JP6881923B2 - 部品を基板上に取り付ける装置 - Google Patents

Description

本発明は、部品、典型的には電子または光学部品、特に半導体チップ及びフリップチップを基板上に取り付ける装置に関する。当該分野では、取り付けはボンディングプロセスまたは配置プロセスとしても知られている。

この種類の装置は、特に半導体産業で使用される。そのような装置の１つの例は、ダイボンダまたはピックアンドプレース機械であって、それらによって半導体チップの形態の部品、マイクロメカニカル及びマイクロオプティカル部品等が、たとえばリードフレーム、印刷回路基板、セラミック等の基板上に配置されボンディングされる。部品は、ボンディングヘッドによって取り上げ場所で取り上げられ、特に吸い上げられ、基板の所定の部分まで移動させられ、基板上の精密に定められている位置に配置される。ボンディングヘッドは、少なくとも３個の空間方向のボンディングヘッドの動きを可能にするピックアンドプレースシステムの一部である。基板上の部品の配置が位置に対して正確に行われることを保証するために、ボンディングヘッドの位置決め軸線に対するボンディングヘッドによって把持されている部品の正確な位置及び、基板の所定の部分の正確な位置を求める必要がある。

部品の下側をカメラに投影してボンディングヘッドの配置軸線に関する部品の位置を求めることができるようにするために垂直方向に対して約４５°ねじれている２個の鏡が使用されている装置が、特許文献１、２、３、及び４で知られている。部品の下側をカメラに投影するために鏡及び５角形プリズムが使用されている装置が、特許文献５で知られている。これらの装置において、カメラの光軸は、ボンディングヘッドの配置軸線に平行に延びている。特許文献５の装置において、部品の位置だけが求められ、基板の所定の部分の位置は求められない。

欧州特許出願公開明細書第４４９４８１号 米国特許明細書第５８７８４８４号 国際公開明細書第２００４０６４４７２号 ＥＰＯ特許出願公開明細書第１９１６８８７号 ＥＰＯ特許出願公開明細書第２３７３１４５号

産業界で採用されている最近の構成の装置においては、２個のカメラ、つまり基板平面内または下に配置されており、部品の位置を求めるように上に向いている１個のカメラ及び、基板平面の上方に配置されており、基板の所定の部分の位置を求めるように下を向いている１個のカメラが通常使用されている。これらの装置に関連する欠点は、ボンディングヘッドが取り上げ場所から基板平面の中または下に配置されているカメラまでまず移動し、基板の所定の部分までさらに移動する必要があり、それには回り道が必要なことが多いことである。

本発明は、部品の位置を求め、また基板の所定の部分の位置を求めるために１個のカメラしか必要とせず、簡単な光学構成を提供し、空間をほとんど必要としない装置を開発する目的に基づいている。

本明細書に援用され、本明細書の一部を構成している添付の図面は、本発明の１個または２個以上の実施形態を図示しており、詳細な説明と共に、本発明の原理及び実装を説明する役割がある。図面は、模式的に示しており、一定の比率では描かれていない。

図１は部品を取り付ける本発明の装置のスナップショットを示している。 図２は部品を取り付ける本発明の装置のスナップショットを示している。 図３は個別の光偏向システムの代替の実施形態を示している。 図４は個別の光偏向システムの代替の実施形態を示している。

図１及び２は、部品１を基板３の基板の所定の部分２に取り付ける本発明の装置の２個のスナップショットの側面図を模式的に示している。部品は、典型的には、電子、マイクロメカニカル、または（マイクロ）光学部品、特に半導体チップ及びフリップチップである。装置は、基板３用の支持部４、ボンディングヘッド６を備えているピックアンドプレースシステム５、１個のカメラ７、第１の光偏向システム８、第２の光偏向システム９、第１の光源１０、第２の光源１１、及び第３の光源１２を有している。ボンディングヘッド６、第１の光偏向システム８、カメラ７、及び第２の光源１１は、共通のキャリッジ１３に締結されている。第２の光偏向システム９は、装置上に静止態様で配置されている。基板３は、複数の基板の所定の部分を通常有している。「基板の所定の部分２」という語は、カメラ７の視野内に位置している基板の場所と以下では一般に理解されるべきであって、基板の所定の部分２からカメラ７への光線経路は、第１の光偏向システム８を通り、そこで少なくとも１回は偏向される。

