JP5181383B2 - ボンディング装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体チップなどの電子部品を基板にボンディングするボンディング装置の改良に関するもので、特に、電子部品と基板の位置合わせを主眼に開発されたものである。

フリップチップボンダでは、雰囲気温度の変動により、装置各部に膨張収縮などの経時変化が発生するものである。この変化により、電子部品と基板の位置合わせ装置における部品認識用撮像手段と基板認識用撮像手段との相対位置関係にもずれが生じる。このような撮像手段の位置関係がずれると、ボンディング位置にもずれが生じることになる。

この問題を解決するため、特許文献１に示されるように、部品認識用撮像手段及び基板認識用撮像手段のＸ軸方向及びＹ軸方向のずれ量を検出し、それを補正し、正確な位置合わせを行おうとするボンディング装置が、既に本特許出願人により開示されている。しかし、ボンディングの精度向上のためには、従来技術のようにＸ軸方向とＹ軸方向のみのずれ量の補正だけでは足りず、θ軸方向（回転方向）のずれ量も無視できない現状となってきている。

特許第２７８００００号特許公報

本発明は、部品認識用撮像手段及び基板認識用撮像手段のＸ軸方向及びＹ軸方向のずれ量補正に加えて、θ軸方向（回転方向）のずれ量に関しても補正をし、より正確な電子部品と基板の位置合わせを行うことを可能とするボンディング装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記課題を解決するためボンディング装置に次の手段を採用する。
第１に、ボンディングヘッドに吸着保持された電子部品を下方から撮像する部品認識用撮像手段と、ボンディングステージ上に載置された基板を上方から撮像する基板認識用撮像手段と、部品認識用撮像手段と基板認識用撮像手段との間に配置されるアライメントマークを有するターゲットとを備える。
第２に、上記構成と共にターゲット及び上記両撮像手段が相対移動可能に設置される。
第３に、ターゲットを挟んで部品認識用撮像手段と基板認識用撮像手段とを同軸上に位置させた状態で両撮像手段により撮像した画像から両撮像手段の相対位置関係を算出し、相対位置関係に基づいて、基板認識用撮像手段により位置を認識した基板と部品認識用撮像手段により位置を認識した電子部品の位置合わせを行いボンディングをするボンディング装置とする。
第４に、ターゲットのアライメントマークは所定距離離れた２つの交点を有する。
第５に、各撮像手段は、同軸上に位置された状態で前記２つの交点を撮像する。
第６に、各撮像手段により撮像された画像から前記２つの交点の位置を認識することにより、直交するＸ軸方向及びＹ軸方向のずれ量、Ｘ軸方向及びＹ軸方向で形成される平面内における回転方向のずれ量からなる両撮像手段の相対位置関係を算出するようする。

本発明は、ターゲットにある所定距離離れた２つの交点を、部品認識用撮像手段及び基板認識用撮像手段による画像から、位置認識をするものであるので、直交するＸ軸方向及びＹ軸方向、Ｘ軸方向及びＹ軸方向で形成される平面内における回転方向における両撮像手段のずれ量を算出することが可能となった。この結果、基板への高精度の半導体チップの実装が可能となった。

以下、図面に従って、実施例と共に本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明に利用するフリップチップボンディング装置の実施例を示すもので、該フリップチップボンディング装置においてボンディングヘッド１がボンディング位置上方にある状態を示す概略斜視説明図であり、図２は同平面説明図であり、図３は、同正面説明図である。

ボンディング装置には、電子部品としての半導体チップを吸着保持し、基板２（図２及び図３に示される）に、半導体チップをボンディングするボンディングヘッド１と、基板２の位置を上方より認識をする基板認識カメラ３（本願発明における基板認識用撮像手段となる）と、ボンディングヘッド１及び基板認識カメラ３をＹ軸方向（図２及び図３における左右方向）へと往復移動可能とするＹ軸駆動機構４と、基板２をボンディング位置で支持する基板ステージ５と、基板ステージ５をＸ軸方向（Ｙ軸駆動機構４での移動方向と直交する方向）に移動可能とするＸ軸駆動機構６と、ボンディングヘッド１に吸着保持された半導体チップを下方より認識するチップ認識カメラ７（本願発明の部品認識用撮像手段となる）と、ターゲット８とが備えられている。

