JP7163047B2 - Mounting apparatus, mounting method, and semiconductor device manufacturing method using the same - Google Patents
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Description
本発明は、バンプを有する電子部品を電極を有する基板に実装する、実装方法および実装装置に関する。特に、バンプを有する半導体チップを、電極を有する基板にフリップチップ実装する実装装置および実装方法に係る。 The present invention relates to a mounting method and mounting apparatus for mounting an electronic component having bumps on a substrate having electrodes. In particular, the present invention relates to a mounting apparatus and a mounting method for flip-chip mounting a semiconductor chip having bumps on a substrate having electrodes.
近年の電子機器開発において、そこに搭載される電子部品に対して種々の要求があり、これに応えるべく早いサイクルでの開発が進められている。この一環として、半導体チップ等の電子部品の基板への実装方法では、伝送距離の短縮や小型化等の要求に応えるため、フリップチップ実装の普及が進んでいる。フリップチップ実装は、電子部品のバンプを基板の電極に接合させる工法であるが、バンプとしてはんだバンプを用いる工法が多く採用されている(図12(a))。 2. Description of the Related Art In the development of electronic equipment in recent years, there are various demands for electronic components to be mounted therein, and in order to meet these demands, rapid cycle development is being pursued. As part of this, as a method of mounting electronic components such as semiconductor chips on substrates, flip-chip mounting is becoming popular in order to meet demands for shortening transmission distances and miniaturization. Flip-chip mounting is a method of bonding bumps of an electronic component to electrodes of a substrate, and a method of using solder bumps as the bumps is often adopted (FIG. 12(a)).
フリップチップ実装においても、実装密度の向上等の要求を背景に、バンプの小型化およびバンプ間隔の狭ピッチ化が進んでいる。これに対し、はんだバンプを用いる工法では、銅ピラーの先端部にはんだSを用いるなどして対応している(図12(b))。しかし、銅ピラーPの小径化に伴うはんだSの減少により、はんだSと他の金属(基板Wの電極E、銅ピラーP)との界面に生成される、機械的に脆い金属間化合物IMCの割合が増すことになり接合部の信頼性に悪影響を及ぼす。 Also in flip-chip mounting, bumps are being miniaturized and the pitch between bumps is being narrowed against the background of the demand for higher mounting density. On the other hand, in the method using solder bumps, solder S is used at the tip of the copper pillar (FIG. 12(b)). However, as the diameter of the copper pillar P decreases, the amount of solder S decreases. The proportion increases and adversely affects the reliability of the joint.
このため、実装密度向上に伴い、はんだを用いない工法が求められており、特許文献1のような金属粒子ペーストを用いた工法が提案されている。金属粒子ペーストを用いた工法は、粒径が1μmより小さい銀ナノ粒子等の金属ナノ粒子を樹脂中に分散した金属粒子ペーストを用いるものであり、金属ナノ粒子が融点よりも低い温度で焼結することを利用して金属結合を形成するものである。 For this reason, along with the improvement in mounting density, there is a demand for a construction method that does not use solder. The method using a metal particle paste uses a metal particle paste in which metal nanoparticles such as silver nanoparticles with a particle size smaller than 1 μm are dispersed in a resin, and the metal nanoparticles are sintered at a temperature lower than the melting point. It is used to form a metallic bond.
特に、非特許文献1に記載されているような銅ナノ粒子が分散された銅ナノ粒子ペーストを用いれば、ピラーPと電極Eの材質として通常は銅が用いられていることから、銅と銅を焼結された銅が接合することになり、金属間化合物IMCの問題を解消することができる。
In particular, if a copper nanoparticle paste in which copper nanoparticles are dispersed as described in Non-Patent
金属粒子ペーストを用いた実装プロセスを図13および図14に示す。図13(a)は、ピラーバンプPBを有する半導体チップCを、所定厚みの金属粒子ペーストNPが塗布された平板Tの上に配置した状態であり、平板T側に降下させた状態が図13(b)で、ピラーバンプPBの下側が金属粒子ペーストNPに浸される。この後、半導体チップCを上昇させれば、ピラーバンプPBの先端側(下側)に所定量の金属粒子ペーストNPが転写された状態となる。 A mounting process using metal particle paste is shown in FIGS. FIG. 13(a) shows a state in which a semiconductor chip C having pillar bumps PB is placed on a flat plate T coated with a metal particle paste NP having a predetermined thickness. In b) the underside of the pillar bumps PB is dipped into the metal particle paste NP. After that, when the semiconductor chip C is lifted, a state is obtained in which a predetermined amount of the metal particle paste NP is transferred to the tip side (lower side) of the pillar bump PB.
図14(a)はピラーバンプPBの先端側に所定量の金属粒子ペーストNPが転写された半導体チップCを、基板W上に、ピラーバンプPBと基板Wの電極Eの位置合わせを行って配置した状態である。この状態から半導体チップCを徐々に降下させて、ピラーバンプPB先端側の金属粒子ペーストNPが電極Eと接触した状態が図14(b)である。 FIG. 14A shows a state in which a semiconductor chip C having a predetermined amount of metal particle paste NP transferred to the tip side of the pillar bumps PB is placed on the substrate W with the pillar bumps PB and the electrodes E of the substrate W aligned. is. The semiconductor chip C is gradually lowered from this state, and the state where the metal particle paste NP on the tip side of the pillar bump PB is in contact with the electrode E is shown in FIG. 14(b).
