JP5022598B2

JP5022598B2 - ボンディング装置及び半導体装置の製造方法

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Publication number: JP5022598B2
Application number: JP2005376314A
Authority: JP
Inventors: 雄介宮本; 大介小林
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-12-27
Filing date: 2005-12-27
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2025-12-27
Also published as: JP2007180232A

Description

本発明は、第１の電子部品上の所定の位置に第２の電子部品をボンディングするボンディング装置及びそれを用いた半導体装置の製造方法に関する。

一般に、第１の電子部品上の所定の位置に第２の電子部品をボンディングするボンディング装置の１つであるフリップチップボンディング装置は、図９に示すように、半導体ウエハを載置するウエハ載置部１０１、リードフレームを搬送する搬送装置１０２、ウエハ載置部１０１上の半導体ウエハから半導体チップをピックアップヘッドにて吸着して取り出し、反転させた後に、搬送装置１０２の手前の所定の位置まで移送し、ボンディングヘッド１０３に受け渡し、このボンディングヘッド１０３にて吸着し、搬送装置１０２の所定位置においてリードフレームに対してこの半導体チップを圧着させる。そしてチップをリードフレームにボンディングするのに必要な各工程でチップやボンディング状態を監視するためにカメラ群が設置されている。ウエハ載置部１０１上にはウエハカメラＣ１、チップを反転させた後の表面（ウエハ上では裏面側）を監視する裏面カメラＣ２、ピックアップヘッドから受け渡されたチップを監視するためのデバイスカメラＣ３、そしてリードフレームに対するチップの位置合わせ認識用のフレームカメラＣ４が設置されている。

このようなフリップチップボンディング装置では、(i)チップをリードフレームにボンディングするには、ウエハカメラＣ１にてウエハ載置部１０１上のウエハを認識した後、ピックアップヘッドにてチップを吸着して取り出し、(ii)取り出されたチップの裏面を裏面カメラＣ２にて認識し、ボンディングヘッドにチップを受け渡し、デバイスカメラＣ３にてチップを認識し、(iii)フレームカメラＣ４にてリードフレームを認識した後にチップをリードフレームの所定の位置にボンディングする動作を繰返し、リードフレームに対して半導体チップを連続的にボンディングしていく。

このようなチップボンディング工程では、リードフレームの所定の位置にチップが正しく正確にボンディングされたことを確認しなければならず、その位置ずれの確認のためには、従来、外観検査装置を導入して検査したり、作業者が目視により検査したりするという方法がとられていた。

ところが、外観検査装置を導入すればその装置コストが嵩む問題点があり、また作業者が目視により検査するのは大量生産工程では作業者に過度の労力負担が求められる問題点があった。

本発明は、このような従来の技術的課題に鑑みてなされたもので、既存の装置設備に対してそれに組み込むアプリケーションプログラムを変更するだけで対応でき、第１の電子部品に対する第２の電子部品のボンディング位置の確認ができるようになり、装置コストの上昇を抑えることができ、また作業者に過度の労力負担を求めることがないボンディング装置及びそれを用いた半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

