JP5554671B2 - ダイボンディング装置及びボンディング方法 - Google Patents

Description

本発明は、ダイ(半導体チップ)を基板上に搭載するダイボンディング装置及びボンディング方法に関し、特に、ダイを接合する際の加熱による基板の変形を防止するための技術に関する。

一般に、ダイと呼ばれる半導体チップを、例えば、配線基板やリードフレームなどの基板の表面に搭載するダイボンディング装置においては、一般的に、コレットと呼ばれる吸着ノズルを用いて半導体チップを基板上に搬送し、押付力を付与すると共に、接合材を加熱することによりボンディングを行うという動作（作業）が繰り返して行われる。

従来、例えば、以下の特許文献１によれば、コレットの先端にダイを吸着し、これをリードフレーム上に搭載する装置であって、その途中で、コレットの先端に吸着された異物を除去してダイボンディングを行うものにおいて、当該コレットの先端をＩＴＶで撮像して異物の有無を判断し、その結果、コレットを加熱あるいは洗浄した後、気体を吹き付けて当該異物を除去するものが既に知れられている。

また、例えば、以下の特許文献２には、特に、スルーホール基板など、吸着力が低下することにより確実に把持することが難しい基板を、一枚ずつ、確実に把持して搬送するための搬送装置（搬送ステージ）が、既に開示されている。かかる装置では、スルーホール基板を搬送する際は、まず、エアブロー口から空気を噴出させてスルーホール基板を吸着し、その後、吸引口からの吸引に切り替えて当該スルーホール基板を把持部に確実に吸着固定する。

特開平６-３０２６３０号公報 特開平１１-３０７３２１号公報

ところで、上述したように、ダイ（半導体チップ）を基板の表面に搭載するダイボンディング装置では、ボンディングを行う前段階において、ダイを搭載する基板を搬送ステージ上に搭載固定し、当該基板表面のダイ（半導体チップ）を搭載する位置に、例えば、銀ペーストや熱硬化性の接着剤などを塗布し、その後、コレットの先端にダイを吸着して基板上に搬送し、そして、押付力を付与すると共に加熱することにより電子部品のボンディングを行う。
また、すでにダイ（半導体チップ）裏面に熱硬化性の接着テープを接着してある場合は、銀ペーストや熱硬化性の接着剤などを基板に塗布しない状態でコレットの先端にダイを吸着して基板上に搬送し、そして、押付力を付与すると共に加熱することにより電子部品のボンディングを行う。

その際、上述した加熱に伴い、配線基板やリードフレームなどの基板にもその熱が伝達され、そのため、当該基板に熱変形が発生してしまう。なお、一般に、当該基板は、搬送ステージの表面上において、例えば、その表面に複数形成された吸引口により吸着保持されている。しかしながら、場合によっては、基板をステージの表面上に吸引している真空状態が、当該基板の熱変形によって生じるリークによって破壊されてしまうことがある。即ち、真空至達エラーが発生してしまう、という問題があった。なお、かかる真空至達エラーの発生は、装置の停止にも至ることから、装置の稼働率の低下にも繋がり、更には、製品の精度の向上や接合品質の向上にも悪影響を与えてしまう。

そこで、本発明は、上述した従来技術における問題点などを考慮して達成されたものである。より具体的には、コレットの先端に吸着したダイを、ステージに吸着保持されている基板上に接合（ボンディング）する際、当該基板の熱変形によって真空至達エラーが発生することを防止するための構造を備えたダイボンディング装置及びボンディング方法を提供することをその目的とするものである。

本発明によれば、上述した目的を達成するため、まず、基板を吸着及び保持して搬送する又は基板を吸着及び保持するステージと、先端に半導体チップを吸着及び保持するコレットを含むボンディングヘッドと、前記ボンディングヘッドを保持して水平方向に移動する水平移動機構と、前記コレットを上下方向に移動する垂直移動機構と、前記半導体チップを前記基板上にボンディングする際、前記ステージ上に吸着及び保持される基板の表面にホットエアを吹き付ける吹付装置を備えているダイボンディング装置が提供される。

