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JP6234277B2 - 圧着ヘッド、それを用いた実装装置および実装方法 - Google Patents

圧着ヘッド、それを用いた実装装置および実装方法 Download PDF

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Description

本発明は、フレキシブル基板、ガラスエポキシ基板、ガラス基板、セラミックス基板、シリコンインターポーザー、シリコン基板などの回路基板にＩＣ、ＬＳＩなどの半導体装置やその他の電子部品を接着、直接に電気的接合または積層状態のまま実装するための圧着ヘッドと、それを用いた実装装置および実装方法に関する。
半導体装置をはじめとする電子部品の小型化と高密度化に伴い、電子部品を回路基板に実装する方法としてフリップチップ実装、さらには電子部品を貫通する貫通電極によって３次元的に積層する三次元積層実装が急速に広まってきている。そこで、実装における接合の信頼性確保が重要になってきている。例えば、半導体チップの接合部分の接続信頼性を確保するための方法としては、半導体チップ上に形成されたバンプと回路基板の電極パッドを接合した後に、半導体チップと回路基板との隙間に液状封止接着剤を注入し硬化させることが一般的な方法として採られている。
また、近年、予め接着剤を形成したバンプ付き半導体チップや基板をフリップチップ接続し、電気的接合と樹脂封止を同時に行う方法が提案されている。例えば、下型から上向きにバネ付勢されて当該下型から離間された基板保持プレートに絶縁接着剤を介して半導体装置の仮実装された基板を載置し、ヒータ内蔵の上型を当該基板に近接対向させる。この状態で上型からの輻射熱によって基板を予備加熱した後に、当該上型を下降させて半導体装置を押圧および加熱しながら基板に固着させている（特許文献１を参照）。
また、１個の加熱加圧ヘッドによって複数個の半導体チップ同時に基板に圧着するとき、半導体チップの高さのバラツキを吸収して全ての半導体チップに均一に押圧が作用するように構成している。具体的には、複数個の半導体チップを同時に押圧する複数個の加熱加圧ツールを収納する空洞が加熱加圧ヘッドに形成されており、当該空洞の基端側に弾性体を挿入し、加熱加圧ツールを加圧加熱ヘッド内で弾性支持している（特許文献２を参照）。
特開２０１１−１５９８４７号公報 特開２０１０−３４４２３号公報
しかしながら、加熱加圧ヘッドと加熱加圧ツールの間に介在させる弾性体は、半導体チップの高さのバラツキを吸収させるための弾性変形を考慮した厚みによって、半導体チップへの熱伝達が阻害されている。その結果、熱伝達の遅延および熱損を招くという不都合が生じている。このような不都合は半導体チップに限ったものではなく、その他の電子部品の実装においても生じ得るものである。この場合、加熱機の温度を高めたり、はんだバンプを使用する場合には、はんだ溶融前に接着剤が硬化し接続不良を招く不都合が生じていた。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、電子部品に適切な押圧を作用させて電子部品の高さバラツキを吸収し破損を防止するとともに、電子部品への伝熱を早めて電子部品のバンプと基板電極の確実な接続を行い、短時間で熱伝導させることを可能とする圧着ヘッドと、それを用いた実装装置および実装方法を提供することを主たる目的としている。
この発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。
すなわち、電子部品を基板に実装する圧着ヘッドであって、
ヘッド本体と、
前記ヘッド本体の下部に装着され複数個の電子部品に対応して設けられてそれぞれの前記電子部品を個別に押圧する複数個の押圧部材と、
