JP5892685B2 - 圧着装置および圧着方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧着装置および圧着方法に関し、特に、積層された複数の部材を含むワークをクランプして、各部材を圧着する圧着装置および圧着方法に適用して有効な技術に関する。

特開２０００−１００８３７号公報（特許文献１）には、複数の半導体チップを一連のリードフレームに実装する装置において、半導体チップを順次一個ずつリードフレームに仮熱圧着し、仮熱圧着された複数の半導体チップをリードフレームに一括で本熱圧着する技術が開示されている。

特開２０００−１００８３７号公報

電子部品（例えば半導体チップ）を基板（例えば配線基板）に実装する場合、電子部品の接続端子（例えば接続バンプ）と基板の接続端子（例えば接続パッド）は、確実に電気的に接続されている必要がある。また、接続端子間を保護し、電気的に分離するために、電子部品と基板との間には絶縁樹脂（例えば接着層）を設けて接続信頼性を確保する場合もある。なお、接続バンプとしては、例えば、はんだバンプ、金バンプなどの金属バンプが用いられ、また、接続パッドとしては、例えば、銅またはその合金などの金属パッドが用いられる。また、接着層としては、例えば、ＮＣＦ（Non Conductive Film）やＮＣＰ（Non Conductive Paste）が用いられる。

例えば、接着層を介して配線基板上に複数の半導体チップが積層され、仮圧着（仮接合）されたワークに対して、配線基板と複数の半導体チップとを一括で本圧着（本接合）する場合、配線基板の接続パッドと電気的に接続される半導体チップの接続バンプを溶融するまで加熱した後、加圧する必要がある。

しかしながら、例えば、接続バンプが溶融するまでの時間より、接着層が硬化するまでの時間の方が短い場合には、接続バンプと接続パッドとが電気的に接続（接合）される前に接着層が硬化してしまい、接続不良（例えば接続端子間の未接続など）を起こすおそれがある。また、ワークに対する加熱時間が長くなると、接着層によっては予め混入している微細な空気が加熱により膨張あるいは発泡して、接続不良（例えば配線基板から半導体チップの剥離など）を引き起こすおそれもある。

本発明の目的は、積層された複数の部材の接続信頼性を向上することのできる技術を提供することにある。本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。本発明の一実施形態における圧着装置は、積層された複数の部材を含むワークをクランプして、各部材を圧着する圧着装置であって、前記ワークを挟み込んでクランプする上クランパ部および下クランパ部が対向して設けられ、前記上クランパ部は、冷却部および加熱部を有し、前記クランプ面に押し当てられた前記ワークを加熱するように前記冷却部および前記加熱部で温度調節を行い、前記下クランパ部は、支持ブロックおよび当該支持ブロックから起立して均等な間隔で平面配置された複数の支持ロッドを有して、前記複数の支持ロッドの先端で前記ワークをフローティング支持したまま前記上クランパ部の前記クランプ面に押し当てるものである。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、次のとおりである。この一実施形態によれば、積層された複数の部材の接続信頼性を向上することができる。

本発明の一実施形態における動作中の圧着装置を模式的に示す断面図である。 図１に続く動作中の圧着装置を模式的に示す断面図である。 図２に続く動作中の圧着装置を模式的に示す断面図である。 図１の圧着装置の温度調節機能を説明するための図である。 図１の圧着装置の要部の一例を模式的に示す平面図である。 本発明の一実施形態における製造工程中の半導体装置を模式的に示す断面図である。 図６に続く製造工程中の半導体装置を模式的に示す断面図である。 図７に続く製造工程中の半導体装置を模式的に示す断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

本実施形態における圧着装置は、積層された複数の部材を含むワークを、対向して設けられた上クランパ部および下クランパ部で挟み込んでクランプして、各部材を圧着する。

まず、本実施形態におけるワークについて図６〜図８を参照して説明する。図６〜図８にクランプ前からクランプ後の状態のワークＷの要部を示す。

ワークＷは、積層された複数の部材として、配線基板２上に半導体チップ３が積層されたものである。配線基板２上には複数の半導体チップ３が整列して設けられているが、図６〜図８では、説明を明解にするために、要部として配線基板２上の一つの半導体チップ３を示している。

図６に示すワークＷは、絶縁層８（例えばソルダレジスト）から露出する複数の接続パッド５（例えば銅パッド）と対応する複数の接続バンプ６（例えばはんだバンプ）とが位置合わせされて、配線基板２上に接着層４（例えばＮＣＦまたはＮＣＰ）を介して半導体チップ３が仮圧着（仮接合）された状態である。図７に示すワークＷは、対応する接続パッド５と接続バンプ６とが当接した状態である。図８に示すワークＷは、対応する接続パッド５と接続バンプ６とが電気的に接合（フリップチップ接合）されて、配線基板２上に接着層４を介して半導体チップ３が圧着された状態である。

