JP5437221B2 - ボンディング装置 - Google Patents
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Description
この発明は例えば半導体チップや半導体部品(以下チップと称す)を半田バンプ(半田製の突起電極や半田ボール)を介して基板の表面に実装(ボンディング)するボンディング装置およびボンディング方法に関するものである。
半導体チップの実装方法は、主に、ワイヤボンディング（Wire Bonding）、ＴＡＢ（Tape Automated
Bonding）およびフリップチップボンディング（Flip Chip Bonding ）の３つの方法に分類される。
フリップチップボンディングにおいては、半導体チップを、その能動端子面をプリント基板に対向させた状態（フェースダウン状態）で、このプリント基板上に固定する必要がある。
このようにフリップチップボンディングの場合には、上記基板との接続媒体として半田バンプと称される半田製の突起電極を用いる技術がある。
半田材を用いた接続を行う場合には、フリップチップの場合には半導体チップ上と基板上にあらかじめ半田材を供給しておき、この半田材を加熱により再溶融させた後凝固させることで行うようになっている。
Bonding）およびフリップチップボンディング（Flip Chip Bonding ）の３つの方法に分類される。
フリップチップボンディングにおいては、半導体チップを、その能動端子面をプリント基板に対向させた状態（フェースダウン状態）で、このプリント基板上に固定する必要がある。
このようにフリップチップボンディングの場合には、上記基板との接続媒体として半田バンプと称される半田製の突起電極を用いる技術がある。
半田材を用いた接続を行う場合には、フリップチップの場合には半導体チップ上と基板上にあらかじめ半田材を供給しておき、この半田材を加熱により再溶融させた後凝固させることで行うようになっている。
本発明の従来例として特願平7-312125が提案されている。ボンディングステージ99に設置された基板94に電極パット911が、チップ90に設置された半田バンプ93と相対するようにボンディングツール94によって運搬される。
ボンディングツール94には吸引孔95から吸引することによって下端部にチップ90を吸着保持できるように構成されている。
また、ボンディングツール94には発熱部98が備えられており、発熱部98が昇温することによってチップ90を加熱し半田バンプ93を溶解させることができるようになっている。
ボンディングツール94はツールホルダ97によって、移動可能になっている。ツールホルダ97にはレーザ変位計96が備えられておりレーザ961を照射することによって、ボンディングツール94の高低を測定することが出来るようになっている。
ボンディングツール94には吸引孔95から吸引することによって下端部にチップ90を吸着保持できるように構成されている。
また、ボンディングツール94には発熱部98が備えられており、発熱部98が昇温することによってチップ90を加熱し半田バンプ93を溶解させることができるようになっている。
ボンディングツール94はツールホルダ97によって、移動可能になっている。ツールホルダ97にはレーザ変位計96が備えられておりレーザ961を照射することによって、ボンディングツール94の高低を測定することが出来るようになっている。
レーザ変位計96の測定によってボンディングツール94は図4の(2)のグラフのように制御される。チップ90を吸着保持したボンディングツール94は、ツールホルダ97によってボンディングステージ99に載置された基板91上に移動し半田バンプ93と電極パッド911が正確に接合するように位置調整される。
その後図4の(2)のグラフの点A〜点Bのようにボンディングツール94は高速下降して半田バンプ93が電極パッド911に点Bで接触する。
その後図4の(2)のグラフの点A〜点Bのようにボンディングツール94は高速下降して半田バンプ93が電極パッド911に点Bで接触する。
その後、点C〜点Dにかけてボンディングツール94の位置は20μｍ程度、一旦下降する。このとき熱電対98が加熱してボンディングツール94を昇温して点D〜点Eの間でチップ90についた、半田バンプ93を溶解して電極パット911と接合させる。
