(57)【要約】【課題】半導体ダイの電極と回路基板の電極との接合を行うボンディング装置において、接合荷重を低減すると共に簡便な方法で効率的に各電極の接合を行う。【解決手段】金属ナノペーストを用いて半導体ダイ１２の電極と回路基板１９の電極とを接合するボンディング装置１０において、金属ナノペーストの微液滴を電極上に射出してバンプを形成するバンプ形成機構２０と、半導体ダイ１２のバンプを回路基板１９のバンプに押し付けて各電極を非導通状態で１次接合する１次接合機構５０と、１次接合された各バンプを接合方向に向かって加圧及び加熱して各バンプの金属ナノ粒子を加圧焼結させて各電極が導通するよう２次接合する２次接合機構８０とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
分散剤によって表面コーティングされた金属ナノ粒子がペースト状のバインダー中に含まれている金属ナノペーストを用いて半導体ダイの電極と基板の電極とを接合するボンディング装置であって、
金属ナノペーストの微液滴を射出していずれか一方の電極上に形成したバンプを他方の電極に押し付けて各電極を非導通状態で１次接合する１次接合機構と、
１次接合されたバンプを接合方向に向かって加圧すると共にバンプを金属ナノペーストのバインダー除去温度及び金属ナノペーストの分散剤除去温度よりも高い温度まで加熱してバインダー及び分散剤を除去し、バンプの金属ナノ粒子を加圧焼結させて各電極が導通するよう２次接合する２次接合機構と、
を有することを特徴とするボンディング装置。
【請求項２】
分散剤によって表面コーティングされた金属ナノ粒子がペースト状のバインダー中に含まれている金属ナノペーストを用いて半導体ダイの電極と基板の電極とを接合するボンディング装置であって、
金属ナノペーストの微液滴を射出して各電極上に形成したバンプを相互に押し付けて各電極を非導通状態で１次接合する１次接合機構と、
１次接合された各バンプを接合方向に向かって加圧すると共に各バンプを金属ナノペーストのバインダー除去温度及び金属ナノペーストの分散剤除去温度よりも高い温度まで加熱してバインダー及び分散剤を除去し、各バンプの金属ナノ粒子を加圧焼結させて各電極が導通するよう２次接合する２次接合機構と、
を有することを特徴とするボンディング装置。
【請求項３】
分散剤によって表面コーティングされた金属ナノ粒子がペースト状のバインダー中に含まれている金属ナノペーストを用いて半導体ダイを３次元実装するボンディング装置であって、
金属ナノペーストの微液滴を射出して半導体ダイの電極上に形成されたバンプを金属ナノペーストの微液滴を射出して他の半導体ダイの電極上に形成されたバンプに押し付けて各電極を非導通状態で１次接合する１次接合機構と、
１次接合された各バンプを接合方向に向かって加圧すると共に各バンプを金属ナノペーストのバインダー除去温度及び金属ナノペーストの分散剤除去温度よりも高い温度まで加熱してバインダー及び分散剤を除去し、各バンプの金属ナノ粒子を加圧焼結させて各電極が導通するよう２次接合する２次接合機構と、
を有することを特徴とするボンディング装置。
【請求項４】
分散剤によって表面コーティングされた金属ナノ粒子がペースト状のバインダー中に含まれている金属ナノペーストを用いて半導体ダイの電極と基板の電極とを接合するボンディング装置であって、
金属ナノペーストの微液滴を射出していずれか一方の電極上に形成したバンプを他方の電極上に形成した金属突起に押し付けて各電極を非導通状態で１次接合する１次接合機構と、
１次接合されたバンプを接合方向に向かって加圧すると共にバンプを金属ナノペーストのバインダー除去温度及び金属ナノペーストの分散剤除去温度よりも高い温度まで加熱してバインダー及び分散剤を除去し、バンプの金属ナノ粒子を加圧焼結させて各電極が導通するよう２次接合する２次接合機構と、
を有することを特徴とするボンディング装置。
【請求項５】
請求項１から３のいずれか１項に記載のボンディング装置であって、
金属ナノペーストの微液滴を電極上に射出して電極上にバンプを形成するバンプ形成機構を有すること、
を特徴とするボンディング装置。
【請求項６】
請求項４に記載のボンディング装置であって、
金属ナノペーストの微液滴を電極上に射出して電極上にバンプを形成するバンプ形成機構と、
電極上に金属突起を形成する金属突起形成機構と、
を有することを特徴とするボンディング装置。
【請求項７】
請求項５又は６に記載のボンディング装置であって、
バンプ形成機構は、金属ナノペーストの微液滴をノズルから射出する射出へッドと、
射出へッドをＸＹ方向に駆動するＸＹ駆動機と、
を有することを特徴とするボンディング装置。
【請求項８】
請求項７に記載のボンディング装置であって、
バンプ形成機構は、複数の射出へッドを有すること、
を特徴とするボンディング装置。
【請求項９】
請求項７又は８に記載のボンディング装置であって、
バンプ形成機構は、金属ナノペーストの微液滴の射出と射出へッドの位置を制御するバンプ形成制御部を備え、
バンプ形成制御部は、互いに接合される一方のバンプの先端を凹形状に形成し、他方のバンプの先端を該凹形状に係合する凸形状に形成するバンプ先端形状形成手段を有すること、
を特徴とするボンディング装置。
【請求項１０】
請求項５から９のいずれか１項に記載のボンディング装置であって、
複数のバンプ形成機構を有すること、
を特徴とするボンディング装置。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか１項に記載のボンディング装置であって、
１次接合機構は、
室温より高く金属ナノペーストのバインダー除去温度よりも低い所定の温度まで各バンプを加熱する加熱手段を有すること、
を特徴とするボンディング装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載のボンディング装置であって、
加熱手段は、
ボンディングツールに保持された半導体ダイの電極上に形成されたバンプを基板の電極又は他の半導体ダイの電極あるいは基板の電極上又は他の半導体ダイの電極上に形成された金属突起に押し付ける際にボンディングツールを振動させ、バンプの接触面に発生する摩擦熱によってバンプの温度を上昇させる超音波振動子であること、
を特徴とするボンディング装置。
【請求項１３】
請求項１１に記載のボンディング装置であって、
加熱手段は、
ボンディングツールに保持された半導体ダイの電極または半導体ダイの電極上に形成された金属突起を基板の電極上又は他の半導体ダイの電極上に形成されたバンプに押し付ける際にボンディングツールを振動させ、バンプの接触面に発生する摩擦熱によってバンプの温度を上昇させる超音波振動子であること、
を特徴とするボンディング装置。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれか１項に記載のボンディング装置であって、
２次接合機構は、
１次接合されたバンプを接合方向に向かって加圧する加圧器と、
加圧された状態で１次接合されたバンプを加熱する加熱器と、
を有することを特徴とするボンディング装置。
【請求項１５】
請求項１から１３のいずれか１項に記載のボンディング装置であって、
２次接合機構は、
１次接合されたバンプを接合方向に向かって加圧する加圧器を内部に含む加熱炉であること、
を特徴とするボンディング装置。
【請求項１６】
請求項１４又は１５に記載のボンディング装置であって、
加圧器は、対向して配置され、半導体ダイ又は基板を保持する保持板と、少なくとも一方の保持板を接合方向に向かって進退駆動する保持板駆動部と、保持板駆動部の進退動作を制御する加圧制御部を含み、
加圧制御部は、
時間に応じて保持板駆動部によって保持板を進退駆動し、バンプに加わる加圧力を変化させる加圧力変更手段を有すること、
を特徴とするボンディング装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載のボンディング装置であって、
加圧力変更手段は、所定時間経過後にバンプに加わる加圧力をマイナスとして、加圧焼結されたバンプを接合方向に引張し、バンプの接合方向中央にくびれを形成するくびれ形成手段を含むこと、
を特徴とするボンディング装置。
【請求項１８】
請求項１から１７のいずれか１項に記載のボンディング装置であって、
複数の２次接合機構を有すること、
を特徴とするボンディング装置。
【請求項１９】
請求項１から１８のいずれか１項に記載のボンディング装置であって、
バンプを介して接合される半導体ダイと基板又は半導体ダイとの間の隙間に入ってその接合を補強するアンダーフィル剤を半導体ダイ又は基板の接合側の面に塗布するアンダーフィル剤塗布機構を有すること、
を特徴とするボンディング装置。
【請求項２０】
分散剤によって表面コーティングされた金属ナノ粒子がペースト状のバインダー中に含まれている金属ナノペーストを用いて半導体ダイの電極と基板の電極とを接合するボンディング方法であって、
金属ナノペーストの微液滴を射出していずれか一方の電極上に形成したバンプを他方の電極に押し付けて各電極を非導通状態で１次接合する１次接合工程と、
１次接合されたバンプを接合方向に向かって加圧すると共にバンプを金属ナノペーストのバインダー除去温度及び金属ナノペーストの分散剤除去温度よりも高い温度まで加熱してバインダー及び分散剤を除去し、バンプの金属ナノ粒子を加圧焼結させて各電極が導通するよう２次接合する２次接合工程と、
を有することを特徴とするボンディング方法。
【請求項２１】
分散剤によって表面コーティングされた金属ナノ粒子がペースト状のバインダー中に含まれている金属ナノペーストを用いて半導体ダイの電極と基板の電極とを接合するボンディング方法であって、
金属ナノペーストの微液滴を射出して各電極上に形成したバンプを相互に押し付けて各電極を非導通状態で１次接合する１次接合工程と、
１次接合された各バンプを接合方向に向かって加圧すると共に各バンプを金属ナノペーストのバインダー除去温度及び金属ナノペーストの分散剤除去温度よりも高い温度まで加熱してバインダー及び分散剤を除去し、各バンプの金属ナノ粒子を加圧焼結させて各電極が導通するよう２次接合する２次接合工程と、
を有することを特徴とするボンディング方法。
【請求項２２】
分散剤によって表面コーティングされた金属ナノ粒子がペースト状のバインダー中に含まれている金属ナノペーストを用いて半導体ダイを３次元実装するボンディング方法であって、