基板３用の支持部４の表面は、基板平面１４を定めている。ピックアンドプレースシステム５は、キャリッジ１３を３個の空間方向に、つまり、基板平面１４に対して平行に延びている２個の方向及び、基板平面１４に垂直に延びているＺ方向と本明細書で呼ばれる方向に移動させるために少なくとも３個の駆動部を有している。ボンディングヘッド６は、Ｚ方向に延びている把持軸線１５を有している。

カメラ７及び第１の光偏向システム８は部品１が取り付けられる基板の所定の部分２を記録できるようにする第１の画像検出システムを共に構成している。カメラ７、第１の光偏向システム８、及び第２の光偏向システム９は、ボンディングヘッド６によって保持されている部品１の下側の画像を記録できるようにする第２の画像検出システムを共に構成している、

ピックアンドプレースシステム５は、取り上げ場所でボンディングヘッド６によってそれぞれの部品１を取り上げ、その部品を基板の所定の部分２上に配置するように設定されている。したがって、非常に正確に位置決めできるようにするために、カメラ７は一方で部品１の下側の画像を記録し、他方で部品１が配置される基板の所定の部分２の画像を記録する。

第１の光偏向システム８は、ボンディングヘッド６の把持軸線１５に関して横方向にオフセットしてＺ方向に延びているカメラ７の光軸１６を、光軸１７としてボンディングヘッド６の把持軸線１５に近づけるために使用される。第１の画像検出システムの対物側光軸１７は、第１の光偏向システム８のせいでボンディングヘッド６の把持軸線１５から距離Ｄの位置で延びており、この距離Ｄは、ボンディングヘッド６の把持軸線１５とカメラ７の光軸１６との間の距離よりも相当に短い。

ボンディングヘッド６が第２の光偏向システム９の上方の所定の作業領域に位置している限り、第２の光偏向システム９及び第１の光偏向システム８は協調してボンディングヘッド６によって保持されている部品１の下側をカメラ７の視野内に入れる。

カメラ７が部品１の下側だけでなく、部品１が配置される基板の所定の部分２の鮮明な画像を記録できるように、第１の画像検出システム及び第２の画像検出システムの光線経路の光路は、可能な限り同等に長くなければならない。光線経路の長さの調整はピックアンドプレースシステム５のキャリッジ１３のＺ方向の変位によって発生する。したがって、部品１の画像を記録するために、部品１の下側が、少なくとも第２の光偏向システム９の上方を移動中にカメラ７の焦点面内に位置して、部品１の変位中にカメラが部品１の下側の鮮明な画像を記録できるように、キャリッジ１３を第２の光偏向システム９の上方の基板平面１４の上方の所定の高さＨ１までＺ方向に移動させ、基板の所定の部分２の画像を記録するために、基板の所定の部分２がカメラ７の焦点面内に位置して、カメラ７が基板の所定の部分２の鮮明な画像を記録できるように、キャリッジ１３を基板平面１４上方の所定の高さＨ２まで持ち上げるように装置はプログラムされている。２個の高さＨ１及び高さＨ２は、部品１の下側とカメラ７との間の光線経路の光学的長さと基板の所定の部分２とカメラ７との間の光線経路の光学的長さが等しく、部品１の下側または基板の所定の部分２がカメラ７の焦点面内にあるように寸法が設定されている。これは、図１及び２に示しているように、Ｈ２＞Ｈ１に該当する。

