JP4957193B2

JP4957193B2 - 熱圧着装置および熱圧着方法

Info

Publication number: JP4957193B2
Application number: JP2006301183A
Authority: JP
Inventors: 智昭中西
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-11-07
Filing date: 2006-11-07
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2026-11-07
Also published as: JP2008117993A

Description

本発明は、熱圧着装置および熱圧着方法に関するものである。

半田バンプが形成されたフリップチップの実装に際しては、基板に対するフリップチップの実装高さを調整してフリップチップと基板との間に適切なクリアランスを形成することで、ブリッジやオープン等の半田接合不良を回避することが重要な課題である。従来の実装装置では、熱圧着ツールに保持したフリップチップを加熱しながら基板に対して押圧し、溶融した半田でフリップチップと基板を接合させる方法が広く用いられている。実装装置には半田バンプにかかる荷重を検出する荷重検出手段が設けられ、荷重の急激な減少により半田バンプが溶融したことを検出すると、熱圧着ツールを上昇させた後に加熱を中断し、半田が自然冷却されて徐々に固化する過程で熱圧着ツールの高さを調節し、ヘッド７に吸着された電子部品１０の実装高さを調整する（特許文献１参照）。
特開平１１−１４５１９７号公報

半田バンプを溶融させる過程では、熱圧着ツールによりフリップチップが加熱されるが、同時に熱圧着ツール自体にも伝熱するため、微小ではあるが押圧方向に熱変形による伸びが生ずることがある。フリップチップを加熱する際に熱圧着ツールが伸びると、実装高さが低下し、半田バンプにかかる荷重が増加することなる。近年、フリップチップはますます小型化、高密度化しており、半田バンプにかかる荷重の変動が接合品質に与える影響は無視できないものになってきている。

そこで本発明は、半田バンプの溶融時における押圧荷重の変動を抑制した熱圧着装置および熱圧着方法を提供することを目的とする。

請求項１記載の熱圧着装置は、半田バンプが形成された電子部品を加熱しながら基板に対して押圧する熱圧着ツールと、前記熱圧着ツールによる押圧荷重を検出する荷重検出手段と、前記熱圧着ツールの押圧方向における変位を検出する変位検出手段と、基板に対する電子部品の実装高さを管理する制御手段と、を備えた熱圧着装置であって、前記制御手段が、加熱開始後に前記変位検出手段により検出された変位が所定の閾値を超えるまでは前記荷重検出手段により検出された荷重の変化に基づいた制御を行い、所定の閾値を超えてからは前記変位検出手段により検出された変位に基づいた制御を行う。

請求項２記載の熱圧着装置は、請求項１に記載の熱圧着装置であって、加熱開始後に前記変位検出手段により検出された変位が所定の閾値を超えたときに電子部品の加熱を停止する。

請求項３記載の熱圧着装置は、請求項１または２に記載の熱圧着装置であって、前記制御手段が、加熱開始後に前記変位検出手段により前記熱圧着ツールの押圧方向における変位が検出されると、電子部品の実装高さを前記半田バンプが溶融する以前の実装高さに補正する制御を行う。

請求項４記載の熱圧着方法は、半田バンプが形成された電子部品を熱圧着ツールで加熱しながら押圧して基板に熱圧着する熱圧着方法であって、加熱開始後に前記熱圧着ツール
の押圧方向における変位が所定の閾値を超えるまでは前記熱圧着ツールによる押圧荷重の変化に基づいて基板に対する電子部品の実装高さを管理し、所定の閾値を超えてからは前記熱圧着ツールの押圧方向における変位に基づいて基板に対する電子部品の実装高さを管理する。

請求項５記載の熱圧着方法は、請求項４に記載の熱圧着方法であって、加熱開始後に前記熱圧着ツールの押圧方向における変位が所定の閾値を超えたときに電子部品の加熱を停止する。

請求項６記載の熱圧着方法は、請求項４または５に記載の熱圧着方法であって、加熱開始後に前記変位検出手段により前記熱圧着ツールの押圧方向における変位が検出されると、電子部品の実装高さを前記半田バンプが溶融する以前の実装高さに補正する。

本発明によれば、半田が溶融を開始した時点をヘッドの押圧方向における変位で検出し、半田が溶融を開始するまではロードセルを用いた荷重制御を行い、押圧荷重を一定に維持するとともに、半田が溶融を開始した後は、リニアスケールを用いた位置制御を行い、実装高さを一定に維持する。これにより、半田バンプの溶融における押圧荷重の変動を抑制し、電子部品や基板に過度の荷重が作用する事態を回避することができる。

