JP6140531B2 - 半導体チップ接合装置および半導体チップ接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体チップ接合装置および半導体チップ接合方法に関する。

近年、半導体チップ（ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｃｈｉｐ）上に形成される集積回路の微細化が進んでいる。また、係る集積回路の微細化に対応するため、該半導体チップを基板に実装する技術についても開発が進められている。

具体的には、半導体チップおよび基板を加熱および加圧等により圧着し、接合を行う技術が知られている。例えば、引用文献１には、多数個取り基板において、半導体チップおよび基板の接合工程を、半導体チップの位置決めを行う仮接合工程と、および電気的な接続を形成する本圧着工程とに分けて行う技術が開示されている。また、引用文献１に開示された技術では、まず、仮接合工程にてすべての半導体チップを仮接合した後で、本圧着工程にて、仮接合された半導体チップを一部の半導体チップずつ本圧着する。

特開２００５−０９３８３８号公報

しかし、引用文献１に開示された技術では、１度の本圧着において仮接合された一部の半導体チップにしか本圧着を行わないため、本圧着時の熱が、周囲に存在する仮接合中の他の半導体チップに伝導し、仮接合中の半導体チップに位置ずれを発生させるという問題があった。そして、係る半導体チップの位置ずれは、半導体チップの実装精度の低下、実装品質の劣化等の原因となっていた。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、基板上に接合される半導体チップの実装精度および実装品質を向上させることが可能な、新規かつ改良された半導体チップ接合装置および半導体チップ接合方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、多数個取り基板の所定領域に、半導体チップを仮接合する仮接合部と、前記所定領域に仮接合された前記半導体チップを一括で前記基板に本圧着する本圧着部と、前記半導体チップが仮接合された基板を前記本圧着部へ搬送し、前記半導体チップが本圧着された基板を前記仮接合部へ搬送する基板搬送部と、を備える、半導体チップ接合装置が提供される。

この観点によれば、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置は、所定領域内に仮接合された半導体チップを本圧着する際に、本圧着される半導体チップ以外に仮接合中の半導体チップが基板上に存在しない。したがって、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置は、本圧着時の熱が周囲に伝導したとしても、周囲に仮接合中の半導体チップが存在しないため、半導体チップの位置ずれ等が発生しない。したがって、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置は、半導体チップの実装精度および実装品質を向上させることができる。

前記基板搬送部は、それぞれ前記基板を搬送する複数の搬送ラインを備え、前記仮接合部および前記本圧着部は、前記複数の搬送ラインに対して、それぞれ仮接合および本圧着を行い、前記仮接合部が一方の前記搬送ラインで仮接合を行っている場合、前記本圧着部は他方の前記搬送ラインで本圧着を行ってもよい。

この観点によれば、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置は、複数の搬送ラインに、それぞれ多数個取り基板を配置することにより、係る多数個取り基板に対して、互い違いに仮接合工程および本圧着工程を行うことができる。したがって、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置は、仮接合部および本圧着部を常に稼動状態にすることができるため、装置の製造コストおよび装置サイズ等を大きくすることなく、大幅に生産性を向上させることが可能である。

前記本圧着部は、熱圧着により本圧着を行ってもよい。

この観点によれば、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置は、熱圧着工程を用いるフリップチップ工程、三次元実装工程、ＤＡＦ（Ｄｉｅ Ａｔｔａｃｈ Ｆｉｌｍ）工程、およびＮＣＦ（Ｎｏｎ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｆｉｌｍ）工程についても、実装精度および実装品質を向上させた半導体チップの接合が可能である。

前記半導体チップ接合装置が接合に用いる接着剤は、熱可塑性接着剤または熱硬化性接着剤であってもよい。

この観点によれば、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置は、接合に熱可塑性接着剤を用いた場合であっても、本圧着時の熱が周囲に伝導することによる熱可塑性接着剤の溶融が発生しない。また、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置は、接合に熱硬化性接着剤を用いた場合であっても、本圧着時の熱が周囲に伝導することによる熱硬化性接着剤の本圧着前の硬化が発生しない。したがって、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置は、接合に用いる接着剤として熱可塑性接着剤または熱硬化性接着剤を用いた場合であっても、半導体チップの実装精度および実装品質を向上させることができる。

前記基板搬送部は、第１方向に前記基板を搬送し、前記仮接合部が有する仮接合ヘッド、および前記本圧着部が有する本圧着ヘッドは、前記第１方向と直交する第２方向に可動してもよい。

この観点によれば、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置は、仮接合部が有する仮接合ヘッド、および本圧着部が有する本圧着ヘッドと直交する方向に、基板搬送部を往復させることができる。したがって、基板搬送部は、仮接合部および本圧着部の間で、多数個取り基板を往復搬送することができる。

前記半導体チップは、前記基板にマトリクス配置で接合され、前記所定領域は、前記マトリクス配置の一列または複数列であってもよい。

この観点によれば、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置は、本圧着部により複数の仮接合された半導体基板を一括して、多数個取り基板に本圧着することができる。したがって、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置の生産性を向上させることが可能である。

前記半導体チップは、主面を前記基板側に向けたフリップチップであってもよい。

この観点によれば、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置は、基板への接合時に加熱および加圧が必要なフリップチップ工程において、熱の伝導による半導体チップの位置ずれを防止して実装精度を向上させ、さらに生産性を向上させることが可能である。

前記基板は、下層半導体チップ上に上層半導体チップを実装する三次元実装が行われる基板であり、前記半導体チップ接合装置は、前記基板への前記下層半導体チップの接合、および前記下層半導体チップ上への前記上層半導体チップの接合の少なくともどちらか一方を行ってもよい。

