JP2008258473A - 電子部品圧着装置および電子部品圧着方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電子部品圧着装置におけるツールとステージの平行度を自動検出し、ツールとステージ間の傾きの自動調整を可能にする。
【解決手段】加圧ステージ２の貫通穴２ｂより高圧エアーを噴出し、エアーの流量を各貫通穴２ｂごと個別に流量センサー１７にて測定して、４箇所の流量差を流量検出部１４にて演算し、ツール１と加圧ステージ２との平行度のズレ量に変換する。そのズレ量に関するデータに基づきコントローラ部１５より加圧ステージ２の下に設置された傾き調整部６に指令信号を出力する。傾き調整部６では、指令信号を受けて２個のモータ１１，１２が回転して、ボールネジ９，１６を回転駆動させテーパブロック７，８を前後させることにより、加圧ステージ２を傾けることによってツール１との平行度を自動調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体のベアチップあるいは電子回路のパッケージなどの電子部品を基板に対して圧着接合するための電子部品圧着装置および電子部品圧着方法に係り、特に圧着に用いられるステージとツール間の隙間の調整技術に関するものである。

従来から、バンプ付半導体ベアチップなどの電子部品を基板に圧着接合する際、電子部品に荷重を加えてバンプを基板上の電極に押し付けて接合する方法が一般的に採用されている。

この方法によれば、各バンプに加えられる荷重値を一定の範囲内に管理する必要があるため、図６に示すような構成の圧着装置１００が採用され、ロードセルなどの荷重センサー１０４を用いて、電子部品に加えられる荷重を測定しながら接合を行っていた。

図６に示す従来の装置において、ステージ１０２とツール１０１との対向面における平行度を一定に保つ必要があるため、定期的に電子部品を払い出してステージ１０２の上面１０２ａにツール１０１の下面１０１ａを密着させ、照明１１２による照明状態のときに生じる干渉縞Ｍを、装置の斜め下に設置したカメラ１１１で撮影し、干渉縞Ｍの本数と位置を作業者の目で判断し、干渉縞Ｍの位置がずれている場合（傾き発生時）には、ツール１０１の上部に配設された傾き調整ブロック１０６のテーパブロック１０７，１０８を、ネジ１０９，１１０を用いて手動にて回転することにより平行調整を行っていた。
特開平１１−３３０１５６号公報

前記従来の圧着装置１００のような構造の場合、図６に示す干渉縞Ｍにて傾きを確認していたが、この干渉縞Ｍは１本で約０．３μｍの分解能となり、発生する場所や形状、あるいはツール１０１やステージ１０２の仕上がり形状にも左右され、自動的に測定することは困難である。特に、表面に傷が発生した場合は、干渉縞Ｍの中心位置が傷の部分に移動したり、完全に干渉縞が消失したりするため、ステージ１０２を交換または再加工しないと、傾き検出が不能となる。

また、干渉縞確認用のカメラ１１１とステージ１０２を照射する照明１１２とが、ステージ１０２の斜め下方に配置されるため、ステージ１０２における下部には光路としての大きな逃がし窓が必要となり、ステージ形状が複雑になる。

さらに、カメラ１１１と照明１１２などの設置には大きなスペースを必要とするため、ステージ１０２を調整するための傾き調整機構部をステージ１０２の直下に構成すると、ステージ高が高くなり、また、横方向に発生するモーメントに対して弱くなり、ステージ１０２における剛性が著しく低下する。

また逆に、ツール１０１側に傾き自動調整機構を設けようとすると、ツール１０１部分全体が大きくなる。また重量も重くなってしまい、圧着接合時の荷重バラツキが増し、このことが接合品質不良に繋がる可能性がある。

また、ステージ１０２には、石英ガラスなどの透明の材料を使用する必要がある。石英ガラスは加工性も悪く、なおかつ異物の挟み込み、電子部品基板を乗せる際の衝撃、取り付け交換時の取り扱いによる破損（割れ，欠け）が発生しやすく、交換による補修費用が増大する。

