JP2005507161A - 半導体チップをマウントするための精密ボンディングヘッド - Google Patents

Abstract

半導体構成要素を基板に取り付けるための装置（１２）は、ハウジング（２４）と、そのハウジング（２４）に回動可能に取り付けられた第１の部材（４４）とを含む。第１のインターフェイス（４５）が、第１の部材（４４）とハウジング（２４）との間に形成されている。装置（１２）はまた、第１の部材（４４）内に配置された第２の部材（６０）を含む。第２の部材（６０）は、第１の部材（４４）から延出した第１の位置とその第１の位置から引き戻されて収納された第２の位置との間で第１の部材（４４）に対して軸方向に移動可能である。第２の部材（６０）はその端部に、第１の位置にある時に半導体構成要素に係合するための係合部材（６４）を備えている。第２のインターフェイス（６１）が、第１の部材（４４）と第２の部材（６０）との間に形成されている。装置（１２）はまた、第１のインターフェイス（４５）及び第２のインターフェイス（６１）のそれぞれに第１の空気軸受け（８８）及び第２の空気軸受け（６０）を形成するべく、第１のインターフェイス（４５）及び第２のインターフェイス（６１）に加圧空気を供給するための供給機構を備えている。第１の空気軸受け（８８）により、ハウジング（２４）に対して第１の部材（４４）が実質的に摩擦なしで回動できるようになり、第２の空気軸受け（９０）により、第１の部材（４４）に対して第２の部材（６０）が実質的に摩擦なしで直線運動できるようになる。

Description

【０００１】
発明の分野
本発明は、基板に半導体チップまたは構成要素をマウントするように適合されたボンディングヘッドに関連し、詳細には、マウントの精度を高めるために空気軸受けを備えたボンディングヘッドに関する。
【０００２】
背景技術
半導体チップマウント装置は通常、半導体チップまたは構成要素を基板にマウントするための上部チャック及び／または下部チャックを有する。具体的には、上部チャックは、通常は半導体チップをピックアップして、その半導体チップを下部チャックに配置された基板に対して正確な位置に配置するように適合されている。半導体チップが適切に整合したら、上部チャックが下部チャックに向かって移動し、半導体チップが基板に配置され、かつ／またはボンディングされる。上部チャック及び／または下部チャックは通常、構成部品の相対運動を可能にする機械軸受けを備えている（例えば、米国特許第４，８９９，９２１号を参照されたい）。このような機械軸受けの使用により、半導体チップを基板にマウント／ボンディングするのに必要な高い精密度／正確度が低下し得る。
【０００３】
構成部品をピックアップ及び配置するためのエンドエフェクタを有する回路組立装置が米国特許第５，３０８，１３２号に開示されている。このエンドエフェクタは、空気軸受けに移動可能に取り付けられたピストンを備えている。同様に、米国特許第５，６００，１８９号に、電子部品をピックアップし、移送して、プリント回路基板に配置するための装置が開示されている。この装置は、空気軸受けを備えた電磁アクチュエータを含む。これらの特許に開示された各装置は空気軸受けを備えているが、半導体チップを基板に精密かつ正確にマウントするようには適合されていない。
【０００４】
発明の開示
本発明は、半導体構成要素を基板に取り付けるように適合された新規の改良された装置を提供することで、上記した従来技術の欠点及び不都合を解消する。具体的には、この装置は、ハウジングと、そのハウジングに回動可能に取り付けられた第１の部材とを含む。第１のインターフェイスが、第１の部材とハウジングとの間に形成されている。この装置はまた、第１の部材内に配置された第２の部材を含む。第２の部材は、第１の部材から延出した第１の位置と、その第１の位置から引き戻されて収納された第２の位置との間で、第１の部材に対して軸方向に移動可能である。第２の部材はその端部に、第１の位置にある時に半導体構成要素に係合できる係合機構を有する。第２のインターフェイスが、第１の部材と第２の部材との間に形成されている。この装置はまた、第１のインターフェイス及び第２のインターフェイスのそれぞれに第１の空気軸受け及び第２の空気軸受けを形成するべく、第１のインターフェイス及び第２のインターフェイスに加圧空気を供給するための供給機構を備えている。第１の空気軸受けは、ハウジングに対して第１の部材が実質的に摩擦なく回動できるような大きさ及び形状を有しており、第２の空気軸受けは、第１の部材に対して第２の部材が実質的に摩擦なく直線運動できるような大きさ及び形状を有する。
