JP2004071611A - 電子部品装着装置および電子部品装着方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電子部品装着装置1において基板91および電子部品92にプラズマ洗浄を施すチャンバ2、電子部品92を基板91に装着する装着機構3、および、基板91および電子部品92をチャンバ2から装着機構3へと搬送する搬送ロボット4を設ける。プラズマ洗浄された基板91および電子部品92は搬送ロボット4により速やかに装着機構3へと搬送され、装着機構3にて電子部品92が基板91に装着された後、パルスヒートが与えられる。これにより、大気に曝された状態にて電子部品92を基板91に適切に装着することができ、装着のための機構を簡素化することができる。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子部品を基板に装着する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、電子部品や基板等の被接合物の表面にプラズマを用いて吸着物質の除去、表面の活性化等の洗浄を施した上で被接合物同士を接合する技術が知られている。被接合物の洗浄は高真空状態のチャンバ内で行われ、洗浄後の表面の酸化や汚染を防止するために接合もチャンバ内にて行われる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、チャンバ内の減圧環境にて被接合物を取り扱うためには、被接合物の保持部やチャンバ内の各種駆動機構に様々な工夫が必要となり、装置が高価となる。例えば、減圧環境下では被接合物である電子部品や基板を通常の吸引吸着では保持することができないために静電吸着により保持する必要が生じたり、チャンバ内のガイド機構等も真空に対応した高価なものを使用する必要が生じ、外部からチャンバ内の構造を駆動する機構にも封止等の対策が必要となる。
【0004】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、装置構造の簡素化によりプラズマ洗浄を利用しつつ安価に電子部品を基板に装着する技術を提供することを目的としている。
【0005】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明は、電子部品を基板に装着する電子部品装着装置であって、電子部品および基板に対してプラズマ洗浄が行われるチャンバと、前記チャンバから電子部品および基板を大気中へと搬出する搬送機構と、前記搬送機構から電子部品および基板を受け取って大気に曝された状態で前記電子部品を前記基板に装着する装着機構とを備える。
【0006】
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の電子部品装着装置であって、前記装着機構が、電子部品を保持する部品保持部と、基板を保持する基板保持部と、前記部品保持部を前記基板保持部に対して相対的に移動させる移動機構とを有し、前記部品保持部および前記基板保持部の少なくとも一方が、基板に電子部品が装着された後に保持対象に対して熱を与える加熱部を有する。
【0007】
請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の電子部品装着装置であって、前記加熱部による加熱が、保持対象の昇温途上において停止する。
【0008】
請求項4に記載の発明は、請求項2または3に記載の電子部品装着装置であって、前記部品保持部および前記基板保持部のそれぞれが、前記加熱部を有する。
【0009】
請求項5に記載の発明は、請求項1ないし4のいずれかに記載の電子部品装着装置であって、前記部品保持部に超音波振動を与える超音波振動源をさらに備える。
【0010】
請求項6に記載の発明は、電子部品を基板に装着する電子部品装着方法であって、電子部品および基板に対してプラズマ洗浄を行う洗浄工程と、大気に曝された状態で前記電子部品を前記基板に装着する装着工程とを有する。
【0011】
請求項7に記載の発明は、請求項6に記載の電子部品装着方法であって、前記洗浄工程の後、前記電子部品および前記基板の周囲が大気環境とされてから10分以内に前記装着工程が実行される。
【0012】
請求項8に記載の発明は、請求項6に記載の電子部品装着方法であって、前記洗浄工程の後、前記電子部品および前記基板の周囲が大気環境とされてから5分以内に前記装着工程が実行される。
【0013】
請求項9に記載の発明は、請求項6に記載の電子部品装着方法であって、前記洗浄工程の後、前記電子部品および前記基板の周囲が大気環境とされてから3分以内に前記装着工程が実行される。
【0014】
請求項10に記載の発明は、請求項6ないし9のいずれかに記載の電子部品装着方法であって、前記装着工程の後に、前記電子部品および前記基板の少なくとも一方に熱を与える加熱工程をさらに有する。
