JP2008306040A - ボンディング装置用撮像装置及び撮像方法 - Google Patents

ボンディング装置用撮像装置及び撮像方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ボンディング装置用撮像装置において、高さ方向の段差の大きな半導体チップを精度良く撮像すると共にリードフレームの撮像時間の短縮を図る。
【解決手段】高倍率レンズ３４を経て共通の撮像面３６に至り、高倍率レンズ３４からの距離が異なる位置にある複数の被写体撮像範囲に対応して高倍率レンズ３４から共通の撮像面３６までの各光路長が異なる第１、第２の高倍率光路５１，５２を有する高倍率光学系と、２つの高倍率光路５１，５２の一方を開放し他方を遮断するシャッタ９０と、低倍率レンズ３５を経て撮像面３８に至る低倍率光路５３を有し、各高倍率光路５１，５２よりも広い視野を備える低倍率光学系と、を備え、高倍率光学系の撮像面３６の撮像素子３１は半導体チップ６３の画像を取得し、低倍率光学系の撮像面３８を持つ撮像素子３３はリードフレーム６１の画像を取得する。
【選択図】図３

Description

本発明は、ボンディング装置用撮像装置の構造及びそのボンディング装置用撮像装置を用いる撮像方法に関する。
半導体装置の組立においては、ウェハから取り出した半導体チップをリードフレームまたは基板の上にボンディングするダイボンディング工程と、リードフレームまたは基板上にボンディングされた半導体チップのパッドとリードフレームまたは基板のリードとの間をワイヤによって接続するワイヤボンディング工程とがある。ワイヤボンディングは、キャピラリ等のワイヤを挿通したボンディングツールをリードまたはパッドの第１ボンド点に押し付けると共に超音波加振によって圧着させ、第１ボンド点から対応するパッドまたはリードに向かってワイヤをルービングさせ、対応するパッドまたはリードの第２ボンド点に押し付けると共に超音波加振によって圧着させることによってパッドとリードとの間をワイヤによって接続するものである。ワイヤボンディングは微小面積のパッドとリードとの間を正確に接続することが必要であることから、キャピラリなどのボンディングツールの先端を正確にパッド及びリード上に押し付けることが必要である。
ところが、リードフレームまたは基板への半導体チップのボンディング位置にはバラツキが出ることが多いので、位置関係を補正しない場合にはボンディング品質の低下を招く場合があった。
そこで、ワイヤボンディングを行う前に、パッド及びリードの画像をカメラによって撮像し、その画像を処理して特定パターンを二値化画像として読み取り、パッド及びリードの位置の検出及び検出結果による位置補正が行われている。
しかし、半導体装置の大型化、多ピン化によって、半導体チップの表面とリードとの段差が大きくなってくると、半導体チップ表面のパッドとリードフレームまたは基板表面のリードとが同時にカメラの被写界深度内に入らなくなり、いずれか一方の画像がボケてしまい位置検出ができなくなることがある。
このため、同一視野でチップ側とリード側にそれぞれ焦点を合わせた２台のカメラを設け、それぞれのカメラでチップ側とリード側との画像を取得し、その画像に基づいて位置検出を行う方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、チップ側、リード側をそれぞれ被写界深度内に含むような光路長の異なる２系統の光路を有する光学系に光路を切り替えるシャッタを設け、シャッタによって光路を切り替えて各光路を介してチップ側、リード側それぞれの画像を共通のカメラで撮像する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
また、半導体チップとリードとの互いに異なる高さ位置の画像を３台のカメラを用いて撮像する方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
特開平２−３０１１４８号公報 特許第３２７２６４０号明細書 特開平５−３３２７３９号公報
ところで、近年の半導体装置の大容量化、省スペース化の要求の中、半導体チップをリードフレームに多段に積層する多段積層型の半導体装置が製造されるようになってきている。このように半導体チップを多段積層すると半導体チップの高さ方向の段差が大きくなるので、より大きな高さ方向の段差に対応することができる撮像装置が必要となってきている。また、省スペース化の要求によって、半導体チップのパッドのピッチがますます狭くなると共にパッドのサイズがますます小さくなってきている。このため、ワイヤボンディングの前のパッドの位置を正確に検出するため、撮像精度を上げることが必要で、このため倍率の高い撮像装置が必要となってきている。
一方、リードフレームは半導体チップよりも寸法精度が低く、リード位置のバラツキが大きい場合が多い。このため、各半導体チップとリードフレームとの間のワイヤボンディングを行う前に、各半導体チップのパッドと接続される全リードを含む画像を取得して全リードの位置を検出することが必要となる。
特許文献１〜３に記載された従来技術によってこのような要求に対応しようとすると、より高倍率で視野の狭い光学系を複数組み合わせることが必要となるが、高倍率の光学系を用いると各光学系で撮像することのできる視野が狭くなる。ところが、リードは半導体チップの周囲に配置されており、リード位置検出のために必要な画像取得範囲が広く、この広い領域を視野の狭い光学系を用いて半導体チップ毎あるいは各層毎に撮像するとリード位置の検出に必要な時間が長くなってしまい、ワイヤボンディングの高速化に対応することができないという問題がある。逆に、特許文献１〜３に記載された従来技術を用いてあまり倍率の高くない光学系を複数組み合わせると、リード位置の検出時間はあまり長くならないものの、パッドの撮像精度があまり高くならず、狭いピッチで配置されたパッドの位置を正確に検出することができない場合があるという問題がある。
