JP5672072B2 - 半導体装置の製造方法とその方法で製造された半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、接着金属により部品を所定位置に固定する工程を含む半導体装置の製造方法と当該製造方法により製造された半導体装置に関する。

特許文献１には、金を用いて部品をパッケージに固定する技術が開示されている。この技術は、パッケージと部品で金を挟んだ状態で部品を多方向にスクラブ動作させ、金を介して部品をパッケージに固定するものである。

特開昭５８−３３８４６号公報 特開平８−１３９１１３号公報 特開２００３−３７１２２号公報 特開２００６−２８６９４３号公報 特開昭６３−１３１５５５号公報

部品の高密度実装の観点から、部品はパッケージの所定位置にずれなく固定されることが望ましい。しかしながら特許文献１に開示される多方向のスクラブ動作を行うと、部品がパッケージの所定位置とずれた場所に固定されることがあった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、スクラブ動作を用いて部品を所定位置にずれなく固定できる半導体装置の製造方法とその方法で製造された半導体装置を提供することを目的とする。

本願の発明に係る半導体装置の製造方法は、平板状の第１部品を吸着コレットに吸着させる工程と、平板状の第２部品の上面に接着金属を配置する工程と、該第１部品を吸着した状態で該吸着コレットを移動させ、該接着金属に該第１部品をのせる工程と、該第１部品と該吸着コレットが接した状態で、該第１部品と該第２部品の間の距離が増減する方向にのみ該吸着コレットをスクラブ動作させ、該接着金属を介して該第１部品を該第２部品に固定する固定工程と、を備えたことを特徴とする。

本願の発明に係る半導体装置は、前述の方法であって、該第２部品はパッケージにのせられており該固定工程では該第２部品の下面と該パッケージ表面が該接着金属と同じ材料で固定される方法で製造された半導体装置であって、該パッケージには溝が形成され、該第２部品は該溝の底面に固定され、該溝の壁面と、該第１部品及び該第２部品の距離は１００μｍ以下であることを特徴とする。

本願の発明に係る半導体装置は、前述の方法と同じ方法により製造された半導体装置であって、該パッケージには壁が形成され、該壁と該第１部品及び該第２部品の距離は１００μｍ以下であることを特徴とする。

本願の発明に係る半導体装置は、前述の方法と同じ方法により製造された半導体装置であって、該第２部品の面積は該第１部品の面積以下であることを特徴とする。

本発明によれば、部品と他の部品の間の距離が増減する方向にのみ吸着コレットをスクラブ動作するため、部品を所定位置にずれなく固定できる

本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。 吸着コレットで半導体素子を吸着したことを示す図である。 半導体素子を吸着した状態で吸着コレットを移動させることを示す図である。 接着金属に半導体素子がのせられたことを示す図である。 吸着コレットのスクラブ動作を示す図である。 スクラブ動作を行う時間（スクラブタイム）と吸着コレット高さの関係を示す図である。 ３箇所に接着金属を配置した例を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体装置を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体装置の変形例を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体装置を示す図である。 本発明の実施の形態３の半導体装置の変形例を示す図である。 ペルチエ素子を示す図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法では、まず吸着コレット（以後、単にコレットという）で半導体素子を吸着する（ステップ１０）。ステップ１０は図２を参照して説明する。図２はコレットで半導体素子を吸着したことを示す図である。コレット３０は吸気管３０ａ、吸気口３０ｂ、及び吸気口３０ｂが形成された平面３０ｃを備えている。そして、吸気管３０ａの内部を矢印方向に吸気して平面３０ｃに平板状の半導体素子３２を吸着させている。

次いで、平板状の中継基板の上面に接着金属をのせる（ステップ１２）次いで、接着金属上に半導体素子をのせる（ステップ１４）。ステップ１４は図３と図４を参照して説明する。図３は半導体素子３２を吸着した状態でコレット３０を移動させることを示す図である。コレット３０は、半導体素子３２を中継基板４２上面の接着金属４０にのせるように移動する。接着金属４０はＳｎＡｇはんだで形成されている。

前述の中継基板４２はパッケージ４６にのせられている。すなわち、中継基板４２は、中継基板４２の下面の接着金属４４を介してパッケージ４６に接している。接着金属４４もＳｎＡｇはんだで形成されている。図４はステップ１４を終えて接着金属４０に半導体素子３２がのせられたことを示す図である。この段階では接着金属４０と４４は前述の場所に配置されているだけであり、接合を担っていない。

