JP2011238718A - ボンディング装置及びボンディング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複雑な形状の異形パッドを対象とする場合にあっても、目合わせ処理を十分な精度で行うことができるボンディング装置およびボンディング方法を提供することを目的とする。
【解決手段】チップを基板５に形成されたパッド１０にボンディングするボンディング処理において、対象となるパッド１０が目視による位置合わせが困難な矩形以外の輪郭形状を有する異形パッドである場合には、認識処理部による自動認識処理が不調のときに実行される目合わせ処理において、認識画像５ａと重ね合わせた状態でこの認識画像５ａの視認を妨げない特性を有するレファレンスパターン５＊を使用し、基板保持部４上の基板５を手動操作で移動させながら、表示画面２５ａ上でパッド画像１０ａとパッドパターン１０＊とのパターンマッチングを目視により行い、パッド１０の基準位置を検出する。
【選択図】図８

Description

本発明は、フリップチップなどの電子部品を基板に形成されたパッドにボンディングするボンディング装置およびボンディング方法に関するものである。

フリップチップなどの電子部品を基板に実装する方法として、熱圧着などのボンディングによる方法が知られている。ボンディング対象となる基板や電子部品のファイン化の進展に伴いボンディングに必要とされる位置精度も高度化したことから、基板や電子部品をカメラで撮像した画像を認識処理して位置検出を行う、画像認識を用いた位置合わせが用いられている。この位置合わせにおいては、予め準備された参照用のレファレンスパターンと取得された認識画像とをパターンマッチングすることにより、ボンディング対象のパッドなどの位置が自動的に認識される。

この画像認識において、過大なノイズなど認識処理を妨げる外乱の存在によって認識条件が満たされなかった場合には、正常な認識結果が出力されずいわゆる認識ＮＧとなる。そしてこの場合には、作業者が目視によって認識画像中の基準位置を探し、モニタに表示されるクロスラインなどの光学座標基準を基準位置に手動操作によって合わせるいわゆる目合わせ処理が行われる（例えば特許文献１参照）。この特許文献例に示す先行技術では、ワイヤボンディング装置における目合わせ処理の例を示している。ここでは、予め記憶されたＩＣチップ上の定点の画像示す参照画像を、目合わせ時にモニタに表示させるようにしており、これにより作業者が参照画面を見ながら容易に目合わせが行えるようにしている。

特開２００２−２９９３６９号公報

ところで近年の電子機器の小型化に伴い、半導体装置などの電子部品が実装される基板の形態も小型化・高密度化し、ボンディング実装において位置合わせの対象となるパッドも、従来のように１つの半導体装置が実装される単純な矩形パッドの形態から、複雑な形状の異形パッドに複数種類の半導体装置を実装する形態に移行する傾向にある。このため、認識ＮＧが発生した場合の目合わせ処理においては、従来の単純な位置特定操作では正確な目合わせを行うことが難しくなっている。すなわち従来は矩形パッドの中心位置を目測することのみでほぼ十分な精度の目合わせが行えたが、複雑な形状の異形パッドを対象とする場合には明瞭な中心位置は存在しないため、目測による方法では十分な精度を確保することが難しい。そして複数の半導体装置毎に基準位置を特定する必要がある場合には、さらに位置検出が困難になる。このように、従来のボンディング装置には、複雑な形状の異形パッドを対象とする場合には、画像認識による基準位置の特定が不調の場合に行われる目合わせ処理が困難であるという問題点があった。

そこで本発明は、複雑な形状の異形パッドを対象とする場合にあっても、目合わせ処理を十分な精度で行うことができるボンディング装置およびボンディング方法を提供することを目的とする。

