JP7425476B2

JP7425476B2 - 接合装置

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Publication number: JP7425476B2
Application number: JP2020068306A
Authority: JP
Inventors: 康大井; 彩仙道; 晃松川
Original assignee: Athlete FA Corp
Current assignee: Athlete FA Corp
Priority date: 2020-04-06
Filing date: 2020-04-06
Publication date: 2024-01-31
Anticipated expiration: 2040-04-06
Also published as: JP2021164928A

Description

本発明は、接合装置に関する。

はんだ系接合材によって基板及び電子部品などの被接合部材を接合する際に、被接合部材の接合面が酸化されていると、酸化膜の影響によって接合部にボイドの発生や、接合時に破壊・分散された酸化膜が接合部に混在することがある。これらによって、接合強度及び接合部が変質するなどの接合品質が得られなくなることがある。

上記のような課題を解決するために、低酸素濃度環境下において被接合部材である基板に半導体チップを接合する接合装置がある。このような接合装置は、接合材である線はんだの表面酸化膜を大気圧プラズマ処理装置によって除去した後、低酸素濃度に制御されたチャンバーの内部で被接合部材を接合するものである（例えば、特許文献１参照）。

また、接合材としてはんだを用いて被接合部分を加熱・加圧接合する際に、加圧部の周囲を取り囲むように配置したガス噴射部から不活性ガスを噴射し、加圧部周囲の空間を低酸素濃度に制御し接合する接合装置がある（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１２－９９５２４号公報特開２００２－３２４８２３号公報

上記特許文献１に記載の接合装置は、線はんだを基板上に供給するはんだ供給部、供給された線はんだを所定の形状に成型する成形部及び基板に半導体チップを接合する加熱・加圧部を有している。はんだ供給部、成形部及び加熱・加圧部は、内部全体が低酸素濃度のチャンバー内において接合作業を行う。線はんだは、大気圧プラズマ処理によって表面酸化膜を除去している。しかし、チャンバー内は、大気よりも低酸素濃度であればよいとしていることから、基板及び溶融したはんだの表面が酸化することを十分に排除することが困難であり、接合部にボイドが発生すること、接合時に破壊・分散された酸化膜が接合部に混在すること、があり、接合品質が得られない虞がある。

また、特許文献２に記載の接合装置は、被接合部材を接合するときにのみ加工部の周囲に不活性ガスを噴射し、加工部の周囲を低酸素濃度に制御している。しかし、不活性ガスの噴射口が接合部に対して外側に向いていることから、接合部に酸化膜が形成されないレベルの低酸素濃度にならないことが考えられる。また、給材される被接合部材の表面及びはんだの表面は、接合時までは大気の酸素濃度であることから酸化膜が形成され、接合部にボイドが発生すること、接合時に破壊・分散された酸化膜が接合部に混在することが考えられ、接合品質が得られない虞がある。

そこで、本発明は、このような課題の少なくとも一つを解決するためになされたものであり、接合材、被接合部材及び接合対象部材に酸化膜ができることを抑制し、接合部にボイドが発生すること、接合時に酸化膜が破壊分散されることに起因する接合強度の低下、温度サイクル・温度ショック及び湿気などによる劣化を抑え、安定した接合品質を得ることが可能な接合装置を実現しようとするものである。

［１］本発明の接合装置は、被接合部材と接合対象部材との間に所定の形状に成形された接合材を介在させ、加熱・加圧して被接合部材に接合対象部材を接合する接合装置であって、前記接合材を前記被接合部材の上面に供給し加圧する接合材接合ヘッドと、前記被接合部材に接合された前記接合材の上面に前記接合対象部材を供給し加熱・加圧する接合対象部材接合ヘッドと、前記接合材の前記被接合部材への接合、及び前記接合対象部材の前記被接合部材への接合を行う接合加工室とを有し、前記接合加工室は、対向する側壁部から水平方向に不活性ガスを噴出する側部噴出し孔、及び前記接合加工室の天井板部から垂直方向下方に前記不活性ガスを噴出する上部噴出し孔を有しており、前記接合加工室は、低酸素濃度に常時制御されている、ことを特徴とする、

［２］本発明の接合装置においては、前記接合加工室には、前記接合材接合ヘッド又は前記接合対象部材接合ヘッドが水平方向及び垂直方向に移動することが可能な開口部が設けられており、前記接合加工室の上部には、前記開口部の一部を閉鎖することが可能なシャッタープレートがさらに配設されていることが好ましい。

［３］本発明の接合装置においては、前記シャッタープレートは、前記接合材接合ヘッド又は前記接合対象部材接合ヘッドが垂直方向に出入可能な孔部を有し、前記開口部のうち、前記孔部と交差する範囲以外の領域を閉鎖することが可能であることが好ましい。

［４］本発明の接合装置においては、前記接合材接合ヘッド、前記接合対象部材接合ヘッド及び前記シャッタープレートから構成される接合ユニットを１ユニットとしたとき、前記被接合部材に接合すべき複数の前記接合対象部材のそれぞれに対応する前記接合ユニットが所定の間隔を有して配列され、前記接合加工室は、複数の前記接合ユニットの配置位置全部に亘って延長されており、前記接合加工室は、対向する前記側壁部から水平方向に前記不活性ガスを噴出する前記側部噴出し孔と、前記天井板部から垂直方向下方に前記不活性ガスを噴出する前記上部噴出し孔と、を有していることが好ましい。

