JP2004319599A

JP2004319599A - Bonding device

Info

Publication number: JP2004319599A
Application number: JP2003108257A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Suzuki; 愼一鈴木
Original assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Current assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Priority date: 2003-04-11
Filing date: 2003-04-11
Publication date: 2004-11-11
Anticipated expiration: 2023-04-11
Also published as: JP3700135B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a bonding device that can highly accurately detect contact between a chip and a substrate. <P>SOLUTION: A voice coil motor 1 is composed of a fixed section and a mobile section. The fixed section is composed of a magnet (permanent magnet) 8, a yoke 10, and a pole piece 15, and constitutes a magnetic circuit. The mobile section is composed of a coil 9 and a supporting member 14. The supporting member 14 is coaxially put on the outside of a capillary 27 in a state that the member 14 can slide in the axial direction (vertical direction) and is held by a leaf spring 13 in a vertically displaceable state. When the lower end of the supporting member 14 is positioned lower than the lower end of a sucking section 4, the capillary 27 causes the chip 3 to be sucked to the lower end of the supporting member 14 by generating negative pressure in the sucking section 4 by sucking air. When a bonding head is lowered and the chip 3 comes into contact with a substrate 17 in this state, the contact between the chip 3 and the substrate 17 can be detected instantaneously with high sensitivity based on a coil current J2, and the breakage of the chip 3 can be prevented, because the coil current J2 suddenly changes. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体チップなどのチップを基板に固着するボンディング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６はこの種のボンディング装置を示す概念図である。リニアモータ５はボンディング装置の筐体２９に取り付けてある。リニアモータ５の軸５ａは、部材６ａ，６ｂ，６ｃでなるリニア軸受けで案内され、上下方向に往復する。ボンディングヘッド１８は、リニアモータ５の軸５ａの下端に取り付けてあり、半導体チップ等のチップ３を吸着により把持し、基板１７にチップ３を接触させ、チップ３を基板１７に接合し、１つのチップ３と基板１７との接合を終える。ある１つのチップ３と基板１７との接合を終えると、そのチップ３の吸着を停止し、次のチップを吸着し、同様に次のチップを基板に接合する。基板１７は、台２９ａ上に、位置決めされ、載置されている。ボンディングヘッド１８の上下方向の位置は、リニアスケール７により高精度に測定される。ボンディング装置に搭載されている制御装置は、リニアスケール７から出力されるボンディングヘッド１８の上下方向の位置をフィードバック信号として受け、リニアスケール７による軸５ａの上下方向位置を制御し、ボンディングヘッド１８の上下方向の位置を任意に制御する。
【０００３】
この種のボンディング装置の一例が特開２０００−１８３１１４に開示されており、図５はそのボンディング装置におけるボンディングヘッドの断面図である。図において、１０１は基板（図６における基板１７に相当）、１０５は半導体チップ（図６におけるチップ３に相当）、１０５ａは半導体チップ１０５の能動端子面、１１２はボンディングツール、１１３はヘッドユニット、１１４はユニット駆動部、１１５はボンディングステージ（図６における台２９ａに相当）、１１６はベース、１１７は第１のリニアガイド、１１８はＬ形のブラケット、１１８ａはＬ形のブラケット１１８の垂直部、１１８ｂはＬ形のブラケット１１８の水平部、１１９はロードセル、１２０は第１のスプリング、１２２はθ軸回転機構、１２３はＬ形のスライドプレート、１２３ａはＬ形のスライドプレート１２３の垂直部、１２３ｂはＬ形のスライドプレート１２３の水平部、１２４はθ軸モータ、１２５は第２のリニアガイド、１２６はＺ軸ステージ、１２７は保持板、１２８は第２のスプリング、１２９はＺ軸モータ、１３０はボールねじ、１３１はボールねじナットである。
