JP2020064948A - チップ裏面撮像装置及びボンディング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＩＣチップの裏面を撮像する。【解決手段】ＩＣチップの裏面を撮像するチップ裏面撮像装置１００であって、顕微鏡用のレンズユニット４０を装着した撮像装置３０と、レンズユニット４０の光軸上に配設したミラー６０と、レンズユニット４０とミラー６０との間にＩＣチップを保持する吸着コレット５０とを備え、撮像装置３０は、ＩＣチップの裏面をミラー６０で反射させて、その反射画像を撮像する。【選択図】図１

Description

本発明は、チップ裏面撮像装置及びボンディング装置に関し、例えば、単一の撮像装置でＩＣチップの裏面と基板の表面との双方を撮像する技術に関する。

フリップチップボンダは、配線のためのバンプ（電極）が形成されたＩＣチップを反転させて、反転したＩＣチップをプリント基板に実装する実装装置である。フリップチップボンダでは、ＩＣチップの裏面とプリント基板の表面と双方の画像を撮像し、その撮像画像を用いて、ＩＣチップの裏面とプリント基板の表面との位置決めを行っている。

特許文献１は、基板の印刷パターンを上方から観察するカメラ１７と、ＩＣチップを下方から観察するカメラ２１ａとの双方を備えた電子部品実装装置を開示している。

特許２７２５７０１号公報

ところで、ＩＣチップや基板を撮像するカメラは、カメラ本体、及びレンズ系が必要になり、高価になりがちである。また、ＩＣチップ及び基板を上下のカメラで撮像する場合、ＩＣチップ又は基板を高精度なＸＹステージで移動させることが多い。特許文献１に記載の電子部品実装装置は、上下のカメラ及びＸＹ方向移動装置８，９を実装しているので、製造コストが高くなってしまう。このため、ＩＣチップの裏面と基板の表面との双方を単一のカメラで撮像することができる撮像装置が求められる。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、ＩＣチップの裏面を撮像することができるチップ裏面撮像装置及びボンディング装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は、ＩＣチップの裏面を撮像するチップ裏面撮像装置であって、顕微鏡用のレンズユニットを装着した撮像装置と、前記レンズユニットの光軸上に配設したミラーと、前記レンズユニットと前記ミラーとの間に前記ＩＣチップを保持する第１保持部とを備え、前記撮像装置は、前記ＩＣチップの裏面を前記ミラーで反射させて、その反射画像を撮像することを特徴とする。

本発明によれば、ＩＣチップの裏面を撮像することができる。

本発明の第１実施形態であるボンディング装置の構成図である。 無限遠補正光学系を説明する説明図である。 ＩＣチップの裏面を撮像した撮像画像の例である。 基板表面を撮像するときの状態を示す図である。 基板表面にＩＣチップを載置する状態を示す図である。 本発明の比較例である撮像装置の構成図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態（以下、「本実施形態」と称する）につき詳細に説明する。なお、各図は、本実施形態を十分に理解できる程度に、概略的に示してあるに過ぎない。また、各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態であるボンディング装置の構成図である。
ボンディング装置２００は、チップ裏面撮像装置１００と、ＸＹステージ７１とを備えて構成される。ＸＹステージ７１は、基板２０を保持する保持部（第２保持部）が形成されている。また、チップ裏面撮像装置１００は、撮像装置３０と、レンズユニット４０と、第１保持部としての吸着コレット５０と、ミラー６０と、ＸＹステージ７２，７３と、Ｚステージ７５と、ポンプ９５と、制御装置９０とを備える。制御装置９０は、撮像装置３０が出力する電気信号を画像処理すると共に、ＸＹステージ７１，７２，７３と、Ｚステージ７５と、真空吸着用のポンプ９５とを制御する。