つまり、高さ方向の段差の大きな半導体チップを精度良く撮像することとリードフレームの撮像時間の短縮を図りワイヤボンディングの高速化に対応することは相反する要求であり、特許文献１〜３に記載された従来技術ではこのような相反する要求を満たすことはできなかった。
本発明は、高さ方向の段差の大きな半導体チップを精度良く撮像すると共にリードフレームの撮像時間の短縮を図ることを目的とする。
本発明のボンディング装置用撮像装置は、被写体であるリードフレームまたは基板とリードフレームまたは基板に取り付けられた多段積層半導体チップとの画像を取得するボンディング装置用撮像装置であって、第１のレンズを経て共通の撮像面に至り、第１のレンズからの距離が異なる位置にある複数の被写体撮像範囲に対応して第１のレンズから共通の撮像面までの光路長が異なる複数の光路を有する第１の光学系と、第１の光学系の複数の光路の内の１つの光路を開放し、他の光路を遮断する光路切り替え手段と、第１のレンズの被写体側で第１の光学系から分岐し、第１のレンズよりも倍率の低い第２のレンズを経て撮像面に至る光路を有し、第１の光学系の視野よりも広い視野を備える第２の光学系と、第１の光学系の共通の撮像面に設けられリードフレームまたは基板に取り付けられた多段積層半導体チップの各層の画像を取得する撮像素子と、第２の光学系の撮像面に設けられリードフレームまたは基板の画像を取得する撮像素子と、を有することを特徴とする。
本発明のボンディング装置用撮像装置は、被写体であるリードフレームまたは基板とリードフレームまたは基板に取り付けられた多段積層半導体チップとの画像を取得するボンディング装置用撮像装置であって、被写体側レンズと第１の撮像面側レンズとを経て共通の撮像面に至り、被写体側レンズからの距離が異なる位置にある複数の被写体撮像範囲に対応して第１の被写体側レンズから共通の撮像面までの光路長が異なる複数の光路を有する第１の光学系と、第１の光学系の複数の光路の内の１つの光路を開放し、他の光路を遮断する光路切り替え手段と、被写体側レンズと第１の撮像面側レンズとの間で第１の光学系から分岐し、被写体側レンズと第１の撮像面側レンズとの合成レンズ倍率よりも、被写体側レンズとの合成レンズ倍率が低い第２の撮像面側レンズを経て撮像面に至る光路を有し、第１の光学系の視野よりも広い視野を備える第２の光学系と、第１の光学系の共通の撮像面に設けられリードフレームまたは基板に取り付けられた多段積層半導体チップの各層の画像を取得する撮像素子と、第２の光学系の撮像面に設けられリードフレームまたは基板の画像を取得する撮像素子と、を有することを特徴とする。
本発明のボンディング装置用撮像装置において、光路切り替え手段は、撮像する多段積層半導体チップの各層の高さ位置に応じて複数の光路を切り替えること、としても好適であるし、第１の光学系は、第１の撮像面側レンズと各撮像面との間の光路に、光路に沿った方向に取り付け位置を可変とした光路長調整用手段を有すること、としても好適であるし、光路長調整用手段は、光路長調整用レンズまたは透過性のガラス、プラスチック、セラミックスであること、としても好適である。
本発明の撮像方法は、第１のレンズを経て共通の撮像面に至り、第１のレンズからの距離が異なる位置にある複数の被写体撮像範囲に対応して第１のレンズから共通の撮像面までの光路長が異なる複数の光路を有する第１の光学系と、第１の光学系の複数の光路の内の１つの光路を開放し、他の光路を遮断する光路切り替え手段と、第１のレンズの撮像面側で第１の光学系から分岐し、第１のレンズよりも倍率の低い第２のレンズを経て撮像面に至る光路を有し、第１の光学系の視野よりも広い視野を備える第２の光学系と、第１の光学系の共通の撮像面に設けられる撮像素子と、第２の光学系の撮像面に設けられる撮像素子と、を備えるボンディング装置用撮像装置によって、被写体であるリードフレームまたは基板とリードフレームまたは基板に取り付けられた各多段積層半導体チップとの画像を取得する撮像方法であって、
第２の光学系の視野をリードフレーム面または基板面でスキャンさせ、第２の光学系の撮像面に設けられる撮像素子によって各多段積層半導体チップの全周の各リードを含むリードフレームまたは基板の画像を取得するリード画像撮像工程と、
多段積層半導体チップの各層の高さ位置に応じて光路切り替え手段によって開放されるいずれか１つの第１の光学系の光路を経て第１の光学系の撮像面に結像する多段積層半導体チップの各層の画像を第１の光学系の撮像素子によって取得する半導体チップ撮像工程と、を含むことを特徴とする。
本発明の撮像方法は、被写体側レンズと第１の撮像面側レンズとを経て共通の撮像面に至り、被写体側レンズからの距離が異なる位置にある複数の被写体撮像範囲に対応して第１の撮像面側レンズから共通の撮像面までの光路長が異なる複数の光路を有する第１の光学系と、第１の光学系の複数の光路の内の１つの光路を開放し、他の光路を遮断する光路切り替え手段と、被写体側レンズと第１の撮像面側レンズとの間で第１の光学系から分岐し、被写体側レンズと第１の撮像面側レンズとの合成レンズ倍率よりも被写体側レンズとの合成レンズ倍率が低い第２の撮像面側レンズを経て撮像面に至る光路を有し、第１の光学系の視野よりも広い視野を備える第２の光学系と、第１の光学系の共通の撮像面に設けられる撮像素子と、第２の光学系の撮像面に設けられる撮像素子と、を備えるボンディング装置用撮像装置によって、被写体であるリードフレームまたは基板とリードフレームまたは基板に取り付けられた各多段積層半導体チップとの画像を取得する撮像方法であって、第２の光学系の視野をリードフレーム面または基板面でスキャンさせ、第２の光学系の撮像面に設けられる撮像素子によって各多段積層半導体チップの全周の各リードを含むリードフレームまたは基板の画像を取得するリード画像撮像工程と、多段積層半導体チップの各層の高さ位置に応じて光路切り替え手段によって開放されるいずれか１つの第１の光学系の光路を経て第１の光学系の撮像面に結像する多段積層半導体チップの各層の画像を第１の光学系の撮像素子によって取得する半導体チップ撮像工程と、を含むことを特徴とする。
