JP5778341B2 - ボンディングツール冷却装置およびボンディングツール冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、フリップチップなどの半田バンプ付きのチップを基板に熱圧着するボンディングツール冷却装置およびボンディングツール冷却方法に関するものである。

フリップチップなどの半田バンプ付きのチップを基板に熱圧着する場合、基板に設けられたアライメントマークとチップに設けられたアライメントマークを画像認識手段で認識し、基板を保持するボンディングツールである基板ステージもしくは、チップを保持するボンディングツールであるチップボンディングツールをＸＹ方向（水平方向）およびθ方向（回転方向）に位置合わせし、チップを基板の所定位置に押圧および加熱している。

図８にチップボンディングツール１の概略側面図を示す。チップボンディングツール１はホルダ部１０と、ヒータベース１１、断熱ブロック１２、ヒーター１３、チップアタッチメントツール１４とから構成されている。

これらの熱圧着工法では、ヒーター１３を高速で昇温し、降温するセラミック製のヒーターが用いられている。熱圧着工法の例として、はんだ工法などの場合は、ヒーター１３をはんだ溶融温度まで昇温させて、次に、固相温度以下になるまで冷却させる必要がある。従来のチップボンディングツール１の構造では、昇温・降温効率を高めるために、ヒーター１３とヒーター１３を固定する断熱ブロック１２との間に空隙を設けてヒーター１３の接触面積を少なくし、ヒーター１３の降温時には、その空隙へ圧空を供給してヒーター１３の裏面にエアーを吹き付けることで冷却している。冷却エアーは空隙から外部へ吹き抜けている。

また、ヒーター１３にはチップ毎に吸着溝形状や、突起サイズを専用化したチップアタッチメントツール１４が吸着固定されており、自動で交換できるようになっている。

図９にこれらの熱圧着工法の動作フローチャートを示す。チップボンディングツール１がチップをピックアップすると（ＳＴ０１）、チップおよび基板に設けられたアライメントマークを認識し（ＳＴ０２）、チップと基板のアライメントが行われる（ＳＴ０３）。その後、チップボンディングツール１が下降し（ＳＴ０４）、ヒーター１３の昇温が行われる（ＳＴ０５）。ボンディングが完了すると、チップボンディングツール１が上昇し（ＳＴ０６）、ヒーター１３の冷却が開始される（ＳＴ０７）。ヒーター１３が適温まで降温されるまで待った後（ＳＴ０８）、チップボンディングツール１がチップをピックアップし（ＳＴ０９）、ＳＴ０２からのステップを続行してる。

これらの動作において、チップボンディングツール１がチップを受け取る際に、ヒーター１３が高温のまま受け取ると、チップのバンプ先端部のはんだの溶融または軟化が発生しバンプが変形したりする。また、チップの回路面にラミネートされた樹脂フィルムなどが反応して硬化が進んだりしてしまう。

はんだが溶融や軟化によって変形すると、チップと基板の接合の際にバンプが均等に接触せずに接触不良を起こしてしまう。また、樹脂フィルムの硬化が促進すると、チップのバンプと基板の電極との間から押し出される樹脂が、硬化のため除去されずに残り、しいてはバンプと電極の接触不良の原因となるおそれがある。

そのため、ヒーター１３はチップと基板の接合性に影響の無い温度まで十分に冷却させる必要がある。しかしながら、ヒーター１３の裏面を冷却させるだけでは、チップアタッチメントツール１４の熱容量が大きいため冷却に時間がかかりタクトタイムが長くなるといった問題があった（前述のＳＴ０８の待ち時間が長くなる問題があった）。

またチップと基板の接合の際に樹脂フィルムや樹脂ペーストが軟化して、チップのバンプと基板の電極との間から押し出される樹脂がチップアタッチメントツール１４のチップ吸着面側に付着しないように、チップアタッチメントツール１４の吸着面はチップの外形サイズよりもわずかに小さくなるように作られている。

チップアタッチメントツール１４はヒーター１３に吸着固定されているだけなので、実装を繰り返す内に熱膨張の伸縮などで徐々にずれてきて、押し出された樹脂がチップアタッチメントツール１４のチップ吸着面に付着すると、硬化して固化した樹脂がチップアタッチメントツール１４の吸着面とチップの間に挟み込まれて接合不良を起こしてしまう。