【０００４】
図５のボンディングヘッドは、ボンディングステージ１１５と、ボンディングツール１１２と、ヘッドユニット１１３と、ユニット駆動部１１４と、加圧力検出手段とを具備してなる。ボンディングステージ１１５は基板１０１を保持している。ボンディングツール１１２は、ヘッドユニット１１３に弾性的に懸吊されており、半導体チップ１０５を保持する。ヘッドユニット１１３はボンディングツール１１２を支持する。ユニット駆動部１１４は、ヘッドユニット１１３を基板１０１に対し駆動する。加圧力検出手段は、ボンディングツール１１２に連結され、ボンディングツール１１２の基板１０１に対する加圧力を検出する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図５の従来のボンディング装置には、次のような解決するべき課題がある。
【０００７】
ボンディングツール１１２はロードセル１１９、吸着機構、ベース１１６を含んで構成されるので、ボンディングツール１１２の質量は大きい。このボンディングツール１１２は、スプリング１２０により、ヘッドユニット１１３に弾性的に懸吊されている。ボンディングツール１１２とスプリング１２０とでなる複合部材の固有振動周波数が小さくなり、その複合部材は低い周波数で共振を起こしやすくなる。例えば、その複合部材の固有振動周波数が１０Ｈｚであるとき、図６のリニアモータ５の動作周波数が１０Ｈｚであれば、その複合部材とリニアモータ５とが共振し、ボンディング装置を作動させることができない。そこで、図６のリニアモータ５の動作周波数は複合部材の固有振動周波数より高くすることはできない。このように、複合部材の固有振動周波数の下限が、リニアモータ５の動作周波数の向上の上限となり、リニアモータ５の動作周波数の向上によるボンディング装置の作業性の向上が制限される。
【０００８】
また、ロードセル１１９には、ノイズが大きく、環境温度の影響を受けやすい。そのうえ、図５の従来のボンディングヘッドでは、スプリング１２０は一定の荷重を加えた状態で使用しなければならないので、ロードセル１１９には常に荷重が掛かり、微小な荷重の変化を検出するのが難しい。そこで、ロードセル１１９により半導体チップ１０５が基板１０１へ接触したことを検知する接触検知手段とすると、接触感度が十分でなく、過大な圧力が半導体チップ１０５に加わり、半導体チップ１０５を破損する虞がある。
【０００９】
半導体チップ１０５が基板１０１へ接触したことを検知したあとに、超音波や熱により半導体チップ１０５を基板１０１へ接合するとき、半導体チップ１０５へ圧力を加え、半導体チップ１０５を基板１０１へ押し付ける。半導体チップ１０５が非常に薄いなどの理由でその圧力が非常に微小であるとき、ロードセル１１９によりその圧力を加えると、ロードセル１１９では圧力の微小な制御ができないために、半導体チップ１０５を損傷する虞がある。
【００１０】
さらに、図５の従来のボンディングヘッドでは、ボンディングツール１１２は、リニアガイド１１７で案内されている。そこで、図５のボンディングヘッドでは、半導体チップ１０５に微小な圧力を加えるために、ボンディングツール１１２の上下方向の位置を高精度に制御しようとするとき、リニアガイド１１７における摩擦の影響を受け、ボンディングツール１１２の上下方向の微妙な位置制御が難しい。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、チップと基板との接触を高精度に検知でき、チップを基板へ押圧する構造の共振周波数が高く、チップを基板へ押圧する力を高精度に制御できるボンディング装置の提供にある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために本発明は次の手段を提供する。
【００１３】
（１）リニアモータで上下移動可能に支持されたボンディングヘッドの吸着部に負圧を発生させ、該負圧により半導体チップなどのチップを該吸着部の下端に吸着把持し、該チップを接合するべき基板と該チップとの接触の検知をし、該チップと該基板との接合を該接触の検知の後に行うボンディング装置において、固定部が前記ボンディングヘッドに固定され、該固定部に磁気結合された可動部が該固定部に対し直線状に移動可能であるボイスコイルモータと、該可動部と固定部との上下方向の相対位置を検知する変位検出器と、該変位検出器の出力の該相対位置を利用して、該ボイスコイルモータのコイル電流を制御することにより該可動部の上下方向の位置を制御するサーボ系とを備え、
前記可動部は支持部材を有し、
前記支持部材の下端が前記吸着部の下端より下方に位置する状態にあるときに、該支持部材の下端で支持された前記チップが基板に接触したことを前記コイル電流または前記変位検出器の出力の前記相対位置に基づき前記接触の検知をする
ことを特徴とするボンディング装置。
【００１４】
（２）前記接触の検知の後に、前記コイル電流を制御することにより、前記支持部材で該チップを該基板に押圧する
ことを特徴とする前記（１）に記載のボンディング装置。
【００１５】
（３）前記ボンディングヘッドに超音波加振部が固着してあり、
前記接触の検知の後に、前記コイル電流を制御することにより、前記支持部材の下端を前記吸着部の下端より上方へ引き上げるとともに前記リニアモータの制御により前記吸着部の下端で前記チップを押圧し、前記超音波加振部の超音波振動を前記吸着部を介して該チップに伝え、該チップを前記基板へ接合する
ことを特徴とする前記（１）に記載のボンディング装置。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を挙げ、本発明を一層具体的に説明する。
【００１７】
