(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
部品の接合を行う半導体接合装置であって、
部品を搭載する第１の基台と、
該第１の基台の外周に空間を設けて囲む筐体と、
前記第１の基台上部に設けられた開口部と、
前記筐体の中に第１の不活性ガスを供給する第１の供給手段と、
前記筐体の中に第２の不活性ガスを前記開口部の形成される面と同一面内で旋回流となるように供給する第２の供給手段とを具備することを特徴とする半導体接合装置。
【請求項２】
前記第２の供給手段には、前記第２の不活性ガスが旋回流を形成するように複数の噴出孔を具備されていることを特徴とする請求項1記載の半導体接合装置。
【請求項３】
前記筐体の内周には、前記開口部にかけて徐々に面積が小さくなるスロープが形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体接合装置。
【請求項４】
前記第１の供給手段は、前記第１の基台よりも下部から前記第１の不活性ガスを供給することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体接合装置。
【請求項５】
前記第２の供給手段によって供給される前記第２の不活性ガスが前記第１の基台に搭載された部品に供給されることを妨げる制御壁を具備することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体接合装置。
【請求項６】
前記筐体の中の空間より前記開口部での前記不活性ガスのレイノルズ数を低くなるように設定したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体接合装置。
【請求項７】
前記第１の基台がヒータであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体接合装置。
【請求項８】
前記第１の基台周囲に前記第１の基台の下部に位置し、突出するように設けられた第２の基台を具備することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の半導体接合装置。
【請求項９】
前記第２の基台が放熱フィンであることを特徴とする請求項８記載の半導体接合装置。
【請求項１０】
前記第１の不活性ガスおよび前記第２の不活性ガスは、窒素ガスあるいはアルゴンガスであることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の半導体接合装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パッケージに半導体部品を加熱接合する半導体接合装置に関し、特に酸化しやすい半田材料を用いてパッケージに半導体部品を接合する際に低酸素濃度雰囲気の形成する半導体接合装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＡｕＳｎ半田等の酸化しやすい半田材料を用いた接合では、接合のプロセスを窒素等の不活性ガスによって低酸素濃度雰囲気で行う必要があるため、半導体接合装置内部と装置外部を遮断し、内部を不活性ガスで充填したり、接合の工程部分へ局所的に不活性ガスを吹き付けて酸化を防ぐ方法をとっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術の装置内部と装置外部を遮断し、内部を不活性ガスで充填する場合には、装置内部の空気を不活性ガスへ置換するのに非常に時間がかかるという問題点があった。
【０００４】
置換時間を短縮するためには、装置内部をまず真空ポンプ等によって装置内の空気を排出し、真空に近い状態にした後、不活性ガスを充填する方法があるが、真空に耐える強固で密閉度の高い構造が必要となるため、装置コストが上昇するという新たな問題点が生じる。
【０００５】
また、接合工程部分へ局所的に不活性ガスを吹き付ける方法では、吹き付ける不活性ガスが接合時の温度低下を招くのを防ぐため、不活性ガスを加熱する必要があったり、雰囲気を安定させるために多量の不活性ガスを吹き付けるため、ランニングコストが上昇するとという問題点があった。
【０００６】
さらに、接合工程部分へ局所的に不活性ガスを吹き付ける方法では、吹き付けている不活性ガスの流量が多いこと、吹き付けているガスの温度分布にムラが生じることから、接合位置の補正に欠かせない画像認識にも悪影響を及ぼす恐れがあるという問題点があった。
【０００７】
