WO2007066559A1

WO2007066559A1 - チップ実装装置およびチップ実装方法

Info

Publication number: WO2007066559A1
Application number: PCT/JP2006/323888
Authority: WO
Inventors: Katsumi Terada; Mikio Kawakami
Original assignee: Toray Engineering Co., Ltd.
Priority date: 2005-12-06
Filing date: 2006-11-30
Publication date: 2007-06-14
Also published as: JP5014151B2; KR20080080358A; KR101260550B1; JPWO2007066559A1; TWI412089B; US20090289098A1; TW200731424A

Abstract

　チップに加圧力を与えるツールが装着されたツールホルダと、ツールホルダを上下動可能に支持するホルダ支持手段と、ホルダ支持手段を上下動させる駆動手段と、ホルダ支持手段に対するツールホルダの相対的な位置を検出する位置検出手段とを備え、ツールとチップとが重なって基板に接触しているときのツールホルダの位置に基づいて、ツールの高さと加圧力とを制御する駆動制御手段を備えたことを特徴とするチップ実装装置、およびチップ実装方法。隣接する半田バンプ間でショート不良の発生を防止でき、歩留まりおよび信頼性の高いチップ実装を実現できる。

Description

明細書

チップ実装装置およびチップ実装方法

技術分野

[0001] 本発明は、プリント基板等の基板に集積回路素子などのチップを実装するチップ実装装置およびチップ実装方法に関する。

背景技術

[0002] プリント基板等の基板に集積回路素子などのチップを実装する方法として、熱圧着による方法が知られている。この方法は、熱圧着ツールによりチップを基板に押圧するとともに、チップを加熱してチップの半田バンプを溶融させ、基板の電極にチップのバンプを半田接合するものである。この熱圧着過程においては、半田バンプが基板の電極に当接した時点では半田バンプは半田の融点以下の温度であり、半田バンプの当接力もある時間経過後に半田バンプは溶融する。そして、半田バンプの溶融時点に関して、荷重検出手段による荷重検出値が所定値以下に減少したならば半田バンプが溶融したと判断し、熱圧着ツールを上昇させ所定高さで保持してヒータを OFFし、溶融した半田を冷却 '固化させるチップ実装方法が知られている（例えば、特許文献 1)。

[0003] また、半田バンプの接合強度を高めるために、半田融点温度よりも低い温度でチップと基板を予熱し、チップと基板を接触させて擦り合わせ、次いで、半田バンプを接触させた状態でチップと基板を半田融点温度以上に加熱し、半田バンプを所定量だけ押し込み、チップと基板の垂直方向に微振動を付与するチップ実装方法が知られている（例えば、特許文献 2)。

特許文献 1 :特開平 11 145197号公報

特許文献 2：特開 2005 - 209833号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0004] し力しながら、特許文献 1に記載されているように、半田バンプの溶融した時点を、チップの荷重検出手段の荷重検出値の変化で判断する方法の場合には、次の様な問題があった。まず、半田バンプを融点以上の温度になるように圧着ツールを加熱した時に、圧着ツールの下端部の高さが一定に保持されているために、半田が溶融するまでの間に、圧着ツールが熱膨張により高さ方向に伸びる。この圧着ツールの伸びにより、半田バンプには圧着ツールを含めた昇降ブロックの自重が応力としてかかる。そして、荷重検出値が所定値に達する前に半田が溶融し、圧着ツールの伸びも加わり、半田バンプを押し潰してしまうことがある。押し潰された半田バンプは連接した半田バンプの間でショート不良を発生し、製品の歩留まりおよび信頼性の低下を招くという問題が発生していた。特に、半田バンプのピッチがファインピッチ（例えば 30 mピッチ）の半導体パッケージの場合においては、バンプ高さが低いために、わずかな熱膨張による圧着ツールの伸びでも、半田バンプを押し潰してしまい、隣接した半田バンプ間でショート不良が発生していた。また、半田バンプを押し潰さない荷重値を設定することが非常に困難であり、時間も力かるという問題があった。

[0005] また、特許文献 2のように、半田融点温度以上に加熱するときチップと基板の垂直方向に微振動を付与する方法の場合には、ボンディングヘッドの加圧力の設定によつては半田バンプが破壊するバンプクラッシュが発生してしまい、安定したチップの接合ができな!/、と!/、う問題があった。

[0006] そこで本発明の課題は、プリント基板等の基板に集積回路素子などのチップを実装するチップ実装において、隣接する半田バンプ間でのショート不良の発生を防止でき、接合後のチップと基板の間隔を所定の一定間隔とすることができる、歩留まりおよび信頼性の高いチップ実装装置およびチップ実装方法を提供することにある。

課題を解決するための手段

[0007] 上記課題を解決するために、本発明に係るチップ実装装置は、チップに加圧力を与えるツールと、前記ツールが装着されたツールホルダと、前記ツールホルダを上下動可能に支持するツールホルダ支持手段と、前記ツールホルダ支持手段を上下動させる駆動手段と、前記ツールホルダ支持手段に対するツールホルダの相対的な位置を検出するツールホルダ位置検出手段とを備えたチップ実装装置にぉ、て、前記ッールとチップとが重なって基板に接触しているときの前記ツールホルダの位置に基づいて、前記ツールの高さと前記加圧力とを制御する駆動制御手段を備えたことを特徴とするもの力なる。

