JPH03120844A - 半導体装置の製造方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概　要〕 半導体装置の製造におけるフリップ・チップ・ボンディ
ングの方法及びその装置に関し、バンプが金糸のように
所要加熱温度の高いものである場合に、チップを劣化さ
せないようにチッブがヒート・ツールに接触する際の相
互間の温度差が過大にならないようにし、然も、ヒート
・ツールを具えるマウント・ヘッドの重量が過大になら
ないようにすることを目的とし、 方法においては、先端面がフリップ・チップの裏面に面
接触可能でほぼ一定の温度に加熱されたヒート・ツール
を用い、該チップの裏面と該ツールの先端面との間にギ
ャップをおいて該ツールからの輻射熱により該チップを
予備加熱する工程と、予備加熱された該チップの裏面に
該ツールの先端面を当接させて該チップを介し該チップ
表面のバンブを所定の温度に加熱する工程と、該ツール
の先端面で該チップの裏面を押圧して該バンプに所要押
圧力を与える工程とを有して、フリップ・チップ・ボン
ディングを行うように構成し、装置においては、マウン
ト・ヘッドを有し、８亥マウント・ヘッドは、先端面が
フリップ・チップの裏面に面接触可能でほぼ一定の温度
に加熱されるヒート・ツールと、フリップ・チップの対
向側面を挟んで該チップを該ツールの先端面の前方で該
先端面に平行に支持する支持機構とを具え、且つ、該ツ
ールまたは該支持機構が、該チップと該ツールとの間の
ギャップ寸法を変化させる方向に移動可能であるように
構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、半導体装置の製造方法及びその装置に係り、
特に、フリップ・チップ・ボンディングを行う方法及び
その装置に関する。

高性能の電子計算器などに使用されて高信頼度を要求さ
れる半導体装置では、半導体チップからの導出端子数が
数百といったように多い場合、チップのマウントにＴ　
Ａ　Ｂ　（Ｔａｐｅ　Ａｕｔｏｍａｔｅｄ　Ｂｏｎ−ｄ
ｉｎｇ）方式が採用されているが、その端子数が５００
程度を越えるようになると、ＴＡＢ方式で対応すること
が困難になり、フリップ・チップ・ボンディング（Ｆｌ
ｉｐ　Ｃｈｉｐ　Ｂｏｎｄｉｎｇ）方式の採用が必要に
なる。

フリップ・チップ・ボンディング方式は、チップの表面
に回路導出用のハンプを設けてフェース・ダウン・ボン
ディングするものであり、そのバンブに半田を用いたも
のが貫層されている。そしてバンプをチップの全面にレ
イアウトすることが可能であることから上記端子数の増
大に対応することが可能である。

しかしながら、高信頼度を要求される半導体装置でフリ
ップ・チップ・ボンディング方式を採用する場合には、
半田バンプを用いると信頼性を低下させる恐れがあるの
でバンプを金糸のものにすることが望まれる。その場合
は、ボンディングの際のバンプの加熱温度を半田の場合
よりも高くする必要があることから、ボンディング方法
に工夫が必要となる。

〔従来の技術〕

第３図（ａ）〜（Ｃ）は従来例を説明する側面図、第４
図は従来例におけるチップの温度経過を示す温度特性図
、である。

第３図において、１１はマウント・ヘッド、１２はヒー
ト・ツール、１３は真空吸着孔、１４はヘッド基部、１
５はヘッド駆動部、Ｃはフリップ・・チップ、Ｂはバン
プブ、Ｐは基平反、である。

フリップ・チップＣは、表面に回路導出用とする金糸の
バンブＢを有し、バンブＢが基板Ｐ表面の接続用パッド
に接合されるようにしたフェース・ダウン・ボンディン
グ、即ちフリップ・チップ・ボンディングで、基板Ｐに
マウントされるものである。

基（反Ｐは、例えばＰ　Ｇ　Ａ　（Ｐｉｎ　Ｇｒｉｄ　
Ａｒｒａｙ）パンケージの本体である。

上記フリップ・チップ・ボンディングを行う従来の方法
は、マウント・ヘッド１１を有する装置を用いて行う。

マウント・ヘッド１１は、真空吸着孔１３を有するヒー
ト・ツール１２をヘッド基部１４の下側に具えたもので
、ヘッド基部１４がヘッド駆動部１５に係合しており、
駆動部１５の駆動により上下及び水平方向に移動する。

