JP2009277962A - 電子部品の製造装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】生産性を著しく低下させることなく、歩留まりを向上させることのできる電子部品の製造装置及びその製造方法等を提供する。
【解決手段】電子部品の製造装置は、電子部品1を実装基板2上に搭載するための搭載手段5と、前記搭載手段を実装基板に対して近接離間させるための駆動手段8と、前記搭載手段の現在位置を検出する位置検出手段9と、半田を溶融するために前記搭載手段を加熱する加熱手段7と、前記位置検出手段から位置情報の読み込み、前期加熱手段から温度情報の読み込みを行い、前記駆動手段、前記加熱手段をコントロールする制御手段10と、前記位置検出手段から読み込んだ位置情報から、半田の接合状態を判断して、加熱時間の制御を行う機能を前記制御部に有する構造を備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体組立の接合工程において、特にフリップチップ実装方式によりバンプを介して例えば半導体チップと実装基板又は半導体チップ同士を接続する電子部品の製造装置及びその製造方法の技術分野に関する。
従来の技術として、例えば特許文献1に記載された電子部品実装装置がある。この電子部品実装装置は、超音波インピーダンスと、ノズル変位量と、ノズル圧力と、バンプ温度とを測定し、これらの波形データ若しくは温度データと、基準データとを比較して、接合中の状態及び接合温度の良否を判断する装置である。
また、特許文献2に記載されている気相はんだ付け方法は、電子部品等の表面温度を測定し、あらかじめ設定した温度プロファイルと測定温度の差に応じて温度を制御し、電子部品を設定した温度プロファイルで加熱する方法である。
特開2001−94245号公報 特開平2−263567号公報
しかしながら、半導体装置における接合プロセスは、半田接合面の可視化が困難であるため、組立完成後に電気テストや、X線検査、超音波検査等の非破壊検査を実施している。上記電気テストの場合には、半田接合後の工程が多数有することから不良品を検出するまでの間は不良品を作り続けてしまう可能性が高い。また、X線検査・超音波検査等の非破壊検査では、検査時間が長くかかるため全数実施するのは、生産局面において生産効率が低下するという課題がある。
また、特許文献1及び特許文献2に記載された発明のように、半田接合時の製品表面温度を測定し、最適な温度プロファイルとの比較により温度等の制御を行う方法が提案されている。しかしながら、この方法では、接合面における製品の状態は常に異なり、接合状態にばらつきが発生するため、特定のプロファイルに従って制御を行った場合でも、製品の状態によって不良になる可能性があるという課題がある。
本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、生産性を著しく低下させることなく、歩留まりを向上させることのできる電子部品の製造装置及びその製造方法等を提供することにある。
上記課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、電子部品を実装基板上に搭載するための搭載手段と、前記搭載手段を実装基板に対して近接離間させるための駆動手段と、前記搭載手段の現在位置を検出する位置検出手段と、半田を溶融するために前記搭載手段を加熱する加熱手段と、前記位置検出手段から位置情報の読み込み、前期加熱手段から温度情報の読み込みを行い、前記駆動手段、前記加熱手段をコントロールする制御手段と、前記位置検出手段から読み込んだ位置情報から、前記半田の接合状態を判断して、加熱時間の制御を行う機能を前記制御部に有することを特徴とする。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の電子部品の製造装置において、前記制御部は、前記電子部品と前記実装基板とが前記半田を介して接触完了した後、予め定められた時間が経過するまで、少なくとも前記半田を加熱することを特徴とする。
