(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
部品を基体上にマウントする方法であって、
基体上に位置決めされた部品を有する組立体を前記基体及び部品の間に配置された異方性接着剤を用いて形成する工程と、
前記組立体をコンベア上に配置して、前記コンベア上の前記組立体をチャンバを通過するように移動させる工程と、
前記コンベアと同じ速度で移動しているカバー・フィルムを前記組立体上に引き寄せて、前記異方性接着剤を前記部品と前記基体の間において圧縮する工程と、
前記圧縮下において前記異方性接着剤を硬化する工程と、
前記カバー・フィルムを前記部品及び前記基体から離間させる工程と
を含む方法。
【請求項２】
前記カバー・フィルムを組立体上に引き寄せる工程はカバー・フィルムを吸引することによって実現される請求項１に記載の方法。
【請求項３】
異方性接着剤を部品及び基体の間で圧縮すべく、カバー・フィルムを組立体に対して付勢させるために同カバー・フィルムを十分に吸引する工程を含む請求項２に記載の方法。
【請求項４】
熱を組立体の下側から同組立体に対して加える工程を含む請求項１に記載の方法。
【請求項５】
熱を組立体の上側から同組立体に対して加える工程を含む請求項１に記載の方法。
【請求項６】
熱を組立体の下側から同組立体に対して加える工程を更に含む請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記異方性接着剤は熱可塑性を有するｚ軸異方性接着剤及び熱硬化性を有するｚ軸異方性接着剤からなるグループから選択される請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記異方性接着剤を硬化すべく、前記組立体を前記コンベアを使用することによりプロセス・チャンバを通って移動させる請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記カバー・フィルムはポリエステル、テトラフルオロエチレン・フルオロカーボン・ポリマー、シリコン、天然ゴム、合成ゴム、フッ素化エチレン・プロピレン及び金属フォイルからなるグループから選択される請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記異方性接着剤を粘性ペーストの形態で基体に対して加える工程を含む請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記異方性接着剤をフィルムの形態で基体に対して加える工程を含む請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記組立体をプロセス・チャンバを通って移動させ、かつ熱を組立体の上側から同組立体に対して加えることにより、異方性接着剤を硬化させる工程を含む請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記組立体を前記チャンバを通って移動させ、かつ熱を組立体の下側から同組立体に対して加えることにより、異方性接着剤を硬化させる工程を含む請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記カバー・フィルムは一対のドライブ・ローラーの周囲で駆動されるエンドレス部材の形態をなす請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記カバー・フィルムが機械的に付随している別のコンベアを提供する工程と、
前記別のコンベアを動作させて、前記カバー・フィルムを前記コンベア上に配置された組立体上に引き寄せる工程と
を含む請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記組立体上に引き寄せられたカバー・フィルムとともに同組立体を前記チャンバを通って移動させるべく前記コンベアを動作させ、かつ熱を組立体に加えることにより、異方性接着剤を硬化する工程を含む請求項15に記載の方法。
【請求項１７】
