(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
リニアモータで上下移動可能に支持されたボンディングヘッドの吸着部に負圧を発生させ、該負圧により半導体チップなどのチップを支持部材に吸着把持し、該チップを接合するべき基板と該チップとの接触の検知をし、該チップと該基板との接合を該接触の検知の後に行うボンディング装置において、
固定部が前記ボンディングヘッドに固定され、該固定部に磁気結合された可動部が該固定部に対し直線状に移動可能であるボイスコイルモータと、該可動部と固定部との上下方向の相対位置を検知する変位検出器と、該変位検出器の出力で現される該相対位置を利用して、該ボイスコイルモータのコイル電流を制御することにより該可動部の上下方向の位置を制御するサーボ系とを備え、
前記吸着部は、空気を吸引する管の下端部であり、
前記可動部は前記管の外周に摺動し、
前記可動部の下端部は、前記支持部材をなし、
前記支持部材の下端は、前記吸着部の下端より下方に位置する状態にあるときに、該吸着部の負圧により前記チップを支持し、
前記支持部材の下端が前記吸着部の下端より下方に位置する状態にあるときに、該支持部材の下端で支持された前記チップが基板に接触したことを前記コイル電流または前記変位検出器の出力で現される前記相対位置に基づき前記接触の検知をする
ことを特徴とするボンディング装置。
【請求項２】
前記接触の検知の後に、前記コイル電流を制御することにより、前記支持部材で該チップを該基板に押圧する
ことを特徴とする請求項１に記載のボンディング装置。
【請求項３】
前記ボンディングヘッドに超音波加振部が固着してあり、
前記接触の検知の後に、前記コイル電流を制御することにより、前記支持部材の下端を前記吸着部の下端より上方へ引き上げるとともに前記リニアモータの制御により前記吸着部の下端で前記チップを押圧し、前記超音波加振部の超音波振動を前記吸着部を介して該チップに伝え、該チップを前記基板へ接合する
ことを特徴とする請求項１に記載のボンディング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体チップなどのチップを基板に固着するボンディング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６はこの種のボンディング装置を示す概念図である。リニアモータ５はボンディング装置の筐体２９に取り付けてある。リニアモータ５の軸５ａは、部材６ａ，６ｂ，６ｃでなるリニア軸受けで案内され、上下方向に往復する。ボンディングヘッド１８は、リニアモータ５の軸５ａの下端に取り付けてあり、半導体チップ等のチップ３を吸着により把持し、基板１７にチップ３を接触させ、チップ３を基板１７に接合し、１つのチップ３と基板１７との接合を終える。ある１つのチップ３と基板１７との接合を終えると、そのチップ３の吸着を停止し、次のチップを吸着し、同様に次のチップを基板に接合する。基板１７は、台２９ａ上に、位置決めされ、載置されている。ボンディングヘッド１８の上下方向の位置は、リニアスケール７により高精度に測定される。ボンディング装置に搭載されている制御装置は、リニアスケール７から出力されるボンディングヘッド１８の上下方向の位置をフィードバック信号として受け、リニアスケール７による軸５ａの上下方向位置を制御し、ボンディングヘッド１８の上下方向の位置を任意に制御する。
【０００３】
この種のボンディング装置の一例が特開２０００−１８３１１４に開示されており、図５はそのボンディング装置におけるボンディングヘッドの断面図である。図において、１０１は基板（図６における基板１７に相当）、１０５は半導体チップ（図６におけるチップ３に相当）、１０５ａは半導体チップ１０５の能動端子面、１１２はボンディングツール、１１３はヘッドユニット、１１４はユニット駆動部、１１５はボンディングステージ（図６における台２９ａに相当）、１１６はベース、１１７は第１のリニアガイド、１１８はＬ形のブラケット、１１８ａはＬ形のブラケット１１８の垂直部、１１８ｂはＬ形のブラケット１１８の水平部、１１９はロードセル、１２０は第１のスプリング、１２２はθ軸回転機構、１２３はＬ形のスライドプレート、１２３ａはＬ形のスライドプレート１２３の垂直部、１２３ｂはＬ形のスライドプレート１２３の水平部、１２４はθ軸モータ、１２５は第２のリニアガイド、１２６はＺ軸ステージ、１２７は保持板、１２８は第２のスプリング、１２９はＺ軸モータ、１３０はボールねじ、１３１はボールねじナットである。
【０００４】
