JP3561089B2 - 半導体チップの実装方法およびその装置 - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体チップをはんだバンプを介して回路基板に実装する半導体チップの実装方法およびその装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体チップをはんだバンプを介して回路基板に実装するフリップチップボンディングは、通常、めっきなどの方法により半導体チップにはんだバンプを形成し、フリップチップボンダを用いて、半導体チップのはんだバンプを回路基板の電極パッドに位置合わせして置き、回路基板をリフロー炉に通し、はんだを溶融して接続するのが一般的である。
【0003】
しかし、この方法では、はんだの表面張力により半導体チップのはんだバンプと回路基板の電極パッドをつなぐバンプの形状が太鼓状となるので、隣接するバンプ同士が接触しないように、あるバンプ間距離をとる必要があり、接続の狭ピッチ化には不向きだった。
【0004】
また、この方法では半導体チップと回路基板の間隔が狭くなるため、半導体チップと回路基板が熱膨張・熱収縮すると、バンプにより高い応力が掛かるため、チップサイズが大きい場合など、接続部劣化を招く恐れがあった。さらに、半導体チップと回路基板の間隔が狭いため、半導体チップと回路基板間に封止用樹脂が注入しにくくなる問題があった。
【0005】
そこで、これらの問題点を解消する手段として、半導体チップと回路基板の間隔を制御できるフリップチップボンダが提案されている。この装置では半導体チップ電極と回路基板の電極パッドとを位置合せした後、半導体チップを回路基板に押しあて、ボンディングツールを加熱し、はんだバンプを溶融させる。この状態でボンディングツールを上方に引き上げ、所定の半導体チップと回路基板との距離になるようにボンディングツールを保持し、ボンディングツールを冷却してフリップチップボンディングを行っていた。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記半導体チップと回路基板の間隔を制御できるフリップチップボンダを使用する方法では、半導体チップのはんだバンプと回路基板の電極パッドの位置合せ精度は、装置のボンディング精度で決まってしまうため、現実的に10μm程度の半導体チップのはんだバンプと回路基板の電極パッドのずれが発生していた。このずれは、接合強度を低下させ、接合信頼性に関る問題となっていた。
【0007】
この発明は、前記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、リフロー方式での隣接するはんだバンプ同士の接触を避けるためのはんだバンプ間距離の設計上の制約や、はんだバンプ掛かる応力に起因する接続部劣化の問題や、さらに半導体チップと回路基板間への樹脂注入性疎外の問題を回避すると同時に、半導体チップのはんだバンプと回路基板の電極パッドの位置ずれを防止でき、信頼性の高い半導体チップの実装方法およびその装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
この発明は前記目的を達成するために、請求項1は、半導体チップをはんだバンプを介して回路基板に実装する半導体チップの実装方法において、
ボンディングツールに前記半導体チップを保持し前記回路基板に対して位置合わせする第1の工程と、
前記位置合わせされた半導体チップのはんだバンプを前記回路基板上の所定位置の電極パッドに接触させる第2の工程と、
前記はんだバンプを加熱して溶融させる第3の工程と、
前記第3の工程中において前記回路基板と前記半導体チップとの間隔を調整する第4の工程と、
前記第4の工程後に溶融したはんだバンプのセルフアライメント作用により前記ボンディングツールをXYθ方向に駆動させて前記回路基板と前記半導体チップの位置ずれを補正する第5の工程と、
を具備することを特徴とする。
【0009】
請求項2は、請求項1の第4の工程における回路基板と半導体チップとの間隔調整は、ボンディングツールの熱膨張による所定位置の変位量を測定し、その測定結果に基づいて行うことを特徴とする。
【0010】
請求項3は、半導体チップをはんだバンプを介して回路基板に実装する半導体チップの実装装置において、
前記回路基板を載置するボンディングステージと、
前記ボンディングステージの上部に設けられ前記半導体チップを保持し前記回路基板上の所定位置にボンディングするボンディングツールと、
前記ボンディングツールに設けられ前記半導体チップのはんだバンプを溶融する加熱手段と、
前記ボンディングツールの熱膨張量を測定する測定手段と、
前記測定手段における測定結果に基づいて前記回路基板と前記半導体チップとの間隔を調整する間隔調整手段とを具備し、
