JP2005085914A

JP2005085914A - チップ実装方法および装置

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Publication number: JP2005085914A
Application number: JP2003314869A
Authority: JP
Inventors: Akira Yamauchi; 朗山内; Katsumi Terada; 勝美寺田; Takashi Harai; 孝志晴
Original assignee: Toray Engineering Co Ltd
Current assignee: Toray Engineering Co Ltd
Priority date: 2003-09-08
Filing date: 2003-09-08
Publication date: 2005-03-31

Abstract

【課題】実際のボンディング時と同じ状態でボンディングヘッドと基板保持ステージの平行度を測定することにより、精度良くかつ信頼性が高い平行度測定方法および平行度調整方法を提供すること。
【解決手段】チップを保持するボンディングヘッドと基板を保持する基板保持ステージとの平行度を測定する平行度測定方法において、圧力検知素子を埋設した校正用チップを基板を保持する基板保持ステージと、チップを保持するボンディングヘッド間にはさんだ状態で、前記校正用チップを少なくとも加圧しながら、前記圧力検知素子からの出力に基づいて平行度を測定する。
【選択図】図１

Description

本発明はボンディングヘッドと基板保持ステージの平行度を測定する平行度測定方法および平行度測定機構を有するチップ実装装置、その測定方法を用いた平行度調整方法および平行度調整機構を有するチップ実装装置に関する。

チップを基板にボンディングする際に、チップを保持するボンディングヘッドと基板を保持する基板保持ステージとの平行度を高精度に保たなければ、チップのずれや接続不良が発生して高精度のボンディングが困難であった。

そこで、これらの問題を解決するために、ボンディングヘッドと基板保持ステージの平行度を測定し、調整を行っている。例えば、圧力量に対応した電流の変化を検出する平面センサーを用いて平行度を測定する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。また、複数の距離センサを用いて、ボンディングヘッドと基板保持ステージの距離を測定することにより平行度を測定する方法が開示されている（例えば特許文献２参照）。

特開平１０−３２１６７４号公報特開２０００−１２４２３２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、平行度の測定は加熱をしない状態で行っている。実際の状態では、ボンディングヘッドや基板保持ステージが熱膨張による影響を受けており、測定時とボンディング時との状態は異なるため、高精度な平行度測定が困難であった。

また、特許文献２に記載の方法は、圧力を測定するのではなく、センサにより距離を測定する方法であるが、実際の状態では、加圧によりボンディングヘッドや基板保持ステージがたわむなどの問題があった。

そこで、本発明の課題は、実際のボンディング時と同じ状態でボンディングヘッドと基板保持ステージの平行度を測定することにより、精度良くかつ信頼性が高い平行度測定方法および平行度調整方法を提供することにある。

すなわち、本発明に係る平行度測定方法は、チップを保持するボンディングヘッドと基板を保持する基板保持ステージとの平行度を測定する平行度測定方法において、圧力検知素子を埋設した校正用チップを基板を保持する基板保持ステージと、チップを保持するボンディングヘッド間にはさんだ状態で、前記校正用チップを少なくとも加圧しながら、前記圧力検知素子からの出力に基づいて平行度を測定することを特徴とするものである。また、前記ボンディングヘッドにより前記校正用チップを加圧するとともに加熱することが好ましい。つまり、実際のボンディング時に近い状態での平行度の測定が可能になり、ボンディングの信頼性が向上する。

なお、前記圧力検知素子の出力に基づいて圧力を測定したり、校正用チップに温度検出素子を設けて温度を測定することが好ましい。

また、本発明に係る平行度調整方法は、上述の方法により測定された平行度を目標精度範囲内に納めるための平行度補正量を演算し、演算された平行度補正量に基づいて平行度を補正することを特徴とするものである。平行度の補正は、前記平行度補正量に基づいて、ボンディングヘッドおよび基板保持ステージの少なくとも一方を、水平方向における２軸周りに回動制御することにより行う。この補正はマイクロメータ等により演算結果表示を見ながら人手で調整を行う場合と、サーボモータ等により自動調整する場合とがある。

