JP2000260828A - 半導体チップ実装装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体製造ラインへの組込み容易化を図る。 【解決手段】 回路基板のチップ取付位置に半導体チッ
プを表面実装する前工程としての回路基板の取付位置に
半導体チップを接着剤により仮付けするための仮組付機
構１と、回路基板のチップ取付位置に半導体チップを表
面実装する工程としての回路基板の取付位置に半導体チ
ップを超音波振動により本付けするための本組付機構１
１とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は超音波振動により半
導体チップを回路基板に表面実装する実装装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】特開平１０−２２３０８号公報で開示さ
れたように、本出願人は超音波振動により半導体チップ
を回路基板に表面実装するのに好適な実装装置を提案し
た。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記半導体チップ実装
装置は、装置本体に設けられた実装機構のマウントテー
ブルに回路基板を位置決め搭載しておき、この回路基板
に半導体チップを位置決め搭載した後、その上方より超
音波振動接合機構を下降し、超音波振動機構の共振器と
マウントテーブルとがそれらの間に半導体チップと回路
基板とを加圧挟持すると共に、共振器を超音波振動機構
の振動子から出力された超音波振動に共振させることに
より、半導体チップを回路基板に接合して表面実装す
る。このため、半導体チップの回路基板への位置決めと
超音波振動による接合とが実装機構のマウントテーブル
である１箇所で行う構造であるので、この半導体チップ
半導体チップ実装装置を半導体製造ラインに組込む場
合、半導体製造ラインの設備の関係より、マウントテー
ブルに回路基板を供給する搬送ラインを組込む構造が複
雑になることがあった。

【０００４】そこで、本発明は回路基板への半導体チッ
プの仮組付と半導体チップの超音波振動接合による本組
付との領域を区分配置して半導体製造ラインへの組込み
容易化が図れる半導体チップ実装装置を提供するもので
ある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明にあっては、回路
基板のチップ取付位置に半導体チップを表面実装する前
工程としての回路基板のチップ取付位置に半導体チップ
を接着剤により仮付けするための仮組付機構と、回路基
板のチップ取付位置に半導体チップを表面実装する工程
としての回路基板のチップ取付位置に半導体チップを超
音波振動により本付けするための本組付機構とを備えた
ことを特徴としている。よって、回路基板への半導体チ
ップの仮組付と半導体チップの超音波振動接合による本
組付とが区分配置されたので、半導体製造ラインへの組
込み容易化を図れることができる。そして、仮組付機構
が回路基板のチップ取付位置に半導体チップを接着剤に
より仮付けするので、仮組付機構より本組付機構に搬送
される半導体チップが回路基板のチップ取付位置より位
置ずれしない。又、本組付機構が仮組付機構より搬送さ
れた回路基板のチップ取付位置に半導体チップを超音波
振動により本付けするので、半導体チップが回路基板の
チップ取付位置に簡単かつ強固に接合できる。又、本発
明にあっては、仮組付機構が、水平面の縦横への移動停
止と水平面内での回転とが可能な上面に凹状の基板収容
部を有する仮付位置決めテーブルと、上面に凹状のチッ
プ収容部を有するアライメントテーブルと、仮付位置決
めテーブルの上面と平行な下面に開口された吸引孔部を
有するボンディングヘッドと、上下面のうちの何れか一
方の面に吸引孔部を有する先端部の上下の向きが１８０
度反転して入れ替わる反転移送ユニットと、ボンディン
グヘッドに保持された半導体チップのバンプを撮像して
電気信号に変換した位置認識信号をボンディングヘッド
と仮付位置決めテーブルとに出力する上ワークカメラ
と、仮付位置決めテーブルに保持された回路基板のチッ
プ取付位置のバンプを撮像して電気信号に変換した位置
認識信号をボンディングヘッドと仮付位置決めテーブル
とに出力する下ワークカメラと備えれば、回路基板のチ
ップ取付位置に半導体チップを接着剤により仮付けする
構造が簡単化できる。又。本組付機構が、水平面の縦横
への移動停止可能な上面に凹状の基板収容部を有する本
付位置決めテーブルと、加圧昇降源と、加圧昇降源の加
圧昇降出力部に固定されたホルダと、ホルダに両持ち支
持に取付けられた共振器と、共振器一端に結合された振
動子と、振動子から超音波振動に共振する共振器の最大
振動振幅点より外側に突設された接合作用部とを備えれ
ば、回路基板のチップ取付位置に半導体チップを超音波
振動により本付けする構造が簡単化できる。又、本発明
にあっては、仮付位置決めテーブルの基板収容部の中心
と上ワークカメラの光軸とボンディングヘッドの吸引孔
部の孔軸と下ワークカメラの光軸とが、１本の直線上に
配置されれば、ボンディングヘッドが上ワークカメラと
を同時に同方向に移動停止することにより、ボンディン
グヘッドによる半導体チップの回路基板のチップ取付位
置への位置決め搭載と、上ワークカメラによる仮付位置
決めテーブルに保持された回路基板のチップ取付位置へ
の認識とが個別に実行できる。又、本発明にあっては、
仮付位置決めテーブルの基板収容部の中心とボンディン
グヘッドの吸引孔部の孔軸とが同軸状に配置された際、
ボンディングヘッドの吸引孔部の孔軸と上ワークカメラ
の光軸との離隔寸法と、ボンディングヘッドの吸引孔部
の孔軸と下ワークカメラの光軸との離隔寸法とが、同一
寸法に設定されれば、ボンディングヘッドが回路基板の
チップ取付位置の真上に移動停止する際に上ワークカメ
ラの位置認識と下ワークカメラの位置認識とにより、ボ
ンディングヘッドに保持された半導体チップと仮付位置
決めテーブルに保持された回路基板のチップ取付位置と
が対応するように位置補正することができる。

