JP5798212B2 - 基板の反りを調整する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、基板の反りを調整する方法および装置に関するものである。

電子産業の発展に伴い、電子製品は軽量化、薄型化、小型化が進んできた。電子製品では、絶えず新技術が開発され、高密度に機能素子が実装され、全体のシステムのコストが削減されてきた。

しかしながら、高密度に配線された電子製品を製造するために、必要となる製造プロセスはますます複雑化し、プリント回路基板（以下、ＰＣＢ基板という。）上に高密度の集積回路を形成するプロセス（例えば、チップの埋め込みまたはコンデンサの実装などのプロセス）は、基板にある程度の湾曲または反りを生じさせる。現在、業界において用いられている基板の湾曲または反りの改善方法は、ほとんどが治具を用いて機械的に基板をプレスする方法である。しかしながら、機械的なプレスは、基板上の電子素子を破損し、ひいては基板の構造の強度を低下させる。

そこで本発明は、上記の問題点に鑑み、基板の湾曲、または反りを改善する、改良された方法を提供することを目的とする。

本発明の基板の反りを調整する方法は、保持具に備えられ、肩部を有する凹部内に基板を配置し、且つ前記基板が前記肩部に位置決めされる配置ステップと、前記肩部に対応する凸部を有する気孔付きカバープレートで前記保持具をカバーし、前記肩部と前記凸部との間に前記基板を挟んで固定するとともに、前記基板を収容して前記基板で分割されたキャビティを形成する第１のカバーステップと、前記保持具を加熱し、この加熱によって前記基板を加熱して軟化させる加熱ステップと、前記気孔付きカバープレートの気孔を介して、前記基板で分割されたキャビティの一方の圧力を下げることによって、前記加熱ステップによる加熱で軟化している状態の前記基板を前記気孔に向けて変形させる変形ステップと、前記変形ステップによって変形した前記基板を冷却し、前記基板の変形を保持させる冷却ステップとを有するものである。

また、本発明の基板の反りを調整する装置は、内部に基板が配置される凹部と、前記凹部の辺縁に配置され、前記基板を支持し、位置決めする肩部とを有する保持具と、前記保持具をカバーすることによって、前記肩部で支持された前記基板を収容して、前記基板で分割されたキャビティを形成する気孔付きカバープレートと、前記気孔付きカバープレートに設けられ、前記凹部内の前記基板を前記肩部との間に挟んで固定する凸部と、前記凹部内に前記基板を収容した状態で、前記保持具を加熱することによって、前記基板を加熱して軟化させる加熱手段と、前記気孔付きカバープレートの気孔を介して、前記基板によって分割された前記キャビティの一方の圧力を下げることによって、前記加熱手段による加熱で軟化している状態の前記基板を前記気孔に向けて変形させる真空管と、前記保持具を冷却することにより、変形した前記基板を冷却して前記基板の変形を保持させる冷却手段とを備えるものである。

図１Ａ〜図１Ｄは、本発明の実施形態の基板の反りを調整する装置を示す概略図である。 本発明の基板の反りを調整する方法の概略を示すフローチャートである。 本発明の基板の反りを調整する方法の異なる段階を示す断面図である。 本発明の基板の反りを調整する方法の異なる段階を示す断面図である。 本発明の基板の反りを調整する方法の異なる段階を示す断面図である。 本発明の基板の反りを調整する方法の異なる段階を示す断面図である。 本発明の基板の反りを調整する方法の異なる段階を示す断面図である。

実施形態の製造および使用が以下に詳細に論じられる。しかしながら、本発明の実施形態は、さまざまな特定の文脈において具現化され得る多くの適用可能な発明の概念を提供する。論じられる特定の実施形態は、単にパッケージ構造を製造および使用する特定の態様を例示するのみであり、本発明の範囲を限定するものではない。

