JP2006339258A - 超音波接合装置及び超音波接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】吸着部材の吸着面の状態を適時に確認可能とすることで吸着部材の摩耗や損傷を未然に防止し、吸着部材の長寿命化を図る。
【解決手段】表面に樹脂のコーティングが施された吸着面１９１を備える吸着部材１９と、吸着部材１９の吸着面１９１に対向して設けられたワーク保持手段２と、吸着部材１９により吸着保持したチップ部品とワーク保持手段２に保持したワーク１とを互いに圧着させる圧着手段と、当該圧着を行いながらチップ部品及びワーク１の厚み方向に直交する方向に沿った方向の超音波振動を吸着部材１９に付与する振動付与手段とを備える超音波接合装置において、吸着部材１９の吸着面１９１を撮像可能に配置される撮像手段１０ａと、撮像手段１０ａにより得た吸着面１９１の画像データを画像処理する画像処理手段とを備える。
【選択図】 図４

Description

本発明は、電子部品などのチップ部品の電極をワークの電極に押圧しながら、両電極に超音波振動を付与して電極同士を接合する超音波接合装置及び超音波接合方法に関する。

電子部品などのチップ部品の電極を基板の電極に接合する場合、例えばチップ部品の電極を基板の電極に押圧しながら当該接合部位に超音波振動を付与する（特許文献１参照）。このような超音波接合に用いられる超音波接合装置は、チップ部品を吸着面に吸着保持する吸着部材と、吸着部材の吸着面に対向して設けられたワーク保持手段と、吸着部材により吸着保持したチップ部品とワーク保持手段に保持したワークとを互いに圧着させる圧着手段と、チップ部品及びワークの厚み方向に直交する方向に沿った方向の超音波振動を吸着部材に付与する振動付与手段とを有する。

特開２００１−３５８８８号公報

ところで、上述のような超音波接合装置における吸着部材は、圧着及び超音波振動による加振時に吸着面とチップ部品の表面との間で生じる摩擦を抑制するために、吸着面にフッ素樹脂などのコーティングが施されている。吸着部材の吸着面は、圧着動作を繰り返すので、チップ部品が保持される中央付近が特に目立って凹んでくる。また、チップ部品を吸着保持した状態でチップ部品をワークに超音波振動により擦りつけるので、接合回数に伴いコーティングが剥離していく。コーティングが全くなくなってしまった場合は、吸着部材自体の表面が摩耗してしまう。

また、超音波振動の加振時にチップ部品の一部が欠損し、その破片が吸着部材の吸着面に付着したままになることがある。この状態でチップ部品をワークに圧着させた場合、チップ部品とワークとの平行度が十分に確保されていないため超音波振動が接合部に適切に付与されず、接合強度が弱くなったりチップ部品とワークとの位置ズレを起こしたりする。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、吸着部材の吸着面の状態を適時に確認可能とすることで吸着部材の摩耗や損傷を未然に防止し、吸着部材の長寿命化を図ることのできる超音波接合装置及び超音波接合方法を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、請求項１の発明は、表面に樹脂のコーティングが施された吸着面１９１を備える吸着部材１９と、吸着部材１９の吸着面１９１に対向して設けられたワーク保持手段２と、吸着部材１９により吸着保持したチップ部品７とワーク保持手段２に保持したワーク１とを互いに圧着させる圧着手段９と、当該圧着を行いながらチップ部品７及びワーク１の厚み方向に直交する方向に沿った方向の超音波振動を吸着部材１９に付与する振動付与手段１８とを備える超音波接合装置において、吸着部材１９の吸着面１９１を撮像可能に配置される撮像手段１０ａと、撮像手段１０ａにより得た吸着面１９１の画像データを画像処理する画像処理手段３６とを備える。