金属ナノペーストの微液滴を射出して半導体ダイの電極上に形成されたバンプを金属ナノペーストの微液滴を射出して他の半導体ダイの電極上に形成されたバンプに押し付けて各電極を非導通状態で１次接合する１次接合工程と、
１次接合された各バンプを接合方向に向かって加圧すると共に各バンプを金属ナノペーストのバインダー除去温度及び金属ナノペーストの分散剤除去温度よりも高い温度まで加熱してバインダー及び分散剤を除去し、各バンプの金属ナノ粒子を加圧焼結させて各電極が導通するよう２次接合する２次接合工程と、
を有することを特徴とするボンディング方法。
【請求項２３】
分散剤によって表面コーティングされた金属ナノ粒子がペースト状のバインダー中に含まれている金属ナノペーストを用いて半導体ダイの電極と基板の電極とを接合するボンディング方法であって、
金属ナノペーストの微液滴を射出していずれか一方の電極上に形成したバンプを他方の電極上に形成した金属突起に押し付けて各電極を非導通状態で１次接合する１次接合工程と、
１次接合されたバンプを接合方向に向かって加圧すると共にバンプを金属ナノペーストのバインダー除去温度及び金属ナノペーストの分散剤除去温度よりも高い温度まで加熱してバインダー及び分散剤を除去し、バンプの金属ナノ粒子を加圧焼結させて各電極が導通するよう２次接合する２次接合工程と、
を有することを特徴とするボンディング方法。
【請求項２４】
請求項２０から２２のいずれか１項に記載のボンディング方法であって、
金属ナノペーストの微液滴を電極上に射出して電極上にバンプを形成するバンプ形成工程を有すること、
を特徴とするボンディング方法。
【請求項２５】
請求項２３に記載のボンディング方法であって、
金属ナノペーストの微液滴を電極上に射出して電極上にバンプを形成するバンプ形成工程と、
電極上に金属突起を形成する金属突起形成工程と、
を有することを特徴とするボンディング方法。
【請求項２６】
請求項２１または２２に記載のボンディング方法であって、
金属ナノペーストの微液滴を電極上に射出して電極上にバンプを形成するバンプ形成工程を有し、
バンプ形成工程は、
互いに接合される一方のバンプの先端を凹形状に形成し、他方のバンプの先端を該凹形状に係合する凸形状に形成すること、
を特徴とするボンディング方法。
【請求項２７】
請求項２０から２６のいずれか１項に記載のボンディング方法であって、
１次接合工程は、
室温より高く金属ナノペーストのバインダー除去温度よりも低い所定の温度までバンプを加熱すること、
を特徴とするボンディング方法。
【請求項２８】
請求項２０から２７のいずれか１項に記載のボンディング方法であって、
２次接合工程は、
加圧力を時間に応じて変化させること、
を特徴とするボンディング方法。
【請求項２９】
請求項２０から２８のいずれか１項に記載のボンディング方法であって、
バンプを介して接合される半導体ダイと基板又は半導体ダイとの間の隙間に入ってその接合を補強するアンダーフィル剤を半導体ダイ又は基板の接合側の面に塗布するアンダーフィル剤塗布工程を有すること、
を特徴とするボンディング方法。
【請求項３０】
請求項２０から２９のいずれか１項に記載のボンディング方法であって、
表面に集積回路が形成された半導体ウェハの裏面に粘着テープを貼り付けた後、半導体ダイをダイシングして複数の半導体ダイに分割するダイシング工程を有すること、
を特徴とするボンディング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属ナノペーストを用いて電極を接合するボンディング装置及び方法に関する。
【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）。また、半導体ダイなどの電子部品の電極面上に形成した金バンプの表面に導電性接合剤を塗布し、半導体ダイを反転させて金バンプを回路基板の電極に向けて押し付けた後に、接合部位を加熱して半導体ダイの電極を回路基板の回路パターンの電極に接合するフリップチップボンディング方法が用いられている（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
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ペーストを用いる色々な方法が提案されている。
【０００４】
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。この方法の場合、焼成温度を２００から２５０℃とした際には熱風炉にて３０分間の焼成を行うことによって電気的接合を実現することができると記載されている。
【０００５】
特許文献３には、基板の電極の表面に平均粒径が３０ｎｍ以下の金属ナノ粒子と分散剤を含んだ金属ナノ粒子ペーストを印刷した後、金属ナノペーストを加熱養生して基板の電極の表面に金属ナノ粒子が焼結した金属ナノ粒子膜を形成し、この金属ナノ粒子膜に半導体ダイの電極に形成したバンプを超音波ボンディングして金属接合する方法が記載されている。この接合方法では、基板電極に塗布された金属ナノ粒子ペーストを加熱装置によって２５０℃に加熱し、６０分間保持する加熱養生によって金属ナノ粒子が互いに融着して電極上に金属ナノ粒子膜が形成されることが記載されている。
【０００６】
特許文献４には、平均直径が１００ｎｍ以下の金属からなる超微粒子を有機系の溶媒中に分散させてなる金属ナノペーストを用いて半導体素子の金属層と金属基板とを接合する方法が開示されている。この接合方法は、半導体素子の金属層と金属基板と金属ナノペーストに含まれる金属が、金、銀、白金、銅、ニッケル、クロム、鉄、鉛、コバルトのうちのいずれかの金属、またはこれらの金属のうちの少なくとも一種を含む合金、またはこれら金属もしくは合金の混合物からなり、加熱、加圧、あるいはそれらの組合せにより前記溶媒を揮発させることによって、前記超微粒子が凝集することで形成される接合層を介在させて、半導体素子の金属層と金属基板とを接合する方法である。特許文献４には、金属ナノペーストに銀ナノペーストを用いて銅の金属基板上に半導体素子の銀の金属層を接合する場合、半導体素子と金属基板とを数百ｋＰａから数ＭＰａ程度の面圧となるように加圧し、３００℃程度の加熱を行うことによって、半導体素子の銀の金属層と銅の金属基板の接合を行うことができることが記載されている。
【０００７】
また、特許文献２には、導電性接合剤を用いるフリップチップボンディング方法について、半導体ダイの電極上に形成される金バンプの高さは、ばらつき範囲が５μｍ以内となるようにレベリングされており、この半導体ダイを反転させた際の導電性接合剤との距離を正確に制御することによって、金バンプ先端に適量の導電性接合剤を転写することができ、ブリッジや接合不良等の欠陥を防止することができると記載されている。
【０００８】
【特許文献１】特開平９−３２６４１６号公報
【特許文献２】特開平１０−１５００７５号公報
【特許文献３】特開２００６−５４２１２号公報
【特許文献４】特開２００６−２０２９３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１，４に記載された従来技術では、金属ナノペーストを用いて半導体素子の電極等を接合する場合には、接合面を加圧すると共に、２００から３００℃程度の温度に３０分から６０分保持することが必要である。しかし、半導体ダイの回路基板へのボンディングでは大量の半導体ダイの接合を短時間で処理することが必要であることから、接合工程の途中においてこのような長時間の保持をすることは、製造効率を著しく低下させてしまう。
【００１０】
特許文献３に記載された基板電極上に金属ナノ粒子膜を形成してその上に半導体ダイの電極に形成されたバンプを超音波ボンディングにより金属接合する方法は、金属同士を超音波ボンディングによって接合することから、接合の際に半導体ダイや回路基板に加わる力が大きくなる。一方、近年の半導体装置の薄型化要求によって、半導体ダイや回路基板の厚さが非常に薄くなり、ボンディングの際の接合荷重による損傷を引き起こす可能性があり、接合荷重の低減が要求されている。
【００１１】
特許文献２に記載された従来技術では、半導体ダイの電極と回路基板の電極とを接合する導電性接合剤を塗布する装置、工程が必要となることに加え、各電極を良好に接合するためには、半導体ダイの電極上に形成される金バンプの高さのばらつきを抑えると共に、微小な金バンプの先端に適量の導電性接合剤を転写することが必要で、金バンプの形成及び導電性接合剤の転写の際の金バンプの位置制御のために装置が複雑となる。
【００１２】
本発明は、半導体ダイの電極と基板の電極との接合荷重を低減すると共に簡便な方法で効率的に各電極の接合を行える装置及び方法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】
【００１３】
本発明のボンディング装置は、分散剤によって表面コーティングされた金属ナノ粒子がペースト状のバインダー中に含まれている金属ナノペーストを用いて半導体ダイの電極と基板の電極とを接合するボンディング装置であって、金属ナノペーストの微液滴を射出していずれか一方の電極上に形成したバンプを他方の電極に押し付けて各電極を非導通状態で１次接合する１次接合機構と、１次接合されたバンプを接合方向に向かって加圧すると共にバンプを金属ナノペーストのバインダー除去温度及び金属ナノペーストの分散剤除去温度よりも高い温度まで加熱してバインダー及び分散剤を除去し、バンプの金属ナノ粒子を加圧焼結させて各電極が導通するよう２次接合する２次接合機構と、を有することを特徴とする。
【００１４】
本発明のボンディング装置は、分散剤によって表面コーティングされた金属ナノ粒子がペースト状のバインダー中に含まれている金属ナノペーストを用いて半導体ダイの電極と基板の電極とを接合するボンディング装置であって、金属ナノペーストの微液滴を射出して各電極上に形成したバンプを相互に押し付けて各電極を非導通状態で１次接合する１次接合機構と、１次接合された各バンプを接合方向に向かって加圧すると共に各バンプを金属ナノペーストのバインダー除去温度及び金属ナノペーストの分散剤除去温度よりも高い温度まで加熱してバインダー及び分散剤を除去し、各バンプの金属ナノ粒子を加圧焼結させて各電極が導通するよう２次接合する２次接合機構と、を有することを特徴とする。
【００１５】
