JP2007157970A - ボンディング方法及びボンディング装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ボンディング過程で接合不良を検出し接合不良を防止可能なボンディング方法を提供すること。
【解決手段】第1の部品10を第1の保持部12に保持する第1の工程と、第2の部品20を第2の保持部22に保持する第2の工程と、第1又は第2の保持部を駆動させて第1及び第2の部品の位置関係を変化させる第3の工程と、第1及び第2の部品が導電性部材26を介して接合される前に、導電性部材が非固化状態で、第1及び第2の部品の接触状態を接触状態検出部34によって検出する第4の工程とを有する。接触状態から電気的接続不良を検出でき、被接合部品間の傾斜を制御して接合精度不良の発生を防止する。
【選択図】図1

Description

本発明は、2つの被接合部品の接合を行うボンディング方法及びボンディング装置に関し、特に、2つの被接合部品を導電性部材を介して接合する際に、導電性部材が非固化の状態で2つの被接合部品の接触状態を検出することによって接合不良を検出することができるボンディング方法及びボンディング装置、並びに、検出された接触状態に基づいて2つの被接合部品の間の傾斜を求め、この傾斜を何れか一方の被接合部品の移動によって制御することによって、接合不良の発生を防止することが可能なボンディング方法及びボンディング装置に関する。
電子機器の小型化を実現するための高密度実装を可能とする技術として、フリップチップ方式による半導体チップ(以下、単にチップという。)の実装(以下、フリップチップボンディングという。)技術が普及している。フリップチップボンディングにより、チップを実装基板に精度よく実装するためには、チップの電極パッドと実装基板表面の配線パターンとを接続するバンプが均一な高さをもち、チップのフェース面及び実装基板表面が所定の平面度をもち互いに平行になっていることが要求される。このような要求が満たされない場合の対応策が報告されている(例えば、後記する特許文献1、特許文献2を参照。)。
特許文献1には、チップに対して、フリップチップボンディングに先立って電気的特性試験用基板によって加圧されバンプ電極の高さが揃えられかつ電気的特性試験がなされることの記載がある。
特許文献2には、チップを実装基板にフリップチップ接続する際に、実装基板に熱による反り等の変形が生じていても、チップのフェース面と実装基板表面との平行度を確保することが可能なボンディングツール及びそれを用いたチップのボンディング方法の記載がある。
特許文献2では、チップをフェースダウンに保持する吸着ヘッド部のヘッド面の傾斜を調整するヘッド面調整部を用いて、吸着ヘッド部に保持されたチップのフェース面が実装基板表面に平行になるようにした後、チップを実装基板にフリップチップ接続する。ヘッド面調整部は、以下で説明する圧力センサや間隔測定器による検出値に基づいて吸着ヘッド部のヘッド面の傾斜の調整を行い、この状態において、加熱及び加圧により、チップのバンプと実装基板表面の配線パターンとをフリップチップ接続している。
圧力センサを用いる場合、吸着ヘッド部に保持されたチップのフェース面と、実装基板表面とが平行になっていないと、チップのフェース面上のバンプが実装基板表面の配線パターンに不均一に接触するので、その際の圧力値のバラツキを複数個の圧力センサによって検出すると共に、圧力値のバラツキを是正して圧力値が均一になるように、ヘッド面調整部を用いて吸着ヘッド部のヘッド面の傾斜を調整する。
間隔測定器を用いる場合、チップのフェース面と、実装基板表面とが平行になっていないと、吸着ヘッド部に保持されたチップが実装基板に接近する際のチップのフェース面と実装基板面との間の近接した複数箇所の間隔にバラツキを生じるので、その際の複数箇所の間隔のバラツキを、レーザ変位計やCCD(電荷結合デバイス)カメラ等の間隔測定器によって検出し、検出された複数箇所の間隔のバラツキを是正してチップのフェース面と実装基板面との近接した間隔が全体に渡って均一になるように、ヘッド面調整部により、吸着ヘッド部のヘッド面の傾斜の調整を行う。
フリップチップボンディングによるチップと実装基板との接合の後、半田バンプを補強するために、チップと実装基板との間隙に補強用樹脂(以下、アンダーフィル材という。)を注入するが、実装基板の検査ランドへの配線と補強用樹脂のフィレット部とが接しているところから剥離が進展し、補強用樹脂の十分な補強が得られず半田にクラックが生じるという問題が知られている(例えば、後記する特許文献3を参照。)。
特許文献3には、上記の問題を解決するために、チップの検査に用いる検査ランドを、実装基板に形成したビア及び内層配線により、補強用樹脂のフィレット部をバイパスして、導体ランドに電気的に接続する半導体素子の実装構造が報告されている。
図14は、特許文献3に記載の従来技術におけるチップと基板の接合を説明する図である。
図14(A)は、フリップチップIC97をアルミナ積層基板91に実装する状態を示す断面図、及び、アルミナ積層基板91の平面図であり、図14(B)は、フリップチップIC97をアルミナ積層基板91に実装した後の状態を示す断面図及び平面図であり、図14(C)、(D)は、フリップチップボンディングの状態を説明する図である。
図14(A)示すように、アルミナ積層基板91には、ビア92と内層配線93による内層配線が形成されており、アルミナ積層基板91の表面にはビア92と接続された導体ランド94、検査ランド96が形成されている。ビア92と内層配線93は、アルミナ積層基板91に実装された種々の電子部品、例えば半導体素子、コンデンサ、抵抗などを電気的に接続すると共に、導体ランド94と検査ランド96を電気的に接続する。フリップチップIC97の電極には半田バンプ98が形成されており、半田バンプ98を導体ランド94と位置合せし、半田を溶融させてフリップチップIC97をアルミナ積層基板91に実装する。
この後、図14(B)示すように、フリップチップIC97とルミナ積層基板91の間に、補強用樹脂99を注入する。図14(B)示す実装構造では、検査ランド96を、その直下のビア92と内層配線93を介して導体ランド94に電気的に接続し、ビア92及び内層配線93により補強用樹脂99のフィレット部99Aをバイパスした配線構造となっている。従って、補強用樹脂99のフィレット部99Aは、検査ランド96への配線と接しなく、全て密度強度の高いアルミナと接することになるため、冷熱サイクル、湿気などのストレスに対し、補強用樹脂99の剥離を防止できる。
なお、後記する特許文献4には、半導体チップの電極数が多くても高い接合強度でフリップチップボンディングができるフリップチップボンディング装置の構成及び動作に関する詳細な記載がある。
特開平10−223687号公報(特許請求の範囲) 特開平11−297764号公報(段落0011、0016、0017) 特開平10−223801号公報(段落0011〜0016、図1、図2) 特開2001−345354号公報(段落0002〜0007、図9、図10)
以下の説明では、2つの被接合部品(チップと基板(インターポーザ基板やモジュール基板等)、又は、チップとチップ)が対向して導電性部材を介して電気的に接続される面を接合面と呼び、被接合部品がチップ、基板である場合それぞれ、チップの接合面、基板の接合面と呼ぶ。また、2つの被接合部品が接合されたものを接合品と呼ぶ。
2つの被接合部品を精度よく信頼性高く接合するためには、ボンディング装置では、2つの被接合部品の接合面を平行に保持することが要求される。従って、ボンディング装置では、2つの被接合部品の接合面の間の間隔、傾斜を制御して、所定数の接合すべき端子同士の位置合せを行い接続する必要がある。しかし、従来技術では、2つの被接合部品の接合面の平行度を確保するには、例えば、特許文献2に記載されるように非常に複雑な構成を必要とするという問題があった。
このため、接合面の間隔や傾斜を調整するためには、試験的にボンディングを行った後に、検査装置を用いて接合品のサンプル検査によって、接合品における2つの被接合部品の接合面の間の傾斜を測定した後、ボンディング装置を調整する必要があるため、時間や検査費用がかかるという問題がある。
接合品を量産する場合、ボンディング装置が安定に動作しないと、図14(C)、(D)に示すように、チップ97を保持するボンディングヘッド12を下降させた時、ボンディングヘッド12が傾いていた場合、チップ97は基板91に傾いて接続されてしまう。このように基板91の面とチップ97の面とが平行に接合されず、平行度が所定の許容範囲からはずれてしまうと、接合品の信頼性、歩留りの低下の原因となる。
従来技術では、接合品における2つの被接合部品の接合面の間隔と傾斜の状態を、ボンディング装置によって検出することができないため、装置の機械的に動作する部分の履歴によりボンディングヘッドに保持されたチップ面が傾斜してしまう場合等には、この傾斜を補正することができず、不良品を多量に作製してしまう危険性がある。
