ダイボンディング装置
【課題】簡便な構造で薄い半導体チップを適切にピックアップしてボンディングする。
【解決手段】半導体チップをピックアップしてボンディングするボンディングツール１１が先端に取り付けられるシャフト１２、複数の平行に配置された平板リンク２０，３０を介してシャフト１２が取り付けられ、シャフト１２の延びる方向に沿って直線移動するボンディングヘッド５０と、ボンディングヘッド５０に回転自在に取り付けられ、先端部４１がシャフト１２に接続され、後端部４３にカウンターウェイト４８が取り付けられるレバー４０と、ボンディングヘッド５０とレバー４０の後端部４３との間に取り付けられ、ボンディングツール１１を半導体チップに押し付ける押圧荷重を付与するスプリング５８と、を備え、カウンターウェイト４８は、レバー４０の回転軸周りの回転モーメントをつり合わせる重量とする。
【解決手段】半導体チップをピックアップしてボンディングするボンディングツール１１が先端に取り付けられるシャフト１２、複数の平行に配置された平板リンク２０，３０を介してシャフト１２が取り付けられ、シャフト１２の延びる方向に沿って直線移動するボンディングヘッド５０と、ボンディングヘッド５０に回転自在に取り付けられ、先端部４１がシャフト１２に接続され、後端部４３にカウンターウェイト４８が取り付けられるレバー４０と、ボンディングヘッド５０とレバー４０の後端部４３との間に取り付けられ、ボンディングツール１１を半導体チップに押し付ける押圧荷重を付与するスプリング５８と、を備え、カウンターウェイト４８は、レバー４０の回転軸周りの回転モーメントをつり合わせる重量とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイボンディング装置の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体チップを基板等に接合するためのダイボンディング装置は、ダイシングされたウェハから半導体チップをピックアップし、ピックアップした半導体チップを基板またはリードの上にボンディングして接合するものである。このダイボンディング装置は半導体チップを吸着してピックアップするツールであるコレットが取り付けられたボンディングヘッドを半導体チップの表面に対して垂直方向に移動させるものである。半導体チップをピックアップする際或いは半導体チップを基板等の上にボンディングする際には、コレットをある程度の押圧荷重で半導体チップに押しつける必要があるので、例えば、ボイスコイルモータによってコレットを押し下げて半導体チップに適切な押圧荷重を掛ける方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
しかし、ボイスコイルモータは重量が大きいことから、ボンディングヘッドの高速移動が難しい上、微小な押圧荷重を調整するための制御装置が必要で構造が複雑になってしまうという問題があった。そこで、コレットとボンディングヘッドとの間にボンディングヘッドの降下距離によってコレットの半導体チップへの押圧力を調整できるような荷重ばねを取り付け、ボンディングヘッドの高さを制御することによって半導体チップをピックアップする際或いは基板等の上にボンディングする際に適切な押圧荷重が半導体チップに加わるようにする簡便な方法も用いられている。
【０００４】
ところが、荷重ばねを用いた方法では、コレットとコレットが取り付けられているシャフトと荷重ばねとがいわゆるバネマス系の振動系を構成することから、ダイボンディング装置の動作速度や押圧荷重の大きさ等によって、コレット及びシャフトが大きく上下に振動する場合があり、ピックアップの際或いは基板等の上にボンディングの際にコレットが半導体チップの表面から浮かないようにするために、少し大ききめの押圧荷重が掛かるようにすることが必要であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３４０４１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一方、近年、半導体チップの厚さは非常に薄く、その強度が弱くなってきている。また、ガリウムヒ素等の脆い素材を用いた半導体チップも多く用いられるようになってきている。このため、ピックアップの際或いは基板等の上にボンディングの際にこのような薄い或いは脆い半導体チップに加わる押圧荷重をできるだけ小さくすることが必要となる。しかし、荷重ばねを用いた方法では、振動による浮き上がりを防止するため、押圧荷重を小さくすることが難しいという問題があった。更に、振動が発生した場合には荷重ばねの反動で半導体チップに瞬間的に大きな押圧荷重が掛かってしまい、半導体チップが破損してしまう場合があるという問題があった。このため、従来の荷重ばねを用いたダイボンディング装置では、薄い或いは脆い半導体チップのピックアップに必要な小さな押圧荷重をかけられず、薄い或いは脆い半導体チップを適切にピックアップして基板等の上にボンディングすることが難しいという問題があった。
【０００７】
本発明は、ダイボンディング装置において、簡便な構造で薄い或いは脆い半導体チップを適切にピックアップしてボンディングすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のダイボンディング装置は、半導体チップをピックアップしてボンディングするボンディングツールが先端に取り付けられるシャフトと、複数の平行に配置された平板リンクを介してシャフトが取り付けられ、シャフトの延びる方向に沿って直線移動するボンディングヘッドと、ボンディングヘッドに回転自在に取り付けられ、一端がシャフトに接続され、他端にカウンターウェイトが取り付けられるレバーと、ボンディングヘッドとレバーの他端との間に取り付けられ、ボンディングツールを半導体チップに押し付ける押圧荷重を付与するスプリングと、を備え、カウンターウェイトは、レバーの回転軸周りの回転モーメントをつり合わせる重量であること、を特徴とする。
【０００９】
本発明のダイボンディング装置において、レバーは、２枚の板ばねを十字型に交差させた十字板ばねによって回転自在にボンディングヘッドに取り付けられ、レバーの回転軸は、２枚の板ばねの交差する線に沿った軸であること、としても好適である。
【００１０】
本発明のダイボンディング装置において、各平板リンクは、シャフトの延びる方向と交差する面に沿って延び、ボンディングヘッドに取り付けられる環状板と、環状板と同一面に配置され、環状板の内側にある中空部分を渡る渡り板と、を含み、渡り板にシャフトが取り付けられており、各平板リンクの環状板は、略四角環状で、対向する２辺の中央の各固定点でボンディングヘッドに固定され、渡り板は、環状板の各固定点を結ぶ方向と交差する方向に延び、シャフトが接続される中央から環状板に接続される両端に向かって幅が小さくなり、環状板は、各固定点から前記渡り板に接続される両端に向かって幅が小さくなっていること、としても好適である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、ダイボンディング装置において、簡便な構造で薄い或いは脆い半導体チップを適切にピックアップしてボンディングすることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態におけるダイボンディング装置の構造を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態におけるダイボンディング装置の平板リンクを示す斜視図である。
【図３】本発明の実施形態におけるダイボンディング装置の半導体チップをピックアップする前の状態を示す断面図である。
【図４】本発明の実施形態におけるダイボンディング装置の半導体チップをピックアップする状態を示す断面図である。
【図５】本発明の実施形態におけるダイボンディング装置の平板リンクの変形状態を示す斜視図である。
【図６】本発明の実施形態におけるダイボンディング装置の平板リンクの変形状態を示す側面図である。
【図７】本発明の実施形態におけるダイボンディング装置のボンディングヘッドの沈み込み量に対する押圧荷重の変化を示すグラフである。
【図８】本発明の実施形態におけるダイボンディング装置のボンディングヘッドの降下速度とレバーの回転軸周りの回転モーメントの変化と押圧荷重の変化を示すグラフである。
