JP2008288444A - 電子部品の実装装置及び実装方法 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は半導体チップに超音波振動を付与して基板に実装するとき、超音波振動を付与し過ぎないようにした実装装置を提供することにある。
【解決手段】振動子２３によって超音波振動させられるホーン２２を有し、ホーンに半導体チップを吸着保持するツール部２５が設けられた超音波実装ツール２１と、ツール部に吸引力を発生させる吸引ポンプ３６と、ツール部に半導体チップが吸着保持されたときに吸引ポンプとツール部とに通じる吸引チューブ３４内の圧力変化を検出するとともに、ツール部に吸着保持された半導体チップがホーンに生じる超音波振動によって基板に実装されたときに吸引チューブに生じる圧力変化を検出する圧力検出センサ３５を具備する。
【選択図】 図３

Description

この発明は基板に半導体チップなどの電子部品を超音波振動によって実装する電子部品の実装装置及び実装方法に関する。

たとえば、電子部品であるバンプ付きの半導体チップをポリイミド製のテープ状部材などの基板に実装する場合、この半導体チップに押圧荷重と超音波振動を与えて上記基板に実装する方法が知られている。つまり、半導体チップを基板の被接合面に所定の圧力で加圧しながら超音波振動を与え、基板に形成されたリードと半導体チップのバンプとの接触部分を接合させるというものである。

このような実装は超音波実装ツールを用いて行われる。超音波実装ツールはホーンを有する。このホーンの長手方向の一端には振動子が接続固定されている。この振動子には超音波発振器が接続される。この超音波発振器は上記振動子にたとえば４０ｋＨｚの高周波電圧を印加する。それによって、振動子が駆動されて超音波振動するから、その振動波によって上記ホーンも超音波振動する。つまり、ホーンは長手方向である、横方向に超音波振動する。

上記ホーンの中途部の振動が最大となる部分の下面には上記半導体チップを吸着保持するツール部が突出形成されている。つまり、ツール部の下端面である、吸着面には複数の吸引孔が開口形成されていて、この吸引孔に生じる吸引力によって上記半導体チップを上記吸着面に吸着保持する。このような先行技術は特許文献１に示されている。

上記吸引孔は吸引路を介して吸引ポンプに連通している。上記ツール部に半導体チップが吸着保持されると、上記吸引路の一端が閉塞されるから、この吸引路内の負圧が大きくなる。つまり、吸引路内の圧力が低下する。したがって、吸引路内の圧力を検出センサで検出し、上記ツール部に半導体チップが吸着保持されたか否かを検出することができる。

上記ツール部に半導体チップが吸着保持されたということが検出されたならば、超音波実装ツールを下降させて半導体チップを基板に所定の圧力で押圧し、それと同時に超音波実装ツールを超音波振動させることで、上記半導体チップを上記基板に実装するようにしている。
従来、このような半導体チップの実装は予め実装時間を設定し、その設定時間に基いて半導体チップに加圧力と超音波振動を加えるようにしていた。
特開２００６−１５６８１３号公報

半導体チップに加圧力と超音波振動を与えて上記基板に実装する場合、実装に要する時間は基板のリードや半導体チップのバンプの材質、リードやバンプに伝達される超音波振動の強さ、さらに基板を支持したステージに設けられたヒータからの伝熱温度などによって変化する。

しかしながら、実装時間を予め設定し、一定に設定された設定時間に基いて半導体チップに加圧力と超音波振動を与えて半導体チップの実装を行なうようにすると、バンプがリードに接合された、実装後にさらに半導体チップに超音波振動を与えてしまうということがある。

実装後に半導体チップに超音波振動を与えると、基板に形成されたリードや半導体チップのバンプが設けられたパッドに加わる超音波振動の衝撃が増大し、その衝撃によってリードが切断されたり、パッドにクラックが生じるということがあり、それらのことによって実装不良を招く原因になるということがあった。

この発明は、基板に電子部品が実装されたならば、直ちに電子部品に対する超音波振動の付与を停止できるようにして、実装不良を防止するようにした電子部品の実装装置及び実装方法を提供することにある。

