JP2002100653A - 超音波振動接合装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体チップの実装位置の精度向上を図る。 【解決手段】 ＣＣＤカメラ７０がマウントテーブル４
に搭載された回路基板９２と共振器２３に吸引吸着され
た半導体チップ４とを撮像し、画像処理装置７１がＣＣ
Ｄカメラ７０での撮像データを画像処理し、モニター装
置８０が画像処理装置７１から出力された撮像データに
より画像を画面表示した状態において、操作者が画像処
理装置７１にズーム表示を指示すると、モニター装置８
０の画面に表示された原画像がモニター装置８０の画面
の指定された所定表示領域に拡大表示する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は超音波振動により
半導体チップを回路基板に表面実装し得る超音波振動接
合装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】特開平１０−２２３０８号公報で開示さ
れたように、本出願人は、超音波振動により半導体チッ
プを回路基板に表面実装するのに好適な超音波振動接合
装置を提案した。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記超音波振動接合装
置にあっては、接合に先駆けて回路基板への半導体チッ
プの実装位置を正確に決めるのに多大な労力と時間を要
する。

【０００４】そこで、本発明は部品を正確に実装するこ
とができる超音波振動接合装置を提供しようとするもの
である。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明にあっては、第１
部材が実装機構に搭載され、第２部材が実装機構よりも
上方に離隔された超音波振動接合機構に両持ち支持され
た共振器の接合作用部に吸引吸着され、第１部材と第２
部材の間に非接触に挿入された計測機構が第１接合部材
の下面に設けられた金属部と第２部材の上面に設けられ
た金属部との位置を計測して実装機構を駆動することに
より第１部材の金属部と第２部材の金属部との位置整合
を行った後、共振器が下降して第１部材の金属部と第２
部材の金属部とを加圧下で重ね合せ、振動子より共振器
に伝達された超音波振動により第１部材の金属部と第２
部材の金属部とを接合する超音波振動接合装置におい
て、計測機構が実装機構に搭載された第１部材と共振器
に吸引吸着された第２部材とを撮像する２視野撮像手段
と、２視野撮像手段での撮像データを画像処理する画像
処理装置と、画像処理装置から出力された撮像データに
より画像を画面表示するモニター装置とを備える一方、
画像処理装置がモニター装置の画面に表示された原画像
をモニター装置の画面の指定された所定表示領域に拡大
表示する手段を備えたことを特徴としている。よって、
本発明によれば、モニター装置に拡大表示した部分を適
切に確認することにより、第１部材と第２部材との位置
合せを正確に行うことができる。よって、半導体チップ
のような小さな部品を回路基板に正確に実装することが
できる。

【０００６】

【発明の実施の形態】図１〜３は第１実施形態であっ
て、図１は超音波振動接合装置の正面を示し、図２はモ
ニター装置８０のズーム画像表示位置を示し、図３はモ
ニター装置８０の画面への１個所ズーム表示処理を示
し、図４はモニター装置８０の画面への左下１／４ズー
ム表示処理を示し、図５はモニター装置８０の画面への
左下及び右上１／４ズーム表示処理を示し、図６はモニ
ター装置８０の画面への右半分ズーム表示処理を示す。

【０００７】第１実施形態は、図１に示すように、第１
部材である回路基板９２に第２部材である半導体チップ
９０を表面実装するための装置を例として説明する。半
導体チップ９０はその一表面に接続端子として平板状又
は球状に形成された複数のパッド９１を有する。回路基
板９２はその一表面のチップ実装位置に接続端子として
平板状は球状に形成された複数のパッド９３を有する。
リップ側パッド９１と基板側パッド９３とは、同数であ
って、それぞれの位置が対応している。チップ側パッド
９１と基板側パッド９３とが超音波振動により接合され
ることにより、半導体チップ９０が回路基板９２に表面
実装される。

