JP5005403B2

JP5005403B2 - 電子部品の実装ツール、実装装置

Info

Publication number: JP5005403B2
Application number: JP2007082347A
Authority: JP
Inventors: 泰雄岩城
Original assignee: Shibaura Mechatronics Corp
Current assignee: Shibaura Mechatronics Corp
Priority date: 2007-03-27
Filing date: 2007-03-27
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2027-03-27
Also published as: JP2008244125A

Description

この発明は半導体チップのように薄くて変形可能な電子部品を基板に実装するための実装ツール、この実装ツールを用いた実装装置に関する。

半導体ウエハをさいの目状に切断して形成された半導体チップは粘着シートに貼られており、この半導体チップを基板に実装する場合、上記粘着シートから半導体チップを１つずつ吸着してピックアップした後、基板に押圧して実装するようにしている。

粘着シートからピックアップした半導体チップを基板に実装する場合、半導体チップをピックアップツールによってピックアップして反転ツールに受け渡し、この反転ツールで上下の向きを反転させてから実装ツールに受け渡して基板に実装するフリップチップ方式や半導体チップを粘着シートからピックアップしたならば、その半導体チップをそのまま基板に実装するダイボンディングが知られている。

ピックアップした半導体チップをそのまま基板に実装するダイボンディングの場合、半導体チップのピックアップと実装が同一のツールで行われることになる。つまり、実装ツールがピックアップツールを兼ねることになる。

ところで、最近では半導体チップの厚さが５０μｍ以下と非常に薄い場合がある。そのように薄い半導体チップはわずかな衝撃によって欠けが生じたり、破断するということがある。

とくに、半導体チップを突き上げて粘着シートからピックアップしたり、ダイボンディングするとき、半導体チップには衝撃が加わり易いため、ダイボンディングに用いられるピックアップツールを兼ねる実装ツールは、少なくとも半導体チップと接触する部分を弾性部材によって形成し、半導体チップにできるだけ衝撃を与えないようにしている。

実装ツールの半導体チップと接触する部分を弾性部材によって形成し、この弾性部材の中心部に吸引孔を形成し、この吸引孔に発生する吸引力によって半導体チップを吸着してピックアップすると、非常に薄い半導体チップの場合、その吸引力によって中心部が弾性部材を弾性変形させながら上方に凸状に湾曲変形するということがある。

半導体チップは中心部だけでなく、周辺部も弾性部材によって保持されている。そのため、半導体チップは中心部だけが湾曲変形し、周辺部は変形しないため、全体として上方に凸状に湾曲変形することになるから、その状態で半導体チップを基板に実装すると、基板と半導体チップとの間に気泡が残留するボイドが発生し、実装不良を招くということがある。

特許文献１には薄くて湾曲し易い半導体チップを基板に実装する際、ボイドが発生するのを防止する実装ツール（ダイボンダー用コレット）が示されている。すなわち、特許文献１に示された実装ツールは、半導体チップを吸着保持する弾性吸着部材の下面の吸着面の中央部を除く周辺部だけに真空式の吸引孔を形成して半導体チップを吸着することで、吸着面の中央部と半導体チップの中央部を下方に凸球面状に突出変形させた状態で、上記半導体チップを吸着保持して基板に実装するようにしている。
特開２００６−１６５１８８

特許文献１に示された実装ツールを用いれば、半導体チップが下方に凸球面状に突出変形した状態で実装される。つまり、実装ツールを下降させてゆくと、半導体チップは中央部が基板に接触して弾性吸着部材によって押し付けられるから、その反力で弾性吸着部材の突出した中央部が圧縮される。それによって、半導体チップと基板との接触部分が中央部分から周辺部分へと順に拡がるから、ボイドの発生を招くことなく、半導体チップを基板に実装することができるというものである。

しかしながら、特許文献１に示された発明は、予め基板を下方に凸球面状になるよう湾曲変形させて実装ツールの弾性吸着部材に吸着保持するようにしている。そのため、非常に薄い半導体チップを予め曲げ応力を加えた状態で吸着保持することになるから、その曲げ応力によって半導体チップが損傷する虞がある。

この発明は、電子部品に曲げ応力を与えることなく吸着保持して基板に実装することで、ボイドの発生や電子部品の損傷を招くことなく実装することができるようにした電子部品の実装ツール、実装装置及び実装方法を提供することにある。

