JP5014151B2 - チップ実装装置およびチップ実装方法 - Google Patents

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Description

本発明は、プリント基板等の基板に集積回路素子などのチップを実装するチップ実装装置およびチップ実装方法に関する。
プリント基板等の基板に集積回路素子などのチップを実装する方法として、熱圧着による方法が知られている。この方法は、熱圧着ツールによりチップを基板に押圧するとともに、チップを加熱してチップの半田バンプを溶融させ、基板の電極にチップのバンプを半田接合するものである。この熱圧着過程においては、半田バンプが基板の電極に当接した時点では半田バンプは半田の融点以下の温度であり、半田バンプの当接からある時間経過後に半田バンプは溶融する。そして、半田バンプの溶融時点に関して、荷重検出手段による荷重検出値が所定値以下に減少したならば半田バンプが溶融したと判断し、熱圧着ツールを上昇させ所定高さで保持してヒータをＯＦＦし、溶融した半田を冷却・固化させるチップ実装方法が知られている（例えば、特許文献１）。
また、半田バンプの接合強度を高めるために、半田融点温度よりも低い温度でチップと基板を予熱し、チップと基板を接触させて擦り合わせ、次いで、半田バンプを接触させた状態でチップと基板を半田融点温度以上に加熱し、半田バンプを所定量だけ押し込み、チップと基板の垂直方向に微振動を付与するチップ実装方法が知られている（例えば、特許文献２）。
特開平１１−１４５１９７号公報 特開２００５−２０９８３３号公報
しかしながら、特許文献１に記載されているように、半田バンプの溶融した時点を、チップの荷重検出手段の荷重検出値の変化で判断する方法の場合には、次の様な問題があった。まず、半田バンプを融点以上の温度になるように圧着ツールを加熱した時に、圧着ツールの下端部の高さが一定に保持されているために、半田が溶融するまでの間に、圧着ツールが熱膨張により高さ方向に伸びる。この圧着ツールの伸びにより、半田バンプには圧着ツールを含めた昇降ブロックの自重が応力としてかかる。そして、荷重検出値が所定値に達する前に半田が溶融し、圧着ツールの伸びも加わり、半田バンプを押し潰してしまうことがある。押し潰された半田バンプは連接した半田バンプの間でショート不良を発生し、製品の歩留まりおよび信頼性の低下を招くという問題が発生していた。特に、半田バンプのピッチがファインピッチ（例えば３０μｍピッチ）の半導体パッケージの場合においては、バンプ高さが低いために、わずかな熱膨張による圧着ツールの伸びでも、半田バンプを押し潰してしまい、隣接した半田バンプ間でショート不良が発生していた。また、半田バンプを押し潰さない荷重値を設定することが非常に困難であり、時間もかかるという問題があった。
また、特許文献２のように、半田融点温度以上に加熱するときチップと基板の垂直方向に微振動を付与する方法の場合には、ボンディングヘッドの加圧力の設定によっては半田バンプが破壊するバンプクラッシュが発生してしまい、安定したチップの接合ができないという問題があった。
そこで本発明の課題は、プリント基板等の基板に集積回路素子などのチップを実装するチップ実装において、隣接する半田バンプ間でのショート不良の発生を防止でき、接合後のチップと基板の間隔を所定の一定間隔とすることができる、歩留まりおよび信頼性の高いチップ実装装置およびチップ実装方法を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明に係るチップ実装装置は、チップに加圧力を与えるツールと、前記ツールが装着されたツールホルダと、前記ツールホルダを上下動可能に支持するツールホルダ支持手段と、前記ツールホルダ支持手段を上下動させる駆動手段と、前記ツールホルダ支持手段に対するツールホルダの相対的な位置を検出するツールホルダ位置検出手段とを備えたチップ実装装置において、前記ツールとチップとが重なって基板に接触しているときの前記ツールホルダの位置に基づいて、前記ツールの高さと前記加圧力とを制御する駆動制御手段を備えたことを特徴とするものからなる。
このチップ実装装置においては、ツールホルダ位置検出手段が、ツールとチップが重なって基板に接触しているときのツールホルダの位置を検出し、この検出した位置に基づいて、ツールの高さと加圧力とを制御するので、ツールの位置を高精度に検出することができ、隣接するバンプ間でショート不良を発生させることがなく、信頼性の高いチップ実装装置を提供することができる。また、ツールの高さを高精度に制御可能であるので、チップと基板の間隔を所定の一定間隔とすることが可能になる。