請求項２の発明は、吸着部材１９の吸着面１９１に対向して配置される非接触型の距離センサ２５と、距離センサ２５により測定した距離センサ２５と吸着部材１９における吸着面１９１との距離と、予め記憶した距離センサ２５と吸着部材１９におけるコーティングがない場合の吸着面１９１との距離とに基づいて、コーティングの厚さを算出する算出手段１１とを備える。

請求項３の発明は、撮像手段１０ａと距離センサ２５とを吸着部材１９の吸着面１９１に対向して選択的に切り替えて配置する切替配置手段１１を備える。

請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波接合装置を用いた超音波接合方法であって、撮像手段１０ａにより吸着部材１９の吸着面１９１を撮像するステップＳ３と、距離センサ２５により吸着部材１９の吸着面１９１までの距離を測定するステップＳ４とを有する。

請求項５の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波接合装置を用いた超音波接合方法であって、撮像手段１０ａにより吸着部材１９の吸着面１９１を撮像するステップＳ３と、距離センサ２５により吸着部材１９の吸着面１９１までの距離を測定するステップＳ４とを圧着手段９による所定の圧着回数毎に実施する。

本発明によると、撮像手段１０ａが吸着面１９１を撮像することで得た画像によって吸着面１９１の状態、例えば異物の付着や、凹み、歪み、傷の有無などを確認することができる。また、距離センサ２５により測定した吸着面１９１までの距離に基づいて、吸着面１９１に施されたコーティングの厚さを確認することができる。更に、上記２つの検査は所定回数の圧着動作毎に行うため、生産効率への影響を軽減することができる。そして一定期間毎に検査を行う場合に比べて、吸着面１９１の状態をより的確に判断することができる。このように、吸着部材１９の吸着面１９１の状態を適時に確認可能とすることで吸着部材１９の摩耗や損傷を未然に防止し、吸着部材１９の長寿命化を図ることができる。

以下、図面を参照して本発明に係る超音波接合装置の実施形態を説明する。図１は本発明に係る超音波接合装置の正面図、図２はホーンの要部構成を示す正面図、図３はホーンの要部構成を示す分解斜視図である。なお、本実施形態では、チップ部品としてバンプ付きの電子部品を基板に実装する場合を例にとって説明する。なお、チップ部品としては、その他に例えば、ＩＣチップ、半導体チップ、光素子、表面実装部品、ウエハなどの種類や大きさに関係なく、基板と接合させる側の全ての形態を示す。また、基板としては、例えば、樹脂基板、ガラス基板、フィルム基板などチップ部品と接合される側の全ての形態を示す。

本発明に係る超音波接合装置は、図１に示すように、基板１を吸着保持する基板ホルダ２を備えた可動テーブル３と、基台４の後部に立設した縦壁５に支持フレーム６を介して取り付けられ、先端でチップ部品７を吸着保持して基板１に実装（接合）する超音波接合ヘッド８を備えた圧着機構９と、基板ホルダ２に保持された基板１と超音波接合ヘッド８によって吸着保持されるチップ部品７の位置を認識すると共に吸着部材１９の吸着面１９１を撮像するカメラ１０と、カメラ１０で撮像した吸着面１９１の画像を表示するモニタ３６と、これら可動テーブル３、超音波接合ヘッド８、圧着機構９、及びカメラ１０などの駆動を制御する主制御部１１などから構成される。

可動テーブル３は、図中左右と前後の水平２軸（Ｘ、Ｙ）方向に移動自在に構成されている。また、可動テーブル３に備わった基板ホルダ２は、基板１が載置される表面部分に吸着孔（図示省略）が形成されており、当該吸着孔が図示しない真空ポンプと配管を介して連通接続されている。なお、本実施形態では、基板ホルダ２における基板１の保持を吸着式にしているが、吸着式に限らず、可動ツメを使った機械式保持、静電気を使った静電吸着、磁石を使った磁気吸着など、任意の保持構造を用いることができる。