基板３の基板の所定の部分２の各々から画像がまず記録され、他の部品が基板３の基板の所定の部分２に取り付けられた後で、１個の部品から画像が記録されるように装置をプログラムすることができる。しかし、部品１の下側の画像を記録し、それから各取り付けプロセス中に対応する基板の所定の部分２の画像が記録されるようにプログラムすることもできる。

図１は、カメラ７が基板の所定の部分２の十分に鮮明な画像を記録できるように、所定の基板の所定の部分２がカメラ７の視野にある位置である所定の高さＨ２にキャリッジ１３が位置している状態の装置を示している。

図２は、部品１の下側がカメラ７の視野内にあって、カメラ７が部品１の下側の十分に鮮明な画像を記録できるように、キャリッジ１３が、所定の高さＨ１に位置しており、第２の光偏向システム９の作業領域内に位置している装置を示している。

第１の実施形態によれば、第１の光偏向システム８は、偏向プリズム１８及び鏡１９を有している。偏向プリズム１８は、断面が３角形であって、Ｚ方向の基板平面からの光線２０を２個の表面２１及び２２上で反射する胴体である。光線２０が２回目に反射される３角形の偏向プリズム１８の底面２２は、基板平面１４に平行に延びている。光線２０が１回目に反射される第２の表面２１は、鏡面になるように構成され、底面２２に対して所定の角度αをなしている。角度αは、光線２０が底面２２上の反射で全反射されるように決定されている。全反射が発生することを保証するために、角度は屈折のスネルの法則を満たさなければならない。
α＜９０°−ａｒｃｓｉｎ（ｎ（空気）／ｎ（偏向プリズム１８））
ここで、ｎ（空気）は、空気の屈折率を示し、ｎ（偏向プリズム１８）は、偏向プリズム１８の材料の屈折率を示している。

第１の実施形態によれば、第２の偏向システム９は、把持軸線１５の方向の部品１の下側からの光線２５を偏向プリズム２４から把持軸線１５に平行に再び出射するまで３回反射し、第１の光偏向システム８に入射させる対称な偏向プリズム２４を有している。光源１０は、偏向プリズム２４の下方の偏向プリズム２４の一方の側に配置されている。偏向プリズム２４は、光線２５が上側表面２６上で全反射されるように角度βが選択されている断面が３個の表面２６〜２８を備えている２等辺三角形である。そのため、角度βは、以下の条件を満たさなければならない。
β＜９０°−ａｒｃｓｉｎ（ｎ（空気）／ｎ（偏向プリズム２４））

全反射のせいで、上側表面２６の銀引きは必要なく、部品１上で反射された光は、偏向プリズム２４に入射することができ、内部の全ての３個の表面２６〜２８上で反射され、偏向プリズム２４から再び出射することができ、それから第１の光偏向システム８によってカメラ７に導くことができる。

表面２７は、銀引きされるように構成されることが有利である。ボンディングヘッド６によって保持されている部品１の下側を照明する光源１０が存在する場合、表面２８は露出せず、さらなる３角形の胴体２９が、偏向プリズム２４の一部と共にビームスプリッタを構成している。光線の分割は、たとえば、通常のように漏れ全反射によって表面２８上で発生する。ビームスプリッタ層として動作する表面２８は、水玉模様としても構成することができる。水玉模様は、配列のように配置されている反射点からなるパターンである。

第２の実施形態によれば、第１の光偏向システム８は、図３及び４に示しているように、偏向プリズム１８の代わりに鏡２３を有しており、その鏡は、垂直に対する角度をなしている。本実施形態は、第１の実施形態よりも多くの空間を必要とし、それが、ボンディングヘッド６の保持軸線１５と光軸１７との間の距離Ｄが第１の実施形態よりも長くなる結果につながり、それは、鏡２２に必要な材料の厚さが距離Ｄを既に長くしているからである。鏡１９及び２３は、４５°傾斜させることができるが、垂直に対して４５°より大きくてもよいし、４５°未満であってもよい。しかし、これは、基板平面１４の方向に下向きに鏡１９の空間、またはボンディングヘッド６の方向に鏡２３の空間がより必要になる。

