WO2017169942A1 - 実装装置および実装方法 - Google Patents

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義人 水谷
昇 朝日
将次 仁村
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東レエンジニアリング株式会社
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    • H01L2224/75—Apparatus for connecting with bump connectors or layer connectors

Definitions

  • the present invention relates to a mounting apparatus and a mounting method. Specifically, the present invention relates to a mounting apparatus and a mounting method for mounting a plurality of semiconductor chips temporarily fixed on a substrate via a thermosetting resin by thermocompression bonding.
  • COW method chip-on-wafer method
  • the COW method is a method in which a semiconductor chip is bonded and mounted on a wafer on which circuit components to be divided into semiconductor chips are fabricated.
  • FIG. 14 the upper surface of the wafer is shown in FIG. FIG. 14B is a cross-sectional view taken along the line AA, in which a large number of semiconductor chips 2 are mounted using a single wafer as the substrate 3.
  • thermocompression bonding is performed, the bumps 21 of the semiconductor chip 2 are melted and bonded to the electrodes 31 of the substrate 3, and the thermosetting resin 4 is cured (FIG. 15B) (hereinafter referred to as “temporary division process”). Is used).
  • temporary division process a plurality of semiconductor chips can be thermocompression bonded simultaneously. Therefore, the tact time as a whole can be shortened as compared with the case where one semiconductor chip is arranged at a predetermined location and thermocompression bonded.
  • thermocompression bonding As shown in FIGS. 16 and 17A, thermocompression bonding is performed with a bonding tool 5 having a pressing surface for simultaneously pressing a plurality of semiconductor chips.
  • FIG. 17A shows a case where four semiconductor chips 2 are thermocompression bonded at a time. In thermocompression bonding, the semiconductor chip 2 is heated and pressed to the substrate 3 side using the bonding head 5.
  • thermosetting resin 4 starts to be cured. That is, if the thermosetting resin 4 is cured before thermocompression bonding, the distance between the bump 21 of the semiconductor chip 2 and the electrode 3 of the substrate 3 in FIG. May be defective.
  • thermosetting resin 4 that has temporarily fixed the semiconductor chip 2 adjacent to the semiconductor chip 2 to which the bonding head 5 is thermocompression bonded from being started to cure.
  • a bonding stage 70 (FIG. 18A) that supports the entire surface of the substrate 3 has been used.
  • a bonding stage 70 FIG. 18A
  • FIG. 18B A configuration using the bonding stage 7 (FIG. 18B) and a configuration in which the substrate 3 is cooled by the cooling block 72 around the area to be thermocompression-bonded (FIG. 18C) are also proposed.
  • Patent Document 1 is intended for glass epoxy having a thermal conductivity of about 0.3 W / (m ⁇ K) as the substrate 3, whereas silicon used for COW. Has a very high thermal conductivity of about 120 W / (m ⁇ K).
  • the heat in the thermocompression bonding target region heats up to the thermosetting resin 4 that temporarily fixes the peripheral semiconductor chip 2 via the substrate 3.
  • 18C since heat escapes to the cooling block 72 via the substrate 3, the region to be subjected to thermocompression bonding cannot be heated to a predetermined temperature, which causes a bonding failure.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and when a semiconductor chip temporarily fixed with a thermosetting resin is thermocompression bonded to a substrate having high thermal conductivity such as a silicon wafer, a semiconductor other than a thermocompression target A mounting apparatus and a mounting method that do not adversely affect a chip are provided.
  • a mounting device for thermocompression bonding a plurality of semiconductor chips temporarily fixed on a substrate via a thermosetting adhesive A bonding head having a pressing surface that presses a region including one or more semiconductor chips as a pressing region; a bonding stage that supports the pressing region from the back surface of the substrate; And a cooling means for cooling a semiconductor chip adjacent to the periphery of the pressure region.
  • the cooling means is a mounting device that cools a region immediately outside the pressurizing region and not exceeding a chip adjacent to the pressurizing region.
  • Claim 3 is the mounting apparatus of Claim 1 or Claim 2, Comprising: It is a mounting apparatus in which a heat shield is provided between the bonding head and the cooling means.
  • Invention of Claim 4 is the mounting apparatus in any one of Claims 1-3, Comprising: It is a mounting apparatus in which the cooling means is an air cooling nozzle.
  • Invention of Claim 5 is the mounting apparatus in any one of Claims 1-4, Comprising: Among the semiconductor chips adjacent to the periphery of the pressure region, the mounting apparatus cools only the semiconductor chips that have not been thermocompression bonded.
  • Invention of Claim 6 is the mounting apparatus of Claim 5, Comprising: In the mounting device, a cooling unit is provided outside the three sides of the pressure region.
  • the cooling means that operates simultaneously is a mounting device that is provided on the outer sides of the two sides, but only on the outer sides of the two sides.
  • the cooling means is a mounting device provided on a side where the chip is temporarily fixed with respect to the substrate.
  • the cooling means is a mounting device provided on the back side where the chip is temporarily fixed to the substrate.
  • the invention according to claim 10 is: A mounting method in which a plurality of semiconductor chips temporarily fixed on a substrate via a thermosetting adhesive are sequentially thermocompression bonded one by one, When the semiconductor chip is thermocompression bonded, the substrate is supported on a flat surface only in the region to be thermocompression bonded, and only the semiconductor chip in the region to be thermocompressed is pressurized and heated, while the thermocompression bonding is performed simultaneously with the heating.
