WO2012057009A1 - 実装装置および実装方法 - Google Patents

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WO2012057009A1
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thermocompression bonding
bonding tool
chip
substrate
solder
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寺田勝美
川上幹夫
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東レエンジニアリング株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a mounting apparatus and a mounting method for thermocompression bonding a chip with a solder bump such as a flip chip to a substrate.
  • thermocompression bonding tool for thermocompression bonding a chip to a substrate includes a load detection means.
  • the load detection means performs thermocompression bonding while detecting the pressing force, and when the detected pressure falls below a predetermined value, it is determined that the solder bump has melted.
  • a mounting method is performed in which the thermocompression tool holding the chip is pulled up to a predetermined height, the heating is stopped, and the molten solder is cooled while maintaining the predetermined height. .
  • thermocompression tool holding a chip is provided with a load detection means and a displacement detection means for detecting the displacement of the thermocompression tool.
  • the load control of the thermocompression tool is controlled until the solder bump starts to melt, and the displacement of the thermocompression tool detected by the displacement detection means occurs due to the melting of the solder bump. It is determined that the solder bump has melted. After the solder melts, the position of the thermocompression bonding tool is controlled to keep the mounting height constant.
  • Patent Document 3 discloses a columnar pillar bump having an extremely fine bump pitch.
  • the pillar bumps have hemispherical solder formed at the tip of a pillar (columnar shape) such as Cu standing upright at a narrow pitch.
  • the solder at the tip may be hemispherical, or may have a tip that is flattened into an ellipse. Therefore, the bump pitch can be made finer than that of a conventional solder ball type solder bump.
  • it can respond to high-density mounting. Since these solder portions have a very small area on the bottom surface of the pillar (column), solder joint portions are formed with an extremely small amount of solder as compared with conventional solder ball type solder bumps.
  • the amount of solder formed on the pillar bumps is very small, if the chip is pulled up by the pressing force or height change of the thermocompression bonding tool accompanying the melting of the solder, the molten solder will be crushed between the pillar and the electrode. The electrode and the pillar are joined in a protruding state. The protruding solder contacts the adjacent pillar bumps or electrodes, causing a problem of contact failure.
  • a nonconductive resin may be applied to the substrate in advance.
  • the amount of resin protruding will increase, the resin will crawl up the side of the chip, There is a problem that the chip and the chip suction tool are contaminated.
  • the electrodes of the substrate used for these mountings are arranged with a narrow width in order to correspond to the columnar pillar bumps formed in an ultrafine manner.
  • Such an electrode and pillar bump must be joined with high precision. Therefore, when the position of the pillar bump and the electrode is slightly shifted, there is a problem that the pillar bump slides from the electrode in accordance with the pushing of the pillar bump. In other words, since there is little tolerance for displacement, the pillar bump is likely to be displaced from the electrode.
  • an object of the present invention is to provide a mounting apparatus and a mounting method capable of satisfactorily thermocompression bonding to a substrate even for a chip on which fine solder bumps are formed.
  • thermocompression bonding tool that holds the chip and presses it against the substrate
  • a substrate stage for holding the substrate
  • a heating means for heating the thermocompression bonding tool
  • a control unit for controlling the height position of the thermocompression bonding tool, The control unit lowers the thermocompression tool holding the chip, and after the solder bump provided on the substrate side of the chip contacts the electrode provided on the substrate, the chip is attached using the thermocompression tool by a predetermined amount.
  • This is a mounting device that has a function of pushing the electrode into the substrate and raising the height position of the thermocompression bonding tool in accordance with the elongation of the thermocompression bonding tool before the solder bump temperature reaches the solder melting temperature.
  • the invention according to claim 2 is the invention according to claim 1,
  • the thermocompression bonding tool is provided with height detection means for detecting the height position of the thermocompression bonding tool, and pressure detection means for detecting the pressing force of the thermocompression bonding tool, Based on the pressure detected by the pressure detecting means until the temperature of the solder bump reaches the solder melting temperature after the control unit has contacted the electrode provided on the substrate with the solder bump provided on the chip. It has a function to control the load to control the pressing force of the thermocompression bonding tool, After the solder bump temperature reaches the solder melting temperature, it has a function to perform position control to control the height position of the thermocompression bonding tool based on the height position of the thermocompression bonding tool detected by the height detection means. Mounting device.
  • the invention according to claim 3 is the invention according to claim 2,
  • the heating means includes a temperature detection means for detecting the temperature of the heating means,
  • the control unit detects the pressure detected by the pressure detecting means until the temperature detected by the temperature detecting means reaches a predetermined temperature after the solder bump provided on the chip contacts the electrode provided on the substrate.
  • the mounting device has a function of performing load control for controlling the pressing force of the thermocompression bonding tool based on the pressure.
  • the invention according to claim 4 A mounting method in which a solder bump provided on a chip is heated and pressed against an electrode provided on a substrate while being pressed, Holding the chip with a thermocompression bonding tool and lowering it to the substrate side; A step of performing load control for pressing the thermocompression bonding tool by a predetermined amount based on the pressing force detected by the pressure detecting means provided on the thermocompression bonding tool after the solder bump of the chip contacts the electrode of the substrate; Heating the temperature of the thermocompression bonding tool to the solder melting temperature; Before the solder bump temperature reaches the solder melting temperature, the height of the thermocompression bonding tool is determined based on the detection value of the height detection means provided in the thermocompression bonding tool so that the pressing amount of the thermocompression bonding tool maintains a predetermined value.
  • thermocompression bonding tool A step of pulling up the thermocompression bonding tool by a preset elongation amount according to the elongation of the thermocompression bonding tool accompanying the heating of the thermocompression bonding tool, And a step of releasing the holding of the chip by the thermocompression bonding tool, raising the thermocompression bonding tool, and cooling and solidifying the solder bumps.
  • the chip is used as the electrode of the substrate by using a predetermined amount of the thermocompression bonding tool.
