JP5967551B2 - フリップチップボンディング装置 - Google Patents
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Description
本発明は、基板の第1電極に半導体素子の第2電極を超音波接合することにより半導体素子を実装するフリップチップボンディング装置に関する。
従来、このような超音波接合を用いた半導体素子の実装装置としては種々のものが知られている。このような従来の半導体素子の実装装置では、半導体素子に形成されたAuバンプ(第2電極)を、基板の配線に接続されて形成されたAu電極(第1電極)に押し付けた状態にて接触界面に対して超音波振動を付与し、AuバンプとAu電極とを金属接合(すなわち、Au−Au接合)するというような手順により、半導体素子が基板に実装される(例えば、特許文献1または2参照)。
近年、このような半導体素子が基板に実装されて製造される素子実装済み基板が内蔵される各種電子機器に対するコスト削減の要求は高く、半導体素子の実装において、コスト削減のための様々な工夫が求められている。
材料コストの観点からは、基板に用いられているAu電極のコストは高く、このAu電極をより安価なCu電極に置き換えることができれば、コスト削減を実現することができる。例えば、半導体素子として発光素子(LEDチップ)のAuバンプを、基板のAu電極に超音波接合するような形態では、基板のAu電極をCu電極に置き換えて、Au−Cu間の金属接合が、Au−Au間の金属接合と同等の信頼性を担保できれば、接合信頼性を保持したままで、大幅なコスト削減が可能となる。
本発明の発明者らは、基板のCu電極の表面に形成されている酸化膜の除去処理を行った後、酸化膜が除去された状態の基板のCu電極と半導体素子のAuバンプとの超音波接合を大気中で行い、接合後のシェア強度を測定した。しかしながら、事前にCu電極の酸化膜を除去したにもかかわらず十分なシェア強度を得ることができなかった。
本発明の目的は、上記問題を解決することにあって、基板の第1電極に、半導体素子の第2電極を超音波接合するフリップチップボンディング装置において、第1電極と第2電極との間の金属接合を、求められる接合強度を確保しながら、少なくとも銅を含む金属間の接合として実現するフリップチップボンディング装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
本発明の第1態様によれば、加熱手段を有するとともに基板を載置して保持する基板ステージと、基板ステージ上に載置された基板のそれぞれの第1電極上に、還元性を有する接合補助剤を供給するディスペンサユニットと、半導体素子を供給する半導体素子供給ユニットと、半導体素子供給ユニットより供給された半導体素子を受け取って保持し、接合補助剤が供給された基板の第1電極に半導体素子の第2電極を押し付けた状態にて超音波振動を付与して実装する超音波ヘッドを含む実装ユニットと、基板ステージの上方に配置されることにより、基板ステージから基板ステージの上方に向かう気流を遮るとともに、超音波ヘッドおよびディスペンサユニットによる基板へのアクセスを可能にする共通の開口を有する遮蔽板と、基板に塗布された後に加熱手段による熱によって気化した接合補助剤を含む気体を基板ステージと遮蔽板との間の空間から排気する排気設備と、を備え、超音波ヘッドは、第1電極と第2電極との間の実装を少なくとも銅を含む金属接合として、金属接合するまでの間は少なくとも第1電極と第2電極との間の接合界面の周囲に接合補助剤が存在する状態にて金属接合を行う、フリップチップボンディング装置を提供する。
本発明の第2態様によれば、半導体素子が実装される前の基板を基板ステージの一方から基板ステージに搬入し、半導体素子が実装された基板を基板ステージの他方より搬出する基板搬送手段を備え、排気設備の排気ダクトを基板ステージの他方側に設けた、第1態様に記載のフリップチップボンディング装置を提供する。
本発明の第3態様によれば、基板ステージと遮蔽板との間の空間に給気を行う給気設備をさらに備える、第1態様又は第2態様に記載のフリップチップボンディング装置を提供する。
本発明の第4態様によれば、基板ステージと遮蔽板との間の空間に給気を行う給気設備をさらに備え、給気設備の給気ダクトを基板ステージの一方側に設けた、第2態様に記載のフリップチップボンディング装置を提供する。
本発明の第5態様によれば、基板ステージを支持するテーブルはXYテーブルであり、一個の半導体素子が実装される基板上の第2電極に対して、超音波ヘッドおよびディスペンサユニットがアクセス可能な大きさに、遮蔽板の開口が形成されている、第1態様に記載のフリップチップボンディング装置を提供する。
本発明の第6態様によれば、基板ステージを支持するテーブルは、基板の搬送方向沿いにのみ移動可能な1方向テーブルであり、基板の搬送方向に直交する方向に固定された基板の幅方向の領域を覆うように、遮蔽板の幅が設定されている、第1態様に記載のフリップチップボンディング装置を提供する。
発明者らは、大気中で超音波接合された基板のCu電極と発光素子のAuバンプの接合界面の分析を行ったところ、Cu電極の表面が黒く変色しているのを確認し、さらに黒く変色した部分を詳細に分析したところ銅の酸化物であることが判明した。この事実より、発明者らは、超音波接合による摩擦熱によってCu電極の表面に新たな酸化膜が生じ、これがCu電極への接合を阻害していたとの結論を得て本発明を完成するに至ったものである。