[0008] このチップ実装装置においては、ツールホルダ位置検出手段力ツールとチップが重なって基板に接触してヽるときのツールホルダの位置を検出し、この検出した位置に基づいて、ツールの高さと加圧力とを制御するので、ツールの位置を高精度に検出することができ、隣接するバンプ間でショート不良を発生させることがなぐ信頼性の高いチップ実装装置を提供することができる。また、ツールの高さを高精度に制御可能であるので、チップと基板の間隔を所定の一定間隔とすることが可能になる。

[0009] 上記本発明に係るチップ実装装置においては、前記駆動制御手段は、チップと基板が当接したときの前記チップと前記基板との間隔のパラメータと、前記チップを前記基板に押し込む際の押し込み量のパラメータと、前記ツールホルダ位置検出手段により検出された前記ツールホルダの相対的な位置のパラメータとから、前記ツールホルダの引き上げ量を演算し制御する手段を備えていることが好ましい。このような演算制御手段を設けてツールホルダの弓 Iき上げ量の演算制御することにより、チップと基板の間隔を各パラメータにより自動で制御できるようになり、安定したチップと基板の接合ができるようになる。

[0010] また、本発明に係るチップ実装方法は、基板保持ステージに保持されて!ヽる基板の上方から、ツールホルダ支持手段により上下動可能に支持されたツールホルダを降下させ、前記ツールホルダに装着されたツールを介してチップに加圧力を与えることにより、前記チップのバンプを前記基板上の電極に圧着し、接合するチップ実装方法にお!、て、前記ツールを降下させて前記チップのバンプを所定の加圧力で前記基板の電極に押圧し、ツールホルダのツールホルダ支持手段に対する相対的な位置をツールホルダ位置検出手段によって検出し、前記ツールのヒータに通電して半田力なる前記チップのバンプを半田の融点以上の温度に加熱し、前記ツールホルダ位置検出手段により検出した前記ツールホルダの相対的な位置が所定値に到達したならば前記チップのバンプが溶融したと判断し、しかる後に前記ツールホルダ支持手段を上昇させることを特徴とする方法力なる。

[0011] このチップ実装方法においては、ツールを下降させてチップのバンプを所定の荷重で基板に押圧した後、チップの加熱開始後にツールホルダの位置が所定値以下に到達したならばバンプが溶融したと瞬時に判断し、ツールを上昇させることにより、隣接した半田バンプ間でのショート不良の発生を確実に防止でき、短時間で所望の実装を行うことができるようになる。

[0012] 上記本発明に係るチップ実装方法にお!、ては、前記チップのバンプが溶融した後、前記チップのバンプと前記基板の電極との間に相対的な摩擦を発生させ、該摩擦により半田の表層の酸ィ匕膜を破壊して除去することが好ましい。このようにすれば、半田の表層の酸ィ匕膜が所定の範囲にわたって確実に除去されることになり、それによつて濡れ性が大幅に改善され、半田溶融による優れたチップ実装方法を提供することができる。

[0013] また、前記チップのバンプが溶融する時の前記チップの加圧力を、流動化した半田の内部の圧力よりも低い圧力として、前記チップのバンプを前記基板上の電極に接合することが好ましい。チップのバンプが溶融する時のチップの加圧力として、バンプの流動化した半田の内部圧力（浮力）よりも低、圧力で加圧することにより、半田の表層がチップの加圧力で破壊されることがなぐバンプクラッシュを発生することがなくなり、それによつて半田バンプ間のショート不良が大幅に改善され、歩留まりおよび信頼性の高!、チップ実装方法を提供することができる。

[0014] また、前記ツールホルダ位置検出手段により、チップのバンプと基板の電極が当接したときのツールホルダの第 1の位置を検出し、次にツールを基板に押し込んだときのツールホルダの第 2の位置を検出し、次にツールのヒータに通電してツールを加熱したときのツールホルダの第 3の位置を検出し、次いで、前記ツールホルダ位置検出手段によって検出されるツールホルダの位置が第 4の位置に到達したならばチップのバンプが溶融したと判断し、ツールホルダが前記第 1の位置になるまで前記ツールホルダ支持手段を引き上げ、チップと基板との間隔を一定間隔に保持して半田を固ィ匕させるようにすることもできる。この方法においては、ツールホルダ位置検出手段によってチップのバンプと基板の電極が当接したときのツールホルダの第 1の位置を検出する。次に、ツールを基板に押し込んだときのツールホルダの第 2の位置を検出する。次に、ツールのヒータに通電してツールが加熱したときのツールホルダの第 3の位置を検出する。次に、ツールホルダ位置検出手段によって検出されるツールホルダの位置が第 4の位置に到達したならばチップのバンプが溶融したと判断する。次に、ツールホルダが第 1の位置になるまでツールホルダ支持手段を引き上げる。次に、チップと基板の間を一定間隔に保持して半田を固化させる。このように、ツールのヒータに通電してツールが加熱したときの、ツールの熱膨張によるツール高さ位置の変化を検出して、チップのバンプと基板上の電極の接合を行うので、半田バンプの溶融したときのツールホルダの第 3の位置をツールの熱膨張の変化を補正して正確に検出することができる。そして、チップと基板が一定間隔に保持されて固化されるので、実装工程後に行うアンダーフィルのチップと基板間への充填作業において、アンダーフィルの充填にばらつきが生じない。したがって、高速の信号処理を要求される半導体ノッケージにおいては、各電極間の特性が均一となり、製品の信頼性が向上する。

