JP2007329305A

JP2007329305A - 熱圧着装置および熱圧着方法

Info

Publication number: JP2007329305A
Application number: JP2006159449A
Authority: JP
Inventors: Tomoaki Nakanishi; 智昭中西
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-06-08
Filing date: 2006-06-08
Publication date: 2007-12-20

Abstract

【課題】熱圧着ツールの押圧面を効率的に冷却する熱圧着装置および熱圧着方法を提供する。
【解決手段】熱圧着ツール２の下方に導流板３０を配置し、熱圧着ツール２の下部に設けられた押圧面２ａに開口する通気孔２ｂにエア源２４から圧縮エアを供給するようにした。これにより、通気孔２ｂから流出したエアが押圧面２ａに沿って導気され（矢印Ａ参照）、ヒータ５によって加熱された押圧面２ａに接触するので、押圧面２ａを効率的に冷却することが可能となり冷却時間を短縮することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、チップ等の第１のワークを基板等の第２のワークに加熱押圧して熱圧着する熱圧着装置および熱圧着方法に関するものである。

チップの実装分野においては、チップ等の第１のワークと基板等の第２のワークを熱圧着により接合する熱圧着装置が用いられている。熱圧着装置には熱圧着ツールが備えられ、熱圧着ツールに形成された押圧面でチップを基板に対して押圧する。チップと基板の間には半田や導電性ペースト、熱硬化性樹脂等が介在し、チップを押圧する際に加熱することで溶融、硬化し、チップと基板が接合される。このような熱圧着装置として、従来、熱圧着ツールの上部側に発熱部を設け、下部に設けられた押圧面を加熱して半田等を溶融、硬化させる装置が知られており、先のチップを熱圧着した後、次のチップを熱圧着するまでに押圧面を所定温度に冷却するため、発熱部に冷却用の気体を送気する機能を備えている（特許文献１参照）。
特許第３３９９３６７号公報

近年、チップの実装分野においては生産効率の更なる向上が要請されており、タクト短縮を実現するために様々な手段が講じられている。熱圧着においては、タクト短縮のために押圧面の冷却に要する時間を短縮することが有効であるが、発熱部自体に送気することで熱圧着ツールから奪熱する従来の装置は、冷却効率が低く、タクト短縮に限界があった。

そこで本発明は、熱圧着ツールの押圧面を効率的に冷却する熱圧着装置および熱圧着方法を提供することを目的とする。

請求項１記載の熱圧着装置は、第１のワークを第２のワークに対して押圧する押圧面を下部に有する熱圧着ツールと、前記熱圧着ツールの上部側に設けられ、発熱して前記押圧面を加熱する発熱部と、前記押圧面に形成された通気孔に気体を送る送気手段と、前記通気孔に送られた気体を前記押圧面に沿って導く導流部と、前記熱圧着ツールと前記導流部が上下に重なる第１の姿勢と上下に重ならない第２の姿勢とに前記熱圧着ツールと前記導流部を相対的に変位させる変位手段と、を備えた。

請求項２記載の熱圧着装置は、請求項１記載の熱圧着装置において、前記変位手段が、前記導流部を前記熱圧着ツールの下方に変位させるとともに前記導流部を前記押圧面のレベルより上方に変位させる。

請求項３記載の熱圧着方法は、第１のワークを第２のワークに対して押圧する押圧面を下部に有する熱圧着ツールと、前記熱圧着ツールの上部側に設けられ、発熱して前記押圧面を加熱する発熱部と、前記押圧面に形成された通気孔に気体を送る送気手段と、前記通気孔に送られた気体を前記押圧面に沿って導く導流部と、前記熱圧着ツールと前記導流部を相対的に変位させる変位手段と、を備えた熱圧着装置における熱圧着方法であって、前記熱圧着ツールと前記導流部が上下に重ならない姿勢で前記熱圧着ツールにより前記第１のワークを前記第２のワークに熱圧着する工程と、前記熱圧着ツールと前記導流部が上下に重なる姿勢で前記通気孔に気体を送気して前記押圧面を冷却する工程と、を含む。