定期的な平行調整作業も、作業者が目視確認をしながら、ヘッドの傾きを手動にて調整せねばならないため、作業者の習熟度により時間ロスが多くなることがある。

また、実際の生産中においても、圧着時の圧着方向に平行な荷重の検出は可能であるが、ツール１０１とステージ１０２間の異物などの噛み込みなどよる平行度の変化が検出できないため、即時に設備を停止することができず、電子部品と基板間の接触不良、バンプの潰れ、電子部品自体の破損発生を検出することができない。

本発明は、前記従来技術の問題を解決するためになされたものであり、ステージとツールの平行度の調整を自動で行うことを可能にし、運転中の圧着異常を精度よく検出し得る電子部品圧着装置および電子部品圧着方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、電子部品を基板に圧着する電子部品圧着装置であって、前記基板を保持するステージと、前記電子部品を前記基板に押し付け圧着するツールと、前記ステージに設けられた３個以上の貫通穴と、前記貫通穴に流体を供給する流体制御部と、前記３個以上の貫通穴に流す流体の流量を個別に測定する流量センサーと、前記ステージの傾きを調整する傾き調整部とを備えたことを特徴とし、この構成によって、ステージとツール間の隙間を流体の流量の差によって検出し、傾き調整部によりステージとツールとの平行調整が可能となる。また、従来装置のような干渉縞を見るためのカメラ，照明などは不要になり、ステージの高さを低く構成でき、高精度に電子部品を基板に圧着接合することが可能となる。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の電子部品圧着装置において、ステージに取り付けられて、電子部品の加圧方向に垂直でかつ互いに直交する２方向の荷重と、加圧方向に平行な１方向の荷重との３方向の荷重を検出する荷重測定器と、加重測定器で測定した３方向に発生する荷重値と、予め設定されている３方向荷重値の許容値とを比較して、電子部品の加圧傾き量を演算する傾き検出部と、流量センサーの流量差を演算できる流量検出部と、傾き検出部と流量検出部との値によりステージとツールとの平行度を計算し、計算結果に基づいて傾き調整部を動作させるコントローラ部とを備えたことを特徴とし、この構成によって、傾き調整部によりステージとツールとの平行度の調整が可能になり、確実かつ正確な平行度の自動化が可能になる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載の電子部品圧着装置において、ステージに流体を送る供給口を、ステージの加圧方向に対し直角方向の面に設けることを特徴とし、この構成によって、従来のステージ構成に比較して高さを低くすることが可能となる。

請求項４に記載の発明は、電子部品を基板に圧着する電子部品圧着方法であって、基板と電子部品を保持するステージの電子部品保持面と、電子部品を基板に押し付けるツールの電子部品保持面とを密着させ、前記ステージに設けた３個以上の貫通穴より流体を吐出させ、３個以上の前記貫通穴より吐出した流体の流量を流量センサーにて測定し、前記流量センサーにて測定した流量から前記ステージと前記ツール間の隙間を算出し、前記算出した値に基づいて傾き調整部を動作して前記ステージの傾きを調整することを特徴とし、この方法によって、請求項１に係る発明と同様に、ステージとツール間の隙間を流体の流量の差によって検出し、傾き調整部によりステージとツールとの平行調整が可能となる。

本発明によれば、ステージとツール間の隙間を流体の流量の差によって検出するため、ステージとツールとの傾き調整部によって、ステージとツールとの平行調整が精度よく行われ、当該平行調整の自動化が可能となる。また、従来装置のようにステージの材料を透明体に限定しなくてもよい構造になるため、従来装置の課題であったステージの破損がなくなり、さらに、干渉縞を見るためのカメラや照明などが不要であるため、加圧ステージの高さも低く構成でき、高精度に電子部品を基板に圧着接合することが可能となる。