また、本発明では、前記に記載したダイボンディング装置において、前記吹付装置は、前記ボンディングヘッドからは独立して移動可能であってもよい。又は、前記吹付装置は、前記ボンディングヘッドと一体に構成されてもよく、その場合、前記吹付装置は、ホットエアを吹き付けるノズルを前記ボンディングヘッドのコレット周辺に取り付けて構成することができる。あるいは、吹付装置は、ホットエアを吹き付けるノズルを前記ボンディングヘッドのコレット内部に取り付けて構成することもできる。
加えて、前記吹付装置から吹き付けられるホットエアの温度は、前記ホットエアの吹き付けにより前記ステージ上で加熱される前記基板の温度が変化しない程度の温度に設定されていることが好ましい。

また、本発明は、ステージが基板を吸着及び保持して前記基板を搬送する又は基板を吸着及び保持するステップと、ボンディングヘッドの先端に半導体チップを吸着及び保持するコレットが、半導体チップを前記基板にボンディングするステップと、吹付装置が、前記半導体チップを前記基板上にボンディングする際に、前記基板の表面にホットエアを吹き付けて、前記ステージ上における前記基板を吸着及び保持を補助するステップと、を有することを特徴とするダイボンディング方法が提供される。

上述した本発明によれば、コレットの先端に吸着したダイを、ステージに吸着保持されている基板上に接合（ボンディング）する際、当該基板の熱変形によって真空至達エラーが発生することを防止することが可能なダイボンディング装置が提供され。もって、装置の稼働率の低下を防止し、更には、製品の精度の向上や接合品質の向上に資するという実用的にも優れた効果を発揮する。

本発明の一実施形態になるダイボンディング装置（ダイボンダ）の全体を上から見た上面斜視図である。 上記ダイボンディング装置（ダイボンダ）のボンディングヘッドとホットエア吹付装置の詳細を示す、一部断面を含む拡大図である。 本発明の他の実施形態になるダイボンディング装置（ダイボンダ）のコレットとホットエア吹付ノズルの詳細構造を示す図である。 本発明の他の実施形態になるダイボンディング装置（ダイボンダ）のコレットとホットエア吹付ノズルの別の詳細構造を示す図である。

以下、本発明の一実施の形態について、添付の図面を参照しながら、詳細に説明する。

まず、図１は、本発明の一実施形態になるダイボンディング装置（「ダイボンダ」とも言う）１の全体を上から見た上面斜視図である。ダイボンダ１は、種々の半導体装置の組み立て工程に用いられており、図にも示すように、左手前側にカセットリフタ２が設けられている。このカセットリフタ２には、ウェハリング（フレーム）Ｒに貼り付けられたテープに接着された半導体ウェハＷが格納されている。ウェハ取り出し機構によって、半導体ウェハＷがカセットリフタ２から、順次、取り出される。

カセットリフタ２の右側には、ウェハ修正シュート３が設けられている。ウェハ修正シュート３は、カセットリフタ２から取り出された半導体ウェハＷを固定して位置決めを行う。

また、ウェハ修正シュート３の右側には、リング搬送部５、操作制御部６がそれぞれ設けられている。リング搬送部５は、ウェハ修正シュート３によって位置決めされた半導体ウェハＷをウェハホルダ７に搬送する。操作制御部６は、ダイボンダ１全体の制御を行う。

リング搬送部５の後方には、前述したウェハホルダ７が配置されている。ウェハホルダ７は、リング搬送部５によって搬送された半導体ウェハＷを搭載し、固定する。ウェハホルダ７の上方には、ウェハ画像認識カメラ４が取り付けられている。ウェハ画像認識カメラ４は、ウェハホルダ７に位置した半導体ウェハＷの全体画像を取り込む。このウェハ画像認識カメラ４の下方には、切断された半導体チップ（所謂、ダイ）ＣＨを１個毎ピックアップするピックアップ機構が設けられている。