前記ボンディングツールは、前記加熱手段により溶融されたはんだのセルフアライメント作用に基づき駆動可能に支持されていることを特徴とする。
【0011】
請求項4は、請求項3の測定手段は、ボンディングツールに設定された所定位置の変位量を測定するレーザ変位計であることを特徴とする。
請求項5は、請求項3のボンディングツールはXYθ駆動機構を有し、このXYθ駆動機構により駆動自在となっていることを特徴とする。
【0012】
請求項6は、請求項5のXYθ駆動機構には、このXYθ駆動機構によるボンディングツールの駆動のロックおよび前記ロックの解除を行うロック機構が設けられていることを特徴とする。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1はボンディング装置の全体構成を示す斜視図で、図2はボンディングヘッドの正面図、図3は画像合わせ装置のブロック図、図4は作用説明図である。まず、ボンディング装置の全体構成を説明すると、11はXYθ軸方向に位置決め自在な第1のXYθテーブルであり、この第1のXYθテーブル11の上部にはボンディングステージ12および半導体チップ撮像手段としての半導体チップ認識カメラ13が設けられている。そして、ボンディングステージ12には回路基板14が電極パッド14aを上向きにして搭載され、半導体チップ認識カメラ13は光軸を垂直上向きにして設置されている。
【0014】
第1のXYθテーブル11の隣側にはXYθ軸方向に位置決め自在な第2のXYθテーブル15が設けられ、この第2のXYθテーブル15の上部にはトレイ16が設けられている。このトレイ16には多数の半導体チップ17がはんだバンプ17aを上向きにして整列状態に搭載されている。
【0015】
また、第1のXYθテーブル11の上方にはボンディング機構19が設けられており、第2のXYθテーブル15の上方にはトレイ16上の半導体チップ17をピックアップした状態で反転して半導体チップ17をはんだバンプ17aを下向きにしてボンディング機構19に供給する半導体チップ供給機構20が設けられている。
【0016】
前記ボンディング機構19にはX軸ステージ21が設けられており、このX軸ステージ21にはボンディングヘッド22がX軸方向に移動自在に搭載されている。ボンディングヘッド22は後述するモータ23aおよびロードセル23bを備えた上下動機構23によって上下動自在であり、その下端部にはボンディングツール24が設けられている。このボンディングツール24には半導体チップ17をフェースダウン(はんだバンプ17aが下向き)にした状態で真空吸着する手段およびはんだを溶融するパルスヒータ等の加熱手段を有している。
【0017】
さらに、X軸ステージ21にはボンディングヘッド22と隣接して基板撮像手段としての基板認識カメラ25が光軸を垂直下向きにして設置され、ボンディングステージ12上の回路基板13の位置を認識できるようになっている。さらに、基板認識カメラ25の隣側には回路基板14の電極パッド14aにフラックスを塗布するディスペンサ25aが設置されている。
【0018】
また、前記半導体チップ供給機構20にはX軸ガイドレール26が設けられ、このX軸ガイドレール26にはチップ反転ユニット27がX軸方向に移動自在に設けられている。チップ反転ユニット27はトレイ16上の半導体チップ17を吸着し、これを反転する機能を有しており、トレイ16上では半導体チップ17のはんだバンプ17aは上向きであるが、反転によってはんだバンプ17aを下向きにして前記ボンディングツール24に吸着保持できるようになっている。
【0019】
さらに、X軸ガイドレール26にはトレイ16に対向するトレイ認識カメラ28が光軸を垂直下向きにして設置されており、トレイ16上の半導体チップ17のパターンを認識し、第2のXYθテーブル15を制御することにより、トレイ16上の半導体チップ17をピックアップ位置に位置決めするようになっている。
【0020】
また、前記半導体チップ認識カメラ13および基板認識カメラ25は画像合せ装置29に接続されている。ここで、半導体チップ認識カメラ13および基板認識カメラ25の相対的な位置関係は予め正確に求められる。そして、画像合せ装置29は、半導体チップ認識カメラ13による画像と基板認識カメラ25による画像とを合成して表示するように構成されている。
【0021】
すなわち、画像合せ装置29は、図3に示すように、ビデオミキサ30を有し、半導体チップ認識カメラ13と基板認識カメラ25からの画像信号はカメラコントロールユニット13a,25aに一旦記憶格納された後、これらカメラコントロールユニット13a,25aからの合成画像信号をビデオミキサ30に入力させ、合成画像がモニター31に表示されるようになっている。
【0022】
