特許 6990102 アタッチメントツールおよびこれを備えた実装装置ならびに実装方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2021-12-07

(45)【発行日】2022-01-12

(54)【発明の名称】アタッチメントツールおよびこれを備えた実装装置ならびに実装方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/60 20060101AFI20220104BHJP

   H05K 13/04 20060101ALI20220104BHJP

【ＦＩ】

H01L21/60 311T

H05K13/04 B

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2017242669

(22)【出願日】2017-12-19

(65)【公開番号】P2019110227

(43)【公開日】2019-07-04

【審査請求日】2020-08-31

(73)【特許権者】

【識別番号】000219314

【氏名又は名称】東レエンジニアリング株式会社

(72)【発明者】

【氏名】寺田 勝美

(72)【発明者】

【氏名】晴 孝志

【審査官】加藤 芳健

(56)【参考文献】

【文献】特開２００６－２０２７８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０９６８３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１０７５２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－２２１１６７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／６０

Ｈ０５Ｋ １３／０４

Ｈ０１Ｌ ２１／５２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体チップを基板上に順次加熱圧着する際に用いる、半導体チップを保持するアタッチメントツールであって、
半導体チップを吸着する吸着部と、前記吸着部を保持する枠部とを備え、
前記吸着部は、少なくとも半導体チップを吸着する吸着面の部分が前記半導体チップの外径サイズと略等しいサイズの多孔質体であって、
前記吸着部が前記枠部に対し、半導体チップ側に突出していることを特徴とするアタッチメントツール。

【請求項2】

請求項１に記載のアタッチメントツールであって、
前記吸着部を前記枠部に接着層を介して保持するアタッチメントツール。

【請求項3】

請求項２に記載のアタッチメントツールであって、
前記枠部から露出した前記吸着部のうち、前記吸着面とは異なる箇所を、前記接着層と同じ素材からなる膜で被覆するアタッチメントツール。

【請求項4】

請求項２または請求項３に記載のアタッチメントツールであって、
前記吸着部と前記枠部に用いる素材の熱膨張率が異なるとき、
前記接着層の素材の熱膨張率が、前記吸着部の熱膨張率と前記枠部の熱膨張率との間の値を有するアタッチメントツール。

【請求項5】

バンプを有する半導体チップを電極を有する基板上に実装する実装装置であって、
前記基板を保持するステージと、
前記半導体チップを保持して前記基板に加熱圧着するボンディングヘッドとを備え、
前記ボンディングヘッドが、請求項１から請求項４の何れかに記載のアタッチメントツールを有した実装装置。

【請求項6】

バンプを有する半導体チップを電極を有する基板上に実装する実装方法であって、
請求項１から請求項４の何れかにに記載のアタッチメントツールを用い、
前記吸着部が半導体チップを、前記バンプが形成されていない反バンプ面から吸着保持し、
基板の電極に前記バンプが接合するよう前記半導体チップを加熱圧着する実装方法。

【請求項7】

請求項６に記載の実装方法であって、
前記吸着部が半導体チップを吸着保持するに際して、
前記吸着面が、前記半導体チップに形成された全てのバンプが含まれる領域を、前記半導体チップの反バンプ面から覆うとともに、
前記吸着面の端部が前記半導体チップからはみ出る許容量を半導体チップの実装間隔未満とする実装方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体チップを基板に加熱圧着する際に用いるアタッチメントツールおよびこれを備えた実装装置ならびに実装方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

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１１に示すような実装装置１を用い、半導体チップＳCのバンプを基板ＰＢの電極に対して加熱圧着して接合させている。

【0003】

図１１の実装装置１では、ステージ４が基板ＰＢを保持し、ボンディングヘッド５が半導体チップＳＣを吸着保持した状態で基板ＰＢ上に加熱圧着する機能を有しており、ステージ４の移動による基板移動により基板ＰＢ上の所定の箇所に半導体チップＳＣを加熱圧着することが出来る。

【0004】

ボンディングヘッド５は、図１２に一例を示すように、半導体チップＳＣを吸着保持するアタッチメントツール５０、アタッチメントツール５０を介して半導体チップＳＣを加熱するヒータ５３を少なくとも備えている（引用文献１）。ここで、アタッチメントツール５０が半導体チップＳＣを吸着保持するために、ボンディングヘッド５には減圧流路５９が設けられており、減圧流路は配管８１を経て減圧ポンプ８に通じている。

