JP2012199358A - チップ加熱ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】加熱したチップの温度低下を抑制して温度バラツキを最小限に抑えることにより、接合不良なくチップを基板に実装することができるチップ加熱ヘッドを提供する。
【解決手段】チップ加熱ヒータ部５を、チップ７を加熱する熱源となるヒータ本体１０と、ヒータ本体１０により加熱されて真空吸着等でチップ７を把持するコレット１１とから構成する。ヒータ本体１０からチップ７への伝熱方向において、チップ７のチップ中央部とチップ外周部とでコレット１１とチップ７との接触密度が異なるように構成されている。具体的には、チップ７の中央部にコレット１１がチップ７と接触する接触部を設け、チップ７の外周部にコレット１１がチップと接触しない非接触部を設ける。これによって、チップ７の温度分布を均一にして、半田未溶融やボイド残留などの接合不良を発生させることなく、チップ７を基板へ実装することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、基板上に半導体チップ（以下、単にチップと言うこともある）を実装するための半導体チップ接合装置に用いられるチップ加熱ヘッド等に関し、特に、基板上におけるフリップチップ実装領域などのチップ実装領域において、加熱によってチップの接合を行う半導体チップ接合装置に用いられるチップ加熱ヘッドに関する。

従来より、チップと基板、またはチップとチップとの接合方法として、半田材やＡｕバンプ等を用いて両者を接合する方法が一般的に行われている。これらの接合方法では、チップと基板、またはチップとチップとの接合部に半田材やＡｕバンプ等を付着させた状態で接合部同士を接触させ、半田材やＡｕバンプを溶融・凝固させて配線部の接続を行っている。この際、チップ加熱ヘッドなどの熱源を用いてチップや基板を均一に加圧・加熱することにより、半田材やＡｕバンプを溶融させながらチップや基板の配線部を接合している（例えば、特許文献１参照）。

なお、一般的には、チップ加熱ヘッドによってチップ側を加熱する方法が行われているため、チップのサイズなどを考慮して、所望の熱容量のチップ加熱ヘッドや単体ヒータなどによってチップを加熱する必要がある。また、チップの劣化防止および実装工程の時間短縮を行う観点から、チップの実装処理時間を短くするためには、チップを素早く加熱、冷却する必要があるので、一般的には、セラミックヒータなどのような熱容量が小さく、かつ高い熱応答性のあるヒータが用いられている。

一方、チップや基板の加熱温度が領域によってバラツクため、チップ内での半田材またはＡｕバンプの溶融状態にバラツキが存在することがある。特に、セラミックヒータ等の高い熱応答のあるヒータは熱容量が小さいために、外乱によって温度降下を引き起こし易く、また熱拡散率も金属に比べて小さいために熱分布の均一性が悪いので加熱温度にバラツキが生じやすい。例えば、ＦＣＢＧＡ（Ｆｒｉｐｃｈｉｐ Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）などのような外形寸法の大きいチップ等では、チップの中央部から該チップの外周部に向けて分布温度が低くなるため、その分布温度の状態によってはチップの外周部では半田材やＡｕバンプが未溶融の状態になって接合不良を引き起こす要因となる。

そこで、このような温度分布のバラツキの問題を解決するために、チップ加熱ヘッドなどの加熱源の加熱温度を高くしたり、チップの外周部が十分に加熱されるように加熱時間を長くしたりする方法が採られている。ところが、加熱することによって半田材またはＡｕバンプの内部からガスが発生するため、半田材またはＡｕバンプの内部に未接合部として残るおそれもある。また、高温加熱の状態にしたり加熱状態を保持したりすることにより、さらにガスが発生しやすくなるため、加熱温度を高くしたり加熱時間を長くしたりすることは好ましくない。また、加熱源としてのヒータを複数設け、チップ中の央部よりも高い温度でチップの外周部を加熱する方法もあるが、ヒータが複数個必要になるために費用が嵩むと共に小さいチップに対する加熱対応が難しくなる。