さらに、この合成画像は後述するように、半導体チップ17と回路基板14との相対的な位置決め補正量を算出する位置決め補正量算出手段30aに入力される。この位置決め補正量算出手段30aは図1に示すように、ボンディング制御装置32の一部をなしている。このボンディング制御装置32は、算出された位置決め補正量に基づいて第1のXYθテーブル11を位置決め制御するように設けられている。さらに、このボンディング制御装置32は、第1のXYθテーブル11、第2のXYθテーブル15、半導体チップ供給機構20、X軸ステージ21およびトレイ認識カメラ28に電気的に接続されている。
【0023】
また、前記半導体チップ17を所定の高さまで下降・上昇させると同時に加圧を行い回路基板14と半導体チップ17との間隔を制御する手段としてのモータ23aおよび半導体チップ17を回路基板14に押し付ける荷重を測定し、モータ23aに荷重をフイードバックするロードセル23bを備えている。さらに、ボンディングヘッド22の高さをモータ23aにフィードバックする高さ測定手段、すなわちボンディングヘッド22の半導体チップ17方向への変位量を測定する測定手段としてのレーザ変位計33およびボンディングツール24の温度を測定し、制御するための熱電対34を備えている。
【0024】
さらに、前記ボンディングヘッド22にはボンディングツール24自身の位置を微小な力でXY平面上に駆動させるためのXYθ駆動機構35およびXYθ駆動機構35の動きを中立位置で固定するロック機構36を備えている。このロック機構36にはXYθ駆動機構35のロックおよびアンロックを切り換える機能を有し、後述するように、ボンディングツール24の駆動の制御手段としての役割を果たしている。
【0025】
次に、前述のように構成されたボンディング装置によって半導体チップ17を回路基板14にボンディングする方法を説明する。
まず、図5のステップS1 に示すように、ボンディングステージ12の所定の位置に回路基板14を電極パッド14aを上向きにして搭載する(図5のステップS1参照)。次に、ステップS2 に示すように、トレイ認識カメラ28によってトレイ16上の半導体チップ17のパターンを認識し、第2のXYθテーブル15をXYθ軸方向に移動制御してトレイ16上の半導体チップ17をピックアップ位置に位置決めする(図5のステップS2参照)。
【0026】
次に、ステップS3 に示すように、チップ反転ユニット27はピックアップ位置に移動してトレイ16上の1個の半導体チップ17を吸着し、これを反転させて半導体チップ17のはんだバンプ17aを下向きにし、ボンディングツール24に受け渡し、ボンディングツール24は半導体チップ17をはんだバンプ17aを下向きにして吸着保持する(図5のステップS3参照)。
【0027】
次に、第1のXYθステージ11が移動して半導体チップ認識カメラ13によりボンディングツール24に吸着された半導体チップ17を撮像できる位置に位置決めし、ステップS4 に示すように、半導体チップ認識カメラ13によって半導体チップ17のはんだバンプ17aの画像(例えば8カ所)をティーチングして取り込む(図5のステップS4参照)。次に、ステップS5 に示すように、基板認識カメラ25はボンディングステージ12上の回路基板14の電極パッド14aの画像をティーチングして取り込むと、カメラコントロールユニット25aは、回路基板14の認識パターンを検出した後、記憶格納する(図5のステップS5参照)。
【0028】
次に、ディスペンサ25aによって回路基板14の電極パッド14aにフラックスを塗布した後、ステップS6 に示すように、画像合わせ装置29にては、半導体チップ認識カメラ13によって取り込みカメラコントロールユニット13aに格納さている画像認識パターンと基板認識カメラ25によって取り込みカメラコントロールユニット25aに格納さている画像認識パターンとを画像合せ装置29のビデオミキサ30によって合成(重ね合せ)し、モニター31に表示する。
【0029】
位置ずれ量算出手段30aにて、半導体チップ17と回路基板14の相対的な座標X・Y・θ方向の相対的位置ずれに対する補正量を算出した後、第1のXYθステージ11を移動して半導体チップ17と回路基板14を位置合わせする。このとき、まずXYθ駆動機構35を中立位置で固定した状態にしておき、半導体認識カメラ13および基板認識カメラ25で半導体チップ17および回路基板14の電極パッド14aを認識し、ボンディングツール24およびボンディングステージ12を移動させ、半導体チップ17と回路基板14の電極パッド14aが上下に対向するよう位置合せする(図4(a)および図5のステップS6参照)。
【0030】
そして、位置合せが終了すると、ボンディングヘッド22が上下動機構23によって下降し、電極パッド14aにはんだバンプ17aを接触する(図4(b)参照)。このときロードセル23bを用いて回路基板14へのはんだバンプ17aの接触を感知する。
【0031】
