KR20020079991A - 칩 실장 방법 및 장치 - Google Patents

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데라다가쯔미
야마우찌아끼라
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토레이 엔지니어링 컴퍼니, 리미티드
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Abstract

본 발명은 칩에 형성한 범프를 기판에 형성한 전극에 저합할 때에 칩과 기판 사이를 개방 상태로 유지하면서, 적어도 범프 주위 부분을 향해 퍼지 가스를 국부적으로 흘리고, 상기 퍼지 가스 분위기 하에서 범프를 전극에 접합하는 것을 특징으로 하는 칩 실장 방법 및 칩 실장 장치이다. 이 칩 실장 방법 및 장치에 의해, 공기로부터의 밀봉이 필요한 범프 주위 부분의 퍼지 가스 농도를 국부적으로 효율 좋게 올릴 수 있어 범프의 이차 산화를 효과적으로 방지할 수 있다.

Description

칩 실장 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR MOUNTING CHIP}
칩에 범프를 형성하고, 칩을 페이스 다운의 형으로 기판에 근접시켜 범프를 기판 전극에 접촉시킨 후, 칩의 범프를 가열 용융시켜 기판 전극과 접합하도록 한 칩의 실장 방법은 잘 알려져 있다. 이와 같은 범프를 사용한 칩 실장 방법에 있어서는 가열에 의해 범프가 산화성 가스 분위기 하에서 이차 산화될 우려가 있다. 이차 산화가 발생하면, 즉 범프의 표면에 산화물이 존재하면, 범프와 기판 전극의 목표로 하는 접합 상태를 얻을 수 없는 우려가 있다. 기판 전극에는, 통상 금 도금 등이 실시되어 있으므로, 기판 전극측에는 이차 산화의 우려는 없다.
종래로부터 범프의 이차 산화를 방지하기 위해, 칩과 기판 사이에 질소 가스를 퍼지 가스(purge gas)로서 취입하는 방법이 알려져 있고, 질소 가스 분위기 하에서 범프를 기판 전극에 접합하도록 하고 있다. 예를 들어 도7에 도시한 바와 같이, 기판(101) 주위를 둘러싸도록 챔버(102)를 설치하고, 이 챔버(102) 내에 질소 가스(103)를 취입하여 챔버(102) 내의 공기를 질소 가스로 치환하는 동시에, 상방으로부터 공구(104)에 보유 지지된 칩(105)을 강하시켜 챔버(102) 내의 질소 가스 분위기 하에서 칩(105)의 범프(106)를 기판(101)의 전극(107)에 접합하도록 하고 있다.
그런데, 상기와 같은 종래의 챔버(102)를 이용한 방법에서는, 특히 챔버(102)의 공구 승강용 개구부(108)로부터 외부 공기(109)를 권취해 버리고, 현실적으로는 챔버(102) 내의 질소 가스 농도를 이차 산화 방지에 유효한 농도로까지 올리는 것은 곤란하였다.
또한, 이차 산화 방지의 관점으로부터 보면, 범프 주위 부분만이 질소 가스로 인해 산화성 공기로부터 밀봉되면 좋겠지만, 챔버(102) 내 전체에 대해 질소 가스를 취입하고 있는 것 및 권취된 공기가 소용돌이형으로 혹은 랜덤하게 챔버(102) 내를 유동하는 것으로부터 범프 주위 부분만 질소 가스 농도를 올릴 수는 없었다.
본 발명은 칩 실장 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 칩을 기판에 실장할 때에 범프(bump)의 이차 산화(가열에 기인하는 산화)를 효율적으로 방지할 수 있도록 한 칩 실장 방법 및 장치에 관한 것이다.
도1은 본 발명의 일실시 형태에 관한 칩 실장 장치의 개략 부분 측면도이다.
도2는 도1의 장치에 있어서의 칩과 기판의 접합 후의 일형태를 도시한 개략 단면도이다.
도3은 본 발명의 다른 실시 형태에 관한 칩 실장 장치의 개략 부분 측면도이다.
도4는 본 발명의 또 다른 실시 형태에 관한 칩 실장 장치의 공구측 개략 종단면도이다.
도5는 도4의 장치의 V-V선에 따른 횡단면도이다.
도6은 도4의 장치의 VI-VI선에 따른 횡단면도이다.
도7은 종래의 칩 실장 장치의 개략 구성도이다.