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熱圧着装置の側面図、図２は熱圧着装置における熱圧着動作を時系列で示したグラフである。

最初に熱圧着装置について説明する。図１において、熱圧着装置１は、熱圧着ツール２と、昇降装置３と、ロードセル４と、リニアスケール５と、演算処理装置６とで構成されている。熱圧着ツール２は、ヘッド７の下端に吸着した電子部品１０を加熱しながら基板１１に対して押圧する機能を有する。ヘッド７には、吸着した電子部品１０の半田バンプ１０ａを加熱して溶融させるセラミックヒータ８が設けられており、溶融した半田により電子部品１０と基板１１が接合される。

昇降装置３は、熱圧着ツール２を昇降させ、ヘッド７に吸着された電子部品１０の実装高さを調整する機能を有する。電子部品１０の半田バンプ１０ａを基板１１に当接させた状態で熱圧着ツール２をさらに下降させることで、電子部品１０を基板１１に対して押圧する。昇降装置３としては様々な構成のものが採用できるが、ここでは送りねじ機構が用いられており、送り方向を鉛直方向に設定したボールねじ１２と螺合するナット１３を熱圧着ツール２のブラケット１５に設け、モータ１４によりボールねじ１２を正逆回転させることで熱圧着ツール２を昇降させている。

ロードセル４は、ヘッド７にかかる荷重を検出する機能を有し、熱圧着ツール２に対するヘッド７の押圧方向における変位と相関する荷重の変化を検出する荷重検出手段としての機能を有する。ヘッド７はロードセル４により熱圧着ツール２に垂下された状態で支持されているため、ヘッド７に吸着した電子部品１０が基板１１に当接していない状態では、ロードセル４はヘッド７と電子部品１０の重量を合計した荷重Ｗを検出する。電子部品１０の半田バンプ１０ａを基板１１に当接させた状態で熱圧着ツール２をさらに下降させると、電子部品１０が基板１１に対して押圧されるが、この押圧荷重ｗと等しい反力が基板１１から半田バンプ１０ａに向けて作用する。そのため、ロードセル４により検出される荷重は、荷重Ｗから反力分だけ減少した荷重となる。従って、ロードセル４により検出される荷重を荷重Ｗから減算することで、電子部品１０の基板１１に対する押圧荷重ｗが
算出される。

リニアスケール５は、ヘッド７の押圧方向である鉛直方向における変位を検出する変位検出手段としての機能を有する。リニアスケール５はブラケット１５とヘッド７の対向する箇所に設けられ、両者の鉛直方向における相対的な変位をヘッド７の押圧方向における変位として検出する。

演算処理装置６は、電子部品１０の実装高さを管理する制御手段としての機能を有する。演算処理装置６は、ロードセル４で検出された荷重データを電気信号として受信し、押圧荷重の変化を監視するとともに、リニアスケール５で検出されたブラケット１５とヘッド７との相対的な変位データを電気信号として受信し、ヘッド７の押圧方向における変位を監視する。さらに、モータ１４に内蔵されたエンコーダから発信された電気信号を受信し、ヘッド７に吸着された電子部品１０の実装高さを監視するとともに、モータ１４の回転量を制御して実装高さを調整する。演算処理装置６は、ロードセル４およびリニアスケール５で検出されるデータに基づいて電子部品１０の実装高さ管理を行い、電子部品１０の加熱開始後にリニアスケール５で検出された変位が予め設定した閾値を超えるまではロードセル４で検出された荷重の変化に基づいて実装高さを調整し、閾値を超えてからはリニアスケール５で検出された変位に基づいて実装高さの調整を行う。

次に熱圧着方法について説明する。図２において、時間ｔ０で熱圧着動作が開始すると、ヘッド７の下端に吸着された電子部品１０が基板１１に対し所定の押圧荷重ｗで押圧される。時間ｔ１の時点でセラミックヒータ８への通電をＯＮにして電子部品１０の加熱を開始する。このとき、セラミックヒータ８からヘッド７に伝熱するため、ヘッド７には微小ではあるが押圧方向に伸びが生じる。ヘッド７が押圧方向に伸びると、ヘッド７の実装高さが低下し、下端に吸着された電子部品１０が基板１１に接近して押圧荷重が増加するという不具合が生じてしまう。そのため、演算処理手段６は、ロードセル４により検出される荷重の変化を監視しながらモータ１４の回転量を調整し、電子部品１０の実装高さを一定に維持した管理を行うことで、電子部品１０の基板１１に対する押圧荷重を一定の押圧荷重ｗに維持する制御を行う。

