(57)【要約】【課題】良好な接合品質を安定して確保することができる接合装置および接合用ツールを提供することを目的とする。【解決手段】被接合部品を荷重と振動によって接合面に接合する接合用ツールにおいて、横長形状のホーン１５を上下に貫通する貫通孔を設け、接合子３０をこの貫通孔に上側から挿入して部品当接部３０ａを下側に突出させた姿勢で装着する。そして押付部材の雄ねじ部３１ａと貫通孔の雌ねじ部１５ｄとのねじ締結力によってホーン当接面３０ｂを接合子当接面１５ｃに押し付けることにより、接合子３０をホーン１５に固定する。これにより、ホーン１５を分割することなく、接合子３０をホーン１５に安定して固定することができる。【選択図】  図５
2005026500.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被接合部品を荷重と振動によって接合面に接合する接合装置であって、前記被接合部品に当接する接合用ツールと、この接合用ツールを前記被接合部品に押圧する押圧手段とを備え、前記接合用ツールは、横長形状の基部と、この基部に振動を付与する振動子と、前記基部に長手方向に直交して設けられた貫通孔に一方側から挿入され前記被接合部品に当接する部品当接部を貫通孔の他方側に突出させた姿勢で押付部材によって前記基部に固定された接合子とを有し、前記貫通孔の前記一方側に設けられた雌ねじ部と前記押付部材に設けられた雄ねじ部とのねじ締結力によって前記接合子を前記貫通孔の他方側の内面に設けられた接合子当接面に対して押し付けることにより前記接合子を前記基部へ固定することを特徴とする接合装置。
【請求項２】
被接合部品を荷重と振動によって接合面に接合する接合用ツールであって、横長形状の基部と、この基部に振動を付与する振動子と、前記基部に長手方向に直交して設けられた貫通孔に一方側から挿入され前記被接合部品に当接する部品当接部を貫通孔の他方側に突出させた姿勢で押付部材によって前記基部に固定された接合子とを有し、前記貫通孔の前記一方側に設けられた雌ねじ部と前記押付部材に設けられた雄ねじ部とのねじ締結力によって前記接合子を前記貫通孔の他方側の内面に設けられた接合子当接面に対して押し付けることにより前記接合子を前記基部へ固定することを特徴とする接合用ツール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子部品などの被接合部品を被接合面に接合する接合装置および接合用ツールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子部品などの接合方法として超音波接合が知られている。この方法に用いられる接合用ツールは、振動発生源である振動子の振動を伝達するホーンと被接合部品に当接して荷重と振動を作用させる接合子を備えている。接合子には負荷（荷重と振動）が作用するため、繰り返し使用によって被接合部品との当接面が摩耗しやすい。そしてこの摩耗が甚しくなると正常な接合が出来なくなるため、定期的に部品交換を行う必要がある。このとき、ホーン全体を交換すると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ため、接合子のみを部分的に交換する方式が用いられる。この部品交換の方式として、水平なホーン本体を中央部で分割し、分割されたホーンによって接合子を両側から挟み込む構成のものが知られている（例えば特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−２１１５８９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記先行技術では、振動伝達部材であるホーン本体が分割構造となることから、接合動作時の押圧荷重によって接合子装着部分に位置ずれや変形が生じやすく、接合子と部品との当接面の平面度を確保することや振動伝達特性の変動を防止することが難しい。このため接合作業を反復実行する過程で接合条件を適正に維持することが出来ず、良好な接合品質を安定して確保することが難しいという問題点があった。
【０００５】
そこで本発明は、良好な接合品質を安定して確保することができる接合装置および接合用ツールを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の接合装置は、被接合部品を荷重と振動によって接合面に接合する接合装置であって、前記被接合部品に当接する接合用ツールと、この接合用ツールを前記被接合部品に押圧する押圧手段とを備え、前記接合用ツールは、横長形状の基部と、この基部に振動を付与する振動子と、前記基部に長手方向に直交して設けられた貫通孔に一方側から挿入され前記被接合部品に当接する部品当接部を貫通孔の他方側に突出させた姿勢で押付部材によって前記基部に固定された接合子とを有し、前記貫通孔の前記一方側に設けられた雌ねじ部と前記押付部材に設けられた雄ねじ部とのねじ締結力によって前記接合子を前記貫通孔の他方側の内面に設けられた接合子当接面に対して押し付けることにより前記接合子を前記基部へ固定する。
【０００７】
