JP2001345352A - 電子部品のボンディング装置およびボンディング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ボンディングツールの摩耗量管理を容易に行
え、ボンディング品質を確保することができる電子部品
のボンディング装置およびボンディング方法を提供する
ことを目的とする。 【解決手段】 加圧と超音波振動により電子部品をボン
ディングする電子部品のボンディング方法において、ボ
ンディングに先立って振動子２０のインピーダンスの変
化を検出することによって基準面３ａとの当接を検出
し、この当接検出結果からボンディングツールの電子部
品との当接面の摩耗量を検出する。そしてボンディング
時には、摩耗量検出結果に基づいてボンディングヘッド
の押し込み量を制御する。これにより、ボンディングツ
ールの摩耗量を容易に検出して電子部品をワークに対し
て所定の押圧力で押圧することができ、ボンディング品
質を確保することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子部品を基板な
どのワークにボンディングする電子部品のボンディング
装置およびボンディング方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】バンプ付電子部品などの電子部品を基板
などのワークにボンディングする方法として超音波圧接
を用いる方法が知られている。この方法は、電子部品の
バンプを基板に押圧しながら超音波振動を付与し、バン
プと基板の電極などの接合面を相互に摩擦させてボンデ
ィングするものである。このボンディング過程において
良好な接合性を確保するためには、バンプを基板の電極
に対して適切な圧着荷重値で押圧する必要がある。

【０００３】このため従来より電子部品のボンディング
装置には、電子部品を保持して基板に押圧するボンディ
ングヘッドに、電子部品をボンディングツールを介して
適正荷重で押圧するための加圧手段が設けられている。
すなわち、ボンディングヘッドをワーク上の所定高さ位
置まで下降させることにより、エアシリンダやダイアフ
ラムなどの加圧手段が所定の押し込み量だけ押し込ま
れ、これによって電子部品に所定の押圧力が作用するよ
うになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、電子部品に
はボンディングツールとの当接面を介して荷重と超音波
振動が伝達されるため、ボンディング作業を継続する過
程においてボンディングツールの当接面は徐々に摩耗す
る。このため、予め設定された高さ位置までボンディン
グヘッドを下降させた場合においても、ボンディングツ
ールの摩耗状態によって加圧手段が押し込まれる押し込
み量は一定ではない。この結果電子部品を押圧する押圧
荷重は一定に保たれず摩耗状態によって変化する。

【０００５】この押圧荷重のばらつきを防止するため、
ボンディングツールの使用時に摩耗量を測定して適正押
し込み量に調整することが行われる。この摩耗量測定
は、従来は手作業的に行う測定しか方法がなく、ボンデ
ィングツールを取り外した状態で作業者がマイクロメー
タなどの測定具を用いて行っていた。このため測定作業
に手間と時間を要して生産性向上が阻害されると共に測
定結果にばらつきを生じやすく、不正確な測定値に基づ
いて押し込み量調整が行われる結果、ボンディング品質
にばらつきが生じやすいという問題点があった。

【０００６】そこで本発明は、ボンディングツールの摩
耗量管理を容易に行え、ボンディング品質を確保するこ
とができる電子部品のボンディング装置およびボンディ
ング方法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の電子部品
のボンディング装置は、ボンディングヘッドによって電
子部品をワークに押圧して超音波振動を印加することに
より前記電子部品をボンディングする電子部品のボンデ
ィング装置であって、前記ワークを保持するワーク保持
部と、前記ボンディングヘッドを昇降させる昇降手段
と、このボンディングヘッドの高さ位置を検出する高さ
検出手段と、このボンディングヘッドに装着され電子部
品に当接する当接面を有するボンディングツールと、こ
のボンディングツールに超音波振動を印加する振動付与
手段と、前記当接面を介して電子部品を前記ワークに対
して押圧する加圧手段と、ボンディングツールの前記当
接面の摩耗量を検出する摩耗量検出手段と、摩耗量検出
結果に基づいて前記ボンディングヘッドの昇降手段を制
御する制御手段とを備えた。

【０００８】請求項２記載の電子部品のボンディング装
置は、請求項１記載の電子部品のボンディング装置であ
って、前記摩耗量検出手段は、前記振動付与手段駆動時
のインピーダンスを測定するインピーダンス検出部と、
インピーダンスの変化に基づいてボンディングツールの
前記当接面が基準面に当接したことを検知する当接検知
手段と、この当接検知手段によって当接が検出されたと
きのボンディングヘッドの高さ位置をボンディングツー
ルの当接高さ位置として高さ検出手段より読み取る当接
高さ位置検出手段とを備え、この当接高さ位置から前記
当接面の摩耗量を検出する。