次に、本実施形態における圧着装置を図１〜図３などを参照して説明する。図１〜図３に一連の動作状態の圧着装置１を示す。

圧着装置１は、上下方向（型開閉方向）に対向して設けられワークＷを挟み込む上型１１および下型１２を含んで構成されている。上型１１が可動プラテン１３の中央部に固定して組み付けられ、下型１２が固定プラテン１４の中央部に固定して組み付けられている。可動プラテン１３および固定プラテン１４は、それぞれの外周部で複数のタイバー１５によって接続され、例えば可動プラテン１３および固定プラテン１４が矩形板状であればその四隅で接続されている。また、固定プラテン１４はタイバー１５に固定され、可動プラテン１３はタイバー１５で摺動されるように構成されている。また、可動プラテン１３および固定プラテン１４は、互いに対向する面の平行度が保たれるように構成されている。なお、これら可動プラテン１３、固定プラテン１４およびタイバー１５で構成される筐体部はダイセットとも呼ばれる。

可動プラテン１３は、駆動部１９（例えば、シリンダ）により昇降可能（上下動可能）である。これにより、下型１２に対して上型１１が昇降可能となる。可動プラテン１３および固定プラテン１４の上下の位置関係により、上型１１および下型１２が離間して型開きした状態で、上型１１および下型１２の間にワークＷが供給（搬入）される（図１参照）。また、上型１１および下型１２が近接して型閉じした状態では、密閉空間１６（チャンバ）が形成される（図２、図３参照）。なお、可動プラテン１３および固定プラテン１４の互いに対向する面の平行度が保たれているので、上型１１および下型１２も、互いに対向する面の平行度が保たれるように構成される。

このような上型１１において、圧着装置１は、上クランパ部２７と、上シール部４２とを備えている。また、下型１２において、圧着装置１は、下クランパ部２８と、レベリング部２９と、押動ブロック３０（押動部）と、ガイド部２６と、下シール部４３とを備えている。さらに、圧着装置１は、上型１１および下型１２の外部に、圧力調節部４７を備えている。

上クランパ部２７および下クランパ部２８は、対向して設けられ、本実施形態では、上クランパ部２７に対して下クランパ部２８が昇降可能となるような構成とし、上クランパ部２７および下クランパ部２８でワークＷを挟み込んでクランプするものである。下クランパ部２８は、押動ブロック３０の下方に設けられたエアシリンダ等で構成される駆動部（図示せず）により昇降可能である。

上シール部４２および下シール部４３は、対向して設けられ、互いが当接して密閉空間１６（図２、図３参照）を形成するものである。この上シール部４２および下シール部４３は、上クランパ部２７および下クランパ部２８のそれぞれを内包して具備している。また、下シール部４３は、レベリング部２９、押動ブロック３０およびガイド部２６を内包して具備している。

押動ブロック３０は、上クランパ部２７に対して下クランパ部２８を昇降（上下動）する際に不図示の駆動部によって押し上げられる。また、レベリング部２９は、下クランパ部２８と押動ブロック３０との間に設けられ、後述するスペーサブロック２２の下面や上ベースブロック２１のクランプ面２７ａに対して下クランパ部２８のクランプ面２８ａを平行に維持しながらスムーズに昇降させるために設けられている。また、ガイド部２６は、下クランパ部２８が昇降する際のガイドをするものである。また、圧力調節部４７は、密閉空間１６内に充填される例えば圧縮空気の圧力を調節するものである。なお、押動ブロック３０、レベリング部２９およびガイド部２６を含む機構は、下クランパ部２８を平行に昇降させるので平行昇降機構ともいう。

これら上クランパ部２７、下クランパ部２８、上シール部４２、下シール部４３、レベリング部２９、押動ブロック３０、ガイド部２６、圧力調節部４７の詳細を説明する前に、まず、上型１１および下型１２の構成部材について概略する。

上型１１は、固定ブロック１７、複数のポスト１８（ポスト状のブロック）、上ベースブロック２１、スペーサブロック２２および上シールブロック２３を有している。これらブロックは、例えば合金工具鋼からなる。可動プラテン１３下には、固定ブロック１７が固定して組み付けられている。この固定ブロック１７下には、下方に起立するように複数のポスト１８が並べられて、固定して組み付けられている。この複数のポスト１８の先端面で、上ベースブロック２１が固定して組み付けられている。この上ベースブロック２１の下面側外周部には、貫通孔２３ａが形成された筒状の上シールブロック２３が固定して組み付けられている。また、この上ベースブロック２１の下面側中央部には、スペーサブロック２２が固定して組み付けられている。

また、下型１２は、下ベースブロック２４および下シールブロック２５を有している。これらブロックは、例えば合金工具鋼からなる。固定プラテン１４上には、貫通孔２４ａが形成された筒状の下ベースブロック２４が固定して組み付けられている。この下ベースブロック２４の上面側外周部には、貫通孔２４ａと連通し、それより内径の大きい貫通孔２５ａが形成された筒状の下シールブロック２５が固定して組み付けられている。なお、この下シールブロック２５の貫通孔２５ａ内に筒状のガイド部２６が同心状に嵌め込まれて下ベースブロック２４の上面内周側に固定して組み付けられている。

上クランパ部２７は、下クランパ部２８と共に、ワークＷを挟み込んでクランプ（加熱加圧）するものである。この上クランパ部２７は、上ベースブロック２１の中央部に設けられている。この上クランパ部２７は、上クランパ部２７のクランプ面２７ａ側から遠ざかる方向に複数の温度センサ３１、冷却部３２および加熱部３３がこの順に上ベースブロック２１に配設（内蔵）され、クランプしたワークＷ（図３参照）に対して温度調節を行うものである。すなわち、上クランパ部２７は、クランプしたワークＷに対して温度調節を行ために、クランプ面２７ａ側に設けられた冷却部３２と、クランプ面２７ａ側から冷却部３２より遠ざかって設けられた加熱部３３とを有する温度調節機構を備えている。このように、上クランパ部２７は、ワークＷに対して加熱加圧するものである。

