JP5688277B2 - 加熱装置と加熱方法 - Google Patents

Description

本発明は、加熱中に超音波を基板に印加する加熱装置と加熱方法に関するものである。

超音波を印加するはんだ付け実装技術は種々開示されている。それらの中で、特許文献１は、超音波振動を基板に平行に印加しながら加熱するリフローはんだ付け装置に関する。しかし、超音波印加モードが、基板に平行なので、振動効果が小さいことと、半田ボールをリフローすると半田ボールが移動する問題がある。特許文献２は、超音波振動を基板に垂直に印加しながら加熱するリフローはんだ付け方法に関する。しかし、超音波を印加する面積、即ち超音波の音極と基板の接する面積がスポット状で、大きな基板では、印加される超音波の強度に斑が生じる問題と、基板と超音波の電極が吸着結合していないので超音波振動の伝達効率が低い問題と、炉内の酸素濃度を低くできない問題と、基板が反る問題等がある。

特開２００５−２９４３９６号公報 特開２００９−９４３７０号公報

解決しようとする課題は、リフロー中に、超音波の印加が必要な領域に超音波を均一に印加する点である。また、はんだ付け中に基板の反りを生じさせない点である。更に、超音波を印加する加熱装置の酸素濃度を低くする点である。

本発明は、ローダ部とアンローダ部と、基板を加熱する加熱炉と、基板に超音波を印加する超音波発生装置と、基板を搬送する搬送装置を有する加熱装置において、加熱炉は、予熱部と加熱部と冷却部と入口扉と出口扉を有し、予熱部は、ローダ部から搬送された基板を加熱温度未満に予熱し、加熱部は、超音波振動子に連結する加熱台とこの加熱台を加熱するヒータと加熱台に載置された基板を加熱する中波長赤外線ヒータと非酸化性ガスを吐出する気体吐出口と炉底に非酸化性ガスを炉外へ排出する開口を有し、冷却部は、非酸化性ガスを吐出する気体吐出口と炉底に非酸化性ガスを炉外へ排出する開口を有し、超音波発生装置は、超音波振動子と、加熱台を兼ねる超音波ホーンと、超音波振動子と超音波ホーンを連結する連結部材を有し、超音波振動子は、振動方向が基板の厚み方向で、連結部材を介して超音波ホーンである加熱台に接続され、加熱台は、この加熱台の上面に形成された吸引溝により減圧吸引された基板に超音波振動を印加し、加熱台の上面の形状は、基板の裏面の形状より大きく、そして、搬送装置は、基板をローダ部から予熱部へ搬送し、予熱された基板を加熱部へ搬送し、そして加熱された基板を冷却部へ搬送した後、冷却された基板をアンローダ部へ搬出することを特徴とする。

本発明の加熱方法は、ローダ部とアンローダ部と、予熱部と加熱部と冷却部を有する加熱炉と、基板を搭載して搬送する搬送アームと、この搬送アームを初期位置と搬送位置の間を往復移動させる水平移動機構と、搬送アームを初期高さと保持高さと移動高さとの間を垂直移動させる垂直移動機構を有する搬送機構とからなる加熱装置を用いて、基板をローダ部へ搬入する基板搬入工程と、基板を予熱部で予熱する予熱工程と、予熱された基板を加熱部で加熱してはんだを溶融する加熱工程と、加熱された基板を冷却部で冷却する冷却工程と、冷却された基板をアンローダ部へ搬送する基板搬出工程と、をおこなう加熱方法において、加熱工程は、加熱炉の入口扉と出口扉を開いている状態で、初期位置で初期高さにある搬送アームを移動高さへ上昇させて、予熱台上の基板を搬送アームに搭載するステップと、搬送アームを初期位置から搬送位置へ移動して、基板を予熱部から加熱部へ移動するステップと、搬送アームを保持高さへ降下させて、基板を加熱台の直上に移動して保持するステップと、搬送アームと入口扉と出口扉が干渉しなくなった後、入口扉と出口扉を閉じるステップと、搬送アームを初期高さへ降下させて基板を加熱台に載置するステップと、基板を加熱台上で加熱温度に加熱する加熱ステップと、加熱中に搬送アームを搬送位置から初期位置へ戻すステップと、所定加熱時間が経過した後、搬送アームを初期高さから搬送高さに上昇させ、加熱台上の基板を搬送アーム上に搭載する搭載工程と、搬送アームを初期位置から搬送位置へ移動して、基板を加熱部から冷却部へ移動する工程とからなることを特徴とする。

更に、本発明の加熱方法は、加熱ステップにおいて基板が所定温度になった時、基板に超音波を印加し、搭載ステップにおいて搬送アームが基板を搭載する前に、基板への超音波の印加を停止することを特徴とする。

本発明の加熱装置は、基板上のはんだをリフローしてはんだバンプを形成する時、基板より大きな超音波ホーンに吸着された基板に超音波を印加することにより、微細なはんだバンプを大口径の半導体ウエハや大面積のプリント配線板等の基板上に均一に形成できる利点がある。
また、本発明になる基板搬送装置と搬送方法によりリ、フローにより基板の反りを微小に押えることができる利点がある。
更に、本発明の加熱装置の構造と基板搬送方法により、炉内の酸素像度を２００ｐｐｍ以下にすることができる利点がある。

