(57)【要約】【課題】金属ナノペーストを用いて半導体ダイの電極と基板を接合するボンディング装置においてボンディングの信頼性の向上を図る。【解決手段】金属ナノペーストの微液滴を射出して電極１２ａにバンプが形成された半導体ダイ１２を電極１９ａにバンプが形成された回路基板１９にフェースダウンし、半導体ダイ１２の電極１２ａと回路基板１９の電極１９ａを接合バンプ２５０を介して重ね合わせた後、重ね合わせた各電極１２ａ，１９ａ間の隙間を重ね合わせた際の間隔よりも小さい所定の間隔Ｈ３に圧縮することにより各電極１２ａ，１９ａ間のバンプを加圧すると共に各電極１２ａ，１９ａ間のバンプを加熱してバンプの金属ナノ粒子を加圧焼結させて、接合金属３００とし、各電極１２ａ，１９ａを電気的に接続する。【選択図】図１１
2009253018.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ダイの電極と基板の電極との間および／または半導体ダイの電極と他の半導体ダイの電極との間を接合するボンディング装置であって、
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の微液滴を射出して電極上にバンプが形成された半導体ダイを電極上にバンプが形成された基板および／または電極上にバンプが形成された他の半導体ダイの上にフェースダウンし、半導体ダイの電極と基板の電極および／または半導体ダイの電極と他の半導体ダイの電極とをバンプを介して重ね合わせる重ね合わせ手段と、
重ね合わせた各電極間の隙間を重ね合わせた際の間隔よりも小さい所定の間隔に圧縮することにより各電極間のバンプを加圧すると共に各電極間のバンプを加熱してバンプの金属ナノ粒子を加圧焼結させて各電極間を電気的に接合する加圧焼結手段と、
を有することを特徴とするボンディング装置。
【請求項２】
請求項１に記載のボンディング装置であって、
加圧焼結手段は、
対向して配置され、半導体ダイおよび／または基板を保持する保持板と、
少なくとも一方の保持板を重ね合わせ方向に向かって進退駆動する保持板駆動部と、
各電極の重ね合わせ方向の隙間を検出する隙間検出手段と、
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、
隙間検出手段によって取得した重ね合わせ方向の隙間が所定の間隔となるように保持板を進退させる間隔保持手段を有すること、
を特徴とするボンディング装置。
【請求項３】
請求項２に記載のボンディング装置であって、
各保持板は、半導体ダイおよび／または基板を介して半導体ダイの電極と基板の電極との間および／または半導体ダイの電極間に挟まれたバンプを加熱するヒータを備えていること、
を特徴とするボンディング装置。
【請求項４】
請求項１に記載のボンディング装置であって、
半導体ダイおよび／または基板の表面に各電極の重ね合わせ方向の隙間を所定の間隔に規定するスペーサを載置するスペーサ載置手段を有すること、
を特徴とするボンディング装置。
【請求項５】
請求項１に記載のボンディング装置であって、
半導体ダイの少なくとも一つの電極上および／または基板の少なくとも一つの電極上に所定の間隔を規定する突起を形成する突起形成手段を有し、
重ね合わせ手段は、突起と電極とが対向するように重ね合わせること、
を特徴とするボンディング装置。
【請求項６】
半導体ダイの電極と基板の電極との間および／または半導体ダイの電極と他の半導体ダイの電極との間を接合するボンディング方法であって、
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の微液滴を射出して電極上にバンプが形成された半導体ダイを電極上にバンプが形成された基板および／または電極上にバンプが形成された他の半導体ダイの上にフェースダウンし、半導体ダイの電極と基板の電極および／または半導体ダイの電極と他の半導体ダイの電極とをバンプを介して重ね合わせる重ね合わせ工程と、
重ね合わせた各電極間の隙間を重ね合わせた際の間隔よりも小さい所定の間隔に圧縮することにより各電極間のバンプを加圧すると共に各電極間のバンプを加熱してバンプの金属ナノ粒子を加圧焼結させて各電極間を電気的に接合する加圧焼結工程と、
を有することを特徴とするボンディング方法。
【請求項７】
請求項６に記載のボンディング方法であって、
加圧焼結工程は、
各電極の重ね合わせ方向の隙間を検出する隙間検出工程と、
隙間検出工程によって取得した重ね合わせ方向の隙間が所定の間隔となるように保持板を進退させる間隔保持工程と、
を有することを特徴とするボンディング方法。
【請求項８】
請求項６に記載のボンディング方法であって、
半導体ダイおよび／または基板の表面に各電極の重ね合わせ方向の隙間を所定の間隔に規定するスペーサを載置するスペーサ載置工程を有すること、
を特徴とするボンディング方法。
【請求項９】
請求項６に記載のボンディング方法であって、
半導体ダイの少なくとも一つの電極上および／または基板の少なくとも一つの電極上に所定の間隔を規定する突起を形成する突起形成工程を有し、
重ね合わせ工程は、突起と電極とが対向するように重ね合わせること、
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ボンディング方法に関する。
【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）。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。
【０００３】
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。
【０００４】
特許文献２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２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。
【０００５】
非特許文献１には、銀ナノ粒子を用いた接合の接合強度と接合温度、加圧力の関係が記載されており、接合温度が低い場合には加圧力の増大とともに接合強度が上昇するが、接合温度が高い場合には加圧力の影響は小さくなるとの記載があり、特に２６０℃程度の低温で接合する場合には加圧力を大きくすることが接合強度を高めるために有効であり、また、できるだけ低い加圧力で接合するためには接合温度を高くすることが接合強度を高めるために有効であることが記載されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平９−３２６４１６号公報
