JP2019009440A - フリップチップレーザーボンディング装置及びフリップチップレーザーボンディング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体チップを加圧した状態で基板にレーザーボンディングすることにより、曲がっているか曲がるおそれのある半導体チップも半田バンプの接触不良なしに基板にボンディングすることができる、フリップチップレーザーボンディング装置及びフリップチップレーザーボンディング方法を提供する。【解決手段】複数の半導体チップ２０が配置された基板１０を固定する固定部材１００と、固定部材の上側に配置され、レーザービームが透過可能な透過部を備える加圧部材２００と、半導体チップが基板に対して加圧されるように固定部材及び加圧部材のいずれか一方をもう一方に対して昇降させる昇降部材３００と、半導体チップに加圧部材の透過部を介してレーザービームを照射して半導体チップと基板の半田バンプ同士をボンディングするレーザーヘッド４００を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、フリップチップレーザーボンディング装置及びフリップチップレーザーボンディング方法に係り、より詳細には、フリップチップタイプの半導体チップをレーザービームを用いて基板にボンディングするフリップチップレーザーボンディング装置及びフリップチップレーザーボンディング方法に関する。

電子製品の小型化に伴い、ワイヤボンディングを使用しないフリップチップタイプの半導体チップが広く使用されている。フリップチップタイプの半導体チップは、半導体チップの下面に半田バンプ型の多数の電極が形成され、基板に形成された半田バンプに対応する位置にボンディングする方式で基板に実装される。

このようにフリップチップ方式で半導体チップを基板に実装する方法は、リフロー方式とレーザーボンディング方式に大別される。リフロー方式は、半田バンプにフラックスが塗布された半導体チップを基板上に配置した状態で高温のリフローを経由させることにより、半導体チップを基板にボンディングする方式である。レーザーボンディング方式は、リフロー方式と同様に、半田バンプにフラックスが塗布された半導体チップを基板上に配置した状態で半導体チップにレーザービームを照射してエネルギーを伝達することにより、瞬間的に半田バンプが溶けてから固まりながら半導体チップが基板にボンディングされるようにする方式である。

最近使用されているフリップチップタイプの半導体チップは、数百マイクロメートル以下の厚さに薄くなる傾向にある。このように、半導体チップが薄い場合には、半導体チップ自体の内部応力により、半導体チップが微細に曲がったり歪んだり（ｗａｒｐｅｄ）している場合が多い。このように半導体チップが変形している場合は、半導体チップの半田バンプのうち、基板の対応する半田バンプと接触していない状態でボンディングされることがある。このような状況は半導体チップボンディング工程の不良をもたらす。また、レーザービームを半導体チップに照射して半導体チップ及び基板の温度が半田バンプの温度と共に瞬間的に上昇する場合、資材内部の材質の熱膨張係数の差により、半導体チップまたは基板が部分的に曲がったり歪んだりする現象が発生することがあり、このような現象も半導体チップボンディング工程の不良をもたらす。

そこで、本発明は、かかる問題点を解決するためになされたもので、その目的は、曲がったり歪んだりしている半導体チップ、または温度上昇により曲がったり歪んだりするおそれのある半導体チップを、半田バンプの接触不良を防止し且つ効果的に基板にボンディングすることができる、フリップチップレーザーボンディング装置及びフリップチップレーザーボンディング方法を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明に係るフリップチップレーザーボンディング装置は、基板の上面にボンディングするための複数の半導体チップが配置された状態の前記基板の下面を固定する固定部材と、前記固定部材の上側に配置され、レーザービームが透過することが可能な透過部を備える加圧部材と、前記複数の半導体チップのうちの少なくとも一部の半導体チップ（加圧半導体チップ）が前記基板に対して加圧されるように前記固定部材及び前記加圧部材のいずれか一方をもう一方に対して昇降させる昇降部材と、前記加圧部材と前記固定部材との間の前記加圧半導体チップに前記加圧部材の透過部を介して前記レーザービームを照射して前記半導体チップの半田バンプと基板の半田バンプとをボンディングするレーザーヘッドとを含んでなることに特徴がある。

