JP4223159B2

JP4223159B2 - 電子部品実装装置

Info

Publication number: JP4223159B2
Application number: JP26507099A
Authority: JP
Inventors: 陽塩見; 健二岡本
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-09-20
Filing date: 1999-09-20
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2019-09-20
Also published as: JP2001094245A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波の振動エネルギーを利用して、ＩＣチップ等の電子部品をプリント配線基板に実装する電子部品実装装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体電子部品は狭ピッチ化、多電極化の傾向にあり、そのため、ＩＣチップ部品のように半導体電子部品の電極にバンプを形成し、超音波の振動エネルギーを利用して、直接、プリント配線基板に実装する方式が実用化されてきた。それに伴って、携帯型の電話やパーソナルコンピューターも、さらに、小型軽量化が可能となった。しかし、狭ピッチ電極での接合は高精度の実装設備が必要であり、さらに、接合時に不良が発生すると不良箇所を修正することが不可能で、不良品は廃棄しなければならなかった。
【０００３】
従来の技術として、特開平７−１４２５４５号公報に記載されている「フリップチップ部品の実装装置」では、赤外線撮像手段によって、フリップチップＩＣを実装する前後にバンプの状態や接合状態を確認し、良否判定に従って不良品を取り除き、良品のみを次工程に進める実装方法である。この方法は、ヒーター付きノズルで吸着されたフリップチップＩＣをプリント配線基板の所定の位置に移動させて実装し、その直後に下面から赤外線カメラで撮像し、画像データから基板の接合部のみを抽出して、接合部の位置ずれや接合面積を計算し、予め設定された許容値と比較することによって実装状態の良否を判定するものであった。
【０００４】
また、特開平１０−７５０９６号公報に記載されている「フリップチップ部品の実装装置」では、ＣＣＤカメラを用いて、フリップチップＩＣをプリント配線基板に接合する直前に、バンプやバンプ頂頭部の導電性接着剤の量や形状を計測することによって電極の状態の良否を判定し、良品のみをプリント配線基板に接合する方法である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記の従来の技術において、赤外線カメラやＣＣＤカメラを用いてＩＣチップのバンプなど電極形状を抽出し、画像処理する方法では、接合状態を電極の形状や面積などの外観上でしか良否判定できなかった。形状や面積などの外観上の検査では、本当に接合されているか否かは正確に判定できないという問題があった。
【０００６】
また、従来の技術では、仮に、形状で不良を検出できたとしても、それを何らかの手を加えて良品にすることは不可能であり、歩留まりを向上できないという問題があった。
【０００７】
本発明は、前記従来の問題に鑑みなされたもので、接合の良否をより正確に判定できる電子部品実装装置の提供を第１の目的とし、不良品が発生するおそれがあるときは、それを良品にすることができる電子部品実装装置の提供を第２の目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記第１の目的を達成するために、本発明の電子部品実装装置は、保持部材により電子部品を保持し、これをプリント配線基板の所定位置に圧接し、超音波振動により電極バンプを溶融させて前記電子部品の電極とプリント配線基板のランドを接合する電子部品実装装置において、前記超音波インピーダンス測定手段と、前記保持部材の変位量測定手段と、前記保持部材の圧力測定手段と、前記三者の測定手段により測定されたデータとこれらに対応する基準データとを比較して接合中の状態の良否を判定する手段と、前記電極バンプ温度計測手段と、前記電極バンプの測定温度データとこれの基準データとを比較して接合温度の良否を判断する手段とを有する。
【０００９】
