JP2016076505A - ダイボンダおよびダイボンダによる半導体ダイの破損検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ダイボンダにおいて、破損した半導体ダイがボンディングされることを効果的に抑制し、ダイボンダにより製造する半導体装置の品質を向上させる。
【解決手段】半導体ダイ４０を吸着するコレット２０の吸着面画像とコレット２０に吸着された半導体ダイ４０の画像とを含む全体画像を撮像する裏面カメラ３０と、裏面カメラ３０によって取得した各画像を処理する画像処理部８０と、を備えるダイボンダ１００であって、画像処理部８０は、コレット２０の吸着面画像と半導体ダイ４０の画像との明度差と、半導体ダイ４０の基準画像とに基づいて全体画像中の半導体ダイ４０の画像領域を画定する画像領域画定手段と、画像領域画定手段によって画定した半導体ダイの画像領域内を走査し、走査方向の明度の変化割合が所定の閾値以上であった場合に、半導体ダイの破損であると判断する破損検出手段と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ボンディングする半導体ダイのクラックや欠損等の破損を検出するダイボンダの構造と、ダイボンダによる半導体ダイの破損検出方法に関する。

半導体ダイをリードフレーム等の回路基板にボンディングする装置としてダイボンダが多く用いられている。ダイボンダは、ダイシング後のウェーハから半導体ダイをピックアップするピックアップステージと、ウェーハからピックアップした半導体ダイを回路基板にボンディングするボンディングステージとを備え、ボンディングツールであるコレットによって半導体ダイのピックアップとボンディングとを行うものである。より詳細には、コレットは、先端に半導体ダイを吸着してピックアップステージ上のウェーハから半導体ダイをピックアップし、半導体ダイをボンディングステージ上の回路基板のボンディング位置まで移送し、吸着した半導体ダイを回路基板のボンディング位置に押し付けて半導体ダイのボンディングを行う（例えば、特許文献１参照）。

ボンディングの際には、半導体ダイの位置と回路基板のボンディング位置とを正確に合わせるこが必要となることから、例えば、コレットによって半導体ダイをピックアップステージ上からボンディングステージ上まで移送する際に、コレット先端に吸着された半導体ダイの画像を取得し、半導体ダイのアライメントマークに基づいて半導体ダイと回路基板との相対位置のずれを補正する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

また、半導体ダイの移載ヘッドにＬ字状の連接部材を介してミラーと矩形状の貫通穴を有する基準部材を固定し、移載ヘッドにより半導体ダイを搬送する際に、半導体ダイを撮像した第１画像データと基準部品を撮像した第２画像データとを取得し、この２つの画像データを重ね合わせて、基準部品に対する半導体ダイの位置を検出し、検出結果に応じて半導体ダイの回路基板に搭載する位置を補正する方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

ＷＯ２００５／０２９５７４ 特開２０１０−０４０７３８号公報 特開２００７−１１５８５１号公報

ところで、特許文献１に記載されているように、ウェーハシートから半導体ダイを引き剥がして半導体ダイをピックアップする際には、半導体ダイを変形させるので、ピックアップの際に薄い半導体ダイが割れたりする場合があった。特許文献１には、ピックアップの際に半導体ダイが破損しないようなコレット、ピックアップ方法が記載されているが、ピックアップの際に半導体ダイが割れてしまった場合の対処については記載されていない。また、特許文献２，３には、ボンディングする前に、コレットに吸着固定された半導体ダイの位置を検出し、正確に回路基板の所定位置に半導体ダイをボンディングすることが記載されているが、コレットに吸着した半導体ダイに破損があった場合の対処については記載されていない。このため、特許文献１から３に記載された従来技術のダイボンダにおいては、ピックアップの際に半導体ダイが破損してもそのまま回路基板上にボンディングされてしまい、ダイボンダにより製造する半導体装置の不良を引き起こしてしまうという問題があった。