この発明は、基板に電子部品を実装する実装装置であって、
振動子によって超音波振動させられるホーンを有し、このホーンに上記電子部品を吸着保持するツール部が設けられた超音波実装ツールと、
上記ツール部に吸引力を発生させる吸引手段と、
上記ツール部に上記電子部品が吸着保持されたときに上記吸引手段と上記ツール部とに通じる吸引路の圧力変化を検出するとともに、上記ツール部に吸着保持された電子部品が上記ホーンに生じる超音波振動によって上記基板に実装されたときに上記吸引路に生じる圧力変化を検出する圧力検出手段と
を具備したことを特徴とする電子部品の実装装置にある。

上記ツール部の上記電子部品を吸着保持する保持面が鏡面加工されていることが好ましい。

上記ツール部によって上記電子部品が上記基板に実装されたことを上記圧力検出手段が検出したときに、その検出信号によって上記超音波実装ツールを超音波振動させる上記振動子の駆動を停止させる制御手段が設けられていることが好ましい。

この発明は、基板に電子部品を実装する実装方法であって、
振動子によって超音波振動させられる超音波実装ツールのツール部に吸引力を発生させ、そのツール部に電子部品を吸着保持する工程と、
上記ツール部に吸着保持された電子部品を上記基板に超音波振動によって実装する工程と、
上記ツール部に吸着保持された電子部品が超音波振動によって上記基板に実装されたときに生じる上記電子部品を吸着保持する吸引力の圧力変化を検出する工程と
を具備したことを特徴とする電子部品の実装方法にある。

上記電子部品が上記基板に実装されて上記電子部品を上記ツール部に吸着保持する吸引力の変化を検出したときに、その検出に基いて上記超音波実装ツールによる上記電子部品の実装を終了させることが好ましい。

この発明によれば、電子部品が基板に実装されたとき、電子部品と基板の接合力によって電子部品がツール部に対してずれ動くことで、吸着状態が変化するから、その吸着状態の変化によってツール部に電子部品を吸着保持した吸引力が一時的に変動する。

そのため、ツール部に電子部品を吸着保持した吸引力を検出し、その吸引力の変動によって電子部品が基板に実装されたことを検出すれば、実装後に電子部品に超音波振動を付与するのを防止することができる。

以下、この発明の一実施の形態を図面を参照して説明する。
図１はこの発明の実装装置の側面図で、図２は正面図である。図１に示すように、この実装装置は装置本体１を備えている。この装置本体１にはＹガイド体２がＹ方向に沿って設けられ、このＹガイド体２には矢印で示すＹ可動体３がＹ方向に駆動可能に設けられている。

上記Ｙ可動体３の前端面には上下方向に所定間隔で離間した一対のＸガイド体４がＸ方向に沿って設けられている。このＸガイド体４にはＸ可動体５が駆動可能に設けられている。このＸ可動体５は側面形状が逆Ｌ字状に形成されていて、垂直壁の外面に上記Ｘガイド体４に移動可能に係合する受け部６が設けられている。

Ｘ可動体５の垂直壁５ａの内面には上下方向に沿って一対のＺガイド体７がＸ方向に所定間隔で離間して設けられている。このＺガイド体７にはＺ可動体８が矢印Ｚで示す上下方向に駆動可能に設けられている。このＺ可動体８の上面と、上記Ｘ可動体５の水平壁５ｂの下面との間には複数、たとえば４つのばね１１が張設されていて、上記Ｚ可動体８を上昇方向に付勢している。

上記Ｘ可動体５の水平壁の上面にはＺ駆動源であるシリンダ１２が軸線を垂直にして設けられている。このシリンダ１２のロッド１３の先端には押圧部材１４が設けられている。この押圧部材１４は上記Ｚ可動体８の上面に回転軸線を水平にして設けられたローラ１５に当接している。したがって、上記シリンダ１２のロッド１３が突出方向に付勢されると、上記Ｚ可動体８をばね１１の復元力に抗して下降方向に駆動させることができるようになっている。

