JP2009088321A - ボンディング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】導光手段から出射されるレーザのエネルギ分布を均一にする均一化手段を備えることにより、電子部品を均一に加熱する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し、このことによりエネルギ効率が良く、基板の損傷などの障害の発生のないボンディング装置を提供する。
【解決手段】第１に、先端に電子部品１を吸着保持するボンディングツール３を有するボンディングヘッド４と、レーザ発振器１４と、レーザ発振器から発振されたレーザをボンディングツール３まで導く導光手段９とを有し、ボンディング時にボンディングツール３を介して電子部品１にレーザを照射して加熱するボンディング装置とする。 第２に、上記導光手段９から出射されるレーザのエネルギ分布を均一にする均一化手段１２を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ボンディング装置の改良に関するもので、詳しくは、電子部品にレーザを照射することにより加熱して接合するボンディング装置の改良に関するものである。

従来より、電子部品にボンディングヘッドの内側からレーザを照射することにより加熱して接合するボンディング装置として、特許文献１に示されるように、ボンディングツールをレーザが透過可能なものとして、電子部品に対し直接レーザを照射し、電子部品を加熱して接合する方式が知られている。

ボンディングツールに吸着保持された電子部品に直接レーザを照射して加熱する方式では、加熱時間が短くて済む上、レーザの照射を停止することにより電子部品は急速に冷却されるので特別な冷却手段を必要としないというメリットを有していた。

図４は、上記方式での加熱原理を示す断面説明図であり、図示されるように光源となるレーザ発振器１４と接続された光ファイバ９を通ってきたレーザは、光ファイバ９から出射すると拡散するので、直接電子部品たる半導体チップ１にレーザ２０を照射して加熱する方式でも、出射したレーザ２０を光路上に設けた集光レンズ１１にて透過集束したり、更に遮蔽板１３によって照射領域が半導体チップ１の大きさにほぼ一致するようにしたりして、エネルギを効率よく加熱に使われるように意図されていた。

しかし、レーザ発振器１４から光ファイバ９を介して照射されるレーザ２０のエネルギ分布は、中央部が強く、周辺部は中央部に比較して弱いものとなる。このようなレーザ２０をそのまま半導体チップ１に照射してボンディングしようとした場合、半導体チップ１を均一に加熱することができない。

更に、通常、光ファイバ９の出射口１０は円形をしており、電子部品たる半導体チップ１は、ほとんどが方形をしている。そこで照射するレーザのエネルギ量を半導体チップ１の隅角部に合わせて設定すると、半導体チップ１の中央部では必要以上に加熱されて熱効率が悪い。逆に、エネルギ量を半導体チップ１の中央部に合わせて設定すると隅角部まで十分に加熱するのに時間がかかってしまう。

尚、半導体チップ１は、ほとんどが方形をしているが、バンプの配列パターンには、半導体チップ１の全面にマトリックス状に並んでいるものや、周辺部のみに存在し、中央部には存在しないものもある。特に、後者のような場合、バンプの存在しない中央部を加熱する必要はない。

また、レーザの一部は半導体チップ１を透過して、基板２を加熱する。従って、必要以上に半導体チップ１にレーザ２０を照射すると、基板２が加熱されることによる熱膨張が大きくなり、半導体チップ１を基板２に実装した後に発生する残留応力により、半導体チップ１や基板２が変形したり、破損したりすることがある。

特許第３１９５９７０号特許公報

本発明は、導光手段から出射されるレーザのエネルギ分布を均一にする均一化手段を備えることにより、電子部品を均一に加熱する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し、このことによりエネルギ効率が良く、基板の損傷などの障害の発生のないボンディング装置とする。

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、先端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、レーザ発振器と、レーザ発振器から発振されたレーザをボンディングツールまで導く導光手段とを有し、ボンディング時にボンディングツールを介して電子部品にレーザを照射して加熱するボンディング装置とする。
第２に、上記導光手段から出射されるレーザのエネルギ分布を均一にする均一化手段を備える。

第２の発明は、第１の発明に、上記均一化手段は、複数本の光ファイバからなり、複数本の光ファイバの個々の入射口の位置と、対応する出射口の位置とが異なるように形成されたものとすることを付加したボンディング装置であり、第３の発明は、第１の発明または第２の発明に、上記導光手段は、レーザの出射側形状が、電子部品の要加熱箇所の形状に合わせて形成されたことを付加したボンディング装置である。

本発明は、導光手段から出射されるレーザのエネルギ分布を均一にする均一化手段を備えていることにより、電子部品を均一に加熱することができるボンディング装置となった。第２の発明の効果ではあるが、この均一化手段を、複数本の光ファイバから構成し、複数本の光ファイバの個々の入射口の位置と、対応する出射口の位置とが異なるように形成することにより、確実にエネルギ分布を均一化することが可能となった。更に、第３の発明の効果ではあるが、上記導光手段を、レーザの出射側形状が、電子部品の要加熱箇所の形状に合わせて形成することにより、不要加熱箇所へのレーザの照射を防止することが可能となった。

