JP2507640B2 - ボンディング装置及びボンディング方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ICチップ上の複数個のバンプとインナリー
ドとを重ね合わせ、ツールにより押圧して接続するボン
ディング装置、およびボンディング方法に関するもので
ある。

〔従来の技術〕

この種のボンディングに関しては、特開昭57−37842
号公報に記載の技術が公知である。この公知技術は、バ
ンプを形成したICチップ面とツール下面との間平行を確
保するために、ICチップを搭載したボンディングステー
ジに球面摺動部からなる倣い機構を設けていた。

第８図（ａ）は上記公知の装置の構造を示している。
ベース21上に設置された球面座22が、回転摺動可能な状
態に球面摺動部材23を保持している。上記球面摺動部材
23にICチップ25が搭載されており、ICチップ25上に形成
されたバンプ26a,26bの高さの不均一や、ツール14の初
期傾きなどのためにツール14が片当たりすると、球面摺
動部材23が回転摺動して同図（ｂ）の状態となる。この
従来例では、バンプ26aが同26bよりも背が高いので、
（ｂ）図に示すように球面摺動部材23が図の右回りに回
動して片当たりを解消する。

〔発明が解決しようとする課題〕

第８図に示した従来例のボンディング装置における倣
い動作は、摺動部の摩擦力が種々の原因（例えば回転に
よる摺動面積変化など摺動部の接触状態）によって異な
る点について配慮がなされておらず、ボンディングごと
の姿勢修正量に応じて倣い動作の特性が変化してしまう
という問題があった。例えば加圧力が摩擦力より小さけ
れば片当りは回避できないという問題があった。

又、上記従来技術では、ツールから受ける偏荷重に応
じて受動的に倣わせるため、ツールの加圧力、接触開始
時のツールの速度、偏荷重の大きさにより倣い動作の時
間的挙動が影響を受け再現性が損なわれ易いという問題
があった。

本発明に係る装置および方法の第１の目的は、ICチッ
プ面とツール面との間の姿勢修正量にかかわらず同一特
性の倣い動作を達成することである。

さらに本発明に係る装置の第２の目的は、ツールがリ
ード及びバンプに接触し始めてから、均一加圧状態にな
るまでの期間の挙動に関しても再現性を向上した倣い動
作を達成することである。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために創作した本発明の基本的
原理について、従来例（第８図）との対比において略述
すると次の如くである。

従来例においては、偏った力を受けたとき、該偏った
力によって姿勢を正される（第８図（ｂ））ように従動
的に作動する。これに比して本発明においては、上記の
偏った力を検出し、その偏りを解消するように能動的に
ICの（詳しくはICチップを搭載している部材の）姿勢を
制御する。

上述の原理に基づく具体的な構成として、本発明のボ
ンディング装置は、ICチップ上の複数個のバンプとイン
ナリードとを重ね合わせ、ツールにより押圧して接続す
るボンディング装置において、 ICチップを搭載した部材をベースに対して支持する、
上下方向に伸縮可能なアクチュエータと、 前記のツールによってICチップを押圧した際、該ICチ
ップを搭載した部材が受ける応力の分布を検出する手段
と、 前記の応力分布検出手段の出力信号を入力されて、該
応力分布を均一ならしめるように前記アクチュエータを
伸縮せしめる自動制御装置とを設けた。

また、本発明のボンディング方法は、ICチップ上の複
数個のバンプとインナリードとを重ね合わせ、ツールに
より押圧して接続するボンディング装置において、 ICチップを搭載した部材をベースに対して支持する、
上下方向に伸縮可能なアクチュエータを設けるととも
に、 前記のツールによってICチップを押圧した際に該ICチ
ップを搭載した部材が受ける応力の分布を検出する手段
を設け、かつ、 前記の応力分布検出手段の出力信号を入力されて、該
応力分布を均一ならしめるように前記アクチュエータを
伸縮せしめる。

〔作用〕

上記の装置、および方法によれば、押圧力によって倣
い作動するのではなく、応力分布の不均一を検出して積
極的にアクチュエータを伸縮させて応力を均一ならしめ
るので、前記第１の目的（姿勢修正量のいかんに拘らず
同一特性の倣い動作が行われる）、及び第２の目的（再
現性の向上）が達成される。

〔実施例〕

第１図は本発明に係るボンディング装置の一実施例を
示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は分解斜視図である。

