KR100530724B1 - 접합 방법 및 접합 장치 - Google Patents

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KR100530724B1
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구리따요이찌로
노가와준
마에다마사또
이노마따데루지
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엔이씨 일렉트로닉스 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 마운트 툴의 상부 표면의 마모를 방지하는 초음파 접합 방식을 사용하며, 높은 신뢰성과 높은 생산성 모두를 보증하는 반도체칩용 접합 방법 및 그 방법을 수행하는데 사용되는 접합 장치를 제공한다. 그 접합 장치 및 방법에는 슬라이딩 마찰의 발생을 억제하기 위한 수단이 제공된다. 그 장치 및 방법은, 접합되는 영역에 초음파 진동을 인가하면서, 제어 관리 수단으로부터 제공되는 정보에 기초하여 진동축 방향 유지력 및 관성력을 제어함으로써 (진동축 방향 유지력) ＞ (다이 전단 강도) + (관성력) 의 관계를 유지하는 접합 가공을 실행한다.

Description

접합 방법 및 접합 장치 {BONDING METHOD AND BONDING APPARATUS}
본 발명은 반도체칩을 또 다른 반도체칩 또는 기판에 접속함으로써 획득되는 반도체 칩 패키지의 제조 방법 및 그 반도체칩 패키지를 제조하는데 사용되는 제조 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초음파 접합 방식을 사용하는 접합 장치 및 반도체칩 패키지를 제조하는데 사용되는 제조 장치에 관한 것이다.
최근, 세계 규모로 급속히 확대되고 있는 정보통신 네트워크들의 정보통신 시스템들은 고기능화 및 고속화를 요구한다. 반도체 칩의 패키징 기술에서는, 이러한 요구를 충족시키기 위해 고밀도 패키징 기술들을 발전시켜왔다. 전자 장치들의 성능을 향상시키는 고밀도 패키징 기술들은 다수의 접합점을 동시에 접합시키기 때문에, 신뢰성과 생산성 모두를 달성하는 것이 중요과제가 되고 있다.
초음파 접합 기술을 이용한 반도체 칩 패키징은 상기 과제를 충족시키는 유망한 기술이다. 초음파 접합은 칩의 접합대상 금속면을 접합상대부품의 접합대상 금속면에 접합하고, 접촉면에 평행한 방향으로 초음파 진동을 인가하여 양자를 접합하는 기술이다. 초음파 접합은 다른 방식들에 비하여 원리적으로 단시간에 금속들을 접합할 수 있다.
이러한 이점 때문에, 배선 접합뿐만 아니라 플립-칩 접합, 페이스-다운 접합, 및 일괄적 접합 등의 접합 기술들에 이러한 접합 방식의 적용에 대한 연구가 행해지고 있으며, 소형칩에의 적용에 대한 실용화가 진행되고 있다. 그러나, 대형 칩에의 적용은 지금까지 아직 진행되고 있지 않다. 이는 칩 크기의 증가에 따라 접합되는 핀들의 개수가 증가할 때, 접합에 필요한 입력 에너지가 증가하면, 소형 칩들에 대해서는 크게 문제가 되지 않는 마운트 툴의 마모가 심각한 문제를 발생시키기 때문이다.
도 1 에 나타낸 초음파 접합을 이용한 반도체 칩 접합 장치의 개념도를 참조하여 마운트 툴의 마모를 설명한다.
마운트 툴은 접합되는 반도체 칩의 접촉면에 수직하는 유지력을 인가하고 이것을 유지하면서, 초음파 진동 발생 수단으로부터의 초음파를 접합되는 반도체 칩을 통하여 접합대상 영역에 전달하는 기능을 가지며, 초음파 접합 장치에 있어서 매우 중요한 구성요소이다.
반도체 칩 (12) 은 마운트 툴 (11) 에 의해 유지되며, 그 반도체 칩 (12) 에 접합되는 또 다른 부품 (15) 은, 그 부품 (15) 이 스테이지 (16) 에 대하여 마찰을 발생시키지 않는 정도로, 접합 가공시에 스테이지 (16) 상에 고정되어 있다. 양쪽 접합부 (도 1 의 13 및 14) 가 서로 접합된 상태로 초음파 진동이 개시된다. 일반적으로, 접합부들 (13, 14) 중 적어도 하나는 돌출부와 같이 부품으로부터 돌출하는 구조를 가지는 범프이며, 다른 부품은 그 범프 또는 부품상에 평판형상으로 배치되는 패드이다.
접합 가공의 진행에 따라, 접합부들 (13, 14) 이 유효하게 결합하고 있는 영역인 접합 영역 (17) 의 면적이 증가할 때, 마운트 툴 (11) 과 반도체 칩 (12) 사이의 계면에서 슬라이딩 마찰이 발생할 수도 있다. 이 상태로 초음파 진동을 계속하면, 계속적으로 마찰되는 마운트 툴 (11) 과 그 접촉면에 있는 반도체 칩 (12) 모두 또는 툴/칩 접촉면 (18) 에 마모가 발생할 수도 있다. 이러한 상황이 반복되어, 마운트 툴 (11) 의 마모가 더 진행하면, 이 경우에 접합 불량을 발생시키거나 가공되는 부품에 손상을 주는 등의 심각한 장애를 발생시킬 가능성이 있기 때문에, 마운트 툴 (11) 의 교환이 필수적이었다. 현재에는, 교환 간격이 짧게 되어, 생산성 향상의 저해인자가 되고 있다.
이러한 문제점을 극복하기 위하여 지금까지 많은 발명들이 제공되어 왔다. 전형적인 발명은 마운트 툴의 상부 표면의 재료를 특정함으로써 마모량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 일본공개특허공보 제 2002-164384 호에 개시되어 있다.
