JP7287647B2 - 接合条件評価装置 - Google Patents

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Description

本明細書では、第一部材と第二部材を接合部材を介在させた状態で加熱加圧することで接合する際の接合条件の導出を支援する装置を開示する。
従来から、二つの部材（第一部材および第二部材）の間に熱硬化性の接合部材を介在させた状態で当該二つの部材を加熱および加圧して接合する接合方法が知られている。例えば、半導体チップ（第一部材）を基板（第二部材）に実装して半導体装置を製造する実装装置では、半導体チップと基板との間に熱硬化性樹脂からなるＮＣＦ等の接合部材を挟み込み、その状態で半導体チップを基板に向かって加圧するとともに加熱する。この場合、接合部材は、半導体チップに設けられた金属バンプが熱溶融する前に、軟化して半導体チップと基板との隙間を埋めた後、熱硬化する必要がある。したがって、半導体チップを適切に実装するためには、金属バンプが溶融開始温度に達する前に接合部材が硬化温度に達するような加熱条件で加熱する必要がある。
こうした加熱条件を含む接合条件は、同じ接合部材を用いる場合であっても、第一部材および第二部材の組み合わせが変更されれば、変更する必要がある。すなわち、接合部材が同じであったとしても、当該接合部材が適用される第一部材、第二部材の構造（材質や形状）が変化すれば、接合部材への伝熱特性等も大きく変化し、接合部材の物性（特に硬化温度等）が変化する。
そこで、第一部材、第二部材、および接合部材の組み合わせが変われば、その都度、適した接合条件を求めることが行われている。こうした加熱条件の決定は、一般的には、接合条件を変更しながら実際に接合を繰り返すトライ＆エラーで求められることが多い。しかし、やみくもにトライ＆エラーを繰り返すだけでは、試行回数が膨大となる。そこで、一般的に提供されている物性情報を参考に接合条件をある程度絞り込むことも考えられる。例えば、接合部材の粘度－温度特性は、その接合部材に用いられる材料を製造している材料メーカーから提供されている。
しかし、こうした材料メーカーから提供される粘度－温度特性は、通常、例えば１０℃／ｍｉｎ(０．１６７℃／ｓｅｃ)の昇温レートで昇温して計測された準静的状態での粘度特性であることが多い。一方、実際に接合する際には、接合時間の短縮などを目的として、接合部材を含む各部材を上記の昇温レートよりも急速に加熱することが多い。すなわち、半導体チップを基板に接合する際には、３℃／ｓｅｃ以上の昇温レートで加熱する。この場合、接合部材は、温度が同じであっても定常状態とは異なる特性を発揮する過渡状態となる。過渡状態における接合部材の粘度特性は、材料メーカーから提供される定常状態での特性とは大きく異なるため、こうした定常状態での特性情報を参照しても、接合条件を効率的に絞り込むことは難しかった。
そこで、本明細書では、接合条件をより効率的に導出できるように支援できる装置を開示する。
本明細書で開示する装置は、第一部材と第二部材とを接合部材を介在させた状態で加熱加圧することで接合する際の接合条件の導出を支援する装置であって、前記第一部材と前記第二部材とを前記接合部材を介在させた状態で加熱加圧することで接合する接合部と、複数種類の接合部材それぞれについて、加熱した過渡状態での前記接合部材の粘度と加熱条件との相関を示す粘度特性情報を含む物性情報が複数集合したライブラリと、前記ライブラリを参照して接合に使用される前記接合部材に対応する前記物性情報を取得し、前記第一部材と前記第二部材とを接合して行なう接合評価の評価条件の初期値を決定する初期評価条件決定部と、設定された評価条件に従って前記接合部を駆動して前記第一、第二部材を接合するとともに、当該接合時における前記接合部材の粘度を測定する接合評価を１回以上実行する接合評価部と、を備える、ことを特徴とする。
この場合、前記粘度特性情報は、前記接合部材を３℃／ｓｅｃ以上の昇温レートで加熱した際の粘度と加熱条件との相関を示す情報であってもよい。
また、前記粘度特性情報は、少なくとも、昇温レートの違いによる温度に対する粘度の変化特性を含んでもよい。この場合、前記粘度特性情報は、さらに、昇温開始温度の違いによる温度に対する粘度の変化特性を含んでもよい。