上記本発明に係るチップ実装装置においては、前記駆動制御手段は、チップと基板が当接したときの前記チップと前記基板との間隔のパラメータと、前記チップを前記基板に押し込む際の押し込み量のパラメータと、前記ツールホルダ位置検出手段により検出された前記ツールホルダの相対的な位置のパラメータとから、前記ツールホルダの引き上げ量を演算し制御する手段を備えていることが好ましい。このような演算制御手段を設けてツールホルダの引き上げ量の演算制御することにより、チップと基板の間隔を各パラメータにより自動で制御できるようになり、安定したチップと基板の接合ができるようになる。
また、本発明に係るチップ実装方法は、基板保持ステージに保持されている基板の上方から、ツールホルダ支持手段により上下動可能に支持されたツールホルダを降下させ、前記ツールホルダに装着されたツールを介してチップに加圧力を与えることにより、前記チップのバンプを前記基板上の電極に圧着し、接合するチップ実装方法において、前記ツールを降下させて前記チップのバンプを所定の加圧力で前記基板の電極に押圧し、ツールホルダのツールホルダ支持手段に対する相対的な位置をツールホルダ位置検出手段によって検出し、前記ツールのヒータに通電して半田からなる前記チップのバンプを半田の融点以上の温度に加熱し、前記ツールホルダ位置検出手段により検出した前記ツールホルダの相対的な位置が所定値に到達したならば前記チップのバンプが溶融したと判断し、しかる後に前記ツールホルダ支持手段を上昇させることを特徴とする方法からなる。
このチップ実装方法においては、ツールを下降させてチップのバンプを所定の荷重で基板に押圧した後、チップの加熱開始後にツールホルダの位置が所定値以下に到達したならばバンプが溶融したと瞬時に判断し、ツールを上昇させることにより、隣接した半田バンプ間でのショート不良の発生を確実に防止でき、短時間で所望の実装を行うことができるようになる。
上記本発明に係るチップ実装方法においては、前記チップのバンプが溶融した後、前記チップのバンプと前記基板の電極との間に相対的な摩擦を発生させ、該摩擦により半田の表層の酸化膜を破壊して除去することが好ましい。このようにすれば、半田の表層の酸化膜が所定の範囲にわたって確実に除去されることになり、それによって濡れ性が大幅に改善され、半田溶融による優れたチップ実装方法を提供することができる。
また、前記チップのバンプが溶融する時の前記チップの加圧力を、流動化した半田の内部の圧力よりも低い圧力として、前記チップのバンプを前記基板上の電極に接合することが好ましい。チップのバンプが溶融する時のチップの加圧力として、バンプの流動化した半田の内部圧力（浮力）よりも低い圧力で加圧することにより、半田の表層がチップの加圧力で破壊されることがなく、バンプクラッシュを発生することがなくなり、それによって半田バンプ間のショート不良が大幅に改善され、歩留まりおよび信頼性の高いチップ実装方法を提供することができる。
また、前記ツールホルダ位置検出手段により、チップのバンプと基板の電極が当接したときのツールホルダの第１の位置を検出し、次にツールを基板に押し込んだときのツールホルダの第２の位置を検出し、次にツールのヒータに通電してツールを加熱したときのツールホルダの第３の位置を検出し、次いで、前記ツールホルダ位置検出手段によって検出されるツールホルダの位置が第４の位置に到達したならばチップのバンプが溶融したと判断し、ツールホルダが前記第１の位置になるまで前記ツールホルダ支持手段を引き上げ、チップと基板との間隔を一定間隔に保持して半田を固化させるようにすることもできる。この方法においては、ツールホルダ位置検出手段によってチップのバンプと基板の電極が当接したときのツールホルダの第１の位置を検出する。次に、ツールを基板に押し込んだときのツールホルダの第２の位置を検出する。次に、ツールのヒータに通電してツールが加熱したときのツールホルダの第３の位置を検出する。次に、ツールホルダ位置検出手段によって検出されるツールホルダの位置が第４の位置に到達したならばチップのバンプが溶融したと判断する。次に、ツールホルダが第１の位置になるまでツールホルダ支持手段を引き上げる。次に、チップと基板の間を一定間隔に保持して半田を固化させる。このように、ツールのヒータに通電してツールが加熱したときの、ツールの熱膨張によるツール高さ位置の変化を検出して、チップのバンプと基板上の電極の接合を行うので、半田バンプの溶融したときのツールホルダの第３の位置をツールの熱膨張の変化を補正して正確に検出することができる。そして、チップと基板が一定間隔に保持されて固化されるので、実装工程後に行うアンダーフィルのチップと基板間への充填作業において、アンダーフィルの充填にばらつきが生じない。したがって、高速の信号処理を要求される半導体パッケージにおいては、各電極間の特性が均一となり、製品の信頼性が向上する。
