(57)【要約】【課題】ボンディング精度の向上による品質を安定化させ、しかも検査に要する作業時間が短く、生産性を向上できるフリップチップ実装装置を提供する。【解決手段】予めボンディングヘッド１に吸着保持されたチップ側認識マーク８が形成された検査用チップ９と、基板支持テーブル２に支持された基板側認識マーク１０が形成された検査用基板１１とを第１の撮像手段６により撮像し画像処理を行って得られた位置データから、ボンディングヘッド１及び基板支持テーブル２の位置を補正して検査用チップ９を検査用基板１１へボンディングを行い、該検査用チップ９と検査用基板１１との位置ずれを第２の撮像手段７により撮像し画像処理を行って得られた位置データから再度ボンディングヘッド１及び基板支持テーブル２の位置を補正してから、半導体チップの基板実装が行われる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップを基板にフリップチップ実装するフリップチップ実装装置において、
前記半導体チップを吸着保持して基板上にボンディングする上下動及び回動可能なボンディングヘッドと、
前記基板を支持する基板支持テーブルをＸ−Ｙ方向へ移動可能に備えたテーブル移動機構と、
前記ボンディングヘッド及び基板支持テーブルとの間に進退動してチップ面及び基板面を撮像して両者の位置ずれを検出するための第１の撮像手段と、
前記基板支持テーブルの下方に設けられ、前記半導体チップがボンディングされた基板を撮像して両者の位置ずれを検出するための第２の撮像手段とを備え、予めボンディングヘッドに吸着保持されたチップ側認識マークが形成された検査用チップと、基板支持テーブルに支持された基板側認識マークが形成された検査用基板とを第１の撮像手段により撮像し画像処理を行って得られた位置データから、ボンディングヘッド及び基板支持テーブルの位置ずれを補正して検査用チップを検査用基板へ重ね合わせ、該検査用チップと検査用基板とを前記第２の撮像手段により撮像し画像処理を行って得られた位置データから再度ボンディングヘッド及び基板支持テーブルの位置ずれを補正してから、半導体チップの基板実装が行われることを特徴とするフリップチップ実装装置。
【請求項２】
前記検査用チップにはチップ側認識マークが形成されたガラスチップが用いられ、前記検査用基板には、基板側認識マークが形成されたガラス基板が用いられることを特徴とする請求項１記載のフリップチップ実装装置。
【請求項３】
前記検査用チップには表裏面が鏡面に形成されたチップ側認識マークを有するガラスチップが用いられ、前記検査用基板には、表裏面が鏡面に形成された基板側認識マークを有するガラス基板が用いられることを特徴とする請求項２記載のフリップチップ実装装置。
【請求項４】
前記第１、第２の撮像手段により各々撮像されたチップ側認識マーク及び基板側認識マークから、画像処理が行なわれてチップ及び基板のＸ−Ｙ−θ方向の位置データが算出され、該位置データに基づいて前記ボンディングヘッドはθ方向の位置が補正され、前記基板支持テーブルはＸ−Ｙ方向の位置が補正されることを特徴とする請求項１、２又は３記載のフリップチップ実装装置。
【請求項５】
半導体チップを基板にフリップチップ実装するフリップチップ実装方法において、
予めボンディングヘッドに吸着保持されたチップ側認識マークが形成された検査用チップと、基板支持テーブルに支持された基板側認識マークが形成された検査用基板とを撮像する第１の撮像工程と、
第１の撮像工程で撮像された画像データに画像処理を行って得られた位置データから、ボンディングヘッド及びテーブル移動機構の位置ずれを補正する第１の位置補正工程と、
ボンディングヘッドを移動させて検査用チップを検査用基板に重ね合わせる検査用ボンディング工程と、
重ね合わせられた検査用チップと検査用基板とを撮像する第２の撮像工程と、第２の撮像工程で撮像された画像データに画像処理を行って得られた位置データから、ボンディングヘッド及びテーブル移動機構の位置ずれを補正する第２の位置補正工程とを経て、
前記ボンディングヘッドに半導体チップを吸着保持し基板支持テーブルへ供給された基板へ基板実装を行う基板実装工程とを含むことを特徴とするフリップチップ実装方法。
【請求項６】
前記第１の位置補正工程は、チップ側副尺及び基板側副尺を各々撮像してボンディングヘッドのθ方向の位置補正を行い、基板支持テーブルのＸ−Ｙ方向の位置補正を行うことを特徴とする請求項５記載のフリップチップ実装方法。
【請求項７】
