JP5039918B2 - 電子部品の実装装置及び実装方法 - Google Patents

Description

この発明はリードフレームなどの基板に電子部品としての半導体チップを加圧加熱して実装するための電子部品の実装装置及び実装方法に関する。

たとえば、リードフレームなどの基板に電子部品としての半導体チップを実装する場合、半導体チップを基板に接合するための接着部材として樹脂が用いられることがある。半導体チップの実装に用いられる樹脂としては熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂とがある。熱硬化性樹脂を用いた場合、半導体チップを上記基板に加圧加熱することで、上記熱硬化性樹脂が溶融硬化するため、上記半導体チップを上記基板に実装することができる。

しかしながら、熱硬化性樹脂によって半導体チップを基板に実装すると、実装された半導体チップが不良品であることが判明した場合、その半導体チップを基板から剥離することが困難であるため、基板を再利用することができないということがある。

それに対し、接着部材として熱可塑性樹脂を用いると、実装された半導体チップが不良品であることが判明した場合、熱可塑性樹脂を再加熱することで半導体チップを基板から容易に剥離することができる。そのため、基板の再利用が可能であるという利点があるため、そのような利点に着目して最近では熱可塑性樹脂が使用される傾向にある。

基板に半導体チップを実装する実装装置は上下駆動される実装ツールを有する。この実装ツールには半導体チップを吸着保持する吸着部が設けられている。この吸着部はヒータによって加熱されるようになっている。したがって、吸着部に吸着保持された半導体チップを加熱しながら基板に加圧することで、上記熱可塑性樹脂が溶融されて半導体チップが基板に実装されることになる。

ところで、基板に半導体チップを実装する場合、生産性の向上を図るために、タクトタイムを短縮することが要求される。タクトタイムを短縮させるためには、半導体チップを吸着保持する吸着部を有する上記実装ツールの上下駆動を高速化するということが行なわれる。

しかしながら、上記実装ツールの上下駆動を高速化すると、溶融した熱可塑性樹脂が硬化する前に実装ツールを上昇させることになるから、半導体チップが実装ツールの吸着部に付着して上昇したり、基板上で所定の実装位置からずれてしまうなどの実装不良が発生することがある。

そこで、ヒータによって加熱された吸着部の温度を低下させ、熱可塑性樹脂を硬化させてから実装ツール上昇させることで、上記電子部品の実装不良の発生を防止するということが考えられている。

特許文献１には半導体チップを吸着して加圧するためのツールと、ツールを加熱するセラミックヒータと、セラミックヒータの熱をツールに効率よく伝達するための断熱材と、これらの部材を結合するホルダを有し、上記断熱材又はホルダにセラミックヒータを直接冷却する冷却媒体の通路を設け、上記ツールを強制冷却することが示されている。それによって、実装終了後に接着部材が硬化するまでの温度降下時間を短縮し、タクトタイムの向上を図ることが可能となるというものである。
特開２００２−１６０９１号公報

しかしながら、特許文献１のようにセラミックヒータを冷却媒体によって直接強制冷却するようにしても、半導体チップを基板に接着する接着部材としての熱可塑性樹脂はセラミックヒータが冷却された後に冷却されることになる。そのため、熱可塑性樹脂がある程度硬化して半導体チップの接着状態（実装状態）が安定するまでにはかなりの時間が掛かることになるから、タクトタイムを十分に向上させることができないということがあった。

さらに、セラミックヒータを冷却すると、次に半導体チップを実装するときにセラミックヒータを実装温度に上昇させるまでに少なくとも数秒の時間が掛かることになるから、そのことによってもタクトタイムを十分に短縮することができないということがある。

この発明は、電子部品を基板に接着する熱可塑性樹脂を直接冷却硬化させることで、タクトタイムを短縮し、生産性を向上させることができるようにした電子部品の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、基板に電子部品を熱可塑性樹脂によって実装する電子部品の実装装置であって、
上面に上記基板が載置されるステージと、
上記電子部品を吸着保持する吸着部を有して上下方向に駆動される実装ツールと、
この実装ツールに設けられて上記吸着部を加熱するヒータと、
上記吸着部に設けられ上記実装ツールを下降方向に駆動して上記吸着部に保持された上記電子部品を上記ステージに載置された上記基板に加圧加熱して上記熱可塑性樹脂を溶融させて実装したときに、上記熱可塑性樹脂を冷却する冷却媒体を供給する冷却手段と
を具備したことを特徴とする電子部品の実装装置にある。

