KR20090114369A

KR20090114369A - 플립 칩을 기판에 장착하기 위한 장치

Info

Publication number: KR20090114369A
Application number: KR1020097015252A
Authority: KR
Inventors: 뤼디 그뤼터; 파트리크 블레싱; 도미니크 베르네
Original assignee: 에섹 에스에이
Priority date: 2007-01-31
Filing date: 2008-01-25
Publication date: 2009-11-03
Also published as: ATE504940T1; EP2115767B1; DE502008003092D1; US8166637B2; TWI348195B; KR101412415B1; CH698718B1; HK1131259A1; JP5077899B2; MY147357A; EP2115767A1; JP2010517312A; US20100040449A1; TW200834760A; WO2008092798A1

Abstract

본 발명은 반도체 칩(2)을 기판(5)에 플립-칩으로서 장착시키기 위한 장치에 관한 것이다. 상기 장치는 반도체 칩을 공급하기 위한 수단, 및 칩 그리퍼(13)를 포함하는 본딩 헤드(8)를 구비한 픽 앤 플레이스 시스템(6), 및 그리퍼(16)를 포함하는 플립 장치(15), 및 2개의 카메라(9, 10)를 포함한다. 제1 카메라는 플리핑 장치가 반도체 칩을 픽업하기 전에 상기 수단에 의해 장착을 위해 제공되는 반도체 칩의 실제 위치를 결정하는데 사용되며, 또한 플리핑 장치가 반도체 칩을 운반하면 본딩 헤드의 칩 그리퍼에 의해 픽업된 플립-칩의 실제 위치를 결정하는데 사용된다. 본 발명에 따르면, 본 장치는 제1 카메라의 시야에 위치하는 광학 스위치, 예를 들면 회전가능하게 장착된 거울(18)과 같은 것을 포함한다. 작동 중 거울은 그리퍼와 동시에, 그러나 반각만큼 회전한다.

플립 칩, 픽-앤-플레이스 장치, 광학 스위치, 기판, 칩 그리퍼

Description

플립 칩을 기판에 장착하기 위한 장치{DEVICE FOR MOUNTING A FLIP-CHIP ON A SUBSTRATE}

본 발명은, 청구범위 제1항의 전제부에 언급된 유형의 기판에 플립 칩을 장착하기 위한 장치에 관한 것이다. 플립 칩(flip chip)은, 그를 통해 기판과의 전기 접속부가 형성되는 소위 범프(bump)를 구비한 표면을 갖는 반도체 칩이다.

기판에 반도체 칩을 장착할 때, 기판은 일반적으로 수평으로 정렬된 지지 표면에서 이용 가능하며, 반도체 칩이 웨이퍼 테이블(wafer table)에 제공되어 반도체 칩의 전기 접속 표면이 상부를 향하도록 한다. 그 다음 반도체 칩은 소위 다이 본더(die bonder)인, 자동 장착 머신의 본딩 헤드(bonding head)에 의해 분리되고, 기판에 위치된다. 이러한 장착 방법은 반도체 칩이 에폭시(epoxy)로 기판에 접착되는지 또는 솔더로 기판에 솔더링(soldering)되는지의 여부에 따라 에폭시 다이 본딩 또는 소프트솔더(softsolder) 다이 본딩으로서 이 분야에 공지되어 있다. 플립 칩 방법은 반도체 칩과 기판 사이의 전기적 연결 뿐만 아니라 기계적 연결이 범프를 통해 형성된다는 점에서 이러한 장착 방법과 상이하다. 범프를 구비한 반도체 칩이 장착될 수 있는 것을 보장하기 위해, 웨이퍼 테이블로부터 이동된 다음 180°만큼 회전될 것{플리핑됨(flipped)}이 요구되며, 이는 플립 칩의 명칭을 설명한다

