JP2004119594A - 一括接合装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】複数ＩＣを一括加圧加熱接合することにより、ＩＣ１ヶづつ接合する従来方式より短時間でＩＣ反り量及び回路基板反り量の少ない信頼性の高いＩＣ接合を可能とする。一括接合装置を提供する。
【解決手段】複数ＩＣを平面度を有する一枚のＩＣ加圧部材と平面度を有する一枚の回路基板支持部材で挟み、弾性部材を介して複数ＩＣ側を加圧し、一括加圧加熱接合する一括接合装置。
【選択図】 図９
【解決手段】複数ＩＣを平面度を有する一枚のＩＣ加圧部材と平面度を有する一枚の回路基板支持部材で挟み、弾性部材を介して複数ＩＣ側を加圧し、一括加圧加熱接合する一括接合装置。
【選択図】 図９
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気回路部品を回路基板上へ接合する装置に関するものであり、電気回路部品を回路基板上に実装する際に適用され、特に狭ピッチで並ぶ複数ＩＣを一括で加熱圧着接合する実装に好適に使用される。
【０００２】
【従来の技術】
近年、回路基板に搭載される電気実装部品等の電気回路装置は電気信号の高速化と共に高密度集積と小型化が進み、信号配線の微細化（ファインピッチ）と多ピン化が著しくなってきている。
【０００３】
それに伴い、回路基板上での電気回路部品の実装方法も搭載位置精度と共にファインピッチ及び多ピン化に対応した接続信頼性を得ることがますます厳しくなっている。
【０００４】
現在、微細パターン用セラミック基板やシリコン基板、また液晶用ガラス基板など回路基板上へのベアチップＩＣやセラミックコンデンサなど電気回路部品の実装方法としては、ベアチップＩＣは、ワイヤーボンディング法やはんだバンプ、スタッドバンプ法、異方性導電膜（ＡＣＦ：Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｆｉｌｍ）、異方性導電ペースト（あＣＰ：Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｐａｓｔｅ）、非導電性膜（ＮＣＦ：Ｎｏｎ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｆｉｌｍ）、非導電性ペースト（ＮＣＰ：Ｎｏｎ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｐａｓｔｅ）等を併用してＣＯＢ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｂｏｒａｄ）装置での実装を行っている。ＩＣ搭載用ＣＯＢ装置において、ＩＣ間が離れたワークに対応したタイプで半田バンプを溶融しＩＣ接合する装置がある。
【０００５】
従来装置の半田バンプを溶融し接合するタイプは、半田バンプ自身にセルフアライメント機構があるため、基板とＩＣの平行度の許容範囲が広い。
【０００６】
主なＣＯＢ装置は上下ツールでＩＣと基板を挟み加熱加圧圧着を行うが、上下ツールの加熱圧着箇所が１ヶ所固定タイプと上下ツールどちらか一方（たとえば上ツール）が固定でもう一方（基板搭載側ステージ）が移動する複数箇所移動タイプがある。セラミックコンデンサ等の表面実装型電気回路部品もリフロー方式からファインピッチ対応として、たとえば特開２０００−６８６３３号公報に記載されているようにＡＣＦによる実装が行われつつある。この公報では、高さバラツキによる圧力不均一を低減するため弾性シートを介在させる方法が提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の実装方法には以下のような問題点があった。
【０００８】
ＣＯＢ装置の場合、図１に示すような、１つの上ツールに対して下ツールの圧着位置が１ヶ所である圧着位置固定タイプと、図２に示すような、基板５が載っているステージ側が移動する１つの上ツールに対して下ツールの圧着位置が複数箇所の圧着位置移動タイプがある。どちらの場合もバンプ４及びＩＣ３を矢印８で示す方向に均一に加圧するために設けられた、上下ツール１，２の平行度を調整する機構（図１及び図２の矢印６，７で示す方向に移動する）が少なくとも上下どちらか一方に付いている。
【０００９】
図３は、圧着位置固定タイプの場合で、下ツール２の圧着面の傾きに対応して、上ツール１の平行度調整を行った後、ＩＣ３の圧着をしている状態を示している。
【００１０】
しかしながら、この平行度調整機構を持つ加熱加圧ツールの第１の問題点は、接続ＩＣが狭ピッチで並んでいる場合、加熱加圧用の上ツールの大きさ形状から多数のＩＣを一括接続できない点である。
【００１１】
また、この装置でＡＣＦやＮＣＰなど前述の接着剤を用いてＩＣを一カ所ずつ樹脂接合した場合では、加熱接合時の熱が既に接合した隣のＩＣに伝わり、その熱で接着剤による接合が緩み導通不良となる。
【００１２】
第２の問題点は、図２に示すような、１つの上ツールに対して下ツールの圧着位置が複数箇所の圧着位置移動タイプで上ツールに平行度調整機構を持つ場合は、下ツールのそれぞれの圧着位置に対応して、上ツールをあらかじめ入力した調整位置に平行度修正移動を行うが、この方式でも、ステージの繰り返し位置精度のバラツキに起因する平行度修正位置の誤差が生じていた。
