(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボンディングヘッドによって電子部品をワークに押圧して超音波振動を印加することにより前記電子部品をボンディングする電子部品のボンディング装置であって、前記ワークを保持するワーク保持部と、前記ボンディングヘッドを昇降させる昇降手段と、このボンディングヘッドの高さ位置を検出する高さ検出手段と、このボンディングヘッドに装着され電子部品に当接する当接面を有するボンディングツールと、このボンディングツールに超音波振動を印加する振動付与手段と、前記当接面を介して電子部品を前記ワークに対して押圧する加圧手段と、ボンディングツールの前記当接面の摩耗量を検出する摩耗量検出手段と、摩耗量検出結果に基づいて前記ボンディングヘッドの昇降手段を制御する制御手段とを備え、前記摩耗量検出手段は、前記振動付与手段駆動時のインピーダンス又はその代用値である電流、電圧を測定するインピーダンス検出部と、インピーダンス又はその代用値である電流、電圧の変化に基づいてボンディングツールの前記当接面が基準面に当接したことを検知する当接検知手段と、この当接検知手段によって当接が検出されたときのボンディングヘッドの高さ位置をボンディングツールの当接高さ位置として高さ検出手段より読み取る当接高さ位置検出手段とを備え、この当接高さ位置から前記当接面の摩耗量を検出することを特徴とするボンディング装置。
【請求項２】
ボンディングヘッドによって電子部品をワークに押圧して超音波振動を印加することにより前記電子部品をボンディングする電子部品のボンディング方法であって、ボンディングに先立って前記ボンディングヘッドに装着されたボンディングツールの電子部品との当接面の摩耗量を検出し、この摩耗量検出結果に基づいてボンディングヘッドを昇降させる昇降手段を制御することにより、電子部品をワークに対して所定の押圧力で押圧するようにし、前記摩耗量を検出する工程において、ボンディングツールの前記当接面を基準面に対して下降させながら振動付与手段を駆動してインピーダンス又はその代用値である電流、電圧を測定し、測定されたインピーダンス又はその代用値である電流、電圧の変化に基づいてボンディングツールの前記当接面が基準面に当接したときのボンディングツールの当接高さ位置を検出し、この当接高さ位置から前記当接面の摩耗量を検出することを特徴とする電子部品のボンディング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子部品を基板などのワーク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方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
バンプ付電子部品などの電子部品を基板などのワーク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、電子部品のバンプを基板に押圧しながら超音波振動を付与し、バンプと基板の電極などの接合面を相互に摩擦させてボンディングするものである。このボンディング過程において良好な接合性を確保するためには、バンプを基板の電極に対して適切な圧着荷重値で押圧する必要がある。
【０００３】
このため従来より電子部品のボンディング装置には、電子部品を保持して基板に押圧するボンディングヘッドに、電子部品をボンディングツールを介して適正荷重で押圧するための加圧手段が設けられている。すなわち、ボンディングヘッドをワーク上の所定高さ位置まで下降させることにより、エアシリンダやダイアフラムなどの加圧手段が所定の押し込み量だけ押し込まれ、これによって電子部品に所定の押圧力が作用するようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、電子部品にはボンディングツールとの当接面を介して荷重と超音波振動が伝達されるため、ボンディング作業を継続する過程においてボンディングツールの当接面は徐々に摩耗する。このため、予め設定された高さ位置までボンディングヘッドを下降させた場合においても、ボンディングツールの摩耗状態によって加圧手段が押し込まれる押し込み量は一定ではない。この結果電子部品を押圧する押圧荷重は一定に保たれず摩耗状態によって変化する。