［５］本発明の接合装置においては、接合時に、前記接合領域の酸素濃度が１００ｐｐｍ以下に制御されていることが好ましい。

本発明の接合装置は、被接合部材に接合対象部材を接合する際に、接合領域に向かって水平方向及び垂直方向下方に不活性ガスを噴射し、接合領域内を低酸素濃度環境にした状態に維持する。このようにすることによって、フラックス等の酸化防止剤や還元剤などを使用しなくても、被接合部材、接合対象部材及び接合材の表面に酸化膜が形成されることを防ぎ、ボイドの発生、接合時に破壊・分散された酸化膜が接合部に混在することに起因する接合強度、温度サイクル・温度ショック及び湿気などによる劣化を抑え、安定した接合品質を得ることが可能となる。

接合装置１を使用して製造するワーク１０の構成の１例を示す図である。接合装置１の１例を示す図であり、図４に示すＡ－Ａ切断線で切断した断面図である。図２に示すＡ－Ａ切断線で切断した断面図である。図２に示す線Ｂ－Ｂから下方側を見た平面図である。電子部品１２Ａ～１２Ｄそれぞれに対応する接合ユニットＵ１～Ｕ４を有する接合装置１の構成を示す平面図である。電子部品１２Ａ～１２Ｄの接合方法の主要な工程を示す工程フロー図である。接合材１３を基板１１に接合する状況を示す断面図である。電子部品１２Ａを基板１１に接合する状況を示す断面図である。ＣＡＥシミュレーションによる接合加工室２０の酸素濃度分布を示す図である。

以下、本発明の実施の形態に係る接合装置１について、図１～図９を参照しながら説明する。なお、以下に説明する各図は、実際の形状及び構成を簡略化して表す模式図である。また、以下に説明する実施の形態においては、１例として、被接合部材を基板１１、接合対象部材を電子部品１２Ａ～１２Ｄとして説明する。

（ワーク１０の構成）
図１は、接合装置１を使用して製造するワーク１０の構成の１例を示す図である。図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ－Ａ切断線で切断した断面図である。ワーク１０は、基板１１と電子部品１２Ａ～１２Ｄの間に接合材１３を介在させて加熱・加圧することによって接合されたものである。本例においては、接合対象部材として、Ａｕ又はＣｕなどの回路パターンが形成された基板１１を例にあげて説明するが、被接合部材としては基板に限らずリードフレーム、金属、ガラス、セラミックなどを材料とする板状部材にも適合可能である。

接合対象部材としては、電子部品１２Ａ～１２Ｄを例にあげて説明するが、電子部品に限らずチップ状の部材であれば適合可能である。なお、被接合部材及び接合対象部材が非金属の場合には、接合対象面にＡｕ、Ｃｕ又は他の金属膜が形成される。電子部品１２Ａ～１２Ｄは、それぞれ平面サイズや厚み、材質が異なる場合にも、加熱温度及び加圧力を適宜調整することによって接合することが可能となる。また、図１に示す例においては、電子部品の配置数は４個であるが、４個より少ない数、或いは５個以上にすることにも適合可能である。

接合材１３は、Ａｕ－Ｓｎ合金又はＡｇ－Ｓｎ合金などの金属ろう、はんだなどの被接合部材及び接合対象部材よりも低融点の加熱溶融可能な材料を用いる。本例においては、接合材１３としてＡｕＳｎ２０の金属ろうを使用している。一般に、Ａｕ－Ｓｎ合金などの金属ろう及びはんだを含めてはんだ系接合材と呼ぶことがある。接合材１３は、予め所定の形状に成形されたプリフォーム材、又はリボン材から所定形状に打抜き成形されたものを使用する。

（接合装置１の構成）
以下に接合装置１の構成例について図２～図５を参照して説明する。なお、図２～図５においては、電子部品１２Ａを接合する場合を代表例として説明する。

図２は、接合装置１の１例を示す図であり、図４に示すＡ－Ａ切断線で切断した断面図である。図３は、図２に示すＡ－Ａ切断線で切断した断面図、図４は、図２に示す線Ｂ－Ｂから下方側を見た平面図である。なお、図２～図５において、接合装置１の長さ方向（基板１１の搬送方向）をＸ軸又はＸ方向、幅方向をＹ軸又はＹ方向、Ｘ－Ｙ平面に対して垂直方向をＺ軸又は上下方向とする。また、Ｚ軸を回転軸とし、Ｘ軸又はＹ軸に対する角度をθとする。すなわち、θはＸ軸又はＹ軸に対する電子部品１２Ａの姿勢を表す。なお、接合装置１が、電子部品１２Ａ～１２Ｄなど複数の電子部品を接合する場合の構成については、図５を参照して後述する。

接合装置１は、ベースプレート１４上に配置されＸ方向に延在される筐体１５と、筐体１５の上方に配置されるシャッタープレート１６とを有している。シャッタープレート１６の上方には、電子部品１２Ａの給材及び接合を担う電子部品接合ヘッド１７と、接合材１３の給材及び接合を担う接合材接合ヘッド１８とが併設されている。シャッタープレート１６と電子部品接合ヘッド１７との間には、上下２視野認識ユニット１９が配設されている。なお、図２においては、説明を分かりやすくするために、接合材接合ヘッド１８を電子部品接合ヘッド１７のＹ方向に離れた位置に配置しているが、実際には、Ｘ方向の離れた位置に配置されている（図４参照）。但し、電子部品接合ヘッド１７と接合材接合ヘッド１８の相対的な配置位置は、適宜設定可能である。

筐体１５は、トンネル状にＸ方向に延在された接合加工室２０を備えている。接合加工室２０は、Ｘ方向の両端の一方の端部が基板１１の搬入口であり、他端部が接合後のワーク１０の搬出口となっている。接合加工室２０は、基板１１と電子部品１２Ａ～１２Ｄとの接合を行う空間である。接合加工室２０の底部２３には、Ｘ方向に延びる搬送溝２１が形成されている。この搬送溝２１が基板１１及びワーク１０の搬送路となる。基板１１は、搬送溝２１内のＸ方向の所定位置に搬送され、筐体１５及びベースプレート１４を貫通する真空吸引孔２２によって吸着固定される。真空吸引孔２２は、図示しない真空吸引装置に接続される。筐体１５の底部２３には、下部ヒータ２４が埋設されている。下部ヒータ２４は、主として基板１１の加熱を担う。

