JP6019817B2 - ボンディング装置 - Google Patents

Description

本発明はボンディング装置に関し、より詳しくは、レーザ光により半導体チップを加熱して基板に接合するようにしたボンディング装置に関する。

従来、ボンディングヘッドに保持したボンディングツールをレーザ光で加熱し、該ボンディングツールによって半導体を加熱して基板に接合するようにしたボンディング装置は公知である（例えば特許文献１、特許文献２）。
こうした従来のボンディング装置においては、ボンディングヘッドのハウジングに形成されたツール吸引通路からハウジング内に負圧を供給するようになっており、ハウジング内に供給された負圧はボンディングツールの貫通孔にも作用するので、ボンディングツールの下面に半導体チップを吸着保持できるようになっている。

特開２０１０−１２９８９０号公報 特開２００９−１８２１６２号公報

ところで、従来のボンディング装置により接合作業を行う際には、バンプに液体のフラックス等を付着させて用いている。しかしながら、このように半導体チップの接合時にフラックス等を用いると、次のような問題が生じていた。すなわち、半導体チップを加熱してバンプが溶融される際にフラックス等が熱によって蒸散し、該蒸散したフラックス等が上記ボンディングツールの貫通孔を介してハウジング内に吸引されて、該ハウジングの内面に付着したものである。そのため、ボンディング装置によって半導体チップのボンディング作業を繰り返すうちに、ハウジング内の集光レンズやレーザ光を透過させる透過部材の表面にフラックス等が付着してレーザ光の透過を遮るようになり、したがって、レーザ光によってボンディングツールを加熱する際の加熱効率が低下するという問題があった。

上述した事情に鑑み、請求項１に記載した本発明は、基板が載置される基板ステージと、レーザ光を発振するレーザ発振器と、電子部品を保持して基板に接合するボンディングヘッドと、上記レーザ発振器から発振されたレーザ光を上記ボンディングヘッドに導光する導光手段と、上記ボンディングヘッドに設けられ、レーザ光を透過させるツールベースと、上記ツールベースに設けられる電子部品の吸引通路とを備え、上記ツールベースを透過させたレーザ光により電子部品を加熱して基板に接合するようにしたボンディング装置において、
上記導光手段は、それぞれ異なった導光経路を有する複数のレーザ光を上記ボンディングヘッドに導光して上記ツールベースを透過させるようにし、上記電子部品の吸引通路は、上記各レーザ光の照射方向と交差する区間を有するとともに、当該交差する区間を上記各レーザ光の導光経路の間に配置されることを特徴とするものである。
また、請求項２に記載した本発明は、上記請求項１の構成において、上記導光手段は、上記各レーザ光を導光して上記ツールベースの端面にマトリックス状のパターンで配列された複数の照射スポットを形成することを特徴とするものである。
また、請求項３に記載した本発明は、上記請求項１又は請求項２の構成において、上記導光手段によってボンディングヘッドに導光される各レーザ光は、それぞれビームプロファイルがガウシアンモードであることを特徴とするものである。
さらに、請求項４に記載した本発明は、上記請求項１から請求項３の構成のいずれかにおいて、上記ツールベースは、上層側となる第１透過部材と下層側となる第２透過部材とを積層して構成されており、上記吸引通路は、第２透過部材に形成される軸方向孔と、該軸方向孔と連通するとともに第１透過部材と第２透過部材の当接面における少なくとも一方に形成された溝とによって構成されることを特徴とするものである。

請求項１の構成によれば、ボンディング装置によりボンディング作業の際にフラックス等を使用した場合において、該フラックス等が蒸散して吸引通路に吸い込まれると、フラックス等は吸引通路に付着することになる。しかしながら、吸引通路は設置領域が少なく、しかもレーザ光の導光経路の間に位置している。そのため、従来と比較して、蒸散したフラックス等によってレーザ光の加熱効率が低下するのを防止することができる。また、フラックス等によって汚染される領域を限定できるので、ボンディング装置のメンテナンス性を向上させることができる。
また、請求項２の構成によれば、照射スポットがマトリックス状に配列されるので、上記吸引通路の配置が容易となる。
また、請求項３の発明によれば、照射スポットのビームプロファイルがガウシアンモードとなっているので、吸引通路には相対的に強度の低いレーザ光が照射されることになり、レーザ光の透過率の低下を抑制することができる。
さらに、請求項４の発明によれば、吸引通路の製作が容易であり、第１透過部材と第２透過部材を分離することにより、フラックス等が溜まる吸引通路を容易に清掃することができる。そのため、吸引通路のメンテナンス性を向上させることができる。

