JP2009182162A - ボンディング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ボンディング（接合）時以前に、基板や電子部品に悪影響を与えずにファイバの異常を検出できるボンディング装置の提供。
【解決手段】チップ１をレーザにて加熱接合するボンディング装置に次の手段を採用する。第１に、レーザ発振手段１４からのレーザの出力を可変可能とする制御手段１６と、レーザを受光する受光手段１２と、ボンディングステージ２１に対してレーザヘッド４を相対的に移動させる移動機構と、受光手段１２の受光量に基づいてファイバ９の導光状態の良否を検査する検査手段２３とを備える。第２に、受光手段１２の受光部１３をレーザヘッド４内に設ける。第３に、レーザヘッド４の下部に電子部品を保持した状態で、接合時より低いレーザ出力で、ファイバ９からレーザを出射させる。第４に、検査手段２３で、受光手段１２で受光される電子部品からの反射光を含む受光量に基づいて、ファイバ９の導光状態の良否を検査する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電子部品にレーザを照射することにより加熱して接合するボンディング装置の改良に関するもので、詳しくは、ボンディング装置におけるレーザを出射するファイバの導光状態の良否を検査する手段に特徴を有するものである。

従来より、電子部品にボンディングヘッド（レーザヘッド）の内側からレーザを照射することにより加熱して接合するボンディング装置として、特許文献１に示されるように、ボンディングツールをレーザが透過可能なものとして、電子部品に対し直接レーザを照射し、電子部品を加熱して接合する方式が知られている。

この種のボンディング装置では、光ファイバによりレーザを導光する構成となっているが、該光ファイバは、破断、破損し、断線する場合があった。このような状態では、電子部品を適正に加熱して接合することができないばかりか、レーザが外部に漏れるという危険もあった。

そこで特許文献２に示されるようなファイバの異常を加工以前に検出する手段が開示されていた。尚、接合時（加工時）に、ファイバの異常を検出する方法では、電子部品や基板が加熱加圧された後の検出となり、バンプや接合介在物（樹脂など）が変形し、それらの再利用が不可能になり、有効な検査手段ではない。

しかし、特許文献２に示される検査手段は、レーザ加工（工業製品の加工あるいは医療分野の治療）に利用されるレーザ装置における検査手段であって、レーザ加工に寄与しない検査光を加工レーザ光とは別の検査用光源より出力し、加工レーザ光用の光ファイバの他端から出射する検査光を検出することでファイバの異常を検出するものであった。

しかし、この種の検査手段は、主たる加工用光源の他に別個の光源をもたなければならないなど装置として大型化や複雑化を招くものであって好ましいものではなかった。

特許第３１９５９７０号特許公報 特開２−２５８１８５号公開特許公報

本発明は、上記課題を解決するため、レーザ発振手段から出射されるレーザの出力を可変可能とする制御手段を採用し、接合時より低いレーザ出力で、ファイバからレーザを出射させて検査を行うことで、ボンディング（接合）時以前に、電子部品や接合対象物に悪影響を与えずにファイバの異常を検出できるボンディング装置とすることを目的とする。

第１の発明は、上記課題を解決するため、レーザ発振手段と、前記レーザ発振手段からレーザを導光するファイバと、前記ファイバが接続されて下部からレーザを出射可能であり、かつ、前記下部に電子部品を保持可能なレーザヘッドと、電子部品の接合対象物を支持するボンディングステージとを備え、前記ボンディングステージ上で前記レーザヘッドからレーザ照射して、前記電子部品を加熱し接合するボンディング装置に次の手段を採用する。
第１に、前記レーザ発振手段から出射されるレーザの出力を可変可能とする制御手段と、
前記ファイバから出射されたレーザを受光する受光手段と、前記ボンディングステージに対して前記レーザヘッドを相対的に移動させる移動機構と、前記受光手段の受光量に基づいて前記ファイバの導光状態の良否を検査する検査手段とを備える。
第２に、前記受光手段の受光部を前記レーザヘッド内に設け、前記レーザヘッドの下部に電子部品を保持した状態で、接合時より低いレーザ出力で、前記ファイバからレーザを出射させ、前記検査手段で、前記受光手段で受光される電子部品からの反射光を含む受光量に基づいて、前記ファイバの導光状態の良否を検査する。

