JP2009141269A - 電気部品の実装方法及び実装装置 - Google Patents

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chip
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Kazunori Hamazaki
和典 濱▲崎▼
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Abstract

【課題】 厚みが２００μｍ以下の薄い電気部品を配線基板上に実装する際に、導電性粒子を含み且つ最低溶融粘度が低い導電性接着剤を用いて熱圧着した場合に生じる電気部品の反り量を大幅に低減させることができる電気部品の実装装置を提供する。
【解決手段】 実装装置においては、基台１１の上に載置された配線基板１００の上に、最低溶融粘度が１．０×１０３Ｐａ・ｓ以下の異方性導電接着フィルム３００を載置するとともに当該異方性導電接着フィルム３００の上に厚みが２００μｍ以下のＩＣチップ２００を載置する。そして、実装装置においては、ゴム硬度が６０以下のエラストマーからなる圧着部１４を有する熱圧着ヘッド１２によってＩＣチップ２００を加圧し、当該ＩＣチップ２００を配線基板１００の上に熱圧着する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば半導体チップ等の電気部品を配線基板上に実装する実装方法及び実装装置に関し、特に、接着剤を用いて電気部品を実装する実装方法及び実装装置に関する。
近年、携帯電話機をはじめとする様々な電子機器が急速に普及しているのにともない、さらなる電子機器の小型化や薄型化が要求されている。かかる小型化や薄型化を実現するためには、ＬＳＩ（Large Scale Integration）チップ等の各種電気部品を高密度に配線基板上に実装する必要がある。
配線基板上への電気部品の実装は、いわゆるフレキシブルプリント配線基板（Flexible Printed Circuit；ＦＰＣ）の普及と高密度実装の要求とにともない、電気部品をチップ状態のまま配線基板上に実装する、いわゆるベアチップ実装が行われることが多い。また、このようなベアチップを配線基板上に直接実装する方法としては、接着剤を用いる方法が知られている。
例えば異方性導電接着フィルム（Anisotropic Conductive Film；ＡＣＦ）を用いた実装においては、異方性導電接着フィルムを貼付した配線基板上に電気部品を搭載した後に、金属やセラミック等からなる平坦な硬質ヘッドを用いて電気部品を加圧及び加熱することによって当該異方性導電接着フィルムを硬化させる熱圧着実装が行われている。
しかしながら、このような硬質ヘッドを用いて電気部品を加圧及び加熱する実装においては、熱圧着の際に電気部品の周囲の接着剤のフィレット部に対して加熱が不足し、接続信頼性の低下を招来することがあり、また、複数の電気部品の実装が困難であるという問題がある。
そこで、近年では、シリコンゴム等の弾性体からなる平坦な弾性体ヘッドを用いて電気部品の熱圧着を行うことにより、電気部品の加圧面に均等な圧力を加え、接続信頼性を向上させる技術が提案されている（例えば、特許文献１等参照。）。この特許文献１には、弾性体がエラストマーである場合に、そのゴム硬度が４０未満であると、電気部品に対する圧力が不十分となり、接着剤の初期抵抗及び接続信頼性が劣り、また、ゴム硬度が８０よりも大きいと、フィレット部に対する圧力が不十分となり、接着剤の結着樹脂にボイドが発生して接続信頼性が劣ることが記載されている。したがって、弾性体ヘッドを用いた実装においては、当該弾性体ヘッドのゴム硬度を４０〜８０とするのが望ましいとされている。
特開２００５−３２９５２号公報
ところで、近年では、電子機器の小型化や薄型化、軽量化の要求がさらに高まっているのにともない、実装する電気部品の厚みも薄くなっている。
