(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子部品に押圧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して押圧するボンディングツールと、このボンディングツールを押圧する押圧手段とを備え、前記ボンディングツールは、振動子によって縦振動するホーンと、このホーンに結合されてホーンの縦振動を曲げ振動に変換しこの曲げ振動と押圧手段による押圧荷重を圧着面を介して前記電子部品に作用させる曲げ振動部とを有し、さらに前記ホーンには前記曲げ振動部に開口した吸着孔に連通する吸引孔が形成されており、前記ホーンの中心線は前記押圧手段の押圧方向において前記曲げ振動部側よりもこのホーンの端部側の方が後退していることを特徴とする電子部品のボンディング装置。
【請求項２】
電子部品に当接して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ツールであって、振動子によって縦振動するホーンと、このホーンに結合されてホーンの縦振動を曲げ振動に変換しこの曲げ振動と荷重を圧着面を介して前記電子部品に作用させる曲げ振動部とを有し、さらに前記ホーンには前記曲げ振動部に開口した吸着孔に連通する吸引孔が形成されており、前記ホーンの中心線は前記荷重の押圧方向において前記曲げ振動部側よりもこのホーンの端部側の方が後退していることを特徴とする電子部品のボンディングツール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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。
【０００２】
【従来の技術】
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を電子部品に押し当て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。
【０００３】
電子部品に押し当てられる圧着子は、電子部品に伝達される水平方向の振動を出来るだけ大きくするため、ホーンに伝達される縦振動を曲げ振動に変換するようにホーンから下方に突出した形状となっている。そしてこの圧着子の形状・寸法は圧着子に誘起される曲げ振動の固有周波数がホーンの縦振動と共振するように設定されることが望ましい。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、圧着子を含めたボンディングツール全体の形状・寸法の最適設定には種々の要素が関連している。例えば圧着子の寸法は対象とする電子部品に必要とされる圧着荷重に対して十分な剛性を有するものでなければならない。また、ボンディングツール全体の形状・レイアウトからみれば、ホーンの先端部に装着される振動子はボンディング動作時に被接合面である基板からある程度の間隔を保った位置に配置される必要がある。ボンディング時に加熱された基板から振動子に伝達される輻射熱の影響をできるだけ少なくするためである。これ以外にも、ホーンの長さや振動子の発生する振動の周波数など、多くの要素が相互に関連しており、所要条件を満たす最適設定を実現するためにはこれらの相互の関連を考慮に入れなければならない。
【０００５】
しかしながら、これらの要素には相反する内容の項目が含まれており、すべての要素について所要条件を満たすボンディングツールの最適設定を実現することは実際上極めて困難であった。このため、従来のボンディングツールでは安定した振動特性を実現することが困難でボンディング効率、ボンディング品質の向上が阻害されるという問題点があった。
【０００６】
そこで本発明は、安定した振動特性を実現してボンディング効率、ボンディング品質を向上させるボンディングツール及びボンディング装置を実現することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の電子部品のボンディング装置は、電子部品に押圧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して押圧するボンディングツールと、このボンディングツールを押圧する押圧手段とを備え、前記ボンディングツールは、振動子によって縦振動するホーンと、このホーンに結合されてホーンの縦振動を曲げ振動に変換しこの曲げ振動と押圧手段による押圧荷重を圧着面を介して前記電子部品に作用させる曲げ振動部とを有し、さらに前記ホーンには前記曲げ振動部に開口した吸着孔に連通する吸引孔が形成されており、前記ホーンの中心線は前記押圧手段の押圧方向において前記曲げ振動部側よりもこのホーンの端部側の方が後退している。
【０００８】
請求項２記載の電子部品のボンディングツールは、電子部品に当接して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ツールであって、振動子によって縦振動するホーンと、このホーンに結合されてホーンの縦振動を曲げ振動に変換しこの曲げ振動と荷重を圧着面を介して前記電子部品に作用させる曲げ振動部とを有し、さらに前記ホーンには前記曲げ振動部に開口した吸着孔に連通する吸引孔が形成されており、前記ホーンの中心線は前記荷重の押圧方向において前記曲げ振動部側よりもこのホーンの端部側の方が後退している。
【０００９】
本発明によれば、ホーンの中心線は前記押圧手段の押圧方向において前記曲げ振動部側よりもこのホーンの端部側の方が後退していることにより、曲げ振動部の形状・寸法を適正に設定しながら振動子を基板面から離した配置が可能となり、安定した振動特性を備えたボンディングツールが実現される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
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斜視図、図３（ａ）は同電子部品のボンディングツールの平面図、図３（ｂ）は同電子部品のボンディングツールの正面図である。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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を参照してボンディングツール１４について説明する。
【００１７】
図２および図３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）が下方へ突設されている。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が装着されている。
【００１８】
ホーン１５には吸着部３０の吸着孔３２に連通する吸引孔１６ａ，１６ｂが形成されており、吸着パッド１９はホーン１５の上面の吸引孔１６ｂ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、吸着部３０に開口した吸着孔３２（図３（ａ），（ｂ））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。
【００１９】
