(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端で電子部品を吸着保持するボンディングツールと、このボンディングツールに振動を付与するトランスデューサとを備える超音波ボンディング装置であって、
前記トランスデューサは、超音波振動子と、これに接続された振動伝達用のホーンとを備え、前記ホーンの先端側には、前記ボンディングツールが取り付けられており、前記ボンディングツールは、その端部が前記ホーンの端面から突出する長さを、たわみ共振しない長さに設定されて取り付けられていることを特徴とする超音波ボンディング装置。
【請求項２】
先端で電子部品を吸着保持するボンディングツールと、このボンディングツールに振動を付与するトランスデューサとを備える超音波ボンディング装置であって、
前記ボンディングツールの先端吸着面が、ボンディングツールの吸着端側部分におけるたわみ振動の節を曲率中心とした凸曲面に形成されていることを特徴とする超音波ボンディング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チップ部品などの電子部品を、基板やパッケージなどの装着対象物に超音波振動を付与して圧着するのに利用する超音波ボンディング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図９および図１０に従来の超音波ボンディング装置に利用される超音波ボンディングヘッドの一例が示されている。
【０００３】
この超音波ボンディングヘッド８の場合、超音波振動子１１と振動伝達用のホーン１２とを接続してなるトランスデューサ１３が、ヘッド本体１９に連結された保持部材１４に水平姿勢で保持されている。ホーン１２の先端側にボンディングツール１５が鉛直に支持されている。
【０００４】
ボンディングツール１５上端と真空装置２３は、チューブ２６を介して連通接続されて、ボンディングツール１５下端の部品吸着面に電子部品４を吸着保持するよう構成されている。
【０００５】
ホーン１２における縦振動の定在波の腹に相当する位置に、縦振動方向と略直交する方向にボンディングツール１５が取付けられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来例では、ボンディングツール１５の下端側がホーン１２から片持ち状に大きく突出され、この突出した部分が図１０において実線と二点鎖線で示すように、たわみ共振している。このため、ボンディングツール１５の下端の部品吸着面は装着対象物２の被圧着面に対して傾き振動することになり、電子部品４の複数箇所に備えられるバンプ４ａにおいては、その位置によって振動成分に差異が発生する。
【０００７】
すなわち、図１０に示すように、複数箇所のバンプ４ａのうち、傾き振動の中心部にあるバンプ４ａには被圧着面に対して平行な振動成分のみが印加されるのに対して、傾き振動の中心から離れた位置にあるバンプ４ａには被圧着面に対して平行な振動成分に加えて傾斜振動により垂直な振動成分が印加されることになる。
【０００８】
このようにして、バンプ４ａの位置によって振動成分に違いが存在するため、それぞれのバンプ４ａでの圧接状態に差異が発生し、全体としてボンディングの品質の均一性が損なわれる。
【０００９】
したがって、本発明は、品質において均一な超音波ボンディング作業を可能とすることを共通の解決すべき課題としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明第一の超音波ボンディング装置は、先端で電子部品を吸着保持するボンディングツールと、このボンディングツールに振動を付与するトランスデューサとを備える超音波ボンディング装置であって、前記トランスデューサは、超音波振動子と、これに接続された振動伝達用のホーンとを備え、前記ホーンの先端側には、前記ボンディングツールが取り付けられており、前記ボンディングツールは、その端部が前記ホーンの端面から突出する長さを、たわみ共振しない長さに設定されて取り付けられていることを特徴とする。
【００１３】
本発明第一の超音波ボンディング装置では、トランスデューサのホーンに装着したボンディングツールの端部の突出長さを、たわみ共振しない微小な長さに設定することで、トランスデューサから伝達された振動でボンディングツールがたわみ共振することを抑制することができ、電子部品の複数箇所に備えられたバンプのそれぞれに均一に振動が印加される。
【００１４】