次に、ボンディングツール24に吸着された半導体チップ17を加熱することにより、はんだを溶融する。ボンディングツール24を荷重制御モードから変位制御モードに切り換える(荷重制御モードのままチップ加熱をすると、はんだバンプ17aの変形抵抗が低下し、はんだバンプ17aがつぶれてしまう)。
【0032】
ボンディングツール24の加熱に伴いボンディングツール24自身が熱膨張するため、熱膨張量をレーザ変位計33で測定し、ボンディングツール24の高さを一定に保つよう高さ補正を行う。つまり、ボンディングツール24自身が熱膨張するため、Z方向(上下方向)については、レーザ変位計33でボンディングツール24の伸び量を計測し、モータ23aにフィードバックし、伸び量を補正する。この工程により所定のギャップに調整できる。はんだバンプ17aが溶融したら、ボンディングツール24を後述する図4(d)に示すように溶融はんだの形状が鼓形となる高さまで上昇させ、半導体チップ17と回路基板14の間隔を調整する(図4(c)参照)。
【0033】
ここで、XYθ駆動機構35のロック機構36のロックを解除すると、はんだバンプ17aのセルフアライメント作用(半導体チップ17上のはんだバンプ17aの表面積を最少にする力が作用する。)を利用して、半導体チップ17のはんだバンプ17aと回路基板14の電極パッド14aの正確な位置合せを行う。この状態でボンディングツール24を冷却し、半導体チップ17の吸着保持を解除すると、半導体チップ17のはんだバンプ17aが回路基板14の電極パッド14aにはんだ接合し、ボンディングが完了する(図4(d)参照)。
【0034】
このようにボンディングツール24側に設けたXYθ駆動機構35のロック機構36を解除することにより、ボンディングツール24の加熱に伴うXYθ方向の伸びによる位置ずれを補正(アライメント調整)する。補正は、溶融したはんだのセルフアライメント作用を利用する。この場合、Z方向は拘束されているが、XYθ方向は自由になっているので、キャップ調整とアライメント調整を同時に実現できる。
【0035】
【発明の効果】
この発明の請求項1〜2によれば、ボンディングツールが加熱によって熱膨張しても、その熱膨張量を測定してボンディングツールの高さを補正することにより、はんだバンプを理想的な形状に整えることにより、はんだバンプの狭ピッチ化に対応できる。しかも、回路基板と半導体チップとの間隔を大きくした状態で実装でき、封止用樹脂の注入の容易化と作業性を向上できる。また、溶融したはんだのセルフアライメント作用を利用して半導体チップのはんだバンプと回路基板の電極パッドの位置ずれを防止でき、信頼性の高い半導体チップの実装方法を提供できる。
【0036】
また、請求項3〜6によれば、ボンディングツールは、加熱手段により溶融されたはんだのセルフアライメント作用に基づき駆動可能に支持されているため、半導体チップのはんだバンプを溶融したときに、はんだバンプのセルフアライメント作用を利用して回路基板と半導体チップの位置ずれを自動補正することができ、信頼性の高い半導体チップの実装装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施形態のボンディング装置の斜視図。
【図2】同実施形態の要部の正面図。
【図3】同実施形態の画像重ね合せ装置のブロック図。
【図4】同実施形態の位置合せ方法の作用説明図。
【図5】同実施形態の位置合せ方法のフローチャート。
【符号の説明】
12…ボンディングステージ
14…回路基板
14a…電極パッド
17…半導体チップ
17a…はんだバンプ
24…ボンディングツール
33…レーザ変位計
35…XYθ駆動機構
36…ロック機構
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体チップをはんだバンプを介して回路基板に実装する半導体チップの実装方法およびその装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体チップをはんだバンプを介して回路基板に実装するフリップチップボンディングは、通常、めっきなどの方法により半導体チップにはんだバンプを形成し、フリップチップボンダを用いて、半導体チップのはんだバンプを回路基板の電極パッドに位置合わせして置き、回路基板をリフロー炉に通し、はんだを溶融して接続するのが一般的である。
【0003】
しかし、この方法では、はんだの表面張力により半導体チップのはんだバンプと回路基板の電極パッドをつなぐバンプの形状が太鼓状となるので、隣接するバンプ同士が接触しないように、あるバンプ間距離をとる必要があり、接続の狭ピッチ化には不向きだった。
【0004】
また、この方法では半導体チップと回路基板の間隔が狭くなるため、半導体チップと回路基板が熱膨張・熱収縮すると、バンプにより高い応力が掛かるため、チップサイズが大きい場合など、接続部劣化を招く恐れがあった。さらに、半導体チップと回路基板の間隔が狭いため、半導体チップと回路基板間に封止用樹脂が注入しにくくなる問題があった。