  • the solder bump has a function to raise the height position of the thermocompression bonding tool according to the elongation of the thermocompression bonding tool before the solder bump temperature reaches the solder melting temperature, so that a fine solder bump is formed. Even in the case of a chip, the molten solder is not crushed or joined in a state of protruding between the electrode of the substrate and the pillar. Therefore, the thermocompression bonding can be satisfactorily performed on the substrate.
  • thermocompression bonding tool After the bump of the chip held by the thermocompression bonding tool comes into contact with the electrode of the substrate, it is pushed in with a predetermined pressure. While maintaining the pushed-in position, the control of the thermocompression bonding tool is switched from load control to position control. Thereafter, the temperature of the solder bump is heated to the solder melting temperature. Although the thermocompression bonding tool is thermally expanded by heating, the position of the thermocompression bonding tool is controlled so that the distance between the chip and the electrode (or the distance between the bump pillar and the electrode) is constant. Then, after melting the solder, the chip is removed from the thermocompression bonding tool, the heating of the heater is stopped, and the solder is cooled and solidified.
  • the distance between the chip and the electrode is kept constant, so that the solder does not protrude from the pillar due to the pressing of the thermocompression bonding tool and does not contact the adjacent solder.
  • the resin filled between the chip and the electrode is also kept at a constant interval, so that the amount of the resin protruding outside the chip can be stabilized, and the resin does not crawl up to the side surface of the chip. Further, the bumps do not slide from the electrodes due to the pressing of the thermocompression bonding tool. Therefore, good bonding between the bumps of the chip and the electrodes can be achieved.
  • the temperature detected by the temperature detecting means becomes a predetermined temperature. Until it reaches, load control is performed to control the pressing force of the thermocompression bonding tool based on the pressure detected by the pressure detecting means. Therefore, even when the melting time of the solder bumps varies, the timing at which the load control is switched to the position control can be performed in accordance with the state of the solder. Further, the load control of the thermocompression bonding tool is performed until the solder melting temperature is reached, and the resin filled between the bump and the electrode is pushed out from the bump and the electrode, so that contact failure due to the resin can be prevented.
  • thermocompression bonding tool is applied by a predetermined amount based on the pressing force detected by the pressure detecting means provided on the thermocompression bonding tool.
  • FIG. 5 is a schematic side view showing a relationship between a chip and a substrate at timing t3 in FIG.
  • FIG. 5 is a schematic side view showing a relationship between a chip and a substrate at timing t5 in FIG.
  • FIG. 1 is a side view of a mounting apparatus according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a side view of a chip 2 and a substrate 6 used in the mounting apparatus.
  • the left-right direction toward the mounting apparatus 1 is an X-axis
  • the front-rear direction is a Y-axis
  • an axis orthogonal to the XY plane composed of the X-axis and the Y-axis is a Z-axis
  • the Z-axis is the ⁇ -axis.
  • the mounting apparatus 1 includes a head 8 for sucking and holding the chip 2, a substrate stage 11 for sucking and holding the substrate 6, a two-field camera 13 for recognizing alignment marks provided on the chip 2 and the substrate 6, and the mounting apparatus 1. It is comprised from the control part 20 which controls the whole.
  • the head 8 has a built-in load cell 10 as pressure detection means for detecting the pressing force applied to the chip 2.
  • a tool 9 for sucking and holding the chip 2 is attached to the lower side of the head 8.
  • the tool 9 incorporates a heater 16 as a heating means, and is configured to heat the chip 2 based on a command from the control unit 20 (the heater 16 is indicated by a dotted line in FIG. 1).
  • a thermocouple 18 is attached to the heater 16 as temperature detecting means.
  • the head 8 moves up and down in the Z direction by driving and controlling the servo motor 14 and the ball screw 15 connected to the servo motor 14, and load control for controlling the pressing force of the head 8 based on a command from the control unit 20. And the position control for controlling the Z-axis height position of the head 8 can be controlled.
  • the thermocompression bonding tool of the present invention includes a head 8 and a tool 9.
  • the pressing force is preferably controlled by the torque of the servo motor 14, but any means that generates a pressing force such as a voice coil motor or a pneumatic cylinder may be used.
  • the movement amount that fluctuates up and down in the Z direction in order to keep the pressure constant during load control is configured so that position information can be acquired by position detection means by the encoder 19 of the servo motor 14.
  • position detection means can measure the position in the Z direction
  • a linear scale or the like may be used outside.
  • the substrate stage 11 can be moved in the X, Y, and ⁇ directions by a drive mechanism (not shown), and can be configured to position the substrate 6 held by suction at a predetermined position.
  • the two-field camera 13 is inserted between the chip 2 sucked and held by the tool 9 and the circuit board 6 sucked and held by the substrate stage 11, and recognizes the alignment marks attached to the chip 2 and the substrate 6. can do. Usually, it is waiting at the standby position (dotted line notation in FIG. 1) and can move to the image recognition position during image recognition.
  • the chip 2 is provided with a pillar 4 made of Cu on the chip back surface 2b.
  • Solder 5 is formed at the tip of the pillar 4.
  • a bump 3 is formed by the pillar 4 and the solder 5.
  • An electrode 7 is provided on the substrate 6, and the surface of the electrode 7 is subjected to solder plating 7a.
  • An adhesive 17 that is a non-conductive thermosetting resin is filled around the electrode 7 of the substrate 6.
  • FIG. 4 the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the height of the head 8 in the Z-axis direction, the set temperature of the heater 16, and the detected load of the load cell 10.
  • the description starts from a state in which the chip 2 is sucked and held by the tool 9 of the head 8 and the substrate 6 is sucked and held by the substrate stage 11 (step ST01).
  • the heater 16 of the tool 9 is heated to a preheating temperature T1, which is a temperature at which the solder becomes soft.
