JP3280385B2 - フリップチップアンダーフィル装置及び方法 - Google Patents

フリップチップアンダーフィル装置及び方法

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、粘性物質を分配する際に使用される自動機
器に関する。より詳細に言えば、本発明は、好ましい実
施例において、FR4又は同様な積層基板から成るプリン
ト回路（“PC"）基板にシリコンチップを直接取り付け
るために使用されるアンダーフィル・エポキシを自動的
に分配するために使用することのできる装置及び方法に
関する。
PC基板を製造する際には、少量の粘性物質（すなわ
ち、50センチポイズよりも大きな粘度を有する物質）を
塗布する必要がある場合が多い。そのような物質として
は、特に限定するものではないが、例えば、汎用接着
剤、ソルダペースト、ソルダフラックス、ソルダマス
ク、グリース、オイル、カプセル材、ポッティング樹
脂、エポキシ、ダイ接着ペースト、シリコーン、RTV及
びシアノアクリレートを挙げることができる。これまで
の一般的な塗布方法は、スクリーン印刷法、ピントラン
スファ法、及び、シリンジ又はバルブからの分配法を含
んでいた。スクリーン印刷法は、テンプレートを必要と
し、塗布パターンを容易に変更することができない。ピ
ントランスファ法は、比較的高速であるが、設備が高価
であり且つ柔軟性がなく、線ではなく点しか形成するこ
とができない。シリンジ分配法は、広く使用されてお
り、空気圧機構、電気機械的機構、又は、容積式バルブ
で実行される。
回路素子を更に小型化するために、フリップチップ技
術として知られる製造プロセスが開発された。この技術
は、直接的なチップ接着又は“DCA"としても知られてい
る。この技術は、「フリップチップ」ボンディング、基
板に直接接着されたダイ、ワイヤボンディング、被覆さ
れたダイ、及び、カプセル化されたダイを含んでいる。
広く使用されているそのようなプロセスの一つは、IBM
社（International Business Machines Corporation）
が所有する複数の米国特許によって保護されている。制
御型柱状圧潰接続（controlled columnar collapsed co
nnection:“C4"）と呼ばれている。
図面を参照すると、半導体ダイ又はフリップチップ10
（図１）の下側すなわち回路側には、複数のソルダバン
プ又はソルダボール12があるパターンが設けられてい
る。ソルダボール12は、PC基板又は他の基板16上のメッ
キされたソルダパッド14に整合されている。チップ10の
下側は、チップのイメージ側とも呼ばれている。フラッ
クス（図示せず）は、通常、ソルダボール12とソルダパ
ッド14との間に供給される。PC基板又は基板16上のソル
ダパッド14は、加熱されるとリフローを起こして、チッ
プ10の下側のソルダボール12に物理的に接続される。ソ
ルダボール12は、一般的に、高い融点を有しており、従
って、リフローを起こさない。上記接続状態は、変形し
たソルダパッド14'がソルダボール12と結合している状
態として、図２に図解的に示されている。これにより、
ワイヤボンディングを行う必要性は排除される。
フリップチップ10は、プラスチック又はセラミックの
パッケージの中に必ずしもカプセル封入されないので、
PC基板16とチップ10との間の接続部が腐食することがあ
る。この腐食を防止するために、特殊な液体エポキシ18
（図３）を流して、上記チップの下側を完全に覆う。こ
の作業を本明細書では「アンダーフィル（下側充填）作
業」と呼ぶ。その結果生じたカプセル封入物は、硬化す
ると、非吸湿性のバリヤを形成し、湿分が、PC基板16と
チップ10との間の電気的な相互接続部に接触して、これ
ら電気的な相互接続部を腐食するのを防止する。上記エ
ポキシ18は、また、熱応力緩和を行うことによって、す
なわち、異なる熱膨張率及び熱収縮率を許容することに
よって、変形したソルダパッド14'とソルダボール12と
の間の結合部を保護する役割も果たす。換言すれば、エ
ポキシ18は、一旦硬化すると、ある熱膨張係数（“CT
E"）を有し、この熱膨張係数は、当該エポキシのボンデ
ィング特性と共に、シリコンチップ10のCTEとFR4PC基板
16のCTEとの間の差によって生ずる熱応力を最小限にす
る。
フリップチップ・オンボード構造（flip chip on boa
rd architecture）を用いる利点としては、（１）チッ
プの下のダイの全面積を接続に使用することができるの
で、入出力（“I/O"）が増大する可能性があり、（２）
伝送線路の長さが短いので、電子的処理速度が増大し、
（３）ヒートシンクをチップの頂部に取り付けることが
でき、（４）チップのプロフィールが大幅に低減され、
（５）PC基板の面積をより効率的に使用できる、という
事柄を挙げることができる。
図面の図３を参照すると、上記アンダーフィル作業を
完了した後に、十分な量の液体エポキシを設けて総ての
電気接続部をカプセル封入し、これにより、チップ10の
側縁部に沿ってフィレット18aを形成するのが望まし
い。適正なフィレット18aが形成されると、十分な量の
エポキシが設けられて、チップ10とPC基板又は基板16と
の間の結合部の機械的強度が最大限になっていることを
保証する。過剰のエポキシが設けられた場合には、マウ
ンド18b（図４）が形成されることになり、このマウン
ドは、チップ10の側縁部を取り囲んで該チップの上面に
沿って伸長するので、望ましくない。
上述のアンダーフィル作業は、正確な量の液体エポキ
シ18を、半導体チップ10の少なくとも一方の側縁部に沿
って概ね連続的に設けることを必要とする。上記液体エ
ポキシは、チップ10の下側とPC基板又は基板16の上面と
の間の小さなギャップに起因して毛細管作用が生ずる結
果、チップ10の下を流れる。エポキシを設ける量が少な
すぎると、電気的な相互接続部の幾つかはカプセル封入
されないことになる。その結果、腐食が生じ、また、熱
応力が緩和されなくなる。エポキシを設ける量が多すぎ
ると、そのようなエポキシは、チップの下側を越えて流
れて、他の半導体デバイス及び相互接続部を阻害する。
過剰のエポキシは、また、図４に参照符号18bで示すよ
うに、チップ10の上側に侵入して、ヒートシンクの適正
な熱消散を阻害する。
上述のアンダーフィル作業の間には、上記液体エポキ