この観点によれば、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置は、基板への接合時に加熱および加圧が必要な三次元実装工程において、熱の伝導による半導体チップの位置ずれを防止して実装精度を向上させ、さらに生産性を向上させることが可能である。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、多数個取り基板の所定領域に、半導体チップを仮接合する仮接合工程を行うステップと、前記半導体チップが仮接合された基板を本圧着工程へ搬送するステップと、前記所定領域に仮接合された前記半導体チップを一括で前記基板に本圧着する本圧着工程を行うステップと、前記半導体チップが本圧着された基板を前記仮接合工程へ搬送するステップと、
を含む、半導体チップ接合方法が提供される。

この観点によれば、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合方法は、所定領域内に仮接合された半導体チップを本圧着する際に、本圧着される半導体チップ以外に仮接合中の半導体チップが基板上に存在しない。したがって、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合方法は、本圧着時の熱が周囲に伝導したとしても、周囲に仮接合中の半導体チップが存在しないため、半導体チップの位置ずれ等が発生しない。したがって、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合方法は、半導体チップの実装精度および実装品質を向上させることができる。

以上説明したように本発明によれば、基板上に接合される半導体チップの実装精度および実装品質を向上させることが可能である。

本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置の機能構成を示したブロック図（ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ）である。 同実施形態に係る半導体チップ接合装置の動作を示したフローチャート（ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ）図である。 同実施形態に係る半導体チップ接合装置の構造例を示した平面図である。 同実施形態に係る仮接合ヘッドおよび本圧着ヘッドのＹおよびＺ方向の動きの一例を示すタイミングチャート（ｔｉｍｉｎｇ ｃｈａｒｔ）図である。 半導体パッケージ（ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｐａｃｋａｇｅ）の三次元実装を説明する説明図である。 同実施形態に係る半導体チップの接合の様子を示した説明図である。 第１の比較例に係る半導体チップ接合装置の構造例を示した平面図である。 第１の比較例に係る第１および第２接合ヘッドのＹおよびＺ方向の動きの一例を示すタイミングチャート図である。 第２の比較例に係る半導体チップの接合の様子を示した説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

＜１．本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置の機能構成＞
まず、図１を参照して、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置が有する機能構成について説明を行う。図１は、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置の機能構成を示したブロック図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置１は、装置制御部１００と、仮接合部１１０と、本圧着部１２０と、基板搬送部１３０と、を備える。

以下において、多数個取り基板とは、例えば、実装された半導体チップを有する製品基板を複数個得るために、一つのＰＣＢ（Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）基板に複数の半導体チップ実装位置が設定され、配線等がされた基板のことを指す。ここで、多数個取り基板における半導体チップ実装位置は、例えば、マトリクス（ｍａｔｒｉｘ）配置であってもよい。

仮接合部１１０は、半導体チップを多数個取り基板に位置決めして配置し、熱圧着する。具体的には、仮接合部１１０は、チップトレイ（ｃｈｉｐ ｔｒａｙ）等に収納されている半導体チップを取り出して、基板上の所定領域にある半導体チップ実装位置に位置決めして配置し、加熱および加圧により基板に熱圧着する。ここで、仮接合部１１０が行う熱圧着は、後述する本圧着における熱圧着よりも短時間で行われる。係る熱圧着により基板上に配置した半導体チップは、基板の搬送等で位置ずれしない程度の接合力で基板に接合される。本明細書では、係る接合を仮接合として表現する。

本圧着部１２０は、仮接合された半導体チップを一括して多数個取り基板に金属接合されるように熱圧着する。具体的には、本圧着部１２０は、仮接合部１１０で所定領域に仮接合された半導体チップを一括して一度に加熱および加圧し、基板に金属接合されるように熱圧着する。ここで、本圧着部１２０が行う熱圧着は、前述した仮接合における熱圧着よりも長時間で行われる。係る熱圧着により基板上に本圧着された半導体チップは、基板と電気的に接続され、また基板と機械的に強固に接合される。本明細書では、係る接合を本圧着として表現する。

なお、上記における所定領域とは、例えば、半導体チップ実装位置がマトリクス配置されている多数個取り基板において、マトリクスの一列または複数列であってもよく、マトリクスの一列の一部であってもよい。また、上記の所定領域は、該マトリクス配置において「複数行×複数列」で形成された領域であってもよい。さらに、上記の所定領域は、半導体チップ実装位置を一つのみ含む領域であってもよい。

基板搬送部１３０は、仮接合部１１０および本圧着部１２０の間で、多数個取り基板を往復搬送する。具体的には、基板搬送部１３０は、仮接合部１１０で半導体チップが仮接合された基板を本圧着部１２０に搬送する。また、本圧着部１２０で半導体チップが本圧着された基板を仮接合部１１０に搬送する。さらに、基板搬送部１３０は、それぞれ基板を搬送することが可能な複数の搬送ライン（ｃａｒｒｉｅｒ ｌｉｎｅ）を備えていてもよい。係る場合、複数の搬送ラインは、それぞれ独立して基板を搬送することができる。

なお、基板搬送部１３０は、例えば、リニアモータ（ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｏｒ）、ボールネジ（ｂａｌｌ ｓｃｒｅｗ）、タイミングベルト（ｔｉｍｉｎｇ ｂｅｌｔ）等で駆動されて、基板搬送を行ってもよい。しかしながら、基板搬送部１３０は、基板の搬送位置をμｍ単位で制御する必要があるため、μｍ単位の位置決め精度を有するリニアモータを用いて駆動されることがより好ましい。