そのためチップアタッチメントツール１４のずれ量を測定して、許容値以上のずれがあった場合にはチップアタッチメントツール１４を取り外して再度吸着しなおさなければならず、この動作の度にタクトタイムが長くなるといった問題もあった。

一方、基板を吸着保持する基板アタッチメントツールと基板ヒーターと基板アタッチメントツールを基板ヒーターに吸着保持する吸着機構からなる、基板側のボンディングツールである基板ステージでもチップを熱圧着する度毎に、チップボンディングツールからの熱が伝わり、温度上昇する傾向がある。この場合、温度上昇は緩やかではあるが、適正温度範囲を超えることは好ましくない。例えば、樹脂が予め基板に塗布されている場合においては、適正温度を上回る温度になると樹脂中の硬化成分が気化してしまい、熱圧着時に樹脂が硬化しにくくなるという問題が生じる。そこで、基板ステージも適宜冷却する必要があるが、熱容量が大きく、冷却に時間を要するという問題がある。
また実装するチップ数が多い場合には、基板全面を吸着保持した場合に基板に予め塗布された樹脂は、チップが実装されるまでの時間は加熱され、長時間加熱されることにより樹脂の粘度が増大し熱圧着時に流動性が悪くなり接合不良が発生する問題が生じる。この場合でも基板ステージを、基板が長時間加熱される領域の温度を下げておく必要があるが、熱容量が大きく、冷却に時間を生じるという問題もある。
さらに、ＣＯＣ（Chip on Chip）のようにチップボンディングツールと基板ステージのそれぞれのヒーターで昇温させて、はんだバンプを溶融させて熱圧着する工法においては、基板ステージ側の温度も基板を吸着保持させた状態では熱圧着前にはんだが溶融しないように。温度を下げておく必要があるが、熱容量が大きく、冷却に時間を生じるという問題がある。

特許第３８０９１２５号公報

チップボンディングツールでのヒーターの冷却時間を早くする方法として特許文献１に記載されているように、チップアタッチメントツール１４のヒーター１３側の吸着面に冷却溝を加工して、冷却エアーをチップアタッチメントツール１４面とヒーター１３面の両方を冷却させることで、冷却効率を高める方法がある。

しかしながらこのような方法では、吸着溝の部分がヒーター１３部に接触しないので熱伝達が悪くなり、温度ムラが出来る問題がある。また、チップアタッチメントツール１４はヒーター１３面に吸着保持されているため、冷却溝に勢いよく圧縮空気を流し込むと、冷却溝内の圧力が急激に高まりチップアタッチメントツール１４を剥離する方向に力がかかるため、チップアタッチメントツール１４が外れたり、ずれたりする問題も発生する。
また、基板ステージの冷却に関しては、熱容量の大きさから、短時間で冷却することが困難であった。。

そこで、本発明の課題は、ボンディングツールを効率よく冷却できアタッチメントツールの温度ムラやアタッチメントツールの外れやずれの発生することない、ボンディングツール冷却装置およびボンディングツール冷却方法を提供することとする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
被接合物を吸着保持するアタッチメントツールと、アタッチメントツールを加熱するヒーターと、アタッチメントツールをヒーターに吸着保持する吸着機構とを備えるボンディングツールを冷却するボンディングツール冷却装置であって、
ボンディングツールの外周に位置し、アタッチメントツールの吸着解除の後にアタッチメントツールを保持するアタッチメントホルダと、
アタッチメントツールとヒーターの間に冷却エアーを供給する冷却ブロー用ノズルと、を備えるボンディングツール冷却装置である。

請求項２に記載の発明は、
前記被接合物がチップであることを特徴とする請求項１に記載のボンディングツール冷却装置である。

請求項３に記載の発明は、
前記アタッチメントホルダが、
水平方向に伸縮可能な移動手段と、
アタッチメントホルダの下端に設けられ、アタッチメントツールの側面を把持するアタッチメントホルダ爪と、を備える請求項２に記載のボンディングツール冷却装置である。