그러나, 이러한 발명은 마운트 툴의 교환 간격을 약간 길게하지만, 본질적으로 마모를 방지할 수 없는 대처요법적 발명이므로, 생산성과 신뢰성을 향상시키기 위한 근본적인 해결책은 아니었다.
본 발명의 목적은 마운트 툴의 상부 표면의 마모를 방지하는 초음파 접합 방식을 사용하며, 높은 신뢰성 및 높은 생산성을 보증하는 반도체칩용 접합 방법 및 그 방법을 수행하는데 사용되는 접합 장치를 제공하는 것이다.
상기 문제점들을 해결하는데, 본 발명자는 마운트 툴 (11) 과 반도체 칩 (12) 사이의 마찰을 억제함으로써 마운트 툴 (11) 의 상부 표면의 마모를 방지할 수 있다는 기술적 사상에 기초하여, 초음파 가공 중의 마찰에 대하여 깊이 고찰하였다.
본 발명자는 (1) 마운트 툴 (11) 의 툴/칩 접촉면 (18)(도 1 참조) 에서 마모를 발생시키는데 마찰면의 이동이 수반된다는 점과, (2) 초음파 진동으로부터 기인하는 관성력이 마운트 툴 (11) 과 반도체 칩 (12) 과의 접촉면에 마찰을 발생시키는 외력으로서 작용한다는 점을 착상하였다.
먼저, 제 1 착상에 대하여 설명한다.
슬라이딩 마찰은 초음파 접합 가공의 개시로부터 툴/칩 접촉면 (18)에서 발생하는 것이 아니라 처음에 접합 영역 (17) 에서 발생한다. 이러한 마찰은 접합 영역 (17) 을 확대시키기 위한 에너지원이 된다. 이 상태하에서는, 툴/칩 접촉면의 전단강도인 진동축 방향 유지력이 접합 영역 (17) 의 전체 전단 강도 또는 다이 전단 강도 보다 더 크게되기 때문에, 초음파 진동에 기인하는 왕복 운동에 필요한 힘은 다이 전단 강도가 된다.
그러나, 접합 가공이 진행하여, 접합 영역 (17) 의 면적이 증가하면, 다이 전단 강도가 증가하여, 초음파 진동에 기인하는 왕복 운동에 필요한 힘을 더 크게 한다. 초음파 진동시에, 이러한 힘은 항상 툴/칩 접촉면 (18) 에 마찰을 발생시키려 하는 힘으로서 작용한다. 또한, 접합 가공이 진행하여 다이 전단 강도가 진동축 방향 유지력과 일치하면, 슬라이딩 마찰면은 접합 영역 (17) 으로부터 툴/칩 접촉면 (18) 으로 이동된다.
도 2 는 상기 관계를 나타내는 그래프이다. 이 그래프에서, 수직 크기는 각 접촉면의 진동축 방향의 전단 강도를 나타낸다. 다이 전단 강도를 나타내는 라인 (21) 과 툴/칩 접촉면 (18) 의 전단 강도 또는 진동축 방향 유지력을 나타내는 라인 (22) 을 비교하여 슬라이딩 마찰이 하부 접촉부에서 발생함을 나타낸다. 가공의 초기 단계에서는 접합 영역 (17) 에서의 마찰이 우선적으로 발생하지만, 점 (23) 의 부근에서는 다이 전단 강도와 진동축 방향 유지력이 거의 서로 동일하게 된다. 점 (23) 이후의 임의의 점에서는, 툴/칩 접촉면 (18) 에서의 마찰이 우선적으로 발생하고, 입력되는 초음파 진동의 에너지의 일부는 이 계면에서의 슬라이딩 마찰에 의해 소비된다. 입력되는 가공 에너지가 작아지기 때문에, 다이 전단 강도의 증가는 완만하게 되고, 이러한 에너지는 마모를 발생시키는 직접적인 요인이 된다.
제 1 착상은 마찰면의 이동을 억제할 수 있으면, 툴 표면의 마모를 현저하게 억제할 수 있음을 이끌어 낸다. 마찰면의 이동의 억제는, 초음파 진동을 인가하는 동안에 진동축 방향 유지력을 항상 다이 전단 강도보다 더 높게 유지함으로써 실현될 수 있음을 도 2 로부터 알 수 있다.
다음으로, 제 2 착상에 대하여 설명한다.
상술한 바와 같이, 접합 가공 중에, 다이 전단 강도는 반도체 칩 (12) 을 분리하는 힘으로서 반도체 칩 (12) 에 작용한다. 그러나, 이러한 힘 이외에, 진동 방향이 반전되는 경우에 대하여 발생되는 관성력은 외력으로서 작용한다.
따라서, 마찰면의 이동을 억제하는데 요구되는 진동축 방향 유지력의 조건은, (진동축 방향 유지력) ＞ (다이 전단 강도) + (관성력) 이다.
본 발명은 이러한 착상에 기초하여 이루어졌다. 상기 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 제 1 태양에 따른 반도체칩용 접합 장치는,
반도체 칩의 접합부가 상기 반도체 칩에 접합되는 또 다른 부품의 접합부와 접촉되는 접촉 영역에, 상기 반도체 칩을 유지하는 마운트 툴을 통하여 초음파 진동을 인가하여, 상기 초음파 진동에 의해 상기 접합되는 상기 반도체 칩과 상기 부품사이에 형성되는 전체 접합 영역의 초음파 진동축 방향의 분단 강도인 다이 분단 강도를 증가시키는 초음파 진동 발생 유닛;
상기 마운트 툴에 의해 유지되는 상기 반도체 칩과 상기 마운트 툴과의 전체 접촉 계면의 상기 초음파 진동축 방향의 전단 강도 또는 진동축 방향 유지력을 제어하는 유지력 제어 유닛;
상기 마운트 툴에 의해 유지되는 상기 반도체 칩상에 상기 초음파 진동에 의해 발생되는, 상기 초음파 진동축 방향의 관성력을 제어하는 관성력 제어 유닛; 및
(진동축 방향 유지력) ＞ (다이 전단 강도) + (관성력) 의 관계를 유지하는 제어 관리 유닛을 구비한다.