圧着機構９は、支持フレーム６に固定されたシリンダ１２と、シリンダ１２の垂直下方に向けられたロッド１３に連結した本体１４と、本体１４の下方先端に設けられた超音波接合ヘッド８とから構成されている。つまり、シリンダ１２の伸縮動作に連動して超音波接合ヘッド８が昇降するように構成されている。

また、超音波接合ヘッド８は、図２に示すように、略Ｕ字形を上下反転させ、底面が本体の下部に連結されたフレーム１５と、当該フレーム１５の両側面に形成された貫通孔を両側から貫通する１組のブースター１６と、フレーム１５の内側で１組のブースター１６によって挟み込まれた状態で着脱可能に保持されたホーン１７とから構成されている。

ブースター１６は、中央部分が太い円柱状であって、その両端が先端に向かうにつれて先細になるテーパー状となっている。また、図中左側のブースター１６には、当該ブースター１６に超音波振動を伝達付与するための圧電素子を備えた超音波発生器１８を備えている。なお、超音波発生器１８とブースター１６、フレーム１５によるブースター１６の保持部分、及びブースター１６とホーン１７の各結節点は、超音波発生器１８から付与された超音波振動によって共振するときに振動振幅がゼロとなるノーダルポイントに設定されている。

ホーン１７は、図２のホーン１７の部分を上下反転させた図３に示すように、ホーン本体１７１と、吸着部材１９と、保持部材２８と、ヒータ２２と、断熱部材２１とから構成されている。

ホーン本体１７１は、肉厚の板状の物であり、正面視して前後に格子状となるように貫通孔が形成されている。また、正面視したときに、下部中央から超音波振動の伝達方向の前後（図中の長手方向）に伸びる凹部２６が形成されている。凹部２６は、上側凹部２６１と下側凹部２６２とを備える段階状に形成されている。下側凹部２６２の中央の底面には、貫通孔２０が形成される。貫通孔２０は、図２の鎖線２９で示すように、後述するヒータ２２に形成された貫通孔２２Ｈ、断熱部材２１に形成された貫通孔２１Ｈ、及び吸着部材１９に形成された貫通孔２７と連通接続するようになっている。なお、貫通孔２０は、図示しない真空ポンプと連通接続されている。

吸着部材１９は、セラミックス等の熱伝導性に優れる部材で構成され、図３に示すように、中央にチップ部品７を吸着する凸部３２と、当該凸部３２の基部からホーン１７の超音波振動の伝達方向（図中の長手方向）である下方端部に向けて延びる斜面を有するテーパー状の側部とを有する。テーパー状の側部は、ホーン本体１７１の上側凹部２６１に収まる高さである。また、吸着部材１９の中央には、表面から裏面にかけて貫通孔２７が形成されている。すなわち、吸着部材１９を凹部２６に取り付けたときにホーン１７の凹部２６に形成された貫通孔２０と当該貫通孔２７同士が、連通接続されるように構成されている。なお、吸着部材１９の表面はチップ部品７を吸着保持可能な吸着面１９１とされ、超音波振動が付与されて基板１にチップ部品７が接合されるときにチップ部品７の表面との摩擦を抑制するために、フッ素樹脂のコーティングが施されている。また、超音波発生器１８からブースター１６を介して伝達された振動振幅が最大となる位置にある。

断熱部材２１は、例えばゴムや樹脂などにより構成され、下側凹部２６２に収納可能なサイズとされる。その一端面には、ヒータ２２を収納可能な凹部２１１が形成されている。断熱部材２１の面中央には、一端面から他端面にかけて貫通孔２１Ｈが形成されている。

ヒータ２２は、厚さ２ｍｍ程度のセラミックス板に電熱線及び温度センサ２２３を組み込んだシート状物で構成される。この組込は、例えば電熱線及び温度センサ２２３をセラミックス板の表面に成形させる形態や、セラミックス板の内部に埋め込む形態で実現される。当該電熱線は、リード線２２１を介して供給された電流により発熱する。ヒータ２２に組み込まれた温度センサ２２３は、検出結果を主制御部１１にフィードバック可能に構成されている。ヒータ２２の面中央には、一端面から他端面にかけて貫通孔２２Ｈが形成されている。ヒータ２２は、断熱部材２１に形成された凹部２１１に収納された形で断熱部材２１と吸着部材１９とにより挟み込まれた形となる。

