(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被接合物同士を接合する装置であって、一方の被接合物を保持する手段と、該保持手段を被接合物の接合方向に送る送り機構と、該送り機構の駆動源とを、同軸上に直列に配置し、前記保持手段と前記送り機構を、高精度ガイド内を上下方向に移動されるスライドメンバーを介して連結するとともに、前記保持手段が、保持した被接合物を接合方向に加圧可能な低摺動抵抗シリンダ手段を備えており、かつ、前記保持手段が、被接合物の接合点を球中心とする球面軸受を備えた被接合物の保持部材と、該保持部材を支持し該保持部材の姿勢を制御するアクチュエータとを有することを特徴とする接合装置。
【請求項２】
前記低摺動抵抗シリンダ手段がエアベアリングシリンダからなる、請求項１の接合装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被接合物同士を接合する装置に関し、とくに、チップを基板に接合する実装装置等に適用して最適な接合装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
チップを基板に実装する装置やウエハー同士を接合する装置等においては、被接合物同士の相対位置関係を所定の精度内に納め、一方の被接合物を保持したヘッドを他方の被接合物に向けて駆動し、両被接合物を接合するようにしている。
【０００３】
このヘッド駆動機構は、通常、駆動源からの加圧駆動力を伝達する送り機構を、ガイド機構を介して、平行度調整機構を備えるとともに被接合物を保持するヘッド側機構に接続した構造に構成されている。これら送り機構、ガイド機構、ヘッド側機構は、通常並設されているので、送り機構の軸心と被接合物の接合中心（加圧中心）との間には、ある距離が存在し、送り機構側から伝達される加圧力やヘッド側機構の自重によりモーメントが発生する構造となっていた。
【０００４】
このようなモーメントは、加圧接合時の位置決め精度、とくに被接合物同士の平行度調整精度に影響を及ぼすことから、通常、ガイド機構やヘッド側機構の剛性を高め、モーメントによりヘッド側機構、とくに被接合物保持部が大きくは変位しないような処置が講じられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、高精度の位置決めを達成するために、上記のようなモーメントによる影響を極めて小さく抑えようとすると、ガイド機構等に極めて高い剛性が要求されることになり、このような高剛性のガイド機構等は、大型、大重量のものとなるから、装置全体の設計の自由度を大幅に制限してしまうことになる。また、モーメントの影響を完全に打ち消すことは困難であるから、位置決め精度にも限界が生じることになる。
【０００６】
また、高剛性のガイド機構を使用すると、一般にガイド部の摺動抵抗が大きくなるから、被接合物を接合するに際し、低加圧力の制御が困難になるという問題もある。
【０００７】
本発明の課題は、上記のような従来機構における問題点に着目し、とくにモーメント発生による悪影響を除去し、格別高剛性のガイド機構を使用することなく高精度の位置決めを行うことを可能にするとともに、容易に低加圧力まで制御可能な接合装置の構造を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る接合装置は、被接合物同士を接合する装置であって、一方の被接合物を保持する手段と、該保持手段を被接合物の接合方向に送る送り機構と、該送り機構の駆動源とを、同軸上に直列に配置し、前記保持手段と前記送り機構を、高精度ガイド内を上下方向に移動されるスライドメンバーを介して連結するとともに、前記保持手段が、保持した被接合物を接合方向に加圧可能な低摺動抵抗シリンダ手段を備えており、かつ、前記保持手段が、被接合物の接合点を球中心とする球面軸受を備えた被接合物の保持部材と、該保持部材を支持し該保持部材の姿勢を制御するアクチュエータとを有することを特徴とするものからなる。
【０００９】
この接合装置において送り機構としては、たとえば高精度のボールネジ等を採用でき、送り機構の駆動源としては、たとえばサーボモータ等を使用できる。
【００１０】
また、上記低摺動抵抗シリンダ手段としては、たとえばエアベアリングシリンダを使用できる。
【００１２】
