半导体元件接合设备及半导体元件接合方法与流程

文档编号:21699987
研发日期:2020/7/31

本公开涉及半导体元件接合设备和半导体元件接合方法。



背景技术:

已知使用包含金属纳米颗粒的膏状接合材料将基底材料接合至半导体元件的方法。接合方法的典型示例包括如下方法:将接合材料涂布到基底材料上以形成涂膜,将半导体元件布置在该涂膜上,然后烧结接合材料中的金属纳米颗粒,从而将基底材料接合至半导体元件。

日本未审查专利申请公开第2014-40661号公开了一种烧结方法,该方法包括在绝缘基板上形成包含用封装材料封装的纳米颗粒的粉末材料层,并向该粉末材料层施加电压以溶解封装材料,从而烧结纳米颗粒。日本未审查专利申请公开第2014-40661号描述了一种设计,在该设计中,当由于烧结而导致对粉末材料层的电力供应增加到预定水平时,停止烧结。



技术实现要素:

当金属纳米颗粒的膏剂用作接合材料时,工件和半导体元件需要与膏剂紧密接触。由于工件和半导体元件的表面以及所涂布的膏剂的表面具有凸起和凹陷,因此必须通过挤压膏剂来确保粘合性。

图13为示出根据现有技术的半导体元件接合方法的示例的剖面图。图13示出了制造层叠体的示例,在该层叠体中依次层叠有集电极91、作为接合材料的银膏92、半导体元件93、银膏94和铜垫片95。在图13的示例中,在层叠各层之后,通过按压具有一定尺寸的间隙的夹具96来挤压银膏92和94以确保粘合性。

然而,实际上,半导体元件93和铜垫片95的厚度存在变化。因此,如果如图13中所示的通过夹具以一定尺寸挤压银膏,则存在当各层较厚时银膏突出的问题。当银膏突出时,银膏扩散到不希望的部分中,可能无法确保绝缘性。另一方面,当各层较薄时,不能确保粘合性,这可能导致例如散热性能降低。

本公开解决了这样的问题,并且提供了即使在半导体元件或工件的厚度存在变化时并且即使在表面上存在凸起和凹陷时,也不会引起接合材料突出并且还确保粘合性的半导体元件接合设备和半导体元件接合方法。

本公开的一个示例方面为半导体元件接合设备,包括:

布置装置,其用于将工件和半导体元件布置在竖直地彼此相向的位置处,该工件和该半导体元件之间插入有接合材料;

移动装置,其用于在竖直方向上移动该工件或该半导体元件;

位移测量装置,其用于测量该工件或该半导体元件在该竖直方向上的位移;

载荷测量装置,其用于测量其间插入有该接合材料的该工件和该半导体元件之间的接触载荷;以及

弹性模量计算装置,其用于根据该位移测量装置和该载荷测量装置测量出的结果来计算弹性模量。

由于根据本公开的以上示例方面的半导体元件接合设备使用弹性模量作为指标来评估粘合性,因此不管工件或半导体元件的形状如何都能够评估粘合性。

半导体元件接合设备还可以包括控制装置,该控制装置用于当该弹性模量为预定值时,停止该移动装置的该移动。

通过包括该控制装置,可以在工件、半导体元件和接合材料紧密且适当地彼此接触的状态下停止挤压步骤,而不会过度地挤压接合材料。

以上半导体元件接合设备还可以包括涂布装置,该涂布装置用于将该接合材料涂布至该工件或该半导体元件。

通过包括该涂布装置,能够执行从涂布接合材料到接合的一系列制造步骤。

上述半导体元件接合设备还可以包括电阻测量装置,该电阻测量装置用于测量其间插入有该接合材料的该工件和该半导体元件之间的电阻。

通过包括该电阻测量装置,可以可靠地检测接合材料和半导体元件之间的接触。

本公开的另一个示例方面为半导体元件接合方法,包括:

制备涂布有接合材料的工件或半导体元件;

将该工件和该半导体元件布置在竖直地彼此相向的位置处,该工件和该半导体元件之间插入有该接合材料;

在使该工件和该半导体元件彼此靠近的同时,检测其间插入有该接合材料的该工件和该半导体元件之间的接触;

当检测到该接触时,记录位移(z0);

在使该工件和该半导体元件彼此靠近的同时,测量该工件或该半导体元件在竖直方向上的位移(zn),并且测量其间插入有该接合材料的该工件和该半导体元件之间的接触载荷(fn);

