JP2006303060A

JP2006303060A - ボンディング装置およびボンディングヘッドならびに電子部品のボンディング方法

Info

Publication number: JP2006303060A
Application number: JP2005120582A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Makino; 洋一牧野; Akira Kabeshita; 朗壁下; Minoru Yamamoto; 実山本
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-04-19
Filing date: 2005-04-19
Publication date: 2006-11-02
Anticipated expiration: 2025-04-19
Also published as: JP4525439B2

Abstract

【課題】ヒータからボンディングツールへの伝熱性を確保しながら、ボンディングツールを固定配置されたヒータに対して相対回転させることができるボンディング装置およびボンディングヘッドを提供することを目的とする。
【解決手段】電子部品を基板にボンディングするボンディングヘッドにおいて、電子部品に当接して保持するボンディングツール３０の回転軸３３をヒータを内蔵した加熱ブロック３１にΘ軸廻りに回転自在且つ上下動を許容した状態で保持させ、ボンディングツール３０と加熱ブロック３１とが相互に対向する１対の対向面に、相互に嵌合可能な形状の対をなす凸部および凹部をΘ軸と同心に円環状に形成し、凸部を凹部内に進入させて加熱ブロック３１からボンディングツール３０へ熱を伝達する。これにより、伝熱性を確保しながらボンディングツール３０を固定配置された加熱ブロック３１に対して相対回転させることができる。
【選択図】図６

Description

本発明は、基板に半導体チップなどの電子部品をボンディングするボンディング装置およびボンディングヘッドおよび電子部品のボンディング方法に関するものである。

半導体装置の製造工程において、半導体ウェハから個片に切り出された半導体チップはリードフレームなどの基板にボンディングされる。この半導体チップのボンディング作業は、接合用のペーストが塗布された基板に半導体チップをボンディングツールによって押圧することにより行われ、このボンディング過程においては半導体チップはボンディングツールを介して加熱される工法が多い。このため、半導体チップをボンディングするボンディングヘッドは、ボンディングツールを加熱するためのヒータを備えている（例えば特許文献１参照）。

この特許文献１に示す例においては、半導体チップのΘ軸方向の位置合わせのために回転自在に設けられたボンディングツールとヒータとを相対回転自在に配設しており、ヒータからボンディングツールへの伝熱を可能としながらヒータを固定配置することが可能となっている。これにより、ヒータへの電気配線を固定配線とすることができ、ボンディングツールを回転させる際に電気配線が連れ廻りすることに伴う不都合が解消されている。
特開平１１−１６８１１０号公報

ところでボンディング動作においては、ボンディングツールに保持された半導体チップが下降して基板に着地する際に、ボンディングツールには上向きの反力が作用する。半導体チップではこの反力が微小でもチップを破損するおそれがある。このため、ボンディングヘッドにはこの反力を吸収させるためにボンディングツールにクッション機構もしくは半導体チップに積極的にある一定の安定したボンディング接合圧力を負荷する荷重機構を設けることが望ましい。このような機構においてボンディングツールのみを昇降させる構成とすることができれば、半導体チップ破損のない安定したボンディング接合を実現することができる。

しかしながら上述の特許文献例に示すボンディングヘッドでは、ボンディングツールは固定配置されたヒータに対して上下動が禁止された構成となっており、前述のクッション機構を設けようとすれば、ボンディングヘッド本体部全体の昇降を許容させるような構成とする必要があった。このため、ヒータからボンディングツールへの伝熱性を確保しながらヒータとボンディングツールとの相対回転を許容する構成を採用すると、ボンディングヘッドの構造が複雑になるという難点がある。結果として、半導体チップを押圧しているボンディングツール自体の重さが増し、半導体チップに対する微量な押圧による制御が困難になる課題がある。またこの機構の複雑さは、多連ノズルヘッド化への障壁となっており、生産性向上の妨げとなっている。

そこで本発明は、ヒータからボンディングツールへの伝熱性を確保しながら、ボンディングツールを固定配置されたヒータに対して相対回転させることができるボンディング装置およびボンディングヘッドを提供することを目的とする。

本発明のボンディング装置は、部品供給部から電子部品を取り出して基板にボンディングするボンディング装置であって、前記基板を位置決めする基板位置決め部と、前記電子部品をボンディングヘッドによって部品供給部から取り出して前記基板にボンディングするボンディング機構を備え、前記ボンディングヘッドは、前記電子部品と当接して保持するボンディングツールと、前記ボンディングツールを垂直なΘ軸廻りに回転自在且つ上下動を許容した状態で保持するツール保持機構と、前記ボンディングツールをΘ回転させるΘ軸駆動機構と、前記ボンディングツールと対向して設けられ前記ボンディングツールを加熱するためのヒータを内蔵した加熱ブロックとを有し、前記ボンディングツールと前記加熱ブロックとが相互に対向する１対の対向面を介して前記加熱ブロックから前記ボンディングツールへ熱を伝達する。

本発明のボンディングヘッドは、電子部品を基板にボンディングするボンディング装置において、前記電子部品を部品供給部から取り出して前記基板にボンディングするボンディングヘッドであって、前記電子部品と当接して保持するボンディングツールと、前記ボンディングツールを垂直なΘ軸廻りに回転自在且つ上下動を許容した状態で保持するツール保持機構と、前記ボンディングツールをΘ回転させるΘ軸駆動機構と、前記ボンディングツールと対向して設けられ前記ボンディングツールを加熱するためのヒータを内蔵した加熱ブロックとを有し、前記ボンディングツールと前記加熱ブロックとが相互に対向する１対の対向面を介して前記加熱ブロックから前記ボンディングツールへ熱を伝達する。

