JP2012049417A - コレットホルダおよびダイボンダ - Google Patents

Abstract

【課題】ワークを破損や損傷させることなく装着対象に装着することができるコレットホルダを提供する。
【解決手段】コレットホルダは、弾性体シール８と先端部材７とコレット６との真空経路に印加される負圧でワーク５を吸着して装着対象に装着する。コレット６は弾性支持機構４で上下方向に変位自在に支持されていて上下方向に伸縮自在な弾性体シール８で配管されいる。このため、コレット６と先端部材７とを充分に小型化することができるので、ワーク５を装着対象に装着するときの衝撃力を充分に低減することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ワークを吸着して装着対象に装着するコレットホルダ、このコレットホルダを上下方向に変位自在に支持しているダイボンダ、に関する。

半導体組立工程において、個片に分割・切断された半導体ペレットをリードフレームや基板に搭載するダイボンディング工程の高速化が生産性向上のために必要である。

特に、ダイオードやトランジスタなどの単機能なディスクリート半導体においては、ウエハ一枚当たりの収量を増やしてペレットコストを低減させるためにペレットが小型化する傾向にあり、近年では０．２〜０．３ｍｍ角の微細な半導体ペレットの高速ダイボンディングが要求されている。

一般的にダイボンダでは、半導体ペレットを搬送するためにコレットと呼ばれる真空吸着ツールが用いられるが、上記のような微小なペレット用のコレットは先端が細く、ボンディング時の荷重がペレットに集中し、ペレットの割れ・欠けなどが発生しやすくなるという問題がある。

特に、ＬＥＤ(Light Emitting Diode)などの化合物半導体はＳｉ系の半導体に比べ機械的に脆い傾向にあるため、量産組立工程においてペレットの割れ・欠けが問題になる場合がある。

このボンディング時のペレットに加わる荷重としては、（１）コレットがペレットに接触するときの衝撃荷重、（２）ペレットをリードフレームまたは基板に適切な圧力で押さえつけるための静的な一定荷重（ボンディング荷重：数１０ｇ程度）、がある。

これらのうち（２）の一定荷重に関しては、一定荷重を加えるためのバネやＶＣＭなどとコレットを上下に可動させるガイド機構を組み合わせた荷重機構が実現されており、荷重を精密に設定するために摺動抵抗の小さい様々なガイド機構が考案されている。

これに対し、ペレットに必要以上の荷重を加えないようにするためには、上記（１）の衝撃荷重を低減させる必要がある。このためには、（ａ）コレットの剛性を低くする（樹脂等の軟らかい材料を用いる）、（ｂ）コレット等可動物の質量を小さくする、（ｃ）コレットがペレットに接触するときの速度を小さくする、という手段が考えられる。

しかし、（ａ）の樹脂性コレットなどによるコレットの低剛性化は（特に微小なペレットの場合）コレット先端の磨耗を早めコレットの寿命が短くなるため、量産工程では用いられない。また（ｂ）の軽量化は上記荷重機構の実現のために限界があり現状以上の軽量化は難しい状況にある。

そのため、衝撃荷重によるペレットの割れ・欠けが問題となるような場合は、コレット移動速度を落としてペレットへの衝撃を低減させるしかなく、これが高速ダイボンディングの妨げとなっていた。

ここで、コレットホルダの従来例を図７を参照して以下に簡単に説明する。図７に示すコレットおよび、それを用いたダイボンダは、ダイボンダ本体３１に固定された垂直部３２の下端から屈曲した水平部３３からなるＬ字形状を有するアーム部材３４を有する。

その垂直部３２の下端近傍部位にバネ手段である二枚の板バネ３５が上下に平行に隔離配置された状態で水平に張り出すように固着されている。これらの板バネ３５の先端部にコレットホルダ３６が固着されており、コレットホルダ３６の下部にペレット３７を吸着するコレット３８を有する。

上述の従来例では、コレット３８がペレット３７をリードフレームまたは基板（ともに図示せず）に押し付けると板バネ３５が撓み、コレットホルダ３６およびコレット３８がアーム部材３４に対して相対的に上方に変位する（数１０〜数１００ミクロン程度）。

