JPH09223717A - フリップチップ接合方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 フリップチップ接合方法及び装置に関し、半
導体チップ等の部材の搭載精度を高くできるようにする
ことを目的とする。 【解決手段】 ｚ軸方向に移動多能なアーム２２に支持
されたチップ２６を、ｘｙ方向に移動可能なステージ１
６に支持された基板１８に接合するためのフリップチッ
プ接合方法において、チップ２６と基板１８のそれぞれ
の位置合わせを行い、第１の位置においてアーム２２又
はヘッド２４のｘｙ方向の位置を測定し、アーム２２が
ステージ１６に近づいた第２の位置においてアーム２２
又はヘッド２４のｘｙ方向の位置を測定し、第１の位置
において測定した値と第２の位置において測定した値と
に基づいてアーム２２とステージ１６のｘｙ方向の相対
的な位置を補正し、それから、第１の部材を第２の部材
に接合する構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は例えばマイクロバン
プを用いた半導体装置のフリップチップ接合方法及び装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電子機器の小型化が進展し、ベア
チップを基板上に複数個フリップチップ接合するマルチ
チップモジュール（ＭＣＭ）の開発が行われ、また、特
に赤外線撮像の分野では、ＨｇＣｄＴｅなどの化合物半
導体で作製したフォトダイオードアレイとシリコンの信
号処理回路（例えばＣＣＤ）をフリップチップ接合して
なる赤外線撮像素子の開発が行われている。いずれの用
途においても、バンプは非常に小さいマイクロバンプで
あり、さらに、バンプ間ピッチの縮小や、バンプサイズ
の縮小に伴い、精度の高い接合装置が必要とされてい
る。

【０００３】従来のフリップチップ接合装置は、回路基
板をｘｙ軸方向に移動可能でθ軸方向に旋回可能なステ
ージに支持し、半導体チップをｚ軸方向に移動可能なア
ームに支持し、アームをステージに向かって移動させる
ことにより、半導体チップを回路基板にフリップチップ
接合する。半導体チップ及び回路基板等にはそれぞれは
んだバンプが設けられていることは言うまでもない。

【０００４】半導体チップ及び回路基板をそれぞれアー
ム及びステージに真空吸着により支持した後、アームを
ステージに向かって移動させる前に、半導体チップと回
路基板との位置合わせを行う。位置合わせ手段として
は、コリメータ及び顕微鏡を含む光学装置が使用され
る。この光学装置は半導体チップと回路基板との間に挿
入され、アームに支持された半導体チップと、ステージ
に支持された回路基板とをそれぞれ顕微鏡にで見なが
ら、ステージを移動させることによって、半導体チップ
と回路基板間の平行度、位置合わせを行う。その後挿入
した光学系を退避させ、アームをステージに向かって移
動させてフリップチップ接合を行っていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、一般に上記
光学系の寸法は１００ｍｍ程度あるため、接合を行うた
めにアームをそれ以上のストロークだけ動かすことが必
要である。また、アームは、半導体チップ保持のための
チャック部を備え、このチャック部の剛性を確保する構
造とする必要がある。さらに、アームは、接合時にはん
だバンプをリフローする基板加熱及び制御機構等が必要
である。従って、アームの重量は１ｋｇ程度以上にな
り、それを軽くするのが困難である。

【０００６】このような重いアームを比較的に大きなス
トロークだけ移動させると、最初に光学装置で位置合わ
せした位置合わせ精度をアームが下降した最終位置まで
維持するのが困難である。さらに、加熱手段を含んでい
るので、時によってアームの熱膨張量が変化し、熱膨張
の影響で位置合わせ精度は低下し易くなることがある。
一般に出回っているフリップチップ接合装置では、位置
合わせ時のアームの位置（半導体チップの位置）と接合
時のアームの位置（半導体チップの位置）との差は、±
１０μｍ程度ある。

【０００７】最近の半導体製品では、バンプ間ピッチや
バンプサイズがますます縮小されており、それに伴って
フリップチップ接合の精度はますます高くなることが要
求されている。そのため、フリップチップ接合装置をよ
り精密に作る必要が出てきているが、これは反対に製造
コストが高くなることを意味する。そして、注意深く作
られたフリップチップ接合装置でも、得られる精度は最
良で３μｍ程度になるが、装置の製造コストは飛躍的に
増大する。最近のフリップチップ接合の応用では、半導
体チップの搭載精度を１μｍ程度にすることが要求され
ており、搭載精度の向上は非常に重要である。