  • This is a mounting method for cooling a semiconductor chip adjacent to the periphery of the region.
  • the substrate is made of a material having a thermal conductivity of 50 W / mk or more.
  • thermocompression bonding part of the mounting apparatus which concerns on embodiment of this invention. It is the figure which looked at the board
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a state in which the bonding head is raised and the bonding stage is lowered after thermocompression bonding, and (d) a state in which the substrate is moved.
  • a modification of embodiment of this invention Comprising: (a) The example which provided the cooling means only on the opposite side to the semiconductor chip temporary fixing surface, (b) The cooling means on both the semiconductor chip temporary fixing surface side and the opposite side This is an example. It is a figure which shows the state which mounts the semiconductor chip simultaneously in multistage using the modification of embodiment of this invention. It is an example which shows the positional order which mounts by the mounting apparatus of embodiment of this invention, Comprising: It is a figure which shows the location which performs (a) the location which mounts first and (b) sequential mounting.
  • thermosetting adhesive (A) It is sectional drawing of the state which temporarily fixed the semiconductor chip on the board
  • thermocompression bonding stage (A) a general bonding stage, (b) a bonding stage that supports only a thermocompression bonding area, and (c) a bonding stage that supports only a thermocompression bonding area and its surroundings when the semiconductor chip temporarily fixed on the substrate is thermocompression bonded It is a figure which shows the block which cools a chip
  • FIG. 1 is a view showing a mounting apparatus 1 according to the present invention.
  • the mounting apparatus 1 is for thermocompression bonding of a semiconductor chip 2 temporarily fixed on a substrate 3.
  • the semiconductor chip 2 is temporarily fixed to the substrate 3 with an adhesive 4 as shown in FIG.
  • the mounting apparatus 1 of FIG. 1 includes a bonding head 5, a substrate gripping means 6, a bonding stage 7, and a cooling means 51 around the bonding head 5, and each part is controlled by a control unit 8. Further, as shown in FIG. 2, a heat shield plate 52 may be provided between the bonding head 5 and the cooling means 51.
  • the semiconductor chip 2 has bumps as shown in FIG. 15A, but solder is generally used as a bump material.
  • the substrate 3 is assumed to be a silicon wafer as shown in FIG. 3A as viewed from above, but is not limited to this and can be applied to a substrate made of other materials. It is desirable to use a material having a thermal conductivity of 50 W / (m ⁇ K) or more as a substrate in order to make use of the characteristics of the present invention.
  • thermosetting adhesive 4 for fixing the semiconductor chip 2 to the substrate 3 is preferably a non-conductive film (hereinafter referred to as “NCF”), but is not limited to this and is not limited to a non-conductive paste (hereinafter referred to as “NCP”). May be used).
  • NCF non-conductive film
  • NCP non-conductive paste
  • the bonding head 5 has a function of moving in the vertical direction (Z-axis direction), pressurizing the semiconductor chip 2 temporarily fixed on the substrate 3, and heating the semiconductor chip 2 with a built-in heater.
  • the mounting apparatus 1 has a pressing surface that presses the four semiconductor chips 2 at once.
  • the mounting device 1 is not limited to this, and the area of the pressing surface is larger than this. Small or large.
  • the pressing surface needs to have a shape that does not contact the semiconductor chip 2 other than the semiconductor chip 2 to be pressed. That is, in the pressing area pressed by the pressing surface of the bonding head 5 in FIG. 4A, four semiconductor chips are pressed at a time, while the semiconductor chip 2 adjacent to the pressing area is pressed. There is no.
  • the shape of the semiconductor chip 2 is generally rectangular, it is desirable that the shape of the pressing surface of the bonding head 5 in the mounting apparatus 1 is also rectangular, and the cooling means 51 is rectangular as shown in FIG. It is provided on each side.
  • the cooling means 51 cools the periphery of the pressurization region.
  • the cooler 51 cools a region that is just outside the pressurization region and does not exceed the chip adjacent to the pressurization region.
  • an air cooling nozzle is suitable, and cooling air is blown to the upper surface (side not facing the substrate 3) of the semiconductor chip 2 adjacent to the pressurizing region, and adjacent to the pressurizing region. It has a function of preventing the temperature of the adhesive 4 temporarily fixing the semiconductor chip 2 to be fixed.
  • the upper side of the figure is the cooling means 51C
  • the lower side is the cooling means 51U
  • the left side is the cooling means 51L
  • the right side is the cooling means 51R.
  • a heat shield plate 52 may be provided between the bonding head 5 and the cooling means 51, and the heat shield plate 52 can prevent heat transfer between the bonding head 5 and the cooling means 51.
  • the heat shield plate 52 is also provided on each rectangular piece. That is, in FIG. 4B, depending on the direction of the side where the heat shield plate 52 is provided, the upper side of the figure is the heat shield plate 52C, the lower side is the heat shield plate 52U, the left side is the heat shield plate 52L, and the right side is the heat shield plate.
  • the plate 52R is used.
  • the substrate gripping means 6 grips the periphery of the substrate 3, but does not grip the entire periphery as shown in FIG. May be.
  • the substrate gripping means has a function of moving the substrate 3 in the ⁇ direction about the X axis direction, the Y axis direction, and the Z axis direction as rotation axes by a driving means (not shown), and further moves to move in the Z axis direction. It may have a function.
  • the bonding stage 7 supports a pressurizing region to which the bonding head 5 is heated and pressure bonded from the lower surface of the substrate 3 and may have a function of sucking and holding the substrate.
