KR20090106546A - 본딩 장치 및 본딩 방법 - Google Patents

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Abstract

금속 나노 페이스트를 사용하여 반도체 다이(12)의 전극과 회로기판(19)의 전극을 접합하는 본딩 장치(10)에 있어서, 금속 나노 페이스트의 미액적을 전극상에 사출하여 범프를 형성하는 범프 형성 기구(20)와, 반도체 다이(12)의 범프를 회로기판(19)의 범프에 압부하여 각 전극을 비도통 상태에서 1차 접합하는 1차 접합 기구(50)와, 1차 접합된 각 범프를 접합 방향을 향하여 가압하는 가압기를 포함하고, 범프를 금속 나노 페이스트의 바인더 제거 온도 및 금속 나노 페이스트의 분산제 제거 온도보다 높은 온도까지 가열하여 바인더 및 분산제를 제거하고, 범프의 금속 나노 입자를 가압 소결시켜 각 전극이 도통하도록 2차 접합하는 2차 접합 기구(80)를 구비한다. 이것에 의해 접합 하중을 저감함과 아울러 간편한 방법으로 효율적으로 각 전극의 접합을 행할 수 있다.
Figure P1020097015522
반도체 다이, 전극, 기판, 본딩 장치, 분산제, 금속 나노 입자, 바인더, 금속 나노 페이스트, 미액적, 범프, 접합 기구, 가압기

Description

본딩 장치 및 본딩 방법{BONDING APPARATUS, AND BONDING METHOD}
본 발명은 금속 나노 페이스트를 사용하여 전극을 접합하는 본딩 장치 및 본딩 방법에 관한 것이다.
반도체 다이 등의 전자 부품의 전극과 회로기판상의 회로 패턴의 전극과의 접합에는 일본 특허 공개 평9-326416호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, 반도체 다이 등의 전자 부품의 전극 패드상에 땜납 범프를 형성하고, 형성한 땜납 범프를 회로기판의 전극을 향해 하향으로 배치하고, 가열하여 접합하는 방법이 사용되고 있다. 또 일본 특허 공개 평10-150075호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, 반도체 다이 등의 전자 부품의 전극면상에 형성한 금 범프의 표면에 도전성 접합제를 도포하고, 반도체 다이를 반전시켜 금 범프를 회로기판의 전극을 향해 압부한 후에, 접합 부위를 가열하여 반도체 다이의 전극을 회로기판의 회로 패턴의 전극에 접합하는 플립칩 본딩 방법이 사용되고 있다.
그러나 일본 특허 공개 평9-326416호 공보에 기재된 종래 기술과 같이, 땜납을 사용하여 전자 부품을 3차원 적층 접합하고자 하면 접합시의 가열에 의해 앞서 접합한 접합부를 용융시켜 버려, 접합의 신뢰성이 저하되어 버리는 경우가 있다. 이 때문에 땜납 범프를 사용하지 않고 각 전극을 접합하는 방법으로서 금속의 초미 립자를 포함하는 금속 페이스트를 사용하는 다양한 방법이 제안되고 있다.
일본 특허 공개 평9-326416호 공보에는 회로기판의 단자 전극상에 은의 초미분말을 용제에 분산시켜 조제한 은미립자 페이스트의 볼을 형성하고, 반도체 소자의 전극을 회로기판의 단자 전극상에 형성한 볼상에 페이스 다운법으로 접합한 후에 은미립자 페이스트 중의 톨루엔 등의 용제를 증발시킨 후, 100 내지 250℃의 온도에서 소성하여 반도체 소자와 회로기판을 전기적으로 접합하는 방법이 제안되고 있다. 이 방법의 경우 소성 온도를 200 내지 250℃로 했을 때에는 열풍노에서 30분간의 소성을 행함으로써 전기적 접합을 실현할 수 있다고 기재되어 있다.
일본 특허 공개 2006-54212호 공보에는, 기판의 전극의 표면에 평균 입경이 30nm 이하의 금속 나노 입자와 분산제를 포함한 금속 나노 입자 페이스트를 인쇄한 후, 금속 나노 페이스트를 가열 양생하여 기판의 전극의 표면에 금속 나노 입자가 소결한 금속 나노 입자막을 형성하고, 이 금속 나노 입자막에 반도체 다이의 전극에 형성한 범프를 초음파 본딩하여 금속 접합하는 방법이 기재되어 있다. 이 접합 방법에서는 기판 전극에 도포된 금속 나노 입자 페이스트를 가열 장치에 의해 250℃로 가열하고, 60분간 유지하는 가열 양생에 의해 금속 나노 입자가 서로 융착하여 전극상에 금속 나노 입자막이 형성되는 것이 기재되어 있다.
일본 특허 공개 2006-202938호 공보에는 평균 직경이 100nm 이하의 금속으로 이루어지는 초미립자를 유기계의 용매중에 분산시켜 이루어지는 금속 나노 페이스트를 사용하여 반도체 소자의 금속층과 금속 기판을 접합하는 방법이 개시되어 있다. 이 접합 방법은 반도체 소자의 금속층과 금속 기판과 금속 나노 페이스트에 포함되는 금속이 금, 은, 백금, 구리, 니켈, 크롬, 철, 납, 코발트 중 어느 하나의 금속, 또는 이들 금속 중 적어도 일종을 포함하는 합금, 또는 이들 금속 혹은 합금의 혼합물로 이루어지고, 가열, 가압, 또는 그들의 조합에 의해 상기 용매를 휘발시킴으로써 상기 초미립자가 응집하는 것으로 형성되는 접합층을 개재시켜, 반도체 소자의 금속층과 금속 기판을 접합하는 방법이다. 일본 특허 공개 2006-202938호 공보에는 금속 나노 페이스트에 은나노 페이스트를 사용하여 구리의 금속 기판상에 반도체 소자의 은의 금속층을 접합하는 경우, 반도체 소자와 금속 기판을 수백kPa 내지 수MPa정도의 면압이 되도록 가압하고, 300℃정도의 가열을 행함으로써 반도체 소자의 은의 금속층과 구리의 금속 기판의 접합을 행할 수 있는 것이 기재되어 있다.
또 일본 특허 공개 평10-150075호 공보에는 도전성 접합제를 사용하는 플립칩 본딩 방법에 대해, 반도체 다이의 전극상에 형성되는 금 범프의 높이는 격차 범위가 5μm 이내가 되도록 레벨링되어 있고, 이 반도체 다이를 반전시켰을 때의 도전성 접합제와의 거리를 정확하게 제어함으로써, 금 범프 선단에 적량의 도전성 접합제를 전사할 수 있어, 브리지나 접합 불량 등의 결함을 방지할 수 있다고 기재되어 있다.
일본 특허 공개 평9-326416호 공보, 일본 특허 공개 2006-202938호 공보에 기재된 종래 기술에서는 금속 나노 페이스트를 사용하여 반도체 소자의 전극 등을 접합하는 경우에는, 접합면을 가압함과 아울러 200 내지 300℃정도의 온도에 30분 내지 60분 유지하는 것이 필요하다. 그러나 반도체 다이의 회로기판에 대한 본딩 에서는 대량의 반도체 다이의 접합을 단시간에 처리하는 것이 필요한 점에서, 접합 공정의 도중에 있어서 이와 같은 장시간의 유지를 하는 것은 제조 효율을 현저하게 저하시켜 버린다.
일본 특허 공개 2006-54212호 공보에 기재된 기판 전극상에 금속 나노 입자막을 형성하고 그 위에 반도체 다이의 전극에 형성된 범프를 초음파 본딩에 의해 금속 접합하는 방법은, 금속끼리를 초음파 본딩에 의해 접합하는 점에서 접합시에 반도체 다이나 회로기판에 가해지는 힘이 커진다. 한편 최근의 반도체 장치의 박형화 요구에 따라, 반도체 다이나 회로기판의 두께가 매우 얇아져, 본딩시의 접합 하중에 의한 손상을 일으킬 가능성이 있어, 접합 하중의 저감이 요구되고 있다.
일본 특허 공개 평10-150075호 공보에 기재된 종래 기술에서는 반도체 다이의 전극과 회로기판의 전극을 접합하는 도전성 접합제를 도포하는 장치, 공정이 필요하게 됨에 더해, 각 전극을 양호하게 접합하기 위해서는 반도체 다이의 전극상에 형성되는 금 범프의 높이의 격차를 억제함과 아울러, 미소한 금 범프의 선단에 적량의 도전성 접합제를 전사하는 것이 필요하여, 금 범프의 형성 및 도전성 접합제의 전사시의 금 범프의 위치 제어를 위해 장치가 복잡하게 된다.
본 발명은 반도체 다이의 전극과 기판의 전극과의 접합 하중을 저감함과 아울러 간편한 방법으로 효율적으로 각 전극의 접합을 행할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 본딩 장치는, 반도체 다이의 전극과 기판의 전극을 접합하는 본딩 장치로서, 분산제에 의해 표면 코팅된 금속 나노 입자가 페이스트상의 바인더 중에 포함되어 있는 금속 나노 페이스트의 미액적(微液滴)을 사출하여 어느 일방의 전극상에 형성한 범프를 타방의 전극에 압부하여 각 전극을 비도통 상태에서 1차 접합하는 1차 접합 기구와, 1차 접합된 범프를 접합 방향을 향하여 가압하는 가압기를 포함하고, 범프를 금속 나노 페이스트의 바인더 제거 온도 및 금속 나노 페이스트의 분산제 제거 온도보다 높은 온도까지 가열하여 바인더 및 분산제를 제거하고, 범프의 금속 나노 입자를 가압 소결시켜 각 전극이 도통하도록 2차 접합하는 2차 접합 기구를 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 본딩 장치는, 반도체 다이의 전극과 기판의 전극을 접합하는 본딩 장치로서, 분산제에 의해 표면 코팅된 금속 나노 입자가 페이스트상의 바인더 중에 포함되어 있는 금속 나노 페이스트의 미액적을 사출하여 각 전극상에 형성한 범프를 서로 압부하여 각 전극을 비도통 상태에서 1차 접합하는 1차 접합 기구와, 1차 접합된 범프를 접합 방향을 향하여 가압하는 가압기를 포함하고, 범프를 금속 나노 페이스트의 바인더 제거 온도 및 금속 나노 페이스트의 분산제 제거 온도보다 높은 온도까지 가열하여 바인더 및 분산제를 제거하고, 범프의 금속 나노 입자를 가압 소결시켜 각 전극이 도통하도록 2차 접합하는 2차 접합 기구를 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 본딩 장치는, 반도체 다이를 3차원 실장하는 본딩 장치로서, 분산제에 의해 표면 코팅된 금속 나노 입자가 페이스트상의 바인더 중에 포함되어 있는 금속 나노 페이스트의 미액적을 사출하여 반도체 다이의 전극상에 형성된 범프를 금속 나노 페이스트의 미액적을 사출하여 다른 반도체 다이의 전극상에 형성된 범프에 압부하여 각 전극을 비도통 상태에서 1차 접합하는 1차 접합 기구와, 1차 접합된 범프를 접합 방향을 향하여 가압하는 가압기를 포함하고, 범프를 금속 나노 페이스트의 바인더 제거 온도 및 금속 나노 페이스트의 분산제 제거 온도보다 높은 온도까지 가열하여 바인더 및 분산제를 제거하고, 범프의 금속 나노 입자를 가압 소결시켜 각 전극이 도통하도록 2차 접합하는 2차 접합 기구를 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 본딩 장치는, 반도체 다이의 전극과 기판의 전극을 접합하는 본딩 장치로서, 분산제에 의해 표면 코팅된 금속 나노 입자가 페이스트상의 바인더 중에 포함되어 있는 금속 나노 페이스트의 미액적을 사출하여 어느 일방의 전극상에 형성한 범프를 타방의 전극상에 형성한 금속 돌기에 압부하여 각 전극을 비도통 상태에서 1차 접합하는 1차 접합 기구와, 1차 접합된 범프를 접합 방향을 향하여 가압하는 가압기를 포함하고, 범프를 금속 나노 페이스트의 바인더 제거 온도 및 금속 나노 페이스트의 분산제 제거 온도보다 높은 온도까지 가열하여 바인더 및 분산제를 제거하고, 범프의 금속 나노 입자를 가압 소결시켜 각 전극이 도통하도록 2차 접합하는 2차 접합 기구를 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 본딩 장치에 있어서, 가압기는 대향하여 배치되고, 반도체 다이 또는 기판을 유지하는 유지판과, 적어도 일방의 유지판을 접합 방향을 향하여 진퇴 구동하는 유지판 구동부와, 유지판 구동부의 진퇴 동작을 제어하는 가압 제어부를 포함하고, 가압 제어부는, 시간에 따라 유지판 구동부에 의해 유지판을 진퇴 구동하고, 범프에 가해지는 가압력을 변화시키는 가압력 변경 수단을 가지는 것으로 해도 적합하며, 가압력 변경 수단은 소정 시간 경과후에 범프에 가해지는 가압력을 마이너스로 하여, 가압 소결된 범프를 접합 방향으로 인장하고, 범프의 접합 방향 중앙에 잘록한 부분을 형성하는 잘록한 부분 형성 수단을 포함하는 것으로 해도 적합하다.