請求項４記載の熱圧着方法は、第１のワークを第２のワークに対して押圧する押圧面を下部に有する熱圧着ツールと、前記熱圧着ツールの上部側に設けられ、発熱して前記押圧面を加熱する発熱部と、前記押圧面に形成された通気孔に気体を送気する送気手段と、前記通気孔に送気された気体を前記押圧面に沿って導流する導流部と、前記熱圧着ツールと前記導流部を相対的に変位させる変位手段と、を備えた熱圧着装置における熱圧着方法であって、前記導流部を前記押圧面のレベルより上方に変位させた姿勢で前記熱圧着ツールにより前記第１のワークを前記第２のワークに熱圧着する工程と、前記導流部を前記熱圧着ツールの下方に変位させた姿勢で前記通気孔に気体を送気して前記押圧面を冷却する工程と、を含む。

本発明によれば、熱圧着ツールの押圧面に冷却用の気体を導いて直接冷却するので、押圧面の冷却に要する時間を短縮することが可能となり、タクト短縮が実現できる。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態の熱圧着装置の構成図、図２は本発明の実施の形態の熱圧着装置における送気経路の構成図、図３は本発明の実施の形態の熱圧着装置における送気経路の構成図、図４は本発明の実施の形態の熱圧着装置の部分拡大図、図５は本発明の他の実施の形態の熱圧着装置の部分拡大図、図６は本発明の実施の形態の熱圧着装置の動作説明図、図７は本発明の他の実施の形態の熱圧着装置の動作説明図である。

まず、本発明の実施の形態の熱圧着装置について説明する。図１において、熱圧着装置は、熱圧着ヘッド１の下部に装着された熱圧着ツール２により第１のワークであるチップ３を第２のワークである基板４に熱圧着する機能を備える。熱圧着ツール２の下部は、平型のチップ３の上面に対応する平面状に形成された押圧面２ａとなっている。熱圧着ツール２の上部側には、熱圧着ツール２の上部に接触するヒータ５が備えられ、ヒータ５からの発熱が熱圧着ツール２に伝達して押圧面２ａを加熱する。チップ３および基板４は、それぞれチップ保持部６および基板保持部７の上部に規則配置され、チップ保持部６および基板保持部７は可動テーブル８上に配設される。可動テーブル８は、熱圧着装置のベースである基台９上に積層されたＸテーブル１０およびＹテーブル１１の駆動により熱圧着ヘッド１の下方で水平移動可能に構成される。熱圧着ヘッド１は基台９に固定されたフレーム１２に装着され、昇降機構１３により鉛直方向に昇降してチップ３または基板４に対して接離可能に構成される。フレーム１２にはカメラ１４が装着され、チップ３を保持した熱圧着ヘッド１と基板保持部７の間でチップ３と基板４の両方を撮像する撮像手段として機能する。撮像されたチップ３と基板４の画像は画像処理され両者の位置関係が認識される。カメラ１４はカメラ移動機構１５により水平移動可能に構成され、撮像の際には熱圧着ヘッド１と基板保持部７の間に位置し、熱圧着の際には熱圧着ヘッド１の下降動作を妨げないように両者の間から退避する。

