(57)【要約】【課題】ボンディング用の金属ナノインクにおいて、加圧焼結の際のボイドの発生を抑制する。【解決手段】分散剤１０２によって表面コーティングされた金属ナノ粒子１０１を有機溶剤１０５中に混合させた後、有機溶剤１０５中に酸素を酸素ナノバブル１２５として注入して、加圧焼結によって半導体ダイの電極と基板の電極および／または半導体ダイの電極と他の半導体ダイの電極とを接合するための金属ナノインク１００を製造する。この金属ナノインク１００の微液滴を電極上に射出して半導体ダイの電極と基板の電極上にバンプを形成し、半導体ダイを反転して基板の上に位置合わせして重ね合わせた後、各電極間のバンプを加圧するとともに加熱し、バンプの金属ナノ粒子を加圧焼結させる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加圧焼結によって半導体ダイの電極と基板の電極および／または半導体ダイの電極と他の半導体ダイの電極とを接合するための金属ナノインクであって、
分散剤によって表面コーティングされた金属ナノ粒子と酸素とを有機溶剤中に混合させて調整されていること、
を特徴とする金属ナノインク。
【請求項２】
請求項１に記載の金属ナノインクであって、
有機溶剤中の酸素濃度が過飽和であること、
を特徴とする金属ナノインク。
【請求項３】
加圧焼結によって半導体ダイの電極と基板の電極および／または半導体ダイの電極と他の半導体ダイの電極とを接合するための金属ナノインクの製造方法であって、
分散剤によって表面コーティングされた金属ナノ粒子を有機溶剤中に混合させる金属ナノ粒子混合工程と、
有機溶剤中に酸素を注入する酸素注入工程と、
を有することを特徴とする金属ナノインクの製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載の金属ナノインクの製造方法であって、
酸素注入工程は、酸素をナノバブルとして有機溶剤中に注入すること、
を特徴とする金属ナノインクの製造方法。
【請求項５】
半導体ダイの電極と基板の電極および／または半導体ダイの電極と他の半導体ダイの電極とを接合するためのダイボンディング方法であって、
分散剤によって表面コーティングされた金属ナノ粒子とナノバブルとした酸素とを有機溶剤中に混合させた金属ナノインクの微液滴を射出して電極上にバンプが形成された半導体ダイを金属ナノインクの微液滴を射出して電極上にバンプが形成された基板および／または金属ナノインクの微液滴を射出して電極上にバンプが形成された他の半導体ダイの上にフェースダウンし、半導体ダイの電極と基板の電極および／または半導体ダイの電極と他の半導体ダイの電極とをバンプを介して重ね合わせる重ね合わせ工程と、
各電極間のバンプを加圧するとともに加熱し、バンプの金属ナノ粒子を加圧焼結させて各電極間を電気的に接合する加圧焼結工程と、
を有することを特徴とするダイボンディング方法。
【請求項６】
半導体ダイの電極と基板の電極および／または半導体ダイの電極と他の半導体ダイの電極とを接合するためのダイボンディング装置であって、
分散剤によって表面コーティングされた金属ナノ粒子とナノバブルとした酸素とを有機溶剤中に混合させた金属ナノインクの微液滴を射出して電極上にバンプを形成する射出ヘッドと、
バンプが形成された半導体ダイを金属ナノインクの微液滴を射出して電極上にバンプが形成された基板および／または金属ナノインクの微液滴を射出して電極上にバンプが形成された他の半導体ダイの上にフェースダウンし、半導体ダイの電極と基板の電極および／または半導体ダイの電極と他の半導体ダイの電極とをバンプを介して重ね合わせる重ね合わせ機構と、
各電極間のバンプを加圧するとともに加熱し、バンプの金属ナノ粒子を加圧焼結させて各電極間を電気的に接合する加圧加熱機構と、
を有することを特徴とするダイボンディング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ダイの電極と基板の電極および／または半導体ダイの電極と他の半導体ダイ電極とを接合するための金属ナノインク及びその製造方法並びにその金属ナノインクを用いるダイボンディング方法及びダイボンディング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ダイなどの電子部品の電極と回路基板上の回路パターンの電極との接合には、半導体ダイなどの電子部品の電極パッド上にはんだバンプを形成し、形成したはんだバンプを回路基板の電極に向けて下向きに配置し、加熱して接合する方法が用いられている（例えば、特許文献１参照）。しかし、特許文献１に記載された従来技術のように、はんだを用いて電子部品を３次元積層接合しようとすると接合の際の加熱によって先に接合した接合部を溶融させてしまい、接合の信頼性が低下してしまう場合がある。このため、はんだバンプを用いずに各電極を接合する方法として金属の超微粒子を含む金属ナノペーストを用いる色々な方法が提案されている。
【０００３】
