KR101831389B1 - 실장장치 및 실장방법 - Google Patents

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가쓰미 데라다
미키오 가와카미
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도레 엔지니아린구 가부시키가이샤
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Abstract

(과제)
본 발명은, 미세한 솔더범프가 형성된 칩이더라도 기판에 양호하게 열압착할 수 있는 실장장치 및 실장방법을 제공한다.
(해결수단)
칩에 형성된 솔더범프를, 기판에 설치된 전극에 가압하면서 가열하여 열압착하는 실장장치 및 실장방법으로서, 칩을 지지하여 기판에 가압하는 열압착 툴과, 기판을 지지하는 기판 스테이지와, 열압착 툴을 가열하는 가열수단과, 열압착 툴의 높이위치의 제어를 하는 제어부를 구비하고, 제어부가 칩을 지지한 열압착 툴을 하강시켜서, 칩의 기판측에 형성되어 있는 솔더범프가 기판에 설치되어 있는 전극에 접촉된 후에 소정량만큼 열압착 툴을 사용하여 칩을 기판의 전극에 압입하고, 솔더범프의 온도가 솔더용융온도에 도달하기 전에 열압착 툴의 높이위치를 열압착 툴의 신장에 따라 상승시키는 기능을 구비하고 있는 실장장치 및 실장방법을 제공한다.

Description

실장장치 및 실장방법{MOUNTING DEVICE AND MOUNTING METHOD}
본 발명은, 플립칩(flip chip) 등 솔더범프(solder bump)가 부착된 칩을 기판에 열압착(熱壓着)하는 실장장치(實裝裝置) 및 실장방법(實裝方法)에 관한 것이다.
솔더범프가 부착된 칩을 기판에 열압착하는 실장장치로서, 특허문헌1에 나타내는 실장장치가 알려져 있다. 특허문헌1에는, 칩을 기판에 열압착하는 열압착 툴(熱壓着 tool)이 하중검출수단(荷重檢出手段)을 구비하고 있다. 칩을 기판에 열압착할 때에 하중검출수단에 의하여 가압력을 검출하면서 열압착하고, 검출된 압력이 소정값 이하가 된 경우에 솔더범프가 용융되었다고 판단하고 있다. 솔더범프가 용융되었다고 판단하면, 칩을 지지하고 있는 열압착 툴을 소정의 높이 들어올리고, 가열을 정지하고, 소정의 높이를 유지한 상태에서 용융된 솔더를 냉각시키는 실장방법이 이루어지고 있다.
또한 특허문헌2에 나타내는 실장장치에서는, 칩을 지지하는 열압착 툴에 하중검출수단과, 열압착 툴의 변위를 검출하는 변위검출수단(變位檢出手段)이 구비되어 있다. 칩을 기판에 열압착할 때에 솔더범프가 용융을 시작할 때까지는 열압착 툴의 하중제어를 하고, 솔더범프의 용융에 의하여 변위검출수단이 검출하는 열압착 툴의 높이의 변위가 발생하면, 솔더범프가 용융되었다고 판단하고 있다. 솔더가 용융된 후에는 열압착 툴의 위치제어를 하여 실장 높이를 일정하게 하고 있다.
최근에는, 고밀도 실장의 요구로부터 솔더범프도 전극(電極)의 간극을 좁히고 범프의 구조도 원형을 이루는 것이기 때문에, 기둥 모양의 것이 사용되고 있다. 특허문헌3에는, 범프 피치(bump pitch)를 초미세하게 한 기둥 모양의 필러범프(pillar bump)가 개시되어 있다. 필러범프는, 협피치(狹pitch)이고 세워서 설치된 Cu 등의 필러(원기둥 모양)의 선단에 반구(半球) 모양의 솔더를 형성하고 있다. 선단의 솔더는, 반구 모양인 경우도 있고 선단부를 타원 모양으로 평탄화시킨 것도 있다. 이 때문에 범프 피치를 종래의 솔더 볼 타입의 솔더범프에 비하여 미세하게 할 수 있다. 또 고밀도 실장에 대응할 수 있다. 이들 솔더 부분은 필러(원기둥)의 밑면 면적이 미소면적이기 때문에, 종래의 솔더 볼 타입의 솔더범프에 비하여 매우 적은 양의 솔더에 의하여 솔더접합부분이 형성되어 있다.
일본국 공개특허 특개평11-145197호 공보 일본국 공개특허 특개2008-117993호 공보 일본국 공개특허 특개2006-245288호 공보
이러한 필러범프가 형성된 칩을 기판에 열압착하려고 하면 다음과 같은 문제가 있다.
