JP5753805B2 - 実装装置およびその制御方法 - Google Patents

Description

この発明は，実装装置およびその制御方法に関する。

チップをフレキシブル・プリント基板，リジッド基板などの基板にフリップ・チップ実装する電気的接合が行われる場合，チップが基板上に位置決めされた後に，熱，圧力などが加えられる。このような場合，電気的接合の完了後に電気特性の検出，接合部分の外部観察などにより，最適な実装となっているかどうかが評価される。しかしながら，近年の多品種，少量化，多ピン狭ピッチ化の流れの中では，コスト，生産性を向上するためには電気的接合の完了後の評価は最適なものとは考えられない。

このために，チップ・ディバイスとフレキシブル・プリント基板とを半田で金属接合する際に外観検査と接合強度を改善する目的で視認可能な切り欠け，スリットなどをフレキシブル・プリント基板上に形成し，それらの切り欠けなどを介して半田の接続状態を外部から検査する手法が磁気記憶装置向けに提案されている（特許文献１）。また，上下にステージを配置した露光装置において，上部ステージに固定されたマスク基板上にアライメント・マークを視認しながら，下部ステージのワークスの位置決めを精度よく連続的に行うことを目的に下部ステージに観察窓を設けた露光装置の機構の提案されている（特許文献２）。さらに，上下にステージを配置した常温接合装置において，上部に固定されたワークと下部に固定されたワークとを精度よく接合する手法として，均一に加圧するための弾性体を上部ステージに取り付け，下部のステージには観察窓を配置しアライメントを行いながら常温接合を行う装置の提案されている（特許文献３）。

また，プリント基板に貫通孔を形成し，その貫通孔に向けて光を出射し，電子部品のリードからの反射光にもとづいて，電子部品のリードの浮きの有無を判断するもの（特許文献４），電子部品に加圧し，非接触変位計を用いて電子部品の変位を検出することにより，電子部品と基板との相対位置を補正するものもある（特許文献５）。さらに，実装基板の裏面からＣＣＤカメラで観察し，不良の判定を行うものもある（特許文献６）。

特開2008-300594号公報 特許第3336955号公報 特開2009-212489号公報 特開2010-225708号公報 特開2009-10214号公報 特開2001-291936号公報

しかしながら，特許文献１から４，特許文献６に記載のものは，接合完了後に接合状況を評価するものであり，コスト・ダウン，生産性の向上を図ることはできない。また，特許文献５に記載のものでは，変位計を用いて変位を検出することにより電子部品の位置ずれを防止するものであり，接合状況が最適かどうかを確認することはできない。

この発明は，効率良く，適した接合状況となるようにチップを回路基板に実装することを目的とする。

この発明は，第１の端子が形成されているチップを保持する第１の保持機構，第１の端子と接続されるように第２の端子が形成されている回路基板を保持する第２の保持機構，第１の保持機構に保持されているチップと第２の保持機構に保持されている回路基板とが近づき，第１の端子と第２の端子とが半田バンプを介して接続されるように，第１の保持機構および第２の保持機構のうち少なくとも一方を駆動する駆動装置，第１の端子と第２の端子とが半田バンプを介して接続される様子を撮像し，接続状態（接続形状）を表わす撮像データを出力する撮像装置，ならびに撮像装置から出力される撮像データによって表わされる半田バンプの接続状態が所望の接続状態となるように駆動装置を制御する駆動制御装置を備えていることを特徴とする。

この発明は，実装装置に適した制御方法も提供している。すなわち，第１の端子が形成されているチップを保持する第１の保持機構，および上記第１の端子と接続されるように第２の端子が形成されている回路基板を保持する第２の保持機構を備えた実装装置の制御方法において，駆動装置が，第１の保持機構に保持されているチップと第２の保持機構に保持されている回路基板とが近づき，第１の端子と第２の端子とが半田バンプを介して接続されるように，第１の保持機構および第２の保持機構のうち少なくとも一方を駆動し，撮像装置が，第１の端子と第２の端子とが半田バンプを介して接続される様子を撮像し，接続状態を表わす撮像データを出力し，駆動制御装置が，撮像装置から出力される撮像データによって表わされる半田バンプの接続状態が所望の接続状態となるように駆動装置を制御するものである。