この発明は、電子部品を吸着して基板に実装する電子部品の実装ツールであって、
上記実装ツールは、吸引孔が形成されるとともに先端部が凸状曲面に形成されたホルダと、このホルダの先端部分に装着され上記凸状曲面が嵌まり込む凹状曲面が形成され先端面が平坦面に形成されるとともに上記吸引孔に連通する連通孔が形成されこの連通孔に発生する吸引力で上記電子部品を吸着保持する弾性保持部材とを具備し、
上記弾性保持部材は、上記電子部品を上記基板に実装するとき、その電子部品の中心部を周辺部よりも強く押圧する構造であることを特徴とする電子部品の実装ツールにある。

上記弾性保持部材は上記ホルダの中心部から周辺部に行くにつれて順次柔らかくなる複数の弾性材によって形成されていることが好ましい。

この発明は、電子部品を基板に実装する実装装置であって、
上記電子部品の供給部と、
この供給部から電子部品を吸着して取り出して上記基板に実装する実装ツールを具備し、
上記実装ツールは請求項１又は請求項２に記載された構成であることを特徴とする電子部品の実装装置にある。

この発明によれば、電子部品を吸着保持する実装ツールの弾性保持部材は、電子部品を基板に対して中心部から周辺部に向かって順次押圧するから、電子部品を上方へ凸球面状に湾曲変形させず、ほぼ平坦な状態で吸着保持して実装することで、ボイドの発生を防止することができる。

この発明によれば、電子部品を吸着保持する実装ツールの弾性保持部材は、電子部品の中心部を周辺部よりも強く押圧するから、電子部品を上方へ凸球面状に湾曲変形させず、ほぼ平坦な状態で吸着保持して実装することで、ボイドの発生を防止することができる。

以下、この発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１乃至図３はこの発明の第１の実施の形態を示す。図１は電子部品としての半導体チップ１の実装装置を示し、この実装装置はピックアップ部２と実装部３を備えている。ピックアップ部２はバックアップ体５を有し、このバックアップ体５には突き上げ軸６が上下方向に移動可能に保持されている。

上記突き上げ軸６の上記バックアップ体５から突出した下端にはカムフォロア７が設けられている。このカムフォロア７は図示しない回転駆動源によって矢印方向に回転駆動されるカム８の外周面に当接している。カム８が回転駆動されれば、上記突き上げ軸６が上下方向に駆動される。それによって、この突き上げ軸６の上端部が上記バックアップ体５の上端面から突没するようになっている。

上記バックアップ体５には吸引ポンプ１１が吸引管１２を介して接続されている。吸引管１２は上記バックアップ体５の内部空間を介して上端面５ａに穿設された図示しない吸引孔に連通している。それによって、上記吸引ポンプ１１が作動すれば、上記バックアップ体５の上端面５ａに吸引力が発生するようになっている。

上記バックアップ体５の上端面５ａは、ウエハリング（図示せず）に張設された粘着シート１３を吸着保持するようになっている。この粘着シート１３には半導体ウエハをさいの目状に分割した複数の矩形状の上記半導体チップ１が貼着されている。

上記ウエハリングは図示しないＸ・Ｙ駆動源によって水平方向に駆動されるようになっていて、ピックアップされる半導体チップ１を上記バックアップ体５の上端面５ａの中心部に位置決めする。半導体チップ１が位置決めされると、吸引ポンプ１１が作動して粘着シート１３のピックアップされる半導体チップ１に対応する部分の下面が上記上端面５ａに吸着された後、上記カム８が回転駆動される。

カム８が回転駆動されると、上記突き上げ軸６が上昇方向に駆動され、その上端がバックアップ体５の上端面５ａから突出するから、上記粘着シート１３が引き伸ばされて位置決めされた半導体チップ１が突き上げられる。

バックアップ体５の上端面５ａから突き上げられた半導体チップ１はピックアップツールを兼ねる実装ツール１５によってピックアップされる。実装ツール１５はＸ・Ｙ・Ｚ駆動源１６によって水平方向及び上下方向に駆動されるようになっている。

図２に示すように、上記実装ツール１５は軸方向の中途部に鍔１７が設けられた軸状のホルダ１８を有する。このホルダ１８には軸方向に貫通する吸引孔１９が穿設されている。この吸引孔１９には吸引ポンプが可撓性チューブ（ともに図示せず）を介して接続されている。

上記ホルダ１８の先端部である装着部１８ａには天然ゴムや合成ゴムなどの弾性材料によって形成された弾性保持部材２１が着脱可能に装着される。つまり、弾性保持部材２１には上記ホルダ１８の装着部１８ａを嵌合させる取付け孔２２が形成されているとともに、上記吸引孔１９に連通する連通孔２３が穿設されている。