次に点E〜点Fまでボンディングツール94を上昇させてチップ90と、基板91の間隔を調整するべく位置制御して所定位置で冷却し半田付けを完了する。
次に点E〜点Fまでボンディングツール94を上昇させてチップ90と、基板91の間隔を調整するべく位置制御して所定位置で冷却し半田付けを完了する。
次に点F〜点Gの間でチップ90の冷却が行われる。点Gでチップ90の吸着保持が解除され、点G〜点Hの間でチップ90を開放したボンディングツール94は高速上昇する。
以上のような構成と制御によってチップ90は基板91の所定の位置に接合される。
以上のような構成と制御によってチップ90は基板91の所定の位置に接合される。
上述したような従来例に拠れば、吸着保持したチップ90を、正確に位置決めしなくてはならない。そのためにはボンディングツール94は上下動の他に回転機構も備えればならず、更には、下降しながら正確にチップ90を設置しなければならないので、画像処理用の高解析カメラなどで解析速度を早くする必要があり、全体構造が複雑になると共に、制御方法も大量のプログラムが必要であった。以上のような理由により一つの製品を仕上げる為の処理に時間がかかる原因になっていた。
また、図4の(1)に図示されるようなレーザ変位計96による、半導体チップの保持高さhの測定方法では、基板91とチップ90の距離が正確に測定できないことがあった。例えば繰り返し発熱する発熱部98の影響でボンディングツール94全体が昇温し、熱影響によってボンディングツール94の全長が変化してしまい、半導体チップ90の保持高さhが異なってしまうことがあった。
更には、ボンディングステージ99は基板91の電極パット911に半田が着きやすくするためにボンディングステージ99を昇温して基板91を加熱しておく必要があった。
ボンディングステージ99を加熱した熱は装置全体に伝わり様々な箇所を熱影響によって変化させるので図4の(1)の構成のようにツールホルダー97とボンディングツール94の間隔をレーザ961を用いて測定しても、チップ90と基板91の正確な距離を測定することは出来ず、不良品を製作してしまうことがあった。
半田材を介在させて複数の基板と複数のチップをそれぞれ仮置した状態の前記複数のチップを前記複数の基板にそれぞれボンディングする装置であって、前記複数のチップをそれぞれ吸着保持して上下動可能な複数のヘッドと、前記複数のヘッドが前記複数のチップにそれぞれ接触した接触位置を判断する複数の力センサと、前記複数のヘッドをそれぞれ昇温冷却する複数のパルスヒータと、前記複数のヘッドと前記複数の力センサと前記複数のパルスヒータを制御する制御部とを備え、上下方向に直交する一つの方向がＸ方向とされ前記Ｘ方向及び上下方向にともに直交する方向がＹ方向とされ、前記複数の基板と前記複数のチップが送り機構によって前記Ｘ方向においてボンディングステージまで移送されてボンディング作業が行われ、前記ボンディングステージが前記Ｙ方向へ移動可能とされ、前記複数のヘッドが前記Ｘ方向において並んで位置され、仮置した状態の前記複数の基板と前記複数のチップが前記Ｘ方向及び前記Ｙ方向において並んで位置され、前記ボンディングステージに移送された前記複数の基板が暖められ、前記複数のヘッドが前記複数の基板の上に仮置された前記複数のチップにそれぞれ接触した接触位置を前記複数の力センサで判断し、前記複数のチップを前記複数のヘッドでそれぞれ吸着して、前記複数の基板と前記複数のチップの間隙がそれぞれ一定になるようにして、前記複数のパルスヒータで前記複数のヘッドと前記複数のチップをそれぞれ昇温し、前記複数の基板と前記複数のチップに介在した半田材を溶融させるように前記制御部が制御するようにしたことを特徴とするボンディング装置を提案するものである。
そして前記ヘッドが複数装着されたことを特徴とするボンディング装置を提案するものである。