半田バンプ等の加熱により溶融可能な導電性部材によってボンディングを行う際、導電性部材の加熱温度が、導電性部材の種類に応じた適正な温度範囲でないと接合品の信頼性に問題を生じる。例えば、加熱温度が適正な温度範囲よりも低すぎると半田の溶融は不十分であり、加熱温度が適正な温度範囲よりも高すぎると半田の溶融は十分であるが、半田は酸化されてしまうため、接合部の電気抵抗は、半田の種類に応じた適正な溶融状態を保持した後に生成される電気抵抗の範囲から外れてしまう。半田の溶融状態が適正でない場合には、被接合部品の間隙に注入されたアンダーフィル材の硬化物に残存する水分等の影響によって、半田による接合部の劣化を招き易くなり信頼性が低下するという問題がある。半田の溶融状態が接合品毎に異なると歩留りが低下してしまう。アンダーフィル材の充填後に不良を生じてしまうと修理が不可能であり、不良品は廃棄しなければならず、低コスト化の障害となる。
本発明は、上述したような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、2つの被接合部品が導電性部材を介して接合する前に、導電性部材が非固化の状態で2つの被接合部品の接触状態を検出することによって接合不良を検出することが可能なボンディング方法及びボンディング装置、並びに、検出された接触状態に基づいて2つの被接合部品の傾斜を求め、この傾斜を何れか一方の被接合部品の移動によって制御することによって、接合不良の発生を防止することが可能なボンディング方法及びボンディング装置を提供することにある。
即ち、本発明は、第1の部品を第1の保持部に保持する第1の工程と、第2の部品を第2の保持部に保持する第2の工程と、前記第1の保持部又は前記第2の保持部を駆動させて前記第1の部品と前記第2の部品との位置関係を変化させる第3の工程と、前記第1の部品と前記第2の部品とを導電性部材を介して接合する前に、前記導電性部材の非固化状態で、前記第1の部品と前記第2の部品との接触状態を検出する第4の工程とを有する、ボンディング方法に係るものである。
また、本発明は、第1の部品を第1の保持部に保持する第1の工程と、第2の部品を第2の保持部に保持する第2の工程と、前記第1の保持部又は前記第2の保持部を駆動させて前記第1の部品と前記第2の部品との位置関係を変化させる第3の工程と、前記第1の部品と前記第2の部品とを導電性部材を介して接合する前に、前記導電性部材の非固化状態で、前記第1の部品と前記第2の部品との接触状態を検出する第4の工程と、前記第4の工程による検出情報に基づいて前記第1の部品と前記第2の部品との傾斜を求め、この傾斜を前記第1の保持部又は前記第2の保持部の駆動によって制御する第5の工程とを有する、ボンディング方法に係るものである。
また、本発明は、第1の部品を保持する第1の保持部と、第2の部品を保持する第2の保持部と、前記第1の保持部又は前記第2の保持部を駆動させて前記第1の部品と前記第2の部品との位置関係を変化させるための駆動部と、前記第1の部品と前記第2の部品とを導電性部材を介して接合する前に、前記導電性部材の非固化状態で、前記第1の部品と前記第2との接触状態を検出する接触状態検出部とを有する、ボンディング装置に係るものである。
また、本発明は、第1の部品を保持する第1の保持部と、第2の部品を保持する第2の保持部と、前記第1の保持部又は前記第2の保持部を駆動させて前記第1の部品と前記第2の部品との位置関係を変化させるための駆動部と、前記第1の部品と前記第2の部品とを導電性部材を介して接合する前に、前記導電性部材の非固化状態で、前記第1の部品と前記第2との接触状態を検出する接触状態検出部と、前記接触状態検出部による検出情報に基づいて前記第1の部品と前記第2の部品との傾斜を求め、この傾斜を前記駆動部によって制御する駆動制御部とを有する、ボンディング装置に係るものである。
本発明によれば、複数の被接合部品を導電性部材を介して接合する前に、導電性部材が非固化の状態で複数の被接合部品の接触状態を検出するので、この接触状態から電気的な接続不良をボンディング過程の早い時点で検出することができ、歩留りを向上させると共に、検査時間を短縮することができる。また、検出された接触状態に基づいて複数の被接合部品の傾斜を求め、この傾斜を何れか一方の被接合部品の移動によって制御して、被接合部品の接合面が略平行になるようにするので、接合精度不良の発生を防止し、歩留りを向上させると共に検査時間を短縮することができる。
本発明の第1のボンディング方法では、検出された前記接触状態が予め設定された許容範囲にあるか否かを判定する第5の工程を有するのがよい。これによって、被接合部品のボンディングの早い過程で不良品を検出することができ、検査に要する時間を短縮することができる。
また、前記第4の工程において、前記第1の部品と前記第2の部品との複数の測定端子間の前記接触状態を検出するのがよい。これによって、より正確に接触状態を把握することができる。
また、前記測定端子間の電流又は電気抵抗を検出するのがよい。これによって、単純な構成により、第1の部品と第2の部品との電気的な接続状態の良否を検出すると共に、第1の部品と第2の部品との3次元的な接触位置を検出することができ、第1の部品と第2の部品との間の傾斜を検出することが容易にできる。
また、前記測定端子間の電流又は電気抵抗を、前記第1の部品又は前記第2の部品に形成された前記測定端子に接続されたパッド端子に着脱可能なプローブを用いて検出するのがよい。これによって、第1の部品と第2の部品との接合が終了した時にプローブを取り外す操作と、新たな第1の部品と第2の部品との接合の開始に時に、プローブをセットする操作とを短時間で行うことができる。
本発明の第2のボンディング方法では、検出された前記接触状態が予め設定された許容範囲にあるか否かを判定する第6の工程を有するのがよい。また、前記第4の工程において、前記第1の部品と前記第2の部品との複数の測定端子間の前記接触状態を検出するのがよい。また、前記測定端子間の電流又は電気抵抗を検出するのがよい。また、前記測定端子間の電流又は電気抵抗を、前記第1の部品又は前記第2の部品に形成された前記測定端子に接続されたパッド端子に着脱可能なプローブを用いて検出するのがよい。これらによって、第1のボンディング方法と同様の作用効果を得ることができる。
また、前記第5の工程において、前記第1の部品の接合面と前記第2の部品の接合面とが略平行となるように、前記検出情報に基づいて前記第1の部品の接合面又は前記第2の部品の接合面の位置を補正するのがよい。これによって、ボンディング過程において、第1及び第2の部品の接合面を略平行とすることでき、接合精度を向上させ、第1及び第2の部品の接合品の信頼性を向上させ、歩留りを向上させると共に、検査に要する時間を短縮させることができる。
また、前記第1の部品の接合面と前記第2の部品の接合面とがなす角度を求める処理を行うのがよい。これによって、ボンディング時の装置の動作状況に関する定量的な情報を得ることができると共に、この角度情報を装置の駆動系に対する定量的なフィードバック情報として使用することができる。
本発明の第1のボンディング装置では、前記接触状態検出部は、検出された前記接触状態が予め設定された許容範囲にあるか否かを判定するのがよい。これによって、被接合部品のボンディングの早い過程で不良品を検出することができ、検査に要する時間を短縮することができる。
また、前記接触状態検出部は、前記第1の部品と前記第2の部品との複数の測定端子間の前記接続状態を検出するのがよい。また、前記複数の端子は、前記第1の部品と前記第2の部品との接合すべき部位を取囲むように配置されているのがよい。これによって、より正確に接触状態を把握することができる。
また、前記接合状態検出部は、前記測定端子間の電流又は電気抵抗を検出するのがよい。これによって、単純な構成により、第1の部品と第2の部品との電気的な接続状態の良否を検出すると共に、第1の部品と第2の部品との3次元的な接触位置を検出することができ、第1の部品と第2の部品との間の傾斜を検出することが容易にできる。
また、前記接合状態検出部は、前記第1の部品又は前記第2の部品に形成された前記測定端子に接続されたパッド端子に着脱可能なプローブを有するのがよい。これによって、第1の部品と第2の部品との接合が終了した時にプローブを取り外す操作と、新たな第1の部品と第2の部品との接合の開始に時に、プローブをセットする操作とを短時間で行うことができる。
また、前記接合状態検出部が前記第1の保持部又は前記第2の保持部に搭載されるのがよい。これによって、第1の部品又は第2の部品と接合状態検出部との間の配線距離を短縮することができ、装置全体をコンパクトにすることができる。
本発明の第2のボンディング装置では、前記接触状態検出部は、検出された前記接触状態が予め設定された許容範囲にあるか否かを判定するのがよい。また、触状態検出部は、前記第1の部品と前記第2の部品との複数の測定端子間の前記接続状態を検出するのがよい。また、前記複数の端子は、前記第1の部品と前記第2の部品との接合すべき部位を取囲むように配置されているのがよい。また、前記接合状態検出部は、前記測定端子間の電流又は電気抵抗を検出するのがよい。また、前記接合状態検出部は、前記第1の部品又は前記第2の部品に形成された前記測定端子に接続されたパッド端子に着脱可能なプローブを有するのがよい。また、前記接合状態検出部が前記第1の保持部又は前記第2の保持部に搭載されるのがよい。これらによって、第1のボンディング装置と同様の作用効果を得ることができる。