  • the bonding stage 7 may incorporate a heater as necessary, and may perform heating from the substrate 3 side in the pressurizing region.
  • the bonding stage 7 also supports only the region where the semiconductor chip 2 to be pressed is temporarily fixed, like the bonding head 5.
  • control unit 8 may be configured such that a CPU, ROM, RAM, HDD, or the like is connected by a data bus, or may be configured by a one-chip LSI or the like.
  • the control unit 8 stores various programs and data for controlling various components connected to the control unit 8.
  • the control unit 8 is connected to the bonding head 5 and can control the movement of the bonding head 5 in the vertical direction (Z-axis direction) and the applied pressure, as well as the heating temperature.
  • the control unit 8 is connected to the cooling means 51 and can control the cooling function.
  • the cooling means 51 is provided on a plurality of sides as shown in FIG. 4B, a configuration in which the cooling function can be controlled in units of sides may be used.
  • the controller 8 is connected to the substrate gripping means 6, controls the movement of the substrate gripping means 6 in the XY direction and the ⁇ direction, and can also control the movement in the vertical direction (Z-axis direction) as necessary.
  • the control unit 8 is connected to the bonding stage 7 and can control the movement of the bonding stage 7 in the vertical direction (Z-axis direction). Further, it may have a function of controlling the heating temperature of the bonding stage 7 or may have a function of turning on and off the suction holding function of the substrate 3.
  • thermocompression bonding the semiconductor chip 2 temporarily fixed on the substrate 3 using the mounting apparatus 1 will be described.
  • FIG. 5A shows a state in which the bonding head is lowered from the state in which the bonding stage 7 holds the pressure region of the substrate 3, and FIG. 5B shows the state in which the bonding head 5 is in the pressure region.
  • the semiconductor chip 5 is in a state of being thermocompression bonded.
  • the bonding head 5 is raised and the bonding stage 7 is lowered as shown in FIG. 5C, and then the thermocompression bonding is performed next.
  • the substrate 3 is moved horizontally (by the substrate gripping means 6) so that the semiconductor chip 2 enters between the bonding head 5 and the bonding stage (FIG. 5 (d)), and then the bonding stage 7 is raised and moved to FIG. ).
  • the substrate gripping means 6 may be configured to raise the position of the substrate 3.
  • the cooling means 51 is operated to cool the semiconductor chip 2 adjacent to the periphery of the semiconductor chip 2 on which thermocompression bonding is performed.
  • the cooling means 51 is an air cooling nozzle
  • the upper surface of the semiconductor chip 2 (semi-facing with the side facing the substrate) is cooled by cooling air.
  • the thermosetting adhesive 4 for temporarily fixing the cooled semiconductor chip 2 can suppress the temperature rise and prevent the start of curing even if there is heat transmitted from the substrate 3 side.
  • the cooling means 51 needs to prevent the thermosetting adhesive 4 that temporarily fixes the semiconductor chip 2 to be cooled from starting to cure, while cooling to the pressurizing region in the pressing surface of the bonding head 5.
  • thermosetting resin 4 since the solder melting of the bumps and the curing of the thermosetting resin 4 become incomplete and adversely affect the mounting quality, excessive cooling capacity is not preferable. Therefore, it is necessary to set an appropriate condition for the cooling capacity in accordance with the mounting conditions (physical properties, shape, thermocompression bonding process, etc. of the semiconductor chip 2, the substrate 3, and the thermosetting adhesive 4). For example, when an air cooling nozzle is used as the cooling means 51, it is preferable to optimize the temperature, flow rate, outflow direction, etc. of the cooling air.
  • the cooling means 51 is not only operated in the thermocompression bonding state shown in FIG. 5B, but also in the lowering stage of the bonding head 5 in FIG. 5A and the rising stage of the bonding head in FIG. You may make it function, and you may make it function when the distance of the pressing surface of the bonding head 5 and the semiconductor chip 2 (to be pressed) is within a predetermined range.
  • FIGS. 6A to 6D show an example in which the cooling means 51 operates in synchronization with the bonding head 5, as shown in FIGS. 6A to 6D.
  • the cooling means 51 may be configured to move the bonding head 5 up and down without moving in the vertical direction.
  • the cooling means is assumed to be an example provided around the bonding head 5, that is, the cooling means 51 for cooling from the side on which the semiconductor chip 2 is temporarily fixed, but the semiconductor chip 2 is temporarily fixed. It is good also as a structure (FIG. 7 (a), FIG.7 (b)) which provides the cooling means 71 which cools a board
  • the cooling means 51 is provided in all directions of the four sides of the pressing surface of the rectangular bonding head 5, but it is often unnecessary to operate the cooling means in all directions at the same time.
  • the cooling means 51 for all four sides is provided. Although it is necessary to operate, this situation is extremely rare in practice.
  • the semiconductor chip 2 that is temporarily fixed with the uncured thermosetting adhesive 4 may not exist in any direction of the four sides of the rectangular bonding head 5.
  • the absence of the temporarily fixed semiconductor chip 2 means that the semiconductor chip 2 does not exist or the semiconductor chip 2 has already been subjected to thermocompression bonding.
  • the cooling means 51 on the side where the temporarily fixed semiconductor chip 2 does not exist does not have to operate.
