AT5661U1 - Montageautomat für die platzierung eines halbleiterchips als flipchip auf einem substrat - Google Patents

Abstract

Ein Montageautomat für die Platzierung eines Halbleiterchips (1), dessen Oberseite Bumps aufweist, als Flipchip auf einem Substrat (2) weist eine Flip-Vorrichtung (6) zum Flippen des Halbleiterchips (1) auf. Die Flip-Vorrichtung (6) ist als Parallelogrammkonstruktion (10, 11, 12, 13) ausgebildet, die aus einem Tragkörper (10), einem ersten und einem zweiten Schwenkarm (11, 12) und einem Verbindungsarm (13) besteht. Am Verbindungsarm (13) ist ein Chipgreifer (16) angeordnet. ein Antriebssystem (15, 18, 19) dient der Hin- und Her-Bewegung der Parallelogrammkonstruktion (10, 11, 12, 13) zwischen einer ersten Endlage, in der der Chipgreifer (16) den Halbleiterchip (1) annimmt, und einer zweiten Endlage, in der der Chipgreifer (16) den Halbleiterchip (1) auf dem Substrat (2) platziert.

Description

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   Die Erfindung betrifft einen Montageautomaten der im Ober- begriff des Anspruchs 1 genannten Art für die Platzierung eines Halbleiterchips, dessen Oberseite Bumps aufweist, als Flipchip auf einem Substrat. 



   Für die Montage von Flipchips sind zwei Arten von Maschinen auf dem Markt erhältlich, nämlich sog. Pick and Place-Maschinen, die eine sehr genaue Positionierung der Flipchips auf dem Sub- strat gewährleisten, aber vergleichsweise langsam sind, und sog. 



  Die Bonder, die einen höheren Durchsatz, aber eine geringere Ge- nauigkeit erreichen. Beiden Maschinentypen ist gemeinsam, dass der zu flippende Chip zunächst mit einer als Flipper bezeichneten Vorrichtung einem auf eine Folie aufgespannten und expandierten Wafer entnommen, geflippt und dann vom Pick and Place-System zum Substrat transportiert und darauf platziert wird. Beim Flippen wird der Halbleiterchip umgewendet, so dass seine Bumps nach un- ten zeigen. 



   Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Montageau- tomaten für Halbleiterchips zu entwickeln, der Halbleiterchips schnell und mit höchster Präzision auf dem Substrat platziert. 



   Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch einen Montageautomaten mit einer Flip-Vorrichtung zum Flippen des Halb- leiterchips, die als Parallelogrammkonstruktion ausgebildet ist, wobei die Parallelogrammkonstruktion aus einem Tragkörper, einem ersten und einem zweiten Schwenkarm und einem Verbindungsarm be- steht, und wobei am Verbindungsarm ein Chipgreifer angeordnet ist, wobei ein Antriebssystem vorhanden ist für die Hin- und Her-Be- wegung der Parallelogrammkonstruktion zwischen einer ersten End- lage, in der der Chipgreifer den Halbleiterchip annimmt, und einer zweiten Endlage, in der der Chipgreifer den Halbleiterchip auf dem Substrat platziert. Auf diese Weise wird eine rasche und exakte Platzierung der Halbleiterchips auf dem Substrat ermöglicht. 



   Ausgangspunkt der Erfindung ist ein als Die Bonder bekannter Montageautomat, wie er beispielsweise in der EP 923 111 A be- schrieben und von der Anmelderin unter der Bezeichung DB 2008 vertrieben wird. Die Halbleiterchips haften auf einer auf einem Waferring eingespannten und expandierbaren Folie. Der Waferring wird durch einen Wafertisch in zwei orthogonalen Richtungen posi- tioniert. Bei diesem Die Bonder werden die Halbleiterchips vom Wafertisch an einem vorbestimmten Ort A bereitgestellt, von einem Pick und Place-System mit einem mit hoher Geschwindigkeit hin und 
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 her fahrenden Bondkopf ergriffen und an einem vorbestimmten Ort B auf dem Substrat abgesetzt. Gemäss der Erfindung ist nun vorgese- hen, einen derartigen Die Bonder um eine Flip-Vorrichtung zum Flippen des Halbleiterchips zu erweitern.

