專利名稱：樹脂接合用焊臺及焊頭的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體制造工序中，半導體元件與基板的電極焊接時采用的焊臺及焊頭。
為了縮短生產時間提高封裝的可靠性，采取了從上面加熱焊頭的同時加熱從下面支撐基板和半導體元件的焊臺的上下加熱的方法。同一方法中，焊臺的加熱溫度比接合材料的熔點低，比焊頭的溫度低200～300℃。但是，隨著半導體元件的多端子化和成本競爭的激烈化，為了進一步縮短生產時間提高焊接的可靠性，開始采用樹脂接合。
就通過被稱做ACF(Anisotropic Conductive Film)、ACP(AnisotropicConductive Paste)，NCP(Non Conductive Paste)的樹脂材料的接合而論，由于接合溫度低，樹脂粘附在焊臺和焊頭上需要定期清理焊臺和焊頭。這些樹脂粘附后還繼續(xù)封裝會因加熱而凝固，為了不損壞焊臺和焊頭的焊接面，在清除樹脂時必須長時間地浸泡在有機溶劑中，清除處理工作相當復雜。
因此，本發(fā)明的課題是提供一種采用樹脂接合時，樹脂很難粘附在表面的，即使已粘附了樹脂也易清除的焊臺及焊頭。
圖2是表示采用焊臺及焊頭封裝半導體狀態(tài)的概念圖。
圖3是實施例1所采用的涂覆裝置結構圖。
圖4是實施例1焊接的結構圖。


圖1是表示本發(fā)明的焊臺1例。本發(fā)明的焊臺主體部1的焊臺面采用氮化鉻(CrN)膜2涂敷。基體部3通過主體部1和接合部4接合。SiC燒結體、AlN燒結體、氮化硅燒結體、超硬合金等的加工費便宜，容易加工成任意的形狀，所以，圖1的主體部和基體部最好制成一體。
圖2是采用焊臺和焊頭進行半導體封裝的概念圖。用鉗位器17夾住基板18、引線20和保護膜19，移送到IC芯片12上，用焊頭13和焊臺11加熱壓接。圖1所示焊臺封裝在圖2的加熱部件14處。
圖2中也有基板18、引線20、保護膜19和IC芯片12的上下完全相反的情況。此時，焊頭也產生相同的課題。因此，下面以焊臺為中心加以說明，焊頭的情況也相同。
半導體產生線中，正在廣泛地采用通過導電性樹脂片或膏劑進行接合。樹脂材料的接合與金屬相比具有接合溫度低的優(yōu)點。但是，樹脂的缺點是易粘附在焊臺和焊頭上。樹脂材料大多數(shù)是以環(huán)氧樹脂為主要成分的，需要尋求不易粘附或者易清除的環(huán)氧樹脂材料。當環(huán)氧樹脂粘附在焊臺或者焊頭上，一般需長時間浸泡在有機溶劑中才能清除，所以使成本變高。
本發(fā)明人等經過銳意研究發(fā)現(xiàn)氮化鉻的表面不易粘附環(huán)氧樹脂，并且在熱硬化后很容易去除。與環(huán)氧樹脂的浸濕性低的材料有TiN，CrN，TiAlN，DLC(類似金剛石的碳)的4種膜。預先在CBN燒結體的表面上涂敷2μm的上述膜，試驗結果表明CrN膜的接合力最小。
本發(fā)明的焊臺中，上述主體部焊臺的表面涂敷的氮化鉻膜的硬度最好大于1800kg/mm2。這樣，通過采用砂輪或鋼刷清除粘附的樹脂時，不會劃傷焊頭表面，焊臺表面涂敷的氮化物陶瓷膜的硬度如果大于1800kg/mm2，該清除處理則不會在焊頭表面留下劃痕。
氮化鉻膜的硬度取決于鉻與氮的原子比。1∶1時，比上述硬度硬，但采用一般涂敷法時，氮的比例往往低于1，所以，期待著調節(jié)該比例將涂敷膜的硬度提高到1800kg/mm2，以獲得較長的壽命。
另外，本發(fā)明的焊臺的上述主體部的焊臺表面涂敷的氮化鉻膜的表面粗糙度最好在0.05μm以上0.2μm以下。表面粗糙度一超過0.2μm，樹脂則易粘附。表面粗糙度加工到0.05μm以下在技術上是可行的。但是，研磨很費時間，即提高了生產成本又未改變樹脂的附著性和清除的難易程度。
