JP5344145B2

JP5344145B2 - ボンディング装置における電子部品と基板の位置合わせ方法

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Publication number: JP5344145B2
Application number: JP2008329561A
Authority: JP
Inventors: 栄次田中; 竜一植田; 智史米光; 哲雄北口
Original assignee: Shibuya Corp
Current assignee: Shibuya Corp
Priority date: 2008-12-25
Filing date: 2008-12-25
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2028-12-25
Also published as: JP2010153562A

Description

本発明は，ボンディング装置における電子部品と基板との位置合わせ方法の改良に関するもので，詳しくは，電子部品認識カメラと基板認識カメラのずれ量と，基板認識カメラとボンディングヘッドの位置を認識するヘッド認識カメラのずれ量とを把握し，これらのずれ量を加味して，電子部品と基板との位置合わせをする方法に関するものである。

電子部品を基板に位置合わせをしてボンディングするボンディング装置には，従来より電子部品認識カメラと基板認識カメラが備えられていた。この電子部品認識カメラと基板認識カメラは，温度条件などの変化により基準位置よりずれてしまうことがあった。そのため電子部品認識カメラと基板認識カメラのずれ量を把握し，ずれ量を加味して位置合わせを行うことが行われていた。

その上，特許文献１に示されるようにボンディング装置の生産性向上のため，ボンディングヘッドと基板認識カメラとは，別体の移動手段により同方向へ移動可能とされるようになった。基板認識カメラとボンディングヘッドとが別体の移動手段で移動する場合には，温度条件の変化などにより基板認識カメラとボンディングヘッドとの移動量にも，ずれが生じることが予想される。

近年，ボンディング装置では，電子部品を基板へ搭載する精度の高精度化が求められるため，基板認識カメラとボンディングヘッドのずれ量をも加味して電子部品と基板の位置合わせを行う必要性が生じてきた。

特許３５５５４８８号特許公報

本発明は，基板認識カメラと電子部品認識カメラとのずれ量を加味して位置合わせをし，電子部品を基板に搭載するだけでなく，更に，基板認識カメラとボンディングヘッドとのずれ量をも加味して，位置合わせをして電子部品を基板に搭載することにより，高精度の搭載を可能とするボンディング装置における電子部品と基板との位置合わせ方法を提供することを目的とする。

本発明は，上記課題を解決するため，ボンディング装置における電子部品と基板の位置合わせ方法に次の手段を採用する。
第１に，電子部品を保持するボンディングヘッドと，電子部品を搭載させる基板を支持するボンディングステージと，ボンディングステージに対してボンディングヘッドを移動させるヘッド移動手段と，ボンディングヘッドの移動路下方に設置されてボンディングヘッドに保持された電子部品を認識する第１カメラと，ボンディングステージ上に支持された基板を認識する第２カメラと，前記第２カメラをボンディングヘッドとは独立して移動させるカメラ移動手段とを備えたボンディング装置とする。
第２に，第１カメラで電子部品を認識し，第２カメラで基板を認識して，電子部品と基板を位置合わせしてボンディングするボンディング装置とする。
第３に，前記ヘッド移動手段によりボンディングヘッドと一体的に移動可能なヘッドカメラと，第１カメラの視野内に位置可能な第１ターゲットマークと，前記ボンディングステージ上に設けられた第２ターゲットマークとを設ける。
第４に，第１ターゲットマークを挟んで第１カメラと第２カメラを対向させて両者のずれ量を把握するとともに，第１ターゲットマークと第２ターゲットマークを第２カメラとヘッドカメラでそれぞれに認識して両者のずれ量を把握し，これら把握したずれ量を加味して電子部品と基板の位置合わせを行うことを特徴とする。

本発明は，第１ターゲットマークを挟んで第１カメラと第２カメラを対向させて両者のずれ量を把握するとともに，第１ターゲットマークと第２ターゲットマークを第２カメラとヘッドカメラでそれぞれに認識して両者のずれ量を把握し，これら把握したずれ量を加味して電子部品と基板の位置合わせを行うものであるため，第１カメラと第２カメラのずれ量のみならず，第２カメラとヘッドカメラのずれ量を加味することで，基板を認識する第２カメラとボンディングヘッドのずれ量をも加味した精度の高い位置合わせをすることが可能となった。

以下，図面に従って，実施例とともに本発明の実施の形態について説明する。
図１は，本発明に係るボンディング装置の１実施例である半導体チップボンディング装置の概要を示す斜視図であり，電子部品である半導体チップ１を基板２に位置合わせをしてボンディングする装置である。

