(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光発振源と、
該レーザー光発振源で発せられたレーザー光が入光され、該レーザー光の径を拡大するビームエキスパンダーと、
該ビームエキスパンダーで拡大されたレーザー光を透過すると共に半導体チップのバンプを基板のパッドに押圧する押圧体とを具備し、半導体チップを基板にフリップチップ接続するフリップチップ実装装置において、
反射面が微小エリアずつそれぞれ角度調整が可能であって、前記レーザー光発振源で発せられたレーザー光が入光される可変形ミラーと、
該可変形ミラーからの反射レーザー光を検出するセンサーと、
該センサーからの検出信号が入力され、あらかじめ入力された設定値と比較することにより、前記可変形ミラーからの反射レーザー光が前記ビームエキスパンダー、前記押圧体を通じて半導体チップに照射される際、反射レーザー光のビーム形状が半導体チップの外形に沿い、かつ接合部を集中的に加熱するように、反射レーザー光の強度分布が半導体チップのバンプの分布に応じた強度分布となるように可変形ミラーを制御する制御部とを具備することを特徴とするフリップチップ実装装置。
【請求項２】
前記押圧体は、半導体チップを吸着保持可能となっていることを特徴とする請求項１記載のフリップチップ実装装置。
【請求項３】
少なくとも前記ビームエキスパンダー、前記押圧体が組み込まれたヘッド部と、
該ヘッド部を上下動する上下動機構と、
該ヘッド部を軸線を中心として回転させる回転駆動部と、
前記ヘッド部の下方に配置され、基板が載置されるＸＹテーブルと、
該ＸＹテーブルを水平面内で移動する駆動部と、
前記押圧体に保持された半導体チップのバンプ位置と、ＸＹテーブル上に載置された基板のパッド位置とを検出するカメラ装置と、
該カメラ装置の検出信号が入力され、検出結果に基づいて、半導体チップのバンプ位置と基板のパッドとを位置合わせする制御部とを具備することを特徴とする請求項２記載のフリップチップ実装装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップを基板にレーザー光によりフリップチップ接続するフリップチップ実装装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
外部接続用のバンプが所要パターンで形成された半導体チップを基板に搭載する場合、フリップチップ実装装置により、基板に所要パターンで形成されたパッド上に半導体チップのバンプを位置合わせして載置すると共に、半導体チップの裏面側にセラミックヒータを当てがい、半導体チップを加熱しながら加圧し、溶融はんだにて接合するフリップチップ（ＦＣ）接続を行うようにしている。
しかしながら、基板材料の樹脂と、半導体チップのシリコンとでは熱膨張係数に大きな差があることから、接合後基板の収縮によりバンプとパッドとの間で位置ずれが生じたり、接合部位にクラックが生じる不具合がある。
特に昨今では、高密度配線により、バンプやパッドが狭ピッチのパターンで形成されるので、上記位置ずれやクラックの問題が顕著に発生する。
【０００３】
上記セラミックヒータでは温度上昇が遅く、オーバーシュートが大きいため温度制御が難しい点も上記不具合の一因となっている。
そこで、最近では、加熱源にレーザー光を用い、短時間でかつ集中的な加熱を行って、上記不具合を解消しようとする方法も採用されている（特許文献１）。
すなわち、この特許文献１のものでは、半導体チップの裏面側からレーザー光を照射するためのレーザー発振器と、レーザー発振器から発せられたレーザー光のビームエキスパンダであるレンズと、レンズを透過したレーザー光をステージ上に配置された半導体チップのバンプ近傍に集中させる位相差板と、半導体チップをその裏面側から加圧すると共に、ガラスから形成されている加圧ツールとを備え、半導体チップのバンプ近傍のみにレーザー光を照射して加熱するというものである。
【特許文献１】特開２００１−１４８４０３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のように、レーザー光による加熱のときは短時間の加熱で行えるので、樹脂製の基板側の昇温を抑えることができ、それだけ熱収縮を少なくでき、上記位置ずれやクラックの発生を極力少なくできる。
