JP2004336071A

JP2004336071A - 部品実装ツールとこれを用いた部品実装方法及び装置

Info

Publication number: JP2004336071A
Application number: JP2004205052A
Authority: JP
Inventors: Shozo Minamitani; 昌三南谷; Shinji Kanayama; 真司金山; Yasuharu Ueno; 康晴上野; Satoshi Shida; 智仕田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-07-12
Filing date: 2004-07-12
Publication date: 2004-11-25

Abstract

【課題】部品と実装対象物とにそれぞれ形成された金属接合部の間を超音波接合するとき、実装ツールと部品との間に滑りによる障害が生じないようにする。
【解決手段】吸着ノズル１４の部品を吸着する吸着面１４ａが樹脂材料１４ｂによって形成される。吸着面１４ａに部品３を吸着し、部品の金属接合部５と実装対象物４の金属接合部６とを当接させ加圧した状態にして、吸着ノズル１４にホーン１７から超音波振動を加え、振動摩擦により金属接合部５、６間を接合する。樹脂材料１４ｂは硬度が低く、吸着面１４ａを所定の粗面に形成することにより、部品３に対する摩擦力が大きくなり、部品３との間に滑りが抑制され、振動を効率よく部品に伝達するので、安定した接合ができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、部品を実装対象物に超音波接合する技術に関し、主として電子部品の電極を回路基板の導体ランドに超音波接合することにより電子部品を回路基板に実装するもので、このような超音波接合に用いる部品実装ツールとこれを用いた部品実装方法及び装置に関するものである。

集積回路部品の一例であるベアＩＣチップは、リードやモールド被覆もないので極めて小型に形成でき、実装密度の高い回路基板を構成するのに有効であるが、リードがないためその電極と回路基板上の導体ランドとの電気的接続は容易でなく、回路基板上に固定するために接着も必要となる。そこで本願出願人は超音波接合により電気的接続と固定とを同時に行う実装方法を先に提案した。この実装方法は、ベアＩＣチップの電極にバンプを形成し、このベアＩＣチップを吸着ノズルによって吸着保持し、回路基板上に形成された導体ランドにバンプを押し当てた状態にして、前記吸着ノズルに超音波振動を加えると、導体ランドとバンプとの間は摩擦により溶融接合し、確実な電気的接続と同時にベアＩＣチップは充分な実装強度で固定される。

前記吸着ノズルはステンレス鋼によって形成することにより振動特性がよく、その吸着面は所定の面粗度を持つ粗面に形成することにより、超音波振動を加えた際に部品との間の滑りが抑えられ、振動の伝導性がよくなり作業効率と接合品質とを向上させることができる。

しかし、吸着ノズルの吸着面は超音波振動が加わった状態での部品との接触によって磨耗し、所定の面粗度に形成された吸着面は荒れ、面粗度が変化し平面性が低下する。また、吸着する部品の硬度が高い場合には、吸着面の荒れは著しくなる。この吸着面の磨耗に対処するため、本願発明者らは吸着面に硬化処理層を設けた部品実装ツールを特願平１０−２５４９６３号として提案した。

しかしながら、ＳｉやＧａＡｓを用いて形成されたＩＣチップなどの部品を、ステンレス鋼やそれに硬化処理層を設けて吸着面の硬度を高くした吸着ノズルによって超音波接合するとき、吸着面と部品との間に滑りが生じると、部品の表面が吸着面によって削られ、その削り粉が吸着面に付着する状態が発生する。この吸着面に付着した削り粉は、生産が継続される間に飛散し、接合部分に付着すると製品不良を発生させる問題点があった。また、吸着面に付着した削り粉は、吸着面に凸部を形成するので、凸部に加圧が集中して部品に割れを発生させる問題点があった。