【０００９】請求項３記載の電子部品のボンディング方
法は、ボンディングヘッドによって電子部品をワークに
押圧して超音波振動を印加することにより前記電子部品
をボンディングする電子部品のボンディング方法であっ
て、ボンディングに先立って前記ボンディングヘッドに
装着されたボンディングツールの電子部品との当接面の
摩耗量を検出し、この摩耗量検出結果に基づいてボンデ
ィングヘッドを昇降させる昇降手段を制御することによ
り、電子部品をワークに対して所定の押圧力で押圧す
る。

【００１０】請求項４記載の電子部品のボンディング方
法は、請求項３記載の電子部品のボンディング方法であ
って、前記摩耗量を検出する工程において、ボンディン
グツールの前記当接面を基準面に対して下降させながら
振動付与手段を駆動してインピーダンスを測定し、測定
されたインピーダンスの変化に基づいてボンディングツ
ールの前記当接面が基準面に当接したときのボンディン
グツールの当接高さ位置を検出し、この当接高さ位置か
ら前記当接面の摩耗量を検出する。

【００１１】本発明によれば、ボンディングに先立って
ボンディングヘッドに装着され電子部品に超音波振動を
伝達するボンディングツールの電子部品との当接面の摩
耗量を検出し、この摩耗量検出結果に基づいてボンディ
ングヘッドを昇降させる昇降手段を制御することによ
り、電子部品をワークに対して所定の押圧力で押圧する
ことができ、ボンディング品質を確保することができ
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図１は本発明の一実施の形態の電
子部品のボンディング装置の正面図、図２、図５は本発
明の一実施の形態の電子部品のボンディング装置の加圧
部の機能を示す説明図、図３（ａ）は本発明の一実施の
形態のボンディングツールの当接検出のフロー図、図３
（ｂ）は本発明の一実施の形態のボンディングツールの
当接検出の工程説明図、図４は本発明の一実施の形態の
インピーダンス検出結果を示すグラフである。

【００１３】まず図１を参照して電子部品のボンディン
グ装置について説明する。図１において基板位置決め部
１は移動テーブル２を備えており、移動テーブル２上に
は基板保持部３が設けられている。基板保持部３は、電
子部品５がボンディングされるワークである基板４を保
持するワーク保持部となっている。基板保持部３の上面
には、平坦で剛な表面の基準面３ａが設けられており、
後述するように基準面３ａはボンディングツールの摩耗
量を計測する際の押し付け面として用いられる。

【００１４】基準位置決め部１の上方にはボンディング
部１０が配設されている。ボンディング部１０の垂直な
フレーム１１にはガイド部材１２が上下方向に配設され
ており、ガイド部材１２によって昇降ブロック１３は昇
降自在となっている。昇降ブロック１３にはナット部材
１４が固着されており、ナット部材１４にはＺ軸モータ
１６によって回転駆動される送りねじ１５が螺入してい
る。

【００１５】昇降ブロック１３の下部にはボンディング
ヘッド１７が配設されており、ボンディングヘッド１７
は加圧部１８を内蔵している。加圧部１８はボンディン
グツール１９と結合されており、ボンディングツール１
９の下面には電子部品５を吸着保持するとともに電子部
品５を基板４に押圧してボンディングする当接部１９ａ
が設けられている。ボンディングツール１９には振動付
与手段である振動子２０が装着されており、振動子２０
を駆動することにより、ボンディングツール１９の当接
部１９ａを介して電子部品５に超音波振動が付与され
る。

【００１６】Ｚ軸モータ１６を駆動することにより昇降
ブロック１３は昇降し、したがってボンディングヘッド
１７もともに昇降する。Ｚ軸モータ１６、送りねじ１
５、ナット部材１４はボンディングヘッド１７の昇降手
段となっている。このときの昇降ブロック１３の高さ位
置はリニアスケール２１によって検出される。

【００１７】加圧部１８は圧力設定部２２を介して圧力
源２３に接続されており、圧力源２３から所定圧力に設
定されたエアを加圧部１８に供給することにより、加圧
部１８は当接部１９ａの当接面を介して電子部品５を基
板保持部３に保持された基板４に押圧する。したがって
加圧部１８は、電子部品５を基板４に対して押圧する加
圧手段となっている。

