JP2021041375A - 導電性流体用吐出ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】半導体装置を実装し易い導電性流体用吐出ヘッドを提供する【解決手段】実施形態の導電性流体用吐出ヘッドは、中央に第１ノズルと、第１ノズルの外側に複数の第２ノズルと、第１ノズル及び第２ノズルの流体出口側に凹型の流体保持容器を備え、第２ノズルは、第１ノズルよりも前記流体出口側に５０μｍ以上１５０μｍ以下突出している。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、導電性流体用吐出ヘッドに関する。

半導体装置を基板等に実装する際に、導電性流体を基板上に複数箇所スポットし、スポットされた導電性流体上に半導体装置を載置することができる。

近年、環境への影響を軽減するために高融点鉛はんだの代替材としてシンタリングペーストが用いられている。

特開２０１８−１６９８７８号公報

本発明の一実施形態は、半導体装置を実装し易い導電性流体用吐出ヘッドを提供するものである。

本実施形態によれば、中央に第１ノズルと、第１ノズルの外側に複数の第２ノズルと、第１ノズル及び第２ノズルの流体出口側に凹型の流体保持容器を備え、第２ノズルは、第１ノズルよりも前記流体出口側に５０μｍ以上１５０μｍ以下突出している導電性流体用吐出ヘッドが提供される。

実施形態の導電性流体用吐出ヘッドの断面図。 実施形態の導電性流体用吐出ヘッドの断面図。 実施形態の導電性流体用吐出ヘッドを用いた実装の工程図。 実施形態の導電性流体用吐出ヘッドを用いた実装の工程図。 実施形態の導電性流体用吐出ヘッドを用いた実装の工程図。 実施形態の導電性流体用吐出ヘッドの断面図。 実施形態の導電性流体用吐出ヘッドの断面図。

以下、図面を参照して本開示の一実施の形態について説明する。なお、本件明細書に添付する図面においては、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺および縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。

以下、図面を用いて実施形態を説明する。なお、図面中、同一又は類似の箇所には、同一又は類似の符号を付している。

本明細書中、同一又は類似する部材については、同一の符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。

本明細書中、部品等の位置関係を示すために、図面の上方向を「上」、図面の下方向を「下」と記述する。本明細書中、「上」、「下」の概念は、必ずしも重力の向きとの関係を示す用語ではない。

さらに、本明細書において用いる、形状や幾何学的条件並びにそれらの程度を特定する、例えば、「平行」、「直交」、「同一」等の用語や長さや角度の値等については、厳密な意味に縛られることなく、同様の機能を期待し得る程度の範囲を含めて解釈することとする。

（第１実施形態）
第１実施形態は、導電性流体用吐出ヘッドに関する。図１に実施形態の導電性流体用吐出ヘッド１００の断面図を示す。図１の導電性流体用吐出ヘッド１００の断面図は、導電性流体用吐出ヘッド１００の要部を表している。

図１の導電性流体用吐出ヘッド１００は、第１ノズル１、第２ノズル２及び流体保持容器３を備える。導電性流体用吐出ヘッド１００の筐体４はステンレスなどの加工精度に優れた部材である。

実施形態において、導電性流体とは、導電性接着剤やシンタリングペーストなどに代表される導電材料が用いられる。

第１ノズル１は、導電性流体用吐出ヘッド１００の中央に設けられている。第１ノズル１の外側には、複数の第２ノズル２が設けられている。第１ノズル１及び第２ノズル２は、円筒形のノズルであることが好ましい。第１ノズル１（第２ノズル２）の流体入口Ａ側には、図示しない導電性流体供給機構が取り付けが可能であり、導電性流体供給機構が第１ノズル１及び第２ノズル２に導電性流体を供給することができる。