【００１３】
第３の問題点は、図５に示すようにＣＯＢ装置で一つの回路基板５上に複数個の電気回路部品３を実装したとき、回路基板の長手方向の反りを生じてしまう点である。これは厚さ７８０μｍ、長さ１００ｍｍ、幅７ｍｍほどのシリコン基板上に厚さ１７５μｍ、長さ１０ｍｍ、幅２．５ｍｍの薄型ベアチップＩＣを８〜９ヶ実装したときに顕著であり、４０〜５０μｍ反ることが確認されている。
この反りは、回路基板上のデバイスにも応力をかけデバイス自体の信頼性を落とす要因となるばかりでなく、バンプ接合部にも応力を生じさせ、接合信頼性を低下させる要因となる。
【００１４】
第４の問題点は、図６に示すように特開２０００−６８６３３号公報に記載されている弾性シート９を介してＩＣ３を加圧する方法によると、加圧する方向に対してＩＣ裏面が傾いていた場合、圧縮されるゴム９が不均一に加圧されるため、不均一な圧力分布が生じ、ＩＣバンプの潰れ量および接続状態が不均一になってしまうことである。
【００１５】
また、図７に示すように、弾性シート９がＩＣ裏面を等分布荷重で加圧するため、ＩＣ上のバンプ配列でバンプの存在しないところが特に凹んでしまい、ＩＣ反りを生じてしまう点である。このＩＣ反りの現象は薄型ＩＣで特に顕著である。
【００１６】
特に樹脂接合の場合反った状態で接合実装されると、その後の熱が加わる工程や信頼性テストを経たときに、ＡＣＦ樹脂が変質や軟化すると同時に、反ったＩＣが戻ろうとする。
【００１７】
すると、図８に示すように、加圧接合時に大きく潰れたバンプ部４ａが基板５から離れ、接合不良になる問題点が生じる。
【００１８】
さらに、弾性シートの方法では、近接したＩＣごとに高さの違いを吸収し、均一な加圧が困難となる。高さの違いがある場合、先に高い方のＩＣに弾性シートが当たった後ならい、低い方のＩＣに弾性シートが当たらず、ならわないか、あるいは荷重がかからないという問題が生じる。
【００１９】
第５の問題点は、はんだによる接合の場合、共晶はんだでは２０５〜２２５℃付近、鉛フリーはんだの場合では２３０〜２４５℃の半田溶融温度まで加熱しなければならず、特殊な基板や基板上の部品の耐熱温度を越えた場合、基板や部品を破壊してしまう。
【００２０】
本発明は、上記の問題点を解決した一括接合装置を以下の構成により提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に関わる一括接合装置は、複数ＩＣを搭載した回路基板を一括接合する接合装置についてであり、平面度を有する基板支持部材と、基板上に位置合わせ搭載された少なくとも２つ以上のＩＣを同時に加圧する平面度を有する１つの加圧部材と、該加圧部材を加圧する弾性部材と、該弾性部材を加圧する受圧部材と、該受圧部材を加圧する加圧力発生部とからなることを特徴とする一括接合装置
また、ＩＣと回路基板の間に接着剤を有することを特徴とする一括接合装置。
【００２２】
また、ＩＣ裏面とＩＣ加圧部材の間に弾性率１×１０１０Ｐａ以上の中間部材を有することを特徴とする一括接合装置。
【００２３】
また、発熱部材を有することを特徴とする一括接合装置。
【００２４】
また、超音波印可部を有することを特徴とする一括接合装置。
【００２５】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
以下、図面に沿って、本発明の実施形態について説明する。
【００２６】
図９は、ＡＣＦ１０貼り付け後、複数ＩＣ３搭載済み回路基板５が、一括接合されている状態を示した、模式正面図である。
【００２７】
図１０は、図９での透視方向２７から見た側面模式断面図である。
【００２８】
回路基板５は、ＩＣ３の搭載位置６ヶ所２列、計１２ヶ所のＡＣＦが貼り付けられている。本実施形態では、ＡＣＦは、ソニーケミカル社製 ３０μｍ厚みを用いた。次にＩＣ３を位置合わせ後、搭載圧力５ｋｇで回路基板５上に仮圧着搭載した。
【００２９】
ＩＣ３が搭載された回路基板５は、ベースブロック１５に組み込まれた平面度を有する基板支持部材１２の上に設置されている。
【００３０】
本実施形態では、基板支持部材１２に平面度λ／１（λ＝０．５４６μｍ）の石英ガラス板を用いた。
【００３１】
ＩＣ３は、中間部材１４を介して平面度を有するＩＣ加圧部材１１によって加圧されている。中間部材１４は、加圧によりはみ出したＡＣＦが加圧部材１１に付着することを防ぐ。本実施形態では、ＳＵＳ３０４Ｈ厚さ５μｍのシムを中間部材に用いた。
【００３２】
加圧部材１１は、弾性部材１３を介して受圧部材１６に加圧されている。本実施形態では、加圧部材１１は、基板支持部材１２と同様に平面度λ／１（λ＝０．５４６μｍ）の石英ガラス板を用いた。
【００３３】
弾性部材１３は、耐熱性の理由から厚さ０．５ｍｍのフッ素ゴムを用いた。このフッ素ゴムが、複数ＩＣ３の高さバラツキや傾きバラツキを吸収し、一枚の加圧部材１１で、すべてのＩＣ３のバンプをほぼ同一荷重で加圧する一括接合を可能としている。
【００３４】
受圧部材１６には、無給油ベアリング２６が内蔵されており、受圧部材上下動ガイド２３にならい、受圧部材可動方向２５の方向に上下動することができる。