【０００８】超音波振動接合装置は、設置基準１上に、
実装機構２と超音波振動接合機構１０と計測機構６０と
モニター装置８０とを備える。実装機構２は設置基準１
に設けられたＸＹθ駆動部３と、ＸＹθ駆動部３の上に
組付けられたマウントテーブル４とを備える。そして、
計測機構６０からの出力により、ＸＹθ駆動部３がマウ
ントテーブル４を設置基準１と平行な平面の縦横である
Ｘ方向とＹ方向とに移動すると共に上記平面内の或る１
点を中心として設置基準１と平行な平面内での回転角で
あるθ方向に回転して、設置基準１と平行なマウントテ
ーブル４の上面に搭載された被実装対象である回路基板
９２のチップ実装位置が所定の搭載位置となるように、
マウントテーブル４を位置制御する。ＸＹθ駆動部３は
設置基準１に対するＸ方向仰角調整部５と、設置基準１
に対するＹ方向仰角調整部６とを有する。実装準備作業
時、又は、共振器２３が交換された時、又は、マウント
テーブル４が交換された時のように、マウントテーブル
４の上面と共振器２３における接合作用部２７の下面と
の平行度が保たれているか否か不明な時に、Ｘ方向仰角
調整部５やＹ方向仰角調整部６が、人為操作により、設
置基準１に対するＸＹθ駆動部３のＸ方向での仰角と、
設置基準１に対するＸＹθ駆動部３のＹ方向での仰角と
を調整し、マウントテーブル４の上面と接合作用部２７
の下面との平行度を確保する。

【０００９】超音波振動接合機構１０は、設置基準１に
設置された固定ベース１１と、固定ベース１１に取り付
けられたサーボモータのようなモータ１２と、モータ１
２の出力軸に連結されたボルト・ナット機構１３と、ボ
ルト・ナット機構１３のナットが形成されたリフトベー
ス１４と、リフトベース１４に取り付けられたエアーシ
リンダ１５と、エアーシリンダ１５のピストンロッドに
連結されたホルダ１６と、ホルダ１６に装着された共振
器２３と、共振器２３の一端に図外の無頭ねじとねじ孔
とにより同軸に結合された振動子３０を備える。そし
て、モータ１２が正転すると、ボルト・ナット機構１３
のねじ棒が正転し、当該ねじ棒にねじ嵌合したナットに
よりリフトベース１４が下降する一方、モータ１２が逆
転すると、ボルト・ナット機構１３のねじ棒が逆転し、
リフトベース１４がナットを介して上昇する。リフトベ
ース１４は、固定ベース１１より下方に立設された左右
のガイドポール２１に摺接係合して回り止めされて昇降
する。各ガイドポール２１の内部に昇降可能に収納され
たガイドシャフト２２の下端はホルダ１６に結合されて
おり、リフトベース１４の昇降とエアーシリンダ１５の
伸縮とにより昇降して、ホルダ１６を設置基準１と平行
に保持する。

【００１０】共振器２３はホーン２４とその両側に図外
の無頭ねじとねじ孔とにより同軸に結合された２つのブ
ースタ２５，２６とを備え、各ブースタ２５，２６がホ
ルダ１６の左右より下方に延設されたアーム部１７，１
８のそれぞれに支持されたことで、共振器２３がホルダ
１６に両持ち支持に取り付けらる。一方のブースタ２５
には振動子３０が図外の無頭ねじとねじ孔とにより同軸
に結合される。振動子３０は図外の超音波発生器より電
力が供給されて所定周波数の縦波の超音波振動を発生し
て出力する電気エネルギーを機械エネルギーに変換する
圧電素子又は磁歪素子等のようなエネルギー変換器であ
る。

【００１１】この実施形態では、ホーン２４が振動子３
０からの超音波振動に共振する共振周波数の１波長の長
さを有し、ブースタ２５，２６が振動子３０からの超音
波振動に共振する共振周波数の半波長の長さを有する。
ブースタ２５，２６は、円柱形状であって、中央の最小
振動振幅点で外側面より突出した環状の支持部２８，２
９を有する。それぞれの支持部２８，２９がホルダ１６
における左右のアーム部１７，１８のそれぞれに同軸状
に形成された貫通孔１９，２０に収容され、各アーム部
１７，１８の外側面と貫通孔１９，２０とにわたり形成
された図外のスリットで分割された部分が図外のボルト
で締結されることにより、各アーム部１７，１８が支持
部２８，２９を把持する。