請求項２記載の接合用ツールは、被接合部品を荷重と振動によって接合面に接合する接合用ツールであって、横長形状の基部と、この基部に振動を付与する振動子と、前記基部に長手方向に直交して設けられた貫通孔に一方側から挿入され前記被接合部品に当接する部品当接部を貫通孔の他方側に突出させた姿勢で押付部材によって前記基部に固定された接合子とを有し、前記貫通孔の前記一方側に設けられた雌ねじ部と前記押付部材に設けられた雄ねじ部とのねじ締結力によって前記接合子を前記貫通孔の他方側の内面に設けられた接合子当接面に対して押し付けることにより前記接合子を前記基部へ固定する。
【０００８】
本発明によれば、基部に設けられた貫通孔の一方側に設けられた雌ねじ部に押付部材に設けられた雄ねじ部を螺合させて締結し、接合子を貫通孔の他方側内面に設けられた接合子当接面に対して押し付けて接合子を基部へ固定する構成とすることにより、基部を分割することなく接合子を基部に安定して固定することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施の形態の接合装置の正面図、図２は本発明の一実施の形態の接合用ツールの斜視図、図３は本発明の一実施の形態の接合用ツールの正面図、図４、図５は本発明の一実施の形態の接合用ツールの部分断面図である。
【００１０】
まず、図１を参照して接合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には接合ヘッド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。
【００１１】
図１において、基板４６の上面は被接合部品である電子部品４０を接合する接合面である。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。
【００１２】
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の先端部を接合用ツール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。
【００１３】
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すなわち接合ヘッド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。
【００１４】
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の突出力すなわち接合用ツール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接合用ツール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。
【００１５】
接合ヘッド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には接合用ツール１４が固定されている。ブロック１３の側部には吸着パッド１９を備えた突部１３ａが設けられており、吸着パッド１９は接合用ツール１４の上面に当接している。突部１３ａは吸引装置５６に接続されており、後述するように吸着パッド１９がホーン１５の上面に当接することにより、吸引装置５６によって電子部品４０の吸着保持ができるようになっている。
【００１６】
以下、図２、図３を参照して接合用ツール１４について説明する。図２はブロック１３から取り外した状態の接合用ツール１４の斜め上方からの斜視図であり、また図３は、接合用ツール１４の正面図とともに、振動子１７によってホーン１５に誘起される定在波振動の振幅のグラフを示している。
【００１７】
図２に示すように、接合用ツール１４は横長形状のホーン１５（基部）を主体としている。ホーン１５は金属材料（例えばステンレス、アルミニウム、チタン等）等から成り、矩形断面を有する棒状体となっており、ホーン１５の１方側の側端部には振動子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の長手方向に沿った矢印ａ方向に縦振動が付与される。従って振動子１７は、ホーン１５の長手方向に沿った方向に振動を付与する振動付与手段となっている。
【００１８】
ホーン１５の両側面には、それぞれリブ１５ｃがホーン１５と一体的に２カ所づつ中心振り分け配置で設けられている。２つのリブ１５ｃの間の寸法は、振動成分を固定することによる振動の減衰を極小にするために、振動子１７によって付与される縦振動の半波長（Ｌ／２）に等しくなるように設定される（図３参照）。なお、当該寸法は振動の減衰が許容できる範囲であればよく、必ずしもＬ／２に等しくなくてもよい。
【００１９】
リブ１５ｃはホーン１５から外側に突出して設けられており、リブ１５ｃに設けられた取付穴１５ｆにボルト（図示省略）を挿入してブロック１３に締結することにより、ホーン１５はブロック１３に両持ち支持状態で固定される。すなわち、４個の（２組の）リブ１５ｃは、ホーン１５をブロック１３に固定する固定部となっている。
【００２０】
