JP3930844B2 - 半導体チップ吸着ボンディングヘッド - Google Patents

Description

この発明は、特にレーザチップの移載、レーザチップボンディングのボンディングヘッドとして用いる半導体チップ吸着ボンディングヘッドに関するものである。

レーザチップ(ＧａＡｓ)は通常のＳｉチップよりも機械的強度が弱い上、微小チップである為わずかな応力集中においても破壊しやすい。また、機械的にダメージを与えるとレーザチップの寿命及び信頼性に悪影響を及ぼす為、レーザへの接触を伴うハンドリングには細心の注意が必要である。

そのため、レーザチップ吸着ボンディングヘッドは衝撃荷重を低減する為にＺ方向可動部分の軽量化を行う必要があった。

従来のレーザチップ吸着ボンディングヘッド構成について図面を参照しながら説明する。従来のレーザチップ吸着ヘッドは、図８のような構成が用いられていた。

従来のレーザチップ吸着ヘッドは、Ｚ方向可動部として吸着穴２６を持つコレットホルダ２７とその先端に取り付いている吸着コレット３２と回止めシャフト１８、上下ストッパブロック３０により構成させており、Ｚ方向可動部重量は約１５ｇｆである。コレットホルダ（φ４ｍｍ）は、コレット先端の振れを防止する為に構造上取付けピッチが最大限（２０〜３０ｍｍピッチ程度）に配置された２個のリニアブッシュ２９により保持することで、剛性アップを図り、軸心精度を向上させて、先端振れを防止する。また、摺動部であるリニアブッシュ内径とコレットホルダ直径の隙間は０〜４μｍ程度であり、与圧構造となっている。

また、リニアブッシュ２９を摺動部に利用している為、回転方向の動きを制限する必要があり、そのための回止め機構が構成されている。回止めは、２個のラジアルベアリング３３ａ，３３ｂで回止めシャフトを挟み込む構造となっており、その構造は、片側のベアリング３３ｂと固定ベアリングシャフト３４を基準として、もう一方のベアリング３３ａを調整するもので、調整偏芯シャフト３５で回転調整し、隙間５〜１０μｍに調整、調整偏芯シャフトを固定する構造である。

また、吸着荷重、ボンディング荷重については、通常２０ｇｆ〜１００ｇｆの範囲が必要であり、Ｚ方向可動部重量にばね荷重を付加することで得る。圧縮ばね２８は、設定するべき吸着荷重あるいは、ボンディング荷重になるように設定する。また、ばね定数は１〜１０ｇｆ／ｍｍの範囲とし、沈みこみ量によるばらつき変化を最小にする。また、Ｚ方向可動部分の高さ保持位置はカラー３１接触面で決定されている。

以上のように構成された各部位は、回転ベース３６上に取付けられており、回転ベース部は主に移載、ボンディング時におけるＺ方向のバッファ可動部分を担う。又、可動範囲（３〜５ｍｍ）に対して、バッファ可動部分の使用ストロークは５０〜１００μｍ程度である。

また、上記の回転ベ−ス部は、θ方向回転駆動を得るために２個のベアリングで保持された回転シャフト３７と連結されており、回転中心軸はＺ方向可動部を回転シャフトに取付けることで同軸構造としている。そして、θ方向回転駆動を伝達する為に、パルスモータ及びサーボモータ４２のθ方向回転駆動力をカップリング４０を介し、Ｚ方向可動部ごと回転させる構造となっている。

以下、上記構成のレーザチップ吸着ボンディングヘッドの動作を示す。

レーザチップ吸着の場合、図９に示すように、レーザチップ吸着時には、吸着対象となるレーザチップ４３の位置認識後、吸着コレット３２がレーザチップ４３の真上に移動する。その後、図１０に示すように、レーザチップ吸着ボンディングヘッドは、Ｚ方向に下降していく。下降時のスピードはレーザに接触する５００〜１０００μｍまでは、高速で動作する。そこからレーザ上面に接触するまでは低速（１〜５ｍｍ／ｓｅｃ程度）で駆動させレーザチップ４３上面に接触させる。接触後厚みばらつき及び設置高さばらつき分として沈みこみ量を１００〜２００μｍ程度取り、荷重印加により安定した押さえ込み吸着を可能としている。