上記Ｚ可動体８の下面にはθ駆動源１６が設けられている。このθ駆動源１６によって回転駆動されるθ可動体１７には超音波実装ツール２１が取り付けられている。この超音波実装ツール２１は図３に示すように角柱状のホーン２２を有する。このホーン２２の長手方向一端には振動子２３が連結固定されている。この振動子２３には発振器２０が接続されていて、この発振器２０からたとえば４０ｋＨｚの高周波電圧が印加される。それによって、上記振動子２３が駆動され、この振動子２３とともに上記ホーン２２が超音波振動する。

上記ホーン２２の長手方向中央部の下面、つまり上記ホーン２２に伝播する振動波による振動が最大となる、振動の腹の部分には矩形状のベース部２４が設けられている。このベース部２４の下面にはツール部２５がホーン２２の幅方向全長にわたって突出形成されている。

図３と図４に示すように、上記ツール部２５の下端面には吸引孔２６の一端が開口形成されている。このツール部２５の下端面は、電子部品としての半導体チップＣが上記吸引孔２６に後述するように発生する吸引力によって吸着保持される保持面２５ａとなっている。この保持面２５ａは、吸着保持した上記半導体チップＣに対する摩擦係数が小さくなるよう、鏡面加工されている。

それによって、半導体チップＣを上記保持面２５ａに吸着保持したとや後述するように保持面２５ａに対する半導体チップＣの吸着状態が変化したときなどに、半導体チップＣの表面に傷がつくのが防止される。

上記ホーン２２の上面の上記ツール部２５に対応する長手方向の中央部である、振動波の腹の部分には、上記ベース部２４とほぼ同じ平面形状の荷重受け部２７が突出形成されている。なお、上記ツール部２５と荷重受け部２７は、上記ホーン２２と一体形成されている。

上記荷重受け部２７の上面には、上記ホーン２２と同じ幅寸法で、長さ寸法がホーン２２よりも短い帯板状のブラケット２８が長手方向中央部の下面を接触させて設けられている。このブラケット２８の両端部はそれぞれねじ２９によって上記ホーン２２の横振動が最小となる、振動波の節の部分に連結固定されている。

上記ブラケット２８の両端部分と上記荷重受け部２７に接触した部分との間の部分は、この部分の剛性をブラケット２８の他の部分よりも低くする低剛性部２８ａに形成されている。上記低剛性部２８ａはブラケット２８の幅方向に貫通する空洞部３０によって形成されている。この空洞部３０はブラケット２８の長手方向に沿って長いＨ形状で、隅部は応力集中を避けるようＲ状に形成されている。

したがって、上記ブラケット２８を荷重受け部２７を介してホーン２２に固定するため、ブラケット２８の両端部のねじ２９をホーン２２に締め込むと、ブラケット２８の空洞部３０が形成された低剛性部２８ａが弾性変形して湾曲する。そのため、ブラケット２８の両端部分をホーン２２にねじ２９によって連結固定しても、このブラケット２８の長手方向中央部分と荷重受け部２７とは面接触状態が維持されることになる。

上記ブラケット２８は、上記荷重受け部２７に接触した部分の上面が上記θ可動体１７の下面に取り付け固定される。したがって、上記超音波実装ツール２１はＸ、Ｙ、Ｚ及びθ方向に駆動可能となっている。

図１と図２に示すように、上記超音波実装ツール２１の下方にはヒータ３１ａが内蔵されたステージ３１が配設されている。このステージ３１は、詳細は図示しないがＸ、Ｙ、及びＺ方向に駆動可能となっている。ステージ３１の上面にはポリイミド製のテープ状部材などの基板３２が供給載置される。この基板３２に対して上記超音波実装ツール２１のツール部２５が位置決めされて下降する。それによって、ツール部２５に保持された半導体チップＣがＺ可動体８による加圧力と、ホーン２２の横振動とによって上記基板３２に圧着される。

図２に示すように、上記ホーン２２の上面に設けられた荷重受け部２７の一側面には上記吸引孔２６の他端が開口している。この吸引孔２６の他端には上記吸引孔２６とで吸引路を形成する吸引チューブ３４の一端が接続されている。