【図９】本発明の実施形態におけるダイボンディング装置のボンディングツールが半導体チップに接触した後の押圧荷重の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１に示す様に、本実施形態のダイボンディング装置１００は、図示しないＸＹ方向への移動装置に取り付けられたリニアガイド６２と、リニアガイド６２に沿ってＺ方向に移動するスライダ６１と、スライダ６１に固定され、スライダ６１と共にＺ方向に移動するボンディングヘッド５０とを備えている。ボンディングヘッド５０は、スライダ６１に固定される本体５１と、本体５１からＹ方向に延びる一対の下アーム５２と一対の上アーム５３と、下アーム５２にブッシュ５５を介してボルト５４によって固定された下平板リンク２０と、上アーム５３にブッシュ５５を介してボルト５４によって固定された上平板リンク３０と、下平板リンク２０と上平板リンク３０とにそれぞれ固定されたシャフト１２と、シャフト１２の下側の先端に取り付けられている半導体チップを吸着するボンディングツール１１とを備えている。下平板リンク２０と上平板リンク３０とは平行に配置されている。シャフト１２の上端にはシャフト１２よりも外径の大きなエンドブロック１３が取り付けられており、エンドブロック１３の本体５１側の下面は、上アーム５３にボルト５４で固定された逆Ｕ字型のストッパ５６の上面に当たるよう構成されている。なお、図１においては、Ｚ方向は垂直方向であり、ＸＹ方向は互いに直交する水平面を示す。以下説明する他の図面においても同様である。
【００１４】
また、本体５１の上部には回転ガイドである十字板ばね４５を介してレバー４０がボンディングヘッド５０に対して回転自在に取り付けられている。レバー４０の先端部４１（シャフト１２側或いはＹ方向プラス側）とシャフト１２のエンドブロック１３とは連結板４９によって連結されている。また、レバー４０の後端部（スライダ６１側あるいはＹ方向マイナス側）にはカウンターウェイト４８がボルト４２によって固定されている。カウンターウェイト４８の下側の本体５１に設けられた穴５７にはボンディングツール１１を半導体チップに押し付ける押圧荷重を付与するスプリング５８が取り付けられている。スプリング５８の上端はカウンターウェイト４８に接触している。
【００１５】
十字板ばね４５は、水平ばね板４６と、垂直ばね板４７とを十字に組み合わせたもので、水平ばね板４６の後端（スライダ６１側あるいはＹ方向マイナス側）はボンディングヘッド５０の本体５１にボルト４２によって固定され、先端（シャフト１２側あるいはＹ方向プラス側）は、レバー４０の中央ブロック４４の下面にボルト４２によって固定されている。また、垂直ばね板４７の下端はボルト４２によってボンディングヘッド５０の本体５１の上部に固定されており、その上端は、レバー４０の中央ブロック４４の垂直面にボルト４２によって固定されている。このように、十字板ばね４５は水平ばね板４６の先端と後端、垂直ばね板４７の上端と下端との４つの端部を有しており、隣接する水平ばね板４６の後端と垂直ばね板４７の下端とはボンディングヘッド５０の本体５１に固定され、水平ばね板４６の先端と垂直ばね板４７の上端とはレバー４０の中央ブロック４４に固定されている。そして、水平ばね板４６と垂直ばね板４７との交差するＸ方向に延びる線がレバー４０の回転軸４０ｃとなり、十字板ばね４５はレバー４０を回転軸４０ｃの周りに回転自在に支持する。
【００１６】
図２を参照しながら上平板リンク３０の構造の詳細について説明する。図２に示す様に、上平板リンク３０は、薄いステンレス鋼やバネ鋼などを加工したもので、シャフト１２の延びるＺ方向と垂直なＸＹ面内に沿って延びている。上平板リンク３０は、環状板３１と、環状板３１の内側の中空部分３４をＹ方向に渡る渡り板３２とを備えている。環状板３１と渡り板３２とは同一平内に配置されている。環状板３１は、略四角環状で各辺は、Ｘ方向とＹ方向とに延びている。そして、Ｙ方向に延びる一対の第１の辺３１ａの長手方向の中央はブッシュ５５を介してボルト５４によって上アーム５３の上面に固定されている。このボルト５４によって上アーム５３に固定されている第１の辺３１ａの部分はそれぞれ上平板リンク３０の固定点３３である。また、環状板３１のＸ方向に延びる一対の第２の辺３１ｂの各中央は渡り板３２によってＹ方向に接続されている。そして、渡り板３２の中央にはシャフト１２が固定されている。図２に示す様に、渡り板３２の中心線７２はシャフト１２の中心線７１を通る線である。シャフト１２が渡り板３２に取り付けられる部分はリング１４によって補強されている。図２に示す様に、渡り板３２はシャフト１２の中心線７１を通ってＹ方向に延び、シャフト１２が固定されている中央部分は幅が広く、環状板３１と接続される端部に向ってその幅が小さくなるテーパー形状となっている。また、Ｙ方向に延びる一対の第１の辺３１ａはボルト５４によって固定される固定点３３の部分は幅が広く、Ｙ方向に向かうにつれて第２の辺３１ｂは、その幅が小さくなるように構成されている。そして、２つの固定点３３とシャフト１２とは、一つの直線７３の上に配置され、Ｘ方向に一列に並んでいる。以上、上平板リンク３０の構造について説明したが、下平板リンク２０の構造も上平板リンク３０と同様の構造である。
【００１７】
以上説明したように構成される本実施形態のダイボンディング装置１００によって半導体チップをピックアップする際の動作について説明する。図１，２を参照して説明した部分には同様の符号を付してその説明は省略する。
【００１８】
図３に示す様に、ピックアップしようとする半導体チップ９０は、裏面にダイシングテープ８３が貼り付けられた状態でピックアップステージ８１の上に吸着固定されている。ダイシングテープ８３は、周囲に向って引っ張られた状態で、各半導体チップ９０の間には微小な隙間ができている。ダイボンディング装置１００は、図示しないＸＹ移動装置によってボンディングヘッド５０を移動させ、シャフト１２の下端に取り付けられたボンディングツール１１の位置をピックアップしようとする半導体チップ９０の真上にもってくる。
【００１９】
次に、図４に示す様に、ダイボンディング装置１００は、図示しない制御部の指令によって、ボンディングヘッド５０が取り付けられているスライダ６１をＺ方向下向きに降下させる。そして、制御部はボンディングツール１１の先端が半導体チップ９０の表面に接してから更に、高さΔＺ０だけスライダ６１及びボンディングヘッド５０を降下させる。すると、図４に示す様に、シャフト１２は、２つの平板リンク２０，３０にガイドされてボンディングヘッド５０に対して高さΔＺ０だけ上方に移動し、シャフト１２の上端のエンドブロック１３も高さΔＺ０だけ上方に移動する。そして、エンドブロック１３に連結板４９によって接続されているレバー４０の先端部４１も高さΔＺ０だけ上方に移動する。レバー４０は、十字板ばね４５の水平ばね板４６と垂直ばね板４７との交差する回転軸４０ｃ沿ってＸ軸周りに回転し、レバー４０の後端部４３は下向きに高さΔＺ５だけ移動する。すると、スプリング５８がＺ方向に長さΔＺ５だけ縮み、その反力によってレバー４０の後端部４３を押し上げ、レバー４０の先端部４１に連結板４９を介して接続されているエンドブロック１３、シャフト１２に対して下向きに力Ｆ０を加える。ボンディングツール１１の内部は、図示しない真空装置によって真空となっているので、この力Ｆ０によってボンディングツール１１が半導体チップ９０の表面に押し付けられると、ボンディングツール１１は半導体チップ９０を吸着する。その後、図示しない制御部によってスライダ６１が上昇すると、ボンディングツール１１は半導体チップ９０をピックアップする。
【００２０】
図５、図６を参照して、ボンディングツール１１が半導体チップ９０の表面に接した後、ボンディングヘッド５０が更に高さΔＺ０だけ降下した際の上平板リンク３０の変形とシャフト１２の移動について詳細に説明する。ボンディングツール１１が半導体チップ９０の表面に接した後、ボンディングヘッド５０が更に高さΔＺ０だけ降下すると、図５に示す様に、上平板リンク３０を固定している上アーム５３もボンディングツール１１が半導体チップ９０の表面に接した際の高さよりも高さΔＺ０だけ降下するので、上平板リンク３０の固定点３３もボンディングツール１１が半導体チップ９０の表面に接した際の高さよりも高さΔＺ０だけ降下する。一方、シャフト１２は先端のボンディングツール１１が半導体チップ９０の表面に接しているので、それ以上降下せず、上平板リンク３０のシャフト１２を固定している渡り板３２の中央と、２つの固定点３３との間にはΔＺ０だけ高さの差ができることとなる。上平板リンク３０の固定点３３によって中央が上アーム５３に固定されている各第１の辺３１ａは、図５及び図６（ａ）に示す様に、固定点３３から第２の辺３１ｂに向かって上方に湾曲していく。また、図５、図６（ｂ）に示す様に、第２の辺３１ｂの間を渡っている渡り板３２は、第２の辺３１ｂからシャフト１２の取り付けられている中央部が盛り上がるように上方に向って変形する。更に、図５、図６（ｂ）に示す様に、第２の辺３１ｂは渡り板３２が接続されている中央部分が第１の辺３１ａに接続されている両端から盛り上がるように上に向って変形する。図６（ａ）に示すように、第１の辺３１ａの上方への湾曲により、固定点３３と第１の辺３１ａの両端或いは第２の辺３１ｂとの間には、ΔＺ１だけの高さの差ができる。また、図６（ｂ）に示す様に、第２の辺３１ｂの盛り上がり変形によって第１の辺３１ａの両端と第２の辺３１ｂの中央部との間には、ΔＺ２の高さの差ができる。更に、図６（ｂ）に示すように、渡り板３２の盛り上がり変形によって第２の辺３１ｂの中央とシャフト１２の取り付けられている渡り板３２の中央との間には、ΔＺ３だけの高さの差ができる。そして、この高さの差ΔＺ１，ΔＺ２，ΔＺ３の合計が高さΔＺ０となる。つまり、ΔＺ１+ΔＺ２+ΔＺ３＝ΔＺ０、となる。