툴/칩 접촉면 (18) 에서의 슬라이딩 마찰의 발생을 억제하는 조건식은 본 발명의 제 1 양태에 따른 접합 장치의 제어 관리 유닛에 관리 항목으로서 포함되지만, 상기 식 중 다이 전단 강도는 접합의 결과로서 획득되어 제어값이 되지 않으므로, 다른 인자들을 제어해야 한다. 본 발명의 제 1 양태는 진동축 방향 유지력과 관성력을 제어하는 유닛을 가지므로, 인가되는 초음파 진동에 의해 다이 전단 강도가 증가되는 상태에서도, 진동축 방향 유지력을 다이 전단 강도와 관성력의 합 보다 더 높게 유지할 수 있다. 따라서, 툴/칩 접촉면에서의 슬라이딩 마찰의 발생을 억제할 수 있으므로, 툴/칩 접촉면 (18) 을 포함하는 측의 마모 방지를 보증할 수 있다.
접합 장치에 있어서, 유지력 제어 유닛은, 마운트 툴에 의해 유지되는 반도체 칩을 사용하여 마운트 툴로부터 그 마운트 툴의 접촉면으로 수직 부하를 인가하는 유닛과 그 마운트 툴내부에 설치되며 그 마운트 툴에 의해 유지되는 반도체 칩을 흡착하는 흡착 유닛 중 적어도 하나를 구비할 수도 있다.
그 구조에 따르면, 진동축 방향 유지력의 일부는, 마운트 툴 (11) 로부터 툴/칩 접촉면으로의 수직 부하력과 반도체 칩 (12) 의 흡착력의 합을 툴/칩 접촉면 (18) 의 마찰 계수와 곱함으로써 주어진다. 진동축 방향 유지력은 명확한 물리법칙에 따르기 때문에, 진동축 방향 유지력은 용이하고 정확하게 제어될 수 있다. 이는 툴/칩 접촉면 (18) 에서의 슬라이딩 마찰의 발생을 억제하는 조건을 충족시키는데 있어서의 제어의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
접합 장치에 있어서, 관성력 제어 유닛은 초음파 진동의 진동 주파수를 변동시키는 유닛과 상기 초음파 진동의 진동 진폭을 변동시키는 유닛 중 적어도 하나를 구비할 수도 있다.
초음파 진동으로부터 기인하는 관성력은 반도체 칩 (12), 진동 진폭 및 진동 주파수에 의해 결정된다. 이러한 구조는 상기 진폭과 주파수 중 적어도 하나를 제어할 수 있다. 따라서, 관성력을 직접적으로 제어할 수 있어, 툴/칩 접촉면 (18) 에서의 슬라이딩 마찰의 발생을 억제하는 조건을 충족시키는데 있어서의 제어의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
접합 장치에 있어서, 제어 관리 유닛은 미리 기억된 상기 다이 전단 강도의 변동에 대한 데이터를 보존하는 메모리 장치를 구비할 수도 있다.
이러한 구조에 있어서, 다이 전단 강도의 변동에 대한 정보가 메모리 장치에 미리 기억되므로, 진동축 방향 유지력과 관성력의 제어 방법을 미리 설정할 수 있다. 따라서, 관리 항목으로서 제공되는 상술한 조건식을 충족시키는 이러한 힘들을 제어하는데 있어서 제어 시간 지연이 발생하기가 어렵게 된다. 이는 툴/칩 접촉면 (18) 에서의 슬라이딩 마찰의 발생을 억제하는 조건을 충족시키는데 있어서의 제어의 신뢰성을 향상시킨다.
접합 장치에 있어서, 제어 관리 유닛은 다이 전단 강도 또는 그 대용특성을 측정하는 유닛을 포함할 수도 있다.
이 경우에, 다이 전단 강도의 변동에 대한 정보는 각 접합 가공마다 획득될 수 있다. 이는 진동축 방향 유지력 및 관성력을 높은 정밀도로 제어할 수 있으므로, 툴/칩 접촉면 (18) 에서의 슬라이딩 마찰의 발생을 억제하는 조건을 충족시키는데 있어서의 제어 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
접합 장치에 있어서, 제어 관리 유닛은 진동축 방향 유지력 또는 그 대용특성을 측정하는 유닛을 구비할 수도 있다.
이러한 구조에 있어서, 제어될 수 있는 진동축 방향 유지력의 실제 제어값에 대한 정보를 각 접합 가공마다 획득할 수 있다. 이는 진동축 방향 유지력을 고정밀도로 제어할 수 있으므로, 툴/칩 접촉면 (18) 에서의 슬라이딩 마찰의 발생을 억제하는 조건을 충족시키는데 있어서의 제어의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
상기 목적들을 달성하기 위해서, 본 발명의 제 2 양태에 따른 반도체 칩용 접합 방법은,
상기 반도체 칩의 접합부가 상기 반도체 칩에 접합되는 부품의 접합부와 접촉하는 접촉 영역에, 상기 반도체 칩을 유지하는 마운트 툴을 통하여, 초음파 진동을 인가하는 단계; 및
상기 마운트 툴에 의해 유지되는 상기 반도체 칩과 상기 마운트 툴과의 전체 접촉 계면의 초음파 진동축 방향의 전단 강도인 진동축 방향 유지력과 상기 마운트 툴에 의해 유지되는 상기 반도체 칩상에 상기 초음파 진동에 의해 발생되는 초음파 진동축 방향의 관성력을 제어하여, (진동축 방향 유지력) ＞ (다이 전단 강도) + (관성력) 의 관계를 유지하는 단계를 포함한다.