本発明の電子部品のボンディング方法は、電子部品に当接して保持するボンディングツールと、前記ボンディングツールを垂直なΘ軸廻りに回転自在且つ上下動を許容した状態で保持するツール保持機構と、前記ボンディングツールをΘ回転させるΘ軸駆動機構と、前記ボンディングツールと対向して設けられ前記ボンディングツールを加熱するためのヒータを内蔵した加熱ブロックとを有するボンディングヘッドによって、部品供給部から前記電子部品を取り出して基板に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、前記加熱ブロックから前記ボンディングツールへ熱を伝達させてこのボンディングツールを加熱する工程において前記ボンディングツールを前記加熱ブロックに対して相対的に昇降させ、前記ボンディングツールと前記加熱ブロックとを相互に接触させて前記ボンディングツールを接触熱伝導により加熱する第１の加熱工程と、前記ボンディングツールと前記加熱ブロックとを離隔させて前記ボンディングツールを非接触の熱伝達により加熱する第２の加熱工程とを組み合わせて実行する。

本発明によれば、ボンディングツールと加熱ブロックとが相互に対向する１対の対向面を介して、加熱ブロックからボンディングツールへ熱を伝達する構成を採用することにより、簡略な機構でヒータからボンディングツールへの伝熱性を確保しながら、ボンディングツールを固定配置されたヒータに対して相対回転させることができる。

ボンディングツールがヒータなどの重量物と分離、軽量化されているため、半導体チップに破損無き微小な押圧制御することを可能としている。またヒータ線などの配線がボンディングツールのΘ方向回転とチップ押圧方向と分離されているため、コンパクトな機構とすることができ、多連ノズルヘッドが実現できる。結果として、生産性向上の効果が得られる。

次の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ボンディング装置の平面図、図２は本発明の一実施の形態のボンディング装置の正面図、図３は本発明の一実施の形態のボンディング装置の側面図、図４、図５，図６は本発明の一実施の形態のボンディングヘッドの構造説明図、図７は本発明の一実施の形態のボンディ
ングヘッドの部分断面図、図８は本発明の一実施の形態のボンディングヘッドの加熱ブロックに設けられた伝熱フィンの形状説明図、図９は本発明の一実施の形態のボンディングヘッドのボンディングツールに設けられた伝熱フィンの形状説明図、図１０は本発明の一実施の形態のボンディングヘッドにおける伝熱機構の説明図、図１１、図１３，図１４，図１５は本発明の一実施の形態のボンディング装置による電子部品のボンディング方法の工程説明図、図１２は本発明の一実施の形態のボンディングヘッドの構造説明図、図１６、図１７，図１８は本発明の一実施の形態のボンディングヘッドの構造説明図である。

まず図１、図２、図３を参照してボンディング装置の全体構造について説明する。図１において基台１上にはＸ方向（基板搬送方向）に搬送路２が平行に配設されている。搬送路２は電子部品がボンディングされる基板３を搬送する。搬送路２には、基板位置決め部２ａが設けられており、搬送路２によって上流側から搬入された基板３は基板位置決め部２ａによって保持され位置決めされる。基台１上において搬送路２からＹ方向に隔てられた位置には、部品供給部４が配設されている。

部品供給部４には、半導体ウェハから個片に分割された状態の複数の半導体チップ６（電子部品）を粘着シートに保持したウェハ治具５が保持されており、ウェハ治具５の下面側にはエジェクタ機構４ａが配設されている。エジェクタ機構４ａは、ウェハ治具５の下面側からエジェクタピンを突出させることにより、後述するボンディングヘッド９による半導体チップ６のピックアップ時に、半導体チップ６をウェハ治具５から剥離させる機能を有している。また部品供給部４に隣接して、部品格納部７が配設されている。図３に示すように、部品格納部７は、待機中の新たなウェハ治具５を格納棚７ａ内に複数段に格納する。

基台１の上方には、基板保持位置２ａ、部品供給部４を移動範囲に含んで、ボンディングヘッドユニット８および撮像ユニット１２が、それぞれヘッド移動機構１３、カメラ移動機構１４によって移動自在に配設されている。なお、図１，図３においては、ヘッド移動機構１３、カメラ移動機構１４の図示を省略している。

ボンディングヘッドユニット８は、複数（ここでは３つ）のボンディングヘッド９および基板認識カメラ１０を備えており、ヘッド移動機構１３を駆動することによりそれぞれのボンディングヘッド９によって部品供給部４から半導体チップ６を取り出し、基板保持位置２ａに保持された基板３上に半導体チップ６をボンディングする。したがって、ボンディングヘッドユニット８およびヘッド移動機構１３は、半導体チップ６をボンディングヘッド９によって部品供給部４から取り出して基板３にボンディングするボンディング機構となっている。

部品供給部４からの半導体チップ６の取り出しに際しては、カメラ移動機構１４によって撮像ユニット１２を部品供給部４上に移動させて、取り出し対象となる半導体チップ６を撮像ユニット１２によって撮像して位置を認識する。そしてボンディングヘッド９による半導体チップ６のピックアップに際しては、この認識結果に基づいてボンディングヘッド９を半導体チップ６に対して位置合わせする。

部品供給部４と搬送路２との間には部品認識ユニット１１が配置されており、ボンディングヘッド９によって半導体チップ６を保持したボンディングヘッドユニット８が部品認識ユニット１１の上方を移動することにより、ボンディングヘッド９に保持された状態の半導体チップ６の位置が認識される。ボンディングヘッド９によって半導体チップ６を基板３に実装する際には、この部品認識結果と、基板認識カメラ１０によって基板３を撮像して認識した基板認識結果とに基づいて、半導体チップ６を基板３に対して位置合わせする。

次に、図４，図５，図６，図７を参照して、ボンディングヘッド９の構造を説明する。図４に示すように、ボンディングヘッド９はボンディング対象の半導体チップ６に当接して保持するボンディングツール３０を下端部に備えており、それぞれボンディングヘッドユニット８に内蔵されたヘッド昇降機構によって個別に昇降自在となっている。

