(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホルダー支持手段を上下動せしめるＺ軸送り装置と、前記ホルダー支持手段に上下動し得るように装着されたツールホルダーと、前記ツールホルダーに装着されたツールとを備えたチップ実装装置において、
ホルダー支持手段がエアーシリンダーからなるシリンダーチューブで構成されており、
シリンダーチューブ内を上下移動するピストンにツールホルダーが装着されており、
ホルダー支持手段に開口されたバランス圧ポートから供給される加圧エアーにより、ツールホルダーの自重を打ち消す加圧力で制御する機構と、
ホルダー支持手段内を上下動するピストンの位置を検出する高さ検出手段とを備え、
基板に対するチップの接地時に、ホルダー支持手段に対してツールが浮上させられたストローク分を前記高さ検出手段で測定し、
チップのバンプがツールで加熱されて溶融し始める際に、ツールホルダーの自重を打ち消す加圧力でチップのバンプを加圧するとともに、
前記ツールホルダーの熱膨張によって変動する高さ位置を検出して前記Ｚ軸送り装置の駆動制御手段にフィードバックする前記高さ検出手段を前記ホルダー支持手段に装着したことを特徴とするチップ実装装置。
【請求項２】
前記ツールホルダーの自重を打ち消す加圧力が、ホルダー支持手段に開口された加圧ポート及びバランス圧ポートから供給される加圧エアー同士の差圧で制御されている、請求項１に記載のチップ実装装置。
【請求項３】
基板保持ステージに支持されている基板の上方からチップを保持しているツールを降下させて前記チップを熱圧着するチップ実装方法において、
チップ実装装置が、Ｚ軸送り装置と、Ｚ軸送り装置により上下動するホルダー支持手段と、ホルダー支持手段の内部を上下移動するピストンと、ピストンに静圧空気軸受けを介して装着されたツールホルダーと、ツールホルダーの下端に装着されたツールと、ツールホルダの高さ位置を検出する高さ検出手段とを備え、
前記ホルダー支持手段が、エアーシリンダーからなるシリンダーチューブで構成されており、
ホルダー支持手段に設けられた加圧ポートとバランス圧ポートから供給される加圧エアー同士の差圧をもって、ツールホルダーの上下動を所定に制御する機構を備え、
Ｚ軸送り装置を駆動し、ホルダー支持手段を下降させて、ツールホルダーの下端のツールに保持されたチップのバンプを、基板のパッドに接地させる工程と、
前記接地後、Ｚ軸送り装置による下降を続行させてホルダー支持手段に対してツールホルダーを離別させる工程と、
ツールホルダーの離別による高さ位置を高さ検出手段で検出し、所定の高さ位置に達したらＺ軸送り装置によるホルダー支持手段の下降を停止する工程と、
ツールでバンプを加熱し溶融させる工程と、
加圧ポートとバランス圧ポートとから供給される加圧エアーによりツールホルダーの自重を打ち消す加圧力をバンプに付与する工程と、
Ｚ軸送り装置を駆動しホルダー支持手段を所定高さだけ上昇させる工程と、
Ｚ軸送り装置を停止しバンプを冷却する工程と、を有し
前記ツールの上昇制御を、チップと基板の熱膨張分を吸収し得るように行い、
前記基板のバンプの形状矯正を行うことを特徴とするチップ実装方法。
【請求項４】
チップの接地時に一時的に加圧力を高めると共にバンプの加熱溶融後において加圧力を低下せしめることを特徴とする請求項３に記載のチップ実装方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶基板等の基板にチップを実装するチップ実装方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、周知のように、チップ実装は、チップを保持しているツールを、基板保持ステージに支持されている基板（例えば、液晶基板等）の上方から降下させて行うが、その際、基板に対するチップの加圧力（押付け圧力）を一定に保たなければならない。
【０００３】
その為、チップ実装装置は、ツールの高さ位置を制御する為のＺ軸送り装置と、基板に対するチップの加圧力を検出してＺ軸送り装置にフィードバックする加圧力検出手段とを備えている。
【０００４】
なお、Ｚ軸送り装置は、一般には、図１５において示されているように、ネジ軸送り型に設けられているが、同図において、チップ実装装置は、チップ１を保持しているツール２を、Ｚ軸送り装置３によって降下させて、基板保持ステージ４に支持されている基板５に実装するものであって、Ｚ軸送り装置３は、装置フレーム９に装着のサーボモータ６で送り機構７（例えば、ボールネジ）を回転させ、これに螺着せしめられているスライダー８を、装置フレーム９に装着のガイドレール１０で案内して昇降せしめる。
【０００５】
