JP5188303B2 - 板体用固定治具 - Google Patents

Description

本発明は、各種の板体を保持したり、半導体ウェーハに半田を塗布したり、あるいは半田リフローの際等に使用される板体用固定治具に関するものである。

従来、半導体ウェーハに半田リフローを施す場合には、図示しないが、所定の厚さを有する半導体ウェーハの上面に半田層を形成し、この半導体ウェーハを半田リフロー装置にセットして半導体ウェーハに半田層や電子部品を固着し、その後、半導体ウェーハを冷却するようにしている（特許文献１、２参照）。
半導体ウェーハは、例えばφ２００ｍｍタイプの場合には７２５μｍの厚さ、φ３００ｍｍタイプの場合には７７５μｍの厚さにスライスされ、十分な剛性を有しており、加熱時の保持やハンドリングを容易化する。

ところで近年、半導体パッケージには、軽薄短小化が強く要求されているが、この軽薄短小化に伴い、半導体ウェーハや実装基板にも薄化が望まれている。例えば、Ｄ−ＲＡＭ等に代表されるメモリには、容量を増大させるため、複数枚の半導体ウェーハを積層する手法が多用されているが、これに関連して、１枚の半導体ウェーハには２５μｍ等の厚さが望まれている。
特開平０５−２４５６２４号公報 特開平１１−２８４３２８号公報

近年の半導体ウェーハは、以上のように半導体パッケージの軽薄短小化のため、２５μｍ等の薄さが望まれているが、この薄化が図られる場合には、十分な剛性を確保することができず、非常に撓み易く、割れ易くなるので、加熱時の保持やハンドリングがきわめて困難になり、時には欠けや割れが生じてしまうという問題がある。

本発明は上記に鑑みなされたもので、板体の保持やハンドリングを容易化して板体の損傷を防ぐことのできる板体用固定治具を提供することを目的としている。

本発明においては上記課題を解決するため、板体を着脱自在に搭載する伸縮性の自己粘着層と、この自己粘着層を支持して延伸し、自己粘着層を緊張させて板体を保持させる支持フレームとを備えたものであって、
板体を、半田が塗布されて半田リフロー装置に投入されるφ２００ｍｍ、φ３００ｍｍ、あるいはφ４５０ｍｍの半導体ウェーハとしてその厚さを２５μｍ〜５０μｍの範囲とし、
支持フレームは、耐熱性を有する支持板と、この支持板上に取り付けられて自己粘着層の周縁部を支持する一対のフレームとを含み、支持板上に、間隔をおいて相対向する一対のガイドレールを対設し、各ガイドレールにフレームをスライド可能に嵌合し、一対のフレームを自己粘着層の延伸方向と延伸解除方向との間で水平にスライド可能としたことを特徴としている。

なお、自己粘着層を、熱可塑性エラストマーとゴムとのいずれかを使用して形成することができる。

また、熱可塑性エラストマーとして、オレフィン系、スチレン系、ウレタン系、ポリエステル系エラストマーを使用することができる。
また、ゴムとして、ＥＰＤＭ、ブチルゴム、ウレタンゴム、天然ゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴムを使用することができる。
また、自己粘着層を、パーフルオロビニル系のフッ素ゴムを使用して２０〜５００μｍの厚さに形成することも可能である。

さらに、支持フレームの延伸した自己粘着層に半導体ウェーハを搭載保持させてその露出面に半田を塗布し、この半導体ウェーハを搭載保持した支持フレームを半田リフロー装置に投入し、その後、支持フレームの自己粘着層を撓ませて半導体ウェーハを取り外すことも可能である。

ここで、特許請求の範囲における板体は、半導体ウェーハが主ではあるが、ガラス板や金属板等を特に排除するものではない。半導体ウェーハは、２５〜５０μｍや２５μｍのきわめて薄いウェーハに形成される。この半導体ウェーハに半田が塗布される場合、半田は、半導体ウェーハの一部あるいは全面に塗布され、バンプ形成用でも良いし、部品固着用でも良い。

