JP2006165452A - チップボンディング装置及びチップボンディング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】チップボンディング済みのパッケージをモジュールに搭載したときに、モジュール内で半導体チップの位置にばらつきが生じるという欠点があった。
【解決手段】ボンディング用パレット１１の凹部１８内に収容されたパッケージ１９に半導体チップ１３をボンディングするとともに、このボンディングに際して半導体チップ１３を保持するコレット１０を備えるチップボンディング装置において、コレット１０を内側コレット１４と外側コレット１５の二重構造とする。内側コレット１４は、半導体チップ１３を位置決め状態で吸着保持するものとし、外側コレット１５は、ボンディング用パレット１１の凹部１８内でパッケージ１９を横方向に片寄せする片寄せ部１７を有し、この片寄せ部１７でパッケージ１９の外周部を突き当て基準部１８Ａに突き当てて位置決めするものとする。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体チップをパッケージにボンディングする際に用いられるチップボンディング装置及びチップボンディング方法に関する。

半導体製造に係る組み立て工程では、ウエハ状態でダイシングにより個片に分離された半導体チップを１つずつピックアップして、ソケットタイプやＣＡＮタイプのパッケージにボンディング（実装）するチップボンディング装置が用いられている。チップボンディング装置では、チップボンディング済みのパッケージを基板等のモジュールに高い位置精度で再現性良く組み込むために、パッケージに対して半導体チップを高精度にボンディングする必要がある。

そこで従来においては、パッケージの所定の位置にアライメントマークを設け、このアライメントマークを基準に半導体チップを位置決めする技術が知られている。また、下記特許文献１には、半導体チップを保持するコレットの位置を、パッケージの内壁を利用してメカ的に規制することにより、半導体チップの中心とパッケージのキャビディ中心を精度良く位置合わせしてボンディングする技術が記載されている。

特開平５−６３０１１号公報

一般に、チップボンディング済みのパッケージを用いて製品化された半導体装置をモジュールに搭載する場合は、パッケージの外周部を基準にして半導体装置を位置決めしている。これに対して、従来のチップボンディング装置では、基本的にパッケージのキャビティ中心に半導体チップの中心を位置合わせするかたちでパッケージと半導体チップを位置決めしている。そのため、モジュールにパッケージを搭載するときの位置決め基準と、パッケージに半導体チップを実装するときの位置決め基準が互いに異なるものとなっている。したがって、チップボンディング済みのパッケージをモジュールに搭載したときに、モジュール内で半導体チップの位置にばらつきが生じるという欠点があった。

本発明に係るチップボンディング装置は、ボンディング用パレットの凹部内に収容されたパッケージに半導体チップをボンディングするとともに、このボンディングに際して半導体チップを保持するコレットを備えるチップボンディング装置であって、コレットは、半導体チップを位置決め状態で吸着保持する内側コレットと、ボンディング用パレットの凹部内でパッケージをに片寄せする片寄せ部を有し、この片寄せ部でパッケージの外周部を突き当て基準部に突き当てて位置決めする外側コレットとからなるものである。

本発明に係るチップボンディング装置においては、外側コレットの片寄せ部によりパッケージをに片寄せすることにより、パッケージの外周部を突き当て基準部に突き当てて位置決めし、この状態のもとで、内側コレットにより吸着保持した半導体チップをパッケージにボンディングすることにより、パッケージの外周部を基準にして半導体チップの位置決めがなされる。

本発明のチップボンディング装置によれば、パッケージの外周部を位置決めの基準として、チップボンディング済みのパッケージを基板等のモジュールに搭載するときに、半導体チップの位置決め基準とパッケージの位置決め基準を共通化することができる。したがって、チップボンディング済みのパッケージをモジュールに搭載したときに、モジュール内で半導体チップの位置を精度良く保証することができる。

以下、本発明の具体的な実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は本発明が適用されるチップボンディング装置の構成例を示す斜視図である。図示したチップボンディング装置１は、ボンディングヘッドユニット２と、パレット供給マガジン３と、パレット搬送ユニット４と、パレット回収マガジン５と、ウエハ供給マガジン６と、ウエハ搬送ユニット７と、ウエハテーブル８とを備えた構成となっている。

