JP4642565B2

JP4642565B2 - 実装方法および実装装置

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Publication number: JP4642565B2
Application number: JP2005190264A
Authority: JP
Inventors: 寺田勝美; 晴孝志
Original assignee: Toray Engineering Co Ltd
Current assignee: Toray Engineering Co Ltd
Priority date: 2005-06-29
Filing date: 2005-06-29
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2025-06-29
Also published as: JP2007012802A

Description

フリップチップなど半導体チップ部品を回路基板に実装する際の、半導体チップと回路基板の実装方法および実装装置に関する。

フリップチップなどのバンプ付きチップを回路基板にボンディングする方法として、ボンディングヘッドの吸着ツールにチップのバンプ面を下向きにして吸着保持し、ボンディングヘッドを下降してボンディングステージに保持された回路基板を、加圧および加熱して実装する方法は知られている。特許文献１には、チップを保持する保持手段を待機レベルから基板の実装面の上方の一次停止レベルまで高速度で下降させたあと、一旦停止させ、この一次停止レベルにおいてカメラの鏡筒がチップと基板の間に前進してチップと基板の位置認識を行い、次いでチップを一次停止レベルから基板の実装面の上方の２次停止レベルまで再び高速で下降させ、次いで荷重計測しながらチップを保持したヘッドを小刻みに下降させ、計測荷重値が目標値に到達したら下降を停止させるようにした実装方法が開示されている。

特開２００１−２８４４０４号公報

このような、従来の実装方法の場合のボンディングヘッドの高さをの変化を図８に示す。まず、チップ搬送手段がチップをボンディングヘッドの下側に搬送してくると、待機位置にあったボンディングヘッドがチップ受け渡し位置まで下降し、チップを吸着保持する（Ｓ１）。次に、ボンディングヘッドはチップを吸着して待機位置に戻る（Ｓ２）。チップ搬送手段が退避するとボンディングヘッドが一次停止レベルまで下降し、チップと基板の間に２視野の認識手段を挿入して各々のアライメントマークを認識する（Ｓ３）。チップと基板のアライメントが完了すると、ボンディングヘッドが２次停止レベル（基板接触高さ）まで下降し、荷重計測しながらチップを保持したヘッドを小刻みに下降させ、計測荷重値が目標値に到達したら下降を停止させる（Ｓ４）。実装が完了すると、ボンディングヘッドは待機位置に戻る（Ｓ５）。

上述のように、従来の実装方法では、２視野の認識手段のアライメントマーク認識距離に制限があるため、Ｓ３においてボンディングヘッドが１次停止レベルまで下降しなければならない。通常、２視野の認識手段のアライメントマーク認識距離はチップ側と基板側ともに同じ距離に設定されている。

一方、チップと基板の実装タクトタイムを短縮しようとすると、ボンディングヘッドがチップを受け取った直後若しくは待機位置の高さでアライメントマークを認識できるようにすることが考えられる。しかし、２視野の認識手段のアライメントマーク認識距離を、受け渡し位置若しくは待機位置の高さに伸ばそうとすると、２視野の認識手段の光学系の焦点距離を変更しなければならなかった。また、焦点距離を得ようとすると、レンズ口径を大きくして光量を確保しなければならない。レンズ口径が大きくなると２視野の認識手段の厚みも増す。しかし、ボンディングヘッドとボンディングステージの隙間には機械的な制限があるため、レンズの口径の大きさにも限界があるという問題があった。

本発明は、上記問題点に鑑み、２視野の認識手段の厚みを増すことなく、チップと基板の実装タクトタイムを短縮することができる電子部品の実装方法および実装装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、チップのアライメントマークと基板のアライメントマークを実装前に２視野の認識手段で画像認識してチップと基板のアライメントを行い、チップと基板を接合する実装方法において、２視野の認識手段はレンズ鏡筒とプリズムとＣＣＤカメラを備え、チップ側を認識するレンズ鏡筒とプリズムが、基板側を認識するレンズ鏡筒とプリズムの位置関係に対して、接近して取り付けられており、２視野の認識手段とチップの認識距離がチップ受け渡し位置に一致している２視野の認識手段を用いて、チップをチップ搬送手段からボンディングヘッドに受け渡すチップ受け渡し位置の高さでチップのアライメントマークを認識し、次いでチップをチップ受け渡し位置の高さから基板の上面の基板接触位置の高さまで下降し、チップのアライメントマークを認識した高さから基板接触位置の高さ間のいずれかの高さにおいて、基板を吸着保持するボンディングステージを制御手段により水平方向、回転方向に位置補正してチップと基板の位置ずれ量を補正し、チップと基板の接合を行うことを特徴とする実装方法である。