【0015】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の一の実施の形態に係る電子部品装着装置1の構造を示す平面図であり、図2および図3は側面図である。図1に示すように、電子部品装着装置1は基台10上にチャンバ2、装着機構3および搬送ロボット4を有する。図2はチャンバ2および搬送ロボット4を側方から見た様子を示しており、図3は装着機構3および搬送ロボット4を側方から見た様子を示している。
【0016】
チャンバ2は、図1および図2に示すように内部にステージ21を有し、ステージ21は基板91および電子部品92(例えば、フィルム基板および半導体ICベアチップ)を静電気力により吸着する静電チャックとなっている。さらに、図2に示すようにステージ21内にはプラズマを発生するための電極211が設けられており、電極が高周波電源212に接続される。チャンバ2の搬送ロボット4側の側面には開閉自在なゲート22が設けられるとともにチャンバ2には減圧ポンプ23およびガス供給部24が接続される。
【0017】
装着機構3は、図1および図3に示すように、基板91を吸引吸着により保持するステージ31および電子部品92を吸引吸着により保持する装着ヘッド35を有する。ステージ31はXYテーブル32により水平面内にて移動可能とされ、装着ヘッド35はヘッド昇降機構36により昇降移動するとともにヘッド回動機構37により上下方向を向く軸を中心に回転する。
【0018】
搬送ロボット4は、図1に示すように、ボールネジ機構およびモータによりガイドレール41上を移動ブロック42が移動する構造を有する。移動ブロック42には2つのアーム431,432が取り付けられ、アーム431,432は移動ブロック42内の機構によりチャンバ2(および装着機構3)側に対して進退可能とされる。アーム431の先端には、基板91を吸引吸着により下面に保持する保持プレート441が固定され、もう一方のアーム432の先端には電子部品92を吸引吸着により保持する保持プレート442が回動部443を介して取り付けられる。保持プレート442はアーム432を中心として回動部443を中心に上下反転可能とされる。
【0019】
図4は、装着機構3のステージ31および装着ヘッド35を拡大して示す断面図である。ステージ31は下側からベースプレート311、セラミックヒータ312、および、基板91を保持する吸着プレート313を順に積層した構造となっており、ステージ31を貫通するように複数の吸引口314が形成されている。セラミックヒータ312は電源312aに接続され、電源312aは電子部品装着装置1の全体動作を司る全体制御部11により制御される。また、吸引口314は図示を省略するエジェクタに接続され、吸引口314からの吸引のON/OFFも全体制御部11により制御される。
【0020】
装着ヘッド35は、上側から順に、本体ブロック351、セラミックヒータ352、および、電子部品92を保持する吸着ツール353を重ねた構造となっており、これらを貫通するように吸着ツール353に吸引口354が形成されている。セラミックヒータ352も電源312aに接続され、全体制御部11により制御される。また、吸引口354からの吸引のON/OFFも全体制御部11により制御される。
【0021】
図5は、電子部品装着装置1の動作(および、装置に対する動作)の流れを示す図である。
【0022】
電子部品装着装置1の装着動作が行われる前に、まず、装置外の搬送装置により、基板91および電子部品92がチャンバ2内へと搬入され、ステージ21上に載置される(ステップS11)。チャンバ2では吸引吸着によりステージ21が基板91および電子部品92を保持する。
【0023】
その後、ゲート22が閉じられて図2に示す減圧ポンプ23によりチャンバ2内が排気されて減圧され、さらに、ガス供給部24からアルゴンガス等の所定のガスが供給されてチャンバ2の内部空間が所定の雰囲気とされる。ステージ21の電極211には高周波電源212から高周波の電力が与えられ、チャンバ2の内壁とステージ21との間においてプラズマが発生する。プラズマにより基板91および電子部品92の電極(例えば、Au(金)電極)上に吸着されている水、有機物等の不要物質が除去され、さらに、電極表面のエッチング、励起等の改質が行われ、電極にいわゆるプラズマ洗浄が施される(ステップS12)。
【0024】
プラズマ洗浄が完了すると、チャンバ2内が大気圧へと戻されてゲート22が開き、図6に示すように搬送ロボット4により保持プレート441,442がチャンバ2内に挿入される。このとき、保持プレート442は吸着面が下方を向く姿勢とされる。保持プレート441,442は移動ブロック42内の機構により僅かに下降し、基板91および電子部品92にそれぞれ当接する。なお、保持プレート441,442の吸引口は吸着側の面に形成された台状の突出部に形成されており、基板91および電子部品92の電極以外の部位にて保持プレート441,442が当接する。