筐体１５の対向する側壁部２８，２９には、それぞれ側部ガス流路３０，３１が設けられており、側部ガス流路３０，３１は、窒素などの不活性ガスを接合加工室２０内に噴出するための複数の側部噴出し孔３２を備えている。図３に示すように、側部噴出し孔３２は、側壁部２８，２９のＸ方向の両端部付近まで設けられており接合加工室２０の全体を低酸素濃度環境に維持する。側部噴出し孔３２は、接合加工室２０のＹ方向中央部に向かって水平方向に不活性ガスを噴出する。

筐体１５の天井板部３３には、筐体１５の内外を連通する開口部３４が設けられている。図４に示すように、開口部３４は、基板１１に接合した電子部品１２Ａ～１２Ｄを包含する大きさを有する矩形の貫通孔である。この開口部３４は、電子部品１２Ａ～１２Ｄ及び接合材１３を基板１１の所定位置に接合する際に、電子部品接合ヘッド１７及び接合材接合ヘッド１８が移動することが可能な大きさを有している。

筐体１５の天井板部３３には、上部ガス流路３５，３６が設けられている。図４に示すように、上部ガス流路３５，３６は、基板１１の外形に沿うように２か所に延在されている。上部ガス流路３５，３６は、窒素などの不活性ガスを接合加工室２０に噴き出すための複数の上部噴出し孔３７を備えている。図２に示すように、上部噴出し孔３７は、接合加工室２０に垂直方向下方、かつ基板１１のＸ方向両側に不活性ガスを噴射することが可能な位置に配置されている。

側部噴出し孔３２は、基板１１のＹ方向の両側２方向から不活性ガスを噴出し、上部噴出し孔３７は、基板１１の上方から不活性ガスを噴射する。つまり、不活性ガスは、基板の４辺を取り囲むように集中的に噴射されることになる。不活性ガスが集中する領域は、接合材１３及び電子部品１２Ａ～１２Ｄを基板１１に接合する場所の周辺領域となることから、この領域を接合領域３８とする。接合領域３８は、図２において仮想線で囲まれた領域であり、この接合領域３８は接合加工室２０の他の場所よりも酸素濃度が低い領域となる。詳しくは後述するが、接合装置１を稼働している間は、接合領域３８の酸素濃度を１００ｐｐｍ以下に維持できることが確認できている。なお、側部ガス流路３０，３１及び上部ガス流路３５，３６は、不活性ガス供給装置（図示は省略）に接続される。

接合加工室２０には、接合領域３８の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ３９が配置され、常時又は定期的に接合領域３８の酸素濃度を検出する。酸素濃度センサ３９は接合領域３８の酸素濃度を検出し、酸素濃度が所定の値以下になるように不活性ガスの噴出し量を制御する。

シャッタープレート１６は、筐体１５のＹ方向外側のベースプレート１４上に配設されたＸ－Ｙアクチュエータ４２に、連結部４３を介して取り付けられている。シャッタープレート１６は、連結部４３から筐体１５の上方に水平に延在され、開口部３４を覆うように配置される。シャッタープレート１６には、天井板部３３の開口部３４と交差する位置に開口部３４より小さい孔部４４を備えている。孔部４４は、電子部品接合ヘッド１７又は接合材接合ヘッド１８が出入可能な貫通孔であって、接合対象の電子部品の上部で開口するように、Ｘ－Ｙアクチュエータ４２によって平面方向の位置を切り替えることができる。

図４に示すように、電子部品１２Ａの上方において開口部３４と孔部４４が連通し、電子部品１２Ａが孔部４４内に視認可能な範囲以外の領域、つまり、電子部品１２Ｂ～１２Ｄの上部の開口部３４は、シャッタープレート１６によって閉鎖される。図２に示すように、シャッタープレート１６と筐体１５との間には隙間があるが、隙間があることによる酸素濃度の変化は、ＣＡＥシミュレーションで隙間の有無によって変わらないことが確認できている。シャッタープレート１６と電子部品接合ヘッド１７（又は接合材接合ヘッド１８）との間には、上下２視野認識ユニット１９が配設されている。

上下２視野認識ユニット１９は公知の２視野カメラを有している。上下２視野認識ユニット１９は、接合材１３又は電子部品１２Ａを基板１１に給材する際に、基板１１と接合材接合ヘッド１８に吸着された接合材１３との位置ずれ、基板１１と電子部品接合ヘッド１７に吸着された電子部品１２Ａとの位置ずれを認識する。位置ずれの認識基準は、基板１１は、例えば、アライメントマークや配線パターンなどであり、接合材１３は外形形状とする。一方、電子部品１２Ａ～１２Ｄの認識基準は、それぞれのアライメントマーク又は外形形状とすることが可能である。図２～図４は、すでに基板１１に接合された接合材１３と、電子部品接合ヘッド１７に吸着されている電子部品１２Ａの位置ずれを認識する状況を表している。図２において、基板１１上に仮想線で示す電子部品１２Ｄは、その配置位置のみを表している。

上下２視野認識ユニット１９は、位置認識時には認識可能な位置まで移動し、接合時には電子部品接合ヘッド１７又は接合材接合ヘッドの動作を妨げない初期位置（退避位置）に移動する。上下２視野認識ユニット１９は、図示しないＸ－Ｙ－Ｚアクチュエータによって、Ｙ方向に移動させることが可能となっている。