前記コンベアと前記別のコンベアとを同じ速度で動作させる工程を含む請求項15に記載の方法。
【請求項１８】
前記別のコンベアはカバー・フィルムを前記チャンバ内への組立体の移動前に同組立体上に引き寄せ、次いで前記カバー・フィルムを前記チャンバ内での組立体の移動中に同組立体に当接した状態に維持し、その後、前記カバー・フィルムを組立体から離間させる請求項15に記載の方法。
【請求項１９】
前記カバー・フィルムはポリエステル、テトラフルオロエチレン・フルオロカーボン・ポリマー、シリコン、天然ゴム、合成ゴム、フッ素化エチレン・プロピレン及び金属フォイルからなるグループから選択された材料から形成されている請求項15に記載の方法。
【請求項２０】
前記コンベアのコンベア・ベルトを通じた吸引を実施する工程を含む請求項15に記載の方法。
【請求項２１】
部品及び基体の間に配置された異方性接着剤を硬化する装置であって、
プロセス・チャンバと、
熱をプロセス・チャンバに対して供給すべく同プロセス・チャンバに付随する熱源と、
異方性接着剤をプロセス・チャンバを通って移動させるべくプロセス・チャンバ内に配置された第１のコンベアと、
第２のコンベアと、前記第２のコンベアは同第２のコンベアに付随するカバー・フィルムを有し、さらに前記第２のコンベアはカバー・フィルムをプロセス・チャンバ内における部品及び基体の移動中に同部品及び基体上に配置し、かつ維持すべく第１のコンベアに隣接してプロセス・チャンバ内に配置されていることと、
バキューム・プレナムと、前記バキューム・プレナムは真空源に連通し、かつ第１のコンベアのコンベア・ベルトに隣接しており、さらに前記バキューム・プレナムは異方性接着剤の硬化中、力を部品に加え、かつ異方性接着剤を部品及び基体の間で圧縮すべく、カバー・フィルムを基体及び部品上に引き寄せること
を含む装置。
【請求項２２】
前記カバー・フィルムはドライブ・ローラー上に取付けられている請求項21に記載の装置。
【請求項２３】
前記カバー・フィルムはテトラフルオロエチレン・フルオロカーボン・ポリマー、ポリエステル、シリコン、天然ゴム、フッ素化エチレン・プロピレン、合成ゴム、金属フォイルからなるグループから選択された材料から形成されている請求項21に記載の装置。
【請求項２４】
前記熱源は第１のコンベアの上方に位置決めされている請求項21に記載の装置。
【請求項２５】
前記熱源は熱を基体の下方から同基体に対して加えるべく位置決めされている請求項21に記載の装置。
【請求項２６】
前記熱源は第１のコンベアのコンベア・ベルトの下側に位置決めされている請求項21に記載の装置。
【請求項２７】
前記第１のコンベアのコンベア・ベルトは同コンベア・ベルトを通じた吸引を実施すべく、前記コンベア・ベルトを貫通して延びる複数の孔を画定している請求項21に記載の装置。
【請求項２８】
前記コンベアを通じてカバー・フィルムを吸引することにより同カバー・フィルムを組立体上に引き寄せることを含む請求項１に記載の方法。
【請求項２９】
前記コンベアはコンベア・ベルトを有する請求項１または28に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は電子デバイスの製造、より詳細には部品を導電性を有する異方性接着剤を用いて基体上にマウントする方法及び装置に関する。本発明の方法及び装置はパッケージングされていない半導体ダイス（Unpackaged  semiconductordice）をフリップ・チップ方式で基体上にマウントすることに特に適する。
発明の背景
ハイブリッドまたはマルチチップ・モジュールと称される超小型電子デバイス・パッケージの製造において、パッケージングされていない半導体ダイスは印刷回路基板等の基体上にフェースダウンの状態でマウントされる。この種のマウンティングはフリップ・チップ・マウンティングと称される。この名称はパッケージングされていないダイ（Unpackaged die）を裏返して回路面を下に向けた状態で基体上にマウントすることに起因する。フリップ・チップ・マウンティングを使用する場合、ダイ上のボンド・パッドは基体上の対応するコンタクト・パッドに対して電気的に直接接続される。
