(57)【特許請求の範囲】
【請求項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、前記ホーンの長さ方向の中心線に対して圧着子と反対側にこの圧着子の質量に対応して設けられ前記ホーンにおける質量バランスを調整する質量バランス部材を有し、前記締結手段は前記圧着子に設けられたねじ部およびこのねじ部に螺合するねじ部材であり、前記質量バランス部材は前記ねじ部材が挿通する円環状部材であ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】
前記円環状部材は前記貫通孔に設けられた内テーパ面と嵌合する外テーパ面を有することを特徴とする請求項１記載の電子部品のボンディング装置。
【請求項３】
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する圧着子と、前記ホーンの長さ方向の中心線に対して圧着子と反対側にこの圧着子の質量に対応して設けられ前記ホーンにおける質量バランスを調整する質量バランス部材を有し、前記締結手段は前記圧着子に設けられたねじ部およびこのねじ部に螺合するねじ部材であり、前記質量バランス部材は前記ねじ部材が挿通する円環状部材であることを特徴とする電子部品のボンディングツール。
【請求項４】
前記円環状部材は前記貫通孔に設けられた内テーパ面と嵌合する外テーパ面を有することを特徴とする請求項３記載の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、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。
【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。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
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却することになり、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はボンディング対象の電子部品に応じて異なる形状・質料のものが同一のホーン本体へ取り付けられるため、ホーン全体の質量を適切にバランスさせることができなかった。そしてこの質量のアンバランスに起因して振動特性が変動しやすく、結果として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。
【０００４】
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。
【０００５】
【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、前記ホーンの長さ方向の中心線に対して圧着子と反対側にこの圧着子の質量に対応して設けられ前記ホーンにおける質量バランスを調整する質量バランス部材を有し、前記締結手段は前記圧着子に設けられたねじ部およびこのねじ部に螺合するねじ部材であり、前記質量バランス部材は前記ねじ部材が挿通する円環状部材である。
【０００６】
請求項２記載の電子部品のボンディング装置は、請求項１記載の電子部品のボンディング装置であって、前記円環状部材は前記貫通孔に設けられた内テーパ面と嵌合する外テーパ面を有する。
【０００７】
請求項３記載の電子部品のボンディングツールは、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する圧着子と、前記ホーンの長さ方向の中心線に対して圧着子と反対側にこの圧着子の質量に対応して設けられ前記ホーンにおける質量バランスを調整する質量バランス部材を有し、前記締結手段は前記圧着子に設けられたねじ部およびこのねじ部に螺合するねじ部材であり、前記質量バランス部材は前記ねじ部材が挿通する円環状部材である。
【０００８】
請求項４記載の電子部品のボンディングツールは、請求項３記載の電子部品のボンディングツールであって、前記円環状部材は前記貫通孔に設けられた内テーパ面と嵌合する外テーパ面を有する。
【０００９】
本発明によれば、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して設けられた貫通孔を設け、電子部品に当接して押圧する圧着子を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するとともに、ホーンの長さ方向の中心線に対して圧着子と反対側にこの圧着子の質量に対応して設けられた質量バランス部材によってホーンにおける質量バランスを調整することにより、常に安定した固着状態および振動特性を保持することができる。
【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、図３は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、図４は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で電子部品４０のバンプを基板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）が下方へ突出して着脱自在に装着されている。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に連通する真空吸引孔１６ａ，１６ｂが形成されており、吸着パッド１９はホーン１５の上面の真空吸引孔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。また圧着面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の長さ方向の中心線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の表面までの高さ距離Ｈ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４６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４６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４０の姿勢を良好に保持できるという効果を有する。