本発明のボンディング装置は、ボンディングヘッドに保持された電子部品を基板に形成されたパッドにボンディングするボンディング装置であって、前記ボンディングヘッドを移動させることにより、部品供給機構によって供給される前記電子部品を基板保持部に保持された基板にボンディングするボンディング機構と、前記基板保持部に保持された基板を撮像して前記パッドを含む認識画像を取得する撮像手段と、前記認識画像と当該基板について予め記憶されたレファレンスパターンとのパターンマッチングにより前記パッドに設定された基準位置を検出する認識処理部と、前記認識処理部による認識処理が不調であった場合に、前記認識画像を作業者の手動操作によって前記レファレンスパターンに対して相対的に移動させながら、前記認識画像と前記レファレンスパターンとのパターンマッチングを目視により行って前記パッドの前記基準位置を検出する目合わせ処理手段とを備え、前記パッドが矩形以外の輪郭形状を有する異形パッドである場合には、前記目合わせ処理において前記認識画像と重ね合わせた状態でこの認識画像の視認を妨げない特性を有するレファレンスパターンを使用する。

本発明のボンディング方法は、ボンディングヘッドに保持された電子部品を基板に形成されたパッドにボンディングするボンディング方法であって、前記ボンディングヘッドを移動させることにより、部品供給部から前記電子部品を取り出して基板保持部に保持された基板にボンディングするボンディング工程に先立って、前記基板保持部に保持された基板を撮像して前記パッドを含む認識画像を取得する撮像工程と、前記認識画像と当該基板について予め記憶されたレファレンスパターンとのパターンマッチングにより前記パッドの位置を認識する画像認識工程とを実行し、前記認識処理部による認識処理が不調であった場合には、前記認識画像を作業者の手動操作によって前記レファレンスパターンに対して相対的に移動させながら、前記認識画像と前記レファレンスパターンとのパターンマッチングを目視により行って前記パッドの前記基準位置を検出する目合わせ処理工程を実行し、前記パッドが矩形以外の輪郭形状を有する異形パッドである場合には、前記目合わせ処理において前記認識画像と重ね合わせた状態でこの認識画像の視認を妨げない特性を有するレファレンスパターンを使用する。

電子部品を基板に形成されたパッドにボンディングするボンディング処理において、目視による位置合わせが困難な矩形以外の輪郭形状を有する異形パッドである場合には、認識処理部による自動認識処理が不調のときに実行される目合わせ処理において、認識画像と重ね合わせた状態でこの認識画像の視認を妨げない特性を有するレファレンスパターンを使用することにより、複雑な形状の異形パッドを対象とする場合にあっても、目合わせ処理を十分な精度で行うことができる。

本発明の一実施の形態のボンディング装置の斜視図 本発明の一実施の形態のボンディング装置の側面図 本発明の一実施の形態のボンディング装置による電子部品の基板へのボンディング形態の説明図 本発明の一実施の形態のボンディング装置における基板および電子部品の撮像動作の説明図 本発明の一実施の形態のボンディング装置における基板および電子部品の撮像動作の説明図 本発明の一実施の形態のボンディング装置におけるボンディング動作の説明図 本発明の一実施の形態の電子部品のボンディング装置の制御系の構成を示すブロック図 本発明の一実施の形態の電子部品のボンディング装置における目合わせ処理の説明図 本発明の一実施の形態の電子部品のボンディング装置によるボンディング処理を示すフロー図

次に本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。まず図１、図２を参照して、ボンディング装置１の構成について説明する。ボンディング装置１は、半導体チップなどの電子部品を基板に接合して実装する機能を有するものである。図１において、基台２上には移動プレート３ａを備えたＸＹテーブル３が配設されている。移動プレート３ａには基板保持部４が装着されており、基板保持部４は上面に電子部品接合用のパッド１０（図３参照）が形成された基板５を真空吸着などの方法によって保持している。ＸＹテーブル３を駆動することにより、基板保持部４は移動プレート３ａとともにＸＹ方向に水平移動し、これにより基板５は基板保持部４の上方に配設されたボンディング機構６のボンディングヘッド７に対して位置合わせされる。

図２に示すように、ボンディング機構６は、固定配置されたフレーム部材６ａの側面に配設された昇降テーブル１５に、ブラケット１６を介してボンディングヘッド７を装着した構成となっている。ボンディングヘッド７は、下端部に電子部品である半導体チップ８（以下、「チップ８」と略記）を吸着して保持するボンディングツール７ａを備えており、昇降テーブル１５を駆動することによりボンディングヘッド７は昇降する（矢印ａ参照）。昇降テーブル１５はボンディングヘッド７を移動させるヘッド移動機構となっている。