また、前記接合評価部は、前記接合評価において測定された粘度に基づいて、前記評価条件の修正の要否を判断し、修正が不要と判断されるまで、前記評価条件の修正と前記接合評価の再実行と、を繰り返し、修正が不要と判断された時点の修正された前記評価条件を接合条件として特定してもよい。
この場合、前記第一部材は、底面に金属バンプが形成された半導体チップであり、前記接合評価部は、前記金属バンプが溶融したタイミングにおける前記接合部材の粘度に基づいて、前記評価条件の修正の要否を判断してもよい。
また、前記接合評価部は、前記接合部材の厚みの変化に基づいて前記金属バンプの溶融タイミングを特定するとともに、前記溶融タイミング直後の前記厚みの変化に基づいて前記溶融したタイミングにおける前記接合部材の粘度を算出してもよい。
本明細書で開示する装置によれば、過渡状態、換言すれば、実際の接合時に近い状態での接合部材の粘度と加熱条件との相関を示す粘度特性情報を含む物性情報に基づいて、評価条件の初期値を決定するため、接合条件を効率的に絞り込める。さらに、絞り込まれた接合条件（評価条件）に基づいて、実際の接合と測定（接合評価）を行なうため、接合条件をより効率的に導出できる。
接合条件導出支援装置の構成を示す図である。 接合時における半導体チップの温度およびＮＣＦの粘度の時間変化を示すグラフである。 接合条件の決定の流れを示すフローチャートである。 昇温レートの違いによるＮＣＦの温度－粘度特性の違いを示す図である。 昇温開始温度の違いによるＮＣＦの温度－粘度特性の違いを示す図である。 硬化特性情報の一例を示す図である。 接合動作時におけるＮＣＦの厚みの時間変化の一例を示す図である。 接合条件特定処理の具体的な流れを示すフローチャートである。
以下、図面を参照して接合条件導出支援装置１０について説明する。図１は、接合条件導出支援装置１０の構成を示す概略図である。接合条件導出支援装置１０は、第一部材と第二部材との間に接合部材を介在させた状態で加熱加圧することで接合する際の接合条件、特に加熱条件の導出を支援する装置である。第一部材、第二部材、接合部材は、それぞれ特に限定されないが、以下では、半導体チップ１１０を非導電性フィルム（以下、ＮＣＦという）１１２を介して基板１００に接合する場合を例に挙げて説明する。この接合条件導出支援装置１０の具体的な構成を説明する前に、半導体チップ１１０と基板１００との接合について簡単に説明する。
半導体チップ１１０の底面には、複数の金属バンプ１１４が突出形成されている。また、金属バンプ１１４の上には、熱硬化性樹脂等からなるＮＣＦ１１２が貼り付けられている。かかる半導体チップ１１０を基板１００に接合する際には、金属バンプ１１４を基板１００側に向けた状態で、半導体チップ１１０を基板１００に向かって加圧するとともに加熱する。この加熱により金属バンプ１１４が溶融して、基板１００の電極との間で合金を形成することにより半導体チップ１１０が基板１００に電気的に接続される。また、この金属バンプ１１４の溶融に先だって、ＮＣＦ１１２は、一時的に軟化した後に硬化する。すなわち、ＮＣＦ１１２は、温度上昇の初期段階では、軟化することで半導体チップ１１０と基板１００との間に入り込み、両者の隙間を埋める。その後、温度がさらに上昇することで、ＮＣＦ１１２は、熱硬化し、半導体チップ１１０を基板１００に機械的に固定する。
図２は、理想的な接合条件で半導体チップ１１０を基板１００に接合させた際の半導体チップ１１０（ひいては金属バンプ１１４）の温度ＴｃおよびＮＣＦ１１２の粘度Ｖの時間変化を示すグラフである。図２において、実線は、ＮＣＦ１１２の粘度Ｖを、一点鎖線は、半導体チップ１１０の温度Ｔｃをそれぞれ示している。また。図２において横軸は、時間を、縦軸は、粘度をおよび温度を示している。この図２に示す通り、半導体チップ１１０を基板１００に接合するために加圧加熱した場合、金属バンプ１１４の温度は、徐々に上昇する。そして、時刻ｔ２において、金属バンプ１１４が溶融開始温度ＴＷに到達すると、金属バンプ１１４が溶融し、基板１００の電極との間で合金を形成する。また、金属バンプ１１４と同様にＮＣＦ１１２も徐々に温度上昇する。この温度上昇の初期段階では、ＮＣＦ１１２の粘度Ｖは、徐々に低下する。この粘度Ｖが低下した期間において、ＮＣＦ１１２は、半導体チップ１１０と基板１００との間に入り込む。その後、さらに温度上昇が進むことで、ＮＣＦ１１２の粘度Ｖは、上昇傾向に反転する。そして、時刻ｔ１において、ＮＣＦ１１２の粘度Ｖが硬化粘度ＶＳに到達して硬化することで、半導体チップ１１０が基板１００に機械的に固定される。