그래서, 본 발명의 목적은 공기로부터의 밀봉이 실제로 필요한 범프 주위 부분의 퍼지 가스 농도(예를 들어 질소 가스 농도)를 효율적으로 올릴 수 있어, 범프의 이차 산화를 보다 확실하게 방지 가능한 칩 실장 방법 및 그 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 관한 칩 실장 방법은 칩 및 기판의 적어도 한 쪽에 형성한 범프를 다른 쪽에 형성한 전극에 접합할 때, 칩과 기판 사이를 개방 상태로 유지하면서, 적어도 범프 주위 부분을 향해 퍼지 가스를 국부적으로 흘려 상기 퍼지 가스 분위기 하에서 범프를 전극에 접합하는 것을 특징으로하는 방법으로 이루어진다.
본 발명에 있어서 사용하는 퍼지 가스로서는, 질소 가스나 아르곤 가스 등의 불활성 가스, 환원성 가스, 치환 가스(예를 들어, 범프측 표면에 있어서 불소기로 치환 가능한 가스) 등을 이용할 수 있다. 요컨대, 공기로 대표되는 산화성 분위기를 형성하고 있는 기체를 퍼지하고, 비산화성 분위기를 형성할 수 있는 가스면 된다. 또한, 본 발명에 있어서의 칩이라 함은, 예를 들어 IC 칩, 반도체 칩, 광소자, 웨이퍼 등 기판과 접합시키는 측의 모든 형태의 것을 포함한다. 또한, 기판이라 함은, 예를 들어 수지 기판, 유리 기판, 필름 기판 등, 칩이나 웨이퍼 등과 접합되는 대상물의 모든 형태의 것을 포함한다.
또한, 본 발명에 있어서는, 범프는 칩 및 기판의 적어도 한 쪽에 형성된다. 즉, (A) 범프가 칩에 형성되어 기판에 전극이 형성되는 경우와, (B) 범프가 기판에 형성되어 칩에 전극이 형성되는 경우와, (C) 칩과 기판의 양 쪽에 범프가 형성되는 경우가 있다. 따라서, 특히 상기 (C)의 경우에는, 본 발명에 있어서의「전극」이라 함은 범프를 포함하는 기술 개념을 의미한다.
본 발명에 관한 칩의 실장 방법에 있어서는, 퍼지 가스는 주위로부터 공기를 권취하지 않도록 저속으로 국부적으로 유입된다. 예를 들어, 퍼지 가스는 실질적으로 층류 상태에서 칩과 기판과의 간극의 측방으로부터 유입된다. 혹은, 퍼지 가스는 칩을 보유 지지하고 있는 공구측에 설치된 취출구로부터 적어도 범프 주위 부분을 향해 천천히 취출된다.
또한, 퍼지 가스 취출에 의해 범프 접합시의 가열 온도를 크게 저하시키지않도록 하기 위해서는, 퍼지 가스는 가열된 후, 범프 주위 부분을 향해 흘리게 되는 것이 바람직하다.
본 발명에 관한 칩 실장 장치는 칩을 보유 지지하는 공구와, 상기 공구의 하방에 설치되고, 기판을 보유 지지하는 기판 보유 지지 스테이지를 갖고, 칩 및 기판의 적어도 한 쪽에 형성한 범프를 다른 쪽에 형성한 전극에 접합하는 칩 실장 장치에 있어서, 상기 접합 전에 개방 상태에 있는 칩과 기판과의 간극 중 적어도 범프 주위 부분을 향해 국부적으로 퍼지 가스를 취출하는 퍼지 가스 취출 수단을 마련한 것을 특징으로 하는 것으로 이루어진다. 여기서, 공구는 히터를 구비하고 있는 형태라도 좋고, 아니어도 좋다.
이 칩 실장 장치에 있어서는, 퍼지 가스 취출 수단이 교환 가능하게, 바람직하게는 자동 교환 가능하게 설치되어 있는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 칩의 사이즈나 기판의 종류마다 가장 적절한 퍼지 가스 취출 수단을 이용하는 것이 가능해진다.
또한, 퍼지 가스 취출 수단으로서는 취출되는 퍼지 가스를 취출 전에 가열하는 수단을 갖는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, 퍼지 가스 취출에 의한 범프 접합시의 가열 온도의 저하를 방지 또는 억제할 수 있다.