【0025】
そして、ステージ21の吸引吸着が解除され、保持プレート441,442の吸引吸着が開始されて基板91および電子部品92が保持プレート441,442にそれぞれ保持される。保持プレート441,442は僅かに上昇してチャンバ2外へと待避し、基板91および電子部品92をチャンバ2から搬出する(ステップS13)。これにより、基板91および電子部品92が大気に曝された状態とされる。また、保持プレート442は上下が反転し、図7に示すように電子部品92が上面に保持された状態となる(ステップS14)。
【0026】
図8中に二点差線にて示すように、まず、保持プレート442が装着機構3の装着ヘッド35の真下へ移動し、装着ヘッド35が下降して保持プレート442上の電子部品92に当接する。装着ヘッド35による吸引吸着が開始されるとともに保持プレート442の吸着保持が解除され、電子部品92が電極を下方に向けた状態で装着ヘッド35に保持される。装着ヘッド35は僅かに上昇し、移動ブロック42側へと待避する。
【0027】
次に、保持プレート441が装着機構3のステージ31の真上へ移動し、図8に示すように保持プレート441が僅かに下降して基板91をステージ31に当接させる。ステージ31による吸引吸着が開始されるとともに保持プレート441の吸着保持が解除され、基板91がステージ31に保持される。その後、保持プレート441が僅かに上昇し、移動ブロック42側へと待避する(ステップS15)。
【0028】
基板91および電子部品92が装着機構3に渡されると、図示を省略するカメラがステージ31および装着ヘッド35の間に進入して基板91の装着領域および電子部品92の電極側の面を撮像し、画像処理回路により基板91上の装着領域の中心と電子部品92の中心との間の水平方向のずれ量、および、上下方向を向く軸を中心とする回転のずれ量が求められる。求められたずれ量に基づいてXYテーブル32がステージ31を移動して基板91上の装着領域の中心と電子部品92の中心とを一致させ、さらにヘッド回動機構37が電子部品92の向きを調整する。その後、図9に示すように装着ヘッド35がヘッド昇降機構36により下降し、大気に曝された状態で電子部品92が基板91に装着される(ステップS16)。
【0029】
装着に際して、装着ヘッド35が電子部品92を押圧する力が制御されるとともに、全体制御部11の制御によりステージ31および装着ヘッド35内のセラミックヒータ312,352(図4参照)に短時間だけ電流が供給される。すなわち、ステージ31および装着ヘッド35の保持対象である基板91および電子部品92の昇温途上において加熱が停止され、パルス状に温度が変化する加熱(いわゆる、「パルスヒート」)が保持対象に与えられる(ステップS17)。パルスヒートは、例えば、ピーク近傍の時間が0.5秒程度とされる。これにより、プラズマ洗浄を利用した基板91および電子部品92の電極同士の接合、すなわち、金属原子同士の原子間力による接合が確実に行われ、電子部品92が基板91に強く固定される。
【0030】
装着が完了すると、装着ヘッド35が保持を解除して上昇し、ステージ31も保持を解除する。装着済みの基板91は電子部品装着装置1外のアームにより搬出され(ステップS18)、後工程にて樹脂による封止(いわゆる、アンダーフィルやサイドフィル等)が行われる。
【0031】
以上のように、電子部品装着装置1ではチャンバ2内で基板91および電子部品92にプラズマ洗浄が施された後、基板91および電子部品92が大気中にて搬送され、さらに、大気に曝された状態で電子部品92が基板91に装着される。次に、基板91および電子部品92が大気に曝された状態で装着が行われても適切な装着が実現される条件について説明する。
【0032】
図10は、基板91および電子部品92が装着までに大気中に露出される時間と、装着後に電子部品92を基板91から外す(剥がす)際に必要な力との関係を示す図である。なお、縦軸の剪断荷重は、装着後に基板91の主面に平行な方向に電子部品92に荷重を加え、電子部品92が外れる時点での荷重を電極であるバンプの数で割った値である。また、装着時の荷重(すなわち、電子部品92への押圧力)は、予め適切な装着が可能であると想定される一定値に設定されている。
【0033】
図10中の実線701は装着機構3においてピーク近傍が150℃のパルスヒートが与えられた場合の剪断荷重の特性を示し、実線702はピーク近傍が100℃のパルスヒートが与えられた場合の剪断荷重の特性を示す。破線711および712は参考のために図示するものであり、基板91が大気に曝される間にそれぞれ150℃、100℃の継続的な加熱(いわゆる、コンスタントヒート)が行われて装着された場合(すなわち、大気中のヒートプレート上に基板91を放置した場合)の剪断荷重の特性を示している。なお、実線701は黒い矩形、実線702は黒い菱形、破線711は白い矩形、破線712は白い菱形にて示す計測結果に基づいて描かれている。
