(57)【要約】【課題】電子部品の実装時に、ステムと電子部品との間のハンダを均一に広げることができるダイボンディング装置を提供する。【解決手段】ダイボンディング装置はボンディングヘッド１１を有している。ボンディングヘッド１１は、チップ部品を吸着してステムの部品実装面上に載置させるボンディングノズル２３と、このボンディングノズル２３に吸着されたチップ部品を部品実装面に対して押し付けるためのボイスコイルモータ２７とを有している。ボイスコイルモータ２７は、アナログ回路部３０を介して制御ユニット３３と接続されている。制御ユニット３３は、ステムの部品実装面に対するチップ部品の押し付け荷重が時間経過と共に変化するようにボイスコイルモータ２７を制御する。【選択図】　図４
2004022758.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子部品をステムに実装するためのダイボンディング装置において、
前記ステムを支持する支持手段と、
前記電子部品を吸着して前記ステムの部品実装面上に載置させるボンディングノズルと、
前記ボンディングノズルに吸着された前記電子部品を前記部品実装面に対して押し付ける押付手段と、
前記部品実装面に対する前記電子部品の押し付け荷重が時間経過と共に変化するように前記押付手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とするダイボンディング装置。
【請求項２】
前記制御手段は、荷重変化時間データ及び時間経過と共に変化するような複数の荷重データを設定入力する手段と、前記荷重変化時間データ及び前記複数の荷重データに基づいて、時間領域毎の前記電子部品の押し付け荷重に対応する制御信号を生成し、前記制御信号を前記押付手段に送出する手段とを有することを特徴とする請求項１記載のダイボンディング装置。
【請求項３】
前記制御手段は、荷重変化時間データ、時間経過と共に変化する荷重を求めるための関数データ、開始荷重データ及び終了荷重データを設定入力する手段と、前記荷重変化時間データ、前記関数データ、前記開始荷重データ及び前記終了荷重データに基づいて、時間領域毎の前記電子部品の押し付け荷重を演算する手段と、前記時間領域毎の前記電子部品の押し付け荷重に対応する制御信号を生成し、前記制御信号を前記押付手段に送出する手段とを有することを特徴とする請求項１記載のダイボンディング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体チップ等の電子部品をステムに実装するためのダイボンディング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来において、ダイボンディング装置により電子部品をステムに実装する場合は、まずステムをヒータユニット内に配置し、ステムの部品実装面上にハンダ及び電子部品を載せる。そして、電子部品を部品実装面に対して押さえ付けた状態で、ヒータユニットの温度を上げてハンダを溶かし、その後ヒータユニットの温度を下げてハンダを固める。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術においては、ハンダの溶け具合によって、ステムの部品実装面上におけるハンダの広がりに片寄りが生じることがあった。この場合には、電子部品が傾いた状態で実装されたり、電子部品の実装位置がずれてしまう虞がある。
【０００４】
本発明の目的は、電子部品の実装時に、ステムと電子部品との間のハンダを均一に広げることができるダイボンディング装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電子部品をステムに実装するためのダイボンディング装置において、ステムを支持する支持手段と、電子部品を吸着してステムの部品実装面上に載置させるボンディングノズルと、ボンディングノズルに吸着された電子部品を部品実装面に対して押し付ける押付手段と、部品実装面に対する電子部品の押し付け荷重が時間経過と共に変化するように押付手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とするものである。
【０００６】