第１ノズル１及び第２ノズル２の流体出口Ｂ側には、流体保持容器３が備えられている。流体保持容器３は、第１ノズル１及び第２ノズル２から流れ出た導電性流体が保持される空間である。流体保持容器３の第１ノズル１及び第２ノズル２とは反対側は、全体的に開口している。導電性流体が流体保持容器３に溜ってから、開口している側を基板等に当てることで、基板側に流体保持容器３に溜った導電性流体を転写することができる。第１ノズル１及び第２ノズル２とは反対側の流体保持容器３の開口面Ｃは、平坦面であることが好ましい。開口面Ｃが平坦面であることで、流体保持容器３の形状を崩さずに基板側に導電性流体を転写することができる。

第１ノズル１及び第２ノズル２の直径は、特に限定されない。第１ノズル１と第２ノズル２の直径は、同じでもよいし、異なってもよい。

流体保持容器３は、破線（仮想線）で仕切られたように錐台形状の領域３Ａと角柱形状又は円柱形状の領域３Ｂを含むことが好ましい。

流体保持容器３の開口面Ｃの形状は、楕円を含む円形又は多角形である。実装させる半導体装置の形状と大きさに合わせて、開口面Ｃの形状とノズルの配置を適宜選択することができる。流体保持容器の開口面Ｃの形状は、実装させる半導体装置の形状と相似又は実装させる半導体装置のパッドの形状に相似していることが好ましい。第１実施形態では、図２の断面図に示すように、流体保持容器３の開口面Ｃは、正方形状になっており、正方形状の半導体装置を実装するために用いることが適している。

一般に半導体装置を実装するために用いられる導電性流体は、非常に高い精度で基板上に滴下等されるため、複数の同一高さで同じ量を滴下するノズルを有する吐出ヘッドのノズル高さは、誤差が１０μｍ以下程度の高い精度を有する。

しかし、基板上に同じ量の導電性流体を複数箇所に規則的に滴下して半導体装置を実装すると、半導体装置を基板側に押しつけた際に、ボイドが発生し易く、また、導電性流体を押しつけた際に重なって広がる部分と広がらない（広がりにくい）部分が存在するため、半導体装置の基板側のパッドの一部と基板との間には空気が残存しボイドが発生してしまうことがある。ボイドが発生すると大電流を流しにくく、また、パッドからの放熱性が低下する。

また、基板上に厚さが均一な膜上の導電性流体が転写されるような吐出ヘッドを用い、半導体装置の大きさに合わせて、ボイドが発生しにくい適切な量の導電性流体を基板に転写すると、半導体装置の外周側に導電性が広がり易い。すると、半導体装置の上面側（基板側とは反対側）に導電性流体が這い上がり易い。低抵抗化のために半導体装置が薄型化しており、半導体装置の上面にさらに這い上がり易い。大電流を半導体装置の上面から下面に流す形態の半導体装置を実装させる場合では、這い上がりによって、半導体装置がショートしてしまう。

転写される導電性流体の中心の導電性流体が厚く、外周方向に向かって厚さが低くなるようにすることで、ボイド及び這い上がりを防ぐことができる。転写される導電性流体の厚さは、中心から外側に向かって、厚さが薄くなるように傾斜していることが好ましい。そこで、第２ノズル２は、第１ノズル１よりも流体出口Ｂ側に突出していることが好ましい。第２ノズル２が第１ノズル１よりも大幅に流体出口Ｂ方向に突出していると、転写される導電性流体は、中心が多すぎて縁側が少なすぎるため、ボイドが発生し易い。厚さの傾斜を適切にするために、第２ノズル２は、第１ノズル１よりも流体出口Ｂ側に５０μｍ以上１５０μｍ以下突出していることが好ましい。

第２ノズル２が第１ノズル１に対して突出している長さのばらつきが大きいと、転写される導電性流体の形状に対称性がなくなり、ボイドが発生したり、這い上がってしまったりし易くなる。そこで、第２ノズル２が第１ノズル１に対して突出している長さは、第２ノズル２が第１ノズル１に対して突出している長さの平均値の±５μｍ以内であることが好ましい。