【０００８】本発明の目的は、半導体チップ等の部材の
搭載精度の高いフリップチップ接合方法及び装置を提供
することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明によるフリップチ
ップ接合方法は、第１の方向に移動可能なアームに支持
された第１の部材を、第２の方向に移動可能なステージ
に支持された第２の部材に接合するためのフリップチッ
プ接合方法において、該アームが該ステージから離れた
位置において第１の部材と第２の部材のそれぞれの位置
合わせを行い、該位置合わせを行う位置と一致し又は該
位置合わせを行う位置の近傍にある第１の位置において
アーム又は該アームと一緒に動く部材の第２の方向の位
置を測定し、該アームが該ステージに近づいた第２の位
置においてアーム又は該アームと一緒に動く部材の該第
２の方向の位置を測定し、第１の位置において測定した
値と第２の位置において測定した値とに基づいてアーム
とステージの該第２の方向の相対的な位置を補正し、そ
れから、第１の部材を第２の部材に接合することを特徴
とするものである。

【００１０】この方法によれば、第１の部材（例えば半
導体チップ）と第２の部材（例えば回路基板）との位置
合わせを行った後で、アームを接合位置へ動かす前に、
接合位置の直上の位置（第２の位置）でアームの位置ず
れを検出し、検出した位置ずれ量を補正するようにして
いる。それから接合を行うので、最終的なアームの位置
ずれはかなり小さくなり、搭載精度を向上させることが
できる。

【００１１】本発明によるフリップチップ接合装置は、
第１の部材を支持することができ且つ第１の方向に移動
可能なアームと、第２の部材を支持することができ、且
つ第２の方向に移動可能なステージと、該アームが該ス
テージから離れた位置において第１の部材と第２の部材
との位置合わせを行うための位置合わせ手段と、該位置
合わせを行う位置と一致し又は該位置合わせを行う位置
の近傍にある第１の位置においてアーム又は該アームと
一緒に動く部材の第２の方向の位置を測定するための第
１の検出手段と、該アームが該ステージに近づいた第２
の位置においてアーム又は該アームと一緒に動く部材の
該第２の方向の位置を測定するための第２の検出手段
と、第１の位置において測定した値と第２の位置におい
て測定した値とに基づいてアームとステージの該第２の
方向の相対的な位置を補正するための制御手段と、第１
の部材を第２の部材に接合するための接合手段とを備え
たことを特徴とするものである。

【００１２】この装置でも、上記方法の場合と同様に、
第１の部材（例えば半導体チップ）と第２の部材（例え
ば回路基板）との位置合わせを行った後で、アームを接
合位置へ動かす前に、接合位置の直上の位置（第２の位
置）でアームの位置ずれを検出し、検出した位置ずれ量
を補正するようにしている。それから接合を行うので、
最終的なアームの位置ずれはかなり小さくなり、搭載精
度を向上させることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施例のフリップ
チップ接合装置１０を示している。フリップチップ接合
装置１０は、ベース１２と、ベース１２に固定されたコ
ラム１４とを有する。ステージ１６がベース１２に水平
な姿勢で取り付けられる。ステージ１６は、図示しない
移動ガイド及び駆動手段により、水平方向（ｘｙ軸方
向）に移動可能でθ軸方向に旋回可能になっている。ス
テージ１６は図示しない真空チャック及び加熱手段を有
し、ハンダバンプ（図示せず）を有する回路基板１８を
真空チャックにより支持することができる。加熱手段は
回路基板１８を加熱してはんだバンプをリフロー接合さ
せるものである。このステージ１６は従来の構造のもの
を使用することができる。

【００１４】コラム１４は垂直方向（ｚ軸方向）に延び
るガイド２０を有し、アーム２２がガイド２０により垂
直方向に移動可能にコラム１４に取り付けられる。アー
ム２２はヘッド２４を支持しており、ヘッド２４がはん
だバンプ（図示せず）を有する半導体チップ２６を支持
する。すなわち、ヘッド２４も図示しない真空チャック
及び加熱手段を有している。加熱手段は半導体チップ２
６を加熱してはんだバンプをリフロー接合させるもので
ある。また、ヘッド２４は圧力センサも保有しており、
アーム２０をステージ１６に向かって移動させるとき
に、半導体チップ２６が回路基板１８に所定の圧力で接
触したときにアーム２０を停止させるようになってい
る。