また、近年、半導体ダイの厚さが薄くなり、その厚さは１５μｍから５０μｍ程度に薄膜化されている。このように薄い半導体ダイをコレットで吸着する際、半導体ダイの一部がコレットの吸着面から浮き上がったり、撓んだりしている場合がある。この場合、特許文献２，３に記載されたような方法で半導体ダイの画像を取得すると、半導体ダイの吸着面からの浮き上がりや撓みに応じて画像の明度が連続的に変化するため、画像から半導体ダイの損傷を判別することが困難となるという問題があった。

そこで、本発明は、ダイボンダにおいて、破損した半導体ダイがボンディングされることを効果的に抑制し、ダイボンダにより製造する半導体装置の品質を向上させることを目的とする。

本発明のダイボンダは、半導体ダイを吸着するコレットの吸着面画像とコレットに吸着された半導体ダイの画像とを含む全体画像を撮像するカメラと、カメラによって取得した各画像を処理する画像処理部と、を備えるダイボンダであって、画像処理部は、コレットの吸着面画像と半導体ダイの画像との明度差と、半導体ダイの基準画像とに基づいて全体画像中の半導体ダイの画像領域を画定する画像領域画定手段と、画像領域画定手段によって画定した半導体ダイの画像領域内を走査し、走査方向の明度の変化割合が所定の閾値以上であった場合に、半導体ダイの破損であると判断する破損検出手段と、を有すること、を特徴とする。

本発明のダイボンダにおいて、破損検出手段は、画像画定手段によって画定した半導体ダイの画像領域の内側に検査領域を設定し、検査領域内を走査すること、としても好適である。

本発明のダイボンダによる半導体ダイの破損検出方法は、半導体ダイを吸着するコレットの吸着面画像とコレットに吸着された半導体ダイの画像とを含む全体画像を撮像する画像取得工程と、コレットの吸着面画像と半導体ダイの画像との明度差と、半導体ダイの基準画像とに基づいて全体画像中の半導体ダイの画像領域を画定する画像領域画定工程と、画像画定工程によって画定した画像領域内を走査し、走査方向の明度の変化割合が所定の閾値以上であった場合に、半導体ダイの破損であると判断する半導体ダイの破損検出工程と、を有することを特徴とする。

本発明のダイボンダによる半導体ダイの破損検出方法において、破損検出工程は、画像画定工程によって画定した半導体ダイの画像領域の内側に検査領域を設定し、検査領域内を走査すること、としても好適である。

本発明は、ダイボンダにおいて、破損した半導体ダイがボンディングされることを効果的に抑制し、ダイボンダにより製造する半導体装置の品質を向上させることができるという効果を奏する。

本発明の実施形態におけるダイボンダの構成を示す系統図である。 本発明の実施形態におけるダイボンダの動作を示す説明図である。 本発明の実施形態におけるダイボンダの基準画像登録動作を示すフローチャートである。 本発明の実施形態におけるダイボンダの破損検出動作を示すフローチャートである。 本発明の実施形態におけるダイボンダの基準画像の取り出し動作を示す説明図である。 本発明の実施形態におけるダイボンダの画像領域画定動作を示す説明図である。 本発明の実施形態におけるダイボンダの画像領域画定動作を示す説明図である。 本発明の実施形態におけるダイボンダの検査領域の設定動作を示す説明図である。 本発明の実施形態におけるダイボンダの検査領域の走査を示す説明図である。 本発明の実施形態におけるダイボンダの破損検出の際の走査方向に対する明度の変化を示す説明図である。 本発明の実施形態におけるダイボンダの破損検出の際の走査方向に対する明度の変化を示す説明図である。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図１に示すように、本実施形態のダイボンダ１００は、ディスペンサセクション１１０と、ボンディングセクション１２０と、各セクション１１０，１２０を通して延びて回路基板１４を搬送方向にガイドするガイドレール１３と備えている。回路基板１４はガイドレール１３にガイドされてディスペンサセクション１１０に移送され、ディスペンサユニット１９によって回路基板１４における半導体ダイ４０のボンディング位置１５に接着剤が塗布される。接着剤が塗布された回路基板１４は、ガイドレール１３に沿ってボンディングセクション１２０のボンディングステージ１２の上まで搬送される。ここで回路基板１４は、ボンディングステージ１２の上に吸着固定され、ボンディングステージ１２の内部に配置されているヒータによって加熱される。