第２の発明は、レーザ発振手段と、前記レーザ発振手段からレーザを導光するファイバと、前記ファイバが接続されて下部からレーザを出射可能であり、かつ、前記下部に電子部品を保持可能なレーザヘッドと、電子部品の接合対象物を支持するボンディングステージとを備え、前記ボンディングステージ上で前記レーザヘッドからレーザ照射して、前記電子部品を加熱し接合するボンディング装置に次の手段を採用する。
第１に、前記レーザ発振手段から出射されるレーザの出力を可変可能とする制御手段と、前記ファイバから出射されたレーザを受光する受光手段と、前記ボンディングステージに対して前記レーザヘッドを相対的に移動させる移動機構と、前記受光手段の受光量に基づいて前記ファイバの導光状態の良否を検査する検査手段とを備える。
第２に、前記受光手段の受光部を前記レーザヘッドに対して、相対的に移動可能に上方に向けて設け、前記レーザヘッドの下部に電子部品を保持しない状態で、前記受光手段の受光部をレーザヘッドの下方に位置させて、接合時より低いレーザ出力で、前記ファイバからレーザを出射させ、前記検査手段で、前記受光手段で受光される受光量に基づいて、前記ファイバの導光状態の良否を検査する。

第３の発明は、第１の発明又は第２の発明に、前記ファイバが、複数本のファイバからなり、所定本数ずつファイバにレーザを導光させて、複数回に分割してファイバからレーザを出射させ、前記検査手段によりファイバの導光状態の良否を検査することを付加したボンディング装置である。

第１の発明では、レーザヘッドの下部に電子部品を保持した状態で、接合時より低いレーザ出力で、前記ファイバからレーザを出射させ、前記検査手段で、前記受光手段で受光される電子部品からの反射光を含む受光量に基づいて、前記ファイバの導光状態の良否を検査するものであるため、検査のためのレーザによって電子部品や接合対象物などに悪影響を与えることなく、また検査用に別個の光源を備えることを必要とせず、電子部品の接合前にファイバの導光状態の良否を検査することができる。

第２の発明では、受光手段の受光部を前記レーザヘッドに対して、相対的に移動可能に上方に向けて設け、前記レーザヘッドの下部に電子部品を保持しない状態で、前記受光手段の受光部をレーザヘッドの下方に位置させて、接合時より低いレーザ出力で、前記ファイバからレーザを出射させ、前記検査手段で、前記受光手段で受光される受光量に基づいて、前記ファイバの導光状態の良否を検査するものであるため、電子部品や接合対象物などにレーザが照射されることがなく、更に、低出力であるため周囲や受光部を構成する受光素子への悪影響も生じさせることなく電子部品の接合前にファイバの導光状態の良否を検査することができる。

尚、上記ファイバが、複数本のファイバからなり、その内の特定箇所のみが破損した場合などには、どのファイバが破損したかの検出が困難になる。そこで第３の発明では、ファイバが複数本のファイバからなる場合には、所定本数ずつファイバにレーザを導光させて、複数回に分割してファイバからレーザを出射させ、検査手段によりファイバの導光状態の良否を検査することにより、いずれのファイバが破損したかを検出することができる。

以下、図面に従って、実施例と共に本発明の実施の形態について説明する。実施例におけるボンディング装置は、電子部品である半導体チップ１を接合対象物としての基板２にボンディングする装置である。図１は、ボンディング装置の一実施例を示す全体概略説明図であり、ボンディング装置は、半導体チップ１を基板２に接合するボンディングヘッドとなるレーザヘッド４と、チップトレイ２０及び基板載置ステージ２１の配置されたテーブル２２を備えている。尚、チップトレイ２０は、チップ供給のためのものであるのでトレイという形態に限定されるものではなく、ウエハ自体であってもよい。また、基板載置ステージ２１は、ボンディングを実行するためのボンディングステージを構成している。