以下に、本発明に係る実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態である電子部品圧着装置の要部の構成を示す正面図、図２は本電子部品圧着装置の全体構成図である。

本実施の形態において、電子部品圧着装置１０は、半導体ベアチップである電子部品１８を、回路配線が形成された基板１９に圧着する装置である。電子部品圧着装置１０は、図２の設備装置２０における圧着装置部分であって、電子部品１８を基板１９に圧着する構成および方法について、以下概説する。

図２に示すように、まず、基板１９に電子部品１８を装着した状態にて搬送ステージ２１に保持された状態にて前工程より搬送される。搬送ステージ２１はガイド２２にて上下に動作する。ガイド２２は、Ｘ方向に基板１９を搬送するＸステージ２３とＹ方向に基板１９を搬送するＹステージ２４の上に設置されている。これらにより基板１９と電子部品１８は、図１に示すように、加圧ステージ２に位置決めされる。

また、電子部品１８を圧着するためのツール１は、該ツール１を一定ストローク上下するためのスプラインシャフトの下端に保持されている。スプラインユニット２７の上端はエアーシリンダ２５に連結されている。スプラインユニット２７とエアーシリンダ２５は、ガイド２６上に配置されており、該ガイド２６により上下に自在に摺動することができるようになっている。エアーシリンダ２５の上端は、連結ブラケット３１にて、モータ２９に連結され回転可能なボールねじ２８に連結されおり、モータ２９を回転することによって、ツール１を下降することができるようになっている。

加圧ステージ２に基板１９と電子部品１８とが位置決めされると、モータ２９を回転してツール１を電子部品１８に接触するまで一定速度で下降させる。このときの荷重値を荷重測定器５で検出し、モータ２９の回転数を遅くすることにより圧着スピードを変化することができる。この荷重値が規定荷重に達すると、モータ２９の回転を停止して、圧着キープ時間の間、一定荷重を加えた状態で加圧し続ける。圧着完了後、モータ２９を逆回転してツール１を上昇させる。

この圧着中に、図１に示す荷重測定器５により加圧中の荷重値の異常有無を検出する。これにより圧着の方向に互いに直交する２次元空間上の荷重値と圧着方向に平行な荷重値、すなわち、電子部品１８の加圧方向に垂直でかつ互いに直交する２方向の荷重と、加圧方向に平行な１方向の荷重との３方向の荷重を検出し、加重測定器５で測定した３方向に発生する荷重値の検出データを、傾き検出部１３にて予め設定されている３方向荷重値の許容値と比較して電子部品１８の加圧傾き量を演算する。この結果により、異常が検出された場合には圧着作業を停止することができる。

次に、ツール１と加圧ステージ２との初期の平行調整方法について説明する。

基板１９と電子部品１８がない状態にて、加圧ステージ２の電子部品保持面である上面２ａにツール１を下降させ、ツール１の電子部品保持面である下面１ａを密着させる。加圧ツール２には、本例では貫通穴２ｂを４箇所穿設してある。加圧ステージ２の下のブロック３には、前記４個の貫通穴２ｂに連続する通穴３ａが４箇所設けられており、さらにブロック３の横側部には、通穴３ａの供給口３ｂが４箇所設けられ、各供給口３ｂに高圧エアー配管４がそれぞれ接続されている。

前記貫通穴２ｂより高圧エアーを噴出し、エアー（流体）の流量を各貫通穴２ｂごと個別に流量センサー１７にて測定して、４箇所の流量差を流量検出部１４にて演算し、ツール１と加圧ステージ２との平行度のズレ量に変換する。そのズレ量に関するデータに基づきコントローラ部１５より加圧ステージ２の下に設置された傾き調整部６に指令信号を出力する。傾き調整部６では、指令信号を受けて２個のモータ１１，１２が回転して、ボールネジ９，１６を回転駆動させテーパブロック７，８を前後させることにより、加圧ステージ２を傾けてツール１との平行度を自動調整する。