本発明の加熱装置と加熱方法により、微小電極が配設された大型基板で強度が高く且つ接続不良率が低いはんだ接合を可能にすることができる利点がある。

加熱中に超音波を印加して、超音波の特性を十分に引き出す加熱装置と加熱方法を実現した。

図１は、本発明になる加熱装置の基板４１の搬送方向に直角で、超音波ホーン２３の中央部を通る断面の略図である。図面表示の輻輳を避けるため、搬送装置４とその駆動装置を図示していない。図２は、本発明になる加熱装置内部の中央部を基板４１の搬送方向と直角方向から見た内部の略図で、図１のＡＡ断面に斜線を施してある。図面表示の輻輳をさけるため、制御装置５と非酸化性ガス供給装置６と、炉内ガス排気装置７とブロアーを図示していない。図３は、本発明になる加熱炉の炉床を説明するための略図である。図１，２および３を参照して加熱装置について詳述する。

加熱装置１は、加熱炉２と、超音波発生装置３と、搬送アーム１８を含む搬送装置４と、加熱処理プロセスを制御する制御装置５と、加熱炉内での基板４１の酸化を防止するためと基板を冷却するための非酸化性ガス供給装置６と、炉内に供給された非酸化性ガスと基板より発生する炉内ガスを炉外へ排出する炉内ガス排気装置７と、基板を超音波ホーン（加熱台）３４に減圧吸着するためのブロアー８と、加熱炉を載置する架台９ととからなる。加熱炉２の左右には、ローダ部５６とアンローダ部５７が設けられ、基板搬入台６２と基板搬出台６３が配設されている。

加熱炉２は、予熱部３０と加熱部３１と冷却部３２からなる。予熱部３０は、天井５２と仕切板５１と炉床４９と炉壁２５で囲まれた領域である。その中には、窒素ガス貯留室４０と、予熱用中波長赤外線ヒータ３７と、予熱台３３が含まれる。窒素貯留室４０の下面には窒素ガス吹出口３８が配設されている。中波長赤外線ヒータ３７の中心波長は、２〜４μｍである。窒素貯留室の直下には、中波長赤外線ヒータ３７が基板の搬送方向と直角に配設されている。

基板を載置して予熱するための予熱台３３にはシースヒータが差し込まれ、予熱台を加熱できるようになっている。予熱台の上面３３ａには、搬送アーム１８が入るアーム用溝５８が２カ所加工されている。この溝の深さは搬送ビーム１５の高さより深いので、搬送ビームは、予熱台３３上に載置された基板４１と接触することなく、搬送ビームを水平移動できる。予熱部３０と加熱部３１には、２本組みの石英ツインチューブの中波長赤外線ヒータが４本取り付けられている。仕切板５１は、その上端が天井５２に固定され、その下方端は、基板４１を搬送アーム１８に載置して水平移動する時に基板と接触しない高さに設定されている。また、仕切板５１は、炉壁２５と接触しない寸法で、炉内ガスが行き来できる。入口扉２８付近に設けられた仕切板５１は、入口扉を開放した時、大気の流入を防止する。
予熱台の上面３３ａに、加熱台の上面３４ａと同様に基板４１を吸着する吸着溝を設けても良い。更に、加熱台の上面３４ａに突起物を配設して基板との接触面積を小さくしても良い。

加熱部３１は、加熱炉２のほぼ中央に配設されている。その構成は、加熱台３４を含む超音波振動発生装置を除くと予熱部３０とほぼ同様である。加熱台の上面３４ａには、基板４１を吸着するための吸着溝５９が形成されている。加熱台（超音波ホーン）の上面３４ａに基板を吸着することにより、超音波振動の伝達効率を高くすることができる。基板４１に半導体チップが実装されている場合、吸着溝５９は、基板に半導体チップが実装されている領域を直接吸着しないように、半導体チップと半導体チップとの間に配設されている。そして、吸着溝５９は、超音波ホーン２３の内部に加工された吸着孔６０（図４参照）を通ってブロアー８に連結する。予熱部３０と加熱部３１の間の仕切板５１は、予熱部と加熱部の雰囲気の移動と熱の輻射を遮断し、さらに中波長赤外線ヒータからの赤外線を遮断している。これにより、予熱武と加熱部との熱の干渉を抑えながら、ほぼ独立して温度制御できる。

冷却部３２は、ヒータ（抵抗ヒータと中波長赤外線ヒータ）が配設されていない。冷却部３２は、加熱された基板を窒素貯留室４０から吐出する窒素ガス（Ｎ２）で冷却するために設けられている。図３において、炉床４９に１列配設された排気孔４８を例示しているが、基板の冷却速度を制御するために、加熱部３１と同様に複数列配設も良い。また、加熱された基板４１の上面の冷却を均一にし、更に冷却時、裏面との温度差を小さくするために、窒素貯留室４０から吐出する窒素ガスの流れを制御する制御物を冷却台３５と窒素貯留室４０の間に設けると良い。この制御物は、メッシュや板が良い。メッシュは網目を場所により異ならせることにより、冷却の斑を防止できる。また、冷却台に基板の裏面を冷却するための窒素ガス吐出口を設けることにより、冷却中、上面と下面の温度差を小さくできる。
冷却台の上面３５ａに、予熱台３３と同様に、突起を設けても良い。窒素貯留室４０から吐出する窒素ガスは、炉内で乱流となると、外気の巻き込みや、基板を不均一に加熱冷却するので、好ましくない。窒素貯留室４０の吐出口にミクロン単位の微細孔を有する焼結金属等を配設することにより、炉内へ吐出された窒素ガスを層流にすることができる。