ボンディングセクション１２０は、ボンディングツールであるコレット２０を動作させるボンディングヘッド１０と、碁盤目状にダイシングされ、細かく切断された四角い半導体ダイ４０が裏面のフィルムに張り付いた状態のウェーハ６０を固定するピックアップステージ５０とを備えている。ピックアップステージ５０とボンディングステージ１２との間には、コレット２０に吸着された半導体ダイ４０の裏面（下面）を撮像する裏面カメラ３０が配置されている。

本実施形態のダイボンダ１００は、裏面カメラ３０によって取得した画像を処理する画像処理部８０と、画像を表示するモニタ３５とを備えている。画像処理部８０は、内部にプログラムの実行等の情報処理および演算を行うＣＰＵ８１と記憶部８２と裏面カメラインタフェース８７、モニタインタフェース８９を含むコンピュータであり、ＣＰＵ８１と記憶部８２と裏面カメラインタフェース８７、モニタインタフェース８９とはデータバス８８で接続されている。裏面カメラインタフェース８７は、裏面カメラ３０との間を信号線９１で接続され、モニタインタフェース８９はモニタ３５との間を信号線９３で接続されており、裏面カメラ３０で取得した画像データを画像処理部８０に取り込むと共に、画像をモニタ３５に表示することができるよう構成されている。記憶部８２には、後で説明する画像取得プログラム８３、画像領域画定プログラム８４、破損検出プログラム８５、画像データ８６がそれぞれ格納されている。

また、本実施形態のダイボンダ１００は、ディスペンサセクション１１０のディスペンサユニット１９の動作及びボンディングセクション１２０のボンディングヘッド１０の動作を制御する制御部９０を備えている。制御部９０は、画像処理部８０と同様、内部にＣＰＵと記憶部を含むコンピュータであり、画像処理部８０、ディスペンサセクション１１０、ボンディングセクション１２０とデータバス９２で接続されている。

図２を参照しながら、本実施形態のダイボンダ１００の基本動作について説明する。図２（ａ）に示すように、ボンディングヘッド１０に取り付けられたボンディングツールであるコレット２０は、ピックアップステージ５０において半導体ダイ４０をピックアップする。そして、図２（ｂ）に示すように、コレット２０はボンディングヘッド１０によって長手方向の中心線２９が裏面カメラ３０の中心となる位置に半導体ダイ４０を移送する。コレット２０が裏面カメラ３０の上まで移動したら、裏面カメラ３０は半導体ダイ４０の下面（裏面）の画像を取得し、後で説明するように、半導体ダイ４０にクラックなどの損傷がないかを検査する。半導体ダイ４０に損傷がないと判断された場合には、図２（ｃ）に示すように、コレット２０は、ボンディングヘッド１０によってボンディングステージ１２の上まで移動され、コレット２０に吸着した半導体ダイ４０の位置と回路基板１４における半導体ダイ４０のボンディング位置１５とを合わせた後、半導体ダイ４０を回路基板１４に押し付けてボンディングを行う。

図２（ｄ）に示すように、コレット２０は、表面に半導体ダイ４０を吸着する吸着溝２２が設けられているゴム製のコレット本体２１と、コレット本体２１が取り付けられている円板状で金属製のコレットホルダ２３と、コレットホルダ２３から伸びるシャフト２４と、シャフト２４が固定されるコレットシャンク２５とを備えている。コレットシャンク２５は、ボンディングヘッド１０に取り付けられている。コレットホルダ２３、シャフト２４の中心にはコレット本体２１の吸着溝２２に連通する孔２７が設けられており、図示しない真空装置に接続され、これにより、半導体ダイ４０は、図２（ｄ）においてコレット本体２１の下側の面となっている吸着面２６に半導体ダイ４０を吸着固定する。

以上、図１、図２を参照して説明したダイボンダによって半導体ダイ４０のクラックや欠損などの破損を検出する動作について説明する。破損検出をおこなうには、コレット２０の吸着面２６に吸着されている半導体ダイ４０を撮像した際に、取得した画像の中の半導体ダイ４０を示す領域あるいは画像の中の位置を画定することが必要となる。このため、実際のボンディングを行う前に、モデル半導体ダイを用いて基準画像を登録しておくことが必要である。以下、基準画像の登録動作について図３および、図５を参照しながら説明する。