図５のボンディングヘッドは、ボンディングステージ１１５と、ボンディングツール１１２と、ヘッドユニット１１３と、ユニット駆動部１１４と、加圧力検出手段とを具備してなる。ボンディングステージ１１５は基板１０１を保持している。ボンディングツール１１２は、ヘッドユニット１１３に弾性的に懸吊されており、半導体チップ１０５を保持する。ヘッドユニット１１３はボンディングツール１１２を支持する。ユニット駆動部１１４は、ヘッドユニット１１３を基板１０１に対し駆動する。加圧力検出手段は、ボンディングツール１１２に連結され、ボンディングツール１１２の基板１０１に対する加圧力を検出する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図５の従来のボンディング装置には、次のような解決するべき課題がある。
【０００７】
ボンディングツール１１２はロードセル１１９、吸着機構、ベース１１６を含んで構成されるので、ボンディングツール１１２の質量は大きい。このボンディングツール１１２は、スプリング１２０により、ヘッドユニット１１３に弾性的に懸吊されている。ボンディングツール１１２とスプリング１２０とでなる複合部材の固有振動周波数が小さくなり、その複合部材は低い周波数で共振を起こしやすくなる。例えば、その複合部材の固有振動周波数が１０Hzであるとき、図６のリニアモータ５の動作周波数が１０Hzであれば、その複合部材とリニアモータ５とが共振し、ボンディング装置を作動させることができない。そこで、図６のリニアモータ５の動作周波数は複合部材の固有振動周波数より高くすることはできない。このように、複合部材の固有振動周波数の下限が、リニアモータ５の動作周波数の向上の上限となり、リニアモータ５の動作周波数の向上によるボンディング装置の作業性の向上が制限される。
【０００８】
また、ロードセル１１９は、ノイズが大きく、環境温度の影響を受けやすい。そのうえ、図５の従来のボンディングヘッドでは、スプリング１２０は一定の荷重を加えた状態で使用しなければならないので、ロードセル１１９には常に荷重が掛かり、微小な荷重の変化を検出するのが難しい。そこで、ロードセル１１９により半導体チップ１０５が基板１０１へ接触したことを検知する接触検知手段とすると、接触感度が十分でなく、過大な圧力が半導体チップ１０５に加わり、半導体チップ１０５を破損する虞がある。
【０００９】
半導体チップ１０５が基板１０１へ接触したことを検知したあとに、超音波や熱により半導体チップ１０５を基板１０１へ接合するとき、半導体チップ１０５へ圧力を加え、半導体チップ１０５を基板１０１へ押し付ける。半導体チップ１０５が非常に薄いなどの理由でその圧力が非常に微小であるとき、ロードセル１１９によりその圧力を加えると、ロードセル１１９では圧力の微小な制御ができないために、半導体チップ１０５を損傷する虞がある。
【００１０】
さらに、図５の従来のボンディングヘッドでは、ボンディングツール１１２は、リニアガイド１１７で案内されている。そこで、図５のボンディングヘッドでは、半導体チップ１０５に微小な圧力を加えるために、ボンディングツール１１２の上下方向の位置を高精度に制御しようとするとき、リニアガイド１１７における摩擦の影響を受け、ボンディングツール１１２の上下方向の微妙な位置制御が難しい。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、チップと基板との接触を高精度に検知でき、チップを基板へ押圧する構造の共振周波数が高く、チップを基板へ押圧する力を高精度に制御できるボンディング装置の提供にある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために本発明は次の手段を提供する。
【００１３】
（１）リニアモータで上下移動可能に支持されたボンディングヘッドの吸着部に負圧を発生させ、該負圧により半導体チップなどのチップを支持部材に吸着把持し、該チップを接合するべき基板と該チップとの接触の検知をし、該チップと該基板との接合を該接触の検知の後に行うボンディング装置において、
固定部が前記ボンディングヘッドに固定され、該固定部に磁気結合された可動部が該固定部に対し直線状に移動可能であるボイスコイルモータと、該可動部と固定部との上下方向の相対位置を検知する変位検出器と、該変位検出器の出力で現される該相対位置を利用して、該ボイスコイルモータのコイル電流を制御することにより該可動部の上下方向の位置を制御するサーボ系とを備え、
前記吸着部は、空気を吸引する管の下端部であり、
前記可動部は前記管の外周に摺動し、
前記可動部の下端部は、前記支持部材をなし、
前記支持部材の下端は、前記吸着部の下端より下方に位置する状態にあるときに、該吸着部の負圧により前記チップを支持し、
前記支持部材の下端が前記吸着部の下端より下方に位置する状態にあるときに、該支持部材の下端で支持された前記チップが基板に接触したことを前記コイル電流または前記変位検出器の出力で現される前記相対位置に基づき前記接触の検知をする
