JP4689571B2 - 軽量接合ヘッド組立体 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、ダイ・ボンディング機のためのピックアンドプレイス工具を保持するために使用する接合ヘッド組立体に関する。

半導体パッケージングの間、半導体チップ又はダイは、通常、処理のための基板又は担持体上に装着される。半導体ダイは基板の表層上に直に配置することができるか、あるいは、例えば、複数のダイを積み重ねた構成体のように他のダイ上に配置することができる。基板又は他のダイへの半導体ダイの接続の後、デバイスは、通常、下流の工程において封止される。

ダイ・ボンディング機は、これら半導体ダイ（これらは、通常、ウェーハから切断される）をピックアップし、その後、基板、キャリア又は他のダイ上にこれらを配置するために使用される。こうしたダイ・ボンディング機は、これらピックアンドプレイス・プロセスで使われるダイピック及びダイ接合ツールを保持して位置決めする接合ヘッド組立体を具備する。

寸法が益々小さくなっている半導体ダイの導入により、ダイ・ボンディング機に対する要求はより厳しくなっている。他の考慮すべき問題の中には、より小さく及び／又はより薄いダイは割れ易く、取り扱いにおける、より細かな注意を必要とする。現在のダイボンディング・システムは、徐々にこれら要求に対処することができなくなっていっている。

図１は、ダイボンダーに使用する慣用の接合ヘッド１００の側断面図である。この接合ヘッドは、通常、支持構造体１０４によって担持される接合本体１０２を備える。接合本体１０２は、支持構造体１０４を上下させることによって鉛直軸線に沿って移動するように駆動可能であるとともに、調節可能なバネ・ポスト１０６を介して支持構造体１０４に取り付けられており、このバネ・ポスト１０６は、調節可能なバネ・ポスト１０６と接合本体１０２との間に予圧ばね１０８を更に備えている。予圧ばね１０８は、接合ヘッド１００が待機位置にあるときには、支持構造体１０４に向けて接合本体１０２を付勢する。★更に、接合本体１０２と支持構造体１０４との間の相対移動は、シャフト１１２に沿って可動なケージ軸受１１０によって案内される。

接合本体１０２はピックアンドプレイス・ツールを保持し、このピックアンドプレイス・ツールは、ピックアップ位置からダイをピックし、次いで、これらダイを配置位置に配置する及び／又は接合するように作動可能である。ピックアンドプレイス・ツール１１４は、通常、コレット組立体の形態をしている。ダイが真空吸引を使用してピックされる場合には、ピックアンドプレイス・ツール１１４に接続された真空出口１１６が使用される。図１において、ピックアンドプレイス・ツール１１４によって保持されたダイ１１８は基板１２０上に配置されている。ダイ１１８は、接着剤又は他の手段を使用して基板１２０に装着することができる。接合本体１０２の端部の接触センサ１２２は、待機中には支持構造体１０４の一部と接触している。支持構造体１０４が下方に移動するにつれてピックアンドプレイス・ツール１１４が更に下方に移動しないようにする際には、接触センサ１２２は支持構造体１０４との接触から解放される。接触センサ１２２の解放は、ピックアンドプレイス・ツール１１４の接触が相対的に固定された表面で為され、従って、基板１２０を有するダイ１１８の表面で為されるということを示す。支持構造体１０４の更なる下降は、予圧ばね１０８によって働く力によって接合力をダイ１１８に与える。

この慣用の接合ヘッドの設計においては、ダイとの接触は、接触センサ１２２を使用して検出される。上述した接合ヘッドに含まれる全移動質量は約１７グラムである。こうした大きな浮動質量の欠点は、比較的高い衝撃力が、ピックアンドプレイス・ツール１１４からダイ１１８上に与えられることである。これは、ピックアンドプレイス・ツール１１４の短寿命並びに不定期に生じるダイクラックの両方をもたらす場合がある。基板１２０上へのダイ配置の間のサーチ速度が、衝撃力を減らすために遅くされる場合、マイナス面は機械のスループットが実質的に減少されるということである。ケージ軸受１１０とシャフト１１２との間の摩擦力は、これらケージ軸受とシャフトとの相対移動を調和させなくするのに要する力を生じさせるので、調和の取れた性能はケージ軸受１１０の静止摩擦力によって更に制限される。さらに、接触センサ１２２の使用は、例えば、汚染及び消耗のような接触センサ自体に関する問題をもたらす場合がある。上述した慣用の接合ヘッド１００と比べて、より軽く、且つ、より信頼し得る接合ヘッドを開発する要望が存在する。