また、本発明によるフリップチップレーザーボンディング方法は、（ａ）基板のボンディングする位置に合わせて、複数の半導体チップを前記基板の上面に配置する段階と、（ｂ）前記複数の半導体チップが配置された基板の下面を固定部材に対して固定する段階と、（ｃ）前記固定部材の上側に配置され、レーザービームが透過することが可能な透過部を備える加圧部材及び前記固定部材のいずれか一方をもう一方に対して昇降部材によって昇降させて、前記複数の半導体チップのうちの少なくとも一部の半導体チップ（加圧半導体チップ）を前記基板に対して加圧する段階と、（ｄ）前記加圧部材と前記固定部材との間の加圧半導体チップに前記加圧部材の透過部を介してレーザーヘッドによってレーザービームを照射して、前記半導体チップの半田バンプと基板の半田バンプとをボンディングする段階とを含んでなることに特徴がある。

本発明に係るフリップチップレーザーボンディング装置及びフリップチップレーザーボンディング方法は、半導体チップを加圧した状態で基板にレーザーボンディングすることにより、曲がっているか曲がるおそれのある半導体チップも半田バンプの接触不良なしに基板にボンディングすることができるという効果がある。

本発明の一実施形態に係るフリップチップレーザーボンディング装置の概念図である。 図１に示されたフリップチップレーザーボンディング装置の加圧部材の平面図である。 図１に示されたフリップチップレーザーボンディング装置の動作を説明するための断面図である。 図１に示されたフリップチップレーザーボンディング装置の動作を説明するための断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明に係るフリップチップレーザーボンディング装置について詳細に説明する。

図１は本発明の一実施形態に係るフリップチップレーザーボンディング装置の概念図、図２は図１に示されたフリップチップレーザーボンディング装置の加圧部材の平面図である。

本実施形態のフリップチップレーザーボンディング装置は、レーザービームを用いて基板１０に半導体チップ２０をフリップチップの形態でボンディングするための装置である。基板１０と半導体チップ２０にはそれぞれ半田バンプ１１、２１が形成されており、レーザービームにより伝達されるエネルギーによって半田バンプ１１、２１が瞬間的に溶けてから固まることにより半導体チップ２０が基板１０にボンディングされる。

図１及び図２を参照すると、本実施形態に係るフリップチップレーザーボンディング装置は、固定部材１００、加圧部材２００、昇降部材３００及びレーザーヘッド４００を含んでなる。

固定部材１００は、基板１０にボンディングするための半導体チップ２０が配置された状態の基板１０を固定する装置である。本実施形態の固定部材１００は、真空吸着方式で基板１０の下面を支持して固定する。基板１０は、半田バンプ１１が形成された位置に合わせて、半導体チップ２０が正確な位置に配置された状態で固定部材１００へ供給されて固定部材１００によって吸着固定される。半導体チップ２０は、下面に形成された半田バンプ２１にフラックスが塗布された状態で基板１０に配置される。フラックスの粘性または粘着性により、半導体チップ２０は基板１０に一時的に接着された状態となる。比較的大きな振動や外力が加わらない限り、基板１０に配置された半導体チップ２０は、フラックスの作用によって揺れずに位置が維持される。

固定部材１００の上側には加圧部材２００が配置される。加圧部材２００は透過部２１０とマスク部２２０を備える。透過部２１０は、レーザービームが透過することが可能な透明材質で構成される。レーザービームを透過させる用途に広く使われるクォーツ（ｑｕａｒｔｚ）が透過部２１０の材料として使用できる。マスク部２２０は、レーザービームが透過することができない不透明材質で形成される。マスク部２２０は、透過部２１０を支持することができるように構成される。透過部２１０は、下側の固定部材１００によって固定された基板１０の半導体チップ２０と一対一で対応する領域に配置され、マスク部２２０は、その透過部２１０を平面的に支持するように構成される。また、上述したように、マスク部２２０は、不透明材質で形成されるため、透過部２１０を除いた領域にはレーザービームが通過することを防止する役割をする。透過部２１０の下面は平面状に形成される。後述する昇降部材３００の作動によって加圧部材２００を用いて半導体チップ２０を加圧するとき、下面が平らに形成された透過部２１０によって半導体チップ２０を均一に平面的に加圧する。

昇降部材３００は、固定部材１００を上下に昇降させる役割をする。基板１０が固定部材１００に吸着固定された状態で、昇降部材３００が固定部材１００を上昇させて加圧部材２００に密着させる方法で半導体チップ２０を加圧する。以下、このように昇降部材３００の作動により固定部材１００と加圧部材２００との間で加圧された半導体チップ２０を「加圧半導体チップ２０」と称して説明する。

