(57)【要約】【課題】超音波ホーンにより、接合面に対して垂直な方向に超音波振動を印加してもボンディング動作中のボンディングツール先端の振幅を、安定して測定できるようにする。【解決手段】電子部品４に先端部を圧接させて加圧可能であるとともに加圧している方向の超音波振動を発生する超音波振動系２６と、この超音波振動系２６にその基端部から先端側に向かって形成された通孔１６と、この通孔１６内にレーザ光を通して前記先端部にレーザ光を照射して反射光を観測し、超音波振動系２６の先端部の振幅を測定するレーザ振動計１７Ａとを具備する。【選択図】　　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被接合部材に先端部を圧接させて加圧可能であるとともに加圧している方向の超音波振動を発生するボンディング手段と、
このボンディング手段にその基端部から前記先端側に向かって垂直に形成された通孔と、
この通孔内にレーザ光を通して前記先端部に前記レーザ光を照射して反射光を観測し前記ボンディング手段の先端部の振幅を測定する測定手段と
を具備することを特徴とするボンディング装置。
【請求項２】
前記ボンディング手段は、被接合部材を加圧可能な方向に沿って設けられる超音波ホーンと、この超音波ホーンの基端部に設けられる超音波振動子と、前記ホーンの先端部に設けられるボンディングツールとによって構成されることを特徴とする請求項１記載のボンディング装置。
【請求項３】
被接合部材に先端部を圧接させて加圧可能であるとともに加圧している方向の超音波振動を発生するボンディング手段と、
このボンディング手段を垂直方向に移動させる第１の移動手段と、
前記ボンディング手段を水平方向に移動させる第２の移動手段と、
この第２の移動手段に設けられ前記ボンディング手段とともに水平方向に移動されて前記ボンディング手段の先端部の面内方向の振動を測定することにより振幅を測定する測定手段と、
を具備することを特徴とするボンディング装置。
【請求項４】
前記測定手段を垂直方向に沿って移動自在に支持する支持手段を備えることを特徴とする請求項３記載のボンディング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、バンプ付き電子部品を実装基板等にフリップチップボンディングする超音波ボンディング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の超音波ボンディング装置としては、例えば、図７に示すようなものが知られている。
【０００３】
この超音波ボンディング装置は図示しないボンディングヘッドに水平状態に搭載される超音波ホーンａを備えている。この超音波ホーンａの基端部には超音波振動子ｂが取り付けられ、先端側には垂直方向に沿ってボンディングツールｄが取り付けられている。
【０００４】
超音波振動子ｂには超音波発振器ｃが電気的に接続され、ボンディングツールｄには被接合部材である電子部品ｅが吸着保持される。
【０００５】
ボンディング時には、電子部品ｅをそのバンプｆが基板ｇの電極と対向するように位置決めしたのち、ボンディングヘッドを下降させて電子部品ｅのバンプｆを基板ｇの電極に押し付けるとともに、超音波ホーンａからボンディングツールｄに超音波振動を印加する。超音波ホーンａはその軸方向に沿って水平に超音波振動し、これによりボンディングツールｄは電子部品ｅを基板ｇに対し平行な方向に相対運動させる。この運動によりバンプｆと基板ｇの電極との間で固相拡散が生じて互いに接合することになる。
【０００６】
ところで、この超音波ボンディング装置では、ボンディングツールｄと電子部品ｅの接触面間に働く摩擦力によって、ボンディングツールｄから電子部品ｅへ超音波振動が伝達される。
【０００７】
しかしながら、電子部品ｅはボンディングツールｄとの接触面における摩擦係数に個体差があるため、接触面に働く摩擦力に差が生じて電子部品ｅに伝達される超音波振動が個体ごとに異なってしまう。このような理由から、電子部品ｅの接合性にバラツキが発生し易い。さらには、摩擦による振動伝達なので、電子部品ｅの材質によっては、摩耗や欠損が発生することがある。
【０００８】
そこで、上述の不具合を解消すべく図８に示すようなボンディング装置が開発されている。
【０００９】
このボンディング装置は垂直方向に支持される超音波ホーンｈを備え、この超音波ホーンｈにより電子部品ｉに対して垂直な方向に超音波振動を印加する。この場合、ボンディングツールｋから電子部品ｉへ摩擦によらずに振動を伝達するため、電子部品ｉとボンディングツールｋとの接触面における摩擦係数に個体差があっても、電子部品ｉに伝達される振動には違いがなく、安定した接合を実現できる。
【００１０】
ところで、ボンディング中のボンディングツール先端の振幅は、超音波ホーンから電子部品への振動伝達方向に関わらず、電子部品の接合強度や信頼性に大きく影響する。
【００１１】