次に、レーザチップボンディング及び高精度移載の場合、上記に述べた動作により吸着したレーザチップをボンディングする動作となるが、そのためには、レーザチップの姿勢を裏面からのカメラで認識し、姿勢を把握しておく必要がある。図１１に示すように、認識はレーザチップ４３の裏面からカメラ部４４により認識を行う。図１２に示すように、パルスモータあるいはサーボモータによりθ方向の位置補正をモニタ４６の画像に従いθの補正を行う。その後、図１３に示すように、レーザチップボンディング位置あるいは高精度移載位置４５まで移動し、レーザチップ吸着ボンディングヘッドは、Ｚ方向に下降していく。下降時のスピードはレーザに接触する５００〜１０００μｍまでは、高速で動作する。そこからボンディング対象物あるいは移載部分上面に接触するまでは低速（１〜５ｍｍ／ｓｅｃ程度）で駆動させレーザチップ４３下面を接触させる。接触後厚みばらつき及び設置高さばらつき分として沈みこみ量を１００〜２００μｍ程度取り、荷重印加により安定したレーザチップボンディングあるいは高精度移載を可能としている。

あるいは、特許文献１のような構造及び方法もとられていた。
特開平１０−３４０９３１号公報

上記のような従来の構造では、以下のような課題があった。

Ｚ方向のバッファ可動部分とθ方向回転の軸中心が別要素で構成されており、コレット先端の振れ調整が困難であり、高倍率、狭認識範囲における被認識物の認識及びθ方向補正時に画面から外れることがある。

また、コレットホルダの軸心精度を確保する為にコレットホルダとリニアブッシュは与圧を付加した状態でＺ方向が可動しており、長期の使用で接触部分が磨耗し、がたの発生及び金属摩耗かす付着により、軸心精度の悪化と摺動抵抗を不安定な状態にし、レーザチップへの初期接触荷重及び、レーザチップボンディング時の初期接触荷重時に動作不良が発生していた。

また、Ｚ方向可動部分の高さ保持位置を決定しているカラー部分と上下ストッパブロックの平面度が高すぎてリンキング現象を誘発したり、リニアブッシュの低粘度のオイルがにじみ出しカラーおよび上下ストッパブロック間にオイルが微量付着し、カラーと上下ストッパブロックを微量なオイルの表面張力で密着する現象が発生し、初期接触時に設定荷重ではなく、カラーと上下ストッパブロックの表面張力を剥離する荷重が一時的に印加され衝撃となっていた。

これにより、レーザチップの移載、レーザチップボンディング時にレーザチップに機械的なダメージを与え、レーザチップの寿命及び信頼性に悪影響を及ぼしていた。

したがって、この発明の目的は、特に、機械的ストレスに弱いレーザチップにおいて、レーザチップに機械的にダメージを与えると寿命及び信頼性にも悪影響を及ぼすため、レーザチップへの接触加圧時に衝撃を与えることがなく、高速動作時でも低衝撃荷重吸着及びボンディングが実現可能な半導体チップ吸着ボンディングヘッドを提供することである。

前記課題を解決するためにこの発明の請求項１記載の半導体チップ吸着ボンディングヘッドは、半導体チップを吸着可能な吸着コレットと、前記吸着コレットを保持したコレットホルダとを備え、軸方向のＺ方向可動とθ方向回転駆動を可能とした半導体チップ吸着ボンディングヘッドであって、前記Ｚ方向バッファ可動部分と前記θ方向回転部分に共通要素として静圧空気軸受を軸方向に分割して配置し、前記静圧空気軸受間に高圧空気を印加することにより推力を発生することが可能な受圧面部を、前記静圧空気軸受間の前記コレットホルダの軸部に設けた。