【００１２】ホーン２４は四角形の板状であって、中央
の最大振動振幅点位置で上下面より外側に突出した短四
角柱状の接合作用部２７と、吸引吸着機能部である通路
３１とを有する。下側の接合作用部２７は半導体チップ
９０よりも大きな平面積に形成された先端面を有する。
通路３１は、ホーン２４の最大振動振幅点位置に設けら
れており、接合作用部２７の先端面の中央より接合作用
部２７の内部を経由してホーン２４の中心まで空けられ
た縦孔と、ホーンの背面の中央より内部を経由して縦孔
に連なるように空けられた横孔とより形成される。通路
３１における縦孔の接合作用部２７側開口部は半導体チ
ップ９０を吸付ける吸引孔である。通路３１における横
孔のホーン２４側開口部はホースを接続するホース口で
ある。ホーン２４の二つの最小振動振幅点位置にはヒー
タ３４を個別に備える。ホーン２４の両端部には最大振
動振幅点が存在する。

【００１３】通路３１におけるホース口である開口部に
は図外の真空ポンプのような吸引発生源が図外のバルブ
及びゴム又は合成樹脂よりなる図外の真空用ホースを介
して接続される。そして、図外のバルブが大気開放側か
ら吸引側に切り替わることで、接合作用部２７の開口部
が吸引発生源からの吸引動作で外気を吸引することによ
り半導体チップ９０を吸着する。逆に、バルブが吸引側
から大気開放側に切り替わることで、通路３１が大気に
満たされて半導体チップ９０を解放する。

【００１４】計測機構６０は、超音波振動接合機構１０
における接合作用部２７に吸着された半導体チップ９０
のリップ側パッド９１とマウントテーブル４に搭載され
た回路基板９２の基板側パッド９３とを整合するための
計測手段であって、設置基準１に設置されたターンテー
ブル６１と、ターンテーブル６１の可動アーム６２に搭
載された上側及び下側の計測用光源６３，６４と、可動
アーム６２に搭載された２視野光学系レンズ６５と、可
動アーム６２に搭載されたＣＣＤカメラ７０とを備え
る。２視野光学系レンズ６５とＣＣＤカメラ７０とより
なる撮像系は広視野角に形成される。２視野光学系レン
ズ６５は、２つの直角プリズム６６，６７がそれらの斜
面をそれらの間に光学膜６８を介在させて互いに重ね合
せられ、１つの直角プリズム６７のＣＣＤカメラ７０と
の反対側面に反射膜６９を有する。

【００１５】そして、ターンテーブル６１の駆動によ
り、可動アーム６２が実線示の待機位置より点線示の計
測位置に移動停止し、上側及び下側の計測用光源６３，
６４と２視野光学系レンズ６５とが上下に離隔配置され
た計測対象である半導体チップ９０と回路基板９２との
間に非接触に挿入配置される。その状態において、上側
及び下側の計測用光源６３，６４の一方、例えば、上側
の計測用光源６３が点灯し、その計測用光源６３から半
導体チップ９０の下面に照射された光の反射光が２視野
光学系レンズ６５の光学膜６８で反射膜６９側に反射し
た後に反射膜６９で反射する。この反射光が光学膜６８
を透過してＣＣＤカメラ７０に到達することにより、Ｃ
ＣＤカメラ７０が半導体チップ９０のリップ側パッド９
１を撮像して電気信号に変換した映像信号を出力する。
又、他方である下側の計測用光源６４が点灯し、その計
測用光源６４から回路基板９２の上面に照射された光の
反射光が２視野光学系レンズ６５の光学膜６８でＣＣＤ
カメラ７０側に反射する。この反射光がＣＣＤカメラ７
０に到達することにより、ＣＣＤカメラ７０が回路基板
９２の回路側パッドを撮像して電気信号に変換した信号
を出力する。