본 발명의 본딩 장치에 있어서, 2차 접합 기구는 1차 접합된 범프를 접합 방향을 향하여 가압하는 가압기를 내부에 포함하는 가열노인 것으로 해도 적합하며, 복수의 2차 접합 기구를 가지는 것으로 해도 적합하다.
본 발명의 본딩 방법은, 반도체 다이의 전극과 기판의 전극을 접합하는 본딩 방법으로서, 분산제에 의해 표면 코팅된 금속 나노 입자가 페이스트상의 바인더 중에 포함되어 있는 금속 나노 페이스트의 미액적을 사출하여 어느 일방의 전극상에 형성한 범프를 타방의 전극에 압부하여 각 전극을 비도통 상태에서 1차 접합하는 1차 접합 공정과, 1차 접합된 범프를 접합 방향을 향하여 가압하는 가압력을 시간에 따라 변화시킴과 아울러 범프를 금속 나노 페이스트의 바인더 제거 온도 및 금속 나노 페이스트의 분산제 제거 온도보다 높은 온도까지 가열하여 바인더 및 분산제를 제거하고, 범프의 금속 나노 입자를 가압 소결시켜 각 전극이 도통하도록 2차 접합하는 2차 접합 공정을 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 본딩 방법은, 반도체 다이의 전극과 기판의 전극을 접합하는 본딩 방법으로서, 분산제에 의해 표면 코팅된 금속 나노 입자가 페이스트상의 바인더 중에 포함되어 있는 금속 나노 페이스트의 미액적을 사출하여 각 전극상에 형성한 범프를 서로 압부하여 각 전극을 비도통 상태에서 1차 접합하는 1차 접합 공정과, 1차 접합된 범프를 접합 방향을 향하여 가압하는 가압력을 시간에 따라 변화시킴과 아울러 범프를 금속 나노 페이스트의 바인더 제거 온도 및 금속 나노 페이스트의 분산제 제거 온도보다 높은 온도까지 가열하여 바인더 및 분산제를 제거하고, 범프의 금속 나노 입자를 가압 소결시켜 각 전극이 도통하도록 2차 접합하는 2차 접합 공정을 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 본딩 방법은, 반도체 다이를 3차원 실장하는 본딩 방법으로서, 분산제에 의해 표면 코팅된 금속 나노 입자가 페이스트상의 바인더 중에 포함되어 있는 금속 나노 페이스트의 미액적을 사출하여 반도체 다이의 전극상에 형성된 범프를 금속 나노 페이스트의 미액적을 사출하여 다른 반도체 다이의 전극상에 형성된 범프에 압부하여 각 전극을 비도통 상태에서 1차 접합하는 1차 접합 공정과, 1차 접합된 범프를 접합 방향을 향하여 가압하는 가압력을 시간에 따라 변화시킴과 아울러 범프를 금속 나노 페이스트의 바인더 제거 온도 및 금속 나노 페이스트의 분산제 제거 온도보다 높은 온도까지 가열하여 바인더 및 분산제를 제거하고, 범프의 금속 나노 입자를 가압 소결시켜 각 전극이 도통하도록 2차 접합하는 2차 접합 공정을 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 본딩 방법은, 반도체 다이의 전극과 기판의 전극을 접합하는 본딩 방법으로서, 분산제에 의해 표면 코팅된 금속 나노 입자가 페이스트상의 바인더 중에 포함되어 있는 금속 나노 페이스트의 미액적을 사출하여 어느 일방의 전극상에 형성한 범프를 타방의 전극상에 형성한 금속 돌기에 압부하여 각 전극을 비도통 상태에서 1차 접합하는 1차 접합 공정과, 1차 접합된 범프를 접합 방향을 향하여 가압하는 가압력을 시간에 따라 변화시킴과 아울러 범프를 금속 나노 페이스트의 바인더 제거 온도 및 금속 나노 페이스트의 분산제 제거 온도보다 높은 온도까지 가열하여 바인더 및 분산제를 제거하고, 범프의 금속 나노 입자를 가압 소결시켜 각 전극이 도통하도록 2차 접합하는 2차 접합 공정을 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 본딩 방법에 있어서, 2차 접합 공정은 소정 시간 경과후에 범프에 가해지는 가압력을 마이너스로 하여, 가압 소결된 범프를 접합 방향으로 인장하고, 범프의 접합 방향 중앙에 잘록한 부분을 형성하는 것으로 해도 적합하다.
본 발명의 본딩 장치 및 본딩 방법은, 반도체 다이의 전극과 기판의 전극과의 접합 하중을 저감함과 아울러 간편한 방법으로 효율적으로 각 전극의 접합을 행할 수 있다는 효과를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 있어서의 본딩 장치를 도시한 평면도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 있어서의 본딩 장치의 범프 형성 기구를 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 있어서의 본딩 장치의 1차 접합 기구를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 있어서의 본딩 장치의 본딩 스테이지에 있어서의 1차 접합을 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시형태에 있어서의 본딩 장치의 가압 가열노를 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시형태에 있어서의 본딩 방법에 의해 회로기판과 반도체 다이를 접합하는 공정을 도시한 설명도이다.
도 7은 본 발명의 실시형태에 있어서의 본딩 방법에 의해 접합을 행하는 공정을 도시한 공정 플로차트이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시형태에 있어서의 본딩 방법에 의해 반도체 다이를 3차원 적층 접합하는 공정을 도시한 설명도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시형태에 있어서의 본딩 방법에 의해 반도체 다이를 3차원 적층 접합하는 공정을 도시한 설명도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시형태에 있어서의 본딩 방법에 의해 접합부의 금속층에 잘록한 부분을 형성하는 공정을 도시한 설명도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시형태에 있어서의 본딩 방법에 의해 접합부의 금속층에 잘록한 부분을 형성하는 공정의 플로차트이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시형태에 있어서의 본딩 방법에 의해 회로기판과 반도체 다이를 접합하는 공정을 도시한 설명도이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시형태에 있어서의 본딩 방법에 의해 회로기판과 반도체 다이를 접합하는 공정을 도시한 설명도이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시형태에 있어서의 본딩 방법에 의해 회로기판과 반도체 다이를 접합하는 공정을 도시한 설명도이다.
(발명을 실시하기 위한 최선의 형태)
이하, 본 발명의 적합한 실시형태에 대해 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시형태의 본딩 장치(10)는 프레임(11) 중에 배치된 범프 형성 기구(20)와, 언더필제 도포 기구(40)와, 1차 접합 기구(50)와, 2차 접합 기구(80)를 구비하고 있다. 2차 접합 기구(80)는 제1 가압 가열노(81), 제2 가압 가열노(84)의 2개의 가압 가열노를 구비하고 있다. 도 1에 있어서 본딩 장치(10)의 좌측이 되는 재료 공급측에는 웨이퍼(18)의 공급을 행하는 웨이퍼 매거진(13)과, 회로기판(19)의 공급을 행하는 기판 매거진(14)을 구비하고, 도 1에 있어서 본딩 장치(10)의 우측이 되는 제품 반출측에는 완성한 제품을 스톡해 두는 제품 매거진(17)이 설치되어 있다. 웨이퍼 매거진(13)과, 범프 형성 기구(20)와 1차 접합 기구(50)는 웨이퍼 반송용 레일(15)에 의해 재료인 웨이퍼(18)를 반송할 수 있도록 접속되어 있고, 기판 매거진(14)과 범프 형성 기구(20)와, 언더필제 도포 기구(40)와, 1차 접합 기구(50)와 2차 접합 기구(80)는 회로기판(19)을 반송하는 기판 반송용 레일(16)에 의해 재료인 회로기판을 순서대로 각 기구에 반송할 수 있도록 접속되어 있다. 또 기판 반송용 레일(16)은 2차 접합 기구 입구 레일(93)을 통하여 2차 접합 기구(80)에 접속되어, 1차 접합 기구(50)로부터 회로기판(19)을 2차 접합 기구(80)에 반송할 수 있도록 구성되고, 2차 접합 기구 출구 레일(94)은 2차 접합 기구(80)의 출구와 제품 매거진(17)을 접속하여, 반도체 다이(12)의 접합이 종료한 회로기판(19)을 2차 접합 기구(80)로부터 제품 매거진(17)에 반송할 수 있도록 구성되어 있다. 또 도 1에 화살표 X로 도시한 본딩 장치(10)의 각 반송 레일(15, 16)에 의해 웨이퍼(18) 또는 기판(19)을 반송할 방향을 X방향, 도 1에 화살표 Y로 도시한 각 반송 레일(15, 16)과 직교하는 방향을 Y방향, 도 1에 있어서 지면에 수직인 높이 방향을 Z방향으로 하여 이하 설명한다.
웨이퍼 매거진(13)은 케이싱 중에 복수의 다이싱된 웨이퍼(18)를 수납하는 선반을 가지고, 필요에 따라서 웨이퍼 매거진(13)에 접속되어 있는 반송 레일(15), 또는 도시하지 않는 반송 장치에 웨이퍼(18)를 실어 범프 형성 기구(20)에 불출하는 것이다. 웨이퍼(18)의 크기는 8인치의 것이 다용되고 있다. 직경 8인치의 웨이퍼(18)는 반도체 다이(12)가 약 400개 정도 취출 가능한 크기이다. 또 웨이퍼(18)는 이면에 점착 테이프를 첩부하거나, 웨이퍼(18)를 다이싱하여 각각의 반도체 다이(12)로 분할하는 다이싱 공정에 의해 점착 테이프를 첩부한 이측에 각 반도체 다이(12)를 일체로 유지할 수 있도록 반도체 다이(12) 사이에 미절단부를 남기거나 하여, 다이싱되어 있어도 각 반도체 다이(12)가 분리되지 않아, 웨이퍼(18)를 일체로 취급할 수 있도록 구성되어 있다.