【００３５】
ＩＣ３を加圧していない時は、ＩＣ３に接触しないように受圧部材支持バネ２４によって支えられている。
【００３６】
受圧部材１６は、気体室ブロック１７内の気体室１８に圧縮気体１９を送り込み、加圧ゴム２１が膨らむことによって、下方向へ動きＩＣ３を加圧している。
【００３７】
なお、基板支持部材１２を支持するベースブロック１５と気体室ブロック１７とは、支柱２２とロックナット２０により固定されている。
【００３８】
ＩＣ３の加圧力は、まず気体室に投入する気体圧力で調整することが可能である。他に受圧部材１１が加圧ゴム２１に加圧される面積とＩＣ３裏面との割合でＩＣ３１ヶを加圧する荷重を調整することができる。
本実施形態では、ＩＣ１ヶ３０ｋｇで加圧した。
【００３９】
その後、回路基板５とＩＣ３間のＡＣＦ１０を加熱硬化するために、上記加圧状態の一括接合装置をクリーンオーブン内に投入し加熱硬化した。
【００４０】
室温状態のクリーンオーブンに一括接合装置を入れ、室温から１７０度まで加熱し、回路基板及びＩＣ、一括加熱装置温度がほぼ１７０度に達した時点で電源ＯＦＦし、自然冷却した。
【００４１】
室温に戻ったところで、一括接合装置を取り出し、加圧を解除した。
【００４２】
接合後のＩＣ３接続抵抗値を確認した結果、１２ヶのＩＣすべての接続抵抗値測定箇所で良好な抵抗値を示した。
【００４３】
図１１に、従来例と本実施形態について、それぞれ代表的なＩＣ１ヶ分の接続抵抗値を示す。
【００４４】
横軸はＩＣ１ヶ中の１２ヶ所の測定箇所名で、縦軸は接続抵抗値を示す。
【００４５】
従来例では、７０〜１８０ｍΩとバラツキがあるが、本実施形態では、７０〜９０ｍΩと安定している。
【００４６】
以上の結果からもわかるように、狭ピッチで並んだ複数ＩＣを同時に均一加圧できることによってバンプの均一な加圧が可能となり、その結果、安定した接続抵抗値が得られた。
【００４７】
本実施形態では、回路基板５は、長さ１００ｍｍ、厚み７８０μｍのシリコン基板を使用し、ＩＣ３は厚さ１７５μｍの薄型で長さ１０．１１ｍｍ、幅２．６４ｍｍ、バンプ数４４６ヶのＩＣを１列６ヶ２列１２ヶを用いた。ＩＣとＩＣのギャップは０．７７ｍｍの狭ピッチである。
【００４８】
本実施形態では、ベースブロック１５と受圧部材１６、気体室ブロック１７、受圧部材上下動ガイド２３、支柱２２は、ＳＵＳ材を用いている。
【００４９】
（実施形態２）
以下に、本発明の第２実施形態を説明する。
【００５０】
図１２は、平面度を有するＩＣ加圧部材１１と同じく平面度を有する基板支持部材１２が発熱体２８を有する構造になっていることを示した模式正面図である。
【００５１】
本実施形態では、発熱体２８にカートリッジヒーターを用い、ＩＣ加圧部材１１中と基板支持部材１２中に組み込んだ。
【００５２】
発熱した熱量は、効率よくＩＣ、ＡＣＦ及び基板に伝わるように、ＩＣ加圧部材１１と基板支持部材１２それぞれに断熱部材２９を組み合わせた
断熱部材２９は、高弾性率で熱伝導率の低いセラミックである、ジルコニアを用いた。
【００５３】
本構造で、１７０℃まで加熱後側面から送風冷却し、一括接合を行った結果良好な接続抵抗値が得られた。
【００５４】
また、ＩＣ裏面の反り量については、従来例による接合方法より反り量の少ない良好な結果となった。その結果を図１３と図１４に示す。また、図１５にＩＣ裏面反り量測定箇所３０を示す。ＩＣ側バンプ３５と回路基板側バンプ３６が接合され、バンプ配列が不均一の場合、バンプの無い箇所が撓んでいる。
【００５５】
図１３では、ＩＣ３ヶの反り形状を示している。図からわかるように、従来例による接合では、裏面反り量が最大３μｍある。
【００５６】
一方、図１４の本実施形態による接合では、裏面反り量が最大１．５μｍに減少した。
【００５７】
その結果、バンプの変形量が均一となり、より信頼性の高い接合が可能となった。
【００５８】
図１６は、発熱体２８にセラミックヒーターを用い、平面度を有するＩＣ加圧部材として使用した実施形態を示す模式正面図である。セラミックヒーターには、ＳｉＣを用いた。
【００５９】
この構造により、加熱冷却時間をカートリッジヒーターの場合に比べて著しく短縮することが可能となった。カートリッジヒーターでは、加熱５分、冷却１５分必要であったが、セラミックヒーターでは、加熱１分、冷却３分となった。
【００６０】
８０℃×３０分／−３０℃×３０分のヒートサイクルテスト１００サイクル後、及び６０℃／９０％の高温高湿テスト３６０時間後、それぞれの信頼性テスト後においても、良好な接続抵抗値を維持した。
【００６１】
本実施形態においても、ＩＣ加圧部材１１、基板支持部材１２及びセラミックヒーター発熱体２８も、平面度λ／１（λ＝０．５４６μｍ）とした。
【００６２】
（実施形態３）
以下に、本発明の第３実施形態を説明する。
【００６３】
図１７は、接合手段として超音波振動部材３１を用いた、模式側面図である。
【００６４】
本実施形態では、回路基板５に、長さ３００ｍｍ、厚み７８０μｍのシリコン基板を使用し、ＩＣ３は厚さ１７５μｍの薄型で長さ１０．１１ｍｍ、幅２．６４ｍｍ、バンプ数４４６ヶのＩＣを１列分１２ヶが２列、合計２４ヶを用いた。
【００６５】
