JP7565766B2 - 部品装着方法および部品装着装置 - Google Patents

Description

本明細書は、部品を基板に装着するときに、部品の電極と回路パターンの接合部とを接合させる部品装着方法、および部品装着装置に関する。

近年、インクジェット技術を応用した三次元プリンタ（三次元造形機）が実用化され、ＣＡＤによって設計された三次元構造物などを積層造形することが行われている。さらに、三次元プリンタのインクジェット方式の造形部で紫外線照射により硬化する樹脂インク、および焼成により固化する導電性インクを用いて基板を形成し、基板に部品を装着して所望する電子デバイス（基板製品）を製造することが可能となっている。ここで、樹脂インクを硬化した基板は、ガラスエポキシ樹脂製などの従来型の基板と比較して耐熱性が低い。そのため、部品の装着において、電極をはんだ付けすることが温度の制約上難しく、電極を接合する方法が用いられる。この種の部品装着方法に関する一技術例が特許文献１に開示されている。

特許文献１には、基板上の電極形成面とチップ電極面（底面）の間に接着剤を介在させ、基板の電極（接合部）とこれに相対峙するチップ（部品）の電極を位置合わせした状態で、チップ背面（上面）に緩衝層を介在させて加熱加圧するマルチチップ実装法が開示されている。これによれば、チップ高さの異なる場合や基板の両面に実装する場合に有効な実装法を提供できる、とされている。

特開平１０－２５６３１１号公報

ところで、特許文献１のマルチチップ実装法では、部品の装着において、電極同士を位置合わせした状態として、接着剤を用いて部品を接着する。そして、部品に圧力を加えながら接着剤を加熱硬化させることにより、基板の電極と部品の電極（接合部）とが接合する接合箇所の信頼性を或る程度高めることができる。この実装法は、はんだ付けを用いておらず、前述の樹脂インクを硬化した基板に適用することが可能な技術である。

ここで、使用時の温度変化等によって基板、部品、電極、および接着剤などの各部位は熱変形するため、熱膨張率の違いに応じて接合箇所に応力が発生する。特許文献１における電極形成面とチップ電極面（底面）の間の接着剤は、硬化して補強材の役割を果たすが、前記した応力を緩和するのに十分であるとは言えない。このため、接合箇所の信頼性が低くて、剥離等の不具合が懸念される。接合箇所に発生する応力を緩和して接合箇所の信頼性を確保するためには、部品の底面だけでなく、部品の側面や上面なども覆うように補強材を形成することが好ましい。

しかしながら、特許文献１のマルチチップ実装法において、多量の接着剤の塗布および加熱硬化を試みても、緩衝層からの圧力によって接着剤が硬化する以前に押し出されてしまう。このため、部品の側面や上面を覆う補強材を形成することが難しい。さらには、押し出された接着剤が本来露出させておくべき別の電極などを覆ってしまうおそれが生じるため、逆効果となる。

それゆえ、本明細書では、部品の電極と基板側の回路パターンの接合部とを接合させる方法において、接合箇所の信頼性を従来よりも向上させることができる部品装着方法、および部品装着装置を提供することを解決すべき課題とする。

本明細書は、部品の底面に設けられた電極と、基板の樹脂層に形成された回路パターンに設けられた接合部とを接合させるとともに、前記部品の前記底面と前記基板の前記樹脂層との間に底部空間を形成する接合工程と、前記底部空間にアンダーフィルを注入し、緩衝層を介して前記部品に下向きの圧力を加えながら前記アンダーフィルを加熱硬化させて底部補強材を形成する底部補強工程と、前記部品の側面および上面の少なくとも一部を覆う外側補強材を形成する外側補強工程と、を備える部品装着方法を開示する。

また、本明細書は、部品の底面に設けられた電極と、基板の樹脂層に形成された回路パターンに設けられた接合部とを接合させるとともに、前記部品の前記底面と前記基板の前記樹脂層との間に底部空間を形成する接合工程実施部と、前記底部空間にアンダーフィルを注入し、前記部品に下向きの圧力を加えながら前記アンダーフィルを加熱硬化させて底部補強材を形成する底部補強工程実施部と、前記部品の側面および上面の少なくとも一部を覆う外側補強材を形成する外側補強工程実施部と、を備える部品装着装置を開示する。