さらに、接合工程部分へ局所的に不活性ガスを吹き付ける方法では、局所的に吹き付け、接合部分のみ低酸素濃度とするため、前もって半田を溶融させることができないので、接合する部材同士の間に半田片を挟み込んだ後に半田を溶融させるか、超音波振動等の外力を与えて酸化被膜を破壊する等の方式をとる場合が多く、前者では接合時間がかかり、後者では振動を与える機構が新たに必要となるという問題点があった。
【０００８】
本発明は斯かる問題点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、局所的な不活性ガスの流れにより効率よく不活性ガス雰囲気を形成することで、低コストで安定した低酸素濃度の環境を形成することができ、接合に酸化しやすい半田材料を容易に使用することができる半導体接合装置を提供することである。
【０００９】
本発明の他の目的は、半導体部品の接合位置の決定に必要な画像による認識においても、高温下での空気の熱膨張による空気の密度変化による、画像観察時の像の揺らぎの悪影響を極めて小さく押さえることができる半導体接合装置を提供することである。
【００１０】
さらに他の目的は、予め半田を溶融させた後に半導体部品の接合を行うことができ、加熱加圧による接合時間を最小に押さえることができる半導体接合装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。請求項１記載の発明の要旨は、部品の接合を行う半導体接合装置であって、部品を搭載する第１の基台と、該第１の基台の外周に空間を設けて囲む筐体と、前記第１の基台上部に設けられた開口部と、前記筐体の中に第１の不活性ガスを供給する第１の供給手段と、前記筐体の中に第２の不活性ガスを前記開口部の形成される面と同一面内で旋回流となるように供給する第２の供給手段とを具備することを特徴とする半導体接合装置に存する。
また請求項２記載の発明の要旨は、前記第２の供給手段には、前記第２の不活性ガスが旋回流を形成するように複数の噴出孔を具備されていることを特徴とする請求項1記載の半導体接合装置に存する。
また請求項３記載の発明の要旨は、前記筐体の内周には、前記開口部にかけて徐々に面積が小さくなるスロープが形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体接合装置に存する。
また請求項４記載の発明の要旨は、前記第１の供給手段は、前記第１の基台よりも下部から前記第１の不活性ガスを供給することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体接合装置に存する。
また請求項５記載の発明の要旨は、前記第２の供給手段によって供給される前記第２の不活性ガスが前記第１の基台に搭載された部品に供給されることを妨げる制御壁を具備することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体接合装置に存する。
また請求項６記載の発明の要旨は、前記筐体の中の空間より前記開口部での前記不活性ガスのレイノルズ数を低くなるように設定したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体接合装置に存する。
また請求項７記載の発明の要旨は、前記第１の基台がヒータであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体接合装置に存する。
また請求項８記載の発明の要旨は、前記第１の基台周囲に前記第１の基台の下部に位置し、突出するように設けられた第２の基台を具備することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の半導体接合装置に存する。
また請求項９記載の発明の要旨は、前記第２の基台が放熱フィンであることを特徴とする請求項８記載の半導体接合装置に存する。
また請求項１０記載の発明の要旨は、前記第１の不活性ガスおよび前記第２の不活性ガスは、窒素ガスあるいはアルゴンガスであることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の半導体接合装置に存する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１３】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係る半導体接合装置の第１の実施の形態の斜視図であり、図２は、図１に示す円形加熱ステージ、窒素雰囲気形成機構および断熱冷却ユニットのそれぞれの側断面であり、図３は、図１に示す窒素雰囲気形成機構の近傍の側断面の拡大図であり、図４は、図１に示す窒素雰囲気形成機構の窒素吹き出しノズルに形成された噴出孔での断面図である。なお、図１乃至図４の記載されている矢印は、窒素ガスの流れを示している。
【００１４】