チップ８のボンディングヘッド７への供給は、部品供給機構９によって行われる。すなわちチップ８を載置した部品供給機構９をボンディングヘッド７と基板５との間に進出させ、次いでボンディングヘッド７を昇降させることにより、ボンディングツール７ａによってチップ８を部品供給機構９からピックアップする。またボンディングヘッド７は加熱機構を内蔵しており、ボンディングツール７ａに保持されたチップ８は、ボンディングツール７ａを介して伝達される熱によって加熱される。

図３（ａ）に示すように、基板５の上面には、チップ８が接合されるパッド１０が形成されている。本実施の形態においては、基板５として携帯機器などの高密度実装基板が対象であり、１つのパッド１０に複数のチップ８をボンディングにより実装するようになっている。このため、パッド１０の形状は、図３（ｂ）に示すように、通常の矩形形状ではなく異形形状（ここでは２つの矩形部Ｌ１，Ｌ２を直角方向に組み合わせたＬ字形状）に設定されている。そして矩形部Ｌ１，Ｌ２には、それぞれ異なる種類のチップ８を実装するための実装位置８ａ，８ｂが設けられている。

図２において、フレーム部材６ａの下面側にはカメラ移動機構１１が配設されており、カメラ移動機構１１には鏡筒部１２を備えた撮像部１３が装着されている。カメラ移動機構１１を駆動することにより、鏡筒部１２は撮像部１３とともにＸＹ方向に移動する。撮像時には、図４に示すように、鏡筒部１２を基板保持部４とボンディングヘッド７との間に進出させて（矢印ｂ）、撮像用開口部１２ａ、１２ｂ（図５参照）をそれぞれボンディングヘッド７に保持されたチップ８の下方および基板５の上方に位置させることにより、基板５におけるパッド１０を認識する基板パッド認識のための撮像と、チップ８の位置を認識する部品認識のための撮像を同時に行うことができる。

図５に示すように、鏡筒部１２の先端部には、上面および下面にそれぞれ撮像用開口部１２ａ、１２ｂが設けられており、撮像用開口部１２ａ、１２ｂを介して受光した撮像光はプリズム１２ｃによって水平方向に屈折され（矢印ｃ、ｄ参照）、それぞれ撮像部１３に備えられた部品撮像カメラ１３ａ、基板撮像カメラ１３ｂに入光する。これにより、撮像用開口部１２ａの上方および撮像用開口部１２ｂの下方の撮像対象の画像が、部品撮像カメラ１３ａ、基板撮像カメラ１３ｂによってそれぞれ取得される。部品撮像カメラ１３ａ、基板撮像カメラ１３ｂによって取得された画像は、認識処理部２４（図７参照）によって認識処理される。したがって基板撮像カメラ１３ｂは、基板保持部４に保持された基板５を撮像してパッド１０を含む認識画像を取得する撮像手段となっている。

チップ８のボンディングにおいては、図６に示すように、鏡筒部１２をボンディングヘッド７の下方から退避させ（矢印ｆ）、チップ８を保持したボンディングヘッド７を基板保持部４に保持された基板５に対して下降させて（矢印ｅ）、チップ８を基板５のパッド１０（図３参照）に対して押圧しながらチップ８を加熱する。これによりチップ８はパッド１０にボンディングにより実装される。すなわちボンディング機構６は、チップ８を保持したボンディングヘッド７をヘッド移動機構によって移動させることにより、チップ８を基板保持部４に保持された基板５にボンディングする。

次に図７を参照して、制御系の構成を説明する。装置制御部２０は、認識処理部２４、撮像部１３、カメラ移動機構１１、ＸＹテーブル３、ボンディング機構６、表示部２５、手動操作部２６に接続され、これら各部を制御する。装置制御部２０は記憶部２３を内蔵しており、記憶部２３には基板パッドデータ２３ａ、パターンデータ２３ｂが記憶されている。装置制御部２０による上述各部の制御処理には、これらのデータが参照される。

