WO2020153366A1

WO2020153366A1 - ボンディング装置

Info

Publication number: WO2020153366A1
Application number: PCT/JP2020/001971
Authority: WO
Inventors: 美仁萩原; 智宣中村
Original assignee: 株式会社新川
Priority date: 2019-01-21
Filing date: 2020-01-21
Publication date: 2020-07-30
Also published as: JP7079529B2; TW202101635A; TWI745840B; JPWO2020153366A1

Abstract

ボンディング装置（１０）は、上面にはんだボール（２０）が供給されるプレート（２２）を底に有するはんだボール保持部（２４）と、被実装部材（１６）を下から加熱するヒータ（３０）を備える。はんだボール保持部のプレートは、上面に形成された入口がはんだボールの直径より大きく、下面に形成された出口がはんだボールの直径以下であるスロート状の穴（２６）を有する。はんだボール（２０）は、穴（２６）の中に保持されて、はんだボールの下面は、プレートの下面から突出している。ヒータ（３０）をオンにして被実装部材（１６）を加熱し、プレート（２２）の下面から突出したはんだボール（２０）の下面を被実装部材（１６）の上面に接触させて、被実装部材の上面ではんだボールを溶融させる。これにより、半導体ダイを被実装部材にはんだを用いて接合するボンディングにおいて接合前にはんだを被実装部材上の所望の領域にぬれ広がらせることができる。

Description

ボンディング装置

　本発明は、半導体ダイを被実装部材にはんだを用いて接合するボンディング装置に関し、特に、はんだボールを溶融させたはんだを接合に用いるボンディング装置に関する。

　従来、リードフレームや基板等の被実装部材に、半導体ダイを接合するダイボンディング装置が知られている。半導体ダイと被実装部材は、接着剤で接合（接着）される場合のほか、はんだを用いて接合される場合がある。

　特許文献１には、半導体チップ（半導体ダイ）を基板にはんだを用いて接合するダイボンダ装置（ダイボンディング装置）が開示されている。特許文献１のダイボンダ装置は、基板を下からヒータで加熱した状態で、基板の上面にはんだボールを供給し、はんだボールを基板の上面で溶融させる。そして、基板の上面ではんだがぬれ広がり、ぬれ広がったはんだ上に半導体チップを載せて、はんだを凝固させることで、基板上に半導体チップを接合する。

特許第５９４１８１４号公報

　特許文献１のように加熱した被実装部材の上面にはんだボールを供給する場合、はんだボールを、被実装部材の上の所定の高さから落下させる。そのため、はんだボールの着地位置や溶融位置が不規則となり、はんだが被実装部材上の所望の領域にぬれ広がらない可能性がある。

　本発明の目的は、はんだボールを溶融させたはんだを用いて、半導体ダイを被実装部材に接合するボンディング装置において、接合前に、はんだを被実装部材上の所望の領域にぬれ広がらせることにある。

　本発明のボンディング装置は、半導体ダイを被実装部材にはんだを用いて接合するボンディング装置であって、はんだボールの一部を下面から露出させるとともに、溶融したはんだボールを通過させる穴が底に形成されたはんだボール保持部と、はんだボール保持部を昇降させて上記はんだボールの一部を被実装部材に接触させる昇降機構と、被実装部材を加熱する熱によってはんだボールを被実装部材に溶融させるヒータとを備える、ことを特徴とする。

　本発明のボンディング装置において、はんだボール保持部は、上面にはんだボールが供給されるプレートを底に備え、上記穴は、プレートに形成されており、上記穴は、プレートの上面に形成された入口がはんだボールの直径より大きく、プレートの下面に形成された出口がはんだボールの直径以下であるスロート状である、としてもよい。

　本発明のボンディング装置において、はんだボール保持部には、複数の上記穴が、被実装部材の上面に塗布するはんだのパターンに従って形成されている、としてもよい。

　本発明のボンディング装置において、はんだボール保持部のプレートの上記穴に保持されたはんだボールの上側の空気圧力を調整する圧力調整装置を、さらに備え、圧力調整装置により空気圧力を調整することにより、はんだボールの下面が被実装部材の上面に接する圧力を調整する、としてもよい。