本発明ではあらかじめ前工程でチップ20を基板21上に仮置した状態で、本体1に装填される。チップ20と基板21の間に入れられた半田24が所定位置に貼着されて基板21の上に仮置されている。そこでボンディングヘッド30は下降してヘッド先端部301がチップ20に接触した位置を力センサ31によって計測し、その計測位置からチップ20の保持高さHを調整するように構成した。そのためボンディングヘッド30は位置決め機能が高精度でなくてもチップ20を吸着保持して一定高さになるように調整されれば良いので、簡単な構造にすることが出来ると共に、下降速度を早くすることができ製作速度を早くすることができるようになった。
また、制御部5で制御する為のプログラムが簡便でよいので短時間で実行できるので複数のボンディングヘッド30を装備することができ、一台で複数のチップ20と基板21を半田処理でき量産効率が上昇した。
長時間の連続使用によりボンディングヘッド30やボンディングステージ35が熱影響で変化することがあっても図2の(2)のようにチップ仮置済み基板23にボンディングヘッド30が接触位置の高さHを検出しその位置から高さHを調整するので装置の熱影響によって高さHに誤差を生じることが少なく、正確な制御をすることができるので、不良品の発生をおさえることができる。
たくさんのチップ仮置済み基板23を半田付けするためには、ボンディングステージ35は、大型にしたほうが保温性と熱効率がよく効率的である。また、ボンディングステージ35が熱影響によってチップ仮置済み基板23の載置高さが変化しても、ボンディングヘッド30がチップ20に接触してから高さ調整が行われるので、熱影響による変化に影響されにくく正確な半田付け作業が実行される。
複数のチップ仮置済み基板23を複数のボンディングヘッド30で半田付けするので、均一な製品を短いタクトで製作することができる。
複数のチップ仮置済み基板23を複数のボンディングヘッド30で半田付けするので、均一な製品を短いタクトで製作することができる。
図1は当該発明にかかる発明の外観図である。図2の(1)〜(4)はボンディングヘッド30の動作を図示したものである。更に図3は本体1の動作フローをフローチャートにして記載したものである。
図1に基づいて本発明の概要を説明する。基板ローダ44によって供給されたキャリア42の中にチップ仮置済み基板23がつめられた状態で供給される。コンベア47などの送り機構によってキャリア42が本体1の中央部のボンディングステージ35に移送される。
尚、本体1には制御部5が備えられており、本体1の制御は全て制御部5によって制御される。ボンディングステージ35に移送されたチップ仮置済み基板23が格納されたキャリア42は、ボンディングヘッド30の下部に移動する。
ボンディングヘッド30は図1では6個図示されており、キャリア42に格納されたチップ仮置済み基板23を6個一斉に半田付けすることができる。
ボンディングヘッド30は図1では6個図示されており、キャリア42に格納されたチップ仮置済み基板23を6個一斉に半田付けすることができる。
ボンディングヘッド30の下部にチップ仮置済み基板23の入ったキャリア42が移送されると、6個のボンディングヘッドＺ方向移動部40の駆動によって、6つのボンディングヘッド30が下降し半田付け作業が行われる。
図1に記載されたキャリア42には、18個のチップ仮置済み基板23が格納されており、ボンディングヘッド30は6個あるので3工程でキャリア42内の全てのチップ仮置済み基板23に半田付け作業が終了する。
また、ボンディングヘッド30とキャリア42の位置がずれたときは、Ｘ方向の調整はボンディングヘッドＸ方向移動部41によって行われ、Ｙ方向の調整はボンディングステージ35の移動によって行われる。
ただし、ボンディングヘッド30の吸引孔32がチップ20の中心部をずれたとしても、半田を溶解する間チップ20を吸着保持できればよいのでＸ方向とＹ方向に微調整することはない。
図1に記載されたキャリア42には、18個のチップ仮置済み基板23が格納されており、ボンディングヘッド30は6個あるので3工程でキャリア42内の全てのチップ仮置済み基板23に半田付け作業が終了する。
また、ボンディングヘッド30とキャリア42の位置がずれたときは、Ｘ方向の調整はボンディングヘッドＸ方向移動部41によって行われ、Ｙ方向の調整はボンディングステージ35の移動によって行われる。
ただし、ボンディングヘッド30の吸引孔32がチップ20の中心部をずれたとしても、半田を溶解する間チップ20を吸着保持できればよいのでＸ方向とＹ方向に微調整することはない。
