JP5356358B2 - 半導体チップ接着装置及び接着方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱硬化性の接着シートを介して半導体チップを基板に接着するための半導体チップ接着装置及び接着方法に関する。

一般に、回路が形成された半導体ウエハ（以下、「ウエハ」という）をダイシング工程で個々の半導体チップ（以下、「チップ」という）に切断した後、ダイボンディング工程等において各チップを配線パターンを有する基板の所定の位置、つまり、電極箇所に接着することが行われている。このようにチップを基板にダイボンディングする場合、その前工程で熱硬化性の接着シートがウエハ裏面に予め貼付される。

熱硬化性の接着シートを貼付する方法は特許文献１で知られている。この特許文献１記載のものでは、接着シートとカバーシートとを重ね合わせた状態の原シートをウエハの裏面に貼付する。次に、ウエハに貼付された原シートをウエハの周縁に沿って切断した後、原シートを所定温度に加熱して接着シートを接着する。そして、上記のようにダイシング工程で切断された各チップからカバーシートを剥離し、チップ裏面に接着シートのみが接着された状態とする。そして、チップが基板に仮着され、この状態で所定の温度に加熱され、接着シートの接着剤が硬化することによって接着が行われる。

特開２００３−２５７８９８号公報

上記特許文献１記載のものでは、ウエハに接着シートを貼付するときに、ローラを介して接着シートを湾曲させることによって、ウエハとの間の空気を外方へ追い出しつつ接着が行われる。このため、ウエハと接着シートとの間には気泡が混入することなく貼付が行える。然し、カバーシートを剥離した各チップを基板に仮着するときには、前記と同様にチップを湾曲させて接着することができないため、接着シートと基板との間に気泡が混入してしまう。この気泡は、加熱によって完全接着させた後も消失せずに残るため、接着シートと基板との接着面積が小さくなってしまい、接着力が不足し、接着されたチップが外れてしまうという不具合が発生する。なお、本発明において、接着シートの完全接着とは、接着シートが熱によって硬化を完了した状態のことを意味し、仮着とは硬化完了前の状態のことをいう（以降同様）。

そこで、本発明の課題は、上記点に鑑み、気泡が混入したままの状態にすることなく、熱硬化性の接着シートを介してチップを基板に確実に接着できる半導体チップ接着装置及び接着方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１記載の半導体チップ接着装置は、基板上に熱硬化性の接着シートを介して半導体チップが仮着された接着対象物を加熱して接着する半導体チップ接着装置において、加熱手段を含む加熱炉と、前記加熱炉内に所定のガスの供給を行って当該加熱炉内全体を加圧する加圧手段と、前記加熱炉内で少なくとも前記接着対象物を囲うように配置された導風手段と、前記加熱手段により加熱された前記加熱炉内のガスを前記接着対象物方向に導く送風手段とを有し、前記導風手段の内側が前記加熱されたガスの順風路を形成するとともに、前記導風手段の外側と加熱炉の内壁とで接着対象物を通過したガスを前記送風手段方向に導く逆風路を形成することを特徴とする。

なお、排気手段の開放状態とは、所定のガスの供給を行うことによって加熱炉内に残留するガス成分が加熱炉外に排出される状態、又は前記ガス成分が真空ポンプなどにより強制的に加熱炉外に排出される状態をいい、他方で、排気手段の閉鎖状態とは、加熱炉内からのガスの排出が停止された状態をいう（以降同様）。

本発明において、前記接着対象物を通過したガスを前記逆風路に導く導風補助手段が設けられた構成としてもよい。

上記課題を解決するために、請求項３記載の半導体チップ接着方法は、請求項１または請求項２記載の半導体チップ接着装置を用いて、基板上に熱硬化性の接着シートを介して半導体チップが仮着された接着対象物を加熱して接着する半導体チップ接着方法であって、前記接着対象物を加熱炉内の導風手段内側に収納し、加熱炉内全体を所定の圧力に加圧する工程と、加熱炉内のガスを加熱し、この加熱されたガスを前記導風手段内の接着対象物に導いて当該接着対象物を所定の温度に加熱する工程とを含む、ことを特徴とする。

