(57)【要約】【課題】反りの小さいフリップチップを得ることができるフリップチップ実装方法及びフリップチップ実装装置を得る。【解決手段】フリップチップ実装方法は、ステージ上に基板５を吸着保持し、チップ吸着ブロック１に吸着保持したフリップチップ３を加熱しながら基板上に加圧し、同時に基板５をステージ側から強制冷却する。フリップチップ実装装置２１は、加熱手段２を内蔵したチップ吸着ブロック１と、基板吸着手段２７及び基板冷却手段２５を備えたステージ２３とを具備し、加熱手段２、基板吸着手段２７、及び基板冷却手段２５が同時に動作するように構成した。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フリップチップを基板に熱圧着するフリップチップ実装方法であって、
ステージ上に基板を吸着保持し、チップ吸着ブロックに吸着保持したフリップチップを加熱しながら基板上に加圧し、同時に前記基板を前記ステージ側から強制冷却することを特徴とするフリップチップ実装方法。
【請求項２】
請求項１記載のフリップチップ実装方法において、
同一の前記基板に対し、複数のフリップチップを順次熱圧着することを特徴とするフリップチップ実装方法。
【請求項３】
加熱手段を内蔵したチップ吸着ブロックと、
基板吸着手段及び基板冷却手段を備えたステージとを具備し、
前記加熱手段、前記基板吸着手段、及び前記基板冷却手段が同時に動作することを特徴とするフリップチップ実装装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フリップチップを基板に熱圧着するフリップチップ実装方法及びフリップチップ実装装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、従来方式のフリップチップボンダーの一例を示す図である。フリップチップボンダーはヒーター２を内蔵したチップ吸着ブロック１、プランジャー４と基板５、フリップチップ（ＩＣチップ）３を圧着するステージ６、真空吸着用パイプ７で構成されている。チップ吸着ブロック１はＩＣチップ３の裏面側を真空吸着し、ステージ上の基板５の所定位置にＩＣチップ３を移送する。そして、プランジャ一４を下降し、加圧しながらヒータ２によりＩＣチップ３を加熱する。その結果、図５に示す基板５の上面にあらかじめ塗布されている熱硬化性樹脂５ｂが硬化しＩＣチップ３と基板５とが接合し、ＩＣチップ３のバンプ３ａと基板５のランド５ａが接続される。その後、ヒータ２をＯＦＦにしプランジャー４を上昇させ、接続されたＩＣチップ３と基板５は冷却され、取り出される。
【０００３】
従来技術では、主に工程のタクトタイム短縮を日的として、樹脂硬化を短時間に行ったり、樹脂硬化後の冷却を短時間で完了するための工夫が行われている。例えばＩＣチップ側のヒーターヘッドだけでなく、基板ステージの加熱を行ったり、加熱ヒーターの代わりにレーザー加熱を行い、急峻な温度立ち上がりにより加熱時間を短縮し、工程のタクトタイム短縮を図っていた。
【０００４】
ところで、フリップチップを基板に熱圧着するフリップチップ実装方法では、フリップチップと基板との線膨張係数の違いから圧着後に変形の生じる問題があった。ここで図６を参照して、熱硬化樹脂を使った圧着時のフリップチップの変形のメ力ニズムを説明する。ただし、加圧による摩擦抵抗による変形への影響は小さいので考慮しないこととする。
【０００５】
常温でステージ上に基板５を配置し、熱硬化樹脂を介してＩＣチップ３を重ね、加熱を行う場合を考える。熱硬化樹脂は常温では粘度の高い液体であるが、１５０〜２００℃程度に加熱すると硬化する性質を持っている。
加熱時、ＩＣチップ３、基板５ともに熱膨張する。このとき樹脂製基板の線膨張係数は１０〜５０ｐｐｍ／℃であるのに対し、ＩＣチップ３はシリコン製で３ｐｐｍ／℃程度で、熱膨張によるＩＣチップ３の変位量ａよりも基板５の変位量ｂの方がはるかに大きい。また、熱硬化樹脂が液体である間はＩＣチップと基板はそれぞれ独立に熱膨張するので大きな拘束力などは生じず、反りなどの変形は発生しない。