【００２１】
このように、上平板リンク３０は、固定点３３から延びる第１の辺３１ａの曲げ変形と、第２の辺３１ｂの盛り上がり変形と、第２の辺３１ｂとの間に渡された渡り板３２の盛り上がり変形とによってシャフト１２をボンディングヘッド５０に対して高さΔＺ０だけＺ方向に移動させる。また、第１の辺３１ａと渡り板３２の第２の辺３１ｂに接続する端部はその幅が小さくなっているので、第２の辺３１ｂの両端、及び渡り板３２の両端にそれぞれリンクを形成し、各リンクの回転によってシャフト１２をＺ方向に移動させる。このため、シャフト１２のＺ方向の移動に対する抵抗がほとんど発生しない。また、本実施形態のダイボンディング装置１００は、下平板リンク２０と上平板リンク３０の２つの平板リンクを平行に配置し、これによってシャフト１２がＺ方向に移動可能に支持するので、シャフト１２が半導体チップ９０の表面に対して垂直方向にスムーズに移動することができる。さらに、図４に示す様に、レバー４０は十字板ばね４５によって回転軸４０ｃの周りに回転支持されているので、回転軸受けなどのような摩擦抵抗がなく、回転に対する抵抗がほとんど発生しない。
【００２２】
このため、ボンディングツール１１が半導体チップ９０の表面に接した後、ボンディングヘッド５０が高さΔＺだけ沈み込んだ際に半導体チップ９０の表面に掛かる力は、図７に示す様に、沈み込み高さΔＺに対して正比例するようになる。つまり、Ｆ＝Ｋ×ΔＺ、となる。そして、沈み込み量が高さΔＺ０となると、半導体チップ９０には、Ｆ０＝Ｋ×ΔＺ０だけの押圧荷重が掛かる。そして、先に説明したように、この力Ｆ０によってボンディングツール１１が半導体チップ９０の表面に押し付けられると、ボンディングツール１１は半導体チップ９０を吸着する。その後、図示しない制御部によってスライダ６１が上昇すると、ボンディングツール１１は半導体チップ９０をピックアップする。
【００２３】
以上、本実施形態のダイボンディング装置１００の基本的な動作について説明したが、次に、ボンディングツール１１の先端を半導体チップ９０の上に接するまでボンディングヘッド５０を降下させる動作と、その際に発生する慣性力について説明する。
【００２４】
図３に示す様に、ボンディングツール１１をピックアップする半導体チップ９０の真上に持ってきたら、図示しない制御部は、スライダ６１を駆動してボンディングヘッド５０を半導体チップ９０に向って降下を開始させる。
【００２５】
図８に示す時間ｔ２０にボンディングヘッド５０が降下を開始すると、ボンディングヘッド５０の降下速度ｖは、ゼロから次第に速くなってくる。そして、図８に示す時間ｔ２１から時間ｔ２２の間は加速度（プラス加速度）が一定でボンディングヘッド５０の降下速度ｖは直線的に増加していく。そして、図８に示す時間ｔ２２から時間ｔ２３の間は加速度がマイナスとなり、ボンディングヘッド５０の降下速度の上昇率は次第に低下し、ボンディングヘッド５０の降下速度ｖは次第に一定の降下速度ｖ１に近づいていく。その後、図８に示す時間ｔ２３からｔ２４の間、ボンディングヘッド５０は、一定の降下速度ｖ１で降下していく。ボンディングヘッド５０が降下している間、制御部は、図示しない高さ検出器によってボンディングヘッド５０の高さを検出し、その検出結果からボンディングツール１１の先端と半導体チップ９０の表面との距離を計算する。
【００２６】
そして、ボンディングツール１１の先端と半導体チップ９０の表面との距離が所定の距離まで縮まってきたら、図８の時間ｔ２４に示す様に、ボンディングヘッド５０の降下速度ｖを一定の降下速度ｖ１から次第に小さくする。図８に示す時間ｔ２４からｔ２５の間は、加速度がマイナスとなり、ボンディングヘッド５０の降下速度ｖは時間と共に小さくなっていく。そして、図８に示す時間ｔ２５から時間ｔ２６の間は、加速度（マイナス加速度）が一定で、ボンディングヘッド５０の降下速度ｖは直線的に減少していく。そして、図８に示す時間ｔ２６から時間ｔ２７の間は加速度がプラスとなり、ボンディングヘッド５０の降下速度の減少率は次第に小さくなり、図８に示す時間ｔ２７には、半導体チップ９０の表面に接地するための一定の微小降下速度ｖ０となる。制御部は、ボンディングヘッド５０を一定の微小降下速度ｖ０でゆっくりと降下させていく。
【００２７】
図８に示す時間ｔ１にボンディングツール１１の先端が半導体チップ９０の表面に接すると、図４に示す様に、ボンディングツール１１とシャフト１２とが押し上げられてレバー４０が回転軸４０ｃの周りに回転してスプリング５８を押し下げる。そして、更に、ボンディングヘッド５０が押し下げられるとスプリング５８の反力によってボンディングツール１１の先端は半導体チップ９０の表面に押圧荷重Ｆによって押し付けられる。図８に示す様に、押圧荷重Ｆはボンディングツール１１の先端が半導体チップ９０の表面に接する時間ｔ１からボンディングヘッド５０が降下するに従って次第に増加していく。
【００２８】
以上説明したように、ボンディングヘッド５０が降下中には、その降下速度が変化し、その際にボンディングヘッド５０に上方向或いは下方向の加速度が掛かる。その際のボンディングヘッド５０に取り付けられているシャフト１２、ボンディングツール１１、レバー４０、カウンターウェイト４８には加わる加速度によって上方向或いは下方向に向う慣性力が作用する。図８の時間ｔ２０から時間ｔ２１のようにボンディングヘッド５０の降下速度ｖが増加している間は、ボンディングヘッド５０には下向きの加速度が加わる。すると、ボンディングヘッド５０に対してＺ方向に移動可能となるように各平板リンク２０，３０によってボンディングヘッド５０の各アーム５２，５３に取り付けられているシャフト１２、エンドブロック１３及びシャフト１２の先端に取り付けられているボンディングツール１１には、ボンディングヘッド５０に掛かる加速度と大きさが同一で反対方向の加速度αがかかり、この加速度αにより、図３に示す様に、スライダ６１に固定されたボンディングヘッド５０に対して上向きの慣性力Ｇ１が掛かる（図３において白抜き矢印８４で示す）。
【００２９】
ここで、ボンディングヘッド５０に掛かる加速度と同一で方向が反対の加速度をα、シャフト１２、エンドブロック１３及びシャフト１２の先端に取り付けられているボンディングツール１１の合計質量をｍ１とすると、Ｇ１＝ｍ１×α、である。そして、この慣性力Ｇ１によって、シャフト１２が連結板４９によって接続されているレバー４０の先端部４１には回転軸４０ｃ周りで時計方向に向かう回転モーメントＭ１が掛かる。ここで、レバー４０の回転軸４０ｃとシャフト１２の中心との距離をモーメントアームＬ１とすると、Ｍ１＝Ｇ１×Ｌ１、である。また、図３に示すように、レバー４０の後端部４３に取り付けられているカウンターウェイト４８にもカウンターウェイト４８の質量をｍ２とすると、Ｇ１＝ｍ２×α、のボンディングヘッド５０に対して上向きの慣性力Ｇ２が掛かる（図３において白抜き矢印８４で示す）。そして、この慣性力Ｇ２によって、カウンターウェイト４８が取り付けられているレバー４０の後端部４３には回転軸４０ｃ周りで反時計方向に向かう回転モーメントＭ２が掛かる。ここで、レバー４０の回転軸４０ｃとカウンターウェイト４８の中心との距離をモーメントアームＬ２とすると、Ｍ２＝Ｇ２×Ｌ２、である。
【００３０】
シャフト１２、エンドブロック１３、ボンディングツール１１に掛かる加速度とカウンターウェイト４８に掛かる加速度とは、いずれもボンディングヘッド５０に掛かる加速度と同じ大きさで方向が反対の加速度αであることから、シャフト１２、エンドブロック１３、ボンディングツール１１の合計質量ｍ１と、カウンターウェイト４８の質量ｍ２とがそれぞれ等しく、各モーメントアームＬ１，Ｌ２とがそれぞれ等しい場合でかつ、レバー４０の回転軸４０ｃの周りの回転モーメントが周方向にバランスしている場合には、各回転モーメントＭ１，Ｍ２は、その方向が逆で大きさが等しいものとなる。また、レバー４０の回転軸４０ｃの周りの回転モーメントがアンバランスとなっている場合には、そのアンバランスを解消するようにカウンターウェイト４８の重さを調整することによって、各回転モーメントＭ１，Ｍ２は、その方向が逆で大きさが等しいものとすることができる。
【００３１】
