特許 6850854 ボンディングヘッドおよび実装装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6850854

(24)【登録日】2021年3月10日

(45)【発行日】2021年3月31日

(54)【発明の名称】ボンディングヘッドおよび実装装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/60 20060101AFI20210322BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/60 311T

【請求項の数】3

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2019-207900(P2019-207900)

(22)【出願日】2019年11月18日

(62)【分割の表示】特願2015-204941(P2015-204941)の分割

【原出願日】2015年10月16日

(65)【公開番号】特開2020-25141(P2020-25141A)

(43)【公開日】2020年2月13日

【審査請求日】2019年11月18日

(73)【特許権者】

【識別番号】000219314

【氏名又は名称】東レエンジニアリング株式会社

(72)【発明者】

【氏名】寺田 勝美

【審査官】 安田 雅彦

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−０２２６２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０６３９４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１５／０１２９１３５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１２／１６５３１３（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／６０−６０７

Ｈ０１Ｌ ２１／５２

Ｈ０１Ｌ ２３／３４−３８

Ｈ０５Ｋ １３／００−０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電子部品の加熱圧着に用いるボンディングヘッドであって、
下面に電子部品を保持するアタッチメントツールと、
前記アタッチメントツールの上部に配置されるヒータと、
前記ヒータの上部に配置される断熱ブロックとを備え、
前記ヒータの上面側に、平行な複数の溝を設けることで複数の板状壁を形成し、
更に前記板状壁の上部を前記ヒータ上面に対して低くして、前記断熱ブロックの下面と前記板状壁の上部に隙間を設けたボンディングヘッド。

【請求項2】

請求項１に記載のボンディングヘッドであって、
前記隙間の間隔が、前記板状壁の高さの０．３％以上で４０％以下であることを特徴とするボンディングヘッド。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載のボンディングヘッドを備えていることを特徴とする実装装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体チップ等の電子部品を配線基板等に加熱圧着する際に用いるボンディングヘッドおよびこれを備えた実装装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

半導体チップ等の電子部品を配線基板等の基板に実装する方法として、フリップチップ工法が知られている。フリップチップ工法では、図５に示すような実装装置１を用いて、電子部品の電極と基板の電極を熱圧着して接合させている。

【0003】

図５の実装装置１では、まず、図示しない電子部品受け渡し機構により電子部品Ｃがボンディングヘッド２の先端部に配置され、ボンディングヘッド２に保持される。その後、基板ステージ４上に保持された基板Ｂに設けられたアライメントマークと電子部品Ｃに設けられたアライメントマークを画像認識手段５で認識し、位置合わせを行う。位置合わせに際しては、ボンディングヘッド２と基板ステージ４の少なくとも一方を、基板Ｂと平行な面内方向（ＸＹ方向およびθ方向）に移動させて行う。位置合わせ後は、ボンディングユニット３によりボンディングヘッド２を下降し、電子部品Ｃを昇温加熱しながら、基板Ｂに圧着して、電子部品Ｃの電極と基板Ｂの電極を接合する。接合が完了すると、ボンディングヘッド２は電子部品Ｃの保持を解除し、ボンディングユニット３によって上昇し、次に実装すべき電子部品Ｃを先端部に保持し、前述の一連の動作が行われる。

【0004】

ここで、ボンディングヘッド２は、図６に示すような構成となっている。すなわち、ボンディングヘッド２は、電子部品Ｃを下面で吸着保持するアタッチメントツール２０、アタッチメントツール２０の上方に配置されるヒータ２１、ヒータ２１の上方に配置される断熱ブロック２２を備えている。アタッチメントツール２０を昇温する機能を有するヒータ２１を加熱することで電子部品Ｃが加熱されるが、ヒータ２１の熱を電子部品Ｃに効率的に供給するために、ヒータ２１上方への伝熱を抑制するため断熱ブロック２２が配置されている。更に、断熱ブロック２２はホルダ２３を介してヘッド本体２４に連結されている。

【0005】

フリップチップ工法では、はんだバンプを電子部品の電極として用いることが多く、基板に加熱圧着された電子部品は、はんだが固相状態になるまで冷却される必要がある。また、近年では、電子部品の電極側の面に熱硬化性接着剤層を予め設けておいて、熱圧着時に熱硬化性接着剤層を硬化させる工法の採用も進んでいるが、このような工法において、電子部品を保持する段階においてアタッチメントツールの温度は熱硬化性接着剤層の硬化開始温度よりも低くなければならない。このため、一連のタクトタイムにおいて、加熱したアタッチメントツール（およびヒータ）を冷却する時間の割合が増しており、タクトタイム短縮の観点から効果的な冷却手段が求められている。