シ又は他の液体の接着剤の温度を正確に制御する必要が
ある。使用される液体は、凝固した状態で保管されるこ
とが多い。そのような液体は、その後、融解され、分配
シリンジと関連して使用される。しかしながら、そのよ
うなタイプの接着剤の粘度は、硬化するにしたがって時
間経過と共に急速に変化し、融解されている４時間の間
に、二倍になることがある。これは、適正量の流体を分
配する作業を煩雑にする。その理由は、そのような流体
の粘度が大きくなりすぎると、上記流体がチップの下を
完全に流れるようにする毛細管作用が不十分になるから
である。従って、液体接着剤が、アンダーフィル作業に
使用することができない所定の粘度に到達した時点を決
定する必要がある。
過去においては、PC基板は、ランプあるいは対流熱
（すなわち、ガス流）と機械的に直接的に接触させるこ
とによって、熱伝導によって加熱されていた。そのよう
な加熱作業は、一連の空気ゾーンを有するベルト式オー
ブンの中で実行されることが多く、上記一連の空気ゾー
ンの温度は、任意の加熱プロフィールを達成するように
別個に制御することができる。また、従来においては、
微量の接着剤及び他の粘性物質を分配する際には、分配
ニードル及び／又はバルブ、並びに、その中の粘性物質
の温度を所定レベルに維持するためのヒータを用いてい
た。しかしながら、PC基板の通常の組み立てにおいて温
度を制御する従来技術の方法は、粘度の正確な制御を行
うことができなかった。
従って、分配される物質の量を、その物質自体の粘度
の変動を考慮して、正確に制御することができる、粘性
物質自動分配装置及び分配方法を提供することが望まし
い。
発明の概要 本発明は、粘性物質を基板上に分配する装置を提供す
る。この装置は、分配要素と、粘性物質リザーバと、計
量装置とを備えており、該計量装置は、上記リザーバと
上記分配要素との間に接続されていて、上記分配要素を
通る可変量の粘性物質を計量する。上記分配要素及び計
量装置は、ポジショナによって動かされ、基板表面付近
で所定のパターンに沿って移動することができる。基板
付近に位置する計量器すなわち秤が、計量された量の上
記粘性物質を受け取り、所定の時間間隔の間に分配され
た上記物質の可変重量を表す信号を発生する。これによ
り、物質の流量を正確に決定することができる。制御装
置が、上記所定パターンに沿う上記ポジショナの移動速
度を調節し、計算した流量に基づいて、上記分配要素に
所望量の物質を分配させる。別の実施例においては、上
記制御装置は、上記計算した流量に基づいて、上記計量
装置の排出速度を調節し、上記分配要素に上記所望量の
物質を上記所定パターンに沿って分配させる。上記分配
要素及び／又は上記基板のための閉ループ型温度制御装
置を設けて、実質的に一定の粘度、及び、実質的に一定
の流量を確保することができる。プライム／パージ・ス
テーションを上記基板の付近に設けて、上記分配要素及
び上記計量装置から気泡を吸引することができる。
図面の簡単な説明 図１は、従来技術に従ってPC基板のソルダパッドに整
合されたソルダボールを有する半導体フリップチップの
一部を図解的に示す側面図である。
図２は、従来技術に従ってリフローの後に対応するソ
ルダボールと相互接続されている図１の変形されたソル
ダパッドの１つを大きく拡大して図解的に示す部分的な
側面図である。
図３は、図１のチップ及びPC基板の一部を幾分拡大し
て示す側面図であって、従来技術に従って液体でフリッ
プチップされているチップの側縁部付近に接着剤のフィ
レットが適正に形成されている状態を示している。
図４は、図１のチップ及びPC基板の一部を幾分拡大し
て示す側面図であって、通常のアンダーフィル作業の間
に過剰量の接着剤が設けられた場合に、上記チップの頂
縁部の上に望ましくない液体接着剤のマウントが形成さ
れる状態を示している。
図５は、本発明の粘性物質分配装置の好ましい実施例
のブロック図である。破線で示す接続線は、機械的な接
続を示しており、また、実線で示す接続線は、電気的な
接続を示している。
好ましい実施例の詳細な説明 係属中の米国特許出願シリアルNo.08/192,709（出願
日:1994年２月７日、発明の名称：“COMPUTER CONTROLL
ED VISCOUS FLUID DISPENSING SYSTEM"）の開示全体
が、参考として特に本明細書に組み込まれる。
図５を参照すると、本発明の装置は、流体リザーバを
備えており、この流体リザーバは、ニードル（針）22の
形態の分配要素に接続された使い捨て型の通常のプラス
チックシリンジ20の形態を有している。上記ニードル22
は、ヒートシンク24によって包囲されており、このヒー
トシンクは、別個の抵抗加熱要素及び温度感知要素（図
示せず）を備えている。ヒートシンク24は、また、ペル
チェダイオードの如き冷却要素（図示せず）も備えてい
る。別の実施例においては、ヒートシンクは、圧縮空気
源に接続することのできる小型の冷却渦発生器（後に説
明する）を備えることもできる。適宜な渦発生器は、Ex
air Corp.から商業的に入手可能な部品No.3202である。
シリンジ20（図５）は、通常のオーガバルブ25の形態
の計量装置を介して、分配ニードル22に接続されてい
る。上記バルブは、容積式ポンプとして作動し、シリン
ジの中の粘性物質の可変量を計量してニードル22を通す
ためのモータ駆動型のスクリューを備えている。上記オ
ーガバルブ25の中のモータは、バルブ制御回路27によっ
て制御され、一方、このバルブ制御回路は、上記オーガ
バルブ25を間接的に制御するシステムコンピュータ30に
接続されている。ヒートシンク24の加熱要素、冷却要素
及び温度感知要素は、ニードル加熱／冷却制御回路26に
接続されている。
シリンジ20は、システムコンピュータ30によって作動
される圧縮空気源28によって、その上方端を通して加圧
され、粘性物質をバルブ25に送る。システムコンピュー
タ30は、記憶された運転プログラムに従って、エポキシ
接着剤の如き粘性物質の分配作業を制御する。これによ
り、微量の接着剤又は他の粘性物質を、シリンジ20の本
体からニードル22を通して、PC基板又は基板16の上面に
分配することができる。
シリンジ20、バルブ25及びニードル22は、図５におい
てポジショナ32として集合的に称する電気機械的な構成
要素によって、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸に沿って運動可能な