本発明第二の超音波ボンディング装置は、先端で電子部品を吸着保持するボンディングツールと、このボンディングツールに振動を付与するトランスデューサとを備える超音波ボンディング装置であって、前記ボンディングツールの先端吸着面を、ボンディングツールの吸着端側部分におけるたわみ振動の節を曲率中心とした凸曲面に形成しているものであって、伝達された振動によってボンディングツールがたわみ共振して、ツール先端が振動の節を中心として振動するが、吸着端は振動の節に相当する位置を曲率中心とした凸曲面となっているので、吸着端で押圧されている電子部品には圧接面と平行な振動成分のみが印加されることになる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図面に示す実施形態に基づいて説明する。
【００１６】
図１に、本発明に係る超音波ボンディングヘッドを備えた超音波ボンディング装置の概略構成が示されている。
【００１７】
この超音波ボンディング装置における装置フレーム１の上面には、装着対象物の一例である基板２を搭載支持する装着ステージ３とバンプ付きチップ部品などの電子部品４を整列収容した部品供給部５とが装備されている。
【００１８】
装置フレーム１の上方には、部品搬送ステージ６と、部品供給部５から取出した電子部品４を部品搬送ステージ６に供給する部品供給ユニット７と、部品搬送ステージ６に供給された電子部品４を受取って装着ステージ３上の基板２に圧着するボンディングヘッド８と、このボンディングヘッド８を支持して昇降する昇降ブロック９とが配備されている。
【００１９】
装着ステージ３は、ボンディングヘッド８に保持された電子部品４に対する位置合わせのために、前後および左右に水平移動可能に構成されている。
【００２０】
部品搬送ステージ６は、部品供給ユニット７によって供給されてきた電子部品４をボンディングヘッド８の上下移動経路内に搬入して、ボンディングヘッド８に受け渡すよう上下および水平移動可能に構成されている。
【００２１】
本発明は、前記したボンディングヘッド８の構成に特徴を有し、以下、その実施の形態を説明する。
【００２２】
（実施の形態１）
図２ないし図５に、実施の形態１に係るボンディングヘッド８が示されている。
【００２３】
このボンディングヘッド８において、超音波振動子１１と振動伝達用のホーン１２とを接続してトランスデューサ１３が構成されている。トランスデューサ１３は、ステンレス鋼やアルミなどの金属材からなる保持部材１４の下部に水平に連結支持されている。トランスデューサ１３の先端部に丸パイプ状のボンディングツール１５が鉛直に取付けられている。
【００２４】
ボンディングツール１５は、ホーン１２の先端部のすり割り溝１２ａに、上下に略同量づつ突出するよう挿通されて上下一対のボルト１６で上下幅広く締め込み固定されている。そして、吸着孔ｐを下向きに開口したツール下端部は、ホーン１２の下面よりわずかに（１ｍｍ程度）突出されている。
【００２５】
トランスデューサ１３における振動の節（振動しない点）に相当する部位には、平板状のフランジ部１３ａが備えられている。
【００２６】
図５に示すように、保持部材１４の下部には、下向きに開放された逆Ｕ字状の凹部１４ａが形成されている。この凹部１４ａにトランスデューサ１３が下方から係入された状態で、フランジ部１３ａを保持部材１４における側面に左右一対のボルト１７で締付け固定され、これによって、トランスデューサ１３は、保持部材１４に対して水平に固定されている。
【００２７】
図２に示されるように、保持部材１４そのものは、固有音響インピーダンスが異なる材質、例えばアクリル板等の樹脂材からなるスペーサ１８を介してヘッド本体１９に連結されている。
【００２８】
保持部材１４には、吸引パイプ２１がボンディングツール１０の上端に同心状に対向して装着されている。この吸引パイプ２１は、変形可能な吸引チューブ２２を介して真空装置２３に連通接続されている。
【００２９】
吸引パイプ２１の下端には、シリコンゴムで形成された下広がりノズル状の弾性シール体２４が装着されている。吸引パイプ２１に負圧が印加されない自由状態では、図４（ｂ）に示すように、弾性シール体２４とボンディングツール１５の上端との間に僅かな間隙ｃが形成され、吸引パイプ２１内に設定以上の負圧が作用すると、図４（ａ）に示すように、弾性シール体２４が内側に弾性変形して、相手シール面となるボンディングツール１５の上端面に密着するようになっている。
【００３０】
次に上記構成を有する超音波ボンディング装置による部品装着行程を説明する。
【００３１】
