JP2009260379A - ボンディング装置およびそれを用いたボンディング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回路素子を熱硬化性樹脂からなる導電接着部材を介して回路基板上に反り等の熱変形を生じさせることなく確実に導通接続させて搭載することが可能であると共に構造が簡素で安価な熱圧着式ボンディング装置を提供する。
【解決手段】熱圧着ツール２０における押圧ヘッド部２１の押圧面２１ａが湾曲した凹面に形成され、ステージ１０における圧着支持部１２の支持面１２ａが湾曲した凸面に形成されたボンディング装置に、液晶表示素子１の基板延出部３ａの所定位置に異方性導電接着材７を介して半導体チップ６が配置された液晶パネルワークＷをセットし、熱圧着ツール２０の基体部２２に埋設されているヒータ２３をオンして昇温させた押圧面２１ａで半導体チップ６の表面を加熱しつつ加圧する。
【選択図】図１

Description

本発明は、加熱しつつ加圧する熱圧着式のボンディング装置に関する。

従来、回路基板上の所定位置に半導体チップ等の回路素子を異方性導電接着材等の熱硬化性接着剤をベースとした導電接着部材により導通設置する場合、特許文献１に示されるような熱圧着式のボンディング装置が用いられている。

特許文献１に示される熱圧着式ボンディング装置は、大略、例えば液晶表示パネルにＬＳＩチップが異方性導電接着材を介して配置されているような被圧着物(以下、ワークという)を支持するステージと、このワークを加熱しつつ加圧する熱圧着ツールとからなる。

このようなボンディング装置による場合、ワーク全体を均等に加熱しつつ圧着させることが難しく、熱圧着が終了した時点での熱圧着ツールに接触していた部材とステージに支持されていた部材との温度差が極めて大きい。

例えば液晶表示パネルのガラス基板にＬＳＩチップをＣＯＧ(Chip On Glass)搭載する場合、異方性導電接着材中のエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を硬化させるには２２０℃程度まで加熱する必要があるため、熱圧着ツールを２６０℃に昇温させてＬＳＩチップに圧接させ、ＬＳＩチップを２４０℃程度まで加熱する。このため、熱圧着が終了した時点では、ＬＳＩチップがガラス基板よりも１００℃以上も高くなっている。

このため、ＬＳＩチップが熱圧着された液晶表示パネルが常温に戻ると、ＬＳＩチップがガラス基板よりも大きく収縮し、その結果、液晶表示パネルに反り等の熱変形が発生する。液晶表示パネルに反りが発生すると、液晶表示パネルにおける基板間ギャップ(液晶層厚)が不均一となり、コントラストのバラツキや表示ムラ等の表示不良を引き起こす。また、ＬＳＩチップと液晶表示パネルの接続端子との間の異方性導電接着材を介した導通接続部に熱変形による残留内部応力が発生し、液晶表示パネルの信頼性や歩留りを低下させる。

そこで、上述の熱圧着ボンディング時におけるワークの温度差を解消するために、特許文献１にも示されるように、熱圧着ツールとステージの双方に加熱機構を設ける方法が提案されているが、この方法による場合、温度制御システム等が必要となり装置全体が大掛かりで高価なものとなる。

特開平１１−１８６３３８号公報

本発明の課題は、回路素子を熱硬化性樹脂からなる導電接着部材を介して回路基板上に反り等の熱変形を生じさせることなく確実に導通接続させて搭載することが可能であると共に構造が簡素で安価な熱圧着式ボンディング装置を提供することである。

一方の発明のボンディング装置は、回路基板表面の所定位置に回路素子を熱硬化性の導電接着部材を介して搭載するボンディング装置であって、前記回路基板の少なくとも前記回路素子が搭載される領域を支持する支持面が、湾曲した凸面をなすステージと、加熱手段を有し、前記ステージに支持された回路基板上に載置された前記回路素子を加熱しつつ加圧するために当接させる押圧面が前記ステージの支持面の曲率に対応した曲率で湾曲した凹面をなす熱圧着ツールとを、備えることを特徴とするものである。