本明細書で開示する部品装着方法や部品装着装置では、底部補強材および外側補強材を別々の工程で形成する。結果として、各補強材と部品および基板との密着性を良好にすることができ、さらには各補強材の形状精度を高めて、電極と接合部との接合箇所を機械的に補強することができる。これにより、底部補強材および外側補強材は、相乗的に作用して、使用時の温度変化等で接合箇所に発生する応力を緩和する。したがって、接合箇所の信頼性を従来よりも向上させることができる。

実施形態の部品装着装置の機能構成を示すブロック図であり、三次元造形機のブロック図を兼ねている。 実施形態の部品装着方法の工程を説明する工程図であり、基板製品の生産工程図を兼ねている。 接合工程の実施状況を説明する正面部分断面図である。 接合工程の実施状況を説明する側面部分断面図である。 底部補強工程において、アンダーフィルを注入する状況を説明する正面部分断面図である。 底部補強工程において、緩衝層を介して部品に下向きの圧力を加えながらアンダーフィルを加熱硬化させて底部補強材を形成する状況を説明する正面部分断面図である。 外側補強工程の実施状況を説明する正面部分断面図である。 外側補強工程の別の実施状況を説明する正面部分断面図である。

１．三次元造形機１０および部品装着装置１の構成
まず、実施形態の部品装着装置１の構成について、図１、図３、図５、および図７等を参考にして説明する。図１に示されるように、部品装着装置１は、三次元造形機１０に組み込まれて構成される。三次元造形機１０は、単位層を積み重ねる積層造形法を用いて、三次元構造物を生産する。三次元構造物の形状は、複数の単位層の各々の形状を表す造形データによって規定される。三次元造形機１０は、基板製品を生産する場合に、まず基板９を形成し、次に基板９に部品８を装着して基板製品とする。三次元造形機１０は、搬送部２１、樹脂層形成部２２、回路形成部２３、部品供給部２４、第１ヘッド２５、加熱部２６、第２ヘッド２７、加圧加熱部２８、および第３ヘッド２９などで構成される。

搬送部２１は、パレット３１（図３、図７参照）の機内への搬入、機内での移送、および機外への搬出を行う。パレット３１は、耐熱性に優れた材質、例えば鉄板や耐熱性硬質樹脂を用いて、矩形板状に形成される。基板製品は、生産の途中においてパレット３１上に載置され、搬送部２１によってパレット３１とともに搬送される。

樹脂層形成部２２は、基板９の樹脂層９１を形成する。樹脂層形成部２２は、例えば、造形ノズル、造形ヘッド、ヘッド駆動部、および紫外線照射部などで構成される。造形ノズルは、紫外線の照射によって硬化する造形インクを吐出する。造形ヘッドは、造形ノズルを保持した状態でヘッド駆動部により水平二方向に駆動される。これにより、造形ノズルは、造形データに基づいて、薄い単位樹脂層をパレット３１上や形成済みの樹脂層９１の上側、あるいは形成済みの回路パターン９４の上側に造形する。

次に、パレット３１が紫外線照射部に移送され、液状の単位樹脂層に紫外線が照射される。すると、液状の単位樹脂層は、硬化されて固体状の樹脂層９１の一部となる。なお、樹脂層形成部２２は、紫外線照射以外の方法で硬化する造形インクを用いてもよい。

回路形成部２３は、基板９の回路パターン９４を形成する。回路形成部２３は、例えば、描画ノズル、描画ヘッド、ヘッド駆動部、および焼成部などで構成される。描画ノズルは、焼成によって固化する導電性インクを吐出する。導電性インクとして、基剤に金属性の微細粒子を混入させたインクを例示することができる。描画ヘッドは、描画ノズルを保持した状態でヘッド駆動部により水平二方向に駆動される。これにより、描画ノズルは、造形データに基づいて、薄い単位回路層をパレット３１上や形成済みの樹脂層９１の上側、あるいは形成済みの回路パターン９４の上側に描画する。

次に、パレット３１が焼成部に移送され、液状の単位回路層が焼成される。すると、液状の単位回路層は、基剤が蒸発して固化され、固体状の回路パターン９４の一部となる。樹脂層形成部２２および回路形成部２３が造形データに基づいて複数回の動作を繰り返すことにより、図３に示される基板９が形成される。