従って、従来技術と比較して、より軽量であり、かつ少なくとも慣用の接合ヘッドの幾つかの上記不利な点を回避しようとする接合ヘッドを提供しようとすることが本発明の目的である。

従って、本発明は、接合ヘッド組立体であって、接合ツールを装着するための接合本体と、前記接合ヘッド組立体を異なる位置に移動させるために駆動可能に形状構成された支持構造体と、前記支持構造体に対する移動の間に前記接合本体を撓み可能に支持するための、前記接合本体を前記支持構造体に結合する、少なくとも１つの平面に実質的に沿って配置された撓み要素と、少なくとも１つの前記平面に実質的に直角に延在する軸線に沿って、前記接合本体を前記支持構造体に対して移動するように作動可能な、前記支持構造体に連結されたモータと、を備える接合ヘッド組立体を提供する。

本発明の好ましい実施例を例示する添付の図面を参照することで本発明を更に詳細に記載する。図面及び関連した説明の特殊性は、特許請求の範囲の各請求項に記載の本発明の広義の解釈の一般性に代わるものとして理解されるべきではない。

本発明による接合ヘッド組立体の好ましい実施形態の例を添付の図面を参照して記載する。

図２は、本発明の好ましい実施形態によるダイボンダーのための接合ヘッド組立体１０の等角図である。接合ヘッド組立体は、支持構造体１４に対する移動中に接合本体１２を撓み可能に支持するための、例えば２組の撓み部材１６、１８のような撓み要素によって支持構造体１４に連結される接合本体１２を備える。撓み部材１６、１８は好ましくは２つの平面に沿って配置され、１つの撓み部材１６は接合本体１２の上部に向けて装着され、そして、他の撓み部材１８は接合本体１２の底部に向けて装着される。第１及び第２の平面は互いに対して平行に配置される。あるいは、撓み部材を１つの平面だけに沿って配置するように、１組の撓み部材を使用することができるが、これは、横方向の剛性及び回転剛性が低くなる結果に帰着する場合がある。

コレット２２の形態をした接合ツールは、接合本体１２に装着され、かつ接合本体１２２と共に移動可能に構成される。接合ツールは、ダイ・ピックアンドプレイス・ツールまたはダイ接合ツールとし得る。移動を接合本体１２及びコレット２２に直に与えるように形状構成された、好ましくはボイスコイルモータ２０であるモータは、支持構造体１４に装着される。接合本体１２は、ボイスコイルモータ２０によって、撓み部材１６ 、１８が配置された平面に略直角に延在する軸線に沿って上下に駆動可能であり、これに応じてコレット２２を駆動する。真空出口２４はコレット２２に流体連結されて該コレットが真空吸引力によって半導体ダイのピックアップを可能にする。さらに、エンコーダ２６が支持構造体に好都合に装着されており、接合本体１２の移動を監視している。

支持構造体１４は、ダイピック位置とダイ接合位置との間のような異なる位置に接合ヘッド組立体１０を移動させるためのモータ（図示せず）によって駆動可能に形状構成されている。支持構造体１４は、通常、コレット２２がボイスコイルモータ２０によって更に駆動されて、ダイをピックアップ又は接合する前に、所望の位置上に接合ヘッド組立体１０を位置づけるように駆動される。表面に向かって上下にのみ駆動可能に形状構成される接合本体１２及びコレット２２とは対照的に、支持構造体１４は、直交座標系３つの軸線全てに沿って駆動可能に構成されており、所望の場所に亘って該コレット２２を配置する。

