JP6047723B2 - ダイボンダおよびボンディングツールと半導体ダイとの相対位置の検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、ダイボンダの構造およびボンディングツールとボンディングツールの先端に吸着された半導体ダイとの相対位置の検出方法に関する。

半導体ダイをリードフレーム等の回路基板にボンディングする装置としてダイボンダが多く用いられている。ダイボンダは、ボンディングステージの上に吸着固定した回路基板の表面に向かってボンディングツールの先端に吸着保持した半導体ダイを降下させ、半導体ダイを回路基板上にボンディングするものである。

ダイボンダでは、ボンディングツールに吸着された半導体ダイの位置を回路基板のボンディング位置に合わせた状態で半導体ダイを回路基板に押し付けることが必要となる。このため、ボンディングツールによって半導体ダイを移送する際に、ボンディングツールに吸着された半導体ダイの裏面の画像を取得し、半導体ダイ裏面のアライメントマークに基づいて半導体ダイと回路基板との相対位置を合わせる方法が用いられている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、特許文献１に記載された方法では、画像を取得する際に半導体ダイの移送を一時停止する必要があり、タクトタイムが長くなってしまうという問題があった。そこで、半導体ダイの移載ヘッドにＬ字状の連接部材を介してミラーと矩形状の貫通穴を有する基準部材を固定し、移載ヘッドにより半導体ダイを搬送する際に、搬送を一時停止することなく、半導体ダイを撮像した第１画像データと基準部品を撮像した第２画像データとを取得し、この２つの画像データを重ね合わせて、基準部品に対する半導体ダイの位置を検出し、検出結果に応じて半導体ダイの回路基板に搭載する位置を補正する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１０−４０７３８号公報 特開２００７−１１５８５１号公報

ところで、特許文献２に記載された従来技術では、基準部材をボンディングに支障のない位置に配置することが必要となることから基準部材からカメラまでの光路と移載ヘッドの先端に吸着された半導体ダイまでの光路とを別の光路とすることが必要となる。一方、基準部材の画像と移載ヘッドの先端に吸着された半導体ダイの画像とを同時に撮像するためには２つの光路を一つにまとめるように光路を構成することが必要となる。また、基準部材からカメラまでの光路長と半導体ダイの表面からカメラまでの光路長とを等しくして基準部材と半導体ダイとの画像のピントが合うようにすることが必要となる。このため、光学系にハーフミラーやプリズムを多用することが必要となり、光学系の構成が複雑になってしまうという問題があった。

また、特許文献２に記載された従来技術は、基準部材を連接部材によって移載ヘッドに取り付けていることから、移載ヘッドの往復移動によって基準部品が振動し、これによる検出誤差によって半導体ダイの位置ずれが生じる場合があるという問題があった（特許文献２、段落００９６参照）。

そこで、本発明は、簡便な構成で効果的にボンディングツールと半導体ダイとの位置ずれを検出することを目的とする。

本発明のダイボンダは、ボンディングツールと、光源と、カメラと、ボンディングツールと同軸上に配置された反射体と、画像処理部と、を含み、ボンディングツールは、半導体ダイを吸着する先端の吸着面と、先端の吸着面よりも太い根元と、吸着面と根元とをつなぎ、長手方向中心線に対して傾斜した傾斜面と、を備え、光源は、ボンディングツールの吸着面側に配置され、カメラは、吸着面に吸着された半導体ダイの画像と反射体の画像とボンディングツールの傾斜面の画像とを同時に取得し、反射体は、ボンディングツールの根元に隣接し、吸着面からボンディングツールの長手方向にカメラの焦点深度よりも離間して配置されると共に、ボンディングツールとの間で相対的に移動せず、光源からの光を少なくともボンディングツールの吸着面側に反射し、画像処理部は、カメラによって取得したボンディングツールの傾斜面の黒くぼやけた円形の画像と、カメラによって取得した円形の画像と同心で円形の画像の外周に隣接する反射体の白くぼやけたリング状の画像と、の明度差によってボンディングツールの長手方向の中心線の位置を検出し、カメラによって取得したボンディングツールの傾斜面の黒くぼやけた円形の画像と、カメラによって取得した円形の画像の中に位置する半導体ダイの白くシャープな画像との明度差によって半導体ダイの中心位置を検出し、ボンディングツールの長手方向の中心線の位置と半導体ダイの中心位置のＸＹ方向のずれ量からボンディングツールと半導体ダイとの相対位置を検出すること、を特徴とする。

本発明のダイボンダにおいて、反射体は、ボンディングツールを把持するシャンクまたは、ボンディングツールに取り付けたリングまたは、ボンディングツールの根元に隣接する段部であり、ボンディングツールの長手方向中心線に対して垂直な反射面を有し、反射面は、シャンクの吸着面側の端面または、リングの吸着面側の端面または、段部の端面であること、としても好適である。

本発明のダイボンダにおいて、ボンディングツールと半導体ダイとの相対位置は、ボンディングツールの長手方向中心線の吸着面上の位置と半導体ダイの中心の吸着面上の位置との間のずれ量または、吸着面上の基準軸に対する半導体ダイの傾斜角度のいずれか一方または両方であること、としても好適である。

本発明のダイボンダは、更に、移動機構と、制御部と、を含み、移動機構は、ボンディングツールを移動させ、制御部は、移動機構によってボンディングツールを移動させ、ボンディングツールが半導体ダイのピックアップ位置からボンディング位置との間の所定の位置に達した際に光源を発光させ、ボンディングツールを移動させながらカメラによって吸着面に吸着された半導体ダイの画像とボンディングツールの傾斜面の画像と反射体の画像とを同時に取得すること、としても好適である。