電子部品接合ヘッド１７は、ヘッド本体部４５の下方側先端に電子部品１２Ａを吸着するコレット４６を有し、ヘッド本体部４５には上部ヒータ４７が埋設されている。コレット４６の端面形状は、電子部品１２Ａの平面形状と略同じ形状である。コレット４６は、ヘッド本体部４５に対して着脱可能であり、電子部品１２Ａ～１２Ｄのそれぞれの平面形状に対応して用意される。ヘッド本体４６の平面方向中心部には、ヘッド本体４６及びコレット４６を貫通する真空吸引孔４８が設けられている。真空吸引孔４８は、図示しない真空吸引装置に接続される。

図示は省略するが、電子部品接合ヘッド１７は、Ｘ－Ｙアクチュエータ、Ｚ軸アクチュエータ及びθアクチュエータによって移動及び回転することが可能となっている。電子部品接合ヘッド１７は、Ｘ－Ｙアクチュエータによって接合動作を可能にする位置に移動し、接合動作が可能な位置から退避位置まで移動することが可能となっている。電子部品接合ヘッド１７は、Ｚ軸アクチュエータによって電子部品１２Ａを吸着して降下し、電子部品１２Ａを加熱することによって接合材１３を溶融し、さらに加圧して基板１１に接合する。接合後、電子部品接合ヘッド１７は上昇して図２に示す位置に復帰する。

また、電子部品接合ヘッド１７は、Ｘ－Ｙアクチュエータ及びθアクチュエータによって、前述した上下２視野認識ユニット１９において認識した接合材１３と電子部品１２Ａとの位置ずれ量に基づき電子部品１２Ａの位置及び姿勢を補正する。Ｘ－Ｙアクチュエータは電子部品１２Ａの平面位置を補正し、θアクチュエータは、Ｘ軸又はＹ軸に対する電子部品１２Ａの角度（姿勢）を補正する。なお、電子部品１２Ａは、図示しないトランスポート又はロボットアームなどによって、パーツトレイから搬送され、コレット４６に吸着された後、接合される。なお、電子部品接合ヘッド１７がパーツトレイから電子部品１２Ａを直接ピックアップする構成にすることが可能である。

接合材接合ヘッド１８は、ヘッド本体部５０の下方側先端に接合材１３を吸着するコレット５１を有している。なお、接合材電子部品接合ヘッド１７と同じように、接合ヘッド１８にも上部ヒータ４７を埋設することが可能である。コレット５１の端面形状は、接合材１３の平面形状と略同じ形状を備えている。コレット５１は、ヘッド本体部５０に対して着脱可能であり、コレット５１の平面形状は接合材１３の複数種類の形状に対応して用意される。一般に、接合材１３の平面形状は、電子部品１２Ａ～１２Ｄそれぞれの形状に対応しているため、コレット５１の平面形状をコレット４６の平面形状と同じにすることが可能である。ヘッド本体５０の平面方向中心部には、ヘッド本体５０及びコレット５１を貫通する真空吸引孔５２が設けられている。真空吸引孔５２は、図示しない真空吸引装置に接続される。

図示は省略するが、接合材接合ヘッド１８は、Ｘ－Ｙアクチュエータ、Ｚ軸アクチュエータ及びθアクチュエータによって移動及び回転することが可能となっている。接合材接合ヘッド１８は、Ｘ－Ｙアクチュエータによって接合動作を可能にする位置（図２に示す電子部品接合ヘッド１７の位置）に移動し、接合動作が可能な位置から退避位置まで移動することが可能となっている。接合材接合ヘッド１８は、Ｚ軸アクチュエータによって接合材１３を吸着して降下し、接合材１３を加熱溶融し、さらに加圧して基板１１に接合する。接合後、接合材接合ヘッド１８は上昇して図２に示す位置に復帰する。

また、接合材接合ヘッド１８は、Ｘ－Ｙアクチュエータ及びθアクチュエータによって前述した上下２視野認識ユニット１９において認識した接合材１３と基板１１との位置ずれ量に基づき接合材１３の位置及び姿勢を補正する。Ｘ－Ｙアクチュエータは接合材１３の平面位置を補正し、θアクチュエータは、Ｘ軸又はＹ軸に対する接合材１３の角度（姿勢）を補正する。なお、接合材１３は、図示しないトランスポート又はロボットアームなどによって、パーツトレイからピックアップ搬送され、コレット５１に吸着された後、接合される。なお、接合材接合ヘッド１８がパーツトレイから接合材１３を直接ピックアップする構成にすることが可能である。

なお、接合装置１は、電子部品接合ヘッド１７と接合材接合ヘッド１８とを備える構成を代表例として説明したが、接合対象の電子部品１２Ａ～１２Ｄと接合材１３の平面形状が同じであれば、加熱温度、加圧力を適切に制御することによって、電子部品接合ヘッド１７で接合対象の電子部品と接合材１３両者の給材及び接合を行うことが可能である。

電子部品１２Ａ～１２Ｄが全て同一部品である場合、電子部品接合ヘッド１７及び接合材接合ヘッド１８を接合対象の基板１１に対する各電子部品の配置位置に順次移動させながら接合することが可能である。しかし、一般に、電子部品１２Ａ～１２Ｄが同一部品であることは稀であり、使用するコレット４６，５１も電子部品毎の仕様となる。このような場合には、電子部品毎に電子部品接合ヘッド１７及び接合材接合ヘッド１８を配設することになる。

