JP2007035822A - 部品実装装置および部品実装方法 - Google Patents

Abstract

【課題】チップオンチップ構造の半導体装置を製造するための部品実装動作を部品ダメージを生じることなく効率よく行うことができる部品実装装置および部品実装方法を提供することを目的とする。
【解決手段】下チップ１４に上チップ１５を実装してチップオンチップ構造の実装体を形成する部品実装装置において、部品収納部２から部品移送ヘッド２１に装着された軟質材より成る第１の部品保持ノズル２２Ａによって、上チップ１５、下チップ１４を取り出して同時に搬送し、実装ステージ１８に下チップ１４を載置するとともに上チップ１５を実装ヘッド２７に供給し、下チップ１４に上チップ１５を実装した実装体を、部品移送ヘッド２１に装着された耐熱性の第２の部品保持ノズル２２Ｂによって保持して、実装ステージ１８から部品収納部２の第１の部品トレイ１３Ａに収納する。
【選択図】図２

Description

本発明は、部品の上に更に部品を重ねて実装する部品実装装置および部品実装方法に関するものである。

電子機器の製造分野においては、半導体チップを基板などのワークに実装する部品実装作業が行われる。この部品実装作業においては、半田バンプなどの接続用電極が形成された半導体チップを部品供給部から取り出して基板に移送搭載する移載動作と、搭載された半導体チップの接続用電極を基板の回路電極と接合する接合動作とが行われる。このような部品実装作業を行う装置として、従来より部品供給部から半導体チップを取り出して上下反転する部品反転機構と、部品反転機構から受け渡された半導体チップを基板に搭載する移載ヘッドとを備えた部品実装装置が知られている（例えば特許文献１参照）。
特許第３１３２３５３号公報

ところで近年電子機器の小型化・高機能化の進展に伴い、電子機器に組み込まれる実装基板の実装密度を更に高密度化することが求められている。このような高密度実装に対応するための実装形態として、複数の半導体チップを重ね合わせたいわゆるチップオンチップ構造の半導体装置が採用されるようになっている。このような半導体装置は、２つの半導体チップの回路形成面を相互に対向させて回路形成面に形成されたバンプを相互に接合することによって製造される。

しかしながら、上述の特許文献例に示す部品実装装置は、サイズが大きく搬送や位置決め保持が容易な基板上に半導体チップを移送搭載する用途を対象として機能が構成されているため、サイズがほぼ等しい２つの半導体チップを相互に接合する作業には必ずしも適していなかった。またチップ部品の移載に際しては、部品保持ノズルとの接触により傷などの部品ダメージを生じる場合があり、移載動作の高速化には限界があった。このため、チップオンチップ構造の半導体装置を製造するための部品実装動作を部品ダメージを生じることなく効率よく行うことができる部品実装装置および部品実装方法が望まれていた。

そこで本発明は、チップオンチップ構造の半導体装置を製造するための部品実装動作を部品ダメージをほとんど生じることなく効率よく行うことができる部品実装装置および部品実装方法を提供することを目的とする。

本発明の部品実装装置は、第１の部品に第２の部品を熱圧着により実装する部品実装装置であって、前記第１の部品を供給する第１の部品供給部と、前記第２の部品を供給する第２の部品供給部と、前記第１の部品が載置される実装ステージと、少なくとも部品との当接面が軟質材より成る２つの第１の部品保持ノズルおよび前記熱圧着において加熱された前記第２の部品の温度に対して耐熱性を有する第２の部品保持ノズルが装着された部品移送ヘッドを備えた部品移送手段と、前記第２の部品を実装ヘッドによって保持して前記実装ステージに載置された前記第１の部品上に搭載して熱圧着により実装する実装手段とを備え、前記第１の部品保持ノズルによって前記第１の部品および第２の部品を前記第１の部品供給部および第２の部品供給部からそれぞれ取り出して前記部品移送ヘッドによって同時に搬送し、前記第１の部品を前記実装ステージに載置するとともに前記第２の部品を前記実装ヘッドに受け渡して保持させ、前記実装ステージにて前記第１の部品に実装さ
れた前記第２の部品を前記第２の部品保持ノズルによって保持して第１の部品とともに前記実装ステージから搬出する。