[0015] また、予め設定したチップのバンプが固化したときのチップと基板との間隔と、チップのバンプと基板の電極が当接したときのチップと基板との間隔と、ツールを基板側に押し込んだときの押し込み量と、前記ツールホルダの第 1の位置と、前記ツールホルダの第 2の位置と、前記ツールホルダの第 3の位置と、前記ツールホルダの第 4の位置とから、半田固化時のツールホルダの引き上げ量を求めるようにすることもできる。このようにすれば、ツールホルダ位置検出手段によって、バンプ、基板、電極の高さのノツキ及び、バンプの変形量をヒータの熱膨張を考慮して実装毎に計測することが可能になり、チップと基板の間隔を設定した所定の値通りになるように、ツールの位置をフィードバックして自動で制御することが可能となる。そのため、事前に試行して上記間隔を決定する手間が省けて、短時間で、人手によるミス等のない信頼性の高い条件設定にて基板へのチップの実装を行なうことができる。

[0016] また、ツールのヒータに通電してツールを加熱してからチップのバンプが溶融するまでの時間を予め計測し、この計測した時間内でバンプの溶融時のツールの高さに到達しない場合、上部ヒータ又は下部ヒータの温度設定を上昇させ半田を溶融させるようにすることもできる。このようにすれば、計測された溶融時間を記憶しておくことにより、以後のチップ実装生産において溶融監視タイマーとして動作させることが可能となり、溶融監視タイマーを設けることにより、半田バンプの溶融にばらつきがあっても、安定した時間で基板へのチップの実装を行うことができる。発明の効果

[0017] このように、本発明に係るチップ実装装置およびチップ実装方法によれば、プリント基板等の基板に集積回路素子などのチップを実装するチップ実装において、とくに、高速の信号処理を要求される半導体パッケージにおいても、隣接する半田バンプ間でのショート不良の発生を確実に防止できるようになり、接合後のチップと基板の間隔を確実にかつ安定して望ましい所定の一定間隔にすることができるようになる。その結果、歩留まりおよび信頼性の高いチップ実装を実現できる。

図面の簡単な説明

[0018] [図 1]本発明の実施例 1に係るチップ実装装置の概略縦断面図である。

[図 2]図 1の装置における実装開始時の状態を示す拡大部分縦断面図である。

[図 3]図 1の装置におけるバンプが基板に接触した状態を示す拡大部分縦断面図である。

[図 4]図 1の装置におけるツールホルダ支持手段に対してツールホルダが離れ始めた状態を示す拡大部分縦断面図である。

[図 5]図 1の装置における Z軸送りが停止された状態を示す拡大部分縦断面図である

[図 6]図 1の装置におけるツールの加熱によりツールホルダの位置が変化した状態を示す拡大部分縦断面図である。

[図 7]図 1の装置におけるバンプの溶融によりツールホルダが降下した状態を示す拡大部分縦断面図である。

[図 8]図 1の装置におけるツールホルダ支持手段を上方へ引き上げる状態を示す拡大部分縦断面図である。

[図 9]図 1の装置におけるツールホルダを上方へ引き上げる状態を示す拡大部分縦断面図である。

[図 10]実施例 1に係るチップ実装方法のタイミングチャートである。

[図 11]実施例 1に係るチップ実装方法におけるチップと基板の位置関係を示す説明図である。

[図 12]本発明の実施例 2に係るチップ実装装置の概略縦断面図である。 [図 13]図 12の装置の基板保持ステージの概略平面図である。

[図 14]実施例 2に係るチップ実装方法のタイミングチャートである。

[図 15]実施例 3に係るチップ実装方法のタイミングチャートである。

[図 16]他の変形例に係るチップ実装方法のタイミングチャートである符号の説明

1:チップ

la:ノンプ

2:ツール

3 :Z軸送り装置

4:基板保持ステージ

5:基板

5a:電極

6:サーボモータ

7:送り機構

8:スライダー

9:装置フレーム

10:ガイドレール

13:エンコーダ

15：ツールホルダ支持手段

16:ホルダブラケット

17:ツーノレホノレダ

18:静圧空気軸受

19:加圧ポート

20:バランス圧ポート

22:駆動制御手段

23：ツールホルダ位置検出手段

24:チップ吸着孔

25:基板吸着孔 26a, 26b :カロ振器

27a, 27b :圧力調整手段

28 :加圧ポート圧力制御手段

29 :バランス圧ポート圧力制御手段

30 :ポンプ

発明を実施するための最良の形態

[0020] 以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。

実施例 1

図 1は、本実施例に係るチップ実装装置を示している。チップ実装装置に備えられた Z軸送り装置 3は、装置フレーム 9に装着されたサーボモータ 6で送り機構 (例えば、ボールネジ)を回転させ、これを螺合させたスライダー 8を、装置フレーム 9に装着されたガイドレール 10で案内して昇降させている。 Z軸送り装置 3は、本発明装置における駆動手段に相当する。

[0021] ツールホルダ支持手段 15は、スライダー 8に装着されているツールホルダブラケット 16に装着されている。また、ツールホルダ 17は、上下動可能にツールホルダ支持手段 15の内部に装着されている。ツール 2はヒータを備え、このツール 2がツールホルダ 17の下端に装着されて、両者が一体となっている。ツール 2にはチップ吸着孔 24 が備えられており、チップ 1を保持している。基板 5は、基板吸着孔 25を備えた基板保持ステージ 4に保持されている。なお、ツールホルダ支持手段 15は、エアシリンダのシリンダチューブで構成されている。また、ツールホルダ 17は、前記エアシリンダのピストンで構成されている。ツールホルダ 17は、一般にエアベアリングと呼ばれている静圧空気軸受 18を介してツールホルダ支持手段 15に装着されて!ヽる。