図示の1a,1b,1cは圧電アクチュエータ、２は鋼球サポ
ート、３は鋼球、４はサポート、５は円錐状くぼみ部、
６は引っ張りバネ、7,8は引っかけ部、９はアライメン
トステージ上に固定するベース、10は検出ステージであ
る。

３個の圧電アクチュエータ1a,1b,1cは図示するように
直立した姿勢でベース９に固定されている。各圧電アク
チュエータ上面に固定された鋼球サポート２の上面に形
成してあるくぼみ部には鋼球３が保持される。リポート
４は各鋼球の位置に対応して下面に設けられたくぼみ部
５において鋼球を上から保持するように取付けられる。
引っ張りバネ６はベース９、圧電アクチュエータ１、鋼
球サポート２、鋼球３、及びサポート４が互いに分離し
ないように各接触部分に予圧を掛けている。サポート４
の上面には、片当り状態を検出するための検出ステージ
10が取付けられる。なお本実施例では検出ステージ10は
ICチップ25を搭載するボンディングステージをも兼ねて
いる。

次に第２図により検出ステージ10の詳細について説明
する。同図（ａ）はサポート４に取付けられた状態の機
構の断面図、（ｂ）は検出ステージ10を下方より見た
図、（ｃ）は検出回路の構成を示す図である。

検出ステージ10の周囲はサポート４に対して固定さ
れ、該検出ステージ10の中央部は球面摺動部材15と接し
ている。球面摺動サポート16はサポート４に固定されて
いる。

検出ステージ10には、（ａ）図、（ｂ）図に示すよう
に同心円状の溝状切欠き部17が設けられて撓み変形し易
くなっており、その上面に歪ゲージ11a〜11hが円周上90
゜間隔にて４組貼りつけられている。おのおのの２枚１
組の歪ゲージは、弾性変形による歪量を検出するアクテ
ィブゲージ11a〜11dと、温度補償用に配置したダミーゲ
ージ11e〜11hとから構成される。歪ゲージ11の出力信号
線は同図（ｃ）に示すように、円周上互いに点対称の位
置のもの同志士をブリッジ回路に組みように接続されて
いる。

次に第３図により本ボンディングステージ姿勢修正機
構の動作について説明する。

説明の便宜上、第１図（ａ）に示すごとく歪ゲージ11
を通る対角線上にｘ軸とｙ組とを想定し、ｘ軸回りの回
動ピッチング、ｙ軸回りの回動をローリングと呼ぶ。

第３図（ａ）及び（ｂ）は、ピッチング姿勢の修正動
作について修正前と修正後の状態を示し、同図（ｃ），
（ｄ）はローリング姿勢の修正前，後を示している。

切欠き部17は部材の厚みが薄く弾性変形しやすく作ら
れているので、ツール14がICチップと片当りして検出ス
テージが偏荷重をうけると、第３図（ａ）に示すように
切欠き部17が弾性変形し、左右一対の歪ゲージのうち右
側の歪ゲージ11cは伸び、左側の歪ゲージ11aは縮む。こ
のためこれら歪ゲージをブリッジ回路に組んだ回路には
偏荷重の大きさに大じた信号が発生する。この信号を検
出、処理することにより、偏荷重の大きさを任意の時点
でリアルタイムに求めることができる。

偏荷重が掛っていることが検出されると制御装置はツ
ールが片当りしている側の圧電アクチュエータが相対的
に短くなるように各圧電アクチュエータ1a,1b,1cの伸縮
量を制御する。これは各圧電アクチュエータ1a,1b,1cに
印加する電圧を変化することによりなされる。第３図
（ａ）の場合には同図（ｂ）に示すように圧でアクチュ
エータ1aを基準長さよりも伸長させるとともに、圧電ア
クチュエータ1b,1cを基準長さよりも収縮させる。その
結果、サポート４が姿勢を変え、ツールと検出ステージ
との間の接触状態は片当りのない状態に戻る。即ち検出
ステージを支える球面摺動部材15はその基準位置を保っ
てボンディングを行うことができる。

第３図（ｃ）及び（ｄ）に示したローリング姿勢につ
いても同様にして姿勢修正動作がなされ、片当り状態を
回避できる。この場合、圧電アクチュエータ1cを基準長
さよりも伸長させ、圧電アクチュエータ1bを基準長さよ
りも収縮させる。

