JP6518709B2 - 実装装置 - Google Patents

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Description

本発明は、集積回路などのチップ部品を半導体ウエハまたは回路基板などに実装する実装装置に関する。
近年、エレクトロニクス製品の軽量化および小型化に伴って回路基板のパターンがファインピッチ化（高精度化・微細化）される傾向にある。ファインピッチ化に伴って回路基板に実装する部品点数も増加する傾向にある。そこで、回路基板への実装時間を短縮するために、１枚の回路基板に複数台のボンディングヘッドを備えた実装装置でチップを実装している。つまり、回路基板上の電極部分に塗布または転写された非導電性樹脂（ＮＣＰ）、非導電性フィルム（ＮＣＦ）または異方導電性フィルム（ＡＣＦ）などの上にチップ部品を実装して仮圧着している。
当該仮圧着された基板を後工程に搬送し、専用のボンディングヘッドによりチップ部品を加熱して非導電性フィルム（ＮＣＦ）などを加熱硬化させて本圧着している（特許文献１）。
国際公開公報 ＷＯ２０１０／１１０１６５
しかしながら、従来の実装装置では、仮圧着工程および本圧着工程ごとに個別のボンディングヘッドを設ける必要があり、装置構成が大型化し、十分な設置スペースを確保しなければならないといった不都合が生じている。
また、仮圧着時の接着力が不十分な場合、仮圧着工程から本圧着工程に搬送する過程で、回路基板の電極からチップ部品が剥がれたり位置ズレを起こしたりするといった問題が生じている。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、半導体ウエハや回路基板などにチップ部品を高速かつ精度よく実装することが可能な実装装置を提供することを主たる目的としている。
本発明は、前記課題の解決を図るものであり、請求項１の発明は、
基板にチップ部品を実装する実装装置であって、
前記基板を保持する保持ステージと、
前記チップ部品をピックアップするピックアップ機構と、前記ピックアップ機構から受け渡されたチップ部品を搬送するチップスライダを有したチップ部品供給部と、前記保持ステージ上に配置され、前記チップスライダから受け渡された前記チップ部品を前記基板に加熱圧着するボンディングヘッドと、を備え、
前記チップスライダは、レールと、前記レールにスライド移動可能に支持された可動台と、前記可動台に設けられ前記チップ部品を吸着保持する吸着部とを構成要素とし、前記吸着部を、前記ピックアップ機構と冷却処理中の前記ボンディングヘッドの間で往復移動させる機能を有し、前記ピックアップ機構１台に対し、前記ボンディングヘッドを複数台有する実装装置である。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の実装装置であって、
前記チップスライダ１台が、前記ピックアップ機構と複数台の前記ボンディングヘッドの間で、前記可動台を往復移動させる機能を有する実装装置である。


請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の実装装置であって、
前記チップスライダが１回に搬送するチップ部品は１個である実装装置である。
請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の実装装置であって、
チップ部品のアライメントマークを認識する認識機構を備え、
前記チップスライダが前記ボンディングヘッドにチップ部品を受け渡す位置において、前記認識機構が前記ボンディングヘッドの下部に進退可能に動作する実装装置である。
本発明の実装装置によれば、複数のボンディングヘッドに適宜チップ部品を供給するチップ部品供給部を備えたことにより、チップ部品の供給から回路基板への実装までの一連の動作を行うボンディングヘッドを用いても、高速に本圧着させることができ、仮本分割プロセスに生じていた位置ズレによる精度低下も防げる。
