JP2004014903A

JP2004014903A - Bonding tool, and electronic component bonding apparatus

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Publication number: JP2004014903A
Application number: JP2002168256A
Authority: JP
Inventors: Toru Mizuno; 水野　亨; Yoshihiro Onozeki; 小野関　善宏
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2002-06-10
Filing date: 2002-06-10
Publication date: 2004-01-15
Anticipated expiration: 2022-06-10
Also published as: TW200400088A; JP3914097B2; WO2003105214A1; TW590810B

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a bonding tool and an electronic component bonding apparatus wherein the horizontal miniaturization of the bonding tool is achieved, and vibration other than vibration (longitudinal vibration) parallel with the shaft center of a horn is suppressed, and further, attaching accuracy and rigidity are highered. <P>SOLUTION: In the electronic-component bonding apparatus, the bonding tool has a vibrating source for generating ultrasonic vibration, an ultrasonic horn wherein its one end is coupled to the vibrating source and it can propagate the ultrasonic vibration generated in the vibrating source, and a vibration imparting portion which is coupled to the ultrasonic horn and imparts the propagated vibration to an electronic component via the ultrasonic horn. Further, the ultrasonic horn is formed in an arch form having a circular arc portion, and is so configured that the vibration imparting portion is coupled to the plane symmetric position of the circular arc portion, and a tool attaching portion facing the vibration imparting portion is provided on the rear surface side of the circular arc portion. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バンプ付き電子部品の基板に形成された電極への接合に用いられるボンディングツール、および電子部品の接合装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
フリップチップなどのバンプ付き電子部品を実装する装置として、超音波圧接を用いる装置が知られている。この装置は、下部に固定したボンディングツールを用いて、バンプ付き電子部品のバンプを基板に形成された電極に超音波振動を付与しながら押圧し接合するものである。以下、図面を参照しながら説明する。
【０００３】
図１６は、従来のバンプ付き電子部品の接合装置５１を示す図である。同図の従来のバンプ付き電子部品の接合装置においては、ボンディングツール５３の一端に設けたキャピラリー部５５に、バンプ付き電子部品５７を吸着させ、その下方に表面に電極が形成された基板５９がステージ６１上に固定して配置されている。バンプ付き電子部品５７は、バンプが形成されている面とが基板５９上の電極とが対向するように配置されている。この状態で、ボンディングツール５３からバンプ付き電子部品５７に超音波振動を付与しながら、バンプ付き電子部品５７のバンプを基板５９に形成された電極に押圧して接合する。
【０００４】
次に、図１７および図１８を参照して従来のボンディングツール５３からバンプ付き電子部品５７に付与される振動について説明する。図１７は、図１０のボンディングツール５３を拡大した図である。図１８（ａ）は、ホーン（超音波ホーン）６５およびキャピラリー部５５における振動の方向および変位量を示す図である。この図において、矢印の示す方向が振動方向であり、矢印の大きさは振動の変位量の大小を示している。図１８（ｂ）はホーンの各位置（横軸）におけるホーンの軸心に平行な振動の変位量（縦軸）の変化を示す図である。図１７または図１８に示すボンディングツール５３は、振動子６３で作られた振動を、ホーン６５を通してキャピラリー部５５へ伝える。キャピラリー部５５は、ホーンの先端部６５ａにおいて、その軸心５５ｃがホーンの軸心６５ｃと垂直となるように固定してある。このため、キャピラリー部５５に伝えられた振動は、キャピラリー部５５の軸心５５ｃに垂直な方向の振動としてキャピラリー部５５の先端部５５ｂに吸着されたバンプ付き電子部品５７に伝えられる。この状態でバンプ付き電子部品５７を基板５９に押圧することにより、バンプ付き電子部品５７は基板５９に形成された電極に接合される。
【０００５】
ホーン６５を伝搬する振動は、図１８（ａ）および図１８（ｂ）に示すように、ホーン６５を伝搬するにつれてその変位量が変化する。図１８（ｂ）の例ではホーン６５の長さ方向において、２つの節（変位量がゼロとなるところ）と３つの腹（変位量が最大となるところ）が存在し、腹となる位置にキャピラリー部５５を固定しているため、大きな振動をキャピラリー部５５に伝えることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
（１）図１６または図１７に示すように従来のボンディングツールにおいては、振動子６３の軸心６３ｃとホーン６５の軸心６５ｃを同一直線上に設けている。基板５９は生産性向上のため複数個取りとなる場合が多く（図示せず）、従って基板５９およびステージ６１は大面積化する傾向にある。このため、ボンディングツール５３と大面積化した基板５９および既に基板上に配置された電子部品（図示せず）との干渉を避けるためには、▲１▼ボンディングツール５３を図面上方向（Ｚ方向）に配置する、▲２▼ボンディングツール５３の保持部６６や振動子６３を水平方向（Ｘ方向）に延伸した位置に配置する、などといった方法が考えられる。
【０００７】
前記▲１▼の方法を採った場合は、キャピラリー部５５の長さに影響し、その強度および振動特性に影響を与えるため、ボンディングツール５３を上方向（Ｚ方向）に移動配置するには限度がある。同様に前記▲２▼の方法を採った場合は、ホーン６５の長さに影響し、その強度および振動特性に影響を与えるため、ボンディングツール５３を水平方向（Ｘ方向）に延伸するには限度がある。
【０００８】
さらに、前記▲２▼の方法を採り、大面積化した基板５９に可能な限り対応できるようにボンディングツール５３を延伸した場合、バンプ付き電子部品の接合装置５１の持つ回転機能によりボンディングツール５３を回転させる際に、ステージ６１の周辺に存在する各種機構（図示せず）との干渉を考慮する必要があり、それらを水平方向（Ｘ方向）に待避させた位置に配置をすると、必然的にバンプ付き電子部品の接合装置全体の大型化を招く要因となっていた。
【０００９】
そこで、本発明の目的は水平方向における小型化を実現することができるバンプ付き電子部品の接合装置を提供することにある。
【００１０】
（２）従来の接合装置においては、図１７に示すように振動子６３およびホーン６５は、水平に配置されている。このためこれら振動子６３およびホーン６５が実装時に基板側と干渉しないように、キャピラリー部５５の長さを延長させなければならなかった。しかしキャピラリー部５５を延長させたことで、当該キャピラリー部５５の剛性が低下し、振動子からの超音波振動によって、キャピラリー部５５に共振が生じ、それにともないキャピラリー部に特有（キャピラリー部の長さ、材質、形状に応じた）の振動を発生する。
【００１１】
この振動の変位量の変化の様子を示したものが図１９および図２０である。図１９は、変位量がゼロとなる点（節）が二つ存在する場合（２次の共振モード）の変位量の変化を示す図である。図２０は、変位量がゼロとなる点（節）が一つだけ存在する場合（１次の共振モード）の変位量の変化を示す図である。
【００１２】
このように構成された半径ｒのキャピラリー部５５の振動は、先端部５５ｂにおいて弧に類似した曲線を描くように振動するため、図２１に示す通りＺ方向成分を含んだ振動となる。ここで、図２１はキャピラリー部先端（電子部品の吸着部）の振動の方向と、そのＺ方向成分を示す図である。
【００１３】
このような振動を用いて、バンプと電極とを接合する場合には、バンプ付電子部品に伝えられる振動のＺ方向成分は、キャピラリー部の径方向の中央部５５ｅでもっとも弱くなり、かつキャピラリー部の径方向の端部５５ｆおよび５５ｒでそれぞれＺ２、Ｚ１となり、Ｚ２または／およびＺ１がもっとも強くなる傾向にある。このため、バンプに対して均一に振動を加えることができず、キャピラリー部の径方向の中央部５５ｅに対向する部分では接合が弱く、キャピラリー部の径方向の端部５５ｆおよび５５ｒに対向する部分では接合が強くなりやすく、全体として不均一となりやすい。さらに、与えられる振動が不均一であることに起因して、キャピラリー部の径方向の中央部５５ｅに対向する部分の接合強度を十分に得ようとすると、キャピラリー部の径方向の端部５５ｆおよび５５ｒに対向する部分では、バンプ、電極または基板等にクラックが入る場合がある。
【００１４】
そこで、本発明のさらなる目的は、バンプ付き電子部品のバンプの基板に形成された電極への接合において、均一な接合を実現できるバンプ付き電子部品の接合装置を提供することにある。また、本発明のさらなる目的は、電子部品へのダメージを少なくできるとともに、接合強度を向上でき、かつ、信頼性の高い接合が可能なバンプ付き電子部品の接合装置を提供することにある。
【００１５】
ところで従来のホーン６５においては、その先端部６５ａにてキャピラリー部５５を保持するような片持ちの形態となっている。このような形態では、キャピラリー部５５に軸心５５ｃ方向の力（すなわち実装時における電子部品からの反力）が加わると、この力に比例してホーン６５側には変形が生じるのでキャピラリー部５５の姿勢が安定せず、電子部品のバンプに対して均一に振動を加えることができなくなるおそれがあった。
【００１６】
さらに既存の片持ち式の超音波ホーンでは、当該超音波ホーン内を伝搬する超音波振動の節となる部分に薄肉のフランジを形成し、このフランジを把持することで、超音波振動の伝搬効率を低下させずに固定を行うようにしているが、薄肉のフランジは外力に対し変形し易かった。このため電子部品への押圧によってフランジに変形が生じ、これに伴い振動付与部の姿勢が変動し、電子部品に均一な超音波振動を加えることができなくなるおそれがあった。
【００１７】
また従来のホーン６５では、円断面のテーパ形状に薄肉フランジが形成された形状であるので、一体加工を行う際、前記薄肉フランジ部が加工途中に変形するおそれがあった。
【００１８】
また振動源から発せられる超音波振動は、電子部品への接合効率向上の目的から、接合装置５１側に伝搬されることなく、その殆どがキャピラリー部５５に伝搬されることが望ましい。このため高剛性でホーンの軸心に平行な振動（縦波の振動）以外の振動の発生を防止できるとともに、超音波振動の伝搬効率の優れたホーン形状が望まれていた。
【００１９】
さらに従来のホーンにおいては、保持部を介して接合装置に結合されるので、当該接合装置とホーンとの経路が長くなりがちで、前記接合装置に対するホーンの取付精度が低下するおそれがあった。このため接合装置に対し精度良く取り付けることができるホーン形状が望まれていた。
【００２０】
本発明では、これら従来のホーンに生じる問題点に着目し、ホーンの変形を抑えるとともに、振動効率の向上と、接合装置に対する取付精度を向上させたホーンを有するボンディングツール、および電子部品の接合装置を提供することを目的とする。
【００２１】
本発明の上記以外の目的及び本発明の特徴とするところは、添付図面を参照しつつ以下の詳細な説明を読むことにより、一層明確になるであろう。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、超音波ホーン形状をアーチ型に形成し面対称位置に振動付与部を設けるとともに、アーチ背面側にツール取付部を設けるようにすれば、このツール取付部を直に接合装置側に取り付けることが可能になり、ホーン形状の剛性を確保することができるとともに、振動源から発せられた超音波振動が左右対称の超音波ホーンに伝搬されるので、ホーンの軸心に平行な振動（縦波の振動）以外の振動の発生を抑えることができるという知見に基づいてなされたものである。
【００２３】
すなわち本発明に係るボンディングツールは、超音波振動を発生させる振動源と、一端において前記振動源が結合され当該振動源で発生した超音波振動を伝搬可能な超音波ホーンと、この超音波ホーンに結合され当該超音波ホーンを介して伝搬された振動を電子部品に付与可能な振動付与部とを有したボンディングツールであって、前記超音波ホーンを円弧部を有したアーチ型に形成し、この円弧部の面対称位置に前記振動付与部を結合するとともに、前記円弧部の背面側に前記振動付与部に対向するツール取付部を設けるよう構成した。
【００２４】
そして前記円弧部と前記ツール取付部との間に空隙を形成したり、あるいは前記超音波ホーン内を伝搬する超音波振動の節位置間を結ぶよう前記ツール取付部を形成することが望ましく、さらに詳細には、前記空隙は、穴形状であったり、スリット形状であったり、スリットと穴の複合形状であればよい。また前記ツール取付部における前記振動付与部から垂下した位置に前記超音波ホーンの位置決め手段を設けたり、さらに該振動付与部の長さは、該超音波ホーンから与えられた振動が該振動付与部を電子部品へ伝搬する時に、該超音波ホーンと該電子部品との間に振動の節が発生しない長さに設定することが好ましい。
【００２５】
また本発明に係る電子部品の接合装置は、超音波振動を発生させる振動源と一端において前記振動源が結合され当該振動源で発生した超音波振動を伝搬可能な超音波ホーンとこの超音波ホーンに結合され当該超音波ホーンを介して伝搬された振動を電子部品に付与可能な振動付与部とを有したボンディングツールの固定をなす装着部と、この装着部に結合される昇降手段とを有し、前記ボンディングツールを介して前記電子部品を押圧することで基板への接合をなす電子部品の接合装置であって、前記ボンディングツールを前記超音波ホーンを円弧部を有したアーチ型に形成し、この円弧部の面対称位置に前記振動付与部を結合するとともに、前記円弧部の背面側に前記振動付与部に対向し前記装着部との結合をなすツール取付部を設けるよう構成した。
【００２６】
そして前記円弧部と前記ツール取付部との間に空隙を形成したり、あるいは前記超音波ホーン内を伝搬する超音波振動の節位置間を結ぶよう前記ツール取付部を形成することが望ましく、さらに詳細には、前記空隙は、穴形状であったり、スリット形状であったり、スリットと穴の複合形状であればよい。また前記ツール取付部における前記振動付与部から垂下した位置に前記装着部に対する前記超音波ホーンの位置決め手段を設けることが望ましく、さらに前記振動付与部と前記位置決め手段と前記昇降手段とは、同一軸心上に配置されることが好ましい。また該振動付与部の長さは、該超音波ホーンから与えられた振動が該振動付与部を電子部品へ伝搬する時に、該超音波ホーンと該電子部品との間に振動の節が発生しない長さであることが望ましい。
【００２７】
上記構成によれば、超音波ホーンの取り付けはツール取付部によってなされる。ここで前記ツール取付部は振動付与部に対向配置されているので、ツール取付部を介した接合装置からの押圧力は、片持ち梁に代表されるように迂回することなく垂直方向に伝達される。このため超音波ホーンの剛性を向上させることが可能となり、前記押圧力が加わった場合、超音波ホーンの姿勢が変動し、この変動に伴い振動付与部に傾きが生じ、電子部品のバンプに加える振動が不均一になることを防止することができる。また既存の超音波ホーンのように薄肉のフランジを使用せず、剛性の高いツール取付部にて超音波ホーンを装置側に固定するので、結合部の剛性を確保することができ、外力が及ぶことによって振動付与部に姿勢変化が生じるのを防止することができる。さらに従来型のホーンでは薄肉フランジが存在するので、当該薄肉フランジが加工途中で変形するおそれがあったが、本発明に係るアーチ型ホーンでは、その基本形状をワイヤーカットなどによって行うため、変形が発生することなく安定した加工精度を得ることが可能になる。
【００２８】
また前記押圧力は、ツール取付部から振動付与部に向かって垂直方向に加わるので、たとえ前記押圧力によって超音波ホーンに変形が生じても、振動付与部の姿勢が乱れることがない。このため本ボンディングツールを用いれば、電子部品のバンプに振動を均一に加えることが可能になる。さらに振動付与部は円弧部の面対称位置に結合されるので、超音波ホーンは、振動付与部を境界として左右対称の形状となる。このため超音波ホーンにホーンの軸心に平行な振動（縦波の振動）以外の振動が生じるのを防止することが可能になり、十分な振動を電子部品側に伝達することができる。またアーチ型形状からなる超音波ホーンに振動源が取り付けられているので、当該振動源は基板に対して角度を持って結合される。このため基板周辺に配置された他部品あるいは各種機構に振動源が干渉することを防止することが可能になり、ボンディングツールの小型化を達成することができる。
【００２９】
そして円弧部とツール取付部との間に空隙を形成すれば、振動源で発生した振動の大半を円弧部側に伝搬させることができ、ツール取付部側に不要振動が伝搬するのを防止することが可能になり、振動付与部への振動の伝搬効率を向上させることができる。さらにツール取付部の両端を円弧部内を伝搬する超音波振動の節の位置と一致させれば、超音波振動の節の位置からは理論上、振動が伝搬しないのでツール取付部側に不要振動が伝搬するのを一層防止することができる。
【００３０】