그 접합 방법에 따르면, 접합 영역의 면적이 초음파 진동의 인가에 의해 증가되는 상태에서도 조건식을 충족시키도록 진동축 방향 유지력과 관성력을 제어하여, 다이 전단 강도를 증가시킴으로써, 진동축 방향 유지력을 다이 전단 강도 및 관성력의 합 보다 더 높게 유지할 수 있다. 따라서, 툴/칩 접촉면에서의 슬라이딩 마찰의 발생을 억제하여, 툴/칩 접촉면 (18)을 포함하는 측의 마모방지를 보증할 수 있다.
이러한 접합 방법은 초음파 진동을 정지시키기 직전에, 상기 접합되는 2 개의 부품들의 접합부들 중 적어도 하나의 탄성 변형에 의해 상기 초음파 진동을 흡수할 수 있는 진폭으로 상기 초음파 진동을 감소시키는 단계를 더 포함할 수도 있다.
상기 방법이 접합 가공 직전에, 접합 영역의 탄성 변형에 의해 초음파 진동을 흡수할 수 있는 진폭으로 초음파 진동을 감소시키는 단계를 포함하므로, 접합되는 영역에서 슬라이딩 마찰을 발생시키지 않는 조건을 설정할 수 있다. 이에 의해 접합 영역에서의 부적절한 접합의 발생을 방지하면서 툴/칩 접촉 면에서의 슬라이딩 마찰의 발생을 억제할 수 있고, 접합 신뢰성을 향상시키면서 마운트 툴 (11) 의 툴/칩 접촉면 (18) 을 포함하는 면의 마모를 방지할 수 있다.
그 접합 방법은,
상기 접합되는 2 개의 부품들의 접합부들 중 적어도 하나의 구조를 선단이 돌출 형상을 가지는 소위 스터드 범프로 설계하는 단계;
상기 2 개의 부품들의 접합부들을 서로 접합 접촉시키는 단계; 및
상기 스터드 범프의 선단들의 돌출부들 중 적어도 하나를 탄성 변형시켜 접촉면적을 증가시키는 단계를 더 포함할 수도 있다.
이러한 구조는 초음파 진동의 인가에 의해 접합되는 접촉 영역들을 높은 재현성으로 제공할 수 있고, 초음파 진동이 개시된 이후의 다이 전단 강도의 시간에 따른 변화인 변동 프로파일의 재현성을 증가시킬 수 있다. 따라서, 각 접합 가공 마다 변동 프로파일을 측정하지 않고 규정되는 진동축 방향 유지력과 관성력의 제어 방법들을 이용하여 제어를 실행하는 경우에도, 툴/칩 접촉면 (18) 에서의 슬라이딩 마찰 발생을 억제하는 조건을 충족시키는데 있어서의 제어의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
그 접합 방법에 있어서, 초음파 진동이 인가되는 시간의 적어도 일부, 바람직하기로는 전체에 걸쳐서, 상기 접합되는 2 개의 부품들의 접합부들 중 적어도 하나를 가열할 수도 있다.
가열에 의해 2 개의 접합부들 중 하나를 탄성변형시키는 것이 용이하게 되므로, 다이 전단 강도가 감소된다. 접합부들 중 적어도 하나를 가열함으로써, 툴/칩 접합면 (18) 에서의 슬라이딩 마찰 발생을 억제하는 조건을 충족시키는데 있어서의 제어 자유도를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 제 2 양태 및 그 변형에 따른 접합 방법 중 임의의 하나에 있어서, 마운트 툴에 의해 유지되는 반도체 칩의 접합부의 구조는, 금, 알루미늄 및 구리 중 적어도 하나를 최상부 표면의 재료로서 가지는 범프일 수 있고, 상기 반도체 칩에 접합되는 또 다른 부품은 금, 알루미늄 및 구리 중 적어도 하나를 최상부 표면의 재료로서 가지는 패드를 구비하는 배선기판일 수 있다.
본 발명의 제 2 양태 및 그 변형들에 따른 접합 방법 중 임의의 하나에 있어서, 마운트 툴에 의해 유지되는 반도체 칩의 접합부의 구조는, 금, 알루미늄 및 구리 중 적어도 하나를 최상부 표면의 재료로서 가지는 패드일 수 있으며,
상기 반도체 칩에 접합되는 또 다른 부품은 접합부가 금, 알루미늄 및 구리 중 적어도 하나를 최상부 표면의 재료로서 가지는 구조의 배선 기판일 수도 있다.
본 발명의 제 2 양태 및 그 변형들에 따른 접합 방법 중 임의의 하나에 있어서, 상기 마운트 툴에 의해 유지되는 반도체 칩의 접합부의 구조는, 금, 알루미늄 및 구리 중 적어도 하나를 최상부 표면의 재료로서 가지는 패드일 수 있으며,
상기 접합되는 또 다른 부품은 금, 알루미늄 및 구리 중 적어도 하나를 최상부 표면의 재료로서 가지는 범프를 접합부의 구조로서 가지는 반도체 칩 또는 그 반도체 칩을 구성요소로서 구비하는 부품일 수도 있다.
본 발명의 제 2 양태 및 그 변형들에 따른 접합 방법 중 임의의 하나에 있어서, 상기 마운트 툴에 의해 유지되는 상기 반도체 칩의 접합부의 구조는, 금, 알루미늄 및 구리 중 적어도 하나를 최상부 표면의 재료로서 가지는 범프일 수 있으며,
상기 접합되는 또 다른 부품은 금, 알루미늄 및 구리 중 적어도 하나를 최상부 표면의 재료로서 가지는 패드를 구비하는 반도체 칩, 또는 그 반도체 칩을 구성요소로서 구비하는 부품일 수도 있다.
