WO2016125763A1

WO2016125763A1 - 実装装置および実装方法

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Publication number: WO2016125763A1
Application number: PCT/JP2016/052970
Authority: WO
Inventors: 寺田　勝美
Original assignee: 東レエンジニアリング株式会社
Priority date: 2015-02-03
Filing date: 2016-02-02
Publication date: 2016-08-11
Also published as: JP6752722B2; JPWO2016125763A1

Abstract

　上下両面に電極を有する半導体チップを、前記半導体チップの下側に配置され、上面に電極を有する被接合物に、熱硬化性の接着剤を介した状態で熱圧着するのに際して、アウトガスによる弊害もなく、接合品質も確保した実装装置および実装方法を提供すること。具体的には、前記半導体チップを吸着保持する仮圧着ヘッドを用いて、前記接着剤からアウトガスを発生しない温度で、前記被接合物上に仮圧着する仮圧着部と、前記被接合物上に仮圧着された前記半導体チップを、加熱機能および加圧機能を有する本圧着ヘッドを用いて、前記半導体チップ下面の電極と前記被接合物上面の電極を接合するとともに前記接着剤を熱硬化させて、前記被接合物に熱圧着する本圧着部とを備えている実装装置および実装方法を提供する。

Description

実装装置および実装方法

　本発明は、実装装置および実装方法に関する。詳しくは、上下両面に電極を有する半導体チップを、前記半導体チップの下側に配置され、上面に電極を有する被接合物に、接着剤を介した状態で熱圧着する実装装置および実装方法に関する。

　半導体チップを基板に実装する方法として、フリップチップ工法が知られている。フリップチップ工法では、図１４に示す様なフリップチップボンダー５０を用いて、半導体チップのバンプ電極と基板の電極を熱圧着して接合させている。図１４のフリップチップボンダー５０では、図１５のような構造からなる熱圧着ヘッド５７を有し、アタッチメント５９の吸着穴５９０内を減圧することにより吸着保持した半導体チップCをヒーター５８で加熱しながら、基板Ｓ０に熱圧着する機能を有している。

　フリップチップ工法では、接合部の信頼性を確保するために、半導体チップと基板の隙間を樹脂で封止している。樹脂封止の方法として、従来は接合後に液状樹脂を隙間に注入して熱硬化する方法が一般的であったが、半導体チップと基板の間に接着性を有する樹脂を未硬化状態で配置した状態で熱圧着を行う工法も多く提案されている（例えば特許文献１）。

　半導体チップと基板の間に接着剤としての未硬化樹脂を配した状態で行うフリップチップ工法は、電極同士の接合と樹脂封止を同時に行うことができる。このため、貫通電極のような上下両面に電極を有する半導体チップを積層する３次元実装にも適した工法でもある。

特開２００４－３１５６８８号公報

　貫通電極のような上下両面に電極を有する半導体チップは、一般的な半導体チップと異なり、図１６に示すように半導体チップC上面にも電極ＥＴによる突起がある。このため、フリップチップボンダー５０の熱圧着ヘッド５７で吸着保持する場合、熱圧着ヘッド５７のアタッチメント５９と半導体チップC上面に隙間が生じる。この隙間は僅かであるので、アタッチメントに上下両面に電極（ＥＴ、ＥＢ）を有する半導体チップCを保持することは可能である。しかし、減圧状態の吸着穴５９０内部には、半導体チップC周辺の空気が入り込み続けることになる（図１７）。

　このため、未硬化樹脂Ｒを介して、上下両面に電極を有する半導体チップCを被接合物Ｓ（配線基板または配線基板上に上下両面に電極を有する半導体を積層したもの）に熱圧着する場合では、加熱により樹脂からアウトガスＧが発生し、吸着穴内部５９０に吸引されることになる。このアウトガスＧの中には有機成分等が含まれており、吸着穴５９０内部に入り込む過程において、アタッチメント５９の吸着面や吸着穴５９０内部にアウトガス成分が付着する。このアタッチメント５９の吸着面や吸着穴５９０内部へのアウトガス成分の付着は、熱圧着を繰り返すことにより徐々に蓄積され、アタッチメント５９の吸着面を汚染したり、吸着穴５９０を詰まらせて吸着不良に至ることもある。

　また、加熱を繰り返すことで、付着したアウトガス成分が炭化物となり、この炭化物が吸着穴から半導体チップＣ上に落下して品質不良を引き起こす懸念もある。

　そこで、図１８のように、半導体チップC上面とアタッチメント５９の吸着面との間の隙間をなくすために、アタッチメント５９の吸着面に、半導体チップC上面の電極ＥＴを収納するような凹部５９２を設けることが考えられる。

　ところが、半導体チップC上面の電極ＥＴを収納するような凹部５９２を設けようとすると、凹部５９２は電極ＥＴより容積的に大きくなるので、凹部５９２と電極ＥＴの間に隙間が生じる。このような隙間が生じると、この凹部５９２においてアタッチメント５９から半導体チップCへの伝熱が阻害され、半導体チップCの加熱が不十分となる。特に、上
下両面の電極に貫通電極を用いた半導体チップでは、下面の電極への加熱が不十分となってしまい、接合不良の原因となる。また、圧力が大きい場合は、凹部５９２の周辺で剪断応力ＴＡ（図１９）が生じて半導体チップにダメージを与えることにもなるので好ましくない。

　一方、アタッチメント５９の吸着面が平坦であれば、半導体チップＣ上面に突出した電極ＥＴにしか熱と加重が加わらないため、半導体チップＣ下側の未硬化樹脂Ｒの流動性が低くなり、半導体チップＣと被接合物Ｓの電極間に樹脂が噛み込んだりボイドが発生して接合不良の原因になる。

　また、アウトガスＧが発生する温度に到達する前に吸着を止めて、アウトガス成分の吸着穴５９０内への流入を防いでから加熱する方法も考えられるが、吸着穴５９０の内部と外部の差圧から半導体チップＣに向かって気流が逆流するため、加熱時の樹脂の流動により半導体チップＣが位置ズレする懸念がある。さらに、加熱開始を遅らせるとタクトタイムが長くなって生産性が低下する。