また、本実施形態では、回路基板５が長いため、ＩＣ側の超音波振動部材３１は、長さ１００ｍｍを３ヶ組み合わせた構造とし、ＩＣ１列６ヶ２列分１２ヶを一つの超音波振動部材３１で加圧した。
【００６６】
ＩＣ加圧部材兼ＩＣ側超音波振動部材のＩＣ接触平面と、基板支持部材兼基板側超音波振動部材の回路基板接触平面は、平面度λ／１（λ＝０．５４６μｍ）とした。
【００６７】
まず、回路基板５のＩＣ搭載位置にアンダーフィル材３３を滴下する。
【００６８】
次に、ＩＣ３を位置合わせ搭載後の回路基板５を加圧状態で超音波を印可することにより、ＩＣ３のバンプと回路基板５のバンプが金属間接合された。
【００６９】
金属間接合により、ＡＣＦ等の接着剤による接合より、接合強度の高い接合が可能となった。
【００７０】
超音波周波数は、ＩＣ接合のための超音波振動エネルギーが少ない場合は、超音波振動部材はＩＣ側のみでも良い。
【００７１】
本実施形態では、回路基板５が長いため、長さ１００ｍｍの加圧部材を３ヶ組み合わせた構造としたことにより、長さ３００ｍｍの加圧部材１ヶに比べてならいやすく、また加圧部材等の歪みの要因を少なくすることができ、均一な一括加圧が可能となった。
【００７２】
また、基板反り量についても、従来例による接合方法より、少ない反り量が可能となった。
【００７３】
図１８と図１９に基板反り量の測定結果を示す。また、図２０に回路基板反り量測定箇所３７を示す。
【００７４】
図１８は、従来例による接合を行った場合の、回路基板反り量の初期と接合後を示している。
【００７５】
初期からの変動量は、約３００μｍ増加している。
【００７６】
一方、図１９は本実施形態による接合を行った場合の、回路基板反り量の初期と接合後を示している。
【００７７】
この図から、初期からの変動量は、ほとんど無く、大きな改善が確認できる。基板反り量が少なくなることにより、バンプ接合部への応力が軽減され、信頼性のある接合が可能となった。
【００７８】
以上の結果より、狭ピッチ２列の複数ＩＣについて、均一な一括加圧接合により安定した電気的接続が得られ、反りの少ない回路基板が実現した。
【００７９】
上記実施形態では、ＡＣＦを用いたがＡＣＰ、ＮＣＦ、ＮＣＰを用いても良い。
【００８０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、複数ＩＣを狭ピッチ実装する際に、複数ＩＣを平面度のある一枚の加圧部材とならい部材で一括加圧加熱接合することにより、ＩＣ１ヶづつ接合するＣＯＢ方式より短時間でＩＣ反り量及び回路基板反り量の少ない信頼性の高いＩＣ接合が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＣＯＢ装置による、ＩＣ実装の従来例。
【図２】ＣＯＢ装置による、ＩＣ実装の従来例。
【図３】ＣＯＢ装置による、ＩＣ実装の従来例。
【図４】ＣＯＢ装置による、ＩＣ実装の従来例。
【図５】ＣＯＢ装置による、ＩＣ実装の従来例。
【図６】ＣＯＢ装置による、ＩＣ実装の従来例。
【図７】ＣＯＢ装置による、ＩＣ実装の従来例。
【図８】ＣＯＢ装置による、ＩＣ実装の従来例。
【図９】本発明の第１実施形態を示す。
【図１０】図９での透視方向から見た側面模式断面図。
【図１１】従来例と本実施形態について、それぞれ代表的なＩＣ１ヶ分の接続抵抗値を示す。
【図１２】本発明の第２実施形態を示す。
【図１３】ＩＣ裏面の反り量を示す。
【図１４】ＩＣ裏面の反り量を示す。
【図１５】ＩＣ裏面反り量測定箇所を示す。
【図１６】本発明の第２実施形態を示す。
【図１７】本発明の第３実施形態を示す
【図１８】基板反り量の測定結果を示す。
【図１９】基板反り量の測定結果を示す。
【図２０】回路基板反り量測定箇所を示す。
【符号の説明】
１ 上ツール
２ 下ツール
３ ＩＣ
４ はんだバンプ
５ 回路基板
８ 加圧方向
９ 弾性シート
１０ 異方性導電膜（ＡＣＦ）
１１ ＩＣ加圧部材
１２ 基板支持部材
１３ 弾性部材
１４ 中間部材
１５ ベースブロック
１６ 受圧部材
１７ 気体室ブロック
１８ 気体室
１９ 圧縮気体
２０ ロックナット
２１ 加圧ゴム
２２ 支柱
２３ 受圧部材上下動ガイド
２４ 受圧部材支持バネ
２５ 受圧部材可動方向
２６ 無給油ベアリング
２７ 透視方向
２８ 発熱体
２９ 断熱部材
３０ ＩＣ裏面反り量測定箇所
３１ 超音波振動部材
３２ 基板反り量測定箇所
３３ アンダーフィル材
３４ ＩＣ基材部
３５ ＩＣ側バンプ
３６ 回路基板側バンプ
３７ 回路基板反り量測定箇所
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気回路部品を回路基板上へ接合する装置に関するものであり、電気回路部品を回路基板上に実装する際に適用され、特に狭ピッチで並ぶ複数ＩＣを一括で加熱圧着接合する実装に好適に使用される。
【０００２】
【従来の技術】
近年、回路基板に搭載される電気実装部品等の電気回路装置は電気信号の高速化と共に高密度集積と小型化が進み、信号配線の微細化（ファインピッチ）と多ピン化が著しくなってきている。
【０００３】
それに伴い、回路基板上での電気回路部品の実装方法も搭載位置精度と共にファインピッチ及び多ピン化に対応した接続信頼性を得ることがますます厳しくなっている。