図５は、電子部品１２Ａ～１２Ｄそれぞれに対応する接合ユニットＵ１～Ｕ４を有する接合装置１の構成を示す平面図である。接合ユニットＵ１～Ｕ４は、図２～図４において説明した電子部品接合ヘッド１７、接合材接合ヘッド１８、シャッタープレート１６及び各接合ユニットに共通の筐体１５から構成される。図５は、接合ユニットＵ１～Ｕ４の配置を示す図であり、接合ユニットＵ１～Ｕ４は同じ構成であって、構成の細部は図２～図４を参照する。なお、筐体１５は、各接合ユニットで共通に使用するものである。電子部品接合ヘッド１７、接合材接合ヘッド１８、シャッタープレート１６及び筐体１５とから構成される接合ユニットを1ユニットとしている。なお、電子部品接合ヘッド１７及び接合材接合ヘッド１８は、図２～図４おいて説明しているので図５では図示及び詳しい説明を省略する。

接合ユニットＵ１～Ｕ４は、所定の間隔を有して直列に配列されている。筐体１５（接合加工室２０を含む）は、接合ユニットＵ１～Ｕ４の配置位置に延長されている。筐体１５は、図２～図４において説明した構成に対してＸ方向の長さが異なるだけで同じ構成である。筐体１５は、長さ方向全体に亘って形成される接合加工室２０、側部ガス流路３０，３１、側部ガス流路３０，３１に直交する方向に延在される上部ガス流路３５，３６を有している。側部ガス流路３０，３１には不活性ガスを水平方向内側に噴射する側部噴出し孔３２が設けられ、上部ガス流路３５，３６には不活性ガスを垂直方向下方側に噴射する上部噴出し孔３７が設けられている。側部噴出し孔３２は、接合ユニット間の間隔領域にも配設される。但し、接合ユニットＵ１～Ｕ４の配置に配設するようにしてもよい。従って、接合領域３８（図２参照）内は、接合加工室２０の他の領域よりも低酸素濃度環境にすることができる。

筐体１５の図示左側端部が基板１１の搬入口５３であって、基板１１を搬入口から接合ユニットＵ１の所定位置に達するまで搬送溝２１内を搬送する。接合ユニットＵ１は、電子部品１２Ａを基板１１に接合するユニットであって、シャッタープレート１６の孔部４４が電子部品１２Ａの位置と一致するまでシャッタープレート１６を移動し、接合材１３を基板１３に接合した後、電子部品１２Ａを基板１１に接合する。接合後、電子部品１２Ａが接合された基板１１を接合ユニットＵ２の所定位置に搬送する。

接合ユニットＵ２は、電子部品１２Ｂを基板１１に接合するユニットであって、シャッタープレート１６の孔部４４が電子部品１２Ｂの位置と一致するまでシャッタープレート１６を移動し、接合材１３を基板１１に接合した後、電子部品１２Ｂを基板１１に接合する。そして、電子部品１２Ａ、１２Ｂが接合された基板１１を接合ユニットＵ３の所定位置に搬送し、シャッタープレート１６の孔部４４が電子部品１２Ｃの位置と一致するまでシャッタープレート１６を移動し、接合材１３を基板１１に接合した後、電子部品１２Ｃを基板１１に接合する。接合後、電子部品１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃが接合された基板１１を接合ユニットＵ４の所定位置に搬送する。

接合ユニットＵ４は、電子部品１２Ｄを基板１１に接合するユニットであって、シャッタープレート１６の孔部４４が電子部品１２Ｄの位置と一致するまでシャッタープレート１６を移動し、接合材１３を基板１１に接合した後、電子部品１２Ｄを基板１１に接合する。基板１１に電子部品１２Ａ～１２Ｄが接合されたワーク１０は、筐体１５の図示右方端部の搬出口５４から搬出される。

（電子部品１２Ａ～１２Ｄの接合方法）
続いて、電子部品１２Ａ～１２Ｄの接合方法について図６～図８を参照して説明する。ここでは、図５に示す接合装置１を使用し、４個の電子部品１２Ａ～１２Ｄを基板１１に接合する場合について、図６に示す工程フロー図に従い説明する。

図６は、電子部品１２Ａ～１２Ｄの接合方法の主要な工程を示す工程フロー図である。なお、接合ユニットＵ１～Ｕ４は、電子部品１２Ａ～１２Ｄ及び接合材１３の配置位置が異なるだけで接合ユニットＵ１と同様な工程で動作することから、図６においては、接合ユニットＵ１における電子部品１２Ａを基板１１に接合する工程を中心に説明する。

接合装置１を稼働している間は、接合加工室２０内には側部噴出し孔３２及び上部噴出し孔３７から不活性ガスが常時噴射されており、少なくとも接合領域３８内は酸素濃度が１００ＰＰＭ以下の低酸素濃度環境に維持されている。まず、基板１１を接合ユニットＵ１の所定位置（定位置）に搬送する（ステップＳ１）。基板１１は、筐体１５の搬送溝２１内の所定位置に吸着保持される。基板１１は、下部ヒータ２４によって加熱される。続いて、シャッタープレート１６を移動し、孔部４４を電子部品１２Ａの接合予定位置に合わせる（ステップＳ２）。

次に、接合材接合ヘッド１８が接合材１３をピックアップし（ステップＳ３）、接合材接合ヘッド１８を接合部材１３が吸着された状態で孔部４４の上方に移動する（ステップＳ４）。シャッタープレート１６の移動と、接合材１３のピックアップ動作を同じタイミング行うことが可能である。次いで、上下２視野認識ユニット１９を初期位置（退避位置）から接合材接合ユニット１８とシャッタープレート１６との間に移動し（ステップＳ５）、基板１１に対する接合材１３の位置ずれを検出する（ステップＳ６）。そして、上下２視野認識ユニット１９による位置ずれ検出値に基づき基板１１に対する接合材１３の姿勢を含む位置ずれを補正する（ステップＳ７）。