図３に示すように、上記吸引チューブ３４の他端は、この吸引チューブ３４内の圧力を検出する圧力検出手段としての圧力検出センサ３５を介して吸引手段としての吸引ポンプ３６に接続されている。吸引ポンプ３６が作動すると、吸引チューブ３４内の圧力が減圧される。そして、上記吸引チューブ３４が連通した上記ツール部２５の保持面２５ａに半導体チップＣが吸着されると、上記吸引チューブ３４内の圧力は吸引ポンプ３６の吸引力とほぼ同じ圧力に低下する。

上記圧力検出センサ３５は上記吸引ポンプ３６が作動して上記ツール部２５の保持面２５ａに半導体チップＣが吸着保持された状態での上記吸引チューブ３４内の圧力を検出する。

上記圧力検出センサ３５の検出信号は制御手段としての制御装置３７に出力される。制御装置３７は圧力検出センサ３５からの検出信号をデジタル信号に変化して予め設定された設定値と比較する。この設定値は、吸引ポンプ３６の吸引力、つまり上記ツール部２５の保持面２５ａに半導体チップＣが吸着保持された状態での上記吸引チューブ３４内の圧力とほぼ同じ値に設定されている。

そして、制御装置３７は、上記圧力検出センサ３５が吸引チューブ３４内の圧力が制御装置３７に設定された設定値よりもわずかに大きくなったことを検出すると、この圧力検出センサ３５からの検出信号に基いて上記発振器２０による上記振動子２３の発振動作を停止するようになっている。つまり、半導体チップＣを基板３２に実装しているときに、吸引チューブ３４内の圧力がわずかに上昇すると、上記振動子２３の発振動作を停止させるようになっている。

半導体チップＣを基板３２に実装しているときの上記吸引チューブ３４内の圧力は、以下の理由によって上昇することが確認された。すなわち、超音波実装ツール２１の振動子２３を超音波振動させ、図４（ａ）に示すように基板３２に半導体チップＣを実装しているとき、基板３２の図示しないリードに、半導体チップＣの図示しないパンプが接合されると、その接合力によってツール部２５の保持面２５ａに吸着保持された半導体チップＣが基板３２側に引き寄せられ、この半導体チップＣの上記保持面２５ａに対する吸着状態が変化する。

吸着状態が変化すると、その瞬間に半導体チップＣが上記保持面２５ａに対してずれ動き、図４（ｂ）に示すように保持面２５ａと半導体チップＣ間にわずかな隙間Ｇ（同図では分かり易いように隙間Ｇを拡大して示している。）が生じ、吸引チューブ３４の一端が吸引孔２６を介して大気に連通する。それによって、上記圧力検出センサ３５が検出する吸引チューブ３４内の圧力が上昇することになる。
なお、上記制御装置３７は、上記振動子２３に高周波電圧を印加する発振器２０、上記吸引ポンプ３６さらには上記シリンダ１２の駆動も制御するようになっている。

このような構成の実装装置によれば、超音波実装ツール２１の振動子２３を作動させてツール部２５の保持面２５ａに吸着保持された半導体チップＣを超音波振動させ、その半導体チップＣを基板３２に所定の加圧力で押圧しながら、ステージ３１に設けられたヒータ３１ａに通電して上記半導体チップＣを実装する。

半導体チップＣの実装が進行して半導体チップＣのバンプが基板３２のリードに接合すると、それらの接合力によって半導体チップＣのツール部２５の保持面２５ａに対する吸着保持状態が図４（ａ）に示す状態から変化し、半導体チップＣが保持面２５ａに対してわずかにずれ動く。それによって、図４（ｂ）に示すようにツール部２５の保持面２５ａと半導体チップＣとの間に隙間Ｇが生じるから、吸引チューブ３４の一端が吸引孔２６を介して大気に連通し、この吸引チューブ３４内の吸引力が上昇する。

しかも、ツール部２５の保持面２５ａは半導体チップＣとの摩擦力を低減させるために鏡面に加工されている。そのため、上記保持面２５ａに対する半導体チップＣの吸着状態が変化し、半導体チップＣが保持面に対してずれ動いても、半導体チップＣに傷が付き難い。

さらに、保持面２５ａが摩擦抵抗の小さな鏡面に加工されていることで、この保持面２５ａに対する半導体チップＣの吸着状態が変化したとき、半導体チップＣが保持面に対してずれ動き易いから、そのことによっても半導体チップＣが基板３２に実装されたときの吸引チューブ３４内の圧力変化を圧力検出センサ３５によって確実に検出することができる。