【0006】

たとえば、特許文献１では、アタッチメントツールとヒータを周囲に設けた冷却ブロー用ノズルを用いて空冷する方法が紹介されている。ところが、この方法では、空冷されている面と内部に温度差を生じ、内部まで冷却する時間としては大きな短縮が望めない。

【0007】

そこで、ヒータに複数の溝を設け、ヒータと断熱ブロックの重ね合わせによって形成される流路に、ヒータ内側から冷却空気を流してヒータを冷却する方法も提案されている（例えば特許文献２）。

【0008】

その一例を図７に示す。図７では、図６に示したボンディングヘッド２におけるヒータ２１と断熱ブロック２２の部分を示している。また。図８および図９は、図７に示した部分を構成するヒータ２１と断熱ブロック２２の形状を示す三面図である。図８に示すようにヒータ２１の上面には複数の溝２１Ｕが設けられており、図９に示す断熱ブロック２２とヒータ２１を重ね合わせることにより、複数の管状流路２１Ｐが形成される。一方、断熱ブロック２２にはヒータ２１の全ての溝２１Ｕに跨る範囲の窪み２２Ｄが形成され、この窪み２２Ｄに繋がる通気孔２２Ｖが設けられている。

【0009】

このため、通気孔２２Ｖに冷却空気を送りこむことで、冷却空気は、ヒータ２１中央付近から両側面（図７の前方向および後方向）に流れ、ヒータ２１は内部から冷却される。なお、図７および図８において、溝２１Ｕおよび管状流路２１Ｐは説明のために大きめに描いているが、実際は各片が１mm未満の溝２１Ｕ（管状流路２１Ｐ）が多数形成されている。

【0010】

このように、ヒータ２１の上面に溝２１Ｕを形成し、断熱ブロック２２の下面２２Ｓと重ねて流路を形成する方式は、ヒータ２１を内部から冷却できることから、外部から冷却空気を吹きかける場合に比べて有利な冷却方式である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【特許文献1】特開平１０−３４０９１５号公報

【特許文献2】特開２０１４−２２６２９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

この方式では、図７において、溝２１Ｕを形成する壁２１Ｗの上部２１Ｔは断熱ブロック２２の下面２２Ｓに密着した状態となる。その結果、壁２１Ｗの上部２１Ｔから外部への伝熱が妨げられヒータ２１の最上面における放熱特性に難があった。その一方において、ヒータ２１を昇温する際には、ヒータ２１から断熱ブロック２２への伝熱は僅かながらでも存在するため、熱伝導率が低く放熱の少ない断熱ブロック２２の温度が上昇する。その結果、ヒータ２１を冷却する段階で、（ヒータ２１に密着した）断熱ブロック２２からヒータ２１への伝熱が生じて、ヒータ２１を冷却する際の弊害にもなっていた。

【0013】

また、壁２１Ｗの上部２１Ｔが断熱ブロック２２の下面２２Ｓと密着していることから、ヒータ２１の溝２１Ｕと断熱ブロック２２の下面２２Ｓによって形成される管状流路２１Ｐは、相互間で空気漏れのない状態になっている。 このため、（溝２１Ｕ形成時の加工精度バラツキの影響等で）管状流路２１Ｐの形状にバラツキがあると、個々の管状流路２１Ｐ間で冷却効果が異なり、ヒータ面内で冷却ムラが生じる。

【0014】

一方において、この方式は、ヒータ２１と断熱ブロック２２は中央近傍で締結部品で上下方向に固定されているため、中央近傍以外の密着面においてヒータ２１と断熱ブロック２１は横方向には熱膨張および収縮し得る。このため、上面に微小な溝２１Ｕを多数形成したヒータ２１と断熱ブロック２２を重ね合わせた形態では昇温・冷却を繰り返すことにより弊害が生じることもある。