この後、金属粒子ペーストNPを加熱して焼結させる必要があるが、金属粒子ペーストNPを加熱する手法として、図14(b)の状態で、実装装置により半導体チップCを加圧しながら加熱する方法と、図14(c)のように半導体チップCが金属粒子ペーストNPを介して仮固定されている基板Wを加熱炉200内に移して加熱する方法(所謂リフロー)とがある。
After that, it is necessary to heat and sinter the metal particle paste NP. As a method of heating the metal particle paste NP, in the state shown in FIG. and a method (so-called reflow) in which the substrate W on which the semiconductor chip C is temporarily fixed via the metal particle paste NP as shown in FIG. 14C is moved into the
金属粒子ペーストNP中の金属ナノ粒子は、樹脂に被覆されているために表面酸化し難くなっている。しかし、金属粒子ペーストNPの表層付近においては、大気と接触している金属ナノ粒子の表面が酸化し易い状態となっている。 Since the metal nanoparticles in the metal particle paste NP are coated with a resin, their surfaces are difficult to oxidize. However, in the vicinity of the surface layer of the metal particle paste NP, the surfaces of the metal nanoparticles in contact with the atmosphere are in a state of being easily oxidized.
このため、図13(b)から図14(b)に至る過程において、金属粒子ペーストNPの表面が大気と触れる時間が長いと、図14(b)の状態で電極Eと接触する金属粒子ペーストNP表面の金属ナノ粒子が酸化してしまい、焼結後の電極Eとの界面に(絶縁体である)金属酸化物層が残り、導電性に悪影響を及ぼすことがある。特に、銅ナノ粒子は酸化し易いため、表面酸化対策は必須である。 For this reason, in the process from FIG. 13(b) to FIG. 14(b), if the surface of the metal particle paste NP is exposed to the atmosphere for a long time, the metal particle paste contacting the electrode E in the state of FIG. 14(b) The metal nanoparticles on the NP surface are oxidized, leaving a metal oxide layer (which is an insulator) at the interface with the electrode E after sintering, which may adversely affect conductivity. In particular, since copper nanoparticles are easily oxidized, countermeasures against surface oxidation are essential.
そこで、図14(c)のように、加熱炉200で焼結を行なう場合においては、加熱炉200内の酸素濃度を下げることや、還元性の気体を含ませて加熱を行なうことで、表面酸化部分を還元して導電性を回復させることも可能である。
Therefore, as shown in FIG. 14(c), when sintering is performed in the
しかし、加熱炉200による焼結を行なう場合においては、半導体チップCが金属粒子ペーストNPを介して仮固定されている基板Wを加熱炉200内に移す必要があり、基板Wを移動する際に半導体チップCが基板Wに対して位置ズレを生じることがあるので好ましくない。特に小径のピラーバンプPBを有する半導体チップCの実装においては僅かな位置ズレも実装後の半導体装置の性能に悪影響を及ぼすので、基板Wを加熱炉200に移して焼結する手法は不適である。
However, when performing sintering in the
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、金属粒子ペーストを用いて電子部品のバンプと基板の電極を接合する実装において、接合部の導電性に優れ実装位置精度も確保した、低温かつ低加圧での確実な実装が可能な、実装装置ならびに実装方法およびこれを用いた半導体装置の製造方法を提供するものである。 The present invention has been made in view of the above problems. A mounting apparatus, a mounting method, and a method of manufacturing a semiconductor device using the same are provided, which are capable of performing reliable mounting under low pressure.
上記の課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、電子部品の有するバンプと基板が有する電極の間に介した金属粒子ペーストを焼結させて、基板上に電子部品を実装する実装装置であって、
前記基板を前記電極が存在する面の反対面から保持し、前記基板を面方向に移動させることが出来るステージと、前記電子部品を前記バンプが存在する面の反対面から保持して前記基板に向けて駆動する機能を有するとともに、ヒータを内蔵したボンディングヘッドと、前記ステージを覆う形状で、前記ボンディングヘッドと対向する位置に前記ボンディングヘッドが通過可能な開口部を有し、前記ステージに対して上下移動可能なステージカバーと、前記ステージカバー内に気体を放出するノズルと、前記ボンディングヘッドに保持された前記電子部品の前記バンプに前記金属粒子ペーストを転写する、前記ステージカバー内に収容されたペースト転写部と、前記ステージ、前記ボンディングヘッドおよび前記ノズルの動作を制御する制御部を備えた実装装置である。
In order to solve the above problems, the invention according to claim 1 sinters the metal particle paste interposed between the bumps of the electronic component and the electrodes of the substrate to mount the electronic component on the substrate. A mounting device,
a stage capable of holding the substrate from the surface opposite to the surface on which the electrodes exist and moving the substrate in a surface direction; and a bonding head with a built-in heater, and a shape covering the stage, and an opening through which the bonding head can pass at a position facing the bonding head, with respect to the stage a stage cover that can move up and down by means of a nozzle; a nozzle that discharges gas into the stage cover; and a controller for controlling operations of the stage, the bonding head, and the nozzle.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の実装装置であって、
前記ペースト転写部を前記ステージとともに移動するように設けた実装装置である。
The invention according to
In the mounting apparatus, the paste transfer section is provided so as to move together with the stage.
請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の実装装置であって、
前記ボンディングヘッドに前記半導体チップを搬送する搬送手段を更に備え、
前記ペースト転写部を前記搬送手段に設けた実装装置である。
The invention according to
further comprising transport means for transporting the semiconductor chip to the bonding head;
It is a mounting apparatus in which the paste transfer section is provided in the conveying means.
