JP2010153672A - 半導体装置の製造装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フリップチップ方式でボンディングされた半導体デバイスは、接合不良を発見することが困難であるので、不良の製品についても組み立て作業が続行されてしまう。
【解決手段】基板載置台１上には基板８が配置される。半導体デバイス９は、吸着部２により吸着・保持される。半導体デバイス９を吸着・保持する吸着部２は、断熱部３に連結され、断熱部３は、シャフト５に連結され、シャフト５は、アクチュエータ７の可動部７ｂに連結される。断熱部３の側面には、その垂直方向の位置を検出するための位置検出器６が設置されている。図示されたボンディング装置には、ＣＰＵと記憶装置とを有する制御装置が付設されており、これによりボンディング装置の全体の動作がコントロールされる。この制御装置により、位置検出器６の検出値に基づいた接合動作の良否の判定が行なわれる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置の製造装置およびその製造方法に関し、特にバンプを有する半導体デバイスをフリップチップ方式にて実装基板上に搭載するための装置とその実装方法に関するものである。

携帯電話やパソコンなどの電子機器では、小型化、高性能化、多機能化といった要求が不断に求められている。また、それらの製品を支える半導体デバイスも、その要求に応えるために多ピン化、小型化、高密度化（一定の面積内にできるだけたくさんの半導体装置を配置できるようにすること）などを実現するための各種実装方法が開発されている。その中でも、半導体デバイスの多ピン化や優れた電気特性を実現するのがフリップチップ方式による実装形態である。
半導体チップとパッケージ基板を電気的に接続する方法として、フリップチップ方式では、半導体チップの回路面を下にして、半田や金の端子（バンプ）を使いチップをパッケージ基板に接続することで電気的な接続を行っている。フリップチップ方式は、金の細線を使って接続するワイヤ・ボンディング方式に比べて、配線の長さが短いため電気特性に優れ、高速化や高密度化に対応できる。また、チップの真下にもピンを二次元的に配置できるため数千ピンという多ピン化が容易に実現できるといった特長を有している。さらに、構造上、チップ背面から熱を逃すことが可能なため、放熱性にも優れている。

半導体チップをパッケージ基板上にフリップチップ方式にて再現性高くかつ高歩留りにて実装することは極めて重要なことであるので、各種のボンディング方式が提案されている。例えば、特許文献１には、半導体チップの垂直位置を監視し、所定の圧力にてバンプを基板上に押圧するフリップチップ方式のボンディング装置が提案されている。図９は、特許文献１に開示されたボンディング装置の断面図である。このボンディング装置には、図９に示されるように、可動部材１２７を上下動させる駆動用アクチュエータ１０８と、可動部材１２７に取り付けられた押圧用アクチュエータ１１２と、可動部材１２７に固定されたハウジング１０４と、このハウジング１０４内に設けられた板バネ１０３と、板バネ１０３に支持される支持部材１２６と、支持部材１２６に連設された、内部に加熱手段１２５を有し、チップＳを真空吸着するチップ吸着手段１０１と、可動部材１２７に固定された接触検知用ロードセル１０６と、押圧用アクチュエータ１１２によって駆動され、所定の圧力で支持部材１２６を押圧することのできる押圧力検知用ロードセル１１３と、基板Ｗが配置されるボンディングステージ１１７と、制御手段１０９と記憶手段１１０とを有し、各部を制御する制御部１７０と、が備えられている。
ボンディングのために駆動用アクチュエータ１０８を駆動して可動部材１２７を下降させると、チップ吸着手段１０１も下降し、チップＳのバンプが基板Ｗ上のバンプと接触する。この接触は、接触検知用ロードセル１０６の検知圧力変化によって検出される。続いて、駆動用アクチュエータ１０８を駆動してさらに可動部材１２７を所定の距離αだけ下降させる。このとき、チップ吸着手段１０１と支持部材１２６とは下降しないので、接触検知用ロードセル１０６と支持部材１２６との間には距離αの隙間ができる。次に、押圧用アクチュエータ１１２を駆動して押圧力検知用ロードセル１１３が所定の圧力で支持部材１２６を押圧して、チップＳのバンプが基板Ｗ上のバンプを所望の圧力で押圧するようにする。この状態で加熱手段１２５が駆動され、チップＳが加熱され、バンプが溶融する。このとき、支持部材１２６は押圧力検知用ロードセル１１３により押圧されているため、下降を始め、接触検知用ロードセル１０６に接触するまで下降を続ける。これにより、チップＳは、距離αだけ沈み込み、バンプ同士の接続が達成される。
特開２００７−３３５５２７号公報