【００１８】移動テーブル２を駆動することにより基板
保持部３は水平移動し、基板４および基準面３ａのいず
れかをボンディングツール１９に対して位置合わせでき
るようになっている。ボンディング作業は、基板４をボ
ンディングツール１９に位置合わせした状態で行われ
る。また、摩耗量の計測は、基準面３ａをボンディング
ツール１９に位置合わせした状態で行われる。

【００１９】基板保持部３の上方にはカメラ６が水平方
向に進退自在に配設されており、カメラ６は基板保持部
３の上方に進出して基板４およびボンディングツール１
９に保持された状態の電子部品５を撮像する。撮像結果
は認識部７によって認識され、これにより基板４および
電子部品５の位置が検出される。

【００２０】次に図２を参照して加圧部１８による押圧
機能について説明する。なおここで用いる「高さ位置」
は、昇降ブロック１３のＺ座標上の位置とＺ軸モータ１
６によって昇降ブロック１３が下降するＺ軸下降量とが
対応関係にあることから、Ｚ軸下降量と同義である。

【００２１】図２（ａ）は昇降ブロック１３を高さ位置
Ｚ０まで下降させてボンディングツール１９の当接部１
９ａの下面（当接面）を基準面３ａに当接させた状態を
示している。この状態では、当接面は単に基準面３ａに
接触しているのみであり、押圧荷重は作用していない。
この状態から図２（ｂ）に示すように所定の押し込み量
ｄだけ押し込むことにより、すなわち高さ位置Ｚ０から
押し込み量ｄだけ更に昇降ブロック１３を下降させた高
さ位置Ｚ１（Ｚ０＋ｄ）まで押し込むことにより、当接
面には押し込み量ｄに対応した押圧荷重Ｆが作用する。

【００２２】電子部品の種類に応じたボンディング時の
適正押圧荷重Ｆが設定されると、この押圧荷重Ｆに対応
した押し込み量ｄが求められる。すなわち、昇降ブロッ
ク１３を下降させてボンディングツール１９によって電
子部品５を基板４に押圧する際の下降量の設定時には、
上記押し込み量ｄを加算してＺ軸下降量が決定される。

【００２３】ここでは基板保持部３の上面を基準面３ａ
として用いる例を示しており、実際のボンディング時に
は、基板４の上面が押し込み量ｄの起算位置となること
から、基板４の厚み分だけＺ軸下降量を補正する。な
お、基準面として基板４の上面そのものを用いるように
してもよい。この場合には、上記補正が不要となる。

【００２４】次に制御系について説明する。制御部３０
は全体制御装置であり、以下に説明する各部を制御する
ほか、インピーダンス検出結果からボンディングツール
の当接を検出する演算や、摩耗量を算出する演算処理を
行う。記憶部３１は各部の動作・処理を行うためのプロ
グラムやデータを記憶する。このデータにはボンディン
グヘッド１７の高さ位置のデータが含まれる。

【００２５】Ｚ軸モータ駆動部３２は、Ｚ軸モータ１６
を駆動する。記憶部３１に記憶された高さ位置のデータ
に基づいてＺ軸モータ駆動部３２を制御部３０によって
制御することにより、ボンディングヘッド１７の高さ位
置、したがってボンディングツール１９の当接部１９ａ
の下面の当接面の高さ位置を所定高さ位置に設定するこ
とができる。

【００２６】振動子駆動部３３はボンディングツール１
９に振動を付与する振動子２０を駆動する。インピーダ
ンス検出部３４は振動子２０を駆動する際のインピーダ
ンスを検出する。このインピーダンス検出結果はボンデ
ィングツール１９の当接面が基準面３ａに当接したこと
を検出する当接検知処理に用いられる。インピーダンス
検出部３４によるインピーダンスの検出方法は、振動子
駆動部３３の回路構成によって異なる。振動子駆動部３
３が定電圧回路であればインピーダンス検出部３４は振
動子に流れる電流をインピーダンスの代用値として計測
し、定電圧回路であれば、電圧をインピーダンスの代用
値として検出してもよい。また、回路構成に関係なく振
動子に流れる電流と電圧の両方を検出してインピーダン
スを求める構成であってもよい。

【００２７】テーブル駆動部３５は基板保持部３を移動
させる移動テーブル２を駆動する。高さ検出部３６はリ
ニアスケール２１の検出信号に基づいて、昇降ブロック
１３の高さ位置を検出する。この高さ位置検出結果に基
づいて、ボンディングヘッド１７の高さ位置が検出され
る。リニアスケール２１および高さ検出部３６はボンデ
ィングヘッド１７の高さ位置を検出する高さ検出手段と
なっている。

