JP7103822B2 - 実装装置および実装方法 - Google Patents

Description

本発明は、バンプを有する電子部品を、電極を有する基板に実装する、実装方法および実装装置に関する。特に、バンプを有する半導体チップを、電極を有する基板にフリップチップ実装する実装装置および実装方法に係る。

電子機器開発において、そこに搭載される電子部品に対して種々の要求があり、これに応えるべく早いサイクルでの開発が進められている。この一環として、半導体チップ等の電子部品の基板への実装方法では、伝送距離の短縮や小型化等の要求に応えるため、フリップチップ実装の普及が進んでいる。フリップチップ実装は、電子部品のバンプを基板の電極に接合させる工法であるが、バンプとしてはんだバンプを用いる工法が多く採用されている。

昨今、フリップチップ実装においても、実装密度の向上等の要求を背景に、バンプの小型化およびバンプ間隔の狭ピッチ化が進んでいる。これに対し、はんだバンプを用いる工法では、銅ピラーの先端にはんだを設ける構成として対応している。しかし、銅ピラーの小径化に伴うはんだの減少により、はんだと他の金属（基板の電極、銅ピラー）との界面に生成される、機械的に脆い金属間化合物の割合が増すことになり接合部の信頼性に悪影響を及ぼす。

このため、実装密度向上に伴い、はんだを用いない工法が求められており、超音波等を用いたフリップチップ実装が注目されている。超音波を用いたフリップチップ実装では、従来、金メッキした電極に金バンプを接合する工法が実用化されているが、高価な金を用いる等の理由により普及は充分進んでいなかった。しかし、バンプと電極に安価な銅が利用できれば急速な普及が見込まれることから、銅バンプと銅電極を用いたフリップチップ実装の実用化に向けた取り組みも進んでいる（特許文献１、特許文献２）。

特開２０１６－２０１５０１号公報 特願２０１７－１５３７４７号

金などに比べて剛性の高い銅をバンプとした場合、図１２（ａ）に示すバンプＰＢのように、先端部に凹凸がある場合、電極Ｅに加圧して接合する場合において、図１２（ｂ）のように先端部が部分的にしか接合しない。このため、先端部全面が接合した場合に比べ、接合強度の低下のみならず、導電性も低下するので好ましくない。

更に、図１３（ａ）のようにバンプ間でバンプＰＢの高さバラツキがある場合、バンプの剛性が高いため、バンプ高さの低いバンプＰＢでは、先端部の極一部しか電極Ｅと接合せず、接合信頼性が低下する。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、金に比べて剛性の高い金属をバンプとして用いる半導体チップ等の電子部品を、はんだを用いずに基板にフリップチップ実装するのに際して、電子部品のバンプと基板の電極との接合信頼性の高い、実装装置および実装方法を提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
電子部品の有するバンプと基板が有する電極を接合して、基板上に電子部品を実装する実装装置であって、
前記基板を前記電極が存在する面の反対面から吸着保持するステージと、
前記電子部品を前記バンプが存在する面の反対面から吸着保持して前記基板に向けて駆動および荷重を印加する機能を有するボンディングヘッドと、
前記バンプに金属粒子ペーストを転写するペースト転写部と、
前記ステージを収容し、前記ボンディングヘッドと対向する位置に、前記ボンディングヘッドが通過可能な開口部を有したステージカバーと、前記ステージカバー内に気体を供給する給気手段と、前記ステージ、前記ボンディングヘッド、前記ペースト転写部および前記給気手段の動作を制御する制御部を備え、
前記ボンディングヘッドが下降して前記電子部品を前記基板に接近させる過程において、
前記開口部の高さに対する前記ボンディングヘッドの高さ位置に応じて、前記制御部が前記給気手段を制御して、前記ステージカバー内に供給する気体の量を制御し、前記ボンディングヘッドが前記電子部品を前記基板に加圧する際、前記ステージを前記基板の面内方向に往復運動するよう、前記制御部が前記ステージを制御する実装装置である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の実装装置であって、
前記ボンディングヘッドが、電熱部材を内蔵したヒータを有する実装装置である。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の実装装置であって、
前記ペースト転写部が前記ステージと連動して前記基板の面内方向に移動するように設けた実装装置である。

請求項４に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の実装装置であって、
前記ボンディングヘッドに前記電子部品を搬送する搬送手段を更に備え、前記ペースト転写部を前記搬送手段に設けた実装装置である。