본 발명의 제 2 양태 및 그 변형들에 따른 접합 방법 중 임의의 하나에 있어서, 상기 마운트 툴에 의해 유지되는 상기 반도체 칩의 접합부의 구조는, 금, 알루미늄 및 구리 중 적어도 하나를 최상부 표면의 재료로서 가지는 범프일 수 있으며,
상기 반도체 칩에 접합되는 또 다른 부품은 금, 알루미늄 및 구리 중 적어도 하나를 최상부 표면의 재료로서 가지는 범프를 구비하는 또 다른 반도체 칩이거나, 또는 그 반도체 칩을 구성 요소로서 구비하는 부품일 수 있다.
본 발명의 제 2 양태 및 그것의 3 가지 변형들에 따른 접합 방법이, 접합 가공되는 반도체 칩 또는 또 다른 부품을 특별히 제한하지 않고, 툴/칩 접촉면 (18) 에서의 슬라이딩 마찰의 발생을 억제할 수 있으므로, 마지막의 4개의 변형들에 제공된 바와 같이 본 발명을 다양한 결합 형태에 적용할 수 있다. 따라서, 다수의 결합에 의한 부품들을 가공하는데 있어서 높은 신뢰성과 높은 생산성을 충족시키는 접합 방법을 제공할 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 실시예들은 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 간주되며, 본 발명은 여기서 설명된 세부사항들로 한정되는 것이 아니라 첨부된 청구범위의 범위내에서 변경될 수도 있다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 접합 장치의 개념도이다. 접합 장치는 도 1 의 초음파 접합 방법의 구조와 유사한 기본 구조를 가지며, 진동축 방향 유지력의 제어 유닛으로서 초음파 진동 발생부 (301), 진동 진폭 제어부 (302), 진동 주파수 제어부 (303), 마운트 툴 (11) 의 부하와 연관되는 수직부하부 (311) 와 부하력 제어부 (312), 반도체 칩 (12) 의 흡착과 연관되는 흡착부 (321) 와 흡착력 제어부 (322), 전술한 개별 제어부들에 제어값들을 부여하는 제어 관리부 (331), 및 다이 전단 강도의 변동에 관한 정보를 기억하는 메모리부 (332) 가 추가되어 있다.
실시예에 따른 접합 장치가 초음파 접합을 수행하는 경우에, 제어 관리부 (331) 는 메모리부 (332) 로부터의 정보에 기초하여 (진동축 방향 유지력) > (다이 절단 강도) + (관성력) 의 관계를 유지하도록, 진동 진폭 제어부 (302), 진동 주파수 제어부 (303), 부하력 제어부 (312), 및 흡착력 제어부 (322) 에 제어 정보를 제공한다.
각각의 제어부들은 수신된 제어 정보에 기초하여 초음파 진동 발생부 (301), 수직부하부 (311), 및 흡착부 (321) 를 제어한다. 그 결과, 초음파 진동 진폭, 초음파 진동 주파수, 수직 부하, 및 흡착력 중 적어도 하나가 시간에 따라 변화하여, 접합 가공 동안에 상기 조건식이 충족된다.
다음으로, 본 실시예를 더욱 자세히 설명한다.
본 실시예의 제어를 명확하게 하기 위하여, 상기 조건식의 제어 인자들을 상기 식의 좌변으로 이동시키면 아래와 같다.
(진동축 방향 유지력) - (관성력) ＞ (다이 전단 강도)
상기 진동축 방향 유지력은 {(수직 부하) + (흡착력)} ×(마찰 계수) 의 관계에 의해 정해지며, 관성력은 (반도체 칩 (12) 의 질량) ×(진동 진폭) ×(진동 각주파수)2 에 의해 정해진다. 마찰 계수는 마찰 재료에 의해 크게 영향받는 시스템 특성값이고, 반도체 칩 (12) 의 질량은 각 접합 가공에 있어서의 제어불가능한 인자이다. 따라서, 이러한 2 개의 인자들은 본 발명의 제어 인자들로서 제외된다.
따라서, 나머지 4 개의 인자들을 본 실시예의 제어 대상으로서 사용한다.
본 실시예의 4 개의 인자들을 제어하는 데 있어서, 접합 가공 중의 다이 전단 강도 변동 프로파일을 실험적으로 측정하고, 그 측정에 기초하여 각 인자의 제어 방법을 미리 결정하여, 이 정보가 제어 관리부 (331) 의 일부로서 포함되는 메모리부 (332) 에 보존되어 있다. 접합 가공의 개시이후에, 제어 관리부 (331) 는 메모리부 (332) 에 액세스하여 제어 방법을 획득하고, 각 인자를 제어하여 상기 조건식을 유지한다. 접합 가공 이전에 제어 방법을 제공하므로, 제어 지연을 최소화시킬 수 있다.
메모리부 (332) 에 기억되는 정보는 접합 실험의 결과로 한정되지 않으며 다양한 관련 정보의 종류들을 메모리부 (332) 에 기억시킬 수 있다. 예를 들어, 전회(前回) 이전에 수행되는 접합 가공에 의해 획득되는 정보를 기억할 수도 있고, 접합 가공의 반복 결과로서 각 제어 인자의 제어값이 변동하는 경우에는, 그 변동에 관한 정보를 기억할 수도 있다.
상기 제어에 의해 진동축 방향 유지력으로부터 관성력이 감소되는 실효적인 진동축 방향 유지력을 상기 다이 전단 강도보다 더 높게 유지할 수 있고, 접합 가공을 통하여 마운트 툴 (11) 과 반도체 칩 (12) 사이의 슬라이딩 마찰의 발생을 억제할 수 있다. 따라서, 본 실시예의 접합 장치는 마운트 툴 (11) 의 마모를 방지할 수 있으므로, 종래 기술에 비하여 마운트 툴 (11) 의 교환빈도를 감소시킬 수 있다. 따라서, 본 실시예는 종래 기술에 비하여 생산성을 현저하게 향상시킬 수 있다. 또한, 마운트 툴 (11) 의 마모가 방지됨에 의해 반도체 칩 (12) 이 마운트 툴 (11) 에 불완전하게 유지되는 것을 방지한다. 이는 접합 공정의 신뢰성을 향상시키고, 종래의 제조 방법에 의해 요구되었던 접합 이전의 마운트 위치 검사 공정을 생략할 수 있다. 또한, 마운트 툴 (11) 의 마모가 방지됨에 의해 반도체 칩 (12) 과 접촉하는 마운트 툴 (11) 의 표면 형상의 열화에 기인하는 반도체 칩 (12) 손상의 발생을 억제한다.
