(57)【要約】 【課題】  実装ツールを交換せずに任意サイズの半導体チップを任意の実装角度にて回路基板上に実装することができる効率的で安価なフリップチップボンディング装置を提供する。【解決手段】  移動自在のボンディングヘッド本体１と、ボンディングヘッド本体１に取り付けられたヒータ部２と、吸着用の貫通孔を有し、ヒータ部２の下面に取り付けられた実装ツール３とを備えている。前記実装ツール３は、ヒータ部２の下面に取り付けされるフランジ部４と、フランジ部４の下面に突設され、中央に吸着用の貫通孔を設けた下面扁平の保持部５とを備えている。保持部５は、半導体チップ３１がその下面に一方向で納まる柱状部材５ａ、５ｂを同心状に複数配設して構成されている。【選択図】    図１
2005159231.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動自在のボンディングヘッド本体と、当該ボンディングヘッド本体に取り付けられたヒータ部と、吸着用の貫通孔を有し、当該ヒータ部の下面に取り付けられた実装ツールとを備え、当該実装ツールに吸着・保持された半導体チップを前記ヒータ部で加熱しながら回路基板上に実装するフリップチップボンディング装置において、
前記実装ツールは、前記ヒータ部の下面に取り付けされるフランジ部と、当該フランジ部の下面に突設され、中央に吸着用の貫通孔を設けた下面扁平の保持部とを備え、
当該保持部は、前記半導体チップがその下面に一方向で納まる柱状部材を同心状に複数配設して構成されることを特徴とするフリップチップボンディング装置。
【請求項２】
移動自在のボンディングヘッド本体と、当該ボンディングヘッド本体に取り付けられたヒータ部と、吸着用の貫通孔を有し、当該ヒータ部の下面に取り付けられた実装ツールとを備え、当該実装ツールに吸着・保持された半導体チップを前記ヒータ部で加熱しながら回路基板上に実装するフリップチップボンディング装置において、
前記実装ツールは、前記ヒータ部の下面に取り付けされるフランジ部と、当該フランジ部の下面に突設され、中央に吸着用の貫通孔を設けた下面扁平の保持部とを備え、
当該保持部は、前記半導体チップがその下面に全方向で納まる円柱状部材、若しくは角柱状部材で成ることを特徴とするフリップチップボンディング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップを回路基板上に実装するためのフリップチップボンディング装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
携帯型情報端末機器等における軽薄短小化傾向にあって、半導体チップと回路基板を機械的、且つ、電気的に接続できるフリップチップボンディング技術が注目されている。
【０００３】
また、近年の携帯端末機器類では、モジュール単体の小型化、高機能化に伴い、同一回路基板上に同種、異種を含めた多数個の半導体チップを搭載するケースが多くなってきており、よって、係る半導体チップを直接回路基板上に薄型実装できる前記フリップチップボンディング装置が急速に普及しつつある。
【０００４】
図６は、一般的なフリップチップボンディング装置のボンディングヘッド１０部分を示しており、移動自在のボンディングヘッド本体１と、このボンディングヘッド本体１に取り付けたヒータ部２と、このヒータ部２の下面に取り付けた実装ツール３とを備えている。
【０００５】
実装ツール３は、ヒータ２の下面に、吸着手段や機械的手段によって着脱可能に装着されたフランジ部４を有し、図８に示すように、このフランジ部４の下面に、半導体チップ３１（フリップチップ）を保持するための保持部５が一体形成されている。
この保持部５のほぼ中央に、図示しない、フリップチップボンディング装置の真空配管経路に繋がる貫通孔６が設けられており、半導体チップ３１は、実装時にこの貫通孔６からの真空引きにより保持部５の下面に吸着・保持されるようになっている。
【０００６】
フランジ部４の保持部５に吸着・保持された半導体チップ３１は、上部のヒータ部２で加熱されながらフェイスダウン方式にて回路基板３０上に実装される。即ち、フェイスダウン方式では、ボンディングヘッド本体１の下降動作により、図７に示すように、この加熱された半導体チップ３１が回路基板３０に押圧されることにより、半導体チップ３１の電極３２（バンプ）と共に、回路基板３０に設けたボンディングパット３３が固着されて、半導体チップ３１は電極３２を介して基板上のボンディングパット３３に接続される。
【０００７】