ボンディングヘッドユニット２は、可動アーム９と、コレット１０と、これらを水平方向及び垂直方向に移動可能に支持するヘッド駆動部（不図示）とを備えている。コレット１０は、可動アーム９の先端部に取り付けられている。

パレット供給マガジン３は、チップボンディング前のパッケージを所定数だけ収容したボンディング用パレット１１を積載状態で格納するものである。図２にボンディング用パレット１１の具体的な構成例を示す。ボンディング用パレット１１は、平面視長方形（長尺状）に形成され、その長手方向に一定の間隔で複数の凹部１８が設けられている。また、ボンディング用パレット１１には、パレット搬送時にボンディング用パレット１１を位置決めするための位置決め孔１１Ａが設けられている。

パレット搬送ユニット４は、パレット供給マガジン３に格納されたボンディング用パレット１１を１つずつ取り出して搬送するものである。このパレット搬送時には、パレット供給マガジン３からボンディング用パレット１１が１つ供給されるたびに、マガジン内でパレットの格納位置（積載位置）が１段ずつ下げられる。パレット搬送ユニット４によるパレット搬送経路の途中にはボンディングステージ１２が設けられている。パレット回収マガジン５は、パレット搬送ユニット４によって搬送されたチップボンディング済みのボンディング用パレット１１を回収するものである。このパレット回収時には、パレット回収マガジン５にボンディング用パレット１１が１つ回収されるたびに、マガジン内でパレットの格納位置（積載位置）が１段ずつ上げられる。

ウエハ供給マガジン６は、ダイシングによって複数の半導体チップに分割されたウエハを積載状態で格納するものである。ウエハ供給マガジン６の内部には、各々のウエハが伸縮性の高いウエハシートに貼着された状態で格納されている。ウエハ搬送ユニット７は、ウエハ供給マガジン６に格納されたウエハをウエハシートとともに１つずつ取り出して搬送するものである。このウエハ搬送時には、ウエハ供給マガジン６からウエハが１枚供給されるたびに、マガジン内でウエハの格納位置（積載位置）が１段ずつ下げられる。ウエハテーブル８は、ウエハ搬送ユニット７によって搬送されたウエハを、当該ウエハに貼り付いたウエハシートを円周方向に延ばした状態で水平に支持するものである。ウエハテーブル８は水平方向（Ｘ−Ｙ方向）に移動可能に設けられている。また、ウエハテーブル８の内部にはピックアップ用の突き上げピン（不図示）が設けられている。

続いて、上記構成からなるチップボンディング装置１の動作について説明する。まず、チップボンディング前のパッケージを収容したボンディング用パレット１１は、パレット供給マガジン３から１つずつ供給されるとともに、パレット搬送ユニット４によってボンディングステージ１２まで搬送される。一方、ウエハシートに貼着されたウエハは、ウエハ供給マガジンから１枚ずつ供給されるとともに、ウエハ搬送ユニット７によってウエハテーブル８まで搬送される。

次に、ボンディングヘッドユニット２の駆動により可動アーム９先端のコレット１０がウエハテーブル８の直上位置まで進出するとともに、ウエハテーブル８に支持されたウエハ内の１つの半導体チップが突き上げピンにより突き上げられる。このとき、コレット１０は、突き上げピンによる半導体チップの突き上げに先立って、突き上げ対象となる半導体チップの近傍まで下降する。これにより、実際に突き当てピンで突き上げられた半導体チップがコレット１０の下端部に突き当てられ、そこで吸着保持される。

その後、コレット１０と突き上げピンが同期（一体化）して上昇し、この上昇量が規定量に到達したところで突き上げピンだけが下降する。一方、コレット１０は、半導体チップを吸着保持したまま所定の高さまで上昇した後、可動アーム９の水平移動によりボンディング用パレット１１（ボンディングステージ１２）の直上位置へと移動する。さらに、コレット１０は、半導体チップを吸着保持しまま下降することにより、ボンディング用トレイ内のパッケージに半導体チップをボンディングする。チップボンディングに際しては、パッケージに半導体チップを固定するために樹脂などの接合材料が用いられる。また、半導体チップやパッケージには、ボンディング用の加圧力に加え、必要に応じて超音波振動や熱などが加えられる。