請求項２に記載の発明は、チップのアライメントマークと基板のアライメントマークを実装前に２視野の認識手段で画像認識してチップと基板のアライメントを行い、チップと基板を接合する実装方法において、２視野の認識手段はレンズ鏡筒とプリズムとＣＣＤカメラを備え、チップ側を認識するレンズ鏡筒とプリズムが、基板側を認識するレンズ鏡筒とプリズムの位置関係に対して、接近して取り付けられており、２視野の認識手段とチップの認識距離がボンディングヘッドの待機位置に一致している２視野の認識手段を用いて、ボンディングヘッドの待機位置の高さで吸着保持されたチップのアライメントマークを認識し、次いでチップをボンディングヘッドの待機位置の高さから基板の上面の基板接触位置の高さまで下降し、チップのアライメントマークを認識した高さから基板接触位置の高さ間のいずれかの高さにおいて、基板を吸着保持するボンディングステージを制御手段により水平方向、回転方向に位置補正してチップと基板の位置ずれ量を補正し、チップと基板の接合を行うことを特徴とする実装方法である。

請求項３に記載の発明は、チップのアライメントマークと基板のアライメントマークを実装前に２視野の認識手段で画像認識してチップと基板のアライメントを行い、チップと基板を接合する実装装置において、２視野の認識手段はレンズ鏡筒とプリズムとＣＣＤカメラを備え、チップ側を認識するレンズ鏡筒とプリズムが、基板側を認識するレンズ鏡筒とプリズムの位置関係に対して、接近して取り付けられており、２視野の認識手段とチップの認識距離がチップ受け渡し位置に一致している２視野の認識手段を備え、チップ受け渡し位置の高さでチップおよび基板のアライメントマークを認識する２視野の認識手段と、２視野の認識手段による認識結果に基づいてチップと基板の位置ずれ量をチップのアライメントマークを認識した高さから基板接触位置の高さ間のいずれかの高さにおいて、基板を吸着保持するボンディングステージを水平方向、回転方向に位置補正する制御手段と、を備えたことを特徴とする実装装置である。

請求項４に記載の発明は、チップのアライメントマークと基板のアライメントマークを実装前に２視野の認識手段で画像認識してチップと基板のアライメントを行い、チップと基板を接合する実装装置において、２視野の認識手段はレンズ鏡筒とプリズムとＣＣＤカメラを備え、チップ側を認識するレンズ鏡筒とプリズムが、基板側を認識するレンズ鏡筒とプリズムの位置関係に対して、接近して取り付けられており、２視野の認識手段とチップの認識距離がボンディングヘッドの待機位置に一致している２視野の認識手段を備え、ボンディングヘッドの待機位置に吸着保持されているチップおよび基板のアライメントマークを認識する２視野の認識手段と、２視野の認識手段による認識結果に基づいてチップと基板の位置ずれ量をチップのアライメントマークを認識した高さから基板接触位置の高さ間のいずれかの高さにおいて、基板を吸着保持するボンディングステージを水平方向、回転方向に位置補正する制御手段と、を備えたことを特徴とする実装装置である。

請求項１の発明によれば、ボンディングヘッドのチップの受け渡し高さでチップのアライメントマークの読み取りができる。ボンディングヘッドがチップを受け取ってから２視野の認識手段の焦点距離の範囲まで移動することがないので、タクトタイムが短縮でき、実装効率が上がる。また、チップ搬送手段がボンディングヘッドの下側からチップ供給位置に待避する途中にチップのアライメントマークを読み取ることができる（チップ搬送手段がチップ供給位置に戻ったことを確認してからアライメントマークを認識するのではなく、チップの接合面の視野からチップ搬送手段が去りチップの接合面が現れるだけで、アライメントマークを認識できる）。