以上述べた原理に従って、検出ステージ10が受けてい
る偏荷重がゼロとなるように（即ち、検出ステージ10の
応力分布が均一になって、各歪ゲージの伸縮量が零とな
るように）圧電アクチュエータに電気的操作を加えるこ
とで、各ボンディングごとに、姿勢修正動作を行なうこ
とができる。

上述の作用により、偏荷重を検出する部分である検出
ステージ10及び球面摺動部15の姿勢関係が常に一定とな
り、検出特性、倣い特性の再現性が高く保てる。

第４図は以上説明したボンディングステージ姿勢修正
機構とともに用いるボンディングツール駆動機構の一例
であって（ａ）は正面図，（ｂ）は側面図を示す。

ベース29とICチップ25との間に、第１図〜第３図につ
いて説明したボンディングステージ姿勢修正機構が配設
されているが、図面を簡単にするため図示を省略した。

説明の便宜上、直交３軸X,Y,Zを記入したが、この座
標軸は前掲の第１図（ａ）のｘ軸,y軸とは別個の座標軸
である。

ツールステージ30は、ベース29に対してＹ方向の平行
移動自在に案内されるとともにサーボモータ31によりＹ
方向に往復駆動される。

上記のツールステージ30上にはサーボモータ32が固定
され、減速機33を介してリンク機構34の入力リンク34a
の角度を変化させうる構成をとっている。上記リンク機
構の出力リンク34cは摺動案内機構35に沿って上下動可
能に保持されており、これと結合されたヘッドベース36
及びツール14が上下に駆動される構成となっている。

ヘッドベース36には切欠き部37が形成されており、ツ
ール14がICチップ25を加圧することにより上記切欠き部
37に弾性変形が生じ、ヘッドベース上面に保持されたロ
ードセル38を止めネジ39に押付け、その際生じる歪信号
をロードセルから検出することにより、ツール14がICチ
ップ25を加圧する総加圧力が任意時点にて検出できる。
この検出機構により、摺動部に存在する摩擦に起因する
誤差を含むことなく加圧力検出が可能である。但し、切
欠き部分の弾性力がツールの加圧力の一部分とつり合う
構造であるため、あらかじめ既知の加圧力にて押付け動
作を行ない、その時のロードセルの歪信号を測定して、
較正をしておくことが必要である。

ツール14の駆動は、サーボモータ31及び32に同軸にて
配置されているパルスエンコーダ40及び41の出力パルス
信号を加圧機構制御装置（図示せず）に入力してサーボ
モータの回転角度を得て、ツール14の前後方向（Ｙ方
向）及び上下方向（Ｚ方向）の位置を得て、これをもと
にサーボモータに出力する電流目標値を演算することに
より行なう。又、ツール14がICチップと接触し得る位置
からは、前述した加圧力検出を同時並行して行ない、ツ
ール14の位置検出値と加圧力検出値との双方に基づいて
前記の演算を行う。

第５図は以上説明したボンディングステージ姿勢修正
機構を用いたボンディング装置の制御ブロック図の一例
である。図において、加圧機構制御装置42はその内部で
ツール駆動アルゴリズム43及び倣い動作制御アルゴリズ
ム44が同時並行に処理されている。

上記のツール駆動アルゴリズム43は、ツール14がICチ
ップ25と接触することによって受ける反力を前記したロ
ードセル38により検出し、これを増幅器45、A/D変換器4
6を介して取りこんだ検出値をもとに、ツールを駆動す
るサーボモータ32を制御する。サーボモータ32にはパル
スエンコーダ41が取りつけられており、このパルスをカ
ウンタ47が処理してツールの位置及び減速の情報を得て
いる。ツールの駆動は上記反力の検出値とツールの位置
・速度検出値をもとにしてパワーアンプ48がモータの電
流49の値に保つことにより行なう。

一方倣い動作アルゴリズム44は、歪ゲージ11により検
出された偏荷重成分を増幅器50、A/D変換器51を介して
取りこみ、これとツール駆動アルゴリズム43が得ている
ツールにかかる反力及びツールの速度をもとに、圧電ア
クチュエータ1a〜1cへの指令値を算出し、D/A変換器52a
〜ｃ及び増幅器53a〜ｃを介して圧電アクチュエータ1a
〜1cに印加する電圧を出力している。