他方の発明のボンディング装置は、回路基板表面の所定位置に回路素子を熱硬化性の導電接着部材を介して搭載するボンディング装置であって、前記回路基板の前記回路素子が搭載される領域の中央部を支持するステージと、加熱手段を有し、前記ステージに支持された回路基板上に配置されている前記回路素子に当接し、前記回路素子を加熱するとともに、前記回路素子の両側部を加圧する熱圧着ツールとを、備えることを特徴とする。

本発明のボンディング装置によれば、熱圧着工程点において、ワークの熱圧着ツールに接触していた高温側が伸長して凸面となった反りと同様の曲面をステージと熱圧着ツールとの間に形成しているから、ワークが常温に戻った時点ではその高温側の伸長分が大きく収縮することによりキャンセルされて凸面が平坦面となる。その結果、ステージ側に加熱手段を設けない簡素な構造により、反りがなく回路素子が回路基板の所定位置に確実に導通接続されて搭載された信頼性の高い製品を生産効率良く製造することができる。

一方の発明の一実施形態としてのボンディング装置による熱圧着工程を示す斜視図である。 (ａ)は上記ボンディング装置による熱圧着工程におけるワーク挟圧状態を示す模式的側断面図で、(ｂ)は熱圧着を終え放置冷却されて得られた液晶表示パネルを示す模式的断面図である。 (ａ)は他方の発明の一実施形態としてのボンディング装置とワークの各構成を分解して示す模式的分解説明図で、(ｂ)はそのボンディング装置によるワーク挟圧状態示す模式的側断面図である。 図３の実施形態の変形例を示す模式的分解説明図である。 図１に示す実施形態の変形例を示す模式的側断面図である。

一方の発明のボンディング装置においては、熱圧着ツールを湾曲した凹面の押圧面を有する当接部材とこの当接部材を着脱自在に保持すると共に回路素子に接離させる基体部とに分割することが好ましく、これにより、熱圧着ツールの製造が容易となりコストダウンが促進されると共に、当接する回路素子の種類に応じて当接部材を変えるだけで容易に多種類の回路素子のボンディングに対応することができる。

そして、上述のボンディング装置においては、熱圧着ツールの押圧面とステージの支持面とは、それぞれ、実質的に同心円の円周面をなしていることが好ましく、これにより、より均等に回路素子を回路基板に加圧して確実に導通接続させることができる。

また、他方の発明のボンディング装置においては、ステージが回路基板を支持する支持部材及び該支持部材が設置される基体部とからなり、且つ、熱圧着ツールが加熱手段を有すると共に昇降駆動されるツール本体部及びこのツール本体部と回路素子との間に介在させる当接部材とからなることが好ましく、これにより、多機種の回路素子の種々の回路基板に対するボンディングに柔軟に対応できるとともに、ボンディング装置の製造コストが大幅に低減される。

以下、本発明の好適な実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態としての熱圧着式ボンディング装置によって液晶表示素子にＬＳＩチップをＣＯＧボンディングする工程を示す斜視図で、図２(ａ)はその熱圧着工程における圧着状態を示す模式的側断面図、図２(ｂ)は熱圧着を終え放置冷却されて得られた液晶表示パネルを示す模式的断面図である。

本実施形態のボンディング装置により熱圧着される一方の被圧着物である液晶表示素子１は、電極（不図示）が形成された一対のガラス基板２、３を、それぞれの電極形成面を対向させて枠状シール材(不図示)により所定の間隙を保って接合し、枠状シール材で囲まれたガラス基板２、３間に液晶(不図示)を封入して、構成されている。ガラス基板２、３の各外面(液晶封入側を内面とした場合の)には、前偏光板４と後偏光板(不図示)がそれぞれ貼着されている。本実施形態の液晶表示素子１は単純マトリクス方式の液晶表示素子であり、一対のガラス基板２、３の各対向面(内面)には、それぞれ、互いに直交する方向に複数のストライプ電極が平行に配設されている。

ガラス基板２、３のうちの一方のガラス基板３には、縁部を他方のガラス基板２の対応する端面よりも外側(液晶封入側を内側として)へ延出させて、延出部３ａが形成されている。この延出部３ａの表面（電極形成面の延長面）には、両基板２、３の各電極に接続されている複数の引き出し配線５及びそれらの各接続端子（不図示）が配設されている。

