JP6038035B2 - 印刷導電性表面にチップを取り付ける方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、包括的には、チップとしても知られる集積回路部品を、導電性パターンを備える表面に接続する技術に関する。特に、本発明は、上記導電性パターンが印刷によって生成される場合に関する。

プリンテッドエレクトロニクス（printed electronics）は、多種多様の消費者製品に電子機能を費用効率よく組み込むことを可能にすることが期待できるように見える。ここで、従来のエポキシベース又はポリエステルベースの回路基板がプリント回路基板（ＰＣＢ）と呼ばれることが多い場合であっても、ＰＣＢは、プリンテッドエレクトロニクスの実際の定義を満たすものではないことを留意するべきである。ＰＣＢでは、（シルクスクリーン）印刷の使用は、不要な銅をエッチングする前に耐エッチング性インクパターンを生成することとともに、他の点では完成している基板の表面に可視マーキングを生成することに限定される。真のプリンテッドエレクトロニクスは、電子回路の実際の機能素子を構成する導電性パターン、半導性パターン及び場合によっては他のパターンが、印刷プロセスにおいて基板に形成され、すなわち基板に印刷されることを意味する。

本明細書作成の時点で、典型的なプリンテッドエレクトロニクスの寸法は、少なくともマイクロスケール又はナノメートルスケールのライン幅及び集積回路で見られる他の構造体に比較して、マクロ的である。これは、プリンテッドエレクトロニクスで複雑な機能を実施するには、比較的広い表面積を使用すること、及び／又は実際のプリンテッドエレクトロニクスを集積回路部品若しくはチップで増強する必要があることを意味する。また、「半導体チップ」というより長い名称を使用することができるが、チップの基体が常に半導体材料から作製されるとは限らず、また、例えばガラスベース、サファイアベース及び鋼ベースのチップも、絶縁ポリマー基体の上に半導体ポリマーで印刷されたチップとともに知られている。チップが使用される場合、プリンテッドエレクトロニクスにチップを取り付けて接続することが当然ながら必要となる。本明細書では、取り付けるという用語及びその派生語は、物理的に取り付けること、すなわち緩まないようにすることを意味するが、接続するという用語及びその派生語は、導電性接続をもたらすことを意味する。しかしながら、これらの用語は相互に排他的ではなく、例えばはんだ付けのような十分に強固な方法を使用して同時に取り付けて接続することができる。

図１は、プリンテッドエレクトロニクスにチップ１０１を取り付けて接続する既知の方法を示し、基板１０４に印刷されたプリンテッドエレクトロニクスの導電性領域１０２及び１０３が示されている。例として、基板１０４は紙又は板紙であり、導電性領域１０２及び１０３が金属箔の切片である（又はより一般的には、領域は本質的に金属化合物で覆われている）と想定することができる。チップ１０１の表面にはんだバンプ１０５及び１０６があり、はんだフラックス１０７及び１０８の対応するパッチが、導電性領域１０２及び１０３の上に広げられている。フラックスを、はんだバンプ１０５及び１０６の上に広げるか、又ははんだバンプの材料に提供することもできる。基板１０４に面しているチップ１０１の表面に、接着剤１０９の液滴が塗布されている。接着剤は、はんだバンプの少なくとも部分的な溶融をもたらすために十分な熱が加えられる間に、チップが所望の位置で固定されたままにするのに役立つ。フラックスは、溶融はんだの流れを制御するのに役立つ。冷却後、チップは、基板に取り付けられたままであり、溶融はんだが導電性領域の適切な部分との接合を形成した位置において、電気的接続が確立される。

図１に示す従来技術による方法の欠点は、比較的低速であるということである。単一チップを取り付けて接続するために１０秒から１５秒が必要であることは珍しいことではない。これは、例えば食品提供用の板紙製消費者パッケージの大量生産には、低速過ぎる方法であることを示す可能性がある。

本発明の実施形態の有利な特徴は、印刷導電性表面にチップを迅速に、円滑にかつ確実に取り付けて接続する方法及び装置を提供することである。

本発明の目的は、特定の溶融特性を有する材料を用いて印刷導電性表面の少なくとも一部を生成することにより、かつチップとともに接合相に必要な熱をもたらすことにより達成される。

本発明の一態様によれば、チップが損傷することなく耐えることができる温度より低い温度での融点を有する材料からなる、チップを取り付けるべき印刷導電性表面の少なくとも一部を製造することができる。したがって、加熱されたチップがもたらす熱以外の熱を取付け及び接続プロセスに加える必要がない。溶融は、印刷導電性表面において、はんだバンプ若しくはチップの他の接点領域、又は両方において発生する可能性がある。チップを印刷導電性表面に対して適切な力で押圧することによって、溶融を促進することができる。

本発明の実施形態の特定の分類は、比較的大きい歪みに耐えることができる、鋼ベース又は他の金属ベースのチップを使用することを含む。したがって、比較的大きい力を用いて、印刷導電性表面に対してチップを押圧することができ、それにより、温度及び押圧力の組合せにおいて、押圧力が、所望の位置において溶融をもたらすのに重要な役割を果たす。

本発明の実施形態の別の特定の分類は、基体が単にシリコン又は他の結晶物質から作製されるチップを使用することを含む。この種の結晶物質は、歪み下で比較的容易に破損し、それは、チップを印刷導電性表面に対して押圧するために比較的軽い力しか使用することができないことを意味する。温度及び押圧力の組合せを考慮すると、実施形態のこの分類では、溶融は、本質的に温度によって排他的にもたらされる。

本発明の実施形態の１つの分類は、印刷導電性表面に異方導電性接着剤の層を使用することを含む。異方導電性接着剤は、最初はほとんど導電性ではない。局所的に熱を加えることにより、接着剤の導電性粒子が溶融し、特定の位置において接着剤を通る導電性経路を形成する。