플립 칩 방법에서, 반도체 칩의 범프는 소위 패드(pad)인, 기판의 전기 접속 표면과 접촉될 필요가 있다. 따라서 배치 정밀도에 대한 요건은 에폭시 다이 본딩보다 플립 칩 방법에서 더욱 높다. 플립 칩의 장착을 위한 자동 장착 머신은, 반도체 칩을 웨이퍼 테이블로부터 분리시키고 그를 플리핑하는 플리핑 장치(flipping apparatus)와; 플리핑된 반도체 칩을 플리핑 장치로부터 수용하고 그를 기판에 배치하는 본딩 헤드를 구비한 픽-앤-플레이스 장치(pick-and-place device)와; 웨이퍼 테이블에 존재하는 반도체 칩의 사진을 촬영하는 제1 카메라, 이미 플리핑되어 플립 칩인, 수용된 반도체 칩의 사진, 즉 범프를 구비한 반도체 칩의 표면의 사진을 촬영하는 제2 카메라, 패드를 구비한 기판의 사진을 촬영하는 제3 카메라인 3개의 카메라를 포함한다. 제1 카메라의 사진은 웨이퍼 테이블에 의해 제공된 반도체 칩의 위치를 체크하는데 사용되고, 필요한 경우 웨이퍼 테이블을 새로이 위치시키는데 사용되어, 플리핑 장치가 반도체 칩을 수용하고 그것을 본딩 헤드로 이동시킬 수 있다. 제2 및 제3 카메라의 사진은 플립 칩의 위치 및 기판의 위치를 결정하는데 사용되어, 본딩 헤드가 플립 칩을 기판에 위치적으로 정확하게 위치시킬 수 있다.

본 발명의 목적은 제1 및 제2 카메라의 역할이 어떤 기술적 또는 공정과 관련된 단점들을 발생시키지 않고 하나의 카메라에 의해 수행될 수 있다는 발견에 기초한다.

본 발명은 반도체 칩을 플립 칩으로서 기판에 장착하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 장치는, 예를 들면 웨이퍼 테이블 또는 와플 팩(waffle pack) 등과 같은, 소정의 위치에 반도체 칩을 공급하기 위한 수단을 포함한다. 본 장치는 또한 칩 그리퍼(chip gripper)를 구비하는 본딩 헤드를 갖는 픽-앤-플레이스 시스템, 및 그리퍼를 구비한 플리핑 장치, 및 2개의 카메라를 포함한다. 플리핑 장치의 그리퍼는 소정의 축을 중심으로 회전할 수 있으며, 제1 회전 위치에서는 전술한 수단에 의해 제공된 반도체 칩을 웨이퍼로부터 수용하고, 제2 회전 위치에서는 그것을 플립 칩으로서 본딩 헤드의 칩 그리퍼로 운반하는 데 사용된다. 제1 카메라는 한편으로는 플리핑 장치가 반도체 칩을 수용하기 전에, 전술한 장착을 위한 수단에 의해 제공된 바와 같이 웨이퍼 상의 반도체 칩의 실제 위치를 결정하는데 사용되고, 다른 한편으로는 플리핑 장치가 반도체 칩을 운반한 후에, 본딩 헤드의 칩 그리퍼에 의해 수용된 플립 칩의 실제 위치를 결정하는 데 사용된다. 제2 카메라는 기판 플레이스의 위치를 결정하는 데 사용된다. 본 발명에 따르면, 본 장치는, 제1 카메라에 대한 제1 또는 제2 시야를 교대로 설정하기 위해 사용되는 광학 스위치를 포함하며, 전술한 수단에 의해 제공되는 반도체 칩이 제1 시야에 위치되고, 칩 그리퍼에 의해 고정된 반도체 칩이 제2 시야에 위치된다. 플리핑 장치 및 광학 스위치는, 플리핑 장치가 제1 회전 위치로부터 제2 회전 위치로 변경되는 경우 카메라의 시야가 제1 시야로부터 제2 시야로 변하도록 서로 작동 연결된다. 바람직하게는 플리핑 장치와 광학 스위치 사이의 작동 연결부는 기계적인 작동 연결부이다.