本発明の部品実装方法は、第１の部品を供給する第１の部品供給部と、第２の部品を供給する第２の部品供給部と、前記第１の部品が載置される実装ステージと、少なくとも部品との当接面が軟質材より成る２つの第１の部品保持ノズルおよび前記熱圧着において加熱された前記第２の部品の温度に対して耐熱性を有する第２の部品保持ノズルが装着された部品移送ヘッドを備えた部品移送手段と、前記第２の部品を実装ヘッドによって保持して前記実装ステージに載置された前記第１の部品上に搭載して熱圧着により実装する実装手段とを備えた部品実装装置によって、前記第１の部品に前記第２の部品を熱圧着により実装する部品実装方法であって、前記第１の部品保持ノズルによって前記第１の部品および第２の部品を前記第１の部品供給部および第２の部品供給部からそれぞれ取り出して部品移送ヘッドによって同時に搬送し、前記第１の部品を前記実装ステージに載置するとともに前記第２の部品を前記実装ヘッドに受け渡して保持させ、前記実装ステージにて前記第１の部品に実装された前記第２の部品を前記第２の部品保持ノズルによって保持して第１の部品とともに前記実装ステージから搬出する。

本発明によれば、第１の部品および第２の部品を少なくとも部品との当接面が軟質材より成る第１の部品保持ノズルによって保持して同時に搬送して、第１の部品を実装ステージに載置するとともに第２の部品を実装ヘッドに受け渡して保持させ、第１の部品に熱圧着により実装された第２の部品を熱圧着において加熱された前記第２の部品の温度に対して耐熱性を有する第２の部品保持ノズルによって保持して搭載ステージから搬出する構成を採用することにより、チップオンチップ構造の半導体装置を製造するための部品実装を部品ダメージをほとんど生じることなく効率よく行うことができる。

次に本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施の形態の部品実装装置の斜視図、図２は本発明の一実施の形態の部品実装装置の正面図、図３，図４は本発明の一実施の形態の部品実装方法を示す工程説明図である。

まず図１，図２を参照して、部品実装装置１の構造を説明する。部品実装装置１は、略同サイズの半導体チップを直接重ねて実装したチップオンチップ構造の実装体（半導体装置）を形成する用途に使用されるものである。図１において、部品実装装置１は、部品収納部２および部品位置決め部３をＸ方向（部品搬送方向）に直列に配設し、その上方に部品移送部４および部品実装部５をＸ方向に配置した構成となっている。

各部の構成を説明する。部品収納部２は、Ｘ軸テーブル１１Ｘ、Ｙ軸テーブル１１Ｙを積層した位置決めテーブル１１上に、部品収納テーブル１２を装着した構成となっている。部品収納テーブル１２の上面には、第１の部品トレイ１３Ａ、第２の部品トレイ１３Ｂが保持されており、第１の部品トレイ１３Ａ、第２の部品トレイ１３Ｂには、それぞれ第１の部品である下チップ１４および第２の部品である上チップ１５が、格子状の規則配列で収納されている。

位置決めテーブル１１を駆動することにより、部品収納テーブル１２上の第１の部品トレイ１３Ａ、第２の部品トレイ１３ＢはＸ方向、Ｙ方向に水平移動する。これにより、下チップ１４、上チップ１５は、部品移送部４に対して位置合わせされ、位置合わせされた下チップ１４、上チップ１５は、部品移送部４によって取り出されてそれぞれ部品位置決め部３，部品実装部５に対して供給される。したがって、第１の部品トレイ１３Ａは第１の部品を供給する第１の部品供給部となっており、第２の部品トレイ１３Ｂは第２の部品
を供給する第２の部品供給部となっている。

下チップ１４、上チップ１５はほぼ同サイズの矩形部品であり、図２に示すように、下チップ１４の回路形成面には接続用電極１４ａが、また上チップ１５の回路形成面には半田バンプ１５ａが設けられている。下チップ１４、上チップ１５はいずれも回路形成面を上向きにしたいわゆるフェイスアップ姿勢で第１の部品トレイ１３Ａ、第２の部品トレイ１３Ｂに収納されている。部品実装装置１は第１の部品トレイ１３Ａ、第２の部品トレイ１３Ｂから取り出された下チップ１４と上チップ１５とを重ねて実装する部品実装作業を行う。この部品実装作業は、下チップ１４上に上チップ１５を搭載し、半田バンプ１５ａを接続用電極１４ａに半田接合することにより行われる。なお、接合方法は、半田バンプ１５ａを接続用電極１４ａに接合する半田接合に限られるものではなく、接着剤やＡＣＦなどの樹脂等を用いる方法でもよい。もちろん、超音波を用いてもよい。また、バンプの材質も半田に限られるものではなく、金、銀、銅、インジウムなど適宜選択可能である。