特許文献１には、回路基板の端子電極上に銀の超微粉末を溶剤に分散させて調製した銀微粒子ペーストのボールを形成し、半導体素子の電極を回路基板の端子電極上に形成したボール上にフェースダウン法で接合した後に、銀微粒子ペースト中のトルエン等の溶剤を蒸発させた後、１００から２５０℃の温度で焼成して半導体素子と回路基板とを電気的に接合する方法が提案されている。
【０００４】
特許文献２は、金属ナノ粒子分散液をインクジェットなどによって噴射して、円形形状の底面を有する円柱形状において、高さが底面の半径と同程度あるいはそれ以上の高さとなるように積層した塗布層を形成し、その後低温焼結によって金属焼結柱を作成することができる金属ナノ粒子分散液に関するもので、溶剤の成分を調整することによって、金属ナノ粒子分散液を微液滴として噴射する際には粘性が低く、噴射されてから微液滴が電極表面に着弾するまでの間に溶剤が蒸散して塗布層を柱状構造として積層できるような粘性となり、着弾後には低温焼結の際に金属ナノ粒子間より押し出されることができるような粘性特性を持つ金属ナノ粒子分散液が提案されている。そして、この金属ナノ粒子分散液を用いて配線基板に導電性配線層を形成することが提案されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平９−３２６４１６号公報
【特許文献２】再表ＷＯ２００５／０２５７８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、金属ナノインクあるいは金属ナノペースト等を焼結させて金属層を形成する場合に、金属層の内部に金属ナノ粒子が焼結して形成された金属以外の部分が形成される。この部分は、ボイドと言われ、電気抵抗を増加させたり、金属層の強度を低下させたりするため、金属ナノインク等を焼結させて金属層とする場合には、ボイドの発生を抑制して分散剤が取れず未反応の金属ナノ粒子の残存を抑制することが必要となる。
【０００７】
本発明は、加圧焼結の際のボイドの発生を抑制することができる金属ナノインクを提供することを目的とする。また、本発明の他の目的は、ボイドの発生を抑制することができるダイボンディング方法及びダイボンディング装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の金属ナノインクは、加圧焼結によって半導体ダイの電極と基板の電極および／または半導体ダイの電極と他の半導体ダイの電極とを接合するための金属ナノインクであって、分散剤によって表面コーティングされた金属ナノ粒子と酸素とを有機溶剤中に混合させて調整されていること、を特徴とする。また、本発明の金属ナノインクにおいて、有機溶剤中の酸素濃度が過飽和であること、としても好適である。
【０００９】
本発明の金属ナノインクの製造方法は、加圧焼結によって半導体ダイの電極と基板の電極および／または半導体ダイの電極と他の半導体ダイの電極とを接合するための金属ナノインクの製造方法であって、分散剤によって表面コーティングされた金属ナノ粒子を有機溶剤中に混合させる金属ナノ粒子混合工程と、有機溶剤中に酸素を注入する酸素注入工程と、を有することを特徴とする。また、本発明の金属ナノインクの製造方法において、酸素注入工程は、酸素をナノバブルとして有機溶剤中に注入すること、としても好適である。
【００１０】
本発明のダイボンディング方法は、半導体ダイの電極と基板の電極および／または半導体ダイの電極と他の半導体ダイの電極とを接合するためのダイボンディング方法であって、分散剤によって表面コーティングされた金属ナノ粒子とナノバブルとした酸素とを有機溶剤中に混合させた金属ナノインクの微液滴を射出して電極上にバンプが形成された半導体ダイを金属ナノインクの微液滴を射出して電極上にバンプが形成された基板および／または金属ナノインクの微液滴を射出して電極上にバンプが形成された他の半導体ダイの上にフェースダウンし、半導体ダイの電極と基板の電極および／または半導体ダイの電極と他の半導体ダイの電極とをバンプを介して重ね合わせる重ね合わせ工程と、各電極間のバンプを加圧するとともに加熱し、バンプの金属ナノ粒子を加圧焼結させて各電極間を電気的に接合する加圧焼結工程と、を有することを特徴とする。
【００１１】
本発明のダイボンディング装置は、半導体ダイの電極と基板の電極および／または半導体ダイの電極と他の半導体ダイの電極とを接合するためのダイボンディング装置であって、分散剤によって表面コーティングされた金属ナノ粒子とナノバブルとした酸素とを有機溶剤中に混合させた金属ナノインクの微液滴を射出して電極上にバンプを形成する射出ヘッドと、バンプが形成された半導体ダイを金属ナノインクの微液滴を射出して電極上にバンプが形成された基板および／または金属ナノインクの微液滴を射出して電極上にバンプが形成された他の半導体ダイの上にフェースダウンし、半導体ダイの電極と基板の電極および／または半導体ダイの電極と他の半導体ダイの電極とをバンプを介して重ね合わせる重ね合わせ機構と、各電極間のバンプを加圧するとともに加熱し、バンプの金属ナノ粒子を加圧焼結させて各電極間を電気的に接合する加圧加熱機構と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の金属ナノインクは、加圧焼結の際にボイドの発生を抑制することができるという効果を奏する。