本発明は、高さ方向の段差の大きな半導体チップを精度良く撮像すると共にリードフレームおよび基板の撮像時間の短縮を図ることができるという効果を奏する。
以下、本発明をワイヤボンダに適用した場合の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。以下の説明ではリードフレーム６１の送り方向をＸ方向、リードフレーム６１の幅方向をＹ方向、高さ方向をＺ方向として説明する。図１に示すように、ワイヤボンダ１０はＸＹテーブル１２の上に取り付けられてＸＹ方向に自在に移動することができるボンディングへッド１１の中に取付けられたＺ方向駆動機構１８を備えている。Ｚ方向駆動機構１８には超音波ホーン１３とクランパ１５とが取付けられ、超音波ホーン１３の先端にはキャピラリ１４が取付けられている。キャピラリ１４にはワイヤ１６が挿通され、ワイヤ１６はスプール１７から供給されるように構成されている。そして、ボンディングヘッド１１にはボンディング装置用撮像装置２１が固定されている。
ワイヤボンダ１０の図示しないフレームには、ダイボンディング工程において半導体チップ６３が取り付けられたリードフレーム６１をガイドするガイドレール８１ａ，８１ｂと、リードフレーム６１を真空吸着するボンディングステージ８３が取り付けられている。
ワイヤボンダ１０は、ボンディング装置用撮像装置２１によって取得した画像によって半導体チップ６３とリードフレーム６１との位置を検出し、ＸＹテーブル１２によってキャピラリ１４の位置を半導体チップ６３上のパッドの位置に合うように移動させた後、Ｚ方向駆動機構１８を動作させて超音波ホーン１３の先端に取り付けられたキャピラリ１４をＺ方向に駆動し、キャピラリ１４に挿通したワイヤ１６によって半導体チップ６３のパッドとリードフレーム６１のリードとの間にワイヤ１６をボンディングしていく。
ワイヤボンダ１０は、１つの半導体チップ６３のパッドとリードフレーム６１のリードとのボンディングが終了したら、ＸＹテーブル１２によってキャピラリ１４を次のパッドの上に移動させ、上記と同様に各パッドとリードとの間をワイヤ１６によってボンディングする。そして、１つの半導体チップ６３の全てのパッドをワイヤ１６によってリードフレーム６１の各リードと接続したら、次の半導体チップ６３がボンディング位置に来るようにリードフレーム６１が搬送される。ボンディング装置用撮像装置２１はこの半導体チップ６３とリードフレーム６１との画像を取得し、取得した画像に基づいてキャピラリ１４の位置決めを行い、ワイヤボンディングを行う。
図２に示すようにボンディング装置用撮像装置２１は、被写体である半導体チップ６３あるいはリードフレーム６１からの光を導入する導入部２２と、内部にレンズあるいはミラーなどの光学部品を備え、導入部２２に入った光を導く鏡筒２３と、鏡筒２３に取り付けられ、鏡筒２３を通ってきた光を受ける撮像素子を含むカメラ２４，２６とを備えている。
図３に示すように、ボンディング装置用撮像装置２１は、被写体である半導体チップ６３またはリードフレーム６１から導入部２２を経由してハーフミラー４１と高倍率レンズ３４を経てハーフミラー４２ａを透過して光路切り替え手段であるシャッタ９０を経てハーフミラー４２ｂを透過して撮像面３６に至る第１の高倍率光路５１と、被写体である半導体チップ６３またはリードフレーム６１から導入部２２を経由してハーフミラー４１と高倍率レンズ３４とを経てハーフミラー４２ａで反射して第１の高倍率光路５１と分岐し、ミラー４３ａで反射した後シャッタ９０を経てミラー４３ｂとハーフミラー４２ｂで反射して第１の高倍率光路と合流して共通の撮像面３６に至る第２の高倍率光路５２とを備える第１の光学系である高倍率光学系と、被写体である半導体チップ６３またはリードフレーム６１から導入部２２を経由して、高倍率レンズ３４の被写体側のハーフミラー４１で反射して高倍率光学系と分岐し、ミラー４４で反射して低倍率レンズ３５を経て撮像面３８に至る低倍率光路５３を備える第２の光学系である低倍率光学系を有している。シャッタ９０は第１の高倍率光路５１または第２の高倍率光路５２のいずれか一方を開放し他方を遮断する羽根９２と羽根９２を回転させるモータ９１とを備えており、モータ９１によって羽根９２を回転させることによって第１の高倍率光路５１または第２の高倍率光路５２のうちのいずれか一方の光路によって撮像を行うことができるように構成されている。光路切り替え手段は、第１、第２の高倍率光路５１，５２を切り替えることができれば、上記のようにモータ９１によって羽根９２を回転させて光路の切り替えを行うシャッタ９０に限らず、各高倍率光路５１，５２にそれぞれ印加電圧によって屈折率を変化させるような電気光学部材を設け、一方を開放、他方を遮断するように動作させるように構成したものであってもよいし、液晶を用いたシャッタとしてもよい。共通の撮像面３６と撮像面３８には、各撮像面３６，３８に結像した画像を電気信号に変換する共通の撮像素子３１と撮像素子３３が設けられている。撮像素子３１，３３は多数の画素を含むＣＣＤあるいはＣＯＭＳ素子またはＣＣＤ及びＣＭＯＳ素子などで構成され、画像を各画素の各電気信号に変換して出力することができるものである。また、高倍率レンズ３４、低倍率レンズ３５はそれぞれ単一のレンズであってよいし、収差を補正するように複数のレンズを組み合わせた各レンズ群として構成してもよい。
第２の高倍率光路５２の高倍率レンズ３４から撮像面３６までの距離は第１の高倍率光路５１の高倍率レンズ３４から撮像面３６までの距離よりも長くなるように構成されている。このため、第２の高倍率光路５２は高倍率レンズ３４から被写体である半導体チップ６３までの距離が第１の高倍率光路５１の高倍率レンズ３４から被写体である半導体チップ６３までの距離よりも短い位置にフォーカスの合うフォーカス位置を持つこととなる。