上述の引き出し配線５及び接続端子列が配設された延出部３ａに、液晶を駆動する駆動回路素子としての半導体チップ６がＣＯＧ（Chip On Glass）方式により直接搭載される。この場合、もう一方の被圧着物である半導体チップ６は、図２に示されるように、チップ本体６ａの裏面に複数の端子電極６ｂが所定の配置で凸設されてなる。そして、この半導体チップ６は、異方性導電接着材７を介して、基板延出部３ａ表面の所定位置に熱圧着ボンディングされる。異方性導電接着材７は、エポキシ樹脂からなるバインダ樹脂７ａ中に多数の導電性粒子７ｂが分散混合されてなる。

本実施形態における熱圧着ボンディング装置は、半導体チップ６が異方性導電接着材７を介して所定位置に配置された液晶表示素子１つまりワークＷを支持するステージ１０と、載置された半導体チップを加熱しつつ加圧する熱圧着ツール２０とからなる。

本実施形態のステージ１０は、液晶表示素子１の液晶が封入された本体部を支持する本体支持部１１と、半導体チップ６が配置された基板延出部３ａを支持する圧着支持部１２を備えている。ステージ１０の幅Ｌ1は、液晶表示パネル１の幅Ｌ2に一致させてある。また、本体支持部１１の支持面１１ａは平坦面に形成されている。

圧着支持部１２の支持面１２ａは、所定の曲率の円周をなす凸面に形成されている。この支持面１２ａの曲率については、後程詳細に説明する。

一方、熱圧着ツール２０は、押圧ヘッド部２１とこれを保持する基体部２２からなる。押圧ヘッド部２１には、ヒータ２３が埋設されている。そして、この押圧ヘッド部２１の半導体チップ６に当接させる押圧面２１ａは、ステージ１０の圧着支持面１２ａに対応する曲率で湾曲した凹面をなしている。ここで、圧着支持面１２ａに対応した曲率で湾曲した凹面とは、圧着支持面１２ａに支持されたガラス基板３に半導体チップ６を異方性導電接着材７を介して配置したワークＷに対して、押圧面２１ａを当接させて所定の圧力で加圧した際にワーク全体を破損させずに湾曲させることができる曲率をいう。この圧着支持面１２ａの曲率とこれに対応する押圧面２１ａの曲率は、試作や実験を経ることにより、ガラス基板３や半導体チップ６の大きさ或いは材質に応じて最適に設定される。

本実施形態のステージ１２における圧着支持面１２ａの曲率は、２０ｍｍ(長さ)×３ｍｍ(幅)×０．４ｍｍ(厚さ)のサイズの半導体チップ６に５μｍの湾曲変形量(反りの大きさ)Ｒを生じさせることができるように、設定されている。これに対して、前述した熱圧着ツール２０側の押圧面２１ａは、ステージ１２側の圧着支持面１２ａと同心円の円周面に形成されている。すなわち、押圧面２１ａは、熱圧着が終了した時点におけるワークの厚さ分だけ、圧着支持面１２ａよりも半径が大きい円周面をなしている。

これにより、半導体チップ６全体が液晶表示素子１の基板延出部３ａに向けて均等に押圧され、半導体チップ６の端子電極６ｂと基板延出部３ａにおける各種配線の接続端子５ａとが異方性導電接着材７を介して確実に導通接続される。

熱圧着ツール２０の基体部２２は、図示しない駆動部に連結されている。駆動部には昇降機構と加圧機構が設けられており、熱圧着ツール２０全体を半導体チップ６に対して昇降させると共に押圧ヘッド部２１を所定の圧力で半導体チップ６に圧接させる。

次に、上記熱圧着ボンディング装置による熱圧着作業手順とその際の動作について、説明する。

まず、液晶表示素子１の基板延出部３ａの所定位置に異方性導電接着材７を配置し、この上に半導体チップ６を正確に位置合わせを行いつつ配置する。この位置合わせでは、双方の位置基準のアライメントマーク(不図示)をカメラ認識しつつ位置を合わせ、基板延出部３ａに形成された各種配線の接続端子５ａに半導体チップ６の対応する端子電極６ａを重ならせる。

