JP6778676B2 - ボンディングツール冷却装置およびこれを備えたボンディング装置ならびにボンディングツール冷却方法 - Google Patents

Description

半導体チップ部品を回路基板に加熱および押圧し実装するボンディング装置の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。

半導体チップ部品を回路基板に実装する方法として、熱圧着工法やはんだ工法などが用いられている。熱圧着工法ではボンディングツールに設けられたセラミック製のヒータを高速で昇温し半導体チップ部品と回路基板の間に充填された熱硬化性樹脂フィルム又は熱硬化性樹脂ペーストを加熱硬化させて熱圧着している。また、はんだ工法では、ボンディングツールをはんだ溶融温度まで昇温させて半導体チップ部品を回路基板に実装した後、固相温度以下まで冷却させて次の半導体チップ部品の実装を行うようにしている。

半導体チップ部品を回路基板に実装するボンディング装置は、図１に示すような構造となっている。ボンディング装置１には、半導体チップ部品４を吸着保持して回路基板２に押圧および加熱するボンディングツール１０と、回路基板２を吸着保持する基板ステージ２０から構成されている。ボンディング装置１と半導体チップ部品４の供給部との間は、半導体チップ部品４を水平搬送する搬送手段２５としてチップスライダ２６が設けられている。チップスライダ２６で搬送された半導体チップ部品４は、ボンディングツール１０に受け渡されるようになっている。

ボンディングツール１０は、図５に示すような構造となっている。ボンディングツール１０の先端にはホルダー部１１が設けられており、ホルダー部１１の下面にはヒータベース１２が取り付けボルトにより固定されている。ヒータベース１２の下面には断熱ブロック１３を介してヒータ１４が配置されており、ヒーター１４と断熱ブロック１３、断熱ブロック１３とヒーターベース１２はそれぞれ図示しないボルトにより固定されている。ヒータ１４の下面には半導体チップ部品４を吸着保持するアタッチメントツール１５が設けられている。断熱ブロック１３およびヒータ１４にはアタッチメント吸着用流路１７が形成されており、該流路を経由してアタッチメントツール１５が真空吸引される。断熱ブロック１３には冷却エアー流路１８が形成されており、図示していない圧空源より圧空が供給されヒータ１４上面にエアーを吹き付けて冷却するように構成されている。

ボンディングツール１０の冷却は、アタッチメントツール１５が半導体チップ部品４を受け取る際に、ヒータ１４が高温のまま受け取ると、半導体チップ部品４のバンプ５先端部のはんだが溶融または軟化して変形したりすることを防止するために行われている。半導体チップ部品４の回路面に樹脂フィルムがラミネートされている場合は、樹脂フィルムが高温のため反応して硬化が進んでしまうことを防止しするためボンディングツール１０の冷却が必要となっている。

はんだが溶融や軟化によって変形すると、半導体チップ部品４の回路基板２への接合の際にバンプ５が均等に接触せずに接続不良を起こす問題がある。また樹脂フィルムの硬化が促進すると半導体チップ部品４のバンプ５と回路基板２の電極３との間の樹脂が排除されなくて接続不良を起こす問題がある。そのため、ヒータ１４は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、図５のようにヒータ１４の裏面を冷却させるだけでは、アタッチメントツール１５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言う問題があった。

国際公開番号ＷＯ２０１４／０８７７４０公報

このようなタクトタイムの問題に対して、特許文献１ではヒータの冷却時間を早くする方法として、アタッチメントツールを直接放熱部材に当接させて、熱伝搬により冷却させる方法を開示している。しかしながら、特許文献１に記載の冷却方法では、ボンディング終了後にボンディングツールが上昇し、放熱部材ユニットに当接させる位置へ基板ステージが移動して、ボンディングツールを下降させて冷却するステップが必要となり、これらの余分なタクトタイムを要してしまい、生産効率を落としてしまう問題がある。また、アタッチメントツールを放熱部材に接触させるため摩耗による耐久性や汚染の問題も発生する。

