JP5973753B2 - チップ受け渡し治具およびチップ受け渡し方法 - Google Patents

Description

半導体チップをチップ搬送装置からボンディングヘッドに受け渡す、チップ搬送装置に設けられたチップ受け渡し治具およびチップ受け渡し方法に関する。

半導体チップをチップトレイからボンディングヘッドに搬送するチップ搬送装置として特許文献１に記載されるような、チップスライダを用いたチップ搬送装置が知られている。図７は、チップトレイとチップ搬送装置、実装装置とを示した概略側面図である。チップトレイ４には半導体チップ２が載せられている。半導体チップ２はコレット５によりチップトレイ４からピックアップされる。コレット５は上下方向、水平方向に移動可能になっており、ピックアップした半導体チップ２を待機位置Ａに待機しているチップ搬送装置であるチップスライダ６に移載する。チップスライダ６は、半導体チップ２を、吸着保持した状態で、カメラ認識位置Ｂおよびボンディング位置Ｃに水平搬送する。カメラ認識位置Ｂでは、チップスライダ６に載せられている半導体チップ２のアライメントマークと外形シルエットが、上下に配置したカメラ７ａ，７ｂにより画像認識される。ボンディング位置Ｃに半導体チップ２が搬送されると、下端部に吸引孔２９を備えたボンディングヘッド８が下降し、半導体チップ２をチップスライダ６から受け取る。半導体チップ２がボンディングヘッド８に受け渡されると、チップスライダ６は待機位置Ａに戻る。その後、ボンディングヘッド８と、回路基板３とが吸着保持されている基板ステージ９の水平方向（ＸＹ方向）および回転方向（θ方向）の位置合わせが行われ、ボンディングヘッド８を下降（Ｚ方向）させて加圧および加熱が行われ、ボンディングが完了する。

特開２０１１−１９２９４３号公報

半導体チップ２は回路基板３にボンディングにより半田接合される。先ず、チップスライダ６で供給された半導体チップ２は、予熱状態にあるボンディングヘッド８に受け渡される。ボンディングヘッド８は半導体チップ２の受け渡し完了後、半田溶融温度に加熱される。半田溶融温度でボンディングが完了すると、次の半導体チップ２の受け取りに備えてボンディングヘッド８の冷却が行われる。ボンディングヘッド８が所定の温度まで冷却され予熱状態に戻ると、ボンディングヘッド８をチップスライダ６に近づけて半導体チップ２を吸着保持し、ボンディングを繰り返す。

図６（ａ）にボンディングヘッド８の温度変化と半導体チップ２の受け渡しのタイミングを示す。図６（ａ）に示すように、ボンディングヘッド８は、ボンディング、冷却、加熱の一連のステップで、半田溶融温度から予熱温度までの温度変化をしている。その中で、ボンディングヘッド８の冷却時間はボンディング時間の大半を占めている（例えば、図６（ａ）では、冷却に約５０％の時間を要している）。一方、図６（ｂ）に示すように予熱温度までボンディングヘッド８が冷却される前に受け渡しを行い加熱を開始すると、図６（ａ）に示した加熱完了Ｔｆ０のタイミングが、図６（ｂ）に示す加熱完了Ｔｆ１のタイミングとなり、タクトタイムの大幅な短縮ができる（図６（ｂ）に示すＴｆ０−Ｔｆ１の時間ｔｘだけタクトタイムを短縮することができる）。

一方、チップスライダ６の高さ位置と停止位置は、チップスライダ６を制御する位置決め装置で独立に制御されている。また、ボンディングヘッド８の高さ位置は、ボンディングヘッド８を制御する位置決め装置で独立に制御されている。そのため、チップスライダ６の高さ位置を検出しながら、ボンディングヘッド８の高さ制御は行われておらず、チップスライダ６が位置Ｃに到着した信号を元に、ボンディングヘッド８が下降し予め設定してある高さ位置で停止するように構成されている。また、ボンディングヘッド８は加熱と冷却を繰り返しているため、ボンディングヘット８の下端位置には昇降方向の伸びや縮みが発生している。