装置制御部１００は、半導体チップ接合装置１全体の動作を制御する。具体的には、装置制御部１００は、仮接合部１１０、本圧着部１２０、および基板搬送部１３０に上述した動作を実行させることにより、半導体チップ接合装置１全体の動作を制御する。装置制御部１００は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｃｅｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、各種外部メモリ（ｅｘｔｅｒｎａｌ ｍｅｍｏｒｙ）等のハードウェア（ｈａｒｄｗａｒｅ）構成により実現される。ここで、ＲＯＭには、仮接合部１１０、本圧着部１２０、および基板搬送部１３０を制御するためのプログラム（ｐｒｏｇｒａｍ）が記憶されている。ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶されたプログラムを読みだして実行する。

以上にて、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置１が有する機能構成について、説明を行った。上記構成により、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置１は、基板に対し仮接合部１１０による仮接合工程と、本圧着部１２０による本圧着工程と、を繰り返し行うことができる。

具体的には、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置１は、まず、仮接合部１１０で所定領域の半導体チップ実装位置にのみ半導体チップを仮接合し、次に、該所定領域内に仮接合された半導体チップを本圧着部１２０で本圧着する。続いて、半導体チップ接合装置１は、他の所定領域内の半導体チップ実装位置に半導体チップを仮接合し、さらに、該他の所定領域内に仮接合された半導体チップを本圧着することを繰り返し行うことができる。

したがって、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置１は、所定領域内に仮接合された半導体チップを本圧着する際に、該本圧着される半導体チップ以外に、仮接合中の半導体チップが基板上に存在しない。よって、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置１では、本圧着時の熱が周囲に伝導しても、周囲に仮接合中の半導体チップが存在しないため、半導体チップの位置ずれ等が発生しない。したがって、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置１は、半導体チップの実装精度および実装品質を向上させることができる。

特に、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置１は、半導体チップを多数個取り基板に接合する接着剤として、例えば、熱可塑性接着剤または熱硬化性接着剤を用いることが可能である。

例えば、特許文献１に開示された技術では、半導体チップを多数個取り基板に接合するために熱可塑性接着剤を用いた場合、本圧着時の熱が周囲に伝導し、熱可塑性接着剤が溶融すると、仮接合中の半導体チップに位置ずれが発生する。また、半導体チップを多数個取り基板に接合するために熱硬化性接着剤を用いた場合、本圧着時の熱が周囲に伝導し、熱硬化性接着剤が硬化すると、接触不良が発生する。

しかし、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置１は、本圧着時の熱伝導の影響を防止することにより、上述した問題を発生させない。したがって、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置１は、熱可塑性接着剤または熱硬化性接着剤を用いて、半導体チップの接合を行うことが可能である。

＜２．本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置の動作＞
次に、図２を参照して、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置１の動作について、説明を行う。図２は、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置の動作を示したフローチャート図である。

図２に示すように、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置１では、まず、半導体チップが接合されていない多数個取り基板が基板搬送部１３０の搬送ラインに配置される（Ｓ１００）。次に、基板搬送部１３０は、該基板を仮接合部１１０に搬送し、仮接合部１１０は、基板の所定領域内の半導体チップ実装位置に半導体チップを仮接合する（Ｓ１１０）。また、基板搬送部１３０は、仮接合部１１０により所定領域内に半導体チップが仮接合された基板を、本圧着部１２０に搬送する（Ｓ１２０）。続いて、本圧着部１２０は、Ｓ１１０において基板に仮接合された半導体チップを一括で基板に本圧着する（Ｓ１３０）。

次に、装置制御部１００は、該多数個取り基板のすべての半導体チップ実装位置において、半導体チップが接合されたか否かを判断する（Ｓ１４０）。多数個取り基板のすべての領域の半導体チップ実装位置において、半導体チップが接合されておらず、未接合の半導体チップ実装位置が存在する場合（Ｓ１４０／Ｎｏ）、基板搬送部１３０は、該多数個取り基板を仮接合部１１０に搬送する（Ｓ１５０）。ここで、半導体チップ接合装置１は、Ｓ１１０の動作に戻り、未接合の半導体チップ実装位置についても、同様に仮接合部１１０による仮接合、および本圧着部１２０による本圧着（Ｓ１１０〜Ｓ１３０の動作）を実行する。

一方、多数個取り基板のすべての領域の半導体チップ実装位置において、半導体チップが接合された場合（Ｓ１４０／Ｙｅｓ）、基板搬送部１３０は、該多数個取り基板を搬送ラインから排出する（Ｓ１６０）。したがって、半導体チップ接合装置１には、次に半導体チップの接合が行われる基板を基板搬送部１３０の搬送ラインに配置することができる。

＜３．本発明の実施形態および第１の比較例に係る半導体チップ接合装置の構造例＞
以上にて、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置１の機能構成および動作について、説明を行った。次に、図３、４、７、および８を参照して、第１の比較例に係る半導体チップ接合装置２と対比しながら、上記で説明した本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置１の具体的構造例について説明を行う。

（３．１．第１の比較例に係る半導体チップ接合装置の構造例）
まず、図７および８を参照して、第１の比較例に係る半導体チップ接合装置２の具体的構造例について、説明する。図７は、第１の比較例に係る半導体チップ接合装置２の構造例を示した平面図である。

第１の比較例に係る半導体チップ接合装置２は、上述した本圧着時の熱伝導による半導体チップの位置ずれを防止するために、基板に半導体チップを一つずつ、接合工程の１ステップ（ｓｔｅｐ）のみで接合する装置である。図７に示すように、第１の比較例に係る半導体チップ接合装置２は、基板が搬送される搬送ラインを２ライン（ｌｉｎｅ）、半導体チップを接合する接合ヘッド（ｂｏｎｄｉｎｇ ｈｅａｄ）を備えるガントリ（ｇａｎｔｒｙ）を２つ備えた装置例である。