図３において、予熱台３３と冷却台３５に吸着溝５９を加工していない例を示したが、加熱台３４と同様に、吸着溝５９と吸着孔６０を設けても良い。これらを用いて、基板を吸着することにより、予熱時と冷却時に基板の反りを矯正できる。冷却時の基板の反りは、次工程でのトラブルを引き起こすので、発生を防止することが大切である。又、冷却時に基板の表面と裏面との温度差が生じると基板に反りが生じるので、窒素ガスの吹き付けを表裏同一となるようにすることや冷却台の上面３５ａにピン又は板の端面で基板を受けるようにすると良い。また、冷却台は、長時間可動すると加熱部からの熱伝導と加熱された基板からの熱により、温度が上昇するので、この温度上昇を防止するために、空冷または水冷のパイプを冷却台に設けると良い。以上冷却台３３について幾つかの構造を記載したが、同時に採用できないものもあるので、適宜組み合わせて採用する。

加熱炉２は、炉内の酸素濃度を測定する酸素濃度センサー５４と予熱部の温度を測定し制御するための温度センサー５３と加熱部の温度を測定し制御するための温度センサー５３ａが予熱部と加熱部に配設されている。更に、予熱台３３と加熱台３４にも、温度を測定し制御するための温度センサー６１（図示略）が台の穴（図４参照）に配設されている。

窒素ガスは、制御装置５により制御される電磁バルブ（図示略）で流量を制御されながら、非酸化性ガス供給装置６から予熱部と加熱部と冷却部の窒素貯留室４０へ送られる。それらに送られる流量は、独立して制御できるようになっている。窒素貯留室から吹出された窒素ガスは、炉内を通り炉床４９に明けられた排気孔４８から炉外へ排出される。炉内ガス排気装置７は、炉内の窒素ガスの圧力が負圧とならない範囲で炉内ガスを吸引する。炉内の窒素ガスを正圧に保ち、炉外からの大気の進入を防ぎ、炉内の酸素濃度を低く抑えることができるようになっている。

加熱炉２には、基板４１を搬入するための入口２６と基板を搬出するための出口２７が設けられている。入口と出口は、入口扉２８と出口扉２９を上下することにより開閉できる。入口２６と出口２７の大きさは、扉の開放時大気の炉内への侵入量を少なくするために、搬送アーム１８に載置された基板が接触しないで移動できる大きさである。入口２６と出口２７の下部の炉壁は、予熱台３３や冷却台３５より高くてある。そして、入口と出口には、加熱台２３と同様に、搬送アーム１８が通過できるアーム用溝５８が設けられている。この構造により、例えば加熱工程で、基板を加熱台の直上に保持した状態で、入口扉２８と出口扉２９が入口２６と出口２７を塞ぐとこができる。加えて、この溝と搬送アームの間隙から大気が炉内へ流入しないように、加熱炉２の雰囲気は、正圧に保持されている。

図４は、超音波振動発生装置３を説明するための略図で、図４の（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。超音波振動発生装置３は、超音波振動子２２と超音波ホーン２３と連結部材２４からなる。超音波ホーン２３の上部は、加熱台３４としての機能を有している。

図４（ａ）は、超音波ホーンの上面２３ａ（加熱台の上面３４ａ）である。上面３４ａに載置された基板４１を点線で図示してある。超音波ホーンの上面２３ａは、基板４１より縦横とも大きい。チップ搭載エリア４２に対応して４ヶ所に吸引溝５９が形成され、それらの中央部に吸引孔６０が４ヶ所に加工されている。これらの吸引孔６０は、それぞれが１本の管に連結されて超音波ホーン２３からブロアー８へ連結している。
上面２３ａの縦横寸法は、基板４１より５ｍｍ大きい。上面２３ａと基板４１の大きさの関係は、チップ搭載エリアに均一な超音波振動が印加されれば良いので、上面２３ａの縦横寸法は、チップ搭載エリアより小さくなければ良い。即ち、下限は、同等で、上限は、縦横２０ｍｍで、超音波振動発生装置として実用可能な大きさで決まるが、縦横２０ｍｍを越えるものは、経済的でない。図４（ａ）の長さＡは、図５（ａ）の長さＣより短くなく、同様に図４（ａ）の長さＢは、図５（ａ）の長さＤより短くない。

図４（ｂ）は、超音波発生装置３の正面図で、図の輻輳を避けるために吸引孔６０の図示を省略している。なお、図１及び２において、超音波発生部２２は、固定板１０に固定する部材と一体に図示してある。超音波ホーン２３は、横１００×縦４００×高さ２００ｍｍで、質量を軽減するために、アルミニューム合金からなる。その合金の組成は、軽く、強く且つ超音波印加時の座屈能力が高いことが好ましく、例えば、ジュラルミン、超ジュラルミン等が適している。超音波ボーンは、連結部材２４とネジで結合されているが、超音波振動により緩まないようにネジ部の直径を大きくすることや、座金を挟むことや溶接や接着剤により補強することが好ましい。