請求項１の発明のボンディング装置は、第１の電子部品及び第２の電子部品の特徴部のパターン、第１の電子部品の基準点と前記第１の電子部品の特徴部、前記第２の電子部品の特徴部それぞれとの一定の位置関係とを記憶している記憶部と、第１の電子部品とそれにボンディングされる第２の電子部品とを撮像するカメラと、前記カメラの撮像した前記第１の電子部品の画像データを前記記憶部の第１の電子部品の特徴部のパターンとのパターンマッチング処理を実行して前記画像データから前記第１の電子部品の特徴部を抽出するとともに、当該抽出した特徴部の位置座標と回転角度を検出する第１部品特徴部位置検出手段と、前記第１部品特徴部位置検出手段により検出された前記第１の電子部品の特徴部の位置座標と回転角度と前記記憶部に記憶されている当該特徴部と一定の座標関係を持つものとして定められている当該第１の電子部品の基準点とから第１部品ベース基準点の座標を割り出す第１部品ベース基準点位置演算手段と、前記カメラの撮像した前記第２の電子部品の画像データを前記記憶部の第２の電子部品の特徴部のパターンとのパターンマッチング処理を実行して前記画像データから前記第１の電子部品にボンディングされた第２の電子部品の特徴部を抽出するとともに、当該抽出した特徴部の位置座標と回転角度を検出する第２部品特徴部位置検出手段と、前記第２部品特徴部位置検出手段により検出された前記第２の電子部品の特徴部の位置座標と回転角度と前記記憶部に記憶されている当該特徴部と一定の座標関係を持つものとして定められている前記第１の電子部品の基準点とから前記第１の電子部品の基準点である第２部品ベース基準点の座標を割り出す第２部品ベース基準点位置演算手段と、前記第１部品ベース基準点位置演算手段の割り出した第１部品ベース基準点の座標と、前記第２部品ベース基準点位置演算手段の割り出した前記第２部品ベース基準点の座標とを比較し、その一致度に応じて前記第２の電子部品のボンディング位置の良否を判定するボンディング位置判定手段とを備えたものである。

請求項２の発明は、請求項１のボンディング装置において、前記第１の電子部品がラージサイズのチップであり、前記第２の電子部品が前記ラージサイズのチップ上の所定位置にボンディングされるスモールサイズのチップであることを特徴とするものである。

請求項３の発明は、請求項１のボンディング装置において、前記第１の電子部品がリードフレームであり、前記第２の電子部品が当該リードフレームの所定位置にボンディングされるチップであることを特徴とするものである。

請求項４の発明の半導体装置の製造方法は、第１の電子部品の所定位置に対して第２の電子部品を搬送して位置決めし、前記第１の電子部品の所定位置に対して前記第２の電子部品をボンディングするボンディング工程と、位置認識カメラにて、前記ボンディング工程の直前又はボンディング後に前記第１の電子部品を撮像する工程と、前記位置認識カメラにて、前記ボンディング工程の後に前記第１の電子部品とそれにボンディングされた第２の電子部品を撮像する工程と、前記位置認識カメラの取得した画像データに基づき、前記第１の電子部品の特徴部のパターン認識を行う工程と、前記パターン認識結果に基づき、前記第１の電子部品の特徴部の座標を割り出す工程と、前記第１の電子部品の特徴部の座標から、当該特徴部と一定の座標関係を持つものとして設定されている当該第１の電子部品の基準点の座標（第１部品ベース基準点座標）を割り出す第１部品ベース基準点座標算出工程と、前記位置認識カメラの取得した画像データに基づき、前記第２の電子部品の特徴部のパターン認識を行う工程と、前記パターン認識結果に基づき、前記第２の電子部品の特徴部の座標を割り出す工程と、前記第２の電子部品の特徴部の座標から、当該特徴部と一定の座標関係を持つものとして設定されている前記第１の電子部品の基準点の座標（第２部品ベース基準点座標）を割り出す第２部品ベース基準点座標算出工程と、前記第１部品ベース基準点座標算出工程にて求めた前記第１部品ベース基準点座標と前記第２部品ベース基準点座標算出工程にて求めた前記第２部品ベース基準点座標との一致度を比較する工程と、前記比較結果に基づいて前記第１の電子部品に対する前記第２の電子部品のボンディング位置の良否を判定する工程とを有するものである。