レーザヘッド４は、半導体チップ１を吸着保持するボンディングツール３を先端部（下端部）に有し、昇降機構３１及び水平移動機構３２により移動可能とされている。即ち、レーザヘッド４は、チップ供給位置であるチップトレイ２０にて、ボンディングツール３により半導体チップ１を吸着保持し、ボンディング位置である基板載置ステージ２１に移動して、下降して基板２に半導体チップ１を搭載し、加熱して接合し、冷却後固定してボンディングを完了し、上昇して、再度、チップ供給位置に戻る動作を繰り返す。

尚、実施例ではレーザヘッド４に、昇降機構３１と水平移動機構３２を設け、レーザヘッド４を移動可能としているが、レーザヘッド４とチップトレイ２０や基板載置ステージ２１とは相対移動でよいので、チップトレイ２０や基板載置ステージ２１が配置されているテーブル２２に、駆動機構を設け、テーブル２２を移動させることにより、レーザヘッド４との相対移動を行ったり、テーブル２２及びレーザヘッド４の両者を移動させることにより、両者の相対移動を行ったりしてもよい。

レーザヘッド４の内部は、空部５とされ、該空部５には、ボンディングツール３に保持された半導体チップ１をレーザヘッド４の内側からレーザ１７を照射して加熱するレーザ加熱装置６が配置されている。

レーザヘッド４の下端部にはボンディングツール３が装着されている。ボンディングツール３は、実施例では熱膨張が小さく、レーザ１７の透過性のよい石英ガラスが用いられているが、レーザ１７を透過する素材であればよく、サファイア等も利用できる。ボンディングツール３の中央部には、半導体チップ１を吸着保持するための吸着孔１８が形成されている。更に、ボンディングツール３のレーザヘッド４内部側に位置する表面（図２中では上面）には、反射防止膜が形成されている。

レーザヘッド４には、吸引通路７が形成されており、空部５は、該吸引通路７とレーザヘッド４の下端に装着されたボンディングツール３の吸着孔１８以外は、密閉されている。更に、吸引通路７は、吸引装置８と接続されているため、吸引装置８により真空吸引することにより、レーザヘッド４内の空部５には負圧が付与され、ボンディングツール３の吸着孔１８に半導体チップ１が吸着保持可能となる。

レーザ加熱装置６は、レーザ発振器１４と、レーザ発振器１４から出射されるレーザ１７の出力を可変可能とする制御装置１６と、レーザ発振器１４と接続され、レーザ１７を導光し、下部からレーザ１７を出射できるようレーザヘッド４内にレーザ出射口１０を位置させた光ファイバ９と、該出射口１０から出射されたレーザ１７を集束する集光手段たる集光レンズ１１と、レーザ１７の照射範囲を限定するための遮蔽板１５を有する。
尚、光ファイバ９から出射されたレーザ１７は、拡散して集光レンズ１１に入射するため、レーザ１７の集光点は、集光レンズ１１の焦点位置より下方に設けられている。

集光レンズ１１は、実施例では１枚の凸レンズを用いているが、複数枚のレンズを用いてもよい。集光レンズ１１は、レーザヘッド４内のホルダに支持されている。集光レンズ１１によるレーザの集光点は、レーザヘッド４の内部である空部５内に設定している。尚、集光レンズ１１の表裏面は反射防止膜が形成されている。また、集光手段として、凹面鏡を使用してもよい。

遮蔽板１５は、集光レンズ１１を通過したレーザ１７が、照射されるべき半導体チップ１からはみ出さないようにするためのものである。遮蔽板１５は、実施例では存在するが、集光レンズ１１のみで照射範囲が半導体チップ１に限定する調整が可能な場合は設けなくともよい。

レーザ１７が、半導体チップ１からはみ出していると基板２に照射されて基板２が加熱されて、膨張する危険を有している。基板２が樹脂からなるような場合にはシリコーンからなる基板２に比べて大きく膨張してしまう。基板２が加熱され膨張した状態でボンディングするとバンプと電極の位置がずれる上、冷却して元に戻った場合でも半導体チップ１が曲がったりして、不良品になることがあった。遮蔽板１５はこの危険を回避するために設けられている。