【0015】

この弊害は、ヒータ２１と断熱ブロック２２の素材が異なることに起因し、昇温・冷却の際にヒータと断熱部材の界面に熱伝導率の違いによる温度差が出来、それぞれの熱膨張差によって発生する応力に係る。例えば、ヒータ２１が窒化アルミで断熱ブロック２２がアドセラム（登録商標）の組み合わせであった場合に熱膨張係数はどちらも５×１０^−６／Ｋ程度で同等であるが、熱伝導率が１００倍以上違うため両材料の界面に大きな温度差が生まれて熱膨張による伸びの差が発生してしまう。すなわち、ヒータ２１の上面に狭幅な溝２１Ｕを多数形成しているめ、（溝２１Ｕを形成する）薄い壁２１Ｗが応力の影響を受けやすく、壁２１Ｗの上部２１Ｔが変形したり摩擦を生じる。このような変形や摩擦は極僅かなものであっても、ヒータ２１の昇温・冷却を繰り返すうちに、図１０に示すように、壁２１Ｗの上部２１Ｔが削られたり（図１０のＡＢ）、損傷したり（図１０のＢＲ）、断熱ブロック２２の下面２２Ｓが削られることもある。特にセラミックの場合は固くて脆い材料のため、壁２１Ｗの上部２１の角部は応力が集中して欠けやすいと言う欠点がある。

【0016】

ヒータ２１の溝２１Ｕを形成する壁２１Ｗや断熱ブロック２２の下面２２Ｓが削られたり損傷すると、その磨耗粉ＰＷや破片ＢＰは溝２１Ｕに入り込み、一部は冷却空気とともに外部に輩出され、一部は溝２１Ｕに残り管状流路２１Ｐを塞ぐ。ここで、外部に排出された、磨耗粉ＰＷや破片ＢＰは、実装雰囲気における異物となり、電子部品Ｃの実装品質に悪影響を及ぼす。また、溝２１Ｕに残った磨耗分は、管状流路２１Ｐを塞ぐことで冷却空気の流れを妨げ、冷却ムラの原因となる。

【0017】

本発明は、上記問題に鑑みて成されたものであり、冷却性能に優れ、昇温・冷却を繰り返しても、実装品質に悪影響を及ぼさないボンディングヘッドおよびこれを用いた実装装置を提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0018】

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
電子部品の加熱圧着に用いるボンディングヘッドであって、
下面に電子部品を保持するアタッチメントツールと、
前記アタッチメントツールの上部に配置されるヒータと、
前記ヒータの上部に配置される断熱ブロックとを備え、
前記ヒータの上面側に、平行な複数の溝を設けることで複数の板状壁を形成し、
更に前記板状壁の上部を前記ヒータ上面に対して低くして、前記断熱ブロックの下面と前記板状壁の上部に隙間を設けたボンディングヘッドである。

【0019】

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のボンディングヘッドであって、
前記隙間の間隔が、前記板状壁の高さの０．３％以上で４０％以下であることを特徴とするボンディングヘッドである。

【0020】

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載のボンディングヘッドを備えていることを特徴とする実装装置である。

【発明の効果】

【0021】

本発明のボンディングヘッドおよびこれを用いた実装装置により、冷却性能に優れ、昇温・冷却を繰り返しても、実装品質に悪影響を及ぼさない電子部品の実装が行える。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本発明の一実施形態に係るボンディングヘッドのヒータと断熱ブロックを示す図である。

【図2】本発明の一実施形態に係るボンディングヘッドの断熱ブロックの構造を示す三面図である。

【図3】本発明の別の実施形態に係るボンディングヘッドのヒータと断熱ブロックを示す図である。

【図4】本発明の別の実施形態に係るボンディングヘッドのヒータの構造を示す三面図である。

【図5】実装装置の構成を示す図である。

【図6】ボンディングヘッドの構成を示す図である。

【図7】公知技術のボンディングヘッドのヒータと断熱ブロックを示す図である。

【図8】公知技術のボンディングヘッドのヒータの構造を示す三面図である。

【図9】公知技術のボンディングヘッドの断熱ブロックの構造を示す三面図である。

【図10】公知技術の問題点の一つを説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。
本発明の一実施形態に係る実装装置とボンディングヘッドは、図５に示す実装装置１と図６に示すボンディングヘッド２のような構成をしており、ボンディングヘッド２におけるヒータ２１と断熱ブロック２２をの拡大して示したのが図１である。また、図２には図１に示した断熱ブロック２２の三面図を示している。

【0024】

図１において、ヒータ２１の材質はセラミックスであり、内部に発熱抵抗体を埋め込んだものである。なお、セラミックスとしては熱伝導率が高く（５０W／ｍ・K以上）、電気的絶縁性に優れたものが望ましく、窒化アルミニウムなどが好適である。一方、断熱ブロック２２の材質もセラミックスを用いるが、熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以下、望ましくは１．５Ｗ／ｍ・Ｋ以下が好適である。