フリップチップ方式による接合部を有する半導体装置は、半田接合面を目視することが不可能であるため、組立工程終了後の検査工程により良否判定を行なうようにしている。そのため、部品にばらつきがあっても安定した接合状態を実現できるようにして不良の発生を極力抑えるようにしている。接合不良の発生する主要原因として、搭載チップに加える押圧圧力のばらつきやチップの垂直方向の位置ずれ等があるが、その圧力を測定するために、上述した従来技術では、ロードセルを用いている。一般的にロードセルは高価であるばかりでなく、ヒステリシスがありまた測定値の再現性が低く、更に熱による変動が発生するために正確な測定が困難である。また、従来のボンディング装置ではその上下動機構中に、板バネ、ロードセル、ネジ送り機構などの機構部品を設置しているが、バックラッシュや剛性の劣化などのメカ的な変動成分が増加し、精確な位置制御が困難となり搭載挙動に悪影響を及ぼす。
従来技術のもう一つの問題点は、半田接合後に例え接合不良が発生していても半田接合面を目視することが不可能であるため、その不良を発見することができず、そのまま組立工程を続けてしまうことである。そのため、接合不良が発生しても、検査工程まで不良品に不要な工程を施し続けてしまうことになる。
本願発明の解決すべき課題は、上述した従来技術の問題点を解決することであって、その目的は、第１に、フリップチップ方式のボンディング工程終了時に直ちに半田付け不良を検出し得るようにすることであり、第２に、圧力制御や位置制御を正確に行い得るボンディング装置を提供できるようにすることである。

上記の目的を達成するため、本発明によれば、バンプを有する半導体デバイスを把持する把持手段と、前記半導体デバイスが実装される実装基板が搭載される基板保持手段と、前記基板保持手段に保持された前記実装基板に、前記把持手段に把持された前記半導体デバイスを接触、押圧すべく前記把持手段を駆動する駆動手段と、前記把持手段の位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段により検出された、前記半導体デバイスの前記バンプが前記実装基板に接触したときの位置と、前記駆動手段による押圧動作が完了した時点での位置との差からボンディング動作の良否を判定する良否判定手段と、を有することを特徴とする半導体装置の製造装置、が提供される。

また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、把持手段によりバンプを有する半導体デバイスを把持して、半導体デバイスの実装される実装基板上に半導体デバイスを位置させる第１の工程と、前記把持手段により前記半導体デバイスを降下させて前記半導体デバイスのバンプを前記実装基板の電極に接触させる第２の工程と、前記把持手段により前記半導体デバイスを加熱しつつ押圧して前記半導体デバイスのバンプを前記実装基板の電極に接合する第３の工程と、前記第２の工程の完了時の前記半導体デバイスの高さと前記第３の工程の完了時の前記半導体デバイスの高さとの差である半導体デバイス沈み量を算出する第４の工程と、前記半導体デバイス沈み量からボンディング状態の良否を判定する第５の工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法、が提供される。

本願発明の第１の効果は、ボンディング工程終了後に、直ちに接合不良となる可能性の高い製品をリジェクトすることにより、不良品に対する無駄な組み立て工程を行なわずに済むようになることである。
第２の効果は、複数あるバンプの形状や高さ、表面状態などに大きく左右されることなく、またロードセルなどやガイドなど剛性を不連続とし得る機器の影響を受けることなく正確な測定が可能なため、安定した搭載プロセスの確立が可能となることである。
第３の効果は、低コストで構成が可能なことである。従来必要であった荷重測定機器を使用することなく、またそれらを設置・保持する構成部品なども必要でなく、簡素な構成で済むためである。

次に、本発明の一実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明による半導体装置の製造装置の一実施の形態の断面図である。基板載置台１上には、半導体デバイス９が実装される基板８が配置され、吸着・固定される。半導体デバイス９は、吸着部２により吸着・保持される。吸着部２は、半導体デバイス９を吸着・保持する吸着ツール２ａと、半導体デバイス９を加熱するヒータ２ｂと、真空引きされる管体が挿通する吸着機構２ｃにより構成される。吸着部２は、断熱部３に連結され、断熱部３は、シャフト５に連結され、シャフト５は、アクチュエータ７の可動部７ｂに連結されている。アクチュエータ７の固定部７ａは、ベースに固定されている。アクチュエータ７は、ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）によって構成されており、供給される電流に応じてその可動部７ｂが上下動する。シャフト５は、圧縮空気が供給されている直動ガイド４により、非接触で上下動自在に案内されている。断熱部３の側面には、その垂直方向の位置を検出するための位置検出器６が設置されている。