本実施形態では、スペーサブロック２２がワークＷを直接クランプするが、上ベースブロック２１の中央部にクランプ面２７ａが形成されているものとして説明する。なぜならば、スペーサブロック２２は、ワークＷの厚さに応じて調整して設けられるものであり、ワークＷの厚さによっては不要な場合もあるからである。

上クランパ部２７が有する加熱部３３は、加熱能力を向上するために、上クランパ部２７のクランプ面２７ａと平行に延設（延在）する複数のヒータ３５を有している。ヒータ３５の加熱能力は、上ベースブロック２１などの部材が有する熱容量を考慮し、半導体チップ３の接続バンプ６（はんだ）を溶融する温度であって、かつ、接着層４（ＮＣＦまたはＮＣＰ）を加熱硬化する温度を、クランプしたワークＷに加えられることが必要である。本実施形態で用いるはんだの融点は例えば２５０〜２６０℃程度である。また、ＮＣＦやＮＣＰの融点は例えば２００℃〜２６０℃程度であり、所定時間加熱加圧されることで硬化する。

上クランパ部２７が有する冷却部３２は、上クランパ部２７のクランプ面２７ａと平行に延設（延在）し、内部を気体や液体の冷媒が循環する複数の冷却管路３４を有している。圧着装置１では、例えばクランプしたワークＷに対して加熱部３３をオン動作させた状態で、冷却部３２をオン、オフ動作を繰り返して、ワークＷに対して所定の温度を所定の時間維持して、温度調節が行われる。このため、加熱部３３よりワークＷに近いクランプ面２７ａ側に冷却部３２を設けることで、冷却部３２のオン、オフ動作によってワークＷに加わる温度を追随させやすくしている。

具体的には、冷却部３２が、オフ動作のときは冷媒の流動を停止し、オン動作のときは冷媒を流動させる。冷却部３２のオン、オフ動作は、冷媒の流動の切り換えであるので、容易に、迅速に制御することができる。なお、冷却部３２としてはペルチェ素子を用いることも考えられるが、圧着装置１は冷却部３２を介して加熱部３３によりワークＷを加熱する構造であるので、冷媒を循環させる冷却管路３４を用いる方がより、素早く冷却、加熱することができる。

ここで、クランプされたワークＷに対する圧着装置１の温度調節機構を説明するために、図４に、経過時間−ワーク温度（ｔ−Ｔ）特性の一例を示す。下クランパ部２８に載置されたワークＷを、加熱部３３（例えば３００℃に設定）により予め加熱された上クランパ部２７と、下クランパ部２８とで挟み込んでクランプすると、急激にワークＷの温度が上昇する。

温度調節機構では、上クランパ部２７が有する冷却部３２および加熱部３３によってクランプされたワークＷの温度が所定の温度（例えば２６０℃）の範囲Ｒ内（例えば±５℃）となるように加熱し続ける。具体的には、加熱部３３をオン動作させながら、冷却部３２のオン動作およびオフ動作を繰り返す。加熱部３３よりワークＷに近いクランプ面２７ａ側に冷却部３２を設けることで、加熱部３３側では加熱部３３からの熱を遮るように働き、クランプ面２７ａ側にはワークＷを冷却するように働かせることができ、素早くワークＷを冷却できる。

これにより、図４中の実線Ａに示すように所定の温度を、所定の時間（例えば３０分〜６０分）維持することができる。また、温度調節機構により、ワークＷの加熱温度を素早く昇温しながらオーバーシュートも防止することができる。このように、温度調節機構を備えた圧着装置１では、処理中のワークＷに対して温度調節を最適に行うことができる。

また、冷却部３２および加熱部３３を有する上クランパ部２７によって、ワークＷを急速に加熱、冷却することができることにより、圧着装置１では、接着層４が熱により硬化する前に、急速加熱により、短時間で接続バンプ６を溶融させることができる。そして、所定の加熱温度を所定の時間で保持することができ、接続パッド５と接続バンプ６との接合、接着層４の硬化を最適に行うことで、配線基板２と半導体チップ３との接続信頼性を向上することができる。

なお、図４中の破線Ｂは、加熱部３３をオン動作させた状態で冷却部３２をオフ動作させ続けた場合のグラフ図、また、破線Ｃは、加熱部３３をオン動作させた状態で冷却部３２をオン動作させ続けた場合のグラフ図を示す。これからも、冷却部３２のオン、オフ動作の繰り返しが温度調節に有効であることがわかる。

下クランパ部２８は、上クランパ部２７と共に、ワークＷを挟み込んでクランプするものである。この下クランパ部２８は、ガイド部２６に形成された摺動孔２６ａに挿入されている。下クランパ部２８は、支持ブロック３６および支持ブロック３６から起立して並べられた複数の支持ロッド３７を有して、複数の支持ロッド３７の先端でワークＷをフローティング支持するものである。なお、ここでいうフローティング支持とは、熱容量の大きいブロック状部材から離間させた状態（浮かせた状態）で支持することをいう。支持ブロック３６上には、固定ブロック３８が固定して組み付けられている。固定ブロック３８は、支持ロッド３７の一端側のロッド頭で抜け止め（固定）するものである。このように設けられた複数の支持ロッド３７の他端側で、ワークＷが支持（載置）される。すなわち、下クランパ部２８のクランプ面２８ａは、同一水平面上にあるこれら複数の支持ロッド３７の先端面で形成される。