   Die Flip-Vorrichtung übernimmt den Halbleiterchip am Ort B vom Bondkopf, transportiert den Halbleiterchip zu einem Ort C, wendet den Halbleiterchip wäh- rend des Transports vom Ort B zum Ort C, und setzt den Halblei- terchip am Ort C als Flipchip auf dem Substrat ab. Die Flip- Vorrichtung ist als Parallelogrammkonstruktion ausgebildet. 



   Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel eines erfindungs- gemässen Montageautomaten anhand der Zeichnung noch weiter erläu-   tert. Es zeigen : Fig.1 einen Die Bonder mit einer Flip-Vorrichtung   zum Flippen eines Halbleiterchips; Fig. 2 die Flip-Vorrichtung im Detail, die Fig. 3A-3C schematisch die Flip-Vorrichtung in ver- schiedenen Zuständen, die Fig. 4 und 5 eine weitere Flip-Vorrich- tung mit einer Krafteinheit; und Fig. 6 die Krafteinheit für diese Flip-Vorrichtung. 



   Die Fig. 1 zeigt schematisch und in Aufsicht einen Die Bonder für die Platzierung von Halbleiterchips 1 auf einem Substrat 2. Mit x, y und z sind die drei Koordinatenachsen eines kartesischen Ko- ordinatensystems bezeichnet, wobei die z-Achse der vertikalen Richtung entspricht. Der Die Bonder umfasst ein Transportsystem 3 für den Transport des Substrats in x-Richtung und, fakultativ, auch in y-Richtung. Ein geeignetes Transportsystem 3 ist z. B. in der EP 330 831 B beschrieben. Die Halbleiterchips 1 werden vorzugsweise auf einem Wafertisch 4 nacheinander an einem Ort A bereitgestellt. 



  Ein Pick and Place-System 5, beispielsweise das in der EP 923 111 A beschriebene Pick and Place-System, entnimmt den Halbleiterchip 1 am Ort A und transportiert ihn zu einem Ort B über dem Substrat 2, wo es den Halbleiterchip 1 an eine Flip-Vorrichtung 6 übergibt. Die Flip-Vorrichtung 6 dreht den Halbleiterchip 1 um 180  und platziert ihn als Flipchip an einem Ort C auf dem Substrat 2. Bevorzugt ist die Flip-Vorrichtung 6 so ausgebildet, dass ein allfälliger Lage- fehler des zu platzierenden Halbleiterchips 1 während des Trans- ports vom Ort B zum Ort C auskorrigiert werden kann. 



   Die Fig. 2 zeigt im Detail und in perspektivischer Darstellung die Flip-Vorrichtung 6. Die Flip-Vorrichtung 6 umfasst einen orts- fest angeordneten Träger 7, einen am Träger 7 in vertikaler Rich- tung 8 bewegbaren Schlitten 9, einen am Schlitten 9 gelagerten, um eine vertikale Achse Al drehbaren Tragkörper 10, zwei gleiche, am 
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 Tragkörper 10 gelagerte Schwenkarme 11 und 12, einen ersten und einen zweiten Verbindungsarm 13 bzw. 14, die die beiden Schwenkarme 11,12 verbinden, ein Antriebssystem 15 zum Schwenken der beiden Schwenkarme 11,12, einen auf dem ersten Verbindungsarm 13 ange- brachten Chipgreifer 16 und einen Antrieb 17 zum Drehen des ersten Verbindungsarmes 13 um seine Längsachse und damit des Chipgreifers 16 um 180 . 



   Der Tragkörper 10 weist zwei vertikale, im Abstand A angeord- nete Lagerachsen A2 und A3 auf, die je ein Ende des ersten Schwenkarmes 11 bzw. des zweiten Schwenkarmes 12 lagern. Der erste Verbindungsarm 13 weist ebenfalls zwei vertikale, im Abstand A an- geordnete Lagerachsen A4 und A5 auf, die das andere Ende des ersten Schwenkarmes 11 bzw. des zweiten Schwenkarmes 12 lagern. Der Trag- körper 10, die beiden Schwenkarme 11 und 12 und der erste Verbin- dungsarm 13 bilden eine Parallelogrammkonstruktion. 