本発明によれば、第1電極と第2電極との間の金属接合を、少なくとも銅を含む金属間の超音波接合として行う際に、少なくとも第1電極と第2電極との間の接合界面の周囲に接合補助剤が存在する状態で、さらに、超音波接合のときに発生する熱を利用して、接合補助剤による還元反応を発生させながら、超音波接合を行う。したがって、第1電極と第2電極との接合界面(接触界面)に既に形成されている酸化膜を除去するとともに、超音波接合の実施に伴う酸化膜の形成を抑制する。よって、求められる接合強度を確保しながら、第1電極または第2電極を銅を用いた超音波接合を実現することができ、半導体素子の実装におけるコスト削減を図ることができる。
また、本発明のフリップチップボンディング装置は、基板ステージの上方に配置されることにより、基板ステージから基板ステージの上方に向かう気流を遮るとともに、超音波ヘッドおよびディスペンサユニットによる基板へのアクセスを可能にする共通の開口を有する遮蔽板と、基板に塗布された後に加熱手段による熱によって気化した接合補助剤を含む気体を基板ステージと遮蔽板との間の空間から排気する排気設備とを備える。よって、気化した接合補助剤がボンディング装置の部材に付着して部材が腐食することを抑制することができる。
本発明のこれらの態様と特徴は、添付された図面についての好ましい実施形態に関連した次の記述から明らかになる。
本発明の一の実施の形態に係るボンディング装置の構成図
本発明の実施の形態1のボンディング装置の上面図
図2の線A−A沿いの断面図
図2の線B−B沿いの断面図
本発明の実施の形態1のボンディング装置により複数の発光素子が実装された状態の基板の断面図
本発明の実施の形態1のボンディング装置による実装手順を示すフローチャート
本発明の実施の形態1のボンディング装置による実装におけるそれぞれの工程の説明図
基板の搬送時における図2の線A−A沿いの断面図
本発明の実施の形態1のボンディング装置により製造した基板についてダイシェア強度を測定した図
本発明の実施の形態2に係るボンディング装置の遮蔽板の上面図
図10の線A−A沿いの断面図
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1に係るフリップチップボンディング装置の主要な構成を示す図である。フリップチップボンディング装置とは、半導体素子の一例である発光素子を基板に実装する装置である。図1に示すように、ボンディング装置10は、発光素子を供給する発光素子供給ユニット23(半導体素子供給ユニット)を備えている。発光素子供給ユニット23は、複数の発光素子4を供給する素子供給部11と、素子供給部11から供給される発光素子4を吸着保持するとともに、保持した発光素子4を上下方向に反転させる素子反転ユニット12とを備える。
図1は、本発明の実施の形態1に係るフリップチップボンディング装置の主要な構成を示す図である。フリップチップボンディング装置とは、半導体素子の一例である発光素子を基板に実装する装置である。図1に示すように、ボンディング装置10は、発光素子を供給する発光素子供給ユニット23(半導体素子供給ユニット)を備えている。発光素子供給ユニット23は、複数の発光素子4を供給する素子供給部11と、素子供給部11から供給される発光素子4を吸着保持するとともに、保持した発光素子4を上下方向に反転させる素子反転ユニット12とを備える。
また、ボンディング装置10は、素子反転ユニット12により反転された状態の発光素子4を受け取って吸着保持し、基板1上の所定位置に発光素子4を実装する超音波ヘッド13と、基板1のそれぞれの基板電極3上に後述する接合補助剤を塗布して供給するディスペンサユニット14と、基板1を載置して保持する基板ステージ15とを備えている。さらに、ボンディング装置10は、超音波ヘッド13により保持された状態の発光素子4の画像を撮像して、その保持姿勢を認識するチップ認識用カメラ16と、基板1上の電極や位置合せマーク等の画像を撮像して、その位置を認識する基板認識用カメラ24とを備えている。
素子供給部11の上面には、複数の発光素子4が、そのバンプ5の形成面を上向きとして配列されている。素子供給部11は、基板1の表面沿いの方向(水平方向)であって互いに直交する方向であるX方向およびY方向に移動可能であり、素子供給部11がXY方向へ移動されることにより、1個の発光素子4と素子反転ユニット12との間の位置合わせが可能となっている。
素子反転ユニット12は、発光素子4を解除可能に吸着保持するノズル17を有し、発光素子4を吸着保持した状態のノズル17を上下方向に180度反転させることにより、発光素子4の姿勢を上下方向に反転させる。
超音波ヘッド13は、発光素子4を解除可能に吸着保持するノズル18と、超音波振動を発生させる振動子19と、振動子19にて発生された超音波振動を増幅してノズル18に伝達する超音波ホーン20とを備えている。また、超音波ヘッド13はX方向に移動可能であって、超音波ヘッド13が所定のX方向位置に移動されて位置決めされることにより、素子反転ユニット12から超音波ヘッド13への発光素子4の受け取り動作、およびチップ認識用カメラ16による発光素子4の保持姿勢の画像撮像動作などが実施される。
ディスペンサユニット14は、X方向に移動可能であって、基板1上に形成されたそれぞれの基板電極3上に所定量の接合補助剤の塗布供給を行う。なお、超音波ヘッド13およびディスペンサユニット14はともに、X方向に延びるX軸フレーム25にスライド可能に取り付けられており、X軸フレーム25に沿ってX方向へ移動する。
基板ステージ15は、加熱手段であるヒータ38を内蔵しており、載置された基板1を所定の温度に加熱する機能を有している。また、基板ステージ15の下部には、基板ステージ15を支持しながらXY方向へ移動するXYテーブル34(図1では図示せず)が存在しており、基板ステージ15によるXY方向の移動を可能にしている。基板ステージ15が所定のXY方向位置に移動されて位置決めされることにより、基板認識用カメラ24による基板1の電極位置の画像撮像動作などが実施される。
