段を加熱する加熱手段、前記位置検出手段から位置情報の読み込み、前記駆動手段および前記加熱手段をコントロールする制御手段、として機能させ、前記位置検出手段から読み込んだ前記位置情報から、前記半田の未溶融状態および短絡状態を含む前記半田の接合状態を判断する機能を前記制御部に有することを特徴とする。

第１の効果は、搭載プロセス中の搭載ヘッドの位置をモニタリングすることで、接合状態の良不良の判断が可能であるということである。この理由は、半田溶融時の搭載ヘッドの位置により、半田未溶融・半田短絡が想定することが可能なためである。また、搭載ヘッドの位置をモニタリングして半田溶融完了時間を求めることにより、半田溶融の良不良の判断が可能なためである。

第２の効果は、生産性を低下させることなく、接合状態の判断が可能なことである。この理由は、搭載プロセス中の現在位置をモニタリングすることにより、接合状態を判断しているため、検査のために抜き取りあるいは別工程を必要としないためである。

第３の効果は、比較的低コストで接合状態の判断が可能なことである。この理由は、第２の効果と同様、現在位置をモニタリングすることにより、接合状態を判断しているため、判断のための構成要素が不要なためである。

（実施形態の構成）
図１を参照して、第１の実施形態を説明する。

図１を参照すると、半導体装置の製造装置は、例えばＩＣチップ等の半導体チップ１を実装基板２上に搭載するための搭載ヘッド５と、実装基板２が保持されるヒータテーブル４と、ヒータテーブル４に対して搭載ヘッド５を近接離間させる上下駆動機構８と、半導体チップ１に対して実装基板２を実装面に平行な方向の位置を位置決めするための位置決めステージ３とを備えている。また、搭載ヘッド５には、加熱するためのヒータ６が設けられており、制御部１０の指示によりヒータ加熱源７によってヒータテーブル４とヒータ６とが加熱制御されている。制御部１０は、搭載ヘッド５の現在位置を位置検出計９から読み込み可能となっている。また、上下駆動機構８は、制御部からの指示により加圧機構としても機能し、搭載ヘッド５の制御方式を位置決めと荷重で制御している。
（実施形態の動作の説明）
次に図２および図３を参照して、実施形態の動作を説明する。

まず、図２に示すように、ステップＡ１から始まり、搭載ヘッド５によって半導体チップ１を把持する（ステップＡ２）。また、実装基板２はヒータテーブル４によって保持される（ステップＡ３）。次に、位置決めステージ３を平面方向に移動させて、実装基板２の電極位置を半導体チップ１の半田バンプに対向するように位置決めする（ステップＡ４）。半導体チップ１に対して実装基板２が位置決めされた後、上下駆動機構８によって搭載ヘッド５をヒータテーブル４の方向へ下降させる（ステップＡ５）。この時、上下駆動機構８は、位置制御となっている。制御部１０は、位置検出計９から現在位置を読み込みながら目標位置との差分が大きくなることで、半導体チップ１と実装基板２が接触する高さｈ０を検知する（ステップＡ６）。接触した高さｈ０を検知すると、制御部１０は上下駆動機構８を介して搭載ヘッド５を停止させ（ステップＡ７）、上下駆動機構８を荷重制御への切り替えを行い、接合するときの荷重値を搭載ヘッド５の荷重に設定する（ステップＡ８）。この時に、制御部１０は、半田が溶融するＴ１までヒータ６を加熱するようにヒータ加熱源７に指示を与える（ステップＡ９）。ヒータ６の加熱により、半田ボールが膨張し搭載ヘッド５がｈ１の高さまで一旦上昇する。その後、半田の溶融とともに搭載ヘッド５は下降していき、溶融した半田とバランスが取れ搭載ヘッド５が静止する高さｈ２を検出する（ステップＡ１０）。続いて、接触検知時間ｔ１からの所定時間後のｔ３を検出（ステップ１１）し、上下駆動機構８を位置制御に切り換える。上下駆動機構８が位置制御に切り替わり後、半田を凝固させるためにヒータ６の温度をＴ０まで下降させる（ステップＡ１２）。温度がＴ０に到達したことにより、半田接合が完了となる。その後、制御部１０は、搭載ヘッド５の半導体チップ１の把持を解除し、上下駆動機構８により上昇させる（ステップＡ１３）。

ここで、半導体チップ１と実装基板２が接触した搭載ヘッド５の高さと搭載ヘッド５が溶融した複数の半田とバランスが取れた高さとの距離を押し込み距離（ｈ２−ｈ０）として、また、搭載ヘッド５が接触検知時間ｔ１から搭載ヘッド５が溶融した半田とバランスが取れた高さに到達する時間（ｔ２）までを押し込み時間（ｔ２−ｔ１）として定義する。