ボンディングヘッド１は、上下方向への移動をつかさどるヘッドＺ軸駆動機構９及び回転方向への移動（回転）をつかさどるヘッドθ軸駆動機構１０を備えて、Ｙ軸駆動機構４の可動板１１に装着されている。従って、ボンディングヘッド１は、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向、θ軸方向への移動が可能である。尚、実施例でのボンディングヘッド１は、Ｘ軸方向への駆動機構は有していない。従って、半導体チップを基板２にボンディングするに際して、位置合わせにおけるＸ軸方向への相対移動は、Ｘ軸駆動機構６によって行われる。
尚、図示しないが、図２の基板搬送ガイド３０の右方手前側には、半導体チップをボンディングヘッド１に供給するチップ供給部が配置されており、このチップ供給部はウエハをダイシングして形成された複数の半導体チップを支持するチップ支持部とチップ支持部から１つの半導体チップをピックアップするとともに上下反転してボンディングヘッド１に受け渡すピックアップヘッドなどを備えている。

基板認識カメラ３は、基板２を認識可能であると共に、図５に示されるようにターゲット８の２つの交点１８，１９が上方より同時に認識可能なカメラ視野２０を有するカメラである。該基板認識カメラ３は、Ｚ軸駆動機構１６を備えて、Ｙ軸駆動機構４の可動板１２に装着されている。従って、基板認識カメラ３は、Ｚ軸方向とＹ軸方向への移動のみが可能であって、基板認識時のＸ軸方向への移動は、Ｘ軸駆動機構６によって行われ、ターゲット８及びチップ認識カメラ７との基準位置へのＸ軸方向相対移動は、ターゲット８及びチップ認識カメラ７のＸ軸方向への駆動機構によって行われる。尚、基板認識カメラ３とボンディングヘッド１は、Ｘ軸方向では同位置に設置されている。

Ｙ軸駆動機構４には、Ｙ軸方向に直線的に配置された固定ガイド１３と固定ガイド１３に沿ってＹ軸方向に走行する可動板１１、１２とからなるリニアモータが利用されている。基板ステージ６はボンディング位置と基板供給位置の間をＸ軸駆動機構６により往復移動可能であり、基板ステージ６の移動路に沿って基板搬送ガイド３０が昇降可能に設けられている。基板２は図示しない搬送爪により基板搬送ガイド３０上を基板供給位置まで搬送されると基板搬送ガイド３０が下降して、基板ステージ６に載置され、Ｘ軸駆動機構６によりボンディング位置に移動されるようになっている。ボンディング完了後には、基板搬送ガイド３０が上昇することにより基板２は基板ステージ６から基板搬送ガイド３０に移載され、図示しない搬送爪によりボンディング位置から搬出されるようになっている。

チップ認識カメラ７はボンディングヘッド１が吸着保持した半導体チップを下方から認識可能であると共に、図５に示されるようにターゲット８の２つの交点１８，１９を下方より同時に認識可能なカメラ視野２０を有するカメラである。チップ認識カメラ７は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に移動できるようＸＹ駆動テーブル２１に固着されている。

ターゲット８は、円板状のもので、表裏から認識可能なアライメントマーク１５が描かれている。図５に示すアライメントマーク１５の第１実施例は、直交する縦横各３本の直線からなり、基準位置設定用の中心交点１７と、中心交点１７より離れた位置にある第１交点１８及び第２交点１９を設定している。ここで３本のＸ軸方向の直線アライメントマーク１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃは等間隔で平行であり、３本のＹ軸方向の直線アライメントマーク１５Ｄ，１５Ｅ，１５Ｆも同様に等間隔で平行であるため、第１交点１８と第２交点１９を結んだ線分の中点が中心交点１７となっている。