本発明のダイボンダは、更に、移動機構と、制御部と、を含み、移動機構は、ボンディングツールを移動させ、制御部は、移動機構によってボンディングツールの位置を変化させると共に、画像処理部の検出したボンディングツールと半導体ダイとの相対位置に基づいてボンディングツールの位置を補正すること、としても好適である。

本発明のボンディングツールと半導体ダイとの相対位置を検出する位置検出方法は、ダイボンダにおいて、ボンディングツールと半導体ダイとの相対位置を検出する位置検出方法であって、画像取得工程と、相対位置検出工程と、を含み、ダイボンダは、半導体ダイを吸着する先端の吸着面と、先端の吸着面よりも太い根元と、吸着面と根元とをつなぎ、長手方向中心線に対して傾斜した傾斜面と、を有するボンディングツールと、ボンディングツールの吸着面側に配置される光源と、ボンディングツールと同軸上に配置され、ボンディングツールとの間で相対的に移動せず、光源からの光をボンディングツールの吸着面側に反射する反射体と、吸着面に吸着された半導体ダイの画像と反射体の画像とボンディングツールの傾斜面の画像とを同時に取得するカメラと、を備え、反射体がボンディングツールの根元に隣接し、吸着面からボンディングツールの長手方向にカメラの焦点深度よりも離間して配置され、ボンディングツールの長手方向中心線に対して垂直な反射面を含み、画像取得工程は、カメラによって吸着面に吸着された半導体ダイの画像と反射体の画像とボンディングツールの傾斜面の画像とを同時に取得し、相対位置検出工程は、カメラによって取得したボンディングツールの傾斜面の黒くぼやけた円形の画像と、カメラによって取得した円形の画像と同心で円形の画像の外周に隣接する反射体の白くぼやけたリング状の画像と、の明度差によってボンディングツールの長手方向の中心線の位置を検出し、カメラによって取得したボンディングツールの傾斜面の黒くぼやけた円形の画像と、カメラによって取得した円形の画像の中に位置する半導体ダイの白くシャープな画像との明度差によって半導体ダイの中心位置を検出し、ボンディングツールの長手方向の中心線の位置と半導体ダイの中心位置のＸＹ方向のずれ量からボンディングツールと半導体ダイとの相対位置を検出すること、を特徴とするを特徴とする。

本発明の位置検出方法において、ボンディングツールと半導体ダイとの相対位置は、ボンディングツールの長手方向中心線の吸着面上の位置と半導体ダイの中心の吸着面上の位置との間のずれ量または、吸着面上の基準軸に対する半導体ダイの傾斜角度のいずれか一方または両方であること、としても好適である。

本発明の位置検出方法において、ダイボンダは、更に、ボンディングツールを移動させる移動機構を備え、画像取得工程は、移動機構によってボンディングツールを移動させ、ボンディングツールが半導体ダイのピックアップ位置からボンディング位置との間の所定の位置に達した際に光源を発光させ、ボンディングツールを移動させながらカメラによって吸着面に吸着された半導体ダイの画像と反射体の画像とボンディングツールの傾斜面の画像とを同時に取得すること、としても好適である。

本発明は、簡便な構成で効果的にボンディングツールと半導体ダイとの位置ずれを検出することができるという効果を奏する。

本発明の実施形態におけるダイボンダの制御システムの構成を示す系統図である。 本発明の実施形態におけるダイボンダのボンディングツールとシャンクとの詳細を示す説明図である。 本発明の実施形態におけるダイボンダの動作を示す説明図である。 本発明の実施形態におけるダイボンダのボンディングツールとシャンクの構造と、カメラによって捉えた画像を示す説明図である。 図４に示す画像を二値化処理する工程を示す説明図である。 図４に示す画像を二値化処理した画像を示す説明図である。 本発明の他の実施形態におけるダイボンダのボンディングツールとリングの構造と、カメラによって捉えた画像を示す説明図である。 本発明の他の実施形態におけるダイボンダのボンディングツールの構造と、カメラによって捉えた画像を示す説明図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図１に示すように、本発明のダイボンダ１０は、シャンク２０を介してボンディングツール２４が取り付けられるボンディングヘッド１５と、ボンディングヘッド１５をＹ方向にガイドするガイドレール１１と、ボンディングヘッド１５をＹ方向に移動させるＹ方向移動機構１３と、ガイドレール１１とボンディングヘッド１５とをＸ方向に移動させるＸ方向移動機構１２と、ボンディングヘッド１５の下側に設けられたカメラ３２と、光源であるストロボ３４と、カメラ３２とストロボ３４とが接続される画像処理部４０と、Ｘ、Ｙ方向移動機構１２，１３が接続される制御部５０を備えている。ボンディングツール２４は、先端に半導体ダイ３０を吸着する吸着面２７を有し、ストロボ３４は発光した光をボンディングツール２４の方向に向ける反射鏡３５を備えている。ボンディングヘッド１５は、内部にボンディングツール２４をＺ方向に移動するＺ方向移動機構１６と、ボンディングツール２４をθ方向に回転移動するθ方向移動機構１７とを備えており、各移動機構１６，１７はそれぞれ制御部５０に接続されている。制御部５０は、このＸ，Ｙ，Ｚ，θ方向の各移動機構１２，１３，１６，１７を動作させることによって、ボンディングツール２４をＸ，Ｙ，Ｚ，θの各方向に移動させるように構成されている。なお、図１の中の座標軸に示すように、紙面に水平方向がＹ方向、紙面の上下方向がＺ方向、紙面に垂直方向がＸ方向、Ｚ軸周りの回転方向がθ方向である。