【0025】

図１のヒータ２１は、図８に三面図を示したものと同じ形状であり、上面の１側面から対向する側面に向けて、幅がＷＵで深さがＨＵの溝２１Ｕが複数形成してある。溝２１Ｕを複数形成することによって櫛歯状の壁２１Ｗが複数形成される。図８に示すヒータ２１において、壁２１Ｗの上部２１Ｔはヒータ２１の上面２１Ｓと同じ高さであり、壁２１Ｗの高さはＨＵとなる。なお、壁２１Ｗは幅はＷＴであるが、幅ＷＴは溝２１Ｕの幅ＷＵと形成ピッチによって決まる。

【0026】

一方、図１の断熱ブロック２２は、図２に示す三面図の形状になっている。図２に示す断熱ブロック２２では、図９に示したものと異なり、第２下面２２Ｃを有している。第２下面２２Ｃは平坦かつ下面２２Ｓに平行な面であるが、下面２２Ｓに対して高さＨＧの段差を有しており、下面２２Ｓを平坦な面に設置すると隙間２２Ｇはトンネル形状となる。この第２下面２２Ｃは、ヒータ２１に断熱ブロック２２を重ねたときに、トンネル形状の長手方向が溝２１Ｕと平行となり、全ての溝２１Ｕを包括する範囲に隙間２２Ｇを形成する幅を有している。

【0027】

図１に示すヒータ２１および断熱ブロック２２を備えたボンディングヘッド２では、冷却に際して、図示しない送風系により冷却空気が通気孔２２Ｖに送り込まれ、送り込まれた冷却空気が窪み２２Ｄを経て、溝２１Ｕを通過することによりヒータ２１を内側から冷却する。また、冷却空気は隙間２２Ｇも通過するが、その際に壁２１Ｗの上面２１Ｔにも接触するため、ヒータ２１を上面から冷却する効果がある。これは、壁２１Ｗの上面２１Ｔが断熱ブロック２２の下面２２Ｓに密着しているため、上面２１Tが冷却し難い従来技術にはない効果である。

【0028】

一方において、空気の熱伝導率の低さから、この断熱材の隙間２２Ｇにより、壁２１Ｗの上部２１Ｔから第２下面２２Cへの熱が伝わり難くなる。このため、ヒータ２１を昇温する際の断熱ブロック２２の温度が上昇が抑えられる。更に、ヒーター２１の発熱の際に奪われる熱量も小さくなり、加熱圧着時にヒーター２１の下面に吸着保持されているアタッチメントツール２０側、しいては電子部品Ｃへ効果的に熱を伝えることが出来ると言う効果もある。

【0029】

また、溝２１Ｕの形状にバラツキがあったとしても、各溝２１Ｕの上部は隙間２２Ｇに繋がっており、冷却効果の低い溝２１Ｕの熱は周囲に伝播するため、溝２１Ｕ間の冷却効果のバラツキは改善される。

【0030】

ところで、断熱ブロック２２の下面２２Ｓと第２下面２２Ｃの段差によって形成される隙間の間隔ＨＧは以下のようにして決定する。すなわち、下限値は、ヒータ２１の昇温・冷却に伴う、ヒータ２１と断熱ブロック２２の変形が生じても、壁２１Ｗの上部２１Ｔが断熱ブロック２２の第２下面に接触しない値。上限値は、冷却効率等の観点から、溝２１Ｕの断面積に対する隙間２２Ｇの断面積の比率によって定められる。

【0031】

すなわち、下限値としては、壁２１Wが最大限熱膨張しても上部２１Tが断熱ブロック２２の第２下面２２Cに接触しないよう、間隔ＨＧは以下の式（１）を満たす。ここで、αはヒータ２１を構成する材料の熱膨張係数、ΔＴはヒータ２１の昇温時と冷却時の温度差である。

【0032】

ＨＧ＞α×ΔＴ×ＨＵ ・・・・・ （１）
一方、上限値としては、冷却効率の観点での冷却面積／流路体積が、隙間２２Ｇを設けない方式よりも高くしようとすれば、以下の式（２）を満たす必要があることから式（３）であることが望ましい。