さらに、チップスライダ６からボンディングヘッド８への半導体チップ２の受け渡しは、ボンディングヘッド８の下端に設けられた吸引孔２９を用いて行われている。吸引孔２９で真空吸引が行われ、チップスライダ６からボンディングヘッド８に半導体チップ２が受け渡される。ボンディングヘッド８とチップスライダ６との間隔が広い場合、（例えば、０．２ｍｍ以上の隙間の場合）半導体チップ２の吸着位置がばらついてしまう。そのため、できるだけ近距離でボンディングヘッド８の真空吸引を行うことが望ましい。

このようなチップスライダ６とボンディングヘッド８を用いて、図６（ｂ）に示すように予熱温度まで冷却せずにチップスライダ６に向けて下降を開始し、所定の位置で下降を停止しても、ボンディングヘッド８の下端部が半導体チップ２に接触する場合が発生する。この場合、予熱状態よりも高温にあるボンディングヘッド８の熱は、半導体チップ２に伝わり、半導体チップ２に設けられている半田バンプに達する。接触にともない、チップスライダ６に載せられている半導体チップ２にボンディングヘッド８の押圧力が作用し、熱せられた半田バンプは変形や潰れを招くようになる。

変形や潰れを起こした半田バンプを用いて、半導体チップ２と回路基板３の半田接合を行うと半田バンプが隣接する半田バンプもしくは回路パターンのリードと接触する不具合が発生する。また、半田バンプの変形や潰れが半導体チップ２の一部の半田バンプに発生すると、半田バンプの高さの不揃いによる半導体チップ２と回路基板３の接続不良が発生し、製品の歩留まりを低下させることになる。

なお、ボンディングヘッド８が半導体チップ２に接触したことを、ボンディングヘッド８に内蔵されている荷重検出器で検出しようとしても、荷重検出器の検出レンジが押圧力制御に用いられる高荷重検出タイプのため、接触による反力の微妙な変化を検出することが難しい。

そこで、本発明の課題は、チップスライダのようなチップ搬送装置とボンディングヘッドとの半導体チップの受け渡しにおいて、ボンディングヘッドの昇降方向の熱による伸びや縮みに起因するチップ受け渡し位置のバラツキがあっても、接触による半導体チップの半田バンプを変形させること無くタクトタイムを短縮して受け渡しできるチップ受け渡し治具およびチップ受け渡し方法を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
半導体チップをチップ供給側からボンディングヘッド側に搬送するチップ搬送装置に設けられたチップ受け渡し治具であって、
チップ搬送装置に載置された半導体チップ端面の外周側に、半導体チップとボンディングヘッドとの間隔を５０〜２００μｍに規制する隙間規制手段を備えているチップ受け渡し治具である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記隙間規制手段は、チップ搬送装置の半導体チップ載置面から突出するストッパピンと、
半導体チップ載置面を支持する緩衝ユニットとから構成されているチップ受け渡し治具である。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、
チップ搬送装置は、半導体チップを載置して水平搬送するチップスライダとチップスライダをチップ供給側からボンディングヘッド側に水平移動させる駆動手段とから構成されており、該チップ搬送装置に設けられたチップ受け渡し治具である。

請求項４に記載の発明は、
半導体チップをチップ搬送装置からボンディングヘッドに受け渡す方法であって、
ボンディングヘッドの下側において、ボンディングヘッドの下面と半導体チップの上面との隙間を５０〜２００μｍの間隔に保って、
ボンディングヘッドを半田溶融温度から予熱温度に冷却する途中で、チップ搬送手段からボンディングヘッドへ半導体チップを受け渡し動作を開始する受け渡し方法である。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、
チップ搬送装置には隙間規制手段が備えられており、
ボンディングヘッドと隙間規制手段とを当接させ、チップ搬送装置からボンディングヘッドへ半導体チップを受け渡す受け渡し方法である。

請求項１に記載の発明によれば、チップ搬送装置とボンディングヘッドとの間隔を規制する隙間規制手段を設けているので、半導体チップの受け渡しにおいて、ボンディングヘッドの昇降方向の熱による伸びや縮みに起因するチップ受け渡し位置のバラツキがあっても、接触による半導体チップの半田バンプを変形させること無くタクトタイムを短縮して受け渡しできる。

