JPWO2014003107A1 - 圧着装置および圧着方法 - Google Patents

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Abstract

基板に接着剤を介して仮圧着された複数のチップを実装ズレを発生させること無く基板に一括圧着することが可能な圧着装置および圧着方法を提供すること。具体的には、チップが圧着される基板の裏面を吸着保持する基板ステージと、仮圧着したチップの表面を覆う弾性シートと、前記基板ステージの外周に位置し、前記弾性シートを保持するシート保持手段と、前記シート保持手段と前記弾性シートと前記基板ステージとにより形成された密閉空間を減圧する減圧手段と、弾性シートを介して基板上のチップに所定の加圧力を付与するボンディングヘッドと、を備えている圧着装置および圧着方法を提供する。選択図 図１

Description

基板に接着剤を介して仮圧着された複数のチップを基板に一括圧着する圧着装置および圧着方法に関する。
近年、ＬＳＩチップの高集積化・高密度化の要求に対して、ウエハレベルでＣＳＰ（Chip Size Package）を製造する方法が行われている。ウエハレベルＣＳＰでは、回路が形成されたシリコンウエハに対してフリップチップを圧着した後、ダイシングしてＣＳＰを製造している。ウエハとフリップチップは、熱硬化性樹脂や異方導電性接着剤などの接着剤を用いて予め仮圧着（仮接続）されている。仮圧着の後、ウエハ上の複数のフリップチップは、所定時間の加圧と所定温度で加熱及び冷却が行われ圧着が完了する。
例えば、特許文献１では、ウエハレベルでＣＳＰを製造する圧着装置として、円筒状のシリンダと、その一方側を密閉するように設けられた基台と、シリンダの他方側の蓋と、シリンダの内部を移動する金属製のピストンとから構成されている圧着装置を開示している。この圧着装置では、ピストンが移動することにより、シリンダ内の密閉空間の容積が縮小される。基台にはインターポーザが絶縁性接着フィルムによりシリコンウエハに仮接続されて載置され、シート部材が仮接続されたシリコンウエハを覆っている。また、基台には加熱ヒータが埋め込まれている。そして、シリンダ内に加圧された圧縮ガスを導入し、仮接続されたシリコンウエハをシート部材を介して全面的に加圧し、加熱ヒータを通電し、絶縁性接着フィルムを溶融させシリコンウエハの各電極とインターポーザの各電極を電気的に接続しＣＳＰ接続体を製造している。
特開２０００−１９５９０３号公報
このような装置では、加圧された圧縮ガスを用いて非接触状態で仮接続体に圧力を加えるのでシリコンウエハおよびインターポーザに対して大きな圧力を均一に加えられる。一方、シート部材で覆われた仮接続されたシリコンウエハには、図１１に示すように上面および側面から圧力Ｆが加えられている。そのため、接着剤４が加熱され軟化していく過程で上面と側面に作用する力のバランスを失い、シリコンウエハ２の各電極とチップ３（例えばインターポーザ）の各電極の間で実装ズレが発生するおそれがある。
そこで、基板に接着剤を介して仮圧着された複数のチップを実装ズレを発生させること無く基板に一括圧着することが可能な圧着装置および圧着方法を提供することを課題とする。
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
基板上に複数のチップを位置合わせした後、樹脂を介して仮圧着したチップを、一括圧着する圧着装置であって、
チップが圧着される基板の裏面を吸着保持する基板ステージと、
前記仮圧着したチップの表面を覆う弾性シートと、
前記基板ステージの外周に位置し、前記弾性シートを保持するシート保持手段と、
前記シート保持手段と前記弾性シートと前記基板ステージとにより形成された密閉空間を減圧する減圧手段と、
弾性シートを介して基板上のチップに所定の加圧力を付与するボンディングヘッドと、を備えている圧着装置である。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記弾性シートを枚葉で供給するシート供給手段を備えた圧着装置である。