超音波ホーン２３は、左右対称に設計されている。振動モード調整孔４７は、上面２３ａでの超音波振動の振幅を均一にするために設けられた長孔である。４個の抵抗ヒータ孔３６ａは、抵抗ヒータ３６が入る孔で、超音波振動の伝達を妨害しないように長孔の延長線上に配設される。超音波ホーン２３の上面２３ａの温度を計測するための温度センサー用の穴６１が上面２３ａの直下に設けられている。長孔４７の長さ方向に抵抗ヒータ３６を配設する構造は本超音波ホーンの特徴の１つである。

超音波振動は、上面２３ａにおいて、振幅３μｍ、振動数２０ＫＨｚで、振動方向は、矢印で図示するようになっている。振幅は、小さ過ぎると超音波振動が溶融はんだに及ぼす影響が小さくなり、一方、振幅を大きくすることは、技術的限界があり、０．１〜６μｍで良く、０．３〜５μｍがより好ましい。
振動数は、高い方が好ましいが、質量が数１０Ｋｇの大きな超音波ホーンに振幅３μｍの超音波振動を印加するには、２０ＫＨｚ前後が実用的で、更に質量が大きくなると１０ＫＨｚを用いる。他方、ボーンの振幅や質量を変えることにより、振動数は、5〜６０ＫＨｘを印加できる。振動数は、５〜６０ＫＨで良く、より好ましくは、１０〜５０ＫＨである。超音波振動発生装置の振動モードは、３／４波長モードまたは５／４波長モードが良い。超音波ホーンの上面２３ａが最大振幅（腹）となるように設計されている。

はんだの溶融と濡れ性に対する超音波振動の物理的および化学的効果について、現時点では解明されていないが、発明者は、はんだの酸化膜が振動により破壊し、溶け出す温度の低下と溶融はんだの接触角の低下がもたらされるものと推定している。更に、固体または液体のはんだが電極の酸化膜と物理的に衝突し、電極の酸化膜を破壊するので、電極表面とはんだの濡れ性が良くなるものと推定している。はんだ表面積比と電極の表面積比で多量のフラックスを使用できない微細なはんだバンプのはんだ付けでは、酸化膜がフラックスによって除去されないで、はんだ接合不良を起こす確率が高くなる。はんだを溶融する時に酸素濃度を低くするとはんだと電極に生成する酸化膜が薄うなるが、表面積当たりのフラックス量が少なくなるので、酸化膜が残存する場合が生じる。超音波振動の印加は、こういう場合により大きな効果を発揮する。即ち、酸素濃度を低くして超音波振動を印加することの相乗効果により、微細なはんだ接合の不良を著しく低減できる。

図５は、基板の一例で、基板にはんだバンプを形成する例である。図５（ａ）は基板の平面図で、（ｂ）はチップ接続エリア４２を拡大した平面図で、（ｃ）はチップ接続エリア４２の正面図をはんだボールの中央で切断した図で、（ｄ）は、リフロー後のチップ接続エリアの断面図である。

基板の縦横は、９０×３８０ｍｍで、厚みは０．５ｍｍである。その長手方向で３ヶ所にスリット４３が形成されている。このスリット４３により、４×４個のチップ搭載エリア４２が４個形成されている。これらのスリット４３は、基板４１の長手方向の剛性を低下させ、吸着溝５９での吸着を容易する効果がある。
超音波振動子の上面２３ａは、振動がチップ搭載エリア４２上のはんだボールに均一に印加されるようにこの基板の寸法と同一又はより大きいことが好ましい。

図５（ｂ）は、１個のチップ搭載エリアを拡大した図の平面図である。ボールが５×５個図示され、見やすいように拡大し且つ変形して図示してあるので、ボールの個数（電極４５の個数と同一）は、実施例の４００個より少なく、且つボールの直径の６０μｍより小さく記載されている。チップ搭載エリア４２は、基板４１上の領域を図示したもので、個片に切り出されたものではない。更に、チップ搭載エリアが２０×２０ｍｍの場合、約１０、０００個のはんだバンプを形成できる。

図５（ｃ）は、電極４５の上にフラックスが印刷され、フラックスを押し分けるようにはんだボール４４が基板の電極４５上に搭載されている。基板上に搭載されたはんだボールは加熱炉２で加熱溶融しはんだバンプ４４ａを形成する。はんだボール４４が加熱され溶融する時に印加される超音波振動の効果で、フラックスの使用量を画期的に減少させることができる。炉内の酸素ガス濃度が２００ｐｐｍ以下となると、超音波振動と酸素ガス濃度の相乗効果でフラックスがなくてもはんだと電極は強く接合でき、更にフラックスの代わりに、活性剤を含まないはんだボール固定剤を用いることもできる。