このように、本発明の電子部品実装装置では、接合中の状態の良否の判定および接合温度の良否の判定の２つの判定を行うことにより、従来の手法よりさらに正確に接合の良否を判定することが可能となる。前記三者の測定手段により測定されたデータと比較する基準データは、良品製造時のデータ（良品データ）が好ましく、また電極バンプ温度の基準データは、電極バンプの許容温度であることが好ましい。
【００１０】
本発明の装置において、前記接合中の状態の良否判定手段および前記接合温度良否判定手段により接合の良否を判定する手段と、前記判定結果を表示する手段と、前記判定手段により接合不良と判定した場合に装置を停止させ、その時の測定データを記憶しかつ前記表示手段に表示する手段とを備えることが好ましい。
【００１１】
前記第２の目的を達成するために、本発明の装置において、さらに、前記接合中の状態の良否判定手段および前記接合温度良否判定手段により、接合中の状態が悪化したと判定された場合、保持部材圧力および超音波発振の条件を調整して接合状態を良好にする制御手段を有することが好ましい。これによれば、不良品の発生を未然に防止することができ、歩留まりを向上できる。
【００１２】
本発明の装置において、前記接合中の状態の良否を判定する手段は、測定データを記憶する第一の記憶手段と、基準データを記憶する第二の記憶手段と、前記第一および第二の記憶手段に記憶された両データを比較する手段とを有することが好ましい。
【００１３】
本発明の装置において、前記超音波インピーダンス測定手段は、接合中の超音波インピーダンス信号出力手段と、前記出力手段から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段を有することが好ましい。
【００１４】
本発明の装置において、前記電極バンプ温度計測手段は、電極バンプを赤外線カメラで撮像し、撮像された信号を画像処理して電極バンプの温度を計測する手段であることが好ましい。
【００１５】
本発明の装置において、さらに、前記保持部材のプリント配線基板に対する圧力を制御する手段を有することが好ましい。
【００１６】
本発明の装置において、前記超音波インピーダンス測定データ、前記保持部材変位量測定データおよび前記保持部材圧力測定データおよびこれらに対応する基準データは、波形データであることが好ましい。
【００１７】
本発明の装置において、前記保持部材は、ノズルであり、この先端に電子部品を吸着して保持することが好ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明の電子部品実装装置の例を、図面に基づき説明する。
【００１９】
（実施形態１）
まず、図７に本発明の電子部品実装装置の一例の概略構成を示す。同図において、３０は、超音波ホーンとボイスコイルモータ（以下「ＶＣＭ」という）を搭載したヘッド部である。３１は、Ｘ軸ロボットであり、ヘッド部３０を水平方向に移動させる。３２は、Ｙ軸ロボットであり、位置合わせ用のＣＣＤカメラ３３とボンディングステージ３４を垂直方向に移動させる。３５は、プリント配線基板３７を供給する供給リールである。プリント配線基板３７にＩＣチップが実装されると再びテープに格納されて巻き取りリール３６に収納される。３８は、複数枚のウエハが格納されているマガジンリフタ部である。ＩＣチップの供給は、マガジンリフタ部３８から、一枚のウエハをウエハ突き上げユニット３９に供給し、反転ツール４０によってＩＣチップをピックアップして、ヘッド部３０のノズルにわたす。ノズルに吸着されたＩＣチップは、ＶＣＭによって降下し、ボンディングステージ３４にセットされたプリント配線基板上の所定位置に配置され、ここで超音波振動によって電極バンプが溶融して接合される。
【００２０】
つぎに、図１は、この装置のヘッド部制御の概略構成を示す図である。同図において、１はＶＣＭであり、２はＩＣチップ１５を吸着するノズルである。３は超音波ホーンであり、プリント配線基板１８の上にＩＣチップが配置されると超音波振動を発生して両者を接合する。４はＶＣＭの内部に取り付けられているリニアセンサであり、ＶＣＭ１の上下方向の移動時の現在位置を計測するためのものである。５はＶＣＭ１のドライバーであり、これは位置、速度、電流のフィードバック制御を実行する。６は超音波発振器である。７はＡ／Ｄ変換器であり、インピーダンス信号２６、電流信号２２もしくは現在位置信号２３の各アナログ信号をデジタル信号に変換する。８は先入れ先出しメモリ（以下「ＦＩＦＯ」という）であり、Ａ／Ｄ変換器７で逐次変換されたデジタル信号を一時的に格納する。２７は電子部品の電極バンプを撮像する赤外線カメラであり、２８の温度計測器により赤外線カメラ２７で撮像された信号を画像処理し電極バンプの温度の計測結果をＣＰＵ９へ転送する。１０は、良品の波形データおよびバンプの許容温度が格納されているメモリ１であり、１１は接合不良検出時に波形データおよびバンプ温度を格納するメモリ２である。なお、超音波接合の良否判定にはバンプ温度の監視が重要であるため、赤外線カメラ２７を使用した。