ヘッド昇降機構について説明する。逆コ字断面形状の保持フレーム２０の立側面にはガイドレール２１が垂直に配設されており、ガイドレール２１にスライド自在に嵌合したスライダ２２は、上部に水平なモータ取付面２６ａを有する逆Ｌ字断面の昇降フレーム２６に固着されている。ボンディングヘッド９は、昇降フレーム２６に後述する機構要素を配設して構成されている。

昇降フレーム２６の側面には水平方向に延出した昇降ブロック２５が結合されており、昇降ブロック２５に内蔵されたナットには垂直に配設された送りねじ２４が螺合している。送りねじ２４は保持フレーム２０の上部に配設されたヘッド昇降モータ２３によって回転駆動され、ヘッド昇降モータ２３を駆動することにより昇降フレーム２６が昇降し、したがってボンディングヘッド９が基板３に対して昇降する。このボンディングヘッド９の昇降動作により、ボンディングツール３０によって吸着保持した半導体チップ６を、基板３において予めペースト１５が塗布された接着ベース３ａに搭載して熱圧着する。

次にボンディングヘッド９の構造を説明する。図４の側面図に示すように、昇降フレーム２６の側面には、水平なモータ取付面２６ａの下方に位置して、ジョイントブロック３５および加熱ブロック３１が固着されている。ボンディングツール３０は加熱ブロック３１の直下に位置しており、ボンディングツール３０から垂直上方に延出して設けられた回転軸３３は、加熱ブロック３１に設けられた軸孔３１ｂ（図８参照）に、垂直なΘ軸ａ廻りに回転自在且つ上下動が許容された状態で挿通している。すなわち、回転軸３３および回転軸３３をΘ軸ａ廻りに保持する軸孔３１ｂは、ボンディングツール３３を垂直なΘ軸ａ廻りに回転自在且つ上下動が許容された状態で保持するツール保持機構となっている。

加熱ブロック３１にはボンディングツール３０を加熱するためのヒータ３２が水平方向に挿入されている。ヒータ３２は温調装置（図示省略）によって作動し、ヒータ３２に電気配線３２ａを介して通電することにより、ヒータ３２が発熱する。ここで、加熱ブロック３１は下面をボンディングツール３０の上面に近接距離で対向させて位置しており、加熱ブロック３１のブロック下面３１ａとのボンディングツール３０のツール上面３０ｃとは相互に対向する１対の対向面となっている。ヒータ３２によって加熱された加熱ブロック３１からの熱は、この対向面を介してボンディングツール３０に伝達される。

これにより、前述のボンディング動作において半導体チップ６がボンディングツール３０を介して加熱される。また加熱ブロック３１には熱電対３８が装着されており、ヒータ３２によるボンディングツール３０の加熱過程において、熱電対３８によって検出された温度検出値を温調装置にフィードバックすることにより、ボンディングツール３０の温度が制御される。

モータ取付面２６ａの上面にはツールΘ軸モータ３７が垂直姿勢で配設されており、ツールΘ軸モータ３７の回転軸はカップリング３９を介して連結部材３４に結合されている。ツールΘ軸モータ３７を回転駆動することにより、連結部材３４を介して回転軸３３が回転し、これにより、ボンディングツール３０がΘ回転して、半導体チップ６を基板３にボンディングする際のΘ方向の位置合わせが行われる。したがって、ツールΘ軸モータ３７、連結部材３４および回転軸３３は、ボンディングツール３０をΘ回転させるΘ軸駆動機構を構成する。

連結部材３４は、ジョイントブロック３５に設けられたジョイント孔３５ａに回転自在に嵌合している。ジョイントブロック３５には真空吸引源３６が接続されており、真空吸引源３６を駆動してジョイントブロック３５を介して真空吸引することにより、後述する真空吸引回路によって、半導体チップ６をボンディングツール３０の下端部に設けられた部品当接部３０ａに吸着保持することができるようになっている。このとき、連結部材３４がジョイントブロック３５に回転自在に嵌合した回転ジョイント機構により、連結部材３４がどのΘ回転位置にある状態においても、真空吸引が可能となっている。

図７は、ジョイントブロック３５のジョイント孔３５ａに連結部材３４が嵌合する部分の詳細構造を示している。昇降フレーム２６の側面に固定されたジョイントブロック３５は、円筒形状の連結部材３４をΘ軸ａ廻りの回転自在に保持している。連結部材３４には軸摺動孔３４ａがΘ軸ａと同心に設けられており、軸摺動孔３４ａには回転軸３３が上下方向の摺動を許容された状態で嵌合している。ここで、回転軸３３の上端と軸摺動孔３４ａの上端面との間には圧縮スプリング４１が介在しており、回転軸３３には圧縮スプリング４１によって常に下向きの付勢力が作用している。

連結部材３４の右側面には、ストッパピン４０が端部を軸摺動孔３４ａ内に突出させて水平方向に貫入しており、ストッパピン４０の端部は回転軸３３の外周に設けられたピン溝３３ｂには、ストッパピン４０が部分的に嵌合している。ピン溝３３ｂの幅寸法は、ストッパピン４０が遊びなく嵌合するように設定され、上下方向の寸法は、ストッパピン４０の径寸法よりも遊び代ｄだけ大きく設定されている。

これにより回転軸３３は軸摺動孔３４ａ内において、Θ方向には回転変位が拘束され、上下方向には遊び代ｄの範囲内で上下方向の摺動が許容される。連結部材３４には、前述のようにカップリング３９を介して回転が伝達され、連結部材３４が回転することにより、回転軸３３にはストッパピン４０を介して同方向・同回転量の回転が伝達される。