第６図はピッチングおよびローリングの各偏荷重に対
しての姿勢修正制御演算のブロック図である。ここで、
54pはピッチングモーメントの目標値、58pはピッチング
モーメントの検出値、55は積分演算器、56は比例定数係
数器、57pはピッチング姿勢修正信号、59は加算演算器
である。又、54rはローリングモーメントの目標値、58r
はローリングモーメントの検出値、57rはローリング姿
勢修正信号である。ここでは、ピッチング及びローリン
グの各成分についてフィードバックループを構成した上
で、それぞれの成分を、各圧電アクチュエータに分配し
ている。

以上述べた、偏荷重成分の検出、圧電アクチュエータ
への出力電圧の演算、ツール加圧力の反力の検出、ツー
ル位置及び速度の検出、及びツール駆動モータへの出力
の演算のすべては、第５図に示した加圧機構制御装置42
内にあるタイマにより一定時間間隔で起動がかけられ、
動的な倣い挙動を望ましいものとするための適切な操作
が行なわれる。

以上述べた動作により、正確かつ再現性の良い姿勢修
正動作が可能であり、各バンプ均一な加圧動作が達成で
きるため、ボンディングの信頼性が向上するという実用
的効果がある。

第７図は前記と異なる実施例の装置を示し、同図
（ａ）は応力分布検出機構部分の断面図、同図（ｂ）は
平面図である。

前記実施例に比して異なる点は主として、第２図
（ａ）に示した球面摺動部材15代えて鋼球60を用いたこ
とである。該鋼球60と検出ステージ10との接点を正確に
加圧中心に配置することにより、球面摺動部材15を用い
た第２図の検出機構と同様の原理で偏荷重を検出でき
る。

本実施例（第７図）では、ボンディングステージ61は
検出ステージ10の中央部に設けた孔62に嵌合され、サポ
ート４に保持されている鋼球60と接するように取付けら
れる。63は止めねじである。

この実施例においては、摺動部分がないので、姿勢修
正動作が更に高精度に実現できるという特徴がある。
又、任意の片当り状態にツールを保っても姿勢修正動作
の特性が一定にできるという特徴がある。

例えば、ICチップ上のバンプ配置が均等でなく、各バ
ンプ毎の荷重を一様にするためにはツールをある比率で
片当りさせねばならないような場合に、この第７図の実
施例の装置を適用すると、動作制御の基準値の変更だけ
で対応できる。

以上に説明した本発明方法の実施例においては、ボン
ディング操作のたびに姿勢修正を行ったが、次に、上記
と異なる方法の実施例について説明する。

ICチップを工業的に大量生産する場合、同一ロットの
多数のICチップが同様の傾向を持つことは広く知られて
いる。

ICチップのロットによっては、バンプ高さが比較的均
一に揃っており、むしろツールとボンディングステージ
との初期平行度ずれの方が大きい場合もあり得る。この
ような場合には、次に述べるような実施例の方法が適し
ている。

本実施例方法は、装置立ち上げ時に１回だけ姿勢修正
動作を行わせ、その際結果として発生する倣い角を、次
回以降のボンディングにおける均一加圧姿勢として保持
しつづける。そして、偏荷重検出値が予め定めた閾値を
越えた場合に、再度姿勢修正動作を行わせる。

この実施例によれば、ただ１回のボンディングで、ツ
ール取替え時の初期平行出しが可能であり、しかも平行
度劣化に対しても速やかに修正が可能である。このた
め、ICチップの品種切り替え時の断取り時間が短縮でき
るという特有の効果がある。

以上に説明した各実施例においては、ツールの接触、
ツールによる加圧、ツール上昇のすべての期間に亙っ
て、加圧動作の面内均一化すなわち押圧力分布の均一化
が再現性よく実現できるので、高品質のボンディングが
達成され、製造品であるICチップの不良率低減，寿命延
長に著しい効果が得られる。

