JP5766420B2 - ダイボンディング装置とボンディング方法 - 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に関し、特に、半導体チップを吸着しながら基板の表面に搬送して搭載するコレットの着地を検出するボンディング方法に関する。

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。その際、このコレットによるボンディング作業では、その先端に半導体チップ（ダイ）を吸着したコレットは水平方向（ＸＹ方向）において基板上を移動し、所定の距離だけ高速で下降した後、一旦、停止して半導体チップを基板上に押し付けるための荷重切替を行って徐々に下降することにより、押付力の付与を実現していた。

そして、従来、当該コレットが下降する際、ダイを介して基板上に当接したことを検出するための技術が既に知られている。例えば、以下の特許文献１によれば、ダイボンダのコレットタッチ検出機構が開示されており、当該機構によれば、孔を有する基準台がコレットの移動範囲内に設けられる。そして、当該孔は、配管を介して気体供給源に接続されて、気体吹き出し孔として機能する。この孔の上方よりダイを吸着保持したコレットを下降させると、ダイと孔との間隔が狭まるについて、上記配管の内部圧力が変化し、この圧力の変化を圧力センサにより随時検出することにより、圧力変動に基づいてコレットのタッチ（着地）時点を検出する。

特開平１０-２２３０７号公報

しかしながら、上述した従来技術になるコレットタッチ検出機構は、基準台を備えたその構成から、実際のダイボンディング装置に採用することは難しく、そのため、より簡単な構成により確実にコレットの着地を検出することを可能とする技術が求められている。加えて、実際のダイボンディング装置では、コレットの先端に吸着されたダイが、それ自体の変形による高さの異常や異物の混入等、何らかの原因により傾斜して保持され、そのため、傾斜した状態で基板上に押し付けられた場合等には、当該ダイに不均衡な押圧力が加わり、ダイが破損してしまうことも報告されている。

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、比較的簡単な構造により、コレットの着地と共にコレットの先端に吸着保持されたダイの傾斜をも含め、より確実に検出することを可能とするダイボンディング装置と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、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、前記ボンディングヘッドと前記コレットとの間の一部に、複数個の感圧素子を備えた着地及び傾斜検出部と、を設けたダイボンディング装置が提供される。

なお、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、前記着地及び傾斜検出部は、前記コレットから伸びたシャフトを二つに分離してその当接部に対向するように形成した一対の鍔部を有し、前記感圧素子が前記一対の鍔部の間に前記シャフトの中心に対して均等に配置して構成されていることが好ましい。
更には、前感圧素子はピエゾ素子であり、前記ピエゾ素子は、２乃至４個のいずれかであることが好ましい。

加えて、本発明によれば、やはり上述した目的を達成するため、コレットから伸びたシャフトを二つに分離してその当接部に対向するように形成した一対の鍔部の間に、複数の感圧素子を、前記シャフトの中心に対して均等に配置し、前記複数のピエゾ素子からの圧力検出信号の合計に基づいて、当該コレットの着地を検出し、前記複数の感圧素子からの圧力検出信号の差異に基づいて、前記コレットの先端に吸着した半導体チップを含めた傾斜を検出する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、比較的簡単な構造により、コレットの着地と共に、コレットの先端に吸着保持されたダイの傾斜をも含めて、より確実に検出することを可能とするダイボンディング装置とボンディング方法が提供され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。 上記ダイボンダを構成するボンディングヘッドの詳細構造を示す、一部断面を含む斜視図である。 上記ボンディングヘッドにおけるコレットの着地及び傾斜検出部の詳細構造を示す分解斜視図である。 上記コレットの着地及び傾斜検出部の回路構成の一例を示すブロック図である。 上記ボンディングヘッドの駆動機構の一例を示すブロック図である。 本発明の他の実施形態になるコレットの着地及び傾斜検出部の構成を示す分解斜視図である。 本発明の更に他の実施形態になるコレットの着地及び傾斜検出部の構成を示す分解斜視図である。

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、添付の図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）１０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る。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。ウェハ画像認識カメラ４は、ウェハ修正シュート３に位置した半導体ウェハＷの全体画像を取り込む。

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。このウェハホルダ７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、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、銀ペーストなどの接着剤を塗布する。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。チップ確認用カメラ１２は、ピックアップする半導体チップ（ダイ）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が設けられており、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、マガジンラックに収納された後、当該アンローダに格納される。

