(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板（２）上に半導体チップ（１’）をフリップチップとして装着するための装置であって、
前記半導体チップ（１’）を反転させるためのフリップ装置（６）であって、
回転軸（Ａ１）を軸として回転可能な支持ブラケット（１０）と、
第１及び第２回動アーム（１１，１２）及び連結アーム（１３）であって、前記支持ブラケットと、前記第１及び第２回動アーム（１１，１２）と前記連結アーム（１３）とが平行四辺形構造体（１０，１１，１２，１３）を形成する第１及び第２回動アーム（１１，１２）及び連結アーム（１３）と、
前記連結アーム（１３）上に配置されたチップ把持器（１６）と、
を備えるフリップ装置と、
前記平行四辺形構造体（１０，１１，１２，１３）の第１及び第２回動アームを、前記チップ把持器（１６）が前記半導体チップ（１’）を受取る第１限界位置と、前記チップ把持器（１６）が前記半導体チップ（１’）を前記基板（２）上に装着する第２限界位置との間で往復するように回転させるための駆動システム（１５，１８，１９）と、
前記連結アーム（１３）を該連結アーム（１３）の長手方向軸を中心に１８０°回転させるための駆動装置（１７）と、
を備えていることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記支持ブラケット（１０）は、鉛直方向（８）に移動可能とされたスライド部材（９）上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記駆動システム（１５，１８，１９）はクランク（１８）と駆動ロッド（１９）とを備え、平行四辺形構造体（１０，１１，１２，１３）の前記第１限界位置及び前記第２限界位置は、前記クランク（１８）と前記駆動ロッド（１９）とが同一の方向を示す、前記クランク（１８）と前記駆動ロッド（１９）との伸張位置によって機械的に規定されることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記第１回動アーム（１１）上には、前記半導体チップ（１）を前記基板（２）に装着する際に両者間に必要とされる力を発生する押圧ユニット（２６）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記押圧ユニット（２６）は圧力シリンダ（２７）を備え、該圧力シリンダ（２７）には所定圧力を付与することが可能とされ、該圧力シリンダ（２７）は、前記半導体チップ（１’）を前記基板（２）上に装着する際に前記チップ把持器（１６）に作用することを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記半導体チップ（１）をウェーハテーブル（４）から取上げ、該半導体チップ（１）を前記フリップ装置（６）に引き渡すピックアンドプレイスシステム（５）を備えるダイボンダであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上に半導体チップをフリップチップとして装着するための装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
フリップチップを装着するための装置として、市場においては２つのタイプの装置が入手可能である。すなわち、一方は、基板上に高精度でフリップチップを装着することが可能であるが速度が比較的遅い、いわゆるピックアンドプレイス装置であり、他方は、生産効率が高いが精度は劣る、いわゆるダイボンダである。両装置に共通することは、フリップ接合されるチップを、まず始めに、金属箔上に接着されて延在するウェーハからフリッパと称される装置によって取出し、反転させ、ピックアンドプレイスシステムによって基板上に搬送して、装着することである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、迅速に、かつ高精度で、基板上にフリップチップを装着するフリップチップ装着用装置を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、請求項１に記載の特徴によって解決される。
【０００５】