請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の電子部品の製造装置において、前記搭載手段と前記実装基板との距離が予め定められた値になってから、予め定められた時間までの経過時間が、最低保持時間以上の場合には前記制御手段は前記加熱手段に対して加熱を終了させることを特徴とする。
請求項4に記載の発明は、請求項1または2に記載の電子部品の製造装置において、前記搭載手段と前記実装基板との距離が予め定められた値になってから、予め定められた時間までの経過時間が、最低保持時間未満の場合には前記制御手段は前記加熱手段に対して前記最低保持時間まで加熱を継続させた後に加熱を終了させることを特徴とする。
請求項5に記載の発明は、請求項3または4に記載の電子部品の製造装置において、前記搭載手段と前記実装基板との距離における前記予め定められた値とは、前記搭載手段に搭載された前記電子部品と前記実装基板との間の距離であって前記半田が十分溶融した状態で安定している場合における距離であることを特徴とする。
請求項6に記載の発明は、電子部品を実装基板上に搭載するための搭載工程と、前記電子部品を実装基板に対して近接離間させるための駆動工程と、前記電子部品の現在位置を検出する位置検出工程と、半田を溶融するために前記電子部品を加熱する加熱工程と、前記位置検出工程における位置情報を読み込み、前記加熱工程における温度情報の読み込みを行い、前記駆動工程、前記加熱工程をコントロールする制御工程と、を備え、前記位置検出工程において読み込んだ位置情報から前記半田の接合状態を判断して加熱時間の制御を行う機能を前記制御工程に有することを特徴とする。
請求項7に記載の発明は、電子部品の製造装置に含まれるコンピュータを、電子部品を実装基板上に搭載するための搭載手段、前記搭載手段を実装基板に対して近接離間させるための駆動手段、前記搭載手段の現在位置を検出する位置検出手段、半田を溶融するために前記搭載手段を加熱する加熱手段、前記位置検出手段から位置情報の読み込み、前記加熱手段から温度情報の読み込みを行い、前記駆動手段、前記加熱手段をコントロールする制御手段、として機能させ、前記制御部を前記位置検出手段から読み込んだ位置情報から前記半田の接合状態を判断して加熱時間の制御を行うように機能させることを特徴とする。
本発明に係る電子部品の製造装置及びその製造方法によれば、第1の効果は、搭載ヘッドの位置情報から接合状態を判定して加熱等の制御を行うことにより、歩留まりの向上が可能ということである。この理由は、半田溶融時の搭載ヘッドの位置により、半田溶融もしくは未溶融を想定することが可能なためである。また、搭載ヘッドの位置をモニタリングして半田溶融後の経過時間を求めることにより、半田が十分溶融したかどうかを判断することが可能なためである。
第2の効果は、生産性を大きく低下させずに歩留まりの向上が可能なことである。この理由は、搭載動作中に接合状態によって制御を変更することにより、不良防止につながるためである。また、搭載後の検査で発見された不良を修復する場合に要する時間と比較して、接合処理を延長する時間が短いためである。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図1は本発明に係る電子部品の製造装置の一実施形態を示すブロック図である。
図1に示すように、本実施形態の電子部品の製造装置は、例えばICチップ等の半導体チップ1を実装基板2上に搭載するための搭載手段としての搭載ヘッド5と、実装基板2が保持されるヒータテーブル4と、ヒータテーブル4の実装基板2に対して搭載ヘッド5を接近及び離間させる駆動手段としての上下駆動機構8と、半導体チップ1に対して実装基板2をその実装面に平行な方向に位置決めするための位置決めステージ3と、搭載ヘッド5の現在位置を検出する位置検出手段としての位置検出計9とを備えている。
また、搭載ヘッド5には、その搭載ヘッド5を加熱するためのヒータ6が設けられている。このヒータ6及びヒータテーブル4は、ヒータ加熱源7に接続されている。このヒータ加熱源7は、制御手段としての制御部10に接続されている。したがって、制御部10は、その制御信号によりヒータ加熱源7を介してヒータテーブル4及びヒータ6を加熱制御している。そして、制御部10は、搭載ヘッド5の現在位置を検出する位置検出計9から現在位置検出信号を読み込み可能としており、またヒータテーブル4及びヒータ6からは、ヒータテーブル4及びヒータ6の温度をヒータ加熱源7からの温度信号により読み込み可能としている。また、上下駆動装置8は、制御部10からの制御信号により加圧機構としても機能し、搭載ヘッド5の制御方式を位置決め及び荷重で制御している。
