JP2009027105A - ボンディング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
低荷重加圧手段と高荷重加圧手段を分離させ、軽量の低荷重加圧手段はボンディングヘッドのヘッド移動手段に設けて、移動可能なものとし、重い高荷重加圧手段は、ボンディングヘッドから切り離し、固定のものとし、高荷重加圧も低荷重加圧も精度良く行うことができるようにする。

【解決手段】
ボンディング装置に次の手段を採用する。
第１に、ボンディングツールへの加圧手段は、低荷重加圧制御可能な第１加圧手段と、高荷重加圧制御可能な第２加圧手段とでなる。
第２に、第１加圧手段は、ヘッド移動手段によりボンディングヘッドとともに移動するように設けられ、第２加圧手段は、ボンディングステージの上方に設けられ、ボンディング位置のボンディングツールに対して加圧力を付与するようにした。

【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体チップなどの電子部品を基板にボンディングするボンディング装置の改良に関するもので、特に、電子部品を保持したボンディングツールを基板に向けて加圧する手段を主眼に開発されたものである。

フリップチップボンダでは、タクトタイムの短縮のため、ボンディングヘッドを水平方向に移動可能としている。このようなフリップチップボンダではボンディングヘッドを高速移動させるため、ボンディングヘッドを軽量化することが考えられる。そのためボンディングヘッドに設けられる加圧機構を分離した構造にしたものが特許文献１及び２に示されるように提案されている。

ところが特許文献１及び２に示されるようなフリップチップボンダの加圧機構では、２乃至３ｋｇｆ以下の低荷重から２０乃至３０ｋｇｆ程度の高荷重にわたり、バランス良く荷重制御することができなかった。

一般に、フリップチップボンダでは荷重に応じた剛性をもつように設計されるため、低荷重用のフリップチップボンダでは精度良く高荷重のボンディングができず、逆に高荷重用のフリップチップボンダでは、高剛性ヘッドを採用するためヘッド重量が重く、高速性を損なうだけでなく、高精度な低荷重のボンディングができないものとなっていた。特に、特許文献１及び２にあるように加圧機構が分離されているものは、低荷重制御には不向きであった。

特開２００１−３３２５８６号公開特許公報 特開２００３−４５０１４号公開特許公報

本発明は、上記問題点を解決するため、低荷重加圧手段と高荷重加圧手段を分離させ、軽量の低荷重加圧手段はボンディングヘッドのヘッド移動手段に設けて、移動可能なものとし、重い高荷重加圧手段は、ボンディングヘッドから切り離し、ボンディング位置の上方のフレームに設けて、固定のものとし、高荷重加圧も低荷重加圧も精度良く行うことができるボンディング装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記課題を解決するためボンディング装置に次の手段を採用する。
第１に、電子部品を吸着保持するボンディングツールを有するボンディングヘッドと、電子部品をボンディングツールに供給するチップ供給手段と、基板が載置されるボンディングステージと、チップ供給手段によるチップ供給位置とボンディングステージ上のボンディング位置との間でボンディングヘッドを移動させるヘッド移動手段と、ボンディングツールに吸着保持された電子部品を基板に向けて加圧する加圧手段とを備えたボンディング装置とする。
第２に、前記加圧手段は、低荷重加圧制御可能な第１加圧手段と、高荷重加圧制御可能な第２加圧手段とでなる。
第３に、第１加圧手段は、ヘッド移動手段によりボンディングヘッドとともに移動するように設けられ、第２加圧手段は、ボンディングステージの上方に設けられ、各加圧手段がボンディング位置のボンディングツールに対して加圧力を付与するようにした。

第２の発明は、第１の発明に、前記ボンディングヘッドは、低荷重制御時には第１加圧手段の駆動源から付与される加圧力をボンディングツールに伝達し、高荷重加圧制御時には第１加圧手段の駆動源からの加圧力をボンディングツールに伝達しない加圧源切替手段を有するものとする限定を付加したボンディング装置である。