本発明が目的とするところは、吸着面の部品に対する摩擦力を向上させることによって滑りを抑制し、部品の硬度が低い場合にも部品に損傷を与えない部品実装ツールとこれを用いた部品実装方法及び装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本願の第１発明は、一面側に金属接合部が形成され他面側が平滑面に形成された部品の他面側を吸着ノズルの吸着面によって吸着保持し、前記金属接合部を実装対象物上に形成された金属接合部に当接加圧した状態にして、前記吸着ノズルに超音波振動を加えることにより両金属接合部間を超音波接合し、部品を実装対象物に実装する部品実装ツールにおいて、吸着ノズルの吸着面が、前記部品より硬度が低い耐熱性樹脂材料によって形成され、かつその表面が所定の面粗度を持つ粗面に形成されてなることを特徴とする。

この構成によれば、吸着ノズルの吸着面を部品より硬度が低い樹脂材料によって形成し、かつその表面を所定の面粗度を持つ粗面に形成することにより、超音波振動により摩擦が生じたときにも吸着面が部品の表面を削ることがない。また、部品との摩擦力が大きくなり、部品との間に滑りが生じ難くなり、滑りによる前記削りの発生がなく、振動の伝導性もよく安定した超音波接合を可能とする。しかも前記樹脂材料は耐熱性樹脂で形成されているので、摩擦による熱に耐える構造とすることができる。

前記樹脂材料は弾性樹脂で形成することにより、部品との摩擦力が大きくなり、滑りを抑制し、振動の伝導性を向上させることができる。

本願の第２発明に係る部品実装方法は、吸着面が後記部品より硬度が低い耐熱性樹脂材料によって形成され、その表面が所定の面粗度を持つ粗面とした吸着ノズルを用いて、この吸着ノズルの吸着面で吸着保持した部品を、実装対象物に対して互いの金属接合部を当接加圧した状態にして吸着ノズルに超音波振動を加え、この振動により金属接合部間を超音波接合して部品を実装対象物に実装することを特徴とする。

この部品実装方法によれば、吸着ノズルの吸着面が部品より硬度が低い耐熱性樹脂材料によって形成され、かつその表面が所定の面粗度を持つ粗面に形成されていることにより、実装する部品との摩擦力が大きく、吸着ノズルに加えられる超音波振動に対して追従性よく部品に伝わり、安定した接合がなされる。

本願の第３発明に係る部品実装装置は、部品を所定位置に供給する部品供給手段と、実装対象物を所定位置に位置決めする実装対象物供給手段と、吸着面が樹脂材料によって形成され、その表面が所定の面粗度を持つ粗面とした吸着ノズルにより前記吸着面で部品を吸着保持し、前記実装対象物に対して互いの金属接合部を当接加圧した状態にして吸着ノズルに超音波振動を加え、この振動により金属接合部間を超音波接合して部品を実装対象物に実装する部品実装ツールとを備えてなることを特徴とする。

上記部品実装装置によれば、部品が供給され、実装対象物が所定位置に位置決めされるので、部品実装ツールは部品供給部から部品を取り出し、これを実装対象物に実装する動作を繰り返し行い、実装対象物に部品を実装した製品の生産を効率よく行うことができる。

以上の説明の通り本発明によれば、吸着ノズルの吸着面と部品との間に滑りが生じることが抑制され、安定した超音波接合が可能となる。また、樹脂材料の硬度が低いため、摩擦によって部品を削ることがなく、削り粉の付着による障害の発生が防止される。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明し、本発明の理解に供する。尚、以下に示す実施形態は本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

図１は、本実施形態に係る部品実装装置の構成を示すもので、ベアＩＣチップ（部品）を回路基板（実装対象物）に超音波接合して実装するもので、ベアＩＣチップ３を所定の部品供給位置Ａに供給する部品供給部２１と、ローダ３３から搬入された回路基板４を部品実装位置Ｂ２のボンディングステージ３５上に位置決めし、実装終了した回路基板４をアンローダ３４によって搬出する基板供給部（実装対象物供給手段）３０と、前記部品供給部２１からベアＩＣチップ３を取り出して回路基板４上に実装する部品実装部２３と、吸着ノズル１４の吸着面を所定の面粗度に再生させる再生部３１とを備えて構成されている。

前記部品供給部２１は、ダイシングシート２上で個々のベアＩＣチップ３にダイシングされた半導体ウエハ１をベアＩＣチップ３の種類別にストックする部品マガジン３８と、これを昇降させるマガジンリフタ４１と、所要の部品マガジン３８から引き出した半導体ウエハ１から１個づつＩＣチップ３を供給するエキスパンド台３７とを備えている。