【００２９】
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１５ｈが設けられている。この貫通孔１５ｈ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１５ｈの上部および下部にはそれぞれ内テーパ面であるテーパ部１５ｄ，１５ｅが設けられている。真空吸引孔１６ａは、貫通孔１５ｈの中間部に開口している。
【００３０】
テーパ部１５ｅには吸着部３０が装着される。吸着部３０の上面にはねじ部３０ｂが設けられ、ねじ部３０ｂの外周面はテーパ部１５ｅに対応した外テーパ形状の当接面３０ｃとなっている。テーパ部１５ｄには、円環状部材３４が装着される。円環状部材３４はテーパ部１５ｄと嵌合する外テーパ面３４ａを有しており、円環状部材３４の内孔３４ｂにはねじ部材３３が挿通する。ねじ部材３３の下部には吸着部３０のねじ部３０ｂと螺合する外ねじ部３３ａが設けられており、ねじ部材３３の内部には中間部の側面に開口し下端部まで連通する吸引孔３３ｂが形成されている。
【００３１】
吸着部３０の締結時には、図４（ｂ）に示すように吸着部３０をテーパ部１５ｅ内に、円環状部材３４をテーパ部１５ｄにそれぞれ挿入した状態で、ねじ部材３３を円環状部材３４の内孔３４ｂに挿通させ、外ねじ部３３ａを吸着部３０のねじ部３０ｂと螺合させて締め付ける。これにより吸着部３０の当接面３０ｃは、ねじ部材３３によってテーパ部１５ｅに押しつけられ固定締結される。
【００３２】
このねじ部材３３による締結において、円環状部材３４はホーン１５に設けられたテーパ部１５ｄに押しつけられており、さらに円環状部材３４の内孔３４ｂ上部に設けられた内テーパ面３４ｃにねじ部材３３の頭部下面の外テーパ面３３ｃが当接した状態で締結される。これにより、吸着部３０の締結部にホーン１５の長手方向の振動が作用する際にも、これらの締結用の各部材相互の水平方向の変位が拘束され、強固な締結が実現される。したがって、ねじ部材３３、円環状部材３４および吸着部３０に設けられたねじ部３０ｂ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。そしてこの締結状態で、ホーン１５に設けられた真空吸引孔１６ａは、ねじ部材３３に設けられた吸引孔３３ｂを介して吸着部３０の吸着孔３２と連通する。
【００３３】
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１５ｈを挿通するねじ部材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、当接面３０ｃ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１６ａ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。
【００３４】
さらには、ねじ部材３３が挿通する円環状部材３４のホーン１５の上側に突出する部分の形状・寸法を適切に設定し、同一のねじ部材３３に円環状部材３４を適宜組み合わせることにより、ホーン１５の上下方向の質量分布を振動伝達特性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、円環状部材３４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。
【００３５】
したがって円環状部材３４は、ホーン１５の長さ方向の中心線ＣＬ１に対して吸着部３０と反対側に吸着部３０の質量に対応して設けられた質量バランス部材となっており、同一のねじ部材３３を用い円環状部材３４のみを交換することによりホーン１５における質量バランスを調整することができるようになっている。
【００３６】
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４０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３０をホーン１５本体に対して着脱自在とし、しかも吸着部３０のホーン１５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３０の電子部品４０との圧着面３０ａが損耗した場合には、この吸着部３０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３０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。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、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して設けられた貫通孔を設け、電子部品に当接して押圧する圧着子を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するとともに、ホーンの長さ方向の中心線に対して圧着子と反対側にこの圧着子の質量に対応して設けられた質量バランス部材によってホーンにおける質量バランスを調整することにしたので、使用による部品損耗時には圧着子のみを交換することができるとともに、常に安定した固着状態および振動特性を保持することができる。
【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ツールの上下反転斜視図
【図３】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
【図４】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
１５ｈ  貫通孔
１６ａ、１６ｂ  真空吸引孔
１７  振動子
３０  吸着部
３２  吸着孔
３３  ねじ部材
３４  円環状部材
４０  電子部品
４６  基板
【図１】
0003565133.tif 000002
【図２】
0003565133.tif 000003
【図３】
0003565133.tif 000004
【図４】
0003565133.tif 000005