(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チップを基板に圧着する圧着ヘッドと、基板を位置決めする基板位置決め手段とを備えたチップの圧着装置であって、前記圧着ヘッドが、チップを下端部に保持するチップ保持手段と、このチップ保持手段が装着された昇降自在な第１の昇降ブロックと、前記チップ保持手段に所定の押圧力を加える荷重付与手段と、チップの圧着力を計測する荷重計測手段と、前記荷重付与手段と前記荷重計測手段を備えた第２の昇降ブロックと、前記第２の昇降ブロックを昇降させるためのモータと、カメラと、このカメラから突出し前記チップ保持手段に保持されたチップと前記基板位置決め手段に位置決めされた基板の間に進入してチップと基板の位置認識を行う鏡筒とを備え、前記第１の昇降ブロックに張り出し部があり、前記荷重付与手段はこの張り出し部の上面に前記所定の押圧力を加え、また前記荷重計測手段は前記張り出し部の下面に接触して荷重を計測することを特徴とするチップの圧着装置。
【請求項２】
前記第１の昇降ブロックの自重と前記荷重付与手段により加えられる押しつけ力の和を与圧とし、チップの圧着時に実装面から受ける反力による与圧の減少分をチップの圧着力として前記荷重計測手段により計測するようにしたことを特徴とする請求項１記載のチップの圧着装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チップを基板上に圧着によって実装するためのチップの圧着装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
フリップチップなどのバンプ付きのチップを基板に実装する方式として、バンプを基板の表面に形成された回路パターンの電極に押しつけて接合する方法がある。この方法では各バンプに加えられる荷重値および各バンプ毎の荷重分布を厳密に管理する必要があり、従来、チップの圧着に際しては圧着荷重値を計測し目標荷重値と比較しながら荷重を加えて行く方法が知られている。この荷重測定用としてロードセルなどの荷重計測手段が用いられ、チップ圧着装置の圧着荷重を伝達する機構に組み込まれている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の方法では、荷重計測手段は荷重伝達機構中に直列に配置され、荷重計測手段を介して押圧される圧着ツールをスプリング等で保持する方法が採られていたため、微少な荷重を正確に測定することが困難であるという問題点があった。
【０００４】
そこで本発明は、圧着荷重を正確に計測しながら圧着ができるチップの圧着装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のチップ圧着装置は、チップを基板に圧着する圧着ヘッドと、基板を位置決めする基板位置決め手段とを備えたチップの圧着装置であって、前記圧着ヘッドが、チップを下端部に保持するチップ保持手段と、このチップ保持手段が装着された第１の昇降自在な昇降ブロックと、前記チップ保持手段に所定の押圧力を加える荷重付与手段と、前記チップの圧着力を計測する荷重計測手段と、前記荷重付与手段と前記荷重計測手段を備えた第２の昇降ブロックと、前記第２の昇降ブロックを昇降させるためのモータと、カメラと、このカメラから突出し前記チップ保持手段に保持されたチップと前記基板位置決め手段に位置決めされた基板の間に進入してチップと基板の位置認識を行う鏡筒とを備え、前記第
１の昇降ブロックに張り出し部があり、前記荷重付与手段はこの張り出し部の上面に前記所定の押圧力を加え、また前記荷重計測手段は前記張り出し部の下面に接触して荷重を計測するようにした。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一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チップの圧着装置の側面図、図２は本発明の一実施の形態のチップの圧着装置のチップの吸着部の部分側面図、図３は本発明の一実施の形態のチップの圧着装置の動作タイムチャート、図４は本発明の一実施の形態のチップの圧着装置の動作タイムチャートの部分拡大図である。
【０００７】
まずチップの圧着装置の構造を説明する。図１において、チップ１は吸着部２の下部に設けられた圧着ツール３の下面に真空吸着して保持される。チップ１はその下面にバンプ１ａ（図２参照）を有し、このバンプ１ａが基板の回路面の電極に圧着される。
