JP2000183114A - ボンディング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ボンディングヘッドが下降する際にロードセ
ルの出力を正確に検出することができ、かつ、半導体チ
ップと基板が接触する時の荷重を低減したボンディング
装置を提供すること。 【解決手段】 ヘッドユニット１３の先端部に設けられ
たボンディングツール１２の下降時に、常にロードセル
１９の出力の変化を監視し、半導体チップ５と基板２１
との接触を検出するに際して、ロードセル１９を搭載し
たベース１６はＺ軸ステージ２６とは非接触な構造にし
て、下降時にＺ軸ステージ２６との間での摩擦を生じな
くする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体デバイスの実
装に用いるボンディング装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体チップ等のデバイスの電極とプリ
ント基板の電極とをバンプを介して接合するフリップチ
ップボンディングは、実装面積が小さく、回路の配線長
さが短いという特長が有り、高密度実装や高速デバイス
の実装に適している。特に、形成プロセスが比較的容易
である金ボールバンプを用いたものが広く実用化されて
いる。

【０００３】それらの一般的なプロセスの概要について
説明すると、予め半導体チップの電極上にボールバンプ
方式等で金バンプを形成する。この金バンプの形成され
た半導体チップをバンプ形成面を下向きにしてボンディ
ングツールで吸着する。

【０００４】一方、１００℃程度に加熱されているボン
ディングステージ上には電極用金めっきが施されたセラ
ミック基板等の基板を配置する。半導体チップと基板と
はカメラ等により位置合わせが行われた後に、ボンディ
ングツールが下降して半導体チップを基板へ加圧し接合
する。この加圧は通常２段階に分けられて行われる。つ
まり、第１段階では専用のレべリングステージでバンプ
の高さを揃え、その後、第２段階で接合する。

【０００５】以下、第２段階を行うボンディング装置の
構成を図面を参照して説明する。図５は、フリップチッ
プボンディングを行うボンディング装置のボンディング
ヘッドの概略を示す概略構成図である。

【０００６】ボンディングヘッド５０は大別すると、半
導体チップ５を吸着して作動するボンディングツール５
２を備えたヘッドユニット５３と、このヘッドユニット
５３を駆動するユニット駆動部５４と、ヘッドユニット
５３の下方に対向して設けられ、基板５１を載置するボ
ンディングステージ５５とで構成されている。

【０００７】ヘッドユニット５３は先端には、半導体チ
ップ５を吸着するボンディングツール５２がθ軸回転機
構６２を介して設けたベース５６が、スライド自在な平
行ベアリングであるリニアガイド５７を介してユニット
駆動部５４の保持板６７に係合している。ベース５６の
上部にはボンデイングツール５２の加圧力を検出するた
めの加圧力検出センサとしてのロードセル５９が設けら
れている。

【０００８】また、ベース５６は上部は第1スプリング
６０によってＬ形のスライドプレート６３の水平部６３
ｂに懸架されている。また、Ｌ形のスライドプレート６
３の垂直部６３ａはベース５６と同様にスライド自在な
平行ベアリングであるリニアガイド５７を介してユニッ
ト駆動部５４の保持板６７に係合している。

【０００９】ユニット駆動部５４は、側面がロ字状に構
造部材で形成され、図示しない装置本体に一側が固着さ
れ、他側に保持板６７を介してヘッドユニット５３を保
持しているＺ軸ステージの上部にモータ６９が設けられ
ている。このモータ６９の回転軸はロ字状のＺ軸ステー
ジ６６の内部に設けられたボールねじ７０に結合してい
る。また、ボールねじ７０に係合しているボールねじナ
ット７１は延在部がスライドプレート６３に固定されて
いる。