部品位置決め部３は、Ｘ軸テーブル１６Ｘ、Ｙ軸テーブル１６Ｙを積層した位置決めテーブル１６に、移動ブロック１７を装着した構成となっている。移動ブロック１７の上面には下チップ１４が載置される実装ステージ１８が設けられている。実装ステージ１８には吸引孔１８ａが設けられており、実装ステージ１８上に下チップ１４を載置した状態で吸引孔１８ａから真空吸引することにより、下チップ１４は実装ステージ１８に吸着保持される。

位置決めテーブル１６を駆動することにより、実装ステージ１８はＸ方向、Ｙ方向に水平移動し、これにより実装ステージ１８に保持された下チップ１４を部品実装部５に対して位置合わせする。また以下に説明する部品移送部４によって部品収納部２から取り出された下チップ１４を実装ステージ１８に載置する際には、Ｘ軸テーブル１６Ｘによって実装ステージ１８をＸ方向左側に移動させ、図２に示す部品受渡位置［Ｐ１］に位置させる。

部品移送部４は、Ｘ方向に配設された移動テーブル２０によって、部品移送ヘッド２１をＸ方向に往復動させる構成となっている。部品移送ヘッド２１は、３つの部品保持ノズルをターレット式に配置した複数ノズル型部品移送ヘッドであり、図２に示すように、１８０度の等配位置に配置された２つの第１の部品保持ノズル２２Ａと、これらに対して９０度の角度をなす位置に配置された第２の部品保持ノズル２２Ｂを備えている。第１の部品保持ノズル２２Ａ、第２の部品保持ノズル２２Ｂは、それぞれ部品移送ヘッド２１に内蔵された進退機構によってそれぞれ個別に部品移送ヘッド２１の中心に対して進退自在となっている。

第１の部品保持ノズル２２Ａは、チップ部品との当接時に傷などのダメージを与えにくいゴム、エラストマーなどの軟質材より成り、下チップ１４、上チップ１５を保持して取り出すために用いられる。第１の部品保持ノズル２２Ａにおいて軟質材を用いる範囲は、少なくとも部品との当接面を含む範囲であればよい。第２の部品保持ノズル２２Ｂは金属製であり、部品実装部５によって行われる熱圧着において加熱された上チップ１５の温度に対して耐熱性を有するものとなっている。したがって部品移送部４は、２つの第１の部品保持ノズル２２Ａおよび第２の部品保持ノズル２２Ｂが装着された部品移送ヘッド２１を備えた部品移送手段となっている。なお、第２の部品保持ノズル２２Ｂはセラミックス製でもよい。

また部品移送ヘッド２１は、内蔵された回転機構によってＹ方向に設けられた回転軸２１ａ廻りに１８０度の回転が可能となっている。これにより、３つの部品保持ノズルのいずれかを下向き姿勢にした状態で動作させることができるとともに、２つの第１の部品保
持ノズル２２Ａのうちの１つを上向き姿勢にした状態で動作させることが可能となっている。

すなわち部品移送ヘッド２１は、２つの第１の部品保持ノズル２２Ａを順次下向き姿勢にすることにより部品収納部２から下チップ１４、上チップ１５を連続して取り出すことができるとともに、下向き姿勢の上チップ１５を保持した部品移送ヘッド２１を１８０度回転させることにより、上チップ１５を上下反転することができるようになっている。

第１の部品トレイ１３Ａから下チップ１４を取り出して実装ステージ１８に移載する際には、下チップ１４を保持した部品移送ヘッド２１を、図２に示す部品受渡位置［Ｐ１］まで移動させ、ここで第１の部品保持ノズル２２Ａを昇降させて、保持した下チップ１４を予め部品受渡位置［Ｐ１］まで移動した実装ステージ１８に載置する。さらに部品移送ヘッド２１は、実装ステージ１８において下チップ１４に熱圧着により実装された上チップ１５を、第２の部品保持ノズル２２Ｂによって保持して実装ステージ１８から搬出し、部品収納部２に収納する機能を併せて有している。