【0005】
そこで、これらの問題点を解消する手段として、半導体チップと回路基板の間隔を制御できるフリップチップボンダが提案されている。この装置では半導体チップ電極と回路基板の電極パッドとを位置合せした後、半導体チップを回路基板に押しあて、ボンディングツールを加熱し、はんだバンプを溶融させる。この状態でボンディングツールを上方に引き上げ、所定の半導体チップと回路基板との距離になるようにボンディングツールを保持し、ボンディングツールを冷却してフリップチップボンディングを行っていた。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記半導体チップと回路基板の間隔を制御できるフリップチップボンダを使用する方法では、半導体チップのはんだバンプと回路基板の電極パッドの位置合せ精度は、装置のボンディング精度で決まってしまうため、現実的に10μm程度の半導体チップのはんだバンプと回路基板の電極パッドのずれが発生していた。このずれは、接合強度を低下させ、接合信頼性に関る問題となっていた。
【0007】
この発明は、前記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、リフロー方式での隣接するはんだバンプ同士の接触を避けるためのはんだバンプ間距離の設計上の制約や、はんだバンプ掛かる応力に起因する接続部劣化の問題や、さらに半導体チップと回路基板間への樹脂注入性疎外の問題を回避すると同時に、半導体チップのはんだバンプと回路基板の電極パッドの位置ずれを防止でき、信頼性の高い半導体チップの実装方法およびその装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
この発明は前記目的を達成するために、請求項1は、半導体チップをはんだバンプを介して回路基板に実装する半導体チップの実装方法において、
ボンディングツールに前記半導体チップを保持し前記回路基板に対して位置合わせする第1の工程と、
前記位置合わせされた半導体チップのはんだバンプを前記回路基板上の所定位置の電極パッドに接触させる第2の工程と、
前記はんだバンプを加熱して溶融させる第3の工程と、
前記第3の工程中において前記回路基板と前記半導体チップとの間隔を調整する第4の工程と、
前記第4の工程後に溶融したはんだバンプのセルフアライメント作用により前記ボンディングツールをXYθ方向に駆動させて前記回路基板と前記半導体チップの位置ずれを補正する第5の工程と、
を具備することを特徴とする。
【0009】
請求項2は、請求項1の第4の工程における回路基板と半導体チップとの間隔調整は、ボンディングツールの熱膨張による所定位置の変位量を測定し、その測定結果に基づいて行うことを特徴とする。
【0010】
請求項3は、半導体チップをはんだバンプを介して回路基板に実装する半導体チップの実装装置において、
前記回路基板を載置するボンディングステージと、
前記ボンディングステージの上部に設けられ前記半導体チップを保持し前記回路基板上の所定位置にボンディングするボンディングツールと、
前記ボンディングツールに設けられ前記半導体チップのはんだバンプを溶融する加熱手段と、
前記ボンディングツールの熱膨張量を測定する測定手段と、
前記測定手段における測定結果に基づいて前記回路基板と前記半導体チップとの間隔を調整する間隔調整手段とを具備し、
前記ボンディングツールは、前記加熱手段により溶融されたはんだのセルフアライメント作用に基づき駆動可能に支持されていることを特徴とする。
【0011】
請求項4は、請求項3の測定手段は、ボンディングツールに設定された所定位置の変位量を測定するレーザ変位計であることを特徴とする。
請求項5は、請求項3のボンディングツールはXYθ駆動機構を有し、このXYθ駆動機構により駆動自在となっていることを特徴とする。
【0012】
請求項6は、請求項5のXYθ駆動機構には、このXYθ駆動機構によるボンディングツールの駆動のロックおよび前記ロックの解除を行うロック機構が設けられていることを特徴とする。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1はボンディング装置の全体構成を示す斜視図で、図2はボンディングヘッドの正面図、図3は画像合わせ装置のブロック図、図4は作用説明図である。まず、ボンディング装置の全体構成を説明すると、11はXYθ軸方向に位置決め自在な第1のXYθテーブルであり、この第1のXYθテーブル11の上部にはボンディングステージ12および半導体チップ撮像手段としての半導体チップ認識カメラ13が設けられている。そして、ボンディングステージ12には回路基板14が電極パッド14aを上向きにして搭載され、半導体チップ認識カメラ13は光軸を垂直上向きにして設置されている。