【００２１】
つぎに、この装置によるプリント配線基板への電子部品の実装例について、図１〜図５に基づき説明する。
【００２２】
まず、図１において、ＩＣチップ１５を吸着したノズル２は、ＶＣＭ１によってプリント配線基板１６の上面にまで下降する。ＩＣチップ１５がプリント配線基板１６に接触した時点で、ＶＣＭドライバーは、ＣＰＵ９からの指令信号２１によって電流制御方式に切り替えて、ＶＣＭ１のコイルに流す電流を一定にすることにより、予め設定された圧力の制御を実行する。同時に、ＣＰＵ９は超音波発振信号２４をＯＮにし、接合を開始する。超音波発振器６は、超音波ホーン３に６０ｋＨｚ〜７０ｋＨｚのｓｉｎ波の電圧を加えることにより、ノズル先端に吸着されたＩＣチップ１５を振動させることができる。また、超音波発信器６は発振中に超音波ホーン３からフィードバックされる電流と上記ｓｉｎ波の電圧からインピーダンスを求めて、超音波インピーダンス信号２６を出力する。接合中、Ａ／Ｄ変換器により、インピーダンス信号２６、電流信号２２もしくは現在位置信号２３をデジタル信号に変換し、逐次、ＦＩＦＯに格納する。また、赤外線カメラ２７からインタフェース２８を介してバンプの温度分布を撮像したデータを転送する。ＣＰＵ９は、図２もしくは図３に示す各波形データおよび図４に示す電極バンプ温度データを得ることができる。
【００２３】
図２は、接合中の良好な状態の各波形データである。同図において、（ａ）は接合時間ｔと超音波インピーダンスとの関係を示す波形データであり、（ｂ）は接合時間ｔとＶＣＭのコイルに流れる電流との関係を示す波形データであり、（ｃ）は接合時間ｔとノズルの下降移動量との関係を示す波形データである。同図（ａ）に示すように、ＩＣチップがプリント配線基板に接触し、超音波振動を与えると、初めは接合していないため負荷が軽くインピーダンスも小さいが、しだいに接合してくると負荷が重くなり、インピーダンスも大きくなる。一定時間が経過するとインピーダンスも変化しなくなる。同図（ｂ）に示すように、ＶＣＭのコイルに流れる電流は、接合開始時は小さく、その後徐々に大きくなる。また、この指令が、ＶＣＭドライバにＣＰＵから出力される。同図（Ｃ）に示すように、ノズルの下降移動量（Ｃ）は、接合中は徐々に下降し、接合が完了すればそれ以上の下降はなく一定になる。
【００２４】
図３は、接合中の不良な状態の各波形データである。同図（ａ）に示すように、超音波インピーダンス波形では、初めは、接合していないため負荷が軽くインピーダンスも小さいが、時間が経過しても、インピーダンスは変化し続け、接合不良となる。また、同図（ｂ）に示すように、ＶＣＭのコイルに流れる電流波形において、指令値に対して突発的な波形（異常ピーク）が観測されると、ＩＣチップの電極が何らかの原因でつぶれた可能性があり、接合不良となる。同図（ｃ）に示すように、ノズルの下降移動量の波形では、接合中は徐々に下降しているが、接合が完了しても、設定された移動量よりも小さいため接合不良となる。
【００２５】
図４は、接合中の赤外線カメラで撮像したバンプ温度の状態を示している。接合中、バンプ１７は超音波によりプリント配線基板１６上のランド１８との間に摩擦熱が発生して溶融する。この時にバンプ温度がバンプ１７とプリント配線基板１６上のランド１８との間で金属同士が結晶化する温度（以下「金属間再結晶温度」という）以上であればバンプは接合される。しかし、バンプ温度が金属間再結晶温度以下であればバンプ１７は接合不良となる。
【００２６】
つぎに、この装置における制御の一例を、図５のフローチャートを主とし、随時図１〜４を参照しながら説明する。
【００２７】
接合を開始すると、ＣＰＵ９は、ＶＣＭの制御方式を、位置フィードバック制御から電流フィードバック制御に切り替えて（ステップ♯１）、超音波発振器をＯＮにして超音波ホーン３を発振させる（ステップ♯２）。そして、接合時間が予め設定されたｔ［ｍｓ］になるまで、ステップ♯４からステップ♯７までの処理を実行する。接合時間がｔ［ｍｓ］を経過している場合は、次の工程に進む。