図３は、その中間位置又は待機位置にある接合ヘッド組立体１０の、図２の線Ａ−Ａに沿って切断した側断面図である。この図においては、ボイスコイルモータ２０は、磁気回路を構成するための、支持構造体１４に装着された永久磁石２６のような磁気回路構成要素と、接合本体１２に装着されたボイスコイル２８を備えるボイスコイル構成要素とを備えていることが理解できる。そうではなく、永久磁石２６を接合本体１２に装着することができ、その場合には、ボイスコイル２８を支持構造体１４に装着することができることが理解される。ボイスコイル２８は、電磁相互作用によって接合本体１２を駆動させるために磁石２６に対して移動可能に適用される。この待機位置においては、撓み部材１６、１８の方向は、比較的水平である。より大きな剛性を図るために、撓み部材１６、１８は、ボイスコイルモータ２０の対向する両側に配置されている。

ボイスコイルモータ２０からの駆動力は、撓み部材１６、１８が配置され、かつこれら撓み部材１６、１８の中間点を通過する平面に直交する平面に位置するように配置されることが好ましい。コレット２２及びボイスコイルモータ２０、及びこれによる作用力は、撓み部材１６、１８の位置に対して実質的に中央に位置し、かつ、撓み部材１６、１８のそれぞれの側面から実質的に等距離にある点に留意すべきである。このことは、鉛直以外の方向の撓み部材１６、１８の撓みを制限することによって移動の精度を高める。コレット２２は、好ましくはボイスコイルモータ２０がコレット２２と同軸であるように装着され、これにより、モータの実効力がコレット２２を直接通過する。

図４は、図３による接合ヘッド組立体１０の、ダイ３０をピックアップするための下向きストロークの間における側断面図である。電流がボイスコイル２８を通じて流され、ボイスコイル２８が電磁相互作用によって磁石２６に対して移動される。この場合、ボイスコイル２８は磁石２６から離間する方向に移動し、これにより、表面３２に載っているダイ３０に向かって下向きにコレット２２を突出させる。

接合本体１２が支持構造体１４に対して移動する際に、この接合本体１２の移動はダイ３０の方向に撓み部材１６、１８を撓ませる。好ましくは、支持構造体１４は、この移動の間中、相対的に静止したままである。また、エンコーダ２６は、接合本体１２に連結されたスケール２７上のマーキングを参照することによって、接合本体１２によって移動された距離を監視し得る。接合本体１２の移動の監視は、コレット２２の能動的な駆動を促進する。コレット２２がダイ３０に十分接近するか又はダイ３０に接触すると、真空吸引を真空出口２４を通じて作動することができ、この真空吸引力によってダイ３０を保持する。

この形状構成のボイスコイルモータ２０を使用することの他の利点は、コレット２２の下向き移動中のコレット２２とダイ３０との間の接触がボイスコイル２８によって担持される電流の所定のレベルより高い急激なサージによって検出可能であることである。最初に、ボイスコイル２８の電流は、撓み部材１６、１８の抵抗に打ち勝つのに十分であることを必要とするのみである。しかしながら、コレット２２が相対的に固定された表面３２に静止しているダイ３０に接触すると、電流のサージがコレット２２から生じ、表面３２からの反力を克服しようとする。したがって、コレット２２とダイ３０との間の接触が、従来技術の別個の接触センサを用いずに検出可能である。

図５は、図３による接合ヘッド組立体１０の、ダイ３０がピックアップされ、かつ他の位置にまさに移動しようとしているときの、上向きストロークの間の側断面図である。これを達成するために、ボイスコイル２８の電流は、コレット２２を下降させるために使用される電流に対して反対方向に流されて、ボイスコイル２８が磁石２６に向かう方向に移動する。これは、コレット２２を、ダイ３０を保持しつつ上向きに後退させ、このことがダイを表面３２から持ち上げる。

接合本体１２が上向きに移動する際に、撓み部材１６、１８もまた表面３２から離間する方向に上向きに撓む。コレット２２がダイ３０の配置のために該ダイ３０を保持している間に、接合ヘッド組立体１０は配置位置に移動することができる。