【0014】
第1のXYθテーブル11の隣側にはXYθ軸方向に位置決め自在な第2のXYθテーブル15が設けられ、この第2のXYθテーブル15の上部にはトレイ16が設けられている。このトレイ16には多数の半導体チップ17がはんだバンプ17aを上向きにして整列状態に搭載されている。
【0015】
また、第1のXYθテーブル11の上方にはボンディング機構19が設けられており、第2のXYθテーブル15の上方にはトレイ16上の半導体チップ17をピックアップした状態で反転して半導体チップ17をはんだバンプ17aを下向きにしてボンディング機構19に供給する半導体チップ供給機構20が設けられている。
【0016】
前記ボンディング機構19にはX軸ステージ21が設けられており、このX軸ステージ21にはボンディングヘッド22がX軸方向に移動自在に搭載されている。ボンディングヘッド22は後述するモータ23aおよびロードセル23bを備えた上下動機構23によって上下動自在であり、その下端部にはボンディングツール24が設けられている。このボンディングツール24には半導体チップ17をフェースダウン(はんだバンプ17aが下向き)にした状態で真空吸着する手段およびはんだを溶融するパルスヒータ等の加熱手段を有している。
【0017】
さらに、X軸ステージ21にはボンディングヘッド22と隣接して基板撮像手段としての基板認識カメラ25が光軸を垂直下向きにして設置され、ボンディングステージ12上の回路基板13の位置を認識できるようになっている。さらに、基板認識カメラ25の隣側には回路基板14の電極パッド14aにフラックスを塗布するディスペンサ25aが設置されている。
【0018】
また、前記半導体チップ供給機構20にはX軸ガイドレール26が設けられ、このX軸ガイドレール26にはチップ反転ユニット27がX軸方向に移動自在に設けられている。チップ反転ユニット27はトレイ16上の半導体チップ17を吸着し、これを反転する機能を有しており、トレイ16上では半導体チップ17のはんだバンプ17aは上向きであるが、反転によってはんだバンプ17aを下向きにして前記ボンディングツール24に吸着保持できるようになっている。
【0019】
さらに、X軸ガイドレール26にはトレイ16に対向するトレイ認識カメラ28が光軸を垂直下向きにして設置されており、トレイ16上の半導体チップ17のパターンを認識し、第2のXYθテーブル15を制御することにより、トレイ16上の半導体チップ17をピックアップ位置に位置決めするようになっている。
【0020】
また、前記半導体チップ認識カメラ13および基板認識カメラ25は画像合せ装置29に接続されている。ここで、半導体チップ認識カメラ13および基板認識カメラ25の相対的な位置関係は予め正確に求められる。そして、画像合せ装置29は、半導体チップ認識カメラ13による画像と基板認識カメラ25による画像とを合成して表示するように構成されている。
【0021】
すなわち、画像合せ装置29は、図3に示すように、ビデオミキサ30を有し、半導体チップ認識カメラ13と基板認識カメラ25からの画像信号はカメラコントロールユニット13a,25aに一旦記憶格納された後、これらカメラコントロールユニット13a,25aからの合成画像信号をビデオミキサ30に入力させ、合成画像がモニター31に表示されるようになっている。
【0022】
さらに、この合成画像は後述するように、半導体チップ17と回路基板14との相対的な位置決め補正量を算出する位置決め補正量算出手段30aに入力される。この位置決め補正量算出手段30aは図1に示すように、ボンディング制御装置32の一部をなしている。このボンディング制御装置32は、算出された位置決め補正量に基づいて第1のXYθテーブル11を位置決め制御するように設けられている。さらに、このボンディング制御装置32は、第1のXYθテーブル11、第2のXYθテーブル15、半導体チップ供給機構20、X軸ステージ21およびトレイ認識カメラ28に電気的に接続されている。
【0023】
また、前記半導体チップ17を所定の高さまで下降・上昇させると同時に加圧を行い回路基板14と半導体チップ17との間隔を制御する手段としてのモータ23aおよび半導体チップ17を回路基板14に押し付ける荷重を測定し、モータ23aに荷重をフイードバックするロードセル23bを備えている。さらに、ボンディングヘッド22の高さをモータ23aにフィードバックする高さ測定手段、すなわちボンディングヘッド22の半導体チップ17方向への変位量を測定する測定手段としてのレーザ変位計33およびボンディングツール24の温度を測定し、制御するための熱電対34を備えている。
【0024】
