JP7373735B2 - 部品接合装置及びその方法と実装構造体 - Google Patents

Description

本発明は、部品接合装置及び方法と実装構造体に関する。特に、高温で基板に部品を加熱接合する際に、基板の熱膨張の影響を回避して部品と基板の高精度な位置決めを実現する部品接合技術に関するものである。

従来の部品接合装置において、部品を高精度に位置決め接合する方法として、ピンなどで位置を決める構造のものがある（例えば、特許文献１参照）。図５、図６は、特許文献１に記載された従来の位置決め構造を示すものである。図５は、固体撮像装置の平面図である。図６は図５のＡ－Ａ断面図である。

まず、上面にカバーガラス２６を有する固体撮像素子２１が固定されたセラミック容器２２と、金属で作製された位置決め用の孔２３ａ，２４ａをもつ位置決め部材２３，２４とを準備する。

次に、位置決め部材２３，２４にペースト状の高融点の半田２５を塗布する。

接合の際に、組立治具にセラミック容器２２をセットし、組立治具の基準ピンを、孔２３ａ，２４ａに挿入して、加熱・接合する。

結果、セラミック容器２２に、位置決め用の孔２３ａ，２４ａをもつ位置決め部材２３，２４が接合される。なお、位置決め部材２３，２４は、切欠き溝２２ａ、切欠き部２２ｂの部分に接合される。位置決め用の孔２３ａ，２４ａを利用して、固体撮像装置が基板などにはめ込まれる。

特開昭６２－２１３４８６号公報

しかしながら、従来の構成では、高温で半田接合する際に、基準ピンの位置を基準として部品が熱膨張する為、熱膨張による部品の接合部品と被接合部品の形状変化の違いによる位置決め精度は悪化する。

よって、本願の課題は、熱膨張による部品の接合部品と被接合部品の形状変化の違いによる位置決め精度が悪くならない部品接合装置及び部品接合方法と実装構造体を提供することである。

上記目的を達成する為に、部品を保持する部品供給ヘッドと、基板を加熱保持する加熱ステージと、を備え、上記加熱ステージと上記基板とが接触する加熱領域は、上記部品が接合させる上記基板の接合領域を含み、上記基板は、上記加熱ステージより大きく、上記基板の周辺部は、上記加熱ステージと非接触である部品接合装置を用いる。

また、基板の接合領域を、加熱ステージの加熱領域上に配置する基板セット工程と、上記基板の上記加熱領域上に半田を配置し、加熱冷却する半田仮固定工程と、上記半田を溶かし、部品を接合する部品接合工程と、を含む部品接合方法を用いる。

また、基板と、上記基板の一方面に実装された部品と、上記基板の他方面に、平面視で、上記部品が実装された全領域を含む熱処理された第１領域と、上記基板の他方面に、上記第１領域に囲まれる熱処理されていない第２領域と、を有する実装構造体を用いる。

以上のような構造及び接合方法をとることにより、高温で基板を加熱しながら部品の接合を行う際に、基板の熱膨張による位置決め誤差を最小化させることができる。

（ａ）本発明の実施の形態１部品接合装置の斜視図、（ｂ）本発明の実施の形態１部品接合装置において、基板を上面から見た平面図 本発明の実施の形態２の部品接合装置の断面図 本発明の実施の形態３の部品接合装置の断面図 本発明の実施の形態３の部品接合装置の断面図 特許文献１に記載された従来の位置合わせ技術を説明するための撮像装置の平面図 図５のＡＡ面での断面図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１（ａ）に、本発明の実施の形態１における接合装置の斜視図を示す。図１（ｂ）は、実施の形態１の部品接合装置に基板をセットした状態で、基板を上面から見た平面図である。

＜構造＞
実施の形態１の部品接合装置は、部品供給ヘッド５と、加熱ステージ４とからなる。

＜部品供給ヘッド５＞
部品供給ヘッド５は、部品２及び半田３を吸着保持することができ、加熱ステージ４上に配置された基板１上に位置決めすることができる。また、部品供給ヘッド５は、接合の際には上下に動作させることができる。部品供給ヘッド５は、接合時に、部品２を基板１に対し加圧を行う事ができる。