また、予め設定したチップのバンプが固化したときのチップと基板との間隔と、チップのバンプと基板の電極が当接したときのチップと基板との間隔と、ツールを基板側に押し込んだときの押し込み量と、前記ツールホルダの第１の位置と、前記ツールホルダの第２の位置と、前記ツールホルダの第３の位置と、前記ツールホルダの第４の位置とから、半田固化時のツールホルダの引き上げ量を求めるようにすることもできる。このようにすれば、ツールホルダ位置検出手段によって、バンプ、基板、電極の高さのバラツキ及び、バンプの変形量をヒータの熱膨張を考慮して実装毎に計測することが可能になり、チップと基板の間隔を設定した所定の値通りになるように、ツールの位置をフィードバックして自動で制御することが可能となる。そのため、事前に試行して上記間隔を決定する手間が省けて、短時間で、人手によるミス等のない信頼性の高い条件設定にて基板へのチップの実装を行なうことができる。
また、ツールのヒータに通電してツールを加熱してからチップのバンプが溶融するまでの時間を予め計測し、この計測した時間内でバンプの溶融時のツールの高さに到達しない場合、上部ヒータ又は下部ヒータの温度設定を上昇させ半田を溶融させるようにすることもできる。このようにすれば、計測された溶融時間を記憶しておくことにより、以後のチップ実装生産において溶融監視タイマーとして動作させることが可能となり、溶融監視タイマーを設けることにより、半田バンプの溶融にばらつきがあっても、安定した時間で基板へのチップの実装を行うことができる。
このように、本発明に係るチップ実装装置およびチップ実装方法によれば、プリント基板等の基板に集積回路素子などのチップを実装するチップ実装において、とくに、高速の信号処理を要求される半導体パッケージにおいても、隣接する半田バンプ間でのショート不良の発生を確実に防止できるようになり、接合後のチップと基板の間隔を確実にかつ安定して望ましい所定の一定間隔にすることができるようになる。その結果、歩留まりおよび信頼性の高いチップ実装を実現できる。
本発明の実施例１に係るチップ実装装置の概略縦断面図である。 図１の装置における実装開始時の状態を示す拡大部分縦断面図である。 図１の装置におけるバンプが基板に接触した状態を示す拡大部分縦断面図である。 図１の装置におけるツールホルダ支持手段に対してツールホルダが離れ始めた状態を示す拡大部分縦断面図である。 図１の装置におけるＺ軸送りが停止された状態を示す拡大部分縦断面図である。 図１の装置におけるツールの加熱によりツールホルダの位置が変化した状態を示す拡大部分縦断面図である。 図１の装置におけるバンプの溶融によりツールホルダが降下した状態を示す拡大部分縦断面図である。 図１の装置におけるツールホルダ支持手段を上方へ引き上げる状態を示す拡大部分縦断面図である。 図１の装置におけるツールホルダを上方へ引き上げる状態を示す拡大部分縦断面図である。 実施例１に係るチップ実装方法のタイミングチャートである。 実施例１に係るチップ実装方法におけるチップと基板の位置関係を示す説明図である。 本発明の実施例２に係るチップ実装装置の概略縦断面図である。 図１２の装置の基板保持ステージの概略平面図である。 実施例２に係るチップ実装方法のタイミングチャートである。 実施例３に係るチップ実装方法のタイミングチャートである。 他の変形例に係るチップ実装方法のタイミングチャートである。
符号の説明
１：チップ
１ａ：バンプ
２：ツール
３：Ｚ軸送り装置
４：基板保持ステージ
５：基板
５ａ：電極
６：サーボモータ
７：送り機構
８：スライダー
９：装置フレーム
１０：ガイドレール
１３：エンコーダ
１５：ツールホルダ支持手段
１６：ホルダブラケット
１７：ツールホルダ
１８：静圧空気軸受
１９：加圧ポート
２０：バランス圧ポート
２２：駆動制御手段
２３：ツールホルダ位置検出手段
２４：チップ吸着孔
２５：基板吸着孔
２６ａ，２６ｂ：加振器
２７ａ，２７ｂ：圧力調整手段
２８：加圧ポート圧力制御手段
２９：バランス圧ポート圧力制御手段
３０：ポンプ
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
実施例１
図１は、本実施例に係るチップ実装装置を示している。チップ実装装置に備えられたＺ軸送り装置３は、装置フレーム９に装着されたサーボモータ６で送り機構（例えば、ボールネジ）を回転させ、これを螺合させたスライダー８を、装置フレーム９に装着されたガイドレール１０で案内して昇降させている。Ｚ軸送り装置３は、本発明装置における駆動手段に相当する。
ツールホルダ支持手段１５は、スライダー８に装着されているツールホルダブラケット１６に装着されている。また、ツールホルダ１７は、上下動可能にツールホルダ支持手段１５の内部に装着されている。ツール２はヒータを備え、このツール２がツールホルダ１７の下端に装着されて、両者が一体となっている。ツール２にはチップ吸着孔２４が備えられており、チップ１を保持している。基板５は、基板吸着孔２５を備えた基板保持ステージ４に保持されている。なお、ツールホルダ支持手段１５は、エアシリンダのシリンダチューブで構成されている。また、ツールホルダ１７は、前記エアシリンダのピストンで構成されている。ツールホルダ１７は、一般にエアベアリングと呼ばれている静圧空気軸受１８を介してツールホルダ支持手段１５に装着されている。