請求項4に記載の発明は、請求項1から請求項3のいずれかに記載の実装装置であって、
前記電子部品と前記基板の位置情報を取得する認識手段を更に備えた実装装置である。
The invention according to
The mounting apparatus further includes recognition means for acquiring positional information of the electronic component and the board .
請求項5に記載の発明は、請求項1から請求項4のいずれかに記載の実装装置を用いて、基板上に電子部品を実装する実装方法であって、
前記バンプに前記金属粒子ペーストを転写する転写工程と、前記バンプが前記電極に対向配置されるよう、前記電子部品と前記基板の位置合わせを行う位置合わせ工程と、前記バンプに転写された金属粒子ペーストが前記電極に接触し前記バンプと前記電極の距離が所定の範囲に入るまで、前記電子部品を前記基板に接近させる接近工程と、前記金属粒子ペーストを加熱する焼結工程とを備えた実装方法である。
The invention according to
a transfer step of transferring the metal particle paste to the bumps; an alignment step of aligning the electronic component and the substrate so that the bumps are arranged opposite to the electrodes; and a metal particle transferred to the bumps. Mounting comprising: an approaching step of bringing the electronic component closer to the substrate until the paste contacts the electrode and the distance between the bump and the electrode falls within a predetermined range; and a sintering step of heating the metal particle paste. The method.
請求項6に記載の発明は、請求項1から請求項4のいずれかに記載の実装装置を用いて、基板上に電子部品を実装する実装方法であって、
前記バンプに前記金属粒子ペーストを転写する転写工程と、前記バンプが前記電極に対向配置されるよう、前記電子部品と前記基板の位置合わせを行う位置合わせ工程と、前記バンプに転写された金属粒子ペーストが前記電極に接触し前記バンプと前記電極の距離が所定の範囲に入るまで、前記電子部品を前記基板に接近させる接近工程と、前記金属粒子ペーストを加熱する焼結工程とを備え、
少なくとも前記焼結工程において、前記ノズルが不活性気体を放出して、前記ステージカバー内の酸素濃度を低下させる実装方法である。
The invention according to
a transfer step of transferring the metal particle paste to the bumps; an alignment step of aligning the electronic component and the substrate so that the bumps are arranged opposite to the electrodes; and a metal particle transferred to the bumps. an approaching step of bringing the electronic component closer to the substrate until the paste contacts the electrode and the distance between the bump and the electrode falls within a predetermined range; and a sintering step of heating the metal particle paste,
In the mounting method, at least in the sintering process, the nozzle emits an inert gas to reduce the oxygen concentration in the stage cover.
請求項7に記載の発明は、請求項1から請求項4のいずれかに記載の実装装置を用いて、基板上に電子部品を実装する実装方法であって、
前記バンプに前記金属粒子ペーストを転写する転写工程と、前記バンプが前記電極に対向配置されるよう、前記電子部品と前記基板の位置合わせを行う位置合わせ工程と、前記バンプに転写された金属粒子ペーストが前記電極に接触し前記バンプと前記電極の距離が所定の範囲に入るまで、前記電子部品を前記基板に接近させる接近工程と、前記金属粒子ペーストを加熱する焼結工程とを備え
少なくとも前記焼結工程において、前記ノズルが還元性元素を含む気体を放出して、前記ステージカバー内を還元性雰囲気とする実装方法である。
The invention according to
a transfer step of transferring the metal particle paste to the bumps; an alignment step of aligning the electronic component and the substrate so that the bumps are arranged opposite to the electrodes; and a metal particle transferred to the bumps. an approaching step of approaching the electronic component to the substrate until the paste contacts the electrode and the distance between the bump and the electrode falls within a predetermined range; and a sintering step of heating the metal particle paste. In the mounting method, in the sintering process, the nozzle emits a gas containing a reducing element to create a reducing atmosphere inside the stage cover.
請求項8に記載の発明は、請求項5から請求項7のいずれかに記載の実装方法であって、
前記焼結工程において、前記電子部品を前記基板に向けて加圧する実装方法である。
The invention according to
In the mounting method, the electronic component is pressed against the substrate in the sintering step.
請求項9に記載の発明は、前記電子部品として半導体チップを用い、請求項5から請求項8のいずれかの実装方法で前記半導体チップを基板に実装する、半導体装置の製造方法である。 According to a ninth aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, wherein a semiconductor chip is used as the electronic component, and the semiconductor chip is mounted on a substrate by the mounting method according to any one of the fifth to eighth aspects.
本発明により、金属粒子ペーストを用いて半導体チップのバンプと基板の電極を接合する実装において、実装位置精度と接合部の導電性に優れた確実な実装が実現する。 According to the present invention, when bonding the bumps of the semiconductor chip and the electrodes of the substrate using the metal particle paste, reliable mounting with excellent mounting position accuracy and conductivity of the joints can be realized.