真空吸着孔１３は、ヒート・ツール１２の先端面中央部
に開口し、チップＣの裏面をヒート・ツール１２の先端
面にチャックさせる。

ヒート・ツール１２は、内部に電気ヒータ（図示省略）
を具えて装置の稼働時にほぼ一定の温度に加熱されてお
り、チャックしたチップＣの裏面に先端面が面接触して
チップＣを介しバンプＢを所定の温度に加熱する。

ヘッド駆動部１５は、マウント・ヘッド１１の上記移動
及び真空吸着孔１３の真空引きを制御し、ヒーｌ−・ツ
ール１２がチャックしたチップＣを下方に押圧する押圧
力をも制御することができる。また、ヒート・ツール１
２内の電気ヒータに対する電源を具えている。

ボンディングの方法は次のようである。なお、ここで参
照する第４図のチップ温度は、チップＣの平均的な温度
を示しである。

先ず第３図（ａ）及び第４図を参照して、チップＣの置
かれである箇所にマウント・ヘッド１１を移動し、ヒー
ト・ツール１２でチップＣをチャックする。

即座にチップＣが昇温を開始する。

次いで第３図（′ｂ）を参照して、マウント・ヘッド１
１を移動してチップＣを基板Ｐ上に位置させ、周知の方
法で位置合わせしながらチップＣのバンプＢを基板Ｐに
当接させる。

次いで第３図（Ｃ）及び第４図を参照して、チップＣの
温度上昇によりバンプＢが所定の温度に達したところで
、千ツブＣを所定の押圧力で押圧する。

これによりバンプＢは、所要の押圧力が与えられ基板Ｐ
に接合する。その間に、ヒート・ツール１２側のチップ
Ｃに対する真空吸着を開放する。

この後は、マウント・ヘッド１１を上昇させてポンディ
ング作業を終了し、チップＣは、第４図に示すように自
然冷却する。

〔発明が解決しようとする課題］ しかしながらこの方法では、バンプＢの加熱がチップＣ
の裏面から表面への熱伝導に依存しており、且つ、バン
プＢが金糸であることからその加熱温度が４００’Ｃ程
度を必要とするので、ヒート・ツール１２の温度をそれ
よりも高くしである。

従って、チップＣがチャックされてヒート・ツール１２
に接触した時の相互間の温度差が大きいために、チップ
Ｃ内に大きな熱応力が生じてチップＣが劣化する問題が
ある。

この問題は、上記温度差が小さくな・るようにすれば解
決される。

その解決策として、ＴＡＢに用いられているパルス・ヒ
ート方式の採用が考えられる。

第５図は、ＴＡＢのパルス・ヒート方式を説明する側面
図であり、２１はボンディング・ヘッド、２２はヒート
・ツール、２４はヘッド基部、２５はヘッド駆動部、で
ある。

この方式の特徴とするところは、ヒート・ツール２２が
先端面部を発熱領域にした抵抗体からなり、通電電流ｉ
により先端面の温度を経時的に制御し得ることである。

しかしながらこの方式は、ヒート・ツール２２によって
加熱するリードＬ及びバンプＢの熱容量が小さいＴＡＢ
の場合であっても、電流ｉの電源容量が大きくなり然も
電流ｉを可変にさせるために電源がヘッド基部２４に配
置されるので、ボンディング・ヘッド２１の重量が１０
〜数１０Ｋｇと重いものになっている。

そのために、ヒート・ツールによって加熱する対象の熱
容量がＴＡＢの場合よりもはるかに大きいフリップ・チ
ップ・ボンディングに対してパルス・ヒート方式を導入
することは、電源容量の増大からマウント・ヘッドが極
端に重くなってその移動の的確な制御を困難にさせるの
で、事実上極めて困難である。