ように取り付けられている。上記電気機械的な構成要素
は、運動制御回路34によって駆動され、この運動制御回
路は、システムコンピュータ30にも接続されている。シ
リンジ20をＸ軸及びＹ軸に沿って迅速に動かすための機
構が、米国特許第4,967,933号（発明の名称：“METHOD
AND APPARATUS FOR DISPENSING VISCOUS MATERIALS"）
に開示されており、この米国特許の開示全体は、本明細
書に参考として組み込まれている。上記シリンジをかな
り遅い速度ではあるがＺ軸に沿って動かすための機構
も、上述の米国特許第4,967,933号に開示されている。
高さセンサ36（図５）が、Ｘ−Ｙ−Ｚポジショナ32に
取り付けられており、これにより、ニードル22を、PC基
板又は基板16の加工面の上方の所定の分配高さ（あるい
は、該加工面から離れたある距離）に位置させることが
できる。上記高さセンサ36は、垂直方向に往復運動する
ことのできる高さ感知アーム36aを備えている。このア
ーム36aの上方端は、上記シリンジがポジショナ32によ
ってPC基板16に向かって下方に移動される時に、光ビー
ムを遮断する。これにより、上記所定の分配高さに達し
たという情報が運動制御回路34に与えられる。上記アー
ム36aは、上記高さセンサ36の一部を構成するソレノイ
ド機構（図示せず）によって、後退させることができ
る。上記高さセンサ36は、また、必要に応じて分配高さ
を調節するための手動調節可能な親ネジ機構（図示せ
ず）を備えている。上述のタイプの高さセンサは、周知
であり、これ以上本明細書で説明する必要はない。
PC基板又は他の装着基板16は、図５に水平方向の矢印
で示すように、自動コンベア38によって、ニードル22の
下方で水平方向に搬送される。上記コンベア38は、通常
の構成のものであって、必要に応じて異なるサイズのPC
基板を受け入れるように調節可能な幅を有している。上
記コンベア38は、また、空気圧作動型のリフト／ロック
機構（図示せず）を備えている。コンベア制御装置40
が、コンベア38に接続されている。上記コンベア制御装
置40は、運動制御装置34とコンベア38との間に接続され
ていて、上記コンベア38の幅の調節を行うと共に、上記
コンベアのリフト／ロック機構を制御する。コンベア制
御装置40は、更に、本装置へのPC基板16の進入を制御す
ると共に、接着剤又は他の粘性物質のPC基板の上面への
分配作業が完了した時に、上記PC基板の本装置からの退
出を制御する。
上記システムコンピュータ30は、ディスク、又は、コ
ンピュータ集積製造作業（CIM）制御装置（図示せず）
からのコンピュータ自動設計（“CAD"）データを用い、
運動制御装置34を通じて、ポジショナ32及び分配ニード
ル22の運動を制御することができる。これにより、PC基
板16の上面に分配されている接着剤又は他の粘性物質
は、必要とされる正確な量として、正確に定置される。
CADを使用することができない用途においては、システ
ムコンピュータ30によって使用されるソフトウエアが、
分配位置及び分配量を直接プログラムすることを可能に
する。また、本発明の装置は、後に説明するカメラ／ビ
ジョン回路を用いて、ニードル22をチップ10の縁部に対
して正確に位置決めするのが好ましい。
システムコンピュータ30は、Ｘ位置及びＹ位置、構成
要素のタイプ、及び、構成要素の向きを用いて、どの程
度の量の接着剤又は他の粘性物質をPC基板又は基板16の
上面のどの位置に分配すべきかを決定する。システムコ
ンピュータ30には、完全に自動化されたPC基板組み立て
ラインに使用される大部分のタイプの他の自動機器と適
合性を有する、標準的なRS232及びSMEMA通信バスを設け
るのが好ましい。
複数の赤外線電球44の如き放射熱源が、PC基板ヒータ
制御回路46によって、通電される。それぞれの別個のゾ
ーンにおけるPC基板又は基板16の実際の局部的な加熱量
は、PC基板又は基板の温度を正確に検知するように位置
決めされたIR感知型の熱電対の如き複数の熱センサ47に
よって感知される。熱シールドすなわち遮熱板48が、電
球44からの熱を、ニードル22、ヒートシンク24及びオー
ガバルブ25から離れる方向に偏向させる。上記遮熱板48
は、ポジショナ32によって担持され且つ水平方向に配置
された黒い陽極処理アルミニウム板から構成することが
できる。上記遮熱板48は、ニードル22が貫通する穴を有
している。ファン又はブロア49が、ファン制御装置50を
通じてシステムコンピュータ30によって制御され、PC基
板16を横断して空気を搬送する。
分配ニードル22を、システムコンピュータ30によって
制御される真空源51bに接続されたプライム／パージ・
ステーション51a（図５）へ移動させることができる。
このプライム／パージ・ステーション51aは、バルブ形
状の弾性的なブーツ（図示せず）を備えている。このブ
ーツは、ニードル22によって穿刺されて内側チャンバ
（図示せず）に連通され、この時に、真空源51bによっ
て真空引きされる。この真空引きは、ニードル先端の外
側を清掃する役割も果たす。上記弾性的なブーツは、バ
スケットボールの弾性的なバルブと同様なものである。
バルブの機能をもたない締まり嵌めされたシールでも十
分である。上記プライム／パージ作業は、分配作業の前
に行われて、バルブ25及びニードル22の中の総ての気泡
を確実に除去する。そのような気泡は、このタイプの装
置においては特に望ましくなく、その理由は、量的な意
味において分配精度に大きな影響を与えるからである。
本発明の装置の好ましい実施例は、プラテン53を有す
る精密電子計量器（精密電子秤）52も備えている。この
計量器52からの出力信号は、電子計量器回路54に送られ
る。この回路54は、システムコンピュータ30に接続され
ている。例えば、計量器52、プラテン53及び電子計量器
回路54は、Denver Instrumentsから商業的に入手可能な
Model No.DI−100分析計量器の形態として、集合的に設
けることができる。このタイプの計量器は、微小重量を
高精度で測定するためのデジタル回路を用いていると共
に、RS232インターフェースを備えている。必要な場合
には、計量器52に弾性的な振動取付具（図示せず）を設
けて、正確に重量測定を確保することが望ましい。ニー