続いて、上下２視野認識ユニット１９を初期位置に退避させ（ステップＳ８）、接合材接合ヘッド１８を降下し、接合材１３を加圧することによって接合材１３を基板１１に接合する（ステップＳ９）。上下２視野認識ユニット１９の退避動作は、位置ずれ検出動作直後に行うこと、或いは、接合材１３の位置ずれ補正動作と同じタイミングで行うことが可能である。接合材１３と基板１１との接合動作については、図７を参照して説明する。

図７は、接合材１３を基板１１に接合する状況を示す断面図である。接合材接合ヘッド１８は、シャッタープレート１６の孔部４４及び筐体１５の開口部３４を貫通して、接合材１３が基板１１に当接するまで降下する。

本例では、接合材１３としてＡｕＳｎ２０合金のプリフォーム材を使用している。ＡｕＳｎ２０合金の融点は２７８℃～３００℃であることから、電子部品１２Ａ～１２Ｄの接合の際には接合材１３の溶融のための加熱温度を４００℃にする。なお、下部ヒータ２４は、基板１１が接合位置に搬送されたときに加熱を開始し、その加熱温度を１００℃～２００℃とする。接合材１３と基板１１との接合は、電子部品接合までの間に基板１１に対して接合材１３の位置がずれない程度の仮接合（仮置き）であり、加熱温度、加圧力及び加圧時間は適宜設定される。基板１１は、下部ヒータ２４によって加熱されていることから、接合材１３は短時間で溶融する。接合材１３を基板１１に接合した後、接合材接合ヘッド１８を初期位置に退避させる（ステップＳ１０）。

接合材１３を基板１１に接合した後、電子部品１２Ａを基板１１に接合する工程に移行する。まず、電子部品接合ヘッド１７が電子部品１２Ａをピックアップし（ステップＳ１１）、電子部品接合ヘッド１７を電子部品１２Ａが吸着された状態で孔部４４の上方に移動する（ステップＳ１２）。シャッタープレート１６の位置は変えない。次いで、上下２視野認識ユニット１９を初期位置（退避位置）から電子部品接合ヘッド１７とシャッタープレート１６との間に移動し（ステップＳ１３）、基板１１に対する電子部品１２Ａの位置ずれを検出する（ステップＳ１４）。そして上下２視野認識ユニット１９による位置ずれ検出値に基づき基板１１に対する電子部品１２Ａの姿勢を含む位置ずれを補正する（ステップＳ１５）。

続いて、上下２視野認識ユニット１９を初期位置に退避させ（ステップＳ１６）、電子部品接合ヘッド１７を降下し、電子部品１２Ａを加熱・加圧することによって接合材１３を介して電子部品１２Ａを基板１１に接合する（ステップＳ１７）。上下２視野認識ユニット１９の退避動作は、位置ずれ検出動作直後に行うこと、或いは、電子部品１２Ａの位置ずれ補正動作と同じタイミングで行うことが可能である。電子部品１２Ａと基板１１との接合については、図８を参照して説明する。

図８は、電子部品１２Ａを基板１１に接合する状況を示す断面図である。電子部品接合ヘッド１７は、シャッタープレート１６の孔部４４及び筐体１５の開口部３４を貫通して、電子部品１２Ａが接合材１３に当接するまで降下する。この際、上部ヒータ４７によって電子部品１２Ａを介して接合材１３を溶融可能な温度に加熱し、さらに電子部品１２Ａを加圧して接合材１３を介して基板１１に接合する。基板１１及び接合材１３は、接合工程前から下部ヒータ２４によって加熱されていることから、接合材１３を短時間で溶融させることができる。

電子部品１２Ａの基板１１との接合は本接合であることから、加熱温度、加圧力及び加圧時間は接合品質を確保することが可能な条件に設定される。電子部品１２Ａを基板１１に接合した後、電子部品接合ヘッド１７を初期位置に退避させる（ステップＳ１８）。以上説明したステップＳ１～ステップＳ１８の工程によって、電子部品１２Ａの基板１１への接合工程が終了し、電子部品１２Ｂの基板１１への接合工程に移行する。

電子部品１２Ｂ～１２Ｄの基板１１への接合は、それぞれ接合ユニットＵ２～Ｕ４において電子部品１２Ａの接合と同様な工程で実施することから詳しい説明は省略する。

電子部品１２Ｂの接合は、電子部品１２Ａが接合された基板１１を接合ユニットＵ１から接合ユニットＵ２の所定位置に搬送し吸着した後、電子部品１２Ａの接合と同様にステップＳ２～ステップＳ１８の工程を実行する。但し、シャッタープレート１６は、孔部４４が電子部品１２Ｂの接合予定位置になるように移動される（ステップＳ２）。接合材接合ヘッド１８及び電子部品接合ヘッド１７は、この孔部４４を貫通して、それぞれ接合材１３及び電子部品１２Ｂの接合動作を行う。

電子部品１２Ｃの接合は、電子部品１２Ａ,１２Ｂが接合された基板１１を、接合ユニットＵ２から接合ユニットＵ３の所定位置に搬送し吸着した後、電子部品１２Ａ、１２Ｂの接合動作と同様にステップＳ２～ステップＳ１８の工程を実行する。但し、シャッタープレート１６は、孔部４４が電子部品１２Ｃの接合予定位置となるように移動される（ステップＳ２）。接合材接合ヘッド１８及び電子部品接合ヘッド１７は、この孔部４４を貫通して、それぞれ接合材１３及び電子部品１２Ｃの接合動作を行う。

電子部品１２Ｄの接合は、電子部品１２Ａ,１２Ｂ、１２Ｃが接合された基板１１を、接合ユニットＵ３から接合ユニットＵ４の所定位置に搬送し吸着した後、電子部品１２Ａ、２Ｂ，１２Ｃの接合動作と同様にステップＳ２～ステップＳ１８の工程を実行する。但し、シャッタープレート１６は、孔部４４が電子部品１２Ｄの接合予定位置となるように移動する（ステップＳ２）。接合材接合ヘッド１８及び電子部品接合ヘッド１７は、この孔部４４を貫通して、それぞれ接合材１３及び電子部品１２Ｄの接合動作を行う。電子部品１２Ａ～１２Ｄが基板１１に接合されたワーク１０は、搬出口５４から搬出される。

