JP2004349697A - 半導体の実装装置 - Google Patents

Abstract

【課題】チップを基板上に正確に設置するためウエハ直径が大きくてもチップの採取位置と設置位置との距離を短かくする。
【解決手段】ウエハ・テーブル４は、基板テーブル１０の支持面９に対して斜めに傾いており、ウエハ・テーブル４の一部が基板テーブル１０の下方に位置している。ピック・アンド・プレイス・システム７は、首振りアーム１３を有するシャトル１２を備え、首振りアーム１３が、接合ヘッド１５を保持している。首振りアーム１３は、所定の２つの首振り位置の間を振り子状に往復可能であり、第１の首振り位置において、首振りアーム１３の長手軸１７が基板テーブル１０の支持面９の垂線１８に対し角度φを有し、第２の首振り位置において、首振りアーム１３の長手軸１７が基板テーブル１０の支持面９に直交して走る。角度φは、１０°〜５０°の範囲にある。
【効果】短い経路が実現でき、かつ半導体チップが移動する高さの差は、無視できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体の実装装置に関する。

半導体を実装するために用いられるこの種の装置は、この技術分野において「ダイ・ボンダ」として知られている。ダイ・ボンダは、多くの場合はテープである支持材上に互いに隣り合って位置している多数の同一のウエハ・チップを、例えば金属製のリードフレームなどの基板上に、順々に実装していくために用いられる。チップ把持具による毎回の採取および設置（ピック・アンド・プレイス）動作にあわせて、チップ支持材を載せたウエハ・テーブルが次のチップを提示し、同様に基板が動かされて、第２の場所にある新しい基板位置が提示される。チップを採取し続いて設置するため、チップ把持具はピック・アンド・プレイスのためのシステム全体とともに、あるいはピック・アンド・プレイスのためのシステムから独立して、昇降することができる。

この種の自動組み立て装置には、きわめて厳しい要求が課される。実装したチップに対しさらなる加工が加えられるため、チップは基板上に正確に設置されていなければならず、したがって、チップ把持具が前記第２の場所へと正確に到達する必要があり、もちろんチップを採取するため、第１の場所へも正確に到達する必要がある。一方で、高速および短いサイクル時間が必要とされ、それにともなって可動部品に大きな加速度と慣性力が生じる。

従来、チップ把持具に往復動作をさせるため、さまざまなレバー機構が使用されており、そのいくつかはクランク・ガイドを備えている。この形式のガイドでは横力の発生が無視できないため、正確な移動プロセスという点で好ましいものではなく、適切に保守をする必要もある。他の公知の機構では、チップ把持具が首振り往復運動するレバーの端部に位置しており、すなわちチップ把持具がレバーの首振り変位に対応して弧状に移動するが、レバーの首振り変位を両端位置で停止させなければならないため、揺れがきわめて発生しやすい。レバーによって動作するこのような機構の問題点は、場所Ａから場所Ｂへと、あらかじめ決められた固定の経路に沿ってしか輸送ができないという点にある。レバー機構を備えるピック・アンド・プレイス・システムは、例えば欧州特許出願公開第８７７,５４４号明細書、欧州特許出願公開第９２３,１１１号明細書、および国際公開第９７／３２４６０号により公知である。

チップ把持具を歯付きベルトによって駆動するピック・アンド・プレイス・システムも公知である。このシステムの問題点は、基板上へのチップの設置がきわめて不正確であるという点である。

一方、半導体チップを素早くかつ正確に実装するため、採取位置と設置位置との間の距離を短くしなければならず、かつ機械的な構成は簡潔にしなければならない。欧州特許出願公開第９２３,１１１号明細書のピック・アンド・プレイス・システムは、確かに簡潔かつ頑丈な構成であり、半導体チップを基板上に正確に設置することができるけれども、ウエハの直径が大きくなるにつれて必要な空間が大きくなってしまうという欠点を有する。基板テーブルとウエハ・テーブルを上下に配置する解決策も知られているが、採取位置から設置位置まで、移動すべき高さの差が大きくなってしまうという欠点がある。