尚、フリップチップボンディング装置の先行技術として、特許文献１が開示されている。特許文献１は、フリップチップボンディング装置に半導体チップを所定の一方向に吸着・保持可能なユニットを３種類設け、サイズの異なる複数の半導体チップを回路基板上に実装するようにしたものである。
【特許文献１】特開平６−１４０４７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、従来では、保持部５での吸着・保持力を高めるため、図８に示すように、保持部５の下面に半導体チップ３１の長手方向に応じた一定深さの座刳り７を形成する場合もあり、さらに、実装時、回路基板３０との接続に最適な温度と荷重を半導体チップ３１に加えるため、半導体チップ３１のサイズや実装方向に応じて保持部５を矩形状に加工したものを使用している。
【０００９】
このため、同一寸法の半導体チップ３１、特に長方形の半導体チップ３１を複数個、回路基板に対して水平方向と垂直方向にそれぞれ実装方向を違えて実装する場合、従来構造では、図８（ａ）、（ｂ）で示す２種類の実装ツール３を用意し、実装方向に応じてこれらを交換して使用する必要があった。
【００１０】
これは、次のような理由によるものである。
すなわち、モジュールの生産工程において、同一サイズの半導体チップ３１を複数個同一回路基板３０上に実装する場合、実装方向が一方向に限られている場合は、実装方向に応じて図９（ａ）に示す垂直実装用ツールと図９（ｃ）に示す水平実装用ツールを使い分けするれば良いが、同一回路基板上に垂直実装と水平実装チップが混在するモジュールの生産では、例えば、垂直実装用ツールを用いて実装を行うと、垂直実装チップは良いが、水平実装チップについては、図９（ｂ）に示すように、保持部５が半導体チップ３１の一部分のみを保持する形となり、例え、フリップチップボンディング装置が最適な実装条件に設定されていても、回路基板３０との接続に必要な十分な温度や荷重が加えられないため、半導体チップ３１に接続不良が発生する。加えて、実装時に半導体チップ３１に無理な押圧力が加わり、チップを破損する危険性もある。
【００１１】
また、実装ツール３の保持部５に上記した座刳り７が形成されている場合は、この座刳り７から空気が侵入して半導体チップ３１の吸着・保持が困難となる。
【００１２】
また、実装ツール３は、セラミック系材料が用いられることが多いため、実装ツール３を手動で交換するタイプのフリップチップボンディング装置では、ツール交換時に作業者が過って実装ツール３を落下し、破損させる事故も発生した。  特に、セラミック系材料として、窒化アルミ、窒化珪素、炭化珪素等の特殊セラミックを用いた精密加工では、実装ツール３の作製に多くの時間を要し作製コストは高額になることから、これを実装方向に応じて個々に作製することや破損して交換することはモジュールのコストアップに繋がった。
【００１３】
また、フランジ部４が正方形のように方向性の無い形状では、ツール交換時に取り付け向きを過る危険性が大きいため、図６に示すように、フランジ部４に作業者が取り付け方向を確認できる何らかの目印８を設ける必要があった。これもまた、実装ツール３の構造を複雑化し、コストアップとなる。
【００１４】
また、実装ツール３の交換作業は、通常フリップチップボンディング装置の稼働を停止した状態で行われるため、交換作業による時間のロスで実装作業の効率が大幅に低下することになる。実装ツール３を自動交換できるフリップチップボンディング装置でも、実装ツール３の交換に４〜１０秒程度の時間を要するため、必然的に工数増加に繋がってしまう。
【００１５】
本発明は、このような従来の問題点に鑑み成されたもので、実装ツールを交換せず、任意寸法の半導体チップを任意の実装角度にて、回路基板上に連続実装することができる効率的で安価なフリップチップボンディング装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
すなわち、請求項１に記載の本発明は、移動自在のボンディングヘッド本体と、当該ボンディングヘッド本体に取り付けられたヒータ部と、吸着用の貫通孔を有し、当該ヒータ部の下面に取り付けられた実装ツールとを備え、当該実装ツールに吸着・保持された半導体チップを前記ヒータ部で加熱しながら回路基板上に実装するフリップチップボンディング装置において、前記実装ツールは、前記ヒータ部の下面に取り付けされるフランジ部と、当該フランジ部の下面に突設され、中央に吸着用の貫通孔を設けた下面扁平の保持部とを備え、当該保持部は、前記半導体チップがその下面に一方向で納まる柱状部材を同心状に複数配設して構成されることを特徴としている。
【００１７】
本構成では、同一寸法の半導体チップを回路基板上に水平方向と垂直方向を含め複数個実装する場合、従来のように実装方向に応じて実装ツールを交換する必要が無くなり、連続実装が可能となる。これにより、半導体チップの実装工程が効率化され、生産性が大幅に向上する。