以上のように構成される熱圧着装置における熱圧着動作は次のように行われる。まず、熱圧着ツール２の押圧面２ａの鉛直下方に最初に熱圧着するチップ３を位置決めする。次に、熱圧着ヘッド１をチップ３に対して下降させ、押圧面２ａにチップ３を吸着する。チップ３の吸着後に熱圧着ヘッド１を上昇させ、基板４のチップ搭載箇所を熱圧着ヘッド１の下方に位置決めする。次に、チップ３と基板４の間にカメラ１４を移動させて両者を撮像し、両者の位置認識結果に基づいてチップ３と基板４上のチップ搭載箇所の位置合わせ補正を行う。その後、熱圧着ヘッド１を下降させ、熱圧着ツール２に保持したチップ３を基板４に加熱押圧する。チップ３に形成された半田バンプ３ａは、ヒータ５により加熱された押圧面２ａから伝わる熱により熱融解して基板４の電極４ａと融着する。なお、チッ
プ３と基板４を熱圧着する媒体は半田バンプ３ａに限らず、ＡＣＦテープや半田粒を含有した熱硬化性樹脂等を基板４の電極４ａに予め施しておいてもよい。チップ３と基板４の熱圧着が終了すると、熱圧着ヘッド１を上昇させ、押圧面２ａの鉛直下方に次に熱圧着するチップ３を位置決めする。このとき、熱圧着ツール２の押圧面２ａは先の熱圧着の際に加熱されて高温になっているので、所定の温度まで降温させた後にチップ３の吸着を行う。以上の一連の動作を繰り返し、全てのチップ３を基板４のチップ搭載箇所に熱圧着する。

図２において、熱圧着ヘッド１は、熱圧着ツール２とヒータ５と伝熱部２０と遮熱部２１を積層して形成される。ヒータ５は電源２２から供給される電気を熱に変換して発熱する発熱部である。熱圧着ツール２は窒化アルミ等の高熱伝導性材で形成され、ヒータ５の発熱を押圧面２ａに効率的に伝達する。遮熱部２１は多孔質材または断熱材で形成され、ヒータ５から上方に伝達する熱を遮断し、熱による悪影響が昇降機構１３等の熱圧着装置自体に及ばないようになっている。

熱圧着ヘッド１には押圧面２ａに開口する通気孔２ｂが形成される。通気孔２ｂは、熱圧着ツール２とヒータ５、伝熱部２０、遮熱部２１を貫通して真空源２３と連通し、通気孔２ｂ内を減圧することで押圧面２ａにチップ３が吸着される。また、通気孔２ｂはエア源２４と連通し、押圧面２ａからチップ３をリリースする際に通気孔２ｂに大気中のエアを送気して真空破壊を行う。真空源２３とエア源２４は第１ソレノイドバルブ２５を介して通気孔２ｂと連通し、第１ソレノイドバルブ２５の切り替えにより真空源２３またはエア源２４の何れかを通気孔２ｂと連通させることでチップ３の吸着または真空破壊を行う。なお、エア源２４から通気孔２ｂに送気されるエアは低圧レギュレータ２６により真空破壊に適した圧力に調整される。

伝熱部２０はヒータ５の上部に接触して設けられ、ヒータ５の上部に対向して複数の導流路２０ａが形成されている。導流路２０ａは、伝熱部２０および遮熱部２１を貫通して形成された送気孔２０ｂによりエア源２４と連通し、エア源２４から送気されるエアが導流路２０ａに導気される。導流路２０ａに導気されたエアはヒータ５の上部に沿って導かれ、ヒータ５に接触して熱を奪いながら伝熱部２０の外方に発散される。このように、ヒータ５の上部にエアを導気してヒータ５から奪熱することで、ヒータ５に接触する熱圧着ツール２を降温させて押圧面２ａを冷却する。

導流路２０ａに気体を送る送気手段として機能するエア源２４から送気されるエアは、低圧レギュレータ２７および高圧レギュレータ２８により圧力が調整され、第２ソレノイドバルブ２９を切り替えることで低圧または高圧の何れかのエアが、送気孔２０ｂまたは遮熱部２１を介して導流路２０ａに導気される。熱圧着時には低圧エアを導流路２０ａに導気し、ヒータ５から上方に伝達する熱を奪熱して外方に放熱する。これにより、ヒータ５の上方に備えられた昇降機構１３等に熱による悪影響が及ばないようにしている。冷却時には高圧エアを導流路２０ａに導気し、ヒータ５からの奪熱量を増加させることで押圧面２ａの冷却効率を向上させる。