本発明の特性としてみなされる新規な特徴は、特に、添付の特許請求の範囲に示されている。しかしながら、本発明自体は、その構造及びその動作方法の両方に関して、その追加の目的及び利点とともに、特定の実施形態の以下の説明を添付図面に関連して読む時にそこから最もよく理解されるであろう。

本特許出願で提示される本発明の例示的な実施形態は、添付の特許請求の範囲の適用範囲に対して制限を加えるように解釈されるべきではない。本特許明細書において、「具備する、備える、含む」（to comprise）という動詞は、列挙されていない特徴の存在を排除しない開かれた限定（open limitation）として使用されている。従属請求項で列挙されている特徴は、別段に明示的に述べていない限り、相互に自由に組合せ可能である。

従来技術による方法を示す図である。 本発明の一実施形態による、チップを取り付けて接続することを示す図である。 印刷導電性表面の材料を溶融することに関連する詳細を示す図である。 接点の材料を溶融することに関連する詳細を示す図である。 異方導電性接着剤の使用に関連する詳細を示す図である。 本発明の一実施形態による装置を示す図である。 本発明の別の実施形態による装置を示す図である。 印刷セクションを示す図である。 本発明の一実施形態による方法を示す図である。 本発明の一実施形態による装置を示す図である。 図１０の装置の詳細を示す図である。 図１０の装置の別の詳細を示す図である。 本発明の一実施形態による装置を示す図である。

プリンテッドエレクトロニクスの重要な用途は、ポリマー及び他の層も含む可能性がある、紙及び板紙のような感熱基板の上に導電性表面を設けることである。国際公開第２００９／１３５９８５号として公開された国際出願ＰＣＴ／ＦＩ２００８／０５０２５６号に開示されているもののような方法により、いわゆる低温はんだである（又はそれに類似している）金属化合物の導電性表面を作製することができる。こうした金属化合物の非限定的なリスト例としては以下が挙げられる（示されているパーセント値は重量パーセント値である）。
−錫／銀（３．４３％）／銅（０．８３％）
−錫／銀（２％〜２．５％）／銅（０．８％）／アンチモン（０．５％〜０．６％）
−錫／銀（３．５％）／ビスマス（３．０％）
−錫／亜鉛（１０％）
−錫／ビスマス（５８％）
−錫／インジウム（５２％）
−ビスマス（５３％〜７６％）／錫（２２％〜３５％）／インジウム（２％〜１２％）

これらの金属化合物の多くが、チップが耐えることができる温度より低い温度での融点を持つことに留意することが重要である。室圧では、最初の４つの列挙した例は１８０℃と２２０℃との間で溶融し、最後に述べた３つの例は、大幅に低い温度で、１００℃未満でさえも溶融することができる（リストの最後に挙げた金属化合物は、７５℃の融点を有することができる）。同時に、金属化合物の溶融は、圧力によって決まる可能性がある。一般に、圧力の上昇は、化合物の互いに対する溶融及び付着に関連する現象に役立つことができる。チップを第１の温度まで加熱することができ、加熱されたチップを、第１の押圧力で印刷導電性表面に押圧することができ、それにより、第１の温度及び第１の押圧力の組合せは、印刷導電性表面若しくはチップ上の接点のいずれか又は両方の材料を少なくとも部分的に溶融するのに十分である。溶融並びに互いに対する構成要素の溶融及び付着に関連する他の現象の局所化と、溶融材料及び／又は略溶融材料の挙動とを、フラックスの制御された塗布によって更に制御することができる。

図２は、基板２０４が１つ又は複数の印刷導電性表面を備える例を示し、そのうちのパターン２０２及び２０３を有する上面を図２に示す。チップ２０１を印刷導電性表面に取り付けて接続するために、チップ２０１は、図２の左に図示するように第１の温度まで加熱される。チップは、接続した後に動作可能であるべきであり、それにより、上記第１の温度が、チップが熱によって損傷することなく耐えることができる温度より低くなければならないことが当然の結果となる。加熱されたチップは、図２の中央部分に示すように、第１の押圧力によって印刷導電性表面に対して押圧される。第１の温度及び第１の押圧力の組合せは、印刷導電性表面のパターン２０２及び２０３若しくはチップ上の接点２０５及び２０６のいずれか、又は両方のいずれかの材料を少なくとも部分的に溶融するのに十分である。溶融に加えて、溶融及び付着に関連する他の現象もまた発生する可能性がある。結果として、チップは、図２の右側に示すように、印刷導電性表面に取り付けられかつ接続される。

第１の例として、チップ２０１が金属基体を備える場合を考慮することができる。本明細書を書いている時点で、アメリカ合衆国カリフォルニア州ミルピタスサウスヒルビュードライブ２３３のKovio社が、印刷されたシリコンから作製された半導体部品がステンレス鋼基体の上にあるチップを提供している。金属ベースのチップは、同様に他の製造業者から入手可能であり、ステンレス鋼以外の他の金属を基体として使用することができる。金属基体チップは、最大４００℃の温度に耐えることができ、金属基体は優れた機械的強度も有することができ、それは金属基体が比較的高い歪みに耐えることができることを意味している。最後に述べた特性により、１ＭＰａ（メガパスカル）と１０ＭＰａとの間の圧力をもたらす押圧力により（圧力は押圧力をチップの表面積で割ることによって計算される）、加熱された金属基体チップを印刷導電性表面に対して押圧することができる。金属ベースのチップは、比較的大きい押圧力を使用することを可能とするが、より小さい力で十分であるようにプロセスが他の方法で行われる場合、必ずしも大きい押圧力を必要としない。金属ベースのチップで使用される圧力を、０．１ＭＰａ又は更にはそれ未満とすることができる。

