TW201349361A - 基板接合方法及基板回流處理裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明提供用以提高凸塊連結部分之可靠性之基板接合方法及基板回流處理裝置。本發明提供如下基板接合方法，其以使第1基板的第1連接部與第2基板的第2連接部電性連接之方式接合第1基板與第2基板。本發明之基板接合方法包含：預熱處理階段，其用以除去在第1基板的第1連接部與第2基板的第2連接部接觸之暫時固定狀態下存在於第1連接部及第2連接部之濕氣與氧化物；以及熔融熱處理階段，其以使第1連接部與第2連接部接合之方式進行熔融結合。

Description

基板接合方法及基板回流處理裝置
本發明係關於一種基板接合方法及基板回流處理裝置。
隨著資訊通信技術之發展，對於高性能可攜式設備之需求增加。對於為了滿足此種需求而使用之半導體製品之大容量化及高性能化之需求有持續增加之趨勢。為了滿足此種需求，半導體元件正繼續實現高積體化。
尤其最近，封裝技術亦被用作用以實現高性能化及大容量化之方法，於此種構造中必須使用凸塊(bump)之程度的應用範圍有變廣泛之趨勢。
於先前之情形時，當在半導體裝置中應用凸塊時，於形成有多個焊墊之半導體基板上的與多個焊墊並排之位置，以多種方法形成多個凸塊，利用凸塊將安裝有半導體裝置之基板或彼此不同之半導體裝置之間予以電性連結。為了牢固地將以此種構造形成之多個凸塊之間或凸塊與基板之間予以連結，應用將凸塊加熱至一定溫度而實現構造性或電性連結之方法。為了有效率地實現此種凸塊之連結而使用多種金屬材料，且使利用一種或兩種以上之合金材料而連結凸塊之步驟最佳化。尤其為了有效果地對凸塊進行熱處理，已努力於成形(forming)氣體環境中對凸塊實 施熱處理，以提高複數個凸塊之間的連結可靠性。
然而，以先前之方法連結凸塊時，仍殘留有可靠性之問題，因此，需要改善如下問題，即，於連結多個凸塊時，殘留於此種連結部分及其周圍之空氣或濕氣、氧化物等介入而使連結部分之可靠性降低，從而導致電子零件或設備之可靠性降低。又，由於最近對於環境之重要性增加，於為了滿足如上所述之需求而可用於形成凸塊之材料或氣體等之使用方面存在限制，因此，存在如下問題，即，上述之問題會因步驟條件之制約而變得更嚴重。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]韓國專利公開第10-2011-0026671號公報
本發明之目的在於提供用以提高凸塊連結部分之可靠性之基板接合方法及基板回流處理裝置。
本發明之目的並不限制於此，本領域技術人員可根據以下之記載而明確地理解未提及之其他目的。
根據本發明之一方面，可提供如下基板接合方法，其包含：預熱處理階段，其用以除去在第1基板的第1連接部與第2基板的第2連接部接觸之暫時固定狀態下存在於上述第1連接部及上述第2連接部之濕氣與氧化物；以及熔融熱處理階段，其以使上述第1連接部與上述第2連接 部接合之方式進行熔融結合。
又，上述第1連接部與上述第2連接部中之至少任一者可為焊料凸塊(Solder Bump)。
又，上述預熱處理階段可於低於上述焊料凸塊熔點溫度之溫度環境中進行；上述熔融熱處理階段係於與上述焊料凸塊熔點溫度相同或較高之溫度環境中進行。
又，上述預熱處理階段可以低於大氣壓力之壓力環境下進行。
又，上述預熱處理階段可於包含成形氣體或惰性氣體之環境中進行。
又，上述熔融熱處理階段可於低於大氣壓力之壓力環境與包含成形氣體或惰性氣體之環境中進行。