【００１８】
また、請求項２に記載の本発明は、移動自在のボンディングヘッド本体と、当該ボンディングヘッド本体に取り付けられたヒータ部と、吸着用の貫通孔を有し、当該ヒータ部の下面に取り付けられた実装ツールとを備え、当該実装ツールに吸着・保持された半導体チップを前記ヒータ部で加熱しながら回路基板上に実装するフリップチップボンディング装置において、前記実装ツールは、前記ヒータ部の下面に取り付けされるフランジ部と、当該フランジ部の下面に突設され、中央に吸着用の貫通孔を設けた下面扁平の保持部とを備え、当該保持部は、前記半導体チップがその下面に全方向で納まる円柱状部材、若しくは角柱状部材で成ることを特徴としている。
【００１９】
本構成では、同一サイズ、或いはサイズの異なる半導体チップを回路基板上に任意の実装角度にて複数個実装する場合、チップサイズや実装方向に応じて実装ツールを交換する必要が無く連続実装ができる。これにより、半導体チップの実装工程が効率化され、生産性が大幅に向上する。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したように、本発明によれば、半導体チップを回路基板に実装する際、半導体チップのサイズや実装角度毎に実装ツールを交換する必要は無く、連続実装が可能となるため、モジュールの生産性を大幅に向上できる。
【００２１】
加えて、実装ツールの交換頻度が極端に少なくなることにより、従来では、頻繁に行うツール交換時に作業者が過って実装ツールを落下し破損させるといった事故が防止できると共に、実装ツールの取り付けに方向性が無い正方形等でフランジ部分を構成しても、従来のような作業者の不注意による実装ツールの取り付けミスを引き起こす心配も無くなる。
【００２２】
さらに、従来、チップ実装方向に応じて２種類以上の実装ツールを作製していたのに対して１種類の実装ツールの作製で済むため、ツール作製費用は大幅に削減され、コストダウンが図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図１〜図６に基づいて本発明に係るフェイスダウン方式のフリップチップボンディング装置の実施形態を説明する。
【００２４】
ここで、図１は本実施形態のフリップチップボンディング装置の要部構成を示し、図２は実装ツールの構造を示し、図３、図４は図２で示す実装ツールの使用形態を示し、図５は本発明のボンディング装置を用いたモジュールの製造工程を示す。
尚、説明を簡略化するため、以下の説明において従来と共通する部材については同一の符号を用いた。
【００２５】
図１に示すように、本実施形態のボンディングヘッド１０は、移動自在のボンディングヘッド本体１と、このボンディングヘッド本体１に取り付けたヒータ部２と、このヒータ部２の下面に取り付けた実装ツール３とで構成されており、この点は図６に示した従来型のボンディングヘッド１０と同様である。但し、本実施形態では、実装ツール３の構造が従来型と相違している。
【００２６】
以下実装ツール３の構造について説明する。
図２（ａ）は、実装ツール３の第１実施形態を示し、図示のように、フランジ部４の下面に、半導体チップ（フリップチップ）が納まるサイズの下面扁平の角柱部材を垂直・水平の十字状に配設すると共に、この十字交差部の中央部に開口する吸着用の貫通孔６を設けて保持部５を形成している。尚、この貫通孔６の他端は図示しないフリップチップボンディング装置の真空配管経路に接続されて、この貫通孔６からの真空引きで半導体チップが保持部５の下面に吸着・保持されるようになっている。
【００２７】
図３に、図２（ａ）で示した実装ツール３の使用形態を示す。この使用形態では、図３（ａ）において、垂直方向の保持部５ａにより、長方形の半導体チップ３１を吸着・保持して回路基板３０に対して垂直方向に実装し、次に、図３（ｂ）において、水平方向の保持部５ｂにより、同一寸法の半導体チップ３１を吸着・保持して回路基板３０に対して水平方向に実装している。
【００２８】
このように、本実装ツール３では、全体が上記した十字状の角柱部材に納まる長方形の半導体チップ３１を回路基板３０に対して水平方向と垂直方向のどちらの方向にでも確実に吸着・保持でき、且つ、回路基板３０との接続に必要な温度および荷重を水平実装、垂直実装のどちらの場合においても１個の実装ツール３にて十分に加えることができる。従って、同一寸法の半導体チップ１が回路基板３０に対して水平方向と垂直方向に複数実装されるモジュールの生産工程において、実装ツール３の交換作業は全く不要である。勿論、垂直実装、水平実装の実装順序に何等制約はなく、任意の順序で実装することができる。