実装する対象となるベアＩＣチップ３は、これがストックされた部品マガジン３８をマガジンリフタ４１によって所定高さ位置に移動させ、ダイシングシート２上に配列された状態にしてエキスパンド台３７に引き出される。エキスパンド台３７はＸ方向テーブル４２とＹ方向テーブル４３とによりＸ−Ｙ方向に移動され、ダイシングシート２上のベアＩＣチップ３の供給するものをダイシングシート２の下方から突き上げる突き上げ棒４４がある部品供給位置Ａに位置決めする。突き上げ棒４４はダイシングシート２を突き上げることによりエキスパンドし、列設するベアＩＣチップ３の間隔を広げて供給するベアＩＣチップ３のみがピックアップされやすくする。

また、前記基板供給部３０は、ローダ３３からアンローダ３４にＸ軸方向に続くレール３２を備え、ローダ３３の下流端に続く基板受け渡し位置Ｂ１に位置する移動レール３２ａは、ローダ３３から回路基板４が搬入されてくると、回路基板４を搭載してＹ軸方向に移動して回路基板４を部品実装位置Ｂ２に搬送する。図８に示すように、移動レール３２ａの下方にはボンディングステージ３５が配設されており、移動レール３２ａ上に移動してきた回路基板４はストッパ３０ａにより所定位置に受け止められ、押圧子３０ｂによりレール３２ａの一方に押圧して位置規制され、その後にボンディングステージ３５によって吸着保持される。回路基板４を保持したボンディングステージ３５はＹ方向テーブル３６によって部品実装位置Ｂ２に移動し、位置決めして部品実装に供される。実装が終了した回路基板４は、移動レール３２ａが部品実装位置Ｂ２から基板受け渡し位置Ｂ１に移動することによりアンローダ３４に接続されるので、アンローダ３４から装置外に搬出される。

また、前記部品実装部２３は、図７に示す部品反転ツール２３ａ及び図５に示す部品実装ツール２３ｂを備えて構成されている。前述したように、部品供給位置Ａに位置決めされた半導体ウエハ１は、突き上げ棒４４によりダイシングシート２が突き上げられることによって所要のベアＩＣチップ３のみがピックアップされやすい状態となっている。この状態にあるベアＩＣチップ３を部品反転ツール２３ａは吸着保持して天地方向を反転させる。前記ダイシングシート２上にある半導体ウエハ１は、回路基板４への接合面が上向きになった状態にあり、回路基板４に実装するには、接合面を下向きにする必要があり、この部品反転ツール２３ａが設けられている。図７に示すように、エアシリンダ５５に接続された吸着ノズル４５は、基台５７に回転自在に支持された横軸５２に固定された反転ヘッド５４上に取り付けられ、モータ５１によって回転軸Ｃを中心に旋回駆動される。前記基台５７は、図１に示すように、Ｘ方向テーブル５６上を部品供給位置Ａと部品受け渡し位置Ｄとの間を移動する。部品供給位置ＡにおいてベアＩＣチップ３の接合面を吸着ノズル４５によって吸着保持し、反転ヘッド５４が反転することにより、図７に示すように、吸着ノズル４５の吸着面４５ａは上向きとなり、ベアＩＣチップ３の接合面は下向き、裏面の平滑な面が上向きとなる。

前記部品実装ツール２３ｂは、図５に示すように、Ｘ軸テーブル５８上に部品受け渡し位置Ｄと部品実装位置Ｂ２との間に移動できるように搭載され、部品受け渡し位置Ｄにおいて、前記部品反転ツール２３ａによって天地反転したベアＩＣチップ３を吸着ノズル１４によって吸着保持し、部品実装位置Ｂ２において、保持したベアＩＣチップ３を回路基板４上に実装する。回路基板４は前述したようにボンディングステージ３５によりＹ軸方向に移動でき、ベアＩＣチップ３は部品実装ツール２３ｂがＸ軸方向に移動できることから、回路基板４上の任意位置にベアＩＣチップ３を実装することができる。