そのため、ツールホルダ支持手段１５には、上下に２つのエア供給ポートがある。上側のエア供給ポートが加圧ポート１９であり、下側のエア供給ポートがバランス圧ポート２０である。加圧ポート１９にはポンプ３０からのエアが圧力調整手段２７ａを介して接続されている。圧力調整手段２７ａは加圧ポート圧力制御手段２８の信号に基づいて、加圧ポート１９の圧力を制御する。また、バランス圧ポート２０にはポンプ３０からのエアが圧力調整手段２７ｂを介して接続されている。圧力調整手段２７ｂはバランス圧ポート圧力制御手段２９の信号に基づいて、バランス圧ポート２０の圧力を制御する。これら加圧ポート１９及びバランス圧ポート２０からそれぞれ圧力制御可能な圧力調整手段２７ａ、２７ｂによって調整された圧力Ｐ１、圧力Ｐ２が供給され、加圧エア同士の差圧でツールホルダ１７の上下動を所定に制御することができ、ツール２を所定レベルに位置決めすることができる。また、その際、ツールホルダ１７の自重を打ち消すように微小な差圧でチップ１に作用する荷重（加圧力）を制御することもできる。なお、圧力調整手段２７ａ，２７ｂとしては、電空レギュレータなどが用いられる。
静圧空気軸受１８は、ツールホルダ支持手段１５に設けられている孔２１から供給される加圧エアを多孔質体で均一に分散させてツールホルダ１７の下部を非接触状態に支持できるので、その支持箇所の摩擦抵抗は無視することができる程度に極めて小さい。しかも、ツールホルダ１７のヘッド部分もツールホルダ支持手段１５に対して遊嵌されているので、同様にその箇所の摩擦抵抗も無視することができる程度に極めて小さい為に、ツールホルダ１７を微小圧で制御することができる。なお、静圧空気軸受１８は、ツールホルダ１７の上下動を許容するが回転させないように非接触状態に支持できる為に静圧空気直進軸受とも呼ばれている。
本実施例においては、ツールホルダ１７の上端位置を検出してＺ軸送り装置３の駆動制御手段２２に位置情報を与えるツールホルダ位置検出手段２３（例えば、渦電流式センサ等）をツールホルダ支持手段１５に装着している。ツールホルダ位置検出手段２３は、本発明装置におけるツールホルダ位置検出手段に相当する。また、加圧ポート圧力制御手段２８と、バランス圧ポート圧力制御手段２９は駆動制御手段２２に接続されている。なお、駆動制御手段２２には、サーボモータ６に取り付けられたエンコーダ１３の検出信号も与えられている。
上述したようなツールホルダ位置検出手段２３を備えているので、Ｚ軸送り装置が下降中にチップ１の半田からなるバンプ１ａが基板５の電極５ａに押しつけられた時、ツールホルダ１７が押し上げられて浮上する（つまり、ツールホルダ支持手段１５に対して相対的に上昇変移する）距離を検出できる。そのためバンプ１ａや、基板５、電極５ａの高さ方向の寸法バラツキがあった場合や、ツール２が熱膨張で伸びた場合にあっても、その浮上分をＺ軸送り装置３の駆動制御手段２２にフィードバックできるため、冷却させてハンダ（バンプ材料）を固着させるときに、ツール２に対して正確な高さ位置制御を行うことができ、したがって、良好なバンプ形状に実装することができる。なお、ここに言う良好なバンプ形状とは、バンプ潰れによりショートが発生したりせず、また、熱応力などに対して力学的に安定な形状である。
以下、実施例１の装置の動作について説明する。
図２から図９に、チップ１の実装におけるツールホルダ支持手段１５及びツールホルダ１７の一連の昇降（上下動）制御態様が示されている。また、図１０に、ツールホルダ支持手段１５の高さ位置、ツールホルダ１７の位置、ツール２のヒータの通電およびバンプ１ａに掛かる荷重のそれぞれのタイミングが示されている。図１０において（Ａ）に示すグラフはチップ１の実装におけるホルダ支持手段１５の高さ位置を示したものであり、チップ１のバンプ１ａの下端部が基板５の電極５ａに当接した位置を基準高さ（図１０のｈ０）としている。図１０において（Ｂ）に示すグラフは、ツールホルダ支持手段１５の内部のツールホルダ１７の位置を示したものであり、ツールホルダ１７の下端がツールホルダ支持手段１５に接触した位置を下端としている。図１０において（Ｃ）に示すグラフは、ツール２のヒータ通電のＯＮ−ＯＦＦのタイミングを示している。図１０において（Ｄ）に示すグラフは、チップ１のバンプ１ａおよび基板の電極５ａにかかる荷重（加圧力）を示している。
実装を開始しようとする初期状態において、ツールホルダ支持手段１５は図２に示すように上昇位置にある（図１０のタイミングｔ０、高さｈ１）。この時Ｚ軸送り装置３が高速で作動した時に、ツールホルダ１７が慣性力で振動しないように、加圧ポート１９の圧力Ｐ１とバランス圧ポート２０の圧力Ｐ２の差圧でツールホルダ支持手段１５の下部にツールホルダ１７が接触するようにバランス圧ポート２０の圧力Ｐ２を減圧させる。この場合の差圧はツールホルダ支持手段１５の下部にツールホルダ１７が接触するのであれば、加圧ポート１９の圧力Ｐ１を増圧させてもよい。