本発明によれば、支持フレームに延伸支持された自己粘着層上に板体を配置して各種方法により密着すれば、緊張した自己粘着層に半導体ウェーハを搭載保持させることができる。これに対し、自己粘着層をカットや変形等により撓ませれば、自己粘着層の延伸が解除されて収縮し、自己粘着層の粘着力が低減して半導体ウェーハを取り外すことができる。

本発明によれば、支持フレームの自己粘着層に半導体ウェーハを粘着して一体化し、半導体ウェーハの剛性を実質的に向上させるので、半導体ウェーハが厚い場合の他、例え半導体ウェーハが厚さ２５μｍ等の薄い場合でも、十分な剛性を確保することができる。したがって、加熱時の保持やハンドリングが容易となり、半導体ウェーハに欠けや割れが生じるのを有効に防ぐことができる。

また、フレームを自己粘着層の延伸方向と延伸解除方向との間で水平にスライド可能とするので、自己粘着層を水平方向に伸ばして半導体ウェーハを保持させることができる。さらに、自己粘着層が使い捨てではなく、長期に亘り有効に反復使用することができるので、環境負荷を減少させることが可能となる。

以下、図面を参照して本発明に係る板体用固定治具の好ましい実施形態を説明すると、本実施形態における板体用固定治具は、図１や図２に示すように、半田が印刷される薄い半導体ウェーハ１を着脱自在に搭載する可撓性と伸縮性の自己粘着層１０と、この自己粘着層１０を支持して緊張させる支持フレーム２０とを備え、半導体ウェーハ１を搭載保持して半田リフロー装置３０に投入される。

半導体ウェーハ１は、例えばφ３００ｍｍタイプの薄く丸いシリコンウェーハからなり、２５〜５０μｍ、あるいは２５μｍの厚さにバックグラインド形成されており、屈曲可能な可撓性を有している。この半導体ウェーハ１の露出する上面には、導通接続用の半田が印刷され、この半田によりチップ等の電子部品２が選択的に実装固着される。

自己粘着層１０は、所定の材料を用いて２０〜５００μｍの厚さを有する平面矩形の薄いフィルムに成形され、支持フレーム２０を上面側から被覆する。この自己粘着層１０には、１０〜１０００％の破断伸び、すなわち伸縮性が要求される他、半田リフロー時に初期の形を維持することができる耐熱性、半田リフロー時に加熱しても、上記伸縮性を維持することができる耐熱性、半田リフロー時に加熱しても、半導体ウェーハ１の性能を低下させる物質を揮発しない耐熱性が要求される。これらの点に鑑み、自己粘着層１０は、シリコーンゴム、フッ素ゴム、必要なフィラーを含む成形材料を用いて成形される。

フッ素ゴムは、例示すると、フッ化ビニリデン系共重合体、例えばフッ化ビニリデン、及び四フッ化エチレンから選択される少なくとも１種と六フッ化プロピレンとの共重合体、フッ化ビニリデン、四フッ化エチレン、五フッ化プロピレン、及び六フッ化プロピレンから選択される少なくとも１種とこれらと共重合可能な単量体との共重合体（例えば、トリフルオロエチレントリフルオロメチルエーテル等の側鎖にエーテル結合を有するオレフィン類、エチレン、プロピレン、イソブチレン等のオレフィン類、トリフルオロエチレン、モノクロルトリフルオロエチレン等のハロゲン化オレフィン類、パーフルオロブチルエチレン（Ｃ_４Ｆ_９ＣＨ＝ＣＨ_２）、パーフルオロヘキシルエチレン（Ｃ_６Ｆ_１３ＣＨ＝ＣＨ_２）、パーフルオロオクチルエチレン（Ｃ_８Ｆ_１７ＣＨ＝ＣＨ_２）等のフッ化アルキル基を有するオレフィン類、パーフルオロビニルエーテル、アルキル‐フルオロビニルエーテル等のハロゲン化エーテル類、エチルビニルエーテル等のエーテル類等）があげられ、これらの１種又は２種以上を組み合わせて使用することができる。

自己粘着層１０は、半田リフロー装置３０に投入されると、加熱により伸びるので、熱膨張を考慮して延伸される。具体的には、自己粘着層１０の線膨張率は、シリコーンゴム製の場合、２．５〜４．０ １０^−４／℃、フッ素ゴム製の場合、０．１〜１．０ １０^−４／℃である。

