專利名稱：焊接載物臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體制造工序中，半導(dǎo)體元件與印刷電路板的電極在焊接時采用的焊接載物臺。
通常，焊接頭應(yīng)安裝在安裝裝置內(nèi)不干涉周圍構(gòu)件的位置上，但載物臺位于高密度組裝了載膜的箝位器(clamper)、印刷電路板座、半導(dǎo)體元件座和拾波器(pick-up)等部件的位置上時，發(fā)生下列問題。
①加熱到高溫時，周圍的零件受到輻射熱而溫度升高，因熱膨脹致使接合位置的精度下降。
②因溫度增高而自載物臺表面的放熱影響增大，為控制溫度而增大輸出，從而增加了電源負(fù)荷。
③與安裝裝置內(nèi)置式加熱器的溫度的偏離差增大。
另外，要求半導(dǎo)體元件與印刷電路板接合的高可靠性，對載物臺表面平面度也有要求。
另外，關(guān)于通過ACF(Anisotropic Conductive Film)、ACP(AnisotropicConductive Paste)、NCP(Non Conductive Paste)樹脂材料的接合，因接合溫度低，載物臺或焊接頭粘附著樹脂，所以需要定期清理載物臺和焊接頭的表面。為了能在粘附樹脂后仍繼續(xù)安裝，就要通過加熱凝固，并不損壞載物臺或焊接頭的焊接面而清除，需要長時間浸泡在有機溶劑中處理，很麻煩。
本發(fā)明的宗旨是解決上述技術(shù)問題，提供一種能夠減小安裝設(shè)備內(nèi)的熱負(fù)荷，使半導(dǎo)體元件的全部端子與印刷電路板或載膜的導(dǎo)線高精度焊接合的焊接載物臺。另外，在通過樹脂材料的接合法中，提供一種樹脂不易粘附在表面上并易清除的焊接載物臺。
本發(fā)明的另一實施例為，焊接載物臺主體部由導(dǎo)熱率均為100W/mK以上的至少兩個構(gòu)件組成。這是因焊接載物臺總體設(shè)計、而使主體部的形狀變得復(fù)雜的情況。作為本發(fā)明主體部而使用的高導(dǎo)熱率材料，大多數(shù)是難加工的材料，很難加工成復(fù)雜形狀且成本增高。這種情況下，主體部若由幾個形狀簡單的構(gòu)件組合的話，即可用較低的成本制造形狀復(fù)雜的高精度的主體部。
另外，所述至少兩個以上構(gòu)件最好接合成一體。該至少兩個以上構(gòu)件間的接合方法，最好是利用金屬焊接劑的接合方法接合成一體。另外，使用時如果是耐高溫的結(jié)構(gòu)，也可以用機械方法固定。用金屬接合劑的接合方法，需要在比半導(dǎo)體元件安裝溫度高的高溫下接合。例如，在安裝半導(dǎo)體元件時，焊接載物臺可加熱的最高溫度，在Au-Sn接合時為450～500℃，構(gòu)件的接合溫度應(yīng)超過該溫度，最好在600℃以上。
在載物臺主體部由上述的至少兩個以上構(gòu)件構(gòu)成的情況下，兩個相鄰構(gòu)件的熱膨脹系數(shù)之差最好在室溫與最高使用溫度之間，即，在3×10-6/℃以下。這是因為，當(dāng)室溫與最高使用溫度的熱膨脹率之差超過3×10-6時，載物臺上面的平面度增大，半導(dǎo)體元件的安裝精度變差。