ウエハ・テーブルが基板テーブルに対して直角に配置されている国際公開第９７／３２４６０号で公知のピック・アンド・プレイス・システムは、箔に貼り付いている半導体チップが時に落下することがあり、半導体チップに加わる重力によって箔が歪み、採取しようとする半導体チップの位置が意図せず変わってしまうこともある。さらに、箔が傾いて垂直面から外れてしまうことが時には生じうる。そのような場合、隣り合う半導体チップ同士はのこぎりによる細い切れ目で分離されているだけなので、隣り合う半導体チップの角や縁同士が接触する可能性がある。最悪の場合、このような接触によって半導体チップの角や縁が欠け落ちてしまい、これはこの技術分野で「チッピング」として知られている。

本発明の目的は、半導体チップの採取位置と設置位置との間の距離が小さいにもかかわらず前述の欠点がないダイ・ボンダを開発することにある。

前記目的は、本発明に従い請求項１に記載の特徴によって達成される。

半導体チップを基板に実装するとき、基板は接着材を塗布する塗布設備へ、そして次の半導体チップを設置する接合設備へと、搬送システムによって段階的に送られる。半導体チップは、枠へと留められた箔（またはテープ）に貼り付いた状態で、いわゆるウエハ・テーブル上にあり、そこでピック・アンド・プレイス・システムとして知られるシステムによって次々に採取され、搬送されて基板テーブルの支持面上に置かれた基板上に設置される。ピック・アンド・プレイス・システムは接合ヘッドを有し、該接合ヘッドに半導体チップを採取するためのチップ把持具が備えられている。

本発明によれば、半導体実装装置において、ウエハ・テーブルが基板テーブルの支持面に対して所定の角度φで傾いており、ウエハ・テーブルの一部が基板テーブルの直下に位置している。ピック・アンド・プレイス・システムは、首振りアームを有するシャトルを備え、首振りアームが、チップ把持具を備えた接合ヘッドを保持している。首振りアームは、所定の２つの首振り位置の間を振り子状に往復可能であり、第１の首振り位置において、首振りアームの長手軸が基板テーブルの支持面の垂線に対し角度φを有し、第２の首振り位置において、首振りアームの長手軸が基板テーブルの支持面に対し直交する。角度φは、１０°〜５０°の範囲にあり、好ましくは２０°〜３５°の範囲にある。この設計によって最も短い経路が実現でき、かつ半導体チップが移動しなければならない高さの差は、無視できるほどわずかである。

要約すると、本発明による半導体チップの実装装置は、基板のための支持面を備える基板テーブル、半導体チップを第１の位置に提示するため、基板テーブルの支持面に対して所定の角度φで斜めに位置し、かつ一部が基板テーブルの直下に位置しているウエハ・テーブル、および、第１の位置に提示された半導体チップを採取し、該半導体チップを基板上に設置するピック・アンド・プレイス・システムからなり、ピック・アンド・プレイス・システムが、首振りアームを保持し所定の方向に移動可能なシャトルを備え、第１の位置に提示された半導体チップを採取するため、シャトルが第１の位置へと動かされるとともに首振りアームが第１の首振り位置へと振り子状に動かされて、首振りアームの長手軸が基板テーブルの支持面の垂線と角度φを形成し、半導体チップを基板上に設置するため、シャトルがもう１つの位置へと動かされるとともに首振りアームが第２の首振り位置へと振り子状に動かされて、首振りアームの長手軸が基板テーブルの支持面に直交して走る。

以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいてさらに詳細に説明する。図は、比例尺で描かれてはいない。