本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。
図1は本発明の実施形態に係る実装装置1を示すもので、図2は実装装置1の主要部分の断面図、図3は実装装置1の制御構成を示すブロック図である。実装装置1は、電子部品である半導体チップCを基板Wに実装するものであり、基台2、支持フレーム3、ステージ4、加圧ユニット5、ボンディングヘッド6、画像認識手段7、真空ポンプ8、ペースト転写部9、制御部10を備えている。なお、半導体チップCは図13(a)のようにピラーバンプPBを有し、基板Wは図14(a)のように電極Eを有している。半導体チップCを基板Wに実装する際は、ピラーバンプPBと電極Eを電気的に接合しつつ基板W上に半導体チップCを機械的に固定する。
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a mounting
本実施形態において、ピラーバンプPBおよび電極Eの材質としては銅を前提としているが、これに限定されるものではない。いずれも導電性、機械的特性が用途に適するものであれば他の金属素材を用いてもよく、ピラーバンプPBと電極Eが異なる素材であってもよい。さらに、ピラーバンプPBおよび/または電極Eの表面にニッケルや金の薄膜がメッキ等で形成されていてもよい。 In this embodiment, copper is assumed as the material of the pillar bumps PB and the electrodes E, but the material is not limited to this. Any other metal material may be used as long as the conductivity and mechanical properties are suitable for the application, and the pillar bumps PB and the electrodes E may be made of different materials. Furthermore, a nickel or gold thin film may be formed on the surfaces of the pillar bumps PB and/or the electrodes E by plating or the like.
基台2は、実装装置1を構成する主な構造体である。基台2は充分な剛性を有するよう構成されている。基台2は、支持フレーム3とステージ4を支持している。
The
支持フレーム3は、加圧ユニット5を支持するものである。支持フレーム3は、基台2のステージ4近傍からZ方向に延びるように構成されている。
The
ステージ4は、基板Wを電極Eが存在する面の反対面から保持しつつ、移動させるものである。ステージ4は、Y方向駆動ユニット4a、X方向駆動ユニット4b、吸着テーブル4cによって構成されている。ステージ4は基台2に取り付けられ、X方向駆動ユニット4bによって吸着テーブル4cをX方向に、Y方向駆動ユニット4aによって(X方向駆動ユニット4bおよび)吸着テーブル4cをY方向に移動できるように構成されている。また、図2に示すように、吸着テーブル4cは基板Wを吸着するための基板吸着穴4Hを有しており、吸着テーブル4c内に設けたステージ内流路4Eを経て真空ポンプ8に通じている。ここで、真空ポンプ8および、真空ポンプ8に通じる流路に設けたバルブ4Vの動作により基板吸着穴4H内を減圧して基板Wを吸着テーブル4cに吸着保持することが出来る。
The
以上の構成により、ステージ4は、基台2上において吸着テーブル4cが吸着した基板Wを、基板Wの面内方向であるX方向、Y方向に移動させることが出来る。
With the above configuration, the
加圧ユニット5は、ボンディングヘッド6を移動させるものである。加圧ユニット5は、図示しないサーボモータによってボールねじを回転させることによりボールねじの軸方向の駆動力を発生させるよう構成されている。加圧ユニット5は、ボールねじの軸方向が基板Wに対して垂直なZ方向の駆動力(加圧力)を発生するように構成されている。加圧ユニット5は、サーボモータの出力を制御することによりZ方向の荷重Pzを任意に設定できるように構成されている。ボンディング時の位置ズレの観点から、ボンディングヘッド6はZ方向のみ可動できる構成とすることが望ましい。
The
なお、本実施形態において、加圧ユニット5は、サーボモータとボールねじの構成としたが、これに限定されるものではなく、空圧アクチュエータ、油圧アクチュエータやボイスコイルモータから構成してもよい。また、加圧ユニット5は、ボンディングヘッド6をθ方向に回転させる機能を有していてもよい。
In this embodiment, the pressurizing
ボンディングヘッド6は、加圧ユニット5の駆動力を半導体チップCに伝達するとともに、半導体チップを加熱するものである。ボンディングヘッド6は、図2に示すように、アタッチメントツール61、ヒータ62、断熱ブロック63、ヘッド本体64から構成されている。
The
アタッチメントツール61には電子部品吸着穴6Hが設けられ、電子部品吸着穴6Hはボンディングヘッド6内に形成されたヘッド内流路6Eを経て真空ポンプ8に通じている。ここで、真空ポンプ8および、真空ポンプ8に通じる流路に設けたバルブ6Vの動作により電子部品吸着穴6H内を減圧して、半導体チップCをバンプが存在する面の反対面からアタッチメントツール61に吸着して保持することが出来る。またヒータ62には、セラミックヒータ等の電熱部材が内蔵されており、ヒータ温度制御のための温度センサが内蔵されていてもよい。
An electronic
ボンディングヘッド6は、加圧ユニット5を構成している図示しないボールねじとナットに取り付けられている。つまり、ボンディングヘッド6(のアタッチメントツール61)はステージ4(の吸着テーブル4c)と平行に対向するように配置されている。すなわち、ボンディングヘッド6は加圧ユニット5によってZ方向に移動されることで、半導体チップCを基板Wに接近させることが出来る。
The