　本発明は、上記問題に鑑みて成されたものであり、上下両面に電極を有する半導体チップを、前記半導体チップの下側に配置され、上面に電極を有する被接合物に、接着剤を介した状態で熱圧着するのに際して、アウトガスによる弊害もなく、接合品質も確保した実装装置および実装方法を提供するものである。

　上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
上下両面に電極を有する半導体チップを、前記半導体チップの下側に配置され、上面に電極を有する被接合物に、熱硬化性の接着剤を介した状態で熱圧着する実装装置であって、
前記半導体チップを吸着保持する仮圧着ヘッドを用いて、前記接着剤からアウトガスが発生しない温度で、前記被接合物上に仮圧着する仮圧着部と、
前記被接合物上に仮圧着された前記半導体チップを、加熱機能および加圧機能を有する本圧着ヘッドを用いて、前記半導体チップ下面の電極と前記被接合物上面の電極を接合するとともに前記接着剤を熱硬化させて、前記被接合物に本圧着する本圧着部とを備えていることを特徴とする。

　請求項２に記載の発明は、
請求項１に記載の実装装置であって、
前記本圧着ヘッドと前記被接合物に仮圧着された前記半導体チップの間に樹脂シートを供給する、樹脂シート供給機構を備えたことを特徴とする。

　請求項３に記載の発明は、
請求項２に記載の実装装置であって、
前記仮圧着された半導体チップ上面の電極を、前記樹脂シートに埋め込んでから本圧着することを特徴とする。

　請求項４に記載の発明は、
請求項２または請求項３に記載の実装装置であって、
前記本圧着後に、前記本圧着ヘッド表面に前記樹脂シートを密着させた状態で、前記樹脂　請求項５に記載の発明は、
請求項４に記載の実装装置であって、
前記本圧着ヘッドと前記樹脂シートを離間させる移動手段を備えたことを特徴とする。

　請求項６に記載の発明は、
請求項１から請求項５の何れかに記載の実装装置であって、
前記仮圧着ヘッドの前記半導体チップを吸着保持する面に、前記半導体チップ上面の電極を収納する凹部を有していることを特徴とする。

　請求項７に記載の発明は、
請求項１から請求項６の何れかに記載の実装装置であって、
前記接着剤からアウトガスが発生しない温度として、前記接着剤の硬化開始温度より低い温度を設定することを特徴とする。

　請求項８に記載の発明は、
上下両面に電極を有する半導体チップを、前記半導体チップの下側に配置され、上面に電極を有する被接合物に、熱硬化性の接着剤を介した状態で熱圧着する実装方法であって、
前記半導体チップを吸着保持する仮圧着ヘッドを用いて、前記接着剤からアウトガスが発生しない温度で、前記被接合物上に仮圧着する仮圧着工程と、
前記被接合物上に仮圧着された前記半導体チップを、加熱機能および加圧機能を有する本圧着ヘッドを用いて、前記半導体チップ下面の電極と前記被接合物上面の電極を接合するとともに前記接着剤を熱硬化させて、前記被接合物に熱圧着する本圧着工程とからなることを特徴とする。

　請求項９に記載の発明は、
請求項８に記載の実装方法であって、
前記本圧着ヘッドと前記被接合物に仮圧着された前記半導体チップの間に樹脂シートを供給する工程を有することを特徴とする。

　請求項１０に記載の発明は、
請求項９に記載の実装方法であって、
本圧着工程前に前記仮圧着された半導体チップ上面の電極を、前記樹脂シートに埋め込んでから本圧着することを特徴とする。

　請求項１１に記載の発明は、
請求項９または請求項１０に記載の実装方法であって、
前記本圧着工程後に、前記本圧着ヘッド表面に前記樹脂シートを密着させた状態で、前記樹脂シートを前記半導体チップから離間させることを特徴とする。

　請求項１２に記載の発明は、
請求項１１に記載の実装方法であって、
前記樹脂シートを前記半導体チップから離間させた後に、前記本圧着ヘッドから前記樹脂シートを離間することを特徴とする。

　請求項１３に記載の発明は、
請求項８から請求項１２の何れかに記載の実装方法であって、
前記半導体チップを吸着保持する面に、前記半導体チップ上面の電極を収納する凹部が形成された仮圧着ヘッドを用いて、前記半導体チップ上面の電極を収納した状態で仮圧着を行うことを特徴とする。

　請求項１４に記載の発明は、
請求項８から請求項１３の何れかに記載の実装方法であって、
前記接着剤からアウトガスが発生しない温度として、前記接着剤の硬化開始温度より低い温度を設定することを特徴とする。

　本発明により、上下両面に電極を有する半導体チップを、前記半導体チップの下側に配置され、上面に電極を有する被接合物に、接着剤を介した状態で熱圧着するのに際して、アウトガスが発生しない状態で半導体チップを被接合物上に仮固定してから、半導体チップを吸着保持する必要なくアウトガスが発生する温度以上に加熱するので、アウトガスによる弊害もなく、接合品質も確保した実装が行える。