実施例に係る半導体チップボンディング装置は，ボンディングヘッド３と，半導体チップ供給部４と，基板２を支持するボンディングステージ部５と，半導体チップ１を認識するボトムカメラ６と，基板２を認識するトップカメラ７と，ボンディングヘッド３と一体的に移動可能なヘッドカメラ８と，ボンディングヘッド３及びトップカメラ７を移動させる移動装置９と，第１ターゲットマーク１０及び第２ターゲットマーク１１とを備えている。

ボンディングヘッド３は，半導体チップ１を吸着保持し，移動装置９により移動して基板２に半導体チップ１をボンディングするための部材であり，ボンディングヘッド３は，上下動を司るＺ軸駆動機構３２及び回転動を司るθ軸駆動機構（図示されていない）を有しており，Ｙ方向（図１中左右方向）へ移動する移動装置９の可動テーブル１８に装着されている。

半導体チップ供給部４は，半導体チップ１が多数配置されたチップトレー１２，チップトレー１２が載置される供給ステージ１３，供給ステージ１３をＸ方向（図１中前後方向）に移動可能とするＸ軸駆動テーブル１４を備えている。

ボンディングステージ部５には基板２を支持するボンディングステージ１５，ボンディングステージ１５をＸ方向に移動可能とするＸ軸駆動テーブル１６，ボンディングステージ１５上で基板２の載置部分外に設置された第２ターゲットマーク１１が備えられている。従って，第２ターゲットマーク１１は，ボンディングステージ１５と一体的に，Ｘ方向にのみ移動する。

ボンディングヘッド３とトップカメラ７の移動装置９は，１つのマグネットトラック１７に，ボンディングヘッド３が装着される可動テーブル１８及びトップカメラ７が装着される可動テーブル１９を設けたものであって，両可動テーブル１８，１９はＹ方向（Ｘ方向に直交する方向，図１中左右方向）に独立駆動できるようにされたリニアスライダである。この移動装置９は，本発明におけるヘッド移動手段とカメラ移動手段の役割を持つ。実施例では，このように１つの移動装置９を，ヘッド移動手段とカメラ移動手段としているが，独立した２種類の移動装置を設けたものであってもよい。

ボトムカメラ６は，ボンディングヘッド３が吸着保持している半導体チップ１を認識するカメラであって，半導体チップ供給部４とボンディングステージ１５の間のボンディングヘッド３の移動路下方に設置されている。ボトムカメラ６は，本発明における電子部品を認識する第１カメラに相応するカメラである。

トップカメラ７は，ボンディングステージ１５上に支持された基板２を認識するカメラであって，移動装置９にボンディングヘッド３の移動方向と同方向に移動可能で，ボンディングヘッドとは独立して移動するように装着されている。トップカメラ７は，本発明における基板を認識する第２カメラに相応するカメラである。

ヘッドカメラ８は，トップカメラ７とのずれ量を把握するためのカメラであり，実質的にはボンディングヘッド３とトップカメラ７のずれ量を把握する。ヘッドカメラ８は，ボンディングヘッド３と一体的に移動可能なるようボンディングヘッド３のボディ３３に固定されている。

第１ターゲットマーク１０は，表裏両面の同一位置に特定マークを設けたもので，進入機構２０により，第１ターゲットマーク１０を挟んで，ボトムカメラ６とトップカメラ７及びボトムカメラ６とヘッドカメラ８が同軸上に位置できるように，Ｘ方向で進入退避可能なるよう構成されている。尚，特定マークとして，実施例では最も一般的な基準位置指定用のマークである十字図形を利用している。十字図形の交点が第１ターゲットマーク１０のマーク中心３１となる。

第２ターゲットマーク１１は，第１ターゲットマーク１０と同様のマーク中心３４を設けた十字図形を用いているが，表面のみに設けられ，ボンディングステージ１５に固定されたものである点で，第１ターゲットマーク１０とは異なる。従って，第２ターゲットマーク１１は，ボンディングステージ１５と一体的にＸ方向に移動可能である。

以下，実施例での位置合わせをしたボンディング動作の基本について説明する。
まず，ボンディングヘッド３が移動装置９により半導体チップ供給部４の上方へ移動する。移動装置９によるボンディングヘッド３のＹ方向への移動と，半導体チップ供給部４のＸ軸駆動テーブル１４によるＸ方向への移動とにより，所定の半導体チップ１の上方にボンディングヘッド３が位置する。ボンディングヘッド３は，Ｚ軸駆動機構３２の作動により下降し，所定の半導体チップ１を吸着保持する。