本実施例に係る実装装置の概略構成を示す斜視図である。 チップスライダの斜視図である。 ボンディングヘッドの部分破断断図である。 実施例装置の一連の動作を示すフローチャートである。 ボンディングヘッドによる単一処理時間内の温度プロファイルを示す図である。 実施例装置によって回路基板にチップ部品を実装する動作を説明する図である。 実施例装置によって回路基板にチップ部品を実装する動作を説明する図である。 実施例装置によって回路基板にチップ部品を実装する動作を説明する図である。 実施例装置によって回路基板にチップ部品を実装する動作を説明する図である。 実施例装置によって回路基板にチップ部品を実装する動作を説明する図である。 実施例装置によって回路基板にチップ部品を実装する動作を説明する図である。 実施例装置によって回路基板にチップ部品を実装する動作を説明する図である。 実施例装置によって回路基板にチップ部品を実装する動作を説明する図である。 実施例装置によって回路基板にチップ部品を実装する動作を説明する図である。 実施例装置によって回路基板にチップ部品を実装する動作を説明する図である。 実施例装置によって回路基板にチップ部品を実装する動作を説明する図である。 変形例の実装形態を示す図である。 変形例の実装形態を示す図である。
以下、図面を参照して本発明の一実施例を説明する。
図１は、本発明の実施例に係る実装装置の概略構成を示す斜視図である。
実装装置は、図１および図３に示すように、チップ部品供給部１、チップ部品実装部２および制御部３などから構成されている。
チップ部品供給部１は、マガジン載置ステージ４、ウエハ搬送機構５、ピックアップステージ６、ピックアップ機構７およびチップスライダ８などから構成されている。
マガジン載置ステージ４は、ダイシング処理された半導体ウエハＷＤ（以下、単に「ウエハ」という）を所定間隔をおいて多段に収納したマガジン９を載置される。ウエハＷＤは、エキスパンド処理によって個片に分断されてチップ部品Ｃとなる。チップ部品Ｃは、ダイシングテープによって接着保持されている。
ウエハ搬送機構５は、マガジン９からウエハＷＤを搬出してピックアップステージ６に載置する。すなわち、レール１０にスライド移動可能な可動台１１から片持ち支持されたアーム１２の先端にクランプ１３を備えている。当該可動台は１１、サーボモータで正逆駆動されるネジ軸によってネジ送り駆動されるように構成されている。
ピックアップステージ６は、ダイシングテープに接着保持されたウエハＷＤを吸着保持する。
ピックアップ機構７は、前後左右（図中のＸＹ軸方向）に移動可能であるとともに、昇降可能（Ｚ軸方向）な下向きのピックアップノズル１４を備えている。つまり、ピックアップ機構７は、ピックアップノズル１４によって吸着保持したチップ部品Ｃをチップスライダ８に受け渡すように構成されている。
チップスライダ８は、後述するボンディングヘッド２１ａ、２１ｂの個数に対応させた台数を備えている。したがって、本実施例では、２台のチップスライダ８ａ、８ｂを上下２段に備えている。各チップスライダ８ａ、８ｂは、図２に示すように、チップ部品Ｃを吸着保持した吸着板１６によって、ピックアップ機構７側の受け取り位置からボンディングヘッド２１ａ、２１ｂの下方の受け渡し位置までをそれぞれが往復移動する。すなわち、吸着板１６を備え、かつ、レール１７にスライド移動可能に支持された可動台１８が、サーボモータ１９で正逆駆動されるネジ軸２０によってネジ送り駆動されるように構成されている。チップスライダ８は、タクトタイムに余裕があれば、１台のチップスライダでそれぞれのボンディングヘッド２１ａ、２１ｂにチップ部品Ｃを受け渡してもよい。
チップ部品実装部２は、ボンディングヘッド２１ａ、２１ｂ、２視野カメラ２２および保持ステージ２３などから構成されている。
ボンディングヘッド２１ａ、２１ｂは、保持ステージ２３を跨いで基台２４に立設された門型フレーム２５の梁部分にシリンダやボールネジなどの昇降機構２６を介して装着されている。また、ボンディングヘッド２１ａ、２１ｂは、縦Ｚ軸周り回転可能に構成されている。つまり、ボンディングヘッド２１ａ、２１ｂは、図中のθ方向の位置合わせが可能になっている。
