実装方法および実装装置
【課題】 ピラーバンプなどの微細な半田バンプが形成されたチップを基板に熱圧着する実装方法において、ピラーバンプが基板の電極に良好に熱圧着されかどうかを判定することができる実装方法および実装装置を提供すること。
【解決手段】 チップを熱圧着ツールで保持して基板側に下降させる工程と、チップのピラーバンプが基板の電極に接触した後、チップを保持する熱圧着ツールの温度を半田溶融温度に昇温する工程と、予め設定されている押し込み量だけ、チップを基板側に押し込み、押し込みが完了した際の、基板の電極からの反力を測定する第１の反力測定工程と、ピラーバンプに設けられた半田溶融した際の基板の電極からの反力を測定する第２の反力測定工程と、前記第１の反力測定工程の測定結果と、前記第２の反力測定工程の測定結果から、溶融したピラーバンプと電極の位置合わせの良否を判定する反力判定工程と、を有する実装方法および実装装置を提供する。
【解決手段】 チップを熱圧着ツールで保持して基板側に下降させる工程と、チップのピラーバンプが基板の電極に接触した後、チップを保持する熱圧着ツールの温度を半田溶融温度に昇温する工程と、予め設定されている押し込み量だけ、チップを基板側に押し込み、押し込みが完了した際の、基板の電極からの反力を測定する第１の反力測定工程と、ピラーバンプに設けられた半田溶融した際の基板の電極からの反力を測定する第２の反力測定工程と、前記第１の反力測定工程の測定結果と、前記第２の反力測定工程の測定結果から、溶融したピラーバンプと電極の位置合わせの良否を判定する反力判定工程と、を有する実装方法および実装装置を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フリップチップに設けられた柱状のピラーの先端に半田が形成されたピラーバンプ付きのフリップチップを基板に熱圧着する実装方法および実装装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、高密度実装の要求から半田バンプも電極間隔を狭め、バンプの構造も丸みをおびたボールバンプから、柱状の形状のものが用いられるようになっている。特許文献１には、バンプピッチを超微細にした柱状のピラーバンプが、開示されている。ピラーバンプは、狭ピッチで立設したＣｕ等のピラー（円柱状）の先端に半球状の半田を形成している。先端の半田は、半球状の場合もあるし、先端部を楕円状に平坦化させたものもある。そのため、バンプピッチを従来の半田ボールタイプの半田バンプに比べて微細にすることができる。また高密度実装に対応することができる。これらの半田部分は、ピラー（円柱）の底面の面積が微小面積であるため、従来の半田ボールタイプの半田バンプに比べて、極めて少ない量の半田で半田接合部分が形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２４５２８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このようなピラーバンプが形成されたチップを、基板に熱圧着し接合状態を検査しようとすると次のような問題がある。
【０００５】
チップと基板の位置合わせは、チップおよび基板に設けられた位置合わせマークを画像認識し、画像認識データに基づいて、チップを保持する熱圧着ツールもしくは基板を保持する基板ステージを駆動して位置合わせしている。そのため、位置合わせマークに基づいてチップと基板が位置合わせされていても、ピラーバンプと基板の電極のセンター位置が所定範囲を超えていると、チップを押圧する際に、ピラーバンプが電極からズレおちる問題がある（特に、バンプピッチが微細化されたピラーバンプでは、位置合わせのマージンが狭く、ピラーバンプと電極の位置合わせが困難な状況となっている）。ピラーバンプが電極からズレおちた状態のチップと基板の接合は、回路のショートなど、不具合を招く要因となる。
【０００６】
また、ピラーバンプの先端に設けられている半田の量が、従来のボールバンプに比べて少ないため、ヒータによる半田の加熱と、チップの押圧力のバランスによっては、ピラーと電極の間で溶融した半田が押し潰されて、電極の接合面からはみ出してしまう問題もある。
【０００７】
そこで、本発明の課題は、ピラーバンプなどの微細な半田バンプが形成されたチップを基板に熱圧着する実装方法において、ピラーバンプが基板の電極に良好に熱圧着されかどうかを判定することができる実装方法および実装装置を提供することとする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
チップに設けられたピラーバンプを、基板に設けられた電極に、押圧しながら加熱し熱圧着する実装方法であつて、
チップを熱圧着ツールで保持して基板側に下降させる工程と、
チップのピラーバンプが基板の電極に接触した後、
チップを保持する熱圧着ツールの温度を半田溶融温度に昇温する工程と、
予め設定されている押し込み量だけ、チップを基板側に押し込み、押し込みが完了した際の、基板の電極からの反力を測定する第１の反力測定工程と、
ピラーバンプに設けられた半田溶融した際の基板の電極からの反力を測定する第２の反力測定工程と、
前記第１の反力測定工程の測定結果と、前記第２の反力測定工程の測定結果から、溶融したピラーバンプと電極の位置合わせの良否を判定する反力判定工程と、を有する実装方法である。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１の発明において、
チップのピラーバンプが基板の電極に接触した後、
チップを保持している熱圧着ツールの昇降位置を測定する第１の高さ測定工程と、
予め設定されている圧力で、予め設定されている時間、チップを基板側に押圧した後、
チップを保持している熱圧着ツールの昇降位置を測定する第２の高さ測定工程と、
前記第１の高さ測定工程の測定結果と、前記第２の高さ測定工程の測定結果から、チップを押圧したことによるチップと基板の間隔の変化を求め、半田溶融前のピラーバンプと電極の位置合わせの良否を判定する沈み込み量判定工程を有する実装方法である。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、
ピラーバンプが設けられたチップを保持する熱圧着ツールと、
チップのピラーバンプが接合される電極を有した基板を保持する基板ステージと、
チップを保持した熱圧着ツールを、基板を保持した基板ステージ側に、昇降させる駆動手段と、
チップを保持した熱圧着ツールの昇降位置を検出する高さ検出手段と、
チップを保持した熱圧着ツールが基板を押圧する際の、押圧力を検出する荷重検出手段と、
熱圧着ツールの温度を昇温するヒータと、
前記高さ検出手段でチップ高さ位置情報を測定し、前記荷重検出手段でチップへの押圧力を測定し、前記駆動手段と前記ヒータとを制御する制御手段とを備えた実装装置であって、
前記制御手段が、
前記ヒータを半田溶融温度に昇温し、前記駆動手段を駆動し熱圧着ツールを基板側に予め設定されている押し込み量だけ押し込んだ際の、前記荷重検出手段で測定した検出荷重と、ピラーバンプに設けられた半田が溶融した際の検出荷重から、溶融したピラーバンプと電極の位置合わせの良否を判定する機能を有する実装装置である。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項３の発明において、
前記制御手段が、
チップのピラーバンプが基板の電極に接触した後、
予め設定されている圧力で、予め設定されている時間、チップを基板側に押圧し、押圧したことによるチップと基板の間隔に変化から、溶融前のピラーバンプと電極の位置合わせの良否を判定する機能を有する実装装置である。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に記載の発明によれば、ピラーバンプを備えたチップを熱圧着ツールで保持して基板側に下降している。そして、チップのピラーバンプが基板の電極に接触した後、チップを保持する熱圧着ツールの温度を半田溶融温度に昇温している。そして、熱圧着ツールの温度がピラーバンプに伝わる間に、チップを基板側に、予め設定されている押し込み量だけ押し込んでいる。そして、チップの押し込みが完了した際の、基板の電極からの反力を、熱圧着ツールに設けられた荷重検出手段で測定し、制御手段に第１の反力測定結果として記憶している（第１の反力測定工程）。一方、熱圧着ツールの温度がピラーバンプに伝わることによりピラーバンプに設けられた半田の溶融が進んでいく。そのため、予め設定された押し込み量の状態で、熱圧着ツールが昇降位置を保持していても、ピラーバンプの半田が溶融すると、基板の電極からの反力は少しずつ低下していく。