その後，ボンディングヘッド３は，Ｚ軸駆動機構３２により上昇し，移動装置９により図１及び図２（Ａ）に示すように，ボトムカメラ６の上方の予め設定された位置に移動する。この位置で，ボトムカメラ６が，ボンディングヘッド３に吸着された半導体チップ１を認識し，図３（Ａ）に示すようにボトムカメラ視野中心２３を基準として，半導体チップ中心２６が，どれだけずれているか（ＸＹ位置，θ角）を把握する。尚，図３（Ａ）中符号２２は，ボトムカメラの視野であるが，図３（Ａ）におけるボトムカメラの視野２２内の半導体チップ１の位置は，後述するトップカメラの視野２４内の位置決めマーク２１の位置と比較するため，上方から認識される半導体チップ１の位置に変換されて示されている。

次に，移動装置９及びＸ軸駆動テーブル１６が作動し，トップカメラ７とボンディングステージ１５が移動し，図１及び図２（Ｂ）に示すように，ボンディング位置の上方にトップカメラ７が位置する。トップカメラ７は，基板２上の位置決めマーク２１を認識し，図３（Ｂ）に示すようにトップカメラ視野中心２５を基準として，位置決めマーク中心２９がどれだけずれているか（ＸＹ位置，θ角）を把握する。尚，図３（Ｂ）中符号２４は，トップカメラ視野である。

尚，ボンディングヘッド３が位置するボトムカメラ６上方の位置及び基板２上の各ボンディング位置は，予め設定されており，ボンディングヘッド３は半導体チップ１を保持してボトムカメラ６の上方に位置した後，Ｙ方向へ移動して，図２（Ｃ）に示すように，ボンディング位置の上方に位置する。その際の移動量も予め設定されている。

この予め設定されているボンディングヘッド３の移動量に対して，ボトムカメラ６で把握したＹ方向のずれ量と，トップカメラ７で把握した基板２の位置決めマーク２１のＹ方向のずれ量を加減して実際にボンディングヘッド３を移動させる。また，ボンディングステージ１５の移動量も予め設定されており，ボトムカメラ６で把握したＸ方向のずれ量と，トップカメラ７で把握した基板２の位置決めマーク２１のＸ方向のずれ量を加減してボンディングステージ１５をＸ方向に移動させる。この移動量の補正は図３（Ｃ）のように行われる。

これにより，基板２上の位置決めマーク中心２９と半導体チップ中心２６が位置合わせされる。尚，半導体チップ１と基板２の傾きはボンディングヘッド３をθ角回転させて，ずれている角度に応じて補正する。

この補正動作を，図３に従って具体的に説明する。ボトムカメラ６の認識では，図３（Ａ）に示すように，ボトムカメラ視野中心２３に対して半導体チップ中心２６（Ｃｘ，Ｃｙ）は，Ｘ方向に１，Ｙ方向に１，反時計回りに１０°ずれている。これに対し，トップカメラ７の認識では，トップカメラ視野中心２５に対して位置決めマーク中心２９（Ｍｘ，Ｍｙ）は，Ｘ方向に−１，Ｙ方向に２，時計回りに５°ずれている。

このような状態で，半導体チップ中心２６のＹ座標（Ｃｙ）を，位置決めマーク中心２９のＹ座標（Ｍｙ）に近づける場合の移動量は，Ｍｙ−Ｃｙとなり，ボンディングヘッド３をこの値だけ，Ｙ方向に移動させる。ボンディングヘッド３の進行方向は，座標上マイナス方向なので，補正値としては，−（Ｍｙ−Ｃｙ）として求められる。

他方，位置決めマーク中心２９のＸ座標（Ｍｘ）を，半導体チップ中心２６のＸ座標（Ｃｘ）に近づける場合の移動量は，Ｃｘ−Ｍｘとなり，ボンディングステージ１５を，この値だけＸ方向に移動させる。

図３（Ａ）（Ｂ）の場合は，−（Ｍｙ−Ｃｙ）＝−（２−１）＝−１，Ｃｘ−Ｍｘ＝１−（−１）＝２となり，ボンディングヘッド３は，予め設定されたＹ方向の移動量から１を減算した量だけ移動させ，ボンディングステージ１５は予め設定された位置からプラス方向に２だけ移動させる。また，半導体チップ１と基板２の傾きに対しては，ボンディングヘッド３を時計回りに１５°回転させることで対応する。

このようにして半導体チップ１と基板２の位置合わせをした後，ボンディングヘッド３は下降し，半導体チップ１を基板２にボンディングする。しかし，ボトムカメラ６とトップカメラ７の間に機械的なずれがある場合は，ボトムカメラ６とボンディングヘッド３の中心位置が合わず，半導体チップ１は誤った位置に認識され，半導体チップ１と基板２の位置決めマーク２１の位置関係も誤ったものとなる。