図７は、圧縮スプリング４１の付勢力によって回転軸３３が押し下げられて、ピン４０がピン溝３３ｂの上端部に当接して、回転軸３３が下限位置にある状態を示している。そしてボンディングヘッド９が下降する際に、ボンディングツール３０が基板３に当接した場合などに回転軸３３に上向きの力が作用することにより、回転軸３３は圧縮スプリング４１の付勢力に抗して上方に変位する。このとき、ピン４０がピン溝３３ｂの下端部に当接した状態で回転軸３３の上方への変位は上限となる。

上述の機構により、ボンディング動作時における下降過程においてボンディングヘッド９に過剰なボンディング反力が作用するのを防止するクッション作用を果たすことができる。すなわちボンディングツール３０に保持された半導体チップ６が基板３に当接した後になおボンディングヘッド９が幾分下降しても、上述のようにボンディングツール３０が回転軸３３とともに上方に変位することにより、基板３からのボンディングツール３０への上向きの反力を吸収することが可能となっている。すなわち本実施の形態においては、ボンディングツール３０に上向きの荷重が作用した状態において、ボンディングツール３０の上昇を許容して荷重を吸収するクッション機構を備えた構成となっている。

このクッション機構においては、ボンディングツール３０と回転軸３３のみがヘッド本体部に対してフロート状態となって相対的に昇降する構成を採用していることから、ヘッド本体部全体をフロートさせることによりクッション機構を実現していた従来装置と比較して、フロート部分の質量を大幅に小さくすることができる。これによりボンディング荷重の変動を小さくすることができ、高精細なボンディング荷重制御が実現される。

軸摺動孔３４ａの上端部近傍には、連結部材３４の外面に連通する吸引孔３４ｂが設けられており、吸引孔３４ｂはジョイント孔３５ａの内周面に設けられた内円周溝３５ｂに常に連通している。さらに内円周溝３５ｂは接続孔３５ｃを介して図４に示す真空吸引源３６に接続されている。すなわち、回転軸３３に設けられた吸引孔３３ａは、軸摺動孔３４ａ、吸引孔３４ｂ、内円周溝３５ｂ、接続孔３５ｃが連通して形成された真空吸引回路を介して真空吸引源３６と連通しており、真空吸引源３６を駆動することにより、吸引孔３３ａから真空吸引する。

これにより、ボンディングツール３０の下端部の部品当接部３０ａに開孔した吸着孔３０ｂから真空吸引し、部品当接部３０ａに半導体チップ６を吸着保持することができる。このとき、連結部材３４が如何なるΘ位置にある状態においても吸引孔３４ｂは内円周溝３５ｂと連通することから、ボンディングツール３０を任意のΘ位置で回転させた状態においても、吸着孔３０ｂから真空吸引することができるようになっている。

次に図８，図９、図１０を参照して、加熱ブロック３１からボンディングツール３０へ熱を伝達する伝熱機構について説明する。図８（ａ）、（ｂ）に示すように、加熱ブロック３１のブロック下面３１ａには、円環状の凸部３１ｃがブロック下面３１ａから突出して軸孔３１ｂと同心に設けられている。凸部３１ｃは加熱ブロック３１の熱をボンディングツール３０に伝達するための放熱フィンとして機能し、ブロック下面３１ａにおいて凸部３１ｃ以外の部分は、凹部３１ｄを形成している。

また図９（ａ）、（ｂ）に示すように、ボンディングツール３０のツール上面３０ｃには、加熱ブロック３１における凹部３１ｄに対応した位置に、凸部３０ｄがツール上面３０ｃから突出して吸着孔３０ｂと同心の円環状に設けられている。凸部３０ｄは凸部３１ｃから放射された熱を受ける受熱フィンとして機能し、ツール上面３０ｃにおいて凸部３０ｄ以外の部分は、凹部３０ｅを形成している。すなわち上記構成は、ボンディングツール３０と加熱ブロック２１とが相互に対向する１対の対向面に、相互に嵌合可能な形状の対をなす凸部および凹部をΘ軸と同心に円環状に形成した形態となっている。

回転軸３３を軸孔３１ｂに下方から挿通させてボンディングツール３０を加熱ブロック３１の下部に装着した状態では、図１０（ａ）に示すように、凸部３１ｃが凹部３０ｅ内に、凸部３０ｄが凹部３１ｄ内にそれぞれ進入する。このとき、凸部３１ｃと凸部３０ｄとは相互に接触しておらず、それぞれの間にはわずかな隙間が存在している。すなわち、この例では、凸部３０ｄ、３１ｃが凹部３１ｄ、３０ｅ内にそれぞれ進入した状態において、これらの凸部の外周面と凹部の内周面とが非接触状態にある。そして凸部３１ｃの先端部と凹部３０ｅの底面および凸部３０ｄの先端部と凹部３１ｄの底面との間には、図７に示す遊び代ｄに対応した隙間が確保されており、ボンディングツール３０が遊び代ｄの範囲内で昇降しても、ボンディングツール３０が加熱ツール３１に当接しないようになっている。

この装着状態でヒータ３２に通電して発熱させることにより加熱ブロック３１が昇温し、凸部３１ｃから凸部３０ｄへ放射熱が伝達されてボンディングツール３０が加熱される。すなわち、固定配置された加熱ブロック３１から、Θ軸廻りに回転自在なボンディングツール３０に熱が伝達され、加熱ブロック３１に内蔵されたヒータ３２への電気配線３２ａを固定配線によって設けることができる。

これにより、加熱装置がボンディングツールとともに回転する従来装置のように、加熱用の電気配線の連れ廻りを許容するための配線余裕を見込む必要がない。このためボンディングツールの周囲のクリアランスを極小に設定することが可能となり、コンパクトなボンディングヘッドが実現されている。この効果は本実施の形態に示すように、複数のボン
ディングヘッドによってマルチヘッドを構成する形態において特に顕著である。