図３に示すように、上記弾性保持部材２１の先端面２１ａは半導体チップ１の形状と対応する矩形状であって、その先端面２１ａには段部２５が形成されている。この段部２５は、中心部が最も下方へ突出し、周辺部に行くにつれて順次上方に位置する複数のステップ、この実施の形態では第１乃至第３の３つのステップ２５ａ〜２５ｃによって形成されている。第１乃至第３のステップ２５ａ〜２５ｃはそれぞれ平面形状が楕円形状に形成されているとともに、各ステップ２５ａ〜２５ｃの段差は０．０１〜０．０３ｍｍに設定されている。

上記弾性保持部材２１はラバー硬度ＪＩＳ−３０〜９０程度の硬さの弾性材料によって形成されている。このような硬度の弾性保持部材２１によって段差が０．０１〜０．０３ｍｍのステップ２５ａ〜２５ｃを形成すれば、弾性保持部材２１の先端面２１ａに吸着保持された半導体チップ１を後述するリードフレームなどの基板２７に実装するために押圧すると、その押圧力によって複数のステップ２５ａ〜２５ｃは最も下方へ突出した最下段のステップ２５ａから順次弾性的に圧縮変形し、最終的には弾性保持部材２１の先端面２１ａとほぼ同じ平面になる、つまり平坦面になる。

図１に示すように、上記基板２７は搬送手段２８によってピッチ送りされるようになっている。この搬送手段２８は所定間隔で平行に配置された一対の搬送レール２９からなる。上記基板２７の上記半導体チップ１が実装される上面には図示しない熱圧着フィルムが貼着され、下面はヒータ３１ａが内蔵されたヒータブロック３１によって保持される。

それによって、上記実装ツール１５によって半導体チップ１を上記基板２７に押圧すれば、上記熱圧着フィルムが溶融硬化して上記半導体チップ１が上記基板２７に実装されるようになっている。なお、熱圧着フィルムは基板２７の上面でなく、半導体チップ１の裏面に貼着されている場合もある。

このような構成の実装装置によって半導体チップ１を基板２７に実装する場合、まず、実装ツール１５をＸ・Ｙ方向に駆動してバックアップ体５の上方に位置決めする。ついで、実装ツール１５は下降方向に駆動され、バックアップ体５の上端面に位置決めされたピックアップされる半導体チップ１の上面を弾性保持部材２１の先端面の最も下方に突出した第１のステップ２５ａによって吸着する。

ついで、バックアップ体５に設けられた突き上げ軸６を上昇方向に駆動して半導体チップ１を突き上げる。このとき、実装ツール１５は突き上げ軸６とともに上昇方向に移動する。突き上げ軸６が粘着シート１３を引き伸ばしながら上昇すると、突き上げられた半導体チップ１の下面から粘着シート１３が剥離する。それによって、突き上げ軸６が上昇限まで上昇した後、実装ツール１５をさらに上昇させれば、その半導体チップ１が実装ツール１５に吸着保持されてピックアップされる。

半導体チップ１をピックアップした実装ツール１５はＸ・Ｙ・Ｚ駆動源１６によって基板２７の上方に位置決めされる。ついで、実装ツール１５は下降方向に駆動され、その先端面に保持した半導体チップ１を上記基板２７に実装する。

半導体チップ１を基板２７に実装するときの動作を図４（ａ）〜（ｄ）を参照しながら説明する。半導体チップ１は実装ツール１５の弾性保持部材２１の先端面２１ａに形成された段部２５の第１のステップ２５ａに吸着保持されている。実装ツール１５を下降させると、図４（ａ）に示すように半導体チップ１は第１のステップ２５ａによって上面の中心部が基板２７に押圧される。

実装ツール１５を下降させてゆくと、図４（ｂ）に示すように押圧力の反力によって第１のステップ２５ａが圧縮変形して第２のステップ２５ｂとほぼ同じ高さになる。つまり、半導体チップ１は第１のステップ２５ａによって中心部が基板２７に押圧された後、第２のステップ２５ｂによって第１のステップ２５ａが押圧している中心部の周辺部が押圧される。

実装ツール１５をさらに下降させると、図４（ｃ）に示すように第１のステップ２５ａについで第２のステップ２５ｂが圧縮変形するから、半導体チップ１は第１のステップ２５ａ、第２のステップ２５ｂの更に外側の部分が第３のステップ２５ｃによって押圧される。

実装ツール１５をさらに下降させると、図４（ｄ）に示すように第３のステップ２５ｃが圧縮変形して第１乃至第３のステップ２５ａ〜２５ｃが弾性保持部材２１の先端面２１ａと同じ高さになる。それによって、半導体チップ１は全面が第１乃至第３のステップ２５ａ〜２５ｃと上記先端面２１ａとで押圧されて基板２７に実装されることになる。