また、本発明のダイボンディング方法及びダイボンディング装置は、ボイドの発生を抑制することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。図１に示すように、本実施形態の金属ナノインク１００は、有機溶剤１０５と、導電性金属を微細化した金属ナノ粒子１０１と、金属ナノ粒子１０１相互が接触せず分散状態を保持することができるように金属ナノ粒子１０１の表面にコーティングされている分散剤１０２とを含み、有機溶剤１０５の中に混合されている被覆金属ナノ粒子１０３と、有機溶剤１０５の中に混合されている酸素バブル１２１と、有機溶剤１０５の中に溶解している溶解酸素１２２とを有している。金属ナノ粒子１０１は直径５から５０ｎｍ程度の大きさである。金属ナノ粒子１０１を構成する微細化した導電性金属としては、金、銀、銅、白金、パラジウム、ニッケル、アルミニウムなどを用いることができる。金属ナノ粒子１０１の表面にコーティングされる分散剤１０２としては、アルキルアミン、アルカンチオール、アルカンジオールなどを用いることができる。また液体の有機溶剤１０５は、室温付近では容易に蒸散することのない比較的に高沸点な非極性溶剤あるいは低極性溶剤、例えば、テルピネオール、ミネラルスピリット、キシレン、トルエン、テトラデカン、ドデカン等の分散溶媒の中に有機バインダーとして機能する熱硬化性樹脂成分を含有させたものを用いることができる。分散剤１０２によって表面がコーティングされている被覆金属ナノ粒子１０３はたとえば、直径１００ｎｍ程度の大きさで、金属ナノ粒子１０１よりも大きな粒子となっている。
【００１４】
このような金属ナノインク１００は次のようにして製造する。まず、導電性金属を微細化した金属ナノ粒子１０１の表面に分散剤１０２をコーティングした被覆金属ナノ粒子１０３を準備し、その被覆金属ナノ粒子１０３を有機溶剤１０５の中に所定の量だけ混合させる。その後、粘度の調整を行い、酸素バブル１２１の混合していない金属ナノインク１００とする。次に、図２に示すように酸素バブル１２１の混合していない金属ナノインク１００を容器１３１の中に入れ、液面から金属ナノインク１００の中に差し込んだ酸素注入ノズル１３２により酸素を金属ナノインク１００の中に注入する。注入された酸素の一部は有機溶剤１０５の中に溶解して溶解酸素１２２となるが、多くの酸素は泡となって有機溶剤１０５の中に分散する。そして、大きな泡は液面に上昇して大気に排出され、細かな泡のみが有機溶剤１０５中に酸素バブル１２１として残り、有機溶剤１０５の中に被覆金属ナノ粒子１０３と酸素バブル１２１と溶解酸素１２２とを含む金属ナノインク１００が製造できる。そして、たとえば１０時間など、所定の時間だけ酸素の注入をすると、適当な酸素を内包する金属ナノインク１００となる。
【００１５】
図３に示すように、金属ナノインク１００は、酸素バブル１２１に代わって、或いは酸素バブル１２１と共に酸素ナノバブル１２５を含むようにしてもよい。酸素ナノバブル１２５は直径が被覆金属ナノ粒子１０３と同様の直径の非常に微小な直径のバブルである。図３に示した酸素ナノバブル１２５を含む金属ナノインク１００は、図４に示すような方法によって有機溶剤１０５の中に酸素ナノバブル１２５を内包させた後、導電性金属を微細化した金属ナノ粒子１０１の表面に分散剤１０２をコーティングした被覆金属ナノ粒子１０３を有機溶剤１０５の中に所定の量だけ混合させることによって製造することができる。
【００１６】
図４に示すように、酸素注入装置１５０は、有機溶剤１０５を貯留するタンク１３３と、有機溶剤１０５を循環させる循環ポンプ１３６と、タンク１３３と循環ポンプ１３６とを接続する吸い込み管１３５と、循環ポンプ１３６の吐出管１３７と、吐出管１３７に設けられた酸素注入ノズル１３８と、酸素注入ノズル１３８とタンク１３３との間に設けられ、酸素注入ノズル１３８から注入された酸素の泡を剪断して１００ｎｍ程度の酸素ナノバブル１２５とするインジェクタ１４０と、インジェクタ１４０とタンク１３３とを接続する配管１３４とを含んでいる。また、タンク１３３には貯留されている有機溶剤１０５の中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ１４５が取り付けられている。
【００１７】