また、前記検出情報に基づいて前記第1の部品の接合面又は前記第2の部品の接合面の位置を補正して、前記第1の部品の接合面と前記第2の部品の接合面とが略平行となるように、前記駆動部を制御するのがよい。これによって、ボンディング過程において、第1及び第2の部品の接合面を略平行とすることでき、接合精度を向上させ、第1及び第2の部品の接合品の信頼性を向上させ、歩留りを向上させると共に、検査に要する時間を短縮させることができる。
また、前記第1の部品の接合面と前記第2の部品の接合面とがなす角度を求める処理を行う駆動補正処理部を有し、前記駆動補正処理部の出力に基づいて前記駆動部を制御するのがよい。これによって、ボンディング時の装置の動作状況に関する定量的な情報を得ることができると共に、この角度情報を装置の駆動系に対する定量的なフィードバック情報として使用することができる。
本発明では、チップとインターポーザ等の基板、又は、チップとチップの2つの被接合部品(A、Bとする)を電気的接続状態にするために、フェースダウン又はフェースアップに保持した一方の被接合部品を下降又は上昇させて他方の被接合部品に接合するボンディング装置に、電流計、電気抵抗計などの電気測定装置を組み合せる。被接合部品の角部又は辺部の面の数箇所に、非固化状態の導電性部材による被接合部品A、Bの触状態を検出するために対をなす検出端子を配置する。被接合部品Aの対をなす検出端子は導体線路により接続されており、接合部品Bの対をなす検出端子は導体線路により外部端子に接続されている。被接合部品A、Bの検出端子同士が接触した時に一つの電流経路となる配線が形成される。
本発明で、非固化状態とは、接合部材(例えば後記の17、26、27)が固化した固体の状態にない、接合部材(例えば後記の17、26、27)の一部が溶融した状態、接合部材が完全に溶融した状態を含むものとする。
被接合部品A、Bを非固化状態の導電性部材を介して接触させた時に、被合部品Bに配置された外部端子から、被接合部品A、Bに流れる電流又は電気抵抗を検出することで、例えば、被接合部品A、Bの接触部が電気的な接続状態が高抵抗である等の異常を、ボンディング過程で検出することにより、電気的接続の良否を即時に検出することができる。
また、被接合部品の接触部で電流を検出した時点での一方の被接合部品の保持部の押し込み高さ(下降量)(又は押し上げ量(上昇量))を検出することにより、2つの被接合部品の接合面の間の間隔を知ることができ、被接合部品の数箇所の検出端子のそれぞれにおいて電流が検出された時の一方の被接合部品の保持部の押し込み高さ(下降量)(又は押し上げ量((上昇量))の差分を計算することにより、2つの被接合部品の接合面の間の傾斜を検出できる。
例えば、4箇所の角部の何れかで電流を外部端子から検出したファーストコンタクト(第1接触点)における、一方の被接合部品の保持部の押し込み高さ(下降量)(又は押し上げ量((上昇量))から、全ての角部で電流を検出した時の一方の被接合部品の保持部の押し込み高さ(下降量)(又は押し上げ量((上昇量))を差し引くことにより、被接合部品A、Bの接続後の両者の間の傾斜を検出できる。この傾斜が所定の許容範囲にあるか否か、即ち、接合精度の良否をボンディング過程で即時に検出することができる。
このようにして検出された間隔、傾斜が異常値である場合には、検出された間隔、傾斜を、一方の被接合部品を押し込む(下降させる)(又は押し上げる((上昇させる))駆動系にフィードバックすることによって、被接合部品間の間隔、傾斜を補正することによって、大量の不良接合品の製造を防止することが可能となる。
本発明では、被接合部品のボンディングをしながら、不良を検出し装置の動作を補正するため、不良品の製造を回避でき、更に、良品のスペックばらつきを低減でき、早い時点で不良を検出し接合品の量産後に不良品に関しては検査をする必要が無くなるため、検査コストを低減でき、装置補正値のログを保存することで装置動作状態の管理が可能であり、メンテナンス時期を把握できる等の効果を得ることができる。
以下、ボンディングによって接合する2つの被接合部品としてチップと基板を例にとって、本発明によるボンディング方法及びボンディング装置について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、チップとチップを接合する場合には、以下の説明で基板をチップと読み替えればよい。
チップ及び基板の接合面が理想的な平面度をもち平面度公差がゼロ、パッドの高さが一定であり、チップと基板は、機械的変形、熱変形を生じないという仮定が成立する場合には、チップの接合面の傾斜はこの接合面上の3点によって決定することができる。しかし、実際にはチップ及び基板の接合面の平面度公差はゼロではない。
以下の説明では、被接合部品であるチップ、基板の接合面はそれぞれ所定の許容範囲の平面度公差をもち、被接合部品を接続するバンプ(導電性部材)の高さは所定の許容範囲で一定であり、チップと基板は機械的変形、熱変形を生じないものと仮定(図2(A)を参照。)し、チップ、基板の接合面にそれぞれ配置される4箇所の検査点(後述する)は略同一平面にあると仮定する。
第1の実施の形態
図1は、本発明の第1の実施の形態における、チップ10をフェースダウンに保持して、チップ10と基板20との接合を行うボンディング装置の主要部の概略構成を説明する図である。
図1において、チップ10、ボンディングヘッド12、ボンディングヘッド保持部14、基板20、基板ホルダ22、基台24はA−A部の断面により示す。図1の下部に基板20の接合面の平面図を示す。
図2は、チップ10と基板20の構造を説明する図である。
図2(B)はチップ10の接合面の平面図、A−A部の断面図、図2(C)は基板20の接合面の平面図、A−A部の断面図、図2(D)はチップ10と基板2が接合された接合品のA−A部の断面図をそれぞれ示す。
図1において、基板20を水平に保持する基板ホルダ22は基台24に保持され、チップ10はフェースダウンにボンディングヘッド12に例えば吸引によって保持される。ボンディングヘッド12は、ボンディングヘッド駆動部16に機械的に結合されるボンディングヘッド保持部14により保持される。
ボンディングヘッド駆動部16は、ボンディングヘッド駆動制御部18によって制御される。ボンディングヘッド駆動部16は、ボンディングヘッド12をx、y、z方向の各方向で移動させるためのx、y、z方向駆動部、ボンディングヘッド駆動部と連動して動作するマグネスケールやレーザ等を用いて、x、y、z方向の各方向でのチップ10の位置を検出する距離測定器を含み、(x、y、z)空間におけるチップ10の接合面の傾斜を変更するチップ面傾斜駆動部等を含んでいてもよい。
チップの大きさは、例えば、7mm×7mm、基板の大きさは、例えば、10mm×10mmである。基板はインターポーザ基板やモジュール基板等であり、基板の代わりにチップとしてもよい。チップ、基板の形状は特に限定されず任意の形状でよく、正方形、長方形、円形、楕円形でもよい。
なお、フリップチップボンディングの装置構成、動作手順はについては特許文献4に記載されているので、装置全体の構成、動作についての詳細な説明を以下では省略する。
なお、ボンディングヘッド駆動部16を設けずに、ボンディングヘッド12を固定した構成としてチップ10の接合面を水平に保持する構成として、基板ホルダ22と基台24との間に、基板ホルダ駆動部(基板ホルダ22をx、y、z方向で移動させるためのx、y、z方向駆動部、基板ホルダ駆動部と連動して動作するマグネスケールやレーザ等を用いて、x、y、z方向の各方向での基板20の位置を検出する距離測定器を含み、(x、y、z)空間における基板20の接合面の傾斜を変更する基板面傾斜駆動部を含んでもよい)を設ける構成としてもよい。
ここで、図1、図2に示す、チップ10のチップ接合領域15及び基板20の基板接合領域25において、本来、チップ10と基板20とが接合されるものとする。即ち、チップ10のチップ接合領域15に配置されるチップ接合部材17と、基板20の基板接合領域25に配置される基板接合部材27とが接続されるものとする。チップ接合部材17、基板接合部材27は、例えば半田バンプである。半田バンプ以外に、金バンプ、導電性接着剤材からなるバンプを使用することもできる。
ボンディングヘッド12及び基板ホルダ22はそれぞれ図示しないヒータによって、チップ10と基板20が加熱されており、チップ10と基板20を接続する接合部材17、26、27(例えば、半田バンプ)の種類に応じて適正に溶融する温度範囲に加熱されている。
チップ10と基板20との接続状態を検出するための検出用接合部材26が、チップ10及び基板20の4箇所の角部で対をなす電極端子(パッド)(図示せず)にそれぞれ配置されている。検出用接合部材26は、例えば半田バンプである。基板20に配置される検出用接合部材(測定端子)26は基板接合領域25の外側に配置され、検出用端子32に内部配線33によって接続されている。チップ接合領域15の外側に配置された検出用接合部材26は内部配線13によって接続されている。
4箇所の角部の配置された検出用端子32に着脱可能にそれぞれセットされたプローブ30が接続される接触状態検出部34によって、チップ10と基板20とが検出用接合部材26(導電性部材)を介して接合する前に、検出用接合部材26が非固化状態で、チップ10と基板20との接触状態が、検出される。