필러범프에 형성된 솔더가 미량(微量)이기 때문에 솔더의 용융에 동반되는 열압착 툴의 가압력이나 높이의 변화에 의하여 칩을 들어올리면, 용융된 솔더가 필러와 전극의 사이에서 변형되어 버려서 기판의 전극과 필러의 사이에 돌출된 상태로 접합되어 버린다. 돌출된 솔더는 인접하는 필러범프나 전극에 접촉되어 접촉불량을 일으킬 문제가 있다.
또한 칩과 기판의 간극을 밀봉하기 위하여 기판에는 미리 비도전성(非導電性)의 수지(樹脂)가 도포(塗布)되어 있는 경우가 있다. 칩의 솔더와 기판의 전극이 접촉하는 과정에서 이 수지를 압출하면서 접합할 때에, 칩과 기판의 간극이 지나치게 좁아지게 되면 수지의 돌출량이 많아지게 되어, 칩의 측면을 수지가 타고 올라가서 칩이나 칩흡착 툴을 더럽혀 버린다는 문제가 있다.
또한 이들의 실장에 사용되는 기판의 전극은, 초미세하게 형성된 기둥 모양의 필러범프에 대응하기 위하여 폭이 좁은 전극이 배치되어 있다. 이러한 전극과 필러범프의 접합에는 고정밀도의 얼라인먼트(alignment)가 요구된다. 이 때문에 필러범프와 전극의 위치가 미묘하게 어긋나 있는 경우에, 필러범프의 압입에 따라 필러범프가 전극으로부터 옆으로 미끄러져 버리는 문제가 있다. 즉 위치 어긋남에 대한 허용도가 적기 때문에, 필러범프가 전극으로부터 어긋나서 떨어지기 쉽다.
그래서 본 발명의 과제는, 미세한 솔더범프가 형성된 칩이더라도 기판에 양호하게 열압착할 수 있는 실장장치 및 실장방법을 제공하는 것으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여 청구항1에 기재되어 있는 발명은,
칩(chip)에 형성된 솔더범프(solder bump)를, 기판에 설치된 전극(電極)에 가압하면서 가열하여 열압착(熱壓着)하는 실장장치(實裝裝置)로서,
칩을 지지하여 기판에 가압하는 열압착 툴(熱壓着 tool)과,
기판을 지지하는 기판 스테이지(基板 stage)와,
열압착 툴을 가열하는 가열수단(加熱手段)과,
열압착 툴의 높이위치의 제어를 하는 제어부(制御部)를 구비하고,
제어부가 칩을 지지한 열압착 툴을 하강시켜서, 칩의 기판측에 형성되어 있는 솔더범프가 기판에 설치되어 있는 전극에 접촉된 후에 소정량만큼 열압착 툴을 사용하여 칩을 기판의 전극에 압입하고, 솔더범프의 온도가 솔더용융온도(solder溶融溫度)에 도달하기 전에 열압착 툴의 높이위치를 열압착 툴의 신장에 따라 상승시키는 기능을 구비하고 있는 실장장치이다.
청구항2에 기재되어 있는 발명은, 청구항1에 기재되어 있는 발명에 있어서,
상기 열압착 툴에는 열압착 툴의 높이위치를 검출하는 높이검출수단과, 열압착 툴의 가압력을 검출하는 압력검출수단이 구비되고,
상기 제어부가, 칩에 형성되어 있는 솔더범프가 기판에 설치되어 있는 전극에 접촉된 후에 솔더범프의 온도가 솔더용융온도에 도달하기 전까지, 압력검출수단에 의하여 검출된 압력에 의거하여 열압착 툴의 가압력을 제어하는 하중제어(荷重制御)를 하는 기능을 구비하고,
솔더범프의 온도가 솔더용융온도에 도달한 후에는, 높이검출수단에 의하여 검출된 열압착 툴의 높이위치에 의거하여 열압착 툴의 높이위치를 제어하는 위치제어(位置制御)를 하는 기능을 구비하고 있는 실장장치이다.
청구항3에 기재되어 있는 발명은, 청구항2에 기재되어 있는 발명에 있어서,
상기 가열수단에는, 가열수단의 온도를 검출하는 온도검출수단이 구비되고,
상기 제어부가, 칩에 형성되어 있는 솔더범프가 기판에 설치되어 있는 전극에 접촉된 후에 온도검출수단에 의하여 검출된 온도가 소정의 온도에 도달할 때까지, 압력검출수단에 의하여 검출된 압력에 의거하여 열압착 툴의 가압력을 제어하는 하중제어를 하는 기능을 구비하고 있는 실장장치이다.