そこで本発明は、半導体装置の製造におけるフリップ・
チップ・ボンディングの方法及びその装置に関して、ハ
ンプが金糸のように所要加熱温度の高いものである場合
に、チップを劣化させないようにチップがヒート・ツー
ルに接触する際の相互間の温度差が過大にならないよう
にし、然も、ヒート・ツールを具えるマウント・ヘッド
の重量が過大にならないようにすることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、先端面がフリップ・チップの裏面に面接触
可能でほぼ一定の温度に加熱されたヒート・ツールを用
い、該チップの裏面と該ツールの先端面との間にギャッ
プをおいて該ツールからの輻射熱により該チップを予備
加熱する工程と、予備加熱された該チップの裏面に該ツ
ールの先端面を当接させて該チップを介し該チップ表面
のバンプを所定の温度に加熱する工程と、該ツールの先
端面で該チップの裏面を押圧して該バンプに所要押圧力
を与える工程とを有して、フリップ、チップ・ボンディ
ングを行う本発明の製造方法によって達成される。

また、その製造方法を行う装置は、マウント・ヘッドを
有し、該マウント・ヘッドは、先端面がフリップ・チッ
プの裏面に面接触可能でほぼ一定の温度に加熱されるヒ
ート・ツールと、フリップ・チップの対向側面を挟んで
該チップを該ツールの先端面の前方で該先端面に平行に
支持する支持機構とを具え、且つ、該ツールまたは該支
持機構が、該チップと該ツールとの間のギャップ寸法を
変化させる方向に移動可能である本発明の製造装置にす
るのが望ましい。

〔作　用〕

ボンディングされるフリップ・チップは、ヒート・ツー
ルに接触する前に予備加熱されるので、接触する時のヒ
ート・ツールとの間の温度差が従来例の場合よりも小さ
くなり、劣化が防止される。

然も、ヒート・パルス方式と異なりヒート・ツールが一
定温度に加熱されるものであるので、そのヒート・ツー
ルを具えるマウント・ヘッドは重量が過大にならないよ
うにすることができる。

また、そのヒート・ツールは従来例のヒート・ツール１
２と異なってチップをチャックし得ないものであるが、
そのヒート・ツールを具えるマウント・ヘッドに前記支
持機構を具えることにより、従来例でマウント・ヘッド
１１がヒート・ツール１２でチャックした千ツブＣを搬
送するように、このマウント・ヘッドもチップを搬送す
ることができるようになる。然も、そのマウント・ヘッ
ドは、この支持機構を具えても後述のように、その重量
が過大にならないようにすることができる。

〔実施例］ 以下本発明の実施例について第１図及び第２図を用いて
説明する。　第１図（ａ）〜（ｅ）は実施例を説明する
側面図、第２図は実施例におけるチップの温度経過を示
す温度特性図、である。

第１図において、１はマウント・ヘッド、１はヒート・
ツール、３は支持機構、４はへ、２ド基部、５はヘッド
駆動部、Ｃはフリップ・チップ、Ｂはバンプ、Ｐは基板
、である。

フリップ・チップ・ボンディングを行う実施例の方法は
、マウント・ヘッド１を有する装置実施例を用いて行う
。ボンディング対象のチップＣ及び基板Ｐは、従来例と
同様なものであり、バンプＢはいうまでもなく金糸のも
のである。

マウント・ヘッドｌは、上下動可能なヒート・ツール２
とチップＣを支持する支持機構３とをヘッド基部４に具
えたもので、ヘッド基部４がへ・ノド駆動部５に係合し
ており、駆動部５の駆動により上下及び水平方向に移動
する。

ヒート・ツール２は、先端面がチップＣの裏面に対して
面接触するように平面をなし、内部に電気ヒータ（、図
示省略）を具えて装置の稼働時にほぼ一定の温度に加熱
されているもので、ヘッド基部４内に具える上下駆動機
構（図示省略）の作動によりヘッド基部４に対して上下
動する。この上下駆動機構は、例えばパルスモータと周
知の機械機構などで構成される。

支持機構３は、ヘッド基部４からヒート・ツール２の両
側に沿ってヒート・ツール２先端面よりも前方に延びた
対のアームを有するもので、ヘッド基部４内に配置され
た開閉機構部（図示省略）の作動によりそのアームが開
閉し、その先端の爪がチップＣの対向側面を挟んでチッ
プＣをヒート・ツール２先端面の前方で該先端面に平行
に支持（チャック）することができる。この開閉機構部
は、例えば周知のアクチエータとカム機構などで構成さ
れる。またこのチャックは、チップＣの厚さが、０．４
ｎｏ＋＋程度以上あれば容易に可能である。

