JP2019176087A - 実装装置ならびに実装方法および画像表示装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】配線基板上に仮固定された微小なチップ部品を位置ズレすることなく熱圧着し、量産性にも優れた実装装置および実装方法を提供する。【解決手段】配線基板Ｗ上に未硬化の接着剤を介して仮固定された複数のチップ部品Ｃを、前記配線基板と電気的に接合しつつ機械的に固定して実装する実装装置１であって、前記配線基板を前記チップ部品が仮固定された面と反対側から保持する基板ステージ２と、前記チップ部品を加熱する加熱手段３と、前記配線基板の前記チップ部品を覆う気密性フィルムＦを供給し、前記気密性フィルムを保持する気密性フィルム保持手段４と、前記基板ステージと前記気密性フィルムによって形成された空間を減圧して前記気密性フィルムを前記チップ部品に密着させる減圧手段とを備えた実装装置。【選択図】図１

Description

本発明は、チップ部品を配線基板に実装する実装装置および実装方法に関する。特に、配線基板に仮固定された微小なチップ部品を複数同時に熱圧着するのに適したものである。

半導体チップ等のチップ部品を配線基板に実装する方法として、配線基板上に仮圧着して仮固定したチップ部品を複数同時に熱圧着（本圧着）する、所謂仮本分割プロセスが知られている（特許文献１）。仮本分割プロセスでは、図９（ａ）に示すように、チップ部品Ｃのバンプ電極Ｂと配線基板Ｗの電極Ｅとを位置合わせして、未硬化の熱硬化性接着剤Ｒを介して仮固定した状態から、チップ部品Ｃを加熱するとともに配線基板Ｗ側に加熱して、実装している。熱圧着により、バンプ電極Ｂと電極Ｅが電気的に接合するとともに、熱硬化性接着剤Ｒが硬化するため、樹脂封止も同時に行なえる。

仮本分割プロセスは、チップ部品Ｃの仮固定に対して時間を要する熱圧着工程を、複数のチップ部品Ｃについて同時に行なえるため、チップ部品Ｃを１つずつ位置合わせして熱圧着するプロセスに対して、生産性で優れている。ただし、仮固定されたチップ部品Ｃには高さバラツキがあるため、熱圧着工程では、一括で熱圧着する複数個のチップ部品Ｃ間の高さバラツキを弾性吸収する必要がある。

そこで、熱圧着工程に用いるボンディングヘッドとしては、図１０に示すような構成を用いることもある（特許文献２）。すなわち、ボンディングヘッド７は、ヘッド本体７０の熱を個々のチップ部品Ｃに伝達しつつ、チップ部品Ｃの高さバラツキを弾性吸収するよう、個々のチップ部品Ｃに対応したアタッチメント７２が弾性部材７１を介してヘッド本体７０に設けられている。

特開２０１６−００９８５０号公報 特願２０１７−１７４９３６号 特表２０１６−５２７７１８号公報

近年、チップ部品の小型化が進み、１辺が１ｍｍ以下のものは珍しくなく、０．１mm以下のチップ部品を用いる用途もある。例えば、一辺が数十μｍのμＬＥＤを１つの画素としてＴＦＴ基板に数百万個実装するμＬＥＤディスプレイの実用化開発が進んでおり、実装精度についても数μｍ以下という高精度が求められている。

このため、微小なチップ部品を高精度に、しかも速く実装する技術が求められている。そこで、実装を速くという観点からは仮本分割プロセスは、多数のチップ部品を同時に熱圧着できることが好適といえる。

ただし、従来の数ｍｍサイズのチップ部品Ｃの熱圧着に適した、従来のボンディングヘッド構造は必ずしも好ましくない。すなわち、図１０のボンディングヘッド７のように伝熱と弾性の両方の機能を備えるアタッチメント７２の加工は、１辺が１ｍｍ以下のチップ部品について実施するのは微細で困難だからである。一方、広い面積のアタッチメントツールで複数のチップ部品を同時に熱圧着する方式では、配線基板とアタッチメントツールの平行度を厳密に管理していないと、熱圧着時にチップ部品が位置ズレを起こすため、装置管理が極めて難しく実用的でない。