このような状況のもと、本願発明者は、溶融粘度が低い異方性導電接着フィルム等の導電性接着剤を用いて厚みが薄い電気部品を実装する場合には、上述した特許文献１において望ましい値として記載されているゴム硬度の弾性体ヘッドを用いると、熱圧着後に生じる電気部品の反り量が著しく大きくなり、接続信頼性に影響を及ぼすことを見出した。
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、導電性粒子を含む導電性接着剤を用いて、弾性体ヘッドによる熱圧着実装を行う際の新たな実装条件を提案し、熱圧着後に生じる電気部品の反り量を大幅に低減させ、接続信頼性を向上させることができる電気部品の実装方法及び実装装置を提供することを目的とする。
本願発明者は、厚みが２００μｍ以下の薄い電気部品を配線基板上に実装する際に、導電性粒子を含み且つ最低溶融粘度が低い導電性接着剤を用いて熱圧着するための方法について試行錯誤を繰り返し、熱圧着後における電気部品の反り量を大幅に低減するための弾性体ヘッドの条件を見出し、本発明を完成させるに至った。
すなわち、上述した目的を達成する本発明にかかる電気部品の実装方法は、電気部品を配線基板上に熱圧着して実装する電気部品の実装方法であって、基台上に載置された上記配線基板上に最低溶融粘度が１．０×１０３Ｐａ・ｓ以下の導電性接着剤を載置するとともに当該導電性接着剤上に厚みが２００μｍ以下の上記電気部品を載置する第１の工程と、ゴム硬度が６０以下のエラストマーからなる圧着部を有する熱圧着ヘッドによって上記電気部品を加圧し、当該電気部品を上記配線基板上に熱圧着する第２の工程とを備えることを特徴としている。
また、上述した目的を達成する本発明にかかる電気部品の実装装置は、電気部品を配線基板上に熱圧着して実装する電気部品の実装装置であって、上記配線基板を載置する基台と、上記基台上に載置された上記配線基板上に最低溶融粘度が１．０×１０３Ｐａ・ｓ以下の導電性接着剤が載置されるとともに当該導電性接着剤上に厚みが２００μｍ以下の上記電気部品が載置された状態で上記電気部品を加圧し、当該電気部品を上記配線基板上に熱圧着する熱圧着ヘッドとを備え、上記熱圧着ヘッドは、ゴム硬度が６０以下のエラストマーからなる圧着部を有することを特徴としている。
このような本発明にかかる電気部品の実装方法及び実装装置においては、最低溶融粘度が低く熱圧着時における流動性が大きい導電性接着剤を用いても、熱圧着ヘッドを構成する圧着部のゴム硬度が小さいことから、熱圧着時に導電性接着剤の結着樹脂が不要に電気部品の下面領域から外部へと排除されることがなくなる。そのため、本発明にかかる電気部品の実装方法及び実装装置においては、熱圧着後においても導電性接着剤の結着樹脂が電気部品の下面領域に確実に残る状態を作り出すことができる。
本発明は、熱圧着後においても導電性接着剤の結着樹脂が電気部品の下面領域に確実に残る状態を作り出すことができることから、熱圧着後に生じる電気部品の反り量を大幅に低減させ、ボイドの発生を防止して接続信頼性を向上させることができる。
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
この実施の形態は、例えばプリント配線基板等の配線基板上に半導体チップ等の電気部品を実装する電気部品の実装装置である。特に、この実装装置は、厚みが所定値以下の電気部品を熱圧着するヘッドとして弾性体ヘッドを用いるとともに、最低溶融粘度が所定値以下の導電性接着剤を用いた場合に最適な実装条件に基づく実装を行うものである。
なお、以下では、説明の便宜上、導電性接着剤として、異方性導電接着フィルム（Anisotropic Conductive Film；ＡＣＦ）を用いるものとする。異方性導電接着フィルムは、シート状の熱硬化性樹脂中に微細な導電性粒子を分散させた素材からなり、加圧及び加熱することにより、接着機能とともに、導電性粒子を介して厚み方向には電気的接続機能を有し、厚み方向と垂直方向には絶縁機能を有するものである。