本発明の起点は、ダイボンダとして知られ、例えば欧州特許出願923 111号に記載され、DB 2008という称号で出願人が販売している自動組立装置にある。半導体チップは、ウェーハリング上にクランプされた伸張可能箔に接着されている。ウェーハリングは、ウェーハテーブルによって２つの直交する方向に位置決めされされる。このダイボンダを用いる場合、チップはウェーハテーブルによって所定位置Ａに差し出され、高速で往復移動するボンドヘッドを有するピックアンドプレイスシステムによって取上げられ、基板上の所定位置Ｂに載置される。本発明は、半導体チップを反転するフリップ装置を有するこの種のダイボンダの拡張を図るものである。フリップ装置は、ボンドヘッドから半導体チップを位置Ｂで受取り、半導体チップを位置Ｃに搬送し、位置Ｂから位置Ｃへの搬送の最中に半導体チップを反転させ、半導体チップをフリップチップとして基板上の位置Ｃに載置する。フリップ装置は、平行四辺形構造体で構成される。平行四辺形構造体は、支持ブラケットと、第１・第２回動アームと、連結アームとから構成されている。連結アーム上にはチップ把持器が設けられている。平行四辺形構造体は、駆動システムによって、チップ把持器が半導体チップを取上げる第１限界位置と、チップ把持器が半導体チップを基板上に載置する第２限界位置との間で往復運動する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づき、フリップ装置の実施形態を詳細に説明する。
【０００７】
図１は、基板２上に半導体チップ１を装着するためのダイボンダの概略平面図である。デカルト座標系における３つの座標軸をｘ，ｙ，ｚで示す。ｚ軸は鉛直方向に対応している。ダイボンダは、基板をｘ方向に、場合によってはｙ方向にも搬送する搬送システム３を備えている。好ましい搬送システムは、例えば、欧州特許第330 831号に記載されている。半導体チップ１は、好ましくは、ウェーハテーブル４上の位置Ａに次々と差し出される。例えば、欧州特許出願第923 111号に記載のピックアンドプレイスシステムであるピックアンドプレイスシステム５は、半導体チップ１を位置Ａにおいて取上げ、基板２の上方の位置Ｂへと搬送する。位置Ｂにおいて、ピックアンドプレイスシステム５は、半導体チップ１をフリップ装置６へと引き渡す。フリップ装置６は、半導体チップ１を180°回転させ、基板２上の位置Ｃにフリップチップとして装着する。フリップ装置６は、位置Ｂから位置Ｃへの搬送中に、装着される半導体チップ１の位置誤差を修正するように構成されていることが好ましい。
【０００８】
図２は、フリップ装置６の詳細を示す斜視図である。フリップ装置６は、固定配置された支持部材７と、支持部材７上で鉛直方向８に移動可能とされたスライド部材９と、スライド部材９に支持され鉛直軸Ａ１回りに回動可能とされた支持ブラケット１０と、支持ブラケット１０に支持された２つの同一な回動アーム１１，１２と、２つの回動アーム１１，１２を連結する第１連結アーム１３及び第２連結アーム１４と、２つの回動アーム１１，１２を回動させる駆動システム１５と、第１連結アーム１３上に取付けられたチップ把持器１６と、第１連結アーム１３をその長手軸線回りに回転させてチップ把持器１６を180°回転させる駆動装置１７とを備えている。
【０００９】
支持ブラケット１０は、距離Ａだけ離れて配置された２つの支持鉛直軸Ａ２，Ａ３を備えている。支持鉛直軸Ａ２は第１回動アーム１１の一端を、支持鉛直軸Ａ３は第２回動アーム１２の一端を支持している。第１連結アーム１３もまた、距離Ａだけ離れて配置された２つの支持鉛直軸Ａ４，Ａ５を備えている。支持鉛直軸Ａ４は第１回動アーム１１の他端を、支持鉛直軸Ａ５は第２回動アーム１２の他端を支持している。支持ブラケット１０と、２つの回動アーム１１，１２と、第１連結アーム１３とが、平行四辺形構造体を構成している。
【００１０】
駆動システム１５は、鉛直軸Ａ６回りに回動可能なクランク１８と、一端がクランク１８の外方端部に支持され他端が第２連結アーム１４に支持された駆動ロッド１９とから構成されている。第２連結アーム１４の一端は鉛直延在軸Ａ７を介して回動アーム１１に支持され、第２連結アーム１４の他端は鉛直延在軸Ａ８を介して回動アーム１２に支持されている。駆動ロッド１９の支持軸もまた鉛直方向に延在しており、これらは符号Ａ９，Ａ１０で示している。支持軸Ａ１は、支持軸Ａ２から距離Ｂだけ離れて延在している。支持軸Ａ１０は、支持軸Ａ７から距離Ｂだけ離れて延在している。チップ把持器１６は、支持軸Ａ４から距離Ｂだけ離れて配置されている。従って、支持軸Ａ１，Ａ１０及びチップ把持器１６は、回動アーム１１，１２に対して平行に延在する直線上に配置されている。支持軸Ａ７，Ａ８は、支持軸Ａ２，Ａ３から距離Ｃだけ離れて配置され、第２連結アーム１４は、支持ブラケット１０に平行かつ第１連結アーム１３に平行に配置されている。平行四辺形構造体の利点は、第１連結アーム１３が常に支持ブラケット１０に平行に配置されることである。このようにして、支持ブラケット１０の修正運動によって、半導体チップ１の位置誤差は完全に除去される。
【００１１】
駆動システム１５により、チップ把持器１６は、第１限界位置と第２限界位置との間を往復移動する。これらの限界位置は、クランク１８及び駆動ロッド１９の伸張位置によって機械的に規定されることが好ましい。伸張位置とは、クランク１８と駆動ロッド１９とが同一方向に並ぶ位置、すなわち、支持軸Ａ６，Ａ９，Ａ１０が一直線上に並ぶ位置を意味する。このような構成によれば、駆動システム１５の位置誤差がチップ把持器１６の位置に対して実質的に影響を及ぼさないという利点が得られる。