또한, 퍼지 가스 취출 수단에는 취출되는 퍼지 가스의 유속 또는 유량을 제어하는 수단이 접속되어 있는 것이 바람직하다. 이 유량 제어 수단에 의해, 공기의 권취를 억제한 가장 적절한 퍼지 가스의 취출이 가능해진다.
상기와 같은 본 발명에 관한 칩 실장 방법 및 장치에 있어서는, 칩과 기판사이를 개방 상태로 하여 이 사이에 퍼지 가스가 취입되므로, 종래의 챔버 방식의 경우와 같은 공기를 권취하기 쉬운 특정한 부위[예를 들어, 도7에 도시한 개구부(108)]는 형성되지 않는다. 또한, 챔버가 존재하지 않는 개방 상태이므로 퍼지 가스 취출구를 칩 하면, 특히 범프에 근접시켜 퍼지 가스를 취출하는 것이 가능해진다. 그리고 취출되는 퍼지 가스의 유속을 주위로부터 다량의 공기를 권취하지 않은 유속, 예를 들어 층흐름을 형성할 정도의 느린 유속으로 함으로써, 비교적 소량의 취출 퍼지 가스량이면서 취출된 퍼지 가스를 효율적으로 범프 주위 부분으로 흘리거나, 혹은 저류할 수 있어 그 부분의 퍼지 가스 농도가 국부적으로 고농도로 유지된다. 그 결과, 범프의 이차 산화가 효과적으로 방지되어 이차 산화의 발생이 없는 바람직한 상태에서 범프와 전극이 접합된다. 그 결과, 칩이 원하는 상태에서 효율적으로 용이하게 기판에 실장된다.
또한, 퍼지 가스 취출 수단을 자동 교환 가능하게 하면, 칩 사이즈 등에 따라서 보다 가장 적절한 접합을 달성할 수 있다. 또한, 퍼지 가스를 취출 전에 가열하면, 퍼지 가스 취출에 의한 접합부의 온도 저하를 억제하여 보다 효율적으로 단시간에 범프를 전극에 접합하는 것이 가능해진다.
이하에 본 발명의 바람직한 실시 형태를 도면을 참조하면서 설명한다.
도1은 본 발명의 일실시 형태에 관한 칩의 실장 방법에 있어서의 칩 실장 직전의 상태를 도시하고 있고, 칩측에 범프를 형성하고, 기판측에 전극을 형성한 경우를 도시하고 있다. 도1에 있어서, 칩 실장 장치(1)는 범프(2)(예를 들어, 땜납 범프)가 형성된 칩(3)을 흡착 등에 의해 보유 지지하는 공구(4)와, 전극(5)이 형성된 기판(6)을 흡착 등에 의해 보유 지지하는 기판 보유 지지 스테이지(7)를 갖고 있다. 공구(4)에는 히터가 내장되어 있고, 칩(3)을 하강시켜 범프(2)를 기판의 전극(5)에 접촉시킨 후, 범프(2)를 가열 용융시켜 전극(5)과 접합하도록 되어 있다.
접합 전에 있어서는, 칩(3)과 기판(6) 사이는 챔버 등이 존재하지 않는 개방 상태에 있고, 이 간극의 측방에 국부적으로 퍼지 가스를 취출하는 퍼지 가스 취출 수단(8)이 설치된다. 본 실시 형태에서는 취출되는 퍼지 가스로서, 질소 가스가 이용되고 있다. 이 퍼지 가스 취출 수단(8)은 출몰 가능하게 설치되어도 좋고, 고정 배치되어 있어도 좋다. 이 퍼지 가스 취출 수단(8)에는 취출구(9)가 설치되어있고, 취출구(9)로부터는 퍼지 가스(10)(질소 가스)가 특히 칩(3)의 범프(2) 주위 부분을 향해 국부적으로 취출된다. 이 퍼지 가스(10)의 취출에 의해, 칩(3)과 기판(6) 사이에 존재하고 있던 공기(11)는 반대측의 측방으로 압출되고, 특히 범프(2) 주위 부분이 퍼지 가스로 치환되어 비산화성 분위기가 된다.