本發(fā)明的焊接載物臺的又一實施例是，主體部載物臺面，最好涂覆氮化物陶瓷膜。另外，在該主體部的載物臺面上所涂覆的氮化物陶瓷膜的、與環(huán)氧樹脂的接觸角度最好為55°以上。采用氮化鉻作為氮化物陶瓷能夠滿足這些要求。在半導(dǎo)體制造生產(chǎn)線中，如前所述，在用金屬材料接合的基礎(chǔ)上，正在擴大到利用電性樹脂片或漿的接合。與金屬比較，樹脂材料的接合具有接合溫度低的優(yōu)點。但缺點是樹脂易粘附在載物臺或焊接頭上。很多樹脂材料的主要成分是環(huán)氧樹脂，正在尋求不易粘附環(huán)氧樹脂并易清理的材質(zhì)。如果粘附環(huán)氧樹脂，則必須長時間浸泡在有機溶劑中清洗，由于不是由機械的組裝作業(yè)，所以成本增高。
本發(fā)明的發(fā)明人刻苦研究的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氮化物陶瓷的表面與環(huán)氧樹脂的接觸角度為55°以上，環(huán)氧樹脂不易粘附，而且熱硬化后極易清除。形成載物臺前端面的材質(zhì)不必采用整體材料，可在表面涂覆陶瓷膜。
在本發(fā)明的焊接載物臺中，在上述主體部載物臺面上涂覆的氮化物陶瓷膜的硬度最好在1800kg/mm2以上。這樣在清除樹脂時，一般用砂輪或刷子清理不會劃傷載物臺面，載物臺面涂覆的氮化物陶瓷膜的硬度如果為1800kg/mm2以上，則進行清除處理時，載物臺不會留下擦痕。
另外，在本發(fā)明的焊接載物臺中，在上述主體部的載物臺面上所涂覆的氮化物陶瓷膜的表面光潔度最好在0.05μm以上、0.2μm以下。如果表面光潔度超過0.2μm，則樹脂易粘附。以不足0.05μm的表面光潔度加工，在技術(shù)上是可能的。但是，研磨非常費時并使制造成本提高，對于樹脂的粘附性和清除的難易程度效果沒有變化。
在氮化物陶瓷中滿足上述要求的最好的是氮化鉻。氮化鉻之外的氮化陶瓷也可使用氮化硅、氮化鋁等。
在本發(fā)明的焊接載物臺中，上述主體部最好由從立方晶一氮化硼燒結(jié)體、金剛石燒結(jié)體、單晶金剛石、氣相合成金剛石、氮化鋁燒結(jié)體、鉬、鎢中選擇出的至少一種以上的材料構(gòu)成，上述外周部最好由從鎳鈷合金、硬質(zhì)合金、鐵鎳鈷合金、氧化鋁陶瓷燒結(jié)體、氧化鋯陶瓷燒結(jié)體中選擇出的至少一種以上的材料加工而成。主體部采用的材質(zhì)應(yīng)考慮導(dǎo)熱率、熱膨脹系數(shù)、半導(dǎo)體芯片材質(zhì)的Si或?qū)η宄饘俳雍喜牡恼掣轿锏纳拜喌哪湍バ?，從上述組合中選擇。另外，低導(dǎo)熱率的外周部，同上可從上述的組合中選擇。
本發(fā)明焊接載物臺，主體部臺面的平面度最好在1μm以下。近年來由于半導(dǎo)體元件的小型化高密度端子化，焊接頭的平面度降低，安裝溫度下，要求精度在2μm以下1μm以上，作為載物臺的平面度，最好為在1μm以下的凸面。
在本發(fā)明另一實施例的焊接載物臺中，所述主體部至少應(yīng)設(shè)有一處測溫用溫度計插入孔。傳統(tǒng)的載物臺是通過檢測具有載物臺固定功能的金屬加熱器座部分的溫度來控制加熱器的輸出。為此，加熱器控制溫度和載物臺上面的溫度產(chǎn)生偏離差。本發(fā)明的產(chǎn)品可將溫度計插進載物臺內(nèi)控制溫度，所以，安裝溫度的控制性甚佳。溫度計最好靠近載物臺上面。
圖2是實施例1制造的焊接載物臺的結(jié)構(gòu)概念圖。
圖3是實施例1實施的焊接載物臺的結(jié)構(gòu)圖。
圖4是實施例2實施的焊接載物臺的結(jié)構(gòu)圖。
圖5是實施例3實施的焊接載物臺的結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式