＜ 加熱ステージ４＞
加熱ステージ４は、基板１を吸着保持することができ、加熱することができる。基板１の接合される接合領域１２を含む大きさである。接合領域１２は、基板１内であり、部品などが接合される領域である。

また、基板１の加熱ステージ４と接触している領域が加熱領域１１となる。基板１は、加熱ステージ４より大きい。加熱領域１１は、基板１の一方面に位置し、接合領域１２は、基板１の他方面に位置し、基板１を平面視で見た時に、加熱領域１１は、接合領域１２を含む。

加熱ステージ４の加熱は、パルスヒートのような急峻な加熱を行う事ができる物を使用する。本実施の形態は、半田３が加熱され融解し、その後、冷却されて凝固するまでの接合プロセスを含むため、急峻な加熱および高速の冷却を行う必要がある為である。

ここで、基板１の内で、加熱領域１１以外の非加熱領域１３は、空中に浮かすなど外力を受けないようにしておく。基板１を吸着保持している時に、基板１が熱膨張した場合、加熱ステージ４と基板１の温度差はゼロではなく、かつ、お互いの線膨張係数も異なる為、お互いが接触している加熱領域１１のいずれかの場所を基点に加熱ステージ４と基板１がずれる事になる。

この基点は接触面同士の微小な凹凸などにより決まるため、コントロールはできない。また、半田３を凝固させる際に加熱ステージ４と基板１とが冷却されるが、このときにも同様にお互いの接触面のいずれかの位置を基点にずれが発生する。

その為、上記のように非加熱領域１３を空中に浮かすことにより、基板１の熱膨張の基点が接合領域１２内となり、この基板１と加熱ステージ４の膨張および収縮による加熱ステージ４に対する基板１の位置ずれの量を最小化することができる。

また、非加熱領域１３を加熱ステージ４から離す事により、半田３が凝固するまでの基板１の冷却時間の短縮も同時に実現できる。

実施の形態１の部品接合装置は、部品２を基板１へ実装する。

なお、非加熱領域１３は、基板１の接合領域１２以外の領域でもある。

＜部品２＞
部品２は、ＬＥＤパッケージであり、□５ｍｍ程度のサイズである。裏面はＬＥＤの排熱の為に全面半田などの熱伝導の良い物質と接合されているのが望ましい。ただし、ＬＥＤパッケージ以外ＬＥＤ素子、半導体ベアチップ、半導体パッケージ、パワーモジュールなどでも良い。

＜基板１＞
基板１は、銅基板である。本実施の形態ではＬＥＤパッケージを対象とするため、放熱性を上げる為に銅基板とするが、材質は問わない。サイズはここでは□３０ｍｍ程度、厚みは２ｍｍ程度である。本実施の形態を実施するにあたり、大きさに制約はないが、部品２と基板１のサイズに差があるほど、効果は大きい。

基板１には、裏面で加熱ステージ４と接触している加熱領域１１と、その内側に部品２が接合される接合領域１２があり、基板１の他の領域は、非加熱領域１３である。

＜半田３＞
半田３は、固形のＡｕＳｎ半田を使用する。これは、この後ＳＭＴ部品を同基板に実装することが出来るよう、融点が高温である必要がある為であるが、本実施の形態においては必須ではなく、通常の半田でも構わない。また、加熱して接合するものであれば半田でなくとも構わない。

＜プロセス＞
（１）基板１をセットする工程
まず、基板１の加熱領域１１が加熱ステージ４外形と一致するように位置決めし、加熱ステージ４の上に配置して吸着保持する。このようにすることで、基板１が熱膨張する際に加熱ステージ４との相対位置ずれが発生する基点を接合領域１２の中にすることができ、結果、基板１と部品２の位置ずれを最小化できる。

（２）半田３による仮固定工程
半田３を部品供給ヘッド５で吸着保持し、基板１の接合領域１２内に水平方向を位置決めし、置く。その後、加熱ステージ４の加熱を開始する。加熱ステージ４の温度が規定の温度になった後、部品供給ヘッド５を下降させ、半田３を基板１に加圧し、一定時間加圧状態を保持し、半田３を基板１に仮固定する。その後、加熱ステージ４の加熱を停止させ、部品供給ヘッド５の吸着を破壊して上昇させる。この時の加熱・加圧の温度・時間は、半田３が液化せず、かつ、基板１に接合された状態となるようにしておく。