そこで、上記のような不具合を解消するために、基板載置部材の周縁部と支持部材の接触部に等間隔で凹部を形成することによって、基板載置部の温度分布を均一にすることにより、基板上の成膜処理を向上させる技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

また、関連技術として、ボンディングツールの基板接触面の中央部分に凹部が形成された基板変形防止部を設けることにより、半導体チップ（チップ）を基板にボンディングするときに該基板を変形させないように構成した技術が開示されている（特許文献３参照）。この技術によれば、外周縁に沿ってバンプ電極が配置されたチップを基板にボンディングする場合、ボンディングツールの基板接触面の中央部分に形成された凹部によって、半導体チップのバンプ電極より内部にはボンディングツールの押圧力が加わらないので、該基板の変形を防止することができる。

また、他の関連技術として、半導体チップと実装基板の熱膨張係数の相違による半導体チップの損傷を回避して、半導体チップを基板へ安定的に実装する技術が開示されている（特許文献４参照）。この技術によれば、半導体チップを載置するステージ側に凹部を設けることにより、加圧・加熱ヘッドによって半導体チップを実装基板に向けて押圧したときに、実装基板を前記凹部側に湾曲させた状態で半導体チップを該基板に接合することにより、半導体チップと実装基板の熱膨張係数の差を前記凹部が吸収するので、半導体チップを基板に安定的に搭載することができる。

特開２００５−１４２４６０号公報 特開２００４−１９３４７１号公報 特開２００６−３１０３５４号公報 特開２００７−２１４２９１号公報

しかしながら、前記特許文献２に開示された技術ような基板温度を均一にする方法では、加熱源となるヒータ部品が基板より大きくなるため、チップを狭ピッチで基板に実装するような場合などにおいては、構造上から観点から見て、微細加工を行う半導体チップ接合装置としての適用が難しい。

また、特許文献３に開示された技術は、凹部が形成された基板変形防止部を設けることにより、基板の変形を防止して該基板に対してチップを適正にマウントすることはできるが、この公報にはチップの温度分布を均一にする技術は開示されていない。すなわち、ボンディングツールにおいて、チップ外周縁のバンプ電極より内側部分に凹部を設けたとしても、チップの大きさと凹部の大きさとの対応関係が不特定であるので、チップの温度分布を均一化する技術に展開することはできない。

さらに、特許文献４に開示された技術は、半導体チップを載置するステージ側の中央部に凹部を設けることにより、半導体チップと基板の熱膨張係数の差を吸収して該半導体チップを基板に安定的に搭載することができるが、加熱ヒータの熱はステージ側を経由することなく半導体チップに伝熱するため、ステージの凹部によって半導体チップの温度分布を均一にすることはできない。

本発明は、上述のような事情に鑑みてなされたものであり、加熱したチップの温度低下を抑制して該チップの温度バラツキを最小限に抑えることにより、接合不良なくチップを基板に実装することができるチップ加熱ヘッドを提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明に係るチップ加熱ヘッドは、半導体チップを加熱する加熱手段と、該半導体チップを吸着または把持するコレットとを備えたチップ加熱ヘッドにおいて、前記コレットは、前記半導体チップとの接触密度を粗密に分布させて、前記加熱手段から前記半導体チップへ伝達される伝熱容量に分布を持たせていることを特徴とする。

また、本発明に係るチップ加熱ヘッドは、半導体チップを加熱する加熱手段と該半導体チップを吸着または把持するコレットとを備えたチップ加熱ヘッドドにおいて、前記コレットは、前記加熱手段の外周部から前記半導体チップのチップ中心部に向かって該半導体チップとの接触密度を段階的に粗にすることにより、該半導体チップへの伝熱容量に分布を持たせることを特徴とする。