基板パッドデータ２３ａは、基板５に形成されているパッド１０の形状種別についてのデータであり、ボンディング作業対象となる基板５のパッド１０が、目合わせ処理が困難な形状の異形パッド（単純矩形形状以外のパッド）であるか否かの区分を規定する。パターンデータ２３ｂは、作業対象の各基板５のパターンマッチングによる基板パッド認識に用いられるレファレンスパターンを記憶する。ここで、パッド１０が上述の矩形以外の輪郭形状を有する異形パッドに該当する場合には、本実施の形態では、レファレンスパターンとして、目合わせ処理において認識画像と重ね合わせた状態でこの認識画像の視認を妨げない特性、すなわち光学的に半透明の特性を有するレファレンスパターン（図８（ａ）に示すレファレンスパターン５＊参照）を使用するようにしている。ここでは、パッド１０の輪郭のみならず、パッド１０を撮像した画像における濃淡などの画像情報もレファレンスパターンの構成要素とするようにしている。

認識処理部２４は、装置制御部２０に制御されて、基板撮像カメラ１３ｂおよび部品撮像カメラ１３ａによる撮像結果を認識処理する。この認識処理により、基板パッド認識処理２４ａ、部品認識処理２４ｂが実行される。基板パッド認識処理２４ａは、基板撮像カメラ１３ｂによって基板５を撮像した認識画像を認識処理することにより、基板５におけるパッド１０の位置を認識する処理である。ここでは、認識画像と当該基板５について予め記憶されたレファレンスパターンとのパターンマッチングにより、パッド１０に設定されたボンディング動作における位置合わせ用の基準位置を検出する。このとき、ノイズや照明条件の不良など認識処理を妨げる外乱の存在によって認識条件が満たされなかった場合には、正常な認識結果が出力されずいわゆる認識ＮＧとなる。この場合には、作業者が目視によりパッド１０の基準位置を検出する目合わせ処理が実行される。また部品認識処理２４ｂは、部品撮像カメラ１３ａによってチップ８の下面側を撮像した画像を認識処理することにより、チップ８の外形やチップ８に設けられた特徴部の位置や配列を認識する処理である。

表示部２５は液晶パネルなどの表示装置であり、撮像部１３によって撮像された画像や、装置操作時の案内画面などの各種の画像を表示する。前述の目合わせ処理においては、レファレンスパターンと認識画像を重ね合わせた画像が表示部２５に表示され、作業者が認識画像とレファレンスパターンとのマッチング度合いを目視で判断することにより、認識画像におけるパッド１０の基準位置を検出する。手動操作部２６は、作業者が手動入力によりＸＹテーブル３を操作して、基板保持部４を水平面内でＸ方向、Ｙ方向に任意に移動させる機能を有している。手動操作部２６は、認識処理部２４によるパッド１０の基準位置検出のための認識処理が不調であった場合に実行される目合わせ処理において使用される。

次に、装置制御部２０に内部処理機能として備えられているボンディング処理部２１、目合わせ処理部２２の各部の機能について説明する。ボンディング処理部２１は、認識処理部２４の認識結果に基づきボンディング機構６、カメラ移動機構１１を制御することによりボンディング動作を実行させる制御処理を行う。目合わせ処理部２２は、認識処理部２４によるパッド１０の基準位置検出のための認識処理が不調であった場合に、作業者の手動操作によりパッド１０の基準位置を検出する目合わせ処理を実行する。

この目合わせ処理について、図８を参照して説明する。図８（ａ）に示すように、目合わせ処理においては、基板保持部４に保持された基板５を基板撮像カメラ１３ｂによって撮像し、パッド１０の基準位置検出のための認識画像５ａを取得する。認識画像５ａにはパッド１０に対応したパッド画像１０ａが含まれており、認識画像５ａを対象としてレファレンスパターン５＊を用いて行われるパターンマッチングにおいては、パッドパターン１０＊とパッド画像１０ａとのマッチング度合いを作業者の目視により観察する。