実装ツール１５によってピックアップ部２からピックアップされる半導体チップ１は、その上面の中心部だけが弾性保持部材２１の第１のステップ２５ａに接触して保持される。第１のステップ２５ａは半導体チップ１を吸着保持した吸引力によって圧縮変形する。しかしながら、第１のステップ２５ａがある程度圧縮変形しても、半導体チップ１の周辺部に対応する第２、第３のステップ２５ｂ，２５ｃは第１のステップ２５ａよりも高く形成されている。

そのため、第１のステップ２５ａが圧縮変形しても、半導体チップ１の上面の周辺部が第２、第３のステップ２５ｂ，２５ｃに当たって下方へ押圧されるということがないから、半導体チップ１は弾性保持部材２１の先端面２１ａにほぼ平坦な状態で吸着保持される。

つまり、実装ツール１５に吸着保持される半導体チップ１が上方に向かって凸状に湾曲変形することがないから、実装される前の半導体チップ１に損傷の原因となる曲げ応力を与えることなく、ピックアップ部２から実装部３に搬送することができる。

このようにして実装ツール１５に吸着保持された半導体チップ１を実装部３に搬送して基板２７に実装すると、半導体チップ１は弾性保持部材２１の先端面２１ａに形成された段部２５の第１のステップ２５ａによって中心部が基板２７に押圧され、第１のステップ２５ａが圧縮変形すると、第２、第３のステップ２５ｂ，２５ｃによって順次周辺部が押圧されることになる。

つまり、半導体チップ１は中心部から周辺部に向かって順次押圧されて基板２７に実装される。そのため、半導体チップ１と基板２７との間に気泡が残留してボイドが発生するのを防止することができる。

この第１の実施の形態において、弾性保持部材２１の先端面の段部２５は楕円形状の複数のステップ２５ａ〜２５ｃによって形成したが、ステップ２５ａ〜２５ｃは楕円形状に限定されず、円形状や矩形状などであってもよく、さらにステップの数も３つに限定されず、２つ或いは４つ以上であってもよい。

図５はこの発明の第２の実施の形態を示す。この実施の形態は実装ツール１５Ａの変形例であって、この実装ツール１５Ａは弾性保持部材２１Ａが装着されるホルダ１８の装着部１８ｂの先端部が球面状の凸状曲面３３に形成されている。上記弾性保持部材２１Ａには上記ホルダ１８の装着部１８ｂが装着される上記凸状曲面３３に対応する凹状曲面３４が形成されている。

上記弾性保持部材２１Ａは第１の実施の形態と同様の弾性材料によって形成されていて、その先端面は平坦面３５となっている。平坦面３５の外径寸法は上記装着部１８ｂの凸状曲面３３の外径寸法よりも大きく設定されている。それによって、弾性保持部材２１Ａの上記凸状曲面３３から外れた周辺部は中心部に比べて肉厚が厚くなり、弾性変形し易くなっている。
なお、弾性保持部材２１Ａの平坦面３５の中心部には、ホルダ１８に形成された吸引孔１９に連通する連通孔２３ａが穿設されている。

このような構成の実装ツール１５Ａによれば、ホルダ１８の装着部１８ｂを凸状曲面３３に形成し、弾性保持部材２１Ａには上記装着部１８ｂが装着される凹状曲面３４を形成した。そのため、弾性保持部材２１Ａの周辺部は中心部に比べて肉厚が厚く、弾性変形し易くなっている。

弾性保持部材２１Ａの周辺部が弾性変形し易い構造であれば、ピックアップ部２からピックアップされた半導体チップ１の上面中心部に吸引力が作用しても、弾性保持部材２１Ａの中心部分は肉厚が薄くて弾性変形し難くいため、弾性保持部材２１Ａの中心部分は圧縮変形され難くい。

しかも、弾性保持部材２１Ａの中心部分がたとえ圧縮変形されて半導体チップ１が上方へ変位しても、半導体チップ１はその周辺部で弾性保持部材２１Ａの弾性変形し易い周辺部を弾性変形させながら上方へ変位する。

それによって、半導体チップ１は中心部だけが上方に向かって凸状に変形するということがほとんどなく、全体的に上方に変位して平坦状の形状を維持する。つまり、半導体チップ１に損傷の原因となる過度な曲げ応力を加えることなく、実装ツール１５Ａによって吸着保持することができる。

上記実装ツール１５Ａの弾性保持部材２１Ａに吸着保持された半導体チップ１を基板２７に加圧して実装する場合、弾性保持部材２１Ａは中心部から周辺部に行くにつれて肉厚が厚くなって弾性変形し易い形状であるから、半導体チップ１に作用する押圧力は中心部が最も大きく、周辺部に行くにつれて低くなる。