撮像装置３０は、ＣＣＤ(Charge Coupled Device)等の撮像素子３１を備え、レンズユニット４０が結像した像を電気信号に変換する。レンズユニット４０は、対物レンズ４１及び結像レンズ４２を備えた顕微鏡用のレンズユニットであり、Ｃマウントで撮像装置３０に装着される。対物レンズ４１は、例えば、作動距離ＷＤ＝３０．５［ｍｍ］、倍率２０倍、焦点距離ｆ１＝１０［ｍｍ］、開口数ＮＡ＝０．２８の長作動距離レンズである。結像レンズ４２は、例えば、倍率１倍、焦点距離ｆ２＝２００［ｍｍ］のレンズである。

基板２０の表面２０ａは、対物レンズ４１の先端から作動距離ＷＤの位置に配置されているものとする。なお、作動距離ＷＤとは、焦点が合ったときの試料面から対物レンズ先端までの距離をいう。また、開口数ＮＡは、物体（ＩＣチップ１０）から対物レンズ４１に入射する光線の光軸に対する最大角度をθとし、空気の屈折率をｎとしたとき、ＮＡ＝ｎsinθで定義される。言い換えれば、対物レンズ４１は、物点から拡散される拡散光の内、最大角度θ以内の光を入射する。

対物レンズ４１及び結像レンズ４２は、無限遠補正光学系を構成しており、一般的に、倍率Ｍは、Ｍ＝ｆ２／ｆ１であり、ｆ１＝１０［ｍｍ］、ｆ２＝２００［ｍｍ］のとき、Ｍ＝２０倍となる。無限遠補正光学系は、対物レンズ（無限補正対物レンズ）４１が物点から照射される拡散光（最大角度θ）を略平行な光束に変換し、略平行に変換された光束を結像レンズ４２が撮像素子３１に結像する光学系である。無限遠補正光学系は、対物レンズ４１と結像レンズ４２との間に反射照明用ハーフミラーを設けたとき、該反射照明用ハーフミラーによるゴーストや像位置変化を抑えることができる。

吸着コレット５０は、ＩＣチップ１０を保持する保持部（第１保持部）であり、内部に真空吸着用の孔５１が形成されている。吸着コレット５０の幅は、ＩＣチップ１０の大きさと同程度が好ましい。また、吸着コレット５０は、ガラスやアクリル板等の透明板で形成されている透明吸着コレットが好ましい。ポンプ９５は、制御装置９０の制御に基づいて、孔５１から空気を吸引する。ミラー６０は、吸着コレット５０の下面に吸着されたＩＣチップ１０の裏面１０ａの像を反射させ、その反射像を対物レンズ４１に入射させる。つまり、ミラー６０は、レンズユニット４０の光軸に対して、垂直に配置されている。

Ｚステージ７５は、吸着コレット５０をＺ方向（レンズユニット４０の光軸方向）に移動させ、ミラー６０の表面６０ａと基板２０の表面２０ａとの距離ｄと、ミラー６０の表面６０ａとＩＣチップ１０の裏面１０ａとの距離ｄとを等しくさせる。

この状態においては、ＩＣチップ１０の裏面１０ａとミラー６０の表面６０ａとの距離ｄと、ミラー６０の表面６０ａと対物レンズ４１の先端までの距離との和が作動距離ＷＤに等しくなるので、焦点が合う。焦点が合った状態で、撮像装置３０は、ＩＣチップ１０の裏面１０ａを撮像する。このとき、制御装置９０は、撮像装置３０の撮像画像（ＩＣチップ１０の裏面画像）を用いて、ＩＣチップ１０のバンプ（不図示）の位置を画像認識する。つまり、制御装置９０は、バンプの輪郭画像を用いて、中心位置を認識する。

図２は、無限遠補正光学系を説明する説明図である。この説明図では、ミラー６０を省略して描かれている。つまり、対物レンズ４１の作動距離ＷＤの位置にＩＣチップ１０の裏面１０ａ（又は基板２０の表面）を配置して描いている。また、撮像素子３１は、結像レンズ４２の焦点位置に配設されている。

