(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップをはんだバンプを介して回路基板に実装する半導体チップの実装方法において、
ボンディングツールに前記半導体チップを保持し前記回路基板に対して位置合わせする第１の工程と、
前記位置合わせされた半導体チップのはんだバンプを前記回路基板上の所定位置の電極パッドに接触させる第２の工程と、
前記はんだバンプを加熱して溶融させる第３の工程と、
前記第３の工程中において前記回路基板と前記半導体チップとの間隔を調整する第４の工程と、
前記第４の工程後に溶融したはんだバンプのセルフアライメント作用により前記ボンディングツールをＸＹθ方向に駆動させて前記回路基板と前記半導体チップの位置ずれを補正する第５の工程と、
を具備することを特徴とする半導体チップの実装方法。
【請求項２】
第４の工程における回路基板と半導体チップとの間隔調整は、ボンディングツールの熱膨張による所定位置の変位量を測定し、その測定結果に基づいて行うことを特徴とする請求項１記載の半導体チップの実装方法。
【請求項３】
半導体チップをはんだバンプを介して回路基板に実装する半導体チップの実装装置において、
前記回路基板を載置するボンディングステージと、
前記ボンディングステージの上部に設けられ前記半導体チップを保持し前記回路基板上の所定位置にボンディングするボンディングツールと、
前記ボンディングツールに設けられ前記半導体チップのはんだバンプを溶融する加熱手段と、
前記ボンディングツールの熱膨張量を測定する測定手段と、
前記測定手段における測定結果に基づいて前記回路基板と前記半導体チップとの間隔を調整する間隔調整手段とを具備し、
前記ボンディングツールは、前記加熱手段により溶融されたはんだのセルフアライメント作用に基づき駆動可能に支持されていることを特徴とする半導体チップの実装装置。
【請求項４】
測定手段は、ボンディングツールに設定された所定位置の変位量を測定するレーザ変位計であることを特徴とする請求項３記載の半導体チップの実装装置。
【請求項５】
ボンディングツールはＸＹθ駆動機構を有し、このＸＹθ駆動機構により駆動自在となっていることを特徴とする請求項３記載の半導体チップの実装装置。
【請求項６】
ＸＹθ駆動機構には、このＸＹθ駆動機構によるボンディングツールの駆動のロックおよび前記ロックの解除を行うロック機構が設けられていることを特徴とする請求項５記載の半導体チップの実装装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体チップをはんだバンプを介して回路基板に実装する半導体チップの実装方法およびその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体チップをはんだバンプを介して回路基板に実装するフリップチップボンディングは、通常、めっきなどの方法により半導体チップにはんだバンプを形成し、フリップチップボンダを用いて、半導体チップのはんだバンプを回路基板の電極パッドに位置合わせして置き、回路基板をリフロー炉に通し、はんだを溶融して接続するのが一般的である。
【０００３】
しかし、この方法では、はんだの表面張力により半導体チップのはんだバンプと回路基板の電極パッドをつなぐバンプの形状が太鼓状となるので、隣接するバンプ同士が接触しないように、あるバンプ間距離をとる必要があり、接続の狭ピッチ化には不向きだった。
【０００４】
また、この方法では半導体チップと回路基板の間隔が狭くなるため、半導体チップと回路基板が熱膨張・熱収縮すると、バンプにより高い応力が掛かるため、チップサイズが大きい場合など、接続部劣化を招く恐れがあった。さらに、半導体チップと回路基板の間隔が狭いため、半導体チップと回路基板間に封止用樹脂が注入しにくくなる問題があった。
【０００５】