【特許文献２】特開２００６−２０２９３８号公報
【非特許文献１】エレクトロニクス実装学会誌、Ｖｏｌ．７、Ｎｏ．６（２００４）、５１１頁から５１５頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１，２及び非特許文献１に記載されているように、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℃程度の温度に保持することが必要である。加熱は金属ナノペーストに含まれている溶剤や分散剤を揮発させることによって除去し、金属のナノ粒子同士を接触させ、比較的低温での金属溶融による接合を行うために必要なものである。また、加圧は、金属の超微粒子が融合して接合金属を形成する際に、金属の超微粒子の表面をコーティングしている有機物である分散剤の熱分解の際に発生する二酸化炭素化等のガスを外部に押し出すことによって接合金属内部の空洞を減少させるため、接合強度を大きくすることに寄与するものと考えられている。
【０００８】
しかし、金属ナノペーストは液状であり、金属ナノペーストによって形成したバンプは、金属ナノ粒子同士が接触、融合して接合金属を形成するまでは変形しやすく、これに圧力を加えた場合には、バンプが電極の表面に薄く広がってしまう。このため、加圧によって二酸化炭素などの発生ガスを外部に押し出すことができるものの、金属ナノペーストが接合しようとする電極の表面からはみ出してしまい、場合によっては隣接する電極の間に広がって隣接する電極同士を電気的に接続してしまい、製品の不良の原因となることがある。
【０００９】
また、半導体が動作する場合には、半導体の発熱によって半導体ダイと基板との間に熱膨張差が発生し、半導体ダイの電極と基板の電極とを接合している接合金属に熱応力がかかる。接合金属の高さが小さい程、接合金属の横方向の弾性変形量が小さくなるので、横方向への弾性変形によって吸収することのできる熱膨張差が小さくなる。この結果、接合金属の高さが低い程、接合金属に発生する熱応力は大きくなる。このため、半導体動作の際の熱応力を低減するためには、接合金属にある程度の高さがあることが必要となってくる。
【００１０】
しかし、特許文献１，２及び非特許文献１に記載された従来技術によると、加圧によって接合強度を高めた場合には金属ナノペーストのバンプがつぶれ、各電極を接合する接合金属の高さが低くなってしまい、半導体の動作の際の熱応力を吸収することができず、接合金属の損傷による故障の原因となる場合があった。
【００１１】
本発明は、金属ナノペーストを用いて半導体ダイの電極と基板および／または半導体ダイの電極同士を接合するボンディング装置においてボンディングの信頼性の向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明のボンディング装置は、半導体ダイの電極と基板の電極との間および／または半導体ダイの電極と他の半導体ダイの電極との間を接合するボンディング装置であって、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の微液滴を射出して電極上にバンプが形成された半導体ダイを電極上にバンプが形成された基板および／または電極上にバンプが形成された他の半導体ダイの上にフェースダウンし、半導体ダイの電極と基板の電極および／または半導体ダイの電極と他の半導体ダイの電極とをバンプを介して重ね合わせる重ね合わせ手段と、重ね合わせた各電極間の隙間を重ね合わせた際の間隔よりも小さい所定の間隔に圧縮することにより各電極間のバンプを加圧すると共に各電極間のバンプを加熱してバンプの金属ナノ粒子を加圧焼結させて各電極間を電気的に接合する加圧焼結手段と、を有することを特徴とする。
【００１３】
本発明のボンディング装置において、加圧焼結手段は、対向して配置され、半導体ダイおよび／または基板を保持する保持板と、少なくとも一方の保持板を重ね合わせ方向に向かって進退駆動する保持板駆動部と、各電極の重ね合わせ方向の隙間を検出する隙間検出手段と、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、隙間検出手段によって取得した重ね合わせ方向の隙間が所定の間隔となるように保持板を進退させる間隔保持手段を有すること、としても好適であるし、各保持板は、半導体ダイおよび／または基板を介して半導体ダイの電極と基板の電極との間および／または半導体ダイの電極間に挟まれたバンプを加熱するヒータを備えていること、としても好適である。
【００１４】
本発明のボンディング装置において、半導体ダイおよび／または基板の表面に各電極の重ね合わせ方向の隙間を所定の間隔に規定するスペーサを載置するスペーサ載置手段を有すること、としても好適であるし、半導体ダイの少なくとも一つの電極上および／または基板の少なくとも一つの電極上に所定の間隔を規定する突起を形成する突起形成手段を有し、重ね合わせ手段は、突起と電極とが対向するように重ね合わせること、としても好適である。
【００１５】
本発明の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間および／または半導体ダイの電極と他の半導体ダイの電極との間を接合するボンディング方法であって、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の微液滴を射出して電極上にバンプが形成された半導体ダイを電極上にバンプが形成された基板および／または電極上にバンプが形成された他の半導体ダイの上にフェースダウンし、半導体ダイの電極と基板の電極および／または半導体ダイの電極と他の半導体ダイの電極とをバンプを介して重ね合わせる重ね合わせ工程と、重ね合わせた各電極間の隙間を重ね合わせた際の間隔よりも小さい所定の間隔に圧縮することにより各電極間のバンプを加圧すると共に各電極間のバンプを加熱してバンプの金属ナノ粒子を加圧焼結させて各電極間を電気的に接合する加圧焼結工程と、を有することを特徴とする。
【００１６】