【０００８】
図２はチップ保持手段であるチップの吸着部２と圧着ツール３の構造を示している。図２において、圧着ツール３は薄いプレート状の部品でチップ１の上面に密着してチップ１を真空吸着する。吸着部２の中央には第１の吸着路２ａが設けられている。この第１の吸着路２ａは圧着ツール３に設けられた吸着口３ａに連通している。したがってこの吸着路２ａを吸引することによりチップ１は圧着ツール３の下面に真空吸着される。
【０００９】
また吸着部２には第２の吸着路２ｂが設けられている。この吸着路２ｂを真空吸引することにより、圧着ツール３は吸着部２の下面に着脱自在に真空吸着され、またこの真空吸引を解除することにより、圧着ツール３は吸着部２から取りはずされる。図１に示すように吸着路２ａには真空配管４が接続され、真空配管４はオンオフ弁５を介して真空源６に接続されている。
【００１０】
図１において、吸着部２の直上にはヒートブロック７が設けられている。ヒートブロック７は制御部６０により電気的に制御され、吸着部２と圧着ツール３を介してチップ１を加熱する。ヒートブロック７はシャフト８に取り付けられ、更にシャフト８は第１の昇降ブロック１０に装着されている。
【００１１】
第１の昇降ブロック１０の背面にはスライダ１１が設けられており、スライダ１１は第１のフレーム１２の前面に設けられた垂直なガイドレール１１ａにスライド自在に嵌合している。したがって第１の昇降ブロック１０はガイドレール１１ａに沿って昇降する。また第１の昇降ブロック１０の上部には逆Ｌ形状の第１の張り出し部１３が設けられ、後に説明するようにこの第１の張り出し部１３の下面１４が後述の荷重計測手段としての荷重センサー３３と接触し荷重を伝えるようになっている。
【００１２】
第１の昇降ブロック１０の上方には第２の昇降ブロック２０が設けられている。第２の昇降ブロック２０の背面にはスライダ２１が設けられており、スライダ２１は第２のフレームの２２の前面に設けられた垂直なガイドレール２１ａにスライド自在に嵌合している。したがって第２の昇降ブロック２０はガイドレール２１ａに沿って昇降する。
【００１３】
第２のフレーム２２の上部には断面コの字型のブラケット２６が装着されている。ブラケット２６上にはモータ２５が配設されている。モータ２５に駆動される垂直な送りネジ２４は第２の昇降ブロック２０に内蔵されたナット２３に挿入されている。したがってモータ２５が正逆回転すると、送りネジ２４は正逆回転してナット２３は送りネジ２４に沿って上下動し、第２の昇降ブロック２０及び第１の昇降ブロック１０は昇降する。すなわち第１の昇降ブロック１０、第２の昇降ブロック２０、モータ２５、送りネジ２４、ナット２３などはチップ１を押し下げる下降手段を構成する。
【００１４】
モータ２５には、モータ駆動部２９が接続されている。モータ駆動部２９は制御部６０からの指令を受けモータ２５の回転速度を制御するとともに、エンコーダ２８の発するモータ２５の回転数信号を制御部６０へ伝達する。
【００１５】
次に圧着ツール３を介してチップ１に押圧力を与える荷重付与手段及び荷重計測手段について説明する。荷重付与手段であるシリンダ３０は第２の昇降ブロック２０の下面に装着されている。シリンダ３０のロッド３０ａの下端部は第１の張り出し部１３に結合されており、したがってこのシリンダ３０はロッド３０ａが突出することにより所定の押圧力を第１の昇降ブロック１０の第１の張り出し部１３の上面１５に加える。シリンダ３０にはレギュレータ３２が接続されており、エア供給源３１のエア圧力を調節することで所定の押圧力に設定できる。また荷重計測手段はロードセルなどの荷重センサ３３であり、第２の昇降ブロック２０の下部の第２の張り出し部３５上に配設されている。第１の張り出し部１３は第２の張り出し部３５の上方に位置しており、荷重センサ３３は第１の張り出し部１３と第２の張り出し部３５の間に設けられている。
【００１６】
荷重センサ３３の荷重検出端３４は第１の昇降ブロック１０の張り出し部１３の下面１４に接触し、この張り出し部１３の下面１４を介して計測荷重を受け、荷重を計測するように配置されている。このような配置とすることにより、荷重センサ３３にはシリンダ３０の押しつけ力と吸着部２やシャフト８などを含めた第１昇降ブロック１０の自重との和が予圧として作用する。チップ１の圧着時には実装面から反力を受けた分だけ荷重センサ３３の計測値が減少することになり、結局この減少分が圧着力に相当するから、この荷重センサ３３の減少値を監視しながら圧着を行えばよいことになる。