図１Ａ〜１Ｄは、本発明の実施形態の基板の反りを調整する装置１００を示す概略図である。

図１Ａは、本発明の実施形態の基板の反りを調整する装置１００を示す概略図であり、装置１００の断面を表している。装置１００は、保持具（ｈｏｌｄｉｎｇ ｔｏｏｌ）１１０と気孔付きカバープレート１２０とを含む。保持具１１０は、基板の反りを調整する過程で基板を配置する凹部１１２を有する。凹部１１２はその辺縁に、基板１０を支持し、基板１０の位置決めをする肩部１１４を有する。基板１０は、凹部１１２の肩部１１４上に配置され、凹部１１２の底面と一定の距離が空けられる。図１Ｂは、本発明の実施形態の基板の反りを調整する装置１００を示す概略図であり、保持具１１０の上面を表している。図１Ｂに示されるように、本発明の実施形態では、肩部１１４は、凹部１１２の側面に沿って連続に設置され、環形をしている。他の実施形態では、肩部１１４は、凹部１１２の側面に沿って不連続に設置されている。例えば図１Ｃに示されるように、図１Ｃに示すＹ方向と平行な、凹部１１２の相対する側面に沿って肩部１１４ａを設置してもよい。更に、片部１１４ａに加えて、図１Ｄに示すＸ方向と平行な、凹部１１２の相対する側面に沿って肩部１１４ｂを設置してもよい。

図１Ａに示すように、気孔付きカバープレート１２０は、気孔１２２と凸部１２４とを有する。気孔１２２は、気孔付きカバープレート１２０を貫通しており、気孔付きカバープレート１２０の中央に配置されている。なお、実際の要求に応じて気孔１２２の位置を調整してもよい。気孔１２２の位置の作用は、以下で述べる基板の反りを調整する方法を説明する段落において、詳細に説明する。他の実施形態では、気孔付きカバープレート１２０は、２つ以上の気孔を有していてもよい。凸部１２４は、肩部１１４に対応しており、保持具１１０を気孔付きカバープレート１２０でカバーしたとき、肩部１１４と対向し、肩部１１４との間に基板を挟み込んで固定できるように、気孔付きカバープレート１２０に形成されている。よって凸部１２４は、基板の反りを調整するプロセスで、肩部１１４と凸部１２４の間に挟み込んで基板を固定できる。例えば、肩部１１４が図１Ｂに示した環形であるとき、凸部１２４は、肩部１１４の環形に対応した形状をしている。本発明の実施形態では、保持具１１０および気孔付きカバープレート１２０の材料は、アルミニウム、鉄、鋼、銅、もしくはこれらの金属の合金、またはこれらの組み合わせを含んでいてもよい。

以下、本発明の装置１００を用いて基板の反りを調整する方法について詳述する。本発明の基板の反りを調整する方法２００は、はんだバンプのリフロープロセスの前後のどちらにおいても、基板の反りを調整することができる。当業者には理解されることであろうが、本発明の方法は、単独で基板に施してもよいし、その他のプロセスのステップと合わせて施してもよい。図２は、本発明の基板の反りを調整する方法２００のフローチャートを示している。図２中において点線で表示されたステップは、状況に応じて省略してもよい。図３〜図７は、本発明の基板の反りを調整する方法２００の異なる段階を示す断面図である。図２と図３とを同時に参照すると、本発明の実施形態では、基板の反りを調整する方法２００は、まずステップ２０２において、基板３００を図１に示した保持具１１０の凹部１１２の中に配置する。基板３００は、肩部１１４に位置決めされる。基板３００は、ＰＣＢ基板、インターポーザー、または半導体基板などであることができる。以下の実施形態では、ＰＣＢ基板を例にして説明する。当業者には理解されることであろうが、本発明の基板の反りを調整する方法２００は、他の基板に対して用いてもよい。

本発明の実施形態では、基板３００は、ほぼ平坦なＰＣＢ基板であり、且つ表面にはんだバンプ３０２が形成されている。はんだバンプ３０２は、例えば、はんだボールでもよい。基板３００を凹部１１２に配置するとき、基板３００のはんだバンプ３０２が形成された面は凹部１１２の底部に向けられる。次いで、気孔なしカバープレート１３０で保持具１１０の上をカバーする。気孔なしカバープレート１３０で保持具１１０の上をカバーした後、保持具１１０は、気孔なしカバープレート１３０と基板３００とともにリフロー炉に送られ、はんだバンプ３０２にリフロープロセスが行われる。リフロープロセスは、約１.５〜３℃／秒の昇温速度ではんだバンプ３０２を約１５０〜１９０℃に加温し、はんだバンプ３０２内の溶剤と水気が即時に揮発するようにする。