図１に示すように、画像処理部４０は、内部に信号、データの処理を行うＣＰＵ４１と、データやプログラムを記憶するメモリ４２とを備えるコンピュータである。メモリ４２は後で説明する画像取得プログラム４３、相対位置検出プログラム４４、制御データ４５を内部に格納している。また、画像処理部４０は、カメラ３２、ストロボ３４との接続を行うカメラインターフェース４７、ストロボインターフェース４８とを備えている。また、画像処理部４０は、他のコンピュータである制御部５０との間でデータ通信を行うためのデータバスインターフェース４６を備えている。ＣＰＵ４１、メモリ４２、各インターフェース４７，４８とデータバスインターフェース４６とは画像処理部４０内部のデータバス４９によって接続されている。

図１に示すように、制御部５０は、画像処理部４０と同様、内部に信号、データの処理を行うＣＰＵ５１と、データやプログラムを記憶するメモリ５２とを備えるコンピュータであり、データバスインターフェース５６と通信ライン６０、画像処理部４０のデータバスインターフェース４６を介して画像処理部４０のＣＰＵ４１、メモリ４２と接続されている。メモリ５２は後で説明する位置制御プログラム５３、補正プログラム５４、制御データ５５を内部に格納している。また、制御部５０は、Ｘ，Ｙ，Ｚ，θ方向の各移動機構１２，１３，１６，１７との接続を行う移動機構インターフェース５７を備えている。ＣＰＵ５１、メモリ５２、移動機構インターフェース５７とデータバスインターフェース５６とは制御部５０内部のデータバス５９によって接続されている。

本実施形態のダイボンダ１０のＸ，Ｙ，Ｚ，θの各移動機構１２，１３，１６，１７は、それぞれ、ボンディングツール２４の先端のＸ，Ｙ，Ｚ，θの各方向の位置を示す信号を出力するように構成されており、制御部５０は、各移動機構１２，１３，１６，１７の信号からボンディングツール２４の先端のＸ，Ｙ，Ｚ，θの各方向の位置を取得する。

図２に示すように、ボンディングツール２４は、半導体ダイ３０を吸着する先端の吸着面２７と、先端の吸着面２７よりも太い根元２５と、吸着面２７と根元２５とをつなぎ、長手方向中心線９０に対して傾斜した傾斜面である傾斜曲面２６と、を有している。先端の吸着面２７は半導体ダイ３０の大きさと略同様の大きさで、ボンディングツール２４の長手方向中心線９０に対して垂直な平面となっている。このため、吸着面２７に吸着された半導体ダイ３０の裏面もボンディングツール２４の長手方向中心線９０に対して垂直な平面となる。

ボンディングツール２４の根元２５は先端の吸着面２７よりも太く、シャンク２０に固定される円柱形であり、傾斜曲面２６は、吸着面２７から根元２５に向かって漏斗状に広がる曲面である。また、シャンク２０は、内周側にボンディングツール２４の根元２５の外周面が嵌合する円筒形となっており、その下側あるいは吸着面２７の側の端面２１は、ボンディングツール２４の長手方向あるいはボンディングツール２４の長手方向中心線９０に垂直な平面で、その表面が鏡面仕上げされている。シャンク２０はボンディングツール２４と嵌合しているので、ボンディングツール２４との間で相対的に移動せず、根元２５に隣接する位置に配置されている。

図２に示すように、カメラ３２は、ボンディングツール２４が真上の所定の位置に移動してきた際にボンディングツール２４に吸着された半導体ダイ３０の裏面（Ｚ方向下側の面）にピントが合うような位置に配置され、半導体ダイ３０の裏面のシャープな画像を取得できるように調整されている。つまり、カメラ３２は、カメラ３２のレンズと半導体ダイ３０の裏面との光路長Ｌ１がカメラ３２のレンズの焦点距離となるように調整されている。

一方、図２に示すように、ボンディングツール２４の傾斜曲面２６、シャンク２０の端面２１は半導体ダイ３０を吸着する吸着面２７から長手方向に離間して配置され、カメラ３２のレンズからボンディングツール２４の傾斜曲面２６、シャンク２０の端面２１までの光路長は光路長Ｌ２，Ｌ３となっている。一方、カメラ３２のレンズの焦点深度Ｄは半導体ダイ３０の厚さよりも少し長い程度であるので、各光路長Ｌ２，Ｌ３はそれぞれ光路長Ｌ１に焦点深度Ｄを加えた長さよりも長くなっている。このため、カメラ３２によって半導体ダイ３０の裏面の画像とボンディングツール２４の傾斜曲面２６の画像とシャンク２０の端面２１の画像とを同時に取得する場合、ボンディングツール２４の傾斜曲面２６とシャンク２０の端面２１はピントが合っていない状態となり、取得する傾斜曲面２６の画像と端面２１の画像とは、多少ぼけた画像となる。