又，上述第1基板與上述第2基板中之至少任一者可包含印刷電路基板或搭載有半導體晶片之印刷電路基板或倒裝晶片型之半導體晶片。
根據本發明之一方面，可提供如下基板接合方法，其包含：預熱處理階段，其於第1基板與第2基板介隔焊料凸塊而暫時固定之狀態下，於低於上述焊料凸塊熔點溫度之溫度環境中進行熱處理；以及熔融熱處理階段，其以經由上述焊料凸塊而使上述第1基板與第2基板接合之方式，於與上述焊料凸塊熔點溫度相同或較高之溫度環境下進行熱處理。
又，上述預熱處理階段可以低於大氣壓力之壓力環境下進行，且可於一定時間內供給包含成形氣體或惰性氣體 之環境氣體。
根據本發明之一方面，可提供如下基板回流處理裝置，其包含：索引模組，其裝載/卸載介隔焊料凸塊將第2基板暫時固定於第1基板而成之基板結合體；負載鎖室，其經由閘閥與上述索引模組連結，且其內部空間可選擇性地轉換為大氣壓力與真空；搬送室，其經由閘閥與上述負載鎖室連結，且具備用以搬送上述基板結合體之搬送裝置；回流反應室，其經由閘閥與上述搬送室連結，且處理對於上述基板結合體之基板接合步驟；以及冷卻室，其對在上述回流反應室中經處理之上述基板結合體進行冷卻。
又，上述回流反應室可包含：真空室，其具有放置上述基板結合體之至少一個載台；氣體供給部，其向上述真空室內供給成形氣體或惰性氣體；加熱機構，其於真空環境中對上述基板結合體的焊料凸塊進行回流；以及控制部，其控制上述加熱機構。
又，上述控制部可於將上述加熱機構控制為與上述焊料凸塊熔點溫度相同或較高之溫度之前，將其控制為低於上述焊料凸塊熔點溫度之溫度。
根據本發明，可提高凸塊連結部分之可靠性。
S110‧‧‧步驟
S120‧‧‧步驟
1‧‧‧基板結合體
10‧‧‧第1基板
12‧‧‧凸塊焊墊
14‧‧‧焊料凸塊
20‧‧‧第2基板
22‧‧‧金屬焊墊
100‧‧‧索引模組
110‧‧‧框架
120‧‧‧裝載埠
122‧‧‧載體
130‧‧‧移送機械手
200‧‧‧步驟處理部
210‧‧‧負載鎖室
220‧‧‧基板搬送裝置
230‧‧‧搬送室
240‧‧‧回流反應室
242‧‧‧真空室
244‧‧‧基座
246‧‧‧氣體供給部
248‧‧‧加熱機構
249‧‧‧控制部
250‧‧‧冷卻室
1000‧‧‧基板回流處理裝置
圖1係表示本實施形態的基板回流處理裝置之構成圖。
圖2係回流反應室之剖面圖。
圖3係表示由圖1所圖示之基板回流處理裝置處理之基板結合體之圖式。
圖4係用以說明本發明的基板接合方法之流程圖。
於本說明書中所使用之用語與隨附圖式係用於容易地說明本發明，本發明並不受到用語與圖式限定。
省略關於本發明所利用之技術中的與本發明的思想無密切關聯之先前技術之詳細說明。
本說明書所記載之實施形態係為了對具有本發明所屬之技術領域中的通常知識者明確地說明本發明之實施形態，因此，本發明並不限定於本說明書所記載之實施形態，本發明之範圍必須被解釋為包含不脫離本發明的思想之修正例或變形形態。
以下，對本發明的基板接合方法及基板回流處理裝置之一個實施形態進行說明。
圖1係表示本實施形態的基板回流處理裝置之構成圖。
本實施形態的基板回流處理裝置1000執行如下步驟，該步驟對在封裝步驟中設置於被處理體之焊料凸塊進行回流。如圖3所示，被處理體可為介隔複數個焊料凸塊14將第1基板10與第2基板20暫時固定而成之基板結合體1。作為一例，第1基板10與第2基板20可包含：電基板或執行了晶片安裝步驟(chip mounting process)之安裝有半導體晶片之印刷電路基板或倒裝晶片型之半導體晶 片、或半導體基板。電基板可為，例如：印刷配線板PCB、經印刷之電路板、難燃玻璃纖維(FR4)板、有機電路板、母板、或用以收容、連接電氣元件之任意之單層板或多層板。電基板可為陶瓷基板、混合電路基板、或積體電路封裝。電基板可為聚醯亞胺帶、可撓性(flexible)電路、高密度互連板、或電子模組。電基板可包含其他倒裝晶片以及其他主動元件及被動元件(passive component)。
