特許 6019802 ボンディングヘッド

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6019802

(24)【登録日】2016年10月14日

(45)【発行日】2016年11月2日

(54)【発明の名称】ボンディングヘッド

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/60 20060101AFI20161020BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/60 311T

【請求項の数】2

【全頁数】7

(21)【出願番号】特願2012-142722(P2012-142722)

(22)【出願日】2012年6月26日

(65)【公開番号】特開2014-7318(P2014-7318A)

(43)【公開日】2014年1月16日

【審査請求日】2015年5月29日

(73)【特許権者】

【識別番号】000253019

【氏名又は名称】澁谷工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100082108

【弁理士】

【氏名又は名称】神崎 真一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100156199

【弁理士】

【氏名又は名称】神崎 真

(72)【発明者】

【氏名】安吉 裕之

(72)【発明者】

【氏名】荒川 兼哉

【審査官】 工藤 一光

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−１２９８９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２０２７８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−０４１３５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−８８２６６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ２１／６０−２１／６０７

Ｈ０５Ｋ１３／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ光を透過させるツールベースと、このツールベースに接触して設けられ、ツールベースを透過したレーザ光によって加熱されるボンディングツールとを備え、ボンディングツール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ヘッドにおいて、
上記ボンディングツールの接触面とツールベースの接触面との少なくとも一方に凹部を形成して、該ボンディングツールとツールベースの接触面積を減少させ、
上記凹部は、上記ボンディングツールとツールベースとを接触させた際に密封空間を形成するとともに当該ツールベースに設けた負圧通路に連通するようになっており、上記ボンディングツールは、上記密封空間に導入された負圧によりツールベースに吸着保持されることを特徴とするボンディングヘッド。

【請求項2】

上記凹部はボンディングツールの接触面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のボンディングヘッド。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はボンディングヘッドに関し、より詳しくは、レーザを照射して加熱したボンディングツール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ヘッドに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、半導体チップを基板に熱圧着させて接合するボンディングヘッドとして、ハウジングに設けられてレーザ光を透過させるツールベースと、このツールベースに接触して設けられ、ツールベースを透過したレーザ光によって加熱されるボンディングツールとを備え、ボンディングツール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ものが知られている(特許文献１)。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１０−１２９８９０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記ボンディングツールは、多数の半導体チップを順次高速で基板に接合するために、ツールベースを透過したレーザ光によって速やかに昇温され、かつレーザ光の照射が停止された際には速やかに冷却されることが望ましい。
しかしながら従来のボンディングヘッドにおいては、ツールベースとボンディングツールとの間で相対的に多くの熱のやり取りがあるため、その結果としてボンディングツールを高速で昇温・冷却させることに一定の限界があった。
本発明はそのような事情に鑑み、より高速でボンディングツールを昇温・冷却させることが可能なボンディングヘッドを提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0005】

すなわち本発明は、レーザ光を透過させるツールベースと、このツールベースに接触して設けられ、ツールベースを透過したレーザ光によって加熱されるボンディングツールとを備え、ボンディングツール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ヘッドにおいて、
上記ボンディングツールの接触面とツールベースの接触面との少なくとも一方に凹部を形成して、該ボンディングツールとツールベースの接触面積を減少させ、
上記凹部は、上記ボンディングツールとツールベースとを接触させた際に密封空間を形成するとともに当該ツールベースに設けた負圧通路に連通するようになっており、上記ボンディングツールは、上記密封空間に導入された負圧によりツールベースに吸着保持されることを特徴とするものである。

【発明の効果】

【0006】

レーザ光によるボンディングツールの加熱時には、該ボンディングツールに吸収された熱が接触面を介してツールベースに奪われるようになるが、その際に接触面積が大きいとツールベースに奪われる熱量も大きくなり、ボンディングツールの速やかな昇温が阻害されるようになる。しかるに本発明においては、上記ボンディングツールの接触面とツールベースの接触面との少なくとも一方に凹部を形成して、該ボンディングツールとツールベースの接触面積を減少させているので、ツールベースに奪われる熱量を従来に比較して低減させることができ、それによってボンディングツールを速やかに昇温させることが可能となる。
他方、ボンディングツールの冷却時においては、上記接触面を介して昇温したツールベースからボンディングツールに熱が伝わることとなり、その際に接触面積が大きいとツールベースからボンディングツールに伝わる熱量も大きくなるので、ボンディングツールの速やかな冷却が阻害されるようになる。しかるに本発明においては、ボンディングツールとツールベースとの接触面積を減少させているので、ツールベースからボンディングツールに伝わる熱量を従来に比較して低減させることができ、それによってボンディングツールの速やかな冷却が可能となる。
これらにより加熱効率、冷却効率を従来に比較して高めることができるので、ボンディング装置のタクトアップを達成することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】本発明の一実施例を示す構成図。