本発明の半導体チップ接着装置においては、仮着時に接着シートと基板との間に気泡が混入していたとしても、加圧することによってその気泡は接着シートの接着剤層に分散して取り込まれて消失する。この状態で、加熱炉内を所定温度に加熱することで、熱硬化性の接着シートが硬化してチップが基板に完全に接着される。これにより、接着シートの接着面積が不足することに起因した接着力の低下を防止し、接着されたチップが外れてしまうという不具合を解消し、信頼性の高い半導体チップ接着装置を提供することができる。

また、導風手段と送風手段を備える構成を採用することで、送風手段から送られたガスが加熱手段を通過する際に加熱され、この加熱されたガスが接着対象物の周辺を通り抜けるように導かれ、更に、逆風路を通って送風手段に戻るように導かれる。このようなガスの流れをつくることで、加熱炉内の温度分布のばらつきをなくすことができ、より確実な接着が可能となる。

更に、導風補助手段を設けた構成を採用すれば、順風路を通り抜けたガスが効率よく逆風路に導かれるため、より一層加熱炉内の温度分布のばらつきをなくすことができる。

本発明の半導体チップ接着装置の概略断面図。 図１のＡ−Ａ線に沿った断面図。 基板に接着シートを介して半導体チップが仮着された接着対象物の半導体チップ接着装置への配置を説明する図。 本発明の半導体チップの接着方法を実施した後の接着対象物を示す拡大断面図。

図１を参照して、１は、熱硬化性の接着シートＳを介してチップＣが仮着された基板としての基板ＣＢ（図３参照）を完全に接着するための本実施の形態の半導体チップ接着装置である。

前記半導体チップ接着装置１は、外装ケース１１を具備し、その左側面には開口部１２が形成され、この開口部１２を開閉する開閉扉１３が装着されている。外装ケース１１内には、一側面を開口したベルジャ型の加熱炉１４が配置され、開閉扉１３を閉じると、加熱炉１４が密閉されるようになっている。本実施の形態の場合、配線パターンを有する基板ＣＢの所定の位置に熱硬化性の接着シートＳを介してチップＣが仮着されたものを接着対象物Ｄとし、基板マガジンＭに前記接着対象物Ｄの複数枚を所定の間隔を置いて収納し、この基板マガジンＭの複数個をマガジンラックＬに収納したものが加熱炉１４内に設置されるようになっている（図３参照）。

加熱炉１４内には、当該加熱炉１４の長手方向に沿って延びる導風手段を構成する筒状部材１５が設けられ、この筒状部材１５の内部が円筒状の順風路１６を形成するとともに、加熱炉１４の内壁との間で環状の逆風路１７を形成する。筒状部材１５の右側には加熱手段１８が取り付けられている。加熱手段１８は、コイル状のフィラメント１９によって構成され（図２参照）、図示しない電源によってフィラメント１９に所定の電流を流すことで発熱する。また、筒状部材１５内には、その筒状部材１５の中心から下側にオフセットさせて２本の支持レール２０が設けられ、各支持レール２０により、前記マガジンラックＬが所定の位置で水平に保持されるようになっている。

加熱炉１４の右側には送風手段２１が取り付けられている。この送風手段２１は、加熱炉１４の内壁と筒状部材１５の右端部との間の空間に位置するプロペラ式の回転羽根２２と、この回転羽根２２を駆動するモータ２３とから構成されている。そして、モータ２３を駆動して回転羽根２２を回転させると、筒状部材１５内の順風路１６を通って開閉扉１３に向かうガスの流れが生じるようになっている。

開閉扉１３の内面には、開口部１２に対向させて、相互に連続するくぼみ部２４が形成されている。くぼみ部２４は、前記順風路１６を通過してきたガスがこのくぼみ部２４に衝突して反射し、効率よく逆風路１７に向かって流れるように設計されており、くぼみ部２４が導風補助手段を構成する。

上記構成により、送風手段２１から送られたガスが加熱手段１８を通過する際に加熱され、この加熱されたガスが順風路１６を通り抜け、くぼみ部２４で反射して逆風路１７に導かれ、逆風路１７を通って送風手段２１に戻るようになる。このようなガスの流れをつくることで、加熱炉１４内の温度分布のばらつきをなくすことができ、接着剤を均一に硬化させ確実な接着ができる。

