(57)【要約】【課題】半導体チップを基板に接合するソルダバンプもしくはボンダヘッドを迅速に冷却することのできる冷却装置を提供する。【解決手段】外部から熱を奪う蒸発部１１と外部に放熱する凝縮部１２とが、蒸気管１３と液戻り管１４とによって循環管路を形成するように連通されかつその循環管路の内部に凝縮性流体が作動流体として封入されたループ型ヒートパイプ１０を備え、蒸発部１２が加熱されて溶融したソルダバンプから熱を奪うように配置され、凝縮部１３が蒸発部１２よりも高い位置でかつ外部に放熱するように配置され、凝縮部１３で放熱して液化した作動流体を蒸発部１２に還流させる液戻り管１４の途中に、ソルダバンプを加熱して溶融させる際には液戻り管１４を閉じかつソルダバンプを冷却して固化させる際には液戻り管１４を開く開閉弁１６が設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボンダヘッドで保持した半導体チップを接合対象部に、ソルダバンプを挟んで押し付け、そのソルダバンプを加熱して溶融しかつ冷却して固化させることにより半導体チップを前記接合対象部に接合する半導体チップボンダの冷却装置において、
外部から熱を奪う蒸発部と外部に放熱する凝縮部とが、蒸気管と液戻り管とによって循環管路を形成するように連通されかつその循環管路の内部に凝縮性流体が作動流体として封入されたループ型ヒートパイプを備え、
前記蒸発部が加熱されて溶融した前記ソルダバンプから熱を奪うように配置され、
前記凝縮部が前記蒸発部よりも高い位置でかつ外部に放熱するように配置され、
前記凝縮部で放熱して液化した作動流体を前記蒸発部に還流させる前記液戻り管の途中に、前記ソルダバンプを加熱して溶融させる際には前記液戻り管を閉じかつ前記ソルダバンプを冷却して固化させる際には前記液戻り管を開く開閉弁が設けられている
ことを特徴とする半導体チップボンダの冷却装置。
【請求項２】
前記液戻り管のうち前記凝縮部と前記開閉弁との間に、前記循環路中の作動流体の全量を収納可能なリザーバが連通され、
前記開閉弁が閉じられている場合には前記リザーバに前記作動流体が貯留され、かつ前記開閉弁が開くことにより前記リザーバから前記蒸発部に作動流体が流下するように構成されている
ことを特徴とする請求項１の記載の半導体チップボンダの冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体チップ（あるいはフリップチップ）を基板やフィルムなどにボンディングするボンダに関し、特にそのボンダヘッドなどを冷却するための装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
最近では、ＩＣなどの半導体チップが微細化、薄肉化されてきており、それに伴ってこれらの半導体チップを基板やリードフレームなどにボンディングする方法としてフリップチップボンディング法が採用されるようになってきている。このフリップチップボンディング法によって半導体チップを基板などに取り付ける装置が従来、種々知られており、例えば特許文献１には、Ｘ軸およびＹ軸ならびにＺ軸の３方向に移動させられる作業ヘッドの下端部に半導体チップを吸着させて保持し、同時にその作業ヘッドによって半導体チップを加熱するように構成され、その半導体チップを基板上の所定位置に移動させて位置決めした状態で作業ヘッドが基板に向けて前進し、半導体チップを基板に加圧して接合するように構成された装置が記載されている。この特許文献１に記載された装置は、作業ヘッドを取り付けてあるヘッドが熱によって変形することを防止するために、冷却風を吹き込むように構成されている。また、特許文献２には、ソルダーバンプを使用して接続を行うように構成された装置が記載されており、この特許文献２に記載された装置では、ペルチェ素子によって加熱および冷却を行うように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１１４１０３号公報