本発明の第一実施形態に係る実装装置の全体構成を示す図である。本発明で対象とする半導体チップと被接合物について説明する図である。本発明の第一実施形態に係る実装装置の仮圧着ヘッドの構成を示す図である。（ａ）本発明の第一実施形態に係る実装装置の仮圧着ヘッドが半導体チップを吸着している状態を説明する図である（ｂ）本発明の第一実施形態に係る実装装置の仮圧着ヘッドの変形例で半導体チップを吸着している状態を示す図である。本発明の第一実施形態に係る実装装置の本圧着ヘッドの構成を示す図である。本発明の第一実施形態に係る実装装置の制御構成を示す図である。本発明の第一実施形態に係る実装工程に用いられるＮＣＦの温度と粘度の関係をグラフで示す図である。（ａ）本発明の第一実施形態に係る実装装置の仮圧着工程において半導体チップが被接合物に近接される状態を示す図である（ｂ）同じく仮圧着工程において半導体チップの下面電極が被接合物に設けられているＮＣＦに接触した状態を示す図である（Ｃ）同じく仮圧着工程で半導体チップを被接合物に仮固定した状態を示す図である。（ａ）本発明の第一実施形態に係る実装装置の本圧着工程において被接合物上に仮固定された半導体チップに本圧着ヘッドの本圧着用アタッチメントおよび樹脂シートが接近する状態を示す図である（ｂ）同じく本圧着工程において本圧着用アタッチメントおよび樹脂シートが半導体チップに当接した状態を示す図である（ｃ）同じく本圧着工程において半導体チップ上面の電極が樹脂シートに埋め込まれた状態を示す図である（ｄ）同じく本圧着工程において半導体チップが熱加圧された状態を示す図である。（ａ）本発明の第一実施形態に係る実装装置の本圧着工程において熱圧着が完了した状態を示す図である（ｂ）同じく本圧着工程後に本圧着用アタッチメントおよび樹脂シートが半導体チップから上方に移動した状態を示す図である（ｃ）同じく本圧着工程後に本圧着用アタッチメントから樹脂シートを離間した状態を示す図である。（ａ）半導体チップの電極が樹脂シートに埋没したイメージ図である（ｂ）半導体チップの電極が樹脂シートに埋没する一例を示す図である。本発明の第二実施形態に係る実装装置の全体構成を示す図である。（ａ）本発明の第二実施形態に係る実装装置の本圧着工程において被接合物上に仮固定された半導体チップに本圧着ヘッドの本圧着用アタッチメントが接近する状態を示す図である（ｂ）同じく本圧着工程において本圧着用アタッチメントが半導体チップに当接した状態を示す図である従来のフリップチップボンダーの構成を示す図である。下面のみに電極を有する半導体チップを従来のフリップチップボンダーの熱圧着ヘッドが保持している状態を示す図である。上下両面に電極を有する半導体チップを従来のフリップチップボンダーの熱圧着ヘッドが保持している状態を示す図である。上下両面に電極を有する半導体チップを従来のフリップチップボンダーで熱圧着する際に発生するアウトガスについて説明する図である。従来のフリップチップボンダーで熱圧着ヘッドのアタッチメントに凹部を設けて上下両面に電極を有する半導体チップを保持する状態を示す図である。従来のフリップチップボンダー熱圧着ヘッドのアタッチメントに凹部を設けて上下両面に電極を有する半導体チップを熱圧着する際に生じる問題点を説明する図である。

　本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。
まず、図１に示した本発明に係る一実施形態である実装装置１について説明する。以下の説明では仮圧着部２から本圧着部１２へ被接合物Ｓを搬送する方向をX軸方向、これに直交するＹ軸方向、後述の仮圧着ヘッド７および本圧着ヘッド１７の被接合物Ｓに垂直な移動方向をＺ軸方向、Ｚ軸を中心として回転する方向をθ方向として説明する。

　実装装置１で実装する半導体チップCは、図２のように貫通電極により上下両面に電極を有しており、下面の電極ＥＢは先端部にはんだＢＳを有するはんだバンプとなっており、上面の電極ＥＴも上面から数μｍ程度突起している。被接合物Ｓは、図２（ａ）に示すような基板Ｓ０、または図２（ｂ）に示すような配線基板Ｓ０に半導体チップCが積層されたものである。また、本実施形態において、半導体チップCと被接合物Ｓとを接着する接着剤として、熱硬化性樹脂を主成分とする非導電性フィルム（以下「ＮＣＦ」と記す）を用いている。ＮＣＦは被接合物Ｓの表面に貼り付けられているものとするが、これに限定されるものではなく、半導体チップCの下面に貼り付けられていてもよい。さらに、接着剤として熱硬化性樹脂を主成分とする非導電性ペースト（以下「ＮＣＰ」と記す）を用いてもよい。

　図１に示す実装装置１は、被接合物Ｓに半導体チップCを実装するものである。実装装置１は、仮圧着部２、本圧着部１２、搬送機構２１（図６参照）および制御部２３（図６照）を備えている。

　仮圧着部２は、接着剤であるＮＣＦによって被接合物Ｓに半導体チップCを仮圧着して仮固定するものである。仮圧着部２は、仮圧着用基台３、仮圧着用ステージ４、支持フレーム５、仮圧着ユニット６，仮圧着ヘッド７および仮圧着用画像認識装置１０を備えている。

　仮圧着用基台３は、仮圧着部２を構成する主な構造体である。仮圧着用基台３は、仮圧着用ステージ４と支持フレーム５を支持している。

　仮圧着用ステージ４は、被接合物Ｓを保持しつつ、任意の位置に移動させるものである。仮圧着用ステージ４は、駆動ユニット４ａに被接合物Ｓを吸着保持できる吸着テーブル４ｂが取り付けられ構成されている。仮圧着用ステージ４は、仮圧着用基台３に取り付けられ、駆動ユニット４ａによって吸着テーブル４ｂをＸ軸方向およびＹ軸方向に移動できるように構成されている。すなわち、仮圧着用ステージ４は、仮圧着用基台３上において吸着テーブル４ｂに吸着された被接合物ＳをＸ軸方向およびＹ軸方向に移動できるように構成されている。なお、本実施形態において、仮圧着用ステージ４は、吸着により被接合物Ｓを保持しているがこれに限定されるものではない。

　支持フレーム５は、仮圧着ユニット６を支持するものである。支持フレーム５は、仮圧着用基台３の仮圧着用ステージ４の近傍からＺ軸方向に向かって延びるように構成されている。

　仮圧ユニットである仮圧着ユニット６は、仮圧着ヘッド７をＺ軸方向とθ方向に移動させるものである。仮圧着ユニット６は、図示しないサーボモータとボールねじから構成される。仮圧着ユニット６は、サーボモータによってボールねじを回転させることによりボールねじの軸方向の駆動力を発生するように構成されている。仮圧着ユニット６は、ボールねじの軸方向が被接合物Ｓに対して垂直なＺ軸方向の駆動力（加圧力）を発生するように構成されている。仮圧着ユニット６は、サーボモーターの出力を制御することによりＺ軸方向の加圧力である仮圧荷重Ｆｔを任意に設定できるように構成されている。なお、本実施形態において、仮圧着ユニット６は、サーボモータとボールねじとの構成としたが、これに限定されるものではなく、空圧アクチュエータ、油圧アクチュエータやボイスコイルモータから構成してもよい。