一つの基板２への電子部品４の装着が完了したことが確認されると、ボンディングヘッド８が上昇を開始する。これとともに、部品搬送ステージ６がボンディングヘッド８の上下移動経路に向けて進出する。また、ボンディングヘッド８が上昇すると、装着ステージ３は水平方向にピッチ移動して、次に装着する基板２をボンディングヘッド８の直下位置にセットする。
【００３２】
ボンディングヘッド８が上昇すると、電子部品４を保持して水平移動してボンディングヘッド８の上下移動経路中に進出してきた部品搬送ステージ６が上昇作動し、電子部品４はボンディングヘッド８におけるボンディングツール１５の下端に当て付けられ、吸着保持される。
【００３３】
この際、ボンディングヘッド８の吸引パイプ２１は真空装置２３によって吸引作用を受けており、ボンディングツール１５の下端に電子部品４が当て付けられるまでは、ボンディングツール１５の下端の吸着孔ｐを通して空気が吸引されている。この場合、ツール下端への電子部品４の当て付けによって吸着孔ｐが塞がれると、ツール内の真空通路および吸引パイプ２１内が負圧になる。そして、負圧が設定以上に低下すると、図４（ａ）に示すように、弾性シール体２４が内側に弾性変形してその先端部がボンディングツール１５の上端面に密着する。その結果、吸着孔ｐと真空装置２３との間に、外気と遮断された真空通路が形成され、十分な負圧によって電子部品４は確実にツール下端に吸着保持される。
【００３４】
ボンディングツール１５への電子部品４の受け渡しが完了すると、部品搬送ステージ６はボンディングヘッド８の上下移動経路から退避して、次の部品供給を受ける待機位置まで復帰移動する。そして、電子部品４を保持したボンディングヘッド８は下降作動して、ボンディングツール１５の下端に保持した電子部品４を基板２に適度な荷重で押圧するとともに、トランスデューサ１３が駆動されてボンディングツール１５に水平方向の振動が伝達される。これによって、この水平方向振動が電子部品４に印加され、部品下面のバンプ４ａが基板２の回路パターン上に確実に接合される。
【００３５】
ここにおいて、ボンディングツール１５は、上下に幅広くホーン１２に貫通支持されて、吸着端がたわみ共振することのない僅かな長さだけしか突出されていない。そのため、ボンディングツール１５の吸着面は傾き振動することがなく、圧接面に対して平行な振動成分のみが電子部品４に印加される。
【００３６】
この加振行程においては吸引パイプ２１への吸引は真空装置２３に装備されたバルブの制御によって遮断され、吸引パイプ２１内は大気圧となる。その結果、図４（ｂ）に示すように、弾性シール体２４は元の形状に弾性復元し、ボンディングツール１５の上端と弾性シール体２４との間に間隙ｃが再び形成される。従って、トランスデューサ１３の振動はロスなくボンディングツール１５に伝達される。
【００３７】
また、加振圧着行程において、トランスデューサ１３におけるフランジ部１３ａはフランジ面に沿った平面の拡がり振動モードとなっているのに対して、このフランジ部１３ａが連結される保持部材１４のトランスデューサ取付け部位も、逆Ｕ字状の凹部１４ａとなってフランジ部１３ａの取付け面方向に弾性変形可能となっている。
【００３８】
したがって、フランジ部１３ａの面方向への拡がり振動によって保持部材１４のトランスデューサ取付け部位も振動することになり、トランスデューサ１３の保持部材１４への保持状態がトランスデューサ１３の振動特性に影響を及ぼすことが少なくなる。
【００３９】
また、保持部材１４とヘッド本体１９との間に介在された固有音響インピーダンスの異なるスペーサ１８によってトランスデューサ１３の振動は反射される結果、保持部材１４とヘッド本体１９との間での微小な振動によるトランスデューサ１３の振動特性への影響が少なくなる。
【００４０】
なお、上述の実施形態１の場合、以下に述べる形態も考えられる。
（１）前記弾性シール体２４をボンディングツール１５の上端に装備して、吸引パイプ２１の端面に対向させるように構成して実施することもできる。
（２）加振行程において吸引が解除された時、前記弾性シール体２４と相手シール面との間に間隙ｃが形成されることが、トランスデューサ１３の振動を効率よくボンディングツール１５に伝達する上で望ましいが、吸引が解除された状態において弾性シール体２４が相手シール面に軽く接触しているように構成しても、ボンディングツール１５への振動伝達に影響を及ぼすことは極めて少ないものである。
