JP2019096867A - 部品を装着するボンディングヘッド及び該ボンディングヘッドを備えているダイボンダ - Google Patents

Abstract

【課題】軸の回転位置を高い角度精度で位置決めすることが可能で、軸を可能な限り小さい力で軸線の方向に移動可能なボンディングヘッドを提供する。【解決手段】部品を装着するボンディングヘッド１は、軸２及び軸が支持されている筐体部３を有している。軸の軸受は、軸の軸線６を中心とした回転及び軸線の長さ方向の所定のストロークの変位を可能にする。ボンディングヘッドは、筐体部３に取り付けられている固定子及び軸に取り付けられている回転子を有している電気モータ、軸の回転位置を計測するエンコーダ、及び軸に力を作用させる力発生器をさらに有している。固定子は、電流を作用させることが可能なコイル７を有しており、回転子は複数の永久磁石８を有している。永久磁石の軸線の長さ方向に計測した長さはコイルの軸線の長さ方向に計測した有効長よりも、上記ストローク分だけ短いか長い。【選択図】図６

Description

本発明は、部品、典型的には電子部品または光学部品、特に半導体チップ及びフリップチップを基板上に装着するボンディングヘッドに関する。装着プロセスは、ボンディングまたは組み付けプロセスとも呼ばれる。本発明は、そのようなボンディングヘッドを備えているダイボンダとして業界で知られている半導体装着装置にも関する。

この型式のボンディングヘッドを備えている自動組み立て機械は、特に半導体産業で使用されている。そのような自動組み立て機械の例は、半導体チップ、超小型機械部品及び超小型光学部品等の形態の部品をリードフレーム、印刷回路基板、セラミック等の基板上に配置しボンディングするのに使用されるダイボンダまたはピックアンドプレース機械である。部品を、ボンディングヘッドによって取り上げ位置で取り上げ、特に吸着し、基板場所まで移動し、基板上の精密に定められている位置に配置する。ボンディングヘッドは、少なくとも３個の空間方向のボンディングヘッドの動きを可能にするピックアンドプレースシステムの一部である。

ボンディングヘッドは、軸線を中心に回転可能で、軸線の長さ方向に移動可能な軸、軸を回転させる駆動部、軸の回転位置を計測するエンコーダ、及び軸に軸線の長さ方向の力を作用させる力発生器を有している。軸は、部品を直接ピックアップする、あるいは部品をピックアップするように構成されている「ダイコレット」などの、チップグリッパをピックアップするように構成されている。

出願者によって使用されるボンディングヘッドは、電気モータ及び一方が電気モータの軸に取り付けられており、他方がボンディングヘッドの軸に取り付けられている２個の歯車から構成されている歯付き車を有している駆動部を有している。

本発明の目的は、軸の回転位置を高い角度精度で位置決めすることが可能で、軸を可能な限り小さい力で軸線の方向に移動可能なボンディングヘッドを開発することである。

本明細書に援用され、本明細書の一部を構成している添付の図面は、本発明の１個または２個以上の実施形態を図示しており、詳細な説明と共に、本発明の原理及び実装を説明する役割がある。図面は、一定の縮尺で描かれてはいない。

図１は、ボンディングヘッドの第１の実施形態を模式的に、そして断面で示している。 図２は、ボンディングヘッドで使用されている電気モータの回転子の磁石の配置を示している。 図３は、長さの比率を示している。 図４は、長さの比率を示している。 図５は、空圧力発生器を備えているボンディングヘッドを模式的に、そして断面で示している。 図６は、空圧力発生器及び空気軸受を備えているボンディングヘッドを模式的に、そして断面で示している。 図７は、組み込み温度制御装置を備えているボンディングヘッドを模式的に、そして断面で示している。 図８は、ボンディングヘッド用の駆動部を模式的に示している。

図１は、ボンディングヘッド１の断面を模式的に示している。ボンディングヘッド１は、軸２及び軸２が支持されている筐体部３を有している。軸２は、軸２の先端５まで延びており、真空の供給を受けることができる穴４を含んでいる。軸２の先端５は、部品または部品用のチップグリッパを受け入れるように構成されている。軸２の軸受は、軸２の軸線６を中心とした回転及び軸２の軸線６の長さ方向の所定のストロークＨの変位の両方を可能にする（図３）。軸２の直径は、図１、５、及び６に示しているように、その長さにわたってさまざまに変化してもよい。ボンディングヘッド１は、軸２を軸線６を中心に回転させるように構成されている駆動部と、軸２の回転位置を計測するように構成されているエンコーダと、力を軸線６の長さ方向に軸２に作用させるように構成されている力発生器と、をさらに有している。力は、たとえば、部品を取り上げるときの、所定のピッキング力、または、部品を基板上に装着するときの所定のボンディング力である。

駆動部は、固定子及び回転子を有している電気モータであって、固定子は筐体部３に取り付けられており、回転子は軸２に取り付けられている。固定子は、電流の供給を受けることができるコイル７を有しており、回転子は複数の永久磁石８を有している。