기판 매거진(14)은 케이싱 중에 복수의 회로기판(19)을 수납하는 선반을 가지고, 필요에 따라서 기판 매거진(14)에 접속되어 있는 기판 반송용 레일(16)에 회로기판(19)을 실어 범프 형성 기구(20)에 불출하는 것이다. 회로기판은 유리 에폭시 등의 수지 기판에 구리 등의 금속에 의해 반도체 다이(12)를 접속하는 접속 회로가 인쇄되어 있는 것이다.
재료가 되는 반도체 다이(12)는 웨이퍼(18)로서 공급하는 것이 아니라, 각 반도체 다이(12)를 다이싱에 의해 개개의 반도체 다이(12)로 분리하여, 각 반도체 다이(12)를 트레이 상에 정렬시켜 공급하도록 해도 된다. 이 경우, 기판 매거진(14)과 마찬가지로 복수의 트레이를 수납하는 선반을 구비하는 트레이 매거진을 구비하도록 해도 된다. 또 웨이퍼 매거진(13), 기판 매거진(14)을 각각 복수 구비하도록 하여, 항상 재료의 공급이 멈추지 않도록 본딩 장치(10)를 구성해도 된다.
도 2 및 도 1에 도시한 바와 같이, 범프 형성 기구(20)는 베이스(21)에 부착된 웨이퍼 범핑 스테이지(22)와, 기판 범핑 스테이지(23)와, 금속 나노 페이스트의 미액적을 사출하는 사출 헤드(26)를 XY 방향으로 구동하는 XY 구동기(25)를 구비하고 있다.
웨이퍼 범핑 스테이지(22)는 2개의 웨이퍼 반송용 레일(15a, 15b) 사이에 설치되어, 웨이퍼(18)를 그 상면에 진공 흡착에 의해 평면형상으로 고정할 수 있는 크기의 것으로, 그 상면에 도시하지 않는 진공 흡착구멍을 구비하고 있다. 진공 흡착구멍은 도시하지 않는 진공 장치에 접속되어 있다. 또 기판 범핑 스테이지는 2개의 기판 반송용 레일(16a, 16b) 사이에 설치되어, 기판(19)을 그 상면에 진공 흡착에 의해 평면형상으로 고정할 수 있는 크기로 되어 있다. 기판은 범핑 스테이지(23)도 웨이퍼 범핑 스테이지(22)와 마찬가지로 그 상면에 도시하지 않는 진공 흡착구멍을 구비하고, 각 진공 흡착구멍은 공통의 진공 장치에 접속되어 있다.
XY 구동기(25)는 사출 헤드(26)와, Y방향 프레임(27)과, 2개의 문형(門形) 프레임(24)을 구비하고 있다. 사출 헤드(26)는 각 반송 레일(15, 16)과 직교하는 Y방향으로 안내하는 가이드를 구비하고 있는 Y방향 프레임에 활동(滑動)이 자유롭게 부착되어, 사출 헤드(26) 또는 Y방향 프레임(27)에 부착되어 있는 서보 모터에 의해 Y방향의 구동이 행해진다. Y방향 프레임(27)의 양측은 2개의 문형 프레임(24)에 의해 X방향으로 활동이 자유롭게 지지되어, 문형 프레임(24) 또는 Y방향 프레임(27)에 설치된 서보 모터에 의해 X방향의 구동이 행해진다. 범프 형성 제어부(501)는 도시하지 않는 촬상 장치 등의 위치 검출기로부터의 위치 신호에 의해, XY 구동기(25)의 각 서보 모터를 구동하여 사출 헤드(26)의 위치 제어를 행한다. 또 범프 형성 제어부(501)는 사출 노즐로부터 사출되는 금속 나노 페이스트의 미액적의 크기나 미액적의 사출 간격을 제어한다. 본 실시형태에서는 구동원으로서 서보 모터를 사용하는 것으로 설명했지만, 각 구동원은 서보 모터에 한정되지 않고, 리니어 모터, 스테핑 모터 등 다른 형식의 구동원을 사용해도 된다.
사출 헤드(26)는 저류하고 있는 금속 나노 페이스트를 선단의 사출 노즐(26a)로부터 금속 나노 페이스트의 미액적으로서 사출하는 것으로, 예를 들어 피에조 다이어프램이나 피에조 액츄에이터에 의해 미액적을 사출하는 잉크젯 헤드 등에 의해 구성된다. 사출 헤드(26)는 미액적을 사출할 수 있으면 잉크젯 헤드에 한정되지 않고, 디스펜서 헤드나, 마이크로피펫 등에 의해 구성하도록 해도 적합하다.
도 1에 도시한 바와 같이, 언더필제 도포 기구(40)는 XY 테이블(41)과, 디스펜서 헤드(42)와, 디스펜서 암(43)과, 디스펜서 유닛(44)과, 디스펜서 스테이지(45)를 구비하고 있다.
XY 테이블(41)은 그 상면에 디스펜서 헤드(42)를 XY의 2방향을 향하여 활동이 자유로워지도록 지지하고, 디스펜서 헤드(42)는 XY 테이블(41) 또는 디스펜서 헤드(42)에 부착된 서보 모터에 의해 XY면내에 구동된다. 디스펜서 헤드(42)에는 선단에 디스펜서 유닛(44)이 부착된 디스펜서 암(43)이 부착되어 있다. 디스펜서 헤드(42)에는 디스펜서 암(43)을 회전 구동함으로써 선단에 부착된 디스펜서 유닛을 상하 방향으로 구동하여, 디스펜서 유닛(44)의 회로기판(19)으로부터의 Z방향 높이를 조정하는 Z방향 모터가 부착되어 있다. 디스펜서 유닛(44)은 도시하지 않는 언더필제를 저류하는 저류부와, 언더필제를 선단으로부터 토출하는 토출 노즐을 구비하고, 저류부에는 언더필제를 토출시키는 공기압력 배관이 접속되어 있다. 또 디스펜서 스테이지(45)는 2개의 기판 반송용 레일(16a, 16b) 사이에 설치되어, 기판(19)을 그 상면에 진공 흡착에 의해 평면형상으로 고정할 수 있도록 구성되어 있다.
기판 반송용 레일(16)에 실려 범프 형성 기구(20)로부터 반송된 회로기판(19)은 디스펜서 스테이지(45)의 위치에 오면, 디스펜서 스테이지(45)에 진공 흡착에 의해 고정되고, 디스펜서 헤드(42)와 디스펜서 암(43)을 구동시켜 디스펜서 유닛(44)의 토출 노즐의 위치를 맞추어 언더필제를 회로기판(19)의 접합면측에 도포한다.
본 실시형태에서는, 언더필제의 도포는 기판 범핑 스테이지(23)와는 별도의 디스펜서 스테이지(45)에 의해 행하는 것으로 하여 설명했지만, 기판 범핑 스테이지(23)에 진공 흡착에 의해 고정했을 때에, 언더필제를 기판 표면에 도포하도록 해도 되고, 웨이퍼 범핑 스테이지(22)에 웨이퍼(18)를 진공 흡착에 의해 고정했을 때에 웨이퍼(18)상의 반도체 다이(12)에 언더필제를 도포하는 것으로 하여 구성해도 된다. 이와 같은 경우에는, 언더필제 도포 기구(40)는 디스펜서 암(43) 선단에 부착된 디스펜서 유닛(44)이 각 범핑 스테이지(22, 23)상에 위치할 수 있도록 프레임(11) 중에 배치된다. 또 본 실시형태에서는, 언더필제 도포 기구(40)는 XY 테이블(41)에 의해 2방향으로 이동할 수 있는 디스펜서 헤드(42)를 가지는 것으로 하여 설명했지만, 디스펜서 유닛(44)을 소정의 위치에 이동시킬 수 있으면 XY 테이블(41)에 한정하지 않고, 리니어 가이드 등을 조합하여 이동 기구를 구성하도록 해도 된다.
도 1에 도시한 바와 같이, 1차 접합 기구(50)는 웨이퍼를 유지하는 웨이퍼 홀더(70)와, 반도체 다이(12)의 픽업과 반전을 행하는 반도체 다이 픽업부(60)와, 반도체 다이(12)를 회로기판(19) 상에 본딩하는 본딩부(58)를 구비하고 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 웨이퍼 홀더(70)는 웨이퍼 범핑 스테이지(22)로부터 반송되어 온 웨이퍼(18)를 웨이퍼 테이블(71)에 수평으로 진공 흡착하여 유지한다. 도 3에 도시한 바와 같이 웨이퍼 테이블(71)의 내부에는 웨이퍼(18) 중에 포함되어 있는 다수의 반도체 다이(12) 중 하나를 Z방향을 향하여 밀어올려, 다른 반도체 다이(12)와 단차를 내는 다이 밀어올림 유닛(72)이 설치되어 있다. 또 웨이퍼 테이블(71)은 하부에 설치된 회전 구동 기구(73)와 접속 샤프트(74)를 통하여 접속되어 회전 구동할 수 있도록 구성되어 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 반도체 다이 픽업부(60)는 웨이퍼 홀더(70)에 인접하여 설치되고, XY 테이블(61)과, 픽업 헤드(62)와, 픽업 암(63)과, 픽업 툴(64)을 구비하고 있다. XY 테이블(61)은 그 상면에 픽업 헤드(62)를 XY의 2방향을 향 하여 활동이 자유로워지도록 지지하고, 픽업 헤드(62)는 XY 테이블(61) 또는 픽업 헤드(62)에 부착된 서보 모터에 의해 XY면내에 구동된다. 픽업 헤드(62)에는 선단에 픽업 툴(64)이 부착된 픽업 암(63)이 부착되어 있다. 픽업 헤드(62)에는 픽업 암(63)을 회전 구동함으로써 선단에 부착된 픽업 툴(64)을 웨이퍼(18)의 접리 방향으로 구동하는 Z방향 모터가 부착되어 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 픽업 툴(64)은 회전축(66)의 둘레에 회전하는 흡착 콜레트(67)를 구비하고 있다. 흡착 콜레트(67)는 흡착면에 진공 흡착용의 흡착구멍(69)을 가지고, 이 흡착구멍(69)을 진공으로 함과 아울러 다이 밀어올림 유닛(72)의 밀어올림 동작에 의해 반도체 다이(12)의 전극상의 범프에 접촉하지 않고 반도체 다이(12)를 흡착 콜레트(67)에 진공 흡착하여, 반도체 다이(12)를 흡착한 채로 회전축(66)의 둘레에 회전시킴으로써 반도체 다이(12)를 반전시킬 수 있도록 구성되어 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본딩부(58)는 기판 반송용 레일(16)에 인접하여 설치되어, XY 테이블(51)과, 본딩 헤드(52)와, 본딩 암(53)과, 본딩 툴(54)을 구비하고 있다. XY 테이블(51)은 그 상면에 본딩 헤드(52)를 XY의 2방향을 향하여 활동이 자유로워지도록 지지하고, 본딩 헤드(52)는 XY 테이블(51) 또는 본딩 헤드(52)에 부착된 서보 모터에 의해 XY면내에 구동된다. 본딩 헤드(52)에는 선단에 본딩 툴(54)이 부착된 본딩 암(53)이 부착되어 있다. 본딩 헤드(52)에는 본딩 암(53)을 회전 구동함으로써 선단에 부착된 본딩 툴(54)을 기판(19)의 접리 방향으로 구동하는 Z방향 모터가 부착되어 있다.
또 도 3, 도 1의 1점쇄선으로 도시한 바와 같이, 본딩부(58)와 반도체 다이 픽업부(60)는 본딩 툴(54)과 픽업 툴(64)을 접근시켜, 흡착 콜레트(67)의 회전에 의해 반전시킨 반도체 다이(12)를 진공 흡착용의 흡착구멍(59)을 구비하는 본딩 툴(54)에 전달할 수 있는 것 같은 위치에 배치되어 있다.