【０００６】

【発明の実施の形態】図１乃至図２は本発明の一実施形
態であって、図１は半導体チップ実装装置の外観を示
し、図２は主要な動作を示す。

【０００７】図１を参照し、半導体チップ実装装置の構
造について説明する。１は仮組付機構で、図２の回路基
板２１のチップ取付位置２１ａに半導体チップ２２を表
面実装する前工程としての回路基板２１のチップ取付位
置２１ａに半導体チップ２２を接着剤２３により仮付け
するための機構である。２は仮組付機構１の上部中央に
設けられた仮付位置決めテーブルであって、水平面の縦
横であるＸＹ方向の移動と水平面内での回転角θとの調
整が可能な上面に、１枚の回路基板２１と同形な凹状の
基板収容部２ａを有する。ＸＹ方向の移動調整は、ＸＹ
テーブルのように、Ｘアクチュータにより仮付位置決め
テーブル２の上面が水平面の横方向に移動停止する一
方、Ｙアクチュエータにより仮付位置決めテーブル２の
上面が水平面の縦方向に移動停止する。回転角θの調整
は、回転テーブルのように、回転アクチュエータにより
仮付位置決めテーブル２の上面が水平面内での向きを調
整する。

【０００８】３は仮組付機構１の上部一隅部に設けられ
たトレイであって、複数の半導体チップ２２を縦横に整
列収納し得る格子形状の上面を有する。４は仮組付機構
１の上部に設けられたアライメントテーブルであって、
トレイ３の右隣りに位置した上面に、１個の半導体チッ
プ２２と同形な凹状のチップ収容部４ａを有する。５は
仮組付機構１の上部に設けれた上ワークカメラであっ
て、アライメントテーブル４におけるチップ収容部４ａ
の右隣りに位置すると共に仮付位置決めテーブル２にお
ける基板収容部２ａの手前側に位置する。上ワークカメ
ラ５はボンディングヘッド７に保持された計測対象であ
る半導体チップ２２のバンプをＣＣＤカメラで撮像して
電気信号に変換した位置認識信号を仮組付機構１に設け
られた図外のマイクロコンピュータを内蔵した電気的な
制御部に出力する。６は仮組付機構１の上部に設けれた
可動台であって、台アクチュエータにより仮組付機構１
に固定された図外のガイドに摺接係合しつつ水平面の縦
であるＹ方向に移動停止する。７は可動台６の一側面に
設けられたボンディングヘッドであって、仮付位置決め
テーブル２の上面と平行な下面に開口された吸引孔部を
有する。この吸引孔部は、仮組付機構１に設けた図外の
吸引ポンプが吸引経路で接続され、吸引ポンプが駆動さ
れた状態において、吸引経路のバルブが開弁動作するこ
とにより、下面に半導体チップ２２を吸引吸着する。