本発明は、加圧手段が、低荷重加圧制御可能な第１加圧手段と、高荷重加圧制御可能な第２加圧手段とでなり、第１加圧手段は、ヘッド移動手段によりボンディングヘッドとともに移動するように設け、第２加圧手段は、ボンディングステージの上方に設け、ボンディング位置のボンディングツールに対して加圧力を付与するようにしたので、低荷重加圧も高荷重加圧も精度良く行うことができ、この結果、基板への半導体チップなどの電子部品の高精度な実装が可能となった。

以下、図面に従って、実施例と共に本発明の実施の形態について説明する。
本発明に利用するフリップチップボンダの概要について説明する。フリップチップボンダは図５に示されるように、電子部品である半導体チップ１を吸着保持するボンディングツール２を有するボンディングヘッド３（図１及び２示される）と、半導体チップ１をボンディングツール２に供給するチップ供給手段４０と、基板４が載置されるボンディングステージ５と、ボンディングヘッド３をチップ供給手段４０によるチップ供給位置とボンディングステージ５上のボンディング位置との間で移動させるヘッド移動装置と、本発明の特徴となるボンディングツール２に吸着保持された半導体チップ１を基板４に向けて加圧する加圧手段とを備えている。

ボンディングヘッド３は、Ｙ軸方向への移動のためのＹ軸駆動装置３０の移動プレート１５に設けられており、半導体チップ１を吸着保持するボンディングツール２と、ボンディングツール２が保持されるツールホルダ６と、移動プレート１５にＺ軸リニアウエイ１６を介して上下動自在に取り付けられているボンディングヘッドボディ７と、ボンディングヘッドボディ７内に配置され、ボンディングツール２のθ軸方向（回転方向）の移動を行うθ軸駆動装置３１を有している。θ軸駆動装置３１は、移動プレート１５に固定されたθ軸駆動モータ８の回転を、θ軸スプライン３３及びツールホルダ６を介してボンディングツール２に伝達するものである。また、ツールホルダ６はベアリング３４を介してボンディングヘッドボディ７に回転可能に支持されている。これによりツールホルダ６が下端に取り付けられたボンディングヘッドボディ７は、移動プレート１５に対して上下動可能であり、かつツールホルダ６は、θ軸駆動モータ８によって回転することができるようになっている。

ボンディングヘッドボディ７の上端部には、高荷重加圧制御に利用される高荷重制御シリンダ９、その上に高荷重モニタリングロードセル１０が配置されている。高荷重制御シリンダ９は、レギュレータにより所定の圧力でエアが供給され、エアの圧力により高荷重用のユニット昇降シリンダ１１から所定の加重をボンディングヘッド３に伝達するものである。尚、実施例での高荷重モニタリングロードセル１０は、モニタリングのみで制御のためのフィードバックは行っていない。

ボンディングヘッドボディ７には、図１に示されるように、Ｚ軸駆動兼低荷重加圧装置１７の駆動力を受けるための締結ブラケット２４が、Ｚ軸駆動兼低荷重加圧装置１７の締結具２０に向かって固着されている。

ボンディングツール２は、ボンディングヘッドボディ７の下端に設けられたツールホルダ６内で、所定量上下スライド可能で、上昇停止部１２にボンディングツール２のツール上端部２９が当接することで、停止し、上昇スライドができなくなるようにされている。これによりボンディングヘッド３を通じて、ユニット昇降シリンダ１１の圧力がボンディングツール２にかかることになる。

更に、ボンディングツール２には、張り出し部３５が一体的に形成されており、該張り出し部３５がツールホルダ６に装着された制御用ロードセル１３と荷重アシストシリンダ１４により挟持可能とされている。即ち、荷重アシストシリンダ１４が伸となることで張り出し部３５が制御用ロードセル１３に押し付けられて挟持されるのである。

この時、制御用ロードセル１３の検出荷重はボンディングツール２の自重と荷重アシストシリンダ１４による押圧荷重を加算した値となり、ボンディングツール２により半導体チップ１を基板4に押圧すると、検出する荷重が減少するようになっている。

移動プレート１５には、ボンディングヘッド３と並行してボンディングヘッド３のＺ軸駆動兼低荷重加圧装置１７が装着されている。Ｚ軸駆動兼低荷重加圧装置１７は、本発明における第１加圧手段にあたるものであって、Ｚ軸モータ１８と、Ｚ軸モータ１８により回転させられるＺ軸ボールねじ１９と、Ｚ軸ボールねじ１９に装着されＺ軸ボールねじ１９の回転で上下動する締結具２０とによりなる。