さらに、本発明に係るチップ実装装置は、基板を保持する基板保持ステージと、チップを保持するボンディングヘッドと、少なくとも、前記基板保持ステージ上に載置される校正用チップと、前記校正用チップに設けられた圧力検知素子と、前記圧力検知素子からの出力に基づいて平行度を演算する演算部と、前記校正用チップに設けられた温度検知素子とを有する平行度測定機構と、を有することを特徴とするものである。つまり、基板保持ステージ上に校正用チップを載置してボンディングヘッドを下降させて加熱加圧を行うことができる構成であるから、実際のボンディング時に近い状態での平行度の測定が可能となり、信頼性が向上する。また、平行度、圧力および温度が同時に測定できるため、チップと基板のボンディングの信頼性が一層高いものとなる。実際のボンディング動作時に使用する基板を使用し、実際のチップに近似した校正用チップを用いれば、信頼性はさらに向上する。

また、上述の平行度測定装置と、測定された平行度を目標範囲内に納めるための平行度補正量を演算する演算手段と、前記平行度補正量に基づいて少なくとも一方が水平方向における２軸周りに回動制御可能に設けられた前記ボンディングヘッドおよび前記基板保持ステージと、を有することを特徴とするものである。

以上説明したように、本発明の平行度測定方法および平行度測定装置、その測定方法を用いた平行度調整方法および平行度調整装置によれば、ボンディングヘッドにより加圧および加熱しながら平行度を測定するので、実際のボンディング時に近い状態となり、ボンディングの信頼性が向上する。

また、平行度の測定と同時に圧力および温度の測定をすることができ、測定した情報に基づき平行度補正を行うことにより、平行度を高精度に自動調整することが可能となる。

以下に、本発明の望ましい実施の形態を図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施例に係る平行度調整機構が組み込まれたチップ実装装置１を示している。図１において、チップ実装装置１はチップを保持するボンディングヘッド２と、基板を保持する基板保持ステージ４とを有している。ボンディングヘッド２は、ブロック５と、前記ブロック５下端に設けられたツール６と、ブロック５を支持し装置フレームに対して上下方向（Ｚ軸方向）昇降されるＺ軸テーブル７とを備えており、ボンディングヘッド２が下降されることによりチップが基板保持ステージ４上の基板に実装される。なお、ツール６にはチップを基板に実装する際に加熱できるようセラミックヒータ等の加熱手段が埋設されている。また、ボンディングヘッド２は、後述のような補正機構により、互いに直交する２軸周り方向（α、β方向）に回動できるようになっており、それにより平行度を調整できるようになっている。

基板保持ステージ４は、本実施態様では、水平面内で回動制御され、回動方向の角度θを制御する回転テーブル８上に設置されており、回転テーブル８は、水平面内でＹ方向に位置制御されるテーブル９およびＸ方向に位置制御されるテーブル１０からなる平行移動制御機構１１上に設置されている。回転テーブル８と平行移動制御機構１１により、基板保持ステージの水平位置および回転位置Ｘ、Ｙ、θ方向に制御される。また、平行度調整のための制御は、数値制御化されており、指令された目標とする数値に対する位置や角度になるように、自動制御される。目標とする数値は、後述の平行度測定機構により測定された平行度に対し、望ましい補正が加えられた値として演算される。

本実施態様では、ボンディングヘッド側においてα、β方向の調整が行われ、平行度が補正される。この平行度補正のための機械的なα、β方向の補正機構は、本実施態様では図２，図３に示すように構成されている。図２は、図１におけるヘッド部分の横断面図であり、図３は図２の斜視図である。

ブロック５は、本実施態様では外ハウジング２１と内ハウジング２２との二重ハウジング構造を有している。装置フレーム２３にＺ方向に位置制御可能に支持されたＺ軸テーブル７に、ヘッドブラケット２４が固着されており、このヘッドブラケット２４に、軸２５、２６が回動可能に支持されている。軸２５、２６の内端は外ハウジング２１に固着されているので、外ハウジング２１は、ヘッドブラケット２４に対して、軸２５、２６を介して回動（揺動）可能に支持されている。内ハウジング２２は、外ハウジング２１に対し回転自在に支持された軸２７、２８を介して回動（揺動）可能に支持されている。軸２７、２８の内端に内ハウジング２２に固着されているので、内ハウジング２２は、軸２７、２８を介して回動（揺動）可能に支持されている。軸２５、２６と軸２７、２８は、水平面内において、互いに直交する方向に延びている。この内ハウジング２２内に、下方に突出するように、ツール６を備えた加圧機構６ａが固定されている。なお、内ハウジング２２と加圧機構６ａとの間には、図示は省略するが、適当な加圧手段や、過加圧時の上方への逃げ機構を介在させることもできる。