청구항4에 기재되어 있는 발명은,
칩에 형성된 솔더범프를, 기판에 설치된 전극에 가압하면서 가열하여 열압착하는 실장방법으로서,
칩을 열압착 툴에 의하여 지지하여 기판측으로 하강시키는 공정과,
칩의 솔더범프가 기판의 전극에 접촉된 후에, 열압착 툴에 설치된 압력검출수단에 의하여 검출된 가압력에 의거하여 소정량만큼 열압착 툴을 압입하는 하중제어를 하는 공정과,
열압착 툴의 온도를 솔더용융온도로 가열하는 공정과,
솔더범프의 온도가 솔더용융온도에 도달하기 전에, 열압착 툴의 압입량이 소정값을 유지하도록 열압착 툴에 설치된 높이검출수단의 검출값에 의거하여 열압착 툴의 높이위치를 제어하는 위치제어로 절환하는 공정과,
열압착 툴의 가열에 동반하는 열압착 툴의 신장에 따라 미리 설정되어 있는 신장량만큼 열압착 툴을 들어올리는 공정과,
열압착 툴에 의한 칩의 지지를 해제하고, 열압착 툴을 상승시키고 솔더범프를 냉각시켜서 고화(固化)시키는 공정을 포함하는 실장방법이다.
청구항1에 기재되어 있는 발명에 의하면, 칩의 기판측에 형성되어 있는 솔더범프가 기판에 설치되어 있는 전극에 접촉된 후에 소정량만큼 열압착 툴을 사용하여 칩을 기판의 전극에 압입하고, 솔더범프의 온도가 솔더용융온도에 도달하기 전에 열압착 툴의 높이위치를 열압착 툴의 신장에 따라 상승시키는 기능을 구비하고 있기 때문에, 미세한 솔더범프가 형성된 칩이더라도 용융된 솔더가 변형되거나 기판의 전극과 필러의 사이에 돌출된 상태로 접합되지 않는다. 따라서 기판에 양호하게 열압착할 수 있다.
청구항2에 기재되어 있는 발명에 의하면, 열압착 툴에 지지된 칩의 범프가 기판의 전극에 접촉된 후에 소정의 가압력으로 압입된다. 압입된 위치를 유지하면서, 열압착 툴의 제어를 하중제어에서 위치제어로 절환한다. 그 후에 솔더범프의 온도를 솔더용융온도로 가열한다. 열압착 툴이 가열에 의하여 열팽창되지만, 칩과 전극의 간극(혹은 범프의 필러와 전극의 간극)을 일정하게 되도록 열압착 툴의 위치제어를 한다. 그 후에 솔더를 용융시킨 후에 열압착 툴로부터 칩을 흡착해제하고, 히터의 가열도 정지시키고, 솔더의 냉각고화(冷却固化)를 한다. 솔더의 가열 및 용융에 있어서, 칩과 전극의 간극이 일정하게 유지되고 있기 때문에, 솔더가 열압착 툴의 가압에 의하여 필러로부터 돌출되어 이웃하는 솔더에 접촉되지 않는다. 또한 칩과 전극의 사이에 충전된 수지도 일정한 간극을 유지함으로써 칩 외측으로 돌출되는 수지의 양을 안정시킬 수 있어, 칩 측면으로 수지가 타고 올라오지 않는다. 또한 열압착 툴의 가압에 의하여 범프가 전극으로부터 옆으로 미끄러지지 않는다. 따라서 칩의 범프와 전극의 양호한 접합을 달성할 수 있다.
청구항3에 기재되어 있는 발명에 의하면, 상기 제어부가, 칩에 형성되어 있는 솔더범프가 기판에 설치되어 있는 전극에 접촉된 후에, 온도검출수단에 의하여 검출된 온도가 소정의 온도에 도달할 때까지 압력검출수단에 의하여 검출된 압력에 의거하여 열압착 툴의 가압력을 제어하는 하중제어를 하도록 되어 있다. 이 때문에 솔더범프의 용융도달시간에 편차가 있더라도, 하중제어에서 위치제어로 절환하는 타이밍을 솔더의 상태에 맞출 수 있다. 또한 솔더용융온도에 도달할 때까지 열압착 툴의 하중제어를 하게 되어, 범프와 전극 사이에 충전된 수지를 범프와 전극으로부터 압출시켜서 수지에 의한 접촉불량을 방지할 수 있다.