請求項４に記載の発明は、
前記被接合物が基板であって、
前記アタッチメントホルダが、アタッチメントツールを挟み込む機能と、アタッチメントツールを昇降する機能を有する請求項１に記載のボンディングツール冷却装置である。

請求項５に記載の発明は、
前記アタッチメントホルダのアタッチメントツールを挟み込むアタッチメントホルダ爪が、アタッチメントツールの互いに直交するＸ方向とＹ方向の両方向の位置が保持可能な形状である、請求項４に記載のボンディングツール冷却装置である。

請求項６に記載の発明は、
被接合物を吸着保持するアタッチメントツールと、アタッチメントツールを加熱するヒーターと、アタッチメントツールをヒーターに吸着保持する吸着機構とを備えるボンディングツールを冷却するボンディングツール冷却方法であって、
アタッチメントツールの吸着を解除する工程と、
ボンディングツールの外周に位置しアタッチメントツールを保持する伸縮可能なアタッチメントホルダで、アタッチメントツールをヒーターから乖離した状態で保持する工程と
冷却ブローノズルで、アタッチメントツールとヒーター間に冷却エアーを供給する工程と、を有するボンディングツール冷却方法である。

請求項７に記載の発明は、
前記被接合物がチップであって、
アタッチメントツールの吸着を解除する前または後に、アタッチメントホルダを、アタッチメントツール側に延ばす工程を有する、請求項６に記載のボンディングツール冷却方法である。

請求項８に記載の発明は、
アタッチメントホルダでアタッチメントツールを保持する工程が、
アタッチメントホルダの下端に設けられ、アタッチメントツールの側面を把持するアタッチメントホルダ爪で行われる工程である、請求項７に記載のボンディングツール冷却方法である。

請求項９に記載の発明は、
被接合物が基板であって、
アタッチメントツールの吸着を解除した後に、アタッチメントホルダで、アタッチメントツールをヒーターから乖離させる工程を有する、請求項６に記載のボンディングツール冷却方法である。

本発明によれば、ボンディングツールの外周にアタッチメントツールの吸着解除の後にアタッチメントツールを保持するアタッチメントホルダを設け、アタッチメントツールとヒーターとの間の間隙に向けて冷却エアーを噴射する冷却ブロー用ノズルを備えているので、アタッチメントツールおよびヒーターの冷却効率を高めることが出来る。そのため、ボンディングツールを効率よく冷却できタクトタイムを短縮することが出来る。

また、アタッチメントツールを保持するアタッチメントホルダ爪が、アタッチメントツールの位置修正を行うことで、アタッチメントのずれをキャンセルすることが出来る。

本発明の冷却装置を備えたチップボンディングツールの概略側面図である。 本発明の冷却方法の動作を説明するフローチャートである。 アタッチメントツールを把持する他の形態を説明する概略側面図である。 アタッチメントツールとアタッチメントホルダ爪の位置関係を説明する概略平面図である。 本発明の冷却方法と従来の冷却方法との冷却時間を比較するグラフである。 本発明の冷却装置を備えた基板ステージ（基板側ボンディングツール）の概略側面図である。 基板側のアタッチメントホルダ爪の形状を説明する概略平面図である。 従来のチップボンディングツールの概略側面図である。 従来の冷却方法の動作を説明するフローチャートである。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の冷却装置を備えたチップボンディングツール１の側面図である。図１において、チップボンディングツール１に向かって左右方向をＸ軸、前後方向をＹ軸、Ｘ軸とＹ軸で構成されるＸＹ平面に直交する軸をＺ軸（上下方向）、Ｚ軸周りをθ軸とする。図８の従来のチップボンディングツール１と同一の部材は同一符号で示した。

チップボンディングツール１は、ホルダ部１０と、ヒータベース１１、断熱ブロック１２、ヒーター１３、チップアタッチメントツール１４と、冷却装置３０とから構成されている。

ホルダ部１０は、ボンディング装置本体のボンディングヘッド本体４０に接続されており、図示していないスライドレールに沿って、Ｚ軸方向に移動可能に構成されている。ホルダ部１０の下側には、ヒータベース１１が取り付けられている。ヒータベース１１の下側には、断熱ブロック１２が取り付けられている。断熱ブロック１２の下側には、チップアタッチメントツール１４が吸着保持されている。