【００２８】この電子部品のボンディング装置は上記の
様に構成されており、次に図３、図４を参照してボンデ
ィングツールの摩耗量検出について説明する。超音波振
動を利用したボンディングにおいては、電子部品を押し
付けるボンディングツールの当接面は徐々に摩耗し、図
２（ａ）に示す当接部高さｈは累積使用によって短くな
る。このため、所定の高さ位置Ｚ１まで昇降ブロック１
３を下降させても、所定の押し込み量ｄが確保されず、
この結果押圧荷重Ｆが変化する。ボンディングツールの
摩耗量検出は、このような押圧荷重Ｆの変動を防止する
ために行われるものである。

【００２９】摩耗量検出に際しては、まず図３（ａ）に
示すフロー図に従って、ボンディングツールの当接検出
を行う。まずボンディングツール１９の当接部１９ａが
基準面３ａに当接していない状態、すなわち空中にて振
動子２０を発振してボンディングツール１９を振動さ
せ、この状態でのインピーダンスをインピーダンス検出
部３４によって測定し、測定結果を記憶部３１に記憶す
る（ＳＴ１）。次いでＺ軸モータ１６を駆動してＺ軸を
所定ピッチだけ下降させる（ＳＴ２）。そして再び振動
子２０を発振してインピーダンスを測定し、測定結果を
記憶部３１に記憶する（ＳＴ３）。

【００３０】次にこの測定結果を（ＳＴ１）にて測定さ
れた空中発振のインピーダンスと比較する（ＳＴ４）。
このデータの比較演算は制御部３０によって行われる。
ここで測定結果が（ＳＴ１）における空中発振と同程度
であれば（ＳＴ２）に戻り再度Ｚ軸を下降させて同様の
インピーダンス測定を反復する。

【００３１】そして（ＳＴ４）において空中発振と違う
測定結果が得られたならば、すなわち図４に示すように
インピーダンスが不連続的に増加したことが制御部３０
の比較演算によって検出されたならば、その状態におけ
る高さ検出部３６より出力される高さ位置Ｚｔをボンデ
ィングツールの当接高さ位置として読み取り（ＳＴ
５）、この当接高さ位置Ｚｔを記憶部３１に記憶させて
当接検出を終了する。したがって、制御部３０は、イン
ピーダンスの変化に基づいてボンディングツールの当接
面の当接を検出する当接検出手段となっている。また制
御部３０は、当接検出手段によって当接が検出されたと
きのボンディングヘッドの高さ位置を当接高さ位置とし
て高さ検出手段より読み取る当接高さ位置検出手段とし
て機能する。

【００３２】この当接検出は、超音波振動付与時のボン
ディングツール１９の拘束状態の変化によってインピー
ダンスが変化することを利用して当接部１９ａの基準面
３ａとの当接を検出するものである。このような方法を
用いることにより、振動付与手段を既に備えたボンディ
ング装置にあっては何ら機構的な追加を必要とせず、既
存機能に単にインピーダンス検出機能を追加するだけ
で、高精度の当接検出が可能となり、ボンディングツー
ルの摩耗量の管理が容易に行える。

【００３３】次にこの当接検出結果からボンディングツ
ール１９の摩耗量を求める方法について説明する。図５
（ａ）に示すように、上記当接検出により求められた当
接高さ位置Ｚｔと、図２（ａ）に示す基準状態における
基準高さ位置Ｚ０との差が摩耗量ａを示している。この
摩耗量ａを求める演算は、求められた当接高さ位置Ｚｔ
と基準高さ位置Ｚ０に基づき制御部３０によって行われ
る。すなわち、インピーダンス検出部３４、制御部３０
（当接検出手段、当接高さ位置検出手段）は、ボンディ
ングツール１９の当接面の摩耗量を検出する摩耗量検出
手段となっている。なお、ここで基準状態とはボンディ
ングツール１９の新品時の状態（設計図面寸法と等しい
状態）であると定義してもよいし、また任意の時点を相
対的な基準状態と定義してもよい。

【００３４】そして基準高さ位置Ｚ０と当接高さ位置Ｚ
ｔとの差で示される摩耗量ａが求められたならば、図５
（ｂ）に示すようにボンディング時の高さ位置を図２
（ｂ）に示す高さ位置Ｚ１に替えてＺ１＋ａに更新す
る。すなわち制御部３０によってＺ軸モータ１６を制御
する際には、摩耗量ａだけＺ軸下降量を増加した上で下
降動作を行わせる。制御部３０は、摩耗量検出結果に基
づいてボンディングヘッドの昇降手段を制御する制御手
段となっている。