触状態検出部34は、チップ10及び基板20に配置されている検査用接合部材26の接触状態、即ち、チップ10と基板20の電気的な接続状態を検出すると共に、ボンディングヘッド駆動部16のx、y、z方向駆動部、x、y、z方向の各方向でのチップ10の位置を検出する距離測定器と連携して、チップ10及び基板20に配置されている検査用接合部材26が接触するz方向における位置を検出する。
以下の説明では、検査用接合部材26が対をなして配置される箇所を指し示し、チップ10、基板20のそれぞれにおいて対をなし配置される検査用接合部材26の中心を結ぶ中点を検査点と呼ぶ。図2(B)に示すQ1、Q2、Q3、Q4はそれぞれチップ10の4箇所の角部に配置された2つの検査用接合部材26の中心を結ぶ線分の中点、及び、図2(C)に示すP1、P2、P3、P4はそれぞれ基板20の4箇所の角部に配置された2つの検査用接合部材26の中心を結ぶ線分の中点が、検査点である。先述のように、検査点Q1、Q2、Q3、Q4は略同一平面にあり、検査点P1、P2、P3、P4は略同一平面にあると仮定する。
なお、検査用接合部材26及びこれに繋がる内部配線13、33は、チップ接合領域15、基板接合領域25に既に形成されている電極端子に配置された導電性部材及びこれに繋がる内部配線を用いることもできる。
また、チップ10を保持するボンディングヘッド12が下降した時に、ボンディングヘッド12が、検査用端子部材26に接続される検出用端子32にプローブ30が着脱可能にセットされるのを妨害しないことは言うまでもない。
チップ10をボンディングヘッド12に吸引によって保持し、基板20を基板ホルダ22に吸引によって保持した後、ボンディングヘッド駆動部16のx、y方向駆動部によって、x、y方向でのチップ10と基板の接合面の位置合わせが行われ初期設定され、4箇所の各検査点のx、y方向での座標の位置が定まる。次に、ボンディングヘッド12が、ボンディングヘッド駆動部16のz方向駆動部によって、下降される。
ボンディングヘッド12が下降していく時、チップ10と基板20とが検査用接合部材26を介して接合する前に、検査用接合部材26が非固化状態において、チップ10及び基板20の検査用接合部材26接触状態、即ち、チップ10と基板20との接触状態を検出する。ボンディングヘッド12が下降していく時、チップ10と基板20との間の検出用接合部材26は予備加熱下の非固化状態で、4箇所の角部の何れかの検査点での最初の接触点(第1接触点)で接触して、検出用端子32に電流が流れた時点(電気抵抗検出の場合には有限な電気抵抗が検出された時点)を検出時点として、この時のボンディングヘッド12の初期設定位置からの移動距離に基づいて、第1接触点のz座標の位置が求められる。
更に、ボンディングヘッド12が下降していくと、チップ10と基板20との間の検出用接合部材26はパルス加熱下の非固化状態で、一般的には、他の検査点での第2、3、4回目の第2、3、4接触点で順次接触して、検出用端子32に電流が流れた時点(電気抵抗検出の場合には有限な電気抵抗が検出された時点)を検出時点として、この時のボンディングヘッド12の初期設定位置又は前回の接触点からの移動距離に基づいて、第2、3、4接触点のz座標の位置がそれぞれ求められる。
図3は、加熱及び加圧による、チップ10と基板20との接触、接合の状態を説明するA−A部(図1)の断面図である。
図3(A)は、チップ10と基板20の接合面が略平行の状態で接合した正常な接合状態を示し、図3(B)は、チップ10と基板20とが図の左側の第1接触点で接触し、チップ10の接合面が基板20の接合面に対してx方向で傾斜している状態を示し、図3(C)は、図3(B)の状態からチップ10を更に下降させた後、チップ10と基板20の接合面がx方向で傾斜した状態で接合された異常な接合状態を示している。本発明は、図3(B)、(C)に示す異常な接触、接合状態とならずに、図3(A)に示す正常な接合状態を得るためのものである。
図4は、チップ10と基板20の構造の他の例を説明する図である。
図4(A)は、チップ10における検査用接続部材26の配置の他の例を示す接合面の平面図、図4(B)は、基板20における検査用接続部材26、検査用端子32の他の例を示す接合面の平面図、図4(C)は、被接合部品(チップ、基板)の組合せの例、図4(D)は、被接合部品の接合領域の接合部材、検査用接合部材の構成の組合せの例を示す断面図をそれぞれ示す。
図4(A)、(B)に示すように、対をなす検査用接合部材26を、チップ10、基板20の辺部に配置してもよい。この時、検査用接合部材26は、チップ接合領域15、基板接合領域25の外側に配置することは言うまでもない。基板に配置する検査用端子32は、検査用接合部材26に近接して基板接合領域25の外側に配置する。
図4(C)に示すように、上部側に配置される被接合部品(上部部品)と下部側に配置される被接合部品(下部部品)との組合せとして、(1)チップとチップ、(2)基板とチップが可能である。
図4(D)に示すように、被接合部品の接合領域の接合部材、検査用接合部材の構成の組合せとして、(1)上部及び下部部品に形成されたパッド(電極端子)35に接合部材として、例えば半田バンプ36を配置する構成、(2)上部部品に形成されたパッド(電極端子)35に接合部材として、例えば半田バンプ36を配置し、下部部品にパッド35を形成する構成、(3)上部部品にパッド35を形成し、下上部部品に形成されたパッド(電極端子)35に接合部材として、例えば半田バンプ36を配置する構成が可能である。
図5は、チップ10と基板20の接合の手順を説明する流れ図である。
以下、各工程(Si)を説明する。
S1:チップ10をボンディングヘッド12に、基板20を基板ホルダ22にセットし、チップ10と基板20をx、y方向で位置合わせして初期セッティングを行う。
S2:基板20の検査用端子32にプルーブ30をセッティングする。
S3:チップ10、基板20の予備加熱を開始する。
S4:ボンディングヘッド12を下降させチップ10の下降を開始する。
S5:検査点における検出用端子32での電流又は電気抵抗の検出により、検査用接合部材26が非固化状態での最初の接触点である第1接触点を検出する。
S6:初期セッティングのチップ10の位置からのボンディングヘッド12の移動距離d1を検出する。
S7:チップ10と基板20のパルス加熱を開始する。
S8:検査用接合部材26が溶融した状態における、第1接触点の数Ncを検出する。これは、S5での最初の接触点の数である。
S9:チップ10と基板20の接合面がx及びy方向で傾斜している場合であり、
c=1の場合の手順である。
S10:チップ10と基板20の接合面がx又はy方向で傾斜している場合であり、
c=2の場合の手順である。
S11:チップ10と基板20の接合面が平行である場合であり、Nc=4の場合の手順である。
S20:検査点における検出用端子32での電流又は電気抵抗の検出により、検査用接合部材26が溶融した状態における2回目の接触点である第2接触点を検出する。
S21:第1接触点からのボンディングヘッド12の移動距離d2を検出する。
S22:検査点における検出用端子32での電流又は電気抵抗の検出により、検査用接合部材26が溶融した状態における3回目の接触点である第3接触点を検出する。
S23:第2接触点からのボンディングヘッド12の移動距離d3を検出する。
S24:検査点における検出用端子32での電流又は電気抵抗の検出により、検査用接合部材26が溶融した状態における4回目の接触点である第4接触点を検出する。
S25:第3接触点からのボンディングヘッド12の移動距離d4を検出する。
S30:検査点における検出用端子32での電流又は電気抵抗の検出により、検査用接合部材26が溶融した状態における2回目の接触点である第2接触点を検出する。
S31:第1接触点からのボンディングヘッド12の移動距離d2を検出する。
S40:ボンディングヘッド12をΔd(例えば、10μm)だけ下降させる。
なお、S4からS40の終了までボンディングヘッド12の下降は所定の速度で行い、チップ10と基板20との接続状態は実時間(リアルタイム)でモニタされている。
S41:チップ10の接合面の基板20の接合面に対する傾斜が所定の許容範囲にあるか否かを判定し、この判定が、yesの場合は接合良品であると判定しS44へ、noの場合は接合不良品であると判定しS42へ移る。
S42:チップ10の接合面の基板20の接合面に対する傾斜の補正において、チップ10及び基板20の接合面が略平行となる操作を行うか否かの分岐選択を行い、傾斜の補正を行う場合はS43へ移行し、傾斜の補正を行わない場合はS44へ移行する。
S43:後述する第2の実施の形態による処理を行う。
S44:チップ10及び基板20のパルス加熱を停止する。
S45:所定の温度以下に冷却したチップ10及び基板20を収納室に収納する。この時、接合良品は良品収納室に、接合不良品は不良品収納室に収納する。
図6は、チップ10と基板20の各接合面の位置関係と接合過程を説明する図であり、基板20の接合面がxy面にある。
図6(A)は、チップ10と基板20の接合面を重畳させた図であり、チップ10と基板20の接合面の位置関係を示す平面図、及び、チップ10と基板20のセッティング位置の座標を示す。