　仮圧着ヘッド７は、半導体チップCを吸着保持して、仮圧着ユニット６の駆動力を半導体チップCに伝達するものである。仮圧着ヘッド７は、仮圧着ユニット６を構成している図示しないボールねじナットに取り付けられている。また、仮圧着ユニット６は、仮圧着用ステージ４と対向するように配置されている。また、仮圧着ヘッド７は、仮圧着ユニット６によってＺ方向に移動されることで仮圧着用ステージ４に近接する。仮圧着ヘッド７の構成は図３に示すが、仮圧着ヘッド７には、仮圧着ヒータ８、仮圧着用アタッチメント９が設けられている。

　図３に示す仮圧着ヒータ８は、半導体チップCを加熱するためのものであり、カートリッジヒータから構成されている。ただし、カートリッジヒータに限定されるものではなく、ラバーヒータ等、半導体チップCを加熱することができるものであればよい。また、仮圧着ヒータ８は、仮圧着ヘッド７に組み込まれているが、これに限定されるものではなく、仮圧着用ステージ４に組み込んで、仮圧着用ステージ４側から被接合物Ｓを介してＮＣＦを加熱する構成でもよい。更に、仮圧着ヘッド７および仮圧着用ステージ４の両方にヒータを組み込んだ構成としても良い。

　仮圧着用アタッチメント９は、半導体チップCを保持するものである。仮圧着用アタッチメント９は、仮圧着ヘッド７に仮圧着用ステージ４と対向するように設けられている。仮圧着用アタッチメント９は、半導体チップCを位置決めしながら吸着保持できるように構成されている。また、仮圧着用アタッチメント９は、仮圧着ヒータ８によって加熱されるように構成されている。つまり、仮圧着用アタッチメント９は、半導体チップCを位置決め保持するとともに、仮圧着ヒータ８からの伝熱によって半導体チップCを加熱できるように構成されている。なお、仮圧着用アタッチメント９には、半導体チップＣを吸着するための吸着穴９０が設けられており、吸着穴９０は減圧系９１に連通されている。減圧系９１を稼働することにより、吸着穴９０内部は減圧され、仮圧着用アタッチメント９は半導体チップＣを吸着保持する。ここで、図３では吸着穴９０は１個のみとなっているが、これに限定されるものではなく複数あってもよく、吸着する半導体チップＣの大きさに応じて増やしてもよい。

　吸着穴９０は、半導体チップＣ上面に突出した電極ＥＴを避けた位置に設けることで、電極ＥＴの頭頂部全面に加重を加えることができるため半導体チップＣ下面の電極ＥＢに充分な力を加えることができる。

　なお、仮圧着用アタッチメント９の吸着穴９０以外の部分の平面形状は、図４（ａ）のように、平坦であっても半導体チップＣの上面と下面の間で生じる気圧差により保持することが可能であるが、図４（ｂ）のように、半導体チップＣ上面の電極ＥＴを収納するような凹部９２を形成したものであってもよい。図４（ｂ）のように凹部９２を形成すると、仮圧着用アタッチメント９の表面に、半導体チップＣの上面が密着するので、吸着状態の半導体チップＣが横ズレする可能性が低減する。なお、仮圧着工程では、はんだ溶融およびＮＣＦ硬化に必要な高温も、ＮＣＦ硬化時の粘度を上回るような圧力も必要ないので、仮圧着用アタッチメント９に凹部９２を設けても、半導体チップＣに対する加熱不十分という問題や、剪断応力によるダメージという問題は生じない。

　ところで、仮圧着用アタッチメント９の半導体チップＣを吸着する面の外周サイズは、、半導体チップＣのサイズよりも小さくすることで、半導体チップＣと被接合物Ｓの間からＮＣＦがはみ出したとしても仮圧着用アタッチメント９に付着するという問題は生じない。仮圧着用アタッチメント９の各辺は、半導体チップＣの各辺に対して０．１ｍｍから０．５ｍｍ程度小さくすることが望ましい。

　仮圧着用画像認識装置１０は、画像によって半導体チップCと被接合物Ｓとの位置情報を取得するものである。仮圧着用画像認識装置１０は、仮圧着用ステージ４に保持されている被接合物Ｓ上面の位置合わせマークと、仮圧着用アタッチメント９に保持されている半導体チップC下面の位置合わせマークとを画像認識して、被接合物Ｓと半導体チップCとの位置情報を取得するように構成されている。なお、被接合物Ｓの位置合わせマークとは、被接合物Ｓが配線基板Ｓ０のみの場合は配線基板Ｓ０に記された位置合わせマークを用い、被接合物Ｓが配線基板Ｓ０上に半導体チップＣが積層されたものである場合は、配線基板Ｓ０に記された位置合わせマークまたは積層された最上層の半導体チップＣの位置合わせマークを用いる。

　図１に示す本圧着部１２は、半導体チップC下面の電極と被接合物Ｓ上面の電極とをはんだの溶着により接合するとともにＮＣＦを熱硬化し、半導体チップCを被接合物Ｓの上に固定するものである。本圧着部１２は、本圧着用基台１３、本圧着用ステージ１４、支持フレーム１５、本圧着ユニット１６、本圧着ヘッド１７、および本圧着用画像認識装置２０を備えている。

　本圧着用基台１３は、本圧着部１２を構成する主な構造体である。本圧着用基台１３は充分な剛性を有するように構成されている。本圧着用基台１３は、本圧着用ステージ１４と支持フレーム１５とを支持している。