根据该接触载荷的变化δf(=fn-f(n-1))和该位移之差δz(=zn-z(n-1))计算弹性模量δf/δz;以及

当该弹性模量在预定范围内时,停止该工件或该半导体元件的该移动。

由于根据本公开的以上示例方面的半导体元件接合方法使用弹性模量作为指标来评估粘合性,因此不管工件或半导体元件的形状如何都能够评估粘合性。

在以上半导体元件接合方法中,在该停止该工件或该半导体元件的该移动中,当挤压量(zn-z0)小于预定值时,即使当该弹性模量在该预定范围内时,也可以使该工件或该半导体元件继续移动,而当该挤压量在预定范围内时,可以停止该工件或该半导体元件的该移动。

根据以上配置,因为不仅将弹性模量而且还将检测到接触之后的挤压量用作指标,所以可以更准确地评估粘合性。

在以上半导体元件接合方法中,在该停止该工件或该半导体元件的该移动中,当即使当该挤压量(zn-z0)超过该预定值时该弹性模量也不落在该预定范围内时,则当该挤压量超过该预定值时,可以停止该工件或该半导体元件的该移动。

根据以上配置,即使当弹性模量由于某种原因而未达到预定值时,也能够适当地使设备停止。

根据本公开,可以提供即使在半导体元件或工件的厚度存在变化时并且即使在表面上存在凸起和凹陷时,也不会引起接合材料突出并且还确保粘合性的半导体元件接合设备和半导体元件接合方法。

根据下文中所给出的详细描述和附图将更加充分地理解本公开的以上和其他目的、特征和优点将,这些详细描述和附图仅以示例的方式给出,因此不应被视为是对本公开的限制。

附图说明

图1为根据第一实施例的半导体元件接合设备的示意性侧视图;

图2a为示出第一实施例中接合材料与工件彼此接触之前的状态的侧视图;

图2b为示出第一实施例中接合材料与工件彼此接触的状态的侧视图;

图2c为示出第一实施例中将接合材料挤压至预定挤压量的状态的侧视图;

图3为示出图2a至图2c中的工件和半导体元件之间的电阻变化的曲线图;

图4为示出检测到接触之后的移动所牵涉的接触载荷和弹性模量的变化的示例的曲线图;

图5为示出根据第一实施例的半导体元件接合方法的概要的流程图;

图6为示出从位移测量步骤(s30)至位移记录步骤(s40)的示例的流程图;

图7为示出根据第一实施例的从位移和接触载荷测量步骤(s50)至半导体元件移动停止步骤(s70)的示例的流程图;

图8为示出根据第二实施例的从位移和接触载荷测量步骤(s50)至半导体元件移动停止步骤(s70)的示例的流程图;

图9为示出根据第三实施例的从位移和接触载荷测量步骤(s50)至半导体元件移动停止步骤(s70)的示例的流程图;

图10为示出根据第一实施例的半导体元件接合设备的变形示例的示意性侧视图;

图11为根据第四实施例的半导体元件接合设备的示意性侧视图;

图12为根据第五实施例的半导体元件接合设备的示意性侧视图;以及

图13为示出根据现有技术的半导体元件接合方法的示例的剖面图。

具体实施方式

在下文中,将通过本公开的实施例来描述本公开,但是根据权利要求的本公开不限于以下实施例。此外,实施例中所描述的全部配置并不一定是作为解决问题的必要手段。

为了使描述清楚,以下描述和附图被适当地简化。此外,为了描述的目的,附图中的每个构件的比例可能明显不同。特别是,极大地夸大了半导体元件和接合材料的表面上的凸起和凹陷的形状。

[第一实施例]

首先,将参照图1和图2a来描述根据第一实施例的半导体元件接合设备的配置。图1为根据第一实施例的半导体元件接合设备的示意性侧视图。图2a为示出第一实施例中在接合材料与工件彼此接触之前的状态的侧视图。

在图1中所示的根据第一实施例的半导体元件接合设备100中,由可移动臂41和工作台45保持的半导体元件保持部43用作布置装置。工件30和半导体元件20(在下文中也简称为元件)布置在彼此相向的位置处,在工件30和半导体元件20之间插入有接合材料10。在第一实施例中,半导体元件保持部43包括用于真空吸附半导体元件20的机构。