図６は、本発明の好ましい実施例による接合ヘッド組立体１０に組み込むのに適した、平らな撓み部材１６ａ、１８ａの実施例の等角図である。平らな撓み部材１６ａ、１８ａは、同一平面上に配置され、かつ略長方形状又は略正方形状に固定された、４つの可撓性アーム３６から形成されている。装着される際に、接合本体１２と支持構造体１４との間に延在する可撓性アーム３６のうちの２つは互いから離間しているように示されている。撓み部材は、ステンレス鋼又はベリリウム銅を含む、いずれの材料からも作ることができる。装着穴３８が、可撓性アームを接合本体１２又は支持構造体１４に適切に装着するために、可撓性アーム３６それぞれの隅部に形成されている。

図７は、本発明の好ましい実施例による接合ヘッド組立体１０に組み込むのに適した翼付撓み部材１６ｂ、１８ｂの実施例の等角図である。この設計は平らな撓み部材１６ａ、１８ｂの設計に類似しているが、翼付フランジ４０が追加されている。これら翼付フランジ４０は、可撓性アーム３６の少なくとも２つの側面に沿って好ましくは形成され、かつ撓み部材１６ｂ、１８ｂの平面に対して垂直に外方に延在している。これら翼付フランジ４０は、撓み部材１６ｂ、１８ｂの平面に平行な横方向移動４２並びに翼付フランジ４０に対して平行に延びる軸線回りの回転移動４４に対する翼付撓み部材１６ｂ、１８ｂにおける横方向及び捩り剛性を高めさせる。翼付撓み部材１６ｂ、１８ｂの移動は、翼４０の平面に対して本質的に平行な方向にのみ行わせることができる。さらに、翼付フランジ４０は、撓み部材１６ｂ、１８ｂの座屈を回避させる。上述の内容にもかかわらず、上述した記載は本発明とともに有益に使用することのできる撓み部材１６、１８の実例にしかすぎず、この記載は排他的であることを意味するものではないことが理解されるべきである。

本発明の好ましい実施例に記載されている撓み部材の使用が接合ヘッド組立体の重量を減少させ、これにより接合ヘッド組立体は軽くなるということが理解される。このような接合ヘッド組立体１０に対して５グラム未満の重量が、慣用の接合ヘッド１００に対する１７グラムまでの重量と比較して、達成可能である。より軽い接合ヘッド組立体によって、ピックアンドプレースされるダイへの衝撃が、機械の処理能力を減少させることなく、減少される。

さらに、ボイスコイルモータ２０の駆動力を撓み部材の平面に垂直であり、かつこれらの平面の中央点を通過する平面に位置するように配置し得るので、撓み部材１６、１８の対称的な負荷が保証される。また、ボイスコイルモータ２０は接合ツール又はコレット２２と同軸であり、その結果、モータの力は、この力を撓み部材１６、１８を通じて中継させること無く、コレットの軸を通じて直接伝えられる。この方法は、撓み部材１６、１８の座屈による故障の危険性を回避するのに役立つ。

本願明細書に記載された本発明は、変形、変更及び／又は特に記載された以外の加入を受け入れる余地を有し、本発明が前記記載の精神及び範囲内に入る全ての変形、変更及び／又は加入を含むことを理解すべきである。

ダイ接合機のための慣用の接合ヘッドの側断面図である。 本発明の好ましい実施形態によるダイ接合機のための接合ヘッド組立体の等角図である。 平均又は待機位置における図２の線Ａ−Ａに沿って切断した接合ヘッド組立体の側断面図である。 ダイをピックアップする下向きストロークの間の図３による接合ヘッド組立体の側断面図である。 ダイがピックアップされ、かつ他の位置にまさに移動するときにその上向きストロークの間の図３による接合ヘッド組立体の断面側面図である。 本発明の好ましい実施形態による接合ヘッド組立体に組み込むのに適した平らな屈曲要素の実施の等角図である。 本発明の好ましい実施形態による接合ヘッド組立体に組み込むのに適した翼付屈曲要素の実例の等角図である。