先に説明したように、各回転モーメントＭ１，Ｍ２は、ボンディングヘッド５０に掛かる加速度と大きさが同一で反対方向の加速度αに比例するので、図８に示す時間ｔ２０から時間ｔ２１のように加速度αが増大している場合には、それに従ってそれぞれ図８に一点鎖線で示す回転モーメントＭ１も増大し、時間ｔ２１からｔ２２のように加速度αが一定の場合には、回転モーメントＭ１は一定で、時間ｔ２２からｔ２３のように加速度αが減少してくる場合には、回転モーメントＭ１は減少する。また、時間ｔ２３から時間ｔ２４のように速度が変化せず加速度αがゼロの場合には、回転モーメントＭ１はゼロとなる。
【００３２】
図８に示す時間ｔ２４からｔ２５のように、ボンディングヘッド５０の降下速度が一定の速度ｖ１から減少する場合、加速度αはゼロから減少するのでマイナスとなり、回転モーメントＭ１も時間ｔ２４のゼロから減少してマイナスとなる。そして、時間ｔ２５からｔ２６のように加速度αが一定の場合には、回転モーメントＭ１は一定で、時間ｔ２６からｔ２７のようにボンディングヘッド５０の降下速度の減少度合いが低下してくると加速度αは増加し、回転モーメントＭ１はマイナスからゼロに向って増加してくる。そして、時間ｔ２７から時間ｔ２８のように速度が変化せず加速度αがゼロの場合には、回転モーメントＭ１はゼロとなる。以上は回転モーメントＭ１の変化について説明したが、図８に破線で示すように、回転モーメントＭ２は回転モーメントＭ１と大きさが同一で方向が逆なので、図８では、ゼロの横軸に対して回転モーメントＭ１と上下対象となるように変化する。
【００３３】
このように、ボンディングヘッド５０に掛かる加速度αの大きさ、方向によって、各回転モーメントＭ１，Ｍ２は変化するが、先に説明したように、本実施形態では、各回転モーメントＭ１，Ｍ２は、その方向が逆で大きさが同様となるようにカウンターウェイト４８の重さが調整されているので、図８に示す各時間において、各回転モーメントＭ１，Ｍ２はバランスがとれている。これによってシャフト１２、カウンターウェイト４８等とスプリング５８とがバネマス振動系を構成してもボンディングヘッド５０が降下する際にシャフト１２が上下に振動することを抑制している。
【００３４】
図８に示す時間ｔ１にボンディングツール１１の先端が半導体チップ９０の表面に接すると、先に説明したように、スプリング５８が圧縮され、図８、図９に示す時間ｔ１以降のようにボンディングヘッド５０の沈み込み量ΔＺに比例した押圧荷重Ｆが半導体チップ９０の表面に加わる。すると、レバー４０の回転軸４０ｃのまわりの各回転モーメントＭ１，Ｍ２のバランスが崩れ、図９に示す様に、シャフト１２、カウンターウェイト４８等とスプリング５８とによって構成されるバネマス振動系によって、シャフト１２が上下方向に振動する。そして、図９に実線で示す様に、時間ｔ２には半導体チップ９０の押圧荷重が最大押圧荷重Ｆ１となり、その後時間ｔ３に最小押圧荷重Ｆ２となるが、その振動は時間の経過とともに減衰し、図９に示す時間ｔ４には略規定の押圧荷重Ｆ０一定となる。そして、時間ｔ４からｔ５の間、半導体チップ９０に所定の押圧荷重Ｆ０を加えて半導体チップ９０をピックアップし、ボンディングヘッド５０が上昇すると、図９の時間ｔ６には半導体チップ９０の押圧荷重はゼロとなる。
【００３５】
本実施形態では、カウンターウェイト４８によって、ボンディングヘッド５０が降下する際の各回転モーメントＭ１，Ｍ２をバランスがとれるようにしているので、図９に破線で示すカウンターウェイト４８が設けられていない場合に比べて、ボンディングツール１１の先端が半導体チップ９０の表面に接した後、半導体チップ９０に加わる最大押圧荷重Ｆ１と最小押圧荷重Ｆ２との差をカウンターウェイト４８が無い場合の最大押圧荷重Ｆ１１と最小押圧荷重Ｆ１２との差よりも小さくできると共に、最大押圧荷重Ｆ１の大きさを最大押圧荷重Ｆ１１よりも小さく、最小押圧荷重Ｆ２をゼロ以上とすることができる。このため、図９に示す様に、押圧荷重の設定値Ｆ０をカウンターウェイト４８が無い場合の設定値Ｆ１０よりも小さくしてもボンディングツール１１が半導体チップ９０から浮き上がることがなく、半導体チップ９０に過剰な押圧荷重をかけて半導体チップ９０を破損させることがなくなる。これにより、より小さな押圧荷重を設定値とし、薄い或いは脆い半導体チップ９０を損傷させずに適切にピックアップすることができる。
【００３６】
また、本実施形態では、シャフト１２を２つの平板リンク２０，３０によってサポートし、レバー４０を十字板バネ４５によって回転自在に支持しており、従来技術のようなスライド部分が無いので、スライド部分の引っかかりなどによって図９の時間ｔ１３に発生するような押圧荷重のピークが発生することもなく、小さな押圧荷重を安定して加えることができる。更に、本実施形態はシャフト１２、ボンディングツール１１、エンドブロック１３等の重量を軽くすることができることから、図９の破線で示す従来技術のダイボンディング装置の半導体チップ９０をピックアップするのに必要な時間（ｔ１７−ｔ１）を時間（ｔ６−ｔ１）まで短くすることができ、半導体チップ９０のピックアップ時間を短くすることができる。
【００３７】
以上説明したように、本実施形態は、ダイボンディング装置において、簡便な構成によって薄い或いは脆い半導体チップを破損させずに適切にピックアップすることができる。
【００３８】
以上、本実施形態のダイボンディング装置１００によって半導体チップ９０をピックアップする際の動作について説明したが、半導体チップ９０を基板或いはリードフレーム等の上に接合する際の動作も同様で、半導体チップ９０に掛かる小さな押圧力を正確に制御できるので、薄く強度の低い或いは脆い半導体チップ９０を損傷させずに基板或いはリードフレーム等の上に適切にボンディングすることができる。また、半導体チップの上に更に半導体チップをボンディングする際にも同様に半導体チップ９０を損傷させずに適切にボンディングを行うことができる。
【符号の説明】
【００３９】
１１ ボンディングツール、１２ シャフト、１３ エンドブロック、１４ リング、２０ 下平板リンク、３０ 上平板リンク、２１，３１ 環状板、３１ａ 第１の辺、３１ｂ 第２の辺、２２，３２ 渡り板、３３ 固定点、２４，３４ 中空部分、４０ レバー、４０ｃ 回転軸、４１ 先端部、４２ ボルト、４３ 後端部、４３ 他端、４４ 中央ブロック、４５ 十字板バネ、４６ 水平ばね板、４７ 垂直ばね板、４８ カウンターウェイト、４９ 連結板、５０ ボンディングヘッド、５１ 本体、５２ 下アーム、５３ 上アーム、５４ ボルト、５５ ブッシュ、５６ ストッパ、５７ 穴、５８ スプリング、６１ スライダ、６２ リニアガイド、７１，７２ 中心線、７３ 直線、８１ ピックアップステージ、８３ ダイシングテープ、９０ 半導体チップ、１００ ダイボンディング装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイボンディング装置の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体チップを基板等に接合するためのダイボンディング装置は、ダイシングされたウェハから半導体チップをピックアップし、ピックアップした半導体チップを基板またはリードの上にボンディングして接合するものである。このダイボンディング装置は半導体チップを吸着してピックアップするツールであるコレットが取り付けられたボンディングヘッドを半導体チップの表面に対して垂直方向に移動させるものである。半導体チップをピックアップする際或いは半導体チップを基板等の上にボンディングする際には、コレットをある程度の押圧荷重で半導体チップに押しつける必要があるので、例えば、ボイスコイルモータによってコレットを押し下げて半導体チップに適切な押圧荷重を掛ける方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
しかし、ボイスコイルモータは重量が大きいことから、ボンディングヘッドの高速移動が難しい上、微小な押圧荷重を調整するための制御装置が必要で構造が複雑になってしまうという問題があった。そこで、コレットとボンディングヘッドとの間にボンディングヘッドの降下距離によってコレットの半導体チップへの押圧力を調整できるような荷重ばねを取り付け、ボンディングヘッドの高さを制御することによって半導体チップをピックアップする際或いは基板等の上にボンディングする際に適切な押圧荷重が半導体チップに加わるようにする簡便な方法も用いられている。
【０００４】
