CN102646572B - 芯片焊接机以及半导体制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能够正确焊接芯片的可靠性高的芯片焊接机以及半导体制造方法。本发明的芯片焊接机具有：焊接头，其从晶圆吸附芯片并将其焊接到衬底上；定位机构，其具有以规定精度定位所述芯片的位置的第一调整机构，并定位所述焊接头；定位控制部，其控制所述定位机构；第二调整机构，其设置在所述焊接头上，以比所述第一调整机构高的精度调整所述芯片的位置。

Description

芯片焊接机以及半导体制造方法
技术领域
本发明涉及芯片焊接机(Die Bonder)以及半导体制造方法，尤其涉及可靠性高的芯片焊接机以及半导体制造方法。
背景技术
在将芯片(半导体芯片)搭载在配线衬底、引线框等衬底上进行封装的工序的一部分中，有从晶圆吸附芯片并将其结合到衬底上的芯片焊接工序。
芯片焊接工序中，需要正确地将芯片焊接到衬底的焊面上。然而，为了衬底面易于焊接而加热到80℃～250℃左右的高温。由于高温或辐射热，会发生结构部件的位置偏移等，从而不能将芯片焊接到正确的位置。
作为解决该问题的现有技术有专利文献1。专利文献1的课题是，根据来自高温的焊接平台的辐射热，使检测焊接位置的摄影机与焊接工具的位置差(偏置量)时刻变化。为了解决该课题，专利文献1中以设置在焊接平台附近的参照物为基准点来检测其偏置量，从而修正焊接位置。
【专利文献1】日本特开2001-203224号公报
但是，近来的芯片焊接的定位精度随着芯片的微小化而要求10μm程度的高精度，而且在TSV(Thought Silicon Via)等三维实装技术的发展中要求高到几μm的程度。因此，需要开发能够高精度定位的技术。另外，除了专利文献1的课题之外，由于衬底、支承衬底的焊接平台等的热膨胀导致衬底侧的焊接位置偏移的问题。
发明内容
本发明是鉴于上述课题而研发的，其目的在于提供一种能够将芯片正确焊接的可靠性高的芯片焊接机以及半导体制造方法。
为了实现上述目的，本发明至少具有以下特征。
本发明的第一技术方案中，芯片焊接机具有：焊接头，其从晶圆吸附芯片并将其焊接到衬底上；定位机构，其具有以规定精度定位所述芯片的位置的第一调整机构，并定位所述焊接头；定位控制部，其控制所述定位机构；第二调整机构，其设置在所述焊接头上，以比所述第一调整机构更高的精度调整所述芯片的位置。
而且，本发明的第二技术方案中，所述第二调整机构具有从多个方向作用于所述焊接头的前端部轴并且以规定位移使所述前端部轴移动的促动器。
而且，本发明的第三技术方案中，所述促动器设置在与焊接所述芯片的面平行的面、或与焊接所述芯片的面成角度的面的任意一个上。
而且，本发明的第四技术方案中，所述促动器为压电元件或超磁致伸缩元件。
而且，本发明的第五技术方案中，设置有从所述多个方向的相对方向产生使所述规定位移复原的复原力的复原力构件。
而且，本发明的第六技术方案中，具有：用焊接头从晶圆吸附芯片的步骤；用第一调整机构以规定的精度调整所述芯片的位置，用第二调整机构以比所述第一调整机构更高的精度调整所述芯片的位置，从而进行所述焊接头的定位的步骤；所述焊接头将所述芯片焊接到衬底上的步骤。
根据本发明，能够提供能够正确焊接芯片的可靠性高的芯片焊接机以及半导体制造方法。
附图说明
图1是从上方观察本发明实施例的芯片焊接机的示意图。
图2是具有本发明特征的具有焊接位置修正装置的焊接头部的 实施例的概要结构图。
图3是示出了本实施例中的微调整机构的实施例1的视图。
图4是示出了本实施例中的两台位置修正摄影机的配置的视图。