吸着部３０の下面は圧着面３０ａとなっており、吸着部３０の曲げ振動と押圧手段（シリンダ４）の押圧荷重を電子部品４０に作用させる。図３（ｂ）において、下向きの矢印Ａは、押圧手段の押圧方向を示しており、吸着部３０の中心線ＣＬ２は押圧方向と平行になっている。また吸着面３０ａはこの押圧方向に対して垂直となっている。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の圧着面３０ａ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。
【００２０】
吸着部３０から等距離隔てられた４ヶ所にはリブ１５ｃ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１５ｃ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１５ｃ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１５ｃ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。
【００２１】
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。図３（ａ），（ｂ）に示すように、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および上下面のテーパ面１５ｂを経て順次幅および高さ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、この振動は圧着面３０ａを介して電子部品４０に伝達される。
【００２２】
この電子部品４０への振動伝達においては、振動子１７によってホーン１５を介して伝達される縦振動のみならず、ホーン１５の縦振動によって突出形状の吸着部３０に誘起される曲げ振動が重畳して伝達される。すなわち、吸着部３０は単に電子部品４０を吸着して保持する機能のみならず、曲げ振動による水平方向の振動を誘起する曲げ振動部としての機能を有している。したがって、電子部品４０への振動伝達効率を向上させるためには、吸着部３０にできるだけ大きな曲げ振動が誘起されるような条件設定を行う必要がある。以下、このような条件を満たすためのホーン形状について説明する。
【００２３】
図３に示すようにホーン１５の中心線ＣＬ１は直線状には設定されておらず、吸着部３０との結合点Ｂで折曲している。このホーン１５の中心線ＣＬ１は押圧方向（矢印Ａ）において吸着部３０側（結合点Ｂ）よりも端部側（点Ｃ）が後退、すなわち上方に位置している。ホーン１５の中心線ＣＬ１と曲げ振動部である吸着部３０の中心線ＣＬ２とが押圧手段による押圧方向（図３（ｂ）において矢印Ａで示す方向）に平行な面内で交叉する角度αは、９０度より大きく１３５度以下の範囲で、吸着部３０の突出代Ｄと振動子１７の高さ距離Ｈとの関係に基づいて設定される。
【００２４】
このとき、ホーン１５の下面が同一平面となるような形状にすることが望ましい。これにより、ホーン１５の製作時の加工を容易にすることができる。なお、角度αが９０度以下であれば距離Ｈが十分確保できない。逆に１３５度を越えると、圧着面３０ａにおける曲げ振動の成分よりも上下方向の縦振動の成分が多くなってしまい、電子部品４０にダメージを与える可能性がある。
【００２５】
ホーン１５を上述のような形状とすることにより、吸着部３０の突出代Ｄに対してホーン１５の側端部における基板４６の表面までの高さを大きく設定することが可能となる。このことは、ボンディングツールの各部形状・寸法の最適設定において以下のような意義を有している。前述のように、吸着部３０の先端部に水平方向の変位を与える曲げ振動を最大にするには、突出形状の吸着部３０の曲げ振動の固有振動数をホーン１５に振動を与える振動子１７の振動数にできるだけ近づけて共振を生じさせることが必要である。
【００２６】
ところが、一般にこの共振条件を満たす吸着部３０の突出代Ｄは小さく、共振条件から求められた突出代Ｄをそのままホーンが直線状の従来のボンディングツールに適用すると、ホーン１５の側端部が基板４６に接近した配置となる。その結果として振動子１７がボンディング動作中ヒータによって加熱された基板４からの輻射熱を受けて温度が上昇し、振動子１７の振動特性が不安定となっていた。
【００２７】
これに対し、本実施の形態に示すボンディングツール１４の形状設定では、突出代Ｄをホーン１５の縦振動と共振するような適正寸法に設定するとともに、ホーン１５の側端部に装着される振動子１７の基板４６からの高さ距離Ｈを、加熱された基板からの熱影響を排除するのに十分な距離に設定することを可能としている。これにより、吸着部３０の寸法・形状をホーン１５の縦振動との共振条件を満たすような設定として、電子部品４０に対する振動伝達効率を向上させることができるとともに、振動子１７への熱伝達を抑制して熱影響による振動特性の変動を防止し、ボンディング効率・ボンディング品質を向上させることが出来る。
【００２８】
また、ホーン１５の形状をこのような中央で屈曲した形状とすることにより、単純な直線形状の部材と比較してホーン１５の曲げ剛性を大きくすることができ、ボンディング時の押圧荷重に対するホーン１５の変形を小さく抑えてボンディング時の電子部品の姿勢を良好に保持できるという効果を有する。
【００２９】
なお、本実施の形態では、４点の装着部で固定される形状のホーン１５を例に説明したが、これに限定されずホーンの一端部に振動子が装着され他端部に曲げ振動部が設定された片持ち方式のボンディングツールであってもよい。この場合にあっても、曲げ振動部の突出代を最適に設定しながら、振動子の高さ位置を十分に確保したボンディングツールを実現することが出来る。さらに、押圧手段としてシリンダ４を用いた例を示したが、Ｚ軸モータ６を押圧手段として用いてもよく、要はボンディングツール１４を基板に対して押圧できる機構であればよい。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、ホーンの中心線は前記押圧手段の押圧方向において前記曲げ振動部側よりもこのホーンの端部側の方が後退した配置を採用したので、曲げ振動部の形状・寸法を適正に設定しながら振動子を基板面から離した配置が可能となり、安定した振動特性を備えたボンディングツールが実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】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】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斜視図
【図３】（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平面図
（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正面図
【符号の説明】
１４  ボンディングツール
１５  ホーン
１７  振動子
３０  吸着部
３２  吸着孔
３０ａ  圧着面
４０  電子部品
Ｄ  突出代
Ｈ  高さ距離
【図１】
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【図２】
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【図３】
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