JPH06140470A

JPH06140470A - フリップチップボンディング装置

Info

Publication number: JPH06140470A
Application number: JP4289769A
Authority: JP
Inventors: Tetsuji Kadowaki; 徹二門脇
Original assignee: Fujitsu VLSI Ltd; Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu VLSI Ltd; Fujitsu Ltd
Priority date: 1992-10-28
Filing date: 1992-10-28
Publication date: 1994-05-20

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】サイズの異なる複数の半導体チップを１枚の
基板に能率よくフリップチップボンディングする装置を
提供する。【構成】水平に載置した基板１５の水平方向の移動と
回動を自在に行なう基板載置ステージ３７と、半導体チ
ップ１１〜１３と１対１で対応し、該チップを別々に吸
着して垂直方向に独立に昇降するチップ吸着ユニット３
５−１，３５−２，３５−３と、該チップ吸着ユニット
を固定して水平方向に移動する移動手段３４とを備え
る。前記チップ吸着ユニットにより吸着された半導体チ
ップの各々の表面を撮影し、画像信号を制御装置に入力
する第１撮像カメラ３６−１と、基板載置ステージに載
置された基板表面を撮像入力する第２撮像カメラ３６−
２と、基板１５にチップの一つを接触させたチップ吸着
ユニットの一つを加熱して半導体チップの電極を溶融
し、このチップを基板１５にフリップチップボンディン
グするチップ加熱ユニット３８を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、基板に半導体チップを
フリップチップボンディング（フェースダウンボンディ
ング）するフリップチップボンディング装置、特にサイ
ズの異なる複数の半導体チップを１枚の基板に能率良く
フリップチップボンディングできるフリップチップボン
ディング装置に関する。

【０００２】基板と半導体チップとの機械的な接続と電
気的な接続とが同時に行なわれるフリップチップボンデ
ィング技術は、基板に半導体チップを高密度で、しかも
平面的に実装できるというメリットを備えている（図５
参照）。

【０００３】このため、フリップチップボンディング技
術は、基板と半導体チップとの接続状態については目視
では確認できないというディメリットがあるにも係わら
ず、昨今急速に普及し始めている。

【０００４】このような背景から基板に半導体チップを
能率良くフリップチップボンディングできるフリップチ
ップボンディング装置、特にサイズの異なる複数の半導
体チップを一つの基板にフリップチップボンディングで
きるフリップチップボンディング装置が強く要望されて
いる。

【０００５】なお、図５は、半導体チップを搭載した基
板の説明図であって、図５(a) 及び図５(b) は基板の模
式的な側断面図である。

【０００６】

【従来の技術】次に、従来のフリップチップボンディン
グ装置について図６を参照しながら説明する。図６は、
従来のフリップチップボンディング装置の説明図であっ
て、図６(a) は基板に半導体チップをフリップチップボ
ンディングする前の装置の状態を模式的に示す要部正面
図、図６(b) は基板に半導体チップをフリップチップボ
ンディングしている装置の状態を模式的に示す要部正面
図である。

【０００７】図６において、21は半導体チップ11を自在
に吸着できるボンディングヘッド、22-1及び22-2はボン
ディングヘッド21に接続し、このボンディングヘッド21
を電流加熱する第１及び第２の電流ケーブル、23はボン
ディングヘッド21及び第１、２の電流ケーブル22-1,22-
2 とを鉛直方向に昇降する昇降シャフト、24-1,24-2は
第１, 第２の撮像カメラ、25は紙面左右に移動するＸス
テージ25a と紙面表裏方向に移動するＹステージ25b 及
び水平面内を回動するθステージ25c よりなる基板載置
ステージである。

【０００８】このような従来のフリップチップボンディ
ング装置を使用し、図５(a) で示すように基板14に半導
体チップ11をフリップチップボンディング( 以降、ボン
ディングという) する方法を図６を参照しながら以下説
明する。

【０００９】まず、ボンディングヘッド21の先端 (下
端) で半導体チップ11の背面を水平に吸着するととも
に、基板載置ステージ25の最上段のθステージ25c に基
板14を水平に載置し、ボンディングヘッド21に吸着され
ている半導体チップ11の表面を第１の撮像カメラ24-1に
より撮影するとともに、基板載置ステージ25に載置され
ている基板14の表面を第２の撮像カメラ24-2により撮影
する。