なおツール取付部において、振動付与部から垂下した位置に超音波ホーンの位置決め手段を設けるようにすれば、振動付与部と位置決め手段とを結ぶ軸上で前記振動付与部が昇降するので、ボンディングツールが装着される接合装置、さらに詳細には昇降手段に接合される装着部に対する位置決め精度を向上させることができる。さらに振動付与部と位置決め手段に加えて、昇降手段も同一軸心上に配置すれば、軸心上に位置決め手段を設けたので、位置決め精度を向上させることが可能になることに加え、昇降手段からの押圧力を迂回することなく直接、振動付与部に伝えることができるので、前記押圧力の伝達経路途中に変形等が生じるのを防止することができる。また装着部に対する超音波ホーンの結合は、ツール取付部によって行われるが、これら装着部とツール取付部との接合は、単一の平面どうしを密着させるようにすることが望ましい。このように単一の面どうしを密着させるようにすれば、密着の際、双方の間に傾きやねじれ等が発生することを防止することができ、取付精度を向上させることができる。また上述したように、振動付与部と装着部との間にツール取付部を介在させるようにしたので（振動付与部に対向するようツール取付部を設けるようにしたので）、超音波ホーンの剛性が向上し、たとえ装着部側への結合の際に、超音波ホーンを変形させる力が加わっても、この超音波ホーンの剛性が、前記力を受け止めるので当該力が超音波ホーンに及ぶことがなく、もって振動付与部に姿勢変化等の障害が発生するのを防止することができる。
【００３１】
また超音波ホーンの先端は、円弧部によって凸型に形成されている。このため振動源や超音波ホーンの端部が、振動付与部から離れ、基板上の実装部品など、周囲の部材と干渉することがない。このため干渉を避けるために必要であった振動付与部の長さを、短くすることができる。そして振動付与部の長さを超音波振動によって振動付与部に振動の節が発生しないだけの寸法まで短くすれば、振動付与部の長さ方向に生じる振動の発生を抑えることができ、電子部品に均一な振動を加えることができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下に、ボンディングツール、および電子部品の接合装置に好適な具体的実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００３３】
図１は、本実施の形態に係る電子部品の接合装置を示す断面説明図であり、図２は、図１における要部拡大図である。
【００３４】
これらの図を用いて、まず本実施の形態の概略構成について説明する。本実施の形態に係る電子部品の接合装置１は、本体部２、ボンディングツール３およびステージ４等から構成される。
【００３５】
本体部２は、固定ブロック５と、垂直方向駆動機構６と、昇降手段となる加圧機構７とから構成される。垂直方向駆動機構６は、固定ブロック５に固定された軸受け６ａとその軸受けを貫くボールネジ軸６ｂとからなる。加圧機構７は、複数の軸受け７ａ、７ｃ、７ｅと軸７ｂ、７ｄ、７ｆを鉛直方向（Ｚ方向）に直列にならべたものであって、垂直方向駆動機構のボールネジ軸６ｂに固定されている。また加圧機構７の最下端には装着部８が設けられ、当該装着部８の下面に形成された装着面９にボンディングツール３を固定可能としている。このように構成した接合装置１においては、垂直方向駆動機構６と加圧機構７の作用により、接合にかかる電子部品に合わせて、ボンディングツール３を上下方向に移動させることができる。また、加圧機構７により、接合時に電子部品に加わる圧力を調整することができる。
【００３６】
ボンディングツールについては後に詳述するため、ここではその概略を説明する。ボンディングツール３の最下端には、振動付与部となるキャピラリー部１０が固定されている。当該キャピラリー部１０の下端には、吸着器（不図示）によりバンプ付き電子部品１１を吸着することができる。キャピラリー部１０の下方には電極が形成された基板１２を固定して配置するためのステージ４が設けられている。ステージ４は、水平方向（Ｘ−Ｙ方向）に移動しても、常にボンディングツール３先端のキャピラリー部１０の下方に位置するようになっている。バンプ付き電子部品１１は、バンプが形成されている面が基板１２の電極側に対向するように配置している。また、加圧機構７により、バンプ付き電子部品１１を基板１２に押圧することができる。この状態で、ボンディングツール３のキャピラリー部１０からバンプ付き電子部品１１に振動子１５によって発生する超音波振動を付与しながら、バンプ付き電子部品１１のバンプを基板１２に形成された電極に押圧して接合することができる。
【００３７】
本実施の形態においては、ボンディングツールの構成およびキャピラリー部の形状に主な特徴があるため、これらについて以下で順次説明する。
【００３８】
（１）ボンディングツール
図３は、超音波ホーンの形状を示す上側面図であり、図４は、図３に示す超音波ホーンの正面図である。
【００３９】
図２、図３、図４に示すように、本実施の形態に係るボンディングツール３は、電子部品の接合装置１における本体部２に固定されており、振動源となる振動子１５と、超音波ホーン１７と、キャピラリー部１０とから構成されている。
【００４０】
超音波ホーン１７は、図３に示すように一定の厚みからなり、その厚みは少なくともキャピラリー部１０が結合可能であるとともに、本体部２側による昇降に対して十分な強度を確保できるだけの寸法に設定されている。また図４に示すように、超音波ホーン１７の正面形状は、左右が対称であるアーチ型となっている。すなわち超音波ホーン１７では、下向きに凸状となる円弧部２５と、当該円弧部２５の両端からはこの円弧部２５の接線方向に延長される直線部２７が形成されている。ここで円弧部２５と前記ツール取付部２７との間には、空隙となる抜き穴２８が形成され、円弧部２５とツール取付部２７とを分離するようにしている。
【００４１】
また円弧部２５と直線部２７との背面側には、本体部２側への接合をなすためのツール取付部２９が形成されている。さらにこのツール取付部２９と直線部２７とを結ぶ端面３１の片側には、メネジ部３３が形成されており、このメネジ部３３に振動子１５の先端を螺合させることで、超音波ホーン１７に振動子１５を固定可能にする。
【００４２】
なおメネジ部３３によって固定される振動子１５の軸心は、円弧部２５の厚みの中央位置を通り、その後、直線部２７にて接線方向に延長される規定面３５内に含まれており、振動子１５で発生した超音波振動の大半が規定面３５上（すなわち円弧部２５内）を伝搬するようにしている。すなわち振動子１５と超音波ホーン１７の軸心とは幾何学的に連続した形態となっている。また円弧部２５における最下端、すなわち超音波ホーン１７を左右対称に分ける境界面３７上には、キャピラリー取付穴３９が設けられており、キャピラリー部１０をこのキャピラリー取付穴３９に差し込み挿入させることで、超音波ホーン１７にキャピラリー部１０を結合可能にしている。
【００４３】
さらにツール取付部２９における位置合わせ面４３において、前記キャピラリー取付穴３９の軸心と交差する部分には、位置決め手段となる位置決め穴４１が形成されている。そして本体部２側の装着面９にあらかじめ形成された位置決め用の凸部（図示せず）を前記位置決め穴４１に凹凸嵌合させることで、本体部２に対するボンディングツール３の位置合わせを行うようにしている。
【００４４】
なおツール取付部２９における位置合わせ面４３において、前記キャピラリー取付穴３９の左右には、貫通穴４５が形成されている。このため当該貫通穴４５に抜き穴２８側から結合用ボルトを挿入し、装着面９側に設けられた図示しないメネジ部に、この結合用ボルトを螺合させることで、ボンディングツール３と本体部２に強固に結合できるようにしている。
【００４５】
また超音波ホーン１７に形成された抜き穴２８の形状は、以下によって設定される。
【００４６】
図５は、超音波ホーンの定常振動モードを示す説明図であり、図６は、横軸に距離、縦軸に振幅の度合いを設定し、図５における定常振動の節と腹の状態を示した説明図である。なお図５における矢印は、超音波振動の振幅の大小を示している。
【００４７】
これらの図に示すように、超音波ホーン１７に結合された振動子１５を稼働させると、当該振動子１５から超音波振動が発生し、この超音波振動が円弧部２５へと伝搬する。ここで円弧部２５と、その両側に位置する直線部２７の長さの合計は、図６に示すように、超音波振動の１波長（λ）に相当するよう設定されているので、超音波振動の振幅が最大になるのは、超音波ホーン１７における両側の端面３１と、円弧部２５の中央であるキャピラリー取付穴３９である。そして図６におけるＡ位置では、超音波振動の節になっているので、理論上ではこの位置に振動が発生することがない。このため超音波ホーン１７に形成された抜き穴２８の縁辺をＡ位置に一致させれば、直線部２７から円弧部２５へと伝搬する超音波振動が、ツール取付部２９側に伝搬するのを防止することができ、振動子１５から発生した殆どの超音波振動を円弧部２５側に伝搬させることができる。
【００４８】
このように構成されたボンディングツール３では、キャピラリー部１０と位置決め穴４１が同一軸心上に配置されるので、本体部２からの押圧力が余分な経路を介さずに直に加わる。このため押圧によって超音波ホーン１７に変形が生じても、キャピラリー部１０に姿勢変動が生じず、実装対称となる電子部品に均一な振動を加えることができるのである。さらに位置合わせ面４３は分割された複数の面から構成されるのではなく、位置決め穴４１の軸心まわりに形成された単一面であることから、この位置合わせ面４３を装着面９に押しつけるだけで、容易に装着面９に対するボンディングツール３の姿勢を設定することが可能になる。また超音波ホーン１７をアーチ型に形成し、左右対称形状にしたことから、前記超音波ホーン１７における剛性の向上が図れるとともに、ホーンの軸心に平行な振動（縦波の振動）以外の振動の発生が抑えられることはいうまでもない。
【００４９】
図７は、超音波ホーンの応用例の形状を示す上側面図であり、図８は、図７に示す超音波ホーンの正面図であり、図９は、同超音波ホーンの定常振動モードを示す説明図である。
【００５０】
なお本応用例では、超音波ホーンの形状が一部異なるだけで、その他の構成については同様であることから、共通の箇所に関しては同一の番号を付与して説明を行うこととする。
【００５１】
これらの図に示すように、応用例となる超音波ホーン４７では、円弧部２５側とツール取付部２９側とを狭幅の脚部４９で接続した形態となっている。このように脚部４９の幅を狭くし、この脚部４９の先端を超音波振動の節の部分に接続すれば、ツール取付部２９に伝搬する不要振動５０（図５および図９を参照）をより一層低減させることができる。
【００５２】
また本発明においては、抜き穴２８を空隙として説明を行ったがこの形態に限定されることもなく種々の変形が可能である。
【００５３】
図１０は、超音波ホーンの第１変形例の形状を示す上側面図であり、図１１は、図１０に示す超音波ホーンの正面図であり、図１２は、同超音波ホーンの定常振動モードを示す説明図である。なお第１変形例および後述する第２変形例では、超音波ホーンの形状が一部異なるだけで、その他の構成については同様であることから、共通の箇所に関しては同一の番号を付与して説明を行うこととする。
【００５４】
これらの図に示すように第１変形例となる超音波ホーン５２では、円弧部２５側とツール取付部２９側との間の空隙を、抜き穴５４とこの抜き穴５４の周囲に形成されたスリット５６とで構成した。このように前記空隙を、抜き穴５４とスリット５６との複合形態としても、前記スリット５６によって形成される左右一対の脚部５８によって円弧部２５側とツール取付部２９側との分離がなされるため、図１２に示すようにツール取付部２９に伝搬する不要振動５０をより一層低減させることができる。なお上記スリット５６の幅は、円弧部２５が振動子１５からの超音波振動によって振動した際、前記円弧部２５がツール取付部２９側に接触しないだけの（干渉しないだけの）寸法以上に設定されればよく、具体的な寸法は加工機等の精度や、超音波ホーンの取り付け操作性などによって設定すればよい。
【００５５】
図１３は、超音波ホーンの第２変形例の形状を示す上側面図であり、図１４は、図１３に示す超音波ホーンの正面図であり、図１５は、同超音波ホーンの定常振動モードを示す説明図である。
【００５６】
これらの図に示すように第２変形例となる超音波ホーン６０では、第１変形例となる超音波ホーン５２に対して抜き穴５４が無く、スリット６２のみで空隙を形成するようにしている。このような形態であっても前記スリット６２によって形成される左右一対の脚部６４によって円弧部２５側とツール取付部２９側との分離がなされるため、上述した種々の超音波ホーンと同様、図１５に示すようにツール取付部２９に伝搬する不要振動５０をより一層低減させることが可能になる。
【００５７】
（２）キャピラリー部
次に、本実施の形態で用いられるキャピラリー部１０について述べる。
キャピラリー部１０では、超音波ホーン１７から伝搬された振動の振幅が最大（腹）になっている。ところで超音波ホーン１７（超音波ホーン４７も同様）では、円弧部２５が下向きの凸型形状を形成しているので、超音波ホーン１７の端部や、振動子１５はキャピラリー部１０に対して上方に配置される。ゆえに超音波ホーン１７の端部や、振動子１５が基板側と干渉することが防止されるので、従来、干渉を避けるために、延長させていたキャピラリー部１０を短くすることができる。そして当該キャピラリー部１０の長さは、振動がキャピラリー部１０の先端部１０ｂまで伝搬しても、キャピラリー部に振動の変位量がゼロとなる点（節）が存在しないような長さに設定すればよく、本実施の形態においては、その長さは１ｍｍ以下であることが望ましい。
【００５８】
上記の思想に基づいてキャピラリー部１０の長さを設定すれば、当該キャピラリー部１０の先端は、従来のように弧に類似した曲線を描いて振動することはほとんどなく、水平方向（Ｘ方向）に振動することとなる。このため、バンプと電極とを接合するときにバンプ付き電子部品１１に伝える振動は、すべてのバンプに対して均一とすることが可能である。よって、バンプと電極との接合は、全体として均一とすることができるため、バンプ、電極または基板等にクラックが入るような不具合が生じるのを防止することができる。
【００５９】
以上のように構成したことにより、バンプ付き電子部品のバンプの基板に形成された電極への接合において、均一な接合を実現できるバンプ付き電子部品の接合装置を提供することができる。さらに、電子部品へのダメージを少なくできるとともに、接合強度を向上でき、かつ、信頼性の高い接合が可能なバンプ付き電子部品の接合装置を提供することができる。
【００６０】
以下に、本実施の形態の変形例について述べる。
本実施の形態においては、超音波ホーン１７における直線部２７は、基板の平面方向に対して一定の傾斜角度（図４における角度θを参照）に設定するようにしたが、この設定された傾斜角度に限定されることもなく設計および振動の伝搬において許容される角度、すなわちキャピラリー部１０に前記基板の平面方向と平行な振動が伝搬される角度であれば、設計の許容する範囲内でどのような角度であってもよい。さらに、ホーン１７および振動子１５は、図面の奥行き方向、手前方向等任意の方向に配置することも可能である。
【００６１】
ホーン１７における円弧部２５の曲率半径は、任意の値を取ることが可能である。また、円弧部２５の外縁形状は、円以外の非直線的形状（楕円、サイクロイド等）の一部を構成するものであってもよい。さらに、ホーンの外縁形状に円弧部がなく複数の直線部を組み合わせたアーチ型としてもよい。
【００６２】
本実施の形態においては、ホーン１７は、２つの直線部２７と、これら直線部２７に挟まれる円弧部２５とを有していたが、前記円弧部２５だけを残し、直線部２７を削除するように形成してもよい。
【００６３】
本実施例においては、キャピラリー部１０のキャピラリー取付穴３９において、振動の振幅が最大（腹）となるようにしていたが、バンプと電極の接合条件によっては、キャピラリー部１０のキャピラリー取付穴３９が振動の振幅が最大（腹）となる箇所から外れていてもよい。
【００６４】
本発明について上記実施の形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、改良の目的または本発明における思想の範囲内において改良または変更が可能である。
【００６５】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によれば、ボンディングツールにおける超音波ホーンの先端は、円弧部によって凸型に形成されているので振動源等を基板側より離すことが可能になり、ボンディングツールおよび接合装置の小型化を図ることができる。そして振動付与部を基準としてボンディングツールは左右対称になっていることから、ホーンの軸心に平行な振動（縦波の振動）以外の振動の発生を防止することができ、さらに前記振動付与部の直上にツール取付部を形成したことから、ツール自体の剛性の向上を図るとともに位置決め精度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る電子部品の接合装置を示す断面説明図である。
【図２】図１における要部拡大図である。
【図３】超音波ホーンの形状を示す上側面図である。
【図４】図３に示す超音波ホーンの正面図である。
【図５】超音波ホーンの振動モードを示す説明図である。
【図６】横軸に距離、縦軸に振幅の度合いを設定し、図５における定常振動の節と腹の状態を示した説明図である。
【図７】超音波ホーンの応用例の形状を示す上側面図である。
【図８】図７に示す超音波ホーンの正面図である。
【図９】同超音波ホーンの定常振動モードを示す説明図である。
【図１０】超音波ホーンの第１変形例の形状を示す上側面図である。
【図１１】図１０に示す超音波ホーンの正面図である。
【図１２】同超音波ホーンの定常振動モードを示す説明図である。
【図１３】超音波ホーンの第２変形例の形状を示す上側面図である。
【図１４】図１３に示す超音波ホーンの正面図である。
【図１５】同超音波ホーンの定常振動モードを示す説明図である。
【図１６】従来のバンプ付き電子部品の接合装置５１を示す図である。
【図１７】図１０の超音波振動を与えるためのボンディングツールを拡大した図である。
【図１８】（ａ）は、超音波ホーン（ホーン）およびキャピラリー部における振動の方向および変位量を示す図である。（ｂ）はホーンの各部位における振動（ホーンの軸心に平行な方向の振動）の変位量の変化を示す図である。
【図１９】変位量がゼロとなる点（節）が二つ存在する場合（２次の共振モード）の変位量の変化を示す図である。
【図２０】変位量がゼロとなる点（節）が一つだけ存在する場合（１次の共振モード）の変位量の変化を示す図である。
【図２１】キャピラリー部先端（電子部品の吸着部）の振動の方向と、そのＺ方向成分を示す図である。
【符号の説明】
１………電子部品の接合装置
２………本体部
３………ボンディングツール
４………ステージ
５………固定ブロック
６………垂直方向駆動機構
６ａ………軸受け
６ｂ………ボールネジ軸
７………加圧機構
７ａ………軸受け
７ｂ………軸
７ｃ………軸受け
７ｄ………軸
７ｅ………軸受け
７ｆ………軸
８………装着部
９………装着面
１０………キャピラリー部
１１………電子部品
１２………基板
１５………振動子
１７………超音波ホーン
２５………円弧部
２７………直線部
２８………抜き穴
２９………ツール取付部
３１………端面
３３………メネジ部
３５………規定面