図４を参照してレンズと撮像面との距離とレンズと被写体までの距離の関係について説明する。図４に示すように、レンズＬは、レンズＬから被写体であるフォーカス位置Ａ１までの距離をＳ、レンズＬから像面Ｂ１までの距離Ｓ’、レンズＬの焦点距離をｆとすると、１／ｆ＋１／Ｓ＝１／Ｓ’の関係がある。このため、レンズＬの撮像面側にあるレンズＬから像面Ｂ２までの距離がレンズＬから像面Ｂ１までの距離Ｓ’よりｄＳ’だけ長くなると、レンズＬの被写体側にあるレンズＬとフォーカス位置Ａ２までの距離は、レンズＬからフォーカス位置Ａ１までの距離ＳよりｄＳだけ短くなる。ここで、フォーカス位置はその位置にある被写体を撮像面にフォーカスを合わせて結像させる位置である。つまり、レンズＬは、レンズＬの撮像面側のレンズと像面との距離が長くなるとレンズの被写体側にあるレンズとフォーカス位置との距離は短くなるという性質を持っている。このため、レンズＬの撮像面側のレンズＬと像面までの距離を調整することによってレンズＬのフォーカス位置を調整することができる。
このレンズＬの動作原理により、図５に示す高倍率レンズ３４から撮像面３６までの距離が高倍率レンズ３４から撮像面３６までの距離よりも長い第２の高倍率光路５２は、第１の高倍率光路５１よりも高倍率レンズ３４から被写体である半導体チップ６３までの距離が短い位置にフォーカスの合うフォーカス位置Ａ２を持つこととなる。逆に、高倍率レンズ３４から撮像面３６までの距離が高倍率レンズ３４から撮像面３６までの距離よりも短い第１の高倍率光路５１は、第２の高倍率光路５２よりも高倍率レンズ３４から被写体である半導体チップ６３までの距離が長い位置にフォーカスの合うフォーカス位置Ａ１を持つこととなる。なお、図５においては、各レンズ３４，３５および各光路５１，５２，５３以外の光学系については記載を省略している。
図５に示すように多段積層半導体装置は、リードフレーム６１の上に３層に半導体チップ６３ａ，６３ｂ，６３ｃが積層して取り付けられ、各層の半導体チップ６３ａ，６３ｂ，６３ｃの各パッド６４ａ，６４ｂ，６４ｃとそれに対応するリードフレーム６１の各リード６２ａ，６２ｂ，６２ｃとがワイヤ１６によって接続されている。各半導体チップ６３ａ，６３ｂ，６３ｃはそれぞれ厚みを持っており、このため各パッド６４ａ，６４ｂ，６４ｃは、相互に高さ方向であるＺ方向の段差を持っている。一方、各リード６２ａ，６２ｂ，６２ｃはいずれもリードフレーム６１の表面に形成されているので、各リード６２ａ，６２ｂ，６２ｃは相互の高さ方向であるＺ方向の段差はほとんど無い。
第１の高倍率光路５１は高倍率レンズ３４からの距離が第２の高倍率光路５２よりも長い位置にフォーカスの合うフォーカス位置Ａ１を持ち、第２の高倍率光路５２は高倍率レンズ３４からの距離が第１の高倍率光路５１よりも短い位置にフォーカスの合うフォーカス位置Ａ２を持っている。フォーカス位置Ａ１とフォーカス位置Ａ２との距離はｄＺである。一方、高倍率レンズ３４はフォーカスが合った状態で被写体を撮像することができる被写界深度Ｄを持っている。このことから、第１の高倍率光路５１は、フォーカス位置Ａ１を中心に第１の高倍率光路５１に沿った方向、即ち高さ方向であるＺ方向の被写界深度Ｄの範囲でフォーカスがあった状態で被写体の画像を共通の撮像面３６に結像させることができる。このフォーカス位置Ａ１を中心にした被写界深度Ｄの範囲は第１の高倍率光路５１の被写体撮像範囲６６で、第１の高倍率光路５１と第２の高倍率光路５２の共通の撮像素子３１はこの被写体撮像範囲６６にある被写体の画像を取得する。また、第２の高倍率光路５２は、フォーカス位置Ａ２を中心に第２の高倍率光路５２に沿った方向、即ち高さ方向であるＺ方向の被写界深度Ｄの範囲でフォーカスがあった状態で被写体の画像を撮像面３６に結像させることができる。このフォーカス位置Ａ１を中心にした被写界深度Ｄの範囲は第２の高倍率光路５２の被写体撮像範囲６７で、共通の撮像素子３１はこの被写体撮像範囲６７のある被写体の画像を取得する。第１の高倍率光路５１、第２の高倍率光路５２共に同一の高倍率レンズ３４を経る光路となっているので、各高倍率光路５１，５２の被写界深度Ｄの被写界深度は同一距離となる。フォーカス位置Ａ１とフォーカス位置Ａ２との距離ｄＺは、高倍率レンズ３４から撮像面３６までの高倍率光路５１と高倍率光路５２との距離の差により決まる量である。本実施形態では、図５に示すように、ｄＺは被写界深度Ｄと等しくなるように設定されている。
一方、図５に示すように、低倍率光路５３は高倍率レンズ３４よりも倍率の低い低倍率レンズ３５によって画像を結像させている。レンズは倍率が低くなるとより深い被写界深度を持つことから、低倍率レンズ３５は高倍率レンズ３４よりも広い被写界深度Ｅを持ち、フォーカス位置Ａ３を中心に低倍率光路５３に沿った方向、即ち高さ方向であるＺ方向の被写界深度Ｅの範囲でフォーカスがあった状態で被写体の画像を撮像面３８に結像させることができる。このフォーカス位置Ａ３を中心にした被写界深度Ｅの範囲は低倍率光路５３の被写体撮像範囲６８である。低倍率レンズ３５は広い被写界深度Ｅの被写界深度を持っていることから、低倍率光路５３の被写体撮像範囲６８はリードフレーム６１とリードフレームに取り付けられた各層の半導体チップ６３ａ，６３ｂ，６３ｃを含む範囲となっている。
図６にリードフレーム６１及び半導体チップ６３における第１、第２の高倍率光路５１，５２を含む高倍率光学系の視野７１と低倍率光路５３を含む低倍率光学系の視野７２の例を示す。図６に示すように、高倍率光学系は高倍率レンズ３４によって撮像を行っているので視野７１は半導体チップ６３の角の一部を含むものとなっている。一方、低倍率光学系は高倍率レンズ３４よりも倍率の低い低倍率レンズ３５によって画像を結像させていることから、高倍率光学系の視野７１よりも広い視野７２を持っている。図６では低倍率光学系の視野７２には半導体チップ６３の一部と数箇所のリード６２が含まれている場合を示したが、視野の位置によってはリード６２のみが含まれている場合もある。
図７は高倍率光学系の視野７１と低倍率光学系の視野７２とを同一の大きさとして表示したもので、高倍率光学系の視野７１は半導体チップ６３の各パッド６４及び特定パターン６５が視野７１内に大きく撮像されている。図８に示すように、低倍率光学系の視野７２は高倍率系よりも広い範囲を同一の大きさの視野内に撮像しているので、高倍率光学系の画像よりも小さく半導体チップ６３の各バッド、及びリードフレーム６１に配置されているリード６２が撮像されている。