本発明のボンディング方法において、加圧焼結工程は、各電極の重ね合わせ方向の隙間を検出する隙間検出工程と、隙間検出工程によって取得した重ね合わせ方向の隙間が所定の間隔となるように保持板を進退させる間隔保持工程と、を有することとしても好適であるし、半導体ダイおよび／または基板の表面に各電極の重ね合わせ方向の隙間を所定の間隔に規定するスペーサを載置するスペーサ載置工程を有すること、としても好適であるし、半導体ダイの少なくとも一つの電極上および／または基板の少なくとも一つの電極上に所定の間隔を規定する突起を形成する突起形成工程を有し、重ね合わせ工程は、突起と電極とが対向するように重ね合わせること、としても好適である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、金属ナノペーストを用いて半導体ダイの電極と基板および／または半導体ダイの電極同士を接合するボンディング装置においてボンディングの信頼性の向上を図ることが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】
【００１８】
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、重ね合わせ手段であるフリップチップボンディング機構５０と、加圧焼結手段である複数の加圧加熱機構８０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とフリップチップボンディング機構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、フリップチップボンディング機構５０と各加圧加熱機構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１９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、加圧加熱機構入口レール９３を介して各加圧加熱機構８０に接続され、フリップチップボンディング機構５０から回路基板１９を各加圧加熱機構８０に搬送することができるよう構成され、加圧加熱機構出口レール９４は各加圧加熱機構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を各加圧加熱機構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の各搬送用レール１５，１６によってウェハ１８又は回路基板１９を搬送する方向をＸ方向、図１に矢印Ｙで示した各搬送用レール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。
【００１９】
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に接続されているウェハ搬送用レール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、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、裏面に粘着テープを貼り付けたり、半導体ダイ１２間に未切断部を残してダイシングされたりしたものである。
【００２０】
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１９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。
【００２１】
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。
【００２２】
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駆動機構２５とを備えている。
【００２３】
図２に示すように、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２３は２本の基板搬送用レール１６ａ，１６ｂの間に設けられ、回路基板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。
【００２４】
ＸＹ駆動機構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、各搬送用レール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２７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駆動機構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。
【００２５】
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。金属ナノペーストの粘度は射出ヘッドの構成によって変更してもよく、例えば、インクジェットへッド等を用いて射出する場合には、粘度を低くして射出しやすいようにしてもよい。
【００２６】
図１に示すように、フリップチップボンディング機構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の上にフェースダウンするボンディング部５８とを備えている。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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の電極上に形成された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。
【００３０】
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を回路基板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。
【００３１】
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。
【００３２】
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、真空吸着によってその上面に回路基板１９を平面状に固定することができるように構成されている。
【００３３】