例示された基板９の樹脂層９１は、下面が平らで、部品８を装着する中央部分９２の上面が低く、周辺部分９３の上面が高く形成される。基板９の回路パターン９４は、樹脂層９１の下面から中央部分９２の上面に連なって形成される。例示された基板９には１個の部品８が装着されるが、実際の基板には複数の部品が装着される。基板９の形状および装着される部品８の種類は、様々に変更可能である。

部品供給部２４は、複数の部品８を供給する。部品供給部２４は、例えば、公知の部品装着機に装備されるトレイ式の部品供給装置と同様の構成をもつ。部品供給部２４は、部品８の採取、移動、および載置を行う部品操作部を含む。図３および図４に例示された部品８は、底面８２に６個の電極８１が設けられている。

第１ヘッド２５は、第１ノズルを有し、第１ヘッド駆動部により水平二方向に駆動される。第１ノズルは、加熱によって固化する導電性ペーストを吐出する。導電性ペーストとして、例えば、基剤に銀の粒子を加えたペースト材を例示することができる。導電性ペーストは、回路形成部２３で用いられる導電性インクと比較して粘度が大きい。加熱部２６は、導電性ペーストを加熱して固化させる。このときの加熱温度は、はんだ付けの温度と比較して低く、樹脂層９１からなる基板９に対して許容される。加熱部２６として、槽内部を設定温度に保つ恒温槽を例示することができる。

第２ヘッド２７は、第２ノズルを有し、第２ヘッド駆動部により水平二方向に駆動される。第２ノズルは、アンダーフィルＵＦ（図５参照）を吐出する。アンダーフィルＵＦとして、絶縁性を有し、常温で液体であり、熱硬化性を有する樹脂材料が用いられる。アンダーフィルＵＦの狭隘な部分への注入を可能とするために、第２ノズルの先端部の傾斜角度は調整可能とされている。加圧加熱部２８は、緩衝層４１（図６参照）を介して部品８に下向きの圧力を加えながらアンダーフィルＵＦを加熱硬化させる。加圧加熱部２８の構成および機能については、後で詳述する。

第３ヘッド２９は、第３ノズルを有し、第３ヘッド駆動部により水平二方向に駆動される。第３ノズルは、加熱により硬化する液状ないしはペースト状の補強材を吐出する。液状ないしはペースト状の補強材として、熱硬化性樹脂の一種の熱硬化性エポキシ樹脂を例示することができ、これに限定されない。この補強材は、樹脂層９１の原料となる造形インク、またはアンダーフィルＵＦと同一材料でもよい。この補強材は、前述の加熱部２６によって加熱されると、硬化して固体化する。このときの加熱温度は、樹脂層９１からなる基板９に対して許容される。

部品装着装置１は、部品８の装着作業を担当する。部品装着装置１は、図１に実線で示される接合工程実施部５１、一点鎖線で示される底部補強工程実施部５２、および破線で示される外側補強工程実施部５３により構成される。接合工程実施部５１は、前述した搬送部２１、部品供給部２４、第１ヘッド２５、および加熱部２６を含んで構成される。底部補強工程実施部５２は、搬送部２１、第２ヘッド２７、および加圧加熱部２８を含んで構成される。外側補強工程実施部５３は、搬送部２１、第３ヘッド２９、および加熱部２６を含んで構成される。

２．部品装着装置１の動作（実施形態の部品装着方法）
次に、部品装着装置１の動作について、図２の工程図および図３～図８の状況説明図を参考にして説明する。部品装着装置１の動作の内容は、実施形態の部品装着方法を含んだものとなる。図２の基板形成工程Ｐ１において、前述した樹脂層形成部２２および回路形成部２３の複数回の動作により、基板９が形成される。

次の接合部形成工程Ｐ２において、第１ヘッド２５は、基板９の上方から見える回路パターン９４の所定の部品装着位置に導電性ペーストを塗布する。この導電性ペーストは、加熱部２６で固化され、部品８の電極８１が接合する接合部９５となる（図３参照）。接合部９５は、基板９側の電極と言い換えてもよい。なお、基板形成工程Ｐ１および接合部形成工程Ｐ２を省略し、別途形成された基板９をパレット３１に載置して、搬送部２１により機外から搬入することも可能である。