請求項２記載の半導体チップ吸着ボンディングヘッドは、請求項１記載の半導体チップ吸着ボンディングヘッドにおいて、高圧空気印加により推力発生方向が１方向である。

請求項３記載の半導体チップ吸着ボンディングヘッドは、軸方向に分割された静圧空気軸受に静圧を発生させるための高圧空気を同一の静圧空気ポートにて印加可能とする。

請求項４記載の半導体チップ吸着ボンディングヘッドは、請求項１記載の半導体チップ吸着ボンディングヘッドにおいて、軸方向に分割された静圧空気軸受に静圧を発生させるための高圧空気を別の静圧空気ポートにて印加可能とする。

請求項５記載の半導体チップ吸着ボンディングヘッドは、請求項１記載の半導体チップ吸着ボンディングヘッドにおいて、高圧空気による推力方向と反対方向に弾性体でコレットホルダに荷重印加する。

請求項６記載の半導体チップ吸着ボンディングヘッドは、請求項１記載の半導体チップ吸着ボンディングヘッドにおいて、θ方向回転時のコレットホルダの高さ方向の支持として、３個以上の奇数個で直径の統一された精密等級綱球を有し、前記精密等級綱球が脱落しないように、かつ回転可能なように保持されたリテーナリングを備えている。

請求項７記載の半導体チップ吸着ボンディングヘッドは、請求項１記載の半導体チップ吸着ボンディングヘッドにおいて、静圧空気軸受に保持されているコレットホルダの軸部が、前記静圧空気軸受を埋設したシリンダから両方向に突き出している。

請求項８記載の半導体チップ吸着ボンディングヘッドは、請求項１記載の半導体チップ吸着ボンディングヘッドにおいて、θ方向回転の駆動力伝達を行うために、摺動抵抗を上昇させることなくＺ方向の可動要素を挟み込む２枚の平面静圧軸受を備えている。

この発明の請求項１記載の半導体チップ吸着ボンディングヘッドによれば、Ｚ方向バッファ可動部分とθ方向回転部分に共通要素として静圧空気軸受を軸方向に分割して配置し、静圧空気軸受間に高圧空気を印加することにより推力を発生することが可能な受圧面部を、前記静圧空気軸受間の前記コレットホルダの軸部に設けたので、Ｚ方向可動とθ方向回転駆動の軸心の共通化によるメカ構造のコンパクト化及び、θ方向回転可動中心の高精度化とＺ方向初期可動時の摺動抵抗の安定化を可能とする。これにより、コレット先端の振れ調整が容易になり、レーザチップの移載、レーザチップボンディング時にレーザチップに機械的なダメージを与えないようにすることが可能となる。

請求項２では、高圧空気印加により推力発生方向が１方向であるので、コレットホルダにＺ方向可動部荷重のキャンセル方向の推力を得ることができる。

請求項３では、軸方向に分割された静圧空気軸受に静圧を発生させるための高圧空気を同一の静圧空気ポートにて印加可能とするので、各静圧空気軸受において１のレギュレータにより調整された静圧空気によりＺ方向可動部を摺動抵抗０状態で可動させることができる。

請求項４では、軸方向に分割された静圧空気軸受に静圧を発生させるための高圧空気を別の静圧空気ポートにて印加可能とするので、各静圧空気軸受において別のレギュレータにより各々調整された静圧空気によりＺ方向可動部を摺動抵抗０状態で可動させることができる。

請求項５では、高圧空気による推力方向と反対方向に弾性体でコレットホルダに荷重印加するので、Ｚ方向可動部の荷重について、自重及び高速動作時の可動部ジャンピング防止と振動減衰時間短縮を可能とする。

請求項６では、θ方向回転時のコレットホルダの高さ方向の支持として、３個以上の奇数個で直径の統一された精密等級綱球を有し、精密等級綱球が脱落しないように、かつ回転可能なように保持されたリテーナリングを備えているので、θ方向回転駆動時の転がり効果と点接触によるリンキング防止効果を得ることができる。そのため、静圧空気軸受の特徴である軸心センターリング性能を損なわないように、水平方向に対して低摺動抵抗での動作が可能となる。

請求項７では、静圧空気軸受に保持されているコレットホルダの軸部が、静圧空気軸受を埋設したシリンダから両方向に突き出しているので、同一のコレットホルダの軸部により軸方向のＺ方向可動とθ方向回転駆動を可能とする。