在图1中,可移动臂41用作移动装置,并且半导体元件20能够在竖直方向(z轴方向)上移动。用于测量半导体元件20在竖直方向上的位移的位移测量装置未在图1中示出。位移测量装置可以是通过直接观察半导体元件20来测量位移的装置,或者是使用用于识别可移动臂41在z轴方向上的坐标的装置来间接测量半导体元件20的装置。

在图1中,载荷测量装置42布置在臂41与半导体元件保持部43之间。载荷测量装置42可以是例如称重传感器(loadcell)。弹性模量计算装置(未图示)可以包括计算单元、输入单元、输出单元、存储单元和控制单元,并且可以使用通用计算机。弹性模量计算装置还可以具有控制装置的功能,该控制装置当弹性模量为预定值时,停止移动装置的移动。

例如,可以使用电阻测量装置51作为用于检测接触的装置。如图2a中所示,电阻测量装置51经由导线52、导电探针53等电连接至半导体元件20和工件30中的每一者。电阻测量装置51测量其间插入有接合材料10的半导体元件20和工件30之间的电阻。

由于根据第一实施例的半导体元件接合设备使用弹性模量作为指标来评估粘合性,因此不管工件或半导体元件的形状如何都能够评估粘合性。这将与使用根据第一实施例的半导体元件接合设备的半导体元件接合方法的细节一起描述。

将参照图5描述根据第一实施例的半导体元件接合方法的概要。图5为示出根据第一实施例的半导体元件接合方法的概要的流程图。根据第一实施例的半导体元件接合方法包括:

制备半导体元件和涂布有接合材料的工件的步骤(制备步骤:s10);

将工件和半导体元件布置在其间插入有接合材料的竖直地彼此相对的位置处的步骤(布置步骤:s20)。

在使工件和半导体元件彼此靠近的同时,检测其间插入有接合材料的工件和半导体元件之间的接触的步骤(接触检测步骤:s30);

当检测到接触时记录位移(z0)的步骤(位移记录步骤:s40);

在使工件和半导体元件彼此靠近的同时,测量工件或半导体元件在竖直方向上的位移(zn)以及其间插入有接合材料的工件与半导体元件之间的接触载荷(fn)的步骤(位移和接触载荷测量步骤s50);

根据接触载荷的变化δf(=fn-f(n-1))和位移之差δz(=zn-z(n-1))计算弹性模量δf/δz的步骤(弹性模量计算步骤:s60);以及

当弹性模量在预定范围内时,停止工件或半导体元件的移动的步骤(移动停止步骤:s70)。

在根据第一实施例的半导体元件接合方法中,首先,通过在使半导体元件20靠近被固定的接合材料10的同时测量电阻的减小,来确定接合材料10与半导体元件20之间的接触。接下来,使半导体元件20在朝向接合材料10的方向上进一步下降以挤压接合材料10的凸起,以使得接合材料10平坦化的同时与半导体元件20紧密接触。由于在该平坦化处理期间弹性模量增加,因此能够使用弹性模量作为指标来评估粘合性。当弹性模量在预定范围内时,粘合性足够,因而使半导体元件20停止下降。通过烧结所获得的层叠体,能够获得具有优异粘合性的半导体元件的接合体。

下面将描述每个处理的细节。

在制备步骤(s10)中,制备半导体元件和涂布有接合材料的工件。半导体元件没有特别的限制,其可以根据产品的用途来适当选择。半导体元件安装在工件上。工件的示例包括电极和散热器,但不限于此。

作为接合材料,可以使用已知的包含金属纳米颗粒的金属膏。尽管金属纳米颗粒的金属种类没有特别的限制,但是其示例包括银、铜等。用于提供膏剂中的分散性和抗氧化效果的有机保护膜可以包括于接合材料中。

用于将接合材料涂布到工件上的涂布方法没有特别的限制,并且可以从已知的印刷方法和涂布器涂布方法中适当地选择。注意,仅需要将接合材料涂布到将要安装半导体元件的预定部分上,在这种情况下,可以对印刷方法和涂布器涂布方法两者进行优选地使用。当将接合材料涂布到工件的整个表面时,涂布器涂布是适用的。这对于将在后面描述的将接合材料涂布到半导体元件的情况同样适用。

