| 【発明の名称】 |
素子搭載装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】佐々木 博康
【氏名】西山 信蔵
【氏名】仲山 幸一
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| 【要約】 |
【課題】素子搭載をはんだ付けで固定する装置において、加熱時の熱膨張の影響を小さくして高い精度での素子搭載を可能とする。また加熱と冷却に要する時間の短縮を図ることのできる素子搭載装置を提供する。
【解決手段】ヒータブロックの側面を弾性構造で支持し、ヒータブロックの熱膨張を弾性構造で受けることで、変位０の位置を作り出す。また、ヒータブロックにヒートシンクの接続解離を行うことで、温度上昇に必要な熱量の低減と、冷却時の熱の流出の効率化を図ることで、加熱と冷却に要する時間を短くする。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】ヒータブロックに部品を搭載し、その部品の上に別体の素子を載せ、ヒータブロックの温度上昇によって、部品と素子とをはんだ接合する素子搭載装置であって、ヒータブロックが厚みのある平板状の形態であることを特徴とする素子搭載装置。
【請求項２】厚みのある平板状のヒータブロック上に部品を載せる形態の素子搭載装置であって、ヒータブロックの支持をヒータブロックの側面で行うことを特徴とする素子搭載装置。
【請求項３】厚みのある平板状のヒータブロックの側面を支持する構成の素子搭載装置であって、支持機構が、支持機構を取り付けるヒータブロック側面の鉛直方向にのみ可動する弾性構造であることを特徴とする素子搭載装置。
【請求項４】厚みのある平板状のヒータブロックの側面を支持する弾性構造が、ヒータブロック側面の相対する２面に付けてあり、その弾性構造のばね定数が等しい事を特徴とする素子搭載装置。
【請求項５】厚みのある平板状のヒータブロックの側面を支持する弾性構造が、薄板で構成されていることを特徴とする素子搭載装置。
【請求項６】厚みのある平板状のヒータブロックを弾性構造を介して支持する枠体であって、枠体のヒータブロック側の面を断熱材で覆った事を特徴とする素子搭載装置。
【請求項７】厚みのある平板状のヒータブロックの下面に、ヒートシンクを設け、ヒートシンクに近接して送風機構を設けたことを特徴とする素子搭載装置。
【請求項８】厚みのある平板状のヒータブロックの下部に、ヒータブロック下面と接触解離する機能を実現するための移動機構を備えたヒートシンクを備えたことを特徴とする素子搭載装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、素子搭載装置に関し、特に高い精度で部品を搭載しはんだで固定する素子搭載装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】ベースとなる基板上に半導体チップ等の素子を搭載し、加熱することによってはんだ材を溶融させて素子を固定する素子搭載装置がある。素子を高い精度で位置決めする必要性のある電子モジュールを対象とする場合には、ベース基板と素子の位置をＴＶカメラ等の光学手段によって検出し、位置補正を行って素子搭載することが行われる。例えば、特開昭６４−８２６９８号公報では、吸着ヘッドに保持された半導体チップと基板とを撮像するためにそれぞれ撮像装置を具備し、基板を搭載しているＸＹステージで、撮像装置で検出したずれ量を補正する、という半導体チップ実装装置を記載している。
【０００３】ベース基板上に搭載される素子が、電気的接続のみを必要とする素子であるならば、その位置決め精度は数１０μｍで良く、この必要精度の大きさは素子と基板とを接続する配線パターンによって定まる。ところで、素子が電気的接続だけでなく、光の結合を必要とする場合がある。例えば半導体レーザの出射光を光ファイバに入射するような場合である。このような光結合モジュールの場合には、素子の位置決め精度として数μｍ以下が要求される。