レーザヘッド４内のボンディングツール３の斜め上方には、ボンディングツール３に吸着された半導体チップ１に照射されたレーザ１７の反射光などの散乱光を検出するための反射光検出用のフォトセンサ１２を設けている。該フォトセンサ１２が、本発明における受光手段となる。この受光手段たるフォトセンサ１２の受光部１３は、レーザヘッド４内で下部、即ち、半導体チップ１の表面からの反射光を受光できるよう下部に保持した半導体チップ１に向けて設置されている。フォトセンサ１２の受光部１３からの信号は、ファイバを介して制御装置１６に入力される。尚、フォトセンサ１２を制御装置１６内に設けて、レーザヘッド４内に臨ませた光ファイバで導光される光を受光させるようにしてもよい。この場合、レーザヘッド４内に臨ませた光ファイバの先端が受光部１３となる。

制御装置１６には、検査装置２３が内蔵されており、該検査装置２３で、受光部１３の受光量が所定量以上であるか否かを、予め設定された基準値と比較して検査する。該受光量が所定量を満たしていれば、制御装置１６は、レーザヘッド４を基板２の上方へ移動させるとともに下降させ、吸着保持していた半導体チップ１を、基板２に接合する旨の指示をする。受光量が所定量を満たしていなければ、レーザヘッド４の移動を停止し、ファイバの異常を警報出力する旨の指示をする。

フォトセンサ１２及び検査装置２３は、レーザヘッド４が、チップ供給位置とボンディング位置との間で往復移動することから、光ファイバ９が繰り返ししごかれ、断線することがあるので、そのような事態を検出しようとするために設けられたものである。

以下、ボンディングの動作について説明すると、まず、ボンディング位置では、基板載置ステージ２１上に基板２が供給される。他方、チップ供給位置では、レーザヘッド４がチップトレイ２０から半導体チップ１をボンディングツール３に吸着保持し、上昇する。その後、レーザヘッド４は、水平移動機構３２により、ボンディング位置たる基板載置ステージ２１へと移動する。

この移動工程の間に、検査のためにレーザ発振器１４が動作し、光ファイバ９のレーザ出射口１０より、接合時より出力の低いレーザ出力でレーザ１７が出射される。このときフォトセンサ１２の受光部１３は、半導体チップ１の上面からの反射光を含む散乱光を受光する。この受光量が所定量以上であるか否かを検査する。該受光量が所定量を満たしていれば、レーザヘッド４は基板２上のボンディング位置に移動するとともに下降し、吸着保持していた半導体チップ１を、基板２に接合する。受光量が所定量を満たしていなければ、レーザヘッド４の移動を停止し、ファイバの異常を警報出力する。尚、接合は保持した半導体チップ１を基板２に押圧しながらレーザ照射する加熱圧着であってもよいし、半導体チップ１を基板２に載置させた状態で押圧せずにレーザ照射して加熱するだけであってもよい。

第１実施例では、光ファイバ９は、単一のレーザ発振器１４と接続される単芯のものが用いられており、単一のレーザ出射口１０からレーザ１７を出射するものとしているが、図３に示されるように、個々に制御可能な複数のレーザ発振器１４と接続される複数の細い光ファイバ９を結束したファイバ束１９とし、複数のレーザ出射口１０より各々レーザ１７を出射するものとする第２実施例も考えられる。

このようなファイバ束１９の複数のレーザ出射口１０よりレーザ１７が出射されるような場合、第１実施例で示す検出手段で、ファイバの異常を検出したとしても、いずれの光ファイバ９が異常であるのかを特定することができない。そこで、図３のようなファイバ束１９の複数のレーザ出射口１０よりレーザ１７が出射される場合には、一つのレーザ発振器１４を動作させ、これと接続されている１本の光ファイバ９のレーザ出射口１０から、レーザ１７を出射させ、受光部１３から入射する受光量が所定量以上であるかどうか１本ずつレーザを導光させて複数回に分割して順次検査し、ファイバ束１９の内、いずれの光ファイバ９が異常であるかを検査する。

尚、この際、１本ずつ低いレーザ出力でレーザ１７を出射させてもよいが、ファイバ束１９の内、一つの光ファイバ９のレーザ出射口１０からのみレーザ１７が出射されているに過ぎないので、全体としてファイバ束１９の接合時のレーザ出力よりは低出力になっているため、検査する個々の光ファイバ９の出力を接合時より低出力にする必要はなく、１本ごとの出力は接合時の出力と同じであってもよい。