광학 스위치는, 예를 들면 소정의 축을 중심으로 회전 가능하게 고정되며 제1 카메라 전면에 위치되는 거울을 포함한다. 작동 중, 거울은 플리핑 장치의 그리퍼와 동시에 회전하나, 그 각도의 반만큼만 회전한다. 이는 그리퍼가 각도 θ만큼 회전할 때, 거울은 각도 θ/2만큼 회전한다는 것을 의미한다. 바람직하게는 거울의 회전은 서로에 대해 신장된 위치에 위치한 2개의 레버에 의해, 레버가 일 단부 또는 타 단부 위치에 도달할 때 발생한다.

대안적으로, 본 장치는 한편으로는 전술한 수단에 의해 카메라상의 소정의 위치에 제공된 반도체 칩을 제1 색상으로 이미지를 형성하고, 다른 한편으로는 칩 그리퍼에 의해 카메라 상에 유지된 반도체 칩을 다른 제2 색상으로 이미지를 형성하는 컬러 필터 크로스(color filter cross)를 포함한다. 이 경우 광학 스위치는 2개의 컬러 필터로 구성되며, 하나는 한가지 색상에 대해 투명하며 다른 것은 제2 색상에 대해 투명하다. 플리핑 장치의 회전 위치가 변경되는 경우, 일 컬러 필터 또는 타 컬러 필터는 자동으로 카메라의 광선 경로에 놓여서, 카메라의 시야가 변경될 것이다. 컬러 필터 대신에 편광판에 의한 작동도 가능하다.

이하에서는, 실시예와 도면을 참조로 본 발명을 설명한다. 도면은 현척이 아니다.

도 1은 플리핑 장치 및 거울이 제1 단부 위치에 위치한, 플리핑 장치 및 거울을 구비한 자동 장착 머신을 개략적으로 도시하며;

도 2는 플리핑 장치 및 거울이 제2 단부 위치에 위치한, 자동 장착 머신을 도시하며;

도 3 및 도 4는 플리핑 장치와 거울을 위한 구동 매커니즘을 도시한다.

도 1은 기판(5)의 기판 플레이스(4) 상으로, 소위 플립 칩이며 범프(1)를 포함하는, 반도체 칩(2)의 장착을 위한 자동 장착 머신의 실시예의 개략적인 도면을 도시한다. 도 1에 도시된 단면도에서, 5개의 범프(1)는 각각의 반도체 칩(3)을 위해 서로 인접하여 위치된다. 기판 플레이스(4)에 일렬로 서로 인접하여 위치한 5개의 패드(12)는 상기 범프에 대응한다. 직교 좌표계의 좌표는 x, y 및 z 로 구성되며, x-좌표는 도면의 평면에 수직으로 연장된다. 자동 장착 머신은, y-방향으로 연장되는 축(7)을 따라서 왕복할 수 있는 본딩 헤드(8)를 구비한 소위 픽-앤-플레이스 시스템(6), 및 각각 관련 이미지 처리 모듈을 구비하는 2개의 카메라(9, 10)를 포함한다. 축(7) 상에서의 본딩 헤드(8)의 위치는, 본 명세서에서 상세히 설명되지 않는 공지된 위치 측정 및 제어 회로에 의해 조절된다. 기판(5)은 x-방향으로 운반 시스템에 의해 본딩 스테이션(11)으로 운반되며, 여기서 본딩 헤드(8)가 플립 칩 각각을 범프(1)와 연관되는, 소위 패드(12)인 전기 접속 표면을 포함하는 기판 플레이스(4)에 위치시킨다. 본딩 헤드(8)는 z-방향으로 상하로 왕복하여 이동할 수 있으며, 그것의 길이 방향 축, 본 경우에는 z-축을 중심으로 회전할 수 있는 칩 그리퍼(13)를 포함한다. 반도체 칩(2)은, 웨이퍼 테이블(14)에 제공되며 예를 들면 반도체 칩(2)의 범프(1)가 상부를 향한다. 반도체 칩(2)에는 와플 팩 또는 테입과 같은 다른 수단이 제공될 수도 있다. 자동 장착 머신은 그리퍼(16)를 구비한 플리핑 장치(15), 및 자동 장착 머신을 제어하는 제어 및 연산 유닛(17)을 추가로 포함한다. 플리핑 장치(15)는 2개의 단부 위치 A 및 B 사이에서 앞뒤로 회전할 수 있 다. 웨이퍼 테이블(14)은 플리핑 장치(15)가 웨이퍼 테이블(14)과 본딩 헤드(8)사이에 놓일 수 있도록 배치된다. 제1 카메라(9)는 본 발명에 따라 2가지 기능을 수행한다: 한편으로는 장착을 위해 웨이퍼 테이블(14)에 의해 제공되는 반도체 칩(2)의 실제 위치를 결정하고, 다른 한편으로는 본딩 헤드(8)의 칩 그리퍼(13)에 의해 정해지는 플립 칩(3)의 실제 위치를 결정한다. 제1 카메라(9)가 이러한 2개의 기능을 수행할 수 있는 것을 보장하기 위해, 거울(18)이 반도체 칩(2)이 회전할 때 또한 회전하는 플리핑 장치(15)에 배치된다. 거울(18)은 제1 카메라(9)의 시야에 배치된다.