【0005】

アタッチメントツール５０の形状の一例を示したのが図１３であり、半導体チップＳＣを保持する吸着面から見た形状が図１３（ｂ）、このＡ－Ａ断面、Ｃ－Ｃ断面およびＤ－Ｄ断面を示したのが図１３（ａ）、図１３（ｃ）および図１３（ｄ）であり、吸着面には減圧流路５９に通じる溝５０Ｃが設けてある。このため、溝５０Ｃを塞ぐ状態に半導体チップＳＣが位置すれば、減圧ポンプ８の動作により溝５０Ｃ内は減圧され、半導体チップＳＣはアタッチメントツール５０に吸着保持される。

【0006】

ここで、半導体チップＳＣを確実に保持する観点から、吸着面の一定面積に溝を形成する必要があるが、加工難度およびコストの関係から１００～２００μｍ幅の溝５０Ｃを数本設けたり、３０～２００μｍ径の吸着穴複数個設けるのが一般的である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】国際公開公報 ＷＯ２０１４／１５７１３４

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

アタッチメントツール５０が半導体チップＳＣを正常に吸着保持した状態を示したのが図１４である。図１４においては、半導体チップＳＣの厚みによる剛性により、半導体チップＳＣは形状が変化することなくアタッチメントツール５０に吸着保持される。

【0009】

ところが、近年は半導体チップの薄厚化が進み、厚みが３０μｍ以下のような半導体チップでは、図１５に示すように溝５０Ｃ付近での加わる応力が剛性を上回ることにより、変形することもある。すなわち、厚みが３０μｍ以下の半導体チップＣでは反りが大きく、吸着穴または溝部で吸着すると外周部が浮き上がってしまう。このため、半導体チップＣと基板ＰＢとのアライメント時に、（バンプＥＢのある面側の）外周部に設けられた位置決め用のアライメントマークの焦点がぼけてしまい認識不良やアライメント精度が悪化するという問題が生じる。

【0010】

そこで、溝の幅を狭くして半導体チップＳＣの変形を抑えることが考えられるが、厚み３０μｍ以下の半導体チップＳＣに対しては吸着穴径または溝の幅を５０μｍ以下にするとともに、多数の吸着穴または溝を形成する必要があり、大幅なコストアップが強いられる。

【0011】

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、厚みが３０μｍ以下の半導体チップを変形することなく吸着保持できる比較的安価なアタッチメントツールおよびこれを備えた実装装置ならびに実装方法を提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0012】

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、半導体チップを基板上に順次加熱圧着する際に用いる、半導体チップを保持するアタッチメントツールであって、
半導体チップを吸着する吸着部と、前記吸着部を保持する枠部とを備え、
前記吸着部は、少なくとも半導体チップを吸着する吸着面の部分が前記半導体チップの外径サイズと略等しいサイズの多孔質体であって、前記吸着部が前記枠部に対し、半導体チップ側に突出していることを特徴とするアタッチメントツールである。

【0013】

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のアタッチメントツールであって、
前記吸着部を前記枠部に接着層を介して保持するアタッチメントツールである。

【0014】

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のアタッチメントツールであって、
前記枠部から露出した前記吸着部のうち、前記吸着面とは異なる箇所を、前記接着層と同じ素材からなる膜で被覆するアタッチメントツールである。

【0015】

請求項４に記載の発明は、請求項２または請求項３に記載のアタッチメントツールであって、
前記吸着部と前記枠部に用いる素材の熱膨張率が異なるとき、前記接着層の素材の熱膨張率が、前記吸着部の熱膨張率と前記枠部の熱膨張率との間の値を有するアタッチメントツールである。

【0016】

請求項５に記載の発明は、バンプを有する半導体チップを電極を有する基板上に実装する実装装置であって、
前記基板を保持するステージと、前記半導体チップを保持して前記基板に加熱圧着するボンディングヘッドとを備え、
前記ボンディングヘッドが、請求項１から請求項４の何れかに記載のアタッチメントツールを有した実装装置である。

【0017】

請求項６に記載の発明は、バンプを有する半導体チップを電極を有する基板上に実装する実装方法であって、
請求項１から請求項４の何れかにに記載のアタッチメントツールを用い、
前記吸着部が半導体チップを、前記バンプが形成されていない反バンプ面から吸着保持し、基板の電極に前記バンプが接合するよう前記半導体チップを加熱圧着する実装方法である。