ところが、荷重ばねを用いた方法では、コレットとコレットが取り付けられているシャフトと荷重ばねとがいわゆるバネマス系の振動系を構成することから、ダイボンディング装置の動作速度や押圧荷重の大きさ等によって、コレット及びシャフトが大きく上下に振動する場合があり、ピックアップの際或いは基板等の上にボンディングの際にコレットが半導体チップの表面から浮かないようにするために、少し大ききめの押圧荷重が掛かるようにすることが必要であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３４０４１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一方、近年、半導体チップの厚さは非常に薄く、その強度が弱くなってきている。また、ガリウムヒ素等の脆い素材を用いた半導体チップも多く用いられるようになってきている。このため、ピックアップの際或いは基板等の上にボンディングの際にこのような薄い或いは脆い半導体チップに加わる押圧荷重をできるだけ小さくすることが必要となる。しかし、荷重ばねを用いた方法では、振動による浮き上がりを防止するため、押圧荷重を小さくすることが難しいという問題があった。更に、振動が発生した場合には荷重ばねの反動で半導体チップに瞬間的に大きな押圧荷重が掛かってしまい、半導体チップが破損してしまう場合があるという問題があった。このため、従来の荷重ばねを用いたダイボンディング装置では、薄い或いは脆い半導体チップのピックアップに必要な小さな押圧荷重をかけられず、薄い或いは脆い半導体チップを適切にピックアップして基板等の上にボンディングすることが難しいという問題があった。
【０００７】
本発明は、ダイボンディング装置において、簡便な構造で薄い或いは脆い半導体チップを適切にピックアップしてボンディングすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のダイボンディング装置は、半導体チップをピックアップしてボンディングするボンディングツールが先端に取り付けられるシャフトと、複数の平行に配置された平板リンクを介してシャフトが取り付けられ、シャフトの延びる方向に沿って直線移動するボンディングヘッドと、ボンディングヘッドに回転自在に取り付けられ、一端がシャフトに接続され、他端にカウンターウェイトが取り付けられるレバーと、ボンディングヘッドとレバーの他端との間に取り付けられ、ボンディングツールを半導体チップに押し付ける押圧荷重を付与するスプリングと、を備え、カウンターウェイトは、レバーの回転軸周りの回転モーメントをつり合わせる重量であること、を特徴とする。
【０００９】
本発明のダイボンディング装置において、レバーは、２枚の板ばねを十字型に交差させた十字板ばねによって回転自在にボンディングヘッドに取り付けられ、レバーの回転軸は、２枚の板ばねの交差する線に沿った軸であること、としても好適である。
【００１０】
本発明のダイボンディング装置において、各平板リンクは、シャフトの延びる方向と交差する面に沿って延び、ボンディングヘッドに取り付けられる環状板と、環状板と同一面に配置され、環状板の内側にある中空部分を渡る渡り板と、を含み、渡り板にシャフトが取り付けられており、各平板リンクの環状板は、略四角環状で、対向する２辺の中央の各固定点でボンディングヘッドに固定され、渡り板は、環状板の各固定点を結ぶ方向と交差する方向に延び、シャフトが接続される中央から環状板に接続される両端に向かって幅が小さくなり、環状板は、各固定点から前記渡り板に接続される両端に向かって幅が小さくなっていること、としても好適である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、ダイボンディング装置において、簡便な構造で薄い或いは脆い半導体チップを適切にピックアップしてボンディングすることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態におけるダイボンディング装置の構造を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態におけるダイボンディング装置の平板リンクを示す斜視図である。
【図３】本発明の実施形態におけるダイボンディング装置の半導体チップをピックアップする前の状態を示す断面図である。
【図４】本発明の実施形態におけるダイボンディング装置の半導体チップをピックアップする状態を示す断面図である。
【図５】本発明の実施形態におけるダイボンディング装置の平板リンクの変形状態を示す斜視図である。
【図６】本発明の実施形態におけるダイボンディング装置の平板リンクの変形状態を示す側面図である。
【図７】本発明の実施形態におけるダイボンディング装置のボンディングヘッドの沈み込み量に対する押圧荷重の変化を示すグラフである。
【図８】本発明の実施形態におけるダイボンディング装置のボンディングヘッドの降下速度とレバーの回転軸周りの回転モーメントの変化と押圧荷重の変化を示すグラフである。
【図９】本発明の実施形態におけるダイボンディング装置のボンディングツールが半導体チップに接触した後の押圧荷重の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１に示す様に、本実施形態のダイボンディング装置１００は、図示しないＸＹ方向への移動装置に取り付けられたリニアガイド６２と、リニアガイド６２に沿ってＺ方向に移動するスライダ６１と、スライダ６１に固定され、スライダ６１と共にＺ方向に移動するボンディングヘッド５０とを備えている。ボンディングヘッド５０は、スライダ６１に固定される本体５１と、本体５１からＹ方向に延びる一対の下アーム５２と一対の上アーム５３と、下アーム５２にブッシュ５５を介してボルト５４によって固定された下平板リンク２０と、上アーム５３にブッシュ５５を介してボルト５４によって固定された上平板リンク３０と、下平板リンク２０と上平板リンク３０とにそれぞれ固定されたシャフト１２と、シャフト１２の下側の先端に取り付けられている半導体チップを吸着するボンディングツール１１とを備えている。下平板リンク２０と上平板リンク３０とは平行に配置されている。シャフト１２の上端にはシャフト１２よりも外径の大きなエンドブロック１３が取り付けられており、エンドブロック１３の本体５１側の下面は、上アーム５３にボルト５４で固定された逆Ｕ字型のストッパ５６の上面に当たるよう構成されている。なお、図１においては、Ｚ方向は垂直方向であり、ＸＹ方向は互いに直交する水平面を示す。以下説明する他の図面においても同様である。
【００１４】
また、本体５１の上部には回転ガイドである十字板ばね４５を介してレバー４０がボンディングヘッド５０に対して回転自在に取り付けられている。レバー４０の先端部４１（シャフト１２側或いはＹ方向プラス側）とシャフト１２のエンドブロック１３とは連結板４９によって連結されている。また、レバー４０の後端部（スライダ６１側あるいはＹ方向マイナス側）にはカウンターウェイト４８がボルト４２によって固定されている。カウンターウェイト４８の下側の本体５１に設けられた穴５７にはボンディングツール１１を半導体チップに押し付ける押圧荷重を付与するスプリング５８が取り付けられている。スプリング５８の上端はカウンターウェイト４８に接触している。
【００１５】
十字板ばね４５は、水平ばね板４６と、垂直ばね板４７とを十字に組み合わせたもので、水平ばね板４６の後端（スライダ６１側あるいはＹ方向マイナス側）はボンディングヘッド５０の本体５１にボルト４２によって固定され、先端（シャフト１２側あるいはＹ方向プラス側）は、レバー４０の中央ブロック４４の下面にボルト４２によって固定されている。また、垂直ばね板４７の下端はボルト４２によってボンディングヘッド５０の本体５１の上部に固定されており、その上端は、レバー４０の中央ブロック４４の垂直面にボルト４２によって固定されている。このように、十字板ばね４５は水平ばね板４６の先端と後端、垂直ばね板４７の上端と下端との４つの端部を有しており、隣接する水平ばね板４６の後端と垂直ばね板４７の下端とはボンディングヘッド５０の本体５１に固定され、水平ばね板４６の先端と垂直ばね板４７の上端とはレバー４０の中央ブロック４４に固定されている。そして、水平ばね板４６と垂直ばね板４７との交差するＸ方向に延びる線がレバー４０の回転軸４０ｃとなり、十字板ばね４５はレバー４０を回転軸４０ｃの周りに回転自在に支持する。
【００１６】