第１の実施の形態は、図１を参照すると、円形加熱ステージ１と、窒素雰囲気形成機構２と、断熱冷却ユニット３とからなり、不活性ガスである窒素ガスにより不活性ガス雰囲気である窒素雰囲気を形成してセラミックパッケージ７に半導体部品２５をＡｕＳｎ半田を用いて加熱接合する。
【００１５】
円形加熱ステージ１は、図２を参照すると、セラミックパッケージ７を加熱する円形ヒータ４と、円形ヒータ４を支える支持部材５と、放熱フィン６とからなり、断熱冷却ユニット３に取り付けられている。円形ヒータ４および支持部材５には、配管経路１１が形成されており、直接セラミックパッケージ７を円形ヒータ４上に配管経路１１を用いて真空吸着して固定し、円形ヒータ４の熱をセラミックパッケージ７に直接伝達する。また、放熱フィン６は、窒素雰囲気を形成するために円形ヒータ４の上面に供給される窒素ガスを予備加熱する。
【００１６】
断熱冷却ユニット３は、図２を参照すると、円形加熱ステージ１を固定する断熱台座８と、断熱を行う断熱部材９と、効果的に冷却を行う冷却ユニット１０とからなり、断熱台座８および断熱部材９には、円形ヒータ４の上面にセラミックパッケージ７を真空吸着するために配管経路１１から真空吸引する機能が付加されている。
【００１７】
窒素雰囲気形成機構２は、図２乃至図４を参照すると、下段窒素注入口１２を有するヒータカバー１３と、上段窒素注入口１４を有するノズルカバー１５と、上段窒素を吹き出す吹き出しノズル１６と、上段窒素と下段窒素との混濁を防ぐ方向制御壁１７とからなる。放熱フィン６の下面と、断熱台座８および断熱部材９とヒータカバー１３とにより断熱室１８が形成され、円形ヒータ４および放熱フィン６の上面と、吹き出しノズル１６とにより窒素室１９が形成され、ノズルカバー１５と、吹き出しノズル１６とにより予備室２０が形成されている。なお、上段窒素とは、上段窒素注入口１４から供給される窒素ガスのことであり、下段窒素とは、下段窒素注入口１２から供給される窒素ガスのことである。
【００１８】
吹き出しノズル１６には、円形ヒータ４の上部に設けられた上部開口部２２にかけて徐々に面積が小さくなるスロープ１６ａが形成され、窒素室１９の下部の直径よりも上部開口部２２の直径の方が短くなっている。また、吹き出しノズル１６には、上段窒素を窒素室１９内に吹き出す噴出孔２１が複数形成されており、噴出孔２１は、窒素室１９内の方向制御壁１７の上部に吹き出すように形成されていると共に、窒素室１９の中心から同じ方向にずれて吹き出すよう形成され、窒素室１９内に吹き出した上段窒素は、窒素室１９で旋回して旋回流を形成する。また、上段窒素は、上部開口部２２の形成される面と同一面内で旋回流を形成するように窒素室１９内に吹き出される。
【００１９】
下段窒素は、下段窒素注入口１２からヒータカバー１３内に入り、断熱室１８で断熱台座８および放熱フィン６と熱交換を行って温度を高めて放熱フィン６とヒータカバー１３との隙間から窒素室１９へ吹き出す。さらに窒素室１９内に設けられた方向制御壁１７によって円形ヒータ４の中心へ方向を変え、円形ヒータ４上に固定されているセラミックパッケージ７に直接あたる。窒素が熱交換されながらセラミックパッケージ７に噴射され、なおかつ少流量のため、直接噴射による温度降下の影響は無視できる。
【００２０】
一方上段窒素は、上段窒素注入口１４から予備室２０内へ入り、噴出孔２１から窒素室１９内へ吹き出す。吹き出された上段窒素は、方向制御壁１７のため、下段窒素とすぐには混流せず、吹き出しノズル１６のスロープ１６ａを旋回し、遠心力によってスロープ１６ａ面を旋回しながら上昇し、さらに下段窒素の上昇する流れに伴って上部開口部２２から大気中に放出される。
【００２１】
窒素室１９に吹き出された上段窒素は、セラミックパッケージ７に直接あたらず、セラミックパッケージ７に噴射されている下段窒素を上段窒素の旋回流と共に上部開口部２２より大気へ効率よく放出する働きも併せ持つ。また、窒素室１９に吹き出された上段窒素を旋回流としていることで、ある程度の流量を流しても上部開口部２２から外部空気を巻き込むことなく、大気等の周辺部との隔絶を行うことができる。下段窒素と上段窒素との流量バランスをとり、特に上段窒素のレイノルズ数が低くなるように設計することで、ヒータの中心部での窒素濃度を上げることができる。
【００２２】
上部開口部２２および方向制御壁１７の中心の開口は、できるだけ小さくした方が効率よく窒素濃度を上げることができるが、セラミックパッケージ７の供給、半導体部品２５の加熱接合に必要なだけの大きさを確保する必要がある。具体的には、少なくともセラミックパッケージ７および半導体部品２５の外形サイズ、セラミックパッケージ７および半導体部品２５を供給するハンドのサイズ、接合ヘッド３４を挿入できるサイズを確保する必要がある。
【００２３】