図３および図４に示されるように、回路パターン９４上の接合部９５は、樹脂層９１の中央部分９２よりも上方に突起している。一方、部品８の電極８１の下面は、底面８２のレベルに概ね一致している。したがって、電極８１を接合部９５に接合させた状況を想定すると、底面８２と樹脂層９１の間に底部空間９６が形成される。上記と逆に、接合部９５が樹脂層９１の中央部分９２のレベルに概ね一致し、電極８１が底面８２より下方に突起する構成でも、底部空間９６が形成される。さらに、接合部９５が樹脂層９１の中央部分９２よりも上方に突起し、かつ電極８１が底面８２より下方に突起する構成でも、当然ながら底部空間９６が形成される。

次の接合工程Ｐ３で、接合工程実施部５１が動作する。詳述すると、第１ヘッド２５は、想定された底部空間９６のうち電極８１および接合部９５から離隔した領域に導電性ペーストＣＰを塗布する。塗布する領域は、例えば、図４に示されるように、部品８の中央部が選択される。塗布する面は、部品８の底面８２および樹脂層９１の上面のどちらでもよいが、導電性ペーストＣＰが落滴するおそれのない樹脂層９１の上面が選択される。塗布厚は、底部空間９６の高さよりもわずかに大きく設定される。

次に、部品供給部２４は、部品８を採取し、電極８１が接合部９５に載るように部品８を移動させる。これにより、底部空間９６が実際に形成される。このとき、部品供給部２４は、部品８に下向きの荷重を加えて、電極８１を接合部９５に圧接させ、導電性ペーストＣＰが水平方向に多少拡がるようにする。基板９および部品８は、この状態を維持しつつ、搬送部２１によって加熱部２６に移送される。

加熱部２６では、部品８の中央部に位置する導電性ペーストＣＰが加熱されて、固化される。これにより、部品８は、底面８２が樹脂層９１に接着されるとともに、電極８１が接合部９５に接合されて、基板９に装着される。

ここで、部品８の中央部に位置する導電性ペーストＣＰは、導電材料として使用されず、接着剤の代替として使用される。したがって、導電性ペーストＣＰに代えて、専用の接着剤を用いることが可能である。それでも、導電性ペーストＣＰを接着剤の代替とすることにより、作業用のヘッド、ノズル、およびヘッド駆動部の個数が削減されるので、部品装着装置１および三次元造形機１０の構成が簡素化され、かつ低コスト化が推進される。

次の底部補強工程Ｐ４で、底部補強工程実施部５２が動作する。詳述すると、第２ヘッド２７は、図５に示されるように、底部空間９６にアンダーフィルＵＦを注入する。実際には、第２ヘッド２７は、底部空間９６の側面の開口部分に第２ノズルの先端を当てて、アンダーフィルＵＦを吐出する。すると、アンダーフィルＵＦは、毛細管現象の作用により底部空間９６内に自動的に流入してゆき、かつ表面張力の作用により流出することが抑制される。また、アンダーフィルＵＦの注入量は、部品８からはみ出ない量に限定される。この注入量は、部品８の大きさ、底部空間９６の高さ、電極８１や接合部９５の大きさおよび個数、ならびに導電性ペーストＣＰの使用量等に基づいて、適正に求められる。

基板９および部品８は、この状態を維持しつつ、搬送部２１によって加圧加熱部２８に移送される。加圧加熱部２８は、図６に示されるように、緩衝層４１、加圧加熱板４４、図略の加圧装置および加熱装置を含んで構成される。緩衝層４１は、容易に弾性変形する材料、例えばゴムシートを用いて形成される、緩衝層４１は、上面が平らで、中央部分４２が薄く、周辺部分４３が厚く形成される。緩衝層４１は、基板９および部品８の上側に載置される。緩衝層４１の中央部分４２は、部品８の上面８４に接触する。緩衝層４１の周辺部分４３は、樹脂層９１の周辺部分９３に接触し、または、わずかの離間距離を設けて配置される。

加圧加熱板４４は、堅牢な金属板、例えば鉄板で形成される。加圧加熱板４４は、緩衝層４１の上側に載置される。加圧装置は、液圧機構や空気圧機構などで構成されており、加圧加熱板４４に下向きの荷重Ｆを加える。加熱装置は、電気ヒータなどで構成されており、加圧加熱板４４を加熱する。