請求項５に記載の発明は、
請求項１から請求項４の何れかに記載の実装装置を用いて、電子部品の有するバンプと基板が有する電極を接合して、基板上に電子部品を実装する実装方法であって、
前記電子部品のバンプに金属粒子ペーストを転写するペースト転写工程と、前記バンプが前記電極に対向配置されるよう、前記電子部品と前記基板の位置合わせを行う位置合わせ工程と、前記バンプと前記電極が接触するまで、前記電子部品を前記基板に接近させる接近工程と、前記バンプと前記基板が接触した後に、前記電子部品を前記基板に向けて加圧する加圧工程とを備え、
前記加圧工程において、前記基板と前記電子部品の少なくとも一方に、前記基板の面内方向への往復運動を印加する実装方法である。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の実装方法であって、
前記接近工程で前記基板と前記電子部品の周囲に不活性ガスまたは還元性ガスを供給し、
前記加圧工程では、前記バンプと前記電極を含む空間の酸素濃度が１％以下である実装方法である。

本発明の実装装置および実装方法により、電子部品のバンプと基板の電極の接合を、導電性高く信頼性も高く、フリップチップ実装が行なえる。

本発明の実施形態に係る実装装置の外観を示す図である。 本発明の実施形態に係る構成要素を説明する図である。 本発明の実施形態に係る実装装置のステージおよびボンディングヘッドについて説明する図である。 本発明の実施形態に係る実装装置の制御構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る実装装置がペースト転写工程を行なう際の状態を説明する図である。 （ａ）本発明の実施形態に係るペースト転写工程で、半導体チップの直下にペースト転写部を配置した状態を示す図である（ｂ）同転写工程で、半導体チップを降下してピラーバンプを金属粒子ペーストに浸漬した状態を示す図である（ｃ）同転写工程で半導体チップのピラーバンプ先端に金属粒子ペーストを転写した状態を示す図である（ｄ）同半導体チップを、本発明の実施形態に係る位置合わせ工程で基板に位置合わせしている状態を示す図である。（ｅ）位置合わせ工程で半導体チップのピラーバンプと基板の電極の位置が合った状態を示す図である。 （ｆ）本発明の実施形態に係る接合工程で、半導体チップを基板に接近させる途上を示す図である（ｇ）同接合工程で半導体チップのピラーバンプを基板の電極に接合する状態を示す図である（ｈ）同接合工程における半導体チップへの加圧が完了した後の状態を示す図である。 （ａ）本発明の実施形態に係る接合工程で、半導体チップのピラーバンプと基板の電極が接近する途上を示す図である（ｂ）同接合工程でピラーバンプと電極が接合した状態を示す図である。 （ａ）本発明の実施形態に係る接合工程で、半導体チップが高さの異なるピラーバンプを有している条件で、基板に接近する途上を示す図である（ｂ）同条件でピラーバンプが電極に接合した状態を示す図である。 （ａ）半導体チップを搬送する搬送手段について説明する図である（ｂ）本発明の別の実施形態で、搬送手段にペースト転写部を設けた例を説明する図である。 （ａ）本発明の別の実施形態に係る実装装置で、ボンディングヘッドが半導体チップを保持する前の状態を示す図である（ｂ）同実装装置で、ボンディングヘッドが半導体チップを保持した後の状態を示す図である（ｃ）同実装装置で、搬送手段に設けられたペースト転写部を用いたペースト転写工程を示す図である。 （ａ）剛性が高い金属材料からなり先端部に凹凸のあるピラーバンプと電極を金属接合する接合工程の、接合前の状態を示す図である（ｂ）同接合工程の接合後の状態を示す図である。 （ａ）剛性が高い金属材料からなり先端部に凹凸のあるピラーバンプと電極を金属接合する接合工程で、高さバラツキがあるピラーバンプが、基板に接近する途上を示す図である（ｂ）同接合工程でピラーバンプが電極に接合した状態を示す図である。

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実装装置１の外観を示すものであり、図２は外観上隠れている構成要素を示している。また、図３は実装装置１の主要部分の断面図、図４は実装装置１の制御構成を示すブロック図である。

実装装置１は、電子部品である半導体チップＣを基板Ｗに実装するものであり、基台２、支持フレーム３、ステージ４、ステージカバー４０、ノズル４１、加圧ユニット５、ボンディングヘッド６、画像認識手段７、真空ポンプ８（図３）、ペースト転写部９および制御部１０（図４）を備えている。図１および図２において、左右方向をＸ方向、奥行き方向をＹ方向、上下方向をＺ方向とし、Ｚ方向を中心軸として回転する方向をθ方向としている。