また、本発明に係るチップ加熱ヘッドは、半導体チップを加熱する加熱手段と該半導体チップを吸着または把持するコレットとを備えたチップ加熱ヘッドにおいて、前記コレットは、自己の内部に中空部を設けることによって前記半導体チップへの伝熱容量に分布を持たせることを特徴とする。

本発明のチップ加熱ヘッドによれば、大気との接触が大きいために温度低下が生じやすい半導体チップのチップ外周部への伝熱量を多くすることができるので、半導体チップ内における温度分布のバラツキを最小限に抑えることが可能となる。これによって、未溶融半田や残留ボイド等による半導体チップと基板との接合不良が生じることなく、半導体チップを基板へ実装することができる。その結果、基板へ半導体チップを搭載するときの歩留りを低減させることが可能となる。

本発明の一実施形態に係る半導体チップ搭載接合装置の構成を示す斜視図である。 図１に示すチップ加熱ヒータ部（チップ加熱ヘッド）とその周辺構造の分解図である。 本発明の第１実施形態に係るチップ加熱ヒータ部の詳細図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）はコレットとチップとの接触部分の図である。 本発明の第２実施形態に係るチップ加熱ヒータ部の縦断面図である。 本発明の第３実施形態に係るチップ加熱ヒータ部の縦断面図である。 本発明の第４実施形態に係るチップ加熱ヒータ部の詳細図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）はコレットとチップとの接触部分の図である。 本発明の第５実施形態に係るチップ加熱ヒータ部の縦断面図である。 本発明の第６実施形態に係るチップ加熱ヒータ部の縦断面図である。

本発明の一実施形態に係るチップ加熱ヘッド（加熱ヒータ部）は、加熱によって半導体チップの接合を行う半導体チップ接合装置に用いられるチップ加熱ヘッドであって、加熱手段（ヒータ本体）の伝熱方向において、半導体チップのチップ中央部とチップ外周部とで接触密度が異なるように構成したことを特徴としている。

好ましくは、チップ中央部とチップ外周部とで接触密度が段階的に異なるように構成する。なお、チップ加熱ヘッドは、半導体チップを加熱する熱源となる加熱手段（ヒータ本体）と、その加熱手段により加熱されて、半導体チップを把持するコレットとを備えて構成されている。以下、本発明に係るチップ加熱ヘッドについて、図面を参照しながら好適な実施形態の幾つかを詳細に説明する。

（第１実施形態）
図1は、本発明の一実施形態に係る半導体チップ搭載接合装置の構成を示す斜視図である。図１に示すように、チップ（図示せず）を搭載する基板１は基板ステージ２に把持され、基板ステージ２は、Ｘ軸ステージ３及びＹ軸ステージ４によってＸ、Ｙ方向へ水平に駆動することができる。また、チップはチップ加熱ヒータ部（チップ加熱ヘッド）５に把持され、該チップ加熱ヒータ部５はＺ軸ステージ６により鉛直方向に駆動することができる。

図２は、図１に示すチップ加熱ヒータ部（チップ加熱ヘッド）５とその周辺構造の分解図である。図２に示すように、Ｚ軸ステージ６の下部に載置されたチップ加熱ヒータ部５は、ヒータ１０と、チップ７を把持するためのコレット１１とを有している。該コレット１１は、図示しない真空発生器に接続することによってチップ７を吸着したり、クランプ機構（図示せず）などによってチップ７を把持したりすることができる。

図３は、本発明の第１実施形態に係るチップ加熱ヒータ部５の詳細図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）はコレット１１とチップ７との接触部分の図である。図３（ａ）、（ｂ）に示すように、チップ加熱ヒータ部（チップ加熱ヘッド）５は、チップ７を加熱する熱源となるヒータ本体１０と、ヒータ本体１０により加熱されて、真空吸着などによってチップ７を把持するコレット１１とによって構成されている。また、コレット１１は、チップ７のチップ外周部のみが接触するような形状となっている。したがって、外気に触れて温度低下が発生しやすいチップ外周部への伝熱量をチップ中央部よりも大きくすることができる。これによって、チップ７の温度分布をほぼ均一にすることができる。

