JP6230270B2 - 実装方法および実装装置 - Google Patents

Description

本発明は、フリップチップなどの半田バンプ付きのチップを基板に熱圧着する実装方法および実装装置に関するものである。

フリップチップなどの半田バンプ付きのチップを基板に熱圧着する場合、基板に設けられたアライメントマークとチップに設けられたアライメントマークを画像認識手段で認識し、基板を保持する基板ステージもしくはチップを保持するツールをＸＹ方向（水平方向）およびθ方向（回転方向）に位置合わせし、チップを基板の所定位置に押圧および加熱している（例えば、特許文献１）。

基板には、アライメントマークとチップのバンプと接合するリードが所定パターンで形成されている。リード部分は基板の品種毎に露光機等により露光され樹脂基板上に形成されている。リードは、Ｃｕ（銅）で形成され、表面をＳｎ（錫）でメッキされている。

近年、多ピン化により、基板のリード幅が微細になってきている。また、リード間のピッチも狭くなってきている。これに対応するため、チップのバンプも微細化され、微細なリードに対応したＣｕピラーバンプが用いられるようになってきている。Ｃｕピラーバンプは、チップの接合面に設けられたＣｕ製の柱（ピラー）の先端に半田が盛られているバンプで、円柱状のＣｕポストと半球状の半田製バンプから構成されている。そのため、従来の半田バンプに比較して微細なバンプピッチに対応できるようになっている（例えば、特許文献２）。

特開２００１−３０８５９７号公報 特開２００６−２４５２８９号公報

リードは上述のように、基板にＣｕ（銅）リード１１の電極を形成し表面にＳｎ（錫）めっき１２を施した形態で提供されている。基板上のＣｕリード１１の位置は、高精度で形成することができる。一方、Ｓｎめっき１２を施すとリードの外観は、図８に示すようにＣｕリード１１の形成位置に対して図８（ａ）〜（ｃ）のようになる。なお、図８では、Ｃｕリードの位置を斜線で示し、Ｓｎめっき１２の外観を実線で示した。図８（ａ）は、Ｃｕリード１１の中心線ＣｕＣＬに対して均等にＳｎめっき１２が施されている。図８（ｂ）は、Ｃｕリード１１の中心に対して片寄った位置にＳｎめっき１２が施されている。図８（ｃ）は、Ｃｕリード１１の面積の倍以上の範囲にＳｎめっき１２が施されている。このように、Ｃｕリード１１の中心線ＣｕＣＬに対してＳｎめっき１２の位置が、ばらついてしまう。

ばらつきの原因として、基板の製造ロットが考えられる。製造ロットにより、基板の露光に用いられるマスクが微妙に異なったり、材料のロット毎のバラツキがあるため、結果としてＣｕリード１１の中心線からのＳｎめっき１２の位置もばらつきを生じるようになる。露光用に用いられるマスクの違いは、基板に露光されるアライメントマークの位置にも影響を与える。そのため、製造ロット毎に、基板のアライメントマークとＣｕリード１１の位置関係は数μｍのばらつきを生じるようになる。

このように、アライメントマークとＣｕリード１１の間で精度ばらつき、Ｃｕリード１１とＳｎめっき１２の間でのばらつきがある状態で、アライメントマークを基準にチップを位置合わせして基板にチップを実装しても、基板品種または製造ロット等が変わることによりバンプとリードの位置がずれてしまい良好に実装できない問題が発生する。

そこで、本発明の課題は、基板に設けられたリードのめっきやアライメントマークの位置にばらつきがあっても、チップのバンプをリードに精度良く実装することができる実装方法および実装装置を提供することとする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
チップのバンプを基板のリードに位置合わせして実装する実装方法であって、
基板に設けられたリードの配列を画像認識し、画像認識されたリードの幅の平均幅を求め、前記リードの幅を、前期平均幅と比較することで良品リードを選定し、
良品リードのＸＹ座標からリードの配列の基準位置を求め、
基板に設けられたアライメントマークの重心位置と、リードの配列の基準位置から求められる重心位置とを比較することにより、
基板のアライメントマークに対する前記リード位置の、ＸＹ軸方向および回転軸方向でのずれ量を求め、
チップのアライメントマークと基板のアライメントマークの位置合わせに、前記ずれ量を補正量として用いる実装方法である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、
チップに設けられたバンプの設計上の位置座標を、画像認識されたリードに重ね合わせることにより、ＸＹ軸方向および回転軸方向のずれ量を求め、
チップのアライメントマークと基板のアライメントマークの位置合わせに、前記ずれ量を補正量として用いる実装方法である。