なお、図６（ｄ）に示すように、半導体チップＣはピラーバンプＰＢを有し、基板Ｗは電極Ｅを有している。半導体チップＣを基板Ｗに実装する際は、ピラーバンプＰＢと電極Ｅを電気的に接合しつつ基板Ｗ上に半導体チップＣを機械的に固定する。

本実施形態において、ピラーバンプＰＢおよび電極Ｅの材質としては銅を前提としているが、これに限定されるものではない。いずれも導電性、機械的特性が用途に適するものであれば他の金属素材を用いてもよく、ピラーバンプＰＢと電極Ｅが異なる素材であってもよい。さらに、ピラーバンプＰＢおよび／または電極Ｅの表面にニッケルや金の薄膜がメッキ等で形成されていてもよい。

基台２は、実装装置１を構成する主な構造体である。基台２は充分な剛性を有するよう構成されている。基台２は、支持フレーム３とステージ４を支持している。

支持フレーム３は、加圧ユニット５を支持するものである。支持フレーム３は、基台２のステージ４近傍からＺ方向に延びるように構成されている。

ステージ４は、基板Ｗを保持しつつ、移動させるものである。ステージ４は、Ｙ方向駆動ユニット４ａ、Ｘ方向駆動ユニット４ｂ、吸着テーブル４ｃによって構成されている。ステージ４は基台２に取り付けられ、Ｘ方向駆動ユニット４ｂによって吸着テーブル４ｃをＸ方向に、Ｙ方向駆動ユニット４ａによって（Ｘ方向駆動ユニット４ｂおよび）吸着テーブル４ｃをＹ方向に移動できるように構成されている。また、図３には実装装置１の主要部分の断面図を示すが、吸着テーブル４ｃは基板Ｗを吸着するための基板吸着穴４Ｈを有しており、吸着テーブル４ｃ内に設けたステージ内流路４Ｅを経て真空ポンプ８に通じている。ここで、真空ポンプ８および、真空ポンプ８に通じる流路に設けたバルブ４Ｖの動作により基板吸着穴４Ｈ内を減圧して基板Ｗを吸着テーブル４ｃに吸着保持することが出来る。

以上の構成により、ステージ４は、基台２上において吸着テーブル４ｃが吸着した基板Ｗを、基板Ｗの面内方向であるＸ方向、Ｙ方向に移動させることが出来る。

ステージカバー４０は、基台２上に設けられ、ステージ４を収容するカバーであり、ボンディングヘッド６と対向する上面に開口部４０Ｈを有している。なお、基板Ｗの出し入れに関しては、ステージカバー４０の側面に開閉部を設けて行なってもよいし、ステージカバー４０が上昇して基板Ｗの出し入れをする構成としてもよい。

ノズル４１はステージカバー４０に覆われた内部に気体を供給するために設けられ、図示していない弁とともに、本発明の給気手段を構成している。弁として、流量または圧力を制御可能なものを用いてもよい。ノズル４１から供給される気体の役割は、ステージカバー４０で覆われた内部の酸素濃度を下げることであり、不活性ガスまたは還元性ガスを用いる。不活性ガスとしては、窒素や希ガスを用いることが可能であるが、希ガスは高価であるので窒素を用いることが望ましい。還元性ガスとしては不活性ガスに、水素のような還元性を有する気体が少量含まれたものが好適である。

加圧ユニット５は、ボンディングヘッド６を移動させるものである。加圧ユニット５は、図示しないサーボモータによってボールねじを回転させることによりボールねじの軸方向の駆動力を発生させるよう構成されている。加圧ユニット５は、ボールねじの軸方向が基板Ｗに対して垂直なＺ方向の駆動力（加圧力）を発生するように構成されている。加圧ユニット５は、サーボモータの出力を制御することによりＺ方向の荷重Ｐｚを任意に設定できるように構成されている。ボンディング時の位置ズレの観点から、ボンディングヘッド６はＺ方向のみ可動できる構成とすることが望ましい。

なお、本実施形態において、加圧ユニット５は、サーボモータとボールねじの構成としたが、これに限定されるものではなく、空圧アクチュエータ、油圧アクチュエータやボイスコイルモータから構成してもよい。また、加圧ユニット５は、ボンディングヘッド６をθ方向に回転させる機能を有していてもよい。

ボンディングヘッド６は、加圧ユニット５の駆動力を半導体チップＣに伝達するとともに、半導体チップを加熱するものである。ボンディングヘッド６は、図３に示すように、アタッチメントツール６１、ヒータ６２、断熱ブロック６３、ヘッド本体６４から構成されている。