ことを特徴とするボンディング装置。
【００１４】
（２）前記接触の検知の後に、前記コイル電流を制御することにより、前記支持部材で該チップを該基板に押圧する
ことを特徴とする前記（１）に記載のボンディング装置。
【００１５】
（３）前記ボンディングヘッドに超音波加振部が固着してあり、
前記接触の検知の後に、前記コイル電流を制御することにより、前記支持部材の下端を前記吸着部の下端より上方へ引き上げるとともに前記リニアモータの制御により前記吸着部の下端で前記チップを押圧し、前記超音波加振部の超音波振動を前記吸着部を介して該チップに伝え、該チップを前記基板へ接合する
ことを特徴とする前記（１）に記載のボンディング装置。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を挙げ、本発明を一層具体的に説明する。
【００１７】
図１は、本発明の一実施の形態のボンディング装置におけるボンディングヘッドを示す模式図である。図２は、その実施の形態のボンディング装置におけるボンディングヘッドを示す断面図である。図３は、図２のボンディングヘッドを示す平面図である。また、図４は、図２のボンディングヘッドを示す分解斜視図である。図において、１はボイスコイルモータ、２は変位検出器、３は半導体チップなどのチップ、４は吸着部、８はマグネット、９はコイル、１０はヨーク、１１はピックオフプレートａ、１２はピックオフプレートｂ、１３は板バネ、１４は支持部材、１５はポールピース、１６はサーボアンプ、１７は基板、２０は超音波発振部、２１はホルダリングａ、２２はホルダリングｂ、２３はネジａ、２４はスペーサａ、２５はスペーサｂ、２６はネジｂ、２７はキャピラリ（吸着ノズル）、２８はホルダブロック、２９ａはボンディング装置における基板１７載置用の台、Apは押圧力制御信号、J1はフィードバック電圧、J2はコイル電流である。図１乃至図４に示す本実施の形態のボンディングヘッドは、図６の一般的なボンディング装置ではボンディングヘッド１８となるものである。
【００１８】
図１に示すホルダブロック２８は、図６におけるボンディング装置ではリニアモータ５の軸５ａの下端に固定される部材であり、図２乃至図４では図示を省いてある。キャピラリ２７は中空の管であり、図４によく表れているように、軸に関し対称な形をなすが、図１の模式図では途中で直角に曲がった形に描いてある。キャピラリ２７の上端は、ボンディング装置における空気ポンプに連結されている。キャピラリ２７では、空気は、下端の開口から管に吸い込まれ、図１に矢印で示すように上方に送られ、上端の開口から吸い出され、空気ポンプへ送られる。キャピラリ２７の下端の開口から空気が吸い込まれるので、その開口をチップ３へ近接することにより、チップ３はキャピラリ２７の下端に吸い付けられる。このキャピラリ２７の下端が吸着部４をなしている。キャピラリ２７は、超音波発振部２０における部材２０ａにより、超音波発振部２０に固定されている。
【００１９】
ボイスコイルモータ１は固定部および可動部でなる。固定部は、マグネット（永久磁石）８、ヨーク１０及びポールピース１５でなり、磁気回路を構成している。可動部はコイル９及び支持部材１４でなる。支持部材１４は、キャピラリ２７の外側に軸方向（上下方向）に摺動可能に同軸に嵌められ、板バネ１３により上下方向に変位可能に保持されている。支持部材１４の内側とキャピラリ２７の外側との隙間には、グリース３０が介在させてある。グリース３０は、支持部材１４の内側とキャピラリ２７の外側間の潤滑およびこの間隙の気密性を提供している。コイル９は、支持部材１４に固着されている。
【００２０】
コイル９は、流される電流Ｊ2に応じた電磁力を固定部の磁気回路との間で受け、支持部材１４と一体で上下方向に変位しようとする。支持部材１４は、板バネ１３に支えられているので、その電磁力と板バネ１３の機械的応力とが釣り合う上下方向の位置で停止している。
【００２１】
変位検出器２は、ピックオフプレート１１及び１２を備える静電容量式変位センサである。図４に示すように、ピックオフプレート１１はピックオフプレートａでなり、ピックオフプレート１２はピックオフプレートｂ１及びｂ２でなる。ピックオフプレート１１は支持部材１４に固定してあり、ピックオフプレート１２はヨーク１０に固定してある。そこで、固定部を基準とする支持部材１４の上下方向位置は、ピックオフプレート１１及び１２間の静電容量に対応している。
【００２２】