次いで、図２に示すように、基板の反りを調整する方法２００は、ステップ２０４に進み、基板３００に保温および／または温度監視ステップを選択的に行う。リフロープロセスが完了した後、保持具１１０は、気孔なしカバープレート１３０と基板３００とともに、コンベアによってリフロー炉から反り調整プロセスが行われる加熱装置４００（図４参照）に送られる。本発明の実施形態では、気孔なしカバープレート１３０と基板３００とが、保持具１１０の搬送によってリフロー炉から加熱装置４００に送られる間に、図示しない保温装置によってリフロープロセスで基板３００に生じる温度、例えば１６０〜１９０℃を維持できる。他の実施例では、気孔なしカバープレート１３０と基板３００とが保持具１１０の搬送によってリフロー炉から加熱装置４００に送られる間に、図示しない評価装置（例えば、温度測定装置）によって基板３００の温度を測定し、続いて行われる加熱プロセスで用いる加熱装置のパラメータを調整してもよい。

次いで、図２と図４とに示すように、基板の反りを調整する方法２００は、ステップ２０６を行う。このステップでは、保持具１１０が基板３００とともに加熱装置４００に送られ、加熱ステップが行われる。加熱装置４００は、例えば、加熱板または加熱台などの装置を含んでもよい。加熱ステップを行う前に、気孔なしカバープレート１３０を図１Ａに示す気孔１２２を有する気孔付きカバープレート１２０に置き換える（図４に図示）。気孔付きカバープレート１２０と保持具１１０とは、キャビティ（ｃａｖｉｔｙ）１４０を形成し、且つ基板３００は、キャビティ１４０を上キャビティ１４０ａと下キャビティ１４０ｂに分割する。気孔付きカバープレート１２０を保持具１１０にカバーしたとき、肩部１１４と凸部１２４とは、基板３００を挟み、基板３００を固定する。ステップ２０６は、気孔なしカバープレート１３０を気孔付きカバープレート１２０に置き換えた後、加熱装置４００で保持具１１０を加熱して基板３００を加熱する加熱ステップを行う。

本発明の実施形態では、加熱ステップは、基板３００を基板３００内の樹脂のガラス転移温度になるまで加熱するステップを含む。注意すべきは、基板３００が配置された保持具１１０がステップ２０２のリフロー炉を離れるとき、基板３００の温度は約１５０〜１８０℃に上がっている。そして、一般のＰＣＢ基板の樹脂のガラス転移温度は、約１６０〜２００℃である（ガラス転移温度は樹脂の材質により異なる。例えば、ＡＢＦ、ＧＸ３またはＧＸ９２．．．などの樹脂のタイプによって、そのガラス転移温度は全て異なる）。そのため、状況に応じて、ステップ２０４で、基板３００に保温および／または温度監視ステップを選択的に行うことで、基板３００を加熱する時間を短縮することができる。

次いで、図２と図５とに示すように、基板の反りを調整する方法２００は、ステップ２０８を行う。基板３００を樹脂のガラス転移温度に加熱した後、ステップ２０８では、気孔１２２に挿入された真空管５００によって気孔１２２を介して真空吸着ステップ５０２を行い、基板３００を気孔１２２の方向に向けて湾曲させる。本発明の実施形態では、真空吸着ステップ５０２は、真空圧力が約−６５〜−９５ｋＰａにおいて約４５〜７０秒行われる。このとき、基板３００の材質と必要な反りに応じて真空吸着ステップ５０２の真空度と時間とが調整される。注意すべきは、真空吸着ステップ５０２を行うとき、加熱装置４００によって基板３００を加熱し続け、基板３００がほぼそのガラス転移温度を維持するようにすることである。本発明は、基板３００を加熱してそれを軟化させてから、真空吸着ステップ５０２によって生じた上キャビティ１４０ａと下キャビティ１４０ｂの圧力差（上キャビティの圧力は、約−６５〜−９５ｋＰａとすることができ、下キャビティの圧力は、大気圧とすることができる。）を用いて、基板３００の気孔１２２に相対する部分を気孔１２２（上キャビティ）の方向に向けて湾曲させる。真空吸着ステップ５０２を行っているときに、基板３００がそのガラス転移温度を維持するようにすることは、真空吸着ステップ５０２で基板に生じた変形（湾曲、反り）を、次いで行われるプロセスで元に戻り難くさせることができる。