以降は、ウエハテーブル８とボンディングステージ１２との間をコレット１０が往復しながら、ボンディング用パレット１１に収容された全てのパッケージに半導体チップをボンディングする。その後、チップボンディング済みのパッケージを収容したボンディング用パレット１１をパレット回収マガジン５へと搬送・格納し、それと入れ替わるようにチップボンディング前のパッケージを収容したボンディング用パレット１１をボンディングステージ１２へと搬送する。また、ウエハテーブル８上に存在する全ての半導体チップ（良品チップ）のボンディングを終えた場合は、その都度、ウエハ搬送ユニット７により新たなウエハをウエハテーブル８へと搬送・供給する。

図３は本発明の実施形態に係るチップボンディング装置で採用されるコレットの構成を示す断面図である。図示のようにコレット１０は、半導体チップ１３を保持する機能を有するものである。コレット１０は、内側コレット１４と外側コレット１５とを有する多重（二重）コレット構造になっている。内側コレット１４は、コレット軸１６の下端部に取り付けられている。コレット軸１６は、上記可動アーム９の先端部に上下動可能に支持されるものである。

内側コレット１４の下端部は、平面視矩形状をなす半導体チップ１３の４つの辺に接する４つのテーパー部を有する凹形状となっている。また、４つのテーパー部で囲まれる内側コレット１４の中央部には図示しない吸着用の孔が設けられ、この孔を通して真空引きを行うことにより、内側コレット１４の下端部に半導体チップ３を吸着保持し得る構成となっている。さらに、この吸着保持状態では、内側コレット１４の４つのテーパー部に半導体チップ１３の４つの辺が接することにより、内側コレット１４で半導体チップ１３を位置決めし得る構成となっている。

一方、外側コレット１５は、コレット軸１６に嵌合された状態で内側コレット１４の外側（図の上側）に配置されている。外側コレット１５は、コレット軸１６の軸方向に対してはスラストベアリング等を用いて移動自在に支持され、コレット軸１６廻りの回転方向に対してはコレット位置が規制（回転止め）されている。また、コレット軸１６を中心とした径方向（水平方向）においては、コレット軸１６との嵌合により外側コレット１５の動きを規制することにより、内側コレット１４と外側コレット１５との相対位置が一義的に決められている。

外側コレット１５の外形寸法は、内側コレット１４の外形寸法よりも大きく設定されている。外側コレット１５は、コレット軸１６の軸方向から見て矩形状に形成されている。また、外側コレット１５の外周部には片寄せ部１７が設けられている。片寄せ部１７は、外側コレット１５の外周部において互いに直角をなす２辺（図３では１辺に対応する片寄せ部１７のみ表示）に設けられている。また、片寄せ部１７は、外側コレット１５の下面１５Ａより下方に突出する状態で設けられるとともに、当該下面１５Ａに対して鈍角をなすように傾斜したテーパー面１７Ａを一体に有している。これにより、外側コレット１５の片寄せ部１７は内向きのテーパー構造となっている。

このようなコレット構造に対して、上記ボンディングステージ１２上では、ボンディング用パレット１１の凹部１８内にパッケージ１９が収容された状態で待機する。パッケージ１９の内部には半導体チップをボンディングするためのキャビディ２０が形成されている。また、ボンディング用パレット１１にはパレット長手方向に一定の間隔で複数の凹部１８が形成されているが、図３ではそのうちの１つを拡大して表示している。ボンディング用パレット１１の凹部１８は、図４に示すように、平面視矩形状（図例では略正方形）に形成されている。凹部１８を形成する４つの辺のうち、互いに直角をなす２つの辺１８Ａ，１８Ｂに沿う凹部１８の内側面は、当該凹部１８内でパッケージ１９の突き当て基準部となる。