上述の通り、ボンディング装置10の主要構成およびその基本動作について図1を用いて説明したが、ボンディング装置10がさらに備える遮蔽板26および給排気設備などについて以下、図2−4を用いて説明する。
図2は、本実施の形態1にかかるボンディング装置10の上面図であり、図3、4は、図2の線A−Aおよび線B−Bに沿いのボンディング装置10の断面図である。図2−4に示されるように、遮蔽板26は、基板ステージ15上に載置される基板1を覆うように配置された遮蔽材である。図3、4に示されるように基板ステージ15上の空間を遮蔽板26によって仕切ることにより、基板ステージ15付近の気流が遮蔽板26よりも上に行かないようにしているため、以降で説明するように気化した接合補助剤が上方にある超音波ヘッド13、ノズル18、およびX軸フレーム25などに付着して腐食が発生することを抑制する。また、図3に示されるように遮蔽板26の両サイドは下方に突出するように構成されているため、横方向への気流も遮られている。このように基板ステージ15付近の気流を制御することにより、前述した接合補助剤の付着および付着部分における腐食がより抑制される。
遮蔽板26は、その位置が固定されており、図2に示されるようにボンディング装置10を上方から見たときに、遮蔽板26の中央部に形成された開口27が基板認識用カメラ24と略重なるように配置される。また、同様に図2に示されるように、遮蔽板26に形成された開口27は、超音波ヘッド13、ディスペンサユニット14、およびチップ認識用カメラ16とX方向沿いに略一列に並ぶように配置されている。このような配置により、超音波ヘッド13およびディスペンサユニット14はX軸フレーム25に沿ったX方向の移動によって、開口27を通じて、基板ステージ15上に配置された基板1に対してアクセス可能となっている。この動きに加えて基板ステージ15およびその上に配置された基板1がXY方向に移動するため、基板1の全面に対して超音波ヘッド13およびディスペンサユニット14が開口27を通じてアクセス可能であり、基板1の全面に接合補助剤の供給および実装を行うことができる。
次に、給排気設備について説明する。図2、4に示されるように、給排気設備は、遮蔽板26によって遮られた基板ステージ15付近の空間Sに給気を行う給気ダクト29と、空間Sからボンディング装置10外へ排気を行う排気ダクト30とを備える。図2において基板1の搬送方向はY方向を示す矢印と同じ向きであるが、給気ダクト29は基板1の搬送方向上流側に配置され、排気ダクト30は基板1の搬送方向下流側に配置されている。給気ダクト29は、ボンディング装置10外部の給気源に接続された給気ノズル31を介してボンディング装置10内へ給気を行う。本実施の形態1では、大気雰囲気中にて給排気が行われる場合について説明するが、不活性な気体を用いて給気を行っても良く、例えば窒素(N2)などが挙げられる。排気ダクト30は、ボンディング装置10の外部と連通することにより空間Sからボンディング装置10外部への排気を行う。また、図2に示されるように、給気ダクト29の下には待機ステージ32および待機ステージ32に備えられたガイドレール33が存在し、排気ダクト30の下には搬出ステージ28および搬出ステージ28に備えられたガイドレール39が存在する。待機ステージ32は、基板ステージ15上での実装を行う前に基板1を配置しておく場所であり、予備加熱などを行うステージでもある。搬出ステージ28は、半導体素子の実装を終えた基板1を次の工程へ搬送するためのステージである。待機ステージ32や搬出ステージ28上に配置された基板1を搬送する際には、ガイドレール33、39を上昇させて基板1をそれぞれのステージから離間させた状態とすることにより、搬送手段によって搬送可能な状態とする。
図4に示されるように、給気ダクト29は空間Sに向かって給気を行うように配置されているため、給気ダクト29を運転させると、空間Sにおいて基板1の搬送方向上流から下流に向かう気流Pが生じる。気流Pは排気ダクト30により吸い出され、ボンディング装置10外部へ排出される。このように気流Pが基板1の搬送方向上流から下流に向かうように給排気設備を配置することにより、接合補助剤の排気方向と基板1の搬送方向の向きが一致するため効率的な給排気を行うことが可能となり、接合補助剤による超音波ヘッド13、ノズル18、および基板1の未実装領域などへの付着および付着による腐食の発生を抑制することができる。さらに、図4で示すように遮蔽板26の両サイドが下方に突出して空間が区画されていることにより前述した効率的な給排気がより促進されている。
なお、本実施の形態1では給気機能と排気機能を有する給排気設備を用いたが、代わりに排気機能を有する排気設備のみを用いても良い。
次に、このような構成のボンディング装置10を用いて、複数の半導体素子が実装された状態の半導体素子を図5に示す。
図5に示すように、基板1の図示上面には複数の配線2が形成されており、配線2の端部が基板電極3(第1電極)として形成されている。半導体素子の一例である発光素子(LEDチップ)4は、それぞれの基板電極3に接続されたバンプ5(第2電極)を備えている。ここで、基板1の配線2は、例えば銅にて形成され、基板電極3は、同様に銅にて形成される。発光素子4のバンプ5は、例えば金、または銅にて形成される。本実施の形態では、配線2および基板電極3は銅(Cu)にて形成され、バンプ5は金(Au)にて形成された場合を例として説明を行う。
このような構成のボンディング装置10を用いて、複数の発光素子4を基板1上に超音波接合により実装して半導体素子搭載基板を製造する手順について具体的に説明する。この説明にあたって、手順のフローチャートを図6に示し、フローチャートに示すそれぞれの工程における説明図を図7(A)〜(E)に示す。