そしてボンディングの際は、千ツブＣの裏面をヒート・
ツール２先端面に対向させてチップｃを支持し、ヒート
・ツール２の上下動により、チソ７”Ｃ裏面トヒート・
ツール２先端面との間のギャップ寸法を変化させ、両者
を面接触させることもできる。

ヘッド駆動部５は、マウント・ヘッド１の上記移動、ヒ
ーレッール２の上下動及び支持機構３の作動を制御し、
ヒート・ツール２がそれに接触しているチップＣを下方
に押圧する押圧力をも制御することができる。また、ヒ
ート・ツール２内の電気ヒータに対する電源を具えてい
る。

この電源は、容量がヒート・ツール２を所定の温度に保
持する大きさまたはそれより多少大きめであれば良く、
然も電流を変化させることが殆どないので、先に述べた
パルス・ヒート方式と異なりヘッド駆動部５に具えるこ
とが可能である。このことは、マウント・ヘッド１を重
（させないことに寄与する。

このようなことから、チップＣの大きさを１０〜１５ｍ
ｍ角程度とした際に、マウント・ヘッド１の重量を５Ｋ
ｇ程度に収めることができる。そしてこの程度の重量は
、マウント・ヘッド１の移動の的確な制御を阻害させな
い。

ボンディングの方法は次のようである。ヒート・ツール
２は事前に一定の温度（約４５０°Ｃ）に加熱しておき
、この温度は作業終了まで保持される。

なお、ここで参照する第２図のチップ温度は、チップＣ
の平均的な温度を示しである。

先ず第１図（ａ）及び第２図を参照して、チップＣの置
かれである箇所にマウント・ヘッド１を移動し、支持機
構３でチップＣをチャックする。その際、ここでのチッ
プＣ裏面とヒート・ツール２先端面との間のギャップ寸
法をＨｌとし、Ｈ，を約５ｍｍにする。チップＣは、ヒ
ート・ツール２からの輻射熱により約２００°Ｃになる
ように予備加熱される。

次いで第１図（ｂ）を参照して、マウント・ヘッド１を
移動してチップＣを基板Ｐ上に位置させ、周知の方法で
位置合わせしながらチップＣのバンプＢを基板Ｐに当接
させる。

次いで第１図（Ｃ）及び第２図を参照して、ヒート・ツ
ール２を下降させてギャップ寸法Ｈ，をＨ２に縮小させ
る。Ｈ２は約１ｍｍであり、チップＣは、ヒート・ツー
ル２からの輻射熱の増大により約３５０’Ｃになるよう
に予備加熱される。

次いで第１図（ｄ）及び第２図を参照して、ヒート・ツ
ール２を更に下降させてヒート・ツール２先端面をチッ
プＣ裏面に当接させる。チップＣは、従来例の場合と同
様にヒート・ツール２から直接的に加熱されるようにな
る。しかしながら、チップＣが予備加熱されているため
にヒート・ツール２がチップＣに接触する際の両者間の
温度差が１００°Ｃ程度と小さいので、従来例の場合と
異なって、チップＣ内に大きな熱応力を生ずることがな
く、チップＣが劣化する恐れがない。

次いで第１図（ｅ）及び第２図を参照して、チップＣの
温度上昇によりバンプＢが所定の温度（約４００’Ｃ）
に達したところで、チップＣを所定の押圧力で押圧する
。これによりバンプＢは、所要の押圧力が与えられ基板
Ｐに接合する。その間に、支持機構３のチップＣに対す
るチャックを開放する。バンプＢに与える所要の押圧力
は、例えばハンプＢの直径が３００μｍ程度の場合２０
０ｇｆ程度であり、チップＣに対する押圧力はそのパフ
１Ｂ個数倍である。また、チップＣを押圧している時間
は、５秒程度以上あれば十分である。

この後は、マウント・ヘッド１を上昇させてボンディン
グ作業を終了し、チップＣは、第２図に示すように自然
冷却する。

かくして、金糸のバンプＢを用いながらチップＣを劣化
させないフリップ・チップ・ボンディングを行うことが
できる。然も従来例の真空吸引孔１３を有しないので、
チップＣの加熱が従来例の場合よりも全面に対してより
均一である。