【０００５】
この押圧荷重のばらつきを防止するため、ボンディングツールの使用時に摩耗量を測定して適正押し込み量に調整することが行われる。この摩耗量測定は、従来は手作業的に行う測定しか方法がなく、ボンディングツールを取り外した状態で作業者がマイクロメータなどの測定具を用いて行っていた。このため測定作業に手間と時間を要して生産性向上が阻害されると共に測定結果にばらつきを生じやすく、不正確な測定値に基づいて押し込み量調整が行われる結果、ボンディング品質にばらつきが生じやすいという問題点があった。
【０００６】
そこで本発明は、ボンディングツールの摩耗量管理を容易に行え、ボンディング品質を確保する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方法を提供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、ボンディングヘッドによって電子部品をワークに押圧して超音波振動を印加することにより前記電子部品をボンディングする電子部品のボンディング装置であって、前記ワークを保持するワーク保持部と、前記ボンディングヘッドを昇降させる昇降手段と、このボンディングヘッドの高さ位置を検出する高さ検出手段と、このボンディングヘッドに装着され電子部品に当接する当接面を有するボンディングツールと、このボンディングツールに超音波振動を印加する振動付与手段と、前記当接面を介して電子部品を前記ワークに対して押圧する加圧手段と、ボンディングツールの前記当接面の摩耗量を検出する摩耗量検出手段と、摩耗量検出結果に基づいて前記ボンディングヘッドの昇降手段を制御する制御手段とを備え、前記摩耗量検出手段は、前記振動付与手段駆動時のインピーダンス又はその代用値である電流、電圧を測定するインピーダンス検出部と、インピーダンス又はその代用値である電流、電圧の変化に基づいてボンディングツールの前記当接面が基準面に当接したことを検知する当接検知手段と、この当接検知手段によって当接が検出されたときのボンディングヘッドの高さ位置をボンディングツールの当接高さ位置として高さ検出手段より読み取る当接高さ位置検出手段とを備え、この当接高さ位置から前記当接面の摩耗量を検出するようにした。
【０００９】
請求項２記載の電子部品のボンディング方法は、ボンディングヘッドによって電子部品をワークに押圧して超音波振動を印加することにより前記電子部品をボンディングする電子部品のボンディング方法であって、ボンディングに先立って前記ボンディングヘッドに装着されたボンディングツールの電子部品との当接面の摩耗量を検出し、この摩耗量検出結果に基づいてボンディングヘッドを昇降させる昇降手段を制御することにより、電子部品をワークに対して所定の押圧力で押圧するようにし、前記摩耗量を検出する工程において、ボンディングツールの前記当接面を基準面に対して下降させながら振動付与手段を駆動してインピーダンス又はその代用値である電流、電圧を測定し、測定されたインピーダンス又はその代用値である電流、電圧の変化に基づいてボンディングツールの前記当接面が基準面に当接したときのボンディングツールの当接高さ位置を検出し、この当接高さ位置から前記当接面の摩耗量を検出する。
【００１１】
本発明によれば、ボンディングに先立ってボンディングヘッドに装着され電子部品に超音波振動を伝達するボンディングツールの電子部品との当接面の摩耗量を検出し、この摩耗量検出結果に基づいてボンディングヘッドを昇降させる昇降手段を制御することにより、電子部品をワークに対して所定の押圧力で押圧することができ、ボンディング品質を確保することができる。
【００１２】
【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、図５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加圧部の機能を示す説明図、図３（ａ）は本発明の一実施の形態のボンディングツールの当接検出のフロー図、図３（ｂ）は本発明の一実施の形態のボンディングツールの当接検出の工程説明図、図４は本発明の一実施の形態のインピーダンス検出結果を示すグラフである。