このようなダイボンディング装置により電子部品をステムに実装する場合は、まずボンディングノズルにハンダを吸着させ、そのハンダをステムの部品実装面上に載置する。次いで、ボンディングノズルに電子部品を吸着させ、その電子部品をハンダ上に載置する。そして、押付手段によって、ボンディングノズルに吸着された電子部品をステムの部品実装面に対して押し付け、その状態でハンダを溶かす。このとき、部品実装面に対する電子部品の押し付け荷重が一定であると、ハンダの溶け具合に関係なく押し付ける強さが同じであるため、溶け出したハンダの広がり具合が不均一になりやすくなる。そこで、上述したように、ステムの部品実装面に対する電子部品の押し付け荷重が時間経過と共に変化するように押付手段を制御する。例えば、ハンダの溶け具合に合わせて、電子部品の押し付け荷重を連続的に大きくしていくことにより、ハンダは全体的に均一に広がるようになる。
【０００７】
好ましくは、制御手段は、荷重変化時間データ及び時間経過と共に変化するような複数の荷重データを設定入力する手段と、荷重変化時間データ及び複数の荷重データに基づいて、時間領域毎の電子部品の押し付け荷重に対応する制御信号を生成し、制御信号を押付手段に送出する手段とを有する。この場合には、時間領域毎の電子部品の押し付け荷重に対応する制御信号を生成する処理を簡素化することができる。
【０００８】
また、制御手段は、荷重変化時間データ、時間経過と共に変化する荷重を求めるための関数データ、開始荷重データ及び終了荷重データを設定入力する手段と、荷重変化時間データ、関数データ、開始荷重データ及び終了荷重データに基づいて、時間領域毎の電子部品の押し付け荷重を演算する手段と、時間領域毎の電子部品の押し付け荷重に対応する制御信号を生成し、制御信号を押付手段に送出する手段とを有する構成であってもよい。この場合には、時間領域毎の電子部品の押し付け荷重に対応する制御信号を生成するために設定入力すべきデータ量を少なくすることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るダイボンディング装置の好適な実施形態について図面を参照して説明する。
【００１０】
図１は、本発明に係るダイボンディング装置の一実施形態を示す側面図である。同図において、本実施形態のダイボンディング装置１は、電子部品（例えば、半導体レーザ結晶などの微小なチップ部品）を金属製のステム２に自動的に融着実装（ボンディング）するものである。
【００１１】
ステム２は、図２に示すように、円板状のステムベース３を有し、このステムベース３には部品実装突部４が設けられている。この部品実装突部４は、ステムベース３の上面に対して直交する方向に延在する部品実装面５を有し、この部品実装面５に、チップ部品６がヒートシンク７及びハンダ箔８を介して融着実装される（図３参照）。ステムベース３の下面には３本のステムピン９が固定され、このステムピン９を介してチップ部品６に所定の電圧を印加させることができる。
【００１２】
図１に戻り、ダイボンディング装置１は、トレー１０内に収容されたチップ部品６、ヒートシンク７及びハンダ箔８をボンディング位置まで搬送するためのボンディングヘッド１１を有し、このボンディングヘッド１１は、送りネジ１２によって水平方向に移動する。ボンディングヘッド１１の構成については、後で詳述する。
【００１３】
ボンディングヘッド１１の後方側には、ストッカ１３に収容されたステム２をステム支持ヘッド１４まで搬送するための吸着ヘッド１５が配置されている。この吸着ヘッド１５には、ステム２を吸着する反転自在な１対の回転式吸着ノズル１６が設けられている。
【００１４】
ステム支持ヘッド１４は、ステム２を吸着して支持するものであり、ステム支持ユニット１７に設けられている。このステム支持ユニット１７は、水平方向に移動する可動ブロック１８を有し、この可動ブロック１８にステム支持ヘッド１４が回動自在に取り付けられている。ステム支持ヘッド１４は、エアーシリンダ１９によって、ステム２を受け入れるために立った状態（図１の２点鎖線）と、ステム２にチップ部品６を実装するために寝かせた状態との間で回動する。
【００１５】
ステム支持ユニット１７の前方には、ヒータユニット２０が配置されている。ヒータユニット２０は、ステム２にチップ部品６を実装する時にハンダ箔８を溶かすためのセラミックヒータ２１を有している。このセラミックヒータ２１の温度は、温度調節器（図示せず）によって制御される。