締結具２０は、ボンディングヘッド３から伸びた締結ブラケット２４を締結するもので、締結具２０は、上部内側に配置したＺ軸固定シリンダ２１と締結ブラケット２４を下方より支持するストッパーピン２２及びボンディングヘッド３の自重キャンセルシリンダ２３を有する。Ｚ軸固定シリンダ２１を伸とすることで、Ｚ軸固定シリンダ２１とストッパーピン２２で締結ブラケット２４を挟持固定し、Ｚ軸固定シリンダ２１を縮とすることで、締結ブラケット２４の挟持固定を解除する。この締結ブラケット２４と締結具２０が、第２の発明における加圧源切替手段となる。

本願発明におけるヘッド移動装置は、ボンディングヘッド３をＹ軸方向（図１中左右方向、図２前後方向）へ移動させるＹ軸駆動装置３０と、ボンディングヘッド３をθ軸方向（回転方向）に移動させるθ軸駆動装置３１と、ボンディングヘッド３をＺ軸方向（上下方向）に移動させるＺ軸駆動装置がある。但しＺ軸駆動装置は、低荷重加圧装置と兼用であるＺ軸駆動兼低荷重加圧装置１７によっている。

尚、実施例でのヘッド移動装置は、Ｘ軸方向（図１中前後方向、図２中左右方向でＹ軸方向に直交する方向）への駆動装置は有していない。従って、半導体チップ１を基板４にボンディングする際の位置合わせにおけるＸ軸方向への相対移動は、ボンディングステージ５に備えられたＸ軸駆動装置４１によって行われる。

加圧手段は、本発明における低荷重加圧制御可能な第１加圧手段となるＺ軸駆動兼低荷重加圧装置１７と、本発明における高荷重加圧制御可能な第２加圧手段となる高荷重加圧装置３２とよりなる。低荷重加圧装置となるＺ軸駆動兼低荷重加圧装置１７は、Ｙ軸移動装置３０の移動プレート１５に、ボンディングヘッド３とともに移動するように設けられている。

高荷重加圧装置３２は、ボンディングステージ５の上方に、ボンディングヘッド３が取り付けられている移動プレート１５には取り付けられず、別設のフレーム２８に高荷重用のユニット昇降シリンダ１１を固定して設けられている。尚、高荷重用のユニット昇降シリンダ１１は、低荷重制御時は収縮しており、高荷重制御時に伸となり、伸となった場合のみ高荷重モニタリングロードセル１０及び高荷重制御シリンダ９を介して、ボンディングツール２に高荷重を付与することになる。

次に実施例によるボンディング時の低荷重加圧制御動作と高荷重加圧制御動作について説明する。
先ず、低荷重加圧制御は次のように行われる。締結具２０のＺ軸固定シリンダ２１が伸となり、締結具２０により締結ブラケット２４を挟持固定し、Ｚ軸モータ１８の駆動がボンディングツール２に伝達可能になる。尚、このとき自重キャンセルシリンダ２３は伸である。他方、ボンディングヘッド３のツールホルダ６に装備された荷重アシストシリンダ１４が伸となり、ボンディングツール２の張り出し部３５に押し付けられ、制御用ロードセル１３が荷重検出可能状態となる。ボンディング時における半導体チップ１が基板４に接する前までは、制御用ロードセル１３には、ボンディングツール２の自重と荷重アシストシリンダ１４からの荷重が加わる。従って、ボンディングツール２の自重を軽くすることにより定格の小さい制御用ロードセル１３で荷重分解能を上げることができるため低荷重制御が可能となる。

ボンディングヘッド３のＺ軸移動及び低荷重加圧制御の際には、高荷重加圧装置３２の動作を必要としないので、ボンディングヘッド３上部の高荷重制御シリンダ９がエアを供給せず縮、高荷重加圧用のユニット昇降シリンダ１１が縮の状態とされる。この状態で、Ｚ軸モータ１８を駆動して、ボンディングツール２をＺ軸下降させ、半導体チップ１を基板４に接触させ、ボンディングツール２にかかる荷重を、ツールホルダ６に装備された制御用ロードセル１３で検出しながら、Ｚ軸駆動兼低荷重加圧装置１７のＺ軸モータ１８を制御することで低荷重加圧の制御がなされる。