図４に示すように、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。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を所定の位置に重ね合わせることができるよう構成されている。
【００３４】
図３に示すように、ボンディング部５８には、ボンディングツール５４のフェイス部５６に反転して吸着された半導体ダイ１２の接合面の高さ位置を測定する高さセンサ５７ａと、ボンディングステージ５５の上に吸着固定された回路基板１９の表面の高さ位置を測定する高さセンサ５７ｂとが取り付けられている。なお、図３では各高さセンサ５７ａ，５７ｂの取り付けフレームの図示は省略してある。また、ボンディング部５８には、ボンディングツール５４のフェイス部５６に反転して吸着された半導体ダイ１２とボンディングステージ５５に吸着された回路基板１９との間に進退する様に取り付けられ、半導体ダイ１２の表面の位置合わせマークと回路基板１９の表面の位置合わせマークとを撮像する上下２視野カメラ５７ｃが設けられている。上下２視野カメラ５７ｃは、１つの光軸の上に上方向に向かうカメラと下方向に向かうカメラとが取り付けられたもので、各カメラで撮像した位置合わせマークと光軸とのずれから半導体ダイ１２と回路基板１９との位置ずれを測定するものである。
【００３５】
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。また、各高さセンサ５７ａ，５７ｂ、上下２視野カメラ５７ｃも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は各高さセンサ５７ａ，５７ｂからの高さ測定信号および、上下２視野カメラ５７ｃからの撮像信号を取得することができるように構成されている。ボンディング制御部５０２は内部にＣＰＵと記憶部とを備えるコンピュータである。
【００３６】
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。
【００３７】
本実施形態では、半導体ダイピックアップ部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によって吸着してフェースダウンするように構成しても良い。
【００３８】
図５に示すように、加圧加熱機構８０は、保温材が内面に取り付けられた保温ケーシング８１と、保温ケーシング８１の内部に設けられ、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と、下部保持板８２ｂと、上部保持板８２ａ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と、上部保持板８２ａと下部保持板８２ｂの内部にそれぞれ取り付けられ、半導体ダイ１２または回路基板１９を介して接合バンプ２５０を加熱するヒータ８９ａ，８９ｂとを備えている。アクチュエータ８３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に接続されている。また、下部保持板８２ｂは保温ケーシング８１に固定されている。各加圧加熱機構８０は各保持板８２ａ，８２ｂの間に回路基板１９を搬入する搬入口９５と回路基板１９を搬出する搬出口９６とを備えている。加圧加熱機構８０の各搬入口９５には、加圧加熱機構入口レール９３が接続されており、加圧加熱機構８０の各搬出口９６には、加圧加熱機構出口レール９４が接続されている。また、上部保持板８２ａには上部保持板８２ａと下部保持板８２ｂとの間隔を測定する隙間センサ８５が取り付けられている。隙間センサ８５は、例えば超音波などによって隙間の間隔を検出するようなものでもよいし、光学的に隙間の間隔を測定する光学式であってもよい。
【００３９】
アクチュエータ８３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。アクチュエータ８３は電動式であってもよいし、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８９ａ，８９ｂも加圧制御部５０３に接続され、上部保持板８２ａ、下部保持板８２ｂに設けられた温度センサ８６ａ，８６ｂによって検出した温度に基づいて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セラミックヒータなどを用いてもよい。上部保持板８２ａ及び下部保持板８２ｂは半導体ダイ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とを加熱して接合バンプ２５０の加熱を行うことができるように構成されている。加圧制御部５０３は内部にＣＰＵと記憶部とを備えるコンピュータである。
【００４０】
次に本実施形態のボンディング装置１０の動作について説明する。まず、回路基板１９の上に半導体ダイ１２を接合する場合について説明する。図６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６のステップＳ１０２に示すように、ウェハ１８の各半導体ダイ１２の電極１２ａに金属ナノペーストによってバンプが形成される。
【００４１】
図７（ａ）に示すように、半導体ダイ１２の電極１２ａ上へのバンプ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。
【００４２】
図７（ｂ）に示すように射出へッド２６の射出ノズル２６ａから最初に電極１２ａに射出された金属ナノペーストの微液滴１００は、電極１２ａの上に薄い膜状に広がる。次の金属ナノペーストの微液滴１００は、電極１２ａの上に広がった金属ナノペーストの膜の上に付着するので、電極１２ａの表面に直接付着する最初の微液滴よりもその広がりが少なく、電極１２ａの表面に若干盛り上がりを形成する。その次の金属ナノペーストの微液滴１００は先の２つの微液滴１００よりも更に広がりが少なくなり、次第に盛り上がりが大きくなってくる。このように、金属ナノペーストの微液滴１００を電極１２ａの上に順次射出していくと、次第に盛り上がりが大きくなり、何回かの射出によって、図７（ｂ）に示すように、上に行くほど傾斜の大きな上広がりの円錐形のバンプ２００が形成される。バンプ２００の電極１２ａからの高さはＨ１である。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。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。