図３のステップＳ１０１に示すように、図１に示す制御部９０は、図２（ａ）に示すように、ボンディングヘッド１０を動作させてボンディングヘッド１０に取り付けられたコレット２０をピックアップステージ５０に移動させ、コレット２０に図５に示すモデル半導体ダイ４２を吸着させる。モデル半導体ダイ４２は、実際にボンディングを行う図６以降に示す実半導体ダイ４１と同一の形式、大きさの半導体ダイ４０であって、事前に割れや欠け等の破損がないことを確認したものである。モデル半導体ダイ４２をコレット２０の吸着面２６に吸着させる場合には、例えば、モデル半導体ダイ４２をピックアップステージ５０の上に配置した板の上におき、変形させずに吸着のみでピックアップし、ピックアップの際にモデル半導体ダイ４２が破損することが無いようにすることが望ましい。

図３のステップＳ１０２に示すように、コレット２０にモデル半導体ダイ４２を吸着させたら図２（ｂ）に示すように、コレット２０を裏面カメラ３０の上側に移動させ、図３のステップＳ１０３に示すように、裏面カメラ３０によって図５に示すようにモデル半導体ダイ４２、コレット本体２１、コレットホルダ２３を含む全体画像７０を取得する。全体画像７０は、裏面カメラ３０の視野の画像であってよいし、モニタ３５に表示される画像であってもよい。全体画像７０において、ゴム製のコレット本体２１は黒い画像として取得され、光が反射する金属平面であるモデル半導体４２の表面とコレットホルダ２３の面は白い画像として取得される。したがって、オペレータは、図５に示すように、全体画像７０の中の明度差から容易に全体画像７０の中のモデル半導体ダイ４２の位置と領域とを目視によって判断することができる。

オペレータは、図３のステップＳ１０４に示すように、モニタ３５に表示された全体画像７０の中のモデル半導体ダイ４２の輪郭にモデル半導体ダイ４２と同様の形状、大きさ、つまり、モデル半導体ダイ４２の設計寸法の外形形状と同様の形状のレクチル７４（図５中で一点鎖線で示す枠線）を合わせ、モデル半導体ダイ４２の領域をモニタ３５の画面上で画定する（図３に示すモデル半導体ダイの画像領域工程）。次にオペレータは、モデル半導体ダイ４２の左上の角部と右下の角部とにそれぞれ四角い基準画像枠７３を配置し、そして、図３のステップＳ１０５に示すように、基準画像枠７３の中に捉えられた基準画像４５，４６をそれぞれ左上基準画像４５、右下基準画像４６として登録する（基準画像登録）。図５に示すように、左上基準画像４５は、画像の右下側にモデル半導体ダイ４２の左上の角部が入り、右下基準画像４６は、画像の左上にモデル半導体ダイ４２の右下の角部が入っているものである。