保持部材２８は、略立体台形状であり、上側凹部２６１に収納された吸着部材１９の側部の斜面と、上側凹部２６１の底面及び側面とに密着する。また、その表面は、ホーン本体１７１の先端面と面一となるように構成されている。さらに、保持部材２８の表面から当該保持部材２８の裏面と密着するホーン本体１７１の上側凹部２６１の底面とにわたってネジ孔３３及びネジ穴３４が形成されている。当該ネジ孔３３からネジ穴３４にかけて締結部材であるネジ３５を螺入することで、保持部材２８がホーン本体１７１に締結される。このとき、ネジ３５による締結動作にともなって吸着部材１９の左右１対の側部が保持部材２８で挟み込まれ、間接的に締結固定されるようになる。

図１及び図４に示すように、カメラ１０は、上下に視野を備えた２視野式カメラであり、上側撮像部１０ａ及び下側撮像部１０ｂを備える鏡筒２３と、鏡筒２３の先端部に取り付けられたレーザ距離センサ２５とを有する。上側撮像部１０ａ及び下側撮像部１０ｂは、ＣＣＤ等の撮像素子を構成要素にもつ。カメラ１０は、水平２軸（Ｘ，Ｙ）方向及び上下（Ｚ）方向に移動可能であり、水平２軸（Ｘ，Ｙ）方向については、吸着部材撮像位置３７と測距位置３８とマーク撮像位置と退避位置とに選択的に切り替えて配置可能とされる。

吸着部材撮像位置３７とは、図４（Ａ）に示すように、上側撮像部１０ａにより吸着部材１９の吸着面１９１の全体が撮像可能となる位置である。なお視野角の都合で吸着面１９１の全体が撮像できない場合は、吸着面１９１を複数領域に分割して撮像してもよい。その場合、当該複数領域に対応する各撮像位置が吸着部材撮像位置となる。測距位置３８とは、図４（Ｂ）に示すように、レーザ距離センサ２５が吸着部材１９の吸着面１９１までの距離を測定可能となる位置である。すなわち、この位置においてレーザ距離センサ２５のレーザ投光部が吸着面１９１の中央近傍に対向する。マーク撮像位置とは、上側撮像部１０ａ及び下側撮像部１０ｂにより、それぞれ基板１に形成されたアラインメントマーク（不図示）及びチップ部品７に形成されたアラインメントマーク（不図示）が撮像可能となる位置である。退避位置とは、図１に示すように、超音波接合ヘッド８が降下したときにその各構成部と、レーザ距離センサ２５及び鏡筒２３とが干渉しない位置である。

主制御部１１は、操作部２４から設定入力された接合対象の基板１及びチップ部品７の種類に応じた接合条件（ヒータ２２の加熱温度も含む）を図示しないパターンテーブルから選択し、選択したパターンを共振振幅制御部に送信する。また主制御部１１は、可動テーブル３、シリンダ１２、カメラ１０、ヒータ２２などの駆動も操作部２４から設定入力された情報に基づいて総括的に制御している。更に、ヒータ２２の加熱温度を複数段階に設定可能とする。

また、主制御部１１は、レーザ距離センサ２５と吸着部材１９におけるフッ素樹脂のコーティングがない場合の吸着面１９１との距離をメモリ等の記憶手段に予め記憶している。そしてＣＰＵ等の演算手段において、レーザ距離センサ２５により測定した吸着面１９１までの距離と、記憶手段に予め記憶した上記距離とに基づいて、吸着面１９１に施されたフッ素樹脂のコーティングの厚さを算出するように構成されている。