なお、図示は省略されているが、図１に示されたボンディング装置には、ＣＰＵと記憶装置とを有する制御装置が付設されており、これによりボンディング装置の全体の動作がコントロールされている。具体的には、この制御装置により、後述するプロセスの手順、アクチュエータ７に供給する電流、位置検出器６の検出動作等がコントロールされ、位置検出器６の検出値が記憶装置に格納され、位置検出器６の検出値に基づいた接合動作の良否の判定が行なわれる。

本実施の形態のボンディング装置は、上記のように構成され、ネジ送り機構、板バネ、ロードセル等の機構部品が用いられておらず、これらの機構部品のヒステリシス、熱による特性変化、経時変化、バックラッシュ等の影響を受けることがなくアクチュエータ７の押圧力、位置検出器６の検出値が、半導体デバイス９に対する押圧力、半導体デバイス９の位置に正確に反映されるため、精度の高い制御を行なうことができる。なお、本実施の形態では、アクチュエータ７としてボイスコイルモータが用いられており、その押圧力は供給される電流と１：１に対応しているので、その供給電流を制御することにより、その押圧力を精確にコントロールすることができる。

次に、図２、図３を参照して、本実施の形態のボンディング装置の動作について説明する。図２は、本発明による半導体装置の製造方法の一実施の形態を示すフローチャートであり、図３は、位置検出器６の検出値、ヒータ２ｂの温度、アクチュエータ５の駆動電流の変化を示す波形図である。但し、アクチュエータ５の駆動電流は、半導体デバイスに対する加重（押圧力）と１：１の関係があるので、電流表記に代え加重で示されている。縦軸目盛りの例えば８０は、８０℃と０．８Ｎを意味している。
まず、ステップＳ１０１では、基板載置台１上に基板８を載置し、吸着部２に半導体デバイス８を吸着・把持させ、基板８のデバイス搭載部の真上に半導体デバイス９が位置するように位置決めを行なう。次に、アクチュエータ７に所定の低電流を供給して吸着部２を下降させる（ステップＳ１０２）。そして、半導体デバイス９のバンプが基板８上のバンプに接触すると、吸着部２の下降が停止する（ステップＳ１０３）。このときの位置ｈ０を位置検出器６にて読み取る（ステップＳ１０４）。このときの半導体デバイス９の状態を図４に示す。半導体デバイス９のバンプ９ａの先端部が、基板８上のバンプ８ａの先端部に接触している。このときの基板８から見た半導体デバイス９の高さｈ０’ と位置ｈ０とは、ｈ０’＝ｈ０−ａ（ａは定数）の関係にある。次いで、アクチュエータ７に所定の大電流を供給し同時にヒータ２ｂの温度を昇温して半導体デバイス９に一定の加重を加えつつ下降させ半田付けを行なう。所定の時間（例えば１０秒）経過後、アクチュエータ７への電流を停止すると共に吸着部２による半導体デバイスの吸着を停止する（ステップＳ１０５）。そして、その時の位置ｈ１を位置検出器６にて検出する（ステップＳ１０６）。正常に半田付けが行なわれ、正常に半田フィレット１０が形成された場合の半導体デバイス９の状態を図５に示す。このときの半導体デバイス９の高さｈ１’と位置ｈ１との間には、ｈ１’＝ ｈ１−ａの関係にある。次に、半導体チップのバンプが基板上のバンプに接触したときから半田付けが完了するまでの半導体デバイス９の下降変位量（ｈ０−ｈ１）を算出する（ステップＳ１０７）。次に、下降変位量（ｈ０−ｈ１）が所定の範囲ｈ_Ｌ〜ｈ_Ｈ内に入っているか否かを検証し（ステップＳ１０８）、入っていれば良品と判定し、入っていなければ接合不良と判定する。ここで、ｈ_Ｌは、下降変位量の許容下限値であり、ｈ_Ｈは、下降変位量の許容上限値である。