【００１３】
まず図１を参照して電子部品のボンディング装置について説明する。図１において基板位置決め部１は移動テーブル２を備えており、移動テーブル２上には基板保持部３が設けられている。基板保持部３は、電子部品５がボンディングされるワークである基板４を保持するワーク保持部となっている。基板保持部３の上面には、平坦で剛な表面の基準面３ａが設けられており、後述するように基準面３ａはボンディングツールの摩耗量を計測する際の押し付け面として用いられる。
【００１４】
基準位置決め部１の上方にはボンディング部１０が配設されている。ボンディング部１０の垂直なフレーム１１にはガイド部材１２が上下方向に配設されており、ガイド部材１２によって昇降ブロック１３は昇降自在となっている。昇降ブロック１３にはナット部材１４が固着されており、ナット部材１４にはＺ軸モータ１６によって回転駆動される送りねじ１５が螺入している。
【００１５】
昇降ブロック１３の下部にはボンディングヘッド１７が配設されており、ボンディングヘッド１７は加圧部１８を内蔵している。加圧部１８はボンディングツール１９と結合されており、ボンディングツール１９の下面には電子部品５を吸着保持するとともに電子部品５を基板４に押圧してボンディングする当接部１９ａが設けられている。ボンディングツール１９には振動付与手段である振動子２０が装着されており、振動子２０を駆動することにより、ボンディングツール１９の当接部１９ａを介して電子部品５に超音波振動が付与される。
【００１６】
Ｚ軸モータ１６を駆動することにより昇降ブロック１３は昇降し、したがってボンディングヘッド１７もともに昇降する。Ｚ軸モータ１６、送りねじ１５、ナット部材１４はボンディングヘッド１７の昇降手段となっている。このときの昇降ブロック１３の高さ位置はリニアスケール２１によって検出される。
【００１７】
加圧部１８は圧力設定部２２を介して圧力源２３に接続されており、圧力源２３から所定圧力に設定されたエアを加圧部１８に供給することにより、加圧部１８は当接部１９ａの当接面を介して電子部品５を基板保持部３に保持された基板４に押圧する。したがって加圧部１８は、電子部品５を基板４に対して押圧する加圧手段となっている。
【００１８】
移動テーブル２を駆動することにより基板保持部３は水平移動し、基板４および基準面３ａのいずれかをボンディングツール１９に対して位置合わせできるようになっている。ボンディング作業は、基板４をボンディングツール１９に位置合わせした状態で行われる。また、摩耗量の計測は、基準面３ａをボンディングツール１９に位置合わせした状態で行われる。
【００１９】
基板保持部３の上方にはカメラ６が水平方向に進退自在に配設されており、カメラ６は基板保持部３の上方に進出して基板４およびボンディングツール１９に保持された状態の電子部品５を撮像する。撮像結果は認識部７によって認識され、これにより基板４および電子部品５の位置が検出される。
【００２０】
次に図２を参照して加圧部１８による押圧機能について説明する。なおここで用いる「高さ位置」は、昇降ブロック１３のＺ座標上の位置とＺ軸モータ１６によって昇降ブロック１３が下降するＺ軸下降量とが対応関係にあることから、Ｚ軸下降量と同義である。
【００２１】
図２（ａ）は昇降ブロック１３を高さ位置Ｚ０まで下降させてボンディングツール１９の当接部１９ａの下面（当接面）を基準面３ａに当接させた状態を示している。この状態では、当接面は単に基準面３ａに接触しているのみであり、押圧荷重は作用していない。この状態から図２（ｂ）に示すように所定の押し込み量ｄだけ押し込むことにより、すなわち高さ位置Ｚ０から押し込み量ｄだけ更に昇降ブロック１３を下降させた高さ位置Ｚ１（Ｚ０＋ｄ）まで押し込むことにより、当接面には押し込み量ｄに対応した押圧荷重Ｆが作用する。
【００２２】
電子部品の種類に応じたボンディング時の適正押圧荷重Ｆが設定されると、この押圧荷重Ｆに対応した押し込み量ｄが求められる。すなわち、昇降ブロック１３を下降させてボンディングツール１９によって電子部品５を基板４に押圧する際の下降量の設定時には、上記押し込み量ｄを加算してＺ軸下降量が決定される。