【０００９】８はボンディングヘッド７と同一側で可動
台６に設けられた下ワークカメラであって、仮付位置決
めテーブル２に保持された計測対象である回路基板２１
のチップ取付位置２１ａのバンプをＣＣＤカメラで撮像
して電気信号に変換した位置認識信号を仮組付機構１に
設けられた上記制御部に出力する。この制御部は、上ワ
ークカメラ５と下ワークカメラ８とより入力された位置
認識信号により、ボンディングヘッド７が上ワークカメ
ラ５の位置より回路基板２１のチップ取付位置２１ａの
真上に移動停止する際、ボンディングヘッド７に保持さ
れた半導体チップ２２のバンプと仮付位置決めテーブル
２に保持された回路基板２１のチップ取付位置２１ａの
バンプとが対応するように位置補正するための指令をボ
ンディングヘッド７の駆動源と仮付位置決めテーブル２
の駆動源とに出力し、ボンディングヘッド７と仮付位置
決めテーブル２とを制御する。この制御部によるボンデ
ィングヘッド７に対する制御は、ボンディングヘッド７
の吸引孔部の孔軸Ｌ７と仮付位置決めテーブル２の基板
収容部２ａの中心Ｐとを同軸状に配置するためのＹ方向
への移動量制御である。上記制御部による仮付位置決め
テーブル２に対する制御は、ボンディングヘッド７の吸
引孔部の孔軸Ｌ７と仮付位置決めテーブル２の基板収容
部２ａの中心Ｐとを同軸状に配置するためのＸＹ方向へ
の移動量制御と、仮付位置決めテーブル２の水平面内で
の回転角θ調整制御とである。これらの制御の結果とし
て、ボンディングヘッド７に保持された半導体チップ２
２のバンプと仮付位置決めテーブル２に保持された回路
基板２１のチップ取付位置２１ａのバンプとが上下で正
確に位置合わせされる。

【００１０】９は仮組付機構１に設けられた反転移送ユ
ニットであって、ユニットアクチュエータにより仮組付
機構１に固定された図外のガイドに摺接係合しつつ水平
面の横であるＸ方向に移動停止すると共に、反転アクチ
ュエータにより先端部の上下の向きが１８０度反転して
入れ替わる。反転移送ユニットの先端部における上下面
のうちの何れか一方の面には吸引孔部を有する。この吸
引孔部は、仮組付機構１に設けた図外の吸引ポンプが吸
引経路で接続され、吸引ポンプが駆動された状態におい
て、吸引経路のバルブが開弁動作することにより、吸引
孔部の設けられた面に半導体チップ２２を吸引吸着す
る。１０は仮付搬送ラインであって、一対の環状チェー
ンと一対の駆動スプロケットと一対の従動スプロケット
とより形成される。

【００１１】仮付位置決めテーブル２の基板収容部２ａ
の中心Ｐと上ワークカメラ５の光軸Ｌ５とボンディング
ヘッド７の吸引孔部の孔軸Ｌ７と下ワークカメラ８の光
軸Ｌ８とは、Ｙ方向の或る１本の直線上に配置される。
そして、中心Ｐと孔軸Ｌ７とが同軸状に配置された状態
において、孔軸Ｌ７と光軸Ｌ５との離隔寸法（スパン）
Ａと、孔軸Ｌ７と光軸Ｌ８との離隔寸法（スパン）Ａと
は、同一寸法に設定されている。

