JP2003318226A - 超音波フリップチップ実装装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単で信頼性の高い超音波フリップチップ実
装装置を提供する。 【解決手段】 接合完了時に目標押圧力となるように、
一定時間間隔でその時間ごとのロードセル２８で検出し
た押圧力から目標押圧力までの押圧力差をそれぞれの押
圧力ごとにフックの法則により算出した圧縮コイルバネ
２７の変位量から算出するとともに、現在の時間から接
合完了の目標時間までの残り時間を算出する。この変位
量を残り時間で除算して吸着コレット１０１の移動速度
を算出し、この移動速度に合うようにモータ２３を制御
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＩＣチップ等の電
子部品を単体（チップ）の状態で回路基板に実装する場
合に電子部品の電極に形成したバンプを回路基板の電極
部に押圧しつつ超音波振動を与えて接合する超音波フリ
ップチップ実装装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、モバイル情報通信関連商品等にお
いては、回路実装基板のよりいっそうの小型、軽量、高
周波化による高性能化と、コストダウンとが切望されて
いる。そのため、ＩＣと回路基板の直接実装が可能なフ
リップチップ実装が有効となる。中でも超音波振動を利
用した金属拡散接合は、低接続抵抗、高接合強度、短時
間接合等の特徴があり、ますます注目を集めている。

【０００３】図３は従来の超音波フリップチップ実装装
置の概要斜視図である。図３において、回路基板１０４
はワークステージ１０３に載置され、図示しない保持手
段により位置ずれしないように保持される。また、ＩＣ
チップ２０４は超音波ホーン１０８に具設された吸着コ
レット１０１の吸着面にエア流路１０を利用して発生さ
せた負圧により吸着保持される。

【０００４】回路基板１０４上の電極部１０５とＩＣチ
ップ２０４の下面に形成してある図示しないバンプ２０
６を位置合わせした後、制御部２から加圧手段１に指令
が発せられ、吸着コレット１０１の下降に伴ってＩＣチ
ップ２０４が下降する。

【０００５】やがてバンプ２０６の先端が電極部１０５
に当接し、その後加圧手段１が更に加圧力を増大させる
とともに制御部２から発振器１０６に指令が発せられ、
発振器１０６は超音波振動の電気エネルギを振動子１０
７に出力する。

【０００６】振動子１０７は入力された電気エネルギを
機械的な超音波振動に変換して超音波ホーン１０８はこ
の超音波振動を吸着コレット１０１に伝達し、バンプ２
０６と電極１０５は矢印エ方向の圧力が加えられるとと
もに回路基板１０４の表面と平行方向の超音波振動が加
えられる。この超音波振動によってバンプ２０６と電極
１０５が接合され、ＩＣチップ２０４が所定の位置に接
合されるのである。

【０００７】上述の加圧の制御方法には、次の４種類の
方法が考えられる。第１の方法は時間を考慮せずに加圧
力を中心に制御する方法である。第２の方法はバンプと
電極との押圧動作をバンプと電極の接触面積が初期状態
から接合完了まで変化率が一定になるように制御する方
法である。

【０００８】第３の方法はバンプと電極との押圧動作を
バンプと電極の接触面積が初期状態から接合完了まで、
この押圧に要する荷重の変化率が一定になるように制御
する方法である。第４の方法はバンプと電極との押圧動
作がバンプと電極の接触面積が初期状態から接合完了ま
でバンプの高さの変化率が一定になるように制御する方
法である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
４種類の加圧制御方法にはそれぞれ次のような問題点が
があった。第１の方法には加圧力基準で制御するため時
間的な精度が劣ることにより超音波振動を印加している
時間が所定の時間より若干少な目となる。第２の方法に
は、バンプの形状、数量、および超音波振動の影響など
定量化するのが困難である。第３の方法には、バンプの
潰れが大きい時、荷重は軽くなるがそれを急速に修正す
る動作となるため更に大きくバンプを潰すことになると
いう悪影響がある。また、第４の方法には、バンプの潰
れ等により設定時間に到達する時間が変化する。本発明
は、上記課題を解決するためになされたもので、簡単な
方法で信頼性の高い超音波フリップチップ実装装置を提
供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明になる第１の超音
波フリップチップ実装装置は駆動手段による押圧力を圧
縮コイルバネを介して吸着コレットに伝達し、この吸着
コレットに吸着されたその電極部にバンプが形成された
電子部品を回路基板の電極部に押圧しつつ超音波振動に
よりこの電子部品を回路基板に実装する超音波フリップ
チップ実装装置において、前記駆動手段による押圧力を
検出する圧力センサと、前記超音波フリップチップ実装
装置を制御する制御部であって、別途設けた入力手段か
ら、前記電子部品のバンプが前記回路基板の電極部に最
初に接触する時に印加すべき押圧力と接合完了時に印加
すべき押圧力とこれらの押圧力に到達すべき時間を入力
し、前記最初に接触する時に印加すべき押圧力検出後、
予め決められた一定時間間隔で前記圧力センサで検出し
た押圧力をもとに圧縮コイルバネの変位量を算出し、ま
た接合完了時に印加すべき押圧力における前記圧縮コイ
ルバネの変位量を算出し、この変位量の差分を現在の時
間から接合完了時に印加すべき押圧力に到達する時間と
の差分で除算することにより前記吸着コレットの移動速
度を求め、この移動速度をもとに駆動手段を制御する制
御部と、を有することを特徴とするものである。