図6(B)は、チップ10の接合面が基板の20の接合面に対して傾斜がなくxy面に平行である場合(Nc=4の場合)、図6(C)は、チップ10の接合面が基板の20の接合面に対してx又はy方向に傾斜している場合(x方向に傾斜する場合を図示)(Nc=2の場合)、図6(D)は、チップ10の接合面が基板の20の接合面に対してx及びy方向に傾斜している場合(Nc=1の場合)についてそれぞれ、チップ10と基板20の接合過程を示す図である。
図6(A)に示すように、チップ10と基板20の接合面に配置された接合部材16、26、27は同一面に投影した時それぞれ重なるようにx及びy方向で位置合わせされている。図6(A)に示す例では、基板20の接合面は水平に保持され、チップ10の接合面は基板20の接合面から、第1から第4検査点でそれぞれD1、D2、D3、D4だけ離れた位置に保持され初期セッティングされている。
初期セッティングされた基板20、チップ10の検査点P1、P2、P3、P4、及び、Q1、Q2、Q3、Q4の座標位置は図6(A)に示すとおりである。基板20の接合面は水平に固定され初期セッティングされ、チップ10は初期セッティングされた位置から平行に変形することなく下降移動するものとし、チップ10の4つの検査点は略同一平面にあると仮定する。お、d1>0、d2>0、d3>0、d4>0、0<D1<D2<D3<D4、Lx>0、Ly>0である。
チップ10の接合面を初期セッティングの位置からd1だけ下降させ時に生じる第1回目の接触による第1接触点のz軸の値をゼロとする座標系の平行移動を行ってもよいので、D1=d1=0としてもよく、チップ10の第1から第4の検査点Q1、Q2、Q3、Q4が同一平面上にあると仮定すると、d2=d4、D4=D2+D3である。
図6に示す例では、第1から第4検査点におけるチップ10と基板20の接合面の間のz方向での距離はそれぞれ、D1、D2、D3、D4であるが、例えば、それぞれD2、D3、D4、D1であってもよく、第1から第4検査点におけるチップ10と基板20の接合面の間のz方向での距離とD1、D2、D3、D4との対応付けは任意である。
なお、図6では、検査点がチップ10、基板20の4つ角部に配置されているが、図4に示すように4つの辺部に配置されていてもよい。
先述のように、チップ、基板の接合面に配置される4箇所検査点は略同一平面にあると仮定しているので、チップの接合面の基板の接合面に対する傾斜の状態は図6(B)、(C)、(D)に示す3通りとなる。
チップ10及び基板20の接合面が平行である場合には、図6(B)に示すように、チップ10の接合面をd1を下降させ時に生じる第1回目の接触による第1接触点は第1から第4の検査点で同時に生じる。第1回目の接触の後、Δd(例えば、10μm)だけチップ10の接合面を下降させ、チップ10と基板20との電気的な接触面積を大きくするために、接合部材17、26、27を押し潰す操作を行う。
チップ10及び基板20の接合面がx又はy方向に傾斜している場合(x方向に傾斜する場合を図6(C)に図示している。)場合には、図6(C)に示すように、チップ10の接合面をd1だけ下降させ時に生じる第1回目の接触による第1接触点は、第1、第2検査点で同時に生じ、チップ10の接合面を更にd2だけ下降させる時に生じる第2回目の接触による第2接触点は、第3、第4検査点で同時に生じる。第2回目の接触の後、Δd(例えば、10μm)だけチップ10の接合面を下降させ、チップ10と基板20との電気的な接触面積を大きくするために、接合部材17、26、27を押し潰す操作を行う。
チップ10の接合面が基板20の接合面から、第1から第4検査点でそれぞれD1、D2、D3、D4だけ離れた位置に保持され初期セッティングされている場合には、図6(D)に示すように、チップ10の接合面をd1だけ下降させ時に生じる第1回目の接触による第1接触点は、第1検査点のみで生じ、チップ10の接合面を更にd2だけ下降させる時に生じる第2回目の接触による第2接触点は第2検査点のみで生じ、チップ10の接合面を更にd3だけ下降させる時に生じる第3回目の接触による第3接触点は第3検査点のみで生じ、チップ10の接合面を更にd4だけ下降させる時に生じる第4回目の接触による第4接触点は第4検査点のみで生じる。第4回目の接触の後、Δd(例えば、10μm)だけチップ10の接合面を下降させ、チップ10と基板20との電気的な接触面積を大きくするために、接合部材17、26、27を押し潰す操作を行う。
図6、後述する図7及び図8において、白丸はチップ10及び基板20が導電性部材である検査用接合部材(バンプ)26を介して接触する接触点を示し、黒丸はバンプ26が潰れている接触点を示し、×印は非接触点を示している。
第1から第4接触点のx、y方向での位置は既知であり、z方向での各接触点の位置は検出されるので、第4回目の接触の後における第1から第4接触点の(x、y、z)座標におけるz軸の値を求めることができるので、これらのz軸の値を用いて、4箇所の全ての検査点でチップ10と基板20が接触した状態における、各接触点の(x、y、z)座標値を知ることができる。
図7は、チップ10と基板20の接合において第1接触点が2点である場合、チップ10、基板20の検出用接合部材26の状態を説明する図である。
図7において、チップ10、ボンディングヘッド12、ボンディングヘッド保持部14、基板20、基板ホルダ22、基台24は、図1に示すA−A部の断面により示す。
図7(A)は検出用接合部材26が第1接触点P1、P2で接触して、プルーブ30により電流又は電気抵抗が検出され、接触点P3、P4で非接触であり、プルーブ30により電流又は電気抵抗が検出されない状態を示し、図7(B)は検出用接合部材26が第1接触点P1、P2、及び第2接触点P3、P4で接触している状態であり、第1及び第2接触点において、プルーブ30により電流又は電気抵抗が検出される状態を示す。図7(B)の状態の時の、チップ10の接合面の基板20の接合面に対する傾斜θはtan-1(d2/Lx)である(図7(C))。
図8は、チップ10と基板20の接合において第1接触点が1点である場合の、チップ10と基板20の各接合面の位置関係と接合過程、チップ10、基板20の検出用接合部材26の状態を説明する図である。
図8(A)は、チップ10と基板20の初期セッティング位置を示す斜視図であり、図8(B)、(C)、(D)、(E)はそれぞれ、チップ10がd1、d2、d3、d4だけ下降したチップ10の接合面の位置51、52、53、54でチップ10及び基板20に配置された検出用接合部材26が接触する、第1から第4接触点の状態を示す斜視図であり、(F)は検査用接合部材26の接触点とバンプ(検出用接合部材26)の状態を示す図である。
図8(A)において、基板20の接合面は水平に固定され初期セッティングされており、実際にセッティングされるチップ10の接合面の位置45は、基板20の接合面に対してチップ1の接合面が傾斜していない点線で示した位置、即ち、チップ10の接合面が基板20の接合面に対して傾斜がない場合の位置40とは、一般的に異なる。位置40、45におけるチップ10の基板20への垂直投影面50は一致する。
図8(B)、(C)、(D)、(E)は、チップ10が変形せずに初期セッティングされた位置45から平行に下降移動した状態を示す。図8(B)、(C)、(D)、(E)に示すように、第1から第4接触点において順次、チップ10及び基板20に配置された検出用接合部材26は接触し、この接触点における電流又は電気抵抗が検出され、チップ10と基板20との検出用部材(非固化状態にある。)26による接続状態が検出されると共に、検出用接合部材26はチップ10と基板20との間で潰されていく。図8(F)において、白丸で示す接触点ではチップ10、基板20の検出用接合部材26(バンプ)は接触した状態でほとんど潰れていない。
本実施の形態では、チップとチップ、又は、チップと基板の2つの被接合部品のボンディングにおいて、2つの被接合部品の接続を検出するため2つの被接合部品の少なくとも一方に配置した非固化状態にある導電性の検査用接合部材を介して2つの被接合部品が接触した状態で、一方の被接合部品の接合面の他方の被接合部品の接合面に対する傾斜を検出(接合品における2つの被接合部品の接合面の平行度の検出)をしながら、接合品を量産した後に、傾斜が所定の許容範囲にある良品について、接合品における被接合部品の間の電気的な接続状態及び接合品の電気的特性検査を行う。量産時には、傾斜が所定の許容範囲にある接合精度良品は良品収納室に、傾斜が所定の許容範囲外にある接合精度不良品は不良品収納室にそれぞれ収納する。
傾斜が所定の許容範囲外にある接合精度不良品に関しては、検査やアンダーフィル材充填等の後工程は実行しない。本実施の形態では、早い時点で不良品を検出して歩留りを向上させ、量産された接合品の検査完了までに要する時間を大幅に短縮することができる。
図9は、本実施の形態の変形例の装置主要部の概略構成を説明する図である。
図9(A)は、図1において、結合状態検出部34を基板ホルダ22に搭載した構成を示す断面図、図9(B)は、図1において、基板20、基板ホルダ22をそれぞれ、チップ11、チップホルダ19(チップ11を水平に保持する。)に置換えて、結合状態検出部34をチップホルダ19に搭載した構成を示す断面図、図9(C)は、図9(B)において、結合状態検出部34をボンディングヘッド12に搭載した構成を示す断面図である。
図9において、チップ10、ボンディングヘッド12、ボンディングヘッド保持部14、基板20、基板ホルダ22、基台24、チップ11、チップホルダ19は、図1に示すA−A部の断面により示す。