　本発明のボンディング装置において、はんだボール保持部に振動を印加する振動発生装置を、さらに備える、としてもよい。

　本発明のボンディング装置において、振動発生装置により印加する振動の量を調整することで、はんだボールが被実装部材の上面で溶融する速度を調整する、としてもよい。

　本発明のボンディング装置において、はんだボール保持部のプレートを加熱する第２のヒータを、さらに備える、としてもよい。

　本発明のボンディング装置において、フォーミングガスが供給された密閉チャンバを、さらに備え、密閉チャンバの中に、被実装部材が搬送されて、密閉チャンバの中で被実装部材の上面にはんだボールが溶融される、としてもよい。

　本発明によれば、はんだボール保持部の穴にはんだボールを保持した状態で、はんだボール保持部の下面から露出したはんだボールの一部を被実装部材に接触させ、はんだボールを溶融させる。そのため、被実装部材上の所望の位置にはんだ（はんだボール）が正確に溶けて落ちるので、被実装部材上の所望の領域にはんだをぬれ広がらせることができる。

ダイボンディング装置の構成を示す模式図である。プレートの穴の形状を示す断面図である。プレートの上面の一例を示す平面図である。プレートの上面の別の一例を示す平面図である。はんだボール保持部内の空気圧力を調整する実施形態を説明するための図である。はんだボール保持部に振動を印加する実施形態を説明するための図である。プレートにヒータを設ける実施形態を説明するための図である。はんだボール保持部内にシャッターを設ける実施形態を説明するための図である。

　以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。以下で述べる形状、材質等は、説明のための例示であって、装置や、装置により製造される製品の仕様等に合わせて適宜変更が可能である。全ての図において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

　図１は、ダイボンディング装置１０（ボンディング装置１０とも言う）の構成を示す模式図である。図示の都合上、図１を含む各図において、はんだボール２０と、それを保持する、プレート２２に形成された穴２６は、大きめに描かれている。はんだボールは、例えば１０μｍ～７０μｍ程度のはんだの粒であり、略球状を有する。

　ダイボンディング装置１０は、加熱したリードフレーム１６（被実装部材）上ではんだボール２０を溶融させて、リードフレーム１６上に溶融したはんだ１８の上に半導体ダイ１４を載置し、はんだを凝固させることで、半導体ダイ１４をリードフレーム１６に接合するものである。なお、被実装部材は、リードフレーム１６に限られず、基板などでもよい。

　リードフレーム１６は、例えば、銅（Ｃｕ）、または、銅（Ｃｕ）の表面に銀（Ａｇ）或いはニッケル（Ｎｉ）をめっきした金属である。リードフレーム１６がめっきをしていない銅である場合、リードフレーム１６は、空気に晒されると酸化して、表面に酸化膜ができる。本実施形態のダイボンディング装置１０は、窒素（Ｎ）と水素（Ｈ）の混合ガス（フォーミングガス８２とも言う）が供給された密閉チャンバ８０を備え、密閉チャンバ８０の中に、リードフレーム１６を搬送して半導体ダイ１４の接合を行うことで、リードフレーム１６の酸化膜を還元し、除去する。また、このような還元環境によれば、はんだボール２０、または、それが溶融したはんだに含まれる酸化物を還元および除去できる。一方、リードフレーム１６が銀やニッケルでめっきされており、酸化物の還元が要求されない場合には、密閉チャンバ８０は不要である。

　本実施形態において、密閉チャンバ８０は、下側が平板状で上側が湾曲状である半円筒形状で、リードフレーム１６の搬送方向（図１の左右方向）に延びている。ダイボンディング装置１０は、密閉チャンバ８０内で多数のリードフレーム１６を順次搬送するガイドレール３８と、リードフレーム１６を下から加熱するヒータ３０と、上面にはんだボール２０が供給されるプレート２２を底に有する箱状のはんだボール保持部２４と、はんだボール保持部２４を昇降させる昇降機構２８と、はんだボール保持部２４にはんだボール２０を供給するはんだボール供給部３６と、リードフレーム１６へ半導体ダイ１４を搬送するヘッド３２と、ダイボンディング装置１０内の各機器を制御する制御部３４、を備える。