【特許文献２】特開２０１１−１８１５５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ソルダーバンプ（以下、単にバンプと記す）を加熱・溶融させて半導体チップを基板などに接合する場合、半導体チップを例えばボンダヘッドで基板などに対して押し付け、その状態で加熱し、バンプが固化した後にボンダヘッドによる押し付け力を解放することになる。したがって、一つの半導体チップのボンディングに要するサイクルタイムは、所定の温度に加熱するまでの時間と、バンプが必要十分に溶融する時間と、バンプが十分に固化するのに要する時間とで制限を受ける。
【０００５】
特許文献１に記載された装置は、半導体チップの接合の際に発生した熱を冷却風で運び去って冷却することとしており、このようないわゆる強制冷却の手段をバンプの冷却のために採用したとすると、短時間で十分に冷却してボンディングの効率を高くするためには、多量の空気を供給する必要があり、設備が大型化するなどの不都合が生じる。また、冷却によって温度が上昇した空気を作業室内に拡散させることになるので、室内温度が高くなったり、また室温を維持するための空調で消費する電力が増大するなどのおそれがあり、そればかりか、ボンディングで生じた有害ガスが作業室内に拡散して作業環境を害し、作業者の健康を害する可能性がある。そして、冷却風はボンダヘッドの内部に形成した微細な通気路を流すことになるので、流量を増大させるのにも限度があって冷却速度を速くすることが困難であり、ボンディングの作業サイクルの時間を短くして効率を向上させるためには未だ改善の余地がある。
【０００６】
また、特許文献２に記載されている装置におけるようにペルチェ素子を使用して加熱と冷却とを行うとすれば、電力の消費量が多くなってランニングコストが高くなる。また通電方向を反転させて加熱面を冷却面に切り替えるとすれば、加熱工程で温度が上昇している加熱面自体の温度を下げ、その後に冷却作用が生じることになるので、冷却に要する時間が長くなって、半導体チップの接合に要する時間、すなわち一つの半導体チップについてのボンディングサイクルタイムが長くなってしまう。このような不都合を回避するために、ペルチェ素子の向きを反転させて半導体チップやバンプを冷却するとすれば、ペルチェ素子の反転のための機構や制御が複雑になり、またその反転のための時間がサイクルタイムを長くする要因になる可能性がある。
【０００７】
この発明は上述した課題に着目してなされたものであり、半導体チップボンダにおけるボンダヘッドを迅速かつ十分に冷却することのできる冷却装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、ボンダヘッドで保持した半導体チップを接合対象部に、ソルダバンプを挟んで押し付け、そのソルダバンプを加熱して溶融しかつ冷却して固化させることにより半導体チップを前記接合対象部に接合する半導体チップボンダの冷却装置において、外部から熱を奪う蒸発部と外部に放熱する凝縮部とが、蒸気管と液戻り管とによって循環管路を形成するように連通されかつその循環管路の内部に凝縮性流体が作動流体として封入されたループ型ヒートパイプを備え、前記蒸発部が加熱されて溶融した前記ソルダバンプから熱を奪うように配置され、前記凝縮部が前記蒸発部よりも高い位置でかつ外部に放熱するように配置され、前記凝縮部で放熱して液化した作動流体を前記蒸発部に還流させる前記液戻り管の途中に、前記ソルダバンプを加熱して溶融させる際には前記液戻り管を閉じかつ前記ソルダバンプを冷却して固化させる際には前記液戻り管を開く開閉弁が設けられていることを特徴とするものである。