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。実施例におけるボンディング装置は、電子部品である半導体チップ１を基板２にボンディングする装置である。

ボンディング装置は、半導体チップ１を吸着保持するボンディングツール３を先端部（下端部）に有するボンディングヘッド４を備えており、該ボンディングヘッド４は、移動可能とされている。すなわち、ボンディングヘッド４は、チップ供給位置でボンディングツール３に半導体チップ１を吸着保持し、ボンディング位置に移動して、下降して基板２に半導体チップ１を搭載し、加熱して接続し、冷却後固定してボンディングを完了し、上昇して、再度、チップ供給位置に戻る動作を繰り返す。

ボンディングヘッド４の内部は、空部５とされ、該空部５には、レーザ発振器１４からレーザを導く導光手段となる光ファイバ９と、光ファイバ９から出射されるレーザのエネルギ分布を均一にする均一化装置１２と、ボンディングツール３に保持された半導体チップ１をボンディングヘッド４の内側からレーザ２０を照射して加熱するレーザ加熱装置６が配置されている。上記均一化装置１２が、本発明の特徴となる。

実施例では、レーザ発振器１４はレーザ２０を連続して発振する。レーザ発振器１４は、ボンディングヘッド４と別体で設置され、単芯の光ファイバ９でボンディングヘッド４まで接続されているが、レーザ発振器１４をボンディングヘッド４に一体的に設置したものであっても良い。実施例では、ボンディングヘッド４が移動する構造であるので、レーザ発振器１４をボンディングヘッド４に直接設置するとボンディングヘッド４の重量が大きくなってしまうため、上記のようにレーザ発振器１４は、ボンディングヘッド４と別に設置している。

導光手段となる光ファイバ９は、実施例では、単一のレーザ発振器１４と接続される単芯の光ファイバ９を用いており、単一のレーザ出射口としているが、レーザ出射口側だけ、複数の細光ファイバを結束したものとしても良いし、光ファイバ９全体を複数本の細光ファイバを結束したものであっても良い。更に、図１の実施例では、光ファイバ９の出射口１０は、ボンディングツール３に対向して下向きに設置されているが、反射鏡を設けることにより、向きを限定されることのないものとなる。

均一化装置１２は、光ファイバ９から出射され、入射するレーザのエネルギ分布を均一にして出射するもので、複数本の細い光ファイバである細光ファイバ１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃを上部結束具１７と下部結束具１８にて結束した多芯ファイバ１５よりなる。尚、上部結束具１７及び下部結束具１８内の細光ファイバ１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃは接着剤で固められている。また均一化装置１２は、ワークとなる半導体チップ１に合わせて交換可能である。

多芯ファイバ１５の個々の細光ファイバ１６Ａ，１６Ｂ、１６Ｃは、軸方向に直交する面内での個々の入射口の位置と、対応する出射口の位置とが異なり、多芯ファイバ１５の出射口側が、均等なエネルギ分布となるように配列して結束されている。更に、多芯ファイバ１５の入射側形状は円形に形成されるが、多芯ファイバ１５の出射側形状は、半導体チップ１の要加熱箇所の形状に合わせて方形に形成してある。

すなわち、結束された細光ファイバ１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃの内、多芯ファイバ１５の入射口側の周辺部に入射口を有する細光ファイバ１６Ａは、弱いエネルギのレーザを受け、中央に入射口を有する細光ファイバ１６Ｂ，１６Ｃは強いエネルギのレーザを受ける。従って、そのままのレイアウトで細光ファイバ１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃの出射口を位置させると中央が強く，周辺部が弱いエネルギ分布となってしまう。そこで、弱いエネルギを受けた細光ファイバ１６Ａの出射口と、強いエネルギのレーザを受けた細光ファイバ１６Ｂの出射口を近接させて位置させ、多芯ファイバ１５全体の出射口でのエネルギ分布を均一にするのである。

尚、実施例での多芯ファイバ１５の出射側は、全面にバンプがマトリックス状に配された半導体チップ１を対象としているので、細光ファイバ１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃの出射口を全面に配置して、エネルギ分布を均一にしているが、バンプが周辺部のみに配された半導体チップ１を対象とする場合には、図３に示されるように多芯ファイバ１５の出射側の細光ファイバ１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃの出射口を半導体チップ１のバンプの位置に合わせて周辺部のみに配置し、その範囲でのエネルギ分布を均一にする。
また、実施例では均一化装置１２として、多芯ファイバ１５を用いているが、入射するレーザのエネルギ分布を均一にして出射するものであれば良く、カライドノズルなどのビームホモジナイザなどを用いても良い。

ボンディングヘッド４の下端部にはボンディングツール３が装着されている。ボンディングツール３は、実施例では熱膨張が小さく、レーザ２０の透過性の良い石英ガラスが用いられているが、レーザ２０を透過する素材であれば良い。尚、ボンディングツール３の中央部には、半導体チップ１を吸着保持するための吸着孔１９が形成されている。更に、ボンディングツール３のボンディングヘッド４内部側に位置する表面（図１中では上面）には、反射防止膜が施されている。