複数の支持ロッド３７は、例えばマトリクス状に平面配置されており、支持プレート４１を介してワークＷを支持する。各支持ロッド３７は、支持プレート４１が自重によって撓んで高さが不均一にならないように均等な間隔で配置されている。この支持プレート４１を用いてワークＷを支持することで、ワークＷを上クランパ部２７のクランプ面２７ａと平行に配置することができる。

本実施形態では、支持プレート４１を介してワークＷをクランプするが、同一水平面上にある各支持ロッド３７の先端面でクランプ面２８ａが形成されているものとして説明する。なぜならば、支持プレート４１は、剛性が高く撓みが少ない基板（例えばセラミック基板）を配線基板２として用いた場合には省略することができるからである。

複数の支持ロッド３７でワークＷをフローティング支持することで、下クランパ部２８の熱容量を低減すると共に、クランプ面２８ａの下部（例えば、支持ブロック３６）とを熱的に分離するようになっている。このため、下クランパ部２８は、ワークＷが載置（支持）される際に、低温（例えば５０℃以下）を保持することができ、ワークＷを上クランパ部２７と共にクランプする際に、高温（例えば、２６０℃）を保持することができる。

ガイド部２６は、下クランパ部２８が昇降する際のガイドをするものである。このガイド部２６は、摺動孔２６ａが形成された筒状のブロックであり、例えば合金工具鋼からなる。ガイド部２６は、ベースブロック２４の貫通孔２４ａと摺動孔２６ａとが連通するように、ベースブロック２４の上面内周側中央部で支持される。また、ガイド部２６は、下シールブロック２５の貫通孔２５ａに同心状に嵌め込まれて固定して組み付けられている。摺動孔２６ａには、下クランパ部２８、レベリング部２９および押動ブロック３０が挿入される。これら下クランパ部２８、レベリング部２９および押動ブロック３０を昇降させるため、摺動孔２６ａの上下には、押動ブロック３０を昇降させる駆動部が駆動部１９とは別の駆動源として配置されている。

なお、可動プラテン１３の駆動部１９が密閉空間１６に圧力を加えるときには気体を漏らさないために必要なクランプ力を生じさせるのに対して、押動ブロック３０はワークＷの対応する接続パッド５と接続バンプ６とが接合できるクランプ力を生じさせる必要がある。この場合、押動ブロック３０のクランプ力は、ワークの大きさ、バンプ数またはバンプの種類に基づいて適宜設定される。例えば、ワークのサイズが大きくバンプ数が多い場合や、接合に高いクランプ力を要するバンプ（例えば銅バンプ等）の場合には、高いクランプ力を生じさせる駆動部を用いる必要がある。なお、押動ブロック３０は、微細な接続パッド５と接続バンプ６とを接合するために、例えば１ｋｇ毎に微調整可能なものが好ましい。

レベリング部２９は、上下のクランプ面２７ａ、２８ａを平行に維持しながら下クランパ部２８をスムーズに昇降させるために設けられている。レベリング部２９は、図５に示すように、ガイド部２６の摺動孔２６ａ内に挿入された載置ブロック５２および２つのスプリング部５１を備えて構成されている。なお、図５は、平面図であるが、説明を明解にするために、ハッチングを付している。

スプリング部５１は、載置ブロック５２の側面と対向する摺動孔２６ａの内壁面との間に設けられている。このスプリング部５１は、スプリング５５と、スプリング５５に付勢されて摺動孔２６ａの内壁面に押し当てられたまま摺動する摺動プレート５４とを備えている。スプリング５５は、載置ブロック５２の側面に形成された凹溝５２ａと摺動プレート５４との間に自然長より圧縮されて組み付けられている。摺動プレート５４は、載置ブロック５２の側面に突設されたフレーム状の突起部５３（すなわちフレーム部）に案内されて摺動孔２６ａの内壁面に押し当てられている。なお、突起部５３は、フレーム内側に摺動プレート５４が配置され、また、摺動孔２６ａの内壁面と当接していない。

図５に示す載置ブロック５２は平面視矩形状であり、また、これが挿入される摺動孔２６ａも平面視矩形状（開口が矩形状）となっている。この載置ブロック５２上に下クランパ部２８の支持ブロック３６が設けられる（図１参照）。載置ブロック５２の４つの側面のうち、隣接する２側面がそれぞれ対向する摺動孔２６ａの内壁面に当接し、残りの隣接する２側面にそれぞれスプリング部５１が設けられている。すなわち、この残りの隣接する２側面が各スプリング５５を介して各摺動プレート５４を摺動孔２６ａの内壁面に各々押し当てる構成となっている。