도 3, 도 4에 도시한 바와 같이, 본딩 스테이지(55)는, 2개의 기판 반송용 레일(16a, 16b)의 사이에 설치되어, 기판(19)을 그 상면에 진공 흡착에 의해 평면형상으로 고정할 수 있도록 구성되어 있다.
도 4에 도시한 바와 같이, 본딩 툴(54)에는 페이스부(56)와 초음파 진동자(57)가 설치되어 있다. 본딩 툴(54)의 접합면측에 설치된 페이스부(56)는 반도체 다이(12)를 유지하여 기판(19)에 압부할 수 있도록 구성되어 있다. 페이스부(56)의 반도체 다이(12)의 흡착면에는 진공 흡착용의 흡착구멍(59)이 설치되어, 반도체 다이(12)를 진공 흡착에 의해 유지할 수 있도록 구성되어 있다. 또 본딩 툴(54)의 길이 방향의 일단에는 초음파 진동자(57)가 부착되어, 그 초음파 가진(加振)에 의해 페이스부(56)를 본딩 툴(54)의 길이 방향으로 진동시킬 수 있도록 구성되어 있다. 본딩부(58)는 도시하지 않는 위치 검출용의 촬상 장치에 의해, 회로기판(19)의 위치를 검출하여, 반도체 다이(12)를 소정의 위치에 압부할 수 있도록 구성되어 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본딩부(58)의 XY 테이블(51), 본딩 헤드(52), 반도체 다이 픽업부(60)의 XY 테이블(61), 픽업 헤드(62), 웨이퍼 홀더(70)의 다이 밀어올림 유닛(72), 회전 구동 기구(73)는 각각 본딩 제어부(502)에 접속되어, 본 딩 제어부(502)의 지령에 의해 구동되도록 구성되어 있다.
본 실시형태에서는, 반도체 다이 픽업부(60)와 본딩부(58)는 각각 XY 테이블(61, 51)을 구비하고, 이 위에 배치된 픽업 헤드(62), 본딩 헤드(52)를 XY 방향으로 이동시킴과 아울러, 각 헤드(62, 52)에 부착된 각 암(63, 53)의 선단에 부착된 픽업 툴(64), 본딩 툴(54)을 상하 방향으로 구동할 수 있도록 구성되는 것으로 하여 설명했지만, 픽업 툴(64), 본딩 툴(54)을 소정의 위치로 이동할 수 있으면 상기와 같은 구성에 의하지 않고, 예를 들어 복수의 리니어 가이드를 조합하여 각 툴 (64, 54)이 소정의 위치로 이동할 수 있도록 구성하는 것으로 해도 된다. 또 웨이퍼 홀더(70)의 회전 동작과 반도체 다이 픽업부(60)의 픽업 동작을 협동시킴으로써 픽업 헤드(62)를 Y방향으로만 이동시키도록 구성하는 것으로 해도 적합하다.
본 실시형태에서는, 반도체 픽업부(60)의 흡착 콜레트(67)의 회전에 의해 반전시킨 반도체 다이(12)를 본딩 툴(54)에 직접 전달함으로써 반전한 반도체 다이(12)를 본딩 툴(54)에 유지시키도록 구성하고 있는데, 이와 같은 구성에 한정하지 않고, 일단 웨이퍼(18)로부터 픽업한 반도체 다이(12)를 도시하지 않는 회전 스테이지에 흡착시켜 두고, 이 회전 스테이지를 반전시켜 픽업 스테이지의 상면에 반도체 다이(12)를 반전한 상태로 흡착시켜 전달하여, 반전한 반도체 다이(12)를 본딩 툴(54)에 의해 흡착하여 본딩하도록 구성해도 된다.
도 5에 도시한 바와 같이, 제1, 제2 가압 가열노(81, 84)는 회로기판(19)과 반도체 다이(12)를 상하로부터 끼우는 상부 유지판(82a, 85a)과 하부 유지판(82b, 85b)과, 각 상부 유지판(82a, 85a)을 반도체 다이(12)의 접합 방향으로 진퇴 구동 하는 액츄에이터(83, 86)와, 내부를 가열하는 히터(89)를 구비하고 있다. 각 액츄에이터(83, 86)는 균등하게 회로기판(19)과 반도체 다이(12)를 가압할 수 있도록, 구동축(87)과 볼 조인트(88)를 통하여 상부 유지판(82a, 85a)에 접속되어 있다. 또 하부 유지판(82b, 85b)은 제1, 제2 가압 가열노(81, 84)의 케이싱에 고정되어 있다. 상부 유지판(82a, 85a)과 하부 유지판(82b, 85b)은 반도체 다이(12) 또는 회로기판(19)을 진공 흡착하는 진공 흡착구멍(91a, 91b)이 설치되어 있다. 각 진공 흡착구멍(91a, 91b)은 도시하지 않는 진공 장치에 접속되어 있다. 또 제1, 제2 가압 가열노(81, 84)는 각 유지판(82, 85)에 회로기판(19)을 반입하는 반입구(95)와 회로기판을 반출하는 반출구(96)를 구비하고 있다. 제1, 제2 가압 가열노(81, 84)의 각 반입구(95)에는 2차 접합 기구 입구 레일(93)이 접속되어 있고, 제1, 제2 가압 가열노(81, 84)의 각 반출구(96)에는 2차 접합 기구 출구 레일(94)이 접속되어 있다.
각 액츄에이터(83, 86)는 가압 제어부(503)에 접속되어, 가압 제어부(503)의 지령에 의해 구동되도록 구성되어 있다. 각 액츄에이터(83, 86)는 전동식이어도 되고, 유압 실린더 등에 의해 진퇴 구동하는 것이어도 된다. 또 히터(89)도 가압 제어부에 접속되어, 가압 가열노(81, 84) 내의 온도 제어가 행해진다. 히터(89)는 전열선에 의해 구성되어 있어도 되고, 외부에 설치된 열풍 발생기 등에 의해 발생시킨 고온의 열풍을 각 가압 가열노(81, 84) 내에 도입하여 내부의 가열을 행하도록 해도 된다. 또 상부 유지판(82a, 85a) 및 하부 유지판(82b, 85b)에 가열기를 직접 부착하여, 반도체 다이(12)를 회로기판(19)을 향해 가압하면서, 반도체 다 이(12)와 회로기판(19)을 가열하여 각 범프(200)의 가열을 행할 수 있도록 구성해도 된다.
그 다음에 본 실시형태의 본딩 장치의 동작에 대해 설명하는데, 본딩 장치 전체의 동작을 설명하기 전에, 전극(12a)상에 대한 범프(200)의 형성, 1차 접합, 2차 접합에 대해 설명한다.
도 6(a)에 도시한 바와 같이, 전극(12a)에 대한 범프(200)의 형성은 금속 나노 페이스트의 미액적(100)을 사출 헤드(26)의 사출 노즐(26a)로부터 전극(12a)을 향해 사출함으로써 행한다. 금속 나노 페이스트는 도전성 금속을 미세화한 금속 나노 입자(103)로 이루어지고, 그 표면에 금속 나노 입자(103)가 분산 상태를 유지할 수 있는 분산제를 코팅한 상태에서 페이스트상의 바인더(101) 중에 분산시킨 것이다. 금속 나노 입자(103)를 구성하는 미세화한 도전성 금속으로서는 금, 은, 구리, 백금, 팔라듐, 니켈, 알루미늄 등을 사용할 수 있다. 금속 나노 입자(103)의 표면에 코팅하는 분산제로서는 알킬아민, 알칸티올, 알칸디올 등을 사용할 수 있다. 또 페이스트상의 바인더(101)는 유기 바인더로서 기능하는 열경화성 수지 성분을, 실온 부근에서는 용이하게 증산하지 않는 비교적 고비점인 비극성 용제 또는 저극성 용제, 예를 들어 테르피네올, 미네랄 스피리트, 크실렌, 톨루엔, 테트라데칸, 도데칸 등의 분산 용매 중에 함유시킨 것을 사용할 수 있다.
도 6(a)에 도시한 바와 같이 사출 헤드(26)의 노즐로부터 금속 나노 페이스트의 미액적(100)이 사출되면, 미액적은 전극(12a)의 표면에 부착한다. 그리고 금속 나노 페이스트의 미액적(100)이 적층하도록 사출함으로써 전극(12a)상에 선단이 가늘어진 송곳형상의 범프(200)를 형성할 수 있다. 사출 헤드(26)로부터의 금속 나노 페이스트의 미액적의 사출 위치, 간격 등은 범프 형성 제어부에 의해 반도체 다이(12)의 종류에 적응한 범프형상이 형성된다. 사출 헤드(26)에는 잉크젯에 사용되는 것 같은 사출 헤드를 사용함으로써 다수의 미액적(100)을 단시간에 사출 적층할 수 있다. 이와 같이, 회로기판(19) 및 반도체 다이(12)의 각 전극(19a, 12a)상에 범프(200)를 형성한 후, 도 1에 도시한 반도체 다이 픽업부(60)에 의해 반도체 다이(12)를 웨이퍼(18)로부터 픽업, 반전한 후, 반전한 반도체 다이(12)를 본딩 툴(54)에 유지시키고, 도 6(b)에 도시한 바와 같이, 각 전극(12a, 19a)의 범프(200)의 위치를 맞춘다.
도 6(c)에 도시한 바와 같이, 각 전극(12a, 19a)의 위치를 맞춘 후, 도 3에 도시한 본딩 툴(54)을 회로기판(19)을 향해 아래로 이동시켜, 반도체 다이(12)의 전극(12a)에 형성된 범프(200)를 회로기판(19)의 전극(19a)상에 형성된 범프(200)에 압부하여 1차 접합을 행한다. 이 1차 접합시의 압부면압은 종래 기술의 금속 전극에 금속 범프를 접합할 때에 필요한 면압의 1/100 내지 1/200정도의 미소면압으로 한다. 이와 같은 미소면압으로 범프(200)끼리를 압부하면, 범프(200)의 표면을 형성하고 있는 바인더끼리가 압착될 뿐으로, 바인더 중에 분산하여 함유되어 있는 금속 나노 입자(103)끼리는 접합하지 않는 상태로 할 수 있다. 이 접합에서는 바인더(101)끼리가 압착되고 있을 뿐이므로, 각 전극(12a와 19a) 사이는 전기적으로는 도통되지 않아, 비도통 상태로 되어 있다. 또 이 1차 접합시에 본딩 툴(54)에 부착되어 있는 초음파 진동자를 진동시킴으로써 본딩 툴(54)에 유지되어 있는 반도체 다이(12)를 가로방향으로 진동시켜, 접합선(201) 근방에 있는 각 범프의 선단 부분이 서로 스치도록 한다. 이것에 의해, 각 범프(200)의 접합선(201) 근방의 온도가 상승한다. 그러면 범프(200)의 표면의 바인더끼리가 융착하여 1차 접합의 접합을 확실히 할 수 있다. 단, 이 초음파 진동자 등에 의한 가온은 바인더의 유기물질이 휘발하여 제거되는 바인더 제거 온도보다 낮은 온도까지의 가열이면 된다.
