(57)【要約】【課題】  電極間隔が小さい半導体素子でも電極端子とリードやパッドの位置ずれ不良を発生することなく実装でき、製造コストも低減できる実装工具とそれを用いた実装装置を提供する。【解決手段】  本体部上に半導体素子吸着面又は先端押圧面を有し、半導体素子の実装に使用される実装工具において、前記半導体素子吸着面又は先端押圧面のエッジに面取り加工が施され、面取り部に放射率が０．６以下の材料が被覆されたことを特徴とする実装工具、並びに前記面取り部の面粗さがＲａ１．６μｍ以下であることを特徴とする実装工具、及びそれを用いた実装装置。【選択図】  図１
2006041359.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
本体部上に半導体素子吸着面又は先端押圧面を有し、半導体素子の実装に使用される実装工具において、前記半導体素子吸着面又は先端押圧面のエッジに面取り加工が施され、面取り部に放射率が０．６以下の材料が被覆されたことを特徴とする実装工具。
【請求項２】
本体部上に半導体素子吸着面又は先端押圧面を有し、半導体素子の実装に使用される実装工具において、前記半導体素子吸着面又は先端押圧面のエッジに面取り加工が施され、面取り部の面粗さがＲａ１．６μｍ以下であることを特徴とする実装工具。
【請求項３】
前記面取り加工の面取り幅が片側０．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の実装工具。
【請求項４】
前記面取り加工において、面取り部の稜線と先端面で成す角度が２０度以上であることを特徴とする請求項３に記載の実装工具。
【請求項５】
本体部上に半導体素子吸着面又は先端押圧面を有し、半導体素子の実装に使用される実装工具において、前記半導体素子の吸着面部もしくは先端押圧面部外周の、前記本体部上面の少なくとも一部、または前記本体上面外周に形成された面取り部の少なくとも一部に、放射率が０．６以下の材料が被覆されたことを特徴とする実装工具。
【請求項６】
前記半導体素子吸着面部もしくは先端押圧面外周の、前記本体部上面の少なくとも一部、または前記本体上面外周に形成された面取り部の少なくとも一部の表面粗さがＲａ１．６μｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載の実装工具。
【請求項７】
前記被覆材料が窒化クロムであることを特徴とする請求項１又は５に記載の実装工具。
【請求項８】
前記被覆材料が、金、白金、チタン、モリブデン、窒化チタン及び窒化チタンアルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも１種類であることを特徴とする請求項１又は５に記載の実装工具。
【請求項９】
前記半導体素子吸着面又は先端押圧面が本体部から突出し、かつ、本体部からの突き出し高さが３ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の実装工具。
【請求項１０】
前記半導体素子吸着面または先端押圧面が、気相合成ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素焼結体、ダイヤモンド焼結体、超硬合金、炭化珪素焼結体、窒化アルミニウム焼結体及び窒化珪素焼結体からなる群から選ばれる少なくとも一種からなることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の実装工具。
【請求項１１】
前記半導体素子吸着面又は先端押圧面が熱伝導率が９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の立方晶窒化ホウ素の焼結体からなることを特徴とする請求項１０に記載の実装工具。
【請求項１２】
前記半導体素子吸着面又は先端押圧面が熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の立方晶窒化ホウ素の焼結体からなることを特徴とする請求項１０に記載の実装工具。
【請求項１３】
前記実装工具がボンディングステージ及び／又はボンディングツールであることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の実装工具。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載の実装工具を使用したことを特徴とする半導体実装装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＣなどの半導体素子を基板やフィルム等に実装する際に使用される実装工具及びそれを用いた実装装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の電極とパッケージ基板やフレキシブル回路基板の電極（リード線）とを接続する方法としては、ＴＡＢ（Tape Automated Bonding）方式と呼ばれるボンディング方式が広く普及している。また、最近では、半導体素子の裏面に２次元的な入出力の電極端子（バンプ、以下単に電極又は電極端子ともいう）を配し、このバンプを直接基板側の電極に接合させる実装方式すなわちフリップチップ実装の普及が増大している。