そこで、これらの問題点を解消する手段として、半導体チップと回路基板の間隔を制御できるフリップチップボンダが提案されている。この装置では半導体チップ電極と回路基板の電極パッドとを位置合せした後、半導体チップを回路基板に押しあて、ボンディングツールを加熱し、はんだバンプを溶融させる。この状態でボンディングツールを上方に引き上げ、所定の半導体チップと回路基板との距離になるようにボンディングツールを保持し、ボンディングツールを冷却してフリップチップボンディングを行っていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記半導体チップと回路基板の間隔を制御できるフリップチップボンダを使用する方法では、半導体チップのはんだバンプと回路基板の電極パッドの位置合せ精度は、装置のボンディング精度で決まってしまうため、現実的に１０μｍ程度の半導体チップのはんだバンプと回路基板の電極パッドのずれが発生していた。このずれは、接合強度を低下させ、接合信頼性に関る問題となっていた。
【０００７】
この発明は、前記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、リフロー方式での隣接するはんだバンプ同士の接触を避けるためのはんだバンプ間距離の設計上の制約や、はんだバンプ掛かる応力に起因する接続部劣化の問題や、さらに半導体チップと回路基板間への樹脂注入性疎外の問題を回避すると同時に、半導体チップのはんだバンプと回路基板の電極パッドの位置ずれを防止でき、信頼性の高い半導体チップの実装方法およびその装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明は前記目的を達成するために、請求項１は、半導体チップをはんだバンプを介して回路基板に実装する半導体チップの実装方法において、
ボンディングツールに前記半導体チップを保持し前記回路基板に対して位置合わせする第１の工程と、
前記位置合わせされた半導体チップのはんだバンプを前記回路基板上の所定位置の電極パッドに接触させる第２の工程と、
前記はんだバンプを加熱して溶融させる第３の工程と、
前記第３の工程中において前記回路基板と前記半導体チップとの間隔を調整する第４の工程と、
前記第４の工程後に溶融したはんだバンプのセルフアライメント作用により前記ボンディングツールをＸＹθ方向に駆動させて前記回路基板と前記半導体チップの位置ずれを補正する第５の工程と、
を具備することを特徴とする。
【０００９】
請求項２は、請求項１の第４の工程における回路基板と半導体チップとの間隔調整は、ボンディングツールの熱膨張による所定位置の変位量を測定し、その測定結果に基づいて行うことを特徴とする。
【００１０】
請求項３は、半導体チップをはんだバンプを介して回路基板に実装する半導体チップの実装装置において、
前記回路基板を載置するボンディングステージと、
前記ボンディングステージの上部に設けられ前記半導体チップを保持し前記回路基板上の所定位置にボンディングするボンディングツールと、
前記ボンディングツールに設けられ前記半導体チップのはんだバンプを溶融する加熱手段と、
前記ボンディングツールの熱膨張量を測定する測定手段と、
前記測定手段における測定結果に基づいて前記回路基板と前記半導体チップとの間隔を調整する間隔調整手段とを具備し、
前記ボンディングツールは、前記加熱手段により溶融されたはんだのセルフアライメント作用に基づき駆動可能に支持されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項４は、請求項３の測定手段は、ボンディングツールに設定された所定位置の変位量を測定するレーザ変位計であることを特徴とする。
請求項５は、請求項３のボンディングツールはＸＹθ駆動機構を有し、このＸＹθ駆動機構により駆動自在となっていることを特徴とする。
【００１２】
請求項６は、請求項５のＸＹθ駆動機構には、このＸＹθ駆動機構によるボンディングツールの駆動のロックおよび前記ロックの解除を行うロック機構が設けられていることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１はボンディング装置の全体構成を示す斜視図で、図２はボンディングヘッドの正面図、図３は画像合わせ装置のブロック図、図４は作用説明図である。まず、ボンディング装置の全体構成を説明すると、１１はＸＹθ軸方向に位置決め自在な第１のＸＹθテーブルであり、この第１のＸＹθテーブル１１の上部にはボンディングステージ１２および半導体チップ撮像手段としての半導体チップ認識カメラ１３が設けられている。そして、ボンディングステージ１２には回路基板１４が電極パッド１４ａを上向きにして搭載され、半導体チップ認識カメラ１３は光軸を垂直上向きにして設置されている。