(予備加熱工程)
基板1に半導体素子4を実装する前の準備工程として、待機ステージ32にて基板1の予備加熱を行う(ステップS1)。具体的には、図7(A)に示すように基板1が待機ステージ32上に配置された状態で待機ステージ32の内部に備えられた加熱手段(図示せず)により所定温度となるまで加熱される。本実施の形態1では80℃まで加熱しているが、この温度は各種条件により適宜変更される。基板1が所定温度まで加熱されると予備加熱は終了する。
基板1に半導体素子4を実装する前の準備工程として、待機ステージ32にて基板1の予備加熱を行う(ステップS1)。具体的には、図7(A)に示すように基板1が待機ステージ32上に配置された状態で待機ステージ32の内部に備えられた加熱手段(図示せず)により所定温度となるまで加熱される。本実施の形態1では80℃まで加熱しているが、この温度は各種条件により適宜変更される。基板1が所定温度まで加熱されると予備加熱は終了する。
(接合補助剤供給工程)
予備加熱工程が終了するとボンディング装置10は基板1を待機ステージ32から基板ステージ15へ搬送して基板ステージ15上に基板1を保持する。基板1を保持したら、基板1を支持するXYテーブル34をXY方向に移動させて基板1のXY方向における位置決めを行う。その後、配線2および基板電極3の表面に対して、ディスペンサユニット14を用いて接合補助剤の供給を行う(ステップS2)。なお、ステップS2の開始時には既に給気ダクト29および排気ダクト30を稼動させて給排気を行っており最終工程が終わるまで継続する。
予備加熱工程が終了するとボンディング装置10は基板1を待機ステージ32から基板ステージ15へ搬送して基板ステージ15上に基板1を保持する。基板1を保持したら、基板1を支持するXYテーブル34をXY方向に移動させて基板1のXY方向における位置決めを行う。その後、配線2および基板電極3の表面に対して、ディスペンサユニット14を用いて接合補助剤の供給を行う(ステップS2)。なお、ステップS2の開始時には既に給気ダクト29および排気ダクト30を稼動させて給排気を行っており最終工程が終わるまで継続する。
ここで接合補助剤とは、還元性を有し、かつ、後述する超音波接合工程の際に基板電極3とバンプ5との間の接合界面(接触界面)を覆うことで、接合界面に形成された酸化膜を除去するとともに接合界面における酸化を抑制する液状またはペースト状の溶剤である。また、超音波接合が行われた後は、後述する接合補助剤除去工程の実施により、接合界面およびその近傍から蒸発して除去されるような溶剤でもある。さらに、接合界面において、銅の表面に対する還元性の作用を担保できるように、接合補助剤としてはOH基を含む溶剤が用いられることが好ましい。このような特徴を有する接合補助剤の一例として、本実施の形態ではグリセリンを用いる。なお、接合補助剤がシリカフィラー、金属粒子、蒸発しない樹脂成分を含むものである場合、接合補助剤除去工程で接合補助剤を除去するのが困難となるのでこのような物質は含まないことが好ましい。
ボンディング装置10において、ディスペンサユニット14をX方向に移動させることにより、基板1上の所望の基板電極3(あるいは配線2)とディスペンサユニット14との位置合わせが行われ、ディスペンサユニット14より、遮蔽板26の開口27を通じてこの基板電極3上に接合補助剤7(例えば、グリセリン)が塗布供給される。その結果、図7(B)に示すように、基板1への発光素子4の実装位置において、それぞれの基板電極3およびその周囲の配線2の全体を覆うように接合補助剤7が配置される。
(超音波接合工程)
次に、ボンディング装置10では、素子供給部11から1個の発光素子4が、素子反転ユニット12のノズル17により吸着保持して取り出され、素子反転ユニット12にてノズル17が上下方向に反転されることにより、保持されている発光素子4が反転される。その後、超音波ヘッド13が、反転された状態の素子反転ユニット12の上方に位置決めされて、素子反転ユニット12から超音波ヘッド13のノズル18に発光素子4が受け渡される。超音波ヘッド13はX方向に移動されて、先に接合補助剤7の供給が行われた基板1上の実装位置の上方に位置決めされる。その後、超音波ヘッド13が(遮蔽板26の開口27を通過しながら)下降して、ノズル18に保持された状態の発光素子4のそれぞれのバンプ5が、基板1のそれぞれの基板電極3に接触して押し付けられた状態とされる。一方、それぞれの基板電極3およびその近傍の配線2上には、接合補助剤7が供給されているため、発光素子4のバンプ5と基板電極3との間の接合界面8は、接合補助剤7により覆われた状態とされる(図7(C)参照)。
次に、ボンディング装置10では、素子供給部11から1個の発光素子4が、素子反転ユニット12のノズル17により吸着保持して取り出され、素子反転ユニット12にてノズル17が上下方向に反転されることにより、保持されている発光素子4が反転される。その後、超音波ヘッド13が、反転された状態の素子反転ユニット12の上方に位置決めされて、素子反転ユニット12から超音波ヘッド13のノズル18に発光素子4が受け渡される。超音波ヘッド13はX方向に移動されて、先に接合補助剤7の供給が行われた基板1上の実装位置の上方に位置決めされる。その後、超音波ヘッド13が(遮蔽板26の開口27を通過しながら)下降して、ノズル18に保持された状態の発光素子4のそれぞれのバンプ5が、基板1のそれぞれの基板電極3に接触して押し付けられた状態とされる。一方、それぞれの基板電極3およびその近傍の配線2上には、接合補助剤7が供給されているため、発光素子4のバンプ5と基板電極3との間の接合界面8は、接合補助剤7により覆われた状態とされる(図7(C)参照)。