前記ヘッド本体に埋設された加熱器と、
前記ヘッド本体と各々の前記押圧部材との間にそれぞれ分離して介在する複数個の弾性部材とを備え、
前記弾性部材の各々は、
溝によって分割された複数個の分割部位を備えている
ことを特徴とする。
（作用・効果） この構成によれば、ヘッド本体の下部に装着され複数個の電子部品に対応して設けられてそれぞれの電子部品を個別に押圧する複数個の押圧部材を備える。また、圧着ヘッドと各々の押圧部材との間にそれぞれ分離して介在する複数個の弾性部材の各々は、溝によって分割された複数個の分割部位を備えている。それ故に、圧着時の押圧が当該押圧部材に作用すると、分割部位の個々は、隣接する分割部位同士の間に形成された空間に向けて面積を拡大しながら略放射状に弾性変形する。すなわち、押圧部材よりも小面積で当接させた弾性部材を押圧力と直交する方向に効率よく面積を拡大しながら弾性変形させることができる。したがって、弾性部材の厚みを薄くしても、弾性変形によるクッション性を高めることが可能となる。
また、弾性部材の薄化に伴って、圧着ヘッドからの熱を押圧部材に効率よる伝達させることが可能となる。したがって、電子部品に過度の押圧による破損を防止するとともに、ヘッド本体を加熱した際の熱を短時間で確実に電子部品側に伝搬させることができる。
この構成の一実施形態として、弾性部材は、１枚の弾性シートの片面に複数個に分割された凸面を有する弾性シートで構成してもよい。
他の実施形態として、弾性部材は、ヘッド本体と押圧部材との間に複数個の弾性部材を、所定間隔をおいて整列配置して構成してもよい。
上記構成によれば、基板上に複数個の電子部品全てを同時かつ均等に加熱圧着することが可能となる。
また、この発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。
すなわち、電子部品を基板に実装する実装装置であって、
上記記載のいずれかの圧着ヘッドと、
前記圧着ヘッドを昇降させる昇降機構と、
前記基板を載置保持する保持ステージと、
と備えたことを特徴とする。
（作用・効果） この構成によれば、保持ステージ上に載置保持された基板に電子部品を実装する際に過度の押圧による破損を防止するとともに、基板と電子部品の界面を短時間で確実に昇温させることができる。
なお、上記構成で、電子部品がバンプを有する半導体装置であって、熱硬化性樹脂を介して基板に実装するものであってもよい。この場合、半導体装置のバンプと基板の電極を接続するとともに、半導体装置と基板の間に介在する熱硬化性樹脂を短時間で熱硬化させることが出来る。
また、この発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。
電子部品を基板に実装する実装方法であって、
加熱器が埋設された圧着ヘッドによって電子部品を基板に加圧および加熱しながら基板に実装する過程で、
前記圧着ヘッドを構成するヘッド本体と前記ヘッド本体の下部に装着され複数個の電子部品に対応して設けられてそれぞれの前記電子部品を個別に押圧する複数個の押圧部材の各々との間にそれぞれ分離して介在する複数個の弾性部材を有し、
前記弾性部材の各々は、溝によって分割された複数個の分割部位を備え、
前記弾性部材を厚み方向に変形させながら、隣接する前記分割部位間の溝に向けて前記分割部位を変位させる
ことを特徴とする。
（作用・効果） この方法によれば、圧着ヘッドを構成するヘッド本体と、ヘッド本体の下部に装着され複数個の電子部品に対応して設けられてそれぞれの電子部品を個別に押圧する複数個の押圧部材の各々との間にそれぞれ分離して介在する複数個の弾性部材の各々は、溝によって分割された複数個の分割部位を備えている。複数個の弾性部材の各々は、隣接する分割部位同士の間に形成された空間に向けて面積を拡大しながら放射状に弾性変形する。すなわち、押圧部材よりも小面積で当接させた弾性部材を押圧力と直交する方向に効率よく弾性変形させることができる。したがって、弾性部材の厚みを薄くしても、弾性変形によるクッション性を高めることができる。