청구항4에 기재되어 있는 발명에 의하면, 칩의 솔더범프가 기판의 전극에 접촉된 후에, 열압착 툴에 설치된 압력검출수단에 의하여 검출된 가압력에 의거하여 소정량만큼 열압착 툴을 압입하는 하중제어를 하는 공정과, 솔더범프의 온도가 솔더용융온도에 도달하기 전에, 열압착 툴의 압입량이 소정값을 유지하도록 열압착 툴에 설치된 높이검출수단의 검출값에 의거하여 열압착 툴의 높이위치를 제어하는 위치제어로 절환하는 공정을 구비하고 있기 때문에, 미세한 솔더범프가 형성된 칩이더라도 용융된 솔더가 변형되거나 기판의 전극과 필러의 사이에서 돌출된 상태로 접합되지 않는다. 따라서 기판에 양호하게 열압착할 수 있다.
도1은, 본 발명에 관한 실장장치의 개략적인 측면도이다.
도2는, 칩과 기판의 관계를 나타내는 개략적인 측면도이다.
도3은, 본 발명에 관한 실장방법을 설명하는 플로우 차트이다.
도4는, Z축 헤드높이와 히터의 설정온도와 검출하중을 나타내는 차트이다.
도5는, 도4에 있어서의 타이밍(t3)의 칩과 기판의 관계를 나타내는 개략적인 측면도이다.
도6은, 도4에 있어서의 타이밍(t5)의 칩과 기판의 관계를 나타내는 개략적인 측면도이다.
본 발명의 실시형태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 도1은 본 발명의 실시형태에 있어서의 실장장치(實裝裝置)의 측면도, 도2는 실장장치에서 사용하는 칩(chip)(2)과 기판(基板)(6)의 측면도이다. 도1에 있어서, 실장장치(1)를 향하여 좌우방향을 X축, 전후방향을 Y축, X축과 Y축으로 구성되는 XY평면과 직교하는 축을 Z축, Z축의 둘레를 θ축이라고 한다.
실장장치(1)는, 칩(2)을 흡착(吸着)하여 지지하는 헤드(head)(8)와, 기판(6)을 흡착하여 지지하는 기판 스테이지(基板 stage)(11)와, 칩(2)과 기판(6)에 형성된 얼라인먼트 마크(alignment mark)를 인식하는 2시야 카메라(2視野 camera)(13)와, 실장장치(1)의 전체를 제어하는 제어부(制御部)(20)로 구성되어 있다.
헤드(8)에는, 칩(2)에 부여되고 있는 가압력을 검출하는 압력검출수단(壓力檢出手段)으로서 로드셀(load cell)(10)이 내장되어 있다. 헤드(8)의 하측에는 칩(2)을 흡착하여 지지하는 툴(tool)(9)이 장착되어 있다. 툴(9)에는 가열수단으로서 히터(heater)(16)가 내장되어 있어, 제어부(制御部)(20)로부터의 명령에 의거하여 칩(2)을 가열할 수 있도록 구성되어 있다(도1에서 히터(16)는 점선으로 표기하였다). 히터(16)에는 온도검출수단(溫度檢出手段)으로서 열전대(熱電對)(18)가 부착되어 있다. 헤드(8)는 서보모터(servo motor)(14)와 서보모터(14)에 연결된 볼나사(ball screw)(15)를 구동제어함으로써 Z방향의 상하로 승강하고, 제어부(20)로부터의 명령에 의거하여 헤드(8)의 가압력을 제어하는 하중제어(荷重制御)와, 헤드(8)의 Z축 높이위치를 제어하는 위치제어(位置制御)의 제어가 가능하도록 구성되어 있다. 본 발명의 열압착 툴(熱壓着 tool)은 헤드(8)와 툴(9)로 구성되어 있다.
가압력은 서보모터(14)의 토크에 의하여 제어되는 것이 바람직하지만, 보이스 코일 모터나 공기압 실린더 등 가압력을 발생하는 것이면 어떤 수단이더라도 좋다.
하중제어 중에 압력을 일정하게 유지하기 위하여 Z방향으로 상하로 변동된 이동량은, 서보모터(14)의 인코더(encoder)(19)에 의한 위치검출수단(位置檢出手段)에 의하여 위치정보를 취득할 수 있도록 구성되어 있다. 위치검출수단은 Z방향으로 위치를 측정할 수 있는 것이면, 외부에 리니어 스케일(linear scale) 등을 사용하여도 좋다.
기판 스테이지(11)는 도면에 나타내지 않은 구동기구에 의하여 X, Y, θ방향으로 이동할 수 있어, 흡착되어 지지된 기판(6)을 소정의 위치에 위치결정할 수 있도록 구성되어 있다.