ＩＣチップ１０の裏面は、物点の集合体と考える。図では、ＩＣチップ１０の光軸上の物点から拡散する拡散光と、光軸からΔｒ離間した物点から拡散する拡散光とが描かれている。各物点が拡散する拡散光は、対物レンズ４１に最大角度θ＝sin^−１（ＮＡ／ｎ）で入射する。その拡散光は、略平行光となって対物レンズ４１から出射する。対物レンズ４１から出射した略平行光は、結像レンズ４２に入射する。結像レンズ４２から出射した光束は、撮像素子３１で集光する。これにより、ＩＣチップ１０の裏面像は、撮像素子３１で結像する。つまり、光軸からΔｒ離間した物点から拡散した拡散光は、撮像素子３１の光軸からＭΔｒの位置に結像する。

また、チップ裏面撮像装置１００は、対物レンズ４１とミラー６０との間に、ＩＣチップ１０が配置されている。ＩＣチップ１０での拡散光がミラー６０で反射し、その反射した拡散光が対物レンズ４１に入射するまでに、ＩＣチップ１０で遮光される。これにより、ＩＣチップ１０での拡散光（最大角度θ）の一部がＩＣチップ１０で遮光され、若干、暗くなったり、解像度が低くなったりする。

図３は、ＩＣチップを撮像した撮像画像の例である。図３（ａ）は、ミラー６０で反射させた反射画像であり、図３（ｂ）は、ミラー６０を設けずに、作動距離の位置に載置したＩＣチップを撮像した直接画像である。
対物レンズ４１の作動距離ＷＤは、３０．５［ｍｍ］である。対物レンズ４１の先端とミラー６０との距離を約１６［ｍｍ］とし、ミラー６０とＩＣチップ１０との距離を約１４［ｍｍ］にしている。図３（ａ）の反射画像は、図３（ｂ）の直接画像よりも、解像度が低下している。また、ＩＣチップ１０の幅は、５［ｍｍ］である。より小さなＩＣチップを用いれば、解像度が高まる。

ところで、制御装置９０（図１）は、グレースケールでサブピクセル処理を行い、エッジ検出の分解能を高める位置計測機能と、ＩＣチップ１０の裏面１０ａに形成されたバンプの輪郭の複数箇所（例えば、３箇所）を位置計測し、バンプの中心位置を演算する位置計測機能とを有している。このため、チップ裏面撮像装置１００の解像度低下の影響は少ない。なお、制御装置９０（図１）は、バンプの輪郭の複数箇所を位置計測するときに、サブピクセル処理を行っても構わない。また、バンプは、円形であっても矩形状であっても構わない。矩形状のバンプであれば、バンプの角部の複数箇所を位置計測することになる。

図４は、基板表面を撮像するときの状態を示す図である。
基板２０の表面は、対物レンズ４１の先端から作動距離ＷＤの位置に配置されている。また、図１の状態から、ＸＹステージ７２を用いて、ミラー６０をＸ方向に移動させている。この移動により、撮像装置３０は、基板２０の表面２０ａを撮像することができる。

このとき、制御装置９０は、撮像装置３０の撮像画像を用いて、基板２０の電極（不図示）の位置を画像計測する。なお、直接画像（図３（ｂ））の方が反射画像（図３（ａ））よりも解像度が高いので、制御装置９０は、基板２０の電極を、二値化画像で位置計測し、ミラー６０で反射させた反射画像（ＩＣチップ１０の裏面画像）をサブピクセル処理しても構わない。これにより、位置計測時間の最適化が図られる。

図５は、基板表面にＩＣチップを載置する状態を示す図である。
図４の状態から、制御装置９０は、ＸＹステージ７１，７３を用いて、ＩＣチップ１０のバンプの位置と、基板２０の電極の位置とを一致させる。そして、制御装置９０は、Ｚステージ７５を用いて、ＩＣチップ１０のバンプと基板２０の電極とを接触させる。そして、共晶半田や超音波を用いて、ＩＣチップ１０のバンプと基板２０の電極とが接合される。