加圧加熱部２８は、緩衝層４１を介して部品８に下向きの圧力を加えながらアンダーフィルＵＦを加熱硬化させる。加圧装置が加えた下向きの荷重Ｆは、加圧加熱板４４および緩衝層４１で分散され、部品８の上面８４の全体に概ね均等に作用する圧力に変換される。また緩衝層４１の中央部分４２の圧縮により、周辺部分４３で分担する圧力が増加し、または、離間距離が消失して周辺部分４３で分担する圧力が発生する。これにより、部品８の上面８４に作用する圧力の大きさを適正に維持することが容易になる。仮に周辺部分４３が存在しないと、部品８の上面８４に作用する圧力の均等化が難しく、加えて圧力の大きさが変動しやすい。

また、加圧加熱板４４に加えられた熱は、緩衝層４１を介して部品８からアンダーフィルＵＦに伝わる。これにより、アンダーフィルＵＦは、硬化して底部補強材７１となる。このときの加熱温度は、樹脂層９１からなる基板９および部品８に対して許容される。

上記した加圧加熱部２８の作用により、電極８１と接合部９５とが接合する接合箇所に圧力を加えながら、その周りのアンダーフィルＵＦを硬化させることができる。これにより、接合箇所の信頼性を或る程度高めることができる。また、底部補強材７１は、基板製品の使用時の温度変化等によって接合箇所に発生する応力、特にせん断力を緩和する作用を有するので、接合箇所の信頼性が高められる。

なお、加圧加熱部２８は、上述と異なる構成、例えば、緩衝層４１、加圧板、加圧装置、および恒温槽などで構成してもよい。この構成において、恒温槽は、基板９および部品８を槽内に収容しつつ槽内温度を高めて、アンダーフィルＵＦを加熱硬化させる。一方、緩衝層４１、加圧板、および加圧装置は、恒温槽内で部品８に下向きの圧力を加える作用を発揮する。

次の外側補強工程Ｐ５で、外側補強工程実施部５３が動作する。詳述すると、第３ヘッド２９は、図７に示されるように、部品８の側面８３および上面８４の全体を覆うように液状ないしはペースト状の補強材（符号７２が相当する）を吐出する。補強材は、樹脂層９１の中央部分９２の上側で部品８を厚く覆いつつ、周辺部分９３の側部にまで及んでいる。図示されるように部品８を厚く覆いつつ山形となるようにするために、補強材は、ある程度以上の粘度、具体的には１（Ｐａ・ｓ）程度以上の粘度を有することが好ましい。

基板９および部品８は、この状態を維持しつつ、搬送部２１によって加熱部２６に移送される。液状ないしはペースト状の補強材は、加熱部２６で加熱されて硬化し、外側補強材７２となる。外側補強材７２は、基板製品の使用時の温度変化等によって接合箇所に発生する応力、特に電極８１が接合部９５から離れる方向の力を緩和する作用を有する。なお図８に示されるように、外側補強材７３は、部品８の側面８３の全体と上面８４の周辺部を覆い、上面８４の中央部を覆わない形状であってもよい。

さらに、実施形態において、樹脂層９１よりも熱膨張率が低い外側補強材（７２、７３）が形成されている。このため、使用時の温度上昇に伴って樹脂層９１が膨張したときに、外側補強材（７２，７３）は、膨張の程度が相対的に少なく、部品８への密着性が維持される。したがって、外側補強材（７２，７３）は、接合箇所に発生する応力を緩和する作用が顕著となる。さらに、外側補強材（７２、７３）および底部補強材７１は、相乗的に作用して、接合箇所に発生する様々な方向の応力を緩和することができるので、接合箇所の信頼性がさらに一層高められる。

実施形態の部品装着方法や部品装着装置１では、底部補強材７１および外側補強材（７２、７３）を別々の工程で形成する。結果として、各補強材（７１、７２、７３）と部品８および基板９との密着性を良好にすることができ、さらには各補強材（７１、７２、７３）の形状精度を高めて、電極８１と接合部９５との接合箇所を補強することができる。これにより、底部補強材７１および外側補強材（７２、７３）は、相乗的に作用して、使用時の温度変化等で接合箇所に発生する応力を緩和する。したがって、接合箇所の信頼性を従来よりも向上させることができる。