吸引チューブ３４内の圧力が上昇し、そのことが圧力検出センサ３５によって検出されると、その検出信号が制御装置３７に出力される。制御装置３７は圧力検出センサ３５からの検出信号によって即座に振動子２３への通電を停止する。それによって、半導体チップＣの実装が終了することになる。

すなわち、吸引チューブ３４内の圧力の変化を圧力検出センサ３５によって検出すれば、基板３２のリードに半導体チップＣのバンプが接合されたか否かを、上記圧力検出センサ３５が検出する圧力変化によって判定できるから、半導体チップＣが基板３２に実装されたならば、即時に振動子２３の超音波発振を停止して実装を終了させることができる。

そのため、基板３２のリードや半導体チップＣのバンプに対し、超音波振動を必要以上に付与することを防止できるから、上記リードを切断したり、上記バンプが形成されたパッドにクラックを生じさせるなどの実装不良を招くのを防止することができる。

上記圧力検出センサ３５によって吸引チューブ３４内の圧力変化を検出したとき、つまり実装が終了したときに振動子２３を駆動する発振器２０への通電を停止させると同時に、シリンダ１２によって超音波実装ツール２１を上昇方向へ駆動し、超音波実装ツール２１のツール部２５を介して半導体チップＣに付与した加圧力を除去するようにしてもよい。

それによって、基板３２のリードや半導体チップＣのバンプに必要以上に荷重を加えることが防止できるから、そのことによってもリードやバンプが損傷するのを防止することができる。

この発明の一実施の形態の実装装置の概略的構成を示す側面図。 図１の実装装置の正面図。 超音波実装ツールの概略的構成を示す正面図。 （ａ）は半導体チップが基板に接合される前の状態の説明図、（ｂ）は半導体チップが基板に接合されたときの状態の説明図。

符号の説明

２１…超音波実装ツール、２２…ホーン、２３…振動子、２５…ツール部、２５ａ…保持面、３４…吸引チューブ（吸引路）、３５…圧力検出センサ（圧力検出手段）、３６…吸引ポンプ、３７…制御装置（制御手段）。

Claims (5)

1. 基板に電子部品を実装する実装装置であって、
   振動子によって超音波振動させられるホーンを有し、このホーンに上記電子部品を吸着保持するツール部が設けられた超音波実装ツールと、
   上記ツール部に吸引力を発生させる吸引手段と、
   上記ツール部に上記電子部品が吸着保持されたときに上記吸引手段と上記ツール部とに通じる吸引路の圧力変化を検出するとともに、上記ツール部に吸着保持された電子部品が上記ホーンに生じる超音波振動によって上記基板に実装されたときに上記吸引路に生じる圧力変化を検出する圧力検出手段と
   を具備したことを特徴とする電子部品の実装装置。
2. 上記ツール部の上記電子部品を吸着保持する保持面が鏡面加工されていることを特徴とする請求項１記載の電子部品の実装装置。
3. 上記ツール部によって上記電子部品が上記基板に実装されたことを上記圧力検出手段が検出したときに、その検出信号によって上記超音波実装ツールを超音波振動させる上記振動子の駆動を停止させる制御手段が設けられていることを特徴とする請求項１記載の電子部品の実装装置。
4. 基板に電子部品を実装する実装方法であって、
   振動子によって超音波振動させられる超音波実装ツールのツール部に吸引力を発生させ、そのツール部に電子部品を吸着保持する工程と、
   上記ツール部に吸着保持された電子部品を上記基板に超音波振動によって実装する工程と、
   上記ツール部に吸着保持された電子部品が超音波振動によって上記基板に実装されたときに生じる上記電子部品を吸着保持する吸引力の圧力変化を検出する工程と
   を具備したことを特徴とする電子部品の実装方法。
5. 上記電子部品が上記基板に実装されて上記電子部品を上記ツール部に吸着保持する吸引力の変化を検出したときに、その検出に基いて上記超音波実装ツールによる上記電子部品の実装を終了させることを特徴とする請求項１記載の電子部品の実装方法。

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