【０００４】前出の撮像装置を具備した搭載装置であれば、撮像装置の光学系の高倍率化と基板と素子に位置合わせ用のマーカーを設ける等を行うことで、高い精度で位置合わせを行うことは可能である。ところが、加熱という工程があると、基板を載せているヒータの熱膨張のため、位置がずれてしまうという問題が生じる。例えば、ヒータの寸法を２０ｍｍ角、材質をステンレスで熱膨張係数を１５×１０~6［１／ｄｅｇ］、加熱時の上昇温度を１５０度とすると、加熱によるヒータの伸びは４５μｍにも達する。実際には加熱によって、基板と素子とで４５μｍの位置ずれを生じるわけではないが、このようなオーダーの大きさの位置ずれを発生させる可能性のある工程だということである。
【０００５】熱膨張による変位の影響を小さくするために、ヒータブロックを低熱膨張材で構成する場合がある。例えばインバー材を用いれば、常温での熱膨張率が約１×１０~6［１／ｄｅｇ］程度なので、熱膨張そのものが小さく、熱膨張による変位の影響を小さくできる。しかし使用状況によっては低熱膨張材の使用が困難な場合がある。例えばヒータブロックにの載せる基板の材質が非常に硬い材質である場合には、基板の搭載の繰り返しによってヒータブロックの摩耗が生じるので、ヒータブロックをより硬い材質で構成する必要がある。
【０００６】次に生産能力に関してであるが、本明細書で述べる様な素子搭載装置のタクトタイムは、おおよそ部品の搭載・排出時間、位置ずれ検出・補正時間、加熱冷却時間の和となる。この中で、最も時間を要するのは冷却時間である。従来の搭載装置では、この点に関して考慮が払われていないため、生産能力は冷却時間による制約が大きいものであった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】そこで本発明の第一の課題は、加熱する際の熱膨張による位置ずれの影響を小さくして、高い精度での素子搭載を可能とする素子搭載装置を提供することである。また本発明の第二の課題は、素子搭載にかかる必要な時間を短縮することのできる素子搭載装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】前述の第一の課題を解決するために本発明においては、ヒータブロックの対向する側面をばね定数の等しい弾性体で支持する構造とした。この構造によると、ヒータブロックを加熱しても、ヒータブロックの対向する側面での熱膨張による変位が逆方向の同量となる。したがって、対向する側面の中央での変位は両側面の変位が相殺されることで小さくなる。
【０００９】さらに、ヒータブロックを支持する枠体とヒータブロックとの支持を薄板としさらに枠体を断熱材で覆う構造とする事により、ヒータブロックと枠体との熱伝導を小さくした。このようにすることで、ヒータブロックの温度変化があっても、枠体自身の温度変化を小さくすることができ、したがって枠体自身の熱膨張による変位も小さくなる。
【００１０】前述の第二の課題を解決するため、本発明においては、ヒータブロックに冷却機構を付加し、加熱終了後冷却機構を動作させる事で冷却にかかる時間を短縮する。
【００１１】さらに、冷却機構に移動機構を付加し、移動の一端では冷却機構とヒータブロックとが接触し、移動のもう一端では解離状態となるようにする。これにより加熱終了後かかる冷却機構をヒータブロックに接触させることで、冷却機構そのものの熱容量のため、ヒータブロックの熱が速やかに冷却機構に流出し、冷却にかかる時間を短縮することができる。また、加熱時には冷却機構を解離するため、温度を上昇させる対象体はヒータブロックそのものでよく、加熱時の熱容量は小さい。したがって冷却機構を付属させた場合よりも加熱時間の短縮ができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下本発明の実施例を図を用いて説明する。