部品実装ツール２３ｂは、吸着ノズル１４を昇降移動させるボイスコイルモータ１５と、吸着ノズル１４に超音波振動を加える超音波振動手段２４とを備えている。超音波振動手段２４は、図５及び図６に示すように、圧電素子１６により発生させた超音波をホーン１７から吸着ノズル１４を加振する。吸着ノズル１４は、図３に拡大図示するように、ステンレス鋼によって中空構造に形成され、下方端に樹脂部１４ｂで被覆された吸着面１４ａが形成され、上方端は弾性チューブ８２を介して支持軸８１に接続されている。前記吸着面１４ａから支持軸８１に通じる中空部分には支持軸８１側から吸引作用が加えられるので、吸着面１４ａによってベアＩＣチップ３を吸着保持することができる。また、吸着ノズル１４には前記ホーン１７から超音波が加えられるので、吸着ノズル１４は前記弾性チューブ８２が接続された上方端を揺動支点Ｑとして超音波振動する。また、前記樹脂部１４ｂの吸着面１４ａは、図３（ｂ）に示すように、所定面粗度の粗面に仕上げられている。

前記吸着ノズル１４は、図４に示すように、ステンレス鋼によって中空構造に形成されたパイプ１４ｄの先端に、樹脂によって形成された樹脂トップ１４ｃを取り付けて構成することもできる。この樹脂トップ１４ｃの吸着面１４ａも先と同様に粗面に仕上げられる。この構成は小型の部品を吸着するのに適している。

上記構成になる部品実装ツール２３ｂによりベアＩＣチップ３を回路基板４に実装する方法を図２を参照して説明する。

図２に示すように、ベアＩＣチップ３の接合面３ａには、電極７上にバンプ（金属接合部）８を形成した金属接合部５が設けられる。このベアＩＣチップ３を部品受け渡し位置Ｄで部品反転ツール２３ａから受け渡されて吸着ノズル１４に吸着した部品実装ツール２３ｂは、部品実装位置Ｂ２に移動し、ボイスコイルモータ１５によって吸着ノズル１４を所定位置に位置決めされた回路基板４に向けて下降させ、ベアＩＣチップ３のバンプ８を回路基板４上に形成された導体ランド（金属接合部）６上に当接させる。吸着ノズル１４は前記ボイスコイルモータ１５による下降駆動により荷重５００ｇ〜５Ｋｇ程度の加圧でバンプ８を導体ランド６に当接させると共に、前記ホーン１７から加振される振動数６０ＫＨｚ、振幅１〜２μｍ程度の超音波振動をベアＩＣチップ３に印加する。圧接された状態で超音波振動が加えられることにより、バンプ８と導体ランド６とは摩擦により溶融して当接間が接合される。

吸着ノズル１４の吸着面１４ａは、前述したように樹脂部１４ｂで形成され、所定の面粗度を持つ粗面に形成されているので、ＳｉやＧａＡｓベアＩＣチップ３と吸着面１４ａとの間の摩擦力は大きく、超音波振動により滑りが発生することが効果的に抑制される。滑りの抑制は吸着ノズル１４によるベアＩＣチップ３の加振にロス発生が少なく、安定した接合が可能となる。また、滑りにより吸着面１４ａが磨耗することも抑制される。

前記樹脂部１４ｂ及び樹脂トップ１４ｃは、ポリイミド等の耐熱性樹脂によって形成することにより、超音波振動による発熱によって軟化したり溶融することが防止できる。また、ウレタン樹脂等の弾性樹脂によって形成すると、ベアＩＣチップ３との摩擦力はより大きくなり効率のよい接合を行うことができる。但し、弾力が大きい樹脂材料を用いると超音波振動が吸収されてしまうので、適度な弾性を有する樹脂材料を選択する必要があり、前記ウレタン樹脂が適したものとなる。

また、吸着面１４ａを樹脂材料によって形成することにより、ベアＩＣチップ３や実装対象とする部品を構成するＳｉやＧａＡｓとの硬度差が大きく、ステンレス鋼を吸着面１４ａとした場合に、摩擦により吸着面１４ａがＳｉやＧａＡｓを削り、その削り粉が飛散することによる製品不良の発生は防止される。