【００１３】
そのため、請求項１の発明では、ピラーバンプに設けられた半田が溶融するまでの、予め設定されている時間（ピラーバンプの半田の溶融が完了する時間）経過した後、基板の電極からの反力を測定し、制御手段に第２の反力測定結果として記憶している（第２の反力測定工程）。そして、制御手段に記憶した第１の反力測定結果と、第２の反力測定結果とから溶融したピラーバンプと電極の位置合わせの良否を判定している（反力判定工程）。
【００１４】
ピラーバンプと電極の位置ずれが発生していると、溶融したピラーバンプの半田が基板の電極の接合面からはみだした状態となる。溶融した半田全体を、電極の接合面で支える場合に比べて、電極からはみでている分、電極からの反力は低下する。
【００１５】
より具体的には、第１の反力測定工程では、ピラーバンプの半田は完全に溶融していないため、電極の接触面（ピラーバンプが当接する面）にピラーバンプが位置合わせされていれば、電極の接触面から多少はみ出ていても、所定の押し込み量だけチップを押し込んでも、所定の範囲の反力を電極から受けることができる。しかし、ピラーバンプの半田が溶融した状態では、電極の接触面の全てで、ピラーバンプの半田が電極の接合面全体で支えている場合と、ピラーバンプの半田の一部が電極からはみ出ている場合では反力の違いが生じる。第２の反力測定工程は、ピラーバンプの半田が溶融した状態となるため、電極の接合面から半田がはみ出ている場合は、チップを押し込むことによる電極からの反力が、電極の接触面の全てで支えている場合に比べて低下して検出される。
【００１６】
これらの反力の測定結果（第１の反力測定工程の測定結果と、第２の反力測定工程の測定結果）から、チップのピラーバンプと、基板の電極が良好に位置合わせされ、熱圧着されたかを判定することができる（反力判定工程）。
【００１７】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明において、さらに、ピラーバンプを備えたチップを熱圧着ツールで保持して基板側に下降し、チップのピラーバンプが基板の電極に接触した後、チップを保持している熱圧着ツールの昇降位置を測定している（第１の高さ測定工程）。
【００１８】
そして、予め設定されている圧力で、予め設定されている時間だけ、チップを基板側に押圧した後、チップを保持している熱圧着ツールの昇降位置を測定している（第２の高さ測定工程）。
【００１９】
そして、第１の高さ測定工程の測定結果と、第２の高さ測定工程の測定結果から、押圧したことによるチップと基板の間隙の変化を求め、半田溶融前のピラーバンプと電極の位置合わせを判定している（沈み込み量判定工程）。
【００２０】
チップのピラーバンプが基板の電極に接触した状態では、熱圧着ツールが昇温していないため、ピラーバンプの半田は溶融していない固相状態となる。そのため、基板の電極の接合面の範囲にピラーバンプの半田の接触位置が位置合わせされていると、ピラーバンプの先端の半田が電極の接合面に当たった状態となる。この状態で、予め設定されている圧力と、予め設定されている時間だけ、チップを基板に押圧しても、押圧にともなうピラーバンプの半田の変形分のみが、チップと基板の間隙の変化となる。しかし、ピラーバンプの半田の接触位置が、電極の接触面から外れてしまい、電極の接触面の端部に片当たりしている場合は、チップを所定圧で所定時間、押圧すると、電極の接触面からの反力が十分でないため、押圧量にともなってチップが基板側に沈み込むことになる。そのため、チップと基板の間隙は、ピラーバンプの先端の半田が電極の接合面内に位置合わせされている場合に比べて、狭まることになる。
【００２１】
従い、ピラーバンプが電極に接触した熱圧着ツールの昇降位置である第１の高さ測定工程の測定結果と、所定圧力で所定時間、チップを押圧した後の熱圧着ツールの昇降位置である第２の高さ測定工程の測定結果から、チップと基板の間隙の変化を求めることにより、溶融前のピラーバンプの半田と電極の位置合わせが良好に行われているか判定することができる（沈み込み量判定工程）。
【００２２】
請求項３に記載の発明によれば、実装装置が、ピラーバンプを備えたチップを保持する熱圧着ツールと、基板を保持する基板ステージと、チップを保持した熱圧着ツールを基板を保持した基板ステージ側に昇降させる駆動手段と、チップを保持した熱圧着ツールの昇降位置を検出する高さ検出手段と、チップを保持した熱圧着ツールが基板を押圧する際の押圧力を検出する荷重検出手段と、熱圧着ツールの温度を昇温するヒータと、高さ検出手段で検出されたチップ高さ位置と荷重検出手段で検出した熱圧着ツールの押圧力に基づいて駆動手段を制御する制御手段を備えている。
【００２３】
さらに、制御手段は、ヒータを半田溶融温度に昇温し、予め設定されている押し込み量だけ駆動手段を駆動し、基板の電極に接触しているピラーバンプを備えたチップを基板側に押し込み、荷重検出手段でピラーバンプに設けられた半田が溶融する前の電極からの反力と、半田が溶融した後の電極からの反力を測定し、ピラーバンプと電極の位置合わせの良否を判定する機能を有している。
【００２４】
熱圧着ツールを半田溶融温度にヒータを昇温した後、熱圧着ツールに保持されたチップのピラーバンプの先端に設けられた半田が溶融していくまで時間経過を必要とする。その間、高さ検出手段の検出結果に基づいて精密に、チップを押し込み、押し込みにともなう電極からの反力を荷重検出手段で検出している。ピラーバンプの半田部分が電極の接合面に位置合わせされていても、部分的にはみ出している場合は、所定時間経過後の電極からの反力が、はみ出していない場合に比べて少なくなる。これらの反力の微妙な違いを荷重検出手段が正確に検出することで、ピラーバンプの位置ずれを検出することができる。
【００２５】
請求項４に記載の発明によれば、制御手段が、チップのピラーバンプが基板の電極の接合面に接触した後、所定圧力で所定時間、チップを基板側に押圧する。押圧したことによるチップと基板の間隙の変化を高さ検出手段で測定し、溶融前のピラーバンプの半田と電極の位置合わせの良否を判定する機能を有している。
【００２６】
熱圧着ツールを下降させることにより、熱圧着ツールに保持されたチップのピラーバンプが接触した位置を高さ検出手段で測定し、荷重検出手段でチップの押圧力を所定の値に保ちながら所定時間、押圧している。押圧が完了した際の熱圧着ツールの位置を高さ検出手段で測定することにより、チップと基板の間隙の変化を測定することができる。
【００２７】
チップのピラーバンプが、電極の接合面に位置合わせされていると、半田溶融前のピラーバンプの半田は、固相状態のため押圧量に応じて変形し、変形量がチップと基板の間隙の変化となる。しかし、ピラーバンプと電極の位置合わせにおいて、ピラーバンプが電極の接合面の端に位置されていると、押圧力に応じてチップは基板側に沈み込んでしまう。このような場合、押圧完了時には、チップと基板の間隙はピラーバンプと電極が位置合わせされている場合に比べて、狭まってしまう。チップと基板の間隙の変化から位置合わせの良否を判定する制御手段を用いているので、溶融前のピラーバンプの位置ずれを良好に検出することができる。
【００２８】
このように、本発明によれば、半田バンプが基板の電極に良好に熱圧着されかどうかを判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係る実装装置の概略側面図である。
【図２】チップと基板の関係を示す概略側面図である。
【図３】本発明に係る実装方法を説明するフローチャートである。
【図４】Ｚ軸ヘッド高さと検出荷重を示すチャートである。
【図５】チップと基板の状態を示す側面図と、検出荷重、Ｚ軸ヘッド高さの関係を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