上記動作において、以下のポイントで良否判定（ステップＡ１４）を行い、不良の場合に不良アラームを発生させる（ステップＡ１５）。また、良否判定のステップは、高さｈ２検出のステップＡ１０の次のステップで実施しても良い。接触検知からの所定時間ｔ３での搭載ヘッド５の高さ確認を行い、所定の範囲内に無い場合は不良と判定する。不良と判断した中で、所定の範囲よりも搭載ヘッド５が高い場合、半田の未溶融不良と判断できる。また、所定の範囲よりも搭載ヘッド５が低い場合、半田の短絡不良と判断できる。

さらに、搭載ヘッド５が溶融した半田とバランスが取れた高さに到達する時間（ｔ２）を検出し、押し込み時間（ｔ２−ｔ１）が所定の時間よりも長い場合は、半田の溶融に長時間かかっており、半田の未溶融不良と判断できる。

図４に示すように所定の範囲よりも搭載ヘッド５が高い場合には、搭載ヘッド５へのゴミ付着等による原因で半導体チップ１が加熱されず、半田の溶融が起きないために所定の範囲まで搭載ヘッド５が沈み込まない可能性が高く、半田の未溶融不良と判断できる。

また、図５に示すように所定の範囲よりも搭載ヘッド５が低い場合には、正常に半田の溶融は起きているが、搭載ヘッド５に設定した接合時の荷重が大きいために、溶融した半田とバランスが取れなく半田を押しつぶしている可能性が高く、半田の短絡不良と判断できる。

また、搭載ヘッド５が溶融した半田とバランスが取れた高さに到達する時間（ｔ２）を検出し、押し込み時間（ｔ２−ｔ１）が所定の時間よりも長い場合は、不良と判断する。この場合、図６に示すように半田の膨張時の高さｈ１から半田が溶融により搭載ヘッド５が下降していき、溶融した半田とバランスが取れた高さｈ２に到達するまでの時間が長く、正常品の溶融時の挙動と比較して、溶融に長時間かかっている。

これは、半田ボールの高さバラツキの影響で、加熱開始時には接触していないボールが、搭載ヘッド５の下降によって途中で接触し、溶融を開始したためと考えられる。従って、溶融加熱時間が不十分な半田ボールが存在する可能性があり、半田の未溶融不良と判断できる。

なお、以上の説明において、位置検出計９は、位置決め装置に取り付けてあるエンコーダのパルスをカウントすることで代用することができる。

また位置情報の取得は、短い時間間隔で連続して取得が可能であるので、たとえば図３に示すようなグラフを描くことが出来るほど、多数の時系列データをメモリ上に保持しておき、図２のステップＡ１０の時点で、波形に対するデータ処理により、前記高さｈ０、ｈ２、時刻ｔ１、ｔ２を計算してもよい。また、前記、ｈ０、ｈ１、ｔ１、ｔ２を計算する替わりに、良品の波形を保持しておき、逐次取得された波形と、良品の波形を比較して、逸脱があったら不良と判断することにしても良い。

本願の効果を図４、図５、図６を参照して説明する。なお、本願の試験は図１の構成図で実施した。

図４に示すように所定の範囲よりも搭載ヘッド５が高い場合、搭載ヘッド５へのゴミ付着等による原因で半導体チップ１が加熱されず、半田の溶融が起きないために所定の範囲まで搭載ヘッド５が沈み込まない可能性が高く、半田の未溶融不良と判断できる。

また、図５に示すように所定の範囲よりも搭載ヘッド５が低い場合、正常に半田の溶融は起きているが、搭載ヘッド５に設定した接合時の荷重が大きいために、溶融した半田とバランスが取れなく半田を押しつぶしている可能性が高く、半田の短絡不良と判断できる。

図６に示すように半田の膨張時の高さｈ１から半田が溶融により搭載ヘッド５が下降していき、溶融した半田とバランスが取れた高さｈ２に到達するまでの時間が長く、正常品の溶融時の挙動と比較して、溶融に長時間かかっている。これは、半田ボールの高さバラツキの影響で、加熱開始時には接触していないボールが、搭載ヘッド５の下降によって途中で接触し、溶融を開始したためと考えられる。従って、溶融加熱時間が不十分な半田ボールが存在する可能性があり、半田の未溶融不良と判断できる。

（発明の他の実施形態）
上記実施形態の良否判断に使用する情報として、半田膨張高さｈ１を求めても良い。

半田未溶融の判断として、ｈ１を求めて半田膨張距離（ｈ１−ｈ０）から、半田の膨張状態を正常範囲にあるか否かを判断して、半田未溶融の不良の判断に用いる。

また、上記実施形態の良否判断として、上記以外に搭載プロセス中に読み込み可能な搭載ヘッドの位置情報を活用して、判断に用いても良い。

さらに上記実施形態では、位置制御と荷重制御とを同一機構で実現する上下駆動機構８を用いているが、位置制御用の駆動機構と荷重制御用の駆動機構を別々に用意しても良い。

本願に係る実施形態における半導体装置の製造装置の概要構成を示すブロック図である。本願に係る実施形態における半導体装置の製造装置の動作を示すフローチャートである。本願に係る実施形態における半導体装置の製造装置の動作説明図である。本願に係る実施形態における半導体装置の製造装置の半田不良時の動作説明図の一例である。本願に係る実施形態における半導体装置の製造装置の半田不良時の動作説明図の一例である。本願に係る実施形態における半導体装置の製造装置の半田不良時の動作説明図の一例である。