前記第２の位置補正工程は、チップ側認識マークと基板側認識マークとのＸ−Ｙ−θ方向の位置ずれを算出して、ボンディングヘッドのθ方向の位置補正を行い、基板支持テーブルのＸ−Ｙ方向の位置補正を行うことを特徴とする請求項５記載のフリップチップ実装方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体チップを基板にフリップチップ実装するフリップチップ実装装置及び実装方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体チップを基板にフリップチップ実装するフリップチップボンダーについて説明する。半導体チップを基板にフリップチップ実装する場合には、チップの接続端子と基板のランド部とを位置合わせしてボンディングする必要があることから、フリップチップボンダーの実装位置精度を確認してから実装することが行なわれている。
【０００３】
例えば、図５において、ボンディングヘッド５１に検査用チップ（例えばガラスチップ）５２を吸着保持し、検査用基板（例えばガラス基板）５３を支持するステージ５４に該検査用基板５３を保持した状態で、チップ５２及び基板５３の位置を位置補正用カメラ５５により撮像する。検査用チップ５２及び検査用基板５３にはバーニア（副尺）５７が刻印されており、互いの位置ずれ量を確認できるうになっている。位置補正用カメラ５５により撮像されたチップ面及び基板面の画像は、図示しないコントローラなどの制御部において画像処理されて、補正位置データが算出される。この補正位置データに基づいてステージ５４のＸ−Ｙ方向位置が補正され、ボンディングヘッド５１のθ方向位置が補正された後、ボンディングヘッド５１をステージ５４に向かって下動させて、検査用チップ５２を検査用基板５３にボンディングする。
【０００４】
次に、検査用チップ５２をボンディングされた検査用基板５３をステージ５４より取り外して、マイクロスコープ５６などでバーニア５７の画像を拡大して、目視により位置ずれ量が許容誤差範囲内にあるか否かを検証していた。確認後、位置ずれ量が許容誤差範囲内にある場合には、ボンディングヘッド５１及びステージ５４の位置設定のまま、半導体チップの基板実装を行う。また、許容誤差範囲外にある場合には、再度ボンディングヘッド５１及びステージ５４のＸ−Ｙ方向の位置補正を行ってから半導体チップの基板実装を行うようにしている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−２８３２７２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この検査用チップ５２と検査用基板５３との位置ずれ誤差の検証作業が、オフラインで行なわれるため、検査に時間がかかり、しかも作業者が目視で確認するため人為的な読取誤差が蓄積され易く、ボンディング精度が低下するおそれがあるという課題があった。
【０００７】
本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、ボンディング精度の向上による品質を安定化させ、しかも検査に要する作業時間が短く、生産性を向上できるフリップチップ実装装置及びフリップチップ実装方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は次の構成を備える。
半導体チップを基板にフリップチップ実装するフリップチップ実装装置において、前記半導体チップを吸着保持して基板上にボンディングする上下動及び回動可能なボンディングヘッドと、前記基板を支持する基板支持テーブルをＸ−Ｙ方向へ移動可能に備えたテーブル移動機構と、前記ボンディングヘッド及び基板支持テーブルとの間に進退動してチップ面及び基板面を撮像して両者の位置ずれを検出するための第１の撮像手段と、前記基板支持テーブルの下方に設けられ、前記半導体チップがボンディングされた基板を撮像して両者の位置ずれを検出するための第２の撮像手段とを備え、予めボンディングヘッドに吸着保持されたチップ側認識マークが形成された検査用チップと、基板支持テーブルに支持された基板側認識マークが形成された検査用基板とを第１の撮像手段により撮像し画像処理を行って得られた位置データから、ボンディングヘッド及び基板支持テーブルの位置ずれを補正して検査用チップを検査用基板へ重ね合わせ、該検査用チップと検査用基板とを前記第２の撮像手段により撮像し画像処理を行って得られた位置データから再度ボンディングヘッド及び基板支持テーブルの位置ずれを補正してから、半導体チップの基板実装が行われることを特徴とする。
【０００９】