ボンディングヘッド30とチップ仮置済み基板23の間隔Hもしくは動作等は、ギャップ観察カメラ46によって撮像され、制御部5によって所定間隔になるよう解析され制御される。
半田付け作業の終わったキャリア42はもとのスルーコンベア43の位置に移送されそのまま押し出されて、基板アンローダ45のケース内に収納されて、半田付け作業が終了する。
半田付け作業の終わったキャリア42はもとのスルーコンベア43の位置に移送されそのまま押し出されて、基板アンローダ45のケース内に収納されて、半田付け作業が終了する。
なおこの本体1の半田作業部分はケース491によって囲われており、ファン49とフィルタ(図示しない)を通して作業装置内をクリーンルーム化して空気を清浄にしている。
以上のような工程でボンディング作業が実行される。
以上のような工程でボンディング作業が実行される。
次に図2の(1)〜(4)について説明する。図2の(1)はボンディングヘッド30の下にチップ仮置済み基板23が載置された状態を示すものである。チップ20と基板21の間には既に所定の位置に半田ボール等の半田材が貼着されている。
また、ボンディングステージ35は暖められており、基板21は暖められ半田24が溶解しやすい状態になっている。
また、ボンディングステージ35は暖められており、基板21は暖められ半田24が溶解しやすい状態になっている。
つぎに図2の(2)はボンディングヘッドＺ方向移動部40によってボンディングヘッド30が下降し、ヘッド先端部301がチップ20に接触した状態を示す。
このときのチップ20と基板21は高さHの間隔に保持されている。
このときのチップ20と基板21は高さHの間隔に保持されている。
ヘッド先端部301がチップ20に接触したことは力センサー31によってボンディングヘッド30の荷重変化として検出され制御部5に送信されると、ボンディングヘッドＺ方向移動部40は直ちに停止し、その位置がチップ20の初期位置として記憶される。
その後図2の(3)の様に吸引孔32から空気が吸引されボンディングヘッド30の位置は変わらずに、チップ20が吸引されてボンディングヘッド30に吸着保持される。
次にあらかじめ設定された距離F〜Jにボンディングヘッド30が移動しながら(ただしまったく移動しない設定もある)チップ20を吸着保持したまま、パルスヒータ38が加熱し、半田24が溶解し図2の(4)のような状態になるようにボンディングヘッド30のＺ方向の位置を調整する。
次にあらかじめ設定された距離F〜Jにボンディングヘッド30が移動しながら(ただしまったく移動しない設定もある)チップ20を吸着保持したまま、パルスヒータ38が加熱し、半田24が溶解し図2の(4)のような状態になるようにボンディングヘッド30のＺ方向の位置を調整する。
その結果図2の(4)のように鼓状に溶解した半田241が完成し、そのままパルスヒータ38の加熱を停止することによって図2の(4)のような形状の半田付けが完成する。
上記のような構成によって、半田24が溶解してその表面張力によってその位置にとどまろうとする作用を利用して、半田が隣同士接続することを防止している。
このようにチップ20の位置が下側過ぎると溶解した半田の表面張力を破って隣同士が接続してしまうし、チップ20の位置が上側過ぎると溶解した半田の表面張力を超えて切れてしまう。そのような状況にならないようあらかじめ設定されたチップ20の位置になるようにボンディングヘッド30は制御されている。
その後、吸引孔32からの吸引が停止し、チップ20は開放され、チップ20の半田付け作業が完了する。
このようにチップ20の位置が下側過ぎると溶解した半田の表面張力を破って隣同士が接続してしまうし、チップ20の位置が上側過ぎると溶解した半田の表面張力を超えて切れてしまう。そのような状況にならないようあらかじめ設定されたチップ20の位置になるようにボンディングヘッド30は制御されている。
その後、吸引孔32からの吸引が停止し、チップ20は開放され、チップ20の半田付け作業が完了する。
以上のようにボンディングヘッド30は上下動するだけでよく、回転する必要がないので軽量化できる。更に力センサ31とボンディングヘッドＺ方向移動部40によってチップ20の調整位置が決定されるので複雑な構成を必要とせず、作業速度を早くすることができる。