ここで、半導体チップ１１０を基板１００に適切に接合するためには、金属バンプ１１４が溶融し始める時刻ｔ２の前に、ＮＣＦ１１２が硬化粘度ＶＳに到達しなければならない（つまりｔ１＜ｔ２）。また、接合時間を短縮し、半導体装置を製造するタスクタイムを低減するためには、金属バンプ１１４が溶融するまでの時間ｔ２およびＮＣＦ１１２が硬化するまでの時間ｔ１は、いずれも短いことが望ましい。さらに、効率的に接合するためには、ＮＣＦ１１２が硬化してから金属バンプ１１４が溶融するまでの時間ｔ２－ｔ１は、できるだけ短いことが望ましい。本例の接合条件導出支援装置１０はこうした要望を満たす接合条件（特に加熱条件）の導出を支援する。
次に、図１を参照して接合条件導出支援装置１０の構成について説明する。本例の接合条件導出支援装置１０は、半導体チップ１１０を基板１００の上に接合して実装する実装装置１２に組み込まれている。したがって、接合条件導出支援装置１０の一部の構成は、実装装置１２に設けられた構成を利用している。
接合条件導出支援装置１０（実装装置１２）は、実際に接合動作を行う接合部１３と、当該接合部１３の駆動を制御する制御部３４と、に大別される。接合部１３には、基板１００が載置されるステージ１４と、ステージ１４に対して相対移動可能なボンディングヘッド１８と、が設けられている。ステージ１４は、載置された基板１００を真空吸着する。このステージ１４には、基板１００を加熱するステージ側ヒータ３０が内蔵されている。このステージ側ヒータ３０の昇温は、制御部３４により制御される。
ボンディングヘッド１８は、半導体チップ１１０を保持したうえで、当該半導体チップ１１０を基板１００の上に載置して加熱加圧するもので、その先端には、半導体チップ１１０を吸引保持するボンディングツール１６が設けられている。ボンディングツール１６の上側には、ツール側ヒータ２８が内蔵されたヒートブロック２４が設けられている。ツール側ヒータ２８は、ボンディングツール１６を介して半導体チップ１１０を加熱するためのヒータである。半導体チップ１１０は、後述するように、急速（例えば３００℃／ｓｅｃ）に加熱することが望まれるため、ツール側ヒータ２８は、急速に昇温できるヒータ、例えば、パルスヒータ等であることが望ましい。このツール側ヒータ２８の昇温も、制御部３４により制御される。
ボンディングツール１６で半導体チップ１１０を吸引保持した状態のまま、ボンディングツール１６を基板１００に向かって下降させて押し付けるとともに、ツール側ヒータ２８で半導体チップ１１０を加熱することで、半導体チップ１１０が基板１００に接合される。ボンディングヘッド１８には、この時の押圧荷重Ｆと、ボンディングヘッド１８の高さを検知するセンサ（図示せず）が設けられており、これらセンサで検知された結果は、制御部３４に送られる。制御部３４は、これらの検知結果に基づいてボンディングツール１６の駆動を制御するとともに、ＮＣＦ１１２の厚みＨおよび粘度Ｖを算出する。
接合部１３には、さらに、ＮＣＦ１１２の温度を検出する温度センサ３２も設けられている。この温度センサ３２は、例えば、非接触式の温度センサである。温度センサ３２で検出された温度は、制御部３４に送られる。
制御部３４は、接合部１３の駆動を制御するとともに、接合条件の評価および決定を行う。この制御部３４は、例えば、各種演算を実行するＣＰＵと、各種データおよびプログラムを記憶するメモリと、を有したコンピューターである。また、制御部３４は、機能的には、ライブラリ３６と、初期評価条件決定部３８と、接合評価部４０と、に大別できる。この各部について説明する前に、接合条件導出支援装置１０で行う接合条件の評価および決定について簡単に説明する。
半導体チップ１１０を基板１００に接合する際には、所定の接合条件で接合部１３を動作させる必要がある。ここで、接合条件には、例えば、半導体チップ１１０を加熱加圧する際の押圧荷重Ｆ、昇温レートＲ、昇温開始温度Ｔｓ等が含まれる。こうした接合条件は、接合に用いる半導体チップ１１０、基板１００、ＮＣＦ１１２の組み合わせに応じて適宜、変更されなければならない。例えば、基板１００およびＮＣＦ１１２が過去に使用したものと同じであっても、半導体チップ１１０の構造（例えばサイズや金属バンプ１１４の個数等）が過去に使用したものと異なれば、加熱に伴うＮＣＦ１１２の挙動が変化する。したがって、半導体チップ１１０の構造が異なるにも関わらず、過去に使用した接合条件と同じ接合条件で接合を行うと、適切な接合ができないおそれがある。
