JP3851468B2

JP3851468B2 - 発光部品のボンディング方法および装置

Info

Publication number: JP3851468B2
Application number: JP19665199A
Authority: JP
Inventors: 佳和花田; 弘前田; 一夫大西
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 1999-07-09
Filing date: 1999-07-09
Publication date: 2006-11-29
Anticipated expiration: 2019-07-09
Also published as: JP2001024008A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光部品を装着対象物上の所定の位置にボンディングするための発光部品のボンディング方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、例えば、電気・電子・通信機器等の各種分野において半導体レーザ素子（以下、ＬＤともいう）が利用されている。通常、図１０に示されるように、ＬＤ１は、銅マウント材（ヒートシンク）２と、前記銅マウント材２上に積層された状態で一体的に結合される発光部品である半導体レーザチップ（以下、ＬＤチップともいう）３とを備えている。ＬＤチップ３は突起部（リッジ）および／または溝部（グルーブ）を有した発光部４を備えており、略面一に形成された銅マウント材２と前記ＬＤチップ３の一端面からレーザ光が発光されるように構成されている。
【０００３】
上記のように、ＬＤチップ３は、レーザ光を発光する際に生ずる内部発熱によって該ＬＤチップ３自身が自己破壊することを防止するために、熱伝導性の良好な銅マウント材２上にボンディングされている。この種のＬＤ１では、銅マウント材２とＬＤチップ３のボンディング精度が前記ＬＤ１の性能や信頼性に大きく影響している。換言すれば、ＬＤ１に要求される性能や信頼性が高くなると、それに伴って非常に高精度なアライメントが必要となっている。
【０００４】
このため、例えば、特開平６−２１６１７０号公報に開示されている自動ダイボンダーが採用されている。この従来技術では、ワークおよび半導体レーザ素子にそれぞれアライメント用のマークが設けられており、カメラテーブルの移動によって、まず、このカメラテーブルに設けられている下側の固体撮像素子で前記半導体レーザ素子のマークが認識された後、前記カメラテーブルを後退させることにより、上側の固体撮像素子で前記ワークのマークが認識される。これにより、半導体レーザ素子とワークとの相対的な位置関係が認識されて、前記半導体レーザ素子と前記ワークとの相対位置関係が調整される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、半導体レーザ素子およびワークに取り付けるアライメント用のマークを作成しなければならず、製造コストが高騰するという問題がある。さらに、製作上の問題から半導体レーザ素子であるＬＤチップの寸法にばらつきが生じ易く、外形に対して発光位置が一定しないという問題があり、また、工程上の制約から前工程のウエハ製作時に、マークを一定位置に正確に貼り付けることができない場合がある。また、ワークであるヒートシンクのエッジにダレが生じ易く、このヒートシンクの所定の位置にマークを精度よく取り付けることができないという問題がある。
【０００６】
一方、ＬＤチップとヒートシンクの外形を検出して前記ＬＤチップと前記ヒートシンクとの相対位置関係を調整する方法が知られている。ところが、ウエハからＬＤチップを切り出す際に、このＬＤチップの側壁面に欠け等が生じ易く、前記ＬＤチップの外形を精度よく検出することができないという問題がある。さらに、ＬＤチップの切り出し寸法にばらつきが生じ、各ＬＤチップの幅寸法がばらつくという不具合がある。特に、発光部を構成する突起部や溝部の形状が、幅寸法が１０μｍ程度、深さが０．２μｍオーダーと非常に小さいため、この発光部の位置を高精度に検出することができないという問題が指摘されている。