すなわち予め基板撮像カメラ１３ｂの光学座標系においてボンディング機構６の機械座標の基準位置にレファレンスパターン５＊の基準位置を一致させた状態において、図８（ｂ）に示すように、認識画像５ａを光学的に半透明のレファレンスパターン５＊とを重ね合わせて、表示部２５の表示画面２５ａに表示させる。この表示画面２５ａでは、認識画像５ａとレファレンスパターン５＊との相対位置が目視により可能となっており、この状態で作業者が手動操作部２６を手動操作することにより、認識画像５ａをレファレンスパターン５＊に対してＸ方向、Ｙ方向に相対移動させながら、認識画像５ａとレファレンスパターン５＊とのパターンマッチングを目視により行う。

そして、パッドパターン１０＊とパッド画像１０ａとのマッチング度合いが最大となった状態における基板５の位置を、パッド１０に対してチップ８をボンディングすべき基準位置として検出する。すなわち、目合わせ処理部２２および手動操作部２６は、上述の目合わせ処理を実行する目合わせ処理手段を構成する。なお、このパターンマッチングにおいては、単にパッド１０の外形を示す輪郭形状のみならず、パッド画像１０ａにおける濃淡などの画像情報も、マッチング度合いを判断するための要素として勘案される。

次にボンディング装置１によって行われる電子部品のボンディング処理について、図９のフローに則して各図を参照しながら説明する。このボンディング処理は、ボンディング装置１によって基板５に形成されたパッド１０にボンディングするボンディング方法を示すものである。まず、ボンディング対象のチップ８の受け取りが行われる（ＳＴ１）。すなわち図２に示すように、チップ８を載置した部品供給機構９をボンディングヘッド７と基板５との間に進出させ、次いでボンディングヘッド７を昇降させることにより、ボンディングツール７ａによってチップ８を部品供給機構９からピックアップする。

次いで鏡筒部１２を撮像位置に移動させるカメラ移動が行われる（ＳＴ２）。すなわち図４に示すように、カメラ移動機構１１を駆動して、鏡筒部１２をボンディングツール７ａに保持されたチップ８と基板保持部４に保持された基板５との間に進出させる。そして部品撮像カメラ１３ａ、基板撮像カメラ１３ｂによってそれぞれチップ８および基板５を撮像して認識画像５ａを取り込み（撮像工程）（ＳＴ３）、この認識画像５ａを認識処理部２４によって認識処理することにより、チップ８および基板５を認識する（ＳＴ４）。すなわち認識画像５ａと当該基板５について予め記憶されたレファレンスパターンとのパターンマッチングによりパッド１０の位置を認識する（画像認識工程）。

この画像認識工程において、基板５を撮像した認識画像５ａを対象とする基板パッド認識が正常に行われたか否かを判断する（ＳＴ５）。ここで、認識が正常に行われたならば、この認識結果に基づいてアライメント動作およびカメラ移動が行われる（ＳＴ７）。すなわち（ＳＴ４）における認識結果に基づいてＸＹテーブル３を駆動して基板保持部４の位置を調整することにより、チップ８を基板５のパッド１０のボンディング位置に位置合わせする。これとともに、チップ８と基板５との間に進出していた鏡筒部１２を退避させる。

また（ＳＴ５）において、認識処理部２４による認識処理が不調の場合には、作業者による目合わせ処理（ＳＴ６）を行った後、上述のアライメント動作およびカメラ移動を行う。すなわち、認識画像５ａを手動操作部２６による作業者の手動操作によってレファレンスパターン５＊に対して相対的に移動させながら、認識画像５ａとレファレンスパターン５＊とのパターンマッチングを目視により行って、パッド１０の基準位置を検出する（目合わせ処理工程）。そしてこの目合わせ処理工程において、パッド１０が矩形以外の輪郭形状を有する異形パッドである場合には、認識画像５ａと重ね合わせた状態でこの認識画像５ａの視認を妨げない特性を有する、光学的に半透明のレファレンスパターン５＊を用いるようにしている。