図４は、従来のフリップチップ方式の実装工具及びこれを用いた装置を模式的に示した説明図である。１０１及び２０１で示したのが実装工具であり、本体部１０２、２０２上に先端押圧面１０３もしくは半導体吸着面２０３を有し、本体部１０２、２０２を加熱して使用する。通常、１０１をボンディングツール、２０１をボンディングステージという。ボンディングツール１０１とボンディングステージ２０１との間にリード線３０３と半導体素子３０１とを配置する。半導体素子３０１は、その裏面にリード線３０３と接続するための電極３０２が形成されている。一方リード線３０３は、キャリアテープ３０４の上面に一体化されている。
【０００３】
ボンディングを行う際、キャリアテープ３０４に形成されたリード線３０３を半導体素子３０１の電極３０２上に位置合わせし、ボンディングツール１０１の本体部１０２及びボンディングステージ２０１の本体部２０２を所定温度に加熱しておく。その状態でボンディングツール１０１をボンディングステージ２０１に押圧する。これにより、半導体素子３０１の電極３０２とリード線３０３を直接接続する。
【０００４】
このとき、半導体素子上で電極とリード線は図５（ａ）に示すように接続されなければならないが、従来の実装工具では、半導体素子を加熱圧着で実装する際、実装工具からの熱影響により回路基板が熱変形し、図５（ｂ）に示すように半導体素子３０１の裏面の電極３０２とリード線３０３の位置がずれることがあった。これに対しては、キャリアテープとリードを予め所定温度まで加熱しておいて実装工具間に送る方法（特許文献１）、冷却ノズルや冷却媒体を使って実装工具の周辺部は冷却する方法（特許文献２，３）が提案されている。しかし、これらの方法では、装置側に冷却機構や予備加熱機構を設ける必要があり、改造コストが発生し経済的ではなかった。
【０００５】
また、半導体素子の多機能高集積化が進む中で一つの半導体素子から引き出されるリード線の数が増加している。その反面、コスト面や高密度実装面で半導体素子をできるだけ小さくする取り組みが行われており、必然的に半導体素子の裏面に配置されたバンプやキャリアテープ上に形成されたリード線の間隔は小さくなってきている。また、間隔が小さくするためリード線やパットの幅やバンプサイズが小さくなってきており、少しの位置ずれで接続不良が発生するようになってきた。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−７７４６１
【特許文献２】特開平１０−３２６８０８
【特許文献３】特開平６−８５００６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明の目的は上記の問題を解決し、電極間隔が小さい半導体素子でも電極端子とリードやパッドの位置ずれ不良を発生させることなく実装でき、製造コストも低減できる実装工具とそれを用いた実装装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは上記課題に鑑み鋭意研究した結果、実装工具の形状等を工夫して半導体からはみ出す領域での熱影響を小さくすることができることを見出し、この知見に基づき本発明をなすに到った。
すなわち本発明は以下の構成を有する。
（１）本体部上に半導体素子吸着面又は先端押圧面を有し、半導体素子の実装に使用される実装工具において、前記半導体素子吸着面又は先端押圧面のエッジに面取り加工が施され、面取り部に放射率が０．６以下の材料が被覆されたことを特徴とする実装工具。
（２）本体部上に半導体素子吸着面又は先端押圧面を有し、半導体素子の実装に使用される実装工具において、前記半導体素子吸着面又は先端押圧面のエッジに面取り加工が施され、面取り部の面粗さがＲａ１．６μｍ以下であることを特徴とする実装工具。
（３）前記面取り加工の面取り幅が片側０．５ｍｍ以下であることを特徴とする（１）又は（２）に記載の実装工具。
（４）前記面取り加工において、面取り部の稜線と先端面で成す角度が２０度以上であることを特徴とする（３）に記載の実装工具。