具体的には、第１の比較例に係る半導体チップ接合装置２は、第１および第２チップトレイ２５５Ａ、２５５Ｂなどに収容された半導体チップを、多数個取り基板２４０Ａ、２４０Ｂに接合するための装置である。また、半導体チップ接合装置２は、第１および第２ガントリ２５１Ａ、２５１Ｂと、第１および第２接合ヘッド２５３Ａ、２５３Ｂと、第１および第２チップカメラ（ｃｈｉｐ ｃａｍｅｒａ）２５７Ａ、２５７Ｂと、第１および第２プレースカメラ（ｐｌａｃｅ ｃａｍｅｒａ）２５９Ａ、２５９Ｂと、第１および第２搬送ライン２３０Ａ、２３０Ｂと、を備える。

第１および第２接合ヘッド２５３Ａ、２５３Ｂは、図７に示すＹ方向およびＺ方向に可動することができ、第１および第２チップトレイ２５５Ａ、２５５Ｂなどに収容された半導体チップを吸着して搬送し、多数個取り基板２４０Ａ、２４０Ｂに熱圧着により接合する。ここで、第１および第２チップトレイ２５５Ａ、２５５Ｂなどに収容された半導体チップは、例えば、主面を基板側に向けて実装されるフリップチップ（ｆｌｉｐ ｃｈｉｐ）である。

第１および第２ガントリ２５１Ａ、２５１Ｂは、第１および第２接合ヘッド２５３Ａ、２５３Ｂと、第１および第２プレースカメラ２５９Ａ、２５９ＢとをＹ方向に自由に可動させるための構台または架構である。また、第１および第２搬送ライン２３０Ａ、２３０Ｂは、Ｘ方向に多数個取り基板２４０Ａ、２４０Ｂを搬送する。

第１および第２チップカメラ２５７Ａ、２５７Ｂは、第１および第２接合ヘッド２５３Ａ、２５３Ｂに吸着された半導体チップの座標および傾きを吸着面と対向する側から（すなわち、下方から見上げて）撮像する撮像装置である。第１および第２チップカメラ２５７Ａ、２５７Ｂは、第１および第２接合ヘッド２５３Ａ、２５３Ｂが第１および第２チップカメラ２５７Ａ、２５７Ｂ上を通過した際に、吸着された半導体チップの座標および傾きを撮像する。

また、第１および第２プレースカメラ２５９Ａ、２５９Ｂは、第１および第２ガントリ２５１Ａ、２５１Ｂ上をＹ方向に移動し、多数個取り基板２４０Ａ、２４０Ｂの半導体チップ実装位置を撮像する。ここで、第１および第２チップカメラ２５７Ａ、２５７Ｂが撮像した半導体チップの座標および傾きと、第１および第２プレースカメラ２５９Ａ、２５９Ｂが撮像した多数個取り基板２４０Ａ、２４０Ｂの半導体チップ実装位置とに基づき、第１および第２接合ヘッド２５３Ａ、２５３Ｂは、半導体チップの接合位置を補正する。

続いて、図８を参照して第１の比較例に係る半導体チップ接合装置２の動作について、説明する。図８は、第１の比較例に係る第１および第２接合ヘッド２５３Ａ、２５３ＢのＹおよびＺ方向の動きの一例を示すタイミングチャート図である。ここで、図８における「Ｙ１」、「Ｙ２」の座標方向と、図７における「Ｙ」の座標方向は同一であり、図８における「Ｚ１」、「Ｚ２」の座標方向と、図７における「Ｚ」の座標方向は同一である。

図８に示すように、まず、第１および第２接合ヘッド２５３Ａ、２５３Ｂは、ホームポジション（ｈｏｍｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ）である多数個取り基板２４０Ａ、２４０Ｂ側で待機している。基板への半導体チップの接合が開始された場合、第１および第２接合ヘッド２５３Ａ、２５３Ｂは、第１および第２チップトレイ２５５Ａ、２５５Ｂ側に移動および下降して半導体チップを吸着し、多数個取り基板２４０Ａ、２４０Ｂ側に戻る。係る往復時間は、例えば１．１秒である。次に、第１および第２接合ヘッド２５３Ａ、２５３Ｂは、０．１秒で上昇または下降して、吸着した半導体チップの熱圧着を行う。係る熱圧着の所要時間は、例えば１３秒である。したがって、第１および第２接合ヘッド２５３Ａ、２５３Ｂが一つの半導体チップを第１および第２チップトレイ２５５Ａ、２５５Ｂから吸着し、熱圧着を終えるまでの該接合の所要時間は、１４．３秒である。

なお、図８では、第１および第２接合ヘッド２５３Ａ、２５３Ｂは、同時に接合工程を開始しているが、両者は互いに独立して接合工程を行ってもよい。

したがって、例えば、多数個取り基板２４０Ａ、２４０Ｂが、５行×１４列の半導体チップ実装位置を有している場合、上記図７および８で説明した第１の比較例に係る半導体チップ接合装置２が、一つの半導体チップを基板に接合する際に要する時間は、下記の式より１４．３８秒と算出される。なお、多数個取り基板２４０Ａ、２４０Ｂの交換にかかる時間は５秒とした。

１４．３［秒／１チップ］×７０［チップ（５行×１４列：１基板）］＋５［秒（基板交換時間）］＝１００６［秒／１基板］
１００６［秒／１基板］÷７０［チップ／１基板］＝１４．３８［秒／１チップ］