【０００４】
現在、微細パターン用セラミック基板やシリコン基板、また液晶用ガラス基板など回路基板上へのベアチップＩＣやセラミックコンデンサなど電気回路部品の実装方法としては、ベアチップＩＣは、ワイヤーボンディング法やはんだバンプ、スタッドバンプ法、異方性導電膜（ＡＣＦ：Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｆｉｌｍ）、異方性導電ペースト（あＣＰ：Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｐａｓｔｅ）、非導電性膜（ＮＣＦ：Ｎｏｎ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｆｉｌｍ）、非導電性ペースト（ＮＣＰ：Ｎｏｎ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｐａｓｔｅ）等を併用してＣＯＢ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｂｏｒａｄ）装置での実装を行っている。ＩＣ搭載用ＣＯＢ装置において、ＩＣ間が離れたワークに対応したタイプで半田バンプを溶融しＩＣ接合する装置がある。
【０００５】
従来装置の半田バンプを溶融し接合するタイプは、半田バンプ自身にセルフアライメント機構があるため、基板とＩＣの平行度の許容範囲が広い。
【０００６】
主なＣＯＢ装置は上下ツールでＩＣと基板を挟み加熱加圧圧着を行うが、上下ツールの加熱圧着箇所が１ヶ所固定タイプと上下ツールどちらか一方（たとえば上ツール）が固定でもう一方（基板搭載側ステージ）が移動する複数箇所移動タイプがある。セラミックコンデンサ等の表面実装型電気回路部品もリフロー方式からファインピッチ対応として、たとえば特開２０００−６８６３３号公報に記載されているようにＡＣＦによる実装が行われつつある。この公報では、高さバラツキによる圧力不均一を低減するため弾性シートを介在させる方法が提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の実装方法には以下のような問題点があった。
【０００８】
ＣＯＢ装置の場合、図１に示すような、１つの上ツールに対して下ツールの圧着位置が１ヶ所である圧着位置固定タイプと、図２に示すような、基板５が載っているステージ側が移動する１つの上ツールに対して下ツールの圧着位置が複数箇所の圧着位置移動タイプがある。どちらの場合もバンプ４及びＩＣ３を矢印８で示す方向に均一に加圧するために設けられた、上下ツール１，２の平行度を調整する機構（図１及び図２の矢印６，７で示す方向に移動する）が少なくとも上下どちらか一方に付いている。
【０００９】
図３は、圧着位置固定タイプの場合で、下ツール２の圧着面の傾きに対応して、上ツール１の平行度調整を行った後、ＩＣ３の圧着をしている状態を示している。
【００１０】
しかしながら、この平行度調整機構を持つ加熱加圧ツールの第１の問題点は、接続ＩＣが狭ピッチで並んでいる場合、加熱加圧用の上ツールの大きさ形状から多数のＩＣを一括接続できない点である。
【００１１】
また、この装置でＡＣＦやＮＣＰなど前述の接着剤を用いてＩＣを一カ所ずつ樹脂接合した場合では、加熱接合時の熱が既に接合した隣のＩＣに伝わり、その熱で接着剤による接合が緩み導通不良となる。
【００１２】
第２の問題点は、図２に示すような、１つの上ツールに対して下ツールの圧着位置が複数箇所の圧着位置移動タイプで上ツールに平行度調整機構を持つ場合は、下ツールのそれぞれの圧着位置に対応して、上ツールをあらかじめ入力した調整位置に平行度修正移動を行うが、この方式でも、ステージの繰り返し位置精度のバラツキに起因する平行度修正位置の誤差が生じていた。
【００１３】
第３の問題点は、図５に示すようにＣＯＢ装置で一つの回路基板５上に複数個の電気回路部品３を実装したとき、回路基板の長手方向の反りを生じてしまう点である。これは厚さ７８０μｍ、長さ１００ｍｍ、幅７ｍｍほどのシリコン基板上に厚さ１７５μｍ、長さ１０ｍｍ、幅２．５ｍｍの薄型ベアチップＩＣを８〜９ヶ実装したときに顕著であり、４０〜５０μｍ反ることが確認されている。
この反りは、回路基板上のデバイスにも応力をかけデバイス自体の信頼性を落とす要因となるばかりでなく、バンプ接合部にも応力を生じさせ、接合信頼性を低下させる要因となる。
【００１４】
第４の問題点は、図６に示すように特開２０００−６８６３３号公報に記載されている弾性シート９を介してＩＣ３を加圧する方法によると、加圧する方向に対してＩＣ裏面が傾いていた場合、圧縮されるゴム９が不均一に加圧されるため、不均一な圧力分布が生じ、ＩＣバンプの潰れ量および接続状態が不均一になってしまうことである。
【００１５】
また、図７に示すように、弾性シート９がＩＣ裏面を等分布荷重で加圧するため、ＩＣ上のバンプ配列でバンプの存在しないところが特に凹んでしまい、ＩＣ反りを生じてしまう点である。このＩＣ反りの現象は薄型ＩＣで特に顕著である。
【００１６】
特に樹脂接合の場合反った状態で接合実装されると、その後の熱が加わる工程や信頼性テストを経たときに、ＡＣＦ樹脂が変質や軟化すると同時に、反ったＩＣが戻ろうとする。