半導体ダイをフリップ・チップ方式で基体に対して接続する１つの方法では、異方性接着剤が使用されている。異方性接着剤はダイを基体に対して固定し、かつ導電路を形成する従来のハンダ及びソケット・コネクションに代わる手段である。
異方性接着剤は各種の形態で提供されている。異方性接着剤は材料内の１つの方向における電気的抵抗が別の方向における電気的抵抗と異なるよう形成されている。高い抵抗は常には少なくとも１つの直交する方向（例:x−ｙ方向）に提供され、低い抵抗は常には残りの直交する方向（例:z方向）に提供されている。１つの方向における導電性は常には圧力に感応して実現され、同１つの方向における導電性の実現は材料を同方向に圧縮することを要する。
導電性を備えた異方性接着剤の１つの例はｚ軸異方性接着剤（ｚ−axisanisotropic adhesives）として知られている。ｚ軸異方性接着剤は複数の導電性粒子で満たされており、同複数の導電性粒子はｘ−ｙ面内において互いに当接しない低い濃度で分散されている。
ｚ方向における圧縮は導電路を形成する。ｚ軸異方性接着剤は対象面上に配置した後で硬化する粘性ペースト（Viscous paste）またはフィルムとして形成されている。両方のｚ軸異方性接着剤（フィルムまたはペースト）は熱可塑性または熱硬化性を有する。熱可塑性を有する異方性接着剤は使用時に軟化すべく加熱され、次いで硬化のために冷却される。熱硬化性を有する異方性接着剤は熱硬化を必要とする。異方性接着剤を使用することにより、ダイを基体に対して接着でき、さらには複数の接続部をダイ上の複数のボンド・パッドと１つの材料片との間に形成できる。
ｚ軸異方性接着剤を使用するフリップ・チップ方式でのマウンティングに関する１つの問題点としては、材料の導電性が圧力に感応して実現される点が挙げられる。従って、材料を通じた恒久的な電気的接続を確立すべく異方性接着剤を硬化プロセス中に圧縮する必要がある。ペースとの場合、ｚ軸異方性接着剤の圧縮はダイに加わる加重を硬化プロセス中に維持することにより実現される。この加重はある種の機械的固定具を使用することによって常には加えられる。
この種の構成に関する１つの問題点としては、機械的固定具が複雑、かつ高価な点が挙げられる。更に、機械的固定具はダイまたは基体を損傷し易い。更に、エラストマーを十分に硬化させるべく圧縮加重を比較的長い時間（例:20〜30分）にわたって維持する必要がある。大量生産プロセスでは、この種の硬化プロセスに要する時間は許容できない長さである。更に、複数のフリップ・チップを接合する場合、１つのチップを取付け、かつ硬化し、次いで別のチップを取付け、かつ硬化する連続プロセスが使用される。この連続プロセスでは、幾つかのチップは複数回にわたって高温に露出される。
前記の問題点に関連した本発明の目的は部品を異方性接着剤を使用して基体にマウントする改善された方法及び装置を提供することにある。本発明の別の目的は半導体ダイスをフリップ・チップ方式で基体にマウントする改善された方法及び装置を提供することにある。本発明の更に別の目的は半導体ダイスをフリップ・チップ方式で基体にマウントする大量生産に適する改善された方法及び装置を提供することにある。本発明の他の目的、効果及び可能性は以下の説明から明らかになる。
発明の概要
本発明では、部品を異方性接着剤を使用して基体にマウントする改善された方法と、改善された硬化装置とを提供する。１つの実施の形態において、本発明の方法及び装置は半導体ダイをフリップ・チップ方式で基体に対してマウントすべく使用される。最初に、異方性接着剤を基体に対して加え、次いでダイを異方性接着剤上に配置する。熱硬化プロセス中、カバー・フィルムはダイ及び基体上に引き寄せられている。カバー・フィルムは均一な力をダイに対して加え、かつ異方性接着剤を圧縮した状態に維持する。