３．実施形態の応用および変形
なお、部品装着装置１および三次元造形機１０の構成要素として、搬送部２１およびパレット３１以外に共通化および兼用化できるものがある。例えば、回路形成部２３の焼成部と、加熱部２６とを共通化することができる。また、加圧加熱部２８の一部分を加熱部２６に兼用化することができる。一方、基板９を形成する三次元造形機１０と、基板９に部品８を装着する部品装着装置１とを別体に構成することが可能である。その他にも、実施形態は、様々な応用や変形が可能である。

１：部品装着装置 ２１：搬送部 ２２：樹脂層形成部 ２３：回路形成部 ２４：部品供給部 ２５：第１ヘッド ２６：加熱部 ２７：第２ヘッド ２８：加圧加熱部 ２９：第３ヘッド ３１：パレット ４１：緩衝層 ４４：加圧加熱板 ５１：接合工程実施部 ５２：底部補強工程実施部 ５３：外側補強工程実施部 ７１：底部補強材 ７２、７３：外側補強材 ８：部品 ８１：電極 ８２：底面 ８３：側面 ８４：上面 ９：基板 ９１：樹脂層 ９４：回路パターン ９５：接合部 ９６：底部空間 １０：三次元造形機 Ｐ１：基板形成工程 Ｐ２：接合部形成工程 Ｐ３：接合工程 Ｐ４：底部補強工程 Ｐ５：外側補強工程 ＣＰ：導電性ペースト ＵＦ：アンダーフィル

Claims (9)

1. 部品の底面に設けられた電極と、基板の樹脂層に形成された回路パターンに設けられた接合部とを接合させるとともに、前記部品の前記底面と前記基板の前記樹脂層との間に底部空間を形成する接合工程と、
   前記接合工程の完了後に、前記底部空間にアンダーフィルを注入し、緩衝層を介して前記部品に下向きの圧力を加えながら前記アンダーフィルを加熱硬化させて底部補強材を形成する底部補強工程と、
   前記底部補強工程の完了後に、前記部品の側面および上面の少なくとも一部を覆う外側補強材を形成する外側補強工程と、
   を備える部品装着方法。
2. 前記電極が前記底面よりも下方に突起した条件、および、前記接合部が前記樹脂層よりも上方に突起した条件の少なくとも一方を満たす、請求項１に記載の部品装着方法。
3. 前記外側補強工程において、前記部品の前記側面および前記上面の全体を覆う前記外側補強材を形成する、請求項１または２に記載の部品装着方法。
4. 前記外側補強工程において、前記樹脂層よりも熱膨張率が低い前記外側補強材を形成する、請求項１～３のいずれか一項に記載の部品装着方法。
5. 前記外側補強工程において、熱硬化性樹脂を塗布して加熱硬化することにより前記外側補強材を形成する、請求項１～４のいずれか一項に記載の部品装着方法。
6. 前記底部補強工程において、前記アンダーフィルの注入量を前記部品からはみ出ない量に限定する、請求項１～５のいずれか一項に記載の部品装着方法。
7. 前記接合工程において、前記底部空間のうち前記電極および前記接合部から離隔した領域に導電性ペーストを塗布して加熱硬化することにより、前記電極と前記接合部とを接合させる、請求項１～６のいずれか一項に記載の部品装着方法。
8. 前記回路パターンに導電性ペーストを塗布して加熱硬化することにより前記接合部を形成する接合部形成工程をさらに備える、請求項１～７のいずれか一項に記載の部品装着方法。
9. 部品の底面に設けられた電極と、基板の樹脂層に形成された回路パターンに設けられた接合部とを接合させるとともに、前記部品の前記底面と前記基板の前記樹脂層との間に底部空間を形成する接合工程実施部と、
   前記接合工程実施部の動作完了後に、前記底部空間にアンダーフィルを注入し、前記部品に下向きの圧力を加えながら前記アンダーフィルを加熱硬化させて底部補強材を形成する底部補強工程実施部と、
   前記底部補強工程実施部の動作完了後に、前記部品の側面および上面の少なくとも一部を覆う外側補強材を形成する外側補強工程実施部と、
   を備える部品装着装置。

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