   Das Antriebssystem 15 besteht im Wesentlichen aus einer um eine vertikale Achse A6 drehbaren Kurbel 18 und einer Antriebs- stange 19, von der ein Ende am äusseren Ende der Kurbel 18 und das andere Ende am zweiten Verbindungsarm 14 gelagert ist. Das eine Ende des zweiten Verbindungsarms 14 ist am Schwenkarm 11 in einer vertikal verlaufenden Achse A7, das andere Ende des zweiten Ver- bindungsarms 14 ist am Schwenkarm 12 in einer vertikal verlaufenden Achse A8 gelagert. Die Lagerachsen der Antriebsstange 19 verlaufen ebenfalls vertikal und sind mit den Bezugszeichen A9 und A10 be- zeichnet. Die Lagerachse Al verläuft im Abstand B zur Lagerachse A2. Die Lagerachse A10 verläuft im gleichen Abstand B zur Lager- achse A7. Der Chipgreifer 16 ist ebenfalls im gleichen Abstand B zur Lagerachse A4 auf dem ersten Verbindungsarm 13 angeordnet.

   Die Lagerachsen al, A10 und der Chipgreifer 16 befinden sich somit auf einer parallel zu den Schwenkarmen 11 und 12 verlaufenden Geraden. 



  Die Lagerachsen A7 und A8 sind im Abstand C zur Lagerachse A2 bzw. 



  A3 angeordnet, so dass der zweite Verbindungsarm 14 parallel zum Tragkörper 10 und parallel zum ersten Verbindungsarm 13 ausgerich- tet ist. Ein Vorteil der Parallelogrammkonstruktion liegt darin, dass der erste Verbindungsarm 13 immer parallel zum Tragkörper 10 ausgerichtet bleibt. Auf diese Weise kann ein allfälliger Lagefehler des Halbleiterchips 1 über eine Korrekturbewegung des Tragkörpers 10 vollständig eliminiert werden. 



   Das Antriebssystem 15 dient der Hin- und Her-Bewegung des Chipgreifers 16 zwischen einer ersten und einer zweiten Endlage, 

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 die bevorzugt mechanisch durch Strecklagen der Kurbel 18 und der Antriebsstange 19 definiert sind. Strecklage bedeutet, dass die Kurbel 18 und die Antriebsstange 19 in die gleiche Richtung zeigen, d. h. dass die Lagerachsen A6, A9 und A10 auf einer Geraden liegen. 



  Dies hat den Vorteil, dass sich ein allfälliger Lagefehler des An- triebssystems 15 praktisch nicht auf die Lage des Chipgreifers 16 auswirkt. 



   Die Fig. 3A zeigt schematisch und in Aufsicht die Parallelo- grammkonstruktion, die sich in der ersten Endlage befindet. Der Tragkörper 10 ist zudem parallel zur x-Achse ausgerichtet. In die- ser Lage wird der von einem Pick and Place-System 5 (Fig. 1) transportierte Halbleiterchip 1, dessen Oberseite Bumps aufweist, an die Flip-Vorrichtung übergeben, d. h. der Halbleiterchip 1 wird von einem Bondkopf des Pick and Place-Systems 5 auf dem nach oben gerichteten Chipgreifer 16 abgesetzt und dort vorzugsweise mittels Vakuum festgehalten. Die Bumps des Halbleiterchips 1 zeigen dabei nach oben. Nach diesem Schritt ist der in der Fig. 3A dargestellte Halbleiterchip 1 möglicherweise gegenüber seiner Soll-Lage auf dem Substrat um den Vektor Ax,   Ay   verschoben und um den Winkel   #   gegen- über der x-Achse verdreht.

   Der durch den Winkel   #   charakterisierte Winkelfehler des Halbleiterchips 1 kann durch Drehen des Tragkör- pers 10 um die Drehachse Al auskorrigiert werden. Dabei dient die Achse A10 als Referenz. Die Fig. 3B zeigt die Parallelogrammkon- struktion in diesem Zustand, wo der Tragkörper 10 gegenüber seiner ursprünglichen Lage um den Winkel   -#   verdreht ist. Der Halbleiter- chip 1 ist nun parallel zur x-Richtung ausgerichtet. Die Richtung der Schwenkarme 11,12 ist vorerst noch unverändert. Der durch den Vektor   Ax,   Ay charakterisierte Lagefehler des Halbleiterchips 1 kann beispielsweise durch eine Korrekturbewegung des Substrats in x- und in y-Richtung eliminiert werden.

   Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Schlitten 9 derart am Träger 7 zu lagern, dass er neben der vertikalen Bewegung auch Bewegungen in x- und in y-Richtung ausführen kann. Dazu sind beispielsweise zwei Mikromanipulatoren vorgesehen, die eine Bewegung des Schlittens 9 gegenüber dem Träger 7 in x- bzw. in y-Richtung um typisch einige 10 bis einige 100 um ermöglichen. Diese Korrekturbewegungen erfolgen, bevor der Chip- greifer 16 den Halbleiterchip 1 auf dem Substrat 2 (Fig. 1) absetzt. 



   Das Antriebssystem 15 bringt nun die Parallelogrammkonstruk- tion in die zweite Endlage, indem die Kurbel 18 um einen entspre- chend den gewählten geometrischen Verhältnissen bestimmten Winkel 
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 gedreht wird, bis sich die Kurbel 18 und die Antriebsstange 19 in der zweiten Strecklage befinden. Diese zweite Endlage ist in der Fig. 3C dargestellt. Bei dieser Bewegung der Parallelogrammkon- struktion ändert sich die Orientierung des Halbleiterchips 1 nicht. 



   Alternativ zu dem mit zwei Strecklagen arbeitenden An- triebssystem 15 könnte ein elastisches Antriebssystem verwendet werden, das die Parallelogrammkonstruktion in der ersten Endlage an einem ersten Anschlag und in der zweiten Endlage an einem zweiten Anschlag zum Anschlag bringt. Die Antriebskraft muss aber über die Achse A10 eingeleitet werden, da die Achse A10 als Re- ferenz für die Korrektur des allfälligen Winkelfehlers   #   erfor- derlich ist. 



   Während der Verschiebung der Parallelogrammkonstruktion von ihrer ersten Endlage in ihre zweite Endlage laufen verschiedene Bewegungen parallel dazu ab: a) Der Chipgreifer 16 wird vom Antrieb 17 um 180  gedreht, so dass die Bumps des Halbleiterchips 1 nun nach unten zeigen. b) Der Schlitten 9 wird in vertikaler Richtung 8 angehoben und wieder abgesenkt, um zu vermeiden, dass der mit dem Chipgreifer 16 drehende Halbleiterchip 1 das Substrat 2 berührt. c) Ein allfälliger Winkelfehler des Halbleiterchips 1 wird durch Drehen des Tragkörpers 10 auskorrigiert. Die Drehbewegung des Tragkörpers 10 wird dabei offsetfrei auf den Halbleiterchip 1 über- tragen. d) Ein allfälliger Lagefehler des Halbleiterchips 1 wird durch entsprechende Korrekturbewegungen entweder des Schlittens 9 mittels der Mikromanipulatoren oder des Substrats 2 auskorrigiert. 



   Sobald die Parallelogrammkonstruktion ihre zweite Endlage er- reicht hat, wird der Schlitten 9 auf eine vorbestimmte Höhe H über dem Substrat 2, bzw. über einer Auflageplatte, auf der das Substrat 2 aufliegt, abgesenkt. Sobald der Halbleiterchip 1 auf dem Substrat 2 auftrifft, wird der Chipgreifer 16 gegenüber dem Schlitten 9 entgegen der Kraft einer Feder ausgelenkt. Die Höhe H ist so ein- gestellt, dass der Halbleiterchip mit einer vorbestimmten Bondkraft gegen das Substrat 2 (Fig. 1) gedrückt wird. (Dieses Verfahren ist allgemein als Overtravel-Verfahren bekannt, beispielsweise aus der EP 852 983 A) . 