【００１２】
図３Ａは、平行四辺形構造体を第１限界位置で示す概略平面図である。加えて、支持ブラケット１０はｘ軸と平行に配置されている。この位置において、ピックアンドプレイスシステム（図１）によって搬送された上面にバンプ（突起状接続電極）を有する半導体チップ１′がフリップ装置に引き渡される。すなわち、半導体チップ１′は、ピックアンドプレイスシステム５のボンドヘッドによって、上方を向くチップ把持器１６上に載置され、好ましくは負圧の作用で保持される。こうして、半導体チップ１′のバンプは上方を向く。この段階の後、図３Ａに示す半導体チップ１′には、基板上のセット位置に対するベクトルΔｘ，Δｙによる移動と、ｘ軸に対する角度Δθの回転とが与えられる。角度Δθで示される半導体チップ１′の角度誤差は、回転軸Ａ１に関する支持ブラケット１０の回転によって修正可能である。この場合、軸Ａ１０は基準点として機能する。図３Ｂは、支持ブラケット１０が、その初期位置に対して角度−Δθだけ回転した状態の平行四辺形構造体を示している。この状態で半導体チップ１′はｘ方向に対して平行に配置されている。この運動の際、回動アーム１１，１２の方向は変化しない。ベクトルΔｘ，Δｙで示される半導体チップ１′の位置誤差は、例えば、ｘ，ｙ方向における基板の修正移動で除去することが可能である。他の実施形態として、鉛直方向の移動以外にｘ，ｙ方向にも移動可能であるようにスライド部材９を支持部材７上に支持することも可能である。このような実施形態にはマイクロマニピュレータを用いることができる。一般的なマイクロマニピュレータは、スライド部材９を支持部材７に対してｘ，ｙ方向に、数１０〜数１００μｍ移動させる。これらの修正移動は、チップ把持器１６が半導体チップ１′を基板２上（図１）に載置する前に行われる。
【００１３】
次に、駆動システム１５は、平行四辺形構造体を第２限界位置にもって行く。この際、クランク１８は、クランク１８と駆動ロッド１９とが第２伸張位置に至るまでの幾何学的関係で定まる角度だけ回動する。この第２限界位置を図３Ｃに示す。この平行四辺形構造体の動きの際、半導体チップ１′の回転方向の向きは変化しない。
【００１４】
２つの伸張位置をもって作動する駆動システム１５の変更形態として、第１限界位置では平行四辺形構造体を第１停止位置にもって行き、第２限界位置では平行四辺形構造体を第２停止位置にもって行く弾性駆動システムを用いることができる。但し、駆動力は軸１０Ａを通じて作用させなければならない。なぜなら、軸Ａ１０は、角度誤差Δθの修正のための基準として必要だからである。
【００１５】
平行四辺形構造体が第１限界位置から第２限界位置に移動する際に並行して行われる他の動きは、以下の通りである。
ａ）駆動装置１７によってチップ把持器１６を180°回転させ半導体チップ１′のバンプを下方に向ける。
ｂ）チップ把持器１６と共に回転する半導体チップ１′が基板に接触するのを回避するために、スライド部材９を鉛直方向８に上昇させ、次いで下降させる。
ｃ）支持ブラケット１０を回転させることにより半導体チップ１の角度誤差を修正する。この場合、支持ブラケット１０の回転運動は、オフセットなく半導体チップ１′に与えられる。
ｄ）半導体チップ１′の位置誤差を、マイクロマニピュレータによるスライド部材９の適切な修正移動、または基板２の適切な修正移動のいずれかによって修正する。
【００１６】
平行四辺形構造体が第２限界位置に到達すると直ちに、スライド部材９は、基板２の上方、あるいは、基板２が載置されている支持プレートの上方の所定高さＨにまで下降する。半導体チップが基板２に接触すると直ちに、チップ把持器１６はスプリング力に抗しながらスライド部材９に対して変位する。高さＨは、半導体チップが基板２（図１）に対して所定の接合力で押圧されるように定められる（この工程は、一般的にオーバートラベルとして知られている）。
【００１７】
この第１実施形態では、半導体チップ（図１）の位置検出は、ウェーハテーブルによって半導体チップが位置Ａに配置された後、位置Ａの上方に設置された第１カメラによって行われる。すなわち、半導体チップが位置Ａで取上げられる直前に行われる。第２カメラによって、位置Ｃに配置された基板２の位置検出も行われる。このデータから、半導体チップの実際の位置と基板２上における半導体チップのセット位置との間の相違が計算され、半導体チップが位置Ｃに載置される前に、前述のように修正される。
【００１８】
位置精度を向上させるために、変更形態として、位置Ｂの上方にカメラを設置し、チップ把持器１６がカメラの視野内に配置され、半導体チップ１′の位置は、半導体チップ１′がフリップ装置のチップ把持器１６に保持された際にのみ測定されるように構成してもよい。この解決法は、半導体チップ１′がチップ把持器１６によって基板２上に載置された位置で半導体チップ１′の位置検出が行われるという点で好ましい。