【００１７】
すると、図８に示すように、加圧接合時に大きく潰れたバンプ部４ａが基板５から離れ、接合不良になる問題点が生じる。
【００１８】
さらに、弾性シートの方法では、近接したＩＣごとに高さの違いを吸収し、均一な加圧が困難となる。高さの違いがある場合、先に高い方のＩＣに弾性シートが当たった後ならい、低い方のＩＣに弾性シートが当たらず、ならわないか、あるいは荷重がかからないという問題が生じる。
【００１９】
第５の問題点は、はんだによる接合の場合、共晶はんだでは２０５〜２２５℃付近、鉛フリーはんだの場合では２３０〜２４５℃の半田溶融温度まで加熱しなければならず、特殊な基板や基板上の部品の耐熱温度を越えた場合、基板や部品を破壊してしまう。
【００２０】
本発明は、上記の問題点を解決した一括接合装置を以下の構成により提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に関わる一括接合装置は、複数ＩＣを搭載した回路基板を一括接合する接合装置についてであり、平面度を有する基板支持部材と、基板上に位置合わせ搭載された少なくとも２つ以上のＩＣを同時に加圧する平面度を有する１つの加圧部材と、該加圧部材を加圧する弾性部材と、該弾性部材を加圧する受圧部材と、該受圧部材を加圧する加圧力発生部とからなることを特徴とする一括接合装置
また、ＩＣと回路基板の間に接着剤を有することを特徴とする一括接合装置。
【００２２】
また、ＩＣ裏面とＩＣ加圧部材の間に弾性率１×１０１０Ｐａ以上の中間部材を有することを特徴とする一括接合装置。
【００２３】
また、発熱部材を有することを特徴とする一括接合装置。
【００２４】
また、超音波印可部を有することを特徴とする一括接合装置。
【００２５】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
以下、図面に沿って、本発明の実施形態について説明する。
【００２６】
図９は、ＡＣＦ１０貼り付け後、複数ＩＣ３搭載済み回路基板５が、一括接合されている状態を示した、模式正面図である。
【００２７】
図１０は、図９での透視方向２７から見た側面模式断面図である。
【００２８】
回路基板５は、ＩＣ３の搭載位置６ヶ所２列、計１２ヶ所のＡＣＦが貼り付けられている。本実施形態では、ＡＣＦは、ソニーケミカル社製 ３０μｍ厚みを用いた。次にＩＣ３を位置合わせ後、搭載圧力５ｋｇで回路基板５上に仮圧着搭載した。
【００２９】
ＩＣ３が搭載された回路基板５は、ベースブロック１５に組み込まれた平面度を有する基板支持部材１２の上に設置されている。
【００３０】
本実施形態では、基板支持部材１２に平面度λ／１（λ＝０．５４６μｍ）の石英ガラス板を用いた。
【００３１】
ＩＣ３は、中間部材１４を介して平面度を有するＩＣ加圧部材１１によって加圧されている。中間部材１４は、加圧によりはみ出したＡＣＦが加圧部材１１に付着することを防ぐ。本実施形態では、ＳＵＳ３０４Ｈ厚さ５μｍのシムを中間部材に用いた。
【００３２】
加圧部材１１は、弾性部材１３を介して受圧部材１６に加圧されている。本実施形態では、加圧部材１１は、基板支持部材１２と同様に平面度λ／１（λ＝０．５４６μｍ）の石英ガラス板を用いた。
【００３３】
弾性部材１３は、耐熱性の理由から厚さ０．５ｍｍのフッ素ゴムを用いた。このフッ素ゴムが、複数ＩＣ３の高さバラツキや傾きバラツキを吸収し、一枚の加圧部材１１で、すべてのＩＣ３のバンプをほぼ同一荷重で加圧する一括接合を可能としている。
【００３４】
受圧部材１６には、無給油ベアリング２６が内蔵されており、受圧部材上下動ガイド２３にならい、受圧部材可動方向２５の方向に上下動することができる。
【００３５】
ＩＣ３を加圧していない時は、ＩＣ３に接触しないように受圧部材支持バネ２４によって支えられている。
【００３６】
受圧部材１６は、気体室ブロック１７内の気体室１８に圧縮気体１９を送り込み、加圧ゴム２１が膨らむことによって、下方向へ動きＩＣ３を加圧している。
【００３７】
なお、基板支持部材１２を支持するベースブロック１５と気体室ブロック１７とは、支柱２２とロックナット２０により固定されている。
【００３８】
ＩＣ３の加圧力は、まず気体室に投入する気体圧力で調整することが可能である。他に受圧部材１１が加圧ゴム２１に加圧される面積とＩＣ３裏面との割合でＩＣ３１ヶを加圧する荷重を調整することができる。
本実施形態では、ＩＣ１ヶ３０ｋｇで加圧した。
【００３９】
その後、回路基板５とＩＣ３間のＡＣＦ１０を加熱硬化するために、上記加圧状態の一括接合装置をクリーンオーブン内に投入し加熱硬化した。
【００４０】
室温状態のクリーンオーブンに一括接合装置を入れ、室温から１７０度まで加熱し、回路基板及びＩＣ、一括加熱装置温度がほぼ１７０度に達した時点で電源ＯＦＦし、自然冷却した。
【００４１】
室温に戻ったところで、一括接合装置を取り出し、加圧を解除した。
【００４２】
接合後のＩＣ３接続抵抗値を確認した結果、１２ヶのＩＣすべての接続抵抗値測定箇所で良好な抵抗値を示した。
【００４３】
図１１に、従来例と本実施形態について、それぞれ代表的なＩＣ１ヶ分の接続抵抗値を示す。
【００４４】