【００１０】ボンディングステージ５５は、ボンディン
グツール５２が下降する位置に対向して基板５１を水平
に載置するように設けられている。これらの加工工程の
制御は、ボンディングツール５２の先端の高さ、および
荷重をモータ６９で制御する場合、半導体チップ５と基
板５１との接触を、ボンディングツール５２の上部に組
み込んだロードセル５９を使用して、ロードセル５９の
出力の変化を監視することにより検出している。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
装置の構成による方法では、図６に示すようにボンディ
ングツール５２が下降する際に、荷重を検出するロード
セル５９にリニアガイド５７の摩擦抵抗が加わり、ロー
ドセル５９の出力のばらつき幅が大きいため、半導体チ
ップ５と基板５１との接触は、ロードセル５９の出力の
ばらつき幅以上に荷重が変化しないと検出することがで
きないため、半導体チップ５と基板５１とが接触すると
きの荷重が大きくなっていた。

【００１２】そのため、ボンディングツール５２が降下
時のロードセル５９の出力のばらつきによる誤差を防止
するため、半導体チップ５と基板５１との接触面を検出
するための閾値は、ばらつき分を考慮して高めに設定し
ていた。従って、基板５１の接触面の検出時に発生する
接触面検出荷重は１ｋｇｆ程度となっていた。

【００１３】その結果、半導体チップ５に基板５１への
接触時の荷重によってクラックが入る等のダメージを与
えてしまったリ、また、例えば２個程度のバンプ数の少
ない半導体チッブ５をボンディングする場合には、半導
体チップ５と基板５１とが接触するときの荷重が、適正
ボンディング荷重を超えてしまうことがあった。

【００１４】半導体チップ５と基板５１とが接触する時
の荷重を小さくするには、ボンディングツール５２が下
降する間は、ロードセル５９に外力が加わらない構造に
し、ロードセル５９の出力のばらつきをなくして、半導
体チップ５と基板５１とが接触する時の微少な接触荷重
の変化を検出することが要求されていた。

【００１５】本発明は、ボンディングヘッドが下降する
際にロードセルの出力を正確に検出することができ、か
つ、半導体チップと基板が接触する時の荷重を低減した
ボンディング装置を提供することを目的としている。

【００１６】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明による手
段によれば、基板を保持するボンディングステージと、
前記基板にボンディングされる電子部品を保持するボン
ディングツールと、このボンディングツールを支持する
へッドユニットと、前記ヘッドユニットを前記ボンディ
ングステージに保持された基板に対して駆動するユニッ
ト駆動部と、前記ボンディングッールに連結され前記ボ
ンディングツールの前記基板に対する加圧力を検出する
加圧力検出手段とを具備し、前記ボンディングツールは
前記へッドユニットに対して弾性的に懸吊されているこ
とを特徴とするボンディング装置である。

【００１７】また請求項２の発明による手段によれば、
前記へッドユニットは、前記ユニット駆動部に摺動自在
に係合されていることを特徴とするボンディング装置で
ある。

【００１８】また請求項３の発明による手段によれば、
前記ユニット駆動部は、ボールネジを有し、且つ、前記
ヘッドユニットは前記ボールねじに螺合されたナットを
介して駆動されることを特徴とするボンディング装置で
ある。

【００１９】また請求項４の発明による手段によれば、
前記ユニット駆動部は、リニアガイドを有し、前記へッ
ドユニットは、前記リニアガイドを介して、前記ボンデ
ィングツールの加圧方向に案内されることを特徴とする
ボンディング装置である。

【００２０】また請求項５の発明による手段によれば、
前記ヘッドユニットは下端部に支持部材を有し、且つ、
前記ボンディングッールは、前記支持部材にスプリング
を介して懸吊されていることを特徴とするボンディング
装置である。

【００２１】また請求項６の発明による手段によれば、
前記加圧力検出手段は、前記ボンディングツールに連結
されたロードセルであって、前記スプリングにより前記
支持部材に接離自在に付勢されていることを特徴とする
ボンディング装置である。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態を図
面を参照して説明する。図１は、フリップチップボンデ
ィングを行うボンディング装置のユニットの概略を示す
ユニット概略説明図である。

【００２３】基板１が搬送される搬送路にはフィーダ２
が設けられ、搬送路の両端部には一方にローダ３が他方
にアンローダ４が設けられている。フィーダ２で搬送路
の所定位置（ボンディングステージ１５）まで搬送され
た基板１に対して半導体チップ５をボンディングするた
めに、搬送路の上方に延在可能にＸＹテーブル６ａに設
置されたボンディングヘッド７が設けられている。