本発明の一実施例を示す構成図。 図１のＩＩ―ＩＩ線に沿う要部の断面図。 図１のＩＩＩ―ＩＩＩ線に沿う要部の断面図。 図３のＩＶ―ＩＶ線に沿うレーザ光のプロファイルを示す図。

以下、図示実施例について本発明を説明すると、図１おいて１は基板２に半導体チップ３を接合するボンディング装置１である。このボンディング装置１は、上記基板２を支持して水平面内でＸ−Ｙ方向に移動させる基板ステージ４と、上記基板ステージ４の上方側に配置されたボンディングヘッド５と、このボンディングヘッド５を昇降させる昇降加圧機構６と、レーザ光Ｌを発振するレーザ発振器７と、レーザ発振器７から発振されたレーザ光Ｌを上記ボンディングヘッド５内へ導光する導光手段８とを備えている。

後に詳述するが、ボンディングヘッド５は筒状のハウジング５Ａを備えており、このハウジング５Ａの下端部に二層の透過部材１１、１２からなるツールベース１３が水平に固定されている。そして、このツールベース１３の下面にボンディングツール１４を着脱自在に吸着保持すると同時に、該ボンディングツール１４の下面に半導体チップ３を着脱自在に吸着保持できるようになっている。
上記ハウジング５Ａの側面上部には、導光手段８の一端が水平方向となるように接続されており、この導光手段８の他端はレーザ発振器７に接続されている。
上記レーザ発振器７から発振されたレーザ光Ｌは、導光手段８を介してハウジング５Ａの軸心に向けて水平に照射されるとともに、集光レンズ１５によって所要の大きさに集光されるようになっている。そして、水平方向に照射されたレーザ光Ｌは、ハウジング５Ａ内の上方中央部に配置された反射ミラー１６により鉛直下方に反射され、ツールベース１３を透過してボンディングツール１４に照射されて該ボンディングツール１４を加熱するようになっている。これにより、ボンディングツール１４に保持された半導体チップ３も加熱されるようになっている。

上記基板ステージ４、昇降加圧機構６及びレーザ発振器７の作動は図示しない制御装置によって制御されるようになっている。制御装置がレーザ発振器７を作動させるとレーザ発振器７からレーザ光Ｌが発振され、該レーザ光Ｌは導光手段８を介してボンディングヘッド５に導光されてからボンディングツール１４に照射されてこれを加熱するようになっている。上記レーザ発振器７としては、半導体レーザ、ＹＡＧレーザ等の固体レーザ、或いはその他のレーザを用いることができる。

しかして、本実施例は、レーザ発振器７、導光手段８及びツールベース１３とその周辺を以下のように構成することにより、レーザ光Ｌによりボンディングツール１４を加熱する際の加熱効率の低下を防止したことが特徴である。
図１ないし図２に示すように、本実施例の導光手段８は、同一外径をした３６本の光ファイバー２１の束から構成されており、各光ファイバー２１毎の異なる導光経路を経由した各レーザ光Ｌがボンディングヘッド５に導光されるようになっている。本実施例のレーザ発振器７は、それぞれ独立して制御される３６個のレーザ発振器７’から構成されるとともにそれらに対応する各光ファイバー２１に接続されている。そして、３６本の光ファイバー２１の一端（導光手段８の一端）は、円筒状のケーシング２２内に保持されるとともに、該ケーシング２２を介して上記ハウジング５Ａの側面に水平状態で連結されている。上記集光レンズ１５はケーシング２２内に保持されている。
図２に示すように、導光手段８を構成する３６本の光ファイバー２１は、縦横に等間隔で各々６本ずつ配置されたマトリックス状で束ねられており、その状態でケーシング２２内に保持されている。そのため、レーザ発振器７からレーザ光Ｌが発振されると、導光手段８の各光ファイバー２１を介してレーザ光Ｌは、マトリックス状となってツールベース１３を透過してボンディングツール１４に照射されるようになっている（図３参照）。そして、この図３に示すように、ボンディングツール１４に対する各レーザ光Ｌの照射スポットもマトリックス状となる。

また、本実施例においては、各レーザ光Ｌの強度分布（ビームプロファイル）は、ガウシアンモードとなっている（図３、図４のＳ１〜Ｓ６参照）。このガウシアンモードにおいては、照射スポットにおけるレーザ光Ｌは、その光軸の箇所が最も強度が高くなり、光軸の周辺は強度が低下するようになっている（図４参照）。つまり、隣り合う各レーザ光Ｌは、それら間の箇所において強度が弱くなっている。そして、この特徴を利用して、本実施例においては、隣り合う列のレーザ光Ｌの間の位置にチップ吸引通路２３を設けている。