【００３５】これにより、ボンディングツール１９の当
接部１９ａの高さが摩耗によってｈ−ａに減少した状態
においても加圧部１８の押し込み量ｄが一定に確保さ
れ、押圧荷重Ｆが一定に保たれる。したがって、ボンデ
ィング作業においては、電子部品５はボンディングツー
ル１９の摩耗状態に関係なく常に適正押圧荷重でボンデ
ィングされ、良好なボンディング品質が実現される。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、ボンディングに先立っ
てボンディングヘッドに装着され電子部品に超音波振動
を伝達するボンディングツールの電子部品との当接面の
摩耗量を検出し、この摩耗量検出結果に基づいてボンデ
ィングヘッドを昇降させる昇降手段を制御するようにし
たので、電子部品をワークに対して所定の押圧力で押圧
することができ、ボンディング品質を確保することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態の電子部品のボンディン
グ装置の正面図

【図２】本発明の一実施の形態の電子部品のボンディン
グ装置の加圧部の機能を示す説明図

【図３】（ａ）本発明の一実施の形態のボンディングツ
ールの当接検出のフロー図 （ｂ）本発明の一実施の形態のボンディングツールの当
接検出の工程説明図

【図４】本発明の一実施の形態のインピーダンス検出結
果を示すグラフ

【図５】本発明の一実施の形態の電子部品のボンディン
グ装置の加圧部の機能を示す説明図

【符号の説明】

３ 基板保持部 ４ 基板 ５ 電子部品 １３ 昇降ブロック １７ ボンディングヘッド １８ 加圧部 １９ ボンディングツール １９ａ 当接部 ３０ 制御部 ３４ インピーダンス検出部 ３６ 高さ検出部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ボンディングヘッドによって電子部品をワ
   ークに押圧して超音波振動を印加することにより前記電
   子部品をボンディングする電子部品のボンディング装置
   であって、前記ワークを保持するワーク保持部と、前記
   ボンディングヘッドを昇降させる昇降手段と、このボン
   ディングヘッドの高さ位置を検出する高さ検出手段と、
   このボンディングヘッドに装着され電子部品に当接する
   当接面を有するボンディングツールと、このボンディン
   グツールに超音波振動を印加する振動付与手段と、前記
   当接面を介して電子部品を前記ワークに対して押圧する
   加圧手段と、ボンディングツールの前記当接面の摩耗量
   を検出する摩耗量検出手段と、摩耗量検出結果に基づい
   て前記ボンディングヘッドの昇降手段を制御する制御手
   段とを備えたことを特徴とする電子部品のボンディング
   装置。
2. 【請求項２】前記摩耗量検出手段は、前記振動付与手段
   駆動時のインピーダンスを測定するインピーダンス検出
   部と、インピーダンスの変化に基づいてボンディングツ
   ールの前記当接面が基準面に当接したことを検知する当
   接検知手段と、この当接検知手段によって当接が検出さ
   れたときのボンディングヘッドの高さ位置をボンディン
   グツールの当接高さ位置として高さ検出手段より読み取
   る当接高さ位置検出手段とを備え、この当接高さ位置か
   ら前記当接面の摩耗量を検出することを特徴とする請求
   項１記載の電子部品のボンディング装置。
3. 【請求項３】ボンディングヘッドによって電子部品をワ
   ークに押圧して超音波振動を印加することにより前記電
   子部品をボンディングする電子部品のボンディング方法
   であって、ボンディングに先立って前記ボンディングヘ
   ッドに装着されたボンディングツールの電子部品との当
   接面の摩耗量を検出し、この摩耗量検出結果に基づいて
   ボンディングヘッドを昇降させる昇降手段を制御するこ
   とにより、電子部品をワークに対して所定の押圧力で押
   圧することを特徴とする電子部品のボンディング方法。
4. 【請求項４】前記摩耗量を検出する工程において、ボン
   ディングツールの前記当接面を基準面に対して下降させ
   ながら振動付与手段を駆動してインピーダンスを測定
   し、測定されたインピーダンスの変化に基づいてボンデ
   ィングツールの前記当接面が基準面に当接したときのボ
   ンディングツールの当接高さ位置を検出し、この当接高
   さ位置から前記当接面の摩耗量を検出することを特徴と
   する請求項３記載の電子部品のボンディング方法。