図１には、半導体の実装装置であるいわゆるダイ・ボンダについて、側面の概略が本発明の理解に必要な範囲について示されている。ダイ・ボンダは、基板に接着剤を塗布する塗布設備（図示されていない）、および半導体チップ２を基板３上に設置する接合設備１からなる。基板３は、搬送システム（図示されていない）によって塗布設備および接合設備１へと、ｘ方向と呼ぶ所定の搬送方向に段階的に送られる。搬送方向は、図１の紙面と直交するように走っている。半導体チップ２は、個々の半導体チップ２へと切断されたウエハを収容するウエハ・テーブル４上に提示されている。半導体チップ２は、行および列をなして互いに隣り合って配置され、枠へと留められた支持箔５に貼り付いている。ウエハ・テーブル４は直交する２方向へと移動することができ、動作時、次の半導体チップが常に一定の位置Ａに提示されるようにする。ウエハ・テーブル４の移動方向のうちの１つが、矢印６で示されており、ウエハ・テーブル４の移動方向のうちのもう一方は、図面の紙面と直交するように走っている。ピック・アンド・プレイス・システム７は、ウエハ・テーブル４によって位置Ａに提示された半導体チップ２’を採取し、これを基板３上の所定の位置Ｂ_１、Ｂ_２、・・・、Ｂ_ｎに置くべく動作する。ここで、指数ｎは、基板３上に互いに隣り合うように並んだ基板上の設置場所の数を指しており、この例ではｎ＝２である。ウエハ・テーブル４は、支持箔５からの半導体チップ２の分離を助けるため、いわゆるダイ・エジェクタ８を備えている。ダイ・イジェクタ８の位置は固定されている。

接合設備１において、基板３は基板テーブル１０の支持面９に載っている。この実施の形態では、支持面９は水平になっている。ウエハ・テーブル４は、水平面１１に対して所定の角度φで斜めになっており、したがって、支持箔５によって形成される面も水平面１１に対し角度φを有している。基板テーブル１０は、ウエハ・テーブル４の一部が基板テーブル１０の直下に位置するように設計されている。角度φは、好ましくは２０°〜３５°の範囲にあるが、１０°〜５０°の範囲にもできる。

ピック・アンド・プレイス・システム７はシャトル１２を有しており、シャトル１２は、基板３の搬送方向と直角であるｙ方向と示されている方向に移動することができる。シャトル１２は首振りアーム１３を有し、首振りアーム１３の一端は、基板３の搬送方向と平行に走る回転軸１４上で回転可能である。チップ把持具１６を備える接合ヘッド１５が、首振りアーム１３の反対側の端部に位置している。首振りアーム１３は、所定の２つの首振り位置の間を振り子状に往復可能である。首振りアーム１３の回転軸１４は、シャトル１２の移動軸と直交するように走っており、首振りアーム１３は、ｙ方向に振り子状に往復する。第１の首振り位置において、首振りアーム１３の長手軸１７は、回転軸１４を通って垂直線１８に対して角度φで走っている。第２の首振り位置において、首振りアーム１３の長手軸１７は、鉛直方向に走っている。チップ把持具１６は、接合ヘッド１５に対し長手軸１７に沿って変位可能である。さらに、チップ把持具１６を長手軸１７を中心として回転可能にしてもよい。図１において、シャトル１２、首振りアーム１３、接合ヘッド１５、およびチップ把持具１６は、２回描かれている。すなわち、１つは、ウエハ・テーブル４から次の半導体チップ２’を採取するための位置に実線で示され、１つは、採取した半導体チップを場所Ｂ_２で基板上へと置くための位置に破線で示されている。

位置Ａに提示されている半導体チップの実装は、次の手順によって行われる。
・首振りアーム１３が第１の首振り位置へと首振りされ、シャトル１２が、首振りアーム１３の長手軸１７が位置Ａに合致する位置ｙ_Ａに向かって移動する。
・チップ把持具１６が、位置Ａに提示されている半導体チップをウエハ・テーブル４から採取する。
・首振りアーム１３が第２の首振り位置へと首振りされ、シャトル１２が、首振りアーム１３の長手軸１７が半導体チップ２の基板３上への設置位置Ｂ_ｋに合致する位置ｙ_ｋに向かって移動する。首振りアーム１３の首振り動作とシャトル１２の移動は、互いに組み合わされる。
・把持具１６が、採取した半導体チップ２を、位置Ｂ_ｋにおいて基板３上に設置する。