レーザーヘッド４００は加圧部材２００の上側に配置される。レーザーヘッド４００は、レーザービームを発生させて加圧部材２００の透過部２１０を介してその下側の半導体チップ２０に伝達する。レーザービームにより伝達されるエネルギーによって基板１０の半田バンプ１１と半導体チップ２０の半田バンプ２１が瞬間的に溶けながら半導体チップ２０が基板１０にボンディングされる。

レーザーヘッド４００はヘッド移送部材５００に設置される。ヘッド移送部材５００はレーザーヘッド４００を水平方向に移送する。レーザーヘッド４００は、加圧部材２００の上側から複数の透過部２１０に対して同時にレーザービームを照射することもでき、透過部２１０ごとに順次レーザービームを照射することもできる。ヘッド移送部材５００は、レーザーヘッド４００を移送して、レーザービームが照射されるべき位置にレーザーヘッド４００を移送する。

以下、上述したように構成された本実施形態に係るフリップチップレーザーボンディング装置を用いて基板１０に半導体チップ２０をボンディングするフリップチップレーザーボンディング方法について説明する。

まず、基板１０のボンディングする位置に合わせて、半導体チップ２０を基板１０の上面に配置する（（ａ）段階）。半導体チップ２０の下面に形成された半田バンプ２１をフラックスに浸漬したり半田バンプ２１にフラックスを塗布したりする方法で、半導体チップ２０の半田バンプ２１にフラックスが付いた状態となるようにして、対応する位置の基板１０に半導体チップ２０を配置する。このとき、基板１０の半田バンプ１１と半導体チップ２０の半田バンプ２１とは、互いに対向して接続された状態になる。上述したように、フラックスの粘性または粘着力によって、半導体チップ２０は基板１０の上面に一時的に付着している状態になる。

次に、半導体チップ２０の配置された基板１０を固定部材１００に配置して、固定部材１００によって基板１０の下面が固定された状態となるようにする（（ｂ）段階）。固定部材１００は、基板１０の下面を真空吸着する方法で基板１０を固定する。このとき、半導体チップ２０が非常に薄く、内部応力がある場合には、図３に示すように、半導体チップ２０が歪んだり曲がったりしている場合もありうる。

このように固定部材１００に基板１０が固定された状態で昇降部材３００によって固定部材１００を上昇させて半導体チップ２０を加圧部材２００に密着させる方法で、半導体チップ２０を基板１０に対して加圧する（（ｃ）段階）。昇降部材３００の作用によって基板１０と半導体チップ２０が加圧部材２００と固定部材１００との間で密着されることにより、図４に示すように、曲がった半導体チップ２０も平らに伸びた状態で基板１０と向かい合うことになる。

このような状態でレーザーヘッド４００からレーザービームを照射して半導体チップ２０の半田バンプ２１と基板１０の半田バンプ１１とを互いにボンディングする（（ｄ）段階）。レーザーヘッド４００から照射されたレーザービームは、加圧部材２００の透過部２１０を介して加圧半導体チップ２０に伝達される。レーザービームにより伝達されたエネルギーによって、基板１０及び加圧半導体チップ２０の半田バンプ１１、２１が瞬間的に溶けてから固まりながら、図４に示すように半導体チップ２０が基板１０にボンディングされる。レーザービームによって瞬間的に半導体チップ２０または基板１０の温度が上昇しながら熱変形が発生することがあるが、上述したように、加圧部材２００の透過部２１０が半導体チップ２０を押している状態なので、半導体チップ２０の熱変形による歪みや反りが防止されながら、半導体チップ２０は安定的に基板１０にボンディングされる。このような方法で半田バンプ１１、２１のボンディング不良の発生を防止することができる。

前述したように、加圧部材２００は透過部２１０とマスク部２２０から構成され、レーザービームは透過部２１０のみを通過することができるように構成される。よって、レーザーヘッド４００から照射されるレーザービームは、加圧部材２００の透過部２１０を通過して、その透過部２１０の下側に配置された半導体チップ２０にのみ伝達される。このように透過部２１０とマスク部２２０から構成された加圧部材２００を用いることにより、レーザービームのエネルギーが伝達される必要のない基板１０の部分にレーザービームが照射されることを防止することができるという効果がある。