この発明によると，チップと回路基板とが駆動装置によって近づき，チップに形成されている第１の端子と回路基板に形成されている第２の端子とが半田バンプを介して接合（接続）される。その様子が撮像装置によって撮像され，接続状態を表す撮像データが得られる。得られた撮像データによって表わされる半田バンプの接続状態が所望の接続状態となるように駆動装置が制御される。第１の端子と第２の端子とを半田バンプを介して接続している様子を観察しながら接続できるので，最適な接続状態となったときに，駆動装置の駆動を停止できる。接続完了後に接続状態を評価する場合に比べ，効率良く接続不良の数を減らすことができる。

撮像装置は，たとえば，チップまたは回路基板の側面から第１の端子と第２の端子とが半田バンプを介して接続される様子を撮像するものである。この場合，たとえば，撮像装置から出力される撮像データにもとづいて，半田バンプと第１の端子または半田バンプと第２の端子との接触角を算出する接触角算出手段をさらに備える。また，駆動制御装置は，接触角算出手段によって算出された接触角が所望の接触角となるように駆動装置を制御する，あるいは，接触角にもとづいて得られる半田バンプの表面張力が所望の値となるように駆動装置を制御するものであるとよい。

回路基板は透明基板でもよい。その場合には，撮像装置は，たとえば，回路基板の底面から半田バンプと第２の端子とが接続される様子を撮像するものであり，撮像装置から出力される撮像データにもとづいて半田バンプの回路基板への濡れ領域の面積を算出する面積算出手段をさらに備える。この場合，駆動制御装置は，たとえば，算出手段によって算出された濡れ領域の面積が所望の面積となるように駆動装置を制御するものである。

半田バンプに熱を加えるヒータ，および撮像装置から出力される撮像データによって表わされる接続形状が所望の接続形状となるようにヒータを制御するヒータ制御装置をさらに備えてもよい。

撮像装置が，チップまたは回路基板の側面から第１の端子と第２の端子とが半田バンプを介して接続される様子を撮像するものの場合，上述のように，撮像装置から出力される撮像データにもとづいて，半田バンプと第１の端子または半田バンプと第２の端子との接触角を算出する接触角算出手段をさらに備えてもよい。この場合，ヒータ制御装置は，たとえば，接触角算出手段によって算出された接触角が所望の接触角となるように駆動装置を制御する，あるいは，接触角にもとづいて得られる半田バンプの表面張力が所望の値となるようにヒータを制御するものである。

回路基板は，上述のように，たとえば，透明基板であり，撮像装置は，たとえば，回路基板の底面から半田バンプと第２の端子とが接続される様子を撮像するものであり，撮像装置から出力される撮像データにもとづいて半田バンプの回路基板への濡れ領域の面積を算出する面積算出手段をさらに備えてもよい。この場合，ヒータ制御装置は，たとえば，算出手段によって算出された濡れ領域の面積が所望の面積となるようにヒータを制御するものである。

回路基板の底面からの反射光を撮像装置に偏向する第１の偏向器，およびチップと回路基板との側面からの反射光を第１の偏向器に導く第２の偏向器をさらに備えてもよい。

実装装置を構成する駆動装置の外観図である。 接合状況を撮像する様子を示している。 実装装置の電気的構成を示すブロック図である。 実装装置の接合処理手順を示すフローチャートである。 （Ａ）から（Ｄ）は接合の様子を示す側面図である。 接合の様子を示す側面図である。

図１は，この発明の実施例を示すもので，回路基板40にチップ30を実装する実装装置を構成する駆動装置を示している。

駆動装置には，ベース・プレート１上に支柱３が立設している。この支柱３に，止め具５によってプレス機４が支柱３に沿って上下に移動自在に取り付けられている。プレス機４の下方にはプレス・ヘッド６が取り付けられている。プレス・ヘッド６の下面にはベース・プレート７が固定されている。このベース・プレート７の下面には開閉ステージ８が固定されている。開閉ステージ８には，ヒータ・ステージ９が取り付けられている。このヒータ・ステージ９の下部にチップ30が取り付けられている。