本発明のボンディング装置は、分散剤によって表面コーティングされた金属ナノ粒子がペースト状のバインダー中に含まれている金属ナノペーストを用いて半導体ダイを３次元実装するボンディング装置であって、金属ナノペーストの微液滴を射出して半導体ダイの電極上に形成されたバンプを金属ナノペーストの微液滴を射出して他の半導体ダイの電極上に形成されたバンプに押し付けて各電極を非導通状態で１次接合する１次接合機構と、１次接合された各バンプを接合方向に向かって加圧すると共に各バンプを金属ナノペーストのバインダー除去温度及び金属ナノペーストの分散剤除去温度よりも高い温度まで加熱してバインダー及び分散剤を除去し、各バンプの金属ナノ粒子を加圧焼結させて各電極が導通するよう２次接合する２次接合機構と、を有することを特徴とする。
【００１６】
本発明のボンディング装置は、分散剤によって表面コーティングされた金属ナノ粒子がペースト状のバインダー中に含まれている金属ナノペーストを用いて半導体ダイの電極と基板の電極とを接合するボンディング装置であって、金属ナノペーストの微液滴を射出していずれか一方の電極上に形成したバンプを他方の電極上に形成した金属突起に押し付けて各電極を非導通状態で１次接合する１次接合機構と、１次接合されたバンプを接合方向に向かって加圧すると共にバンプを金属ナノペーストのバインダー除去温度及び金属ナノペーストの分散剤除去温度よりも高い温度まで加熱してバインダー及び分散剤を除去し、バンプの金属ナノ粒子を加圧焼結させて各電極が導通するよう２次接合する２次接合機構と、を有することを特徴とする。
【００１７】
本発明のボンディング装置において、金属ナノペーストの微液滴を電極上に射出して電極上にバンプを形成するバンプ形成機構を有すること、としても好適であるし、金属ナノペーストの微液滴を電極上に射出して電極上にバンプを形成するバンプ形成機構と、電極上に金属突起を形成する金属突起形成機構と、を有すること、としても好適である。
【００１８】
本発明のボンディング装置において、バンプ形成機構は、金属ナノペーストの微液滴をノズルから射出する射出へッドと、射出へッドをＸＹ方向に駆動するＸＹ駆動機と、を有すること、としても好適であるし、バンプ形成機構は、複数の射出へッドを有すること、としても好適であるし、バンプ形成機構は、金属ナノペーストの微液滴の射出と射出へッドの位置を制御するバンプ形成制御部を備え、バンプ形成制御部は、互いに接合される一方のバンプの先端を凹形状に形成し、他方のバンプの先端を該凹形状に係合する凸形状に形成するバンプ先端形状形成手段を有すること、としても好適であるし、複数のバンプ形成機構を有すること、としても好適である。
【００１９】
本発明のボンディング装置において、１次接合機構は、室温より高く金属ナノペーストのバインダー除去温度よりも低い所定の温度まで各バンプを加熱する加熱手段を有すること、としても好適であるし、加熱手段は、ボンディングツールに保持された半導体ダイの電極上に形成されたバンプを基板の電極又は他の半導体ダイの電極あるいは基板の電極上又は他の半導体ダイの電極上に形成された金属突起に押し付ける際にボンディングツールを振動させ、バンプの接触面に発生する摩擦熱によってバンプの温度を上昇させる超音波振動子であること、としても好適である。また、加熱手段は、ボンディングツールに保持された半導体ダイの電極または半導体ダイの電極上に形成された金属突起を基板の電極上又は他の半導体ダイの電極上に形成されたバンプに押し付ける際にボンディングツールを振動させ、バンプの接触面に発生する摩擦熱によってバンプの温度を上昇させる超音波振動子であること、としても好適である。
【００２０】
本発明のボンディング装置において、２次接合機構は、１次接合されたバンプを接合方向に向かって加圧する加圧器と、加圧された状態で１次接合されたバンプを加熱する加熱器とを有すること、としても好適である。また、２次接合機構は、１次接合されたバンプを接合方向に向かって加圧する加圧器を内部に含む加熱炉であること、としても好適である。
【００２１】
本発明のボンディング装置において、加圧器は、対向して配置され、半導体ダイ又は基板を保持する保持板と、少なくとも一方の保持板を接合方向に向かって進退駆動する保持板駆動部と、保持板駆動部の進退動作を制御する加圧制御部を含み、加圧制御部は、時間に応じて保持板駆動部によって保持板を進退駆動し、バンプに加わる加圧力を変化させる加圧力変更手段を有すること、としても好適であるし、加圧力変更手段は、所定時間経過後にバンプに加わる加圧力をマイナスとして、加圧焼結されたバンプを接合方向に引張し、バンプの接合方向中央にくびれを形成するくびれ形成手段を含むこと、としても好適である。
【００２２】
本発明のボンディング装置において、複数の２次接合機構を有すること、しても好適であるし、バンプを介して接合される半導体ダイと基板又は半導体ダイとの間の隙間に入ってその接合を補強するアンダーフィル剤を半導体ダイ又は基板の接合側の面に塗布するアンダーフィル剤塗布機構を有すること、としても好適である。
【００２３】
本発明のボンディング方法は、分散剤によって表面コーティングされた金属ナノ粒子がペースト状のバインダー中に含まれている金属ナノペーストを用いて半導体ダイの電極と基板の電極とを接合するボンディング方法であって、金属ナノペーストの微液滴を射出していずれか一方の電極上に形成したバンプを他方の電極に押し付けて各電極を非導通状態で１次接合する１次接合工程と、１次接合されたバンプを接合方向に向かって加圧すると共にバンプを金属ナノペーストのバインダー除去温度及び金属ナノペーストの分散剤除去温度よりも高い温度まで加熱してバインダー及び分散剤を除去し、バンプの金属ナノ粒子を加圧焼結させて各電極が導通するよう２次接合する２次接合工程と、を有することを特徴とする。
【００２４】
本発明のボンディング方法は、分散剤によって表面コーティングされた金属ナノ粒子がペースト状のバインダー中に含まれている金属ナノペーストを用いて半導体ダイの電極と基板の電極とを接合するボンディング方法であって、金属ナノペーストの微液滴を射出して各電極上に形成したバンプを相互に押し付けて各電極を非導通状態で１次接合する１次接合工程と、１次接合された各バンプを接合方向に向かって加圧すると共に各バンプを金属ナノペーストのバインダー除去温度及び金属ナノペーストの分散剤除去温度よりも高い温度まで加熱してバインダー及び分散剤を除去し、各バンプの金属ナノ粒子を加圧焼結させて各電極が導通するよう２次接合する２次接合工程と、を有することを特徴とする。
【００２５】
本発明のボンディング方法は、分散剤によって表面コーティングされた金属ナノ粒子がペースト状のバインダー中に含まれている金属ナノペーストを用いて半導体ダイを３次元実装するボンディング方法であって、金属ナノペーストの微液滴を射出して半導体ダイの電極上に形成されたバンプを金属ナノペーストの微液滴を射出して他の半導体ダイの電極上に形成されたバンプに押し付けて各電極を非導通状態で１次接合する１次接合工程と、１次接合された各バンプを接合方向に向かって加圧すると共に各バンプを金属ナノペーストのバインダー除去温度及び金属ナノペーストの分散剤除去温度よりも高い温度まで加熱してバインダー及び分散剤を除去し、各バンプの金属ナノ粒子を加圧焼結させて各電極が導通するよう２次接合する２次接合工程と、を有することを特徴とする。
【００２６】
本発明のボンディング方法は、分散剤によって表面コーティングされた金属ナノ粒子がペースト状のバインダー中に含まれている金属ナノペーストを用いて半導体ダイの電極と基板の電極とを接合するボンディング方法であって、金属ナノペーストの微液滴を射出していずれか一方の電極上に形成したバンプを他方の電極上に形成した金属突起に押し付けて各電極を非導通状態で１次接合する１次接合工程と、１次接合されたバンプを接合方向に向かって加圧すると共にバンプを金属ナノペーストのバインダー除去温度及び金属ナノペーストの分散剤除去温度よりも高い温度まで加熱してバインダー及び分散剤を除去し、バンプの金属ナノ粒子を加圧焼結させて各電極が導通するよう２次接合する２次接合工程と、を有することを特徴とする。
【００２７】
本発明のボンディング方法において、金属ナノペーストの微液滴を電極上に射出して電極上にバンプを形成するバンプ形成工程を有すること、としても好適であるし、金属ナノペーストの微液滴を電極上に射出して電極上にバンプを形成するバンプ形成工程と、電極上に金属突起を形成する金属突起形成工程と、を有すること、としても好適である。また、本発明のボンディング方法において、金属ナノペーストの微液滴を電極上に射出して電極上にバンプを形成するバンプ形成工程を有し、バンプ形成工程は、互いに接合される一方のバンプの先端を凹形状に形成し、他方のバンプの先端を該凹形状に係合する凸形状に形成すること、としても好適である。
【００２８】
本発明のボンディング方法において、１次接合工程は、室温より高く金属ナノペーストのバインダー除去温度よりも低い所定の温度までバンプを加熱すること、としても好適であるし、２次接合工程は、加圧力を時間に応じて変化させること、としても好適である。
【００２９】
本発明のボンディング方法において、バンプを介して接合される半導体ダイと基板又は半導体ダイとの間の隙間に入ってその接合を補強するアンダーフィル剤を半導体ダイ又は基板の接合側の面に塗布するアンダーフィル剤塗布工程を有すること、としても好適であるし、表面に集積回路が形成された半導体ウェハの裏面に粘着テープを貼り付けた後、半導体ダイをダイシングして複数の半導体ダイに分割するダイシング工程を有すること、としても好適である。
【発明の効果】
【００３０】
本発明のボンディング装置及びボンディング方法は、半導体ダイの電極と基板の電極との接合荷重を低減すると共に簡便な方法で効率的に各電極の接合を行え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】
【００３１】