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、
前記シート保持手段と前記弾性シートと前記基板ステージとにより形成された密閉空間に不活性ガスを供給するガス供給手段を備えた圧着装置である。
請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の発明において、
前記ボンディングヘッドと前記基板ステージとに加熱および冷却手段を備えた圧着装置である。
請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の発明において、
前記ボンディングヘッドの加圧面が前記基板ステージに対して平行な状態を維持しながら下降させる機能を有することを特徴とする圧着装置である。
請求項６に記載の発明は、
基板上に複数のチップを位置合わせした後、樹脂を介して仮圧着したチップを、一括圧着する圧着方法であって、
チップが圧着される基板の裏面を吸着保持する基板ステージと、
前記仮圧着したチップの表面を覆う弾性シートと、
前記基板ステージの外周に位置し、前記弾性シートを保持するシート保持手段と、
前記シート保持手段と前記弾性シートと前記基板ステージとにより形成された密閉空間を減圧する減圧手段と、
弾性シートを介して基板上のチップに所定の加圧力を付与するボンディングヘッドと、を備え、
チップが仮圧着された基板を基板ステージに載置する工程と、
弾性シートを仮圧着したチップの表面に覆い、弾性シートを保持する工程と、
前記シート保持手段と前記弾性シートと前記基板ステージとにより形成された密閉空間を減圧下にする工程と、
ボンディングヘッドを所定の高さまで下降させ、弾性シートを介して基板上のチップに所定の加圧力を所定時間付与する工程と、を有する圧着方法である。
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、
弾性シートを枚葉で供給し、一括圧着の動作毎に弾性シートを交換する工程を有する圧着方法である。
請求項８に記載の発明は、請求項６または７に記載の発明において、
前記弾性シートに、耐熱温度３５０℃以上、熱収縮率が３５０℃で０．１％以下、および熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ以上という特性を備えた材料を用いることを特徴とする圧着方法である。
請求項９に記載の発明は、請求項６から８のいずれかに記載の発明において、
弾性シートを介して基板上のチップに所定の加圧力を所定時間付与する工程において、ボンディングヘッドと基板ステージに備えられた加熱および冷却手段を動作させる工程を含む圧着方法である。
請求項１０に記載の発明は、請求項６から９のいずれかに記載の発明において、
前記シート保持手段と前記弾性シートと前記基板ステージとにより形成された密閉空間を不活性ガス雰囲気にする工程を含む圧着方法である。
請求項１１に記載の発明は、請求項６から１０のいずれかに記載の発明において、前記ボンディングヘッドの加圧面が前記基板ステージに対して平行な状態を維持しながら下降させることを特徴とする圧着方法である。
本発明の圧着装置および圧着方法によれば、ボンディングヘッドが弾性シートを介して所定の加圧力でチップを押しつけているので、接着剤が溶融する際にチップと基板が位置ずれすること無く圧着されるようになる。また、局所的に密閉空間を形成し、減圧下に置換することができるので、大がかりなチャンバ-構造を必要とすること無く、簡易的な構造でバンプの酸化を防止しながら一括圧着することができる。
また接着剤が加熱硬化する際に発生するアウトガスによるボイドも減圧下でボンディングすることで、ボイドを抑制しながら一括圧着することが出来る。
また、弾性シートを介して圧着しているので、仮圧着されたチップに高さバラツキがあっても、実装ズレを発生させること無く基板に一括圧着することができる。