さらに、ボンディングヘッド２１ａ、２１ｂは、図３に示すように、金属製のツールからなる本体３０の下部から順にセラミック製のホルダ３１、断熱ブロック３３、セラミックヒータ３４およびアタッチメントツール３５で構成されている。なお、アタッチメントツール３５は、セラミックヒータ３４に吸着固定されており、チップ部品Ｃの形状に応じた専用のツールを自動交換可能になっている。
セラミックヒータ３４には、例えば、熱電対、測温抵抗体などの温度検出器３６が設けられている。つまり、セラミックヒータ３４から受ける熱を温度検出器３６で検出し、その検出結果を制御部３に送信する。
セラミックヒータ３４の発熱部分の上端面にエアーが流通して排出される流路３７が、本体３０まで貫通している。また、流路３７には、バルブＶを備えた耐圧ホース３８を介してエアー供給源３９に連通接続されている。
つまり、エアー供給手段３９から供給されたエアーは、流路３７を通じて開口部３７ａから排出される。したがって、セラミックヒータ３４の発熱部から発せられる熱がエアー循環により奪われ、セラミックヒータ３４およびアタッチメントツール３５の両方を含むボンディングヘッド２１ａ、２１ｂを急速に冷却することができる。また、外部に設けたノズルからセラミックヒータ３４およびアタッチメントツール３５の両方にエアーを吹き付けて冷却すれば、冷却時間をさらに短縮することができる。
なお、ボンディングヘッド２１ａ、２１ｂは、本体３０からアタッチメントツール３５にかけて貫通孔４０が形成されており、当該貫通孔４０と外部の真空源４１とが電磁弁Ｖを介して連通接続されている。
２視野カメラ２２は、チップ部品Ｃを実装する基板の回路パターンに付されたアライメントマークとチップ部品Ｃに付されたアライメントマークを画像認識し、画像データを制御部３に送信する。すなわち、２視野カメラ２２は、保持ステージ２３とチップ部品Ｃの間で水平移動するように構成されている。なお、本実施例においては、チップ部品Ｃを実装する基板としてウエハＷを用いているが、基板はウエハに限定されるものではなく、耐熱性樹脂等を基材とするフレキシブルプリント基板や、セラミックスやガラス等を基材とするリジッドプリント基板であっても良い。
保持ステージ２３は、基台に２４に設置され、前後左右（図中のＸＹ方向）に水平移動するように構成されている。
制御部３は、使用する樹脂、例えば、非導電性樹脂（ＮＣＰ）、非導電性フィルム（ＮＣＦ）または異方導電性フィルム（ＡＣＦ）ごと応じた設定条件が入力される。例えば、加熱時間、セラミックヒータ３４の冷却温度などが入力されている。これら入力条件と温度検出器３６から検出される検出結果とに基づいて、セラミックヒータ３４に通電する電流を調整、温度制御およびエアー供給源３９からのエアーの供給のオン・オフ切り替え、流量などの制御を行なっている。例えば、温度検出器３６実測値と設定値を比較し、求まる温度偏差に応じて温度を制御する。また、装置全体を統括的に制御している。具体的な制御については、以下の動作説明において詳述する。
次に、図４のフローチャートに沿って上述の実装装置を用いて複数個の回路パターンの形成されたチップ部品を実装および本圧着する一連の動作について説明する。
先ず、実験やシミュレーションによって、１回目の実装処理を行って加熱状態にあるボンディングヘッド２１ａ、２１ｂが、次のチップ部品Ｃを吸着してから実装部位に下降するまでの間で、チップ部品Ｃの下端の半田が溶融または変化しない温度およびフラックスが消滅しない温度（冷却温度）を予め求める。また、チップ部品ＣをウエハＷに実装および本圧着するために昇温した温度から冷却温度までにセラミックヒータ３４およびアタッチメントツール３５の温度が低下するまでの時間を求める。すなわち、図５に示すように、チップ部品Ｃの実装時間、冷却時間を含む１台のボンディングヘッド２１ａ、２１ｂの単一処理時間と温度プロファイルのデータを取得し、そのデータを元に制御部３の記憶部に記憶する（ステップＳ１）。例えば、２２０℃まで樹脂を加熱し、樹脂のチップ部品Ｃの接着が安定し始めるガラス転移点の１２０℃まで低下した時点でボンディングヘッド２１ａ、２１ｂを上昇させて冷却を開始する。
