JP4144552B2 - 電子部品のボンディング装置およびボンディングツール - Google Patents

Description

本発明は、フリップチップのようなバンプ付き電子部品などの電子部品を基板の電極などの被接合面にボンディングする電子部品のボンディング装置およびボンディングツールに関するものである。

電子部品を基板の電極などの被接合面にボンディングする方法として、超音波圧接を用いる方法が知られている。この方法は、電子部品を被接合面に対して押圧しながら電子部品に超音波振動を与え、接合面を微小に振動させて摩擦を生じさせることにより接合面を密着させるものである。この方法に用いられるボンディングツールは、振動発生源である超音波振動子の振動を電子部品に伝達させる細長形状の棒体であるホーンを有しており、このホーンに備えられた圧着子によって電子部品に荷重と振動を作用させながら、電子部品を被接合面に圧着してボンディングするようになっている。圧着子にはボンディング時の負荷（荷重と振動）が作用するため、繰り返し使用によってその下面（電子部品の吸着面）が摩耗しやすい。この摩耗が甚しくなると正常なボンディングを行うことが出来なくなるため、定期的に圧着子を交換せねばならない。従来はこの圧着子の交換は、ホーン全体を交換するか、あるいは圧着子が別部品でホーン本体に対して着脱可能である場合には、この別部品のみを交換することにより行われていた。

しかしながら、ホーン全体を交換する場合には、高価な部品であるホーンを消耗部品として廃脚することになり、ランニングコストが上昇する。また、圧着子のみを着脱して交換する場合においても、従来のボンディングツールでは圧着子のホーン本体への締結方法に起因して取り付け状態が不安定で安定した固着状態の再現が困難であり、したがって振動特性が変動しやすく安定したボンディングが行えないという問題点があった。

そこで本発明は、低コストで安定した振動を行わせながら安定したボンディングを行うことができる電子部品のボンディング装置およびボンディングツールを提供することを目的とする。

請求項１記載のボンディング装置は、電子部品に荷重と振動を作用させながらこの電子部品を被接合面に圧着する電子部品のボンディング装置であって、前記電子部品に当接するボンディングツールと、このボンディングツールを前記電子部品に押圧する押圧手段とを備え、前記ボンディングツールは、横長のホーンと、このホーンに振動を付与する振動子と、前記ホーンの定在波振動の腹に相当する位置に前記ホーンの長さ方向に直交して設けられた貫通孔と、この貫通孔を挿通する締結手段によって前記ホーンに着脱自在に締結され先端部が前記電子部品に当接する圧着子と、前記圧着子を中心として平面視して対称に突設された装着部とを有し、前記圧着子の先端部に電子部品を真空吸着する吸着孔が設けられており、この吸着孔は前記圧着子をホーンに連結した状態でホーンに設けられた真空吸引孔と連通する。

請求項２記載の電子部品のボンディング装置は、電子部品に荷重と振動を作用させながらこの電子部品を被接合面に圧着するボンディングツールであって、横長のホーンと、このホーンに振動を付与する振動子と、前記ホーンの定在波振動の腹に相当する位置に前記ホーンの長さ方向に直交して設けられた貫通孔と、この貫通孔を挿通する締結手段によっ
て前記ホーンに着脱自在に締結され先端部が前記電子部品に当接してこの電子部品を押圧する圧着子と、前記圧着子を中心として平面視して対称に突設された装着部とを有し、前記圧着子の先端部に電子部品を真空吸着する吸着孔が設けられており、この吸着孔は前記圧着子をホーンに締結した状態でホーンに設けられた真空吸引孔と連通する。

本発明は、ホーンの定在波振動の腹に相当する位置にホーンの長さ方向に直交する貫通孔を設け、またこの貫通孔を挿通する締結手段によってホーンに着脱自在に締結され先端部が電子部品に当接する圧着子と、圧着子を中心として平面視して対称に突設された装着部とを設け、更に圧着子の先端部に電子部品を真空吸着する吸着孔を設けて、この吸着孔を圧着子をホーンに連結した状態でホーンに設けられた真空吸引孔と連通するようにしているので、安定した固着状態および振動特性を保持して電子部品のボンディングを行うことができる。

次に本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施の形態の電子部品のボンディング装置の正面図、図２は同電子部品のボンディングツールの上下反転斜視図、図３は同電子部品のボンディングツールの正面図、図４（ａ），（ｂ）、図５（ａ），（ｂ）、図６（ａ），（ｂ）は同電子部品のボンディングツールの部分断面図である。