【０００９】
また、請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記液戻り管のうち前記凝縮部と前記開閉弁との間に、前記循環路中の作動流体の全量を収納可能なリザーバが連通され、前記開閉弁が閉じられている場合には前記リザーバに前記作動流体が貯留され、かつ前記開閉弁が開くことにより前記リザーバから前記蒸発部に作動流体が流下するように構成されていることを特徴とする半導体チップボンダの冷却装置である。
【発明の効果】
【００１０】
この発明で対象とする半導体チップボンダは、ボンダヘッドによって半導体チップを保持し、その半導体チップと基板などの接合対象部との間にソルダバンプ（すなわちハンダ）を挟んでその半導体チップを接合対象部に押し付け、その状態でソルダバンプを加熱して溶融させ、ついでソルダバンプを冷却して固化させ、こうすることにより半導体チップを接合対象部に接合する。ソルダバンプを加熱して溶融させる際には開閉弁が閉じられていて、作動流体はリザーバに貯留されているなど、蒸発部には供給されないので、ソルダバンプから蒸発部に熱が伝わるとしても、蒸発部で作動流体の蒸発が生じず、ソルダバンプが積極的に冷却されることはない。したがってソルダバンプが迅速に加熱されて溶融する。
【００１１】
ソルダバンプの加熱が止められると、すなわちソルダバンプの冷却が開始されると、これと相前後して開閉弁が開かれ、液相の作動流体が蒸発部に向けて流下する。蒸発部はソルダバンプから熱が伝達されて温度が高くなっているので、蒸発部に流下した液相の作動流体は蒸発部で加熱されて蒸発する。すなわち、ソルダバンプの熱が作動流体によって奪われてソルダバンプが冷却される。作動流体蒸気は、蒸気管を通って凝縮部に到り、ここで外部に放熱して凝縮する。結局、ソルダバンプの熱は、主として作動流体の潜熱の形で蒸発部から凝縮部に輸送され、ここから経て外部に放散させられる。
【００１２】
その作動流体の潜熱は空気の単位量当たりの熱容量よりも大きい熱量であるから、ソルダバンプを迅速に冷却して固化させることができる。なお、作動流体が蒸発および凝縮を伴って循環することにより熱を輸送するループ型ヒートパイプは、蒸発部と凝縮部との間で温度差が生じることにより熱輸送を行うが、この発明では、ソルダバンプを加熱して溶融させる際には、開閉弁を閉じて熱輸送を生じさせないので、ソルダバンプを加熱するための熱がループ型ヒートパイプによって奪われることがない。すなわち、ループ型ヒートパイプを用いた構成であっても、ソルダバンプの加熱・溶融を迅速に行うことができる。結局、この発明によれば、半導体チップのボンディングサイクルタイムを短くし、ひいては電子部品あるいは電子機器の生産性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明に係る冷却装置で使用するループ型ヒートパイプの一例を模式的に示す図である。
【図２】その蒸発部の一例を示す図であって、（Ａ）は一部破断した側面図、（Ｂ）は斜視図である。
【図３】その蒸発部の他の例を示す図であって、（Ａ）は蒸気管および液戻り管を省略した斜視図、（Ｂ）は分解者視図である。
【図４】凝縮部をシェルチューブ型に構成したループ型ヒートパイプの例を示す模式図である。
【図５】半導体チップボンダにおけるボンダヘッドおよびステージの部分を模式的に示す図であって、（Ａ）は接合前の状態を示し、（Ｂ）は接合時の状態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図を参照してこの発明を具体的に説明する。先ず、この発明を適用することのできる半導体チップボンダの構成について簡単に説明すると、図５の（Ａ）および（Ｂ）はボンダヘッド１およびステージ２を示す模式的な部分図であって、ステージ２はその上面に基板３を水平に載置して位置決めするように構成されている。ボンダヘッド１はそのステージ２の上方で、Ｘ軸方向およびＹ軸方向ならびにＺ軸方向の三軸方向、すなわち水平方向および鉛直方向に移動させられるように構成されている。このボンダヘッド１は、いわゆる基体部分に相当する金属ブロック５を備えており、その金属ブロック５の下面側に、冷却部６および吸着部７が設けられている。