1차 접합은 범프(200)의 표면의 바인더(101)끼리가 접합할 뿐으로 그 접착력은 약하지만, 반도체 다이(12)가 회로기판(19)으로부터 분리되지 않을 정도의 강도로 할 수 있다. 또 반도체 다이(12)가 회로기판(19)으로부터 분리되지 않을 정도의 강도로 할 수 있으면, 반도체 다이(12)의 복수의 전극(12a)상에 형성된 범프(200)와 회로기판(19)의 복수의 전극(19a)상에 형성된 범프(200) 모두가 서로 접합하고 있지 않아도, 일부가 접합하고 있으면 된다. 따라서, 범프(200)의 높이를 정밀도 좋게 형성하지 않아도 1차 접합에는 충분하다. 또 잉크젯 방식과 같은 간편한 방법에 의해 범프(200)를 형성할 수 있어, 범프 형성 기구를 간편한 것으로 할 수 있다.
도 6(d)에 도시한 바와 같이, 회로기판(19)상에 반도체 다이(12)가 1차 접합된 상태에서, 반도체 다이(12)를 회로기판(19)을 향해 범프(200)를 접합 방향으로 가압함과 아울러, 가열노에 있어서, 범프(200)의 온도를 바인더 및 금속 나노 입자 표면에 코팅된 분산제의 제거 온도보다 높은 온도, 예를 들어 150℃ 내지 250℃정도로 가열한다. 그러면 바인더(101) 중의 유기물질은 휘발에 의해 제거되고, 또 분산제도 온도의 상승에 의해 금속 나노 입자(103)의 표면으로부터 이탈하여 제거되어, 금속 나노 입자(103)끼리가 직접 접촉하여 금속 나노 입자(103) 특유의 저온 소결이 시작된다.
한편, 상기한 바와 같이 가열과 가압을 행하면, 금속 나노 페이스트를 구성하는 바인더(101) 및 금속 나노 입자 표면에 코팅된 분산제 중에 포함되어 있는 유기 성분에 의해, 금속 나노 입자(103)의 표면과 전극(12a, 19a)의 금속 표면이 산화 환원되고, 금속 나노 입자(103)의 응집에 의해 서로 결합을 시작한다. 이 결과, 각 전극(12a, 19a)이 금속층(300)에 의해 접합되어, 각 전극간이 도통 상태가 된다. 이와 같이 금속 나노 입자(103)를 저온으로 가압 소결시킴으로써 전극(12a, 19a) 사이를 금속층(300)에 의해 도통하도록 접합하는 것이 2차 접합이다. 2차 접합에 있어서는, 통상의 금속의 용융 온도보다 매우 낮은 온도에 의해 금속 나노 입자(103)끼리가 소결하는데, 가압 소결한 후의 금속층(300)은 통상의 금속과 마찬가지의 온도까지 상승하지 않으면 용융하지 않는다는 특성을 가지고 있다. 또 가열과 가압을 동시에 행함으로써 금속 나노 입자(103) 사이에 잔존하고 있는 가스를 제거할 수 있어, 치밀한 금속층(300)을 얻을 수 있다.
또 도 1에 도시한 언더필제 도포 기구(40)에 의해 언더필제가 도포되어 있는 경우에는, 1차 접합시에 언더필제가 반도체 다이(12)와 회로기판(19)의 간극에 충전되고, 2차 접합에 있어서 충전된 언더필제가 열경화하여 반도체 다이(12)와 회로기판(19)을 접착한다. 이 언더필제에 의해 반도체 다이(12)와 회로기판(19)의 접합 강도를 증대시킬 수 있다.
그 다음에 본 발명의 본딩 장치의 전체 동작에 대해 설명한다. 도 7의 스텝 S101에 도시한 바와 같이, 웨이퍼 매거진(13)으로부터 불출된 웨이퍼(18)는 웨이퍼 범핑 스테이지(22)에 반송되어, 웨이퍼 범핑 스테이지(22)에 진공 흡착에 의해 고정된다. 그리고 도 7의 스텝 S102 및 도 6(a)에 도시한 바와 같이, 웨이퍼(18)의 각 반도체 다이(12)의 각 전극(12a)을 향해 사출 노즐(26)로부터 금속 나노 페이스트의 미액적(100)을 사출하여 범프(200)를 형성한다. 범프(200)의 형성은 도 2에 도시한 범프 형성 제어부(501)에 의해 제어된다. 웨이퍼(18)의 모든 반도체 다이(12)의 전극(12a)에 대한 범프(200)의 형성이 종료하면, 도 7의 스텝 S103에 도시한 바와 같이, 웨이퍼(18)를 웨이퍼 홀더(70)에 반송한다. 웨이퍼 홀더(70)에 반송된 웨이퍼(18)의 웨이퍼 테이블(71)에 진공 흡착 고정된다.
도 7의 스텝 S104 및 도 3에 도시한 바와 같이, 본딩 제어부(502)는 다이 밀어올림 유닛(72)에 의해 선택된 반도체 다이(12)를 밀어올려 상승시키고, 픽업 암(63)의 선단의 흡착 콜레트(67)에 상승시킨 반도체 다이(12)의 전극상의 범프(200)에 접촉시키지 않고 반도체 다이(12)를 픽업시킨다. 그리고 도 7의 스텝 S105 및 도 3의 1점쇄선으로 도시한 바와 같이, 본딩 제어부(502)는 픽업 암(63)을 상승시킴과 아울러 흡착 콜레트(67)를 180도 회전시켜, 반도체 다이(12)를 반전시키고, 픽업 헤드(62)를 본딩 헤드(52)측을 향해 전달 위치까지 이동시킨다.
도 7의 스텝 S106 및 도 3의 1점쇄선에 도시한 바와 같이, 본딩 제어부(502)는 본딩 툴(54)의 위치가 전달 위치에 올 때까지 본딩 헤드(52)를 픽업 헤드(62)를 향해 이동시킨 후, 흡착 콜레트(67)의 흡착면의 진공을 개방함과 아울러 본딩 툴(54)의 흡착면을 진공 흡착할 수 있도록 하여 흡착 콜레트(67)로부터 본딩 툴(54)에 대한 반도체 다이(12)의 전달을 행한다.
한편, 도 7의 스텝 S201과 도 1에 도시한 바와 같이, 회로기판(19)은 기판 매거진(14)으로부터 불출되고, 기판 범핑 스테이지(23)에 반송되어, 기판 범핑 스테이지(23)에 진공 흡착에 의해 고정된다. 그리고 도 7의 스텝 S202 및 도 6(a)에 도시한 바와 같이, 범프 형성 제어부(501)는 회로기판(19)의 각 전극(19a)을 향해 사출 노즐(26)로부터 금속 나노 페이스트의 미액적(100)을 사출시켜 범프(200)를 형성한다. 회로기판(19)의 모든 전극(19a)에 대한 범프(200)의 형성이 종료되면, 도 7의 스텝 S203에 도시한 바와 같이, 회로기판(19)은 언더필제 도포 기구(40)에 반송되어, 디스펜서 스테이지(45)에 진공 흡착에 의해 고정된다. 그리고 도 7의 스텝 S204 및 도 1에 도시한 바와 같이, 범프(200)가 형성된 회로기판(19)상에 디스펜서 유닛(44) 선단의 노즐로부터 언더필제를 토출하여 회로기판(19)상에 언더필제를 도포한다. 도 7의 스텝 S205 및 도 1에 도시한 바와 같이, 언더필제의 도포가 끝난 회로기판(19)은 본딩 스테이지(55)에 반송되어, 본딩 스테이지(55)상에 진공 흡착에 의해 고정된다.
도 7의 스텝 S206 및 도 3, 4에 도시한 바와 같이, 본딩 제어부(502)는 본딩 툴(54)에 유지한 반도체 다이(12)의 전극(12a)상에 형성된 범프(200)의 위치를 회로기판(19)의 전극(19a)상에 형성된 범프(200)의 위치에 맞추도록 본딩 헤드(52)를 이동시킨다. 그리고 본딩 제어부(502)는 본딩 암(53)을 아래로 이동시켜 본딩 툴(54)에 유지한 반도체 다이(12)의 전극(12a)상에 형성된 범프(200)를 회로기 판(19)의 전극(19a)상에 형성된 범프(200)에 압부한다. 본딩 제어부(502)는 압부시의 가압력이 통상의 금속 범프끼리의 접합시의 가압력의 1/100 내지 1/200정도의 압력이 되도록 본딩 헤드(52)의 Z방향 모터를 제어한다. 이 때, 본딩 제어부(502)는 초음파 진동자(57)를 진동시켜 반도체 다이(12)측의 범프(200)와 회로기판(19)측의 범프(200)의 접촉면을 서로 스치게 하여 마찰열을 발생시켜, 도 6(c)에 도시한 바와 같이 각 범프(200)의 바인더끼리를 접합하는 1차 접합을 행한다. 이 1차 접합에 있어서, 각 범프의 가열은 초음파 진동자(57)의 진동에 의한 마찰열에 의해 행하는 것으로 하여 설명했는데, 각 범프 표면의 가열 수단은 그 표면 온도를 실온보다 높고 바인더의 유기물질이 휘발하는 바인더 제거 온도보다 낮은 온도로, 바인더가 연화할 정도의 온도로 상승시킬 수 있으면, 초음파 진동자(57)를 사용한 가열이 아니라, 예를 들어 국소적으로 온풍을 내불어 온도를 상승시키거나 방사열 등에 의해 가열하거나 하도록 하여 구성해도 된다. 또 반도체 다이(12)를 회로기판(19)에 압부함으로써 반도체 다이(12)와 회로기판(19)의 간극에 언더필제가 충전된다.
이 1차 접합은 적은 하중으로 반도체 다이(12)를 회로기판(19)에 압부하기만 하는 접합이며, 처리 시간은 매우 짧아, 각 반도체 다이(12)를 1초 이하의 시간에 접합할 수 있다. 이 때문에 1차 접합을 고속 처리로 할 수 있다.
반도체 다이(12)가 1차 접합된 회로기판(19)은 도 1에 도시한 2차 접합 기구 입구 레일(93)에 의해 제1 가압 가열노(81) 또는 제2 가압 가열노(84)의 어느 하나에 반송된다. 도 7의 스텝 S207에 도시한 바와 같이, 제1 가압 가열노(81)가 가열중이 아니고, 회로기판(19)을 반입할 수 있는 경우에는, 도 7의 스텝 S208에 도시 한 바와 같이, 회로기판(19)은 2차 접합 기구 입구 레일(93)에 의해 제1 가압 가열노(81) 쪽으로 가로 반송되어, 제1 가압 가열노(81)의 각 유지판(82a, 82b) 사이에 반입된다. 또 도 7의 스텝 S207에 도시한 바와 같이, 제1 가압 가열노(81)가 가열중이고 회로기판(19)을 반입할 수 없는 경우에는, 도 7의 스텝 S209에 도시한 바와 같이, 회로기판(19)은 2차 접합 기구 입구 레일(93)에 의해 제2 가압 가열노(84) 쪽으로 가로 반송되어, 제2 가압 가열노(84)의 각 유지판(85a, 85b) 사이에 반입된다.
도 7의 스텝 S210 및 도 5에 도시한 바와 같이, 회로기판(19)이 소정의 가압 가열노(81, 84)의 유지판(82a, 82b 또는 85a, 85b) 사이에 반송되면, 가압 제어부(503)는 액츄에이터(83, 86)를 구동하여 상부 유지판(82a, 85a)을 아래로 이동시켜 회로기판(19)에 반도체 다이(12)를 압부하여, 각 전극(12a, 19a)의 범프(200)를 접합 방향으로 가압한다. 가압할 때의 가압 압력은 통상의 금속 범프끼리를 압착하는 경우의 1/20정도의 낮은 가압력으로 한다. 또 가압 제어부(503)는 가압 가열노(81, 84)의 내부 온도가 2차 접합에 필요한 150℃ 내지 250℃가 되도록 히터(89)를 제어한다. 가압 압력을 종래의 금속 범프끼리를 접합할 때의 가압력의 1/20정도로 할 수 있는 것에 의해, 얇은 반도체 다이(12) 또는 얇은 회로기판(19)을 접합할 때에도 반도체 다이(12)나 회로기판(19)의 손상을 저감할 수 있다는 효과를 나타낸다.