本発明によれば、カメラの撮像した画像データから第１の電子部品の特徴部の位置を検出し、当該特徴部と一定の位置関係を持つ当該第１の電子部品の基準点の座標を第１部品ベース基準点座標として割り出し、また、当該第１の電子部品の上に第２の電子部品がボンディングされた後に当該カメラの撮像した画像データから第２の電子部品の特徴部の位置を検出し、当該特徴部と一定の位置関係を持つ第１の電子部品の基準点の座標を第２部品ベース基準点座標として割り出し、これらの第１部品ベース基準点座標と第２部品ベース基準点座標とを比較し、その一致度に応じて第１の電子部品に対する第２の電子部品のボンディング位置の良否を判定するので、既存のボンディング装置に対してカメラの撮像工程と演算処理工程とをプログラムとして新たに追加するだけで、第１の電子部品に対する第２の電子部品のボンディング位置の良否を判定させることができるようになり、第１の電子部品に対する第２の電子部品のボンディング位置を確認するために必要となる装置コストの上昇を抑えることができ、また作業者に過度の労力負担を求めることがない。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。図１は本発明のボンディング装置の第１の実施の形態の機能構成を示している。本実施の形態のボンディング装置は、一般例として示した図９の装置におけるアプリケーションプログラムとしてその制御装置に組み込まれて実行されるものであるが、ここでは主だった演算処理機能毎にブロックに分けて示している。

本実施の形態のボンディング装置は、図２に示すように、第１の電子部品であるラージサイズの第１チップ１に対して、第２の電子部品であるスモールサイズの第２チップ２を所定位置にボンディングする装置であり、カメラ３、諸データを記憶する記憶部４、諸演算処理の実行を制御する演算処理制御部５、カメラ３の画像データを入力する画像データ入力部６、画像データから目的とする特徴部のパターン認識を実行するパターン認識部７を備えている。

本実施の形態のボンディング装置はまた、パターン認識部７がパターン認識した第１チップの特徴部の座標を割り出す第１部品特徴部検出部８、この第１部品特徴部検出部８の求めた第１チップの特徴部の座標から、当該特徴部と一定の座標関係を持つものとして設定されている当該第１のチップの基準点の座標を第１部品ベース基準点座標として割り出す第１部品ベース基準点座標算出部９を備えている。

本実施の形態のボンディング装置はまた、パターン認識部７がパターン認識した第２チップの特徴部の座標を割り出す第２部品特徴部検出部１０、この第２部品特徴部検出部１０の求めた第２チップの特徴部の座標から、当該特徴部と一定の座標関係を持つものとして設定されている前記第１チップの基準点の座標を第２部品ベース基準点座標として割り出す第２部品ベース基準点座標算出部１１を備えている。

本実施の形態のボンディング装置はさらに、第１部品ベース基準点座標算出部９の求めた第１部品ベース基準点座標と第２部品ベース基準点座標算出部１１の求めた第２部品ベース基準点座標との一致度を比較する基準点座標比較部１２と、この基準点座標比較部１２の求めた比較結果に基づいて第１チップに対する第２チップのボンディング位置の良否を判定するボンディング位置判定部１３を備えている。

さらに本実施の形態のボンディング装置は、演算処理制御部５によって第１チップ１の搬送、第２チップ２の搬送、第２チップの位置決め、第１チップ１の所定位置に対する第２チップのボンディング等のボンディング機構１４の機械的な動作の制御をも実行するものである。

次に、上記の実施の形態のボンディング装置による第１の電子部品である第１チップ１に対する第２の電子部品である第２チップ２のボンディング位置の確認処理動作について、図３のフローチャート、図４〜図６の処理手順説明図を用いて説明する。ボンディング装置１のボンディング位置に第１チップ１を設置し、これに対してカメラ３にて撮像し、図４（ｂ）に示すような画像データＧ１を取り込む（ステップＳ１）。そして、この画像データＧ１に対して、図４（ａ）、（ｃ）に示すように予め記憶部４に登録してある特徴部Ｐ１のパターンＰＴ１とのパターンマッチング処理を実行し（ステップＳ２）、特徴部パターンＰＴ１の位置座標（Ｘ，Ｙ）と回転角度Ｔ、すなわち、ＲＰ０（Ｘ，Ｙ，Ｔ）を検出する（ステップＳ３）。

