(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボンディングヘッドのハウジング内部に隙間を介して設けられたボンディングツールと、ボンディングツールに超音波振動を付与する超音波振動付与手段と、ボンディングツールを磁力により上方へ付勢する付勢手段と、ボンディングツールの天面及び側面とハウジング内部との間の隙間に気体を供給する気体供給手段とを備え、ボンディングツールをハウジング内部で浮遊状態に保持することを特徴とするボンディングヘッド。
【請求項２】
ボンディングツールの天面とハウジング内部との隙間を測定するセンサを有する請求項１記載のボンディングヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波振動を付与してチップを基板にボンディングするボンディング装置の改良に関するものであって、詳しくはボンディングツールの保持手段を主眼に開発されたものである。
【０００２】
【従来の技術】
携帯機器の軽量小型化の要求により半導体部品の実装面積は年々小型化され、ＣＳＰやベアチップのフリップチップの実装が量産レベルで実現しつつある。この量産性からして有望視されている実装技術として、超音波振動による実装技術がある。しかし、現在の超音波振動による実装技術は、少ピンの小型チップレベルには適しているものの、多ピンで大型のチップの実装にはいまだ適していないものであった。
【０００３】
その理由として、第１にボンディングツールを効率よく振動させることができないこと、第２にボンディングツールの振動減衰時間の制御が難しいこと、第３にチップサイズの変化によるボンディングツールの共振周波数を一定化することが難しいこと、すなわち、チップサイズが変化することによりチップ重量を含む超音波ボンディングツールの自重が変化するために共振するための固有振動数が変化してしまうのである。第４に、実装精度の維持が難しいことが考えられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、ボンディングツールをフローティング構造により支持し、ボンディングツールの振動効率をアップし、振動減衰時間の制御を容易とすると共に、チップサイズの変化によるボンディングツールの共振周波数の一定化を可能とし、更に、実装精度の向上の図れるボンディングヘッド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】
本発明は上記課題を解決するためボンディングヘッドに次の手段を採用した。
第１に、ボンディングヘッドのハウジング内部に隙間を介してボンディングツールを装着する。
第２に、ボンディングツールに超音波振動を付与する超音波振動付与手段を設ける。
第３に、ボンディングツールを磁力により上方へ付勢する付勢手段を設ける。第４に、ボンディングツールの天面及び側面とハウジング内部との間の隙間に気体を供給する気体供給手段を設ける。
第５に、上記手段によりボンディングツールをハウジング内部で浮遊状態に保持する。
【０００６】
更に、第２の発明として、上記ボンディングヘッドに、ボンディングツールの天面とハウジング内部との隙間を測定するセンサを設けたボンディングヘッドを提供する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図面に従って、実施例と共に本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の特徴部分となる超音波ボンディングヘッドの取り付け概要を示す説明図であり、図中１が超音波ボンディングヘッドであり、３１が、基板３０を保持した基板ステージである。
【０００８】
超音波ボンディングヘッド１は、垂直に取り付けられた２本のガイドレール２に渡されたヘッド支持ブラケット３の下面に取り付け固定されており、図示されていないＺ軸駆動機構により超音波ボンディングヘッド１はヘッド支持ブラケット３と一体でガイドレール２に沿って昇降し、後述する超音波振動付与手段によりチップ２０に超音波振動を付与し、基板３０にボンディングするものである。
【０００９】
ヘッド支持ブラケット３は、一カ所（図１中上方位置）でロードセル４に当接させられて実装荷重をモニタできるようになっている。ロードセル４は、別設のロードセル支持プレート５に支持されている。
【００１０】
図１では、超音波ボンディングヘッド１の移動として垂直方向の移動しか示されていないが、図１に示される機構全体を水平方向等に移動させる装置とすることもできるし、又は、この機構全体は固定しておき、チップ供給や基板供給は他の機構により行う装置とすることもできる。
【００１１】
図２は、超音波ボンディングヘッド１の構成を示す断面説明図で、超音波ボンディングヘッド１は、ボンディングツール本体となる超音波ボンディングツール６と、ボンディングツール天面となる吸着プレート７と、ツールホルダ８と、トップカバー９とよりなる。
【００１２】
尚、超音波ボンディングヘッド１の上部を構成するトップカバー９と側周面を構成するツールホルダ８とが、本発明におけるボンディングヘッドのハウジングとなる。