上記のような本発明に係る接合装置においては、被接合物の保持手段と該保持手段の送り機構と送り機構の駆動源とが同軸上に直列に配置されており、かつ、保持手段と前記送り機構が、高精度ガイド内を上下方向に移動されるスライドメンバーを介して連結されているので、送り機構の駆動源から送り機構を介して保持手段に加圧力を伝達する際に、モーメントは発生しない。したがって、従来機構におけるような、送り機構と保持手段の軸ずれや自重によるモーメントの発生はなくなり、モーメントによる保持手段の位置決め精度への影響はほぼ完全になくなる。したがって、格別高剛性の送り機構等を使用しなくても、所望の高精度位置決めが可能になる。とくにサーボモータ等の送り機構の駆動源も前記同軸上に配置すれば、駆動源と送り機構はベルトのような弾性体を介さないため、位置精度、圧力精度ともに高精度が望める。
【００１３】
また、高剛性の送り機構を使用しなくて済むことから、送り機構の摺動抵抗を低く抑えることができ、低加圧力まで容易に制御できるようになる。とくに、保持手段に低摺動抵抗シリンダ手段（たとえば、エアベアリングシリンダ）を設けたので、比較的大きな加圧力が要求される場合には上記送り機構自身によりその加圧力を発揮させ、低加圧力が要求される場合には、送り機構の作動を固定した状態にて低摺動抵抗シリンダ手段により加圧力を制御し、それによって低加圧力についても精度良く制御することが可能になる。
【００１４】
さらに、保持手段を、被接合物の接合点を球中心とする球面軸受を備えた被接合物の保持部材と、該保持部材の姿勢を制御するアクチュエータとを有するものに構成したので、実質的に、被接合物の接合点まで前記同軸上に配列された構造とすることができ、位置決めから接合に至るまで、前述のようなモーメントの発生を防止することが可能になり、一層高精度の位置決め、接合が可能になる。しかも、この構造においては、被接合物の接合点を球中心として球面軸受を用いて平行度等の姿勢制御を行うので、実質的に被接合物の接合点を所定の位置に保ったまま（前記同軸上に位置させたまま）、姿勢調整を行うことが可能になり、姿勢調整機構自身内においても、モーメントの発生や、多軸調整による位置ずれ等の不都合の発生を防止でき、さらに高精度の位置決めが可能になる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の望ましい実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係る接合装置としての実装装置１を示している。図１においては、被接合物として、一方はチップ２で他方は基板３である場合を例示している。チップ２は、被接合物保持手段としての、ヘッド部４の下部に設けられた、ヒータを内蔵したヒートツール５の下面に保持されており、基板３はステージ６上に保持されている。本実施態様では、ステージ６はＸ、Ｙ方向（水平方向）および／または回転方向（θ方向）に位置調整できるようになっており、ヒートツール５はＺ方向（上下方向）に位置調整およびＸ、Ｙ方向（あおり方向）に姿勢調整できるようになっており、これら調整により、接合前に両被接合物の平行度等を含む相対位置関係が調整、制御されるようになっている。
【００１６】
なお、上記において、チップ２とは、たとえば、ＩＣチップ、半導体チップ、光素子、表面実装部品、ウエハーなど、種類や大きさに関係なく、基板３と接合させる側の全てのものをいう。また、基板３とは、たとえば、樹脂基板、ガラス基板、フィルム基板、チップ、ウエハーなど、種類や大きさに関係なく、チップ２と接合される側の全てのものを指す。
【００１７】
また、上記のようなステージ６、ヒートツール５は、一般には、平行移動および／または回転自在に装着されるが、必要に応じて、それらと昇降とを組み合わせた形態に装着してもよい。さらに、チップ２と基板３の位置合わせに関して、チップ２と基板３の位置合わせ後にツール５を下降させる装置形態であってもよい。
【００１８】
ヘッド部４は、該ヘッド部４をチップ接合方向に送る送り機構７に連結されており、これらヘッド部４と送り機構７が、同軸８上に直列に配置されている。送り機構７は、ボールネジ機構を備えており、ボールネジ機構は、ボールネジ軸９とそれに螺合するナット１０を有している。ボールネジ軸９の回転により、ナット１０が図の上下方向に移動されるようになっている。ナット１０は、回転阻止機構を備えたスライドメンバー１１を介してヘッド部４へと連結されており、ナット１０の上下動がヘッド部４へと伝達されることにより、ヘッド部４を介して、チップ２が基板３との接合のための高さ位置に決められるようになっている。スライドメンバー１１は、スライドローラ機構からなる高精度ガイド１２内を上下方向に移動される。送り機構としては、リニアサーボアクチュエータ、ボイスコイルアクチュエータも使用可能であり、高精度ガイドとしては、スライドボール、エアベアリングスライダーを用いることができる。
