JP5775533B2 - チップダイを取り上げて載置するシステムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、部品組み付け工程において部品を取り上げて載置するように構成されたマニピュレータ装置に関する。

部品載置の一例は、ダイ載置の分野にある。基板上へのダイの高速（１秒当たりダイ約１個）かつ正確な（１０ミクロン台）載置のために設計された現在のダイボンド装置においては、その精度は多くの機械パラメータに依存する。正確な載置に到達するための方策は、一般に以下のとおりである。
１．ボンドヘッドは、（基板を見るために）下向きのカメラとピックアップツールとで構成される。
２．ダイをドナー基板（例えばウエハ）から取り上げる。
３．ピックアップツールに対するダイの向きを測定し、位置ずれがある場合はこれを補正するために、ダイを上向きのカメラまで移動する。
４．ボンドヘッドを基板上の載置位置に移動する。ボンドヘッドの位置情報を得るために、カメラの画像を用いる。
５．ダイを載置位置の上方に位置付けるために、ボンドヘッドを移動する。
６．ダイを載置する。

ステップ５が必要である理由は、ツールとカメラとをボンドヘッド上の同じ位置に配置できないからである。したがって、載置位置の測定後に一ステップが必要とされ、その前後においては位置の検証は不可能である。この「ブラインド」ステップの長さは、ツールおよびカメラユニットのサイズに応じて約５〜１０ｃｍである。このブラインドステップの精度は、軸受の精度および測定に依存し、複雑な較正方式を必要とする。したがって、総合的な載置精度は依然として実用上低すぎることになりうる。載置誤差のさらなる低減が必要とされている。

本発明の一態様によると、部品組み付け工程において部品を取り上げて載置するように構成されたマニピュレータ装置が提供される。本装置は、基板上の載置位置に対してＺ軸沿いに部品を載置するように構成されたＺストロークと、載置位置に対して部品を位置合わせするように構成された作動システムと、部品を取り上げてこの部品を載置位置に載置するためにＺストローク上に配置されたピックアップヘッドと、作動システムに結合された位置合わせシステムとを備え、位置合わせシステムは、第１の軸外位置（図２のＡ）に配置されて部品からの光を受光するように構成された画像検出システムを備える。位置合わせシステムは、第２の軸外位置（Ｂ）に配置された円弧状の凹球面鏡と、光を第３の軸外位置（Ｃ）に折り返すために光路に配置された折り返し鏡と、第３の軸外位置（Ｃ）に配置された、画像検出システム上に部品を結像するための曲率を有する円弧状の凸球面鏡と、を備えた結像システムをさらに備える。この結像システムは、傾斜した画像検出を補正する。この結果、本画像検出システム上においては部品の完全な視野に焦点が合うことになる。

部品を結像するために使用される光学系は、カメラを光源に置換するか、またはカメラを光路内でビームスプリッタに結合することによって、部品の照明にも使用可能である。

機械セットアップにおける画像検出システムの概略図を示す。 図１で参照した結像システムの一実施形態の詳細図を示す。 別の態様による一実施形態を示す。

図１を参照すると、ダイ２と基板６との組み合わせ画像と、同じ位置への載置とを提供する光学システムを備えた、当該技術分野において「ボンドヘッド」として公知のチップダイマニピュレータ装置１が提案される。このシステムを用いると、要求された載置位置に既にあるダイ２を用いて載置位置５を測定できる。ダイの真下を見ることができる光学システムを用いると、上記のブラインドステップ５を排除できる。これはほぼ「狙い撃ち（ａｉｍ ａｎｄ ｓｈｏｏｔ）」原理であり、検出後はアクチュエータ３による追加のＸＹ移動は不要である。唯一残っている移動は、Ｚストローク４を用いた実際の載置のための移動である。この移動は、機械的反復性に基づき行うことができる。したがって、載置精度は、機構の精度には最早依存しない。なお、中国特許出願公開第１７３８５２６号は、ダイと基板上の載置位置とを同時に斜め方向から半透鏡を介して撮像する固定カメラ配置を開示している。ただし、カメラの傾斜姿勢は、簡単には解決不能な焦点深度要件を伴う。また、上記公開に開示されているダイおよび載置位置の同時カメラ位置合わせは、高すぎると見なされる載置誤差を依然として引き起こす。