印刷導電性表面に加わる表面圧力は、接点２０５及び２０６がパターン２０２及び２０３それぞれと接触する略点状領域において最高である。チップ２０１の本体から同じ領域に伝導される熱とともに、この高い局所圧力により、各接点において本質的にはんだ型接合をもたらす溶融及び付着に関連する局所化現象がもたらされる。

接点における伝熱及び表面圧力付与の点状の特質により、パターン２０２及び２０３の大部分が溶融しないままであることが確実になり、それは、接点領域の局所的なトポロジが適切に構成されたままであり混乱しないことを意味する。これは有利であり、それは、パターン２０２及び２０３の材料の困難を伴って制御される大規模な溶融により、互いに隔離されたままでなければならない、結果としての電気回路の部品の間に、短絡が容易にもたらされる可能性があるためである。特に印刷導電性表面が、チップを取り付けて接続する瞬間に正確に水平でない場合、及び／又は機械系の移動の状態が変化して制動力がもたらされる場合、パターン２０２及び２０３の大規模な溶融によって、溶融した導電性材料のかなりの部分が基板２０４の表面のその意図された部分から流出することになる可能性もある。

さらに、接点における溶融及び付着に関連する点状現象は、溶融材料が再び凝固する前に、比較的わずかな量の熱を伝導し及び／又は溶融ゾーンから離れるように放射するだけでよいことを意味する。これはさらに、結果として得られるはんだ接合が、チップを接続するだけでなく適所に比較的迅速に取り付けることも意味する。凝固が発生するペースに対して、加熱されたチップを印刷導電性表面に対して押圧する位置における周囲温度を能動的に制御することによって影響を与えることができる。例えば、基板２０４の下方に冷却されるか又は他の方法で温度制御された支持体がある場合があり、その支持体は、パターン２０２及び２０３並びに基板２０４を通る伝導により熱を迅速に吸収する。こうした支持体は、例えばロール又は平面支持体の形態をとることができる。周囲温度を能動的に制御する別の例示的な方法は、加熱されたチップを印刷導電性表面に対して押圧する位置を包囲するか又はそれに隣接する領域に冷却ガスを供給することである。

金属基体チップを使用することは必要という訳ではない。代替例として、チップ２０１の基体を、ガラス若しくはサファイア、又は半導体部品用の基体として使用されるシリコン若しくは他の結晶材料から作製することができる。しかしながら、金属基体材料以外の大部分は、機械的強度が相対的に低く、多くの場合、チップが熱によって損傷を受けることなく耐えることができる臨界温度もまた相対的に低い。

プロセスパラメーター（温度、押圧力、処理速度等）を、使用されるチップ技術に適合するように注意深く選択する必要がある。例えば、本明細書を書いている時点で既知である種類のシリコン基体チップを使用することは、通常、チップが加熱される第１の温度が２００℃より著しく高くはなく、チップが印刷導電性表面に対して押圧される第１の押圧力が１メガパスカルより著しく大きくはないことを意味する。

図３及び図４は、チップと導電性パターンとの間のはんだ接合を行う２つの基本手法を例示している。図３では、接点３０５が、金、銀、銅又はアルミニウム等、比較的溶融温度の高い導電性金属から作製されるものとする。一実施形態によれば、接点３０５の溶融温度を導電性パターンと同じとすることができ、そのため、ともにプロセスにおいて少なくとも部分的に溶融する。パターン３０２は、比較的溶融温度の低い導電性材料から、例えば低温はんだを構成するか又はそれに類似する金属化合物から作製される。この場合、パターン３０２の材料の溶融温度（少なくとも圧力下）が、チップ２０１（及びその基板２０４）が熱によって損傷することなく耐えることができる最高温度より低いことが必須である。取付け及び接続を行うために、接点３０５の温度が、チップ２０１を基板２０４に対して押圧する力とともに、パターン３０２の材料を局所的に溶融するのに十分であるように、チップ２０１は十分高温にされる。

図４では、接点４０５が、低温はんだを構成するか又はそれに類似する金属化合物等、比較的溶融温度の低い導電性材料から作製されるものとする。一実施形態によれば、接点３０５の溶融温度を、導電性パターンと同じとすることができ、それにより、ともにプロセスにおいて少なくとも部分的に溶融する。パターン４０２は、接点４０５より溶融温度の高い導電性材料、例えば金、銀、銅、アルミニウム、又は何らかの金属若しくは非金属導電性化合物から作製される。この場合、接点４０５の材料の溶融温度（少なくとも圧力下）が、チップ２０１が熱によって損傷を受けることなく耐えることができる最高温度より低いことが必須である。基板２０４は、特に耐熱性である必要はなく、それは、パターン４０２が基板２０４と加熱されたチップとの間にあるためであり、かつ、温度、力、持続時間、支持構造体特性及び／又は周囲冷却を適切に選択することにより、チップの熱をいかなる過剰な量も、基板まで進まないようにすることができるためである。取付け及び接続を行うために、接点４０５の温度が、チップ２０１を基板２０４に対して押圧する力とともに、接点４０５の材料を局所的に溶融するのに十分であるように、チップ２０１は十分に高温にされる。

図３の実施形態と図４の実施形態との間の異種混合が可能であり、それにより、接点とそれが接触する印刷導電性表面との両方において少なくとも部分的に溶融が発生するか、又は、チップが、種々の材料から作製された接点を有し、印刷導電性表面の種々の材料の複数のパターンに取り付けられ、それによって、接点のうちの幾つかでは、パターン対の溶融は接点において発生し、他の接点では印刷導電性表面で発生する。

