特許 7453035 圧着ヘッド、これを用いた実装装置および実装方法

(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】2024-03-11

(45)【発行日】2024-03-19

(54)【発明の名称】圧着ヘッド、これを用いた実装装置および実装方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/603 20060101AFI20240312BHJP

   H01L 21/60 20060101ALI20240312BHJP

   H05K 3/34 20060101ALI20240312BHJP

【ＦＩ】

H01L21/603 C

H01L21/603 B

H01L21/60 311T

H05K3/34 504B

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2020060779

(22)【出願日】2020-03-30

(65)【公開番号】P2021163774

(43)【公開日】2021-10-11

【審査請求日】2022-11-16

(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】今井 宏一

(72)【発明者】

【氏名】陣田 敏行

【審査官】安田 雅彦

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－０５０３４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－０３４４２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－１００８０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０１－１６８０３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２４５４１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１２３４２３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／６０－２１／６０７

Ｈ０１Ｌ ２１／５０－２１／５２

Ｈ０１Ｌ ２１／５８

Ｈ０１Ｌ ２５／００－２５／１８

Ｈ０５Ｋ ３／３２－ ３／３４

Ｈ０５Ｋ １３／００－１３／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電子部品を基板に実装する圧着ヘッドであって、
温度一定のコンスタントヒータを内蔵するヘッド本体と、
前記ヘッド本体の下部に装着された電子部品を押圧する押圧部材と、
前記ヘッド本体と前記押圧部材との間に介在する弾性部材とを有するアタッチメントを備え、
前記押圧部材の前記電子部品と対向する面に、前記押圧部材とは異なる材料の積層体を設けた圧着ヘッド。

【請求項2】

電子部品を基板に実装する圧着ヘッドであって、
温度一定のコンスタントヒータを内蔵するヘッド本体と、
前記ヘッド本体の下部に装着された電子部品を押圧する押圧部材と、
前記ヘッド本体と前記押圧部材との間に介在する弾性部材とを有するアタッチメントを備え、
前記押圧部材と前記電子部品との間に、前記押圧部材とは異なる材料のシート材を配置する圧着ヘッド。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載の圧着ヘッドであって、
前記押圧部材と異なる材料の熱伝導率が、前記押圧部材の１／３０以下である圧着ヘッド。

【請求項4】

請求項３に記載の圧着ヘッドであって、
前記押圧部材が金属で、前記押圧部材と異なる材料がガラス、セラミックス、または耐熱樹脂である圧着ヘッド。

【請求項5】

請求項１から請求項４の何れかに記載の圧着ヘッドであって、
複数個の電子部品を同時に実装することが可能な圧着ヘッド。

【請求項6】

請求項１から請求項５の何れかに記載の圧着ヘッドと、
前記圧着ヘッドを上下移動可能とし、前記基板に向けた加圧力を付与する加圧手段と、
前記アタッチメントの加圧面を前記基板側から支持する基板ステージとを備えた実装装置。

【請求項7】

請求項６に記載の実装装置であって、
前記圧着ヘッドと前記基板の間に、前記基板と平行にアタッチメント保護フィルムを配置する構成の実装装置。

【請求項8】

請求項６または請求項７に記載の実装装置を用いて、
電極面に熱硬化性接着剤層が形成された前記電子部品を前記基板に実装する実装方法。

【請求項9】

請求項８に記載の実装方法であって、
前記基板の種類に応じて、前記押圧部材と異なる材料の材料または／および厚みを変化させる実装方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、シリコン基板、ガラスエポキシ基板、ガラス基板、等の種々の基板に半導体チップ等の電子部品を多段積層して実装するための圧着ヘッド、これを用いた実装装置および実装方法に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体チップをはじめとする電子部品を基板に実装する手法として、フリップチップ実装が良く知られている。フリップチップ実装は、半導体チップに形成されたバンプを回路基板の電極パッドと位置合わせしてから熱圧着するものである。