2시야 카메라(13)는 툴(9)에 흡착되어 지지된 칩(2)과 기판 스테이지(11)에 흡착되어 지지된 회로기판(6)의 사이에 삽입되어, 칩(2) 및 기판(6)에 부착된 얼라인먼트 마크를 화상인식할 수 있다. 보통은, 대기위치(도1에서 점선으로 표기한 부분)에서 대기하고 있고 화상인식을 할 때에 화상인식위치로 이동할 수 있도록 되어 있다.
도2에 나타나 있는 바와 같이 칩(2)은, 칩이면(chip裏面)(2b)에 Cu로 제작된 필러(pillar)(4)가 설치되어 있다. 필러(4)의 선단에는 솔더(5)가 형성되어 있다. 필러(4)와 솔더(5)에 의하여 범프(bump)(3)를 형성하고 있다. 기판(6)에는 전극(電極)(7)이 설치되어 있고, 전극(7)의 표면은 솔더 도금(solder 鍍金)(7a)이 실시되어 있다. 기판(6)의 전극(7)의 주위에는 비도전성 열경화수지(非導電性 熱硬化樹脂)인 접착제(接着劑)(17)가 충전(充塡)되어 있다.
이러한 실장장치(1)를 사용하여 칩(2)을 기판(6)에 실장하는 실장방법에 대하여, 도3의 플로우 차트와, 도4의 실장상태를 설명하는 그래프와, 도5, 도6의 범프(3)와 전극(7)의 확대도를 사용하여 설명한다. 도4는 가로축에 시간을 표기하고, 세로축에 헤드(8)의 Z축방향의 높이, 히터(16)의 설정온도 및 로드셀(10)의 검출하중을 표기하고 있다.
우선 헤드(8)의 툴(9)에 칩(2)이 흡착되어 지지되어 있고, 기판 스테이지(11)에 기판(6)이 흡착되어 지지되어 있는 상태로부터 설명을 시작한다(스텝ST01). 이 상태에서, 툴(9)의 히터(16)는 솔더가 부드럽게 되는 온도인 예열온도(豫熱溫度)(T1)로 가열되어 있다.
2시야 카메라(13)가 칩(2)과 기판(6)의 사이에 삽입되어, 칩(2) 및 기판(6)에 부착되어 있는 얼라인먼트 마크를 화상인식한다(스텝ST02). 취득한 화상인식데이터에 의거하여 기판 스테이지(11)를 얼라인먼트 하고, 2시야 카메라(13)를 대기위치로 대피시킨다(스텝ST03). 이 상태는 도4에서의 t0의 타이밍이 된다.
다음에 헤드(8)를 고속으로 소정의 높이만큼 하강시킨다(스텝ST04). 이 상태는 도4에서의 t1의 타이밍이 된다. 칩(2)의 범프(3)는 기판(6)의 전극(7)에 접촉되어 있지 않다. 헤드(8)의 구동제어는 위치제어의 상태이다.
다음에 헤드(8)를 저속으로 소정의 높이만큼 하강시킨다(스텝ST05). 전극(7) 주위의 접착제(17)를 밀어내면서 범프(3)가 하강한다. 이 상태는 도4에서의 t2의 타이밍이 된다. 범프(3)가 전극(7)의 근방까지 근접한 상태가 된다.
다음에 헤드(8)의 구동제어를 위치제어에서 하중제어로 절환한다(스텝ST06). 도4에 나타내는 t2의 타이밍에서 하중제어를 시작한다. 헤드(8)가 서서히 하강하여, 범프(3)의 선단의 솔더(5)가 전극(7)에 접촉되는 타이밍을 검출하는 서치동작(search動作)을 한다(스텝ST07). 전극(7)에 접촉되는 타이밍까지는 로드셀(10)에 하중(P0)이 검출된다. 도4의 타이밍(t3)이 접촉된 타이밍이다. 로드셀(10)에 의하여 하중(P1)이 검출된다. 도5에 접촉된 상태를 나타낸다. t3의 타이밍에서는 검출되는 하중에 변화가 나타나기 때문에 접촉된 것을 검출할 수 있다. 헤드(8)가 하중제어되고 있는 도중인 때에도, 인코더(19)에 의한 헤드(8)의 검출위치는 제어부(20)에 의하여 감시되어 헤드(8) 위치의 이상(異常)에 대응할 수 있도록 되어 있다.
범프(3)의 솔더(5)가 전극(7)에 접촉되면, 예열온도(T1)로 따뜻하게 되어 있는 툴(9)의 온도가 기판(6)측에 전달된다.