次に、図４（ｄ）に示すように、予め記録部４に登録してある第１チップ１の左上端点（左上基準点）及び右下端点（右下基準点）と特徴部Ｐ１との位置関係に基づき、ステップＳ３にて検出した特徴点座標ＲＰ０（Ｘ，Ｙ，Ｔ）から逆算して左上基準点座標ＳＰ０（Ｘ０，Ｙ０）及び右下基準点座標ＳＰ１（Ｘ１，Ｙ１）を第１部品ベース基準点座標として割り出す（ステップＳ４）。

この後、ボンディング機構１４にて第１チップ１に対して図２に示すように第２チップ２をボンディングする（ステップＳ５）。

そして、この第２チップ２のボンディング工程の後に、カメラ３にて第１チップ１、第２チップ２を撮像し、図５（ｂ）に示すような画像データＧ２を取り込む（ステップＳ６）。そして、この画像データＧ２に対して、図５（ａ）、（ｃ）に示すように予め記憶部４に登録してある第２チップ２の特徴部Ｐ２のパターンＰＴ２（本実施の形態では、第２チップ２はスモールサイズであるのでそのチップの外形全体を特徴部パターンＰＴ２としている）とのパターンマッチング処理を実行し（ステップＳ７）、特徴部パターンＰＴ２の位置座標（Ｘ，Ｙ）と回転角度Ｔ、すなわち、ＲＰ０’（Ｘ，Ｙ，Ｔ）を検出する（ステップＳ８）。

次に、図５（ｄ）に示すように、予め記録部４に登録してある第１チップ１の左上端点（左上基準点）及び右下端点（右下基準点）と特徴部Ｐ２との位置関係に基づき、ステップＳ８にて検出した特徴点座標ＲＰ０’（Ｘ，Ｙ，Ｔ）から逆算して左上基準点座標ＳＰ０’（Ｘ０’，Ｙ０’）及び右下基準点座標ＳＰ１’（Ｘ１’，Ｙ１’）を第２部品ベース基準点座標として割り出す（ステップＳ９）。尚、第１チップ１の正規の位置に第２チップ２がボンディングされた理想状態での第２チップ２と第１チップ１との正確な位置関係に基づき、第２チップ２の特徴部Ｐ２から第１チップ１の左上端点及び右下端点は決定できるものであり、記憶部４にはこの第１チップ１と第２チップ２との位置関係を決定するデータが予め記憶されている。

続いて図６に示すように、第１部品ベース基準点座標ＳＰ０（Ｘ０，Ｙ０），ＳＰ１（Ｘ１，Ｙ１）と第２部品ベース基準点座標ＳＰ０’（Ｘ０’，Ｙ０’），ＳＰ１’（Ｘ１’，Ｙ１’）とを比較し、左上基準点の差ベクトルΔ０と右下基準点の差ベクトルΔ１とを求め（ステップＳ１０）、この差ベクトルΔ０，Δ１間の差｜Δ０−Δ１｜が許容誤差ε内に入るか否かを判定し、判定結果を出力する（ステップＳ１１）。

以上の処理により、本実施の形態のボンディング装置では、カメラ３によるボンディング前後の撮影動作とパターン認識処理、座標検出のためや誤差検出のための演算処理が増加するが、ボンディング機構１４に対する機械的な動作の増加、また装置の付加を必要とせずに、アプリケーションプログラムを変更し、追加するだけで第１チップ１に対する第２チップ２のボンディング位置の位置ずれ検査を実行することができる。