【００１１】本発明になる第２の超音波フリップチップ
実装装置は、駆動手段と、上下方向にのみ摺動自在に規
制され、前記駆動手段により昇降する第１のスライダ
と、前記第１のスライダの下方で上下方向にのみ摺動自
在に規制された第２のスライダと、前記第１のスライダ
と第２のスライダとのあいだに懸架された引っ張りコイ
ルバネと、前記第１のスライダと第２のスライダとのあ
いだに直列的に介在する圧縮コイルバネと圧力センサ
と、前記第２のスライダの下端に具設された超音波振動
発生装置と、前記超音波振動発生装置の出力端に具設さ
れ、電子部品を保持する吸着コレットと、前記吸着コレ
ットの吸着面と対向して配置され、回路基板を保持する
ワークステージと、で構成され、前述の第１の発明にな
る超音波フリップチップ実装装置の制御部で制御される
ことを特徴とするものである。

【００１２】

【作用】本発明によれば、接合完了時に目標押圧力とな
るように、一定時間間隔でその時間ごとの押圧力から目
標押圧力までの押圧力差をそれぞれの押圧力ごとにフッ
クの法則により算出した圧縮コイルバネの変位量から算
出するとともに、現在の時間から接合完了の目標時間ま
での残り時間を算出する。この変位量を残り時間で除算
して吸着コレットの移動速度を算出し、この移動速度に
合うように駆動手段を制御することとしたので接合完了
時に確実に目標押圧力に到達できる。

【００１３】

【発明の実施の形態】次に本発明の内容について図面を
参照しつつ詳しく説明する。図１は本発明の１実施形態
を示す超音波フリップチップ実装装置の概要斜視図であ
る。図１において、２１は、この超音波フリップチップ
実装装置の実装機構を支持する逆Ｌ字型の架台、２２、
２２は架台２１の垂直部に配設されたレール、２３は架
台２１の水平部に固定された駆動手段であるモータ、２
４はモータ２３の軸に取り付けられたボールネジ、２５
はレール２２、２２に摺動自在に取り付けられた第１ス
ライダであり、ボールネジ２４は第１スライダ２５に螺
合されており、モータ２３の回転がボールネジ２４に伝
わり、この回転で第１スライダ２５がＺ軸方向に移動す
る。

【００１４】２６はレール２２、２２に摺動自在に取り
付けられた第２スライダである。第１スライダ２５と第
２スライダ２６の間には圧縮コイルバネ２７と圧力セン
サであるロードセル２８が挟持されており、モータ２３
の回転による第１スライダのＺ方向の移動が圧縮コイル
バネ２７とロードセル２８を介して第２スライダ２６に
伝達され、第２スライダもＺ方向に移動する。このとき
の押圧力がロードセル２８によって検出される。

【００１５】２９、２９は第２スライダ２６の自重を支
える引っ張りコイルバネであり、第１スライダ２５の突
設部２５ａ、２５ａと第２スライダ２６の突設部２６
ａ、２６ａを固定部として取り付けられている。

【００１６】１０７は超音波振動発生装置の構成要素で
ある振動子であり、第２スライダ２６の下端に具設され
ている。１０８も超音波振動発生装置の構成要素である
超音波ホーンであり、振動子１０７と連接されている。
１０１は超音波ホーン１０８の出力端に具設された吸着
コレットであり、この下面が穿孔され、超音波ホーン１
０８の内部を貫通してエア流路１０が設けられている。
このエア流路１０を利用して発生させた負圧により、Ｉ
Ｃチップ２０４を吸着コレット１０１に吸着保持する。