請求項８では、θ方向回転の駆動力伝達を行うために、摺動抵抗を上昇させることなくＺ方向の可動要素を挟み込む２枚の平面静圧軸受を備えているので、θ方向回転の駆動力伝達についてＺ方向の可動要素が存在しても摺動抵抗をさらに０に近付けることができる。

この発明の実施の形態を図１〜図７に基づいて説明する。図１は本発明の実施形態のレーザチップ吸着ボンディングヘッドの構成を断面図である。

図１に示すように、レーザチップ吸着ボンディングヘッドの１つは、Ｚ方向バッファ可動部分とθ方向回転部分に共通要素として摺動抵抗が０である静圧空気軸受（軸受と軸間隙間０〜１０μｍ）を分割して配置し、静圧空気軸受間の丸軸部に段差を設け、そこに対してエアーを供給することで単動シリンダとして上方への推力を得ることか可能な上、θ方向に回転駆動可能なことを特徴としている。

この場合、Ｚ方向可動部は、吸着穴２のあいた吸着コレット１及びコレットホルダ３と上下ストッパブロック１１により構成されている。前記Ｚ方向可動部を摺動抵抗０状態で可動させるためにコレットホルダ３は静圧空気軸受４で支持されており、静圧調整用レギュレータ７により調整された静圧用空気を静圧空気ポート２０に通し供給し、静圧浮上力を得る。

また、コレットホルダ３にＺ方向可動部荷重のキャンセル方向の推力を得る為に、静圧空気軸受４は２分割して配置し、その間にキャンセル圧力用レギュレータ６により調整されたキャンセル圧力用空気を推力空気ポート１９により供給し、段差のついたコレットホルダのキャンセル圧力受圧部（受圧面部）５に加圧させ、キャンセル方向の推力を得る。

以上のように構成された空気軸受シリンダ８により、Ｚ方向可動の低摺動化を図る。

次に、コレットホルダ３をθ方向回転駆動させる為に、空気軸受シリンダ８からコレットホルダ３は突き出した状態で配置され、上部に上下ストッパブロック１１を固定する。上下ストッパブロック１１の役割は３点あり、１点はＺ軸可動部の高さ保持、もう１点は、上部のパルスモータまたはサーボモータ１４からのθ軸駆動力の伝達、もう１点は、Ｚ軸可動部のジャンピング防止と振動減衰時間短縮のための圧縮ばね設置である。

すなわち、Ｚ軸可動部のジャンピング防止と振動減衰時間短縮のための圧縮ばね１２はベアリングホルダ１３と上下ストッパブロック１１間に配置されている。この場合、Ｚ方向可動部の荷重について、自重（約３５ｇｆ）及び高速動作時の可動部ジャンピング防止と振動減衰時間短縮のため圧縮ばね１２（約３５ｇｆ）を設置した状態とし、可動部の荷重は自重とばね荷重（約７０ｇｆ）を積算する構造となっており、荷重設定は、自重をキャンセルする方向にキャンセル圧力用レギュレータ６の空気圧を上昇させていきレーザチップ吸着ボンディングヘッドとして、０〜７０ｇｆまでの荷重設定が可能であることを特徴としている。

また、Ｚ軸可動部の高さ保持部分は、Ｚ方向の可動とθ軸方向の可動を複合した構造とする必要があり、θ方向の可動に対しては、通常Ｚ軸が高さ規正された状態で可動するために、図２のように、精密等級鋼球１０を３個あるいは５個ないし７個等の奇数個で均等角度にボールが脱落しないようにリテーナリング９でかしめて配置し、回転に対して動きを確保している。リテーナリング９によりθ方向回転時の高さ方向の支持及びあたりバッファ時の０〜５ｍｍの剥離を行う。

