JP4957193B2 - Thermocompression bonding apparatus and thermocompression bonding method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱圧着装置および熱圧着方法に関するものである。 The present invention relates to a thermocompression bonding apparatus and a thermocompression bonding method.
半田バンプが形成されたフリップチップの実装に際しては、基板に対するフリップチップの実装高さを調整してフリップチップと基板との間に適切なクリアランスを形成することで、ブリッジやオープン等の半田接合不良を回避することが重要な課題である。従来の実装装置では、熱圧着ツールに保持したフリップチップを加熱しながら基板に対して押圧し、溶融した半田でフリップチップと基板を接合させる方法が広く用いられている。実装装置には半田バンプにかかる荷重を検出する荷重検出手段が設けられ、荷重の急激な減少により半田バンプが溶融したことを検出すると、熱圧着ツールを上昇させた後に加熱を中断し、半田が自然冷却されて徐々に固化する過程で熱圧着ツールの高さを調節し、ヘッド7に吸着された電子部品10の実装高さを調整する(特許文献1参照)。
半田バンプを溶融させる過程では、熱圧着ツールによりフリップチップが加熱されるが、同時に熱圧着ツール自体にも伝熱するため、微小ではあるが押圧方向に熱変形による伸びが生ずることがある。フリップチップを加熱する際に熱圧着ツールが伸びると、実装高さが低下し、半田バンプにかかる荷重が増加することなる。近年、フリップチップはますます小型化、高密度化しており、半田バンプにかかる荷重の変動が接合品質に与える影響は無視できないものになってきている。 In the process of melting the solder bumps, the flip chip is heated by the thermocompression bonding tool, but at the same time heat is transferred to the thermocompression bonding tool itself. If the thermocompression bonding tool is extended when the flip chip is heated, the mounting height is lowered, and the load applied to the solder bump is increased. In recent years, flip chips have become increasingly smaller and higher in density, and the influence of load fluctuations on solder bumps on bonding quality is not negligible.
そこで本発明は、半田バンプの溶融時における押圧荷重の変動を抑制した熱圧着装置および熱圧着方法を提供することを目的とする。 Then, an object of this invention is to provide the thermocompression bonding apparatus and the thermocompression-bonding method which suppressed the fluctuation | variation of the press load at the time of the melting of a solder bump.
請求項1記載の熱圧着装置は、半田バンプが形成された電子部品を加熱しながら基板に対して押圧する熱圧着ツールと、前記熱圧着ツールによる押圧荷重を検出する荷重検出手段と、前記熱圧着ツールの押圧方向における変位を検出する変位検出手段と、基板に対する電子部品の実装高さを管理する制御手段と、を備えた熱圧着装置であって、前記制御手段が、加熱開始後に前記変位検出手段により検出された変位が所定の閾値を超えるまでは前記荷重検出手段により検出された荷重の変化に基づいた制御を行い、所定の閾値を超えてからは前記変位検出手段により検出された変位に基づいた制御を行う。
The thermocompression bonding apparatus according to
請求項2記載の熱圧着装置は、請求項1に記載の熱圧着装置であって、加熱開始後に前記変位検出手段により検出された変位が所定の閾値を超えたときに電子部品の加熱を停止する。
The thermocompression bonding apparatus according to
請求項3記載の熱圧着装置は、請求項1または2に記載の熱圧着装置であって、前記制御手段が、加熱開始後に前記変位検出手段により前記熱圧着ツールの押圧方向における変位が検出されると、電子部品の実装高さを前記半田バンプが溶融する以前の実装高さに補正する制御を行う。
The thermocompression bonding apparatus according to
請求項4記載の熱圧着方法は、半田バンプが形成された電子部品を熱圧着ツールで加熱しながら押圧して基板に熱圧着する熱圧着方法であって、加熱開始後に前記熱圧着ツール
の押圧方向における変位が所定の閾値を超えるまでは前記熱圧着ツールによる押圧荷重の変化に基づいて基板に対する電子部品の実装高さを管理し、所定の閾値を超えてからは前記熱圧着ツールの押圧方向における変位に基づいて基板に対する電子部品の実装高さを管理する。
The thermocompression bonding method according to
請求項5記載の熱圧着方法は、請求項4に記載の熱圧着方法であって、加熱開始後に前記熱圧着ツールの押圧方向における変位が所定の閾値を超えたときに電子部品の加熱を停止する。
The thermocompression bonding method according to
請求項6記載の熱圧着方法は、請求項4または5に記載の熱圧着方法であって、加熱開始後に前記変位検出手段により前記熱圧着ツールの押圧方向における変位が検出されると、電子部品の実装高さを前記半田バンプが溶融する以前の実装高さに補正する。
The thermocompression bonding method according to
本発明によれば、半田が溶融を開始した時点をヘッドの押圧方向における変位で検出し、半田が溶融を開始するまではロードセルを用いた荷重制御を行い、押圧荷重を一定に維持するとともに、半田が溶融を開始した後は、リニアスケールを用いた位置制御を行い、実装高さを一定に維持する。これにより、半田バンプの溶融における押圧荷重の変動を抑制し、電子部品や基板に過度の荷重が作用する事態を回避することができる。 According to the present invention, the time when the solder starts to melt is detected by the displacement in the pressing direction of the head, the load control is performed using the load cell until the solder starts to melt, and the pressing load is kept constant. After the solder starts to melt, position control using a linear scale is performed to keep the mounting height constant. Thereby, the fluctuation | variation of the press load in melting of a solder bump can be suppressed, and the situation where an excessive load acts on an electronic component or a board | substrate can be avoided.
