JP5126711B2 - ボンディング装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ボンディング装置の改良に関するもので、詳しくは、電子部品にボンディングヘッドの内側からレーザ光を照射することにより加熱して接合するボンディング装置の改良に関するものである。
従来より、電子部品にボンディングヘッドの内側からレーザ光を照射することにより加熱して接合するボンディング装置として、次の２つの種類が知られている。第１の方式は、特許文献１に記載されているように、電子部品を吸着保持しているボンディングツールにレーザ光を照射し、ボンディングツールを介して電子部品を加熱する方式である。第２の方式は、特許文献２に示されるように、ボンディングツールをレーザ光が透過可能なものとして電子部品に対し直接レーザ光を照射し、電子部品を加熱する方式である。
ボンディングツールを介して電子部品を加熱する第１の方式は、ボンディングツールの冷却手段が必要であったり、ボンディングツールからの輻射熱により電子部品がボンディングされる基板などが加熱される危険があったり、加熱時間が直接加熱と比較して長いというデメリットがあった。他方、直接電子部品にレーザ光を照射して加熱する第２の方式では、加熱時間が短くて済む上、レーザ光の照射を停止することにより電子部品は急速に冷却されるので特別な冷却手段を必要としないというメリットを有していた。
図３は、上記第２の方式での加熱原理を示す断面説明図であり、図示されるように光源となるレーザ発振器１４と接続された光ファイバ９を通ってきたレーザ光２０は、光ファイバから出射すると拡散するので、直接電子部品たる半導体チップ１にレーザ光２０を照射して加熱する第２の方式でも、出射したレーザ光２０を光路上に設けた集光レンズ１１にて透過集束し、照射領域が半導体チップ１の大きさにほぼ一致するようにして、エネルギを効率よく加熱に使われるようにしていた。
しかし、ボンディング装置では、組立調整時などにボンディングツールが電子部品を吸着保持していない状態でレーザ光２０を発振する場合があるが、レーザ光２０の集光点１２（光径が最も小さくなる点）は非常に強力なエネルギを有する点となるため、誤って集光点１２やその近傍に載置ステージや基板等があると、それらを損傷破壊してしまうという危険があった。
更に、ボンディング装置での生産時でも、半導体チップ１の材料として多いシリコンはレーザ光２０たる赤外光を良く吸収するが、吸収率は約６〜７割であって、残りのレーザ光２０は半導体チップ１を透過するため、半導体チップ１を透過したレーザ光２０は基板等に照射されることになり、半導体チップ１を透過して弱くなったといえども、集光点１２では基板を損傷したり、加熱させたりするエネルギを有していることもある。その上、基板が加熱され膨張した状態でボンディングするとバンプと電極の位置がずれてボンディングされた製品が不良品になることがあった。
特許第３３６８４９４号特許公報 特許第３１９５９７０号特許公報
本発明は、集光手段によるレーザ光の集光点をボンディングヘッド内部の負圧を付与される空部に設定することにより、ボンディングツールが電子部品を吸着保持していない状態でレーザ光が発振された場合や、電子部品を透過したレーザ光によりステージや基板などが照射された場合でも、ステージや基板などに損傷や加熱膨張を起こさせる危険のないボンディング装置を提供することを目的とする。
第１の発明は、上記課題を解決するため、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、ボンディングツールに保持された電子部品にボンディングヘッドの内側からレーザ光を照射して加熱するレーザ加熱手段とを備えたボンディング装置に次の手段を採用する。
第１に、レーザ加熱手段は、光源からのレーザ光を集束する集光手段を有するものとする。
第２に、集光手段によるレーザ光の集光点をボンディングヘッド内部の負圧を付与される空部に設ける。
本発明は、集光手段によるレーザ光の集光点をボンディングヘッド内部の負圧を付与される空部に設けることにより、組立調整時のレーザ発振や半導体チップの透過光があっても、基板や載置ステージに損傷や加熱膨張を起こさせる危険のないボンディング装置となった。
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。実施例におけるボンディング装置は、電子部品である半導体チップ１を基板２にボンディングする装置である。尚、図１中符号１３は、半導体チップ１を載置固定し、位置合わせのため移動可能とされた載置ステージ１３である。
ボンディング装置は、半導体チップ１を吸着保持するボンディングツール３を先端部（下端部）に有するボンディングヘッド４を備えており、移動可能とされている。即ち、ボンディングヘッド４は、チップ供給位置でボンディングツール３に半導体チップ１を吸着保持し、ボンディング位置に移動して、下降して基板２に半導体チップ１を搭載し、加熱して接続し、冷却後固定してボンディングを完了し、上昇して、再度、チップ供給位置に戻る動作を繰り返す。
ボンディングヘッド４の内部は、空部５とされ、該空部５には、ボンディングツール３に保持された半導体チップ１をボンディングヘッド４の内側からレーザ光を照射して加熱するレーザ加熱装置６が配置されている。該レーザ加熱装置６が本願発明の特徴となる。