  • the bonding head 5 when the bonding head 5 is subjected to thermocompression bonding from the position of FIG. 9 (a) in the order of the arrows in FIG. 9 (b), the semiconductor chip 2 is positioned upward in the figure. Either it does not exist or there is a semiconductor chip 2 that has been subjected to overheating and pressure bonding, and there is no semiconductor chip 2 that is temporarily fixed. For this reason, it is not necessary to operate the cooling means 51C in the cooling means 51 shown in FIG. Therefore, as shown in FIG. 10 (a), the cooling means 51C in FIG. 4 (b) may be omitted, and the heat shield plate 52C in FIG. 4 (b) may be omitted. That is, the cooling means 51 may be provided only on three of the four sides of the rectangle formed by the pressing surface of the bonding head 5. With such a configuration, the apparatus cost can be reduced.
  • thermocompression bonding is performed in the order of the arrows in FIG. 9B
  • the thermocompression bonding portion is moved from the right to the left (for example, FIG. 11A)
  • the right side of the bonding head 5 is used.
  • the semiconductor chip 2 present in FIG. 11 is also after the thermocompression bonding, and the cooling means 51R in the cooling means 51 shown in FIG.
  • the cooling means 51L may not be operated.
  • cooling means are provided only on three of the four sides of the rectangle formed by the pressing surface of the bonding head 5 and are simultaneously operated. Only two of the three sides orthogonal to each other need to be cooled. With such a function, the running cost of the apparatus can be reduced.
  • the cooling means 51 is provided on the upper side of the drawing and the side opposite to the movement direction. It does not have to be provided. An example is shown in FIG. 13A
  • thermocompression bonded to a substrate having high thermal conductivity such as a silicon wafer
  • the semiconductor chips other than the thermocompression target are adversely affected. Can be done without.
  • the apparatus cost and running cost are reduced.

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Abstract

シリコンウェハ等の熱伝導率の高い基板に、熱硬化性樹脂で仮固定された半導体チップを熱圧着するのに際して、熱圧着対象以外の半導体チップに悪影響を及ぼすことのない実装装置および実装方法を提供すること。具体的には、基板上に熱硬化性接着剤を介して仮固定された複数の半導体チップを熱圧着する実装装置であって、１個以上の半導体チップを含む領域を加圧領域として押圧する押圧面とするボンディングヘッドと、前記加圧領域を、前記基板の裏面から支持するボンディングステージと、前記加圧領域の周囲に隣接する半導体チップを冷却する冷却手段とを備えた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、基板上に熱硬化性樹脂を介して仮固定された複数の半導体チップを熱圧着して実装する実装装置および実装方法に関する。
　半導体実装分野において、高密度化への要望から、三次元実装であるチップオンウェハ工法（以下「ＣＯＷ工法」と記す）への注目が集まっている。ＣＯＷ工法は、分割して半導体チップになる回路部品が作り込まれたウェハ上に、半導体チップを接合して実装する工法であり、図１４のように（ウェハ上面が図１４（ａ）、このＡ－Ａ断面図が図１４（ｂ））、一枚のウェハを基板３として多数の半導体チップ２を実装するものである。