【0033】

（２ＨＵ＋ＷＵ）／（ＨＵ×ＷＵ）≦ＷＴ／（ＨＧ×（ＷＵ＋ＷＴ）） ・・（２）
ＨＧ≦ＷＴ×ＨＵ×ＷＵ／（（ＷＵ＋ＷＴ）×（２ＨＵ＋ＷＵ）） ・・・（３）
ただし、ヒータ２１と断熱ブロック２２の間の断熱性の観点および冷却ムラを低減する効果は（３）式を満たさなくても得られる。このため、溝２１Ｕ内に有効に冷却空気を送りこむという効果が得られる条件として、隙間２２Ｇが形成する断面積が、溝２１Ｕが形成する断面積と同等までなら問題ない。すなわち、式（４）から間隔ＨＧの条件として式（５）を満たせばよい。

【0034】

ＨＧ×（ＷＵ＋ＷＴ）≦ＨＵ×ＷＵ ・・・・・（４）
ＨＧ≦ＨＵ×ＷＵ／（ＷＵ＋ＷＴ） ・・・・・（５）
このような条件を満たす条件は、溝２１Ｕの形状および配置によって異なるが、具体的な数値としては、溝２１Ｕの深さＨＵの０．３％から４０％の範囲が好適である。

【0035】

ところで、ヒータ２１において溝２１Ｕの数が多いほど冷却効果が期待出来るので、加工精度に応じて出来るだ多くの数の溝を形成することが望ましい。また、溝２１Ｕの深さＨＵが大なほど冷却効果が期待できるので、発熱抵抗体の埋め込みに支障がない範囲で深くすることが望ましい。ここで、溝２１Ｕの数を増やすことおよび深さＨＵを大とすることは、壁２１Ｗの機械的強度を低下させるが、前述のとおり壁２１Ｗの上部２１Ｔは断熱ブロック２２と接触することがないので応力を受けることはない。このため、従来技術に比べて、溝２１Ｕを多く、深く形成することが可能であるので冷却効果改善に有効である。

【0036】

このように、本実施形態で説明したボンディングヘッド２を用いることにより、ヒータ２１の冷却効率が改善が図れるとともに、ヒータ２１の壁２１Wに削れや破損も防げる。このため本実施形態のボンディングヘッド２を用いた実装装置１では、実装品質に悪影響を及ぼすことなく電子部品実装のタクトタイム短縮も図れる。

【0037】

以上、図１を用いて、断熱ブロック２２に隙間２２Ｇを設けた例について説明したが、壁２１Ｗの上部２１Ｔが断熱ブロック２２に接触しないのであれば、本発明はこれにこだわるものではない。すなわち、図３に示す別の実施形態のように、ヒータ２１の上面２２Ｓに対して、壁２１Ｗの上部２１Ｔをが低くなるような隙間２１Ｇを設けるようにしてもよい。すなわち、図４に三面図を示すヒータ２１を用いて、図９に示す断熱ブロック２２と組み合わせても図１の構成と同様な効果が得られる。ここで、ヒータ２１の隙間２１Ｇの間隔についても、図２に示した断熱ブロック２２の下面２２Ｓと第２下面２２Ｃの段差によって形成される隙間の間隔ＨＧと同様な範囲にすることが好ましい。

【0038】

さらに本発明はボンディングヘッド２についてだけではなく、基板Ｂ側を保持加熱する基板ステージ４にも用いても良く、ボンディングヘッド２、基板ステージ４の両方に用いて両側から加熱及び冷却を行っても良い。電子部品Ｃが微小で基板Ｂ側の方が体積が大きくヘッド側からの熱量が十分に伝わらない場合には、基板Ｂ側からヒーターで加熱するのが有効で、電子部品Ｃ、基板Ｂともに微小であった場合には両側からヒーターで加熱するのが有効である。

【符号の説明】

【0039】

１ 実装装置
２ ボンディングヘッド
３ ボンディングユニット
４ 基板ステージ
５ 画像認識手段
２０ アタッチメントツール
２１ ヒータ
２１Ｇ 隙間
２１Ｐ 管状流路
２１Ｓ ヒータの上面
２１Ｔ 壁の上部
２１Ｕ 溝
２１Ｗ 溝を形成する壁
２２ 断熱ブロック
２２Ｃ 断熱ブロックの第２下面
２２Ｄ 窪み
２２Ｇ 隙間
２２Ｓ 断熱ブロックの下面
２２Ｖ 通気孔
２３ ホルダ
２４ ヘッド本体
Ｂ 基板
Ｃ 電子部品
ＡＢ 壁の削れ部
ＢＰ 破片
ＢＲ 壁の損傷部
ＨＧ 隙間の間隔
ＨＵ 溝の深さ
ＰＷ 磨耗粉
ＷＴ 壁の幅（厚み）
ＷＵ 溝の幅

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】