また、加熱炉１４には、図示しない加圧ポンプに接続され、窒素ガスを供給する供給管２５と当該窒素ガスの出入を調整する供給バルブ２６とにより構成された加圧手段２７と、加熱炉１４内のガスを排出する排気管２８と当該ガスの出入を調整する排気バルブ２９とにより構成された排気手段３０とがそれぞれ接続されている。このような構成により、排気バルブ２９を開放状態とし、窒素ガスを供給することで加熱炉１４内を窒素ガス雰囲気に置換することができる。なお、加圧手段２７から供給されるガスは、窒素ガスの他にアルゴンガス、ヘリウムガス等の不活性ガスを採用することができ、加熱炉１４の開閉扉１３を開放することによって、当該加熱炉１４内に残留するガス成分の影響を受けて、基板ＣＢ、接着シートＳの接着剤やチップＣが酸化等の化学変化することを防止することができる。

更に、加熱炉１４には、その内部の所定ガスの濃度を検知するガス濃度検知手段としての窒素濃度センサ３１が設けられている。これにより、上述の窒素ガス雰囲気に置換された否かの判断基準とすることができ、窒素ガス濃度が所定値に達したことを検知して前記排気バルブ２９を閉鎖するように構成されている。

また、加熱炉１４の内部には、当該加熱炉１４内の圧力を検知する圧力検知手段としての圧力センサ３２と、当該加熱炉１４内の温度を検知する温度検知手段としての温度センサ３３とが設けられている。これら圧力センサ３２、温度センサ３３及び前記窒素濃度センサ３１によって検知されたデータは図示しない制御手段に出力され、当該出力されたデータを入力として制御手段が供給バルブ２６や、排気バルブ２９等を統括的にコントロールする。

次に、上記半導体チップ接着装置１を用いて、基板ＣＢにチップＣを接着する動作を説明する。

チップＣが熱硬化性の接着シートＳを介して基板ＣＢの所定の位置に仮着された接着対象物Ｄを複数枚基板マガジンＭに収納した後、この基板マガジンＭの複数個をマガジンラックＬに収納する。そして、開閉扉１３を開け、支持レール２０上を摺動させて加熱炉１４内の所定の位置に当該マガジンラックＬを配置する。

次いで、開閉扉１３を閉じて加熱炉１４を密閉した後、供給バルブ２６を開放状態として加熱炉１４内に窒素ガスを一定の流量で導入するとともに、排気バルブ２９を開放し、加熱炉１４内に残留する大気中に含まれるガスを排出していく。そして、窒素濃度センサ３１によって加熱炉１４内の窒素濃度が所定の値に達したことを検知して、図示しない制御手段によって、加熱炉１４内が窒素雰囲気に置換されたと判断する。

次いで、排気バルブ２９が閉鎖され、窒素ガスによる加熱炉１４内の加圧が開始されることとなる。そして、圧力センサ３２によって当該加熱炉１４内が所定圧力となったことを検知して、その所定圧力を維持するとともに、加熱手段１８が加熱を開始する。ここで、加熱炉１４内が加圧状態になると、前記気泡Ｂが、接着シートＳの接着剤層内に分散して取込まれて消失する。加圧中は、加熱炉１４内に設けられた圧力センサ３２により当該加熱炉１４内の圧力が管理される。これにより、圧力の過不足が発生した場合でも、図示しない制御手段が供給バルブ２６、排気バルブ２９を駆使して加熱炉１４内が所定の圧力に保たれるように制御される。

次いで、加熱手段１８が作動されるとともに、モータ２３が駆動されて回転羽根２２を回転させると、回転羽根２２により送られたガスが筒状部材１５内の順風路１６を通り抜け、加熱手段１８を通過する際に加熱されてマガジンラックＬや基板マガジンＭの隙間を通過する。そして、開閉扉１３に衝突したガスは、くぼみ部２４によって反射して逆風路１７に導かれ、当該逆風路１７を通って回転羽根２２まで戻るガスの流れがつくられる。これにより、加熱炉１４内の温度分布のばらつきをなくして確実な接着を行うことができる。なお、加熱中は、加熱炉１４内に設けられた温度センサ３３により当該加熱炉１４内の温度が管理される。これにより、温度の過不足が発生した場合でも、図示しない制御手段が加熱手段１８を制御して加熱炉１４内が所定の温度に保たれるようになっている。