【００１４】
第１のＸＹθテーブル１１の隣側にはＸＹθ軸方向に位置決め自在な第２のＸＹθテーブル１５が設けられ、この第２のＸＹθテーブル１５の上部にはトレイ１６が設けられている。このトレイ１６には多数の半導体チップ１７がはんだバンプ１７ａを上向きにして整列状態に搭載されている。
【００１５】
また、第１のＸＹθテーブル１１の上方にはボンディング機構１９が設けられており、第２のＸＹθテーブル１５の上方にはトレイ１６上の半導体チップ１７をピックアップした状態で反転して半導体チップ１７をはんだバンプ１７ａを下向きにしてボンディング機構１９に供給する半導体チップ供給機構２０が設けられている。
【００１６】
前記ボンディング機構１９にはＸ軸ステージ２１が設けられており、このＸ軸ステージ２１にはボンディングヘッド２２がＸ軸方向に移動自在に搭載されている。ボンディングヘッド２２は後述するモータ２３ａおよびロードセル２３ｂを備えた上下動機構２３によって上下動自在であり、その下端部にはボンディングツール２４が設けられている。このボンディングツール２４には半導体チップ１７をフェースダウン（はんだバンプ１７ａが下向き）にした状態で真空吸着する手段およびはんだを溶融するパルスヒータ等の加熱手段を有している。
【００１７】
さらに、Ｘ軸ステージ２１にはボンディングヘッド２２と隣接して基板撮像手段としての基板認識カメラ２５が光軸を垂直下向きにして設置され、ボンディングステージ１２上の回路基板１３の位置を認識できるようになっている。さらに、基板認識カメラ２５の隣側には回路基板１４の電極パッド１４ａにフラックスを塗布するディスペンサ２５ａが設置されている。
【００１８】
また、前記半導体チップ供給機構２０にはＸ軸ガイドレール２６が設けられ、このＸ軸ガイドレール２６にはチップ反転ユニット２７がＸ軸方向に移動自在に設けられている。チップ反転ユニット２７はトレイ１６上の半導体チップ１７を吸着し、これを反転する機能を有しており、トレイ１６上では半導体チップ１７のはんだバンプ１７ａは上向きであるが、反転によってはんだバンプ１７ａを下向きにして前記ボンディングツール２４に吸着保持できるようになっている。
【００１９】
さらに、Ｘ軸ガイドレール２６にはトレイ１６に対向するトレイ認識カメラ２８が光軸を垂直下向きにして設置されており、トレイ１６上の半導体チップ１７のパターンを認識し、第２のＸＹθテーブル１５を制御することにより、トレイ１６上の半導体チップ１７をピックアップ位置に位置決めするようになっている。
【００２０】
また、前記半導体チップ認識カメラ１３および基板認識カメラ２５は画像合せ装置２９に接続されている。ここで、半導体チップ認識カメラ１３および基板認識カメラ２５の相対的な位置関係は予め正確に求められる。そして、画像合せ装置２９は、半導体チップ認識カメラ１３による画像と基板認識カメラ２５による画像とを合成して表示するように構成されている。
【００２１】
すなわち、画像合せ装置２９は、図３に示すように、ビデオミキサ３０を有し、半導体チップ認識カメラ１３と基板認識カメラ２５からの画像信号はカメラコントロールユニット１３ａ，２５ａに一旦記憶格納された後、これらカメラコントロールユニット１３ａ，２５ａからの合成画像信号をビデオミキサ３０に入力させ、合成画像がモニター３１に表示されるようになっている。
【００２２】
さらに、この合成画像は後述するように、半導体チップ１７と回路基板１４との相対的な位置決め補正量を算出する位置決め補正量算出手段３０ａに入力される。この位置決め補正量算出手段３０ａは図１に示すように、ボンディング制御装置３２の一部をなしている。このボンディング制御装置３２は、算出された位置決め補正量に基づいて第１のＸＹθテーブル１１を位置決め制御するように設けられている。さらに、このボンディング制御装置３２は、第１のＸＹθテーブル１１、第２のＸＹθテーブル１５、半導体チップ供給機構２０、Ｘ軸ステージ２１およびトレイ認識カメラ２８に電気的に接続されている。