또한 기판(6)에 미리 충전되어 있는 접착제(17)는, 칩(2)이 기판(6)에 서치하중(P1)에 의하여 가압되면 범프(3)와 전극(7)이 접촉된 부분으로부터 압출된다(스텝ST08). 이 공정은, 접착제(17)가 잔류하고 있으면 뒤의 공정에서 제품불량이 되기 때문에 이루어지고 있다.
다음에 헤드(8)의 하중제어의 설정하중(設定荷重)을 P2로 변경한다(스텝ST09). 예열상태(예를 들면 160℃ 정도의 상태)에서는, 범프(3)의 선단에 형성된 솔더(5)는 용융되지 않는다. 솔더(5)는, 고상상태(固相狀態)로부터 액상상태(液相狀態)로 이동하는 단계에서 연화(軟化)된 상태가 된다. 이 때문에 헤드(8)가 하중설정(P2)에 의하여 하중제어됨으로써 연화된 솔더(5)가 전극(7)에 압입되어 형상이 변형된다. 이 때에 기판(6)에 미리 충전되어 있는 접착제(17)는, 칩이면(2b)으로 밀리게 되어 범프(3)의 사이에 간극이 없게 충전된다.
다음에 도4의 타이밍(t4)에서 타이밍(t5)까지의 소정의 시간, 헤드(8)를 하중설정(P2)에 의하여 하중제어한다(스텝ST10). 툴(9)이 예열온도에 도달되어 있기 때문에, 범프(3)의 선단부의 솔더(5)가 변형되면서 전극(7)에 접촉된다. 이 상태를 도6에 나타낸다. t5의 타이밍에 있어서는, 필러(4)와 전극(7)에 소정의 간극이 유지된 상태가 된다(솔더(5)가 가압에 의하여 변형되어 필러(4)와 전극(7)의 사이에서 돌출된 상태는 아니다).
또 하중설정(P2)은, 미리 솔더(5)를 예열온도(T1)로 가열하여 연화시킨 상태에서 변형되지 않는 하중을 측정하여 제어부(20)에 기억시켜서, 실제의 실장공정에서 사용하고 있다. 이 때문에 솔더(5)가 하중(P2)을 견디지 못하여 변형되지 않는다.
다음에 히터(16)의 설정온도를 범프(3)의 선단부의 솔더(5)가 솔더용융온도(예를 들면 240∼280℃)가 되는 솔더용융온도(T2)로 변경한다(스텝ST11). 다음에 헤드(8)의 구동제어를 하중제어에서 위치제어로 절환한다(스텝ST12). 이에 따라 필러(4)와 전극(7)의 간극이 일정하게 유지되도록 위치제어가 이루어진다. 도4에서는, 히터(16)의 설정온도가 솔더용융온도(T2)로 변경되는 타이밍과, 헤드(8)의 구동제어가 하중제어에서 위치제어로 절환되는 타이밍은 t5로 되어 있지만, 솔더(5)의 상태에 따라 적절하게 타이밍을 변경할 수 있다. 예를 들면 히터(16)의 설정온도의 절환을 t4에서 t5의 사이에 하고, 그 후에 헤드(8)의 구동제어를 위치제어로 절환하더라도 좋다.
히터(16)의 승온(昇溫)에 따라 헤드(8)가 상하방향으로 열팽창된다. 이 때문에 승온에 추종하여 헤드(8)를 Z축방향 상측으로 높이(h1)만큼 들어올린다(스텝ST13). 높이(h1)는, 헤드(8)가 솔더용융온도(T2)에 도달하였을 때의 헤드(8)의 신장량이 된다. 이에 따라 헤드(8)의 열팽창의 영향을 받지 않아 필러(4)와 전극(7)의 간극이 일정하게 유지된다. 또한 칩(2)과 기판(6)의 사이에 충전되어 있는 접착제(17)의 경화(硬化)도 시작된다(스텝ST14). 헤드(8)가 위치제어되고 있는 도중인 때에도, 로드셀(10)에 의한 헤드(8)의 가압력은 제어부(20)에 의하여 감시되어, 헤드(8)의 이상에 대응할 수 있도록 되어 있다.
종래와 같이 솔더(5)가 용융된 포인트를 압력검출 혹은 위치검출한 후에 헤드(8)의 높이위치를 제어하면, 필러범프와 같은 솔더(5)가 소량인 범프에서는 솔더가 가압에 의하여 변형되어 버릴 우려가 있다. 이에 대하여 솔더(5)의 용융 전부터 헤드(8)의 위치제어를 시작하여 필러(4)와 전극(7)의 간극을 일정하게 유지하도록 하면, 솔더(5)가 소량이더라도 가압에 의하여 변형되지 않아 양호한 접합을 할 수 있다.