図１は、本発明の一実施の形態のボンディング装置におけるボンディングヘッドを示す模式図である。図２は、その実施の形態のボンディング装置におけるボンディングヘッドを示す断面図である。図３は、図２のボンディングヘッドを示す平面図である。また、図４は、図２のボンディングヘッドを示す分解斜視図である。図において、１はボイスコイルモータ、２は変位検出器、３は半導体チップなどのチップ、４は吸着部、８はマグネット、９はコイル、１０はヨーク、１１はピックオフプレートａ、１２はピックオフプレートｂ、１３は板バネ、１４は支持部材、１５はポールピース、１６はサーボアンプ、１７は基板、２０は超音波発振部、２１はホルダリングａ、２２はホルダリングｂ、２３はネジａ、２４はスペーサａ、２５はスペーサｂ、２６はネジｂ、２７はキャピラリ（吸着ノズル）、２８はホルダブロック、２９ａはボンディング装置における基板１７載置用の台、Ａｐは押圧力制御信号、Ｊ１はフィードバック電圧、Ｊ２はコイル電流である。図１乃至図４に示す本実施の形態のボンディングヘッドは、図６の一般的なボンディング装置ではボンディングヘッド１８となるものである。
【００１８】
図１に示すホルダブロック２８は、図６におけるボンディング装置ではリニアモータ５の軸５ａの下端に固定される部材であり、図２乃至図４では図示を省いてある。キャピラリ２７は中空の管であり、図４によく表れているように、軸に関し対称な形をなすが、図１の模式図では途中で直角に曲がった形に描いてある。キャピラリ２７の上端は、ボンディング装置における空気ポンプに連結されている。キャピラリ２７では、空気は、下端の開口から管に吸い込まれ、図１に矢印で示すように上方に送られ、上端の開口から吸い出され、空気ポンプへ送られる。キャピラリ２７の下端の開口から空気が吸い込まれるので、その開口をチップ３へ近接することにより、チップ３はキャピラリ２７の下端に吸い付けられる。このキャピラリ２７の下端が吸着部４をなしている。キャピラリ２７は、超音波発振部２０における部材２０ａにより、超音波発振部２０に固定されている。
【００１９】
ボイスコイルモータ１は固定部および可動部でなる。固定部は、マグネット（永久磁石）８、ヨーク１０及びポールピース１５でなり、磁気回路を構成している。可動部はコイル９及び支持部材１４でなる。支持部材１４は、キャピラリ２７の外側に軸方向（上下方向）に摺動可能に同軸に嵌められ、板バネ１３により上下方向に変位可能に保持されている。支持部材１４の内側とキャピラリ２７の外側との隙間には、グリース３０が介在させてある。グリース３０は、支持部材１４の内側とキャピラリ２７の外側間の潤滑およびこの間隙の気密性を提供している。コイル９は、支持部材１４に固着されている。
【００２０】
コイル９は、流される電流Ｊ２に応じた電磁力を固定部の磁気回路との間で受け、支持部材１４と一体で上下方向に変位しようとする。支持部材１４は、板バネ１３に支えられているので、その電磁力と板バネ１３の機械的応力とが釣り合う上下方向の位置で停止している。
【００２１】
変位検出器２は、ピックオフプレート１１及び１２を備える静電容量式変位センサである。図４に示すように、ピックオフプレート１１はピックオフプレートａでなり、ピックオフプレート１２はピックオフプレートｂ１及びｂ２でなる。ピックオフプレート１１は支持部材１４に固定してあり、ピックオフプレート１２はヨーク１０に固定してある。そこで、固定部を基準とする支持部材１４の上下方向位置は、ピックオフプレート１１及び１２間の静電容量に対応している。
【００２２】
サーボアンプ１６は、変位検出器２の出力電圧をフィードバック電圧Ｊ１として入力し、ボンディング装置の制御部から押圧力制御信号Ａｐを受ける。チップ３が、図１に示すように、支持部材１４の下端に吸いつけられているとき、図１乃至４のボンディングヘッドがチップ３に加える押圧力は、チップ３の厚みが一定であるから、支持部材１４の下端と基板１７との距離に対応する。押圧力制御信号Ａｐは、チップ３へ加えるべき押圧力を現し、ひいては支持部材１４の下端と基板１７との距離を指定する信号である。さらに、支持部材１４の下端と基板１７との距離は、支持部材１４の上下方向の位置に一義的に対応している。サーボアンプ１６は、押圧力制御信号Ａｐで指定される支持部材１４の上下方向の位置と、フィードバック電圧Ｊ１で表される現在の支持部材１４の上下方向の位置との差に相当する電流をコイル電流Ｊ２としてコイル９に流し、その差が実質上ゼロになるようにコイル電流Ｊ２を制御する。
【００２３】
図１に示すように、支持部材１４の下端が吸着部４の下端より下方に位置するとき、キャピラリ２７で空気が吸い込まれ、吸着部４に負圧が発生すると、空気は支持部材１４の下端の開口から吸い込まれ、チップ３は支持部材１４の下端に吸い付けられる。グリース３０がキャピラリ２７の外側と支持部材１４の内側との間隙を気密に保持するから、この間隙から空気が漏れ込むことはない。
【００２４】
この状態で、リニアモータ５によりボンディングヘッドが下げられると、チップ３は基板１７に接触する。チップ３が基板１７に接触すると、コイル電流Ｊ２は急激に変化するので、このコイル電流Ｊ２の変化を検知することにより、チップ３が基板１７に接触したことを瞬時に検知できる。チップ３と基板１７との接触を瞬時に検知することにより、接触検知信号の受信の入力と同時にリニアモータ５の作動を停止することにより、チップ３に過大な圧力が掛かることを避けることができ、ひいてはチップ３の破損を防止できる。
【００２５】
チップ３を基板１７に搭載する工程は次のようになる。まず、ボンディングヘッドは、別の機構から供給されるチップ３の位置に移動し、チップ３を吸着する態勢に入る。このとき、支持部材１４の下端は吸着部４の下端（キャピラリ２７の下端）より僅かに下方に位置させておく。次に、リニアモータ５によりボンディングヘッドを下降させ、チップ３を支持部材１４の下端に吸着する。このとき、ボイスコイルモータに必要な力は、キャピラリ２７の負圧によるチップ３を吸着する力と、板バネ１３の変形に対応する応力と、ボイスコイルモータの可動部の加速度運動にともなう慣性力とである。次に、ボンディングヘッドは、チップ３を搭載するべき基板１７の位置まで移動し、チップ３をマウント位置の上方に位置させる。リニアモータ５により、ボンディングヘッドを下降させ、チップ３を基板１７に近接させ、チップ３が基板１７に接触した瞬間に支持部材１７は上方へ押し上げられ、コイル電流Ｊ２の急激な変化から、支持部材１７、ひいてはチップの微小な変位を検知する。コイル電流Ｊ２の変化は、ボンディング装置における接触検知回路で検知する。チップ３と基板１７との接触を検知すると、リニアモータの作動を制御し、過大な圧力がチップ３に掛かることを防止する。