上記のようなボトムカメラ６とトップカメラ７の機械的な位置ずれを補正するために，図４に示すように，トップカメラ７の視野中心２５をボトムカメラ６の視野中心２３に対応する設定位置に移動させ，両者の間に第１ターゲットマーク１０を位置させて，両者のずれ量を把握し，トップカメラ７の中心（トップカメラ視野中心２５）をボトムカメラ６の中心（ボトムカメラ視野中心２３）へ位置させるための補正量を求める。

図５に示すようにトップカメラ視野中心２５（Ｔｘ，Ｔｙ）が，第１ターゲットマーク１０のマーク中心３１に対し，Ｔｘ＝１，Ｔｙ＝−１のずれ量を有し，ボトムカメラ視野中心２３（Ｂｘ，Ｂｙ）が，Ｂｘ＝０，Ｂｙ＝０のずれ量（第１ターゲットマーク１０のマーク中心３１とボトムカメラ６の視野中心２３にはずれがない）とする。

このようなトップカメラ７とボトムカメラ６にずれ量があるとき，ボトムカメラ６が，半導体チップ中心２６及びボンディングヘッド中心２７を図６（Ａ）のように認識した場合，トップカメラ７の認識した位置決めマーク中心２９との関係で，半導体チップ１は，図６（Ｂ）の実線斜線部に存在するにもかかわらず，点線部２８に半導体チップ１が存在するものと認識されてしまう。

そこで，トップカメラ７の視野中心２５をボトムカメラ６の視野中心２３に位置させるには，図５におけるＢｘ−Ｔｘ及びＢｙ−Ｔｙにより補正値を求め，これにより，ボトムカメラ６で認識した半導体チップ１の位置を補正することで対応する。

しかし，ボンディングヘッド３とトップカメラ７が別駆動で，各々の移動量にばらつきがある場合には，トップカメラ７とボトムカメラ６のキャリブレーションによる補正だけでは解決できない。特に，実施例のように駆動にリニアスライダを使用した場合には，発熱による精度誤差が大きくなり，トップカメラ７とボンディングヘッド中心２７の位置ずれ量が，移動により変化している場合がある。

図７（Ａ）に示されるように，トップカメラ７とボンディングヘッド３をそれぞれボトムカメラ６の視野中心２３に位置合わせすると，トップカメラ７の視野中心２５とボンディングヘッド３の中心２７にはずれが生じる場合がある。そのずれは移動装置９における可動テーブル１８，１９による独立した移動により，移動先のボンディングステージ１５上では再現されず，ずれ量が変化してしまうため，図７（Ａ）で示したボトムカメラ６の上方位置でのずれ量を加味して補正しても，図７（Ｂ）に示されるようにトップカメラ７の認識した位置決めマーク中心２９との関係で，半導体チップ１は，図７（Ｂ）の実線斜線部に存在するにもかかわらず，点線部３０に半導体チップ１が存在するものと認識されてしまう。

そこで，ボンディングヘッド３に一体的に設けられたヘッドカメラ８及びトップカメラ７で，第１ターゲットマーク１０及び第２ターゲットマーク１１を認識して，移動に伴う変化量を把握し，これをボトムカメラ６とトップカメラ７のキャリブレーションによる補正値に加味する。

具体的には，図８（Ａ）に示されるようにトップカメラ７で，第１ターゲットマーク１０を観察し，トップカメラ７の視野中心２５と第１ターゲットマーク１０のマーク中心３１とのずれ量を認識する。次に，図８（Ｂ）に示されるようにトップカメラ７は，ボンディングステージ１５上方へ移動し，第２ターゲットマーク１１を観察し，トップカメラ７の中心と第２ターゲットマーク１１のマーク中心３４とのずれ量を認識し，Ｘ方向及びＹ方向の変化値（Ｘｔ，Ｙｔ）を把握する。

他方，ヘッドカメラ８も，図８（Ｂ）に示されるように，第１ターゲットマーク１０を観察し，ヘッドカメラ８の中心と第１ターゲットマーク１０のマーク中心３１とのずれ量を介して，ボンディングヘッド中心２７と第１ターゲットマーク１０のマーク中心３１とのずれ量を認識する。次に，図８（Ｃ）に示されるようにヘッドカメラ８は，ボンディングステージ１５上方へ移動し，第２ターゲットマーク１１を観察し，ヘッドカメラ８の中心と第２ターゲットマーク１１のマーク中心３４とのずれ量を介して，ボンディングヘッド中心２７と第２ターゲットマーク１１のマーク中心３４とのずれ量を認識し，ヘッドカメラ８と一体的に移動するボンディングヘッド３のボンディングヘッド中心２７のＸ方向及びＹ方向の変化値（Ｘｈ，Ｙｈ）を把握する。