【００１３】
そして、トップカバー９とツールホルダ８で囲まれたボンディングヘッド内側のハウジング空間に、所定の隙間（後述のエアギャップ４１，４２が確保可能な間隙）を設けて、吸着プレート７及び吸着プレート７下面に固着された超音波ボンディングツール６が装着される。
【００１４】
トップカバー９は、図１に示されるようにヘッド支持ブラケット３に固着されており、内側に永久磁石２１が埋め込まれている。永久磁石２１が、本発明におけるボンディングツールを磁力により上方へ付勢する付勢手段となる。
【００１５】
すなわち、該永久磁石２１により、トップカバー９下方のハウジング空間に位置する超音波ボンディングツール６の天面を構成する吸着プレート７を上方へ付勢する。吸着プレート７を上方に付勢することにより吸着プレート７の下面に固着された超音波ボンディングツール６もトップカバー９側に付勢される。
【００１６】
超音波ボンディングツール６を構成する吸着プレート７は、平板状のもので、垂直方向のエアギャップ４１を維持するために配管２７を通して吸着プレート７の中心から上方に向かってドライエアを噴出し、永久磁石２１による吸着プレート７の吸着を阻止し、トップカバー９の内側と吸着プレート７の間隔（５乃至１０ミクロン）のエアギャップ４１を一定に保つようにしている。
【００１７】
この構造により超音波ボンディングツール６を重力に逆らい空中に浮上させることができるのである。尚、吸着プレート７に供給するドライエアの圧力を微調整することによりチップ２０への印加する荷重を微妙にコントロールすることができる。
【００１８】
このトップカバー９には非接触タイプのギャップセンサ２２が埋め込まれており、後述するトップカバー９と吸着プレート７のエアギャップ４１を観察し、吸着プレート７に供給するドライエアの圧力を制御することにより、このエアギャップ４１の制御を行っている。
【００１９】
このエアギャップ４１は実装時に、チップ２０が基板３０に高速で接触した際、チップ２０への機械的な衝撃を和らげる緩衝機構となり、チップ２０へのダメージを防止することができる。
【００２０】
超音波ボンディングツール６及び吸着プレート７は、後述するように吸着プレート７の天面側だけでなく、超音波ボンディングツール６の側面側にもエアを供給するので超音波ボンディングツール６が傾くことが無いようになっている。尚、実施例ではトップカバー９と吸着プレート７の対向する面に溝を設けていないが、エアが均等に供給されるように溝を設けても良い。
【００２１】
ツールホルダ８は、超音波ボンディングツール６の四方を囲む方形枠の形状のもので、四方にエア供給口１８が設けられており、四方のエア供給口１８からからドライエアを供給し、超音波ボンディングツール６をエアにて水平面内に固定できる構造となっている。実施例での水平方向のエアギャップ４２は５乃至１０ミクロンである。
【００２２】
ツールホルダ８は、剛性のある材料で製作され、超音波ボンディングツール６に面している内面は、精度良く仕上げられている。超音波ボンディングツール６とツールホルダ８の内側間にドライエアを図示されていない電空バルブで所定の圧力にして供給することにより、このギャップを５乃至１０ミクロンに保つことができる。これは３つの理由から非常に重要である。
【００２３】
第１に超音波ボンディングツール６の振動減衰時間を制御できる。例えば、電空バルブにより、高いエア圧とすることにより減衰時間を短縮することができる。
【００２４】
第２にチップ２０のサイズの変化による超音波ボンディングツール６の共振周波数を一定化することができる。すなわち、チップ２０のサイズが変化することによりチップ重量を含む超音波ボンディングツール６の自重が変化するために共振するための固有振動数が変化してしまう。そこで、固有振動数を一定化するためエア圧を電空バルブで所定圧力に調整するのである。
【００２５】
第３に、実装精度を向上することができる。超音波ボンディングツール６が四方からエアベアリングにて支持されているため、振動が減衰し停止する位置は必ず±５ミクロン以内に押さえることができる。
【００２６】
超音波ボンディングツール６は、チップ吸着手段を備えており、図６に示されるように、先端２４の中央にチップ真空吸着用穴１９が穿設されている。
【００２７】
チップ真空吸着用穴１９への真空圧の供給は、図６に示されるように、外部に設置した真空ポンプ等と連結された真空吸着ライン２５から、吸着プレート７及び超音波ボンディングツール６内部の配管２６を通じて行われる。配管２６は、超音波ボンディングツール６の動きを妨げないようにフレキシブルチューブとされている。チップ真空吸着用穴１９に供給された真空圧により、チップ２０を超音波ボンディングツール６先端２４に吸着保持するのである。
【００２８】
又、超音波ボンディングツール６の先端２４は、図５に示されるようにチップ２０との接触部の摩擦係数をアップさせるために凹面の曲面形状に仕上げられている。これによりチップ２０の吸着の際、チップ２０を微小に変形させるようにしている。これによりチップずれの防止、超音波振動の伝達効率向上が期待できる。
【００２９】