【００４３】
図６のステップＳ１０３に示すように、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、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はウェハテーブル７１に真空吸着固定される。
【００４４】
図６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６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。
【００４５】
図６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。
【００４６】
図６のステップＳ１０７及び図８（ａ）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に受け渡された半導体ダイ１２の重ね合わされる側の面、すなわち、各電極１２ａにバンプ２００が形成されている側の面の高さ位置を高さセンサ５７ａによって検出し、そのデータをボンディング制御部５０２の中の記憶部に格納する。
【００４７】
図６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６のステップＳ２０２及び図７（ａ）、図７（ｂ）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２６ａから金属ナノペーストの微液滴１００を射出させて、半導体ダイ１２の電極１２ａに形成したのと同様のバンプ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６のステップＳ２０３に示すように、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。
【００４８】
図６のステップＳ２０４及び図８（ａ）に示すように、ボンディング制御部５０２は、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た回路基板１９の表面、すなわち、各電極１９ａにバンプ２００が形成されている側の面の高さ位置を高さセンサ５７ｂによって検出し、そのデータをボンディング制御部５０２の中の記憶部に格納する。
【００４９】
図６のステップＳ２０５に示すように、ボンディング制御部５０２は、メモリに格納している各高さセンサ５７ａ，５７ｂの取り付け高さと、各センサ５７ａ，５７ｂによって取得した各センサ５７ａと半導体ダイ１２及び回路基板１９との距離のデータから、半導体ダイ１２の表面と回路基板１９の表面との間隔Ｈ０を取得する。
【００５０】
そして、図８（ｂ）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に真空吸着により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。
【００５１】
図６のステップＳ２０６と図８（ｂ）に示すように、ボンディング制御部５０２は半導体ダイ１２と回路基板１９との間に上下２視野カメラ５７ｃを進出させ、半導体ダイ１２表面の位置合わせマークと回路基板１９表面の位置合わせマークとを撮像する。ボンディング制御部５０２は撮像した画像から上下２視野カメラ５７ｃの光軸と各位置合わせマークの位置ずれを検出し、そのずれ量分だけボンディングへッド５２によってボンディングツール５４を移動させ、半導体ダイ１２の電極１２ａの位置と回路基板１９の電極１９ａの相対位置を合わせる。
【００５２】
ボンディング制御部５０２は、図６のステップＳ２０７及び図８（ｃ）及び図９（ａ）に示すように、ボンディングツール５４によって半導体ダイ１２の電極が回路基板１９の電極１９ａの直上にあって、各電極１２ａ，１９ａに形成された高さＨ１の各バンプ２００が接触しない程度の高さになるよう、半導体ダイ１２を間隔Ｈ０よりも小さい量だけフェースダウンさせる。
【００５３】
図６のステップＳ２０８及び図８（ｄ）に示すように、ボンディングツール５４は半導体ダイ１２を吸着している真空を開放する。すると、半導体ダイ１２はその自重でボンディングツール５４のフェイス部５６から離れ、図６のステップＳ２０９及び図９（ｂ）に示すように、半導体ダイ１２の電極１２ａと回路基板１９の電極１９ａとはバンプ２００を介して重ね合わされる。重ね合わせられると、各電極１２ａ，１９ａの上に形成されたバンプ２００は一体となって接合バンプ２５０となる。半導体ダイ１２は接合バンプ２５０によって支持された状態となる。接合バンプ２５０の高さは重ね合わせ前の各バンプ２００の合計高さ２×Ｈ１よりも低い高さＨ２となる。ただし、この高さＨ２は、後に説明する接合金属３００の高さＨ３よりも高い高さとなっている。
【００５４】
図６のステップＳ２１０に示すように、半導体ダイ１２の電極１２ａが回路基板１９の電極１９ａに重ね合わされると、回路基板１９は、図１に示す加圧加熱機構入口レール９３によっていずれかの加圧加熱機構８０に搬送される。
【００５５】
図６のステップＳ２１１に示すように、回路基板１９が加圧加熱機構８０の内部に搬送されると、加圧制御部５０３は、アクチュエータ８３を駆動して上部保持板８２ａを重ね合わせ方向、すなわち、各電極１２ａ，１９ａの接合方向に進出させる。また、加圧制御部５０３は、図６のステップＳ２１２に示すように、隙間センサ８５によって上部保持板８２ａと下部保持板８２ｂとの間隔を検出し、図６のステップＳ２１３に示すように、上部保持板８２ａと下部保持板８２ｂとの間隔が図１０に示す所定の間隔であるＨ５となると、図６のステップＳ２１４に示すように、上部保持板８２ａの進出を停止する。ここで所定の間隔Ｈ５は、図１１に示す、半導体ダイ１２の電極１２ａと回路基板１９の電極１９ａとの間に形成する接合金属３００の所定の高さＨ３に各電極１２ａ，１９ａ及び半導体ダイ１２の厚さと回路基板１９の厚さを加えたものである。図１１に示す接合金属３００の所定の高さＨ３は、１０μｍから１５μｍが好ましい。各電極１２ａ，１９ａの間隔が１０μｍ以下となってしまうと、ボンディングの後の半導体ダイ１２と回路基板１９との間にアンダーフィル剤を入れることが困難になってしまうこと、及び、高さが１５μｍ以上となると、接合バンプ２５０をヒータ８９ａ，８９ｂで加熱する際の温度の上昇が遅くなり、金属ナノ粒子がバルクの接合金属３００となる前に金属ナノ粒子の活性が無くなってしまい、接合強度の低下が発生する為である。このＨ３は先に説明した接合バンプ２５０の高さＨ２よりも低くなっているので、上部保持板８２ａの進出が終了した際に、接合バンプ２５０はＨ２−Ｈ３だけ圧縮され、これによって加圧される。