そのため、接合する部材の組み合わせが変更されれば、オペレータは、その都度、新たな接合条件を求めていた。従来は、こうした接合条件の設定は、接合条件を変更しながら接合動作を繰り返すトライ＆エラーにより行うことが多かった。しかし、やみくもにトライ＆エラーを繰り返すのでは、試行回数が膨大となり、接合条件決定の負担が大きかった。本例の接合条件導出支援装置１０は、こうした接合条件、特に、昇温レートＲおよび昇温開始温度Ｔｓを含む加熱条件をより簡易に導出できるように支援する装置である。
再び、図１を参照して制御部３４の構成について説明する。制御部３４には、予め、複数種類のＮＣＦ１１２それぞれの物性情報を記憶したライブラリ３６が設けられている。すなわち、接合部材であるＮＣＦ１１２は、その材料や厚みが異なる様々な種類が存在している。ライブラリ３６には、この複数種類のＮＣＦ１１２それぞれの物性情報が記憶されている。物性情報としては、接合部材を急速加熱させた際の過渡状態での温度と粘度Ｖとの相関を示す粘度情報が含まれるが、この具体的な内容については、後に詳説する。
初期評価条件決定部３８は、ライブラリ３６を参照して、実際の接合に用いるＮＣＦ１１２に対応する物性情報を取得し、この物性情報に基づいて、後述する接合評価で用いる接合条件（評価条件）の初期値を決定する。ライブラリ３６を参照して評価条件の初期値を決定することで、後述する接合評価の実行回数を大幅に低減できる。
接合評価部４０は、評価条件に従って接合評価と、その評価結果に基づいた評価条件の修正と、を繰り返し行うことで、接合条件を決定する。ここで、接合評価では、接合したい半導体チップ１１０、基板１００、ＮＣＦ１１２の組み合わせでの接合を実際に行うとともに、当該接合時におけるＮＣＦ１１２の粘度を測定することである。接合評価部４０は、測定された粘度（評価結果）に基づいて、評価条件の修正の要否を判断し、修正が不要と判断すれば、その時の評価条件を接合条件として決定する。一方、評価条件の修正が必要と判断すれば、評価条件を修正したうえで、再度、接合の実行および粘度の測定を実行する。
なお、ＮＣＦ１１２の粘度Ｖは、接合時における当該ＮＣＦ１１２の厚みＨ変化から求めることができる。すなわち、半導体チップ１１０を介してＮＣＦ１１２に押圧荷重Ｆがかかると、ＮＣＦ１１２の厚みＨは、徐々に低下していく。この厚みＨの低下レートは、ＮＣＦ１１２の粘度Ｖによって変化する。そこで、本例では、ＮＣＦ１１２の厚みＨの時間変化からＮＣＦ１１２の粘度Ｖを求めている。具体的には、押圧荷重をＦ（Ｎ）、時間をｔ（ｓｅｃ）、ＮＣＦ１１２な厚みをＨ（ｍ）、ＮＣＦ１１２の体積をＱ（ｍ３）とすると、ＮＣＦ１１２の粘度Ｖ（Ｐａ・Ｓ）は、以下の式１によって算出できる。
Ｖ＝２*π*Ｆ*Ｈ５／３*Ｑ*（－ｄＨ／ｄｔ）（２*π*Ｈ３+Ｑ） ---- （式１）
図３は、こうした接合条件の決定の流れを示すフローチャートである。図３に示す通り、また、上述した通り、接合条件を決定する場合、初期評価条件決定部３８は、ライブラリ３６を参照して初期評価条件を決定する（Ｓ１０）。続いて、接合評価部４０は、設定された評価条件に従って接合評価、すなわち、接合の実行と当該接合時のＮＣＦ１１２の粘度Ｖの測定を行う（Ｓ１２）。続いて、接合評価部４０は、測定された粘度Ｖに基づいて評価条件の修正の要否を判断する（Ｓ１４）。評価条件が修正不要と判断されれば、接合評価部４０は、その時点での評価条件を接合条件として決定する（Ｓ１８）。一方、評価条件の修正が必要と判断されれば、接合評価部４０は、評価条件を修正（Ｓ１６）したうえで、再度、接合評価を実行（Ｓ１２）する。そして、この処理を評価条件の修正が不要と判断されるまで繰り返す。
次に、ライブラリ３６に記憶されている物性情報について詳説する。ライブラリ３６には、上述した通り、複数種類のＮＣＦ１１２それぞれの物性情報が記憶されている。また、物性情報には、少なくとも、ＮＣＦ１１２の加熱条件と硬化温度Ｔｈとの関係を示す粘度特性情報が含まれる。この粘度特性情報について、図４～図６を参照して説明する。