請求項２の発明によれば、ボンディングヘッドがチップ搬送手段上のチップを吸着保持した後、チップ搬送手段の退避のためボンディングヘッドの待機位置に戻った状態で、チップのアライメントマークを読み取ることができる。そのため、チップ搬送手段の退避によるチップへの接触が防止でき、チップのアライメントマークの読み取りが確実にできる。また、ボンディングヘッドが２視野の認識手段の焦点距離の範囲まで移動することがないので、タクトタイムが短縮でき、実装効率が上がる。

請求項３および請求項４の発明によれば、アライメントマークの認識位置においてボンディングヘッドの加減速にともなうチップの振動が少ない。そのため、アライメントマークの認識精度が上がり、高精度にチップと基板が実装できる。

さらに、認識手段の光学系の焦点距離を変更することなく認識手段とチップの認識距離を伸ばすことができ、設備の大幅な変更を必要としない。また、認識手段のレンズ口径を変更する必要もないので、従来と同じ厚みの認識手段を備えることができる。

以下、本発明の第１の実施の形態について、図を参照して説明する。なお、本実施例ではチップ１としては、その他に例えば、ＩＣチップ、半導体チップ、光素子、表面実装部品、ウエハなどの種類や大きさに関係なく、基板と接合させる側の全ての形態を示す。また、基板としては、例えば、樹脂基板、ガラス基板、フィルム基板などのチップと接合される側の全ての形態を示す。

図１はフリップチップ実装装置の側面図である。実装装置の接合部は、チップ１を吸着保持するボンディングヘッド６と、基板４を吸着保持するボンディングステージ７と、２視野の認識手段である２視野カメラ８と、２視野カメラ８の認識結果に基づいてチップ１と基板４の位置ずれ量を補正する制御装置９から構成されている。ボンディングヘッド６はＺ方向（上下方向）に昇降可能になっている。ボンディングステージ７はＸ、Ｙ方向（水平方向）、またはＸ、Ｙ方向と回転方向（θ方向）に位置調整できるようになっている。ボンディングヘッド６の昇降位置およびボンディングステージ７の位置調整は制御装置９によって制御することができる。制御装置９は本発明の制御手段に相当する。

ボンディングヘッド６には下面に開口した吸引孔９を備えている。チップ１は吸引孔９を通して図示しない配管を介してポンプと接続され、空気吸引によってボンディングヘッド８に吸着により保持されるようになっている。

２視野カメラ８は、ボンディングヘッド６とボンディングステージ７の間に、挿入できるように進退可能になっている。図示していないチップ供給部からチップ１をチップ搬送手段であるチップスライダ３がボンディングヘッド６下方に搬送する。チップ１はチップスライダ３に、バンプ２面が下向きになるように載せられている。このため、受け渡し高さで搬送されてきたチップ１は、ボンディングヘッド６が下降し吸着することでチップ１の（バンプ２の面を基板４側にして）受け渡しが完了する。

また、上記のようなボンディングステージ７は、一般には、平行移動および／または回転可能に装着されているが、必要に応じて、それらと昇降とを組み合わせた態様に装着してもよい。また、ボンディングヘッド６側についても、昇降動作のみならず、平行移動および／または回転動作を行うことができる装置形態であってもよい。