【００１７】１０３は回路基板を載置するワークステー
ジ、１０４はワークステージ１０３に載置された回路基
板、１０５は回路基板１０４に形成されたＩＣチップ２
０４実装用の電極部である。１０６は振動子１０７を振
動させる超音波を発振する発振器である。

【００１８】１１１は前記超音波フリップチップ実装装
置を制御する制御部で、別途設けた入力手段から、ＩＣ
チップ２０４のバンプが回路基板１０４の電極部１０５
に最初に接触する時に印加すべき押圧力と接合完了時に
印加すべき押圧力とこれらの押圧力に到達すべき時間を
入力し、前記最初に接触する時に印加すべき押圧力検出
後、予め決められた一定時間間隔でロードセル２８で検
出した押圧力を基にフックの法則により圧縮コイルバネ
２７の変位量を抽出し、また同じくフックの法則により
接合完了時に印加すべき押圧力における圧縮コイルバネ
２０７の変位量を算出し、この変位量の差分を現在の時
間から接合完了時に印加すべき押圧力に到達する時間と
の差分で除算することにより吸着コレット１０１の移動
速度を求め、この移動速度をもとにモータ２３の回転数
を制御する制御部である。なお、制御部１１１はＩＣチ
ップ２０４のバンプが回路基板１０４の電極部１０５に
最初に接触してから接合完了まで超音波発振器１０６に
指令を与えて超音波を発振させ振動子１０７を超音波振
動させる。

【００１９】圧縮コイルバネ２７の変位量は次のように
して算出する。制御部１１１には圧縮コイルバネ２７の
バネ係数が入力されており、このバネ係数とロードセル
２８で検出した押圧力をもとに次の式１で表わされるフ
ックの法則をもとに圧縮コイルバネ２７の変位量を算出
する。

【式１】Ｆ＝ｋ×ｘ ここで、Ｆは押圧力、ｋは圧縮コイルバネ２７のバネ係
数、ｘは圧縮コイルバネ２７の変位量である。

【００２０】次に、このような超音波フリップチップ実
装装置の動作について説明する。最初に、図示しない別
途設けた入力手段からから押圧力プロファイルを入力す
る。図２は、この押圧力プロファイルである。図２にお
いて、横軸は時間、縦軸は押圧力であり、ＩＣチップ２
０４のバンプ２０６（図示せず）が回路基板１０４の電
極部１０５に最初に接触した時の押圧力Ｆ０とそのとき
の時間Ｔ０、接合完了時の押圧力Ｆ１とその押圧力に達
する時間Ｔ１を入力する。このようにしておいてから、
実際にＩＣチップ２０４を回路基板１０４に超音波フリ
ップチップ実装する。

【００２１】まず、ワークステージ１０３の所定の位置
に回路基板１０４を載置し、固定する。次に、制御部１
１１からモータ２３に所定の移動速度で吸着コレット１
０１を移動させるために所定の回転数の回転指令を与え
て、第１スライダ２５をＺ方向で下降させるよう動作さ
せる。第１スライダ２５の下降は圧縮コイルバネ２７、
ロードセル２８を介して第２スライダ２６を下降させる
ので吸着コレット１０１に吸着されたＩＣチップ２０４
も下降し、回路基板１０４の電極１０５に当接する。こ
のとき前述したように発振器１０６が超音波を発振し、
この超音波発振が振動子１０７に加えられ、ここで機械
的な超音波振動に変換され、超音波ホーン１０８に出力
される。超音波ホーン１０８はこの超音波振動を吸着コ
レット１０１に伝達し、バンプ２０６と電極１０５は矢
印エ方向の圧力が加えられるとともに回路基板１０４の
表面と平行方向の超音波振動が加えられる。この超音波
振動がＩＣチップ２０４を回路基板１０４に金属拡散接
合させる原動力となる。

【００２２】このときの時間を前述したようにＴ０とす
る。また、このときロードセル２８で検出され、制御部
１１１で換算して求められる押圧力を前述したようにＦ
０とする。従って、前述の式１から圧縮コイルバネ２７
の変位量はＦ０／ｋで算出され、この値をｘ０とする。
図２から接合完了の時間はＴ１であり、その時の押圧力
はＦ１である。接合完了時の圧縮コイルバネ２７の変位
量をｘ１とすると、前述の式１からこの変位量ｘ１はＦ
１／ｋで算出できる。従ってＴ０時点での修正移動速度
は次の式２で求めることができ、この修正速度に対応す
る回転数を制御部１１１から与える。