請求項２に記載の発明によれば、隙間規制手段が、ストッパピンと緩衝ユニットとから構成されているので、ストッパピンによりボンディングヘッドの下端が半導体チップに接触することが防止できる。ボンディングヘッドがストッパピンに接触しても、緩衝ユニットにより衝撃を吸収し、半導体チップに押圧力が作用することがない。

請求項３に記載の発明によれば、チップ搬送装置がチップスライダとチップスライダを水平移動させる駆動手段及びチップ受け渡し治具で構成されているので、半導体チップを効率よく水平搬送することができる。

請求項４に記載の発明によれば、ボンディングヘッドと半導体チップの上面との隙間を所定の間隔を保って、ボンディングヘッドを半田溶融温度から予熱温度に冷却する途中で、半導体チップの受け渡し動作を開始しているので、タクトタイムを短縮することができる。

請求項５に記載の発明によれば、ボンディングヘッドを隙間規制手段に当接して、半導体チップの受け渡しを行っているので、隙間規制手段で規制されたボンディングヘッドと半導体チップの間隔を常に一定に保つことができる。さらに、ボンディングヘッドと半導体チップとの平行度を一定に保つこともできるので、精度良く半導体チップをボンディングヘッドに吸着させることができる。

本発明の実施の形態に係るチップ搬送装置の概略側面図である。 チップスライダのチップ吸着面の状態を示す概略斜視図である。 チップスライダとボンディングヘッドの位置関係を説明する概略側面図である。 ストッパピンが駆動式のチップスライダの概略斜視図である。 チップ搬送装置とチップ受け渡し治具の動作を説明するフローチャートである。 ボンディングヘッドの温度変化を説明するグラフである。 従来のチップ搬送装置を説明する概略側面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明のチップ搬送装置１を示す概略側面図である。なお、背景技術を説明する際に用いた符号について、本実施の形態と同様の部分については同じ符号を用いる。

半導体チップ２はチップトレイ４に載せられて供給されている。半導体チップ２をピックアップするコレット５、待機位置Ａからカメラ認識位置Ｂ、ボンディング位置Ｃまで半導体チップ２を水平搬送するチップスライダ６は背景技術の説明と同じである。また、半導体チップ２を画像認識するカメラ７ａ，７ｂ、回路基板３に半導体チップ２を加圧および加熱するボンディングヘッド８、回路基板３を吸着保持する基板ステージ９も同様に背景技術の説明と同じ構成である。チップスライダ６は、ボールねじを利用した駆動手段７で移動される。ボールねじの代わりに、リニアモータを利用したリニア搬送機構を用いることが出来る。

図２にチップスライダ６のチップ吸着面１０の状態を示す。チップ吸着面１０には、緩衝ユニット２０が備えられている。緩衝ユニット２０は、下板２１と上板２３との間に弾性体であるバネ２２を挟み込んだ構成で、上板２３の上面にチップ吸着部２４を備えている。チップ吸着部２４の中央には吸着穴２５が設けられている。吸着穴２５は図示していない吸引ポンプに切り替えバルブを経由して接続されている。バネ２２の代わりに弾性ゴムで形成された板を用いても良い。

上板２３にはストッパピン２６が少なくとも２本、チップ吸着部２４の外周に立設している。ストッパピン２６は、半導体チップの厚さ毎に差し替えができるようになっている。差し替えのために、上板２３には複数のタップ穴２６ｈが開けられている。チップ吸着部２４に半導体チップ２が吸着された状態で、半導体チップ２の上面より５０〜２００μｍの高さに、ストッパピン２６の上端の高さが一致するようになっている。ストッパピン２６により、ボンディングヘッド８の下端と半導体チップ２の上面は接触すること無く、間隔を保つことができる。ストッパピン２６は、本発明の隙間規制手段に対応する。

半導体チップ２を受け取るため下降停止したボンディングヘッド８とチップスライダ６の位置関係を図３に示す。半導体チップ２の上面とボンディングヘッド８の下端との間隔を５０〜２００μｍにすると、ボンディングヘッド８側に設けられた吸引孔２９で吸引した際、半導体チップ２をボンディングヘッド８の下面に精度良く吸着することができる。

