JPH10223694A - ボンディング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】回路基板上に例えばフリップチップ方式の半導
体装置をフェイスダウン実装するのに好適するボンディ
ング装置に関する。 【解決手段】ボンディング装置は、チップ１を保持する
ツール１１が取付けられている超音波ホーン１０を保持
する副スライドプレート２６が主スライドプレート２１
に対して弾性的に上下動自在に懸吊されているので、主
スライドプレートを下降させることによりツールを基板
に当接させても、超音波ホーン１０が傾くことはなく、
均一な圧着力で信頼性の高い超音波ボンディングが可能
となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回路基板上に例え
ばフリップチップ方式の半導体装置をフェイスダウン実
装するのに好適するボンディング装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、フリップチップ方式の半導体装
置は、フェイスダウン法により実装されている。この場
合、バンプ及びパッドのいずれもが金製であるとき、接
合温度を金が軟化する５００゜Ｃ前後まで上昇させる必
要があるが、この温度では、半導体としての特性が、致
命的なダメージを受ける。しかし、接合温度を低下させ
ると、十分な接合強度を得ることが困難である。そこ
で、ワイヤボンディングで行われている超音波を併用し
た熱圧着接合方法が、金バンプ及び金パッド間の接合に
適用されている。

【０００３】図６は、このためのボンディング装置であ
って、ボンディングヘッド８１に超音波ホーン８２を取
付け、その先端にツール８３を取付けたものである。こ
の装置によるボンデイング工程は、ツール８３にチップ
８４を、バンプ面を下にして吸着するとともに、ステー
ジ８５に基板８６をパッド面を上にして真空吸着する。
そして、チップ８４と基板８６の位置合わせを行った
後、ボンディングヘッド８１を下降させ、チップ８４を
基板８６に接触させる。そして、さらにボンディングヘ
ッド８１を下降させ、ばね８７の張力を利用して荷重を
加える。しかして、この状態を維持したまま、超音波ホ
ーン８２により超音波をボンディング部位に印加してチ
ップ８４と基板８６のボンディングを行う。

【０００４】しかるに、この装置では、ばね８７の張力
を利用して、ツール８３の先端に荷重をかけているの
で、図７で示すように、チップ８４と基板８６が接触し
た後に、さらにボンディングヘッド８１を下降させた場
合、ツール８３の先端は、ボンディングヘッド８１の超
音波ホーン８２支持部を中心に回転してしまい、加える
荷重の大きさによってはチップ８４と基板８６の平行度
がたもてなくなり、接合強度等に悪影響を及ぼしてい
た。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前述したように、従来
の超音波圧着を利用したフェイスダウン用のボンディン
グ装置は、チップ８４と基板８６が接触した後に、さら
にボンディングヘッド８１を下降させた場合、ツール８
３の先端は、ボンディングヘッド８１の超音波ホーン８
２支持部を中心に回転してしまい、加える荷重の大きさ
によってはチップ８４と基板８６の平行度がたもてなく
なることにより、バンプ面に均一な圧着力をかけること
ができなくなるため、十分な接合強度が得られなくなる
問題をもっている。したがって、チップ８４と基板８６
との平行度を保ちながら、加圧することのできるボンデ
ィング装置が要請されていた。本発明は、上記事情を勘
案してなされたもので、上記課題を解決することのでき
るボンディング装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１のボンディング
装置は、基板を保持する基板保持部と、前記基板にボン
ディングされるチップを保持するツールと、前記ツール
が一端部に取付けられ超音波を前記チップに印加する棒
状の超音波ホーンと、固定部材に対して上下方向に移動
自在に取り付けられた主スライドプレートと、この主ス
ライドプレートに上下動自在に支持され且つ前記超音波
ホーンが取付けられた副スライドプレートと、前記主ス
ライドプレートを駆動する駆動手段とを具備する。

【０００７】請求項２のボンディング装置は、請求項１
において、副スライドプレートは、主引張りばねにより
主スライドプレートに支持されている。請求項３のボン
ディング装置は、請求項１において、主引張りばねは、
主スライドプレートの上端部と副スライドプレートとの
間に係止されている。

【０００８】請求項４のボンディング装置は、請求項１
において、主スライドプレートの下端部と副スライドプ
レートとの間には、基板とチップとの間にボンディング
力を付加する副引張りばねが係止されている。