アタッチメントツール６１には電子部品吸着穴６Ｈが設けられ、電子部品吸着穴６Ｈはボンディングヘッド６内に形成されたヘッド内流路６Ｅを経て真空ポンプ８に通じている。ここで、真空ポンプ８および、真空ポンプ８に通じる流路に設けたバルブ６Ｖの動作により電子部品吸着穴６Ｈ内を減圧して半導体チップＣをアタッチメントツール６１に吸着保持することが出来る。またヒータ６２には、セラミックヒータ等の電熱部材が内蔵されており、ヒータ温度制御のための温度センサが内蔵されていてもよい。

ボンディングヘッド６は、加圧ユニット５を構成している図示しないボールねじとナットに取り付けられている。つまり、ボンディングヘッド６（のアタッチメントツール６１）はステージ４（の吸着テーブル４ｃ）と平行に対向するように配置されている。すなわち、ボンディングヘッド６は加圧ユニット５によってＺ方向に移動されることで、半導体チップＣを基板Ｗに接近させることが出来る。なお、ボンディングヘッド６がＺ方向に移動して半導体チップＣを基板Ｗに接近させる過程において、ステージカバー４０が障害とならないように、ステージカバー４０上面にある開口部４０Ｈはボンディングヘッド６を通過させる形状を有している。その際、ボンディング時の酸素濃度を充分に低下させるよう、また、ステージカバー４０内の圧力が上昇し過ぎないようボンディングヘッド６と開口部４０Ｈ（の縁）との隙間は０．１ｍｍ～５ｍｍとすることが望ましい。また、アタッチメントツール６１に応じて開口部４０Ｈの隙間を可変する構成としてもよい。この場合、種々のサイズに対応できるので好ましい。

実装装置１において、画像認識手段７は画像により半導体チップＣと基板Ｗの位置情報を取得するものである。画像認識手段７は、ステージ４に保持されている基板Ｗ上面の位置合わせマークと、ボンディングヘッド６に保持されている半導体チップＣの位置合わせマークを画像認識して、基板Ｗと半導体チップＣの（ＸＹ面内における）位置情報を取得するように構成されている。

ペースト転写部９は、所定厚みの金属粒子ペーストＮＰを蓄えたものであり、半導体チップＣの全てのピラーバンプＰＢを同時に浸漬させる受け皿形状を有している。なお、所定厚みの金属粒子ペーストＮＰは、図示していないペースト供給手段により所定量供給されるが、具体的なペースト供給手段としては孔版印刷機構やディスペンサ等が用いられる。

ここで、金属粒子ペーストＮＰとしては、樹脂バインダ中に分散される金属粒子の中に粒径が１μｍ未満の所謂金属ナノ粒子が含まれていることが好ましい。これは、微小な金属粒子が含まれることによって焼結の低温化が図られるためである。また、本実施形態において半導体チップＣのピラーバンプＰＢおよび基板Ｗの電極Ｅが銅であることを前提としており、金属粒子としては銅粒子が好適であるが、これに限定されるものではなく基板Ｗに実装後の半導体素子としての用途および焼結時の加熱温度等の条件に応じて、銀粒子、錫粒子、インジウム粒子等の他の金属粒子であってもよい。またバインダ樹脂としては、エポキシ樹脂が一般的であるが、ポリイミド樹脂やアクリル樹脂等であってもよく、バインダ樹脂を用いずに溶媒中に金属ナノ粒子を分散させたインク性状のものであってもよい。

なお、図２に示すように、本実施形態の実装装置１のペースト転写部９は、吸着テーブル４ｃに接続するよう配置されており、吸着テーブル４ｃと同様に、Ｙ方向駆動ユニット４によって吸着テーブル４ｃをＹ方向に、Ｘ方向駆動ユニット４ｂによってＸ方向に移動できるように構成されている。そのため、図５のようにペースト転写部９をボンディングヘッド６の直下に配置することも可能である。

制御部１０は、図４に示すように、ステージ４、ノズル４１、加圧ユニット５、ボンディングヘッド６、画像認識手段７と接続されている。また、真空ポンプ８は制御部１０から独立してもよいが、制御部１０に接続されていてもよい。制御部１０は、実体的には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＨＤＤ等がバスで接続される構成であっても、あるいはワンチップＬＳＩからなる構成であってもよい。制御部１０は接続先から信号を取得したり制御したりするための種々のプログラムやデータが収納されている。