第１の実施の形態で、必要とされる窒素流量は、上部開口部２２および方向制御壁１７の開口が直径４０ｍｍの場合で上段窒素と下段窒素とを合わせて１０リットル／ｍｉｎ以下であり、１０リットル／ｍｉｎ程度の窒素を供給することで上部が外部空気と接触している図１の状態でも酸素濃度を５００ｐｐｍ以下にすることができる。さらに図６（ｂ）に示すように接合ヘッド３４が挿入されている状態では、酸素濃度を１００ｐｐｍ以下にすることができる。また、上部開口部２２および方向制御壁１７の開口の径を直径４０ｍｍよりも小さくすることができれば、接合ヘッドが挿入されていない状態でも酸素濃度を１００ｐｐｍ以下とすることも可能である。
【００２４】
また第１の実施の形態では、窒素室１９内から外部への窒素ガスの流れが形成されているため、通常問題とされることが多い、高温下での空気の熱膨張による空気の密度ムラ、一般に陽炎と呼ばれる現象による、画像観察時の像の揺らぎの悪影響を極めて小さく押さえることができる。たとえば、ステージ温度が２５０℃で、位置決めに必要とされるＣＣＤカメラで画像認識を行った場合、通常の場合だと視野に対し、２〜３％程度揺らいでしまうが、第１の実施の形態では０．２％程度まで押さえることができる。
【００２５】
次に、第１の実施の形態の加熱接合動作について図５および図６を参照して詳細に説明する。
図５は、本発明に係る半導体接合装置の第１の実施の形態の接合動作を説明するための模式図であり、図６は、本発明に係る半導体接合装置の第１の実施の形態の接合ヘッド挿入時の様子を示す斜視図である。
【００２６】
まず、円形ヒータ４上に何らかのハンドリング装置又は作業者によってセラミックパッケージ７を供給し、供給されたセラミックパッケージ７を円形ヒータ４によって直接加熱させる。セラミックパッケージ７の接合面には、Ａｕメッキが施されている。
【００２７】
次に画像認識カメラ２３を移動機構２６によって移動させながら位置決めステージ２４上の半導体部品２５と、セラミックパッケージ７とを画像認識し、画像認識カメラ２３により画像認識結果に基づいて位置補正機構２７により半導体部品２５とセラミックパッケージ７との接合位置を補正する。
【００２８】
次に半田供給装置２８において、半田リール２９からカッター３０によって所定長さに切り出されたＡｕＳｎの半田片３１を、半田供給ヘッド３２の先端の半田吸着ノズル３３が真空吸着し、移動機構２６によって円形ヒータ４上のセラミックパッケージ７へ供給を行う。このとき既に低酸素濃度雰囲気が形成されており、酸化被膜の形成速度が遅くなっているため、円形ヒータ４の温度をセラミックパッケージ７上の半田片３１が溶融する温度まで上昇させることができる。
【００２９】
次に半導体部品２５を接合ヘッド３４に真空吸着した状態で接合ヘッド３４を移動機構２６によってセラミックパッケージ７上に移動させ、半導体部品２５をセラミックパッケージ７に供給して溶融した半田片３１に接合し、円形ヒータ４の温度を半田片３１の溶融点以下まで下げて冷却固定後、接合ヘッド３４を上昇させる。
【００３０】
半田片３１供給から半導体部品２５接合までの時間がかかりその間に酸化被膜が形成される恐れがある場合や、何らかの理由で上部開口部２２および方向制御壁１７の開口を大きくとる必要があって要求されるに低酸素濃度雰囲気を形成することが難しい場合には、図６（ｂ）に示すように、接合ヘッド３４を窒素室１９内へ挿入した後に円形ヒータ４の温度を上昇させることで、中心部での流れの乱れがなくなるため、なお一層窒素濃度の上昇が期待でき、安定した窒素ガス雰囲気が実現することができ、接合ヘッド３４の挿入開始と同時に円形ヒータ４の温度を上昇させて半田片３１を溶融させ、接触後、円形ヒータ４の温度を下げて冷却し、半導体部品２５をセラミックパッケージ７に固定する。
【００３１】
また、接合位置精度の要求が厳しくない場合は、半田の凝固を待たずに接合を完了させて接合ヘッド３４を上昇させ、その後円形ヒータ４の温度を下げて冷却し、半導体部品２５をセラミックパッケージ７に固着すれば、接合時間を短縮することができる。
【００３２】
第１の実施の形態では、不活性ガスとして窒素ガスを使用したが、アルゴンガス等の不活性ガスを使用しても同様の効果が得られることはいうまでもなく、他の実施の形態でも同様である。
【００３３】
以上説明したように、第１の実施の形態によれば、局所的な不活性ガスの流れにより効率よく不活性ガス雰囲気を形成することで、低コストで安定した低酸素濃度の環境を形成することができ、接合に酸化しやすい半田材料を容易に使用することができるという効果を奏する。
【００３４】
さらに第１の実施の形態によれば、半導体部品の接合位置の決定に必要な画像による認識においても、高温下での空気の熱膨張による空気の密度変化による、画像観察時の像の揺らぎの悪影響を極めて小さく押さえることができるという効果を奏する。