冷却装置３０は、スライドベース３１と、アタッチメントホルダ部３２と、アタッチメントホルダ爪３３と、冷却ブロー用ノズル３４とから構成されている。スライドベース３１は、ボンディングヘッド本体４０に、前述のホルダー部１０を中心に左右に１式づつ取り付けられている。

スライドベース３１には、アタッチメントホルダ部３２が水平移動が可能なように左右に１式づつ取り付けられている。アタッチメントホルダ部３２が水平移動することにより、アタッチメントホルダ部３２の下端に取り付けられたアタッチメントホルダ爪３３が、チップアタッチメントツール１４を挟み込むようになっている。チップアタッチメントツール１４はボンディングするチップの種類に応じて交換可能となっており、アタッチメントホルダ爪３３が水平移動してチップアタッチメントツール１４の取り外しが可能なようになっている。アタッチメントホルダ爪３３の先端３３ａは、チップアタッチメントツール１４に設けられた凹み部１４ａと挟み込む方向に僅かな隙間で嵌合するように構成されている。

アタッチメントホルダ爪３３の上側には冷却ブロー用ノズル３４が左右に１式づつ取り付けられている。冷却ブロー用ノズル３４の吹き出し口３４ａの高さは次のように設定されている。まず、ヒーター１３に吸着保持されているチップアタッチメントツール１４の下方にアタッチメントホルダ爪３３を配置する。次に、チップアタッチメントツール１４の吸着を解除し、チップアタッチメントツール１４を落下させアタッチメントホルダ爪３３の先端３３ａでチップアタッチメントツール１４の凹み部１４ａを受け止める。チップアタッチメントツール１４の上面１４ｂと、ヒーター１３の下面１３ａで形成される隙間に冷却ブロー用ノズル３４の吹き出し口３４ａの高さが一致するように高さ設定される。凹み部１４ａと先端３３ａは上記の隙間と同じになるように上下に隙間調整されている。凹み部１４ａと先端３３ａは図示するように凹みを設けた勘合部であれば高さ方向で薄くなるので望ましいが、凹み部１４ａがない構造であっても良い。例えば、図３に示すようなチップアタッチメントツール１４の側面１４ｃを先端３３ａが把持するようにしてもよい。

図４にチップアタッチメントツール１４と、アタッチメントホルダ爪３３の位置関係を説明する概略平面図を示す。図４に示すように、チップアタッチメントツール１４の対角をアタッチメントホルダ爪３３が把持するようになっている。アタッチメントホルダ爪３３は、連結されているアタッチメントホルダ部３２の水平移動により図４に示す点線の軌跡のように移動し、位置合わせが出来るようになっている。

このように、チップアタッチメントツール１４とヒーター１３の間の間隙に向けて、冷却エアーを噴射することで、チップアタッチメントツール１４およびヒーター１３の冷却効率を高めることができ、タクトタイムを短縮することが出来る。

次に、冷却装置３０の動作を図２の動作フローチャートに従い説明する。チップボンディングツール１がチップをピックアップすると（ＳＴ１１）、チップおよび基板に設けられたアライメントマークを認識し（ＳＴ１２）、チップと基板のアライメントが行われる（ＳＴ１３）。その後、チップボンディングツール１が下降し（ＳＴ１４）、ヒーター１３の昇温が行われる（ＳＴ１５）。ボンディングが完了すると、チップボンディングツール１が上昇（ＳＴ１６）する。冷却装置３０のアタッチメントホルダ部３２が水平移動し、チップボンディングツール１を囲む（ＳＴ１７）。この時アタッチメントホルダ爪３３の先端３３ａとチップアタッチメントツール１４の凹み部１４ａとの間の挟み方向の僅かの隙間内でチップアタッチメントツール１４の位置合わせを行う。アタッチメント吸着用流路１５からの吸引が停止し吸着破壊が行われヒーター１３からチップアタッチメントツール１４が落下する（ＳＴ１８）。冷却ブロー用ノズル３４から、チップアタッチメントツール１４とヒーター１３の間の間隙に冷却エアーが供給される（ＳＴ１９）。ヒーター１３が適温まで下がるのを待って冷却エアーを停止する（ＳＴ２０）。アタッチメント吸着用流路１５からの吸引を開始しチップアタッチメントツール１４をヒーター１３に吸着保持する（ＳＴ２１）。アタッチメントホルダ部３２が水平移動し、チップボンディングツール１から離れる（ＳＴ２２）。チップボンディングツール１がチップをピックアップし（ＳＴ２３）、ＳＴ１２からのステップを続行する。