【０００９】請求項５のボンディング装置は、請求項１
において、基板保持部には、基板を加熱する加熱源が埋
設されている。しかして、請求項１乃至請求項５のボン
ディング装置は、チップを保持するツールが取付けられ
ている超音波ホーンを保持する副スライドプレートが主
スライドプレートに対して上下動自在に支持されている
ので、主スライドプレートを下降させることによりツー
ルを基板に当接させても、超音波ホーンが傾くことはな
く、均一な圧着力で信頼性の高い超音波ボンディングが
可能となる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図面
を参照して詳述する。図１及び図２は、この実施形態の
ボンディング装置Ｍを示している。このボンディング装
置Ｍは、フリップチップ方式の半導体装置であるチップ
１がフェイスダウン・ボンディングされる基板２を着脱
自在に保持して位置決めする基板保持部３と、この基板
保持部３に近接して設けられチップ１を着脱自在に吸着
するとともに超音波を印加するチップ保持部４と、この
チップ保持部４を上下方向に昇降駆動する昇降駆動部５
と、所定のボンディングを行わせるボンディング制御部
６とを有している。

【００１１】しかして、基板保持部３は、ＸＹ方向に位
置決め自在なＸＹテーブル７と、このＸＹテーブル７上
に搭載されθ方向に位置決め自在なθテーブル８と、こ
のθテーブル８上に搭載された基板保持板９とを有して
いる。この基板保持板９には、基板２を位置決めする保
持座９ａが設けられているとともに、この保持座９ａに
は、図示せぬ真空源に接続された吸着孔（図示せず）が
設けられている。前記基板保持板９には、電熱線が埋設
され、適時に基板２を２００゜Ｃ程度にまで加熱するよ
うになっている。

【００１２】また、チップ保持部４は、テーパ状に先細
になった円柱状の超音波ホーン１０と、この超音波ホー
ン１０の先端部に長手方向が上下方向に嵌着された円筒
状のツール１１と、超音波ホーン１０の基端部が取付け
られこの超音波ホーン１０を軸心が水平方向となるよう
に保持し且つ超音波ホーン１０に超音波を伝達する超音
波振動子（図示せず）が埋設された超音波ホーン支持部
１２とを有している。しかして、ツール１１の下端部に
は、チップ１を吸着する吸着孔（図示せず）が設けられ
ていて、吸着孔はチップ１の上端部を介して図示せぬ真
空源に接続されている。

【００１３】さらに、昇降駆動部５は、基台１３と、こ
の基台１３の両端部に立設された一対の支持板１４と、
基台１３の上方にこの基台１３に対して平行となる位置
にて前記一対の支持板１４に挾持された保持板１５と、
この保持板１５の下面に駆動軸１６ａを保持板１５の上
面側に突出させて固定された駆動モータ１６と、駆動軸
１６ａに取付けられた第１のプーリ１７と、基台１３と
保持板１５とにより軸支されているとともにその上端部
が保持板１５の上面から突出している送りねじ１８と、
この送りねじ１８の上端部に取付けられた第２のプーリ
１８ａと、第１のプーリ１７と第２のプーリ１８ａとの
間に巻き掛けられたベルト１９と、一端部が送りねじ１
８に螺合された連結子２０と、連結子２０の他端部が裏
面側に連結された主面が矩形をなす主スライドプレート
２１と、前記一対の支持板の基板保持部３側の端面上下
方向に取付けられたレール状の摺動ガイド２２と、これ
ら一対の摺動ガイド２２にそれぞれ２個ずつ摺動自在に
嵌合され且つ主スライドプレート２１の裏面４隅に固定
された摺動体２３と、主スライドプレート２１の両端部
上下方向に取付けられたレール状の摺動ガイド２４と、
一対の摺動ガイド２４にそれぞれ２個ずつ摺動自在に嵌
合された摺動体２５と、これら摺動体２５に裏面４隅が
固定され主面が主スライドプレート２１よりも小面積の
矩形をなし且つ超音波ホーン支持部１２が固定された副
スライドプレート２６と、主スライドプレート２１の下
端面に固定され副スライドプレート２６の下限位置を規
定する下ストッパ板２７と、主スライドプレート２１の
上端面に固定され副スライドプレート２６の上限位置を
規定する上ストッパ板２８と、主スライドプレート２１
の一方の下側部に軸方向が水平方向に突設された第１の
係止ピン２９と、副スライドプレート２６の一側面に軸
方向が水平方向に突設された第２の係止ピン２９ａと、
上ストッパ板２８に軸方向が上下方向に突設された第３
の係止ピン３０と、第１の係止ピン２９と第２の係止ピ
ン２９ａとの間に張設された副引張りばね３１と、第２
の係止ピン２９ａと第３の係止ピン３０との間に張設さ
れた主引張りばね３２とを有している。

【００１４】しかして、副スライドプレート２６は、主
引張りばね３２により弾性的に上ストッパ板２８と下ス
トッパ板２７との範囲内で主スライドプレート２１に対
して遊動自在に懸吊された状態となっている。また、後
述するように、副引張りばね３１は、ボンディング力を
付与する役割を果たしている。