【００２６】
上述の工程により、チップ３を基板１７の所定の位置に接触させた後、超音波接合では、次のようにチップ３を基板１７に接合する。サーボモータ１６に入力する押圧力制御信号Ａｐにより、コイル電流Ｊ２を制御し、支持部材１４を上方へ変位させ、支持部材１４を吸着部４の下端より僅かに上に位置させ、チップ３を吸着部４で吸着保持する。リニアモータ５により所定の押圧力をチップ３に加え、超音波発振部２０により超音波をチップ３に加え、チップ３を基板１７に接合する。
【００２７】
チップ３を基板１７の所定の位置に接触させた後に、熱接合によりチップ３を基板１７に接合するときは、次の工程により接合を行う。このときも、超音波接合におけると同様に、支持部材１４を上方へ変位させ、支持部材１４を吸着部４の下端より僅かに上に位置させ、チップ３を吸着部４で吸着保持し、リニアモータ５により所定の押圧力をチップ３に加える。所定の押圧力をチップ３に加えた状態で、チップ３の下面の半田ボールに熱を加え、チップ３を基板１７に接合する。
【００２８】
チップ３が極薄いなどの事情で、チップ３の耐圧力が小さいときは、チップ３を基板１７の所定の位置に接触させた後、支持部材１４を上方へ変位させることなく、支持部材１４を吸着部４の下端より僅かに下に位置させたままの状態を維持し、押圧力制御信号Ａｐの制御によりコイル電流Ｊ２を大きくし、支持部材１４でチップ３に所要の圧力を加え、この小さい押圧力をチップ３に加えた状態でチップ３を基板１７に接合する。この工程においてチップ３に加える圧力は、ボイスコイルモータにより発生するものであり、押圧力制御信号Ａｐの制御により任意に設定できるから、非常に高精度に調整できる。この押圧力をチップ３に印加する機構には、リニア軸受などの摩擦を伴う機構を含まない。そこで、このボンディングヘッドでは、非常に微小な押圧力を高精度に容易に制御できる。
【００２９】
本実施の形態では、図５に示した従来のボンディング装置におけるボンディングツール１１２及びスプリング１２０によりなる複合部材をボンディングヘッドに要しないから、ボンディングヘッドの質量が図５の従来のものに比べ格段に小さい。このことは、本実施の形態におけるボンディングヘッドの共振周波数が図５の従来のボンディングヘッドに比べ格段に大きいことを意味する。したがって、本実施の形態のボンディング装置では、リニアモータ５の動作周波数を従来のボンディング装置のそれより大幅に高くすることができる。そこで、本実施の形態のボンディング装置は、リニアモータ５として高速作動可能なものを採用でき、ボンディング効率を格段に向上できる。
【００３０】
以上には、チップ３と基板１７との接触をコイル電流Ｊ２の変化で検出する例を示したが、チップ３と基板１７との接触は変位検出器２の出力のフィードバック電圧Ｊ１の急激な変化でも検知できる。フィードバック電圧Ｊ１は、チップ３が基板１７に接触したとき、支持部材１４が上方に変位する際に、コイル電流Ｊ２と同期して変動するので、チップ３と基板１７との接触はフィードバック電圧Ｊ１の変動によっても検知できる。
【００３１】
なお、以上に説明した実施の形態では、図面を参照し、具体的に説明したが、本発明がこれらの実施の形態に限定されるのでないことは言うまでもない。例えば、上述の実施の形態では、支持部材１４とキャピラリ２７との間隙にグリース３０を介在させることにより支持部材１４とキャピラリ２７との間の気密性を保持しているが、グリース３０に代えて潤滑油又はＯリングを用いてもその気密性は保持できる。
【００３２】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、チップと基板との接触を高精度に検知でき、チップを基板へ押圧する構造の共振周波数が高く、チップを基板へ押圧する力を高精度に制御できるボンディング装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態のボンディング装置におけるボンディングヘッドを示す模式図である。
【図２】その実施の形態のボンディング装置におけるボンディングヘッドを示す断面図である。
【図３】図２のボンディングヘッドを示す平面図である。
【図４】図２のボンディングヘッドを示す分解斜視図である。
【図５】従来のボンディング装置におけるボンディングヘッドの断面図である。
【図６】半導体チップなどのチップを基板に固着する一般的なボンディング装置を示す概念図である。
【符号の説明】
１ボイスコイルモータ
２変位検出器
３半導体チップなどのチップ
４吸着部
８マグネット
９コイル
１１ピックオフプレートａ
１０ヨーク
１２ピックオフプレートｂ
１３板バネ
１４支持部材
１５ポールピース
１６サーボアンプ
１７基板
２０超音波発振部
２１ホルダリングａ
２２ホルダリングｂ
２３ネジａ
２４スペーサａ
２５スペーサｂ
２６ネジｂ
２７キャピラリ（吸着ノズル）
２８ホルダブロック
２９ａボンディング装置における基板１７載置用の台
３０グリース
Ａｐ押圧力制御信号
Ｊ１フィードバック電圧
Ｊ２コイル電流
１０１基板
１０５半導体チップ
１０５ａ半導体チップ１０５の能動端子面
１１２ボンディングツール
１１３ヘッドユニット、
１１４ユニット駆動部
１１５ボンディングステージ
１１６ベース
１１７第１のリニアガイド
１１８Ｌ形のブラケット
１１８ａＬ形のブラケット１１８の垂直部
１１８ｂＬ形のブラケット１１８の水平部
１１９ロードセル
１２０第１のスプリング
１２２ θ軸回転機構
１２３Ｌ形のスライドプレート
１２３ａＬ形のスライドプレート１２３の垂直部
１２３ｂＬ形のスライドプレート１２３の水平部
１２４ θ軸モータ
１２５第２のリニアガイド
１２６Ｚ軸ステージ
１２７保持板
１２８第２のスプリング
１２９Ｚ軸モータ
１３０ボールねじ
１３１ボールねじナット[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a bonding apparatus for fixing a chip such as a semiconductor chip to a substrate.