高荷重加圧制御は次のように行われる。荷重アシストシリンダ１４が伸、Ｚ軸固定シリンダ２１が伸、自重キャンセルシリンダ２３が伸、高荷重制御シリンダ９が設定圧力で伸、ユニット昇降シリンダ１１が縮の状態とし、この状態からＺ軸モータ１８により高速で、半導体チップ１が基板４に当接する直前の高さまで下降し、その後、減速し、更に、半導体チップ１が基板４に接触するまで下降する。Ｚ軸移動の過程である。

半導体チップ１が基板４に接触すると、この接触は制御用ロードセル１３で検知される。その後、荷重アシストシリンダ１４が縮、Ｚ軸固定シリンダ２１が縮となる。更に、下降してボンディングツール２の上端がツールホルダ６に当接することによりユニット昇降シリンダ１１の圧力がボンディングツール２に直接かかる状態になるとともに、ユニット昇降シリンダ１１が伸となり、所定の高荷重で半導体チップ１が基板４にボンディングがされる。

フリップチップボンダのボンディング部を示す正面説明図 同側面説明図 Ｚ軸駆動兼低荷重加圧装置の拡大説明図 フリップチップボンダの一部平面説明図 フリップチップボンダの全体を示す概略斜視図

符号の説明

１．．．．．．半導体チップ
２．．．．．．ボンディングツール
３．．．．．．ボンディングヘッド
４．．．．．．基板
５．．．．．．ボンディングステージ
６．．．．．．ツールホルダ
７．．．．．．ボンディングヘッドボディ
８．．．．．．θ軸駆動モータ
９．．．．．．高荷重制御シリンダ
１０．．．．．高荷重モニタリングロードセル
１１．．．．．ユニット昇降シリンダ
１２．．．．．上昇停止部
１３．．．．．制御用ロードセル
１４．．．．．荷重アシストシリンダ
１５．．．．．移動プレート
１６．．．．．Ｚ軸リニアウエイ
１７．．．．．Ｚ軸駆動兼低荷重加圧装置
１８．．．．．Ｚ軸モータ
１９．．．．．Ｚ軸ボールねじ
２０．．．．．締結具
２１．．．．．Ｚ軸固定シリンダ
２２．．．．．ストッパーピン
２３．．．．．自重キャンセルシリンダ
２４．．．．．締結ブラケット
２８．．．．．フレーム
２９．．．．．ツール上端部
３０．．．．．Ｙ軸駆動装置
３１．．．．．θ軸駆動装置
３２．．．．．高荷重加圧装置
３３．．．．．θ軸スプライン
３４．．．．．ベアリング
３５．．．．．張り出し部
４０．．．．．チップ供給手段
４１．．．．．Ｘ軸駆動装置

Claims (2)

1. 電子部品を吸着保持するボンディングツールを有するボンディングヘッドと、
   電子部品をボンディングツールに供給するチップ供給手段と、
   基板が載置されるボンディングステージと、
   チップ供給手段によるチップ供給位置とボンディングステージ上のボンディング位置との間でボンディングヘッドを移動させるヘッド移動手段と、
   ボンディングツールに吸着保持された電子部品を基板に向けて加圧する加圧手段とを備えたボンディング装置において
   前記加圧手段は、低荷重加圧制御可能な第１加圧手段と、高荷重加圧制御可能な第２加圧手段とからなり、
   第１加圧手段を、ヘッド移動手段によりボンディングヘッドとともに移動するように設け、
   第２加圧手段を、ボンディングステージの上方に設け、
   各加圧手段が、ボンディング位置のボンディングツールに対して加圧力を付与するようにしたことを特徴とするボンディング装置。
   
2. 前記ボンディングヘッドは、低荷重制御時には第１加圧手段の駆動源から付与される加圧力をボンディングツールに伝達し、高荷重加圧制御時には第１加圧手段の駆動源からの加圧力をボンディングツールに伝達しない加圧源切替手段を有する請求項１記載のボンディング装置。

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