請求項３に記載の発明は、
チップのバンプを基板のリードに位置合わせして実装する実装方法であって、
チップのバンプを基板のリードに押圧するボンディングヘッドに垂直方向の荷重測定と別に水平方向の分力を測定出来る素子が設けられており、
チップのバンプを基板のリードに押圧する際の押圧力を前記素子で測定し、
前記素子で測定した押圧結果に基づいてバンプに加わる水平方向の分力を測定し、
水平方向の分力と、予め設定されている許容分力とを比較し、
水平方向の前記分力が前記許容分力を超える場合は、前記分力の逆方向にバンプを移動させるように、前記チップと前記基板の相対位置調整を行うことを特徴とする実装方法である。

請求項４に記載の発明は、
チップのバンプを基板のリードに位置合わせして実装する実装装置であって、
チップのバンプを基板のリードに押圧するボンディングヘッドと、
基板を保持する基板ステージと、
前記ボンディングヘッドに設けられた垂直方向の荷重測定と別に水平方向の分力を測定出来る素子と、
チップのバンプを基板のリードに押圧する際の前記素子の測定押圧力から、バンプに加わる水平分力を測定し、水平分力と予め設定されている許容分力とを比較し、
水平方向の前記分力が前記許容分力を超える場合は、前記分力の逆方向にバンプを移動させるように、前記ボンディングヘッドと前記基板ステージの相対位置調整を行う機能を備えた実装装置である。

請求項１に記載の発明によれば、基板に設けられたリードのめっきやアライメントマー
クの位置にばらつきがあっても、アライメントマークを基準にチップと基板の位置合わせ
を行い、さらに、基板のリード位置とアライメントマークとの位置ずれを位置合わせの補
正量としているので、チップのバンプが精度良く基板のリードに位置合わせされ実装する
ことができる。特に、リードの配列の基準位置を、画像認識されたリードの
幅から平均幅を求め、設定範囲内の幅を良品リードとし、良品リードのＸＹ座標から求め
られるリードの配列の基準位置を用いているので、リードに施された錫めっきの幅にばら
つきがあっても、チップのバンプが精度良く基板のリードに位置合わせされ実装すること
ができる。

請求項２に記載の発明によれば、チップに設けられたバンプの設計上の位置座標を、画
像認識されたリードに重ね合わせることにより、ＸＹ軸方向および回転軸方向のずれ量を
求めているので、チップのバンプが精度良く基板のリードに位置合わせされ実装すること
ができる。

請求項３に記載の発明によれば、チップのバンプと基板のリードを精度良く位置合わせ
した後、押圧時に発生する水平方法の分力の大きさに応じて、さらに位置補正しているの
で極めて高精度にチップのバンプと基板のリードを位置合わせすることができる。

請求項４に記載の発明によれば、チップのバンプを基板のリードに押圧する際の、垂直
方向の荷重測定と別に水平方向の分力を測定出来る素子の測定押圧力から、バンプに加わ
る水平分力を測定し、水平分力と予め設定されている許容分力とを比較しチップと基板の
位置合わせの良否判断を行う判断手段を備えているので、基板に設けられたリードのめっ
きやアライメントマークの位置にばらつきがあっても、チップのバンプをリードに精度良
く実装することができる。

本発明の基板のリードとアライメントマークの位置関係を示した平面図である。 位置補正方法１を説明する平面図である。 位置補正方法２を説明する平面図である。 位置補正方法３で用いるチップのバンプの位置関係を示した平面図である。 位置補正方法３を説明する平面図である。 位置補正方法４で用いる実装装置の概略側面図である。 位置補正方法４を説明する側面図である。 ＣｕリードとＳｎめっきの位置関係を説明する平面図である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明で用いる基板１の平面図である。図１において、左右方向をＸ軸、上下方向をＹ軸、とする。基板１には複数のチップ２が実装されるが、図１で示した部分は、チップ２の一つが実装される箇所の拡大図となる。図１に示すように、一つのチップ２の実装箇所に対して、２個のアライメントマーク３ａ、３ｂが設けられている。また、基板１には長方形のリードが複数個設けられている。Ｘ方向に略等ピッチで形成されたリードは長辺をＹ方向に向けて、Ｙ方向に略等ピッチで形成されたリードは長辺をＸ方向に向けて配置されている。