ボンディングヘッド４の下端部にはボンディングツール３が装着されている。ボンディングツール３は、実施例では熱膨張が小さく、レーザ光２０の透過性の良い石英ガラスが用いられているが、レーザ光２０を透過する素材であれば良い。ボンディングツール３の中央部には、半導体チップ１を吸着保持するための吸着孔１９が形成されている。更に、ボンディングツール３のボンディングヘッド４内部側に位置する表面（図１中では上面）には、反射防止膜が形成されている。
ボンディングヘッド４には、吸引通路７が形成されており、空部５は、該吸引通路７とボンディングヘッド４の下端に装着されたボンディングツール３の吸着孔１９以外は、密閉されている。更に、吸引通路７は、吸引装置８と接続されているため、吸引装置８により真空吸引することにより、ボンディングヘッド４内の空部５は負圧を付与され、ボンディングツール３の吸着孔１９に半導体チップ１を吸着保持可能となる。
レーザ加熱装置６は、光源となるレーザ発振器１４と、レーザ発振器１４と接続されておりボンディングヘッド４内にレーザ出射口１０を位置させた光ファイバ９と、該出射口１０から出射されたのレーザ光２０を集束する集光手段たる集光レンズ１１と、レーザ光２０の照射範囲を限定するための遮蔽板１５を有する。尚、光ファイバ９から出射されたレーザ光２０は、拡散して集光レンズ１１に入射するため、レーザ光２０の集光点１２は、集光レンズ１１の焦点位置より下方に設けられている。
レーザ発振器１４は、レーザ光２０を連続して発振する。実施例でのレーザ発振器１４は、ボンディングヘッド４とは別体で装備されているが、一体的に設けたものであっても良い。光ファイバ９のレーザ出射口１０は、図１の実施例では、ボンディングツール３に対向して下向きに設置されている。勿論、図２に示すように反射鏡１７を設けることにより、向きを限定されることのないものとなる。
集光レンズ１１は、図１の実施例では１枚の凸レンズを用いているが、図２で２枚用いるように複数枚のレンズを用いても良い。集光レンズ１１は、ボンディングヘッド４内のホルダ１６に支持されている。集光レンズ１１によるレーザ光の集光点１２は、ボンディングヘッド４の内部である空部５内に設けている。尚、集光レンズ１１の表裏面は反射防止膜が形成されている。また、集光手段として、凹面鏡を使用しても良い。
遮蔽板１５は、集光レンズ１１を通過したレーザ光２０が、照射されるべき半導体チップ１からはみ出さないようするためのものである。遮蔽板１５は、図１に示す第１実施例では存在するが、図２に示されるように集光レンズ１１のみで照射範囲が半導体チップ１に限定する調整が可能な場合は設けなくとも良い。
レーザ光２０が、半導体チップ１からはみ出していると基板２に照射されて基板２が加熱されて、膨張する危険を有している。基板２が樹脂からなるような場合にはシリコンからなる基板２に比べて大きく膨張してしまう。基板２が加熱され膨張した状態でボンディングするとバンプと電極の位置がずれる上、冷却して元に戻った場合でも半導体チップ１が曲がったりして、不良品になることがあった。遮蔽板１５はこの危険を回避するために設けられている。
尚、ボンディングヘッド４内のボンディングツール３の斜め上方には、ボンディングツール３に吸着された半導体チップ１に照射されたレーザ光２０の反射光を検出するための反射光検出器１８を設けている。反射光検出器１８は、ボンディングヘッド４が、チップ供給位置とボンディング位置との間で往復移動することから、光ファイバ９が繰り返し、しごかれ断線することがあるので、そのような事態を検出しようとするために設けられたものである。
以下、ボンディングの動作について説明すると、先ず、ボンディング位置では、載置ステージ１３上に基板２が供給される。他方、チップ供給位置では、ボンディングヘッド４が半導体チップ１をボンディングツール３に吸着保持する。その後、ボンディングヘッド４は、ボンディング位置に移動し、下降し、荷重制御をしながら、レーザ光２０を半導体チップ１に向かって照射し、半導体チップ１を加圧加熱してボンディングする。レーザ光２０の照射をＯＦＦにすると冷却され、半導体チップ１は、基板２に固着される。その後、ボンディングヘッド４は、上昇し、次のボンディング動作を繰り返すことになる。
１実施例に係るボンディング装置の概要を示す断面説明図 他実施例に係るボンディングヘッドを示す断面説明図 従来のボンディング装置における加熱原理を示す断面説明図
符号の説明
１．．．．．．半導体チップ
２．．．．．．基板
３．．．．．．ボンディングツール
４．．．．．．ボンディングヘッド
５．．．．．．空部
６．．．．．．レーザ加熱装置
７．．．．．．吸引通路
８．．．．．．吸引装置
９．．．．．．光ファイバ
１０．．．．．レーザ出射口
１１．．．．．集光レンズ
１２．．．．．集光点
１３．．．．．載置ステージ
１４．．．．．レーザ発振器
１５．．．．．遮蔽板
１６．．．．．ホルダ
１７．．．．．反射鏡
１８．．．．．反射検出器
１９．．．．．吸着孔
２０．．．．．レーザ光

Claims (1)

  1. 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、
    ボンディングツールに保持された電子部品にボンディングヘッドの内側からレーザ光を照射して加熱するレーザ加熱手段とを備えたボンディング装置において、
    レーザ加熱手段は光源からのレーザ光を集束する集光手段を有し、
    集光手段によるレーザ光の集光点をボンディングヘッド内部の負圧を付与される空部に設けたことを特徴とするボンディング装置。
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