この後、ボンディングヘッド７を下降させ（ＳＴ８）、次いでボンディング動作を実行する（ボンディング工程）（ＳＴ９）。すなわちボンディングツール７ａに保持したチップ８を基板５に着地させてパッド１０に押圧するとともに、チップ８を加熱して所定時間保持する。次いで、ボンディングヘッド７を上昇させることにより（ＳＴ１０）、ボンディング処理の１サイクルを完了する。

上記説明したように、本実施の形態においては、チップ８を基板５に形成されたパッド１０にボンディングするボンディング処理において、対象となるパッド１０が目視による位置合わせが困難な矩形以外の輪郭形状を有する異形パッドである場合には、認識処理部２４による自動認識処理が不調のときに実行される目合わせ処理において、認識画像５ａと重ね合わせた状態でこの認識画像５ａの視認を妨げない特性を有するレファレンスパターン５＊を使用するようにしたものである。これにより、目測によって中心位置を推定することが難しく目視による位置合わせが困難な複雑な形状の異形パッドを対象とする場合にあっても、目合わせ処理を十分な精度で行うことができる。

本発明の電子部品のボンディング装置およびボンディング方法は、複雑な形状の異形パッドを対象とする場合にあっても、目合わせ処理を十分な精度で行うことができるという効果を有し、電子部品を基板にボンディングにより実装する分野に利用可能である。

１ ボンディング装置
３ ＸＹテーブル
４ 基板保持部
５ 基板
５ａ 認識画像
５＊ レファレンスパターン
６ ボンディング機構
７ ボンディングヘッド
８ チップ
１０ パッド
１０ａ パッド画像
１０＊ パッドパターン
１２ 鏡筒部
１３ 撮像部
１３ａ 部品撮像カメラ
１３ｂ 基板撮像カメラ

Claims (2)

1. ボンディングヘッドに保持された電子部品を基板に形成されたパッドにボンディングするボンディング装置であって、
   前記ボンディングヘッドを移動させることにより、部品供給機構によって供給される前記電子部品を基板保持部に保持された基板にボンディングするボンディング機構と、
   前記基板保持部に保持された基板を撮像して前記パッドを含む認識画像を取得する撮像手段と、
   前記認識画像と当該基板について予め記憶されたレファレンスパターンとのパターンマッチングにより前記パッドに設定された基準位置を検出する認識処理部と、
   前記認識処理部による認識処理が不調であった場合に、前記認識画像を作業者の手動操作によって前記レファレンスパターンに対して相対的に移動させながら、前記認識画像と前記レファレンスパターンとのパターンマッチングを目視により行って前記パッドの前記基準位置を検出する目合わせ処理手段とを備え、
   前記パッドが矩形以外の輪郭形状を有する異形パッドである場合には、前記目合わせ処理において前記認識画像と重ね合わせた状態でこの認識画像の視認を妨げない特性を有するレファレンスパターンを使用することを特徴とするボンディング装置。
2. ボンディングヘッドに保持された電子部品を基板に形成されたパッドにボンディングするボンディング方法であって、
   前記ボンディングヘッドを移動させることにより、部品供給部から前記電子部品を取り出して基板保持部に保持された基板にボンディングするボンディング工程に先立って、
   前記基板保持部に保持された基板を撮像して前記パッドを含む認識画像を取得する撮像工程と、前記認識画像と当該基板について予め記憶されたレファレンスパターンとのパターンマッチングにより前記パッドの位置を認識する画像認識工程とを実行し、
   前記認識処理部による認識処理が不調であった場合には、前記認識画像を作業者の手動操作によって前記レファレンスパターンに対して相対的に移動させながら、前記認識画像と前記レファレンスパターンとのパターンマッチングを目視により行って前記パッドの前記基準位置を検出する目合わせ処理工程を実行し、
   前記パッドが矩形以外の輪郭形状を有する異形パッドである場合には、前記目合わせ処理において前記認識画像と重ね合わせた状態でこの認識画像の視認を妨げない特性を有するレファレンスパターンを使用することを特徴とするボンディング方法。

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