これとともに、板バネ３５の弾性力によりペレット３７に対して適切なボンディング荷重が掛かる。この従来例においてはアーム部材３４に対してコレット３８が上方に変位する際に板バネ３５の弾性変形を利用しているため、ガタや摩擦が発生する恐れはなく、常に滑らかな動きが実現できる（特許文献１）。

特開平８−３０６７１３号公報

前述の従来のコレット３８を用いたダイボンダでは、コレット３８が下降してペレット３７と接触する際に、コレット３８とコレットホルダ３６の運動量（質量×速度）に応じた衝撃力がペレット３７に加わり、ペレット３７の割れ・欠けの原因となる。コレット３８がペレット３７に接触するときの衝撃力は以下のように見積もられる。

コレット３８およびコレット３８が固定されているコレットホルダ３６の合計質量：ｍと、コレット３８の下降速度：ｖより、コレット３８とコレットホルダ３６の運動エネルギＥｋは、
Ｅｋ＝ｍ・ｖ^２／２・・・(１)
となる。

コレット３８とペレット３７の合成バネ定数：Ｋより最大衝撃力：Ｆｍａｘによるコレット３８およびペレット３７の弾性エネルギ：Ｅｅは、
Ｅｅ＝Ｆｍａｘ^２／（２・Ｋ）・・・(２)
となる。

ここで、コレット３８とコレットホルダ３６の運動エネルギＥｋが全てコレット３８とペレット３７の弾性変形に吸収された（運動エネルギが全て弾性エネルギに変換された）とすると、(１)＝(２)とおいて、
Ｆｍａｘ＝ｖ・√（Ｋ・ｍ）・・・(３)
が得られる。

従って、コレット３８下降速度とコレット３８・ペレット３７合成バネ定数（剛性）、コレット３８＋コレットホルダ３６の質量から、衝撃力Ｆｍａｘが求まる。例えば、通常のＬＥＤなどのペレット３７の組立を行うダイボンダの条件、コレット３８の下降速度：５ｍｍ／ｓｅｃ、コレット３８の先端径：φ０．３ｍｍ、コレット３８の材質：超硬合金（ヤング率：５００ＧＰａ）、コレット３８＋コレットホルダ３６の質量：１０ｇ（コレット３８：１ｇ、コレットホルダ３６：９ｇ）では、衝撃力：Ｆｍａｘは約２００ｇｆとなり、荷重機構による静的なボンディング荷重をいくら低減しても衝撃力によってペレット３７の割れ・欠けが発生する恐れがある。

衝撃荷重を低減する一つの手段として、樹脂製のコレット３８を用いることによってコレット３８のバネ定数（剛性）を下げる方法が考えられるが、微小なペレット３７を吸着する先端径の細いコレット３８の場合、樹脂製のコレット３８では先端部の磨耗が激しく、頻繁にコレット３８の交換が必要になるという問題がある。また、コレット３８の下降速度を下げて衝撃荷重を低減させると、ペレット３７の一個当たりの作業時間が伸び、ダイボンダの生産性が低下するという問題がある。

さらに、前述のコレットホルダ３６で、板バネ３５の撓みによりコレットホルダ３６の実用的な変位量（数１０〜数１００ミクロン）を確保するためには、板バネ３５およびコレットホルダ３６の小型化は困難であり、コレットホルダの更なる軽量化はできない。

本発明のコレットホルダは、負圧が印加される真空経路の一部が上下方向に貫通されていて下端でワークを吸着するコレットと、真空経路の一部が上下方向に貫通されていてコレットが下端に固定されている先端部材と、先端部材を上下方向に弾発的に変位自在に支持している弾性支持機構と、真空経路の一部が上下方向に貫通されていて先端部材の上端に配管されている上下方向に伸縮自在な弾性体シールと、を有する。

従って、本発明のコレットホルダでは、弾性体シールと先端部材とコレットとの真空経路に負圧が印加されるので、コレットの下端でワークが吸着される。このようなコレットが固定されている先端部材が弾性支持機構により上下方向に弾発的に変位自在に支持されているので、ワークが装着対象に適正な圧力で圧接される。