タンク１３３に貯留された有機溶剤１０５は吸い込み管１３５から循環ポンプ１３６に吸い込まれて加圧され、吐出管１３７に吐出される。吐出管１３７に吐出された有機溶剤１０５には、酸素注入ノズル１３８から酸素が泡として注入される。注入された酸素の一部は有機溶剤１０５に溶解して溶解酸素１２２となる。溶解しない酸素は大きな泡の状態でインジェクタ１４０に流入する。インジェクタ１４０は、先細りのテーパ状の孔が設けられたノズル１４１とノズル１４１の内部に設けられた中子１４２によって構成され、ノズル１４１と中子１４２との間にできる円錐筒面の隙間１４３に酸素の泡を含む有機溶剤１０５が高速で流れ、隙間１４３の濡れ面と泡との剪断力によって泡を微小な酸素ナノバブル１２５にする。インジェクタ１４０から配管１３４を通ってタンク１３３に流出した有機溶剤１０５には溶解酸素１２２と酸素ナノバブル１２５と、それよりも大きな酸素の泡とが含まれている。大きな酸素の泡は、タンク１３３の有機溶剤１０５の液面に向かって上昇し、液面から大気に逃げていく。酸素ナノバブル１２５は有機溶剤１０５の中に残留する。そして酸素ナノバブル１２５よりも大きいが、短時間に有機溶剤１０５の液面から逃げることができない程度の酸素の泡は、再び有機溶剤１０５と共に吸い込み管１３５に吸い込まれ、インジェクタ１４０によってその一部は酸素ナノバブル１２５になる。そして、このインジェクタ１４０を含む循環管路を所定の時間だけ循環させると、酸素ナノバブル１２５と溶解酸素１２２とを含む有機溶剤１０５ができる。この際、酸素注入ノズル１３８から注入する酸素の量はタンク１３３に取り付けられた酸素濃度センサ１４５によって検出される有機溶剤１０５の中の酸素濃度によって適宜調整することができる。
【００１８】
このようにして製造された有機溶剤１０５に含まれる酸素ナノバブル１２５はその直径が非常に小さいので、時間がたっても有機溶剤１０５の中に残留し続けることができる。また、酸素を酸素ナノバブル１２５として有機溶剤１０５の中に混合させると有機溶剤１０５の中の酸素濃度を飽和濃度以上の過飽和とすることができ、多くの酸素を有機溶剤１０５の中に含ませることができる。
【００１９】
以上説明した方法は、粘性の低い有機溶剤１０５をインジェクタ１４０に通して酸素ナノバブル１２５を混合させてから有機溶剤１０５の中に被覆金属ナノ粒子１０３を混合させるので、有機溶剤１０５の中に被覆金属ナノ粒子１０３を混合させると粘性が上がってしまい、インジェクタ１４０によって酸素ナノバブルを金属ナノインク１００に混合させることができなくなってしまう場合には、特に有効な方法である。
【００２０】
次に、酸素ナノバブル１２５を含む有機溶剤１０５に、導電性金属を微細化した金属ナノ粒子１０１の表面に分散剤１０２をコーティングした被覆金属ナノ粒子１０３を所定量だけ混合させて金属ナノインク１００を製造する。酸素ナノバブル１２５は、非常に粒子径が小さいので、この混合の際にも有機溶剤１０５の外部にはほとんど散逸せず、多くの酸素を内包する金属ナノインク１００を製造することができる。また、分散剤１０２の量を多くしたり、有機溶剤１０５に粘性を調整する成分を添加したりして、後で説明する射出ヘッドの形状に合わせた粘度を持つ金属ナノインク１００としてもよい。
【００２１】
図５から図９を参照しながら以上説明したようにして製造された金属ナノインク１００を用いて基板１９の電極１９ａと半導体ダイ１２の電極１２ａとを接合するダイボンディング方法について説明する。
【００２２】
このダイボンディング方法は、半導体ダイ１２の電極１２ａと基板１９の電極１９ａおよび／または半導体ダイ１２の電極１２ａと他の半導体ダイ１２の電極１２ａとを接合するためのダイボンディング方法であって、分散剤１０２によって表面コーティングされた金属ナノ粒子１０１と酸素とを有機溶剤１０５中に混合させた金属ナノインク１００の微液滴１１０を射出して電極１２ａ，１９ａ上にバンプ２００が形成された半導体ダイ１２を金属ナノインク１００の微液滴１１０を射出して電極１２ａ，１９ａ上にバンプ２００が形成された基板１９および／または金属ナノインク１００の微液滴１１０を射出して電極１２ａ，１９ａ上にバンプ２００が形成された他の半導体ダイ１２の上にフェースダウンし、半導体ダイ１２の電極１２ａと基板１９の電極１９ａおよび／または半導体ダイ１２の電極１２ａと他の半導体ダイ１２の電極１２ａとをバンプ２００を介して重ね合わせた後、各電極１２ａ，１９ａ間のバンプ２００を加圧するとともに加熱し、バンプ２００の金属ナノ粒子１０１を加圧焼結させて各電極１２ａ，１９ａ間を電気的に接合するものである。以下、詳細に説明する。
【００２３】
図５（ａ）に示すように、金属ナノインク１００の微液滴１１０を射出へッド２６の射出ノズル２６ａから半導体ダイ１２の電極１２ａに向かって複数回射出して、電極１２ａ上にバンプ２００を形成する。
【００２４】