即ち、加工点の状態などによるボンディング条件の変化、長期間の使用に伴う超音波発振系の特性変化、発振器の故障などにより、接合に必要な超音波ホーン先端の振幅が得られなくなった場合、電子部品の接合性が悪化する恐れがある。
【００１２】
これを防止するためには、ボンディング動作中におけるボンディングツール先端の振幅をモニタし、接合に必要な振幅が得られていることを監視することが効果的である。
【００１３】
ボンディング装置に設けられる超音波ホーンおよびボンディングツールの振幅を測定する測定器としては、レーザ振動計が用いられることが多い。これは、測定対象について非接触で振動を測定できることから、超音波振動系に対し悪影響を与える恐れが無いからである。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図８に示す超音波ホーンｈを垂直に配置するものは、超音波ホーンｈの振動方向に、基板ｊや、ステージｑがあり、振幅測定用のレーザ光が遮られるため、超音波ホーン先端の振幅を測定することが出来なかった。
【００１５】
また、図７に示す超音波ホーンａを水平に配置するものは、例えば特開平５−２０６２２４のように、レーザ光をボンディングツール先端に水平方向から当てることによって、ボンディング中のツール振幅を測定できる。この例では、振幅測定器が、ホーン固定部と一体となる部位に固定されているため、超音波ホーンとともに水平方向、鉛直方向ともに移動する。
【００１６】
この構造では、ボンディングヘッドがボンディングのために降下した際に生じる振動が、ボンディングツールの先端振幅測定器にも伝わり、測定光を測定箇所であるボンディングツール先端へ安定して到達させることが困難となる。
【００１７】
また、ボンディングヘッドの質量が、振幅測定器の分だけ増加するため、電子部品のバンプが実装基板の電極に当接する際に衝撃的に発生する荷重が大きくなる。これにより、バンプ数が少ない等、ボンディング荷重を低く抑える必要のある電子部品の場合には、衝撃荷重によってバンプがつぶれ過ぎてしまうという恐れがある。
【００１８】
本発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、ボンディング手段により、被接合部材に対して垂直な方向に超音波振動を印加してもボンディング手段の先端振幅を、安定して測定できるようにしたボンディング装置を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、被接合部材に先端部を圧接させて加圧可能であるとともに加圧している方向の超音波振動を発生するボンディング手段と、このボンディング手段にその基端部から前記先端側に向かって垂直に形成された通孔と、この通孔内にレーザ光を通して前記先端部に前記レーザ光を照射して反射光を観測し前記ボンディング手段の先端部の振幅を測定する測定手段とを具備する。
【００２０】
請求項３記載の発明は、被接合部材に先端部を圧接させて加圧可能であるとともに加圧している方向の超音波振動を発生するボンディング手段と、このボンディング手段を垂直方向に移動させる第１の移動手段と、前記ボンディング手段を水平方向に移動させる第２の移動手段と、この第２の移動手段に設けられ前記ボンディング手段とともに水平方向に移動されて前記ボンディング手段の先端部の面内方向の振動を測定することにより振幅を測定する測定手段とを具備する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す実施の形態を参照して詳細に説明する。
【００２２】
図１は、本発明の一実施の形態に係るボンディング装置の構成を概略的に示す斜視図である。
【００２３】
ボンディング装置は、供給部１５からフリップチップ接合に供される被接合部材としての半導体装置等の電子部品４を移送する移送装置８と、接合面となる配線基板６をボンディングステージ７に搬送する搬送装置９を備える。
【００２４】
電子部品４には後述する図２に示すように接合用のバンプ５が配設され、基板６には配線パターンの電極パッド６ａが配設されている。
【００２５】
供給部１５とボンディングステージ７との間には移送される電子部品４を認識する第１の認識カメラ１４が設けられている。ボンディングステージ７の上方部には、基板６を認識する第２の認識カメラ１３が設けられている。
【００２６】
また、ボンディングステージ７の上方部には、第２の移動手段としてのＸＹステージ１０が設けられている。ＸＹステージ１０にはボンディングヘッド２５を昇降させる第１の移動手段としての昇降機構１２が設けられている。
【００２７】
ボンディングヘッド２５にはボンディング手段としての超音波振動系２６が搭載されている。超音波振動系２６は超音波振動子１、超音波ホーン２及びボンディングツール３を有して構成される。
【００２８】
超音波ホーン２は電子部品４及び配線基板６に対して垂直な方向に沿って設けられている。超音波振動子１は超音波ホーン２の基端部に設けられ、ボンディングツール３は超音波ホーン２の先端部に設けられている。超音波振動子１には超音波発振器１１が接続されている。
【００２９】