次いで、図２と図６とに示すように、基板の反りを調整する方法２００は、ステップ２１０を行う。真空吸着ステップ５０２を行った後、ステップ２１０では、冷却装置６００で基板３００を冷却する冷却ステップを行い、基板３００に真空吸着ステップ５０２で生じた反りを保持させる。冷却装置６００は、特に限定されず、空気冷却装置（ａｉｒ ｃｏｏｌｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ）、または熱交換器（ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）などの冷却装置であってもよい。冷却ステップは、基板３００の温度を５０〜７０秒内で２０〜２５℃に下げる。冷却ステップは、基板３００の温度を６０秒内で室温に下げさせることが特に望ましい。基板３００の冷却後、基板３００の曲率半径は、約０.１〜１８０μｍである。

次いで、図２と図７とに示すように、基板の反りを調整する方法２００は、ステップ２１２を行う。基板３００の冷却が完了した後、ステップ２１２は、基板３００にプロセス７００を行う。プロセス７００は、歪み反り測定、電気的試験、または他の信頼性試験であることができ、他の従来の電子部品を形成するプロセス（例えば、チップの埋め込み、コンデンサの実装など）を含む。例えば基板の真空成形のプロセスは、基板３００にある程度の湾曲を生じさせる。本発明の基板の反りを調整する方法２００を用いてプロセス７００で生じる基板３００の反りの方向とは逆方向に向けて基板３００湾曲させ、プロセス７００で生じる基板３００の反りを予め補償しておく。このようにすることで、プロセス７００を行うときに、予め反りを補償した基板３００は、湾曲を戻すことができ、平坦になる。

注意すべきは、上記の実施形態では、基板の反りを調整する方法２００は、はんだバンプ３０２のリフロープロセスに取り入れられ、リフロープロセスを用いて基板３００としてＰＣＢ基板を加熱し、リフロープロセスの後に基板３００に保温と、加熱と、真空吸着ステップ５０２とを行うことで、加熱の時間とコストを削減できる。しかしながら、本発明の基板の反りを調整する方法２００は、他のプロセスに組み込んでもよく、且つ基板３００は、ＰＣＢ基板以外の基板でもよい。

また、以上の実施形態は、予め基板３００を湾曲させることで、チップの埋め込み、またはコンデンサの実装などのプロセスで基板３００に生じる反りを補償し、基板３００を平坦にできる。また、本発明の基板の反りを調整する方法は、異なるプロセスによって湾曲された基板の反りを調整することもできる。例えば、本発明の加熱ステップと真空吸着ステップ５０２とは、プロセス７００の後で行われてもよい。プロセス７００が基板３００に湾曲を生じさせるため、本発明の方法によって基板３００の反りを調整することで、平坦な基板３００が形成され得る。よって、基板３００に本発明の反りを調整する方法２００を行った後、基板３００の曲率半径は、無限大（即ち基板が湾曲しない）となる。

また、図１Ｂに示す気孔１２２は、気孔付きカバープレート１２０の中央に配置されている。しかしながら気孔１２２は、気孔付きカバープレート１２０の任意の位置に形成されてもよい。このため、本発明の基板の反りを調整する方法２００は局部的に基板の反りを調整し、局部的に湾曲した基板を形成できる。

これに鑑み、本発明は少なくとも以下の利点を含む。

（１）チップの埋め込み、またはコンデンサの実装などのように、基板の湾曲を生じさせるプロセスの前に、本発明の基板の反りを調整する方法で予め基板を一方向に向けて湾曲させる。予め基板の反りを形成することは、チップの埋め込み、またはコンデンサの実装などのプロセスを行うときに、基板の湾曲を補償する、すなわち、基板を予め基板を湾曲させた方向と逆方向に向けて湾曲させて基板を平坦にすることができる。