【０００６】
熱硬化樹脂が硬化するとＩＣチップ３と基板５の界面で両者の位置が固定される。
次に、ヒーター２が切れ、冷却が始まると、ＩＣチップ３、基板５ともに収縮しようとするが、両者の界面では熱硬化樹脂が硬化し、位置関係が固定されているので、線膨張係数の大きい基板側の方がＩＣチップ側よりも収縮量が大きくなる。したがって、ＩＣチップ３と基板５の界面を挟んでバイメタルと同様に、曲げモーメントによりＩＣチップ側が凸になるよう反り変形を起こす。
【０００７】
このようにしてフリップチップの変形が起こると接続オープンや電気抵抗の上昇などによる不良の発生率が増大するので、できるだけこの熱変形量を小さくする必要がある。従来の熱変形量を小さくする手段としては、例えば、樹脂基板の線膨張係数やガラス転移特性など材料定数の変更、昇温時の温度プロファイルなどを変更すること等があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、材料定数の変更については、樹脂基板の線膨張係数を下げることや、ガラス転移温度の高い材料を使用することなどが行われているが、樹脂製基板を使用する以上、物性値の大きな変更は困難である。低膨張係数といっても８ｐｐｍ程度が限界であり、Ｓｉの３ｐｐｍには到底届かない。また、ガラス転移点の高い材料はあるが、それを用いた基板の製造（熱プレス）はより難しくなるし、膨張係数そのものを下げるものではない。といった具合に材料定数の変更には限界があり、対策しきれないのが現状である。
また、温度プロファイルを変更する場合、予め１５０℃程度でＩＣバンプと基板のランドを仮固着してから加熱すると、冷却時から常温に戻るまでの温度差は小さくなるので基板の反りも少なくなることが期待できるが、タクトタイムが長くなり、生産性が低下するという不利がある。
更に、フリップチップボンダーを使って集合基板上にボンディングする場合は、１枚のインターポーザー基板上に複数のＩＣチップをボンディングすることから、前にボンディングした時の熱がステージに伝わり、後からボンディングするチップのボンディング温度が上昇するため、ボンディング条件が集合基板内でばらつき易い問題があった。
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、その第一の目的は、ヒーター温虔を上げたりタクトタイムを大幅に延ばすことなく、反りの小さいフリップチップを得ることができるフリップチップ実装方法及びフリップチップ実装装置を提供することにある。また、その第二の目的は、集合基板の場合であっても、個々のフリップチップの反り量のばらつきを小さくできるフリップチップ実装方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係る請求項１記載のフリップチップ実装方法は、フリップチップを基板に熱圧着するフリップチップ実装方法であって、ステージ上に基板を吸着保持し、チップ吸着ブロックに吸着保持したフリップチップを加熱しながら基板上に加圧し、同時に前記基板を前記ステージ側から強制冷却することを特徴とする。
【００１０】
このフリップチップ実装方法では、フリップチップを加熱しながら基板上に加圧するボンディング時、同時にステージが冷却されることで、基板表面と基板裏面に大きな温度勾配が形成され、基板表面が樹脂を硬化する温度に保たれながら、基板裏面が冷却後に収縮量の小さくなる温度に保たれる。これにより、ヒーター温度を上げたり、或いはタクトタイムを大幅に延ばすことなく、反りの小さいフリップチップが得られるようになる。
【００１１】
請求項２記載のフリップチップ実装方法は、請求項１記載のフリップチップ実装方法において、同一の前記基板に対し、複数のフリップチップを順次熱圧着することを特徴とする。
【００１２】
このフリップチップ実装方法では、集合基板がステージに吸着保持され、ステージ面が一様に冷却されることで、先にフリップチップをボンディングした時の熱が集合基板に蓄積されることがなく、同一集合基板内におけるボンディングの場所や順番によらず、個々のフリップチップの反り量のばらつきが小さくなる。