【００１５】
金属ブロック５は、例えばステンレス鋼によって形成された直方体状もしくは円柱状の部材である。金属ブロック５の下端面（ステージ２に対向する面）に冷却部６が取り付けられており、この冷却部６の下面に一体的に設けられている吸着部７は、半導体チップ８を真空吸着して保持するように構成されている。そして、ステージ２の上面に載置されて位置決めされた基板３上には、ソルダバンプ（以下、単にバンプと記す）９が配置され、半導体チップ８を保持しているボンダヘッド１がその上方に移動させられた後、図５の（Ｂ）に示すように基板３に向けて下降し、バンプ９を挟み付けた状態となるよう半導体チップ８を基板３に対して押し付ける。この状態でバンプ９が加熱されて溶融し、その後、バンプ９が冷却されて固化することにより、半導体チップ８を基板３に接合する。なお、バンプ９の加熱は、ボンダヘッド１に設けられているセラミックヒータ（図示せず）に通電して１００℃〜４００℃に５〜６秒、昇温することにより行われる。したがって、ここに示す具体例では、基板３がこの発明における接合対象部に相当している。また、冷却は冷却部６を動作させて行われる。
【００１６】
その冷却部６を含むこの発明に係る冷却装置の一例を図１に模式的に示してある。この発明に係る冷却装置は、ループ型ヒートパイプ１０を主体にして構成されており、蒸発部１１と凝縮部１２とが、蒸気管１３および液戻り管１４によって、全体して循環路を形成するように連通されている。そして、その循環路の内部に、空気などの非凝縮性ガスを脱気した状態で、水などの凝縮性の流体が作動流体として所定量封入されている。このループ型ヒートパイプ１０の原理的な構成は、従来知られているループ型ヒートパイプと同様であり、蒸発部１１に入熱があってその温度が高くなり、かつ凝縮部１２で放熱があってその温度が低くなると、蒸発部１１で作動流体が蒸発し、その蒸気が凝縮部１２に流動して凝縮部１２で放熱し、その結果、作動流体がその潜熱の形で蒸発部１１から凝縮部１２に熱を輸送する。
【００１７】
冷却部６に上記の蒸発部１１が配置されていて蒸発部１１がボンダヘッド１から熱を奪うように構成されている。すなわち、蒸発部１１は中空の平板状の部分であって、その上面が前述した金属ブロック５の下面に熱伝達可能に密着させられ、また蒸発部１１の下面に前述した吸着部７が取り付けられている。図２には矩形中空状のベーパーチャンバー１１Ａによって構成された蒸発部１１の例を示してあり、このベーパーチャンバー１１Ａの内部の底面には毛管作用によって液相作動流体を拡散させるウイック１１Ｂが配置されている。また、上面には前述した液戻り管１４が貫通した状態に接続され、また所定の側面には前述した蒸気管１３が貫通した状態に接続されている。
【００１８】
また、図３に蒸発部１１の他の例を示してある。ここに示す蒸発部１１は一対のヘッダー管１１Ｃ，１１Ｄを複数の蒸発管１１Ｅによって連通し、かつそれらの蒸発管１１Ｅを一対のブロック材１１Ｆによって挟み付けて構成されている。すなわち、一方のヘッダー管１１Ｃは蒸気用のヘッダーであって前述した蒸気管１３が接続されている。また、他方のヘッダー管１１Ｄは作動液用のヘッダーであって前述した液戻り管１４が接続されている。蒸発管１１Ｅはこれらヘッダー管１１Ｃ，１１Ｄより細いパイプであって、互いに平行に配置された各ヘッダー管１１Ｃ，１１Ｄの間に、複数本、互いに一定の間隔を空けて平行に配置され、かつそれぞれの端部がヘッダー管１１Ｃ，１１Ｄに連通されている。