このような背景において、微小なチップ部品を複数同時に熱圧着する装置および方法が種々検討されている。なかでも、特許文献３に記載された方法は配線基板上に仮固定されたチップ部品表面に膜で覆ってから、膜上から高温気体で圧を加えることで、チップ部品を熱圧着するものであり、チップ部品を膜で覆うことにより熱圧着時に位置ズレし難くいため、気圧でチップ部品を押圧することからボンディングヘッド不要という利点がある。さらに、特許文献３ではチップ部品を覆う膜としてフィルム形態のものを利用する例も開示されている。すなわち、図１１に示す実装装置１００のように、フィルム状の膜ＦＦを保持するトップステージ８００を、基板ステージ２００方向に降下させ、膜ＦＦがチップ部品Ｃを覆った状態にしてから気体入口８Ｕから高圧高温気体を密閉空間８００Ｓに注入することにより、チップ部品を配線基板Ｗに加熱圧着することができる。この構成であれば、実装後にチップ部品から膜ＦＦを除去するのも容易という利点がある。

ただし、図１００のような実装装置は、高熱高温気体を用いる方法であり基板ステージ２００上にトップステージ８００を配置した状態での密閉性に優れたチャンバー構造にする必要があり、大型の配線基板を対象とするような場合、配線基板全面を均一な温度、圧力にするまでに時間を要するため量産性に適さない。

本発明は、上記問題を鑑みてなされたものであり、配線基板上に仮固定された微小なチップ部品を位置ズレすることなく熱圧着し、量産性にも優れた実装装置および実装方法を提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、配線基板上に未硬化の接着剤を介して仮固定された複数のチップ部品を、前記配線基板と電気的に接合しつつ機械的に固定して実装する実装装置であって、
前記配線基板を前記チップ部品が仮固定された面と反対側から保持する基板ステージと、前記チップ部品を加熱する加熱手段と、前記配線基板の前記チップ部品を覆う気密性フィルムを供給し、前記気密性フィルムを保持する気密性フィルム保持手段と、前記基板ステージと前記気密性フィルムによって形成された空間を減圧して前記気密性フィルムを前記チップ部品に密着させる減圧手段とを備えた実装装置である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の実装装置であって、前記加熱手段が前記基板ステージに設けたパルスヒーターである実装装置である。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の実装装置であって、前記加熱手段が、チップ部品または配線基板を光加熱する実装装置である。

請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の実装装置であって、前記基板ステージを前記配線基板が吸着保持するために前記基板に減圧孔を設け、前記減圧孔を減圧するために設けた減圧ラインと、前記減圧手段の減圧ラインが共通する実装装置である。

請求項５に記載の発明は、配線基板上に未硬化の接着剤を介して仮固定された複数のチップ部品を、前記配線基板と電気的に接続して機械的に固定する実装方法であって、
前記配線基板を基板ステージ上に配置し、前記配線基板の前記チップ部品側の上部に気密性フィルムを被せ、前記基板ステージと、前記気密性フィルムによって形成された空間を減圧し、前記気密性フィルムが前記チップ部品に密着し、気密性フィルム内外の圧力差が前記チップ部品に加わっている状態で、前記チップ部品を加熱する実装方法である。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の実装方法であって、前記チップ部品と前記配線基板の電気的な接合に、金属微粒子を用いた焼結を利用する実装方法である。

請求項７に記載の発明は、前記チップ部品としてＬＥＤチップを用い、前記配線基板としてＴＦＴ基板を用い、請求項５または請求項６に記載の実装方法を用いて画像表示装置を製造する、画像表示装置の製造方法である。