[0022] そのため、ツールホルダ支持手段 15には、上下に 2つのエア供給ポートがある。上側のエア供給ポートが加圧ポート 19であり、下側のエア供給ポートがバランス圧ポート 20である。加圧ポート 19にはポンプ 30からのエアが圧力調整手段 27aを介して接続されて!、る。圧力調整手段 27aは加圧ポート圧力制御手段 28の信号に基づ、て、加圧ポート 19の圧力を制御する。また、バランス圧ポート 20にはポンプ 30からのエアが圧力調整手段 27bを介して接続されている。圧力調整手段 27bはバランス圧ポート圧力制御手段 29の信号に基づいて、バランス圧ポート 20の圧力を制御する。これら加圧ポート 19及びバランス圧ポート 20からそれぞれ圧力制御可能な圧力調整手段 27a、 27bによって調整された圧力 Pl、圧力 P2が供給され、加圧エア同士の差圧でツールホルダ 17の上下動を所定に制御することができ、ツール 2を所定レベルに位置決めすることができる。また、その際、ツールホルダ 17の自重を打ち消すように微小な差圧でチップ 1に作用する荷重 (加圧力）を制御することもできる。なお、圧力調整手段 27a, 27bとしては、電空レギユレータなどが用いられる。

[0023] 静圧空気軸受 18は、ツールホルダ支持手段 15に設けられている孔 21から供給される加圧エアを多孔質体で均一に分散させてツールホルダ 17の下部を非接触状態に支持できるので、その支持箇所の摩擦抵抗は無視することができる程度に極めて小さい。し力も、ツールホルダ 17のヘッド部分もツールホルダ支持手段 15に対して遊嵌されて、るので、同様にその箇所の摩擦抵抗も無視することができる程度に極めて小さい為に、ツールホルダ 17を微小圧で制御することができる。なお、静圧空気軸受 18は、ツールホルダ 17の上下動を許容するが回転させな、ように非接触状態に支持できる為に静圧空気直進軸受とも呼ばれている。

[0024] 本実施例においては、ツールホルダ 17の上端位置を検出して Z軸送り装置 3の駆動制御手段 22に位置情報を与えるツールホルダ位置検出手段 23 (例えば、渦電流式センサ等）をツールホルダ支持手段 15に装着している。ツールホルダ位置検出手段 23は、本発明装置におけるツールホルダ位置検出手段に相当する。また、加圧ポート圧力制御手段 28と、バランス圧ポート圧力制御手段 29は駆動制御手段 22に接続されている。なお、駆動制御手段 22には、サーボモータ 6に取り付けられたェンコーダ 13の検出信号も与えられている。

[0025] 上述したようなツールホルダ位置検出手段 23を備えているので、 Z軸送り装置が下降中にチップ 1の半田力もなるバンプ laが基板 5の電極 5aに押しつけられた時、ッールホルダ 17が押し上げられて浮上する（つまり、ツールホルダ支持手段 15に対して相対的に上昇変移する）距離を検出できる。そのためバンプ laや、基板 5、電極 5a の高さ方向の寸法バラツキがあった場合や、ツール 2が熱膨張で伸びた場合にあつても、その浮上分を Z軸送り装置 3の駆動制御手段 22にフィードバックできるため、冷却させてハンダ (バンプ材料）を固着させるときに、ツール 2に対して正確な高さ位置制御を行うことができ、したがって、良好なバンプ形状に実装することができる。なお、ここに言う良好なバンプ形状とは、バンプ潰れによりショートが発生したりせず、また、熱応力などに対して力学的に安定な形状である。

[0026] 以下、実施例 1の装置の動作について説明する。

図 2から図 9に、チップ 1の実装におけるツールホルダ支持手段 15及びツールホルダ 17の一連の昇降（上下動）制御態様が示されている。また、図 10に、ツールホルダ支持手段 15の高さ位置、ツールホルダ 17の位置、ツール 2のヒータの通電およびバンプ laに掛力る荷重のそれぞれのタイミングが示されている。図 10において（A)に示すグラフはチップ 1の実装におけるホルダ支持手段 15の高さ位置を示したものであり、チップ 1のバンプ laの下端部が基板 5の電極 5aに当接した位置を基準高さ（図 10の hO)としている。図 10において（B)に示すグラフは、ツールホルダ支持手段 17 の内部のツールホルダ 17の位置を示したものであり、ツールホルダ 17の下端がツールホルダ支持手段 15に接触した位置を下端としている。図 10において (C)に示すグラフは、ツール 2のヒータ通電の ON— OFFのタイミングを示している。図 10において (D)に示すグラフは、チップ 1のバンプ laおよび基板の電極 5aに力かる荷重 (加圧力）を示している。

[0027] 実装を開始しょうとする初期状態において、ツールホルダ支持手段 15は図 2に示すように上昇位置にある（図 10のタイミング t0、高さ hl)。この時 Z軸送り装置 3が高速で作動した時に、ツールホルダ 17が慣性力で振動しないように、加圧ポート 19の圧力 P1とバランス圧ポート 20の圧力 P2の差圧でツールホルダ支持手段 15の下部にツールホルダ 17が接触するようにバランス圧ポート 20の圧力 P2を減圧させる。この場合の差圧はツールホルダ支持手段 15の下部にツールホルダ 17が接触するのであれば、加圧ポート 19の圧力 P1を増圧させてもよい。