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図1は本発明の実施の形態の熱圧着装置の側面図、図2は熱圧着装置における熱圧着動作を時系列で示したグラフである。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a side view of a thermocompression bonding apparatus according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a graph showing the thermocompression bonding operation in the thermocompression bonding apparatus in time series.
最初に熱圧着装置について説明する。図1において、熱圧着装置1は、熱圧着ツール2と、昇降装置3と、ロードセル4と、リニアスケール5と、演算処理装置6とで構成されている。熱圧着ツール2は、ヘッド7の下端に吸着した電子部品10を加熱しながら基板11に対して押圧する機能を有する。ヘッド7には、吸着した電子部品10の半田バンプ10aを加熱して溶融させるセラミックヒータ8が設けられており、溶融した半田により電子部品10と基板11が接合される。
First, the thermocompression bonding apparatus will be described. In FIG. 1, the
昇降装置3は、熱圧着ツール2を昇降させ、ヘッド7に吸着された電子部品10の実装高さを調整する機能を有する。電子部品10の半田バンプ10aを基板11に当接させた状態で熱圧着ツール2をさらに下降させることで、電子部品10を基板11に対して押圧する。昇降装置3としては様々な構成のものが採用できるが、ここでは送りねじ機構が用いられており、送り方向を鉛直方向に設定したボールねじ12と螺合するナット13を熱圧着ツール2のブラケット15に設け、モータ14によりボールねじ12を正逆回転させることで熱圧着ツール2を昇降させている。
The
ロードセル4は、ヘッド7にかかる荷重を検出する機能を有し、熱圧着ツール2に対するヘッド7の押圧方向における変位と相関する荷重の変化を検出する荷重検出手段としての機能を有する。ヘッド7はロードセル4により熱圧着ツール2に垂下された状態で支持されているため、ヘッド7に吸着した電子部品10が基板11に当接していない状態では、ロードセル4はヘッド7と電子部品10の重量を合計した荷重Wを検出する。電子部品10の半田バンプ10aを基板11に当接させた状態で熱圧着ツール2をさらに下降させると、電子部品10が基板11に対して押圧されるが、この押圧荷重wと等しい反力が基板11から半田バンプ10aに向けて作用する。そのため、ロードセル4により検出される荷重は、荷重Wから反力分だけ減少した荷重となる。従って、ロードセル4により検出される荷重を荷重Wから減算することで、電子部品10の基板11に対する押圧荷重wが
算出される。
The
リニアスケール5は、ヘッド7の押圧方向である鉛直方向における変位を検出する変位検出手段としての機能を有する。リニアスケール5はブラケット15とヘッド7の対向する箇所に設けられ、両者の鉛直方向における相対的な変位をヘッド7の押圧方向における変位として検出する。
The
演算処理装置6は、電子部品10の実装高さを管理する制御手段としての機能を有する。演算処理装置6は、ロードセル4で検出された荷重データを電気信号として受信し、押圧荷重の変化を監視するとともに、リニアスケール5で検出されたブラケット15とヘッド7との相対的な変位データを電気信号として受信し、ヘッド7の押圧方向における変位を監視する。さらに、モータ14に内蔵されたエンコーダから発信された電気信号を受信し、ヘッド7に吸着された電子部品10の実装高さを監視するとともに、モータ14の回転量を制御して実装高さを調整する。演算処理装置6は、ロードセル4およびリニアスケール5で検出されるデータに基づいて電子部品10の実装高さ管理を行い、電子部品10の加熱開始後にリニアスケール5で検出された変位が予め設定した閾値を超えるまではロードセル4で検出された荷重の変化に基づいて実装高さを調整し、閾値を超えてからはリニアスケール5で検出された変位に基づいて実装高さの調整を行う。
The
次に熱圧着方法について説明する。図2において、時間t0で熱圧着動作が開始すると、ヘッド7の下端に吸着された電子部品10が基板11に対し所定の押圧荷重wで押圧される。時間t1の時点でセラミックヒータ8への通電をONにして電子部品10の加熱を開始する。このとき、セラミックヒータ8からヘッド7に伝熱するため、ヘッド7には微小ではあるが押圧方向に伸びが生じる。ヘッド7が押圧方向に伸びると、ヘッド7の実装高さが低下し、下端に吸着された電子部品10が基板11に接近して押圧荷重が増加するという不具合が生じてしまう。そのため、演算処理手段6は、ロードセル4により検出される荷重の変化を監視しながらモータ14の回転量を調整し、電子部品10の実装高さを一定に維持した管理を行うことで、電子部品10の基板11に対する押圧荷重を一定の押圧荷重wに維持する制御を行う。
Next, the thermocompression bonding method will be described. In FIG. 2, when the thermocompression bonding operation starts at time t <b> 0, the
時間t2の時点でヘッド温度が半田融点Tまで上昇すると、半田の溶融が開始する。溶融により半田バンプ10aが固体から液体に相転移すると、基板11から半田バンプ10aに向けて作用していた反力が一気に開放され、押圧荷重が急激に減少する。同時に、ヘッド7が半田バンプ10aによる支持を失って下降し、実装高さが低下する。この実装高さの低下は、リニアスケール5によりヘッド7の押圧方向における変位として検出される。閾値は半田溶融時におけるヘッド7のブラケット15に対する変位より小さい値となるように予め設定されており、演算処理手段6は、リニアスケール5で検出された変位がこの閾値を超えたときからリニアスケール5で検出された変位に基づいて実装高さの調整を行う。演算処理手段6は、リニアスケール5により検出されるヘッド7の押圧方向における変位を監視しながらモータ14の回転量を調整し、リニアスケール5で検出された変位に相当する量だけヘッド7を上昇させ、電子部品10の実装高さを半田バンプ10aが溶融する以前の実装高さに補正する制御を行う。また、リニアスケール5で検出された変位が閾値を超えた時点でセラミックヒータ8への通電をOFFにして電子部品10の加熱を停止する。
When the head temperature rises to the solder melting point T at time t2, melting of the solder starts. When the solder bump 10a undergoes a phase transition from solid to liquid due to melting, the reaction force acting from the