以上説明した、ボンディング装置用撮像装置２１によって撮像した画像を用いる半導体チップ６３のパッド６４とリードフレーム６１の各リード６２との位置合わせについて説明する。図１の示すガイドレール８１ａ，８１ｂに沿って半導体チップ６３がボンディングされたリードフレーム６１が所定の位置に搬送されてくると、ボンディング装置用撮像装置２１は、低倍率光学系の視野７２を図８に示すようなリードフレーム６１の複数のリード６２を含む位置となるように設定し、撮像素子３３によって複数のリード６２を含む画像を各画素の電気信号として出力する。撮像素子３３の各画素からの各電気信号は、図示しない制御装置に入力され、制御装置で例えば正規化相関処理等によってリード６２１のＸ方向に延びるエッジＬ１１，Ｌ１２を検出し、検出した各エッジＬ１１，Ｌ１２のＹ方向の画素位置と視野７２の中心にある画素位置との画素数の差によって視野７２の中心と各エッジＬ１１，Ｌ１２との間のＹ方向の距離を取得する。また同様に、制御装置で例えば正規化相関処理等によってリード６２１の先端のＸ方向に延びる先端部Ｌ１３を検出し、検出した先端部Ｌ１３のＸ方向の画素位置と視野７２の中心にある画素位置との画素数の差によって視野７２の中心から先端部Ｌ１３との間の距離を取得する。これによって、制御装置はリード６２１の先端の視野７２の中心に対するＸＹ方向の座標位置を取得する。ボンディング装置用撮像装置２１はボンディングヘッド１１に固定されていることから、ボンディング装置用撮像装置２１の視野７２の画素中心のワイヤボンダ１０に対する座標位置がわかっていることから、上記のようにリード６２１の先端の視野７２の中心に対するＸＹ座標位置を取得することで、リード６２１の先端のワイヤボンダ１０全体に対する座標位置を取得することができる。以下、制御装置は複数のリード６２のそれぞれについて各リード６２の先端の視野７２の中心に対するＸＹ方向の座標位置を取得し、各リード６２の先端のワイヤボンダ１０全体に対する座標位置を取得する。
そして、視野７２に含まれている全てのリード６２の各先端のＸＹ方向の座標位置、ワイヤボンダ１０全体に対する座標位置を取得すると、ボンディング装置用撮像装置２１は図６に示す視野７２のＹ方向に隣接する範囲が視野に入る位置に移動し、次の視野で撮像される各リード６２の先端の座標位置を取得する。この動作を順次繰り返して、ボンディング装置用撮像装置２１は半導体チップ６３の周囲にあるリード６２の全ての範囲をスキャンし、すべてのリード６２の先端の座標位置を取得する。本実施形態では、図６に示す視野７２は半導体チップ６３の一辺に対向して配置されたリード６２の約１／３のリードを視野内に入れることができるので、リードフレーム６１の全リード６２の座標位置を取得するためには、異なる１２の位置の各視野において画像を取得し座標位置の取得を行えば済み、図６に示す高倍率光学系の視野７１によって各リード６２をスキャンして全画像の取り込みを行う場合に比較して、格段に画像取り込み回数が少なくてすみ、リードフレーム６１の撮像時間の短縮を図ることができ、リード６２の座標位置の取得にかかる時間を少なくし、ワイヤボンディングの高速化に対応することができるという効果を奏する。
次に、ボンディング装置用撮像装置２１は高倍率光学系の視野７１を図７に示すような半導体チップ６３の角部にある特定パターン６５を含む位置に設定し、共通の撮像素子３１によって特定パターン６５を含む画像を各画素の電気出力として出力する。撮像素子３１の各画素からの各電気信号は、図示しない制御装置に入力され、制御装置で例えば正規化相関処理等によって特定パターン６５の位置と視野７２の中心にある画素位置との画素数の差によって視野７１の中心と特定パターン６５との間のＸＹ方向の距離を取得し、特定パターン６５の視野７１中心に対するＸＹ座標位置を取得し、これから特定パターン６５のワイヤボンダ１０に対する座標位置を取得する。
次に、ボンディング装置用撮像装置２１は半導体チップ６３の対角方向の角部が視野に入るような位置に移動し、対角側にある特定パターン６５の座標位置を取得する。半導体チップ６３の各パッド６４の位置はリードフレーム６１のリード６２の位置よりも正確に製造されていることから、対角方向の２つの特定パターン６５の位置の座標位置を取得することによって半導体チップ６３の座標位置が特定されると、各パッド６４の座標位置も特定されてしまう。このことから、半導体チップ６３の各パッド６４の座標位置の取得はパッド６４毎に位置検出をせずに行うことができる。
半導体チップ６３のパッド６４の座標位置の取得の際に第１の高倍率光路５１を用いるか、第２の高倍率光路５２を用いるかは、被写体である半導体チップ６３のパッド６４の高さ方向位置であるＺ方向位置が図５に示す第１の高倍率光路５１の被写体撮像範囲６６に入っている場合には第１の高倍率光路５１を用い、被写体である半導体チップ６３のパッド６４のＺ方向位置が図５に示す第２の高倍率光路５２の被写体撮像範囲６７に入っている場合には第２の高倍率光路５２を用いる。第１、第２の高倍率光路５１，５２は図３に示すシャッタ９０のモータ９１を回転させることによって切り替えられる。いずれの光路を用いて撮像するかは、ワイヤボンディングを行う半導体チップ６３の厚さ、段数、撮像する工程などによって選択するようにしても良いし、ワイヤボンディング工程に合わせてプログラムなどで予め設定しておくようしても良いし、第１、第２の高倍率光路５１，５２によって撮像した画像を処理して被写体の境界線をより明確に識別することのできる光路を選択するようにしても良い。