實施例1試制了圖2的(a)～(c)所示3種形狀的焊接載物臺。(a)為主體部1由整體構(gòu)件構(gòu)成并與外周部3接合。(b)為主體部1、2由接合的兩個構(gòu)件組成，并且構(gòu)成主體部的兩個構(gòu)件中的一個構(gòu)件與外周部3接合。(c)是主體部1由整體構(gòu)件構(gòu)成，并且主體部不與外周部接合。所制造的焊接載物臺的材質(zhì)組成出示在表1中，所使用的材質(zhì)的導(dǎo)熱率和熱膨脹率出示在表2中。
表1焊接載物臺的材質(zhì)組成

表2用于載物臺的構(gòu)件的物理參數(shù)

下面介紹制造工序。
準(zhǔn)備厚度為3mm的cBN燒結(jié)體、金剛石燒結(jié)體、表面利用CVD法合成的多晶金剛石膜的厚度為3mm的陶瓷、厚度為1mm的單晶金剛石作為焊接載物臺前端材料。
用YAG激光切割機將cBN燒結(jié)體、金剛石燒結(jié)體、CVD金剛石合成陶瓷切割成20mm×20mm，將單晶金剛石切割成4mm×4mm。激光輸出和振蕩頻率因加工材料而異。輸出為3～100W，振蕩頻率在1～10KHz范圍可調(diào)。
用線電火花加工、由金剛石砂輪的平面研磨和車床加工Mo、W、Fe-Ni-Co、Ni-Co、Cu構(gòu)件。采用金剛石砂輪的研磨加工修整AlN。主體部之間的接合通過采用活性釬焊料的真空釬焊，主體部與外周部的接合采用大氣下的Au-Au壓接接合。
在形狀(a)及(b)焊接載物臺的全部構(gòu)件接合之后，只對形狀(c)主體部分的上下面進行平面研磨加之后，一面用熱電偶檢測，一面用加熱器加熱，并且一面使載物臺面保持在比安裝溫度低50～100℃的溫度下，一面用金剛石砂輪研磨載物臺面。
這樣，一面用熱電偶檢測所試制的焊接載物臺的溫度，一面用加熱器加熱安裝溫度，并用激光干涉儀檢測表面平面度。
安裝在安裝設(shè)備上之前，應(yīng)在載物臺表面涂覆黑色涂料，然后用紅外熱攝像儀檢測載物臺前端面的溫度分布。這時，將載物臺中央部分的溫度與加熱器控制溫度之差作為加熱溫度與表面溫度的偏離差量記錄。另外，在安裝過程中，用銀焊劑連接熱電偶、檢測安裝設(shè)備的帶型印刷電路板箝位器的溫度，作為周邊溫度。
然后，按照圖3的方法用該焊接載物臺安裝半導(dǎo)體元件。用熱電偶24測溫并用加熱器25將焊接頭13加熱到320℃，用加熱器附近的熱電偶16檢測焊接載物臺11的溫度，并保持在350℃，按壓半導(dǎo)體元件的上面，使半導(dǎo)體元件12背面的電極與印刷電路板的電極接合。接合方式為共晶焊。表3出示了載物臺的形狀精度、控制性、安裝時的狀態(tài)和元件端子與印刷電路板側(cè)電極的接合狀態(tài)的評價結(jié)果。
表3焊接載物臺的檢測結(jié)果

以外周部的導(dǎo)熱率小于50W/m·K、主體部的導(dǎo)熱率大于100W/m.K，主體部由整體構(gòu)件構(gòu)成或由兩個構(gòu)件構(gòu)成，其熱膨脹率之差在3×10-6以下的No.1～5中，載物臺面的平面度在1μm以下，面內(nèi)溫度分布在5℃以下，為適合安裝的狀態(tài)，半導(dǎo)體元件安裝評價結(jié)果良好。No.6為載物臺周邊的溫度上升，安裝半導(dǎo)體元件的樹脂制帶型印刷電路板發(fā)生變形。No.7因控制溫度與加熱器溫度的差大，載物臺溫度沒有控制在最佳溫度范圍。No.8中載物臺面的平面度較差，有接合不均勻的部分。