【００５６】
図６のステップＳ２１５に示すように、上部保持板８２ａ、下部保持板８２ｂの間隔が所定の間隔となったら、加圧制御部５０３は各ヒータ８９ａ，８９ｂをオンとして、接合バンプ２５０の加熱を開始する。加圧制御部５０３は上部保持板８２ａの温度を温度センサ８６ａによって取得し、下部保持板８２ｂの温度を温度センサ８６ｂによって取得し、接合バンプ２５０の温度が１５０℃から２５０℃となるように、ヒータ８９ａ，８９ｂへの印加電圧を変化させる。
【００５７】
図１１（ａ）に示すように、接合バンプ２５０が加熱されると有機物である分散剤の中に含まれている炭素が周囲の酸素と結合して二酸化炭素が気泡２６０として発生してくる。発生した二酸化炭素の気泡２６０は膨張によって各電極１２ａ，１９ａの間隔を広げようとするが、各電極１２ａ，１９ａの間隔は、上部保持板８２ａ，下部保持板８２ｂによって高さＨ３に押さえられているので、圧力上昇分は接合バンプ２５０を圧縮する加圧力として作用する。そして、図１１（ｂ）に示すように、内部の圧力上昇によって接合バンプ２５０は横方向に広がっていく。また、内部に発生した二酸化炭素の気泡２６０は横長に潰れながら、次第に横方向に移動し、接合バンプ２５０の側面から外部に排出されていく。
【００５８】
図６のステップＳ２１６からＳ２１８に示すように、この加熱を行っている間は、加熱による接合バンプ２５０内部の圧力上昇によって各電極１２ａ，１９ａの間隔が所定の間隔Ｈ３からずれないように、加圧制御部５０３は図１０に示す隙間センサ８５によって常に上部保持板８２ａと下部保持板８２ｂとの間隔を取得し、アクチュエータ８３によってその間隔を所定の間隔Ｈ５となるように調整する。また、図６のステップＳ２１９からＳ２２０に示すように、加圧制御部５０３は図１０に示す温度センサ８６ａ，８６ｂによって上部保持板８２ａ，下部保持板８２ｂの温度を取得し、接合バンプ２５０の温度が１５０℃から２５０℃となるようにヒータ８９ａ，８９ｂへの通電電力の調整を行う。
【００５９】
図６のステップＳ２２１に示すように、加圧制御部５０３は、加圧加熱が例えば６０分などの所定の時間だけ行われたと判断した場合には、図６のステップＳ２２２に示すようにアクチュエータ８３によって上部保持板８２ａを後退させて、各電極１２ａ，１９ａの加圧を開放すると共に、ヒータ８９ａ，８９ｂを停止させて加熱を停止する。このように所定の時間だけ加圧、加熱されると、図１１（ｃ）に示すように、接合バンプ２５０の金属ナノ粒子同士が互いに接合し、バルクの接合金属３００となり、各電極１２ａ，１９ａとが電気的に接合される。そして、図６のステップＳ２２３に示すように、ボンディングの終了した回路基板１９を製品マガジン１７に搬送する。
【００６０】
以上述べた実施形態では、加熱の際に同時に加圧を行うことによって、接合バンプ２５０の内部に発生する二酸化炭素等のガスを外部に排出することができ、ガスがボイドとして接合金属３００の内部に残留することを抑制することができるので、内部に空洞が少なく強度の高い接合金属３００によって各電極１２ａ，１９ａの接合を行うことができるという効果を奏する。また、接合バンプ２５０を加圧する際に、接合バンプ２５０の高さを規定することにより金属ナノペーストが半導体ダイ１２と回路基板１９との間に流れ出して隣接する電極をショートさせてしまい、半導体装置の故障の原因となることを抑制することができ、ボンディングの信頼性を向上させることができるという効果を奏する。更に、接合金属３００の高さを１０μｍから１５μｍの高さにすることができるので、接合金属３００が半導体装置の動作の際の熱応力を吸収することができるという効果を奏する。また、半導体ダイ１２と回路基板１９との間に隙間を確保することができるので、半導体ダイ１２と回路基板１９との間にアンダーフィル剤を容易に充填することができるという効果を奏する。
【００６１】
また、本実施形態のボンディング装置１０は、ボンディングステージ５５に吸着された半導体ダイ１２１の上に半導体ダイ１２を反転して接合することができる。この場合の本実施形態のボンディング装置１０の動作は、図６から図１１を参照して説明した回路基板１９の上に半導体ダイ１２を反転させて接合する動作と同様である。図７（ａ）、図７（ｂ）に示すように、半導体ダイ１２１の電極１２１ａの表面にバンプ２００を形成し、半導体ダイ１２１を図１に示すボンディングステージ５５の上の所定の位置に吸着固定する。図８（ａ）に示すように反転してボンディングツール５４に保持された半導体ダイ１２の表面の高さとボンディングステージ５５に吸着された半導体ダイ１２１の高さを測定して高さＨ０を求め、反転した半導体ダイ１２とボンディングステージ５５に吸着された半導体ダイ１２１の間に上下２視野カメラ５７ｃを進出させて各半導体ダイ１２，１２１表面の画像を撮像する。そして、撮像した画像から各半導体ダイ１２，１２１の位置ずれを測定し、そのずれを補正して各半導体ダイ１２，１２１の各電極１２ａ，１２１ａの相対位置を合わせる。そして、  図８（ｃ）、図８（ｄ）及び図９（ａ）、図９（ｂ）に示すように、反転した半導体ダイ１２をボンディングステージ５５に吸着された半導体ダイ１２１の上にフェースダウンして重ね合わせ、接合バンプ２５０を形成する。
【００６２】
図１０、図１１に示すように、加圧加熱機構８０の上部保持板８２ａ、下部保持板８２ｂとの間に半導体ダイ１２と半導体ダイ１２１を入れ、上部保持板８２ａ、下部保持板８２ｂの間隔が所定の間隔Ｈ５となるようにして加圧焼結し、接合バンプ２５０の金属ナノ粒子同士を互いに接合させ、バルクの接合金属３００として各半導体ダイ１２，１２１の各電極１２ａ，１２１ａとを電気的に接合する。
【００６３】
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位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。