【００１２】１１は超音波振動接合機構で、回路基板２
１のチップ取付位置２１ａに半導体チップ２２を表面実
装する工程として、回路基板２１のチップ取付位置２１
ａに半導体チップ２２を超音波振動により本付けするた
めの機構である。１２は超音波振動接合機構１１の上部
中央に設けられた本付位置決めテーブルであって、水平
面の縦横であるＸＹ方向に移動停止可能な上面に、１枚
の回路基板２１と同形な凹状の基板収容部１２ａを有す
る。ＸＹ方向の移動停止は、ＸＹテーブルのように、Ｘ
アクチュータにより本付位置決めテーブル１２の上面が
水平面の横方向に移動停止する一方、Ｙアクチュエータ
により本付位置決めテーブル１２の上面が水平面の縦方
向に移動停止する。１３は超音波振動接合機構１１に設
けられた固定台である。１４は固定台１３の一側面より
突出された門形フレームである。１５は門形フレーム１
４の上辺部中央に加圧昇降源として設けられたエアシリ
ンダのようなリフトシリンダある。１６は門形フレーム
１４の中央空間より下方に突出したリフトシリンダ１５
のピストンロッドに固定された門形のホルダであって、
リフトシリンダ１５の伸縮駆動により昇降される際、門
形フレーム１４とホルダ１６とにわたり設けられた図外
のガイド機構により回転しないように向きが保持され
る。

【００１３】１７はホルダ１６に両持ち支持に取付けら
れた共振器であって、両端部がホルダ１６の相対峙する
一対のアーム部に挿入装着される。１８は共振器１７の
中央部より下側に突出された接合作用部である。１９は
振動子であって、ホルダ１６のアーム部に形成された貫
通孔を経由して共振器１７の一端に無頭ねじのようなね
じ手段により同軸状に結合される。この状態において、
超音波振動接合機構１１に設けられた図外の超音波発生
器から振動子１９に電力が供給されることにより、振動
子１９が所定周波数の縦波である超音波振動を発生して
出力する。共振器１７は振動子１９より出力された超音
波振動に共振する少なくとも１波長の長さ（超音波振動
の伝達方向の長さ）を有し、その長さ方向の両端面と中
央とには共振する超音波振動の最大振動振幅点が存在
し、ホルダ１６との支持部には共振する超音波振動の最
小振動振幅点（ノーダルポイント）が存在する。１８は
共振器１７の中央の最大振動振幅点に位置し、その下端
面の振動方向は共振器１７の長さ方向に沿う横方向であ
る。２０は本付搬送ラインであって、一対の環状チェー
ンと一対の駆動スプロケットと一対の従動スプロケット
とより形成される。

【００１４】実施形態の動作について図２を参照しつつ
説明する。図２のａ図に示すように、回路基板２１が仮
付搬送ライン１０により搬送されて仮付位置決めテーブ
ル２の基板収容部２ａに収納される。この状態におい
て、回路基板２１のチップ接続端子である金又は半田の
ようなバンプが設けられた表面が上方に向き、回路基板
２１の背面が基板収容部２ａの底面に接触し、回路基板
２１の外周縁が基板収容部２ａの内周縁に接触し、回路
基板２１が仮付位置決めテーブル２に位置決め搭載され
る。又、回路基板２１の表面はバンプを含め図２のｇ図
における熱硬化性合成樹脂又は両面粘着テープのような
電気絶縁光透過性の接着剤２３で被覆されている。これ
と並行し、１個の半導体チップ２２が図外の真空吸引機
能を持つピックアームによりトレイ３から取り出されて
アライメントテーブル４のチップ収容部４ａに収納され
る。この状態において、半導体チップ２２の基板接続端
子である金又は半田のようなバンプが設けられた表面が
上方に向き、半導体チップ２２の背面がチップ収容部４
ａの底面に接触し、半導体チップ２２の外周縁がチップ
収容部４ａの内周縁に接触し、半導体チップ２２がアラ
イメントテーブル４に位置決め搭載される。半導体チッ
プ２２のバンプと回路基板２１のバンプとが互いに接合
することにより、半導体チップ２２が回路基板２１に表
面実装されるので、半導体チップ２２のバンプが金であ
る場合は回路基板２１のバンプも金であり、半導体チッ
プ２２のバンプが半田である場合は回路基板２１のバン
プも半田であるというように、半導体チップ２２のバン
プと回路基板２１のバンプとが同一の材料により形成さ
れるのが接合強度の点から最良であるが、超音波振動に
より互いに接合可能な範囲で異なる材料であっても良
い。又、半導体チップ２２の表面中心を基準としたバン
プの配置と回路基板２１のチップ取付位置２１ａの表面
中心を基準としたバンプの配置とは互いに同一である。