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実装装置の側面図、図２は実装装置で使用するチップ２と基板６の側面図である。図１において、実装装置１に向かって左右方向をＸ軸、前後方向をＹ軸、Ｘ軸とＹ軸で構成されるＸＹ平面に直交する軸をＺ軸、Ｚ軸周りをθ軸とする。
【００３１】
実装装置１は、チップ２を吸着保持するヘッド８と、基板６を吸着保持する基板ステージ１１と、チップ２と基板６に設けられた位置合わせマークを認識する２視野カメラ１３と、実装装置１全体を制御する制御部２０とから構成されている。
【００３２】
ヘッド８には、チップ２に付与されている加圧力を検出するロードセル１０が内蔵されている。ヘッド８の下側にはチップ２を吸着保持するツール９が装着されている。ツール９にはヒータ１６と熱電対１８が内蔵されており、制御部２０からの指令に基づいてチップ２を加熱できるように構成されている（図１でヒータ１６は点線で表記した）。ヘッド８はサーボモータ１４とサーボモータ１４に連結されたボールねじ１５を駆動制御することによりＺ方向上下に昇降する。本発明の駆動手段は、サーボモータ１４とボールねじ１５で構成されている。
【００３３】
また、ヘッド８は、制御部２０からの指令に基づいて、押圧力を制御する荷重制御と、Ｚ軸高さ位置を制御する位置制御との制御ができるように構成されている。本発明の熱圧着ツールは、ヘッド８とツール９で構成されている。
【００３４】
ヘッド８の押圧力はモーターのトルクによって制御されるのが好ましいが、ボイスコイルモータや空圧シリンダーなど押し付け力を発生するものであれば、どのような手段であっても良い。
【００３５】
荷重制御中に押圧力を一定に保つためにＺ方向に上下に変動した移動量は、サーボモータ１４のエンコーダー１９による位置検出手段により位置情報を取得できるように構成されている。位置検出手段はＺ方向に位置を測定出来るものであれば、外部にリニアスケールなどを用いても良い。
【００３６】
基板ステージ１１は、図示していない駆動機構によりＸ，Ｙ、θ方向に移動可能で、吸着保持された基板６を所定の位置に位置決めできるように構成されている。
【００３７】
２視野カメラ１３は、ツール９に吸着保持されたチップ２と、基板ステージ１１に吸着保持された回路基板６との間に挿入され、チップ２および基板６に付された位置合わせマークを画像認識することができる。通常は、待機位置（図１の点線表記部分）で待機しており画像認識の際に画像認識位置（チップ２と基板６の間）に移動できるようになっている。
【００３８】
図２（ａ）に示すように、チップ２は、チップ裏面２ｂにＣｕ製のピラー４（銅製の支柱）が設けられている。ピラー４の先端には半田５が形成されている。ピラー４と半田５でピラーバンプ３を形成している。基板６には電極７が設けられ、電極７の表面は半田メッキ７ａが施されている。基板６の電極７の周囲には非導電性熱硬化樹脂である接着剤１７が充填されている。電極７には、ピラーバンプ３と接合される平坦な接合面７ｂが設けられている。
【００３９】
Ｃｕ製のピラー４の形状は、円柱状のものが用いられている。なお、ピラー４は円柱状に限らず、多角形の柱であっても、円錐状の柱であってもよく、柱の先端に半田５が形成されたものであればよい。例えば、図２（ｂ）の様な形状であっても良い。
【００４０】
このような、実装装置１を用いてチップ２を基板６に実装する実装方法について、図３のフローチャートと、図４の実装状態を説明するグラフと、を用いて説明する。図４は、横軸に時間を表記し、縦軸にヘッド８のＺ軸方向の高さおよび、ロードセル１０の検出荷重を表記している。
【００４１】
まず、ヘッド８のツール９にチップ２が吸着保持されており、基板ステージ１１に基板６が吸着保持されている状態で、ヘッド８が基板６側に所定高さ（サーチ高さ）下降した状態から始める。予め、チップ２の位置合わせマークと基板６の位置合わせマークは２視野カメラによって画像認識され、画像認識データに基づいて、基板ステージ１１がＸ、Ｙ、θ方向に位置合わせされている。また、ツール９のヒータ１６は予熱温度Ｔ１に暖められている。予熱温度Ｔ１では、半田が固相状態から溶融状態に移る軟化した状態となる（例えば、１６０℃など）。ヘッド８の駆動制御は、高さ検出手段であるエンコーダー１９の検出位置に基づいてサーボモータ１４が駆動され、位置制御されている（ステップＳＴ００）。
【００４２】
次に、チップヘッド８を低速で所定高さだけ下降させる。電極７の周囲の接着剤１７を押しのけながら、ピラーバンプ３が下降する。この状態は、図４のｔ０のタイミングとなる。バンプ３が電極７の近傍まで近づいた状態となる。ヘッド８が徐々に下降し、ピラーバンプ３の先端の半田５が電極７に接触するタイミングを検出するサーチ動作を行う（ステップＳＴ０１）。
【００４３】
次に、ロードセル１０で荷重Ｐ１が検出される（ステップＳＴ０２）。荷重Ｐ１をサーチ荷重とする。図４のタイミングｔ１がバンプ３の半田５が電極７に接触したタイミングである。ヘッド８の駆動制御をロードセル１０の検出荷重に基づく荷重制御に切り換える。
【００４４】
ピラーバンプ３の半田５が電極７に接触すると、予熱温度Ｔ１に暖められているツール９の温度が基板６側に伝わるようになる。
【００４５】
また、基板６に予め充填されている接着剤１７は、チップ２が基板６にサーチ荷重Ｐ１で押し付けられると、バンプ３と電極７の接触した部分から押し出される。この工程は、接着剤１７がピラーバンプ３と電極７の間に残留していると、後の工程で製品不具合となるため行われている。
【００４６】
次に、所定時間ｔｍ１だけサーチ荷重Ｐ１を維持する（ステップＳＴ０３）。チップ２には、複数のピラーバンプ３が設けられている。それぞれのピラーバンプ３の高さは、微妙に違っている。そのため、所定時間ｔｍ１だけサーチ加重Ｐ１を維持することにより、全てのピラーバンプ３を電極７の接合面７ｂに接地させるようにしている。
【００４７】
次に、ヘッド８の高さ検出手段であるエンコーダー１９でヘッド８の高さ位置Ｈ１を計測し、制御部２０に記憶する（ステップＳＴ０４）。計測は、図４のタイミングｔ２で行われる。高さ位置Ｈ１の計測は、本発明の第１の高さ測定工程に対応する。
【００４８】
次に、ヘッド８の設定荷重をＰ２に変更する（ステップＳＴ０５）。予熱状態（例えば、１６０℃程度の状態）では、ピラーバンプ３の先端に形成された半田５は溶融しない。半田５は、固相状態から液相状態に移る段階で、軟化した状態となる。そのため、ヘッド８が設定荷重Ｐ２で荷重制御されることにより、軟化した半田５が電極７に押し込まれ、形状が変形する。
【００４９】
次に、図４のタイミングｔ３からｔ４までの所定時間ｔｍ２、ヘッド８を設定荷重Ｐ２で荷重制御する。
【００５０】
次に、ヘッド８の高さ検出手段であるエンコーダー１９でヘッド８の高さ位置Ｈ２を計測し、制御部２０に記憶する（ステップＳＴ０６）。高さ位置Ｈ２の計測は、本発明の第２の高さ測定工程に対応する。
【００５１】
ヘッド８の荷重制御の設定荷重Ｐ１からＰ２に変更したことにより、ピラーバンプ３が電極７に押し込まれる。この際、ピラーバンプ３と電極７の接合面７ｂが位置ずれしている場合、ステップＳＴ０４とステップＳＴ０６で計測されたヘッド８の高さ変位量（Ｈ１−Ｈ２）が、予め設定されている許容値Ｈａをオーバーすることになる。そのため、設定荷重Ｐ２で所定時間ｔｍ２、荷重制御を行った後、ヘッド８の高さ変位量（Ｈ１−Ｈ２）が許容値Ｈａの範囲内かどうか判定する（ステップＳＴ０７）。判定は図４のタイミングｔ４で行われる。ヘッド８の高さ変位量（Ｈ１−Ｈ２）は、チップ２と基板６の間隙の変化に対応し、許容値Ｈａの範囲内かどうかの判定は、本発明の、溶融前の半田バンプと電極の位置合わせの良否を判定する沈み込み量判定工程に対応する。許容値Ｈａを超えるヘッド８の高さ変位量（Ｈ１−Ｈ２）が検出された場合は、制御部２０に作業中基板６に半田５と電極７の位置ずれ不良があることを記憶する（ステップＳＴ０７ＮＧ）。
【００５２】