前述主體部1的涂敷表面要求溫度均勻，所以，需要導熱率高的材料。因此，主體部1考慮采用CBN燒結體、金剛石燒結體、CVD金剛石、氮化硅燒結體、氮化鋁燒結體和超硬合金等材料。
其中氣相合成的金剛石，例如，考慮涂敷在氮化硅或碳化硅上的材料。另外，CBN燒結體或金剛石燒結體不可能做的很大，所以，碳化硅用于與超硬合金成形的基體部3接合。
這些材料中金剛石的化學穩(wěn)定性高，與環(huán)氧樹脂等的粘合強度低。但是，兩者的接合強度高，仍不能直接使用氣相合成的金剛石。
另一方面，對氮化鉻與主體部1的接合強度的研究結果表明，超硬合金的接合強度最高，其以下的排列順序為氮化鋁燒結體、氮化硅燒結體、CBN燒結體、金剛石燒結體、CVD金剛石。與氮化鉻接合強度低的CVD金剛石或金剛石燒結體，在其之間涂敷氮化鈦，對提高接合強度有效。
主體部采用的材料可從導熱率、熱膨脹系數(shù)和耐磨損性等方面考慮，從上述材料組合中選取。這里，耐磨損性系指用砂輪清除Si半導體芯片或金屬接合材粘附的耐磨性。
本發(fā)明的焊臺主體部的焊臺的表面平面度最好在1μm以下。近年來，由于半導體元件的小型化和高密度端子化的發(fā)展，焊頭的平面度降低，在封裝溫度下，要求達到2μm以下、1μm以下，焊臺的平面度最好是1μm以下的凸面。
本發(fā)明另一實施形態(tài)的焊臺的上述主體部至少應有一個部位設有檢測溫度用溫度計的插入孔。本發(fā)明的焊臺沒有加熱機構。以前的焊臺設有固定焊臺功能的金屬制加熱部件，對該部件測溫可控制加熱的輸出。為此，加熱的控制溫度與焊臺上面的溫度產生溫差。本發(fā)明的產品能夠將溫度計插進焊臺內控制溫度，所以，封裝溫度的控制性甚佳。溫度計插入位置最好更靠近主體部的焊臺面。
實施例1圖1是主體部1和基體部3為一個整體接合而制作的焊臺。表1中示出主體部與基體部用相同材料制作時的整體狀況。表1示出制作焊臺的材料。
表1焊臺的材料組合

下面示出制作工藝。首選準備了用厚度為3mm的CBN燒結體、金剛石燒結體和用CVD法在表面上合成的多晶金剛石膜的厚度為3mm的SiC燒結體(該實施例中稱作CVD)。作為焊臺材料。采用YAG激光切割機分別將該材料切割成20mm×20mm的正方形。激光輸出或振蕩頻率因被加工材料而異，但輸出為3～100W，振蕩頻率可調為1～10KHz范圍。
Mo、W可采用電火花線切割、金剛石砂輪平面磨削及車床的機械加工進行加工。超硬合金或陶瓷采用金剛石砂輪進行磨削加工整形。主體部和基體部的接合可用釬焊料進行真空釬焊。
對主體部與基體部成一體接合的焊臺的上下面進行平面磨削后，采用熱電偶一面檢測一面用加熱部件加熱，使焊臺表面保持在比封裝溫度低50～100℃的低溫下，利用金剛石砂輪磨削焊臺面。
然后，按照下述方法在其表面涂敷氮化鉻膜。圖3是該采用本發(fā)明的成膜裝置的模型圖，本裝置采用電弧離子鍍方法。參照圖3可知成膜裝置21具有腔部22和焊臺支撐裝置23和電弧式蒸發(fā)源25、陰極26、電源可變的直流電源27及28和供氣用氣體導入口29。
腔部22與真空泵31相連，可改變腔部22內的壓力。腔部內設有焊臺支撐裝置23和氣體導入口29和陰極26。
焊臺支撐裝置23和焊臺11與直流電源28的負極電連接。直流電源8的正極接地。
腔部22的側壁上裝有電弧式蒸發(fā)源25和與該電弧式蒸發(fā)源25連接的陰極26。圖3示出的結構為焊臺支撐裝置23被固定，左右兩面被涂敷的狀態(tài)。
電弧式蒸發(fā)源25及陰極26與直流電源27的負極電連接。直流電源27的正極接地并且與腔部22連接。
通過電弧式蒸發(fā)源25及陰極26與腔部22之間的電弧放電使陰極26部分融解，陰極物質向箭頭所示方向蒸發(fā)。在陰極26與腔部22之間施加電壓。本發(fā)明中，陰極26由Cr構成。按箭頭30所示方向，通過供氣用氣體導入口29充入各種氣體。這些氣體有氬、氮和氫氣等。