なお、熱影響等によって機械全体が熱膨張したと考えられるときはダミーのチップ仮置済み基板をボンディングステージ35に載置して、ボンディングヘッド30を下降して、ヘッド先端部をダミーチップに接触させこの位置を基準位置にすれば、全体の熱膨張を解消することができる。上記熱膨張による誤差の測定は数分から数十分に一度行えばよい。
図4に図示された従来式のボンディングツール94でも同様の基準点調整を行うことで熱膨張による誤差を解消することができるが、チップ90の吸着部とレーザ961による測定部が離れているので、熱影響による誤差が解消できない場合が考えられる。
本発明の装置はチップ20を正確に載置することは考慮しなくてもよいので、ボンディングヘッド30には回転機構がいらない。なぜならば既にチップ20は基板21に載置された状態で供給されるので、チップ20の回転方向の位置制御は必要ないからである。
また、本発明はヘッド先端部301がチップ20に接触した位置を基準にするので、熱影響によって誤差が生じても大きな問題にならないほど僅かである。無駄な機構を省いたボンディングヘッド30によって、作業速度を大幅に向上できる。
図3は本発明に係る装置1に搬入されたキャリア42のフローチャートを図示したものである。図1に図示された構成のようにスルーコンベア43がありキャリア42を他のラインに流すことができるようになっている。
以上のように本発明ではあらかじめ前工程でチップ20を基板21上に仮置した状態で、本体1に装填される。チップ20と基板21の間に入れられた半田24が所定位置に貼着されて基板21の上に仮置されている。そこでボンディングヘッド30は下降してヘッド下端部301がチップ20に接触した位置を力センサ31によって計測し、その計測位置からチップ20の保持高さHを調整するように構成した。
そのためボンディングヘッド30は位置決め機能が高精度でなくてもチップ20を吸着保持して一定高さになるように調整されれば良いので、簡単な構造にすることが出来ると共に、下降速度を早くすることができ製作速度を早くすることができるようになった。
そのためボンディングヘッド30は位置決め機能が高精度でなくてもチップ20を吸着保持して一定高さになるように調整されれば良いので、簡単な構造にすることが出来ると共に、下降速度を早くすることができ製作速度を早くすることができるようになった。
また、制御部5で制御する為のプログラムが簡便でよいので短時間で実行できるので複数のボンディングヘッド30を装備することができ、一台で複数のチップ20と基板21を半田処理でき量産効率が上昇した。
更に長時間の連続使用によりボンディングヘッド30やボンディングステージ35が熱影響で変化することがあっても図2の(2)のようにチップ仮置済み基板23にボンディングヘッド30が接触位置の高さHを検出しその位置から高さF〜Jを調整するので装置の熱影響によって高さHに誤差を生じることが少なく、正確な制御をすることが出来、不良品の発生をおさえることができる。
たくさんのチップ仮置済み基板23を半田付けするためには、ボンディングステージ35は、大型にしたほうが保温性と熱効率がよく効率的である。また、ボンディングステージ35が熱影響によってチップ仮置済み基板23の載置高さが変化しても、ボンディングヘッド30がチップ20に接触してから高さ調整が行われるので、熱影響による変化に影響されにくく正確な半田付け作業が実行される。
そして複数のチップ仮置済み基板23を複数のボンディングヘッド30で半田付けするので、均一な製品を短いタクトで製作することができる。
本発明は様々な形状の半田部材の実装に応用することができる。
1 ボンディング装置本体
5 制御部
20 チップ
21 基板
23 チップ仮置済み基板
24 半田
241 鼓状に溶解した半田
30 ボンディングヘッド
301 ヘッド先端部
31 力センサ
32 吸引孔
35 ボンディングステージ
38 パルスヒータ
40 ボンディングヘッドＺ方向移動部
41 ボンディングヘッドＸ方向移動部
42 キャリア
43 スルーコンベア
44 基板ローダ
45 基板アンローダ
46 ギャップ観察カメラ
47 コンベア
49 ファン
491 ケース
90 チップ
91 基板
911 電極パッド
93 半田バンプ