以上説明した接合装置１は、４個の電子部品１２Ａ～１２Ｄを基板１１に接合する例をあげて説明したが、電子部品が４個よりも多い場合もある。そのような場合、接合ユニットを電子部品の数に対応して増加すれば対応することが可能である。なお、接合ユニットＵ１～Ｕ４をそれぞれ一つの電子部品を接合する接合装置とし、接合装置を複数台連結することが可能である。

以上説明した接合装置１においては、基板１１、接合材１３及び電子部品１２Ａ～１２Ｄの各接合面の酸化を防ぐために、接合領域３８を低酸素濃度（１００ｐｐｍ以下）に維持することが重要である。そこで、ＣＡＥシミュレーションによって、接合加工室２０内の酸素濃度を解析した。図９にシミュレーション結果を示す。

図９は、ＣＡＥシミュレーションによる接合加工室２０（特に接合領域３８）の酸素濃度分布を示す図である。シミュレーションモデルは、接合加工室２０のＸ方向の一部（接合領域３８）において、上部噴出し孔３７及び側部引き出し孔３２から接合領域３８に向かって不活性ガスを噴出させる構成とし、接合領域３８の上方の一部にシャッタープレート１６を配設し、筐体１５の天井板部３４を除去して連通した空間としている。

図９に示すように、接合領域３８内は、酸素濃度が１００ｐｐｍ以下になることが分かった。また、本来、天井板部３４が存在した空間及びシャッタープレート１５の孔部４４が想定される空間においても酸素濃度は１００ｐｐｍ以下であった。一方、シャッタープレート１６よりも上方の空間５５においては、酸素濃度は７００ｐｐｍ以上となった。すなわち、このＣＡＥシミュレーションによれば、側部噴出し孔３７から水平方向に接合領域３８かって不活性ガスを噴き出し、上部噴出し孔３７から垂直方向下方に接合領域３８に向かって不活性ガスを噴射することによって、接合領域３８は勿論、開口部３４に相当する空間及び孔部４４の形成領域も酸素濃度を１００ｐｐｍ以下に維持することが可能であることが確認できた。図９に示すように、シャッタープレート１６は、酸素濃度が１００ｐｐｍ以下の低酸素濃度領域を広い範囲で確保する機能を有していることが確認できた。

以上説明した接合装置１は、被接合部材である基板１１と接合対象部材である電子部品１２Ａ～１２Ｄとの間に所定の形状に成形された接合材１３を介在させ、加熱・加圧して基板１１に電子部品１２Ａ～１２Ｄを接合する接合装置である。接合装置１は、接合材１３を基板１１の上面に供給し加圧する接合材接合ヘッド１８と、基板１１に接合された接合材１３の上面に電子部品１２Ａ～１２Ｄを供給し加熱・加圧する接合対象部材接合ヘッド１７とを有している。接合装置１は、さらに、接合材１３の基板１１への接合、及び電子部品１２Ａ～１２Ｄの基板１１への接合を行う接合加工室２０を有している。接合加工室２０は、対向する側壁部２８，２９から水平方向に不活性ガスを噴出する側部噴出し孔３２、及び接合加工室２０の天井板部３３から垂直方向下方に不活性ガスを噴出する上部噴出し孔３７を有しており、接合加工室２０は、低酸素濃度に常時制御されている。

このように構成される接合装置１によれば、基板１１、接合材１３、及び電子部品１２Ａ～１２Ｄを搬送・給材する際、及びこれらの部材を接合する際に、接合領域３８に向かって水平方向及び垂直方向下方に不活性ガスを噴射することによって、接合加工室２０、特に接合領域３８を低酸素濃度環境に維持している。このことによって、フラックス等の酸化防止剤や還元剤などを使用しなくても、基板１１、電子部品１２Ａ～１２Ｄ及び接合材１３の表面に酸化膜が形成されることを防ぎ、接合部にボイドが発生すること、接合時に破壊・分散された酸化膜が接合部に混在することに起因する接合強度、温度サイクル・温度ショック及び湿気などによる劣化を抑え、安定した接合品質を得ることが可能となる。

また、接合加工室２０には、接合材接合ヘッド１８又は接合対象部材接合ヘッドである電子部品接合ヘッド１７が水平方向及び垂直方向に移動することが可能な開口部３４が設けられており、接合加工室２０の上部には、開口部３４の一部を閉鎖することが可能なシャッタープレート１６が配設されている。

接合加工室２０には、接合材接合ヘッド１８又は電子部品接合ヘッド１７が接合加工室２０の内外を貫通しつつ移動することが可能な開口部３４を有している。開口部３４は、接合材接合ヘッド１８又は電子部品接合ヘッド１７の接合動作を可能にするために必須である。開口部３４は接合加工室２０を低酸素濃度に維持するためには不利に働く。しかし、シャッタープレート１６を設け、開口部３４の開口面積を必要最小限に小さくすることにっよって、接合加工室２０を適切な酸素濃度に管理することが可能となる。

また、接合装置１においては、シャッタープレート１６は、接合材接合ヘッド１８又は電子部品接合ヘッド１７が垂直方向に出入可能な孔部４４を有し、開口部３４のうち、孔部４４と交差する範囲以外の領域を閉鎖することが可能である。