【００１６】
図３はボンディングヘッド１１の側面拡大図であり、図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線断面を含むボンディングヘッド１１の制御系構成図である。これらの図において、ボンディングヘッド１１はヘッド本体２２を有し、このヘッド本体２２の下端部にはボンディングノズル２３が設けられている。このボンディングノズル２３は、チップ部品６、ヒートシンク７及びハンダ箔８を吸着してステム２の部品実装面５上に載置させるものである。ヘッド本体２２は、昇降機構（図示せず）によって上下動可能な基体２４に軸部２５を介して回動可能に設けられている。ヘッド本体２２と基体２４との間には、上方に付勢する２本の荷重調整用スプリング２６が設けられている。
【００１７】
また、ボンディングヘッド１１は、ボンディングノズル２３に吸着されたチップ部品６をステム２の部品実装面５に対して押し付けるためのボイスコイルモータ２７を有している。ボイスコイルモータ２７の可動部２８は、ヘッド本体２２に突設された略Ｌ字型のレバー２９に固定されている。ボイスコイルモータ２７は、アナログ回路部３０から出力される電気信号（電流信号）によって駆動される。
【００１８】
アナログ回路部３０からの電気信号によりボイスコイルモータ２７が通電されると、可動部２８が動くことで、ヘッド本体２２が軸部２５を中心に回動し、ヘッド本体２２が荷重調整用スプリング２６の付勢力に抗して下降する。これにより、ボンディングノズル２３に吸着されたチップ部品６がステム２の部品実装面５を押し付けることになる。
【００１９】
また、基体２４には、チップ部品６を吸着したボンディングノズル２３が所定の高さ位置（ボンディング位置）に達したかどうかを検出するための変位センサ３１が設けられている。
【００２０】
また、ダイボンディング装置１は、設定入力器３２と、制御ユニット３３とを有している。設定入力器３２は、例えばタッチパネルであり、ステム２の部品実装面５に対するチップ部品６の押し付け荷重を変化させるためのデータを設定入力するものである。このような設定入力器３２により設定入力するデータとしては、２種類の荷重変化モードがあり、これらの荷重変化モードのいずれかを選択することができる。
【００２１】
第１の荷重変化モードは、ボンディング開始タイミングからボンディング終了タイミングまでの時間Ｔをｎ個の時間領域に分け、その時間領域ごとに任意の荷重を設定するモードである。このような第１の荷重変化モードを選択する場合は、荷重変化時間データと、時間経過と共に大きくなるような複数の荷重データ（領域Ｄ１データ〜領域Ｄｎデータ）とを設定する。この場合には、図５に示すように、ボンディングが開始されると、最初のＴ／ｎ時間は領域Ｄ１データの荷重となり、次のＴ／ｎ時間は領域Ｄ２データの荷重となり、ボンディングの終了まで次々に荷重が変化していく。
【００２２】
第２の荷重変化モードは、ボンディング開始タイミングからボンディング終了タイミングまでの間、予め決められた関数に従って荷重を変化させるモードである。このような第２の荷重変化モードを選択する場合は、荷重変化時間データと、時間経過と共に大きくなる荷重を求めるための関数データと、開始荷重データと、終了荷重データとを設定する。ここで、使用する関数としては、図６に示す実線Ａのように１次関数であってもよいし、図６に示す実線Ｂのように２次関数であってもよい。
【００２３】
制御ユニット３３は、演算処理部３４と、メモリ部３５とを有している。演算処理部３４は、設定入力器３２による入力データと変位センサ３１の検出信号とを入力し、所定の処理を行い、ボイスコイルモータ２７を駆動させるための制御信号をアナログ回路部３０に送出する。この演算処理部３４による制御処理手順の詳細を図７に示す。
【００２４】
同図において、まず設定入力器３２によって荷重変化のためのデータが設定入力されたかどうかを判断する（手順１０１）。そして、荷重変化のためのデータが設定入力されたときは、設定入力されたデータが第１の荷重変化モードに関するデータであるか、第２の荷重変化モードに関するデータであるかを判断する（手順１０２）。
【００２５】