軸２５の外端には、揺動アーム２９が固着されており、軸２７の外端には、揺動アーム３０が固着されている。揺動アーム２９の上方には、ヘッドブラケット２４に固着された固定アーム３１が設けられており、揺動アーム３０の上方には、ヘッドブラケット２４に固着された固定アーム３２が設けられている。固定アーム３１と固定アーム３２には、それぞれ、アクチュエータ３３、３４が装着されており、アクチュエータ３３、３４のロッド３５、３６は、固定アーム３１、３２に固着された筒ケーシング３７、３８内に嵌挿されている。ロッド３５、３６の先端は、固定アーム３１と揺動アーム２９間を連結しているコイルバネ３９、固定アーム３２と揺動アーム３０間を連結しているコイルバネ４０の引張力に抗して各揺動アーム２９、３０を下方に押圧、揺動できるようになっている。この揺動アーム２９、３０の揺動量を調整することにより、ボンディングヘッド２側においてα、β方向の調整が行われ、平行度が補正されるようになっている。ただし、このα、β方向の調整機構は上記機構に限定されるものではなく、２軸周りの回動動作により平行度の調整ができるものであれば、いかなる機構であってもよい。たとえば、上記のような揺動動作による平行度調整に限定されず、また、アクチュエータについても、サーボモータを使用したものや減速機を介在させたもの等いかなるものであってもよい。

平行度測定は、上述の基板保持ステージ４上に、縁部に圧力検知素子１２および温度検知素子１３を埋設した図４に示すような校正用チップ３を載置し、校正用チップ３をボンディングヘッド２により加圧および加熱し、その際の圧力検知素子１２の出力に基づいて行われる。温度検知素子１３からの出力は、直接、平行度測定には使われないが、熱膨張の影響を知るための温度の情報を与える。すなわち、Ｚ軸テーブルによりボンディングヘッド２を下降させ、基板保持ステージ４上に載置された校正用チップ３を加圧および加熱し、圧力検知素子１２および温度検知素子１３から出力を検出し、出力された信号より平行度および温度を算出する。温度を算出することにより、平行度の測定における熱膨張を考慮することが可能となり信頼性が向上する。

平行度の測定はたとえば以下の様にして行う。長方形の頂点に位置するように配置した圧力検知素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄからの出力Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄと、１２ａ、１２ｂ間距離Ｌ１と１２ｂ、１２ｃ間距離Ｌ２と、α方向平行度を角度θα、β方向平行度を角度θβとする。予め圧力検知素子の出力と歪み量の関係を測定しておき、圧力検知素子間のαおよびβ方向の圧力差（（Ｐａ＋Ｐｄ）−（Ｐｂ＋Ｐｃ））、（（Ｐａ＋Ｐｂ）−（Ｐｃ＋Ｐｄ））より圧力検知素子間の歪み量の差Ｈα、Ｈβを求めると、θαおよびθβはθα＝ｔａｎ^−１（Ｋ×Ｈα／Ｌ１）、θβ＝ｔａｎ^−１（Ｋ×Ｈβ／Ｌ２）として算出できる。Ｋは圧力検知素子の出力と歪み量の関係の実測より算出した係数である。

なお、校正用チップ３の縁部に圧力検知素子１２を少なくとも３箇所（本実施例では４箇所）に設けて測定することによってより高精度に平行度を測定することが可能となる。

上述のように算出された平行度に基づいて、その平行度を予め定められた目標精度範囲内に納めるための平行度補正量が演算される。演算された平行度補正量に基づいて、前述のα、β方向の補正機能により補正が行われる。

上記実施態様では、ボンディングヘッド２が回動制御可能に設けられているが、平行移動および回動制御可能に設けることもでき、後述するような基板保持ステージ４による平行度補正も可能である。

基板保持ステージ４による平行度の補正機構として図５に示すような機構を用いることができる。平行度の補正機構は、下方に向けて凸球面を形成する凸球面部材５１と、上方に向けて凹球面を形成する凹球面部材とで構成される球面軸受５２を備える基板保持ステージ５３と、凸球面部材上に設けられたプレート５４と、その周囲部の三点を支持するアクチュエータ５５とを有している。上記球面軸受は、凹球面部材の凹球面と凸球面部材の凸球面との間に微小間隙のエアベアリング機構を構成して両部材間の相対位置調整を可能とするものである。また、上述の機構をヘッド側に設けることも可能である。