ベース・プレート１上には，平面上のダイセット11が設けられている。ダイセット11の四隅には支柱12が立設している。上述したベース・プレート７には支柱12に対応する位置が開口しており，ベース・プレート７の四隅を支柱12が挿通自在である。

ダイセット11上には，後述するように平面のヒータ・ステージ17の上面が傾斜させるための傾斜ステージ13，ヒータ・ステージ17の位置をＸ方向およびＹ方向に移動させるためのｘｙステージ14，ヒータ・ステージ17を，Ｚ軸を中心に所定の角度回転させるためのθステージ15が設けられている。このθステージ15上にＣ字リング18が設けられている。さらに，Ｃ字リング18上にヒータ・ユニット16が固定されている。ヒータ・ユニット16の上面には，ヒータ・ステージ17が設けられている。ヒータ・ステージ17上に回路基板（ガラス基板，透明基板）40が配置されている。

プレス機４が下方向に駆動させられると，支柱12に沿ってベース・プレート７が下方に移動する。すると，ヒータ・ステージ９に取り付けられているチップ30が，ヒータ・ステージ17に配置されている回路基板40に近づき，詳しくは後述するように回路基板40にチップ30が実装される。

図２は，オペレータ61がマイクロ・スコープ60を用いてチップ30と回路基板40との接合を観察している様子を示している。

表面30ａが下側となるようにチップ30がヒータ・ステージ９に取り付けられる。チップ30の表面には，金属ランド（第１の端子）31が形成されている。たとえば，チップ30は2.5mm×15mmの大きさであり，金属ランド31は，25μm×100μm×20μmの大きさのものである。金属ランド31には，Sn-Ag系の鉛フリー半田バンプ32が形成されている（Sn-Ag系の鉛フリー半田バンプに限らないのはいうまでもない）。たとえば，半田バンプ32は，半径50μmから70μm程度であり，250μmピッチでアレイ化されている。

回路基板40は，表面40ａが上側となるようにヒータ・ステージ17に配置される。回路基板40の表面上には，チップ30に形成されている半田バンプ32に対応する位置に金属ランド（第２の端子）41が形成されている。

駆動装置の右側にはマイクロ・スコープ60が配置されている。

ヒータ・ステージ17の中央部には貫通孔17aがあけられており，貫通孔17ａを塞ぐように回路基板40が配置されている。回路基板40の下方のダイセット11上には第１の偏向プリズム51が配置されている。また，回路基板40の左側には第２の偏向プリズム52が配置されている。

回路基板40の下面の様子を示す光像を表わす光成分は，鎖線Ｌ１で示すように，第１の偏向プリズム51の斜面51ａにおいて偏向させられ，マイクロ・スコープ60に入射する。マイクロ・スコープ60には撮像装置（図２では図示略）が含まれており，その撮像装置によってチップ30が回路基板40に実装される様子が，回路基板40の下方向から撮像されることとなる。また，回路基板40の左側面の様子を示す光像を表わす光成分は，鎖線Ｌ２で示すように，第２の偏向プリズム52の斜面52ａおよび第１の偏向プリズム51の斜面51ａにおいてそれぞれ偏向させられ，マイクロ・スコープ60に入射する。マイクロ・スコープ60の撮像装置において，チップ30が回路基板40に実装される様子が，回路基板40の左側方向から撮像されることとなる。

また，オペレータ61によってマイクロ・スコープ60を用いてチップ30が回路基板40に実装される様子が目視で確認される。

図３は，実装装置の電気的構成の一部を示すブロック図である。

実装装置には，全体の制御を統括するコンピュータ装置70が含まれている。

上述したように，実装装置には，プレス機４が含まれている。このプレス機４は，コンピュータ70によって制御されるプレス機制御ユニット71によって駆動させられる。また，上述したように，実装装置には，ヒータ・ステージ９および17が含まれている。これらのヒータ・ステージ９および17は，コンピュータ70によって制御されるヒータ制御ユニット72によって制御される。