しかしながら、一般的に半導体チップの形状は矩形であり、また、拡径されたレーザー光は位相差板をもって強度分布を調整したとしても円形ビームであって、円形ビームで矩形の半導体チップを照射した場合には、半導体チップを外れたレーザー光が半導体チップ周辺の基板の部位を加熱することになり、熱収縮による位置ずれやクラックの発生を完全に無くするには至らない。
本発明は、上記課題を解消すべくなされ、その目的とするところは、熱収縮による位置ずれやクラックの発生を可及的に少なくできるフリップチップ実装装置を提供するにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係るフリップチップ実装装置は、レーザー光発振源と、該レーザー光発振源で発せられたレーザー光が入光され、該レーザー光の径を拡大するビームエキスパンダーと、該ビームエキスパンダーで拡大されたレーザー光を透過すると共に半導体チップのバンプを基板のパッドに押圧する押圧体とを具備し、半導体チップを基板にフリップチップ接続するフリップチップ実装装置において、反射面が微小エリアずつそれぞれ角度調整が可能であって、前記レーザー光発振源で発せられたレーザー光が入光される可変形ミラーと、該可変形ミラーからの反射レーザー光を検出するセンサーと、該センサーからの検出信号が入力され、あらかじめ入力された設定値と比較することにより、前記可変形ミラーからの反射レーザー光が前記ビームエキスパンダー、前記押圧体を通じて半導体チップに照射される際、反射レーザー光のビーム形状が半導体チップの外形に沿い、かつ接合部を集中的に加熱するように、反射レーザー光の強度分布が半導体チップのバンプの分布に応じた強度分布となるように可変形ミラーを制御する制御部とを具備することを特徴とする。
【０００６】
また、前記押圧体は、半導体チップを吸着保持可能となっていることを特徴とする。
また、少なくとも前記ビームエキスパンダー、前記押圧体が組み込まれたヘッド部と、該ヘッド部を上下動する上下動機構と、該ヘッド部を軸線を中心として回転させる回転駆動部と、前記ヘッド部の下方に配置され、基板が載置されるＸＹテーブルと、該ＸＹテーブルを水平面内で移動する駆動部と、前記押圧体に保持された半導体チップのバンプ位置と、ＸＹテーブル上に載置された基板のパッド位置とを検出するカメラ装置と、該カメラ装置の検出信号が入力され、検出結果に基づいて、半導体チップのバンプ位置と基板のパッドとを位置合わせする制御部とを具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、反射レーザー光のビーム形状が半導体チップの外形に沿い、かつ接合部を集中的に加熱するように、反射レーザー光の強度分布が半導体チップのバンプの分布に応じた強度分布となるように可変形ミラーを制御するようにしたので、樹脂製の基板がほとんど温度上昇せず、樹脂の収縮による、バンプとパッドの位置ずれや接合部におけるクラックの発生を可及的に少なくでき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】
【０００８】
以下本発明における最良の実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１はフリップチップ実装装置１０の要部を示す概要図、図２はフリップチップ実装装置１０の全体の概要図である。
符号１２はレーザー光発振源である。レーザーは特に限定されるものではなく、ガスレーザー、固体レーザー、半導体レーザーなどいずれでもよく、半導体チップのバンプと基板のパッドとの接合すべき部位をフリップチップ接続できる温度に加熱できるものであればよい。
【０００９】
レーザー光発振源１２で発せられたレーザー光は、光ファイバーケーブル１４を通じて可変形ミラー１６に入光される。
レーザー光は可変形ミラー１６で反射され、この反射レーザー光はセンサー１８によって検出される。センサー１８では、反射レーザー光の強度分布を出力電流として検出し、この検出信号を制御部２０に入力する。
【００１０】
可変形ミラー１６は公知の機構のものとなっている。例えば、図３に示すように、ピエゾ素子２２に複数の孔２３を設け、孔２３内にリード２４を配置してリード２４の一端を孔２３底部の電極に固定し、ピエゾ素子２２の表面に反射面２５を設け、ピエゾ素子２２の他の表面側に共通電極２６を設けたものが知られている。