図５に示すレベリング部２９では、常時、載置ブロック５２の隣接する２側面を、それぞれに対向する摺動孔２６ａの２つの内壁面（コーナ部となる）に対して各々押し付けている。また、レベリング部２９では、載置ブロック５２の隣接する残りの隣接する２側面を、それぞれに対向する摺動孔２６ａの２つの内壁面に対して各スプリング部５１を介して各々押し当てている。このため、下クランパ部２８が押動ブロック３０により昇降する際、載置ブロック５２が摺動孔２６ａ内で位置決めされたまま摺動するので、下クランパ部２８のクランプ面２８ａが上クランパ部２７のクランプ面２７ａに対して高い平行度を保つことができる。このように、レベリング部２９は、スプリング部５１により摺動孔２６ａの内壁面に対して載置ブロック５２を押し付けて位置決めしたまま摺動孔２６ａ内を摺動することにより、載置ブロック５２上に設けられた下クランパ部２８の昇降をガイドする。

なお、レベリング部２９を介さず（設けず）に、下クランパ部２８を直接押動ブロック３０で昇降する構成とすることも考えられる。しかしながら、このような構成では、摺動孔２６ａに挿入された下クランパ部２８と、摺動孔２６ａの内壁面とのクリアランスにより、昇降時にクランプ面２８ａが傾斜する場合もある。クランプ面２８ａが傾斜することで、接続パッド５と接続バンプ６の中心が例えば数μｍずれると、接続パッド５と接続バンプ６との接続に不具合が生じることも考えられる。これに対してクリアランスを極力小さくすることで傾斜を抑えることも考えられるが、この場合には密閉空間１６の成形時に上型１１側から伝えられた熱によって下型１２（特に、ガイド部２６や摺動する支持ブロック３６等）の上型１１側が膨張するため、クリアランスが上型１１側で小さくなってしまい昇降が困難となるおそれもある。

しかしながら、レベリング部２９を用いることによって摺動孔２６ａに対するクリアランスが十分大きく取られていても支持ロッド３７を支持する支持ブロック３６の上型１１側のクランプ面２７ａに対して傾斜させることなくガイドすることが可能となっている。したがって、クランプ力をワークＷの全面に亘って均一にすることができるため、各バンプ６を均一に加熱加圧することができ、積層された配線基板２および半導体チップ３の接続信頼性をより向上することができる。

上シール部４２および下シール部４３（図１中、破線で囲まれた部分）は、対向して設けられ、互いが当接して密閉空間１６（図２、図３参照）を形成するものである。下シール部４３は、上シール部４２側に開口する凹形状の箱部となるように、固定プラテン１４の中央部上に、貫通孔２４ａを有する下ベースブロック２４と貫通孔２４ａに連通する貫通孔２５ａを有する下シールブロック２５が重ね合わせて形成されている。下ベースブロック２４と下シールブロック２５が互いに接する面の境界部では、各部材が例えばボルトによって固定して組み付けられているので、シールされていることとなる。このような下シール部４３内に下クランパ部２８が収納される。また、下シール部４３の縁部でシール部材４４（例えばＯリング）が設けられている。

また、上シール部４２は、下シール部４３側に開口する凹形状の箱部となるように、上ベースブロック２１外周部下に、貫通孔２３ａを有する上シールブロック２３が設けられて形成されている。上ベースブロック２１と上シールブロック２３が互いに接する面の境界部では、各部材が例えばボルトによって固定して組み付けられているので、シールされていることとなる。このような上シール部４２内に上クランパ部２７が収納される。また、上シール部４２の縁部でシール部材４４を介して下シール部４３の縁部が当接される。

上シール部４２および下シール部４３が近接することで、上クランパ部４２の縁部と下クランパ部４３の縁部とが接して内部に密閉空間１６が形成される（図２参照）。言い換えると、上型１１および下型１２が近接することで型閉じされ内部に密閉空間１６が形成される。このような密閉空間１６では、クランプ前後のワークＷが内包されるので、上クランパ部４２によりワークＷをより急速に加熱することができる。なお、上シール部４２および下シール部４３は密閉空間１６を形成するために近接するものであって、ワークＷをクランプするものではない。ワークＷをクランプするのは、上クランパ部２７および下クランパ部２８である。

また、下シール部４３を構成する下シールブロック２５のシール面側には、奥行き方向に延在するヒータ４５が設けられ、下ベースブロック２４側には、冷却管路４６（内部を冷媒が循環する）が設けられている。

シール部材４４側、すなわち下クランパ部２８近傍にヒータ４５を設けることで、上クランパ部２７と共に下クランパ部２８側からも加熱できる構成となる。また、下クランパ部２８近傍にヒータ４５を設けることで、ワークＷをクランプして熱を帯びた下クランパ部２８に合わせて、下シールブロック２５に組み付けられたガイド部２６を熱膨張させることで、摺動孔２６ａ内で下クランパ部２８をスムーズに昇降することができる。また、下ベースブロック２４側、すなわち下クランパ部２８を昇降する駆動部近傍に冷却管路４６を設けることで、駆動部周辺を冷却することができ、駆動部が誤動作するのを防止することができる。

圧力調節部４７は、密閉空間１６内の圧力を調節するものである。本実施形態では、この圧力調節部４７は、上シールブロック２３に形成されたエア路４８を通じて、例えば、密閉空間１６に対して圧縮処理を行う。このため、圧力調節部４７は、密閉空間１６に接続される圧縮機（例えばコンプレッサ）を有している。