  • the two-field camera 13 is inserted between the chip 2 and the substrate 6, and the alignment marks attached to the chip 2 and the substrate 6 are recognized (step ST02). Based on the acquired image recognition data, the substrate stage 11 is aligned, and the two-field camera 13 is retracted to the standby position (step ST03). This state is the timing at t0 in FIG.
  • the head 8 is lowered at a predetermined height at high speed (step ST04). This state is the timing of t1 in FIG.
  • the bump 3 of the chip 2 is not in contact with the electrode 7 of the substrate 6.
  • the drive control of the head 8 is a position control state.
  • step ST05 the head 8 is lowered at a predetermined height at a low speed.
  • the bump 3 descends while pushing away the adhesive 17 around the electrode 7. This state is the timing of t2 in FIG.
  • the bump 3 approaches the vicinity of the electrode 7.
  • step ST06 the drive control of the head 8 is switched from position control to load control.
  • Load control is started at the timing t2 shown in FIG.
  • the head 8 descends gradually, and a search operation is performed to detect the timing at which the solder 5 at the tip of the bump 3 contacts the electrode 7 (step ST07).
  • the load P0 is detected in the load cell 10 until the timing when it contacts the electrode 7.
  • the timing t3 in FIG. 4 is the contact timing.
  • the load P1 is detected by the load cell 10.
  • FIG. 5 shows a contact state. Since a change appears in the load to be detected at the timing of t3, it is possible to detect contact.
  • the detection position of the head 8 by the encoder 19 is monitored by the control unit 20 so that an abnormality in the position of the head 8 can be dealt with.
  • step ST08 the adhesive 17 preliminarily filled in the substrate 6 is pushed out from the contact portion between the bump 3 and the electrode 7 (step ST08). This process is performed because if the adhesive 17 remains, a product failure occurs in a later process.
  • the set load for load control of the head 8 is changed to P2 (step ST09).
  • a preheating state for example, a state of about 160 ° C.
  • the solder 5 formed at the tip of the bump 3 is not melted.
  • the solder 5 is in a softened state at the stage of transition from the solid phase state to the liquid phase state. Therefore, when the head 8 is subjected to load control at the load setting P2, the softened solder 5 is pushed into the electrode 7 and the shape is deformed.
  • the adhesive 17 prefilled in the substrate 6 is pressed against the chip back surface 2b and filled between the bumps 3 without a gap.
  • the head 8 is subjected to load control with the load setting P2 for a predetermined time from timing t4 to t5 in FIG. 4 (step ST10). Since the tool 9 has reached the preheating temperature, the solder 5 at the tip of the bump 3 contacts the electrode 7 while being deformed. This state is shown in FIG. At the timing t5, the pillar 4 and the electrode 7 are kept at a predetermined distance (the solder 5 is crushed and is not protruded from between the pillar 4 and the electrode 7).
  • the load setting P2 measures the load which does not collapse in advance in the state which heated the solder 5 to the preheating temperature T1 and was softened, memorize
  • the set temperature of the heater 16 is changed to a temperature T2 at which the solder 5 at the tip of the bump 3 becomes a solder melting temperature (for example, 240 to 280 ° C.) (step ST11).
  • the drive control of the head 8 is switched from load control to position control (step ST12). Thereby, position control is performed so that the distance between the pillar 4 and the electrode 7 is kept constant.
  • the timing at which the set temperature of the heater 16 is changed to the temperature T ⁇ b> 2 and the timing at which the drive control of the head 8 is switched from load control to position control is t ⁇ b> 5, but depending on the state of the solder 5, The timing can be changed.
  • the set temperature of the heater 16 may be switched between t4 and t5, and then the drive control of the head 8 may be switched to position control.
  • the head 8 thermally expands in the vertical direction. Therefore, following the temperature rise, the head 8 is pulled up by the height h1 upward in the Z-axis direction (step ST13).
  • the height h1 is the amount of elongation of the head 8 when the head 8 reaches the solder melting temperature T2.
  • the distance between the pillar 4 and the electrode 7 is kept constant without being affected by the thermal expansion of the head 8.
  • the curing of the adhesive 17 filled between the chip 2 and the substrate 6 is also started (step ST14). Even while the position of the head 8 is being controlled, the pressing force of the head 8 by the load cell 10 is monitored by the control unit 20 so as to cope with the abnormality of the head 8.
  • the solder 5 such as pillar bumps is crushed by a small amount of bumps. There is a risk that.
  • the position control of the head 8 is started before the melting of the solder 5 and the distance between the pillar 4 and the electrode 7 is kept constant, the solder 5 is good without being crushed even in a small amount. Bonding can be performed.
  • the data of the fluctuation amount per time accompanying the temperature rise and fall of the thermal expansion and contraction of the head 8 is measured in advance by the head 8 alone and stored in the control unit 20.
  • the measurement is performed by pressing the head 8 against the substrate 6 and changing the set temperature of the heater 16.
  • the pressure applied to the head 8 increases, so the head 8 is raised so as to keep the pressure constant.
  • the heating of the heater 16 is stopped and the tool 9 contracts due to thermal contraction, the pressure applied to the head 8 is lowered. Therefore, the head 8 is lowered so as to keep the pressure constant.
  • the amount of expansion and contraction of the head 8 in the Z direction is measured by measuring the position information of the encoder 19 of the servo motor 14.
  • the temperature of the head 8 approaches the solder melting temperature T2 at which the solder 5 at the tip of the bump 3 melts, and the melting of the solder 5 between the pillar 4 and the electrode 7 starts. To do.
  • step ST15 the set temperature of the heater 16 is lowered to the temperature T3 in order to bring the solder into a solid state.
  • the solder 5 between the pillar 4 and the electrode 7 starts to be solid-phased.
  • the set temperature of the heater 16 is maintained at the temperature T3, and the temperature of the electrode peripheral portion where the adhesive 17 around the electrode 7 promotes hardening is set.