隙間規制手段がなく、５０μｍよりも間隔を近づけると、加熱により伸びたボンディングヘッド８の下端部が半導体チップ２に接触する危険性があり、ボンディングヘッド８が例えば２００℃の予熱状態に加熱されて伸びていると、接触により半導体チップ２に押圧力と熱が伝わり、半田バンプの変形を発生させる。

また、ストッパピン２６を、図４に示すように突出ピン２７と駆動シリンダ２８とから構成しても良い。図４に示すストッパピン２６は、突出ピン２７を駆動シリンダ２８により上方（ボンディングヘッド８側）に突出させ、所定高さ（チップ吸着部２４に半導体チップ２が吸着された厚みに約５０〜２００μｍ加えた高さ）に保持するようになっている。ストッパピン２６を突出式にすることにより、チップトレイ４からチップスライダ６に半導体チップ２を供給する際に、ストッパピン２６の高さを低くすることができるのでストッパピン２６が邪魔になることがない。

上記のようなチップ搬送装置１に設けられた受け渡し治具を用いて、チップトレイ４に載せられている半導体チップ２を搬送し、チップ搬送装置からボンディングヘッド８に受け渡し、回路基板３に実装する方法を図５のフローチャートに基づいて説明する。回路基板３には、既に半導体チップ２が複数個実装されており、ボンディングヘッド８は加熱と冷却を繰り返している。

まず、チップスライダ６が待機位置Ａに移動して、半導体チップ２の移載を待機する（ステップＳＴ０１）。

次に、チップトレイ４に載せられている半導体チップ２をコレット５がピックアップし、チップスライダ６にフェイスダウン状態で移載する（ステップＳＴ０２）。

次に、チップスライダ６を待機位置Ａからカメラ認識位置Ｂに移動し停止させる（ステップＳＴ０３）。

次に、カメラ認識位置Ｂの上下に配置している上カメラ７ａを用いて、半導体チップ２のアライメントマークを画像認識する。また、下カメラ７ｂを用いて、半導体チップ２の外形シルエットを画像認識する（ステップＳＴ０４）。

次に、チップスライダ６が、カメラ認識位置Ｂからボンディング位置Ｃに移動する（ステップＳＴ０５）。

次に、ボンディングヘッド８を下降開始させる（ステップＳＴ０６）。下降を開始する際のボンディングヘッド８の温度は例えば２００℃に冷却されている。具体的には図６（ｂ）に示すように、半田溶融温度から予熱温度に冷却している途中でボンディングヘッド８の下降を開始する。チップスライダ６のストッパピン２６の駆動シリンダ２８を動作させ、突出ピン２７をボンディングヘッド８側に突出させる。ストッパピン２６が駆動式でない場合は、突出動作は不要となる。

次に、所定の高さまでボンディングヘッド８を下降させると図３に示す状態で停止する（ステップＳＴ０７）。ボンディングヘッド８は、冷却途中のため下端部の位置が熱収縮により一定しない。しかし、ストッパピン２６により半導体チップ２とボンディングヘッド８との隙間が２００〜５０μｍに確保される。そのため、ボンディングヘッド８の下端部が半導体チップ２の上面に接触することが無い。接触することがないため、冷却途中のボンディングヘッド８が予熱温度まで冷却されていなくても、半導体チップ２にボンディングヘッド８の熱が伝わることが無い。

なお、ボンディングヘッド８の下端部がストッパピン２６に接触する高さまでボンディングヘッド８を下降させても良い。接触によりストッパピン２６へボンディングヘッド８の押圧力が作用するが、ストッパピン２６が緩衝ユニット２０に立設されているため衝撃が緩和され半導体チップ２に押圧力が作用することが無い。

次に、ボンディングヘッド８の吸引孔２９からの吸引が開始され、半導体チップ２を吸着する（ステップＳＴ０８）。その際、チップスライダ６の吸着穴２５からの吸引は停止する。ボンディングヘッド８を上昇させることにより半導体チップ２をチップスライダ６からボンディングヘッド８に受け渡す。