【０００７】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な作業および構成で、発光部品を装着対象物上の所望の位置に高精度に位置決めするとともに、設備費を有効に削減することが可能な発光部品のボンディング方法および装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る発光部品のボンディング方法および装置では、発光部品の発光部に対して斜め方向から照明光が照射されると、この発光部品の平滑面からの反射光は正反射する一方、前記発光部（突起部や溝部）からの反射光は正反射光とは異なる方向に反射する。このため、発光部からの反射光を受光することにより、前記発光部の位置決め基準位置が正確に検出され、検出された前記発光部の位置決め基準位置に対応して発光部品が装着対象物上にボンディングされる。
【０００９】
これにより、発光部品や装着対象物にアライメント用のマークを取り付ける必要がなく、設備費を有効に削減し得るとともに、前記発光部品および前記装着対象物の外形寸法のばらつきに影響されることがなく、ボンディング作業が高精度かつ効率的に遂行される。
【００１０】
また、発光部からの反射光を画像情報として入力し、前記画像情報を画像処理することにより前記発光部の位置決め基準位置が高精度に検出される。さらに、画像情報を用い、輝度信号が最大となる位置や、輝度信号が一定値以上でかつ前記輝度信号の変化量が最大となる位置や、前記輝度信号の変化量が最大となる２つの位置の中点を、前記発光部の位置決め基準位置として設定する。これにより、幅寸法および深さが極めて小さな寸法に設定された発光部の位置決め基準位置が精度よく、しかも効率的に検出されることになる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る発光部品のボンディング方法を実施するためのボンディング装置１０の概略斜視説明図であり、図２は、前記ボンディング装置１０の正面説明図である。
【００１２】
ボンディング装置１０は、発光部品であるＬＤ（レーザダイオード）チップ１２を保持する発光部品保持手段１４と、装着対象物である銅マウント材１６を保持する装着対象物保持手段１８と、前記発光部品保持手段１４と前記装着対象物保持手段１８とをボンディング位置に対応して相対的に移動させる移動手段２０と、前記ＬＤチップ１２の発光部（リッジまたはグルーブ）２２に対して斜め方向から照射光を照射する照明部（照射手段）２４と、前記発光部２２からの反射光に基づいて該ＬＤチップ１２の位置決め基準位置を検出する制御部（制御手段）２６とを備える。
【００１３】
ボンディング装置１０を構成する架台２８上には、複数のＬＤチップ１２を配置する発光部品供給台３０と、銅マウント材１６を保持するθステージ３２、移動手段２０を構成するＸステージ３４、Ｙステージ３６およびＺステージ３８とが設けられる。θステージ３２は、Ｚ軸回りに回転可能な回転テーブル４０を備え、この回転テーブル４０上には、装着対象物保持手段１８および加熱手段４２が配置される。装着対象物保持手段１８は、銅マウント材１６をその上面１６ａを基準にして位置決め保持するためのガイド４３を設けている。
【００１４】
Ｘステージ３４には、Ｘ軸方向に延在して配置されるガイド部材４４と、このガイド部材４４の一端に固定される第１モータ４６と、この第１モータ４６の出力軸に連結されてＸ軸方向に延在するボールねじ４８とが設けられる。このボールねじ４８は、Ｘ軸可動テーブル５０に設けられた図示しないナット部材に螺合している。
【００１５】
Ｙステージ３６には、Ｘ軸可動テーブル５０上に設けられたガイド部材５２と、このガイド部材５２の一端側に固定される第２モータ５４と、この第２モータ５４の出力軸に連結されてＹ軸方向に延在するボールねじ５６とが設けられる。このボールねじ５６は、Ｙ軸可動テーブル５８に設けられた図示しないナット部材に螺合している。