条件設定が完了し、装置を作動すると、制御部３は、ウエハ搬送機構５によってマガジン９からウエハＷＤを搬出させてピックアップステージ６に載置させる。その後、制御部３は、条件設定された単一処理時間に基づいて、ボンディングヘッド２１ａ、２１ｂの作動を切り替えながら、実装処理を開始する（ステップＳ２）。
ピックアップ機構７が、吸着したチップ部品Ｃをチップスライダ８ａ、８ｂの順番に受け渡す。以後、ボンディングヘッド２１ａ、２１ｂの並列処理が実行される（ステップＳ２）。
先ず、ボンディングヘッド２１ａによる実装処理が実行される。
チップスライダ８ａが、先行してボンディングヘッド２１ａの下方の受け渡し位置に移動する。ボンディングヘッド２１ａは、図６に示すように、下降してチップ部品Ｃを吸着する（ステップＳ３ａ）。同時に、２視野カメラ２２が、ボンディングヘッド２１ａに保持されたチップ部品ＣとウエハＷとの間に移動してくる。その後、チップスライダ８ａは、次のチップ部品Ｃを受け取るために、ピックアップ機構７側へ移動する。
図７に示すように、２視野カメラ２２によってウエハＷの回路パターンに付されたアライメントマークとチップ部品Ｃに付されたアライメントマークを画像認識し、画像データを制御部３に送信する。
制御部３は、当該画像データを利用しアライメント処理を行うために駆動機構を作動制御する（ステップＳ４ａ）。すなわち、制御部３は、両アライメンマークの位置座標を求める。さらに，回路パターンのアライメントマークの位置座標からチップ部品Ｃのアライメントマークの位置座標までの方向および距離を算出し、保持ステージ２３のみを移動させてアライメントする。他方のボンディングヘッド２１ａは、縦軸周りに回転してアライメントされる。
アライメント処理が完了すると、図８に示すように、ボンディングヘッド２１ａを所定高さまで下降させて回路パターン上の樹脂にチップ部品Ｃを実装する（ステップＳ５ａ）。このとき、他方のボンディングヘッド２１ｂの下方に２視野カメラ２２が移動してくる。この段階において、ボンディングヘッド２１ｂのアタッチメントツール３５のチップ吸着面の表面に汚れがあると、チップ部品Ｃを吸着した際に、チップ部品Ｃに無用な応力が加わることになり、実装時の破損や位置ズレが起こる懸念がある。そこで、画像認識手段を用いて、アタッチメントツール３５の表面状態を観察して、樹脂等の付着やキズの有無を判断する機能を制御手段３に付加してもよく、画像認識手段として２視野カメラ２２を用いても良い。その際、付着物やキズが許容範囲以内と判断したら次のステップに移行する。
図９に示すように、ボンディングヘッド２１ａのセラミックヒータ３４によってアタッチメントツール３５を加熱し、チップ部品Ｃを所定温度で所定時間をかけて加熱する。つまり、チップ部品Ｃを介して樹脂を加熱硬化させてチップ部品ＣをウエハＷの回路パターンに本圧着する（ステップＳ６ａ）。
ボンディングヘッド２１ａが、本圧着処理を行っている間、チップスライダ８ｂからボンディングヘッド２１ｂにチップ部品Ｃが受け渡される（ステップＳ３ｂ）。なお、この段階でチップ部品Ｃが、ボンディングヘッド２１ｂのアタッチメントツール３５の所定の位置に吸着されていないと、実装段階でチップ部品Ｃからはみ出した樹脂がアタッチメントツール３５に付着する可能性が生じる。アタッチメントツール３５への樹脂の付着は前述のとおり、チップ部品Ｃ実装時の破損や位置ズレの原因となる。そこで、チップスライダ８ｂが次のチップ部品Ｃを受け取るために、ピックアップ機構７側に移動すれば、２視野カメラ２２の位置が、ボンディングヘッド２１ｂに保持されたチップ部品ＣとウエハＷとの間となることから、２視野カメラ２２によりチップ部品Ｃがアタッチメントツール３５の所定位置に吸着されているか否か、その位置ズレ量を測定することが可能となる。この位置ズレ量を補正するために、ピックアップ機構７からチップスライダ８ｂへの受け渡し段階または／およびチップスライダ８ｂからボンディングヘッド２１ｂへの受け渡し時の、チップ部品Ｃの位置補正を行うような機能を制御手段３に付加しても良い。