チップの接点は、必ずしもバンプ形成であるか又は著しい程度まで突出している必要はないことを留意するべきである。接点が、本来酸化していたか又は他の方法で非導電性にされていた表面の上の導電性パッドとして形成されているチップがある。バンプ状接点は、溶融が発生するゾーンにおいて圧力分布を制御するのに利点を含むことができるが、本発明の目的では、チップの接点がいかに形成されるかは重要ではない。

図５は、印刷導電性表面にチップを取り付けて接続することが、異方導電性接着剤を用いて達成される、更に別の代替実施形態を示す。基板２０４上には、導電性パターン５０１と異方導電性接着剤の層５０２とを含む印刷導電性表面がある。異方導電性接着剤は、元来、通常は直径が５マイクロメートル〜５０マイクロメートルのサイズの多数の導電性粒子を含んでおり、各粒子は、互いに導電性接続をもたらさないように、絶縁層内部に封入されるか又は他の方法で製造されている。したがって、十分な熱（通常は７５〜１４０℃）を加える前に、異方導電性接着剤は、実際には、いかなるマクロ的な意味においてもまったく導電性ではない。絶縁層及び／又は粒子と混合された粘性剤は、接着機能を実現するために粘着性である。

チップの加熱された接点２０５は、異方導電性接着剤の層５０２と接触すると、絶縁層を溶解するか、燃焼させるか、蒸発させるか、若しくは他の方法で破壊するか、又は、付近の複数の導電性粒子において、粒子がマクロ的に導電性になる別の反応をもたらす。影響を受ける導電性粒子は、接点と導電性パターンとの間に導電性接続５０３を形成する。絶縁層が依然としてそのままである（又は粘性剤の幾分かが残っている）異方導電性接着剤の部分の接着機能を利用して、チップを適所に取り付けるのに役立つことができる。例えば、異方導電性接着剤の層が、接点がチップの表面から突出する距離に比較して十分厚い場合、接着機能を、接点に隣接していないチップの部分において利用することができる。チップによってもたらされる熱を、導電性接続を構成する導電性粒子を溶融し、それによって導電性接続が本質的にはんだ接合となるのに十分とすることができる。

異方導電性接着剤を考慮する前に記載した本発明の実施形態では、接点の周囲の小さい領域に溶融を制限することが有利であったが、それは、回路の他の導電性部分の望ましくないスミアリングを回避するのに役立つためであった。また異方導電性接着剤では、粒子が、接点の周囲の小さい領域のみにマクロ的に導電性の接続を形成することになる場所に反応を制限することが（必須ではなくても）、ただしわずかに異なる理由で有利である。回路の他の固有に導電性の部分のスミアリングを回避することはそれほど問題ではなく、それは、十分な熱を加える前に異方導電性接着剤はマクロ的に導電性でないためである。しかしながら、異方導電性接着剤をそのように維持すること、すなわち異方導電性接着剤の層が、導電性が必要でない位置において導電性とならないようにすることは有利である。これにより、互いに直接短絡するべきではない回路の少なくとも２つの箇所の間に連続的に延在する層として、印刷導電性表面に異方導電性接着剤を最初に広げることができる。異方導電性接着剤の層を、さらには、印刷導電性表面全体にわたる連続層として広げることもできる。連続層を施すこと、又は少なくとも非常に注意深く設計されパターニングされた層を不要とすることは、通常、印刷には有利であり、それは、製造プロセスからパターニングステップをなくし及び／又はそれを簡略化することができ、したがって、プロセスをより安価にかつ技術的に単純にすることができるためである。

本発明の実施形態が、表面の導電性パターン、チップ上の接点、又は異方導電性接着剤等の中間物質のうちのいずれか又はすべてに、熱関係及び圧力関係の変形が発生する可能性がある、広範囲の可能性を網羅すると解釈すると、溶融と単純に言うことは、すべての真実を述べていない可能性があることを留意するべきである。本明細書を通して、単に簡略化の理由で、溶融という用語又はその派生語が使用される位置においてさえも、真の意味は、材料の変形並びに導電特性及び／又は粘着特性のあり得る変化が、加えられる熱及び圧力の組合せによって達成されるこうしたすべての現象を網羅することである。

図６は、印刷導電性表面にチップを取り付ける装置を概略的に示す。ここで、装置は、より大きい印刷プロセスの一部として構築されている。基板ウェブが、入力ロール６０１から広げられ、任意選択的な張力コントローラー６０２を通ってニップに送られ、ニップにおいて、基板ウェブは、インプレッションロール６０３と対応する支持ロール６０４との間を通過する。印刷装置６０５が、インプレッションロール６０３と相互作用して、結果としてインプレッションロール６０３が、基板ウェブ上に通常は複数の導電性パターンを含む印刷導電性表面を生成するように構成されている。基板ウェブ上に印刷導電性表面を生成するさまざまな技術が存在し、それらは、本発明の範囲外にあり、そのため、それらについて本明細書においてより詳細に考察する必要はない。こうした技術の例は、例えば国際公開第２００９／１３５９８５号から既知である。

半導体チップは、事前に製造され、キャリアバンド上に、上記印刷導電性表面のパターニングに対応する特定のパターンで配置されている。キャリアバンドは、基板ウェブの搬送速度に同期する速度で、キャリアバンドロール６０６から巻き出される。キャリアバンド上のチップの選択された部分（通常、露出した接点）にフラックスを塗布する、任意選択的なフラックス塗布装置６０７を設けることができる。フラックスは、キャリアバンドロール６０６上にキャリアバンドを巻回する前にすでに事前にチップの接点に塗布されていることも可能である。幾つかの実施形態では、フラックスを全く必要としない場合があるが、多くの場合、はんだ（又は異方導電性接着剤の粒子）の後続する溶融を所望の位置に集中させるのに役立つため、フラックスは有利である。