超音波ボンディングツール６は、超音波振動付与手段を内蔵したボンディングツールであり、超音波ボンディングツール６の内側に外形が矩形状の２組の弾性フレーム１０，１１と２本の超音波振動子１２，１３を内蔵している。弾性フレーム１０，１１と超音波振動子１２，１３は対に構成され、図１、図３及び図４に示されるように直交する位置に配置されている。
【００３０】
この結果、超音波ボンディングツール６の上部に内蔵された超音波振動子１２は、図３中左右方向への振動を付与し、他方超音波振動子１３は図４中上下方向に振動を付与している。尚、実施例のように２個の超音波振動子１２，１３の振動周期の位相を９０度相対的にずらせて振動させているものであれば、超音波ボンディングツール６は楕円運動振動を発生している。更に、互いの振幅が等しくなるようにすれば超音波ボンディングツール６は正円運動となる。超音波ボンディングツール６に楕円運動若しくは正円運動等の略円運動をさせることにより、超音波ボンディングツール６先端に吸着されたチップ２０と基板３０との摩擦距離が単に往復運動の場合に比較して最大２分のπ倍となり、熱効率を向上させることができ、ボンディングに要する時間を短縮することができる。
【００３１】
弾性フレーム１０，１１は、図３及び図４に示されるように振動伝達部１４，１４′と、ウエイト部１５，１５′と、バネ部１６，１６′と外周ハウジング部１７からなり、外周ハウジング部１７に各バネ部１６，１６′が連設されている。尚、超音波振動子１２，１３は外周ハウジング部１７に取り付けられ、振動発生部側端部を振動伝達部１４，１４′に当接している。尚、実施例ではチップ２０の吸着部となる先端２４は、外周ハウジング部１７の下方に保持されている。
【００３２】
弾性フレーム１０，１１が上記構造を取ることにより超音波振動子１２，１３の超音波振動を振動伝達部１４，１４′よりウエイト部１５，１５′に伝え、更にバネ部１６，１６′を通じて、外周ハウジング部１７に伝達され、超音波ボンディングツール６が振動するものである。弾性フレーム１０，１１が上記構造を取ることにより超音波振動に共振し、超音波ボンディングツール６を効率よく振動させることができ、チップ２０への低損失での振動の伝達が可能となる。
【００３３】
尚、２個の超音波振動子１２，１３への電源供給は、図７に示されるように吸着プレート７から超音波ボンディングツール６の外周ハウジング部１７内部に配線され、該内部で個々の超音波振動子１２，１３に接続された配線２３による。
【００３４】
【発明の効果】
本発明は、ボンディングヘッドのハウジングに隙間を介して設けられた超音波ボンディングツールと、該ボンディングツールを磁力により上方へ付勢する付勢手段と、該ボンディングツールの天面及び側面とハウジング内部との間の隙間に気体を供給する気体供給手段とを備え、ボンディングツールをハウジング内部で浮遊状態に保持することを特徴とするボンディングヘッドであるので、ボンディングツールをフローティング構造により支持でき、超音波振動子の振動を効率よくボンディングツールに伝達でき、ボンディングツールの振動減衰時間の制御を容易とすると共に、チップサイズの変化によるボンディングツールの共振周波数の一定化を可能とし、更に、実装精度の向上の図れるボンディンヘッドとなった。
【００３５】
請求項２記載の発明の効果ではあるが、ボンディングツールの天面とハウジング内部との隙間を測定するセンサを設けることにより、この隙間の観察ができ、その結果より隙間に供給する気体の圧力を制御し、隙間（エアギャップ）の制御を容易に行うことができるものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】超音波ボンディングヘッドの取り付け概要を示す説明図
【図２】超音波ボンディングヘッドの構成を示す断面説明図
【図３】超音波ボンディングツール上部の横断面説明図
【図４】超音波ボンディングツール下部の横断面説明図
【図５】超音波ボンディングツール先端の拡大説明図
【図６】超音波ボンディングツールのチップ吸着用真空配管図
【図７】超音波ボンディングツールの電器配線図
【符号の説明】
１．．．．．．超音波ボンディングヘッド
２．．．．．．ガイドレール
３．．．．．．ヘッド支持ブラケット
４．．．．．．ロードセル
５．．．．．．ロードセル支持プレート
６．．．．．．超音波ボンディングツール
７．．．．．．吸着プレート
８．．．．．．ツールホルダ
９．．．．．．トップカバー
１０，１１．．弾性フレーム
１２，１３．．超音波振動子
１４，１４′．振動伝達部
１５，１５′．ウエイト部
１６，１６′．バネ部
１７．．．．．外周ハウジング部
１８．．．．．エア供給口
１９．．．．．チップ真空吸着用穴
２０．．．．．チップ
２１．．．．．永久磁石
２２．．．．．ギャップセンサ
２３．．．．．配線
２４．．．．．先端
２５．．．．．真空吸着ライン
２６，２７．．配管
３０．．．．．基板
３１．．．．．基板ステージ
４１，４２．．エアギャップ
【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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