【００２３】
また、前記半導体チップ１７を所定の高さまで下降・上昇させると同時に加圧を行い回路基板１４と半導体チップ１７との間隔を制御する手段としてのモータ２３ａおよび半導体チップ１７を回路基板１４に押し付ける荷重を測定し、モータ２３ａに荷重をフイードバックするロードセル２３ｂを備えている。さらに、ボンディングヘッド２２の高さをモータ２３ａにフィードバックする高さ測定手段、すなわちボンディングヘッド２２の半導体チップ１７方向への変位量を測定する測定手段としてのレーザ変位計３３およびボンディングツール２４の温度を測定し、制御するための熱電対３４を備えている。
【００２４】
さらに、前記ボンディングヘッド２２にはボンディングツール２４自身の位置を微小な力でＸＹ平面上に駆動させるためのＸＹθ駆動機構３５およびＸＹθ駆動機構３５の動きを中立位置で固定するロック機構３６を備えている。このロック機構３６にはＸＹθ駆動機構３５のロックおよびアンロックを切り換える機能を有し、後述するように、ボンディングツール２４の駆動の制御手段としての役割を果たしている。
【００２５】
次に、前述のように構成されたボンディング装置によって半導体チップ１７を回路基板１４にボンディングする方法を説明する。
まず、図５のステップＳ１  に示すように、ボンディングステージ１２の所定の位置に回路基板１４を電極パッド１４ａを上向きにして搭載する（図５のステップＳ１参照）。次に、ステップＳ２  に示すように、トレイ認識カメラ２８によってトレイ１６上の半導体チップ１７のパターンを認識し、第２のＸＹθテーブル１５をＸＹθ軸方向に移動制御してトレイ１６上の半導体チップ１７をピックアップ位置に位置決めする（図５のステップＳ２参照）。
【００２６】
次に、ステップＳ３  に示すように、チップ反転ユニット２７はピックアップ位置に移動してトレイ１６上の１個の半導体チップ１７を吸着し、これを反転させて半導体チップ１７のはんだバンプ１７ａを下向きにし、ボンディングツール２４に受け渡し、ボンディングツール２４は半導体チップ１７をはんだバンプ１７ａを下向きにして吸着保持する（図５のステップＳ３参照）。
【００２７】
次に、第１のＸＹθステージ１１が移動して半導体チップ認識カメラ１３によりボンディングツール２４に吸着された半導体チップ１７を撮像できる位置に位置決めし、ステップＳ４  に示すように、半導体チップ認識カメラ１３によって半導体チップ１７のはんだバンプ１７ａの画像（例えば８カ所）をティーチングして取り込む（図５のステップＳ４参照）。次に、ステップＳ５  に示すように、基板認識カメラ２５はボンディングステージ１２上の回路基板１４の電極パッド１４ａの画像をティーチングして取り込むと、カメラコントロールユニット２５ａは、回路基板１４の認識パターンを検出した後、記憶格納する（図５のステップＳ５参照）。
【００２８】
次に、ディスペンサ２５ａによって回路基板１４の電極パッド１４ａにフラックスを塗布した後、ステップＳ６  に示すように、画像合わせ装置２９にては、半導体チップ認識カメラ１３によって取り込みカメラコントロールユニット１３ａに格納さている画像認識パターンと基板認識カメラ２５によって取り込みカメラコントロールユニット２５ａに格納さている画像認識パターンとを画像合せ装置２９のビデオミキサ３０によって合成（重ね合せ）し、モニター３１に表示する。
【００２９】
位置ずれ量算出手段３０ａにて、半導体チップ１７と回路基板１４の相対的な座標Ｘ・Ｙ・θ方向の相対的位置ずれに対する補正量を算出した後、第１のＸＹθステージ１１を移動して半導体チップ１７と回路基板１４を位置合わせする。このとき、まずＸＹθ駆動機構３５を中立位置で固定した状態にしておき、半導体認識カメラ１３および基板認識カメラ２５で半導体チップ１７および回路基板１４の電極パッド１４ａを認識し、ボンディングツール２４およびボンディングステージ１２を移動させ、半導体チップ１７と回路基板１４の電極パッド１４ａが上下に対向するよう位置合せする（図４（ａ）および図５のステップＳ６参照）。
【００３０】