更に、図４に示されるように群ごとに制御可能な複数のレーザ発振器１４と接続される複数の細い光ファイバ９を結束したファイバ束１９とし、複数のレーザ出射口１０よりレーザ１７を出射するものとする第３実施例も考えられる。
このようなファイバ束１９の複数のレーザ出射口１０よりレーザ１７が出射されるような場合、第１実施例で示す検出手段で、ファイバの異常を検出したとしても、いずれの光ファイバ９群が異常であるのかを特定することができない。

そこで、図４のようなファイバ束１９の複数のレーザ出射口１０よりレーザ１７が出射される場合には、一群のレーザ発振器１４を動作させ、これと接続されている一群の光ファイバ９のレーザ出射口１０から、レーザ１７を出射させ、受光部１３から入射する受光量が所定量以上であるかどうか、所定複数本数からなる一群ずつレーザを導光させて複数回に分割して順次検査し、ファイバ束１９の内、いずれの光ファイバ９群が異常であるかを検査するのである。

この場合にも、一群ずつ低いレーザ出力でレーザ１７を出射させてもよいが、ファイバ束１９の内、一群の光ファイバ９のレーザ出射口１０からのみレーザ１７が出射されているに過ぎないので、全体としてファイバ束１９の接合時のレーザ出力よりは低出力となっている。このため、検査する個々のファイバ９群の出力を接合時より低出力にする必要はなく、一群ごとの出力は接合時の出力と同じであってもよい。また、このような第３実施例において、各レーザ発振器１４にスイッチ回路を設けて各ファイバ９群内で個々にレーザ発振器１４を動作可能に構成して、各ファイバ９群ごとに前記第２実施例と同様に１本ずつ検査するようにしてもよい。

第１乃至第３実施例では、受光手段であるフォトセンサ１２の受光部１３は、レーザヘッド４内に下部に向けて設けているが、受光手段であるフォトセンサ１２の受光部１３をレーザヘッド４の外部、図５のようにテーブル２２に上方に向けて設置するものであってもよい。この第４実施例における外部設置の受光部１３にてレーザヘッド４の下端を観察するのである。

このような構成を採用した場合には、次のように動作する。
まず、生産運転を開始する前のボンディング装置の起動時、又は基板２に半導体チップ１を接合してレーザヘッド４が上昇した後でチップトレイ２０へ至る前に、即ち、レーザヘッド４が半導体チップ１を保持していない状態で、レーザヘッド４が水平移動し、レーザヘッド４を受光部１３の上方へ位置させる。

該位置で接合時の出力より低いレーザ出力でレーザ１７を照射する。このとき受光部１３から入射される受光量が所定以上であるかを検査する。検査の結果、所定量を満たしていれば、半導体チップ１を保持し接合動作を実行し、満たしていなければ停止して、光ファイバ９の異常を警報出力する。

尚、この例では、レーザヘッド４が移動するものであったが、レーザヘッド４と受光部１３の移動は、相対移動であればよいので、受光部１３が設置されているテーブル２２の移動によってもよいし、両者の移動によってもよいし、受光部１３が単独で移動するものであってもよい。以上のように受光部１３が、レーザヘッド４の外部に設置されている場合であっても、複数のレーザ出射口１０よりレーザ１７を出射するものがありうる。

第１が、個々に制御可能な複数のレーザ発振器１４と接続される複数の細い光ファイバ９を結束したファイバ束１９とし、複数のレーザ出射口１０よりレーザ１７を出射するものとする第５実施例である。図３に示されるレーザ出射口１０同様のレーザ出射口１０を有するものである。
第２が、群ごとに制御可能な複数のレーザ発振器１４と接続される複数の細い光ファイバ９を結束したファイバ束１９とし、複数のレーザ出射口１０よりレーザ１７を出射するものとする第６実施例である。図４に示されるレーザ出射口１０と同様のレーザ出射口１０を有するものである。
これらの場合であっても、検査方法及び出力レベルは、第２及び第３実施例の場合と同様である。