次いで、接着金属４０及び４４を加熱した上でコレット３０をスクラブ動作させる（ステップ１６）。この加熱は、接着金属４０及び４４が融点に達しこれらが溶融する温度である２８０℃まで昇温するものである。接着金属４０の加熱により、これと接する半導体素子３２も加熱される。そして、接着金属４０及び４４を溶融させた上でコレット３０をスクラブ動作させる。スクラブ動作は接着金属４０及び４４の表面酸化膜を除去して接着金属４０及び４４により各部品を接合するために行われる。図５はコレットのスクラブ動作を示す図である。図５に２本の矢印で示すように、半導体素子３２と中継基板４２の間の距離が増減する方向にのみコレット３０をスクラブ動作させる。

スクラブ動作の詳細について図６を参照して説明する。図６はスクラブ動作を行う時間（スクラブタイム）とコレット高さの関係を示す図である。コレット高さとは図５においてＬで表されるコレット３０からパッケージ４６までの距離である。図６から分かるように、スクラブ動作はコレット３０とパッケージ４６と間の距離を徐々に減じるように行われる。ここで、スクラブ動作で変形するのは接着金属４０と４４であるため、スクラブ動作を行うと半導体素子３２と中継基板４２の間の距離及び中継基板４２とパッケージ４６の間の距離が増減する。そして、スクラブ動作を進めるほど半導体素子３２と中継基板４２の間の距離及び中継基板４２とパッケージ４６の間の距離が縮まる。このようなスクラブ動作により、接着金属４０を介して半導体素子３２が中継基板４２に固定され、また、接着金属４４を介して中継基板４２がパッケージ４６に固定される。なお、ステップ１６を固定工程と称する。

スクラブ動作後には、コレット３０を退避して処理を終了する（ステップ１８）。本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法は上述の各工程を備えている。

本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法によれば、コレットは半導体素子３２と中継基板４２の距離が増減する方向にのみスクラブ動作する。よって、半導体素子を中継基板４２の所定位置に位置ずれなく固定できる。また、中継基板４２をパッケージ４６の所定位置に位置ずれなく固定できる。

半導体素子３２と中継基板４２の間の距離が増減する方向にのみコレット３０をスクラブ動作させると、スクラブ動作の初期において接着金属が半導体素子の外にはみ出す懸念がある。接着金属が半導体素子の外にはみ出すと半導体素子と中継基板の間の接着金属が不足し接合強度不足となることがある。ところが、本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法によれば、スクラブ動作はコレット３０とパッケージ４６と間の距離を徐々に減じるように行われる。つまり半導体素子３２と中継基板４２との間の距離が徐々に減じられるようにスクラブ動作が実施されるので、接着金属４０の半導体素子３２外へのはみ出しを抑制でき、半導体素子３２の裏面全体に接着金属４０をつけることができる。なお、接着金属４０が半導体素子３２外へはみ出すことを抑制するためには１周期のスクラブ動作でコレットが動く距離を小さくすることが望ましい。

半導体素子の温度が低い状態でスクラブ動作を開始すると、接着金属の濡れが悪く半導体素子に対し均一に接着金属を接合できない場合があった。ところが、本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法によれば、半導体素子を加熱した上でスクラブ動作を行う。これにより半導体素子３２の裏面に均一に接着金属４０を接合できる。

スクラブ動作時にコレットを多方向（上下左右）に動作させる場合は、コレットから半導体素子が脱落しないようにコレットに半導体素子ガイド用凸部を設ける必要があった。またこの凸部は半導体素子のサイズ毎に形成場所が異なるので、半導体素子のサイズごとに固有の吸着用コレットを準備する必要があった。ところが、本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法では、スクラブ動作時に半導体素子がコレットからずれることはないため、コレットに凸部を設ける必要はない。よって、コレットの半導体素子と接する面を吸気口が形成された「平面」として、コレットの構成を簡略化できる。

本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法では、同一組成の接着金属４０及び４４を用いて１回のスクラブ動作により半導体素子３２と中継基板４２の接合、及び中継基板４２とパッケージ４６の接合を行う。このように同一組成の接着金属４０及び４４を用いて必要な接合を一括して行うことにより半導体装置の製造時間を短縮できる。本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法では接着金属４０及び４４を用いたが、更に多くの接着金属を用いてもよい。図７は３箇所に接着金属を配置した例を示す図である。具体的には、接着金属４０と中継基板４２の間に、新たな中継基板５２及び接着金属５０が形成されている。このように部品を多段構成すると部品の位置すれが懸念されるが、本発明のスクラブ動作によれば位置ずれの心配はないので、一括して必要な接合を実施できる。