（２）本発明の基板の反りを調整する方法は、既に湾曲した基板の反りを調整し、基板を平坦にできる、または必要に応じて曲率を微調整することもできる。

（３）気孔の位置を調整することによって、局部的に基板の反りを調整して、局部的に湾曲した基板を形成し、更に多くの異なるアプリケーションに適するようにすることができる。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。上記の実施形態では、保持具１１０が一つの凹部１１２を備えている場合について説明したが、本発明はこれに限られず、例えば保持具が複数の凹部を備えていてもよい。この場合、複数の凹部は、それぞれに肩部が設けられており、凹部毎に基板を収容できる。よって、保持具は複数の基板を収容できる。また、気孔付きカバープレートは、複数の凹部に設けられた肩部に対応する複数の凸部と、複数の凹部に対応する複数の気孔とを備えている。複数の凸部は、保持具を気孔付きカバープレートでカバーしたとき、複数の凹部に設けられた肩部とそれぞれ対向し、肩部との間に基板を挟み込んで固定できるように、気孔付きカバープレートに形成されている。複数の気孔は、複数の凹部に対応している。すなわち複数の気孔は、保持具を気孔付きカバープレートでカバーしたとき、複数の凹部に気孔がそれぞれ配置されるように、気孔付きカバープレートに設けられている。

本発明の実施形態およびそれらの利点が詳細に説明されてきたが、本開示の精神および範囲を逸脱しない限りにおいては、当業者は、添付の請求の範囲によって定義されるように、本開示の精神および範囲を逸脱せずに、ここで種々の変更、代替、および改変をするだろう。また、本願の範囲は、本明細書中に述べられたプロセス、機械、製造、物質の組成、装置、方法、およびステップの特定の実施形態を限定することを意図するものではない。当業者は、ここで述べられた実施形態に応じて、実質的に同様の機能を実行するか、または実質的に同様の結果を達成する、現存の、または後に開発される、開示、プロセス、機械、製造、物質の組成、装置、方法、およびステップから、より容易に理解されることを認識するであろう。よって、添付の請求の範囲は、上述のプロセス、機械、製造、物質の組成、装置、方法、またはステップを含む。また、各請求の範囲は、個別の実施形態を構成し、各請求の範囲および実施形態の組み合わせは、本発明の保護範囲である。

１００ 基板の反りを調整する装置
１１０ 保持具
１１２ 凹部
１１４、１１４ａ、１１４ｂ 肩部
１２０ 気孔付きカバープレート
１２２ 気孔
１２４ 凸部
１３０ 気孔なしカバープレート
１４０ キャビティ
１４０ａ 上キャビティ
１４０ｂ 下キャビティ
２００ 基板の反りを調整する方法
３００ 基板
３０２ はんだバンプ
５００ 真空管
５０２ 真空吸着ステップ
６００ 冷却装置
７００ プロセス

Claims (16)