横軸はＩＣ１ヶ中の１２ヶ所の測定箇所名で、縦軸は接続抵抗値を示す。
【００４５】
従来例では、７０〜１８０ｍΩとバラツキがあるが、本実施形態では、７０〜９０ｍΩと安定している。
【００４６】
以上の結果からもわかるように、狭ピッチで並んだ複数ＩＣを同時に均一加圧できることによってバンプの均一な加圧が可能となり、その結果、安定した接続抵抗値が得られた。
【００４７】
本実施形態では、回路基板５は、長さ１００ｍｍ、厚み７８０μｍのシリコン基板を使用し、ＩＣ３は厚さ１７５μｍの薄型で長さ１０．１１ｍｍ、幅２．６４ｍｍ、バンプ数４４６ヶのＩＣを１列６ヶ２列１２ヶを用いた。ＩＣとＩＣのギャップは０．７７ｍｍの狭ピッチである。
【００４８】
本実施形態では、ベースブロック１５と受圧部材１６、気体室ブロック１７、受圧部材上下動ガイド２３、支柱２２は、ＳＵＳ材を用いている。
【００４９】
（実施形態２）
以下に、本発明の第２実施形態を説明する。
【００５０】
図１２は、平面度を有するＩＣ加圧部材１１と同じく平面度を有する基板支持部材１２が発熱体２８を有する構造になっていることを示した模式正面図である。
【００５１】
本実施形態では、発熱体２８にカートリッジヒーターを用い、ＩＣ加圧部材１１中と基板支持部材１２中に組み込んだ。
【００５２】
発熱した熱量は、効率よくＩＣ、ＡＣＦ及び基板に伝わるように、ＩＣ加圧部材１１と基板支持部材１２それぞれに断熱部材２９を組み合わせた
断熱部材２９は、高弾性率で熱伝導率の低いセラミックである、ジルコニアを用いた。
【００５３】
本構造で、１７０℃まで加熱後側面から送風冷却し、一括接合を行った結果良好な接続抵抗値が得られた。
【００５４】
また、ＩＣ裏面の反り量については、従来例による接合方法より反り量の少ない良好な結果となった。その結果を図１３と図１４に示す。また、図１５にＩＣ裏面反り量測定箇所３０を示す。ＩＣ側バンプ３５と回路基板側バンプ３６が接合され、バンプ配列が不均一の場合、バンプの無い箇所が撓んでいる。
【００５５】
図１３では、ＩＣ３ヶの反り形状を示している。図からわかるように、従来例による接合では、裏面反り量が最大３μｍある。
【００５６】
一方、図１４の本実施形態による接合では、裏面反り量が最大１．５μｍに減少した。
【００５７】
その結果、バンプの変形量が均一となり、より信頼性の高い接合が可能となった。
【００５８】
図１６は、発熱体２８にセラミックヒーターを用い、平面度を有するＩＣ加圧部材として使用した実施形態を示す模式正面図である。セラミックヒーターには、ＳｉＣを用いた。
【００５９】
この構造により、加熱冷却時間をカートリッジヒーターの場合に比べて著しく短縮することが可能となった。カートリッジヒーターでは、加熱５分、冷却１５分必要であったが、セラミックヒーターでは、加熱１分、冷却３分となった。
【００６０】
８０℃×３０分／−３０℃×３０分のヒートサイクルテスト１００サイクル後、及び６０℃／９０％の高温高湿テスト３６０時間後、それぞれの信頼性テスト後においても、良好な接続抵抗値を維持した。
【００６１】
本実施形態においても、ＩＣ加圧部材１１、基板支持部材１２及びセラミックヒーター発熱体２８も、平面度λ／１（λ＝０．５４６μｍ）とした。
【００６２】
（実施形態３）
以下に、本発明の第３実施形態を説明する。
【００６３】
図１７は、接合手段として超音波振動部材３１を用いた、模式側面図である。
【００６４】
本実施形態では、回路基板５に、長さ３００ｍｍ、厚み７８０μｍのシリコン基板を使用し、ＩＣ３は厚さ１７５μｍの薄型で長さ１０．１１ｍｍ、幅２．６４ｍｍ、バンプ数４４６ヶのＩＣを１列分１２ヶが２列、合計２４ヶを用いた。
【００６５】
また、本実施形態では、回路基板５が長いため、ＩＣ側の超音波振動部材３１は、長さ１００ｍｍを３ヶ組み合わせた構造とし、ＩＣ１列６ヶ２列分１２ヶを一つの超音波振動部材３１で加圧した。
【００６６】
ＩＣ加圧部材兼ＩＣ側超音波振動部材のＩＣ接触平面と、基板支持部材兼基板側超音波振動部材の回路基板接触平面は、平面度λ／１（λ＝０．５４６μｍ）とした。
【００６７】
まず、回路基板５のＩＣ搭載位置にアンダーフィル材３３を滴下する。
【００６８】
次に、ＩＣ３を位置合わせ搭載後の回路基板５を加圧状態で超音波を印可することにより、ＩＣ３のバンプと回路基板５のバンプが金属間接合された。
【００６９】
金属間接合により、ＡＣＦ等の接着剤による接合より、接合強度の高い接合が可能となった。
【００７０】
超音波周波数は、ＩＣ接合のための超音波振動エネルギーが少ない場合は、超音波振動部材はＩＣ側のみでも良い。
【００７１】
本実施形態では、回路基板５が長いため、長さ１００ｍｍの加圧部材を３ヶ組み合わせた構造としたことにより、長さ３００ｍｍの加圧部材１ヶに比べてならいやすく、また加圧部材等の歪みの要因を少なくすることができ、均一な一括加圧が可能となった。
【００７２】
また、基板反り量についても、従来例による接合方法より、少ない反り量が可能となった。
【００７３】
図１８と図１９に基板反り量の測定結果を示す。また、図２０に回路基板反り量測定箇所３７を示す。
【００７４】
図１８は、従来例による接合を行った場合の、回路基板反り量の初期と接合後を示している。