図４は、ＮＣＦ１１２を加熱する際の温度上昇率、すなわち昇温レートＲの違いによる温度－粘度特性の違いを示す図である。図４において、横軸は、ＮＣＦ１１２の温度を、縦軸は、ＮＣＦ１１２の粘度Ｖを示しており、このうちＶＳはＮＣＦ１１２が、充分に硬化した時の粘度、すなわち、硬化粘度ＶＳを示している。また、図４において、四つの曲線は、四つの昇温レートＲ＝Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ（Ａ＜Ｂ＜Ｃ＜Ｄ）でＮＣＦ１１２を加熱した際の温度－粘度特性曲線である。この昇温レートＲは、実際の接合動作での採用が想定される昇温レートであり、３℃／ｓｅｃ以上であり、好適には、２０℃／ｓｅｃ以上の昇温レートである。図４から明らかな通り、ＮＣＦ１１２の温度－粘度特性曲線は、昇温レートＲによって大きく異なっており、昇温レートＲが高いほど、硬化粘度ＶＳに到達する温度（硬化温度Ｔｈ）が高くなる。このように昇温レートＲによって、温度－粘度特性が大きく変化するのは、この場合の加熱が急速加熱であり、ＮＣＦ１１２は、微小時間前の加熱による残留応答が残ったまま、現時点の加熱による応答が随時進む過渡反応となるためである。
また、ＮＣＦ１１２の温度－粘度特性は、昇温レートＲだけでなく、ＮＣＦ１１２の加熱を開始する際の温度、すなわち、昇温開始温度Ｔｓによっても変化する。図５は、昇温開始温度Ｔｓの違いによる温度－粘度特性の違いを示す図である。図５において、三つの曲線は、三つの異なる昇温開始温度Ｔｓ＝Ｔ０１，Ｔ０２，Ｔ０３（Ｔ０１＜Ｔ０２＜Ｔ０３）からＮＣＦ１１２を同じ昇温レートＲで加熱した際の温度－粘度特性曲線である。図５から明らかな通り、ＮＣＦ１１２の温度－粘度特性曲線は、昇温開始温度Ｔｓによって大きく異なっており、昇温開始温度Ｔｓが低いほど、硬化粘度ＶＳに達する温度（硬化温度Ｔｈ）が高くなる。
粘度特性情報は、こうした加熱条件の違いによる硬化温度Ｔｈの変化を示す情報である。図６は、硬化特性情報の一例を示す図である。図６において、横軸は、昇温レートＲを、縦軸は、硬化温度を示している。また、図６における三つの曲線は、三つの異なる昇温開始温度Ｔｓ＝Ｔ０１，Ｔ０２，Ｔ０３それぞれについての昇温レート－硬化温度特性曲線である。こうした粘度特性情報は、シミュレーション等で取得してもよいし、予め、実験を行って取得してもよい。また、粘度特性情報のライブラリ３６における記憶形式は、図６に示すようなマップ形式でもよいし、図６に示す昇温レート－硬化温度特性曲線を数式化した関数形式でもよいし、テーブル形式でもよい。また、図６では、粘度特性情報として、昇温開始温度Ｔｓの違いも考慮しているが、粘度特性情報は、少なくとも、昇温レートＲと硬化温度Ｔｈとの相関を表すことができるのであれば、昇温開始温度Ｔｓに関する情報は含まなくてもよい。
初期評価条件決定部３８は、このライブラリ３６に記憶された情報を参照して、接合評価で用いる接合条件（評価条件）の初期値を決定する。すなわち、接合評価では、評価条件を変更しながら実際に接合条件を繰り返すことで、望ましい接合条件を決定する。しかし、評価条件をやみくもに変更するだけでは、試行回数が膨大となり、費用や時間の無駄を招く。そこで、本例では、ライブラリ３６に記憶された情報に基づいて、評価条件の初期値を決定することで、試行回数を大幅に低減する。
具体的には、初期評価条件決定部３８は、実際に接合したい半導体チップ１１０に設けられた金属バンプ１１４の材質などから、当該金属バンプ１１４の溶融開始温度ＴＷを特定する。続いて、初期評価条件決定部３８は、実際の接合に用いるＮＣＦ１１２に対応する物性情報をライブラリ３６から読み出し、硬化温度が溶融開始温度ＴＷよりも低くなるような昇温レートＲと昇温開始温度Ｔｓの組み合わせを特定する。
例えば、対象となるＮＣＦ１１２が、図６に示すような硬化温度特性を有しており、対象となる半導体チップ１１０の金属バンプ１１４の溶融開始温度が、図６におけるＴＷであったとする。接合動作では、ＮＣＦ１１２の硬化温度Ｔｈは、金属バンプ１１４の溶融開始温度ＴＷよりも僅かに小さいことが望ましい。したがって、この場合、接合動作で採用すべき加熱条件は、硬化温度Ｔｈが、溶融開始温度ＴＷより僅かに低いターゲット温度ＴＴ以下となる条件である。