   Bei diesem ersten Ausführungsbeispiel erfolgt die Erfassung der Lage des Halbleiterchips 1 (Fig. 1) mittels einer ersten, über dem Ort A angebrachten Kamera, nachdem er vom Wafertisch am Ort A 

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 bereitgestellt wurde, d. h. unmittelbar vor dem Picken am Ort A. 



  Mittels einer zweiten Kamera wird auch das Substrat 2 am Ort C ver- messen. Aus diesen Daten wird eine allfällige Abweichung der Ist- Lage des Halbleiterchips 1 von seiner Soll-Lage auf dem Substrat 2 berechnet und wie oben dargelegt vor dem Absetzen am Ort C korri- giert. 



   Zur Erhöhung der Platzierungsgenauigkeit ist bei einem weite- ren Ausführungsbeispiel vorgesehen, eine Kamera über dem Ort B zu montieren, so dass sich der Chipgreifer 16 im Blickfeld der Kamera befindet, und die Lage des Halbleiterchips 1 erst dann zu vermes- sen, wenn der Halbleiterchip 1 vom Chipgreifer 16 der Flip-Vor- richtung gehalten ist. Diese Lösung hat den Vorteil, dass der Halbleiterchip 1 in der Lage vermessen wird, in der er vom Chip- greifer 16 auf dem Substrat 2 platziert wird. 



   Bei der Platzierung des Halbleiterchips 1 auf dem Substrat 2 ist bei gewissen Anwendungen eine vergleichsweise hohe Bondkraft erforderlich. Es kann vorteilhaft sein, diese Bondkraft nicht vom Schlitten 9 her über die Schwenkarme 11,12 auf den Chipgreifer 16 zu übertragen, sondern, wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt, mittels einer starr am ersten Schwenkarm 11 angeordneten Krafteinheit 26. 



  Die Fig. 4 zeigt die Flip-Vorrichtung in der ersten Endlage, in der der Chipgreifer 16 zur Aufnahme des nächsten Halbleiterchips bereit ist. In dieser Endlage befindet sich die Krafteinheit 26 hinter dem Chipgreifer 16, so dass der Halbleiterchip 1 vom Pick and Place- System 5 (Fig. 1) problemlos auf den Chipgreifer 16 abgesetzt wer- den kann. Die Fig. 5 zeigt die Flip-Vorrichtung in der zweiten Endlage, in der der nun geflippte Halbleiterchip 1 auf dem Substrat 2 (Fig. 1) platziert wird. Beim Schwenken des ersten Schwenkarms 11 hat sich die Lage der Krafteinheit 26 relativ zur Lage des Chip- greifers 16 derart geändert, dass sich die Krafteinheit 26 nun di- rekt oberhalb des Chipgreifers 16 befindet. Die Krafteinheit 26 weist einen in vertikaler Richtung bewegbaren Kolben auf, der bei- spielsweise pneumatisch, hydraulisch oder elektromechanisch ange- trieben wird.

   Das Platzieren des Halbleiterchips 1 auf dem Substrat 2 soll mit einer vorbestimmten Bondkraft erfolgen, die bei be- stimmten Anwendungen relativ gross sein kann. Zu diesem Zweck wird der Kolben der Krafteinheit 26 abgesenkt, so dass er den Chipgrei- fer 16 mit der vorbestimmten Bondkraft gegen das Substrat 2 drückt. 



   Bei einer bevorzugten, in der Fig. 6 schematisch dargestellten Ausführung ist der Kolben durch einen mit einem vorbestimmten Druck 
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 beaufschlagten Druckzylinder 27 gebildet, der in der Ruhelage auf einem Anschlag 28 der Krafteinheit 26 aufliegt. Zum Aufbau der Bondkraft wirkt die Krafteinheit 26 wie folgt mit dem Chipgreifer 16 zusammen: Wie bereits erwähnt, befindet sich die Krafteinheit 26 in der zweiten Endlage der Parallelogrammkonstruktion oberhalb des Chipgreifers 16. Zum Platzieren des Halbleiterchips 1 wird der Schlitten 9, wie weiter oben erwähnt, auf eine vorbestimmte Höhe H abgesenkt. Sobald der Halbleiterchip 1 auf dem Substrat 2 (Fig. 1) auftrifft, baut sich zwischen dem Substrat 2 und dem Halbleiterchip 1 eine Kraft auf, die dazu führt, dass der Chipgreifer 16 nach oben ausgelenkt wird.