サーボアンプ１６は、変位検出器２の出力電圧をフィードバック電圧Ｊ1として入力し、ボンディング装置の制御部から押圧力制御信号Apを受ける。チップ３が、図１に示すように、支持部材１４の下端に吸いつけられているとき、図１乃至４のボンディングヘッドがチップ３に加える押圧力は、チップ３の厚みが一定であるから、支持部材１４の下端と基板１７との距離に対応する。押圧力制御信号Apは、チップ３へ加えるべき押圧力を現し、ひいては支持部材１４の下端と基板１７との距離を指定する信号である。さらに、支持部材１４の下端と基板１７との距離は、支持部材１４の上下方向の位置に一義的に対応している。サーボアンプ１６は、押圧力制御信号Apで指定される支持部材１４の上下方向の位置と、フィードバック電圧Ｊ1で表される現在の支持部材１４の上下方向の位置との差に相当する電流をコイル電流Ｊ2としてコイル９に流し、その差が実質上ゼロになるようにコイル電流Ｊ2を制御する。
【００２３】
図１に示すように、支持部材１４の下端が吸着部４の下端より下方に位置するとき、キャピラリ２７で空気が吸い込まれ、吸着部４に負圧が発生すると、空気は支持部材１４の下端の開口から吸い込まれ、チップ３は支持部材１４の下端に吸い付けられる。グリース３０がキャピラリ２７の外側と支持部材１４の内側との間隙を気密に保持するから、この間隙から空気が漏れ込むことはない。
【００２４】
この状態で、リニアモータ５によりボンディングヘッドが下げられると、チップ３は基板１７に接触する。チップ３が基板１７に接触すると、コイル電流Ｊ2は急激に変化するので、このコイル電流Ｊ2の変化を検知することにより、チップ３が基板１７に接触したことを瞬時に検知できる。チップ３と基板１７との接触を瞬時に検知することにより、接触検知信号の受信の入力と同時にリニアモータ５の作動を停止することにより、チップ３に過大な圧力が掛かることを避けることができ、ひいてはチップ３の破損を防止できる。
【００２５】
チップ３を基板１７に搭載する工程は次のようになる。まず、ボンディングヘッドは、別の機構から供給されるチップ３の位置に移動し、チップ３を吸着する態勢に入る。このとき、支持部材１４の下端は吸着部４の下端（キャピラリ２７の下端）より僅かに下方に位置させておく。次に、リニアモータ５によりボンディングヘッドを下降させ、チップ３を支持部材１４の下端に吸着する。このとき、ボイスコイルモータに必要な力は、キャピラリ２７の負圧によるチップ３を吸着する力と、板バネ１３の変形に対応する応力と、ボイスコイルモータの可動部の加速度運動にともなう慣性力とである。次に、ボンディングヘッドは、チップ３を搭載するべき基板１７の位置まで移動し、チップ３をマウント位置の上方に位置させる。リニアモータ５により、ボンディングヘッドを下降させ、チップ３を基板１７に近接させ、チップ３が基板１７に接触した瞬間に支持部材１４は上方へ押し上げられ、コイル電流Ｊ2の急激な変化から、支持部材１４、ひいてはチップの微小な変位を検知する。コイル電流Ｊ2の変化は、ボンディング装置における接触検知回路で検知する。チップ３と基板１７との接触を検知すると、リニアモータの作動を制御し、過大な圧力がチップ３に掛かることを防止する。
【００２６】
上述の工程により、チップ３を基板１７の所定の位置に接触させた後、超音波接合では、次のようにチップ３を基板１７に接合する。サーボモータ１６に入力する押圧力制御信号Apにより、コイル電流Ｊ2を制御し、支持部材１４を上方へ変位させ、支持部材１４を吸着部４の下端より僅かに上に位置させ、チップ３を吸着部４で吸着保持する。リニアモータ５により所定の押圧力をチップ３に加え、超音波発振部２０により超音波をチップ３に加え、チップ３を基板１７に接合する。
【００２７】
チップ３を基板１７の所定の位置に接触させた後に、熱接合によりチップ３を基板１７に接合するときは、次の工程により接合を行う。このときも、超音波接合におけると同様に、支持部材１４を上方へ変位させ、支持部材１４を吸着部４の下端より僅かに上に位置させ、チップ３を吸着部４で吸着保持し、リニアモータ５により所定の押圧力をチップ３に加える。所定の押圧力をチップ３に加えた状態で、チップ３の下面の半田ボールに熱を加え、チップ３を基板１７に接合する。
【００２８】
チップ３が極薄いなどの事情で、チップ３の耐圧力が小さいときは、チップ３を基板１７の所定の位置に接触させた後、支持部材１４を上方へ変位させることなく、支持部材１４を吸着部４の下端より僅かに下に位置させたままの状態を維持し、押圧力制御信号Apの制御によりコイル電流Ｊ2を大きくし、支持部材１４でチップ３に所要の圧力を加え、この小さい押圧力をチップ３に加えた状態でチップ３を基板１７に接合する。この工程においてチップ３に加える圧力は、ボイスコイルモータにより発生するものであり、押圧力制御信号Apの制御により任意に設定できるから、非常に高精度に調整できる。この押圧力をチップ３に印加する機構には、リニア軸受などの摩擦を伴う機構を含まない。そこで、このボンディングヘッドでは、非常に微小な押圧力を高精度に容易に制御できる。