また、弾性部材の薄化に伴って、圧着ヘッドからの熱を押圧部材に効率よる伝達させることができる。したがって、電子部品の高さバラツキを吸収して過度の押圧による破損を防止するとともに、ヘッド本体を加熱した際の熱を短時間で確実に電子部品側に伝搬させることができる。
本発明の圧着ヘッド、それを用いた実装装置および実装方法によれば、電子部品を破損させることなく高さバラツキを吸収するとともに、電子部品への伝熱を早めて電子部品のバンプと基板電極の確実な接続を行い、当該電子部品と基板の間に介在する熱硬化性樹脂を短時間で熱硬化させる本圧着を実現することができる。
実装装置を構成する本圧着装置の概略全体構成を示す斜視図である。 搬送機構の平面図である。 搬送機構の正面図である。 圧着ヘッドの縦断面図である。 圧着ヘッドの斜視図である。 押圧部材と弾性部材の斜視図である。 実施例装置の一巡の動作を示すフローチャートである。 プレートおよび基板の搬送動作を示す正面図である。 基板に半導体装置を本圧着する動作を示す図である。 基板に半導体装置を本圧着する動作を示す図である。 変形例装置の斜視図である。
以下、図面を参照して本発明の一実施例を説明する。
本実施例では、熱硬化性樹脂としてＮＣＰ（Non-Conductive Paste）、ＮＣＦ（Non-Conductive Film）などを使用して、電子部品としての半導体装置を基板に実装する場合を例に採って説明する。また本発明の実装方法においては、熱硬化性樹脂は、ＮＣＦ（非導電性接着剤フィルム）であることが好ましい。
なお、本発明における「半導体装置」としては、例えば、ＩＣチップ、半導体チップ、光素子、表面実装部品、チップ、ウエハ、ＴＣＰ（Tape Carrier Package）、ＦＰＣ（Flexible Printed Circuit）などバンプを有するものである。また、これら半導体装置は、種類や大きさに関係なく、基板と接合させる側の全ての形態を示し、例えばフラット表示パネルへのチップボンディングであるＣＯＧ（Chip On Glass）、ＴＣＰ、およびＦＰＣのボンディングであるＯＬＢ（Outer Lead Bonding）などが使用される。
また、本発明における「基板」とは、例えば、フレキシブル基板、ガラスエポキシ基板、ガラス基板、セラミックス基板、シリコンインターポーザー、シリコン基板などが使用される。
先ず、本実施例に使用する装置について図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明に係る実装装置を構成する本圧着装置の概略構成を示した斜視図、図２は搬送機構の要部構成を示した平面図である。
図１および図２に示すように、本発明における実装装置は、搬送機構１および本圧着装置２から構成されている。以下、各構成について詳述する。
搬送機構１は、可動台３および搬送アーム４を備えている。可動台３は、ガイドレール５に沿って水平軸方向に移動するよう構成されている。
搬送アーム４は、基端側を可動台３の昇降駆動機構に連結されており、上下（Ｚ）方向、およびＺ軸周り（θ）方向に、それぞれ移動自在に構成されている。また、搬送アーム４は、先端に保持フレーム６を備えている。保持フレーム６は、図２および図３に示すように、馬蹄形をしており、熱伝導遅延用のプレートおよび基板Ｗを係止する複数個の係止爪７を角部に備えている。
本圧着装置２は、可動テーブル８および押圧機構９などから構成されている。