図9に示す構成では、図1に関して説明したように、ボンディングヘッド12をx、y、z方向の各方向で移動させるためのx、y、z方向駆動部、ボンディングヘッド駆動部と連動して動作するマグネスケールやレーザ等を用いて、x、y、z方向の各方向でのチップ10の位置を検出する距離測定器を含み(更に、(x、y、z)空間におけるチップ10の接合面の傾斜を変更するチップ面傾斜駆動部を含んでもよい。)、ボンディングヘッド駆動部16によって、チップ10の移動(更に、チップ10の傾斜を行ってもよい。)を行う。
なお、図9(A)の構成において、ボンディングヘッド駆動部16を設けずに、ボンディングヘッド12を固定した構造としてチップ10の接合面を水平に保持する構成として、基板ホルダ22と基台24との間に、基板ホルダ駆動部(基板ホルダ22をx、y、z方向の各方向で移動させるためのx、y、z方向駆動部、基板ホルダ駆動部と連動して動作するマグネスケールやレーザ等を用いて、x、y、z方向の各方向での基板20の位置を検出する距離測定器を含む。(更に、(x、y、z)空間における基板20の接合面の傾斜を変更する基板面傾斜駆動部を含んでもよい。)を設ける構成として、基板20を移動させて基板20とチップ10との接合の過程を検出する構成としてもよいことは言うまでもない。
また、同様に、図9(B)、(C)の構成において、図1に示したボンディングヘッド駆動部16を設けずに、ボンディングヘッド12を固定した構造としてチップ10の接合面を水平に保持する構成として、チップ11を保持するチップホルダ19と基台24との間に、チップホルダ駆動部(チップ11をx、y、z方向の各方向で移動させるためのx、y、z方向駆動部、チップホルダ駆動部と連動して動作するマグネスケールやレーザ等を用いて、x、y、z方向の各方向でのチップ11の位置を検出する距離測定器を含む。(更に、(x、y、z)空間におけるチップ11の接合面の傾斜を変更するチップ面傾斜駆動部を含んでもよい。)を設ける構成として、チップ11を移動させてチップ11とチップ10との接合の過程を検出する構成としてもよいことは言うまでもない。
第2の実施の形態
図10は、本発明の第2の実施の形態における、ボンディング装置の主要部の概略構成を説明する図である。
図10において、チップ10、ボンディングヘッド12、ボンディングヘッド保持部14、基板20、基板ホルダ22、基台24はA−A部の断面により示す。
第2の実施の形態の構成は、図1から図9で説明した第1の実施の形態の構成にボンディングヘッド駆動補正処理部38を付加するものである。
図10に示すボンディングヘッド駆動部16は、ボンディングヘッド12をx、y、z方向の各方向で移動させるためのx、y、z方向駆動部、ボンディングヘッド駆動部と連動して動作するマグネスケールやレーザ等を用いて、x、y、z方向の各方向でのチップ10の位置を検出する距離測定器、及び、(x、y、z)空間におけるチップ10の接合面の傾斜を変更するチップ面傾斜駆動部等を含む構成とする。
ボンディングヘッド駆動補正処理部38は、接合状態検出部34による検出結果に基づいて、現在のチップ10の接合面の基板20の接合面に対する傾斜の補正を行うには、チップ10及び基板20の接合面が略平行となるように、チップ10の接合面を基板20の接合面に対して傾斜させる角度を求める処理を行う。ボンディングヘッド駆動補正処理部38の出力に基づいて、ボンディングヘッド駆動制御部18は動作して、ボンディングヘッド駆動部16のチップ面傾斜駆動部を駆動させる。
第1の実施の形態で説明したように第1から第4の接触点の位置が検出されるので、第1から第4の接触点によって規定される平面と、水平に初期セッティングされる基板20の接合面とのなす角度(傾斜角度)は、算出することができる。基板毎にその接合面の検査点の(x、y、z)座標が図6に示すように設定されるので、基板20の接合面を基準とした、チップ10の接合面の傾斜を検出することができる。
チップ面傾斜駆動部によって現在設定されているチップ10の接合面の傾斜角度を、今回検出された傾斜角度に基づいて補正して、次に新しくセットされるチップと基板との接合を行う。チップ及び基板の平面度、平行度、バンプ高さのバラツキが小さい場合には、次に新しくセットされるチップと基板との接合を行う際に、上記の傾斜角度の補正を行うことなくチップ及び基板の接合面を略平行として接合することができる。従って、この場合は歩留りが向上する。
なお、接合状態検出部34による検出結果に基づいて、現在のチップ10の接合面の基板20の接合面に対する傾斜の補正を行う上で、チップ10及び基板20の接合面が略平行となるようにするには、チップ面傾斜駆動部を使用しない構成も可能である。例えば、チップ10をボンディングヘッド12に保持する構成に、4つの検査点におけるz方向のチップ10の位置を変更する構成を付加して行ってもよい。また、基板ホルダ22の構成に、4つの検査点におけるz方向の基板20の位置を変更する構成を付加して行ってもよい。このような構成によりチップ10及び基板20の接合面を平行とすることができる。
図7に示される傾斜を補正する場合、即ち、x又はy方向にチップ10の接合面が傾斜している場合には、チップ10の第1接触点をその位置に保持して、チップ10の第2接触点をd2だけ下方に移動させる、又は、基板20の第1接触点をその位置に保持して、基板20の第2接触点をdだけ上方に移動させると、第1、2接触点でのバンプの潰し量はd2となり、チップ10及び基板20の接合面は平行となる。
図8に示される傾斜を補正する場合、即ち、チップ10が、d1、d2、d3、d4だけ初期セッティング位置から下降して、チップ10の接合面と基板20の接合面との第1、2、3、4回目の接触がそれぞれ各1個所の位置、第1、2、3、4接触点においてそれぞれ生じた場合には、チップ10の第1接触点をその位置に保持して(d1=0として)、チップ10の第2、3、4接触点をそれぞれd2、d2+d3、2d2+d3だけ下方に移動させる、又は、基板20の第1接触点をその位置に保持して、基板20の第2、3、4接触点をそれぞれd2、d2+d3、2d2+d3だけ上方に移動させると、第1、2、3、4接触点でのバンプの潰し量は同じく2d2+d3となる。
図11は、チップ10の接合面の基板20の接合面に対する傾斜の補正を実行する手順を説明する流れ図である。
以下、図5に示すS43に続く各工程(Si)を説明する。
S50:第1接触点の数Ncは図5に示すS8で与えられる。
S51:S9に対応しチップ10と基板20の接合面がx及びy方向で傾斜している場合であり、Nc=1の場合の手順である。
S52:S10に対応しチップ10と基板20の接合面がx又はy方向で傾斜している場合であり、Nc=2の場合の手順である。
S53:S11に対応しチップ10と基板20の接合面が平行である場合であり、
c=4の場合の手順である。
S54:図6に示す、d、d、d、d、Lx、Lyからチップ10の接合面の基板20の接合面に対する傾斜を算出する。
S56:S54で求められた傾斜の角度を、図10に示すボンディングヘッド駆動補正処理部38のメモリに記憶する。ボンディング毎に記憶された傾斜の角度のデータは必要に応じて統計的処理がなされ、ボンディング装置の稼動履歴が解析され、ボンディング装置のメンテナンスに有効に利用される。
S57:ボンディングヘッド駆動補正処理部38の出力に基づいて、ボンディングヘッド駆動部16はボンディングヘッド駆動制御部18によって制御され、チップ10の接合面は基板20の接合面に略平行にされる。
S58:チップ10と基板20の接合面が平行である場合であり、傾斜の補正は必要がない。
S59:S51又はS52からS57の処理によって傾斜が補正された接合良品を収納し、次の被接合部品の接合を実行するために図5の*1へ移る。
本実施の形態では、第1の実施の形態の実行後、一方の被接合部品の接合面の他方の被接合部品の接合面に対する傾斜を検出(接合品における2つの被接合部品の接合面の平行度の検出)を行い、傾斜が所定の許容範囲外にある接合精度不良品が検出された場合には、2つの被接合部品の少なくとも一方を移動させて2つの被接合部品の接合面が略平行になるように駆動部を制御することによって接合精度不良品の接合補正を行いながら、接合品を量産した後に、接合品における被接合部品の間の電気的な接続状態及び接合品の電気的特性検査を行う。
接合精度不良品が検出された場合には傾斜を考慮し接合補正を行うことにより、2つの被接合部品の接合面の平行度を改善させて、接合精度不良品を接合精度良品とするので、歩留りを向上させることができ、量産された接合品の検査完了までに要する時間を大幅に短縮することができる。
第3の実施の形態
図12は、本発明の第3の実施の形態における、チップ10と基板20の接合の手順を説明する流れ図である。
本実施の形態では、チップ10と基板20とが導電性部材である検出用接続部材を介して接合する前に、検出用接続部材が非固化状態においてチップ10と基板20との接触部の接触状態を電気抵抗により検出する。
本実施の形態による手順と、図5に示す第1の実施の形態による手順との相違点は、図5に示すS40とS41の間に、上記の接触部の電気抵抗が所定の許容範囲にあるか否かを判定する工程S60を新たに設けた点、図5に示すS43をS62(図13に示す第4の実施の形態の実行へ移る。)に変更した点、図5に示す*1(S59)を*2(S63)に変更した点であり、実質的な相違点である新たに設けた工程S60について以下に説明する。