헤드(8)의 열팽창 및 열수축의 온도 승강에 따르는 시간당 변동량의 데이터는, 미리 헤드(8) 단체(單體)로 측정되어 제어부(20)에 기억되어 있다. 측정은, 헤드(8)를 기판(6)에 가압하여 히터(16)의 설정온도를 가변시켜서 이루어진다. 히터(16)를 가열하여 툴(9)이 열팽창에 의하여 신장되면 헤드(8)에 대한 가압력이 높아지기 때문에, 압력을 일정하게 유지하도록 헤드(8)를 상승시킨다. 히터(16)의 가열을 정지시켜서 툴(9)이 열수축에 의하여 수축되면 헤드(8)에 대한 가압력이 낮아지기 때문에, 압력을 일정하게 유지하도록 헤드(8)를 하강시킨다. 이 때의 헤드(8)의 Z방향의 신장량 및 수축량을 서보모터(14)의 인코더(19)의 위치정보에 의하여 계측함으로써 이루어진다.
다음에 도4의 타이밍(t6)의 상태가 되면, 헤드(8)의 온도가 범프(3)의 선단부의 솔더(5)가 용융되는 솔더용융온도(T2)에 근접하여, 필러(4)와 전극(7) 사이의 솔더(5)의 용융이 시작된다.
다음에 도4의 타이밍(t7)에서, 솔더를 고상상태로 하기 위하여 히터(16)의 설정온도를 솔더고상온도(T3)로 내린다(스텝ST15). 필러(4)와 전극(7) 사이의 솔더(5)가 고상화가 시작된다.
다음에 도4의 타이밍(t8)까지, 히터(16)의 설정온도를 솔더고상온도(T3)로 유지하여 전극(7) 주변의 접착제(17)가 경화가 촉진되는 전극 주변부의 온도로 한다.
다음에 칩(2)의 흡착을 해제하여, 헤드(8)를 Z축 상측방향으로 고속으로 상승시킨다(스텝ST16). 또 칩(2)의 흡착면의 흡인에 의한 잔압(殘壓)에 의하여 칩(2)이 툴(9)로부터 떨어지기 어렵기 때문에, 타이밍(t7)의 직전에 칩(2)의 진공흡인이 OFF 되어 있다. 이상에 의하여 칩(2)의 기판(6)에 대한 실장이 완료된다.
하중제어에서 위치제어로 절환하는 타이밍(t5)은 미리 설정된 시간에 의한 절환을 하지만, 솔더의 용융 타이밍에 의하여 더 정확하게 위치제어를 하기 위해서는, 헤드(8)의 히터(16) 내에 부착된 온도측정수단인 열전대(18)에 의하여 온도를 측정하고, 소정의 온도에 도달하였다면 하중제어에서 위치제어로 절환하는 것이 더 바람직하다.
히터(16)의 온도상승의 커브는 본딩마다 편차가 있어 시간에 의하여 절환한 경우에는 위치제어로 절환하였을 때의 높이의 미소한 편차가 발생하는 문제가 있지만, 열전대(18)에 의한 측정온도에 의한 절환을 하면, 온도상승의 커브의 편차가 있더라도 항상 동일한 온도조건에서 절환하기 때문에 미소한 편차를 발생시키지 않는 효과가 있다.
또한 위치제어로 절환한 후에 수지가 경화되는 과정에서 발생하는 내부응력을 일정하게 되도록, 미리 설정된 헤드(8)의 신축량의 측정데이터의 명령값으로 오프셋량을 입력함으로써 헤드(8)의 승강축인 Z축의 위치제어를 하는 것도 가능하다.
이와 같이 본 실시형태의 실장장치 및 실장방법에 의하면, 헤드(8)에 지지된 칩(2)의 범프(3)가 기판(6)의 전극(7)에 접촉된 후에 소정의 가압력에 의하여 압입된다. 압입된 위치를 유지하면서 헤드(8)의 제어를 하중제어에서 위치제어로 절환한다. 그 후에 솔더용융온도(T2)로 가열한다. 헤드(8)가 가열에 의하여 열팽창되지만, 칩(2)과 전극(7)의 간극(혹은 범프(3)의 필러(4)와 전극(7)의 간극)을 일정하게 되도록 헤드(8)의 위치제어를 한다. 그 후에 솔더(5)를 용융시킨 후에 헤드(8)로부터 칩(2)의 흡착을 해제하고, 히터(16)의 가열도 정지하고, 솔더(5)의 냉각고화를 한다. 솔더(5)의 가열 및 용융에 있어서, 칩(2)과 전극(7)의 간극이 일정하게 유지되고 있기 때문에, 솔더(5)가 헤드(8)의 가압에 의하여 필러(4)로부터 돌출되어 연달아 접속되는 범프(3)에 접촉되지 않는다. 또한 헤드(8)의 가압에 의하여 범프(3)가 전극(7)으로부터 옆으로 미끄러지지 않는다. 따라서 칩(2)의 범프(3)와 전극(7)의 양호한 접합을 달성할 수 있다.