【００１５】フリップチップ接合装置１０は、位置合わ
せ手段としての光学装置２８を備える。光学装置２８
は、コリメータ及び顕微鏡を含み、回路基板１８をステ
ージ１６に取り付け、半導体チップ２６をアーム２０の
ヘッド２２に取り付けたら、光学装置２８を半導体チッ
プ２６と回路基板１８との間に挿入し、半導体チップ２
６と回路基板１８をそれぞれ顕微鏡にで見ながら、ステ
ージ１６を移動させることによって、半導体チップ２６
と回路基板１８間の平行度、位置合わせを行う。位置合
わせを終わったら、図２に示されるように、光学装置２
８を半導体チップ２６と回路基板１８との間から退避さ
せる。

【００１６】フリップチップ接合装置１０は、第１の検
出手段としてのセンサ３０と、第２の検出手段としての
センサ３２とを有する。センサ３０は、アーム２の位置
合わせを行う位置と一致し又は該位置合わせを行う位置
の近傍にある第１の位置（図１及び図２の位置）におい
てアーム２２又は該アームと一緒に動く部材（ヘッド２
４）のｘｙ方向の位置を測定する。センサ３２は、アー
ム２２がステージ１６に近づいた第２の位置（図３の位
置）においてアーム２２又はヘッド２４のｘｙ方向の位
置を測定する。

【００１７】フリップチップ接合装置１０は、さらに制
御手段３４を備える（図２）。制御手段３４はセンサ３
０、３２及びその他のセンサの出力を受け、アーム２２
及びステージ１６の作動を制御する。特に、制御手段３
４は、第１の位置において測定したアーム２２又はヘッ
ド２４のｘｙ方向の位置の値と、第２の位置において測
定したアーム２２又はヘッド２４のｘｙ方向の位置の値
とに基づいてアーム２２とステージ１６のｘｙ方向の相
対的な位置を補正する。

【００１８】図１は、光学装置２８を使用して、半導体
チップ２６と回路基板１８間の平行度、位置合わせを行
うところを示している。位置合わせが終わったら、図２
に示されるように、光学装置２８を半導体チップ２６と
回路基板１８との間から退避させる。

【００１９】そこで、センサ３０により、第１の位置に
おいて、アーム２２又はヘッド２４のｘｙ方向の位置を
測定する。図５に示されるように、センサ３０はヘッド
２４の両側から、つまり、ｘ方向でヘッド２４の両側か
ら、且つｙ方向でヘッド２４の両側から、ヘッド２４の
位置を測定すように配置されるのが好ましい。このよう
に、両側から測定することにより、アーム２２やヘッド
２４等の熱膨張による変形等を補償することができる。
センサ３０の測定値は制御手段３４に入力される。

【００２０】それから、アーム２２を図３に示される第
２の位置へ移動させる。第２の位置においては、半導体
チップ２６は回路基板１８の直上で停止する。そこで、
センサ３２により、アーム２２又はヘッド２４のｘｙ方
向の位置を測定する。センサ３２の測定値は制御手段３
４に入力される。

【００２１】制御手段３４はセンサ３０の測定値とセン
サ３２の測定値とを比較し、それらの値に基づいてアー
ム２２とステージ１６のｘｙ方向の相対的な位置をを補
正する。例えば、センサ３０の測定値とセンサ３２の測
定値との間に、ｘ方向に５μｍの誤差があれば、ステー
ジ１６をｘ方向に５μｍだけ動かす。

【００２２】それから、図４に示されるように、アーム
２２を図４に示されるようにさらに移動させる。半導体
チップ２６は回路基板１８に接触し、図示しない圧力セ
ンサが所定の圧力値を検出することにより、アーム２２
は停止する。そこで、図示しない加熱手段の加熱により
はんだバンプがリフローし、半導体チップ２６は回路基
板１８に接合される。