次に、半導体チップ２の受け渡しが完了すると、ボンディングヘッド８の加熱を開始する（ステップＳＴ０９）。また、ストッパピン２６の駆動シリンダ２８を動作させ、突出ピン２７を待機位置（基板ステージ９側）に戻す。図６（ｂ）に示すように、加熱が完了したタイミングＴｆ１は、通常のボンディング動作で加熱が完了する図６（ａ）に示すタイミングＴｆ０に比べてｔｘだけタクトタイムを短縮している。これは、ボンディングヘッド８が半田溶融温度から予熱温度に冷却している途中で下降を開始し、半田バンプに変形や潰れが発生する温度でボンディングヘッド８を半導体チップ２に近づけても、変形や潰れを発生すること無く半導体チップ２のチップスライダ６からボンディングヘッド８への受け渡しを完了させたためである。

次に、チップスライダ６がボンディング位置Ｃから待機位置Ａに移動する（ステップＳＴ１０）。

次に、ボンディングヘッド８に吸着保持された半導体チップ２と、基板ステージ９に吸着保持された回路基板３が、上カメラ７ａ、下カメラ７ｂで画像認識したデータに基づき水平方向（ＸＹ方向）および回転方向（θ方向）に位置合わせされる（ステップＳＴ１１）。

次に、半導体チップ２と回路基板３の位置合わせが完了すると、ボンディングヘッド８が下降し、所定圧力で半導体チップ２を回路基板３に押圧し、所定の時間、半田溶融温度でボンディングヘッド８の加熱が行われボンディングが完了する（ステップＳＴ１２）。

ボンディングが完了すると、ボンディングヘッド８は半導体チップ２の吸着を解除し上昇し、冷却を開始する（ステップＳＴ１３）。

次に、待機位置Ａに戻ったチップスライダ６はステップＳＴ０１からの工程を繰り返す。

このように、ボンディングヘッド８と半導体チップ２の上面との隙間を所定の間隔を保って、ボンディングヘッド８を半田溶融温度から予熱温度に冷却する途中で、半導体チップ２の受け渡し動作を開始しているので、ボンディングヘッド８の加熱冷却によるチップ受け渡し位置のバラツキがあっても、半導体チップ２との接触が無く、タクトタイムを短縮して受け渡しできる。

１ チップ搬送装置
２ 半導体チップ
３ 回路基板
４ チップトレイ
５ コレット
６ チップスライダ
７ 駆動手段
８ ボンディングヘッド
９ 基板ステージ
１０ チップ吸着面
２０ 緩衝ユニット
２１ 下板
２２ バネ
２３ 上板
２４ チップ吸着部
２５ 吸引口
２６ ストッパピン
２７ 突出ピン
２８ 駆動シリンダ
２９ 吸引孔
２ａ 基板接合面
７ａ 上カメラ
７ｂ 下カメラ
２６ｈ タップ穴

Claims (5)

1. 半導体チップをチップ供給側からボンディングヘッド側に搬送するチップ搬送装置に設けられたチップ受け渡し治具であって、
   チップ搬送装置に載置された半導体チップ端面の外周側に、半導体チップとボンディングヘッドとの間隔を５０〜２００μｍに規制する隙間規制手段を備えているチップ受け渡し治具。
2. 請求項１に記載の発明において、
   前記隙間規制手段は、チップ搬送装置の半導体チップ載置面から突出するストッパピンと、
   半導体チップ載置面を支持する緩衝ユニットとから構成されているチップ受け渡し治具。
3. 請求項１または２に記載の発明において、
   チップ搬送装置は、半導体チップを載置して水平搬送するチップスライダとチップスライダをチップ供給側からボンディングヘッド側に水平移動させる駆動手段とから構成されており、該チップ搬送装置に設けられたチップ受け渡し治具。
4. 半導体チップをチップ搬送装置からボンディングヘッドに受け渡す方法であって、
   ボンディングヘッドの下側において、ボンディングヘッドの下面と半導体チップの上面との隙間を５０〜２００μｍの間隔に保って、
   ボンディングヘッドを半田溶融温度から予熱温度に冷却する途中で、チップ搬送手段からボンディングヘッドへ半導体チップを受け渡し動作を開始する受け渡し方法。
5. 請求項４に記載の発明において、
   チップ搬送装置には隙間規制手段が備えられており、
   ボンディングヘッドと隙間規制手段とを当接させ、チップ搬送装置からボンディングヘッドへ半導体チップを受け渡す受け渡し方法。

Images