（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態に係るチップ加熱ヒータ部５の縦断面図である。図４に示すように、チップ加熱ヒータ部５は、チップ７を加熱する熱源となるヒータ本体１０と、ヒータ本体１０により加熱されて、真空吸着などによってチップ７を把持するコレット１１とによって構成されている。また、コレット１１は、チップ７のチップ外周部とチップ中央部へ接触するような形状となっている。例えば、図３で示した第１実施形態の場合よりチップ７が大きいサイズであってチップ中央部の温度が下がりすぎる場合には、図４に示すように、チップ７におけるチップ外周部とチップ中央部へコレット１１を接触させることによって、チップ中央部への伝熱を補助することができる。これによって、チップ７が比較的大きいサイズであっても、該チップ７の温度分布をほぼ均一にすることができる。

（第３実施形態）
図５は、本発明の第３実施形態に係るチップ加熱ヒータ部５の縦断面図である。図５に示すように、チップ加熱ヒータ部５は、チップ７を加熱する熱源となるヒータ本体１０と、ヒータ本体１０により加熱されて、真空吸着などによってチップ７を把持するコレット１１とによって構成されている。また、コレット１１は、チップ７のチップ外周部への接触面を密にし、チップ中央部への接触面を粗にしている。これによって、チップ７に反りなどが生じる場合には、チップ中央部への接触面の表面粗さを粗くすることによって、チップ中央部の接触密度を小さくすることができる。したがって、チップ７に反りが発生したときでも、該チップ７の温度分布をほぼ均一にすることが可能となる。

（第４実施形態）
図６は、本発明の第４実施形態に係るチップ加熱ヒータ部の詳細図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）はコレットとチップとの接触部分の図である。図６に示すように、チップ加熱ヒータ部５は、チップ７を加熱する熱源となるヒータ本体１０と、ヒータ本体１０により加熱されて、真空吸着などによってチップ７を把持するコレット１１とによって構成されている。また、コレット１１は、チップ７のチップ外周部の四隅に接触するような形状となっている。これによって、図３に示した第１実施形態の場合よりチップ７が小さいサイズであって、チップ外周部の温度低下は小さいがチップ四隅の温度低下が大きい場合には、チップ７のチップ四隅のみをコレット１１と接触させることにより、該チップ７の温度分布をほぼ均一にすることが可能となる。

（第５実施形態）
図７は、本発明の第５実施形態に係るチップ加熱ヒータ部５の縦断面図である。図７に示すように、チップ加熱ヒータ部５は、チップ７を加熱する熱源となるヒータ本体１０と、ヒータ本体１０により加熱されて、真空吸着などによってチップ７を把持するコレット１１とによって構成されている。また、コレット１１は、ヒータ１０の中央部に非接触面を設け、該ヒータ１０の外周部で接触している。これによって、コレット１１とチップ７との接触面を均一にしても、コレット１１とヒータ７の中央部とが非接触面となっているので、チップ７のチップ外周部の熱伝導がよくなるので、結果的に、該チップ７の温度分布をほぼ均一にすることが可能となる。

（第６実施形態）
図８は、本発明の第６実施形態に係るチップ加熱ヒータ部５の縦断面図である。図７に示すように、チップ加熱ヒータ部５は、チップ７を加熱する熱源となるヒータ本体１０と、ヒータ本体１０により加熱されて、真空吸着などによってチップ７を把持するコレット１１とによって構成されている。また、コレット１１は中央部付近のコレット内部に空洞を設けた構成となっている。これによって、コレット１１とチップ７との接触面を均一にしても、コレット１１の中央部付近のコレット内部に空洞が設けられているので、チップ７のチップ外周部の熱伝導がよくなるので、結果的に、該チップ７の温度分布をほぼ均一にすることが可能となる。