画像認識手段7は画像により半導体チップCと基板Wの位置情報を取得するものである。画像認識手段7は、ステージ4に保持されている基板W上面の位置合わせマークと、ボンディングヘッド6に保持されている半導体チップCの位置合わせマークを画像認識して、基板Wと半導体チップCの(XY面内における)位置情報を取得するように構成されている。
The image recognition means 7 acquires the positional information of the semiconductor chip C and the substrate W from images. The image recognition means 7 image-recognizes the alignment marks on the upper surface of the substrate W held by the
ペースト転写部9は、所定厚みの金属粒子ペーストNPを蓄えたものであり、少なくとも半導体チップCの全てのピラーバンプPBを同じ深さに浸漬させる受け皿形状を有している。なお、所定厚みの金属粒子ペーストNPは、図示していないペースト供給手段により所定量供給されるが、具体的なペースト供給手段としては孔版印刷機構やディスペンサ等が用いられる。
The
図1の実装装置1では、ペースト転写部9は、吸着テーブル4cに接続するよう配置されており、吸着テーブル4cと同様に、Y方向駆動ユニット4によって吸着テーブル4cをY方向に、X方向駆動ユニット4bによってX方向に移動できるように構成されている。
In the mounting
制御部10は、図3に示すように、ステージ4、ノズル41、加圧ユニット5、ボンディングヘッド6、画像認識手段7と接続されている。また、真空ポンプ8は制御部10から独立してもよいが、制御部10に接続されていてもよい。制御部10は、実体的には、CPU、ROM、HDD等がバスで接続される構成であっても、あるいはワンチップLSIからなる構成であってもよい。制御部10は接続先から信号を取得したり制御するための種々のプログラムやデータが収納されている。
The
制御部10は、ステージ4に接続され、Y方向駆動ユニット4a、X方向駆動ユニット4bを個々に制御する。また、制御部10はバルブ4Vを制御することにより、吸着テーブル4cによる基板Wの吸着有無を制御する。このため、制御部10は、Y方向吸着ユニット4a、Y方向吸着ユニット4bおよびバルブ4Vの制御により、基板WをXY面内の位置を任意に変化させることが出来る。
The
制御部10は、加圧ユニット5に接続され、加圧ユニット5のZ方向の高さおよび荷重Pzを制御することができる。また、加圧ユニット5がボンディングヘッド6のθ方向への回転機能を有している場合は、制御部5がボンディングヘッドのθ方向回転角を制御する構成としてもよい。
The
制御部10は、ボンディングヘッド6に接続され、ヒータ62を所定の温度に制御することができる。また、制御部10はバルブ6Vを制御することにより、アタッチメントツール61による半導体チップCの吸着有無を制御する。
The
制御部10は、画像認識手段7に接続され、画像認識手段7の位置を制御するとともに、画像情報から基板Wと半導体チップCの位置情報を取得することができる。
The
制御部10は、真空ポンプ8に接続されているときは、実装動作開始前に真空ポンプ8を稼働するよう制御する。このため、バルブ4Vおよびバルブ6Vの開閉により、基板Wおよび半導体チップCの吸着有無が制御される。
When the
以下、図1から図3で説明した実装装置1を用いて、半導体チップCを基板Wに実装する工程について、図4から図6を用いて説明する。
The process of mounting the semiconductor chip C on the substrate W using the mounting
まず、図4は転写工程を説明する図である。図4(a)は、図示していない搬送手段により搬送された半導体チップCをボンディングヘッド6のアタッチメントツール61が吸着保持し、半導体チップCの直下にペースト転写部9を配置した状態を示している。ここで、ペースト転写部9は、制御部10がステージ4のY方向駆動ユニット4aとX方向駆動ユニット4bを制御することで、図7に示すように、半導体チップCの直下に配置されている。なお、ペースト転写部9を半導体チップCの直下に位置調整するのに際しては、画像認識手段7を用いてもよい。
First, FIG. 4 is a diagram for explaining the transfer process. 4A shows a state in which the
図4(a)のように半導体チップCの直下にペースト転写部9を配置した後は、制御部10は加圧ユニット5を制御してボンディングヘッド6を所定長さだけ降下させる。この動作により、半導体チップCのピラーバンプPBは、ペースト転写部9に蓄えられた金属粒子ペーストNPに浸漬する。
After arranging the
ここで、本発明で対象とする金属粒子ペーストNPは、粒径が1μm未満の金属ナノ粒子を含む金属粒子が樹脂バインダ中に分散されたものである。本実施形態において半導体チップCのピラーバンプPBおよび基板Wの電極Eが銅であることを前提としており、金属ナノ粒子としては銅ナノ粒子が好適であるが、これに限定されるものではなく基板Wに実装後の半導体素子としての用途および焼結時の加熱温度等の条件に応じて、銀ナノ粒子、錫ナノ粒子、インジウムナノ粒子等の他の金属ナノ粒子であってもよい。またバインダ樹脂としては、エポキシ樹脂が一般的であるが、ポリイミド樹脂やアクリル樹脂等であってもよく、バインダ樹脂を用いずに溶媒中に金属ナノ粒子を分散させた所謂ナノインク性状のものであってもよい。 