本発明によるダイ・ボンダは、以下の利点をもたらす。
・採取位置Ａから実装位置Ｂ_ｋまでの搬送経路が短い。
・首振りアーム１３の半径に沿って測定すると、採取位置Ａが、基板テーブル１０の支持面９のごくわずか上方または下方に位置するため、搬送経路が乗り越えるべき高さの差が全くない、あるいは無視できるほどわずかしかない。半径方向の高さの差は、角度φ、首振りアーム１３の長さ、およびウエハ・テーブル４の位置によって決まる。この例では、例えば２個または３個の（異なる）半導体チップが互いに重ねて実装されるいわゆる「スタックド・ダイ」に用いた場合においても、接合ヘッド１５の首振りアーム１３の長手軸１７に沿った動きが最大約±１５ｍｍ、好ましくは±１０ｍｍよりも小さくても位置Ａで半導体チップを採取して位置Ｂ_ｋへと置くことができるよう、半径方向の高さの差が小さい値に設定されている。
・首振りアーム１３の首振り動作が、シャトル１２の位置ｙ_Ａから位置ｙ_ｋへの移動と同時に行われる。このため、首振り動作のために、シャトル１２が移動に必要とする最大の時間が利用可能である。これは、揺れの抑制および首振りアーム１３の位置決め時間確保に好ましい効果がある。
・採取位置Ａから基板位置Ｂ_ｋまでの経路が短いので、ピック・アンド・プレイス・システム７をコンパクトな構成にでき、したがって機械的剛性を高めることが容易であり、これはすなわち、揺れに対する感受性を小さくできることを意味する。

図２は、ピック・アンド・プレイス・システム７の一実施の形態を示した側面図であり、首振りアーム１３の首振り動作がレバー機構によって行われ、第１および第２の首振り位置は、２つのレバー１９および２０が互いに展張位置にあることによって規定される。第１のレバー１９は、駆動レバーとして機能する。レバー１９の第１の端部が、シャトル１２に取り付けられたモータ２２の軸２１に取り付けられており、第１のレバー１９の他端は、軸２３を介して第２のレバー２０の第１の端部に接続されている。第２のレバー２０の第２の端部は、軸２４を介して首振りアーム１３に接続されている。モータ２２が、第１のレバー１９を、２つのレバー１９および２０が互いに展張位置となる２つの終端位置の間で往復するよう回転させる。用語「展張位置」は、３つの軸２１、２３および２４が一直線上にある状態を意味する。第１のレバー１９の前記終端位置は、シャトル１２に設けた２つの停止面で規定されると好ましい。図２では、首振りアーム１３が第１の首振り位置に示されており、この位置において、首振りアーム１３の長手軸１７が位置Ａに合致する。図３では、首振りアーム１３が第２の首振り位置に示されており、この位置において、首振りアーム１３の長手軸１７は基板テーブル１０の支持面９に対して直交して走る。

シャトル１２のｙ方向の動きは、好ましくは通常のリニア・モータであるモータによって成し遂げられる。リニア・モータは、磁石を備え固定配置されている固定子２５、およびシャトル１２に接続されたコイル２６からなる。シャトル１２は、ガイド部材によって摺動する。シャトル１２のｙ方向の位置は、位置測定および制御のためのシステムによって取得および制御され、位置測定システムは、固定配置された金属またはガラスの定規、およびシャトル１２に取り付けられた読み取りヘッドからなると好ましい。

半導体チップをウエハ・テーブル４から採取し、採取した半導体チップを基板３上に置くため、種々の方法が数多く知られており、接合ヘッド１５およびチップ把持具１６の設計が多数存在する。ここでは、オーバートラベルとして知られる方法を一例として選び説明する。オーバートラベルでは、半導体チップを採取する際および半導体チップを設置する際に、接合ヘッド１５が、チップ把持具１６が接合ヘッド１５に対して変位して所定の採取および接合力が生み出されるまで、下方に動かされる。チップ把持具１６の接合ヘッド１５に対する変位を空気圧で制御する接合ヘッド１５が、日本国特許出願２００２−３５２２７１号から知られている。チップ把持具１６の変位を制御するため、２つの動作モードが利用可能である。第１の動作モードでは、チップ把持具９の変位または変位に由来する値が制御される。第２の動作モードでは、チップ把持具９によって加えられる採取または接着力を生み出す圧力差が制御される。本発明によるピック・アンド・プレイス・システム７は、これらの種類の異なる公知の接合ヘッドのいずれとも用いることができるように設計することができる。