【００１０】第１及び第２の撮像カメラ24-1,24-2 は、
撮影した半導体チップ11及び基板14のそれぞれの表面を
画像信号に変換し、制御装置（図示せず）に入力する。
この後、制御装置は、駆動装置（図示せず）を介して半
導体チップ11を吸着しているボンディングヘッド21を矢
印Ｒで示す経路で基板載置ステージ25の直上位置に移動
するとともに、ステージ移動装置（図示せず）を介して
基板載置ステージ25のＸステージ25a 、Ｙステージ25b
及びθステージ25c とを微動し、半導体チップ11を矢印
Ｄで示すように鉛直方向に降下させた際にその電極11a
が基板14のパッド14a に接触するように位置合わせす
る。

【００１１】なお、制御装置がステージ移動装置を介し
て行なう基板載置ステージ25のＸステージ25a 、Ｙステ
ージ25b 及びθステージ25c の微動は、第１及び第２の
撮像カメラ24-1,24-2 から入力された上述の画像信号に
基づいて行なわれることはもちろんである。

【００１２】次いで、制御装置は、上述の駆動装置を介
して昇降シャフト23とともにボンディングヘッド21を矢
印Ｄで示すように鉛直方向に下降し、このボンディング
ヘッド21の先端に吸着されている半導体チップ11の電極
11a を、基板載置ステージ25のθステージ25c に載置さ
れている基板14のパッド14a に接触させる。

【００１３】このような状態の下で制御装置が電源（図
示せず）の動作をオンすると、数１００Ａ程度の大電流
が第１の電流ケーブル22-1→ボンディングヘッド21→第
２の電流ケーブル22-2の経路を流れることにより、ボン
ディングヘッド21が瞬時に高温となる。

【００１４】このため、ボンディングヘッド21に吸着さ
れている半導体チップ11も高温となって電極11a が溶融
して基板14のパッド14a と接合し、図５(a) で示すよう
な基板14と半導体チップ11との機械的な接続と電気的な
接続とが同時に行なわれることとなる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、基板14に搭
載する半導体チップ11のサイズが１種類だけであれば前
述した従来のフリップチップボンディング装置でも特に
問題はなかった。

【００１６】しかしながら、図５(b) に示すように、サ
イズの異なる複数の半導体チップ、たとえば半導体チッ
プ11,12,13を従来のフリップチップボンディングにより
１枚の基板15にボンディングしようとすると、ボンディ
ングヘッド21の先端は半導体チップ11,12,13の中の最大
サイズの半導体チップ13を吸着できるように大きな形状
にすることが不可欠となる。

【００１７】そのため、図５(b) で示すように、既に半
導体チップ11-1,12,11-2,13 が搭載された基板15に、半
導体チップ11-3 (紙面右端) を上述のような先端の大き
なボンディングヘッド21によりボンディングしようとす
ると、この半導体チップ11-3に隣接する半導体チップ13
の背面にボンディングヘッド21の先端が接触し、半導体
チップ11-3を破壊する危険性があった。

【００１８】したがって、従来のフリップチップボンデ
ィング装置においては、このような危険性を回避するに
は先端の大きさが異なる複数のボンディングヘッドを予
め準備し、半導体チップのサイズに応じてボンディング
ヘッドを交換することが不可欠であった。

【００１９】しかしながら、このような対応方法におい
てはボンディングヘッドの交換に手間取り、ボンディン
グ作業の能率が大幅に低下するという問題があった。本
発明は、このような問題を解消するためになされたもの
であって、その目的はサイズの異なる複数の半導体チッ
プを１枚の基板に能率よくボンディングできるフリップ
チップボンディング装置の提供にある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】前記目的は図１に示すよ
うに、基板15にサイズの異なる複数の半導体チップ11,1
2,13をフリップチップボンディングするフリップチップ
ボンディング装置において、基板15を水平に載置し、こ
の基板15の水平方向の移動と回動とを自在に行なう基板
載置ステージ37と、半導体チップ11,12,13と１対１で対
応し、半導体チップ11,12,13を別々に吸着して鉛直方向
にそれぞれ独立に昇降するチップ吸着ユニット35-1,35-
2,35-3と、チップ吸着ユニット35-1,35-2,35-3を固定
し、チップ吸着ユニット35-1,35-2,35-3を水平方向に移
動する移動手段34と、チップ吸着ユニット35-1,35-2,35
-3により吸着された半導体チップ11,12,13のそれぞれの
表面を撮影し、その画像信号を制御装置に入力する第１
の撮像手段36-1と、基板載置ステージ37に載置されてい
る基板15の表面を撮像し、その画像信号を制御装置に入
力する第２の撮像手段36-2と、基板載置ステージ37に載
置された基板15に半導体チップ11,12,13の何れか一つの
半導体チップを接触させているチップ吸着ユニット35-
1,35-2,35-3の何れか一つのチップ吸着ユニットを加熱
して半導体チップの電極を溶融し、この半導体チップを
基板15にフリップチップボンディングするチップ加熱ユ
ニット38とを含んでなることを特徴とするフリップチッ
プボンディング装置により達成される。