プレス機４の位置は変位センサ81によって検出される。変位センサ81から出力されるプレス機４の位置を表す信号がコンピュータ70に入力する。すると，コンピュータ70においてチップ30と回路基板40との間の距離が算出される。算出された距離に応じて，チップ30と回路基板40との間の距離が所望の距離となるように，プレス機４がプレス機制御ユニット71によって駆動させられる。

また，圧力センサ82によって，チップ30と回路基板40との間に加わる圧力が検出される。検出された圧力を表す信号もコンピュータ70に入力する。所望の圧力がチップ30と回路基板40との間に加わるように，コンピュータ70によってプレス機制御ユニット71が制御させられる。

さらに，温度センサ83によって，チップ30および回路基板40の周囲温度が検出される。検出された周囲温度を表わす信号がコンピュータ70に入力する。所望の温度となるようにコンピュータ70によってヒータ制御ユニット72が制御させられる。

さらに，上述したように，チップ30および回路基板40の接合状況は，マイクロ・スコープ60に含まれている撮像装置90によって撮像される。接合状況を表わす撮像データは撮像装置90からコンピュータ70に入力する。詳しくは後述するように，撮像データによって表わされる接合状況が所望の接合状況となるようにプレス機制御ユニット71およびヒータ制御ユニット72がコンピュータ70によって制御される。

図４は，実装装置の処理手順を示すフローチャートである。図５（Ａ）から図５（Ｄ）は，チップ30と回路基板40との接合状況を示す側面図である。

図５（Ａ）を参照して，チップ30が下方に移動することにより，チップ30に形成されている半田バンプ32が回路基板40に形成されている金属ランド41と接触し，半田バンプ32によってチップ30の金属ランド31と回路基板40の金属ランド41とが接合される。

図４を参照して，プレス機４がプレス機制御ユニット71によって駆動させられ，プレス機４が徐々に下方に移動する（ステップ101）。すると，ヒータ・ステージ９に取り付けられたチップ30も徐々に下方に移動する。また，ヒータ・ステージ９および17の発熱量がヒータ制御ユニット72によって適度な温度となるように調節される（ステップ101）。半田バンプ32が回路基板40の金属ランド41に接続されるように融解することとなる。チップ30と回路基板40との間の距離，半田バンプ32が回路基板40の金属ランド41に加えている圧力ならびにヒータ・ステージ９および17の温度（チップ30，回路基板40の周囲温度）のそれぞれが，変位センサ81，圧力センサ82および温度センサ83によって検出される（ステップ102）。

チップ30が徐々に下方に移動し，回路基板40とチップ30とが近づくと，その様子が，図２で示したように，回路基板40の下面と側面とから，マイクロ・スコープ60に含まれている撮像装置90によって連続的に（一定周期でも一定周期でなくともよい）撮像される（ステップ103）。撮像によって得られた，下面からの接合の様子を示す撮像データと側面からの接合の様子を示す撮像データとは，上述のようにコンピュータ70に入力する。コンピュータ70において，側面と下面との接合状況が評価される（ステップ104）。この評価について詳しくは後述する。

評価の結果，最適な接合状態ではないと考えられると（ステップ105でＮＯ），ステップ101からの処理が繰り返される。すなわち，プレス機４の駆動によるチップ30の位置の移動，ヒータ・ステージ９，17による温度調節などが行われ，チップ30と回路基板40との接合状態がリアルタイムで撮像され，撮像データにもとづく接合状況の評価が随時行われる処理が繰り返される。評価の結果，最適な接合状態となったと考えられると（ステップ105），チップ30と回路基板40との接合処理が終了する。

再び，図５（Ａ）を参照して，上述したように，チップ30と回路基板40との間の距離等が検出され，かつ撮像装置90によって接合状態が撮像されながら，チップ30が下方に移動させられる。すると，チップ30が回路基板40に徐々に近づく。