【００７５】
初期からの変動量は、約３００μｍ増加している。
【００７６】
一方、図１９は本実施形態による接合を行った場合の、回路基板反り量の初期と接合後を示している。
【００７７】
この図から、初期からの変動量は、ほとんど無く、大きな改善が確認できる。基板反り量が少なくなることにより、バンプ接合部への応力が軽減され、信頼性のある接合が可能となった。
【００７８】
以上の結果より、狭ピッチ２列の複数ＩＣについて、均一な一括加圧接合により安定した電気的接続が得られ、反りの少ない回路基板が実現した。
【００７９】
上記実施形態では、ＡＣＦを用いたがＡＣＰ、ＮＣＦ、ＮＣＰを用いても良い。
【００８０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、複数ＩＣを狭ピッチ実装する際に、複数ＩＣを平面度のある一枚の加圧部材とならい部材で一括加圧加熱接合することにより、ＩＣ１ヶづつ接合するＣＯＢ方式より短時間でＩＣ反り量及び回路基板反り量の少ない信頼性の高いＩＣ接合が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＣＯＢ装置による、ＩＣ実装の従来例。
【図２】ＣＯＢ装置による、ＩＣ実装の従来例。
【図３】ＣＯＢ装置による、ＩＣ実装の従来例。
【図４】ＣＯＢ装置による、ＩＣ実装の従来例。
【図５】ＣＯＢ装置による、ＩＣ実装の従来例。
【図６】ＣＯＢ装置による、ＩＣ実装の従来例。
【図７】ＣＯＢ装置による、ＩＣ実装の従来例。
【図８】ＣＯＢ装置による、ＩＣ実装の従来例。
【図９】本発明の第１実施形態を示す。
【図１０】図９での透視方向から見た側面模式断面図。
【図１１】従来例と本実施形態について、それぞれ代表的なＩＣ１ヶ分の接続抵抗値を示す。
【図１２】本発明の第２実施形態を示す。
【図１３】ＩＣ裏面の反り量を示す。
【図１４】ＩＣ裏面の反り量を示す。
【図１５】ＩＣ裏面反り量測定箇所を示す。
【図１６】本発明の第２実施形態を示す。
【図１７】本発明の第３実施形態を示す
【図１８】基板反り量の測定結果を示す。
【図１９】基板反り量の測定結果を示す。
【図２０】回路基板反り量測定箇所を示す。
【符号の説明】
１ 上ツール
２ 下ツール
３ ＩＣ
４ はんだバンプ
５ 回路基板
８ 加圧方向
９ 弾性シート
１０ 異方性導電膜（ＡＣＦ）
１１ ＩＣ加圧部材
１２ 基板支持部材
１３ 弾性部材
１４ 中間部材
１５ ベースブロック
１６ 受圧部材
１７ 気体室ブロック
１８ 気体室
１９ 圧縮気体
２０ ロックナット
２１ 加圧ゴム
２２ 支柱
２３ 受圧部材上下動ガイド
２４ 受圧部材支持バネ
２５ 受圧部材可動方向
２６ 無給油ベアリング
２７ 透視方向
２８ 発熱体
２９ 断熱部材
３０ ＩＣ裏面反り量測定箇所
３１ 超音波振動部材
３２ 基板反り量測定箇所
３３ アンダーフィル材
３４ ＩＣ基材部
３５ ＩＣ側バンプ
３６ 回路基板側バンプ
３７ 回路基板反り量測定箇所
Claims (5)
- ＩＣと回路基板との接合装置において、平面度を有する基板支持部材と、基板上に位置合わせ搭載された少なくとも２つ以上のＩＣを同時に加圧する平面度を有する１つの加圧部材と、該加圧部材を加圧する弾性部材と、該弾性部材を加圧する受圧部材と、該受圧部材を加圧する加圧力発生部とからなることを特徴とする一括接合装置。
- ＩＣと回路基板の間に接着剤を有することを特徴とする請求項１記載の一括接合装置。
- ＩＣ裏面とＩＣ加圧部材の間に弾性率１×１０１０Ｐａ以上の中間部材を有することを特徴とする請求項２記載の一括接合装置。
- 発熱体を有することを特徴とする請求項３記載の一括接合装置。
- 超音波印可部を有することを特徴とする請求項１又は４記載の一括接合装置。
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|---|---|---|---|
| JP2002279213A JP2004119594A (ja) | 2002-09-25 | 2002-09-25 | 一括接合装置 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002279213A JP2004119594A (ja) | 2002-09-25 | 2002-09-25 | 一括接合装置 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004119594A true JP2004119594A (ja) | 2004-04-15 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002279213A Withdrawn JP2004119594A (ja) | 2002-09-25 | 2002-09-25 | 一括接合装置 |
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| JP (1) | JP2004119594A (ja) |
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