【００２４】また、搬送路の所定位置（ボンディングス
テージ１５）の反対側には、ＸＹテーブル６ｂに設置さ
れたウエハステージ８が設けられている。このウエハス
テージ８の上方には、ウエハステージ８の上に載置され
た半導体チップ５を吸引して、反転アーム９により反転
させてボンディングヘッド７に供給するＩＣ反転ユニッ
ト１０が設置されている。

【００２５】図２は、フリップチップボンディングを行
うボンディング装置のボンディングヘッド７の概略を示
す概略構成図である。

【００２６】ボンディングヘッド７は大別すると、半導
体チップ５を吸着して作動するボンディングツール１２
を備えたヘッドユニット１３と、このヘッドユニット１
３を駆動するユニット駆動部１４と、ヘッドユニット１
３の下方にヘッドユニット１３に対向して設けられ、基
板１を載置するボンディングステージ１５とで構成され
ている。

【００２７】ヘッドユニット１３は先端に半導体チップ
５を吸着するボンディングツール１２が設けられたベー
ス１６が、スライド自在な平行ベアリングである第１の
リニアガイド１７を介してＬ形のブラケット１８の垂直
部１８ａに係合している。

【００２８】ベース１６の上部にはボンディングツール
１２の加圧力を検出するための加圧力検出センサとして
ロードセル１９が設けられている。このロードセル１９
はその上端部に半球状の当接子１９ａを有する。

【００２９】また、ベース１６は第1スプリング２０に
よって、ロードセル１９とボンディングツール１２との
中心軸が一致するように、Ｌ形のブラケット１８の水平
部１８ｂに懸架されている。その結果、ロードセル19は
第1スプリング２０により、ブラケット１８に対して接
離自在に付勢されている。従って、ボンディングツール
１２に吸着されている半導体チップ５が基板１に接合す
る際にも第1のスプリング２０によって衝撃が吸収され
適切な押圧力で接触することができる。

【００３０】ボンディングツール１２は、通電加熱式
（例えばセラミックヒータなど）のものが用いられてい
る。図示しない給電用端子を介して通電がなされること
により、抵抗発熱するようになっている。また、中心部
には、図示しない吸着ノズルが挿通され、この吸着ノズ
ルは同様に図示しない真空発生装置に接続されている。
したがって、このボンディングツール１２は、真空発生
装置を作動させることで、半導体チップ５を能動端子面
５ａ（はんだバンプが形成された面）を下方に向けた状
態（フェースダウン状態）で吸着保持できるようになっ
ている。

【００３１】Ｌ形のブラケット１８の水平部１８ｂに
は、その上部にθ軸回転機構２２を介してＬ形のスライ
ドプレート２３が設けてらている。このＬ形のスライド
プレート２３とＬ形のブラケット１８とは、相互に水平
部同士と垂直部同士とが共に鏡対象の関係で対向するよ
うに配置されている。Ｌ形のスライドプレート２３の水
平部２３ｂは、その上部にθ軸モータ２４が載置され、
このθ軸モータ２４は回転軸がθ軸回転機構２２に中心
軸を一致させて係合している。

【００３２】Ｌ形のスライドプレート２３の垂直部２３
ａは、スライド自在な平行ベアリングである第２のリニ
アガイド２５を介してユニット駆動部１４のＺ軸ステー
ジ２６の保持板２７に保持されている。また、スライド
プレート２３の垂直部２３ａは第２のスプリング２８に
よって保持板２７に懸架されている。

【００３３】ユニット駆動部１４は、側面がロ字状に構
造部材で形成され、図示しない装置本体に一側が固着さ
れ、他側に保持板２７を介してヘッドユニット１３を保
持しているＺ軸ステージ２６の上部にＺ軸用モータ２９
が設けられている。このＺ軸用モータ２９の回転軸はロ
字状のＺ軸ステージ２６の内部に設けられたボールねじ
３０に結合している。また、ボールねじ３０に係合して
いるボールねじナット３１は延在部がスライドプレート
２３に固定されている。