【0018】

請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の実装方法であって、
前記吸着部が半導体チップを吸着保持するに際して、前記吸着面が、前記半導体チップに形成された全てのバンプが含まれる領域を、前記半導体チップの反バンプ面から覆うとともに、前記吸着面の端部が前記半導体チップからはみ出る許容量を半導体チップの実装間隔未満とする実装方法である。

【発明の効果】

【0019】

本発明により、厚みが３０μｍ以下の半導体チップを変形することなく吸着保持できるアタッチメントツールを比較的安価に実現し、これを備えた実装装置ならびに実装方法により半導体チップの基板への実装が高品質に行なえる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の実施形態に係るアタッチメントツールについて説明する図である。

【図2】本発明の実施形態に係るアタッチメントツールを構成する枠部を説明する（ａ）断面図（ｂ）吸着面から見た図（ｃ）断面図である。

【図3】本発明の実施形態に係るアタッチメントツールを説明する（ａ）断面図（ｂ）吸着面から見た図（ｃ）断面図である。

【図4】本発明の実施形態に係るアタッチメントツールの吸着部を枠部に固定する接着層について説明する図である。

【図5】本発明の実施形態に係るアタッチメントツールを構成する枠部の変形例を説明する（ａ）断面図（ｂ）吸着面から見た図（ｃ）断面図である。

【図6】本発明の実施形態に係るアタッチメントツールを構成する枠部の別の変形例を説明する（ａ）断面図（ｂ）吸着面から見た図（ｃ）断面図である。

【図7】本発明の実施形態に係るアタッチメントツールについて、吸着部外周における枠部の影響を説明する図である。

【図8】本発明の実施形態に係るアタッチメントツールにおいて、薄厚で大面積の半導体チップを吸着するのに適した、枠部底面に設けた溝形状の一例を示す図である。

【図9】本発明の実施形態に係るアタッチメントツールを用いて半導体チップを基板に実装する状態を説明する図である。

【図10】本発明の実施形態に係るアタッチメントツールを用いて半導体チップを基板に実装する際の各部の位置関係を示す図である。

【図11】実装装置の構成を示す図である。

【図12】ボンディングヘッドの構成を説明する図である。

【図13】従来のアタッチメントツールについて説明する（ａ）断面図（ｂ）吸着面から見た図（ｃ）断面図（ｄ）断面図である。

【図14】従来のアタッチメントツールで半導体チップを吸着している状態を示す図である。

【図15】従来のアタッチメントツールで薄厚の半導体チップを吸着している状態を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施形態に係るアタッチメントツール５０の構成を示した断面図である。 図１に示すアタッチメントツールは図１１に示すような実装装置１に備えられ、図１２に示すようにボンディングヘッド５の先端（最下）部に設けられ、半導体チップＳＣを保持するとともにヒータ５３の熱を半導体チップＳＣに伝えるものである。

【0022】

図１３に示した従来のアタッチメントツール５０と異なり、本発明のアタッチメントツール５０は、図１に示すように吸着部５１と枠部５２によって構成されている。

【0023】

吸着部５１は板状の多孔質体であり下側の面が半導体チップＳＣを吸着する吸着面５１Ｓとなっている。吸着部５１の素材としては熱圧着時の熱と圧力に耐える耐熱性、剛性、寸法安定性およびヒータ５３の熱を伝えるための伝熱性を備えたものが選ばれる。具体的には金属、セラミックスが好適であるが、熱圧着時の温度および圧力に応じて樹脂やガラスを用いても良い。

【0024】

枠部５２は吸着部５１を保持するものであり、その形状を図２に示す。図２（ｂ）が枠部５２の下面から見た図であり、図２（ｂ）のＡ－Ａ断面およびＣ－Ｃ断面を示したのが図２（ａ）および図２（ｃ）である。枠部５２は２段形状の板状物であり、大面積側がヒータ５３と同一な面形状を有し、小面積側には凹部５２Ｖが設けられた形状を有しており、凹部５２Ｖの底面５２Ｂには減圧流路５９に連通する溝５２Ｃが設けられている。凹部５２Ｖの内枠形状は吸着面５１Ｓと同形状か僅かに大きく、凹部５２Ｖに吸着部５１を嵌めこむことが可能となっている。枠部５２の素材も吸着部５１と同様に熱圧着時の熱と圧力に耐える耐熱性、剛性、寸法安定性が求められるとともにヒータ５３の熱を伝えるための伝熱性を備えたものが選ばれるが、加工性に優れたものが更に望ましい。具体的には、金属、セラミックス、ガラス、樹脂およびこれらの複合材の中から、熱圧着時の温度、圧力、伝熱性と成形時の加工性を考慮して選定すればよい。