图5是示出了焊接头吸附芯片来到焊接位置的上侧时起的处理流程的视图。
图6是示出了图5的处理流程中的拍摄画面的视图。
图7是示出了本实施例中的微调整机构的实施例2的视图。
图8是示出了本实施例中的微调整机构的实施例3的视图。
附图标记的说明
1：晶圆供给部               3：芯片焊接部
4：控制部                   5：衬底供给·运送部
10：芯片焊接机              20：位置偏移检测部
21：基准标记形成光源(光源)  22：处理位置摄影机
23、24、25：位置修正拍照摄影机(位置修正摄影机)
31：预成型部                32：焊接头部
41：焊接头                  41c：夹头
41j：焊接头的前端部轴
42：位置检测摄影机          43：固定台
44：焊接平台(stage)         45：引线框
45b：焊接位置(处理位置)     45c：处理位置的中心位置
45p1、45p2：识别图案
45s：包括处理位置和基准标记的处理位置周边区域
47：移动机构                50：焊接位置修正装置
60：定位机构                61：三维粗调整机构
62：微调整机构              62k：微调整机构固定部
62X：X轴微调整机构          62Y：Y轴微调整机构
62Xs、62Ys：支承棒          62Xa、62Ya：促动器部
D：芯片                     KM：基准标记
□：位置修正拍照摄影机与引线框面所成的角
具体实施方式
以下，结合附图说明本发明的实施例。
图1是从上方观察本发明实施例的芯片焊接机10的示意图。芯片焊接机10大致具有晶圆供给部1、衬底供给·运送部5、芯片焊接部3、以及控制这些部件等的控制部4。
晶圆供给部1具有晶圆盒升降机构11和拾取装置12。晶圆盒升降机构11具有充填了晶圆载环的晶圆盒(未图示)，依次将晶圆载环供给到拾取装置12。拾取装置12以能够从晶圆载环拾取所希望的芯片的方式移动晶圆载环。
衬底供给·运送部5具有装料机51、框架供给器52和卸料器53。装料机51将粘接芯片的衬底(例如引线框)供给到框架供给器52。框架供给器52通过框架供给器52上的两处处理位置将衬底运送到卸料器53。卸料器53保管被运送的衬底。
芯片焊接部3具有预成型部31和焊接头部32。预成型部31向由框架供给器52运送的衬底涂布芯片粘结剂。焊接头部32从拾取装置12拾取芯片而上升，使芯片移动到框架供给器52上的焊接点。然后，焊接头部32使芯片在焊接点下降，将芯片焊接到涂布有芯片粘结剂的衬底上。
图2是具有本发明特征的具有焊接位置修正装置50的焊接头部32的实施例的概要结构图。焊接位置修正装置50大致具有检测焊接位置偏移量的位置偏移检测部20、焊接头41的定位机构60、基于位置偏移检测部20的数据等对定位机构60进行控制的控制部4中内置的定位控制部4p。
除了后述的焊接位置修正装置50之外，焊接头部32还具有：用前端的夹头41c吸附保持芯片D并进行焊接的焊接头41、为了进行作为衬底的引线框45的位置对准而检测引线框的位置的衬底位置检测拍照摄影机42(以下只称为位置检测摄影机)、支承或固定焊接头41和位置检测摄影机42的固定台43、使固定台43沿XY方向移动的移动 机构47、保持引线框45的焊接平台(以下只称为平台)44。而且，52是形成有对引线框45进行运送的衬底供给·运送部5的框架供给器。