従って、スライダー８に装着されているブラケット１１に、加圧力検出手段のロードセル１２を介在させて装着されているツール２も一緒に昇降せしめられるが、その際、エンコーダ１３で高さ位置が検出されてサーボモータ６にフィードバックされる。よって、ツール２は、上方の待機位置から降下せしめられて所定高さに位置決めされる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、送り機構７が環境温度の影響を受けて熱膨張していると、ツール２が所定高さ位置と異なる位置に位置決めされてしまう為に、目標とする接地後のチップ高さ位置（チップが基板に接触せしめられた後のチップ高さ位置）が得られず、これではバンプの形状を所定に保つことができない。
【０００７】
また、加圧力の制御に関し、ロードセル１２で実際の加圧力を検出してサーボモータ６のトルク制御にフィードバックしているが、フィードバック時間が遅く、しかも、サーボトルク制御の精度が悪いこと等の為に、微小な加圧力の制御が難しかった。なお、送り機構７の熱膨張は、ヒートツールを装着している場合において顕著である。本発明は、このような欠点に鑑み、それらを解消すべく鋭意検討の結果得られたものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明に係るチップ実装装置は、請求項１に記載するように、ホルダー支持手段を上下動せしめるＺ軸送り装置と、前記ホルダー支持手段に上下動し得るように装着されたツールホルダーと、前記ツールホルダーに装着されたツールとを備えたチップ実装装置において、ホルダー支持手段がエアーシリンダーからなるシリンダーチューブで構成されており、シリンダーチューブ内を上下移動するピストンにツールホルダーが装着されており、ホルダー支持手段に開口されたバランス圧ポートから供給される加圧エアーにより、ツールホルダーの自重を打ち消す加圧力で制御する機構と、ホルダー支持手段内を上下動するピストンの位置を検出する高さ検出手段とを備え、基板に対するチップの接地時に、ホルダー支持手段に対してツールが浮上させられたストローク分を前記高さ検出手段で測定し、チップのバンプがツールで加熱されて溶融し始める際に、ツールホルダーの自重を打ち消す加圧力でチップのバンプを加圧するとともに、前記ツールホルダーの熱膨張によって変動する高さ位置を検出して前記Ｚ軸送り装置の駆動制御手段にフィードバックする前記高さ検出手段を前記ホルダー支持手段に装着したことを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明に係るチップ実装方法は、請求項３に記載するように、基板保持ステージに支持されている基板の上方からチップを保持しているツールホルダーに装着されたツールを降下させて前記チップを熱圧着するチップ実装方法において、チップ実装装置が、Ｚ軸送り装置と、Ｚ軸送り装置により上下動するホルダー支持手段と、ホルダー支持手段の内部を上下移動するピストンと、ピストンに静圧空気軸受けを介して装着されたツールホルダーと、ツールホルダーの下端に装着されたツールと、ツールホルダの高さ位置を検出する高さ検出手段とを備え、前記ホルダー支持手段が、エアーシリンダーからなるシリンダーチューブで構成されており、ホルダー支持手段に設けられた加圧ポートとバランス圧ポートから供給される加圧エアー同士の差圧をもって、ツールホルダーの上下動を所定に制御する機構を備え、Ｚ軸送り装置を駆動し、ホルダー支持手段を下降させて、ツールホルダーの下端のツールに保持されたチップのバンプを、基板のパッドに接地させる工程と、前記接地後、Ｚ軸送り装置による下降を続行させてホルダー支持手段に対してツールホルダーを離別させる工程と、ツールホルダーの離別による高さ位置を高さ検出手段で検出し、所定の高さ位置に達したらＺ軸送り装置によるホルダー支持手段の下降を停止する工程と、ツールでバンプを加熱し溶融させる工程と、加圧ポートとバランス圧ポートとから供給される加圧エアーによりツールホルダーの自重を打ち消す加圧力をバンプに付与する工程と、Ｚ軸送り装置を駆動しホルダー支持手段を所定高さだけ上昇させる工程と、Ｚ軸送り装置を停止しバンプを冷却する工程と、を有し前記ツールの上昇制御を、チップと基板の熱膨張分を吸収し得るように行い、前記基板のバンプの形状矯正を行うことを特徴とするものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１において、Ｚ軸送り装置３は、上述の従来のそれと略同一に設けられている（図１５参照）。従って、これの詳述は省略するが、ホルダー支持手段１５は、スライダー８に装着されているホルダーブラッケット１６に装着されている。
また、ツールホルダー１７は、上下動し得るようにホルダー支持手段１５に装着されている。また、ツール２は、ツールホルダー１７の下端に装着されている。