図５（ｄ）は、はんだバンプ４４ａがリフローにより形成された基板の断面の略図である。はんだバンプ間のピッチは、１２０ミクロンである。見やすいように図示したので、寸法比とバンプの個数等は、実物とは異なる。はんだボールは、鉛レスのはんだ組成で、その直径は、２０〜７５０μｍの範囲で有効であり、より好ましくは、４０〜１５０μｍである。はんだボールの直径が小さくなると、はんだボールの重量が急激に減少するので、質量に起因する電極とはんだとの衝突力が減少し、酸化膜の破壊が困難となる。はんだボールの直径が大きくなると、フラックス量を電極に十分に塗布できるので、超音波を印加しなくても、接合強度を上げることができる。超音波振動の印加にコストがかかるので超音波を印加しないでリフローする方が実用的であるが、しかし、コストがかかってもフラックス量を減少させたい場合、大きな直径のはんだボールに超音波振動を印加することは有効である。

図６は、基板の他の実施例の略図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面の正面図である。基板６４は、図５同様に、プリント配線板で、その上に半導体チップ６５と回路基板６６が搭載されている。回路基板６は、下面にはんだバンプ６８が配設され、その上面には、抵抗やコンデンサやコイルなどが実装されていても良い。

図６（ｂ）は、リフロー前の状態を示す。基板６４の電極６７上に塗布されたフラックス６９がはんだバンプ６８を介して半導体チップ６５と回路基板６６を仮固定する。このフラックス６９は、ロジン等の活性剤を含まない液状固定剤でも良い。基板６４に超音波振動を下方から上向きに印加しながらはんだを加熱溶融することにより、基板６４に半導体チップ６５と回路基板６６をはんだ接合する。
半導体チップ６５の外部出力バンプは、２，０００ピンである。超音波を印加しながらはんだを溶融させるので、超微細なはんだバンプ（直径５０μｍ）で５，０００ピンの半導体チップの基板への接合を信頼性高く可能とする。

図７は、搬送枠体１５の斜視図で、図２を参照しながら、搬送枠体１５について説明する。搬送枠体１５は、上部枠体１６と下部枠体１７からなり、下部枠体１７は、水平移動機構であるエアシリンダ２１と連結している。エアシリンダ２１の水平移動により搬送枠外１５が水平移動できるようになっている。水平移動時の上下動を防止する目的で、スライダー１２が配設されている。スライダー１２とエアシリンダ２１は、上下に移動できる移動板１１に固定されている。移動板１１は、基板を加熱台の直上例えば０．１ｍｍ上に停止させるために、ボールネジからなる垂直移動機構１３で分解能１０μｍの高精度で制御できるようになっている。本発明において直上とは、例えば、基板４１と加熱台３３の間隔が０．０５〜１０ｍｍをいう。

上部枠体１６は、搬送アーム１８と支柱５５からなる門型の形状をしていで、基板の長手方向を２ヶ所で支えるように２組で構成される。支柱５５は、下部枠体に固定されている。搬送アーム１８の上面には、基板を載置するための凹部１９が４個等間隔に形成されている。搬送アーム１８を右に１回移動すること（初期位置から搬送位置への移動）により、基板搬入台６２にセットされた基板を予熱台まで搬入でき、そして予熱台上の基板を加熱台へ、加熱台上の基板を冷却台へそして冷却台上の基板を基板搬出台へ移動できる。
搬送アーム１８が基板と接触する個所を平面としているが、搬送アームと基板の温度差による基板の反りを防止する目的で、基板との接触面積を小さく（円形や凸型の三角形）にすると良い。更に、凹部１９の上面が基板４１と点接触するように突起やサインカーブとすると良い。このような接触面積を小さくすることで、搬送アームが基板に接触した時、基板の温度差による反りを減少できる。

次に、本発明の加熱方法について説明する。図８から図１２は、基板４１を１枚のみで処理する基板搬送のステップを示す。ステップ数が長いので、図を分けて記載している。図８は基板の搬入から予熱まで、図９は加熱、図１０は冷却、そして図１１は、基板の搬出のステップを説明してある。

本発明において、搬送アーム１８は、水平方向で２つの位置を、そして垂直方向で３つの位置をとる。搬送アームの初期位置は、基板搬入台上に載置された基板を搬送アーム１８に搭載する水平方向の位置である。搬送アームの搬送位置は、基板搬入台に載置された基板を予熱台の上に移動した水平方向の位置である。搬送アームの初期高さは、搬送アームがアーム用溝に降下し、基板と接触しない高さで、搬送アームが基板と閉まった入口扉と接触しないで水平方向に移動できる高さである。搬送アームの保持高さは、例えば、基板を加熱台の直上に保持する高さである。そして、搬送アームの搬送高さは、入口扉と出口扉を開き、搬送アームに基板を搭載して搬送する高さである。

図８の（ａ）は、搬送アーム１８の初期位置で、搬送アームは、アーム用溝５８に中にあり、基板を加熱する場合の始まりのステップで、図１３のステップＳ１に対応する。入口扉２８と出口扉２９は閉じていて、大気が炉内にはいらないように窒素ガスで炉内を正圧にしてある。（ｂ）は、搬送アームが初期位置で、基板搬入台６２上に基板４１を搭載した状態を示し、図１３のステップＳ２に対応する。（ｃ）は、基板４１を搬送アーム１８の凹部に搭載して基板を右方へ１回移動するために、入口扉２８と出口扉２９を明けて、搬送アーム１８を基板搬送高さへ上昇させた状態を示し、図１３のステップＳ３に対応する。基板は搬送アームの凹部上に載置される。