【００１３】
請求項３記載のフリップチップ実装装置は、加熱手段を内蔵したチップ吸着ブロックと、基板吸着手段及び基板冷却手段を備えたステージとを具備し、前記加熱手段、前記基板吸着手段、及び前記基板冷却手段が同時に動作することを特徴とする。
【００１４】
このフリップチップ実装装置では、フリップチップボンダーのステージに冷媒が流され、ステージが強制冷却されることで、ボンディング時の基板下面の温度上昇が抑えられ、冷却後のフリップチップの反りが低減される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るフリップチップ実装方法及びフリップチップ実装装置の好適な実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。なお、図４に示した部材と同一の部材には同一の符号を付し、重複する説明は省略するものとする。
図１は本発明に係るフリップチップ実装装置の構成図である。
【００１６】
本実施の形態によるフリップチップ実装装置（以下、「フリップチップボンダー」という。）２１は、図１に示すように、ステージ２３の内部に冷媒を導入して、ステージ２３を強制冷却できる冷却ブロック構造としている。即ち、ステージ２３内には、基板冷却手段（冷却パイプ）２５と、基板吸着手段（真空引きパイプ）２７とが配設されている。冷却パイプ２５には図示しない基板冷却手段（冷媒供給装置）が接続され、冷媒供給装置は冷却パイプ２５へ冷媒を循環供給できるようになっている。ステージ２３は、冷却パイプ２５内に冷媒を循環させることで、低温で安定するようになっている。なお、冷却パイプ２５に供給される冷媒としては、例えば冷水を好適に用いることができる。
【００１７】
真空引きパイプ２７には図示しない基板吸着手段（真空ポンプ）が接続され、真空ポンプは真空引きパイプ２７内の空気を排気できるようになっている。真空引きパイプ２７は、ステージ２３上で基板吸着口２９として開口している。基板吸着口２９は冷却パイプ２５の間に位置し、基板吸着と冷却が位置的に交互に行われる構造となっている。また、ステージ２３は、熱伝導率の良好な材料により形成され、圧着時の基板下面温度を高い熱伝導率によって良好に冷却（低下）するようになっている。
【００１８】
なお、本実施の形態におけるフリップチップボンダー２１において、チップ吸着ブロック１は、従来と同様に構成される。即ち、プランジャー４の下端に保持され、加熱手段であるヒーター２を内蔵するとともに、ＩＣチップ３の裏面を真空吸着するための真空吸着用パイプ７を備えている。
【００１９】
フリップチップボンダー２１には図示しない制御部が設けられ、制御部は上記のヒーター２、プランジャー４、真空ポンプ、冷媒供給装置の動作制御を行う。ここで、制御部は、ヒーター２、真空ポンプ、及び冷媒供給装置を同時動作させる動作制御モードを有している。
【００２０】
次に、フリップチップボンダー２１の動作について説明する。
図２は本発明に係るフリップチップ実装方法の手順を表した流れ図である。
フリップチップの実装に先立ち、ステージ２３の冷却パイプ２５に冷媒を供給し、ステージ２３を予め所定温度に冷却しておく（ｓｔ１）。フリップチップボンダー２１の図示しない移載機が、基板５をステージ２３上に配置し（ｓｔ３）、基板上に接続用の熱硬化樹脂が供給される（ｓｔ５）。熱硬化樹脂の供給方法は、樹脂付フイルムを貼り合わせる方法、ディスペンサで基板上に注入する方法、基板上の所定位置に印刷する方法などがある。例えば、ＡＣＦ（アンイソトロピック・コンダクティブ・フィルム）、ＡＣＰ（アンイソトロピック・コンダクティブ・ペースト）、ＮＣＦ（ノンイソトロピック・コンダクティブ・フィルム）、ＮＣＰ（ノンイソトロピック・コンダクティブ・ペースト）などを接着手段として用いることができる。
【００２１】
次に、チップ吸着ブロック１は、ＩＣチップ３を吸着してこの基板上に移動し（ｓｔ７）、カメラにてＩＣチップ３と基板５の貼り合わせ位置のアライメントを行う（ｓｔ９）。