【００２３】
ここでは基板保持部３の上面を基準面３ａとして用いる例を示しており、実際のボンディング時には、基板４の上面が押し込み量ｄの起算位置となることから、基板４の厚み分だけＺ軸下降量を補正する。なお、基準面として基板４の上面そのものを用いるようにしてもよい。この場合には、上記補正が不要となる。
【００２４】
次に制御系について説明する。制御部３０は全体制御装置であり、以下に説明する各部を制御するほか、インピーダンス検出結果からボンディングツールの当接を検出する演算や、摩耗量を算出する演算処理を行う。記憶部３１は各部の動作・処理を行うためのプログラムやデータを記憶する。このデータにはボンディングヘッド１７の高さ位置のデータが含まれる。
【００２５】
Ｚ軸モータ駆動部３２は、Ｚ軸モータ１６を駆動する。記憶部３１に記憶された高さ位置のデータに基づいてＺ軸モータ駆動部３２を制御部３０によって制御することにより、ボンディングヘッド１７の高さ位置、したがってボンディングツール１９の当接部１９ａの下面の当接面の高さ位置を所定高さ位置に設定することができる。
【００２６】
振動子駆動部３３はボンディングツール１９に振動を付与する振動子２０を駆動する。インピーダンス検出部３４は振動子２０を駆動する際のインピーダンスを検出する。このインピーダンス検出結果はボンディングツール１９の当接面が基準面３ａに当接したことを検出する当接検知処理に用いられる。インピーダンス検出部３４によるインピーダンスの検出方法は、振動子駆動部３３の回路構成によって異なる。振動子駆動部３３が定電圧回路であればインピーダンス検出部３４は振動子に流れる電流をインピーダンスの代用値として計測し、定電圧回路であれば、電圧をインピーダンスの代用値として検出してもよい。また、回路構成に関係なく振動子に流れる電流と電圧の両方を検出してインピーダンスを求める構成であってもよい。
【００２７】
テーブル駆動部３５は基板保持部３を移動させる移動テーブル２を駆動する。高さ検出部３６はリニアスケール２１の検出信号に基づいて、昇降ブロック１３の高さ位置を検出する。この高さ位置検出結果に基づいて、ボンディングヘッド１７の高さ位置が検出される。リニアスケール２１および高さ検出部３６はボンディングヘッド１７の高さ位置を検出する高さ検出手段となっている。
【００２８】
この電子部品のボンディング装置は上記の様に構成されており、次に図３、図４を参照してボンディングツールの摩耗量検出について説明する。超音波振動を利用したボンディングにおいては、電子部品を押し付けるボンディングツールの当接面は徐々に摩耗し、図２（ａ）に示す当接部高さｈは累積使用によって短くなる。このため、所定の高さ位置Ｚ１まで昇降ブロック１３を下降させても、所定の押し込み量ｄが確保されず、この結果押圧荷重Ｆが変化する。ボンディングツールの摩耗量検出は、このような押圧荷重Ｆの変動を防止するために行われるものである。
【００２９】
摩耗量検出に際しては、まず図３（ａ）に示すフロー図に従って、ボンディングツールの当接検出を行う。まずボンディングツール１９の当接部１９ａが基準面３ａに当接していない状態、すなわち空中にて振動子２０を発振してボンディングツール１９を振動させ、この状態でのインピーダンスをインピーダンス検出部３４によって測定し、測定結果を記憶部３１に記憶する（ＳＴ１）。次いでＺ軸モータ１６を駆動してＺ軸を所定ピッチだけ下降させる（ＳＴ２）。そして再び振動子２０を発振してインピーダンスを測定し、測定結果を記憶部３１に記憶する（ＳＴ３）。
【００３０】
次にこの測定結果を（ＳＴ１）にて測定された空中発振のインピーダンスと比較する（ＳＴ４）。このデータの比較演算は制御部３０によって行われる。ここで測定結果が（ＳＴ１）における空中発振と同程度であれば（ＳＴ２）に戻り再度Ｚ軸を下降させて同様のインピーダンス測定を反復する。
【００３１】