【０００５】
本発明を実施するための最適な形態
本発明をより完全に理解できるように、添付の図面を参照しながら例示的な実施形態を用いて詳細に説明する。図１に、本発明に従って形成されたボンディングヘッド１２を備えたチップボンディング装置すなわちチップマウント装置１０（以降「ボンディング装置」と呼ぶことにする）が示されている。具体的には、ボンディング装置１０は、Ｘ軸方向移動可能なＸ軸テーブル１６及びＹ軸方向に移動可能なＹ軸テーブル１８を有するＸ‐Ｙテーブル組立体１４を含む。ボンディング装置１０はまた、Ｘ軸テーブル１６及びＹ軸テーブル１８の上方に位置する横断支持部材２０、並びにその横断支持部材２０をボンディング装置１０の上に支持するための垂直支持部材２２を含む。横断支持部材２０は、ボンディング装置１０の様々な構成部品を支持できる大きさ及び形状を有する。
【０００６】
主に図１及び図２を参照すると、ボンディング装置１０の横断支持部材２０に取り付けられたボンディングヘッド１２が、円筒状の開口を備えた外側ハウジング２４を備えている。ボンディングヘッド１２を横断支持部材２０に取り付けるために、アダプタープレート２６が外側ハウジング２４に取り付けられており、オープンフレーム２８が、以降に説明する目的のために外側ハウジング２４から延出している。ボンディングヘッド１２はまた、上部スラストプレート３０ａ及び下部スラストプレート３０ｂを含み、これらのプレート間に外側ハウジング２４が配置されている。上部スラストプレート３０ａは、空気供給ラインまたは通路３２ａ及び３２ｂを備え、下部スラストプレート３０ｂは、空気供給ラインまたは通路３２ｃ及び３２ｄを備えている。空気供給ライン３２ａ‐３２ｄは、詳細を後述するように、ボンディングヘッド内に空気軸受けを形成するために、空気ポンプなどの外部加圧空気源３４（図５を参照）に接続できる大きさ及び形状に形成されている。空気供給通路３６ａ及び３６ｂがまた、上部スラストプレート３０ａに形成されており、空気供給ライン３２ａ及び３２ｂからそれぞれ、上部スラストプレート３０ａと外側ハウジング２４との間に形成されたインターフェイス３８に加圧空気を供給するために下方に延びている。同様に、空気供給通路３６ｃ及び３６ｄが、下部スラストプレート３０ｂに形成されており、空気供給通路３２ｃ及び３２ｄからそれぞれ、下部スラストプレート３０ｂと外側ハウジング２４との間に形成されたインターフェイス４０に加圧空気を供給するために上方に延びている。空気供給通路４２ａ及び４２ｂがまた、上部スラストプレート３０ａに形成されており、それぞれ空気供給ライン３２ａ及び３２ｂに連通している。また空気供給通路４２ｃ及び４２ｄが下部スラストプレート３０ｂに形成されており、それぞれ空気供給ライン３２ｃ及び３２ｄに連通している。
【０００７】
主に図２を参照すると、円筒状のθハウジング４４が、外側ハウジング２４内に回動可能に取り付けられている。これにより、インターフェイス４５がθハウジング４４と外側ハウジング２４との間に形成されている。上端部４６及び下端部３８を有するθハウジング４４は、上部スラストプレート３０ａ及び下部スラストプレート３０ｂに、これらと共に回動するために取り付けられている。θハウジング４４は、上端部４６から下方に延びた複数の空気供給ラインまたは通路５０ａ及び５０ｂと、θハウジング４４を水平方向（すなわち、ボンディングヘッド１２の長手方向に軸に実質的に垂直な方向）に完全に貫通した複数の空気供給通路５２ａ及び５２ｂとを有する。同様に、空気供給ラインまたは通路５０ｃ及び５０ｄが、θハウジング４４の下端部４８から上方に延びており、空気供給通路５２ｃ及び５２ｄが、θハウジング４４を水平方向に完全に貫通している。θハウジング４４の空気供給ライン５０ａ‐５０ｄはそれぞれ、上部スラストプレート３０ａ及び下部スラストプレート３０ｂの空気供給通路４２ａ−４２ｄにそれぞれ連通している。また空気供給ライン５０ａ‐５０ｄはそれぞれ、θハウジング４４の空気供給通路５２ａ‐５２ｄにそれぞれ連通している。