　このように、多数の半導体チップ２を基板３上に実装するのに際して、図１５（ａ）のように未硬化の熱硬化性接着剤４を介して半導体チップ２を基板３上に仮固定してから加熱圧着を行い、半導体チップ２のバンプ２１を溶融して基板３の電極３１に接合するとともに、熱硬化性樹脂４を硬化（図１５（ｂ））するプロセス（以下「仮本分割プロセス」と記す）が用いられる。この仮本分割プロセスでは、複数の半導体チップを同時に熱圧着することができる。そのため、半導体チップ１つずつを所定箇所に配置して熱圧着する場合に比べて、全体としてのタクトタイムが短縮できる。
　この仮本分割プロセスは、基板上に実装すべき半導体チップの全てを熱硬化性樹脂で仮固定してから熱圧着を行う。具体的には、熱圧着においては図１６、図１７（ａ）のように、複数の半導体チップを同時に押圧する押圧面を有するボンディングツール５で熱圧着する。図１７（ａ）は、一度に４個の半導体チップ２熱圧着する場合を示しており、熱圧着に際してはボンディングヘッド５を用いて半導体チップ２を加熱しながら基板３側に加圧する。
特開平１１－２７４２２７号公報
　前述のとおり、仮本分割プロセスにおいては、基板３上に実装すべき半導体チップ２全てを仮固定してからボンディングヘッド５で加熱圧着する。このため、通常は、熱圧着対象の半導体チップ２の周囲には、仮固定状態の半導体チップ２が隣接している。ところで、これら仮固定状態の半導体チップ２の熱圧着は未実施であるため、熱硬化性樹脂４の硬化が開始することは好ましくない。すなわち、熱圧着を行う前に熱硬化性樹脂４が硬化すしてしまうと、加圧しても、図１５（ａ）における半導体チップ２のバンプ２１と基板３の電極３の距離が縮まらずに接合不良となることがある。
　このため、ボンディングヘッド５が熱圧着する半導体チップ２に隣接する半導体チップ２を仮固定している熱硬化性樹脂４の硬化開始を防ぐ必要がある。
　そこで、従来は基板３の全面を支持するボンディングステージ７０（図１８（ａ））が用いられていたが、特許文献１に記載されているような、ボンディングヘッド５が熱圧着する領域のみを支持するボンディングステージ７を用いる構成（図１８（ｂ））や、熱圧着する領域の周囲については冷却ブロック７２で基板３を冷却する構成（図１８（ｃ））も提案されている。
　ところが、特許文献１に記されている構成は、基板３として熱伝導率が０．３Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度のガラスエポキシ等を対象にしているのに対して、ＣＯＷに用いるようなシリコンは熱伝導率が１２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度と極めて大きい。このため、図１８（ｂ）の構成においても、熱圧着対象領域の熱は基板３を経由して周辺の半導体チップ２を仮固定している熱硬化性樹脂４まで加熱してしまう。また、図１８（ｃ）の構成にした場合、基板３経由で冷却ブロック７２に熱が逃げるため、熱圧着対象領域を所定温度に加熱できず接合不良の原因となり好ましくない。
　本願発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、シリコンウェハ等の熱伝導率の高い基板に、熱硬化性樹脂で仮固定された半導体チップを熱圧着するのに際して、熱圧着対象以外の半導体チップに悪影響を及ぼすことのない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、
基板上に熱硬化性接着剤を介して仮固定された複数の半導体チップを熱圧着する実装装置であって、
１個以上の半導体チップを含む領域を加圧領域として押圧する押圧面とするボンディングヘッドと、前記加圧領域を、前記基板の裏面から支持するボンディングステージと、
前記加圧領域の周囲に隣接する半導体チップを冷却する冷却手段とを備えた実装装置である。
　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、
前記冷却手段は、前記加圧領域の直ぐ外側であって、前記加圧領域に隣接するチップを超えない領域を冷却する実装装置である。
　請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の実装装置であって、
前記ボンディングヘッドと前記冷却手段の間に遮熱板を設けた実装装置である。
　請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の実装装置であって、
前記冷却手段が空冷ノズルである実装装置である。
　請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の実装装置であって、
前記加圧領域の周囲に隣接する半導体チップのうち、熱圧着が未実施の半導体チップのみを冷却する実装装置である。
　請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の実装装置であって、
前記加圧領域の３辺外側に冷却手段を設けた実装装置である。
　請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の実装装置であって、
同時に稼動する冷却手段は、３辺外側に設けたものの内、直交する２辺外側のみである実装装置である。
　請求項８に記載の発明は、請求項１から請求項７のいずれかに記載の実装装置であって、
前記冷却手段が、前記基板に対し、前記チップが仮固定されている側に設けられている実装装置である。
　請求項９に記載の発明は、請求項１から請求項８のいずれかに記載の実装装置であって、
前記冷却手段が、前記基板に対し、前記チップが仮固定されている裏面側に設けられている実装装置である。
　請求項１０に記載の発明は、
基板上に熱硬化性接着剤を介して仮固定された複数の半導体チップを、１個以上ずつ、順次熱圧着する実装方法であって、
半導体チップを熱圧着するのに際して、前記熱圧着する領域のみ基板を平面上に支持し、前記熱圧着する領域の半導体チップのみを加圧して加熱する一方で、前記加熱と同時に、前記熱圧着する領域の周囲に隣接する半導体チップを冷却する、実装方法である。
　請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の実装方法であって、