印刷導電性表面を有する基板ウェブと、チップを支持するキャリアバンドとは、ともに、加熱（された）ロール６０９と支持ロール６１０との間のニップまで運ばれる。幾つかの実施形態では、フラックスを、導電性パターンの特にチップ接点が配置され及び／又は取り付けられるべき領域に塗布することができる。基板ウェブの張力を制御する、任意選択的な張力コントローラー６０８が示されている。キャリアバンドは、基板ウェブより先に加熱ロール６０９と接触し、それにより、キャリアバンド上のチップが、チップが熱によって損傷されることなく耐えることができる温度より低い所定の第１の温度まで加熱される。代替例として、基板ウェブと接触する前のキャリアバンドの進路に沿って、別個の加熱装置があり得る。基板及び／又は導電性パターンを、チップ取付けの前に予熱することができる。例えば、アンテナは、その印刷プロセスの後は熱を有し、その後、アンテナが依然として熱を有するままである場合、それはチップ取付けのために既に予熱されており、そのため、アンテナとの後のチップ取付けははるかにより容易かつ高速である。さらに、アンテナが予熱されることにより、追加の加熱の必要が低減する。

一実施形態によれば、印刷導電性表面及び／又は基板を、チップを印刷導電性パターンに取り付ける前に、例えば２５〜２００℃の温度まで予熱することができる。しかしながら、一実施形態によれば、基板及び／又は導電性パターンを加熱することなくチップを取り付けることもでき、そのため、必要な熱エネルギーは、チップにより、チップから又はチップを介して伝達されることを留意するべきである。チップを、例えば、予熱することができる。

加熱ロール６０９と支持ロール６１０との間のニップにおいて、キャリアバンドによって搬送される加熱されたチップは、第１の押圧力によって印刷導電性表面に対して押圧される。上記第１の温度と上記第１の押圧力との組合せは、印刷導電性表面及び／又はチップ上の接点の材料を少なくとも部分的に溶融するのに十分である。キャリアバンドへのチップの一時的な取付けは、チップが、印刷導電性表面に取り付けられるときに同時にバンドウェブから取り外されるというものである。残っているキャリアバンドは、コレクタロール６１１において収集される。

チップが取り付けられている印刷導電性表面は、ノズル６１２からの冷却ガス流によって任意選択的に冷却され、また、チップを備えた基板を出力ロール６１４に巻回する前に、別のノズル６１３から噴霧される保護ラッカーの層によって任意選択的に保護される。

図７は、印刷導電性表面にチップを取り付ける別の装置を概略的に示す。ここで、装置は、この場合もまた、印刷操作及びインテリジェントパッケージ等の製品を製造する他の操作を含む、より大きいプロセスの一部として構築されている。板紙等の基板材料のシートは、入力トレイ７０１上のプロセスに導入される。一度に１枚のシートが、コンベア７０２上のプロセスに入力される。デジタルプリンタ又は国際公開第２００９／１３５９８５号から既知である装置等の印刷機７０３を用いて、基板シート上に印刷導電性表面が形成される。印刷導電性表面は、例えば、電気回路の一部として機能するように設計されている導電性パターンを含むことができる。

半導体チップは、事前に製造され、トレイ７０４で導入されるか、又は他の方法でプロセスに利用可能となっている。チップを印刷導電性基板に取り付ける装置は、１つ又は複数のマニピュレーターアームを備え、そのうちのアーム７０５が例として示されている。装置は、マニピュレーターアームを使用して、トレイからチップを抜き取り、印刷導電性表面上の正確な位置にチップを配置するように構成されている。本発明の実施形態によれば、チップの温度とチップを印刷導電性表面に押圧するために使用される押圧力との組合せは、印刷導電性表面若しくはチップの接点のいずれか又は両方の材料を少なくとも部分的に溶融するのに十分である。

チップが、熱によって損傷することなく耐えることができる温度より低い温度であって、溶融においてその役割を果たすのに十分高い適切な温度であることを確実にするための幾つかの手法があり得る。トレイ７０４、トレイの一部、又はトレイ用のホルダー（図７には示さず）は、トレイ上のチップのうちの少なくともいくつかを加熱するように構成されているヒーターを備えることができる。さらに又は代替的に、トレイから印刷導電性表面にチップを移送するために使用されるマニピュレーターアーム７０５は、抜き取られたチップに熱を伝達するように構成された組込みヒーターを備えることができるか、又は、別個のヒーター装置若しくは加熱ゾーンがある可能性があり、そこを通って、マニピュレーターアームが、チップをトレイから印刷導電性表面まで運ぶように構成されている。各チップは、（トレイから１つずつチップを抜き取る（pick）ことによって）典型的にはそれぞれ別個に処理されるため、本発明のこの実施形態により、各チップの温度及び／又は押圧力を非常に正確に制御することができる。種々の温度、種々の押圧力及び／又は他の種類の異なる処理を必要とするチップを同時に（又は近接して連続して）取り付けて接続するために、全く同じ装置を使用することさえも可能である。

マニピュレーターアームを使用してチップを印刷導電性表面に対して押圧することは、マニピュレーターアームがチップを解放する前に適所に維持している時間を、比較的自由に選択することができるという更なる利点を含む。したがって、図７の実施形態により、マニピュレーターアームを使用して、印刷導電性表面及び／又はチップ上の接点の溶融部分が再度凝固するまで、チップを適所に維持することができ、それにより、クリープタイプの位置合せ誤りの危険が著しく低減する。必要な場合は、例えば局所的に投与される冷却ガス噴流の形態か又はマニピュレーターアームに組み込まれた伝導冷却装置の形態で、冷却を加速するために、局所冷却を使用することができる。

プロセスは、任意選択的な追加の処理ステップを含むことができ、そのうち、ノズル７０６による保護ラッカーの分散と切断機７０７による基板シートの切断とが、図７に示されている。他のあり得る追加の処理ステップとしては、限定されないが、折目付け、接着、屈曲、及びＲＦＩＤタグのような更なるエレクトロニクスの追加が挙げられる。完成した加工物は、出力トレイ７０８において収集される。