次いで、上述のように液晶表示素子１に半導体チップ６が異方性導電接着材７を介して配置されたワークＷを、ステージ１０の所定位置に載置する。この際、図１に示されるように、液晶表示素子１の基板延出部３ａがステージ１０の圧着支持面１２ａに整合した状態で重なるように位置決めして載置する。

また、上述のワークＷの載置作業に併行して、熱圧着ツール２０のヒータ２３をオンし、押圧ヘッド部２１の押圧面２１ａを所定の例えば２６０℃に昇温させる。

次に、熱圧着ツール２０の昇降機構を駆動して熱圧着ツール２０全体を降下させ、押圧ヘッド部２１の押圧面２１ａを半導体チップ６のチップ本体６ａの表面に当接させた後、加圧機構を駆動して所定の圧力で半導体チップ６を加圧し基板延出部３ａに向けて押圧する。

これにより、半導体チップ６のチップ本体６ａと液晶表示素子１の基板延出部３ａが、それぞれ、接触する押圧ヘッド部２１の押圧面２１ａとステージ２０の圧着支持面１２ａに沿って湾曲すると共に、異方性導電接着材７中の導電性粒子７ｂが半導体チップ６側の端子電極６ｂと液晶表示素子１側の接続端子５ａ間に挟圧される。なおこの際、液晶表示素子１側の基板延出部３ａは、両側部が圧着支持面１２ａに沿うまで湾曲しないが、少なくとも半導体チップ６の搭載領域は圧着支持面１２ａに沿って湾曲させることができるから、両者の導通接続に支障を生じさせることはない。

上述の挟圧状態を所定時間継続すると、異方性導電接着材７中のエポキシ樹脂７ａが２２０℃程度に加熱されて硬化し、上述の端子電極６ｂと接続端子５ａとが導電性粒子７ｂを介して導通接続された状態で半導体チップ６が基板延出部３ａに固着される。

この後、熱圧着ツール２０を上昇させて挟圧状態を解除し、液晶表示素子１に半導体チップ６が熱圧着ボンディングされた液晶パネルワークＷをボンディング装置から取り出し、所定のヤードに搬送して放置し常温冷却する。これにより、取り出した時点では図２(ａ)に示されるように湾曲していた液晶パネルワークＷが、図２(ｂ)に示されるように、平坦な液晶表示パネルとなる。

すなわち、一般に、加熱物の冷却においては、高温に加熱されていた部位ほど冷却したときの収縮率が大きい。因みに、上述した液晶表示パネル体においては、熱圧着ツール２０に接触する半導体チップ６は２４０℃程度に加熱されるが、このときの液晶表示素子１のガラス基板３は１００℃程度に加熱されるだけで、１００℃以上の温度差が生じている。従って、最も高温に加熱されていた半導体チップ６のチップ本体６ａ表面の収縮率が最も大きく、この面は凸状の湾曲面をなしているから収縮することにより平坦面となり、これに引きずられるように液晶パネルワークＷ全体が平坦化される。

以上のように、本実施形態のボンディング装置によれば、高温側である熱圧着ツール２０のワーク押圧面２１ａを凹面に湾曲させ、低温側であるステージ１０の圧着支持面１２ａを凸面に湾曲させたから、熱圧着終了時には、高温側のワーク表面つまり半導体６のチップ本体６ａ表面が凸面に、低温側のワーク表面である基板延出部３ａ外面が凹面に、それぞれ湾曲した液晶パネルワークＷが得られる。そして、この熱圧着プロセスにおいて液晶パネルワークＷに発生した湾曲状の反りが、常温に冷却されることによってキャンセルされ、全体が高度に平坦化されると共に内部応力が開放された液晶表示パネルが得られる。かくして、温度制御システム等の複雑な機構を有しない簡素なボンディング装置により、表示ムラ等の無い良好な表示品質が得られると共に信頼性に優れた液晶表示パネルを、容易に製造することが可能となる。

また、本実施形態のボンディング装置では、液晶パネルワークＷを挟圧する押圧ヘッド部２１の押圧面２１ａとステージ支持面１２ａとを実質的に同心円の円周面となるように形成したから、熱圧着プロセスにおいて半導体チップ６全体を基板延出部３ａに対して均等に押圧することができ、半導体チップ６の端子電極６ｂが異方性導電接着材７の導電性粒子７ｂを介してより確実に液晶表示素子１の接続端子５ａに導通接続される。