このホーン１５の固定において、４個のリブ１５ｃをホーン１５の中心点に関して対称に配置していることから、接合用ツール１４をブロック１３へバランスよく固定することができ、また押圧手段からホーン１５に負荷された荷重をバランスよく支持することができる。なお、リブ１５ｃの個数は４個に限られず、例えばホーン１５の節の上方に２個設けてもよい。要は、ホーン１５に負荷された荷重をバランスよく支持できればよく、この限りにおいてはリブの個数は何個であっても構わない。また取付穴１５ｆにボルトを挿入して締結した状態においてボルトがホーン１５の下面から突出しない構造となっており、ボンディング時に基板上の電子部品などとの干渉を生じることなく固定できるようになっている。
【００２１】
ホーン１５の略中央位置には、ホーン１５の長手方向に直交して上下方向に貫通する貫通孔１５ｂ（図４参照）が設けられている。貫通孔１５ｂには接合子３０が装着される。接合子３０は円柱体を加工して製作されており、円錐テーパ部を介して下方に突出した部品当接部３０ａが設けられている。接合子３０は、貫通孔１５ｂに一方側（上面側）から挿入され、電子部品４０に当接する部品当接部３０ａを貫通孔１５ｂの他方側（下面側）に突出させた姿勢で、押付部材３１によってホーン１５に固定されている。
【００２２】
部品当接部３０ａに電子部品４０が当接した状態で、接合用ツール１４に押圧荷重を作用させることにより、電子部品４０のバンプは基板４６に押しつけられる。そしてこの状態で振動子１７を駆動してホーン１５に縦振動を付与することにより、電子部品４０は基板４６に荷重と振動により接合される。このとき、接合子３０は４つのリブ１５ｃの中央に位置していることから、大きい押圧荷重を必要とする大型部品を対象とする場合にあっても、均一な押圧状態が実現される。
【００２３】
次に、ホーン１５の振動特性について説明する。超音波振動子駆動部５５により振動子１７をホーン１５に応じた適切な周波数（ホーン１５を共振状態にする周波数であれば足りるが、望ましくは４０ｋＨｚ以上７０ｋＨｚ以下であって、さらに６０ｋＨｚ程度であると電子部品のボンディング上望ましい。）で駆動してホーン１５に第１方向の縦振動を付与して共振状態を作り出すことにより、ホーン１５には図３のグラフに示すような定在波振動が発生する。
【００２４】
すなわちホーン１５の定在波振動において、リブ１５ｃの位置は水平方向の変位がほとんどない節となり、リブ１５ｃの中心に位置する接合子３０の位置は水平方向の振幅が最大となる腹に相当する。そして接合子３０の振動は部品当接部３０ａを介して電子部品４０に伝達される。なお、接合子３０の位置はこの定在波振動の腹の位置に一致していることが望ましいが、ホーン１５を固定するリブ１５ｃの略中央に位置している限りにおいては、定在波振動の腹の位置から多少ずれていても良い。
【００２５】
次に、ホーン１５に設けられた真空吸引回路について説明する。図３に示すように、部品当接部３０ａの下面には電子部品を吸着して保持するための吸着孔３０ｃが開孔している（図４も参照）。吸着孔３０ｃは接合子３０の内部に形成された吸引路３０ｄと連通しており、接合子３０がホーン１５に固定された状態ではホーン１５の内部に設けられた吸引路１６ａと連通する（図５参照）。吸引路１６ａはホーン１５の上面に開孔された真空吸引孔１６ｂと連通している。
【００２６】
接合用ツール１４がブロック１３に固定された状態において、ブロック１３に設けられた吸着パッド１９がホーン１５の上面に当接することにより（図１参照）、吸着孔３０ｃは吸引路１６ａおよび真空吸引孔１６ｂを介して吸着パッド１９と連通する。すなわち、吸着パッド１９は、真空吸引孔１６ｂと真空吸引源である吸引装置５６（図１参照）とを接続する接続手段となっており、吸引装置５６を駆動してエアを吸引することにより、吸着孔３０ｃから真空吸引し、部品当接部３０ａの下面に電子部品４０を真空吸着して保持することができる。接合子３０は、電子部品４０を基板４６に対して押圧すると共に、電子部品４０の上面に当接して電子部品４０を吸着して保持する吸着子としての機能を併せ有している。
【００２７】
次に図４、図５を参照して接合子３０のホーン１５への装着について説明する。図４に示すように、接合子３０の下部には円錐テーパ状のホーン当接面３０ｂが設けられており、部品当接部３０ａはホーン当接面３０ｂの下方に設けられている。貫通孔１５ｂの下側の内面には、ホーン当接面３０ｂに対応した内テーパ形状の接合子当接面１５ｇが設けられている。
【００２８】
貫通孔１５ｂの上側には雌ねじ部１５ｄが設けられており、雌ねじ部１５ｄには、押付部材３１に設けられた雄ねじ部３１ａが螺合する。押付部材３１の上面にはねじ締結用の係合部としてのレンチ孔３１ｃが設けられており、下面の中央部には突部３１ｂが下方に突出して設けられている。係合部を六角ナットのような形状にしても構わない。突部３１ｂは接合子３０をホーン１５へ装着した状態において接合子３０の上面に当接する。
【００２９】
図５は接合子３０をホーン１５に固定した状態を示している。接合子３０は通孔１５ｂ内に上側から挿入され、押付部材３１によって上側からホーン１５に押し付けられて装着される。そして雌ねじ部１５ｄと雄ねじ部３１ａとのねじ締結力によって、接合子３０のホーン当接面３０ｂをホーン１５の接合子当接面１５ｇに押し付けて密着させることにより、接合子３０をホーン１５に固定する。