また、半導体チップを基板にフリップチップ実装するフリップチップ実装方法において、予めボンディングヘッドに吸着保持されたチップ側認識マークが形成された検査用チップと、基板支持テーブルに支持された基板側認識マークが形成された検査用基板とを撮像する第１の撮像工程と、第１の撮像工程で撮像された画像データに画像処理を行って得られた位置データから、ボンディングヘッド及びテーブル移動機構の位置ずれを補正する第１の位置補正工程と、ボンディングヘッドを移動させて検査用チップを検査用基板に重ね合わせる検査用ボンディング工程と、重ね合わせられた検査用チップと検査用基板とを撮像する第２の撮像工程と、第２の撮像工程で撮像された画像データに画像処理を行って得られた位置データから、ボンディングヘッド及びテーブル移動機構の位置ずれを補正する第２の位置補正工程とを経て、前記ボンディングヘッドに半導体チップを吸着保持し基板支持テーブルへ供給された基板へ基板実装を行う基板実装工程とを含むことを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について添付図面と共に詳述する。
図１及び図２はフリップチップ実装装置の位置ずれ検査作業を示す説明図、図３は制御系のブロック図、図４はチップ側認識マーク及び基板側認識マークの説明図である。
【００１１】
先ず、図１を参照してフリップチップ実装装置の概略構成について説明する。
１はボンディングヘッドであり、半導体チップを吸着保持して基板上にボンディングする。このボンディングヘッド１は、図示しない上下動機構（ボールねじ、サーボモータなど）及び回転機構（回転用モータ）により回動可能に設けられている。
【００１２】
２は基板を支持する基板支持テーブルであり、テーブル移動機構３に搭載されている。テーブル移動機構３はＸ方向移動ステージ４及びＹ方向移動ステージ５を備えており、基板支持テーブル２はＸ方向移動ステージ４に搭載されている。
６は第１の撮像手段である搭載位置補正用カメラ（例えばＣＣＤカメラ）であり、ボンディングヘッド１及び基板支持テーブル２との間に進退動してチップ面及び基板面を撮像して両者の位置ずれを検出する。搭載位置補正用カメラ６は、上下にカメラレンズ６ａ、６ｂを備えており、各カメラレンズ６ａ、６ｂにより撮像された画像に基づいて後述する制御部で、チップ及び基板の位置ずれデータを算出して、ボンディングヘッド１のθ方向の位置が補正され、基板支持テーブル２のＸ−Ｙ方向の位置が補正される。
【００１３】
７は第２の撮像手段であるボンディング検査用カメラ（例えばＣＣＤカメラ）である。このボンディング検査用カメラは、基板支持テーブルの下方でＸ方向移動ステージ４上に設けられ、ボンディングヘッド１により半導体チップがボンディングされた基板を撮像して両者の位置ずれを検出する。ボンディング検査用カメラ７により撮像された画像は後述する制御部により画像処理されて両者の位置ずれが検出される。
【００１４】
本実施例では、図４に示すように、予めチップ側認識マーク（例えば図形マーク）８が形成された検査用チップ（例えばガラスチップ）９と基板側認識マーク（例えば図形マーク）１０が形成された検査用基板（例えばガラス基板）１１とを用いて、ボンディングヘッド１と基板支持テーブル２の位置補正を行った後に、半導体チップの基板実装が行なわれるようになっている。また、検査用チップ９及び検査用基板１１には、バーニア（副尺）１２がエッチング等により刻印されており、位置補正として利用される。
【００１５】
具体的には、予めボンディングヘッド１に吸着保持された検査用チップ９と、基板支持テーブル２に支持された検査用基板１１とを搭載位置補正用カメラ６により各々撮像し、画像処理を行ってバーニア１２のずれより得られた位置データから、ボンディングヘッド１をθ方向に位置補正し、基板支持テーブル２をＸ−Ｙ方向の位置補正をしてから、検査用チップ９を検査用基板１１へボンディングを行う。
【００１６】
次に、ボンディング検査用カメラ７により検査用チップ９が重ね合わされた検査用基板１１を撮像し、画像処理を行ってチップ側認識マーク８と基板側認識マーク１０の位置データより両者のずれ量を算出する。この得られた位置データから再度ボンディングヘッド１及び基板支持テーブル２の位置を各々補正してから、半導体チップの基板実装が行われるようになっている。基板支持テーブル２には、半導体チップを基板実装するセット部とは別に検査用基板１１の固定部が設けられている。この検査用基板１１の固定部は、基板支持テーブル２の一部（例えば基板支持テーブル２の端部）に設けられており、検査用チップ９が重ね合わされた状態でボンディング検査用カメラ７により撮像できるように透明部若しくは開口が形成されている。また、半導体チップがボンディングされる実装基板のセット部は、上記検査用基板１１の固定部の近傍に設けられている。
【００１７】