【００２８】
ステップ♯４で、Ａ／Ｄ変換データをＦＩＦＯに格納する。ステップ♯５は、ＦＩＦＯに格納された各波形データのノイズ成分を除去するためにフィルタリング処理を実行する。ステップ♯６で、メモリ１（１０）に格納されている良品波形データと比較して、その差の絶対値が、予め設定されている許容値以上であれば、接合不良とみなしてステップ♯９に進み、装置を停止させる。また、ステップ♯６で許容値を超えない場合は、ステップ♯７に進み、ここで、赤外線カメラで撮像された電子部品の画像処理を行い、バンプ温度を測定する。そして、ステップ♯８で、メモリ１（１０）に格納されているバンプの許容温度と比較して、その差が、予め設定されている許容値以上であれば接合不良とみなし、ステップ♯９に進んで装置を停止させる。ステップ♯９で装置を停止させた場合は、不良波形データおよびバンプ温度をメモリ２（１１）に格納し（ステップ♯１０）、波形データおよびバンプ温度をディスプレイに表示する（ステップ♯１１）。また、ステップ♯１１で、停止ブザーおよび停止ランプがＯＮになり、作業者に接合不良が発生したことを通知する。
【００２９】
また、許容温度の比較において（ステップ♯８）、許容値を超えない場合はステップ♯３に戻り、接合時間がｔ［ｍｓ］を経過したかが再度判断され、経過している場合は、次の工程に進む。
【００３０】
このような、一連の制御により、接合品質を向上させることが可能となる。
【００３１】
（実施形態２）
つぎに、接合中に不良を検出した場合、これを修復する装置の例について、図６のフローチャートを主とし、図１から図４を随時参照して説明する。この装置の制御等において、接合中の不良を検出する制御等は、実施形態１の装置と同様である。また、図６において、図５と同じステップは、同じ番号を付している。
【００３２】
この装置において、接合中に、ステップ♯１３でインピーダンス波形について測定波形と良品波形とを比較し、その絶対値が予め設定された許容値を超える場合、ステップ♯１６に進む。ステップ♯１６では、超音波出力電圧を大きく又は小さくして接合条件を変更することにより、不良になりつつある接合状態を良好状態にする。
【００３３】
ステップ♯１３での比較において、許容値を超えない場合は、ステップ♯１４に進み、ここでＶＣＭ電流波形について、測定波形と良品波形とを比較し、その絶対値が許容値を超える場合は、ステップ♯１８に進む。ステップ♯１８では、ＶＣＭに流す電流条件を変更することにより、不良になりつつある接合状態を良好状態にする。
【００３４】
ステップ♯１４の比較において、許容値を超えない場合は、ステップ♯１５に進み、ここでノズル位置の測定波形と良品波形とを比較し、その絶対値が許容値を超える場合は、ステップ♯１９に進む。ステップ♯１９で、電流指令値変更を行い、不良になりつつある接合状態を良好な状態にする。
【００３５】
ステップ♯１５の比較において、許容値を超えない場合は、ステップ♯７に進んでバンプ温度を計測し、さらにステップ♯８に進んでバンプ温度の測定値と許容値とを比較する。その結果、許容値を超える場合は、ステップ♯１９に進み、ここで超音波出力電圧を変更し、不良になりつつある接合状態を良好な状態にする。ステップ♯８で、許容値を超えないと判断した場合は、ステップ♯３に戻る。
【００３６】
前記ステップ♯１６、ステップ♯１８およびステップ♯１９において、各種条件の変更を行った後、一連の処理回数を加算する（ｎ＝ｎ＋１）。そして、ステップ♯２０で、処理回数（ｎ）をカウントし、ｎが予め設定されたカウント（ｃｏｕｎｔ）値よりも大きくなった場合（＞）は、修復不能と判断して、ステップ♯１０およびステップ♯１１に進み、不良波形データおよびバンプ温度をメモリ２に格納し、これらをディスプレイに表示するとともに、装置を停止し、停止ブザーおよび停止ランプをＯＮにする。また、処理回数（ｎ）が予め設定されたカウント値以下（＜＝）であれば、再度、ステップ♯３に戻る。
【００３７】