そして、位置合せが終了すると、ボンディングヘッド２２が上下動機構２３によって下降し、電極パッド１４ａにはんだバンプ１７ａを接触する（図４（ｂ）参照）。このときロードセル２３ｂを用いて回路基板１４へのはんだバンプ１７ａの接触を感知する。
【００３１】
次に、ボンディングツール２４に吸着された半導体チップ１７を加熱することにより、はんだを溶融する。ボンディングツール２４を荷重制御モードから変位制御モードに切り換える（荷重制御モードのままチップ加熱をすると、はんだバンプ１７ａの変形抵抗が低下し、はんだバンプ１７ａがつぶれてしまう）。
【００３２】
ボンディングツール２４の加熱に伴いボンディングツール２４自身が熱膨張するため、熱膨張量をレーザ変位計３３で測定し、ボンディングツール２４の高さを一定に保つよう高さ補正を行う。つまり、ボンディングツール２４自身が熱膨張するため、Ｚ方向（上下方向）については、レーザ変位計３３でボンディングツール２４の伸び量を計測し、モータ２３ａにフィードバックし、伸び量を補正する。この工程により所定のギャップに調整できる。はんだバンプ１７ａが溶融したら、ボンディングツール２４を後述する図４（ｄ）に示すように溶融はんだの形状が鼓形となる高さまで上昇させ、半導体チップ１７と回路基板１４の間隔を調整する（図４（ｃ）参照）。
【００３３】
ここで、ＸＹθ駆動機構３５のロック機構３６のロックを解除すると、はんだバンプ１７ａのセルフアライメント作用（半導体チップ１７上のはんだバンプ１７ａの表面積を最少にする力が作用する。）を利用して、半導体チップ１７のはんだバンプ１７ａと回路基板１４の電極パッド１４ａの正確な位置合せを行う。この状態でボンディングツール２４を冷却し、半導体チップ１７の吸着保持を解除すると、半導体チップ１７のはんだバンプ１７ａが回路基板１４の電極パッド１４ａにはんだ接合し、ボンディングが完了する（図４（ｄ）参照）。
【００３４】
このようにボンディングツール２４側に設けたＸＹθ駆動機構３５のロック機構３６を解除することにより、ボンディングツール２４の加熱に伴うＸＹθ方向の伸びによる位置ずれを補正（アライメント調整）する。補正は、溶融したはんだのセルフアライメント作用を利用する。この場合、Ｚ方向は拘束されているが、ＸＹθ方向は自由になっているので、キャップ調整とアライメント調整を同時に実現できる。
【００３５】
【発明の効果】
この発明の請求項１〜２によれば、ボンディングツールが加熱によって熱膨張しても、その熱膨張量を測定してボンディングツールの高さを補正することにより、はんだバンプを理想的な形状に整えることにより、はんだバンプの狭ピッチ化に対応できる。しかも、回路基板と半導体チップとの間隔を大きくした状態で実装でき、封止用樹脂の注入の容易化と作業性を向上できる。また、溶融したはんだのセルフアライメント作用を利用して半導体チップのはんだバンプと回路基板の電極パッドの位置ずれを防止でき、信頼性の高い半導体チップの実装方法を提供できる。
【００３６】
また、請求項３〜６によれば、ボンディングツールは、加熱手段により溶融されたはんだのセルフアライメント作用に基づき駆動可能に支持されているため、半導体チップのはんだバンプを溶融したときに、はんだバンプのセルフアライメント作用を利用して回路基板と半導体チップの位置ずれを自動補正することができ、信頼性の高い半導体チップの実装装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態のボンディング装置の斜視図。
【図２】同実施形態の要部の正面図。
【図３】同実施形態の画像重ね合せ装置のブロック図。
【図４】同実施形態の位置合せ方法の作用説明図。
【図５】同実施形態の位置合せ方法のフローチャート。
【符号の説明】
１２…ボンディングステージ
１４…回路基板
１４ａ…電極パッド
１７…半導体チップ
１７ａ…はんだバンプ
２４…ボンディングツール
３３…レーザ変位計
３５…ＸＹθ駆動機構
３６…ロック機構
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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