これによりトップカメラ７とボンディングヘッド３のずれ量（Ｘ，Ｙ）を，Ｘ＝Ｘｔ−Ｘｈ，Ｙ＝Ｙｔ−Ｙｈと演算して把握し，補正値に加味するのである。これによりボトムカメラ６とトップカメラ７のキャリブレーション及びトップカメラ７とボンディングヘッド３のキャリブレーションが行われるのである。このようにして半導体チップ１と基板２とを正確に位置決めしてボンディングする。

本実施例に係る半導体チップボンディング装置の全体を示す概略斜視図基板と半導体チップの位置合わせ手順を示す説明図で，（Ａ）は半導体チップ認識を示し，（Ｂ）は基板認識を示し，（Ｃ）はボンディング状態を示す。基板と半導体チップのずれ量の補正を示す説明図で，（Ａ）は半導体チップのずれ量認識を示し，（Ｂ）は基板の位置決めマークのずれ量認識を示し，（Ｃ）は半導体チップと基板のずれ量の補正を示す。ボトムカメラとトップカメラのずれ量認識位置を示す説明斜視図ボトムカメラとトップカメラのずれ量を示す説明図ボトムカメラとトップカメラのずれ量による認識の誤りを示す説明図で，（Ａ）は半導体チップの認識を示し，（Ｂ）は半導体チップの認識位置と実際位置の相違を示す。トップカメラとボンディングヘッドのずれ量による認識の誤りを示す説明図で，（Ａ）は両者のずれ量を示し，（Ｂ）は半導体チップの認識位置と実際位置の相違を示す。トップカメラとボンディングヘッドのずれ量の測定手順を示す説明斜視図であり，（Ａ）はトップカメラでの第１ターゲットマーク認識時を示し，（Ｂ）はトップカメラでの第２ターゲットマーク認識及びヘッドカメラでの第１ターゲットマーク認識時を示し，（Ｃ）はヘッドカメラでの第２ターゲットマーク認識を示す。トップカメラとボンディングヘッドのずれ量測定の説明図

符号の説明

１・・・半導体チップ
２・・・基板
３・・・ボンディングヘッド
４・・・半導体チップ供給部
５・・・ボンディングステージ部
６・・・ボトムカメラ
７・・・トップカメラ
８・・・ヘッドカメラ
９・・・移動装置
１０・・・第１ターゲットマーク
１１・・・第２ターゲットマーク
１２・・・チップトレー
１３・・・供給ステージ
１４，１６・・・Ｘ軸駆動テーブル
１５・・・ボンディングステージ
１７・・・マグネットトラック
１８，１９・・・可動テーブル
２０・・・進入機構
２１・・・位置決めマーク
２２・・・ボトムカメラ視野
２３・・・ボトムカメラ視野中心
２４・・・トップカメラ視野
２５・・・トップカメラ視野中心
２６・・・半導体チップ中心
２７・・・ボンディングヘッド中心
２８，３０・・・点線部
２９・・・位置決めマーク中心
３１，３４・・・マーク中心
３２・・・Ｚ軸駆動機構
３３・・・ボディ

Claims

電子部品を保持するボンディングヘッドと，電子部品を搭載させる基板を支持するボンディングステージと，ボンディングステージに対してボンディングヘッドを移動させるヘッド移動手段と，ボンディングヘッドの移動路下方に設置されてボンディングヘッドに保持された電子部品を認識する第１カメラと，ボンディングステージ上に支持された基板を認識する第２カメラと，前記第２カメラをボンディングヘッドとは独立して移動させるカメラ移動手段とを備え，
第１カメラで電子部品を認識し，第２カメラで基板を認識して，電子部品と基板を位置合わせしてボンディングするボンディング装置における電子部品と基板の位置合わせ方法において，
前記ヘッド移動手段によりボンディングヘッドと一体的に移動可能なヘッドカメラと，第１カメラの視野内に位置可能な第１ターゲットマークと，前記ボンディングステージ上に設けられた第２ターゲットマークとを設け，
第１ターゲットマークを挟んで第１カメラと第２カメラを対向させて，
両者のずれ量を把握するとともに，第１ターゲットマークと第２ターゲットマークを第２カメラとヘッドカメラでそれぞれに認識して両者のずれ量を把握し，これら把握したずれ量を加味して電子部品と基板の位置合わせを行うことを特徴とするボンディング装置における電子部品と基板の位置合わせ方法。