次に、本発明の他の実施形態について、図３に基づき説明する。なお、上記実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付して、その説明を省略する。

本実施形態における熱圧着ツール３０は、当接部材３１とツール本体３２とからなり、ツール本体３２にヒータ３３が埋設されている。当接部材３１は、面積がチップ本体６ａの表面よりも広い１枚の当接板３１ａと、面積が当接板３１ａの(１／４)程度の一対の介装板３１ｂ、３１ｂとからなり、これら介装板３１ｂ、３１ｂ及び当接板３１ａは、共に耐熱性及び熱伝導性に優れた例えばフッ素樹脂或いはシリコン樹脂等の弾性樹脂材料で形成されている。そして、これら当接板３１ａ及び介装板３１ｂ、３１ｂは、液晶パネルワークＷとツール本体３２との間に、介装板３１ｂ、３１ｂが当接板３１ａのツール本体３２側表面にその長手方向中心ラインに関して対称に位置する配置で、介装されている。

一方、ステージ４０は、支持部材４１とステージ本体４２とからなる。支持部材４１は、面積が基板延出部の面積に略等しい一枚の当接板４１ａと、その１／３〜１／４程度の面積の一枚の介装板４１ｂとからなり、共に、耐熱性及び熱伝導性に優れたフッ素樹脂或いはシリコン樹脂等の弾性樹脂材料で形成されている。そして、これら当接板４１ａ及び介装板４１ｂは、液晶パネルワークＷとステージ本体４２との間に、介装板４１ｂが支持板４１ａのステージ本体４２側表面の長手方向中央に位置した配置で、介装されている。

本実施形態のボンディング装置により液晶パネルワークＷを熱圧着加工するには、まず、ステージ本体４２上に支持部材４１を設置し、その上に液晶パネルワークＷをそれぞれのセンター位置を基準にして位置合わせを行いつつ載置し、次いで、その上に当接部材３１を同じくセンター位置基準で位置合わせを行いつつ載置する。これに、ヒータ３３をオンして先端部を約３５０℃程度に昇温させたツール本体３２の平坦な先端面を所定の圧力で圧接させる。

これにより、図３(ｂ)に示されるように、液晶パネルワークＷとこれを挟圧する当接板３１ａと支持板４１ａとが略一体に湾曲すると共に、半導体チップ６の全ての端子電極６ｂが液晶パネル１の基板延出部３ａに向けて均等に押圧される。そして、各端子電極６ｂと対応する接続端子５ａとが導電性粒子７ｂを充分に大きい圧力で挟持した状態で、両者が確実に導通接続される。また、ツール本体３２が約３５０℃程度の高温に昇温されているから、この熱が高熱伝導性のテフロン（登録商標）樹脂からなる当接部材３１と半導体チップ６を介して異方性導電接着材７に速やかに伝導し、バインダ樹脂７ａを充分に硬化させる。

従って、本実施形態のボンディング装置による場合も、前述の実施形態と同様に、熱圧着工程が終了した時点でボンディング装置から取り出した液晶パネルワークＷには、高温側のワーク表面つまり半導体６のチップ本体６ａ表面が凸面に、低温側の基板延出部３ａ外面が凹面に、それぞれ湾曲した反りが発生している。そして、この熱圧着プロセスにおいて発生した湾曲状の反りが、常温に冷却されることによってキャンセルされ、全体が高度に平坦化されると共に内部応力が開放された所望の液晶表示パネルが得られる。

また、本実施形態では、熱圧着ツール３０におけるツール本体３２の先端面は平坦面で湾曲面に加工しなくてもよいから、熱圧着ツール３０を安価に製作でき、ボンディング装置のコストダウンが促進される。

加えて、本実施形態のボンディング装置は、熱圧着ツール３０側の当接部材３１とステージ４０側の支持部材４１を、液晶パネルワークの機種に応じてその機種に適合した各部材に容易に交換でき、製造すべき液晶表示パネルの機種変更に柔軟に対応できるという利点を備えている。

次に、上記実施形態の変形例について、図４に基づき説明する。なお、本変形例においては、上記実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付して、その説明を省略する。