密閉空間１６では、上クランパ部２７により接着層４が加熱されると、接着層４内でボイドが発生して接着層４が膨脹し、半導体チップ３を配線基板２から引き離すおそれが生じる。そこで、密閉空間１６を圧縮空間とすることでボイドの発生を抑制することができる。また、圧着装置１は、圧縮空間において配線基板２に複数の半導体チップ３を一括して接合する構成であるため、ボイドの発生を抑制して一様の圧力を加えながら加熱を行うことができる。したがって、配線基板２上に接着層４を介した複数の半導体チップ３の接続信頼性を向上することができる。

次に、本実施形態における圧着装置１を用いて、配線基板２上に複数の半導体チップ３を一括で接合する圧着方法（接合方法）と共に、これにより製造される半導体装置７の製造方法について図１〜図３および図６〜図８を参照して説明する。図１などは、動作中の圧着装置１を模式的に示す断面図であり、図６などは、動作中の圧着装置１におけるワークＷを明確にするために、図１などに示すワークＷの要部を拡大して示している。

本実施形態の圧着方法は、概略すると、接着層４を介して積層された配線基板２および半導体チップ３を含むワークＷを、対向して設けられた上クランパ部２７および下クランパ部２８で挟み込んでクランプして、配線基板２および半導体チップを圧着する工程を含んでいる。

まず、配線基板２の複数の接続パッド５と対応する各半導体チップ３の複数の接続バンプ６とを対向して位置合わせして、配線基板２上に接着層４を介して積層された複数の半導体チップ３を含んでなるワークＷを準備する（図６参照）。

このワークＷは、接着層４が接着された配線基板２に対して、公知のフリップチップボンダを用いて、接着層４側から複数の半導体チップ３がマトリクス状に位置合わせされて、仮圧着（仮接合）されている。配線基板２は、例えばガラスエポキシ基板であり、その内部に配線パターンが形成されており、また絶縁層８から露出する接続パッド５が形成されている。また、半導体チップ３は、例えばシリコン基板にＭＩＳ（Metal Insulator Semiconductor）トランジスタなどが形成されたものであり、接続バンプ６としてはんだバンプが用いられている。

続いて、図１に示すように、上型１１と下型１２とが離間した状態で、図示しない搬送装置によって下型１２にワークＷを載置する。具体的には、上クランパ部２７および下クランパ部２８の間にワークＷを搬送し、下クランパ部２８が有する複数の支持ロッド３７の先端面で形成されるクランプ面２８ａでワークＷをフローティング支持する。本実施形態では、接着層４の劣化防止のため、ワークＷが低温（５０℃以下）で支持されるように、フローティング支持している。

続いて、図２に示すように、上型１１と下型１２とを近接させることで、対向して設けられ、上クランパ部２７および下クランパ部２８のそれぞれを内包する上シール部４２および下シール部４３を当接させて密閉空間１６を形成する。次いで、圧力調節部４７によりシールされた密閉空間１６に対して圧縮空気を導入する圧縮処理を行い、圧縮空間を形成する。この圧縮空間は、例えば密閉空間１６のシールが解除されるまでの間形成しておく。なお、密閉空間１６は空気の発泡防止のため、少なくとも接着層４が硬化されるまで形成されるのが好ましい。

続いて、図３に示すように、図２に示した状態からガイド部２６の摺動孔２６ａ内で昇降可能な下クランパ部２８を上クランパ部２７側に上昇させて、上クランパ部２７および下クランパ部２８でワークＷを挟み込んでクランプする。このように、上クランパ部２７および下クランパ部２８で両側から挟まれて直接的に加熱されたワークＷは、急速に加熱され始める。なお、加熱部３３のヒータ３５や下シールブロック２５のヒータ４５からの輻射熱によって、密閉空間１６内の温度は上昇しているため、間接的にワークＷは加熱されていることとなる。

ワークＷの温度が急速に上昇すると、接続バンプ６および接着層４が溶融状態となる。このため、クランプされたワークＷでは、溶融した接着層４を押し退けて接続バンプ６が接続パッド５に当接し（図７参照）、溶融した接続バンプ６と接続パッド５とが接合する（図８参照）。

本実施形態では、図５を参照して説明したように、摺動孔２６ａの対向する内壁面の一方側に接して摺動するスプリング部５１により、他方側に接して摺動する載置ブロック５２を押し付けながら、載置ブロック５２上に設けられた下クランパ部２８を上昇させる。このため、下クランパ部２８が押動ブロック３０により昇降する際、載置ブロック５２が摺動孔２６ａ内で位置決めされたまま摺動するので、下クランパ部２８のクランプ面２８ａが上クランパ部２７のクランプ面２７ａに対して高い平行度を保つことができる。したがって、接続パッド５と接続バンプ６の位置ずれを抑制して、配線基板２および半導体チップ３の接続信頼性をより向上することができる。

次いで、上クランパ部２７と下クランパ部２８とでワークＷをクランプしたまま加熱加圧する。ここで、上クランパ部２７が有する冷却部３２および加熱部３３を用いて、ワークＷをクランプしながら所定の温度範囲内で加熱し続ける。具体的には、加熱部３３をオン動作させながら、上クランパ部２７のクランプ面２７ａ側に加熱部３３より近くに設けられた冷却部３２のオン動作およびオフ動作を繰り返す。