【0034】
実線701と破線711、または、実線702と破線712を比較して分かるように、コンスタントヒートにより基板91を加熱すると、パルスヒートを用いる場合に比べて大幅に接合強度が低下する。これは、コンスタントヒートを用いると、加熱された状態で基板91が大気に曝されるため、電極表面の酸化が促進されることが原因と考えられる。
【0035】
また、実験例では1つのバンプの剪断方向への剥離に25gf以上の荷重が必要とされることが好ましく、150℃のパルスヒートが用いられる場合にはプラズマ洗浄が行われた後に基板91および電子部品92の周囲が大気環境とされてから装着までの時間(以下、「大気中放置時間」という。)が、(実線701に基づいて長く見積もったとしても)5分以内とされることが好ましいといえる。同様に、100℃のパルスヒートが用いられる場合には実線702に基づいて大気中放置時間が3分以内とされることが好ましい。
【0036】
もちろん、大気中放置時間は短いほど好ましく、プラズマ洗浄の後にチャンバ2が開放されてから装着までの間に、電子部品装着装置1の動作に不要な停止が存在しないことが好ましい。なお、パルスヒートの温度は300℃程度まで想定され、電極形状も様々なものが存在することを考慮すると、少なくとも大気中放置時間は10分以内とされることが好ましいと考えられる。
【0037】
以上のように、電子部品装着装置1では基板91および電子部品92がプラズマ洗浄された後、大気に曝された状態で電子部品92が基板91に速やかに装着される。これにより、電子部品92の装着を減圧下にて行うための複雑な機構が不要となり、電子部品装着装置1の構造が簡素化され、スループットの向上や装置製作費用の大幅な低減を図ることができる。
【0038】
また、図10から導かれる条件を満たすように時間を管理しつつ速やかに装着を行うことにより、例えば、150℃ないし100℃、あるいは、100℃以下といった低温であっても電子部品92を基板91に適切な強度にて接合することができる。その結果、耐熱性の低いまたは熱膨張率の高いフィルム基板に対しても良好なファインピッチ接合が可能となる。
【0039】
なお、基板91や電子部品92の電極にバンプが形成される場合は、従来のようにバンプを大きく潰すことなく適切な接合ができるため、接合部に熱応力等が作用した場合に応力集中を低減することが実現される。また、バンプの変形量が小さいことから、後工程の封止の際にアンダーフィルの濡れ性が良好となり、樹脂封入時間の短縮、気泡残りの抑制、使用樹脂の多様化等も実現される。
【0040】
図11は、電子部品装着装置1の装着ヘッド35の他の例を示す図である。図11の装着ヘッド35は、図4に示す装着ヘッド35からセラミックヒータ352が省略され、超音波振動を装着ヘッド35に与える振動部358が取り付けられた構造を有する。また、ステージ31からも図4に示すセラミックヒータ312が省略される。電子部品92が基板91に装着される際には、振動部358からの振動が本体ブロック351および吸着ツール353を介して電子部品92に与えられる。
【0041】
これにより、常温(例えば、25℃)にて基板91および電子部品92の電極同士を適切に接合することができる。超音波振動を利用する場合もプラズマ洗浄により活性化された電極の酸化や汚染物質の吸着を抑制するために基板91および電子部品92の周囲が大気環境とされた後、可能な限り速やかに装着が行われることが好ましい。なお、超音波振動とパルスヒートとが併用されてもよい。
【0042】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。
【0043】
上記実施の形態では、基板91および電子部品92が1つのチャンバ2にてプラズマ洗浄されるが、基板91および電子部品92は個別のチャンバ2で洗浄されてもよい。また、プラズマ洗浄は典型的なプラズマ処理に限定されず、直流電流、パルス電流、マグネトロン等によるプラズマ処理であってもよい。さらに、高速原子ビーム(FAB)やイオンビーム等のように、プラズマを含む処理をプラズマ洗浄の一種として利用することができる。プラズマ洗浄に使用されるガスもアルゴンには限定されず、窒素、酸素、フッ素、水素等でもよい。
【0044】
上記実施の形態では装着後にパルスヒートが与えられるが、パルスヒートは装着とほぼ同時と捉えることができるタイミングで(すなわち、装着直後に)行われてもよい。また、装着後に加熱されるのであるならばパルスヒートでなくてもよい。例えば、加熱が停止された後に温度が維持されてもよい。加熱は基板91と電子部品92との双方に行われることが好ましいが、接合強度が著しく低下しない範囲でいずれか一方のみに加熱が行われてもよい。また、いずれか一方にコンスタントヒートが与えられてもよい。ステージ31や装着ヘッド35には他の部位に熱が伝達されないように冷却機構が設けられることが好ましい。