そのため、半導体チップ１は中心部が周辺部よりも強く押圧されて実装されるため、基板２７と半導体チップ１と間の気泡が中央部から周辺部に向かって押し出され易い。そのため、半導体チップ１と基板２７との間に気泡が残留してボイドが発生するのを防止することができる。

図６はこの発明の第３の実施の形態を示す。この実施の形態の実装ツール１５Ｂは第２の実施の形態における弾性保持部材２１Ｂの変形例であって、弾性保持部材２１Ｂは硬さの異なる複数、この実施の形態では第１乃至第３の３つの弾性材３７ａ〜３７ｃによって形成されている。

つまり、弾性保持部材２１Ｂは半導体チップ１の中心部に対応する部分が最も硬い第１の弾性材３７ａによって形成され、周辺部に行くにつれて順次柔らかなくなる第２、第３の弾性材３７ｂ，３７ｃによって形成されている。

そのため、実装ツール１５Ｂが半導体チップ１を吸着保持し、その反力が弾性保持部材２１Ｂに作用しても、半導体チップ１の上面中心部を保持した第１の弾性材３７ａは硬いため、ほとんど圧縮変形することがない。

仮に、第１の弾性材３７ａがわずかに圧縮変形して半導体チップ１の中心部が上方へ変位しても、半導体チップ１の周辺部は第１の弾性材３７ａよりも柔らかな第２及び第３の弾性材３７ｂ，３７ｃに対向しているから、第２及び第３の弾性材３７ｂ，３７ｃを弾性変形させて上方へ変位する。

そのため、半導体チップ１は周辺部が弾性保持部材２１Ｂの第２及び第３の弾性材３７ｂ，３７ｃによって下方へ押圧変形させられるということがほとんどないから、凸状に湾曲せずに平坦に保持すされることになる。

しかも、半導体チップ１を基板２７に実装するときには、半導体チップ１は中心部が最も硬い第１の弾性材３７ａによって押圧され、周辺部に行くにつれて柔らかな第２、第３の弾性材３７ｂ，３７ｃによって押圧される。つまり、半導体チップ１は周辺部よりも中心部が強く押圧されることになるから、半導体チップ１と基板２７との間の空気が外部に逃げるため、ボイドの発生を防止することができる。

なお、第３の実施の形態において、ホルダ１８の装着部１８ｂを凸状曲面３３とせず、先端面を平坦面としてもよく、その場合には弾性保持部材２１Ｂには凹状曲面３４に代わり、内底面が平坦面となった凹部を形成すればよい。

この発明の第１の実施の形態を示す実装装置の概略的構成図。実装ツールのホルダと弾性保持部材とを分解して示す正面図。弾性保持部材の先端面を示す平面図。（ａ）〜（ｄ）は半導体チップを基板に実装するときの弾性保持部材の変形状態を順次示した説明図。この発明の第２の実施の形態の実装ツールのホルダと弾性保持部材とを分解して示す正面図。この発明の第３の実施の形態の実装ツールのホルダと弾性保持部材とを分解して示す正面図。

符号の説明

１…半導体チップ（電子部品）、２…ピックアップ部、３…実装部、５…バックアップ体、１３…粘着シート、１５…実装ツール、１８…ホルダ、１９…吸引孔、２１，２１Ａ，２１Ｂ…弾性保持部材、２５…段部、２７…基板、３３…凸状曲面、３４…凹状曲面。

Claims

電子部品を吸着して基板に実装する電子部品の実装ツールであって、
上記実装ツールは、吸引孔が形成されるとともに先端部が凸状曲面に形成されたホルダと、このホルダの先端部分に装着され上記凸状曲面が嵌まり込む凹状曲面が形成され先端面が平坦面に形成されるとともに上記吸引孔に連通する連通孔が形成されこの連通孔に発生する吸引力で上記電子部品を吸着保持する弾性保持部材とを具備し、
上記弾性保持部材は、上記電子部品を上記基板に実装するとき、その電子部品の中心部を周辺部よりも強く押圧する構造であることを特徴とする電子部品の実装ツール。
上記弾性保持部材は上記ホルダの中心部から周辺部に行くにつれて順次柔らかくなる複数の弾性材によって形成されていることを特徴とする請求項１記載の電子部品の実装ツール。
電子部品を基板に実装する実装装置であって、
上記電子部品の供給部と、
この供給部から電子部品を吸着して取り出して上記基板に実装する実装ツールを具備し、
上記実装ツールは請求項１又は請求項２に記載された構成であることを特徴とする電子部品の実装装置。