定位机构60具有由二维粗调整移动机构41m和上述移动机构47构成的三维粗调整机构61和后述的图3所示的微调整机构62，所述二维粗调整移动机构41m构成焊接头41、使夹头41c升降(在Z方向上移动)、使夹头41c相对于固定台43沿Y方向移动。而且，基于由后述的位置偏移检测部20得到的位置偏移量，进行焊接头41(夹头41c)的位置的粗调整或微调整。三维粗调整机构61由例如马达、滚珠丝杠(未图示)等构成时，因焊接速度的关系，其精度为10μm。因而，粗调整、微调整分配为，由三维粗调整机构61进行直至10μm的调整，对于10μm以内的调整由微调整机构62调整直至几μm。
而且，上述实施例中，使三维粗调整机构的自由度分散于固定台43和焊接头41，但也可以使全部自由度集中在固定台43或焊接头41上。
图3是示出了本实施例中的微调整机构62的实施例1的视图。图3中，图3(a)示出了从箭头H(参照图2)所示的Y轴大约成45度的方向观察微调整机构62时的立体图，图3(b)示出了俯视图。微调整机构62具有：与X轴平行地推压焊接头41的前端部轴41j而对夹头41c(焊接头41)的X方向上的位置微调整的X轴微调整机构62X、和与Y轴平行地推压前端部轴41j而对夹头41c的Y方向上的位置微调整的Y轴微调整机构62Y。并且，41h是在前端部轴41j的前端设置的夹头保持部。
X轴微调整机构62X和Y轴微调整机构62Y分别具有：具有促动器的促动器部62Xa、62Ya、和支承促动器部的支承棒62Xs、62Ys。而且，X轴微调整机构62X和Y轴微调整机构62Y可调整地安装在微调整机构固定部62k上，该微调整机构固定部62k将微调整机构62可调整地固定在三维粗调整移动机构61。本实施例中，使用压电元件作为促动器，通过施加与必要移动量对应的电压来进行微调整以达到目的位置。作为促动器，除了压电元件以外，还可以考虑超磁致伸缩元件等。
微调整机构62在实施例1中，调整方向平行于焊面，分别分配在X轴、Y轴，因此安装容易，还有易于调整的优点。
然后，回到图2，对位置偏移检测部20进行说明。位置偏移检测部20具有：将表示基准位置的基准标记KM形成在引线框45上的基准标记形成光源(以下只称为光源)21；在使夹头41c下降前对基准标记KM和焊接位置(以下称处理位置)45b拍摄的处理位置摄影机22；以及在夹头41c下降时对在处理位置45b正上方的焊接头41的前端部和基准标记KM拍摄的两台位置修正拍照摄影机(以下只称为位置修正摄影机)23、24。本实施例中，衬底位置检测摄影机42兼用作处理位置摄影机22。而且，光源21可以是像激光光源那样能点状照射的光源。而且，构成位置偏移检测部20的处理位置摄影机22等借助它们的支承部28固定在芯片焊接机10的构造部件27上。图2中，为了易于观察视图，省略了位置修正摄影机23的支承部28。而且，虚线所示的45s示出了含有处理位置45b以及基准标记KM的处理位置周边区域。在处理位置45b中，形成有芯片D的对角线上两处L字状的识别图案45p1、45p2。
图4是示出了两台位置修正摄影机23、24的配置的视图。图4(a)是从上部观察两台位置修正摄影机23、24的视图。图4(b)是从侧面观察位置修正摄影机23或24的视图。如图4(a)所示，两台位置修正摄影机23、24配置在相互成90度的位置。而且，如图4(b)所示，两台位置修正摄影机23、24相对引线框45以角度□倾斜，因而对含有基准标记KM和处理位置45b的处理位置周边区域45s进行拍摄。
根据上述结构，用图5、图6说明图2的实施例中的作为本发明特征的焊接的处理流程。图5示出了焊接头41吸附芯片来到处理位置的上侧时起的处理流程。图6是示出了图5的处理流程中的拍摄画面的视图。