次に、加圧用のプランジャー４が下降し（ｓｔ１１）、チップ吸着ブロック１内部のヒーター２を８０〜１２０℃程度に加熱し（ｓｔ１３）、基板５を上から数秒間加圧、加熱する（ｓｔ１５）。つまり、基板５は、冷却と加熱が同時に行われる。
【００２２】
この過程では、ＩＣチップ３と基板５との間の熱硬化樹脂が排除され、ＩＣバンプ３ａと基板ランド５ａ（図５参照）の圧接が行われる（ｓｔ１７）。
次に、ヒーター温度を２５０°Ｃ程度に上げ数秒間加熱、加圧を持続させ（ｓｔ１９）、熱硬化樹脂を硬化させる（ｓｔ２１）。
最後にチップ吸着ブロック１のヒーター２を切り（ｓｔ２３）、プランジャー４を上昇させ（ｓｔ２５）、接続されたＩＣチップ３を冷却する（ｓｔ２７）。
【００２３】
圧着後の基板５の変形は、熱硬化樹脂の熱硬化の瞬間から始まり、冷却過程で基板５とＩＣチップ３の熱膨張率の違いにより変形量が大きくなる。即ち、基板５とＩＣチップ３の線膨張率の差が小さいほど、また、熱硬化樹脂の硬化時に基板温度が低いほど基板５の収縮量は小さくなるので、反り量は小さくなる。
【００２４】
このときの基板５の温度を下げるため、フリップチップボンダー２１では、ステージ２３の温度が下げられる。即ち、チップ吸着ブロック１が圧接した時の加熱と同時に、基板下面の温度が下げられる。ＩＣチップ３と基板５を圧着するステージ２３は、冷媒を導入した冷却ブロック構造であることから、ステージ上面を強力に冷却でき、かつ上面には基板吸着口２９が多数あり、基板５を強力に吸着する。つまり、基板５は、加熱と同時に冷却される。
【００２５】
従って、ステージ２３に強力に吸着された基板５は、チップ吸着ブロック１による加熱圧着時、下面温度の上昇が抑えられる。そして、冷却時に常温に戻るまでの温度差が小さくなるので、基板５の収縮量も小さくなり、ボンディング後の基板５の反り量が小さくなる。
【００２６】
そして、基板５が集合基板である場合には、ステージ面が一様に冷却されていることで、先にＩＣチップ３をボンディングした時の熱がステージ２３に蓄積することがなく、ボンディングの場所や順番によらず、個々のＩＣチップ３の反り量のばらつきを小さくでき、ＩＣバンプ３ａと基板ランド５ａの接続信頼性を向上させることが可能となる。
【００２７】
【実施例】
次に、従来技術と同様の構成を有するフリップチップボンダーを用い、ステージを冷却しない場合と、実施の形態と同様の構成を有するフリップチップボンダーを用い、ステージを冷却した場合の基板の反りを評価した結果を説明する。
（１）　ステージを冷却せず、従来技術で示した方法でボンディングしたときの基板の変形量を実測により求めた。
ＩＣチップと基板の厚みはそれぞれ０．３ｍｍ、０．１５ｍｍ、線膨張率はＩＣチップが３ｐｐｍ／℃、基板が１３ｐｐｍ／℃と１８ｐｐｍ／℃の場合を計測した。
ステージ温度はステージの基板の下面に隣接する部分に熱伝対を取り付け計測した。
ボンディング後、常温まで自然冷却し、基板裏面の反りを非接触式レーザー変位計にて測定した。
【００２８】
（２）　ステージ内に冷却水を流すことによって、ボンディング時の基板下面温度が１００°Ｃになるようにステージを冷却し、（１）と同様のＩＣチップ、基板を使用し、ステージの冷却を行いながらボンディングを行なった。
そして冷却後の基板裏面の反りを計測した。
【００２９】
（３）ボンディング後の基板裏面の反り量について、有限要素法にてシミュレーションを行った。シミュレーションは、ＩＣチップと基板の熱硬化樹脂を挟んだモデルを作り、加熱、冷却過程の非定常熱伝導解析と熱応力解析を行った。ステージ冷却の有無をパラメータにとり、基板の線膨張率を変化させて、（１）（２）と同じ条件で計算し、実測値と比較した。
【００３０】
図３はステージ冷却の有無別に基板冷却後の反りを実測値とシミユレーションデータとで比較した説明図である。