【００３４】ボンディングステージ１５は、搬送路上の
所定位置に基板１を水平に載置するように設けられてい
る。この基板１には、半導体チップ５に設けられた各バ
ンプに対応する電極パッド（配線回路）が形成されてい
る。

【００３５】これらの構成による作用を説明すると、図
示しないボンダ装置本体の制御部からの指令により、ロ
ーダ３の内部に積載されている基板１はフィーダ２によ
って搬送路を所定位置まで搬送される。一方、ＩＣ反転
ユニット１０はウエハステージ８に載置されている半導
体チップ５を１個吸引し、反転アーム９によって反転さ
せて、その状態で、移動してきたボンディングヘッド７
のボンディングツール１２へ供給する。

【００３６】この状態で、画像認識装置（図示せず）に
よって、ボンディングツール１２に吸着された半導体チ
ップ５とボンディングステージ１５に載置された基板１
の位置認識を行い、Ｘ軸（図示せず）、Ｙ軸（図示せ
ず）、θ軸方向の位置合わせを行う。

【００３７】次に、図示しないボンディング装置本体の
制御部からの指令を受けて、Ｚ軸用モータ２９が作動し
ボールねじ３０が回転する。この回転によりボールねじ
３０に噛合しているボールねじナット３１が下降する。
このボールねじナット３１の下降によりボールねじナッ
ト３１の先端部に固定されているスライドプレート２３
が第２のリニアガイド２５に案内されて下降し、スライ
ドプレート２３に固定されているヘッドユニット１３全
体がボンディングステージ１５に向かって下降する。

【００３８】フリツプチツプボンディングの動作は図３
に示すように５つのステップで行われている。すなわ
ち、ボンディングツール１２を高速に下降させる高速下
降Ｓ１、半導体チップ５と基板が接触するときの衝撃を
低減する為にボンディングツール１２を低速で下降させ
るサーチＳ２、半導体チップ５と基板１の接触を検出す
る面検出Ｓ３、半導体チップ５と基板１の接合を行うボ
ンディング動作Ｓ４とボンディングツール１２の原点位
置への復帰動作である上昇Ｓ５からなっている。

【００３９】下降動作が、高速下降Ｓ１とサーチＳ２や
面検出Ｓ３の低速下降に別れているのは、移動時間を短
かくし、なおかつ半導体チップ５と基板１が接触すると
きの衝撃荷重を小さくする為で、サーチＳ２の動作は半
導体チップ５と基板１とが接触する手前０．５〜５ｍｍ
から開始し、速度は１〜５ｍ／ｓｅｃである。

【００４０】半導体チップ５と基板１とが接触すると、
ボンディングツール１２の上部に組み込んだロードセル
１９の出力が増加するため、半導体チップ５と基板１と
の接触を検出する面検出は、ロードセル１９の出力が設
定値を超えた点としている。図４に示すように、ロード
セル１９の出力波形はリップルの少ない線状の波形であ
るので、閾値を超える境界点を正確に検出することがで
きる。

【００４１】上述のように本実施の形態では、ヘッドユ
ニット１３の先端部に設けられたボンディングツール１
２の下降時には、常にロードセル１９の出力の変化を監
視し、半導体チップ５と基板２１との接触を検出する。
ロードセル１９を搭載したベース１６はＺ軸ステージ２
６とは非接触な構造であるので、下降時にＺ軸ステージ
２６との間での摩擦は生じず、ロードセル１９の出力へ
の悪影響は存在しないので、ボンディングツール１２下
降中の、ロードセル１９の出力のばらつきは抑制され
る。また、半導体チップ５と基板１とが接触する際の接
触荷重を低減することができる。したがって、バンプの
数が２個程度の少バンプ数の半導体チップ５にも対応す
ることができる。

【００４２】なお、この発明は、上記一実施形態に限定
されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で種
々変形可能である。

【００４３】例えば、上記一実施形態では、ボンディン
グ装置として、フリップチップボンデイング装置を挙げ
たが、これに限定されるものではなく、リードフレーム
のダイパンド上に半導体チップをボンディングするダイ
ボンディング装置であっても良い。

【００４４】また、フリップチップやダイボンデイング
に限定されるものではなく、はんだ材を用い、部品の高
さ制御を高精度に行う必要がある場合には、この発明を
適用することが可能である。