各基準画像４５，４６の登録が終了したら、ダイボンダ１００は、図４に示すフローチャートに従って、半導体ダイ４０のボンディングを行っていく。以下の説明では、基準画像作成に使用したモデル半導体ダイ４２と区別して、実半導体ダイ４１として説明する。図２（ａ）から図２（ｂ）に示すように、制御部９０は、図４のステップＳ２０１に示すように、コレット２０によってピックアップステージ５０の上に吸着固定されているウェーハ６０から１つの実半導体ダイ４１を吸着させ、図４のステップＳ２０２に示すように、裏面カメラ３０の上まで移動させる。画像処理部８０は、画像取得プログラム８３を実行し、図４のステップＳ２０３に示すように、裏面カメラ３０によって図６に示すような全体画像７０を取得する（画像取得工程）。先に説明したように、全体画像７０において、ゴム製のコレット本体２１は黒い画像として取得され、光が反射する金属平面である実半導体ダイ４１の表面とコレットホルダ２３の面は白い画像として取得される。画像処理部８０は、画像領域画定プログラム８４を実行し、図４のステップＳ２０４に示すように、画像処理部８０は、先に取得した左上基準画像４５の中の角部と全体画像７０の明度分布とを対比してその中の画像が一致する場所を検索する。そして、図６に示すように、実半導体ダイ４１の左上のコレット本体２１との間の境界線４４と左上基準画像４５の角部の画像（明度分布）が合う位置を全体画像７０の中の実半導体ダイ４１の左上の角の位置であると認定する。また、先に取得した右下基準画像４６の中の角部と全体画像７０の中の境界線４４が一致する場所を検索し、実半導体ダイ４１の右下のコレット本体２１との間の境界線４４と右下基準画像４６の角部の画像（明度分布）が合う位置を全体画像７０の実半導体ダイ４１の右下の角の位置であると認定する。そして、認定した各角部に位置に基づいて、図７に示すように、全体画像７０の中の実半導体ダイ４１の位置と領域（図７に示す白い実半導体ダイ４１の領域）とを画定する（画像領域画定工程）。画定された実半導体ダイ４１の領域は、左上の角部と右下の角部とによってその位置が画定され、モデル半導体ダイ４２あるいは、設計寸法によってその領域のサイズが画定する。

次に、画像処理部８０は、破損検出プログラム８５を実行し、図４のステップＳ２０６、図８に示すように、画定した実半導体ダイ４１の画像領域の周囲を除いた内側の部分を検査領域４３として設定する。検査領域４３は、実半導体ダイ４１の輪郭内側にあり、例えば、実半導体ダイ４１の画像領域の周囲から１０ピクセル程度の領域を除外した領域である。

次に、画像処理部８０は、図４のステップＳ２０７に示すように、図９に示す検査領域４３の中を走査し、走査方向の明度の変化を取得して記憶部８２の中に格納する。走査は、例えば、図９に示す矢印線７５ように実半導体ダイ４１の横方向に沿って、１ピクセルあるいは数ピクセルを１グループとして各ピクセルあるいはグループごとに明度を取得する。また、図９に示す矢印線７６ように実半導体ダイ４１の縦方向に走査して明度を取得する。図１０に示すように、矢印線７５で示す実半導体ダイ４１の横方向の走査は、実半導体ダイ４１の端面の位置Ｐ_１から少し内側に入った検査領域４３の一端の始点Ｐ_２と実半導体ダイ４１の反対側の端面の位置Ｐ_５から少し内側に入った検査領域４３の他端の終点Ｐ_４との間で行われる。実半導体ダイ４１の表面は滑らかで光を良く反射することから、通常は白い画像（明度が高い画像）であり、クラック４８のない部分では、明度は急激に変化しない。そして、図４のステップＳ２０８に示すように、図１０の位置Ｐ_３に示すように、走査方向の明度が急速に低下したり、急速に上昇したりした場合のように、明度の走査方向の変化が閾値を超える程度に大きな場合には、図４のステップＳ２０９に示すようにクラック４８があると判断し、コレット２０が吸着している実半導体ダイ４１にはクラック４８が存在していると判断する。そして、図４のステップＳ２１０に示すように、画像処理部８０は、ダイボンダ１００を停止する信号を制御部９０に出力すると、制御部９０は、ダイボンダ１００を停止させる。

本実施形態のように、検査領域４３を実半導体ダイ４１の画像領域の境界よりも少し内側にすることにより、画像領域のエッジにおける明度の差をクラックあるいは割れと認識してしまうような誤検出を低減し、正確に破損の検出を行うことができる。

図４のステップＳ２０８で、明度の変化が所定の閾値以上でない場合、例えば、図１１に示すように、実半導体ダイ４１がコレット２０の吸着面２６よりも少し浮き上がっているような状態でも、矢印線７５で示す実半導体ダイ４１の横方向の走査の際に、図１１の位置Ｐ_６から位置Ｐ_４にかけて明度が緩やかに変化しているような部分では、クラックがあったと判断しないので、画像中の明度になだらかな変化がある場合には、破損があるとしてダイボンダ１００を停止させることはなく、生産性の向上が図れるものである。そして、図４のステップＳ２１１に示すように、コレット２０に吸着されているコレットに破損がないと判断すると、画像処理部８０は、制御部９０にボンディングの許可信号を送信する。制御部９０は、図４のステップＳ２１２に示すように、この信号を受信するボンディングヘッド１０、コレット２０をボンディングステージ１２の上まで移動させ、実半導体ダイ４１の位置と回路基板１４の半導体ダイのボンディング位置１５とを合わせた上、図４のステップＳ２１３、図２（ｃ）に示すように、実半導体ダイ４１を回路基板１４の上に押しつけてボンディングを行う。