次に、本実施形態のダイボンダ１０の動作について説明する。図３に示すように、ダイボンダ１０の制御部５０は位置制御プログラム５３を実行してＸ，Ｙ，Ｚ，θ方向の各移動機構１２，１３，１６，１７を駆動してピックアップステージ３６の上に置かれているダイシング済みのウエハの上にボンディングツール２４を移動させ、ボンディングツール２４の先端の吸着面２７に半導体ダイ３０を吸着する。そして、図３に示す軌跡３８のようにボンディングヘッド１５をボンディングステージ３７の上に移動させ、ボンディングヘッド１５をボンディングステージ３７の上に吸着固定させた回路基板の上に降下させ、半導体ダイ３０を回路基板の上にボンディングする。これが、ダイボンダ１０の基本動作である。

制御部５０のＣＰＵ５１は、位置制御プログラム５３を実行し、ボンディングツール２４をピックアップステージ３６からボンディングステージ３７に移動させる間、Ｘ，Ｙ，Ｚ，θの各移動機構１２，１３，１６，１７の信号からボンディングツール２４の先端のＸ，Ｙ，Ｚ，θの各方向の位置を検出し、図２に示すように、ボンディングツール２４がカメラ３２の真上の所定の位置に来て、カメラ３２レンズの中心位置にボンディングツール２４の長手方向中心線９０が合った状態となったらストロボ３４を発光させるトリガ信号を出力する。このトリガ信号は、データバスインターフェース５６，４６、通信ライン６０により画像処理部４０に伝達される。なお、所定の位置は、予め位置制御プログラム５３の中に設定されている位置である。

画像処理部４０のＣＰＵ４１はこのトリガ信号が入力されたら、画像取得プログラム４３を実行する。ＣＰＵ４１は、ストロボ３４を発光させる指令を出力する。この指令により、ストロボインターフェース４８から発光信号がストロボ３４に出力され、ストロボ３４が発光する。また、画像処理部４０は、トリガ信号が入力されたら、ストロボ３４の発光と同期させてカメラインターフェース４７を通してカメラ３２からの画像の取り込みを行う。そして、取り込んだ画像は、画像処理部４０のメモリ４２に格納される。なお、画像の取り込みは、ボンディングツール２４を移動させながら（移動を停止させずに）行う。

ストロボ３４が発光するとストロボ３４からの光は、図４（ａ）に示す矢印７１，７３，７５のようにボンディングツール２４の吸着面２７の側からボンディングツール２４の傾斜曲面２６、半導体ダイ３０の裏面、シャンク２０の端面２１に入射する。シャンク２０の端面２１に入射した光の一部は、図４に示す矢印７２のように、ボンディングツール２４の長手方向あるいは、ボンディングツール２４の長手方向中心線９０に沿った方向（Ｚ方向マイナス側）に向かって反射され、図２に示したように、ボンディングツール２４の下側（吸着面２７側）のカメラ３２に入射する。従って、本実施形態では、シャンク２０は反射体であり、シャンク２０の端面２１は反射面である。また、半導体ダイ３０の裏面あるいは下側の面（Ｚ方向マイナス側の面）に入射した光の一部は、図４（ａ）に示す矢印７５のように、ボンディングツール２４の長手方向あるいは、ボンディングツール２４の長手方向中心線９０に沿った方向（Ｚ方向マイナス側）に向かって反射され、ボンディングツール２４の下側（吸着面２７側）のカメラ３２に入射する。

一方、図４の矢印７３に示すようにボンディングツール２４の傾斜曲面２６に入射した光は、図４（ａ）に示す矢印７４のように、水平方向などボンディングツール２４の長手方向と異なる方向あるいはボンディングツール２４の長手方向中心線９０に沿った方向と異なる方向に向かって反射される。

すると、図４（ｂ）に示すように、カメラ３２の視野３３には、ストロボ３４からの光がカメラ３２に向かって反射する端面２１の明度の高い（白い）リング状の画像８１（反射体の画像）と、ストロボ３４からの光がカメラ３２に向かって反射しないボンディングツール２４の傾斜曲面２６の明度の低い（黒あるいはグレー）円形の画像８２と、円形の画像８２の中に位置するストロボ３４からの光がカメラ３２に向かって反射する半導体ダイ３０の裏面の明度の高い（白い）四角い画像８４と、が捉えられる。画像処理部４０は、カメラ３２によって、この３つの画像８１，８２，８４を同時に取得し、メモリ４２に格納する。なお、図４（ｂ）に破線で示すボンディングツール２４の先端の画像８３は、半導体ダイ３０の画像に隠れてカメラ３２には捉えられない。

先に説明したように、カメラ３２のピントは、半導体ダイ３０の裏面に合うように調整されているので、半導体ダイ３０の裏面の画像８４はシャープな画像である。しかし、シャンク２０の端面２１、ボンディングツール２４の傾斜曲面２６は、半導体ダイ３０の裏面からカメラ３２の焦点深度Ｄよりも大きくＺ方向にずれていることから、端面２１の明度の高い（白い）リング状の画像８１と、傾斜曲面２６の明度の低い（黒あるいはグレー）円形の画像８２はぼやけた画像となっている。