また、弾性シートを局所的に形成したチャンバ-の上蓋と兼用することで、接着剤により仮圧着されたチップを一括圧着する際に、チップの周辺からはみ出した接着剤がボンディングヘッド側に付着することを防止できる。また、ボンディングヘッドと基板ステージからの上下加熱、冷却により接着剤の硬化とバンプ接合を一括で行うことが出来る。さらに、弾性シートを枚葉で供給することで、高速でウェハの交換を容易にし連続的に圧着を行うことが出来る。
本発明の実施の形態の圧着装置の概略側面図である。 本発明の実施の形態の門型フレームの垂直柱部の配置を説明する上面図である。 シートを引きだしチップ上面に配置した状態を示す側面図である。 シートを切断し吸着保持した状態を示す側面図である。 ボンディングヘッドが下降した状態を示す側面図である。 シートで囲まれた空間を減圧した状態を示す側面図である。 圧着装置の動作フローチャートである。 基板ステージ上にウエハの代わりにロードセルを配置した状態の上面図である。 門型フレームの垂直柱部の高さをモニタリング装置の校正を説明する図である。 門型フレームの垂直柱部の高さをモニタリング装置の校正を説明する図である。 従来の圧着装置の問題点を説明する概略側面図である。
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態の圧着装置の側面図である。図１において、圧着装置１に向かって左右方向をＸ軸、前後方向をＹ軸、Ｘ軸とＹ軸で構成されるＸＹ平面に直交する軸をＺ軸（上下方向）、Ｚ軸周りをθ軸とする。
圧着装置１は、チップ３が接着剤４を介して仮圧着されたウエハ２を本圧着する加圧手段２０と、ウエハ２を保持する基板ステージ４０と、本圧着時にチップ３を覆うシート５を供給するシート供給手段５０と、シート５を基板ステージ４の外周で保持するシート保持手段６０と、ウエハ２上に不活性ガスを供給するガス供給手段７０と、から構成されている。本実施の形態で説明するウエハ２には、予めチップ３がウエハ２上の所定位置に位置合わせされ、接着剤を用いて接合されているものとする（以降、チップ３がウエハ２に仮圧着されていると表記する）。
加圧手段２０は、門型フレーム２１と、門型フレーム２１の水平梁部２１ａに設けられたボンディングヘッド支持部２２と、円筒形のボンディングヘッド２３とから構成されている。門型フレーム２１の垂直柱部２１ｂは、剛性の高いガイド構造となっていて、剛性ガイド２１ｃで支持されている。垂直柱部２１ｂは上下の伸縮可能になっており、図示しない上下駆動手段と連結されている。上下駆動手段による垂直柱部２１ｂの昇降動作により、ボンディングヘッド２３がＺ方向（上下方向）に移動可能になっている。剛性ガイド２１ｃは、基台６に立設している。
なお、本実施の形態において、門型フレーム２１は４本の垂直柱部２１ｂと、それぞれの垂直柱部２１ｂを支持する４本の剛性ガイド２１ｃを備えている。その配置を上面から見たＸＹ平面で示したのが図２であり、４本の垂直柱部２１ｂ（２１ｂ１、２１ｂ２、２１ｂ３、２１ｂ４）と、それぞれを支持する４本の剛性ガイド２１ｃ（２１ｃ１、２１ｃ２、２１ｃ３、２１ｃ４）が配置されている。この、４本の垂直柱部２１ｂの高さ調整を行うことにより、門型フレーム２１の水平梁部２１ａの、基板ステージ４０に対する、平行度が確保される。
ボンディングヘッド２３は、チップ３が実装されたウエハ２のチップ側から加熱するヒータ４３および加熱されたボンディングヘッド２３を冷却する冷却部４５を備えている。
基板ステージ４０は、ウエハ２の裏面２ｂを吸着保持する吸引孔４１と、ウエハ２を加熱するヒータ４２と、加熱された基板ステージ４０を冷却する冷却部４４とを備えている。吸引孔４１は、図示していない吸引パイプを介して吸引ポンプと接続されている。
ウエハ２の固定手段は、機械的に基板ステージ４０にクランプする方式や静電チャック方式など強固に固定されるものであれば吸引孔４１を用いた吸着方式でなくてもよい。
基板ステージ４０の外周にはシート保持手段６０が設けられている。シート保持手段６０は、内壁６１と外壁６２を基板ステージ４０の外周に沿って立設し、内壁６１と外壁６２に挟まれた空間である吸引スペース６３でシート保持手段６０の上部に載せられたシート５を吸引する構成となっている。内壁６１と外壁６２は、基板ステージ４０にチップ３の仮圧着すみウエハ２が載置された高さより高い位置まで伸びている。