플리핑 장치(15) 및 거울(18)은 2개의 단부 위치 A와 B 사이에서 앞뒤로 변경된다. 도 1에서, 플리핑 장치(15) 및 거울(18)은 단부 위치 A에 위치하며 그리퍼(16)가 픽-앤-플레이스 시스템(6)을 향하고 거울(18)이 웨이퍼 테이블(14)를 향한다. 따라서 제1 카메라(9)는 웨이퍼 테이블(14)에 의해 제공된 반도체 칩(2)을 본다. 도 2에서, 플리핑 장치(15) 및 거울(18)은 단부 위치 B에 위치하며 그리퍼(16)가 웨이퍼 테이블(14)을 향하고, 거울(18)이 픽-앤-플레이스 시스템(6)을 향한다. 따라서 제1 카메라(9)는 본딩 헤드(8)의 칩 그리퍼(13)에 의해 유지된 플립 칩(3)을 본다. 단부 위치 A로부터 단부 위치 B로 변경될 때, 그리퍼(16)는 x-방향으로 연장되는 축(19)을 중심으로 대략 각도 θ만큼(미도시) 회전하고, 거울(18)은 동시에 대략 그 각도의 반 θ/2만큼 회전한다. 실시예에서, 각도는 θ=180°이다. 각도 θ는 웨이퍼 테이블(14) 및 픽-앤-플레이스 시스템(6)의 전체 구조에 의존하며 따라서 180° 와 다른 수치를 가질 수도 있다.

플리핑 장치(15)는 단부 위치 A에서 웨이퍼 테이블(14)에 의해 제공된 반도체 칩(2), 및 단부 위치 B에서 본딩 헤드(8)의 칩 그리퍼(13)에 의해 유지된 플립 칩(3)을 조명하기 위해서 조명 수단을 추가로 포함할 수 있다. 단부 위치 A에서는, 직접 조명(direct illumination), 즉 광학 축에 평행하게 연장되며 따라서 반도체 칩(2)에 수직하게 입사하는 빛을 통한 조사가 가능하며, 단부 위치 B에서는 간접 조사, 즉 플립 칩(3)에 경사지게 입사하는 빛을 통한 조사가 유리하다.

플리핑 장치(15), 거울(18), 및 제1 카메라(9)의 상호작용은 이제 더욱 상세히 설명될 것이다. 다음의 상태가 우선 가정된다: 도 1에 도시된 바와 같이, 플리핑 장치(15)가 제1 단부 위치 A에 위치한다. 웨이퍼 테이블(14)은 반도체 칩(2)이 장착될 수 있도록 한다. 본딩 헤드(8)의 칩 그리퍼(13)는, 그의 범프(1)가 웨팅되고 그의 실제 위치가 아직 결정될 필요가 있는 플립 칩(3)을 지지한다. 칩 그리퍼(13)는 플리핑 장치(15) 상부에 위치한다. 장치는 다음과 같이 작동한다:

- 제1 카메라(9)는 웨이퍼 테이블(14)에 의해 제공된 반도체 칩(2)의 사진을 찍고, 관련 이미지 처리 모듈은 사진으로부터의 반도체 칩(2)의 실제 위치 및 반도체 칩(2)의 목표 위치로부터의 편차를 결정한다. 목표 위치로부터 실제 위치의 편차는 3 개의 값들인 Δu, Δv 및

에 의해 결정되고, Δu와 Δv는 통상의 경우와 같이 2개의 직교 방향 편차를 가리키며,

는 회전 위치의 편차를 가리킨다.

- 3 개의 값들 Δu, Δv 및

가 소정의 한계치를 초과하지 않는 한, 플리핑 장치(15)는 그것이 제공된 반도체 칩(2)을 파지할 곳인 제2 단부 위치 B로 회전 한다. 이러한 상태는 도 2에 도시되어 있다. 본딩 헤드(8)는 소정의 위치로 이동된다. 제1 카메라(9)는 본딩 헤드(8)의 칩 그리퍼(13)에 의해 유지된 플립 칩(3)의 사진을 찍고, 관련 이미지 처리 모듈은 사진으로부터 플립 칩(3)의 실제 위치를 결정한다. 이어서 본딩 헤드(8)는 기판(5)에 반도체 칩을 위치시키고 소정의 위치로 돌아가서, 칩 그리퍼(13)가 플리핑 장치(15)로부터 그 다음 반도체 칩(2)을 수용할 수 있도록 한다.

- 플리핑 장치(15)는 제1 단부 위치 A로 회전하며 플립 칩(3)으로서 반도체 칩을 본딩 헤드(8)의 칩 그리퍼(13)로 이동시킨다. 본딩 헤드(8)는 선택적으로 플립 칩(3)을 플립 칩(3)의 범프(1)가 플럭싱제로 웨팅되는 웨팅 스테이션으로 이동시키고, 플리핑 장치(15)의 상부 위치로 돌아간다. 이어서 웨이퍼 테이블(14)은, 장착을 위한 그 다음 반도체 칩(2)을 제공한다.

이제 최초의 위치가 다시 도달되고 다음 사이클이 시작된다.

도 3 및 도 4는 플리핑 장치의 그리퍼(16)를 약 각도 θ, 본 실시예에서는 약 각도 θ=180°만큼 회전시키며 그리고 거울(18)을 약 그 각도의 반 θ/2 만큼 회전시키는 유리한 구동 매커니즘을 도시한다. 도 3은 플리핑 장치(15)의 그리퍼(16) 및 단부 위치 A의 거울(18)을 도시한다. 도 4는 플리핑 장치(15)의 그리퍼(16) 및 단부 위치 B의 거울(18)을 도시한다. 구동 매커니즘은 모터(20), 및 2개의 기어 휠(21, 22)과 제3기어 휠(23)과 제4 기어 휠(24)로 구성되는 감속장치(reduction gear)와 치형 벨트(25)와 2개의 레버(26, 27)를 포함한다. 4개의 기어 휠(21 내지 24)은 서로에 대해 평행하며, 본 경우 도면의 도시 평면에 수직인 x-방향으로 연장되는 축들을 중심으로 회전할 수 있다. 플리핑 장치(15)의 그리퍼(16)는 제3 기어 휠(23)과 함께 회전한다. 제1 레버(26)의 제1 단부는 제4 기어 휠(24)과 회전하며, 제2 레버(27)의 제1 단부는 거울(18)에 고정되고, 2개의 레버(26, 27)의 2개의 타 단부는 공동의 볼트(28)에 회전가능하게 고정된다. 제3 기어 휠(23) 및 제4 기어 휠(24)은 동일한 크기를 갖는다. 따라서 모터(20)가 기어 휠(21, 22)과 치형 벨트(25)를 통해 제3 기어 휠(23)과 그리퍼(16)를 약 180°회전시킬 때, 제4 기어 휠(24)도 또한 약 180°회전한다. 제1 레버(26)의 길이 L₁ 과 제2 레버(27)의 길이 L₂ 는 거울(18)이 단부 위치 A 또는 단부 위치 B에 도달할 때 2 개의 레버들(26, 27)이 서로에 대해 각각 신장된 위치에 있도록 치수를 갖는다. 신장된 위치는 2개의 레버들(26, 27)이 공동의 직선 라인 G₁(도 3) 또는 G₂(도 4) 상에 위치하는 것을 의미한다. 제1 레버(26)는 구동 레버로서 작용하고, 제2 레버(27)는 운반 레버로서 작용한다. 이러한 구동 매커니즘은 다음의 이점을 제공한다:

- 그리퍼(16)를 약 각도θ만큼, 거울(18)을 약 이 각도의 반 θ/2만큼 회전시키기 위해 하나의 모터로 충분하다.

- 2개의 레버(26, 27)의 신장된 위치의 이용은, 거울(18)의 회전 위치가 단부 위치 A 뿐만 아니라 단부 위치 B 양자에서 높은 정확도로 재현될 수 있는 결과로 인도한다.

- 거울(18)은, 거울(18)이 기계적으로 정렬되는 어떤 정지부를 필요로 하지 않으면서 높은 정확도로 재현될 수 있는 회전 위치를 달성할 것이다.

대안적인 구동 매커니즘은 제1 직경을 갖는 V-벨트 풀리(V-belt pulley)를 구동하는 모터를 포함한다. 제1 V-벨트 풀리는 거울이 그에 배치되며 동일한 직경을 갖는 제2 V-벨트 풀리와, 플리핑 장치가 그에 배치되며 절반의 직경을 갖는 제3 V-벨트 풀리를 동시에 구동한다. 약 90°의 제1 V-벨트 풀리의 회전은, 약 90°의 제2 V-벨트 풀리의 회전 및 약 180°의 제3 V-벨트 풀리의 회전을 야기한다.

서로로부터 독립적인 2개의 개별적인 구동 장치를 구비한 그리퍼(16)의 회전과 거울(18)의 회전을 위한 구동 매커니즘을 설치하는 것도 또한 가능하다.

Claims

반도체 칩(2)을 플립 칩(3)으로서 기판(5)에 장착하는 장치로서, 상기 장치는:

반도체 칩을 소정의 위치에 공급하는 수단과;

칩 그리퍼(13)를 구비한 본딩 헤드(8)를 갖춘 픽-앤-플레이스 시스템(6)과;

그리퍼(16)를 구비하는 플리핑 장치(15)로서, 소정의 축(19)을 중심으로 회전 가능하게 유지되고, 제1 회전 위치에서는 상기 수단에 의해 제공되는 소정의 위치에서의 반도체 칩(2)을 수용하는데 사용되며, 제2 회전 위치에서는 반도체 칩을 플립 칩으로서 본딩 헤드의 칩 그리퍼에 운반하는데 사용되는, 플리핑 장치(15)와;

사진을 촬영하기 위한 카메라(9)와;

카메라에 대한 제1 또는 제2 시야를 교대로 설정하기 위해 사용되는 광학 스위치를 포함하며,

상기 수단에 의해 제공되는 반도체 칩은 제1 시야에 위치되고, 칩 그리퍼에 의해 유지되는 반도체 칩은 제2 시야에 위치되며, 플리핑 장치와 광학 스위치는 플리핑 장치가 제1 회전 위치로부터 제2 회전 위치로 변경되는 경우에 카메라의 시야가 제1 시야로부터 제2 시야로 변경되도록 서로 작동가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 반도체 칩 장착 장치.
제1항에 있어서,

플리핑 장치와 광학 스위치 사이의 작동 연결부는 기계적 작동 연결부인 것을 특징으로 하는 반도체 칩 장착 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

광학 스위치는 회전가능하게 유지되는 거울(18)을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 칩 장착 장치.