　上記したように、はんだボール保持部２４は、底にプレート２２を備え、プレート２２の下面は、はんだボール保持部２４の下面を構成している。はんだボール保持部２４のプレート２２は、セラミック製であり、多数のはんだボール２０のそれぞれを保持する多数の穴２６が形成されている。図２は、プレート２２に形成された１つの穴２６の形状を示す断面図である。穴２６は、プレート２２の上面５０にある入口５４と、プレート２２の下面５２にある出口５６を有する貫通穴（スロート状の穴）である。入口５４と出口５６は、平面視で円形であり、入口５４は、はんだボール２０の直径より大きい直径Ｌ１を有し、出口５６は、はんだボール２０の直径以下の大きさの直径Ｌ２を有する。はんだボール２０は、プレート２２の穴２６の入口５４から入り込んで穴２６の中に保持されて、はんだボール２０の下面２１は、プレート２２の出口５６を介してプレート２２の下面５２から突出している。換言すれば、はんだボール２０の一部が、プレート２２（はんだボール保持部）の下面から露出している。

　図３は、プレート２２の上面５０の一例を示す平面図である。プレート２２には多数の穴２６が形成されており、多数の穴２６は、リードフレームの上面に塗布するはんだのパターンに従って形成されている。以下、プレート２２に形成された多数の穴２６のパターンを、マスクパターン５８とも言う。図３に示すマスクパターン５８は、多数の穴２６が寄せ集まって構成される群（以下、穴群２７と言う）が複数あり、中央の円形状の穴群２７ａと、穴群２７ａよりも小さい円形状で、穴群２７ａの周りに配置された８つの穴群２７ｂからなる。

　図４は、プレート２２の上面５０の別の一例を示す図であり、プレート２２に形成された各穴の形状は省略されている。図４に示すマスクパターン５８は、１つの略ヒトデ状の穴群からなり、具体的には、図４に示す略ヒトデ状の一点鎖線の内側に多数の穴が形成されたマスクパターンである。なお、プレート２２におけるマスクパターン５８は、図３，４に示すものに限られず、リードフレームの上面に塗布するはんだのパターンに従って様々な形のものを考えることができる。

　図１に示すように、はんだボール保持部２４は、内部に、多数のはんだボール２０を保持し、下側にあるはんだボール２０がプレート２２の穴２６に入り込んでいる。はんだボール保持部２４は、天井に、はんだボール２０の供給口４４を備え、供給口４４にはスライド式の扉４６が設けられている。扉４６をスライドさせて供給口４４を開き、供給口４４を介して、はんだボール供給部３６からはんだボール２０をはんだボール保持部２４の内部へ補充可能となっている。はんだボール保持部２４は、密閉チャンバ８０に形成された開口窓４０から密閉チャンバ８０内に入り込んでおり、昇降機構２８によって上下に移動可能となっている。

　ヒータ３０は、密閉チャンバ８０内の下部で、リードフレーム１６の搬送方向（図１の左右方向）に延在し、搬送されるリードフレーム１６を下から加熱する。なお、ヒータ３０を、第１のヒータとも言う。

　ヘッド３２は、上下、前後、左右に移動可能であり、下面に半導体ダイ１４を吸着して搬送する。密閉チャンバ８０にはシャッター窓４２が設けられており、ヘッド３２が半導体ダイ１４を吸着してリードフレーム１６へ向かうとき、シャッター窓４２が開く仕様である。ヘッド３２は、シャッター窓４２を介して密閉チャンバ８０内に入り込み、半導体ダイ１４をリードフレーム１６上の溶融はんだ１８の上に載置する。その後、ヘッド３２は、シャッター窓４２から密閉チャンバ８０の外に出て、シャッター窓４２が閉まるようになっている。

　制御部３４は、プロセッサを含み、不図示の記憶部に格納されたプログラムに従って、ダイボンディング装置１０内の各機器を制御する。具体的には、制御部３４は、はんだボール供給部３６、昇降機構２８、ヒータ３０、およびヘッド３２を制御し、ガイドレール３８に沿って進む各リードフレーム１６に順次、半導体ダイ１４を実装していく。

　次に、ダイボンディング装置１０の具体的な実装動作について説明する。まず、制御部３４は、ヒータ３０をオンにしてリードフレーム１６を加熱し、リードフレーム１６を、例えば３５０℃～４５０℃程度まで熱する。