続いて、上述したダイボンダ１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て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１１１が設けられている。開口部１１１を介して、外部の圧縮ポンプ部Ｐからチューブ１１２などにより圧力制御された圧縮エアがその内部に供給される。ピストン１２０を介してコレット１３０に荷重が印加される。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）及び垂直方向（Ｚ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。

そして、本発明では、コレット１３０をピストン１２０に連結するシャフト１２５の一部には、コレットの着地及び傾斜検出部２００が設けられている。なお、この着地及び傾斜検出部２００は、以下にも詳細に説明するが、コレット１３０が下降する際、先端に吸着した半導体チップ（ダイ）ＣＨを介して基板であるリードフレームＦ上に当接したこと（着地）を検出すると共に、先端に吸着した半導体チップ（ダイ）ＣＨを含めた傾斜を検出することが出来る。

図３には、上述したコレットの着地及び傾斜検出部２００の詳細構造が、分解した状態で示されている。即ち、ピストン１２０とコレット１３０を連結するシャフト１２５は上下の２つの部分に分割（分離）されている。上部シャフト１２５Ｕの下端部と、下部シャフト１２５Ｄの上部、即ち、これら２つに分離されたシャフトの当接部には、外形が略三角形状の鍔部２１１、２２１が一体に形成されている。そして、これら一対の三角形状の鍔部２１１、２２１が、互いに対向して配置されている。それらの角部には、それぞれ、感圧素子であるピエゾ素子２３０が３個（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）、それらの間に挿入して配置され、これらが一体に組み立てられている。なお、これら３個のピエゾ素子２３０は、図からも明らかなように、コレット１３０から上方に伸びるシャフト１２５の中心Ｃに対して均等に、即ち、それぞれ、中心Ｃから等距離ｄだけ離れると共に、互いに３６０÷３＝１２０度の角度だけ離れた位置に、それぞれ、配置されている。

即ち、上述した構成になる着地及び傾斜検出部２００によれば、何らかの原因でコレット１３０が、又は、その先端に吸着及び保持した半導体チップが傾斜した場合、３個の感圧素子であるピエゾ素子Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３からの出力にアンバランスが生じる。そこで、これら３個のピエゾ素子Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３からの出力により、例えば、その重心点を求め、本来の（傾斜していない場合の）重心点からの外れた距離（乖離度）を求め等によれば、コレット１３０又はその先端に吸着及び保持した半導体チップが傾斜を、容易に、検出することが可能である。

図４には、上記コレットの着地及び傾斜検出部２００の回路構成が示されている。この図からも明らかなように、一対の三角形状の鍔部２１１、２２１の間に挿入した配置された３個のピエゾ素子２３０（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）から出力された検出信号は、それぞれ、増幅器ＡＭ１、ＡＭ２、ＡＭ３により所定の増幅率で増幅される。これらの信号を、各々の信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３とすると、信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は、それぞれ処理回路３００に入力される。また、これらの信号を加算した合計信号（Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３）も、ここでは図示しないＡ／Ｄ変換機を介して、処理回路３００に入力される。処理回路３００は、例えば、ＣＰＵ等により構成される。なお、この処理回路３００では、例えば、上記合計信号（Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３）が所定の値を超えた場合、上記の着地を検出することが出来る。また、各々の信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の間の差異によれば、コレット１３０の先端に吸着した半導体チップ（ダイ）ＣＨを含めた傾斜を検出することが出来る。

更に、図５には、上記の本発明になるボンディングヘッド１１の駆動機構が示されている。かかる駆動機構によれば、吸着ノズルであるコレット１３０の先端に半導体チップ（ダイ）ＣＨを吸着して水平方向（ＸＹ方向）に移動し、基板であるリードフレームＦ上に移動する。ボンディングヘッド１１が、所定の距離だけ高速で下降した後、一旦、停止して半導体チップを基板上に押し付けるための荷重切替を行い、徐々に下降する。そして、上述したように、処理回路３００は、着地及び傾斜検出部２００からの検出信号により半導体チップ（ダイ）ＣＨが基板であるリードフレームＦ上に当接したこと（着地）を検出すると、圧縮エアを供給する電動モータ（Ｍ）の回転を停止し、又は、図示しないバルブを閉止して、ボンディングヘッド１１の下降動作を停止する。着地及び傾斜検出部２００からの検出信号により、コレット１３０の先端に吸着した半導体チップ（ダイ）ＣＨを含めた傾斜を検出した場合には、ボンディング作業のエラーを表示すると共に、装置の動作を停止する。