画像処理部４０のＣＰＵ４１は、相対位置検出プログラム４４を実行する。以下の説明では、画像の明度は、２５６階調（明度０〜明度２５５）として説明する。カメラ３２によって取得した画像は、図５（ａ）に示すように、端面２１の明度２５５のリング状の画像８１（反射体の画像）と、ボンディングツール２４の傾斜曲面２６の明度０の円形の画像８２（傾斜面の画像）と、半導体ダイ３０の裏面の明度２５５の四角い画像８４を含んでいる。先に説明したように、リング状の画像８１と、円形の画像８２とはカメラ３２のピントがずれているので、ぼやけた画像となっている。このため、図５（ａ）に示す様に、画像８１の明度は外周部では、線ａで示す様に明度２５５であるが、円形の画像８２に近づくにつれてピンボケのために黒い画像８２の一部が混ざりこみ、線ｂに示す様に少しずつ明度が低下してくる。そして、画像８２の領域の中に入ると、急速に明度が低下し、画像８２の内部領域では、明度は０近傍となる。そして、線ｃで示す様に、明度０の状態は、半導体ダイ３０の裏面の画像８４まで続く。カメラ３２のピントは半導体ダイ３０の裏面に合っているので、画像８４はシャープな輪郭を持っている。また、半導体ダイ３０の裏面はストロボ３４の光を反射しているので明度は明度２５５となっている。従って、画像の明度は、線ｄに示す様に、画像８４のエッジにおいて明度０から明度２５５までほぼ垂直に立ち上がる。そして、画像８４の領域では線ｅに示す様に、明度２５５で一定となる。

図５（ａ）に示す様に、画像処理部４０のＣＰＵ４１は、予めセットしておいた二値化閾値を用いて、図５（ｂ）に示す様に、画像８２の丸い外形基準線９１と、画像８４の四角い外形基準線９２とを取得する。二値化閾値は、ストロボ３４の光の状態、撮影位置などの条件が基準条件である場合に、ボンディングツール２４の根元２５の外形とほぼ同一の直径の円形の線が画像８２の丸い外形基準線９１として取得できるように予め試験などで決めておくものである。画像８１と画像８２は同心に配置されているボンディングツール２４の傾斜曲面２６とシャンク２０の端面２１の画像であるので、図５に線ａから線ｅで示す各領域の明度の変化は、ボンディングツール２４の長手方向中心線の周りに対象となる。従って、ストロボ３４の光の状態、撮影位置などの条件が基準条件とずれた場合でも画像８１と画像８２との間の明度の変化曲線は、図５（ａ）の一点鎖線ｂ´の様に左右対象（ボンディングツール２４の長手方向中心線の周りに対象）となるので、図５（ｂ）に示す二値化閾値を用いて取得する丸い外形基準線９１´は、ボンディングツール２４の根元２５の外形よりも小さい直径のボンディングツール２４の外形と同心円となる。このため、ストロボ３４の光の状態、撮影位置などの条件が基準条件とずれた場合でも丸い外形基準線９１、９１´の中心はいずれもボンディングツール２４の長手方向中心線の位置と一致する。

なお、半導体ダイ３０の裏面にはピントが合っており、画像８４のエッジではほぼ垂直に明度が変化するので、ストロボ３４の光の状態、撮影位置などの条件が基準条件とずれた場合でも画像８４の四角い外形基準線９２の大きさはほとんど変わらない。

つまり、本実施形態では、ストロボ３４の光を反射している端面２１のリング状の画像８１は明度が高く、逆にストロボ３４の光を反射していない傾斜曲面２６の円形の画像８２は明度が低く、その明度差が非常に大きくなっている。このため、端面２１、傾斜曲面２６のボンディングツール２４の長手方向の位置が半導体ダイ３０の裏面から焦点深度Ｄよりも離れており、シャープな画像を取得できなくとも、各画像８１，８２の明度差が大きいことを利用して、確実にボンディングツール２４の外形と同心円の円形の外形基準線９１を抽出できる。また、半導体ダイ３０の裏面の画像８４のシャープなエッジを利用して確実に四角い外形基準線９２を抽出することができる。

図６に示すように、画像処理部４０は、処理した画像から円形の外形基準線９１の中心９７の位置と、四角い外形基準線９２の中心９８の位置を検出し、円形の外形基準線９１の中心９７を通りカメラ３２の視野３３のＸ方向に向かうＸ方向基準線９４と、円形の外形基準線９１の中心９７を通りカメラ３２の視野３３のＹ方向に向かうＹ方向基準線９３とを設定する。また、画像処理部４０は、四角い外形基準線９２の中心９８を通り四角い外形基準線９２のＸ方向基準線９４に近い辺に並行なＸ方向計測線９６と四角い外形基準線９２の中心９８を通り四角い外形基準線９２のＹ方向基準線９３に近い辺に並行なＹ方向計測線９５とを設定する。そして、画像処理部４０は、円形の外形基準線９１の中心９７の位置と四角い外形基準線９２の中心９８の位置のＸ方向、Ｙ方向それぞれのずれ量ΔＸ，ΔＹを求める。また、画像処理部４０は、Ｘ方向基準線９４とＸ方向計測線９６とのθ方向の角度差あるいはＹ方向基準線９３とＹ方向計測線９５とのθ方向の角度差から四角い外形基準線９２のθ方向の回転角度ずれΔθを検出する。

先に説明したように、円形の外形基準線９１は、ボンディングツール２４と相対的に位置がずれないシャンク２０の端面２１の内側の外形線と同心円であり、かつ、ボンディングツール２４の外形線と同心円でもあることから、円形の外形基準線９１の中心９７の位置は図４（ａ）に示すボンディングツール２４の長手方向中心線９０の中心位置であり、四角い外形基準線９２は半導体ダイ３０の外形のエッジであることから四角い外形基準線９２の中心９８は、半導体ダイ３０の中心位置となる。従って、円形の外形基準線９１と四角い外形基準線９２とのＸ、Ｙ方向の各ずれ量ΔＸ，ΔＹは、ボンディングツール２４の中心位置と半導体ダイ３０の中心位置とのＸ、Ｙ方向の各ずれ量となる。