【0025】

枠部５２に吸着部５１を嵌めこんだアタッチメントツール５０の形状を示したのが図３である。図３（ｂ）は、アタッチメントツール５０を吸着面５１Ｓ（下面）側から見た図であり、アタッチメントツール５０の、図３（ｂ）におけるＡ－Ａ断面およびＣ－Ｃ断面を示したのが図３（ａ）および図３（ｃ）である。なお、図３（ａ）は枠部５２の底部５２Ｂに溝５２Ｃが設けられた箇所の断面で、図１においても溝５２Ｃが設けられた箇所の断面を示している。

【0026】

図３に示す吸着部５１の吸着面５１Ｓは、半導体チップＳＣと略等しい面形状を有しており、半導体チップＳＣを保持する際は、吸着面５１Ｓのほぼ全面が半導体チップＳＣに接するようになっている。ここで、吸着部５１を形成している多孔質体の孔径に関しては、小さすぎると圧力損失の関係から半導体チップＳＣを保持する際の吸着力が低下し、大きすぎると従来技術と同様に半導体チップＳＣを変形させる懸念があるため、適正範囲に設定する必要がある。具体的な数値としては平均孔径が４～５０μｍ、更に望ましくは１０～３０μｍである。

【0027】

枠部５２に吸着部５１を嵌めこむのに際して、枠部５２に吸着部５１が確実に固定される必要がある。このため、図４に示すように吸着部５１を接着層５１２を介して枠部５２に固定することが望ましい。接着層５１２の素材としては、耐熱性を有するガラス溶着が望ましいが、熱圧着時の温度に対する長期耐熱性を有しているのなら樹脂系の接着剤であってもよい。なお、吸着部５１と枠部５２で熱膨張率が異なるものを用いる場合においては、熱膨張（or収縮）時の接着層５１２剥離を抑制するために、接着層５１２としては、吸着部５１の熱膨張率と枠部５２の熱膨張率の間の熱膨張率を有するものを選定することが望ましい。

【0028】

本発明のアタッチメントツール５０において、吸着部５１は枠部５２の凹部の深さを上回る厚みを持たせており、図１および図４に示すように、吸着部５１が枠部５２に対して距離ＤＰだけ突出している。このように、吸着部５１を枠部５２に対して突出させているのは、半導体チップＳＣを熱圧着する際に、隣接する（実装済みの）半導体チップＳＣと枠部５２の干渉を避けるためである。ここで、枠部５２が隣接する半導体チップＳＣとの干渉を避けるために吸着部５１が枠部５２に対して突出する距離ＤＰは０．１ｍｍ以上であることが望ましい。ただし、距離ＤＰが大きくなると半導体チップＳＣを吸着する吸着面５１Ｓ以外にも多孔質の孔部が露出することになるため、半導体チップＳＣを吸着する能力が低下するだけでなく、外気吸引に伴う（加熱時の）温度低下の懸念もある。このため、図４に示すように、枠部５２からはみ出た吸着部５１の周囲に接着層５１２と同材料の幕を形成することで、吸着面５１Ｓ以外の突出部の孔を塞ぐことが望ましい。

【0029】

ところで、図３のアタッチメントツール５０では凹部５２Ｖの底面５２Ｂに設けた溝５２Ｃを十文字形状に形成しているが、吸着部５１は多孔質体であるので、減圧流路５９を減圧することにより、溝５２Ｃ部に対向する箇所のみならず吸着面５１Ｓ全面が吸着力を有する。ただし、圧力損失の影響もあり、溝５２Ｃ直下の部分とそれ以外では若干吸着力が異なる。このため、吸着面５１Ｓの全面で強い吸着力を得ようとした場合においては、図５のように吸着部５１の吸着面５１Ｓとは反対側の面を極力広い範囲で減圧できるような溝５２Ｃを形成すればよい。ただし、図５の例のような場合、吸着部５１は外周部近傍のみで支持されているため、熱圧着時に湾曲する懸念がある。その対策としては、吸着部５１を厚くしても良いが、圧力損失や熱伝導の観点から厚みを増せないケースもあるので、図６のように外周部近傍以外でも吸着部５１を支持できるように溝５２Ｃを（枠部の）凹部５２Ｖの底面５２Ｂに設けてもよい。