説明の都合上、図１に示したリードについて次のように符号をつける。符号は、下側の列で左側に配置されているリードを４ｘ０１とし、順次、右側に配置されているリードを４ｘ０２，４ｘ０３・・・４ｘ１０とし、上側の列で左側に配置されているリードを４ｘ１１とし、同じく、右側に配置されるリードを４ｘ１２，４ｘ１３・・・４ｘ２０と呼ぶ。また、縦列の左側の下側に配置されているリードを４ｙ０１とし、順次、上側に配置されるリードを４ｙ０２，４ｙ０３・・・４ｙ１０とし、縦列の右側の下側に配置されているリードを４ｙ１１とし、順次、上側に配置されるリードを４ｙ１２，４ｙ１３・・・４ｙ２０と呼ぶ。本実施の形態では、リードの個数がＸ方向に１０個２列、Ｙ方向に１０個２列の場合を例として説明する。

アライメントマーク３ａは、リード４ｘ０１および４ｙ０１の近傍に配置され、アライメントマーク３ｂは、リード４ｘ２０および４ｙ２０の近傍に配置されている。

このように配置されたリード４ｘ０１〜４ｘ２０，４ｙ０１〜４ｙ２０とアライメントマーク３ａ，３ｂの位置関係を求めるにあたり、本発明では、次のような手順で位置補正量を求めるようにしている。

＜位置補正方法１＞
まず、図２に示すように、リード４ｘ０１と４ｘ１０についてリード位置を測定する。測定されたリード位置から下列のリードの中心位置６ａを求める。同様に、リード４ｘ１１と４ｘ２０について、リード位置を測定し上列のリードの中心位置６ｂを求める。さらに、リード４ｙ０１と４ｙ１０について、リード位置を測定し左列のリードの中心位置６ｃを求める。同様に、リード４ｙ１１と４ｙ２０についてリード位置を測定し右列のリードの中心位置６ｄを求める。

次に、リードの中心位置６ａと６ｂを結ぶ直線と、６ｃと６ｄを結ぶ直線と、アライメントマーク３ａ，３ｂを結ぶ直線から、アライメントマーク３ａ，３ｂを基準にチップ２を位置合わせした位置からの補正量としてＸＹ方向の位置ずれ補正量および角度ずれ補正量を求める。

補正量の求め方は、例えば次のようにして求める。リードの中心位置６ａと６ｂを結ぶ直線と、６ｃと６ｄを結ぶ直線の交点（重心位置）を６ｅとし、座標を（ｘ６ｅ，ｙ６ｅ）とする。アライメントマーク３ａ，３ｂを結ぶ直線の中点（重心位置）を３ｃとし、座標を（ｘ３ｃ，ｙ３ｃ）とする。６ｅの座標（ｘ６ｅ，ｙ６ｅ）と３ｃの座標（ｘ３ｃ、ｙ３ｃ）から、ＸＹ方向の位置ずれ補正量を求める。次に、リードの中心位置６ａと６ｂを結ぶ直線と、６ｃと６ｄを結ぶ直線に対して、４５度の傾きを持つ直線６ｆと、アライメントマーク３ａ，３ｂを結ぶ直線との傾きθ６ｆを求め、角度ずれ補正量とする。

このように、各辺の端部のリード位置に基づいて、リードの中心位置を求め、位置合わせの補正量を求めているので、アライメントマーク３ａ，３ｂとリード位置が位置ずれしていても、チップ２を精度良く基板に実装することができる。

＜位置補正方法２＞
次に、位置補正方法２について説明する。まず、図３に示すように、リード４ｘ０１〜４ｘ２０，４ｙ０１〜４ｙ２０を例えば５リード毎にグループ分けする。代表的なグループとして左列の下側を例として図４で説明する。リード４ｙ０１〜４ｙ０５は、Ｃｕリード４ｙ０１Ｃｕ〜４ｙ０５Ｃｕの上に錫めっきが施されている。リードに施された錫めっきの幅は、ばらつきを持っており太い幅の錫めっきされたリードや、細い幅の錫めっきされたリードが存在する。そのため、リード４ｙ０１〜４ｙ０５のリードの幅ｈ１〜ｈ５を測定し、グループ（この場合５本のリード）のリードの幅の平均値を求め、平均値から大幅に外れているリードを基準位置を求めるリードから除く。図３の場合、リード幅ｈ３およびｈ５が平均値から外れているリードとなる。