以上の実施例をまとめると図３のようになる。図３のプロットで示すように、ステージを冷却しない場合、基板下面のステージ温度は約１６０°Ｃになり、このときの基板冷却後の反り量の計測値は３９μｍであった。一方、ステージ冷却ありの場合、基板下のステージ温度は約１００°Ｃであり、冷却後の基板の反り量は２２μｍであった。ステージを冷却しない場合に比べ、基板の反り量は１／２程度に小さくなることが分かる。
【００３１】
また、このステージ温度条件でボンディング後の基板の反りのシミュレーションを行った結果グラフを図３に実線で示す。線膨張率が１３ｐｐｍ／℃では、ステージ冷却なしの場合３３μｍ、ステージ冷却有りの場合１６μｍとなり、実測値よりやや小さい値ではあるが、基板の反り量は１／２程度と実測と同様な結果が得られた。
【００３２】
以上、実測及びシミユレーション結果より、フリップチップボンダーのステージ温度は常温に近いほど冷却後のＩＣチップの変形量は小さくできると言える。すなわち、ボンディング時、ステージ面を一様に冷却することにより、ＩＣチップの変形量及びそのばらつきを小さくできることが知見できた。
【００３３】
従来では、例えばペルチエ素子をステージ部に埋め込み、フリップチップ圧着の前後で加熱冷却を切り替えるような例がある。しかし、本発明に係る構成のように、基板の反りを減少させることを目的として、ステージ部をフリップチップ圧着の最初から冷却している装置は存在しない。熱硬化樹脂が固まった直後から冷却に切り換えれば、タクトは短くなるが、実際には反りに対する効果がないことが実施例からも分る。即ち、加熱時に、最初から基板の温度を低くしないと、基板の反り抑制に効果のないことが分る。本実施例では、本発明に係る構成のように、フリップチップ圧着時にステージを冷却し、接着材は基板表面側で硬化温度に保ちながら、基板裏面温度を１００℃以下に抑えることが、反りの抑制に極めて効果的であることが明らかとなった。
【００３４】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係る請求項１記載のフリップチップ実装方法によれば、ボンディング時ステージを冷却することで、基板裏面と基板表面に温度勾配ができ、基板表面の樹脂を硬化する温度に保ちながら、基板裏面では冷却後に収縮量を小さくできる。このことにより、ヒーター温度を上げたりタクトタイムを大幅に延ばすことなく、反りの小さいフリップチップを得ることができる。
【００３５】
請求項２記載のフリップチップ実装方法によれば、集合基板の場合であっても、ステージ面を一様に冷却することで、先にフリップチップをボンディングした時の熱が蓄積することがなく、ボンディングの場所や順番によらず、個々のフリップチップの反り量のばらつきを小さくして、フリップチップ接続性能の工程能力を向上させるという効果を奏する。
【００３６】
本発明に係るフリップチップ実装装置によれば、フリップチップボンダーのステージに冷媒を流し、ステージを冷却する構造にすることにより、ボンディング時の基板下面の温度上昇を抑え、冷却後のフリップチップの反りを低減できる。結果として、ＩＣバンプと基板ランドの接続信頼性を向上させるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るフリップチップ実装装置の構成図である。
【図２】本発明に係るフリップチップ実装方法の手順を表した流れ図である。
【図３】ステージ冷却の有無別に基板冷却後の反りを実測値とシミユレーションデータとで比較した説明図である。
【図４】従来のフリップチップボンダーの構成図である。
【図５】フリップチップのＩＣチップＡｕバンプと基板ランド電極接統部の構造概念図。
【図６】基板反りのメカニズムの説明図である。
【符号の説明】
１…チップ吸着ブロック、２…ヒーター（加熱手段）、３…ＩＣチップ（フリップチップ）、５…基板、２１…フリップチップ実装装置、２３…ステージ、２５…冷却パイプ（基板冷却手段）、２７…真空引きパイプ（基板吸着手段）
【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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