実装装置は、図１に示すように、配線パターン１００ａが形成された配線基板１００を載置する基台１１と、スタッド金バンプ等のバンプ２００ａが設けられた電気部品としてのＩＣチップ２００を加圧及び加熱する熱圧着ヘッド１２とを備える。
基台１１は、所定の金属やセラミック等から構成され、その内部に加熱用のヒーター１３を設けて構成される。このような基台１１は、熱圧着ヘッド１２が当接する平坦な圧着面を介して、当接した当該熱圧着ヘッド１２による加圧を受け止めることにより、配線基板１００とＩＣチップ２００とを加圧する。
熱圧着ヘッド１２は、ＩＣチップ２００を熱圧着するための平坦な圧着面１４ａを有する圧着部１４を備え、少なくとも圧着部１４が所定の弾性体から構成されたものである。具体的には、熱圧着ヘッド１２は、所定の金属等から構成されるヘッド本体１５を有し、その内部に図示しない加熱用のヒーターを設けて構成される。ヘッド本体１５には、基台１１と対向する領域に凹部１５ａが形成されており、この凹部１５ａには、プレート状の弾性体からなる圧着部１４が当該凹部１５ａに密着するように取り付けられている。
圧着部１４は、その圧着面１４ａが基台１１の平坦な圧着面と平行になるように配設されている。また、圧着部１４は、圧着面１４ａの面積がＩＣチップ２００の頂面２００ｂの面積よりも大きく形成されているとともに、その厚みがＩＣチップ２００の厚みと同等以上となるように形成されている。なお、本発明で対象とするＩＣチップ２００は、その厚みが２００μｍ以下のものとされることから、圧着部１４は、その厚みが２００μｍ以上であれば、本発明で対象とするＩＣチップ２００に対応することができる。
また、圧着部１４を構成する弾性体としては、熱圧着後に生じるＩＣチップ２００の反り量を大幅に低減させて接続信頼性を向上させる観点から、ゴム硬度が６０以下のものを用いるのが望ましい。これは、後述するように、異方性導電接着フィルム３００の溶融粘度が低いことに起因するものである。すなわち、異方性導電接着フィルム３００の溶融粘度が低いということは、配線基板１００とＩＣチップ２００との間に介在する結着樹脂３００ａの熱圧着時における流動性が大きく、結着樹脂３００ａがＩＣチップ２００の下面領域から外部へと排除されやすい状態を作り出す。このような状態において、ゴム硬度が大きすぎる弾性体を用いて圧着部１４を構成した場合には、結着樹脂３００ａの排除が容易に行われてしまい、熱圧着後に生じるＩＣチップ２００の反り量が大きくなり、接続信頼性が低下することになる。そこで、実装装置においては、このような不都合を回避するために、圧着部１４を構成する弾性体としてゴム硬度が６０以下のものを用いる。一方、ゴム硬度の下限値としては、耐熱性の低下によるゴム特性の劣化を回避する観点から１５程度が望ましい。なお、圧着部１４を構成する弾性体としては、ゴム硬度が６０以下のものであれば、天然ゴムや合成ゴム等の任意のエラストマーを用いることができるが、耐熱性や耐圧性の観点からは、シリコンゴムを用いるのが望ましい。
このような熱圧着ヘッド１２は、図示しない所定の駆動機構によって上下方向に移動可能に構成され、図２に示すように、ＩＣチップ２００の頂面２００ｂや側面と当接するまで下方向に降下することにより、基台１１との間に配設されたＩＣチップ２００を加圧する。