第２ノズル２は、第１ノズル１の外側に複数配置されている。第２ノズル２がランダムに配置されていると、流体保持容器３内に溜まる導電性流体が偏り易い。そこで、図２の導電性流体用吐出ヘッド１００の断面図に示すように、第２ノズル２は、第１ノズル１を中心とする円周上に配置されていることが好ましい。図２は、図１の導電性流体用吐出ヘッド１００のＡ−Ａ’の位置の断面図である。同観点から、各第２ノズル２と第１ノズル１との距離は同じであることが好ましい。

この円周は、第１ノズル１を中心とする各円周上に配置され、各円周上に配置された第２ノズル２と第１ノズル１の距離は同じであることが好ましい。そして、第２ノズル２の数をｎとするとき、第２ノズル２と流体保持容器３は、第１ノズル１の円筒軸方向を中心にｎ回対象になることが好ましい。

図１の断面図では、ノズル側と流体保持容器３側が同様に長方形の形状を有するが、図１の断面形状の様に、ノズル側と流体保持容器３側が同様の形状を有する形態に限定されるものではない。例えば、ノズル側が円柱形状で円柱形状の先端に長方形状の流体保持容器３が接続している形態などが含まれる。なお、流体保持容器３側にもノズルが位置しているため、実施形態では、ノズル側と流体保持容器３側の境界を明確に定めない。

上述した形状の導電性流体を転写する観点から、流体保持容器３は、錐台形状の領域３Ａを有し、流体保持容器３の上面の中央は、第１ノズル１の先端の中心に位置することが好ましい。錐台形状の上面が流体保持容器３の上面であって、流体保持容器３は、第１ノズル１側から開口面Ｃに向かって広がっていることが好ましい。錐台形状３Ａは、円錐台又は角錐台のどちらかである。錐台形状は、厳密な錐台形状に限られない。実施形態では、上面の底面の形状が異なる場合も錐台形状として取り扱う。

錐台形状の斜辺と底面とがなす角度αは、0度以上60°度以下であることが好ましい。殆ど角度が無い様な錐台形状が好ましい。角度が大きいと、転写される導電性流体の中央の厚さと縁側の厚さの差が大きくなり、半導体装置を実装した際に縁側にボイドが発生し易くなってしまう。また、角度が小さすぎると転写される導電性流体の中央の厚さと縁側の厚さの差が小さくなり過ぎて、ボイドの発生を防ぐ程度の量の導電性流体を転写すると、半導体装置の縁から導電性流体が這い上がり易い。また、角度が小さすぎると、中央付近の導電性流体が広がりにくいため、ボイドが発生し易い場合がある。従って、錐台形状の斜辺と底面とがなす角度αは、0度以上60度以下であることがより好ましい。

第２ノズル２の先端は、斜めの切欠けを有する円筒形のノズルであり、錐台形状の領域３Ａの斜辺は、斜めの切欠けを有する第２ノズル２の先端に沿っていることが好ましい。つまり、錐台形状の領域３Ａの斜面が平坦面であることが好ましい。錐台形状の領域３Ａの斜面に加工によって生じる小さな凹凸は許容されるが、錐台形状の領域３Ａではなく、斜面に明らかな凹凸がある階段ピラミッドの様な形状であると、段差の角の部分がボイドの原因になり易く、また、非常に浅い角度の錐台形状であるため、このような複雑な形状を形成することは困難である。

流体保持容器３の開口側には、角柱形状又は円柱形状の領域３Ｂを含むことが好ましい。錐台形状の領域３Ａは、浅い角度に起因して、容積の小さな領域である。半導体装置を実装するために十分な量の導電性流体を流体保持容器３が保持するために角柱形状又は円柱形状の領域３Ｂを含むことが好ましい。