ヒーター１３とチップアタッチメントツール１４との隙間は吸着可能な隙間とする必要があり、０．３ｍｍ以下であるのが望ましい。

また、ヒーター１３の昇温に影響がない範囲であれば、ボンディング動作中はアタッチメントホルダ爪３３が常時水平移動した状態でアタッチメント１４を把持した状態であってもよく、この場合はタクトタイムが短く出来る。

このように、チップアタッチメントツール１４を把持するアタッチメントホルダ爪３３が、チップアタッチメントツール１４の位置を修正することでチップアタッチメントツール１４の位置ずれをキャンセルすることが出来る。

また、本実施の形態では、冷却装置３０がボンディングヘッド本体４０に取り付けられ一体となって動作するため昇降動作中でも冷却動作を行うことが出来るが、冷却装置３０をボンディングヘッド本体４０が取り付けられているボンディング装置本体側に取り付けても良い。

図５に本発明の冷却装置を用いた場合の冷却時間のグラフと、従来の冷却方法での冷却時間のグラフを示す。ヒーターの温度は３００℃から２００℃に冷却している。＃１は従来方法であり、＃２は本発明の冷却方法である。＃１の冷却時間は３．０ｓｅｃで、＃２の冷却時間は２．２ｓｅｃとなった。このように、本発明の冷却方法を用いることで、大幅にヒーターの冷却時間を短縮することが出来る。

これまでの説明は、チップボンディングツールの冷却に関する実施の形態に関するものであるが、以下に、基板側のボンディングツールである基板ステージの冷却に関する実施の形態を、図６を用いて説明する。

図６（ａ）において、基板ステージ１０１は、ステージベース１１１、ステージブロック１１２、ステージヒーター１１３、基板アタッチメントツール１１４と、冷却装置１３０とから構成されており、基板アタッチメントツール１１４は、ステージヒータ１１３に吸着保持されている。

冷却装置１３０は、スライドベース１３１Ａ、スライド機構１３１Ｂ、アタッチメントホルダ部１３２、アタッチメントホルダ爪１３３、冷却ブロー流路１３４とから構成されている。スライドベース１３１Ｂは、ステージベース１１１に取り付けられているが、図の左右方向に、ステージベース１１１上を移動する機能を備えていても良い。アタッチメントホルダ部１３２を保持したスライド機構１３１Ｓは、スライドベース１３１Ｂに沿って上下にスライドする機能を備えている。また、スライドベース１３１Ｂの左右の位置を調整することにより、アタッチメントホルダ部１３２が、基板アタッチメントツール１１４を挟みこむことも可能である。なお、冷却ブロー流路１３４には図示しない送風源と配管で繋がっている。

以上の機構での、基板ステージの冷却について以下に記す。まず、ステージヒーター１１３の加熱をオフにした後、ステージヒーター１１３への基板アタッチメントツール１１４の吸着を解除する。次に、アタッチメントホルダ部１３２が、基板アタッチメントツール１１４を挟み込んだ状態で、スライド機構１３１Ｓとともに上昇し、アタッチメントホルダ爪１３３で把持された基板アタッチメントツール１１４も上昇する。この状態を示したのが図６（ｂ）であり、ステージヒーター１１３と基板アタッチメントツール１１４の間に空隙が生じている。そこで、この空隙に冷却ブロー流路１３４から冷却エアーを噴出することで、基板アタッチメントツール１１４およびステージヒーター１１３の冷却効率を高めることができる。なお、図６において、冷却ブロー流路１３４が、アタッチメントホルダ部１３２に形成された孔としているが、基板アタッチメントツール１１４とステージヒータ１１３の空隙に冷却エアーを噴出できるものであれば、これに限定されない。
アタッチメントホルダ爪の形状は、図７に示すようにアタッチメントツールの凸部の２箇所の角部を挟み込む形状にする事で、アタッチメントツールの互いに直交するＸ方向、Ｙ方向の両方向の位置がずれないように保持することが可能となる。
このような形状にすることで、図７に示すように基板ステージ１０１を密着して並べる事が可能となり、省スペースにすることが出来る。