次に、電子部品４のボンディング動作について説明する。
【００３０】
まず、供給部１５から電子部品４を移送装置８により取出してボンディングステージ７の上方に移送するとともに、配線基板６を搬送装置９によってボンディングステージ７上に搬送する。ボンディングステージ７の上方に移送された電子部品４は超音波ホーン２先端のボンディングツール３によって吸着保持される。こののち、第１及び第２の認識カメラ１４，１３によって認識された電子部品４及び基板６の位置情報に基づいてＸＹステージ１０が水平方向に移動されて配線基板６の表面に配設される配線パターンの電極パッド６ａに対して、電子部品４のバンプ５が対向するように位置決めする。このように位置決めされたのち、昇降機構１２が動作されて超音波ホーン２が下降されるとともに、超音波発振器１１により超音波振動子１が振動される。
【００３１】
超音波ホーン２が下降することにより、電子部品４のバンプ５が基板６の電極に対し所定の荷重で圧接され、また、超音波振動子１が振動されることにより、超音波ホーン２が振動する。これにより、電子部品４のバンプ５と基板６の電極パッドとの間に金属の固相拡散接合が生じてフリップチップ接合が行われることになる。
【００３２】
図２は、超音波ホーン２の先端に設けられるボンディングツール３の振幅を測定する測定手段としての測定装置１７を示すものである。
【００３３】
測定装置１７はレーザ振動計１７Ａを備えている。このレーザ振動計１７Ａの前方にはレーザ光１９を下方に直角に反射する反射鏡１８が設けられている。
【００３４】
また、超音波振動系２６を構成する超音波振動子１、超音波ホーン２及びボンディングツール３にはその中央部を軸方向に沿って貫く通孔１６が形成されている。
【００３５】
ボンディングツール３の振幅を測定する場合には、レーザ振動計１７Ａからレーザ光１９が発振され、このレーザ光１９は矢印で示すように反射鏡１８により直角に下方に案内されて通孔１６内に送られて進行する。このレーザ光は、ツール３の先端部で反射されてレーザ振動計１７Ａに受光される。これにより、ボンディングツール３先端の振幅が測定される。
【００３６】
図３はボンディングツール３の先端付近における通孔１６の形状を示すものである。
【００３７】
レーザ光の通孔１６はボンディングツール３の先端を貫通せず、ボンディングツール３の内部までしか形成されていない。ボンディングツール３の先端を貫通する状態で通孔１６を形成した場合には、電子部品４にレーザ光が当たときに、電子部品４の材質によってはレーザ光が透過し、測定が困難となってしまう。
【００３８】
一方、超音波ホーン２には、図４に示すように、ボンディング動作時に電子部品４を吸着保持するための吸着孔２０が設けられている。超音波振動系の特性を考えた場合、超音波振動子１および超音波ホーン２の形状は軸対称であることが望ましいため、吸着孔２０は超音波ホーン２の中心軸に一致して設けられている。
【００３９】
この場合、吸着孔２０とレーザ光の通孔１６とを同一軸上に配置すると、吸着孔２０が密閉されず、電子部品４の吸着ができなくなる。この対策としてレーザ光の通孔１６の一部分に、ガラス等のレーザ光を通過させる閉塞部材２２を設けることにより吸着孔２０を塞ぐようにしている。
【００４０】
閉塞部材２２は、図４に示すように超音波振動子１の上端部に設けても良いし、超音波振動子１または超音波ホーン２の内部に設けても良い。
【００４１】
なお、振幅測定のレーザ光１９は電子部品４を透過しないように、図３に示すように、ボンディングツール３に設けられた吸着孔２１を避けた位置に当てるようにする。
【００４２】
上記したように、この実施の形態によれば、超音波振動子１、超音波ホーン２及びボンディングツール３にその中央部を軸方向に沿って貫く通孔１６を設け、この通孔１６内にレーザ振動計１７Ａから発振されたレーザ光１９を進行させることによりボンディングツール３先端部の振幅を測定するため、超音波ホーン２の振動方向に基板や、ステージがあっても振幅測定用のレーザ光１９が遮られることがなく、ツール３先端部の振幅を測定することが可能となる。
【００４３】
このようにボンディングツール３先端の振幅を測定できるため、加工点の状態などによるボンディング条件の変化、長期間の使用に伴う超音波発振系の特性変化、発振器の故障などにより、接合に必要な超音波ホーン先端の振幅が得られなくなった場合には即座に判別でき、電子部品４の接合強度や信頼性を良好に維持することができる。
【００４４】
図５は本発明の第２の実施の形態であるボンディング装置を示す斜視図である。
【００４５】
なお、上記した第１の実施の形態で示した部分と同一の部分については同一の番号を付してその説明を省略する。
【００４６】
この第２の実施の形態では、測定対象物の面内方向の振動を測定できる測定器を用いる。ここでは一例として、レーザ光を利用した面内振動計２３を用いる。この面内振動計２３はレーザ光を当てた面で反射し散乱する光の周波数から測定対象の振動速度を測定して振幅へ換算するものである。
【００４７】