流体保持容器３の中央の高さをＨ１とすると、Ｈ１は、錐台形状の領域３Ａの高さと角柱形状又は円柱形状の領域３Ｂの高さの和を表している。流体保持容器３の縁側の高さをＨ２とすると、Ｈ２は、角柱形状又は円柱形状の領域３Ｂの高さを表している。錐台形状の領域３Ａの高さであるＨ１−Ｈ２は、0μｍ以上9000μｍ以下であることが好ましい。このような中央が少しの高さによって、ボイドと這い上がりを防ぐことができる。

また、Ｈ１とＨ２は、０≦（Ｈ１−Ｈ２）／Ｈ１≦１を満たすことが好ましい。この範囲を満たすことで、半導体装置を良好に接着し、ボイドと這い上がりを防ぐことができる。

次に、図３から図５の工程断面図を参照して、実施形態の導電性流体用吐出ヘッド１００を用いて半導体装置１０を基板１１に実装する方法について説明する。図３から図５の断面図において、（ａ）は導電性流体用吐出ヘッド１００の断面図である。（ｂ）は、基板１１の上面図である。（ｃ）は、基板１１の断面図である。

図３の左側（図３（ａ））は、導電性流体用吐出ヘッド１００の断面図である。図３の右側（図３（ｂ））は、基板１１の上面図である。導電性流体用吐出ヘッド１００の流体保持容器３には、導電性流体１２が保持されている。導電性流体１２が流体保持容器３に溜るように図示しない導電性流体供給機構によって、ノズルに導電性流体を流す。そして、流体保持容器３が満たされると、導電性流体供給機構の動作を停止させる。

そして、図４の断面図に示すように導電性流体用吐出ヘッド１００の導電性流体１２を基板１１に転写させる。図４（ｂ）は、導電性流体１２が転写された基板１１の上面図である。図４（ｃ）は、導電性流体１２が転写された基板１１の断面図である。導電性流体用吐出ヘッド１００の流体保持容器３は、空隙になる。そして、図４（ｂ）、（ｃ）のように基板１１側には、中央が少し高くなった導電性流体１２が形成される。這い上がりを防ぐために導電性流体１２は、半導体装置１０よりも一回り小さな面積を有することが好ましい。

次に、図５の断面図に示すように、半導体装置１０を導電性流体１２上に載置する。図５（ｂ）は、導電性流体１２が転写された基板１１に半導体装置１０が載置された上面図である。図５（ｃ）は、導電性流体１２が転写された基板１１に半導体装置１０が載置された断面図である。図５（ｂ）に示すように、載置の際に半導体装置１０を基板１１側に押圧を印可することで、元の破線の領域に形成されていた導電性流体１２が広がって、導電性流体１２が半導体装置１０の縁側まで広がる。押圧が大きくなると這い上がりため、少ない押圧で半導体装置１０又はパッドの形状に近い形状に広がることが好ましい。少ない押圧でも導電性流体１２厚さが等しくなるように広がることが好ましい。導電性流体１２の中央が少し厚くなるように傾斜していることで、導電性流体１２があまり広がらなくとも、図５（ｃ）の断面図に示すようにボイドの発生と導電性流体１２の這い上がりを抑えることができる。そして、必要に応じて、焼結するなどして導電性流体１２を硬化させて、半導体装置１０を基板１１に良好に実装することができる。

（第２実施形態）
第２実施形態は、導電性流体用吐出ヘッドに関する。第２実施形態は、第１実施形態の導電性流体用吐出ヘッドの変形例である。第２実施形態と第１実施形態で共通する構成や方法などについては、その説明を省略する。

図６に第２実施形態の導電性流体用吐出ヘッド１０１の断面図を示す。第１実施形態の導電性流体用吐出ヘッド１００は正方形状の導電性流体１２を転写できるように流体保持容器３の開口面Ｃの形状が正方形状を採用していた。第２実施形態では、半導体装置が長方形状のパッドを有している。そこで、第２実施形態では、半導体装置のパッドの形状に合わせて、長方形状の開口面Ｃを長方形状にし、かつ、第２ノズル２の配置が第１実施形態の導電性流体用吐出ヘッド１００から変更されている。