本発明に実装装置および実装方法を用いることにより、配線基板上に仮固定された微小なチップ部品を位置ズレすることなく熱圧着することが出来、量産性にも優れている。

本発明の実施形態に係る実装装置の、（ａ）断面図であり、（ｂ）主要構成部の上面図である。 本発明の実施形態に係る実装装置の動作を説明するもので、（ａ）気密性フィルムによって閉空間を形成した状態であり、（ｂ）同空間内を減圧した状態を示す図である。 本発明に係る実装装置による実装工程を説明するもので、（ａ）配線基板にチップ部品が仮固定された状態、（ｂ）気密性フィルムによりチップ部品が閉空間内に入った状態、（ｃ）同閉空間内を減圧してチップ部品の位置ズレを抑制した状態、（ｄ）同閉空間の減圧とチップ部品の加熱を行なってチップ部品を配線基板に熱圧着した状態を示す図である。 本発明の実施形態において、（ａ）気密性フィルムによって閉空間を形成する際に気密性フィルムを緩ませた例を示し、（ｂ）気密性フィルムによって形成された閉空間を減圧する際に配線基板に設けた貫通孔を利用する例を示す図である。 本発明の実施形態に係る実装装置の加熱手段としてコンスタントヒーターを用いる例の、（ａ）断面図であり、（ｂ）同ヒーターを用いる例の配線基板搬送手段を説明する上面図である。 本発明実施形態に係る実装装置の加熱手段としてコンスタントヒーターを用いる例の、（ａ）配線基板を基板ステージまで搬送した状態を示す図であり、（ｂ）同配線基板上に仮固定されたチップ部品を熱圧着する状態を示す図である。 本発明実施形態に係る実装装置の加熱手段としてコンスタントヒーターとともに伝熱遅延プレートを用いた例を示す図である。 本発明実施形態に係る実装装置の加熱手段としてレーザー光を用いた例を示す図である。 配線基板上にチップ部品が、（ａ）仮固定された状態、（ｂ）熱圧着された状態を示す図である。 配線基板上に仮固定されたチップ部品を複数同時に熱圧着するのに用いるボンディングヘッドの例を示す図である。 配線基板上に仮固定されたチップ部品を複数同時に熱圧着するのにボンディングヘッドを用いない装置例を示す図である。

本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。図１（ａ）は本発明の実施形態に係り、配線基板Ｗ上に仮固定されたチップ部品Ｃを熱圧着する実装装置１である。

ここで、本発明で対象とするチップ部品Ｃは１辺の長さが１ｍｍ以下の微小チップで、１辺が１００μｍ（０．１ｍｍ）のものが更に好適であり、このようなサイズであれば材質や用途は限定せず、ＬＥＤチップ、無線チップ、ＭＥＭＳチップ等のチップ部品が対象となる。本実施形態では、図９（ａ）に示すよう、チップ部品Ｃはバンプ電極Ｂを有し、バンプ電極Ｂを配線基板Ｃの電極Ｅと接続する所謂フリップチップ接合を前提としているが、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではなく、配線基板上に仮固定されたチップ部品を熱圧着するプロセスなら適用可能である。バンプ電極Ｂとしては、銅ピラーの先端にハンダを設けた銅ピラーバンプでもよいが、低温焼成が可能な金属微粒子によって形成されたものが好ましい。すなわち、低温焼成が可能な金属粒子を用いた接合においては、ハンダ接合より熱圧着の低温化が見込めるためである。なお、本実施形態において適用可能な金属微粒子としては、平均粒径が１μｍ以下の銅ナノ粒子、銀ナノ粒子および金ナノ粒子がある。

本発明の実施形態における配線基板Ｗは、チップ部品Ｃのバンプ電極Ｂと接続される電極Ｅを表面上に有するものであり、材質としてはガラス、セラミックス、耐熱性樹脂およびこれらの複合材料が用いられている。

チップ部品Ｃを配線基板Ｗに仮固定するに際して、図９（ａ）のよう、チップ部品Ｃと配線基板Ｗの間に、未硬化の熱硬化性接着剤Ｒを設けている。図９（ａ）においては、チップ部品Ｃ側に熱硬化性接着層を形成した例を示しているが、配線基板Ｗ側に形成しておいてもよい。また、熱硬化性接着剤Ｒはペースト状あるいはフィルム状のいずれでもよい。