상기 퍼지 가스에 의한 치환시에 공기를 효율적으로 압출하고, 또한 주위로부터의 공기를 최대한 권취하지 않도록 하기 위해서는, 퍼지 가스의 취출 유속을 낮게 억제할 필요가 있다. 예를 들어, 취출된 퍼지 가스의 흐름이 층흐름 상태가 될 정도의 저유속으로 억제하는 것이 바람직하다. 이와 같은 저취출 유속으로 제어하기 위해, 취출구(9)를 향해 퍼지 가스를 공급하는 유로(12)에 취출되는 퍼지 가스의 유속 또는 유량을 제어 가능한 유량 제어 밸브(13)가 설치되어 있다. 유량 제어 밸브(13)의 상류측은 도시를 생략한 적당한 퍼지 가스 공급원으로 접속하면 된다.
상기와 같이 구성된 칩 실장 장치(1)에 있어서는, 칩(3)이 기판(6)에 접합되기 전에 퍼지 가스 취출 수단(8)으로부터 취출된 퍼지 가스에 의해, 특히 칩(3)의 범프(2) 주위 부분의 공기가 배제되어 퍼지 가스로 치환된다. 이 때, 주위로부터의 공기의 권취도 억제되므로, 적어도 범프(2) 주위 부분은 국부적으로 높은 퍼지 가스 농도로 유지된다. 따라서, 접합 전 범프의 이차 산화가 매우 효율적으로 방지된다. 이 상태에서 범프(2)가 기판 전극(5)에 접촉되어 가열 용융에 의해 전극(5)에 접합된다. 이차 산화의 발생이 방지되어 있으므로, 범프(2)와 전극(5)은 문제점을 발생시키는 일 없이 전기적으로 양호하게 접합된다.
이 접합시에는 접합 전 혹은 접합 후에, 예를 들어 도2에 도시한 바와 같이 칩(3)과 기판(6) 사이에 언더필제(14)가 충전되어도 좋다. 언더필제(14)의 충전에 의해 접합부가 외부 분위기로부터 밀봉되는 동시에, 칩(3)과 기판(6)의 접합 상태가 한층 견고한 것이 된다.
도3은 본 발명의 다른 실시 형태에 관한 칩 실장 장치(21)를 도시하고 있다. 본 실시 형태에 있어서는, 퍼지 가스 취출 수단(22)이 공구(23)와 일체적으로 구성되어 있다. 공구(23)의 하면측에 퍼지 가스 취출구(24)가 경사 하방을 향해 개구되어 있고, 퍼지 가스 취출구(24)를 거쳐서 기판(25)측을 향해, 특히 범프(26)가 형성된 칩(27)의 하면측을 향해 퍼지 가스(28)가 취출되도록 되어 있다. 취출된 퍼지 가스(28)는 칩(27)과 기판(25) 사이에 존재하고 있던 공기(29), 특히 범프(26) 주위 부분의 공기를 압출한다. 이 퍼지 가스 취출에 있어서도, 주위의 공기를 권취하지 않도록 상기 실시 형태와 마찬가지로 천천히 취출되는 것이 바람직하다.
본 실시 형태에서는 공구(23)측으로부터 국부적으로 퍼지 가스가 취출되므로, 도3에 도시한 바와 같이 이 후에 칩 실장을 행하는 위치의 주위에 이미 실장된 칩(30)이나 다른 부품(31)이 있는 경우, 예를 들어 멀티 칩 실장의 경우 등에 특히 적합한 것이다.
도4 내지 도6은 본 발명의 또 다른 실시 형태에 관한 칩 실장 장치의 공구측 구성을 도시하고 있다. 공구(41) 홀더(42)의 하단부에는 교환 가능한, 바람직하게는 자동 교환 가능한 부속품(43)이 실장되어 있다. 이 부속품(43) 하면에 흡착에의해 범프(44)가 형성된 칩(45)이 보유 지지되도록 되어 있다. 부속품(43)은 홀더(42) 하면에 형성된 환형의 공구 흡착 홈(46)으로부터의 흡입에 의해 홀더(42) 하면에 흡착 보유 지지되고, 흡입 통로(47)를 거친 흡입 동작의 제어에 의해 용이하게 자동 교환 가능하게 되어 있다. 칩(45)은 홀더(42)와 부속품(43)을 관통하여 연장되는 칩 흡착 구멍(48)에 의한 흡입에 의해 흡착 보유 지지된다.