３７………境界面
３９………キャピラリー取付穴
４１………位置決め穴
４３………位置合わせ面
４５………貫通穴
４７………超音波ホーン
４９………脚部
５０………不要振動
５２………超音波ホーン
５４………抜き穴
５６………スリット
５８………脚部
６０………超音波ホーン
６２………スリット
６４………脚部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a bonding tool used for bonding an electronic component with bumps to an electrode formed on a substrate, and a bonding device for an electronic component.
[0002]
[Prior art]
As a device for mounting an electronic component with a bump such as a flip chip, a device using ultrasonic pressure welding is known. In this apparatus, a bump of an electronic component with a bump is pressed and bonded while applying ultrasonic vibration to an electrode formed on a substrate using a bonding tool fixed to a lower portion. This will be described below with reference to the drawings.
[0003]
FIG. 16 is a diagram illustrating a conventional bonding device 51 for electronic components with bumps. In the conventional bonding apparatus for electronic components with bumps shown in FIG. 1, a electronic component 57 with bumps is adsorbed to a capillary portion 55 provided at one end of a bonding tool 53, and a substrate 59 having electrodes formed on its surface is formed below the electronic component 57 with bumps. It is fixedly arranged on the stage 61. The electronic component with bumps 57 is arranged such that the surface on which the bumps are formed faces the electrodes on the substrate 59. In this state, while applying ultrasonic vibration to the electronic component 57 with bumps from the bonding tool 53, the bumps of the electronic component 57 with bumps are pressed against the electrodes formed on the substrate 59 and joined.
[0004]
Next, with reference to FIGS. 17 and 18, the vibration applied to the electronic component 57 with bumps from the conventional bonding tool 53 will be described. FIG. 17 is an enlarged view of the bonding tool 53 of FIG. FIG. 18A is a diagram illustrating the direction of vibration and the amount of displacement in the horn (ultrasonic horn) 65 and the capillary section 55. In this figure, the direction indicated by the arrow is the vibration direction, and the size of the arrow indicates the magnitude of the displacement amount of the vibration. FIG. 18B is a diagram showing a change in the amount of vibration displacement (vertical axis) parallel to the axis of the horn at each position (horizontal axis) of the horn. The bonding tool 53 shown in FIG. 17 or FIG. 18 transmits the vibration generated by the vibrator 63 to the capillary section 55 through the horn 65. The capillary portion 55 is fixed such that its axis 55c is perpendicular to the axis 65c of the horn at the tip 65a of the horn. For this reason, the vibration transmitted to the capillary portion 55 is transmitted as vibration in a direction perpendicular to the axis 55c of the capillary portion 55 to the electronic component with bump 57 adsorbed on the tip portion 55b of the capillary portion 55. By pressing the electronic component with bump 57 against the substrate 59 in this state, the electronic component with bump 57 is joined to the electrode formed on the substrate 59.
[0005]
As shown in FIGS. 18A and 18B, the amount of displacement of the vibration propagating through the horn 65 changes as the vibration propagates through the horn 65. In the example of FIG. 18B, in the length direction of the horn 65, there are two nodes (where the displacement becomes zero) and three antinodes (where the displacement becomes maximum). Since the capillary section 55 is fixed, large vibration can be transmitted to the capillary section 55.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
(1) As shown in FIG. 16 or FIG. 17, in the conventional bonding tool, the axis 63c of the vibrator 63 and the axis 65c of the horn 65 are provided on the same straight line. In many cases, a plurality of substrates 59 are provided to improve productivity (not shown). Therefore, the substrate 59 and the stage 61 tend to have a large area. Therefore, in order to avoid the interference between the bonding tool 53 and the substrate 59 having a large area and electronic components (not shown) already arranged on the substrate, (1) the bonding tool 53 must be moved upward (in the Z direction). ), And (2) arranging the holding portion 66 of the bonding tool 53 and the vibrator 63 at positions extending in the horizontal direction (X direction).
[0007]
When the method (1) is employed, the length of the capillary portion 55 is affected, and the strength and the vibration characteristics are affected. Therefore, there is a limit in moving and positioning the bonding tool 53 in the upward direction (Z direction). There is. Similarly, when the method (2) is adopted, the length of the horn 65 is affected, and its strength and vibration characteristics are affected. Therefore, it is not possible to extend the bonding tool 53 in the horizontal direction (X direction). There is.
[0008]
Further, when the bonding tool 53 is extended so as to be able to cope with the substrate 59 having a large area as much as possible by adopting the method (2), the bonding tool 53 is rotated by the rotation function of the bonding device 51 of the electronic component with bumps. At the time of rotation, it is necessary to consider interference with various mechanisms (not shown) existing around the stage 61, and if they are arranged at a position where they are retracted in the horizontal direction (X direction), it is inevitable. This is a factor that causes the overall size of the bonding device for electronic components with bumps to be increased.
[0009]
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a bonding apparatus for an electronic component with bumps, which can realize downsizing in the horizontal direction.
[0010]
(2) In the conventional bonding apparatus, the vibrator 63 and the horn 65 are horizontally arranged as shown in FIG. For this reason, the length of the capillary portion 55 must be extended so that the vibrator 63 and the horn 65 do not interfere with the substrate side during mounting. However, by extending the capillary portion 55, the rigidity of the capillary portion 55 is reduced, and resonance occurs in the capillary portion 55 due to the ultrasonic vibration from the vibrator, and the resonance is unique to the capillary portion (the length of the capillary portion). (Depending on the material and shape).
[0011]
FIGS. 19 and 20 show how the displacement of the vibration changes. FIG. 19 is a diagram illustrating a change in the displacement when there are two points (nodes) where the displacement is zero (second-order resonance mode). FIG. 20 is a diagram illustrating a change in the displacement amount when there is only one point (node) where the displacement amount is zero (first-order resonance mode).
[0012]
The vibration of the capillary portion 55 having the radius r configured as described above vibrates so as to draw a curve similar to an arc at the distal end portion 55b, so that the vibration includes a Z-direction component as shown in FIG. Here, FIG. 21 is a diagram showing the direction of vibration of the tip of the capillary part (the suction part of the electronic component) and its Z-direction component.
[0013]
When the bump and the electrode are joined by using such vibration, the Z-direction component of the vibration transmitted to the electronic component with the bump is weakest at the radial center portion 55e of the capillary portion, and the capillary portion is weakened. Are Z2 and Z1 at the radial ends 55f and 55r, respectively, and Z2 and / or Z1 tend to be the strongest. For this reason, vibration cannot be uniformly applied to the bumps, and the bonding is weak at the portion facing the radial center portion 55e of the capillary portion, and the portion facing the radial ends 55f and 55r of the capillary portion. In this case, the bonding tends to be strong and the whole tends to be uneven. Further, due to the non-uniformity of the applied vibration, in order to sufficiently obtain the bonding strength of the portion facing the radial center portion 55e of the capillary portion, the radial end portion 55f of the capillary portion and the radial end portion 55f In the portion facing 55r, cracks may be formed in bumps, electrodes, substrates, or the like.
[0014]