本発明のダイボンダは、本発明のコレットホルダを上下方向に変位自在に支持している。

なお、本発明の各種の構成要素は、必ずしも個々に独立した存在である必要はなく、複数の構成要素が一個の部材として形成されていること、一つの構成要素が複数の部材で形成されていること、ある構成要素が他の構成要素の一部であること、ある構成要素の一部と他の構成要素の一部とが重複していること、等でもよい。

また、本発明で云う前後左右上下の方向とは、完全に幾何学的に直交している必要はなく、相対的に前後左右上下となる方向となっていればよく、例えば、各方向が任意の方向に傾斜していてもよい。

例えば、本発明で云う上下方向に変位するとは、変位の結果として上下方向に相違する位置に移動することを意味しており、変位の方向そのものが厳密に上下方向である必要はない。

本発明のコレットホルダでは、ワークを吸着する負圧が弾性体シールと先端部材とコレットとの真空経路に印加される。このコレットは弾性支持機構で上下方向に変位自在に支持されていて上下方向に伸縮自在な弾性体シールで配管されいる。このため、コレットと先端部材とを充分に小型化することができ、ワークを装着対象に装着するときの衝撃力を充分に低減することができるので、ワークを破損や損傷させることなく装着対象に装着することができる。

本発明の実施の形態のダイボンダの構造を示す斜視図である。 コレットホルダの要部を示す斜視図である。 コレットホルダがワークを装着対象であるリードフレームに装着する状態を示す側面図である。 コレットホルダがワークをリードフレームに装着した状態を示す側面図である。 一の変形例のコレットホルダの要部を示す側面図である。 他の変形例のコレットホルダの要部を示す側面図である。 一従来例のダイボンダの構造を示す斜視図である。

本発明の実施の一形態を図面を参照して以下に説明する。ただし、本実施の形態に関して前述した一従来例と同一の部分は、同一の名称を使用して詳細な説明は省略する。なお、本実施の形態では図示するように前後左右上下の方向を規定して説明する。しかし、これは構成要素の相対関係を簡単に説明するために便宜的に規定するものである。従って、本発明を実施する製品の製造時や使用時の方向を限定するものではない。

以下に、本実施の形態のコレットホルダおよび、それを用いたダイボンダについて図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明のコレットホルダおよび、それを用いたダイボンダを示す斜視図である。

本実施の形態のコレットホルダは、図１ないし図４に示すように、負圧が印加される真空経路１３の一部が上下方向に貫通されていて下端でワークであるペレット５を吸着するコレット６と、真空経路１３の一部が上下方向に貫通されていてコレット６が下端に固定されている先端部材７と、先端部材７を上下方向に弾発的に変位自在に支持している弾性支持機構である板バネ４と、真空経路１３の一部が上下方向に貫通されていて先端部材７の上端に配管されている上下方向に伸縮自在な真空配管部材である弾性体シール８と、を有する。

さらに、本実施の形態のコレットホルダでは、板バネ４を支持している先端支持部材３も有し、先端部材７と板バネ４と先端支持部材３とが一体に成形されている。そして、本実施の形態のダイボンダは、上述のようなコレットホルダを上下方向に変位自在に支持している。

より具体的には、図１に示すコレットホルダは、上下二段の三方向のベアリング１で拘束されていて上下方向のみに変位可能なシャフト２と、このシャフト２の下端部に固定されている先端支持部材３と、この先端支持部材３に固定されていて上下に隔離配置された二枚の板バネ４と、これらの板バネ４により支持されていて、ペレット５を真空吸着するコレット６を保持・固定する先端部材７と、先端部材７の上面と先端支持部材３の下面との間に充填されていて、先端部材７と先端支持部材３とシャフト２との真空経路(図示せず)と連通する真空経路(図示せず)が形成されている柔軟性のあるゴム状の材料からなる弾性体シール８と、シャフト２の上端に連結されていて外部の配管に接続されることによりシャフト２の真空経路を外部の真空発生源(図示せず)に接続する継手９と、シャフト２の上端に固定されていて引張バネ１０が取り付けられているバネフック１１と、を含んで構成される。