參照圖1，基板回流處理裝置1000包含索引模組100及步驟處理部200。
索引模組100係配置於基板回流處理裝置1000的前方。索引模組100可為設備前端模組(equipment front end module：EFEM)。索引模組100包含框架110、與安裝載體122之裝載埠120，該載體122於其一側壁裝載有基板結合體。於框架110內部設置有移送機械手130，該機械手130可進行動作，以在安裝於裝載埠120之載體122與步驟處理部200之間移送基板結合體。移送機械手130藉由一次動作，至少逐塊地自放置於裝載埠120之載體122搬出基板結合體，且將各個基板結合體搬入至負載鎖室210。
步驟處理部200係配置於索引模組100的後方。步驟處理部200包含兩個負載鎖室(loadlock chamber)210、搬送室(transfer chamber)230、回流反應室240、冷卻室250、及基板搬送裝置(substrate transfer apparatus)220。
步驟處理部200於中央配置有多邊形狀之搬送室 230，且於索引模組100與搬送室230之間配置有負載鎖室210，該負載鎖室210放置被執行回流步驟之基板結合體或回流步驟已完成之基板結合體。通常，負載鎖室210於兩個以上之不同環境之間，例如大氣壓力環境與真空環境之間發揮緩衝空間作用，且使用於步驟處理之基板結合體暫時待機。
又，於搬送室230之各個側面配置有對基板結合體執行既定步驟之回流反應室240及冷卻室250。
於回流反應室240中進行回流步驟，該回流步驟係對基板結合體的焊料凸塊進行回流之步驟。於回流反應室240中，可在對基板結合體的焊料凸塊進行回流之前，進行以低於焊料凸塊熔點溫度之溫度進行熱處理之預熱處理步驟。本發明中，以於回流反應室240中進行用以除去雜質之預熱處理步驟與回流步驟為例進行說明。然而，用以除去雜質之預熱處理步驟可於其他步驟室中進行。
於冷卻室250中進行冷卻步驟，該冷卻步驟係對回流步驟已完成之基板結合體進行冷卻之步驟。
圖2係回流反應室之剖面圖。
回流反應室240包含真空室242、基座244、氣體供給部246、加熱機構248、及控制部249。真空室242於內部提供執行對於基板結合體1之回流步驟處理的製程空間。基座244設置於真空室242內。基座244係為了支持基板結合體1而設置於真空室242。氣體供給部246向真空室242內供給成形氣體或惰性氣體。加熱機構248以使基板 結合體1的焊料凸塊於真空環境中熔融之方式提供熱能。可使用如由基座提供之熱板或設置於真空室242內之IR燈或對流烤箱(convective oven)裝置之類的多種加熱裝置作為加熱機構248。
控制部249控制加熱機構248。控制部249於將加熱機構248控制為與焊料凸塊14的熔點溫度相同或較高之溫度之前，將其控制為低於焊料凸塊14的熔點溫度之溫度。
另一方面，上述實施形態說明了回流反應室240具備一個基座244，但本發明並不限定於此，回流反應室240可提供兩個以上之基座。
於以下之實施形態中，以第1基板與第2基板為印刷電路基板之情形為例進行說明。