Therefore, a further object of the present invention is to provide a bonding device for electronic components with bumps that can realize uniform bonding in bonding the electronic components with bumps to the electrodes formed on the substrate. A further object of the present invention is to provide a bonding apparatus for an electronic component with bumps, which can reduce damage to an electronic component, can improve bonding strength, and can perform highly reliable bonding.
[0015]
By the way, the conventional horn 65 has a cantilever form in which the tip end portion 65a holds the capillary portion 55. In such a form, when a force is applied to the capillary portion 55 in the direction of the shaft center 55c (that is, a reaction force from the electronic component at the time of mounting), the horn 65 is deformed in proportion to this force. There is a risk that the posture of the electronic component will not be stable and it will not be possible to apply vibration uniformly to the bumps of the electronic component.
[0016]
Furthermore, in the existing cantilever type ultrasonic horn, a thin-walled flange is formed at a portion that becomes a node of the ultrasonic vibration propagating in the ultrasonic horn, and by gripping this flange, the propagation efficiency of the ultrasonic vibration is increased. However, the thin flange was easily deformed by an external force. For this reason, the flange is deformed by the pressing on the electronic component, and the posture of the vibration imparting portion is changed accordingly, so that it may not be possible to apply uniform ultrasonic vibration to the electronic component.
[0017]
Further, since the conventional horn 65 has a shape in which a thin flange is formed in a tapered shape of a circular cross section, there is a possibility that the thin flange portion may be deformed during the processing when performing the integrated processing.
[0018]
It is desirable that most of the ultrasonic vibration emitted from the vibration source be propagated to the capillary portion 55 without being propagated to the bonding device 51 side for the purpose of improving the bonding efficiency to the electronic component. For this reason, it has been desired to provide a horn shape having high rigidity and capable of preventing generation of vibrations other than vibrations (longitudinal wave vibrations) parallel to the axis of the horn and having excellent ultrasonic vibration propagation efficiency.
[0019]
Further, in the conventional horn, since the horn is coupled to the joining device via the holding portion, the path between the joining device and the horn tends to be long, and there is a possibility that the mounting accuracy of the horn with respect to the joining device may be reduced. For this reason, there has been a demand for a horn shape that can be accurately attached to the joining apparatus.
[0020]
In the present invention, a bonding tool having a horn that suppresses deformation of the horn, improves vibration efficiency, and improves mounting accuracy with respect to a bonding device, and a bonding device for electronic components, focusing on the problems that occur in these conventional horns, The purpose is to provide.
[0021]
Other objects and features of the present invention will become more apparent from the following detailed description when read in conjunction with the accompanying drawings.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, the ultrasonic horn is formed in an arch shape, and a vibration imparting portion is provided at a plane symmetric position, and a tool attaching portion is provided on the back side of the arch. It becomes possible to attach, and the rigidity of the horn shape can be secured, and the ultrasonic vibration generated from the vibration source is propagated to the symmetrical ultrasonic horn, so the vibration parallel to the axis of the horn ( This is based on the finding that vibrations other than longitudinal wave vibrations can be suppressed.
[0023]
That is, the bonding tool according to the present invention includes a vibration source that generates ultrasonic vibration, an ultrasonic horn that is coupled to the vibration source at one end, and is capable of transmitting ultrasonic vibration generated by the vibration source, and an ultrasonic horn. A bonding tool having a vibration imparting portion capable of imparting vibration transmitted through the ultrasonic horn to the electronic component, wherein the ultrasonic horn is formed in an arch shape having an arc portion, and The vibration imparting portion is coupled to a plane symmetric position of the arc portion, and a tool mounting portion facing the vibration imparting portion is provided on the back side of the arc portion.
[0024]
And it is desirable to form a gap between the arc portion and the tool mounting portion, or to form the tool mounting portion so as to connect between nodes of ultrasonic vibration propagating in the ultrasonic horn, and Specifically, the gap may be a hole, a slit, or a combination of a slit and a hole. The ultrasonic horn may be provided with positioning means for the ultrasonic horn at a position hanging down from the vibration applying part in the tool mounting part, and the vibration applied from the ultrasonic horn may be different from the vibration applying part. Is preferably set to such a length that no vibration nodes occur between the ultrasonic horn and the electronic component when the ultrasonic wave propagates to the electronic component.
[0025]
In addition, an electronic component bonding apparatus according to the present invention includes an ultrasonic horn that is coupled to a vibration source that generates ultrasonic vibration at one end and that can transmit ultrasonic vibration generated by the vibration source. A mounting part for fixing a bonding tool having a vibration imparting part capable of imparting vibration transmitted to the electronic component through the ultrasonic horn to the electronic component, and elevating means coupled to the mounting part. An electronic component bonding apparatus for bonding the electronic component to a substrate by pressing the electronic component through the bonding tool, wherein the bonding tool is formed by forming the ultrasonic horn into an arch shape having an arc portion. The vibration imparting portion is coupled to a plane symmetric position of the arc portion, and a tool mounting portion facing the vibration imparting portion and coupled to the mounting portion is provided on the back side of the arc portion. Configuration was.
[0026]
And it is desirable to form a gap between the arc portion and the tool mounting portion, or to form the tool mounting portion so as to connect between nodes of ultrasonic vibration propagating in the ultrasonic horn, and Specifically, the gap may be a hole, a slit, or a combination of a slit and a hole. Further, it is desirable to provide positioning means for the ultrasonic horn with respect to the mounting part at a position of the tool mounting part which hangs down from the vibration applying part, and the vibration applying part, the positioning means and the elevating means are coaxial. Preferably, it is placed on the heart. Further, the length of the vibration imparting portion is such that when vibration given from the ultrasonic horn propagates through the vibration imparting portion to the electronic component, no nodes of vibration are generated between the ultrasonic horn and the electronic component. Desirably, it is a length.
[0027]
According to the above configuration, the ultrasonic horn is mounted by the tool mounting portion. Here, since the tool mounting portion is disposed to face the vibration applying portion, the pressing force from the joining device via the tool mounting portion is transmitted in the vertical direction without detour as represented by a cantilever. You. For this reason, it is possible to improve the rigidity of the ultrasonic horn, and when the pressing force is applied, the posture of the ultrasonic horn fluctuates, and the vibration imparting portion is tilted due to the fluctuation, and the ultrasonic horn is applied to the bump of the electronic component. Non-uniform vibration can be prevented. In addition, the ultrasonic horn is fixed to the device side with a highly rigid tool mounting part without using a thin flange like the existing ultrasonic horn, so the rigidity of the coupling part can be secured and external force can be applied This can prevent a change in the posture of the vibration applying unit. Further, since the conventional horn has a thin flange, the thin flange may be deformed during processing.However, in the arch type horn according to the present invention, since the basic shape is performed by wire cutting or the like, the deformation is reduced. It is possible to obtain stable processing accuracy without occurrence.