【００１７】
圧着ツール３の下方には可動テーブル４２が設けられている。可動テーブル４２上には基板ホルダ４１が設けられており、基板４０は基板ホルダ４１上に設けられている。可動テーブル４２は可動テーブル駆動部４３を介して制御部６０に接続されている。可動テーブル４２が駆動することにより基板４０はＸ方向、Ｙ方向、θ方向に水平移動しその位置調整がなされる。
【００１８】
次にこのチップの圧着装置へのチップ１の供給手段について説明する。図１において第１のフレーム１２の下方にはチップ１の供給テーブル７０が備えられている。この供給テーブル７０は図示しない駆動手段に駆動されて前進後退し、図１の鎖線位置にて圧着ツール３へチップ１の受け渡しを行う。
【００１９】
第１のフレーム１２の下方にはカメラ５１が設けられている。このカメラ５１はＣＣＤカメラである。カメラ５１は前方へ突出する鏡筒５２を備えている。鏡筒５２の先端部の上面と下面にはレンズ５３及びレンズ５４が設けられている。鏡筒５２は駆動手段（図示せず）に駆動されて前進後退自在となっており、圧着ツール３に真空吸着されたチップ１と基板４０の間に前進し（鎖線で示す鏡筒５２を参照）、レンズ５３を通して圧着ツール３に真空吸着されたチップ１を下方から撮像してチップ１の位置認識を行い、レンズ５４を通して基板４０の位置認識を行う。
【００２０】
カメラ５１には画像認識部５０が接続されており、画像認識部５０は制御部６０に接続されている。カメラ５１に取り込まれた画像データは画像認識部５０に送られる。画像認識部５０は画像データを認識し、必要なデータを制御部６０へ送る。
【００２１】
次に制御部６０について説明する。制御部６０は昇降モータ駆動部２９からモータ２５の回転数信号、荷重センサ３３からの計測値および画像認識部５０から基板４０の位置データおよびチップ１の位置データを入手し、制御シーケンスにしたがって昇降モータ２５の駆動、チップ吸着用バルブ５のオンオフ、ヒートブロック７の加熱電流の制御などの制御を行う。さらに圧着初期の計測データに基づき、剛性値（後述）の計算を行う剛性値演算手段６１を備えている。
【００２２】
このチップの圧着装置は上記のような構成より成り、以下その動作を各図を参照して説明する。図１においてチップ１は第１のフレーム１２の下方に位置する供給テーブル７０により供給される。次に待機レベル（イ）にあった圧着ツール３が下降し、チップ１を真空吸着する。次いで圧着ツール３はチップ１を吸着して待機レベル（イ）へ上昇し、チップ１を渡して空になった供給テーブル７０は図１において示す実線の位置へ復帰する。この状態では、前述のように荷重センサ３３にはシリンダ３０の押圧力Ａとチップ吸着部２やノズル８などを含んだ第１の昇降ブロック１０の自重Ｂの和が予圧Ｆ０＝Ａ＋Ｂとして負荷されている。
【００２３】
以下、図１および図３のタイムチャートによりチップの圧着装置の動作を説明する。図３のタイムチャートでは、横軸は時間を、縦軸は圧着ツール３に保持されたチップ１のバンプ１ａの高さを表す。実線ａは圧着ツール３が昇降駆動されることによるチップ１の動きを表したものである。ただし圧着完了後の上昇時にはチップ１は圧着ツール３の先端には存在しない。また実線ｂは同時に計測されている荷重センサ３３の計測値を表す。（イ）は待機レベル、（ロ）は１次停止レベル、（ハ）はチップ１が実装面（基板４０の上面）に当接する手前の２次停止レベル、（ニ）は実装面のレベル、（ホ）は第１の目標下降レベル、（ヘ）は最終の目標下降レベルを表す。この最終の目標下降レベル（へ）は、目標圧着荷重値に対応する下降レベルである。
【００２４】
図３のタイミングｔ０において、チップ１を吸着した圧着ツール３は待機レベル（イ）にある。圧着動作開始の指令を受けると圧着ツール３は高速で下降を開始しタイミングｔ１において１次停止レベル（ロ）で一旦停止する。この停止時間Ｔ１中に鏡筒５２が前進し、そのレンズ５３、５４がチップ１の直下に位置すると撮像が開始され、チップ１のバンプ１ａ面および下にある基板４０の実装面の画像データを取り込む。この画像データは画像認識部５０に送られ、画像認識部５０はこの画像データに基づきチップ１と基板４０の位置認識を行いその結果を制御部６０に伝達する。制御部６０はその位置情報により必要な位置補正指令を可動テーブル駆動部４３に伝達する。可動テーブル駆動部４３はその指令に基づき可動テーブル４２を駆動し、バンプ１ａと基板４０の電極の位置合わせがなされる。