図２において、伝熱部２０は、導流路２０ａが形成されている以外の部分（以下、当接部２０ｃという）でヒータ５の上部と当接している。奪熱効率を向上させるには、エアがヒータ５の上部と直接接触する部分２０ｄの面積を大きくすればよいが、その結果、当接部２０ｃが小さくなり、チップ３を基板４に押圧する際に当接部２０ｃにかかる押圧荷重が増大してヒータ５が破損する等の不具合が生じることがある。そこで、伝熱部２０を窒化アルミ等の高熱伝導性材で形成し、遮熱部２１より高い熱伝導性を備えさせると、ヒータ５の熱は伝熱部２０に伝達しやすくなり、伝熱部２０に伝達された熱は導流路２０ａと放熱フィン２０ｅにより放熱されるので、当接部２０ｃを比較的大きく維持した状態でも
高い奪熱効果が得られる。

図３において、導流板３０は、熱圧着ツール２の下部の形状に対応した形状に形成され、熱圧着ツール２の下方に配置されている。通気孔２ｂにエアを送気すると、エアは押圧面２ａと導流板３０の間で押圧面２ａに沿って導かれて外方に発散される（矢印Ａ参照）。このとき、押圧面２ａに接触したエアは、ヒータ５により加熱された押圧面２ａから直接奪熱するので、押圧面２ａを効率的に冷却することができる。通気孔２ｂに送気するエアは、エア源２４から送気されるエアを低圧レギュレータ２６により調整した低圧エアを使用してもよいが、高圧レギュレータ３２をさらに設け、第１ソレノイドバルブ２５の切り替えにより高圧エアを通気孔２ｂに送気することで、より効率的に押圧面２ａを冷却することができる。

このように、導流板３０は、通気孔２ｂに送られたエアを押圧面２ａに沿って導く導流部として機能し、押圧面２ａを冷却する際に、送気手段であるエア源２４から送気されるエアを導流路２０ａから外方に導気し（矢印Ｂ参照）、ヒータ５の上部から奪熱するとともに、熱圧着ツール２の下方に導流板３０を配置した状態で通気孔２ｂから外方に導気し（矢印Ａ参照）、押圧面２ａから直接奪熱することで、より短時間で押圧面２ａを冷却することが可能になり、タクト短縮が実現できる。また、導流板３０は、熱圧着ツール２の下部の形状に対応した形状とすることで効果的に押圧面２ａを冷却することができるが、他の形状、例えば平板であっても押圧面２ａを冷却する効果を奏することができる。

導流板３０は冷却時にのみ使用し、熱圧着時には、熱圧着ツール２と上下に重ならないようにして熱圧着ツール２の下降を妨げないようにする必要がある。図４において、熱圧着ツール２と導流板３０の相対的な姿勢を変位可能に構成し、冷却時には、図４（ａ）に示すように、熱圧着ツール２と導流板３０が上下に重なる姿勢（第１の姿勢）に両者を相対的に変位させる。熱圧着時には、図４（ｂ）、（ｃ）に示すように、熱圧着ツール２と導流板３０が上下に重ならない姿勢（第２の姿勢）に両者を相対的に変位させ、熱圧着ツール２の下降を妨げないようにする。導流板３０をチップ保持部６と基板保持部７の間に配設し、可動テーブル８と一体となって水平移動するように構成すると、可動テーブル８の水平移動により、熱圧着ツール２の下方に導流板３０が位置して両者が上下に重なる姿勢（図４（ａ）参照）と、熱圧着ツール２の下方にチップ３若しくは基板４が位置して熱圧着ツール２と導流板３０が上下に重ならない姿勢（図４（ｂ）、（ｃ）参照）とに熱圧着ツール２と導流板３０を相対的に変位させることができる。可動テーブル８は、熱圧着ツール２と導流板３０が上下に重なる第１の姿勢と上下に重ならない第２の姿勢とに熱圧着ツール２と導流板３０を相対的に変位させる変位手段として機能する。