【００６４】
図１２（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７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１００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の上に載置し、接合バンプ２５０を介して各貫通電極１２ｂを重ね合わせる。
【００６５】
図１２（ｂ）に示すように、重ね合わせ終わった半導体ダイ１２を加圧加熱機構８０の上部保持板８２ａと下部保持板８２ｂとの間に挟みこんで、各電極１２ｂの重ね合わせ方向の隙間がＨ３になるように規定すると共に１５０℃から２５０℃に加熱して、６０分程度保持して加圧焼結する。加圧焼結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、接合金属３００が形成され、各貫通電極１２ｂが接合される。
【００６６】
図１２（ｃ）に示すように、加圧焼結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、加圧焼結により接合金属３００の形成された半導体ダイ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、この加圧焼結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を反転して重ね合わせる。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が加圧焼結による接合金属３００により接合され、上部２枚の半導体ダイ１２の間は貫通電極１２ｂが接合バンプ２５０を介して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を再度加圧加熱機構８０に入れて加圧、加熱する。加圧焼結によって形成された接合金属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、加圧焼結の際の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の間の接合バンプ２５０だけが加圧焼結されて接合金属３００となる。このようにして、形成された接合金属３００の溶融温度と加圧焼結の際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加圧焼結して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を加圧焼結して半導体ダイ１２を積層接合していくことができる。
【００６７】
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。
【００６８】
図１３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１３（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の各電極１２ｂに金属ナノペーストによってバンプ２００を形成した後、反転させて接合バンプ２５０を介して順次重ね合わせた後、重ね合わせた半導体ダイ１２を加圧加熱機構８０の上部保持板８２ａと下部保持板８２ｂとの間に挟みこんで、各電極１２ｂの隙間がＨ３となるように規制すると共に１５０℃から２５０℃に加熱した状態を６０分程度保持して複数段の接合バンプ２５０を一括して加圧焼結する。加圧焼結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、接合金属３００が形成され、各貫通電極１２ｂは同時に接合、導通される。
【００６９】
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を一括して加圧焼結するので一段ずつ加圧焼結していく方法に比較して各半導体ダイ１２の一枚当たりの接合時間を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。
【００７０】
図１４を参照しながら他の実施形態について説明する。先に説明した各実施形態では、加圧、加熱の際の反転した半導体ダイ１２の電極１２ａと回路基板１９の電極１９ａまたはボンディングステージ５５に吸着された半導体ダイ１２１の電極１２１ａとの間隔を規定するために、隙間センサ８５の信号をフィードバックしてアクチュエータ８３を動作させることとして説明したが、図１４に示す実施形態は、回路基板１９の表面に高さＨ４のスペーサ４００を載置したのち、加圧加熱機構８０の上部保持板８２ａと下部保持板８２ｂとの間に半導体ダイ１２と回路基板１９とを挟みこみ、その間隔を所定のＨ３に規定するものである。ここでスペーサ４００の厚さＨ４は、例えばＨ３を１０μｍから１５μｍに規定しようとする場合、Ｈ３の１０μｍから１５μｍに半導体ダイ１２の電極１２ａの厚さと回路基板１９の電極１９ａの厚さを加えた厚さ又は半導体ダイ１２の電極１２ａの厚さと半導体ダイ１２１の電極１２１ａの厚さを加えた厚さとすればよい。また、スペーサ４００の載置は、例えば真空吸着したスペーサ４００を半導体ダイ１２，１２１の上および／または回路基板１９の上に載置するスペーサ載置機構を備えることとしてもよい。スペーサ４００は半導体ダイ１２，１２１および／または回路基板１９の少なくとも一部に載置されていればよいので、例えば、別工程によって回路基板１９の表面の一部にスペーサ４００を載置しても良い。
【００７１】
本実施形態は、先に述べた実施形態と同様の効果を奏すると共に、隙間センサ８５による隙間のフィードバック制御が不要となるので、簡便に接合金属３００の高さを規定することができるという効果を奏する。
【００７２】
図１５を参照しながら他の実施形態について説明する。先に図１４を参照して説明した実施形態のスペーサ４００の代わりに、長方形の電極１９ａの上に高さＨ３の突起である金属バンプ５００を設け、電極１２ａと電極１９ａまたは電極１２１ａの間隔を所定の間隔のＨ３となるようにしたものである。金属バンプ５００は、回路基板１９または、半導体ダイ１２，１２１の複数の各電極１９ａ，１２ａ，１２１ａの少なくとも１つに設けられていればよい。また、本実施形態では、重ね合わせの際に金属バンプ５００の突部が他方の電極に対向するように位置合わせを行い、金属バンプ５００によって電極１２ａと電極１９ａまたは電極１２１ａ間の間隔を規定するようにする。