カセットリフタ２の後方には、ローダ８が設けられている。このローダ８は、半導体ウェハＷからピックアップされた半導体チップ（ダイ）ＣＨが装着される基板である、リードフレームＦなどが格納されている。

更に、ローダ８の後方には、左側から右側にかけて、フレームフィーダ９が設けられている。このフレームフィーダ９は、リードフレームＦを搬送し、その上方における所定の位置には、左側から右側にかけて、ここでは図示しないプリフォームヘッド、更には、ボンディングヘッド１１、並びに、フレーム及びチップ確認用カメラ１２が、それぞれ設けられている。

プリフォームヘッドは、フレームフィーダ９に搬送されたリードフレームＦの所定の位置に半導体チップ（ダイ）ＣＨを接合する、例えば、銀ペーストや熱硬化性の接着剤などを塗布する。ボンディングヘッド１１は、半導体チップ（ダイ）ＣＨをリードフレームＦに装着する際のボンディングツールである。フレーム及びチップ確認用カメラ１２は、リードフレームの位置を認識するための画像及びボンディングした後の半導体チップＣＨの位置を認識するための画像を取り込む。

フレームフィーダ９の右側端部には、マガジンラック１３が設けられている。このマガジンラック１３の前方には、図示しないアンローダが設けられている。即ち、半導体チップ（ダイ）ＣＨがボンディングされたリードフレームＦは、マガジンラック１３に収納された後、当該アンローダに格納される。

そして、本発明では、図からも明らかなように、更に、以下にその詳細を説明するホットエア吹付装置２０が設けられている。なお、図中の符号２１は、その出口にヒータ２１１等を取り付け、加熱したエアをホットエア吹付装置２０へ供給するエアブロワーである。そして、符号２２は、エアブロワー２１からホットエア吹付装置２０へ供給されるホットエアを断続するためのオン／オフ（ＯＮ／ＯＦＦ）バルブを示している。

続いて、上述したダイボンダを構成する構成要件のうち、特に、本発明に関連する部品であるボンディングヘッド１１とホットエア吹付装置２０の詳細について、図２を参照しながら、以下に説明する。

図２にも示すように、ボンディングヘッド１１は、円筒状のエアシリンダ１１０と、エアシリンダ１１０の内周面を摺動して上下に移動可能に取り付けられたピストン１２０と、そして、ピストン１２０の下端から下方に伸びたシャフト１２５と、その下端に形成されたコレット１３０とから構成されている。なお、図からも明らかなように、エアシリンダ１１０の上面には、圧縮エアが供給される開口部が設けられており、当該開口部を介して、外部の圧縮ポンプＰなどからチューブ１１２などにより供給制御される圧縮エアがその内部に供給されることにより、ピストン１２０が上下に移動する。それと同時に、その下端から下方に伸びて形成されたコレット１３０も同時に上下に移動する。なお、ここでは図示しないが、コレット１３０の先端に半導体チップ（ダイ）ＣＨを吸着するための負圧を供給するためのチューブが設けられていることは、当業者であれば当然であろう。また、図中の符号１００は、ボンディングヘッド１１を保持し、水平方向（ＸＹ方向）に移動するための機構であるボンディングアームを示している。

一方、ボンディングヘッド１１の下方には、ステージ３０が設けられている。表面に複数形成された吸引口３１が真空状態となることにより、その表面上に基板であるリードフレームＦを吸着保持している。ステージ３０は、リードフレームＦを吸着及び保持し、ダイボンディングが終了するとリードフレームＦを搬送するものと、リードフレームＦの搬送は行わずにリードフレームＦを吸着及び保持するもののいずれでも構わない。なお、リードフレームＦを搬送しないステージ３０を用いたとき、ダイボンディングが終了すると、リードフレームＦに振動を与えてリードフレームＦを搬送する。
なお、ステージ３０上に吸着保持されたリードフレームＦは、半導体チップ（ダイ）ＣＨのボンディングを行う際、上述したように、熱変形を生じ、そのため、図に破線で示すように、所謂、反りが生じてしまう。そのため、基板をステージの表面上に吸引している真空状態が、当該基板の熱変形によって生じるリークによって破壊されてしまい、所謂、真空至達エラーが発生してしまうという問題があった。