　本圧着用ステージ１４は、被接合物Ｓを保持しつつ、任意の位置に移動させるものである。本圧着用ステージ１４は、駆動ユニット１４ａに被接合物Ｓを吸着保持できる吸着テーブル１４ｂが取り付けられて構成されている。本圧着用ステージ１４は、本圧着用基台１３に取り付けられ、駆動ユニット１４ａによって吸着テーブル１４ｂをＸ軸方向、Ｙ軸方向およびθ方向に移動できるように構成されている。すなわち、本圧着用ステージ１４は、本圧着用基台１３上において吸着テーブル１４ｂに吸着された被接合物ＳをＸ軸方向、Ｙ軸方向、θ軸方向に移動できるように構成されている。なお、本実施形態において、本圧着用ステージ１４は、吸着により被接合物Ｓを保持しているが、これに限定されるものではない。

　支持フレーム１５は、本圧着ユニット１６を支持するものである。支持フレーム１５は、本圧着用基台１３の本圧着用ステージ１４の近傍からＺ軸方向に向かって延びるように構成されている。

　加圧ユニットである本圧着ユニット１６は、本圧着ヘッド１７を移動させるものである。本圧着ユニット１６は、図示しないサーボモータとボールねじとから構成される。本圧着ユニット１６は、サーボモータによってボールねじを回転させることによりボールねじの軸方向の駆動力を発生するように構成されている。本圧着ユニット１６は、ボールねじの軸方向が被接合物Ｓに対して垂直なＺ軸方向になるように支持フレーム１５に取り付けられている。つまり、本圧着ユニット１６は、Ｚ軸方向の駆動力（加圧力）を発生できるように構成されている。本圧着ユニット１６は、サーボモータの出力を制御することによりＺ軸方向の加圧力である本圧荷重Ｆｐを任意に設定できるように構成されている。なお、本実施形態において、本圧着ユニット１６は、サーボモータとボールねじとの構成としたが、これに限定されるものではなく、空圧アクチュエータ、油圧アクチュエータやボイスコイルモータから構成してもよい。本圧着ユニット１６の加圧力は、半導体チップＣの電極の数や、被接合物Ｓとの電極同士の接触面積に応じて可変できるよう制御される。

　本圧着ヘッド１７は、本圧着ユニット１６の駆動力を半導体チップCに伝達するものである。本圧着ヘッド１７は、本圧着ユニット１６を構成している図示しないボールねじナットに取り付けられている。つまり、本圧着ユニット１６は、本圧着用ステージと対向するように配置されている。つまり、本圧着ヘッド１７は、本圧着ユニット１６によってＺ軸方向に移動されることで、本圧着用ステージ１４に近接する。本圧着ヘッド１７の構成を図５に示すが、本圧着ヘッド１７には、本圧着ヒータ１８および本圧着用アタッチメント１９が設けられている。

　樹脂シート供給機構２２は、樹脂シート巻出部２２Ｓおよび樹脂シート巻取部２２Ｒを構成要素として、樹脂シート巻出部２２Ｓに巻かれたテープ状の樹脂シートＰを本圧着用アタッチメント１９と半導体チップＣの間に供給した後に樹脂シート巻取部２２Ｒで巻取るものである。樹脂シート供給機構２２には、樹脂シート巻出部２２Ｓと樹脂シート巻取部２２Ｒ以外に、樹脂シートＰを安定に搬送するためのガイドロール等があってもよい。ここで、樹脂シートＰとしては、柔軟性を有しつつ、耐熱性に優れ、半導体チップに対する防着性にも優れている材料が好ましく、この特性を備えた材料として、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）等のフッ素樹脂が好適である。また、厚みとしては、機械的強度を保持しつつも半導体チップへの熱伝導性も考慮して２０～５０μｍ程度が好ましい。

　図５に示す本圧着ヒータ１８は、半導体チップCを加熱するためのものである。本圧着ヒータ１８は、カートリッジヒータから構成され、本圧着ヘッド１７に組み込まれている。本実施形態において、本圧着ヒータ１８はカートリッジヒータから構成されているが、これに限定されるものではなく、セラミックヒータ、ラバーヒータ等、半導体チップCを所定の温度まで加熱することができるものであればよい。

　本圧着用アタッチメント１９は、樹脂シートＰを介して半導体チップCを加圧するものである。本圧着用アタッチメント１９は、本圧着ヘッド１７に本圧着用ステージ１４と対面するように設けられている。さらに、本圧着用アタッチメント１９は、本圧着ヒータ１８によって加熱されるように構成されている。つまり、本圧着用アタッチメント１９は、半導体チップCを加圧すると同時に、本圧着ヒータ１８からの伝熱によって加熱できるように構成されている。なお、仮圧着用アタッチメント９と異なり、本圧着用アタッチメント１９は半導体チップＣを吸着保持する必要がないので、吸着穴はなくてもよい。

　樹脂シートＰにより、本圧着時に半導体チップＣからＮＣＦがはみ出しても本圧着用アタッチメント１９に付着することがないので、本圧着用アタッチメント１９は圧着面の外周サイズを半導体チップＣよりも大きくすることができる。そのため、半導体チップＣの周辺部まで全面に熱を伝えることができ、半導体チップＣ外周にはみだしたＮＣＦのフィレット形状を安定させ、接合強度を高めることができる。また、半導体チップＣを圧着する面の外周サイズを、実装のピッチサイズよりも小さくすることで、隣接半導体チップＣ間での干渉を抑えて本圧着を行うことができる。なお、本圧着用アタッチメント１９には、効率よく熱を伝えるために５０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する材料を用いることが好ましい。

　本圧着アタッチメント１９は、本圧着ヒータ１８と分離されていて脱着できる構成であれば、安価であり、交換することで複数品種に対応できて好ましいが、一体型の構造であってもよい。

　本圧着用画像認識装置２０は、画像によって半導体チップCと被接合物Ｓとの位置情報を取得するものである。本圧着用画像認識装置２０は、被接合物Ｓを構成する配線基板Ｓ０上面の位置合わせマークと、被接合物Ｓに仮固定された半導体チップC上面の位置合わせマークとを画像認識して、被接合物Ｓと半導体チップCとの位置情報を取得するように構成されている。

　搬送機構２１は、仮圧着部２と本圧着部１２との間で被接合物Ｓの受け渡しを行うものである。搬送機構２１は、仮圧着部２の仮圧着用ステージ４で半導体チップCが仮圧着された被接合物Ｓを本圧着部１２の本圧着用ステージ１４に搬送できるように構成されている。