尚、上記実施の形態では、第１の電子部品としてラージサイズの第１チップに対して第２の電子部品としてスモールサイズの第２チップ２を所定の位置にボンディングするボンディング装置について例示したが、本発明はこのようなボンディング装置に限定されることはなく、例えば、図９に示したようなフリップチップボンディング装置に適用するもので、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、第１の電子部品１をリードフレームとし、その所定位置のリードに第２の電子部品２として半導体チップをボンディングするボンディング装置に適用することができる。この場合、リードフレーム１のリードのパターンを特徴部パターンＰＴ１とし、また対向するリードの２箇所を基準点とし、特徴部パターンＰＴ１の座標ＲＰ０から第１部品ベース基準点座標ＳＰ０，ＳＰ１を算出し、また、リードフレーム１に対してチップ２をボンディングした後に、チップ２の形状全体を特徴部パターンＰＴ２とし、この座標ＲＰ０’から第１の電子部品であるリードフレーム１の第２部品ベース基準点座標ＳＰ０’，ＳＰ１’を算出し、これらの座標の誤差からリーブフレーム１に対するチップ２のボンディング位置の位置ずれの良否を判定するようにすることができる。

また、図８（ａ）、（ｂ）に示したように、第１の電子部品１を基板とし、その所定位置に第２の電子部品２として半導体デバイスや半導体チップをボンディングするボンディング装置についても広く適用できるものである。

加えて、上記実施の形態では、第１部品ベース基準点座標を割り出すのに、第２の電子部品のボンディング前に、第１の電子部品を位置決めする時の画像データから特徴部をパターン認識し、特徴部の座標を求め、それから第１部品ベース基準点座標を割り出すようにした。これは、第２の電子部品を第１の電子部品上にボンディングすることによって第１の電子部品上の特徴部が第２の電子部品によって隠されてしまうような場合に有効である。しかしながら、第１の電子部品に対して第２の電子部品をボンディングした後でも第１の電子部品の特徴部のパターン認識ができ、それに基づいて第１部品ベース基準点座標も割り出せる場合には、第２の電子部品を第１の電子部品上にボンディングした後に両電子部品のボンディング状態での画像データを得て、その１つの画像データに基づいて第１部品ベース基準点座標と第２部品ベース基準点座標を割り出し、それらを比較することでボンディング位置の良否を判定する手順を採用することもできる。

本発明の第１の実施の形態のボンディング装置の機能ブロック図。上記実施の形態にてボンディングする第１チップと第２チップとを示す斜視図。上記実施の形態のボンディング装置による電子部品位置のボンディング位置ずれ確認処理のフローチャート。上記実施の形態のボンディング装置による第１チップの特徴部のパターン認識と第１部品ベース基準点座標検出との処理手順の説明図。上記実施の形態のボンディング装置による第２チップの特徴部のパターン認識と第２部品ベース基準点座標検出との処理手順の説明図。上記実施の形態のボンディング装置による第１チップに対する第２チップのボンディング位置ずれの確認処理手順の説明図。本発明の第２の実施の形態のボンディング装置によるボンディング位置ずれの確認処理手順の説明図。本発明の第３の実施の形態のボンディング装置によるボンディング位置ずれの確認処理手順の説明図。一般的なボンディング装置の斜視図。

符号の説明

１…第１チップ、２…第２チップ、３…カメラ、４…記憶部、５…演算処理制御部、６…画像データ入力部、７…パターン認識部、８…第１部品特徴部検出部、９…第１部品ベース基準点座標算出部、１０…第２部品特徴部検出部、１１…第２部品ベース基準点座標算出部、１２…基準点座標比較部、１３…ボンディング位置判定部、１４…ボンディング機構部、Ｐ１…（第１の電子部品の）特徴部、Ｐ２…（第２の電子部品の）特徴部、ＰＴ１…（第１の電子部品の）特徴部パターン、ＰＴ２…（第２の電子部品の）特徴部パターン。