これに対して、パッケージ１９は、その外周部を形成する４つの辺のうち、上記凹部１８の辺１８Ａ，１８Ｂに対向する２つの辺に沿うパッケージ外周面を位置決め（突き当て）の基準として、基板等のモジュールに搭載されるものである。凹部１８の４つのコーナーのうち、上記２つの辺１８Ａ，１８Ｂによって形成されるコーナー部分には逃げ部２１が設けられている。逃げ部２１は、パッケージ１９の角部との位置的な干渉を避けるためのものである。凹部１８の平面形状は、そこに収容されるパッケージ１９の外周形状とほぼ同一の形状となっている。また、凹部１８の平面サイズは、パッケージ１９の外形寸法よりも若干大きな寸法となっている。したがって、凹部１８内ではパッケージ１９の横方向（水平方向）の動きが若干許容される。

ここで、内側コレット１４と外側コレット１５の支持構造の具体例について説明する。先ず、図５（Ａ）に示すコレット支持構造においては、内側コレット支持部１００からコレット軸１６が垂下し、その先端（下端）に内側コレット１４が取り付けられている。また、外側コレット１５は、外側コレット支持部２００に支持されている。外側コレット支持部２００は、スライド機構２０１により垂直方向に移動（上下動）可能に支持されている。かかる構成においては、スライド機構２０１により外側コレット１５と一緒に内側コレット１４が昇降する。また、内側コレット支持部１００から垂下したコレット軸１６を進退動作させると、外側コレット１５が不動のままで内側コレット１４だけが昇降する。

また、図５（Ｂ）に示すコレット支持構造においては、内側コレット支持部１００からコレット軸１６が垂下し、その先端に内側コレット１４が取り付けられている。また、外側コレット１５は、外側コレット支持部２００に支持されるとともに、当該外側コレット支持部２００を収容する中空構造の外側コレットガイド部材２０２により上下動可能に支持されている。外側コレット１５と外側コレットガイド部材２０２との嵌合部分は気密状態にシールされている。かかる構成においては、外側コレットガイド部材２０２の中空内に圧縮エアーを供給したり中空内を負圧にすることにより、外側コレットガイド部材２０２にガイドされて外側コレット１５が内側コレット１４と一緒に昇降する。また、内側コレット支持部１００から垂下したコレット軸１６を進退動作させると、外側コレット１５が不動のままで内側コレット１４だけが昇降する。

また、図５（Ｃ）に示すコレット支持構造においては、バネ受けを兼ねた内側コレット支持部１００からコレット軸１６が垂下し、その先端に内側コレット１４が取り付けられている。また、外側コレット１５は、バネ受けを兼ねた外側コレット支持部２００に支持されるとともに、外側コレットガイド部材２０２により上下動可能に支持されている。さらに、内側コレット支持部１００と外側コレット支持部２００の間にはコイルバネ３００が設けられている。コイルバネ３００は、コレット軸１６に巻装された状態で取り付けられている。かかる構成においては、内側コレット支持部１００を押し下げると、コイルバネ３００のバネ圧により外側コレット支持部２００が外側コレットガイド部材２０２にガイドされて下降するとともに、この外側コレット支持部２００及び外側コレット１５と一緒に内側コレット１４が下降する。さらに、その状態から内側コレット支持部１００を引き上げてバネ圧を開放すると、外側コレット支持部２００及び外側コレット１５と一緒に内側コレット１４が上昇する。また、内側コレット支持部１００から垂下したコレット軸１６を進退動作させると、外側コレット１５が不動のままで内側コレット１４だけが昇降する。

続いて、上記図３に示すコレット１０を用いたチップボンディング方法について説明する。先ず、上述したチップボンディング装置の動作手順にしたがってコレット１０をウエハテーブル８上に移動し、そこで内側コレット１４の下端部に半導体チップ１３を位置決め状態で吸着保持した後、コレット１０をボンディングステージ１２上に移動して上記図２に示すようにボンディング用パレット１１の直上にコレット１０を配置する。このとき、外側コレット１５の片寄せ部１７の下端鋭角部分は、ボンディング用パレット１１の凹部１８の外周縁よりも僅かに内側に配置しておく。