シート保持手段６０は、機械的に内壁６１に強固にクランプする方法であれば、吸引スペース６３を用いた吸着方式で無くても良い。例えばボンディングヘッド２３と内壁６１とで挟み込んでクランプする方式であれば、ボンディングヘッド２３の下降と同時にクランプ出来るので機構が簡略化される。
内壁６１と基板ステージ４０との間には減圧手段８０が設けられている。減圧手段８０は減圧口８１が設けられ、真空ポンプによりシート保持手段６０と弾性シート５と基板ステージ４０とにより形成された密閉空間を真空吸引する事で減圧出来るようになっている。
さらに内壁６１と基板ステージ４０との間にはガス供給手段７０が設けられている。ガス供給手段７０は供給口７１が設けられ、供給口７１から不活性ガスである窒素（Ｎ２）が供給されるようになっている。図中、シート保持手段６０とガス供給手段７０、減圧手段８０は、斜線で示した。
シート供給手段５０は、ロール状のシート５を供給するシート巻き出し部５１と、シート巻き出し部５１から巻き出されたシート５を把持するシート把持部５３と、シート５を引き出すシート引き出し部５２と、引き出されたシート５を切断するシート切断部５４とから構成されている。シート巻き出し部５１は、門型フレーム２１の側部に配置されている。シート引き出し部５２は、門型フレーム２１の内部をシート５を把持しながらＸ方向（水平方向）に移動し、チップ３が仮圧着すみのウエハ２の上部にシート５を覆うようなっている。シート切断部５４は、シート把持部５３とシート引き出し部５２との間に位置し、引き出されたシート５をシート把持部５３とシート引き出し部５２とで把持した状態で切断するようになっている。シート引き出し部５２とシート把持部５３は、シート５を把持した状態で、Ｚ方向（上下方向）に移動可能に構成されている。
なお、シート５の材質としてフッ素係樹脂が一般的であるが、本実施形態のような一括圧着用途において、フッ素係樹脂の耐熱温度、熱収縮率、熱伝導率は充分な特性とは言えない。すなわち、一括圧着用途ではヒータ４３の温度が最高３５０℃に達する場合があるので耐熱性が不足し、熱収縮によりシワが発生して実装ズレとなる可能性があり、熱伝導率が低いためにチップを所定温度に加熱するためのヒータ４３の設定温度が高くなるという問題がある。このため、シート５に要求される特性として、耐熱温度が３５０℃以上（フッ素系樹脂は２６０℃程度）、熱収縮率が３５０℃で０．１％以下（フッ素係樹脂は２６０℃で２％前後）、熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ以上（フッ素係樹脂は０．３Ｗ／ｍ・Ｋ）を備えていることが望ましい。
このような、圧着装置１を用いてチップ３をウエハ２に本圧着する圧着方法について、図３〜図６の圧着装置１の側面図と、図７のフローチャートを用いて説明する。
まず、ボンディングヘッド２３が上昇した状態で、チップ３が仮圧着されたウエハ２を基板ステージ４０に載置した状態から説明を開始する（ステップＳＰ０１）。
次に、図３に示すように、シート巻き出し部５１からシート５を引き出す。シート５の引き出しには、シート引き出し部５２が用いられる。シート引き出し部５２は、シート５を把持して、シート保持手段６０をまたぐようにＸ方向（水平方向）に移動する。シート引き出し部５２がＸ方向に移動することにより、チップ３が仮圧着されているウエハ２の上面側が、シート５で覆われるようになる。また、シート５はボンディングヘッド２３とウエハ２の間を通るように引き出される。シート把持部５３と、シート引き出し部５２がシートを把持した状態で、下降しチップ３の上面にシート５をセットする（ステップＳＰ０２）。
次に、シート切断部５４がシート５を切断し、シート引き出し部５２は元いた位置（待機位置）に戻る（図４）。シート保持手段６０の吸引スペース６３に接続されている図示していない吸引ポンプが作動し、シート５を吸引する（ステップＳＰ０３）。このように、シート５を枚葉で供給することで、高速でウェハの交換を容易にし連続的に圧着を行うことが出来る。