[0028]
Further, since the pressing force is applied in a vertical direction from the tool mounting portion toward the vibration applying portion, even if the ultrasonic horn is deformed by the pressing force, the posture of the vibration applying portion is not disturbed. Therefore, the use of the present bonding tool makes it possible to apply vibration to the bumps of the electronic component uniformly. Further, since the vibration imparting portion is coupled to a plane symmetric position of the arc portion, the ultrasonic horn has a left-right symmetric shape with the vibration imparting portion as a boundary. Therefore, it is possible to prevent the ultrasonic horn from generating vibrations other than vibrations (longitudinal wave vibrations) parallel to the axis of the horn, and it is possible to transmit sufficient vibrations to the electronic component side. Further, since the vibration source is attached to the ultrasonic horn having the arch shape, the vibration source is coupled to the substrate at an angle. For this reason, it is possible to prevent the vibration source from interfering with other components or various mechanisms arranged around the substrate, and it is possible to reduce the size of the bonding tool.
[0029]
If a gap is formed between the arc portion and the tool mounting portion, most of the vibration generated by the vibration source can be propagated to the arc portion side, and unnecessary vibration is prevented from propagating to the tool mounting portion side. It is possible to improve the propagation efficiency of the vibration to the vibration applying unit. Furthermore, if both ends of the tool mounting portion are aligned with the positions of the nodes of the ultrasonic vibration propagating in the arc portion, no vibration is theoretically propagated from the position of the node of the ultrasonic vibration. Propagation can be further prevented.
[0030]
If the ultrasonic horn positioning means is provided at a position hanging down from the vibration applying section in the tool mounting section, the vibration applying section moves up and down on an axis connecting the vibration applying section and the positioning means. It is possible to improve the positioning accuracy with respect to the joining device to which the is attached, more specifically, the attaching portion joined to the elevating means. In addition to the vibration applying section and the positioning means, if the elevating means is also arranged on the same axis, the positioning means is provided on the axis, so that the positioning accuracy can be improved. Since the pressing force from the pressing force can be directly transmitted to the vibration applying unit without bypassing, it is possible to prevent the deformation or the like from occurring in the transmission path of the pressing force. The ultrasonic horn is connected to the mounting portion by a tool mounting portion, and it is desirable that the mounting portion and the tool mounting portion be joined so that a single flat surface is in close contact with each other. When the single surfaces are brought into close contact with each other in this manner, it is possible to prevent the occurrence of tilt, twist, and the like between the two surfaces during the close contact, and it is possible to improve the mounting accuracy. Further, as described above, since the tool mounting portion is interposed between the vibration applying portion and the mounting portion (since the tool mounting portion is provided so as to face the vibration applying portion), the rigidity of the ultrasonic horn is increased. Is improved, even when a force for deforming the ultrasonic horn is applied at the time of coupling to the mounting portion side, since the rigidity of the ultrasonic horn receives the force, the force may reach the ultrasonic horn. In addition, it is possible to prevent the vibration imparting unit from causing an obstacle such as a change in posture.
[0031]
The tip of the ultrasonic horn is formed in a convex shape by an arc portion. For this reason, the end of the vibration source or the ultrasonic horn is separated from the vibration applying portion, and does not interfere with surrounding members such as mounted components on the substrate. For this reason, the length of the vibration imparting portion required to avoid interference can be shortened. If the length of the vibration applying portion is reduced to a size that does not cause a node of vibration in the vibration applying portion due to the ultrasonic vibration, it is possible to suppress the occurrence of vibration occurring in the length direction of the vibration applying portion, and Can be applied with uniform vibration.
[0032]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, specific embodiments suitable for a bonding tool and a bonding apparatus for electronic components will be described in detail with reference to the drawings.
[0033]
FIG. 1 is an explanatory sectional view showing an electronic component joining apparatus according to the present embodiment, and FIG. 2 is an enlarged view of a main part in FIG.
[0034]
First, a schematic configuration of the present embodiment will be described with reference to these drawings. An electronic component bonding apparatus 1 according to the present embodiment includes a main body 2, a bonding tool 3, a stage 4, and the like.
[0035]
The main body 2 is composed of a fixed block 5, a vertical drive mechanism 6, and a pressure mechanism 7 serving as an elevating means. The vertical drive mechanism 6 includes a bearing 6a fixed to the fixed block 5 and a ball screw shaft 6b penetrating the bearing. The pressing mechanism 7 is composed of a plurality of bearings 7a, 7c, 7e and shafts 7b, 7d, 7f arranged in series in the vertical direction (Z direction), and is fixed to the ball screw shaft 6b of the vertical driving mechanism. I have. A mounting portion 8 is provided at the lowermost end of the pressing mechanism 7, and the bonding tool 3 can be fixed to a mounting surface 9 formed on the lower surface of the mounting portion 8. In the bonding apparatus 1 configured as described above, the bonding tool 3 can be moved up and down in accordance with the electronic components to be bonded by the operation of the vertical driving mechanism 6 and the pressing mechanism 7. Further, the pressure applied to the electronic component at the time of joining can be adjusted by the pressing mechanism 7.
[0036]
Since the bonding tool will be described in detail later, its outline will be described here. At the lowermost end of the bonding tool 3, a capillary section 10 serving as a vibration applying section is fixed. At the lower end of the capillary section 10, a bumped electronic component 11 can be sucked by a suction device (not shown). A stage 4 for fixing and arranging a substrate 12 on which electrodes are formed is provided below the capillary section 10. The stage 4 is always positioned below the capillary section 10 at the tip of the bonding tool 3 even if it moves in the horizontal direction (XY directions). The electronic component with bumps 11 is arranged such that the surface on which the bumps are formed faces the electrode side of the substrate 12. Further, the electronic component with bumps 11 can be pressed against the substrate 12 by the pressing mechanism 7. In this state, the bumps of the electronic component with bumps 11 are pressed against the electrodes formed on the substrate 12 while applying the ultrasonic vibration generated by the vibrator 15 to the electronic component with bumps 11 from the capillary portion 10 of the bonding tool 3. Can be joined.
[0037]
In the present embodiment, the main features of the configuration of the bonding tool and the shape of the capillary portion are described below in order.
[0038]
(1) Bonding tool
FIG. 3 is an upper side view showing the shape of the ultrasonic horn, and FIG. 4 is a front view of the ultrasonic horn shown in FIG.
[0039]
As shown in FIG. 2, FIG. 3, and FIG. 4, the bonding tool 3 according to the present embodiment is fixed to the main body 2 of the electronic component bonding apparatus 1, and includes a vibrator 15 serving as a vibration source, It is composed of a sonic horn 17 and a capillary section 10.
[0040]