自己粘着層１０の粘着保持力や剥離力は、半導体ウェーハ１の粘着面の表面状態、換言すれば、平滑性により調整される。例えば、半導体ウェーハ１が鏡面加工されている場合には、５〜５０ｇ／ｃｍ^２程度に調整され、半導体ウェーハ１に回路パターンが形成されていたり、粗面加工されている場合には、５０〜５００ｇ／ｃｍ^２程度に調整される。

支持フレーム２０は、例えば耐熱性を有するガラス、アルミニウムやステンレス等の金属、ＰＡ、ＰＣ、ＰＰＳや液晶ポリマー等からなる結晶樹脂、フェノール樹脂等からなる熱硬化性樹脂を用いて形成される。この支持フレーム２０は、平面矩形の平坦な支持板２１と、この支持板２１上に配設されて自己粘着層１０の周縁部である両端部を支持する一対のフレーム２３とを備え、この一対のフレーム２３を自己粘着層１０の延伸方向と延伸解除方向との間で水平にスライドさせるよう機能する。

支持板２１の表面には、間隔をおいて相対向する一対のガイドレール２２が対設され、この一対のガイドレール２２上に一対のフレーム２３がスライド可能に嵌合されており、この一対のフレーム２３の間に平面矩形の自己粘着層１０が架設される。一対のフレーム２３は、例えば図示しない必要数のエアシリンダや歯車機構の駆動により、ガイドレール２２に案内されつつ長手方向にスライドし、相互に接近して自己粘着層１０の延伸を解除したり、相互に離隔して自己粘着層１０を水平方向に延伸させる。

半田リフロー装置３０は、図１に部分的に示すように、半導体ウェーハ１を保持した支持フレーム２０を上流から下流にコンベヤシステム３１で水平に搬送する装置本体３２と、搬送されてくる半導体ウェーハ１の半田にチップ等の電子部品２を搭載する搭載機構と、搬送されてくる半導体ウェーハ１を上下方向から順次加熱し、半導体ウェーハ１の半田を再溶融させて半導体ウェーハ１に半田や電子部品２を実装固着する複数のヒータ３３とを備えて構成される。

上記構成において、半導体ウェーハ１に半田を印刷して半田リフローする場合には、先ず、支持フレーム２０の一対のフレーム２３間に張架・緊張された自己粘着層１０上に半導体ウェーハ１を配置してローラの圧接や減圧等により粘着保持させ、保持された半導体ウェーハ１の露出面に半田をマスク印刷法等により印刷する。

こうして半導体ウェーハ１に半田を印刷したら、半田リフロー装置３０に支持フレーム２０をセットして半導体ウェーハ１に電子部品２を搭載し、所定の温度で必要時間（例えば、２５０℃×１０分や２６０℃×５分）放置することにより、半導体ウェーハ１の露出面に半田や電子部品２を実装固着する（図１参照）。

そしてその後、半田リフロー装置３０から取り出した支持フレーム２０の一対のフレーム２３を相互に接近させ、自己粘着層１０の延伸を解除すれば、撓んだ自己粘着層１０から半導体ウェーハ１を簡単に取り外すことができる。この際、半導体ウェーハ１の脱着を容易にする観点から、４０℃以上、好ましくは５０〜２００℃、より好ましくは６０〜８０℃に温度調整された雰囲気下で自己粘着層１０を撓ませ、半導体ウェーハ１を取り外すことができる。

これは、４０℃以上の雰囲気下で自己粘着層１０を変形させれば、自己粘着層１０を構成する分子のブラウン運動が活発になり、粘着力が弱化するので、半導体ウェーハ１に対するストレスを低減して容易にピックアップすることができるからである。そして、薄い半導体ウェーハ１の割れ等の破損のリスクを著しく低減することができるからである。４０℃以上の雰囲気下で自己粘着層１０を変形させるためには、図示しない専用の加熱ステージ等を利用すれば良い。