なおツール上面３０ｃ、ブロック下面３１ａの表面に、熱放射率を向上させる特性を有する表面処理を施すことにより、加熱ブロック３１からボンディングツール３０への熱伝達効率を向上させることができる。さらに、凹部３０ｅ、凹部３１ｄ内に耐熱性を有し熱伝達率に優れた耐熱グリースなどの粘性体を充填した状態で、ボンディングツール３０を装着することにより、加熱ブロック３１から粘性体を介して熱を伝達することができ、熱伝達効率を向上させることができる。

また上述例では、凸部３０ｄを凸部３１ｃに接触させることなく、隙間を介して熱を伝達する例を示しているが、図１０（ｂ）に示すように、凸部３１ｃが凸部３０ｄに接触するようにしてもよい。これにより、加熱ブロック３１からボンディングツール３０への熱伝達を接触熱伝導によって行うことができ、熱伝達効率を向上させることができる。この場合には加熱による熱膨張を見込んで、設定温度に昇温した状態で凸部３１ｃの外周面が凸部３０ｄの内周面に低面圧で接触するような寸法設定とする。すなわち、この例では、凸部３０ｄ、３１ｃが凹部３１ｄ、３０ｅ内にそれぞれ進入した状態において、これらの凸部の外周面と凹部の内周面とが接触状態にある。

上記説明したように本実施の形態においては、ボンディングツール３０と加熱ブロック３１とが相互に対向する１対の対向面に、相互に嵌合可能な形状の対をなす凸部３０ｄ、３１ｃおよび凹部３１ｄ、３０ｅを、Θ軸と同心に円環状に形成し、凸部３０ｄ、３１ｃを凹部３１ｄ、３０ｅ内にそれぞれ進入させて、凸部３０ｄ、３１ｃを介して加熱ブロック３１からボンディングツール３０へ熱を伝達する構成を採用している。

これにより、簡略な機構でヒータ３２からボンディングツール３０への伝熱性を確保しながら、ボンディングツール３０を固定配置されたヒータに対して任意のΘ角度で相対回転させることができる。すなわち、ボンディングツールのΘ回転時に加熱配線の連れ廻りが伴う従来装置では、許容される回転角度範囲が小角度に限定されていたのに対し、本実施の形態においては任意角度で回転させることができる。

したがって、ボンディングツールのΘ回転を、単にΘ角度位置の微調整のみならず、部品保持角度変換の用途に利用することが可能となる。例えば、部品供給部において電子部品をボンディングツールによって０度方向でピックアップし、その後ボンディングツールをΘ回転させて基板において任意角度方向に搭載することができる。

またボンディングツール３０を加熱ブロック３１に対して上下動が許容される状態で組み込むことにより、前述のクッション機構を簡略化することが可能となっている。すなわち、ボンディングツールが固定配置されたヒータに対して上下動が禁止され、ボンディングヘッド本体部全体の昇降を許容してクッション機構を実現する構成の従来装置と比較して、コンパクト・簡略な機構のボンディングヘッドが実現されている。

次に、図１１を参照して、ボンディングヘッド９によるボンディング動作について説明する。図１１（ａ）は、動作開始時の状態を示しており、この状態ではボンディングツール３０は加熱ブロック３１とは非接触状態にある。また加熱ブロック３１は既に作動状態にあり、ボンディングツール３０は加熱ブロック３１によって前述のように非接触の熱伝達によって加熱されている。

ボンディング動作が開始されると、図１１（ｂ）に示すように、ボンディングヘッド９はツール押付けステージ４２の上方に移動し、ここでボンディングヘッド９を下降させることにより、ボンディングツール３０の部品当接部３０ａをツール押付けステージ４２の
上面に押しつける。これにより、ボンディングツール３０は上方に変位し、ボンディングツール３０の凸部３０ｄが加熱ブロック３１の凹部３１ｄ（または加熱ブロック３１の凸部３１ｃが加熱ブロック３１の凹部３０ｅ）の底面に当接し、ボンディングツール３０と加熱ブロック３１とが相互に接触した状態となる。

これにより、ボンディングツール３０には加熱ブロック３１との接触面を介して接触熱伝導によって熱が伝達される。この接触熱伝導による熱伝達は、非接触状態での熱伝達と比較して熱伝達効率に優れていることから、ボンディングツール３０の加熱が促進される。そしてこの接触状態を所定時間保持することにより、ボンディングツール３０は所望の加熱温度まで加熱される。

この後、ボンディングヘッド９をツール押付けステージ４２から上昇させることにより、ボンディングツール３０を加熱ブロック３１から離隔させる。次いでボンディングヘッド９は部品供給部４に移動し、ここでボンディングヘッド９が図４に示す部品取り出し動作を行うことにより、図１１（ｃ）に示すように、部品当接部３０ａが半導体チップ６に当接してこれを保持する。次いで図１１（ｄ）に示すように、ボンディングヘッド９は基板３の上方に移動し、ここで部品搭載動作を行うことにより、ボンディングツール３０に保持された半導体チップ６は、基板３の接着ベース３ａにボンディングされる。

すなわち、図１１に示すボンディング動作は、図１に示すボンディング装置による電子部品のボンディング方法であって、加熱ブロック３１からボンディングツール３０へ熱を伝達させてこのボンディングツール３０を加熱する工程において、ボンディングツール３０を加熱ブロック３１に対して相対的に昇降させ、ボンディングツール３０と加熱ブロック２０とを相互に接触させてボンディングツール３０を接触熱伝導により加熱する第１の加熱工程と、ボンディングツール３０と加熱ブロック３１とを離隔させて、ボンディングツール３０を非接触の熱伝達により加熱する第２の加熱工程とを組み合わせて実行する形態となっている。図１１に示す例では、ボンディングツール３０によって部品供給部４の半導体チップ６を保持する前に、第１の加熱工程を実行するようにしている。