The ultrasonic horn 17 has a constant thickness as shown in FIG. 3, and has a thickness that allows at least the capillary portion 10 to be connected and that secures sufficient strength against vertical movement by the main body 2 side. Is set. Further, as shown in FIG. 4, the front shape of the ultrasonic horn 17 is an arch shape in which the left and right are symmetric. That is, in the ultrasonic horn 17, a downwardly protruding arc portion 25 and a straight portion 27 extending from both ends of the arc portion 25 in a tangential direction of the arc portion 25 are formed. Here, a hole 28 serving as a gap is formed between the arc portion 25 and the tool attachment portion 27 so as to separate the arc portion 25 from the tool attachment portion 27.
[0041]
On the back side of the arc portion 25 and the straight portion 27, a tool attachment portion 29 for joining to the main body 2 side is formed. Further, a female thread 33 is formed on one side of an end face 31 connecting the tool mounting portion 29 and the linear portion 27. The tip of the vibrator 15 is screwed into the female thread 33 to thereby form the ultrasonic horn 17. The oscillator 15 can be fixed.
[0042]
Note that the axis of the vibrator 15 fixed by the female screw portion 33 passes through the center position of the thickness of the arc portion 25 and is then included in a defined surface 35 that is tangentially extended by the linear portion 27. Most of the ultrasonic vibration generated by the vibrator 15 propagates on the prescribed surface 35 (that is, inside the arc portion 25). That is, the vibrator 15 and the axis of the ultrasonic horn 17 are geometrically continuous. A capillary mounting hole 39 is provided at the lowermost end of the arc portion 25, that is, on a boundary surface 37 that divides the ultrasonic horn 17 symmetrically, and the capillary portion 10 is inserted and inserted into the capillary mounting hole 39. The capillary section 10 can be connected to the ultrasonic horn 17.
[0043]
Further, a positioning hole 41 serving as positioning means is formed at a portion of the positioning surface 43 of the tool mounting portion 29 which intersects with the axis of the capillary mounting hole 39. Then, a positioning projection (not shown) formed in advance on the mounting surface 9 of the main body 2 is fitted into the positioning hole 41 so that the positioning of the bonding tool 3 with respect to the main body 2 is performed. I have to.
[0044]
In the positioning surface 43 of the tool mounting portion 29, through holes 45 are formed on the left and right of the capillary mounting hole 39. For this reason, a connecting bolt is inserted into the through hole 45 from the side of the through hole 28, and the connecting bolt is screwed into a female screw portion (not shown) provided on the mounting surface 9 side, so that the bonding tool 3 and the main body portion are connected. 2 so that it can be firmly bonded.
[0045]
The shape of the hole 28 formed in the ultrasonic horn 17 is set as follows.
[0046]
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a steady-state vibration mode of the ultrasonic horn. FIG. 6 shows a state of nodes and antinodes of the steady-state vibration in FIG. FIG. The arrows in FIG. 5 indicate the magnitude of the amplitude of the ultrasonic vibration.
[0047]
As shown in these figures, when the vibrator 15 coupled to the ultrasonic horn 17 is operated, ultrasonic vibration is generated from the vibrator 15, and the ultrasonic vibration propagates to the arc portion 25. Here, the sum of the lengths of the arc portion 25 and the linear portions 27 located on both sides thereof is set to correspond to one wavelength (λ) of the ultrasonic vibration as shown in FIG. The amplitude of the vibration is maximized at the end faces 31 on both sides of the ultrasonic horn 17 and the capillary mounting hole 39 at the center of the arc portion 25. At the position A in FIG. 6, a node of the ultrasonic vibration is formed, and therefore, theoretically, no vibration occurs at this position. Therefore, if the edge of the hole 28 formed in the ultrasonic horn 17 is made to coincide with the position A, the ultrasonic vibration propagating from the linear portion 27 to the circular arc portion 25 is propagated to the tool mounting portion 29 side. Most of the ultrasonic vibration generated from the vibrator 15 can be propagated to the arc portion 25 side.
[0048]
In the bonding tool 3 configured as described above, since the capillary portion 10 and the positioning hole 41 are arranged on the same axis, the pressing force from the main body portion 2 is directly applied without passing through an extra path. For this reason, even if the ultrasonic horn 17 is deformed by the pressing, the attitude of the capillary portion 10 does not change, and uniform vibration can be applied to the electronic component which is symmetrical in mounting. Further, since the positioning surface 43 is not constituted by a plurality of divided surfaces but is a single surface formed around the axis of the positioning hole 41, the positioning surface 43 is merely pressed against the mounting surface 9. Thus, the posture of the bonding tool 3 with respect to the mounting surface 9 can be easily set. Further, since the ultrasonic horn 17 is formed in an arch shape and has a symmetrical shape, the rigidity of the ultrasonic horn 17 can be improved, and vibrations other than vibration parallel to the axis of the horn (longitudinal wave vibration). Needless to say, the occurrence of the occurrence is suppressed.
[0049]
7 is an upper side view showing a shape of an application example of the ultrasonic horn, FIG. 8 is a front view of the ultrasonic horn shown in FIG. 7, and FIG. 9 shows a steady vibration mode of the ultrasonic horn. FIG.
[0050]
In this application example, only the shape of the ultrasonic horn is partially different, and the other configurations are the same. Therefore, the common portions will be described with the same numbers.
[0051]
As shown in these figures, an ultrasonic horn 47 as an application example has a form in which the arc portion 25 side and the tool mounting portion 29 side are connected by narrow legs 49. By thus narrowing the width of the leg 49 and connecting the tip of the leg 49 to the node of the ultrasonic vibration, unnecessary vibration 50 that propagates to the tool mounting portion 29 (see FIGS. 5 and 9) Can be further reduced.
[0052]
Further, in the present invention, the description has been made assuming that the hole 28 is a gap, but various modifications are possible without being limited to this form.
[0053]
FIG. 10 is an upper side view showing the shape of a first modified example of the ultrasonic horn, FIG. 11 is a front view of the ultrasonic horn shown in FIG. 10, and FIG. 12 is a steady vibration of the ultrasonic horn. FIG. 4 is an explanatory diagram showing modes. In the first modified example and a second modified example to be described later, the ultrasonic horn is only partially different in shape, and the other configuration is the same. Shall be performed.
[0054]
As shown in these drawings, in the ultrasonic horn 52 according to the first modified example, a gap between the arc portion 25 side and the tool mounting portion 29 side is formed around the hole 54 and the periphery of the hole 54. The slit 56 was used. As described above, even when the gap is formed as a composite form of the hole 54 and the slit 56, the arc portion 25 and the tool mounting portion 29 are separated by the pair of left and right legs 58 formed by the slit 56. Therefore, as shown in FIG. 12, unnecessary vibration 50 propagating to the tool mounting portion 29 can be further reduced. The width of the slit 56 is set to a value larger than a dimension that does not allow the circular arc portion 25 to contact the tool mounting portion 29 when the circular arc portion 25 is vibrated by the ultrasonic vibration from the vibrator 15. The specific dimensions may be set according to the accuracy of the processing machine or the like, the mounting operability of the ultrasonic horn, or the like.
[0055]
FIG. 13 is an upper side view showing a shape of a second modification of the ultrasonic horn, FIG. 14 is a front view of the ultrasonic horn shown in FIG. 13, and FIG. 15 is a steady vibration of the ultrasonic horn. FIG. 4 is an explanatory diagram showing modes.
[0056]