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、本実施形態のボンディング装置１０は、フレーム１１中に配置されたバンプ形成機構２０と、アンダーフィル剤塗布機構４０と、１次接合機構５０と、２次接合機構８０とを備えている。２次接合機構８０は、第１加圧加熱炉８１、第２加圧加熱炉８４の２つの加圧加熱炉を備えている。図１においてボンディング装置１０の左側になる材料供給側にはウェハ１８の供給を行うウェハマガジン１３と、回路基板１９の供給を行う基板マガジン１４と、を備え、図１においてボンディング装置１０の右側となる製品搬出側には完成した製品をストックしておく製品マガジン１７が設けられている。ウェハマガジン１３と、バンプ形成機構２０と１次接合機構５０とは、ウェハ搬送用レール１５によって材料であるウェハ１８を搬送することができるように接続されており、基板マガジン１４とバンプ形成機構２０と、アンダーフィル剤塗布機構４０と、１次接合機構５０と２次接合機構８０とは、回路基板１９を搬送する基板搬送用レール１６によって材料である回路基板を順次各機構に搬送することができるように接続されている。また、基板搬送用レール１６は、２次接合機構入口レール９３を介して２次接合機構８０に接続され、１次接合機構５０から回路基板１９を２次接合機構８０に搬送することができるよう構成され、２次接合機構出口レール９４は２次接合機構８０の出口と製品マガジン１７とを接続して、半導体ダイ１２の接合の終了した回路基板１９を２次接合機構８０から製品マガジン１７に搬送することができるよう構成されている。また、図１に矢印Ｘで示した、ボンディング装置１０の各搬送レール１５，１６によってウェハ１８又は基板１９を搬送する方向をＸ方向、図１に矢印Ｙで示した各搬送レール１５，１６と直交する方向をＹ方向、図１において紙面に垂直な高さ方向をＺ方向として、以下説明する。
【００３２】
ウェハマガジン１３は、ケーシングの中に複数のダイシングされたウェハ１８を収納する棚を有し、必要に応じてウェハマガジン１３に接続されている搬送レール１５、あるいは図示しない搬送装置にウェハ１８を載せてバンプ形成機構２０に払い出すものである。ウェハ１８の大きさは８インチのものが多用されている。直径８インチのウェハ１８は、半導体ダイ１２が約４００個程度取り出せる大きさである。また、ウェハ１８は、裏面に粘着テープを貼り付けたり、ウェハ１８をダイシングして各々の半導体ダイ１２に分割するダイシング工程によって粘着テープを貼り付けた裏側に各半導体ダイ１２を一体に保持することができるように半導体ダイ１２間に未切断部を残したりして、ダイシングされていても各半導体ダイ１２が分離せず、ウェハ１８を一体に扱えるように構成されている。
【００３３】
基板マガジン１４は、ケーシングの中に複数の回路基板１９を収納する棚を有し、必要に応じて基板マガジン１４に接続されている基板搬送用レール１６に回路基板１９を載せてバンプ形成機構２０に払い出すものである。回路基板はガラスエポキシ等の樹脂基板に銅などの金属によって半導体ダイ１２を接続する接続回路が印刷されているものである。
【００３４】
材料となる半導体ダイ１２はウェハ１８として供給するのではなく、各半導体ダイ１２をダイシングによって個々の半導体ダイ１２に分離して、各半導体ダイ１２をトレイの上に整列させて供給するようにしても良い。この場合、基板マガジン１４と同様に複数のトレイを収納する棚を備えるトレイマガジンを備える様にしても良い。また、ウェハマガジン１３、基板マガジン１４をそれぞれ複数備えるようにして、常に材料の供給が止まらないようにボンディング装置１０を構成してもよい。
【００３５】
図２及び図１に示すように、バンプ形成機構２０は、ベース２１に取り付けられたウェハバンピングステージ２２と、基板バンピングステージ２３と、金属ナノペーストの微液滴を射出する射出へッド２６をＸＹ方向に駆動するＸＹ駆動機２５とを備えている。
【００３６】
ウェハバンピングステージ２２は２本のウェハ搬送用レール１５ａ，１５ｂの間に設けられ、ウェハ１８をその上面に真空吸着によって平面状に固定することができる大きさのもので、その上面に図示しない真空吸着孔を備えている。真空吸着孔は図示しない真空装置に接続されている。また、基板バンピングステージは２本の基板搬送用レール１６ａ，１６ｂの間に設けられ、基板１９をその上面に真空吸着によって平面状に固定することができる大きさとなっている。基板はバンピングステージ２３もウェハバンピングステージ２２と同様にその上面に図示しない真空吸着孔を備え、各真空吸着孔は共通の真空装置に接続されている。
【００３７】
ＸＹ駆動機２５は、射出へッド２６と、Ｙ方向フレーム２７と、２つの門形フレーム２４とを備えている。射出へッド２６は、各搬送レール１５，１６と直交するＹ方向に案内するガイドを備えているＹ方向フレームに滑動自在に取り付けられ、射出へッド２６又はＹ方向フレーム２７に取り付けられているサーボモータによってＹ方向の駆動が行われる。Ｙ方向フレーム２７の両側は２つの門形フレーム２４によってＸ方向に滑動自在に支持され、門形フレーム２４又はＹ方向フレーム２７に設けられたサーボモータによってＸ方向の駆動が行われる。バンプ形成制御部５０１は、図示しない撮像装置などの位置検出器からの位置信号によって、ＸＹ駆動機２５の各サーボモータを駆動して射出へッド２６の位置制御を行う。また、バンプ形成制御部５０１は、射出ノズルから射出される金属ナノペーストの微液滴の大きさや微液滴の射出間隔を制御する。本実施形態では、駆動源としてサーボモータを用いることで説明したが、各駆動源はサーボモータに限らず、リニアモータ、ステッピングモータ等他の形式の駆動源を用いてもよい。
【００３８】
射出へッド２６は貯留している金属ナノペーストを先端の射出ノズル２６ａから金属ナノペーストの微液滴として射出するもので、例えばピエゾダイヤフラムやピエゾアクチュエータによって微液滴を射出するインクジェットへッド等によって構成される。射出へッド２６は微液滴を射出することができればインクジェットへッドに限らず、ディスペンサへッドや、マイクロピペット等によって構成するようにしても好適である。
【００３９】
図１に示すように、アンダーフィル剤塗布機構４０は、ＸＹテーブル４１と、ディスペンサへッド４２と、ディスペンサアーム４３と、ディスペンサユニット４４と、ディスペンサステージ４５とを備えている。
【００４０】
ＸＹテーブル４１はその上面にディスペンサへッド４２をＸＹの２方向に向かって滑動自在となるように支持し、ディスペンサへッド４２はＸＹテーブル４１又はディスペンサへッド４２に取り付けられたサーボモータによってＸＹ面内に駆動される。ディスペンサへッド４２には先端にディスペンサユニット４４が取り付けられたディスペンサアーム４３が取り付けられている。ディスペンサへッド４２には、ディスペンサアーム４３を回転駆動することによって先端に取り付けられたディスペンサユニットを上下方向に駆動して、ディスペンサユニット４４の回路基板１９からのＺ方向高さを調整するＺ方向モータが取り付けられている。ディスペンサユニット４４は、図示しないアンダーフィル剤を貯留する貯留部と、アンダーフィル剤を先端から吐出する吐出ノズルとを備え、貯留部にはアンダーフィル剤を吐出させる空気圧力配管が接続されている。また、ディスペンサステージ４５は、２本の基板搬送用レール１６ａ，１６ｂの間に設けられ、基板１９をその上面に真空吸着によって平面状に固定することができるように構成されている。
【００４１】
基板搬送用レール１６に載ってバンプ形成機構２０から搬送された回路基板１９は、ディスペンサステージ４５の位置に来ると、ディスペンサステージ４５に真空吸着によって固定され、ディスペンサへッド４２とディスペンサアーム４３を駆動させてディスペンサユニット４４の吐出ノズルの位置を合わせてアンダーフィル剤を回路基板１９の接合面側に塗布する。
【００４２】
本実施形態では、アンダーフィル剤の塗布は、基板バンピングステージ２３とは別のディスペンサステージ４５によって行うこととして説明したが、基板バンピングステージ２３に真空吸着によって固定した際に、アンダーフィル剤を基板表面に塗布するようにしてもよいし、ウェハバンピングステージ２２にウェハ１８を真空吸着によって固定した際にウェハ１８の上の半導体ダイ１２にアンダーフィル剤を塗布することとして構成してもよい。このような場合には、アンダーフィル剤塗布機構４０は、ディスペンサアーム４３先端に取りつれられたディスペンサユニット４４が各バンピングステージ２２，２３の上に位置することができるようフレーム１１の中に配置される。また、本実施形態では、アンダーフィル剤塗布機構４０はＸＹテーブル４１によって２方向に移動することができるディスペンサへッド４２を持つこととして説明したが、ディスペンサユニット４４を所定の位置に移動させることができればＸＹテーブル４１に限らず、リニアガイドなどを組み合わせて移動機構を構成するようにしてもよい。
【００４３】
図１に示すように、１次接合機構５０は、ウェハを保持するウェハホルダ７０と、半導体ダイ１２のピックアップと反転を行う半導体ダイピックアップ部６０と、半導体ダイ１２を回路基板１９の上にボンディングするボンディング部５８とを備えている。
【００４４】
図１に示すように、ウェハホルダ７０は、ウェハバンピングステージ２２から搬送されてきたウェハ１８をウェハテーブル７１に水平に真空吸着して保持する。図３に示すようにウェハテーブル７１の内部には、ウェハ１８の中に含まれている多数の半導体ダイ１２のうちの１つをＺ方向に向かって突き上げて、他の半導体ダイ１２と段差をつけるダイ突き上げユニット７２が設けられている。また、ウェハテーブル７１は下部に設けられた回転駆動機構７３と接続シャフト７４を介して接続され回転駆動できるよう構成されている。
【００４５】
図１に示すように、半導体ダイピックアップ部６０は、ウェハホルダ７０に隣接して設けられ、ＸＹテーブル６１と、ピックアップへッド６２と、ピックアップアーム６３と、ピックアップツール６４とを備えている。ＸＹテーブル６１はその上面にピックアップへッド６２をＸＹの２方向に向かって滑動自在となるように支持し、ピックアップへッド６２はＸＹテーブル６１又はピックアップへッド６２に取り付けられたサーボモータによってＸＹ面内に駆動される。ピックアップへッド６２には先端にピックアップツール６４が取り付けられたピックアップアーム６３が取り付けられている。ピックアップへッド６２には、ピックアップアーム６３を回転駆動することによって先端に取り付けられたピックアップツール６４をウェハ１８の接離方向に駆動するＺ方向モータが取り付けられている。
【００４６】
図３に示すように、ピックアップツール６４は、回転軸６６の回りに回転する吸着コレット６７を備えている。吸着コレット６７は吸着面に真空吸着用の吸着孔６９を持ち、この吸着孔６９を真空にすると共にダイ突き上げユニット７２の突き上げ動作によって半導体ダイ１２の電極上のバンプに接触することなく半導体ダイ１２を吸着コレット６７に真空吸着し、半導体ダイ１２を吸着したまま回転軸６６の回りに回転させることによって半導体ダイ１２を反転させることができるように構成されている。