そして（ＳＴ４）において空中発振と違う測定結果が得られたならば、すなわち図４に示すようにインピーダンスが不連続的に増加したことが制御部３０の比較演算によって検出されたならば、その状態における高さ検出部３６より出力される高さ位置Ｚｔをボンディングツールの当接高さ位置として読み取り（ＳＴ５）、この当接高さ位置Ｚｔを記憶部３１に記憶させて当接検出を終了する。したがって、制御部３０は、インピーダンスの変化に基づいてボンディングツールの当接面の当接を検出する当接検出手段となっている。また制御部３０は、当接検出手段によって当接が検出されたときのボンディングヘッドの高さ位置を当接高さ位置として高さ検出手段より読み取る当接高さ位置検出手段として機能する。
【００３２】
この当接検出は、超音波振動付与時のボンディングツール１９の拘束状態の変化によってインピーダンスが変化することを利用して当接部１９ａの基準面３ａとの当接を検出するものである。このような方法を用いることにより、振動付与手段を既に備えたボンディング装置にあっては何ら機構的な追加を必要とせず、既存機能に単にインピーダンス検出機能を追加するだけで、高精度の当接検出が可能となり、ボンディングツールの摩耗量の管理が容易に行える。
【００３３】
次にこの当接検出結果からボンディングツール１９の摩耗量を求める方法について説明する。図５（ａ）に示すように、上記当接検出により求められた当接高さ位置Ｚｔと、図２（ａ）に示す基準状態における基準高さ位置Ｚ０との差が摩耗量ａを示している。この摩耗量ａを求める演算は、求められた当接高さ位置Ｚｔと基準高さ位置Ｚ０に基づき制御部３０によって行われる。すなわち、インピーダンス検出部３４、制御部３０（当接検出手段、当接高さ位置検出手段）は、ボンディングツール１９の当接面の摩耗量を検出する摩耗量検出手段となっている。なお、ここで基準状態とはボンディングツール１９の新品時の状態（設計図面寸法と等しい状態）であると定義してもよいし、また任意の時点を相対的な基準状態と定義してもよい。
【００３４】
そして基準高さ位置Ｚ０と当接高さ位置Ｚｔとの差で示される摩耗量ａが求められたならば、図５（ｂ）に示すようにボンディング時の高さ位置を図２（ｂ）に示す高さ位置Ｚ１に替えてＺ１＋ａに更新する。すなわち制御部３０によってＺ軸モータ１６を制御する際には、摩耗量ａだけＺ軸下降量を増加した上で下降動作を行わせる。制御部３０は、摩耗量検出結果に基づいてボンディングヘッドの昇降手段を制御する制御手段となっている。
【００３５】
これにより、ボンディングツール１９の当接部１９ａの高さが摩耗によってｈ−ａに減少した状態においても加圧部１８の押し込み量ｄが一定に確保され、押圧荷重Ｆが一定に保たれる。したがって、ボンディング作業においては、電子部品５はボンディングツール１９の摩耗状態に関係なく常に適正押圧荷重でボンディングされ、良好なボンディング品質が実現される。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、ボンディングに先立ってボンディングヘッドに装着され電子部品に超音波振動を伝達するボンディングツールの電子部品との当接面の摩耗量を検出し、この摩耗量検出結果に基づいてボンディングヘッドを昇降させる昇降手段を制御するようにしたので、電子部品をワークに対して所定の押圧力で押圧することができ、ボンディング品質を確保することができる。
【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装置の加圧部の機能を示す説明図
【図３】（ａ）本発明の一実施の形態のボンディングツールの当接検出のフロー図
（ｂ）本発明の一実施の形態のボンディングツールの当接検出の工程説明図
【図４】本発明の一実施の形態のインピーダンス検出結果を示すグラフ
【図５】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加圧部の機能を示す説明図
【符号の説明】
３  基板保持部
４  基板
５  電子部品
１３  昇降ブロック
１７  ボンディングヘッド
１８  加圧部
１９  ボンディングツール
１９ａ  当接部
３０  制御部
３４  インピーダンス検出部
３６  高さ検出部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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