１ チップボンディングツール
１０ ホルダ部
１１ ヒータベース
１２ ブロック
１３ ヒーター
１４ アタッチメントツール
３０ 冷却装置
３１ スライドベース
３２ アタッチメントホルダ部
３３ アタッチメントホルダ爪
３４ 冷却ブロー用ノズル
４０ ボンディングヘッド本体
１３ａ ヒーター１３の下面
１４ａ チップアタッチメントツール１４の凹み部
１４ｂ チップアタッチメントツール１４の上面
１４ｃ チップアタッチメントツール１４の側面
３３ａ アタッチメントホルダ爪３３の先端
３４ａ 冷却ブロー用ノズル３４の吹き出し口
１０１ 基板ステージ（基板側ボンディングツール）
１１１ ステージベース
１１２ ステージブロック
１１３ ステージヒーター
１１４ 基板アタッチメントツール
１３０ 冷却装置
１３１Ａ スライドベース
１３１Ｂ スライド機構
１３２ アタッチメントホルダ部
１３３ アタッチメントホルダ爪
１３４ 冷却ブロー用流路

Claims (9)

1. 被接合物を吸着保持するアタッチメントツールと、アタッチメントツールを加熱するヒーターと、アタッチメントツールをヒーターに吸着保持する吸着機構とを備えるボンディングツールを冷却するボンディングツール冷却装置であって、
   ボンディングツールの外周に位置し、アタッチメントツールの吸着解除の後にアタッチメントツールを保持するアタッチメントホルダと、
   アタッチメントツールとヒーターの間に冷却エアーを供給する冷却ブロー用ノズルと、を備えるボンディングツール冷却装置。
2. 前記被接合物がチップであることを特徴とする請求項１に記載のボンディングツール冷却装置。
3. 前記アタッチメントホルダが、
   水平方向に伸縮可能な移動手段と、
   アタッチメントホルダの下端に設けられ、アタッチメントツールの側面を把持するアタッチメントホルダ爪と、を備える請求項２に記載のボンディングツール冷却装置。
4. 前記被接合物が基板であって、
   前記アタッチメントホルダが、アタッチメントツールを挟み込む機能と、アタッチメントツールを昇降する機能を有する請求項１に記載のボンディングツール冷却装置。
5. 前記アタッチメントホルダのアタッチメントツールを挟み込むアタッチメントホルダ爪が、アタッチメントツールの互いに直交するＸ方向とＹ方向の両方向の位置が保持可能な形状である、請求項４に記載のボンディングツール冷却装置。
6. 被接合物を吸着保持するアタッチメントツールと、アタッチメントツールを加熱するヒーターと、アタッチメントツールをヒーターに吸着保持する吸着機構とを備えるボンディングツールを冷却するボンディングツール冷却方法であって、
   アタッチメントツールの吸着を解除する工程と、
   ボンディングツールの外周に位置しアタッチメントツールを保持する伸縮可能なアタッチメントホルダで、アタッチメントツールをヒーターから乖離した状態で保持する工程と
   冷却ブローノズルで、アタッチメントツールとヒーター間に冷却エアーを供給する工程と、を有するボンディングツール冷却方法。
7. 前記被接合物がチップであって、
   アタッチメントツールの吸着を解除する前または後に、アタッチメントホルダを、アタッチメントツール側に延ばす工程を有する、請求項６に記載のボンディングツール冷却方法。
8. アタッチメントホルダでアタッチメントツールを保持する工程が、
   アタッチメントホルダの下端に設けられ、アタッチメントツールの側面を把持するアタッチメントホルダ爪で行われる工程である、請求項７に記載のボンディングツール冷却方法。
9. 被接合物が基板であって、
   アタッチメントツールの吸着を解除した後に、アタッチメントホルダで、アタッチメントツールをヒーターから乖離させる工程を有する、請求項６に記載のボンディングツール冷却方法。

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