1. 保持具に備えられ、肩部を有する凹部内に基板を配置し、且つ前記基板が前記肩部に位置決めされる配置ステップと、
   前記肩部に対応する凸部を有する気孔付きカバープレートで前記保持具をカバーし、前記肩部と前記凸部との間に前記基板を挟んで固定するとともに、前記基板を収容して前記基板で分割されたキャビティを形成する第１のカバーステップと、
   前記保持具を加熱し、この加熱によって前記基板を加熱して軟化させる加熱ステップと、
   前記気孔付きカバープレートの気孔を介して、前記基板で分割されたキャビティの一方の圧力を下げることによって、前記加熱ステップによる加熱で軟化している状態の前記基板を前記気孔に向けて変形させる変形ステップと、
   前記変形ステップによって変形した前記基板を冷却し、前記基板の変形を保持させる冷却ステップと
   を有することを特徴とする基板の反りを調整する方法。
2. 前記配置ステップと前記第１のカバーステップとの間に、
   前記保持具を気孔なしカバープレートでカバーする第２のカバーステップと、
   前記基板にリフロープロセスを行うリフロープロセスステップと
   を行い、
   前記第１のカバーステップは、前記リフロープロセスステップの後に、前記気孔なしカバープレートを前記気孔付きカバープレートに置き換える
   ことを特徴とする請求項１に記載の基板の反りを調整する方法。
3. 前記変形ステップを行っているとき、前記加熱ステップを持続して行い、且つ前記加熱ステップは、前記基板を持続して加熱し、前記基板をそのガラス転移温度でほぼ維持することを特徴とする請求項１または２に記載の基板の反りを調整する方法。
4. 前記変形ステップは、４５〜７０秒間行われることを特徴とする請求項３に記載の基板の反りを調整する方法。
5. 前記変形ステップの真空度は、−６５〜−９５ｋＰａであることを特徴とする請求項４に記載の基板の反りを調整する方法。
6. 前記冷却ステップは、
   前記基板の温度を６０秒以内で室温に下げることを特徴とする請求項１または２に記載の基板の反りを調整する方法。
7. 前記保持具および前記気孔付きカバープレートの材料は、アルミニウム、鉄、鋼、銅、もしくはこれらの金属の合金、またはこれらの組み合わせのいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載の基板の反りを調整する方法。
8. 前記冷却ステップの後、前記基板の曲率半径は、１〜１８０μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の基板の反りを調整する方法。
9. 前記肩部は前記凹部の側面に沿って設置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の基板の反りを調整する方法。
10. 前記肩部は、前記凹部の側面に沿って連続に設置された環形をした肩部、前記凹部の相対する側面に沿って不連続に設置された肩部、または前記凹部の４つの側面に沿って不連続に設置された肩部のいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載の基板の反りを調整する方法。
11. 前記保持具は、
    前記肩部を有する複数の前記凹部を有し、
    前記気孔付きカバープレートは、
    前記複数の凹部に対応する複数の前記気孔、および
    前記複数の凹部の前記肩部に対応する複数の前記凸部を有しており、
    前記複数の凹部内に複数の前記基板を同時に配置し、前記第１のカバーステップから前記冷却ステップまでを行うことを特徴とする請求項１または２に記載の基板の反りを調整する方法。
12. 内部に基板が配置される凹部と、前記凹部の辺縁に配置され、前記基板を支持し、位置決めする肩部とを有する保持具と、
    前記保持具をカバーすることによって、前記肩部で支持された前記基板を収容して、前記基板で分割されたキャビティを形成する気孔付きカバープレートと、
    前記気孔付きカバープレートに設けられ、前記凹部内の前記基板を前記肩部との間に挟んで固定する凸部と、
    前記凹部内に前記基板を収容した状態で、前記保持具を加熱することによって、前記基板を加熱して軟化させる加熱手段と、
    前記気孔付きカバープレートの気孔を介して、前記基板によって分割された前記キャビティの一方の圧力を下げることによって、前記加熱手段による加熱で軟化している状態の前記基板を前記気孔に向けて変形させる真空管と、
    前記保持具を冷却することにより、変形した前記基板を冷却して前記基板の変形を保持させる冷却手段と
    を備えることを特徴とする基板の反りを調整する装置。
13. 前記保持具および前記気孔付きカバープレートの材料は、アルミニウム、鉄、鋼、銅、もしくはこれらの合金、またはこれらの組み合わせのいずれかであることを特徴とする請求項１２に記載の基板の反りを調整する装置。
14. 前記肩部は前記凹部の側面に沿って設置されることを特徴とする請求項１２に記載の基板の反りを調整する装置。
15. 前記保持具は、
    前記肩部を有する複数の前記凹部を有し、
    前記気孔付きカバープレートは、
    前記複数の凹部に対応する複数の前記気孔、および
    前記複数の凹部の前記肩部に対応する複数の前記凸部を有することを特徴とする請求項１２に記載の基板の反りを調整する装置。
16. 前記肩部は、前記凹部の側面に沿って連続に設置された環形をした肩部、前記凹部の相対する側面に沿って不連続に設置された肩部、または前記凹部の４つの側面に沿って不連続に設置された肩部のいずれかであることを特徴とする請求項１２に記載の基板の反りを調整する装置。

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