次に、２視野カメラ８の構成について図２を参照して説明する。２視野カメラ８の構成は光学系ベース１７の上に、２個のＣＣＤカメラ１１ａ、１１ｂと２個のレンズ鏡筒１２ａ、１２ｂと２組のプリズム１３ａ、１３ｂと照明１４ａ、１４ｂが設置されている。レンズ鏡筒１２ａ、１２ｂには、それぞれＣＣＤカメラ１１ａ、１１ｂが取り付けられている。２組のプリズム１３ａ、１３ｂは背面合わせされて取り付けられている。照明１４ａ、１４ｂの光軸はミラー１５ａ、１５ｂを経由しレンズ鏡筒１２ａ、１２ｂに入射するようになっている。チップ１のアライメントマークを認識する光軸は、チップ１からプリズム１３ａとレンズ鏡筒１２ａを経由しＣＣＤカメラ１１ａに入射する光軸となる。同じく基板のアライメントマークを認識する光軸は、基板からプリズム１３ｂとレンズ鏡筒１２ｂを経由してＣＣＤカメラ１１ｂに入射する光軸となる。本発明では２視野カメラ８からチップ１までの距離を第１のワークディスタンスＬ１ａと呼び、２視野カメラ８から基板４までの距離を第２のワークディスタンスＬ１ｂと呼ぶ。また、レンズ鏡筒１２ａ、１２ｂからチップ１または基板４までの距離を第３のワークディスタンスＬ０と呼ぶ。また、説明図に於いてそれぞれのワークディスタンスまでの光のイメージを光路として表す。

２視野カメラ８のＣＣＤカメラ１１ａ、１１ｂはレンズ鏡筒１２ａ、１２ｂと一体となるように接続されている。そして、レンズ鏡筒１２ａ、１２ｂがホルダ１６ａ、１６ｂにより光学系ベース１７に固定されている。従来の２視野カメラでは第１のワークディスタンスＬ１ａ（チップ１側）と第２のワークディスタンスＬ１ｂ（基板４側）は同じ距離に設定されている。しかし、本発明の光学系は、図３に示すような位置関係で組み立てられている。まず、基板４の光学系ではプリズム１３ｂの位置を基準に従来の位置関係で、レンズ鏡筒１２ｂがホルダ１６ｂで光学系ベース１７に固定されている。レンズ鏡筒Ｌ１２ｂとプリズム１３ｂの距離をＬ２ｂとすると、第３のワークディスタンスＬ０＝Ｌ１ｂ＋Ｌ２ｂの関係に配置されている。これに対し、チップ１の光学系ではレンズ鏡筒１２ａとプリズム１３ａが接近してホルダ１６ａで光学系ベース１７に固定してある。レンズ鏡筒１２ａとプリズム１３ａの距離をＬ２ａとすると、第３のワークディスタンスＬ０＝Ｌ１ａ＋Ｌ２ａの関係となる。Ｌ２ａが短いため第２のワークディスタンスＬ１ｂに比べて第１のワークディスタンスＬ１ａは距離を増すことができるようになっている。これにより、レンズ鏡筒１２ａのレンズ口径を変更しなくてもチップ１を認識する第１のワークディスタンスを広げることができる。

図４は本発明の第１の実施の形態の動作を説明するフロチャートである。まず、チップ１を図示していないチップ供給部よりチップスライダ３がボンディングヘッド６の下方に搬送する。また、２視野カメラ８が待機位置から前進しボンディングヘッド６とボンディングステージ７の間に挿入される（Ｓ１１）。

次に、ボンディングヘッド６が待機位置からチップ受け渡し位置まで下降する。ボンディングヘッド６に設けられている吸着孔９を通して空気吸引が行われ、チップ１がチップスライダ３からボンディングヘッド６に受け渡され、吸着保持される。（Ｓ１２）。

次に、チップの受け渡しが完了すると、チップスライダ３はチップ供給部に退避する（Ｓ１３）。

次に、チップスライダ３が退避した直後、２視野カメラ８はチップ１のバンプ２の面側に設けられたアライメントマークと基板４の電極５の面側に設けられたアライメントマークを画像認識する。２視野カメラ８のチップ１側の第１のワークディスタンスＬ１ａはチップ受け渡し位置にあるチップ１のアライメントマークが認識できるように設定されているので、ボンディングヘッド６は一次停止レベルまで移動しなくても良い。また、ボンディングヘッド６の移動によるチップ１の振動が発生しないので高精度にチップ１のアライメントマークを認識できる（Ｓ１４）。

次に、２視野カメラ８が後退し、検出された画像認識データに基づきチップ１と基板４のアライメントが行われる。アライメントは、ボンディングヘッド６がチップ受け渡し位置の高さから基板の上面の基板接触位置の高さ間のいずれかの高さにおいて、ボンディングステージ７を制御手段９によりＸ、Ｙ、θ方向に位置補正して行われる（Ｓ１５）。