次に、コレット軸１６と一体にコレット１０を下降させることにより、図６（Ａ）に示すように、外側コレット１５の片寄せ部１７のテーパー面１７Ａをパッケージ１９の辺に接触（当接）させる。コレット１０の下降は、上記可動アーム９を下降させて行えばよい。こうして片寄せ部１７のテーパー面１７Ａをパッケージ１９の辺に接触させると、その接触圧とテーパー面１７Ａの傾きによりパッケージ１９は横方向の力を受ける。したがって、コレット１０の更なる下降によってパッケージ１９はボンディング用パレット１１の凹部１８内で横方向に片寄せされる。これにより、コレット１０の下降が停止したときには、図６（Ｂ）に示すように、凹部１８内において、外側コレット１５の片寄せ部１７が当接した辺と反対側の辺に沿うパッケージ１９の側面が、凹部１８の辺１８Ａの沿う内側面（突き当て基準部）に突き当たった状態となる。また、これと同様の原理で、パッケージ１９の他の側面が、凹部１８の辺１８Ｂに沿う内側面（突き当て基準部）に突き当たった状態となる。

こうしてボンディング用パレット１１の凹部１８内でパッケージ１９の位置決めが行われると、これに続いてコレット軸１６の進出動作により、図６（Ｃ）に示すように、内側コレット１４に吸着保持された半導体チップ１３がパッケージ１９のキャビディ２０底面に押し付けられる。これにより、パッケージ１９に半導体チップ１３が接合固定される。その後、内側コレット１４の真空引き（チップ吸着）を解除した状態で、コレット軸１６の後退動作により内側コレット１４を上昇させるとともに、外側コレット１５を含めてコレット１０全体をボンディング用パレット１１の上方に退避させる。以降は、パレット搬送ユニット４でボンディング用パレット１１を１ステップずつ搬送して、各々の凹部１８内に収容されたパッケージ１９にコレット１０を用いて半導体チップ１３を順にボンディングする。

このようにチップボンディング用のコレット１０を内側コレット１４と外側コレット１５の多重（二重）構造にするとともに、外側コレット１５の片寄せ部１７によりパッケージ１９を横方向に片寄せした状態で、内側コレット１４により吸着保持した半導体チップ１３をパッケージ１９にボンディングすることにより、パッケージ１９の外周部を基準にして半導体チップ１３を位置決めすることができる。これにより、パッケージの外周部を位置決めの基準として、チップボンディング済みのパッケージを基板等のモジュールに搭載するときに、半導体チップ１３の位置決め基準とパッケージ１９の位置決め基準を共通化することができる。したがって、チップボンディング済みのパッケージをモジュールに搭載したときに、モジュール内で半導体チップの位置を精度良く保証することができる。

図７及び図８は本発明の実施形態に係るチップボンディング装置で採用可能なコレットの他の構成を示す図である。

図７（Ａ）に示すコレット構成では、外側コレット１５の片寄せ部１７が外向きのテーパー構造となっている。そして、コレット下降時には片寄せ部１７の外向きテーパー部分がボンディング用パレット１１の凹部１８の縁部に当接して摺動することにより、凹部１８内で片寄せ部１７をパッケージ１９の外周部に当接させ、パッケージ１９を横方向に片寄せして位置決めする構成となっている。

図７（Ｂ）に示すコレット構成では、外側コレット１５の片寄せ部１７がテーパー無しの構造となっているのに対し、ボンディング用パレット１１の凹部１８の縁部がテーパー付きの構造となっている。そして、コレット下降時には片寄せ部１７の下端部が凹部１８のテーパー部分に当接して摺動することにより、凹部１８内で片寄せ部１７をパッケージ１９の外周部に当接させ、パッケージ１９を横方向に片寄せして位置決めする構成となっている。

図７（Ｃ）に示すコレット構成は、上記図７（Ｂ）に示すものと同様の構成となっている。ただし、ボンディング用パレット１１の凹部１８内には、パッケージ１９が片寄せされる側の内側面に半球状の突起２２が設けられ、この突起２２にパッケージ１９の外周部（外周面）を点接触で突き当てて位置決めする構成となっている。この点接触による突き当て構造を採用すれば、より高精度な位置決めを実現することが可能となる。