【００１１】
なお、ホルダー支持手段１５は、エアーシリンダーのシリンダーチューブで構成されていると共にツールホルダー１７は、前記エアーシリンダーのピストンで構成されているが、かかるツールホルダー１７は、一般にエアーベアリングと呼ばれている静圧空気軸受１８を介してホルダー支持手段１５に装着されている。
【００１２】
その為、ホルダー支持手段１５に開口せしめられている加圧ポート１９及びバランス圧ポート２０から供給される加圧エアー同士の差圧をもってツールホルダー１７の上下動を所定に制御することができてツール２を所定レベルに位置決めせしめることができ、かつ、その際、微小圧で制御することができる。
【００１３】
すなわち、静圧空気軸受１８は、ホルダー支持手段１５に設けられている孔２１から供給される加圧エアーを多孔質体で均一に分散させてツールホルダー１７の下部を非接触状態に支持し得るので、その支持箇所の摩擦抵抗が無視することができる程度に極めて小さく、しかも、ツールホルダー１７のヘッド部分もホルダー支持手段１５に対して遊嵌せしめられているので、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、微小圧で制御することができる。
【００１４】
なお、静圧空気軸受１８は、ツールホルダー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し得る為に静圧空気直進軸受とも呼ばれていると共に上述のようにエアーシリンダー型に設けることは従来、公知である（例えば、特開平１０−３４０９３１号公報において開示されている）。
【００１５】
しかし、本発明においては、ホルダー支持手段１５に対して、ツールホルダー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（例えば、サーボモータ）にフィードバックする高さ検出手段２３（例えば、渦電流式センサ等）を装着している。
【００１６】
その為、Ｚ軸送り装置３の送り機構７の熱膨張に影響されずにツール２の高さ位置制御を常時、高精度に行うことができ、しかも、基板保持ステージ４に保持されている基板５に対するチップ１の接地時に、ホルダー支持手段１５に対してツール２が浮上（相対的に上方へ移動）せしめられたストローク分を高さ検出手段２３で測定し、それに基づく制御信号をＺ軸送り装置３の駆動制御手段２２にフィードバックして所定に駆動制御することができ、従って、送り機構７が熱膨張していても接地高さ位置を正確に検出することができる。
【００１７】
また、加熱時、チップ１と基板５が熱膨張するが、ツールホルダー１７はその分、浮上されている為、チップ１のバンプ潰れよるショートが発生しない。更に、その浮上分を高さ検出手段２３で測定してＺ軸送りにフィードバックする為、冷却させてハンダを固着させるときに正確な高さ位置制御を行うことができ、従って、良好なバンプ形状に実装することができる。
【００１８】
すなわち、周知のように、バンプの実装においては、チップ１を基板５に接地せしめた後、ツール２を加熱し、かつ、冷却してハンダを固着させるが、その時、熱膨張によってバンプが押し潰される為、バンプ形状の矯正（チップ１を引き上げての矯正）が余儀なくされている。
【００１９】
ところが、その引き上げ制御に数μmの精度が要求される為、上述のような従来技術では、送り機構７の熱膨張の影響を受けて、そのような精度が得られなかったが、本発明によると、高精度にチップ高さを制御することができるので、チップ１のバンプを過度に押し潰すことなく良好に実装することができる。
【００２０】
図２から図１３において、バンプの実装におけるホルダー支持手段１５及びツールホルダー１７の一連の昇降（上下動）制御態様が示されているが、図２においては、実装を開始しようとする状態が示されていると共に図３においては、その時のバンプ１ａの形状が示されている。
【００２１】
次いで、図４においては、チップ１のハンダバンプ１ａが基板５のパッドに接地された状態が示されていると共に図５においては、その時のバンプ姿（点接触された姿）が示されている。
【００２２】
次いで、図示矢印方向への送り機構による送りが続行されてツールホルダー１７が浮上、すなわち、ホルダー支持手段１５に対してツールホルダー１７が離別され始めた状態が示されている。
【００２３】
次いで、図７においては、高さ検出手段２３が設定高さを検出し、ツールホルダー１７がホルダー支持手段１５と図示Ｘだけ離別せしめられて送り機構による送りが停止された状態が示されている。なお、この状態においては、バンプ高さのバラツキや基板の反り等の為に、基板５のパッド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。