  • step ST16 the suction of the chip 2 is released, and the head 8 is raised at a high speed in the Z-axis upward direction. Note that the vacuum suction of the chip 2 is turned off immediately before the timing t7 because the chip 2 is difficult to peel off from the tool 9 due to the residual pressure due to the suction of the suction surface of the chip 2. Thus, the mounting of the chip 2 on the substrate 6 is completed.
  • the timing t5 at which the load control is switched to the position control is switched according to a preset time.
  • the temperature measurement mounted in the heater 16 of the head 8 is measured. It is more preferable to measure the temperature with a thermocouple 18 as means and switch from load control to position control when the temperature reaches a predetermined temperature.
  • the temperature rise curve of the heater 16 varies from bonding to bonding.
  • the height varies slightly when switching to position control. In this case, even if there is a variation in the temperature rise curve, switching is always performed under the same temperature condition, so that there is an effect that a minute variation is not generated.
  • the head 8 is input by inputting an offset amount to the command value of the measurement data of the expansion / contraction amount of the head 8 set in advance so that the internal stress generated in the process of resin curing after switching to the position control becomes constant. It is also possible to control the position of the Z axis that is the lifting axis.
  • the control of the head 8 is switched from load control to position control. Then, it heats to solder melting temperature T2.
  • the head 8 is thermally expanded by heating, the position of the head 8 is controlled so that the distance between the chip 2 and the electrode 7 (or the distance between the pillar 4 of the bump 3 and the electrode 7) is constant. Thereafter, after the solder 5 is melted, the chip 2 is released from the head 8 and the heating of the heater 16 is stopped, and the solder 5 is cooled and solidified.
  • the solder 5 When the solder 5 is heated and melted, the distance between the chip 2 and the electrode 7 is kept constant, so that the solder 5 does not protrude from the pillar 4 due to the pressing of the head 8 and does not come into contact with the connected bump 3. Further, the bump 3 does not slide from the electrode 7 due to the pressing of the head 8. Accordingly, it is possible to achieve good bonding between the bump 3 of the chip 2 and the electrode 7.

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Abstract

課題　微細な半田バンプが形成されたチップであっても、基板に良好に熱圧着することができる実装装置および実装方法を提供すること。 解決手段　チップに設けられた半田バンプを、基板に設けられた電極に、押圧しながら加熱し熱圧着する実装装置および実装方法であって、チップを保持して基板に押圧する熱圧着ツールと、基板を保持する基板ステージと、熱圧着ツールを加熱する加熱手段と、熱圧着ツールの高さ位置の制御を行う制御部とを備え、制御部が、チップを保持した熱圧着ツールを下降し、チップの基板側に設けられている半田バンプが基板に設けられている電極に接触した後、所定量だけ熱圧着ツールを用いてチップを基板の電極に押し込み、半田バンプの温度が半田溶融温度に到達する前に、熱圧着ツールの高さ位置を熱圧着ツールの伸びに応じて上昇させる機能を有している実装装置および実装方法を提供する。