この実施例では、ＨｌまたはＨ２で示されるギャップ寸
法を変化させるのに、ヒート・ツール２ヲ＋ｉｐ動させ
たが、その代わりに支持機構３を移動させても良い。そ
の場合は、支持機構３の移動弁をマウント・ヘッド１の
移動で補償する必要がある。

また、このようなボンディングは、マウント・ヘッド１
に支持機構３を具えなくともヒート・ツール２の作動を
上記と同様にすることにより可能である。その場合は、
マウント・ヘッドｌの重量が軽くなる利点があるが、支
持機構３を具えてチップＣを搬送し基板Ｐ上でチップＣ
の横ずれを防止するマウント・ヘッド１の代わりとして
、チップＣに対する搬送と横ずれ防止を行う別途の機構
が必要である。

なお、上述から容易に理解できるようにこの方法におい
ては、バンプＢが金糸のものに限定されるものではなく
、また、ヒート・ツールの温度、ＨｌまたはＨ２で示さ
れるギャップ寸法、予備加熱のステップ数などが実施例
に限定されるものではない。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明の構成によれば、半導体装置
の製造におけるフリップ・チップ・ボンディングの方法
及びその装置に関して、バンプが所要加熱温度の高いも
のである場合に、チップを劣化させないようにチップが
ヒート・ツールに接触する際の相互間の温度差が過大に
ならないようにし、然も、ヒート・ツールを具えるマウ
ント・ヘッドの重量が過大にならないようにすることが
できて、金糸バンプの採用に応えながら的確なボンディ
ングの実施を可能にさせる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｅ）は実施例を説明する側面図、第２
図は実施例におけるチップの温度経過を示す温度特性図
、 第３図（ａ）〜（Ｃ）は従来例を説明する側面図、第４
図は従来例におけるチップの温度経過を示す温度特性図
、 第５図はＴＡＢのパルス・ヒート方式を説明する側面図
、 である。 図において、 １Ｓ１１はマウント・ヘッド、 ２１はボンディング・ヘッド ２．１２．２２はヒート・ツール、 ３は支持機構、 １３は真空吸着孔、 ４．１４．２４はヘッド基部、 ５．１５．２５はヘッド駆動部、 Ｃはフリップ・チップ、 Ｂはバンプ、 Ｐは基板、 Ｌはリード、 旧、Ｈ２はギャップ寸法、 である。 ′４１　記 ’ｌ’＠ｆ１ｊ　：＝　ｆ−３１ｊ　ロ’７−ｒ　７’
／Ｘｆｆ１Ｆｔ４ｆｉＪ　Ｙｃ示’Ｉ場、９−　％ｎ７
噴 旧 ≦１子来・伊１）こｈｌする子・７ブ／）５里度勺冠向
８牙イ５凪壌ゴで性口第 → ■ 岱采脅１１乏説萌する布１ｉｄＤ図 第　３　口 ２１　　才ぐンデンング・へ・・ド ２２°ご一ト　ヅール ％ へ・・ド纂郁 丁ＡＦ３の１ぐルス・ヒート方バ乞言り目するう則面図
緊

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）半導体装置の製造におけるフリップ・チップ・ボン
   ディングを行うに際して、 先端面がフリップ・チップの裏面に面接触可能でほぼ一
   定の温度に加熱されたヒート・ツールを用い、 該チップの裏面と該ツールの先端面との間にギャップを
   おいて該ツールからの輻射熱により該チップを予備加熱
   する工程と、 予備加熱された該チップの裏面に該ツールの先端面を当
   接させて該チップを介し該チップ表面のバンプを所定の
   温度に加熱する工程と、 該ツールの先端面で該チップの裏面を押圧して該バンプ
   に所要押圧力を与える工程とを有して、前記ボンディン
   グを行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。 ２）フリップ・チップ・ボンディングを行う装置であっ
   て、 マウント・ヘッドを有し、該マウント・ヘッドは、 先端面がフリップ・チップの裏面に面接触可能でほぼ一
   定の温度に加熱されるヒート・ツールと、フリップ・チ
   ップの対向側面を挟んで該チップを該ツールの先端面の
   前方で該先端面に平行に支持する支持機構とを具え、 且つ、該ツールまたは該支持機構が、該チップと該ツー
   ルとの間のギャップ寸法を変化させる方向に移動可能で
   あることを特徴とする半導体装置の製造装置。