なお、本実施の形態では、加圧ステージ２には４個の貫通穴２ｂを設けているが、この貫通穴は３個以上であれば２次元空間の傾きのデータに演算することができるため、３個以上設ければよい。

前記流量測定に関する原理について図３〜図５を参照して説明する。図３はツールと加圧ステージ部分の拡大斜視図、図４はツールと加圧ステージとが平行状態にあるときの図３におけるＡ−Ａ断面図、図５はツールと加圧ステージとが傾いた状態のときの図３におけるＡ−Ａ断面図である。

ツール１を加圧ステージ２に密着させ、加圧ステージ２に設けられた貫通穴２ｂ各々に高圧エアーｘ，ｙを流すと、図４に示すように、ツール１と加圧ステージ２との平行度が出ているときは、各貫通穴２ａにも同等量のエアーが流れる（ｘ＝ｙ）。一方、平行度が出ていない場合は、図５に示すように、高圧エアーｘ，ｙを流すとエアーの流量の差が生じる（ｘ＞ｙ）。この現象を利用することにより、ツール１と加圧ステージ２の傾きを測定する。

測定精度に関しては、貫通穴２ｂを直径１．５ｍｍとし、流量検出部１４として分解能が１Ｌ／ｍｉｎの流量計を使用した場合、その最小検出能力は下式（１）に示すようになる。
流量Ｑ＝１２０×Ｓ（Ｐ１＋０．１）ＳＱＲＴ［２９３／（２７３＋ｔ）］‥‥（１）
式（１）において、Ｑ：流量（ｄｍ３／ｍｉｎ）、Ｓ：断面積（ｍｍ^２）、Ｐ１：圧力（ＭＰａ）、ｔ：温度（℃）である。

式（１）によれば、隙間０．１μｍ変化したときの流量変化量は、２．２Ｌ／ｍｉｎとなり、流量計の検出分解能の約２倍となり、計測誤差を加味しても０．１μｍまでは検出可能であることが分かる。

前記のように傾きを検出して、傾き異常を検出した場合は、電子部品１８と基板１９を加圧ステージ２上から取り除き、加圧ステージ２の上面２ａにツール１の下面１ａを密着させ、加圧ステージ２とツール１との平行度と隙間とを流量検出器１４を用いて測定し、平行度の自動調整をするか、異物の付着であれば異常警報を出し、作業者に知らせることが可能となる。

また、加圧ステージ２は、従来の光学式の検出方法でないため、小型で薄く製作することが可能であり、エアー供給継ぎ手部などをステージ真下ではなく横に配置することで、さらにステージ下部を低く構成することができる。

このため、従来装置の構成では、ステージの傾き調整部を加圧ステージ下に入れると全体が高くなり、剛性的に横方向のモーメントに弱くなり、圧着接合精度に影響を及ぼしていたが、この本実施の形態の構成によれば、ステージ全体の高さも低くなり、圧着接合時の傾きも少なくなり、安定した高品質の接合が可能になる。

以上のように、本実施の形態によれば、加圧ステージとツールとの隙間を、エアーなどの流体の流量差によって検出し、また、加圧ステージの傾き調整部を直下に配置することで、簡素化された構造にて、加圧ステージとツールとの平行調整の自動化が可能となる。さらに、加圧ステージの材料を透明体に限定しなくてもよいため、従来装置での課題であった加圧ステージ部の破損がなくなり、概説したような干渉縞を見るためのカメラや照明などは不要であるため、加圧ステージの高さも低く構成でき、高精度に電子部品を基板に圧着接合することが可能となる。