例えば、半導体デバイス９に付着している半田（バンプ）が通常よりも大きい場合、下降変位量（ｈ０−ｈ１）がｈ０−ｈ１＞ｈ_Ｈとなることでこれを判定することが可能となる。また、半導体デバイス９に付着している半田（バンプ）が通常よりも小さい場合、下降変位量（ｈ０−ｈ１）がｈ０−ｈ１＜ｈ_Ｌとなることでこれを判定することが可能となる。
図６に示されるように、基板８に対し半導体デバイス９の位置がずれた状態で搭載された場合、下降変位量（ｈ０−ｈ１）がｈ０−ｈ１＜ｈ_Ｌとなることでこれを判定することが可能となる。
また、図７に示されるように、半導体デバイス９と基板８の間に異物１１が挿入され、加重が十分に伝わらない場合、下降変位量（ｈ０−ｈ１）がｈ０−ｈ１＜ｈ_Ｌとなることでこれを判定することが可能となる。
更に、例えば上下するアクチュエータやガイドに不備があり、半導体デバイス９と基板８が接触していないのに接触したと判断された場合、下降変位量（ｈ０−ｈ１）が、ｈ０−ｈ１＜ｈ_Ｌ、または、ｈ０−ｈ１＞ｈ_Ｈとなることでこれを判定することが可能となる。
また、上下するアクチュエータやガイドに不備があり、半導体デバイス９と基板８へ十分な加重がかからないか、必要以上の加重がかかる場合、下降変位量（ｈ０−ｈ１）が、ｈ０−ｈ１＜ｈ_Ｌ、または、ｈ０−ｈ１＞ｈ_Ｈとなることでこれを判定することが可能となる。

図８は、本発明による半導体装置の製造方法の他の実施の形態を示すフローチャートである。この実施の形態で使用されるボンディング装置は、図１に図示されたものである。ステップＳ２０１では、基板載置台１上に基板８を載置し、吸着部２に半導体デバイス８を吸着・把持させ、基板８のデバイス搭載部の真上に半導体デバイス９が位置するように位置決めを行なう。次に、アクチュエータ７に所定の低電流を供給して吸着部２を下降させる（ステップＳ２０２）。そして、半導体デバイス８のバンプが基板８上のバンプに接触すると、吸着部２の下降が停止する（ステップＳ２０３）。このときの位置ｈ０を位置検出器６にて読み取る（ステップＳ２０４）。次に、検出されたｈ０位置が所定の許容範囲ｈ０_Ｌ〜ｈ０_Ｈ内に入っているか否かが検証され（ステップＳ２０５）、入っていなければ半導体デバイスまたは基板の不良と判断して処理を終了する。ｈ０が許容範囲内に入っている場合には、ステップＳ２０６に進む。ステップＳ２０６にて、アクチュエータ７に所定の大電流を供給し同時にヒータ２ｂの温度を昇温して半導体デバイス９を一定圧力で押圧しつつ下降させ半田付けを行なう。所定の時間（例えば１０秒）経過後、アクチュエータ７への電流を停止すると共に吸着部２による半導体デバイスの吸着を終了し、その時の位置ｈ１を位置検出器６にて検出する（ステップＳ２０７）。次に、検出されたｈ１位置が所定の許容範囲ｈ１_Ｌ〜ｈ１_Ｈ内に入っているか否かが検証され（ステップＳ２０８）、入っていなければ不良品と判断して処理を終了する。ｈ１が許容範囲内に入っている場合には、ステップＳ２０９に進む。ステップＳ２０９にて、半導体チップのバンプが基板上のバンプに接触したときから半田付けが完了するまでの半導体デバイス９の下降変位量（ｈ０−ｈ１）を算出する。次に、下降変位量（ｈ０−ｈ１）が所定の範囲ｈ_Ｌ〜ｈ_Ｈ内に入っているか否かを検証し（ステップＳ２１０）、入っていれば良品と判定し、入っていなければ接合不良と判定する。
本実施の形態によれば、ボンディング工程の終了を待つことなく途中での不良の検出が可能になる。例えば、図６に示されるように、半導体デバイス９が基板８に対して位置ずれを起こした状態で搭載された場合、ステップＳ２０５の段階で判定することが可能になる。