【００４７】
図１に示すように、ボンディング部５８は、基板搬送用レール１６に隣接して設けられ、ＸＹテーブル５１と、ボンディングへッド５２と、ボンディングアーム５３と、ボンディングツール５４とを備えている。ＸＹテーブル５１はその上面にボンディングへッド５２をＸＹの２方向に向かって滑動自在となるように支持し、ボンディングへッド５２はＸＹテーブル５１又はボンディングへッド５２に取り付けられたサーボモータによってＸＹ面内に駆動される。ボンディングへッド５２には先端にボンディングツール５４が取り付けられたボンディングアーム５３が取り付けられている。ボンディングへッド５２には、ボンディングアーム５３を回転駆動することによって先端に取り付けられたボンディングツール５４を基板１９の接離方向に駆動するＺ方向モータが取り付けられている。
【００４８】
また、図３、図１の１点鎖線で示すように、ボンディング部５８と半導体ダイピックアップ部６０はボンディングツール５４とピックアップツール６４とを接近させて、吸着コレット６７の回転によって反転させた半導体ダイ１２を真空吸着用の吸着孔５９を備えるボンディングツール５４に受け渡すことができるような位置に配置されている。
【００４９】
図３、図４に示すように、ボンディングステージ５５は、２本の基板搬送用レール１６ａ，１６ｂの間に設けられ、基板１９をその上面に真空吸着によって平面状に固定することができるように構成されている。
【００５０】
図４に示すように、ボンディングツール５４には、フェイス部５６と超音波振動子５７とが設けられている。ボンディングツール５４の接合面側に設けられたフェイス部５６は半導体ダイ１２を保持して基板１９に押し付けることができるように構成されている。フェイス部５６の半導体ダイ１２の吸着面には真空吸着用の吸着孔５９が設けられ、半導体ダイ１２を真空吸着によって保持することができるように構成されている。また、ボンディングツール５４の長手方向の一端には超音波振動子５７が取り付けられ、その超音波加振によってフェイス部５６をボンディングツール５４の長手方向に振動させることができるよう構成されている。ボンディング部５８は図示しない位置検出用の撮像装置によって、回路基板１９の位置を検出し、半導体ダイ１２を所定の位置に押し付けることができるよう構成されている。
【００５１】
図３に示すように、ボンディング部５８のＸＹテーブル５１、ボンディングへッド５２、半導体ダイピックアップ部６０のＸＹテーブル６１、ピックアップへッド６２、ウェハホルダ７０のダイ突き上げユニット７２、回転駆動機構７３はそれぞれボンディング制御部５０２に接続され、ボンディング制御部５０２の指令によって駆動されるように構成されている。
【００５２】
本実施形態では、半導体ダイピックアップ部６０とボンディング部５８は、それぞれＸＹテーブル６１，５１を備え、この上に配置された、ピックアップへッド６２、ボンディングへッド５２をＸＹ方向に移動させると共に、各へッド６２，５２に取り付けられた各アーム６３，５３の先端に取り付けられたピックアップツール６４，ボンディングツール５４を上下方向に駆動することができるように構成されることとして説明したが、ピックアップツール６４，ボンディングツール５４を所定の位置に移動することができれば上記のような構成によらず、例えば複数のリニアガイドを組み合わせて各ツール６４，５４が所定の位置に移動することができるように構成することとしても良い。また、ウェハホルダ７０の回転動作と半導体ダイピックアップ部６０のピックアップ動作を協働させることによって、ピックアップへッド６２をＹ方向にのみ移動させるように構成することとしても好適である。
【００５３】
本実施形態では、半導体ピックアップ部６０の吸着コレット６７の回転によって反転させた半導体ダイ１２をボンディングツール５４に直接受け渡すことによって、反転した半導体ダイ１２をボンディングツール５４に保持させるように構成しているが、このような構成に限らず、一旦ウェハ１８からピックアップした半導体ダイ１２を図示しない回転ステージに吸着させておき、この回転ステージを反転させてピックアップステージの上面に半導体ダイ１２を反転した状態で吸着させて受け渡し、反転した半導体ダイ１２をボンディングツール５４によって吸着してボンディングするように構成しても良い。
【００５４】
図５に示すように、第１、第２加圧加熱炉８１，８４は回路基板１９と半導体ダイ１２とを上下から挟み込む上部保持板８２ａ，８５ａと下部保持板８２ｂ，８５ｂと、各上部保持板８２ａ，８５ａを半導体ダイ１２の接合方向に進退駆動するアクチュエータ８３，８６と、内部を加熱するヒータ８９とを備えている。各アクチュエータ８３，８６は均等に回路基板１９と半導体ダイ１２とを加圧することができるように、駆動軸８７とボールジョイント８８とを介して上部保持板８２ａ，８５ａに接続されている。また、下部保持板８２ｂ，８５ｂは第１、第２加圧加熱炉８１，８４のケーシングに固定されている。上部保持板８２ａ，８５ａと下部保持板８２ｂ，８５ｂは、半導体ダイ１２又は回路基板１９を真空吸着する真空吸着孔９１ａ，９１ｂが設けられている。各真空吸着孔９１ａ，９１ｂは図示しない真空装置に接続されている。また、第１、第２加圧加熱炉８１，８４は各保持板８２，８５に回路基板１９を搬入する搬入口９５と回路基板を搬出する搬出口９６とを備えている。第１、第２加圧加熱炉８１，８４の各搬入口９５には、２次接合機構入口レール９３が接続されており、第１、第２加圧加熱炉８１，８４の各搬出口９６には、２次接合機構出口レール９４が接続されている。
【００５５】
各アクチュエータ８３，８６は加圧制御部５０３に接続され、加圧制御部５０３の指令によって駆動されるよう構成されている。各アクチュエータ８３，８６は電動式であっても良いし、油圧シリンダなどによって進退駆動するものであってもよい。また、ヒータ８９も加圧制御部に接続され、加圧加熱炉８１，８４内の温度制御が行われる。ヒータ８９は電熱線によって構成されていてもよいし、外部に設けられた熱風発生器などによって発生させた高温の熱風を各加圧加熱炉８１，８４内に導入して内部の加熱を行うようにしてもよい。また、上部保持板８２ａ，８５ａ及び下部保持板８２ｂ，８５ｂに加熱器を直接取り付け、半導体ダイ１２を回路基板１９に向けて加圧しながら、半導体ダイ１２と回路基板１９とを加熱して各バンプ２００の加熱を行うことができるように構成してもよい。
【００５６】
次に、本実施形態のボンディング装置の動作について説明するが、ボンディング装置全体の動作を説明する前に、電極１２ａの上へのバンプ２００の形成、１次接合、２次接合について説明する。
【００５７】
図６（ａ）に示すように、電極１２ａへのバンプ２００の形成は、金属ナノペーストの微液滴１００を射出へッド２６の射出ノズル２６ａから電極１２ａに向かって射出することによって行う。金属ナノペーストは、導電性金属を微細化した金属ナノ粒子１０３からなり、その表面に金属ナノ粒子１０３が分散状態を保持することができる分散剤をコーティングした状態でペースト状のバインダー１０１の中に分散させたものである。金属ナノ粒子１０３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１０３の表面にコーティングする分散剤としては、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。またペースト状のバインダー１０１は、有機バインダーとして機能する熱硬化性樹脂成分を、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含有させたものを用いることができる。
【００５８】
図６（ａ）に示すように射出へッド２６のノズルから金属ナノペーストの微液滴１００が射出されると、微液滴は電極１２ａの表面に付着する。そして金属ナノペーストの微液滴１００が積層するように射出することによって電極１２ａの上に先端が細くなった錐状のバンプ２００を形成することができる。射出へッド２６からの金属ナノペーストの微液滴の射出位置、間隔などはバンプ形成制御部によって半導体ダイ１２の種類に適応したバンプ形状が形成される。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１００を短時間で射出積層することができる。このように、回路基板１９及び半導体ダイ１２の各電極１９ａ，１２ａの上にバンプ２００を形成した後、図１に示した半導体ダイピックアップ部６０によって半導体ダイ１２をウェハ１８からピックアップ、反転した後、反転した半導体ダイ１２をボンディングツール５４に保持させ、図６（ｂ）に示すように、各電極１２ａ，１９ａのバンプ２００の位置を合わせる。
【００５９】
図６（ｃ）に示すように、各電極１２ａ，１９ａの位置を合わせた後、図３に示すボンディングツール５４を回路基板１９に向かって下動させ、半導体ダイ１２の電極１２ａに形成されたバンプ２００を回路基板１９の電極１９ａの上に形成されたバンプ２００に押し付け、１次接合を行う。この１次接合の際の押し付け面圧は、従来技術の金属電極に金属バンプを接合する際に必要な面圧の１／１００から１／２００程度の微小面圧とする。このような微小面圧でバンプ２００同士を押し付けると、バンプ２００の表面を形成しているバインダー同士が圧着するのみで、バインダーの中に分散して含有されている金属ナノ粒子１０３同士は接合しない状態とすることができる。この接合ではバインダー１０１同士が圧着しているのみなので、各電極１２ａと１９ａとの間は電気的には導通されておらず、非導通状態となっている。また、この１次接合の際に、ボンディングツール５４に取り付けられている超音波振動子を振動させることによってボンディングツール５４に保持されている半導体ダイ１２を横方向に振動させ、接合線２０１近傍にある各バンプの先端部分が擦れあうようにする。これによって、各バンプ２００の接合線２０１近傍の温度が上昇する。するとバンプ２００の表面のバインダー同士が融着し、１次接合の接合を確実にすることができる。ただし、この超音波振動子などによる加温は、バインダーの有機物質が揮発して除去されるバインダー除去温度よりも低い温度までの加熱でよい。
【００６０】