許容値Ｈａは、ピラーバンプ３の半田５が電極７の接合面７ｂの中心付近に位置合わせされている場合を基準に設定される。半田５と接合面７ｂの接触位置にズレが生じ、電極７の端部に片当たりしている場合は、設定加重Ｐ２で所定時間ｔｍ２だけチップ２を押圧すると、電極７からの反力が十分でないため、押圧量にともなってチップ２が基板６側に沈み込むことになる。
【００５３】
従い、許容値Ｈａを超えるヘッド８の高さ変位量を検出することにより、ピラーバンプ３の半田５と電極７の接触面７ｂの位置合わせが良好に行われているか判定することができる。
【００５４】
なお、設定荷重Ｐ２は、予め、半田５を予熱温度Ｔ１に加熱し軟化した状態で潰れることのない荷重を測定し制御部２０に記憶させ、実際の工程で用いている。そのため、半田５が荷重Ｐ２に耐えきれずに潰れてしまうことがない。
【００５５】
次に、ヘッド８の駆動制御を、ロードセル１０の検出荷重に基づく荷重制御から、高さ検出手段であるエンコーダー１９の検出位置に基づく位置制御に切り換える。これにより、ピラーバンプ３と電極７の間隔が一定に保たれるように位置制御が行われる。次に、ヒータ１６の設定温度をＴ２に変更する。温度Ｔ２では、バンプ３の先端部の半田５が半田溶融温度に到達する（例えば、２４０〜２８０℃）。
【００５６】
次に、所定時間ｔｍ３経過した後、さらに、ヘッド８を押し込み量Ｈｂだけ基板６側に下降し、ピラーバンプ３を電極７に押し込む（ステップＳＴ０８）。押し込みは、図４のタイミングｔ５で行われる。ピラーバンプ３が電極７に押し込まれることにより、反力が発生する。反力は、押し込みが完了した際（図４のタイミングｔ６）、ロードセル１０でヘッド８の検出荷重Ｐ３として測定される（ステップＳＴ０９）。検出荷重Ｐ３の測定は、本発明の第１の反力測定工程に対応する。
【００５７】
次に、所定時間ｔｍ４経過した後、ロードセル１０でヘッド８の検出荷重Ｐ４を測定する。検出荷重Ｐ４の測定は、ヘッド８の荷重変動が発生し安定した段階（図４のタイミングｔ７）で、半田５が溶融した段階に行われる（ステップＳＴ１０）。検出荷重Ｐ４の測定は、本発明の第２の反力測定工程に対応する。ヘッド８は、押し込み量Ｈｂを維持するように位置制御されているので、ピラーバンプ３が電極７に押し込まれることによって生じた反力（検出荷重Ｐ３）は、半田５の溶融にともない低下する。半田５は温度Ｔ２で加熱されているので、半田５が溶融温度に達している。また、チップ２と基板６の間に充填されている接着剤１７が硬化する。
【００５８】
ピラーバンプ３と電極７の位置合わせが精度良く行われている場合、溶融した半田５と電極７とで生じる反力（検出荷重Ｐ４）は、所定の値を維持する。しかし、ピラーバンプ３と電極７の位置合わせにズレが生じている場合、溶融した電極７からの反力がピラーバンプ３に作用しないため、検出荷重Ｐ４は、位置合わせが精度良く行われている場合に比べて、低くなる。この特性に基づき、検出荷重Ｐ３と検出荷重Ｐ４とから、その差（Ｐ３−Ｐ４）が、予め設定されている許容値Ｈｂの範囲内かどうかを判定する（ステップＳＴ１１）。Ｐ３−Ｐ４が許容値Ｈｂの範囲内ならば、ピラーバンプ３と電極７の位置合わせは精度良く行われていると判定し、範囲外ならば、ピラーバンプ３と電極７の位置合わせにズレが生じていると判定する。この良否判定は、本発明の、溶融したピラーバンプ３と電極７の位置合わせの良否を判定する反力判定工程に対応する。許容値Ｈｂを超える場合は、制御部２０にピラーバンプ３と電極７の位置ずれ不良があることを記憶する（ステップＳＴ１１ＮＧ）。
【００５９】
次に、ヒータ１６をＯＦＦし、ツール９によるチップ２の吸着保持を解除し、ヘッド８を上昇し、チップ２の基板６への実装を終了する（ステップＳＴ１２）。
【００６０】
反力判定工程について、チップ２の半田５と基板６の電極７の状態を、図５を用いて詳細説明する。ステップＳＴ０１からステップＳＴ１０までの工程に於いて、チップ２と基板６の位置関係を図５に示す。チップ２のバンプ３が電極７に接触した状態（ステップＳＴ０２）を、図５（ａ）に示す。この状態のチップ２の裏面２ｂと基板６との距離をｈ０とする。検出荷重はＰ１で、ヘッド８の高さＨ１が保たれている。
【００６１】
チップ２のバンプ３が電極７に所定の荷重（ピラー４と電極６が接触しない荷重）で押圧された状態（ステップＳＴ０６）を、図５（ｂ）に示す。この状態のチップ２の裏面２ｂと基板６との距離をｈ１とする。検出荷重はＰ２で、ヘッドの高さＨ２が保たれている。
【００６２】
チップ２のバンプ３が電極に所定の押し込み量Ｈｂだけ押し込まれ（ステップＳＴ０９）、半田５が溶融温度に到達した状態（ステップＳＴ１０）を、図５（ｃ）に示す。この状態では半田５と電極７の位置合わせが精度良く行われている。そのため、半田５と電極７とで生じる反力は、半田溶融状態であっても所定値を維持する。
【００６３】
一方、半田５と電極７の位置合わせにズレが生じている場合を図５（ｄ）に示す。溶融した半田５と電極７の位置がずれているため、電極７からの反力が半田５に伝わらない。そのため、検出荷重Ｐ４が精度良く位置合わせされた状態に比べて低くなる。
【００６４】
具体的には、チップ２と基板６の生産ロット毎に、押し込み量Ｈｂに対する、検出荷重Ｐ３およびＰ４の値が、制御部２０に予め記憶されている。また、位置ずれが発生した場合の検出荷重Ｐ４についても設定値が制御部２０に記憶されている。これらのデータに基づき、チップ２と基板６の接合毎に検出荷重Ｐ３、Ｐ４を比較し、接合の良否判断を行う。
【符号の説明】
【００６５】
１ 実装装置
２ チップ
２ｂ チップ裏面
３ ピラーバンプ
４ ピラー
５ 半田
６ 基板
７ 電極
７ａ 半田メッキ
７ｂ 接合面
８ ヘッド
９ ツール
１０ ロードセル
１１ 基板ステージ
１３ ２視野カメラ
１４ サーボモータ
１５ ボールねじ
１６ ヒータ
１７ 接着剤
１８ 熱電対
１９ エンコーダー
２０ 制御部
Ｔ１ 予熱温度
Ｔ２ 半田溶融温度
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フリップチップに設けられた柱状のピラーの先端に半田が形成されたピラーバンプ付きのフリップチップを基板に熱圧着する実装方法および実装装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、高密度実装の要求から半田バンプも電極間隔を狭め、バンプの構造も丸みをおびたボールバンプから、柱状の形状のものが用いられるようになっている。特許文献１には、バンプピッチを超微細にした柱状のピラーバンプが、開示されている。ピラーバンプは、狭ピッチで立設したＣｕ等のピラー（円柱状）の先端に半球状の半田を形成している。先端の半田は、半球状の場合もあるし、先端部を楕円状に平坦化させたものもある。そのため、バンプピッチを従来の半田ボールタイプの半田バンプに比べて微細にすることができる。また高密度実装に対応することができる。これらの半田部分は、ピラー（円柱）の底面の面積が微小面積であるため、従来の半田ボールタイプの半田バンプに比べて、極めて少ない量の半田で半田接合部分が形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２４５２８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このようなピラーバンプが形成されたチップを、基板に熱圧着し接合状態を検査しようとすると次のような問題がある。
【０００５】
チップと基板の位置合わせは、チップおよび基板に設けられた位置合わせマークを画像認識し、画像認識データに基づいて、チップを保持する熱圧着ツールもしくは基板を保持する基板ステージを駆動して位置合わせしている。そのため、位置合わせマークに基づいてチップと基板が位置合わせされていても、ピラーバンプと基板の電極のセンター位置が所定範囲を超えていると、チップを押圧する際に、ピラーバンプが電極からズレおちる問題がある（特に、バンプピッチが微細化されたピラーバンプでは、位置合わせのマージンが狭く、ピラーバンプと電極の位置合わせが困難な状況となっている）。ピラーバンプが電極からズレおちた状態のチップと基板の接合は、回路のショートなど、不具合を招く要因となる。
【０００６】
また、ピラーバンプの先端に設けられている半田の量が、従来のボールバンプに比べて少ないため、ヒータによる半田の加熱と、チップの押圧力のバランスによっては、ピラーと電極の間で溶融した半田が押し潰されて、電極の接合面からはみ出してしまう問題もある。