図６及び図７の両実施形態では、導電性パターンを生成する特定の方法が非常に有利であることが分かった。図８は、図６の６０３、６０４及び６０５及び図７の７０３として単に概略的に示されていた印刷セクションを概略的に示す。第１セクション８０１は、基板８０４の表面に接着剤のパターン８０２及び８０３を印刷するように構成されている。誘電体転写ロール８０５と、誘電体転写ロール８０５の表面を帯電状態で維持するように構成された帯電装置８０６とがあり得る。流動紛体層又は他の何らかの種類の粒子アプリケーター８０７が、誘電体転写ロール８０５の帯電した表面を、導電性粒子の連続層で一時的に覆うように構成されている。印刷セクションのセクション８０８では、接着剤のパターンを含む基板の表面は、誘電体転写ロールの帯電面上の導電性粒子の連続層と接触するように配置される。導電性粒子は、接着剤パターンに付着し、したがって、導電性パターン及び概して印刷導電性表面に対する基礎を構成する。導電性パターンの導電性の有利な特性を、図８のニップ８０９におけるように後にそれらを冷間圧延することにより、及び／又は導電性粒子の少なくとも部分的な溶融が発生するようにそれらを加熱することにより強化することができる。

図９は、本発明の一実施形態による方法の概略表現である。ステップ９０１は、半導体チップを製造することを表し、対応してステップ９０２は、基板を製造することを表し、基板は、完成した構造では、上に印刷導電性表面とそれに取り付けられ接続されたチップとの組合せが現れる基礎を形成する。ステップ９０３及び９０４は、それぞれチップ及び基板を準備することを表す。例えば、ステップ９０３においてチップを準備することは、トレイ又はキャリアバンドの上にチップを配置することと、場合によってはまた、チップの選択された位置にフラックスを塗布することとを含むことができる。ステップ９０４において基板を準備することは、基板の表面を洗浄すること、及び／又は基板の表面が印刷導電性パターンを受け入れる用意ができていることを他の方法で確実にすることを含むことができる。

ステップ９０５は、チップが熱によって損傷することなく耐えることができる温度より低い第１の温度までチップを加熱することを表す。対応して、ステップ９０６は、印刷導電性表面を形成することを表し、それは通常、印刷プロセスにおいて基板の表面に導電性パターンを形成することを意味する。ステップ９０７において、加熱されたチップは、第１の押圧力により印刷導電性表面に対して押圧される。上記第１の温度及び上記第１の押圧力の組合せは、印刷導電性表面及び／又はチップ上の接点の材料を少なくとも部分的に溶融するのに十分である。ステップ９０８は、後処理を表し、その非限定的な例は、図６及び図７の説明において考慮されている。

図１０は、本発明の一実施形態による例示的な装置の上面図である。装置の作業は、半導体チップを、装置を通って移動するプリンテッドエレクトロニクスの各切片に取り付けて接続することである。この例では、プリンテッドエレクトロニクスの切片は、ループ形成アンテナであるが、必然的に、半導体チップ及びプリンテッドエレクトロニクスの切片の正確な特質及び形態であるものとは無関係に、同じ原理が適用可能である。チップを取り付けて接続することに加えて、装置は、プリンテッドエレクトロニクスを後処理して、それらが例えばＲＦＩＤタグとして使用される用意ができていることを確実にするようにするべきである。

装置の主なセクションは、チップ取付け及び接続セクション１００１、スリッターワインダーセクション１００２、ラッカー堆積セクション１００３及び試験ユニット１００４である。これらのうち、最後に述べた３つが、図１０において非常に概略的にのみ示されており、それは、それらの動作及び詳細な実施態様が、本発明にはほとんど重要でないためである。スリッターワインダーセクション１００２が、加工物を保持している基板を、より容易な更なる処理のためにより小さい部品に切断するように構成されており、ラッカー堆積セクション１００３が、加工物の上に保護ラッカーの層を分散させるように構成されており、試験ユニット１００４が、適切に動作するか加工物を試験するように構成されていると想定することで十分である。

半導体チップは、トレイ上のプロセスに導入され、トレイのうちのトレイ１００５が例として示されている。半導体チップは、シリコンウェハー、例えば６インチ又は１２インチウェハーの一部として製造されて、抜き取る用意ができるようにばらばらに切断されている可能性がある。代替的に、ウェハーから個々の半導体チップをばらばらに切断するステップを、チップ取付け及び切断セクション１００１の一部として組み込むことができる。図１１は、いわゆる抜取り−裏返し（pick-flip）マニピュレーター１１０１がチップ１１０２を抜き取り、チップ１１０２が次の処理ステップに提供されるように裏返しにする際に従う原理を示す。図１２は、配置及び押圧マニピュレーター１２０１が、抜取り−裏返しマニピュレーター１１０１によって提供されるチップを取得し、例えば、チップを、所望の方法で回転するフラックスアプリケーター１２０２に十分近づけることにより、フラックスをその所望の部分に塗布する。図１２の右部分は、本発明の一実施形態による結合された取付け及び接続を実施するために、半導体チップをプリンテッドエレクトロニクスの切片の正しい位置に配置し、それを印刷導電性表面に対して押圧する、配置及び押圧マニピュレーターを示す。