制御部１０は、ステージ４に接続され、Ｙ方向駆動ユニット４ａ、Ｘ方向駆動ユニット４ｂを個々に制御する。また、制御部１０はバルブ４Ｖを制御することにより、吸着テーブル４ｃによる基板Ｗの吸着有無を制御する。このため、制御部１０は、Ｙ方向吸着ユニット４ａ、Ｙ方向吸着ユニット４ｂおよびバルブ４Ｖの制御により、基板ＷをＸＹ面内の位置を任意に変化させることが出来る。

制御部１０は、ステージ４に接続され、Ｙ方向駆動ユニット４ａ、Ｘ方向駆動ユニット４ｂを個々に制御する。また、制御部１０はバルブ４Ｖを制御することにより、吸着テーブル４ｃによる基板Ｗの吸着有無を制御する。このため、制御部１０は、Ｙ方向吸着ユニット４ａ、Ｙ方向吸着ユニット４ｂおよびバルブ４Ｖの制御により、基板ＷをＸＹ面内の位置を任意に変化させることが出来る。

制御部１０は、加圧ユニット５に接続され、加圧ユニット５のＺ方向の高さおよび荷重Ｐｚを制御することができる。また、加圧ユニット５がボンディングヘッド６のθ方向への回転機能を有している場合は、制御部５がボンディングヘッドのθ方向回転角を制御する構成としてもよい。

制御部１０は、ボンディングヘッド６に接続され、ヒータ６２を所定の温度に制御することができる。また、制御部１０はバルブ６Ｖを制御することにより、アタッチメントツール６１による半導体チップＣの吸着有無を制御する。

制御部１０は、画像認識手段７に接続され、画像認識手段７の位置を制御するとともに、画像情報から基板Ｗと半導体チップＣの位置情報を取得することができる。

制御部１０は、真空ポンプ８に接続されているときは、実装動作開始前に真空ポンプ８を稼働するよう制御する。このため、バルブ４Ｖおよびバルブ６Ｖの開閉により、基板Ｗおよび半導体チップＣの吸着有無が制御される。

以下、図１から図４で説明した実装装置１を用いて、半導体チップＣを基板Ｗに実装する工程について、図６、図７を用いて説明する。

まず、図６（ａ）から図６（ｃ）はペースト転写工程を説明する図である。図６（ａ）は、図示していない搬送手段により搬送された半導体チップＣをボンディングヘッド６のアタッチメントツール６１が吸着保持し、半導体チップＣの直下にペースト転写部９を配置した状態を示している。ここで、ペースト転写部９は、制御部１０がステージ４のＹ方向駆動ユニット４ａとＸ方向駆動ユニット４ｂを制御することで、図７に示すように、半導体チップＣの直下に配置されている。なお、ペースト転写部９を半導体チップＣの直下に位置調整するのに際しては、画像認識手段７を用いてもよい。

図６（ａ）のように半導体チップＣの直下にペースト転写部９を配置した後は、制御部１０は加圧ユニット５を制御してボンディングヘッド６を所定長さだけ降下させる。この動作により、図６（ｂ）のように、半導体チップＣのピラーバンプＰＢはペースト転写部９に蓄えられた金属粒子ペーストＮＰに浸漬する。なお、ペースト転写部９における金属粒子ペーストＮＰの厚さは、例えばレーザ変位計等により管理される。

浸漬実施後、制御部１０が加圧ユニット５を制御してボンディングヘッド６を上昇させれば、図６（ｃ）に示すように半導体チップＣの個々のピラーバンプＰＢに金属粒子ペーストＮＰが転写された状態となる。金属粒子ペーストＮＰは、所定のタイミングでペースト転写部９に供給され、厚みはスキージを用いて一定に保たれる。

図６（ｄ）および図６（ｅ）は位置合わせ工程を説明する図である。位置合わせ工程では、まず、制御部１０がステージ４のＹ方向駆動ユニット４ａとＸ方向駆動ユニット４ｂを制御することで基板Ｗを水平方向に移動し、基板Ｗの被実装部を半導体チップＣの直下近傍に配置した後に、ピラーバンプＰＢの直下に電極Ｅが配置されるように位置合わせを行う。なお、画像認識手段７を用いて位置合わせを行うに際して、図６（ｄ）から図６（ｅ）の間で、ピラーバンプＰＢに大気が触れた状態で画像認識に時間を要することは好ましくない。そこで、ペースト転写工程より前に、画像認識手段７を用いてピラーバンプＰＢの直下に電極Ｅが配置されるような位置確認を行い、その際に記憶した位置情報に基づいた位置決めをペースト転写工程後に行ってもよい。