　そして、制御部３４は、昇降機構２８を制御して、はんだボール保持部２４をリードフレーム１６の上面に向かって降下させ、プレート２２の下面から突出したはんだボール２０の下面（はんだボール２０の一部）をリードフレーム１６の上面に接触させる。それにより、リードフレーム１６の上面ではんだボール２０が溶融し、溶融したはんだボール２０が穴２６を通過して、リードフレーム１６の上面に落ちる。プレート２２の穴２６に保持されていたはんだボール２０がリードフレーム１６の上面に落ちると、はんだボール保持部２４内の別のはんだボール２０が穴２６に入り込んで、リードフレーム１６の上面に接し、溶融して落ちる。それが繰り返されることにより、リードフレーム１６上に所望の量のはんだが供給される。この構成によれば、はんだボール保持部２４をリードフレーム１６に向かって降下させてから次に上昇させるまでの時間を変えることにより、リードフレーム１６上に供給するはんだの量を変えることができる。

　リードフレーム１６上に所望の量のはんだが供給された後、制御部３４は、昇降機構２８を制御して、はんだボール保持部２４を上昇させ、プレート２２の下面から突出したはんだボール２０の下面がリードフレーム１６に接しないようにする。そして、溶融はんだ１８を上面に有するリードフレーム１６を、ガイドレール３８により搬送し、ヘッド３２が降下してくる位置まで移動させる。次に、制御部３４は、ヘッド３２を制御して、リードフレーム１６の上面の溶融はんだ１８上に半導体ダイ１４を載置する。そして、リードフレーム１６をガイドレール３８で搬送し、ヒータ３０から離すことで、溶融したはんだ１８が凝固して、半導体ダイ１４とリードフレーム１６が接合される。以上説明した実装動作を、各リードフレーム１６に対して繰り返し行っていく。

　次に、本実施形態のダイボンディング装置１０の作用効果について説明する。

　本実施形態のダイボンディング装置１０は、はんだボール保持部２４のプレート２２の穴２６にはんだボール２０を保持した状態で、プレート２２の下面から突出したはんだボール２０の下面をリードフレーム１６の上面に接触させ、はんだボール２０を溶融させる。そのため、はんだがリードフレーム１６上の所望の位置に正確に落ちるので、リードフレーム１６上の所望の領域にはんだをぬれ広がらせることができる。

　また、本実施形態のダイボンディング装置１０は、はんだボール保持部２４のプレート２２の多数の穴２６が、リードフレーム１６の上面に塗布するはんだのパターンに従って形成されている。そのため、リードフレーム１６の上面に、はんだを所望の形状にぬれ広がらせることができる。成形棒などにより、溶融はんだを押して、はんだをぬれ広がらせる工程が不要であり、実装動作を高速化できる。

　次に、変形例について説明する。

　図５に示すように、ダイボンディング装置は、はんだボール保持部２４のプレート２２の穴２６に保持されたはんだボール２０の上側の空気圧力を調整する圧力調整装置９０をさらに備える、としてもよい。制御部３４は、圧力調整装置９０を制御し、圧力調整装置９０は、はんだボール保持部２４内へ配管９２を介して送り込む空気量を調整することで、プレート２２の穴２６に保持されたはんだボール２０の上側の空気圧力を調整する。この構成によれば、圧力調整装置９０の空気圧力の調整により、プレート２２の穴２６に保持されたはんだボール２０の下面がリードフレームの上面に接する圧力を調整でき、リードフレームの上面に供給するはんだの量を調整することができる。

　また、図６に示すように、ダイボンディング装置は、はんだボール保持部２４に振動を印加する振動発生装置９６をさらに備える、としてもよい。制御部３４は、振動発生装置９６を制御し、振動発生装置９６は、連結部材９８を介してはんだボール保持部２４を前後あるいは左右、または、それら両方に振動させる。この構成によれば、はんだボール保持部２４の内部において、はんだボール２０がプレート２２の穴２６に入り込むことを促進することができる。

　また、振動発生装置９６により、はんだボール保持部２４に印加する振動の量を調整することで、はんだボール２０がリードフレームの上面で溶融する速度を調整するようにしてもよい。この構成によれば、振動発生装置９６の振動量の調整により、リードフレームの上面に供給するはんだの量を調整することができる。

　また、図７に示すように、ダイボンディング装置は、はんだボール保持部のプレート２２を加熱するヒータ６４（第２のヒータとも言う）をさらに備える、としてもよい。ヒータ６４は、プレート２２内に埋設されており、制御部３４により制御される。この構成によれば、ヒータ６４によりプレート２２を加熱することで、はんだボール２０が溶融しやすくなり、はんだをリードフレーム１６の上面７０に落とす速度を速くすることができる。そのため、生産性を向上させることができる。