本明細書では上記において、チップを（チップが熱によって損傷することなく耐えることができる温度より低い）第１の温度まで加熱することを、多くの方法で、例えば、配置及び押圧マニピュレーター１２０１を通して及び／又は加工物の下方のヒーター素子１２０３を通して熱を加えることにより、及び／又は図１２に示さない加熱ガス噴流又は輻射ヒーターを使用することにより、いかに達成することができるかをすでに指摘した。ヒーター素子が基板の真下である必要がない場合、素子１２０３を、チップが印刷導電性表面に対して押圧されている間に基板及び加工物を支持する背面支持体を示すものとみなすことができる。配置及び押圧マニピュレーターは、加熱されたチップを印刷導電性表面に対して第１の押圧力によって押圧することを実施する。第１の温度及び第１の押圧力の組合せは、印刷導電性表面及び／又はチップ上の接点の材料を少なくとも部分的に溶融するのに十分である。

動作原理が図１０から図１２に従う装置を用いて、実験を行った。第１の例示的な設定では、幅（すなわち、図１０の搬送方向を示す矢印に対して垂直な方向の寸法）が図１０に示すものの半分である基板ウェブを使用した。それは、アンテナの（図１０に示す４つの平行なラインの代りに）２つの平行なラインを保持し、各ラインは、基板の長さの１メートルごとに１６のアンテナを有している。基板は、７．２メートル／分に等しい１２ｃｍ／秒の速度で図１０の矢印によって示す方向に搬送した。

チップを単一ウェハー上のプロセスに導入した。配置及び押圧マニピュレーターを、チップを、１秒間、印刷導電性表面上の所望の位置の適所に維持することができるように移動可能とした。これは、チップが取り付けられ接続されるのに十分であることが分かった。２つのラインの平行操作により、生産速度は、２２４製造単位／分又は１３４４０製造単位／時間に等しい、３２単位／メートル×７．２メートル／分であった。

第２の例示的な設定は、他の点では第１の設定に等しかったが、２つの平行な抜取り−裏返しマニピュレーター及び配置及び押圧マニピュレーターユニットとともに、アンテナの４つの平行なライン、２つのウェハーの上のチップを含む、２倍の幅の基板ウェブを使用し、図１０に示すものと同一の構成をもたらした。生産速度は、第１の例の２倍であり、２６８８０製造ユニット／時間に等しかった。

チップを配置する際に連続しかつ正確な位置制御を可能にするために、有利には、図１０の装置内に、画像認識機能が組み込まれる。１つの代替例は、アンテナごとに２つのアセンブリヘッドを有することであり、それらのうちの一方は画像認識を実行し、他方はチップを抜き取って配置する。上記で説明した例示的な設定では、抜き取られるのを待機しているチップを加熱するために、赤外線加熱を施した。また、配置及び押圧マニピュレーターも加熱し、それにより、チップを印刷導電性表面に対して押圧する時点で、チップ温度が１５０℃と１８０℃の間となった。回転するフラックスアプリケーターを通してフラックスを塗布することに対する代替例として、フラックスの正確な局所噴射又は噴霧を考慮した。印刷導電性表面の所望の位置の適所にチップを保持するために必要な時間を、１秒間から０．３秒間又は更にはそれより短い時間まで短縮することが可能であると考えられる。０．３秒間という値により、配置及び押圧マニピュレーターが基板とともに移動する距離を（１２ｃｍ／秒の搬送速度によって上記で必要であった）１２センチメートルから約４センチメートルまで短縮することができ、又は代替的に、基板の搬送速度を１２ｃｍ／秒から約３６ｃｍ／秒まで上昇させることができる。最後に述べた代替例では、必然的に、生産速度が上述した３倍まで増大する。

チップを取り付けて接続するためにかかる時間の間、基板を移動させることは全く必要ではない。バッファ操作を使用することができ、それにより、基板は、チップを取り付けて接続するためにかかる短時間、チップ取付け及び接続機構に関して静止し、その後、場合によっては一瞬平均速度より高い速度まで加速し、それにより、立寄りにも関らず、所望の平均製造速度が維持される。バッファ操作は、一般に、より高い精度に達することを可能にすると考えられ、それは、チップを取り付けて接続する間に制御する必要がある移動における自由度が相対的に少ないためである。

上述した温度は、基板上に導電性パターンを生成するために使用される基板の特定の選択に関連していた。上述した１５０℃という下限を、例えば、融点が約７５℃である、錫、ビスマス及びインジウムの合金を選択することによって、大幅に低下させることができる。

４アンテナ幅の基板ウェブを用いる更なる実験により、目下妥当と思われるウェブ速度は、５メートル／分と１０メートル／分の間であり、基板ウェブ幅はアンテナ設計に応じて３２０ミリメートルと３８１ミリメートルとの間であることが示唆された。チップが加熱される温度は、２２０℃未満であるべきであり、好ましくは、±０．３℃以内等、比較的正確に制御されるべきである。チップを印刷導電性表面に対して押圧するために使用される押圧力は、０．２ニュートンと５ニュートンとの間であり、±０．１ニュートンの精度で制御された。考慮されたチップはＲＦＩＤチップであり、その幾つかの例示的な商標は、ＵＨＦ（極超短波）範囲でのＴＩ ＧＥＮ２、ＨＩＧＧＳ、ＭＯＮＺＡ２及びＵＣＯＤＥ Ｇ２Ｘと、ＨＦ（高周波数）範囲でのＭＩＦＡＲＥ ＵＬ及びＵＣＯＤＥ Ｇ２Ｘである。考慮される最大チップサイズは７ｍｍ×２ｍｍであったが、本装置は、０．３ｍｍまでの小さいダイ処理機能を有している場合に有利であると考えられる。関連するダイ厚さは、０．０７ｍｍと０．５ｍｍとの間であり、チップ上のバンプ高さは１０マイクロメートルと３０マイクロメートルとの間であった。例として１０平方ミリメートルの比較的大きいチップを使用することにより、０．２ニュートンと５ニュートンとの間の押圧力は、０．０２メガパスカルと０．５メガパスカルとの間の圧力を意味する。