【００１３】図１は本発明の実施例を示すヒータブロックとその支持部等を含む構成を示す図である。ヒータブロック１０は、平板状のブロックであり、その内部にヒーター１１ａ・１１ｂと熱電対１２を内蔵する。ヒーター１１ａ・１１ｂは通電することで発熱しヒータブロックの温度を高める。熱電対１２は温度制御装置（図示せず）に接続され、ヒータブロックの温度を測定し、ヒーター１１ａ・１１ｂの通電を制御することによって、ヒータブロックを所望の温度に設定する。
【００１４】ヒータブロック１０の側面の外側に、ヒータブロック１０を囲む形状でヒータブロック支持枠体３０が有り、ヒータブロック１０と枠体３０との間に弾性構造２０ａ・２０ｂ・２０ｃがあって、ヒータブロックと枠体とを接続してある。ヒータブロック支持枠体３０はコの字形部分３０ａとＩ字形部分３０ｂとで構成される。ヒータブロック支持枠体のＩ字形部分３０ｂには、ヒーターと熱電対の引出し電線１３を通すための穴を開けてある。
【００１５】ヒータブロック支持枠体３０の内側のヒータブロックに対する面には、断熱壁３１を設ける。
【００１６】図２は弾性構造の一例を示す図である。弾性構造２０は、弾性特性を示す薄板２１と薄板２１の両端をそれぞれヒータブロック１０と枠体３０とに固定する固定金具２２ａ・２２ｂとで構成される。図示した構成例においては、各弾性構造で２枚の薄板を用いた構成としているが、これは１枚または他の枚数でも良い。図示したような構成の板バネ構造のため、変位する方向は矢印２４で示した方向に限られる。
【００１７】次に加熱時の各部の変位状況について述べる。なお、変位の方向について明瞭にするため図１中に記載したＸＹの座標系を用いる。ここでヒータブロック支持枠体の温度変化はなく、したがって熱膨張による変位は無いものとする。またここではヒータブロックの厚み方向の熱膨張による変位は考慮の対象外とする。
【００１８】ヒータブロック１０の温度上昇によって、ヒータブロック１０は熱膨張する。ヒータブロックの熱膨張による変位は、弾性構造２０に変形を生じさせる。弾性構造の変形による変位の方向は、弾性構造２０ａ・２０ｃでＸ方向、弾性構造２０ｂでＹ方向である。ヒータブロックの平行する両側の面に取り付けてある弾性構造２０ａ・２０ｃは等しい力で変形するが、バネ定数を等しく設定してあるため、その変形は向きは反対であるがその大きさは同じである。したがって、ヒータブロック１０が均等に熱膨張するならば、両側側面の中央のＸ方向の変位は０となる。
【００１９】ヒータブロックの温度上昇時には弾性構造にも温度変化が生じ、熱膨張による変位が生じる。弾性構造２０ａ・２０ｃでヒータブロック側の金具に生じた熱膨張はＸ方向の変位となるが、ヒータブロック自身の熱膨張と同様に弾性構造の変形によって、その影響が除去される。
【００２０】また弾性構造の薄板部分の熱膨張はヒータブロック取り付け部分で、薄板の面方向の変位を生じさせる。弾性構造２０ａ・２０ｃでは、ヒータブロックの取り付け部で−Ｙ方向の変位を生じさせる。ところで、ヒータブロック自身の熱膨張は、弾性構造取り付け部を基準として＋Ｙ方向の位置では、＋Ｙ方向の変位となる。弾性体取り付け部の変位とヒータブロック自身の変位との方向が逆であるため、相殺することが可能で変位０の位置を作り出すことができる。この変位の相殺される位置は、薄板部の熱膨張の大きさと、ヒータブロックの熱膨張の大きさによって定まり、薄板部の長さ、弾性構造の取り付け位置によって、設定が可能である。
【００２１】したがって素子搭載時にベース基板状の素子位置を、上で説明した変位０とヒータブロック位置とすることで、加熱時のヒータブロックの熱膨張による影響を除去でき、位置ずれの少ない搭載が可能となる。
【００２２】弾性構造２０ａ・２０ｃのみでヒータブロック１０を枠体３０に固定した場合、ヒータブロックに外部からＸ方向の力を加えると位置ずれを生じる。これに対して、弾性体２０ｂを付加することで、Ｘ方向の位置の拘束を行い、外部からの力による変位を防止することができる。