上記構成によれば、支持フレーム２０の自己粘着層１０に半導体ウェーハ１を粘着して一体化し、半導体ウェーハ１の剛性を実質的に向上させるので、半導体ウェーハ１が厚い場合の他、例え半導体ウェーハ１が厚さ２５μｍ等の薄い場合でも、十分な剛性を確保することができる。したがって、加熱時の保持やハンドリングがきわめて容易となり、半導体ウェーハ１に欠けや割れが生じるのを有効に防ぐことができる。また、自己粘着層１０が使い捨てではなく、長期に亘り有効に反復使用することができるので、環境負荷を減少させることができる。

次に、図３は本発明の第２の実施形態を示すもので、この場合には、支持フレーム２０を、平面円形の自己粘着層１０を包囲してその周縁部を接着支持する中空のフレーム２３と、このフレーム２３に内蔵されて自己粘着層１０の裏面に対向する上下動可能な上下動板２４とから構成し、この上下動板２４を上昇させて自己粘着層１０の裏面に圧接し、自己粘着層１０を上方に延伸・緊張させるようにしている。

フレーム２３は、中空リング形に形成され、内周面には上下方向に伸びる複数本のガイドレール２２が間隔をおいて配設されており、この複数本のガイドレール２２に平面円形の上下動板２４の周縁部がスライド可能に嵌合される。上下動板２４は、例えば図示しない必要数のエアシリンダや歯車機構の駆動により、ガイドレール２２に案内されつつ上下方向にスライドし、上昇して自己粘着層１０を延伸したり、下降して自己粘着層１０の延伸を解除するよう機能する。

上記構成において、半導体ウェーハ１に半田を印刷して半田リフローする場合には、支持フレーム２０の延伸された自己粘着層１０上に半導体ウェーハ１を配置してローラの圧接や減圧等により粘着保持させ、保持された半導体ウェーハ１の露出面に半田をマスク印刷法等により印刷する。

半導体ウェーハ１に半田を印刷したら、半田リフロー装置３０に支持フレーム２０をセットして半導体ウェーハ１に電子部品２を搭載し、所定の温度で必要時間放置することにより、半導体ウェーハ１の露出面に半田や電子部品２を実装固着する。そして、半田リフロー装置３０から取り出した支持フレーム２０の上下動板２４を下降させ、自己粘着層１０の延伸を解除すれば、撓んだ自己粘着層１０から半導体ウェーハ１を簡単に取り外すことができる。その他の部分については、上記実施形態と略同様であるので説明を省略する。

本実施形態においても上記実施形態と同様の作用効果が期待でき、しかも、自己粘着層１０を水平方向ではなく、垂直方向にも延伸することができるので、支持フレーム２０の構成の多様化が期待できるのは明らかである。

次に、図４は本発明の第３の実施形態を示すもので、この場合には、支持フレーム２０を平坦な平面リング形に形成するようにしている。この支持フレーム２０は、自己粘着層１０の周縁部裏面を接着支持し、半導体ウェーハ１を搭載する自己粘着層１０を半径外方向に延伸・緊張させ、自己粘着層１０の表面に半導体ウェーハ１を粘着保持させるよう機能する。

上記構成において、半導体ウェーハ１に半田を印刷して半田リフローする場合には、支持フレーム２０に張架された自己粘着層１０上に半導体ウェーハ１を配置してローラの圧接や減圧等により粘着保持させ、搭載保持された半導体ウェーハ１の露出面に半田をマスク印刷法等により印刷する。

半導体ウェーハ１に半田を印刷したら、半田リフロー装置３０に支持フレーム２０をセットして半導体ウェーハ１に電子部品２を搭載し、所定の温度で必要時間（例えば、２５０℃×１０分や２６０℃×５分）放置することにより、半導体ウェーハ１の露出面に半田や電子部品２を実装固着する。

そして、半田リフロー装置３０から取り出した支持フレーム２０の内周面にカッタ４０を沿わせて自己粘着層１０をカットすれば、延伸が解除された自己粘着層１０が収縮して半導体ウェーハ１を簡単に取り外すことができる。その他の部分については、上記実施形態と略同様であるので説明を省略する。
本実施形態においても上記実施形態と同様の作用効果が期待でき、しかも、支持フレーム２０の構成の多様化が期待できる他、自己粘着層１０をカットして使い捨てにするので、コンタミネーションによる悪影響を有効に抑制することができるのは明らかである。