【００２９】
尚、本第１実施形態の実装ツール３では、保持部５の形状を図２（ａ）のように十字状としたが、半導体チップ３１が納まる角柱状部材を同心状に複数配置もすることも勿論可能であり、この場合、水平実装、垂直実装に限らず、それ以外の斜め実装が可能となる。
【００３０】
次に、図２（ｂ）は実装ツール３の第２実施形態を示し、図示のように、フランジ部４の下面に、半導体チップが納まるサイズで、下面扁平の円柱状部材を配設すると共に、この円柱状部材の中央部に開口する吸着用の貫通孔６を設けて保持部５を形成している。
【００３１】
このように、保持部５の形状を上面円形にすることにより、この円周内に納まるサイズの半導体チップであれば、同一サイズに限らず、サイズの異なる半導体チップでも、半導体チップを垂直方向や水平方向だけでなく任意の角度にて確実に吸着・保持することができ、且つ、回路基板３０との接続に必要な温度と荷重はこの実装ツール３で十分に加えることができる。
【００３２】
図４に、図２（ｂ）で示した実装ツール３の使用形態を示す。この使用形態では、それぞれサイズの異なる３種類の半導体チップ３１ａ、３１ｂ、３１ｃを、図４（ａ）では垂直実装、図４（ｂ）では水平実装、図４（ｃ）では斜め実装といった具合に、実装角度毎に実装ツール３を交換すること無しに１個の実装ツール３を用いて、回路基板３０に対してそれぞれ３方向に連続実装している。勿論、各方向の実装順序は任意に決めることができる。
【００３３】
尚、本第２実施形態の実装ツール３では、保持部５の形状を図２（ｂ）のように円柱状としたが、半導体チップ３１が納まるサイズの多角柱状としても勿論構わない。何れにしても、半導体チップ３１がこの保持部５の下面に全方向で納まる広さを有していれば、任意の連続した実装角度で実装が可能である。
【００３４】
以上のように、本発明の実装ツール３は、半導体チップ３１を回路基板３０上に実装する際、チップサイズや実装角度に応じてその都度専用の実装ツール３に交換する必要が全く無く、連続実装が行えるため、モジュールの生産工程における従来のツール交換作業を省略することができ、生産性は大幅に向上する。
【００３５】
加えて、実装ツール３の交換頻度が極端に少なくなることにより、従来、頻繁に行う実装ツール３の交換時に作業者が過って落下し、実装ツール３を破損させるといった事故を防止できると共に、実装ツール３の取り付に方向性が無い正方形等でフランジ部分を構成しても、実装ツール３の取り付けミスを引き起こす心配は無くなる。
【００３６】
本発明の実装ツール３による効果を確認するため、以下のフリップチップボンディング装置によるチップ実装工程の工数試算を行い、表１に示した。
試算対象装置は、実装ツールの自動交換動作を行う従来型の装置と実装ツール３の自動交換を行わない本発明の装置である。
尚、工数試算の条件は以下（１）〜（３）の通りである。
（１）８モジュール／基板とする。
（２）１モジュール当たり、同一寸法の半導体チップ２点を水平方向と垂直方向に実装する。
（３）実装時間には、フリップチップボンディング装置の動作サイクルタイム２．０ｓｅｃと加熱・加圧時間１．０ｓｅｃの合計３．０ｓｅｃが含まれるものとする。
【００３７】
【表１】
2005159231.tif 000003
【００３８】
表１より明らかなように、本発明は従来品に比べ、１モジュール当たり約１割強の工数低減が図られている。この結果より、本発明の実装ツール３を用いれば、生産性が大幅に向上することが証明された。
【００３９】
次に、図８（ａ）、（ｂ）に示した従来の水平実装用ツールと垂直実装用ツールと、図２（ａ）に示した本発明の実装ツールのそれぞれの作製費用（設計費用、作製・加工費用）および作製工数（作製日数）を試算し比較した。その結果、作製費用、作製工数共に、本発明は従来品の半分以下で済むことが判った。
この理由は、従来品が実装ツール２個に対し、本発明が実装ツール１個で済むこと、従来品のようなフランジ部４の目印８加工や保持部５の精密な座刳り７加工が不要であること等によるものである。
【００４０】
次に、図５に基づいて本発明のフリップチップボンディング装置を用いたモジュールの生産工程を説明する。
【００４１】
図５に示すように、本工程は、フリップチップボンディング装置による半導体チップの実装工程（図５（ａ）〜（ｃ））と、樹脂塗布装置によるエポキシ樹脂塗布工程（図５（ｄ））と、恒温槽による樹脂硬化工程（図５（ｅ））の３工程で成る。
【００４２】
先ず、図５（ａ）において、ピックアップユニット２０により、トレイ２１に載置・収容されている半導体チップ３１が取り出される。この時、半導体チップ３１の電極３２（Ａｕ製）は、上向きとなっている。