（３）部品２を接合する工程
半田３の仮固定の後に部品２の接合を行う。まず部品供給ヘッド５で部品２を吸着保持する。その後、部品２が基板１の接合領域１２の上にくるよう、部品供給ヘッド５を正確に位置決めする。

その後、加熱ステージ４の加熱を開始する。加熱ステージ４の温度が規定の温度になった後、部品供給ヘッド５を降下させ、基板１に加圧し、一定時間加圧状態を保持する。

その後、加熱ステージ４の加熱を停止させ、接合部が濡れ広がり、温度が下がって半田３が凝固するまで加熱ステージ４及び基板１が冷却するのを待つ。接合部の温度が下がり、半田３が凝固した後、部品供給ヘッド５の吸着を破壊し、ヘッドを上昇させる。

ここで、接合開始の温度は、半田３が十分に溶融した状態になってから部品供給ヘッド５を下降して接合動作を行う。半田３を溶融させる前に部品２を半田３に接触させると、半田３が溶融する際に微小な表面凹凸状態によって内部に微小な空気をまきこみ、ボイドを発生しやすい。それに対し、半田３を先に溶融させると、その表面が表面張力により曲面になる。そのため、その上から部品２を接触させた際に、曲面の頂点から順に接触させることができる為気体を巻き込みにくく、接合部分にボイドが発生しにくい。

＜効果＞
基板１は接合時の加熱で膨張し、冷却時には収縮する。しかし、加熱領域１１を接合領域１２と略一致させることで、接合の際にその熱膨張による基板１の位置ずれを最小化させることができる。

さらに、基板１が保持されている加熱領域１１以外の領域（基板１の周辺領域）は外力を受けないので、この加熱領域１１を中心として基板１が膨張しても部品２と基板１の相対位置関係に影響を及ぼさない。

接合領域１２は、加熱領域１１の内部にある為、基板１と部品２の相対位置は変化しない。また、加熱が終わり、半田３が凝固するまで冷却する際にも同様に基板１と部品２の相対位置は変化しない。

このように、本構造をとることで、加熱、冷却による基板１の温度変化による膨張、収縮の位置ズレの影響をなくし基板１に部品２を正確に位置決めして接合することができる。

（実施の形態２）
図２に、本実施の形態の実施の形態２における構造を示す。実施の形態２での部品接合装置は、部品供給ヘッド５と、加熱ステージ４と、チャンバー６からなる。

実施の形態１と異なるところは、加熱ステージ４及び基板１をチャンバー６内に配置した事である。説明しない事項は実施の形態１と同様である。

＜構造＞
加熱ステージ４に吸着保持された基板１があり、基板１の上面に半田３を配置し、その上方に部品２を吸着保持した部品供給ヘッド５を備える。さらに加熱ステージ４及び基板１を囲うようにチャンバー６を配置する。

チャンバー６は基板１の横方向位置の壁に気体供給口６２と、上面のチャンバー蓋６１がありチャンバー蓋６１には部品２を供給する部品供給用ヘッド用開口６３を備える。

＜プロセス＞
（１）基板１をセットする工程
まず、チャンバー蓋６１を開け、基板１の加熱領域１１が加熱ステージ４外形と一致するように位置決めする。基板１を、加熱ステージ４の上に吸着保持する。その後、チャンバー蓋６１を閉じる。

（２）半田３を仮固定する工程
まず、気体供給口６２から窒素など不活性ガスを供給し、チャンバー６内を充満させる。酸素濃度が十分に下がった後、チャンバー蓋６１を開け、半田３を部品供給ヘッド５で吸着保持し、基板１の接合領域１２内に位置決めし置く。部品供給ヘッド５を上昇させ部品供給用ヘッド用開口６３を塞ぎ、部品供給ヘッド５が基板１上の半田３に接触しない位置で待機させる。