Here, the metal particle paste NP targeted by the present invention is obtained by dispersing metal particles containing metal nanoparticles having a particle size of less than 1 μm in a resin binder. In this embodiment, it is assumed that the pillar bumps PB of the semiconductor chip C and the electrodes E of the substrate W are made of copper. Other metal nanoparticles such as silver nanoparticles, tin nanoparticles, and indium nanoparticles may be used depending on the application as a semiconductor element after mounting and the conditions such as the heating temperature during sintering. As the binder resin, epoxy resin is generally used, but polyimide resin, acrylic resin, etc. may also be used. may
浸漬実施後、制御部10が加圧ユニット5を制御してボンディングヘッド6を上昇させれば、図4(c)に示すように半導体チップCの個々のピラーバンプPBに金属粒子ペーストNPが転写された状態となる。
After the immersion, when the
図5は位置合わせ工程を説明する図である。位置合わせ工程では、まず、制御部10がステージ4のY方向駆動ユニット4aとX方向駆動ユニット4bを制御することで基板Wを水平方向に移動し、基板Wの被実装部を半導体チップCの直下近傍に配置した後に、ピラーバンプPBの直下に電極Eが配置されるように位置合わせを行う。なお、画像認識手段7を用いて位置合わせを行うに際して、図5(a)から図5(b)の間に画像認識を行なってもよいが、図5(a)の状態で画像認識に時間を要することは好ましくない。そこで、転写工程より前に、画像認識手段7を用いてピラーバンプPBの直下に電極Eが配置されるような位置確認を行い、その際に記憶した位置情報に基づいた位置合わせを転写工程後に行ってもよい。
FIG. 5 is a diagram for explaining the alignment process. In the alignment process, first, the
図5(b)で位置合わせを行った後は、制御部10は加圧ユニット5を制御してボンディングヘッド6を降下させ(図6(a))、ピラーバンプPBに転写された金属粒子ペーストNPを電極Eに接触させ(図6(b))、ピラーバンプPBと電極Eの距離が所定の範囲内になったらボンディングヘッド6の降下を止める。このようにボンディングヘッド6を降下させて停止するまでが接近工程である。なお、ピラーバンプPBと電極Eの距離を測定するのに際しては、光学的な手段を用いた距離測定でもよいが、金属粒子ペーストNPと電極Eの接触による反発力を測定する手段をボンディングヘッド6に設けて、反発力から距離を推定する方法であってもよい。
5(b), the
その後、図6(b)の状態から、ボンディングヘッド6のヒータ62を加熱することにより金属粒子ペーストNPを加熱して焼結するのが焼結工程である。この際、金属粒子ペーストNPの特性に応じて焼結温度は異なるが、金属粒子ペーストNPが焼結しつつ半導体チップCに熱的な悪影響を与えないような温度となるよう、制御部10はヒータ62の温度を制御する。
After that, from the state of FIG. 6B, the
なお、接近工程においてボンディングヘッド6の降下を止めた時の位置を維持したままヒータ62を加熱して焼結を行なっても、焼結した金属粒子ペーストNPはピラーバンプPBと電極Eの導通は確保できる。しかし、焼結過程において、金属粒子ペーストNPのバインダ樹脂が収縮したり脱泡が生じるため、ボンディングヘッド6の位置を維持したまま焼結を行なうと、金属粒子ペーストNPの金属粒子間の隙間が多い状態で焼結体となり、導電性および機械的強度が充分に得られない場合がある。そこで、焼結工程において加圧ユニット5によりボンディングヘッド6に圧力を加え、ピラーバンプPBと電極Eが徐々に接近しながら金属粒子ペーストNPが焼結するようにしてもよい。焼結時にボンディングヘッド6に適切な圧力を加えることにより、焼結後の金属粒子間の接触面積が増し空間密度が上がることから、導電性および機械的強度の向上が図れる。
Even if sintering is performed by heating the
金属粒子ペーストNPが焼結した後は、アタッチメントツール61による半導体チップCの吸着を解除してから、制御部10は加圧ユニット5を制御してボンディングヘッド6を上昇させる(図6(c))。これで半導体チップCは基板Wに実装され、必要に応じて基板Wの分離等の工程を経て半導体装置が製造される。
After the metal particle paste NP is sintered, the semiconductor chip C is released from the
以上のような実装装置1を用いた本実施形態の実装方法では、ボンディングヘッド6のアタッチメントツール61に半導体チップCを吸着した状態で、ピラーバンプPBへの金属粒子ペーストNPの転写から、ピラーバンプPBに転写された金属粒子ペーストNPと基板Wの電極Eの接触までの工程を短時間で行なうことが出来る。このため、電極Eと接触する金属粒子ペーストNP(の金属粒子)の酸化を抑制することが出来、ピラーバンプPBと電極Eを導電性良好に接合することが出来る。
In the mounting method of the present embodiment using the mounting
また、半導体チップCと基板Wが位置合わせされた状態で、金属粒子ペーストNPを焼結することで、位置精度に優れた実装が行える。 Moreover, by sintering the metal particle paste NP in a state in which the semiconductor chip C and the substrate W are aligned, mounting with excellent positional accuracy can be performed.
