JP2011151179A

JP2011151179A - ボンディング装置

Info

Publication number: JP2011151179A
Application number: JP2010010818A
Authority: JP
Inventors: Yoshihisa Kajii; 良久梶井
Original assignee: Shibuya Kogyo Co Ltd
Current assignee: Shibuya Corp
Priority date: 2010-01-21
Filing date: 2010-01-21
Publication date: 2011-08-04
Also published as: CN102151976A; US20110174442A1

Abstract

【課題】
ボンディングヘッドに取り付けたストッパと、独立昇降可能なストッパ受け部の距離を検出しながらストッパ受け部の高さを制御し、ボンディングヘッドが熱の影響を受けて膨張し、ストッパとストッパ受け部との距離が広がったとしても、検出し、設定した距離に制御する。

【解決手段】
電子部品を基板に加熱圧着するボンディング装置に次の手段を採用する。
第１に、ボンディングヘッドに設けられたストッパと、ボンディングヘッドの下降高さを規制するストッパ受け部と、両者の距離を検出する距離検出手段と、ストッパ受け部をボンディングヘッドと独立して昇降させる昇降手段と、この昇降手段を制御する制御手段とを設ける。
第２に、電子部品を基板に加熱圧着してバンプが溶解するまで、距離検出手段からの信号によりストッパとストッパ受け部との距離を所定距離に保つようストッパ受け部の高さを制御する。

【選択図】図４

Description

本発明は、加熱圧着型のボンディング装置の改良に関するもので、詳しくは、ボンディングヘッドの下降高さをストッパ及びストッパ受け部で規制する機構において、ボンディングヘッドの熱膨張による伸び量を吸収し、バンプ溶解後の基板とチップの間隔制御を可能とするボンディング装置に関するものである。

従来より、加熱圧着型のボンディング装置において、基板に電子部品を加熱し圧着する際、ボンディングヘッドに設置されたロードセルによってボンディング時の荷重を読み取りながら予め設定されているボンディングヘッドのボンディング荷重を制御していた。

しかし、この方法においては、接合部のバンプが溶解すると、これまで受けていたボンディング荷重を受けることが不可能となってボンディングヘッドが急下降し、溶解したバンプを潰してしまうという問題点を有していた。このことはバンプの隣同士が接触し、ショートを起こし、不良品を発生させるという事態を招いていた。

また、ボンディング荷重を非常に低く設定してボンディングすることも行われるが、その場合、バンプを過度に潰すことは防げるが、逆に要望される潰し量が得られないという問題があった。また、電子部品に多数のバンプが存在する場合、バンプの大きさにはばらつきがあるので、大きさによってはバンプが接触しないという可能性もあり、ボンディング時の荷重はある程度の大きさが必要であった。そこで、ボンディングヘッドを所定の位置で停止させるため、ストッパとストッパ受け部を利用する技術が採用された。特許文献１に示されるチップ吸着手段の所定部（ストッパ）と当接してチップ吸着手段の下降を制限するメカニカルストッパ（ストッパ受け部）もその例である。

しかし、特許文献１に記載のストッパ及びストッパ受け部では、両者の相対距離を計測し、両者の距離を制御するものではあるが、チップ吸着手段の加熱時の熱膨張によりストッパが上方へ移動してストッパとストッパ受け部との距離が広がった場合、それに対応できるものではなかった。即ち、バンプの適正潰し量が昇降方向で１０ミクロンの場合、チップ吸着手段が加熱により昇降方向で２０ミクロン熱膨張すると、ストッパの位置が２０ミクロン上方に位置してしまい、ストッパ受け部がストッパと当接することによりチップ吸着手段の下降を制限したとしても、熱膨張による伸び量の２０ミクロン分余分に潰してしまうことになる。