首先，采用圖3所示裝置，利用真空泵降低腔部22內的壓力，利用加熱部件(無圖示)將焊臺11加熱到450℃，抽真空使腔部22內的壓力達到1.5×10-5Pa。然后，通過氣體導入口29充入氬氣，使腔部內壓力保持在3.0Pa，逐漸提高直流電源28的電壓，作為負1000V，清洗焊臺11表面20分鐘。然后，排出氬氣。試樣2、3的主體部為金剛石燒結體和CVD金剛石，氮化鉻的接合強度低。為了提高接合強度，只有試樣2、3涂敷了由氮化鈦形成的中間層。通過氣體導入口29充入氮氣，使腔部22內的壓力達到0.5～10.0 Pa。由直流電源27提供50～200A的電弧電流，Ti作為陰極26，由此發(fā)生金屬離子。直流電源28的偏壓設為-50～-300V，在焊臺11的表面形成TiN，直至達到規(guī)定厚度(10nm)一直保持該狀態(tài)。之后，切斷直流電源27及28，排出氮氣。
將TiN作為中間層的CVD金剛石及其它材料組成的焊臺用材料放進腔部22中，通過氣體導入口29充入氮氣，使壓力達到5Pa。然后，向直流電源27提供100A的電弧電流，使之發(fā)生Cr離子，在焊臺11的最表面形成約0.5μm的CrN膜。成膜后，表面用磨刷磨削5分鐘，使焊臺面的表面粗糙度達到0.1μm。
安裝在封裝設備上之前，焊臺表面涂上黑漆。然后，用熱敏檢測儀測焊臺前端面的溫度分布。這時，將焊臺的中央部分的溫度和加熱部件控制溫度之差作為加熱部件溫度與表面溫度的溫差記錄。
使用已制造的焊臺，將半導體元件封裝在基板上。接合材料可采用ACF，圖4的方法中，半導體元件與焊臺接觸，從基板內面推壓焊頭進行熱壓接合。焊臺的溫度為220℃，焊頭的溫度為200℃，用熱電偶一面測溫一面用加熱部件加熱。封裝100個半導體元件后，檢查ACF樹脂向臺上的粘附狀態(tài)。任何試樣上幾乎看不到環(huán)氧樹脂附著的情況。
本發(fā)明的焊臺的主體部采用高導熱率的部件，焊頭表面的溫度分布良好。另外，焊臺表面或焊頭表面采用氮化鉻，樹脂等的粘附很少，粘附了樹脂時也易清除。
采用該焊臺及焊頭能夠提高半導體元件制造裝置的焊接成品率，縮短加工時間，進而降低維修頻率和時間，提高生產線總體的生產效率。
權利要求
1.一種樹脂接合用焊臺，其特征在于用氮化鉻涂覆主體部的焊臺表面。
2.如權利要求1所述的樹脂接合用焊臺，其特征在于主體部的焊臺面的表面粗糙度在0.05μm以上0.2μm以下。
3.如權利要求1或2所述的樹脂接合用焊臺，其特征在于上述主體部由CBN燒結體、金剛石燒結體、CVD金剛石、SiC燒結體、AlN燒結體、氮化硅燒結體、超硬合金一組中任選一種以上的材料構成。
4.一種樹脂接合用焊頭，其特征在于主體焊頭表面用氮化鉻涂敷。
5.如權利要求4所述的樹脂接合用焊頭，其特征在于主體部的焊頭表面的粗糙度在0.05μm以上0.2μm以下。
6.如權利要求4或5所述的樹脂接合用焊頭，其特征在于主體部由CBN燒結體、金剛石燒結體、CVD金剛石、SiC燒結體、AlN燒結體、氮化硅燒結體、超硬合金一組中任選一種以上的材料構成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種焊臺和焊頭，在將半導體元件封裝在基板上時，對于在半導體元件及基板上高密度配置電極的設計，可進行高精度的連接。與半導體元件接觸的焊臺上面由高導熱率物質構成，焊臺表面的內部溫度分布均勻。另外，由于焊臺表面采用對環(huán)氧樹脂等材料浸濕性低的材料，所以使用過程中樹脂材料不易粘附，即使粘附了也易清除。
文檔編號B23K37/00GK1469448SQ0314307
公開日2004年1月21日 申請日期2003年6月19日 優(yōu)先權日2002年6月26日
發(fā)明者山本佳津子, 文, 藤岡昭文, 中井哲男, 男 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社