次に、ボンディングヘッド２３及び基板ステージ４０に設けられているヒータ４２，４３を昇温しない状態で、図５に示すように、ボンディングヘッド２３が下降しシート５を介してチップ２をウエハ３に加圧する。ボンディングヘッド２３の下降に際しては、図示していない昇降手段により、図２に示す４本の垂直柱部２１ｂ（２１ｂ１、２１ｂ２、２１ｂ３、２１ｂ４）の高さが常に均一になるようにモニタリングしながら行い、ボンディングヘッド２３の加圧面に傾きが生じないように制御する。具体的には、４本の垂直柱部２１ｂの最大値と最小値が所定の偏差以内（例えば、ウエハサイズが３００ｍｍの場合は３μｍ）になるように制御を行い、ボンディングヘッド２３の加圧面がチップ２に接触した後は、ウェハ２上に搭載された全てのチップ３に所定の荷重がかかるように加圧する（ステップＳＰ０４）。このように平行状態を維持しながら加圧を行うことにより、後のステップで加熱して加圧を行う際、接着剤が軟化する際にも水平分力が生じず、水平分力に起因した実装ズレが防げる。
次に、図６のように、シート５と基板ステージ４０とシート保持手段６０の内壁６１で囲まれた空間の空気を減圧手段８０で吸引することで真空状態にする（ステップＳＰ０５）。
次に、ボンディングヘッド２３及び基板ステージ４０に設けられているヒータ４２，４３が昇温され接着剤４の加熱硬化が開始される（ステップＳＰ０６）。このときのチップ３のバンプとウエハ２の回路面に形成された電極との接続も同時に行われる。このように、ボンディングヘッド２３がシート５を介して所定の加圧力でチップ２を押しつけているので、接着剤が溶融する際にチップ２と基板３が位置ずれすること無く圧着されるようになる。また減圧下で行うため、接着剤が加熱硬化する際に発生するアウトガスによるボイドが抑制され品質の良い接合状態となる。
バンプや電極が酸化されやすい材質（例えば銅など）の場合には、真空吸引の後にガス供給手段７０の供給口７１から不活性ガスを供給してシート５と基板ステージ４０とシート保持手段６０の内壁６１で囲まれた空間を不活性ガスと置換する。チップ２が仮圧着されたウエハ２の周辺全体が不活性ガス雰囲気となり、チップ２の電極の酸化が防止される（ステップＳＰ０７）。
このように、ボンディングヘッド２３がシート５を介して所定の加圧力でチップ２を押しつけているので、接着剤が溶融する際にチップ２と基板３が位置ずれすること無く圧着されるようになる。
加圧力及び加熱温度は圧着されるチップ数や、バンプ数および接着剤の硬化反応やバンプの溶融温度に応じて、それぞれ任意のタイミングで多段階で制御できるようになっている。
次に、所定時間の加圧と加熱が行われた後、ボンディングヘッド２３が上昇し本圧着が完了する（ステップＳＰ０８）。
また、以上のステップＳＰ０１〜ＳＰ０８とは別に、門型フレーム２１は４本の垂直柱部２１ｂ（２１ｂ１、２１ｂ２、２１ｂ３、２１ｂ４）の高さモニタリングを行う際の誤差を低減するために、所定の周期で高さモニタリング機能の校正を行う必要がある。具体例としては、図８に示すようにウエハの代わりに同仕様の４つのロードセル９１、９２、９３、９４を配置した基板ステージ４０に、図９、図１０に示すようにボンディグヘッド２３を接近させ、両面が平行状態で最接近した段階ででゼロ点設定を行う方法がある。すなわち、両面がロードセルを介して平行状態で密着したか否かを、４つのロードセルそれぞれが検知する加圧力の最大値と最小値が所定の偏差以内で平衡状態にあるかどうかで判断する。
なお、本実施の形態においては、ロードセルを高さモニタリング機能の校正を行う時に、基板ステージ４１上に配置したが、基板ステージ４１とヒータ４２の間に常設しておいても良い。また、門型フレーム２１の垂直柱部２１ｂおよびそれぞれみら垂直柱部２１ｂを支持する剛性ガイド２１ｃが４本の場合としたが、４本に限定されるものではなく、３本あるいは５本以上であっても良い。
１ 実装装置
２ ウエハ
３ チップ
４ 接着剤
５ シート
６ 基台
２０ 加圧手段
２１ 門型フレーム
２１ａ 門型フレーム２１の水平梁部
２１ｂ 門型フレーム２１の垂直柱部
２１ｃ 剛性シリンダ
２２ ボンディングヘッド支持部
２３ ボンディングヘッド
４０ 基板ステージ
４１ 吸引孔
４２ ヒータ
４３ ヒータ
４４ 冷却部