[0002]
[Prior art]
FIG. 6 is a conceptual diagram showing this type of bonding apparatus. The linear motor 5 is mounted on a housing 29 of the bonding apparatus. The shaft 5a of the linear motor 5 is guided by a linear bearing composed of members 6a, 6b, and 6c, and reciprocates vertically. The bonding head 18 is attached to the lower end of the shaft 5 a of the linear motor 5, holds the chip 3 such as a semiconductor chip by suction, makes the chip 3 contact the substrate 17, joins the chip 3 to the substrate 17, The bonding between the chip 3 and the substrate 17 is completed. When the bonding between one chip 3 and the substrate 17 is completed, the suction of the chip 3 is stopped, the next chip is sucked, and the next chip is similarly bonded to the substrate. The substrate 17 is positioned and mounted on the table 29a. The vertical position of the bonding head 18 is measured with high accuracy by the linear scale 7. The control device mounted on the bonding apparatus receives the vertical position of the bonding head 18 output from the linear scale 7 as a feedback signal, controls the vertical position of the shaft 5 a by the linear scale 7, and controls the position of the bonding head 18. The position in the vertical direction is arbitrarily controlled.
[0003]
An example of this type of bonding apparatus is disclosed in JP-A-2000-183114, and FIG. 5 is a cross-sectional view of a bonding head in the bonding apparatus. In the figure, 101 is a substrate (corresponding to the substrate 17 in FIG. 6), 105 is a semiconductor chip (corresponding to the chip 3 in FIG. 6), 105a is an active terminal surface of the semiconductor chip 105, 112 is a bonding tool, 113 is a head unit, 114 is a unit driving unit, 115 is a bonding stage (corresponding to the table 29a in FIG. 6), 116 is a base, 117 is a first linear guide, 118 is an L-shaped bracket, 118a is a vertical part of an L-shaped bracket 118, 118b is a horizontal portion of the L-shaped bracket 118, 119 is a load cell, 120 is a first spring, 122 is a θ-axis rotating mechanism, 123 is an L-shaped slide plate, 123a is a vertical portion of the L-shaped slide plate 123, 123b Denotes a horizontal portion of the L-shaped slide plate 123, 124 denotes a θ-axis motor, and 125 denotes a second Is a linear guide, 126 is a Z-axis stage, 127 is a holding plate, 128 is a second spring, 129 is a Z-axis motor, 130 is a ball screw, and 131 is a ball screw nut.
[0004]
The bonding head of FIG. 5 includes a bonding stage 115, a bonding tool 112, a head unit 113, a unit driving unit 114, and a pressing force detecting unit. The bonding stage 115 holds the substrate 101. The bonding tool 112 is elastically suspended from the head unit 113 and holds the semiconductor chip 105. The head unit 113 supports the bonding tool 112. The unit driving section 114 drives the head unit 113 with respect to the substrate 101. The pressing force detecting means is connected to the bonding tool 112 and detects the pressing force of the bonding tool 112 against the substrate 101.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
[0006]
The conventional bonding apparatus shown in FIG. 5 has the following problems to be solved.
[0007]
Since the bonding tool 112 includes the load cell 119, the suction mechanism, and the base 116, the mass of the bonding tool 112 is large. The bonding tool 112 is elastically suspended from the head unit 113 by a spring 120. The natural frequency of the composite member including the bonding tool 112 and the spring 120 is reduced, and the composite member is likely to resonate at a low frequency. For example, when the natural vibration frequency of the composite member is 10 Hz and the operating frequency of the linear motor 5 in FIG. 6 is 10 Hz, the composite member and the linear motor 5 resonate and the bonding device cannot be operated. . Therefore, the operating frequency of the linear motor 5 in FIG. 6 cannot be higher than the natural vibration frequency of the composite member. As described above, the lower limit of the natural vibration frequency of the composite member is the upper limit of the improvement of the operating frequency of the linear motor 5, and the improvement of the workability of the bonding apparatus due to the improvement of the operating frequency of the linear motor 5 is limited.
[0008]
Further, the load cell 119 has large noise and is easily affected by the environmental temperature. Furthermore, in the conventional bonding head of FIG. 5, since the spring 120 must be used with a constant load applied, the load cell 119 is always loaded, and it is difficult to detect a minute change in the load. Therefore, if the load cell 119 is used as contact detection means for detecting that the semiconductor chip 105 has contacted the substrate 101, the contact sensitivity is not sufficient, and excessive pressure is applied to the semiconductor chip 105, which may damage the semiconductor chip 105. .
[0009]
When bonding the semiconductor chip 105 to the substrate 101 by ultrasonic waves or heat after detecting that the semiconductor chip 105 has come into contact with the substrate 101, pressure is applied to the semiconductor chip 105 and the semiconductor chip 105 is pressed against the substrate 101. When the pressure is very small because the semiconductor chip 105 is very thin or the like, if the pressure is applied by the load cell 119, the load cell 119 cannot control the pressure very finely, so that the semiconductor chip 105 may be damaged. There is.