上記冷却手段は、上記吸着部の上記電子部品を吸着する吸着面に開口して形成されこの吸着面に吸着された上記電子部品の周辺部に上記冷却媒体を供給する流路を有することが好ましい。

上記流路に冷却媒体を供給する供給部と、この供給部から上記流路に上記冷却媒体を供給するタイミングを制御する制御手段を有することがこのましい。

上記流路の上記吸着面に開口した形状は矩形環状であって、その外形は上記電子部品の外形よりも大きく設定されていることが好ましい。

上記実装ツールには、この実装ツールを超音波振動させる振動子が設けられていることが好ましい。

この発明は、基板に電子部品を熱可塑性樹脂によって実装する電子部品の実装方法であって、
ステージに上記基板を載置する工程と、
実装ツールの吸着部に吸着保持された上記電子部品を上記ステージ上の上記基板に設けられた熱可塑性樹脂に加圧しながら上記実装ツールに設けられたヒータで加熱して実装する工程と、
上記熱可塑性樹脂が溶融されて上記電子部品が上記基板に実装されたときに上記熱可塑性樹脂を上記吸着部に設けられた冷却手段から供給される冷却媒体によって冷却する工程と
を具備したことを特徴とする電子部品の実装方法にある。

この発明によれば、熱可塑性樹脂を溶融させて基板に電子部品を実装したならば、溶融した熱可塑性樹脂を冷却媒体によって冷却するため、電子部品の保持状態が安定する状態となるまで、熱可塑性樹脂を短時間で確実に硬化させることができる。それによって、電子部品の実装に要するタクトタイムを短縮し、生産性を向上させることができる。

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５はこの発明の第１の実施の形態を示し、図１はこの発明の実装装置の側面図で、図２は正面図である。図１に示すように、この実装装置は装置本体１を備えている。この装置本体１にはＹガイド体２が同図に矢印で示すＹ方向に沿って設けられ、このＹガイド体２にはＹ可動体３がＹ方向に駆動可能に設けられている。

上記Ｙ可動体３の前端面には上下方向に所定間隔で離間した一対のＸガイド体４がＸ方向に沿って設けられている。このＸガイド体４にはＸ可動体５が駆動可能に設けられている。このＸ可動体５は側面形状が逆Ｌ字状に形成されていて、垂直壁の外面に上記Ｘガイド体４に移動可能に係合する受け部６が設けられている。

Ｘ可動体５の垂直壁５ａの内面には上下方向に沿って一対のＺガイド体７がＸ方向に所定間隔で離間して設けられている。このＺガイド体７には可動体としてのＺ可動体８が矢印Ｚで示す上下方向に駆動可能に設けられている。このＺ可動体８の上面と、上記Ｘ可動体５の水平壁５ｂの下面との間には複数、たとえば４つのばね１１が張設されていて、上記Ｚ可動体８を上昇方向に付勢している。

上記Ｘ可動体５の水平壁５ｂの上面にはＺ駆動源であるシリンダ１２が軸線を垂直にして設けられている。このシリンダ１２のロッド１３の先端には押圧部材１４が設けられている。この押圧部材１４は上記Ｚ可動体８の上面に回転軸線を水平にして設けられたローラ１５に当接している。したがって、上記シリンダ１２のロッド１３が突出方向に付勢されると、上記Ｚ可動体８をばね１１の復元力に抗して下降方向に駆動させることができるようになっている。

上記Ｚ可動体８の下面にはθ駆動源１６が設けられている。このθ駆動源１６によって回転駆動されるθ可動体１７には実装ツールとしての超音波実装ツール２１が取り付けられている。この超音波実装ツール２１は図３に示すように角柱状のホーン２２を有する。このホーン２２の長手方向一端には振動子２３が連結固定されている。この振動子２３には図示しない発振器が接続されていて、この発振器によってたとえば４０ｋＨｚの高周波電圧が印加される。それによって、上記振動子２３とともに上記ホーン２２が超音波振動する。

上記ホーン２２の長手方向中央部の下面、つまり上記ホーン２２に伝播する振動波による振動が最大となる部分、つまり図３にＳ１で示す振動の腹の部分には矩形状の吸着部２５がホーン２２の幅方向全長にわたって設けられている。この吸着部２５の中心部には図４に示すように吸引孔２５ａが吸着部２５の下端面に開口形成されている。上記吸引孔２５ａはホーン２２に形成された連通路２２ａに連通し、この連通路２２ａには吸引ポンプ２４が接続されている。それによって、上記吸着部２５の下端面、つまり吸着面に電子部品としての矩形状の半導体チップＣを吸着保持できるようになっている。