第２の光偏向システム９は、第２の実施形態によって、そしてまた図３及び４に示しているように、ビームスプリッタキューブ３０、５角形プリズム３１、及び、オプションで、ビームスプリッタキューブ３０と５角形プリズム３１との間に継ぎ目なく配置されることが好ましい光学的透明体３２を有している。部品１の下側からの光線２５は、ビームスプリッタキューブ３０によって９０°偏向され、５角形プリズム３１の２個の表面で反射され、それによってさらに合計で９０°偏向され、５角形プリズム３１から出射する光線は、ボンディングヘッド６の把持軸線１５に平行に、そしてカメラ７の光軸１６に平行に延びる。透明体３２は、２個の要素の間に継ぎ目なしに挿入され、同じ材料からなるときに、光路を短縮し、光線２５のビームスプリッタキューブ３０からの出射時とまた５角形プリズム３１への入射時の両方で反射を防止する。

２個の偏向システム８及び９の光学部品は、透明な材料からなり、屈折率が比較的高いガラスや透明なプラスチックからなることが好ましい。

光源１０及び１２は、部品１の下側を照明するのに使用される。光源１０は、ビームスプリッタキューブ３０の下方に配置されることが好ましい。したがって、ビームスプリッタキューブ３０は、光源１０によって放射された光を入射させ、部品１の下側で反射された光を分離するのに使用される。光源１０は、特に、滑らかな鏡のような下側を備えている部品１を光学的に最適に照明するために、光軸１６と同軸に部品１の下側を照明し、それに対して、光源１２は、粗く拡散するように散乱させる下側を備えている部品１を最適に照明するための横方向のライトとして構成されている。

光源１１は、基板の所定の部分２の照明に使用される。光源１１は、第１の画像検出システムの光軸１７の周囲の全ての側に配置されていることが好ましく、横方向ライトのように照明すべき基板の所定の部分を照明する照明手段を有することが好ましい。同軸の照明を追加で有していてもよい。

ボンディングヘッド６の第２の光偏向システム９上方での移動中につまり停止させずにカメラ７が部品１の下側の画像を記録するか、画像を記録するために装置がボンディングヘッド６を第２の光偏向システム９の上方で停止させるかのいずれかが可能である。

すべての実施形態で、鏡１９を省略し、光軸１６が偏向プリズム１８または鏡２３上で反射された後の光線２０の方向と一致するように（ねじれた状態で）カメラ７を配置することができる。

本発明は少なくとも以下の利点を提供する。
−ボンディングヘッドに把持されている部品の正確な位置及び基板の所定の部分の正確な位置を求めるためには１個のカメラだけが必要である。
−第１の光偏向システムは、カメラの光軸をボンディングヘッドの把持軸線に近づけ、したがって、機械の動作範囲を広げる。
−第１の光偏向システムは、部品の下側からカメラまでの光路長を短くし、したがって、カメラの焦点面の調整に必要な高さＨ１と高さＨ２との差を少なくすることにつながる。
−第２の光偏向システムによって、記録のためにボンディングヘッドを停止させる必要なしに、移動中の部品の下側の記録が可能になる。これは、部品が第２の光偏向システムの所定の動作領域内に位置している限り、部品の下側の画像が見かけ上は停止しているからである。
−第１の光偏向システムは、ボンディングヘッドに高い剛性で接続されており、第２の光偏向システムは、機械上で静止しているように配置されている。したがって、一方または他方の偏向システムまたはそれらの一部をボンディングプロセス中に変位させる必要はない。
−高さＨ１及びＨ２は、要素２４又は要素３０、３１、及び３２の形状寸法及び材料の選択によって取り付け装置の特定の要件に対して調整可能である。