【００２１】

【作用】本発明のフリップチップボンディング装置にお
いては、サイズの異なる半導体チップ11,12,13に１対１
で対応したチップ吸着ユニット35-1,35-2,35-3、たとえ
ば半導体チップ11はチップ吸着ユニット35-1が、半導体
チップ12はチップ吸着ユニット35-2が、半導体チップ13
はチップ吸着ユニット35-3が吸着するように構成すると
ともに、チップ吸着ユニット35-1,35-2,35-3を介しての
半導体チップ11,12,13の加熱は一つのチップ加熱ユニッ
ト38で行なえるように構成している。

【００２２】このため、サイズの異なる複数の半導体チ
ップ11,12,13を一枚の基板15にボンディングする際に
も、それぞれの半導体チップ11,12,13に対応したチップ
吸着ユニット35-1,35-2,35-3、たとえば半導体チップ11
にはチップ吸着ユニット35-1を選択するだけでよく、チ
ップ吸着ユニット35-1,35-2,35-3相互の交換作業は全く
不要である。したがって、本発明のフリップチップボン
ディング装置は、サイズの異なる複数の半導体チップ1
1,12,13を一つの基板15に能率よくボンディングできる
こととなる。

【００２３】

【実施例】以下、本発明の一実施例のフリップチップボ
ンディング装置につい図１〜図３を参照して説明する。

【００２４】図１は本発明の一実施例のフリップチップ
ボンディング装置の模式的な要部斜視図、図２はチップ
吸着ユニットの説明図であって、図２(a) はチップ吸着
ユニットの要部側面図、図２(b) は吸着ヘッドの要部平
明図、図３はチップ加熱ユニットの要部断面図である。

【００２５】なお、本明細書においては、同一部品、同
一材料等に対しては全図をとおして同じ符号を付与して
ある。図１において、31はチップ載置台、32はピックア
ップヘッド、33はガイドレール、34はスライド板、35は
チップ吸着ユニット、36-1,36-2 は第１及び第２の撮像
カメラ、37は基板載置ステージ、38はチップ加熱ユニッ
トである。

【００２６】図２に示すようにチップ吸着ユニット35
は、下面に吸着孔35a₂を備える熱伝導性の良い舌片35a₁
を有するチップ吸着ヘッド35a と、このチップ吸着ヘッ
ド35aを連結したコの字状部材35b と、連結したモータ
（図示せず）により矢印Ｒ−Ｌ方向に回動されてコの字
状部材35b を矢印Ｕ−Ｄ方向（鉛直方向）に昇降させる
偏心カム35c で構成したものである。

【００２７】したがって、チップ吸着ユニット35のチッ
プ吸着ヘッド35a の舌片35a₁に半導体チップ11を吸着
し、このチップ吸着ヘッド35a を矢印Ｄで示すように降
下して半導体チップ11の電極11a を基板15のパッド15a
に接触させた後、このチップ吸着ヘッド35a の舌片35a₁
をチップ加熱ユニット38の加熱ヘッド38a により加熱す
ると、半導体チップ11も高温となって電極11a が溶融し
て基板15のパッド15a と接合し、図５(b) で示すような
基板15と半導体チップ11との機械的な接続と電気的な接
続とが同時に行なわれることとなる。

【００２８】なお、本発明の一実施例のフリップチップ
ボンディング装置におけるチップ吸着ユニット35は、図
２(a) に示すようなチップ吸着ヘッド35a(35a-1)を備え
て半導体チップ11を吸着するチップ吸着ユニット35-1、
チップ吸着ヘッド35a(35a-2)を備えて半導体チップ12を
吸着するチップ吸着ユニット35-2及びチップ吸着ヘッド
35a(35a-3)を備えて半導体チップ13を吸着するチップ吸
着ユニット35-3で構成されている (図１参照) 。

【００２９】また、図３に示すようにチップ加熱ユニッ
ト38は、加熱ヘッド38a 、加熱ヘッド38a に電流を流す
電流端子38b 及び加熱ヘッド38a を矢印Ｕ−Ｄ方向（鉛
直方向）に昇降する昇降部38c とを含んで構成したもの
である。