図２を参照しながら上平板リンク３０の構造の詳細について説明する。図２に示す様に、上平板リンク３０は、薄いステンレス鋼やバネ鋼などを加工したもので、シャフト１２の延びるＺ方向と垂直なＸＹ面内に沿って延びている。上平板リンク３０は、環状板３１と、環状板３１の内側の中空部分３４をＹ方向に渡る渡り板３２とを備えている。環状板３１と渡り板３２とは同一平内に配置されている。環状板３１は、略四角環状で各辺は、Ｘ方向とＹ方向とに延びている。そして、Ｙ方向に延びる一対の第１の辺３１ａの長手方向の中央はブッシュ５５を介してボルト５４によって上アーム５３の上面に固定されている。このボルト５４によって上アーム５３に固定されている第１の辺３１ａの部分はそれぞれ上平板リンク３０の固定点３３である。また、環状板３１のＸ方向に延びる一対の第２の辺３１ｂの各中央は渡り板３２によってＹ方向に接続されている。そして、渡り板３２の中央にはシャフト１２が固定されている。図２に示す様に、渡り板３２の中心線７２はシャフト１２の中心線７１を通る線である。シャフト１２が渡り板３２に取り付けられる部分はリング１４によって補強されている。図２に示す様に、渡り板３２はシャフト１２の中心線７１を通ってＹ方向に延び、シャフト１２が固定されている中央部分は幅が広く、環状板３１と接続される端部に向ってその幅が小さくなるテーパー形状となっている。また、Ｙ方向に延びる一対の第１の辺３１ａはボルト５４によって固定される固定点３３の部分は幅が広く、Ｙ方向に向かうにつれて第２の辺３１ｂは、その幅が小さくなるように構成されている。そして、２つの固定点３３とシャフト１２とは、一つの直線７３の上に配置され、Ｘ方向に一列に並んでいる。以上、上平板リンク３０の構造について説明したが、下平板リンク２０の構造も上平板リンク３０と同様の構造である。
【００１７】
以上説明したように構成される本実施形態のダイボンディング装置１００によって半導体チップをピックアップする際の動作について説明する。図１，２を参照して説明した部分には同様の符号を付してその説明は省略する。
【００１８】
図３に示す様に、ピックアップしようとする半導体チップ９０は、裏面にダイシングテープ８３が貼り付けられた状態でピックアップステージ８１の上に吸着固定されている。ダイシングテープ８３は、周囲に向って引っ張られた状態で、各半導体チップ９０の間には微小な隙間ができている。ダイボンディング装置１００は、図示しないＸＹ移動装置によってボンディングヘッド５０を移動させ、シャフト１２の下端に取り付けられたボンディングツール１１の位置をピックアップしようとする半導体チップ９０の真上にもってくる。
【００１９】
次に、図４に示す様に、ダイボンディング装置１００は、図示しない制御部の指令によって、ボンディングヘッド５０が取り付けられているスライダ６１をＺ方向下向きに降下させる。そして、制御部はボンディングツール１１の先端が半導体チップ９０の表面に接してから更に、高さΔＺ０だけスライダ６１及びボンディングヘッド５０を降下させる。すると、図４に示す様に、シャフト１２は、２つの平板リンク２０，３０にガイドされてボンディングヘッド５０に対して高さΔＺ０だけ上方に移動し、シャフト１２の上端のエンドブロック１３も高さΔＺ０だけ上方に移動する。そして、エンドブロック１３に連結板４９によって接続されているレバー４０の先端部４１も高さΔＺ０だけ上方に移動する。レバー４０は、十字板ばね４５の水平ばね板４６と垂直ばね板４７との交差する回転軸４０ｃ沿ってＸ軸周りに回転し、レバー４０の後端部４３は下向きに高さΔＺ５だけ移動する。すると、スプリング５８がＺ方向に長さΔＺ５だけ縮み、その反力によってレバー４０の後端部４３を押し上げ、レバー４０の先端部４１に連結板４９を介して接続されているエンドブロック１３、シャフト１２に対して下向きに力Ｆ０を加える。ボンディングツール１１の内部は、図示しない真空装置によって真空となっているので、この力Ｆ０によってボンディングツール１１が半導体チップ９０の表面に押し付けられると、ボンディングツール１１は半導体チップ９０を吸着する。その後、図示しない制御部によってスライダ６１が上昇すると、ボンディングツール１１は半導体チップ９０をピックアップする。
【００２０】
図５、図６を参照して、ボンディングツール１１が半導体チップ９０の表面に接した後、ボンディングヘッド５０が更に高さΔＺ０だけ降下した際の上平板リンク３０の変形とシャフト１２の移動について詳細に説明する。ボンディングツール１１が半導体チップ９０の表面に接した後、ボンディングヘッド５０が更に高さΔＺ０だけ降下すると、図５に示す様に、上平板リンク３０を固定している上アーム５３もボンディングツール１１が半導体チップ９０の表面に接した際の高さよりも高さΔＺ０だけ降下するので、上平板リンク３０の固定点３３もボンディングツール１１が半導体チップ９０の表面に接した際の高さよりも高さΔＺ０だけ降下する。一方、シャフト１２は先端のボンディングツール１１が半導体チップ９０の表面に接しているので、それ以上降下せず、上平板リンク３０のシャフト１２を固定している渡り板３２の中央と、２つの固定点３３との間にはΔＺ０だけ高さの差ができることとなる。上平板リンク３０の固定点３３によって中央が上アーム５３に固定されている各第１の辺３１ａは、図５及び図６（ａ）に示す様に、固定点３３から第２の辺３１ｂに向かって上方に湾曲していく。また、図５、図６（ｂ）に示す様に、第２の辺３１ｂの間を渡っている渡り板３２は、第２の辺３１ｂからシャフト１２の取り付けられている中央部が盛り上がるように上方に向って変形する。更に、図５、図６（ｂ）に示す様に、第２の辺３１ｂは渡り板３２が接続されている中央部分が第１の辺３１ａに接続されている両端から盛り上がるように上に向って変形する。図６（ａ）に示すように、第１の辺３１ａの上方への湾曲により、固定点３３と第１の辺３１ａの両端或いは第２の辺３１ｂとの間には、ΔＺ１だけの高さの差ができる。また、図６（ｂ）に示す様に、第２の辺３１ｂの盛り上がり変形によって第１の辺３１ａの両端と第２の辺３１ｂの中央部との間には、ΔＺ２の高さの差ができる。更に、図６（ｂ）に示すように、渡り板３２の盛り上がり変形によって第２の辺３１ｂの中央とシャフト１２の取り付けられている渡り板３２の中央との間には、ΔＺ３だけの高さの差ができる。そして、この高さの差ΔＺ１，ΔＺ２，ΔＺ３の合計が高さΔＺ０となる。つまり、ΔＺ１+ΔＺ２+ΔＺ３＝ΔＺ０、となる。
【００２１】
このように、上平板リンク３０は、固定点３３から延びる第１の辺３１ａの曲げ変形と、第２の辺３１ｂの盛り上がり変形と、第２の辺３１ｂとの間に渡された渡り板３２の盛り上がり変形とによってシャフト１２をボンディングヘッド５０に対して高さΔＺ０だけＺ方向に移動させる。また、第１の辺３１ａと渡り板３２の第２の辺３１ｂに接続する端部はその幅が小さくなっているので、第２の辺３１ｂの両端、及び渡り板３２の両端にそれぞれリンクを形成し、各リンクの回転によってシャフト１２をＺ方向に移動させる。このため、シャフト１２のＺ方向の移動に対する抵抗がほとんど発生しない。また、本実施形態のダイボンディング装置１００は、下平板リンク２０と上平板リンク３０の２つの平板リンクを平行に配置し、これによってシャフト１２がＺ方向に移動可能に支持するので、シャフト１２が半導体チップ９０の表面に対して垂直方向にスムーズに移動することができる。さらに、図４に示す様に、レバー４０は十字板ばね４５によって回転軸４０ｃの周りに回転支持されているので、回転軸受けなどのような摩擦抵抗がなく、回転に対する抵抗がほとんど発生しない。
【００２２】
このため、ボンディングツール１１が半導体チップ９０の表面に接した後、ボンディングヘッド５０が高さΔＺだけ沈み込んだ際に半導体チップ９０の表面に掛かる力は、図７に示す様に、沈み込み高さΔＺに対して正比例するようになる。つまり、Ｆ＝Ｋ×ΔＺ、となる。そして、沈み込み量が高さΔＺ０となると、半導体チップ９０には、Ｆ０＝Ｋ×ΔＺ０だけの押圧荷重が掛かる。そして、先に説明したように、この力Ｆ０によってボンディングツール１１が半導体チップ９０の表面に押し付けられると、ボンディングツール１１は半導体チップ９０を吸着する。その後、図示しない制御部によってスライダ６１が上昇すると、ボンディングツール１１は半導体チップ９０をピックアップする。
【００２３】
以上、本実施形態のダイボンディング装置１００の基本的な動作について説明したが、次に、ボンディングツール１１の先端を半導体チップ９０の上に接するまでボンディングヘッド５０を降下させる動作と、その際に発生する慣性力について説明する。
【００２４】
図３に示す様に、ボンディングツール１１をピックアップする半導体チップ９０の真上に持ってきたら、図示しない制御部は、スライダ６１を駆動してボンディングヘッド５０を半導体チップ９０に向って降下を開始させる。
【００２５】
図８に示す時間ｔ２０にボンディングヘッド５０が降下を開始すると、ボンディングヘッド５０の降下速度ｖは、ゼロから次第に速くなってくる。そして、図８に示す時間ｔ２１から時間ｔ２２の間は加速度（プラス加速度）が一定でボンディングヘッド５０の降下速度ｖは直線的に増加していく。そして、図８に示す時間ｔ２２から時間ｔ２３の間は加速度がマイナスとなり、ボンディングヘッド５０の降下速度の上昇率は次第に低下し、ボンディングヘッド５０の降下速度ｖは次第に一定の降下速度ｖ１に近づいていく。その後、図８に示す時間ｔ２３からｔ２４の間、ボンディングヘッド５０は、一定の降下速度ｖ１で降下していく。ボンディングヘッド５０が降下している間、制御部は、図示しない高さ検出器によってボンディングヘッド５０の高さを検出し、その検出結果からボンディングツール１１の先端と半導体チップ９０の表面との距離を計算する。