図８の（ｄ）は、（搬送アーム１８に搭載された基板を加熱炉２の予熱部３０へ移動した状態を示し、図１３のステップＳ４に対応する。搬送アームの水平位置は、搬送位置である。（ｅ）は、予熱台３３が１５０℃に加熱されているので、直接基板を予熱台上に載置すると基板が反る場合がる。この反りを防止するために、搬送アーム１８を下降させ、基板が反らないように、基板４１の下面が予熱台の上面３４ａの直上（例えば０．１ｍｍ上）に所定時間保持する。この時、入口扉と出口扉は、閉じられて外気を遮断できるようになっている（図１３のステップ５に対応）。基板は、その上面と下面がほぼ均一に温度上昇するように、予熱部３０に設けられた中波長赤外線ヒータ３７で上から加熱され、加えて予熱台の上面３３ａからも加熱される。このように、入口と出口の開放時間を短くすることにより、加熱炉内の酸素濃度を５０〜３００ｐｐｍ以下にすることができる。基板を予熱台に載置しても反らない温度（基板と予熱台の温度差が１０〜５０℃）に上昇後、次のステップに移る。基板と予熱台の温度が同一となるまで保持しても良いが、生産性が悪くなるので、適切な温度差になると、次の工程へ移動する。

図８の（ｆ）は、搬送アーム１８は降下して、基板４１を予熱台の上面３３ａに搭載し（図１３のステップ６に対応）、更に初期高さ（図７（ａ）の搬送アーム高さ）まで降下する（図１３のステップ７に対応）。基板が１５０℃に達するまでの所定時間この状態で基板を保持する。一方、搬送アーム１８は、左方へ移動して搬送アームの初期位置（ａ）に戻る。この状態が（ｆ）で、図１３のステップ８に相当する。

図９（ｇ）は、基板４１を基板搬入台６２にセットしないで、所定時間（予熱時間）経過の後、搬送アーム１８を基板搬送高さへ移動し、搬送アーム１８の左から２番目の凹部に基板を載置した状態で図１３のステップ９に対応する。予熱が終了後、搬送アーム１８を右方へ移動し、基板を加熱部３１へ移動させる。基板を搬送アームに搭載し、予熱部から加熱部へ移動するのに数秒間かかるので、この時間を考慮に入れて予熱時間を決定する。

加熱部の雰囲気は、温度が２４０℃になっており、基板が雰囲気である窒素ガスにより加熱されると共に、上方に設置された中波長赤外線ヒータ３７と加熱台からの輻射熱で加熱される。予熱の場合と同じように、基板が温度の不均一により反らないように、加熱台（超音波ホーン）３４の直上、０．１ｍｍに保持する（図８（ｈ）、図１３のステップ１０）。基板が反らない程度に加熱台との温度差が小さくなってから、搬送アームを降下させて、加熱台（超音波ホーン）の上面３４aに設けられた吸引溝５９から吸引しながら基板を超音波ホーンの上面３４aに載置し固定する（図８（i））。この状態は図１３のステップS１１に対応する。固定後、超音波を発振させ、基板に超音波を印加する。超音波は、２０KHzで振幅は、３ミクロン（μｍ）である。電極４５に印刷されたフラックスは、種類により、分解温度が異なる。フラックスの活性化温度とはんだ溶融温度がマッチングし、フラックスの活性剤の大半が残留している時に超音波を印加することが大切で、その温度はフラックスの特性に依存する。（ｊ）は、加熱中に搬送アームを初期位置へ移動する。この状態が図１４のステップ１３に相当する。

加熱時間（所定時間）に合わせて、超音波の印加と基板の吸引を停止した後、入口扉と出口扉を開き、搬送アームを搬送高さへ上昇させ、基板を搬送アームに載置する。この状態が図１０（ｋ）で、図１４のステップ１４に相当する。（ｌ）はその後、搬送アームを右方へ移動した状態を示し、図１４のステップ１５に相当する。この移動により、基板は冷却部３２に移動し、冷却が開始される。冷却部は、予熱部と加熱部と同様に窒素ガスが窒素ガス吹出口３８から吐出し、そして炉床に設けられている炉内ガス排出口３９から炉外へ排出する窒素ガスの流れ（ダウンブロー）が形成されている。上からの窒素ガスによる冷却速度が下からの冷却速度と比較して速過ぎると、基板は、上に凸に湾曲する。逆の場合、基板は上の凹に湾曲する。基板が湾曲しない程度（反りがμmオーダー）になるように冷却速度を調整する。
又、冷却台３５に加熱台３４と同様な吸着溝５９を設けて、反り防止を図ることもできる。予熱台も同様に吸着溝５９を設け、タクトタイムを短縮することもできる。