【図2】図１の要部の拡大図。

【図3】図２に示したツールベース８とボンディングツール９の拡大図。

【図4】図３のボンディングツール９の平面図。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、図示実施例について本発明を説明すると、図１において、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であって、該ボンディング装置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を備えている。上記基板ステージ４の上方側にボンディングヘッド６を配置してあり、このボンディングヘッド６は昇降加圧機構７によって昇降させることができるようにしてある。
上記ボンディングヘッド６は筒状に形成したハウジング６Ａを備えており、このハウジング６Ａの下端部にツールベース８を水平に固定し、後に詳述するように該ツールベース８の下面にボンディングツール９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９の下面に上記半導体チップ３を着脱自在に吸着保持できるようにしてある。

【0009】

上記ハウジング６Ａの側面上部には可撓性を有する光ファイバー１１の一端部を水平方向となるように接続してあり、この光ファイバー１１の他端はレーザ発振器１２に接続している。
上記レーザ発振器１２から発振されたレーザ光Ｌは、光ファイバー１１を介して上記一端部からハウジング６Ａの中心に向けて水平に照射されるとともに、集光レンズ１３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６Ａの内部上方中央部に設けた反射ミラー１４により鉛直下方に反射され、ツールベース８を透過してボンディングツール９に照射されて該ボンディングツール９を加熱することができるようになっている。

【0010】

上記ツールベース８は強度が高い石英あるいはサファイヤから構成してあり、またボンディングツール９はシリコンカーバイド製の薄い部材から構成してある。
また上記基板ステージ４、レーザ発振器１２および昇降加圧機構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おり、この制御装置によってレーザ発振器１２を作動させることにより、レーザ光Ｌをボンディングツール９に照射させてこれを加熱することができるようにしてある。
さらに上記レーザ発振器１２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。

【0011】

図２に拡大して示すように、上記ツールベース８はリング状の取付部材２１によって上記ハウジング６Ａの下端面に水平に取り付けられている。上記ツールベース８の上面とハウジング６Ａの下端面との間に薄板状のマスク２２を介在させてあり、このマスク２２の中央部にレーザ光Ｌの通過を許容するアパーチャ２２ａを形成してある。
上記アパーチャ２２ａの大きさは、上記ボンディングツール９の大きさに合わせて形成してある。

【0012】

上記ハウジング６Ａには図示しない負圧供給手段に接続されたツール吸着用負圧ポート２５と、チップ吸着用負圧ポート２６とが設けられており、ツール吸着用負圧ポート２５から導入される負圧によってボンディングツール９をツールベース８の下面に吸着保持し、またチップ吸着用負圧ポート２６から導入される負圧によって半導体チップ３をボンディングツール９の下面に吸着保持することができるようにしてある。
上記ツール吸着用負圧ポート２５は、ハウジング６Ａに形成した上下方向の貫通孔２７およびマスク２２に形成した上下方向の貫通孔２８を介してマスク２２の下面とツールベース８の上面との間に連通しており、さらにマスク２２の下面に形成した連通溝２９を介してツールベース８に形成した複数のツール吸着孔３０のそれぞれに連通している。
ツールベース８に形成した複数のツール吸着孔３０は、ボンディングツール９と重合する位置に形成してあり、したがってツール吸着孔３０に負圧を導入することによりツールベース８の下面にボンディングツール９を吸着保持することができるようになっている。

【0013】

他方、上記チップ吸着用負圧ポート２６は、ハウジング６Ａに形成した水平方向の貫通孔３３を介してハウジング６Ａの内部に連通している。このチップ吸着用負圧ポート２６よりも上方位置で、上記反射ミラー１４よりも下方位置に、ハウジング６Ａの下方内部を密封するガラス板３４を設けてあり、このガラス板３４によってハウジング６Ａに導入された負圧を保持することができるようにしてある。
そしてツールベース８とボンディングツール９とには両者を貫通させてチップ吸着孔３５、３６を形成してあり、これらチップ吸着孔３５、３６に負圧を導入することにより、ボンディングツール９の下面に半導体チップ３を吸着保持することができるようにしてある。
上記ツール吸着用負圧ポート２５には常時負圧が供給されて上記ツールベース８からボンディングツール９が脱落しないようになっており、他方、チップ吸着用負圧ポート２６には半導体チップ３を吸着保持する際に負圧が供給されるようになっている。