同様に円形の外形基準線９１の中心９７を通りカメラ３２の視野３３のＸ方向に向かうＸ方向基準線９４と、円形の外形基準線９１の中心９７を通りカメラ３２の視野３３のＹ方向に向かうＹ方向基準線９３とは、ボンディングツール２４の吸着面２７の上の基準線であり、四角い外形基準線９２の中心９８を通り四角い外形基準線９２のＸ方向基準線９４に近い辺に並行なＸ方向計測線９６と四角い外形基準線９２の中心９８を通り四角い外形基準線９２のＹ方向基準線９３に近い辺に並行なＹ方向計測線９５は、ボンディングツール２４の吸着面２７の上の基準線に対する半導体ダイ３０の傾斜角度を示す線となる。従って、Ｘ方向基準線９４とＸ方向計測線９６とのθ方向の角度差あるいはＹ方向基準線９３とＹ方向計測線９５とのθ方向の角度差から求められる四角い外形基準線９２のθ方向の回転角度ずれΔθは、ボンディングツール２４の吸着面２７の上の基準軸に対する半導体ダイ３０の傾斜角度となる。そして、ボンディングツール２４の中心位置と半導体ダイ３０の中心位置とのＸ、Ｙ方向の各ずれ量と、ボンディングツール２４の吸着面２７の上の基準軸に対する半導体ダイ３０の傾斜角度とは、ボンディングツール２４と半導体ダイ３０との相対位置である。

画像処理部４０は、ボンディングツール２４に対する半導体ダイ３０のＸ，Ｙ，θ方向の各ずれ量ΔＸ，ΔＹ，Δθを検出したら、そのデータをデータバスインターフェース４６，５６，通信ライン６０を通して制御部５０に送信する。制御部５０のＣＰＵ５１は、補正プログラム５４を実行し、ボンディングツール２４を図３に示すボンディングステージ３７に移動するまでの間に各移動機構１２，１３，１６，１７によって検出するボンディングツール２４の先端の位置を受信したＸ，Ｙ，θ方向の各ずれ量ΔＸ，ΔＹ，Δθだけ補正し、ボンディングステージ３７の上の回路基板に正確な位置、方向で半導体ダイ３０をボンディングすることができる。

以上、説明したように、本実施形態のダイボンダ１０は、ボンディングツール２４を把持しているシャンク２０の端面２１の画像８１と、ボンディングツール２４の傾斜曲面２６の画像８２との明度差、半導体ダイ３０の裏面の画像８４とボンディングツール２４の傾斜曲面２６の画像８２との明度差を利用してボンディングツール２４の長手方向中心線９０の中心位置、半導体ダイ３０の中心位置を検出するので、端面２１、傾斜曲面２６が半導体ダイ３０の裏面から焦点深度Ｄよりも大きくずれており、各画像８１，８２がシャープでない場合でも確実にボンディングツール２４と半導体ダイ３０との相対位置を検出することができる。このため、シャンク２０の端面２１を鏡面仕上げして反射面とするという簡便な構成で、複雑な光学系を用いなくとも効果的に半導体ダイの位置ずれを検出することができる。また、シャンク２０はボンディングツール２４を把持するものであり、ボンディングツール２４と相対的な移動が無いので、ボンディングツール２４、シャンク２０、半導体ダイ３０の画像を取得する際にボンディングツール２４の移動を停止する必要が無く、タクトタイムを短縮することができる。さらに、シャンク２０はボンディングヘッド１５から突出していないので、ボンディングヘッド１５の移動により振動が発生することが無く、簡便な構成で、効果的に半導体ダイの位置ずれを検出することができる。

本実施形態では、ボンディングツール２４の傾斜面は漏斗状の傾斜曲面２６であるとして説明したが、傾斜面は、ボンディングツール２４の長手方向中心線９０に対して傾斜しており、ストロボ３４からの光を長手方向中心線９０に沿った方向に反射しないような面であればどのような形状であってもよく、例えば、吸着面２７と根元２５とを斜めにつなぐテーパ面であってもよい。

また、本実施形態では、ボンディングの動作中に位置ずれ量を検出し、その補正を行うこととして説明したが、本発明は、ボンディングの動作中の補正のみでなく、例えば、実製品のボンディングの前のトレーニングあるいはティーチングにおいて、予め位置ずれを測定しその結果によりボンディングツール２４のオフセット量を設定する際にも適用することができる。その場合には、画像を取得する際にボンディングツール２４の移動を停止させ、静止状態で撮像したボンディングツール２４の傾斜曲面２６、シャンク２０、半導体ダイ３０の各画像８１，８２，８４とボンディングツール２４の移動を停止せずに取得した各画像８１，８２，８４を組み合わせてずれ量、オフセット量を設定するようにしてもよい。

また、本実施形態では、ボンディングツール２４とボンディングツール２４の吸着面２７に吸着された半導体ダイ３０との相対位置に基づいてボンディングツール２４の位置を補正することとして説明したが、ボンディングツール２４の長手方向中心線９０の位置検出結果を利用して、ボンディングツール２４とピックアップステージ３６あるいはボンディングステージ３７との間の相対位置を補正し、ダイボンダ１０の温度変化によるピックアップ位置あるいはボンディング位置のずれ量を補正することとしてもよい。この場合、例えば、ボンディングツール２４とピックアップステージ３６あるいはボンディングステージ３７との間の位置ずれの移動平均を求め、この移動平均値の変化の傾向に基づいてずれ量の補正方向を決定するようにしてもよい。