Description

実装装置および実装方法
　本発明は、フリップチップなどの半田バンプ付きのチップを基板に熱圧着する実装装置および実装方法に関するものである。
　半田バンプ付きのチップを基板に熱圧着する実装装置として、特許文献１に示す実装装置が知られている。特許文献１には、チップを基板に熱圧着する熱圧着ツールが、荷重検出手段を備えている。チップを基板に熱圧着する際に、荷重検出手段で、押圧力を検出しながら熱圧着し、検出された圧力が、所定値以下となった場合に、半田バンプが溶融したと判断している。半田バンプが溶融したと判断すると、チップを保持している熱圧着ツールを所定高さ引き上げ、加熱を停止し、所定高さを保持したまま、溶融した半田を冷却させる実装方法が行われている。
　また、特許文献２に示す実装装置では、チップを保持する熱圧着ツールに荷重検出手段と、熱圧着ツールの変位を検出する変位検出手段が備えられている。チップを基板に熱圧着する際に、半田バンプが溶融を開始するまでは熱圧着ツールの荷重制御を行い、半田バンプの溶融により変位検出手段が検出する熱圧着ツールの高さの変位が発生すると、半田バンプが溶融したと判断している。半田が溶融した後は、熱圧着ツールの位置制御を行い、実装高さを一定にしている。
　近年、高密度実装の要求から半田バンプも電極間隔を狭め、バンプの構造も丸みをおびたものから、柱状の形状のものが用いられるようになっている。特許文献３には、バンプピッチを超微細にした柱状のピラーバンプが、開示されている。ピラーバンプは、狭ピッチで立設したＣｕ等のピラー（円柱状）の先端に半球状の半田を形成している。先端の半田は、半球状の場合もあるし、先端部を楕円状に平坦化させたものもある。そのため、バンプピッチを従来の半田ボールタイプの半田バンプに比べて微細にすることができる。また高密度実装に対応することができる。これらの半田部分は、ピラー（円柱）の底面の面積が微小面積であるため、従来の半田ボールタイプの半田バンプに比べて、極めて少ない量の半田で半田接合部分が形成されている。
特開平１１－１４５１９７号公報 特開２００８－１１７９９３号公報 特開２００６－２４５２８８号公報
　このようなピラーバンプが形成されたチップを、基板に熱圧着しようとすると次のような問題がある。
　ピラーバンプに形成された半田が微量であるため、半田の溶融にともなう熱圧着ツールの押圧力や高さの変化でチップを引き上げるようにすると、溶融した半田がピラーと電極間で潰れてしまい、基板の電極とピラーとの間にはみ出した状態で接合されてしまう。はみ出した半田は隣接するピラーバンプや電極に接触し接触不良を起こす問題がある。
　また、チップと基板の間隙を封止するために、基板には予め非導電性の樹脂が塗布されている場合がある。この樹脂を、チップの半田と基板の電極が接触する過程で押し出しながら接合する時に、チップと基板の間隙が狭くなりすぎると樹脂のはみ出し量が多くなり、チップの側面を樹脂が這い上がって、チップやチップ吸着ツールを汚してしまうと言う問題がある。
　また、これらの実装に用いられる基板の電極は、超微細に形成した柱状のピラーバンプに対応するため幅の狭い電極が配置されている。このような電極とピラーバンプとの接合には高精度な位置合わせが求められる。そのため、ピラーバンプと電極の位置が微妙にずれている場合、ピラーバンプの押し込みに応じてピラーバンプが電極から横滑りしてまう問題がある。つまり、位置ずれに対する許容度が少ないため、ピラーバンプが電極からズレ落ちやすい。
　そこで、本発明の課題は、微細な半田バンプが形成されたチップであっても、基板に良好に熱圧着することができる実装装置および実装方法を提供することとする。
　上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
チップに設けられた半田バンプを、基板に設けられた電極に、押圧しながら加熱し熱圧着する実装装置であって、
チップを保持して基板に押圧する熱圧着ツールと、
基板を保持する基板ステージと、
熱圧着ツールを加熱する加熱手段と、
熱圧着ツールの高さ位置の制御を行う制御部とを備え、
制御部が、チップを保持した熱圧着ツールを下降し、チップの基板側に設けられている半田バンプが基板に設けられている電極に接触した後、所定量だけ熱圧着ツールを用いてチップを基板の電極に押し込み、半田バンプの温度が半田溶融温度に到達する前に、熱圧着ツールの高さ位置を熱圧着ツールの伸びに応じて上昇させる機能を有している実装装置である。
　請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記熱圧着ツールには熱圧着ツールの高さ位置を検出する高さ検出手段と、熱圧着ツールの押圧力を検出する圧力検出手段と、が備えられ、
前記制御部が、チップに設けられている半田バンプが基板に設けられている電極に接触した後、半田バンプの温度が半田溶融温度に到達する前まで、圧力検出手段により検出された圧力に基づき熱圧着ツールの押圧力を制御する荷重制御を行う機能を有し、
半田バンプの温度が半田溶融温度に到達した後は、高さ検出手段により検出された熱圧着ツールの高さ位置に基づき、熱圧着ツールの高さ位置を制御する位置制御を行う機能を有している実装装置である。
　請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、
前記加熱手段には、加熱手段の温度を検出する温度検出手段が備えられ、
前記制御部が、チップに設けられている半田バンプが基板に設けられている電極に接触した後、温度検出手段により検出された温度が所定の温度に到達するまで、圧力検出手段により検出された圧力に基づき熱圧着ツールの押圧力を制御する荷重制御を行う機能を有している実装装置である。
　請求項４に記載の発明は、
チップに設けられた半田バンプを基板に設けられた電極に、押圧ながら加熱し熱圧着する実装方法であって、
チップを熱圧着ツールで保持して基板側に下降させる工程と、
チップの半田バンプが基板の電極に接触した後、熱圧着ツールに設けられた圧力検出手段により検出された押圧力に基づき、所定量だけ熱圧着ツールを押し込む荷重制御を行う工程と、