また、上述したような加圧部材２００を用いて複数の半導体チップ２０を同時に基板１０にボンディングするように（ｄ）段階を行うことも可能である。レーザーヘッド４００を操作してレーザービームの照射面積を広めると、２つ以上の半導体チップ２０に対して同時にレーザービームを照射することができる。上述したように、加圧部材２００のマスク部２２０によって、半導体チップ２０と対応する領域以外の領域はレーザービームが通過することができないので、広い領域にレーザービームを照射しても、ボンディングが必要な半導体チップ２０にのみレーザービームのエネルギーを伝達することが可能である。このような方法で複数の半導体チップ２０を同時に基板１０にボンディングすることにより、全体的に工程の生産性を向上させることができる。場合によっては、図２に示すような加圧部材２００全体にレーザービームを照射して、加圧部材２００によって加圧された半導体チップ２０全体を同時に基板１０にボンディングするように（ｄ）段階を行うことも可能である。

また、場合によっては、前述したヘッド移送部材５００を用いてレーザーヘッド４００を移送しながら、（ｄ）段階を行うことも可能である。ヘッド移送部材５００を用いてレーザーヘッド４００を移送しながら、一度で一つの半導体チップ２０を順次基板１０にボンディングするように（ｄ）段階を行うこともできる。同様の方法で、一度で２つの半導体チップ２０を基板１０にボンディングするか、或いは一度で１列の半導体チップ２０にレーザービームを照射する方法で（ｄ）段階を行うことも可能である。

このように加圧部材２００によって複数の半導体チップ２０を同時に加圧した状態でレーザービームを照射する領域のみ広めたり狭めたりする方法で、レーザービームが照射される領域のみを変更すればよいので、本発明のフリップチップレーザーボンディング装置及びフリップチップレーザーボンディング方法は、さらに迅速に半導体チップ２０のボンディング作業を行うことができるという利点がある。

一方、ヘッド移送部材５００を用いなくても、順次一つまたは複数の半導体チップ２０に対するボンディング作業を行うことも可能である。レーザーヘッド４００が固定された状態でレーザーヘッド４００内の作動によって光学的な方法でレーザービームの照射位置及び領域を調節することができるように構成すれば、固定された状態のレーザーヘッド４００を備えるフリップチップレーザーボンディング装置を用いても、上述したように半導体チップ２０に順次レーザービームを照射する方法で（ｄ）段階を行うことが可能である。

以上、本発明について好適な例を挙げて説明したが、本発明の範囲が前述及び図示した形態に限定されるものではない。

例えば、昇降部材３００は固定部材１００を昇降させるものと前述したが、昇降部材が加圧部材を昇降させる形態でフリップチップレーザーボンディング装置を構成することも可能である。この場合、固定部材に基板が固定された状態で昇降部材が加圧部材を下降させて基板に対して半導体チップを加圧する方法で（ｃ）段階を行う。

また、昇降部材によって加圧部材による加圧半導体チップの加圧力を調節するように構成することも可能である。加圧部材を固定した状態で昇降部材によって固定部材の上昇圧力を調節したり、固定部材を固定した状態で昇降部材によって加圧部材を下降する下降圧力を調節したりする方法で、基板と半導体チップ間の加圧力を調節することが可能である。

また、昇降部材３００によって固定部材１００を上昇させて基板１０上のすべての半導体チップ２０を加圧部材２００で加圧し、同時にまたは順次にレーザービームを照射してボンディングするものと前述したが、基板１０上の半導体チップ２０を、幾つかのグループに分けて順次加圧部材で加圧し、レーザーヘッドでボンディングする方式で作動するようにフリップチップレーザーボンディング装置を構成することも可能である。この場合、本発明に係るフリップチップレーザーボンディング装置は、固定部材を水平方向に移送する固定部移送部材をさらに備える。このように構成されたフリップチップレーザーボンディング装置の場合、固定部移送部材によって固定部材を順次水平方向に移送した後、昇降部材によって上昇させて、半導体チップの一部のグループを加圧半導体チップとして加圧してボンディングした後に下降する過程を繰り返す方法で半導体チップを基板にボンディングする。

また、加圧部材２００は透過部２１０とマスク部２２０を備えるものと前述したが、マスク部を備えない加圧部材を使用することも可能である。この場合、加圧部材の主要部分全体が透明材質の透過部で構成されるため、複数の半導体チップを加圧し、複数の半導体チップ全体にレーザービームを照射することができる。

１０ 基板
２０ 半導体チップ
１１、２１ 半田バンプ
１００ 固定部材
２００ 加圧部材
２１０ 透過部
２２０ マスク部
３００ 昇降部材
４００ レーザーヘッド
５００ ヘッド移送部材