ここで、バネフック１１に取り付けられた引張バネ１０の反対側である下方の片端はダイボンダの固定部１５に取り付けられ、この引張バネ１０のバネ力により、ペレット５を後述するリードフレーム１２や基板などに搭載する際に適切なボンディング荷重が掛かるように設定されている。

図２は本発明のコレットホルダの先端部分を拡大した斜視図である。図２に示したコレットホルダの先端部分は、コレット６を固定する先端部材７が平行な二枚の板バネ４で先端支持部材３に連結されている。

ここで二枚の板バネ４は先端支持部材３に対して先端部材７を上下方向にのみ可動せしめる弾性支持機構として機能する。コレット６、先端部材７、先端支持部材３、シャフト２の内部には、前述のように真空吸着のための真空経路が形成されている。

ただし、先端支持部材３に対して先端部材７が板バネ４の撓み分変位するため、先端部材７と先端支持部材３の間に柔らかいゴムなどの弾性体で製作された弾性体シール８が設けられており、この弾性体シール８の内部にも真空経路が形成されていることにより、可動部であるコレット６および先端部材７への真空経路がリークすることなく確保されている。

本実施の形態の先端支持部材３、板バネ４および先端部材７は小型・軽量化のために、同一部材からの加工によって形成された一体構造となっている。特に板バネ４の加工では、柔軟構造のため切削力が加わらないように放電加工またはエッチングなどで製作されるのが望ましい。

次に本発明のコレットホルダの動作を図面を用いて詳細に説明する。図３は本発明のコレットホルダの先端のコレット６がペレット５を真空吸着してリードフレーム１２にペレット５を搭載する直前の様子を示した側面図である。

ペレット５を真空吸着するために、コレット６、先端部材７、弾性体シール８、先端支持部材３およびシャフト２に真空経路１３が設けられていて、シャフト２に取り付けられている継手９を介して外部の真空配管(図示せず)に接続されている。

この状態では、板バネ４および弾性体シール８には先端部材７およびコレット６の自重しか外力として加わっていない。そのため、板バネ４および弾性体シール８には歪みや撓みは殆ど発生していない。

図４はコレット６を下降させてペレット５をリードフレーム１２に搭載した瞬間の状態を示した側面図である。板バネ４および弾性体シール８には、引張バネ１０によるペレット５をリードフレーム１２に押さえつけるボンディング荷重と、コレット６およびコレットホルダ全体がリードフレーム１２に衝突した際に発生する衝撃力とが加わり、板バネ４と弾性体シール８は弾性変形する。

二枚の板バネ４は平行板バネ機構になっているため、可動部である先端部材７は上下方向には変位できるが、その他の自由度に関しては剛性が充分に高いため、板バネ４の撓みによって先端部材７は正確に上下方向のみに変位し、ペレット５が水平方向に位置ずれしたり回転ずれを起こしたりすることはない。

以上の様に、コレット６を固定するコレットホルダの先端部材７を二枚の板バネ４による弾性支持機構で支持することにより、ペレット５とリードフレーム１２の衝突時およびコレット６とペレット５の衝突時の衝撃力を緩和することができる。

ここで、本実施の形態のコレットホルダでのダイボンディング時の衝撃力を試算する。まず、コレット６および先端部材７の質量がペレット５に与える衝撃力Ｆｍａｘ１は、先端部材７の質量を充分小さく設計できるので、コレット６と先端部材７の合計質量を１ｇとする。すると、前記(３)式の質量ｍが１／１０になるため、衝撃力Ｆｍａｘ１は従来の約１／３の６３ｇｆとなる。

また、先端支持部材３からシャフト２、継手９、バネフック１１などから構成されるコレットホルダ本体（質量：９ｇ）による衝撃力Ｆｍａｘ２は、板バネ４による弾性支持機構のバネ定数を１０ｇｆ／μｍとすると（弾性体シールのバネ定数は板バネ４のバネ定数より充分小さいとする）１５ｇｆとなる。