このような実装装置を用いてＩＣチップ２００の実装を行うにあたっては、基台１１の上に配線基板１００を載置するとともに、この配線基板１００の上に、所定の結着樹脂３００ａ中に微細な導電性粒子３００ｂが分散された異方性導電接着フィルム３００を載置する。なお、この異方性導電接着フィルム３００は、接着剤としての最低溶融粘度が１．０×１０３Ｐａ・ｓ以下のものである。また、異方性導電接着フィルム３００の接着剤としての最低溶融粘度の下限値としては、１．０×１０２Ｐａ・ｓ程度が現実的である。異方性導電接着フィルム３００の接着剤としての溶融粘度は、結着樹脂３００ａ中に分散させる導電性粒子３００ｂの量が少量であれば、導電性粒子３００ｂの分散の有無によって影響を及ぼすことはない。そして、実装装置においては、異方性導電接着フィルム３００の上にＩＣチップ２００を載置し、図示しない保護フィルムを介してＩＣチップ２００の頂面２００ｂや側面に熱圧着ヘッド１２の圧着面１４ａが当接するまで当該熱圧着ヘッド１２を下方向に降下させて加圧しながらヒーター１３を発熱させることにより、所定の条件で仮圧着を行い、さらに以下の条件で本圧着を行う。
すなわち、実装装置は、本圧着の際に、ＩＣチップ２００側を所定温度で加熱するとともに、この所定温度よりも高い温度で配線基板１０側を加熱する。具体的には、実装装置は、図示しない所定の制御装置により、圧着部１４の温度が１００℃程度となるように、熱圧着ヘッド１２に設けられたヒーターを制御するとともに、基台１１の温度が２００℃程度となるように、基台１１に設けられたヒーター１３を制御し、異方性導電接着フィルム３００の結着樹脂３００ａの温度を１８０℃程度に加熱する。なお、基台１１の加熱方法としては、一般的には、当初からヒーター１３を発熱させることによって基台１１の温度を所定温度に維持するコンスタントヒート方式と、初期時には常温又は異方性導電接着フィルム３００が硬化しない温度に設定した状態から基台１１の加熱を開始するパルスヒート方式とがあるが、実装装置は、いずれの方式をも適用することができる。そして、実装装置は、かかる加熱とともにＩＣチップ２００を加圧する。なお、本圧着時における圧力は、１つのＩＣチップ２００あたり５ｋｇｆ以上１５ｋｇｆ以下（５０Ｎ以上１５０Ｎ以下）程度とし、１０秒以上加圧するのが望ましい。
このように、実装装置においては、最低溶融粘度が１．０×１０３Ｐａ・ｓ以下の異方性導電接着フィルム３００を用いて厚みが２００μｍ以下のＩＣチップ２００を実装する場合には、ゴム硬度が６０以下のエラストマーからなる圧着部１４によって加圧を行うことにより、異方性導電接着フィルム３００の結着樹脂３００ａが不要に排除されることがなくなり、熱圧着後に生じるＩＣチップ２００の反り量を大幅に低減させることができ、また、ボイドの発生を防止して接続信頼性を向上させることができる。
また、この実装装置においては、ゴム硬度が６０以下のエラストマーからなる圧着部１４によって加圧を行うことにより、ＩＣチップ２００の頂面２００ｂに対して所定の圧力が加えられると、当該ＩＣチップ２００の側方のフィレット部３００ｃに対しては、頂面２００ｂに対する圧力よりも小さい圧力が均等に加えられる。これにより、実装装置においては、ＩＣチップ２００と配線基板１００との接続部分に対して十分な圧力を加えることができる一方で、ＩＣチップ２００の周囲のフィレット部３００ｃに対してもボイドが生じないように加圧することができ、高信頼性のもとに、異方性導電接着フィルム３００を用いたＩＣチップ２００の接続を行うことができる。特に、実装装置においては、圧着部１４の厚みがＩＣチップ２００の厚みと同等以上となるように形成されていることから、ＩＣチップ２００の頂面２００ｂと側面のフィレット部３００ｃとに対して最適の圧力で確実な加圧を行うことができる。
さらに、この実装装置においては、熱圧着の際に、ＩＣチップ２００側を所定温度で加熱するとともに、この所定温度よりも高い温度で配線基板１０側を加熱することにより、ＩＣチップ２００の周囲のフィレット部３００ｃに対して十分に加熱することができ、ボイドの発生を確実に防止することができる。
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施の形態では、１つのＩＣチップのみを熱圧着するものとして説明したが、本発明は、複数のＩＣチップを同時に熱圧着する場合にも適用することができる。