【0003】

従来のフリップチップ実装では熱圧着により主にハンダからなるバンプを溶融させながら基板の電極パッドと接合した後に、半導体チップと基板の隙間に液状封止樹脂接着剤を注入して硬化させることが一般的であった。これに対して、昨今では半導体チップのバンプ面に熱硬化性接着剤を主成分とする非導電性フィルム（Ｎｏｎ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｆｉｌｍ、以下「ＮＣＦ」と記す）を付着させた状態で、基板に仮固定（仮圧着）してから熱圧着（本圧着）する方法（例えば特許文献１）が注目されている。

【0004】

ＮＣＦを用いて仮固定してから熱圧着する手法では、基板Ｓ上の全面に半導体チップＣを仮固定（図６（ａ））してから熱圧着することも可能であり、図６（ｂ）のように複数の半導体チップＣを同時に熱圧着することが可能である。

【0005】

また半導体チップＣとして、貫通電極によりバンプ面と反対側に電極を有するものを用いれば、図７（ａ）のように、半導体チップＣをＮＣＦを介して多段積層状態で仮固定してから図７（ｂ）のように熱圧着することもでき、所謂３Ｄ実装を高効率に行うことが出来る。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０１６－９８５０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ＮＣＦを用いた実装において、ＮＣＦの硬化状態とバンプの溶融タイミングとの関係が重要であり、熱圧着時のＮＣＦ昇温カーブを適切にする必要がある。すなわち、ＮＣＦの硬化が不十分な状態でバンプが溶融するとバンプ潰れが生じ、ＮＣＦの硬化が進んでからバンプ溶融温度に達するとバンプと基板（または半導体チップ）の電極が接近し難くなり接合不良となる。

【0008】

そこで、ＮＣＦが適度に硬化した状態でバンプが溶融するようなＮＣＦ昇温カーブが得られるように、図６および図７におけるアタッチメント４０を加熱するヘッド本体３に内蔵されたヒータ３１の温度や、基板ステージ２の温度を適切に設定する必要がある。特に、図７のように半導体チップＣが多段積層されている場合は、多段積層された全ての半導体チップにおけるＮＣＦ昇温カーブが許容範囲内になるような設定を行う必要がある。

【0009】

ところが、ヒータ３１や基板ステージ２の温度の設定を行っても基板Ｓの種類が異なると昇温カーブが大きく変わることが判った。すなわち、図８の基板Ａのような適正なＮＣＦ昇温カーブが得られたときと同じ条件下で、基板を基板Ｂとした場合、バンプ溶融温度Ｔｍに達するまでにＮＣＦが硬化してしまい接合不良が生じた。これは、基板Ａと基板Ｂの材質の熱伝導の違いによって生じており、熱伝導率の高い基板Ａに比べて熱伝導率の低い基板Ｂを用いた方がＮＣＦの昇温が早い。

【0010】

更に、多段積層された半導体チップ間におけるＮＣＦ昇温カーブの違いが基板Ａでは抑えられていたのに対して、基板Ｂでは広がっている。このため、基板Ｂにおいて、多段積層された全ての半導体チップにおけるＮＣＦ昇温カーブを許容範囲とすることは困難であった。

【0011】

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、半導体チップ等の電子部品を熱硬化性接着剤を介して基板に積層状態で仮固定してから熱圧着を行うのに際して、基板の材質が異なっても、夫々の条件で接合品質に優れた実装が行える圧着ヘッド、これを用いた実装装置および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】

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
電子部品を基板に実装する圧着ヘッドであって、
温度一定のコンスタントヒータを内蔵するヘッド本体と、前記ヘッド本体の下部に装着された電子部品を押圧する押圧部材と、前記ヘッド本体と前記押圧部材との間に介在する弾性部材とを有するアタッチメントを備え、
前記押圧部材の前記電子部品と対向する面に、前記押圧部材とは異なる材料の積層体を設けた圧着ヘッドである。

【0013】

請求項２に記載の発明は、電子部品を基板に実装する圧着ヘッドであって、
温度一定のコンスタントヒータを内蔵するヘッド本体と、前記ヘッド本体の下部に装着された電子部品を押圧する押圧部材と、前記ヘッド本体と前記押圧部材との間に介在する弾性部材とを有するアタッチメントを備え、
前記押圧部材と前記電子部品との間に、前記押圧部材とは異なる材料のシート材を配置する圧着ヘッドである。