Claims (16)

1. 基板の上面にボンディングするための複数の半導体チップが配置された状態の前記基板の下面を固定する固定部材と、
   前記固定部材の上側に配置され、レーザービームが透過することが可能な透過部を備える加圧部材と、
   前記複数の半導体チップのうちの少なくとも一部の半導体チップが前記基板に対して加圧されるように前記固定部材及び前記加圧部材のいずれか一方をもう一方に対して昇降させる昇降部材と、
   前記加圧部材と前記固定部材との間の前記加圧半導体チップに前記加圧部材の透過部を介して前記レーザービームを照射して前記半導体チップの半田バンプと基板の半田バンプとをボンディングするレーザーヘッドとを含む、フリップチップレーザーボンディング装置。
2. 前記加圧部材は、前記透過部を支持する不透明材質のマスク部をさらに含み、
   前記加圧部材の透過部は、前記加圧半導体チップに対応する領域に配置される、請求項１に記載のフリップチップレーザーボンディング装置。
3. 前記レーザーヘッドは前記加圧半導体チップにそれぞれ順次レーザービームを照射する、請求項２に記載のフリップチップレーザーボンディング装置。
4. 前記レーザーヘッドは前記加圧半導体チップのうちの少なくとも２つの半導体チップに対して同時にレーザービームを照射する、請求項２に記載のフリップチップレーザーボンディング装置。
5. 前記レーザーヘッドは前記加圧半導体チップ全体に対して同時にレーザービームを照射する、請求項２に記載のフリップチップレーザーボンディング装置。
6. 前記レーザーヘッドを移送するヘッド移送部材をさらに含む、請求項３乃至５のいずれか一項に記載のフリップチップレーザーボンディング装置。
7. 前記昇降部材は前記加圧部材を前記固定部材に対して昇降させる、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のフリップチップレーザーボンディング装置。
8. 前記昇降部材は前記固定部材を前記加圧部材に対して昇降させる、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のフリップチップレーザーボンディング装置。
9. 前記固定部材は前記基板の下面を吸着して固定する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のフリップチップレーザーボンディング装置。
10. （ａ）基板のボンディングする位置に合わせて、複数の半導体チップを前記基板の上面に配置する段階と、
    （ｂ）前記複数の半導体チップが配置された基板の下面を固定部材に対して固定する段階と、
    （ｃ）前記固定部材の上側に配置され、レーザービームが透過することが可能な透過部を備える加圧部材及び前記固定部材のいずれか一方をもう一方に対して昇降部材によって昇降させて、前記複数の半導体チップのうちの少なくとも一部の半導体チップ（加圧半導体チップ）を前記基板に対して加圧する段階と、
    （ｄ）前記加圧部材と前記固定部材との間の加圧半導体チップに前記加圧部材の透過部を介してレーザーヘッドによってレーザービームを照射して、前記半導体チップの半田バンプと基板の半田バンプとをボンディングする段階とを含んでなる、フリップチップレーザーボンディング方法。
11. 前記（ｃ）段階は、前記加圧半導体チップに対応する領域に配置される透過部と、該透過部を支持する不透明材質のマスク部とを備える前記加圧部材を用いて行う、請求項１０に記載のフリップチップレーザーボンディング方法。
12. 前記（ｄ）段階は、前記レーザーヘッドで前記加圧半導体チップにそれぞれ順次レーザービームを照射する方法で行う、請求項１１に記載のフリップチップレーザーボンディング方法。
13. 前記（ｄ）段階は、前記レーザーヘッドで前記加圧半導体チップのうちの少なくとも２つの半導体チップに対して同時にレーザービームを照射する方法で行う、請求項１１に記載のフリップチップレーザーボンディング方法。
14. 前記（ｄ）段階は、前記レーザーヘッドで前記加圧半導体チップ全体に対して同時にレーザービームを照射する方法で行う、請求項１１に記載のフリップチップレーザーボンディング方法。
15. 前記（ｃ）段階は、前記昇降部材が前記加圧部材を前記固定部材に対して昇降させる方法で行う、請求項１０乃至１４のいずれか一項に記載のフリップチップレーザーボンディング方法。
16. 前記（ｃ）段階は、前記昇降部材が前記固定部材を前記加圧部材に対して昇降させる方法で行う、請求項１０乃至１４のいずれか一項に記載のフリップチップレーザーボンディング方法。

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