【００３０】このような構成をした本発明の一実施例の
フリップチップボンディング装置を使用し、図５(b) で
示すように基板15に半導体チップ、たとえば半導体チッ
プ11をボンディングする方法をその工程順に従って説明
する。

【００３１】基板15に半導体チップ11をボンディングす
るには、まずボンディング基板載置ステージ37のθステ
ージ37c に基板15を載置するとともに、チップ載置台31
に半導体チップ11をセットする (図１参照) 。

【００３２】なお、θステージ25c 上の基板15はその表
面を上に向けているとともに、チップ載置台31上の半導
体チップ11もその表面を上に向けている。次に、制御装
置（図示せず）により制御されたピックアップヘッド32
が、チップ載置台31上の半導体チップ11の表面を吸着し
てピックアップした後に矢印Ａで示すように１８０度回
転し、半導体チップ11を上方に回転移動する。

【００３３】この後、制御装置により制御されたスライ
ド板34が、水平方向に延びるガイドレール33に沿って移
動し、このスライド板34に横列状態で固定された複数の
チップ吸着ユニット35(35-1,35-2,35-3)の中の一つのチ
ップ吸着ユニット35-1がピックアップヘッド32の直上位
置にきたところでその移動を一時的に停止する。

【００３４】斯かる状態の下でチップ吸着ユニット35-1
は、その吸着ヘッド35a (35a-1) を下降してその舌片35
a₁に、ピックアップヘッド32にセットされている半導体
チップ11を吸着させた後に、半導体チップ11とともにチ
ップ吸着ヘッド35a (35a-1)を上昇させて元の位置に戻
す。

【００３５】この後、スライド板34は、半導体チップ11
を吸着しているチップ吸着ユニット35-1を第１の撮像カ
メラ36-1の直上に移動し、半導体チップ11の表面を第１
の撮像カメラ36-1により撮影させる。

【００３６】なお、この間に載置ステージ37のθステー
ジ37c に載置されている基板15の表面は、第２の撮像カ
メラ36-2が撮像する。第１及び第２の撮像カメラ36-1,3
6-2 は、撮影した半導体チップ11及び基板15のそれぞれ
の表面を画像信号に変換し、制御装置（図示せず）に入
力する。

【００３７】第１の撮像カメラ36-1による半導体チップ
11表面の撮影の完了とともにスライド板34は制御装置に
より制御されて再び移動を開始し、チップ吸着ユニット
35-1とともに半導体チップ11を基板載置ステージ37のθ
ステージ37c に載置されている基板15の直上に移動す
る。

【００３８】制御装置は、第１及び第２の撮像カメラ36
-1,36-2 から入力された前述の画像信号に基づいて基板
載置ステージ37のＸステージ37a 、Ｙステージ37b 及び
θステージ37c を微動し、半導体チップ11の電極11a を
基板15のパッド15a にボンディング可能なように位置合
わせを行なう。

【００３９】この後、チップ吸着ユニット35の偏心カム
35c がモータ（図示せず）により所定の方向に所定角度
だけ回動されてコの字状部材35b とともに舌片35a₁を下
降し、半導体チップ11の電極11a を、基板載置ステージ
37に載置されている基板15のパッド15a に接触させる。

【００４０】斯かる状態でチップ加熱ユニット38の昇降
部38c が作動し、加熱ヘッド38a を鉛直方向に下降し、
チップ吸着ユニット35のチップ吸着ヘッド35a の舌片35
a₁に接触させた後に、制御装置は電源（図示せず）の動
作をオンして電流端子38b を介して加熱ヘッド38a に大
電流を所定時間だけ流し、この加熱ヘッド38a を電流加
熱する。

【００４１】このようにして高温となった加熱ヘッド38
a は、吸着ヘッド35a の舌片35a₁を介して半導体チップ
11の電極11a を溶融して基板15のパッド15a と接合し、
基板15への半導体チップ11のボンディングが完了する。

【００４２】なお、基板15への半導体チップ12のボンデ
ィングはチップ吸着ユニット35-2を使用し、基板15への
半導体チップ13のボンディングはチップ吸着ユニット35
-3を使用すれば、基板15に半導体チップ11をボンディン
グするのと同様に半導体チップ12,13 を基板15にボンデ
ィングできることは当然である。

【００４３】また、前述した本発明の一実施例のフリッ
プチップボンディング装置の基板載置ステージ37のθス
テージ37c に図４で示す基板加熱台39を搭載し、この基
板加熱台39に基板15を載置することも可能である。