まず、図１を参照して電子部品のボンディング装置の全体構造を説明する。１は支持フレームであって、その前面には第１昇降板２と第２昇降板３が昇降自在に設けられている。第１昇降板２にはシリンダ４が装着されており、そのロッド５は第２昇降板３に結合されている。第２昇降板３にはボンディングヘッド１０が装着されている。支持フレーム１の上面にはＺ軸モータ６が設けられている。Ｚ軸モータ６は垂直な送りねじ７を回転させる。送りねじ７は第１昇降板２の背面に設けられたナット８に螺合している。したがってＺ軸モータ６が駆動して送りねじ７が回転すると、ナット８は送りねじ７に沿って上下動し、第１昇降板２や第２昇降板３も上下動する。

図１において、上面が電子部品の被接合面である基板４６は基板ホルダ４７上に載せられており、基板ホルダ４７はテーブル４８上に載せられている。テーブル４８は可動テーブルであって、基板４６をＸ方向やＹ方向へ水平移動させ、基板４６を所定の位置に位置決めする。テーブル４８は電子部品４０に対して基板４６を相対的に移動させる位置決め手段となっている。

４２はカメラであって、一軸テーブル４３に装着されている。４４はカメラ４２から前方へ延出する鏡筒である。カメラ４２を一軸テーブル４３に沿って前進させ、鎖線で示すように鏡筒４４の先端部をボンディングツール１４の下面に吸着して保持された接合物としての例えばフリップチップなどのバンプ付きの電子部品４０と基板４６の間に位置させ、その状態で電子部品４０と基板４６の位置をカメラ４２で観察する。

５３は認識部であり、カメラ４２で撮像された電子部品４０や基板４６の画像を認識してこれらの位置を検出する。５０は主制御部であり、モータ駆動部５１を介してＺ軸モータ６すなわちボンディングヘッド１０の昇降動作を制御し、テーブル制御部５２を介してテーブル４８すなわち基板４６の位置決めを行う。また主制御部５０は、認識部５３によって検出された電子部品４０と基板４６の位置より、水平面内における両者の位置ずれを演算し、この位置ずれを補正するようにテーブル４８を駆動する。さらに主制御部５０には、荷重制御部５４と吸引装置５６が接続されている。

押圧手段としてのシリンダ４は荷重制御部５４を介して主制御部５０に接続されており、シリンダ４のロッド５の突出力すなわちボンディングツール１４でバンプ付き電子部品４０を基板４６に押し付ける押圧荷重が制御される。吸引装置５６は主制御部５０からの指令によってボンディングツール１４による電子部品４０の吸引・吸引解除を行う。超音波振動子から成る振動子１７は、超音波振動子駆動部５５を介して主制御部５０に接続されており、主制御部５０からの指令に従って超音波振動を行う。

ボンディングヘッド１０の本体１１の下端部にはホルダ１２が結合されている。ホルダ１２にはブロック１３が装着され、ブロック１３にはボンディングツール１４が固定されている。ブロック１３の側部の突部１３ａは吸引装置５６に接続されている。以下、図２、図３および図４を参照してボンディングツール１４について説明する。

図２、図３および図４に示すように、ボンディングツール１４は横長のホーン１５を主体としている。ホーン１５は細長形状の棒状体であり、平面視してその両側部からセンターへ向って次第に幅狭となるテーパ面１５ａを有している。ホーン１５のセンターには吸着部３０（圧着子）が装着されている。吸着部３０は段付き部３１によって幅が絞られた断面形状となっており、下方（図２においては上向き方向）へ突出した先端部には吸着孔３２が設けられている。吸着孔３２は吸着部３０の内部に形成された真空吸引孔３０ｃと連通しており、吸着部３０がホーン１５に締結された状態ではホーン１５の内部に設けられた真空吸引孔１６ａと連通する。真空吸引孔１６ａはさらにホーン１５内部の真空吸引孔１６ｂを介してホーン１５の上面に開口された真空吸引孔１６ｃと連通している。

図１において、ブロック１３の側面に設けられた突部１３ａには吸着パッド１９が装着されており、吸着パッド１９はホーン１５の上面の真空吸引孔１６ｃに当接している。したがって吸着パッド１９に接続された吸引装置５６（図１）を駆動してエアを吸引することにより、ホーン１５および吸着部３０の内部の各真空吸引孔を介して吸着部３０の先端部に開口した吸着孔３２（図３）から真空吸引し、この吸着部３０の下面にバンプ付きの電子部品４０を真空吸着して保持することができる（図４（ｂ）も参照）。吸着部３０は電子部品４０を吸着して保持するとともに、ボンディング時には先端部が電子部品４０の上面に当接して電子部品４０を基板４６に対して押圧する。