チップ30が回路基板40に徐々に近づいていくと，図５（Ｂ）に示すように，チップ30に形成されている半田バンプ32の下部が回路基板40に形成されている金属ランド41の表面と接する。上述のように，半田バンプ32と金属ランド41との接合状況が側面および下面から撮像され，得られた撮像データから接合状況が評価される。図５（Ｂ）に示すように，半田バンプ32と金属ランド41との接触面積（濡れ面積）が小さい等の評価がなされると，プレス機４がさらに下方に移動するように駆動させられる。すると，図５（Ｂ）に示すように，半田バンプ32と金属ランド41との接触面積が大きくなる。半田バンプ32と金属ランド41との接合状況が撮像され，得られた撮像データから接合状況が再び評価される。半田バンプ32と金属ランド41との接触面積が大きすぎるなどの理由により，チップ30と回路基板40とを離す必要があると評価されると，チップ30が上方に移動するようにプレス機４が駆動させられる。このように，半田バンプ32と金属ランド41とが最適な接合状態となったと評価されるまで，接合状態が繰り返し撮像され，繰り返し得られた撮像データにもとづいてプレス機４の制御，ヒータ・ステージ９，17の温度調節などが繰り返し行われる。

図５（Ｄ）に示すように，半田バンプ32と金属ランド41とが最適な接合状態となったと撮像データにもとづいて評価されると，接合処理は終了する。たとえば，金属ランド40への接触前の半田バンプ32の投影面積の１／２以上の面積，好ましくは２／３程度の面積が半田バンプ32と金属ランド41との接触面積となったことにより，最適な接合状態となったと評価される。

半田バンプ32と金属ランド41とが最適な接合状態となったかどうかの評価は半田バンプ32と金属ランド41との接触面積にもとづいて評価しているが，接触面積だけでなく，他のパラメータも利用して評価できるのはいうまでもない。

図６は，半田バンプ32と金属ランド41との接合状況を示す側面図である。

半田バンプ32と金属ランド41との接合状況の評価は，上述のように，半田バンプ32と金属ランド41との接触面積だけでなく，次に述べるように半田バンプ32の表面張力にもとづいて行うこともできる。

半田バンプ32の表面張力をγL，金属ランド41の表面張力をγs，半田バンプ32と金属ランド41との界面張力をγLs，接触角をθとすると，式１に示すヤングの式が設立する。
γs＝γLs＋γLcosθ・・・式１

金属ランド41の表面張力γsおよび半田バンプ32と金属ランド41との界面張力γLsを予め測定しておくと，接触角θが分れば，半田バンプ32の表面張力が分る。上述したように，半田バンプ32と金属ランド41との接合状況は側面から撮像されているから，撮像により得られた撮像データから接触角θを求めることができる。半田バンプ32の表面張力γLも算出できるようになる。

半田バンプ32の表面張力γLが0.5N/m以下，好ましくは，0.3N/mから0.4N/mとなると最適な接合状態となると判定される。もっとも，半田バンプ32の表面張力γLを求めずに，最適な接合状態における半田バンプ32の表面張力を決定しておき，接触角θが所定の角度となったことにより最適な接合状態となったと判断するようにしてもよい。

半田バンプ32の表面張力γL（接触角θ）と半田バンプ32の金属ランド41への接触面積との両方を利用して半田バンプ32と金属ランド41とが最適な接合状態となったかどうかを判定するようにしてもよい。

最適な半田バンプ32の表面張力γL（接触角θ）および半田バンプ32の金属ランド41への接触面積は，チップ30と回路基板40との間のエンド，フラックスの状態，半田バンプ32の溶融中におきる酸化反応に大きく左右されるので，上述したように，接合状況を連続して撮像しながら，フィードバック制御を行うことにより，最適な接合を実現できる。

上述した実施例において，チップ30と回路基板40との間にACF（anisotropic conductive film）を挟んで接合処理を行うようにしてもよい。

４ プレス機
９，17 ヒータ・ステージ（第１の保持機構，第２の保持機構）
30 チップ
31，41 金属ランド
32 半田バンプ
40 回路基板
70 コンピュータ
71 プレス機制御ユニット
90 撮像装置

Claims (7)