以上、本発明の好ましい実施の形態に付いて説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲内において適宜の変更が可能なものである。例えば、上記実施の形態では、一つのアクチュエータにより無負荷の下降と加重下降の二つの動作を行なわせていたが、それぞれを別個のアクチュエータにより行なわせるしてもよい。また、実施の形態では、アクチュエータに定電流を供給することにより定加重でボンディングを行なっていたが、荷重検出器を設置してこれにより加重を検出しつつ定加重ボンディングを行なうようにしてもよい。また、アクチュエータは、ＶＣＭに限らず他のリニアモータであってもよい。なお、本発明により実装基板上にボンディングされる半導体デバイスはバンプを有するデバイスであれば、ベアチップ、ＣＳＰ、ＢＧＡ等いずれの形態のものであってもよい。また、基板上のパッドにはバンプが形成されていなくてもよい。

本発明による半導体装置の製造装置の一実施の形態を示す断面図。 本発明による半導体装置の製造方法の一実施の形態を示すフローチャート。 本発明による半導体装置の製造方法の一実施の形態を説明するための波形図。 本発明による半導体装置の製造方法の一実施の形態を説明するための、半導体デバイスのバンプと基板上のバンプとが接触した状態を示す断面図。 本発明による半導体装置の製造方法の一実施の形態を説明するための、ボンディングが正常に行なわれた場合の半導体装置を示す断面図。 本発明による半導体装置の製造方法の一実施の形態を説明するための、位置ずれが起きた状態でボンディングが行なわれた状態を示す断面図。 本発明による半導体装置の製造方法の一実施の形態を説明するための、半導体デバイス−基板間に異物が入った場合の状態を示す断面図。 本発明による半導体装置の製造方法の他の実施の形態を示すフローチャート。 従来の半導体装置の製造装置を示す断面図。

符号の説明

１ 基板載置台
２ 吸着部
２ａ 吸着ツール
２ｂ ヒータ
２ｃ 吸着機構
３ 断熱部
４ 直動ガイド
５ シャフト
６ 位置検出器
７ アクチュエータ
７ａ 固定部
７ｂ 可動部
８ 基板
８ａ、９ａ バンプ
９ 半導体デバイス
１０ 半田フィレット
１１ 異物
１０１ チップ吸着手段
１０３ 板バネ
１０４ ハウジング
１０６ 接触検知用ロードセル
１０８ 駆動用アクチュエータ
１０９ 制御手段
１１０ 記憶手段
１１２ 押圧用アクチュエータ
１１３ 押圧力検知用ロードセル
１１７ ボンディングステージ
１２５ 加熱手段
１２６ 支持部材
１２７ 可動部材
１７０ 制御部
Ｓ チップ
Ｗ 基板

Claims (7)

1. バンプを有する半導体デバイスを把持する把持手段と、
   前記半導体デバイスが実装される実装基板が搭載される基板保持手段と、
   前記基板保持手段に保持された前記実装基板に、前記把持手段に把持された前記半導体デバイスを接触、押圧すべく前記把持手段を駆動する駆動手段と、
   前記把持手段の位置を検出する位置検出手段と、
   前記位置検出手段により検出された、前記半導体デバイスの前記バンプが前記実装基板に接触したときの位置と、前記駆動手段による押圧動作が完了した時点での位置との差からボンディング動作の良否を判定する良否判定手段と、
   を有することを特徴とする半導体装置の製造装置。
2. 前記把持手段は、前記駆動手段によって直接的に駆動されることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造装置。
3. 前記駆動手段がボイスコイルモータによって構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造装置。
4. 前記把持手段と前記駆動手段とを接続する接続部材が、非接触の直動ガイドによって案内されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の半導体装置の製造装置。
5. 前記駆動手段による前記押圧動作は、前記駆動手段を定電流駆動することによって行なわれることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の半導体装置の製造装置。
6. 把持手段によりバンプを有する半導体デバイスを把持して、半導体デバイスの実装される実装基板上に半導体デバイスを位置させる第１の工程と、
   前記把持手段により前記半導体デバイスを下降させて前記半導体デバイスのバンプを前記実装基板の電極に接触させる第２の工程と、
   前記把持手段により前記半導体デバイスを加熱しつつ押圧して前記半導体デバイスのバンプを前記実装基板の電極に接合する第３の工程と、
   前記第２の工程の完了時の前記半導体デバイスの高さと前記第３の工程の完了時の前記半導体デバイスの高さとの差である下降変位量を算出する第４の工程と、
   前記下降変位量からボンディング状態の良否を判定する第５の工程と、
   を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
7. 前記第３の工程では、一定の圧力で前記半導体デバイスを押圧することを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方法。

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