【００２６】
そして、ボンディングツール１１の先端と半導体チップ９０の表面との距離が所定の距離まで縮まってきたら、図８の時間ｔ２４に示す様に、ボンディングヘッド５０の降下速度ｖを一定の降下速度ｖ１から次第に小さくする。図８に示す時間ｔ２４からｔ２５の間は、加速度がマイナスとなり、ボンディングヘッド５０の降下速度ｖは時間と共に小さくなっていく。そして、図８に示す時間ｔ２５から時間ｔ２６の間は、加速度（マイナス加速度）が一定で、ボンディングヘッド５０の降下速度ｖは直線的に減少していく。そして、図８に示す時間ｔ２６から時間ｔ２７の間は加速度がプラスとなり、ボンディングヘッド５０の降下速度の減少率は次第に小さくなり、図８に示す時間ｔ２７には、半導体チップ９０の表面に接地するための一定の微小降下速度ｖ０となる。制御部は、ボンディングヘッド５０を一定の微小降下速度ｖ０でゆっくりと降下させていく。
【００２７】
図８に示す時間ｔ１にボンディングツール１１の先端が半導体チップ９０の表面に接すると、図４に示す様に、ボンディングツール１１とシャフト１２とが押し上げられてレバー４０が回転軸４０ｃの周りに回転してスプリング５８を押し下げる。そして、更に、ボンディングヘッド５０が押し下げられるとスプリング５８の反力によってボンディングツール１１の先端は半導体チップ９０の表面に押圧荷重Ｆによって押し付けられる。図８に示す様に、押圧荷重Ｆはボンディングツール１１の先端が半導体チップ９０の表面に接する時間ｔ１からボンディングヘッド５０が降下するに従って次第に増加していく。
【００２８】
以上説明したように、ボンディングヘッド５０が降下中には、その降下速度が変化し、その際にボンディングヘッド５０に上方向或いは下方向の加速度が掛かる。その際のボンディングヘッド５０に取り付けられているシャフト１２、ボンディングツール１１、レバー４０、カウンターウェイト４８には加わる加速度によって上方向或いは下方向に向う慣性力が作用する。図８の時間ｔ２０から時間ｔ２１のようにボンディングヘッド５０の降下速度ｖが増加している間は、ボンディングヘッド５０には下向きの加速度が加わる。すると、ボンディングヘッド５０に対してＺ方向に移動可能となるように各平板リンク２０，３０によってボンディングヘッド５０の各アーム５２，５３に取り付けられているシャフト１２、エンドブロック１３及びシャフト１２の先端に取り付けられているボンディングツール１１には、ボンディングヘッド５０に掛かる加速度と大きさが同一で反対方向の加速度αがかかり、この加速度αにより、図３に示す様に、スライダ６１に固定されたボンディングヘッド５０に対して上向きの慣性力Ｇ１が掛かる（図３において白抜き矢印８４で示す）。
【００２９】
ここで、ボンディングヘッド５０に掛かる加速度と同一で方向が反対の加速度をα、シャフト１２、エンドブロック１３及びシャフト１２の先端に取り付けられているボンディングツール１１の合計質量をｍ１とすると、Ｇ１＝ｍ１×α、である。そして、この慣性力Ｇ１によって、シャフト１２が連結板４９によって接続されているレバー４０の先端部４１には回転軸４０ｃ周りで時計方向に向かう回転モーメントＭ１が掛かる。ここで、レバー４０の回転軸４０ｃとシャフト１２の中心との距離をモーメントアームＬ１とすると、Ｍ１＝Ｇ１×Ｌ１、である。また、図３に示すように、レバー４０の後端部４３に取り付けられているカウンターウェイト４８にもカウンターウェイト４８の質量をｍ２とすると、Ｇ１＝ｍ２×α、のボンディングヘッド５０に対して上向きの慣性力Ｇ２が掛かる（図３において白抜き矢印８４で示す）。そして、この慣性力Ｇ２によって、カウンターウェイト４８が取り付けられているレバー４０の後端部４３には回転軸４０ｃ周りで反時計方向に向かう回転モーメントＭ２が掛かる。ここで、レバー４０の回転軸４０ｃとカウンターウェイト４８の中心との距離をモーメントアームＬ２とすると、Ｍ２＝Ｇ２×Ｌ２、である。
【００３０】
シャフト１２、エンドブロック１３、ボンディングツール１１に掛かる加速度とカウンターウェイト４８に掛かる加速度とは、いずれもボンディングヘッド５０に掛かる加速度と同じ大きさで方向が反対の加速度αであることから、シャフト１２、エンドブロック１３、ボンディングツール１１の合計質量ｍ１と、カウンターウェイト４８の質量ｍ２とがそれぞれ等しく、各モーメントアームＬ１，Ｌ２とがそれぞれ等しい場合でかつ、レバー４０の回転軸４０ｃの周りの回転モーメントが周方向にバランスしている場合には、各回転モーメントＭ１，Ｍ２は、その方向が逆で大きさが等しいものとなる。また、レバー４０の回転軸４０ｃの周りの回転モーメントがアンバランスとなっている場合には、そのアンバランスを解消するようにカウンターウェイト４８の重さを調整することによって、各回転モーメントＭ１，Ｍ２は、その方向が逆で大きさが等しいものとすることができる。
【００３１】
先に説明したように、各回転モーメントＭ１，Ｍ２は、ボンディングヘッド５０に掛かる加速度と大きさが同一で反対方向の加速度αに比例するので、図８に示す時間ｔ２０から時間ｔ２１のように加速度αが増大している場合には、それに従ってそれぞれ図８に一点鎖線で示す回転モーメントＭ１も増大し、時間ｔ２１からｔ２２のように加速度αが一定の場合には、回転モーメントＭ１は一定で、時間ｔ２２からｔ２３のように加速度αが減少してくる場合には、回転モーメントＭ１は減少する。また、時間ｔ２３から時間ｔ２４のように速度が変化せず加速度αがゼロの場合には、回転モーメントＭ１はゼロとなる。
【００３２】
図８に示す時間ｔ２４からｔ２５のように、ボンディングヘッド５０の降下速度が一定の速度ｖ１から減少する場合、加速度αはゼロから減少するのでマイナスとなり、回転モーメントＭ１も時間ｔ２４のゼロから減少してマイナスとなる。そして、時間ｔ２５からｔ２６のように加速度αが一定の場合には、回転モーメントＭ１は一定で、時間ｔ２６からｔ２７のようにボンディングヘッド５０の降下速度の減少度合いが低下してくると加速度αは増加し、回転モーメントＭ１はマイナスからゼロに向って増加してくる。そして、時間ｔ２７から時間ｔ２８のように速度が変化せず加速度αがゼロの場合には、回転モーメントＭ１はゼロとなる。以上は回転モーメントＭ１の変化について説明したが、図８に破線で示すように、回転モーメントＭ２は回転モーメントＭ１と大きさが同一で方向が逆なので、図８では、ゼロの横軸に対して回転モーメントＭ１と上下対象となるように変化する。
【００３３】
このように、ボンディングヘッド５０に掛かる加速度αの大きさ、方向によって、各回転モーメントＭ１，Ｍ２は変化するが、先に説明したように、本実施形態では、各回転モーメントＭ１，Ｍ２は、その方向が逆で大きさが同様となるようにカウンターウェイト４８の重さが調整されているので、図８に示す各時間において、各回転モーメントＭ１，Ｍ２はバランスがとれている。これによってシャフト１２、カウンターウェイト４８等とスプリング５８とがバネマス振動系を構成してもボンディングヘッド５０が降下する際にシャフト１２が上下に振動することを抑制している。
【００３４】
図８に示す時間ｔ１にボンディングツール１１の先端が半導体チップ９０の表面に接すると、先に説明したように、スプリング５８が圧縮され、図８、図９に示す時間ｔ１以降のようにボンディングヘッド５０の沈み込み量ΔＺに比例した押圧荷重Ｆが半導体チップ９０の表面に加わる。すると、レバー４０の回転軸４０ｃのまわりの各回転モーメントＭ１，Ｍ２のバランスが崩れ、図９に示す様に、シャフト１２、カウンターウェイト４８等とスプリング５８とによって構成されるバネマス振動系によって、シャフト１２が上下方向に振動する。そして、図９に実線で示す様に、時間ｔ２には半導体チップ９０の押圧荷重が最大押圧荷重Ｆ１となり、その後時間ｔ３に最小押圧荷重Ｆ２となるが、その振動は時間の経過とともに減衰し、図９に示す時間ｔ４には略規定の押圧荷重Ｆ０一定となる。そして、時間ｔ４からｔ５の間、半導体チップ９０に所定の押圧荷重Ｆ０を加えて半導体チップ９０をピックアップし、ボンディングヘッド５０が上昇すると、図９の時間ｔ６には半導体チップ９０の押圧荷重はゼロとなる。
【００３５】