【0030】

なお、図６のような溝５２Ｃを有する枠部５２であっても、図７に示すように吸着部５１の外周部では、上側を（枠部５２における凹部５２Ｖの）底面５２Ｂが密着して塞いでいるため、溝５２Ｃに至る流路が長くなっている。このため、吸着部５１の外周部での吸引力は僅かながら低下し、半導体チップＳＣの厚みや形状によっては外周部で吸着不良となるケースがある。そこで、図８に例示するように、枠部５２における凹部５２Ｖの底面５２Ｂに設ける溝を、底部５２Ｂの外周部分まで延長するように形成してもよい。

【0031】

ところで、本発明の吸着部５１に用いるような板状の多孔質体を得るための生産技術は進んでおり、多孔質体からなる吸着部５１とそれを保持する枠部５２によって構成されるアタッチメントツール５０は、従来方式の吸着面に微細な吸着穴または溝を多数形成するような精密加工に比べて安価に製造することが可能である。

【0032】

以下、図１１に示す実装装置１が図１２に示すボンディングヘッド５を備え、ボンディングヘッド５が図１の構成のアタッチメントツール５０を有する形態で、実装装置１が半導体チップＳＣを基板ＰＢに熱圧着して実装する実装方法の特徴について説明する。

【0033】

まず、図１１の実装装置１のボンディングヘッド５のアタッチメントツール５０が保持する半導体チップＳＣと、ステージ４が保持する基板ＰＢの位置合わせを画像認識手段７を用いて行なった後に、ボンディングヘッド５を加工させつつ半導体チップＳＣを加熱して熱圧着することに関しては、従来の実装装置を用いた実装方法と変わらない。

【0034】

本発明の特徴は、アタッチメントツール５０を構成する吸着部５１の吸着面５１Ｓが全面にわたり吸着力を有していることであり、一部分で強く吸引することがない。このため、吸着保持している半導体チップＳＣが薄厚であっても変形することがなく、吸着面５１から浮くこともないので、アライメントマークの認識も良好となることで位置精度を確保でき、平面性を維持して熱圧着することが出来るので実装品質も高くなる。

【0035】

また、図１に示すように吸着部５１が枠部５２に対して距離ＤＰだけ突出している形状のため、図９に示すように枠部５２が隣接する（実装済み）半導体チップＳＣに干渉することもない。

【0036】

ところで、先に、吸着面５１Ｓは半導体チップＳＣと略等しい面形状を有していると述べたが、半導体チップＳＣのバンプＥＢと基板ＰＢの電極を確実に接合する観点から、吸着面５１Ｓは、少なくとも半導体チップＳＣの全てのバンプＥＢを包含する形状を有している必要がある。すなわち、半導体チップＳＣの全てのバンプＥＢについて、反バンプ面側（上側）に吸着部５１が存在している。また、図９の領域Ｓを拡大表示した図１０において、吸着部５１が半導体チップＳＣからはみ出した場合、はみ出し量ＬＣが僅かであれば半導体チップＳＣを保持する吸着力の低下は小さく、外気吸い込みによる温度低下もバンプＥＢ部分までは及ばないので許容される。ただし、はみだし量ＬＣが半導体チップＳＣの実装間隔ＬＤ以上になると吸着部５１が隣接する半導体チップＳＣと干渉するので好ましくない。すなわち、アタッチメントツール５０が半導体チップＳＣを吸着保持する際は、吸着部５１の半導体チップＳＣに対するはみ出し量ＬＣが実装間隔ＬＤ未満となるようにしなければならない。

【符号の説明】

【0037】

１ 実装装置
４ ステージ
５ ボンディングヘッド
５０ アタッチメントツール
５１ 吸着部
５２ 枠部
５３ ヒータ
５９
５１２ 接着層
Ｅ 電極
ＥＢ バンプ
ＰＢ 基板
ＳＣ 半導体チップ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】