また、本発明の他の実施の形態として、図５に示すように、導流部である導流板３１を熱圧着ツール２の下方となる姿勢（第１の姿勢）と、押圧面２ａのレベルより上方となる姿勢（第２の姿勢）とに変位させる導流板移動機構４０を熱圧着ヘッド１に設けてもよい。図５（ａ）において、導流板移動機構４０は、導流板３１を水平移動（矢印Ａ参照）させる導流板水平移動機構４１と、導流板３１を昇降（矢印Ｂ参照）させる導流板昇降機構４２とで構成され、導流板水平移動機構４１は、第１ロッド４１ａを水平方向に伸縮させる第１シリンダ４１ｂと、第１シリンダ４１ｂを支持する支持ブラケット４１ｃとで構成され、導流板昇降機構４２は、第２ロッド４２ａを鉛直方向に伸縮させる第２シリンダ４２ｂと、第２シリンダ４２ｂを熱圧着ヘッド１に固定する固定ブラケット４２ｃとで構成される。第１ロッド４１ａには導流板３１が取り付けられ、第２ロッド４２ａには支持ブラケット４１ｃが取り付けられる。

冷却時には、図５（ａ）に示すように、第１ロッド４１ａおよび第２ロッド４２ａを伸ばし、導流板３１を熱圧着ヘッド１の下方となる位置に移動させる。熱圧着時には、図５
（ｂ）に示すように、第１ロッド４１ａおよび第２ロッド４２ａを縮め、導流板３１の下端のレベルＬ１が押圧面２ａのレベルＬ２より上方となる位置に導流板３１を移動させ、押圧面２ａにチップ３を吸着したり、吸着したチップ３を基板４に実装するために下降する熱圧着ツール２の動作を妨げないようにする。導流板移動機構４０は、導流板３１を熱圧着ツール２の下方に変位させるとともに導流板３１を押圧面２ａのレベルより上方に変位させることで、熱圧着ツール２と導流板３０が上下に重なる第１の姿勢と上下に重ならない第２の姿勢とに熱圧着ツール２と導流板３０を相対的に変位させる変位手段として機能する。

次に、本発明の実施の形態の熱圧着方法について説明する。図６は本発明の実施の形態の熱圧着装置を用いた熱圧着方法を工程順に示している。図６（ａ）において、最初に熱圧着するチップ３の上方に熱圧着ツール２の押圧面２ａを位置決めした後、熱圧着ツール２を下降させてチップ３を吸着する。チップ３の吸着後に熱圧着ツール２を上昇させ、図６（ｂ）において、チップ３の下方に基板４が位置して熱圧着ツール２と導流板３０が上下に重ならない姿勢となった状態で熱圧着ツール２を下降させてチップ３を基板４に加熱押圧する。熱圧着が終了した後、熱圧着ツール２を上昇させ、図６（ｃ）において、熱圧着ツール２の下方に導流板３０が位置して両者が上下に重なる姿勢となった状態で押圧面２ａを冷却する。導流板３０は、熱圧着ツール２の下方で一時停止させて冷却してもよいし、熱圧着ツール２の下方を移動させながら冷却してもよい。押圧面２ａを冷却した後、図６（ｄ）において、次に熱圧着するチップ３の上方に熱圧着ツール２の押圧面２ａを位置決めする。以上の工程を繰り返すことで全てのチップ３を順次基板４に熱圧着する。

図７は本発明の他の実施の形態の熱圧着装置を用いた熱圧着方法を工程順に示している。図７（ａ）において、最初に熱圧着するチップ３の上方に熱圧着ツール２の押圧面２ａを位置決めし、導流板３１を押圧面２ａのレベルより上方に変位させた姿勢で熱圧着ツール２を下降させてチップ３を吸着する。チップ３の吸着後に熱圧着ツール２を上昇させ、図７（ｂ）において、チップ３の下方に基板４を位置決めした後、熱圧着ツール２を下降させてチップ３を基板４に加熱押圧する。このとき、導流板３１は押圧面２ａのレベルより上方に変位させた姿勢となっているので、熱圧着ツール２の下降を妨げることはない。熱圧着が終了した後、熱圧着ツール２を上昇させ、図７（ｃ）において、導流板３１を熱圧着ツール２の下方に変位させた姿勢で押圧面２ａを冷却する。押圧面２ａを冷却した後、図７（ｄ）において、次に熱圧着するチップ３の上方に熱圧着ツール２の押圧面２ａを位置決めする。以上の工程を繰り返すことで全てのチップ３を順次基板４に熱圧着する。