したがって、より正確な視覚センサーを選択することによって機械精度を載置精度から排除でき、より高い精度に向けてシステムを調整できる。また、非組み合わせ測定システムに比べ、較正の手間が減る。図１は、同軸視認システムの１つの構成を示す。画像検出システム９は、当該ツールによって斜めに位置決めされる。半透鏡１０またはビームスプリッタキューブを用いることによって、１つのカメラを用いて基板６の上面とダイの底面の両方を見ることができる。２つの投影図間のクロストークを減らすために、基板とダイの投影図間を切り替えるためのシャッターを追加できる。ただし、それぞれ別個の位置合わせシステムを用いて載置位置５とダイ２とを結像することも可能である。また、ダイのサイズがカメラの視野よりはるかに大きい場合は、鉛直Ｚ軸周りの回転測定精度を上げるために、第２のカメラ９０を追加できる。したがって、部品組み付け工程において部品を取り上げて載置するように構成されたマニピュレータ装置１が開示される。本装置は、基板６上の載置位置５に対してＺ軸に沿って載置するように構成されたＺストローク４と、載置位置５に対して部品２を位置合わせするように構成された作動システム３と、部品２を取り上げて載置位置５に載置するためにＺストローク４上に配置されたピックアップヘッド７と、作動システム３に結合された位置合わせシステム８とを備え、位置合わせシステム８は、第１の軸外位置Ａに配置されて載置位置５からの光を受光する画像検出システム９を備える。作動システムは、原理上、如何なる座標参照系でも使用でき、一般にＺ軸に直角な平面での運動用に設計される。１つの例は、直線ＺストロークがＺ方向を画定する基準系内でのＸＹおよびＲ（ＸＹＺ）運動を制御するＸＹアクチュエータである。

本セットアップは、載置動作中に基板６平面でのさらなる運動を必要とせずに、基板６に対するダイの位置合わせを可能にする。基板６上へのダイの載置に必要な唯一の運動は、Ｚ移動である。このＺ移動は、例えば透明基板６の上方でダミー載置を行うことによって、較正可能である。このような透明基板６は、複数の基準マーカーを有し、真下にあるカメラを用いた実際の載置の検証を可能にする。この透明基板は、機械内の専用位置に配置可能であり、規則的なダイ載置間における検証用測定の実施を可能にする。この較正に基づき、実際の基板６の上方の正確な位置を計算できる。第２のＺストロークを用いることによって、Ｚアクチュエータ４の載置ストロークの機械的Ｚ位置を変更せずに、基板６の局部高さに対する載置動作のＺ位置の変更を第２のＺアクチュエータによって行える。また、これらのＺアクチュエータの何れも画像検出装置上での画像の焦点合わせに使用可能である。

図２は、図１で参照した位置合わせシステム８をより詳細に示す。システム８は、物体平面を斜めに結像するように改造されたシュワルツシルト拡大対物鏡を備えた結像システム１１を含む。本発明の一態様によると、結像システム１１は、第２の軸外位置Ｂに配置された円弧状の凹球面鏡１３と、光路を第３の軸外位置Ｃに折り返すための折り返し鏡１４と、第３の軸外位置Ｃに配置された、中心位置５を画像検出システム９上に結像するための曲率を有する円弧状の凸球面鏡１５とを備える。

斜めからの検査では、焦点距離に応じて画像をずらすことになる。したがって合焦距離の反復性が重要である。合焦の反復性は、以下に挙げるいくつかの方法で実現可能である。
１．画像のコントラストに焦点を合わせる。これは、小さな焦点深度（高ＮＡ）を必要とする。
２．ダイおよび基板への１つ以上の（レーザ）スポット、線、または他のパターンの投影による三角測量
３．ダイおよび基板上の同じ領域を２つ以上のカメラで見ることによる三角測量
４．瞳のマスキング
５．干渉手法
６．共焦手法

上記のように、ダイのサイズがカメラの視野より大きい場合は、回転精度を上げるために第２のカメラ９０を使用できる。ただし、実際には、同じ焦点距離に高い反復性で配置できるカメラの数は１つだけである。第２のカメラ９０の焦点距離の変動は、１つの方向における測定誤差の増加をまねく。それにも拘らず、これは、この方向に対して直角な正確な位置測定を可能にする。この２つのカメラを組み合わせると、横方向の位置と鉛直軸周りの回転とを測定するためにちょうど十分な３つのパラメータの測定が得られる。

原理上、円弧形状はＺ軸の周囲に完全に延在しうるが、半円セグメントの円弧形状によってチップダイ２マニピュレータ装置１のコンパクトな設計が得られる。

図３は、設計をコンパクト化するために第２の折り返し鏡１７を有する一実施形態を示す。また、画像検出システム９において載置位置５と部品２とがほぼ重なって結像されるように、画像検出システム９と載置位置５との間の光路に半透鏡１０が配置される。Ｚストローク４のＺ作動によって部品２は焦点位置に都合よく移動される。また、本システムの性能をさらに向上させるには、ダイと基板位置とがそれぞれ別個に結像されることが好ましい。このために、中心位置５への光路にシャッター１６を設けてもよく、またダイへの光路にシャッター１６を設けてもよい。