【０００７】
そこで、本発明の課題は、ピラーバンプなどの微細な半田バンプが形成されたチップを基板に熱圧着する実装方法において、ピラーバンプが基板の電極に良好に熱圧着されかどうかを判定することができる実装方法および実装装置を提供することとする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
チップに設けられたピラーバンプを、基板に設けられた電極に、押圧しながら加熱し熱圧着する実装方法であつて、
チップを熱圧着ツールで保持して基板側に下降させる工程と、
チップのピラーバンプが基板の電極に接触した後、
チップを保持する熱圧着ツールの温度を半田溶融温度に昇温する工程と、
予め設定されている押し込み量だけ、チップを基板側に押し込み、押し込みが完了した際の、基板の電極からの反力を測定する第１の反力測定工程と、
ピラーバンプに設けられた半田溶融した際の基板の電極からの反力を測定する第２の反力測定工程と、
前記第１の反力測定工程の測定結果と、前記第２の反力測定工程の測定結果から、溶融したピラーバンプと電極の位置合わせの良否を判定する反力判定工程と、を有する実装方法である。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１の発明において、
チップのピラーバンプが基板の電極に接触した後、
チップを保持している熱圧着ツールの昇降位置を測定する第１の高さ測定工程と、
予め設定されている圧力で、予め設定されている時間、チップを基板側に押圧した後、
チップを保持している熱圧着ツールの昇降位置を測定する第２の高さ測定工程と、
前記第１の高さ測定工程の測定結果と、前記第２の高さ測定工程の測定結果から、チップを押圧したことによるチップと基板の間隔の変化を求め、半田溶融前のピラーバンプと電極の位置合わせの良否を判定する沈み込み量判定工程を有する実装方法である。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、
ピラーバンプが設けられたチップを保持する熱圧着ツールと、
チップのピラーバンプが接合される電極を有した基板を保持する基板ステージと、
チップを保持した熱圧着ツールを、基板を保持した基板ステージ側に、昇降させる駆動手段と、
チップを保持した熱圧着ツールの昇降位置を検出する高さ検出手段と、
チップを保持した熱圧着ツールが基板を押圧する際の、押圧力を検出する荷重検出手段と、
熱圧着ツールの温度を昇温するヒータと、
前記高さ検出手段でチップ高さ位置情報を測定し、前記荷重検出手段でチップへの押圧力を測定し、前記駆動手段と前記ヒータとを制御する制御手段とを備えた実装装置であって、
前記制御手段が、
前記ヒータを半田溶融温度に昇温し、前記駆動手段を駆動し熱圧着ツールを基板側に予め設定されている押し込み量だけ押し込んだ際の、前記荷重検出手段で測定した検出荷重と、ピラーバンプに設けられた半田が溶融した際の検出荷重から、溶融したピラーバンプと電極の位置合わせの良否を判定する機能を有する実装装置である。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項３の発明において、
前記制御手段が、
チップのピラーバンプが基板の電極に接触した後、
予め設定されている圧力で、予め設定されている時間、チップを基板側に押圧し、押圧したことによるチップと基板の間隔に変化から、溶融前のピラーバンプと電極の位置合わせの良否を判定する機能を有する実装装置である。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に記載の発明によれば、ピラーバンプを備えたチップを熱圧着ツールで保持して基板側に下降している。そして、チップのピラーバンプが基板の電極に接触した後、チップを保持する熱圧着ツールの温度を半田溶融温度に昇温している。そして、熱圧着ツールの温度がピラーバンプに伝わる間に、チップを基板側に、予め設定されている押し込み量だけ押し込んでいる。そして、チップの押し込みが完了した際の、基板の電極からの反力を、熱圧着ツールに設けられた荷重検出手段で測定し、制御手段に第１の反力測定結果として記憶している（第１の反力測定工程）。一方、熱圧着ツールの温度がピラーバンプに伝わることによりピラーバンプに設けられた半田の溶融が進んでいく。そのため、予め設定された押し込み量の状態で、熱圧着ツールが昇降位置を保持していても、ピラーバンプの半田が溶融すると、基板の電極からの反力は少しずつ低下していく。
【００１３】
そのため、請求項１の発明では、ピラーバンプに設けられた半田が溶融するまでの、予め設定されている時間（ピラーバンプの半田の溶融が完了する時間）経過した後、基板の電極からの反力を測定し、制御手段に第２の反力測定結果として記憶している（第２の反力測定工程）。そして、制御手段に記憶した第１の反力測定結果と、第２の反力測定結果とから溶融したピラーバンプと電極の位置合わせの良否を判定している（反力判定工程）。
【００１４】
ピラーバンプと電極の位置ずれが発生していると、溶融したピラーバンプの半田が基板の電極の接合面からはみだした状態となる。溶融した半田全体を、電極の接合面で支える場合に比べて、電極からはみでている分、電極からの反力は低下する。
【００１５】
より具体的には、第１の反力測定工程では、ピラーバンプの半田は完全に溶融していないため、電極の接触面（ピラーバンプが当接する面）にピラーバンプが位置合わせされていれば、電極の接触面から多少はみ出ていても、所定の押し込み量だけチップを押し込んでも、所定の範囲の反力を電極から受けることができる。しかし、ピラーバンプの半田が溶融した状態では、電極の接触面の全てで、ピラーバンプの半田が電極の接合面全体で支えている場合と、ピラーバンプの半田の一部が電極からはみ出ている場合では反力の違いが生じる。第２の反力測定工程は、ピラーバンプの半田が溶融した状態となるため、電極の接合面から半田がはみ出ている場合は、チップを押し込むことによる電極からの反力が、電極の接触面の全てで支えている場合に比べて低下して検出される。
【００１６】
これらの反力の測定結果（第１の反力測定工程の測定結果と、第２の反力測定工程の測定結果）から、チップのピラーバンプと、基板の電極が良好に位置合わせされ、熱圧着されたかを判定することができる（反力判定工程）。
【００１７】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明において、さらに、ピラーバンプを備えたチップを熱圧着ツールで保持して基板側に下降し、チップのピラーバンプが基板の電極に接触した後、チップを保持している熱圧着ツールの昇降位置を測定している（第１の高さ測定工程）。
【００１８】
そして、予め設定されている圧力で、予め設定されている時間だけ、チップを基板側に押圧した後、チップを保持している熱圧着ツールの昇降位置を測定している（第２の高さ測定工程）。
【００１９】
そして、第１の高さ測定工程の測定結果と、第２の高さ測定工程の測定結果から、押圧したことによるチップと基板の間隙の変化を求め、半田溶融前のピラーバンプと電極の位置合わせを判定している（沈み込み量判定工程）。
【００２０】
チップのピラーバンプが基板の電極に接触した状態では、熱圧着ツールが昇温していないため、ピラーバンプの半田は溶融していない固相状態となる。そのため、基板の電極の接合面の範囲にピラーバンプの半田の接触位置が位置合わせされていると、ピラーバンプの先端の半田が電極の接合面に当たった状態となる。この状態で、予め設定されている圧力と、予め設定されている時間だけ、チップを基板に押圧しても、押圧にともなうピラーバンプの半田の変形分のみが、チップと基板の間隙の変化となる。しかし、ピラーバンプの半田の接触位置が、電極の接触面から外れてしまい、電極の接触面の端部に片当たりしている場合は、チップを所定圧で所定時間、押圧すると、電極の接触面からの反力が十分でないため、押圧量にともなってチップが基板側に沈み込むことになる。そのため、チップと基板の間隙は、ピラーバンプの先端の半田が電極の接合面内に位置合わせされている場合に比べて、狭まることになる。