位置合わせ工程が完了すると、基板Ｗと半導体チップＣの対向面に垂直方向に、電極ＥとバンプＢの位置が揃う（図６（ｅ））。この状態から、ボンディングヘッド６を下降させて、図６（ｅ）から図７（ｆ）のように基板Ｗに半導体チップＣを接近させる。

この接近工程において、制御部１０はノズル４１から不活性ガスＧＰを供給するよう制御する。このため、接近工程においてステージカバー４０で覆われた内部の大気は不活性ガスに置換されて行き、酸素濃度は低下する。

ところで、同じ接近途上であっても、ボンディングヘッド６のアタッチメント６１がステージカバー４０の開口部４０Ｈから上に離れているタイミングで不活性ガスＧＰの供給を開始すれば、供給した不活性ガスＧＰの多くが開口部４０Ｈから排出されるため無駄になる。一方において、半導体チップＣのピラーバンプＰＢと基板Ｗの電極Ｅが接触する寸前で不活性ガスＧＰの供給を開始した場合は、不活性ガスへの置換が不充分な段階での接合開始となり好ましくない。そこで、ボンディングヘッド６のアタッチメントツール６１がステージカバー４０の開口部４０Ｈを通過するタイミングで不活性ガスＧＰの供給を開始するのが好ましい。

なお、ステージカバー４０に覆われた内部の酸素濃度を充分に低下させたい場合は、ボンディングヘッド６のアタッチメント６１がステージカバー４０の開口部４０Ｈから離れているタイミングから不活性ガスＧＰを供給してもよい。この場合、ボンディングヘッド６が開口部４０Ｈに接近する過程においては、開口部４０Ｈの面積が実質的な開口面積となるが、ボンディングヘッド６が開口部４０Ｈを通過する段階においては開口部４０Ｈの面積とボンディングヘッド６（開口部４０Ｈと同高さ部分）の面積との差が実質的な開口面積となる。このため、ノズル４１が供給する不活性ガスＧＰの量を、ボンディングヘッド６が開口部４０Ｈに接近する段階で多く、ボンディングヘッド６が開口部４０Ｈを通過開始後に少なくするような構成としてもよい。

ピラーバンプＰＢが電極Ｅに接触した後は、ピラーバンプＰＢと電極Ｅを接合させて半導体チップＣを基板Ｗに実装する。その際に、半導体チップCを基板Wに向けて加圧する必要があることから、この工程を加圧工程と呼ぶ（図７（ｇ））。

なお、接近工程で開始したノズル４１からの不活性ガスＧＰの供給は、加圧工程においても継続し、ピラーバンプＰＢと電極Ｅを含む空間を低酸素濃度に維持する。ここで、加圧工程開始時の、具体的な酸素濃度としては３％以下が望ましく、１％以下であることが更に望ましい。酸素濃度は、センサをステージカバー４０の開口部４０Ｈに設置して測定することができる。

このように、実装装置１ではステージ４を覆うステージカバー４１の内部は半密閉空間であり、空気を不活性ガスＧＰに置換しやすいため、バンプＢと電極Ｅを含む空間の酸素濃度を１％以下にするのは容易である。また、実装装置全体を密閉系に入れた場合と比べた場合、本実施形態では、気体の置換を行なう容積が限定されているため、ボンディングヘッド６が下降して行く過程のような短時間で酸素濃度を１％以下にすることも可能である。すなわち、気体を置換することに起因するタクトタイムの増加を抑えることが出来る。なお、所定の酸素濃度以下で実装できるよう、ボンディングヘッド６下降時に待ち時間を設定してもよい。

加圧工程に際しては、ヒータ６２を加熱することで、アタッチメントツール６１経由で半導体チップCを加熱する。この加熱では、半導体チップCのピラーバンプＢと金属粒子ペーストＮＰおよび、これと接触している基板Ｗの電極Ｅを１００℃以上にすることで、バンプＢと電極Ｅを形成する金属材が相互に拡散し易くなり、バンプＢと電極Ｅの接合の可能性が増す。このため、ヒータ６２の加熱温度は１００℃以上に設定される。ただし、バンプＢの温度が２００℃を超えるまで加熱すると、接合金属の酸化があり不適であり、更に基板Ｗとして例えば耐熱性の低いプラスチックフィルムを用いることも出来ないので、ヒータ６２の温度が２００℃を超えないように制御部１０がヒータ６２を制御することが好ましい。ここで、ヒータ６２の加熱温度とは、半導体チップＣと基板Ｗの間の温度である。例えば、半導体チップＣの間に熱伝対（ＳＦ５０）を挟むことにより測定することができる
加圧工程では、ヒータ６２を加熱した状態でボンディングヘッド６を下降させて、半導体チップＣを基板Ｗに向けて荷重Ｐｚで加圧するが、本発明においては更に半導体チップＣと基板Ｗの相互間で対向面に沿った方向で往復運動を行なう。