可動テーブル８は、基板Ｗを吸着保持する保持ステージ１０を備えている。保持ステージ１０は、水平２軸（Ｘ，Ｙ）方向、上下（Ｚ）方向、およびＺ軸周り（θ）方向に、それぞれ移動自在に構成されている。なお、保持ステージ１０の外形は、保持フレーム６の内側に収まるサイズに設定されている。また、保持ステージ１０は、内部にヒータ１１が埋設されている。
押圧機構９は、シリンダ１３および圧着ヘッド１４などから構成されている。すなわち、圧着ヘッド１４の上方にシリンダ１３が連結されており、圧着ヘッド１４が上下に移動するよう構成されている。
圧着ヘッド１４は、図４に示すように、ヒータ１５の埋設されたヘッド本体１６と、当該ヘット本体１６の下部に複数本の押圧部材１７を収納した支持ホルダ１８を備えている。なお、ヒータ１５は、本発明の加熱器に相当する。
押圧部材１７は、下向き凸形状をしている。その先端は、半導体装置Ｃと略同じサイズの当接面を有しており、基板Ｗに配置された複数個の半導体装置Ｃを個々に押圧するよう位置合わせされている。なお、押圧部材１７は、支持ホルダ１８に形成された当該凸部より僅かに大きい貫通孔に先端を通すことにより、基端側が支持ホルダ１８によって支持されるよう構成されている。支持ホルダ１８をネジ締めすることにより、押圧部材１７の基端側が、支持ホルダ１８とヘッド本体１６によって把持される。
さらに、圧着ヘッド１４は、ヘッド本体１６と押圧部材１７の間に弾性部材１９を備えている。弾性部材１９は、図５および図６に示すように、押圧部材１７の基端の面積以下の１枚のシートに格子状の溝２０を形成して構成されている。当該溝２０によってシート面に複数個の凸状の分割部位２１が形成される。溝２０の幅および深さを適宜に変更することにより、圧縮されたときに、分割部位２１の厚み方向の変位量を調整することができる。すなわち、圧縮によって厚みが薄くなるに伴って、当該押圧方向と直交する水平方向に分割部位の面積が放射状に拡大変位する。すなわち、分割部位２１の面積を拡大可能なスペースが、溝２０によって確保されている。
弾性部材としては、一般的なゴムを使用することができるが、特に加熱するという観点から、耐熱性のフッ素ゴムを使用することが好ましい。また、弾性部材の弾性率は７０〜９０であることが好ましい。弾性率が小さいと横方向への剛性が小さくなり、位置ズレを発生しやすくなる。また弾性率が大き過ぎると弾性効果が小さくなるため、膜厚を薄くすることができない。
制御部２３は、圧着ヘッド１４のヒータ１５および保持ステージ１０のヒータ１１の温度が、熱硬化性樹脂Ｇを硬化させる温度と同等またはそれ以上の温度となるよう制御している。
次に上述の実施例装置を用いて半導体装置Ｃを当該基板Ｗに本圧着する一巡の動作について、図７に示すフローチャートおよび図８から図１０を参照しながら説明する。なお、本実施例では、前工程の仮圧着工程でＮＣＦによって複数個の半導体装置Ｃが基板Ｗに予め仮圧着された状態で搬送されたものに対し、熱硬化性樹脂を完全に硬化させ本圧着する場合を例に採って説明する。
先ず、保持ステージ１０および圧着ヘッド１４に備わった両ヒータ１１、１５の温度を、操作部２４を操作して設定する。ここで、両ヒータ１１、１５の温度は、熱伝導遅延用のプレートＰと基板Ｗの界面および圧着ヘッド１４と半導体装置Ｃの界面の温度が熱硬化性樹脂Ｇの硬化温度よりも高く設定される。すなわち、保持ステージ１０に吸着保持された基板Ｗが、圧着ヘッド１４の下側の実装位置に達した時点で、半導体装置ＣおよびプレートＰを介して熱硬化性樹脂Ｇに伝達される熱が、硬化温度になるように設定される（ステップＳ１）。
また、本実施例では、プレートＰにステンレス鋼が使用される。ここで、プレートＰは、例えば、熱伝達率（Ｗ／ｍ・Ｋ）Ｌとプレートの厚み（ｍｍ）Ｔと関係、すなわち、Ｌ／Ｔが、１以上かつ２０以下となるように設定される。なお、プレートＰは、ステンレス鋼に限定されず、圧着ヘッド１４の押圧によって変形しない材質であればよく、金属、セラミック、カーボンおよび多孔質材などであってもよい。