ドル22は、ポジショナ32によって計量器52まで動かすこ
とができ、また、微量の接着剤をプラテン53に設けるこ
とができる。システムコンピュータ30は、電子計量器回
路54を通じて、計量された粘性物質の正確な量を、単位
時間当たりに供給された重量として決定する。その後、
上記計算された流量は、後に説明するように分配作業で
使用される。
電荷結合素子（“CCD"）ビデオカメラ56（図５）が、
分配ニードル22と共に移動するＸ−Ｙ−Ｚポジショナ32
に機械的に接続されている。上記ビデオカメラのレンズ
は、PC基板又は他の基板16の上面又は他の加工面が視野
に入るように、下方を向いている。カメラ56は、システ
ムコンピュータ30に接続されている通常のビジョン回路
58に電気的に接続されている。エッジ検知アルゴリズム
が、システムコンピュータ30によって実行されて、PC基
板16上のチップ10のエッジすなわち縁部を検出する助け
を行い、これにより、ニードル22の先端をPC基板の少な
くとも１つの側縁部付近に位置決めする作業を容易にす
る。ニードル22は、一つの連続動作でＬ型パターンに沿
って移動して、隣接する２つの側縁部に沿って液体エポ
キシを分配するのが好ましい。ニードル22は、残りの２
つの側縁部に沿って、第２のＬ型パターンの移動を行
う。この作業は、ペリメータフィル（周辺充填）と呼ば
れ、ダイ10の全周の周囲に適正なフィレット18aを伸長
させる。この完全なフィレット18aは、チップ対基板の
機械的な結合強度を支援する。
図５にブロック図の形態で示されている本発明の装置
の好ましい実施例は、機械的、電子的及び電気機械的な
複数の構成要素を備えており、これらの構成要素は、上
述の係属中の米国特許出願シリアルNo.08/192,709の図
１にその全体が示されている、直立した開放型の矩形状
のスチールフレームに取り付けられるのが好ましい。こ
のフレームは、最近の任意のPC基板全自動組み立てライ
ンに挿入することができる。システムコンピュータ30
は、本明細書に記載する所要のインターフェース機能及
び命令機能を迅速に実行するために十分なメモリ（記憶
装置）及び処理能力を有する、商業的に入手可能な任意
の拡張業界標準アーキテクチャ（“EISA"）パーソナル
コンピュータとすることができる。
本発明の粘性流体分配装置の好ましい実施例は、以下
に説明する本発明の方法の好ましい実施例を実行するた
めに使用することができる。ヒートシンク25の閉ループ
温度が安定した後に、システムコンピュータ30は、ポジ
ショナ32を起動して、ニードル22をプライム／パージ・
ステーション51aへ移動する。ニードル22は、ステーシ
ョン51aの弾性バルブ又は締まり嵌めシールの中に押し
込まれる。真空源51bが起動されて、オーガバルブ25及
びニードル22の内部の粘性物質から総ての気泡を吸い出
す。次に、システムコンピュータ30は、ポジショナ32を
起動させて、ニードル22をプライム／パージ・ステーシ
ョン51aから引き抜き、計量器52の中に入れる。少量の
粘性物質が、計量器52のプラテン53の上に堆積される。
オーガバルブ25の所定の速度で所定の時間間隔にわたっ
て作動させることができるが、上記少量の粘性物質の量
は、粘度に応じて変動する。オーガバルブ25のモータが
励起される時間で示される上記堆積の継続時間を用い
て、体積流量を計算する。
次に、システムコンピュータ30は、コンベア38によっ
て、PC基板16を赤外線ランプ44の上方の所定の経路に沿
って引っ張る。PC基板16の下面は、所定の高い温度まで
加熱される。この温度は、熱センサ47によってそれぞれ
のゾーンにおける表面温度を監視するPC基板ヒータ制御
装置46を通じて、システムコンピュータ30によって制御
されるのが好ましい。これに応じて、PC基板の上面は、
基板を通る伝熱によって、別個のゾーンの中で加熱され
る。予めプログラムされた構成要素位置データ及び／又
はビジョン・サブシステム、並びに、予めプログラムさ
れたパターン及び分配量データを用いて、システムコン
ピュータ30は、アンダーフィル作業を受けるべきチップ
10の一つの側縁部へ分配ニードル22を移動させる。高さ
センサ36及びＸ−Ｙ−Ｚポジショナ32を用いて、ニード
ル22を降下させ、該ニードルの下端部をPC基板16の上面
から上方の所定の分配高さ（例えば、0.025mm（７ミ
ル））に位置させる。システムコンピュータ30は、次
に、チップ10の隣接する２つの側縁部に沿って、ニード
ル22を動かす。同時に、分配オーガバルブ25が瞬間的に
作動されて、エポキシ接着剤の形態の粘性物質をPC基板
16の上に分配愛し、これにより、上記粘性物質はチップ
10の下に位置する。Ｘ軸線及びＹ軸線に沿うシリンジ20
及びニードル22の移動速度は正確に制御され、上記計算
された流量に基づいて、望ましい所定量の接着剤を堆積
又は定置させる。この所望量の接着剤は、フリップチッ
プ10のソルダボール／ソルダパッド間の各々の接続部を
液体エポキシでカプセル封入するのに十分な量である。
上記接着剤の量は、フィレット18a（図３）を形成する
のに十分であるが、望ましくないマウンド18b（図４）
を形成しないような量である。
本発明の装置は、ニードル22をプライム／パージ・ス
テーション51aへ周期的に移動させ、所定のアイドル時
間の後に、ニードルの中の粘性物質を排出するのが好ま
しい。この物質は、過剰に硬化している場合がある。ま
た、本発明の装置は、ニードル22を計量器52へ周期的に
移動させ、これにより、必要に応じて所望量の物質を確
実に排出するように、流量の再計算を行うと共に、ニー
ドルの移動速度を調節するのが好ましい。質量流量は、
閉ループに基づいて決定される。
従って、本発明の装置においては、ヒートシンク24
が、閉ループ型のシリンジヒータ／クーラー制御回路26
によって、実質的に一定の所定温度に維持されている間
に、オーガバルブ25の流量が最初に決定される、ことは
理解されよう。これにより、物質の粘度は実質的に一定
に保持される。システムコンピュータ30は、オーガバル
ブ25が作動している間に、所定の流量が生ずるようにす
る。オーガバルブ25の駆動速度、従って、該オーガバル
ブからの流量は、実質的に一定に維持され、従って、連
続的に調節されるものではない。その代わりに、システ
ムコンピュータ30は、ニードル22のＸ−Ｙ方向の並進速
度を調節して、最適なアンダーフィルを達成する適正量