部品実装部５は、Ｘ方向に配設された移動テーブル２５によって、実装ヘッド２７をＸ方向に往復動させる構成となっている。実装ヘッド２７はヘッド昇降機構２６によって昇降し、上チップ１５をフェイスダウン姿勢で吸着により保持する部品保持ノズル２８を備えている。第２の部品トレイ１３Ｂから第１の部品保持ノズル２２Ａによって上チップ１５を取り出した部品移送ヘッド２１を、図２に示す部品受渡位置［Ｐ１］まで移動させて、部品移送ヘッド２１を回転させるとともに、実装ヘッド２７を部品受渡位置［Ｐ１］まで移動させることにより、第１の部品保持ノズル２２Ａに保持された上チップ１５を実装ヘッド２７に受け渡すことができる。このとき、第２の部品トレイ１３Ｂにおいては半田バンプ１５ａを上向きにしたフェイスアップ姿勢であった上チップ１５は、部品移送ヘッド２１によって上下反転されることにより、半田バンプ１５ａを下向きにしたフェイスダウン姿勢で実装ヘッド２７に受け渡される。

上チップ１５を受け取った後の実装ヘッド２７は部品実装位置［Ｐ２］に移動し、ここで昇降動作を行うことにより、上チップ１５を部品実装位置［Ｐ２］に移動した実装ステージ１８上の下チップ１４に搭載する。実装ヘッド２７は接合手段としての加熱手段を内蔵しており、部品保持ノズル２８を介して上チップ１５を加熱することができるようになっている。実装ヘッド２７によって保持した上チップ１５を、実装ステージ１８に載置された下チップ１４に対して下降させて半田バンプ１５ａを接続用電極１４ａに接触させる実装動作において、実装ヘッド２７によって上チップ１５を加熱することにより、半田バンプ１５ａが溶融して接続用電極１４ａに半田接合され、これにより上チップ１５は下チップ１４に実装される。部品実装部５は、上チップ１５を実装ヘッド２７によって保持して、実装ステージ１８に載置された下チップ１４に搭載して熱圧着により実装する実装手段となっている。

なお、第１の部品である下チップ１４に第２の部品である上チップ１５を接合する接合手段として、実装ヘッド２７に内蔵した加熱手段を例示したが、接合手段はこれに限られるものではない。実装ヘッド２７に設けた振動印加手段によって超音波振動などの振動を印加して接合してもよいし、ヒータによる加熱と振動印加を併用してもよい。また、ヒータなどの接合手段を実装ステージ１８側に設けてもよい。

部品位置決め部３の斜め上方には、認識ユニット３０が配設されている。認識ユニット３０は、上方の撮像視野と下方の撮像視野を単一撮像動作で撮像可能な２視野光学系を備えており、移動機構（図示省略）によってＹ方向に進退自在となっている。実装ステージ１８に下チップ１４が載置され、且つ上チップ１５を吸着保持した実装ヘッド２７が実装
ステージ１８の直上に位置した状態で、認識ユニット３０を実装ステージ１８と実装ヘッド２７との間に進出させることにより、下チップ１４と上チップ１５を同一の撮像動作によって撮像して認識することができる。認識ユニット３０は、実装ステージ１８上の下チップ１４および実装ヘッド２７によって保持された上チップ１５を光学的に認識する認識手段となっている。

次に、図３、図４を参照して、部品実装装置１による部品実装動作について説明する。まず図３（ａ）に示すように、一方側の第１の部品保持ノズル２２Ａを下向きにした部品移送ヘッド２１を、部品収納部２の第２の部品トレイ１３Ｂの上方へ移動させる。そして実装対象となる上チップ１５に第１の部品保持ノズル２２Ａを位置合わせして下降させ、上チップ１５を回路形成面側から吸着保持する。次いで部品移送ヘッド２１を１８０度回転させて、他方側の空の状態の第１の部品保持ノズル２２Ａを下向きにした部品移送ヘッド２１を第１の部品トレイ１３Ａの上方に移動させ、図３（ｂ）に示すように、第１の部品保持ノズル２２Ａによって下チップ１４を吸着保持する。