そして、例えば、図５に示すように半導体チップ６３が多段に積層されているような場合には、高倍率レンズ３４からの距離が長い被写体撮像範囲６６に入っている１層目と２層目の半導体チップ６３ａ，６３ｂの撮像と各パッド６４ａ，６４ｂの座標位置の取得にはシャッタ９０によって第１の高倍率光路５１を開放すると共に第２の高倍率光路５２を遮断して第１の高倍率光路５１を用いて撮像し、高倍率レンズ３４からの距離が短いフォーカス位置Ａ２を中心とする被写体撮像範囲６７に入っている３層目の半導体チップ６３ｃの撮像とパッド６４ｃの座標位置の取得にはシャッタ９０によって第２の高倍率光路５２を開放すると共に第１の高倍率光路５１を遮断して第２の高倍率光路５２を用いて撮像を行う。このように、本実施形態は２つの高倍率光路５１，５２を備えているので、図５に示すような高さ方向であるＺ方向の段差が大きな多段積層半導体のワイヤボンディングを行う際に、高倍率のレンズ３４を用いつつレンズ位置を動かさずに高さ方向であるＺ方向に広い被写体撮像範囲の画像を取得することができることから、高さ方向の段差の大きな半導体チップ６３ａ，６３ｂ，６３ｃを精度良く撮像することができるという効果を奏する。また、本実施形態は、第１の高倍率光路５１と第２の高倍率光路５２の２つの高倍率光路をシャッタ９０によって切り替えることによって撮像素子３１を共通とすることができ、システムを簡便とすることができるという効果を奏する。
以上の動作によって各リード６２先端の各座標位置と各バッド６４の各座標位置を取得したら、ワイヤボンダ１０は図１に示すボンディングヘッド１１とＺ方向駆動機構１８を動作させて超音波ホーン１３の先端に取り付けられたキャピラリ１４をＸＹＺ方向に駆動し、キャピラリ１４に挿通したワイヤ１６によって図５に示す半導体チップ６３の各パッド６４とリードフレーム６１の各リード６２との間にワイヤ１６をボンディングしていく。
そして、１つの半導体チップ６３の全てのパッド６４をリードフレーム６１の各リード６２とワイヤ１６によって接続したら、次の半導体チップ６３がボンディング位置に来るようにリードフレーム６１が搬送される。ボンディング装置用撮像装置２１は、再度リードフレーム６１の画像をスキャンして各リード６２の座標位置を取得し、半導体チップ６３の特定パターン６５の座標位置を取得し、次のワイヤボンディングを行う。
以上述べた実施形態のボンディング装置用撮像装置２１は、視野の広い低倍率光学系によって各リード６２をスキャンしてリード６２の全画像の取り込みを行うので画像取り込み回数が少なく、リードフレームの撮像時間の短縮を図ることができ、リード６２の座標位置の取得にかかる時間を少なくし、ワイヤボンディングの高速化に対応することができると共に、高倍率光学系に２つの高倍率光路５１，５２を備えているので、高さ方向の段差が大きな多段積層半導体のワイヤボンディングを行う際に、高倍率レンズ３４を用いつつレンズ位置を動かさずに高さ方向に広い被写体撮像範囲の画像を取得することができることから、高さ方向の段差の大きな半導体チップ６３ａ，６３ｂ，６３ｃを精度良く撮像することができるという効果を奏する。
以上説明した実施形態では、高倍率光学系は２つの高倍率光路を備えるものとして説明したが、半導体チップ６３の段差に応じてより多くの高倍率光路を備えるように構成してもよい。また、本実施形態では、リードフレーム６１とリードフレーム６１の上に取り付けられた半導体チップ６３とを撮像する場合について説明したが、ＢＧＡなどの基板の上と基板の上に取り付けられた半導体チップ６３との画像を取得する場合にも適用することができる。
次に、図９を参照しながら、他の実施形態について説明する。図３を参照して説明した実施形態と同一の部分には同一の符号を付して説明は省略する。本実施形態のボンディング装置用撮像装置２１は先に説明した実施形態と同様に、図２に示す対象である半導体チップ６３あるいはリードフレーム６１からの光の光路を導入する導入部２２と、内部にレンズあるいはミラーなどの光学部品を備え、導入部２２に入った光を導く鏡筒２３と、鏡筒２３に取り付けられ、鏡筒２３からの光を受ける撮像素子を含むカメラ２４，２６とを備えている。
図９に示すように、本実施形態のボンディング装置用撮像装置２１は、被写体である半導体チップ６３またはリードフレーム６１から導入部２２を経由して被写体側レンズ４５を経てハーフミラー４１を透過し、第１の撮像面側レンズ４６を経てハーフミラー４２ａを透過してシャッタ９０を経てハーフラー４２ｂを透過して撮像面３６に至る第１の高倍率光路５１と、被写体である半導体チップ６３またはリードフレーム６１から導入部２２を経由して被写体側レンズ４５を経てハーフミラー４１を透過し、第１の撮像面側レンズ４６を経てハーフミラー４２ａで反射して第１の高倍率光路５１と分岐し、ミラー４３ａで反射した後シャッタ９０を経てミラー４３ｂとハーフミラー４２ｂで反射して第１の高倍率光路と合流して共通の撮像面に至る第２の高倍率光路５２と、を備える第１の光学系である高倍率光学系と、被写体である半導体チップ６３またはリードフレーム６１から導入部２２を経由して被写体側レンズ４５を経て、被写体側レンズ４５と第１の撮像面側レンズ４６との間のハーフミラー４１で反射して高倍率光学系と分岐し、ミラー４４で反射して第２の撮像面側レンズ４７を経て撮像面３８に至る低倍率光路５３を備える第２の光学系である低倍率光学系を有している。被写体側レンズ４５と第１の撮像面側レンズ４６とは高倍率合成レンズを構成し、被写体側レンズ４５と第２の撮像面側レンズ４７とは、被写体側レンズ４５と第１の撮像面側レンズ４６の高倍率合成レンズよりも合成レンズとしての倍率の低い低倍率合成レンズを構成する。また、被写体側レンズ４５、第１の撮像面側レンズ、第２の撮像面側レンズ４６はそれぞれ単一のレンズであってよいし、収差を補正するように複数のレンズを組み合わせた各レンズ群として構成してもよい。各撮像面３６，３８に設けられる撮像素子３１，３３とシャッタ９０の構成は先に図３を参照して説明した実施形態と同様である。