さらに、上記図７および８で説明した第１の比較例に係る半導体チップ接合装置２が、１時間に接合可能な半導体チップの数は、以下の式により、５００［チップ／１時間］と算出される。

３６００［秒／１時間］÷１４．３８［秒／１チップ］≒２５０［チップ／１時間］
２５０［チップ／１時間／１ガントリ］×２［ガントリ］＝５００［チップ／１時間］

ここで、第１の比較例に係る半導体チップ接合装置２は、基板への半導体チップの接合工程を仮接合工程および本圧着工程に分けず、１ステップの接合工程で行うため、本圧着時の熱が周囲の仮接合中の半導体チップに伝導することによる位置ずれ等を発生させることはない。しかしながら、第１の比較例に係る半導体チップ接合装置２は、所要時間が長い加熱および加圧を用いる熱圧着工程を行っているため、単位時間当たりに接合可能な半導体チップの数が著しく少なく、生産性が低い。

そこで、例えば、第１の比較例に係る半導体チップ接合装置２の生産性を向上させるために、さらに追加のガントリ、および追加の搬送ラインを備えたり、一つのガントリに二つ以上の接合ヘッドを備えたりする構成が検討されている。しかし、上記の半導体チップ接合装置２の生産性を向上させる構成は、実質的に複数の半導体チップ接合装置２を用意することと同一であり、製造コスト（ｃｏｓｔ）および装置サイズ（ｓｉｚｅ）が大きくなってしまうという点で好ましくない。

以上説明したように、第１の比較例に係る半導体チップ接合装置２は、熱伝導による周囲の半導体チップの位置ずれ等が発生しない半導体チップ接合装置であるものの、基板への半導体チップの接合工程を仮接合工程および本圧着工程に分けていないため、生産性が低いという問題点があった。

（３．２．本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置の構造例）
本願発明者が鋭意検討し想到した本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置１は、上記課題をも解決するものであり、本圧着時の熱が周囲の仮接合中の半導体チップに伝導することによる位置ずれ等を発生させず、かつ大幅に生産性を向上させることが可能な半導体チップ接合装置である。

以下では、図３および４を参照して、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置１の具体的構造例について、説明を行う。図３は、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置１の構造例を示した平面図である。

図３に示すように、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置１は、例えば、基板が搬送される搬送ラインを２ラインと、半導体チップを仮接合する仮接合ヘッド（ａｔｔａｃｈ ｈｅａｄ）を有するガントリと、仮接合された半導体チップを本圧着する本圧着ヘッド（ｂｏｎｄｉｎｇ ｈｅａｄ）を有するガントリと、を備える。

具体的には、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置１は、チップトレイ１１５などに収容された半導体チップを多数個取り基板１４０Ａ、１４０Ｂに接合するための装置である。また、半導体チップ接合装置１は、仮接合ガントリ１１１と、仮接合ヘッド１１３と、チップカメラ１１７と、プレースカメラ１１９と、本圧着ガントリ１２１と、本圧着ヘッド１２３と、第１および第２搬送ライン１３０Ａ、１３０Ｂと、を備える。

仮接合ヘッド１１３は、図３に示すＹ方向およびＺ方向に可動し、チップトレイ１１５などに収容された半導体チップを吸着して搬送し、多数個取り基板１４０Ａ、１４０Ｂに熱圧着により仮接合する。ここで、仮接合ヘッド１１３が行う熱圧着の加熱および加圧時間は、後述する本圧着ヘッド１２３が行う熱圧着よりも短時間である。係る構成により、仮接合ヘッド１１３は、半導体チップと、多数個取り基板１４０Ａ、１４０Ｂとを搬送等では位置ずれしない程度の接合力で接合することができる。なお、第１の比較例と同様に、チップトレイ１１５などに収容された半導体チップは、例えば、主面を基板側に向けて実装されるフリップチップである。

本圧着ヘッド１２３は、図３に示すＹ方向およびＺ方向に可動し、多数個取り基板１４０Ａ、１４０Ｂ上の複数の仮接合された半導体チップを熱圧着により一括して本圧着する。ここで、本圧着ヘッド１２３が行う熱圧着の加熱および加圧時間は、仮接合ヘッド１１３が行う熱圧着よりも長時間である。係る構成により、本圧着ヘッド１２３は、仮接合された半導体チップと、多数個取り基板１４０Ａ、１４０Ｂとを電気的に接続する金属接合を形成し、さらに機械的に強固な接合を形成することができる。

また、本圧着ヘッド１２３は、多数個取り基板１４０Ａ、１４０Ｂ上に仮接合された半導体チップを一括して本圧着することができる。本圧着ヘッド１２３が本圧着を行う単位は、例えば、半導体チップ実装位置がマトリクス配置された多数個取り基板１４０Ａ、１４０Ｂにおいて、該マトリクス配置の一列または複数列であってもよく、マトリクスの一列の一部であってもよい。また、本圧着ヘッド１２３が本圧着を行う単位は、該マトリクス配置において「複数行×複数列」で形成された領域であってもよい。さらに、上記の所定領域は、半導体チップ実装位置を一つのみ含む領域であってもよい。

仮接合ガントリ１１１は、仮接合ヘッド１１３およびプレースカメラ１１９を備え、仮接合ヘッド１１３およびプレースカメラ１１９をＹ方向に可動させる構台または架構である。また、本圧着ガントリ１２１は、本圧着ヘッド１２３を備え、本圧着ヘッド１２３をＹ方向に可動させる構台または架構である。