[0010]
Further, in the conventional bonding head of FIG. 5, the bonding tool 112 is guided by a linear guide 117. Therefore, in the bonding head shown in FIG. 5, when the vertical position of the bonding tool 112 is to be controlled with high accuracy in order to apply a minute pressure to the semiconductor chip 105, the bonding is affected by the friction in the linear guide 117, and the bonding is performed. It is difficult to finely control the position of the tool 112 in the vertical direction.
[0011]
Therefore, an object of the present invention is to provide a bonding apparatus capable of detecting contact between a chip and a substrate with high accuracy, having a high resonance frequency of a structure for pressing the chip against the substrate, and controlling the force for pressing the chip against the substrate with high accuracy. On offer.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides the following means to solve the above-mentioned problems.
[0013]
(1) A negative pressure is generated in a suction portion of a bonding head supported by a linear motor so as to be vertically movable, and a chip such as a semiconductor chip is suction-held at a lower end of the suction portion by the negative pressure, and the chips are joined. In a bonding apparatus that detects contact between a substrate to be mounted and the chip and performs bonding between the chip and the substrate after the detection of the contact, a fixed portion is fixed to the bonding head and magnetically coupled to the fixed portion. A movable portion in which the movable portion can move linearly with respect to the fixed portion, a displacement detector for detecting a relative position of the movable portion and the fixed portion in the up-down direction, and an output of the displacement detector. A servo system that controls the vertical position of the movable unit by controlling the coil current of the voice coil motor using the relative position,
The movable section has a support member,
When the lower end of the support member is located below the lower end of the suction portion, the coil current or the output of the displacement detector indicates that the chip supported by the lower end of the support member has contacted the substrate. The bonding device detects the contact based on the relative position of the bonding device.
[0014]
(2) The bonding apparatus according to (1), wherein the chip is pressed against the substrate by the support member by controlling the coil current after the detection of the contact.
[0015]
(3) an ultrasonic vibration unit is fixed to the bonding head;
After the detection of the contact, by controlling the coil current, the lower end of the support member is pulled upward from the lower end of the suction unit and the chip is pressed by the lower end of the suction unit by the control of the linear motor, The bonding apparatus according to (1), wherein the ultrasonic vibration of the ultrasonic vibration unit is transmitted to the chip via the suction unit, and the chip is bonded to the substrate.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, the present invention will be described more specifically with reference to embodiments of the present invention.
[0017]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a bonding head in a bonding apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a sectional view showing a bonding head in the bonding apparatus according to the embodiment. FIG. 3 is a plan view showing the bonding head of FIG. FIG. 4 is an exploded perspective view showing the bonding head of FIG. In the drawing, 1 is a voice coil motor, 2 is a displacement detector, 3 is a chip such as a semiconductor chip, 4 is a suction unit, 8 is a magnet, 9 is a coil, 10 is a yoke, 11 is a pick-off plate a, and 12 is a pick-off plate. b and 13 are leaf springs, 14 is a support member, 15 is a pole piece, 16 is a servo amplifier, 17 is a substrate, 20 is an ultrasonic oscillator, 21 is a holder ring a, 22 is a holder ring b, 23 is a screw a, 24 is a spacer a, 25 is a spacer b, 26 is a screw b, 27 is a capillary (suction nozzle), 28 is a holder block, 29a is a table for mounting the substrate 17 in the bonding apparatus, Ap is a pressing force control signal, and J1 is The feedback voltage, J2, is the coil current. The bonding head of the present embodiment shown in FIGS. 1 to 4 serves as the bonding head 18 in the general bonding apparatus of FIG.
[0018]
The holder block 28 shown in FIG. 1 is a member fixed to the lower end of the shaft 5a of the linear motor 5 in the bonding apparatus shown in FIG. 6, and is not shown in FIGS. The capillary 27 is a hollow tube and has a shape symmetrical with respect to the axis, as is well shown in FIG. 4, but is drawn in the schematic diagram of FIG. The upper end of the capillary 27 is connected to an air pump in the bonding device. In the capillary 27, air is sucked into the tube through the opening at the lower end, sent upward as indicated by the arrow in FIG. 1, sucked out from the opening at the upper end, and sent to the air pump. Since air is sucked through the opening at the lower end of the capillary 27, the tip 3 is sucked to the lower end of the capillary 27 by approaching the opening to the chip 3. The lower end of the capillary 27 forms the suction section 4. The capillary 27 is fixed to the ultrasonic oscillation unit 20 by a member 20a of the ultrasonic oscillation unit 20.
[0019]
The voice coil motor 1 includes a fixed part and a movable part. The fixed portion is composed of a magnet (permanent magnet) 8, a yoke 10, and a pole piece 15, and forms a magnetic circuit. The movable part includes the coil 9 and the support member 14. The support member 14 is coaxially fitted to the outside of the capillary 27 so as to be slidable in the axial direction (vertical direction), and is held by the leaf spring 13 so as to be vertically displaceable. Grease 30 is interposed in a gap between the inside of the support member 14 and the outside of the capillary 27. The grease 30 provides lubrication between the inside of the support member 14 and the outside of the capillary 27 and the airtightness of this gap. The coil 9 is fixed to the support member 14.
[0020]
The coil 9 receives an electromagnetic force corresponding to the flowing current J2 between the coil 9 and the magnetic circuit of the fixed portion, and tends to displace in the vertical direction integrally with the support member 14. Since the support member 14 is supported by the leaf spring 13, the support member 14 stops at a vertical position where its electromagnetic force and the mechanical stress of the leaf spring 13 are balanced.