熱圧着ツールの温度を半田溶融温度に加熱する工程と、
半田バンプの温度が半田溶融温度に到達する前に、熱圧着ツールの押し込み量が所定値を維持するように熱圧着ツールに設けられた高さ検出手段の検出値に基づき、熱圧着ツールの高さ位置を制御する位置制御に切り換える工程と、
熱圧着ツールの加熱にともなう熱圧着ツールの伸びに応じて、予め設定されている伸び量だけ熱圧着ツールを引き上げる工程と、
熱圧着ツールによるチップの保持を解除し、熱圧着ツールを上昇させ半田バンプを冷却し固化する工程とを含む実装方法である。
　請求項１に記載の発明によれば、チップの基板側に設けられている半田バンプが基板に設けられている電極に接触した後、所定量だけ熱圧着ツールを用いてチップを基板の電極に押し込み、半田バンプの温度が半田溶融温度に到達する前に、熱圧着ツールの高さ位置を熱圧着ツールの伸びに応じて上昇させる機能を有しているので、微細な半田バンプが形成されたチップであっても、溶融した半田が潰れたり、基板の電極とピラーとの間にはみ出した状態で接合することがない。従って、基板に良好に熱圧着することができる。
　請求項２に記載の発明によれば、熱圧着ツールに保持されたチップのバンプが基板の電極に接触した後、所定の加圧力で押し込まれる。押し込まれた位置を維持しながら、熱圧着ツールの制御を荷重制御から位置制御に切り換える。その後、半田バンプの温度を半田溶融温度に加熱する。熱圧着ツールが加熱により熱膨張するが、チップと電極との間隔（もしくはバンプのピラーと電極との間隔）を一定になるように熱圧着ツールの位置制御を行う。その後、半田を溶融させた後、熱圧着ツールからチップを吸着解除し、ヒータの加熱も停止し、半田の冷却固化を行う。半田の加熱および溶融に際して、チップと電極との間隔が一定に保たれているので、半田が熱圧着ツールの押圧によりピラーからはみ出し、隣り合う半田に接触することがない。しかもチップと電極の間に充填された樹脂も一定間隔を保つことで、チップ外側にはみ出す樹脂の量を安定させることが出来、チップ側面へ樹脂が這い上がることがない。また、熱圧着ツールの押圧により、バンプが電極から横滑りすることがない。従って、チップのバンプと電極の良好な接合を達成することができる。
　請求項３に記載の発明によれば、前記制御部が、チップに設けられている半田バンプが基板に設けられている電極に接触した後、温度検出手段により検出された温度が所定の温度に到達するまで、圧力検出手段により検出された圧力に基づき熱圧着ツールの押圧力を制御する荷重制御を行うようにしている。そのため、半田バンプの溶融到達時間にバラツキがあっても、荷重制御から位置制御に切り替わるタイミングを半田の状態に合わせて行うことができる。また、半田溶融温度に到達するまで熱圧着ツールの荷重制御を行うことになり、バンプと電極間に充填された樹脂をバンプと電極から押し出し、樹脂による接触不良を防止することができる。
　請求項４に記載の発明によれば、チップの半田バンプが基板の電極に接触した後、熱圧着ツールに設けられた圧力検出手段により検出された押圧力に基づき、所定量だけ熱圧着ツールを押し込む荷重制御を行う工程と、半田バンプの温度が半田溶融温度に到達する前に、熱圧着ツールの押し込み量が所定値を維持するように熱圧着ツールに設けられた高さ検出手段の検出値に基づき、熱圧着ツールの高さ位置を制御する位置制御に切り換える工程を備えているので、微細な半田バンプが形成されたチップであっても、溶融した半田が潰れたり、基板の電極とピラーとの間にはみ出した状態で接合することがない。従って、基板に良好に熱圧着することができる。
本発明に係る実装装置の概略側面図である。 チップと基板の関係を示す概略側面図である。 本発明に係る実装方法を説明するフローチャートである。 Ｚ軸ヘッド高さとヒータ設定温度と検出荷重を示すチャートである。 図４におけるタイミングｔ３のチップと基板の関係を示す概略側面図である。 図４におけるタイミングｔ５のチップと基板の関係を示す概略側面図である。
　本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態の実装装置の側面図、図２は実装装置で使用するチップ２と基板６の側面図である。図１において、実装装置１に向かって左右方向をＸ軸、前後方向をＹ軸、Ｘ軸とＹ軸で構成されるＸＹ平面に直交する軸をＺ軸、Ｚ軸周りをθ軸とする。
　実装装置１は、チップ２を吸着保持するヘッド８と、基板６を吸着保持する基板ステージ１１と、チップ２と基板６に設けられた位置合わせマークを認識する２視野カメラ１３と、実装装置１全体を制御する制御部２０とから構成されている。
　ヘッド８には、チップ２に付与されている押圧力を検出する圧力検出手段としてロードセル１０が内蔵されている。ヘッド８の下側にはチップ２を吸着保持するツール９が装着されている。ツール９には加熱手段としてヒータ１６が内蔵されており、制御部２０からの指令に基づいてチップ２を加熱できるように構成されている（図１でヒータ１６は点線で表記した）。ヒータ１６には、温度検出手段として熱電対１８が取り付けられている。ヘッド８はサーボモータ１４とサーボモータ１４に連結されたボールねじ１５を駆動制御することによりＺ方向上下に昇降し、制御部２０からの指令に基づいて、ヘッド８の押圧力を制御する荷重制御と、ヘッド８のＺ軸高さ位置を制御する位置制御との制御ができるように構成されている。本発明の熱圧着ツールは、ヘッド８とツール９で構成されている。
　押圧力はサーボモータ１４のトルクによって制御されるのが好ましいが、ボイスコイルモータや空圧シリンダーなど押し付け力を発生するものであればどのような手段であっても良い。
　荷重制御中に圧力一定に保つためにＺ方向に上下に変動した移動量は、サーボモータ１４のエンコーダー１９による位置検出手段により位置情報を取得できるように構成されている。位置検出手段はＺ方向に位置を測定出来るものであれば、外部にリニアスケールなどを用いても良い。
　基板ステージ１１は、図示していない駆動機構によりＸ，Ｙ、θ方向に移動可能で、吸着保持された基板６を所定の位置に位置決めできるように構成されている。
　２視野カメラ１３は、ツール９に吸着保持されたチップ２と、基板ステージ１１に吸着保持された回路基板６との間に挿入され、チップ２および基板６に付された位置合わせマークを画像認識することができる。通常は、待機位置（図１の点線表記部分）で待機しており画像認識の際に画像認識位置に移動できるようになっている。