次に、上記実施形態装置を用いて基板１にチップ部品７を接合する動作を、図４及び図５に基づいて説明する。図４はカメラの動作位置を示す正面図、図５は本発明に係る超音波接合装置の動作を説明するフローチャートである。

先ず、操作部２４から接合対象の基板１及びチップ部品７の種類を選択入力し、接合時間など種々の初期条件が設定される（ステップＳ１）。

初期設定が終了すると、主制御部１１の制御によってカメラ１０は退避位置（図１参照）からＸ１方向に駆動され、図４（Ａ）に示すように吸着部材撮像位置３７となる。吸着部材撮像位置３７においてカメラ１０は、上側撮像部１０ａにより吸着部材１９の吸着面１９１を撮像する（ステップＳ３）。撮像により得られた画像は、拡大像としてモニタ３６に表示される。本装置のオペレータは、この画像により吸着面１９１の状態、例えば異物の付着や、凹み、歪み、傷の有無などを確認することができる。なお、主制御部１１における記憶手段に吸着面１９１の良好時の画像を予め記憶させておき、カメラ１０による撮像で得た吸着面１９１の画像と、上記良好時の画像とを適当な画像処理により比較することで、吸着面１９１の良否状態を自動的に判断することも可能である。

吸着面１９１の撮像が終了すると、主制御部１１の制御によってカメラ１０はＸ２方向に駆動され、図４（Ｂ）に示すように測距位置３８となる。測距位置３８においてレーザ距離センサ２５は、吸着部材１９の吸着面１９１までの距離を測定する（ステップＳ４）。主制御部１１におけるＣＰＵ等の演算手段によって、レーザ距離センサ２５により測定した吸着面１９１までの距離と、記憶手段に予め記憶したフッ素樹脂のコーティングがない場合の吸着面１９１までの距離との差を算出することでフッ素樹脂のコーティングの厚さが求められる。算出した値はモニタ３６に表示される。なお、この表示をステップＳ３で得た画像と共に表示してもよい（ステップＳ４１）。

ステップＳ３，Ｓ４，Ｓ４１の処理は、所定の圧着回数、例えば２００回の接合動作毎に行う（ステップＳ２）。このように、所定回数の接合動作毎に検査を行うため、生産効率への影響を軽減することができる。そして一定期間毎に検査を行う場合に比べて、吸着面１９１の状態をより的確に判断することができる。

基板ホルダ２に基板１が載置保持されるとともに、ホーン１７の先端の吸着部材１９によってチップ部品７が吸着保持されて接合処理が開始する（ステップＳ５）。

接合処理が開始すると、主制御部１１の制御によって、カメラ１０はマーク撮像位置となる。この位置で基板１とチップ部品７のアラインメントマークの画像データを取得し、主制御部１１に当該データを送信する。主制御部１１は、受信した画像データに基づいて、基板１とチップ部品７の相対的な位置ズレを演算により求め、当該求めた検出結果に基づいて可動テーブル３をＸ、Ｙ方向に移動させて位置ズレを補正する（ステップＳ６）。

位置ズレ補正が完了すると、主制御部１１の制御に基づいてシリンダ１２が作動し、超音波接合ヘッド８を所定位置まで降下させてチップ部品７を基板１に押圧する。同時に、ヒータ２２により吸着部材１９が所定温度に加熱される。ヒータ２２に組み込まれた温度センサ２２３は、吸着部材１９の温度を検出し、検出結果を主制御部１１にフィードバックする。主制御部１１は、その検出結果に基づいて、吸着部材１９の温度が一定値になるようにヒータ２２への供給電流を制御する。それとともに、主制御部１１は超音波発生器１８を駆動して、ブースター１６を介してホーン１７への超音波振動の付与を開始する（ステップＳ７）。ホーン１７に伝達された超音波振動は、中央に締結された吸着部材１９に伝達され、ホーン１７全体が図中左右、すなわちチップ部品７及び基板１の厚み方向に直交する方向に沿った方向に振動してチップ部品７の電極３１を基板１の電極３０に擦りつける。