バンプが微小化している現在、この熱膨張による伸び量は許容範囲外であり、より正確なボンディングヘッドの高さ制御が要求されていた。

特許第３４７５７７６号特許公報

本発明は、ボンディングヘッドにストッパを取り付けるとともに、ストッパを受け止めるストッパ受け部をボンディングヘッドと独立して昇降可能に配置し、ストッパとストッパ受け部の距離を検出しながらストッパ受け部の高さを制御し、電子部品を基板に加熱圧着する時に、ボンディングヘッドが熱の影響を受けて膨張することによりストッパとストッパ受け部との距離が広がったとしても、これを検出し、予め設定した距離に制御することが可能なボンディング装置を提供するものである。

上記課題を解決するため本発明は、電子部品を吸着保持するボンディングツールを有するボンディングヘッドと、このボンディングヘッドを昇降させる昇降手段とを備え、電子部品を導電性のバンプを介して基板に加熱圧着するボンディング装置に次の手段を採用する。
第１に、ボンディングヘッドに設けられたストッパと、該ストッパと係合することによりボンディングヘッドの下降高さを規制するストッパ受け部と、ストッパとストッパ受け部との距離を検出する距離検出手段と、ストッパ受け部をボンディングヘッドと独立して昇降させるストッパ受け部昇降手段と、このストッパ受け部昇降手段を制御する制御手段とを設ける。
第２に、電子部品を基板に加熱圧着してバンプが溶解するまでは、前記距離検出手段からの信号によりストッパとストッパ受け部との距離を所定距離に保つようストッパ受け部の高さを制御する。

本発明によれば、電子部品を基板に加熱圧着してバンプが溶解するまでは、距離検出手段からの信号によりストッパとストッパ受け部との距離を所定距離に保つようストッパ受け部の高さを制御することとしたので、加熱圧着時にボンディングヘッドが熱の影響を受けて膨張することによりストッパとストッパ受け部との距離が広がったとしても、これを検出して予め設定した距離に制御をすることが可能となった。

このことにより、バンプ溶解までの圧着加熱によるボンディングヘッドの伸びを吸収することが可能となった。また、加熱圧着時、接合部のバンプが溶解した際のボンディングヘッドの所定高さ以下への下降を防止することができるものとなったので、大きな荷重をボンディングヘッドにかけても、ボンディングヘッドが所定高さ以下まで下降して溶解したバンプを潰すことがなくなり、挟ピッチバンプの接続が可能となった。

フリップチップボンダの正面説明図同右側面説明図同左側面説明図チップと基板との接触時のフリップチップボンダの正面説明図ボンディングヘッド熱膨張時のフリップチップボンダの正面説明図ストッパ作動時のフリップチップボンダの正面説明図ストッパとストッパ受け部との関係を示す説明図で、（ａ）は、チップと基板との接触時の説明図で、（ｂ）は、ボンディングヘッド熱膨張時の説明図で、（ｃ）は、距離制御時の説明図で、（ｄ）は、ストッパ作動時の説明図である。

以下、図面に従って、実施例と共に本発明の実施の形態について説明する。実施例は、フリップチップボンダである。以下、フリップチップボンダの概要について説明する。図１は、実施例にかかるフリップチップボンダの正面図、図２は同右側面図、図３は同左側面図である。

フリップチップボンダは、これらの図１乃至図３に示されるように、ボンディングヘッド３と、ボンディングヘッド３を昇降させるヘッド昇降装置５と、ボンディングヘッド３に設けられたストッパ６と、これと係合することによりボンディングヘッド３の下降高さを規制するストッパ受け部７と、ストッパ６とストッパ受け部７との距離を検出する距離検出手段となる変位計８と、ストッパ受け部７をボンディングヘッド３と独立して昇降させるストッパ受け部昇降装置９とを備えている。

ボンディングヘッド３は、電子部品である半導体チップ１を吸着保持するボンディングツール２を有し、該ボンディングツール２を加熱する加熱装置を内蔵する。尚、ボンディングツール２の加熱により、ボンディングヘッド３自体も熱膨張する。

ボンディングヘッド３は、図１及び図２に示されるように、ベース１２にヘッド昇降装置５により上下動可能に装着されている。ヘッド昇降装置５は、昇降モータＭ１と昇降モータＭ１で回転するヘッド昇降軸５３よりなり、ボンディングヘッド３は、ナット部材５４を介してヘッド昇降軸５３に装着されている。