図４に示すように、上記吸着部２５には冷却手段を構成する流路２６が吸着部２５の吸着面に上記吸引孔２５ａとは別に開口して形成されている。すなわち、上記流路２６は、図５に示すように矩形環状に形成されている。流路２６内の高さ方向下端部には複数の仕切り部材２６ａが周方向に所定間隔で設けられている。それによって、上記流路２６の上記吸着面に開口した端部は複数の流出口２６ｂに隔別されている。上記流路２６の外形寸法は図５鎖線で示す矩形状の半導体チップＣの外形状よりもわずかに大きく設定されている。

それによって、上記吸着部２５の吸着面に上記半導体チップＣを吸着保持すると、上記流路２６の流出口２６ｂの幅方向の外側部分が上記半導体チップＣの外周縁から露出するようになっている。

上記流路２６には冷却媒体としてのたとえば窒素ガスなどの気体を所定の圧力で供給する気体供給部２７が配管２８によって接続されていている。この配管２８の中途部には開閉制御弁２９が設けられている。開閉制御弁２９は制御装置３０によって開閉が所定のタイミングで制御される。

上記配管２８は上記ホーン２２及びこのホーン２２の上面に一体形成された後述する荷重受け部３６にわたって形成された連通路３１に接続されている。この連通路３１はホーン２２の下端面に開口形成された環状溝３２に連通している。この環状溝３２は、ホーン２２の下端面に取付けられる上記吸着部２５に形成された流路２６の上端開口に連通する。

したがって、上記開閉制御弁２９が開放されると、気体供給部２７の気体が上記流路２６に供給される。流路２６に供給された気体は、図４に矢印で示すように流路２６を形成する流出口２６ｂの半導体チップＣの周縁から露出した部分から流出する。つまり、流路２６に供給された気体は半導体チップＣの外周縁の全長に沿って流出するようになっているため、半導体チップＣの周辺部からはみ出した熱可塑性樹脂４８を直接冷却できるようになっている。

上記ホーン２２の上面の上記吸着部２５と対応する長手方向の中央部である、振動波の腹の部分Ｓ１には上記吸着部２５とほぼ同じ平面形状の上記荷重受け部３６が突出形成されている。

上記荷重受け部３６の上面には、上記ホーン２２と同じ幅寸法で、長さ寸法がホーン２２よりも短い帯板状のブラケット３７が長手方向中央部の下面を摺動可能に接触させて設けられている。このブラケット３７の両端部はそれぞれねじ３８によって上記ホーン２２の振動の振幅が最小となる、図３にＳ２で示す上記振動波の節の部分に連結固定されている。

それによって、上記ホーン２２が上記振動子２３によって超音波振動させられても、上記ブラケット３７が上記ホーン２２とともに超音波振動しないようになっている。
上記ブラケット３７は、上記荷重受け部３６に接触した部分の上面が上記θ可動体１７の下面に取り付け固定される。したがって、上記超音波実装ツール２１はＸ、Ｙ、Ｚ及びθ方向に駆動可能となっている。

図３と図４に示すように、上記ホーン２２の長手方向の中途部である、振動の腹の部分Ｓ１の近くには、上記吸着部２５を挟んで対称に断面円形状の一対の保持孔４１が幅方向に貫通して穿設されている。

一対の保持孔４１には円柱状のカートリッジ式のヒータ４２が着脱可能に挿入されている。ヒータ４２としてはコンスタントヒート方式やパルスヒート方式があるが、この実施の形態では安価で制御が容易なコンスタントヒート方式のヒータ４２が用いられている。

上記ブラケット３７の上記保持孔４１に対応する部分の幅方向の両側面にはそれぞれ矩形板状の板ばねからなる取り付け部材４３の一端部がねじ４４によって取り付け固定されている。

一対の取り付け部材４３の他端部は上記保持孔４１に挿入された一対のヒータ４２の一方の端面と他方の端面に対向している。各取り付け部材４３の他端部の内面には低発塵性であって、しかも耐熱性を有する弾性材料、たとえばフッ素系のゴムや樹脂などによって山形状に成形された弾性保持部材４５が取着されていて、この弾性保持部材４５の頂部が上記ヒータ４２の端面に弾性的に当接している。