도 7의 스텝 S211에 도시한 바와 같이, 가압 제어부(503)는 소정의 가압 압력과 소정의 가열 온도 상태가 소정 시간 유지되어 있는지를 감시한다. 이 유지 시간은 사용하는 금속 나노 페이스트의 종류 등에 따라서 상이한데, 60분정도의 유지 시간이 다용되고 있다. 그리고 도 7의 스텝 S212 및 도 5에 도시한 바와 같이, 소정의 유지 시간이 경과하면, 가압 제어부(503)는 액츄에이터(83, 86)를 상승시켜, 회로기판(19)과 반도체 다이(12)의 가압을 정지한다. 이 유지의 종료에 의해 2차 접합은 종료되고, 각 전극은 금속층(300)에 의해 도통 상태로 접합된다. 또 2차 접합시 언더필제가 열경화하여 반도체 다이(12)와 회로기판(19)을 접착한다. 2차 접합이 종료한 회로기판(19)은 도 1에 도시한 반출구(96)로부터 2차 접합 기구 출구 레일(94)에 의해 제품 매거진(17)에 반송된다. 제품 매거진(17)에 소정 매수의 제품이 스톡되면 제품 매거진(17)으로부터 제품이 반출된다.
2차 접합은 가압 가열노에 있어서, 60분 정도의 가압 가열 유지가 필요한 처리인데, 다수의 회로기판(19)을 배치(batch) 처리할 수 있는 가압 가열노를 2대 구비함으로써 반도체 다이(12) 하나 당 접합 처리 시간을 단축할 수 있다. 예를 들어 8인치 웨이퍼 2매로부터 취출되는 약 800개의 반도체 다이(12)를 복수의 회로기판(19)에 모두 1차 접합하고, 이 1차 접합된 약 800개의 반도체 다이(12)를 1개의 가압 가열노에 넣고 2차 접합하기 위해서 60분 유지했다고 하면, 반도체 다이(12)의 하나 당 2차 접합에 필요한 시간은 약 4.5초가 된다. 이 때문에 반도체 다이(12)의 접합의 효율이 향상된다는 효과를 나타낸다.
본 실시형태는, 1차 접합에 있어서는 종래의 금속 범프의 접합시의 가압력의 1/100 내지 1/200정도의 가압력에 의해 반도체 다이(12)와 회로기판(19)의 접합을 할 수 있고, 2차 접합에서는 종래의 금속 범프의 접합시의 가압력의 1/20정도의 가 압력에 의해 반도체 다이(12)와 회로기판(19)의 접합을 할 수 있는 점에서, 반도체 다이(12)와 회로기판(19)의 각 전극(12a, 19a)을 종래의 금속 범프끼리의 접합과 비교하여 매우 낮은 가압력에 의해 접합할 수 있는 점에서, 본딩에 의한 반도체 다이(12)나 회로기판(19)의 손상을 저감할 수 있다는 효과를 나타낸다. 또 본 실시형태는, 금속 나노 페이스트를 사용한 각 전극(12a, 19a)의 접합을 단시간에 접합 처리할 수 있는 1차 접합과, 장시간의 가압 가열 유지가 필요한 2차 접합의 2개의 처리 공정으로 나누어, 단시간에 처리를 할 수 있는 1차 접합을 연속 처리로 하고, 장시간의 처리가 되는 2차 접합을 배치 처리로 함으로써, 반도체 다이(12) 하나 당 접합 시간을 단축하고, 금속 나노 페이스트를 사용하여 효율적으로 반도체 다이(12)와 회로기판(19)의 접합을 행할 수 있다는 효과를 나타낸다. 또 본 실시형태는, 반도체 다이(12) 및 회로기판(19)의 각 전극(12a, 19a)에 금속 나노 페이스트의 미액적을 사출함으로써 범프를 형성하므로, 잉크젯 방식 등에 의해 범프 형성 기구를 구성할 수 있고, 종래의 금 범프의 형성과 같은 큰 장치가 필요없어, 본딩 장치를 간편하게 할 수 있다는 효과를 나타낸다.
이상 서술한 본 실시형태의 본딩 장치(10)는 각 전극상에 범프가 형성되어 있지 않은 웨이퍼(18)나 반도체 다이(12)나 회로기판(14)을 재료로서 공급하고, 범프(200)의 형성과 접합을 행하는 것으로 하여 설명했는데, 범프 형성 기구(20)를 별도의 독립된 장치로 하고, 본딩 장치(10) 중에 장착하지 않는 구성으로 해도 된다. 이와 같은 경우에는, 웨이퍼 매거진(13)과 기판 매거진(14)과 범프 형성 기구(20)를 포함하는 별도의 장치에 의해 미리 금속 나노 페이스트의 미액적을 사출 하여 범프(200)의 형성을 행하고, 범프(200)의 형성이 종료한 웨이퍼(18) 또는 반도체 다이(12)와 회로기판(14)을 재료로 하여 범프 형성 기구(20)를 가지지 않는 본딩(10)에 공급하여 1차 접합, 2차 접합을 행하여 제품으로 하도록 구성해도 된다. 이와 같이 별도의 장치에 의해 범프(200)의 형성을 행함으로써, 웨이퍼(18)에 다수의 범프(200)의 형성이 필요한 경우에도, 반도체 다이(12) 하나 당 접합 시간을 단축하고, 금속 나노 페이스트를 사용하여 효율적으로 반도체 다이(12)와 회로기판(19)의 접합을 행할 수 있다는 효과를 나타낸다.
또 범프 형성 기구(20) 중에 복수의 사출 헤드(26)를 구비하도록 해도 된다. 이와 같이 복수의 사출 헤드(26)를 구비함으로써, 범프(200)의 형성 속도를 올려, 더욱 반도체 다이(12) 하나 당 접합 시간을 단축할 수 있다는 효과를 나타낸다.
본 실시형태에서는, 각 전극상에 범프(200)를 형성하여 접합하는 것으로 하여 설명했는데, 도 13에 도시한 바와 같이, 접합되는 전극 중 어느 일방의 전극에만 범프(200)를 형성하고, 이 범프(200)를 타방의 전극에 압부하여 1차 접합하고, 그 후 가압 가열 유지를 행하는 2차 접합을 행하는 것으로 해도 된다. 이와 같이 함으로써, 범프(200)의 형성수가 반수로 끝나, 더욱 반도체 다이(12) 하나 당 접합 시간을 단축할 수 있다는 효과를 나타낸다.
또 본 실시형태에서는, 각 전극상에 형성하는 범프(200)는 모두 금속 나노 페이스트의 미액적을 사출하여 형성하는 것으로 하여 설명했는데, 도 14에 도시한 바와 같이, 반도체 다이(12) 또는 회로기판(14)의 전극 중 어느 일방의 전극상에 금속 나노 페이스트의 미액적을 사출하여 범프(200)의 형성을 행하고, 타방의 전극 에는 땜납 범프 또는 금 범프와 같은 금속 돌기(400)를 형성하여, 이 금속 돌기(400)와 범프(200)를 접합하도록 해도 된다. 이 경우, 본딩 장치(10) 중에, 예를 들어 범프 본더와 같은 금 범프를 형성하는 금속 돌기 형성 기구를 장착해도 되고, 금속 돌기 형성 기구를 별도의 장치로 하여, 금속 돌기(400)가 형성된 반도체 다이(12) 또는 회로기판(14)을 재료로서 공급하여, 1차 접합, 2차 접합을 행하도록 해도 된다.
도 8을 참조하면서 다른 실시형태에 대해 설명한다. 앞서 설명한 실시형태와 마찬가지의 부분에는 마찬가지의 부호를 붙이고 설명은 생략한다. 앞서 설명한 실시형태는 회로기판(19)상에 반도체 다이(12)를 접합하는 것이었지만, 본 실시형태는 금속 나노 페이스트를 사용하여 반도체 다이(12)끼리를 접합하여 3차원 실장을 행하는 것이다.
도 8(a)에 도시한 바와 같이, 각 반도체 다이(12)는 관통 전극(12b)을 가지고 있다. 앞서 도 6에 있어서 설명한 바와 같이, 각 반도체 다이(12)의 관통 전극(12b)상에 금속 나노 페이스트의 미액적을 사출하여 범프(200)를 형성하고, 일방의 반도체 다이(12)를 반전시켜, 본딩 스테이지(55)에 흡착 고정되어 있는 반도체 다이(12)의 관통 전극(12b)상에 형성되어 있는 범프(200)상에 압부하여, 초음파 진동에 의해 가진하면서 1차 접합을 행한다.
도 8(b)에 도시한 바와 같이, 1차 접합이 끝난 반도체 다이(12)를 가압 가열노의 상부 유지판(82a, 85a)과 하부 유지판(82b, 85b) 사이에 끼우고, 가압함과 아울러 150℃ 내지 250℃로 가열하여, 60분 정도 유지하여 2차 접합한다. 2차 접합 에 의해 바인더의 유기물질이 휘발하고, 분산제가 금속 나노 입자의 표면으로부터 이탈하여 금속 나노 입자끼리가 접합하여 금속층(300)이 형성되고, 각 관통 전극(12b)이 접합된다.
도 8(c)에 도시한 바와 같이, 2차 접합이 종료한 반도체 다이(12)를 다시 범프 형성 기구(20)에 반송하고, 2차 접합한 반도체 다이(12)의 관통 전극(12b)의 상면에 사출 헤드(26)로부터 금속 나노 페이스트의 미액적(100)을 사출하여 범프(200)를 형성한다. 그리고 도 8(d)에 도시한 바와 같이, 이 2차 접합이 종료한 반도체 다이(12)의 상면에 형성된 범프(200)에 관통 전극(12b)상에 범프(200)가 형성된 다른 반도체 다이(12)를 반전하여 1차 접합한다. 그러면 3매의 반도체 다이(12)의 하부 2매의 반도체 다이(12) 사이는 관통 전극(12b)이 2차 접합되고, 상부 2매의 반도체 다이(12) 사이는 관통 전극이 1차 접합된 상태로 중첩된 상태가 된다. 이 상태의 3매의 반도체 다이(12)를 다시 가압 가열노에 넣어 가압, 가열한다. 2차 접합에 의해 형성된 금속층(300)의 용융 온도는 통상의 금속의 용융 온도와 마찬가지로 1000℃ 전후의 고온이므로, 2차 접합시의 150℃ 내지 250℃의 가열 온도에서는 용융하지 않고, 그대로의 상태를 유지한다. 이 때문에, 가압, 가열에 의해 상부의 2매의 반도체 다이(12) 사이에 1차 접합된 범프(200)만이 가압 소결되어 금속층(300)이 된다. 이와 같이 하여 형성된 금속층(300)의 용융 온도와 2차 접합의 가열 온도의 온도차를 이용하여, 앞서 금속 나노 페이스트에 의해 2차 접합된 반도체 다이(12)의 관통 전극(12b)상에 겹쳐 반도체 다이(12)를 2차 접합하여 반도체 다이(12)를 적층 접합해 나갈 수 있다.