例えば２つのＩＣチップを同時に熱圧着する実装装置としては、図３に示すように構成することができる。すなわち、この実装装置は、圧着面１４ａの面積を、厚みが２００μｍ以下の２つのＩＣチップ２０１，２０１を配置した面積よりも大きく形成して構成される。この場合においても、実装装置は、圧着部１４を構成する弾性体としてゴム硬度が６０以下のものを用いるとともに、異方性導電接着フィルム３００の接着剤としての最低溶融粘度が１．０×１０３Ｐａ・ｓ以下のものを用い、ＩＣチップ２００，２０１及び配線基板１００を加熱する。
これにより、この実装装置においては、複数のＩＣチップ２００，２０１の厚みが異なる場合であっても、高信頼性のもとに、これらＩＣチップ２００，２０１を同時に実装することができ、実装効率を大幅に向上させることができる。
また、上述した実施の形態では、異方性導電接着フィルムを用いてＩＣチップを実装する場合について説明したが、本発明は、異方性導電接着ペースト（Anisotropic Conductive Paste；ＡＣＰ）等、最低溶融粘度が１．０×１０３Ｐａ・ｓ以下の導電性粒子３００ｂを含む接着剤を用いる場合にも適用することができる。
さらに、上述した実施の形態では、バンプを有するＩＣチップを実装する場合について説明したが、本発明は、バンプを有しないＩＣチップやその他の電気部品の実装にも適用することができる。
このように、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能であることはいうまでもない。
［実施例］
以下、本発明を適用した実装装置の具体的な実施例について、実験結果に基づいて説明する。
本願発明者は、基台と熱圧着ヘッドとを備えた熱圧着装置を用いて、基台上に載置された所定の配線基板上にＩＣチップを実装し、熱圧着後におけるＩＣチップの反り量を測定した。
熱圧着ヘッドとしては、ゴム硬度が１５，４０，６０，８０の４種類のエラストマーからなる圧着部を備えるものを用意した。また、接着剤としては、所定重量％の導電性粒子をエポキシ系接着剤に配合させたソニーケミカル＆インフォメーションデバイス社製の熱硬化型異方性導電接着フィルムを用い、その最低溶融粘度が１．０×１０３Ｐａ・ｓ，１．０×１０４Ｐａ・ｓの２種類のものを用意した。そして、このような実装装置及び異方性導電接着フィルムを用いて、異方性導電接着フィルムの温度が１８０℃となるように温度制御した上で、実機の量産時と同様に熱圧着を行い、１００μｍ，２００μｍ，４００μｍの厚みのＩＣチップを配線基板上に実装した。なお、熱圧着の圧力は、１つのＩＣチップあたり１０ｋｇｆとした。
このようにして実装されたＩＣチップについて、熱圧着後における反り量を測定した。最低溶融粘度が１．０×１０３Ｐａ・ｓの異方性導電接着フィルムを用いた場合における測定結果を次表１及び図４に示す。また、最低溶融粘度が１．０×１０４Ｐａ・ｓの異方性導電接着フィルムを用いた場合における測定結果を次表２及び図５に示す。
この結果から、最低溶融粘度が１．０×１０３Ｐａ・ｓの異方性導電接着フィルムを用いた場合には、圧着部のゴム硬度を６０以下とすると、いずれの厚みのＩＣチップであっても、熱圧着後における反り量が５μｍ未満となるのに対して、厚みが２００μｍ以下のＩＣチップをゴム硬度が８０の圧着部によって熱圧着すると、極端に反り量が大きくなることがわかる。すなわち、最低溶融粘度が１．０×１０３Ｐａ・ｓの異方性導電接着フィルムを用いて厚みが薄いＩＣチップを熱圧着する場合には、圧着部のゴム硬度を６０以下とすることにより、異方性導電接着フィルムの結着樹脂が不要に排除されることがなくなり、小さい圧力で確実にＩＣチップと配線基板の配線パターンとを接続することができる。これは、圧着部のゴム硬度を８０とした場合に、ＩＣチップの反り量が急激に大きくなることや、厚みが４００μｍのＩＣチップをゴム硬度が８０の圧着部によって熱圧着した場合には、熱圧着後に生じるＩＣチップの反り量が小さいことからも裏付けられる。