その後、気体供給口６２から不活性ガスを供給し、チャンバー６内の酸素濃度を下げる。その後、加熱ステージ４の加熱を開始し、加熱ステージ４の温度が規定の温度になった後、部品供給ヘッド５を下降させる。
部品供給ヘッド５で、半田３を基板１に加圧し、一定時間加圧状態を保持する。

その後、加熱ステージ４の加熱を停止させ、部品供給ヘッド５の吸着を破壊して上昇させる。この時の加熱・加圧の温度・時間は、半田３が液化せず、かつ、基板１に部品２が仮固定された状態となるようにしておく。

（３）部品２を接合する工程
半田３の仮固定工程の後に、部品２の基板１への接合を行う。まず、部品供給ヘッド５で部品２を吸着保持する。その後、部品２は、基板１の接合領域１２の上へ移動される。そして、部品供給ヘッド５を下降させ、部品２でチャンバー蓋６１の部品供給用ヘッド用開口６３を塞ぎ、かつ、部品２が基板１上の半田３に接触しない位置で待機させる。

その後、気体供給口６２から不活性ガスを供給し、チャンバー６内の酸素濃度を下げる。そして加熱ステージ４の加熱を開始し、加熱ステージ４の温度が規定の温度になり、かつ、目標酸素濃度に達した後、部品供給ヘッド５を降下させ、基板１に加圧し、一定時間加圧状態を保持する。

その後、加熱ステージ４の加熱を停止させ、接合部が濡れ広がり、温度が下がって半田３が凝固するまで加熱ステージ４及び基板１が冷却するのを待つ。

この間、気体供給口６２から不活性ガスを供給し続け、基板１の非加熱領域１３に不活性ガスを当てる事で基板１の冷却を加速させ、工程の生産性を向上させる。
接合部の温度が下がり、半田３が凝固した後、部品供給ヘッド５の吸着を破壊し、ヘッドを上昇させる。
部品供給用ヘッド用開口６３は、加熱ステージ４、または、の真上に位置する。そのため、部品供給ヘッド５の水平方向の位置合わせは微調整のみでよく、短時間で調整できる。

＜効果＞
本構造をとることで、基板１に部品２を半田３で接合する際に、加熱、冷却による基板１の温度変化による膨張、収縮の位置ズレの影響をなくすことができる。基板１に、部品２を正確な位置決めを可能にすることができる。さらに、基板１の冷却時間を短縮することで高生産な接合を実現することができる。

また，チャンバー蓋６１の部品供給用ヘッド用開口６３位置に部品供給ヘッド５で蓋をすることで、不活性ガスが漏れる事を防ぎことができる。その結果、チャンバー６内の酸素濃度を下げる時間を短縮でき、生産性を高めることが出来る。

作製された基板１は、基板１の一方面に実装された部品と、基板１の他方面に、平面視で、部品が実装された全領域を含む熱処理された第１領域（加熱領域１１）と、基板１の他方面に、第１領域に囲まれる熱処理されていない第２領域（接合領域１２）と、を有する。

なお、熱処理された第１領域（加熱領域１１）は、加熱の跡が残る場合がある。たとえば、その跡は、表面の色や、折れ目や、熱歪や、結晶構造であったりする。

（実施の形態３）
図３，４は、本実施の形態３における構造を示す断面図である。実施の形態３での部品接合装置は、実施の形態１，２と異なり、加熱ステージ４の構造が異なる。

説明しない事項は、実施の形態１，２と同様である。なお、チャンバー６は必須でなく、無い場合もよい。

図３では、加熱ステージ４にヒータ３３と、吸着穴３２と、フィン３１とがある。
吸着穴３２は、基板１を固定するためのもので、ポンプ（図示せず）に繋がっている。吸着穴３２は、基板１の中央、または、接合領域１２の中央に位置する。複数の穴でもよいが、中央部分にのみ位置する。