1. 第１の端子が形成されているチップを保持する第１の保持機構，
   上記第１の端子と接続されるように第２の端子が形成されている回路基板を保持する第２の保持機構，
   上記第１の保持機構に保持されているチップと上記第２の保持機構に保持されている回路基板とが近づき，上記第１の端子と上記第２の端子とが半田バンプを介して接続されるように，上記第１の保持機構および上記第２の保持機構のうち少なくとも一方を駆動する駆動装置，
   上記チップまたは上記回路基板の側面から，上記第１の端子と上記第２の端子とが上記半田バンプを介して接続される様子を撮像し，接続状態を表わす撮像データを出力する撮像装置，
   上記撮像装置から出力される撮像データにもとづいて，上記半田バンプと上記第１の端子または上記半田バンプと上記第２の端子との接触角を算出する接触角算出手段，ならびに
   上記接触角算出手段によって算出された接触角が所望の接触角となるように上記駆動装置を制御する，あるいは，接触角にもとづいて得られる上記半田バンプの表面張力が所望の値となるように上記駆動装置を制御する駆動制御装置，
   を備えた実装装置。
2. 上記回路基板は透明基板であり，
   上記撮像装置は，
   上記回路基板の底面から上記半田バンプと上記第２の端子とが接続される様子を撮像するものであり，
   上記撮像装置から出力される撮像データにもとづいて上記半田バンプの上記回路基板への濡れ領域の面積を算出する面積算出手段をさらに備え，
   上記駆動制御装置は，
   上記算出手段によって算出された濡れ領域の面積が所望の面積となるように上記駆動装置を制御するものである，
   請求項１に記載の実装装置。
3. 上記半田バンプに熱を加えるヒータ，および
   上記撮像装置から出力される撮像データによって表わされる接続形状が所望の接続形状となるように上記ヒータを制御するヒータ制御装置，
   をさらに備えた請求項１または２に記載の実装装置。
4. 上記ヒータ制御装置は，
   上記接触角算出手段によって算出された接触角が所望の接触角となるように上記ヒータを制御する，あるいは，接触角にもとづいて得られる上記半田バンプの表面張力が所望の値となるように上記ヒータを制御するものである，
   請求項３に記載の実装装置。
5. 上記回路基板は透明基板であり，
   上記撮像装置は，
   上記回路基板の底面から上記半田バンプと上記第２の端子とが接続される様子を撮像するものであり，
   上記撮像装置から出力される撮像データにもとづいて上記半田バンプの上記回路基板への濡れ領域の面積を算出する面積算出手段，
   上記半田バンプに熱を加えるヒータ，および
   上記面積算出手段によって算出された濡れ領域の面積が所望の面積となるように上記ヒータを制御するヒータ制御装置，
   をさらに備えた請求項１に記載の実装装置。
6. 上記回路基板の底面からの反射光を上記撮像装置に偏向する第１の偏向器，および
   上記チップと上記回路基板との側面からの反射光を上記第１の偏向器に導く第２の偏向器，
   をさらに備えた請求項２から５のうち，いずれか一項に記載の実装装置。
7. 第１の端子が形成されているチップを保持する第１の保持機構，および上記第１の端子と接続されるように第２の端子が形成されている回路基板を保持する第２の保持機構を備えた実装装置の制御方法において，
   駆動装置が，上記第１の保持機構に保持されているチップと上記第２の保持機構に保持されている回路基板とが近づき，上記第１の端子と上記第２の端子とが半田バンプを介して接続されるように，上記第１の保持機構および上記第２の保持機構のうち少なくとも一方を駆動し，
   撮像装置が，上記チップまたは上記回路基板の側面から，上記第１の端子と上記第２の端子とが上記半田バンプを介して接続される様子を撮像し，接続状態を表わす撮像データを出力し，
   接触角算出手段が，上記撮像装置から出力される撮像データにもとづいて，上記半田バンプと上記第１の端子または上記半田バンプと上記第２の端子との接触角を算出し，
   駆動制御装置が, 上記接触角算出手段によって算出された接触角が所望の接触角となるように上記駆動装置を制御する，あるいは，接触角にもとづいて得られる上記半田バンプの表面張力が所望の値となるように上記駆動装置を制御する，
   実装装置の制御方法。

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