【００１５】最後に、ボンディング制御部６は、基板保
持部３により保持された基板２のパッド面及びチップ保
持部４に保持されているチップ１のバンプ面を撮像する
撮像手段３３と、この撮像手段３３による撮像結果及び
予め設定されたボンディングプログラム３４に基づいて
制御信号ＳＱ，ＳＲを基板保持部３及び昇降駆動部５に
印加し所定のボンディングを行わせる演算処理部３５と
を有している。

【００１６】つぎに、上記構成のボンディング装置Ｍの
作動について述べる。基板保持板９の保持座９ａに基板
２を載置し真空吸着する。このとき、基板保持板９は、
埋設されている電熱線に通電することにより、予め２０
０゜Ｃ程度に加熱しておく。これにより、保持座９ａに
着座された基板２も２００゜Ｃ前後に加熱される。ま
た、図示せぬチップ供給機構によりツール１１の下端部
近傍にチップ１を移送して真空吸着させる。このときツ
ール１１と基板保持部３により保持された基板２との間
隔は、少なくとも撮像手段３３による撮像が可能な程度
に設定しておく。さらに、撮像手段３３により、チップ
１のバンプ面及び基板２のパッド面を撮像する。この撮
像手段３３による撮像結果に基づいて、演算処理部３５
にては、ボンディングプログラム３４に従って制御信号
ＳＱを基板保持部３に印加する。その結果、ＸＹテーブ
ル７及びθテーブル８が所要量だけ移動することによ
り、基板２が所定位置に位置決めされる。つぎに、ボン
ディングプログラム３４にしたがって制御信号ＳＲが演
算処理部３５から駆動モータ１６に印加される。その結
果、駆動軸１６ａが回転し、この回転は、第１のプーリ
１７，ベルト１９，第２のプーリ１８ａを介して送りね
じ１８に伝達される。そして、送りねじ１８の回転に伴
って連結子２０は下降し、連結子２０に連結されている
主スライドプレート２１は、摺動体２３を介して摺動ガ
イド２４に沿って下降する。このとき、副スライドプレ
ート２６は、主引張りばね３２により主スライドプレー
ト２１に対して弾性的に懸吊された状態となっているの
で、主スライドプレート２１と一体的に下降する。

【００１７】しかして、ツール１１に保持されたチップ
１が、基板保持部３により保持された基板２に接触して
も、そのまま主スライドプレート２１の下降を継続させ
る。すると、副スライドプレート２６は、ツール１１に
保持されたチップ１が基板２に接触していることにより
下降することができないため、図３に示すように、主ス
ライドプレート２１のみが下降する。これに伴い、副引
張りばね３１は長さが伸張するとともに、主引張りばね
３２は長さが短縮する。その結果、副引張りばね３１の
引張り力により、ツール１１に保持されたチップ１は基
板２に対して押圧される。すなわち、このときの副引張
りばね３１の引張り力は、図４及び図５に示すように、
基板２に形成された金パッド４１（銅パッド上に金めっ
きしたものでもよい。）とチップ１に形成された金バン
プ４２とのボンディング力となる。これら金パッド４１
と金バンプ４２とが接触する前に、超音波ホーン１０を
介してツール１１に保持されているチップ１に例えば６
０ｋＨｚの超音波を印加しておく。

【００１８】しかして、主スライドプレート２１は、チ
ップ１が基板２に接触した位置からΔＬだけ下降させ、
その位置で一定時間保持する。このΔＬは、金パッド４
１に対する金バンプ４２のボンディング力が、３００ｇ
ｆから３０００ｇｆとなるように例えば３０ｍｍに調整
する。これにより、金パッド４１と金バンプ４２とは、
超音波を印加された状態で一定のボンディング力で押圧
される結果、超音波印加と均一なボンディング力付加と
の相乗作用により確実に接合される。とくに、この場
合、超音波印加を併用していることによりボンディング
部位の加熱温度は２００゜Ｃ程度でよいので、半導体特
性を害する虞はなくなる。なお、実際のボンディングに
寄与する超音波の印加時間は、最大１０秒程度が好まし
い。

【００１９】この場合、副スライドプレート２６は、主
引張りばね３２により弾性的に主スライドプレート２１
に対して遊動自在に懸吊された状態であるので、ツール
１１に吸着されたチップ１が基板２に当接したまま主ス
ライドプレート２１が下降を継続しても、副スライドプ
レート２６は、一定位置に保持される。したがって、超
音波ホーン１０の姿勢は変化することない（従来技術の
ように超音波ホーン１０がその基端部を中心に回動する
ことがなくなる）ので、超音波ホーン１０が基端部を支
点として傾斜することにより（図４参照）、チップ１の
バンプ面が基板２のパッド面に対して傾きを生じるよう
な不具合は発生しない（図５参照）。また、副引張りば
ね３１は、最適のボンディング力をチップ１と基板２と
の間に付与する役割を果たする。その結果、各金バンプ
４２には対応する金パッド４１に対して均一な圧着力が
かかることになり、信頼性がすこぶる高い超音波ボンデ
ィングが可能となる。