ヒータ３３は、実施の形態１，２の加熱ステージ４にもある。ヒータとしては、急激に温度上昇できるパルスヒータが好ましい。

逆に、急激に温度を下げるため、ヒータ３３の側面周囲には、複数のフィン３１が位置する。

また、この例では、このフィン３１を介して、電気がヒータ３３に送られる。

ヒータ上部３３ａは、ヒータ３３の他の部分より断面積が細い。断面積が小さいことで、電流により発熱させている。ヒータ開口３３ｂを設けることで、断面積を小さくするが、外径は大きくして、基板１を載せやすく、加熱しやすくしている。

フィン上部３１ａは、ヒータ上部３３ａと接触せず、空間３１ｂがある。ヒータ上部３３ａの加熱を邪魔しないためである。また、この空間３１ｂにより、ヒータ３３の位置を規定している。つまり、空間３１ｂの底面に、ヒータ３３の突起部分（断面積が広い部分）が接触し固定される。ヒータ３３を上部から差し込むだけで、高さが一定であり、位置も定まる。

図４では、加熱ステージ４にヒータ３３と、吸着穴３２と、フィン３１とがある。
吸着穴３２は、基板１を固定するためのもので、ポンプ（図示せず）に繋がっている。吸着穴３２は、基板１の中心、または、接合領域１２の中心にはないが、基板１の中心、または、接合領域１２の中心を囲むように配置されている。

ヒータ３３は、急激に温度を下げるため、ヒータ３３の側面周囲には、複数のフィン３１が位置する。

また、この例では、このフィン３１を介して、電気がヒータ３３に送られる。

フィン３１の上部に、複数の突起３１ｃがある。放熱性向上の為に、突起３１ｃを設けている。
フィン３１の右端がチャンバー６を通り抜けている。フィン３１に外部から直接電流を流せるようにしている。チャンバー６の内容積を小さくしている。
（全体として）
実施の形態は組み合わせできる。例えば、実施の形態２、３のチャンバー６内の構造を、実施の形態１へ適用できる。

本実施の形態の部品接合装置は、部品と基板を加熱接合する際に基板の熱膨張の影響を最小化させ、高精度に位置決め、接合を行うことを可能にし、ＬＥＤ、撮像素子、システムＬＳＩやパワーモジュール等の半導体素子の高精度位置決め実装等の用途に適用できる。

１ 基板
２ 部品
３ 半田
４ 加熱ステージ
５ 部品供給ヘッド
６ チャンバー
１１ 加熱領域
１２ 接合領域
１３ 非加熱領域
２１ 固体撮像素子
２２ セラミック容器
２２ａ 溝
２２ｂ 部
２３ 部材
２３ａ 孔
２５ 半田
２６ カバーガラス
３１ フィン
３１ａ フィン上部
３１ｂ 空間
３１ｃ 突起
３２ 吸着穴
３３ ヒータ
３３ａ ヒータ上部
３３ｂ ヒータ開口
６１ チャンバー蓋
６２ 気体供給口
６３ 部品供給用ヘッド用開口

Claims (3)

1. 基板の接合領域を、１つの加熱ステージの加熱領域上に配置する基板セット工程と、
   前記基板の前記加熱領域上に半田を配置し、前記基板において前記加熱領域の外縁から前記基板の端部にまで至る領域である周辺領域を浮かして前記１つの加熱ステージと非接触とした状態で、前記半田を加熱冷却して前記半田を前記基板に仮固定する半田仮固定工程と、
   前記基板の前記周辺領域を浮かして前記１つの加熱ステージと非接触とした状態で、前記基板に仮固定された前記半田を溶かすとともに、部品供給ヘッドにより保持された部品を、前記半田を介して前記基板上に配置させて、前記部品を前記基板の接合領域に接合する部品接合工程と、を含み、
   前記周辺領域は矩形状の前記基板における４つの端辺を含む領域であり、
   前記部品接合工程において、前記部品供給ヘッドにより前記部品を前記基板上に配置させた後、前記加熱ステージによる加熱を停止させて、前記部品供給ヘッドによる前記部品の保持を継続しながら前記半田を凝固させて前記部品を前記基板に接合する、部品接合方法。
2. 前記部品接合工程で、前記基板の接合領域外に気体を吹き付ける、請求項１に記載の部品接合方法。
3. 前記部品接合工程を、不活性ガス中で行う、請求項１または２に記載の部品接合方法。

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