初期設定が完了すると装置を作動させる（ステップＳ２）。本圧着装置側では、制御部２３がヒータ１１、１５をオンにして初期設定の温度を一定に保つように温度制御を開始する。
仮圧着工程側に配備された図示しない搬送ロボットによって、図３に示すように、搬送機構１の保持フレーム６にプレートＰが載置され、その後に当該プレートＰ上に基板Ｗが載置される（ステップＳ３）。
プレートＰと基板Ｗが重ね合わされた状態で、本圧着装置２へと搬送される。このプレートＰを下にして基板Ｗは、図８の二点鎖線で示すように、保持ステージ１０に移載される。プレートＰには、複数個の貫通孔が形成されおり、貫通孔を介して保持ステージ１０に吸着保持される（ステップＳ４）。また、保持ステージ１０は図示しない駆動機構によって、前方（図１のＹ方向）である、圧着ヘッド１４の下方の予め決められた実装位置に移動する。
保持ステージ１０にプレートＰおよび基板Ｗが吸着保持された時点からヒータ１１によって加熱が開始される（ステップＳ５）。
保持ステージ１０が実装位置に達すると、図９に示すように、シリンダ１３の作動により圧着ヘッド１４が下降し、複数個の半導体装置Ｃが同時に挟み込まれる。このとき、加熱されている圧着ヘッド１４によって、半導体装置Ｃは、加熱されながら押圧される（ステップＳ６）。
すなわち、圧着ヘッド１４が所定の高さまで下降したとき、熱硬化性樹脂Ｇは、未硬化状態にあるので、図１０に示すように、圧着ヘッド１４の加圧によって半導体装置ＣのバンプＢが熱硬化性樹脂Ｇに押し込まれる。すなわち、半導体装置ＣのバンプＢが基板Ｗの電極に達した後に、熱硬化性樹脂が硬化する。なお、半導体装置のバンプにはんだを用いた場合には、接着剤が完全に硬化する前に、はんだを溶融するようヒータの温度が制御される。
また、バンプＢが基板Ｗに達して押圧するとき、弾性部材１９が圧縮される。このとき、各分割部位２１が、溝２０に向けて面積を拡大する。
熱硬化性樹脂Ｇが硬化する所定時間まで半導体装置Ｃを加圧および加熱すると（ステップＳ７）、圧着ヘッド１４を上方の待機位置に復帰させて加圧を解除するとともに、搬送機構１によりプレートＰと基板Ｗを搬出する（ステップＳ８）。
プレートＰと基板Ｗを所定の位置まで搬送した後は、他の搬送ロボットに受け渡すか、或いはストッカに収納する。
以上で１枚の基板Ｗ上の半導体装置の実装が終了する。以後、所定枚数の基板について同じ動作が繰り返される。
この構成によれば、ヘッド本体１６と押圧部材１７の間に備えた弾性部材１９の個々の分割部位２１が、圧縮に伴って溝方向に放射状に面積を拡大しながら弾性変形するので、従来の１枚の平坦なシートと同じ厚みであっても、圧縮したときの変位量を従来のシートに比べて大きくすることが可能となる。したがって、シート全体の厚みを薄くしたとしても、従来のシートと同等以上の変位量をかせぐことができる。その結果、弾性部材１９の厚みが薄くなるので、ヘッド本体１６に埋設されたヒータ１１の熱を効率よく押圧部材１７に伝達させることができるので、短時間で確実に熱硬化性樹脂Ｇを熱硬化させることができる。
本発明は上述した実施例のものに限らず、次のように変形実施することもできる。
（１）上記実施例装置において、弾性部材１９は、上記実施例に限定されず、例えば以下のように構成してもよい。
例えば、押圧部材１７の基端面より小さい面積の弾性部材１９を、所定間隔をおいて二次元アレー状に整列配備してもよい。なお、これら各実施例において、分割部位２１の形状は、矩形に限定されず、放射状に均等に変位可能な形状であればよく、例えば、円形や六角形状等であってもよい。
（２）上記実施例装置の圧着ヘッド１４は、１個の半導体装置Ｃを本圧着するシングルタイプまたは、図１１に示すように、当該シングルタイプを複数個備えたマルチタイプにも利用することができる。