１つの実施の形態において、硬化装置は熱源及びメッシュ・コンベア・ベルトを有する。ダイ及び基体をコンベア・ベルトを使用することにより硬化装置を通って移動させる間、カバー・フィルムのエンドレス・ロールは基体及びダイを被覆する。コンベア・ベルトに付随するバキューム・プレナムはカバー・フィルムを吸引によりダイ及び基体上に引き寄せることにより、これらの部品を一緒に保持し、かつ圧縮荷重を異方性接着剤に対して加える。ダイ及び基体を熱源に沿って移動させる間、異方性接着剤は圧縮状態で硬化する。ダイ及び基体がバキューム・プレナムを通過した後、カバー・フィルムはダイ及び基体から離間し、組み立てられた部品が硬化装置から送り出される。別の実施の形態において、硬化装置はコンベア・ベルトを用いるよりも、寧ろベンチ・トップ・ユニットとして形成されている。ベンチ・トップ硬化装置（Bench top curing apparatus）は基体を支持する加熱されたプラテンと、バキューム・プレナムと、バキューム・プレナムによってダイ及び基体上に引き寄せられるカバー・フィルムとを有する。
フリップ・チップ・ボンディングの方法は、ダイ及び基体を同ダイ及び基体の間に配置された異方性接着剤とともに組み立てる工程と、異方性接着剤を圧縮すべくカバー・フィルムをダイ及び基体上に引き寄せる工程と、異方性接着剤を圧縮した状態で硬化させる工程と、カバー・フィルムをダイ及び基体から離間させる工程とを含む。
フリップ・チップ・マウンティングのための硬化装置は密閉型プロセス・チャンバ（Enclosed process chamber）と、プロセス・チャンバを加熱する熱源と、基体及びダイをプロセス・チャンバを通って移動させるためのコンベアと、基体及びダイと同一の速度で移動すべくコンベアに対して取付けられたカバー・フィルムからなるエンドレス・ベルトと、真空源に連通し、さらにはカバー・フィルムを基体及びダイ上に引き寄せるためのバキューム・プレナムとを有する。
【図面の簡単な説明】
図1A〜図1Cは異方性接着剤をダイ及び基体の間に配置した組立体の概略を示す平面図である。
図２は異方性接着剤の硬化プロセス中に加わる力を示す２−２線における縦断面図である。
図３は硬化した異方性接着剤と、ダイから基体に延びる導電路とを示す拡大縦断面図である。
図４は半導体ダイを圧縮荷重を加えた状態で異方性接着剤を使用することによりフリップ・チップ方式でマウントする本発明に基づくコンベア式装置の概略を示す縦断面図である。
図５はダイ及び基体上に引き寄せられた図４の装置のカバー・フィルムの概略を示す拡大縦断面図である。
図６は複数のバキューム開口部を画定するコンベアの部分平面図である。
図７は半導体ダイを異方性接着剤を使用してフリップ・チップ方式でマウントする本発明の概略図である。
発明の実施の形態
図1A〜図1Cにおいて、基体10はマルチ・チップ・モジュールの形成に使用される。基体10は常には各種の回路及び電気的デバイスとともに形成された印刷回路基板である。回路の導電体パターン、抵抗パターン及び誘電体パターンはスクリーン印刷または他の適切なプロセスによって基体10上に形成できる。
基体10は１つ以上のダイ・マウンティング領域11（図1A参照）を有する。ダイ・マウンティング領域11はコンタクト・パッド13を有する。コンタクト・パッド13は半導体ダイ14（図1C参照）上の対応するコンタクト位置に電気的に接続されている。例えば、基体10上のコンタクト・パッド13は基体10上のサーキット・トレース（Circuit traces）（図示略）に対して電気的に接続された金属パッドであり得る。半導体ダイ14（図1C参照）は金属バンプ15（図３参照）として形成された対応するコンタクト位置を有し得る。この種のダイ14は当該技術分野においてバンプ・ダイ（Bumped die）として知られている。
図1Bに示すように、ｚ軸異方性接着剤（ｚ−axis anisotropic adhesive）12はダイ・マウンティング領域11に対して加えられる。ｚ軸異方性接着剤12は熱可塑性接着剤として形成可能である。多くの場合、熱硬化性エポキシ異方性接着剤（Thermoset epoxy based anisotropic adhesive）はｚ軸導電性エポキシと称される。適切なｚ軸異方性接着剤としては、ニュージャージー州トレントンに所在するエイ．アイ．テクノロジー（A.I.Technology）から販売されている“ｘ−ポリ（ｘ−poly）”及び“ｚ−ポキシ（ｚ−poxy）”（商標名）と、ミネソタ州ノースフィールドに所在するシェルダール（Sheldahl）から販売されている“シェル−ザック（Shel−Zac;商標名）”とが挙げられる。ｚ軸異方性接着剤はミネソタ州セントポールに所在するスリーエム（3M）からも販売されている。