（３）また、図１１のようにトランスジューサ１３を圧着面に対して角度をつけて固定することで圧着面に平行な振動成分に加え、垂直な振動成分も印加することが可能となる。この場合でもツール先端の吸着面は、傾き振動していないために、各バンプに対し、均一な振動を印加することができる。
【００４１】
（実施の形態２）
図６ないし図８に、実施の形態２に係るボンディングヘッド８が示されている。
【００４２】
このボンディングヘッド８は、上述の実施の形態と同様に、ステンレス鋼などの金属材からなる保持部材１４に連結支持されたトランスデューサ１３の先端部に、丸パイプ状のボンディングツール１５を鉛直に取付けた構造となっている。
【００４３】
トランスデューサ１３自体は先細り形状に構成されたホーン１２の先端部のすり割り溝１２ａに貫通されてボルト１６で締め込み固定されている。
【００４４】
ボンディングツール１５の上端と真空装置２３とは、柔軟なチューブ２６を介して連通接続され、ボンディングツール１５下端の吸着面に電子部品４を吸着保持するよう構成されている。
【００４５】
トランスデューサ１３は、実施の形態１と同様に、保持部材１４の下端部に形成された凹部１４ａに下方から係入された状態で、トランスデューサ１３に備えたフランジ１３ａを保持部材１４の側面に左右一対のボルト１７で締付け固定することで、水平に固定されるようになっている。
【００４６】
ここで、ホーン１２における縦振動の定在波の腹に相当する位置に、鉛直方向にボンディングツール１５が取付けられるとともに、ボンディングツール１５の先端の吸着面ｓが、ボンディングツール１５の吸着端側部分におけるたわみ振動の節ａを曲率中心とした半径ｒの凸曲面に構成されている。
【００４７】
吸着面ｓの外周部にはシリコンゴムなどの柔軟な弾性材からなるパッド２７が装備され、電子部品４を吸着保持する際の真空もれが防止されるようになっている。
【００４８】
このようにボンディングツール１５をトランスデューサ１３に保持することで、加振圧着行程において、トランスデューサ１３から伝達された振動によってボンディングツール１５がたわみ共振して、ツール先端も最も近い振動の節ａを中心として振動する。この場合、吸着面ｓは上記振動の節ａに相当する位置を曲率中心とした凸曲面となっているので、吸着面ｓで押圧されている電子部品４には圧接面と平行な振動成分のみが印加されることになる。
【００４９】
因みに、60ｋHｚの振動周波数の場合、超硬質の材質（ヤング率：630Gpa，密度14900kg/m3）、外径３mmのボンディングツール１５の長さＬは、たわみ共振２次モードを利用するとして、Ｌ＝28.2mmであり、半径ｒは、ｒ＝3.7mmである。
【００５０】
なお、この実施の形態２においても、ボンディングツール１５と真空装置２３との接続を実施の形態１と同様に構成することで、ロスのない振動印加を行うことができる。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、基板に押圧したバンプ付きの電子部品を加振する際に、複数のバンプそれぞれに均一に振動を印加して、品質の均一な超音波ボンディングを行うことができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超音波ボンディング装置の斜視図
【図２】実施の形態１の超音波ボンディングヘッドを示す正面図
【図３】実施の形態１の超音波ボンディングヘッドを示す斜視図
【図４】（ａ）部品吸着状態におけるボンディングツールの正面図、（ｂ）部品加振行程におけるボンディングツールの正面図
【図５】実施の形態１の要部の分解斜視図である。
【図６】実施の形態２の超音波ボンディングヘッドを示す正面図
【図７】実施の形態２の超音波ボンディングヘッドを示す斜視図
【図８】実施の形態２の要部の拡大図
【図９】超音波ボンディングヘッドの従来例を示す正面図
【図１０】従来例のンディングツールを拡大した正面図
【図１１】他の実施の形態の超音波ボンディングヘッドを示す正面図
【符号の説明】
２      装着対象物
４      電子部品
９      昇降ブロック
１１    超音波振動子
１２    ホーン
１３    トランスデューサ
１４    保持部材
１５    ボンディングツール
２７    パッド
ａ      たわみ振動の節
ｐ      吸着孔
ｓ      吸着面
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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