１次接合はバンプ２００の表面のバインダー１０１同士が接合するのみでその接着力は弱いが、半導体ダイ１２が回路基板１９から分離しない程度の強度とすることができる。また、半導体ダイ１２が回路基板１９から分離しない程度の強度とすることができれば、半導体ダイ１２の複数の電極１２ａ上に形成されたバンプ２００と回路基板１９の複数の電極１９ａ上に形成されたバンプ２００のすべてが相互に接合していなくとも、一部が接合していればよい。したがって、バンプ２００の高さを精度よく形成しなくとも１次接合には十分である。また、インクジェット方式のような簡便な方法によってバンプ２００を形成することができ、バンプ形成機構を簡便なものとすることができる。
【００６１】
図６（ｄ）に示すように回路基板１９の上に半導体ダイ１２が１次接合された状態で、半導体ダイ１２を回路基板１９に向けてバンプ２００を接合方向に加圧すると共に、加熱炉において、バンプ２００の温度をバインダー及び金属ナノ粒子表面にコーティングされた分散剤の除去温度よりも高い温度、例えば１５０℃から２５０℃程度に加熱する。すると、バインダー１０１中の有機物質は揮発によって除去され、また分散剤も温度の上昇によって金属ナノ粒子１０３の表面から脱離して除去され、金属ナノ粒子１０３同士が直接接触して金属ナノ粒子１０３特有の低温焼結が始まる。
【００６２】
一方、上記のように加熱と加圧を行うと、金属ナノペーストを構成するバインダー１０１及び金属ナノ粒子表面にコーティングされた分散剤の中に含まれている有機成分によって、金属ナノ粒子１０３の表面と電極１２ａ，１９ａの金属表面が酸化還元され、金属ナノ粒子１０３の凝集によって互いに結合を始める。この結果、各電極１２ａ，１９ａが金属層３００によって接合され、各電極間が導通状態となる。このように金属ナノ粒子１０３を低温で加圧焼結させることによって電極１２ａ，１９ａ間を金属層３００によって導通するように接合するのが２次接合である。２次接合においては、通常の金属の溶融温度よりも非常に低い温度によって金属ナノ粒子１０３同士が焼結するが、加圧焼結した後の金属層３００は通常の金属と同様温度まで上昇しないと溶融しないという特性を有している。また、加熱と加圧を同時に行うことによって、金属ナノ粒子１０３の間に残存しているガスを除去することができ、緻密な金属層３００を得ることができる。
【００６３】
また、図１に示したアンダーフィル剤塗布機構４０によってアンダーフィル剤が塗布されている場合には、１次接合の際にアンダーフィル剤が半導体ダイ１２と回路基板１９との隙間に充填され、２次接合において充填されたアンダーフィル剤が熱硬化して半導体ダイ１２と回路基板１９とを接着する。このアンダーフィル剤によって半導体ダイ１２と回路基板１９との接合強度を増大させることができる。
【００６４】
次に本発明のボンディング装置の全体動作について説明する。図７のステップＳ１０１に示すように、ウェハマガジン１３から払い出されたウェハ１８はウェハバンピングステージ２２に搬送され、ウェハバンピングステージ２２に真空吸着によって固定される。そして、図７のステップＳ１０２及び図６（ａ）に示すように、ウェハ１８の各半導体ダイ１２の各電極１２ａ向かって射出ノズル２６から金属ナノペーストの微液滴１００を射出してバンプ２００を形成する。バンプ２００の形成は図２に示すバンプ形成制御部５０１によって制御される。ウェハ１８の全ての半導体ダイ１２の電極１２ａへのバンプ２００の形成が終了したら、図７のステップＳ１０３に示すように、ウェハ１８をウェハホルダ７０に搬送する。ウェハホルダ７０に搬送されたウェハ１８のウェハテーブル７１に真空吸着固定される。
【００６５】
図７のステップＳ１０４及び図３に示すように、ボンディング制御部５０２は、ダイ突き上げユニット７２によって選択された半導体ダイ１２を突き上げて上昇させ、ピックアップアーム６３の先端の吸着コレット６７に上昇させた半導体ダイ１２の電極上のバンプ２００に接触することなく半導体ダイ１２をピックアップさせる。そして、図７のステップＳ１０５及び図３の１点鎖線で示すように、ボンディング制御部５０２は、ピックアップアーム６３を上昇させると共に吸着コレット６７を１８０度回転させて、半導体ダイ１２を反転させ、ピックアップへッド６２をボンディングへッド５２側に向かって受け渡し位置まで移動させる。
【００６６】
図７のステップＳ１０６及び図３の１点鎖線に示すように、ボンディング制御部５０２は、ボンディングツール５４の位置が受け渡し位置に来るまでボンディングへッド５２をピックアップへッド６２に向かって移動させた後、吸着コレット６７の吸着面の真空を開放すると共にボンディングツール５４の吸着面を真空吸着できるようにして吸着コレット６７からボンディングツール５４への半導体ダイ１２の受け渡しを行う。
【００６７】
一方、図７のステップＳ２０１と図１に示すように、回路基板１９は基板マガジン１４から払い出され、基板バンピングステージ２３に搬送され、基板バンピングステージ２３に真空吸着によって固定される。そして、図７のステップＳ２０２及び図６（ａ）に示すように、バンプ形成制御部５０１は、回路基板１９の各電極１９ａに向かって射出ノズル２６から金属ナノペーストの微液滴１００を射出させてバンプ２００を形成する。回路基板１９の全ての電極１９ａへのバンプ２００の形成が終了したら、図７のステップＳ２０３に示すように、回路基板１９は、アンダーフィル剤塗布機構４０に搬送され、ディスペンサステージ４５に真空吸着によって固定される。そして、図７のステップＳ２０４及び図１に示すように、バンプ２００の形成された回路基板１９上にディスペンサユニット４４先端のノズルからアンダーフィル剤を吐出して回路基板１９の上にアンダーフィル剤を塗布する。図７のステップＳ２０５及び図１に示すように、アンダーフィル剤の塗布の終わった回路基板１９はボンディングステージ５５に搬送され、ボンディングステージ５５の上に真空吸着によって固定される。
【００６８】
図７のステップＳ２０６及び図３，４に示すように、ボンディング制御部５０２は、ボンディングツール５４に保持した半導体ダイ１２の電極１２ａ上に形成されたバンプ２００の位置を回路基板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ボンディングへッド５２を移動させる。そして、ボンディング制御部５０２は、ボンディングアーム５３を下動させてボンディングツール５４に保持した半導体ダイ１２の電極１２ａ上に形成されたバンプ２００を回路基板１９の電極１９ａの上に形成されたバンプ２００に押し付ける。ボンディング制御部５０２は、押し付けの際の加圧力が通常の金属バンプ同士の接合の際の加圧力の１／１００から１／２００程度の圧力なる様にボンディングへッド５２のＺ方向モータを制御する。この際、ボンディング制御部５０２は超音波振動子５７を振動させて半導体ダイ１２側のバンプ２００と回路基板１９側のバンプ２００の接触面をこすり合わせて摩擦熱を発生させ、図６（ｃ）に示すように各バンプ２００のバインダー同士を接合する１次接合を行う。この１次接合において、各バンプの加熱は超音波振動子５７の振動による摩擦熱によって行うこととして説明したが、各バンプ表面の加熱手段は、その表面温度を室温よりも高くバインダーの有機物質が揮発するバインダー除去温度よりも低い温度で、バインダーが軟化する程度の温度に上昇させることができれば、超音波振動子５７を用いた加熱ではなく、例えば、局所的に温風を吹き付けて温度を上昇させたり、放射熱などによって加熱したりするようにして構成してもよい。また、半導体ダイ１２を回路基板１９に押し付けることによって半導体ダイ１２と回路基板１９との隙間にアンダーフィル剤が充填される。
【００６９】
この１次接合は少ない荷重で半導体ダイ１２を回路基板１９に押し付けるだけの接合であり、処理時間は非常に短く、各半導体ダイ１２を１秒以下の時間で接合することができる。このため、１次接合を高速処理とすることができる。
【００７０】
半導体ダイ１２が１次接合された回路基板１９は、図１に示す２次接合機構入口レール９３によって第１加圧加熱炉８１又は第２加圧加熱炉８４のいずれかに搬送される。図７のステップＳ２０７に示すように、第１加圧加熱炉８１が加熱中でなく、回路基板１９を搬入することができる場合には、図７のステップＳ２０８に示すように、回路基板１９は２次接合機構入口レール９３によって第１加圧加熱炉８１の方に横搬送され、第１加圧加熱炉８１の各保持板８２ａ，８２ｂの間に搬入される。また、図７のステップＳ２０７に示すように、第１加圧加熱炉８１が加熱中で回路基板１９を搬入することができない場合には、図７のステップＳ２０９に示すように、回路基板１９は２次接合機構入口レール９３によって第２加圧加熱炉８４の方に横搬送され、第２加圧加熱炉８４の各保持板８５ａ，８５ｂの間に搬入される。
【００７１】
図７のステップＳ２１０及び図５に示すように、回路基板１９が所定の加圧加熱炉８１，８４の保持板８２ａ，８２ｂ又は８５ａ，８５ｂの間に搬送されると、加圧制御部５０３は、アクチュエータ８３，８６を駆動して上部保持板８２ａ，８５ａを下動させて回路基板１９に半導体ダイ１２を押し付け、各電極１２ａ，１９ａのバンプ２００を接合方向に加圧する。加圧する際の加圧圧力は、通常の金属バンプ同士を圧着する場合の１／２０程度の低い加圧力とする。また、加圧制御部５０３は加圧加熱炉８１，８４の内部温度が２次接合に必要な１５０℃から２５０℃になるようにヒータ８９を制御する。加圧圧力を従来の金属バンプ同士を接合する際の加圧力の１／２０程度とすることができることによって、薄い半導体ダイ１２あるいは薄い回路基板１９を接合する際でも半導体ダイ１２や回路基板１９の損傷を低減することができるという効果を奏する。
【００７２】
図７のステップＳ２１１に示すように、加圧制御部５０３は所定の加圧圧力と所定の加熱温度の状態を所定時間保持できているかを監視する。この保持時間は使用する金属ナノペーストの種類などによって異なるが、６０分程度の保持時間が多用されている。そして、図７のステップＳ２１２及び図５に示すように、所定の保持時間が経過すると、加圧制御部５０３はアクチュエータ８３，８６を上昇させて、回路基板１９と半導体ダイ１２の加圧を停止する。この保持の終了によって２次接合は終了し、各電極は金属層３００によって導通状態に接合される。また、２次接合の際アンダーフィル剤が熱硬化して半導体ダイ１２と回路基板１９とを接着する。２次接合の終了した回路基板１９は図１に示す搬出口９６から２次接合機構出口レール９４によって製品マガジン１７に搬送される。製品マガジン１７に所定枚数の製品がストックされると製品マガジン１７から製品が搬出される。
【００７３】