可以在根据第一实施例的半导体元件接合设备内部执行接合材料的涂布。在这种情况下,半导体元件接合设备包括与印刷方法或涂布器涂布方法相对应的涂布装置(未图示)。

可选地,可以使用另一设备来制备涂布有接合材料的工件,或者可以使用例如涂布有接合材料的基板等的可商购产品来制备涂布有接合材料的工件。

在布置步骤(s20)中,将工件30和半导体元件20布置在竖直地彼此相向的位置处,工件30和半导体元件20之间插入有接合材料10。在图1的示例中,将涂布有接合材料10的工件30放置在工作台45上,并且将由半导体元件保持部43保持的半导体元件20布置在接合材料10的上表面上方。

接下来,将参照图2a至图2c、图3和图6来描述接触检测步骤(s30)。在第一实施例中,通过使用电阻测量装置51测量电阻来执行接触检测步骤。图2a至图2c为示出在第一实施例中,接合材料和工件彼此接触之前的状态(图2a)、接合材料和工件彼此接触的状态(图2b)以及接合材料被挤压至预定挤压量的状态(图2c)的侧视图。图3为示出图2a至图2c中的工件和半导体元件之间的电阻变化的曲线图。图6为示出从接触检测步骤(s30)至位移记录步骤(s40)的示例的流程图。

如图6中所示,在接触检测步骤(s30)中,首先,使元件20下降以使其更靠近接合材料(s31),并测量电阻r(s32)。接下来,判断电阻r是否小于或等于预定值(s33)。如图2b中所示,当元件20和接合材料10彼此接触时,电阻r大大减小(参见图3)。因此,当电阻r小于或等于预定值时,判定元件20与接合材料10接触(检测到接触),并且将元件20此时在z轴方向上的位移记录为z0(s40)。相反,当电阻r超过预定值时,元件20和接合材料10未彼此接触。在这种情况下,重复s31至s33,直到元件20和接合材料10彼此接触为止。电阻r的预定值取决于接合材料10、半导体元件20和工件30的材料。因此,预先以与将要实施的配置类似的配置进行测试,然后设定电阻r的预定值。

接下来,将参照图7描述位移和接触载荷测量步骤(s50)以及弹性模量计算步骤(s60)。图7为示出第二实施例中的从位移和接触载荷测量步骤(s50)至半导体元件移动停止步骤(s70)的示例的流程图。

如图7所示,在位移和接触载荷测量步骤(s50)中,首先使元件20下降(s51)。此时,接合材料10被逐渐挤压。假定元件20的位移为z’,判断位移之差δz=z’-z(n-1)是否大于或等于预定值(s52)。当δz大于或等于预定值时,将z’记录为zn(s53)。注意,n为大于或等于1的整数。接下来,通过载荷测量装置42测量在zn处的接触载荷fn(s54)。根据所获得的测量值计算接触载荷的变化δf(=fn-f(n-1)),并计算弹性模量δf/δz(s60)。注意,f0为0。接下来,判断弹性模量δf/δz是否在预定范围内(s71)。当弹性模量在预定范围内时,可以判定接合材料的凸起被挤压并被平坦化,并且粘合性良好,因而使元件停止下降(s74)。另一方面,当弹性模量δf/δz在预定值的范围外(通常小于预定范围的下限值)时,重复从位移和接触载荷测量步骤(s50)到判断弹性模量(s71)的处理。

在根据本实施例的半导体接合设备内部或者在不同的加热炉等中加热并烧结所获得的层叠体,从而获得工件和半导体元件的接合体。

这里,将参照图4描述弹性模量的预定值。图4为示出在检测到接触之后元件的移动所牵涉的接触载荷和弹性模量的变化的示例的曲线图。如图4所示,在紧跟着检测到接触之后的区域中,首先挤压接合材料表面上的凸起。此时,接触载荷的增加是适中的,因为凸起上的接合材料移动到凹陷处。随着接合材料的平坦化的进行,接触载荷的增加量增大,从而增大弹性模量。在此之后,当接合材料被平坦化时,接触载荷的增加变得恒定,因而弹性模量的变化变小。通过将该区域的弹性模量设定为预定值,可以判定没有接合材料突出并且粘合性优异的状态。

预定值根据例如接合材料的粘度、涂布有接合材料的表面的面积、涂布有接合材料的表面上的凸起和凹陷的状态以及半导体元件的凸起和凹陷而变化。因此,预先以与将要实施的配置类似的配置进行测试,然后设定预定值。