上述のとおり、図1に示した実装装置1を用いることで、電極Eと接触する金属粒子ペーストNP(の金属粒子)の酸化を抑制することが出来るが、この酸化抑制効果を更に高めるための変形例としての実装装置101を図8に示す。実装装置101の外観を示すものでが図8(a)であり、図8(b)は図8(a)の外観で隠れている内部構成を示すものである。
As described above, by using the mounting
図8(b)から判るように、実装装置101の基本構成は図1に示した実装装置1と同じであり、ステージカバー4とノズル41が更に設けられたものである。
As can be seen from FIG. 8B, the basic configuration of the mounting
ステージカバー40は、ステージ4を覆うカバーであり、ボンディングヘッド6と対向する上面に開口部40Hを有している。ここで、開口部40Hはボンディングヘッド6が上下動する際に支障なく通過する形状を有しつつ、ボンディングヘッド6と開口部40H(の縁)との隙間は5mm以下とすることが望ましい。なお、ステージカバー40内への基板Wの出し入れに関しては、ステージカバー40の側面に開閉部を設けて行なってもよいし、ステージカバー40全体が上昇して基板Wの出し入れをする構成としてもよい。
The
ノズル41はステージカバー40に覆われた内部に気体を放出するものであり、気体放出有無は図示しないバルブのを制御部10が開閉制御する。また、バルブとして、流量または圧力を制御可能なものを用いてもよい。
この実装装置101を用いた実装方法は、実装装置1を用いた場合と同様に、転写工程、位置合わせ工程、接近工程、焼結工程からなるが、少なくとも焼結工程においてノズル41が不活性ガスを放出することで、ステージカバー40内の酸素濃度が低下して、金属粒子ペーストNP(の金属粒子)の酸化を一層抑制することが出来、導電性と機械的強度の向上により接合信頼性を高めることが出来る。ここで、不活性ガスとしてはアルゴンやキセノンのような希ガスも有効であるが、比較的安価な窒素ガスを用いることが望ましい。なお、ノズル41による不活性ガスの放出は焼結工程に限定されず、転写工程、位置合わせ工程、接近工程の各工程において実施してもよい。
The
The mounting method using this mounting
また、ノズル41から放出する気体として還元性気体を用いてもよい。還元性気体としては不活性ガスに、塩素やフッ素のような還元性を有する気体が少量含まれたものが好適である。少なくとも焼結工程においてノズル41が還元性ガスを放出することで、ステージカバー40内が還元性の雰囲気になり、金属粒子ペーストNP(の金属粒子)の酸化皮膜を還元する効果も期待できる。更に、還元性気体をステージカバー40内に放出するのであれば、金属ナノ粒子の代わりに酸化物ナノ粒子(例えば酸化銅ナノ粒子)を用いたものを金属粒子ペーストNPとして用いることも可能になる。ただし、還元性気体は実装装置101に用いられる構造材料や人体に悪影響を及ぼす懸念があるので取り扱いには注意が必要である。
Alternatively, a reducing gas may be used as the gas discharged from the
ところで、ボンディングヘッド6のアタッチメントツール61に半導体チップCを供給する際に、図9(a)に示したチップスライダ17のようなものが一般的に用いられる。チップスライダ17は、図9(b)に示した搬送手段11において半導体チップCを保持した状態で搬送レールに沿ってスライドするものであり、図9(a)に示した状態のように、アタッチメントツール61の直下に半導体チップを配置すれば、その後にボンディングヘッド6が下降してアタッチメントツール61が半導体チップCを吸着保持する。
By the way, when supplying the semiconductor chip C to the
そこで、この機構を利用した本発明の別の実施形態として、チップスライダ17と同様な動作を行なう転写部スライダ18に(実装装置1のペースト転写部9と同様な形態の)ペースト転写部19を搭載した例を図10に示す。
Therefore, as another embodiment of the present invention using this mechanism, a paste transfer section 19 (having the same form as the
図10(a)は半導体チップCを保持したチップスライダ17が、搬送レール16に沿って移動し、半導体チップCをアタッチメントツール61の直下に配置した状態であり、図10(b)はアタッチメントツール61が半導体チップCを吸着保持してから上昇した後の状態である。図10(b)の状態の後に、転写部スライダ18が搬送レール16に沿って移動し、ペースト転写部19をアタッチメントツール61(が保持する半導体チップC)の直下に配置した状態を示したのが図10(c)である。この後、ボンディングヘッド6が下降および上昇することにより、図4(a)から図4(c)に示したのと同様に、半導体チップCのピラーバンプPBには金属粒子ペーストNPが転写される。この後は、図5および図6を用いて説明したのと同様に位置合わせ工程、接近工程、焼結工程を進めることで実装が完了する。
10(a) shows a state in which the
なお、チップスライダ17を拡大して半導体チップCとともにペースト転写部19を搭載することも可能であるが、ペースト厚みを均一に維持する必要があるペースト転写部19を高速移動が求められるチップスライダ17に搭載することはプロセス的に好ましくない。このため、図11に示すような、チップスライダ17とペースト転写部18を独立に移動させることが可能な搬送手段12を用いることが好ましい。
It is also possible to enlarge the
ところで、転写工程において半導体チップCそのものに金属粒子ペーストNPが付着することは避けねばならないことから、バンプとしては柱状のピラーバンプPBを用いる事を前提としているが、バンプ先端部付近のみに金属粒子ペーストを転写することが可能であればピラーバンプPBに限定されるものではなく、他の形状のバンプを用いても本発明は有効である。 By the way, it is necessary to avoid the metal particle paste NP from adhering to the semiconductor chip C itself in the transfer process. The present invention is not limited to the pillar bumps PB as long as it is possible to transfer the .
1 実装装置
2 基台
3 フレーム
4 ステージ
4a Y方向駆動ユニット
4b X方向駆動ユニット
4c 吸着テーブル
4E 排気流路
4H 基板吸着穴
5 加圧ユニット
6 ボンディングヘッド
6H 電子部品吸着穴
7 画像認識手段
8 真空ポンプ
9、19 ペースト転写部
10 制御部
11、12 搬送手段
16 搬送レール
17 チップスライダ
18 供給部スライダ
40 ステージカバー
40H 開口部
41 ノズル
61 アタッチメントツール
62 ヒータ
200 加熱炉
C 半導体チップ(電子部品)
E 電極
NP 金属粒子ペースト
PB ピラーバンプ
W 基板
REFERENCE SIGNS
E Electrode NP Metal particle paste PB Pillar bump W Substrate
Claims (9)
前記基板を前記電極が存在する面の反対面から保持し、前記基板を面方向に移動させることが出来るステージと、
前記電子部品を前記バンプが存在する面の反対面から保持して前記基板に向けて駆動する機能を有するとともに、ヒータを内蔵したボンディングヘッドと、
前記ステージを覆う形状で、前記ボンディングヘッドと対向する位置に前記ボンディングヘッドが通過可能な開口部を有し、前記ステージに対して上下移動可能なステージカバーと、
前記ステージカバー内に気体を放出するノズルと、
前記ボンディングヘッドに保持された前記電子部品の前記バンプに前記金属粒子ペーストを転写する、前記ステージカバー内に収容されたペースト転写部と、
前記ステージ、前記ボンディングヘッドおよび前記ノズルの動作を制御する制御部を備えた実装装置。 A mounting device for mounting an electronic component on a substrate by sintering a metal particle paste interposed between a bump of the electronic component and an electrode of the substrate,
a stage capable of holding the substrate from a surface opposite to the surface on which the electrodes are present and moving the substrate in a planar direction;
a bonding head having a function of holding the electronic component from the surface opposite to the surface on which the bumps are present and driving the electronic component toward the substrate, and having a built-in heater;
a stage cover that has a shape that covers the stage, has an opening through which the bonding head can pass at a position facing the bonding head, and is vertically movable with respect to the stage;
a nozzle for discharging gas into the stage cover;
a paste transfer unit accommodated in the stage cover for transferring the metal particle paste to the bumps of the electronic component held by the bonding head;
A mounting apparatus comprising a controller for controlling operations of the stage, the bonding head, and the nozzle.