【００１６】
Ｚステージ３８には、Ｙ軸可動テーブル５８上に固定されてＺ軸方向に延在するフレーム６０と、このフレーム６０に固定されＺ軸方向に長尺なガイド部材６２と、前記ガイド部材６２の上端に固定される第３モータ６４と、この第３モータ６４の出力軸に連結されＺ軸方向に延在するボールねじ６６とが設けられる。このボールねじ６６は、Ｚ軸可動テーブル６８に設けられた図示しないナット部材に螺合するとともに、前記Ｚ軸可動テーブル６８には、Ｙ軸方向に延在するアーム部材７０の一端が固定される。
【００１７】
アーム部材７０の他端には、加圧手段７２が装着されており、前記加圧手段７２の先端側に発光部品保持手段１４が固定される。加圧手段７２は、ＬＤチップ１２と銅マウント材１６とをボンディングする際に一定の荷重を付与するために、発光部品保持手段１４全体を装着対象物保持手段１８に加圧する機能を有している。発光部品保持手段１４は、ＬＤチップ１２を吸着保持するために、図示しない負圧発生源に連通している。
【００１８】
架台２８にはコラム７４が設けられ、このコラム７４の上部に取付台７６を介して第１撮像手段７８が装着される。第１撮像手段７８は、ＬＤチップ１２のエッジおよび銅マウント材１６の上面１６ａのエッジを撮像する第１ＣＣＤカメラ８０を備え、前記第１ＣＣＤカメラ８０の光軸上に光学系８２が設けられている。
【００１９】
図１〜図３に示すように、照明部２４は架台２８上に装着されている。この照明部２４は、発光部品保持手段１４が発光部品供給台３０とθステージ３２との間の所定の位置に配置された状態で、前記発光部品保持手段１４に保持されているＬＤチップ１２の発光部２２に向かって水平方向から所定角度θ°だけ傾斜して照明光Ｌを照射するように設定されている。架台２８上には、照明光Ｌの照射位置に配置されるＬＤチップ１２の下方に位置して第２撮像手段８４が装着されており、この第２撮像手段８４を構成する第２ＣＣＤカメラ８６が制御部２６に接続される。
【００２０】
図４に示すように、制御部２６は、ボンディング装置１０全体を制御するためのコンピュータ（またはシーケンサ）９０を備え、このコンピュータ９０に画像処理回路（画像処理部）９２が接続されるとともに、この画像処理回路９２には、第１ＣＣＤカメラ８０および第２ＣＣＤカメラ８６からそれぞれの画像信号が入力される。コンピュータ９０は、サーボモータ用コントローラ９４を介してサーボモータドライバ９６が接続される。サーボモータドライバ９６は、Ｘ軸モータである第１モータ４６、Ｙ軸モータである第２モータ５４、Ｚ軸モータである第３モータ６４および回転テーブル４０を回転させるθ軸モータである第４モータ９８を駆動制御する。
【００２１】
このように構成されるボンディング装置１０の動作について、図５に示すフローチャートに基づいて以下に説明する。
【００２２】
先ず、発光部品供給台３０上に複数のＬＤチップ１２がセットされており、発光部品保持手段１４が前記発光部品供給台３０上にセットされた所定のＬＤチップ１２を受け取るＬＤチップ受け取り位置へと移動される（ステップＳ１）。具体的には、移動手段２０を構成する第１モータ４６が駆動されることにより、ボールねじ４８の回転作用下にＸ軸可動テーブル５０がＸ軸方向に移動するとともに、第２モータ５４の駆動作用下にボールねじ５６が回転されることによって、Ｙ軸可動テーブル５８がＹ軸方向に移動する。
【００２３】
従って、第１および第２モータ４６、５４が駆動制御されることにより、発光部品保持手段１４が発光部品供給台３０上のＬＤチップ受け取り位置に移動する。なお、移動手段２０は、図３に示すように、コンピュータ９０の作用下に、サーボモータ用コントローラ９４からサーボモータドライバ９６に駆動信号が供給されることにより駆動制御される。
【００２４】
発光部品保持手段１４が所定のＬＤチップ１２上に配置された後、移動手段２０を構成する第３モータ６４が駆動され、ボールねじ６６の回転作用下にＺ軸可動テーブル６８と一体的に発光部品保持手段１４が下降し、この発光部品保持手段１４により前記ＬＤチップ１２が吸着保持される。さらに、第３モータ６４が前記とは逆方向に駆動され、Ｚ軸可動テーブル６８を介して発光部品保持手段１４がＬＤチップ１２を吸着した状態で上方に移動し、このＬＤチップ１２が発光部品供給台３０から取り出される（ステップＳ２）。