【００２４】
次いで、図８においては、バランス圧ポート２０からのエアー供給が停止される一方において加圧ポート１９からのエアー供給が行われてツールホルダー１７が下方へ移動せしめられた状態が示されている。なお、その際、少し高めに加圧することにより、全てのバンプ１ａを図９において示されているように基板５のパッドに対して面接触せしめることができ、そして、その後、バンプ１aがツール２で加熱されて溶融し始める。
【００２５】
そこで、図１０において示されているように、加圧ポート１９からのエアー供給が停止される一方においてバランス圧ポート２０からのエアー供給が行われるが、その際において、ツールホルダー２の自重を打ち消して数ｇの微小な加圧力で制御される為にバンプ形状を損わない。
【００２６】
次いで、図１１においては、図示矢印方向への送り機構による送りが開始されて高さ検出手段２３が高さゼロを検出、すなわち、ツールホルダー１７に対してホルダー支持手段１５が最大に上昇せしめられた状態が示されている。
【００２７】
更に、図１２においては、図示矢印方向への送り機構による送りが続行され、従って、チップ１が上方へ移動せしめられて（引き上げられて）バンプ１ａの形状が矯正される姿が示されているが、かかる引き上げストロークは必要に応じて適宜に選択され、かつ、その後、送り機構による送りが停止された状態においてバンプ１ａが冷却せしめられる。図１３においては、その時のバンプ１ａの形状が示されている。
【００２８】
以上、一実施形態について述べたが、本発明においては、図１４において示されているように設けてもよい。このチップ実装装置においては、ツール２が装着されているツールホルダー１７を、ホルダー支持手段１５に装着されている直進軸受２５で上下動し得るように支持していると共にホルダー支持手段１５を、スライダー８に装着されているホルダーブラッケット１６に装着している。
【００２９】
なお、直進軸受２５は、ツールホルダー１７のスライド（上下動）を許容するが回転させないように支持している。
【００３０】
また、ツールホルダー１７の高さ位置を検出してＺ軸送り装置３の駆動制御手段２２（例えば、サーボモータ）にフィードバックする高さ検出手段２３（例えば、渦電流式センサ等）をホルダー支持手段１５に装着していると共にツールホルダー１７の上端にロードセル１２を装着している。
【００３１】
更に、エアーシリンダー２６及び反力受け２７を装着しているが、エアーシリンダー２６はブラケット２８に装着され、かつ、このブラケット２８の図示されていない左端は、装置フレーム（図示されていない）に装着されているガイドレールにスライド自在に係合せしめられている。
【００３２】
なお、反力受け２７は、図示されていない左端が前記装置フレームに固着せしめられていると共に図示のように、両者に弾性体（引っ張りコイルバネ）２９が係止されている。
【００３３】
その為、このチップ実装装置においては、エアーシリンダー２６のピストンロッド２６aによってツールホルダー１７をホルダー支持手段１５の上端面に押し付けた状態のまま両者を一緒に上下動させることができる。
【００３４】
以上、代表的な二実施形態について述べたが、本発明おいていうチップ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に対して接合せしめる方の対象物をいうと共に基板５とは、例えば、樹脂基板、ガラス基板、フィルム基板、ウエハ、チップなど、その種類や大きさに関係なく、チップ１が接合せしめられる方の対象物をいう。
【００３５】
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、吸気孔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。
【００３６】
また、ツール２の先端の加圧面（又はツール２の先端にアタッチメントを装着した場合において、かかるアタッチメントの加圧面）にチップ１を保持する手段についても、吸気孔による吸着保持手段だけでなく、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チップ１を掴む機械的手段、一つの可動爪によってチップ１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。
【００３７】
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。
【００３８】