両者の合計の衝撃力：Ｆｍａｘ＝Ｆｍａｘ１＋Ｆｍａｘ２＝７８ｇｆで、従来の衝撃力の約４０％程度となることが期待できる。例えば、上記のバネ定数：１０ｇｆ／μｍを有する平行板バネによる弾性支持機構としては、板厚：０．１ｍｍ、バネ長：２ｍｍ、バネ幅：５ｍｍ程度の二枚の板バネ４で実現可能である。

上述のように、本実施の形態のコレットホルダでは、弾性体シール８と先端部材７とコレット６との真空経路に負圧が印加されるので、コレット６の下端でペレット５が吸着される。

このコレット６は板バネ４で上下方向に変位自在に支持されていて上下方向に伸縮自在な弾性体シール８で配管されいる。このため、コレット６と先端部材７とを充分に小型化することができ、ペレット５を装着対象に装着するときの衝撃力を充分に低減することができるので、ペレット５を破損や損傷させることなく装着対象に装着することができる。

なお、本発明は本実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で各種の変形を許容する。例えば、上記形態では、先端部材７と先端支持部材３を接続する真空経路に、ゴムなどの柔軟な材料でできた弾性体シール８を用いることを例示した。しかし、これをベローズの様な柔軟な構造の配管としてもよい。

図５は先端部材７と先端支持部材３を接続する真空経路に柔軟なベローズ１４を用いた一変形例を示す側面図である。ベローズ１４の材質は板バネ４に比べ充分柔軟であり真空のリークがなければ金属でもゴムでもよい。

また、上記形態では板バネ４をコレット６の中心軸に関して一方に形成されていることを例示した。このため、板バネ４の上下変位によりコレット６は微少に前後移動することになる。そこで、これが問題となる場合には、複数の板バネ４が先端部材７を中心に水平方向に対称に形成されていてもよい。

より具体的には、図６に例示するように、板バネ４をコレット６の中心軸に関して対称な先端部材７の対向する二面に設ければよい。板バネ４を両側に設けることにより、先端部材７のねじれ・倒れ方向の剛性が増し、コレット６の先端の位置ずれが低減するという効果がある。

なお、当然ながら、上述した実施の形態および複数の変形例は、その内容が相反しない範囲で組み合わせることができる。また、上述した実施の形態および変形例では、各部の構造などを具体的に説明したが、その構造などは本願発明を満足する範囲で各種に変更することができる。

１ ベアリング
２ シャフト
３ 先端支持部材
４ 板バネ
５ ペレット
６ コレット
７ 先端部材
８ 弾性体シール
９ 継手
１０ 引張バネ
１１ バネフック
１２ リードフレーム
１３ 真空経路
１４ ベローズ
１５ 固定部
３１ ダイボンダ本体
３２ 垂直部
３３ 水平部
３４ アーム部材
３５ 板バネ
３６ コレットホルダ
３７ ペレット
３８ コレット

Claims (5)

1. 負圧が印加される真空経路の一部が上下方向に貫通されていて下端でワークを吸着するコレットと、
   前記真空経路の一部が上下方向に貫通されていて前記コレットが下端に固定されている先端部材と、
   前記先端部材を上下方向に弾発的に変位自在に支持している弾性支持機構と、
   前記真空経路の一部が上下方向に貫通されていて前記先端部材の上端に配管されている上下方向に伸縮自在な弾性体シールと、
   を有するコレットホルダ。
2. 前記弾性支持機構を支持している先端支持部材を、さらに有し、
   前記先端部材と前記弾性支持機構と前記先端支持部材とが一体に成形されている請求項１に記載のコレットホルダ。
3. 前記弾性支持機構が上下方向に離間した複数の略平行な板バネ状に形成されている請求項１または２に記載のコレットホルダ。
4. 複数の前記弾性支持機構が前記先端部材を中心に水平方向に対称に形成されている請求項１ないし３の何れか一項に記載のコレットホルダ。
5. 請求項１ないし４の何れか一項に記載のコレットホルダを上下方向に変位自在に支持しているダイボンダ。

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