前記基板の材質として熱伝導率が５０Ｗ／ｍｋ以上のものが用いられている実装方法である。
　シリコンウェハ等の熱伝導率の高い基板に、熱硬化性樹脂で仮固定された半導体チップを熱圧着するのに際して、熱圧着対象以外の半導体チップに悪影響を及ぼすことのない実装装置および実装方法が提供される。
本発明の実施形態に係る実装装置の構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る実装装置の熱圧着部を示す図である。 本発明の実施形態に係る実装装置に用いられる基板と基板把持手段を、（ａ）上から見た図と、（ｂ）横から見た図である。 本発明の実施形態に係る実装装置において、（ａ）一度に熱圧着する領域を示す図と、（ｂ）熱圧着を行うボンディングヘッドと冷却手段を説明する図である。 本発明の実施形態に係る実装装置の動作例を説明する図であり、（ａ）加熱圧着前のボンディングヘッドが下降している状態、（ｂ）加熱圧着を行っている状態、（ｃ）加熱圧着後にボンディングヘッドが上昇しボンディングステージが下降した状態、（ｄ）基板が移動する状態を説明する図である。 本発明の実施形態に係る実装装置の別の動作例を説明する図であり、（ａ）加熱圧着前のボンディングヘッドが下降している状態、（ｂ）加熱圧着を行っている状態、（ｃ）加熱圧着後にボンディングヘッドが上昇しボンディングステージが下降した状態、（ｄ）基板が移動する状態を説明する図である。 本発明の実施形態の変形例であって、（ａ）半導体チップ仮固定面と反対側のみに冷却手段を設けた例、（ｂ）半導体チップ仮固定面側と反対側の両方に冷却手段を設けた例である。 本発明の実施形態の変形例を用いて、半導体チップを多段同時実装している状態を示す図である。 本発明の実施形態の実装装置により、実装を行う位置的な順序を示す例であって、（ａ）最初に実装を行う箇所、（ｂ）順次実装を行う方向を示す図である。 本発明の実施形態の実装装置により、（ａ）実装順序によって冷却手段が省ける例を示す図であり、（ｂ）遮熱板も省いた例を示す図である。 本発明の実施形態に係る実装装置により実装を行う位置的な順序が決まっている場合の、（ａ）熱圧着領域を示す図であり、（ｂ）ボンディングヘッド周囲の冷却手段を辺単位で制御している状態を示す図である。 本発明の実施形態に係る実装装置により実装を行う位置的な順序が決まっている場合の、（ａ）熱圧着領域を示す図であり、（ｂ）ボンディングヘッド周囲の冷却手段を辺単位で制御している状態を示す図である。 本発明の実施形態に係る実装装置により実装を行う順序が、（ａ）一方向に限定されている例と、（ｂ）実装を行う順序が一方向の場合に冷却手段を省ける例を示す図である。 （ａ）シリコンウェハ基板上に多数の半導体チップが仮固定されている状態の上面図と、（ｂ）断面図を示す図である。 （ａ）基板上に熱硬化性接着剤で半導体チップを仮固定した状態の断面図であり、（ｂ）同状態から半導体チップを熱圧着した後の状態を示す図である。 シリコンウェハ基板上に仮固定された半導体チップを複数個単位で熱圧着する例を示す図である。 基板上に仮固定された半導体チップを複数単位で熱圧着する、（ａ）ボンディングヘッドの押圧面と、（ｂ）同断面図を示す図である。 基板上に仮固定された半導体チップを熱圧着する際の、（ａ）一般的なボンディングステージ、（ｂ）加熱圧着領域のみ支持するボンディングステージ、（ｃ）加熱圧着領域のみ支持するボンディングステージと周辺チップを冷却するブロックを示す図である。
　本発明の実施形態の一例について、図面を用いて説明する。
図１は本発明に係る実装装置１を示す図である。実装装置１は、基板３上に仮固定された半導体チップ２を熱圧着するものである。半導体チップ２は、図１５（ａ）に示したように、接着剤４を介して基板３に仮固定されている。
　図１において、左右方向をＸ軸方向、奥行き方向をＹ軸方向、上下方向をＺ軸方向として説明する。図１の実装装置１は、ボンディングヘッド５、基板把持手段６、ボンディングステージ７、およびボンディングヘッド５の周囲に冷却手段５１を備え、各部は制御部８によって制御される。また、図２に示すようにボンディングヘッド５と冷却手段５１の間に遮熱板５２を設けてもよい。
　半導体チップ２は、図１５（ａ）に示しているようにバンプを有しているがバンプ材料としては一般的にハンダが用いられてる。また、基板３としては図３（ａ）に上面から見た図を示すようなシリコンウェハを想定しているが、これに限定されるものではなく他の材質からなる基板にも適用できるが、熱伝導率が５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の材料を基板として用いることが本発明の特徴を活かすためには望ましい。
　半導体チップ２を基板３に固定する熱硬化性接着剤４としては、非導電性フィルム（以下「ＮＣＦ」と記す）が望ましいが、これに限定されるものではなく非導電性ペースト（以下「ＮＣＰ」と記す）であっても良い。
　ボンディングヘッド５は、上下方向（Ｚ軸方向）に移動し、基板３上に仮固定された半導体チップ２を加圧するとともに、内臓ヒータにより半導体チップ２を加熱する機能を有している。実装装置１においては、図４（ａ）に示すように４個の半導体チップ２を一括で加圧する押圧面を有しているが、これに限定されるものではなく押圧面の面積がこれより小さくても大きくても良い。ただし、押圧面は、押圧対象の半導体チップ２以外の半導体チップ２には接触しない形状を有している必要がある。すなわち、図４（ａ）におけるボンディングヘッド５の押圧面によって押圧される加圧領域では、一括で半導体チップ４個分が押圧される一方において、加圧領域に隣接する半導体チップ２押圧されることがない。
　また、一般的に半導体チップ２の形状が長方形であることから、実装装置１におけるボンディングヘッド５の押圧面の形状も長方形にすることが望ましく、冷却手段５１は図４（ｂ）のように長方形の各辺に設けられる。冷却手段５１は加圧領域の周囲を冷却するものであり、本実施形態では加圧領域の直ぐ外側であって加圧領域に隣接するチップを超えない領域を冷却する。具体的な領域冷却手段５１としては、空冷ノズルが好適であり、冷却空気を加圧領域に隣接する半導体チップ２の上面（基板３と面してない側）に吹き付けて、加圧領域に隣接する半導体チップ２を仮固定している接着剤４の温度上昇を防ぐ機能を有している。なお、図４（ｂ）において、冷却手段５１が設けられた辺の向きにより、図の上側を冷却手段５１Ｃ、下側を冷却手段５１Ｕ、左側を冷却手段５１Ｌ、右側を冷却手段５１Ｒとしている。