본 실시형태에 의하면, 앞서 설명한 실시형태의 효과에 더해, 종래의 땜납 범프를 통하여 반도체 다이(12)를 적층 접합하는 방법에 있어서 발생하고 있던, 나중의 접합에 의한 가열에 의해 앞서 접합한 땜납이 용융되어 버려 쇼트가 일어난다는 문제가 없어, 접합 품질, 신뢰성이 높은 반도체 다이(12)의 적층 접합을 행하고, 3차원 실장을 행할 수 있다는 효과를 나타낸다.
도 9를 참조하면서 다른 실시형태에 대해 설명한다. 이 실시형태에서는, 도 9(a)에 도시한 바와 같이, 관통 전극(12b)을 가지는 복수의 반도체 다이(12)를 1차 접합에 의해 적층 접합한 후, 적층 접합한 반도체 다이(12)를 가압 가열노의 상부 유지판(82a, 85a)과 하부 유지판(82b, 85b) 사이에 끼우고, 가압함과 아울러 150℃ 내지 250℃로 가열한 상태를 60분 정도 유지하여 복수단의 범프(200)를 일괄적으로 2차 접합한다. 2차 접합에 의해 바인더의 유기물질이 휘발하고, 분산제가 금속 나노 입자의 표면으로부터 이탈하여 금속 나노 입자끼리가 접합하여 금속층(300)이 형성되고, 각 관통 전극(12b)은 동시에 접합, 도통된다.
본 실시형태에 있어서는, 앞서 설명한 실시형태의 효과에 더해, 복수단의 반도체 다이(12)를 일괄적으로 2차 접합하므로 1단씩 2차 접합해 나가는 방법과 비교하여 2차 접합의 횟수를 저감할 수 있는 점에서, 각 반도체 다이(12)의 1매 당 접합 시간을 더욱 단축할 수 있어, 효율적으로 반도체 다이(12)의 3차원 실장을 행할 수 있다는 효과를 나타낸다.
도 10 및 11을 참조하면서 또 다른 실시형태에 대해 설명한다. 앞서 설명한 실시형태와 마찬가지의 부분에는 마찬가지의 부호를 붙이고 설명은 생략한다. 2차 접합시의 가압에 의해 금속층(300)을 형성할 때에, 가압, 가열의 조건에 따라서는, 도 10(a)에 도시한 바와 같이, 각 전극(12a, 19a) 사이의 중앙부(303)의 단면이 큰 원통형형상의 금속층(300)이 형성되는 경우가 있다. 한편, 반도체 장치는 동작시에 발열, 온도 상승한다. 반도체 다이(12)는 실리콘으로 형성되어 있고 회로기판(19)은 유리 에폭시 등의 수지 재료에 의해 형성되어 있는 점에서, 이 온도 상승에 의해 신장차가 생기고, 이 신장차에 의해 각 전극(12a, 19a)을 접합하고 있는 금속층(300)에 열응력이 발생한다. 금속층(300)이 상기한 바와 같은 원통형으로 형성되어 있는 경우에는, 금속층(300)의 가장 단면적이 작아져 있는 전극(19a)의 접합면(301)과 전극(12a)의 접합면(302)에 최대 응력이 발생한다. 이 접합면(301, 302)에 발생하는 열응력은 접합면(301, 302)의 전단 방향으로 작용하기 때문에, 금속층(300)과 전극(12a, 19a)의 접합면(301, 302)에 크랙 등이 발생하여 손상, 또는 도통 불량 등이 발생한다는 문제가 발생하는 경우가 있다.
한편, 도 10(b)와 마찬가지로, 금속층(300)의 형상이 중앙에 잘록한 부분(304)을 가지고 있는 경우에는, 신장차에 의해 발생하는 열응력은 중앙의 잘록한 부분(304)에 가해져, 이 잘록한 부분(304)이 가로로 변형함으로써 열응력을 흡수할 수 있다. 이 때문에, 각 전극(12a, 19a)을 접합하는 금속층(300)은 접합 방향의 중앙에 잘록한 부분(304)을 가지는 형상이 되도록 형성하는 것이 바람직하다. 그러나 2차 접합에 있어서의 가압력을 일정하게 제어하고 있던 것에서는, 잘록한 부분(304)을 확실히 형성하는 것이 곤란한 경우가 있다.
그래서 도 10(c)에 도시한 바와 같이, 가압 과정의 도중에 있어서, 가압력을 마이너스측으로 하여 금속층(300)에 인장력을 걸도록 하고, 금속층(300)의 중앙에 잘록한 부분(304)을 형성하도록 한다. 보다 구체적으로는, 도 10(c)에 도시한 바와 같이, 가압, 가열에 의해 금속 나노 입자의 소결을 개시시킨 후, 2차 접합의 소정의 유지 시간이 종료하기 전의 일정 시간(t1)에 있어서, 가압력을 감소시키고, 가압력을 마이너스로 한 후, 가압, 가열에 의한 2차 접합을 종료하도록 한다.
도 11 및 도 5를 참조하면서 본 실시형태의 본딩 방법에 대해 설명한다. 도 11의 스텝 S301 및 도 5에 도시한 바와 같이, 가압 제어부(503)는 액츄에이터(83, 86)를 구동하여 상부 유지판(82a, 85a)을 진출시켜 회로기판(19)에 반도체 다이(12)를 압부하여, 각 전극(12a, 19a)의 범프(200)를 접합 방향으로 가압한다. 도 11의 스텝 S302에 도시한 바와 같이, 가압 제어부(503)는 가압력 또는 각 회로기판(19)에 접합되는 반도체 다이(12)의 개수, 형상에 따라 정해지는 가압 하중 등을 도시하지 않는 계측기에 의해 측정한 결과를 취득하여, 범프(200)의 가압력이 소정의 가압력이 되고 있는지 여부를 판단하고, 소정의 가압력이 될 때까지 상부 유지판(82a, 85a)을 진출시킨다. 이 소정의 가압력은 통상의 금속 범프끼리를 압착하는 경우의 1/20정도의 낮은 가압력으로 한다. 또 가압 제어부(503)는 가압 가열노(81, 84)의 내부 온도가 2차 접합에 필요한 150℃ 내지 250℃가 되도록 히터(89)를 제어한다. 그리고 도 11의 스텝 S303에 도시한 바와 같이, 가압 제어부(503)는 가압력이 소정의 압력이 되면 상부 유지판(82a, 85a)의 진출을 정지한다. 그리고 도 11의 스텝 S304에 도시한 바와 같이, 가압 제어부(503)는 가압 압 력 또는 각 회로기판(19)에 접합되는 반도체 다이(12)의 개수, 형상에 따라 정해지는 가압 하중 등을 도시하지 않는 계측기에 의해 측정한 결과를 취득하여, 범프(200)의 가압력이 소정의 가압력이 되고 있는지 여부를 판단하고, 소정의 가압력이 되어 있지 않은 경우에는, 소정의 가압력이 될 때까지 상부 유지판(82a, 85a)을 진출시켜 가압력을 소정의 가압력으로 유지한다.
도 11의 스텝 S305에 도시한 바와 같이, 소정의 시간, 예를 들어 도 10(c)에 도시한 t1과 같이, 통상의 2차 접합 유지 시간보다 조금 짧은 시간이 경과하면, 가압 제어부(503)는 소결하고 있는 금속층(300)을 인장하는 동작을 개시시킨다.
도 11의 스텝 S306 및 도 5에 도시한 바와 같이, 가압 제어부(503)는 상부 유지판(82a, 85a) 및 하부 유지판(82b, 85b)의 각 진공 흡착구멍(91a, 91b)을 진공으로 한다. 그리고 도 11의 스텝 S307에 도시한 바와 같이, 가압 제어부(503)는 액츄에이터(83, 86)를 구동하여 상부 유지판(82a, 85a)을 상방을 향해 후퇴시켜 회로기판(19)으로부터 반도체 다이(12)를 떼어놓는다. 그러면 진공 흡착에 의해 상부 유지판(82a, 85a)과 하부의 유지판(82b, 85b)에 흡착되어 있는 반도체 다이(12)와 회로기판(19)은 상하 방향으로 인장되고, 도 10에 도시한 금속층(300)에 인장력이 가해진다. 도 11의 스텝 S308에 도시한 바와 같이, 가압 제어부(503)는 가압력 또는 각 회로기판(19)에 접합되는 반도체 다이(12)의 개수, 형상에 따라 정해지는 인장 하중 등을 도시하지 않는 계측기에 의해 측정한 결과를 취득하여, 소결하고 있는 금속층(300)에 걸리는 인장력이 소정의 인장력이 되고 있는지 여부를 판단하 고, 소정의 인장력이 될 때까지 상부 유지판(82a, 85a)을 상방을 향해 후퇴시킨다. 그리고 도 11의 스텝 S309에 도시한 바와 같이, 소정의 인장력이 되면 가압 제어부(503)는 상부 유지판(82a, 85a)의 상방으로의 후퇴를 정지시키고, 도 11의 스텝 S310에 도시한 바와 같이, 가압 제어부(503)는 금속층(300)을 소정 시간만큼 인장 상태에 유지한다.
도 11의 스텝 S311 및 도 5에 도시한 바와 같이, 가압 제어부(503)는 상부 유지판(82a, 85a) 및 하부 유지판(82b, 85b)의 각 진공 흡착구멍(91a, 91b)의 진공을 개방한다. 이것에 의해, 금속층(300)에 걸려 있는 인장력이 개방된다. 그리고 도 11의 스텝 S312에 도시한 바와 같이, 가압 제어부(503)는 상부 유지판(82a, 85a)을 상방을 향해 소정의 위치까지 후퇴시키고, 도 11의 스텝 S313에 도시한 바와 같이, 회로기판(19)과 반도체 다이(12)를 릴리스한다.
본 실시형태는 앞서 설명한 실시형태의 효과에 더해, 이와 같이 가압 유지시에 가압 압력을 마이너스로 하여 금속층(300)에 인장력을 가함으로써 금속층(300)의 접합 방향의 중앙에 잘록한 부분(304)을 형성할 수 있다. 그리고 이 잘록한 부분(304)에 의해 반도체 다이(12)와 회로기판(19)의 신장차에 의한 열응력을 효과적으로 흡수하고, 도통 불량 등의 발생을 저감할 수 있다는 효과를 나타낸다.
본 실시형태에서는, 금속층(300)의 중앙부에 잘록한 부분(304)을 형성하여 열응력의 저감을 도모하는 것으로 하여 설명했는데, 열응력의 저감을 도모할 수 있으면 금속층(300)의 형상은 잘록한 부분의 형상에 한정되지 않고, 예를 들어 높이가 높은 원통형 등 다른 형상으로 형성해도 된다. 금속층(300)을 다른 형상으로 형성하는 경우에 있어서는, 각 형상에 맞추어 가압력을 시간에 따라 변화시키는 것으로 해도 된다.
도 12를 참조하면서, 다른 실시형태에 대해 설명한다. 앞서 설명한 실시형태와 마찬가지의 부분에는 마찬가지의 부호를 붙이고 설명은 생략한다. 본 실시형태는, 각 전극상에 형성되는 범프 선단의 형상을 서로 접합되는 일방의 범프의 선단을 오목형상으로 형성하고, 타방의 범프의 선단을 이 오목형상에 끼워맞추는 볼록형상으로 형성하도록 한 것이다.