   Das obere Ende des Chipgreifers 16 kommt dabei am Druckzylinder 27 zum Anschlag. Die Höhe H ist so vorbestimmt, dass der Druckzylinder 27 gegenüber der Krafteinheit 26 in jedem Fall ausgelenkt wird, so dass die Kraft, mit der der Halbleiterchip 1 auf das Substrat 2 gedrückt wird, der vorbestimmten Bondkraft entspricht. Der Vorteil dieses Ausführungsbeispiels liegt darin, dass die Bondkraft unabhängig von Dickenschwankungen des Sub- strats 2 ist. 



   Die aus dem Tragkörper 10, dem ersten Schwenkarm 11, dem zwei- ten Schwenkarm 12 und dem Verbindungsarm 13 gebildete Parallelo- grammkonstruktion ist wegen der Hin- und Her-Bewegung der beiden Schwenkarme 11,12 und wegen der Korrekturmöglichkeit für den Winkel 6 um den zweiten Verbindungsarm 14 erweitert. Dies führt mechanisch zu einer Überbestimmung und macht eine nachgiebige, d. h. etwas Spiel erlaubende, Lagerung des ersten Verbindungsarmes 13 oder des zweiten Verbindungsarmes 14 nötig. Bevorzugt ist der erste Verbin- dungsarm 13 bei der Lagerachse A5 nachgiebig gelagert.

Claims (6)

1. Ansprüche: 1. Montageautomat für die Platzierung eines Halbleiterchips (1), dessen Oberseite Bumps aufweist, als Flipchip auf einem Substrat (2), mit einer Flip-Vorrichtung (6) zum Flippen des Halbleiterchips (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Flip-Vorrichtung (6) als Pa- rallelogrammkonstruktion (10,11, 12,13) ausgebildet ist, wobei die Parallelogrammkonstruktion (10,11, 12,13) aus einem Tragkör- per (10), einem ersten und einem zweiten Schwenkarm (11,12) und einem Verbindungsarm (13) besteht, und wobei am Verbindungsarm (13) ein Chipgreifer (16) angeordnet ist, und dass ein Antriebssystem (15,18, 19) vorhanden ist für die Hin- und Her-Bewegung der Pa- rallelogrammkonstruktion (10,11, 12,13) zwischen einer ersten Endlage, in der der Chipgreifer (16) den Halbleiterchip (1) an- nimmt, und einer zweiten Endlage, in der der Chipgreifer (16) den Halbleiterchip (1)

   auf dem Substrat (2) platziert.
2. 2. Montageautomat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Parallelogrammkonstruktion (10,11, 12,13) an einem in ver- tikaler Richtung (8) bewegbaren Schlitten (9) angeordnet ist und der Tragkörper (10) gegenüber dem Schlitten (9) um eine vertikale Drehachse (Al) drehbar ist (Fig. 2).
3. 3. Montageautomat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich- net, dass die erste Endlage und die zweite Endlage der Parallelogrammkonstruktion (10,11, 12,13) mechanisch durch Strecklagen des Antriebssystems (15,18, 19) definiert sind (Fig. 3).
4. 4. Montageautomat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge- kennzeichnet, dass am ersten Schwenkarm (11) eine Krafteinheit (26) angeordnet ist, die zur Erzeugung der beim Platzieren zwischen dem Halbleiterchip (1) und dem Substrat (2) aufzubringenden Kraft dient (Fig. 4-6).
5. 5. Montageautomat nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Krafteinheit (26) einen mit einem vorbestimmten Druck beauf- schlagbaren Druckzylinder (27) aufweist, der beim Platzieren des Halbleiterchips (1) auf dem Substrat (2) auf den Chipgreifer (16) einwirkt (Fig. 6). <Desc/Clms Page number 9>
6. 6. Montageautomat nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Montageautomat ein Die Bonder mit einem Pick and Place-System (5) ist, das die Halbleiterchips (1) von einem Wa- fertisch (4) aufnimmt und an die Flip-Vorrichtung (6) übergibt (Fig. 1) .