【０００８】
図２及び図４を参照すると、円筒状スリーブまたはジャーナル５４が、θハウジング４４内に取り付けられている。これにより、スリーブ５４が、θハウジング４４、上部スラストプレート３０ａ、及び下部スラストプレート３０ｂと共に回動するように適合されている。多孔性グラファイト材料から形成されたスリーブ５４には、空気タンクとして機能するようにθハウジング４４の空気供給通路５２ａ‐５２ｄと連通した環状空間５６が形成されている。具体的には、この空間５６は、スリーブ５４の全周に亘って（すなわち、スリーブ５４の周りを完全に覆って）形成されており、スリーブ５４の実質的な部分に沿って軸方向すなわちＺ軸方向（すなわち、ボンディングヘッド１２の長手方向の軸に実質的に平行な方向）に延びている。軸方向に延びた開口５８がスリーブ５４に形成されている。開口５８は、後に説明する目的のために非円形（例えば長方形）の断面形状を有する（図４を参照）。
【０００９】
図２及び図４に示されているように、ボンディングヘッド１２はまた、Ｚハウジング６０を備えている。具体的には、Ｚハウジング６０は、スリーブ５４内にスライド可能に取り付けることができる大きさ及び形状を有する。より具体的には、Ｚハウジング６０は、スリーブ５４の開口５８の断面形状に一致する断面形状（図４を参照）を有するため、軸方向すなわちＺ軸方向に垂直方向には移動可能であるが、スリーブ５４従ってθハウジング４４に対しては回動できない。Ｚハウジング６０は、スリーブ５４内に実質的に位置する収納位置（図２を参照）と、スリーブ５４から下方に突き出た延出位置（図３を参照）との間で移動可能である。インターフェイス６１が、Ｚハウジング６０とスリーブ５４との間に形成されている。Ｚハウジング６０はまた、半導体チップをピックアップし、かつ／または係合するピックアップ器具６４に適合する大きさ及び形状の下端部６２を含む。
【００１０】
ここで図２及び図３を参照すると、サーボモータ機構６６が、θハウジング組立体（すなわち、θハウジング４４、上部及び下部スラストプレート３０ａ及び３０ｂ、及びスリーブ５４）従ってＺハウジング６０を回動させるためにボンディングヘッド１２に取り付けられている。具体的には、サーボモータ機構６６は、上部スラストプレート３０ａに取り付けられたサーボモータハウジング６８を含む。サーボモータ機構６６はまた、サーボモータハウジング６８に取り付けられたロータ７０と、そのロータ７０を回動させるためにボンディングヘッド１２のオープンフレーム２８に取り付けられたステータ７２とを含む。
【００１１】
Ｚハウジング移動機構７４が、収納位置と延出位置（図２及び図３を参照）の間で軸方向すなわちＺ軸方向にＺハウジング６０を移動させるために設けられている。移動機構７４は、Ｚハウジング６０の端部から延出したボールねじ７６を含む。ステップモータアクチュエータ７８が、ボールねじ７６を作動させるために設けられている。具体的には、アクチュエータ７８は、ボールねじ７６に係合するように適合されたボールナット８０と、そのボールナット８０をアクチュエータ７８に取り付けるためのボールナットアダプター８２とを備えている。上部可撓性モータ取り付けプレート８４ａ及び下部可撓性モータ取り付けプレート８４ｂが、アクチュエータ７８を正確に整合及び／または配置するために、そのアクチュエータ７８とサーボモータハウジング６８との間に配設されている。
【００１２】
動作する場合、加圧空気が、加圧空気源３４（図５を参照）から空気供給ライン３２ａ‐３２ｄのそれぞれを介して、上部スラストプレート３０ａの空気供給通路３６ａ及び３６ｂ、並びに下部スラストプレート３０ｂの空気供給通路３６ｃ及び３６ｄに供給される。これにより、空気軸受け８６ａ及び８６ｂ（図５を参照）が、上部スラストプレート３０ａと外側ハウジング２４との間のインターフェイス３８及び下部スラストプレート３０ｂと外側ハウジング２４との間のインターフェイス４０に形成される。加圧空気はまた、上部スラストプレート３０ａ及び下部スラストプレート３０ｂのそれぞれの空気供給ライン３２ａ‐３２ｄから、上部スラストプレート３０ａ及び下部スラストプレート３０ｂのそれぞれの空気供給通路４２ａ‐４２ｄ、及びθハウジング４４の空気供給ライン５０ａ‐５０ｄのそれぞれを介して、θハウジング４４の空気供給通路５２ａ‐５２ｄに供給される。