そこで、本発明の課題は非接触で効率よくボンディングツールを冷却できるボンディングツール冷却装置およびこれを備えたボンディング装置ならびに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、
半導体チップ部品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と、アタッチメントツールをヒータ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、
アタッチメントツール面に垂直に気体を噴射する噴射口からなる冷却装置を備え、
前記冷却装置が、半導体チップ部品を水平方向に搬送する搬送手段に設けられているボンディングツール冷却装置である。
また、請求項２に記載の発明は請求項１に記載のボンディングツール冷却装置であって、
前記搬送手段が、半導体チップ部品を画像認識する認識手段とボンディングツールの間の高さに半導体チップ部品を搬送する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、
請求項１または２に記載のボンディングツール冷却装置であって、
前記ヒータの温度が所定値以下になったら前記気体の噴出を停止する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、請求項１から請求項３に記載のいずれかのボンディングツール冷却装置を備え、
前記ボンディングツールを用いて、前記半導体チップ部品を加熱および押圧して回路基板に実装するボンディング装置である。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のボンディング装置であって、
複数のボンディングツールを備え、１つのボンディングツールが前記半導体チップ部品を基板に実装しているときに、前記ボンディングツール冷却装置が他のボンディングツールを冷却する機能を有するボンディング装置である。

請求項６に記載の発明は、
半導体チップ部品を加熱および押圧して回路基板に実装するボンディング装置であって、
半導体チップ部品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と、アタッチメントツールをヒータに吸着保持する吸着機構とを有するボンディングツールを複数備え、
前記アタッチメントツール面に垂直に気体を噴射する噴射口を有するボンディングツール冷却装置を備え、
複数のボンディングツールに対して前記ボンディングツール冷却装置が１つ配備され、
１つのボンディングツールが前記半導体チップ部品を基板に実装しているときに、前記ボンディングツール冷却装置が他のボンディングツールを冷却する機能を有するボンディング装置である。

請求項７に記載の発明は、
半導体チップ部品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と、アタッチメントツールをヒータ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が半導体チップ部品を回路基板にボンディングした後、上昇し半導体チップ部品の供給を待機している際に、
半導体チップ部品を搬送する搬送手段をアタッチメントツールの下方に移動させて、
搬送手段に設けられた冷却装置の気体の噴射口より垂直方向に気体を噴射させて、
アタッチメントツール面を冷却するボンディングツール冷却方法である。

請求項１に記載の発明によれば、アタッチメントツール面に垂直に気体を噴射する噴射口からなる冷却装置を備えたので、非接触で短時間に効率よくボンディングツールを冷却することが出来る。また、非接触で冷却するのでアタッチメントツールの摩耗や汚染がない。アタッチメント面に対して垂直に気体を噴射するので、アタッチメントツール面に当たる圧力は最大に出来るため冷却効率を高めることが出来る。特に、冷却装置が半導体チップ部品を搬送する搬送手段に設けられているので、ボンディングツールを冷却後すぐに、半導体チップ部品をアタッチメントツールに供給でき受け渡し時間が短縮される。

請求項２に記載の発明によれば、冷却装置が半導体チップ部品を搬送する搬送手段に設けられているので、ボンディングツールを冷却後すぐに、半導体チップ部品をアタッチメントツールに供給でき受け渡し時間が短縮される。

請求項３に記載の発明によれば、搬送手段が半導体チップ部品を画像認識する認識手段とボンディングツールの間の高さに半導体チップ部品を搬送するので、ボンディングツールへの半導体チップ部品の受け渡しを最短距離で行うことができ受け渡し時間を短縮できる。

請求項４の発明によれば、効率よく冷却されたボンディングツールにより、半導体チップ部品をピックアップするので、接続不良のない実装を短いタクトタイムで行うことが出来る。

請求項５、請求項６の発明によれば、１つのボンディングツールが半導体チップ部品を基板に実装するのと同時に、他のボンディングツールを冷却するので、冷却待ち時間のない連続的な実装が可能になる。

請求項７に記載の発明によれば、アタッチメントツールが半導体チップ部品を回路基板にボンディングした後、上昇し半導体チップ部品の供給を待機している際に、半導体チップ部品を搬送する搬送手段をアタッチメントツールの下方に移動させて、搬送手段に設けられた冷却装置の気体の噴射口より垂直方向に気体を噴射させて、アタッチメントツール面を冷却するので、非接触で短時間に効率よくボンディングツールを冷却することが出来る。

本発明の実施の形態に係るボンディング装置の概略側面図である。 本発明の搬送手段の概略平面図である。 本発明の実施の形態に係るボンディング装置の動作フローチャートである。 チップスライダとボンディングツールの位置を説明する概略側面図である。 ボンディングツールの構造を説明する概略側面図である。 本発明の別の実施の形態に係るボンディング装置の概略側面図である。 本発明の搬送手段の斜視図である。 本発明の別の実施の形態に係るボンディング装置の動作フローチャートである。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１において、ボンディング装置１に向かって左右方向をＸ軸、手前方向をＹ軸、Ｘ軸とＹ軸とで構成されるＸＹ平面に直交する軸をＺ軸、Ｚ軸を中心として回転する方向をθ方向とする。ボンディング装置１は、回路基板２に半導体チップ部品４（以後、チップ部品４と呼ぶ）を押圧および加熱するボンディングツール１０と、回路基板２を吸着保持する基板ステージ２０と、チップ部品４をボンディングツール１０に水平搬送する搬送手段２５と、チップ部品４と回路基板２に付されたアライメントマークを画像認識する認識手段３０と、ボンディング装置１の全体を制御する制御部５０とから構成されている。