次に、本実施形態の動作について説明する。
図2は本実施形態の正常時の動作を示す説明図、図3は本実施形態の不良時の動作を示す説明図である。
図2に示す正常動作時において、搭載ヘッド5は、半導体チップ1を把持した状態で実装基板2と接触する高さまで降下する。この時、上下駆動機構8は、位置制御状態となっている。つまり、制御部10は、位置検出計9からの現在位置信号を読み込みながら、半導体チップ1の接触検知を行う。半導体チップ1と実装基板2が接触したと判断した高さh0で、制御部10は上下駆動機構8を荷重制御に切り替えて、接合するときの荷重値を搭載ヘッド5の荷重に設定する。この時、制御部10は、半田が溶融するT1までヒータ6を加熱するようにヒータ加熱源7に制御信号を送出する。ヒータ6を加熱することで、半導体チップ1の半田ボールが膨張し、これにより搭載ヘッド5がh1の高さまで一旦上昇する。その後、半田の溶融とともに搭載ヘッド5は急激に下降していき、溶融した半田と上下駆動機構8の荷重とのバランスがとれた高さh2で、搭載ヘッド5は静止する。
次いで、半導体チップ1と実装基板2とが接触した接触検知時間t1から半田が十分溶融すると考えられる時間が経過した後の時間t3において、制御部10は半田が完全に溶融したかどうかを判断し、溶融したと判断した場合は、上下駆動機構8を位置制御に切り換える。他方、未溶融と判断した場合は、溶融と判断されるまで状態を維持し、溶融と判断した後に上下駆動機構8を位置制御に切り換える。
次に、必要な距離だけ半田を引き伸ばすために、搭載ヘッド5を上昇させる。この上昇動作は、必要がなければ実施する必要はない。上下駆動機構8が位置制御に切り替わった後、半田を凝固させるためにヒータ6の温度をT0まで下降させる。ヒータ6の温度がT0に到達したことにより、半田接合が完了となる。その後、制御部10は、搭載ヘッド5の半導体チップ1の把持を解除し、上下駆動機構8により元の位置まで上昇させる。
ここで、接触検知時間t1から半田が十分溶融すると考えられる時間が経過した後の時間t3までの時間を溶融時間T1=t3−t1、搭載ヘッド5が溶融した半田とバランスが取れた高さh2に到達した時間t2からt3までの時間を保持時間T2=t3−t2、搭載ヘッド5が溶融した半田とバランスが取れてから半田が完全に溶融するまでに必要な時間を最低保持時間T3、搭載ヘッド5と溶融した半田のバランスがとれていると判断する高さばらつきの範囲を高さ許容範囲±hdと定義する。
図3は、図2における半導体チップ1の半田ボール1a乃至1fの高さにばらつきが有る場合を示しており、ヒータ6の温度が上がってから(時刻t1から)溶融した半田(半田ボール1a乃至1f)と上下駆動機構8の荷重とのバランスがとれた高さh2に達するまでの所要時間(t2―t1)が図2における所要時間(t2―t1)よりも長くなる様子を示している。
制御部10による半田が完全に溶融したかどうかの判断は、図4、図5、図6に示すフローチャートに従って行う。まず、半導体チップ1と実装基板2の接触を検知して上下駆動機構8を荷重制御としたら、接合するときの荷重値を搭載ヘッド5の荷重に設定し、一定間隔で位置検出計9から現在位置を読み込んで保存する。これを、溶融時間T1が経過するまで行う。溶融時間T1が経過したら、その時点での保持時間を算出する。
ここで、n番目に読み込んだ現在位置をZ(n)、読み込んだ現在位置の数をN、現在位置を読み込む間隔をTcと定義する。
保持時間の算出は、溶融時間T1が経過した時点で読み込んだ現在位置Z(N)を基準として、基準と(N−i)番目に読み込んだ現在位置の差(Z(N−i)−Z(N))が高さ許容範囲±hdに入っているかどうかをi=1,2,…,Nとして確認し、高さ許容範囲±hdから外れた時のiの値から、保持時間T2=Tc×(i−1)として求める。保持時間T2が最低保持時間T3以上である場合は半田が十分溶融したと判断して上下駆動機構8を位置制御に切り換える。
次に、図4、図5および図6のフローチャートを用いて、本実施形態の動作について説明する。