また、チップ１に設けられたバンプ１ａとは、例えば、ハンダバンプ、スタッドバンプなど、基板５に設けられたパッド（例えば、電極、ダミー電極など）と接合せしめられる方の対象物であると共に基板に設けられたパッドとは、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（例えば、ハンダバンプ、スタッドバンプなど）と接合せしめられる方の対象物をいう。
【００３９】
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。
【００４０】
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、ＮＣＦなど）等、予め対象物同士が接触（搭載又は仮圧着など）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。
【００４１】
また、ツール２は、チップ１を保持し得るものに限定されず、保持し得ないものであってもよい。また、ヒータを備えた所謂、ヒートツールに限定されず、ヒータを備えていないものであってもよく、かつ、チップ１を保持し得るものにおけるその保持手段は、真空吸着保持する為の吸気孔を加圧面（ツール先端面）に開口せしめたもの、或いは、他の形態の保持手段であってもよい。
【００４２】
また、ツールホルダー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装着してもよい。また、図１４において示されているチップ実装装置においては、ツールホルダー１７の上端にロードセル１２（加圧検出手段）を装着しているが、これに代えて、ブラケット２８の上面に装着、すなわち、アタッチメント３０の装着に代えて、そこにロードセル１２を装着する一方において、ツールホルダー１７の上端にアタッチメント３０を装着してもよい。
【００４３】
また、高さ検出手段は、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）であってもよく、また、Ｚ軸送り装置は、ネジ軸送り型に限定されず、他の型式、例えば、リニアモータ型等であってもよいと共にその駆動制御手段についても、サーボモータ或いはその他の手段であってもよい。
【００４４】
更に、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、加圧ポートのみで制御してもよいと共に高さ検出手段は、ツールホルダーの高さ位置を検出することによってツールの高さ位置を測定（間接的にボンディングツールの高さ位置を検出）するように装着すること以外に、ツールの高さ位置を直接、検出し得るように装着してもよい。
【００４５】
【発明の効果】
上述のように、本発明によると、Ｚ軸送り装置のボールネジ軸等の送り機構の熱膨張に影響されずにツールの高さ位置制御を常時、高精度に行うことができる。その為、ツールがチップを保持している場合においては、チップ高さを高精度に制御することができてチップのバンプを過度に押し潰すことなく良好に実装することができると共にバンプ形状の矯正を行うことができるチップ実装方法及び装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るチップ実装装置の正面図である。
【図２】実装開始時の姿を示す図である。
【図３】実装開始時におけるバンプの形状状態を示す図である。
【図４】バンプが基板のパッドに接地された状態を示す図である。
【図５】基板のパッドに対するバンプの接地当初状態（点接触状態）を示す図である。
【図６】バンプが基板のパッドに接地された後におけるツールホルダーの浮上状態を示す図である。
【図７】エアー供給及びＺ軸送りが共に停止された状態を示す図である。
【図８】バンプの全てを基板のパッドに接触させる為のエアー供給状態を示す図である。
【図９】基板のパッドに対してバンプが面接触せしめられた状態を示す図である。
【図１０】エアー供給の切り替えによって微小加圧力に制御する状態を示す図である。
【図１１】バンプの形状矯正を行う為にホルダー支持手段を図示矢印方向へ移動する姿を示す図である。
【図１２】バンプの形状矯正状態を示す図である。
【図１３】形状矯正時におけるバンプの形状を示す図である。
【図１４】本発明に係る他のチップ実装装置の正面図である。
【図１５】従来のチップ実装装置の正面図である。
【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
７：送り機構
８：スライダー
１２：ロードセル
１５：ホルダー支持手段
１６：ホルダーブラケット
１７：ツールホルダー
１８：静圧空気軸受
２２：駆動制御手段
２３：高さ検出手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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