首先，在焊接头41使芯片D下降到处理位置45b之前，用处理位置摄影机22拍摄含有基准标记KM和处理位置45b的处理位置周边区域45s(步骤1)。图6(a)为表示该状态的拍摄画面。在图6(a)的状态下， 引线框通过加热而热膨胀。因而，从图6(a)得到的处理位置45b的位置坐标是含有热膨胀影响的位置坐标。
在处理位置45b形成有芯片D的对角线上两处L字状的识别图案45p1、45p2。以基准标记KM的中心点作为原点，利用图像处理求出这两处识别图案45p1、45p2的位置坐标(步骤2)。然后，根据两处识别图案45p1、45p2的位置坐标求出处理位置45b的中心位置45c的位置坐标(步骤3)。以该中心位置45c的坐标位置作为第一中心坐标。该第一中心坐标45c1和两处识别图案45p1、45p2的位置坐标分别为(X1，Y1)、(Xp11，Yp11)、(Xp21，Yp21)，则第一中心坐标通过式(1)、式(2)求出。
X1＝(Xp11+Xp21)/2        (1)
Y1＝(Yp11+Yp21)/2        (2)
然后，求出焊接头41的移动量(步骤4)。式(1)、式(2)的位置坐标是从处理位置摄影机22观察的位置坐标。由于焊接头41与处理位置摄影机22之间有偏移，所以需要变换到从焊接头41观察的位置坐标。由此，若其偏置量为(Xh，Yh)，则从焊接头41观察的中心位置45c的位置坐标(Xhi，Yhi)成为式(3)、式(4)。
Xhi＝X1+Xh               (3)
Yhi＝Y1+Yh               (4)
然后，使焊接头41移动到式(3)、式(4)所示的位置，将保持芯片D的夹头41c朝向处理位置45b下降(步骤5)。焊接头41的移动时间和芯片D的下降时间非常短。因此，其间几乎没有由于引线框45的热膨胀引起的形状变化、偏置量变化。从而，只要没有相对偏置量初期值的变动或时间序列变动，通过所述芯片D的下降就能够将芯片D焊接到作为目标值的处理位置45b。
但是，实际中，由于引线框45的加热机构所产生的辐射热等，偏置量变化。因此，修正其偏置量的变化。为此，在即将焊接前停止，对芯片的下降位置与处理位置45b的偏移量进行检测。首先，在停止的状态下，用两台位置修正摄影机23、24拍摄含有基准标记KM 和处理位置45b的处理位置周边区域45s(步骤6)。
图6(b)、图6(c)分别示出了用位置修正摄影机23、24拍摄的状态。处理位置摄影机22不从正上方进行该拍摄的理由在于：第一，夹头41c覆盖了处理位置45b，不能识别识别图案45p1、45p2；以及第二，图2中夹头41c不能拍摄，并且实际上夹头41c也会受到焊接头41机构的干扰而不能从正上方看到。因此，为了能够拍摄芯片D或夹头41c，以图4(b)所示的角度□拍摄。由于实际上焊接芯片D，所以希望有能够拍摄芯片D自身的角度。拍摄芯片自身时，角度往往较小，角度□较小时，图像变形较大而位置检测精度下降，因此在其间调节角度。
然后，在停止的状态下，通过图像处理求出与两处识别标记对应的芯片D的角部位置坐标(步骤7)。本实施例1中，为了求出芯片D的角部位置坐标，使用两台位置修正摄影机23、24。其理由如下所述。倾斜拍摄时从位置修正摄影机23、24观察的各自的X轴方向、Y轴方向根据位置不同而一像素单位的长度不同，Y轴方向、X轴方向不变。因此，如图6(b)所示，基于由位置修正摄影机23拍摄的数据，利用以基准标记KM的中心为基准的坐标系检测芯片D的X方向的位置坐标，如图6(c)所示，基于由位置修正摄影机24拍摄的数据，利用以基准标记KM的中心作为基准的坐标系检测芯片D的Y方向的位置坐标。从而，在图2的实施方式中，能够在拍摄侧的角部代替地检测与识别图案45p1、45p2对应的芯片D。