すなわち、上記保持孔４１に挿入された一対のヒータ４２は、上記弾性保持部材４５によって保持孔４１から抜出することがないよう、弾性的に保持されている。それによって、板ばねからなる上記取り付け部材４３は弾性変形する。

図１と図２に示すように、上記超音波実装ツール２１の下方にはステージ４６が配設されている。このステージ４６は、詳細は図示しないがＸ、Ｙ、及びＺ方向に駆動可能となっている。ステージ４６の上面にはリードフレームやポリイミド製のテープ状部材などの基板４７が図示しない搬送機構によって搬送されて位置決め載置される。この基板４７に対して上記超音波実装ツール２１の吸着部２５が位置決めされて下降する。

それによって、吸着部２５に保持された半導体チップＣは、Ｚ可動体８による加圧力、ホーン２２の超音波振動及びヒータ４２の熱によって上記基板４７に設けられた接着部材としての熱可塑性樹脂４８の部分に後述するように実装される。

このような構成の実装装置において、基板４７に半導体チップＣを接着部材としての熱可塑性樹脂４８を用いて実装する場合、半導体チップＣを吸着保持した吸着部２５を、ヒータ４２によってたとえば４００℃程度に加熱する。吸着部２５が加熱されれば、この吸着部２５に吸着保持された半導体チップＣもほぼ同じ温度に加熱される。それと同時に、振動子２３を作動させてホーン２２を超音波振動させる。

ついで、Ｚ可動体８に設けられた超音波実装ツール２１をシリンダ１２によって下降させ、吸着部２５に吸着保持された半導体チップＣを、図４に示すように基板４７の熱可塑性樹脂４８が設けられた部分に加圧する。

それによって、ホーン２２に設けられたヒータ４２の熱が半導体チップＣを介して熱可塑性樹脂４８に伝達されるから、その熱によって熱可塑性樹脂４８が溶融され、半導体チップＣが基板４７に実装されることになる。このとき、半導体チップＣはホーン２２によって超音波振動が付与されるため、熱可塑性樹脂４８の溶融が均一化され、半導体チップＣの実装がより一層、確実に行なわれることになる。

熱可塑性樹脂４８が溶融して半導体チップＣが基板４７に実装されたならば、超音波実装ツール２１を上昇させる前に、制御装置３０によって開閉制御弁２９を開放させ、気体供給部２７から冷却媒体としての気体を配管２８からホーン２２に形成された連通路３１及び環状溝３２を通じて流路２６に供給される。

流路２６に供給された気体は流出口２６ｂから半導体チップＣの外周縁に向かって流出し、半導体チップＣの周縁部及び半導体チップＣを基板４７に接着した熱可塑性樹脂４８の上記半導体チップＣの周辺部に位置する部分を冷却する。

それによって、少なくとも熱可塑性樹脂４８の半導体チップＣの周縁部を基板４７に接着した部分が冷却媒体によって直ちに冷却硬化されるから、半導体チップＣの安定した実装状態が確保されることになる。つまり、半導体チップＣが基板４７上でずれ動くことのない状態に保持される。

したがって、上記開閉制御弁２９を開いて気体を流出口２６ｂから流出させたならば、上記吸着部２５による半導体チップＣの吸着状態を解除して上記超音波実装ツール２１を上昇させれば、半導体チップＣが吸着部２５側に付着して上昇したり、基板４７上でずれ動くなどのことを防止することができる。

すなわち、基板４７に半導体チップＣが実装すると同時に、吸着部２５の流路２６から供給される気体によって半導体チップＣの周縁部を直接冷却するようにした。そのため、半導体チップＣを基板４７に実装すると同時に上記流路２６から供給された気体によって熱可塑性樹脂４８の少なくとも半導体チップＣの周縁部を接着した部分を硬化させることができるから、実装が終了すると同時に超音波実装ツール２１を上昇させてつぎの実装を行なうことが可能となる。

つまり、実装後に熱可塑性樹脂４８を硬化させるための待ち時間が不要となるばかりか、吸着部２５を加熱するヒータ４２への通電を遮断して上記吸着部２５を温度低下させて半導体チップＣを冷却するなどのことをせずにすむから、これらのことによって実装に要するタクトタイムを短縮して生産性を向上させることができる。

上記一実施の形態では吸着部２５に形成される流路２６を矩形環状にしたが、図６に示すように流路２６Ａを円環状に形成する。流路２６Ａの吸着部２５の吸着面に開口した下端には周方向にたとえば９０度間隔で４つの突出部２６Ｂを吸引孔２５ａを中心にして径方向外方に向かって放射状に突出形成する。