【００２１】
従い、ピラーバンプが電極に接触した熱圧着ツールの昇降位置である第１の高さ測定工程の測定結果と、所定圧力で所定時間、チップを押圧した後の熱圧着ツールの昇降位置である第２の高さ測定工程の測定結果から、チップと基板の間隙の変化を求めることにより、溶融前のピラーバンプの半田と電極の位置合わせが良好に行われているか判定することができる（沈み込み量判定工程）。
【００２２】
請求項３に記載の発明によれば、実装装置が、ピラーバンプを備えたチップを保持する熱圧着ツールと、基板を保持する基板ステージと、チップを保持した熱圧着ツールを基板を保持した基板ステージ側に昇降させる駆動手段と、チップを保持した熱圧着ツールの昇降位置を検出する高さ検出手段と、チップを保持した熱圧着ツールが基板を押圧する際の押圧力を検出する荷重検出手段と、熱圧着ツールの温度を昇温するヒータと、高さ検出手段で検出されたチップ高さ位置と荷重検出手段で検出した熱圧着ツールの押圧力に基づいて駆動手段を制御する制御手段を備えている。
【００２３】
さらに、制御手段は、ヒータを半田溶融温度に昇温し、予め設定されている押し込み量だけ駆動手段を駆動し、基板の電極に接触しているピラーバンプを備えたチップを基板側に押し込み、荷重検出手段でピラーバンプに設けられた半田が溶融する前の電極からの反力と、半田が溶融した後の電極からの反力を測定し、ピラーバンプと電極の位置合わせの良否を判定する機能を有している。
【００２４】
熱圧着ツールを半田溶融温度にヒータを昇温した後、熱圧着ツールに保持されたチップのピラーバンプの先端に設けられた半田が溶融していくまで時間経過を必要とする。その間、高さ検出手段の検出結果に基づいて精密に、チップを押し込み、押し込みにともなう電極からの反力を荷重検出手段で検出している。ピラーバンプの半田部分が電極の接合面に位置合わせされていても、部分的にはみ出している場合は、所定時間経過後の電極からの反力が、はみ出していない場合に比べて少なくなる。これらの反力の微妙な違いを荷重検出手段が正確に検出することで、ピラーバンプの位置ずれを検出することができる。
【００２５】
請求項４に記載の発明によれば、制御手段が、チップのピラーバンプが基板の電極の接合面に接触した後、所定圧力で所定時間、チップを基板側に押圧する。押圧したことによるチップと基板の間隙の変化を高さ検出手段で測定し、溶融前のピラーバンプの半田と電極の位置合わせの良否を判定する機能を有している。
【００２６】
熱圧着ツールを下降させることにより、熱圧着ツールに保持されたチップのピラーバンプが接触した位置を高さ検出手段で測定し、荷重検出手段でチップの押圧力を所定の値に保ちながら所定時間、押圧している。押圧が完了した際の熱圧着ツールの位置を高さ検出手段で測定することにより、チップと基板の間隙の変化を測定することができる。
【００２７】
チップのピラーバンプが、電極の接合面に位置合わせされていると、半田溶融前のピラーバンプの半田は、固相状態のため押圧量に応じて変形し、変形量がチップと基板の間隙の変化となる。しかし、ピラーバンプと電極の位置合わせにおいて、ピラーバンプが電極の接合面の端に位置されていると、押圧力に応じてチップは基板側に沈み込んでしまう。このような場合、押圧完了時には、チップと基板の間隙はピラーバンプと電極が位置合わせされている場合に比べて、狭まってしまう。チップと基板の間隙の変化から位置合わせの良否を判定する制御手段を用いているので、溶融前のピラーバンプの位置ずれを良好に検出することができる。
【００２８】
このように、本発明によれば、半田バンプが基板の電極に良好に熱圧着されかどうかを判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係る実装装置の概略側面図である。
【図２】チップと基板の関係を示す概略側面図である。
【図３】本発明に係る実装方法を説明するフローチャートである。
【図４】Ｚ軸ヘッド高さと検出荷重を示すチャートである。
【図５】チップと基板の状態を示す側面図と、検出荷重、Ｚ軸ヘッド高さの関係を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
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実装装置の側面図、図２は実装装置で使用するチップ２と基板６の側面図である。図１において、実装装置１に向かって左右方向をＸ軸、前後方向をＹ軸、Ｘ軸とＹ軸で構成されるＸＹ平面に直交する軸をＺ軸、Ｚ軸周りをθ軸とする。
【００３１】
実装装置１は、チップ２を吸着保持するヘッド８と、基板６を吸着保持する基板ステージ１１と、チップ２と基板６に設けられた位置合わせマークを認識する２視野カメラ１３と、実装装置１全体を制御する制御部２０とから構成されている。
【００３２】
ヘッド８には、チップ２に付与されている加圧力を検出するロードセル１０が内蔵されている。ヘッド８の下側にはチップ２を吸着保持するツール９が装着されている。ツール９にはヒータ１６と熱電対１８が内蔵されており、制御部２０からの指令に基づいてチップ２を加熱できるように構成されている（図１でヒータ１６は点線で表記した）。ヘッド８はサーボモータ１４とサーボモータ１４に連結されたボールねじ１５を駆動制御することによりＺ方向上下に昇降する。本発明の駆動手段は、サーボモータ１４とボールねじ１５で構成されている。
【００３３】
また、ヘッド８は、制御部２０からの指令に基づいて、押圧力を制御する荷重制御と、Ｚ軸高さ位置を制御する位置制御との制御ができるように構成されている。本発明の熱圧着ツールは、ヘッド８とツール９で構成されている。
【００３４】
ヘッド８の押圧力はモーターのトルクによって制御されるのが好ましいが、ボイスコイルモータや空圧シリンダーなど押し付け力を発生するものであれば、どのような手段であっても良い。
【００３５】
荷重制御中に押圧力を一定に保つためにＺ方向に上下に変動した移動量は、サーボモータ１４のエンコーダー１９による位置検出手段により位置情報を取得できるように構成されている。位置検出手段はＺ方向に位置を測定出来るものであれば、外部にリニアスケールなどを用いても良い。
【００３６】
基板ステージ１１は、図示していない駆動機構によりＸ，Ｙ、θ方向に移動可能で、吸着保持された基板６を所定の位置に位置決めできるように構成されている。
【００３７】
２視野カメラ１３は、ツール９に吸着保持されたチップ２と、基板ステージ１１に吸着保持された回路基板６との間に挿入され、チップ２および基板６に付された位置合わせマークを画像認識することができる。通常は、待機位置（図１の点線表記部分）で待機しており画像認識の際に画像認識位置（チップ２と基板６の間）に移動できるようになっている。
【００３８】
図２（ａ）に示すように、チップ２は、チップ裏面２ｂにＣｕ製のピラー４（銅製の支柱）が設けられている。ピラー４の先端には半田５が形成されている。ピラー４と半田５でピラーバンプ３を形成している。基板６には電極７が設けられ、電極７の表面は半田メッキ７ａが施されている。基板６の電極７の周囲には非導電性熱硬化樹脂である接着剤１７が充填されている。電極７には、ピラーバンプ３と接合される平坦な接合面７ｂが設けられている。
【００３９】
Ｃｕ製のピラー４の形状は、円柱状のものが用いられている。なお、ピラー４は円柱状に限らず、多角形の柱であっても、円錐状の柱であってもよく、柱の先端に半田５が形成されたものであればよい。例えば、図２（ｂ）の様な形状であっても良い。
【００４０】
このような、実装装置１を用いてチップ２を基板６に実装する実装方法について、図３のフローチャートと、図４の実装状態を説明するグラフと、を用いて説明する。図４は、横軸に時間を表記し、縦軸にヘッド８のＺ軸方向の高さおよび、ロードセル１０の検出荷重を表記している。
【００４１】