實施例2在實施例1制造的No.1焊接載物臺的載物臺面上，經(jīng)PVD法制成1～10μm的TiN、CrN、TiAlN、DLC(類金剛石碳膜)4種涂膜。對TiN、CrN，制成了膜最大表面光潔度各異的兩種膜。用微努普壓頭和薄膜硬度檢測計測涂膜硬度。涂覆膜與環(huán)氧樹脂間的接觸角，可通過在涂覆膜上滴微量環(huán)氧樹脂粘接材料，用折射放大鏡檢測液滴表面切線與膜表面的角度。另外，還用表面光潔度計用金剛石觸針檢測表面光潔度。
用所制造的載物臺將半導(dǎo)體元件安裝在印刷電路板上。粘接材料采用ACF，按圖4的方法將半導(dǎo)體元件12粘接在載物臺11上，焊接頭13從印刷電路板背面推壓進行熱壓接合。一面用熱電偶測溫，一面用加熱器加熱，將載物臺的溫度加熱到220℃，焊接頭的溫度加熱到200℃。安裝100個半導(dǎo)體元件后，檢查載物臺上ACF樹脂粘附情況。另外，安裝200個半導(dǎo)體元件后，檢查載物臺上面與半導(dǎo)體元件之間是否有摩擦、元件是否破損等。檢測結(jié)果見表4。
表4載物臺表面涂覆膜的評價結(jié)果

與環(huán)氧樹脂間的接觸角度在55°以上的TiN、TiAlN、CrN不易粘附樹脂，用酒精棉就能簡單地擦干凈。結(jié)論是威氏硬度在1800以上的材質(zhì)，未見Si屑引起的磨損和摩擦痕跡，結(jié)果是耐磨性良好。特別是即使粘附了CrN屑也易清除，得到了最佳結(jié)果。另外，對TiN的兩種表面光潔度作了評價，但該兩例中未見因表面光潔度引起的性能差異，表面光潔度在0.05μm即可。表面光潔度與載物臺面的研磨時間有很大關(guān)系，硬質(zhì)材料的研磨加工時間長成本高，所以表面光潔度不必超過所需程度。另外，改變TiAlN的表面光潔度進行了比較，發(fā)現(xiàn)表面光潔度在0.3μm以上時，雖無磨損或傷痕，但粘附的接合材料不易清除，表面光潔度最好在0.05以上0.2μm以下。載物臺面涂覆氮化物陶瓷的與未涂覆DLC涂覆膜及未涂覆涂覆膜的相比較，其抗附著性和易剝離性均佳。
實施例3采用實施例1的No.2制成的焊接載物臺，熱電偶的插入位置改變了三處，用加熱器加熱，對溫度控制性做了比較。用放射溫度計檢測載物臺表面的溫度，對控制溫度進行了比較。進而將載物臺保持在550℃下，按照圖5的方法用Au壓接，使半導(dǎo)體元件與薄膜印刷電路板的導(dǎo)線端子接合，對接合狀態(tài)進行了評價。評價結(jié)果見表5。
表5加熱試驗結(jié)果

當(dāng)安裝溫度增高時，加熱器座下部的溫度檢測的控制與表面溫度的差增大，難以控制。溫度控制用熱電偶的安裝位置，越靠近焊接載物臺的臺面效果越佳。至少應(yīng)在加熱器座的上部或安設(shè)在焊接載物臺部分上。
產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的可能性本發(fā)明的焊接載物臺，由于主體部采用具有高導(dǎo)熱率的構(gòu)件，所以載物臺面的溫度分布均勻，因周邊部采用低導(dǎo)熱率的構(gòu)件，故載物臺整體的熱效率增高，尚能減少對周邊部的熱影響。再者，因載物臺面采用氮化物陶瓷，能夠減少樹脂等的粘附，即使在粘附樹脂時也易清除。
通過使用該焊接載物臺能夠縮短生產(chǎn)時間，提高半導(dǎo)體制造裝置的焊接合格率，進一步降低維修頻率和時間，提高生產(chǎn)線總體效率。