一方、図８（Ａ）に示すコレット構成では、外側コレット１５の外周部において、片寄せ部１７と対向する側に突き当て基準部２３を設けたものとなっている。そして、コレット下降時には片寄せ部１７のテーパー部分をパッケージ１９の辺に当接させるとともに、この当接によって横方向に移動（片寄せ）するパッケージ１９の側面を外側コレット１６の突き当て基準部２３に突き当てて位置決めする構成となっている。

また、図８（Ｂ）に示すコレット構成では、上記図８（Ａ）に示すコレット構成において、外側コレット１５の突き当て基準部２３に半球状の突起２４を設け、この突起２４にパッケージの側面を点接触で突き当てて位置決めする構成となっている。このように外側コレット１５に突き当て基準部２３を一体に設けた構成を採用した場合は、外側コレット１５単独でパッケージ１９を片寄せして位置決めすることができる。そのため、より高精度にパッケージ１９の位置決めを行うことが可能となる。

なお、上記実施形態においては、ソケットタイプのパッケージ１９に半導体チップ１３をボンディングする場合を例に挙げて説明したが、これ以外にも、例えば、円形のＣＡＮタイプのパッケージに半導体チップをボンディングするものでは、ボンディング用トレイの凹部にＶ字形の突き当て基準部を設け、外側ソケットの片寄せ部でパッケージを横方向に片寄せしたときに突き当て基準部にパッケージの外周部を突き当てて位置決めする構成を採用すればよい。

本発明が適用されるチップボンディング装置の構成例を示す斜視図である。 ボンディング用パレットの具体的な構成例を示す図である。 本発明の実施形態に係るチップボンディング装置で採用されるコレットの構成を示す断面図である。 ボンディング用パレットでのパッケージの収容状態を示す平面図である。 コレット支持構造の具体例を説明する図である。 図３に示すコレットを用いたチップボンディング方法を説明する図である。 本発明の実施形態に係るチップボンディング装置で採用可能なコレットの他の構成を示す図（その１）である。 本発明の実施形態に係るチップボンディング装置で採用可能なコレットの他の構成を示す図（その２）である。

符号の説明

１…チップボンディング装置、１０…コレット、１１…ボンディング用パレット、１３…半導体チップ、１４…内側コレット、１５…外側コレット、１７…片寄せ部、１８…凹部、１９…パッケージ、２３…突き当て基準部、２４…突起

Claims (4)

1. ボンディング用パレットの凹部内に収容されたパッケージに半導体チップをボンディングするとともに、このボンディングに際して前記半導体チップを保持するコレットを備えるチップボンディング装置であって、
   前記コレットは、前記半導体チップを位置決め状態で吸着保持する内側コレットと、前記ボンディング用パレットの凹部内で前記パッケージを片寄せする片寄せ部を有し、この片寄せ部で前記パッケージの外周部を突き当て基準部に突き当てて位置決めする外側コレットとからなる
   ことを特徴とするチップボンディング装置。
2. 前記外側コレットに前記突き当て基準部を設けてなる
   ことを特徴とする請求項１記載のチップボンディング装置。
3. 前記突き当て基準部に突起を設けてなる
   ことを特徴とする請求項２記載のチップボンディング装置。
4. ボンディング用パレットの凹部内に収容されたパッケージに半導体チップをボンディングするとともに、このボンディングに際して前記半導体チップを保持する内側コレットと外側コレットからなるコレットを用いるチップボンディング方法であって、
   前記内側コレットで前記半導体チップを位置決め状態で吸着保持した後、前記ボンディング用パレットの凹部内で前記パッケージを前記外側コレットでに片寄せすることにより、前記パッケージの外周部を突き当て基準部に突き当てて位置決めし、この位置決め状態で前記半導体チップを前記パッケージにボンディングする
   ことを特徴とするチップボンディング方法。
   
   

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