２次接合は加圧加熱炉において、６０分程度の加圧加熱保持が必要な処理であるが、多数の回路基板１９をバッチ処理することができる加圧加熱炉を２台備えることによって半導体ダイ１２ひとつ当たりの接合処理時間を短縮することができる。例えば、８インチウェハ２枚から取り出される約８００個の半導体ダイ１２を複数の回路基板１９に全て１次接合し、この１次接合された約８００個の半導体ダイ１２を１つの加圧加熱炉に入れて２次接合するために６０分保持したとすると、半導体ダイ１２の１つ当たりの２次接合に必要な時間は約４．５秒となる。このため半導体ダイ１２の接合の効率が向上するという効果を奏する。
【００７４】
本実施形態は、１次接合においては従来の金属バンプの接合の際の加圧力の１／１００から１／２００程度の加圧力によって半導体ダイ１２と回路基板１９の接合をすることができ、２次接合では従来の金属バンプの接合の際の加圧力の１／２０程度の加圧力によって半導体ダイ１２と回路基板１９の接合をすることができることから、半導体ダイ１２と回路基板１９の各電極１２ａ，１９ａとを従来の金属バンプ同士の接合に比較して非常に低い加圧力によって接合することができることから、ボンディングによる半導体ダイ１２や回路基板１９の損傷を低減することができるという効果を奏する。また、本実施形態は、金属ナノペーストを用いた各電極１２ａ，１９ａの接合を短時間に接合処理のできる１次接合と、長時間の加圧加熱保持の必要な２次接合との２つの処理工程に分け、短時間に処理のできる１次接合を連続処理とし、長時間の処理となる２次接合をバッチ処理とすることによって、半導体ダイ１２ひとつ当たりの接合時間を短縮し、金属ナノペーストを用いて効率的に半導体ダイ１２と回路基板１９との接合を行うことができるという効果を奏する。また、本実施形態は、半導体ダイ１２及び回路基板１９の各電極１２ａ，１９ａに金属ナノペーストの微液滴を射出することによってバンプを形成するので、インクジェット方式などによってバンプ形成機構を構成することができ、従来の金バンプの形成のような大きな装置が必要なく、ボンディング装置を簡便にすることができるという効果を奏する。
【００７５】
以上述べた、本実施形態のボンディング装置１０は、各電極上にバンプが形成されていないウェハ１８や半導体ダイ１２や回路基板１４を材料として供給し、バンプ２００の形成と接合を行うものとして説明したが、バンプ形成機構２０を別の独立した装置とし、ボンディング装置１０の中に組み込まないような構成としてもよい。このような場合には、ウェハマガジン１３と基板マガジン１４とバンプ形成機構２０とを含む別の装置によってあらかじめ金属ナノペーストの微液滴を射出してバンプ２００の形成を行い、バンプ２００の形成の終了したウェハ１８或いは半導体ダイ１２と回路基板１４を材料としてバンプ形成機構２０を持たないボンディング１０に供給して１次接合、２次接合を行い製品とするように構成してもよい。この様に別の装置によってバンプ２００の形成を行うことにより、ウェハ１８に多数のバンプ２００の形成が必要な場合でも、半導体ダイ１２ひとつ当たりの接合時間を短縮し、金属ナノペーストを用いて効率的に半導体ダイ１２と回路基板１９との接合を行うことができるという効果を奏する。
【００７６】
また、バンプ形成機構２０の中に複数の射出ヘッド２６を備えるようにしてもよい。このように複数の射出ヘッド２６を備えることによって、バンプ２００の形成速度を上げ、更に半導体ダイ１２ひとつ当たりの接合時間を短縮することができるという効果を奏する。
【００７７】
本実施形態では、各電極上にバンプ２００を形成して接合することとして説明したが、接合される電極のうちどちらか一方の電極だけにバンプ２００を形成し、このバンプ２００を他方の電極に押し付けて１次接合し、その後加圧加熱保持を行う２次接合を行うこととしてもよい。この様にすることによって、バンプ２００の形成数が半数で済み、更に半導体ダイ１２ひとつ当たりの接合時間を短縮することができるという効果を奏する。
【００７８】
また、本実施形態では、各電極上に形成するバンプ２００は、いずれも金属ナノペーストの微液滴を射出して形成するものとして説明したが、半導体ダイ１２又は回路基板１４の電極のうちのいずれか一方の電極上に金属ナノペーストの微液滴を射出してバンプ２００の形成を行い、他方の電極には、はんだバンプ、或いは金パンプのような金属突起を形成して、この金属突起とバンプ２００とを接合するようにしてもよい。この場合、ボンディング装置１０の中に、例えばバンプボンダのような金バンプを形成する金属突起形成機構を組み込んでも良いし、金属突起形成機構を別の装置として、金属突起の形成された半導体ダイ１２或いは回路基板１４を材料として供給して、１次接合、２次接合を行うようにしてもよい。
【００７９】
図８を参照ながら他の実施形態について説明する。先に説明した実施形態と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。先に説明した実施形態は、回路基板１９の上に半導体ダイ１２を接合するものであったが、本実施形態は、金属ナノペーストを用いて半導体ダイ１２同士を接合して３次元実装を行うものである。
【００８０】
図８（ａ）に示すように、各半導体ダイ１２は貫通電極１２ｂを有している。先に図６において説明したように、各半導体ダイ１２の貫通電極１２ｂの上に金属ナノペーストの微液滴を射出してバンプ２００を形成し、一方の半導体ダイ１２を反転させて、ボンディングステージ５５に吸着固定されている半導体ダイ１２の貫通電極１２ｂの上に形成されているバンプ２００の上に押し付け、超音波振動によって加振しながら１次接合を行う。
【００８１】
図８（ｂ）に示すように、１次接合の終わった半導体ダイ１２を加圧加熱炉の上部保持板８２ａ，８５ａと下部保持板８２ｂ，８５ｂとの間に挟みこんで、加圧すると共に１５０℃から２５０℃に加熱して、６０分程度保持して２次接合する。２次接合によってバインダーの有機物質が揮発し、分散剤が金属ナノ粒子の表面から脱離して金属ナノ粒子同士が接合して、金属層３００が形成され、各貫通電極１２ｂが接合される。
【００８２】
図８（ｃ）に示すように、２次接合の終了した半導体ダイ１２を再度、バンプ形成機構２０に搬送し、２次接合した半導体ダイ１２の貫通電極１２ｂの上面に射出へッド２６から金属ナノペーストの微液滴１００を射出してバンプ２００を形成する。そして、図８（ｄ）に示すように、この２次接合の終了した半導体ダイ１２の上面に形成されたバンプ２００に、貫通電極１２ｂ上にバンプ２００の形成された他の半導体ダイ１２を反転して１次接合する。すると、３枚の半導体ダイ１２の下部２枚の半導体ダイ１２の間は貫通電極１２ｂが２次接合され、上部２枚の半導体ダイ１２の間は貫通電極が１次接合された状態で重ね合わされた状態となる。この状態の３枚の半導体ダイ１２を再度加圧加熱炉に入れて加圧、加熱する。２次接合によって形成された金属層３００の溶融温度は通常の金属の溶融温度と同様１０００℃前後の高温であるので、２次接合の際の１５０℃から２５０℃の加熱温度では溶融せず、そのままの状態を保つ。このため、加圧、加熱によって上部の２枚の半導体ダイ１２の間に１次接合されたバンプ２００だけが加圧焼結されて金属層３００となる。このようにして、形成された金属層３００の溶融温度と２次接合の加熱温度との温度差を利用して、先に金属ナノペーストによって２次接合された半導体ダイ１２の貫通電極１２ｂの上に重ねて半導体ダイ１２を２次接合して半導体ダイ１２を積層接合していくことができる。
【００８３】
本実施形態によれば、先に説明した実施形態の効果に加えて、従来のはんだバンプを介して半導体ダイ１２を積層接合する方法において発生していたような、後の接合による加熱によって先に接合したはんだが溶融してしまいショートが起きるという問題がなく、接合品質、信頼性の高い半導体ダイ１２の積層接合を行い、３次元実装を行うことができるという効果を奏する。
【００８４】
図９を参照しながら他の実施形態について説明する。この実施形態では、図９（ａ）に示すように、貫通電極１２ｂを有する複数の半導体ダイ１２を１次接合によって積層接合した後、積層接合した半導体ダイ１２を加圧加熱炉の上部保持板８２ａ，８５ａと下部保持板８２ｂ，８５ｂとの間に挟みこんで、加圧すると共に１５０℃から２５０℃に加熱した状態を６０分程度保持して複数段のバンプ２００を一括して２次接合する。２次接合によってバインダーの有機物質が揮発し、分散剤が金属ナノ粒子の表面から脱離して金属ナノ粒子同士が接合して、金属層３００が形成され、各貫通電極１２ｂは同時に接合、導通される。
【００８５】
本実施形態においては、先に説明した実施形態の効果に加えて、複数段の半導体ダイ１２を一括して２次接合するので一段ずつ２次接合していく方法に比較して２次接合の回数が低減できることから、各半導体ダイ１２の一枚当たりの接合時間を更に短縮することができ、効率的に半導体ダイ１２の３次元実装を行うことができるという効果を奏する。
【００８６】
図１０及び１１を参照しながら更に他の実施形態について説明する。先に説明した実施形態と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。２次接合の際の加圧によって金属層３００を形成する際に、加圧、加熱の条件によっては、図１０（ａ）に示すように各電極１２ａ，１９ａの間の中央部３０３の断面が大きい樽型形状の金属層３００が形成されることがある。一方、半導体装置は動作の際に発熱、温度上昇する。半導体ダイ１２はシリコンで形成されており回路基板１９はガラスエポキシなどの樹脂材料によって形成されていることから、この温度上昇によって伸び差が生じ、この伸び差によって各電極１２ａ，１９ａを接合している金属層３００に熱応力が発生する。金属層３００が上記のような樽型に形成されている場合には、金属層３００の一番断面積の小さくなっている電極１９ａとの接合面３０１と電極１２ａとの接合面３０２に最大応力が発生する。この接合面３０１，３０２に発生する熱応力は接合面３０１，３０２の剪断方向に働くために、金属層３００と電極１２ａ，１９ａとの接合面３０１，３０２にクラックなどが発生して損傷、あるいは導通不良などが発生するという問題が発生する場合がある。
【００８７】
一方、図１０（ｂ）の様に、金属層３００の形状が中央にくびれ３０４を持っている場合には、伸び差によって発生する熱応力は中央のくびれ３０４に加わり、このくびれ３０４が横に変形することによって熱応力を吸収することができる。このため、各電極１２ａ，１９ａを接合する金属層３００は接合方向の中央にくびれ３０４を持つ形状となるように形成することが望ましい。しかし、２次接合における加圧力を一定として制御していたのでは、くびれ３０４を確実に形成することが困難な場合がある。