【００４５】例えば、ＴＡＢ（Ｔａｐｅ Ａｕｔｏｍ
ａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ）部品（ＴＣＰ等）等を実装
基板上にはんだ付けする場合には、実装基板の電極パッ
ド上にあらかじめはんだ材を供給しておき、これにＴＡ
Ｂ部品のアウタリードを当接させ加圧・加熱することで
はんだ付けすることができる。

【００４６】ただ、ＴＡＢ部品のリードのピッチは非常
に狭く、はんだ材が溶融して流出すると隣り合う電極パ
ッドとの間で容易にショートが生じる恐れがある場合に
は、リードと実装基板の電極パッドの距離を高精度に制
御する必要がある。

【００４７】また、ボンダに限らず各種のチップマウン
ターに適用することもできる。

【００４８】

【発明の効果】以上に説明したように本発明では、ボン
ディング動作時にロードセルに外力が加わらないように
なり正確に基板と半導体チップの接触を検出できる。

【００４９】また、基板と半導体チップが接触するとき
の荷重を低減でき、小荷重を精度よく制御できるため、
少バンプの半導体チップにも対応することができる。

【００５０】従って、半導体チップにダメージを与える
ことがなく、チツプ毎のボンディング特性のばらつきが
少ない、信頼性の高いボンディングを得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を示すフリップチップボン
ディング装置のユニットの概略を示す概略図。

【図２】本発明の実施の形態を示すフリップチップボン
ディング装置のボンディングヘッドの概略を示す概略構
成図。

【図３】本発明の実施の形態を示すフリツプチツプボン
ディングの動作の説明図。

【図４】本発明の実施の形態を示すフリツプチツプボン
ディングの動作によるロードセルの出力波形図。

【図５】従来のフリップチップボンディング装置のボン
ディングヘッドの概略図。

【図６】従来のフリツプチツプボンディングの動作によ
るロードセルの出力波形図。

【符号の説明】

１…基板、５…半導体チップ、７…ボンディングヘッ
ド、１２…ボンディングツール、１３…ヘッドユニッ
ト、１４…ユニット駆動部、１５…ボンディングステー
ジ、１６…ベース、１９…ロードセル、２２…θ軸回転
機構、２３…スライドプレート、２６…Ｚ軸ステージ、
３０…ボールねじ、３１…ボールねじナット

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板を保持するボンディングステージ
   と、前記基板にボンディングされる電子部品を保持する
   ボンディングツールと、このボンディングツールを支持
   するへッドユニットと、前記ヘッドユニットを前記ボン
   ディングステージに保持された基板に対して駆動するユ
   ニット駆動部と、前記ボンディングッールに連結され前
   記ボンディングツールの前記基板に対する加圧力を検出
   する加圧力検出手段とを具備し、前記ボンディングツー
   ルは前記へッドユニットに対して弾性的に懸吊されてい
   ることを特徴とするボンディング装置。
2. 【請求項２】 前記へッドユニットは、前記ユニット駆
   動部に摺動自在に係合されていることを特徴とする請求
   項１記載のボンディング装置。
3. 【請求項３】 前記ユニット駆動部は、ボールネジを有
   し、且つ、前記ヘッドユニットは前記ボールねじに螺合
   されたナットを介して駆動されることを特徴とする請求
   項１記載のボンディング装置。
4. 【請求項４】 前記ユニット駆動部は、リニアガイドを
   有し、前記へッドユニットは、前記リニアガイドを介し
   て、前記ボンディングツールの加圧方向に案内されるこ
   とを特徴とする請求項２記載のボンディング装置。
5. 【請求項５】 前記ヘッドユニットは下端部に支持部材
   を有し、且つ、前記ボンディングッールは、前記支持部
   材にスプリングを介して懸吊されていることを特徴とす
   る請求項１記載のボンディング装置。
6. 【請求項６】 前記加圧力検出手段は、前記ボンディン
   グツールに連結されたロードセルであって、前記スプリ
   ングにより前記支持部材に接離自在に付勢されているこ
   とを特徴とする請求項５記載のボンディング装置。