さらに、前記ボンディングヘッド22にはボンディングツール24自身の位置を微小な力でXY平面上に駆動させるためのXYθ駆動機構35およびXYθ駆動機構35の動きを中立位置で固定するロック機構36を備えている。このロック機構36にはXYθ駆動機構35のロックおよびアンロックを切り換える機能を有し、後述するように、ボンディングツール24の駆動の制御手段としての役割を果たしている。
【0025】
次に、前述のように構成されたボンディング装置によって半導体チップ17を回路基板14にボンディングする方法を説明する。
まず、図5のステップS1 に示すように、ボンディングステージ12の所定の位置に回路基板14を電極パッド14aを上向きにして搭載する(図5のステップS1参照)。次に、ステップS2 に示すように、トレイ認識カメラ28によってトレイ16上の半導体チップ17のパターンを認識し、第2のXYθテーブル15をXYθ軸方向に移動制御してトレイ16上の半導体チップ17をピックアップ位置に位置決めする(図5のステップS2参照)。
【0026】
次に、ステップS3 に示すように、チップ反転ユニット27はピックアップ位置に移動してトレイ16上の1個の半導体チップ17を吸着し、これを反転させて半導体チップ17のはんだバンプ17aを下向きにし、ボンディングツール24に受け渡し、ボンディングツール24は半導体チップ17をはんだバンプ17aを下向きにして吸着保持する(図5のステップS3参照)。
【0027】
次に、第1のXYθステージ11が移動して半導体チップ認識カメラ13によりボンディングツール24に吸着された半導体チップ17を撮像できる位置に位置決めし、ステップS4 に示すように、半導体チップ認識カメラ13によって半導体チップ17のはんだバンプ17aの画像(例えば8カ所)をティーチングして取り込む(図5のステップS4参照)。次に、ステップS5 に示すように、基板認識カメラ25はボンディングステージ12上の回路基板14の電極パッド14aの画像をティーチングして取り込むと、カメラコントロールユニット25aは、回路基板14の認識パターンを検出した後、記憶格納する(図5のステップS5参照)。
【0028】
次に、ディスペンサ25aによって回路基板14の電極パッド14aにフラックスを塗布した後、ステップS6 に示すように、画像合わせ装置29にては、半導体チップ認識カメラ13によって取り込みカメラコントロールユニット13aに格納さている画像認識パターンと基板認識カメラ25によって取り込みカメラコントロールユニット25aに格納さている画像認識パターンとを画像合せ装置29のビデオミキサ30によって合成(重ね合せ)し、モニター31に表示する。
【0029】
位置ずれ量算出手段30aにて、半導体チップ17と回路基板14の相対的な座標X・Y・θ方向の相対的位置ずれに対する補正量を算出した後、第1のXYθステージ11を移動して半導体チップ17と回路基板14を位置合わせする。このとき、まずXYθ駆動機構35を中立位置で固定した状態にしておき、半導体認識カメラ13および基板認識カメラ25で半導体チップ17および回路基板14の電極パッド14aを認識し、ボンディングツール24およびボンディングステージ12を移動させ、半導体チップ17と回路基板14の電極パッド14aが上下に対向するよう位置合せする(図4(a)および図5のステップS6参照)。
【0030】
そして、位置合せが終了すると、ボンディングヘッド22が上下動機構23によって下降し、電極パッド14aにはんだバンプ17aを接触する(図4(b)参照)。このときロードセル23bを用いて回路基板14へのはんだバンプ17aの接触を感知する。
【0031】
次に、ボンディングツール24に吸着された半導体チップ17を加熱することにより、はんだを溶融する。ボンディングツール24を荷重制御モードから変位制御モードに切り換える(荷重制御モードのままチップ加熱をすると、はんだバンプ17aの変形抵抗が低下し、はんだバンプ17aがつぶれてしまう)。
【0032】
ボンディングツール24の加熱に伴いボンディングツール24自身が熱膨張するため、熱膨張量をレーザ変位計33で測定し、ボンディングツール24の高さを一定に保つよう高さ補正を行う。つまり、ボンディングツール24自身が熱膨張するため、Z方向(上下方向)については、レーザ変位計33でボンディングツール24の伸び量を計測し、モータ23aにフィードバックし、伸び量を補正する。この工程により所定のギャップに調整できる。はんだバンプ17aが溶融したら、ボンディングツール24を後述する図4(d)に示すように溶融はんだの形状が鼓形となる高さまで上昇させ、半導体チップ17と回路基板14の間隔を調整する(図4(c)参照)。
【0033】