次に、図７、図８を参照して、本発明の他の実施形態について説明する。図１から図６を参照して説明した実施形態と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。図７に示す実施形態は、図１から図６を参照して説明した実施形態のシャンク２０の下側にボンディングツール２４の根元２５の外周に嵌って固定されるリング２２を取り付けたものである。リング２２の下側の端面２３は鏡面仕上げされてストロボ３４からの光を反射することができるように構成されている。本実施形態では、リング２２が反射体であり、端面２３が反射面で、リング２２は根元２５に隣接して配置されている。

図７（ｂ）に示すように、本実施形態では、カメラ３２は、少しぼけた明度の高い（白い）リング状のリング２２の端面２３の画像８６と、少しぼけたボンディングツール２４の傾斜曲面２６の明度の低い（黒またはグレー）の画像８２と、明度の高い（白い）半導体ダイ３０の裏面の画像８４とを取得し、端面２３の画像８６と傾斜曲面２６画像８２との円形の外形基準線９１と、傾斜曲面２６画像８２と半導体ダイ３０の裏面の画像８４との四角い外形基準線９２とを抽出し、ボンディングツール２４と半導体ダイ３０との相対位置を検出する。本実施形態の効果は先に図１から図６を参照して説明した実施形態と同様である。

図８（ａ）に示す他の実施形態は、ボンディングツール２４の根元２５を段つきとし、その段部２８の下側の下面２９を鏡面仕上げとしてストロボ３４からの光を反射することができるようにしたものである。本実施形態では、ボンディングツール２４の段部２８が反射体であり、段部２８の下面２９が反射面で、下面２９は根元２５に隣接して配置されている。

図８（ｂ）に示すように、本実施形態では、カメラ３２は、少しぼけた明度の高い（白い）リング状の段部２８の下面２９の画像８８と、少しぼけたボンディングツール２４の傾斜曲面２６の明度の低い（黒またはグレー）の画像８２と、明度の高い（白い）半導体ダイ３０の裏面の画像８４とを取得し、下面２９の画像８８と傾斜曲面２６画像８２との円形の外形基準線９１と、傾斜曲面２６画像８２と半導体ダイ３０の裏面の画像８４との四角い外形基準線９２とを抽出し、ボンディングツール２４と半導体ダイ３０との相対位置を検出する。本実施形態の効果は先に図１から図６を参照して説明した実施形態と同様である。

１０ ダイボンダ、１１ ガイドレール、１２ Ｘ方向移動機構、１３ Ｙ方向移動機構、１５ ボンディングヘッド、１６ Ｚ方向移動機構、１７ θ方向移動機構、２０ シャンク、２１，２３ 端面、２２ リング、２４ ボンディングツール、２５ 根元、２６ 傾斜曲面、２７ 吸着面、２８ 段部、２９ 下面、３０ 半導体ダイ、３２ カメラ、３３ 視野、３４ ストロボ、３５ 反射鏡、３６ ピックアップステージ、３７ ボンディングステージ、３８ 軌跡、４０ 画像処理部、４１，５１ ＣＰＵ、４２，５２ メモリ、４３ 画像取得プログラム、４４ 相対位置検出プログラム、４５，５５ 制御データ、４６，５６ データバスインターフェース、４７ カメラインターフェース、４８ ストロボインターフェース、４９，５９ データバス、５０ 制御部、５３ 位置制御プログラム、５４ 補正プログラム、５７ 移動機構インターフェース、６０ 通信ライン、７１〜７６ 矢印、８１〜８９ 画像、９０ 長手方向中心線、９１ 円形の外形基準線、９２ 四角い外形基準線、９３ Ｙ方向基準線、９４ Ｘ方向基準線、９５ Ｙ方向計測線、９６ Ｘ方向計測線、９７，９８ 中心、Ｄ 焦点深度、Ｌ１〜Ｌ３ 光路長、ΔＸ，ΔＹ，Δθ ずれ量。

Claims (8)