本圧着処理が完了し、図１０に示すように、ボンディングヘッド２１ａが上昇する（ステップＳ７ｂ）。当該ボンディングヘッド２１ａのセラミックヒータ３４をオフにして、エアー供給源３９からエアーを供給して当該ボンディングヘッド２１ａを所定の温度まで冷却させる（ステップＳ８ａ）。
ボンディングヘッド２１ａの上昇と同時に、図１１に示すように、保持ステージ２３を予め決めた方向および所定距離だけ移動させる。図１２に示すように、２視野カメラ２２によってウエハＷの回路パターンに付されたアライメントマークとボンディングヘッド２１ｂに保持されているチップ部品Ｃに付されたアライメントマークを画像認識し、画像データを制御部３に送信する。制御部３は、当該画像データに基づいて、保持ステージ２３およびボンディングヘッド２１ｂのアライメントを行う（ステップＳ４ｂ）。
このとき、冷却処理中のボンディングヘッド２１ａの下方に、新たしいチップ部品Ｃが
搬送されてくる。
ボンディングヘッド２１ｂのアライメント処理が完了すると、図１３に示すように、ボンディングヘッド２１ｂが、所定高さまで下降し始める（ステップＳ５ｂ）。同時に、ボンディングヘッド２１ａの下方に２視野カメラ２２が移動してくる。
この段階において、画像認識手段を用いて、ボンディングヘッド２１ａのアタッチメントツール３５表面状態を観察して、樹脂等の付着やキズの有無を判断する機能を制御手段３に付加してもよく、画像認識手段として２視野カメラ２２を用いても良い。その際、付着物やキズが許容範囲以内と判断したら次のステップに移行する。
図１４に示すように、ボンディングヘッド２１ｂによってウエハＷの回路パターン上にチップ部位Ｃが実装および本圧着がされる（ステップＳ６ｂ）。他方のボンディングヘッド２１ａにチップ部品Ｃが、チップスライダ８ａにより受け渡される。その後、チップスライダ８ａが次のチップ部品Ｃを受け取るために、ピックアップ機構７側に移動すれば、２視野カメラ２２により、チップ部品Ｃがアタッチメンボンディングへッド２１ａのアタッチメントツール３５の所定位置に吸着されているか否か、その位置ズレ量を測定することが可能となる。ここで、位置ズレ量を補正するために、ピックアップ機構７からチップスライダ８ａへの受け渡し段階または／およびチップスライダ８ａからボンディングヘッド２１ｂへの受け渡し時の、チップ部品Ｃの位置補正を行うような機能を制御手段３に付加しても良い。
図１５に示すように、ボンディングヘッド２１ｂによる本圧着処理が完了すると、当該ボンディングヘッド２１ｂを上昇させるとともに、保持ステージ２３を予め決めた方向および所定距離だけ移動させる（ステップＳ７ｂ）。一方のボンディングヘッド２１ｂの冷却処理が開始されると（ステップＳ８ｂ）、他方のボンディングヘッド２１ａのアライメント処理が開始される。
以上で２台のボンディングヘッド２１ａ、２１ｂを利用して本圧着処理が完了し、以後、ステップＳ９ａ、Ｓ９ｂにおいて、実装予定数に達するまでカウントされ、同じサイクルでウエハＷに形成された回路パターンの個数分の本圧着処理が繰り返し実行される。
上記実施例装置によれば、一方のボンディングヘッド２１ｂがウエハＷの回路パターンにチップ部品Ｃを実装および本圧着している間、先行して本圧着処理を完了したボンディングヘッド２１ａの内部にエアー供給源３９からエアーを供給して積極的に冷却することができる。すなわち、チップ部品Ｃのバンプの半田を溶融または変形させることもなければ、回路基板上の樹脂を不用意に硬化させることなく、ボンディングヘッド２１ａ、２１ｂを交互に切り替えて、連続的にチップ部品ＣをウエハＷの回路パターンに精度よく実装することができる。
本発明は上述した実施例のものに限らず、次のように変形実施することもできる。