[0028] 次いで、 Z軸送り装置 3が作動することにより、ツールホルダ支持手段 15が、チップ 1を保持したツール 2と一体となって下降する。図 3は、ツールホルダ支持手段 15の下降途中で、チップ 1のバンプ laが基板 5の電極 5aに接触した状態を示している（図 10のタイミング tl)。このときのツールホルダ位置検出手段 23とツールホルダ 17の距離を XOとする。 XOは、本発明における第 1の位置に相当する。また、このとき、チップ 1のバンプ laに力かる圧力を所定の圧力とするためにバランス圧ポート 20の圧力 P2 を増圧或!、は減圧させる。この場合加圧ポート 19の圧力 P 1を増圧或!、は減圧させてもよい。このように、ツールホルダ 17が静圧空気軸受 18で支持されるとともに、カロ圧ポート 19の圧力 P1とバランス圧ポート 20の圧力 P2の差圧により圧力が一定となつているので、このときにチップ 1のバンプ laに作用する荷重 (加圧力）は所定値に保たれ、バンプ laは殆ど変形しない。

[0029] さらに、 Z軸送り装置 3によるツールホルダ支持手段 15の送りが続行されると、チップ 1のバンプ laが基板 5の電極 5aに接触している関係で、ツールホルダ 17がツールホルダ支持手段 15に対して相対的に浮上（上昇)する。図 4は、ツールホルダ支持手段 15に対してツールホルダ 17が離れ始めた状態を示している（図 10のタイミング tl 力も t2の状態)。浮上の際も、ツールホルダ 17がバランス圧ポート 20および加圧ポート 19からエア供給されているのでチップ 1のバンプ laに作用する荷重 (加圧力）は所定値に保たれ、バンプ laは殆ど変形しな、。

[0030] 次いで、図 5に示すように、 Z軸送り装置 3の送り量が予め設定した値 dl (バンプ la の押し込み量）になると Z軸送り装置 3を停止する（図 10のタイミング t2)。そして、ッールホルダ位置検出手段 23がツールホルダ 17の位置を検出する（図 5の XIで示す距離)。 XIは、本発明における第 2の位置に相当する。なお、図 4の状態においては、バンプ高さのバラツキや基板の反り等の為に、基板 5の電極 5aに対して全てのバンプ laが接触しておらず、その一部が接触しているにすぎない。そのため、チップ 1のバンプ laの下端部が基板 5の電極 5aに当接して力バンプ laの押し込み量 dlだけ押し込んだとき、 Z軸送り装置 3による送りが停止される。次に、ツール 2のヒータに通電してチップ 1のバンプ 1 aを半田融点以上の温度に加熱する。

[0031] 次いで、図 6に示すように、ツール 2のカロ熱にともない、ツール 2が熱膨張しツールホルダ位置検出手段 23とツールホルダ 17の距離が X2となる。 X2は、本発明における第 3の位置に相当する。その際において、ツールホルダ 17の自重を打ち消して数 g (例えば lgから 20g程度）の微小な加圧力で制御されて、るためにバンプ形状を損なわない。つまり、チップ 1のバンプ laが溶融する時にチップ 1の荷重 (加圧力）がバンプ laのバンプ内部圧力（浮力）よりも低い圧力で加圧するようにできるので、半田の表層がチップ 1の荷重 (加圧力）で破壊されることがなぐバンプクラッシュを発生することがなくなる。

[0032] その後、バンプ laがツール 2で加熱されて溶融し始める（図 10のタイミング t3)。ノンプ laがツール 2で加熱されて溶融が進むと、バンプ形状に歪みが発生しツールホルダ 17がツール 2と一体に下方に移動する。その際、ツールホルダ位置検出手段 2 3とツールホルダ 17の距離が前記 X2から、さらに下方に移動したことを検出する。その検出値が所定値（図 10の X3)になると、図 7に示すように、バンプ laが溶融したと判断している（図 10のタイミング t4)。 X3は、本発明における第 4の位置に相当する。

[0033] 次いで、 Z軸送り装置 3による上方向への送りが開始されて、ツールホルダ位置検出手段 23が XOを検出する。図 8は、ツールホルダ 17に対してツールホルダ支持手段 15が最大に上昇された状態が示して!/ヽる（図 10のタイミング t5)。ツールホルダ支持手段 15の高さは、ツールホルダ支持手段 15が図 10のタイミング tlの時点の高さに比べ、ツール 2の熱膨張による Z軸方向の伸び HIから、 t2のタイミングにおけるバンプ押し潰し量 L1と、 t4のタイミングにおけるバンプ溶融時の沈み込み量 L2を引いた分だけ上方又は下方になるように駆動制御手段 22によって制御されている（図 10 の d2。ツールホルダ 17の引き上げ量）。この状態において、ツールホルダ支持手段 1 5の内部のツールホルダ 17の下端はツールホルダ支持手段 15に接触しており、チップ 1と基板 5のギャップは、バンプ laの高さと電極 5aの高さを足した高さからバンプ押し潰し量 L1とバンプ溶融時の沈み込み量 L2を引いた高さだけとなり、ヒーターの熱膨張はキャンセルすることができる。