本実施の形態では、チップ10と基板20との接触状態を、電気抵抗により実時間でモニタしチェックすることによって、チップ10と基板20との接合過程を実時間でモニタする。
加熱温度によりで半田の溶融状態が異なり電気抵抗が異なり、チップ10と基板20との検査用接続部材26による接触部分の程度、接触部分の体積の大小によっても電気抵抗は異なるので、チップ10と基板20との検査用接続部材26による接触部分の電気的な接続状態のチェックをボンディング過程ですることができる。
この加熱温度は導電性の検査用接合部材26、例えばバンプを形成する半田の種類に応じて適正な温度範囲が存在する。加熱温度が適正な温度範囲よりも低すぎると半田の溶融状態が不十分となり、加熱温度が適正な温度範囲よりも高すぎると半田の溶融状態は十分であるが、半田は酸化されてしまうため、半田バンプによる接触部の電気抵抗は半田の種類に応じた適正な電気抵抗の範囲から外れてしまう。加熱温度が何らかの理由で低くなってしまい電気抵抗が異常な場合には、加熱温度を上昇させればよいが、加熱温度が高すぎる場合は加熱温度を低下させても半田の酸化状態は変化しないので、電気的な接触状態の改善を期待することは困難である。
チップ10の検査用接合部材26に接続される内部配線13、基板20の検査用接合部材26と検出用端子32を接続する内部配線33の材質、太さ、長さは既知であるので、接合過程における検査用接合部材26による接触部の電気抵抗に対して、所定の許容範囲を予め設定することができる。検出された電気抵抗が所定の許容範囲と比較して高抵抗である場合などでは、電気的な接続状態が異常であるとし電気的接続不良と判定する。
例えば、第1の実施の形態で示したチップ10、基板20の場合には、4箇所の検査点の全ての点での電気抵抗が所定の許容範囲にあれば、電気的に正常な接続状態にあると判定し、許容範囲外の場合は電気的な接続状態が異常であると判定する。電気的な接続状態が異常である場合、不良品とする。4箇所の検査点の何れかで接触状態(電気抵抗)の異常があれば、本来接合しようとしている接合領域15、25においても異常があると判断する。
なお、4箇所の検査点での電気抵抗の平均値が所定の許容範囲にあれば、電気的に正常な接続状態にあると判定し、許容範囲外の場合は電気的な接続状態が異常であると判定してもよい。
本実施の形態では、2つの被接合部品の少なくとも一方に配置した導電性の検査用接合部材26によって、2つの被接合部品が、非固化状態の検査用接合部材26を介して接触した状態で電気抵抗を検出しながら接合品を量産した後に、電気抵抗が所定の許容範囲にある良品についてのみ、接合品における被接合部品の間の電気的な接続状態及び接合品の電気的特性検査を行う。量産時には、電気抵抗が所定の許容範囲にある良品は良品収納室に、電気抵抗が所定の許容範囲外にある不良品は不良品収納室にそれぞれ収納する。
電気抵抗が所定の許容範囲外にある電気的接続不良品に関しては、検査やアンダーフィル材充填等の後工程は実行しないので、早い時点で不良品を検出し、量産された接合品の検査完了までに要する時間を大幅に短縮することができる。
第4の実施の形態
図13は、本発明の第4の実施の形態における、チップ10の接合面の基板20の接合面に対する傾斜の補正を実行する手順を説明する流れ図である。
本実施の形態では、第3の実施の形態において、検査用接合部材26によるチップ10と基板20との接触部分の電気抵抗が所定の許容範囲にあると判定された場合、続いて、チップ10の接合面の基板20の接合面に対する傾斜を先に説明したように検出してこの傾斜の補正を実行する。図13に示す手順と、図11に示した第2の実施の形態による手順とは、実質的に同一であるので説明は省略する。
本実施の形態では、接触部の電気抵抗が所定の許容範囲にある良品について、第1及び第2の実施の形態と同様にして、チップ10の接合面の基板20の接合面に対する傾斜を検出(2つの被接合部品の接合面の平行度の検出)をしながら、接合品を量産した後に、電気抵抗及び傾斜が所定の許容範囲にある良品について、接合品における被接合部品の間の電気的な接続状態及び接合品の電気的特性検査を行う。量産時には、電気抵抗及び傾斜が所定の許容範囲にある良品は良品収納室に、電気抵抗及び傾斜が所定の許容範囲外にある不良品は不良品収納室にそれぞれ収納する。
電気的接続不良品、傾斜が所定の許容範囲外にある接合精度不良品に関しては、検査やアンダーフィル材充填等の後工程は実行しないので、早い時点で不良品を検出し、量産された接合品の検査完了までに要する時間を大幅に短縮することができる。
以上、本発明を実施の形態について説明したが、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
先述のようにチップ、基板の接合面はそれぞれ所定の許容範囲の平面度公差をもちバンプ(導電性部材)の高さは所定の許容範囲で一定であるものとしたが、チップ又は/及び基板に形成される検査用接合部材としてのバンプの高さのバラツキは、複数の箇所に配置されるバンプの高さの平均値の1/5程度以下とし、チップ、基板の接合面の平面度公差の許容範囲は、複数の箇所に配置されるバンプの高さ方向の最大値と最小値との差の1/2程度以下とすれば、上記の各実施の形態は適用可能である。この理由は、接合後のチップと基板の間隔をバンプ高さの2/3程度に保ち、接続の信頼性を確保するためである。
また、上記の各実施の形態において、(1)バンプ(導電性部材)の高さのバラツキが大きく、バンプの高さが所定の許容範囲で一定でない場合、(2)被接合部品(チップ、基板)が大きく反っていて、所定の許容範囲の平面度公差をもたない場合、(3)被接合部品が機械的変形、熱変形によって反りを生じるような場合等が発生して、先述した、チップ及び基板の接合面が理想的な平面度をもち平面度公差がゼロ、パッドの高さが一定であり、チップと基板は、機械的変形、熱変形を生じないという仮定が成立しない場合には、ボンディング過程において2つの被接合部品の接合面の位置関係は複雑になるが、以下のようにして、上記した各実施の形態を適用することができる。
(a)4箇所の検査点において1箇所も接触点が検出されなかった場合、被接合部品の反りが大であると判定して、ボンディング作業を中止して、この2つの被接合部品を不良部品収納室に収納し、次の被接合部品のボンディング作業に移行する。
(b)4箇所の検査点のうち一部の検査点でのみしか接触点が検出されなかった場合、(a)と同様に被接合部品の反りが大であると判定して、ボンディング作業を中止して、この2つの被接合部品を不良部品収納室に収納し、次の被接合部品のボンディング作業に移行する。
(c)2つの被接合部品の接合面の距離がゼロとなり、2つの被接合部品の接合面が1箇所の検査点で接触したことが検出された後に、2つの被接合部品の接合面の間の距離を小さくしていっても、他の3箇所の検査点において導電性部材を介した2つの被接合部品の新たな接触が検出されない場合にも、(a)と同様に被接合部品の反りが大であると判定して、ボンディング作業を中止して、この2つの被接合部品を不良部品収納室に収納し、次の被接合部品のボンディング作業に移行する。
(d)2つの被接合部品の接合面の距離がゼロとなり2つの被接合部品の接合面が1箇所の検査点で接触したことが検出された後に、2つの被接合部品の接合面の間の距離を小さくしていった時、他の3箇所の全ての検査点において導電性部材を介した2つの被接合部品の接触が電流又は電気抵抗の測定により検出された場合には、一方の被接合部品の接合面の他方の被接合部品の接合面に対する傾斜を補正することができる。
(e)2つの被接合部品の接合面の間の距離を小さくしていった時、4箇所のいずれの検査点においても2つの被接合部品の接合面の距離がゼロとならず、4箇所の全ての検査点において、導電性部材を介した2つの被接合部品の接触が電流又は電気抵抗の測定により検出された場合には、一方の被接合部品の接合面の他方の被接合部品の接合面に対する傾斜を補正することができる。
以上で説明した各実施の形態では検査点を4箇所としたが、N(N≧5)箇所としてもよいことは言うまでもない。この場合にも、上記の(a)から(c)は適用可能である。
更に、上記の(d)において検査点をN(N≧5)箇所とする場合、及び、上記の(e)に対応する場合であり、2つの被接合部品の接合面の間の距離を小さくしていった時、N箇所のいずれの検査点においても2つの被接合部品の接合面の距離がゼロとならず、N(N≧5)箇所の全ての検査点において、導電性部材を介した2つの被接合部品の接触が電流又は電気抵抗の測定により検出された場合には、一方の被接合部品の接合面の他方の被接合部品の接合面に対する傾斜を、N箇所の検査点における接触点の(x、y、z)座標値を用いて求める。この傾斜の求め方は、上記の(d)にも適用できる。
具体的には、例えば、2つの被接合部品のN(以下ではN≧4とする。)箇所の検査点が、第1回目から第N回目の接触の時点で生じる第1から第N接触点として検出された場合に、第1から第N接触点のx、y方向での位置は既知であり、z方向での各接触点の位置は検出されているので、第N回目の接触の後における第1から第N接触点の(x、y、z)座標におけるz軸の値を求めることができるので、これらのz軸の値を用いて、N箇所の検査点における接触点の(x、y、z)座標値に基づいて、第1から第N接触点がその上に最も近接するような1つの平面の式を最小二乗法を用いて求めることができる。