【００１６】つまり、計測機構６０は、上側及び下側の
計測用光源６３，６４を点灯切替することにより、２視
野光学系レンズ６５を通して、ＣＣＤカメラ７０がリッ
プ側パッド９１と基板側パッド９３とを広視野角で交互
に撮影できる。又、計測機構６０は、上側及び下側の計
測用光源６３，６４を同時に点灯することにより、２視
野光学系レンズ６５を通して、ＣＣＤカメラ７０がリッ
プ側パッド９１と基板側パッド９３とを広視野角で同時
に撮影できるが、この場合、撮影された像はリップ側パ
ッド９１と基板側パッド９３とが重畳した形態であるの
で、操作者がモニタ装置８０に表示された２つの合成画
像を見ながらＸＹθ駆動部３を手動操作し、モニタ装置
８０がリップ側パッド９１の画像の全部と基板側パッド
９３の画像の全部とが一致した状態を表示することによ
り、半導体チップ９０と回路基板９２のチップ実装位置
とが整合したことを確認するというような、図外のキー
ボードやマウス等の入力操作部を用いたマニュアル操作
に好適である。

【００１７】計測機構６０の画像処理装置７１は、コン
ピュータを内蔵しており、ＣＣＤカメラ７０より入力さ
れた撮像信号によりリップ側パッド９１と基板側パッド
９３との位置及びそれらの位置ずれをコンピュータ処理
で演算して制御信号をＸＹθ駆動部３に出力する。又、
マニュアル操作による操作者から入力されたモニター表
示指示により、画像処理装置７１は、コンピュータ処理
で、ＣＣＤカメラ７０より入力された撮像信号を画像信
号に変換してモニタ装置８０に出力する。モニタ装置８
０はリップ側パッド９１の画像と基板側パッド９３の画
像及びＸＹθ駆動部３のＸ方向とＹ方向及びθ方向それ
ぞれが交差する中心点Ｐで交わるＸ−Ｙ基準線Ｌ１，Ｌ
２を２分割画面表示する。モニタ装置８０に２分割画面
表示されたＸ−Ｙ基準線Ｌ１，Ｌ２は、２分割画面が上
下の場合はＹ基準線Ｌ２が上下に１つの直線となり、２
分割画面が左右の場合はＸ基準線Ｌ１が左右に１つの直
線となる。これにより、作業者がモニター装置８０の２
分割画面をみることにより、リップ側パッド９１と基板
側パッド９３との位置が整合しているが又はどの方向へ
どれだけずれているかを容易に確認できる。

【００１８】図２〜図６を参照し、画像処理装置７１が
モニター装置８０に描かれた画像をマニュアル操作でズ
ーム画像表示することについて説明する。ズーム画像表
示位置としては、図２のａ図に示すモニター装置８０の
画面全体に１つのズーム後画像を表示する１個所表示
と、図２のｂ〜ｉ図に示すモニター装置８０の画面の一
部に２つのズーム後画像を表示する２個所表示とがあ
る。図２において、ｂ図はモニター装置８０の画面の左
半分に１つのズーム後画像を表示し、ｃ図はモニター装
置８０の画面の右半分に１つのズーム後画像を表示し、
ｄ図はモニター装置８０の画面の上半分に１つのズーム
後画像を表示し、ｅ図はモニター装置８０の画面の下半
分に１つのズーム後画像を表示し、ｆ図はモニター装置
８０の画面の左上１／４に１つのズーム後画像を表示
し、ｇ図はモニター装置８０の画面の右上１／４に１つ
のズーム後画像を表示し、ｈ図はモニター装置８０の画
面の左下１／４に１つのズーム後画像を表示し、ｉ図は
モニター装置８０の画面の右下１／４に１つのズーム後
画像を表示する形態である。