の液体エポキシを分配させる。そうではなく、PC基板の
上方におけるニードル22の並進速度を所定の一定値に維
持しながら、オーガバルブ25の速度を連続的に調節する
ことができる。
本発明の装置は、計量器52において最初の測定を行っ
て、分配流量を決定する。バルブ流25を調節する必要は
ないが、Ｘ−Ｙ平面における分配ニードル22の移動速度
を調節して、所望量の接着剤を確実に分配させるように
する。PC基板16の特定の表面領域を電球44で最適に加熱
することにより、エポキシ接着剤は、チップ10の下側全
体に流れるようになる。上記電球44は、コンベア38によ
って適所に移動された後に、PC基板の下面を急速に加熱
する。
PC基板16は、30秒間よりも短い時間の間に、約80℃の
設定値まで加熱され、その温度に維持されるのが好まし
い。液体エポキシ接着剤に接触することになるPC基板16
の任意の点の温度は、厳密に、すなわち、上述の設定値
の±５℃の範囲内に維持する必要がある。赤外線（“I
R"）加熱真空電球44を用いて、PC基板16を加熱し、本発
明の総ての装置が上記目的を達成することができるよう
にするのが好ましい。そのような電球は、約1.4秒間の
間に十分な温度まで上昇し、従って、例えば、30秒間又
はそれ以下の時間の間に、上記設定値を迅速に達成する
ことが望ましい閉ループで使用することができる。非接
触型の熱センサ47は、PC基板16の閉ループ型温度制御の
重要な構成要素である。PC基板ヒータ制御回路46の構造
は、当業者によって容易に理解されるものであり、従っ
て、本明細書でその詳細を説明する必要はない。
本発明の装置は、分配される流体の重量を厳密に制御
することができるのが好ましく、例えば、与えられたチ
ップに関する目標値の±10パーセント以内にすることが
できる。分析計量器52を用いて、オーガバルブ25からの
流量を定期的に測定する。分配ニードル22のＸ−Ｙ平面
において速度が正確に制御され、これにより、所望重量
（所望量）のエポキシ接着剤を堆積させる。
バルブ25は、モータを用いて、オーガスクリュを回転
させ、一方、このオーガスクリュは、粘性流体又は粘性
物質を分配ニードル22に押し込む。オーガスクリュバル
ブのモータのトルクを測定することによって、流体の粘
度の表示を得ることができる。流体は、バルブ及びオー
ガスクリュの壁部に接触しているので、流体の粘度は、
抵抗トルクに影響を与える。このトルクを監視し、物質
の粘度がチップをアンダーフィルするには高くなり過ぎ
た（例えば、部分的な硬化によって）ことを表示するこ
とができる。モータコイルの逆起電力（“EMF"）を感知
することによってモータトルクを監視するために、バル
ブ制御回路27に組む込むことのできる回路は、周知であ
り、従って、本明細書で詳細に説明する必要はない。
オーガバルブ25は、焼き入れ鋼製のオーガスクリュを
有する回転型の容積式ポンプであるのが好ましく、使い
捨て型のニードル22と、自動清掃装置とを備えており、
この自動清掃装置は、バルブの取り外し及び分解を行う
必要性を排除する。一つの適宜なバルブは、本件出願の
譲受人であるAsymptotic Technologies,Inc.（カルフォ
ルニア州Carisbad）から商業的に入手可能なASYMTEK
（登録商標）Model No.DV−06である。本装置は、分配
作業の前に、バルブ25及びニードル22を動かし、これに
より、高さセンサ36がニードル先端の高さを自動的に決
定することができるようにする。装置は、次に、ニード
ル22をプライム／パージ・ステーション51aへ移動させ
る。
バルブ25は、直結型のモータを備えている。バルブ25
に作用する逆起電力（逆EMF）が、バルブ制御回路27に
よって、連続的に監視される。これにより、バルブを動
的に調節することができる。流体は、その粘度が変化す
るに連れて、モータを減速させる傾向を有している。バ
ルブ制御回路27は、逆EMFを測定することにより、モー
タへの電力を増大させて、１パーセント以内の一定のモ
ータ速度を維持し、これにより、実質的に一定の流体流
量を達成する。
本発明の装置は、PC基板16を３つの位置、すなわち、
（１）予熱ゾーン、（２）分配加熱ゾーン、及び、
（３）事後加熱ゾーンに定置するのが好ましい。コンベ
ア38は、種々のサイズのPC基板を受け入れるための、自
動幅調節機能を有している。薄い基板のための基板下側
のサポートレール（図示せず）をコンベア38に組み込む
ことができる。コンベア38の幅、速度及び停止時間は、
完全にプログラム可能である。
アンダーフィル・プロセスの反復的な成功は、PC基板
又は基板16、流体、及び、一般的な装置環境の正確な熱
管理に依存する。総てのゾーンにおける基板の加熱作業
は、２秒間の間に最高温度まで上昇することのできる超
急速IR加熱電球44を用いることにより、実行されるのが
好ましい。各々の加熱ゾーンは、各々の２つの電球を用
いる３つの加熱セクタから構成されるのが好ましい。こ
れらのゾーンは、対応する３つのIR熱電対によって監視
されるのが好ましい。各々の熱電対は、ほぼ１インチ
（約25.4mm）の直径を有するPC基板の下の領域の平均温
度を感知することができる。閉ループ型の基板温度制御
が、ソフトウエアで監視される熱センサ47によって実行
される。
本発明における温度制御は、１秒間当たり４℃を超え
るプログラム可能な勾配速度を達成することができる。
PC基板又は他の基板16は、下方から加熱されるので、PC
基板の頂部における温度勾配速度、並びに、頂部から底
部までの勾配は、基板の厚さ及び熱伝導率に依存する。
従って、約0.457mm（0.18インチ）の厚さを有するFR−
４基板の如き薄いPC基板に関しては、PC基板の頂部は、
約20秒間の間に最適に加熱され、一方、約1.02mm（0.04
0インチ）の厚さを有するFR−4PC基板の如きより厚い材
料は、より長い時間（すなわち、約40秒間）を要するこ
とになる。PC基板の分配された領域にわたって測定され
る温度の均一性は、±５℃であるのが好ましい。
エポキシ接着剤の熱管理は、２つの箇所、すなわち、
（１）バルブの内側、及び、（２）分配点において、エ
ポキシ接着剤の温度を制御する工程を含む。バルブ25の
中の粘性流体は、周囲温度近くに維持されなければなら
ず、通常は、27℃に維持される。これは、バルブ25を包
囲する金属製の熱シールド48と、ニードル22の下端部を