94 ボディングツール
95 吸引孔
96 レーザ変位計
961 レーザ(光)
97 ツールホルダ
98 発熱部
99 ボンディングステージ
5 制御部
20 チップ
21 基板
23 チップ仮置済み基板
24 半田
241 鼓状に溶解した半田
30 ボンディングヘッド
301 ヘッド先端部
31 力センサ
32 吸引孔
35 ボンディングステージ
38 パルスヒータ
40 ボンディングヘッドＺ方向移動部
41 ボンディングヘッドＸ方向移動部
42 キャリア
43 スルーコンベア
44 基板ローダ
45 基板アンローダ
46 ギャップ観察カメラ
47 コンベア
49 ファン
491 ケース
90 チップ
91 基板
911 電極パッド
93 半田バンプ
94 ボディングツール
95 吸引孔
96 レーザ変位計
961 レーザ(光)
97 ツールホルダ
98 発熱部
99 ボンディングステージ
Claims (1)
- 半田材を介在させて複数の基板と複数のチップをそれぞれ仮置した状態の前記複数のチップを前記複数の基板にそれぞれボンディングする装置であって、
前記複数のチップをそれぞれ吸着保持して上下動可能な複数のヘッドと、
前記複数のヘッドが前記複数のチップにそれぞれ接触した接触位置を判断する複数の力センサと、
前記複数のヘッドをそれぞれ昇温冷却する複数のパルスヒータと、
前記複数のヘッドと前記複数の力センサと前記複数のパルスヒータを制御する制御部とを備え、
上下方向に直交する一つの方向がＸ方向とされ前記Ｘ方向及び上下方向にともに直交する方向がＹ方向とされ、
前記複数の基板と前記複数のチップが送り機構によって前記Ｘ方向においてボンディングステージまで移送されてボンディング作業が行われ、
前記ボンディングステージが前記Ｙ方向へ移動可能とされ、
前記複数のヘッドが前記Ｘ方向において並んで位置され、
仮置した状態の前記複数の基板と前記複数のチップが前記Ｘ方向及び前記Ｙ方向において並んで位置され、
前記ボンディングステージに移送された前記複数の基板が暖められ、前記複数のヘッドが前記複数の基板の上に仮置された前記複数のチップにそれぞれ接触した接触位置を前記複数の力センサで判断し、前記複数のチップを前記複数のヘッドでそれぞれ吸着して、前記複数の基板と前記複数のチップの間隙がそれぞれ一定になるようにして、前記複数のパルスヒータで前記複数のヘッドと前記複数のチップをそれぞれ昇温し、前記複数の基板と前記複数のチップに介在した半田材を溶融させるように前記制御部が制御するようにした
ことを特徴とするボンディング装置。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010264452A JP5437221B2 (ja) | 2010-11-29 | 2010-11-29 | ボンディング装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2010264452A JP5437221B2 (ja) | 2010-11-29 | 2010-11-29 | ボンディング装置 |
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|---|---|
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Family
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2010264452A Active JP5437221B2 (ja) | 2010-11-29 | 2010-11-29 | ボンディング装置 |
Country Status (1)
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20220254751A1 (en) * | 2019-11-19 | 2022-08-11 | Shinkawa Ltd. | Semiconductor device manufacturing device and manufacturing method |
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