本実施例では、平行度測定時に温度検知素子を埋設した校正用チップを用いて平行度補正量を演算したが、圧力検知素子のみを埋設した校正用チップを用いて平行度補正量を演算することも可能である。

また、本実施例ではチップをツールで保持しているが、チップ実装工程をチップを基板に実装する仮圧着工程と、チップを基板に固着する本圧着工程の二工程に分離した場合、本発明におけるチップボンディング装置を用いれば、本圧着工程において同様の効果を得ることが可能である。

さらに、本実施例ではチップを基板に実装する場合を説明したが、チップに替えてＦＰＣ（Flexible Printed Circuit）やＴＣＰ（Tape Carrier Package）など他の実装部品を用いた場合でも同様の効果を得ることが可能である。

また、校正用チップ３が加熱された際に歪むことを補償する方法として、以下のような方法が適用できる。測定（加圧）前に校正用チップ３を所定の温度に昇温し、そのときの圧力検知素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄからの出力Ｐａａ、Ｐｂｂ、Ｐｃｃ、Ｐｄｄを測定する。この出力Ｐａａ、Ｐｂｂ、Ｐｃｃ、Ｐｄｄは校正用チップ３が加熱された際の歪み量となり、平行度測定時の校正用チップ３の圧力用検知素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄからの出力Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄの値から差し引くことにより、校正用チップ３が加熱された際に歪むことを補償することが可能になる。また、校正用チップ３の圧力検知素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄからの出力Ｐａａ、Ｐｂｂ、Ｐｃｃ、Ｐｄｄの測定を複数の温度条件で測定することにより校正用チップ３の温度特性を得られ、任意の加熱条件に於ける平行度測定時の、校正用チップ３の加熱による歪み補正を行うことができる。

本発明の一実施態様に係るチップ実装装置における平行度調整装置の斜視図である。図１の横断面図である。図２の縦断面図である。平行度測定装置における校正用チップの斜視図である。本発明の一実施態様に係る平行度調整機構の斜視図である。

符号の説明

１チップ実装装置
２ボンディングヘッド
３校正用チップ
４基板保持ステージ
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ圧力検知素子
１３温度検知素子

Claims

圧力検知素子を埋設した校正用チップを基板を保持する基板保持ステージと、チップを保持するボンディングヘッド間にはさんだ状態で、前記校正用チップを少なくとも加圧しながら、前記圧力検知素子からの出力に基づいて平行度を測定することを特徴とする平行度測定方法。
前記ボンディングヘッドにより前記校正用チップを加圧するとともに加熱することを特徴とする請求項１に記載の平行度測定方法。
前記圧力検知素子からの出力に基づいて圧力を測定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の平行度測定方法。
校正用チップに埋設した温度検知素子により温度を測定することを特徴とする請求項２に記載の平行度測定方法。
請求項１に記載の平行度測定方法により測定された平行度を目標精度範囲内に納めるための平行度補正量を演算し、演算された平行度補正量に基づいて平行度を補正することを特徴とする平行度調整方法。
前記平行度補正量に基づいて、前記ボンディングヘッドおよび前記基板保持ステージの少なくとも一方を、水平方向における２軸周りに回動制御することにより平行度の補正を行うことを特徴とする請求項５に記載の平行度調整方法。
基板を保持する基板保持ステージと、チップを保持するボンディングヘッドと、少なくとも、前記基板保持ステージ上に載置される校正用チップと、前記校正用チップに設けられた圧力検知素子と、前記圧力検知素子からの出力に基づいて平行度を演算する演算部と、平行度測定機構とを有するチップ実装装置。
圧力検知素子を少なくとも３つ設けたことを特徴とする請求項７に記載の平行度測定機構を有するチップ実装装置。
前記平行度測定機構と、測定された平行度を目標精度範囲内に納めるための平行度補正量を演算する演算手段と、前記平行度補正量に基づいて少なくとも一方が水平方向における２軸周りに回転制御可能に設けられた前記ボンディングヘッドおよび／または前記基板保持ステージと、を有することを特徴とする平行度調整機構を有するチップ実装装置。
前記校正用チップに温度検出素子が設けられたことを特徴とする請求項７に記載のチップ実装装置。