第１および第２搬送ライン１３０Ａ、１３０Ｂは、Ｘ方向に多数個取り基板１４０Ａ、１４０Ｂを往復搬送する。具体的には、第１および第２搬送ライン１３０Ａ、１３０Ｂは、多数個取り基板１４０Ａ、１４０Ｂを仮接合ヘッド１１３および本圧着ヘッド１２３間で往復させる。

チップカメラ１１７は、仮接合ヘッド１１３に吸着された半導体チップの座標および傾きを吸着面と対向する側から（すなわち、下方から見上げて）撮像する撮像装置である。チップカメラ１１７は、仮接合ヘッド１１３がチップカメラ１１７の真上を通過した際に、吸着された半導体チップの座標および傾きを撮像する。

プレースカメラ１１９は、仮接合ガントリ１１１上をＹ方向に移動し、多数個取り基板１４０Ａ、１４０Ｂの半導体チップ実装位置を撮像する。ここで、チップカメラ１１７が撮像した半導体チップの座標および傾きと、プレースカメラ１１９が撮像した多数個取り基板１４０Ａ、１４０Ｂの半導体チップ実装位置とに基づき、仮接合ヘッド１１３は半導体チップの接合位置を補正する。

続いて、図４を参照して、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置１の動作について、説明する。図４は、本発明の実施形態に係る仮接合ヘッド１１３および本圧着ヘッド１２３のＹおよびＺ方向の動きの一例を示すタイミングチャート図である。図４における「Ｙ」および「Ｚ」の座標方向と、図３における「Ｙ」および「Ｚ」の座標方向は同一である。

また、図４において、多数後取り基板１４０Ａ、１４０Ｂは、５行×１４列のマトリクス配置の半導体チップ実装位置を有しているとする。ここで、所定領域とは、例えば、５つの半導体チップ実装位置を含むマトリクス配置の１列である。

図４に示すように、仮接合ヘッド１１３は、ホームポジションである多数個取り基板１４０Ａ、１４０Ｂ側に待機している。基板への半導体チップの接合が開始された場合、まず、仮接合ヘッド１１３は、チップトレイ１１５側に移動および下降して半導体チップを吸着し、多数個取り基板１４０Ａ、１４０Ｂ側に戻る。係る往復時間は、例えば１．３秒である。次に、仮接合ヘッド１１３は、吸着した半導体チップの仮接合を行う。係る仮接合は、半導体チップと多数個取り基板１４０Ａ、１４０Ｂとが搬送等で位置ずれしない程度の接合力で接合されればよいため、所要時間は短く、例えば２秒である。したがって、仮接合ヘッド１１３が一つの半導体チップをチップトレイ１１５から吸着し、仮接合を終えるまでの所要時間は、３．３秒である。また、仮接合ヘッド１１３は、上記の動作を５回繰り返すことで、所定領域である１列分の半導体チップを多数個取り基板１４０Ａ、１４０Ｂに仮接合することができる。

一方、図４に示すように、本圧着ヘッド１２３は、所定領域内に仮接合された半導体チップを本圧着する。具体的には、本圧着ヘッド１２３は、０．２秒で上昇または下降して、所定領域内の５個の半導体チップに対して、一括して本圧着を行う。係る本圧着は、複数の半導体チップに対して本圧着を行うため、第１の比較例に係る半導体チップ接合装置２が行う接合よりも長時間を必要とし、係る本圧着の所要時間は、例えば１６．１秒である。したがって、本圧着ヘッド１２３が５個の半導体チップに対して、一括して本圧着を行うための所要時間は１６．５秒である。

上記例示において、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置１は、仮接合ヘッド１１３が仮接合を５回行う（５×３．３秒）間に、本圧着ヘッド１２３は本圧着を１回行うことができる（１６．５秒）。したがって、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置１は、例えば、２つの搬送ライン１３０Ａ、１３０Ｂに、それぞれ多数個取り基板１４０Ａ、１４０Ｂを配置することにより、係る多数個取り基板１４０Ａ、１４０Ｂに対して、互い違いに仮接合工程および本圧着工程を行うことができる。

より具体的には、例えば、本圧着ヘッド１２３が多数個取り基板１４０Ａに対して、５つの半導体チップの本圧着を行っている間に、仮接合ヘッド１１３は、多数個取り基板１４０Ｂに対して、５つの半導体チップの仮接合を行う。また、上述したように、５つの半導体チップの多数個取り基板１４０Ａへの本圧着、および５つの半導体チップの多数個取り基板１４０Ｂへの仮接合に要する時間は同じであるため、両者は同時に終了する。係る場合、多数個取り基板１４０Ａが仮接合ヘッド１１３側に搬送され、多数個取り基板１４０Ｂが本圧着ヘッド１２３側に搬送される。したがって、今度は上記とは逆に、多数個取り基板１４０Ａに対して、仮接合ヘッド１１３が５つの半導体チップの仮接合を行い、多数個取り基板１４０Ｂに対して、本圧着ヘッド１２３が５つの半導体チップの本圧着を行うことができる。したがって、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置１は、仮接合ヘッド１１３と本圧着ヘッド１２３とを常に稼動状態にすることができ、生産性を向上させることが可能である。

以下では、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置１の生産性をより明確に示すために、第１の比較例に係る半導体チップ接合装置２にて説明した場合と同様の場合に、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置１が、１時間に接合可能な半導体チップの数について算出する。