根据该芯片D的角部位置坐标求出芯片D的中心位置，即处理位置45b的中心位置45c的中心坐标(步骤8)。该中心坐标作为第二中心坐标45c2。该第二中心坐标45c2的(X2，Y2)从图6(b)以及图6(c)可知为式(5)以及式(6)。
X2＝(Xd1+Xd2)/2        (5)
Y2＝(Yd1+Yd2)/2        (6)
然后，通过由式(1)及式(2)求得的第一中心坐标和由式(5)及式(6)求得的第二中心坐标，求出式(7)以及式(8)所示的焊接位置的偏移量(修正量)(ΔX，ΔY)(步骤9)。
ΔX＝X2-X1        (7)
ΔY＝Y2-Y1        (8)
然后，例如首先由三维粗调整机构61将该偏移量推进到10μm的程度(步骤10)。余下的10μm以内的调整由微调整机构62推进到几μm，并焊接到引线框(衬底)45上(步骤11)。
最后，使夹头41c上升，过渡到随后的芯片的焊接处理(步骤12)。
而且，由式(7)、式(8)求得的该偏移量是从焊接头41观察时的偏移量，作为原因有以下2点。第一是，如前所述由于辐射热导致的焊接头41与处理位置摄影机22之间的偏置量的偏移量。第二是，由于焊接头41与位置修正摄影机23、24之间的辐射热导致的偏置量的偏移量。但是，第二点原因中，由于用同一图像以基准标记为原点来求出位置坐标，所以即使例如发生偏置量的偏移，也能自行修正。因此，原因在于第一点。
以上的说明中，作为识别图案，使用了处理位置45b的对角线上设置的两处L字状的识别图案45p1、45p2。在以上说明中，最终利用处理位置即焊接位置的中心位置45c求出修正量，因此L字状的识别图案45p1、45p2也可以假想地考虑是一个处理位置的中心位置45c的×(叉印)状等的识别图案。
根据以上说明的实施方式，能够提供一种可靠性高的芯片焊接机，其能够对引线框45的高温引起的引线框45自身的热膨胀、和处理位置摄影机22、位置修正摄影机23、24与焊接头41的偏置量共同修正变动，能够正确地焊接芯片。
而且，根据以上说明的实施方式，作为促动器使用具有压电元件、超磁致伸缩元件等的微调整机构，由此能够得到几μm的焊接精度。
其结果，通过使用本芯片焊接机，能够提供可靠性高的半导体制造方法。
以下，用图6、图7说明微调整机构62的另一实施例。另一实施例中，实现相同功能的部件使用相同的附图标记。
图7是示出了在图3所示的实施例1中在促动器部62Xa、62Ya推压的前端部轴41j的相反侧配置有弹簧62Xb、62Yb的实施例2的视图。通常的压电元件在伸展时产生力而没有复原时的拉伸(复原)力。因而，在实施例2的微调整机构62A中，使前端部轴41j具有弹性，以便压电元件收缩时前端部轴41j自行复原。也可以代替弹簧62Xb、62Yb，使用弹性体施加弹性。也可以代替弹性，在促动器部62Xa、62Ya的相反侧设置与促动器部62Xa、62Ya同样的机构，分别成对地在X、Y方向上沿双方向移动。
而且，在用超磁致伸缩元件作为促动器的情况下，超磁致伸缩元件能够在双方向上实现位移，所以通过改变位移方向来返回到原位置，而且能够在新方向上提供位移。
根据实施例2，能够进一步可靠地进行焊接位置的微调整，能够得到几μm的焊接精度。其结果，通过使用本芯片焊接机，能够提供可靠性高的半导体制造方法。
实施例1中，促动器部62Xa、62Ya与焊面呈水平地配置，而图8的本实施例3中，62Xa、62Ya倾斜配置。实施例3的微调整机构62B中，促动器部62Xa、62Ya的水平方向的伸出被推压，因此能够实现焊接头41的小型化。