これにより、接続バンプ６が溶融する温度を維持しながら、接着層４が硬化する温度および時間を維持することができる。例えば、図４を参照して説明したように、所定の温度（例えば２６０℃）を、所定の時間（例えば３０分〜６０分）維持することができる。これにより、接着層４を介して積層された配線基板２と半導体チップ３の接続信頼性を向上することができる。また、例えば加熱部３３による加熱を停止することで自然に温度の上昇しなくなる構成とは異なり、素早く所定の温度まで昇温しながら強制的に昇温を停止させることができるため素早く昇温しながらもオーバーシュートが起こることもない。これにより、ワークＷの温度が高くなりすぎることで半導体チップ３が損傷するといった問題も効率的に回避することができる。

本実施形態では、冷却部３２が上クランパ部２７のクランプ面２７ａと平行に延設（延在）し、内部を冷媒が循環する冷却管路３４を有しており、冷却部３２がオフ動作のときに冷媒の流動を停止し、冷却管路３４を介してクランプされたワークＷを加熱部３３により加熱する。冷却部３２のオン、オフ動作は、冷媒の流動の切り換えであるので、容易に、迅速に制御することができる。このように、冷却部３２を迅速に制御することで、所定の温度を、所定の時間維持することができる。

次いで、ワークＷの接合を完了させた後（図３参照）、圧力調節部４７による密閉空間１６への加圧を停止し、下クランパ部２８を下降させて、載置されているワークＷを上クランパ部２７のクランプ面２７ａから離す（図２参照）。次いで、上型１１と下型１２とを離間させることで上シール部４２および下シール部４３で構成された密閉空間１６を開放し、図示しない搬送装置によって下型１２からワークＷを搬出することで１個のワークＷの接合のための動作が終了する。すなわち、配線基板２に半導体チップ３が実装された半導体装置７が製造される（図８参照）。なお、支持ロッド３７でワークＷを支持させた後で所定時間維持することで接続バンプ６の温度を下げて硬化させてから搬出しても良い。

本実施形態のように、上クランパ部２７および下クランパ部２８により、加熱と同時に加圧を行うことで、接続パッド５および接続バンプ６を容易に圧着（接合）することができる。また、配線基板２に半導体チップ３を実装するまで圧縮空間を維持しておくことで、接着層４に微細な空気が含まれていたとしても、微細な空気を圧縮して微小化させることで、配線基板２と半導体チップ３との間を接着層４で高品質にアンダーフィルすることができる。これにより、ワークＷに設けられた接続パッド５と接続バンプ６との接続不良の発生を効果的に防止し、配線基板２と半導体チップ３の接続信頼性を向上することができる。

以上、本発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

例えば、前記実施形態では、接着層を介して積層された第１および第２部材として、それぞれ配線基板２および半導体チップ３を含むワークＷを用いた場合について説明したが、さらに第３、第４、・・・の部材が積層されたワークに対しても適用することができる。例えば、第１部材として配線基板、第２および第３部材としてそれぞれ半導体チップが接着層を介して積層されたワークに対しても適用することができる。また、例えば、基板として配線基板２の他にリードフレームやウェハを用いても良い。また、例えば電子部品として半導体チップ３の他にコンデンサチップなどのチップ部品を用いても良い。

また、前記実施形態では、圧力調節部４７に圧縮機を用いた場合について説明したが、圧縮機の代わりに、密閉空間１６を減圧する減圧機（例えば真空ポンプ）が接続されても良い。減圧することで、接着層４内の微細な空気や、密閉空間１６内の異物（浮遊物）を除去することができるからである。また、圧力調節部４７は、減圧機と圧縮機を併用した処理を行うこともできる。例えば、密閉空間１６内を減圧雰囲気として接着層４に微細な空気を積極的に排除したり空間中の異物を除去したりしてから加熱を開始して圧縮空間としてボイドの発生を抑制することで、相乗的効果を得ることができ配線基板２上に接着層４を介した複数の半導体チップ３の接続信頼性をより向上することができる。このように、圧力調節部４７は、密閉空間１６に接続される圧縮機または減圧機の少なくともいずれか一方を有しているものでも良い。

また、例えば、前記実施形態では、配線基板２の接続パッド５と半導体チップ３の接続バンプ６とが接していない状態のワークＷ（図６参照）を準備し、このワークＷをクランプして配線基板２に複数の電子部品３を一括で接合して半導体装置７（図８参照）を製造する場合する場合について説明した。これに限らず、配線基板２の接続パッド５と半導体チップ３の接続バンプ６とが接した状態のワークＷ（図７参照）を準備し、このワークＷをクランプして配線基板２に複数の半導体チップ３を一括で接合して半導体装置７を製造しても良い。接続バンプ６が溶融したワークＷを加熱加圧する際に、接続パッド５と接続バンプ６との位置ずれを抑制することができるからである。

また、例えば、前記実施形態では、加熱により半導体チップ３の接続バンプ６が溶融する場合について説明した。これに限らず、配線基板２の接続パッド５を溶融させても、また、配線基板２の接続パッド５と半導体チップ３の接続バンプ６とも溶融させても、配線基板２と半導体チップ３とを接合することができる。

また、例えば、前記実施形態では、ワークＷを下型１２に載置する場合について説明した。これに限らず、上型１１においてワークＷを吸着や爪による把持で支持する構成であっても良い。この場合、下クランパ部に温度調節機構を設けることができる。