【００２３】図６はセンサ３０、３２の基準位置の設定
のために使用される基準チップ２６ｘを示す図である。
基準チップ２６ｘは上下面に対応する基準マーク２６
ａ、２６ｂを有し、まず基準チップ２６ｘをヘッド２４
に取り付けてセンサ３０及び光学装置２８により基準マ
ーク２６ｂを読み、それから基準チップ２６ｘをステー
ジ１６に取り付けてセンサ３２及び光学装置２８により
基準マーク２６ａを読み、それらの測定値により、セン
サ３０、３２の位置関係を設定する。

【００２４】また、位置合わせ、誤差の計測、補正等
は、制御手段６で自動的に行ってもよいし、所望精度が
低ければ、一部手動で行ってもよい。センサ３０、３２
は、高精度で非接触のものが望ましく、渦電流式、光学
式（三角測距離式）、光学式（干渉式）等が望ましい。
膨張による変形等を補償するのに望ましい。

【００２５】上記実施例では、ｘｙθの位置合わせ機構
は、ステージ１６にもたせ、ｚ軸の移動機構をアーム２
２にもたせたが、これらの機能はいずれにもたせてもよ
いことは言うまでもない。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
比較的安価で、精度の高いフリップチップ接合装置を得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す図である。

【図２】光学装置が退避位置にあるところを示す図１と
同様の（一部省略した）図である。

【図３】アームが第２の位置へきたところを示す図２と
同様の図である。

【図４】アームが接合位置へきたところを示す図３と同
様の図である。

【図５】センサの配置例を示す図である。

【図６】基準チップを示す図である。

【符号の説明】

１６…ステージ １８…回路基板 ２２…アーム ２４…ヘッド ２６…半導体チップ ３０、３２…センサ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の方向に移動可能なアーム（２２）
   に支持された第１の部材（２６）を、第２の方向に移動
   可能なステージ（１６）に支持された第２の部材（１
   ８）に接合するためのフリップチップ接合方法におい
   て、該アーム（２２）が該ステージ（１６）から離れた
   位置において第１の部材と第２の部材のそれぞれの位置
   合わせを行い、該位置合わせを行う位置と一致し又は該
   位置合わせを行う位置の近傍にある第１の位置において
   アーム（２２）又は該アームと一緒に動く部材（２４）
   の第２の方向の位置を測定し、該アーム（２２）が該ス
   テージ（１６）に近づいた第２の位置においてアーム又
   は該アームと一緒に動く部材の該第２の方向の位置を測
   定し、第１の位置において測定した値と第２の位置にお
   いて測定した値とに基づいてアームとステージの該第２
   の方向の相対的な位置を補正し、それから、第１の部材
   を第２の部材に接合することを特徴とするフリップチッ
   プ接合方法。
2. 【請求項２】 第１の部材（２６）を支持することがで
   き且つ第１の方向に移動可能なアーム（２２）と、第２
   の部材（１８）を支持することができ、且つ第２の方向
   に移動可能なステージ（１６）と、該アームが該ステー
   ジから離れた位置において第１の部材と第２の部材との
   位置合わせを行うための位置合わせ手段（２８）と、該
   位置合わせを行う位置と一致し又は該位置合わせを行う
   位置の近傍にある第１の位置においてアーム（２２）又
   は該アームと一緒に動く部材（２４）の第２の方向の位
   置を測定するための第１の検出手段（３０）と、該アー
   ムが該ステージに近づいた第２の位置においてアーム又
   は該アームと一緒に動く部材の該第２の方向の位置を測
   定するための第２の検出手段（３２）と、第１の位置に
   おいて測定した値と第２の位置において測定した値とに
   基づいてアームとステージの該第２の方向の相対的な位
   置を補正するための制御手段（３４）と、第１の部材を
   第２の部材に接合するための接合手段とを備えたことを
   特徴とするフリップチップ接合装置。
3. 【請求項３】 該第１の検出手段及び該第２の検出手段
   の少なくとも一方が非接触式のセンサからなることを特
   徴とする請求項２に記載のフリップチップ接合装置。
4. 【請求項４】 該第１の検出手段及び該第２の検出手段
   がアーム又は該アームと一緒に動く部材の両側から位置
   検出を行うことを特徴とする請求項２に記載のフリップ
   チップ接合装置。