高倍率光学系は、被写体側レンズ４５と第１の撮像面側レンズ４６とを合成した１つの高倍率合成レンズを持つ光学系となる。したがって、図４で説明したレンズＬの撮像面側のレンズと像面との距離Ｓ’は、第１の撮像面側レンズ４６と撮像面３６との間の距離となる。よって、第１の撮像面側レンズ４６から撮像面３６までの距離が第１の高倍率光路５１よりも長い第２の高倍率光路５２は、高倍率合成レンズから撮像面３６までの距離が第１の高倍率光路５１よりも長い光路となり、第１の高倍率光路５１よりも高倍率合成レンズ前方の被写体側レンズ４５から被写体である半導体チップ６３までの距離が短い位置にフォーカスの合うフォーカス位置Ａ２を持つこととなる。逆に、第１の撮像面側レンズ４６から撮像面３６までの距離が第２の高倍率光路５２よりも短い第１の高倍率光路５１は、高倍率合成レンズから撮像面３６までの距離が第２の高倍率光路５２よりも短い光路となり、第２の高倍率光路５２よりも高倍率合成レンズ前方の被写体側レンズ４５から被写体である半導体チップ６３までの距離が長い位置にフォーカスの合うフォーカス位置Ａ１を持つこととなる。
低倍率光学系は、高倍率光学系と共通の被写体側レンズ４５との合成レンズの倍率が高倍率合成レンズの倍率よりも低くなる第２の撮像面側レンズを備えているほかは先に説明した実施形態と同様である。
本実施形態のボンディング装置用撮像装置２１によって撮像した画像を用いて半導体チップ６３のパッド６４とリードフレーム６１の各リード６２との位置を合わせる方法は、先に説明した実施形態と同様である。
本実施形態は、先に説明した実施形態と同様の効果に加え、各光学系を被写体側レンズ４５と第１の撮像面側レンズ４６、又は第２の撮像面側レンズ４７との合成レンズによって構成していることから、光学系全体の長さを短くすることができ、コンパクトなボンディング装置用撮像装置２１を提供することができるという効果を奏する。
本実施形態では、リードフレーム６１とリードフレーム６１の上に取り付けられた半導体チップ６３とを撮像する場合について説明したが、ＢＧＡなどの基板の上と基板の上に取り付けられた半導体チップ６３との画像を取得する場合にも適用することができる。また、基板にはテープにリードが印刷されたものも含まれる。
次に、図１０を参照しながら、別の他の実施形態について説明する。図３，９を参照した説明した実施形態と同一の部分には同一の符号を付して説明は省略する。本実施形態では、第１の高倍率光路５１は、シャッタの後でミラー４３ｂとハーフミラー４２ｂで反射して撮像面３６に至り、ミラー４３ｂとハーフミラー４２ｂとの間に光路長調整手段であるガラス板４８が設けられている。また、第２の高倍率光路５２は、シャッタ９０の後、ハーフミラー４２ｂを透過して第１の高倍率光路５１と合流して共通の撮像面３６に至るよう構成されている。本実施形態では、ガラス板４８がない場合の第１の高倍率光路５１と第２の高倍率光路５２との光路長は略同一の長さとなっており、２つの高倍率光路５１，５２の間の光路長はガラス板４８によって調整される。光路長調整手段はガラス板４８に限らず、プラスチック板あるいは補助レンズ等を用いて構成してもよい。そして、このガラス板４８の第１の高倍率光路に沿った方向の位置、厚さなどの形状を調整することによって、第１の高倍率光路５１のフォーカス位置Ａ１、被写体撮像範囲６６の位置を第１の高倍率光路５１に沿った方向、つまり図５に示す高さ方向であるＺ方向の位置を調整することができ、第１の高倍率光路５１の被写体撮像範囲６６と第２の高倍率光路５２の被写体撮像範囲６７との間の距離ｄＺを各被写体撮像範囲６６，６７とが互いに重なり合うようにしたり、或いは各被写体撮像範囲６６，６７の間に隙間ができるようにしたりすることができるという効果を奏する。
以上述べた各実施形態では、ボンディング装置用撮像装置をワイヤボンダ１０に適用した場合について説明したが、本発明はダイボンダ、フリップチップボンダ、テープボンダ等の他のボンディング装置にも適用することができる。
本発明の実施形態におけるボンディング装置用撮像装置を有するワイヤボンダを示す斜視図である。 本発明の実施形態におけるボンディング装置用撮像装置の斜視図である。 本発明の実施形態におけるボンディング装置用撮像装置の光学系の構成を示す説明図である。 レンズのフォーカス位置の変化を示す説明図である。 本発明の実施形態におけるボンディング装置用撮像装置の被写体撮像範囲を示す説明図である。 本発明の実施形態におけるボンディング装置用撮像装置の視野の説明図である。 本発明の実施形態におけるボンディング装置用撮像装置の高倍率光学系の視野を示す説明図である。 本発明の実施形態におけるボンディング装置用撮像装置の低倍率光学系の視野を示す説明図である。 本発明の他の実施形態におけるボンディング装置用撮像装置の光学系の構成を示す説明図である。 本発明の他の実施形態におけるボンディング装置用撮像装置の光学系の構成を示す説明図である。
符号の説明
１０ ワイヤボンダ、１１ ボンディングヘッド、１２ ＸＹテーブル、１３ 超音波ホーン、１４ キャピラリ、１５ クランパ、１６ ワイヤ、１７ スプール、１８ Ｚ方向駆動機構、２１ ボンディング装置用撮像装置、２２ 導入部、２３ 鏡筒、２４，２６ カメラ、３１，３３ 撮像素子、３４ 高倍率レンズ、３５ 低倍率レンズ、３６，３８ 撮像面、４１，４２ａ，４２ｂ， ハーフミラー、４３ａ，４３ｂ，４４ ミラー、４５ 被写体側レンズ、４６ 第１の撮像面側レンズ、４７ 第２の撮像面側レンズ、４８ ガラス板、５１ 第１の高倍率光路、５２ 第２の高倍率光路、５３ 低倍率光路、６１ リードフレーム、６２，６２ａ，６２ｂ，６２ｃ，６２１ リード、６３，６３ａ，６３ｂ，６３ｃ 半導体チップ、６４，６４ａ，６４ｂ，６４ｃ パッド、６５ 特定パターン、６６，６７，６８ 被写体撮像範囲、７１，７２ 視野、８１ａ，８１ｂ ガイドレール、８３ ボンディングステージ、９０ シャッタ、９１ モータ、９２ 羽根、Ａ１，Ａ２，Ａ３ フォーカス位置、Ｂ１，Ｂ２ 像面、Ｄ，Ｅ 被写界深度、ｄＺ，Ｓ，Ｓ’ 距離、Ｌ レンズ、Ｌ１１，Ｌ１２ エッジ、Ｌ１３ 先端部。

Claims (7)

  1. 被写体であるリードフレームまたは基板とリードフレームまたは基板に取り付けられた多段積層半導体チップとの画像を取得するボンディング装置用撮像装置であって、