具体的には、多数個取り基板１４０Ａ、１４０Ｂが、５行×１４列の半導体チップ実装位置を有している場合、上記図３および４で説明した本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置１が、一つの半導体チップを基板に接合する際に要する時間は、下記の式より３．３８秒と算出される。なお、多数個取り基板１４０Ａ、１４０Ｂの交換にかかる時間は５秒とした。また、多数個取り基板１４０Ａ、１４０Ｂが、仮接合ヘッド１１３側および本圧着ヘッド１２３側を往復するために要する時間は短時間であり、仮接合ヘッド１１３および本圧着ヘッド１２３の移動時間内に終了するため、下記の計算には組み入れていない。

１６．５［秒／５チップ］÷５［チップ］＝３．３［秒／１チップ］
３．３［秒／１チップ］×７０［チップ（５行×１４列：１基板）］＋５［秒（基板交換時間）］＝２３６［秒／１基板］
２３６［秒／１基板］÷７０［チップ／１基板］＝３．３８［秒／１チップ］

さらに、上記図３および４で説明した本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置１が、１時間に接合可能な半導体チップの数は、以下の式により、１０６５［チップ／１時間］と算出される。

３６００［秒／１時間］÷３．３８［秒／１チップ］≒１０６５［チップ／１時間］

したがって、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置１は、第１の比較例に係る半導体チップ接合装置２に対して、装置の製造コストおよび装置サイズ等を大きくすることなく、大幅に生産性を向上させることが可能である。

＜４．本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置の適用例＞
以下では、図５、６、および９を参照して、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置１が、特に好適に用いることができる半導体チップと基板との実装方法について、説明を行う。図５は、半導体パッケージの三次元実装を説明する説明図である。また、図６は、本発明の実施形態に係る半導体チップの接合の様子を示した説明図であり、図９は、第２の比較例に係る半導体チップの接合の様子を示した説明図である。

ただし、本発明は、上記で例示した三次元実装に限定されない。本発明は、他の多様な実装方法に対しても適用することが可能であることは言うまでもない。

図５に示すように、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置１が特に好適に用いることができる半導体チップの実装方法は、例えば、半導体チップを積層する三次元実装である。具体的に、三次元実装とは、多数個取り基板３００にあらかじめ下層チップ（ｌｏｗｅｒ ｃｈｉｐ）３０２を実装し、さらに該下層チップ３０２上に上層チップ（ｕｐｐｅｒ ｃｈｉｐ）３０４を実装する実装方法である。係る三次元実装において、上層チップ３０４を実装する際に、加熱および加圧を用いて、長時間の接合を行う必要がある。

ここで、図９に示すような第２の比較例に係る半導体チップの接合では、例えば、多数個取り基板３１０上のすべての下層チップ３１２に上層チップ３１４が仮接合された後、本圧着ヘッド３１６により一列ごとに本圧着が行われる。具体的には、まず、仮接合ヘッドにより多数個取り基板３１０上の下層チップ３１２に対して、「１」〜「１８」の位置番号順に上層チップ３１４が仮接合される。次に、本圧着ヘッド３１６により多数個取り基板３１０上の上層チップ３１４に対して、「１」〜「３」、「４」〜「６」、「７」〜「９」の位置番号ごとに一括して本圧着が行われる。

例えば、本圧着ヘッド３１６が「４」〜「６」の位置番号の仮接合された半導体チップを本圧着する場合、本圧着時に加えられた熱は、周囲の「１」〜「３」および「７」〜「９」の位置番号に対して伝導する。ここで、「１」〜「３」の位置番号の上層チップ３１４は、すでに本圧着および金属接合が行われているため、係る熱伝導は、「１」〜「３」の位置番号の上層チップ３１４に対して影響を与えない。一方、「７」〜「９」の位置番号の上層チップ３１４は仮接合中であるため、係る熱伝導は、「７」〜「９」の位置番号の上層チップ３１４に対して接着剤の溶融等による位置ずれ等を発生させる。したがって、図９に示す第２の比較例に係る半導体チップの接合では、半導体チップの実装精度の低下、および実装品質の劣化等が発生してしまう。

一方、図６に示すような本発明の実施形態に係る半導体チップの接合では、例えば、多数個取り基板３２０の所定領域ごと（例えば、一列ごとなど）の下層チップ３２２に上層チップ３２４が仮接合された後、本圧着ヘッド３２６により一列ごとに本圧着が行われる。具体的には、まず、仮接合ヘッドにより多数個取り基板３２０上の「１」〜「３」の位置番号の下層チップ３２２に対して、上層チップ３２４が仮接合される。次に、本圧着ヘッド３２６により多数個取り基板３２０上の「１」〜「３」の位置番号の上層チップ３２４に対して、一括して本圧着が行われる。続いて、多数個取り基板３２０上の「４」〜「６」の位置番号の下層チップ３２２に対しても、同様に上層チップ３２４の仮接合が仮接合ヘッドにより行われ、その後、本圧着ヘッド３２６により一括での本圧着が行われる。

例えば、本圧着ヘッド３２６が「４」〜「６」の位置番号の仮接合された上層チップ３２４を本圧着する場合、本圧着時に加えられた熱は、周囲の「１」〜「３」および「７」〜「９」の位置番号に対して伝導する。ここで、「１」〜「３」の位置番号の上層チップ３２４は、すでに本圧着および金属接合が行われているため、係る熱伝導は、「１」〜「３」の位置番号の上層チップ３２４に対して影響を与えない。また、「７」〜「９」の位置番号は、上層チップ３２４が存在しないため、係る熱伝導は、影響を与えない。したがって、図６に示す本発明の実施形態に係る半導体チップの接合では、接着剤の溶融等による上層チップ３２４の位置ずれ等が発生しないため、半導体チップの実装精度、および実装品質を向上させることが可能である。