加圧空気の一部が、空気供給通路５２ａ‐５２ｄから、θハウジング４４と外側ハウジング２４との間のインターフェイス４５に供給され、θハウジング４４と外側ハウジング２４との間のインターフェイス４５に空気軸受け８８（図５を参照）が形成される。空気軸受け８６ａ、８６ｂ、及び８８により、θハウジング組立体が、外側ハウジング２４に対して実質的に摩擦なく回動できるように適合されている。加圧空気の残りの部分が、空気供給通路５２ａ‐５２ｄからスリーブ５４の空間５６に供給される。スリーブ５４が多孔性グラファイト材料から形成されているため、加圧空気が、空間５６からスリーブ５４を介して、Ｚハウジング６０とそのスリーブ５４との間のインターフェイス６１に供給される。これにより、空気軸受け９０（図５を参照）が、スリーブ５４とＺハウジング６０との間にインターフェイス６１に形成され、Ｚハウジング６０がθハウジング組立体に対して実質的に摩擦なく軸方向すなわちＺ軸方向に沿って移動可能となる。
【００１３】
空気軸受け８６ａ、８６ｂ、８８、及び９０が形成された後、コンピュータによる自動か或いはオペレータによる手動により、サーボモータ機構６６及びＺハウジング移動機構７４が個別に選択的に作動して、θハウジング組立体の回動及びＺハウジング６０の軸方向の移動が制御される。具体的には、Ｘ‐Ｙテーブル組立体１４が、ワッフルパック９２（図１を参照）をボンディングヘッド１２の下側に配置したら、Ｚハウジング６０がＺ軸方向に下降して、ワッフルパック９２の１つから半導体チップ９４（図１を参照）をピックアップする。半導体チップ９４がピックアップされたら、Ｚハウジング６０が上昇して収納される。次いで、Ｘ‐Ｙテーブル組立体１４が、その上に載置されている基板９６（図１を参照）をボンディングヘッド１２の下側に配置する。θハウジング組立体が回動して、ボンディングヘッド１２によってピックアップされた半導体チップ９４の向きが基板９６に対して適切に整合される。次いで、Ｚハウジング６０がＺ軸方向に下降し、半導体チップ９４を基板９６上に配置及び／または取り付け、次いで上昇する。
【００１４】
本発明が、上記した従来の装置に様々な利点を提供することを理解されたい。例えば、空気軸受け８６ａ、８６ｂ、８８、９０により、精密かつ／または正確に半導体チップを基板に取り付けることができる。具体的には、θハウジング組立体のと外側ハウジング２４との間、及びθハウジング組立体とＺハウジング６０との間に機械的な結合が存在しないため、θハウジング組立体及びＺハウジング６０が常に一定に移動でき、これにより、精密かつ正確な半導体チップの基板への配置が容易になる。
【００１５】
本発明が、様々な変更形態及び変形形態を有し得ることを理解されたい。例えば、ボンディングヘッド１２は、フリップチップを基板にマウントするのに特に適しているが、あらゆるタイプの半導体チップと共に用いることもできる。更に、スリーブ５４を排除したり、他の機構（例えば、空気供給ラインまたは通路を有する非多孔性スリーブ）に替えることができる。上部スラストプレート３０ａ及び下部スラストプレート３０ｂを排除したり、他の機構に替えることができる。同様に、ボンディングヘッド１２の空気供給システムを様々な方法で変更して、加圧空気を、θハウジング組立体と外側ハウジング２４との間のインターフェイス（すなわち、インターフェイス３８、４０、４５）、及びＺハウジング６０とθハウジング組立体との間のインターフェイス６１に供給することができる。更に、サーボモータ機構６６及び／またはＺハウジング移動機構７４は、任意の類似の機構に替えることができる。ピックアップ器具６４はまた、任意の従来のピックアップ器具またはチャックの形態にすることもできる。
【００１６】
ここに記載した実施形態は単に例示目的であり、当業者であれば、本発明の概念及び範囲から逸脱することなく様々な変更形態及び変形形態が可能であることを理解できよう。上記した変更形態及び変形形態を含め、このような全ての変更形態及び変形形態が、添付の特許請求の範囲で規定される本発明の範囲内に含まれるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に従って形成されたボンディングヘッドを備えたチップボンディング装置の斜視図である。