次いで、Ｚ軸送り装置３が作動することにより、ツールホルダ支持手段１５が、チップ１を保持したツール２と一体となって下降する。図３は、ツールホルダ支持手段１５の下降途中で、チップ１のバンプ１ａが基板５の電極５ａに接触した状態を示している（図１０のタイミングｔ１）。このときのツールホルダ位置検出手段２３とツールホルダ１７の距離をＸ０とする。Ｘ０は、本発明における第１の位置に相当する。また、このとき、チップ１のバンプ１ａにかかる圧力を所定の圧力とするためにバランス圧ポート２０の圧力Ｐ２を増圧或いは減圧させる。この場合加圧ポート１９の圧力Ｐ１を増圧或いは減圧させてもよい。このように、ツールホルダ１７が静圧空気軸受１８で支持されるとともに、加圧ポート１９の圧力Ｐ１とバランス圧ポート２０の圧力Ｐ２の差圧により圧力が一定となっているので、このときにチップ１のバンプ１ａに作用する荷重（加圧力）は所定値に保たれ、バンプ１ａは殆ど変形しない。
さらに、Ｚ軸送り装置３によるツールホルダ支持手段１５の送りが続行されると、チップ１のバンプ１ａが基板５の電極５ａに接触している関係で、ツールホルダ１７がツールホルダ支持手段１５に対して相対的に浮上（上昇）する。図４は、ツールホルダ支持手段１５に対してツールホルダ１７が離れ始めた状態を示している（図１０のタイミングｔ１からｔ２の状態）。浮上の際も、ツールホルダ１７がバランス圧ポート２０および加圧ポート１９からエア供給されているのでチップ１のバンプ１ａに作用する荷重（加圧力）は所定値に保たれ、バンプ１ａは殆ど変形しない。
次いで、図５に示すように、Ｚ軸送り装置３の送り量が予め設定した値ｄ１（バンプ１ａの押し込み量）になるとＺ軸送り装置３を停止する（図１０のタイミングｔ２）。そして、ツールホルダ位置検出手段２３がツールホルダ１７の位置を検出する（図５のＸ１で示す距離）。Ｘ１は、本発明における第２の位置に相当する。なお、図４の状態においては、バンプ高さのバラツキや基板の反り等の為に、基板５の電極５ａに対して全てのバンプ１ａが接触しておらず、その一部が接触しているにすぎない。そのため、チップ１のバンプ１ａの下端部が基板５の電極５ａに当接してからバンプ１ａの押し込み量ｄ１だけ押し込んだとき、Ｚ軸送り装置３による送りが停止される。次に、ツール２のヒータに通電してチップ１のバンプ１ａを半田融点以上の温度に加熱する。
次いで、図６に示すように、ツール２の加熱にともない、ツール２が熱膨張しツールホルダ位置検出手段２３とツールホルダ１７の距離がＸ２となる。Ｘ２は、本発明における第３の位置に相当する。その際において、ツールホルダ１７の自重を打ち消して数ｇ（例えば１ｇから２０ｇ程度）の微小な加圧力で制御されているためにバンプ形状を損なわない。つまり、チップ１のバンプ１ａが溶融する時にチップ１の荷重（加圧力）がバンプ１ａのバンプ内部圧力（浮力）よりも低い圧力で加圧するようにできるので、半田の表層がチップ１の荷重（加圧力）で破壊されることがなく、バンプクラッシュを発生することがなくなる。
その後、バンプ１ａがツール２で加熱されて溶融し始める（図１０のタイミングｔ３）。バンプ１ａがツール２で加熱されて溶融が進むと、バンプ形状に歪みが発生しツールホルダ１７がツール２と一体に下方に移動する。その際、ツールホルダ位置検出手段２３とツールホルダ１７の距離が前記Ｘ２から、さらに下方に移動したことを検出する。その検出値が所定値（図１０のＸ３）になると、図７に示すように、バンプ１ａが溶融したと判断している（図１０のタイミングｔ４）。Ｘ３は、本発明における第４の位置に相当する。
次いで、Ｚ軸送り装置３による上方向への送りが開始されて、ツールホルダ位置検出手段２３がＸ０を検出する。図８は、ツールホルダ１７に対してツールホルダ支持手段１５が最大に上昇された状態が示している（図１０のタイミングｔ５）。ツールホルダ支持手段１５の高さは、ツールホルダ支持手段１５が図１０のタイミングｔ１の時点の高さに比べ、ツール２の熱膨張によるＺ軸方向の伸びＨ１から、ｔ２のタイミングにおけるバンプ押し潰し量Ｌ１と、ｔ４のタイミングにおけるバンプ溶融時の沈み込み量Ｌ２を引いた分だけ上方又は下方になるように駆動制御手段２２によって制御されている（図１０のｄ２。ツールホルダ１７の引き上げ量）。この状態において、ツールホルダ支持手段１５の内部のツールホルダ１７の下端はツールホルダ支持手段１５に接触しており、チップ１と基板５のギャップは、バンプ１ａの高さと電極５ａの高さを足した高さからバンプ押し潰し量Ｌ１とバンプ溶融時の沈み込み量Ｌ２を引いた高さだけとなり、ヒーターの熱膨張はキャンセルすることができる。
次いで、チップ１と基板５の冷却時の間隔（ギャップ量）が所定の値になるように、Ｚ軸送り装置３への指令値ｄ３が駆動制御手段２２によって計算され、Ｚ軸送り装置３による送りが行われる（ｄ３の値はバンプ１ａの押し込み量ｄ１と、ツールホルダ位置検出手段２３により測定された各測定値と、後述するハンダバンプ高さの設定値Ｇ１と、ギャップ高さ設定値Ｇ２とにより計算される）。次いで、チップ１の吸着をＯＦＦしてチップ吸着の真空圧を大気圧に戻すとともにツール２のヒーターへの通電がＯＦＦする。次いで、Ｚ軸送り装置３による送りが停止された状態で、ツール２に保持されたチップ１のバンプ１ａが冷却される（図１０のタイミングｔ６）。