【００３０】
このとき、押付部材３１による接合子３０の押圧は、押付部材３１の下面中央に設けられた突部３１ｂを介して行われることから、接合子３０は押付部材３１との接触面精度不良による偏荷重を受けることなく、中央部に集中して荷重を受ける。これにより、ホーン当接面３０ｂは接合子当接面１５ｇに均一な状態で密着し、強固な固定が実現されるとともに、部品当接部３０ａが電子部品４０に当接する部品当接面の水平度を良好な精度で確保できる。
【００３１】
ここで接合子当接面１５ｇは、ホーン１５の下面側に向かって径が減少する下窄まり形状であることから、貫通孔１５ｂがホーン１５の下面に開口する開口部周囲の肉厚を十分に確保することができる。したがって接合子３０をホーン１５に固定する際の押圧荷重を十分な強度的余裕を持って受けることができ、接合子装着時のホーン１５の変形を防止することができる。
【００３２】
なお本実施の形態では、ホーン当接面３０ｂおよび接合子当接面１５ｇの形状として円錐状のテーパ面を採用しているが、本発明は必ずしもこの形状には限定されない。例えば、接合子に設けた平面状のホーン当接面を、ホーンに設けた平面状の接合子当接面に対して押し付ける構成でもよい。但し、本実施の形態に示すようにホーン当接面３０ｂおよび接合子当接面１５ｇを円錐状のテーパ面とすることにより、接合子３０をより確実にホーン１５に固定することができ、より望ましい結果を得ることができる。
【００３３】
また押付部材３１に接合子固定用のねじを設ける構成とすることにより、接合子３０自体にはねじ加工が不要になる。したがって、接合子３０の材質選定において超硬合金など強度や対摩耗性からは望ましいものの、ねじ加工に不適な材質電子部品あることから従来は選択することが出来なかったような材質を選択することが可能となる。そして部品接合動作時においては、接合子３０に作用する上向きの接合反力は雌ねじ部１５ｂと雄ねじ部３１ａとのねじ面圧を増大させるように作用することから、接合ツール１４による接合動作を反復実行する過程において、ねじのゆるみに起因して生じる接合子３０の固定状態の劣化を防止することができる。
【００３４】
さらに上記構成においては、押付部材３１をホーン１５の長手方向の中心線に対して接合子３０の反対側に位置させた配置となっている。これにより、押付部材３１をホーン１５から下方に突出した部品当接部３０ａの質量バランス部として利用することができる。押付部材３１と接合子３０はいずれも着脱自在な交換部品となっていることから、対象とする電子部品４０の種類に応じて接合子３０を交換する場合に、接合子３０に対応した形状の押付部材３１を組み合わせて用いることにより、ホーン１５の振動分布および質量分布をホーン１５の中心軸に対してほぼ対称とすることができる。これにより、接合子３０の種類がその都度変更になるような用途においても、常に良好な質量バランスを確保して均一な振動伝達が実現される。
【００３５】
上記説明したように、本実施の形態に示す接合用ツール１４は、細長形状のホーン１５に接合子３０を着脱自在に装着する構成において、ホーン１５に上下方向の貫通孔１５ｂを設け、接合子３０を貫通孔１５ｂを上側から挿通させて接合子３０を貫通孔１５ｂの下側内面に設けられた接合子当接面１５ｇにねじ締結力によって押し付ける構成を採用している。
【００３６】
これにより、細長形状のホーン１５を左右に分割することなく、接合子３０をホーン１５に固定することができる。したがって、ホーン本体を分割して接合子を挟み込む構造の従来技術と比較して、接合動作時の押圧荷重によって接合子装着部分に位置ずれや変形が生じにくく、接合子と部品との当接面の平面度が確保されるとともに、振動伝達特性の変動を防止することができる。このため接合作業を反復実行する過程で接合条件が適正に維持され、良好な接合品質を安定して確保することができる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、基部に設けられた貫通孔の一方側に設けられた雌ねじ部に押付部材に設けられた雄ねじ部を螺合させて締結し、接合子を貫通孔の他方側内面に設けられた接合子当接面に対して押し付けて接合子を基部へ固定する構成としたので、基部を分割することなく接合子を基部に安定して固定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の接合装置の正面図
【図２】本発明の一実施の形態の接合用ツールの斜視図
【図３】本発明の一実施の形態の接合用ツールの正面図
【図４】本発明の一実施の形態の接合用ツールの部分断面図
【図５】本発明の一実施の形態の接合用ツールの部分断面図
【符号の説明】
１４  接合用ツール
１５  ホーン
１５ｂ  貫通孔
１５ｇ  接合子当接面
１７  振動子
３０  接合子
３０ａ  部品当接部
３０ｂ  ホーン当接面
３１  押付部材
４０  電子部品
４６  基板
【図１】
2005026500.tif 000003
【図２】
2005026500.tif 000004
【図３】
2005026500.tif 000005
【図４】
2005026500.tif 000006
【図５】
2005026500.tif 000007