As shown in these figures, in the ultrasonic horn 60 according to the second modified example, the ultrasonic horn 52 according to the first modified example has no hole 54 and a gap is formed only by the slit 62. . Even in such a configuration, the arc portion 25 side and the tool mounting portion 29 side are separated by the pair of left and right legs 64 formed by the slit 62, and thus, like the various ultrasonic horns described above, As shown in FIG. 15, unnecessary vibration 50 propagating to the tool mounting portion 29 can be further reduced.
[0057]
(2) Capillary part
Next, the capillary section 10 used in the present embodiment will be described.
In the capillary section 10, the amplitude of the vibration propagated from the ultrasonic horn 17 is maximum (antinode). By the way, in the ultrasonic horn 17 (the ultrasonic horn 47 is also the same), since the circular arc portion 25 forms a downward convex shape, the end of the ultrasonic horn 17 and the vibrator 15 are moved with respect to the capillary portion 10. It is arranged above. Therefore, the end portion of the ultrasonic horn 17 and the vibrator 15 are prevented from interfering with the substrate side, so that the length of the capillary portion 10 which has been conventionally extended to avoid interference can be shortened. Then, the length of the capillary section 10 is set to such a length that even if the vibration propagates to the distal end portion 10b of the capillary section 10, there is no point (node) where the displacement amount of the vibration becomes zero in the capillary section. In this embodiment, the length is desirably 1 mm or less.
[0058]
If the length of the capillary portion 10 is set based on the above-described concept, the tip of the capillary portion 10 hardly vibrates in a curved line similar to an arc as in the related art, and the horizontal direction (X direction) Will vibrate. Therefore, the vibration transmitted to the electronic component with bumps 11 when the bumps and the electrodes are joined can be made uniform for all the bumps. Therefore, since the bonding between the bump and the electrode can be made uniform as a whole, it is possible to prevent a problem that a crack is formed in the bump, the electrode, the substrate, or the like.
[0059]
With the above-described configuration, it is possible to provide a bonding apparatus for an electronic component with bumps that can realize uniform bonding in bonding an electronic component with bumps to an electrode formed on a substrate. Furthermore, it is possible to provide a bonding device for an electronic component with bumps, which can reduce damage to the electronic component, improve the bonding strength, and perform highly reliable bonding.
[0060]
Hereinafter, a modified example of the present embodiment will be described.
In the present embodiment, the linear portion 27 of the ultrasonic horn 17 is set at a constant inclination angle (see the angle θ in FIG. 4) with respect to the plane direction of the substrate. The angle is not limited to the angle and is an angle allowed in the design and propagation of the vibration, that is, an angle at which the vibration parallel to the planar direction of the substrate is propagated to the capillary portion 10 within the allowable range of the design. Such an angle may be used. Further, the horn 17 and the vibrator 15 can be arranged in any direction such as the depth direction and the front direction in the drawing.
[0061]
The radius of curvature of the arc portion 25 in the horn 17 can take any value. Further, the outer edge shape of the arc portion 25 may form a part of a non-linear shape (ellipse, cycloid, etc.) other than a circle. Further, the horn may have an arch shape in which a plurality of linear portions are combined without an arc portion in the outer edge shape.
[0062]
In the present embodiment, the horn 17 has the two straight portions 27 and the arc portion 25 sandwiched between the straight portions 27. However, the straight portion 27 is deleted while leaving only the arc portion 25. It may be formed as follows.
[0063]
In the present embodiment, the amplitude of vibration is maximized (antinode) in the capillary mounting hole 39 of the capillary portion 10. However, the capillary mounting hole 39 of the capillary portion 10 may be changed depending on the bonding condition between the bump and the electrode. The amplitude of the vibration may be out of the maximum (antinode) position.
[0064]
Although the present invention has been described with reference to the above embodiment, the present invention is not limited to the above embodiment, and can be improved or changed within the purpose of improvement or the scope of the concept of the present invention.
[0065]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the tip of the ultrasonic horn in the bonding tool is formed in a convex shape by the arc portion, the vibration source and the like can be separated from the substrate side, and the bonding tool and The size of the joining device can be reduced. Further, since the bonding tool is symmetrical with respect to the vibration imparting portion, it is possible to prevent the occurrence of vibrations other than the vibration parallel to the axis of the horn (longitudinal wave vibration). Since the tool mounting portion is formed immediately above the tool, the rigidity of the tool itself can be improved and the positioning accuracy can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory cross-sectional view showing an electronic component bonding apparatus according to an embodiment.
FIG. 2 is an enlarged view of a main part in FIG.
FIG. 3 is an upper side view showing the shape of an ultrasonic horn.
FIG. 4 is a front view of the ultrasonic horn shown in FIG.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a vibration mode of the ultrasonic horn.
6 is an explanatory diagram showing a state of nodes and antinodes of the steady vibration in FIG. 5, in which a horizontal axis represents a distance and a vertical axis represents a degree of amplitude.
FIG. 7 is an upper side view showing a shape of an application example of the ultrasonic horn.
FIG. 8 is a front view of the ultrasonic horn shown in FIG. 7;
FIG. 9 is an explanatory diagram showing a steady vibration mode of the ultrasonic horn.
FIG. 10 is an upper side view showing a shape of a first modified example of the ultrasonic horn.
11 is a front view of the ultrasonic horn shown in FIG.
FIG. 12 is an explanatory diagram showing a steady vibration mode of the ultrasonic horn.
FIG. 13 is an upper side view showing a shape of a second modified example of the ultrasonic horn.
FIG. 14 is a front view of the ultrasonic horn shown in FIG.
FIG. 15 is an explanatory diagram showing a steady vibration mode of the ultrasonic horn.
FIG. 16 is a view showing a conventional bonding device 51 for an electronic component with bumps.
FIG. 17 is an enlarged view of a bonding tool for giving the ultrasonic vibration of FIG. 10;
FIG. 18A is a diagram showing the direction of vibration and the amount of displacement in an ultrasonic horn (horn) and a capillary portion. (B) is a figure which shows the change of the amount of displacement of the vibration (vibration in the direction parallel to the axis of the horn) in each part of the horn.
FIG. 19 is a diagram illustrating a change in the displacement when there are two points (nodes) where the displacement is zero (second-order resonance mode).
FIG. 20 is a diagram illustrating a change in the displacement amount when there is only one point (node) where the displacement amount is zero (first-order resonance mode).
FIG. 21 is a diagram showing the direction of vibration of the tip of the capillary part (the suction part of the electronic component) and its Z-direction component.
[Explanation of symbols]
1. Joining device for electronic components
2 Body part
3. Bonding tool
4 ... stage
5. Fixed block
6 Vertical drive mechanism
6a ……… Bearing
6b ball screw shaft
7 Pressing mechanism
7a ... bearing
7b ... axis
7c ... Bearing
7d ... axis
7e ... Bearing
7f ... axis
8 Mounting part
9 ... mounting surface
10 Capillary part
11 Electronic components
12 ... board
15 Oscillator
17 ... Ultrasonic horn
25 ........ Arc
27 ……… Linear part
28 ....... Drilled hole
29 …… Tool attachment part
31 ......... End face
33 ... female thread
35 ........ Specified surface
37 ............ Boundary surface
39 Capillary mounting hole
41 ...... Positioning hole
43 ...... Positioning surface
45 ... Through-hole
47 ... Ultrasonic horn
49 ……… Legs
50 ... unnecessary vibration
52 Ultrasonic horn
54 ....... Drilled hole
56 ……… Slit
58 ... leg
60 ……… Ultrasonic horn
62 ……… Slit
64 ... leg