【００１５】次に、図２のｂ図に示すように、反転移送
ユニット９がアライメントテーブル４より半導体チップ
２２を真空吸着して矢印で示す軌跡Ｌ９を経由して上ワ
ークカメラ５の真上で待機する。そして、図２のｃ図に
示すように、反転移送ユニット９が反転する。反転移送
ユニット９がアライメントテーブル４の位置から上ワー
クカメラ５の真上に到達するまでの過程で反転動作を行
えば、反転動作が移動過程中であり、移動動作後に反転
動作を行う場合よりも作業時間が短縮できる。引き続
き、図２のｄ図に示すように、ボンディングヘッド７
が、仮付位置決めテーブル２（ａ図参照）の位置より上
ワークカメラ５の位置に移動し、反転移送ユニット９に
保持された半導体チップ２２の真上で停止後、反転移送
ユニット９から半導体チップ２２を真空吸着して受け取
る。それから、反転移送ユニット９が上ワークカメラ５
の位置より待機位置（図１の実線示位置）に復帰する。
その状態において、上ワークカメラ５がボンディングヘ
ッド７に保持された半導体チップ２２の位置を認識す
る。

【００１６】これと並行し、仮付位置決めテーブル２が
ＸＹ方向に移動停止し、回路基板２１のチップ取付位置
２１ａが下ワークカメラ８の真下に位置合わせされる。
その状態において、下ワークカメラ８が回路基板２１の
チップ取付位置２１ａを認識する。その後、図２のｆ図
に示すように、ボンディングヘッド７が上ワークカメラ
５の位置より回路基板２１のチップ取付位置２１ａの真
上に移動停止する。このとき、上ワークカメラ５の位置
認識と下ワークカメラ８の位置認識とにより、ボンディ
ングヘッド７に保持された半導体チップ２２と仮付位置
決めテーブル２に保持された回路基板２１のチップ取付
位置２１ａとが対応するように位置補正される。そし
て、ボンディングヘッド７が仮付位置決めテーブル２に
保持された回路基板２１のチップ取付位置２１ａ（図２
のａ図参照）に向けて下降する。

【００１７】引き続き、図２のｇ図に示すように、ボン
ディングヘッド７の下降により半導体チップ２２が回路
基板２１に到達することにより回路基板２１のチップ取
付位置２１ａに接着剤を介して仮付けされる。そして、
上記図２のａ図からｇ図までの動作が繰り返されること
により、１枚の回路基板２１に表面実装すべき設定数の
半導体チップ２２が回路基板２１に仮組付けされたら、
回路基板２１が仮付位置決めテーブル２より仮付搬送ラ
イン１０に移動搭載される。それから、設定数の半導体
チップ２２が仮組付けされた回路基板２１が、仮付搬送
ライン１０により本付搬送ライン２０に向けて搬送され
た後、仮付搬送ライン１０より本付搬送ライン２０に受
け渡され、本付搬送ライン２０により本付位置決めテー
ブル１２の基板収容部１２ａに収納される。この状態に
おいて、回路基板２１に仮組付けされた半導体チップ２
２が上方に向き、回路基板２１の背面が基板収容部１２
ａの底面に接触し、回路基板２１の外周縁が基板収容部
１２ａの内周縁に接触し、回路基板２１が本付位置決め
テーブル１２に位置決め搭載される。

【００１８】次に、図２のｈ図に示すように、本付位置
決めテーブル１２が超音波振動接合機構１１の図外の制
御部に予め設定されたプログラムに従い移動停止し、回
路基板２１に仮組付けされた複数の半導体チップ２２の
うちの第１順位と定められた半導体チップ２２が共振器
１７の接合作用部１８の真下に待機する。その状態にお
いて、リフトシリンダ１５が下降し、接合作用部１８と
本付位置決めテーブル１２とが、それらの間に、半導体
チップ２２を回路基板２１に所定の力で加圧挟持する。
これと並行し、振動子１９が超音波振動を出力し、共振
器１７が振動子１９からの超音波振動に共振する。これ
によって、接合作用部１８がリフトシリンダ１５による
加圧方向と直交する矢印Ｙ方に最大振動振幅を以って振
動する。係る振動により、接着剤２３が半導体チップ２
２のバンプと回路基板２１のバンプより押圧力と横振動
を受けつつ横に押しやられ、半導体チップ２２のバンプ
と回路基板２１のバンプとが互いに接触した後に接合作
用部１８より伝達された横振動である超音波振動により
非溶解接合する。これと並行し、横に押しやられた接着
剤２３が半導体チップ２２のバンプと回路基板２１のバ
ンプとの周りの空間を埋めて硬化し半導体チップ２２と
回路基板２１とを結合する。その後、本付位置決めテー
ブル１２によるプログラムに従った移動とリフトシリン
ダ１５の昇降と共振器１７による超音波接合とが繰り返
されることにより、仮組付けされた設定数の半導体チッ
プ２２が回路基板２１に接合されたら、表面実装終了の
回路基板２１が本付搬送ライン２０により次工程又は図
外のマガジンに排出される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態の半導体チップ実装装置
を示す斜視図。