導電性流体用吐出ヘッド１０１において、第２ノズル２は、中央の第１ノズル１を挟むように２部備えられている。各第２ノズル２と第１ノズル１間の距離が等しくなるように第２ノズル２を配置することで、第１実施形態と同様に第１ノズル１を中心とする円周上に第２ノズル２を配置させることができる。そして、流体保持容器３の開口側とは反対側の領域３Ａが縦横比が比較的大きな図６の様な長方形状を底面とする四角錐台形状であることで、縦横比が比較的大きな長方形状の導電性流体１２を基板に転写でき、ボイドと這い上がりを抑制してこの長方形状に相似する半導体装置を実装することができる。

（第３実施形態）
第３実施形態は、導電性流体用吐出ヘッドに関する。第３実施形態は、第１実施形態の導電性流体用吐出ヘッドの変形例である。第２実施形態と第１実施形態で共通する構成や方法などについては、その説明を省略する。

図７に第３実施形態の導電性流体用吐出ヘッド１０２の断面図を示す。第３実施形態では、半導体装置が第１実施形態よりも大きな正方形状のパッドを有している。そこで、第３実施形態では、第２ノズル２の配置が第１実施形態の導電性流体用吐出ヘッド１００から変更されている。

導電性流体用吐出ヘッド１０２において、第２ノズル２は、中央の第１ノズル１を中心とする２つの円周上に配置されている。第２ノズル２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄは、内側の破線（仮想線）の円周上に配置されている。そして、第２ノズル２Ｅ、２Ｆ、２Ｇ、２Ｈは、外側の一点長鎖線（仮想線）の円周上に配置されている。１つの円周上に第２ノズルを配置した場合に、第２ノズル２を同周円上に配置することで、流体保持容器３の開口面Ｃの面積が大きくても流体保持容器３の形状に合わせて導電性流体を溜めることができる。同周円上に第２ノズル２を配置した場合でも、中央部分が少し厚くなっている導電性流体１２を基板１１に転写することができ、他の実施形態と同様にボイドと這い上がりを抑制して半導体装置１０を実装することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１００、１０１、１０２…導電性流体用吐出ヘッド、１…第１ノズル、２…第２ノズル、３…流体保持容器、１０…半導体装置、１１…基板、１２…導電性流体、Ａ…流体入口、Ｂ…流体出口、Ｃ…開口面

Claims (6)

1. 中央に第１ノズルと、
   前記第１ノズルの外側に複数の第２ノズルと、
   前記第１ノズル及び前記第２ノズルの流体出口側に凹型の流体保持容器を備え、
   前記第２ノズルは、前記第１ノズルよりも前記流体出口側に５０μｍ以上１５０μｍ以下突出している導電性流体用吐出ヘッド。
2. 前記第２ノズルは、前記第１ノズルを中心とする円周上に配置されている請求項１に記載の導電性流体用吐出ヘッド。
3. 前記流体保持容器は、錐台形状を有し、
   前記流体保持容器の上面の中央は、前記第１ノズルの先端の中心に位置する請求項１又は２に記載の導電性流体用吐出ヘッド。
4. 前記流体保持容器は、錐台形状を有し、
   前記錐台形状の斜辺と底面とがなす角度は、０度以上６０度以下である請求項１ないし３のいずれか１項に記載の導電性流体用吐出ヘッド。
5. 前記第２ノズルの先端は、斜めの切欠けを有する円筒形のノズルであり、
   前記流体保持容器は、錐台形状を有し、
   前記錐台形状の斜辺は、前記斜めの切欠けを有する第２ノズルの先端に沿っている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の導電性流体用吐出ヘッド。
6. 前記流体保持容器の中央の高さがＨ１であり、
   前記流体保持容器の縁側の高さがＨ２であり、
   Ｈ１とＨ２は、０≦（Ｈ１−Ｈ２）／Ｈ１≦１を満たす請求項１ないし５のいずれか１項に記載の導電性流体用吐出ヘッド。
   

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