また、例えば、前記実施形態では、冷却部３２として、内部を冷媒が循環する冷却管路３４を用いた場合について説明したが、内部をエア及び水の両方が通過する冷却管路３４を用いても良い。また、冷却部３２の一部を空冷用、他部を水冷用とする場合であっても良い。この場合、圧着時（クランプ時）の温度を安定させるときには空冷を用い、初期の加熱を停止する際や圧着完了時に冷却するとき（非クランプ時）には水冷を行うことができ、複数のワークＷに対して繰り返して圧着する場合に生産性を向上することができる。

また、例えば、前記実施形態では、上型１１を可動プラテン１３に固定して組み付け、下型１２を固定プラテン１４に固定して組み付けた場合について説明した。これに限らず、上型１１を固定プラテン、下型１２を可動プラテンに固定して組み付け、上型１１に対して下型１２を昇降するようにしても良い。

１ 圧着装置
２７ 上クランパ部
２８ 下クランパ部
３２ 冷却部
３３ 加熱部
３６ 支持ブロック
３７ 支持ロッド
Ｗ ワーク

Claims (8)

1. 積層された複数の部材を含むワークをクランプして、各部材を圧着する圧着装置であって、
   前記ワークを挟み込んでクランプする上クランパ部および下クランパ部が対向して設けられ、
   前記上クランパ部は、冷却部および加熱部を有し、前記上クランパ部のクランプ面に押し当てられた前記ワークを加熱するように前記冷却部および前記加熱部で温度調節を行い、
   前記下クランパ部は、支持ブロックおよび当該支持ブロックから起立して均等な間隔で平面配置された複数の支持ロッドを有して、前記複数の支持ロッドの先端で前記ワークをフローティング支持したまま前記上クランパ部の前記クランプ面に押し当てることを特徴とする圧着装置。
2. 請求項１記載の圧着装置において、
   前記冷却部は、前記上クランパ部のクランプ面と平行に延設され、内部を冷媒が循環する冷却管路を有していることを特徴とする圧着装置。
3. 請求項１または２記載の圧着装置において、
   前記上クランパ部に対して前記下クランパ部を昇降させる押動部と、
   前記下クランパ部と前記押動部との間に設けられ、前記下クランパ部のクランプ面の平面度を調節するレベリング部と、
   前記下クランパ部および前記レベリング部が挿入される摺動孔が形成されたガイド部とを備え、
   前記レベリング部は、前記摺動孔の内壁面に当接して挿入され、前記支持ブロックを載置する載置ブロックと、当該載置ブロックと対向する前記摺動孔の内壁面との間に設けられたスプリング部とを具備し、
   前記レベリング部が前記スプリング部により前記摺動孔の内壁面に対して前記載置ブロックを押し付けて位置決めしたまま、前記ガイド部が前記載置ブロック上に前記支持ブロックが設けられた前記下クランパ部の昇降をガイドすることを特徴とする圧着装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧着装置において、
   対向して設けられ、前記上クランパ部および前記下クランパ部のそれぞれを内包する上シール部および下シール部と、
   前記上シール部および下シール部が当接して形成した密閉空間内の圧力を調節する圧力調節部とを備え、
   前記圧力調節部は、前記密閉空間に接続される圧縮機または減圧機の少なくともいずれか一方を有することを特徴とする圧着装置。
5. 積層された複数の部材を含むワークを、対向して設けられた上クランパ部および下クランパ部で挟み込んでクランプして、各部材を圧着する圧着方法であって、
   （ａ）前記上クランパ部および下クランパ部の間に前記ワークを搬送し、前記下クランパ部が有する均等な間隔で平面配置された複数の支持ロッドの先端で前記ワークをフローティング支持する工程と、
   （ｂ）前記上クランパ部が有する冷却部および加熱部を用いて、前記ワークをクランプしながら所定の温度範囲内で加熱し続ける工程とを含み、
   前記（ｂ）工程では、前記加熱部をオン動作させながら、前記上クランパ部のクランプ面側に前記加熱部より近くに設けられた前記冷却部のオン動作およびオフ動作を繰り返すことを特徴とする圧着方法。
6. 請求項５記載の圧着方法において、
   前記（ｂ）工程では、前記上クランパ部のクランプ面と平行に延設し、内部を冷媒が循環する冷却管路を有する前記冷却部がオフ動作のときに前記冷媒の流動を停止し、前記冷却管路を介してクランプされた前記ワークを前記加熱部により加熱することを特徴とする圧着方法。
7. 請求項５または６記載の圧着方法において、
   前記（ｂ）工程は、摺動孔内で昇降可能な前記下クランパ部を前記上クランパ部側に上昇させて、前記上クランパ部および前記下クランパ部で前記ワークを挟み込んでクランプする工程を含み、
   前記摺動孔の対向する内壁面の一方側に接して摺動するスプリング部により、他方側に接して摺動する載置ブロックを押し付けながら、前記載置ブロック上に設けられた前記下クランパ部を上昇させることを特徴とする圧着方法。
8. 請求項５、６または７記載の圧着方法において、
   前記（ａ）工程後（ｂ）工程前に、対向して設けられ、前記上クランパ部および前記下クランパ部のそれぞれを内包する上シール部および下シール部を当接させて密閉空間を形成し、前記密閉空間に対して圧縮または減圧の少なくともいずれか一方の処理を行う工程を含むことを特徴とする圧着方法。

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