さらに、本発明の実施形態に係る半導体チップの接合は、例えば、主面を基板側に向けて実装されるフリップチップに対して、好適に用いることができる。係るフリップチップは、基板への接合時に、加熱および加圧が必要であるため、第２の比較例では、三次元実装の場合と同様に本圧着時の熱が周囲の仮接合中の半導体チップに伝導することによる位置ずれ等を発生させる可能性がある。一方、本発明の実施形態に係る半導体チップの接合では、本圧着時の熱が伝導したとしても周囲の半導体チップに対して影響を与えない。したがって、本発明の実施形態に係る半導体チップの接合は、三次元実装の場合と同様に、フリップチップにおいても半導体チップの実装精度および実装品質を向上させることができる。

なお、本発明の実施形態に係る半導体チップの接合は、例えば、ＤＡＦ（Ｄｉｅ Ａｔｔａｃｈ Ｆｉｌｍ）方法、およびＮＣＦ（Ｎｏｎ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｆｉｌｍ）方法などの熱可塑性接着剤を用いる場合においても、同様に、半導体チップの実装精度および実装品質を向上させることができる。また、本発明の実施形態に係る半導体チップの接合は、熱硬化性接着剤を用いる場合においても、同様に半導体チップの実装精度および実装品質を向上させることができる。

＜５．まとめ＞
以上説明したように、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置は、所定領域内に仮接合された半導体チップを本圧着する際に、本圧着される半導体チップ以外に仮接合中の半導体チップが基板上に存在しない。したがって、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置は、本圧着時の熱が周囲に伝導したとしても、周囲に仮接合中の半導体チップが存在しないため、半導体チップの位置ずれ等が発生しない。したがって、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置は、半導体チップの実装精度および実装品質を向上させることができる。

また、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置は、複数の搬送ラインに、それぞれ多数個取り基板を配置することにより、係る多数個取り基板に対して、互い違いに仮接合工程および本圧着工程を行うことができる。したがって、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置は、仮接合部および本圧着部を常に稼動状態にすることができ、装置の製造コストおよび装置サイズ等を大きくすることなく、大幅に生産性を向上させることが可能である。

特に、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置は、例えば、熱可塑性接着剤または熱硬化性接着剤を用いて半導体チップを多数個取り基板に接合する際に、より好適に用いることができる。

さらに、本発明の実施形態に係る半導体チップ接合装置は、例えば、フリップチップ接合および三次元実装において、バンプ（ｂｕｍｐ）接合または接着剤の硬化等に工程時間を長く必要とする接合を行う場合に、より好適に用いることができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１ 半導体チップ接合装置
１００ 装置制御部
１１０ 仮接合部
１１１ 仮接合ガントリ
１１３ 仮接合ヘッド
１１５ チップトレイ
１１７ チップカメラ
１１９ プレースカメラ
１２０ 本圧着部
１２１ 本圧着ガントリ
１２３ 本圧着ヘッド
１３０ 基板搬送部
１３０Ａ 第１搬送ライン
１３０Ｂ 第２搬送ライン

Claims (8)

1. 多数個取り基板の所定領域に、半導体チップを仮接合する仮接合部と、
   前記所定領域に仮接合された前記半導体チップを一括で前記基板に本圧着する本圧着部と、
   前記半導体チップが仮接合された基板を前記本圧着部へ搬送し、前記半導体チップが本圧着された基板を前記仮接合部へ搬送する搬送ラインを複数有する基板搬送部と、
   を備え、
   前記仮接合部および前記本圧着部は、複数の前記搬送ラインに対して、それぞれ仮接合および本圧着を行い、前記仮接合部が一方の前記搬送ラインで仮接合を行っている場合、前記本圧着部は他方の前記搬送ラインで本圧着を行う、半導体チップ接合装置。
2. 前記本圧着部は、熱圧着により本圧着を行う、請求項１に記載の半導体チップ接合装置。
3. 前記半導体チップ接合装置が接合に用いる接着剤は、熱可塑性接着剤または熱硬化性接着剤である、請求項２に記載の半導体チップ接合装置。
4. 前記基板搬送部は、第１方向に前記基板を搬送し、
   前記仮接合部が有する仮接合ヘッド、および前記本圧着部が有する本圧着ヘッドは、前記第１方向と直交する第２方向に可動する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体チップ接合装置。
5. 前記半導体チップは、前記基板にマトリクス配置で接合され、
   前記所定領域は、前記マトリクス配置の一列または複数列である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体チップ接合装置。
6. 前記半導体チップは、主面を前記基板側に向けたフリップチップである、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体チップ接合装置。
7. 前記基板は、下層半導体チップ上に上層半導体チップを実装する三次元実装が行われる基板であり、
   前記半導体チップ接合装置は、前記基板への前記下層半導体チップの接合、および前記下層半導体チップ上への前記上層半導体チップの接合の少なくともどちらか一方を行う、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体チップ接合装置。
8. 複数の多数個取り基板をそれぞれ搬送する複数の搬送ラインを有する半導体チップ接合装置において、
   前記多数個取り基板の一方の所定領域に、複数の半導体チップをそれぞれ仮接合する仮接合工程を行うステップと、
   前記半導体チップが仮接合された基板を本圧着工程へ搬送するステップと、
   前記所定領域に仮接合された複数の前記半導体チップを一括で前記基板に本圧着する本圧着工程を行うステップと、
   前記半導体チップが本圧着された基板を前記仮接合工程へ搬送するステップと、
   を含み、
   前記多数個取り基板の一方が前記仮接合工程を行っている場合、前記多数個取り基板の他方は、前記本圧着工程を行う、半導体チップ接合方法。

Images