そこで、図２にも示すように、半導体チップ（ダイ）ＣＨのボンディングを行う際（例えば、ボンディングヘッド１１が下降を開始する際など）、ボンディングヘッド１１の上方に上述したホットエア吹付装置２０を移動し、そして、下方に向けてホットエアＨＡを吹き付ける。即ち、この下向きのホットエアＨＡは、ステージ３０上に吸着保持されたリードフレームＦ、即ち、基板の全体を、下方に押し付けることから、その熱変形による反りが低減される。リードフレームＦは、ステージ３０上に良好に吸着保持されることとなり、そのため、真空至達エラーの発生を防止することとなる。

なお、図の例では、ホットエア吹付装置２０は、ボンディングヘッド１１の水平断面よりも大きな（少なくとも、そのエアシリンダ１１０を覆うような）断面を有する箱体の底面に、例えば、その中心部を取り囲むように複数の吹出孔２０１を形成して構成されている。そして、ボンディングヘッド１１と同様、水平方向（ＸＹ方向）に移動するための機構であるアーム２００により保持される。そのため、ホットエア吹付装置２０も自在に移動可能となっている。また、図中の符号２３は配管を示す。

また、ホットエア吹付装置２０からリードフレームＦに吹き付けるホットエアＨＡの温度は、例えば、約１２０℃になるように設定されている。これは、ボンディングの際、ステージ３０上で１５０℃程度の温度に加熱されることを考慮し、ホットエアＨＡの吹き付けによっても、基板であるリードフレームＦの温度を変化させることなく、略一定に保持するためである。即ち、ホットエア吹付装置２０から吹き付けられるホットエアＨＡの温度は、ホットエアＨＡの吹き付けによりステージ３０上で加熱される前記基板の温度が変化しない程度の温度に設定されていることが好ましい。加えて、このホットエアＨＡのリードフレームＦ表面への吹き付けは、半導体チップ（ダイ）ＣＨのボンディングを行う期間だけで十分であり、ボンディング動作の後からフレーム搬送の間は、吹き付けを停止してもよい。即ち、上記バルブ２２を、ステージによる吸着の開始と共にオン（ＯＮ）し、その後、終了に伴ってオフ（ＯＦＦ）する。

更には、上述したように、ホットエアＨＡの吹き付けによれば、基板に非接触でその変形を抑え込むことが可能となり、従来の機械式のクランパでは抑えられない部分をも、抑え込むことが可能となり、極めて好適である。そして、更には、基板上の異物の除去も可能となるという優れた効果をも発揮する。

続いて、図３には、本発明の他の実施例になるダイボンディング装置（ダイボンダ）が、特に、そのボンディングヘッド１１のコレット１３０と、そして、ホットエア吹付装置２０に替えて、コレット１３０の周辺に複数（本例では４本）のホットエア吹付ノズル２３を一体に取り付けた構造が示されている。なお、図３（Ａ）は、コレット１３０とホットエア吹付ノズル２３を含む斜視図であり、図３（Ｂ）は、そのＢ−Ｂ断面を示している。

これらの図からも明らかなように、この他の実施例では、上述した箱型でかつボンディングヘッドから独立したホットエア吹付装置２０に替えて、複数のホットエア吹付ノズル２３のそれぞれが、コレット１３０の周辺に一体に取り付けられている。このことから、ホットエア吹付装置２０を移動するための機構を必要とせず、特に、装置の簡素化に好適な構造である。なお、複数のホットエア吹付ノズル２３からの基板表面へのホットエアＨＡの吹き付けにより、上述した実施例と同様の効果が得られることは、当業者であれば明らかであろう。