なお、図１１に示す動作例においては、ツール押付けステージ４２にボンディングツール３０を押しつけることによってボンディングツール３０と加熱ブロック３１とを接触させるようにしているが、図１２に示すような構成のボンディングヘッド９Ａを採用することにより、このようなツール押しつけ動作を行うことなく、ボンディングツール３０と加熱ブロック３１とを任意のタイミングにて相互に接触させることができる。

図１２（ａ）に示すように、ボンディングヘッド９Ａは、図６に示すボンディングヘッド９にツール昇降機構４３を付加した構成となっている。すなわち図１２（ａ）において連結部材３４にはシリンダ４６がロッド４６ａを下方に向けて配設されており、ロッド４６ａに結合された昇降部材４５は回転軸３３に設けられた係止部材４４に係合している。図１２（ｂ）に示すように、シリンダ４６を作動させてロッド４６ａを没入させることにより、昇降部材４５が係止部材４４とともに上昇する。これにより回転軸３３がボンディングツール３０とともに上昇し、ボンディングツール３０と加熱ブロック３１は相互に接触する。

ツール昇降機構４３はボンディングヘッド９の状態に無関係に任意のタイミングで動作可能であることから、ボンディングツール３０と加熱ブロック３１とを任意のタイミングで接触させることができる。例えば、ボンディングツール３０によって、部品供給部４の半導体チップ６を保持する前や、半導体チップ６を保持する際、さらにボンディングツール３０によって保持した半導体チップ６を基板３にボンディングする際など、任意のタイミングにおいて上述の第１の加熱工程を実行し、その他のタイミングにおいては非接触の
熱伝達による第２の加熱工程を実行するように、加熱形態を設定することができる。

図１３，図１４，図１５は、このようにツール昇降機構４３を備えたボンディングヘッド９Ａによるボンディング動作例を示している。図１３は、図１１と同様にボンディングツール３０によって部品供給部４の半導体チップ６を保持する前に第１の加熱工程を実行する形態を、ツール押付けステージ４２を用いることなく実行する動作例を示している。

すなわち図１３（ａ）は、動作開始時の状態を示しており、この状態ではボンディングツール３０は加熱ブロック３１とは非接触状態にある。また加熱ブロック３１は既に作動状態にあり、ボンディングツール３０は加熱ブロック３１によって前述のように非接触の熱伝達によって加熱されている。ボンディング動作が開始されると、図１３（ｂ）に示すように、ツール昇降機構４３を作動させてボンディングツール３０と加熱ブロック３１とを相互に接触させる。そしてこの接触状態を所定時間保持することにより、ボンディングツール３０には加熱ブロック３１との接触面を介して接触熱伝導によって熱が伝達され、ボンディングツール３０の加熱が促進される。

この後、ツール昇降機構４３によるボンディングツール３０の上昇を解除することにより、ボンディングツール３０は加熱ブロック３１と離隔した状態となる。このとき、ボンディングツール３０は上述の加熱促進効果により既に十分な温度まで加熱されている。次いでボンディングヘッド９を部品供給部４に移動させ、ここでボンディングヘッド９に図４に示す部品取り出し動作を行わせることにより、図１３（ｃ）に示すように、部品当接部３０ａが半導体チップ６に当接してこれを保持する。次いで図１３（ｄ）に示すように、ボンディングヘッド９は基板３の上方に移動し、ここで部品搭載動作を行うことにより、ボンディングツール３０に保持された半導体チップ６は基板３の接着ベース３ａにボンディングされる。

図１４は、ボンディングツール３０によって部品供給部４の半導体チップ６を保持する前から半導体チップ６を保持するまでの間、第１の加熱工程を実行する動作例を示している。図１４（ａ）は、図１３（ｂ）に示す状態と同様であり、ツール昇降機構４３を作動させることによってボンディングツール３０と加熱ブロック３１とが相互に接触し、これによりボンディングツール３０の加熱が促進される。

この後、図１４（ｂ）に示すように、ボンディングツール３０と加熱ブロック３１とが相互に接触した状態にあってボンディングツール３０の加熱を促進したまま、ボンディングヘッド９Ａを部品供給部４に移動させる。そしてここでボンディングヘッド９Ａに部品取り出し動作を行わせることにより、図１４（ｂ）に示すように部品当接部３０ａは半導体チップ６に当接してこれを保持する。

この後、ボンディングヘッド９Ａを上昇させたならば、ツール昇降機構４３によるボンディングツール３０の上昇を解除し、ボンディングツール３０と加熱ブロック３１とを離隔させる。次いで図１４（ｃ）に示すように、ボンディングヘッド９Ａは基板３の上方に移動し、ここで部品搭載動作を行うことにより、ボンディングツール３０に保持された半導体チップ６は基板３の接着ベース３ａにボンディングされる。

図１５は、ボンディングツール３０によって部品供給部４の半導体チップ６を保持する前から半導体チップ６を保持するまでの間、および保持した半導体チップ６を基板３にボンディングするまでの間、第１の加熱工程を実行する動作例を示している。図１５（ａ）は、図１３（ｂ）に示す状態と同様であり、ツール昇降機構４３を作動させることによってボンディングツール３０と加熱ブロック３１とが相互に接触し、ボンディングツール３０の加熱が促進される。

この後、図１５（ｂ）に示すように、ボンディングツール３０と加熱ブロック３１とが相互に接触した状態にあってボンディングツール３０の加熱を促進したまま、ボンディングヘッド９Ａを部品供給部４に移動させる。そしてここでボンディングヘッド９Ａに部品取り出し動作を行わせることにより、部品当接部３０ａが半導体チップ６に当接してこれを保持する。

この後、ボンディングツール３０と加熱ブロック３１とが相互に接触した状態のままボンディングヘッド９Ａを上昇させる。次いで図１４（ｃ）に示すように、ボンディングヘッド９Ａは基板３の上方に移動し、ここで部品搭載動作を行うことにより、ボンディングツール３０に保持された半導体チップ６は基板３の接着ベース３ａにボンディングされる。このように、ボンディングツール３０を接触熱伝導により加熱する第１の加熱工程と、ボンディングツール３０を非接触熱伝達により加熱する第２の加熱工程とを組み合わせて実行することにより、対象とする半導体チップ６の特性や目標とされる作業タクトタイムに応じて多様な加熱形態を設定することが可能となっている。