本変形例のボンディング装置は、液晶パネルワークＷを挟圧する熱圧着ツール５０側の当接部材５１とステージ６０側の支持部材６１を、それぞれ、単一の板で形成したものである。この場合、当接部材５１は、液晶パネルワークＷに接する当接面５１ａが平坦面に形成され、反対側の裏面５１ｂが湾曲した凹面を中央部に備える曲面に形成されている。一方、支持部材６１は、基板延出部３ａの外面に接する支持面６１ａが湾曲した凸面に形成され、反対側の裏面６１ｂは平坦面に形成されている。その他の構成は、上記実施形態と同じである。

このように構成された本変形例のボンディング装置による場合も、上記実施形態のボンディング装置による場合と同様に、全体が高度に平坦化されると共に内部応力が開放された所望の液晶表示パネルが容易に得られる。また、当接部材５１及び支持部材６１がともに単一の板部材であるから、製造すべき液晶表示パネルの機種変更に柔軟に対応できることは勿論、機種に応じたそれら部材の交換作業が容易となる。

なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではない。
例えば、図１に示す実施形態において、図５に示すように、熱圧着ツール２０の押圧ヘッド部２１を基体部２２に対し着脱自在に分割してもよい。この場合、ヒータ２３は基体部２２に埋設することが好ましい。これにより、図３に示す実施形態等と同様に、製造すべき液晶表示パネルの機種変更に柔軟に対応可能となる。

また、図３に示す実施形態や図４に示すその変形例において、ステージは図１に示す実施形態のように湾曲支持面を備えた一体のステージとしてもよい。

加えて、本発明は、被圧着ワークが液晶パネルである場合に限らず、回路基板表面の所定位置に回路素子を熱硬化性の導電接着部材を介して搭載する為の種々のボンディング装置に広く適用可能であることは、勿論である。

１ 液晶表示素子
２、３ ガラス基板
４ 前偏光板
５ 引き出し配線
６ 半導体チップ
７ 異方性導電接着材
１０、４０、６０ ステージ
１１ 本体支持部
１２ 圧着支持部
１２ａ、４１ａ 支持面
２０、３０、５０ 熱圧着ツール
２１ 押圧ヘッド部
２１ａ 押圧面
２２ 基体部
２３、３３ ヒータ
３１、５１ 当接部材
３２ ツール本体
４１、６１ 支持部材
４２ ステージ本体

Claims (5)

1. 回路基板表面の所定位置に回路素子を熱硬化性の導電接着部材を介して搭載するボンディング装置であって、
   前記回路基板の少なくとも前記回路素子が搭載される領域を支持する支持面が、湾曲した凸面をなすステージと、
   加熱手段を有し、前記ステージに支持された回路基板上に載置された前記回路素子を加熱しつつ加圧するために当接させる押圧面が、前記ステージの支持面の曲率に対応した曲率で湾曲した凹面をなす熱圧着ツールとを、備えることを特徴とするボンディング装置。
2. 前記熱圧着ツールは、前記押圧面を有する当接部材と、該当接部材を着脱自在に保持すると共に前記回路素子に接離させる基体部とから、なることを特徴とする請求項１に記載のボンディング装置。
3. 前記熱圧着ツールの押圧面と前記ステージの支持面とは、それぞれ、実質的に同心円の円周面をなしている請求項１または請求項２に記載のボンディング装置。
4. 回路基板表面の所定位置に回路素子を熱硬化性の導電接着部材を介して搭載するボンディング装置であって、
   前記回路基板の前記回路素子が搭載される領域の中央部を支持するステージと、
   加熱手段を有し、前記ステージに支持された回路基板上に配置されている前記回路素子に当接し、前記回路素子を加熱するとともに、前記回路素子の両側部を加圧する熱圧着ツールとを、備えることを特徴とするボンディング装置。
5. 前記ステージが前記回路基板を支持する支持部材及び該支持部材が設置される基体部とからなり、且つ、前記熱圧着ツールが前記加熱手段を有すると共に昇降駆動されるツール本体部及び該ツール本体部と前記回路素子との間に介在させる当接部材とからなることを特徴とする請求項４に記載のボンディング装置。

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