本発明の実施形態及び用途を図示し説明したが、本明細書の発明の概念から逸脱することなく説明した以上のさらなる修正が可能なことが本開示の便益を得る当業者には明らかである。そのため、本発明は、添付の特許請求の範囲及び等価物の精神以外においては限定されない。

Claims (5)

1. 部品（１）を基板（３）上に取り付ける装置であって、
   前記基板（３）用の支持部（４）であって、表面が基板平面（１４）を定めている前記支持部（４）と、
   ボンディングヘッド（６）を備えているピックアンドプレースシステム（５）であって、取り上げ場所で前記ボンディングヘッド（６）を使用して前記部品（１）を取り上げて、前記部品（１）を前記基板（３）の所定の部分（２）上に配置するように設定されているピックアンドプレースシステム（５）と、
   前記ボンディングヘッド（６）に保持されている前記部品（１）の位置を検出し、また、前記部品（１）を取り付ける前記基板（３）の前記所定の部分（２）の位置を検出するカメラ（７）と、
   第１の光偏向システム（８）と、
   第２の光偏向システム（９）と、
   を有し、
   前記カメラ（７）は光軸（１６）を有し、
   前記ピックアンドプレースシステム（５）は、前記第１の光偏向システム（８）、前記カメラ（７）、及び前記ボンディングヘッド（６）が締結されている変位可能キャリッジ（１３）を有し、
   前記第２の光偏向システム（９）は、前記装置上に静止態様で配置されており、
   前記第１の光偏向システム（８）及び前記カメラ（７）は前記基板（３）の前記所定の部分（２）の画像を記録する第１の画像検出システムを構成し、前記第１の画像検出システムの物体側光軸（１７）は前記ボンディングヘッド（６）の把持軸線（１５）と前記カメラ（７）の光軸（１６）との間の距離よりも短い、前記ボンディングヘッド（６）の前記把持軸線（１５）からの距離（Ｄ）の位置で延びており、
   前記第１の光偏向システム（８）、前記第２の光偏向システム（９）、及び前記カメラ（７）は、前記部品（１）の下側の画像を記録する第２の画像検出システムを構成し、
   前記装置は、前記部品（１）の画像の記録のために、前記第２の光偏向システム（９）の上方での移動中に前記部品（１）の下側が前記カメラ（７）の焦点面内に位置するように、前記第２の光偏向システム（９）の上方での、前記基板平面（１４）の上方の所定の高さＨ１での前記部品（１）の前記取り上げ場所から前記基板（３）の前記所定の部分（２）までの搬送の間に、前記キャリッジ（１３）を移動するようにプログラムされており、
   前記基板（３）の前記所定の部分（２）の画像の記録のために、前記基板（３）の前記所定の部分（２）が前記カメラ（７）の前記焦点面内に位置するように、前記キャリッジ（１３）を前記基板平面（１４）の上方の所定の高さＨ２に持ち上げるようにプログラムされており、２個の前記高さＨ１及び前記高さＨ２は、前記部品（１）の下側と前記カメラ（７）との間の光線経路の光学的距離と前記基板（３）の前記所定の部分（２）と前記カメラ（７）との間の光線経路の光学的距離とが等しい大きさになるように寸法が設定されている、装置。
2. 前記第１の光偏向システム（８）は、偏向プリズム（１８）と鏡（１９）とを有している、請求項１に記載の装置。
3. 前記第１の光偏向システム（８）は、２個の鏡（１９、２３）を有している、請求項１に記載の装置。
4. 前記第２の光偏向システム（９）は、偏向プリズム（２４）を有していて、前記偏向プリズム（２４）は断面が２等辺三角形である、請求項１から３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記第２の光偏向システム（９）は、ビームスプリッタキューブ（３０）と、５角形プリズム（３１）と、前記ビームスプリッタキューブ（３０）と前記５角形プリズム（３１）との間に継ぎ目なしに配置されている光学的透明体（３２）とを有している、請求項１から３のいずれか１項に記載の装置。

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