このような状態にて、超音波ヘッド13において、振動子19により超音波振動を発生させ、発生された超音波振動が超音波ホーン20にて増幅されてノズル18を通して発光素子4に付与される。発光素子4のバンプ5と基板電極3との間の接合界面8に対して、この超音波振動が付与されることにより、バンプ5と基板電極3とが金属接合(すなわち、超音波接合)される(ステップS3)。その後、振動子19にて超音波振動の発生を停止させるとともに、ノズル18による発光素子4の吸着保持を解除して、ノズル18を上昇させ、発光素子4より離脱させる。
上述のように、超音波接合工程では、発光素子4のバンプ5によって基板電極3が押し付けられているため、荷重がバンプ5を介して基板電極3に加えられる。このように、発光素子4のバンプ5から基板電極3に荷重が加えられた状態で、接合界面8に超音波振動が付与されると、接合界面8が摩擦熱によって局所的に高温になる。従来の接合補助剤を用いない超音波接合では、この摩擦熱による高温によって合金接合が促進されると考えられていたが、実際には銅(基板電極3)の表面の酸化(黒い膜)も進行して十分な接合強度を確保できない。
これに対し、本発明では、接合界面8の周囲に還元性を有する接合補助剤7を存在させた状態で超音波接合を行うので、接合界面8を覆うようにして配置された接合補助剤は、その摩擦熱を利用して還元反応を発生させる。したがって、超音波接合によって発生する熱が銅に作用することで銅の酸化膜が新たに形成される可能性があるが、上述した接合補助剤による還元反応により、超音波接合中の銅の酸化を抑制することができる。
また、接合補助剤が発生させる還元反応により、接合界面8に既に形成されている銅の酸化膜も還元して除去することができる。
さらに、超音波接合が行われている間、すなわち超音波接合が完了するまでは、少なくともバンプ5と基板電極3との間の接合界面8は、接合補助剤7により覆われているため酸素との接触を遮断された状態が保たれる。したがって、超音波接合により接合界面8あるいはその近傍に酸化膜が形成されることを抑制できる。
以上の通り、銅の表面の酸化を接合補助剤によって防止しながら超音波接合を行うため、酸化膜のない銅とバンプ5の合金接合を確実に行うことができる。
なお、この超音波接合工程において、素子供給部11からの発光素子4の取り出し動作から、超音波ヘッド13への発光素子4の受け渡し動作までの一連の動作は、接合補助剤供給工程と並行して実施しても良い。
(接合補助剤除去工程)
次に、基板1と発光素子4との間に残存している接合補助剤7の除去を行う(ステップS4)。具体的には、基板1を加熱することにより、接合補助剤7の蒸発を促進させて、接合補助剤7の除去を行う。このような基板1の加熱方法として、本実施の形態1では、基板ステージ15が有するヒータ38を用いて基板1を加熱しているが、その他の加熱手段を用いて基板1の加熱を行うような方法でも良く、また、熱風を吹き付けるなどの乾燥促進手段を用いても良い。その結果、図7(D)に示すように、基板1と発光素子4との間に残存していた接合補助剤7が除去されて、基板1への発光素子4の実装が完了する。
次に、基板1と発光素子4との間に残存している接合補助剤7の除去を行う(ステップS4)。具体的には、基板1を加熱することにより、接合補助剤7の蒸発を促進させて、接合補助剤7の除去を行う。このような基板1の加熱方法として、本実施の形態1では、基板ステージ15が有するヒータ38を用いて基板1を加熱しているが、その他の加熱手段を用いて基板1の加熱を行うような方法でも良く、また、熱風を吹き付けるなどの乾燥促進手段を用いても良い。その結果、図7(D)に示すように、基板1と発光素子4との間に残存していた接合補助剤7が除去されて、基板1への発光素子4の実装が完了する。
このとき、図4に示されるように、気化した接合補助剤7は給気ダクト29からの給気によってY方向に案内され、排気ダクト30を介してボンディング装置10外部へと排出される。したがって、気化した接合補助剤7が超音波ヘッド13、ノズル18、およびX軸フレーム25へ付着してその部分を腐食することを抑制することができる。また、遮蔽板26が基板ステージ15の上方を覆うとともに図3に示されるように両サイドが下方へ突出しているため、気化した接合補助剤7の上方へ移動しようとする動きが遮られ、前述した付着および腐食をさらに抑制することができる。
なお、接合補助剤除去工程は、超音波接合工程後に残存する接合補助剤を、後述する樹脂封止工程に先立って除去することが目的であるため、残存する接合補助剤の量に応じて接合補助剤除去工程の実施の必要性を検討し、場合によっては接合補助剤除去工程を省略しても良い。
(樹脂封止工程)
次に、基板1と発光素子4との接合部分などを樹脂によって封止して、発光素子搭載基板を完成させる(ステップS5)。具体的には、基板電極3とバンプ5との接合界面8を含めて、配線2、基板電極3、およびバンプ5の表面を覆うように樹脂21を塗布することにより、発光素子4と基板1との間を封止する。樹脂21には、発光特性を発揮するために光透過性を有する樹脂を用いても良い。その結果、図7(E)に示すように、基板1と発光素子4との間が樹脂21によって封止されて、発光素子搭載基板22の製造が完了する。
次に、基板1と発光素子4との接合部分などを樹脂によって封止して、発光素子搭載基板を完成させる(ステップS5)。具体的には、基板電極3とバンプ5との接合界面8を含めて、配線2、基板電極3、およびバンプ5の表面を覆うように樹脂21を塗布することにより、発光素子4と基板1との間を封止する。樹脂21には、発光特性を発揮するために光透過性を有する樹脂を用いても良い。その結果、図7(E)に示すように、基板1と発光素子4との間が樹脂21によって封止されて、発光素子搭載基板22の製造が完了する。