Claims

第１の電子部品及び第２の電子部品の特徴部のパターン、第１の電子部品の基準点と前記第１の電子部品の特徴部、前記第２の電子部品の特徴部それぞれとの一定の位置関係とを記憶している記憶部と、
第１の電子部品とそれにボンディングされる第２の電子部品とを撮像するカメラと、
前記カメラの撮像した前記第１の電子部品の画像データを前記記憶部の第１の電子部品の特徴部のパターンとのパターンマッチング処理を実行して前記画像データから前記第１の電子部品の特徴部を抽出するとともに、当該抽出した特徴部の位置座標と回転角度を検出する第１部品特徴部位置検出手段と、
前記第１部品特徴部位置検出手段により検出された前記第１の電子部品の特徴部の位置座標と回転角度と前記記憶部に記憶されている当該特徴部と一定の座標関係を持つものとして定められている当該第１の電子部品の基準点とから第１部品ベース基準点の座標を割り出す第１部品ベース基準点位置演算手段と、
前記カメラの撮像した前記第２の電子部品の画像データを前記記憶部の第２の電子部品の特徴部のパターンとのパターンマッチング処理を実行して前記画像データから前記第１の電子部品にボンディングされた第２の電子部品の特徴部を抽出するとともに、当該抽出した特徴部の位置座標と回転角度を検出する第２部品特徴部位置検出手段と、
前記第２部品特徴部位置検出手段により検出された前記第２の電子部品の特徴部の位置座標と回転角度と前記記憶部に記憶されている当該特徴部と一定の座標関係を持つものとして定められている前記第１の電子部品の基準点とから前記第１の電子部品の基準点である第２部品ベース基準点の座標を割り出す第２部品ベース基準点位置演算手段と、
前記第１部品ベース基準点位置演算手段の割り出した第１部品ベース基準点の座標と、前記第２部品ベース基準点位置演算手段の割り出した前記第２部品ベース基準点の座標とを比較し、その一致度に応じて前記第２の電子部品のボンディング位置の良否を判定するボンディング位置判定手段とを備えたボンディング装置。
前記第１の電子部品がラージサイズのチップであり、前記第２の電子部品が前記ラージサイズのチップ上の所定位置にボンディングされるスモールサイズのチップであることを特徴とする請求項１に記載のボンディング装置。
前記第１の電子部品がリードフレームであり、前記第２の電子部品が当該リードフレームの所定位置にボンディングされるチップであることを特徴とする請求項１に記載のボンディング装置。
第１の電子部品の所定位置に対して第２の電子部品を搬送して位置決めし、前記第１の電子部品の所定位置に対して前記第２の電子部品をボンディングするボンディング工程と、
位置認識カメラにて、前記ボンディング工程の直前又はボンディング後に前記第１の電子部品を撮像する工程と、
前記位置認識カメラにて、前記ボンディング工程の後に前記第１の電子部品とそれにボンディングされた第２の電子部品を撮像する工程と、
前記位置認識カメラの取得した画像データに基づき、前記第１の電子部品の特徴部のパターン認識を行う工程と、
前記パターン認識結果に基づき、前記第１の電子部品の特徴部の座標を割り出す工程と、
前記第１の電子部品の特徴部の座標から、当該特徴部と一定の座標関係を持つものとして設定されている当該第１の電子部品の基準点の座標（第１部品ベース基準点座標）を割り出す第１部品ベース基準点座標算出工程と、
前記位置認識カメラの取得した画像データに基づき、前記第２の電子部品の特徴部のパターン認識を行う工程と、
前記パターン認識結果に基づき、前記第２の電子部品の特徴部の座標を割り出す工程と、
前記第２の電子部品の特徴部の座標から、当該特徴部と一定の座標関係を持つものとして設定されている前記第１の電子部品の基準点の座標（第２部品ベース基準点座標）を割り出す第２部品ベース基準点座標算出工程と、
前記第１部品ベース基準点座標算出工程にて求めた前記第１部品ベース基準点座標と前記第２部品ベース基準点座標算出工程にて求めた前記第２部品ベース基準点座標との一致度を比較する工程と、
前記比較結果に基づいて前記第１の電子部品に対する前記第２の電子部品のボンディング位置の良否を判定する工程とを有する半導体装置の製造方法。