ボンディングヘッド４には、吸引通路７が形成されており、空部５は、該吸引通路７とボンディングヘッド４の下端に装着されたボンディングツール３の吸着孔１９以外は、密閉されている。更に、吸引通路７は、吸引装置８と接続されているため、吸引装置８により真空吸引することにより、ボンディングヘッド４内の空部５は負圧が付与され、ボンディングツール３の吸着孔１９に半導体チップ１を吸着保持可能とされている。

レーザ加熱装置６は、光源となるレーザ発振器１４と、レーザ発振器１４と接続されておりボンディングヘッド４内にレーザ出射口１０を位置させた光ファイバ９と、均一化装置１２としての多芯ファイバ１５と、該出射口から出射されたのレーザ２０を集束する集光手段たる集光レンズ１１を有している。

図１に示される実施例のレーザ加熱装置６は、集光レンズ１１を用いて照射領域を絞るようにしているが、図２に示すように均一化装置１２の出射口を半導体チップ１のみを照射可能な大きさとして、直接ボンディングツール３に接触させることにより集光レンズ１１を利用しない場合も考えられる。

図１の例では、集光レンズ１１のみで照射範囲を半導体チップ１の大きさに限定しているので設けなくとも良いが、レーザ２０の照射範囲を限定するための遮蔽板を設けることもできる。レーザ２０が、半導体チップ１からはみ出していると基板２に照射されて基板２が加熱されて、膨張する危険を有している。基板２が樹脂からなるような場合にはシリコンからなる半導体チップ１に比べて大きく膨張してしまう。基板２が加熱され膨張した状態でボンディングするとバンプと電極の位置がずれる上、冷却して元に戻った場合でも半導体チップ１が曲がったりして、不良品になることがあった。遮蔽板はこの危険を回避するために集光レンズ１１を通過したレーザ２０が、照射されるべき半導体チップ１からはみ出さないように設けられている。

集光レンズ１１は、図１の実施例では１枚の凸レンズを用いているが、複数枚のレンズを用いても良い。集光レンズ１１は、ボンディングヘッド４内のホルダに支持されている。集光レンズ１１を透過したレーザの集光点は、ボンディングヘッド４の内部である空部５内に設けている。尚、集光レンズ１１の表裏面は反射防止膜が施されている。また、集光手段として、凹面鏡を使用しても良い。

以下、ボンディングの動作について説明すると、先ず、ボンディング位置では、載置ステージ上に基板２が供給される。他方、チップ供給位置では、ボンディングヘッド４が半導体チップ１をボンディングツール３に吸着保持する。その後、ボンディングヘッド４は、ボンディング位置に移動し、下降し、荷重制御をしながら、レーザ２０を半導体チップ１に向かって照射し、半導体チップ１を加圧加熱してボンディングする。レーザ２０の照射をＯＦＦにすると冷却され、半導体チップ１は、基板２に固着される。その後、ボンディングヘッド４は、上昇し、次のボンディング動作を繰り返すことになる。

１実施例に係るボンディング装置の概要を示す断面説明図 他実施例に係るボンディングヘッドを示す断面説明図 多芯ファイバのレーザの出射側形状を示す説明図 従来のボンディング装置における加熱原理を示す断面説明図

符号の説明

１．．．．．．半導体チップ
２．．．．．．基板
３．．．．．．ボンディングツール
４．．．．．．ボンディングヘッド
５．．．．．．空部
６．．．．．．レーザ加熱装置
７．．．．．．吸引通路
８．．．．．．吸引装置
９．．．．．．光ファイバ
１０．．．．．レーザ出射口
１１．．．．．集光レンズ
１２．．．．．均一化装置
１３．．．．．遮蔽板
１４．．．．．レーザ発振器
１５．．．．．多芯ファイバ
１６Ａ，Ｂ，Ｃ．．．．．細光ファイバ
１７．．．．．上部結束具
１８．．．．．下部結束具
１９．．．．．吸着孔
２０．．．．．レーザ

Claims (3)

1. 先端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、レーザ発振器と、レーザ発振器から発振されたレーザをボンディングツールまで導く導光手段とを有し、
   ボンディング時にボンディングツールを介して電子部品にレーザを照射して加熱するボンディング装置において、
   上記導光手段から出射されるレーザのエネルギ分布を均一にする均一化手段を備えていることを特徴とするボンディング装置。
   
2. 上記均一化手段は、複数本の光ファイバからなり、複数本の光ファイバの個々の入射口の位置と、対応する出射口の位置とが異なるように形成されたものである請求項１に記載のボンディング装置。
   
3. 上記導光手段は、レーザの出射側形状が、電子部品の要加熱箇所の形状に合わせて形成された請求項１または２に記載のボンディング装置。

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