（５）本体部上に半導体素子吸着面又は先端押圧面を有し、半導体素子の実装に使用される実装工具において、前記半導体素子の吸着面部もしくは先端押圧面部外周の、前記本体部上面の少なくとも一部、または前記本体上面外周に形成された面取り部の少なくとも一部に、放射率が０．６以下の材料が被覆されたことを特徴とする実装工具。
（６）前記半導体素子吸着面部もしくは先端押圧面外周の、前記本体部上面の少なくとも一部、または前記本体上面外周に形成された面取り部の少なくとも一部の表面粗さがＲａ１．６μｍ以下であることを特徴とする（５）に記載の実装工具。
（７）前記被覆材料が窒化クロムであることを特徴とする（１）又は（５）に記載の実装工具。
（８）前記被覆材料が、金、白金、チタン、モリブデン、窒化チタン及び窒化チタンアルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも１種類であることを特徴とする（１）又は（５）に記載の実装工具。
（９）前記半導体素子吸着面又は先端押圧面が本体部から突出し、かつ、本体部からの突き出し高さが３ｍｍ以上であることを特徴とする（１）〜（８）のいずれか一項に記載の実装工具。
（１０）前記半導体素子吸着面または先端押圧面が、気相合成ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素焼結体、ダイヤモンド焼結体、超硬合金、炭化珪素焼結体、窒化アルミニウム焼結体及び窒化珪素焼結体からなる群から選ばれる少なくとも一種からなることを特徴とする（１）〜（９）のいずれか一項に記載の実装工具。
（１１）前記半導体素子吸着面又は先端押圧面が熱伝導率が９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の立方晶窒化ホウ素の焼結体からなることを特徴とする（１０）に記載の実装工具。
（１２）前記半導体素子吸着面又は先端押圧面が熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の立方晶窒化ホウ素の焼結体からなることを特徴とする（１０）に記載の実装工具。
（１３）前記実装工具がボンディングステージ及び／又はボンディングツールであることを特徴とする（１）〜（１２）のいずれか一項に記載の実装工具。
（１４）（１）〜（１３）のいずれか一項に記載の実装工具を使用したことを特徴とする半導体実装装置。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、半導体素子内部が優先的に加熱され、その外周部の熱変形が抑制されているため、電極間隔の小さい半導体素子の実装でも電極とリード等との位置ずれなく半導体素子の基板への実装を行うことができ、予備加熱や冷却を要しないので製造コストも低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の実装工具は、半導体吸着面又は先端押圧面が半導体素子と相似形状で半導体素子の外形寸法以下であることが好ましく、面積で８０〜１００％の大きさであることがさらに好ましく、同形状且つ同寸法であることが特に好ましい。このような構成によれば、半導体素子の電極接合において、半導体素子よりも大きくはみ出した部分に、半導体素子吸着面又は先端押圧面がないことにより、基板やキャリアテープに到達する放射熱が減少し、温度上昇が抑制されるため、基板に形成されたリードの熱変形が抑えられる。
図１はボンディングツール１及びボンディングステージ１１として本発明の実装工具を用いた一実施態様を模式的に示した説明図である。２、１２は本体部であり、３は先端押圧面、１３は半導体吸着面、４、１４は面取り部、２１は半導体素子、２２は電極、２３はキャリアテープ２４上にセットされたリード線を示す。図１の例では先端面３及び１３を半導体素子２１と同形状かつ同寸法とした。
【００１１】
本発明の実装工具において、半導体素子吸着面又は先端押圧面のエッジに面取り加工が施されており、その面取り幅は片側０．５ｍｍ以下であることが好ましい。面取り部があることによって、特に幅の小さい半導体素子を実装する場合、実装工具の先端部分の幅が小さくなりすぎて実装工具の熱容量が低下し実装温度が不安定になることが防止されるが、該面取り幅が大きすぎると面取り部からの輻射熱により周辺部への熱影響が大きくなる。半導体素子の幅がある程度大きく、実装工具先端部の熱容量が問題にならない程度に大きい場合は、面取り幅が小さいことにより面取り幅からの放射熱量が低減されることから、面取り幅は片面０．２ｍｍ以下であれば更に好ましい。
図２に本発明の実装工具の先端部の一部拡大断面図を示した。４が面取り部であり、ａが面取り幅、ｂが面取り角度を示す。