Claims

A vibration source that generates ultrasonic vibration, an ultrasonic horn that is coupled to the vibration source at one end and that can transmit ultrasonic vibration generated by the vibration source, and that is coupled to the ultrasonic horn and through the ultrasonic horn A bonding tool having a vibration imparting portion capable of imparting the transmitted vibration to an electronic component, wherein the ultrasonic horn is formed in an arch shape having an arc portion, and the vibration horn is formed at a plane symmetric position of the arc portion. A bonding tool, wherein the applying portion is connected, and a tool mounting portion facing the vibration applying portion is provided on the back side of the arc portion.

The bonding tool according to claim 1, wherein a gap is formed between the arc portion and the tool attachment portion.

The bonding tool according to claim 2, wherein the gap has a hole shape.

The bonding tool according to claim 2, wherein the gap has a slit shape.

The bonding tool according to claim 2, wherein the gap has a complex shape of a slit and a hole.

The bonding tool according to any one of claims 1 to 5, wherein the tool mounting portion is formed so as to connect between nodes of ultrasonic vibration propagating in the ultrasonic horn.

The bonding tool according to any one of claims 1 to 6, wherein a positioning means of the ultrasonic horn is provided at a position of the tool attachment portion hanging down from the vibration applying portion.

The length of the said vibration giving part is set to the dimension which does not generate | occur | produce the node of a vibration in the said vibration giving part by the said ultrasonic vibration, The Claim 1 characterized by the above-mentioned. Bonding tool.

The vibration source that generates the ultrasonic vibration and the vibration source are coupled at one end and the ultrasonic horn capable of transmitting the ultrasonic vibration generated by the vibration source and the ultrasonic horn coupled to the ultrasonic horn and propagated through the ultrasonic horn. A mounting portion for fixing a bonding tool having a vibration imparting portion capable of imparting the vibrations to the electronic component, and a lifting / lowering means coupled to the mounting portion, and the electronic component is moved through the bonding tool. An electronic component joining device for joining to a substrate by pressing, wherein the bonding tool is formed in an arc shape having an arc portion with the ultrasonic horn, and the vibration is applied to a plane symmetric position of the arc portion. And a tool mounting portion facing the vibration applying portion and connecting to the mounting portion on the back side of the arc portion.

The electronic component joining device according to claim 6, wherein a gap is formed between the arc portion and the tool attachment portion.

The apparatus according to claim 10, wherein the gap has a hole shape.

The apparatus according to claim 10, wherein the gap has a slit shape.

The apparatus according to claim 10, wherein the gap has a combined shape of a slit and a hole.

14. The apparatus according to claim 9, wherein the tool attachment portion is formed so as to connect between nodes of ultrasonic vibration propagating in the ultrasonic horn.

The electronic component according to any one of claims 9 to 14, wherein a positioning means of the ultrasonic horn with respect to the mounting portion is provided at a position of the tool mounting portion hanging down from the vibration applying portion. Joining equipment.

16. The apparatus according to claim 15, wherein the vibration applying unit, the positioning unit, and the elevating unit are arranged on the same axis.

The length of the vibration imparting section is set to a dimension that does not cause a node of vibration in the vibration imparting section due to the ultrasonic vibration. Electronic parts joining equipment.