【００１９】図３において、１個所表示の場合には、ａ
図に示すズーム前の原画像７５において、操作者が画像
処理装置７１に接続された図外のキーボードやマウス等
の入力操作部を操作して、例えば、仮想線で示す拡大表
示したい領域（ズーム領域）７６を選択する。そして、
入力操作部を用いたマニュアル操作で、操作者が画像処
理装置７１に１個所ズーム表示指示を行うと、画像処理
装置７１がコンピュータによる画像ズーム処理を実行す
る。この画像ズーム処理の結果、図３のａ図におけるズ
ーム領域７６が図３のｂ図に示すようにモニター装置８
０の画面全体にズーム後画像７７として拡大表示され
る。

【００２０】図４において、２個所表示における左下１
／４の場合には、図４のａ図に示すズーム前の原画像７
５において、操作者が入力操作部を操作して、例えば、
仮想線で示す拡大表示したい領域（ズーム領域）７６を
選択した後、上記操作部を用いたマニュアル操作で、操
作者が画像処理装置７１に左下１／４ズーム表示指示を
行うと、画像処理装置７１がコンピュータによる画像ズ
ーム処理を実行する。この画像ズーム処理の結果、図４
のａ図におけるズーム領域７６が図４のｂ図に示すよう
にモニター装置８０の画面における左下１／４領域にズ
ーム後画像７８として拡大表示される。

【００２１】図５において、２個所表示における左下１
／４及び右上１／４の場合には、図５のａ図に示すズー
ム前の原画像７５において、操作者が入力操作部を操作
して、例えば、仮想線で示す拡大表示したい領域（ズー
ム領域）７６；７９を選択した後、入力操作部を用いた
マニュアル操作で、操作者が画像処理装置７１に左下１
／４及び右上１／４ズーム表示指示を行うと、画像処理
装置７１がコンピュータによる画像ズーム処理を実行す
る。この画像ズーム処理の結果、図５のａ図におけるズ
ーム領域７６が図５のｂ図に示すようにモニター装置８
０の画面における左下１／４領域にズーム後画像７８と
して拡大表示されると共に図５のａ図におけるズーム領
域７９がモニター装置８０の画面における右上１／４領
域にズーム後画像８１として拡大表示される。

【００２２】図６において、２個所表示における右半分
の場合には、図６のａ図に示すズーム前の原画像７５に
おいて、操作者が入力操作部を操作して、例えば、仮想
線で示す拡大表示したい領域（ズーム領域）７９を選択
した後、入力操作部を用いたマニュアル操作で、操作者
が画像処理装置７１に右半分ズーム表示指示を行うと、
画像処理装置７１がコンピュータによる画像ズーム処理
を実行する。この画像ズーム処理の結果、図６のａ図に
おけるズーム領域７９が図６のｂ図に示すようにモニタ
ー装置８０の画面における右半分領域にズーム後画像８
２として拡大表示される。

【００２３】第１実施形態の動作を説明する。超音波振
動接合機構１０のホーン２４が図１のように上昇限度位
置に停止し、半導体チップ９０がホーン２４の接合作用
部２７に吸引吸着され、半導体チップ９０のリップ側パ
ッド９１が下側を向き、回路基板９２が実装機構２のマ
ウントテーブル４に搭載され、回路基板９２の基板側パ
ッド９３が上側を向いている。この状態において、計測
装置４が実線示位置から点線示位置に移動し、上側及び
下側の計測用光源６３，６４と２視野光学系レンズ６５
が半導体チップ９０と回路基板９２との間の空間に非接
触に進入する。そして、上側及び下側の計測用光源６
３，６４が交互に切替り点灯することにより、ＣＣＤカ
メラがリップ側パッド９１と基板側パッド９３とを撮像
する。それから、画像処理装置７１がリップ側パッド９
１と基板側パッド９３との位置ずれを計測演算する。そ
の測定結果により、マウントテーブル４が、ＸＹ及びθ
駆動してリップ側パッド９１の位置と基板側パッド９３
の位置とが正確に整合し得るように、半導体チップ９０
を基準に、回路基板９２を位置補正する。この位置補正
による回路基板９２の実装位置である回路側パッドの位
置がリップ側パッド９１と上下で対向する位置合わせが
完了したら、計測装置４が点線示位置から実線示位置に
移動し、上側及び下側の計測用光源６３，６４と２視野
光学系レンズ６５とＣＣＤカメラ７０とが元の位置に戻
る。