また、接合動作のタクトタイムを低減するためには、溶融開始温度ＴＷに達するまでの時間を極力小さくすることが望ましい。この時間は、昇温レートＲが高いほど、かつ、昇温開始温度Ｔｓが高いほど小さくなる。ただし、多くの場合、昇温開始温度Ｔｓよりも昇温レートＲの方が、加熱時間に与える影響が大きいため、通常は、採用可能な昇温レートＲと昇温開始温度Ｔｓとの組み合わせのうち、昇温レートＲの大きい方の組み合わせを選択する。図６の例では、昇温レートＲ＝Ｒａ、昇温開始温度Ｔｓ＝Ｔ０３の加熱条件が評価条件の初期値として選択される。
次に、評価条件に基づいて行う接合評価について詳説する。上述した通り、接合評価では、設定された評価条件にしたがって、実際に半導体チップ１１０を基板１００に接合するとともに当該接合時におけるＮＣＦ１１２の粘度Ｖを測定する。そして、測定された粘度Ｖの値に基づいて、現在の評価条件の良否を判断し、評価条件が修正必要と判断した場合には、評価条件を修正して再度、接合および粘度Ｖ測定を実行する。
より具体的に説明すると、接合評価部４０は、設定された評価条件に従って、接合部１３を駆動し、半導体チップ１１０を基板１００に接合する。繰り返し述べる通り、適切に接合するためには、金属バンプ１１４が溶融する前にＮＣＦ１１２が硬化しなければならない。そこで、接合評価部４０は、金属バンプ１１４の溶融時におけるＮＣＦ１１２の粘度Ｖを測定し、当該測定された粘度Ｖが硬化粘度ＶＳ以上であるか否かを判断する。ここで、金属バンプ１１４の溶融タイミングは、温度センサ３２で測定されたＮＣＦ１１２の温度から推測してもよい。また、別の形態として金属バンプ１１４の溶融タイミングは、ＮＣＦ１１２の厚みＨから推測してもよい。これについて、図７を参照して説明する。
図７は、接合動作時におけるＮＣＦ１１２の厚みＨの時間変化の一例を示す図である。図７に示す通り、ＮＣＦ１１２は、接合の初期段階（時刻０～ｔ１）では、徐々に軟化するため、その厚みＨが急激に低下する。しかし、ＮＣＦ１１２の厚みＨが、金属バンプ１１４の高さと同じになると、金属バンプ１１４が基板１００の表面に当接することで、半導体チップ１１０のさらなる下降、ひいては、ＮＣＦ１１２の厚みＨの低下が阻害される。その結果、厚みＨが金属バンプ１１４の高さとほぼ同じになる時刻ｔ１から金属バンプ１１４が溶融開始する時刻ｔ２の期間、ＮＣＦ１１２の厚みＨは、ほとんど変化しない。しかし、時刻ｔ２において、金属バンプ１１４の溶融が開始すると、当該金属バンプ１１４が厚みＨ方向に潰れるため、ＮＣＦ１１２の厚みＨが一時的に急激に低下する。つまり、ＮＣＦ１１２の厚みＨが金属バンプ１１４の高さを下回ったタイミングを金属バンプ１１４の溶融タイミングと特定できる。
接合評価部４０は、金属バンプ１１４の溶融タイミングが特定できれば、当該溶融タイミングにおけるＮＣＦ１１２の粘度Ｖを測定する。上述した通り、本例では、ＮＣＦ１１２の粘度Ｖを、式１を用いて、厚みＨの時間変化から算出している。なお、これまでの説明から明らかな通り、時刻ｔ１からｔ２の期間は、金属バンプ１１４が基板１００に当接するため、ＮＣＦ１１２の厚みＨの変化はほとんど生じない。したがって、この期間における厚みＨの時間変化では、ＮＣＦ１１２の粘度Ｖを正確に測定することはできない。そこで、溶融タイミングにおけるＮＣＦ１１２の粘度Ｖは、金属バンプ１１４が溶融した直後における厚みＨ変化（図７におけるＡ部）から算出することが望ましい。
溶融タイミングにおける粘度Ｖが得られれば、接合評価部４０は、この粘度Ｖを評価する。すなわち、ＮＣＦ１１２は、金属バンプ１１４の溶融時点において、充分に硬化している必要があるため、粘度Ｖは、硬化粘度ＶＳ以上であることが望ましい。また、溶融時点において、ＮＣＦ１１２の粘度Ｖが過度に高い場合、より高い昇温レートＲが設定できる可能性がある。
そこで、接合評価部４０は、溶融タイミングにおける粘度Ｖが測定できれば、当該粘度Ｖと、予め設定された基準値である最小粘度Ｖｍｉｎおよび最大粘度Ｖｍａｘと、を比較する。最小粘度Ｖｍｉｎは、金属バンプ１１４溶融時点においてＮＣＦ１１２が最低限有するべき粘度Ｖであり、例えば硬化粘度ＶＳより僅かに高い粘度である。また、最大粘度Ｖｍａｘは、溶融時点において許容できるＮＣＦ１１２の粘度Ｖの最大値である。比較の結果、測定粘度Ｖが最小粘度Ｖｍｉｎ未満の場合には、硬化温度Ｔｈが低下するように加熱条件を修正する。ここで、硬化温度Ｔｈを低下させるためには、昇温レートＲを低下させてもよいし、昇温開始温度Ｔｓを増加させてもよい。ただし、タクトタイムの増加を防止するためには、昇温レートＲを低下させるのではなく、昇温開始温度Ｔｓを増加させることが望ましい。また、比較の結果、測定粘度Ｖが最大粘度Ｖｍａｘ超過の場合には、昇温レートＲをさらに増加できる可能性がある。したがって、この場合には、接合評価の際に採用する昇温レートＲを増加させる。