[0034] 次、で、チップ 1と基板 5の冷却時の間隔 (ギャップ量）が所定の値になるように、 Z 軸送り装置 3への指令値 d3が駆動制御手段 22によって計算され、 Z軸送り装置 3による送りが行われる（d3の値はバンプ laの押し込み量 dlと、ツールホルダ位置検出手段 23により測定された各測定値と、後述するハンダバンプ高さの設定値 G1と、ギヤップ高さ設定値 G2とにより計算される）。次いで、チップ 1の吸着を OFFしてチップ吸着の真空圧を大気圧に戻すとともにツール 2のヒーターへの通電が OFFする。次いで、 Z軸送り装置 3による送りが停止された状態で、ツール 2に保持されたチップ 1 のバンプ laが冷却される（図 10のタイミング t6)。

[0035] 次いで、図 9に示すように、 Z軸送り装置 3による上方向への送りが続行されると、ッールホルダ 17が上昇する（図 10のタイミング t7)。

[0036] なお、図 10のタイミング t5と t6は同じタイミングで実施してもよい。

[0037] 次に、図 10と図 11を用いて駆動制御手段 22の処理する制御パラメータについて説明する。

[0038] 図 11に、チップ 1と基板 5の接合状態が示されている。図 11において (A)に示す図は、図 10のタイミング tlにおけるチップ 1と基板 5の状態を示している。チップ 1と基板 5の接触時のギャップは制御パラメータ G1 (ノヽンダバンプ高さの設定値）として駆動制御手段 22で処理されて、る。

[0039] 図 11において（B)に示す図は、図 10のタイミング t2におけるチップ 1と基板 5の状態を示している。チップ 1の押し込み量は制御パラメータ L1として駆動制御手段 22 で処理されている。 L1は図 10のバンプ laの押し込み量 dl,第 1の位置 XO、第 2の位置 XIから Ll = dl— (XO— XI)の計算式で求められる。 L1はチップ 1のバンプ la に作用する荷重 (加圧力）の分だけ押し込まれることになる。

[0040] 図 11において（C)に示す図は、図 10のタイミング t5におけるチップ 1と基板 5の状態を示して!/、る。バンプ laの溶融時の沈み込み量はパラメータ L2として駆動制御手段 22で処理されている。 L2は図 10の第 3の位置 X2、第 4の位置 X3から L2=X3— X2の計算式で求められる。また、ヒータの熱膨張による Z軸方向の伸びを HIとすると、 H1 =X1—X2の計算式で求められる。図 10において、バンプ laの押し込み量 dl とツールホルダ 17の引き上げ量 d2は、 dl + d2=X0— X3の関係となっている。従つて、ツールホルダの引き上げ量 d2は、 d2=Hl—（L1 +L2)となるように駆動制御手段 22で計算され Z軸送り制御装置 3を制御している。

[0041] 図 11において（D)に示す図は、図 10のタイミング t6におけるチップ 1と基板 5のバンプ laの冷却時の状態を示している。チップ 1と基板 5のバンプ laの冷却後のギヤップは制御パラメータ G2 (ギャップ高さ設定値）として駆動制御手段 22で処理されてヽる。図 11の（A)と（D)より、チップ沈み込み量 L3は、 L3 = G1— G2の関係がある。また、 Z軸送り装置 3への指令値 d3は、 L3=L1 +L3— d3の関係がある。この関係に L 1 =dl— (XO-Xl)および、 L2=X3— X2を代入すると、 L3 = dl—（XO— XI +X 2-X3) d3となる。従って、 Z軸送り装置 3への指令値 d3は、 d3 = dl— (XO— XI +X2-X3) - (G1 -G2)になるように制御されている。

[0042] 例えば、 G1を 30 μ m、 G2を 23 μ mに設定し、指令値 dlを 10 μ mで行ったところ、 XO力 S2000 μ m、 XI力 S1995 μ m、 X2力 1985 μ m、 X3力 1989 μ mで ¾J定されると、指令値 d3は 2 mとなるように駆動制御手段 22で処理され Z軸送り装置 3へ指令される。 G2の設定条件によっては、 d3の値が d2よりも小さい値となる場合がある。この場合、チップ 1に作用する荷重 (加圧力）を保ちながらバンプ laの冷却を行うことができる。また、 d3の値が d2の値よりも大きい場合は、チップ 1に作用する荷重 (加圧力）がゼロの状態でバンプ laの冷却を行うことができる。

[0043] 以上のように、予めチップ 1と基板 5を実装する際、接触時のギャップ G1と冷却時のギャップ G2とバンプ laの押し込み量 dlを設定し、ツールホルダ位置検出手段 23とツールホルダ 17の距離の測定値 XO, XI, X2, X3を測定することにより、冷却時の Z 軸送り装置への指令値 d3を求めることができ、事前に試行してギャップ量を決定する手間が省けて、バンプ laの特性に合わせて、短時間で人手によるミスのない信頼性の高、条件設定を行うことができる。

[0044] 実施例 2

本実施例では、基板保持ステージ 4の構成が上記実施例 1と異なるので、同じ構成部分には同一符号を付すことにより説明を省略し、異なる部分について具体的に説明する。

[0045] 図 12は実施例 2に係るチップ実装装置を示しており、図 13は実施例 2に係るチップ実装装置の基板保持ステージ 4の概略平面図、図 14は実施例 2に係るチップ実装方法のタイミングチャートを示して、る。