また、主制御部１１は、内部に備わったタイマにより接合時間をカウントしており、予め設定された所定時間になると（ステップＳ８）、超音波発生器１８からホーン１７への超音波振動の付与が停止し、超音波接合ヘッド８が上昇して基板１が取り出され、本接合処理が終了する。

上述したように、本発明に係る超音波接合装置によると、カメラ１０の上側撮像部１０ａが吸着面１９１を撮像することで得た画像によって吸着面１９１の状態、例えば異物の付着や、凹み、歪み、傷の有無などを確認することができる。また、レーザ距離センサ２５により測定した吸着面１９１までの距離に基づいて、吸着面１９１に施されたフッ素樹脂のコーティングの厚さを確認することができる。更に、上記２つの検査は所定回数の接合（圧着）動作毎に行うため、生産効率への影響を軽減することができる。そして一定期間毎に検査を行う場合に比べて、吸着面１９１の状態をより的確に判断することができる。このように、吸着部材１９の吸着面１９１の状態を適時に確認可能とすることで、吸着部材１９の摩耗や損傷を未然に防止し、吸着部材１９の長寿命化を図ることができる。なお、上側撮像部１０ａは、吸着面１９１を撮像することの他、アラインメントマークの読み取りにも使用されており、構成要素の有効利用を果たしている。

以上、本発明の実施の形態について説明を行ったが、上に開示した実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら実施の形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、更に特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むことが意図される。

本発明に係る超音波接合装置の全体を示す正面図である。 ホーンの要部構成を示す正面図である。 ホーンの要部構成を示す分解斜視図である。 カメラの動作位置を示す正面図である。 本発明に係る超音波接合装置の動作を説明するフローチャートである。

符号の説明

１ 基板（ワーク）
２ 基板ホルダ（ワーク保持手段）
７ チップ部品
９ 圧着機構（圧着手段）
１０ａ 上側撮像部（撮像手段）
１１ 主制御部（算出手段、切替配置手段）
１８ 超音波発生器（振動付与手段）
１９ 吸着部材
２５ レーザ距離センサ（距離センサ）
３６ モニタ（画像処理手段）
１９１ 吸着面
Ｓ３ ステップ
Ｓ４ ステップ

Claims (5)

1. 表面に樹脂のコーティングが施された吸着面を備える吸着部材と、吸着部材の吸着面に対向して設けられたワーク保持手段と、吸着部材により吸着保持したチップ部品とワーク保持手段に保持したワークとを互いに圧着させる圧着手段と、当該圧着を行いながらチップ部品及びワークの厚み方向に直交する方向に沿った方向の超音波振動を吸着部材に付与する振動付与手段とを備える超音波接合装置において、吸着部材の吸着面を撮像可能に配置される撮像手段と、撮像手段により得た吸着面の画像データを画像処理する画像処理手段とを備えることを特徴とする超音波接合装置。
2. 吸着部材の吸着面に対向して配置される非接触型の距離センサと、距離センサにより測定した距離センサと吸着部材における吸着面との距離と、予め記憶した距離センサと吸着部材におけるコーティングがない場合の吸着面との距離とに基づいて、コーティングの厚さを算出する算出手段とを備える請求項１に記載の超音波接合装置。
3. 撮像手段と距離センサとを吸着部材の吸着面に対向して選択的に切り替えて配置する切替配置手段を備える請求項１または請求項２に記載の超音波接合装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波接合装置を用いた超音波接合方法であって、撮像手段により吸着部材の吸着面を撮像するステップと、距離センサにより吸着部材の吸着面までの距離を測定するステップとを備えることを特徴とする超音波接合方法。
5. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波接合装置を用いた超音波接合方法であって、撮像手段により吸着部材の吸着面を撮像するステップと、距離センサにより吸着部材の吸着面までの距離を測定するステップとを圧着手段による所定の圧着回数毎に実施することを特徴とする超音波接合方法。

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