1 : 실장장치
2 : 칩
3 : 범프
4 : 필러
5 : 솔더
6 : 기판
7 : 전극
8 : 헤드
9 : 툴
10 : 로드셀
11 : 기판 스테이지
13 : 2시야 카메라
14 : 서보모터
15 : 볼나사
16 : 히터
17 : 접착제
18 : 열전대
19 : 인코더
20 : 제어부
2b : 칩이면
7a : 도금
T1 : 예열온도
T2 : 솔더용융온도
T3 : 솔더고상온도

Claims (4)

  1. 칩(chip)에 형성된 솔더범프(solder bump)를, 기판에 설치된 전극(電極)에 가압하면서 가열하여 열압착(熱壓着)하는 실장장치(實裝裝置)로서,
    칩을 지지하여 기판에 가압하는 열압착 툴(熱壓着 tool)과,
    기판을 지지하는 기판 스테이지(基板 stage)와,
    열압착 툴을 가열하는 가열수단(加熱手段)과,
    열압착 툴을 제어하는 제어부(制御部)를
    구비하고,
    상기 열압착 툴에는 열압착 툴의 높이위치를 검출하는 높이검출수단과, 열압착 툴의 가압력을 검출하는 압력검출수단이 구비되고,
    상기 제어부가, 칩을 지지한 열압착 툴을 하강시켜서, 칩의 기판측에 형성되어 있는 솔더범프가 기판에 설치되어 있는 전극에 접촉된 후에, 열압착 툴을 사용하여 칩을 기판의 전극에 압입하고, 압력검출수단에 의하여 검출된 압력에 의거하여 열압착 툴의 가압력을 제어하는 하중제어(荷重制御)를 하는 기능과,
    열압착 툴의 온도가 솔더용융온도가 되도록 가열수단을 승온하는 기능과,
    솔더범프의 온도가 솔더용융온도에 도달하기 전에, 열압착 툴의 높이위치를, 높이검출수단에 의하여 검출된 열압착 툴의 높이위치에 의거하여 제어하는 위치제어(位置制御)를 하는 위치제어로 절환하는 기능과,
    열압착 툴의 높이위치를 열압착 툴의 신장에 따라 상승시키는 기능을
    구비하고 있는 것을 특징으로 하는 실장장치.

  2. 제1항에 있어서,
    상기 가열수단에는, 가열수단의 온도를 검출하는 온도검출수단이 구비되고,
    상기 제어부가, 칩에 형성되어 있는 솔더범프가 기판에 설치되어 있는 전극에 접촉된 후에 온도검출수단에 의하여 검출된 온도가 소정의 온도에 도달할 때까지, 압력검출수단에 의하여 검출된 압력에 의거하여 열압착 툴의 가압력을 제어하는 하중제어를 하는 기능을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 실장장치.
  3. 칩에 형성된 솔더범프를, 기판에 설치된 전극에 가압하면서 가열하여 열압착하는 실장방법으로서,
    칩을 열압착 툴에 의하여 지지하여 기판측으로 하강시키는 공정과,
    칩의 솔더범프가 기판의 전극에 접촉된 후에, 열압착 툴에 설치된 압력검출수단에 의하여 검출된 가압력에 의거하여 열압착 툴을 압입하는 하중제어를 하는 공정과,
    열압착 툴의 온도를 솔더용융온도로 가열하는 공정과,
    솔더범프의 온도가 솔더용융온도에 도달하기 전에, 열압착 툴의 압입량이 소정값을 유지하도록, 열압착 툴의 높이위치를, 열압착 툴에 설치된 높이검출수단의 검출값에 의거하여 제어하는 위치제어로 절환하는 공정과,
    열압착 툴의 가열에 동반하는 열압착 툴의 신장에 따라 미리 설정되어 있는 신장량만큼 열압착 툴을 들어올리는 공정과,
    열압착 툴에 의한 칩의 지지를 해제하고, 열압착 툴을 상승시키고 솔더범프를 냉각시켜서 고화(固化)시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 실장방법.
  4. 삭제
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