一対のブロック材１１Ｆは、ヘッダー管１１Ｃ，１１Ｄの外径とほぼ等しい厚さの金属製板材を厚さ方向の中央部で半割した形状の部材であり、それぞれの対向面には、断面形状が蒸発管１３の半径と等しい半径の半円弧状をなす溝が形成されている。ブロック材１１Ｆその溝に蒸発管１３を嵌め込んだ状態で蒸発管１３を挟み付け、蒸発管１３の外表面側を覆っている。そして、ブロック材１１Ｆの前記溝とは反対側の外面が平坦面になっており、その平坦面で前述した金属ブロック５の下端面に熱伝達可能に密着させられ、また前述した吸着部７が下側の平坦面に取り付けられている。
【００１９】
凝縮部１２は、蒸発部１１よりも高い位置に配置され、外部に放熱するように構成されている。その放熱は気中放熱や水中放熱のいずれであってもよく、図１には気中放熱を行うように構成した例を示してある。すなわち、蒸気管１３の上端部に連通させられた蒸気側ヘッダー管１２Ａが設けられており、その蒸気側ヘッダー管１２Ａから複数の分岐管１２Ｂが延び出ている。その蒸気側ヘッダー管１２Ａの下側に液側ヘッダー管１２Ｃが平行に配置され、その液側ヘッダー管１２Ｃに液戻り管１４の上端部が連通されている。この液側ヘッダー管１２Ｃから前記分岐管１２Ｂと同数の分岐管１２Ｄが、前記分岐管１２Ｂと平行になるように延び出ている。そして、上下方向で互いに平行になっている分岐管１２Ｂ，１２Ｄとの間に、これらの分岐管１２Ｂ，１２Ｄを連通するように、複数のフィン付き凝縮管１２Ｅが配置されている。したがって、蒸気側ヘッダー管１２Ａから分岐管１２Ｂを介して各フィン付き凝縮管１２Ｅに作動流体蒸気を供給し、そのフィン付き凝縮管１２Ｅで気中放熱を生じさせることにより作動流体を凝縮させ、作動液を分岐管１２Ｄおよび液側ヘッダー管１２Ｃから液戻り管１４に流すように構成されている。
【００２０】
シェルチューブ型の凝縮部１２の例を図４に模式的に示してある。その構成について説明すると、前述した蒸気管１３が連通された上側のヘッダー１２Ｆと、前述した液戻り管１４が連通された下側のヘッダー１２Ｇとの間に、複数のチューブ１２Ｈが各ヘッダー１２Ｆ，１２Ｇを連通するように配置されている。そして、これらのチューブ１２Ｈを液密状態に収容するようにシェル（外殻）１２Ｉが設けられ、そのシェル１２Ｉの内部に冷却水１２Ｊを供給し、温度の上昇した冷却水１２Ｊをシェル１２Ｉから排出させるように構成されている。
【００２１】
凝縮部１２から蒸発部１１に向けて液相の作動流体を還流させる液戻り管１４の途中に、リザーバ１５が連通されている。このリザーバ１５は液相の作動流体を貯留するためのものであって、その容積は、ループ型ヒートパイプ１０に封入されている作動流体の全量を貯留できる容量に設定されている。液戻り管１４のうちリザーバ１５が接続されている箇所よりも下側の部分に、液戻り管１４を開閉する開閉弁１６が設けられている。その開閉弁１６は一例として電磁弁によって構成することができ、液戻り管１４の内部に気密状態に収容されている弁体を液戻り管１４の外部に設けられた電磁コイルの磁力によって移動させることにより液戻り管１４を開閉するように構成されている。
【００２２】
つぎに上述したこの発明に係る冷却装置の作用について説明する。ボンダヘッド１は図５に示すように半導体チップ８を吸着して保持し、その半導体チップ８を図５の（Ｂ）に示すように、基板３との間にバンプ９を挟み付けた状態で基板３に対して押し付ける。この状態で図示しないセラミックヒータに通電してバンプ９を加熱し、溶融させる。この過程では、前述した開閉弁１６がいわゆる閉動作していて液戻り管１４が閉じられ、作動液はリザーバ１５に貯留されている。すなわち、蒸発部１１に作動流体が供給されていない（還流していない）ので、蒸発部１１はドライアウト状態になっている。そのため、バンプ９を加熱する熱が冷却部６を構成している前記蒸発部１１に伝達されるとしても、蒸発部１１で作動流体の蒸発が生じないので、ボンダヘッド１あるいはバンプ９が冷却されることはない。