なお、基板1に複数の発光素子4が実装される場合には、上述の予備加熱工程〜樹脂封止工程までの手順が順次実施されることで、それぞれの発光素子4が基板1に実装されるとともに、発光素子搭載基板22が製造される。なお、予備加熱工程(ステップS1)、接合補助剤供給工程(ステップS2)、および接合補助剤除去工程(ステップS4)は、基板1上における個々の実装位置毎に行われる場合に代えて、基板1の複数の実装位置に対してまとめてそれぞれの工程を行うようにしても良い。
全ての工程が終了したら、図8に示されるように、ボンディング装置10に備えられた搬送機構35と、基板ステージ15を支持するテーブルに備えられた昇降機構36とを用いて基板1の搬送を行う。具体的には、テーブル内に隠された昇降機構36を上昇させて、基板1の左右端部を支持し、さらに所定距離まで上昇させることにより基板1が基板ステージ15から所定距離だけ離間した状態とする。その後、搬送機構35が備える搬送ツメ37が、搬送方向上流側の基板1端部に接触しながら搬送方向下流側に押圧することにより、基板1が搬送方向に押し出されて搬送される。なお、搬送ツメ37は、基板1を搬送するとき以外は異なる場所に退避している。
本実施の形態1では、搬送ツメ37を備える搬送機構35と昇降機構36とを用いて基板1を搬送したが、その他適切な機構を用いて基板1を搬送しても良い。
上記実施の形態1によれば、バンプ5(Au)から基板電極3(Cu)に荷重が加えられた状態で超音波振動が付与されて、バンプ5と基板電極3との間の接合界面8が局所的に加熱されることにより、その摩擦熱を利用して、接合界面8を覆うようにして配置された接合補助剤7が還元反応を発生させる。その還元反応を利用することで、超音波接合の熱が銅に作用して新たな銅の酸化膜が形成されることを抑制するとともに、接合界面8に既に形成されている銅の酸化膜を除去することができる。また、接合界面8が覆われていることにより、Auに比して酸化し易いCuの表面が酸素に触れることを抑制でき、超音波接合に伴って接合界面8に酸化膜が形成されることを防止できる。このように、銅の表面の酸化を接合補助剤によって防止しながら、超音波接合を行うため、酸化膜のない銅とバンプ5の合金接合を確実に行うことができる。すなわち、Au−Cu接合において好適なダイシェア強度を維持することができ、従来のAu−Au接合に代替可能な金属接合を提供できるとともに、半導体素子の実装およびその半導体素子搭載基板の製造におけるコスト削減を実現できる。また、超音波接合による局所的な高温を利用するため、基板やチップ全体を高温にする必要がなく、大規模な還元用の加熱装置等も不要となるため、さらなるコスト削減を実現することができる。
また、このような接合補助剤7は、超音波接合が完了した後、接合補助剤除去工程の実施によりヒータ38で加熱されて気化することにより基板1上から除去されるため、発光素子4や基板1の機能が阻害されることもない。一方で、気化した接合補助剤は、ボンディング装置10内を上昇してボンディング装置10の部材(特に基板認識用カメラ24)に付着する場合がある。このように接合補助剤が付着した状態で時間が経過すると、ボンディング装置10の部材が腐食してしまうおそれがある。しかしながら、本実施の形態1のボンディング装置10によれば、気化した接合補助剤を速やかにボンディング装置10の外部へ排出することにより、接合補助剤がボンディング装置10の部材に付着するのを抑制することができる。
気化した接合補助剤をボンディング装置10外部へ排出するために、給排気設備を用いる。具体的には図2、4に示されるように、排気ダクト30により排気を行うとともに、給気ダクト29により空間Sに給気を行って排気ダクト30による排気を促進している。なお、図4に示されるように、接合補助剤は基板1上における中央部付近に塗布されるが、その後基板1の搬送に伴って基板1の搬送方向下流側へと運ばれるため、気化した接合補助剤は、空間Sのうち主に搬送方向下流側(図4における右側)にて発生する。さらに、給気ダクト29および排気ダクト30の配置によって、気流Pは基板1の搬送方向と同じ向き(Y方向)に向かうようにされている。このような配置により、気化した接合補助剤を速やかに排気ダクト30から排出するとともに、開口27を通じて上へ抜けようとすることを抑制することができボンディング装置10の各部材への付着および腐食を防止することができる。
さらに、基板1の上方を遮蔽板26で覆うことにより、基板1上で気化した接合補助剤が基板1から上方に向かうのを遮っているため、気化した接合補助剤がボンディング装置10の部材に付着するのを抑制する。さらに、図3に示されるように遮蔽板26の両サイドが下方へ突出しているため、気化した接合補助剤7が両サイドから回りこんで上方へ向かおうとする動きが遮られ、前述した付着をさらに抑制することができる。また、基板1の上方を遮蔽板26で覆うことにより、基板1と遮蔽板26の間の空間Sにて給排気風路が画定され、給気ダクト29からの給気を上方に逃げないようにして給排気効率を向上させることができる。
また図1などに示されるように、実装時における超音波ヘッド13およびディスペンサユニット14は遮蔽板26の共通の開口を通過しながら実装を行う。このような共通の開口を設けた場合、超音波ヘッド13およびディスペンサユニット14のそれぞれに専用の開口を設ける場合に比べて開口全体の面積を小さくすることができる。開口全体の面積を小さくすることにより開口の外から開口を通じて空間Sに流れようとする気流が発生しやすくなるため、気化した接合補助剤の漏洩防止の効果を高めることができる。また給気量が排気量より多い場合でもこのような構成によれば、空間Sから開口を通じて上方へ流れようとする気流が発生しにくくなるため、接合補助剤の漏洩防止の効果を高めることができる。