この可変形ミラー１６は、ピエゾ素子２２のそれぞれの両電極間に所要の電圧を印加し、これにより各リード２４に対応するピエゾ素子２２部分に異なる変形を付与することができるようになっていて、ピエゾ素子２２部分に対応する反射面２５に局所的な変形を生じさせ、制御部２０により、所要のプログラムにしたがって、反射するレーザー光のビーム（の断面）形状やレーザー光の強度分布を調整可能となっている。すなわち、反射面２５が微小エリアずつそれぞれ反射角度の調整が可能となっている。
【００１１】
可変形ミラー１６からの反射レーザー光は光ファイバーケーブル３０、ミラー３２を通じて、レンズ３３、３５を有するビームエキスパンダー３４に入光され、ビームエキスパンダー３４で半導体チップ３６の外形と同じ断面形状を有する大きさのビームに拡大される。なお、ビームの（断面）形状は、可変形ミラー１６によって、上記のようにあらかじめ矩形の半導体チップ３６の外形と相似形の矩形のビームに調整されている。
【００１２】
また、半導体チップ３６には、バンプ３７が、例えば同心状に配列されている。この場合に、同心状のバンプエリア部分に反射レーザー光が集中するように反射レーザー光の強度分布が可変形ミラー１６における反射面２５の各微小エリアの反射角度を調整することによって調整される。
図４はレーザー光発振源１２で発せられたレーザー光の強度分布を示す模式図、図５は制御部２０により調整がなされた反射レーザー光の強度分布を示す模式図、図６はビームエキスパンダー３４によってビーム径が拡大された反射レーザー光の強度分布を示す模式図である。また、図７、図８はバンプ３７の配置例（各図の（ａ））と、このバンプ３７の配置例に合わせて調整された反射レーザー光の強度分布（各図の（ｂ））を示す模式図である。
【００１３】
ビームエキスパンダー３４の下方には、吸着孔３８を有する吸着ヘッド部（押圧体）４０が配置されている。吸着ヘッド部（押圧体）４０は透明なガラスによって形成され、反射レーザー光を透過する。
吸着ヘッド部４０は、吸着孔３８より図示しない吸引装置により空気が吸引されることで半導体チップ３６を吸着保持可能となっている。
４２は基板であり、４３はバンプ３７と同一のパターンで基板４２に形成されたパッドである。
【００１４】
ミラー３２、ビームエキスパンダー３４、吸着ヘッド部（押圧体）４０等でヘッド部４４を構成する。
ヘッド部４４はフリップチップ実装装置１０に装着され（図２）、図示しない上下動機構によって上下動可能となっている。またヘッド部４４は図示しない回転駆動部によって軸線を中心として所用角度範囲内で回転可能となっている。
ヘッド部４４の下方にはＸＹテーブル４６が配置され、図示しない駆動部によりＸ軸方向、Ｙ軸方向に移動可能となっている。
ＸＹテーブル４６上には基板４２が載置される。
４８は上下方向をモニターし、バンプ３７とパッド４３を位置合わせするためのカメラ装置であり、ヘッド部４４とＸＹテーブル４６との間に進退可能に配置されている。
【００１５】
続いてフリップチップ実装装置１０により、半導体チップ３６を基板４２上にフリップチップ接続する動作について説明する。
ヘッド部４４は、ＸＹテーブル４６の上方に上昇されている。
ＸＹテーブル４６上に基板４２を配置する。
また、ヘッド部４４の吸着ヘッド部４０に半導体チップ３６をその裏面側で吸着保持させる。
【００１６】
カメラ装置４８をヘッド部４４とＸＹテーブル４６との間に進入させ、上方の半導体チップ３６のバンプ３７と、下方の基板４２のパッド４３の位置とを検出し、図示しない制御部によりＸＹテーブル４６を水平方向に移動し、また、ヘッド部４４を軸線を中心として適宜角度回転させて、バンプ３７とパッド４３との位置合わせを行う。
次いでカメラ装置４８は、ヘッド部４４とＸＹテーブル４６の間から外れる位置に退避する。
【００１７】
図示しない上下動機構によりヘッド部４４が下降され、バンプ３７がパッド４３に当接する状態となる。
この状態でレーザー発振源１２によりレーザー光が発せられ、光ファイバーケーブル１４を通じて可変形ミラー１６に入光される。
可変形ミラー１６で反射された反射レーザー光はセンサー１８で検出され、検出信号が制御部２０に入力される。センサー１８での検出は、反射ビーム光の断面における強度分布として検出する。
【００１８】