ところで、加圧工程において半導体チップＣと基板Ｗの相互間で対抗面に沿って往復運動を行なうというだけでは従来の超音波接合も包含される内容であるが、本発明は超音波接合と以下のような相違点がある。

実装装置１の場合、ステージ４により基板Ｗを面内方向に移動させることで、半導体チップＣと基板Ｗの相互間で対向面に沿った方向での往復運動が実現するので、ボンディングヘッド６の形状に超音波接合用ヘッドのような制限がなく、超音波接合に比べて大幅な荷重アップが図れる。更に、吸着テーブル４ｃとアタッチメントツール６１がともに平坦な面形状を有しているのであれば、ステージ４により基板Ｗを面内方向に移動させたとしても、半導体チップＣの位置によらず常に同じ圧力を印加することが可能となる。

本発明で必要とする往復運動の回数は２回以上２０回以下が好ましい。また、本発明では往復運動を行なう時間が１秒以上１０秒以下であることが好ましい。すなわち、１秒以上で２回以上の往復運動で酸化膜除去が可能となり、１０秒以下で２０回以下の往復運動で充分な接合強度を得ることができる。

この加圧過程に至る状態を拡大したのが図８である。図８（ａ）は凹凸形状を有するピラーバンプＰＢの先般部に金属粒子ペーストＮＰが付着している状態であり、半導体チップＣを基板Ｗに向けて加圧している状態が図８（ｂ）である。図８（ｂ）の状態においては、低酸素濃度の雰囲気下で、前述のとおり往復運動により酸化膜が除去されることからピラーバンプＰＢ先端の凸部と電極Ｅが金属接合することに加えて、金属粒子ペーストＮＰを構成する金属粒子にも圧力や摩擦力が加わり、部分的に酸化膜が除去される。このため、ピラーバンプＰＢ先端の凹部内に取り込まれた金属粒子がピラーバンプＰＢと電極Ｅの接触面積を広がり、導電性に優れた接合が実現する。更に、ボンディングヘッド６のヒータ６２による加熱および磨耗による発熱により、金属粒子ペーストＮＰが焼結してピラーバンプＰＢと電極Ｅの接合強度も向上させるとともに実装温度の低下も図れる。

また、ピラーバンプＰＢ先端の凹部内に取り込まれた金属粒子ペーストＰＢが接合に関与することにより、ピラーバンプＰＢに高さバラツキがあっても、ピラーバンプＰＢ間の電極Ｅとの導電性及び接合強度のバラツキを低減することも出来る。すなわち、図９（ａ）に示すようにピラーバンプＰＢの高さにバラツキがあったとしても、図９（ｂ）のように、ピラーバンプＰＢ先端部と電極Ｅの間に介在する金属粒子ペーストＰＢが、導電性と接合強度を改善する役割を担うため、ピラーバンプＰＢ間での導電性および接合強度のバラツキは低減される。

なお、金属粒子ペーストＰＢを充分焼結させるために、別に焼結工程を加えてもよい。すなわち、図７（ｇ）に示す加圧工程が完了し、図７（ｈ）のようにボンディングヘッドを上昇させた状態で金属ナノ粒子ペーストＰＢの焼結が不充分であれば、半導体チップＣが実装された基板Ｗをリフロー炉等で加熱処理することで、導電性と接合強度を向上させることができる。

ところで、ボンディングヘッド６のアタッチメントツール６１に半導体チップＣを供給する際に、図１０（ａ）に示したチップスライダ１７のようなものが一般的に用いられる。チップスライダ１７は、搬送手段１１において半導体チップＣを保持した状態で搬送レールに沿ってスライドするものであり、アタッチメントツール６１の直下に半導体チップを配置すれば、その後にボンディングヘッド６が下降してアタッチメントツール６１が半導体チップＣを吸着保持する。

そこで、この機構を利用した本発明の別の実施形態として、チップスライダ１７と同様な動作を行なう転写部スライダ１８に（実装装置１のペースト転写部９と同様な形態の）ペースト転写部１９を搭載した例を図１０（ｂ）に示し、その動作を図１１に示す。