まず、ヘッド８のツール９にチップ２が吸着保持されており、基板ステージ１１に基板６が吸着保持されている状態で、ヘッド８が基板６側に所定高さ（サーチ高さ）下降した状態から始める。予め、チップ２の位置合わせマークと基板６の位置合わせマークは２視野カメラによって画像認識され、画像認識データに基づいて、基板ステージ１１がＸ、Ｙ、θ方向に位置合わせされている。また、ツール９のヒータ１６は予熱温度Ｔ１に暖められている。予熱温度Ｔ１では、半田が固相状態から溶融状態に移る軟化した状態となる（例えば、１６０℃など）。ヘッド８の駆動制御は、高さ検出手段であるエンコーダー１９の検出位置に基づいてサーボモータ１４が駆動され、位置制御されている（ステップＳＴ００）。
【００４２】
次に、チップヘッド８を低速で所定高さだけ下降させる。電極７の周囲の接着剤１７を押しのけながら、ピラーバンプ３が下降する。この状態は、図４のｔ０のタイミングとなる。バンプ３が電極７の近傍まで近づいた状態となる。ヘッド８が徐々に下降し、ピラーバンプ３の先端の半田５が電極７に接触するタイミングを検出するサーチ動作を行う（ステップＳＴ０１）。
【００４３】
次に、ロードセル１０で荷重Ｐ１が検出される（ステップＳＴ０２）。荷重Ｐ１をサーチ荷重とする。図４のタイミングｔ１がバンプ３の半田５が電極７に接触したタイミングである。ヘッド８の駆動制御をロードセル１０の検出荷重に基づく荷重制御に切り換える。
【００４４】
ピラーバンプ３の半田５が電極７に接触すると、予熱温度Ｔ１に暖められているツール９の温度が基板６側に伝わるようになる。
【００４５】
また、基板６に予め充填されている接着剤１７は、チップ２が基板６にサーチ荷重Ｐ１で押し付けられると、バンプ３と電極７の接触した部分から押し出される。この工程は、接着剤１７がピラーバンプ３と電極７の間に残留していると、後の工程で製品不具合となるため行われている。
【００４６】
次に、所定時間ｔｍ１だけサーチ荷重Ｐ１を維持する（ステップＳＴ０３）。チップ２には、複数のピラーバンプ３が設けられている。それぞれのピラーバンプ３の高さは、微妙に違っている。そのため、所定時間ｔｍ１だけサーチ加重Ｐ１を維持することにより、全てのピラーバンプ３を電極７の接合面７ｂに接地させるようにしている。
【００４７】
次に、ヘッド８の高さ検出手段であるエンコーダー１９でヘッド８の高さ位置Ｈ１を計測し、制御部２０に記憶する（ステップＳＴ０４）。計測は、図４のタイミングｔ２で行われる。高さ位置Ｈ１の計測は、本発明の第１の高さ測定工程に対応する。
【００４８】
次に、ヘッド８の設定荷重をＰ２に変更する（ステップＳＴ０５）。予熱状態（例えば、１６０℃程度の状態）では、ピラーバンプ３の先端に形成された半田５は溶融しない。半田５は、固相状態から液相状態に移る段階で、軟化した状態となる。そのため、ヘッド８が設定荷重Ｐ２で荷重制御されることにより、軟化した半田５が電極７に押し込まれ、形状が変形する。
【００４９】
次に、図４のタイミングｔ３からｔ４までの所定時間ｔｍ２、ヘッド８を設定荷重Ｐ２で荷重制御する。
【００５０】
次に、ヘッド８の高さ検出手段であるエンコーダー１９でヘッド８の高さ位置Ｈ２を計測し、制御部２０に記憶する（ステップＳＴ０６）。高さ位置Ｈ２の計測は、本発明の第２の高さ測定工程に対応する。
【００５１】
ヘッド８の荷重制御の設定荷重Ｐ１からＰ２に変更したことにより、ピラーバンプ３が電極７に押し込まれる。この際、ピラーバンプ３と電極７の接合面７ｂが位置ずれしている場合、ステップＳＴ０４とステップＳＴ０６で計測されたヘッド８の高さ変位量（Ｈ１−Ｈ２）が、予め設定されている許容値Ｈａをオーバーすることになる。そのため、設定荷重Ｐ２で所定時間ｔｍ２、荷重制御を行った後、ヘッド８の高さ変位量（Ｈ１−Ｈ２）が許容値Ｈａの範囲内かどうか判定する（ステップＳＴ０７）。判定は図４のタイミングｔ４で行われる。ヘッド８の高さ変位量（Ｈ１−Ｈ２）は、チップ２と基板６の間隙の変化に対応し、許容値Ｈａの範囲内かどうかの判定は、本発明の、溶融前の半田バンプと電極の位置合わせの良否を判定する沈み込み量判定工程に対応する。許容値Ｈａを超えるヘッド８の高さ変位量（Ｈ１−Ｈ２）が検出された場合は、制御部２０に作業中基板６に半田５と電極７の位置ずれ不良があることを記憶する（ステップＳＴ０７ＮＧ）。
【００５２】
許容値Ｈａは、ピラーバンプ３の半田５が電極７の接合面７ｂの中心付近に位置合わせされている場合を基準に設定される。半田５と接合面７ｂの接触位置にズレが生じ、電極７の端部に片当たりしている場合は、設定加重Ｐ２で所定時間ｔｍ２だけチップ２を押圧すると、電極７からの反力が十分でないため、押圧量にともなってチップ２が基板６側に沈み込むことになる。
【００５３】
従い、許容値Ｈａを超えるヘッド８の高さ変位量を検出することにより、ピラーバンプ３の半田５と電極７の接触面７ｂの位置合わせが良好に行われているか判定することができる。
【００５４】
なお、設定荷重Ｐ２は、予め、半田５を予熱温度Ｔ１に加熱し軟化した状態で潰れることのない荷重を測定し制御部２０に記憶させ、実際の工程で用いている。そのため、半田５が荷重Ｐ２に耐えきれずに潰れてしまうことがない。
【００５５】
次に、ヘッド８の駆動制御を、ロードセル１０の検出荷重に基づく荷重制御から、高さ検出手段であるエンコーダー１９の検出位置に基づく位置制御に切り換える。これにより、ピラーバンプ３と電極７の間隔が一定に保たれるように位置制御が行われる。次に、ヒータ１６の設定温度をＴ２に変更する。温度Ｔ２では、バンプ３の先端部の半田５が半田溶融温度に到達する（例えば、２４０〜２８０℃）。
【００５６】
次に、所定時間ｔｍ３経過した後、さらに、ヘッド８を押し込み量Ｈｂだけ基板６側に下降し、ピラーバンプ３を電極７に押し込む（ステップＳＴ０８）。押し込みは、図４のタイミングｔ５で行われる。ピラーバンプ３が電極７に押し込まれることにより、反力が発生する。反力は、押し込みが完了した際（図４のタイミングｔ６）、ロードセル１０でヘッド８の検出荷重Ｐ３として測定される（ステップＳＴ０９）。検出荷重Ｐ３の測定は、本発明の第１の反力測定工程に対応する。
【００５７】
次に、所定時間ｔｍ４経過した後、ロードセル１０でヘッド８の検出荷重Ｐ４を測定する。検出荷重Ｐ４の測定は、ヘッド８の荷重変動が発生し安定した段階（図４のタイミングｔ７）で、半田５が溶融した段階に行われる（ステップＳＴ１０）。検出荷重Ｐ４の測定は、本発明の第２の反力測定工程に対応する。ヘッド８は、押し込み量Ｈｂを維持するように位置制御されているので、ピラーバンプ３が電極７に押し込まれることによって生じた反力（検出荷重Ｐ３）は、半田５の溶融にともない低下する。半田５は温度Ｔ２で加熱されているので、半田５が溶融温度に達している。また、チップ２と基板６の間に充填されている接着剤１７が硬化する。
【００５８】
ピラーバンプ３と電極７の位置合わせが精度良く行われている場合、溶融した半田５と電極７とで生じる反力（検出荷重Ｐ４）は、所定の値を維持する。しかし、ピラーバンプ３と電極７の位置合わせにズレが生じている場合、溶融した電極７からの反力がピラーバンプ３に作用しないため、検出荷重Ｐ４は、位置合わせが精度良く行われている場合に比べて、低くなる。この特性に基づき、検出荷重Ｐ３と検出荷重Ｐ４とから、その差（Ｐ３−Ｐ４）が、予め設定されている許容値Ｈｂの範囲内かどうかを判定する（ステップＳＴ１１）。Ｐ３−Ｐ４が許容値Ｈｂの範囲内ならば、ピラーバンプ３と電極７の位置合わせは精度良く行われていると判定し、範囲外ならば、ピラーバンプ３と電極７の位置合わせにズレが生じていると判定する。この良否判定は、本発明の、溶融したピラーバンプ３と電極７の位置合わせの良否を判定する反力判定工程に対応する。許容値Ｈｂを超える場合は、制御部２０にピラーバンプ３と電極７の位置ずれ不良があることを記憶する（ステップＳＴ１１ＮＧ）。
【００５９】
次に、ヒータ１６をＯＦＦし、ツール９によるチップ２の吸着保持を解除し、ヘッド８を上昇し、チップ２の基板６への実装を終了する（ステップＳＴ１２）。
【００６０】
反力判定工程について、チップ２の半田５と基板６の電極７の状態を、図５を用いて詳細説明する。ステップＳＴ０１からステップＳＴ１０までの工程に於いて、チップ２と基板６の位置関係を図５に示す。チップ２のバンプ３が電極７に接触した状態（ステップＳＴ０２）を、図５（ａ）に示す。この状態のチップ２の裏面２ｂと基板６との距離をｈ０とする。検出荷重はＰ１で、ヘッド８の高さＨ１が保たれている。
【００６１】