[0021]
The displacement detector 2 is a capacitive displacement sensor including pick-off plates 11 and 12. As shown in FIG. 4, the pick-off plate 11 includes a pick-off plate a, and the pick-off plate 12 includes pick-off plates b1 and b2. The pick-off plate 11 is fixed to a support member 14, and the pick-off plate 12 is fixed to the yoke 10. Therefore, the vertical position of the support member 14 with respect to the fixed portion corresponds to the capacitance between the pick-off plates 11 and 12.
[0022]
The servo amplifier 16 receives the output voltage of the displacement detector 2 as a feedback voltage J1 and receives a pressing force control signal Ap from the control unit of the bonding apparatus. When the chip 3 is sucked to the lower end of the support member 14 as shown in FIG. 1, the pressing force applied to the chip 3 by the bonding head of FIGS. 1 to 4 is constant because the thickness of the chip 3 is constant. The distance corresponds to the distance between the lower end of the support member 14 and the substrate 17. The pressing force control signal Ap indicates a pressing force to be applied to the chip 3 and is a signal for designating the distance between the lower end of the support member 14 and the substrate 17. Further, the distance between the lower end of the support member 14 and the substrate 17 uniquely corresponds to the vertical position of the support member 14. The servo amplifier 16 generates a coil current corresponding to the difference between the vertical position of the support member 14 specified by the pressing force control signal Ap and the current vertical position of the support member 14 represented by the feedback voltage J1. A current J2 is supplied to the coil 9 and the coil current J2 is controlled so that the difference becomes substantially zero.
[0023]
As shown in FIG. 1, when the lower end of the support member 14 is located below the lower end of the suction portion 4, air is sucked in by the capillary 27, and when a negative pressure is generated in the suction portion 4, the air is moved to the lower end of the support member 14. The chip 3 is sucked to the lower end of the support member 14. Since the grease 30 keeps the gap between the outside of the capillary 27 and the inside of the support member 14 airtight, no air leaks from this gap.
[0024]
When the bonding head is lowered by the linear motor 5 in this state, the chip 3 comes into contact with the substrate 17. When the chip 3 comes into contact with the substrate 17, the coil current J2 changes rapidly. Therefore, by detecting the change in the coil current J2, the contact of the chip 3 with the substrate 17 can be instantaneously detected. By instantaneously detecting the contact between the chip 3 and the substrate 17, the operation of the linear motor 5 is stopped simultaneously with the input of the reception of the contact detection signal, so that an excessive pressure is applied to the chip 3. Thus, damage to the chip 3 can be prevented.
[0025]
The process of mounting the chip 3 on the substrate 17 is as follows. First, the bonding head moves to the position of the chip 3 supplied from another mechanism, and enters a state of sucking the chip 3. At this time, the lower end of the support member 14 is located slightly below the lower end of the suction section 4 (the lower end of the capillary 27). Next, the bonding head is moved down by the linear motor 5 to attract the chip 3 to the lower end of the support member 14. At this time, the force required for the voice coil motor includes a force for attracting the chip 3 due to the negative pressure of the capillary 27, a stress corresponding to the deformation of the leaf spring 13, and an inertial force accompanying the acceleration movement of the movable portion of the voice coil motor. And Next, the bonding head moves to the position of the substrate 17 on which the chip 3 is to be mounted, and positions the chip 3 above the mounting position. The linear motor 5 lowers the bonding head to bring the chip 3 close to the substrate 17, and at the moment when the chip 3 contacts the substrate 17, the support member 17 is pushed upward. 17, and detect a minute displacement of the chip. The change in the coil current J2 is detected by a contact detection circuit in the bonding device. When the contact between the chip 3 and the substrate 17 is detected, the operation of the linear motor is controlled to prevent an excessive pressure from being applied to the chip 3.
[0026]
After the chip 3 is brought into contact with a predetermined position on the substrate 17 by the above-described process, the chip 3 is bonded to the substrate 17 in the ultrasonic bonding as follows. The coil current J2 is controlled by the pressing force control signal Ap input to the servo motor 16, the support member 14 is displaced upward, the support member 14 is positioned slightly above the lower end of the suction section 4, and the chip 3 is suctioned. The suction is held by the unit 4. A predetermined pressing force is applied to the chip 3 by the linear motor 5, and an ultrasonic wave is applied to the chip 3 by the ultrasonic oscillating unit 20, and the chip 3 is bonded to the substrate 17.
[0027]
When the chip 3 is bonded to the substrate 17 by thermal bonding after the chip 3 is brought into contact with a predetermined position on the substrate 17, the bonding is performed in the following steps. At this time, similarly to the ultrasonic bonding, the support member 14 is displaced upward, the support member 14 is positioned slightly above the lower end of the suction section 4, the chip 3 is suction-held by the suction section 4, and the linear A predetermined pressing force is applied to the chip 3 by the motor 5. With a predetermined pressing force applied to the chip 3, heat is applied to the solder balls on the lower surface of the chip 3 to join the chip 3 to the substrate 17.
[0028]
When the pressure resistance of the chip 3 is small due to circumstances such as the chip 3 being extremely thin, the chip 3 is brought into contact with a predetermined position on the substrate 17 and then the support member 14 is displaced upward without displacing the support member 14 upward. While maintaining the state of being slightly lower than the lower end of the suction portion 4, the coil current J2 is increased by the control of the pressing force control signal Ap, and the support member 14 applies a required pressure to the chip 3 to reduce the pressure. The chip 3 is bonded to the substrate 17 with the pressing force applied to the chip 3. The pressure applied to the chip 3 in this step is generated by a voice coil motor and can be arbitrarily set by controlling the pressing force control signal Ap, so that it can be adjusted with very high precision. The mechanism for applying the pressing force to the chip 3 does not include a mechanism involving friction such as a linear bearing. Therefore, in this bonding head, a very small pressing force can be easily controlled with high accuracy.