【００２３】
バンプ９の加熱は、例えば１００℃〜４００℃で５〜６秒程度行われ、バンプ９が溶融する。セラミックヒータに対する通電が止められて加熱が停止されると、ほぼ同時に開閉弁１６が開かれ、蒸発部１１に対して液相の作動流体が供給される。バンプ９の冷却に要する時間は短く、また必要とする作動流体の量が少ない場合には、開閉弁１６を継続して開く替わりに、液相の作動流体を噴射（スプラッシュ）するように僅かな時間だけ開いてもよい。その液相の作動流体は前述した凝縮部１２で放熱して温度が低くなっているから、蒸発部１１で加熱されることにより、先ず、その顕熱の形で熱を奪ってボンダヘッド１もしくはバンプ９を冷却する。また、作動流体は更に加熱されて蒸発し、その潜熱の形で熱を奪ってボンダヘッド１もしくはバンプ９を冷却する。こうして生じた作動流体の蒸気は、外部に放熱して温度および圧力の低くなっている凝縮部１２に向けて蒸気管１３の内部を流動する。そして、凝縮部１２において外部に放熱して凝縮し、その液相の作動流体は液戻り管１４に流れ下る。すなわち、作動流体がその潜熱の形で蒸発部１１から凝縮部１２に熱を輸送し、その結果、ボンダヘッド１もしくはバンプ９はその熱が奪われて冷却される。その場合、作動流体の単位量当たりの潜熱は顕熱に比べて多く、ましてや空気の単位量当たりの顕熱より格段に多いから、ボンダヘッド１もしくはバンプ９を急速に冷却することができる。
【００２４】
バンプ９が上記のように冷却されて固化すると、開閉弁１６が閉じられて蒸発部１１に対する作動流体の還流が止められる。すなわち、ループ型ヒートパイプ１０の熱輸送動作が停止させられ、ボンダヘッド１もしくはバンプ９の冷却が停止する。これとほぼ同時に吸着部７による半導体チップ８の吸着が解かれ、ボンダヘッド１が半導体チップ８から離れる方向に移動する。このようにして半導体チップ８を基板３に接合する一連の工程に要する時間は、溶融したバンプ９を冷却して固化させることに要する時間が短くなる分、短縮することができ、そのため上記の半導体チップ８を組み込んだ電子製品の生産性を向上させることができる。また、バンプ９を加熱して溶融させることによりその近辺の空気の温度が高くなり、あるいは何らかのガスが生じたとしても、このような温度の高い空気やガスを周囲の作業環境に拡散させることがないので、作業環境の悪化を防止することができる。
【００２５】
なお、この発明は、バンプの加熱を行っている際には冷却を行わず、バンプの加熱溶融が終了してバンプを固化させる際に冷却を行うように構成されていればよいので、前述したリザーバを設ける替わりに、液戻り管や凝縮部に液相の作動流体を貯留するように構成されていてもよい。また、ボンダヘッドあるいはバンプの冷却は、半導体チップの一連の接合工程の中で実行されるから、開閉弁はボンダヘッドの動作もしくは制御に同期して開閉させることになり、したがってそのような同期を取るように開閉弁をタイマーで制御されるタイマーバルブによって構成してもよい。
【符号の説明】
【００２６】
１…ボンダヘッド、、  ３…基板、  ６…冷却部、  ７…吸着部、  ８…半導体チップ  ９…ソルダバンプ（バンプ）、  １０…ループ型ヒートパイプ、  １１…蒸発部、  １２…凝縮部、  １３…蒸気管、  １４…液戻り管、  １５…リザーバ、  １６…開閉弁。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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