除いて該ニードルを総て包囲するフェノール樹脂製の熱
シールド60と、ファン49を介してバルブの周囲を冷却す
る層流とを用いることによって、部分的に行われる。上
記層流は、装置の全体的な環境を冷却する役割も果た
す。分配点（ニードル22）における粘性流体は、上述の
閉ループ型フィードバックを有するヒートシンクによっ
て、加熱又は冷却される。
分配される流体の質量を正確に且つ一定して制御する
ことが、アンダーフィル・プロセスを最適に実行するた
めに重要なことである。流体が多すぎると、流体はチッ
プ10の上部まで延在する（オーバートップ）ことにな
り、また、流体が不十分な場合には、不完全なアンダー
フィルが生ずることになる。液体エポキシは比較的短い
ポットライフを有しているので、分配作業及びアンダー
フィル作業は更に煩雑になる。液体エポキシの粘度は、
部分的な硬化のために、４時間の間に100パーセント程
度増大することがある。正確な分配作業を確実に行うた
めに、本発明の装置は、２つの特徴、すなわち、質量流
量校正特性（計量器52及び計量器回路54）、精密な容積
式ポンプ（オーガバルブ25）を備えている。
上記質量流量校正計量器52は、プライム／パージ・ス
テーション51aの次に設けるのが好ましい。上記計量器
は、所定の時間間隔にわたって分配される可変量の粘性
流体を計量し、±1/2ミリグラムの精度を有している。
サンプルを計量した後に、分配パラメータを調節して、
分配パターンを実行するに必要な時間にわたって所望量
の流体を分配する。上記重量は、粘度の変化と共に変化
する。従って、上記流量を、ユーザが指定したインター
バル（時間間隔）で自動的に測定して、ニードル22のＸ
−Ｙ方向の速度、及び／又は、バルブ25の速度を調節
し、これにより、粘度の変化を補償する。
アンダーフィル作業において、ニードル22は、所定の
パターンに沿って粘性物質を分配し、例えば、チップ10
の２つの側部に沿うＬ字型のフィレットを形成する。毛
細管作用が、粘性流体をチップの下に吸引する。接着剤
がチップを完全にアンダーフィルする適正な停止時間の
後に、チップの両側部を少量の流体でペリメータフィル
（周辺充填）するのが好ましい。
システムコンピュータ30は、信頼性のある自動整合を
実行することができる。アンダーフィル・プロセスは、
チップ10を正確に定置するための追加のビジョン機能、
及び、プロセス制御、並びに、正確な分配作業を必要と
する。この作業は、チップの裏側の色及び反射率により
大きく変動し、また、PC基板によっては構成要素の外観
がソルダマスクに類似しているので、煩雑になる。チッ
プ10をPC基板16から識別するために、特殊な照明（図示
せず）を本発明の装置に導入して、視覚的なコントラス
トを高めることができる。
本発明の分配装置及び分配方法の好ましい実施例を上
に説明したが、当業者がそのような実施例の変更例及び
適応例を着想することができることを理解する必要があ
る。例えば、本発明の分配装置は、PC基板及び基板以外
の電子産業で使用される他の被加工物に関連して利用す
ることができる。従って、本発明の保護範囲は、以下の
請求の範囲の記載によってのみ限定されるべきである。
フロントページの続き (72)発明者 ラ，デュオン，ティー. アメリカ合衆国．92128 カリフォルニ ア，サンディエゴ，リンカーンシャー ストリート 18358 (72)発明者 ガメリン，アンドレ，エス. アメリカ合衆国．92083 カリフォルニ ア，ヴィスタ，メルローズ ウェイ 1218 (72)発明者 ルイス，アラン，アール. アメリカ合衆国．92008 カリフォルニ ア，カールスバッド，チェスナット ア ヴェニュー 1634 (72)発明者 マイアー，マーク，エス. アメリカ合衆国．92024 カリフォルニ ア，エンシニタス，ジタノ ストリート 1634 (72)発明者 バビアーツ，アレク，ジェー. アメリカ合衆国．92024 カリフォルニ ア，ロイカディア，バーガンディ ロー ド 1544 (56)参考文献 特開 昭63−299191（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−170301（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−303571（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−283478（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−29334（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−244257（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−141240（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−31076（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B05C 5/02,9/12 B05D 1/26 B05D 7/00 H01L 21/56

Claims (33)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】粘性物質を基板上に分配する装置であっ
    て、 分配要素と、 粘性物質リザーバと、 前記リザーバと前記分配要素との間に接続されていて前
    記分配要素を通る可変量の粘性物質を計量するための計
    量装置と、 前記分配要素を基板の表面付近で所定のパターンに沿っ
    て動かすためのポジショナ手段と、 前記基板付近に設けられており、計量された量の前記粘
    性物質を受け取って、所定の時間間隔の間に分配される
    前記物質の重量を表す信号を発生する計量器と、 前記計量器からの前記信号に基づいて流量を計算すると
    共に、前記所定パターンに沿う前記ポジショナ手段の移
    動速度を調節し、前記計算された流量に基づいて所望量
    の前記粘性物質を前記分配要素に排出させる制御手段
    と、 前記基板を実質的に一定の所定温度に維持するための非
    接触型のヒータ手段を備えることを特徴とする装置。
  2. 【請求項２】前記分配要素に接続されており、前記分配
    要素を通して供給される前記粘性物質の温度を実質的に