[0046] このチップ実装装置においては、図 13に示すように、基板保持ステージ 4に加振器 26a、 26bが付設されており、基板保持ステージ 4に、互いに直交するする方向（X、 Y方向）の振動が与えられ、それを介して基板保持ステージ 4に保持されている基板 5に 2方向の振動が与えられる。この X、 Y方向の複合振動により、チップ 1のバンプ 1 aと基板 5の電極 5aの間には、微小な相対的複合振動が生じ、この相対的複合振動により摩擦が発生する。この摩擦により、バンプ laや電極 5aの表層に存在していた酸ィ匕膜が効率よくかつ確実に破壊され、除去される。

[0047] 図 14の（E)に、力！]振器 26a、 26bの ON' OFFのタイミングを示している（図 14の（A )、（B)、（C)、（D)は図 10と同様のタイミングチャートである）。このチップ実装方法においては、チップ 1のバンプ laが溶融し始める時点（図 14のタイミング t4)より、所定時間（図 14の txの時間）、基板保持ステージ 4に付設されている加振器 26a、 26b が動作し、チップ 1のバンプ laと基板 5の電極 5aの間に微小な相対的複合振動を生じさせる。

[0048] 実施例 3

本実施例は、実施例 1のバンプ laの溶融時間を計測した後に実装するようにしたものである。まず、実施例 1の図 10のタイミングチャートに示されるバンプ laの溶融時間（t2から t4までの時間）を生産開始時に測定する。バンプ laの溶融時間は、バンプ laの生産ロット等により半田バンプの融点温度が変化するため微妙に違っている。そのため、実装対象となるチップ 1の型式変更時など初めての生産 (実装作業の初めの生産）時に、半田バンプ溶融時間を計測する。計測された溶融時間（図 15のタイミングチャートに示す Tmelt)は、駆動制御手段 22に記憶され、以後のチップ実装生産において溶融監視タイマーとして動作する。

[0049] 実施例 3では、図 15に示すように、ヒータ ON後、 Tmelt経過後のツールホルダ 17 の位置力 3に達していな力つた場合（半田が溶融していな力つた場合）、ヒータの温度設定を上昇させ、バンプ laを確実に溶融できるようにすることができる。

[0050] このように、溶融監視タイマーを設けることにより、半田バンプの溶融にばらつきがあっても、安定した時間で基板へのチップの実装を行うことができる。なお、半田バンプを溶融させるために、温度上昇させるヒータは下部側からの加熱であってもよ、。

[0051] 以上、代表的な 3つの実施例について述べたが、本発明においていうチップ 1とは、例えば、 ICチップ、半導体チップ、光素子、表面実装部品、ウェハなど、その種類や大きさに関係なぐ基板 5に対して接合される対象物をいう。また、基板 5とは、その種類や大きさに関係なく、チップ 1に接合させる相手方の対象物をヽぅ。

[0052] また、基板保持ステージ 4の上面に基板 5を保持 (又は支持)する手段は、基板吸気孔 25による吸着保持手段、静電気による静電保持手段、磁石や磁気などによる磁気保持手段、複数の可動爪によって基板を掴む機械的手段、単数又は複数の可動爪によって基板を押さえる機械的手段など、いかなる形態の保持手段であってもよい

[0053] また、基板保持ステージ 4についても、必要に応じて、固定型、可動型のいずれに設けてもよぐかつ、可動型に設ける場合においては、平行移動制御、回転制御、昇降制御、平行移動制御と回転制御、平行移動制御と昇降制御、回転制御と昇降制御、平行移動制御と回転制御と昇降制御、等のように各種態様に制御し得るように設けてもよい。

[0054] また、チップ 1に設けられたバンプ laとは、例えば、通常形態の半田バンプ、スタツドバンプなど、基板 5に設けられた電極 5a (例えば、電極、ダミー電極など）と接合される対象物である。また、基板 5に設けられた電極 5aとは、例えば、配線を伴った電極、配線につながつていないダミー電極など、チップ 1に設けられているバンプ laと接合される相手方の対象物を、う。

[0055] また、送り機構 7及び Z軸送り装置 3についても、例えば、ボールネジ型やリニアモータ型等、スライダー 8を移動させ得る限りにおいては、いかなる型式のものであってちょい。

[0056] また、本発明にお、て、うチップ実装装置とは、チップを搭載するマウント装置ゃチップを接合するボンディング装置に加えて、例えば、基板とチップ、基板と接着材 (A CF (Anisotropic Conductive Film) NCF (Non Conductive Film)など）等、予め対象物同士が接触 (搭載または仮圧着など)されたものを加圧、加熱及び Z又は振動手段 (超音波、ピエゾ素子、磁歪素子、ボイスコイルなど）によって固着又は転写させる装置を包含する広、概念の装置を、う。

[0057] また、上述した実施例では、ツール 2にチップ 1を保持させた状態でツール 2を下降させて、チップ 1を基板 5に加圧するようにした力本発明はこれに限定されない。例えば、チップを接着材などを使って基板上に予め搭載しておき、チップを保持してないツールを下降させて、基板上のチップを加圧するようにしてもよい。この場合、基板上に予め搭載されたチップにツールが接触することにより、ツールとチップが重なつて基板に接触することになる。