θ方向回転可動は、上部に配置されたパルスモータ１４の回転軸に取付けられたベアリングホルダ１３上の２個のラジアルベアリング１７ａ，１７ｂで回止めシャフト１８を挟み込む構造となっており、その構造は、図７（ａ）に示すように片側のベアリング１７ｂと固定ベアリングシャフト１６を基準として、もう一方のベアリング１７ａを調整するもので、調整偏心シャフト１５で回転偏心調整し、隙間５〜１０μｍに調整、調整偏心シャフト１５を固定する。

また、回止め構造は、図７（ｂ）に示すようにベアリングホルダ１３ａ上にフラットな静圧空気軸受１７ｃを２枚向かい合わせに張り合わせ、高圧空気が噴出すように構成し、その間に隙間５〜１０μｍ確保できるように回止めシャフト１８ａを配置し、摺動抵抗をさらに０に近ける構成もある。

以上のように構成されたものは、本体ベース２１上に全て構成される。

以下、上記構成のレーザチップ吸着ボンディングヘッドの動作を示す。

レーザチップ吸着の場合、図３（ａ）に示すように、レーザチップ吸着時には、吸着対象となるレーザチップ２２の位置認識後、吸着コレット１がレーザチップ２２の真上に移動する。その後、図３（ｂ）に示すように、レーザチップ吸着ボンディングヘッドは、Ｚ方向に下降していく。下降時のスピードはレーザに接触する５００〜１０００μｍまでは、高速で動作する。そこからレーザ上面に接触するまでは低速（１〜５ｍｍ／ｓｅｃ程度）で駆動させレーザチップ２２上面に接触させる。接触後厚みばらつき及び設置高さばらつき分として沈みこみ量を１００〜２００μｍ程度取り、荷重印加により安定した押さえ込み吸着を可能としている。

次に、レーザチップボンディング及び高精度移載の場合、上記に述べた動作により吸着したレーザチップをボンディングする動作となるが、そのためには、レーザチップの姿勢を裏面からのカメラで認識し、姿勢を把握しておく必要がある。図４に示すように、認識はレーザチップ２２の裏面からカメラ部２３により認識を行い、図５に示すように、パルスモータあるいはサーボモータ１４によりモニタ２４の基準位置に対し補正をかけるようにθ方向の位置補正を行う。その後、図６に示すように、レーザチップボンディング位置あるいは高精度移載位置２５まで移動し、レーザチップ吸着ボンディングヘッドは、Ｚ方向に下降していく。下降時のスピードはレーザに接触する５００〜１０００μｍまでは、高速で動作する。そこからボンディング対象物あるいは移載部分上面に接触するまでは低速（１〜５ｍｍ／ｓｅｃ程度）で駆動させレーザチップ下面を接触させる。接触後厚みばらつき及び設置高さばらつき分として沈みこみ量を１００〜２００μｍ程度取り、荷重印加により安定したレーザチップボンディングあるいは高精度移載を可能としている。

なお、軸方向に分割された静圧空気軸受４に静圧を発生させるための高圧空気を同一の静圧空気ポートにて印加したが、別の静圧空気ポートにて印加可能としてもよい。また、レーザチップ以外の半導体チップの吸着ボンディングヘッドとしても適用できる。

本発明にかかる半導体チップ吸着ボンディングヘッドは、半導体チップの移載、半導体チップボンディング時に半導体チップに機械的なダメージを与えないようにすることが可能となり、特に機械的ストレスに弱いレーザチップにおいて、高速動作時でも低衝撃荷重吸着及びボンディングが実現可能なレーザチップ吸着ボンディングヘッドとして用いるのに適している。

本発明の実施形態に係るレーザチップ吸着ボンディングヘッドの断面図である。 本発明の実施形態に係る高さ規正部の斜視図である。 （ａ），（ｂ）は本発明の実施形態に係るレーザチップ吸着動作説明図である。 本発明の実施形態に係るレーザチップボンディング及び移載動作説明図である。 図４の次工程のレーザチップボンディング及び移載動作説明図である。 図５の次工程のレーザチップボンディング及び移載動作説明図である。 （ａ）は本発明の実施形態に係る回止め機構の斜視図、（ｂ）は本発明の実施形態に係る回止め機構の別の例を示す斜視図である。 従来の技術背景に係るレーザチップ吸着ボンディングヘッドの断面図である。 従来の技術背景に係るレーザチップ吸着動作説明図である。 図９の次工程のレーザチップ吸着動作説明図である。 従来の技術背景に係るレーザチップボンディング及び移載動作説明図である。 図１１の次工程のレーザチップボンディング及び移載動作説明図である。 図１２の次工程のレーザチップボンディング及び移載動作説明図である。