なお、上述した実施例では、上記着地及び傾斜検出部２００に搭載するピエゾ素子２３０の数は３個であるとして説明した。しかしながら、本発明はこれのみに限定されることなく、複数個、例えば、２個又は４個のピエゾ素子２３０によっても、同様に、上記の着地及び傾斜検出部２００を構成することが出来る。

図６には、搭載するピエゾ素子２３０の数を２個とした場合における、上記着地及び傾斜検出部２００の構成が示されている。即ち、２個のピエゾ素子Ｐ１とＰ２が、シャフト１２５の中心Ｃから等距離ｄだけ離れると共に、互いに３６０÷２＝１８０度の角度だけ離れた位置に、それぞれ、配置されている。なお、この他の実施形態になるコレットの着地及び傾斜検出部２００の構成によっても、上記と同様、コレット１３０の着地を検出すると共に、コレット１３０の先端に吸着した半導体チップ（ダイ）ＣＨを含めた傾斜を検出することが出来ることは、当業者であれば明らかであろう。

また、この図からも明らかなように、搭載するピエゾ素子２３０の数を２個とした場合、部品点数の減少により、ボンディングヘッド１１をより安価に製造することが可能となる。他方、その構成からは、検出可能な傾斜は、これら２個のピエゾ素子Ｐ１とＰ２が配置された一の方向の傾斜に限定されてしまうこととなる。

また、図７には、更に他の実施の形態として、搭載するピエゾ素子２３０の数を４個とした場合における、着地及び傾斜検出部２００の構成が示されている。即ち、４個のピエゾ素子Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４が、シャフト１２５の中心Ｃから等距離ｄだけ離れると共に、互いに３６０÷４＝９０度の角度だけ離れた位置に、それぞれ、配置されている。なお、図からも明らかなように、搭載するピエゾ素子２３０の数を４個、更には、それ以上とした場合には、検出可能な傾斜は一の方向に限定されることなく、如何なる方向における傾斜であっても、コレット１３０の先端に吸着した半導体チップ（ダイ）ＣＨを含めた傾斜を精度よく検出することが可能となる。

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、２００…着地及び傾斜検出部、２１１、２２１…鍔部、２３０…ピエゾ素子（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４）。

Claims (7)

1. 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、
   前記ボンディングヘッドと前記コレットとの間の一部に、複数個の感圧素子を備えた着地及び傾斜検出部と、
   前記傾斜を検出した場合にエラーを表示する表示部と、
   を有することを特徴とするダイボンディング装置。
2. 請求項１に記載したダイボンディング装置において、
   前記着地及び傾斜検出部は、前記コレットから伸びたシャフトを二つに分離してその当接部に対向するように形成した一対の鍔部を有し、前記感圧素子が前記一対の鍔部の間に、前記シャフトの中心に対して均等に配置し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。
3. 請求項２に記載したダイボンディング装置において、前記感圧素子はピエゾ素子であることを特徴とするダイボンディング装置。
4. 請求項３に記載したダイボンディング装置において、前記ピエゾ素子は、２乃至４個のいずれかであることを特徴とするダイボンディング装置。
5. 請求項１に記載したダイボンディング装置において、さらに複数個の感圧素子と接続された処理回路を有し、前記感圧素子から得られた合計信号が所定の値を超えた場合に着地を検出することを特徴とするダイボンディング装置。
6. 請求項５に記載したダイボンディング装置において、前記感圧素子から得られた信号の差異により傾斜を検出することを特徴とするダイボンディング装置。
7. コレットから伸びたシャフトを二つに分離してその当接部に対向するように形成した一対の鍔部の間に、複数の感圧素子を、前記シャフトの中心に対して均等に配置し、
   前記複数の感圧素子からの圧力検出信号の合計に基づいて、前記コレットの着地を検出し、
   前記複数の感圧素子からの圧力検出信号の間の差異に基づいて、前記コレットの先端に吸着した半導体チップを含めた傾斜を検出し、
   前記傾斜を検出した場合にエラーを表示することを特徴とするボンディング方法。

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