面取り角度ｂは大きいほうが好ましい。面取り角度を大きくすることによって、例えば先端押圧面３（又は半導体吸着面）が半導体素子と同形状、同寸法のときに、先端押圧面（又は半導体吸着面）の外周部の半導体素子サイズよりも大きい部分と基板との距離が遠くなることによって、この部分からの放射熱が減少し、基板の熱変形も小さくなる。面取り角度としては、２０度以上が好ましく、４５度以上の角度で更に好ましい。６０度以上であれば特に好ましい。
【００１２】
また、半導体素子吸着面又は先端押圧面の外周よりも本体部の外周が大きいときは、図３に示すように、半導体素子吸着面又は先端押圧面の外周から本体部の外周にかけて面取り加工を施し、半導体素子吸着面又は先端押圧面の中心から離れるにしたがって発熱源となる本体部がリード線が形成された基板から遠ざけられる、本体部が斜めに切り落とされた形状が好ましい。
【００１３】
半導体素子の電極端子とリードは、加熱された実装工具が接触し伝熱により温度上昇し金属間化合物を形成したり、圧接等により接合したりされる。回路基板はこの伝熱以外に実装工具周辺からの熱放射でも加熱される。熱放射については、一般に、ステファン・ボルツマンの法則と呼ばれる次の関係式が良く知られている。
Ｅ＝εσＴ４     （式１）
Ｅ：熱放射エネルギー  Ｗ／ｍ２
ε：放射率
σ：ステファン・ボルツマン定数
（σ＝５．６７＊１０−８Ｗ／（ｍ２・Ｋ４））
この式１は、熱放射エネルギーは絶対温度の４乗に比例することを示している。従って、放射熱を低減させるためには、比例定数のうちの放射率を小さくすれば良いことがわかる。
【００１４】
本発明の実装工具は、半導体吸着面もしくは先端押圧面部外周の、前記本体部上面の少なくとも一部、または前記本体上面外周に形成された面取り部の少なくとも一部に、放射率が０．６以下の材料を被覆してなることが好ましい。これにより、基板に供給する放射熱が減少する効果がある。
さらに、半導体吸着面又は先端押圧面のエッジの面取り部についても、少なくともその一部に放射率０．６以下の材料を被覆することが好ましい。これにより当該部分の放射率を低減させることができ、基板に供給される放射熱を減少させる効果がある。
図３にこのような被覆を施した実装工具の先端の拡大断面図を示した。５は被覆層である。
【００１５】
また、実装工具が加熱により変色した場合、放射率が高くなるため、加熱されても変色しにくい材料で被覆することが望ましい。窒化クロムは、実装温度としては高い温度域である５５０℃程度の温度でも変色しないので放射率が高くならず、効果が高い。また、金、白金、チタン、モリブデン、窒化チタン及び窒化チタンアルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも１種類であっても良い。
【００１６】
また、放射率は面粗さが小さい程、小さくなる傾向にある。よって半導体吸着面もしくは先端押圧面部外周の、前記本体部上面の少なくとも一部、または前記本体上面外周に形成された面取り部の少なくとも一部の面粗さをＲａ１．６μｍ以下にすることが好ましい。これにより、この部分の放射率を低減させることができる。
【００１７】
さらに、半導体吸着面又は先端押圧面のエッジの面取り部についても、少なくとも一部の面粗さを小さく（Ｒａ１．６μｍ以下が好ましい）することで、放射熱が減少する効果がある。
【００１８】
また、放射熱は距離の２乗に反比例することも良く知られている。よって熱源からの距離を大きくすることによっても放射熱を小さくできる。
本発明の実装工具においては、半導体素子吸着面又は先端押圧面を本体部より３ｍｍ以上突き出させるのが好ましい。このようにすることで、半導体素子吸着面又は先端押圧面の外周部の本体部と、リードが形成された基板との距離が離れるため、放射熱が減少する。
【００１９】
以上のように実装工具の半導体素子吸着面もしくは先端押圧面及び／又は本体部の形状や被覆、面粗さ等を調整することにより、図４に示す従来の実装工具を用いた場合に比べ、基板周辺への加熱が抑えられ、本体部からの放射熱も低減されるという効果を奏する。
【００２０】
繰り返し長期間実装するためには、実装工具の半導体吸着面または先端押圧面は耐摩耗性が高い材料がより望ましい。耐摩耗性の高い材料として、気相合成ダイヤモンド、焼結ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素の焼結体などが挙げられる。
前記半導体素子吸着面又は先端押圧面は、熱伝導率が９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の立方晶窒化ホウ素の焼結体からなることが好ましく、２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の立方晶窒化硼素の焼結体からなることがさらに好ましい。気相合成ダイヤモンドは熱伝導率が１０００Ｗ／ｍ・Ｋ以上あるので、半導体吸着面又は先端押圧面を構成する材料としては特に好ましい。このような立方晶窒化ホウ素の焼結体や気相合成ダイヤモンドを用いることにより半導体吸着面又は先端押圧面の温度分布が小さくなり、複数の電極が安定して接合される。また、これらの物質は耐摩耗性が高いので、工具の寿命が長くなり、工具の交換頻度を下げることができる。