【００２９】
本実施の形態では、図５に示した従来のボンディング装置におけるボンディングツール１１２及びスプリング１２０によりなる複合部材をボンディングヘッドに要しないから、ボンディングヘッドの質量が図５の従来のものに比べ格段に小さい。このことは、本実施の形態におけるボンディングヘッドの共振周波数が図５の従来のボンディングヘッドに比べ格段に大きいことを意味する。したがって、本実施の形態のボンディング装置では、リニアモータ５の動作周波数を従来のボンディング装置のそれより大幅に高くすることができる。そこで、本実施の形態のボンディング装置は、リニアモータ５として高速作動可能なものを採用でき、ボンディング効率を格段に向上できる。
【００３０】
以上には、チップ３と基板１７との接触をコイル電流Ｊ2の変化で検出する例を示したが、チップ３と基板１７との接触は変位検出器２の出力のフィードバック電圧Ｊ1の急激な変化でも検知できる。フィードバック電圧Ｊ1は、チップ３が基板１７に接触したとき、支持部材１４が上方に変位する際に、コイル電流Ｊ2と同期して変動するので、チップ３と基板１７との接触はフィードバック電圧Ｊ1の変動によっても検知できる。
【００３１】
なお、以上に説明した実施の形態では、図面を参照し、具体的に説明したが、本発明がこれらの実施の形態に限定されるのでないことは言うまでもない。例えば、上述の実施の形態では、支持部材１４とキャピラリ２７との間隙にグリース３０を介在させることにより支持部材１４とキャピラリ２７との間の気密性を保持しているが、グリース３０に代えて潤滑油又はＯリングを用いてもその気密性は保持できる。
【００３２】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、チップと基板との接触を高精度に検知でき、チップを基板へ押圧する構造の共振周波数が高く、チップを基板へ押圧する力を高精度に制御できるボンディング装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態のボンディング装置におけるボンディングヘッドを示す模式図である。
【図２】その実施の形態のボンディング装置におけるボンディングヘッドを示す断面図である。
【図３】図２のボンディングヘッドを示す平面図である。
【図４】図２のボンディングヘッドを示す分解斜視図である。
【図５】従来のボンディング装置におけるボンディングヘッドの断面図である。
【図６】半導体チップなどのチップを基板に固着する一般的なボンディング装置を示す概念図である。
【符号の説明】
１    ボイスコイルモータ
２    変位検出器
３    半導体チップなどのチップ
４    吸着部
８    マグネット
９    コイル
１１    ピックオフプレートａ
１０    ヨーク
１２    ピックオフプレートｂ
１３    板バネ
１４    支持部材
１５    ポールピース
１６    サーボアンプ
１７    基板
２０    超音波発振部
２１    ホルダリングａ
２２    ホルダリングｂ
２３    ネジａ
２４    スペーサａ
２５    スペーサｂ
２６    ネジｂ
２７    キャピラリ（吸着ノズル）
２８    ホルダブロック
２９ａ    ボンディング装置における基板１７載置用の台
３０    グリース
Ap    押圧力制御信号
J1    フィードバック電圧
J2    コイル電流
１０１    基板
１０５    半導体チップ
１０５ａ    半導体チップ１０５の能動端子面
１１２    ボンディングツール
１１３    ヘッドユニット、
１１４    ユニット駆動部
１１５    ボンディングステージ
１１６    ベース
１１７    第１のリニアガイド
１１８    Ｌ形のブラケット
１１８ａ    Ｌ形のブラケット１１８の垂直部
１１８ｂ    Ｌ形のブラケット１１８の水平部
１１９    ロードセル
１２０    第１のスプリング
１２２    θ軸回転機構
１２３    Ｌ形のスライドプレート
１２３ａ    Ｌ形のスライドプレート１２３の垂直部
１２３ｂ    Ｌ形のスライドプレート１２３の水平部
１２４    θ軸モータ
１２５    第２のリニアガイド
１２６    Ｚ軸ステージ
１２７    保持板
１２８    第２のスプリング
１２９    Ｚ軸モータ
１３０    ボールねじ
１３１    ボールねじナット
【図１】
0003700135.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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