吸着部３０から等距離隔てられた４ヶ所にはリブ１５ｂがホーン１５と一体的に設けられている。ブロック１３への取り付けバランスを良くするために、４個のリブ１５ｂはホーン１５のセンターの吸着部３０を中心として平面視して対称に突設されている。ボンディングツール１４は、リブ１５ｂに形成された貫通孔２０にボルトを螺入することにより、ブロック１３の下面に着脱自在に装着されている。すなわち、リブ１５ｂはホーン１５をブロック１３に装着する装着部となっている。

図２において、ホーン１５の側端部には振動付与手段である振動子１７が装着されている。振動子１７を駆動することにより、ホーン１５には縦振動（ホーン１５の長手方向の振動）が付与され、吸着部３０は水平方向ａ（ホーン１５の長手方向）に振動する。ホーン１５の形状は両端部から中央部に向かって側面のテーパ面１５ａを経て順次幅が絞られた形状となっている。これにより、振動子１７より吸着部３０に伝達される経路において超音波振動の振幅は増幅され、吸着部３０には振動子１７が発振する振幅以上の振動が伝達され、この振動は電子部品４０に伝達される。

次に図４を参照して吸着部３０のホーン１５への装着について説明する。図４（ａ）に示すように、ホーン１５の中心部には上下方向に貫通孔１５ｃが設けられている。この間通孔１５ｃは、ホーン１５に振動子１７により誘起される定在波振動の腹に相当する位置にホーン１５の長さ方向に直交して設けられており、貫通孔１５ｃの下方にはテーパ面１
５ｄを有する凹部が形成されている。真空吸引孔１６ａはテーパ面１５ｄに開口している。

吸着部３０の上面には貫通孔１５ｃの位置に対応してねじ孔３０ｂが設けられ、ねじ孔３０ｂの両側にはテーパ面１５ｄに対応した形状の当接面３０ａが形成されている。真空吸引孔３０ａは当接面３０ａに開口している。図４（ｂ）に示すように、吸着部３０の装着状態では、当接面３０ａをテーパ面１５ｄに当接させた状態でボルト３３を貫通孔１５ｃに挿通させ、ねじ孔３０ｂにボルト３３を螺入することにより、吸着部３０をホーン１５に締結する。ボルト３３を抜き出すことにより、吸着部３０の締結は解除される。したがって、ボルト３３は吸着部３０をホーン１５に着脱自在に締結する締結手段となっている。

上記のような締結方法を採用することにより、以下に説明するような優れた効果を得ることができる。まず、上記締結方法では、貫通孔１５ｃを挿通するボルト３３によってホーン１５の上側から吸着部３０を引き上げることにより、当接部３０ａをテーパ面１５ｄに押し当てている。このため、吸着部３０の周囲にはホーン１５への締結用の部品を配置する必要がなく、吸着部３０の形状設定や、真空吸引孔の配置などにおける自由度が確保され、これにより、対象とする電子部品の形状や必要とされる振動特性に適合した吸着部３０を実現できるとともに、吸着部３０を十分な面圧でホーン１５に押し付けて安定した固着状態を実現できる。

さらには、ボルト３３のホーン１５の上側に突出する部分の形状・寸法を適切に設定することにより、ホーン１５の上下方向の質量分布を振動伝達上望ましい質量分布に調整することが可能となる。すなわち、この突出部分を質量バランス部として用いることができ、これにより良好な振動特性を得ることができる。

図５、図６は吸着部の他の装着方法の例を示したものである。図５は、図４に示す吸着部３０と同様な吸着部３０’をボルトとナットの組み合わせで締結するものである。図５（ａ）において、吸着部３０’にはボルト３４が一体的に形成されており、吸着部３０’の装着に際しては、図５（ｂ）に示すようにボルト３４を貫通孔１５ｃに下方から挿通させてホーン１５の上面に突出させる。そしてボルト３４にナット３５を螺合させて締め付けることにより、吸着部３０をホーン１５に締結する。この例においても前述と同様の効果を得ることができる。この場合には、ナット３５を質量バランス部として用いることができる。

また、図６は吸着孔３２と連通する真空吸引孔の配置例を示したものである。図６（ａ）において、吸着部３７は図４に示す吸着部３０から真空吸引孔３０ｃを除いた形態となっており、吸着部３０と同様に締結用のねじ孔３７および当接面３７ａを有している。吸着部３７は貫通孔１５ｃを挿通するボルト３６によって締結されるが、ボルト３６の軸部３６ａの内部には十字状の吸引孔３６ｂ，３６ｃが設けられている。貫通孔１５ｃには中間にリング溝１５ｅが設けられており、リング溝１５ｅはホーン１５内部の真空吸引孔１６ｄと連通している。