尚、ターゲット８は、Ｘ軸方向の所定位置への進退移動を可能とするＸ軸シリンダ１４を有しており、キャリブレーション時に基板認識カメラ３の同軸下方に移動することができるようにされている。これにより、ターゲット８を挟んで基板認識カメラ３とチップ認識カメラ７が同軸上に位置できる。

次に実施例による補正動作について説明する。
図１乃至図３では、ターゲット８のＸ軸シリンダ１４のロッドは縮んだ状態で、ターゲット８は退避位置にある。更に、基板認識カメラ３とチップ認識カメラ７とは、図２に示されるようにＸ軸位置で同一、Ｙ軸位置で相違する位置に離れている。この状態から、第１段階として基準位置の設定が行われる。

上記状態よりＸ軸シリンダ１４が動作し、ロッドが伸び、ターゲット８が所定位置に進入し、停止する。該停止位置は、基板認識カメラ３のＸ軸位置と同一位置である。その後、Ｙ軸駆動機構４が動作し、基板認識カメラ３がターゲット８上方に移動し、基板認識カメラ３の中心とターゲット８の中心交点１７が一致する位置で基板認識カメラ３の移動は停止する。次に、チップ認識カメラ７のＸＹ駆動テーブル２１が動作し、ターゲット８の下方に移動し、チップ認識カメラ７の中心がターゲット８の中心交点１７と一致する位置で停止する。この状態で、図４に示されるように基板認識カメラ３の中心、チップ認識カメラ７の中心及びターゲット８の中心交点１７は同軸上に位置している。

基板認識カメラ３及びチップ認識カメラ７の中心とターゲット８の中心交点１７が同軸上に位置したところで、基板認識カメラ３及びチップ認識カメラ７にてターゲット８の第１交点１８及び第２交点１９を撮像する。撮像後、画像処理により第１交点１８及び第２交点１９の座標を求め、２点の座標から、２点間の中心点座標（基準位置）と２点を結ぶ直線の傾き角を算出する。この算出された中心点座標が基準位置、傾き角が基準角であり、基板認識カメラ３、チップ認識カメラ７及びターゲット８の基準位置として記憶装置に記録され、基準位置での両撮像手段（基板認識カメラ３とチップ認識カメラ７）の相対位置関係も認識される。以上が第１段階としての基準位置の設定動作である。

続いて、第２段階として、所定回数又は所定時間、通常の方法で基板２に対して半導体チップをボンディングする。即ち、チップ認識カメラ７にてボンディングヘッド１に吸着された半導体チップの位置認識を行い、基板認識カメラ３にて、基板ステージ６に載置されている基板２の位置認識を行い、演算に基づいた位置の基板２上に半導体チップを接合するのである。

第３段階として、所定回数又は所定時間のボンディング動作の後、相対位置関係の変化の検出が行われる。即ち、基準位置設定動作で記憶された基準位置又は基準位置近くに撮像位置が設定される。原則的には基準位置に撮像位置を設定することが好ましく、本実施例では基準位置に設定してある。該撮像位置に基板認識カメラ３とチップ認識カメラ７、及びターゲット８を移動させ、両認識カメラ３、７により第１交点１８及び第２交点１９の画像取込を行う。

画像処理により第１交点１８及び第２交点１９の座標を求め、２点の座標から、２点間の中心点座標と２点を結ぶ直線の傾き角を算出する。この時、２点間の中心位置が基準位置（基準位置設定動作にて検出した２点間の中心位置）より変化していれば、それは熱膨張等の理由による影響、即ちＸ軸方向及びＹ軸方向のずれである。更に、２点を結ぶ直線の傾き角が基準角より変化していれば、それはθ軸方向（回転方向）のずれが生じたことになる。