도 4 는 본 실시예의 접합 장치에 의해 실행되는 접합 가공시에 다이 전단 강도와 실효적인 진동축 방향 유지력의 시간에 따른 변화를 개념적으로 나타내는 그래프이다. 이 그래프에서는, 본 실시예의 이해를 돕기 위해서, 변동하는 다이 전단 강도를 이것에 대응하는 실효적인 진동축 방향 유지력과 비교하고 있다. 영역 (41) 에서는, 수직 부하만이 제어된다. 이후의 영역들 (42, 43, 및 44) 에서는, 흡착력, 초음파 진동 주파수 및 진동 진폭을 각각 제어 인자로서 추가하고 있다.
본 실시예에서는 각 제어부들의 기능들을 단계적으로 추가하지만, 본 실시예는 이러한 특정 경우로 한정되지 않는다. 예를 들어, 단지 하나의 제어부를 사용하는 것도 제어 관리부가 수행하는 하나의 제어 모드이고, 상기 가공 동안에 하나의 제어부를 정지시키는 것도 허용가능한 제어 모드들 중 하나로서 간주될 수도 있다. 제어값의 변화가 연속적이거나 또는 단계적이더라도 본 실시예에 실질적으로 영향을 주지 않는다.
그러나, 접합 가공의 최종 단계에서는, 초음파 진동 진폭을 감소시켜, 접합부 (13 또는 14) 의 탄성 변형에 의해 초음파 진동을 흡수할 수 있는 상태를 통하여 초음파 진동을 정지시키는 것이 유리하다. 접합부 (13 또는 14) 의 탄성 변형으로 대처할 수 없는 레벨의 초음파 진동 진폭이 주어지면, 접합 영역 (17) 에서는 금속 접합의 파단(破斷)이 발생한다. 이러한 파단은 금속 접합면을 확대하는데 중요하지만, 파단한 상태로 초음파 진동이 정지되면 접합 영역 (17) 의 금속 접합 면적이 감소되어, 바람직하지 않은 접촉 불량을 발생시킬 수도 있다.
접합 가공의 최종 단계에서는 초음파 진동 진폭을 감소시켜, 접합부 (13 또는 14) 의 탄성 변형에 의해 초음파 진동을 흡수할 수 있는 상태를 통하여 초음파 진동 진폭을 정지시킴으로써, 금속 접합 영역의 파단면의 형성을 최소화할 수 있다. 이는 접합 영역 (17) 의 접합 신뢰성을 현저하게 향상시킬 수 있으므로, 신뢰성 및 생산성 모두를 향상시키는데 현저한 효과가 있다.
상술한 장치들 중 접합부들에 범프들을 가지는 장치에 있어서, 선단들 중 적어도 하나가 돌출 형상을 가지는 소위 스터드 범프를 이용함으로써 개별 범프들의 접촉 면적을 균일하게 할 수 있다. 이는 각 접합 가공마다 다이 전단 강도의 상승 프로파일을 안정시킬 수 있다. 그 결과, 실효적인 진동축 방향 유지력의 제어 범위가 넓어져, 접합 가공 이전에 제공되는 제어 방법의 신뢰성이 향상된다. 따라서, 접합 가공의 신뢰성 및 생산성 모두를 매우 높은 레벨로 충족시킬 수 있다.
또한, 본 실시예의 접합 방법에서 접합 가공시에 접합부들 (13, 14) 중 적어도 하나를 일시적으로 가열하는 것은 유리하다. 접합 가공시에 초음파 진동을 인가함으로써 금속 접합을 형성하지만, 그 형성 메카니즘은 응착부의 성장, 소위 접합 성장의 경우에는, 접합에 사용되는 금속을 탄성 변형하기 용이한 것은 접합면적의 확대에 효과가 있다. 접합부들 (13, 14) 중 적어도 하나를 가열하면 탄성 변형이 발생하는 것을 용이하게 할 수 있으므로, 그 가공을 촉진하여 생산성을 향상시키는데 기여한다. 가열에 의해 접합부 (13 또는 14) 의 탄성 변형이 발생하는 것을 용이하게 하는 것은, 다이 전단 강도를 가열에 의해 감소시킬 수 있음을 의미한다. 접합부들 (13, 14) 중 적어도 하나를 접합 가공중에 일시적으로, 바람직하기로는 전체 접합 가공에 걸쳐서 가열하면, 툴/칩 접촉면 (18) 에서의 슬라이딩 마찰의 발생을 억제하는 조건을 충족시키는데 있어서의 진동축 방향 유지력 및 관성력의 제어 자유도를 증가시켜, 제어 신뢰성을 더 높게 한다.
본 실시예의 접합 방법은 마운트 툴 (11) 의 마모를 방지하기 위한 본질적이고 시스템적인 대책을 취하기 때문에, 상기 방법은 반도체 칩 (12) 과 또 다른 부품 (15) 의 제한 사항들 예를 들어, 마운트 장치와의 접촉면에 대한 재료의 지정을 적게 할 수 있다. 이는 본 실시예에서 마찰 계수 및 질량을 제어 인자들로부터 제외시키는 효과가 된다. 따라서, 본 발명은 다양한 종류의 부품의 결합의 접합가공에 대처할 수 있다. 이하는 선택가능한 특정 결합들의 일부이다.