以上説明したように、本実施形態のチップ裏面撮像装置１００の撮像装置３０は、ＩＣチップ１０の裏面１０ａをミラー６０で反射して撮像すると共に、ミラー６０をＸ方向（光軸に対して垂直な面内の方向）に移動した状態で、基板２０の表面２０ａを撮像することができる。このため、レンズユニット４０を装着した撮像装置３０で、ＩＣチップ１０の裏面１０ａと基板２０の表面２０ａとの双方を撮像することができる。高価な撮像装置３０及びレンズユニット４０が一式で足りるので、チップ裏面撮像装置１００は、特許文献１に記載の電子部品実装装置よりも安価に構成することができる。また、撮像装置３０をＸＹ方向に移動させる必要が無いので、高精度のＸＹステージから低精度のＸＹステージに代替することができる。

図６は本発明の比較例である撮像装置の模式図である。
撮像装置１０１は、レンズユニット４５が装着された撮像装置３０と、キューブ型ハーフミラー１１０と、２つの照明ユニット１２０，１２１とを備え、ＩＣチップ１０の裏面１０ａと基板２０の表面２０ａとの双方を撮像するものである。

ＩＣチップ１０、基板２０及び撮像装置３０は、前記実施形態と同様なので、説明を省略する。レンズユニット４５は、長作動距離型の対物レンズ４１や結像レンズ４２を内蔵することなく、汎用のレンズユニットである。キューブ型ハーフミラー１１０は、２つの正三角柱状の透明部材を貼り合わせたものであり、その貼付面にクロム等でハーフミラー１１１が蒸着されている。また、キューブ型ハーフミラー１１０は、レンズユニット４５に対向する一方の面に全反射ミラー１１２が蒸着されている。照明ユニット１２０，１２１は、図示しないハーフミラーを内蔵した照明ユニットである。照明ユニット１２０は、ＩＣチップ１０を撮像するときに点灯する。照明ユニット１２１は、基板２０を撮像するときに点灯する。

ＩＣチップ１０の裏面１０ａで拡散する拡散光は、ハーフミラー１１１で反射してレンズユニット４５に入射する。つまり、ＩＣチップ１０の裏面１０ａに垂直な光軸と、レンズユニット４５の光軸とは、直交している。一方、基板２０の表面２０ａで拡散する拡散光は、ハーフミラー１１１の裏面で反射し、その反射光が全反射ミラー１１２で全反射する。全反射した反射光は、ハーフミラー１１１を通過し、レンズユニット４５に入射する。つまり、基板２０の表面２０ａに垂直な光軸と、レンズユニット４５の光軸とは、直交している。また、ＩＣチップ１０の裏面１０ａに垂直な光軸と、基板２０の表面２０ａに垂直な光軸とは、平行である。

この変形例の撮像装置１０１は、ＩＣチップ１０及び基板２０とレンズユニット４５との間にキューブ型ハーフミラー１１０及び照明ユニット１２０，１２１を介挿しなければならない。これに対して、前記実施形態のチップ裏面撮像装置１００では、レンズユニット４０とミラー６０との間にＩＣチップ１０及び吸着コレット５０を介挿する構成である。このため、チップ裏面撮像装置１００は、介挿物を撮像装置１０１よりも薄くすることができる。言い換えれば、レンズユニット４５は、作動距離ＷＤが不足し、顕微鏡用の対物レンズ４１（図１）を使えなくなる。

また、撮像装置１０１では、基板２０の表面２０ａを撮像するときに、光がハーフミラー１１１と全反射ミラー１１２との間を往復する光路長が存在する。つまり、ＩＣチップ１０の裏面１０ａの撮像と、基板２０の表面２０ａの撮像とで、焦点が合う位置が異なるという問題が生じてしまう。つまり、撮像装置１０１では、ＩＣチップ１０と基板２０とで、作動距離ＷＤが異なる対物レンズを使う必要が生じてしまう。