【００２５】
一方、θステージ３２では、回転テーブル４０上に設けられている装着対象物保持手段１８に、銅マウント材１６がその上面１６ａを基準にして位置決め保持される（ステップＳ３）。銅マウント材１６は、例えば、真空コレットとＸ−Ｚ軸トランスファおよび自動ガイド位置決め手段等を備えた自動搬送機構（図示せず）によって、装着対象物保持手段１８に自動的に供給される。回転テーブル４０上では、加熱手段４２に銅マウント材１６をサイドから押し付けるとともに、前記銅マウント材１６を上面基準を出すためのガイド４３に押し付けて固定している。
【００２６】
次に、ＬＤチップ１２を吸着保持している発光部品保持手段１４が、移動手段２０を介して回転テーブル４０側に移動し、前記ＬＤチップがこの回転テーブル４０と発光部品供給台３０との略中間位置である照射位置に配置される（ステップＳ４）。この状態で照明部２４が駆動され、この照明部２４からＬＤチップ１２の発光部２２に向かって照明光Ｌが照射され、第２撮像手段８４を介して前記発光部２２の撮像が行われる（ステップＳ５）。
【００２７】
具体的には、図６に示すように、ＬＤチップ１２の平滑面に照射される照明光Ｌ１の反射光は、この平滑面で正反射されるため、第２ＣＣＤカメラ８６に照射されることがない。一方、このＬＤチップ１２の発光部２２である、例えば、リッジに照射される照明光Ｌ２は、このリッジで鉛直下方向に反射されて第２ＣＣＤカメラ８６に導入される。
【００２８】
このため、図７に示すように、所定の幅寸法を有する２本のリッジ画像１００ａ、１００ｂが得られる。画像処理回路９２では、リッジ画像１００ａ、１００ｂの中心線１０２ａ、１０２ｂが求められた後に前記中心線１０２ａ、１０２ｂから発光部２２の中心位置、すなわち、前記発光部２２の位置決め基準位置１０４が検出される（ステップＳ６）。この場合、リッジ画像１００ａ、１００ｂに二値化またはグレイ処理等の画像処理が施されることによってそれぞれの中心線１０２ａ、１０２ｂが求められ、さらにこの中心線１０２ａ、１０２ｂから各リッジ間の中心線である位置決め基準位置１０４が演算されることになる。
【００２９】
また、発光部２２から第２ＣＣＤカメラ８６に照射される光の強度は、図８に示すような輝度パターンを有する。その際、暗から明、明から暗へと変化する部位近傍では信号レベルが低くなって安定性が悪いため、信号レベルが最大となる位置Ｐ１、Ｐ２を用い、この位置Ｐ１、Ｐ２の平均値を演算することにより位置決め基準位置１０４が求められる。これによって、発光部２２の位置決め基準位置１０４を、より一層正確かつ確実に検出することが可能になる。
【００３０】
一方、リッジ画像１００ａの輝度信号の変化量が最大となる位置Ｐ１１、Ｐ１２を用い、その平均値（中点）を演算することによって前記リッジ画像１００ａの中心線１０２ａを得ることができる。同様に、リッジ画像１００ｂの輝度信号の変化量が最大となる位置Ｐ２１、Ｐ２２を用い、その平均値から前記リッジ画像１００ｂの中心線１０２ｂを得ることができる。
【００３１】
さらにまた、輝度信号が一定値以上の領域で、かつこの輝度信号の変化量が最大となる位置（δ１１、δ１２およびδ２１、δ２２）である位置Ｐ１１、Ｐ１２および位置Ｐ２１、Ｐ２２を求め、この位置Ｐ１１、Ｐ１２の中点およびこの位置Ｐ２１、Ｐ２２の中点の位置Ｐ１、Ｐ２を各リッジ画像１００ａ、１００ｂの中心線１０２ａ、１０２ｂとして位置決め基準位置１０４を設定することもできる。
【００３２】
このように、ＬＤチップ１２の発光部２２の位置決め基準位置１０４が検出された後、移動手段２０を介して発光部品保持手段１４が回転テーブル４０上に移動し、装着対象物保持手段１８の真上に対応して前記発光部品保持手段１４が配置される。さらに、移動手段２０を構成する第３モータ６４が駆動されて発光部品保持手段１４が下降し、この発光部品保持手段１４に吸着保持されているＬＤチップ１２が銅マウント材１６に対応して配置される（ステップＳ７）。