貫通孔１５ｃの下方に設けられた凹部のテーパ面１５ｄに、当接面３７ａを当接させ、図６（ｂ）に示すようにボルト３６をねじ孔３７ｂに螺入させると、当接面３７ａはテーパ面１５ｄに押し付けられ、吸着部３７はホーン１５に締結される。この状態では、ボルト３６の吸引孔３６ｂはリング溝１５ｅと連通する。したがって、真空吸引孔１６ｄから真空吸引することにより、吸着部３７は先端部の吸着孔３２に電子部品４０を真空吸着して保持する。この例においても、前述の吸着部３０と同様の効果を得ることができる。

上記説明したように、本実施の形態のボンディングツールは、電子部品に当接して振動と荷重を伝達する圧着子としての吸着部をホーン本体に対して着脱自在とし、しかも吸着部のホーンへの装着面に締結用の機構や部材を必要としないような締結方法を採用したものである。これにより、吸着部の電子部品との当接面が損耗した場合には、この吸着部のみを交換すればよくランニングコストを低減することができる。しかも上記締結方法によれば吸着部の形状・寸法設定の自由度が確保されることから、安定した固着状態・振動特性を備えたボンディングツールを実現できる。

本発明は、ホーンの定在波振動の腹に相当する位置にホーンの長さ方向に直交する貫通孔を設け、またこの貫通孔を挿通する締結手段によってホーンに着脱自在に締結され先端部が電子部品に当接する圧着子と、圧着子を中心として平面視して対称に突設された装着部とを設け、更に圧着子の先端部に電子部品を真空吸着する吸着孔を設けて、この吸着孔を圧着子をホーンに連結した状態でホーンに設けられた真空吸引孔と連通するようにしているので、使用により圧着子が損耗した場合には、圧着子のみを交換すればよくランニングコストを低減できるとともに、安定した固着状態および振動特性を保持して電子部品のボンディングを行うことができ、電子部品のボンディング装置およびボンディングツールとして有用である。

本発明の一実施の形態の電子部品のボンディング装置の正面図 本発明の一実施の形態の電子部品のボンディングツールの上下反転斜視図 本発明の一実施の形態の電子部品のボンディングツールの正面図 （ａ）本発明の一実施の形態の電子部品のボンディングツールの部分断面図（ｂ）本発明の一実施の形態の電子部品のボンディングツールの部分断面図 （ａ）本発明の一実施の形態の電子部品のボンディングツールの部分断面図（ｂ）本発明の一実施の形態の電子部品のボンディングツールの部分断面図 （ａ）本発明の一実施の形態の電子部品のボンディングツールの部分断面図（ｂ）本発明の一実施の形態の電子部品のボンディングツールの部分断面図

符号の説明

１４ ボンディングツール
１５ ホーン
１５ｃ 貫通孔
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ 真空吸引孔
１７ 振動子
３０、３０’、３７ 吸着部
３２ 吸着孔
３３、３６ ボルト
４０ 電子部品
４６ 基板

Claims (2)

1. 電子部品に荷重と振動を作用させながらこの電子部品を被接合面に圧着する電子部品のボンディング装置であって、前記電子部品に当接するボンディングツールと、このボンディングツールを前記電子部品に押圧する押圧手段とを備え、前記ボンディングツールは、横長のホーンと、このホーンに振動を付与する振動子と、前記ホーンの定在波振動の腹に相当する位置に前記ホーンの長さ方向に直交して設けられた貫通孔と、この貫通孔を挿通する締結手段によって前記ホーンに着脱自在に締結され先端部が前記電子部品に当接する圧着子と、前記圧着子を中心として平面視して対称に突設された装着部とを有し、前記圧着子の先端部に電子部品を真空吸着する吸着孔が設けられており、この吸着孔は前記圧着子をホーンに連結した状態でホーンに設けられた真空吸引孔と連通することを特徴とする電子部品のボンディング装置。
2. 電子部品に荷重と振動を作用させながらこの電子部品を被接合面に圧着するボンディングツールであって、横長のホーンと、このホーンに振動を付与する振動子と、前記ホーンの定在波振動の腹に相当する位置に前記ホーンの長さ方向に直交して設けられた貫通孔と、この貫通孔を挿通する締結手段によって前記ホーンに着脱自在に締結され先端部が前記電子部品に当接してこの電子部品を押圧する圧着子と、前記圧着子を中心として平面視して対称に突設された装着部とを有し、前記圧着子の先端部に電子部品を真空吸着する吸着孔が設けられており、この吸着孔は前記圧着子をホーンに締結した状態でホーンに設けられた真空吸引孔と連通することを特徴とする電子部品のボンディングツール。
   

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