【００１９】
送り機構７のボールネジ軸９の上部は、スラスト荷重を受けることが可能な軸受１３に回転自在に支持されている。ボールネジ軸９の上端部には、カップリング１４を介して、ボールネジ軸９回転用の駆動源１５の出力軸が連結されており、本実施態様では、駆動源１５はサーボモータから構成されている。駆動源１５の制御により、送り機構７を介してヘッド部４の高さ位置が決められ、以下のエアシリンダ手段により加圧が行われる。本実施態様では、この駆動源１５もまた、前述の同軸８上に送り機構７に対して直列に配置されている。
【００２０】
本実施態様ではヘッド部４は次のように構成されている。ヘッド部４内には、低摺動抵抗シリンダ手段としてエアベアリングシリンダ１６が組み込まれている。エアベアリングシリンダ１６には、ピストン１７に対し加圧側のエア圧を供給する加圧ポート１８ａと、ピストン１７に上昇側（バランス側）のエア圧を供給するバランスポート１８ｂが設けられているとともに、ピストン１７を空気の静圧により極めて低い摺動抵抗にて摺動方向に案内するエアスライドガイド１９が設けられている。このエアベアリングシリンダ１６は、エアスライドガイド１９による極めて低い摺動抵抗（実質的に零抵抗）にて、加圧ポート１８ａとバランスポート１８ｂからのエア圧制御により、低加圧力領域において精度よく加圧力を制御できるようになっている。
【００２１】
また、エアベアリングシリンダ１６のピストン１７下端とヒートツール５との間には、球面軸受構造を有する平行度調整機構２０が設けられている。平行度調整機構２０は、下方に向けて凹球面を形成する球面座部材２１と、上方に向けて凸球面を形成する凸球面部材２２とで構成される球面軸受を備え、下方にヒートツール５が連結されて全体として被接合物の保持部材２３を構成する部分と、凸球面部材２２とヒートツール５の間に介装されたプレート２４をその周囲部の３点で支持するアクチュエータ（平行度調整用アクチュエータ）２５（たとえば、１２０°等配されたアクチュエータ）とを有している。アクチュエータとしては、ピエゾ、サーボモータ、リニアモータ、ステッピングモータなど高精度なものであればよい。
【００２２】
また、本実施態様では、図２、図３にも示すように、上記球面軸受は、エアベアリング機構に構成されており、平行度調整時には、球面座部材２１の凹球面と凸球面部材２２の凸球面との間に微小隙間のエアベアリング機構を構成して両部材間の相対移動（相対位置調整）を可能とし、位置決め後には、ロック用シリンダ２６にてその調整後位置に固定できるようになっている。このエアベアリング機構の作動を円滑に行わせるために、本実施態様では球面座部材２１内に、凸球面部材２２を球面座部材２１側に引き寄せておくマグネット２７が埋設されている。
【００２３】
この平行度調整機構２０では、図２、図３に示すように、アンロック状態（図２）にて３つのアクチュエータ２５の作動量を制御することによりプレート２４を介してヒートツール５の下面の姿勢を制御し、それによってヒートツール５に保持されているチップ２と、下方の基板３との平行度（あるいはヒートツール５の下面とステージ６の上面との平行度）を所定の精度内に制御する。位置決め後、図３に示すようにロック用シリンダ２６をロックし、位置決め後の状態に固定する。この調整時には、上記球面軸受においては、凸球面部材２２の凸球面は球面座部材２１の凹球面に沿って回動され、位置決め後に凸球面が凹球面に着座されるが、この球面軸受の球中心（回転中心）２８はチップ２の接合点（被接合物の接合点）、つまり接合中心に設定されているので、凸球面部材２２は球面座部材２１に対し、チップ２の接合点を中心に回転され位置調整されることになる。したがって、被接合物の接合点を移動させることなく、平行度を調整することが可能になる。本実施態様では、この接合点（球中心２８）まで、前述の同軸８上に配置されている。
【００２４】
このように構成された本実施態様に係る実装装置１においては、チップ２を保持するヘッド部４（ヒートツール５）とその保持手段の送り機構７が同軸８上に直列に配置されているので、送り機構７からヘッド部４に加圧力を伝達する際には、従来機構におけるようなモーメントは発生しない。したがって、モーメントによるヘッド部４での位置決め精度への影響はほぼ完全になくなる。したがって、格別高剛性の送り機構等を使用しなくても、所望の高精度位置決めが可能になる。