シャッタープレート１６は、開口部３４を覆うように配置される。接合材１３及び電子部品１２Ａを基板１１に接合する際には、孔部４４及び開口部３４を接合材接合ヘッド１０又は電子部品接合ヘッド１７が出入りし、シャッタープレート１６は開口部３４の孔部４４が交差する位置以外の領域を閉鎖する。このようにすることによって、接合加工室２０（筐体１５）に開口部３４が形成されていても低酸素濃度環境を維持することが可能となる。

接合装置１は、接合材接合ヘッド１８、電子部品接合ヘッド１７及びシャッタープレート１６から構成される接合ユニットを１ユニットとしたとき、基板１１に接合すべき複数の電子部品１２Ａ～１２Ｄのそれぞれに対応する接合ユニットＵ１～Ｕ２が所定の間隔を有して配列される。接合加工室２０は、接合ユニットＵ１～Ｕ２の配置位置全部に亘って延長されており、接合加工室２０は、対向する側壁部２８，２９から水平方向に不活性ガスを噴出する側部噴出し孔３２と、天井板部３４から垂直方向下方に不活性ガスを噴出する上部噴出し孔３７と、を有している。

一般に、電子部品１２Ａ～１２Ｄが同一部品であることは稀であり、使用するコレット４６，５１も電子部品毎の仕様となる。このような場合においては、電子部品毎に接合ユニットＵ１～Ｕ４によって電子部品１２Ａから順に、電子部品１２Ｂ、１２Ｃ，１２Ｄを基板１１に接合する。筐体１５（接合加工室２０）は、接合ユニットＵ１～Ｕ４ともに共通使用である。接合加工室２０内全体には、側部噴出し孔３２から不活性ガスが噴出され、上部噴出し孔３７からは、接合領域３８に向かって垂直方向下方に不活性ガスが噴射される。従って、各接合ユニットの接合領域３８において酸素濃度を１００ｐｐｍ以下に維持し、基板１１、接合材１３及び電子部品１２Ａ～１２Ｄそれぞれの接合面の酸化を抑制することが可能となる。

また、接合装置１においては、接合時に、接合領域３８の酸素濃度が１００ｐｐｍ以下に制御されている。図９に示すように、ＣＡＥシミュレーションの結果から、接合領域３８及びその上部空間は酸素濃度を１００ｐｐｍ以下にすることが可能である。酸素濃度が１００ｐｐｍ以下であれば、基板１１、接合材１３及び電子部品１２Ａ～１２Ｄそれぞれの接合面が酸化することを防ぐことが可能となる。

1…接合装置、１０…ワーク、１１…基板（被接合部材）、１２Ａ～１２Ｄ…電子部品（接合対象部材）、１３…接合材、１５…筐体、１６…シャッタープレート、１７…接合材接合ヘッド、１８…電子部品接合ヘッド、１９…上下２視野認識ユニット、２０…接合加工室、２４…下部ヒータ、２８，２９…側壁部、３０，３１…側部ガス流路、３２…側部噴出し孔、３３…天井板部、３４…開口部、３５，３６…上部ガス流路、３７…上部噴出し孔、３８…接合領域、３９…酸素濃度センサ、４４…孔部、４５…ヘッド本体部、４６…コレット、４７…上部ヒータ、４８…真空吸引孔、５０…ヘッド本体部、５１…コレット、５２…真空吸引孔、５５…上部空間、Ｕ１～Ｕ４…接合ユニット

Claims

被接合部材と接合対象部材との間に所定の形状に成形された接合材を介在させ、加熱・加圧して被接合部材に接合対象部材を接合する接合装置であって、
前記接合材を前記被接合部材の上面に供給し加圧する接合材接合ヘッドと、
前記被接合部材に接合された前記接合材の上面に前記接合対象部材を供給し加熱・加圧する接合対象部材接合ヘッドと、
前記接合材の前記被接合部材への接合、及び前記接合対象部材の前記被接合部材への接合を行う接合加工室と、
を有し、
前記接合加工室は、対向する側壁部から水平方向に不活性ガスを噴出する側部噴出し孔、及び前記接合加工室の天井板部から垂直方向下方に前記不活性ガスを噴出する上部噴出し孔を有しており、
前記接合加工室は、低酸素濃度に常時制御されている、
ことを特徴とする接合装置。
請求項１に記載の接合装置において、
前記接合加工室には、前記接合材接合ヘッド又は前記接合対象部材接合ヘッドが水平方向及び垂直方向に移動することが可能な開口部が設けられており、
前記接合加工室の上部には、前記開口部の一部を閉鎖することが可能なシャッタープレートがさらに配設されている、
ことを特徴とする接合装置。
請求項２に記載の接合装置において、
前記シャッタープレートは、前記接合材接合ヘッド又は前記接合対象部材接合ヘッドが垂直方向に出入可能な孔部を有し、
前記開口部のうち、前記孔部と交差する範囲以外の領域を閉鎖することが可能である、
ことを特徴とする接合装置。
請求項２又は請求項３に記載の接合装置において、
前記接合材接合ヘッド、前記接合対象部材接合ヘッド及び前記シャッタープレートから構成される接合ユニットを１ユニットとしたとき、
前記被接合部材に接合すべき複数の前記接合対象部材のそれぞれに対応する前記接合ユニットが所定の間隔を有して配列され、
前記接合加工室は、複数の前記接合ユニットの配置位置全部に亘って延長されており、
前記接合加工室は、対向する前記側壁部から水平方向に前記不活性ガスを噴出する前記側部噴出し孔と、前記天井板部から垂直方向下方に前記不活性ガスを噴出する前記上部噴出し孔と、を有している、
ことを特徴とする接合装置。
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の接合装置において、
接合時に、前記被接合部材と前記接合対象部材とを前記接合材を介して接合させる接合領域の酸素濃度が１００ｐｐｍ以下に制御されている、
ことを特徴とする接合装置。