【００３５】
さらに第１の実施の形態によれば、予め半田を溶融させた後に半導体部品の接合を行うことができ、加熱加圧による接合時間を最小に押さえることができるという効果を奏する。
【００３６】
（第２の実施の形態）
図７は、本発明に係る半導体接合装置の第２の実施の形態の斜視図であり、図８は、図７に示す半導体接合装置の展開図であり、図９は、本発明に係る半導体接合装置の第２の実施の形態の接合動作を説明するための模式図である。
【００３７】
第２の実施の形態は、複数のセラミックパッケージ７を同時に加熱し、個々のセラミックパッケージ７にそれぞれ順次半導体部品２５を接合できる構成となっている点で第１の実施の形態と異なり、複数のセラミックパッケージ７を並べて半導体部品２５を接合するため、図７および図８に示すように上部の開口を大きくあける必要がある。
【００３８】
第１の実施の形態に比べて上部の開口が大きく、流れが複雑になるため窒素雰囲気を形成する性能は劣るが、接合ヘッド３４側に上部の開口の面積を狭める突起３６をつけることで大型開口部３７の楕円形状の長・短軸の窒素濃度の差を縮小することができ、さらに接合ヘッド３４側からも窒素を供給することで十分な低酸素濃度雰囲気が形成できる。
【００３９】
ヒータ３８上にワークトレー３９を設置し、テーブル４０によって窒素雰囲気形成機構４１側へ移動する。上下テーブル４２によって窒素雰囲気形成機構４１へ下側から押し当てることで、ワークトレー３９上のセラミックパッケージ４３上には窒素雰囲気が形成される。この状態で半田片３１を供給し、接合ヘッド３４を下降させると酸素濃度は下がり、安定した接合が可能である。
【００４０】
なお、本発明が上記各実施形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施形態は適宜変更され得ることは明らかである。また、上記構成部材の数、位置、形状等は上記実施の形態に限定されず、本発明を実施する上で好適な数、位置、形状等にすることができる。なお、各図において、同一構成要素には同一符号を付している。
【００４１】
【発明の効果】
本発明の半導体接合装置は、局所的な不活性ガスの流れにより効率よく不活性ガス雰囲気を形成することで、低コストで安定した低酸素濃度の環境を形成することができ、接合に酸化しやすい半田材料を容易に使用することができるという効果を奏する。
【００４２】
さらに本発明の半導体接合装置は、半導体部品の接合位置の決定に必要な画像による認識においても、高温下での空気の熱膨張による空気の密度変化による、画像観察時の像の揺らぎの悪影響を極めて小さく押さえることができるという効果を奏する。
【００４３】
さらに本発明の半導体接合装置は、予め半田を溶融させた後に半導体部品の接合を行うことができ、加熱加圧による接合時間を最小に押さえることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体接合装置の第１の実施の形態の斜視図である。
【図２】図１に示す円形加熱ステージ、窒素雰囲気形成機構および断熱冷却ユニットのそれぞれの側断面である。
【図３】図１に示す窒素雰囲気形成機構の近傍の側断面の拡大図である。
【図４】図１に示す窒素雰囲気形成機構の窒素吹き出しノズルに形成された噴出孔での断面図である。
【図５】本発明に係る半導体接合装置の第１の実施の形態の接合動作を説明するための模式図である。
【図６】本発明に係る半導体接合装置の第１の実施の形態の接合ヘッド挿入時の様子を示す斜視図である。
【図７】本発明に係る半導体接合装置の第２の実施の形態の斜視図である。
【図８】 図７に示す半導体接合装置の展開図である。
【図９】本発明に係る半導体接合装置の第２の実施の形態の接合動作を説明するための模式図である。
【符号の説明】
１  円形加熱ステージ
２  窒素雰囲気形成機構
３  断熱冷却ユニット
４  円形ヒータ
５  支持部材
６  放熱フィン
７  セラミックパッケージ
８  断熱台座
９  断熱部材
１０  冷却ユニット
１１  配管経路
１２  下段窒素注入口
１３  ヒータカバー
１４  上段窒素注入口
１５  ノズルカバー
１６  吹き出しノズル
１７  方向制御壁
１８  断熱室
１９  窒素室
２０  予備室
２１  噴出孔
２２  上部開口部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
0003903769.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
0003903769.tif 000008
【図８】
0003903769.tif 000009
【図９】
0003903769.tif 000010