図５（ｂ）に示すように射出へッド２６の射出ノズル２６ａから最初に電極１２ａ上に射出された金属ナノインク１００の微液滴１１０は、電極１２ａの上に薄い膜状に広がる。次の金属ナノインク１００の微液滴１１０は、電極１２ａの上に広がった金属ナノインク１００の膜の上に付着するので、電極１２ａの表面に直接付着する最初の微液滴１１０よりもその広がりが少なく、電極１２ａの表面に若干盛り上がりを形成する。その次の金属ナノインク１００の微液滴１１０は先の２つの微液滴１１０よりも更に広がりが少なくなり、次第に盛り上がりが大きくなってくる。このように、金属ナノインク１００の微液滴１１０を電極１２ａの上に順次射出していくと、次第に盛り上がりが大きくなり、何回かの射出によって、図５（ｂ）に示すように、上に行くほど傾斜の大きな上広がりの円錐形のバンプ２００が形成される。バンプ２００の電極１２ａからの高さはＨ１である。射出へッド２６にはインクジェットに用いられるような射出へッドを用いることによって多数の微液滴１１０を短時間で射出積層することができる。インクジェットヘッドによって射出を行う場合には、金属ナノインク１００の粘度を低く調整するようにする。また、粘度の高い場合や、酸素ナノバブル１２５よりも大きい酸素バブル１２１を含む金属ナノインク１００を使用する場合には、射出ヘッド２６でのキャビィテーションを避けるためにディスペンサなどを用いて液滴を電極１２ａの上にバンプ２００を形成するようにしても良い。
【００２５】
電極１２ａの上へのバンプ２００の形成と同様の方法によって、基板１９の電極１９ａの上にもバンプ２００を形成する。
【００２６】
半導体ダイ１２の電極１２ａと基板１９の電極１９ａの上にそれぞれバンプ２００を形成したら、図６（ａ）に示すように、半導体ダイ１２を反転させてコレット５４に吸引、保持させ、半導体ダイ１２の表面の高さを高さセンサ５７ａで検出する。また、ボンディングステージの上に真空吸着によって固定された基板１９の表面の高さ位置を高さセンサ５７ｂによって検出する。そして、各センサ５７ａ，５７ｂによって取得した高さセンサ５７ａと半導体ダイ１２の距離のデータ及び高さセンサ５７ｂと基板１９との距離のデータから、半導体ダイ１２の表面と基板１９の表面との間隔Ｈ０を計算する。
【００２７】
図６（ｂ）に示すように、コレット５４に真空吸着により保持された半導体ダイ１２の電極１２ａ上に形成されたバンプ２００の位置を基板１９の電極１９ａの上に形成されたバンプ２００の位置に合わせるようにコレット５４を移動させる。そして、半導体ダイ１２と基板１９との間に上下二視野カメラ５７ｃを進出させ、半導体ダイ１２表面の位置合わせマークと基板１９表面の位置合わせマークとを撮像し、撮像した画像から上下二視野カメラ５７ｃの光軸と各位置合わせマークの位置ずれを検出し、そのずれ量分だけコレット５４を移動させ、半導体ダイ１２の電極１２ａの位置と基板１９の電極１９ａの相対位置を合わせる。
【００２８】
図６（ｃ）及び図７（ａ）に示すように、コレット５４によって半導体ダイ１２の電極１２ａが基板１９の電極１９ａの直上にあって、各電極１２ａ，１９ａに形成された高さＨ１の各バンプ２００が接触しない程度の高さになるよう、半導体ダイ１２をフェースダウンさせた後、図６（ｄ）に示すように、コレット５４の真空を開放し、半導体ダイ１２の電極１２ａと基板１９の電極１９ａとをバンプ２００を介して重ね合わせる。ここで、コレット５４と、コレット５４を移動させる図示しないコレット移動装置は、重ね合わせ機構を構成する。図７（ｂ）に示すように、重ね合わせられると、各電極１２ａ，１９ａの上に形成されたバンプ２００は一体となって接合バンプ２５０となり、半導体ダイ１２は接合バンプ２５０によって支持された状態となる。接合バンプ２５０の高さは重ね合わせ前の各バンプ２００の合計高さ２×Ｈ１よりも低い高さＨ２となる。ただし、この高さＨ２は、後に説明する接合金属３００の高さＨ３よりも高い高さとなっている。
【００２９】
半導体ダイ１２の電極１２ａが基板１９の電極１９ａに重ね合わされると、基板１９は、加圧加熱機構８０に搬送される。図８に示すように、加圧加熱機構８０は隙間センサ８５によって上部保持板８２ａと下部保持板８２ｂとの間隔を検出しながらその隙間に半導体ダイ１２と基板１９とを挟みこみ、上部保持板８２ａと下部保持板８２ｂとの間隔が所定の間隔であるＨ５となるようにする。ここで所定の間隔Ｈ５は、図９に示す、半導体ダイ１２の電極１２ａと基板１９の電極１９ａとの間に形成する接合金属３００の所定の高さＨ３に各電極１２ａ，１９ａ及び半導体ダイ１２の厚さと基板１９の厚さを加えたものである。図９に示す接合金属３００の所定の高さＨ３は、１０μｍから１５μｍが好ましい。高さＨ３は先に説明した接合バンプ２５０の高さＨ２よりも低くなっているので、加圧加熱機構８０の上部保持板８２ａと下部保持板８２ｂとの間に半導体ダイ１２と基板１９の挟みこみが終了した際には、接合バンプ２５０はＨ２−Ｈ３だけ圧縮され、これによって接合バンプ２５０は加圧される。
【００３０】
上部保持板８２ａと下部保持板８２ｂとの間への半導体ダイ１２と基板１９の挟みこみが終了したら、ヒータ８９ａ，８９ｂをオンとして、接合バンプ２５０の加熱を開始する。上部保持板８２ａの温度と下部保持板８２ｂの温度は温度センサ８６ａ，８６ｂによって検出され、接合バンプ２５０の温度が１５０℃から２５０℃となるように、ヒータ８９ａ，８９ｂへの印加電圧が調整される。ヒータ８９ａ，８９ｂによって接合バンプ２５０が加熱されている間、各電極１２ａ，１９ａの高さ方向の間隔は、上部保持板８２ａ，下部保持板８２ｂによって高さＨ３に保持される。
【００３１】