このような制御を行うことにより、この装置では、不良になりつつある接合状態を良好な状態にし、歩留まりを向上させる。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように、本発明の電子部品実装装置では、ＩＣチップ等の電子部品とプリント配線基板のランドの接合中に、超音波インピーダンスと、保持部材の変位量と、保持部材の圧力と、バンプ温度とを測定し、これらの測定データと、これらに対応する基準データとを比較し、接合中の状態の良否および接合温度の良否を判断することにより、不良品を除去し、良品のみを次工程に進ませる。したがって、本発明の装置は、接合不良を減少できる。また、本発明の装置において、接合中において、接合状態が悪化したときに、接合条件を適宜変更すれば、不良品の発生を未然に防止でき、歩留まりを向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電子部品実装装置の一実施例におけるヘッド部の制御構成を示す構成図である。
【図２】（ａ）は良好な接合状態におけるインピーダンス波形の一例であり、（ｂ）は良好な接合状態におけるＶＣＭ電流波形の一例であり、（ｃ）は良好な接合状態におけるノズル位置波形の一例である。
【図３】（ａ）は不良な接合状態におけるインピーダンス波形の一例であり、（ｂ）は不良な接合状態におけるＶＣＭ電流波形の一例であり、（ｃ）は不良な接合状態におけるノズル位置波形の一例である。
【図４】バンプ温度状態の一例を示す説明図である。
【図５】前記実施例における制御手順を示すフローチャートである。
【図６】本発明の電子部品実装装置のその他の実施例における制御手順を示すフローチャートである。
【図７】本発明の電子部品実装装置のさらにその他の実施例の概略構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
２ノズル
１５ＩＣチップ
１６プリント配線基板
１７電極バンプ
１８ランド

Claims

保持部材により電子部品を保持し、これをプリント配線基板の所定位置に圧接し、超音波振動により電極バンプを溶融させて前記電子部品の電極とプリント配線基板のランドを接合する電子部品実装装置において、前記超音波インピーダンス測定手段と、前記保持部材の変位量測定手段と、前記保持部材の圧力測定手段と、前記超音波インピーダンス測定手段により測定されたデータとそれに対応する基準データとを比較し、かつ、前記保持部材の変位量測定手段により測定されたデータとそれに対応する基準データとを比較し、かつ、前記保持部材の圧力測定手段により測定されたデータとそれに対応する基準データとを比較して接合中の状態の良否を判定する手段と、前記電極バンプ温度計測手段と、前記電極バンプの測定温度データとこれの基準データとを比較して接合温度の良否を判断する手段とを有する電子部品実装装置。
接合中の状態の良否判定手段および接合温度良否判定手段により接合の良否を判定する手段と、前記判定結果を表示する手段と、前記判定手段により接合不良と判定した場合に装置を停止させ、その時の測定データを記憶しかつ前記表示手段に表示する手段とを備える請求項１に記載の電子部品実装装置。
接合中の状態の良否判定手段および接合温度良否判定手段により、接合中の状態が悪化したと判定された場合、保持部材圧力および超音波発振の条件を調整して接合中の状態を良好にする制御手段を有する請求項１または２に記載の電子部品実装装置。
接合中の状態の良否を判定する手段が、測定データを記憶する第一の記憶手段と、基準データを記憶する第二の記憶手段と、前記第一および第二の記憶手段に記憶された両データを比較する手段とを有する請求項１〜３のいずれか一項に記載の電子部品実装装置。
超音波インピーダンス測定手段が、接合中の超音波インピーダンス信号出力手段と、前記出力手段から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段とを有する請求項１〜４のいずれか一項に記載の電子部品実装装置。
電極バンプ温度計測手段が、電極バンプを赤外線カメラで撮像し、撮像された信号を画像処理して電極バンプの温度を計測する手段である請求項１〜５のいずれか一項に記載の電子部品実装装置。
保持部材のプリント配線基板に対する圧力を制御する手段を有する請求項１〜６のいずれか一項に記載の電子部品実装装置。
超音波インピーダンス測定データ、保持部材変位量測定データおよび保持部材圧力測定データおよびこれらに対応する基準データが、波形データである請求項１〜７のいずれか一項に記載の電子部品実装装置。
保持部材が、ノズルであり、この先端に電子部品を吸着して保持する請求項１〜８のいずれか一項に記載の電子部品実装装置。