次に、ボンディングヘッド６がチップ１を吸着保持したまま、基板４に接触する基板接触高さまで下降する（Ｓ１６）。

ボンディングヘッド６が基板接触位置の高さに到達すると、予め設定されていた加熱温度と加圧力でチップ１と基板４のボンディングが開始される（Ｓ１７）。

所定の時間の加圧および加熱が行われると、チップ１と基板４のボンディングが完了し、ボンディングヘッド６からチップ１の吸着保持が解除され、ボンディングヘッド６が上昇し待機位置に戻る（Ｓ１８）。以上のステップで一連のボンディングが終了する。第１の実施の形態における、ボンディングヘッド６の高さの変化を図５に示す。チップ１のボンディングヘッド６への受け渡し位置で、２視野カメラ８によるチップ１のアライメントマークの認識が行われるので、従来のようにボンディングヘッド６を待機位置から２視野カメラ８の認識位置まで加減速させて移動することがなくなる。そのため、加減速に伴うボンディングヘッド６の停止時の振動がないので、アライメントマークの認識精度が向上し実装精度があがる。また、実装タクトタイムが短縮でき生産効率があがる。

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。尚、第１の実施の形態と同一構成については同一番号を付与して説明を省略する。第２の実施の形態では、レンズ鏡筒１２ａの位置をプリズム１３ａに近接させて、第１のワークディスタンスＬ１ａを２視野カメラ８と待機位置との距離になるようにしている。そのため、待機位置にあるチップ１のアライメントマークが認識できるようになっている。

図６は、本発明の第２の実施の形態の動作フロチャートである。図６において、ボンディングヘッド６は、チップスライダ３上のチップ１に接触する高さまで下降する。その後、チップスライダ３上のチップ１を吸着保持し、一旦、待機位置に戻る様になっている。待機位置に戻ることで、チップスライダ３が退避する際、チップスライダ３がチップ１に接触したり引っ掛かったりすることが無いようにしている（Ｓ２３）。その後、待機位置にあるチップ１のアライメントマークを２視野カメラ８が認識しアライメントが行われる（Ｓ２４、Ｓ２５）。

第２の実施の形態における、ボンディングヘッド６の高さの変化を図７に示す。この第２の実施の形態でも、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

なお、チップ１のバンプ２面が上側（フェイスアップ状態）にアライメントマークが配置されているチップ１でも同様のアライメントマークの認識が可能である。さらに、チップ１にアライメントマークがない場合は、チップ１の角の外観を基準にアライメントすればよい。

本発明の画像認識実装方法および装置は、工程が大幅に短縮できるので、チップの基板への接合が要求されるあらゆる分野に適用することができる。

本発明の一実施の形態の実装装置の要部正面図である。２視野カメラの構成を説明する斜視図である。本発明の第１の実施の形態の光学系の位置関係を説明する図である。本発明の第１の実施の形態の動作フロチャートである。本発明の第１の実施の形態のボンディングヘッドの高さを説明する図である。本発明の第２の実施の形態の動作フロチャートである。本発明の第２の実施の形態のボンディングヘッドの高さを説明する図である。従来の実装方法におけるボンディングヘッドの高さを説明する図である。

符号の説明

１チップ
２バンプ
３チップスライダ（チップ搬送手段）
４基板
５電極
６ボンディングヘッド
７ボンディングステージ
８２視野カメラ（２視野の認識手段）
９吸引孔
１０制御装置
１１ａ，１１ｂＣＣＤカメラ
１２ａ，１２ｂレンズ鏡筒
１３ａ，１３ｂプリズム
１４ａ，１４ｂ照明
１５ａ，１５ｂミラー
１６ａ，１６ｂホルダ
１７光学系ベース
Ｌ０第３のワークディスタンス
Ｌ１ａ第１のワークディスタンス（２視野カメラのチップ認識距離）
Ｌ１ｂ第２のワークディスタンス（２視野カメラの基板認識距離）