図９（ａ）に示すように、接合バンプ２５０が加熱されると有機物である分散剤１０２が熱によって分解されて蒸散し、金属ナノ粒子１０１同士が接触するようになる。金属ナノ粒子１０１は接触すると通常の金属の溶着温度よりも低い１５０℃程度の温度で互いに溶着して金属のリンクが形成されていく。そして、金属ナノ粒子１０１の結合によってできたリンクの隙間に残った分散剤１０２或いは有機溶剤１０５はリンクの外側に押し出されていく。また、分散剤１０２、有機溶剤１０５は熱によって接合バンプ２５０の表面から大気中に揮発、蒸散すると共に、その中に含まれている炭素成分が接合バンプ２５０の中に含まれている溶解酸素１２２、酸素バブル１２１、酸素ナノバブル１２５と結合して二酸化炭素となる。気体の二酸化炭素は液体状態の分散剤１０２、有機溶剤１０５よりも流動性がよく、金属ナノ粒子１０１のリンクの間を抜けて接合バンプ２５０の外周側に移動しながら結合して気泡２６０となっていく。この二酸化炭素の気泡２６０は加熱により膨張し、各電極１２ａ，１９ａの高さ方向の間隔を広げようとするが、各電極１２ａ，１９ａの高さ方向の間隔は、上部保持板８２ａ，下部保持板８２ｂによって高さＨ３に押さえられているので、圧力上昇分は接合バンプ２５０を圧縮する加圧力として作用する。
【００３２】
図９（ｂ）に示すように、内部の圧力上昇によって接合バンプ２５０は横方向に広がり、内部に発生した二酸化炭素の気泡２６０は横長に潰れながら、次第に横方向に移動し、接合バンプ２５０の側面から外部に排出されていく。そして、所定の時間だけ加圧、加熱されると、図９（ｃ）に示すように、有機溶剤１０５と分散剤１０２は揮発または二酸化炭素として排出され、接合バンプ２５０の金属ナノ粒子１０１同士が互いに接合し、バルクの接合金属３００となり、各電極１２ａ，１９ａとが電気的に接合される。
【００３３】
このように、分散剤１０２や有機溶剤１０５に含まれている炭素成分は、焼結の際に酸素と結合して二酸化炭素となって大気に排出される。しかし、金属ナノインク１００によって成形される接合バンプ２５０は外周の円筒面は大気に触れているが上下面は各電極１２ａ，１９ａの面に接しているため、表面から接合バンプ２５０の内部に取り込まれる酸素の量は少なく、内部に酸素バブル１２１、酸素ナノバブル１２５のような形で酸素を内包していない場合には、酸素を容易に取り込めない接合バンプ２５０の内部では、炭素分を二酸化炭素とするための酸素が不足し、炭素分が二酸化炭素とならずに残ってしまう。このため、図１０（ａ）に示すように、焼結後の接合金属３００は、外皮の部分には緻密なバルク金属３０１が形成されるものの、内部には、金属ナノ粒子１０１が接合したリンクの間に炭素分などの金属以外のものがボイドとして残り、ポーラス構造部３０２となってしまう。ポーラス構造部３０２は電気抵抗も大きく、機械的強度も低いため、接合性が低下してしまう。
【００３４】
この様に、金属ナノインク１００の中に溶解酸素１２２、酸素バブル１２１、酸素ナノバブル１２５のような形で酸素を内包させた金属ナノインク１００によってバンプ２００を成形し、接合して接合バンプ２５０を成形すると、接合バンプ２５０は内部に多くの酸素分を含むため、分散剤１０２、有機溶剤１０５に含まれている炭素分を二酸化炭素として外部に排出することができる。このため、加圧焼結の際のボイドの発生を抑制でき、図１０（ｂ）に示すように、接合金属３００のバルク金属３０１の部分が外皮部分から内部にまで及び、内部にもバルク金属３０１の部分が成形される。そして、ボイドを含むポーラス構造部３０２の領域は図１０（ａ）の状態に比較して各段に少なくなり、電気抵抗が低く、機械的強度が大きい接合金属３００を成形することができる。また、金属ナノインク１００の中に溶解酸素１２２、酸素バブル１２１、酸素ナノバブル１２５のような形で酸素を内包させた金属ナノインク１００によって接合を行うと、分散剤が取れず未反応の金属ナノ粒子の残存を抑制することができるため、バルク金属３０１の部分を多くすることができる。
【００３５】
金属ナノインク１００に内包させる酸素の量はなるべく多くしたほうが望ましく、好ましくは有機溶剤１０５の酸素の飽和濃度以上に酸素を内包させることがよい。試験結果によると、図２を参照して説明した酸素を吹き込む方法によって製造した酸素バブル１２１、溶解酸素１２２を含む金属ナノインク１００をディスペンサによって半導体ダイ１２の電極１２ａと基板１９の電極１９ａとにバンプ２００を形成し、半導体ダイ１２を反転させて各電極１２ａ，１９ａの位置を合わせてから重ね合わせ、接合バンプ２５０とした後、加圧加熱機構８０によって加圧焼結した場合、酸素を注入する時間が１時間程度と短く、金属ナノインク１００の酸素の内包量が少ない場合には、加圧焼結後の接合金属３００は図１０（ａ）に示すようなポーラス構造部３０２が多いものとなった。一方、酸素を注入する時間が１０時間程度と長く、金属ナノインク１００の酸素の内包量が多い場合には、加圧焼結後の接合金属３００は図１０（ｂ）に示すようなポーラス構造部３０２が少なく、バルク金属３０１の多いものとなった。また、試験結果によると、有機溶剤１０５の酸素の飽和濃度以上の５倍以上の酸素を内包させると焼結性が向上するという結果が得られた。