【００８８】
そこで、図１０（ｃ）に示すように、加圧過程の途中において、加圧力をマイナス側にして金属層３００に引っ張り力を掛けるようにして、金属層３００の中央にくびれ３０４を形成するようにする。より具体的には、図１０（ｃ）に示すように、加圧、加熱によって金属ナノ粒子の焼結を開始させた後、２次接合の所定の保持時間が終了する前の一定の時間ｔ１において、加圧力を減少させ、加圧力をマイナスとした後、加圧、加熱による２次接合を終了するようにする。
【００８９】
図１１及び図５を参照しながら本実施形態のボンディング方法について説明する。図１１のステップＳ３０１及び図５に示すように、加圧制御部５０３は、アクチュエータ８３，８６を駆動して上部保持板８２ａ，８５ａを進出させて回路基板１９に半導体ダイ１２を押し付け、各電極１２ａ，１９ａのバンプ２００を接合方向に加圧する。図１１のステップＳ３０２に示すように、加圧制御部５０３は、加圧力あるいは、各回路基板１９に接合される半導体ダイ１２の個数、形状によって決まる加圧荷重等を図示しない計測器によって測定した結果を取得し、バンプ２００の加圧力が所定の加圧力になっているかどうかを判断し、所定の加圧力となるまで上部保持板８２ａ，８５ａを進出させる。この所定の加圧力は、通常の金属バンプ同士を圧着する場合の１／２０程度の低い加圧力とする。また、加圧制御部５０３は加圧加熱炉８１，８４の内部温度が２次接合に必要な１５０℃から２５０℃になるようにヒータ８９を制御する。そして、図１１のステップＳ３０３に示すように、加圧制御部５０３は、加圧力が所定の圧力となったら上部保持板８２ａ，８５ａの進出を停止する。そして、図１１のステップＳ３０４に示すように、加圧制御部５０３は、加圧圧力あるいは、各回路基板１９に接合される半導体ダイ１２の個数、形状によって決まる加圧荷重等を図示しない計測器によって測定した結果を取得し、バンプ２００の加圧力が所定の加圧力になっているかどうかを判断し、所定の加圧力になっていない場合には、所定の加圧力になる迄上部保持板８２ａ，８５ａを進出させて加圧力を所定の加圧力に保持する。
【００９０】
図１１のステップＳ３０５に示すように、所定の時間、例えば、図１０（ｃ）に示すｔ1のように、通常の２次接合保持時間よりも少し短い時間が経過したら、加圧制御部５０３は焼結している金属層３００を引張する動作を開始させる。
【００９１】
図１１のステップＳ３０６及び図５に示すように、加圧制御部５０３は、上部保持板８２ａ，８５ａ及び下部保持板８２ｂ，８５ｂの各真空吸着孔９１ａ，９１ｂを真空とする。そして図１１のステップＳ３０７に示すように、加圧制御部５０３は、アクチュエータ８３，８６を駆動して上部保持板８２ａ，８５ａを上方に向かって後退させて回路基板１９から半導体ダイ１２を引き離す。すると真空吸着によって上部保持板８２ａ，８５ａと下部の保持板８２ｂ，８５ｂに吸着されている半導体ダイ１２と回路基板１９は上下方向に引っ張られ、図１０に示す金属層３００に引っ張り力が加わる。図１１のステップＳ３０８に示すように、加圧制御部５０３は、加圧力あるいは、各回路基板１９に接合される半導体ダイ１２の個数、形状によって決まる引張り荷重等を図示しない計測器によって測定した結果を取得し、焼結している金属層３００にかかる引っ張り力が所定の引っ張り力になっているかどうかを判断し、所定の引っ張り力となるまで上部保持板８２ａ，８５ａを上方に向かって後退させる。そして、図１１のステップＳ３０９に示すように、所定の引っ張り力となったら加圧制御部５０３は上部保持板８２ａ，８５ａの上方への後退を停止し、図１１のステップＳ３１０に示すように、加圧制御部５０３は金属層３００を所定時間だけ引っ張り状態に保持する。
【００９２】
図１１のステップＳ３１１及び図５に示すように、加圧制御部５０３は、加圧制御部５０３は、上部保持板８２ａ，８５ａ及び下部保持板８２ｂ，８５ｂの各真空吸着孔９１ａ，９１ｂの真空を開放する。これによって、金属層３００のかかっている引っ張り力が開放される。そして、図１１のステップＳ３１２に示すように、加圧制御部５０３は上部保持板８２ａ，８５ａを上方に向けて所定の位置まで後退させて、図１１のステップＳ３１３に示すように、回路基板１９と半導体ダイ１２をリリースする。
【００９３】
本実施形態は、先に説明した実施形態の効果に加えて、このように加圧保持の際に加圧圧力をマイナスとして金属層３００に引っ張り力を加えることによって金属層３００の接合方向の中央にくびれ３０４を形成することができる。そしてこのくびれ３０４によって半導体ダイ１２と回路基板１９との伸び差による熱応力を効果的に吸収し、導通不良などの発生を低減することができるという効果を奏する。
【００９４】
本実施形態では、金属層３００の中央部にくびれ３０４を形成して熱応力の低減を図ることとして説明したが、熱応力の低減が図れれば金属層３００の形状はくびれ形状に限らず、例えば、高さが高い円筒形等他の形状に形成してもよい。金属層３００を他の形状に形成する場合においては、各形状に合わせて加圧力を時間に応じて変化させることとしてもよい。
【００９５】
図１２を参照しながら、他の実施形態について説明する。先に説明した実施形態と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。本実施形態は、各電極の上に形成されるバンプ先端の形状を、互いに接合される一方のバンプの先端を凹形状に形成し、他方のバンプの先端を該凹形状に係合する凸形状に形成する様にしたものである。
【００９６】
先の実施形態においては各電極上に形成するバンプの形状は先端が細くなった錐状のものとして説明したが、バンプ先端の形状は錐状に限らない。図１２（ａ）に示すように、半導体ダイ１２の電極１２ａの上には先端が凹形状となったバンプ２０２を形成し、回路基板１９の電極１９ａの上には先端が凸形状で、半導体ダイ１２に形成した凹形状のバンプ２０２に係合するバンプ２００を形成するようにしてもよい。このように互いに接合されるバンプを凹凸の組み合わせとして係合するようにすると、図１２（ｂ）に示すように、半導体ダイ１２のバンプ２０２を回路基板のバンプ２００に１次接合する際に、各バンプ２００，２０２の側面等にできる係合面２０３も接触することができるので、各バンプ２００，２０２が相互に接触する確率が高くなる。このため、１次接合の際のバインダーの接合面積が増え、１次接合の接合強度を高めることができると共に、１次接合の確実性を高めることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本発明の実施形態におけるボンディング装置を示す平面図である。
【図２】本発明の実施形態におけるボンディング装置のバンプ形成機構を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施形態におけるボンディング装置の１次接合機構を示す図である。
【図４】本発明の実施形態におけるボンディング装置のボンディングステージにおける１次接合を示す斜視図である。
【図５】本発明の実施形態におけるボンディング装置の加圧加熱炉を示す断面図である。
【図６】本発明の実施形態におけるボンディング方法によって回路基板と半導体ダイとを接合する工程を示す説明図である。
【図７】本発明の実施形態におけるボンディング方法によって接合を行う工程を示す工程フローチャートである。
【図８】本発明の他の実施形態におけるボンディング方法によって半導体ダイを３次元積層接合する工程を示す説明図である。
【図９】本発明の他の実施形態におけるボンディング方法によって半導体ダイを３次元積層接合する工程を示す説明図である。
【図１０】本発明の他の実施形態におけるボンディング方法によって接合部の金属層にくびれを形成する工程を示す説明図である。
【図１１】本発明の他の実施形態におけるボンディング方法によって接合部の金属層にくびれを形成する工程のフローチャートである。
【図１２】本発明の他の実施形態におけるボンディング方法によって回路基板と半導体ダイとを接合する工程を示す説明図である。
【符号の説明】
【００９８】
１０  ボンディング装置、１１  フレーム、１２  半導体ダイ、１２ａ，１９ａ  電極、１３  ウェハマガジン、１４  基板マガジン、１５，１５ａ，１５ｂ  ウェハ搬送用レール、１６，１６ａ，１６ｂ  基板搬送用レール、１７  製品マガジン、１８  ウェハ、１９  回路基板、２０  バンプ形成機構、２１  ベース、２２  ウェハバンピングステージ、２３  基板バンピングステージ、２４  門形フレーム、２５  ＸＹ駆動機、２６  射出へッド、２６ａ  射出ノズル、２７  Ｙ方向フレーム、４０  アンダーフィル剤塗布機構、４１，５１，６１  ＸＹテーブル、４２  ディスペンサへッド、４３  ディスペンサアーム、４４  ディスペンサユニット、４５  ディスペンサステージ、５０  １次接合機構、５２  ボンディングへッド、５３  ボンディングアーム、５４  ボンディングツール、５５  ボンディングステージ、５６  フェイス部、５７  超音波振動子、５８  ボンディング部、５９，６９  吸着孔、６０  半導体ダイピックアップ部、６２  ピックアップへッド、６３  ピックアップアーム、６４  ピックアップツール、６６  回転軸、６７  吸着コレット、７０  ウェハホルダ、７１  ウェハテーブル、７２  突き上げユニット、７３  回転駆動機構、７４  接続シャフト、８０  ２次接合機構、８１  第１加圧加熱炉、８２，８５  保持板、８２ａ，８５ａ  上部保持板、８２ｂ，８５ｂ  下部保持板、８３，８６  アクチュエータ、８４  第２加圧加熱炉、８７  駆動軸、８８  ボールジョイント、８９  ヒータ、９１ａ，９１ｂ  真空吸着孔、９３  ２次接合機構入口レール、９４  ２次接合機構出口レール、９５  搬入口、９６  搬出口、１００  微液滴、１０１  バインダー、１０３  金属ナノ粒子、２００，２０２  バンプ、２０１  接合線、２０３  係合面、３００  金属層、３０１，３０２  接合面、３０３  中央部、３０４  くびれ、５０１  バンプ形成制御部、５０２  ボンディング制御部、５０３  加圧制御部。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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