次に、ツールベース１３と周辺の構成について説明すると、本実施例のツールベース１３は、サファイヤからなる透過部材１１を上層とし、石英ガラスからなる透過部材１２を下層とした積層構造となっている。
積層状態の両透過部材１１、１２はハウジング５Ａの下端の内周部に嵌着されている。透過部材１２の下面は、環状の取付部材２４によってハウジング５Ａの下端面と略同じ高さに水平に支持されている。他方、積層状態における透過部材１１の上面は、ハウジング５Ａ内に嵌着された環状ストッパ２５によって押圧されて水平に支持されている。これにより、ツールベース１３を構成する両透過部材１１、１２は、ハウジング５Ａ内の下部に水平に支持されるとともに、透過部材１１の下面と透過部材１２の上面は気密を保持した状態で接触している。

本実施例においては、ハウジング５Ａ、ストッパ２５及びツールベース１３にわたってツール吸引通路２６が形成されるとともに、ハウジング５Ａ、両透過部材１１、１２及びボンディングツール１４にわたってチップ吸引通路２３が形成されている。ツール吸引通路２６に負圧源２７から導管２８を介して負圧が供給されると、ツールベース１３の下面（透過部材１２の下面）にボンディングツール１４を吸着保持できるようになっている。また、チップ吸引通路２３に導管３１を介して負圧源３２から負圧が供給されると、ツールベース１３に保持された状態のボンディングツール１４の下面に半導体チップ３を吸着保持できるようになっている。

正方形をしたボンディングツール１４の四隅に合せて、上下の透過部材１１、１２にわたって４箇所の貫通孔１３Ａが穿設されており、これら各貫通孔１３Ａの上端は、上記ストッパ２５の下面に形成された溝２５Ａに連通させている。ストッパ２５の溝２５Ａは、該ストッパ２５とハウジング５Ａとにわたって形成されたＬ字形の連通孔２５Ｂを介して上記導管２８の一端に接続されている。上記４箇所の貫通孔１３Ａ、ストッパ２５の溝２５Ａと連通孔２５Ｂとによってツール吸引通路２６が構成されている。
導管２８の他端は負圧源２７に接続されており、該負圧源２７は制御装置によって作動を制御されるようになっている。ボンディング装置１によるボンディング作業が行われる際には制御装置によって負圧源２７が作動されている。そのため、ボンディング作業中においては、ツール吸引通路２６に負圧が供給されるので、ボンディングツール１４はツールベース１３の下面（透過部材１２の下面）に吸着保持されるようになっている。

次に、図１及び図３を基にチップ吸引通路２３について説明する。下層の透過部材１２の中心には、上下方向の貫通孔１２Ａが穿設されており、さらにこの貫通孔１２Ａの上端から連続して透過部材１２の上面にはハウジング５Ａの内面まで到達する直線状の溝１２Ｂが形成されている。溝１２Ｂの外方端の位置に合せてハウジング５Ａには水平方向の貫通孔５Ｂが穿設されており、該貫通孔５Ｂに導管３１の一端が接続されている。
直線状の溝１２Ｂは、前述した光ファイバー２１の照射スポットの隣り合う２列の間に位置するように、上記透過部材１２の上面に形成されている（図３参照）。上記直線状の溝１２Ｂの全域は、透過部材１１の下面によって覆われているので、直線状の溝１２Ｂの内部空間は、中心から外方へ伸びる水平方向孔として形成される。そして、透過部材１２に形成された軸方向孔１２Ａと上記溝１２Ｂの内部空間とによってツールベース１３内に接続通路２９が形成されている。つまり、この接続通路２９は、上記チップ吸引通路２３において、各光ファイバー２１から照射される各レーザ光Ｌの照射方向と交差する区間となっている。
一方、ボンディングツール１４の中心には上下方向の貫通孔１４Ａが穿設されており、ツールベース１３の下面にボンディングツール１４が吸着保持されると、ボンディングツール１４の貫通孔１４Ａとツールベース１３の貫通孔１２Ａが連通するようになっている（図１の状態）。本実施例においては、ボンディングツール１４の軸方向孔１４Ａ、接続通路２９及びハウジング５Ａの貫通孔５Ｂによってチップ吸引通路２３が構成されている。
ハウジング５Ａの貫通孔５Ｂには導管３１の一端が接続されており、該導管３１の他端は負圧源３２に接続されている。この負圧源３２は、制御装置によって作動を制御されるようになっており、所要時に制御装置が負圧源３２からチップ吸引通路２３に負圧を供給することにより、ボンディングツール１４の下面に半導体チップ３を吸着保持できるようになっている。