【図２】ボンディングヘッドのＺハウジングが収納された位置にある、図１に示されているボンディングヘッドの断面図である。
【図３】ボンディングヘッドのＺハウジングが延出した位置にある、図２に類似の図である。
【図４】図１‐図３に示されているボンディングヘッドの底面図である。
【図５】動作を説明する、図１‐図４に示されているボンディングヘッドの概略図である。

Claims (23)

1. 半導体構成要素を基板に取り付けるための装置であって、
   ハウジングと、そのハウジングに回動可能に取り付けられた第１の部材と、その第１の部材に取り付けられた第２の部材と、加圧空気を供給するための供給手段とを含み、
   前記第１の部材及び前記ハウジングが、それらの間に第１のインターフェイスが形成されるように構成されており、
   前記第２の部材が、前記第１の部材から延出した第１の位置とその第１の位置から引き戻されて収納された第２の位置との間で、前記第１の部材に対して軸方向に移動可能であって、前記第１の位置にある時に半導体構成要素に係合するための係合手段をその端部に備えており、
   前記第１の部材及び前記第２の部材が、それらの間に第２のインターフェイスが形成されるように構成されており、
   前記供給手段が、前記第１のインターフェイス及び前記第２のインターフェイスのそれぞれに第１の空気軸受け及び第２の空気軸受けが形成されるように、前記第１のインターフェイス及び前記第２のインターフェイスに加圧空気を供給するように構成されており、
   前記第１の空気軸受けが、前記第１の部材が前記ハウジングに対して実質的に摩擦なしで回動できる大きさ及び形状を有しており、前記第２の空気軸受けが、前記第２の部材が前記第１の部材に対して実質的に摩擦なしで直線運動できる大きさ及び形状を有していることを特徴とする装置。
2. 前記供給手段が、前記第１の部材に形成された通路システムを含み、その通路システムが、前記第１のインターフェイス及び前記第２のインターフェイスに加圧空気を供給できるように、加圧空気源に接続可能であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記第２の部材が前記第１の部材と共に回動可能であるため、前記係合手段に係合した半導体構成要素の向きを、前記係合手段の下方に位置する基板に対して調節できることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記第１の部材が、前記ハウジング内に回動可能に取り付けられた回動部材と、前記ハウジングに対して前記回動部材と共に回動できるように前記回動部材内に配設されたスリーブ部材とを含み、前記第２の部材が前記スリーブ部材内に移動可能に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 前記第１の部材が、前記ハウジングに対して前記回動部材と共に回動できるようにその回動部材に取り付けられた上部プレート及び下部プレートを含み、前記上部プレートと前記下部プレートとの間に前記ハウジングが配設されていることを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 前記第１のインターフェイスが、前記上部プレートと前記ハウジングとの間に形成された第３のインターフェイスと、前記下部プレートと前記ハウジングとの間に形成された第４のインターフェイスとを含み、前記通路システムが、前記第３のインターフェイス及び前記第４のインターフェイスに加圧空気を供給するように構成されていることを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記第１のインターフェイスが更に、前記回動部材と前記ハウジングとの間に形成された第５のインターフェイスを含み、前記通路システムが、前記第５のインターフェイスに加圧空気を供給するように構成されていることを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 前記第２のインターフェイスが、前記スリーブ部材と前記第２の部材との間に形成されていることを特徴とする請求項７に記載の装置。