なお、接合補助剤供給工程(ステップS2)で超音波ヘッド13によって基板1上に塗布された接合補助剤の中には、接合補助剤除去工程(ステップS4)の開始前に気化するものもあるので、給排気設備の稼動は、少なくともステップS2〜ステップS4の間継続して行うことが望ましい。
次に、本発明に用いられる接合補助剤について、さらに説明する。接合補助剤は、超音波接合が完了するまでの間、バンプと基板電極との間の接合界面を覆って酸素から遮断するとともに、銅の酸化膜を還元する還元反応を発生させる役割を担っている。一方、ボンディング装置10において、基板ステージ15に保持されている基板1は、発光素子4の基板1への超音波接合を効果的に行えるように、予備加熱工程において所定の温度に加熱(加温)されている。このように加温された状態の基板1の配線2および基板電極3上に供給された接合補助剤7は、極短時間で蒸発してしまうことなく、少なくとも超音波接合が完了するまでは残存して接合界面を覆っている必要がある。例えば、基板1を載置する基板ステージ15の温度よりも50℃以上高い沸点を有する溶剤であれば、供給後、極短時間で蒸発して消失してしまうことは防げる。すなわち、基板ステージ15の温度の上限を150℃に設定する場合、溶剤の沸点は、200℃以上とすることが好ましい。
ここで、各種の接合補助剤を用いて、実装を行った半導体素子についてダイシェア強度の測定実験を行い、その実験結果を図9に示す。図9では、接合補助剤の種類を横軸に、それらの接合補助剤を用いた発行素子のダイシェア強度(gf)を縦軸に示す。ここで、比較例として、接合補助剤にエチレングリコール(沸点198℃)を用いた結果を示し、実施例として、接合補助剤にジエチレングリコール(沸点244−245℃)、トリエチレングリコール(沸点288℃)、グリセリン(沸点290℃)を用いた結果を示す。実験条件は、半導体素子搭載基板のサイズが4mm×4mm、バンプサイズが90μm×30μm、バンプ個数が288pcs、バンプの材質がAuメッキバンプである。さらに、上記条件に加え、基板ステージ15の温度:80℃、荷重:30N、超音波出力:10W(パターン1)、および基板ステージ15の温度:120℃、荷重:30N、超音波出力:10W(パターン2)、のそれぞれ2パターンで実験を行った。
半導体素子搭載基板のダイシェア強度について、判定基準を2000gfとした。図9に示すように、比較例の半導体素子のダイシェア強度は、パターン1および2のいずれの場合も2000gf以下である。一方、実施例の半導体素子搭載基板のダイシェア強度は、パターン1および2のいずれの場合も2000gf以上である。このことから、本発明の接合補助剤として、比較例で用いたエチレングリコールは適さず、実施例で用いたジエチレングリコール、トリエチレングリコール、グリセリンは適するということが分かる。
また、接合補助剤は、接合界面を覆って酸素を遮断するとともに還元反応を発生させるという役割を果たした後、基板上から簡便な方法を用いて確実に除去される必要がある。そのため、接合補助剤は、例えば、加熱されることにより蒸発して基板上に残存することなく除去されるような溶剤である必要がある。
また、接合補助剤が少なくとも1つのOH基を有していることにより、接合界面などに対する還元性の効果を担保することもできる。
このように接合補助剤に求められる条件を総合すれば、本発明の接合補助剤としては、例えば、上記実施例で用いたグリセリン、トリエチレングリコール、ジエチレングリコールや、その他に、ジエチレングリコールモノnブチルエーテル(沸点230℃)、トリエチレングリコールジメチルエーテル(沸点216℃)、テトラエチレングリコール(沸点327℃)などを用いることができる。
(実施の形態2)
図10は、本発明の実施の形態2に係るフリップチップボンディング装置110の遮蔽板126の構成を示す上面図である。以下に実施の形態1との相違点についてのみ説明する。
図10は、本発明の実施の形態2に係るフリップチップボンディング装置110の遮蔽板126の構成を示す上面図である。以下に実施の形態1との相違点についてのみ説明する。
前述した実施の形態1では、基板ステージ15を支持するテーブルは、XY方向に移動可能なXYテーブル34である。XYテーブル34を用いると、基板ステージ15およびその上に載置される基板1がXY方向に移動可能なため、超音波ヘッド13およびディスペンサユニット14は、遮蔽板26の開口27が最低限の大きさが確保されていればその大きさにかかわらず、基板1の表面全体にアクセスして実装を行うことができる。したがって、実施の形態1では遮蔽板26の開口27を必要最小限の大きさとすることにより、気化した接合補助剤が開口27を通じて上方へ抜けてボンディング装置10へ付着することをより抑制している。
一方、本実施の形態2では、基板ステージ15を支持するテーブルとして、基板1の搬送方向沿いにのみ移動可能な一方向テーブル134を用いる。そうすると、基板ステージ15およびその上に載置される基板1は搬送方向(Y方向)に移動可能なものの搬送方向に直交する方向(X方向)に移動しないため、超音波ヘッド13およびディスペンサユニット14が基板1上に自由にアクセスできるように、遮蔽板126の開口127をX方向に開放する必要がある。具体的には、図10で示されるように、開口127をX方向に長い長方形状としており、実施の形態1に比べて開口127の面積は大きくなっている。