なお、圧着接合時の圧着方向と垂直な２次元空間上における荷重許容値を記憶する記憶部を備えることにより、電子部品の圧着接合時のツールと電子部品間の異物の噛み込み、加圧ステージと基板間の異物の噛み込み、電子部品と基板間の異物の噛み込みなどによる、２次元空間上の荷重値を検出し、記憶部に記憶された荷重許容値と比較することにより異常の検出をして、装置の動作を自動で停止することができるようになる。このことにより、圧着接合不良を下流工程に流すことを防ぐことができ、工程品質が確保される。

また、本実施の形態では、従来装置のステージ構成に比較して高さを低くすることが可能で、かつ自動調整が可能になり、傾き調整部およびモータなども加圧ステージの直下に配置することができるため、剛性面，位置決め精度面上からも安定し、信頼性に優れた圧着装置が実現する。

本発明は、圧着装置のステージ自動調整機構として有効であり、電子部品を圧着接合する装置などに広く適用することができ、さらに装置周辺の小型化が要求される場合にも対応することができる。

本発明の実施の形態である電子部品圧着装置の要部の構成を示す正面図 本実施の形態における電子部品圧着装置の全体構成図 本実施の形態におけるツールと加圧ステージ部分の拡大斜視図 本実施の形態におけるツールと加圧ステージとが平行状態にあるときの図３におけるＡ−Ａ断面図 本実施の形態におけるツールと加圧ステージとが傾いた状態のときの図３におけるＡ−Ａ断面図 従来の電子部品圧着装置の構成を示す正面図

符号の説明

１ ツール
１ａ ツールの下面（電子部品保持面）
２ 加圧ステージ
２ａ 加圧ステージの上面（電子部品保持面）
４ 高圧エアー配管
５ 荷重測定器
６ 傾き調整部
７，８ テーパブロック
９，１６ ボールネジ
１０ 電子部品圧着装置
１１，１２ モータ
１３ 傾き検出部
１４ 流量検出部
１５ コントローラ部
１７ 流量センサー
１８ 電子部品
１９ 基板

Claims (4)

1. 電子部品を基板に圧着する電子部品圧着装置であって、
   前記基板を保持するステージと、
   前記電子部品を前記基板に押し付け圧着するツールと、
   前記ステージに設けられた３個以上の貫通穴と、
   前記貫通穴に流体を供給する流体制御部と、
   前記３個以上の貫通穴に流す流体の流量を個別に測定する流量センサーと、
   前記ステージの傾きを調整する傾き調整部と、
   を備えたことを特徴とする電子部品圧着装置。
2. 前記ステージに取り付けられて、前記電子部品の加圧方向に垂直でかつ互いに直交する２方向の荷重と、加圧方向に平行な１方向の荷重との３方向の荷重を検出する荷重測定器と、
   前記加重測定器で測定した前記３方向に発生する荷重値と、予め設定されている３方向荷重値の許容値とを比較して、電子部品の加圧傾き量を演算する傾き検出部と、
   前記流量センサーの流量差を演算できる流量検出部と、
   前記傾き検出部と前記流量検出部との値により前記ステージと前記ツールとの平行度を計算し、前記計算結果に基づいて前記傾き調整部を動作させるコントローラ部と、
   を備えたことを特徴とする請求項１記載の電子部品圧着装置。
3. 前記ステージに流体を送る供給口を、前記ステージの前記加圧方向に対し直角方向の面に設けることを特徴とする請求項１または２記載の電子部品圧着装置。
4. 電子部品を基板に圧着する電子部品圧着方法であって、
   基板と電子部品を保持するステージの電子部品保持面と、電子部品を基板に押し付けるツールの電子部品保持面とを密着させ、
   前記ステージに設けた３個以上の貫通穴より流体を吐出させ、
   ３個以上の前記貫通穴より吐出した流体の流量を流量センサーにて測定し、
   前記流量センサーにて測定した流量から前記ステージと前記ツール間の隙間を算出し、
   前記算出した値に基づいて傾き調整部を動作して前記ステージの傾きを調整することを特徴とする電子部品圧着方法。

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