【0014】

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の圧着ヘッドであって、
前記押圧部材が金属で、前記押圧部材と異なる材料がガラス、セラミックス、または耐熱樹脂である圧着ヘッドである。

【0015】

請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４の何れかに記載の圧着ヘッドであって、
複数個の電子部品を同時に実装することが可能な圧着ヘッドである。

【0016】

請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項５の何れかに記載の圧着ヘッドと、
前記圧着ヘッドを上下移動可能とし、前記基板に向けた加圧力を付与する加圧手段と、
前記アタッチメントの加圧面を前記基板側から支持する基板ステージとを備えた実装装置である。

【0017】

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、
前記圧着ヘッドと前記基板の間に、前記基板と平行にアタッチメント保護フィルムを配置する構成の実装装置である。

【0018】

請求項８に記載の発明は、請求項６または請求項７に記載の実装装置を用いて、
電極面に熱硬化性接着剤層が形成された前記電子部品を前記基板に実装する実装方法である。

【0019】

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、
前記基板の種類に応じて、前記押圧部材と異なる材料の材料または／および厚みを変化させる実装方法である。

【発明の効果】

【0020】

本発明により、半導体チップ等の電子部品を熱硬化性接着剤を介して基板に積層状態で仮固定してから熱圧着を行うのに際して、基板の材質が異なっても、夫々の条件で接合品質に優れた実装が行えるようになった。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明の実施形態に係る圧着ヘッドを用いて多段積層状態で仮固定された半導体チップを実装する様子を説明するものであり、（ａ）位置合わせ後の状態を示す図であり、（ｂ）熱圧着中の状態を示す図である。

【図2】本発明の実施形態に係る圧着ヘッドの変形例を示す図である。

【図3】本発明の実施形態に係る圧着ヘッドの効果を説明するための昇温カーブである。

【図4】本発明を実施形態とは異なる構成で実現する例を示す図である。

【図5】本発明と同様な効果を実施形態とは異なる手法で実現した例を説明する図である。

【図6】複数の半導体チップを基板に実装可能な圧着ヘッドについて説明するものであり、（ａ）位置合わせ後の状態を示す図であり、（ｂ）熱圧着中の状態を示す図である。

【図7】複数の半導体チップを基板に実装可能な圧着ヘッドを用いて多段積層状態で仮固定された半導体チップを実装する様子を説明するものであり、（ａ）位置合わせ後の状態を示す図であり、（ｂ）熱圧着中の状態を示す図である。

【図8】同じ圧着ヘッドを用いても、基板が異なれば昇温カーブが異なる例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

本発明の実施形態を図面を用いて説明する。図１は本発明の実施形態に係る圧着ヘッド１を用いて積層状態の半導体チップＣを基板Ｓに実装する例を示すものである。図１（ａ）において、電子部品である半導体チップＣは未硬化のＮＣＦを介して基板Ｓ上に多段積層状態で仮固定されている。ここでＮＣＦはエポキシ等の熱硬化性接着剤を主成分として絶縁微粒子が分散された非導電性フィルである。また、図示していないが、半導体チップＣのバンプと対向する位置には電極パッドが設けてある。なお、図１では半導体チップＣを４段積層した例を示しているが、積層段数はこれに限定されるものではなく、これよりも少なくても良いが、本発明の効果は４段以上積層した場合に有益である。

【0023】

図１（ａ）は圧着ヘッド１と、基板Ｓに仮固定された（多段積層状態の）半導体チップＣを位置合わせした状態を示してある。

【0024】

圧着ヘッド１は、ヘッド本体３とアタッチメント４によって構成されている。図１の例において、ヘッド本体３はヘッド筐体３０とヒータ３１を有し、アタッチメント４は弾性部材４１、押圧部材４２、支持ホルダ４３および積層体４４を有している。