なお、検査用チップ９と検査用基板１１は、検査用基板１１に検査用チップ９を重ね合わせた状態で、検査用チップ９に設けられた認識マークと検査用基板１１に設けられた認識マークを撮像し、認識マークのずれから相互の位置ずれを検知するように使用する。したがって、検査用チップ９と検査用基板１１との位置ずれを正確に検知できるようにするには、検査用基板１１に検査用チップ９を重ね合わせた状態で、各々の認識マークが、鮮明な画像として撮影できるようにする必要がある。認識マークのエッジ部分がぼやけてしまうと、認識マークの位置を正確に特定することができなくなり、測定誤差が大きくなるからである。
【００１８】
検査用チップ９と検査用基板１１は、互いに対向する面にチップ側認識マーク８と基板側認識マーク１０が設けられている。検査用チップ９と検査用基板１１を重ね合わせた状態では、検査用基板１１の下方からボンディング検査用カメラ７によって、チップ側認識マーク８と基板側認識マーク１０とが透視されるから、基板側認識マーク１０については検査用基板１１と接する部分（裏面）、チップ側認識マーク８については検査用チップ９の外面に露出する部分（表面）が視認されることになる。
【００１９】
本実施形態においては、これらのチップ側認識マーク８と基板側認識マーク１０とを鮮明に視認できるようにするため、ともにクロム蒸着等によって表裏面が鏡面になるように認識マークを形成した。認識マークの表裏面とは、基材に接する側と基材の表面に露出する側の意であり、認識マークの表裏面を鏡面とすることによって、鮮明な反射画像を得ることができ、チップ側認識マーク８と基板側認識マーク１０のエッジ部を正確に検知することによって、これらの認識マークの位置ずれを正確に検知することが可能になる。
チップ側認識マーク８と基板側認識マーク１０の表裏面を鏡面に形成する方法としては、蒸着法によって基材の表面に所定のパターンに認識マークを形成する方法、めっきによって基材の表面に所定のパターンに認識マークを形成するといった方法が利用できる。
【００２０】
次に、フリップチップ実装装置の制御系について図３のブロック図を参照して説明する。制御部１３は、装置全体の動作を制御するもので、入出力（Ｉ／Ｏ）部１５を通じてデータが入出力される。制御部１３は、各部の動作を制御するＣＰＵや、各種動作プログラムが格納されたＲＯＭ、入力されたデータの一時記憶や、ＣＰＵのワークエリアとして使用されるＲＡＭ、各カメラより撮像された画像データを記憶する画像メモリ、画像データより位置データを算出する演算部などを備えている。
【００２１】
制御部１３には、キーボード、タッチパネルなどの操作部１４から、各種動作指令や各種設定値が入力され、搭載位置補正用カメラ６やボンディング検査用カメラ７より撮像された画像データが送信される。また、制御部１３からは、モニター１６へ撮像された画像データや加工された位置データを出力表示したり、モータドライバ１７を通じてθ軸モータ１８、Ｘ軸モータ１９、Ｙ軸モータ２０などの駆動動作を制御したりする。
【００２２】
次に、フリップチップ実装方法について図１、図２及び図４を参照して説明する。
図１において、予めボンディングヘッド１に吸着保持されたチップ側認識マーク８が形成された検査用チップ９と、基板支持テーブル２の所定位置に固定された基板側認識マーク１０が形成された検査用基板１１とを搭載位置補正用カメラ６により撮像する。（第１の撮像工程）。
【００２３】
この搭載位置補正用カメラ６で撮像された画像データに画像処理を行って得られた位置データから、ボンディングヘッド１及びテーブル移動機構３の位置を補正する。即ち、搭載位置補正用カメラ６で撮像されたチップ及び基板の画像データは、モニター画面に重ねて出力される。そして、バーニア１２の重なり位置より位置ずれ量が算出される。そして、θ軸モータ１８を起動してボンディングヘッドのθ方向位置を補正し、Ｘ軸モータ１９、Ｙ軸モータ２０を起動してＸ方向移動ステージ４、Ｙ方向移動ステージ５を移動させて基板支持テーブル２のＸ−Ｙ方向位置を補正する（第１の位置補正工程）。
【００２４】
次に、図２において、ボンディングヘッド１を下動させて検査用チップ９を検査用基板１１に重ね合わせる。具体的には、ボンディングヘッド１に検査用チップ９を吸着させたまま、検査用基板１１に密着させる（検査用ボンディング工程）。
【００２５】
次いで、上記重ね合わせられた検査用チップ９と検査用基板１１とをボンディング検査用カメラ７により基板側より撮像する（第２の撮像工程）。ボンディング検査用カメラ７で撮像された画像データに画像処理を行って得られた位置データから、ボンディングヘッド１及びテーブル移動機構３の位置ずれを補正する。