以上の構成において、ボンディング作業の開始時において制御装置は負圧源２７からツール吸引通路２６に負圧を供給するので、ボンディングツール１４はツールベース１３の下面に吸着保持されている。そして、制御装置により負圧源３２からチップ吸引通路２３に負圧が供給されるので、半導体チップ３はボンディングツール１４の下面に吸着保持されている。
この後、制御装置は、基板ステージ４を作動させて、ボンディングツール１４に保持した半導体チップ３と基板２とを位置合わせした状態において、上記昇降加圧機構６によりボンディングヘッド５を下降させる。これにより、ボンディングツール１４に吸着保持された半導体チップ３は基板２に当接して押圧される。この時点から制御装置がレーザ発振器７を作動させることでレーザ発振器７（７’）からレーザ光Ｌが発振される。すると、複数の光ファイバー２１からなる導光手段８を介して複数のレーザ光Ｌがハウジング５Ａへ導光され、集光レンズ１５で集光されてから反射ミラー１６によって鉛直下方へ方向転換されてからツールベース１３に照射される。前述したように、複数の光ファイバー２１はマトリックス状に束ねられているので、各光ファイバー２１からツールベース１３にレーザ光Ｌが照射されると、それらのレーザ光Ｌの照射スポットもマトリックス状となる（図２、図３参照）。
なお、図３に示されるように、ツールベース１３の貫通孔１２Ａによって、レーザ光Ｌが散乱することを防止するため、この貫通孔１２Ａの周囲には照射スポットは形成していない。したがって、図２における中心部の４つの光ファイバー２１に接続されるレーザ発振器７’はレーザ光Ｌを発振しないように制御される。

ここで、負圧が供給されている接続通路２９における直線状の溝１２Ｂは、隣り合う２列のレーザ光Ｌの中間に配置されており、しかも図４に示すように、レーザ光Ｌの強度のプロファイルはガウシアンモードとなっている。そのため、ツールベース１３に溝１２Ｂが形成されているにも拘らず、溝１２Ｂによるレーザ光Ｌの熱の損失を最小限度に抑制することができる。
そして、レーザ光Ｌが二層の透過部材１１、１２からなるツールベース１３を透過してボンディングツール１４に照射されると、該ボンディングツール１４がレーザ光Ｌによって加熱されて、半導体チップ３及びその下面の複数箇所に配置されたバンプ３５（図１）が加熱される。半導体チップ３の裏面には予めフラックスを塗布させている。なお、フラックスは基板２の半導体チップ３がボンディングされる位置に塗布されても良い。

上記バンプ３５が溶融する際には、それに付着したフラックス等の一部が蒸散して、半導体チップ３の周辺に漂ってから上記チップ吸引通路２３内に負圧によって吸引される。このように、チップ吸引通路２３内に吸引されたフラックス等はチップ吸引通路２３を構成する接続通路２９（貫通孔１２Ａや溝１２Ｂとそれを閉鎖した箇所の透過部材１１の下面）にも付着することになる。しかしながら、本実施例のレーザ光Ｌは図４に示すようにガウシアンモードとなっており、しかも溝１２Ｂは隣り合うレーザ光Ｌの照射スポットの間に形成されている。そのため、溝１２Ｂ内やその隣接上層の透過部材１１の下面にフラックス等が付着して固化したとしても、レーザ光Ｌの熱効率が低下するのを防止することができる。そのため、ボンディングツール１４によって半導体チップ３を効率的に加熱して該半導体チップ３を基板２に確実に接合することができる。
このようにしてボンディング作業が終了したら、制御装置からの指令により負圧源３２からチップ吸引通路２３への負圧の供給が停止されるので、ボンディングツール１４による半導体チップ３の保持状態が解除される。その後、昇降加圧機構６によりボンディングヘッド５が上昇され、次回のボンディングに移行するようになっている。