次いで、図９に示すように、Ｚ軸送り装置３による上方向への送りが続行されると、ツールホルダ１７が上昇する（図１０のタイミングｔ７）。
なお、図１０のタイミングｔ５とｔ６は同じタイミングで実施してもよい。
次に、図１０と図１１を用いて駆動制御手段２２の処理する制御パラメータについて説明する。
図１１に、チップ１と基板５の接合状態が示されている。図１１において（Ａ）に示す図は、図１０のタイミングｔ１におけるチップ１と基板５の状態を示している。チップ１と基板５の接触時のギャップは制御パラメータＧ１（ハンダバンプ高さの設定値）として駆動制御手段２２で処理されている。
図１１において（Ｂ）に示す図は、図１０のタイミングｔ２におけるチップ１と基板５の状態を示している。チップ１の押し込み量は制御パラメータＬ１として駆動制御手段２２で処理されている。Ｌ１は図１０のバンプ１ａの押し込み量ｄ１，第１の位置Ｘ０、第２の位置Ｘ１からＬ１＝ｄ１−（Ｘ０−Ｘ１）の計算式で求められる。Ｌ１はチップ１のバンプ１ａに作用する荷重（加圧力）の分だけ押し込まれることになる。
図１１において（Ｃ）に示す図は、図１０のタイミングｔ５におけるチップ１と基板５の状態を示している。バンプ１ａの溶融時の沈み込み量はパラメータＬ２として駆動制御手段２２で処理されている。Ｌ２は図１０の第３の位置Ｘ２、第４の位置Ｘ３からＬ２＝Ｘ３−Ｘ２の計算式で求められる。また、ヒータの熱膨張によるＺ軸方向の伸びをＨ１とすると、Ｈ１＝Ｘ１−Ｘ２の計算式で求められる。図１０において、バンプ１ａの押し込み量ｄ１とツールホルダ１７の引き上げ量ｄ２は、ｄ１＋ｄ２＝Ｘ０−Ｘ３の関係となっている。従って、ツールホルダの引き上げ量ｄ２は、ｄ２＝Ｈ１−（Ｌ１＋Ｌ２）となるように駆動制御手段２２で計算されＺ軸送り制御装置３を制御している。
図１１において（Ｄ）に示す図は、図１０のタイミングｔ６におけるチップ１と基板５のバンプ１ａの冷却時の状態を示している。チップ１と基板５のバンプ１ａの冷却後のギャップは制御パラメータＧ２（ギャップ高さ設定値）として駆動制御手段２２で処理されている。図１１の（Ａ）と（Ｄ）より、チップ沈み込み量Ｌ３は、Ｌ３＝Ｇ１−Ｇ２の関係がある。また、Ｚ軸送り装置３への指令値ｄ３は、Ｌ３＝Ｌ１＋Ｌ２−ｄ３の関係がある。この関係にＬ１＝ｄ１−（Ｘ０−Ｘ１）および、Ｌ２＝Ｘ３−Ｘ２を代入すると、Ｌ３＝ｄ１−（Ｘ０−Ｘ１＋Ｘ２−Ｘ３）−ｄ３となる。従って、Ｚ軸送り装置３への指令値ｄ３は、ｄ３＝ｄ１−（Ｘ０−Ｘ１＋Ｘ２−Ｘ３）−（Ｇ１−Ｇ２）になるように制御されている。
例えば、Ｇ１を３０μｍ、Ｇ２を２３μｍに設定し、指令値ｄ１を１０μｍで行ったところ、Ｘ０が２０００μｍ、Ｘ１が１９９５μｍ、Ｘ２が１９８５μｍ、Ｘ３が１９８９μｍで測定されると、指令値ｄ３は２μｍとなるように駆動制御手段２２で処理されＺ軸送り装置３へ指令される。Ｇ２の設定条件によっては、ｄ３の値がｄ２よりも小さい値となる場合がある。この場合、チップ１に作用する荷重（加圧力）を保ちながらバンプ１ａの冷却を行うことができる。また、ｄ３の値がｄ２の値よりも大きい場合は、チップ１に作用する荷重（加圧力）がゼロの状態でバンプ１ａの冷却を行うことができる。
以上のように、予めチップ１と基板５を実装する際、接触時のギャップＧ１と冷却時のギャップＧ２とバンプ１ａの押し込み量ｄ１を設定し、ツールホルダ位置検出手段２３とツールホルダ１７の距離の測定値Ｘ０，Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３を測定することにより、冷却時のＺ軸送り装置への指令値ｄ３を求めることができ、事前に試行してギャップ量を決定する手間が省けて、バンプ１ａの特性に合わせて、短時間で人手によるミスのない信頼性の高い条件設定を行うことができる。
実施例２
本実施例では、基板保持ステージ４の構成が上記実施例１と異なるので、同じ構成部分には同一符号を付すことにより説明を省略し、異なる部分について具体的に説明する。
図１２は実施例２に係るチップ実装装置を示しており、図１３は実施例２に係るチップ実装装置の基板保持ステージ４の概略平面図、図１４は実施例２に係るチップ実装方法のタイミングチャートを示している。
このチップ実装装置においては、図１３に示すように、基板保持ステージ４に加振器２６ａ、２６ｂが付設されており、基板保持ステージ４に、互いに直交するする方向（Ｘ、Ｙ方向）の振動が与えられ、それを介して基板保持ステージ４に保持されている基板５に２方向の振動が与えられる。このＸ、Ｙ方向の複合振動により、チップ１のバンプ１ａと基板５の電極５ａの間には、微小な相対的複合振動が生じ、この相対的複合振動により摩擦が発生する。この摩擦により、バンプ１ａや電極５ａの表層に存在していた酸化膜が効率よくかつ確実に破壊され、除去される。