そして、設定入力されたデータが第１の荷重変化モードに関するデータであると判断されたときは、各時間領域のチップ部品６の押し付け荷重に対応する制御信号（出力電圧）を生成する（手順１０３）。このとき、例えばチップ部品６の押し付け荷重の大きさと制御信号との対応関係を示すテーブルをメモリ部３５に予め登録しておき、このテーブルを用いて、各時間領域のチップ部品６の押し付け荷重に対応する制御信号を得る。
【００２６】
一方、手順１０２で、設定入力されたデータが第２の荷重変化モードに関するデータであると判断されたときは、荷重変化時間データ、関数データ、開始荷重データ、終了荷重データに基づいて、ボンディング開始からボンディング終了までの時間Ｔをｎ個の時間領域に分け、その時間領域毎のチップ部品６の押し付け荷重を算出する（手順１０４）。これにより、図５に示すように、ボンディング開始からボンディング終了までの間で、チップ部品６の押し付け荷重が徐々に変化していくようなデータが得られる。そして、第１の荷重変化モードを採用する場合の処理と同様に、各時間領域のチップ部品６の押し付け荷重に対応する制御信号を生成する（手順１０３）。
【００２７】
続いて、第１の荷重変化モードを採用する場合、第２の荷重変化モードを採用する場合のいずれにおいても、各時間領域のチップ部品６の押し付け荷重に対応する制御信号のデータをメモリ部３５に記憶する（手順１０５）。
【００２８】
その後、変位センサ３１の検出信号に基づいてボンディング開始のタイミングになったかどうかを判断する（手順１０６）。そして、ボンディング開始のタイミングになったときは、各時間領域のチップ部品６の押し付け荷重に対応する制御信号のデータをメモリ部３５から読み出し（手順１０７）、この制御信号をアナログ回路部３０に順次送出する（手順１０８）。
【００２９】
ここで、第１の荷重変化モードに係るデータを設定し、このデータに基づいてアナログ回路部３０を制御する場合には、手順１０４における時間領域毎のチップ部品６の押し付け荷重を演算する処理が不要となるため、演算処理部３４の処理を簡素化することができる。一方、第２の荷重変化モードに係るデータを設定し、このデータに基づいてアナログ回路部３０を制御する場合には、設定入力器３２により設定入力するデータ量が少なくて済むため、オペレータの負担を軽減することができる。
【００３０】
次に、以上のように構成したダイボンディング装置１の動作を説明する。なお、第１の荷重変化モードに係るデータまたは第２の荷重変化モードに係るデータの設定入力は予め行われており、制御ユニット３３のメモリ部３５には、時間の経過に従って連続的に大きくなるような時間領域毎のチップ部品６の押し付け荷重データが記憶されている。
【００３１】
先ず、ストッカ１３に収容されたステム２を吸着ヘッド１５の吸着ノズル１６に吸着させ、その状態で、吸着ヘッド１５をステム支持ヘッド１４に向けて前方に移動させる。次いで、吸着ノズル１６を下降させて、立てられた状態のステム支持ヘッド１４に移載する。この状態からステム支持ヘッド１４を寝せるように９０度回転させて、ステム２の部品実装面５を真上に向ける。次いで、可動ブロック１８をヒータユニット２０に向けて前方に移動させ、ステム２の部品実装突部４をセラミックヒータ２１の前端面に突き当てることで、ステム２を位置決めする。
【００３２】
その後、トレー１０内のハンダ箔８をボンディングヘッド１１のボンディングノズル２３に吸着させ、その状態でボンディングヘッド１１をヒータユニット２０に向けて後方に移動させる。次いで、ボンディングノズル２３を下降させて、ハンダ箔８をステム２の部品実装面５上に置く。次いで、トレー１０内のヒートシンク７をボンディングノズル２３に吸着させ、ボンディングヘッド１１を上記と同様に動かして、ヒートシンク７をハンダ箔８の上に置く。次いで、再びトレー１０内のハンダ箔８をボンディングノズル２３に吸着させ、ボンディングヘッド１１を上記と同様に動かして、ヒートシンク７の上にハンダ箔８を置く。次いで、トレー１０内のチップ部品６をボンディングノズル２３に吸着させ、ボンディングヘッド１１を上記と同様に動かして、チップ部品６を２段目のハンダ箔８の上に置く。そして、ボンディングノズル２３は、チップ部品６をステム２の部品実装面５に対して押さえ付けたままの状態に維持される（図８（ａ）参照）。
【００３３】