なお、ボンディングヘッドにおいてボンディングツールを加熱する方式として、図１６，図１７，図１８のような構成を採用してもよい。図１６に示すボンディングヘッド９Ｂは、図６に示すボンディングヘッド９のボンディングツール３０、加熱ブロック３１において、ブロック下面３１ａ、ツール上面３０ｃにそれぞれ設けられていた凹部および凸部を除去して、平面形状のブロック下面３１ａ、ツール上面３０ｃを有する加熱ブロック３１Ａ、ボンディングツール３０Ａとしたものである。この構成例では、ブロック下面３１ａ、ツール上面３０ｃを相互に接近させることにより、加熱ブロック３１Ａからボンディングツール３０Ａへの熱伝達が行われる。

図１７に示すボンディングヘッド９Ｃは、図６に示すボンディングヘッド９のボンディングツール３０、加熱ブロック３１の上下位置関係を逆転させたものである。すなわち図１７において、回転軸３３にはディスク形状のボンディングツール３０Ｂが設けられており、回転軸３３の下端部は半導体チップ６に当接して保持する部品当接部３０ｂとなっている。図１７（ｂ）に示すように、ボンディングツール３０Ｂの下面側には加熱ブロック３１と同様にヒータ３２を内蔵した加熱ブロック３１Ｂが配設されており、部品当接部３０ｂは加熱ブロック３１Ｂを貫通して設けられている。

この構成において、加熱ブロック３１Ｂを作動させることにより、加熱ブロック３１Ｂの上面側からボンディングツール３０Ｂに熱が伝達され、この熱が部品当接部３０ｂを介して半導体チップ６に伝達される。もちろんこの構成において、加熱ブロック３１Ｂとボンディングツール３０Ｂの対向面に、図６に示すような凹部および凸部を設けるようにしてもよい。

図１８に示すボンディングヘッド９Ｄは、図６に示すボンディングヘッド９のボンディングツール３０、加熱ブロック３１の相対配置において、ボンディングツール３０を上下から加熱ブロック３１によって挟み込むようにしたものである。すなわち図１８において、回転軸３３には図１７と同様のボンディングツール３０Ｂが設けられており、回転軸３３の下端部は半導体チップ６に当接して保持する部品当接部３０ｂとなっている。図１８（ｂ）に示すように、ボンディングツール３０Ｂの上面側および下面側には、加熱ブロック３１と同様にヒータ３２を内蔵した加熱ブロック３１Ｂが配設されており、ボンディングツール３０Ｂは２つの加熱ブロック３１Ｂによって上下から挟み込まれている。

この構成において、２つの加熱ブロック３１Ｂを作動させることにより、ボンディングツール３０Ｂには上下両面側から熱が伝達され、この熱が部品当接部３０ｂを介して半導
体チップ６に伝達される。同様にこの構成において、加熱ブロック３１Ｂとボンディングツール３０Ｂの対向面に、図６に示すような凹部および凸部を設けるようにしてもよい。

本発明のボンディング装置およびボンディングヘッドは、簡略な機構でヒータからボンディングツールへの伝熱性を確保しながら、ボンディングツールを固定配置されたヒータに対して相対回転させることができるという利点を有し、電子部品を基板に熱圧着によりボンディングする分野に有用である。

本発明の一実施の形態のボンディング装置の平面図本発明の一実施の形態のボンディング装置の正面図本発明の一実施の形態のボンディング装置の側面図本発明の一実施の形態のボンディングヘッドの構造説明図本発明の一実施の形態のボンディングヘッドの構造説明図本発明の一実施の形態のボンディングヘッドの構造説明図本発明の一実施の形態のボンディングヘッドの部分断面図本発明の一実施の形態のボンディングヘッドの加熱ブロックに設けられた伝熱フィンの形状説明図本発明の一実施の形態のボンディングヘッドのボンディングツールに設けられた伝熱フィンの形状説明図本発明の一実施の形態のボンディングヘッドにおける伝熱機構の説明図本発明の一実施の形態のボンディング装置による電子部品のボンディング方法の工程説明図本発明の一実施の形態のボンディングヘッドの構造説明図本発明の一実施の形態のボンディング装置による電子部品のボンディング方法の工程説明図本発明の一実施の形態のボンディング装置による電子部品のボンディング方法の工程説明図本発明の一実施の形態のボンディング装置による電子部品のボンディング方法の工程説明図本発明の一実施の形態のボンディングヘッドの構造説明図本発明の一実施の形態のボンディングヘッドの構造説明図本発明の一実施の形態のボンディングヘッドの構造説明図

符号の説明

２搬送路
３基板
４部品供給部
６半導体チップ
８ボンディングヘッドユニット
９，９Ｂ，９Ｃ，９Ｄボンディングヘッド
３０，３０Ａ，３０Ｂボンディングツール
３０ｃツール上面
３０ｄ凸部
３０ｅ凹部
３１加熱ブロック
３１ａブロック下面
３１ｃ凸部
３１ｄ凹部
３２ヒータ
３３回転軸
３７ツールΘ軸モータ
４１圧縮スプリング