　ボンディングヘッド５と冷却手段５１の間には遮熱板５２を設けてもよく、遮熱板５２により、ボンディングヘッド５と冷却手段５１の間での伝熱を防ぐことができる。ボンディングヘッド５の押圧面の形状が長方形の場合には、冷却手段５１と同様に遮熱板５２も長方形の各片に設けることになる。すなわち、図４（ｂ）において、遮熱板５２が設けられた辺の向きにより、図の上側を遮熱板５２Ｃ、下側を遮熱板５２Ｕ、左側を遮熱板５２Ｌ、右側を遮熱板５２Ｒとしている。
　基板把持手段６は図３に示すように、基板３の周囲を把持するものであるが、図３（ａ）のように全周を把持せずに、周囲の数箇所を把持するものであっても良い。基板把持手段は図示しない駆動手段により、基板３をＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向を回転軸とするθ方向に移動する機能を有しており、更にＺ軸方向に移動に移動する機能を有していてもよい。
　ボンディングステージ７は、ボンディングヘッド５が加熱圧着する加圧領域を基板３の下面から支持するものであり、基板を吸着保持する機能を有していてもよい。ボンディングステージ７は必要に応じて、ヒーターを内蔵し、加圧領域において、基板３側から加熱を行ってもよい。なお、ボンディングステージ７もボンディングヘッド５と同様に押圧対象の半導体チップ２が仮固定されている領域のみを支持している。
　制御部８は、具体的には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ等がデータバスで接続される構成であってもよく、あるいはワンチップＬＳＩ等からなる構成であってもよい。制御部８には、制御部８に接続した各種構成要素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８は、ボンディングヘッド５に接続され、ボンディングヘッド５の上下方向（Ｚ軸方向）の移動および、加圧力を制御するとともに加熱温度を制御することができる。
　制御部８は、冷却手段５１に接続され、冷却機能を制御することができる。ここで、冷却手段５１が、図４（ｂ）のように、複数辺に設けられている場合においては、辺単位で冷却機能を制御できる構成であっても良い。
　制御部８は、基板把持手段６に接続され、基板把持手段６のＸＹ方向およびθ方向の移動を制御し、必要に応じ上下方向（Ｚ軸方向）の移動も制御することができる。
　制御部８はボンディングステージ７に接続され、ボンディングステージ７の上下方向（Ｚ軸方向）の移動を制御することができる。さらに、ボンディングステージ７の加熱温度を制御する機能を有していてもよいし、基板３の吸着保持機能をオンオフする機能を有していてもよい。
　以下では、実装装置１を用いて、基板３上に仮固定された半導体チップ２を熱圧着する動作について説明する。
　まず、図５（ａ）は、ボンディングステージ７が基板３の加圧領域を保持した状態から、ボンディングヘッドが下降している状態であり、図５（ｂ）はボンディングヘッド５が加圧領域の半導体チップ５を加熱圧着している状態であり、加熱圧着が終了後は図５（ｃ）のようにボンディングヘッド５が上昇するとともに、ボンディングステージ７が下降し、その後、次に加熱圧着を行う半導体チップ２がボンディングヘッド５とボンディングステージの間に入るよう、（基板把持手段６により）基板３が水平移動され（図５（ｄ））、その後にボンディングステージ７が上昇して図５（ａ）と同等な状態になる。なお、図５（ｃ）、図５（ｄ）においてボンディングステージ７が下降しているが、基板把持手段６が基板３の位置を上げる構成としてもよい。
　以上の過程において、少なくとも図５（ｂ）の段階においては、冷却手段５１は稼動して加熱圧着を行う半導体チップ２の周辺に隣接する半導体チップ２を冷却する。冷却手段５１が空冷ノズルの場合においては、半導体チップ２の上面（基板と面している側と半対面）が冷却空気により冷やされる。これにより、冷やされた半導体チップ２を仮固定するための熱硬化性接着剤４は、基板３側から伝わる熱があったとしても温度上昇が抑制され硬化開始を防ぐことができる。ここで、冷却手段５１は、冷却対象の半導体チップ２を仮固定している熱硬化性接着剤４の硬化開始を妨げる必要がある一方において、ボンディングヘッド５の押圧面内の加圧領域まで冷やすとバンプのハンダ溶融や熱硬化性樹脂４の硬化が不完全になり実装品質に悪影響を及ぼすので冷却能力過多は好ましくない。そこで、冷却能力は実装条件（半導体チップ２、基板３、熱硬化性接着剤４の物性、形状および熱圧着プロセス等）に応じて適切な条件を設定する必要がある。例えば、冷却手段５１として空冷ノズルを用いる場合には、冷却空気の温度、流量、流出方向等を適正化しておくのが良い。
　また、冷却手段５１は、図５（ｂ）に示す熱圧着状態の時のみ機能させるだけではなく、図５（ａ）のボンディングヘッド５の下降段階や図５（ｃ）のボンディングヘッド上昇段階でも機能させてもよく、ボンディングヘッド５の押圧面と（加圧対象の）半導体チップ２の距離が所定の範囲内にある時に機能させるようにしてもよい。
　なお、図５（ａ）から図５（ｄ）において、冷却手段５１はボンディングヘッド５と同期して動作する例を示しているが、図６（ａ）から図６（ｄ）に示すように、冷却手段５１は上下方向に移動させず、ボンディングヘッド５を上下させる構成としてもよい。
　ここまでの説明において冷却手段としては、ボンディングヘッド５の周囲に設けた例、すなわち半導体チップ２が仮固定された側から冷却する冷却手段５１を前提としているが、半導体チップ２が仮固定されていない側の面から基板を冷却する冷却手段７１を設ける構成（図７（ａ）、図７（ｂ））としてもよい。半導体チップ２が仮固定されていない側の面から基板を冷却することにより、例えば図８に示すような多段に仮固定積層された半導体チップ２を一括で熱圧着する際の、隣接半導体チップ２の冷却には有効である。