このとき、変位センサ３１によって、チップ部品６がボンディング開始位置にあることが検出される。すると、温度調節器（図示せず）が働いて、セラミックヒータ２１の温度がプレヒート温度から上昇し始める。これにより、ステム２の部品実装面５とヒートシンク７との間のハンダ箔８、ヒートシンク７とチップ部品６との間のハンダ箔８がそれぞれ溶け始める。
【００３４】
これと同時に、制御ユニット３２からの制御信号によってアナログ回路部３０の出力値がＴ／ｎ時間ごとに増加し、この信号に応じてボイスコイルモータ２７が駆動される。これにより、ステム２の部品実装面５に対するチップ部品６の押し付け荷重が徐々に大きくなっていく。
【００３５】
そして、所定時間が経過すると、チップ部品６の押し付け荷重が最大荷重（例えば３０ｇＦ）になる。また、セラミックヒータ２１の温度が下がり始めると共に、ヒータユニット２０内に冷却ガス（例えばＮ２ガス）が導入される。これにより、ステム２が急速に冷却されてハンダ箔８が固化し、チップ部品６がヒートシンク７を介してステム２の部品実装面５に固定される。その後、チップ部品６の吸着を解除した状態のボンディングノズル２３が上方に移動する（図８（ｂ）参照）。
【００３６】
このようなボンディング工程が完了した後、可動ブロック１８を後退させると共に、ステム支持ヘッド１４を立たせるように９０度回転させる。そして、チップ部品６が実装された状態のステム２を吸着ヘッド１５の吸着ノズル１６に吸着させ、その状態で吸着ヘッド１５を後退させ、ステム２をストッカ１３の元の場所に戻す。
【００３７】
以上のようなボンディング処理において、セラミックヒータ２１の温度を上げてハンダ箔８を溶かし、チップ部品６をステム２に実装する際には、ステム２の部品実装面５に対するチップ部品６の押し付け荷重を時間経過と共に大きくしていくので、ハンダ箔８は全体的に均等に広がるようになる。従って、チップ部品６が傾いた状態で部品実装面５上に実装されたり、チップ部品６が正規の実装位置からずれた状態で部品実装面５上に実装されることを防止することができる。
【００３８】
なお、上記実施形態では、ステム２の部品実装面５に対するチップ部品６の押し付け荷重を、ボンディング開始からボンディング終了までの間で連続的に大きくするものとしたが、チップ部品６の押し付け荷重の変化パターンは特にこれには限定されず、ハンダ箔８の溶け具合に応じて適宜決めればよい。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、ステムの部品実装面に対する電子部品の押し付け荷重が時間経過と共に変化するように押付手段を制御するので、ステムと電子部品との間に配置されたハンダを均一に広げることができる。これにより、電子部品をステムの部品実装面上に精度良く実装することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るダイボンディング装置の一実施形態を示す側面図である。
【図２】図１に示すステム支持ヘッドに支持されるステムを示す斜視図である。
【図３】図１に示すボンディングヘッドの側面拡大図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線断面を含むボンディングヘッドの制御系構成図である。
【図５】図４に示す設定入力器で設定される時間領域毎の荷重データの一例を示す図である。
【図６】図４に示す設定入力器で設定される関数データの一例を示す図である。
【図７】図４に示す制御ユニットの演算処理部による制御処理手順の詳細を示すフローチャートである。
【図８】図３に示すボンディングノズルに吸着されたチップ部品をステムの部品実装面に押し付ける前後の状態を示す図である。
【符号の説明】
１…ダイボンディング装置、２…ステム、５…部品実装面、６…チップ部品（電子部品）、８…ハンダ箔、１１…ボンディングヘッド、１４…ステム支持ヘッド（支持手段）、２２…ヘッド本体（押付手段）、２３…ボンディングノズル、２７…ボイスコイルモータ（押付手段）、２９…レバー（押付手段）、３０…アナログ回路部（制御手段）、３２…設定入力器（制御手段）、３３…制御ユニット（制御手段）。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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