    第１のレンズを経て共通の撮像面に至り、第１のレンズからの距離が異なる位置にある複数の被写体撮像範囲に対応して第１のレンズから共通の撮像面までの光路長が異なる複数の光路を有する第１の光学系と、
    第１の光学系の複数の光路の内の１つの光路を開放し、他の光路を遮断する光路切り替え手段と、
    第１のレンズの被写体側で第１の光学系から分岐し、第１のレンズよりも倍率の低い第２のレンズを経て撮像面に至る光路を有し、第１の光学系の視野よりも広い視野を備える第２の光学系と、
    第１の光学系の共通の撮像面に設けられリードフレームまたは基板に取り付けられた多段積層半導体チップの各層の画像を取得する撮像素子と、第２の光学系の撮像面に設けられリードフレームまたは基板の画像を取得する撮像素子と、
    を有することを特徴とするボンディング装置用撮像装置。
  2. 被写体であるリードフレームまたは基板とリードフレームまたは基板に取り付けられた多段積層半導体チップとの画像を取得するボンディング装置用撮像装置であって、
    被写体側レンズと第１の撮像面側レンズとを経て共通の撮像面に至り、被写体側レンズからの距離が異なる位置にある複数の被写体撮像範囲に対応して第１の被写体側レンズから共通の撮像面までの光路長が異なる複数の光路を有する第１の光学系と、
    第１の光学系の複数の光路の内の１つの光路を開放し、他の光路を遮断する光路切り替え手段と、
    被写体側レンズと第１の撮像面側レンズとの間で第１の光学系から分岐し、被写体側レンズと第１の撮像面側レンズとの合成レンズ倍率よりも、被写体側レンズとの合成レンズ倍率が低い第２の撮像面側レンズを経て撮像面に至る光路を有し、第１の光学系の視野よりも広い視野を備える第２の光学系と、
    第１の光学系の共通の撮像面に設けられリードフレームまたは基板に取り付けられた多段積層半導体チップの各層の画像を取得する撮像素子と、第２の光学系の撮像面に設けられリードフレームまたは基板の画像を取得する撮像素子と、
    を有することを特徴とするボンディング装置用撮像装置。
  3. 請求項１または２に記載のボンディング装置用撮像装置であって、
    光路切り替え手段は、撮像する多段積層半導体チップの各層の高さ位置に応じて複数の光路を切り替えること、
    を特徴とするボンディング装置用撮像装置。
  4. 請求項２に記載のボンディング装置用撮像装置であって、
    第１の光学系は、第１の撮像面側レンズと各撮像面との間の光路に、光路に沿った方向に取り付け位置を可変とした光路長調整用手段を有すること
    を特徴とするボンディング装置用撮像装置。
  5. 請求項４に記載のボンディング装置用撮像装置であって、
    光路長調整用手段は、光路長調整用レンズまたは透過性のガラス、プラスチック、セラミックスであること、
    を特徴とするボンディング装置用撮像装置。
  6. 第１のレンズを経て共通の撮像面に至り、第１のレンズからの距離が異なる位置にある複数の被写体撮像範囲に対応して第１のレンズから共通の撮像面までの光路長が異なる複数の光路を有する第１の光学系と、第１の光学系の複数の光路の内の１つの光路を開放し、他の光路を遮断する光路切り替え手段と、第１のレンズの撮像面側で第１の光学系から分岐し、第１のレンズよりも倍率の低い第２のレンズを経て撮像面に至る光路を有し、第１の光学系の視野よりも広い視野を備える第２の光学系と、第１の光学系の共通の撮像面に設けられる撮像素子と、第２の光学系の撮像面に設けられる撮像素子と、を備えるボンディング装置用撮像装置によって、被写体であるリードフレームまたは基板とリードフレームまたは基板に取り付けられた各多段積層半導体チップとの画像を取得する撮像方法であって、
    第２の光学系の視野をリードフレーム面または基板面でスキャンさせ、第２の光学系の撮像面に設けられる撮像素子によって各多段積層半導体チップの全周の各リードを含むリードフレームまたは基板の画像を取得するリード画像撮像工程と、
    多段積層半導体チップの各層の高さ位置に応じて光路切り替え手段によって開放されるいずれか１つの第１の光学系の光路を経て第１の光学系の撮像面に結像する多段積層半導体チップの各層の画像を第１の光学系の撮像素子によって取得する半導体チップ撮像工程と、
    を含むことを特徴とする撮像方法。
  7. 被写体側レンズと第１の撮像面側レンズとを経て共通の撮像面に至り、被写体側レンズからの距離が異なる位置にある複数の被写体撮像範囲に対応して第１の撮像面側レンズから共通の撮像面までの光路長が異なる複数の光路を有する第１の光学系と、第１の光学系の複数の光路の内の１つの光路を開放し、他の光路を遮断する光路切り替え手段と、被写体側レンズと第１の撮像面側レンズとの間で第１の光学系から分岐し、被写体側レンズと第１の撮像面側レンズとの合成レンズ倍率よりも被写体側レンズとの合成レンズ倍率が低い第２の撮像面側レンズを経て撮像面に至る光路を有し、第１の光学系の視野よりも広い視野を備える第２の光学系と、第１の光学系の共通の撮像面に設けられる撮像素子と、第２の光学系の撮像面に設けられる撮像素子と、を備えるボンディング装置用撮像装置によって、被写体であるリードフレームまたは基板とリードフレームまたは基板に取り付けられた各多段積層半導体チップとの画像を取得する撮像方法であって、
    第２の光学系の視野をリードフレーム面または基板面でスキャンさせ、第２の光学系の撮像面に設けられる撮像素子によって各多段積層半導体チップの全周の各リードを含むリードフレームまたは基板の画像を取得するリード画像撮像工程と、
    多段積層半導体チップの各層の高さ位置に応じて光路切り替え手段によって開放されるいずれか１つの第１の光学系の光路を経て第１の光学系の撮像面に結像する多段積層半導体チップの各層の画像を第１の光学系の撮像素子によって取得する半導体チップ撮像工程と、
    を含むことを特徴とする撮像方法。
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