ｚ軸異方性接着剤12は適切なプロセスによりダイ・マウンティング領域11上に堆積させ得る。粘性ペーストとして形成されたｚ軸異方性接着剤12の場合、異方性接着剤12を基体10上に所望のパターンで加えるべくスクリーン印刷を使用し得る。フィルムとして形成されたｚ軸異方性接着剤12の場合、同フィルムを切断し、さらにはダイ・マウンティング領域11に当接して配置できる。ｚ軸異方性接着剤12は堆積プロセス中に加熱される。
次いで、図1Cに示すように、ダイ14をｚ軸異方性接着剤12上に配置し、さらにはエラストマーを硬化する。図２に示すように、力Ｆをダイ14に対して硬化プロセス中に加える。力Ｆはダイ14をダイ・マウンティング領域11上に維持し、さらにはｚ軸異方性接着剤12を圧縮する。熱可塑性を有するｚ軸異方性接着剤は冷却により硬化される。熱硬化性を有する異方性接着剤は加熱下で硬化する。
一般的に、ｚ軸異方性接着剤12は硬化した組立体内における電気伝導を可能にすべく硬化プロセス中に圧縮する必要がある。図３に示すように、ｚ軸異方性接着剤12は複数の導電性粒子18を有する。複数の導電性粒子18はダイ14上のバンプ15と、基体10上のコンタクト・パッド13との間の電気伝導を実現する。ダイ14上のバンプ15はｚ軸異方性接着剤12上に押圧され、同ｚ軸異方性接着剤12は基体10上のコンタクト・パッド13に対して押圧される。ｚ軸異方性接着剤12はｚ軸方向における電気伝導を実現する一方、ｘ方向及びｙ方向における絶縁を提供する。
バンプ15及びコンタクト・パッド13のピッチ、即ち間隔はほぼ同一であることを要する。この構成を使用することにより、低い抵抗を有する各種の電気的コンタクトをｚ軸異方性接着剤12の１つの連続するセグメントを用いて形成できる。ｚ軸異方性接着剤12は電気伝導を実現する以外に、ダイ14を基体10に対して接着する。
図４及び図５は本発明に基づくコンベア式硬化装置20を示す。コンベア式硬化装置20は密閉型プロセス・チャンバ22と、プロセス・チャンバ22を所定の温度まで加熱するための熱源24と、基体10及びフリップ・チップ方式でマウントしたダイス14とプロセス・チャンバ22を通って移動させるためのオープン・メッシュ・コンベア26と、コンベア26と同じ速度で移動すべく形成されたカバー・フィルム30からなるエンドレス・ベルトと、カバー・フィルム30を吸引により基体10及びダイ14上に引き寄せるためのバキューム・プレナム28とを一般的に有する。
コンベア式硬化装置20はコンベア式硬化炉に類似する構造を有する。硬化装置20のプロセス・チャンバ22は入口開口部32及び出口開口部34を有する。熱源24はプロセス・チャンバ22を所定の温度まで加熱すべく形成されている。使用する異方性接着剤の種類に基づき、この温度は約100〜300℃が好ましい。熱源24はガスまたは電気式とし得る。
オープン・メッシュ・コンベア26はドライブ・ローラー36,38上に取付けられており、同ドライブ・ローラー36,38は矢印40,42で示す方向に回動する。コンベア26は基体10及びダイス14を硬化装置20の入口開口部32からプロセス・チャンバ22を通って出口開口部34まで移動させるべく形成されている。コンベア26の速度はプロセス・チャンバ22内における所定の硬化時間（例:20〜30分）を提供すべく選択されている。
バキューム・プレナム28及びカバー・フィルム30は均一な圧力を基体10及びダイ14全体に加えるべく互いに協働する。これは基体10及びダイス14をコンベア26を使用することによりプロセス・チャンバ22を通って移動させることによって実現される。カバー・フィルム30はコンベア26と同一の速度で移動する。前記の均一な圧力は各ダイ14と、同ダイ14に対応する基体10とを加圧し、さらにはダイ14及び基体10の間に位置するｚ軸異方性接着剤12（図２参照）を圧縮する。