【図２】 同実施形態の動作を示す工程図。

【符号の説明】

１ 仮組付機構 ２ 仮付位置決めテーブル ４ アライメントテーブル ５ 上ワークカメラ ６ 可動台 ７ ボンディングヘッド ８ 下ワークカメラ ９ 反転移送ユニット １０ 仮付搬送ライン １１ 超音波振動接合機構 １２ 本付位置決めテーブル １５ リフトシリンダ １７ 共振器 １８ 接合作用部 １９ 振動子 ２０ 本付搬送ライン ２１ 回路基板 ２２ 半導体チップ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回路基板のチップ取付位置に半導体チッ
   プを表面実装する前工程としての回路基板のチップ取付
   位置に半導体チップを接着剤により仮付けするための仮
   組付機構と、回路基板のチップ取付位置に半導体チップ
   を表面実装する工程としての回路基板のチップ取付位置
   に半導体チップを本付けするための本組付機構とを備え
   たことを特徴とする半導体チップ実装装置。
2. 【請求項２】 仮組付機構は、水平面の縦横への移動停
   止と水平面内での回転とが可能な上面に凹状の基板収容
   部を有する仮付位置決めテーブルと、上面に凹状のチッ
   プ収容部を有するアライメントテーブルと、仮付位置決
   めテーブルの上面と平行な下面に開口された吸引孔部を
   有するボンディングヘッドと、上下面のうちの何れか一
   方の面に吸引孔部を有する先端部の上下の向きが１８０
   度反転して入れ替わる反転移送ユニットと、ボンディン
   グヘッドに保持された半導体チップのバンプを撮像して
   電気信号に変換した位置認識信号をボンディングヘッド
   と仮付位置決めテーブルとに出力する上ワークカメラ
   と、仮付位置決めテーブルに保持された回路基板のチッ
   プ取付位置のバンプを撮像して電気信号に変換した位置
   認識信号をボンディングヘッドと仮付位置決めテーブル
   とに出力する下ワークカメラと備え、 本組付機構は、水平面の縦横への移動停止可能な上面に
   凹状の基板収容部を有する本付位置決めテーブルと、加
   圧昇降源と、加圧昇降源の加圧昇降出力部に固定された
   ホルダと、ホルダに両持ち支持に取付けられた共振器
   と、共振器一端に結合された振動子と、振動子から超音
   波振動に共振する共振器の最大振動振幅点より外側に突
   設された接合作用部とを備えた、ことを特徴とする請求
   項１記載の半導体チップ実装装置。
3. 【請求項３】 仮付位置決めテーブルの基板収容部の中
   心と上ワークカメラの光軸とボンディングヘッドの吸引
   孔部の孔軸と下ワークカメラの光軸とが、１本の直線上
   に配置されたことを特徴とする請求項２記載の半導体チ
   ップ実装装置。
4. 【請求項４】 仮付位置決めテーブルの基板収容部の中
   心とボンディングヘッドの吸引孔部の孔軸とが同軸状に
   配置された際、ボンディングヘッドの吸引孔部の孔軸と
   上ワークカメラの光軸との離隔寸法と、ボンディングヘ
   ッドの吸引孔部の孔軸と下ワークカメラの光軸との離隔
   寸法とが、同一寸法に設定されたことを特徴とする請求
   項３記載の半導体チップ実装装置。