图10为示出根据第一实施例的半导体元件接合设备的变形示例的示意性侧视图。图10的半导体元件接合设备与图1的半导体元件接合设备之间的不同之处在于载荷测量装置42的布置。即使利用根据变形示例的半导体元件接合设备的这种配置,也可以执行根据第一实施例的半导体元件接合方法。

在根据第一实施例的半导体接合设备和半导体元件接合方法中,使用弹性模量作为指标来评估粘合性。因此,即使在半导体元件和工件的厚度不均时以及即使在表面上有凸起和凹陷时,也可以得到没有接合材料突出并且粘合性优异的接合体。

在下文中,将描述其他实施例,但是将省略对与第一实施例相同的部分的描述。

[第二实施例]

在根据第二实施例的半导体元件接合方法中,在半导体元件移动停止步骤(s70)中的评估与根据第一实施例的在半导体元件移动停止步骤(s70)中的评估不同,而其他处理和设备配置与根据第一实施例的相同。将参照图8给出描述。图8为示出第二实施例中的从位移和接触载荷测量步骤(s50)至半导体元件移动停止步骤(s70)的示例的流程图。图8中的步骤s51至s60与根据第一实施例的步骤s51至s60相同。在第二实施例中,挤压量(zn-z0)与弹性模量一起计算(s61)。即使当弹性模量在预定值的范围内时,如果挤压量在预定值的范围内(通常小于预定范围的下限值),则也继续使元件下降。当挤压量未达到预定值时,整个表面可能尚未粘合。因此,通过结合弹性模量与挤压量来做出判断,能够更可靠地判断粘合性。

挤压量的下限值取决于涂布有接合材料的表面上和半导体元件的表面上的凸起和凹陷。因此,预先以与将要实施的配置类似的配置进行测试,然后设定挤压量的下限值。

[第三实施例]

在根据第三实施例的半导体元件接合方法中,半导体元件移动停止步骤(s70)中的评估与根据第一实施例的和第二实施例的半导体元件移动停止步骤(s70)中的评估不同,而其他处理和设备配置与根据第一实施例的和第二实施例的相同。将参照图9给出描述。图9为示出第三实施例中的从位移和接触载荷测量步骤(s50)至半导体元件移动停止步骤(s70)的示例的流程图。除了s73以外,图9的处理与第二实施例中的处理相同。在第三实施例中,当弹性模量在预定值的范围之外时,在继续使元件下降之前判断挤压量(s73)。通过该判断,即使当弹性模量由于某种原因而未达到预定值时,也能够使元件停止而不继续挤压接合材料。这减少了施加到设备的载荷。

注意,可以在小于接合材料的厚度的范围内适当地设定挤压量的上限值。

[第四实施例]

图11为根据第四实施例的半导体元件接合设备的示意性侧视图。第四实施例与第一实施例之间的区别在于,根据第四实施例的接合材料10被涂布在半导体元件20上。在第四实施例中,在电阻测量步骤(s30)中的接触检测是检测接合材料10与工件30之间的接触。可以原样采用根据第一实施例至第三实施例的半导体元件接合方法。

[第五实施例]

图12为根据第五实施例的半导体元件接合设备的示意性侧视图。第五实施例与第一实施例之间的区别在于,根据第五实施例的接合材料10被涂布在半导体元件20上,臂41被固定,并且工作台45在竖直方向上移动。在第五实施例中,当将“使元件下降”(s51)替换为“使工件上升”并且将“元件的位移”替换为“工件的位移”时,可以采用根据第一实施例至第三实施例的半导体元件接合方法。

尽管未图示,但是作为根据第四实施例和第五实施例的半导体元件接合设备的变型示例,可以如根据第一实施例的半导体元件接合设备的变型示例中那样,将载荷测量装置42布置在工件侧。

[其他实施例]

尽管未图示,但是也可以使涂布有接合材料的工件上升以使其更靠近半导体元件。同样在这种情况下,可以通过执行与第五实施例中相同的替换来采用根据第一实施例至第三实施例的半导体元件接合方法。

根据如此描述的本公开,将显而易见的是,本公开的实施例可以以许多方式改变。这样的变型不应被认为是背离本公开的精神和范围,并且所有这样的对于本领域技术人员将会是显而易见的变型旨在包括于所附权利要求的范围内。

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