【００３６】
以上説明したように、本実施形態の金属ナノインク１００は、加圧焼結の際にボイドの発生を抑えることができ、電気抵抗が低く、機械的強度が大きい接合金属３００を成形することができるという効果を奏する。
【００３７】
以上説明した金属ナノインク１００を用いた接合方法では、基板１９の電極１９ａに半導体ダイ１２の電極１２ａを接合する場合について説明したが、半導体ダイ１２の電極１２ａを他の半導体ダイ１２の電極１２ａの上に反転して重ね合わせて接合することとしても良い。また、電極１２ａか半導体ダイ１２を厚み方向に貫通する貫通電極であり、半導体ダイ１２を反転せずに各電極１２ａをパンプ２００を介して重ね合わせた後、加圧焼結によって各貫通電極の間を接続して半導体ダイ１２を３次元実装するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施形態における金属ナノインクを示す説明図である。
【図２】本発明の実施形態における金属ナノインクの製造方法を示す説明図である。
【図３】本発明の他の実施形態における金属ナノインクを示す説明図である。
【図４】本発明の他の実施形態における金属ナノインクの製造方法において有機溶剤に酸素ナノバブルを注入する方法を示す説明図である。
【図５】本発明の実施形態の金属ナノインクを用いてダイボンディングを行う際のバンプの形成を示す説明図である。
【図６】本発明の実施形態の金属ナノインクを用いてダイボンディングを行う際の半導体ダイの基板の上への重ね合わせを示す説明図である。
【図７】本発明の実施形態の金属ナノインクを用いてダイボンディングを行う際の接合バンプの形成を示す説明図である。
【図８】本発明の実施形態の金属ナノインクを用いてダイボンディングを行う際の加圧加熱機構に半導体ダイと基板とを挟み込んだ状態を示す説明図である。
【図９】本発明の実施形態の金属ナノインクを用いてダイボンディングを行う際の半導体ダイと基板の各電極を加圧焼結を示す説明図である。
【図１０】本発明の実施形態の金属ナノインクを用いてダイボンディングを行った接合金属の断面を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３９】
１２  半導体ダイ、１２ａ，１９ａ  電極、１９  基板、２６  射出ヘッド、２６ａ  射出ノズル、５４  コレット、５７ａ，５７ｂ  高さセンサ、５７ｃ  上下二視野カメラ、８０  加圧加熱機構、８２ａ  上部保持板、８２ｂ  下部保持板、８５  隙間センサ、８６ａ，８６ｂ  温度センサ、８９ａ，８９ｂ  ヒータ、１００  金属ナノインク、１０１  金属ナノ粒子、１０２  分散剤、１０３  被覆金属ナノ粒子、１０５  有機溶剤、１１０  微液滴、１２１  酸素バブル、１２２  溶解酸素、１２５  酸素ナノバブル、１３１  容器、１３２  酸素注入ノズル、１３３  タンク、１３４  配管、１３５  吸込み管、１３６  循環ポンプ、１３７  吐出管、１３８  酸素注入ノズル、１４０  インジェクタ、１４１  ノズル、１４２  中子、１４３  隙間、１４５  酸素濃度センサ、１５０  酸素注入装置、２００  バンプ、２５０  接合バンプ、２６０  気泡、３００  接合金属、３０１  バルク金属、３０２  ポーラス構造部。
【図１】
2010040676.tif 000003
【図２】
2010040676.tif 000004
【図３】
2010040676.tif 000005
【図４】
2010040676.tif 000006
【図５】
2010040676.tif 000007
【図６】
2010040676.tif 000008
【図７】
2010040676.tif 000009
【図８】
2010040676.tif 000010
【図９】
2010040676.tif 000011
【図１０】
2010040676.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成21年12月4日(2009.12.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加圧焼結によって半導体ダイの電極と基板の電極または半導体ダイの電極と他の半導体ダイの電極とを接合するための金属ナノインクであって、
有機溶剤中の酸素濃度が過飽和となるように、分散剤によって表面コーティングされた金属ナノ粒子と酸素とを有機溶剤中に混合させて調整されていること、
を特徴とする金属ナノインク。
【請求項２】
加圧焼結によって半導体ダイの電極と基板の電極または半導体ダイの電極と他の半導体ダイの電極とを接合するための金属ナノインクの製造方法であって、
分散剤によって表面コーティングされた金属ナノ粒子を有機溶剤中に混合させる金属ナノ粒子混合工程と、
有機溶剤中に酸素を注入する酸素注入工程と、
を有することを特徴とする金属ナノインクの製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載の金属ナノインクの製造方法であって、