ヘッド昇降装置５には、ボンディングヘッド３を下方へ押圧するエアシリンダ５２とボンディングヘッド３を下方から支持するロードセル５１が装備され、ボンディングヘッド３の荷重制御を行っている。具体的には、ボンディングヘッド３と一体的に設けられた荷重制御用の張り出し部３１の上方にエアシリンダ５２、下方にロードセル５１を配置する。尚、エアシリンダ５２に代えてスプリングを配置しても良い。

荷重制御は次のように行われる。先ず、ボンディングツール２が吸着している半導体チップ１が基板４に接触するまでは、ロードセル５１はボンディングヘッド３の自重による荷重とエアシリンダ５２の押圧による荷重を加算した値を荷重として検出している。そして、ボンディングヘッド３が下降して半導体チップ１を基板４にボンディングする際には、基板４にボンディング荷重がかかることにより、その分ロードセル５１が検出する荷重が低下することになるので、その検出される荷重が所定の値となるように、ヘッド昇降装置５に設けられるヘッド昇降軸５３を荷重制御軸としてボンディングヘッド３の荷重を制御するのである。

このような荷重制御によりボンディングヘッド３の下降を制御すると、半導体チップ１の基板４へのボンディング作業中に接合部のバンプ１１が溶解すると、バンプ１１がボンディング荷重を受けることができなくなることにより、ボンディングヘッド３が急下降し、溶解したバンプ１１を潰してしまうという問題点を有していた。

そのため、ストッパ６とストッパ受け部７による下降停止機構を設ける。図１及び図３に示されるように、ボンディングヘッド３には、ストッパ６がボンディングヘッド３と一体的に設けられる。他方、ストッパ６の下端部と係合する位置には、ストッパ６を受け止めるストッパ受け部７がボンディングヘッド３と独立して設けられる。

ストッパ６の上方には、ストッパ６とストッパ受け部７との距離を検出する変位計８が、先端部がストッパ６に触れずストッパ６内の空部を貫通してストッパ受け部７を検出できるよう懸吊されている。尚、変位計８には、ポテンショメータなどが使用される。

ストッパ受け部７には、ボンディングヘッド３とは独立してストッパ受け部７を受け部昇降軸１０に従って昇降させるストッパ受け部昇降装置９が設けられる。図中符号Ｍ２が、ストッパ受け部昇降装置９の昇降モータである。該受け部昇降軸１０が、ストッパ受け部７の位置制御軸となる。

次に、実施例によるフリップチップボンダにおける基板４と半導体チップ１の間隔制御について図４乃至図７に従って説明する。先ず、ボンディングヘッド３に内蔵された加熱装置によりボンディングツール２は、１００℃に加熱され、電子部品である半導体チップ１を吸着する。この際、ロードセル５１はボンディングヘッド３の自重とエアシリンダ５２による押圧荷重を加算した値として１０Ｎの荷重を受けている。そして、ボンディング位置で、図４に示されるように、該ボンディングヘッド３は、ヘッド昇降装置５に設けられるモータＭ１の回転により、半導体チップ１が基板４に接触するまで下降する。

半導体チップ１が基板４に接触することによりロードセル５１が検出する荷重が低下し、８Ｎの荷重を検出すると半導体チップ１が基板４と接触したと判断する。尚、ストッパ６とストッパ受け部７との間隔は、図４及び図７（ａ）に示されるように所定距離に設定されている。所定距離は、ボンディングの際のボンディングヘッド３の適正下降量（例えば１０ミクロン）である。半導体チップ１と基板４との接触があったと判断すると、ストッパ６とストッパ受け部７との間隔を所定距離の１０ミクロンに設定する。