上記のように、加熱炉１４内の圧力と温度が所定値になると、圧力センサ３２、温度センサ３３の管理の下所定時間維持されることになる。これにより、図３に示されるような気泡Ｂは、接着シートＳの接着剤層に分散して取込まれて消失し、接着シートＳが硬化して基板ＣＢにチップＣが完全に接着される（図４参照）。

上記のような状態で、所定時間が経過すると、加熱手段１８及びモータ２３の作動を停止する。そして、供給バルブ２６は閉鎖され、排気バルブ２９が開放されることによって、加熱炉１４内が大気圧状態となる。この状態で、所定時間冷却した後、開閉扉１３を開けてマガジンラックＬを加熱炉１４から取り出す。

上記のようにチップＣを接着すれば、接着シートＳと基板ＣＢとの間に気泡が存在しない状態で接着シートＳが完全に接着されるため、接着シートＳ本来の接着力でチップＣが基板ＣＢに接着することができる。また、加熱炉１４内の窒素濃度を所定値に達した上で、加熱炉１４内の加圧及び加熱が行われるように構成したため、基板ＣＢ、チップＣや接着シートＳの接着剤層がガス成分の影響を受けて酸化等の化学変化することを防止できる。

以上のように発明を実施するための最良の形態を説明したが、本発明はこれに限定されることはない。

例えば、加熱手段１８は、フィラメント１９以外に加熱炉１４内を加熱できるものであれば他のものでも採用することができる。

また、ガス濃度検知手段を窒素濃度センサ３１としたが、加圧に使用されるガスの種類によって種々の変更を行うことができる。また、排気されるべきガス成分の濃度を検出するセンサを採用することもできる。この場合、例えば、酸素濃度センサを使用し、排気手段３０から排気されるガス中の酸素濃度が所定値以下に下がったことを検出して排気バルブ２９等の制御を行うようにすればよい。

更に、圧力検知手段、温度検知手段は、公知の検知機器を採用できる。

また、導風補助手段は、上記実施例に挙げた形状以外に、順風炉１６から逆風路１７にスムーズに向かう形状であれば限定されることはない。

更に、加熱炉１４内の気密性をよくするために、開閉扉１３と加熱炉１４との間にパッキン材を設けてもよい。このようなパッキン材としては、シリコーン樹脂、ウレタン、フッ素ゴム等の気密性を維持できるものであれば採用出来る。

また、本発明の半導体チップ接着装置１は、接着シートの代りにペースト接着剤での接着にも適用できる。

１ 半導体チップ接着装置
１４ 加熱炉
１５ 筒状部材（導風手段）
１６ 順風路
１７ 逆風路
１８ 加熱手段
２１ 送風手段
２４ くぼみ部（導風補助手段）
２７ 加圧手段
３０ 排気手段
３１ 窒素濃度センサ（ガス濃度検知手段）
３２ 圧力センサ（圧力検知手段）
３３ 温度センサ（温度検知手段）
Ｃ チップ
ＣＢ 基板
Ｄ 接着対象物
Ｓ 接着シート

Claims (3)

1. 基板上に熱硬化性の接着シートを介して半導体チップが仮着された接着対象物を加熱して接着する半導体チップ接着装置において、
   加熱手段を含む加熱炉と、
   前記加熱炉内に所定のガスの供給を行って当該加熱炉内全体を加圧する加圧手段と、
   前記加熱炉内で少なくとも前記接着対象物を囲うように配置された導風手段と、
   前記加熱手段により加熱された前記加熱炉内のガスを前記接着対象物方向に導く送風手段とを有し、
   前記導風手段の内側が前記加熱されたガスの順風路を形成するとともに、前記導風手段の外側と加熱炉の内壁とで接着対象物を通過したガスを前記送風手段方向に導く逆風路を形成することを特徴とする半導体チップ接着装置。
   
2. 前記接着対象物を通過したガスを前記逆風路に導く導風補助手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体チップ接着装置。
3. 請求項１または請求項２記載の半導体チップ接着装置を用いて、基板上に熱硬化性の接着シートを介して半導体チップが仮着された接着対象物を加熱して接着する半導体チップ接着方法であって、
   前記接着対象物を加熱炉内の導風手段内側に収納し、加熱炉内全体を所定の圧力に加圧する工程と、加熱炉内のガスを加熱し、この加熱されたガスを前記導風手段内の接着対象物に導いて当該接着対象物を所定の温度に加熱する工程とを含む、ことを特徴とする半導体チップ接着方法。
   

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