圖3係表示由圖1所圖示之基板回流處理裝置處理之基板結合體之圖式。
參照圖3，基板結合體1的第1基板10與第2基板20介隔焊料凸塊14而暫時固定，且經由回流步驟被接合。作為一例，第1基板10與第2基板20可為印刷電路基板。
第1基板10於一個面上具有第1連接部。第1連接部可為焊料凸塊或連接於焊料凸塊之金屬焊墊。於本實施形態中，以第1連接部為焊料凸塊14之情形為例進行說明。藉由焊料凸塊14使第1基板10與第2基板20之間電性連接。焊料凸塊14形成於第1基板100的凸塊焊墊12上。
焊料凸塊14可由多種方法形成。例如，焊料凸塊可藉由電鍍如金Au、Sn化合物(錫+銀)之一種以上之金屬 而形成。或者，可於基板的主動表面上覆蓋一層以上的金屬層，且利用先前之平版印刷技術使任意之所期望之金屬圖案化，並進行蝕刻，藉此形成焊料凸塊。可於選擇性地將焊膏網版印刷至焊墊上之後，對其加熱而使焊料熔化，形成凸塊，藉此提供焊料凸塊。與此不同，可將焊球配置於焊墊上，對焊球加熱而使該等焊球附著於凸塊焊墊，藉此形成焊料凸塊。焊料凸塊可由選自Au、Cu、Ni、Bi、In、Ag、Zn及該等金屬之合金中的任一種金屬形成。
第2基板20具有用以與焊料凸塊14電性連接之第2連接部。第2連接部可為焊料凸塊或金屬焊墊。於本實施形態中，以第2連接部為金屬焊墊22之情形為例進行說明。以與第1基板10之焊料凸塊14相對應之方式提供金屬焊墊22。
雖未圖示，但第1基板10與第2基板20可使用導電性接著劑以維持暫時固定狀態。亦即，可使導電性接著劑介於第1基板10的焊料凸塊14表面與第2基板20的金屬焊墊22之間，使第1基板10與第2基板20彼此接著。作為一例，可使用各向異性導電薄膜(Anisotropic conductive film)或各向異性導電膏(Anisotropic conductive paste)等作為導電性接著劑。
圖4係用以說明本發明的基板接合方法之流程圖。
參照圖2及圖4，基板接合方法係用以防止殘留於焊料凸塊及其連結部分之空氣或濕氣、氧化物等雜質介入而使連結部分之可靠性降低。基板接合方法於進行上升至焊 料凸塊14的熔化溫度或其附近之溫度以上為止而進行接著之熔融熱處理步驟(S120)之前，追加了以低於焊料凸塊14的熔化溫度之溫度，於低於大氣壓力之壓力環境中進行預熱處理之步驟(S110)。經由預熱處理步驟(S110)，可有效果地除去殘留於焊料凸塊14及其連結部分之空氣或濕氣或多餘之氧化物等，於進行了如上所述之預熱處理步驟之後，進行使焊料凸塊熔融之熱處理步驟。
而且，預熱處理步驟(S110)可以低於大氣壓力之壓力，於一定時間內供給包含成形氣體或氮氣等惰性氣體之環境氣體，使真空室242內部的壓力發生變化。如此，以低於大氣壓力之壓力實施高溫熱處理時，藉由熱與壓力及環境氣體之變化，將殘留於暫時固定之基板結合體1與焊料凸塊14部位之空氣或濕氣、氧化物等除去。因此，對經由如上所述之預熱處理步驟而除去了雜質之基板結合體實施進行構造性或電性連結之熔融熱處理步驟。熔融熱處理步驟可以低於大氣壓力之壓力，於一定時間內供給環境氣體而使壓力發生變化。經由此種步驟，追加地除去有可能殘留於基板結合體之雜質。
於預熱處理步驟(S110)及熔融熱處理步驟(S120)中，熱處理溫度與熱處理時間可根據焊料凸塊14之材料的熔點溫度而有所不同。
另一方面，雖說明了於基板接合方法中實施一次預熱處理步驟，但預熱處理步驟可由本領域技術人員變更，此時，可一面變更溫度、壓力、及環境氣體等條件，一面實 施預熱處理步驟。