図４には、基板テーブル１０の支持面９がウエハ・テーブル４に向かって傾いており、水平面１１に対して所定の角度ψを有している実施の形態が示されている（線２７が、基板テーブル１０の支持面９と平行に走っている）。したがって、ウエハ・テーブル４の水平面１１に対する傾斜は前記実施の形態よりも小さく、角度φ−ψだけである。ほかの点については、この実施の形態は第１の実施の形態と実質的に同一であり、参照符号も第１の実施の形態と同じものを指している。第１の首振り位置において、首振りアーム１３は、基板テーブル１０の支持面９の垂線２８に対し角度ψを有している。第２の首振り位置において、首振りアーム１３の長手軸１７は、基板テーブル１０の支持面９に直交して走っている。ピック・アンド・プレイス・システム７も、水平面１１に対して角度ψだけ傾いており、シャトル１２の動きは、基板テーブル１０の支持面９と平行である。

本発明は、ダイ・ボンダにおけるウエハ・テーブルとピック・アンド・プレイス・システムの相対的な位置および向きに関する。本発明が他の種類のダイ・ボンダにも適用でき、それらが多くの点で説明した実施の形態と異なることを理解すべきである。本発明の実施の形態および適用例をここに示し説明したが、ここでの開示によって利益を受ける当業者であれば、前記したよりもはるかに多くの変形が本発明の新規な考え方を離れることなく可能であることが、明らかであろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲の意図およびその均等物だけに限定されるべきものではない。

ダイ・ボンダの接合設備について、第１の実施の形態を示した側面図である。 本発明によるピック・アンド・プレイス・システムの詳細を示した図である。 本発明によるピック・アンド・プレイス・システムの詳細を示した図である。 ダイ・ボンダにおける接合設備について、第２の実施の形態を示した側面図である。

Claims (4)

1. 基板（３）のための支持面（９）を備える基板テーブル（１０）、
   半導体チップ（２）を第１の位置に提示するためのウエハ・テーブル（４）、および
   第１の位置に提示された半導体チップ（２）を採取し、該半導体チップ（２）を基板（３）上に設置するピック・アンド・プレイス・システム（７）
   からなる半導体の実装装置であって、
   ウエハ・テーブル（４）が、基板テーブル（１０）の支持面（９）に対して所定の角度φで斜めに位置し、さらにウエハ・テーブル（４）の一部が、基板テーブル（１０）の直下に位置し、
   ピック・アンド・プレイス・システム（７）が、首振りアーム（１３）を保持し所定の方向（ｙ）に移動可能なシャトル（１２）を備え、
   第１の位置に提示された半導体チップ（２）を採取するため、シャトル（１２）が第１の位置へと動かされるとともに首振りアーム（１３）が第１の首振り位置へと振り子状に動かされ、首振りアーム（１３）の長手軸（１７）が基板テーブル（１０）の支持面（９）の垂線（２８）と角度φを形成し、
   半導体チップ（２）を基板（３）上に設置するため、シャトル（１２）がもう１つの位置へと動かされるとともに首振りアーム（１３）が第２の首振り位置へと振り子状に動かされ、首振りアーム（１３）の長手軸（１７）が基板テーブル（１０）の支持面（９）に直交して走る
   半導体の実装装置。
2. 角度φが１０°〜５０°の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 角度φが２０°〜３５°の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 首振りアーム（１３）の第１および第２の首振り位置が、首振りアーム（１３）の第１および第２の首振り位置において互いに展張位置にある２本のレバー（１９、２０）によって決定されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
   

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