9. 前記回動部材及び前記スリーブ部材が、前記ハウジング内において前記上部プレートと前記下部プレートとの間に保持されていることを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. 前記通路システムが、前記スリーブ部材に供給された加圧空気を受け取るためにそのスリーブ部材に形成された環状空間を含み、前記スリーブ部材が、加圧空気が前記空間から前記第２のインターフェイスに通過できるように形成されていることを特徴とする請求項７に記載の装置。
11. 前記通路システムが更に、前記上部プレートに形成された、加圧空気源に接続できる形状及び大きさを有する第１の通路と、前記上部プレートに形成された第２の通路とを含み、その第２の通路が、前記第１の通路から前記第３のインターフェイスに加圧空気が供給されるように、前記第１の通路及び前記第３のインターフェイスに連通していることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 前記通路システムが更に、前記下部プレートに形成された、前記加圧空気源に接続できる形状及び大きさを有する第３の通路と、前記下部プレートに形成された第４の通路とを含み、その第４の通路が、前記第３の通路から前記第４のインターフェイスに加圧空気が供給されるように、前記第３の通路及び前記第４のインターフェイスに連通していることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
13. 前記通路システムが更に、前記上部プレートに形成された、前記第１の通路から加圧空気を受け取るためにその第１の通路に連通した第５の通路と、前記下部プレートに形成された、前記第３の通路から加圧空気を受け取るためにその第３の通路に連通した第６の通路とを含むことを特徴とする請求項１２に記載の装置。
14. 前記通路システムが更に、前記回動部材に形成された、前記第５の通路から加圧空気を受け取るためにその第５の通路に連通した第７の通路と、前記回動部材に形成された第８の通路とを含み、その第８の通路が、前記第５のインターフェイス及び前記空間に加圧空気を供給するように、前記第７の通路、前記第５のインターフェイス、及び前記空間に連通していることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
15. 前記通路システムが更に、前記回動部材に形成された、前記第６の通路から加圧空気を受け取るためにその記第６の通路に連通した第９の通路と、前記回動部材に形成された第１０の通路とを含み、その第１０の通路が、前記第５のインターフェイス及び前記空間に加圧空気を供給するように、前記第９の通路、前記第５のインターフェイス、及び前記空間に連通していることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
16. 独立して選択的に前記第１の部材を前記ハウジングに対して回動させるための回動手段を更に含むことを特徴とする請求項５に記載の装置。
17. 前記回動手段が、互いに協働して前記第１の部材を回動させるロータ及びステータを備えたモータを含むことを特徴とする請求項１６に記載の装置。
18. 前記回動手段が、前記上部プレートと共に回動するようにその上部プレートに取り付けられたモータハウジングを含み、そのモータハウジングに前記ロータが取り付けられていることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
19. 更に、前記第２の部材を前記第１の部材に対して前記軸方向に移動させるための移動手段を含むことを特徴とする請求項１８に記載の装置。
20. 前記移動手段が、前記第２の部材から延出したねじと、そのねじに係合するように前記モータハウジングに取り付けられたアクチュエータを含むことを特徴とする請求項１９に記載の装置。
21. 前記スリーブ部材と前記第２の部材との間に前記第２の空気軸受けが形成されるように、前記スリーブ部材が、その内部を加圧空気が通過できるように形成されていることを特徴とする請求項４に記載の装置。
22. 前記スリーブ部材が多孔性材料から形成されていることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
23. 前記多孔性材料が多孔性グラファイト材料を含むことを特徴とする請求項２２に記載の装置。