実装装置１は、基板ステージ２、加熱手段３、気密性フィルム保持手段４、減圧手段５を備えている。

基板ステージ２は配線基板Ｗを吸着保持するものであり、配線基板Ｗを保持する面から減圧手段５に連通する減圧孔２Ｖが形成され、減圧手段５とともに減圧ラインを構成している。また、加熱手段３は配線基板Ｗを加熱するものであり、図１（ａ）では、基板ステージ２にヒーターが内蔵されている例を示している。

気密性フィルム保持手段４は、配線基板Ｗ上のチップ部品Ｃを覆う気密性フィルムＦを供給して保持するものであり、図１（ａ）の実装装置１において、配線基板Ｗの上部に配置された気密性フィルムＦの上面図は図１（ｂ）のようになる。

ここで、気密性フィルムＦは、柔軟性を有し、耐熱性に優れ、チップ部品Ｃや配線基板Ｗ等への防着性にも優れた材料が用いられる。具体的には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）等のフッ素樹脂が好適である。なお、硬化前の熱硬化性接着剤Ｒが気密性フィルムＦに貼りつくこともあるので、機密性フィルムＦには、熱硬化性接着剤Ｒが貼りつきにくい材質を選ぶことが好ましい。

気密性フィルムＦの厚みとして、微小なチップ部品Ｃを覆うことから５０μｍ以下、更に望ましくは２０μｍ以下である。ただし、１０μｍより薄くなると厚みムラによる弊害（局部的な伸びや破れ）も懸念されるので、１０μｍ以上であることが好ましい。

本実施形態の実装装置１において、気密性フィルム保持手段４は、巻出ロール４０Ａ、巻取ロール４０Ｂ、フィルム保持部４１Ａ、フィルム保持部４１Ｂを構成要素としている。ここで、フィルム保持部４１Ａおよびフィルム保持部４１Ｂは、気密性フィルムＦを挟み込んで保持する形態としているが、これに限定されるものではなく、ロール表面に設けた吸着孔を用いてフィルム部材を保持するサクションロールであってもよい。

気密性フィルムＦは、巻出ロール４０Ａから供給され、フィルム保持部４１Ａおよびフィルム保持部４１Ｂを経由して巻取ロール４０Ｂに回収されるが、フィルム保持部４１Ａとフィルム保持部４１Ｂの間で、配線基板Ｗ上に配置される。

減圧手段５は、真空ポンプ５０とバルブ５１を有し、真空ポンプ５０を稼働した状態でバルブ５１を開くことにより、基板ステージ２に形成された減圧孔２Ｖ内を排気することができる。

以後、本実施形態の実装装置１によって、配線基板Ｗ上に仮固定されたチップ部品Ｃを熱圧着する工程について説明する。

まず、置１は、図１（ａ）の状態から、フィルム保持部４１Ａおよびフィルム保持部４１Ｂを降下させることにより、図２（ａ）のように気密性フィルムＦがチップ部品Ｃを覆う。この状態を拡大して示したのが、図３（ｂ）である。なお、図１（ａ）の状態を拡大したのが図３（ａ）である。

図２（ａ）の状態になると、図３（ｂ）に示す包囲空間ＶＦは、基板ステージ２と気密性フィルムＦによって囲まれた閉空間となる。このため、減圧手段５により減圧孔２Ｖから排気することにより包囲空間ＶＦ内は減圧され、気密性フィルムＦが有する柔軟性により、図２（ｂ）のように気密性フィルムＦはチップ部品Ｃに密着する。この状態を拡大したのが図３（ｃ）である。図３（ｃ）に示すように、フィルム部材Ｆがチップ部品Ｃに密着して覆っていることから、フィルム部材Ｆがチップ部品Ｃの位置ズレを防ぐように固定する効果がある。

この状態から、包囲空間ＶＦ内の減圧を継続することにより、チップ部品Ｃには、大気圧に近い圧力を加えることができる。さらに、この状態で、チップ部品Ｃと配線基板Ｗの接触部近傍を加熱することにより、チップ部品Ｃの加圧と加熱が同時に行なえる。そこで、本発明で対象とする微小チップであるチップ部品Ｃに関しては、大気圧以下の加圧力であっても熱圧着が成立する。