図4は本実施形態の動作を示すフローチャート図である。
ステップS1において、上下駆動機構8は搭載ヘッド5および搭載ヘッド5に把持された半導体チップ1をヒータテーブル4の方向へ下降させる。制御部10は位置検出計9から出力される信号に基づいて搭載ヘッド5に把持された半導体チップ1の位置を検出しながら、現在位置と目標位置の差分から、半導体チップ1の半田ボール1a乃至1fの少なくとも一つと、実装基板2とが接触したかを判断(検知)する。
現在位置と目標位置の差分が一定値以上になった場合、半導体チップ1の半田ボール1a乃至1fの少なくとも一つと実装基板2が接触したと判断し(ステップS1:YES)、ステップS2に進む。また、現在位置と目標位置の差分が一定値以下の場合、半導体チップ1の半田ボール1a乃至1fの少なくとも一つと実装基板2が接触したとは判断せずに(ステップS1:NO)、ステップS1をくり返す。
ステップS2において、制御部10は、上下駆動機構8を接合するときの荷重値とする荷重制御へ切り替える。
ステップ3において、制御部10は予め定められた時間に渡って、搭載ヘッド5に把持された半導体チップ1の位置を位置検出計9によって計測する(詳細は図5において説明する)。予め定められた時間が経過するとステップS4に進む。
ステップS4において、保持時間T2(図1または図2における(t3―t2)時間)を算出する(詳細は図6において説明する)。
ステップS5において、制御部10はステップS4において算出された保持時間T2の値と予め定められた値である最低保持時間T3との値を比較する。
保持時間T2が最低保持時間T3以上である場合には(ステップS5:YES)、半田ボール1a乃至1fが完全に(十分に)溶融したと判断し、ステップS7に進む。
保持時間T2が最低保持時間T3未満である場合(ステップS5:NO)には、半田ボール1a乃至1fが未溶融であると判断し、ステップS6に進む
ステップS6において、制御部10は、(最低保持時間T3―保持時間T2)が正になったか否かを判断する(保持時間T2が最低保持時間T3以上になるまで待つ)。(最低保持時間T3―保持時間T2)が負の場合(ステップS6:NO)の場合には、もう一度ステップS6を実行する。(最低保持時間T3―保持時間T2)が負の場合(ステップS6:YES)の場合には、ステップS7に進む。
ステップS7において、制御部10は上下駆動機構8を上方に移動させ(Z軸上昇)、半導体チップ1の半田ボール1a乃至1fに対する加圧を止める(加圧完了)。この場合半導体チップ1は、半田ボール1a乃至1fの溶融によってヒータテーブル4上の実装基板2に融着されている。
ステップS8において、制御部10はヒータ加熱源7を介したヒータ6の加熱を止め、溶融した半田ボール1a乃至1fを冷却させる。
本フローチャートの説明において、搭載ヘッド5および/または搭載ヘッド5に把持された半導体チップ1の位置を検出する位置検出計9は任意の位置検出手段によって実現されるが、一例としてカメラ等の画像認識装置を用いて搭載ヘッド5および/または搭載ヘッド5に把持された半導体チップ1の位置を検出するようにすることもできる。
次に図5を用いて、図4におけるステップS3(Z軸現在位置読込)の動作を詳細にフローチャートに基づき説明する。
ステップS9において、制御部10は変数nに値1を代入する。
ステップS10において、制御部10は位置検出計9から出力される信号に基づいて搭載ヘッド5に把持された半導体チップ1の位置を検出する。検出された位置情報をZ軸位置読込(情報)として変数Z(n)に代入する。
ステップS11において、制御部10はTc時間が経過するまで待つ(ウェイトする)。
ステップS12において、制御部10は溶融時間T1(図1または図2における(t3―t1)時間)が経過したか否かを判断する。溶融時間T1が経過していない場合(ステップS12:NO)には、ステップS14に進む。また、溶融時間T1が経過した場合(ステップS12:YES)には、ステップS13に進む。
ステップS13において、変数Nに値nを代入する。
ステップS14において、変数nに値(n+1)を代入する。
以上説明したように制御部10はTc時間間隔毎に搭載ヘッド5に把持された半導体チップ1の位置情報を検出し、検出した位置情報を変数Z(n)に代入する。従って変数Z(n)に代入されている位置情報が検出された経過時間はTc×(n―1)で演算することによって求められる。