(1) 툴 접촉 장치는 상부 표면이 주로 금 또는 구리로 이루어지는 범프를 접합부로서 가지는 반도체 칩이며, 대향하는 장치는 접합부로서 금패드를 가지는 회로 기판이다.
(2) 툴 접촉 장치는 상부 표면이 주로 금, 알루미늄 또는 구리로 이루어지는 패드를 접합부로서 가지는 반도체 칩이며, 대향하는 장치는 상부 표면이 주로 금 또는 구리로 이루어지는 범프를 접합부로서 가지는 회로 기판이다.
(3) 툴 접촉 장치는 상부 표면이 주로 금, 알루미늄 또는 구리로 이루어지는 패드를 접합부로서 가지는 반도체 칩이며, 대향하는 장치는 상부 표면이 주로 금 또는 구리로 이루어지는 범프를 접합부로서 가지는 반도체 칩이다.
(4) 툴 접촉 장치는 상부 표면이 주로 금, 알루미늄 또는 구리로 이루어지는 범프를 접합부로서 가지는 반도체 칩이며, 대향하는 장치는 상부 표면이 주로 금 또는 구리로 이루어지는 패드를 접합부로서 가지는 반도체 칩이다.
(5) 툴 접촉 장치는 상부 표면이 주로 금 또는 구리로 이루어지는 범프를 접합부로서 가지는 반도체 칩이며, 대향하는 장치는 상부 표면이 주로 금 또는 구리로 이루어지는 범프를 접합부로서 가지는 반도체 칩이다.
다음으로, 본 발명의 제 2 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다. 실시예를 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 간주한다.
도 5 는 본 발명의 실시예에 따른 접합 장치의 개념도이다. 접합 장치는 도 3 에 나타낸 것과 같이 초음파 접합 방법의 기본 구조를 가지며, 복수의 제어부, 제어 관리부 (531) 및 메모리 장치 (532) 를 가진다. 그러나, 이 실시예에서, 다이 전단 강도 또는 그 대용특성을 측정하는 다이 전단 강도 측정부 (533) 및 진동축 방향 유지력 또는 그 대용특성을 측정하는 유지력 측정부 (534) 는 제어 관리부 (531) 에 포함된다. 그 측정부들을 사용하여 각 접합 가공 마다 실제 데이터에 대한 정보를 제공할 수 있다.
이 실시예에서, 제어 관리부 (531) 는 다이 전단 강도 측정부 (533) 및 유지력 측정부 (534) 중 적어도 하나를 이용하여, 접합 동안의 실제 다이 전단 강도 또는 진동축 방향 유지력에 대한 정보를 획득하고, 필요에 따라 이러한 정보를 메모리 장치 (532) 로부터 획득되는 과거의 접합 가공에 대한 정보와 비교함으로써 제어를 수행한다.
상술한 것으로부터 명백한 바와 같이, 접합 가공 동안에 실제 정보를 획득하는 효과에 의해 다이 전단 강도의 우발적인 급변동 또는 진동축 방향 유지력의 우발적인 급변동에 대해서도 적절한 제어를 높은 정밀도로 실행할 수 있다. 이에 의해 툴/칩 접촉면에서의 슬라이딩 마찰의 발생을 억제하는 조건의 유지에 있어서의 제어의 신뢰성을 증가시킬 수 있다.
요컨대, 본 발명에 따르면, 접합시에 다이 전단 강도와 연관되는 실효적인 진동축 방향 유지력을 제어하는 메카니즘을 가지는 장치를 이용하여, 실효적인 진동축 방향 유지력을 다이 전단 강도보다 더 큰 상태로 유지함으로써, 마운트 툴과 마운트 툴에 의해 유지되는 반도체 칩 사이의 계면에서의 슬라이딩 마찰의 발생을 억제하여 마운트 툴의 표면의 마모를 방지할 수 있다.
도 1 은 초음파 접합을 사용한 반도체 칩 접합 방법의 개념도.
도 2 는 접합 가공시의 다이 절단 강도와 진동축 방향 유지력의 시간에 따른 변화를 나타내는 그래프.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 접합 장치의 개념도.
도 4 는 실시예에 따른 접합 가공시의 다이 절단 강도와 실효적인 진동축 방향 유지력의 시간에 따른 변화를 나타내는 그래프.
도 5 는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 접합 장치의 개념도.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11 : 마운트 툴 12 : 반도체 칩
13, 14 : 접합부 15 : 부품
16 : 스테이지 17 : 접합 영역
18 : 툴/칩 접촉면 301 : 초음파 진동 발생부
302 : 진동진폭 제어부 303 : 진동주파수 제어부
311 : 수직부하부 312 : 부하력 제어부
321 : 흡착부 322 : 흡착력 제어부
331 : 제어관리부 332 : 메모리부

Claims (15)

  1. 반도체 칩의 접합부가 상기 반도체 칩에 접합되는 또 다른 부품의 접합부와 접촉되는 접촉 영역에, 상기 반도체 칩을 유지하는 마운트 툴을 통하여 초음파 진동을 인가하여, 상기 초음파 진동에 의해 상기 접합되는 상기 반도체 칩과 상기 부품사이에 형성되는 전체 접합 영역의 초음파 진동축 방향의 전단 강도인 다이 전단 강도를 증가시키는 초음파 진동 발생 유닛;
    상기 마운트 툴에 의해 유지되는 상기 반도체 칩과 상기 마운트 툴과의 전체 접촉 계면의 상기 초음파 진동축 방향의 전단 강도 또는 진동축 방향 유지력을 제어하는 유지력 제어 유닛;
    상기 마운트 툴에 의해 유지되는 상기 반도체 칩상에 상기 초음파 진동에 의해 발생되는, 상기 초음파 진동축 방향의 관성력을 제어하는 관성력 제어 유닛; 및
    (진동축 방향 유지력) ＞ (다이 전단 강도) + (관성력) 의 관계를 유지하는 제어 관리 유닛을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체칩의 접합 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유지력 제어 유닛은, 상기 마운트 툴로부터 상기 마운트 툴에 의해 유지되는 상기 반도체 칩과 상기 마운트 툴과의 접촉면으로 수직 부하를 인가하는 유닛 및, 상기 마운트 툴 내부에 설치되며 상기 마운트 툴에 의해 유지되는 상기 반도체 칩을 흡착하는 흡착 유닛 중 적어도 하나를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체칩의 접합 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 관성력 제어 유닛은 상기 초음파 진동의 진동 주파수를 변동시키는 유닛과 상기 초음파 진동의 진동 진폭을 변동시키는 유닛 중 적어도 하나를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체칩의 접합 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 관리 유닛은 미리 기억된 상기 다이 전단 강도의 변동에 대한 데이터를 보존하는 메모리 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체칩의 접합 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 관리 유닛은 상기 다이 전단 강도 또는 그 대용특성을 측정하는 유닛을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체칩의 접합 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 관리 유닛은 상기 진동축 방향 유지력 또는 그 대용특성을 측정하는 유닛을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체칩의 접합 장치.