図１１（ａ）は半導体チップＣを保持したチップスライダ１７が、搬送レール１６に沿って移動し、半導体チップＣをアタッチメントツール６１の直下に配置した状態であり、図１１（ｂ）はアタッチメントツール６１が半導体チップＣを吸着保持してから上昇した後の状態である。図１１（ｂ）の状態の後に、転写部スライダ１８が搬送レール１６に沿って移動し、ペースト転写部１９をアタッチメントツール６１（が保持する半導体チップＣ）の直下に配置した状態を示したのが図１１（ｃ）である。この後、ボンディングヘッド６が下降および上昇することにより、図６（ａ）から図６（ｃ）に示したのと同様に、半導体チップＣのピラーバンプＰＢには金属粒子ペーストＮＰが写される。

なお、ペースト転写工程において半導体チップＣそのものに金属粒子ペーストＮＰが付着することは避けねばならないことから、バンプとしては柱状のピラーバンプＰＢを用いる事を前提としているが、バンプ先端部付近のみに金属粒子ペーストＮＰを転写することが可能であればピラーバンプＰＢに限定されるものではなく、他の形状のバンプを用いても本発明は有効である。

１ 実装装置
２ 基台
３ フレーム
４ ステージ
４ａ Ｙ方向駆動ユニット
４ｂ Ｘ方向駆動ユニット
４ｃ 吸着テーブル
４Ｅ 排気流路
４Ｈ 基板吸着穴
５ 加圧ユニット
６ ボンディングヘッド
６Ｈ 電子部品吸着穴
７ 画像認識装置
８ 真空ポンプ
９、１９ ペースト転写部
１０ 制御部
１１、１２ 搬送手段
１６ 搬送レール
１７ チップスライダ
１８ 供給部スライダ
４０ ステージカバー
４０Ｈ 開口部
４１ ノズル
６１ アタッチメントツール
６２ ヒータ
Ｃ 半導体チップ
Ｅ 基板
ＮＰ 金属粒子ペースト
ＰＢ ピラーバンプ
Ｗ 基板

Claims (6)

1. 電子部品の有するバンプと基板が有する電極を接合して、基板上に電子部品を実装する実装装置であって、
   前記基板を前記電極が存在する面の反対面から吸着保持するステージと、
   前記電子部品を前記バンプが存在する面の反対面から吸着保持して前記基板に向けて駆動および荷重を印加する機能を有するボンディングヘッドと、
   前記バンプに金属粒子ペーストを転写するペースト転写部と、
   前記ステージを収容し、前記ボンディングヘッドと対向する位置に、前記ボンディングヘッドが通過可能な開口部を有したステージカバーと、
   前記ステージカバー内に気体を供給する給気手段と、
   前記ステージ、前記ボンディングヘッド、前記ペースト転写部および前記給気手段の動作を制御する制御部を備え、
   前記ボンディングヘッドが下降して前記電子部品を前記基板に接近させる過程において、
   前記開口部の高さに対する前記ボンディングヘッドの高さ位置に応じて、前記制御部が前記給気手段を制御して、前記ステージカバー内に供給する気体の量を制御し、
   前記ボンディングヘッドが前記電子部品を前記基板に加圧する際、前記ステージを前記基板の面内方向に往復運動するよう、前記制御部が前記ステージを制御する実装装置。
2. 請求項１に記載の実装装置であって、
   前記ボンディングヘッドが、電熱部材を内蔵したヒータを有する実装装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の実装装置であって、
   前記ペースト転写部が前記ステージと連動して前記基板の面内方向に移動するように設けた実装装置。
4. 請求項１または請求項２に記載の実装装置であって、
   前記ボンディングヘッドに前記電子部品を搬送する搬送手段を更に備え、
   前記ペースト転写部を前記搬送手段に設けた実装装置。
5. 請求項１から請求項４の何れかに記載の実装装置を用いて、電子部品の有するバンプと基板が有する電極を接合して、基板上に電子部品を実装する実装方法であって、
   前記電子部品のバンプに金属粒子ペーストを転写するペースト転写工程と、
   前記バンプが前記電極に対向配置されるよう、前記電子部品と前記基板の位置合わせを行う位置合わせ工程と、
   前記バンプと前記電極が接触するまで、前記電子部品を前記基板に接近させる接近工程と、
   前記バンプと前記基板が接触した後に、前記電子部品を前記基板に向けて加圧する加圧工程とを備え、
   前記加圧工程において、前記基板と前記電子部品の少なくとも一方に、前記基板の面内方向への往復運動を印加する実装方法。
6. 請求項５に記載の実装方法であって、
   前記接近工程で前記基板と前記電子部品の周囲に不活性ガスまたは還元性ガスを供給し、
   前記加圧工程では、前記バンプと前記電極を含む空間の酸素濃度が１％以下である実装方法。

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