図１１は、冷却された基板を加熱炉外へ搬出する工程を説明する図である。図１１の(o)は、冷却時間（所定時間）に合わせて、入口扉と出口扉を開き、初期位置に戻った搬送アームを搬送高さへ上昇させて、基板を搬送アームに搭載する（図１４のステップ２０に対応）。（ｐ）は、基板を基板搬出台６３の上方に移動させた後、入口扉と出口扉を閉じた状態を示す。（ｑ）は、搬送アームを初期高さに降下させて、基板を基板搬出台６３上に載置した状態を示す。これらの工程は、図１３のステップＳ２１に相当する。（ｒ）は、搬送アームを初期位置に戻した状態を示し、その後、基板を搬送ロボット又は人手で基板を取り出して、一枚の基板の超音波リフローが終了する。

図１２は、基板を連続して送り熱処理する加熱方法の代表的な工程を示す。図１１（a）は、基板が１枚ずつ搬入台と予熱台と加熱台と冷却台に載置されている状態を示し、予熱と加熱と冷却が終了した状態である。この後、搬送アームを上昇させて、搬送アームに４枚の基板を載置して搬送アーム１８を右方へ移動し、搬送アームを初期高さへ降下させた状態が図１１（ｂ）である。この後、基板搬出台上の基板を取り除く工程と搬送アームを初期位置へ戻す工程と基板を基板搬入台に載置する工程を経て図１１（a）の状態となる。図１２の如く、基板を連続して送る場合、予熱と加熱と冷却の工程で必要とする最大時間が、工程毎の律速時間となる。

図１３と図１４は、搬送アームを用いた超音波リフローの工程を説明するフローチャートである。
搬送アームを初期位置に配置する（Ｓ１）。次に基板を搬送ロボット又は人手で基板搬入台６２に載置する（Ｓ２）。搬送アームの初期位置は、搬送アームに配設された最も左側の凹部が基板搬入台６２に載置された基板の下に位置である。
搬送アームは、垂直移動機構１３により、搬送アームの初期高さと基板搬送高さの間を移動できるようになっている。更に、搬送アームは、エアシリンダ２０で左右に隣接する凹部の距離だけ移動するようになっている。

予熱台、加熱台、冷却台と炉壁にはビーム溝５８が２本形成され、搬送アームが上下左右に通過できるようになっており、基板搬入台６２と基板搬出台６３は、搬送アームが上下左右に移動できるように、２本のアーム用溝を挟んで３枚の板からなっている。入口扉２８と出口扉２９は、基板を搬送アームで移動させる時以外は、閉じていて、基板を移動させる時のみに開くようになっている。

入口扉と出口扉を開き、搬送アームを上昇させ基板を搬送アームに載置する（Ｓ３）。その後、搬送アームを右方へ移動させ、基板を加熱炉２の予熱部３０へ送り込む（Ｓ４）。予熱台は抵抗ヒータで１５０度に加熱されているので、室温の基板をそのまま載置すると基板が反る。これを防止するために、基板が反らない程度に均熱されるまで、基板を予熱台の直上に保持し（Ｓ５）、その後搬送アームを降下させて基板を予熱台に載置し（Ｓ６）、更に搬送アームを初期高さに降下させる（Ｓ７）。基板を予熱中に、搬送アームを初期位置へ戻す（Ｓ８）。予熱時間が終了後、搬送アームを搬送高さに上昇させ（Ｓ９）、その後搬送アームを右方の加熱部へ移動させる。この操作に数秒間かかかるので、搬送アームを初期高さにするまでの時間（所要時間）は、予熱時間よりその分短くすると良い。以上のステップで基板の予熱は完了する。

加熱と冷却は、上記ステップＳ５〜Ｓ９と同様なステップを加熱部と冷却部で実施することである。異なる処理は、基板を加熱台の直上に移動（Ｓ１０）し、所定時間後に基板を加熱台に載置（Ｓ１１）し、基板を加熱台３４（２３）に載置し吸引固定してから、超音波を基板に印加する。並行して搬送アームを初期高さに降下（Ｓ１２）させ、搬送アームを初期位置に戻して（Ｓ１３）待機する。基板を２４０℃で所定時間加熱後、搬送アームを搬送高さへ上昇（Ｓ１４）させ、搬送アームを右方の冷却部へ移動（Ｓ１５）させ、搬送アームを降下させて基板を冷却台から０．１mm上の直上へ移動（Ｓ１６）する。所定時間後、基板を載置台に載置（Ｓ１７）する。搬送アームを初期高さに降下（Ｓ１８）させ、搬送アームを初期位置へ戻す（Ｓ１９）。所定時間後、搬送アームを搬送高さに上昇させて（Ｓ２０）、搬送アームを右方へ移動させ、基板を基板搬出台に載置し搬出する（Ｓ２１）。そして、搬出アームを初期位置へ戻す（Ｓ２２）。以上で、基板１枚の超音波リフローが完了する。

図１５は、連続して基板を送る場合のフローチャートで、定常状態では、搬送アームで基板を搬入する毎に基板を搬出するプロセスである。スタート時点では、加熱炉内に基板はないが、ステップを追う毎に基板が予熱部、加熱部と冷却部に載置されて熱処理され、そして、冷却した基板が基板搬出台へ搬出される。流れが定常となると、ステップ９とステップ１０との間を繰り返す。即ち、基板を搬入し、加熱炉内で予熱し、はんだに超音波を印加しながらはんだを溶融し、その後冷却されて、基板が搬出される操作を繰り返す。