この最小二乗法の実行に際して、2つの被接合部品の接合面の間の距離の平均値を求め、この平均値と被接合部品の接合面の間の各検査点における距離との差の絶対値に反比例又は比例する重みを使用する重み付き最小二乗法を用いることもできる。なお、同じ第i回目(1≧i≧N)の接触の時点において複数箇所の検査点で被接合部品が同時に接触する場合にも、同様な方法によって上記の1つの平面の式を求めることができる。
以上のようにして求められた面の式から、この面が水平面に対してなす傾斜を求めることができる。この求められた傾斜が許容範囲外にある場合には、この求められた傾斜をゼロにする角度方向に一方の被接合部品の接合面を回転させることによって、一方の被接合部品の接合面の他方の被接合部品の接合面に対する傾斜を平均的に補正することができる。この結果、2つの被接合部品はその反りの存在の影響を考慮して接合されることになる。
また、検査点をN(N≧5)箇所とする場合、複数箇所の全ての検査点で電流が検出されない場合には、被接合部品の反りが大であると判定し、ボンディング作業を中止して、2つの被接合部品を不良部品収納室に収納する。
複数箇所の全ての検査点で電流、電気抵抗が検出された場合、全ての検査点での電気抵抗、又は、電気抵抗の平均値が所定の許容範囲にあるか否かにより、正常、異常の判定を行う。電気的な接続状態が異常である場合、接合品は不良品収納室に収納する。
以上のように、被接合部品の反りを考慮したボンディングを行うことができ、被接合部品の反りが大であると判定された場合には、ボンディング作業を中止して、この2つの被接合部品を不良部品収納室に収納するので、早い時点で検査を行うことになり、不必要に不良品を作り出すことがなく、量産された接合品の検査完了までに要する時間を短縮することができる。
ボンディングヘッド、基板(又はチップ)ホルダは接合時にそれぞれヒータによって、チップ、基板(又はチップ)が、チップ、基板(又はチップ)を接続する接合部材(例えば、半田バンプ)の種類に応じて適正に溶融する温度範囲に加熱されるが、検出された電気抵抗が所定の許容範囲外となる場合に、加熱温度を変更して、電気抵抗の変化を調べてもよい。これにより、電気抵抗の不良の発生原因を探ることができる。
半田バンプを例にとって説明したが、半田バンプ以外にも加熱により溶融可能な部材であれば接合部材として使用することができことは言うまでもない。
以上説明したように、本発明に係るボンディング方法及びボンディング装置は、電気的な接合不良及び接合精度不良を早い時点で検出することが可能であり、更に、接合精度不良の発生を防止することができ、歩留りの向上と検査時間の短縮が可能であり、信頼性の高い接合品を製作することができる。
本発明の第1の実施の形態におけるボンディング装置の主要部の概略構成を説明する図である。 同、チップと基板の構造を説明する図である。 同、チップと基板との接触、接合の状態を説明する断面図である。 同、チップと基板の構造の他の例を説明する図である。 同、チップと基板の接合の手順を説明する流れ図である。 同、チップと基板の各接合面の位置関係と接合過程を説明する図である。 同、チップと基板の接合において第1接触点が2点である場合、検出用接合部の状態を説明する図である。 同、チップと基板の接合において第1接触点が1点である場合、検出用接合部の状態を説明する図である。 同、変形例の装置主要部の概略構成を説明する図である。 本発明の第2の実施の形態におけるボンディング装置の主要部の概略構成を説明する図である。 同、チップの接合面の傾斜の補正を実行する手順を説明する流れ図である。 本発明の第3の実施の形態におけるチップと基板の接合の手順を説明する流れ図である。 本発明の第4の実施の形態におけるチップの接合面の傾斜の補正を実行する手順を説明する流れ図である。 従来技術におけるチップと基板の接合を説明する図である。
符号の説明
10、11…チップ、12…ボンディングヘッド、13、33…内部配線、
14…ボンディングヘッド保持部、15…チップ接合領域、
16…ボンディングヘッド駆動部、17…チップ接合部材、
18…ボンディングヘッド駆動制御部、19…チップホルダ、20…基板、
22…基板ホルダ、24…基台、25…基板接合領域、26…検査用接合部材、
27…基板接合部材、30…プローブ、32…検査用端子、34…接合状態検出部、
35…パッド、36…半田バンプ、38…ヘッド駆動補正処理部、
40…チップに傾斜がない場合の位置、45…実際のチップのセッティング位置、
50…チップの投影面、51…d1だけ下降したチップの位置、
52…d2だけ下降したチップの位置、53…d3だけ下降したチップの位置、
54…d4だけ下降したチップの位置

Claims (14)

  1. 第1の部品を第1の保持部に保持する第1の工程と、
    第2の部品を第2の保持部に保持する第2の工程と、
    前記第1の保持部又は前記第2の保持部を駆動させて前記第1の部品と前記第2の部
    品との位置関係を変化させる第3の工程と、
    前記第1の部品と前記第2の部品とを導電性部材を介して接合する前に、前記導電性
    部材の非固化状態で、前記第1の部品と前記第2の部品との接触状態を検出する第4の
    工程と
    を有する、ボンディング方法。
  2. 検出された前記接触状態が予め設定された許容範囲にあるか否かを判定する第5の工程を有する、請求項1に記載のボンディング方法。
  3. 前記第4の工程において、前記第1の部品と前記第2の部品との複数の測定端子間の前記接触状態を検出する、請求項1に記載のボンディング方法。
  4. 前記測定端子間の電流又は電気抵抗を検出する、請求項3に載のボンディング方法。
  5. 前記測定端子間の電流又は電気抵抗を、前記第1の部品又は前記第2の部品に形成された前記測定端子に接続されたパッド端子に着脱可能なプローブを用いて検出する、請求項4に記載のボンディング方法。
  6. 第1の部品を第1の保持部に保持する第1の工程と、
    第2の部品を第2の保持部に保持する第2の工程と、
    前記第1の保持部又は前記第2の保持部を駆動させて前記第1の部品と前記第2の部
    品との位置関係を変化させる第3の工程と、
    前記第1の部品と前記第2の部品とを導電性部材を介して接合する前に、前記導電性
    部材の非固化状態で、前記第1の部品と前記第2の部品との接触状態を検出する第4の
    工程と、
    前記第4の工程による検出情報に基づいて前記第1の部品と前記第2の部品との傾斜
    を求め、この傾斜を前記第1の保持部又は前記第2の保持部の駆動によって制御する第
    5の工程と
    を有する、ボンディング方法。
  7. 検出された前記接触状態が予め設定された許容範囲にあるか否かを判定する第6の工程を有する、請求項6に記載のボンディング方法。
  8. 前記第4の工程において、前記第1の部品と前記第2の部品との複数の測定端子間の前記接触状態を検出する、請求項6に記載のボンディング方法。
  9. 前記測定端子間の電流又は電気抵抗を検出する、請求項8に載のボンディング方法。
  10. 前記測定端子間の電流又は電気抵抗を、前記第1の部品又は前記第2の部品に形成された前記測定端子に接続されたパッド端子に着脱可能なプローブを用いて検出する、請求項9に記載のボンディング方法。
  11. 前記第5の工程において、前記第1の部品の接合面と前記第2の部品の接合面とが略平行となるように、前記検出情報に基づいて前記第1の部品の接合面又は前記第2の部品の接合面の位置を補正する、請求項6に記載のボンディング方法。
  12. 前記第1の部品の接合面と前記第2の部品の接合面とがなす角度を求める処理を行う、請求項11に記載のボンディング方法。
  13. 第1の部品を保持する第1の保持部と、
    第2の部品を保持する第2の保持部と、
    前記第1の保持部又は前記第2の保持部を駆動させて前記第1の部品と前記第2の部
    品との位置関係を変化させるための駆動部と、
    前記第1の部品と前記第2の部品とを電性部材を介して接合する前に、前記導電性
    部材の非固化状態で、前記第1の部品と前記第2との接触状態を検出する接触状態検出
    部と
    を有する、ボンディング装置。
  14. 第1の部品を保持する第1の保持部と、
    第2の部品を保持する第2の保持部と、
    前記第1の保持部又は前記第2の保持部を駆動させて前記第1の部品と前記第2の部
    品との位置関係を変化させるための駆動部と、
    前記第1の部品と前記第2の部品とを導電性部材を介して接合する前に、前記導電性
    部材の非固化状態で、前記第1の部品と前記第2との接触状態を検出する接触状態検出
    部と、
    前記接触状態検出部による検出情報に基づいて前記第1の部品と前記第2の部品との
    傾斜を求め、この傾斜を前記駆動部によって制御する駆動制御部と
    を有する、ボンディング装置。

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