本実施形態では、カウンターウェイト４８によって、ボンディングヘッド５０が降下する際の各回転モーメントＭ１，Ｍ２をバランスがとれるようにしているので、図９に破線で示すカウンターウェイト４８が設けられていない場合に比べて、ボンディングツール１１の先端が半導体チップ９０の表面に接した後、半導体チップ９０に加わる最大押圧荷重Ｆ１と最小押圧荷重Ｆ２との差をカウンターウェイト４８が無い場合の最大押圧荷重Ｆ１１と最小押圧荷重Ｆ１２との差よりも小さくできると共に、最大押圧荷重Ｆ１の大きさを最大押圧荷重Ｆ１１よりも小さく、最小押圧荷重Ｆ２をゼロ以上とすることができる。このため、図９に示す様に、押圧荷重の設定値Ｆ０をカウンターウェイト４８が無い場合の設定値Ｆ１０よりも小さくしてもボンディングツール１１が半導体チップ９０から浮き上がることがなく、半導体チップ９０に過剰な押圧荷重をかけて半導体チップ９０を破損させることがなくなる。これにより、より小さな押圧荷重を設定値とし、薄い或いは脆い半導体チップ９０を損傷させずに適切にピックアップすることができる。
【００３６】
また、本実施形態では、シャフト１２を２つの平板リンク２０，３０によってサポートし、レバー４０を十字板バネ４５によって回転自在に支持しており、従来技術のようなスライド部分が無いので、スライド部分の引っかかりなどによって図９の時間ｔ１３に発生するような押圧荷重のピークが発生することもなく、小さな押圧荷重を安定して加えることができる。更に、本実施形態はシャフト１２、ボンディングツール１１、エンドブロック１３等の重量を軽くすることができることから、図９の破線で示す従来技術のダイボンディング装置の半導体チップ９０をピックアップするのに必要な時間（ｔ１７−ｔ１）を時間（ｔ６−ｔ１）まで短くすることができ、半導体チップ９０のピックアップ時間を短くすることができる。
【００３７】
以上説明したように、本実施形態は、ダイボンディング装置において、簡便な構成によって薄い或いは脆い半導体チップを破損させずに適切にピックアップすることができる。
【００３８】
以上、本実施形態のダイボンディング装置１００によって半導体チップ９０をピックアップする際の動作について説明したが、半導体チップ９０を基板或いはリードフレーム等の上に接合する際の動作も同様で、半導体チップ９０に掛かる小さな押圧力を正確に制御できるので、薄く強度の低い或いは脆い半導体チップ９０を損傷させずに基板或いはリードフレーム等の上に適切にボンディングすることができる。また、半導体チップの上に更に半導体チップをボンディングする際にも同様に半導体チップ９０を損傷させずに適切にボンディングを行うことができる。
【符号の説明】
【００３９】
１１ ボンディングツール、１２ シャフト、１３ エンドブロック、１４ リング、２０ 下平板リンク、３０ 上平板リンク、２１，３１ 環状板、３１ａ 第１の辺、３１ｂ 第２の辺、２２，３２ 渡り板、３３ 固定点、２４，３４ 中空部分、４０ レバー、４０ｃ 回転軸、４１ 先端部、４２ ボルト、４３ 後端部、４３ 他端、４４ 中央ブロック、４５ 十字板バネ、４６ 水平ばね板、４７ 垂直ばね板、４８ カウンターウェイト、４９ 連結板、５０ ボンディングヘッド、５１ 本体、５２ 下アーム、５３ 上アーム、５４ ボルト、５５ ブッシュ、５６ ストッパ、５７ 穴、５８ スプリング、６１ スライダ、６２ リニアガイド、７１，７２ 中心線、７３ 直線、８１ ピックアップステージ、８３ ダイシングテープ、９０ 半導体チップ、１００ ダイボンディング装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイボンディング装置であって、
半導体チップをピックアップしてボンディングするボンディングツールが先端に取り付けられるシャフトと、
複数の平行に配置された平板リンクを介して前記シャフトが取り付けられ、前記シャフトの延びる方向に沿って直線移動するボンディングヘッドと、
前記ボンディングヘッドに回転自在に取り付けられ、一端が前記シャフトに接続され、他端にカウンターウェイトが取り付けられるレバーと、
前記ボンディングヘッドと前記レバーの他端との間に取り付けられ、前記ボンディングツールを前記半導体チップに押し付ける押圧荷重を付与するスプリングと、を備え、
前記カウンターウェイトは、前記レバーの回転軸周りの回転モーメントをつり合わせる重量であること、
を特徴とするダイボンディング装置。
【請求項２】
請求項１に記載のダイボンディング装置であって、
前記レバーは、２枚の板ばねを十字型に交差させた十字板ばねによって回転自在にボンディングヘッドに取り付けられ、前記レバーの回転軸は、前記２枚の板ばねの交差する線に沿った軸であること、
を特徴とするダイボンディング装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のダイボンディング装置であって、
前記各平板リンクは、前記シャフトの延びる方向と交差する面に沿って延び、前記ボンディングヘッドに取り付けられる環状板と、前記環状板と同一面に配置され、前記環状板の内側にある中空部分を渡る渡り板と、を含み、前記渡り板に前記シャフトが取り付けられていること、
を特徴とするダイボンディング装置。
【請求項４】
請求項３に記載のダイボンディング装置であって、
前記各平板リンクの前記環状板は、略四角環状で、対向する２辺の中央の各固定点で前記ボンディングヘッドに固定されていること、
を特徴とするダイボンディング装置。
【請求項５】
請求項３に記載のダイボンディング装置であって、
前記渡り板は、前記環状板の前記各固定点を結ぶ方向と交差する方向に延び、前記シャフトが接続される中央から前記環状板に接続される両端に向かって幅が小さくなること、
を特徴とするダイボンディング装置。
【請求項６】
請求項３に記載のダイボンディング装置であって、
前記環状板は、前記各固定点から前記渡り板に接続される両端に向かって幅が小さくなっていること、
を特徴とするダイボンディング装置。
【請求項１】
ダイボンディング装置であって、
半導体チップをピックアップしてボンディングするボンディングツールが先端に取り付けられるシャフトと、
複数の平行に配置された平板リンクを介して前記シャフトが取り付けられ、前記シャフトの延びる方向に沿って直線移動するボンディングヘッドと、
前記ボンディングヘッドに回転自在に取り付けられ、一端が前記シャフトに接続され、他端にカウンターウェイトが取り付けられるレバーと、
前記ボンディングヘッドと前記レバーの他端との間に取り付けられ、前記ボンディングツールを前記半導体チップに押し付ける押圧荷重を付与するスプリングと、を備え、
前記カウンターウェイトは、前記レバーの回転軸周りの回転モーメントをつり合わせる重量であること、
を特徴とするダイボンディング装置。
【請求項２】
請求項１に記載のダイボンディング装置であって、
前記レバーは、２枚の板ばねを十字型に交差させた十字板ばねによって回転自在にボンディングヘッドに取り付けられ、前記レバーの回転軸は、前記２枚の板ばねの交差する線に沿った軸であること、
を特徴とするダイボンディング装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のダイボンディング装置であって、
前記各平板リンクは、前記シャフトの延びる方向と交差する面に沿って延び、前記ボンディングヘッドに取り付けられる環状板と、前記環状板と同一面に配置され、前記環状板の内側にある中空部分を渡る渡り板と、を含み、前記渡り板に前記シャフトが取り付けられていること、
を特徴とするダイボンディング装置。
【請求項４】
請求項３に記載のダイボンディング装置であって、
前記各平板リンクの前記環状板は、略四角環状で、対向する２辺の中央の各固定点で前記ボンディングヘッドに固定されていること、
を特徴とするダイボンディング装置。
【請求項５】
請求項３に記載のダイボンディング装置であって、
前記渡り板は、前記環状板の前記各固定点を結ぶ方向と交差する方向に延び、前記シャフトが接続される中央から前記環状板に接続される両端に向かって幅が小さくなること、
を特徴とするダイボンディング装置。
【請求項６】
請求項３に記載のダイボンディング装置であって、
前記環状板は、前記各固定点から前記渡り板に接続される両端に向かって幅が小さくなっていること、
を特徴とするダイボンディング装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−２６５８５（Ｐ２０１３−２６５８５Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６２７１５（Ｐ２０１１−１６２７１５）
【出願日】平成２３年７月２６日（２０１１．７．２６）
【出願人】（０００１４６７２２）株式会社新川 (128)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２６日（２０１１．７．２６）
【出願人】（０００１４６７２２）株式会社新川 (128)
【Ｆターム（参考）】
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