受光手段をレーザヘッド内に設けた場合のボンディング装置の全体概略説明図 レーザヘッド内部を示した説明図で、（Ａ）は検査時、（Ｂ）は接合時を示す。 個々の光ファイバ単位で検査する場合のボンディング装置の説明図で、（Ａ）は検査時、（Ｂ）は接合時を示す。 光ファイバ群単位で検査する場合のボンディング装置の説明図で、（Ａ）は検査時、（Ｂ）は接合時を示す。 受光手段をレーザヘッド外に設けた場合のボンディング装置の全体説明図

符号の説明

１・・・・・半導体チップ
２・・・・・基板
３・・・・・ボンディングツール
４・・・・・レーザヘッド
５・・・・・空部
６・・・・・レーザ加熱装置
７・・・・・吸引通路
８・・・・・吸引装置
９・・・・・光ファイバ
１０・・・・レーザ出射口
１１・・・・集光レンズ
１２・・・・フォトセンサ
１３・・・・受光部
１４・・・・レーザ発振器
１５・・・・遮蔽板
１６・・・・制御装置
１７・・・・レーザ
１８・・・・吸着孔
１９・・・・ファイバ束
２０・・・・チップトレイ
２１・・・・基板載置ステージ
２２・・・・テーブル
２３・・・・検査装置
３１・・・・昇降機構
３２・・・・水平移動機構

Claims (3)

1. レーザ発振手段と、前記レーザ発振手段からレーザを導光するファイバと、前記ファイバが接続されて下部からレーザを出射可能であり、かつ、前記下部に電子部品を保持可能なレーザヘッドと、電子部品の接合対象物を支持するボンディングステージとを備え、前記ボンディングステージ上で前記レーザヘッドからレーザ照射して、前記電子部品を加熱し接合するボンディング装置において、
   前記レーザ発振手段から出射されるレーザの出力を可変可能とする制御手段と、
   前記ファイバから出射されたレーザを受光する受光手段と、前記ボンディングステージに対して前記レーザヘッドを相対的に移動させる移動機構と、前記受光手段の受光量に基づいて前記ファイバの導光状態の良否を検査する検査手段とを備え、
   前記受光手段の受光部を前記レーザヘッド内に設け、
   前記レーザヘッドの下部に電子部品を保持した状態で、接合時より低いレーザ出力で、前記ファイバからレーザを出射させ、
   前記検査手段で、前記受光手段で受光される電子部品からの反射光を含む受光量に基づいて、前記ファイバの導光状態の良否を検査することを特徴とするボンディング装置。
   
2. レーザ発振手段と、前記レーザ発振手段からレーザを導光するファイバと、前記ファイバが接続されて下部からレーザを出射可能であり、かつ、前記下部に電子部品を保持可能なレーザヘッドと、電子部品の接合対象物を支持するボンディングステージとを備え、前記ボンディングステージ上で前記レーザヘッドからレーザ照射して、前記電子部品を加熱し接合するボンディング装置において、
   前記レーザ発振手段から出射されるレーザの出力を可変可能とする制御手段と、前記ファイバから出射されたレーザを受光する受光手段と、前記ボンディングステージに対して前記レーザヘッドを相対的に移動させる移動機構と、前記受光手段の受光量に基づいて前記ファイバの導光状態の良否を検査する検査手段とを備え、
   前記受光手段の受光部を前記レーザヘッドに対して、相対的に移動可能に上方に向けて設け、前記レーザヘッドの下部に電子部品を保持しない状態で、前記受光手段の受光部をレーザヘッドの下方に位置させて、接合時より低いレーザ出力で、前記ファイバからレーザを出射させ、
   前記検査手段で、前記受光手段で受光される受光量に基づいて、前記ファイバの導光状態の良否を検査することを特徴とするボンディング装置。
   
3. 前記ファイバが、複数本のファイバからなり、
   所定本数ずつファイバにレーザを導光させて、複数回に分割してファイバからレーザを出射させ、前記検査手段によりファイバの導光状態の良否を検査することを特徴とする請求項1又は２記載のボンディング装置。

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