符号の説明

１ 吸着コレット
２ 吸着穴
３ コレットホルダ
４ 静圧空気軸受
５ キャンセル圧力受圧部
６ キャンセル圧力用レギュレータ
７ 静圧調整レギュレータ
８ 空気軸受シリンダ
９ リテーナリング
１０ 精密等級鋼球
１１ 上下ストッパブロック
１２ 圧縮ばね
１３ ベアリングホルダ
１３ａ ベアリングホルダ
１４ パルスモータ及びサーボモータ
１５ 調整偏心シャフト
１６ 固定ベアリングシャフト
１７ａ ベアリング
１７ｂ ベアリング
１７ｃ 平面静圧軸受
１８ 回止めシャフト
１８ａ 回止シャフト
１９ 推力空気ポート
２０ 静圧空気ポート
２１ 本体ベース
２２ レーザチップ
２３ カメラ部
２４ モニタ
２５ レーザボンディング位置あるいは高精度移載位置
２６ 吸着穴
２７ コレットホルダ
２８ 圧縮ばね
２９ リニアブッシュ
３０ 上下ストッパブロック
３１ カラー
３２ 吸着コレット
３３ａ ベアリング
３３ｂベアリング
３４ 固定ベアリングシャフト
３５ 調整偏心シャフト
３６ 回転ベース
３７ 回転シャフト
３８ ストッパ
３９ ラジアルベアリング
４０ カップリング
４１ 本体ベース
４２ パルスモータ及びサーボモータ
４３ レーザチップ
４４ カメラ部
４５ レーザボンディング位置あるいは高精度移載位置
４６ モニタ

Claims (8)

1. 半導体チップを吸着可能な吸着コレットと、前記吸着コレットを保持したコレットホルダとを備え、軸方向のＺ方向可動とθ方向回転駆動を可能とした半導体チップ吸着ボンディングヘッドであって、前記Ｚ方向バッファ可動部分と前記θ方向回転部分に共通要素として静圧空気軸受を軸方向に分割して配置し、前記静圧空気軸受間に高圧空気を印加することにより推力を発生することが可能な受圧面部を、前記静圧空気軸受間の前記コレットホルダの軸部に設けたことを特徴とする半導体チップ吸着ボンディングヘッド。
2. 高圧空気印加により推力発生方向が１方向である請求項１記載の半導体チップ吸着ボンディングヘッド。
3. 軸方向に分割された静圧空気軸受に静圧を発生させるための高圧空気を同一の静圧空気ポートにて印加可能とする請求項１記載の半導体チップ吸着ボンディングヘッド。
4. 軸方向に分割された静圧空気軸受に静圧を発生させるための高圧空気を別の静圧空気ポートにて印加可能とする請求項１記載の半導体チップ吸着ボンディングヘッド。
5. 高圧空気による推力方向と反対方向に弾性体でコレットホルダに荷重印加する請求項１記載の半導体チップ吸着ボンディングヘッド。
6. θ方向回転時のコレットホルダの高さ方向の支持として、３個以上の奇数個で直径の統一された精密等級綱球を有し、前記精密等級綱球が脱落しないように、かつ回転可能なように保持されたリテーナリングを備えている請求項１記載の半導体チップ吸着ボンディングヘッド。
7. 静圧空気軸受に保持されているコレットホルダの軸部が、前記静圧空気軸受を埋設したシリンダから両方向に突き出している請求項１記載の半導体チップ吸着ボンディングヘッド。
8. θ方向回転の駆動力伝達を行うために、摺動抵抗を上昇させることなくＺ方向の可動要素を挟み込む２枚の平面静圧軸受を備えている請求項１記載の半導体チップ吸着ボンディングヘッド。

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