符号の説明

１０ 接合ヘッド組立体
１２ 接合本体
１４ 支持構造体
１６、１８ 屈曲要素
１６ａ、１８ａ 屈曲要素
１６ｂ、１８ｂ 屈曲要素
２０ ボイスコイルモータ
２２ コレット
２４ 真空出口
２６ エンコーダ、磁石
２８ ボイスコイル
３０ ダイ
３２ 表面
３６ 屈曲アーム
３８ 装着穴
４０ 翼付フランジ
４２ 横方向移動
４４ 回転移動

Claims (14)

1. 接合ヘッド組立体であって、
   ダイを基板に接合するための接合ツールと、
   該接合ツールを装着している接合本体と、
   前記接合ヘッド組立体を異なる位置に移動するよう駆動されるように形状構成された支持構造体と、
   少なくとも１つの平面に実質的に沿って配置されているとともに、前記接合本体と前記支持構造体とに取り付けられた撓み部材であって、前記支持構造体に対する前記接合本体の移動の間、前記接合本体を撓み可能に支持するように作動可能である撓み部材と、
   前記支持構造体に連結されたモータであって、前記少なくとも１つの平面に実質的に垂直に延在する軸線に沿って前記接合本体を前記支持構造体に対して移動させるよう駆動するように作動可能であるとともに、前記接合ツールと同軸に配置されて前記モータからの実効力を前記接合ツールへ直接伝えるモータと、
   を備える接合ヘッド組立体。
2. 前記モータは、
   ボイスコイル構成要素と、
   電磁相互作用を行うように形状構成された磁気回路構成要素と、
   を有するボイスコイルモータを備え、
   前記ボイスコイル構成要素と前記磁気回路構成要素とのうちの一方の構成要素は前記接合本体に装着され、他方の構成要素は前記支持構造体に装着される、請求項１に記載の接合ヘッド組立体。
3. 前記ボイスコイルモータは、前記接合ツールのダイとの接触が、前記ボイスコイル構成要素によって伝達される所定のレベルより高い電流のサージによって検出可能であるように構成される、請求項２に記載の接合ヘッド組立体。
4. 前記モータは、正方形状又は長方形状に配置された同一平面状の４つの可撓性アームを備える前記撓み部材に対して中央に装着されて、前記モータが前記撓み部材の少なくとも前記１つの平面に垂直な平面内に存在する力を与えるように形状構成されている請求項１に記載の接合ヘッド組立体。
5. 前記モータは、さらに前記与えられた力が前記撓み部材の前記少なくとも１つの平面の中央部を通過するように装着されている、請求項４に記載の接合ヘッド組立体。
6. 前記撓み部材は、第１平面に沿って配置された第１組の撓み部材と、前記第１平面に平行な第２平面に沿って配置された第２組の撓み部材と、を備える、請求項１に記載の接合ヘッド組立体。
7. 前記第１及び第２平面は前記モータの対向する両側に位置する、請求項６に記載の接合ヘッド組立体。
8. 前記撓み部材は、少なくとも２つの可撓性アームを備え、これら可撓性アームは互いから離間している、請求項１に記載の接合ヘッド組立体。
9. 前記撓み部材は、正方形状又は長方形状に配置された、同一平面上の４つの可撓性アームを備える、請求項８に記載の接合ヘッド組立体。
10. 前記撓み部材は、該撓み部材が配置される前記少なくとも１つの平面に垂直に延在するフランジを更に備える、請求項１に記載の接合ヘッド組立体。
11. 前記撓み部材はステンレス鋼又はベリリウム銅製である、請求項１に記載の接合ヘッド組立体。
12. 前記支持構造体に対する前記接合本体の移動を監視するように構成されたエンコーダを更に備える、請求項１に記載の接合ヘッド組立体。
13. 前記接合本体によって移動した距離を測定するために、前記エンコーダが参照するために前記接合本体に結合された、マーキングを具備するスケールを含む、請求項１２に記載の接合ヘッド組立体。
14. 前記接合ツールはダイ・ボンディング装置又はダイ・ピックアンドプレイス装置である、請求項１に記載の接合ヘッド組立体。

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