　また、図８に示すように、ダイボンディング装置は、はんだボール保持部２４内にシャッター８６（仕切り板）を備える、としてもよい。シャッター８６は、制御部３４により制御され、シャッター８６を閉じた状態（図８参照）で、はんだボール保持部２４内に仕切りが形成され、シャッター８６を開くこと（不図示）で、シャッター８６より上にあるはんだボール２０ｂがプレート２２の上面に向かって落ちる。シャッター８６は、リードフレームの上面に溶融させるはんだボール２０ａと、次以降のリードフレームの上面に溶融させるはんだボール２０ｂとを仕切って、それらの間の熱電導を断つ（断熱する）。この構成によれば、リードフレームの上面にはんだボール２０ａを溶融させている間に、次以降のリードフレームの上面に溶融させるはんだボール２０ｂがはんだボール保持部２４内で溶融してしまうことを抑制することができる。

　１０　ボンディング装置（ダイボンディング装置）、１４　半導体ダイ、１６　リードフレーム（被実装部材）、１８　溶融はんだ（はんだ）、２０，２０ａ，２０ｂ　はんだボール、２１　下面、２２　プレート、２４　はんだボール保持部、２６　穴、２７，２７ａ，２７ｂ　穴群、２８　昇降機構、３０　ヒータ（第１のヒータ）、３２　ヘッド、３４　制御部、３６　はんだボール供給部、３８　ガイドレール、４０　開口窓、４２　シャッター窓、　４４　供給口、４６　扉、５０　上面、５２　下面、５４　入口、５６　出口、５８　マスクパターン、６４　ヒータ（第２のヒータ）、７０　上面、８０　密閉チャンバ、８２　フォーミングガス、８６　シャッター、９０　圧力調整装置、９２　配管、９６　振動発生装置、９８　連結部材。

Claims

　半導体ダイを被実装部材にはんだを用いて接合するボンディング装置であって、
　はんだボールの一部を下面から露出させるとともに、溶融した前記はんだボールを通過させる穴が底に形成されたはんだボール保持部と、
　前記はんだボール保持部を昇降させて前記はんだボールの一部を前記被実装部材に接触させる昇降機構と、
　前記被実装部材を加熱する熱によって前記はんだボールを前記被実装部材に溶融させるヒータとを備える、
　ことを特徴とするボンディング装置。
　請求項１に記載のボンディング装置において、
　前記はんだボール保持部は、上面に前記はんだボールが供給されるプレートを底に備え、前記穴は、前記プレートに形成されており、
　前記穴は、前記プレートの上面に形成された入口が前記はんだボールの直径より大きく、前記プレートの下面に形成された出口が前記はんだボールの直径以下であるスロート状である、
　ことを特徴とするボンディング装置。
　請求項１または２に記載のボンディング装置において、
　前記はんだボール保持部には、複数の前記穴が、前記被実装部材の上面に塗布するはんだのパターンに従って形成されている、
　ことを特徴とするボンディング装置。
　請求項２に記載のボンディング装置において、
　前記はんだボール保持部の前記プレートの前記穴に保持された前記はんだボールの上側の空気圧力を調整する圧力調整装置を、さらに備え、
　前記圧力調整装置により前記空気圧力を調整することにより、前記はんだボールの下面が前記被実装部材の上面に接する圧力を調整する、
　ことを特徴とするボンディング装置。
　請求項１または２に記載のボンディング装置において、
　前記はんだボール保持部に振動を印加する振動発生装置を、さらに備える、
　ことを特徴とするボンディング装置。
　請求項５に記載のボンディング装置において、
　前記振動発生装置により印加する前記振動の量を調整することで、前記はんだボールが前記被実装部材の上面で溶融する速度を調整する、
　ことを特徴とするボンディング装置。
　請求項２に記載のボンディング装置において、
　前記はんだボール保持部の前記プレートを加熱する第２のヒータを、さらに備える、
　ことを特徴とするボンディング装置。
　請求項１に記載のボンディング装置において、
　フォーミングガスが供給された密閉チャンバを、さらに備え、
　前記密閉チャンバの中に、前記被実装部材が搬送されて、前記密閉チャンバの中で前記被実装部材の上面に前記はんだボールが溶融される、
　ことを特徴とするボンディング装置。