【００２３】次に枠体の熱膨張について述べる。ヒータブロックから弾性構造を経て枠体に伝わる熱量は、ヒータブロックと枠体の温度差と弾性構造の熱抵抗によって定まる。弾性構造は薄板で構成してあるため、熱抵抗が大きい。例えば、弾性構造の薄板部分の大きさを１０×１０ｍｍ、厚さを１ｍｍ、材質をステンレス鋼とすると、薄板２枚構造の場合でこの部分の熱抵抗は約３０Ｋ／Ｗとなる。一方、枠体の大きさを弾性構造１個あたり４０×１０×１０ｍｍとし、材質をステンレス鋼とするとその熱容量は約２２Ｊ／Ｋとなる。ヒータブロック加熱時に、枠体とヒータブロックとで温度差が１００度あり、１０秒間その状態が維持されるものとすると、枠体への熱流入量は３３Ｊとなり、温度上昇は１.５Ｋとなる。この温度上昇による熱膨張は長さ４０ｍｍで１μｍ以下である。
【００２４】また輻射によっても熱は伝わるが、ヒータブロックと枠体との間に設けた断熱壁によって、この熱量を遮り、伝わる熱量を小さくできる。また断熱壁の表面を鏡面とする事で、この熱の遮閉は一層効果的になる。このようにしてヒータブロックから枠体への熱の流入量を低減させることで、枠体の温度上昇は低く熱膨張による変位が小さくなり、よってもってヒータブロックの変位が小さく押さえられる。
【００２５】図３は、第二の課題を解決する本発明による実施例を説明する図である。
【００２６】図３に示す実施例は、ヒータブロックと弾性構造、枠体とを組み合わせたヒータ部５０の下側に、フィン構造のヒートシンク５１を接続してあり、その傍らにブロア５２を設置して構成される。
【００２７】ヒータ部の加熱工程終了後、ブロア５２を動作させることで、空気がヒートシンクに流れ込み、強制対流による冷却が行われる。例えば日本機械学会発行の伝熱ハンドブックによると、代表寸法が３ｃｍの板での熱伝達率は自然対流で、約１２Ｗ／（ｍ2Ｋ）であるが、風速５ｍ／ｓで強制空冷する場合には、熱伝達率は５０Ｗ／（ｍ2Ｋ）となり、約４倍の熱量の流出が行われる。したがって、強制空冷を行うことで、素子搭載時の加熱の後、部品の温度が下がるのに要する時間を短くすることができ、すなわち生産にかかる時間の短縮が図れる。そして本発明で述べた平板状のヒータブロックは、その下面にヒートシンクを容易に取付ける事のできる形状であることは言うまでもない。
【００２８】次に、ヒートシンクに移動機構（図示せず）を付加し、加熱時にはヒートシンクをヒータブロックと解離させ、加熱終了後ヒートシンクをヒータブロックと接触させる。という動作を行わせる場合について述べる。ヒータブロックの加熱に要する時間は、組込みヒータの発熱量と、ヒータブロック・搭載部品他の熱容量と、ヒータブロックに接続してあって熱の流出する部分との熱抵抗によってほぼ定まる。ヒートシンクがヒータブロックと解離している場合には、ヒータブロックからヒートシンクへの熱の流出は無いが、接触している場合にはヒートシンクへの熱の流出はある。ヒートシンク接触時には、ヒートシンクへの熱の流出分だけ、ヒータブロック自身と搭載部品の温度上昇は遅れ、加熱に要する時間は長くなる。冷却時間の短縮を測るため、大形のヒートシンクを設けた場合には、この温度上昇の遅れは一層顕著になる。例えば、ヒートシンクがヒータブロックと尾など熱容量を持っていたとすると、ヒートシンクによる冷却を考慮しない場合でも加熱に要する時間は２倍となってしまう。
【００２９】したがって、加熱時にはヒートシンクはヒータブロックと解離していることは、加熱時間の短縮の点で有利である。
【００３０】一方冷却時には、強制空冷によるヒートシンクからの熱の流出による冷却の効果の他に、ヒートシンク自身の熱容量による、ヒータブロックの冷却が行われる。ヒートシンクの熱容量による冷却は、ヒータブロックとヒートシンクの固体の熱伝導によって行われるので、対流による冷却よりも短時間になされる。したがって、冷却時にヒートシンクをヒータブロックと接触させるという動作を行う事で、冷却に要する時間を強制空冷だけの場合よりも短縮する事が可能になる。
【００３１】以上述べた構成とすることで、加熱と冷却に要する時間を短縮する事ができ、生産のタクトタイムの短縮が実現できる。