以上のように、本実施例においては、フラックス等が蒸散してチップ吸引通路２３内に付着して固化したとしても、チップ吸引通路２３の要部となる接続通路２９の設置領域が少なく、かつレーザ光Ｌの照射スポットの間に位置している。そのため、従来と比較して、蒸散したフラックス等によってレーザ光Ｌの加熱効率が低下するのを防止することができる。また、フラックス等によって汚染される領域（接続通路２９）を限定できるので、ボンディング装置１のメンテナンス性を向上させることができる。
また、本実施例においては、レーザ光Ｌの照射スポットがマトリックス状に配列されるので、上記接続通路２９の配置が容易となる。
また、レーザ光Ｌの照射スポットのビームプロファイルはガウシアンモードとなっているので、上記接続通路２９には相対的に強度の低いレーザ光Ｌが照射されることになり、レーザ光Ｌの透過率の低下を抑制してレーザ光Ｌの加熱効率の低下を防止できる。
さらに、本実施例においては、ツールベース１３を二層の透過部材１１，１２を積層させて構成しているので、上記接続通路２９を容易に製作することができる。しかも、両透過部材１１、１２を分離することにより、フラックス等が付着した状態の接続通路２９内を容易に清掃することができる。そのため、接続通路２９のメンテナンス性が良好である。

なお、上記実施例では、レーザ光Ｌによりボンディングツール１４を加熱し、この加熱されたボンディングツール１４によって半導体チップ３を加熱するようにしているが、ボンディングツール１４を省略してツールベース１３に半導体チップ３を吸着保持し、この半導体チップ３をレーザ光Ｌによって直接加熱するようにしてもよい。
この場合には、負圧源２７からツール吸引通路２６への負圧の供給を停止させる一方、チップ吸引通路２３に負圧源３２から負圧を供給することで、ツールベース１３の下面（透過部材１２の下面）に直接半導体チップ３を吸着保持すればよい。つまり、この場合には、ツールベース１３がボンディングツール１４として作用することになる。
このように上記実施例のボンディング装置１は、ツールベース１３を透過させたレーザ光Ｌにより、ボンディングツール１４を介して半導体チップ３を加熱したり、ツールベース１３に吸着保持した半導体チップ３を直接加熱したりすることができるが、それぞれ専用機として構成することができることは勿論である。

なお、上記実施例においては、下層の透過部材１２の上面に溝１２Ｂを形成していたが、上層の透過部材１１の下面に上記溝１２Ｂに対応する箇所に直線状の溝を形成しても良い。
また、上記実施例においては、ツールベース１３を上層の透過部材１１と下層の透過部材１２を積層して構成していたが、単一の透過部材によりツールベース１３を構成して、該単一の透過部材の内部に上記貫通孔１２Ａと溝１２Ｂの内部空間に相当するＬ字状の接続通路２９を形成するようにしても良い。
さらに、単一のレーザ発振器７からレーザ光Ｌを発振させて、該レーザ光Ｌを基にしてビームスプリッター等により複数のレーザ光を生成するようにしても良い。
また、本件発明は、上述したフラックスの他にもボンディング時の加熱によって蒸散する性質の接合材、接合補助材、例えば樹脂製接着剤による汚染に対しても効果を奏することは言うまでもない。

１‥ボンディング装置 ２‥基板
３‥半導体チップ ４‥基板ステージ
５‥ボンディングヘッド ５Ａ‥ハウジング
５Ｂ‥貫通孔 ７‥レーザ発振器
８‥導光手段 １３ ツールベース
１４‥ボンディングツール ２３‥チップ吸引通路
２９‥接続通路 Ｌ レーザ光

Claims (4)

1. 基板が載置される基板ステージと、レーザ光を発振するレーザ発振器と、電子部品を保持して基板に接合するボンディングヘッドと、上記レーザ発振器から発振されたレーザ光を上記ボンディングヘッドに導光する導光手段と、上記ボンディングヘッドに設けられ、レーザ光を透過させるツールベースと、上記ツールベースに設けられる電子部品の吸引通路とを備え、上記ツールベースを透過させたレーザ光により電子部品を加熱して基板に接合するようにしたボンディング装置において、
   上記導光手段は、それぞれ異なった導光経路を有する複数のレーザ光を上記ボンディングヘッドに導光して上記ツールベースを透過させるようにし、
   上記電子部品の吸引通路は、上記各レーザ光の照射方向と交差する区間を有するとともに、当該交差する区間を上記各レーザ光の導光経路の間に配置されることを特徴とするボンディング装置。
2. 上記導光手段は、上記各レーザ光を導光して上記ツールベースの端面にマトリックス状のパターンで配列された複数の照射スポットを形成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。
3. 上記導光手段によってボンディングヘッドに導光される各レーザ光は、それぞれビームプロファイルがガウシアンモードであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のボンディング装置。
4. 上記ツールベースは、上層側となる第１透過部材と下層側となる第２透過部材とを積層して構成されており、上記吸引通路は、第２透過部材に形成される軸方向孔と、該軸方向孔と連通するとともに第１透過部材と第２透過部材の当接面における少なくとも一方に形成された溝とによって構成されることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のボンディング装置。

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