【００２５】
また、本実施態様ではサーボモータからなる送り機構７の駆動源１５まで上記同軸８上に配置されているので、駆動源１５と送り機構７はベルトのような弾性体を介さずに接続されることとなり、位置精度、圧力精度ともに高精度が望めるようになる。
【００２６】
また、モーメントが発生しないことから、従来のように格別高剛性のガイド機構を使用しなくても済み、まずこの面からガイド機構における摺動抵抗を低く抑えることができ、低加圧力まで容易に制御できるようになる。とくに本実施態様では、ガイド機構として、スライドローラ機構からなる高精度ガイド１２を使用しているので、望ましい低摺動抵抗に抑えることができるとともに、スライドボール機構に比べ高剛性を確保できるように配慮されている。
【００２７】
また、本実施態様では、保持手段としてのヘッド部４内に、低摺動抵抗シリンダ手段としてエアベアリングシリンダ１６を組み込んであるので、比較的大きな加圧力が要求される場合には上記送り機構７自身によりその加圧力を発揮させ、低加圧力が要求される場合には、送り機構７の作動を固定した状態にてエアベアリングシリンダ１６により加圧力を制御することが可能となる。エアベアリングシリンダ１６は、ピストン１７作動時には、ピストン１７の摺動をエア圧を利用したエアスライドガイド１９によって受けることができるから、極めて低い摺動抵抗にてピストン１７を作動させることができるようになっている。したがって、従来困難であった極めて低い加圧力まで精度良く制御することが可能になり、高加圧力から極低加圧力までの広い範囲にわたって高精度の加圧制御が可能となる。
【００２８】
さらに本実施態様では、ヘッド部４のエアベアリングシリンダ１６とチップ２保持しているヒートツール５との間に、球面軸受構造を有する平行度調整機構２０が設けられているので、図２、図３に示したように、チップ２の接合点を中心にして平行度調整を行うことが可能になる。また、この接合点まで、前述の同軸８上に配置されている。その結果、極めて高精度の位置決めが可能になるとともに、位置決めから加圧接合に至るまで、モーメントの発生を防止することが可能になり、一層高精度の接合が可能になる。
【００３１】
なお、上記実施態様は、本発明を実装装置に適用した場合について説明したが、本発明は、上記のような実装装置に限らず、各種被接合物のアライメント装置やマウンター等にも適用できる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る接合装置によれば、少なくとも被接合物の保持手段と保持手段の送り機構を、同軸上に直列に配置することにより、モーメントを発生させることなく、かつ、格別高剛性のガイド機構を使用することなく、所望の加圧力を低加圧力まで精度良く付与することができるようになるとともに、モーメントによる加圧接合時の位置決め精度への影響を排除して、より高精度の位置決めを行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施態様に係る接合装置としての実装装置の縦断面図である。
【図２】図１の装置における球面軸受機構部の拡大概略構成図である。
【図３】図２の球面軸受機構部における接合点との位置関係を表す概略構成図である。
【符号の説明】
１  接合装置としての実装装置
２  チップ
３  基板
４  ヘッド部
５  ヒートツール
６  ステージ
７  送り機構
８  同軸
９  ボールネジ軸
１０  ナット
１１  スライドメンバー
１２  高精度ガイド
１３  軸受
１４  カップリング
１５  駆動源
１６  低摺動抵抗シリンダ手段としてエアベアリングシリンダ
１７  ピストン
１８ａ  加圧ポート
１８ｂ  バランスポート
１９  エアスライドガイド
２０  球面軸受構造を有する平行度調整機構
２１  球面座部材
２２  凸球面部材
２３  被接合物保持部材
２４  プレート
２５  アクチュエータ
２６  ロック用シリンダ
２７  マグネット
２８  球面軸受の球中心となるチップの接合点（被接合物の接合点）
【図１】
0003901529.tif 000002
【図２】
0003901529.tif 000003
【図３】
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