回路基板４上に接合されたベアＩＣチップ３は、図２に示すように、封止材１１によって接合面側が封止される。この封止材１１は、回路基板４上に予め仮想線で示すように山状に供与しておき、これを２５℃程度に加熱しておくと、吸着ノズル１４によって回路基板４に下降してくるベアＩＣチップ３の接合面３ａにより押し広げられ、図示するような状態に充填された封止状態となる。前記加熱は、ローダ３３に設けられた予備加熱部３３ａ、ボンディングステージ３５に設けられた本加熱部３５ａ（図８参照）によって封止材１１を２５℃程度に加熱する。

以上説明した部品実装ツール２３ｂによる実装動作が繰り返されると、吸着ノズル１４の吸着面１４ａは徐々に磨耗し、表面の粗度が変化するので、所定の面粗度に再生させることを要する。吸着面１４ａの粗度が許容範囲を越えるまでに低下する実装回数は予め知ることができるので、部品実装の回数をカウントして所定回数を越える所定の時期に部品実装ツール２３ｂを再生部３１に移動させて吸着面の再生動作を行う。部品実装装置の制御手段２５は、プログラム２６に書き込まれた吸着面１４ａを再生動作に移行させる実装回数になると実装動作を一次停止して再生動作を開始させる。

また、図２に示すように、滑り検出手段１１５によって吸着面１４ａの磨耗の程度を知ることもできる。吸着面１４ａとベアＩＣチップ３との間の摩擦が大きいほどホーン１７の超音波振動は大きく、摩擦が小さいほど超音波振動が小さくなるので、滑り検出手段１１５はホーン１７の振動状態を検出して、所定値からの変化から滑りを検出することができる。この場合には、制御手段２５は滑り検出手段１１５から許容値を越える滑りが検出されたとき、実装動作を停止して部品実装ツール２３ｂを再生動作に移行させるように制御する。この滑り検出による制御では、必要の都度対応できるので、再生処理の遅れによる接合品質の低下や早すぎた再生処理による寿命の低下が防止できる。

再生部３１は、図９に示すように、（ａ）研磨手段１０４、（ｂ）洗浄手段１１４、（ｃ）乾燥手段１１３を備え、あるいはそれぞれを単独に備えて構成することができる。研磨手段１０４によって吸着面１４ａを研磨した後は、研磨滓が吸着面１４ａに付着しているので、洗浄液によって洗浄し、洗浄液を乾燥除去すめことによって吸着面１４ａは所定の面粗度に再生され、清浄な状態になって再び接合動作を開始することができる。また、吸着面１４ａは摩擦による削り粉や塵埃が付着するので、必要に応じて洗浄、乾燥の工程のみを実施することもできる。

前記研磨手段１０４は、図９（ａ）及び図１０に示すように、研磨材１０１を支持し案内する支持面１０６ａの水平状態を調整する水平調整手段１０５を備えて構成されている。水平調整手段１０５はステンレス鋼よりなる定盤１０６をスタンド１０９によって支持し、定盤１０６はその途中部分に周りからくびれ部による首振り部１０６ｂを有し、首振り部１０６ｂで上下に２分された支持面１０６ａをもった上部盤１０６ｃが下部盤１０６ｄに対し首振り部１０６ｂを中心に若干首振りでき、首振りの向き及び量によって支持面１０６ａの水平調整ができる。下部盤１０６ｄに下方から螺合させ、上部盤１０６ｃに下方から当接させた調整ボルト１０７を首振り部１０６ｂの周り４か所に設け、各調整ボルト１０７螺入量を調整することによって、支持面１０６ａが吸着ノズル１４の軸線に対して直角となる水平状態が得られるように水平調整することができる。また、上部盤１０６ｃの上にガラス板１０８を配設し、ガラス板１０８の表面で支持面１０６ａを形成することにより、金属部材の場合のように弾性変形による逃げが生じないので好適である。