以上、説明したように、本実施形態のダイボンダ１００は、破損した実半導体ダイ４１がボンディングされることを効果的に抑制し、ダイボンダ１００により製造する半導体装置の品質を向上させることができるという効果を奏する。

１０ ボンディングヘッド、１２ ボンディングステージ、１３ ガイドレール、１４ 回路基板、１５ ボンディング位置、１９ ディスペンサユニット、２０ コレット、２１ コレット本体、２２ 吸着溝、２３ コレットホルダ、２４ シャフト、２５ コレットシャンク、２６ 吸着面、２７ 孔、２９ 中心線、３０ 裏面カメラ、３５ モニタ、４０ 半導体ダイ、４１ 実半導体ダイ、４２ モデル半導体ダイ、４３ 検査領域、４４ 境界線、４５ 左上基準画像、４６ 右下基準画像、４８ クラック、５０ ピックアップステージ、６０ ウェーハ、７０ 全体画像、７３ 基準画像枠、７４ レクチル、８０ 画像処理部、８１ ＣＰＵ、８２ 記憶部、８３ 画像取得プログラム、８４ 画像領域画定プログラム、８５ 破損検出プログラム、８６ 画像データ、８７ 裏面カメラインタフェース、８８，９２ データバス、８９ モニタインタフェース、９０ 制御部、９１，９３ 信号線、１００ ダイボンダ、１１０ ディスペンサセクション、１２０ ボンディングセクション。

Claims (4)

1. 半導体ダイを吸着するコレットの吸着面画像と前記コレットに吸着された半導体ダイの画像とを含む全体画像を撮像するカメラと、
   カメラによって取得した各画像を処理する画像処理部と、を備えるダイボンダであって、
   前記画像処理部は、
   前記コレットの吸着面画像と半導体ダイの画像との明度差と、前記半導体ダイの基準画像とに基づいて前記全体画像中の前記半導体ダイの画像領域を画定する画像領域画定手段と、
   前記画像領域画定手段によって画定した前記半導体ダイの前記画像領域内を走査し、走査方向の明度の変化割合が所定の閾値以上であった場合に、前記半導体ダイの破損であると判断する破損検出手段と、を有すること、
   を特徴とするダイボンダ。
2. 請求項１に記載のダイボンダであって、
   前記破損検出手段は、前記画像画定手段によって画定した前記半導体ダイの画像領域の内側に検査領域を設定し、前記検査領域内を走査すること、
   を特徴とするダイボンダ。
3. ダイボンダによる半導体ダイの破損検出方法であって、
   半導体ダイを吸着するコレットの吸着面画像と前記コレットに吸着された前記半導体ダイの画像とを含む全体画像を撮像する画像取得工程と、
   前記コレットの吸着面画像と半導体ダイの画像との明度差と、前記半導体ダイの基準画像とに基づいて前記全体画像中の前記半導体ダイの画像領域を画定する画像領域画定工程と、
   前記画像画定工程によって画定した前記画像領域内を走査し、走査方向の明度の変化割合が所定の閾値以上であった場合に、半導体ダイの破損であると判断する半導体ダイの破損検出工程と、
   を有することを特徴とするダイボンダによる半導体ダイの破損検出方法。
4. 請求項３に記載のダイボンダによる半導体ダイの破損検出方法であって、
   前記破損検出工程は、前記画像画定工程によって画定した前記半導体ダイの画像領域の内側に検査領域を設定し、前記検査領域内を走査すること、
   を特徴とするダイボンダによる半導体ダイの破損検出方法。