このずれ量はターゲット８と基板認識カメラ３との相対ずれ量と、ターゲット８とチップ認識カメラ７の相対ずれ量として検出される。そして、該ターゲット８と基板認識カメラ３との相対ずれ量と該ターゲット８とチップ認識カメラ７の相対ずれ量から基板認識カメラ３とチップ認識カメラ７の相対ずれ量を演算し、両撮像手段の相対位置関係として認識する。このずれ量を補正量としてボンディングの際の誤差を取り除くのである。

以上は、第１実施例のアライメントマーク１５を用いた例を説明してきた。即ち、基板認識カメラ３及びチップ認識カメラ７のカメラ視野２０に、第１交点１８及び第２交点１９が入り、１回の撮像で両交点１８，１９の位置認識が可能となるアライメントマーク１５を用いた。これに対し、図６に示すように同一カメラ視野２０に入らないＹ軸方向に比較的長い距離をとって、第１交点２８と第２交点２９を設定した第２実施例のアライメントマーク２５を有するターゲット８を用い、基板認識カメラ３及びチップ認識カメラ７をＹ軸方向に移動させて、ずれ量を算出することも可能である。

この第２実施例のアライメントマーク２５のターゲット８を用いる場合、次のように動作する。先ず、基板認識カメラ３及びチップ認識カメラ７の中心とターゲット８の中心交点２７を同軸上に位置させる。そこから、基板認識カメラ３及びチップ認識カメラ７の中心とターゲット８の第１交点２８が同軸上に位置したところへ移動し、基板認識カメラ３及びチップ認識カメラ７にてターゲット８の第１交点２８を撮像する。撮像後、画像処理により第１交点２８の座標を求める。

続いて、両カメラ３，７はＹ軸方向に所定距離移動し、両カメラ３，７の中心とターゲット８の第２交点２９を同軸上に位置させ、両カメラ３，７にて第２交点２９を撮像し、撮像後第２交点２９の座標を求める。この２点の座標から、２点間の中心点座標（基準位置）と２点を結ぶ直線の傾き角を算出する。この算出された中心点座標及び傾き角が基板認識カメラ３、チップ認識カメラ７及びターゲット８の基準位置、基準角として、記憶装置に記録され、基準位置での両撮像手段（基板認識カメラ３とチップ認識カメラ７）の相対位置関係も認識される。

続いて、アライメントマーク１５の第１実施例の場合と同様、第２段階として、所定回数又は所定時間、通常の方法で基板２に対して半導体チップをボンディングする。即ち、チップ認識カメラ７にてボンディングヘッド１に吸着された半導体チップの位置認識を行い、基板認識カメラ３にて、基板ステージ６に載置されている基板２の位置認識を行い、演算に基づいた位置の基板２上に半導体チップを接合するのである。

第３段階として、所定回数又は所定時間のボンディング動作の後、相対位置関係の変化の検出が行われる。このとき第１交点２８及び第２交点２９を両カメラ３，７で撮像するのであるが、撮像位置は２箇所設けられており、第１交点２８の撮像位置は、基準点設定時の第１交点２８の座標位置と同一又はその近傍に設定される。又、第２交点２９の撮像位置も、同様に基準位置設定時の第２交点２９の座標位置と同一又はその近傍に設定されている。

ここで基板認識カメラ３及びチップ認識カメラ７の中心とターゲット８の第１交点２８を撮像位置に移動させ、同軸上に位置したところで、基板認識カメラ３及びチップ認識カメラ７にてターゲット８の第１交点２８を撮像する。撮像後、画像処理により第１交点２８の座標を求める。