なお、上記実施形態では板体用固定治具を半田リフロー工程で使用したが、何らこれに限定されるものではない。例えば、半導体製造の前工程、後工程、メッキ工程、ＤＡＦ形成工程、収納作業、搬送作業等で使用しても良い。

以下、本発明に係る板体用固定治具の実施例を説明する。
先ず、２００℃×１時間の条件で半導体ウェーハにエポキシ樹脂を積層硬化するＤＡＦ工程において使用する自己粘着層を得るため、付加硬化型シリコーンゴム〔信越化学工業社製 商品名ＫＥ−１５３〕をプレス機により加圧しながら１５０℃で加熱し、直径が４００ｍｍの円板形のフィルムを厚さ５０μｍに製造し、このフィルムをＰＥＴ製の鏡面フィルムに挟持させて鏡面を転写し、その後、各鏡面フィルムを剥離した。

こうして鏡面フィルムを剥離したら、フィルムの周縁部をステンレス製のリングに固定して２００℃に加熱したオーブンに４時間投入し、二次加硫することにより、自己粘着層を製造した。シリコーンゴム製の自己粘着層の線膨張率は、測定したところ、２５〜２５０℃の温度範囲で３．０５ １０^−４／℃であった。また、リングは、外径５０ｍｍ、内径３８ｍｍの大きさとした。

次に、板体用固定治具を製造するため、ステンレス製の支持フレームに自己粘着層の周縁部を耐熱両面テープを介して貼着し、支持フレームから食み出た自己粘着層の余剰部をカットして板体用固定治具を製造した。支持フレームは、外径２５０ｍｍ、内径２２５ｍｍの大きさのリングとした。また、自己粘着層は１０％伸ばして貼着した。

次に、平滑なステージに両面が鏡面加工された１００μｍの厚さを有する６インチの半導体ウェーハを配置し、この半導体ウェーハに板体用固定治具の自己粘着層を圧接して仮密着し、真空槽にセットして減圧することにより、板体用固定治具の自己粘着層に半導体ウェーハを搭載保持させた。この板体用固定治具を上下逆にしたり、軽くゆらしたが、自己粘着層から半導体ウェーハが落下することはなかった。

次いで、板体用固定治具の半導体ウェーハにチップ部品とＤＡＦ材とを積層して２００℃の加熱炉に１時間投入した後、室温に戻して３０分放置し、半導体ウェーハの温度を室温に低下させた。そしてその後、吸着ステージに板体用固定治具の半導体ウェーハを吸着固定し、半導体ウェーハの周縁部に沿うよう自己粘着層をカットし、支持フレームから自己粘着層を除去したところ、自己粘着層が収縮して半導体ウェーハから離れ、半導体ウェーハを簡単に取り外すことができた。

本発明に係る板体用固定治具の実施形態における使用状態を模式的に示す説明図である。 本発明に係る板体用固定治具の実施形態を模式的に示す部分断面説明図である。 本発明に係る板体用固定治具の第２の実施形態を模式的に示す部分断面説明図である。 本発明に係る板体用固定治具の第３の実施形態を模式的に示す部分断面説明図である。

符号の説明

１ 半導体ウェーハ（板体）
２ 電子部品
１０ 自己粘着層
２０ 支持フレーム
２１ 支持板
２２ ガイドレール
２３ フレーム
２４ 上下動板
３０ 半田リフロー装置

Claims (1)

1. 板体を着脱自在に搭載する伸縮性の自己粘着層と、この自己粘着層を支持して延伸し、自己粘着層を緊張させて板体を保持させる支持フレームとを備えた板体用固定治具であって、
   板体を、半田が塗布されて半田リフロー装置に投入されるφ２００ｍｍ、φ３００ｍｍ、あるいはφ４５０ｍｍの半導体ウェーハとしてその厚さを２５μｍ〜５０μｍの範囲とし、
   支持フレームは、耐熱性を有する支持板と、この支持板上に取り付けられて自己粘着層の周縁部を支持する一対のフレームとを含み、支持板上に、間隔をおいて相対向する一対のガイドレールを対設し、各ガイドレールにフレームをスライド可能に嵌合し、一対のフレームを自己粘着層の延伸方向と延伸解除方向との間で水平にスライド可能としたことを特徴とする板体用固定治具。

Images