1. ボンディングツールと、
   光源と、
   カメラと、
   前記ボンディングツールと同軸上に配置された反射体と、
   画像処理部と、
   を含み、
   前記ボンディングツールは、半導体ダイを吸着する先端の吸着面と、先端の前記吸着面よりも太い根元と、前記吸着面と前記根元とをつなぎ、長手方向中心線に対して傾斜した傾斜面と、を備え、
   前記光源は、前記ボンディングツールの前記吸着面側に配置され、
   前記カメラは、前記吸着面に吸着された前記半導体ダイの画像と前記反射体の画像と前記ボンディングツールの前記傾斜面の画像とを同時に取得し、
   前記反射体は、前記ボンディングツールの前記根元に隣接し、前記吸着面から前記ボンディングツールの長手方向に前記カメラの焦点深度よりも離間して配置されると共に、前記ボンディングツールとの間で相対的に移動せず、前記光源からの光を少なくとも前記ボンディングツールの前記吸着面側に反射し、
   前記画像処理部は、前記カメラによって取得した前記ボンディングツールの前記傾斜面の黒くぼやけた円形の画像と、前記カメラによって取得した前記円形の画像と同心で前記円形の画像の外周に隣接する前記反射体の白くぼやけたリング状の画像と、の明度差によって前記ボンディングツールの長手方向の中心線の位置を検出し、
   前記カメラによって取得した前記ボンディングツールの前記傾斜面の黒くぼやけた円形の画像と、前記カメラによって取得した前記円形の画像の中に位置する前記半導体ダイの白くシャープな画像との明度差によって前記半導体ダイの中心位置を検出し、
   前記ボンディングツールの長手方向の中心線の位置と前記半導体ダイの中心位置のＸＹ方向のずれ量から前記ボンディングツールと前記半導体ダイとの相対位置を検出すること、
   を特徴とするダイボンダ。
2. 請求項１に記載のダイボンダであって、
   前記反射体は、前記ボンディングツールを把持するシャンクまたは、前記ボンディングツールに取り付けたリングまたは、前記ボンディングツールの前記根元に隣接する段部であり、前記ボンディングツールの長手方向中心線に対して垂直な反射面を有し、
   前記反射面は、前記シャンクの前記吸着面側の端面または、前記リングの前記吸着面側の端面または、前記段部の端面であること、
   を特徴とするダイボンダ。
3. 請求項１または２に記載のダイボンダであって、
   前記ボンディングツールと前記半導体ダイとの相対位置は、前記ボンディングツールの長手方向中心線の前記吸着面上の位置と前記半導体ダイの中心の前記吸着面上の位置との間のずれ量または、前記吸着面上の基準軸に対する前記半導体ダイの傾斜角度のいずれか一方または両方であること、
   を特徴とするダイボンダ。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のダイボンダであって、
   更に、移動機構と、
   制御部と、を含み、
   前記移動機構は、前記ボンディングツールを移動させ、
   前記制御部は、前記移動機構によって前記ボンディングツールを移動させ、前記ボンディングツールが前記半導体ダイのピックアップ位置からボンディング位置との間の所定の位置に達した際に前記光源を発光させ、前記ボンディングツールを移動させながら前記カメラによって前記吸着面に吸着された半導体ダイの画像と前記ボンディングツールの前記傾斜面の画像と前記反射体の画像とを同時に取得すること、
   を特徴とするダイボンダ。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載のダイボンダであって、
   更に、移動機構と、
   制御部と、を含み、
   前記移動機構は、前記ボンディングツールを移動させ、
   前記制御部は、前記移動機構によって前記ボンディングツールの位置を変化させると共に、前記画像処理部の検出した前記ボンディングツールと前記半導体ダイとの相対位置に基づいて前記ボンディングツールの位置を補正すること、
   を特徴とするダイボンダ。
6. ダイボンダにおいて、ボンディングツールと半導体ダイとの相対位置を検出する位置検出方法であって、
   画像取得工程と、
   相対位置検出工程と、
   を含み、
   前記ダイボンダは、前記半導体ダイを吸着する先端の吸着面と、先端の前記吸着面よりも太い根元と、前記吸着面と前記根元とをつなぎ、長手方向中心線に対して傾斜した傾斜面と、を有するボンディングツールと、前記ボンディングツールの吸着面側に配置される光源と、前記ボンディングツールと同軸上に配置され、前記ボンディングツールとの間で相対的に移動せず、前記光源からの光を前記ボンディングツールの前記吸着面側に反射する反射体と、前記吸着面に吸着された半導体ダイの画像と前記反射体の画像と前記ボンディングツールの前記傾斜面の画像とを同時に取得するカメラと、を備え、前記反射体が前記ボンディングツールの前記根元に隣接し、前記吸着面から前記ボンディングツールの長手方向に前記カメラの焦点深度よりも離間して配置され、前記ボンディングツールの長手方向中心線に対して垂直な反射面を含み、
   前記画像取得工程は、前記カメラによって前記吸着面に吸着された前記半導体ダイの画像と前記反射体の画像と前記ボンディングツールの前記傾斜面の画像とを同時に取得し、
   前記相対位置検出工程は、
   前記カメラによって取得した前記ボンディングツールの前記傾斜面の黒くぼやけた円形の画像と、前記カメラによって取得した前記円形の画像と同心で前記円形の画像の外周に隣接する前記反射体の白くぼやけたリング状の画像と、の明度差によって前記ボンディングツールの長手方向の中心線の位置を検出し、
   前記カメラによって取得した前記ボンディングツールの前記傾斜面の黒くぼやけた円形の画像と、前記カメラによって取得した前記円形の画像の中に位置する前記半導体ダイの白くシャープな画像との明度差によって前記半導体ダイの中心位置を検出し、
   前記ボンディングツールの長手方向の中心線の位置と前記半導体ダイの中心位置のＸＹ方向のずれ量から前記ボンディングツールと前記半導体ダイとの相対位置を検出すること、
   を特徴とする位置検出方法。
7. 請求項６に記載の位置検出方法であって、
   前記ボンディングツールと前記半導体ダイとの相対位置は、前記ボンディングツールの長手方向中心線の前記吸着面上の位置と前記半導体ダイの中心の前記吸着面上の位置との間のずれ量または、前記吸着面上の基準軸に対する前記半導体ダイの傾斜角度のいずれか一方または両方であること、
   を特徴とする位置検出方法。
8. 請求項６または７に記載の位置検出方法であって、
   前記ダイボンダは、更に、前記ボンディングツールを移動させる移動機構を備え、
   前記画像取得工程は、前記移動機構によって前記ボンディングツールを移動させ、前記ボンディングツールが前記半導体ダイのピックアップ位置からボンディング位置との間の所定の位置に達した際に前記光源を発光させ、前記ボンディングツールを移動させながら前記カメラによって前記吸着面に吸着された半導体ダイの画像と前記反射体の画像と前記ボンディングツールの前記傾斜面の画像とを同時に取得すること、
   を特徴とする位置検出方法。

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