次に、図５（ｂ）において、ピックアップユニット２０により取り出された半導体チップ３１が本発明のボンディングヘッド１０の直下位置に移動され、且つ、半導体チップ３１の上下位置が反転されて電極３２を下向きにした状態で実装ツール３に吸着・保持される。尚、半導体チップ３１の吸着・保持については既述した通りである。
次いで、図５（ｃ）において、半導体チップ３１がヒータ部２（セラミックヒータ）により、コンスタント方式で温度約４００〜４５０℃に加熱されると共に、回路基板３０に押圧されて、半導体チップ３１の電極３２と回路基板３０の図示しないボンディングパット（表面処理Ａｕメッキ）が熱圧着されて、半導体チップ３１は回路基板３０上に機械的、且つ、電気的に接続（固相拡散接合）される。尚、熱圧着の際、回路基板３０が載置されるステージは、約１５０℃程度に加熱されている。これで、半導体チップ３１の実装工程は終了する。
【００４３】
次に、図５（ｄ）において、シリンジ２２に充填された液状熱硬化性樹脂（エポキシ樹脂）をニードル２３から吐出し、前工程で回路基板３０に実装された半導体チップ３１の側端部より塗布させ、回路基板３０と半導体チップ３１との間隙に充填させる。尚、この際、基板ステージは約７０〜８０℃に加熱されている。これで、エポキシ樹脂塗布工程は終了する。
【００４４】
最後に、図５（ｅ）において、樹脂封止された半導体チップ搭載の回路基板３０を恒温槽内で加熱し、封止樹脂を硬化する。これで、モジュールの製造が完了する。
【００４５】
このように、上記生産工程では、従来、フリップチップボンディングにおいて主流の一つであったＮＣＰ接続（Ｎｏｎ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｐａｓｔｅ  Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）工法、（即ち、回路基板上に樹脂を塗布した後、その上に半導体チップを実装し、電極の接続と樹脂の硬化を一括処理で行う工法）に替わり、チップ実装後に樹脂封止を行うＡｕ−Ａｕの熱圧着工法を採用している。
【００４６】
これは、次のような理由によるものである。
ＮＣＰ接続工法は、チップ実装時に樹脂が実装ツールへ這い上がり、ツールに付着するという基本的な問題を有していた。そこで、従来では、この樹脂の這い上がりを防止するため、保持部のサイズを半導体チップのサイズより小さく加工しており、このため、実装ツールに汎用性を持たせることができず、既述のように、モジュールの生産に際し、専用の実装ツールを複数個用意する必要があった。また、ＮＣＰ接続工法は電極の接続と樹脂の硬化を一括処理で行うことから、半導体チップの接続部の強度は使用する樹脂材や、その硬化・収縮の状態に大きく影響されるため、信頼性に欠ける場合があった。
【００４７】
一方、本発明の実装ツールでは、汎用性を持たせるため、即ち、チップサイズや実装角度に関係なく一個のツールで連続実装可能とするため、実装ツールの保持部を半導体チップより大きく形成しなければならなかった。従って、チップ実装後に樹脂を塗布する熱圧着工法は、樹脂の這い上がりが無く、本発明の実装ツールには極めて好都合な工法である。
また、同時に本工法では、半導体チップと回路基板との接続をＡｕーＡｕの固相拡散による金属接合で行うため、半導体チップと回路基板の接続部に高い強度が得られ、モジュールの信頼性を向上できるというメリットを有している。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明に係るフリップチップボンディング装置の要部構成を示す斜視図。
【図２】本発明に係る実装ツールの説明図で、（ａ）は第１実施形態を示す図、（ｂ）は第２実施形態を示す図。
【図３】同、実装ツールの使用形態を示す図。
【図４】図３とは別の実装ツールの使用形態を示す図。
【図５】本発明に係るフリップチップボンディング装置によるモジュールの生産工程を示す図。
【図６】従来のフリップチップボンディング装置の要部構成を示す斜視図。
【図７】半導体チップを実装した回路基板を示す図。
【図８】従来の実装ツールの説明図。
【図９】同、実装ツールの使用形態を示す図。
【符号の説明】
【００４９】
１  ボンディングヘッド本体
２  ヒータ部
４  フランジ部
５  保持部
６  貫通孔
３０  回路基板
３１  半導体チップ
【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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