[0058] また、ツールホルダ 17の下端に直接、ツール 2を装着することに限定されず、必要ならば、ロードセルを介在させてもよい。

[0059] また、ツールホルダ位置検出手段 23は、渦電流式センサのみに限定されず、他のセンサー（レーザや光センサー等）であってもよ、。

[0060] また、加圧力が高い場合には、ノンス圧ポートを使用しないで、加圧ポートのみで加圧力を制御してもよい。また、高さ検出手段は、ツールホルダ 17の高さ位置を検出することによってツール 2の高さ位置を測定するものに限らず、ツール 2の高さ位置を直接、検出し得るように装着してもよい。

[0061] 更に、ツール 2のヒータへの通電の OFFのタイミングは図 16に示すように、ツールホルダ 17が引き上げられたタイミング t7から所定時間経過した後 OFFしてもよい。このようにヒータへの通電の OFFのタイミングを遅らせることにより、チップ 1のバンプ la の溶融を確実にすることができる（図 16のタイミング t8)。

[0062] また、実施例 1および実施例 2では、ヒータはツール 2に備えられて、るが、基板保持ステージ 4に備えてもよい。チップ 1と基板 5を効率よく加熱できる構成であればよく

、加熱に伴うツール 2の熱膨張による Z軸方向の伸びはツールホルダ位置検出手段 2

3で検出することができる。さらに、ツール 2側および基板保持ステージ 4側の両方にヒータを備えてもよい。これにより、チップ 1と基板 5の加温を短時間にでき、更にセラミックヒータを用いたパルスヒータで加熱を行うと応答性のょ、昇温が可能となる。産業上の利用可能性

[0063] 本発明に係るチップ実装装置およびチップ実装方法は、上下動可能なツールを用いてチップを基板に実装するようにしたあらゆるチップ実装に適用可能である。

Claims

請求の範囲

[1] チップに加圧力を与えるツールと、前記ツールが装着されたツールホルダと、前記ツールホルダを上下動可能に支持するツールホルダ支持手段と、前記ツールホルダ支持手段を上下動させる駆動手段と、前記ツールホルダ支持手段に対するツールホルダの相対的な位置を検出するツールホルダ位置検出手段とを備えたチップ実装装置において、前記ツールとチップとが重なって基板に接触しているときの前記ツールホルダの位置に基づ、て、前記ツールの高さと前記加圧力とを制御する駆動制御手段を備えたことを特徴とするチップ実装装置。

[2] 前記駆動制御手段は、チップと基板が当接したときの前記チップと前記基板との間隔のパラメータと、前記チップを前記基板に押し込む際の押し込み量のパラメータと、前記ツールホルダ位置検出手段により検出された前記ツールホルダの相対的な位置のパラメータとから、前記ツールホルダの弓 Iき上げ量を演算し制御する手段を備えている、請求項 1に記載のチップ実装装置。

[3] 基板保持ステージに保持されて!ヽる基板の上方から、ツールホルダ支持手段により上下動可能に支持されたツールホルダを降下させ、前記ツールホルダに装着されたツールを介してチップに加圧力を与えることにより、前記チップのバンプを前記基板上の電極に圧着し、接合するチップ実装方法において、前記ツールを降下させて前記チップのバンプを所定の加圧力で前記基板の電極に押圧し、ツールホルダのツールホルダ支持手段に対する相対的な位置をツールホルダ位置検出手段によって検出し、前記ツールのヒータに通電して半田力なる前記チップのバンプを半田の融点以上の温度に加熱し、前記ツールホルダ位置検出手段により検出した前記ツールホルダの相対的な位置が所定値に到達したならば前記チップのバンプが溶融したと判断し、しかる後に前記ツールホルダ支持手段を上昇させることを特徴とするチップ実装方法。

[4] 前記チップのバンプが溶融した後、前記チップのバンプと前記基板の電極との間に相対的な摩擦を発生させ、該摩擦により半田の表層の酸ィ匕膜を破壊して除去する、請求項 3に記載のチップ実装方法。

[5] 前記チップのバンプが溶融する時の前記チップの加圧力を、流動化した半田の内部の圧力よりも低い圧力として、前記チップのバンプを前記基板上の電極に接合する、請求項 3に記載のチップ実装方法。

[6] 前記ツールホルダ位置検出手段により、チップのバンプと基板の電極が当接したときのツールホルダの第 1の位置を検出し、次にツールを基板に押し込んだときのツールホルダの第 2の位置を検出し、次にツールのヒータに通電してツールを加熱したときのツールホルダの第 3の位置を検出し、次いで、前記ツールホルダ位置検出手段によって検出されるツールホルダの位置が第 4の位置に到達したならばチップのバンプが溶融したと判断し、ツールホルダが前記第 1の位置になるまで前記ツールホルダ支持手段を引き上げ、チップと基板との間隔を一定間隔に保持して半田を固化させる、請求項 3に記載のチップ実装方法。

[7] 予め設定したチップのバンプが固化したときのチップと基板との間隔と、チップのバンプと基板の電極が当接したときのチップと基板との間隔と、ツールを基板側に押し込んだときの押し込み量と、前記ツールホルダの第 1の位置と、前記ツールホルダの第 2の位置と、前記ツールホルダの第 3の位置と、前記ツールホルダの第 4の位置とから、半田固化時のツールホルダの引き上げ量を求める、請求項 6に記載のチップ実装方法。

[8] ツールのヒータに通電してツールを加熱してからチップのバンプが溶融するまでの時間を予め計測し、前記計測した時間内でバンプの溶融時のツールの高さに到達しない場合、上部ヒータ又は下部ヒータの温度設定を上昇させ半田を溶融させる、請求項 6に記載のチップ実装方法。