　搬送機構２１には、被接合物Ｓをθ方向に回転させる機能を持たせてもよい。こうすることで、本圧着部１２にθ方向に回転させる機構が不要となり、Ｘ方向およびＹ軸方向のみに移動する機構とすることで、剛性の高い本圧着用ステージ１４にすることができ、高い荷重を受けることができ、多数の電極を有する半導体チップＣの実装に対応できる。

　図６に示すように、制御部２３は、仮圧着部２、本圧着部１２および搬送機構２１等を制御するものである。制御部２３は、具体的には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ等がバスで接続される構成される構成であってもよく、あるいはワンチップのＬＳＩ等からなる構成であってもよい。制御部２３は、仮圧着部２、本圧着部１２および搬送機構２１等を制御するための種々のプログラムやデータが格納されている。

　制御部２３は、仮圧着用ステージ４と本圧着用ステージ１４とに接続され、仮圧着用ステージ４と本圧着用ステージ１４のＸ軸方向、Ｙ軸方向、θ軸方向の移動量をそれぞれ制御することができる。

　制御部２３は、樹脂シート供給機構２２に接続され、本圧着アタッチメント１９直下の樹脂シートＰの搬送を制御することができる。

　制御部２３は、仮圧着ヒータ８と本圧着ヒータ１８とに接続され、仮圧着ヒータ８と本圧着ヒータ１８との温度をそれぞれ制御することができる。特に、制御部２３は、本圧着ヘッド１７の加圧時における平均温度をＮＣＦの硬化開始温度（後述の基準温度Ｔｓ）以上かつはんだの融点以上の温度からなる一定範囲内に維持することができる。

　制御部２３は、仮圧着ユニット６と本圧着ユニット１６とに接続され、仮圧着ユニット６と本圧着ユニット１６のＺ軸方向の加圧力をそれぞれ制御することができる。

　制御部２３は、仮圧着用アタッチメント９の吸着穴９０に連通した減圧系９１に接続され、仮圧着アタッチメント９の吸着状態を制御することができる。

　制御部２３は、仮圧着用画像認識装置１０と本圧着用画像認識装置２０に接続され、仮圧着用画像認識装置１０と本圧着用画像認識装置２０とをそれぞれ制御し、半導体チップCと被接合物Ｓとの位置情報を取得することができる。

　制御部２３は、搬送機構２１に接続され、搬送機構２１を制御することができる。

　以下では、図７から図９用いて、本発明に係る実装装置１の仮圧着工程と本圧着工程について説明するが、まず、ＮＣＦの特性について説明する。

　図７に示すように、ＮＣＦは、その温度に応じて粘度が変動する。具体的には、熱硬化性樹脂を主成分として構成されるＮＣＦは、樹脂の特性から定まる硬化開始温度である基準温度Ｔｓ未満の温度域においては硬化することなく、可逆的に温度上昇に伴って粘度が低くなる性質を示す。一方、ＮＣＦは、基準温度Ｔｓ以上の温度域においては硬化し、不可逆的に温度上昇に伴って、粘度が高くなる性質を示す。また、基準温度Ｔｓ未満ではアウトガスは殆ど発生しないが、基準温度Ｔｓ以上に加熱するとアウトガスが発生し易くなる。

　実装装置１は、仮圧着工程において、仮圧着部２の仮圧着用アタッチメント９に吸着保持した半導体チップCを仮圧着ヒータ８によって所定の仮圧温度Ｔｔまで加熱する。ここで、仮圧温度Ｔｔは、ＮＣＦを硬化させず、アウトガスも発生させないために基準温度Ｔｓよりも低く設定されている。一方において、仮圧温度Ｔｔが低すぎるとＮＣＦの粘度が高いため、被接合物Ｓに半導体チップCを仮固定することが難しくなる。このため、基準温度Ｔｓと仮圧温度Ｔｔの差が４０℃を超えることは好ましくない。すなわち、基準温度Ｔｓと仮圧温度Ｔｔの差は、０℃より大で４０℃より小であることが好ましく、１０℃以上で３０℃以下に設定することが更に望ましい。具体的な設定値としては、ＮＣＦの組成によって異なるが、Ｔｔを１２０℃以下にしておけばアウトガスの発生は殆どなく、更に望ましくは１００℃以下が良い。

　図８（ａ）に示すように、実装装置１は、仮圧温度Ｔｔに加熱された半導体チップCを仮圧着ユニット６によって被接合物Ｓに向かってＺ軸方向に移動させる。図８（ｂ）に示すように、被接合物Ｓに向かって移動された半導体チップC下面の電極は、被接合物Ｓに貼られたＮＣＦに接触する。半導体チップCは、下面電極ＥＢがＮＣＦに接触したことで、仮圧着ユニット６から仮圧加重ＦｔがＺ軸方向に加わる。

　半導体チップCは、仮圧着ヒータ８によって加熱されることで、半導体チップC下面の電極ＥＢ（および半導体チップCの下面）と接触したＮＣＦの粘度が下がり、仮圧着ユニット６によって被接合物Ｓに向かって加圧される。そして、ＮＣＦが加圧荷重Ｆｔにより変形していく。この際、半導体チップCには、仮圧加重Ｆｔに対してＮＣＦの粘性抵抗による反力が生じる。半導体チップCに生じるＮＣＦの粘性抵抗による反力は、被接合物Ｓと半導体チップCとにはさみこまれたＮＣＦの変形量に応じて増加する。このため、仮圧加重Ｆｔで加圧されている半導体チップCは、仮圧加重Ｆｔにつり合う粘性抵抗による反力が生じるＮＣＦの変形量に到達するとＺ軸方向の位置が定まる（図８（ｃ））。

　すなわち、仮圧着工程における半導体チップCのＺ軸方向の位置は、仮圧加重ＦｔとＮＣＦの粘度によって定まる。したがって、実装装置１は、仮圧着部２において、仮圧着ユニット６による仮圧加重ＦｔとＮＣＦの粘度を設定するための仮圧着ヒータ８の温度とによって被接合物Ｓの電極ＥＳと半導体チップC下面の電極ＥＢとの間隔を所定範囲に調整することができる。