チップ２のバンプ３が電極７に所定の荷重（ピラー４と電極６が接触しない荷重）で押圧された状態（ステップＳＴ０６）を、図５（ｂ）に示す。この状態のチップ２の裏面２ｂと基板６との距離をｈ１とする。検出荷重はＰ２で、ヘッドの高さＨ２が保たれている。
【００６２】
チップ２のバンプ３が電極に所定の押し込み量Ｈｂだけ押し込まれ（ステップＳＴ０９）、半田５が溶融温度に到達した状態（ステップＳＴ１０）を、図５（ｃ）に示す。この状態では半田５と電極７の位置合わせが精度良く行われている。そのため、半田５と電極７とで生じる反力は、半田溶融状態であっても所定値を維持する。
【００６３】
一方、半田５と電極７の位置合わせにズレが生じている場合を図５（ｄ）に示す。溶融した半田５と電極７の位置がずれているため、電極７からの反力が半田５に伝わらない。そのため、検出荷重Ｐ４が精度良く位置合わせされた状態に比べて低くなる。
【００６４】
具体的には、チップ２と基板６の生産ロット毎に、押し込み量Ｈｂに対する、検出荷重Ｐ３およびＰ４の値が、制御部２０に予め記憶されている。また、位置ずれが発生した場合の検出荷重Ｐ４についても設定値が制御部２０に記憶されている。これらのデータに基づき、チップ２と基板６の接合毎に検出荷重Ｐ３、Ｐ４を比較し、接合の良否判断を行う。
【符号の説明】
【００６５】
１ 実装装置
２ チップ
２ｂ チップ裏面
３ ピラーバンプ
４ ピラー
５ 半田
６ 基板
７ 電極
７ａ 半田メッキ
７ｂ 接合面
８ ヘッド
９ ツール
１０ ロードセル
１１ 基板ステージ
１３ ２視野カメラ
１４ サーボモータ
１５ ボールねじ
１６ ヒータ
１７ 接着剤
１８ 熱電対
１９ エンコーダー
２０ 制御部
Ｔ１ 予熱温度
Ｔ２ 半田溶融温度
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チップに設けられたピラーバンプを、基板に設けられた電極に、押圧しながら加熱し熱圧着する実装方法であつて、
チップを熱圧着ツールで保持して基板側に下降させる工程と、
チップのピラーバンプが基板の電極に接触した後、
チップを保持する熱圧着ツールの温度を半田溶融温度に昇温する工程と、
予め設定されている押し込み量だけ、チップを基板側に押し込み、押し込みが完了した際の、基板の電極からの反力を測定する第１の反力測定工程と、
ピラーバンプに設けられた半田溶融した際の基板の電極からの反力を測定する第２の反力測定工程と、
前記第１の反力測定工程の測定結果と、前記第２の反力測定工程の測定結果から、溶融したピラーバンプと電極の位置合わせの良否を判定する反力判定工程と、を有する実装方法。
【請求項２】
請求項１の発明において、
チップのピラーバンプが基板の電極に接触した後、
チップを保持している熱圧着ツールの昇降位置を測定する第１の高さ測定工程と、
予め設定されている圧力で、予め設定されている時間、チップを基板側に押圧した後、
チップを保持している熱圧着ツールの昇降位置を測定する第２の高さ測定工程と、
前記第１の高さ測定工程の測定結果と、前記第２の高さ測定工程の測定結果から、チップを押圧したことによるチップと基板の間隔の変化を求め、半田溶融前のピラーバンプと電極の位置合わせの良否を判定する沈み込み量判定工程を有する実装方法。
【請求項３】
ピラーバンプが設けられたチップを保持する熱圧着ツールと、
チップのピラーバンプが接合される電極を有した基板を保持する基板ステージと、
チップを保持した熱圧着ツールを、基板を保持した基板ステージ側に、昇降させる駆動手段と、
チップを保持した熱圧着ツールの昇降位置を検出する高さ検出手段と、
チップを保持した熱圧着ツールが基板を押圧する際の、押圧力を検出する荷重検出手段と、
熱圧着ツールの温度を昇温するヒータと、
前記高さ検出手段でチップ高さ位置情報を測定し、前記荷重検出手段でチップへの押圧力を測定し、前記駆動手段と前記ヒータとを制御する制御手段とを備えた実装装置であって、
前記制御手段が、
前記ヒータを半田溶融温度に昇温し、前記駆動手段を駆動し熱圧着ツールを基板側に予め設定されている押し込み量だけ押し込んだ際の、前記荷重検出手段で測定した検出荷重と、ピラーバンプに設けられた半田が溶融した際の検出荷重から、溶融したピラーバンプと電極の位置合わせの良否を判定する機能を有する実装装置。
【請求項４】
請求項３の発明において、
前記制御手段が、
チップのピラーバンプが基板の電極に接触した後、
予め設定されている圧力で、予め設定されている時間、チップを基板側に押圧し、押圧したことによるチップと基板の間隔に変化から、溶融前のピラーバンプと電極の位置合わせの良否を判定する機能を有する実装装置。
【請求項１】
チップに設けられたピラーバンプを、基板に設けられた電極に、押圧しながら加熱し熱圧着する実装方法であつて、
チップを熱圧着ツールで保持して基板側に下降させる工程と、
チップのピラーバンプが基板の電極に接触した後、
チップを保持する熱圧着ツールの温度を半田溶融温度に昇温する工程と、
予め設定されている押し込み量だけ、チップを基板側に押し込み、押し込みが完了した際の、基板の電極からの反力を測定する第１の反力測定工程と、
ピラーバンプに設けられた半田溶融した際の基板の電極からの反力を測定する第２の反力測定工程と、
前記第１の反力測定工程の測定結果と、前記第２の反力測定工程の測定結果から、溶融したピラーバンプと電極の位置合わせの良否を判定する反力判定工程と、を有する実装方法。
【請求項２】
請求項１の発明において、
チップのピラーバンプが基板の電極に接触した後、
チップを保持している熱圧着ツールの昇降位置を測定する第１の高さ測定工程と、
予め設定されている圧力で、予め設定されている時間、チップを基板側に押圧した後、
チップを保持している熱圧着ツールの昇降位置を測定する第２の高さ測定工程と、
前記第１の高さ測定工程の測定結果と、前記第２の高さ測定工程の測定結果から、チップを押圧したことによるチップと基板の間隔の変化を求め、半田溶融前のピラーバンプと電極の位置合わせの良否を判定する沈み込み量判定工程を有する実装方法。
【請求項３】
ピラーバンプが設けられたチップを保持する熱圧着ツールと、
チップのピラーバンプが接合される電極を有した基板を保持する基板ステージと、
チップを保持した熱圧着ツールを、基板を保持した基板ステージ側に、昇降させる駆動手段と、
チップを保持した熱圧着ツールの昇降位置を検出する高さ検出手段と、
チップを保持した熱圧着ツールが基板を押圧する際の、押圧力を検出する荷重検出手段と、
熱圧着ツールの温度を昇温するヒータと、
前記高さ検出手段でチップ高さ位置情報を測定し、前記荷重検出手段でチップへの押圧力を測定し、前記駆動手段と前記ヒータとを制御する制御手段とを備えた実装装置であって、
前記制御手段が、
前記ヒータを半田溶融温度に昇温し、前記駆動手段を駆動し熱圧着ツールを基板側に予め設定されている押し込み量だけ押し込んだ際の、前記荷重検出手段で測定した検出荷重と、ピラーバンプに設けられた半田が溶融した際の検出荷重から、溶融したピラーバンプと電極の位置合わせの良否を判定する機能を有する実装装置。
【請求項４】
請求項３の発明において、
前記制御手段が、
チップのピラーバンプが基板の電極に接触した後、
予め設定されている圧力で、予め設定されている時間、チップを基板側に押圧し、押圧したことによるチップと基板の間隔に変化から、溶融前のピラーバンプと電極の位置合わせの良否を判定する機能を有する実装装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１６９４９５（Ｐ２０１２−１６９４９５Ａ）
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３０１５８（Ｐ２０１１−３０１５８）
【出願日】平成２３年２月１５日（２０１１．２．１５）
【出願人】（０００２１９３１４）東レエンジニアリング株式会社 (505)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１５日（２０１１．２．１５）
【出願人】（０００２１９３１４）東レエンジニアリング株式会社 (505)
【Ｆターム（参考）】
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