以上説明したように、上記実施形態に係る半導体チップ接合装置に用いられるチップ加熱ヒータ部（チップ加熱ヘッド）よれば、チップ加熱ヒータ部５は、チップ７を把持するコレット１１に接触していて、該チップ７を基板（図示せず）に接合するために加熱を行っている。また、このコレット１１は、チップ７を把持するために該チップ７に接触している。したがって、チップ加熱ヒータ部５からの熱はコレット１１を介してチップ７へ効率的に伝熱される。

さらに、チップ加熱ヒータ部５からの熱をチップ７へ伝導させるための伝熱方向を決定するコレット１１の形状は、チップ中央部とチップ外周部とでチップ７との接触密度が異なっている。すなわち、チップ中央部ではチップ７とコレット１１との接触密度は小さく、チップ外周部ではチップ７とコレット１１との接触密度は大きくなっている。

その結果、チップ加熱ヒータ部５からの伝熱によって、チップ７におけるチップ外周部の方がチップ中央部より温度が高くなるように加熱される。言い換えると、大気との接触面積が大きいために温度低下が発生しやすいチップ外周部への伝熱量を多くすることができるため、チップ７内における温度分布のバラツキを最小限に抑えることが可能となる。

以上、本発明に係るチップ加熱ヘッド（チップ加熱ヒータ部）の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、本発明の具体的に構成はこれらの実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもそれらは本発明に含まれる。例えば、コレットは、チップの外周部付近から中央部付近からに向かって段階的にチップとの接触密度を粗にすることによって、ヒータ本体からチップへ伝達される伝熱容量に分布を持たせるように構成してもよい。また、複数のヒータによりチップを加熱することで、チップの温度バラツキを最小限に抑えるようにしてもよい。

１ 基板
２ 基板ステージ
３ Ｘ軸ステージ
４ Ｙ軸ステージ
５ チップ加熱ヒータ部（チップ加熱ヘッド）
６ Ｚ軸ステージ
７ チップ
１０ ヒータ本体（加熱手段）
１１ コレット

Claims (6)

1. 半導体チップを加熱する加熱手段と、該半導体チップを吸着または把持するコレットとを備えたチップ加熱ヘッドにおいて、
   前記コレットは、前記半導体チップとの接触密度を粗密に分布させて、前記加熱手段から前記半導体チップへ伝達される伝熱容量に分布を持たせていることを特徴とするチップ加熱ヘッド。
2. 前記コレットは、前記半導体チップの外周部付近から中央部付近に向かって段階的に該半導体チップとの接触密度を粗にすることにより、前記加熱手段から前記半導体チップへ伝達される伝熱容量に分布を持たせていることを特徴とする請求項１に記載のチップ加熱ヘッド。
3. 前記コレットは、前記半導体チップと対向する面に、該半導体チップと接触する接触部と、該半導体チップと接触しない非接触部とを設けることにより、該半導体チップとの接触密度を粗密に分布させることを特徴とする請求項１または２に記載のチップ加熱ヘッド。
4. 前記コレットは、前記半導体チップの中央部付近に前記非接触部を設け、該半導体チップの外周部付近に前記接触部を設けていることを特徴とする請求項３に記載のチップ加熱ヘッド。
5. 半導体チップを加熱する加熱手段と該半導体チップを吸着または把持するコレットとを備えたチップ加熱ヘッドにおいて、
   前記コレットは、前記加熱手段の外周部から前記半導体チップのチップ中心部に向かって該半導体チップとの接触密度を段階的に粗にすることにより、該半導体チップへの伝熱容量に分布を持たせることを特徴とするチップ加熱ヘッド。
6. 半導体チップを加熱する加熱手段と該半導体チップを吸着または把持するコレットとを備えたチップ加熱ヘッドにおいて、
   前記コレットは、自己の内部に中空部を設けることによって前記半導体チップへの伝熱容量に分布を持たせることを特徴とするチップ加熱ヘッド。

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