本發明係於真空室內部，以低於大氣壓之壓力執行預熱處理步驟及熔融回流步驟，因此，可防止由氧所導致之焊料凸塊及連結部分之氧化。又，若於回流步驟時供給環境氣體，則可進一步提高接合性能。
100‧‧‧索引模組
110‧‧‧框架
120‧‧‧裝載埠
122‧‧‧載體
130‧‧‧移送機械手
200‧‧‧步驟處理部
210‧‧‧負載鎖室
220‧‧‧基板搬送裝置
230‧‧‧搬送室
240‧‧‧回流反應室
250‧‧‧冷卻室
1000‧‧‧基板回流處理裝置

Claims (12)

  1. 一種基板接合方法，其以使第1基板的第1連接部與第2基板的第2連接部電性連接之方式接合上述第1基板與上述第2基板，其特徵在於包含：預熱處理階段，其用以除去在上述第1基板的上述第1連接部與上述第2基板的第2連接部接觸之暫時固定狀態下存在於上述第1連接部及上述第2連接部之濕氣與氧化物；以及熔融熱處理階段，其以使上述第1連接部與上述第2連接部接合之方式進行熔融結合。
  2. 如請求項1所記載之基板接合方法，其中上述第1連接部與上述第2連接部中之至少任一者為焊料凸塊。
  3. 如請求項2所記載之基板接合方法，其中上述預熱處理階段係於低於上述焊料凸塊熔點溫度之溫度環境中進行；上述熔融熱處理階段係於與上述焊料凸塊熔點溫度相同或較高之溫度環境中進行。
  4. 如請求項3所記載之基板接合方法，其中上述預熱處理階段係以低於大氣壓之壓力進行。
  5. 如請求項3所記載之基板接合方法，其中上述預熱處理階段係於包含成形氣體或惰性氣體之環境中進行。
  6. 如請求項3所記載之基板接合方法，其中上述熔融熱處理階段係於低於大氣壓力之壓力環境與包含成形氣體或惰性氣體之環境中進行。
  7. 如請求項3所記載之基板接合方法，其中上述第1基板與上述第2基板中之至少任一者包含印刷電路基板或搭載有半導體晶片之印刷電路基板或倒裝晶片型之半導體晶片。
  8. 一種基板接合方法，其使第1基板與第2基板電性連結，且包含：預熱處理階段，其於第1基板與第2基板介隔焊料凸塊而暫時固定之狀態下，於低於上述焊料凸塊熔點溫度之溫度環境中進行熱處理；以及熔融熱處理階段，其以經由上述焊料凸塊而使上述第1基板與第2基板接合之方式，於與上述焊料凸塊熔點溫度相同或較高之溫度環境下進行熱處理。
  9. 如請求項8所記載之基板接合方法，其中上述預熱處理階段係以低於大氣壓力之壓力進行，且於一定時間內供給包含成形氣體或惰性氣體之環境氣體。
  10. 一種基板回流處理裝置，其包含：索引模組，其裝載/卸載介隔焊料凸塊將第2基板暫時固定於第1基板而成之基板結合體；負載鎖室，其經由閘閥與上述索引模組連結，且其內部空間可選擇性地轉換為大氣壓力與真空；搬送室，其經由閘閥與上述負載鎖室連結，且具備用以搬送上述基板結合體之搬送裝置；回流反應室，其經由閘閥與上述搬送室連結，且處理對於上述基板結合體之基板接合步驟；以及 冷卻室，其對在上述回流反應室中經處理之上述基板結合體進行冷卻。
  11. 如請求項10所記載之基板回流處理裝置，其中上述回流反應室包含：真空室，其具有放置上述基板結合體之至少一個載台；氣體供給部，其向上述真空室內供給成形氣體或惰性氣體；加熱機構，其於真空環境中對上述基板結合體的焊料凸塊進行回流；以及控制部，其控制上述加熱機構。
  12. 如請求項11所記載之基板回流處理裝置，其中上述控制部於將上述加熱機構控制為與上述焊料凸塊熔點溫度相同或較高之溫度之前，將其控制為低於上述焊料凸塊熔點溫度之溫度。
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