図11は、図10の線A−A沿いのボンディング装置110の断面図である。図11に示されるように、開口127のX方向沿いの幅L1を、基板1の同方向沿いの幅L2よりも大きくすることにより、超音波ヘッド13およびディスペンサユニット14が基板1上の全てのX方向位置にアクセス可能となっている。また、本実施の形態2では1方向テーブル134はY方向に移動するがX方向に移動しないため、遮蔽板126の横幅を決定する際に1方向テーブル134のX方向の稼動範囲を考慮しなくても良い。したがって、図11に示されるように、遮蔽板126の横幅をできるだけ小さくすることができ、基板1の搬送方向から見た遮蔽板126の断面積を小さくすることができる。このように、実施の形態1に比べて、遮蔽板126の断面積を小さくすることにより、少ない給気量で給排気を行うことが可能になる。
図11における基板1の搬送方法は、図8を用いて実施の形態1について説明した方法と同様であるため、その説明は省略するものとする。
上述の実施の形態の説明では、発光素子4のバンプ5(Au)と基板1の基板電極3(Cu)とが超音波接合される場合を例として説明したが、発光素子4のバンプ5を銅にて形成して、Cu−Cuの超音波接合が行われるような場合であっても良い。また、バンプ5を銅にて形成し、基板電極3を金にて形成して、Cu−Auの超音波接合を行っても良い。
また、上述の説明では、ディスペンサユニット14を用いて、基板1の配線2および基板電極3上に接合補助剤を塗布供給するような場合を例として説明したが、接合補助剤の供給方法としては、塗布による供給の他、転写による供給方法を採用することもできる。また、接合補助剤を基板1側に供給する場合の他、発光素子4側に供給する場合、両者に供給する場合などのいずれの手法を採用しても良い。
また、接合補助剤の供給位置として、接合補助剤が接合界面8の周囲を覆うような場合について説明したが、代わりに接合補助剤が少なくとも接触界面の周囲に存在するように供給を行っても良い。この場合、超音波接合工程において、超音波振動の作用により、接合界面8の周囲に存在する接合補助剤は接触界面8に浸入するため、上述した還元反応などにより同様に、既に形成されている銅の酸化膜の除去、および新たな銅の酸化膜の形成の抑制を実現することができる。
また、接合補助剤除去工程では、接合補助剤を積極的に加熱するなどして除去するような場合に代えて、例えば放置して自然蒸発させることで除去を行うようにしても良い。
また、基板1に半導体素子の実装を行うための実装ユニットとして超音波ヘッド13を用いているが、超音波ヘッド13以外の部材を実装ユニットの構成要素として用いても良い。
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
本発明は、半導体素子の実装において、Au−Cu接合あるいはCu−Cu接合を、従来のAu−Auと同等のダイシェア強度を保持しながら実現するとともに、気化した接合補助剤が装置の部材などに付着して腐食することを抑制できるため、コスト削減の継続的な要求が高いフリップチップボンディング装置に有用である。
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
2011年11月24日に出願された日本国特許出願No.2011−256253号の明細書、図面、及び特許請求の範囲の開示内容は、全体として参照されて本明細書の中に取り入れられるものである。
Claims (6)
- 加熱手段を有するとともに基板を載置して保持する基板ステージと、
基板ステージ上に載置された基板のそれぞれの第1電極上に、還元性を有する接合補助剤を供給するディスペンサユニットと、
半導体素子を供給する半導体素子供給ユニットと、
半導体素子供給ユニットより供給された半導体素子を受け取って保持し、接合補助剤が供給された基板の第1電極に半導体素子の第2電極を押し付けた状態にて超音波振動を付与して実装する超音波ヘッドを含む実装ユニットと、
基板ステージの上方に配置されることにより、基板ステージから基板ステージの上方に向かう気流を遮るとともに、超音波ヘッドおよびディスペンサユニットによる基板へのアクセスを可能にする共通の開口を有する遮蔽板と、
基板に塗布された後に加熱手段による熱によって気化した接合補助剤を含む気体を基板ステージと遮蔽板との間の空間から排気する排気設備と、を備え、
超音波ヘッドは、第1電極と第2電極との間の実装を少なくとも銅を含む金属接合として、金属接合するまでの間は少なくとも第1電極と第2電極との間の接合界面の周囲に接合補助剤が存在する状態にて金属接合を行うフリップチップボンディング装置。 - 半導体素子が実装される前の基板を基板ステージの一方から基板ステージに搬入し、半導体素子が実装された基板を基板ステージの他方より搬出する基板搬送手段を備え、排気設備の排気ダクトを基板ステージの他方側に設けた、請求項1に記載のフリップチップボンディング装置。
- 基板ステージと遮蔽板との間の空間に給気を行う給気設備をさらに備える、請求項1又は2に記載のフリップチップボンディング装置。
- 基板ステージと遮蔽板との間の空間に給気を行う給気設備をさらに備え、
給気設備の給気ダクトを基板ステージの一方側に設けた、請求項2に記載のフリップチップボンディング装置。 - 基板ステージを支持するテーブルはXYテーブルであり、
一個の半導体素子が実装される基板上の第2電極に対して、超音波ヘッドおよびディスペンサユニットがアクセス可能な大きさに、遮蔽板の開口が形成されている、請求項1に記載のフリップチップボンディング装置。 - 基板ステージを支持するテーブルは、基板の搬送方向沿いにのみ移動可能な1方向テーブルであり、
基板の搬送方向に直交する方向に固定された基板の幅方向の領域を覆うように、遮蔽板の幅が設定されている、請求項1に記載のフリップチップボンディング装置。
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