【0025】

圧着ヘッド１は図示しない加圧手段により、上下動するとともに、半導体チップＣに所定の加圧力を印加するように駆動される。

【0026】

圧着ヘッド１は、基板Ｓ上の複数個所の半導体チップＣを同時に熱圧着するものであり、半導体チップＣの厚みバラツキやバンプＢの高さバラツキに対応するため、同時に押圧する数に応じた弾性部材４１、押圧部材４２、および積層体４４を有しており、耐熱性ゴム等から成る弾性部材４１が押圧時の高さバラツキ吸収を担っている。

【0027】

熱圧着に際して、ヘッド本体３に内蔵されたヒータ３１により発せられた熱は、ヘッド筐体３１と、弾性部材４１、押圧部材４２を経て積層体４４に伝わる。ここで、弾性部材４１の材質は一般的に熱伝導度が低いため、押圧部材４２には伝熱性の高い材質が用いられる。具体的には、アルミや銅があげられるが、これに限定されるものではなく熱伝導性、加工性、寸法安定性、価格等を考慮して選定すればよい。

【0028】

支持ホルダ４３は、弾性部材４１の変形によってよって生じる加圧面の傾きを抑制して平行度を保つものである。

【0029】

積層体４４は、図６、図７に示した構成にはなく、本発明が有する構成要素である。積層体４４は圧着ヘッド１の加圧面を構成するものであり、押圧部材４２を経由した熱流を規制する役割を担う。このため、積層体４４の材質は、熱伝導率を押圧部材４２より小さくする必要があり、厚みを薄くすることを考慮するなら１／３０以下が望ましい。具体的な材質としては、ガラス、セラミックス、耐熱樹脂がある。

【0030】

基板ステージ２は、圧着ヘッド１によって加圧される範囲を基板Ｓ側から支持するものであり、ヒーターを内蔵していてもよい。

【0031】

ところで、アタッチメント４が直接半導体チップＣを加熱しながら加圧すると、加熱されて軟化したＮＣＦが周囲にはみ出して、アタッチメント４の加圧面を汚すことがある。アタッチメント４の加圧面が汚れると加圧面に凹凸や傾きが生じて、次回以降の加圧時に不都合を生じることがある。そこで、アタッチメント保護フィルム５が、ＮＣＦがアタッチメント４の表面に付着することを防ぐために用いられる。アタッチメント保護フィルム５は加圧面と平行に配置され、図示していない搬送機構により、順次搬送される。

【0032】

アタッチメント保護フィルム５は、耐熱性とＮＣＦに対する離型性からフッ素フィルムが好ましい。また、アタッチメント保護フィルムの厚みは搬送時、熱圧着時において破れない最低限度の厚みを有している必要があり、具体的には２０μｍ以上である。

【0033】

以上の、圧着ヘッド１、基板ステージ２、アタッチメント保護フィルム５を供給する機構および圧着ヘッド１を駆動する加圧手段は実装装置の構成要素である。

【0034】

図１（ｂ）は、図１（ａ）に示した実装装置の構成において、圧着ツール１により熱圧着を行っている状態を示すものである。図１（ｂ）においてＴ１は基板Ｓから１段目の半導体チップＣの測定温度を示し、Ｔ４は４段目の半導体チップＣの測定温度を示している。ここで、各半導体チップＣの測定温度は、各半導体チップＣのＮＣＦ温度とほぼ等しい。

【0035】

ところで、図１において、ヒータ３１として温度一定のコンスタントヒータを用いており、基板Ｓとしてシリコン基板を用い適正化した条件になっている。このような条件で、基板Ｓとしてガラスエポキシ基板を用いたときの、各半導体チップＣの測定温度をグラフ化したのが図３である。

【0036】

図３において、Ｔ１ＡおよびＴ４Ａは、積層体４４を有しない、従来構成のアタッチメント４０を用いたときのＴ１およびＴ４を示したものであり、バンプの溶融温度Ｔｍに到達するまでの時間が短く、バンプ潰れが生じている。更に、Ｔ１ＡとＴ４Ａのカーブに違いが生じており、ＮＣＦ昇温カーブにも違いが生じている。