【００２０】なお、上記実施形態においては、基板保持
部３が有するＸＹテーブル７及びθテーブル８により基
板２側を動かすことによりチップ１に対する位置決めを
行っているが、昇降駆動部５をＸＹθテーブル上に搭載
し、チップ１側を動かすことにより基板２に対する位置
決めを行うようにしてもよい。

【００２１】また、上記実施形態においては、副引張り
ばね３１と主引張りばね３２は、主スライドプレート２
１の一方の側部にのみ設けられているが、スライドプレ
ート２１の両側部に設けるようにしてもよい。

【００２２】また、副引張りばね３１と主引張りばね３
２の係止位置は、主スライドプレート２１及び副スライ
ドプレート２６の上下端部としてもよい。さらにまた、
副引張りばね３１を設けることなく、ボンディング力を
副スライドプレート２６系の自重のみによってもよい。

【００２３】

【発明の効果】本発明の請求項１のボンディング装置
は、基板を保持する基板保持部と、前記基板にボンディ
ングされるチップを保持するツールと、前記ツールが一
端部に取付けられ超音波を前記チップに印加する棒状の
超音波ホーンと、上下方向に移動自在な主スライドプレ
ートと、この主スライドプレートに上下動自在に支持さ
れ且つ前記超音波ホーンが取付けられた副スライドプレ
ートと、前記主スライドプレートを駆動する駆動手段と
を具備する。

【００２４】本発明の請求項２のボンディング装置は、
請求項１において、副スライドプレートは、主引張りば
ねにより主スライドプレートに支持されている。本発明
の請求項３のボンディング装置は、請求項１において、
主引張りばねは、主スライドプレートの上端部と副スラ
イドプレートとの間に係止されている。

【００２５】本発明の請求項４のボンディング装置は、
請求項１において、主スライドプレートの下端部と副ス
ライドプレートとの間には、基板とチップとの間にボン
ディング力を付加する副引張りばねが係止されている。

【００２６】本発明の請求項５のボンディング装置は、
請求項１において、基板保持部には、基板を加熱する加
熱源が埋設されている。しかして、本発明の請求項１乃
至請求項５のボンディング装置は、チップを保持するツ
ールが取付けられている超音波ホーンを保持する副スラ
イドプレートが主スライドプレートに対して上下動自在
に支持されているので、従来のようにツールの先端がボ
ンディングヘッドの超音波ホーン支持部を中心に回動す
るようなことがなくなり、主スライドプレートを下降さ
せることによりツールを基板に当接させても、超音波ホ
ーンが傾くことはなく、均一な圧着力で信頼性の高い超
音波ボンディングが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のボンディング装置の全体構成図であ
る。

【図２】図１のボンディング装置の正面を示す概念図で
ある。

【図３】図１のボンディング装置の要部を示す拡大図で
ある。

【図４】本発明のボンディング装置の作動説明図であ
る。

【図５】本発明のボンディング装置の作動説明図であ
る。

【図６】従来技術の説明図である。

【図７】従来技術の説明図である。

【符号の説明】

１：チップ，２：基板，３：基板保持部，４：チップ保
持部，５：昇降駆動部，６：ボンディング制御部，１
０：超音波ホーン，１１：ツール，１６：駆動モータ，
２１：主スライドプレート，２６：副スライドプレー
ト，３２：副引張りばね，３２：主引張りばね。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板を保持する基板保持部と、前記基板に
   ボンディングされるチップを保持するツールと、前記ツ
   ールが一端部に取付けられ超音波を前記チップに印加す
   る棒状の超音波ホーンと、固定部材に対して上下方向に
   移動自在に取り付けられた主スライドプレートと、この
   主スライドプレートに上下動自在に支持され且つ前記超
   音波ホーンが取付けられた副スライドプレートと、前記
   主スライドプレートを駆動する駆動手段とを具備したこ
   とを特徴とするボンディング装置。
2. 【請求項２】副スライドプレートは、主引張りばねによ
   り主スライドプレートに懸吊されていることを特徴とす
   る請求項１記載のボンディング装置。
3. 【請求項３】主引張りばねは、主スライドプレートの上
   端部と副スライドプレートとの間に係止されていること
   を特徴とする請求項１記載のボンディング装置。
4. 【請求項４】主スライドプレートの下端部と副スライド
   プレートとの間には、基板とチップとの間にボンディン
   グ力を付加する副引張りばねが係止されていることを特
   徴とする請求項１記載のボンディング装置。
5. 【請求項５】基板保持部には、基板を加熱する加熱源が
   埋設されていることを特徴とする請求項１記載のボンデ
   ィング装置。