　この過程において、仮圧温度Ｔｔは図７における基準温度Ｔｓよりも低いことからアウトガスは殆ど発生しない。このため、仮圧着用アタッチメント９の表面や吸着穴９０の内部にアウトガスの成分が付着することもない。

　次に、本発明に係る実装装置１の本圧着工程について説明する、図９に示すように、実装装置１は、本圧着工程において、本圧着ユニット１６によって、樹脂シートＰを介して本圧着用アタッチメント１９を、被接合物Ｓに仮固定された半導体チップＣの上面に突出した電極ＥＴの頭頂部に当接させる（図９（ａ）、図９（ｂ））。次いで、電極ＥＴが樹脂シートＰに埋没するまで押し込む（図９（ｃ））。半導体チップCは、本圧着ヒータ１８によって本圧着用アタッチメント１９、樹脂シートＰを介して、半導体チップＣ全面にわたって所定の本圧温度Ｔｐまで加熱される。これに伴って、半導体チップＣ下面の電極ＥＢとＮＣＦは加熱された半導体チップCの熱が伝わり、電極ＥＢ先端のはんだＢＳも含めて、半導体チップCと略同一の本圧温度ＴＰに加熱される。ここで、本圧温度Ｔｐは、基準温度Ｔｓ以上かつはんだＢＳの融点以上の一定範囲内に設定されている。すなわち、実装装置１は、ＮＣＦが硬化する温度域であってＮＣＦが所定の本圧粘度（硬度）になるとともに、はんだＢＳが溶融するように本圧着ヒータ１８の温度を制御している。

　実装装置１は、本圧温度Ｔｐに加熱された半導体チップCを本圧着ユニット１６によってＺ軸方向に本圧加重Ｆｐで加圧する。半導体チップCは、本圧着ユニット１６によって被接合物Ｓに向かって加圧されることで、半導体チップC下面の電極ＥＢと被接合物Ｓ上面の電極ＥＳとの間隙をなくすように近接する（図９（ｄ））。

　この際、ＮＣＦは、基準温度ＴＳ以上に加熱されているため硬化が始まるとともにアウトガスを発生する。しかし、本圧着用アタッチメント１９は半導体チップＣを吸着する必要がなく、このため、アウトガスが半導体チップＣ上面と本圧着用アタッチメント１９の間の隙間に引き込まれるようなことはなく、アウトガスが半導体チップCの上面や本圧着用アタッチメント１９の表面には殆ど付着しない。

　本圧着工程での熱圧着が終了すると（図１０（ａ））、本圧着用アタッチメント１９は樹脂シートＰとともに上昇する（図１０（ｂ））。樹脂シートＰは本圧着後は半導体チップＣの上面の突起電極ＥＴが埋没した状態なので、本圧着用アタッチメント１９のみを上昇させると、樹脂シートＰが冷却され、収縮により電極ＥＴから離間出来ない状態になるので、本圧着用アタッチメント１９に密着した状態で上昇させるのが望ましい。その後、樹脂シートＰを本圧着アタッチメント１９の表面から離間させる（図１０（ｃ））。樹脂シートＰを本圧着アタッチメント１９表面から離間することにより、樹脂シート供給機構２２は、樹脂シートＰの搬送を行う事が容易になる。なお、本圧着部１２は、本圧着ユニット１６又と樹脂シート供給機構２２のＺ軸方向の相対距離を移動させる図示しない移動手段を備えており、この移動手段により樹脂シートＰと本圧着アタッチメント１９の接近および離間を行う。

　なお、図９（ｃ）、９（ｄ）および図１０（ａ）において、電極ＥＴが樹脂シートＰに埋没する状態を、図１１（ａ）のようなイメージ図で示しているが、実際には図１１（ｂ）に一例を示すように電極ＥＴの周囲には隙間ＰＶが形成されている。ただし、隙間ＰＶの周囲で樹脂シートＰは半導体チップＣの上面に密着しているので、圧着ヒータ１８の熱は、アタッチメント１９、樹脂シートＰを介して、半導体チップＣに伝わる。

　以下に、図１２を用いて、本発明の第二実施形態に係る実装装置３０について説明する。なお、以下の実施形態において、既に説明した実施形態と同様の点に関しては、その具体的説明を省略し、相違する部分を中心に説明する。

　図１２の実装装置３０は、仮圧着部２において、被接合物Ｓに半導体チップＣを一つずつ仮固定することに関しては実装装置１と同じであるが、本圧着部３２において被接合物Ｓに仮固定された複数の半導体チップＣを一括して熱圧着する機能を有している。実装装置３０の本圧着部３２は、本圧着用基台３３、本圧着用ステージ３４、支持フレーム３５、本圧着ユニット３６、本圧着ヘッド３７、および本圧着用画像認識装置４０を備えており、実装装置１の本圧着部１２と同様な構成および機能を有している。また、本圧着ヘッド３７に、本圧着ヒータ３８と本圧着アタッチメント３９が設けられている。更に、図示はしていないが、本圧着アッタチメント３９の圧着面と半導体チップＣの間に樹脂シートＰを供給する樹脂シート供給機構も構成要素として含まれている。本圧着用アタッチメント３９は、図１３（ａ）に示すように、半導体チップＣ単位で分割する構成となっている。また、被接合物Ｓおよび半導体チップＣに厚さばらつきがあっても、複数の半導体チップＣの加圧力を同等にするために、本圧着ヒータ３８と本圧着用アタッチメント３９の間に弾性体３９ａを挟みこんでいる。

　本圧着部３２は、仮圧着された複数の半導体チップＣを同じタイミング熱圧着するのであれば、１チップ毎に本圧着する本圧着ヘッドを複数配置した構成であってもよい。

　実装装置３０の本圧着部３２での半導体チップＣの本圧着に際しては、実装装置１の本圧着部１２吐同様に、樹脂シートＰを介して本圧着用アタッチメント３９を、被接合物Ｓに仮固定された半導体チップＣの上面に突出した電極ＥＴの頭頂部に当接させる（図１３（ａ）、図１３（ｂ））。次いで、電極ＥＴが樹脂シートＰに埋没するまで押し込んでから（図１３（ｃ））、本圧温度Ｔｐに加熱する。