  7. 반도체 칩의 접합부가 상기 반도체 칩에 접합되는 또 다른 부품의 접합부와 접촉하는 접촉 영역에, 상기 반도체 칩을 유지하는 마운트 툴을 통하여 초음파 진동을 인가하는 단계; 및
    상기 마운트 툴에 의해 유지되는 상기 반도체 칩과 상기 마운트 툴과의 전체 접촉 계면의 상기 초음파 진동축 방향의 전단 강도인 진동축 방향 유지력, 및 상기 마운트 툴에 의해 유지되는 상기 반도체 칩상에 상기 초음파 진동에 의해 발생되는 상기 초음파 진동축 방향의 관성력을 제어하여, (진동축 방향 유지력) ＞ (다이 전단 강도) + (관성력) 의 관계를 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체칩의 접합 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 초음파 진동을 정지시키기 직전에, 상기 접합되는 2 개의 부품들의 접합부들 중 적어도 하나의 탄성 변형에 의해 상기 초음파 진동을 흡수 할 수 있는 진폭으로 상기 초음파 진동을 감소시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체칩의 접합 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 접합되는 2 개의 부품들의 접합부들 중 적어도 하나의 구조를 선단이 돌출 형상을 가지는 소위 스터드 범프로 설계하는 단계;
    상기 2 개의 부품들의 상기 접합부들을 서로 접합 접촉시키는 단계; 및
    상기 스터드 범프의 선단들의 돌출부들 중 적어도 하나를 탄성 변형시켜 접촉면적을 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체칩의 접합 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 초음파 진동이 인가되는 시간의 적어도 일부에 걸쳐서, 상기 접합되는 2 개의 부품들의 접합부들 중 적어도 하나를 가열하는 것을 특징으로 하는 반도체칩의 접합 방법.
  11. 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마운트 툴에 의해 유지되는 상기 반도체 칩의 상기 접합부의 구조는 금, 알루미늄 및 구리 중 적어도 하나를 최상부 표면의 재료로서 가지는 범프이며,
    상기 반도체 칩에 접합되는 상기 부품은 금, 알루미늄 및 구리 중 적어도 하나를 최상부 표면의 재료로서 가지는 패드를 구비하는 배선기판인 것을 특징으로 하는 반도체칩의 접합 방법.
  12. 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마운트 툴에 의해 유지되는 상기 반도체 칩의 상기 접합부의 구조는 금, 알루미늄 및 구리 중 적어도 하나를 최상부 표면의 재료로서 가지는 패드이며,
    상기 반도체 칩에 접합되는 상기 부품은 접합부가 금, 알루미늄 및 구리 중 적어도 하나를 최상부 표면의 재료로서 가지는 구조의 배선 기판인 것을 특징으로 하는 반도체칩의 접합 방법.
  13. 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마운트 툴에 의해 유지되는 상기 반도체 칩의 상기 접합부의 구조는, 금, 알루미늄 및 구리 중 적어도 하나를 최상부 표면의 재료로서 가지는 패드이며,
    상기 반도체 칩에 접합되는 상기 부품은 금, 알루미늄 및 구리 중 적어도 하나를 최상부 표면의 재료로서 가지는 범프를 구비하는 또 다른 반도체 칩이거나, 또는 상기 또 다른 반도체 칩을 구성 요소로서 구비하는 부품인 것을 특징으로 하는 반도체칩의 접합 방법.
  14. 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마운트 툴에 의해 유지되는 상기 반도체 칩의 상기 접합부의 구조는 금, 알루미늄 및 구리 중 적어도 하나를 최상부 표면의 재료로서 가지는 범프이며,
    상기 반도체 칩에 접합되는 상기 부품은 금, 알루미늄 및 구리 중 적어도 하나를 최상부 표면의 재료로서 가지는 패드를 구비하는 또 다른 반도체 칩인 것을 특징으로 하는 반도체칩의 접합 방법.
  15. 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마운트 툴에 의해 유지되는 상기 반도체 칩의 상기 접합부의 구조는 금, 알루미늄 및 구리 중 적어도 하나를 최상부 표면의 재료로서 가지는 범프이며,
    상기 반도체 칩에 접합되는 상기 또 다른 부품은 금, 알루미늄 및 구리 중 적어도 하나를 최상부 표면의 재료로서 가지는 범프를 구비하는 또 다른 반도체 칩이거나, 또는 상기 또 다른 반도체 칩을 구성 요소로서 구비하는 부품인 것을 특징으로 하는 반도체칩의 접합 방법.
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