次に図6を用いて、図4におけるステップS4(保持時間T2(t3―t2)算出)の動作を詳細にフローチャートに基づき説明する。
ステップS15において、制御部10は変数iに値1を代入する。
ステップS16において、制御部10は、図4のステップS3においてN番目に読み込まれたZ軸の現在位置であるZ(N)と、N−i番目に読み込まれたZ軸の現在位置であるZ(N−i)との差分(Z(N)―Z(N−i))を演算し、差分の絶対値が予め定められた値であるhd(許容範囲)よりも小さくなっているか否かを判断する。
差分(Z(N)―Z(N−i))の絶対値がhd(許容範囲)よりも小さい場合(ステップS16:NO)には、ステップS18に進む(この場合にはZ軸方向の変位が予め定めらえらた値hdよりも小さくなっているので全ての半田ボールが安定的に溶融している状態であると考えられ、図1または図2におけるt2まで到達していない)。
また、差分(Z(N)―Z(N−i))の絶対値がhd(許容範囲)よりも大きい場合(ステップS16:YES)には、ステップS17に進む(この場合にはZ軸方向の変位が予め定めらえらた値hdよりも大きいので全ての半田ボールが安定的に溶融している状態ではないと考えられる)。
ステップS17において、制御部10は図1または図2における((t3―t2)時間=保持時間T2)を演算するために、Tcに(i−1)を乗算し、保持時間T2を求める。
ステップS18において、制御部10は変数iが値Nよりも小さいか否かを判断する。変数iが値Nよりも小さい場合(ステップS18:YES)には、ステップS19に進み、変数iが値N以上の場合(ステップS18:NO)には、ステップS17に進む。
ステップS19において、制御部10は変数iに値(i+1)を代入して、ステップS16に進む。
(効果の説明)
第1の効果は、搭載ヘッドの位置情報から接合状態を判定して加熱等の制御を行うことで、歩留まりの向上が可能ということである。この理由は、半田溶融時の搭載ヘッドの位置により、半田溶融もしくは未溶融を想定することが可能なためである。また、搭載ヘッドの位置をモニタリングして半田溶融後の経過時間を求めることにより、半田が十分溶融したかどうかを判断することが可能なためである。
第2の効果は、生産性を大きく低下させずに歩留まりの向上が可能なことである。この理由は、搭載動作中に接合状態によって制御を変更することで、不良防止につながるためである。また、搭載後の検査で発見された不良を修復する場合に要する時間と比較して、接合処理を延長する時間が短いためである。
本効果を、図3を参照して説明する。
図3に示すように、半田の膨張時の高さh1から半田が溶融により搭載ヘッド5が下降していき、溶融した半田とバランスが取れた高さh2に到達するまでの時間が長く、正常品の溶融時の挙動と比較して、溶融に長時間かかっている。これは、半田ボールの高さばらつきの影響で、加熱開始時には接触していないボールが、搭載ヘッド5の下降によって途中で接触し、溶融を開始したためと考えられる。従って、溶融加熱時間が不十分な半田ボールが存在する可能性があると判断できる。
このため、制御部10は最低保持時間T3から保持時間T2を引いた時間だけ加熱時間を延長し、その後上下駆動機構8を位置制御に切り換えることにより、半田ボールに高さばらつきがあった場合でも、全ての半田ボールを完全に溶融させることを可能としている。
(第2実施形態)
上記実施例の制御部10による半田が完全に溶融したかどうかの判断は、溶融時間T1からtだけ短い時間が経過した時点での保持時間を算出し、保持時間と最低保持時間T3よりtだけ短い時間とを比較することでも可能である。
保持時間の方が長い場合は、溶融時間T1が経過すれば半田が十分溶融すると判断して、溶融時間T1経過後に上下駆動機構8を位置制御に切り換える。保持時間の方が短い場合は、溶融時間T1経過後に不足分だけ加熱時間を延長し、その後上下駆動機構8を位置制御に切り換える。
なお、図4乃至図6における動作手順を、ハードディスク等の記録媒体に予め記録しておき、或いはインターネット等のネットワークを介して予め記録しておき、これを汎用のマイクロコンピュータ等により読み出して実行することにより、当該汎用のマイクロコンピュータ等を実施形態に係わるCPUとして機能させることも可能である。