ボンディングツール１０は、図５に示すような構造で背景技術で説明した部材から構成されている。

搬送手段２５は、チップ部品４をチップ供給部からアタッチメントツール１５の下方に水平搬送するチップスライダ２６と搬送レール２７とから構成されている。チップスライダ２６は、ボンディングツール１０と認識手段３０との間の高さに半導体チップ部品を搬送するようになっている。図２にチップスライダ２６をＺ方向上側より参照した状態を示す。チップスライダ２６にはチップ部品４を吸着保持するチップ吸着部２８と図示していない圧空源から供給されるエアーを噴出する複数の噴出口２９が設けられている。チップスライダ２６の噴出口２９は、アタッチメントツール面に垂直にエアーを噴出することで、ボンディングツール冷却装置として機能する。なお、噴出口２６から噴出するのはエアー（空気）に限定されるものではなく、窒素やアルゴン等の不活性ガスのような気体を用いてもよい。

このような構成のボンディング装置１を用いてチップ部品４を回路基板２に実装する動作を図３に示すフローチャートを参照しながら説明する。

まず、搬送手段２５のチップスライダ２６がボンディングツール１０の下側にチップ部品４を搬送し、ボンディングツール１０が下降しチップスライダ２６からチップ部品４をピックアップする（ステップＳＴ０１）。チップスライダ２６はチップ部品供給部へ移動し、ボンディングツール１０は待機位置に上昇する。

次に、認識手段３０を回路基板２とボンディングツール１０の間に挿入する。認識手段はチップ部品４と回路基板２に付されたアライメントマークを画像認識する（ステップＳＴ０２）。

次に、ボンディングツール１０と基板ステージ２０を認識手段３０で画像認識したデータを基に位置合わせする（ステップＳＴ０３）。

次に、ボンディングツール１０を下降する（ステップＳＴ０４）。

次に、ボンディングツール１０のヒータ１４を昇温し、チップ部品４を回路基板２にボンディングする（ステップＳＴ０５）。

次に、ボンディングツール１０を待機位置まで上昇させる（ステップＳＴ０６）。

次に、ボンディングツール１０に設けられた冷却エアー流路１８に冷却エアーを供給しヒータ１４の内部冷却を開始する（ステップＳＴ０７）。

次に、図４（ａ）に示すようにチップスライダ２６のエアーの噴射口２９をボンディングツール１０の下側に移動させて、噴射口２９からエアーを噴射しアタッチメントツール１５の表面冷却を開始する（ステップＳＴ０９）。なお、チップスライダ２６は次にボンディングするチップ部品４がチップ吸着部２８に吸着されている状態で移動する。

次に、ヒータ１４が適温に達したかどうかを確認する（ステップＳＴ１０）。はんだ工法の場合、ヒータ１４がはんだ溶融しない温度、例えば１５０℃以下が適温となり、樹脂を用いた熱圧着工法の場合、樹脂の硬化反応が始まらない温度、例えば８０℃以下が適温となる。

次に、適温に達したらヒータ１４の内部を冷却する冷却エアーの停止とチップスライダ２６の噴射口２９からのエアーの噴射の停止を行う（ステップＳＴ１１）。

次に、図４（ｂ）に示すように、チップスライダ２６を移動し、アタッチメントツール１５の下側にチップ部品４が位置するようにする（ステップＳＴ１２）。

次に、ボンディングツール１０が下降し、チップスライダ２６からチップ部品４がピックアップされる（ステップＳＴ１３）。

次に、ステップＳＴ０２に戻り、順次、チップ部品４のボンディングとボンディングツール１０の冷却が繰り返される。

このように、チップ部品４を水平搬送するチップスライダ２６にエアーを噴射する噴射口２９を設けて、チップ部品４の搬送とともにアタッチメントツール１５を下側からエアーを吹き付けて冷却しているので、非接触で効率よくボンディングツール１０を冷却することが出来る。