（変形例）
本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下のような種々の変形が可能である。
（１）前記実施形態のレンズユニット４０は、無限遠補正光学系を構成していたが、有限補正光学系を構成しても構わない。有限補正光学系は、対物レンズ（有限補正対物レンズ）が単独で像（中間像）を作る光学系である。このときには、中間像の位置に撮像素子３１を配設したり、中間像の位置と撮像素子３１との間に結像レンズ４２を配設したりする。なお、レンズユニット４０は、対物レンズ（無限補正対物レンズや有限補正対物レンズ）の代わりに接写レンズの使用が考えられる。しかしながら、接写レンズは、倍率が最大１倍程度であるので、ＩＣチップ１０の撮像用途には、不適切である。

（２）前記実施形態のレンズユニット４０は、ＩＣチップ１０の表面を向けていたが、ＩＣチップ１０の裏面を向けることもできる。このときには、撮像装置３０は、ＩＣチップ１０の表面を反射画像として撮像することになる。このように、レンズユニット４０がＩＣチップ１０の裏面１０ａを向けたときには、裏面１０ａの裏面である表面が特許請求の範囲の裏面とみなされる。

１０ ＩＣチップ
２０ 基板
３０ 撮像装置
３１ 撮像素子
４０，４５ レンズユニット
４１ 対物レンズ
４２ 結像レンズ
５０ 吸着コレット（透明吸着コレット）
６０ ミラー
７１，７２，７３ ＸＹステージ
７５ Ｚステージ
９０ 制御装置
１００ チップ裏面撮像装置
１０１ 撮像装置
１１０ キューブ型ハーフミラー
１５０ 裏面画像
２００ ボンディング装置

Claims (6)

1. ＩＣチップの裏面を撮像するチップ裏面撮像装置であって、
   顕微鏡用のレンズユニットを装着した撮像装置と、
   前記レンズユニットの光軸上に配設したミラーと、
   前記レンズユニットと前記ミラーとの間に前記ＩＣチップを保持する第１保持部とを備え、
   前記撮像装置は、前記ＩＣチップの裏面を前記ミラーで反射させて、その反射画像を撮像する
   ことを特徴とするチップ裏面撮像装置。
2. 請求項１に記載のチップ裏面撮像装置であって、
   前記ミラー及び前記第１保持部の何れか一方又は双方を前記レンズユニットの光軸方向に移動させるステージをさらに備え、
   前記ステージは、前記レンズユニットの対物レンズの先端と前記ミラーの表面との距離と、前記ミラーの表面と前記ＩＣチップの裏面との距離との和を前記対物レンズの作動距離に等しくさせる
   ことを特徴とするチップ裏面撮像装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載のチップ裏面撮像装置であって、
   前記第１保持部は、透明部材で構成されている
   ことを特徴とするチップ裏面撮像装置。
4. 請求項２に記載のチップ裏面撮像装置であって、
   前記対物レンズは、長作動距離型対物レンズである
   ことを特徴とするチップ裏面撮像装置。
5. 請求項４に記載のチップ裏面撮像装置であって、
   前記ＩＣチップは、バンプが形成されており、
   前記撮像装置が撮像した撮像画像を用いて、前記バンプの位置計測を行う制御装置をさらに備え、
   前記制御装置は、グレースケールでサブピクセル処理を行う第１位置計測と、前記バンプの輪郭の複数箇所を位置計測し、前記バンプの位置を演算する第２位置計測との何れか一方を行う
   ことを特徴とするチップ裏面撮像装置。
6. 請求項２乃至請求項５の何れか一項に記載のチップ裏面撮像装置と、
   前記ミラー及び前記第１保持部の何れか一方又は双方を前記レンズユニットの光軸に対して垂直な面内に移動させるステージと、
   前記レンズユニットの光軸上に基板を保持する第２保持部とを備えたボンディング装置であって、
   前記第２保持部は、前記レンズユニットの先端と前記基板の表面との距離が前記レンズユニットの作動距離になるように配設されている
   ことを特徴とするボンディング装置。