このように、本実施の形態の熱圧着装置によれば、半田が溶融を開始した時点をヘッド7の押圧方向における変位で検出し、半田が溶融を開始するまではロードセル4を用いた荷重制御を行い、押圧荷重wを一定に維持するとともに、半田が溶融を開始した後は、リニアスケール5を用いた位置制御を行い、実装高さを一定に維持する。これにより、半田バンプ10aの溶融における押圧荷重の変動を抑制し、電子部品10や基板11に過度の
荷重が作用する事態を回避することができる。また、半田バンプ10aの溶融時に低下した実装高さをリニアスケール5を用いた位置制御により補正することで、設計上の最適な実装高さを維持し、実装品質を確保することができる。
As described above, according to the thermocompression bonding apparatus of the present embodiment, the load control using the
本発明によれば、半田バンプの溶融における押圧荷重の変動を抑制し、電子部品や基板に過度の荷重が作用する事態を回避することができるという利点を有し、フリップチップ等の半田バンプ付き電子部品の実装分野において特に有用である。 According to the present invention, there is an advantage that it is possible to suppress a change in pressing load during melting of a solder bump and to avoid a situation in which an excessive load acts on an electronic component or a substrate, and with a solder bump such as a flip chip This is particularly useful in the field of mounting electronic components.
1 熱圧着装置
2 熱圧着ツール
3 昇降装置
4 ロードセル
5 リニアスケール
6 演算処理装置
10 電子部品
10a 半田バンプ
11 基板
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記制御手段が、加熱開始後に前記変位検出手段により検出された変位が所定の閾値を超えるまでは前記荷重検出手段により検出された荷重の変化に基づいた制御を行い、所定の閾値を超えてからは前記変位検出手段により検出された変位に基づいた制御を行う熱圧着装置。 A thermocompression tool that presses the electronic component on which the solder bumps are formed against the substrate while heating; a load detection means that detects a press load by the thermocompression tool; and a displacement in the pressing direction of the thermocompression tool. A thermocompression bonding apparatus comprising a displacement detection means and a control means for managing the mounting height of the electronic component on the substrate,
The control means performs control based on a change in the load detected by the load detection means until the displacement detected by the displacement detection means exceeds a predetermined threshold after the start of heating, and after the predetermined threshold is exceeded. Is a thermocompression bonding apparatus that performs control based on the displacement detected by the displacement detection means.
加熱開始後に前記熱圧着ツールの押圧方向における変位が所定の閾値を超えるまでは前記熱圧着ツールによる押圧荷重の変化に基づいて基板に対する電子部品の実装高さを管理し、所定の閾値を超えてからは前記熱圧着ツールの押圧方向における変位に基づいて基板に対する電子部品の実装高さを管理する熱圧着方法。 It is a thermocompression bonding method in which an electronic component on which a solder bump is formed is pressed with a thermocompression bonding tool and is thermocompression bonded to a substrate,
After the start of heating, until the displacement in the pressing direction of the thermocompression bonding tool exceeds a predetermined threshold value, the mounting height of the electronic component on the board is managed based on the change of the pressing load by the thermocompression bonding tool, and exceeds the predetermined threshold value. Is a thermocompression bonding method for managing the mounting height of the electronic component on the substrate based on the displacement in the pressing direction of the thermocompression bonding tool.
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