使用時、本マニピュレータ装置の動作は以下のようになりうる。
１．ダイをドナー基板（例えばウエハ）から取り上げる。
２．較正が不要な場合は、ステップ１１に進む。
３．再現性のみに基づき使用されるＺストロークによってダイを焦点位置に移動する。
４．ダイの位置および向きを画像検出システムによって測定する。
５．ダイを較正用基板に移動する。
６．この基板を他のＺストロークによって焦点位置に移動する。
７．較正用基板の位置および向きを画像検出システムによって測定する。
８．再現性のみに基づき使用されるＺストロークによってダイを較正用基板上に載置する。
９．この載置結果を較正用基板下のカメラによって測定し、今後の載置のために必要な補正値を計算する。
１０．ダイを較正用基板から持ち上げる。
１１．ダイの位置および向きを画像検出システムによって測定する。
１２．ダイを基板上の載置位置に移動する。
１３．他のＺストロークによって基板を焦点位置に移動する。
１４．基板の位置および向きを画像検出システムによって測定する。
１５．必要であれば、ダイの位置または向きをＸ、Ｙ、および回転アクチュエータによって調整する。
１６．再現性のみに基づき使用されるＺストロークによってダイを基板上に載置する。

本発明を図面および上記説明において例示し詳細に説明してきたが、このような例示および説明は説明または例示のためであり、限定のためではないと見なされるべきである。本発明は開示されている実施形態に限定されるものではない。特に、開示されている各実施形態は、光学的パワーを有さない折り返し鏡を示しているが、光学的パワーを有する折り返し鏡を備えた実施形態も本発明の範囲に含まれると考えられる。また、開示された各例における部品はダイ載置工程におけるダイであるが、表面実装デバイス、ＭＥＭＳデバイスなど高精度を必要とする他の載置システムも本発明の範囲から逸脱することなく載置可能である。図面、開示、および添付の特許請求の範囲を検討されることにより、当業者は開示されている実施形態の他の変形例を理解し、特許請求されている本発明の実施時に具体化できる。特許請求の範囲において、「備える／含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という単語は、他の要素または工程を排除するものではなく、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」は複数を排除するものではない。単一ユニットは、特許請求の範囲に記載されている複数項目の機能を果たしうる。特定の方策が互いに異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの方策の組み合わせを好都合に使用できないことを示すものではない。特許請求の範囲における如何なる参照符号も範囲を限定するものと解釈されるべきではない。

Claims (5)

1. 部品組み付け工程において部品を取り上げて載置するように構成されたマニピュレータ装置（１）であって、
   − 基板（６）上の載置位置（５）に対してＺ軸に沿って部品を載置するように構成されたＺストローク（４）と、
   − 前記載置位置（５）に対して前記部品（２）を位置合わせするように構成された作動システム（３）と、
   − 部品（２）を取り上げ、前記部品（２）を前記載置位置（５）に載置するために、前記Ｚストローク（４）上に配置されたピックアップヘッド（７）と、
   − 前記作動システム（３）に結合された位置合わせシステム（８）と、を備え、
   − 前記位置合わせシステム（８）は、
   ● 第１の軸外位置（Ａ）に配置されて前記載置位置（５）および前記部品（２）からの光を受光するように構成された画像検出システム（９）と、
   ● 第２の軸外位置（Ｂ）に配置されて前記載置位置（５）に対して中心が合わせられた円弧状の凹球面鏡（１３）と、前記光路を第３の軸外位置（Ｃ）に折り返すために前記凹球面鏡（１３）と前記載置位置（５）との間の光路に配置された折り返し鏡（１４）と、前記第３の軸外位置（Ｃ）に配置されて前記載置位置（５）および前記部品（２）を前記画像検出システム（９）に結像するための曲率を有する円弧状の凸球面鏡（１５）を備えた結像システム（１１）とを備え、円弧形状の前記凹球面鏡（１３）と前記凸球面鏡（１５）は、少なくとも部分的にＺ軸の周囲に延在している、
   マニピュレータ装置。
2. 前記円弧形状が半円である、請求項１に記載の部品（２）マニピュレータ装置。
3. 前記載置位置（５）と前記部品（２）とがほぼ重なって前記画像検出システム（９）に結像されるように、前記画像検出システム（９）と前記載置位置（５）との間の光路に配置された半透鏡またはビームスプリッタキューブ（１０）をさらに備える、請求項１に記載の部品（２）マニピュレータ装置。
4. 前記中心位置（５）への前記光路にシャッター（１６）が設けられる、請求項１に記載の部品（２）マニピュレータ装置。
5. 前記ダイへの前記光路にシャッター（１６）が設けられる、請求項１に記載の部品（２）マニピュレータ装置。