Claims

チップのアライメントマークと基板のアライメントマークを実装前に２視野の認識手段で画像認識してチップと基板のアライメントを行い、チップと基板を接合する実装方法において、
２視野の認識手段はレンズ鏡筒とプリズムとＣＣＤカメラを備え、チップ側を認識するレンズ鏡筒とプリズムが、基板側を認識するレンズ鏡筒とプリズムの位置関係に対して、接近して取り付けられており、２視野の認識手段とチップの認識距離がチップ受け渡し位置に一致している２視野の認識手段を用いて、
チップをチップ搬送手段からボンディングヘッドに受け渡すチップ受け渡し位置の高さでチップのアライメントマークを認識し、次いでチップをチップ受け渡し位置の高さから基板の上面の基板接触位置の高さまで下降し、チップのアライメントマークを認識した高さから基板接触位置の高さ間のいずれかの高さにおいて、基板を吸着保持するボンディングステージを制御手段により水平方向、回転方向に位置補正してチップと基板の位置ずれ量を補正し、チップと基板の接合を行うことを特徴とする実装方法。
チップのアライメントマークと基板のアライメントマークを実装前に２視野の認識手段で画像認識してチップと基板のアライメントを行い、チップと基板を接合する実装方法において、
２視野の認識手段はレンズ鏡筒とプリズムとＣＣＤカメラを備え、チップ側を認識するレンズ鏡筒とプリズムが、基板側を認識するレンズ鏡筒とプリズムの位置関係に対して、接近して取り付けられており、２視野の認識手段とチップの認識距離がボンディングヘッドの待機位置に一致している２視野の認識手段を用いて、
ボンディングヘッドの待機位置の高さで吸着保持されたチップのアライメントマークを認識し、
次いでチップをボンディングヘッドの待機位置の高さから基板の上面の基板接触位置の高さまで下降し、チップのアライメントマークを認識した高さから基板接触位置の高さ間のいずれかの高さにおいて、基板を吸着保持するボンディングステージを制御手段により水平方向、回転方向に位置補正してチップと基板の位置ずれ量を補正し、チップと基板の接合を行うことを特徴とする実装方法。
チップのアライメントマークと基板のアライメントマークを実装前に２視野の認識手段で画像認識してチップと基板のアライメントを行い、チップと基板を接合する実装装置において、
２視野の認識手段はレンズ鏡筒とプリズムとＣＣＤカメラを備え、チップ側を認識するレンズ鏡筒とプリズムが、基板側を認識するレンズ鏡筒とプリズムの位置関係に対して、接近して取り付けられており、２視野の認識手段とチップの認識距離がチップ受け渡し位置に一致している２視野の認識手段を備え、
チップ受け渡し位置の高さでチップおよび基板のアライメントマークを認識する２視野の認識手段と、２視野の認識手段による認識結果に基づいてチップと基板の位置ずれ量をチップのアライメントマークを認識した高さから基板接触位置の高さ間のいずれかの高さにおいて、基板を吸着保持するボンディングステージを水平方向、回転方向に位置補正する制御手段と、を備えたことを特徴とする実装装置。
チップのアライメントマークと基板のアライメントマークを実装前に２視野の認識手段で画像認識してチップと基板のアライメントを行い、チップと基板を接合する実装装置において、
２視野の認識手段はレンズ鏡筒とプリズムとＣＣＤカメラを備え、チップ側を認識するレンズ鏡筒とプリズムが、基板側を認識するレンズ鏡筒とプリズムの位置関係に対して、接近して取り付けられており、２視野の認識手段とチップの認識距離がボンディングヘッドの待機位置に一致している２視野の認識手段を備え、
ボンディングヘッドの待機位置に吸着保持されているチップおよび基板のアライメントマークを認識する２視野の認識手段と、２視野の認識手段による認識結果に基づいてチップと基板の位置ずれ量をチップのアライメントマークを認識した高さから基板接触位置の高さ間のいずれかの高さにおいて、基板を吸着保持するボンディングステージを水平方向、回転方向に位置補正する制御手段と、を備えたことを特徴とする実装装置。