この後、フィルム保持部４１Ａおよびフィルム保持部４１Ｂを上昇させて、密着性フィルムＦを上昇させ、チップ部品Ｃ（および配線基板Ｗ）から引き剥がして熱圧着工程は完了する。なお、密着性フィルムＦを上昇させる際、フィルム保持部４１Ａまたはフィルム保持部４１Ｂの何れかを先に上昇させると密着性フィルムＦが、チップ部品Ｃ（および配線基板Ｗ）から剥離しやすくなる。

ところで、気密性フィルムＦは柔軟で収縮性があるものの、配線基板Ｗ上に配置されたチップ部品の間隔によっては、包囲空間ＶＦ内を減圧してもチップ部品Ｃに気密性フィルムＦを密着させることが困難な場合がある。そのようなケースにおいては、図４（ａ）のように、フィルム保持部４１Ａとフィルム保持部４１Ｂの間の気密性フィルムＦを緩ませた状態で、チップ部品Ｃに被せるのがよい。

なお、実装装置１では、減圧孔２Ｖは配線基板Ｗを吸着保持するためと、包囲空間ＶＦ内を減圧する両機能を有するよう共通化しているが、配線基板Ｗを吸着保持した状態では包囲空間ＶＦの減圧は配線基板Ｗの外周側からしか行なえず、大型の配線基板Ｗでは包囲空間ＶＦ内で圧力分布が生じることがある。そこで、このような包囲空間ＶＦ内での圧力分布を抑制するため、図４（ｂ）のように、配線基板Ｗに貫通孔ＷＶを形成し貫通孔ＷＶを減圧孔２Ｖに位置合わせしてもよい。

また、加熱手段３として基板ステージ２にヒーターを内蔵する場合において、ヒーターがパルスヒーターであれば、図３（ｃ）の状態にして、気密性フィルムＦでチップ部品Ｃを固定してから加熱圧着することが出来るので好ましい。これは、実装装置１ではボンディングヘッドを有していないため、基板ステージ２が２００度前後の実装温度を供給する必要があり、配線基板Ｗを基板ステージ２に配置してから、図３（ａ）から図３（ｄ）の一連の動作を行なおうとした場合、図３（ｂ）あるいは図３（ｃ）の段階で熱硬化性接着剤Ｒが硬化することがあるためである。

ただし、パルスヒーターではなく常時加温状態のコンスタントヒーターを用いた場合においても、配線基板Ｗの搬送方法によって本発明は実現可能である。すなわち、図５（ａ）のように配線基板Ｗを基板ステージ２上に搬送する際に、図５（ｂ）の上面図で示したじょうな基板搬送手段６を用い、配線基板Ｗを基板ステージ２上に配置して（図６（ａ））、基板搬送手段６による配線基板Ｗの保持を解除する（図６（ｂ））のと同時に、気密性フィルム保持手段４によりチップ部品Ｃに気密性フィルムＦを被せ、減圧手段５を稼働させればよい。ただし、チップ部品Ｃの加熱を開始するのは気密性フィルムＦによる固定後である方が望ましいことから、配線基板Ｆは、図７のように伝熱遅延プレート６１を介して基板ステージ２上に配置するのが望ましい。ここで、伝熱遅延プレート６１は多孔質あるいは貫通孔を有するものであり、基板ステージ２は伝熱プレート６１を介しても配線基板Ｗを吸着保持できる。

なお、加熱手段３は基板ステージ２に内蔵されるヒーターに限定されるものではなく、図８のようにレーザー光等の光Ｌをチップ部品Ｃまたは／および配線基板Ｗに照射して光加熱するものであってもよい。いずれにしても、ボンディングヘッドなしにチップ部品Ｃを熱圧着することが可能である。レーザー光を用いた場合は、接合部（チップ部品近傍）に焦点を合わせて加熱することができ、基板へのダメージを低減できるので好ましい。