符号の説明

１半導体チップ
２実装基板
３位置決めステージ
４ヒータテーブル
５搭載ヘッド
６ヒータ
７ヒータ加熱源
８上下駆動機構
９位置検出計
１０制御部

Claims

半導体チップを実装基板上に搭載するための搭載手段と、
前記搭載手段を前記実装基板に対して近接離間させるための駆動手段と、
前記搭載手段の現在位置を検出する位置検出手段と、
半田を溶融するために前記搭載手段を加熱する加熱手段と、
前記位置検出手段から位置情報の読み込み、および、前記駆動手段並びに前記加熱手段をコントロールする制御手段とを備え、
前記位置検出手段から読み込んだ前記位置情報から、前記半田の未溶融状態および短絡状態を含む前記半田の接合状態を判断する機能を前記制御部に有することを特徴とする半導体装置の製造装置。
請求項１に記載の半導体装置の製造装置において、
前記位置検出手段は前記搭載手段に搭載された前記半導体チップと前記実装基板との接触を検知し、前記検知後に前記加熱手段は前記搭載手段を加熱して前記半田を溶融させ、前記位置検出手段は前記検知後の予め定められた時間が経過した時点の前記搭載手段の位置を検出し、前記接触位置から前記搭載手段が検出された前記位置までの位置範囲に基づき前記制御部は前記半田の接合状態を判断することを特徴とする半導体装置の製造装置。
請求項１または２に記載の半導体装置の製造装置において、
前記位置検出手段は前記搭載手段に搭載された前記半導体チップと前記実装基板との接触を検知し、前記検知後に前記加熱手段は前記搭載手段を加熱して前記半田を溶融させ、前記制御部は前記検知後から前記搭載手段と溶融した前記半田との間でバランスが取れた高さに到達するまでの時間を検出し、前記検出時間が予め定められた時間よりも長い場合には前記制御部は前記半田の接合状態が不良であると判断することを特徴とする半導体装置の製造装置。
半導体チップを実装基板上に搭載するための搭載工程と、
前記搭載工程における前記半導体チップを前記実装基板に対して近接離間させるための駆動工程と、
前記搭載工程における前記半導体チップの現在位置を検出する位置検出工程と、
半田を溶融するために前記搭載工程における前記半導体チップを加熱する加熱工程と、
前記位置検出工程における位置情報の読み込み、および前記駆動工程並びに前記加熱工程をコントロールする制御工程とを備え、
前記位置検出工程において読み込んだ前記位置情報から、前記半田の未溶融状態および短絡状態を含む前記半田の接合状態を判断する機能を前記制御工程に有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項４に記載の半導体装置の製造方法において、
前記位置検出工程において前記搭載工程において搭載された前記半導体チップと前記実装基板との接触を検知し、前記検知後に前記加熱工程において前記半導体チップを加熱して前記半田を溶融させ、前記位置検出工程において、前記検知後、予め定められた時間が経過した時点の前記半導体チップの位置を検出し、前記接触位置から前記半導体チップが検出された前記位置までの位置範囲に基づき前記制御工程において前記半田の接合状態を判断することを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項４または５に記載の半導体装置の製造方法において、
前記位置検出工程において前記搭載工程において搭載された前記半導体チップと前記実装基板との接触を検知し、前記検知後に前記加熱工程において前記半導体チップを加熱して前記半田を溶融させ、前記制御工程において前記検知後から前記半導体チップと溶融した前記半田との間でバランスが取れた高さに到達するまでの時間を検出し、前記検出時間が予め定められた時間よりも長い場合には前記制御工程において前記半田の接合状態が不良であると判断することを特徴とする半導体装置の製造方法。
半導体装置の製造装置に含まれるコンピュータを、
半導体チップを実装基板上に搭載するための搭載手段、
前記搭載手段を前記実装基板に対して近接離間させるための駆動手段、
前記搭載手段の現在位置を検出する位置検出手段、
半田を溶融するために前記搭載手段を加熱する加熱手段、
前記位置検出手段から位置情報の読み込み、前記駆動手段および前記加熱手段をコントロールする制御手段、として機能させ、
前記位置検出手段から読み込んだ前記位置情報から、前記半田の未溶融状態および短絡状態を含む前記半田の接合状態を判断する機能を前記制御部に有することを特徴とする半導体装置の製造装置のプログラム。