[0029]
In the present embodiment, since a composite member including the bonding tool 112 and the spring 120 in the conventional bonding apparatus shown in FIG. 5 is not required for the bonding head, the mass of the bonding head is much smaller than that of the conventional bonding apparatus shown in FIG. . This means that the resonance frequency of the bonding head in this embodiment is much higher than that of the conventional bonding head of FIG. Therefore, in the bonding apparatus of the present embodiment, the operating frequency of the linear motor 5 can be made much higher than that of the conventional bonding apparatus. Therefore, the bonding apparatus of the present embodiment can employ a linear motor 5 that can operate at a high speed, and can significantly improve the bonding efficiency.
[0030]
The example in which the contact between the chip 3 and the substrate 17 is detected by the change in the coil current J2 has been described above. However, the contact between the chip 3 and the substrate 17 is caused by a sudden change in the feedback voltage J1 of the output of the displacement detector 2. But it can be detected. Since the feedback voltage J1 fluctuates in synchronization with the coil current J2 when the support member 14 is displaced upward when the chip 3 comes into contact with the substrate 17, the contact between the chip 3 and the substrate 17 is caused by the feedback voltage J1. It can also be detected by fluctuations.
[0031]
Although the embodiments described above have been specifically described with reference to the drawings, it is needless to say that the present invention is not limited to these embodiments. For example, in the above-described embodiment, the airtightness between the support member 14 and the capillary 27 is maintained by interposing the grease 30 in the gap between the support member 14 and the capillary 27. Even if a lubricating oil or an O-ring is used, the airtightness can be maintained.
[0032]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the contact between the chip and the substrate can be detected with high accuracy, the resonance frequency of the structure for pressing the chip against the substrate is high, and the force for pressing the chip against the substrate with high accuracy. A controllable bonding apparatus can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a bonding head in a bonding apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view showing a bonding head in the bonding apparatus according to the embodiment.
FIG. 3 is a plan view showing the bonding head of FIG. 2;
FIG. 4 is an exploded perspective view showing the bonding head of FIG. 2;
FIG. 5 is a sectional view of a bonding head in a conventional bonding apparatus.
FIG. 6 is a conceptual diagram showing a general bonding apparatus for fixing a chip such as a semiconductor chip to a substrate.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Voice coil motor 2 Displacement detector 3 Chip, such as a semiconductor chip 4 Adsorption part 8 Magnet 9 Coil 11 Pick-off plate a
10 Yoke 12 Pickoff plate b
13 Leaf spring 14 Support member 15 Pole piece 16 Servo amplifier 17 Substrate 20 Ultrasonic oscillator 21 Holder ring a
22 Holder ring b
23 Screw a
24 Spacer a
25 Spacer b
26 screw b
27 Capillary (suction nozzle)
28 Holder block 29a Table 17 for mounting substrate 17 in bonding apparatus 30 Grease Ap Pressing force control signal J1 Feedback voltage J2 Coil current 101 Substrate 105 Semiconductor chip 105a Active terminal surface 112 of semiconductor chip 105 Bonding tool 113 Head unit
114 Unit drive unit 115 Bonding stage 116 Base 117 First linear guide 118 L-shaped bracket 118a Vertical part 118b of L-shaped bracket 118 Horizontal part 119 of L-shaped bracket 118 Load cell 120 First spring 122 θ axis rotation mechanism 123 L-shaped slide plate 123 a Vertical portion 123 b of L-shaped slide plate 123 Horizontal portion 124 of L-shaped slide plate 123 θ-axis motor 125 Second linear guide 126 Z-axis stage 127 Holding plate 128 Second spring 129 Z Shaft motor 130 Ball screw 131 Ball screw nut

Claims

A negative pressure is generated in a suction portion of a bonding head supported so as to be vertically movable by a linear motor, and a chip such as a semiconductor chip is suction-held by a lower end of the suction portion by the negative pressure, and a substrate to which the chip is to be bonded is formed. In a bonding device that detects contact with the chip and performs bonding between the chip and the substrate after the detection of the contact,
A voice coil motor in which a fixed part is fixed to the bonding head, and a movable part magnetically coupled to the fixed part is movable linearly with respect to the fixed part; and a vertical relative position between the movable part and the fixed part. A displacement detector that detects a position, and a servo system that controls the vertical position of the movable unit by controlling the coil current of the voice coil motor using the relative position of the output of the displacement detector. With
The movable section has a support member,
When the lower end of the support member is located below the lower end of the suction portion, the coil current or the output of the displacement detector indicates that the chip supported by the lower end of the support member has contacted the substrate. The bonding device detects the contact based on the relative position of the bonding device.

The bonding apparatus according to claim 1, wherein the chip is pressed against the substrate by the supporting member by controlling the coil current after the detection of the contact.

An ultrasonic vibration unit is fixed to the bonding head,
After the detection of the contact, by controlling the coil current, the lower end of the support member is pulled upward from the lower end of the suction unit and the chip is pressed by the lower end of the suction unit by the control of the linear motor, The bonding apparatus according to claim 1, wherein the ultrasonic vibration of the ultrasonic vibration unit is transmitted to the chip via the suction unit, and the chip is bonded to the substrate.