この研磨手段１０４の研磨材１０１上に、図９（ａ）に示すように、吸着面１４ａが接触するように部品実装ツール２３ｂを移動させ、吸着ノズル１４に超音波振動を加えると、吸着面１４ａは研磨材１０１との摩擦により所定の面粗度に研磨することができる。研磨材１０１は図１０に示すように、供給ローラ１０２と巻き取りローラ１０３とを備えた送り手段１１１によって必要な研磨回数毎に支持面１０６ａ上に送り出され、研磨面を順次更新させることができる。

研磨の後、部品実装ツール２３ｂを洗浄槽１１４上に移動させ、吸着ノズル１４の下降により吸着面１４ａが洗浄液１１２中に侵漬させた状態にして超音波振動を加えると、研磨によって吸着面１４ａに付着した研磨滓を除去することができる。前述したように、研磨の工程を経ることなく、この洗浄の工程を実施してもよく、この場合には接合の繰り返しにより吸着面１４ａに付着した削り粉や塵埃を除去することができる。この洗浄を行った後は、吸着面１４ａに付着した洗浄液１１２をブロアー１１３からの空気の吹きつけにより乾燥させると、素早い乾燥がなされて、再び部品接合の動作を開始させるまでの時間短縮がなされ、生産効率を高めることができる。

以上説明した実施形態は、ベアＩＣチップ３を回路基板４に実装する例を示したが、このような集積回路部品だけでなく、ＳＡＷフィルタや水晶発信子などの部品を機器のパーツ上に実装するのに用いることもできる。

実施形態に係る部品実装装置の構成を示す斜視図。超音波接合の状態を説明する説明図。吸着ノズルの構成を示す（ａ）は全体図、（ｂ）は部分断面図。吸着ノズルの他の構成を示す部分断面図。部品実装ツールの構成を示す斜視図。部品実装ツールの構成を示す断面図。部品反転ツールの構成を示す斜視図。回路基板を固定するボンディングステージの構成を示す斜視図。再生部が備える（ａ）は研磨手段、（ｂ）は洗浄手段、（ｃ）は乾燥手段の構成を示す構成図。研磨手段の構成を示す斜視図。

符号の説明

３ベアＩＣチップ（部品）
４回路基板（実装対象物）
５金属接合部
６導体ランド（金属接合部）
７電極
８バンプ（金属接合部）
１４吸着ノズル
１４ａ吸着面
１４ｂ樹脂部
１４ｃ樹脂トップ
２１部品供給部
２３部品実装部
２３ｂ部品実装ツール
３０基板供給部（実装対象物供給部）
３１再生部

Claims

一面側に金属接合部が形成され他面側が平滑面に形成された部品の他面側を吸着ノズルの吸着面によって吸着保持し、前記金属接合部を実装対象物上に形成された金属接合部に当接加圧した状態にして、前記吸着ノズルに超音波振動を加えることにより両金属接合部間を超音波接合し、部品を実装対象物に実装する部品実装ツールにおいて、
吸着ノズルの吸着面が、前記部品より硬度が低い耐熱性樹脂材料によって形成され、かつその表面が所定の面粗度を持つ粗面に形成されてなることを特徴とする部品実装ツール。
吸着面が後記部品より硬度が低い耐熱性樹脂材料によって形成され、その表面が所定の面粗度を持つ粗面とした吸着ノズルを用いて、この吸着ノズルの吸着面で吸着保持した部品を、実装対象物に対して互いの金属接合部を当接加圧した状態にして吸着ノズルに超音波振動を加え、この振動により金属接合部間を超音波接合して部品を実装対象物に実装することを特徴とする部品実装方法。
部品を所定位置に供給する部品供給手段と、実装対象物を所定位置に位置決めする実装対象物供給手段と、吸着面が後記部品より硬度が低い耐熱性樹脂材料によって形成され、その表面が所定の面粗度を持つ粗面とした吸着ノズルにより前記吸着面で部品を吸着保持し、前記実装対象物に対して互いの金属接合部を当接加圧した状態にして吸着ノズルに超音波振動を加え、この振動により金属接合部間を超音波接合して部品を実装対象物に実装する部品実装ツールとを備えてなることを特徴とする部品実装装置。