【００２５】
その後カメラ５１が後退し元の位置に戻ると、タイミングｔ２にて圧着ツール３は再び高速下降を開始し、タイミングｔ３にて実装面のレベル（ニ）の少し上方の２次停止レベル（ハ）で停止する。タイミングｔ４にて遅延時間Ｔ２がタイムアップすると圧着ツール３は予め設定された低速度の接触点サーチクリープ速度で下降を再開する。この下降の途中でチップ１のバンプ１ａは基板４０の実装面（ニ）に当接し、その後はバンプ１ａを実装面に押しつけながら下降する。
【００２６】
この押し付ける圧着力Ｗの反力が圧着ツール３、チップ吸着部２およびノズル８を介して第１の昇降ブロック１０に伝えられる。この反力は第２の昇降ブロック２０の下降に従って増大し、この増大分が荷重センサ３３の計測値の減少分として表れることになる。従って荷重測定値をＦとすれば圧着力Ｗは、Ｗ＝Ｆ０−Ｆで表される。すなわちこのＷの値が目標圧着荷重値となるようＦの値を制御部６０にて監視しながら下降動作の制御を行う。
【００２７】
この接触点サーチクリープ速度での下降は予め設定された第１の目標下降レベル（ホ）までである。この実装面のレベル（ニ）から第１の目標下降レベル（ホ）までの行程間で、すなわちタイミングｔ５からｔ６までの間に荷重センサー３３の計測値の取り込みが行われる。前述のようにこの荷重値の減少分が圧着力に相当するから、制御部６０では実装面のレベル（ニ）での荷重計測値と第１の目標下降レベル（ホ）での荷重計測値との差ΔＷを計算しこの行程間での下降量Ｈとの比ΔＷ／Ｈで表される剛性値を計算する。
【００２８】
制御部６０はこの剛性値に基づき目標とされる最終圧着荷重に到達するには更にどれだけ下降すればよいかを計算し、その最終の目標下降レベル（ヘ）の手前までは荷重計測のために停止することなく連続して下降するように指令を出す。
【００２９】
最終の目標下降レベル（ヘ）から予め設定された僅か上方のレベルでタイミングｔ７にて圧着ツール３の連続下降は停止する。その後は目標圧着荷重に至るまで荷重センサー３３による荷重値のサンプリングのための停止と下降とを期間Ｔ３の間、交互に繰り返しながら小刻みに下降する（図４参照）。そしてタイミングｔ８にて計測荷重値が目標圧着荷重値に到達したならば制御部６０は下降の停止を指令し、その後は所定の加圧保持時間Ｔ４だけ停止する。
【００３０】
加圧保持時間Ｔ４のタイムアップとともにタイミングｔ９にて圧着ツール３は低速で上昇を開始する。その時点では図示しない真空破壊弁はすでに開にされているためチップ１は吸着状態から解放されている。その後圧着ツール３は低速上昇から高速上昇に切り換えられて待機レベル（イ）に戻り、圧着の１サイクルが完了する。
【００３１】
本発明は上記実施の形態に限定されない。例えば上記実施の形態では、期間Ｔ３において、小刻みな下降を行ってチップを基板４０に徐々に強く押しつけているが、この小刻みな下降動作は必ずしも行わなくてもよい。ただしこの小刻みな下降動作を若干行った方が、チップ１に過大な圧着荷重を負荷することなくより確実にチップ１を所望の力で基板４０へ圧着することができる。勿論この場合も、小刻みな下降時間はわずかでよいので、タクトタイムを大巾に短縮できる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、微少な圧着荷重でも正確に計測しながらチップを圧着することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態のチップの圧着装置の側面図
【図２】本発明の一実施の形態のチップの圧着装置のチップの吸着部の部分側面図
【図３】本発明の一実施の形態のチップの圧着装置の動作タイムチャート
【図４】本発明の一実施の形態のチップの圧着装置の動作タイムチャートの部分拡大図
【符号の説明】
１  チップ
２  吸着部
３  圧着ツール
１０  第１の昇降ブロック
２０  第２の昇降ブロック
３０  シリンダー
３３  荷重センサー
４０  基板
４２  可動テーブル
５１  カメラ
５２  鏡筒
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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