本発明に係る実施形態の基本構成図である。 本発明に係る正常時の動作説明図である。 本発明に係る不良時の動作説明図である。 本発明に係る基本動作フローである。 本発明に係るZ軸現在位置読込動作フローである。 本発明に係る保持時間T2算出フローである。
符号の説明
1 半導体チップ
1a、1b、1c、1d、1e、1f 半田ボール
2 実装基板
3 位置決めステージ
4 ヒータテーブル
5 搭載ヘッド
6 ヒータ
7 ヒータ加熱源
8 上下駆動機構
9 位置検出計
10 制御部

Claims (7)

  1. 電子部品を実装基板上に搭載するための搭載手段と、
    前記搭載手段を実装基板に対して近接離間させるための駆動手段と、
    前記搭載手段の現在位置を検出する位置検出手段と、
    半田を溶融するために前記搭載手段を加熱する加熱手段と、
    前記位置検出手段から位置情報の読み込み、前記加熱手段から温度情報の読み込みを行い、前記駆動手段、前記加熱手段をコントロールする制御手段と、
    を備え、
    前記位置検出手段から読み込んだ位置情報から、前記半田の接合状態を判断して加熱時間の制御を行う機能を前記制御部に有することを特徴とする電子部品の製造装置。
  2. 請求項1に記載の電子部品の製造装置において、
    前記制御部は、前記電子部品と前記実装基板とが前記半田を介して接触完了した後、予め定められた時間が経過するまで、少なくとも前記半田を加熱することを特徴とする電子部品の製造装置。
  3. 請求項1または2に記載の電子部品の製造装置において、
    前記搭載手段と前記実装基板との距離が予め定められた値になってから、予め定められた時間までの経過時間が、最低保持時間以上の場合には前記制御手段は前記加熱手段に対して加熱を終了させることを特徴とする電子部品の製造装置。
  4. 請求項1または2に記載の電子部品の製造装置において、
    前記搭載手段と前記実装基板との距離が予め定められた値になってから、予め定められた時間までの経過時間が、最低保持時間未満の場合には前記制御手段は前記加熱手段に対して前記最低保持時間まで加熱を継続させた後に加熱を終了させることを特徴とする電子部品の製造装置。
  5. 請求項3または4に記載の電子部品の製造装置において、
    前記搭載手段と前記実装基板との距離における前記予め定められた値とは、前記搭載手段に搭載された前記電子部品と前記実装基板との間の距離であって前記半田が十分溶融した状態で安定している場合における距離であることを特徴とする電子部品の製造装置。
  6. 電子部品を実装基板上に搭載するための搭載工程と、
    前記電子部品を実装基板に対して近接離間させるための駆動工程と、
    前記電子部品の現在位置を検出する位置検出工程と、
    半田を溶融するために前記電子部品を加熱する加熱工程と、
    前記位置検出工程における位置情報を読み込み、前記加熱工程における温度情報の読み込みを行い、前記駆動工程、前記加熱工程をコントロールする制御工程と、
    を備え、
    前記位置検出工程において読み込んだ位置情報から、前記半田の接合状態を判断して加熱時間の制御を行う機能を前記制御工程に有することを特徴とする電子部品の製造方法。
  7. 電子部品の製造装置に含まれるコンピュータを、
    電子部品を実装基板上に搭載するための搭載手段、
    前記搭載手段を実装基板に対して近接離間させるための駆動手段、
    前記搭載手段の現在位置を検出する位置検出手段、
    半田を溶融するために前記搭載手段を加熱する加熱手段、
    前記位置検出手段から位置情報の読み込み、前記加熱手段から温度情報の読み込みを行い、前記駆動手段、前記加熱手段をコントロールする制御手段、
    として機能させ、
    前記制御部を前記位置検出手段から読み込んだ位置情報から、前記半田の接合状態を判断して加熱時間の制御を行うように機能させることを特徴とする電子部品の製造プログラム。
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