接合評価部４０は、このように、接合の実行と、評価条件の修正とを繰り返すことで望ましい接合条件を特定する。図８は、この接合条件特定処理（図３におけるステップＳ１２～Ｓ１８）の詳細な流れを示すフローチャートである。図８に示す通り、接合評価部４０は、まず、評価条件に従って接合部１３を駆動し、実際に半導体チップ１１０を基板１００に接合する（Ｓ２０）。この時の評価条件は、１回目では、初期評価条件決定部３８で決定された条件であり、２回目以降は、後述するステップＳ２６，Ｓ３０で修正された条件である。
さらに、接合評価部４０は、金属バンプ１１４が溶融した時点でのＮＣＦ１１２の粘度Ｖを取得する（Ｓ２２）。粘度Ｖが取得できれば、続いて、この粘度Ｖと、最小粘度Ｖｍｉｎとを比較する（Ｓ２４）。粘度Ｖが最小粘度Ｖｍｉｎを下回っている場合、硬化温度Ｔｈが溶融開始温度ＴＷを下回っていると判断できるため、この場合、接合評価部４０は、評価条件のうち、昇温開始温度Ｔｓに所定の補正値αを加算する（Ｓ２６）。この補正値αは、ＮＣＦ１１２の種類に応じて予め設定された値である。評価条件が修正されれば、ステップＳ２０に戻り、再度、接合を行う。
一方、Ｖ≧Ｖｍｉｎの場合、接合評価部４０は、粘度Ｖと最大粘度Ｖｍａｘとを比較する（Ｓ２８）。比較の結果、粘度Ｖが最大粘度Ｖｍａｘを上回っている場合、接合評価部４０は、評価条件のうち、昇温レートＲに所定の補正値βを加算する（Ｓ３０）。この補正値βも、ＮＣＦ１１２の種類に応じて予め設定された値である。評価条件が修正されれば、ステップＳ２０に戻り、再度、接合を行う。
さらに、粘度Ｖが、最小粘度Ｖｍｉｎ以上かつ最大粘度Ｖｍａｘ以下の場合には、現在の評価条件が望ましい接合条件であると判断できる。したがって、この場合には、現在の評価条件を、接合条件として決定する（Ｓ３２）。このように、評価条件を修正しながら接合評価を繰り返すことで、最適な接合条件を導出することができる。
ここで、これまでの説明から明らかな通り、本例では、評価条件の初期値を、ライブラリ３６に記録されている物性情報に基づいて決定している。このように、ＮＣＦ１１２の物性情報を考慮して評価条件の初期値を決定することで、接合評価の繰り返し回数を大幅に低減することができ、望ましい接合条件を導出するための時間的、金銭的コストを低減できる。
ここで、ＮＣＦ１１２の物性情報を予め記憶しておくことは、従来でも一部で提案されている。しかしながら、従来、記憶されている物性情報の多くは、ＮＣＦ１１２の温度変化が乏しい安定状態での物性情報であった。例えば、ＮＣＦ１１２の温度－粘度特性は、当該ＮＣＦ１１２を製造販売している材料メーカー等から提供されている。しかしながら、材料メーカーが提供する温度－粘度特性は、過渡反応の影響を極力排除するために、非常に低い昇温レートＲ（例えば１０℃／ｍｉｎ≒０．１６７℃／ｓｅｃ）で加熱した際の温度－粘度特性であった。一方、実際に接合を行う時には、上述した通り、ＮＣＦ１１２および半導体チップ１１０を比較的高い昇温レートＲ（例えば２０℃／ｓｅｃ以上）で急速加熱する。この場合、ＮＣＦ１１２の粘度は、様々なタイミングにおける残留応答の影響を受けて複雑に変化するため、急速加熱時における温度－粘度特性は、安定状態での温度－粘度特性とは、全く異なるものとなる。そのため、材料メーカー等から提供される安定状態での粘度特性に基づいて初期評価条件を決定したとしても、その後の接合評価の繰り返し回数を大幅に低減することは難しかった。
一方、本例では、ＮＣＦ１１２の物性情報として、ＮＣＦ１１２を急速加熱した際の過渡状態での粘度特性、換言すれば、実際の接合時に近い状態でのＮＣＦ１１２の粘度特性を記憶している。かかる過渡状態での粘度特性を参照して初期評価条件を決定することで、安定状態での粘度特性を参照する場合に比べて、接合評価の繰り返し回数を大幅に低減できる。