続いて、基板４に所定のボンディング荷重と所定のボンディング温度を与えるために、ボンディングヘッド３はロードセル５１が所定の荷重を検出するまで下降された後に、所定の温度まで加熱される。具体的には、ボンディングヘッド３が下降して基板４に荷重をかけるのに伴い、ロードセル５１の検出値が接触時の８Ｎから徐々に減少して５Ｎとなった時点で所定のボンディング荷重が得られたと判断し、それからボンディングツール２の温度を１００℃から３００℃に昇温させる。従って、バンプ１１の溶解前には、加熱によりボンディングヘッド３に熱膨張が発生し、ストッパ６の位置がボンディングヘッド３の熱膨張分、上昇し、ストッパ受け部７との間隔が大きくなる。例えば、図５及び図７（ｂ）に示すようにストッパ６とストッパ受け部７との距離は３０ミクロンとなったものとする。

この時、変位計８からの信号によりストッパ６とストッパ受け部７との距離が３０ミクロンになったことが検出される。検出に従ってバンプ１１が溶解するまでは、図７（ｃ）に示されるように、変位計８からの信号によりストッパ６とストッパ受け部７との距離を所定距離（１０ミクロン）に保つよう、ストッパ受け部７の高さをストッパ受け部昇降装置９により制御する。即ち、バンプ１１が溶解するまでは、ストッパ６とストッパ受け部７との距離がボンディングヘッド３の下降量である１０ミクロンを保つように、ストッパ受け部７をストッパ６に向かって上昇させるのである。

その後、バンプ１１が溶解することにより、ボンディングヘッドが急下降してストッパ受け部７にストッパ６が係合する。ストッパ６とストッパ受け部７との距離がゼロになったこと、もしくは所定距離以下となったことが検出されると、バンプ１１の溶解と判断してストッパ受け部昇降装置９の制御を停止する。ボンディングヘッド３がバンプ１１の溶解によって急下降すると、図６及び図７（ｄ）に示されるように、ストッパ受け部７にストッパ６が係合することによりボンディングヘッド３の下降高さ（位置）が規制される。即ち、ボンディングヘッド３の下降量である１０ミクロン分ボンディングヘッド３が下降し、ストッパ受け部７にストッパ６が係合し、下降位置が規制される。ボンディングヘッド３が３０ミクロン下降してバンプ１１を余計に潰すことを防止できるものである。

尚、ストッパ受け部昇降装置９を停止させるタイミングはストッパ６とストッパ受け部７との距離以外で検出しても良い。例えば、ボンディングヘッド３が昇温してから何秒後というように時間や、ロードセル５１が検出するボンディング荷重によってストッパ受け部昇降装置９を停止させることも可能である。

１・・・・・・・・半導体チップ
２・・・・・・・・ボンディングツール
３・・・・・・・・ボンディングヘッド
４・・・・・・・・基板
５・・・・・・・・ヘッド昇降装置
６・・・・・・・・ストッパ
７・・・・・・・・ストッパ受け部
８・・・・・・・・変位計
９・・・・・・・・ストッパ受け部昇降装置
１０・・・・・・・受け部昇降軸
１１・・・・・・・バンプ
１２・・・・・・・ベース
３１・・・・・・・張り出し部
５１・・・・・・・ロードセル
５２・・・・・・・エアシリンダ
５３・・・・・・・ヘッド昇降軸
５４・・・・・・・ナット部材
Ｍ１、Ｍ２・・・・昇降モータ

Claims

電子部品を吸着保持するボンディングツールを有するボンディングヘッドと、このボンディングヘッドを昇降させる昇降手段とを備え、電子部品を導電性のバンプを介して基板に加熱圧着するボンディング装置において、
ボンディングヘッドに設けられたストッパと、該ストッパと係合することによりボンディングヘッドの下降高さを規制するストッパ受け部と、ストッパとストッパ受け部との距離を検出する距離検出手段と、ストッパ受け部をボンディングヘッドと独立して昇降させるストッパ受け部昇降手段と、このストッパ受け部昇降手段を制御する制御手段とを設け、
電子部品を基板に加熱圧着してバンプが溶解するまでは、前記距離検出手段からの信号によりストッパとストッパ受け部との距離を所定距離に保つようストッパ受け部の高さを制御することを特徴とするボンディング装置。