    一定の任意の温度に維持するための手段を備えることを
    特徴とする請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】前記基板の付近に設けられるプライム／パ
    ージ手段を備え、前記プライム／パージ手段は、前記分
    配要素を収容すると共に、前記分配要素を通して粘性物
    質を吸引し、前記分配要素および前記計量装置の中の気
    泡を除去することを特徴とする請求項１記載の装置。
  4. 【請求項４】前記基板の画像を生成すると共に前記画像
    を表すビデオ信号を発生するカメラと、前記カメラに接
    続されたビジョン回路と、前記ビジョン回路と前記ポジ
    ショナ手段との間に接続されていて、前記ビデオ信号に
    基づいて前記基板上に物体を配置すると共に前記物体付
    近において所定のパターンに沿って前記分配要素を動か
    す制御手段とを備えることを特徴とする請求項１記載の
    装置。
  5. 【請求項５】前記基板を所定経路に沿って動かすための
    コンベアを備えることを特徴とする請求項１記載の装
    置。
  6. 【請求項６】前記分配要素はニードルであり、前記計量
    装置はモータ駆動式の容積ポンプであり、前記リザーバ
    なシリンジであることを特徴とする請求項１記載の装
    置。
  7. 【請求項７】前記分配要素が前記基板の表面から所定距
    離にある時点を決定する高さ感知手段を備えることを特
    徴とする請求項１記載の装置。
  8. 【請求項８】粘性物質を基板上に分配する装置であっ
    て、 分配要素と、 粘性物質リザーバと、 前記リザーバと前記分配要素との間に接続されていて前
    記分配要素を通る可変量の粘性物質を計量するための計
    量装置と、 前記分配要素を基板の表面付近で所定のパターンに沿っ
    て動かすためのポジショナ手段と、 前記基板付近に設けられており、計量された量の前記粘
    性物質を受け取って、所定の時間間隔の間に分配される
    前記物質の重量を表す信号を発生する計量器と、 前記計量器からの前記信号に基づいて流量を計算すると
    共に、前記所定パターンに沿う前記ポジショナ手段の移
    動速度を調節し、前記計算された流量に基づいて所望量
    の前記粘性物質を前記分配要素に排出させる制御手段
    と、 前記分配要素を通る所定の空気流を維持するためのファ
    ンおよびファン制御装置とを備えることを特徴とする装
    置。
  9. 【請求項９】前記粘性物質リザーバに接続されていて前
    記リザーバから前記計量装置へ粘性物質を搬送するため
    の圧縮ガス源を備えることを特徴とする請求項１記載の
    装置。
  10. 【請求項１０】粘性物質を基板上に分配する装置であっ
    て、 分配要素と、 粘性物質リザーバと、 前記リザーバと前記分配要素との間に接続されていて前
    記分配要素を通る可変量の粘性物質を計量するための計
    量装置と、 前記分配要素を基板の表面付近で所定のパターンに沿っ
    て動かすためのポジショナ手段と、 前記基板付近に設けられており、計量された量の前記粘
    性物質を受け取って、所定の時間間隔の間に分配される
    前記物質の重量を表す信号を発生する計量器と、 前記計量装置の排出速度を調節して、前記分配要素に、
    前記所定パターンに沿って所望量の前記物質を分配させ
    る制御手段と、 前記基板を実質的に一定の所定温度に維持するための非
    接触型のヒータ手段を備えることを特徴とする装置。
  11. 【請求項１１】前記分配要素に接続されており、前記分
    配要素を通して供給される前記粘性物質の温度を実質的
    に一定の任意の温度に維持するための手段を備えること
    を特徴とする請求項10記載の装置。
  12. 【請求項１２】前記基板の付近に設けられるプライム／
    パージ手段を備え、前記プライム／パージ手段は、前記
    分配要素を収容すると共に、前記分配要素を通して粘性
    物質を吸引し、前記分配要素および前記計量装置の中の
    気泡を除去することを特徴とする請求項10記載の装置。
  13. 【請求項１３】前記基板の画像を生成すると共に前記画
    像を表すビデオ信号を発生するカメラと、前記カメラに
    接続されたビジョン回路と、前記ビジョン回路と前記ポ
    ジショナ手段との間に接続されていて、前記ビデオ信号
    に基づいて前記基板上に物体を配置すると共に前記物体
    付近において所定のパターンに沿って前記分配要素を動
    かす制御手段とを備えることを特徴とする請求項10記載
    の装置。
  14. 【請求項１４】前記基板を所定経路に沿って動かすため
    のコンベアを備えることを特徴とする請求項10記載の装
    置。
  15. 【請求項１５】前記分配要素はニードルであり、前記計
    量装置はモータ駆動式の容積ポンプであり、前記リザー
    バはシリンジであることを特徴とする請求項10記載の装
    置。
  16. 【請求項１６】前記分配要素が前記基板の表面から所定
    距離にある時点を決定する高さ感知手段を備えることを
    特徴とする請求項10記載の装置。
  17. 【請求項１７】前記分配要素を通る所定の空気流を維持
    するためのファンおよびファン制御装置を備えることを
    特徴とする請求項10記載の装置。
  18. 【請求項１８】前記計量装置は直結型のモータを有する
    容積式ポンプを備えており、前記装置は、さらに前記モ
    ータの逆起電力を検知して前記粘性物質の粘度変化を補
    償するためのバルブ制御回路を備えることを特徴とする
    請求項10記載の装置。
  19. 【請求項１９】粘性物質を基板上に分配する装置であっ
    て、 分配要素と、 粘性物質リザーバと、 前記リザーバと前記分配要素との間に接続されていて前
    記分配要素を通る可変量の粘性物質を計量するための計
    量装置と、 前記分配要素及び前記計量装置を基板の表面付近で所定
    のパターンに沿って動かすためのポジショナ手段と、 前記分配要素に接続されていて、前記分配要素を通して
    供給される前記粘性物質の温度を実質的に一定の第１の