この方法を用いると、超音波ホーン２及びボンディングツール３には特別な加工（通孔の穿設）を必要とせず、容易に振幅の測定が可能となる。
【００４８】
面内振動計２３は発振した測定用レーザ光がボンディングツール３の先端に当たる位置に位置決め配置されてボンディング中の振幅を測定する。
【００４９】
ところで、測定点であるボンディングツール３の先端のボンディング時の鉛直方向位置（ボンディング高さ）は、同一品種の電子部品４をボンディングする場合にはボンディング毎に一定である。
【００５０】
そこで、この第２の実施の形態では、面内振動計２３を昇降機構１２から分離して、ボンディング時に測定用レーザ光がツール先端に到達する高さになるようにＸＹステージ１０に取付けられ、水平方向にのみ超音波ホーン２と共に移動するようになっている。即ち、面内振動計２３は図６に示すように支持部材２４を介してＸＹテーブル１０に取付けられている。
【００５１】
ボンディング動作時には、超音波ホーン２はＸＹテーブル１０の移動により水平方向の位置決めが行われた後に、昇降機構１２によりボンディング高さまで降下される。
【００５２】
この第２の実施の形態によれば、水平移動完了から超音波ホーン２が降下してボンディングするまでの間に、水平移動によって生じた振動が減衰し、ＸＹテーブル１０に取付けられた面内振動計２３に伝わる振動も収まる。これによって測定光を安定して測定箇所へ到達させることが可能である。
【００５３】
また、ボンディングヘッド２５には面内振動計２２を取付けないため、ボンディングヘッド２５の質量が増加せず、電子部品４を実装基板６に当接させる際に衝撃的に荷重が増加することもなく、電子部品４のバンフ５などに損傷を与えることもない。
【００５４】
なお、電子部品４や実装基板６などの品種が変わった場合、ボンディング高さが変化する場合がある。この対策として、この実施の形態では、支持部材２４に手動により或いは自動により動作されて面内振動計２２の高さを調整する高さ調整機構２７が設けられている。
【００５５】
従って、電子部品４や実装基板６の種類が交換された場合には、高さ調整機構２７により面内振動計２３の高さを調整することにより、測定光を確実に測定箇所へ到達させることができる。
【００５６】
なお、図５、図６は面内振動計２３を用いた例であるが、その他の測定器の場合も同様の設置が可能である。
【００５７】
その他、本発明はその要旨の範囲内で種々変形実施可能なことは勿論である。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、被接合部材に対し垂直な方向に超音波を印加しても、ボンディング動作中のボンディング手段先端の振幅を測定することが可能となる。従って、接合安定化のための振幅管理や、接合不良の原因となる異常振幅の検出が行えるようになり、高い接合信頼性を得ることができる。
【００５９】
また、測定光を水平方向から照射する測定手段を用いる場合には、測定手段をボンディング手段から分離して水平移動用の第２の移動手段に設けるため、ボンディング手段の下降移動時には水平移動用の第２の移動手段の振動が減衰し、ボンディング手段の先端部へ測定光を安定して到達させることができる。
【００６０】
また、測定手段をボンディング手段から分離するため、ボンディング手段の質量が軽減され、被接合部材が基板に接合する際の荷重を低減でき、被接合部材を損傷させることもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態である超音波ボンディング装置を概略的に示す斜視図。
【図２】ボンディングツール先端の振幅を測定する測定装置を示す図。
【図３】ボンディングツール先端のレーザ通孔の構造を示す図。
【図４】ボンディングツール先端部に電子部品を吸着するための吸着機構を示す図。
【図５】本発明の第２の実施の形態である超音波ボンディング装置を概略的に示す斜視図。
【図６】ボンディングツール先端の振幅を測定する面内振動計を示す斜視図。
【図７】第１の従来例である超音波ボンディング装置を示す斜視図。
【図８】第２の従来例である超音波ボンディング装置を示す斜視図。
【符号の説明】
１…超音波振動子
２…超音波ホーン
３…ボンディングツール
４…電子部品（被接合部材）
５…バンプ
６…実装基板（接合面）
７…ボンディングステージ
８…移送装置
９…搬送装置
１０…ＸＹステージ（第２の移動手段）
１１…超音波発振器
１２…昇降機構
１３…第２の認識カメラ
１４…第１の認識カメラ
１５…供給部
１６…通孔
１７…測定装置（測定手段）
１７Ａ…レーザ振動計
１８…反射鏡
１９…レーザ光
２０…吸着孔
２１…ボンディングツールに設けられた吸着孔
２２…ガラス板
２３…面内振動計
２４…支持部材
２７…高さ調整機構
２５…ボンディングヘッド
２６…超音波超振動系
【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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