本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法では、半導体素子３２と中継基板４２をパッケージ４６に接合することとしたが本発明はこれに限定されない。接着金属による接合の対象は、パッケージに直接又は間接に接合すべき部品であれば特に限定されない。

本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法では、接着金属を加熱した上でスクラブ動作を行うこととしたが本発明はこれに限定されない。常温でスクラブ動作を行っても半導体素子の裏面に均一に接着金属を接合できる場合は、当該加熱は必要ない。

本発明の実施の形態１に係る接着金属はＳｎＡｇはんだに限定されない。たとえば、融点が２３０℃程度のＳｎＡｇＣｕはんだなどの他の材料を用いてもよい。

接着金属の厚みが一定のばらつきを有していることがある。そこで、接着金属上に半導体素子をのせる工程（ステップ１４）にて接着金属４０と半導体素子３２が接触したことをセンサーで検知することとしてもよい。そして、固定工程は当該センサーで接着金属４０と半導体素子３２が接したことを確認した後に実施する。こうすると、接着金属４０と半導体素子３２との間に隙間が生じて半導体素子３２が十分加熱されない弊害を回避できる。

実施の形態２．
図８は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置を示す図である。実施の形態１において説明済みの部品については同一符号を付して繰り返しの説明を省略する（以後同じ）。パッケージ１００には溝１００ａが形成されている。溝１００ａはパッケージに固定される部品の位置決めを行うために設けられている。そして溝１００ａの底面に接着金属４４を介して中継基板４２が固定されている。溝１００ａの壁面と、半導体素子３２及び中継基板４２からなる構造との距離は１００μｍ以下である。このように構成された半導体装置は、実施の形態１に係る半導体装置の製造方法により形成されたものである。

パッケージの溝の底面に部品を接合する場合は、スクラブ動作時の部品のスクラブを考慮して溝の壁面と部品との間に１００μｍより大きい距離を確保しなければならなかった。そのため部品の高密度実装ができなかった。ところが本発明は半導体素子３２と中継基板４２の間の距離が増減する方向にのみスクラブ動作を行うので、パッケージに接合する部品と溝の側面との間の距離を大きくとる必要はない。よって、部品との距離が１００μｍ以下となる幅の狭い溝の底面に部品を接合して、高密度実装ができる。

図９は本発明の実施の形態２に係る半導体装置の変形例を示す図である。この半導体装置のパッケージ１０２には壁１０２ａが形成されている。パッケージ１０２に固定された部品は、壁１０２ａと１００μｍ以下の距離を有している。本発明の実施の形態２に係る半導体装置では、スクラブ動作のためにパッケージに接合する部品と壁との間の距離を大きくとる必要はない。よって部品を壁１０２ａに近接して接合して、高密度実装ができる。なお、パッケージに接合する部品と他の部品との間の距離も、同じ理由で短くできることはいうまでもない。その他、少なくとも実施の形態１と同程度の変形は可能である。

実施の形態３．
図１０は、本発明の実施の形態３に係る半導体装置を示す図である。この半導体装置はパッケージ２００に壁２００ａ及び２００ｂが形成されている。そして、２つの壁の間には接着金属２０２を介して中継基板２０４が接合されている。中継基板２０４の上には接着金属２０６を介して半導体素子２０８が接合されている。半導体素子２０８は中継基板２０４と面積が同じであり、両者は重なるように配置されている。

スクラブ動作を多方向に行う場合、半導体素子が中継基板に対してずれることがあるので、スクラブ動作後の位置ずれ有無のチェックが必須であった。特に、中継基板及び半導体素子に電極配線が形成され、両方の電極配線を重ね合わせる必要がある場合にはこのチェックが必須である。このチェックは目視又は電気測定によって行われる。

目視チェックする場合には半導体素子の面積は中継基板の面積よりも小さくなければならなかった。ところが、上述した本発明のスクラブ動作を採用すれば半導体素子が中継基板に対してずれることはないので、スクラブ動作後の位置ずれチェックは不要である。よって、半導体素子と中継基板の面積を同じにして高密度実装ができる。また、位置ずれチェックが不要なので工程を簡略にできる。