そして、吸着部２５の吸着面に図６に鎖線で示すように半導体チップＣを吸着保持すると、複数の突出部２６Ｂの先端部が上記半導体チップＣの外周縁よりも外方に突出するようになっている。

したがって、上記流路２６Ａに気体を供給すれば、半導体チップＣの中心付近から基体が流出して半導体チップＣのほぼ全体を冷却することができるばかりか、上記半導体チップＣの外周縁から突出した４つの突出部２６Ｂの先端部から気体が流出するから、その気体によって溶融した熱可塑性樹脂４８の少なくとも上記突出部２６Ｂに対応する部分が急速に冷却される。

それによって、上記半導体チップＣが基板４７上でずれ動くことなく保持されて実装状態が安定するから、上記一実施の形態と同様、実装に要するタクトタイムを短縮することができる。

図６に示す実施の形態では、突出部２６Ｂを４つ形成する場合について説明したが、突出部２６Ｂは８つ或いはそれ以上であってもよく数を多くすればする程、半導体チップＣと熱可塑性樹脂４８に対する冷却効果を向上させることができる。

なお、上記実施の形態では半導体チップを吸着保持した吸着部を超音波振動させる例を挙げて説明したが、超音波振動させずに半導体チップを実装する場合であっても、この発明を適用することができる。

また、吸着部に形成される気体の流路の形状は上記各実施の形態に限定されるものでなく、たとえば吸着部の吸着面に、この吸着面に保持された半導体チップの周縁よりも外側に開口する円形や矩形の複数の孔を開口させるようにしてもよく、要は実装された半導体チップの周縁部を冷却できる構造であればよい。

この発明の第一実施の形態を示す実装装置の概略的構成を示す側面図。 図１に示す実装装置の正面図。 超音波実装ツールの一部断面した正面図。 超音波実装ツールのホーンの一部及び吸着部の拡大断面図。 上記吸着部の平面図。 この発明の他の実施の形態を示す吸着部の平面図。

符号の説明

２１…超音波実装ツール、２２…ホーン、２３…振動子、２５…吸着部、２６…流路（冷却手段）、２７…気体供給部、２９…開閉制御弁、３０…制御装置、４２…ヒータ、４７…基板、４８…熱可塑性樹脂。

Claims (6)

1. 基板に電子部品を熱可塑性樹脂によって実装する電子部品の実装装置であって、
   上面に上記基板が載置されるステージと、
   上記電子部品を吸着保持する吸着部を有して上下方向に駆動される実装ツールと、
   この実装ツールに設けられて上記吸着部を加熱するヒータと、
   上記吸着部に設けられ上記実装ツールを下降方向に駆動して上記吸着部に保持された上記電子部品を上記ステージに載置された上記基板に加圧加熱して上記熱可塑性樹脂を溶融させて実装したときに、上記熱可塑性樹脂を冷却する冷却媒体を供給する冷却手段と
   を具備したことを特徴とする電子部品の実装装置。
2. 上記冷却手段は、上記吸着部の上記電子部品を吸着する吸着面に開口して形成されこの吸着面に吸着された上記電子部品の周辺部に上記冷却媒体を供給する流路を有することを特徴とする請求項１記載の電子部品の実装装置。
3. 上記流路に冷却媒体を供給する供給部と、この供給部から上記流路に上記冷却媒体を供給するタイミングを制御する制御手段を有することを特徴とする請求項２記載の電子部品の実装装置。
4. 上記流路の上記吸着面に開口した形状は矩形環状であって、その外形は上記電子部品の外形よりも大きく設定されていることを特徴とする請求項２記載の電子部品の実装装置。
5. 上記実装ツールには、この実装ツールを超音波振動させる振動子が設けら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装置。
6. 基板に電子部品を熱可塑性樹脂によって実装する電子部品の実装方法であって、
   ステージに上記基板を載置する工程と、
   実装ツールの吸着部に吸着保持された上記電子部品を上記ステージ上の上記基板に設けられた熱可塑性樹脂に加圧しながら上記実装ツールに設けられたヒータで加熱して実装する工程と、
   上記熱可塑性樹脂が溶融されて上記電子部品が上記基板に実装されたときに上記熱可塑性樹脂を上記吸着部に設けられた冷却手段から供給される冷却媒体によって冷却する工程と
   を具備したことを特徴とする電子部品の実装方法。

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