（３）上記実施例装置において、圧着ヘッド１４のヒータ１５は、ヘッド本体１６に埋設された構成となっているが、ヘッド本体１６の外部から加熱する構成であっても良い。
また、上記実施例において、ヒータを高温に加熱することとしたが、工程中に温度を変化させるパルスヒータを使用することもでき、熱伝導遅延用のプレートを介さず実装を行うこともできる。
なお、上記実施例においては、バンプを有する複数の半導体装置を熱硬化性樹脂を介して基板に実装する例を示したが、本発明は半導体装置に適切な押圧を作用させて高さバラツキの吸収が必要とされる実装であれば有効に適用することが出来る。例えば、熱硬化性樹脂を介在させないフリップチップ実装や、半導体チップの非電極面を熱硬化性樹脂を介して基板に実装するダイボンディング等に用いても良い。更に、半導体装置以外の電子部品（抵抗器、キャパシタ、圧電素子、等）を基板に実装するのに際して、本発明を用いても良い。
１ … 搬送機構
２ … 本圧着装置
４ … 搬送アーム
６ … 保持フレーム
９ … 押圧機構
１０ … 保持ステージ
１１ … ヒータ
１３ … シリンダ
１４ … 圧着ヘッド
１５ … ヒータ
１６ … ヘッド本体
１７ … 押圧部材
１８ … 支持ホルダ
１９ … 弾性部材
２１ … 分割部位
Ｗ … 基板
Ｃ … 半導体装置
Ｇ … 熱硬化性樹脂
Ｐ … 熱伝達遅延用のプレート

Claims (6)

  1. 電子部品を基板に実装する圧着ヘッドであって、
    ヘッド本体と、
    前記ヘッド本体の下部に装着され複数個の電子部品に対応して設けられてそれぞれの前記電子部品を個別に押圧する複数個の押圧部材と、
    前記ヘッド本体に埋設された加熱器と、
    前記ヘッド本体と各々の前記押圧部材との間にそれぞれ分離して介在する複数個の弾性部材とを備え、
    前記弾性部材の各々は、
    溝によって分割された複数個の分割部位を備えている
    ことを特徴とする圧着ヘッド。
  2. 請求項１に記載の圧着ヘッドにおいて、
    前記弾性部材は、１枚の弾性シートの片面に複数個に分割された凸面を有する弾性シートである
    ことを特徴とする圧着ヘッド。
  3. 請求項１または請求項２に記載の圧着ヘッドにおいて、
    前記弾性部材は、ヘッド本体と押圧部材との間に複数個の弾性部材を、所定間隔をおいて整列配置した
    ことを特徴とする圧着ヘッド。
  4. 電子部品を基板に実装する実装装置であって、
    請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の圧着ヘッドと、
    前記圧着ヘッドを昇降させる昇降機構と、
    前記基板を載置保持する保持ステージと、
    と備えたことを特徴とする実装装置。
  5. 請求項４に記載の実装装置であって、
    前記電子部品がバンプを有する半導体装置であって、熱硬化性樹脂を介して前記基板に実装することを特徴とする実装装置。
  6. 電子部品を基板に実装する実装方法であって、
    加熱器が埋設された圧着ヘッドによって電子部品を基板に加圧および加熱しながら基板に実装する過程で、
    前記圧着ヘッドを構成するヘッド本体と前記ヘッド本体の下部に装着され複数個の電子部品に対応して設けられてそれぞれの前記電子部品を個別に押圧する複数個の押圧部材の各々との間にそれぞれ分離して介在する複数個の弾性部材を有し、
    前記弾性部材の各々は、溝によって分割された複数個の分割部位を備え、
    前記弾性部材を厚み方向に変形させながら、隣接する前記分割部位間の溝に向けて前記分割部位を変位させる
    ことを特徴とする実装方法。
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