図４は、本発明の他の実施例になるダイボンディング装置（ダイボンダ）が、ボンディングヘッド１１のコレット１３０の内部に、複数のホットエア吹付ノズル２３を備えた構造の断面を示す。本実施例では、複数のホットエア吹付ノズル２３が、コレット１３０の内部に取り付けられている。このことから、ホットエア吹付装置２０を移動するための機構を必要とせず、装置の簡素化に好適な構造である。複数のホットエア吹付ノズル２３からの基板表面へのホットエアＨＡの吹き付けにより、上述した実施例と同様の効果が得られる。

なお、以上に述べた実施例では、ホットエア吹付装置２０又は複数のホットエア吹付ノズル２３へホットエアＨＡを供給するための手段として、その出口にヒータ２１１を取り付けたエアブロワーを一例として示した。本発明では、これらにのみ限定されることなく、その他、例えば、圧縮エアを利用することも可能である。加えて、ホットエア吹付ノズルの数についても、適宜、必要となる数だけ設ければよいことは明らかであろう。

１１…ボンディングヘッド、１１０…エアシリンダ、１２０…ピストン、１３０…コレット、１２５…シャフト、２０…ホットエア吹付装置、２１…エアブロワー、２１１…ヒータ、２２…バルブ、２３…ホットエア吹付ノズル、３０…ステージ。

Claims (5)

1. 基板を吸着及び保持して搬送する又は基板を吸着及び保持するステージと、
   先端に半導体チップを吸着及び保持するコレットを含むボンディングヘッドと、
   前記ボンディングヘッドを保持して水平方向に移動する水平移動機構と、
   前記コレットを上下方向に移動する垂直移動機構と、
   前記ステージ上に吸着及び保持される基板の表面にホットエアを吹き付ける吹付装置と、
   装置全体の制御を行う操作制御装置とを備えており、
   前記吹付装置は、前記ボンディングヘッドと一体に構成されており、
   前記吹付装置は、ホットエアを吹き付けるノズルを前記ボンディングヘッドの前記コレット内部に取り付けて構成されており、かつ、
   前記操作制御装置は、前記半導体チップを前記基板上にボンディングする際、前記吹付装置により、前記ステージ上に吸着及び保持される基板の表面にホットエアを吹き付けることを特徴とするダイボンディング装置。
2. 前記請求項１に記載したダイボンディング装置において、前記吹付装置は、前記ボンディングヘッドからは独立して移動可能であることを特徴とするダイボンディング装置。
3. 前記請求項１に記載したダイボンディング装置において、前記吹付装置は、ホットエアを吹き付けるノズルを前記ボンディングヘッドの前記コレット周辺に取り付けて構成されていることを特徴とするダイボンディング装置。
4. 前記請求項１に記載したダイボンディング装置において、前記操作制御装置により、前記吹付装置から吹き付けられるホットエアの温度が、前記ホットエアの吹き付けにより前記ステージ上で加熱される前記基板の温度が変化しない程度の温度に設定されていることを特徴とするダイボンディング装置。
5. 基板を吸着及び保持して搬送する又は基板を吸着及び保持するステージと、
   先端に半導体チップを吸着及び保持するコレットを含むボンディングヘッドと、
   前記ボンディングヘッドを保持して水平方向に移動する水平移動機構と、
   前記コレットを上下方向に移動する垂直移動機構と、
   前記ステージ上に吸着及び保持される基板の表面にホットエアを吹き付ける吹付装置と、
   装置全体の制御を行う操作制御装置とを備え、
   前記吹付装置は、前記ボンディングヘッドと一体に構成されており、
   前記吹付装置は、ホットエアを吹き付けるノズルを前記ボンディングヘッドの前記コレット内部に取り付けて構成されたダイボンディング装置におけるダイボンディング方法であり、
   前記ステージが前記基板を吸着及び保持して前記基板を搬送する又は基板を吸着及び保持するステップと、
   前記ボンディングヘッドの先端に前記半導体チップを吸着及び保持する前記コレットが、前記半導体チップを前記基板にボンディングするステップと、
   前記吹付装置が、前記半導体チップを前記基板上にボンディングする際に、前記基板の表面にホットエアを吹き付けて、前記ステージ上における前記基板を吸着及び保持を補助するステップと、を有することを特徴とするダイボンディング方法。

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