【0037】

一方、図３において、Ｔ１ＢおよびＴ４Ｂは、積層体４４として厚み８８０μｍのガラスを用いたときのＴ１およびＴ４を示したものである。Ｔ１ＢおよびＴ４Ｂは、カーブの違いはＴ１ＡとＴ４Ａに比べて小さくなっていることに加えて、熱圧着開始で温度上昇が始まってからバンプ溶融温度Ｔｍに達するまでの時間が（Ｔ１Ａ、Ｔ４Ａの約２秒に比べて）長くなり、約４．５秒になった。これは、基板Ｓとしてシリコン基板を用いた場合とほぼ同じになり、１段目の半導体チップＣから４段目の半導体チップＣの何れもが、バンプ潰れも接続不良もない良好な接合となった。

【0038】

また、図３において、Ｔ１ＣおよびＴ４Ｃは、積層体４４として厚み３００μｍのフッ素樹脂を用いたときのＴ１およびＴ４を示したものである。Ｔ１ＣおよびＴ４Ｃは、Ｔ１ＢとＴ４Ｂと温度上昇のカーブは異なるものの熱圧着開始で温度上昇が始まってからバンプ溶融温度Ｔｍに達するまでの時間が約４．５秒になった。この結果、１段目の半導体チップＣから４段目の半導体チップＣの何れもが、バンプ潰れも接続不良もない良好な接合が得られた。

【0039】

以上のように、従来のアタッチメントの加圧面に、アタッチメントの押圧部材と異なる材料の積層体を設けることにより、基板Ｓの種類が異なっても、ヒータ温度等の条件を変えずとも、多段の半導体チップＣを品質バラツキなく接合することが可能ななる。

【0040】

なお、押圧部材に積層体を設けるのに際しては、耐熱性接着剤を用いることが出来るが、接着強度に優れるだけではなく、長期耐久性も考慮して選定する必要がある。

【0041】

図１の実施形態において積層体４４としてフッ素樹脂を用いると、フッ素樹脂の柔軟性が活かせるので、個々の押圧部材４２毎に個別に積層体４４を設けるのではなく、図２の変形例のように複数の押圧部材４２を覆うように、押圧部材と異なる材質のシート材４５を配置してもよい。この場合、押圧部材４２にシート材４５を積層する必要はなく、熱圧着を行う都度、押圧部材４４の下にシート材４５を配置する構成としてもよい。

【0042】

また、図１、図２の例では、１つのヘッド本体３が複数の半導体チップＣを加圧する構成となるアタッチメント４を有しているが、図４のように１つのヘッド本体３毎に１つの半導体チップＣを加圧するアタッチメント４として、複数のヘッド本体３を有する圧着ヘッドとする構成でもよい。

【0043】

ところで、積層体４４またはシート材４５がフッ素樹脂の場合、アタッチメント保護フィルム５と同材料の積層、すなわち厚みが増したのと同等な状態となる。そこで、アタッチメント保護フィルム５の厚みによる効果を検証したのが図５である。図６および図７に示したアタッチメント４０を用いてアタッチメント保護フィルム５（図における表記は「断熱シート」）の厚みが３０μｍとした場合の温度カーブが図５（ａ）であるのに対して、厚みを３６０μｍとした場合の温度カーブが図５（ｂ）となることから、積層体４４の厚みを３００μｍとした場合と同様な傾向が現れることが判った。ただし、アタッチメント保護フィルム５は１回の熱圧着毎に搬送する必要がある消耗品であるため、プロセスコストの上昇を伴う。

【符号の説明】

【0044】

１ 圧着ヘッド
２ 基板ステージ
３ ヘッド本体
４、４０ アタッチメント
５ アタッチメント保護フィルム
３０ ヘッド筐体
３１ ヒータ
４１ 弾性部材
４２ 押圧部材
４３ 支持ホルダ
４４ 積層体
４５ シート材
Ｂ バンプ
Ｃ 半導体チップ
Ｓ 基板
ＮＣＦ 熱硬化性接着フィルム
Ｔ１ 基板側から１段目の半導体チップの温度
Ｔ４ 基板側から４段目の半導体チップの温度

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】