【0045】
ステージ31や装着ヘッド35を加熱するヒータは電熱線等の他のヒータであってもよい。
【0046】
基板91や電子部品92の電極は金には限定されず、例えば、銅、アルミニウム、スズ、あるいは、これらの金属によるメッキが施されたものが想定される。基板91は、ポリイミド、PET(ポリエチレンテレフタレート)等のフィル基板のみならず、例えば、樹脂やセラミックにより形成された板状の基板も利用される。
【0047】
電子部品装着装置1はICベアチップに代表される微細な電極を有する電子部品92に特に適しているが、他の電子部品92の装着が行われてもよい。
【0048】
装着機構3における基板91や電子部品92の保持はメカニカルチャックによる保持であってもよく、電子部品92が基板91に向かって相対的に移動されるのであるのであれば、どのような装着機構が採用されてもよい。
【0049】
【発明の効果】
本発明によれば、電子部品装着装置の構造を簡素化することができ、スループットの向上や装置製作費用の大幅な低減を図ることができる。また、低温にて適切な装着を行うこともできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】電子部品装着装置の構造を示す平面図
【図2】電子部品装着装置の構造を示す側面図
【図3】電子部品装着装置の構造を示す側面図
【図4】ステージおよび装着ヘッドを拡大して示す断面図
【図5】電子部品装着装置の動作の流れを示す図
【図6】電子部品装着装置の動作途上の様子を示す図
【図7】電子部品装着装置の動作途上の様子を示す図
【図8】電子部品装着装置の動作途上の様子を示す図
【図9】電子部品装着装置の動作途上の様子を示す図
【図10】剪断加重の特性を示す図
【図11】ステージおよび装着ヘッドの他の例を示す図
【符号の説明】
1 電子部品装着装置
2 チャンバ
3 装着機構
4 搬送ロボット
31 ステージ
35 装着ヘッド
36 ヘッド昇降機構
91 基板
92 電子部品
312,352 セラミックヒータ
358 振動部
S12,S16,S17 ステップ
Claims (10)
- 電子部品を基板に装着する電子部品装着装置であって、
電子部品および基板に対してプラズマ洗浄が行われるチャンバと、
前記チャンバから電子部品および基板を大気中へと搬出する搬送機構と、
前記搬送機構から電子部品および基板を受け取って大気に曝された状態で前記電子部品を前記基板に装着する装着機構と、
を備えることを特徴とする電子部品装着装置。 - 請求項1に記載の電子部品装着装置であって、
前記装着機構が、
電子部品を保持する部品保持部と、
基板を保持する基板保持部と、
前記部品保持部を前記基板保持部に対して相対的に移動させる移動機構と、
を有し、
前記部品保持部および前記基板保持部の少なくとも一方が、基板に電子部品が装着された後に保持対象に対して熱を与える加熱部を有することを特徴とする電子部品装着装置。 - 請求項2に記載の電子部品装着装置であって、
前記加熱部による加熱が、保持対象の昇温途上において停止することを特徴とする電子部品装着装置。 - 請求項2または3に記載の電子部品装着装置であって、
前記部品保持部および前記基板保持部のそれぞれが、前記加熱部を有することを特徴とする電子部品装着装置。 - 請求項1ないし4のいずれかに記載の電子部品装着装置であって、
前記部品保持部に超音波振動を与える超音波振動源をさらに備えることを特徴とする電子部品装着装置。 - 電子部品を基板に装着する電子部品装着方法であって、
電子部品および基板に対してプラズマ洗浄を行う洗浄工程と、
大気に曝された状態で前記電子部品を前記基板に装着する装着工程と、
を有することを特徴とする電子部品装着方法。 - 請求項6に記載の電子部品装着方法であって、
前記洗浄工程の後、前記電子部品および前記基板の周囲が大気環境とされてから10分以内に前記装着工程が実行されることを特徴とする電子部品装着方法。 - 請求項6に記載の電子部品装着方法であって、
前記洗浄工程の後、前記電子部品および前記基板の周囲が大気環境とされてから5分以内に前記装着工程が実行されることを特徴とする電子部品装着方法。 - 請求項6に記載の電子部品装着方法であって、
前記洗浄工程の後、前記電子部品および前記基板の周囲が大気環境とされてから3分以内に前記装着工程が実行されることを特徴とする電子部品装着方法。 - 請求項6ないし9のいずれかに記載の電子部品装着方法であって、
前記装着工程の後に、前記電子部品および前記基板の少なくとも一方に熱を与える加熱工程をさらに有することを特徴とする電子部品装着方法。
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