홀더(42) 내에는 퍼지 가스 가열용 히터(49)가 매설되어 있고, 그 히터(49)의 매설부에 인접시켜 한 쌍의 반원호형으로 연장되는 가열 루프(50)가 퍼지 가스 가열용 유로로서 형성되어 있다. 퍼지 가스는 퍼지 가스 취출 통로(53)로부터 가열 루프(50) 내로 유입되고, 가열 루프(50) 내에서 가열된 퍼지 가스가 하방으로 연장되는 유로(51)를 통해 부속품(43) 하면측이 개구된 퍼지 가스 취출구(52)로부터 취출된다. 퍼지 가스는 칩(45)의 범프(44) 주위 부분을 향해 국부적으로 느린 유속으로 취출된다.
취출되는 퍼지 가스를 미리 가열해 둠으로써, 퍼지 가스 취출에 의한 온도 저하를 억제하고, 범프(44)를 접합할 때에 고온으로 유지된 상태에서 계속해서 범프(44)를 가열 접합할 수 있게 된다. 이 형태에 있어서도 국부적으로 취출된 퍼지 가스에 의해 범프(44) 주위 부분의 퍼지 가스 농도가 높아지고, 이차 산화가 방지되어 원하는 접합이 효율적으로 행해진다.
또한, 부속품(43)에 퍼지 가스 취출구(52)가 개구되어 있고, 부속품(43)도 용이하게 자동 교환할 수 있도록 되어 있으므로, 칩(45)의 종류나 사이즈에 따라서 가장 적절한 퍼지 가스 취출 상태를 실현할 수 있다.
또한, 상기 각 실시 형태에 있어서 기판(6, 25)에 설치된 전극(5)에는 전기적인 배선을 수반한 전극, 전기적인 배선을 수반하고 있지 않은 더미 전극 등, 통전에 관계없이 칩에 설치된 범프(2, 26, 44)와 접촉하는 측의 모든 형태가 포함된다.
또한, 칩(3, 27, 45)에 설치된 범프(2, 26, 44)에는 전기적인 배선을 수반하고 있거나 수반하지 않는 등의 통전에 관계없이, 기판(6, 25)에 설치된 전극(5)과 접촉하는 측의 모든 형태가 포함된다.
본 발명에 관한 칩 실장 방법 및 장치는 칩을 기판에 실장하는 모든 장치에 적용할 수 있고, 칩 본딩 장치에 한정되지 않아 칩을 가접합하는 마운터에도 적용할 수 있다. 범프의 이차 산화가 효율적으로 방지되므로, 칩과 기판의 원하는 접합이 바람직한 조건하에서 용이하게 행해진다.

Claims (8)

  1. 칩 및 기판의 적어도 한 쪽에 형성한 범프를 다른 쪽에 형성한 전극에 접합할 때에, 칩과 기판 사이를 개방 상태로 유지하면서, 적어도 범프 주위 부분을 향해 퍼지 가스를 국부적으로 흘리고,
    상기 퍼지 가스 분위기 하에서 범프를 전극에 접합하는 것을 특징으로 하는 칩 실장 방법.
  2. 제1항에 있어서, 퍼지 가스를 실질적으로 층흐름 상태에서 칩과 기판과의 간극의 측방으로부터 유입시키는 것을 특징으로 하는 칩 실장 방법.
  3. 제1항에 있어서, 퍼지 가스를, 칩을 보유 지지하고 있는 공구측에 설치된 취출구로부터 취출하는 것을 특징으로 하는 칩 실장 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 퍼지 가스를 가열한 후, 범프 주위 부분을 향해 흘리는 것을 특징으로 하는 칩 실장 방법.
  5. 칩을 보유 지지하는 공구와, 상기 공구의 하방에 설치되어 기판을 보유 지지하는 기판 보유 지지 스테이지를 갖고, 칩 및 기판의 적어도 한 쪽에 형성한 범프를 다른 쪽에 형성한 전극에 접합하는 칩 실장 장치에 있어서,
    상기 접합 전에 개방 상태에 있는 칩과 기판의 간극 중 적어도 범프 주위 부분을 향해 국부적으로 퍼지 가스를 취출하는 퍼지 가스 취출 수단을 설치한 것을 특징으로 하는 칩 실장 장치.
  6. 제5항에 있어서, 퍼지 가스 취출 수단이 교환 가능하게 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 칩 실장 장치.
  7. 제5항에 있어서, 퍼지 가스 취출 수단이 취출되는 퍼지 가스를 취출 전에 가열하는 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 칩 실장 장치.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 퍼지 가스 취출 수단으로 취출되는 퍼지 가스의 유속 또는 유량을 제어하는 수단이 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 칩 실장 장치.
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