図１４の（Ｅ）に、加振器２６ａ、２６ｂのＯＮ・ＯＦＦのタイミングを示している（図１４の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）は図１０と同様のタイミングチャートである）。このチップ実装方法においては、チップ１のバンプ１ａが溶融し始める時点（図１４のタイミングｔ４）より、所定時間（図１４のｔｘの時間）、基板保持ステージ４に付設されている加振器２６ａ、２６ｂが動作し、チップ１のバンプ１ａと基板５の電極５ａの間に微小な相対的複合振動を生じさせる。
実施例３
本実施例は、実施例１のバンプ１ａの溶融時間を計測した後に実装するようにしたものである。まず、実施例１の図１０のタイミングチャートに示されるバンプ１ａの溶融時間（ｔ２からｔ４までの時間）を生産開始時に測定する。バンプ１ａの溶融時間は、バンプ１ａの生産ロット等により半田バンプの融点温度が変化するため微妙に違っている。そのため、実装対象となるチップ１の型式変更時など初めての生産（実装作業の初めの生産）時に、半田バンプ溶融時間を計測する。計測された溶融時間（図１５のタイミングチャートに示すＴmelt）は、駆動制御手段２２に記憶され、以後のチップ実装生産において溶融監視タイマーとして動作する。
実施例３では、図１５に示すように、ヒータＯＮ後、Ｔmelt経過後のツールホルダ１７の位置がＸ３に達していなかった場合（半田が溶融していなかった場合）、ヒータの温度設定を上昇させ、バンプ１ａを確実に溶融できるようにすることができる。
このように、溶融監視タイマーを設けることにより、半田バンプの溶融にばらつきがあっても、安定した時間で基板へのチップの実装を行うことができる。なお、半田バンプを溶融させるために、温度上昇させるヒータは下部側からの加熱であってもよい。
以上、代表的な３つの実施例について述べたが、本発明においていうチップ１とは、例えば、ＩＣチップ、半導体チップ、光素子、表面実装部品、ウエハなど、その種類や大きさに関係なく、基板５に対して接合される対象物をいう。また、基板５とは、その種類や大きさに関係なく、チップ１に接合させる相手方の対象物をいう。
また、基板保持ステージ４の上面に基板５を保持（又は支持）する手段は、基板吸気孔２５による吸着保持手段、静電気による静電保持手段、磁石や磁気などによる磁気保持手段、複数の可動爪によって基板を掴む機械的手段、単数又は複数の可動爪によって基板を押さえる機械的手段など、いかなる形態の保持手段であってもよい。
また、基板保持ステージ４についても、必要に応じて、固定型、可動型のいずれに設けてもよく、かつ、可動型に設ける場合においては、平行移動制御、回転制御、昇降制御、平行移動制御と回転制御、平行移動制御と昇降制御、回転制御と昇降制御、平行移動制御と回転制御と昇降制御、等のように各種態様に制御し得るように設けてもよい。
また、チップ１に設けられたバンプ１ａとは、例えば、通常形態の半田バンプ、スタッドバンプなど、基板５に設けられた電極５ａ（例えば、電極、ダミー電極など）と接合される対象物である。また、基板５に設けられた電極５ａとは、例えば、配線を伴った電極、配線につながっていないダミー電極など、チップ１に設けられているバンプ１ａと接合される相手方の対象物をいう。
また、送り機構７及びＺ軸送り装置３についても、例えば、ボールネジ型やリニアモータ型等、スライダー８を移動させ得る限りにおいては、いかなる型式のものであってもよい。
また、本発明においていうチップ実装装置とは、チップを搭載するマウント装置やチップを接合するボンディング装置に加えて、例えば、基板とチップ、基板と接着材（ＡＣＦ（Anisotropic Conductive Film）、ＮＣＦ（Non Conductive Film）など）等、予め対象物同士が接触（搭載または仮圧着など）されたものを加圧、加熱及び／又は振動手段（超音波、ピエゾ素子、磁歪素子、ボイスコイルなど）によって固着又は転写させる装置を包含する広い概念の装置をいう。
また、上述した実施例では、ツール２にチップ１を保持させた状態でツール２を下降させて、チップ１を基板５に加圧するようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、チップを接着材などを使って基板上に予め搭載しておき、チップを保持してないツールを下降させて、基板上のチップを加圧するようにしてもよい。この場合、基板上に予め搭載されたチップにツールが接触することにより、ツールとチップが重なって基板に接触することになる。
また、ツールホルダ１７の下端に直接、ツール２を装着することに限定されず、必要ならば、ロードセルを介在させてもよい。
また、ツールホルダ位置検出手段２３は、渦電流式センサのみに限定されず、他のセンサー（レーザや光センサー等）であってもよい。
また、加圧力が高い場合には、バランス圧ポートを使用しないで、加圧ポートのみで加圧力を制御してもよい。また、高さ検出手段は、ツールホルダ１７の高さ位置を検出することによってツール２の高さ位置を測定するものに限らず、ツール２の高さ位置を直接、検出し得るように装着してもよい。