【００３３】
そこで、第１撮像手段７８を構成する第１ＣＣＤカメラ８０を介し、ＬＤチップ１２および銅マウント材１６のエッジが撮像され（ステップＳ８）、前記ＬＤチップ１２と前記銅マウント材１６との相対位置補正が一定の時間間隔毎にリアルタイムでフィードバック制御される。具体的には、ＬＤチップ１２のエッジと銅マウント材１６のエッジとが撮像されて、Ｘ軸方向およびθ軸方向の補正量△Ｘおよび△θが演算され、また、位置決め基準位置１０４の情報に基づいてＹ軸方向の補正量△Ｙが算出される（ステップＳ９）。そして、この補正量が予め設定されている基準値よりも大きいと判断されると（ステップＳ１０中、ＮＯ）、ステップＳ１１に進んで移動手段２０が駆動され、ＬＤチップ１２と銅マウント材１６との相対位置補正が行われる。
【００３４】
例えば、図９に示すように、ＬＤチップ１２のエッジが銅マウント材１６のエッジに対して補正量△θ（＞基準値）だけずれていることが検出されると、θステージ３２に設けられている回転テーブル４０が第４モータ９８の駆動作用下に回転し、このずれ量である補正量△θの回転補正が行われる。
【００３５】
次いで、Ｘ軸方向およびＹ軸方向のずれ量である補正量△Ｘおよび△Ｙを検出し、例えば、この補正量△Ｘが基準値よりも大きい場合には、第１モータ４６が駆動されて前記補正量△Ｘの移動補正が行われる。さらに、第１および第２ＣＣＤカメラ８０、８６の合成画像上で、ＬＤチップ１２のエッジと銅マウント材１６のエッジとが一致する際に、フィードバック制御が終了される。
【００３６】
なお、制御部２６では、図４に示すように、全体制御用のコンピュータ（またはシーケンサ）９０を介してソフト的に一定間隔で画像情報のフィードバックを行っているが、ハードで、直接、画像処理データをサーボモータ用コントローラ９４にフィードバック信号として取り込むようにすると、より一層高速で処理を行うことができる。
【００３７】
ステップＳ１０で、補正量が基準値以下であると判断されると、ステップＳ１２に進んでＬＤチップ１２が銅マウント材１６にボンディングされる。その際、加圧手段７２に内蔵されている、例えば、スプリング（図示せず）の弾性力を介して発光部品保持手段１４が装着対象物保持手段１８側に押圧されており、ＬＤチップ１２が一定の荷重で銅マウント材１６に加圧保持されている。この状態で、加熱手段４２が駆動されて銅マウント材１６の加熱が開始されることになる。
【００３８】
このように、本実施形態では、発光部品保持手段１４に保持されているＬＤチップ１２の発光部２２に対して斜め方向から照明光Ｌ（Ｌ１、Ｌ２）を照射し、この発光部２２からの反射光を第２ＣＣＤカメラ８６で受光し、その画像情報に基づいて該発光部２２の中心位置である位置決め基準位置１０４が検出される。
【００３９】
これにより、ＬＤチップ１２および銅マウント材１６にアライメント用のマークを取り付ける作業が不要となり、従来例に比較して、設備費が有効に削減される。しかも、ＬＤチップ１２の外形寸法のばらつき等に影響されることがなく、前記ＬＤチップ１２を銅マウント材１６に対して精度よくかつ確実にアライメントすることができるという効果が得られる。特に、発光部２２を構成するリッジやグルーブの形状が、例えば、幅寸法が１０μｍ程度、深さが０．２μｍオーダーと非常に小さい場合であっても、前記発光部２２の位置決め基準位置を高精度に検出することが可能になり、ボンディング作業全体の効率化が容易に図られる。
【００４０】
なお、本実施形態では、発光部品としてＬＤチップ１２を用い、装着対象物として銅マウント材１６を用いているが、例えば、発光部品として半導体チップを用い、装着対象物としてガラスエポキシ基板を用いた場合であっても、同様の効果が得られる。
【００４１】