【００３２】図４は前述のヒータ部と冷却機構を組み込んだ、素子搭載装置の１実施例を示す図である。架台６０の底板側には１軸の位置決めステージ６１があり、ステージ上にチャンバ６２と部品供給台６３、プリアライメント台６４、はんだ供給部６５とを載せてある。架台６０には支柱６６があり、当支柱６６には底板部側ステージ６１の移動方向と直交する方向に移動する位置決めステージ６７を取り付けてある。位置決めステージ６７には、素子搬送機構６８ａ・６８ｂと撮像装置６９とを取り付けてある。素子搬送機構６８ａ・６８ｂは上下機構（図示せず）と素子把持機構（図示せず）とからなる。なお図４で素子搬送機構を２つ描いてあるのは、形状の異なる部品を搬送することを考慮してのことであり、搬送機構の数は１個でも複数個でも良い。
【００３３】本発明で述べたヒータブロックとヒートシンクは、チャンバ６２の中にある。チャンバ６２は内部に窒素ガスを流し込み酸素の腕を低減させることではんだ付け性の向上を図る。なおヒートシンクを空冷する為の通気孔は図示していない。素子搭載の対象となる部品は部品供給台６３に載せて供給される。部品は素子搬送機構６８によって部品供給台６３からプリアライメント台６４に移載される。
【００３４】プリアライメント台では、機械的に位置決めを行う機能を有する。撮像装置６９はプリアライメント台の載せられた部品または、チャンバ６２内のヒータブロック（図示せず）上に載せられた部品を、撮像しそれぞれの位置を検出することで、素子搭載時の位置合わせ時の位置ずれの補正を行う。はんだ供給部は素子固定用のはんだを供給する為のものである。はんだが既に部品に付いている場合には不要である。また、はんだがチップ状である場合には他の部品と同様に部品供給台から供給することが可能である。
【００３５】先に部品を載せるベース基板を部品供給台からヒータブロック上に搬送して載せる。次に撮像装置でその位置を検出し、ベース基板上で素子を搭載する位置が、規程の位置となるよう補正量を算出する。載せられる側の素子は、プリアライメント台に載せられ、そこで位置を決められる。その後部品搬送ハンドで、当該素子はプリアライメント台からヒータブロック上のベース基板へと搬送され、先に算出した補正量によって搭載位置の補正を行って、チャンバ内でベース基板に接触せしめる。そして加熱されてはんだで固定される。
【００３６】なお図４は、本発明で目的とするところの内容を実現するために最低限必要な機構を備えた素子搭載装置の例として描いたものであり、他のものは省いてある。したがって本図の例に示したような構成のみの装置が、本発明の実施例であると制限するものではない。
【００３７】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明によれば、加熱時の熱膨張による位置ずれを小さくすることができ、高い精度の素子搭載が可能となる。また加熱・冷却に要する時間の短縮が図れるので生産能力向上に寄与することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００５１０８
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
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| 【出願日】 |
平成１０年（１９９８）１月１４日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】小川 勝男
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| 【公開番号】 |
特開平１１−２０４９９４ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）７月３０日 |
| 【出願番号】 |
特願平１０−５３７２ |
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