なお、これまで説明した構成は、一例であり、過渡状態での接合部材の物性情報に基づいて、初期評価条件を特定したうえで、評価条件に従った接合評価を１回以上行なうのであれば、その他の構成は、適宜、変更されてもよい。例えば、本例では、接合条件導出支援装置１０を、実装装置１２に組み込んでいるが、接合条件導出支援装置１０は、独立した専用装置でもよい。また、本例では、接合評価を繰り返して、望ましい接合条件を決定しているが、接合条件導出支援装置１０は、初期評価条件に従った接合評価を１回だけ行なうのでもよい。この場合、１回の接合評価で測定された粘度Ｖに基づいて、オペレータが接合条件を決定するようにしてもよい。また、本例では、第一部材として半導体チップ、第二部材として基板、接合部材としてＮＣＦを例に挙げたが、これらの組み合わせは、適宜、変更されてもよい。例えば、半導体チップの上に半導体チップを実装するチップオンチップに、本例の技術を適用する場合、半導体チップが、第一および第二部材として機能する。また、上述の例では、接合部材として、ＮＣＦを例に挙げたが、接合部材は、温度により物性が変化するのであれば、ＮＣＦに限らず、ダイアタッチフィルム（ＤＡＦ）、異方性導電フィルム（ＡＣＦ）、銀ペーストなどでもよい。
１０ 接合条件導出支援装置、１２ 実装装置、１３ 接合部、１４ ステージ、１６ ボンディングツール、１８ ボンディングヘッド、２４ ヒートブロック、２８ ツール側ヒータ、３０ ステージ側ヒータ、３２ 温度センサ、３４ 制御部、３６ ライブラリ、３８ 初期評価条件決定部、４０ 接合評価部、１００ 基板、１１０ 半導体チップ、１１２ ＮＣＦ、１１４ 金属バンプ、Ｆ 押圧荷重、Ｈ 厚み、Ｒ 昇温レート。

Claims (7)

  1. 第一部材と第二部材とを接合部材を介在させた状態で加熱加圧することで接合する際の接合条件の導出を支援する装置であって、
    前記第一部材と前記第二部材とを前記接合部材を介在させた状態で加熱加圧することで接合する接合部と、
    複数種類の接合部材それぞれについて、加熱した過渡状態での前記接合部材の粘度と加熱条件との相関を示す粘度特性情報を含む物性情報が複数集合したライブラリと、
    前記ライブラリを参照して接合に使用される前記接合部材に対応する前記物性情報を取得し、前記第一部材と前記第二部材とを接合して行う接合評価の評価条件の初期値を決定する初期評価条件決定部と、
    設定された評価条件に従って前記接合部を駆動して前記第一、第二部材を接合するとともに、当該接合時における前記接合部材の粘度を測定する前記接合評価を１回以上実行する接合評価部と、
    を備える、ことを特徴とする装置。
  2. 請求項１に記載の装置であって、
    前記粘度特性情報は、前記接合部材を３℃／ｓｅｃ以上の昇温レートで加熱した際の粘度と加熱条件との相関を示す情報である、ことを特徴とする装置。
  3. 請求項１または２に記載の装置であって、
    前記粘度特性情報は、少なくとも、昇温レートの違いによる温度に対する粘度の変化特性を含む、ことを特徴とする装置。
  4. 請求項３に記載の装置であって、
    前記粘度特性情報は、さらに、昇温開始温度の違いによる温度に対する粘度の変化特性を含む、ことを特徴とする装置。
  5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の装置であって、
    前記接合評価部は、前記接合評価において測定された粘度に基づいて、前記評価条件の修正の要否を判断し、修正が不要と判断されるまで、前記評価条件の修正と前記接合評価の再実行と、を繰り返し、修正が不要と判断された時点の修正された前記評価条件を接合条件として特定する、ことを特徴とする装置。
  6. 請求項５に記載の装置であって、
    前記第一部材は、底面に金属バンプが形成された半導体チップであり、
    前記接合評価部は、前記金属バンプが溶融したタイミングにおける前記接合部材の粘度に基づいて、前記評価条件の修正の要否を判断する、
    ことを特徴とする装置。
  7. 請求項６に記載の装置であって、
    前記接合評価部は、前記接合部材の厚みの変化に基づいて前記金属バンプの溶融タイミングを特定するとともに、前記溶融タイミング直後の前記厚みの変化に基づいて前記溶融したタイミングにおける前記接合部材の粘度を算出する、ことを特徴とする装置。
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