　一般的に、仮圧着工程よりも本圧着工程に要する時間が長い。このため、図１２の実装装置３０では、第一実施形態の実装装置１と同様な作用効果が得られるとともに、複数の半導体チップを一括で本圧着することができるので、タクト短縮の効果も得られる。

　　　１　　　　　実装装置
　　　２　　　　　仮圧着部
　　　３　　　　　仮圧着用基台
　　　４　　　　　仮圧着用ステージ
　　　５　　　　　支持フレーム
　　　６　　　　　仮圧着ユニット
　　　７　　　　　仮圧着ヘッド
　　　８　　　　　仮圧着ヒータ
　　　９　　　　　仮圧着用アタッチメント
　　１０　　　　　仮圧着用画像認識装置
　　１２　　　　　本圧着部
　　１３　　　　　本圧着用基台
　　１４　　　　　本圧着用ステージ
　　１５　　　　　支持フレーム
　　１６　　　　　本圧着ユニット
　　１７　　　　　本圧着ヘッド
　　１８　　　　　本圧着ヒータ
　　１９　　　　　本圧着用アタッチメント
　　２０　　　　　本圧着用画像認識装置
　　２２　　　　　樹脂シート供給機構
　　２２Ｓ　　　　樹脂シート巻出部
　　２２Ｒ　　　　樹脂シート巻取部
　　２３　　　　　制御部
　　９０　　　　　吸着穴
　　９１　　　　　減圧系
　　９２　　　　　凹部
　　　Ｃ　　　　　半導体チップ
　　　Ｐ　　　　　樹脂シート
　　　Ｓ　　　　　被接合物
　　ＥＢ　　　　　半導体チップ下面の電極
　　ＥＴ　　　　　半導体チップ上面の電極
　　ＥＳ　　　　　被接合物上面の電極
　ＮＣＦ　　　　　非導電性フィルム（接着剤）

Claims

　上下両面に電極を有する半導体チップを、前記半導体チップの下側に配置され、上面に電極を有する被接合物に、熱硬化性の接着剤を介した状態で熱圧着する実装装置であって、
前記半導体チップを吸着保持する仮圧着ヘッドを用いて、前記接着剤からアウトガスが発生しない温度で、前記被接合物上に仮圧着する仮圧着部と、
前記被接合物上に仮圧着された前記半導体チップを、加熱機能および加圧機能を有する本圧着ヘッドを用いて、前記半導体チップ下面の電極と前記被接合物上面の電極を接合するとともに前記接着剤を熱硬化させて、前記被接合物に本圧着する本圧着部とを備えていることを特徴とする実装装置。
　請求項１に記載の実装装置であって、
前記本圧着ヘッドと前記被接合物に仮圧着された前記半導体チップの間に樹脂シートを供給する、樹脂シート供給機構を備えたことを特徴とする実装装置。
　請求項２に記載の実装装置であって、
前記仮圧着された半導体チップ上面の電極を、前記樹脂シートに埋め込んでから本圧着することを特徴とする実装装置。
　請求項２または請求項３に記載の実装装置であって、
前記本圧着後に、前記本圧着ヘッド表面に前記樹脂シートを密着させた状態で、前記樹脂シートを前記半導体チップから離間させる機能を有している実装装置。
　請求項４に記載の実装装置であって、
前記本圧着ヘッドと前記樹脂シートを離間させる移動手段を備えたことを特徴とする実装装置。
　請求項１から請求項５の何れかに記載の実装装置であって、
前記仮圧着ヘッドの前記半導体チップを吸着保持する面に、前記半導体チップ上面の電極を収納する凹部を有していることを特徴とする実装装置。
　請求項１から請求項６の何れかに記載の実装装置であって、
前記接着剤からアウトガスが発生しない温度として、前記接着剤の硬化開始温度より低い温度を設定することを特徴とする実装装置。
　上下両面に電極を有する半導体チップを、前記半導体チップの下側に配置され、上面に電極を有する被接合物に、熱硬化性の接着剤を介した状態で熱圧着する実装方法であって、
前記半導体チップを吸着保持する仮圧着ヘッドを用いて、前記接着剤からアウトガスが発生しない温度で、前記被接合物上に仮圧着する仮圧着工程と、
前記被接合物上に仮圧着された前記半導体チップを、加熱機能および加圧機能を有する本圧着ヘッドを用いて、前記半導体チップ下面の電極と前記被接合物上面の電極を接合するとともに前記接着剤を熱硬化させて、前記被接合物に熱圧着する本圧着工程とからなることを特徴とする実装方法。
　請求項８に記載の実装方法であって、
前記本圧着ヘッドと前記被接合物に仮圧着された前記半導体チップの間に樹脂シートを供給する工程を有することを特徴とする実装方法。
　請求項９に記載の実装方法であって、
本圧着工程前に前記仮圧着された半導体チップ上面の電極を、前記樹脂シートに埋め込んでから本圧着することを特徴とする実装方法。
　請求項９または請求項１０に記載の実装方法であって、
前記本圧着工程後に、前記本圧着ヘッド表面に前記樹脂シートを密着させた状態で、前記樹脂シートを前記半導体チップから離間させることを特徴とする実装方法。
　請求項１１に記載の実装方法であって、
前記樹脂シートを前記半導体チップから離間させた後に、前記本圧着ヘッドから前記樹脂シートを離間することを特徴とする実装方法。
　請求項８から請求項１２の何れかに記載の実装方法であって、
前記半導体チップを吸着保持する面に、前記半導体チップ上面の電極を収納する凹部が形成された仮圧着ヘッドを用いて、前記半導体チップ上面の電極を収納した状態で仮圧着を行うことを特徴とする実装方法。
　請求項８から請求項１３の何れかに記載の実装方法であって、
前記接着剤からアウトガスが発生しない温度として、前記接着剤の硬化開始温度より低い温度を設定することを特徴とする実装方法。