制御部２０には、あらかじめ、図５等に示す、バンプ３７の配置パターンに対応する反射レーザー光の強度分布となるような電流値の設定データと閾値が入力されている。制御部２０では、この設定電流値データと、センサ１８から入力される検出信号とを比較して、所要のプログラムにしたがって可変形ミラー１６におけるピエゾ素子２２の各電極間に所要の電圧を印加し、ピエゾ素子２２の微小エリア部分に対応する反射面２５に局所的な変形を生じさせ、反射するレーザー光のビーム（の断面）形状やレーザー光の強度分布が上記の設定範囲（閾値の範囲）となるようにフィードバック制御する。なお、この段階では、反射レーザー光が半導体チップ３６に照射されないように、光路を図示しないシャッターで遮断しておく。あるいは、この反射レーザー光の調節の段階では、半導体チップ３６および基板４２を、それぞれヘッド部４４およびＸＹテーブル４６にセットしないでおく。
【００１９】
上記反射レーザー光のビーム形状、強度分布の調整が行われた後、シャッターを開放し、反射レーザー光を半導体チップ３６の裏面側に照射し、バンプ３７およびパッド４３の接合部に集中してレーザー光を照射し、バンプ３７とパッド４３との接合を行う。バンプ３７およびパッド４３の少なくとも一方に接合用のはんだが付着されており、このはんだが融解することによって両者の接合が行われる。
半導体チップ３６の基板４２へのフリップチップ接続が行われた後、吸着ヘッド部４０による半導体チップ３６の吸着が解除され、ヘッド部４４が上昇して接合が終了する。なお、半導体チップ３６と基板４２との間の隙間には適宜アンダーフィル樹脂が充填される。
【００２０】
前記制御部２０へあらかじめ入力される電流値の設定データと閾値は、試験的に半導体チップ３６のフリップチップ接続を何回か行い、その結果をもとに設定データやレーザー発振源１２の出力そのものを変更するようにするとさらに好適である。ミラー３２、ビームエキスパンダー３４、吸着ヘッド部４０等によってレーザー光のビーム形状や強度分布が変動することがあるからである。
【００２１】
レーザー光発振源１２でのレーザー光は、実施例では、808ｎｍおよび1064ｎｍの赤外線レーザーと532ｎｍのグリーンレーザーの混合レーザーであり、35Ｗ、５秒間の照射で良好なフリップチップ接続が行えた。この場合、半導体チップ３６の温度は２４５℃であった。なお、基板４２の温度上昇はほとんど見られず、接合後におけるバンプ３７とパッド４３との位置ずれや、接合部のクラック発生はほとんど見られなかった。
【００２２】
上記レーザー光を20Ｗの出力に落とし、１秒間照射する一次加熱（半導体チップ温度150℃）を行い、次いで35Ｗに出力を上げ、４秒間照射する二次加熱（半導体チップ温度245℃）を行ったところ、やはり良好なフリップチップ接続が行えた。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】フリップチップ実装装置の要部の概要図である。
【図２】フリップチップ実装装置の全体の概要図である。
【図３】可変形ミラーの原理の説明図である。
【図４】レーザー光発振源で発せられたレーザー光の強度分布を示す模式図である。
【図５】制御部により調整がなされた反射レーザー光の強度分布を示す模式図である。
【図６】ビームエキスパンダーによってビーム径が拡大された反射レーザー光の強度分布を示す模式図である。
【図７】バンプの配置例（（ａ））と、このバンプの配置例に合わせて調整された反射レーザー光の強度分布（（ｂ））を示す模式図である。
【図８】バンプの他の配置例（（ａ））と、このバンプの配置例に合わせて調整された反射レーザー光の強度分布（（ｂ））を示す模式図である。
【符号の説明】
【００２４】
１０  フリップチップ実装装置
１２  レーザー光発振源
１４  光ファイバーケーブル
１６  可変形ミラー
１８  センサー
２０  制御部
２２  ピエゾ素子
２３  孔
２４  リード
２５  反射面
２６  共通電極
３０  光ファイバーケーブル
３２  ミラー
３３、３５  レンズ
３４  ビームエキスパンダー
３６  半導体チップ
３７  バンプ
３８  吸着孔
４０  吸着ヘッド部
４２  基板
４３  パッド
４４  ヘッド部
４６  ＸＹテーブル
４８  カメラ装置
【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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