この後、部品移送ヘッド２１によって下チップ１４、上チップ１５を部品位置決め部３、部品実装部５に受け渡す動作が実行される。すなわち、図３（ｃ）に示すように、２つの第１の部品保持ノズル２２Ａにそれぞれ下チップ１４、上チップ１５を保持した部品移送ヘッド２１を、部品位置決め部３の部品受渡位置［Ｐ１］へ移動させて下チップ１４、上チップ１５を同時に搬送する。次いで、予め部品受渡位置［Ｐ１］へ移動した実装ステージ１８に、第１の部品保持ノズル２２Ａに保持された下チップ１４を接続用電極１４ａを上向きにしたフェイスアップ姿勢で載置する。次いで、実装ヘッド２７を部品受渡位置［Ｐ１］へ移動させ、図３（ｄ）に示すように、第２の部品保持ノズル２２Ａに保持された上チップ１５を、実装ヘッド２７の部品実装ノズル２８に半田バンプ１５ａを下向きにしたフェイスダウン姿勢で保持させる。

そしてこの後、上チップ１５を保持した実装ヘッド２７が部品実装位置［Ｐ２］に移動したならば、図４（ａ）に示すように、認識ユニット３０を実装ステージ１８と実装ヘッド２７との間に進出させ、認識ユニット３０に備えられた２視野光学系によって下チップ１４と上チップ１５とを同一撮像動作で撮像する。撮像結果は認識手段（図示省略）によって認識処理され、下チップ１４の接続用電極１４ａと上チップ１５の半田バンプ１５ａが認識される。そしてこの認識結果に基づいて、接続用電極１４ａと半田バンプ１５ａの位置ずれが検出される。

この後認識ユニット３０が実装ヘッド２７の下方から退避したならば、図４（ｂ）に示すように、実装ヘッド２７を下降させて、上チップ１５を下チップ１４に搭載する。このとき、前述の認識工程によって得られた接続用電極１４ａと半田バンプ１５ａの位置ずれを加味して位置決めテーブル１６を制御することにより、半田バンプ１５ａは接続用電極１４ａに正しく位置合わせされる。この搭載動作時には、部品移送ヘッド２１は第２の部品保持ノズル２２Ｂを下向きにした状態で、部品受渡位置［Ｐ１］において待機状態にある。

そして実装ヘッド２７によって上チップ１５を加熱し、半田バンプ１５ａを溶融させて接続用電極１４ａに半田接合することにより、実装ヘッド２７に保持された上チップ１５を実装ステージ１８に載置された下チップ１４に実装する。これにより、下チップ１４に上チップ１５を実装した実装体１９が形成される。この時、実装ヘッド２７の高さ位置を制御して上チップ１５と下チップ１４との間隔を適正に保つことにより、半田バンプ１５ａが溶融した溶融半田が流動することによる不具合を防止するようにしている。

半田接合が完了した後に、実装ステージ１８による下チップ１４の吸着保持を解除して
実装ヘッド２７を上昇させたならば、実装体１９の搬出が行われる。すなわち図４（ｃ）に示すように、実装体１９が載置された状態の実装ステージ１８を部品受渡位置［Ｐ１］まで移動させ、次いで部品移送ヘッド２１を実装ステージ１８に対して下降させて、第２の部品保持ノズル２２Ｂによって実装体１９の上チップ１５を保持する。次いで、図４（ｄ）に示すように、部品移送ヘッド２１を部品収納部２に移動させて、第２の部品保持ノズル２２Ｂによって保持した上チップ１５を、下チップ１４とともに第１の部品トレイ１３Ａに収納する。

上記説明したように、本実施の形態の部品実装装置においては、少なくとも部品との当接面が軟質材より成る第１の部品保持ノズル２２Ａによって下チップ１４および上チップ１５を第１の部品トレイ１３Ａおよび第２の部品トレイ１３Ｂからそれぞれ取り出して部品移送ヘッド２１によって同時に搬送し、下チップ１４を実装ステージ１８に載置するとともに上チップ１５を実装ヘッド２７に受け渡して保持させる。そして実装ヘッド２７によって保持された上チップ１５を実装ステージ１８に載置された下チップ１４に搭載して熱圧着により実装し、さらに下チップ１４に実装された上チップ１５を熱圧着において加熱された上チップ１５の温度に対して耐熱性を有する第２の部品保持ノズル２２Ｂによって保持して実装ステージ１８から搬出する構成を採用している。