　図２に示すように、チップ２は、チップ裏面２ｂにＣｕ製のピラー４が設けられている。ピラー４の先端には半田５が形成されている。ピラー４と半田５でバンプ３を形成している。基板６には電極７が設けられ、電極７の表面は半田メッキ７ａが施されている。基板６の電極７の周囲には非導電性熱硬化樹脂である接着剤１７が充填されている。
　このような、実装装置１を用いてチップ２を基板６に実装する実装方法について、図３のフローチャートと、図４の実装状態を説明するグラフと、図５、６のバンプ３と電極７の拡大図と、を用いて説明する。図４は、横軸に時間を表記し、縦軸にヘッド８のＺ軸方向の高さ、ヒータ１６の設定温度、およびロードセル１０の検出荷重を表記している。
　まず、ヘッド８のツール９にチップ２が吸着保持されており、基板ステージ１１に基板６が吸着保持されている状態から説明を始める（ステップＳＴ０１）。この状態で、ツール９のヒータ１６は半田が柔らかくなる温度である予熱温度Ｔ１に加熱されている。
　２視野カメラ１３がチップ２と基板６の間に挿入され、チップ２および基板６に付されているアライメントマークを画像認識する（ステップＳＴ０２）。取得した画像認識データに基づいて、基板ステージ１１を位置合わせし、２視野カメラ１３を待機位置に退避する（ステップＳＴ０３）。この状態は、図４のｔ０のタイミングとなる。
　次に、ヘッド８を高速で所定高さだけ下降させる（ステップＳＴ０４）。この状態は、図４のｔ１のタイミングとなる。チップ２のバンプ３は基板６の電極７に接触していない。ヘッド８の駆動制御は、位置制御状態である。
　次に、ヘッド８を低速で所定高さだけ下降させる（ステップＳＴ０５）。電極７の周囲の接着剤１７を押しのけながら、バンプ３が下降する。この状態は、図４のｔ２のタイミングとなる。バンプ３が電極７の近傍まで近づいた状態となる。
　次に、ヘッド８の駆動制御を位置制御から荷重制御に切り換える（ステップＳＴ０６）。図４に示すｔ２のタイミングより荷重制御を始める。ヘッド８が徐々に下降し、バンプ３の先端の半田５が電極７に接触するタイミングを検出するサーチ動作を行う（ステップＳＴ０７）。電極７に接触するタイミングまではロードセル１０に荷重Ｐ０が検出される。図４のタイミングｔ３が接触したタイミングである。ロードセル１０で荷重Ｐ１が検出される。図５に接触した状態を示す。ｔ３のタイミングでは検出する荷重に変化が現れるので接触したことを検出することができる。ヘッド８が荷重制御されている最中でも、エンコーダー１９によるヘッド８の検出位置は制御部２０で監視され、ヘッド８位置の異常に対応できるようになっている。
　バンプ３の半田５が電極７に接触すると、予熱温度Ｔ１に暖められているツール９の温度が基板６側に伝わるようになる。
　また、基板６に予め充填されている接着剤１７は、チップ２が基板６にサーチ荷重Ｐ１で押し付けられると、バンプ３と電極７の接触した部分から押し出される（ステップＳＴ０８）。この工程は、接着剤１７が残留していると、後の工程で製品不具合となるため行われている。
　次に、ヘッド８の荷重制御の設定荷重をＰ２に変更する（ステップＳＴ０９）。予熱状態（例えば、１６０℃程度の状態）では、バンプ３の先端に形成された半田５は溶融しない。半田５は、固相状態から液相状態に移る段階で、軟化した状態となる。そのため、ヘッド８が荷重設定Ｐ２で荷重制御されることにより、軟化した半田５が電極７に押し込まれ、形状が変形する。この際、基板６に予め充填されている接着剤１７は、チップ裏面２ｂに押されてバンプ３の間に隙間無く充填させる。
　次に、図４のタイミングｔ４からｔ５までの所定時間、ヘッド８を荷重設定Ｐ２で荷重制御する（ステップＳＴ１０）。ツール９が予熱温度に到達しているので、バンプ３の先端部の半田５が変形しながら電極７に接触する。この状態を図６に示す。ｔ５のタイミングにおいては、ピラー４と電極７に所定の間隔が保たれた状態となる（半田５が押し潰されてピラー４と電極７の間から、はみ出した状態ではない）。
　なお、荷重設定Ｐ２は、予め、半田５を予熱温度Ｔ１に加熱し軟化した状態で潰れることのない荷重を測定し制御部２０に記憶させ、実際の実装工程で用いている。そのため、半田５が荷重Ｐ２に耐えきれずに潰れてしまうことがない。
　次に、ヒータ１６の設定温度をバンプ３の先端部の半田５が半田溶融温度（例えば、２４０～２８０℃）になる温度Ｔ２に変更する（ステップＳＴ１１）。次に、ヘッド８の駆動制御を荷重制御から位置制御に切り換える（ステップＳＴ１２）。これにより、ピラー４と電極７の間隔が一定に保たれるように位置制御が行われる。図４では、ヒータ１６の設定温度が温度Ｔ２に変更するタイミングと、ヘッド８の駆動制御が荷重制御から位置制御に切り替わるタイミングは、ｔ５となっているが、半田５の状態に応じて適宜、タイミングを変更することができる。例えば、ヒータ１６の設定温度の切り換えをｔ４からｔ５の間に行い、その後、ヘッド８の駆動制御を位置制御に切り換えても良い。
　ヒータ１６の昇温にともない、ヘッド８が上下方向に熱膨張する。そのため、昇温に追従してヘッド８をＺ軸方向上側に高さｈ１だけ引き上げる（ステップＳＴ１３）。高さｈ１は、ヘッド８が半田溶融温度Ｔ２に到達した際のヘッド８の伸び量となる。これにより、ヘッド８の熱膨張の影響を受けることなく、ピラー４と電極７の間隔が一定に保たれる。また、チップ２と基板６の間に充填されている接着剤１７の硬化も開始する（ステップＳＴ１４）。ヘッド８が位置制御されている最中でも、ロードセル１０によるヘッド８の押圧力は制御部２０で監視され、ヘッド８の異常に対応できるようになっている。
　従来のように、半田５が溶融したポイントを圧力検出もしくは位置検出してから、ヘッド８の高さ位置を制御していると、ピラーバンプのような半田５が少量のバンプでは半田が押し潰されてしまうおそれがある。これに対して、半田５の溶融の前からヘッド８の位置制御を開始し、ピラー４と電極７の間隔を一定に保つようにすると、半田５が少量であっても押し潰されることなく良好な接合を行うことができる。
　ヘッド８の熱膨張および熱収縮の温度昇降に伴う時間当たりの変動量のデータは、予め、ヘッド８単体で測定され制御部２０に記憶されている。測定は、ヘッド８を基板６に押し当ててヒータ１６の設定温度を可変させて行われる。ヒーター１６を加熱し、ツール９が熱膨張により伸びたらヘッド８への押し圧力が高くなるため、圧力を一定に保つようにヘッド８を上昇させる。ヒーター１６の加熱を停止し、ツール９が熱収縮により縮んだらヘッド８への押し圧力が低くなるため、圧力を一定に保つようにヘッド８を下降させる。この際の、ヘッド８のＺ方向の伸び量および縮み量をサーボモータ１４のエンコーダー１９の位置情報により計測することにより行われる。