酸素注入工程は、酸素をナノバブルとして有機溶剤中に注入すること、
を特徴とする金属ナノインクの製造方法。
【請求項４】
半導体ダイの電極と基板の電極または半導体ダイの電極と他の半導体ダイの電極とを接合するためのダイボンディング方法であって、
分散剤によって表面コーティングされた金属ナノ粒子とナノバブルとした酸素とを有機溶剤中に混合させた金属ナノインクの微液滴を射出して電極上にバンプが形成された半導体ダイを金属ナノインクの微液滴を射出して電極上にバンプが形成された基板または金属ナノインクの微液滴を射出して電極上にバンプが形成された他の半導体ダイの上にフェースダウンし、半導体ダイの電極と基板の電極または半導体ダイの電極と他の半導体ダイの電極とをバンプを介して重ね合わせる重ね合わせ工程と、
各電極間のバンプを加圧するとともに加熱し、バンプの金属ナノ粒子を加圧焼結させて各電極間を電気的に接合する加圧焼結工程と、
を有することを特徴とするダイボンディング方法。
【請求項５】
半導体ダイの電極と基板の電極または半導体ダイの電極と他の半導体ダイの電極とを接合するためのダイボンディング装置であって、
分散剤によって表面コーティングされた金属ナノ粒子とナノバブルとした酸素とを有機溶剤中に混合させた金属ナノインクの微液滴を射出して電極上にバンプを形成する射出ヘッドと、
バンプが形成された半導体ダイを金属ナノインクの微液滴を射出して電極上にバンプが形成された基板または金属ナノインクの微液滴を射出して電極上にバンプが形成された他の半導体ダイの上にフェースダウンし、半導体ダイの電極と基板の電極または半導体ダイの電極と他の半導体ダイの電極とをバンプを介して重ね合わせる重ね合わせ機構と、
各電極間のバンプを加圧するとともに加熱し、バンプの金属ナノ粒子を加圧焼結させて各電極間を電気的に接合する加圧加熱機構と、
を有することを特徴とするダイボンディング装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
本発明の金属ナノインクは、加圧焼結によって半導体ダイの電極と基板の電極または半導体ダイの電極と他の半導体ダイの電極とを接合するための金属ナノインクであって、有機溶剤中の酸素濃度が過飽和となるように、分散剤によって表面コーティングされた金属ナノ粒子と酸素とを有機溶剤中に混合させて調整されていること、を特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
本発明の金属ナノインクの製造方法は、加圧焼結によって半導体ダイの電極と基板の電極または半導体ダイの電極と他の半導体ダイの電極とを接合するための金属ナノインクの製造方法であって、分散剤によって表面コーティングされた金属ナノ粒子を有機溶剤中に混合させる金属ナノ粒子混合工程と、有機溶剤中に酸素を注入する酸素注入工程と、を有することを特徴とする。また、本発明の金属ナノインクの製造方法において、酸素注入工程は、酸素をナノバブルとして有機溶剤中に注入すること、としても好適である。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本発明のダイボンディング方法は、半導体ダイの電極と基板の電極または半導体ダイの電極と他の半導体ダイの電極とを接合するためのダイボンディング方法であって、分散剤によって表面コーティングされた金属ナノ粒子とナノバブルとした酸素とを有機溶剤中に混合させた金属ナノインクの微液滴を射出して電極上にバンプが形成された半導体ダイを金属ナノインクの微液滴を射出して電極上にバンプが形成された基板または金属ナノインクの微液滴を射出して電極上にバンプが形成された他の半導体ダイの上にフェースダウンし、半導体ダイの電極と基板の電極または半導体ダイの電極と他の半導体ダイの電極とをバンプを介して重ね合わせる重ね合わせ工程と、各電極間のバンプを加圧するとともに加熱し、バンプの金属ナノ粒子を加圧焼結させて各電極間を電気的に接合する加圧焼結工程と、を有することを特徴とする。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
本発明のダイボンディング装置は、半導体ダイの電極と基板の電極または半導体ダイの電極と他の半導体ダイの電極とを接合するためのダイボンディング装置であって、分散剤によって表面コーティングされた金属ナノ粒子とナノバブルとした酸素とを有機溶剤中に混合させた金属ナノインクの微液滴を射出して電極上にバンプを形成する射出ヘッドと、バンプが形成された半導体ダイを金属ナノインクの微液滴を射出して電極上にバンプが形成された基板または金属ナノインクの微液滴を射出して電極上にバンプが形成された他の半導体ダイの上にフェースダウンし、半導体ダイの電極と基板の電極または半導体ダイの電極と他の半導体ダイの電極とをバンプを介して重ね合わせる重ね合わせ機構と、各電極間のバンプを加圧するとともに加熱し、バンプの金属ナノ粒子を加圧焼結させて各電極間を電気的に接合する加圧加熱機構と、を有することを特徴とする。