このように、熱圧着ツール２の押圧面２ａにエアを送気して冷却すると押圧面２ａを効率的に冷却することが可能となり冷却時間が短縮される。これにより、次のチップ３を吸着するための待ち時間を無くしたり短縮したりすることが可能となり、複数のチップ３を連続して基板４に熱圧着する生産効率が向上する。

本発明によれば、押圧面の冷却に要する時間を短縮することが可能となり、タクト短縮が実現できるので、チップを基板に加熱押圧して熱圧着する分野において有用である。

本発明の実施の形態の熱圧着装置の構成図本発明の実施の形態の熱圧着装置における送気経路の構成図本発明の実施の形態の熱圧着装置における送気経路の構成図本発明の実施の形態の熱圧着装置の部分拡大図本発明の他の実施の形態の熱圧着装置の部分拡大図本発明の実施の形態の熱圧着装置の動作説明図本発明の他の実施の形態の熱圧着装置の動作説明図

符号の説明

２熱圧着ツール
２ａ押圧面
３チップ
４基板
５ヒータ
８可動テーブル
１３昇降機構
２４エア源
３０、３１導流板
４０導流板移動機構

Claims

第１のワークを第２のワークに対して押圧する押圧面を下部に有する熱圧着ツールと、
前記熱圧着ツールの上部側に設けられ、発熱して前記押圧面を加熱する発熱部と、
前記押圧面に形成された通気孔に気体を送る送気手段と、
前記通気孔に送られた気体を前記押圧面に沿って導く導流部と、
前記熱圧着ツールと前記導流部が上下に重なる第１の姿勢と上下に重ならない第２の姿勢とに前記熱圧着ツールと前記導流部を相対的に変位させる変位手段と、
を備えた熱圧着装置。
前記変位手段が、前記導流部を前記熱圧着ツールの下方に変位させるとともに前記導流部を前記押圧面のレベルより上方に変位させる請求項１記載の熱圧着装置。
第１のワークを第２のワークに対して押圧する押圧面を下部に有する熱圧着ツールと、前記熱圧着ツールの上部側に設けられ、発熱して前記押圧面を加熱する発熱部と、前記押圧面に形成された通気孔に気体を送る送気手段と、前記通気孔に送られた気体を前記押圧面に沿って導く導流部と、前記熱圧着ツールと前記導流部を相対的に変位させる変位手段と、を備えた熱圧着装置における熱圧着方法であって、
前記熱圧着ツールと前記導流部が上下に重ならない姿勢で前記熱圧着ツールにより前記第１のワークを前記第２のワークに熱圧着する工程と、
前記熱圧着ツールと前記導流部が上下に重なる姿勢で前記通気孔に気体を送気して前記押圧面を冷却する工程と、
を含む熱圧着方法。
第１のワークを第２のワークに対して押圧する押圧面を下部に有する熱圧着ツールと、前記熱圧着ツールの上部側に設けられ、発熱して前記押圧面を加熱する発熱部と、前記押圧面に形成された通気孔に気体を送気する送気手段と、前記通気孔に送気された気体を前記押圧面に沿って導流する導流部と、前記熱圧着ツールと前記導流部を相対的に変位させる変位手段と、を備えた熱圧着装置における熱圧着方法であって、
前記導流部を前記押圧面のレベルより上方に変位させた姿勢で前記熱圧着ツールにより前記第１のワークを前記第２のワークに熱圧着する工程と、
前記導流部を前記熱圧着ツールの下方に変位させた姿勢で前記通気孔に気体を送気して前記押圧面を冷却する工程と、
を含む熱圧着方法。