ここで、XYθ駆動機構35のロック機構36のロックを解除すると、はんだバンプ17aのセルフアライメント作用(半導体チップ17上のはんだバンプ17aの表面積を最少にする力が作用する。)を利用して、半導体チップ17のはんだバンプ17aと回路基板14の電極パッド14aの正確な位置合せを行う。この状態でボンディングツール24を冷却し、半導体チップ17の吸着保持を解除すると、半導体チップ17のはんだバンプ17aが回路基板14の電極パッド14aにはんだ接合し、ボンディングが完了する(図4(d)参照)。
【0034】
このようにボンディングツール24側に設けたXYθ駆動機構35のロック機構36を解除することにより、ボンディングツール24の加熱に伴うXYθ方向の伸びによる位置ずれを補正(アライメント調整)する。補正は、溶融したはんだのセルフアライメント作用を利用する。この場合、Z方向は拘束されているが、XYθ方向は自由になっているので、キャップ調整とアライメント調整を同時に実現できる。
【0035】
【発明の効果】
この発明の請求項1〜2によれば、ボンディングツールが加熱によって熱膨張しても、その熱膨張量を測定してボンディングツールの高さを補正することにより、はんだバンプを理想的な形状に整えることにより、はんだバンプの狭ピッチ化に対応できる。しかも、回路基板と半導体チップとの間隔を大きくした状態で実装でき、封止用樹脂の注入の容易化と作業性を向上できる。また、溶融したはんだのセルフアライメント作用を利用して半導体チップのはんだバンプと回路基板の電極パッドの位置ずれを防止でき、信頼性の高い半導体チップの実装方法を提供できる。
【0036】
また、請求項3〜6によれば、ボンディングツールは、加熱手段により溶融されたはんだのセルフアライメント作用に基づき駆動可能に支持されているため、半導体チップのはんだバンプを溶融したときに、はんだバンプのセルフアライメント作用を利用して回路基板と半導体チップの位置ずれを自動補正することができ、信頼性の高い半導体チップの実装装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施形態のボンディング装置の斜視図。
【図2】同実施形態の要部の正面図。
【図3】同実施形態の画像重ね合せ装置のブロック図。
【図4】同実施形態の位置合せ方法の作用説明図。
【図5】同実施形態の位置合せ方法のフローチャート。
【符号の説明】
12…ボンディングステージ
14…回路基板
14a…電極パッド
17…半導体チップ
17a…はんだバンプ
24…ボンディングツール
33…レーザ変位計
35…XYθ駆動機構
36…ロック機構
Claims (6)
- 半導体チップをはんだバンプを介して回路基板に実装する半導体チップの実装方法において、
ボンディングツールに前記半導体チップを保持し前記回路基板に対して位置合わせする第1の工程と、
前記位置合わせされた半導体チップのはんだバンプを前記回路基板上の所定位置の電極パッドに接触させる第2の工程と、
前記はんだバンプを加熱して溶融させる第3の工程と、
前記第3の工程中において前記回路基板と前記半導体チップとの間隔を調整する第4の工程と、
前記第4の工程後に溶融したはんだバンプのセルフアライメント作用により前記ボンディングツールをXYθ方向に駆動させて前記回路基板と前記半導体チップの位置ずれを補正する第5の工程と、
を具備することを特徴とする半導体チップの実装方法。 - 第4の工程における回路基板と半導体チップとの間隔調整は、ボンディングツールの熱膨張による所定位置の変位量を測定し、その測定結果に基づいて行うことを特徴とする請求項1記載の半導体チップの実装方法。
- 半導体チップをはんだバンプを介して回路基板に実装する半導体チップの実装装置において、
前記回路基板を載置するボンディングステージと、
前記ボンディングステージの上部に設けられ前記半導体チップを保持し前記回路基板上の所定位置にボンディングするボンディングツールと、
前記ボンディングツールに設けられ前記半導体チップのはんだバンプを溶融する加熱手段と、
前記ボンディングツールの熱膨張量を測定する測定手段と、
前記測定手段における測定結果に基づいて前記回路基板と前記半導体チップとの間隔を調整する間隔調整手段とを具備し、
前記ボンディングツールは、前記加熱手段により溶融されたはんだのセルフアライメント作用に基づき駆動可能に支持されていることを特徴とする半導体チップの実装装置。 - 測定手段は、ボンディングツールに設定された所定位置の変位量を測定するレーザ変位計であることを特徴とする請求項3記載の半導体チップの実装装置。
- ボンディングツールはXYθ駆動機構を有し、このXYθ駆動機構により駆動自在となっていることを特徴とする請求項3記載の半導体チップの実装装置。
- XYθ駆動機構には、このXYθ駆動機構によるボンディングツールの駆動のロックおよび前記ロックの解除を行うロック機構が設けられていることを特徴とする請求項5記載の半導体チップの実装装置。
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