このように、本発明を適用した実装装置においては、ＩＣチップの厚みが２００μｍ以下と薄い場合には、圧着部のゴム硬度と接着剤の最低溶融粘度とを最適化することにより、熱圧着後に生じるＩＣチップの反り量を大幅に低減させることができる。このような最適化は、ファインピッチ化がすすむことが予想されるＩＣチップの実装に極めて有効である。
本発明の実施の形態として示す実装装置の構成を説明する図である。 本発明の実施の形態として示す実装装置を用いた熱圧着工程を説明する図である。 本発明の実施の形態として示す実装装置の他の構成を説明する図である。 最低溶融粘度が１．０×１０３Ｐａ・ｓの異方性導電接着フィルムを用いた場合について、熱圧着後におけるＩＣチップの反り量を測定した結果を説明する図である。 最低溶融粘度が１．０×１０４Ｐａ・ｓの異方性導電接着フィルムを用いた場合について、熱圧着後におけるＩＣチップの反り量を測定した結果を説明する図である。
符号の説明
１１ 基台
１２ 熱圧着ヘッド
１３ ヒーター
１４ 圧着部
１４ａ 圧着面
１５ ヘッド本体
１５ａ 凹部
１００ 配線基板
１００ａ 配線パターン
ＩＣチップ ２００
２００ａ バンプ
２００ｂ 頂面
３００ 異方性導電接着フィルム
３００ａ 結着樹脂
３００ｂ 導電性粒子
３００ｃ フィレット部

Claims (7)

  1. 電気部品を配線基板上に熱圧着して実装する電気部品の実装方法であって、
    基台上に載置された上記配線基板上に最低溶融粘度が１．０×１０３Ｐａ・ｓ以下の導電性接着剤を載置するとともに当該導電性接着剤上に厚みが２００μｍ以下の上記電気部品を載置する第１の工程と、
    ゴム硬度が６０以下のエラストマーからなる圧着部を有する熱圧着ヘッドによって上記電気部品を加圧し、当該電気部品を上記配線基板上に熱圧着する第２の工程とを備えること
    を特徴とする電気部品の実装方法。
  2. 上記第２の工程では、上記熱圧着ヘッドによって上記電気部品の頂面領域を上記配線基板に対して所定の圧力で加圧するとともに当該電気部品の側面領域を上記頂面領域に対する圧力よりも小さい圧力で加圧すること
    を特徴とする請求項１記載の電気部品の実装方法。
  3. 上記圧着部は、その圧着面の面積が上記電気部品の頂面の面積よりも大きく形成されているとともに、その厚みが当該電気部品の厚みと同等以上となるように形成されたものであること
    を特徴とする請求項２記載の電気部品の実装方法。
  4. 上記第２の工程では、上記電気部品側を所定温度で加熱するとともに、当該所定温度よりも高い温度で上記配線基板側を加熱すること
    を特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれか１項記載の電気部品の実装方法。
  5. 上記第２の工程では、上記熱圧着ヘッドによって上記電気部品の１つあたり５ｋｇｆ以上１５ｋｇｆ以下の圧力で当該電気部品を加圧すること
    を特徴とする請求項１乃至請求項４のうちいずれか１項記載の電気部品の実装方法。
  6. 上記導電性接着剤は、結着樹脂中に導電性粒子を分散させた異方性導電接着フィルムであること
    を特徴とする請求項１乃至請求項５のうちいずれか１項記載の電気部品の実装方法。
  7. 電気部品を配線基板上に熱圧着して実装する電気部品の実装装置であって、
    上記配線基板を載置する基台と、
    上記基台上に載置された上記配線基板上に最低溶融粘度が１．０×１０３Ｐａ・ｓ以下の導電性接着剤が載置されるとともに当該導電性接着剤上に厚みが２００μｍ以下の上記電気部品が載置された状態で上記電気部品を加圧し、当該電気部品を上記配線基板上に熱圧着する熱圧着ヘッドとを備え、
    上記熱圧着ヘッドは、ゴム硬度が６０以下のエラストマーからなる圧着部を有すること
    を特徴とする電気部品の実装装置。
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