【式２】（ｘ１−ｘ０）／（Ｔ１−Ｔ０）

【００２３】この演算は予め決められた一定時間間隔、
例えば２０ｍｓ単位で実行されるように設定されてい
る。今時間Ｔ０からＴｎ経過した時を想定する。このと
きの荷重がＦｎとすると、このときの圧縮コイルバネ２
７の変位量はＦｎ／ｋとなり、この値をｘｎとする。こ
こで移動速度を計算すると、次式により求めることがで
きる。 （ｘ１−ｘｎ）／（Ｔ１−Ｔｎ） この値が２０ｍｓごとに更新され、２０ｍｓごとに最終
押圧力Ｆ１になるように吸着コレットの移動速度が修正
され、この修正移動速度となるようにモータ２３の回転
数を調整する。このように調整されるから、図２の押圧
力プロファイルのようにＩＣチップ２０４が回路基板１
０４に押圧され、接合完了時間Ｔ１に目標押圧力Ｆ１に
到達する。このとき制御部１１１は超音波発振器１０６
へ発振停止指令を出力し、超音波発振は停止され、吸着
コレット１０１の超音波振動は停止される。このように
して、ＩＣチップ２０４の回路基板１０４への接合が完
了する。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、以上説明したように、
押圧力のプロファイルを設定し、ＩＣチップが回路基板
に最初に接触してから、接合完了まで一定時間間隔で、
吸着コレットに印加される圧力をロードセルで検出し、
それをもとにフックの法則を用いて圧縮コイルバネの変
位量を算出し、接合完了までの残り時間から吸着コレッ
トの移動速度を修正し、この修正移動速度をもとにモー
タの回転数を制御することとしたので、この押圧力のプ
ロファイルの設定に従って吸着コレットがＩＣチップを
回路基板に押圧するから、接合完了時に確実に設定した
押圧力に到達できる。従って、このような簡単な方法で
信頼性の高い超音波フリップチップ実装装置を提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施の形態を示す超音波フリップチ
ップ実装装置の概要斜視図である。

【図２】押圧力のプロファイル図である。

【図３】従来の超音波フリップチップ実装装置の概要斜
視図である。

【符号の説明】

１０ エア流路 ２１ 架台 ２２ レール ２３ モータ ２４ ボールネジ ２５ 第１スライダ ２６ 第２スライダ ２７ 圧縮コイルバネ ２８ ロードセル ２９ 引っ張りコイルバネ １０１ 吸着コレット １０３ ワークステージ １０４ 回路基板 １０５ 電極 １０６ 発振器 １０７ 振動子 １０８ 超音波ホーン １１１ 制御部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 駆動手段による押圧力を圧縮コイルバネ
   を介して吸着コレットに伝達し、この吸着コレットに吸
   着された、その電極部にバンプが形成された電子部品を
   回路基板の電極部に押圧しつつ、超音波振動によりこの
   電子部品を回路基板に実装する超音波フリップチップ実
   装装置において、 前記駆動手段による押圧力を検出する圧力センサと、 前記超音波フリップチップ実装装置を制御する制御部で
   あって、 別途設けた入力手段から、前記電子部品のバンプが前記
   回路基板の電極部に最初に接触する時に印加すべき押圧
   力と接合完了時に印加すべき押圧力とこれらの押圧力に
   到達すべき時間を入力し、 前記最初に接触する時に印加すべき押圧力検出後、予め
   決められた一定時間間隔で前記圧力センサで検出した押
   圧力をもとに圧縮コイルバネの変位量を算出し、また接
   合完了時に印加すべき押圧力における前記圧縮コイルバ
   ネの変位量を算出し、この変位量の差分を現在の時間か
   ら接合完了時に印加すべき押圧力に到達する時間との差
   分で除算することにより前記吸着コレットの移動速度を
   求め、 この移動速度をもとに駆動手段を制御する制御部と、を
   有することを特徴とする超音波フリップチップ実装装
   置。
2. 【請求項２】 前記超音波フリップチップ実装装置は、 駆動手段と、 上下方向にのみ摺動自在に規制され、前記駆動手段によ
   り昇降する第１のスライダと、 前記第１のスライダの下方で上下方向にのみ摺動自在に
   規制された第２のスライダと、 前記第１のスライダと第２のスライダとのあいだに懸架
   された引っ張りコイルバネと、 前記第１のスライダと第２のスライダとのあいだに直列
   的に介在する圧縮コイルバネと圧力センサと、 前記第２のスライダの下端に具設された超音波振動発生
   装置と、 前記超音波振動発生装置の出力端に具設され、電子部品
   を保持する吸着コレットと、 前記吸着コレットの吸着面と対向して配置され、回路基
   板を保持するワークステージと、で構成された請求項１
   記載の超音波フリップチップ実装装置。