時間ｔ２の時点でヘッド温度が半田融点Ｔまで上昇すると、半田の溶融が開始する。溶融により半田バンプ１０ａが固体から液体に相転移すると、基板１１から半田バンプ１０ａに向けて作用していた反力が一気に開放され、押圧荷重が急激に減少する。同時に、ヘッド７が半田バンプ１０ａによる支持を失って下降し、実装高さが低下する。この実装高さの低下は、リニアスケール５によりヘッド７の押圧方向における変位として検出される。閾値は半田溶融時におけるヘッド７のブラケット１５に対する変位より小さい値となるように予め設定されており、演算処理手段６は、リニアスケール５で検出された変位がこの閾値を超えたときからリニアスケール５で検出された変位に基づいて実装高さの調整を行う。演算処理手段６は、リニアスケール５により検出されるヘッド７の押圧方向における変位を監視しながらモータ１４の回転量を調整し、リニアスケール５で検出された変位に相当する量だけヘッド７を上昇させ、電子部品１０の実装高さを半田バンプ１０ａが溶融する以前の実装高さに補正する制御を行う。また、リニアスケール５で検出された変位が閾値を超えた時点でセラミックヒータ８への通電をＯＦＦにして電子部品１０の加熱を停止する。

このように、本実施の形態の熱圧着装置によれば、半田が溶融を開始した時点をヘッド７の押圧方向における変位で検出し、半田が溶融を開始するまではロードセル４を用いた荷重制御を行い、押圧荷重ｗを一定に維持するとともに、半田が溶融を開始した後は、リニアスケール５を用いた位置制御を行い、実装高さを一定に維持する。これにより、半田バンプ１０ａの溶融における押圧荷重の変動を抑制し、電子部品１０や基板１１に過度の
荷重が作用する事態を回避することができる。また、半田バンプ１０ａの溶融時に低下した実装高さをリニアスケール５を用いた位置制御により補正することで、設計上の最適な実装高さを維持し、実装品質を確保することができる。

本発明によれば、半田バンプの溶融における押圧荷重の変動を抑制し、電子部品や基板に過度の荷重が作用する事態を回避することができるという利点を有し、フリップチップ等の半田バンプ付き電子部品の実装分野において特に有用である。

本発明の実施の形態の熱圧着装置の側面図熱圧着装置における熱圧着動作を時系列で示したグラフ

符号の説明

１熱圧着装置
２熱圧着ツール
３昇降装置
４ロードセル
５リニアスケール
６演算処理装置
１０電子部品
１０ａ半田バンプ
１１基板

Claims

半田バンプが形成された電子部品を加熱しながら基板に対して押圧する熱圧着ツールと、前記熱圧着ツールによる押圧荷重を検出する荷重検出手段と、前記熱圧着ツールの押圧方向における変位を検出する変位検出手段と、基板に対する電子部品の実装高さを管理する制御手段と、を備えた熱圧着装置であって、
前記制御手段が、加熱開始後に前記変位検出手段により検出された変位が所定の閾値を超えるまでは前記荷重検出手段により検出された荷重の変化に基づいた制御を行い、所定の閾値を超えてからは前記変位検出手段により検出された変位に基づいた制御を行う熱圧着装置。
加熱開始後に前記変位検出手段により検出された変位が所定の閾値を超えたときに電子部品の加熱を停止する請求項１に記載の熱圧着装置。
前記制御手段が、加熱開始後に前記変位検出手段により前記熱圧着ツールの押圧方向における変位が検出されると、電子部品の実装高さを前記半田バンプが溶融する以前の実装高さに補正する制御を行う請求項１または２に記載の熱圧着装置。
半田バンプが形成された電子部品を熱圧着ツールで加熱しながら押圧して基板に熱圧着する熱圧着方法であって、
加熱開始後に前記熱圧着ツールの押圧方向における変位が所定の閾値を超えるまでは前記熱圧着ツールによる押圧荷重の変化に基づいて基板に対する電子部品の実装高さを管理し、所定の閾値を超えてからは前記熱圧着ツールの押圧方向における変位に基づいて基板に対する電子部品の実装高さを管理する熱圧着方法。
加熱開始後に前記熱圧着ツールの押圧方向における変位が所定の閾値を超えたときに電子部品の加熱を停止する請求項４に記載の熱圧着方法。
加熱開始後に前記変位検出手段により前記熱圧着ツールの押圧方向における変位が検出されると、電子部品の実装高さを前記半田バンプが溶融する以前の実装高さに補正する請求項４または５に記載の熱圧着方法。