次に、選別された良品リードを用いてリードの幅の中心線であるＹ方向中心線を求める。この中心線は、錫めっきが覆われたＣｕリードの中心線となる。図３の場合、ＣＬ０１，ＣＬ０２，ＣＬ０４がＣｕリードの中心線となる。

同様のＣｕリードの中心線を求める工程を、すべてのリードのグループで行い、ＣｕリードのＹ方向中心線とＸ方向中心線を求める。そして求められたＸ方向およびＹ方向のリード中心線から、位置補正方法１で求めた上側および下側横列のリードの中心位置６ａ，６ｂと、左側および右側縦列のリードの中心位置６ｃ、６ｄを求める。

次に、リードの中心位置６ａと６ｂを結ぶ直線と、６ｃと６ｄを結ぶ直線と、アライメントマーク３ａ，３ｂを結ぶ直線から、アライメントマーク３ａ，３ｂを基準にチップ２を位置合わせした位置からの補正量として角度補正量およびＸＹ方向補正量を求める。

このように、Ｃｕリードの中心線をリード幅の平均から求めているので、リードの中心位置６ａ〜６ｄは、Ｃｕリードを基準としたリード中心位置となり、チップ２をさらに高精度で基板に実装することができる。

＜位置補正方法３＞
次に、位置補正方法３について説明する。まず、位置補正方法２に記載されている方法で、リード４ｘ０１〜４ｘ２０，４ｙ０１〜４ｙ２０をグループ分けし、Ｃｕリードの中心線をリード幅の平均から求め、リードの中心位置６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄを求める。

次に、基板１に実装するチップ２のバンプ位置の座標を設定する。バンプ位置の座標は、チップ２の設計値から求める。説明の都合上、図４に示すように、各バンプについて符号をつける。基板１のリード４ｘ０１に実装されるチップ２のバンプの符号を５ｘ０１とし、同様にすべてのバンプについてリードの符号に対応した符号をつける。

次に、チップ２のバンプ５ｘ０１〜５ｘ２０，５ｙ０１〜５ｙ２０の設計上の座標位置を、図５に示すように各リード位置に重ね合わせる。

次に、リード４ｘ０１〜４ｘ２０，４ｙ０１〜４ｙ２０とバンプ５ｘ０１〜５ｘ２０，５ｙ０１〜５ｙ２０の位置を比較し各実装位置におけるずれ量とずれ方向を求める。

次に、各実装位置におけるずれ量とずれ方向から、チップ２全体としてのずれ方向、ずれ量を計算し、チップ２全体でずれ量０となる位置を基板アライメント基準位置とする。

このように、リードとバンプの設計位置を位置合わせに用いているので、チップ２をさらに高精度に基板に実装することができる。

＜位置補正方法４＞
次に、位置補正方法４について説明する。本実施の形態で用いる実装装置には、図６に示すように、ボンディングヘッド７に少なくとも３ヶ以上のロードセル８ａ，８ｂ，８ｃを備えている。ロードセル８ａ，８ｂ，８ｃは、ボンディングヘッド７でチップ２を基板１に押圧する際に、水平方向（ＸＹ方向）の分力を測定することができる。水平方向の分力が、許容範囲内である場合チップ２のバンプ５と基板１のリード４は精度良く位置合わせされていると判断する。ロードセル８ａ，８ｂ，８ｃは、本発明の垂直方向の荷重測定と別に水平方向の分力を測定出来る素子に対応する。