なお、以上の実施例では、TABインナリードボンディ
ング装置に限定して記述してきたが、本発明は、ツール
により圧着、又は接着を行う技術に適用可能であり、ダ
イボンダ、ペレットボンダ、転写バンプ使用インナリー
ドボンディングにをおけるバンプ転写技術、及びICチッ
プへのインナリードボンディング、ツール加熱はんだリ
フロー技術におけるツール加圧動作、および、一般的に
面的加圧による圧着、接合、接着技術にも応用でき、高
品質な接合が達成できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の装置および方法を用い
てボンディング操作を行うと、押圧力を受ける部材の応
力分布が均一化され、偏荷重を受ける部分の物理的状態
が常に一定となるように倣い機構を動作させることが出
きるので、ICチップ面とツール面との間の姿勢修正量に
かかわらず同一特性のならい動作が達成されるという効
果がある。さらに、ツール速度の制御と倣い動作とは別
々に設定できので、ツールがリード及びバンプに接触し
始めてから均一加圧状態になるまでの期間の挙動に関し
ても再現性あるインナリードボンディングが実現できる
という効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のボンディング装置の一実施例を示し、
同図（ａ）はボンディングステージの斜視図、同図
（ｂ）は同じく分解斜視図である。 第２図（ａ）は上記実施例における倣い機構部分の断面
図、同図（ｂ）は同じく底面図、同図（ｃ）は同じく歪
ゲージの接続状態の説明図である。 第３図（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は上記実施例に
おける姿勢修正動作の説明図である。 第４図は前記実施例に併用されるツール駆動機構を示
し、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図である。 第５図及び第６図は前記実施例における制御機構のブロ
ック図である。 第７図は前記と異なる実施例における応力分布検出機構
部を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。 第８図（ａ），（ｂ）は従来例のボンディング装置を示
す模式的な断面図である。 1a,1b,1c……圧電アクチュエータ、２……鋼球サポー
ト、３……鋼球、４……サポート、６……引張りバネ、
９……ベース、10……検出ステージ、11a〜11h……歪ゲ
ージ。

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ICチップ上の複数個のバンプとインナリー
   ドとを重ね合わせ、ツールにより押圧して接続するボン
   ディング装置において、 ICチップを搭載した部材をベースに対して支持する、上
   下方向に伸縮可能なアクチュエータと、 前記のツールによってICチップを押圧した際、該ICチッ
   プを搭載した部材が受ける応力の分布を検出する手段
   と、 前記の応力分布検出手段の出力信号を入力されて、該応
   力分布を均一ならしめるように前記アクチュエータを伸
   縮せしめる自動制御装置とが設けられていることを特徴
   とするボンディング装置。
2. 【請求項２】前記のアクチュエータは圧電アクチュエー
   タであることを特徴とする、請求項１に記載のボンディ
   ング装置。
3. 【請求項３】前記アクチュエータと前記ICチップを搭載
   している部材との間に、剛性を有する球状部材が介装さ
   れるとともに、 上記アクチュエータの上面、及びICチップを搭載してい
   る部材の下面のそれぞれに、該球状部材に係合する凹部
   が設けられていることを特徴とする、請求項１又は同２
   に記載のボンディング装置。
4. 【請求項４】前記のベースと、前記のICチップを搭載し
   た部材との間に引張りバネが介装係着されて、前記アク
   チュエータおよび前記球状部材に予圧を与えていること
   を特徴とする、請求項３に記載のボンディング装置。
5. 【請求項５】ICチップ上の複数個のバンプとインナリー
   ドとを重ね合わせ、ツールにより押圧して接続するボン
   ディング装置において、 ICチップを搭載した部材をベースに対して支持する、上
   下方向に伸縮可能なアクチュエータを設けるとともに、 前記のツールによってICチップを押圧した際に該ICチッ
   プを搭載した部材が受ける応力の分布を検出する手段を
   設け、かつ、 前記の応力分布検出手段の出力信号を入力されて、該応
   力分布を均一ならしめるように前記アクチュエータを伸
   縮せしめることを特徴とするボンディング方法。
6. 【請求項６】前記応力分布検出手段の出力信号を入力さ
   れて、該応力分布を均一ならしめるように前記アクチュ
   エータを伸縮せしめる自動制御装置を用いて前記のアク
   チュエータを伸縮せしめることを特徴とする、請求項５
   に記載のボンディング方法。
7. 【請求項７】前記のアクチュエータと前記ICチップを搭
   載している部材との間に、剛性を有する球状部材を介装
   するとともに、 上記アクチュエータの上面、及びICチップを搭載してい
   る部材の下面のそれぞれに、該球状部材に係合する凹部
   を設けることを特徴とする、請求項５又は同６に記載の
   ボンディング方法。