【0014】

本実施例においては上記ボンディングツール９とツールベース８とが相互に接触する接触面９Ａ、接触面８Ａのうち、ボンディングツール９の接触面９Ａに凹部４１を形成して、ボンディングツール９とツールベース８の接触面積を減少させている。
上記ボンディングツール９は、図３、図４から理解されるように、方形の薄板状に形成してあり、その底壁９ａと、四方の側壁９ｂと、中央のチップ吸着孔３６を形成するための支柱９ｃとを残存させるとともに、さらに側壁９ｂの内側における四方の補強用支柱９ｄと、互いに向き合う２つの側壁９ｂの各中央部に縦方向に形成した補強用リブ９ｅとを残して、その他の部分を切除して上記凹部４１としている。
上記補強用支柱９ｄや補強用リブ９ｅは、ボンディングツール９によって半導体チップ３を基板２に圧着した際に、ボンディングツール９の底壁９ａが歪むのを抑制することができる。

【0015】

そして上記凹部４１は、ボンディングツール９の上面となる接触面９Ａをツールベース８の下面となる接触面８Ａに密着させた状態では、ツールベース８の接触面８Ａによって密封されて、密封空間を形成するようになっている。
上記ツールベース８に形成したツール吸着孔３０は、密封空間となる凹部４１内に連通して該凹部４１内に負圧を導入し、それによってボンディングツール９をツールベース８の下面に吸着保持することができるようになっている。

【0016】

以上の構成において、半導体チップ３をボンディングツール９の下面に吸着保持した状態において、レーザ光Ｌがツールベース８を透過してボンディングツール９に照射されると、該ボンディングツール９がレーザ光Ｌによって加熱されて、半導体チップ３およびその下面の複数箇所に配置されたバンプ４２（図１）が加熱されるようになる。
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９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７によるボンディングヘッド６の下降を開始するようになっている。ボンディングヘッド６を所定の高さまで下降させ、チップと基板とを当接させ所要のボンディング荷重をかけた状態において、レーザ発振器１２からレーザ光Ｌを発振させてボンディングツール９に照射させることにより、ボンディングツール９に吸着保持された半導体チップ３は、加熱されながら基板２へ押圧されて該基板２に接合されるようになる。
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チップ吸着孔３５、３６からの吸引が停止されるので、ボンディングツール９による半導体チップ３の保持状態が解除され、その後、昇降加圧機構７によりボンディングヘッド６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。

【0017】

上記ボンディングツール９がレーザ光Ｌによって加熱される際には、加熱されたボンディングツール９からこれに接触しているツールベース８に熱が逃げることになるが、ボンディングツール９に凹部４１を形成して、ボンディングツール８とツールベース８の接触面積を減少させているので、加熱された熱がボンディングツール９からツールベース８に逃げることを良好に防止することができる。
またこの際、上記凹部４１によって形成される密封空間には負圧が導入されて真空状態となっているので、この真空の凹部４１を良好な断熱手段として利用することができる。
したがってこれにより、ボンディングツール９を速やかに所要の温度まで昇温させることが可能となる。

【0018】

また、ボンディングツール９に対するレーザ光Ｌの照射を終了した際には、このボンディングツール９は冷却されることになるが、この際には、それ以前にボンディングツール９からツールベース８に逃げた熱によって昇温されたツールベース８から、ボンディングツール９に熱が戻ることとなる。
その際、ボンディングツール９とツールベース８との接触面積が大きいと、ツールベース８からボンディングツールに伝わる熱量も大きくなるので、ボンディングツールの速やかな冷却が阻害されるようになるが、本実施例においてはボンディングツール９とツールベース８との接触面積を減少させているので、ツールベース８からボンディングツール９に伝わる熱量を従来に比較して低減させることが可能となる。
したがってこれにより、ボンディングツール９の速やかな冷却が可能となる。このように本実施例によれば、従来に比較してボンディングツール９の加熱効率、冷却効率を高めることができるので、ボンディング装置１のタクトアップを達成することが可能となる。

【0019】

なお、上記実施例ではボンディングツール９とツールベース８とが相互に接触する接触面９Ａ、接触面８Ａのうち、ボンディングツール９の接触面９Ａに凹部４１を形成している。ツールベース８の接触面８Ａに凹部４１を形成した場合には、該ツールベース８に対するレーザ光Ｌの透過性を阻害するおそれがあるので、上記凹部４１はボンディングツール９の接触面９Ａに形成することが望ましいが、これに限定されるわけではない。ツールベース８の接触面８Ａに設けても、あるいは両接触面８Ａ、９Ａに設けてもよい。

【符号の説明】

【0020】

１ ボンディング装置 ２ 基板
３ 半導体チップ ６ ボンディングヘッド
６Ａ ハウジング ８ ツールベース
８Ａ、９Ａ 接触面 ９ ボンディングツール
３０ ツール吸着孔 ３５、３６ チップ吸着孔
４１ 凹部 Ｌ レーザ光

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】