【００１９】
基板上に半導体チップ１′を装着するために必要な接合力が比較的大きい場合がある。このような場合、スライド部材９から回動アーム１１，１２を通じてチップ把持器１６に接合力を伝達するのではなく、図４，５に示すように、第１回動アーム１１上に固定された押圧ユニット２６を通じて接合力を伝達することが好ましい。図４は、フリップ装置を、チップ把持器１６が次の半導体チップを受取ることが可能である第１限界位置で示している。この限界位置では、半導体チップをピックアンドプレイスシステム５（図１）によって容易にチップ把持器１６に引き渡すことができるように、押圧ユニット２６はチップ把持器１６の後方に配置されている。図５は、フリップ装置を、反転された半導体チップが基板２（図１）上に装着されようとしている第２限界位置で示している。回動アーム１１の回動運動によって、チップ把持器１６の位置に対する押圧ユニット２６の位置は変化しており、この限界位置では、押圧ユニット２６はチップ把持器１６の直上に配置されている。押圧ユニット２６は、例えば空気圧または油圧により、あるいは電気機械方式によって鉛直方向に移動可能とされたプランジャを備えている。基板上への半導体チップの装着は所定の接合力で行われるべきである。この接合力は場合によっては比較的大きい。この目的のために、押圧ユニット２６のプランジャが下降し、チップ把持器１６を所定の接合力で基板２に押付ける。
【００２０】
図６に概略的に示す好ましい実施形態では、プランジャは所定圧力が付与される圧力シリンダ２７である。圧力シリンダ２７は、中立位置では押圧ユニット２６の係止部２８に保持されている。接合力を与えるために、押圧ユニット２６は次のようにチップ把持器１６と協働する。既に述べたように、平行四辺形構造体の第２限界位置では、押圧ユニット２６はチップ把持器１６の上方に配置されている。半導体チップを装着するためには、スライド部材９を上述した所定高さＨに下降させる。半導体チップが基板２（図１）に接触すると直ちに、基板２と半導体チップとの間に力が発生し、この力によってチップ把持器１６は上方に変位する。このとき、チップ把持器１６の上端部は圧力シリンダ２７に突き当たる。高さＨは、全ての場合において、圧力シリンダ２７が押圧ユニット２６に対して変位するように、従って半導体チップを基板２に押付ける力が所定の接合力に対応するように予め設定される。この実施形態における利点は、接合力が基板２の厚さの変動の影響を受けないことである。
【００２１】
２つの回動アーム１１，１２の往復運動のために、及び、角度Δθの修正の可能性のために、支持ブラケット１０と、第１回動アーム１１と、第２回動アーム１２と、連結アーム１３とから構成された平行四辺形構造体は、第２連結アーム１４によって伸張される。機械構造的に言えば、これは冗長系となっており、第１連結アーム１３または第２連結アーム１４には、ある程度の遊びを含む緩やかな支持が必要である。好ましくは、第１連結アーム１３の支持軸Ａ５を緩やかな支持とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】  半導体チップを反転させるフリップ装置を備えたダイボンダを示す平面図である。
【図２】  フリップ装置の詳細を示す斜視図である。
【図３Ａ】  第１限界位置にあるフリップ装置を示す模式図である。
【図３Ｂ】  第１限界位置と第２限界位置の中間位置にあるフリップ装置を示す模式図である。
【図３Ｃ】  第２限界位置にあるフリップ装置を示す模式図である。
【図４】  押圧ユニットを備えた別形態のフリップ装置を示す斜視図である。
【図５】  押圧ユニットを備えた別形態のフリップ装置を示す斜視図である。
【図６】  押圧ユニットを示す断面図である。
【符号の説明】
１，１′  半導体チップ
２  基板
４  ウェーハテーブル
６  フリップ装置
８  鉛直方向
９  スライド部材
１０  支持ブラケット（平行四辺形構造体の一部）
１１  第１回動アーム（平行四辺形構造体の一部）
１２  第２回動アーム（平行四辺形構造体の一部）
１３  第１連結アーム（平行四辺形構造体の一部）
１４  第２連結アーム
１５  駆動システム
１６  チップ把持器
１８  クランク（駆動システム）
１９  駆動ロッド（駆動システム）
２６  押圧ユニット
２７  圧力シリンダ
Ａ１  鉛直回動軸
【図１】
0004164551.tif 000002
【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
0004164551.tif 000005
【図３Ｃ】
0004164551.tif 000006
【図４】
0004164551.tif 000007
【図５】
0004164551.tif 000008
【図６】
0004164551.tif 000009