更に、ツール２のヒータへの通電のＯＦＦのタイミングは図１６に示すように、ツールホルダ１７が引き上げられたタイミングｔ７から所定時間経過した後ＯＦＦしてもよい。このようにヒータへの通電のＯＦＦのタイミングを遅らせることにより、チップ１のバンプ１ａの溶融を確実にすることができる（図１６のタイミングｔ８）。
また、実施例１および実施例２では、ヒータはツール２に備えられているが、基板保持ステージ４に備えてもよい。チップ１と基板５を効率よく加熱できる構成であればよく、加熱に伴うツール２の熱膨張によるＺ軸方向の伸びはツールホルダ位置検出手段２３で検出することができる。さらに、ツール２側および基板保持ステージ４側の両方にヒータを備えてもよい。これにより、チップ１と基板５の加温を短時間にでき、更にセラミックヒータを用いたパルスヒータで加熱を行うと応答性のよい昇温が可能となる。
本発明に係るチップ実装装置およびチップ実装方法は、上下動可能なツールを用いてチップを基板に実装するようにしたあらゆるチップ実装に適用可能である。

Claims (8)

  1. チップに加圧力を与えるツールと、前記ツールが装着されたツールホルダと、前記ツールホルダを上下動可能に支持するツールホルダ支持手段と、前記ツールホルダ支持手段を上下動させる駆動手段と、前記ツールホルダ支持手段に対するツールホルダの相対的な位置を検出するツールホルダ位置検出手段とを備えたチップ実装装置において、前記ツールとチップとが重なって基板に接触しているときの前記ツールホルダの位置に基づいて、前記ツールの高さと前記加圧力とを制御する駆動制御手段を備えたことを特徴とするチップ実装装置。
  2. 前記駆動制御手段は、チップと基板が当接したときの前記チップと前記基板との間隔のパラメータと、前記チップを前記基板に押し込む際の押し込み量のパラメータと、前記ツールホルダ位置検出手段により検出された前記ツールホルダの相対的な位置のパラメータとから、前記ツールホルダの引き上げ量を演算し制御する手段を備えている、請求項１に記載のチップ実装装置。
  3. 基板保持ステージに保持されている基板の上方から、ツールホルダ支持手段により上下動可能に支持されたツールホルダを降下させ、前記ツールホルダに装着されたツールを介してチップに加圧力を与えることにより、前記チップのバンプを前記基板上の電極に圧着し、接合するチップ実装方法において、前記ツールを降下させて前記チップのバンプを所定の加圧力で前記基板の電極に押圧し、ツールホルダのツールホルダ支持手段に対する相対的な位置をツールホルダ位置検出手段によって検出し、前記ツールのヒータに通電して半田からなる前記チップのバンプを半田の融点以上の温度に加熱し、前記ツールホルダ位置検出手段により検出した前記ツールホルダの相対的な位置が所定値に到達したならば前記チップのバンプが溶融したと判断し、しかる後に前記ツールホルダ支持手段を上昇させることを特徴とするチップ実装方法。
  4. 前記チップのバンプが溶融した後、前記チップのバンプと前記基板の電極との間に相対的な摩擦を発生させ、該摩擦により半田の表層の酸化膜を破壊して除去する、請求項３に記載のチップ実装方法。
  5. 前記チップのバンプが溶融する時の前記チップの加圧力を、流動化した半田の内部の圧力よりも低い圧力として、前記チップのバンプを前記基板上の電極に接合する、請求項３に記載のチップ実装方法。
  6. 前記ツールホルダ位置検出手段により、チップのバンプと基板の電極が当接したときのツールホルダの第１の位置を検出し、次にツールを基板に押し込んだときのツールホルダの第２の位置を検出し、次にツールのヒータに通電してツールを加熱したときのツールホルダの第３の位置を検出し、次いで、前記ツールホルダ位置検出手段によって検出されるツールホルダの位置が第４の位置に到達したならばチップのバンプが溶融したと判断し、ツールホルダが前記第１の位置になるまで前記ツールホルダ支持手段を引き上げ、チップと基板との間隔を一定間隔に保持して半田を固化させる、請求項３に記載のチップ実装方法。
  7. 予め設定したチップのバンプが固化したときのチップと基板との間隔と、チップのバンプと基板の電極が当接したときのチップと基板との間隔と、ツールを基板側に押し込んだときの押し込み量と、前記ツールホルダの第１の位置と、前記ツールホルダの第２の位置と、前記ツールホルダの第３の位置と、前記ツールホルダの第４の位置とから、半田固化時のツールホルダの引き上げ量を求める、請求項６に記載のチップ実装方法。
  8. ツールのヒータに通電してツールを加熱してからチップのバンプが溶融するまでの時間を予め計測し、前記計測した時間内でバンプの溶融時のツールの高さに到達しない場合、上部ヒータ又は下部ヒータの温度設定を上昇させ半田を溶融させる、請求項６に記載のチップ実装方法。
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