Claims

部品供給部から電子部品を取り出して基板にボンディングするボンディング装置であって、前記基板を位置決めする基板位置決め部と、前記電子部品をボンディングヘッドによって部品供給部から取り出して前記基板にボンディングするボンディング機構を備え、
前記ボンディングヘッドは、前記電子部品と当接して保持するボンディングツールと、前記ボンディングツールを垂直なΘ軸廻りに回転自在且つ上下動を許容した状態で保持するツール保持機構と、前記ボンディングツールをΘ回転させるΘ軸駆動機構と、前記ボンディングツールと対向して設けられ前記ボンディングツールを加熱するためのヒータを内蔵した加熱ブロックとを有し、前記ボンディングツールと前記加熱ブロックとが相互に対向する１対の対向面を介して前記加熱ブロックから前記ボンディングツールへ熱を伝達することを特徴とするボンディング装置。
前記ツール保持機構は、前記ボンディングツールから上方に延出して設けられた回転軸と、前記加熱ブロックを上下に挿通して設けられ前記回転軸を前記Θ軸廻りに保持する軸孔とを含むことを特徴とする請求項１記載のボンディング装置。
前記１対の対向面に、相互に嵌合可能な形状の対をなす凸部および凹部を前記Θ軸と同心に円環状に形成し、前記凸部を前記凹部内に進入させることにより、前記加熱ブロックから前記ボンディングツールへ熱を伝達することを特徴とする請求項１または２記載のボンディング装置。
前記凸部が前記凹部内に進入した状態において、前記凸部の外周面と前記凹部の内周面とが非接触状態にあることを特徴とする請求項３記載のボンディング装置。
前記凸部が前記凹部内に進入した状態において、前記凸部の外周面と前記凹部の内周面とが接触状態にあることを特徴とする請求項３記載のボンディング装置。
前記ボンディングツールと前記加熱ブロックとを相互に接触させることにより、前記加熱ブロックから前記ボンディングツールへ熱を伝達することを特徴とする請求項１乃至５記載のボンディング装置。
前記ボンディングツールを昇降させるツール昇降機構を備え、ボンディングツールを前記ツール昇降機構によって前記加熱ブロックに接触させることを特徴とする請求項６記載のボンディング装置。
電子部品を基板にボンディングするボンディング装置において、前記電子部品を部品供給部から取り出して前記基板にボンディングするボンディングヘッドであって、
前記電子部品と当接して保持するボンディングツールと、前記ボンディングツールを垂直なΘ軸廻りに回転自在且つ上下動を許容した状態で保持するツール保持機構と、前記ボンディングツールをΘ回転させるΘ軸駆動機構と、前記ボンディングツールと対向して設けられ前記ボンディングツールを加熱するためのヒータを内蔵した加熱ブロックとを有し、前記ボンディングツールと前記加熱ブロックとが相互に対向する１対の対向面を介して前記加熱ブロックから前記ボンディングツールへ熱を伝達することを特徴とするボンディングヘッド。
前記ツール保持機構は、前記ボンディングツールから上方に延出して設けられた回転軸と、前記加熱ブロックを上下に挿通して設けられ前記回転軸を前記Θ軸廻りに保持する軸孔とを含むことを特徴とする請求項８記載のボンディングヘッド。
前記１対の対向面に、相互に嵌合可能な形状の対をなす凸部および凹部を前記Θ軸と同心に円環状に形成し、前記凸部を前記凹部内に進入させることにより、前記加熱ブロックから前記ボンディングツールへ熱を伝達することを特徴とする請求項８または９記載のボンディングヘッド。
前記凸部が前記凹部内に進入した状態において、前記凸部の外周面と前記凹部の内周面とが非接触状態にあることを特徴とする請求項８記載のボンディングヘッド。
前記凸部が前記凹部内に進入した状態において、前記凸部の外周面と前記凹部の内周面とが接触状態にあることを特徴とする請求項８記載のボンディングヘッド。
前記ボンディングツールと前記加熱ブロックとを相互に接触させることにより、前記加熱ブロックから前記ボンディングツールへ熱を伝達することを特徴とする請求項８乃至１２記載のボンディングヘッド。
前記ボンディングツールを昇降させるツール昇降機構を備え、ボンディングツールを前記ツール昇降機構によって前記加熱ブロックに接触させることを特徴とする請求項１３記載のボンディングヘッド。
電子部品に当接して保持するボンディングツールと、前記ボンディングツールを垂直なΘ軸廻りに回転自在且つ上下動を許容した状態で保持するツール保持機構と、前記ボンディングツールをΘ回転させるΘ軸駆動機構と、前記ボンディングツールと対向して設けられ前記ボンディングツールを加熱するためのヒータを内蔵した加熱ブロックとを有するボンディングヘッドによって、部品供給部から前記電子部品を取り出して基板に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、
前記加熱ブロックから前記ボンディングツールへ熱を伝達させてこのボンディングツールを加熱する工程において、前記ボンディングツールを前記加熱ブロックに対して相対的に昇降させ、前記ボンディングツールと前記加熱ブロックとを相互に接触させて前記ボンディングツールを接触熱伝導により加熱する第１の加熱工程と、前記ボンディングツールと前記加熱ブロックとを離隔させて前記ボンディングツールを非接触の熱伝達により加熱する第２の加熱工程とを組み合わせて実行することを特徴とする電子部品のボンディング方法。
前記ボンディングツールによって前記部品供給部の電子部品を保持する前に、前記第１の加熱工程を実行することを特徴とする請求項１５記載の電子部品のボンディング方法。
前記ボンディングツールによって前記部品供給部の電子部品を保持する際に、前記第１の加熱工程を実行することを特徴とする請求項１５記載の電子部品のボンディング方法。
前記ボンディングツールによって保持した電子部品を前記基板にボンディングする際に、前記第１の加熱工程を実行することを特徴とする請求項１５記載の電子部品のボンディング方法。
前記ボンディングツールによって電子部品を保持する前から電子部品を保持するまでの間、前記第１の加熱工程を実行することを特徴とする請求項１５記載の電子部品のボンディング方法。
前記ボンディングツールによって電子部品を保持した後この電子部品を基板にボンディングするまでの間、および保持した電子部品を基板にボンディングするまでの間、前記第１の加熱工程を実行することを特徴とする請求項１５記載の電子部品のボンディング方法
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