さらに、熱圧着時の加熱温度を下げることが出来れば、加熱手段３の選択範囲は更に広まる。このためにも、バンプ電極Ｂに低温焼成可能な金属微粒子を用いることが望ましい。

また、気密性フィルム保持手段４も、本実施形態に限定されるものではなく、基板ステージ２とともに包囲空間ＶＦが形成できるように気密性フィルムＦをチップ部品Ｃに被せることが出来ればよく、枚葉状にカットした気密性フィルムＦを被せる構成であってもよい。

以上、本発明は、微小チップであるチップ部品を対象としているため、大気圧弱の圧力差で熱圧着することが出来るので、ボンディングヘッドや加圧気体を用いる必要もなく、装置構成が簡素化されることから大型化も容易なので、量産性に優れている。また、気密性フィルムによりチップ部品を固定した状態で熱圧着が行なわれるので、熱圧着時の位置ズレを抑制することができる。
このため、配線基板としてＴＦＴ基板を用い、チップ部品としてＬＥＤチップを用いるような画像表示装置の製造方法として本発明は好適であり、数百万個のＬＥＤを所定の位置に配置する高品質の画像表示装置の製造方法として極めて適したものである。

１ 実装装置
２ 基板ステージ
２Ｖ 減圧孔
３ 加熱手段
４ 気密性フィルム保持手段
５ 減圧手段
６ 基板搬送手段
４０Ａ 巻出ロール
４０Ｂ 巻取ロール
４１Ａ フィルム保持部
４１Ｂ フィルム保持部
５０ 真空ポンプ
５１ バルブ
６１ 伝熱遅延プレート
Ｂ バンプ電極
Ｃ チップ部品
Ｅ 電極
Ｆ 気密性フィルム
Ｒ 熱硬化性接着剤
Ｗ 配線基板
ＷＶ 基板貫通孔
ＶＦ 包囲空間

Claims (7)

1. 配線基板上に未硬化の接着剤を介して仮固定された複数のチップ部品を、前記配線基板と電気的に接合しつつ機械的に固定して実装する実装装置であって、
   前記配線基板を前記チップ部品が仮固定された面と反対側から保持する基板ステージと、
   前記チップ部品を加熱する加熱手段と、
   前記配線基板の前記チップ部品を覆う弾性フィルムを供給し、前記弾性フィルムを保持する弾性フィルム保持手段と、
   前記基板ステージと前記弾性フィルムによって形成された空間を減圧して前記弾性フィルムを前記チップ部品に密着させる減圧手段とを備えた実装装置。
2. 請求項１に記載の実装装置であって、
   前記加熱手段が前記基板ステージに設けたパルスヒーターである実装装置。
3. 請求項１に記載の実装装置であって、
   前記加熱手段が、チップ部品または配線基板を光加熱する実装装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の実装装置であって、
   前記基板ステージを前記配線基板が吸着保持するために前記基板に減圧孔を設け、
   前記減圧孔を減圧するために設けた減圧ラインと、前記減圧手段の減圧ラインが共通する実装装置。
5. 配線基板上に未硬化の接着剤を介して仮固定された複数のチップ部品を、前記配線基板と電気的に接続して機械的に固定する実装方法であって、
   前記配線基板を基板ステージ上に配置し、
   前記配線基板の前記チップ部品側の上部に弾性フィルムを被せ、
   前記基板ステージと、前記弾性フィルムによって形成された空間を減圧し、
   前記弾性フィルムが前記チップ部品に密着し、弾性フィルム内外の圧力差が前記チップ部品に加わっている状態で、
   前記チップ部品を加熱する実装方法。
6. 請求項５に記載の実装方法であって、
   前記チップ部品と前記配線基板の電気的な接合に、金属微粒子を用いた焼結を利用する実装方法。
7. 前記チップ部品としてＬＥＤチップを用い、前記配線基板としてＴＦＴ基板を用い、
   請求項５または請求項６に記載の実装方法を用いて画像表示装置を製造する、画像表示装置の製造方法。

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