具体的には、図４において、チップ側認識マーク８と基板側認識マーク１０との重なり位置より、制御部１３は両者のＸ−Ｙ−θ方向の位置ずれを算出して、制御部１３へフィードバック制御し、制御部１３はモータドライバ１７を通じてθ軸モータ１８を起動してボンディングヘッドのθ方向位置を補正し、Ｘ軸モータ１９、Ｙ軸モータ２０を起動してＸ方向移動ステージ４、Ｙ方向移動ステージ５を移動させて基板支持テーブル２のＸ−Ｙ方向位置を補正する（第２の位置補正工程）。
【００２６】
そして、検査用チップ９をボンディングヘッド１により装置内の所定位置へ戻した後、半導体チップをボンディングヘッド１に吸着保持し、基板支持テーブル２のセット部へ供給された回路基板へ基板実装を行う（基板実装工程）。基板実装を行う場合には、例えば基板支持テーブル２のセット位置がボンディングヘッド１の真下に位置するまでＸ方向移動ステージ４をＸ方向に移動させてから行われる。この実装方法によれば、フリップチップ実装時の誤差を±２μｍ以下に抑えることが可能となる。
【００２７】
上述したフリップチップ実装装置及びフリップチップ実装方法を用いれば、検査用チップ９を検査用基板１１へ搭載する前後で両者の画像を撮像して位置データを検出して位置ずれ量をフィードバックしてボンディングヘッド１及び基板支持テーブル２の位置を補正してから、半導体チップのフリップチップボンディングを行うので、人為的な読取誤差が累積されることはなく、ボンディング精度の向上による品質の安定化が期待できる。また、オンライン上で検査を行えるので、検査に要する作業時間が短く、生産性を向上できる。また、検査はオンライン上で行えるため、定期的検査を行うことで突発的な不良を防ぐことができ、フリップチップボンディングの安定した作業動作を維持することができる。
【００２８】
以上、本発明の好適な実施例について種々述べてきたが、本発明は上述した各実施例に限定されるのものではなく、例えば、ボンディングヘッド１は、単数に限らず複数同時に動作するものであっても良く、吸着保持するチップも単数に限らず複数であっても良い。また、搭載位置補正用カメラ６とボンディング検査用カメラ７とは別のカメラで撮像しているが同一のカメラで行ってもよく、検査用チップ９及び検査用基板１１はガラス材料に限らず、プラスチック材料など他の材料であっても良い。また、基板支持テーブル２がθ軸方向に移動可能に構成されていても良く、ボンディングヘッド１が検査用基板１１の固定部と実装基板のセット部間をＸ−Ｙ方向に移動可能に構成されていても良い。更には、チップ側認識マーク８や基板側認識マーク１０のパターン形状は図４に示すものに限られず任意であるなど、法の精神を逸脱しない範囲で多くの改変を施し得るのはもちろんである。
【００２９】
【発明の効果】
本発明に係るフリップチップ実装装置及びフリップチップ実装方法を用いれば、検査用チップを検査用基板へ搭載する前後で両者の画像を撮像して位置データを検出して位置ずれ量をフィードバックしてボンディングヘッド及び基板支持テーブルの位置を補正してから、半導体チップのフリップチップボンディングを行うので、人為的な読取誤差が累積されることはなく、ボンディング精度の向上による品質の安定化が期待できる。また、オンライン上で検査を行えるので、検査に要する作業時間が短く、生産性を向上できる。また、検査はオンライン上で行えるため、定期的検査を行うことで突発的な不良を防ぐことができ、フリップチップボンディングの安定した作業動作を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】フリップチップ実装装置の位置ずれ検査作業を示す説明図である。
【図２】フリップチップ実装装置の位置ずれ検査作業を示す説明図である。
【図３】制御系のブロック図である。
【図４】チップ側認識マーク及び基板側認識マークの説明図である。
【図５】従来のフリップチップ実装装置の位置ずれ検査作業を示す説明図である。
【符号の説明】
１　ボンディングヘッド
２　基板支持テーブル
３　テーブル移動機構
４　Ｘ方向移動ステージ
５　Ｙ方向移動ステージ
６　搭載位置補正用カメラ
７　ボンディング検査用カメラ
８　チップ側認識マーク
９　検査用チップ
１０　基板側認識マーク
１１　検査用基板
１２　バーニア
１３　制御部
１４　操作部
１５　入出力部
１６　モニター
１７　モータドライバ
１８　θ軸モータ
１９　Ｘ軸モータ
２０　Ｙ軸モータ
【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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