続いて、両カメラ３，７はＹ軸方向に所定距離移動し、両カメラ３，７の中心とターゲット８の第２交点２９を同軸上に位置させ、両カメラ３，７にて第２交点２９を撮像し、撮像後第２交点２９の座標を求める。２点の座標から、２点間の中心点座標と２点を結ぶ直線の傾き角を算出する。この時、２点間の中心位置が基準位置（基準位置設定動作にて検出した２点間の中心位置）より変化していれば、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のずれが生じたことになり、更に、２点を結ぶ直線の傾き角が基準角より変化していれば、それはθ軸方向（回転方向）のずれが生じたことになる。

このずれ量はターゲット８と基板認識カメラ３との相対ずれ量と、ターゲット８とチップ認識カメラ７の相対ずれ量として検出される。そして、該ターゲット８と基板認識カメラ３との相対ずれ量と該ターゲット８とチップ認識カメラ７の相対ずれ量から基板認識カメラ３とチップ認識カメラ７の相対ずれ量を演算し、両撮像手段の相対位置関係として認識する。このずれ量を補正量としてボンディングの際の誤差を取り除くのである。

尚、第２実施例のアラインメントマーク２５を有するターゲット８を用いた場合でも、基板認識カメラ３及びチップ認識カメラ３のカメラ視野２０を広げることにより１の撮像位置で対応できるが、カメラ視野２０は、広げれば広げるほど周辺部の歪みが大きくなり正確な位置認識に問題が生じるので、小さなカメラ視野２０の基板認識カメラ３及びチップ認識カメラ７を利用し、更に、２点間の距離を長くすることにより、より正確なずれ量の算出が可能となる。

フリップチップボンディング装置の概略を示す斜視説明図 同平面説明図 同正面説明図 ターゲット観察時の正面説明図 アライメントマークの第１実施例の平面説明図 アライメントマークの第２実施例の平面説明図

符号の説明

１．．．．．．ボンディングヘッド
２．．．．．．基板
３．．．．．．基板認識カメラ
４．．．．．．Ｙ軸駆動機構
５．．．．．．基板ステージ
６．．．．．．Ｘ軸駆動機構
７．．．．．．チップ認識カメラ
８．．．．．．ターゲット
９．．．．．．ヘッドＺ軸駆動機構
１０．．．．．ヘッドθ軸駆動機構
１１，１２．．．可動板
１３．．．．．固定ガイド
１４．．．．．Ｘ軸シリンダ
１５，２５．アライメントマーク
１６．．．．．基板認識カメラのＺ軸駆動機構
１７，２７．中心交点
１８，２８．第１交点
１９，２９．第２交点
２０．．．．．カメラ視野
２１．．．．．ＸＹ駆動テーブル
３０．．．．．基板搬送ガイド

Claims (1)

1. ボンディングヘッドに吸着保持された電子部品を下方から撮像する部品認識用撮像手段と、ボンディングステージ上に載置された基板を上方から撮像する基板認識用撮像手段と、部品認識用撮像手段と基板認識用撮像手段との間に配置されるアライメントマークを有するターゲットとを備えると共にターゲット及び両撮像手段が相対移動可能に設置され、
   ターゲットを挟んで部品認識用撮像手段と基板認識用撮像手段とを同軸上に位置させた状態で両撮像手段により撮像した画像から両撮像手段の相対位置関係を算出し、相対位置関係に基づいて、基板認識用撮像手段により位置を認識した基板と部品認識用撮像手段により位置を認識した電子部品の位置合わせを行いボンディングをするボンディング装置において、
   ターゲットのアライメントマークは所定距離離れた２つの交点を有し、
   各撮像手段は、同軸上に位置された状態で前記２つの交点を撮像するとともに、
   各撮像手段により撮像された画像から前記２つの交点の位置を認識することにより、
   直交するＸ軸方向及びＹ軸方向のずれ量、Ｘ軸方向及びＹ軸方向で形成される平面内における回転方向のずれ量からなる両撮像手段の相対位置関係を算出するようにしたことを特徴とするボンディング装置。

Images