【００７３】
本実施形態は、先に図１４を参照して説明した実施形態と同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【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フリップチップボンディング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ボンディングツール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機構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接合を行う工程を示す工程フローチャートである。
【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金属ナノペーストのバンプの形成を示す説明図である。
【図８】本発明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回路基板および／または半導体ダイの上に重ね合わせる工程を示す説明図である。
【図９】本発明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回路基板および／または半導体ダイの上に重ね合わせる際の接合バンプの形成を示す説明図である。
【図１０】本発明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と回路基板および／または半導体ダイの各電極の間隔を示す説明図である。
【図１１】本発明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と回路基板および／または半導体ダイの各電極の加圧焼結の状態を示す説明図である。
【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１３】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１４】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を行う工程を示す説明図である。
【図１５】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を行う工程を示す説明図である。
【符号の説明】
【００７５】
１０  ボンディング装置、１１  フレーム、１２，１２１  半導体ダイ、１２ａ，１９ａ，１２１ａ  電極、１２ｂ  貫通電極、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駆動機構、２６  射出ヘッド、２６ａ  射出ノズル、２７  Ｙ方向フレーム、５０  フリップチップボンディング機構、５１，６１  ＸＹテーブル、５２  ボンディングヘッド、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、５７ａ，５７ｂ  高さセンサ、５７ｃ  上下２視野カメラ、５８  ボンディング部、５９  吸着孔、６０半導体ダイピックアップ部、６２  ピックアップヘッド、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、６９  吸着孔、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  加圧加熱機構、８１  保温ケーシング、８２ａ  上部保持板、８２ｂ  下部保持板、８３  アクチュエータ、８５  隙間センサ、８６ａ，８６ｂ  温度センサ、８７  駆動軸、８８  ボールジョイント、８９ａ，８９ｂ  ヒータ、９３  加圧加熱機構入口レール、９４  加圧加熱機構出口レール、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  バンプ、２５０  接合バンプ、２６０  気泡、３００  接合金属、４００  スペーサ、５００  金属バンプ、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】
2009253018.tif 000003
【図２】
2009253018.tif 000004
【図３】
2009253018.tif 000005
【図４】
2009253018.tif 000006
【図５】
2009253018.tif 000007
【図６】
2009253018.tif 000008
【図７】
2009253018.tif 000009
【図８】
2009253018.tif 000010
【図９】
2009253018.tif 000011
【図１０】
2009253018.tif 000012
【図１１】
2009253018.tif 000013
【図１２】
2009253018.tif 000014
【図１３】
2009253018.tif 000015
【図１４】
2009253018.tif 000016
【図１５】
2009253018.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成21年7月10日(2009.7.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
特許文献１，２及び非特許文献１に記載されているように、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℃程度の温度に保持することが必要である。加熱は金属ナノペーストに含まれている溶剤や分散剤を揮発させることによって除去し、金属のナノ粒子同士を接触させ、比較的低温での金属溶融による接合を行うために必要なものである。また、加圧は、金属の超微粒子が融合して接合金属を形成する際に、金属の超微粒子の表面をコーティングしている有機物である分散剤の熱分解の際に発生する二酸化炭素等のガスを外部に押し出すことによって接合金属内部の空洞を減少させるため、接合強度を大きくすることに寄与するものと考えられている。