權(quán)利要求
1.一種焊接載物臺，其特征在于主體部由導(dǎo)熱率為100W/mK以上的構(gòu)件組成，并存在該主體部的外緣至少有一部分是由導(dǎo)熱率為50W/mK以下的構(gòu)件組成的外周部。
2.如權(quán)利要求1所述的焊接載物臺，其特征在于所述主體部由導(dǎo)熱率均為100W/mK以上的至少兩個構(gòu)件組成。
3.如權(quán)利要求2所述的焊接載物臺，其特征在于構(gòu)成所述主體部的至少兩個構(gòu)件被接合成一體。
4.如權(quán)利要求2或3所述的焊接載物臺，其特征在于構(gòu)成所述主體部的至少兩個相鄰構(gòu)件的熱膨脹系數(shù)之差為3×10-6/℃以下。
5.如權(quán)利要求1～4中任意一項所述的焊接載物臺，其特征在于所述主體部的載物臺面涂覆有氮化物陶瓷膜。
6.如權(quán)利要求1～5中任意一項所述的焊接載物臺，其特征在于在所述主體部的載物臺面上所涂覆的氮化物陶瓷膜的、與環(huán)氧樹脂的接觸角度為55°以上。
7.如權(quán)利要求1～6中任意一項所述的焊接載物臺，其特征在于在所述主體部的載物臺面上所涂覆的氮化物陶瓷膜的硬度為180kg/mm2以上。
8.如權(quán)利要求1～7中任意一項所述的焊接載物臺，其特征在于在所述主體部的載物臺面上所涂覆的氮化物陶瓷膜的表面光潔度在0.05μm以上、0.2μm以下。
9.如權(quán)利要求1～8中任意一項所述的焊接載物臺，其特征在于在所述主體部的載物臺面上所涂覆的氮化物陶瓷膜為氮化鉻。
10.如權(quán)利要求1～9中任意一項所述的焊接載物臺，其特征在于所述主體部由從立方晶一氮化硼燒結(jié)體、金剛石燒結(jié)體、單晶金剛石、氣相合成金剛石、氮化鋁燒結(jié)體、鉬、鎢中選擇出的至少一種以上的材料構(gòu)成，所述外周部由從鎳鈷合金、硬質(zhì)合金、鐵鎳鈷合金、氧化鋁陶瓷燒結(jié)體、氧化鋯陶瓷燒結(jié)體中選擇出的至少一種以上的材料加工而成。
11.如權(quán)利要求1～10中任意一項所述的焊接載物臺，其特征在于所述主體部的載物臺面的平面度為1μm以下。
12.如權(quán)利要求1～11中任意一項所述的焊接載物臺，其特征在于所述主體部至少有一個部位設(shè)有測溫用溫度計插入孔。
全文摘要
一種將半導(dǎo)體元件安裝在印刷電路板上時，作為壓接載物臺使用的焊接載物臺，可針對半導(dǎo)體元件及印刷電路板上高密度的電極配置設(shè)計，提供高精度接合用載物臺。與半導(dǎo)體元件接觸的載物臺上面，由高導(dǎo)熱率物質(zhì)構(gòu)成，載物臺面溫度分布均勻，載物臺主體外周部由導(dǎo)熱率較低的材質(zhì)構(gòu)成，以抑制對周邊構(gòu)件的熱輻射。另外，由于載物臺表面采用對樹脂材料浸濕性低的材料，所以在使用過程中樹脂材料不易粘附并易清除已粘附的樹脂。
文檔編號B23K37/00GK1462067SQ0313786
公開日2003年12月17日 申請日期2003年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月31日
發(fā)明者山本佳津子, 藤岡昭文, 中井哲男 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社