앞선 실시형태에 있어서는 각 전극상에 형성하는 범프의 형상은 선단이 가늘어진 송곳형상의 것으로 하여 설명했는데, 범프 선단의 형상은 송곳형상에 한정되지 않는다. 도 12(a)에 도시한 바와 같이, 반도체 다이(12)의 전극(12a)상에는 선단이 오목형상으로 된 범프(202)를 형성하고, 회로기판(19)의 전극(19a)상에는 선단이 볼록형상으로, 반도체 다이(12)에 형성한 오목형상의 범프(202)에 끼워맞추는 범프(200)를 형성하도록 해도 된다. 이와 같이 서로 접합되는 범프를 요철의 조합으로 하여 끼워맞추도록 하면, 도 12(b)에 도시한 바와 같이, 반도체 다이(12)의 범프(202)를 회로기판의 범프(200)에 1차 접합할 때에, 각 범프(200, 202)의 측면 등에 생기는 끼워맞춤면(203)도 접촉할 수 있으므로, 각 범프(200, 202)가 서로 접촉할 확률이 높아진다. 이 때문에, 1차 접합시의 바인더의 접합 면적이 증가하여 1차 접합의 접합 강도를 높일 수 있음과 아울러, 1차 접합의 확실성을 높일 수 있다는 효과를 나타낸다.

Claims (18)

  1. 반도체 다이의 전극과 기판의 전극을 접합하는 본딩 장치로서,
    분산제에 의해 표면 코팅된 금속 나노 입자가 페이스트상의 바인더 중에 포함되어 있는 금속 나노 페이스트의 미액적을 사출하여 어느 일방의 전극상에 형성한 범프를 타방의 전극에 압부하여 각 전극을 비도통 상태에서 1차 접합하는 1차 접합 기구와,
    1차 접합된 범프를 접합 방향을 향하여 가압하는 가압기를 포함하고, 범프를 금속 나노 페이스트의 바인더 제거 온도 및 금속 나노 페이스트의 분산제 제거 온도보다 높은 온도까지 가열하여 바인더 및 분산제를 제거하고, 범프의 금속 나노 입자를 가압 소결시켜 각 전극이 도통하도록 2차 접합하는 2차 접합 기구를 가지는 것을 특징으로 하는 본딩 장치.
  2. 반도체 다이의 전극과 기판의 전극을 접합하는 본딩 장치로서,
    분산제에 의해 표면 코팅된 금속 나노 입자가 페이스트상의 바인더 중에 포함되어 있는 금속 나노 페이스트의 미액적을 사출하여 각 전극상에 형성한 범프를 서로 압부하여 각 전극을 비도통 상태에서 1차 접합하는 1차 접합 기구와,
    1차 접합된 범프를 접합 방향을 향하여 가압하는 가압기를 포함하고, 범프를 금속 나노 페이스트의 바인더 제거 온도 및 금속 나노 페이스트의 분산제 제거 온도보다 높은 온도까지 가열하여 바인더 및 분산제를 제거하고, 범프의 금속 나노 입자를 가압 소결시켜 각 전극이 도통하도록 2차 접합하는 2차 접합 기구를 가지는 것을 특징으로 하는 본딩 장치.
  3. 반도체 다이를 3차원 실장하는 본딩 장치로서,
    분산제에 의해 표면 코팅된 금속 나노 입자가 페이스트상의 바인더 중에 포함되어 있는 금속 나노 페이스트의 미액적을 사출하여 반도체 다이의 전극상에 형성된 범프를 금속 나노 페이스트의 미액적을 사출하여 다른 반도체 다이의 전극상에 형성된 범프에 압부하여 각 전극을 비도통 상태에서 1차 접합하는 1차 접합 기구와,
    1차 접합된 범프를 접합 방향을 향하여 가압하는 가압기를 포함하고, 범프를 금속 나노 페이스트의 바인더 제거 온도 및 금속 나노 페이스트의 분산제 제거 온도보다 높은 온도까지 가열하여 바인더 및 분산제를 제거하고, 범프의 금속 나노 입자를 가압 소결시켜 각 전극이 도통하도록 2차 접합하는 2차 접합 기구를 가지는 것을 특징으로 하는 본딩 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
    가압기는 대향하여 배치되고, 반도체 다이 또는 기판을 유지하는 유지판과, 적어도 일방의 유지판을 접합 방향을 향하여 진퇴 구동하는 유지판 구동부와, 유지판 구동부의 진퇴 동작을 제어하는 가압 제어부를 포함하고,
    가압 제어부는,
    시간에 따라 유지판 구동부에 의해 유지판을 진퇴 구동하고, 범프에 가해지는 가압력을 변화시키는 가압력 변경 수단을 가지는 것을 특징으로 하는 본딩 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    가압력 변경 수단은 소정 시간 경과후에 범프에 가해지는 가압력을 마이너스로 하여, 가압 소결된 범프를 접합 방향으로 인장하고, 범프의 접합 방향 중앙에 잘록한 부분을 형성하는 잘록한 부분 형성 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 본딩 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    2차 접합 기구는,
    1차 접합된 범프를 접합 방향을 향하여 가압하는 가압기를 내부에 포함하는 가열노인 것을 특징으로 하는 본딩 장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    복수의 2차 접합 기구를 가지는 것을 특징으로 하는 본딩 장치.
  8. 반도체 다이의 전극과 기판의 전극을 접합하는 본딩 장치로서,
    분산제에 의해 표면 코팅된 금속 나노 입자가 페이스트상의 바인더 중에 포 함되어 있는 금속 나노 페이스트의 미액적을 사출하여 어느 일방의 전극상에 형성한 범프를 타방의 전극상에 형성한 금속 돌기에 압부하여 각 전극을 비도통 상태에서 1차 접합하는 1차 접합 기구와,
    1차 접합된 범프를 접합 방향을 향하여 가압하는 가압기를 포함하고, 범프를 금속 나노 페이스트의 바인더 제거 온도 및 금속 나노 페이스트의 분산제 제거 온도보다 높은 온도까지 가열하여 바인더 및 분산제를 제거하고, 범프의 금속 나노 입자를 가압 소결시켜 각 전극이 도통하도록 2차 접합하는 2차 접합 기구를 가지는 것을 특징으로 하는 본딩 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    가압기는 대향하여 배치되고, 반도체 다이 또는 기판을 유지하는 유지판과, 적어도 일방의 유지판을 접합 방향을 향하여 진퇴 구동하는 유지판 구동부와, 유지판 구동부의 진퇴 동작을 제어하는 가압 제어부를 포함하고,
    가압 제어부는,
    시간에 따라 유지판 구동부에 의해 유지판을 진퇴 구동하고, 범프에 가해지는 가압력을 변화시키는 가압력 변경 수단을 가지는 것을 특징으로 하는 본딩 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    가압력 변경 수단은 소정 시간 경과후에 범프에 가해지는 가압력을 마이너스 로 하여, 가압 소결된 범프를 접합 방향으로 인장하고, 범프의 접합 방향 중앙에 잘록한 부분을 형성하는 잘록한 부분 형성 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 본딩 장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    2차 접합 기구는 1차 접합된 범프를 접합 방향을 향하여 가압하는 가압기를 내부에 포함하는 가열노인 것을 특징으로 하는 본딩 장치.
  12. 제 9 항에 있어서,
    복수의 2차 접합 기구를 가지는 것을 특징으로 하는 본딩 장치.
  13. 반도체 다이의 전극과 기판의 전극을 접합하는 본딩 방법으로서,
    분산제에 의해 표면 코팅된 금속 나노 입자가 페이스트상의 바인더 중에 포함되어 있는 금속 나노 페이스트의 미액적을 사출하여 어느 일방의 전극상에 형성한 범프를 타방의 전극에 압부하여 각 전극을 비도통 상태에서 1차 접합하는 1차 접합 공정과,
    1차 접합된 범프를 접합 방향을 향하여 가압하는 가압력을 시간에 따라 변화시킴과 아울러 범프를 금속 나노 페이스트의 바인더 제거 온도 및 금속 나노 페이스트의 분산제 제거 온도보다 높은 온도까지 가열하여 바인더 및 분산제를 제거하고, 범프의 금속 나노 입자를 가압 소결시켜 각 전극이 도통하도록 2차 접합하는 2 차 접합 공정을 가지는 것을 특징으로 하는 본딩 방법.
  14. 반도체 다이의 전극과 기판의 전극을 접합하는 본딩 방법으로서,
    분산제에 의해 표면 코팅된 금속 나노 입자가 페이스트상의 바인더 중에 포함되어 있는 금속 나노 페이스트의 미액적을 사출하여 각 전극상에 형성한 범프를 서로 압부하여 각 전극을 비도통 상태에서 1차 접합하는 1차 접합 공정과,
    1차 접합된 범프를 접합 방향을 향하여 가압하는 가압력을 시간에 따라 변화시킴과 아울러 범프를 금속 나노 페이스트의 바인더 제거 온도 및 금속 나노 페이스트의 분산제 제거 온도보다 높은 온도까지 가열하여 바인더 및 분산제를 제거하고, 범프의 금속 나노 입자를 가압 소결시켜 각 전극이 도통하도록 2차 접합하는 2차 접합 공정을 가지는 것을 특징으로 하는 본딩 방법.
  15. 반도체 다이를 3차원 실장하는 본딩 방법으로서,
    분산제에 의해 표면 코팅된 금속 나노 입자가 페이스트상의 바인더 중에 포함되어 있는 금속 나노 페이스트의 미액적을 사출하여 반도체 다이의 전극상에 형성된 범프를 금속 나노 페이스트의 미액적을 사출하여 다른 반도체 다이의 전극상에 형성된 범프에 압부하여 각 전극을 비도통 상태에서 1차 접합하는 1차 접합 공정과,
    1차 접합된 범프를 접합 방향을 향하여 가압하는 가압력을 시간에 따라 변화시킴과 아울러 범프를 금속 나노 페이스트의 바인더 제거 온도 및 금속 나노 페이 스트의 분산제 제거 온도보다 높은 온도까지 가열하여 바인더 및 분산제를 제거하고, 범프의 금속 나노 입자를 가압 소결시켜 각 전극이 도통하도록 2차 접합하는 2차 접합 공정을 가지는 것을 특징으로 하는 본딩 방법.
  16. 제 13 항 내지 제 15 항중 어느 한 항에 있어서,
    2차 접합 공정은 소정 시간 경과후에 범프에 가해지는 가압력을 마이너스로 하여, 가압 소결된 범프를 접합 방향으로 인장하고, 범프의 접합 방향 중앙에 잘록한 부분을 형성하는 것을 특징으로 하는 본딩 방법.
  17. 반도체 다이의 전극과 기판의 전극을 접합하는 본딩 방법으로서,
    분산제에 의해 표면 코팅된 금속 나노 입자가 페이스트상의 바인더 중에 포함되어 있는 금속 나노 페이스트의 미액적을 사출하여 어느 일방의 전극상에 형성한 범프를 타방의 전극상에 형성한 금속 돌기에 압부하여 각 전극을 비도통 상태에서 1차 접합하는 1차 접합 공정과,
    1차 접합된 범프를 접합 방향을 향하여 가압하는 가압력을 시간에 따라 변화시킴과 아울러 범프를 금속 나노 페이스트의 바인더 제거 온도 및 금속 나노 페이스트의 분산제 제거 온도보다 높은 온도까지 가열하여 바인더 및 분산제를 제거하고, 범프의 금속 나노 입자를 가압 소결시켜 각 전극이 도통하도록 2차 접합하는 2차 접합 공정을 가지는 것을 특징으로 하는 본딩 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    2차 접합 공정은 소정 시간 경과후에 범프에 가해지는 가압력을 마이너스로 하여, 가압 소결된 범프를 접합 방향으로 인장하고, 범프의 접합 방향 중앙에 잘록한 부분을 형성하는 것을 특징으로 하는 본딩 방법.
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