前記ペースト転写部を前記ステージとともに移動するように設けた実装装置。 The mounting apparatus according to claim 1,
A mounting apparatus provided so as to move the paste transfer section together with the stage.
前記ボンディングヘッドに前記半導体チップを搬送する搬送手段を更に備え、
前記ペースト転写部を前記搬送手段に設けた実装装置。 The mounting apparatus according to claim 1,
further comprising transport means for transporting the semiconductor chip to the bonding head;
A mounting apparatus in which the paste transfer section is provided in the conveying means.
前記電子部品と前記基板の位置情報を取得する認識手段を更に備えた実装装置。 The mounting apparatus according to any one of claims 1 to 3,
A mounting apparatus further comprising recognition means for acquiring positional information of the electronic component and the board.
前記バンプに前記金属粒子ペーストを転写する転写工程と、
前記バンプが前記電極に対向配置されるよう、前記電子部品と前記基板の位置合わせを行う位置合わせ工程と、
前記バンプに転写された金属粒子ペーストが前記電極に接触し前記バンプと前記電極の距離が所定の範囲に入るまで、前記電子部品を前記基板に接近させる接近工程と、
前記金属粒子ペーストを加熱する焼結工程とを備えた実装方法。 A mounting method for mounting an electronic component on a substrate using the mounting apparatus according to any one of claims 1 to 4,
a transfer step of transferring the metal particle paste to the bump;
an alignment step of aligning the electronic component and the substrate so that the bumps are arranged to face the electrodes;
an approaching step of bringing the electronic component closer to the substrate until the metal particle paste transferred to the bump contacts the electrode and the distance between the bump and the electrode falls within a predetermined range;
and a sintering step of heating the metal particle paste.
前記バンプに前記金属粒子ペーストを転写する転写工程と、
前記バンプが前記電極に対向配置されるよう、前記電子部品と前記基板の位置合わせを行う位置合わせ工程と、
前記バンプに転写された金属粒子ペーストが前記電極に接触し前記バンプと前記電極の距離が所定の範囲に入るまで、前記電子部品を前記基板に接近させる接近工程と、
前記金属粒子ペーストを加熱する焼結工程とを備え、
少なくとも前記焼結工程において、前記ノズルが不活性気体を放出して、前記ステージカバー内の酸素濃度を低下させる実装方法。 A mounting method for mounting an electronic component on a substrate using the mounting apparatus according to any one of claims 1 to 4,
a transfer step of transferring the metal particle paste to the bump;
an alignment step of aligning the electronic component and the substrate so that the bumps are arranged to face the electrodes;
an approaching step of bringing the electronic component closer to the substrate until the metal particle paste transferred to the bump contacts the electrode and the distance between the bump and the electrode falls within a predetermined range;
A sintering step of heating the metal particle paste,
The mounting method, wherein at least in the sintering process, the nozzle emits an inert gas to reduce the oxygen concentration in the stage cover.
前記バンプに前記金属粒子ペーストを転写する転写工程と、
前記バンプが前記電極に対向配置されるよう、前記電子部品と前記基板の位置合わせを行う位置合わせ工程と、
前記バンプに転写された金属粒子ペーストが前記電極に接触し前記バンプと前記電極の距離が所定の範囲に入るまで、前記電子部品を前記基板に接近させる接近工程と、
前記金属粒子ペーストを加熱する焼結工程とを備え
少なくとも前記焼結工程において、前記ノズルが還元性元素を含む気体を放出して、前記ステージカバー内を還元性雰囲気とする実装方法。 A mounting method for mounting an electronic component on a substrate using the mounting apparatus according to any one of claims 1 to 4,
a transfer step of transferring the metal particle paste to the bump;
an alignment step of aligning the electronic component and the substrate so that the bumps are arranged to face the electrodes;
an approaching step of bringing the electronic component closer to the substrate until the metal particle paste transferred to the bump contacts the electrode and the distance between the bump and the electrode falls within a predetermined range;
a sintering step of heating the metal particle paste, and at least in the sintering step, the nozzle emits a gas containing a reducing element to create a reducing atmosphere inside the stage cover.
前記焼結工程において、前記電子部品を前記基板に向けて加圧する実装方法。 The mounting method according to any one of claims 5 to 7,
A mounting method in which the electronic component is pressed against the substrate in the sintering step.
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