組立精度は、そのいわゆる３シグマ値が１００マイクロメートル未満であることが必要であり、方向決め精度は、±３０度以下であることが必要であった。プロセスは、６インチウェハー及び１２インチウェハーの両方に対して適しており、それは、特に、導電性又は非導電性のいかなる接着剤（ＡＣＰ／ＮＣＰ、異方導電性ペースト／非導電性ペースト）も使用しなかった。チップの取付け及び接続の後、保護ラッカーを塗布した。基板として、コーティングされた紙及び板紙を考慮した。試験ユニットを、有利には、ＨＦ試験及びＵＨＦ試験の両方が可能なユニットとすることができる。

図１３は、本発明の一実施形態による装置の概略側面図である。基板１３０１は少なくとも１つの印刷導電性表面を有し、その上に導電性パターン１３０２が現れる。装置の作業は、ここでは、１つのチップを各導電性パターンに取り付けて接続することであり、例としてチップ１３０３が示されている。チップは、最初は、剥離ポリマーコーティング（図１３に別個には示さず）を有しているダイシング膜１３０４に現れる。チップは、移送フィルム１３０５の上に移送され、移送フィルム１３０５の下面は熱剥離型接着剤で覆われている。熱分解可能材料の移送フィルム全体を製造することも可能である。チップが、適切な剥離特性を有する膜（又はその表面接着剤が剥離特性を有する膜）上で元々利用可能である場合、チップを、このプロセスの目的で１つの膜から別の膜に移送する必要はない。

移送フィルム１３０５は、チップを、印刷導電性表面上の導電性パターンに近づける。チップが導電性パターンと適切に位置合せされると、熱アプリケーター１３０６が、何らかの非常に正確に局所化された加熱を与えることにより、移送フィルム１３０５からチップを「撃ち落とす（shoot）」。伝達される熱の量は、チップを移送フィルムから剥離するために十分であり、チップが熱によって損傷することなく耐えることができる温度より低いがチップを取り付けて接続するのに有利なように作用するために十分高い第１の温度まで、チップを加熱するためにも十分である。加熱されたチップは、熱アプリケーター１３０６により、又は別個の押圧手段（図１３には別個に示さず）によって、第１の押圧力で印刷導電性表面に対して押圧される。さらに別の可能性は、剥離されたチップが移送フィルムから撃ち落とされる速度が、チップが印刷導電性表面にぶつかるときに減速力の発生をもたらすために十分高く、それにより、減速力が同時に押圧力である、というものである。上記第１の温度及び上記第１の押圧力の組合せは、印刷導電性表面及び／又はチップ上の接点の材料を少なくとも部分的に溶融するのに十分である。

残っている移送フィルムは、プロセスから取り除かれ、チップを備える印刷導電性表面を有する基板は、更なる処理ステップに運ばれ、更なる処理ステップは、例えば、図１０のステップ１００２、１００３及び１００４として上述したものに類似することができる。代替例として、チップを移送フィルムから印刷導電性表面に「撃ち落とす」ことを、チップを適所に置くためにのみ使用することができ、その後、プロセスにおいて、最終的にチップが取り付けられ接続されるようにする熱及び押圧力を加える別個のステップがある。

上述した例に対して変更及び追加を行うことができ、それは、例が、添付の特許請求の範囲の適用範囲を限定するものではないことを意味する。例えば、上記例の多くにおいて、１つのチップを１つの導電性パターンに取り付けて接続することを考慮した場合であっても、本発明は、合わせて取り付けられ接続されるチップ及びパターンの数を限定するものではない。同様に、例は、印刷導電性表面の上に上方からチップを導入することを主に例示した場合であっても、これは本発明の要件ではなく、チップが導入されてくる方向をプロセスに最もよく適合するものに従って選択することができる。

Claims (5)

1. チップをプリンテッドエレクトロニクスによって基板上に形成された印刷導電性表面に取り付ける装置であって、
   チップを、該チップが熱によって損傷することなく耐えることができる温度より低い第１の温度まで加熱するためのヒーターと、
   前記加熱されたチップを前記印刷導電性表面に対して第１の押圧力によって押圧するためのアクチュエーターを具備し、
   前記第１温度及び前記第１押圧力を、少なくとも前記印刷導電性表面の材料を少なくとも部分的に、かつ局所的に溶融するのに十分なように組み合わせて加えること、および
   前記アクチュエーターは加熱ロールを備え、該加熱ロールは、前記チップに熱を伝達し、該加熱ロールと支持ロールとの間のニップにおいて前記チップを前記印刷導電性表面に対して押圧することを特徴とする装置。
2. 前記アクチュエーターは、前記チップを抜き取り、該チップを前記印刷導電性表面上の所定位置に配置するためのマニピュレーターアームを備えることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記ヒーターの少なくとも一部は、前記チップを抜き取る処理と前記印刷導電性表面上の前記所定位置に該チップを配置する処理との間で、該チップに熱を伝達するように、前記マニピュレーターアームに組み込まれていることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
4. 前記ヒーターの少なくとも一部は、前記マニピュレーターアームにより抜き取られるのを待機しているチップを加熱することを特徴とする、請求項２又は３に記載の装置。
5. 前記印刷導電性表面を形成するために、
   基板の表面に接着剤のパターンを印刷するように構成された印刷セクションと、
   誘電体転写ロールと、
   前記誘電体転写ロールの表面を帯電状態に維持するように構成された帯電装置と、
   前記誘電体転写ロールの前記帯電した表面を導電性粒子の連続層によって一時的に覆うように構成された粒子アプリケーターと、
   前記接着剤のパターンを有する前記基板の前記表面が、前記誘電体転写ロールの前記帯電した表面上の前記導電性粒子の連続層と接触するように配置されるセクションとを具備することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。

Images