　次に、図４のタイミングｔ６の状態になると、ヘッド８の温度がバンプ３の先端部の半田５が溶融する半田溶融温度Ｔ２に近づき、ピラー４と電極７の間の半田５の溶融が開始する。
　次に、図４のタイミングｔ７で、半田を固相状態にするためにヒータ１６の設定温度を温度Ｔ３に下げる（ステップＳＴ１５）。ピラー４と電極７の間の半田５が固相化開始する。
　次に、図４のタイミングｔ８まで、ヒータ１６の設定温度を温度Ｔ３に維持して、電極７周辺の接着剤１７が硬化促進する電極周辺部の温度にする。
　次に、チップ２の吸着を解除し、ヘッド８をＺ軸上方向に高速で上昇させる（ステップＳＴ１６）。なお、チップ２の吸着面の吸引による残圧で、チップ２がツール９から剥がれにくいため、タイミングｔ７の直前にチップ２の真空吸引がＯＦＦされている。以上で、チップ２の基板６への実装が完了する。
　荷重制御から位置制御へ切り変わるタイミングｔ５は、予め設定された時間による切替を行うが、半田の溶融タイミングでより正確に位置制御するためには、ヘッド８のヒータ１６内に取り付けられた温度測定手段である熱電対１８にて温度を測定し、所定温度に到達したなら荷重制御から位置制御に切り替えるのがより好ましい。
　ヒータ１６の温度上昇カーブは、ボンディング毎にばらついており、時間で切り替えた場合には位置制御に切り替わった時の高さの微小なバラツキが出る問題があるが、熱電対１８による測定温度による切替を行うと、温度上昇カーブのばらつきがあっても、常に同じ温度条件で切り替わるために微小なばらつきを発生させない効果がある。
　さらに、位置制御に切り替わってから樹脂が硬化する過程で発生する内部応力を一定になるように、予め設定されたヘッド８の伸縮量の測定データの指令値にオフセット量を入力することでヘッド８の昇降軸であるＺ軸の位置制御を行うことも可能である。
　このように、本実施の形態の実装装置および実装方法によれば、ヘッド８に保持されたチップ２のバンプ３が基板６の電極７に接触した後、所定の加圧力で押し込まれる。押し込まれた位置を維持しながら、ヘッド８の制御を荷重制御から位置制御に切り換える。その後、半田溶融温度Ｔ２に加熱する。ヘッド８が加熱により熱膨張するが、チップ２と電極７との間隔（もしくはバンプ３のピラー４と電極７との間隔）を一定になるようにヘッド８の位置制御を行う。その後、半田５を溶融させた後、ヘッド８からチップ２を吸着解除し、ヒータ１６の加熱も停止し、半田５の冷却固化を行う。半田５の加熱および溶融に際して、チップ２と電極７との間隔が一定に保たれているので、半田５がヘッド８の押圧によりピラー４からはみ出し、連接するバンプ３に接触することがない。また、ヘッド８の押圧により、バンプ３が電極７から横滑りすることがない。したがい、チップ２のバンプ３と電極７の良好な接合を達成することができる。
　１　　実装装置
　２　　チップ
　３　　バンプ
　４　　ピラー
　５　　半田
　６　　基板
　７　　電極
　８　　ヘッド
　９　　ツール
　１０　　ロードセル
　１１　　基板ステージ
　１３　　２視野カメラ
　１４　　サーボモータ
　１５　　ボールねじ
　１６　　ヒータ
　１７　　接着剤
　１８　　熱電対
　１９　　エンコーダー
　２０　　制御部
　２ｂ　　チップ裏面
　７ａ　　メッキ
　Ｔ１　　予熱温度
　Ｔ２　　半田溶融温度
　Ｔ３　　半田固相温度

Claims (4)

  1. チップに設けられた半田バンプを、基板に設けられた電極に、押圧しながら加熱し熱圧着する実装装置であって、
    チップを保持して基板に押圧する熱圧着ツールと、
    基板を保持する基板ステージと、
    熱圧着ツールを加熱する加熱手段と、
    熱圧着ツールの高さ位置の制御を行う制御部とを備え、
    制御部が、チップを保持した熱圧着ツールを下降し、チップの基板側に設けられている半田バンプが基板に設けられている電極に接触した後、所定量だけ熱圧着ツールを用いてチップを基板の電極に押し込み、半田バンプの温度が半田溶融温度に到達する前に、熱圧着ツールの高さ位置を熱圧着ツールの伸びに応じて上昇させる機能を有している実装装置。
  2. 請求項１に記載の発明において、
    前記熱圧着ツールには熱圧着ツールの高さ位置を検出する高さ検出手段と、熱圧着ツールの押圧力を検出する圧力検出手段と、が備えられ、
    前記制御部が、チップに設けられている半田バンプが基板に設けられている電極に接触した後、半田バンプの温度が半田溶融温度に到達する前まで、圧力検出手段により検出された圧力に基づき熱圧着ツールの押圧力を制御する荷重制御を行う機能を有し、
    半田バンプの温度が半田溶融温度に到達した後は、高さ検出手段により検出された熱圧着ツールの高さ位置に基づき、熱圧着ツールの高さ位置を制御する位置制御を行う機能を有している実装装置。
  3. 請求項２に記載の発明において、
    前記加熱手段には、加熱手段の温度を検出する温度検出手段が備えられ、
    前記制御部が、チップに設けられている半田バンプが基板に設けられている電極に接触した後、温度検出手段により検出された温度が所定の温度に到達するまで、圧力検出手段により検出された圧力に基づき熱圧着ツールの押圧力を制御する荷重制御を行う機能を有している実装装置。
  4. チップに設けられた半田バンプを基板に設けられた電極に、押圧ながら加熱し熱圧着する実装方法であって、
    チップを熱圧着ツールで保持して基板側に下降させる工程と、
    チップの半田バンプが基板の電極に接触した後、熱圧着ツールに設けられた圧力検出手段により検出された押圧力に基づき、所定量だけ熱圧着ツールを押し込む荷重制御を行う工程と、
    熱圧着ツールの温度を半田溶融温度に加熱する工程と、
    半田バンプの温度が半田溶融温度に到達する前に、熱圧着ツールの押し込み量が所定値を維持するように熱圧着ツールに設けられた高さ検出手段の検出値に基づき、熱圧着ツールの高さ位置を制御する位置制御に切り換える工程と、
    熱圧着ツールの加熱にともなう熱圧着ツールの伸びに応じて、予め設定されている伸び量だけ熱圧着ツールを引き上げる工程と、
    熱圧着ツールによるチップの保持を解除し、熱圧着ツールを上昇させ半田バンプを冷却し固化する工程とを含む実装方法。
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