【００２４】上記半導体チップ９０と回路基板９２とが
計測装置４によるモニター装置８０へ画像表示された場
合において、操作者が図外の入力操作部を用いた操作に
より画像処理装置７１にズーム処理を指示することによ
り、モニター装置８０の画面に例えば図３〜図６に示す
ような拡大画像を表示することができる。よって、モニ
ター装置８０に拡大表示された部分を操作者が適切に確
認することにより、半導体チップ９０と回路基板９２の
位置合せが正確となり、半導体チップ９０のような小さ
な部品を回路基板９２の所定位置に正確に実装すること
ができる。

【００２５】その後、超音波振動接合機構１０の共振器
２３が下降してリップ側パッド９１を基板側パットに押
し付けて加圧し、振動子３０が超音波振動を発振する。
この超音波振動に共振器２３が共振し、その共振による
超音波振動が半導体チップからリップ側パッド９１と基
板側パットとの接触部分に作用し、リップ側パッド９１
と基板側パットとが接合し、半導体チップ９０が回路基
板９２のチップ実装位置に表面実装される。半導体チッ
プ９０を回路基板９２に押し付ける方式は、超音波振動
接合機構１０のエアーシリンダ１５による下降と、モー
タ１２によるボルト・ナット機構１３の下降とで行う。
その加圧力制御はエアーシリンダ１５の出力により行
う。

【００２６】リップ側パッド９１と基板側パットとの接
合時間制御は、画像処理装置７１が、例えば、振動子３
０の超音波振動の開始からの経過時間の計時情報と、温
度計から入力された温度情報とより、接合終了時刻を決
める。そして、接合終了時刻になったら、画像処理装置
７１が、振動子３０に振動停止を、エアーシリンダ１５
への圧力供給系統のバルブに上昇切替を、モータ１２に
上昇切替をそれぞれ指示する。これにより、共振器２３
が上昇し、共振器２３が回路基板９２に表面実装された
半導体チップ９０より離れて上昇限度位置に呈する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態に係る超音波振動接合装置
を示す側面図。

【図２】 同実施形態のモニターのズーム画像表示位置
を示す画面図。

【図３】 同実施形態の１個所ズーム表示処理を示す画
面図。

【図４】 同実施形態の左下１／４ズーム表示処理を示
す画面図。

【図５】 同実施形態の左下及び右上１／４ズーム表示
処理を示す画面図。

【図６】 同実施形態の右半分ズーム表示処理を示す画
面図。

【符号の説明】

２ 実装機構 １０ 超音波振動接合機構 ６０ 計測機構 ７１ 画像処理装置 ８０ モニター装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１部材が実装機構に搭載され、第２部
   材が実装機構よりも上方に離隔された超音波振動接合機
   構に両持ち支持された共振器の接合作用部に吸引吸着さ
   れ、第１部材と第２部材の間に非接触に挿入された計測
   機構が第１接合部材の下面に設けられた金属部と第２部
   材の上面に設けられた金属部との位置を計測して実装機
   構を駆動することにより第１部材の金属部と第２部材の
   金属部との位置整合を行った後、共振器が下降して第１
   部材の金属部と第２部材の金属部とを加圧下で重ね合
   せ、振動子より共振器に伝達された超音波振動により第
   １部材の金属部と第２部材の金属部とを接合する超音波
   振動接合装置において、計測機構が実装機構に搭載され
   た第１部材と共振器に吸引吸着された第２部材とを撮像
   する２視野撮像手段と、２視野撮像手段での撮像データ
   を画像処理する画像処理装置と、画像処理装置から出力
   された撮像データにより画像を画面表示するモニター装
   置とを備える一方、画像処理装置がモニター装置の画面
   に表示された原画像をモニター装置の画面の指定された
   所定表示領域に拡大表示する手段を備えたことを特徴と
   する超音波振動接合装置。