【００２１】
本発明の実装装置は、上記の実装工具を用いたものであればいかなるものであってもよく、図１に示したようにボンディングツールとボンディングステージの両方に本発明の実装工具を用いてもよいし、どちらか一方にのみ本発明の実装工具を用いてもよい。
なお、本発明の実装工具及び実装装置は、半導体素子の基板への実装に用いることができるほか、半導体素子に代えて電子部品の実装などにも使用することができる。
【００２２】
以下に実施例に基づき本発明についてさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００２３】
半導体素子吸着面１３が半導体素子よりも大きいことを除いては図１に示したと同様の実装装置を用いて半導体素子の実装を行った。
具体的には、縦２．１ｍｍ、横１８．９ｍｍ、厚さ５ｍｍの立方晶窒化ホウ素の焼結体（熱伝導率１００Ｗ／ｍ・Ｋ）及び縦５ｍｍ、横２４ｍｍ、厚さ５ｍｍの立方晶窒化ホウ素の焼結体をそれぞれ図１の本体部２、１２に活性銀ロウでロウ付けした。
図１の先端押圧面３のエッジの面取り部４及び本体部２には、図３に５で示すように窒化クロム（放射率０．３）を被覆し、図１の本体部１２には何も被覆をしなかった。（先端押圧面３は本体部２から５ｍｍ突出。本体部２上面の３の外周部の面粗さＲａ０．５μｍ。３のエッジの面取り幅は片側０．１ｍｍ、面取り部４の面粗さＲａ０．９μｍ。）
【００２４】
縦２．１ｍｍ、横１８．９ｍｍの半導体素子２１とフレキシブル回路フィルム２３、２４を準備し、ボンディングステージ１１及びボンディングツール１をそれぞれ４００℃、１００℃に加熱し、半導体素子２１を吸引吸着し、リード線２３に位置合わせし、荷重を掛け金属接合を実施した。窒化クロムの被覆がされ、本体部２が斜めに加工され、且つ半導体素子２１と同サイズの先端押圧面３の実装工具を使用したものは、すべてが図５（ａ）に示す良好な状態に実装され、熱変形による位置ずれが１０００個中ゼロ個であった。
【００２５】
一方、比較として、図４に示す実装装置において、前記半導体素子サイズより縦、横とも３ｍｍ大きい縦５．１ｍｍ、横２１．９ｍｍの立方晶窒化ホウ素の焼結体（熱伝導率１００Ｗ／ｍ・Ｋ）を図４の本体部１０２に、また、縦７ｍｍ、横２４ｍｍ、厚さ５ｍｍの立方晶窒化ホウ素の焼結体を同じく図４の本体部２０２に活性銀ロウでロウ付けした。この場合、本体部１０２及び２０２には窒化クロムの被覆はなく、本体部１０２、２０２上面を押圧面と平行とした。また、１０３及び２０３は本体部１０２及び２０２から２ｍｍ突出させ、本体部１０２及び２０２の上面と１０３及び２０３のエッジの面取り部の面粗さはＲａ２．０μｍとした。さらに、１０３及び２０３のエッジの面取り幅は片側１．０ｍｍとした。この実装工具を使用して実装を行ったところ、図５（ｂ）に示すような熱変形による位置ずれが、１０００個中１２個発生した。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実装工具及びこれを用いた実装装置の一例を模式的に示す説明図である。
【図２】本発明の実装工具の一例の先端部分の一部拡大断面図である。
【図３】本発明の実装工具の他の一例の先端部分の一部拡大断面図である。
【図４】従来の実装工具及びこれを用いた実装装置を模式的に示す説明図である。
【図５】（ａ）はリードが半導体素子に良好に実装された状態、（ｂ）は位置ずれが生じた状態を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２７】
１、１０１  実装工具（ボンディングツール）
２、１２    本体部
３          先端押圧面
４、１４    面取り部
５          被覆層
１１、２０１  実装工具（ボンディングステージ）
１３          半導体素子吸着面
２１、３０１  半導体素子
２２、３０２  半導体素子電極端子（バンプ）
２３、３０３  リード
２４、３０４  キャリアテープ
【図１】
2006041359.tif 000003
【図２】
2006041359.tif 000004
【図３】
2006041359.tif 000005
【図４】
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【図５】
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