本発明は、基板に搭載されたはんだボールをリフローして基板にはんだバンプを形成する加熱装置と加熱方法と、はんだバンプが形成された基板を他の基板にはんだ接合するための加熱装置と加熱方法に有効である。

図１は加熱装置の内部を基板の搬送方向から見て説明するための図である。 図２は加熱装置の断面を説明するための図である。 図３は加熱装置の炉床を説明するための図である。 図４は超音波発生装置を説明するための図である。 図５は基板を説明するための図である。 図６は基板を説明するための図である。 図７は基板を搬送する搬送枠体を説明するための図である。 図８は基板を一枚ずつリフローする場合の基板の搬入と予熱の工程を説明するための図である。 図９は基板を一枚ずつリフローする場合の基板の加熱の工程を説明するための図である。 図１０は基板を一枚ずつリフローする場合の基板の冷却の工程を説明するための図である。 図１１は基板を一枚ずつリフローする場合の基板の搬出の工程を説明するための図である。 図１２は基板を連続して送る場合のリフローの主要工程を説明する図である。 図１３は基板を一枚ずつリフローする場合のフローチャートである。 図１５は基板を一枚ずつリフローする場合のフローチャートである。 図１５は基板を連続して送る場合のフローチャートである。

１ 加熱装置
２ 加熱炉
３ 超音波振動発生装置
４ 搬送装置（トランスファービーム）
５ 制御装置（コンピュータ）
６ 非酸化性ガス供給装置
７ 炉内ガス排気装置
８ ブロアー
９ 架台
１０ 固定板
１１ 移動板
１２ スライダー
１３ 垂直移動機構
１４ モータ
１５ 搬送枠体
１６ 上部枠体
１７ 下部枠体
１８ 搬送アーム
１９ 凹部
２０ エアシリンダ（水平移動機構）
２１ スライダー
２２ 超音波振動子
２３ 超音波ホーン
２３ａ 超音波ホーンの上面
２４ 連結部材
２５ 炉壁
２６ 入口
２７ 出口
２８ 入口扉
２９ 出口扉
３０ 予熱部
３１ 加熱部
３２ 冷却部
３３ 予熱台
３３ａ 予熱台の上面
３４ 加熱台（超音波ホーン）
３４ａ 加熱台の上面
３５ 冷却台
３５ａ 冷却台の上面
３６ 抵抗ヒータ
３６ａ 抵抗ヒータ用孔
３７ 中波長赤外線ヒータ
３８ 窒素ガス吹出口
３９ 炉内ガス排出口
４０ 窒素貯留室
４１ 基板
４２ チップ搭載エリア
４３ スリット
４４ はんだボール
４４ａ はんだバンプ
４５ 電極
４６ フラックス
４７ 振動モード調節孔
４８ 排気孔
４９ 炉床
５０ 排気ダクト
５１ 仕切板
５２ 天井
５３ 温度センサー
５４ 酸素濃度センサー
５５ 支柱
５６ ローダ部
５７ アンローダ部
５８ アーム用溝
５９ 吸着溝
６０ 吸引孔
６１ 温度センサー孔
６２ 基板搬入台（ローダ部）
６３ 基板搬出台（アンローダ部）
６４ 基板
６５ 半導体チップ
６６ 回路基板
６７ 電極
６８ はんだバンプ
６９ フラックス（固定剤）

Claims (1)

1. ローダ部とアンローダ部と、基板を加熱する加熱炉と、上記基板に超音波を印加する超音波発生装置と、上記基板を搬送する搬送装置を有する加熱装置において、
   上記加熱炉は、予熱部と加熱部と冷却部と入口扉と出口扉を有し、
   上記予熱部は、上記ローダ部から搬送された上記基板を加熱温度未満に予熱し、
   上記加熱部は、上記超音波振動子に連結する加熱台とこの加熱台を加熱するヒータと上記加熱台に載置された上記基板を加熱する中波長赤外線ヒータと非酸化性ガスを吐出する気体吐出口と炉底に非酸化性ガスを炉外へ排出する開口を有し、
   上記冷却部は、上記非酸化性ガスを吐出する気体吐出口と炉底に非酸化性ガスを炉外へ排出する開口を有し、
   上記超音波発生装置は、超音波振動子と、上記加熱台を兼ねる超音波ホーンと、上記超音波振動子と上記超音波ホーンを連結する連結部材を有し、
   上記超音波振動子は、振動方向が上記基板の厚み方向で、上記連結部材を介して上記超音波ホーンである上記加熱台に接続され、
   上記加熱台は、この加熱台の上面に形成された吸引溝により減圧吸引された上記基板に超音波振動を印加し、
   上記加熱台の上面の形状は、上記基板の裏面の形状より大きく、そして
   上記搬送装置は、上記基板を上記ローダ部から上記予熱部へ搬送し、予熱された上記基板を上記加熱部へ搬送し、そして加熱された上記基板を上記冷却部へ搬送した後、冷却された上記基板を上記アンローダ部へ搬出する
   ことを特徴とする加熱装置。