また、本実施形態では、発光部品保持手段１４をＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向に移動可能に構成するとともに、装着対象物保持手段１８をθ軸方向に回転可能に構成しているが、これに限定されるものではなく、例えば、前記装着対象物保持手段１８がＸ軸方向、Ｙ軸方向およびθ軸方向に移動する一方、前記発光部品保持手段１４がＺ軸方向にのみ移動可能なように構成してもよい。
【００４２】
【発明の効果】
本発明に係る発光部品のボンディング方法および装置では、発光部品の発光部に対して斜め方向から照明光を照射し、この発光部からの反射光に基づいて前記発光部の位置決め基準位置が検出されるため、アライメント用のマークを不要とするとともに、前記発光部品の外形形状のばらつきにも影響されることがなく、該発光部の位置決め基準位置を高精度かつ確実に検出することができ、ボンディング作業全体の効率化が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る発光部品のボンディング方法を実施するボンディング装置の概略斜視説明図である。
【図２】前記ボンディング装置の正面説明図である。
【図３】前記ボンディング装置の要部説明図である。
【図４】前記ボンディング装置を構成する制御部の概略構成説明図である。
【図５】本発明に係る発光部品のボンディング方法を説明するフローチャートである。
【図６】ＬＤチップの位置決め基準位置を検出する状態の説明図である。
【図７】リッジ画像の説明図である。
【図８】輝度信号の説明図である。
【図９】フィードバック制御補正の説明図である。
【図１０】一般的なＬＤの斜視説明図である。
【符号の説明】
１０…ボンディング装置１２…ＬＤチップ
１４…発光部品保持手段１６…銅マウント材
１８…装着対象物保持手段２０…移動手段
２２…発光部２４…照明部
２６…制御部３０…発光部品供給台
３２…θステージ３４…Ｘステージ
３６…Ｙステージ３８…Ｚステージ
４０…回転テーブル７２…加圧手段
７８、８４…撮像手段８０、８６…ＣＣＤカメラ
９０…コンピュータ９２…画像処理回路

Claims

発光部品を装着対象物上の所定の位置にボンディングするための発光部品のボンディング方法であって、
前記発光部品の発光部に対して斜め方向から照明光を照射する工程と、
前記発光部からの反射光に基づいて、該発光部の位置決め基準位置を検出する工程と、
検出された前記発光部の位置決め基準位置に対応して前記発光部品を前記装着対象物上に配置させ、該発光部品を該装着対象物にボンディングする工程と、
を有することを特徴とする発光部品のボンディング方法。
請求項１記載のボンディング方法において、前記発光部からの反射光を画像情報として入力し、前記画像情報を画像処理することにより前記発光部の位置決め基準位置を検出することを特徴とする発光部品のボンディング方法。
請求項２記載のボンディング方法において、前記画像情報を用い、輝度信号が最大となる位置を前記発光部の位置決め基準位置として設定することを特徴とする発光部品のボンディング方法。
請求項２記載のボンディング方法において、前記画像情報を用い、輝度信号が一定値以上でかつ該輝度信号の変化量が最大となる位置、または、前記輝度信号の変化量が最大となる２つの位置の中点を前記発光部の位置決め基準位置として設定することを特徴とする発光部品のボンディング方法。
発光部品を装着対象物上の所定の位置にボンディングするための発光部品のボンディング装置であって、
前記発光部品を保持する発光部品保持手段と、
前記装着対象物を保持する装着対象物保持手段と、
前記発光部品保持手段と前記装着対象物保持手段とを、ボンディング位置に対応して相対的に移動させる移動手段と、
前記発光部品の発光部に対して斜め方向から照明光を照射する照射手段と、
前記発光部からの反射光に基づいて、該発光部の位置決め基準位置を検出する制御手段と、
を備えることを特徴とする発光部品のボンディング装置。
請求項５記載のボンディング装置において、前記制御手段は、前記発光部からの反射光を画像情報として入力し、前記画像情報を用いて前記発光部の位置決め基準位置を検出する画像処理部を備えることを特徴とする発光部品のボンディング装置。