实施例3中，也能够可靠地进行焊接位置的微调整，能够得到几μm的焊接精度。其结果，通过使用本芯片焊接机而能够提供可靠性高的半导体制造方法。
以上在微调整机构62、62A、62B中，设置两台促动器而在X、Y方向上提供位移，但也可以设置三台以上，例如在相互成120度或90度的位置配置而作用于前端部轴41j。
而且，以上的实施例中，作为妨碍高精度焊接的原因，以高温或辐射热导致结构部件的位置偏移为例进行了说明，但不管什么原因，对本发明的微调整机构也能够适用于对该位置偏移进行微调整的焊接精度高的定位。
以上对本发明的实施例进行了说明，但本发明包括了在不脱离 主旨的范围内各种的代替例、修改或变形。

Claims (8)

1.一种芯片焊接机，其特征在于，具有：
焊接头，其从晶圆吸附芯片并将其焊接到衬底上；
定位机构，其具有以规定精度定位所述芯片的位置的第一调整机构、和设置在所述焊接头上且以比所述第一调整机构高的精度调整所述芯片的位置的第二调整机构，并定位所述焊接头；
定位控制部，其控制所述定位机构；
基准标记，其设置在所述衬底或所述衬底的附近；
第一拍摄构件，其设置在与所述焊接头分离的位置，并对所述基准标记和在所述衬底的焊接位置上设置的识别图案拍摄；
第二拍摄构件，其在所述焊接头下降至即将把所述芯片安装于所述衬底上之前的位置时，对所述基准标记和所述焊接头的前端部拍摄；
位置偏移检测构件，其基于由所述第一拍摄构件及所述第二拍摄构件得到的拍摄数据，在所述之前的位置检测所述前端部的位置偏移量，
所述定位控制部由所述第一调整机构及所述第二调整机构、或由所述第二调整机构对所述位置偏移量进行修正而定位所述焊接头。
2.如权利要求1所述的芯片焊接机，其特征在于，所述第二调整机构具有从多个方向作用于所述焊接头的前端部轴并且以规定位移使所述前端部轴移动的促动器。
3.如权利要求2所述的芯片焊接机，其特征在于，所述促动器设置在与焊接所述芯片的面平行的面、或与焊接所述芯片的面成角度的面的任意一个上。
4.如权利要求2所述的芯片焊接机，其特征在于，所述促动器为压电元件或超磁致伸缩元件。
5.如权利要求3所述的芯片焊接机，其特征在于，所述促动器为压电元件或超磁致伸缩元件。
6.如权利要求2所述的芯片焊接机，其特征在于，设置有复原力构件，其从所述多个方向的相对方向产生使所述规定位移复原的复原力。
7.一种半导体制造方法，其特征在于，具有：
用焊接头从晶圆吸附芯片的步骤；
用第一调整机构以规定的精度调整所述芯片的位置的第一调整步骤；
用第二调整机构以比所述第一调整机构高的精度调整所述焊接头的前端部的位置的第二调整步骤；
对在衬底或所述衬底的附近设置的基准标记、和在所述衬底的焊接位置上设置的识别图案拍摄的第一拍摄步骤；
使焊接头下降至即将把所述芯片安装于所述衬底上之前的位置的步骤；
在所述之前的位置，对所述基准标记和所述前端部拍摄的第二拍摄步骤；
基于由所述第一拍摄步骤及所述第二拍摄步骤得到的拍摄数据，在所述之前的位置检测所述前端部的位置偏移量的位置偏移量检测步骤；
由所述第一调整步骤及所述第二调整步骤、或由所述第二调整步骤对所述位置偏移量进行修正而定位所述焊接头的定位步骤；
所述焊接头将所述芯片焊接到衬底上的步骤。
8.如权利要求7所述的半导体制造方法，其特征在于，所述第二调整机构的调整是从多个方向作用于所述焊接头的前端部轴，以规定位移使所述前端部轴移动。
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