【００４４】この基板加熱台39は、図４に示すように、
基板15を載置し、この基板15を任意の加熱する基板加熱
台本体39a と、この基板加熱台本体39a に載置された基
板15上の空間Ｓに連通する気体通路39c を基板加熱台本
体39a の外周面との間に形成する熱遮断筒39b とを含ま
せて構成したものである。

【００４５】したがって、半導体チップ11,12,13などを
基板15にボンディングする際に、この基板15を任意の温
度に加熱できるとともに、気体通路39c から基板加熱台
本体39a に載置されている基板15上の空間Ｓに窒素ガス
等の不活性気体40を吹き出せば、基板15が空気中の酸素
の影響を受けることを防止できるし、また基板15上の空
間Ｓの空気を気体通路39c から吸引してやれば、基板15
に付着している塵埃も除去できることとなる。

【００４６】

【発明の効果】以上説明した如く本発明は、サイズの異
なる複数の半導体チップを基板に能率良くボンディング
できるフリップチップボンディング装置の提供を可能に
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】は、本発明の一実施例のフリップチップボンデ
ィング装置の模式的な要部斜視図

【図２】は、チップ吸着ユニットの説明図

【図３】は、チップ加熱ユニットの要部断面図

【図４】は、基板加熱台の説明図、同図(a) はその要部
側断面図、同図(b)はその要部側平面図

【図５】は、半導体チップを搭載した基板の説明図

【図６】は、従来のフリップチップボンディング装置の
説明図

【符号の説明】

11〜13は、半導体チップ 11a 〜13a は、電極 14,15 は、基板 14a,15a は、パッド 21は、ボンディングヘッド 22-1,22-2 は、電流ケーブル 23は、昇降シャフト 24-1,24-2 は、第１及び第２の撮像カメラ 25は、基板載置ステージ 25a は、Ｘステージ 25b は、Ｙステージ 25c は、θステージ 31は、チップ載置台 32は、ピックアップヘッド 33は、ガイドレール 34は、スライド板 35は、チップ吸着ユニット 35a は、チップ吸着ヘッド 35b は、コの字状部材 35c は、偏心カム 36-1,36-2 は、第１及び第２の撮像カメラ 37は、基板載置ステージ 37a は、Ｘステージ 37b は、Ｙステージ 37c は、θステージ 38は、チップ加熱ユニット 38a は、加熱ヘッド 38b は、電流端子 38c は、昇降部 39は、基板加熱台 39a は、基板加熱台本体 39b は、熱遮蔽筒 39c は、気体通路 40は、不活性気体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板(15)にサイズの異なる複数の半導体
チップ(11,12,13)をフリップチップボンディングするフ
リップチップボンディング装置において、前記基板(15)を水平に載置し、この基板(15)の水平方向
の移動と回動とを自在に行なう基板載置ステージ(37)
と、前記半導体チップ(11,12,13)と１対１で対応し、半導体
チップ(11,12,13)を別々に吸着して鉛直方向にそれぞれ
独立に昇降するチップ吸着ユニット(35-1,35-2,35-3)
と、前記チップ吸着ユニット(35-1,35-2,35-3)を固定し、チ
ップ吸着ユニット(35-1,35-2,35-3)を水平方向に移動す
る移動手段(34)と、前記チップ吸着ユニット(35-1,35-2,35-3)により吸着さ
れた前記半導体チップ(11,12,13)のそれぞれの表面を撮
影し、その画像信号を制御装置に入力する第１の撮像手
段(36-1)と、前記基板載置ステージ(37)に載置されている前記基板(1
5)の表面を撮像し、その画像信号を前記制御装置に入力
する第２の撮像手段(36-2)と、前記基板載置ステージ(37)に載置された前記基板(15)に
前記半導体チップ(11,12,13)の何れか一つの半導体チッ
プを接触させている前記チップ吸着ユニット(35-1,35-
2,35-3)の何れか一つのチップ吸着ユニットを加熱して
前記半導体チップの電極を溶融し、この半導体チップを
前記基板(15)にフリップチップボンディングするチップ
加熱ユニット(38)とを含んでなることを特徴とするフリ
ップチップボンディング装置。
【請求項２】前記基板(15)を載置し、この基板(15)を
任意の温度に加熱する基板加熱台本体(39a) と、この基
板加熱台本体(39a) に載置された前記基板(15)上の空間
に連通する気体通路(39c) を、基板加熱台本体(39a) の
外周面との間に形成する熱遮断筒(39b) とを含ませてな
る基板加熱台(39)を請求項１記載のフリップチップボン
ディング装置の基板載置ステージ(37)のθステージ(37
c) 上に配設したことを特徴とするフリップチップボン
ディング装置。