４５ 冷却部
５０ シート供給手段
５１ シート巻き出し部
５２ シート引き出し部
５３ シート把持部
５４ シート切断部
６０ シート保持手段
６１ 内壁
６２ 外壁
６３ 吸引スペース
７０ ガス供給手段
７１ 供給口
８０ 減圧手段
８１ 減圧口
９１ ロードセル
９２ ロードセル
９３ ロードセル
９４ ロードセル

Claims (11)

  1. 基板上に複数のチップを位置合わせした後、樹脂を介して仮圧着したチップを、一括圧着する圧着装置であって、
    チップが圧着される基板の裏面を吸着保持する基板ステージと、
    前記仮圧着したチップの表面を覆う弾性シートと、
    前記基板ステージの外周に位置し、前記弾性シートを保持するシート保持手段と、
    前記シート保持手段と前記弾性シートと前記基板ステージとにより形成された密閉空間を減圧する減圧手段と、
    弾性シートを介して基板上のチップに所定の加圧力を付与するボンディングヘッドと、を備えている圧着装置。
  2. 請求項１に記載の発明において、
    前記弾性シートを枚葉で供給するシート供給手段を備えた圧着装置。
  3. 請求項１または２に記載の発明において、
    前記シート保持手段と前記弾性シートと前記基板ステージとにより形成された密閉空間に不活性ガスを供給するガス供給手段を備えた圧着装置。
  4. 請求項１から３のいずれかに記載の発明において、
    前記ボンディングヘッドと前記基板ステージとに加熱および冷却手段を備えた圧着装置。
  5. 請求項１から４のいずれかに記載の発明において、前記ボンディングヘッドの加圧面が前記基板ステージに対して平行な状態を維持しながら下降させる機能を有することを特徴とする圧着装置。
  6. 基板上に複数のチップを位置合わせした後、樹脂を介して仮圧着したチップを、一括圧着する圧着方法であって、
    チップが圧着される基板の裏面を吸着保持する基板ステージと、
    前記仮圧着したチップの表面を覆う弾性シートと、
    前記基板ステージの外周に位置し、前記弾性シートを保持するシート保持手段と、
    前記シート保持手段と前記弾性シートと前記基板ステージとにより形成された密閉空間を減圧する減圧手段と、
    弾性シートを介して基板上のチップに所定の加圧力を付与するボンディングヘッドと、を備え、
    チップが仮圧着された基板を基板ステージに載置する工程と、
    弾性シートを仮圧着したチップの表面に覆い、弾性シートを保持する工程と、
    前記シート保持手段と前記弾性シートと前記基板ステージとにより形成された密閉空間を減圧下にする工程と、
    ボンディングヘッドを所定の高さまで下降させ、弾性シートを介して基板上のチップに所定の加圧力を所定時間付与する工程と、を有する圧着方法。
  7. 請求項６に記載の発明において、
    弾性シートを枚葉で供給し、一括圧着の動作毎に弾性シートを交換する工程を有する圧着方法。
  8. 請求項６または７に記載の発明において、
    前記弾性シートに、耐熱温度３５０℃以上、熱収縮率が３５０℃で０．１％以下、および熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ以上という特性を備えた材料を用いることを特徴とする圧着方法。
  9. 請求項６から８のいずれかに記載の発明において、
    弾性シートを介して基板上のチップに所定の加圧力を所定時間付与する工程において、ボンディングヘッドと基板ステージに備えられた加熱および冷却手段を動作させる工程を含む圧着方法。
  10. 請求項６から９のいずれかに記載の発明において、
    前記シート保持手段と前記弾性シートと前記基板ステージとにより形成された密閉空間を不活性ガス雰囲気にする工程を含む圧着方法。
  11. 請求項６から１０のいずれかに記載の発明において、前記ボンディングヘッドの加圧面が前記基板ステージに対して平行な状態を維持しながら下降させることを特徴とする圧着方法。
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