また、図１に示すボンディング装置１の搬送手段２５は、複数のボンディンツールを有するボンディング装置に用いてもよく、効率的な動作を行うことを可能にしている。その１例を、別の実施形態として図６に示す。図６のボンディング装置１００は、ボンディングツール１０Ａとボンディングツール１０Ｂの２つのボンディングツールを備えている。搬送手段２５は、１つのチップスライダ２６が両ボンディングツールにチップ部品４を供給する。ボンディングツール１０Ａとボンディングツール１０Ｂは、図１および図５に示すボンディングツール１０と同じ構造を有するものである。

搬送手段２５の斜視図を図７に示すが、ボンディング装置１００において、一方のボンディングツールの直下にチップスライダ２６が存在するときは、他のボンディングツールの直下は空き空間となる。このため、例えば、チップスライダ２６の噴出口によりボンディングツール１０Ａのアタッチメントツール１５Ａを冷却しているのと同時に、ボンディングツール１０Ｂはチップ部品４を回路基板２にボンディングすることが出来る。

図８は、図６のボンディング装置１００における、ボンディングツール１０Ａとボンディングツール１０Ｂの動作および各動作時におけるチップスライダ２６の位置を記したものである。図８において、ボンディングツール１０Ａの動作ステップを表すＳＴＡ０１〜ＳＴＡ１２およびボンディングツール１０Ｂの動作ステップを表すＳＴＢ０１〜ＳＴＢ１２は、図３に示した（ボンディングツール１０）のＳＴ０１〜ＳＴ１２と同じ動作ステップである。図８に示すように、ボンディング装置１００では、一方のボンディングツールが冷却を行っている間に、他方のボンディングツールがチップ部品４のピックアップから始まるボンディング動作をおこなっており、常時、いずれか一方のボンディングツールがボンディングを行っており、冷却待ち時間のない連続的なボンディングを実現することが出来る。

１ ボンディング装置
２ 回路基板
３ 電極
４ 半導体チップ部品（チップ部品）
５ バンプ
１０、１０Ａ、１０Ｂ ボンディングツール
１１ ホルダー部
１２ ヒータベース
１３ 断熱ブロック
１４ ヒータ
１５ アタッチメントツール
１６ チップ吸着用流路
１７ アタッチメント吸着用流路
１８ 冷却エアー流路
２０ 基板ステージ
２５ 搬送手段
２６ チップスライダ
２７ 搬送レール
２８ チップ吸着部
２９ 噴出口
３０ 認識手段
５０ 制御部

Claims (7)

1. 半導体チップ部品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と、アタッチメントツールをヒータ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、
   アタッチメントツール面に垂直に気体を噴射する噴射口からなる冷却装置を備え、
   前記冷却装置が、半導体チップ部品を水平方向に搬送する搬送手段に設けられているボンディングツール冷却装置。
2. 請求項１に記載のボンディングツール冷却装置であって、
   前記搬送手段が、半導体チップ部品を画像認識する認識手段とボンディングツールの間の高さに半導体チップ部品を搬送するボンディングツール冷却装置。
3. 請求項１または２に記載のボンディングツール冷却装置であって、
   前記ヒータの温度が所定値以下になったら前記気体の噴出を停止するボンディングツール冷却装置。
4. 請求項１から請求項３に記載のいずれかのボンディングツール冷却装置を備え、
   前記ボンディングツールを用いて、前記半導体チップ部品を加熱および押圧して回路基板に実装するボンディング装置。
5. 請求項４に記載のボンディング装置であって、
   複数のボンディングツールを備え、１つのボンディングツールが前記半導体チップ部品を基板に実装しているときに、前記ボンディングツール冷却装置が他のボンディングツールを冷却する機能を有するボンディング装置。
6. 半導体チップ部品を加熱および押圧して回路基板に実装するボンディング装置であって、
   半導体チップ部品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と、アタッチメントツールをヒータに吸着保持する吸着機構とを有するボンディングツールを複数備え、
   前記アタッチメントツール面に垂直に気体を噴射する噴射口を有するボンディングツール冷却装置を備え、
   複数のボンディングツールに対して前記ボンディングツール冷却装置が１つ配備され、
   １つのボンディングツールが前記半導体チップ部品を基板に実装しているときに、前記ボンディングツール冷却装置が他のボンディングツールを冷却する機能を有するボンディング装置。
7. 半導体チップ部品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と、アタッチメントツールをヒータ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が半導体チップ部品を回路基板にボンディングした後、上昇し半導体チップ部品の供給を待機している際に、
   半導体チップ部品を搬送する搬送手段をアタッチメントツールの下方に移動させて、
   搬送手段に設けられた冷却装置の気体の噴射口より垂直方向に気体を噴射させて、
   アタッチメントツール面を冷却するボンディングツール冷却方法。

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