カバー・フィルム30は一対のドライブ・ローラー44,46に取付けられた材料のエンドレス・ループとして形成されている。ドライブ・ローラー44,46は矢印48,50で示す方向に回動し、かつカバー・フィルム30をコンベア26と同一速度で同一方向に移動させる。
カバー・フィルム30は柔軟性のある任意の耐熱材料から形成可能である。適切な材料はポリエステル、シリコン、ゴム（天然若しくは合成）またはテフロン（商標名、テトラフルオロエチレン・フルオロカーボン・ポリマー、フッ素化エチレン・プロピレン）等の薄膜ポリマー材料または弾性材料を含む。更に、カバー・フィルム30は金属フォイルからも形成できる。別の要件としては、カバー・フィルムの幅を基体10の幅より僅かに大きくすることが挙げられる。
カバー・フィルム30はバキューム・プレナム28によって基体10及びダイス14上に引き寄せられる。図５に示すように、バキューム・プレナム28は真空源52に対して連通されている。更に、図６に示すように、バキューム・プレナム28はカバー・フィルム30をコンベア26上に引き寄せるために複数のバキューム開口部54を有し得る。コンベア26はオープン・メッシュ・チェーン（Open mesh chain）から形成することが好ましい。この結果、真空源52からカバー・フィルム30まで達するほぼ障害のない通路が提供される。
カバー・フィルム30に対するドライブ・ローラー44,46の配置及び構成は硬化前の基体10及びダイス14をプロセス・チャンバの入口開口部32を通過させる際、カバー・フィルム30を基体10及びダイス14上に引き寄せるべく実現されている。同様に、ドライブ・ローラー44,46は完全に硬化した部品がプロセス・チャンバ22の出口開口部34を通過する際にカバー・フィルム30を基体10及びダイス14から開放すべく形成されている。
図５に示すように、カバー・フィルム30は予備組立した基体10及びダイス14が硬化装置20を通って移動する間、同基体10及びダイス14を完全に被覆する。真空源52は所望の力をカバー・フィルム30に加えるべく選択された負圧を提供する。カバー・フィルム30は約6,895〜137,900ニュートン／平方メートル（11〜20ポンド／平方インチ）の力をダイス14に対して加える。更に、この力はダイス14の裏面全体に均一に加えられる。
従って、カバー・フィルム30は硬化プロセス中に異方性接着剤12（図２参照）を圧縮すべく機能する。基体10及びダイス14が継続して硬化装置20内を移動する間、異方性接着剤12は硬化する。硬化時間はコンベア26の速度によって決定される。出口開口部34において、カバー・フィルム30は基体10及びダイス14から離間する方向に移動すべく形成されている。各ダイ14に加わる力が解放され、完全に硬化した部品が硬化装置20から送り出される。
図７はベンチトップ硬化装置60を示す。ベンチトップ硬化装置60は１つ以上の基体10を支持する加熱されたプラテン62を有する。プラテン62はバキューム・プレナム64に連通されている。バキューム・プレナム62は真空源68に連通されている。更に、バキューム・プレナム62はカバー・フィルム66を基体10と、フリップ・チップ方式でマウントされたダイス14との上に引き寄せるべく形成されている。これはダイス14及び基体10の間に位置する異方性接着剤12を前記の要領で硬化することを可能にする。
従って、本発明は半導体ダイスをフリップ・チップ方式で基体上にマウントすることに特に適合した部品を基体上にマウントする改善された方法及び装置を提供する。以上、本発明を特定の好ましい実施の形態に関連して詳述した。しかし、当業者にとって明らかなように、特定の変更及び修正を請求の範囲に定める本発明の範囲から逸脱することなく実施し得る。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図４】
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【図７】
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