　ところで、図４（ｂ）では、長方形のボンディングヘッド５の押圧面の４辺全ての向きに冷却手段５１を設けているが、全ての向きの冷却手段を同時に稼動させる必要がないことが多い。例えば、図４（ａ）でボンディングヘッド５の全方向に隣接する半導体チップ２が未硬化の熱硬化性接着剤４で仮固定された状態であるならば４辺全ての向きの冷却手段５１を稼動させる必要があるが、このような状況は現実的には極めてまれである。
　すなわち、長方形のボンディングヘッド５の４辺の何れかの方向には、未硬化の熱硬化性接着剤４で仮固定された（仮固定状態の）半導体チップ２が存在しないことがある。ここで、仮固定状態の半導体チップ２がないとは、半導体チップ２が存在しないか、半導体チップ２が既に加熱圧着実施後の状態である。このように、ボンディングヘッド５の特定の辺の向きに仮固定状態の半導体チップ２が存在しない場合、その辺の向きを冷却する必要がない。そのため、仮固定状態の半導体チップ２が存在しない向きの辺にある冷却手段５１は稼動しなくても良い。
　具体的な例で示すと、ボンディングヘッド５を図９（ａ）の位置から、図９（ｂ）の矢印の順番で加熱圧着を実施する場合において、図の上方向には、半導体チップ２が存在しないか、過熱圧着実施後の半導体チップ２が存在するかの何れかであり、仮固定状態の半導体チップ２が存在することはない。このため、図４（ｂ）に示す冷却手段５１において、冷却手段５１Ｃを稼動させる必要がない。そこで、図１０（ａ）に示すように、図４（ｂ）における冷却手段５１Ｃを省く構成とすることも可能であり、図４（ｂ）における遮熱板５２Ｃを省いてもよい。すなわちボンディングヘッド５の押圧面が形成する長方形の４辺の内３辺のみに冷却手段を５１を設けるだけでもよい。このような構成にすることにより、装置コストを削減することが出来る。
　更に、図９（ｂ）の矢印の順番で加熱圧着を行う場合では、右から左に向いて加熱圧着箇所を移動して行く際には（例えば図１１（ａ））、ボンディングヘッド５の右側に存在する半導体チップ２も加熱圧着実施後のものであり、図１１（ｂ）に示す冷却手段５１において冷却手段５１Ｒは稼動させなくてもよい。逆に、左から右に向いて加熱圧着箇所を移動して行く際には（例えば図１２（ａ））、ボンディングヘッド５の左側に存在する半導体チップ２も加熱圧着実施後のものであり、図１２（ｂ）に示す冷却手段５１において冷却手段５１Ｌは稼動させなくてもよい。すなわち、図９（ｂ）の矢印の順番で加熱圧着を行う場合には、ボンディングヘッド５の押圧面が形成する長方形の４辺の内３辺のみに冷却手段を設けたうえに、同時に稼動する冷却手段は３辺のなかの直交する２辺のみでよくなる。このような機能により、装置のランニングコストを削減することが出来る。
　更に特殊な例として、図１３（ａ）のように、加熱圧着箇所の移動が１方向のみの場合においては、図の上方向と、移動方向と反対側に向いた辺には冷却手段５１を設けなくてもよくなる。その例を図１３（ｂ）に示す。
　以上のように、本発明により、シリコンウェハ等の熱伝導率の高い基板に、熱硬化性樹脂で仮固定された半導体チップを熱圧着するのに際して、熱圧着対象以外の半導体チップに悪影響を及ぼさずに行える。しかも、悪影響が及びうる範囲を最小限に限定する装置構成と機能を盛り込むことにより、装置コスト、ランニングコストを抑えて実現している。
　　　１　　　実装装置
　　　２　　　半導体チップ
　　　３　　　基板
　　　４　　　熱硬化性接着剤
　　　５　　　ボンディングヘッド
　　　６　　　基板把持手段
　　　７　　　ボンディングステージ
　　　８　　　制御部
　　５１　　　冷却手段
　　５２　　　遮熱板
　　７１　　　冷却手段　

Claims (11)

  1. 基板上に熱硬化性接着剤を介して仮固定された複数の半導体チップを熱圧着する実装装置であって、
    １個以上の半導体チップを含む領域を加圧領域として押圧する押圧面とするボンディングヘッドと、
    前記加圧領域を、前記基板の裏面から支持するボンディングステージと、
    前記加圧領域の周囲に隣接する半導体チップを冷却する冷却手段とを備えた実装装置。
  2. 請求項１に記載の実装装置であって、
    前記冷却手段は、前記加圧領域の直ぐ外側であって、前記加圧領域に隣接するチップを超えない領域を冷却する実装装置。
  3. 請求項１または請求項２に記載の実装装置であって、
    前記ボンディングヘッドと前記冷却手段の間に遮熱板を設けた実装装置。
  4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の実装装置であって、
    前記冷却手段が空冷ノズルである実装装置。
  5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の実装装置であって、
    前記加圧領域の周囲に隣接する半導体チップのうち、
    熱圧着が未実施の半導体チップのみを冷却する実装装置。
  6. 請求項５に記載の実装装置であって、
    前記加圧領域の３辺外側に冷却手段を設けた実装装置。
  7. 請求項６に記載の実装装置であって、
    同時に稼動する冷却手段は、３辺外側に設けたものの内、直交する２辺外側のみである実装装置。
  8. 請求項１から請求項７のいずれかに記載の実装装置であって、
    前記冷却手段が、前記基板に対し、前記チップが仮固定されている側に設けられている実装装置。
  9. 請求項１から請求項８のいずれかに記載の実装装置であって、
    前記冷却手段が、前記基板に対し、前記チップが仮固定されている裏面側に設けられている実装装置。
  10. 基板上に熱硬化性接着剤を介して仮固定された複数の半導体チップを、１個以上ずつ、順次熱圧着する実装方法であって、
    半導体チップを熱圧着するのに際して、
    前記熱圧着する領域のみ基板を平面上に支持し、
    前記熱圧着する領域の半導体チップのみを加圧して加熱する一方で、
    前記加熱と同時に、前記熱圧着する領域の周囲に隣接する半導体チップを冷却する、
    実装方法。
  11. 請求項１０に記載の実装方法であって、
    前記基板の材質として熱伝導率が５０Ｗ／ｍｋ以上のものが用いられている実装方法。
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