これにより、下チップ１４、上チップ１５を部品収納部２から取り出して供給する部品移載動作において、下チップ１４、上チップ１５にダメージを与えることなく高速移載動作を実現することができ、下チップ１４、上チップ１５を同時搬送する動作効率の改善と相俟ってチップオンチップ構造の半導体装置を製造するための部品実装を、部品ダメージをほとんど生じることなく効率よく行うことができる。

本発明の部品実装装置および部品実装方法は、チップオンチップ構造の半導体装置を製造するための部品実装を部品にダメージをほとんど与えることなく効率よく行うことができるという効果を有し、２つの半導体チップを重ねた構造の半導体装置の製造分野に利用可能である。

本発明の一実施の形態の部品実装装置の斜視図 本発明の一実施の形態の部品実装装置の正面図 本発明の一実施の形態の部品実装方法を示す工程説明図 本発明の一実施の形態の部品実装方法を示す工程説明図

符号の説明

１ 部品実装装置
２ 部品収納部
３ 部品位置決め部
４ 部品移送部
５ 部品実装部
１３Ａ 第１の部品トレイ
１３Ｂ 第２の部品トレイ
１４ 下チップ
１５ 上チップ
１８ 実装ステージ
１９ 実装体
２１ 部品移送ヘッド
２２Ａ 第１の部品保持ノズル
２２Ｂ 第２の部品保持ノズル
２７ 実装ヘッド

Claims (2)

1. 第１の部品に第２の部品を熱圧着により実装する部品実装装置であって、
   前記第１の部品を供給する第１の部品供給部と、前記第２の部品を供給する第２の部品供給部と、前記第１の部品が載置される実装ステージと、少なくとも部品との当接面が軟質材より成る２つの第１の部品保持ノズルおよび前記熱圧着において加熱された前記第２の部品の温度に対して耐熱性を有する第２の部品保持ノズルが装着された部品移送ヘッドを備えた部品移送手段と、前記第２の部品を実装ヘッドによって保持して前記実装ステージに載置された前記第１の部品上に搭載して熱圧着により実装する実装手段とを備え、
   前記第１の部品保持ノズルによって前記第１の部品および第２の部品を前記第１の部品供給部および第２の部品供給部からそれぞれ取り出して前記部品移送ヘッドによって同時に搬送し、前記第１の部品を前記実装ステージに載置するとともに前記第２の部品を前記実装ヘッドに受け渡して保持させ、前記実装ステージにて前記第１の部品に実装された前記第２の部品を前記第２の部品保持ノズルによって保持して第１の部品とともに前記実装ステージから搬出することを特徴とする部品実装装置。
2. 第１の部品を供給する第１の部品供給部と、第２の部品を供給する第２の部品供給部と、前記第１の部品が載置される実装ステージと、少なくとも部品との当接面が軟質材より成る２つの第１の部品保持ノズルおよび前記熱圧着において加熱された前記第２の部品の温度に対して耐熱性を有する第２の部品保持ノズルが装着された部品移送ヘッドを備えた部品移送手段と、前記第２の部品を実装ヘッドによって保持して前記実装ステージに載置された前記第１の部品上に搭載して熱圧着により実装する実装手段とを備えた部品実装装置によって、前記第１の部品に前記第２の部品を熱圧着により実装する部品実装方法であって、
   前記第１の部品保持ノズルによって前記第１の部品および第２の部品を前記第１の部品供給部および第２の部品供給部からそれぞれ取り出して部品移送ヘッドによって同時に搬送し、前記第１の部品を前記実装ステージに載置するとともに前記第２の部品を前記実装ヘッドに受け渡して保持させ、前記実装ステージにて前記第１の部品に実装された前記第２の部品を前記第２の部品保持ノズルによって保持して第１の部品とともに前記実装ステージから搬出することを特徴とする部品実装方法。
   

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