本発明の実施の形態３に係る半導体装置では、半導体素子２０８の面積と中継基板２０４の面積を一致させたが本発明はこれに限定されない。たとえば、中継基板の面積を半導体素子の面積より小さくしてもよい。図１１は本発明の実施の形態３の半導体装置の変形例を示す図である。パッケージ２２０に接着金属２２２を介してヒートシンク２２４が接合されている。ヒートシンク２２４の上には接着金属２２６を介して半導体素子２２８が接合されている。ヒートシンク２２４の面積は半導体素子２２８の面積よりも小さい。

半導体素子２２８が大型で高放熱性が要求される場合はヒートシンクが必要となる。ところが前述のように位置ずれチェックのためにヒートシンクの面積を半導体素子の面積よりも大きくしなければならないとヒートシンクが大型化しその分コスト高になる。しかしながら、本発明の半導体装置の製造方法ではスクラブ動作後の位置ずれチェックは不要のため、ヒートシンク２２４の面積を半導体素子２２８の面積より小さくして、低コスト化できる。また、本発明のスクラブ動作により半導体素子の所定位置に位置ずれなくヒートシンクを接合できるので設計どおりの放熱性を実現できる。

ところでパッケージ内の温度を制御する場合、半導体素子としてペルチエ素子を用いることがある。図１２はペルチエ素子を示す図である。ペルチエ素子２３０は２枚の金属板２３２と２３４、及びこれらに挟まれた半導体２３６を備えている。ペルチエ素子２３０にスクラブ動作を与え、所望位置に接合しようとする場合、特に横方向のスクラブ動作（図１２に矢印で示す方向）を与えるとペルチエ素子２３０が劣化することがあった。ところが本発明のように部品間の距離が増減する方向にのみスクラブ動作を与えると、横方向のスクラブ動作は無くなりペルチエ素子２３０の劣化を抑制できる。このように本発明によれば、機械強度の弱い半導体素子もスクラブ動作により所望の位置に接合できる。その他、少なくとも実施の形態１と同程度の変形は可能である。

３０ 吸着コレット、 ３２ 半導体素子、 ４０，４４ 接着金属、 ４２ 中継基板、 ４６ パッケージ

Claims (11)

1. 平板状の第１部品を吸着コレットに吸着させる工程と、
   平板状の第２部品の上面に接着金属を配置する工程と、
   前記第１部品を吸着した状態で前記吸着コレットを移動させ、前記接着金属に前記第１部品をのせる工程と、
   前記第１部品と前記吸着コレットが接した状態で、前記第１部品と前記第２部品の間の距離が増減する方向にのみ前記吸着コレットをスクラブ動作させ、前記接着金属を介して前記第１部品を前記第２部品に固定する固定工程と、を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記吸着コレットは吸気管の吸気口が形成された平面を有し、
   前記平面が前記第１部品と接することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記第２部品はパッケージにのせられており、
   前記固定工程では、前記第２部品の下面と前記パッケージ表面が前記接着金属と同じ材料で固定されることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記スクラブ動作は、前記第１部品と前記第２部品の間の距離を徐々に減じるように行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記固定工程では、前記第１部品と前記接着金属を加熱した上で前記スクラブ動作を行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記第１部品をのせる工程では前記第１部品が前記接着金属と接したことをセンサーで検知し、
   前記固定工程は、前記センサーで前記第１部品と前記接着金属が接したことを確認した後に実施することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
7. 前記接着金属はＳｎＡｇはんだ又はＳｎＡｇＣｕはんだであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
8. 前記第１部品はペルチエ素子であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
9. 請求項３に記載の製造方法で製造された半導体装置であって、
   前記パッケージには溝が形成され、
   前記第２部品は前記溝の底面に固定され、
   前記溝の壁面と、前記第１部品及び前記第２部品の距離は１００μｍ以下であることを特徴とする半導体装置。
10. 請求項３に記載の製造方法で製造された半導体装置であって、
    前記パッケージには壁が形成され、
    前記壁と前記第１部品及び前記第２部品の距離は１００μｍ以下であることを特徴とする半導体装置。
11. 請求項３に記載の製造方法で製造された半導体装置であって、
    前記第２部品の面積は前記第１部品の面積以下であることを特徴とする半導体装置。

Images