（１）上記実施例装置において、ボンディングヘッド２１ａ、２１ｂのいずれか一方が、ウエハＷの回路パターンにチップ部品Ｃを実装している間、２視野カメラ２２を走査し、他方のボンディングヘッドが、次にチップ部品Ｃを実装する予定の回路パターンのアライメントマークのみを先に認識させておいてもよい。この構成によれば、待機時間を利用して一方のアライメントマークのみの画像処理させることができるので、制御部３への画像処理の負担を軽減できるとともに、処理時間を短縮することができる。
（２）上記実施例装置において、図１７に示すように、１台の保持ステージ２３に複数枚の回路基板を所定ピッチをおいて整列配置し、２台一組のボンディングヘッドが同時に、回路基板の同一部位にチップ部品Ｃを実装可能にしてもよい。この構成によれば、上記実施例の２倍の速度でチップ部品Ｃを回路基板に実装することができる。
（３）上記実施例装置において、温度検出器３６でボンディングヘッド２１ａ、２１ｂの温度を検出し、当該検出結果に応じてエアーの供給量などを調整し、冷却時間を一定に保つよう構成してもよい。
（４）上記実施例装置において、図１８に示すように、回路基板上の実装エリアを３つに区画し、左右のエリアを各ボンディングヘッド２１ａ、２１ｂの実装エリアに割当て、中央のエリアを両ボンディングヘッド２１ａ、２１ｂが利用して実装可能な共用エリアにすることもできる。
すなわち、各ボンディングヘッド２１ａ、２１ｂに割り当てられた実装エリアに、不良回路パターンの箇所にバッドマークが付されて実装できない部位がある。当該不良回路パターンに実装予定であったチップ部品Ｃを共用エリアに実装することにより、両ボンディングヘッド２１ａ、２１ｂの実装数を均等に保つことができる。
（４）上記実施例装置では、１台に保持ステージ２３に対して配備されるボンディングヘッド２１ａ、２１ｂは、２台に限定されない。すなわち、２台以上であればよい。
１ … チップ部品供給部
２ … チップ部品実装部
３ … 制御部
２１ａ… ボンディングヘッド
２１ｂ… ボンディングヘッド
２２ … ２視野カメラ
３０ … 本体
３１ … ホルダ
３２ … ヒータベース
３３ … 断熱ブロック
３４ … セラミックヒータ
３５ … アタッチメントツール
３６ … 温度検出器
３７ … 流路
３９ … エアー供給源
Ｃ … チップ部品

Claims (4)

  1. 基板にチップ部品を実装する実装装置であって、
    前記基板を保持する保持ステージと、
    前記チップ部品をピックアップするピックアップ機構と、
    前記ピックアップ機構から受け渡されたチップ部品を搬送するチップスライダを有したチップ部品供給部と、
    前記保持ステージ上に配置され、前記チップスライダから受け渡された前記チップ部品を前記基板に加熱圧着するボンディングヘッドと、を備え、
    前記チップスライダは、レールと、前記レールにスライド移動可能に支持された可動台と、前記可動台に設けられ前記チップ部品を吸着保持する吸着部とを構成要素とし、前記吸着部を、前記ピックアップ機構と冷却処理中の前記ボンディングヘッドの間で往復移動させる機能を有し、
    前記ピックアップ機構１台に対し、前記ボンディングヘッドを複数台有する実装装置。
  2. 請求項１に記載の実装装置であって、
    前記チップスライダ１台が、前記ピックアップ機構と複数台の前記ボンディングヘッドの間で、前記可動台を往復移動させる機能を有する実装装置。
  3. 請求項１または請求項２に記載の実装装置であって、
    前記チップスライダが１回に搬送するチップ部品は１個である実装装置。
  4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の実装装置であって、
    チップ部品のアライメントマークを認識する認識機構を備え、
    前記チップスライダが前記ボンディングヘッドにチップ部品を受け渡す位置において、前記認識機構が前記ボンディングヘッドの下部に進退可能に動作する実装装置。
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