水平方向の分力の発生について、図７を用いて説明する。図７はバンプ５とリード４の概略側面図である。バンプ５は、銅（Ｃｕ）の柱であるピラー９と半球状のはんだ１０とから構成されている。リード４は、基板１に断面形状が台形状の銅（Ｃｕ）リード１１と、銅リード１１の表面にめっきされた錫めっき１２とから構成されている。説明の都合上、ピラー９の中心線を９ＣＬとし、銅リード１１の中心線を１１ＣＬとする。図７のように、中心線９ＣＬと１１ＣＬに位置ずれＤが発生していると、バンプ５がリード１１に向かって押圧される際に、横方向のずれ分力Ｆが発生する。このずれ分力Ｆは、チップ２のバンプ５毎に、ピラー９とＣｕリード１１の位置ずれに応じて発生する。このずれ分力の総和は、ボンディングヘッド７に設けられたロードセル８ａ，８ｂ，８ｃで測定される。測定されたずれ分力の総和と、予め設定されているずれ分力の許容範囲とを比較し、許容範囲以内の場合は、バンプ５とリード４が精度良く位置合わせされたと判断する。許容範囲を超えるずれ分力の場合は、水平方向のずれ分力の逆方向に位置補正を行い、許容範囲になる位置に調整する。

このように、チップ２のバンプ５と基板１のリード４を精度良く位置合わせした後、押圧時に発生する水平方法のずれ分力の大きさに応じて、さらに位置補正しているので極めて高精度にチップ２のバンプ５と基板１のリード４を位置合わせすることができる。

１ 基板
２ チップ
３ａ，３ｂ アライメントマーク
３ｃ アライメントマークセンタ
４ｘ０１〜４ｘ２０ リード
４ｙ０１〜４ｙ２０ リード
５ｘ０１〜５ｘ２０ バンプ
５ｙ０１〜５ｙ２０ バンプ
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ リードセンタ
６ｅ リードセンタ交点
６ｆ リードセンタ交点４５度線
７ ボンディングヘッド
８ａ，８ｂ，８ｃ ロードセル
９ ピラー
９ＣＬ ピラー中心線
１０ はんだ
１１ 銅リード
１１ＣＬ 銅リード中心線
１２ 錫めっき

Claims (4)

1. チップのバンプを基板のリードに位置合わせして実装する実装方法であって、
   基板に設けられたリードの配列を画像認識し、画像認識されたリードの幅の平均幅を求め、前記リードの幅を、前期平均幅と比較することで良品リードを選定し、
   良品リードのＸＹ座標からリードの配列の基準位置を求め、
   基板に設けられたアライメントマークの重心位置と、リードの配列の基準位置から求められる重心位置とを比較することにより、
   基板のアライメントマークに対する前記リード位置の、ＸＹ軸方向および回転軸方向でのずれ量を求め、
   チップのアライメントマークと基板のアライメントマークの位置合わせに、前記ずれ量を補正量として用いる実装方法。
2. 請求項１に記載の発明において、
   チップに設けられたバンプの設計上の位置座標を、画像認識されたリードに重ね合わせることにより、ＸＹ軸方向および回転軸方向のずれ量を求め、
   チップのアライメントマークと基板のアライメントマークの位置合わせに、前記ずれ量を補正量として用いる実装方法。
3. チップのバンプを基板のリードに位置合わせして実装する実装方法であって、
   チップのバンプを基板のリードに押圧するボンディングヘッドに垂直方向の荷重測定と別に水平方向の分力を測定出来る素子が設けられており、
   チップのバンプを基板のリードに押圧する際の押圧力を前記素子で測定し、
   前記素子で測定した押圧結果に基づいてバンプに加わる水平方向の分力を測定し、
   水平方向の分力と、予め設定されている許容分力とを比較し、
   水平方向の前記分力が前記許容分力を超える場合は、前記分力の逆方向にバンプを移動させるように、前記チップと前記基板の相対位置調整を行うことを特徴とする実装方法。
4. チップのバンプを基板のリードに位置合わせして実装する実装装置であって、
   チップのバンプを基板のリードに押圧するボンディングヘッドと、
   基板を保持する基板ステージと、
   前記ボンディングヘッドに設けられた垂直方向の荷重測定と別に水平方向の分力を測定出来る素子と、
   チップのバンプを基板のリードに押圧する際の前記素子の測定押圧力から、バンプに加わる水平分力を測定し、水平分力と予め設定されている許容分力とを比較し、
   水平方向の前記分力が前記許容分力を超える場合は、前記分力の逆方向にバンプを移動させるように、前記ボンディングヘッドと前記基板ステージの相対位置調整を行う機能を備えた実装装置。

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