    所定温度に維持するための閉ループ型の第１の温度制御
    手段と、 前記基板を実質的に一定の第２の所定温度に維持するた
    めの閉ループ型の第２の温度制御手段と、 前記所定のパターンに沿う前記ポジショナ手段の移動速
    度及び移動方向を調節し、前記計量装置を実質的に一定
    の所定速度で作動させたときに、所定量の前記物質を前
    記分配要素に分配させるための運動制御手段とを備える
    ことを特徴とする装置。
  20. 【請求項２０】前記分配要素はニードルを備え、前記閉
    ループ型の第１の温度制御手段は、前記ニードルを包囲
    するヒートシンクと、前記ヒートシンクに設けられたヒ
    ータ要素と、前記ヒートシンクに設けられた熱センサ
    と、前記ヒータ要素及び前記ヒートシンクに接続された
    ヒータ制御回路とを備えることを特徴とする請求項19記
    載の装置。
  21. 【請求項２１】前記閉ループ型の第２の温度制御手段
    は、前記基板を放射加熱するように取り付けられた複数
    の赤外線発光電球と、前記電球を作動させるように前記
    電球に接続された基板ヒータ制御回路とを備えることを
    特徴とする請求項19記載の装置。
  22. 【請求項２２】前記基板付近に設けられた計量器を備
    え、前記計量器は、可変量の前記粘性物質を受け取って
    所定時間間隔の間に分配される前記物質の重量を表す信
    号を発生することを特徴とする請求項19記載の装置。
  23. 【請求項２３】前記計量器及び前記運動制御手段に接続
    されたシステムコンピュータを備え、前記システムコン
    ピュータは前記所定パターンに沿う前記ポジショナ手段
    の移動速度を調節し、前記所定時間間隔の間に分配され
    る前記物質の重量を表す前記信号から計算された流量に
    基づいて、所望量の前記物質を前記分配要素に分配させ
    ることを特徴とする請求項22記載の装置。
  24. 【請求項２４】前記計量装置の排出速度を調節し、前記
    所定パターンに沿って所望量の前記物質を前記分配要素
    に分配させるバルブ制御手段を備え屡ｋとを特徴とする
    請求項19記載の装置。
  25. 【請求項２５】前記基板の付近に設けられるプライム／
    パージ手段を備え、前記プライム／パージ手段は、前記
    分配要素を収容すると共に、前記分配要素を通して粘性
    物質を吸引し、前記分配要素および前記計量装置の中の
    気泡を除去することを特徴とする請求項19記載の装置。
  26. 【請求項２６】前記基板の画像を生成すると共に前記画
    像を表すビデオ信号を発生するカメラと、前記カメラに
    接続されたビジョン回路と、前記ビジョン回路に接続さ
    れたシステムコンピュータとを備え、前記システムコン
    ピュータは前記ビデオ信号に基づいて前記基板上の物体
    を特定すると共に前記運動制御手段を介して前記ポジシ
    ョナ手段に命令を与え、これにより前記分配要素を前記
    物体付近において所定のパターンに沿って前記分配要素
    を動かすことを特徴とする請求項19記載の装置。
  27. 【請求項２７】前記計量装置は直結型のモータを有する
    容積式ポンプを備えており、前記装置は、さらに前記モ
    ータの逆起電力を検知して前記粘性物質の粘度変化を補
    償するためのバルブ制御回路を備えることを特徴とする
    請求項19記載の装置。
  28. 【請求項２８】前記分配要素付近に設けられた熱シール
    ドを備え、前記熱シールドは前記閉ループ型の第２の温
    度制御手段から熱を偏向させるように構成されることを
    特徴とする請求項19記載の装置。
  29. 【請求項２９】半導体フリップチップと基板との間のス
    ペースをアンダーフィルして、複数のソルダバンプ及び
    ソルダパッドを液状粘性物質を完全にカプセル封入する
    方法であって、 容積式ポンプに接続されたリザーバから、前記ポンプに
    接続された分配要素を通して可変量の粘性物質を供給す
    る工程と、 前記分配要素を実質的に一定の第１の温度に維持する工
    程と、 前記基板を実質的に一定の第２の温度に維持する工程
    と、 所定時間間隔の間に前記分配要素を通して計量器に分配
    される第１の可変量の粘性物質を計量して、前記第１の
    可変量の粘性物質の重量を測定する工程と、 前記所定時間間隔及び前記測定された重量に基づいて、
    所定流量を計算する工程と、 前記基板に取り付けられた前記フリップチップの少なく
    とも１つの側縁部に沿って前記分配要素を動かし、前記
    計算された流量に基づき、前記複数のソルダバンプ及び
    ソルダパッドを完全にカプセル封入するに十分であり且
    つ前記チップの上側にオーバーフローすることのない第
    ２の所望量の粘性物質を分配する工程とを備えることを
    特徴とする方法。
  30. 【請求項３０】前記容積式ポンプの供給速度を実質的に
    一定に維持しながら、前記チップに対する前記分配要素
    の移動速度を制御することによって、前記第２の所望量
    の粘性物質を分配することを特徴とする請求項29記載の
    方法。
  31. 【請求項３１】前記チップに対する前記分配要素の移動
    速度を実質的に一定に維持しながら、前記容積式ポンプ
    の速度を調節することによって、前記第２の所望の粘性
    物質を分配することを特徴とする請求項29記載の方法。
  32. 【請求項３２】前記第１の可変量の粘性物質を定期的に
    分配し且つ計量して前記流量を再計算し、また、前記粘
    性物質の粘度の変動を考慮して前記分配要素の前記移動
    速度を調節して、前記第２の所望量の粘性物質が反復的
    に確実に分配されるようにすることを特徴とする請求項
    29記載の方法。
  33. 【請求項３３】前記第１の可変量の粘性物質を定期的に
    分配し且つ計量して前記流量を再計算し、また、前記容
    積式ポンプの速度を調節して、前記第２の所望量の粘性
    物質が反復的に確実に分配されるようにすることを特徴
    とする請求項29記載の方法。
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