原則として、電気モータは、市販の電気モータであって、永久磁石８の長さが少なくともストロークＨだけ短くなるように、本発明の目的のために修正されている。この修正によって、トルクが減少するが、技術的に簡単で、同時に、トルクを犠牲にしてロータの質量が減少する、あるいは減少させる、または最低限にさえできるという利点がある。コイル７の長さを少なくともストロークＨだけ延ばすという代替案も可能であるが、好ましくない。永久磁石８は、図２に示しているように、平坦で、平行６面体の磁石であって、２個の対向している最も大きな表面は、北極Ｎ及び南極Ｓに磁化されている。永久磁石８は、円上に配置されている。円の中心を向いているそれらの最大の領域は、交互に北極Ｎ及び南極Ｓである。円の中心とは逆に向いているそれらの最大の領域は、交互に北極Ｓ及び南極Ｎである。

電気モータは、軸２を軸線６を中心に回転させる役割がある。軸２は、軸線６の長さ方向に変位可能でなければならないので、コイル７によって永久磁石８に作用する力が、軸線６の長さ方向に沿った軸２によって占められている位置に無関係なように、永久磁石８の長さＬ_１（図３）は、コイル７の有効長Ｌ_２よりも、少なくともストロークＨだけ短いか、ストロークＨだけ長いかのいずれかである。コイル７は、軸線６の長さ方向に所定の機械的長さＬ_３を有している。有効長Ｌ_２は、コイル７の全体を流れている電流によって発生し、軸線６を中心に永久磁石８を回転させる磁界が、永久磁石８に作用している力の主要な部分となるような長さを示している。したがって、長さＬ_２は、機械的長さＬ_３よりも短い。図３は、永久磁石８の長さＬ_１がコイル７の有効長Ｌ_２よりもストロークＨだけ短い場合を示しており、図４は、永久磁石８の長さＬ_１がコイル７の有効長Ｌ_２よりもストロークＨだけ長い逆の場合を示している。そのため、以下の数式のようになる。第１の場合、軸２の軸線６に沿った軸線方向の変位時でさえも、永久磁石８（及び、そのため回転子）は、コイル７の磁界内に留まっており；第２の場合、磁石８は、軸線方向の全変位時は、コイル７を超えて延びている、軸２の軸線方向の変位時に、両方の場合で、せいぜい非常にわずかの力または軸線６方向に作用している力の変化が発生する。

エンコーダは、軸２の回転位置を計測するように構成されている。エンコーダは、軸２に取り付けられておりその縁に取り付けられているエンコーダスケールを備えている円形の円盤９及び、ボンディングヘッド１、好ましくはボンディングヘッド１の筐体部３に取り付けられているエンコーダ読み取りヘッド１０で構成されていることが好ましい。エンコーダスケールは、軸線６の長さ方向に延びている長線を有している。軸線６の長さ方向で計測した長線の長さ及び軸線６の長さ方向に延びているエンコーダ読み取りヘッド１０の計測範囲は、長線が軸２の全ストロークＨにわったって、エンコーダ読み取りヘッド１０の計測領域に位置するように一致している。

たとえば、永久磁石８によって発生した磁界に基づいて回転位置を求める磁気角度センサや、光学角度センサ、任意の他の角度センサなどの角度センサも、エンコーダとして使用できる。

力発生器は、ピッキング力及びボンディング力の両方を発生するのに使用される。たとえば、機械的な力発生器、特に軸２に作用して軸線６の長さ方向に作用する力を発生するばねが使用されている力発生器を力発生器として使用することができる。図５及び６に模式的に、そして断面を示しているボンディングヘッド１のように、空圧力発生器も力発生器として使用できる。ここで、筐体部３及び筐体部３の上に配置されているカバー１１は、軸２と共に、閉じているキャビティ１２を構成し、その容積は軸２の長さ方向の移動時に変化する。カバー１１は、圧縮空気を使用してキャビティ１２を加圧できる穴１３を有している。したがって、キャビティ１２は圧力室を構成しており、圧力室内に行き渡っている圧力が、軸２に作用する力を発生する。軸２の軸線６の長さ方向の移動、つまりストロークＨは、たとえば、停止部によって制限されている。一方で、無負荷状態では、力発生器によって発生した力は、軸２を停止部に対して押し付けるようにする。他方で、軸２は、ピッキング時及びボンディング時に停止部から押しのけられるので、部品をピッキングするときには、力は部品にピッキング力として作用し、部品を配置するときには、ボンディング力として作用する。これらのプロセスステップの時の軸２の動きは、軸２が部品に届いた時だけでなく部品が基板上に届いた時に、軸２が静止するということに起因する受動的動きであるのに対して、駆動部１７（図８）によって駆動されるボンディングヘッド１は、接触が検出され、駆動部１７が停止するまで、さらに下降する。

筐体部３内の軸２の軸受は、たとえば、滑り軸受、玉軸受、空気軸受、または他の適切な軸受とすることができる。軸２は、筐体部３内で、図５に示している例示的な実施形態においては滑り軸受によって、図６に示している例示的な実施形態においては空気軸受によって支持されている。空気軸受が備わっている場合、筐体部３は圧縮空気を供給する空気入口を有している。空気軸受の好ましい構成において、筐体部３は、空気軸受から空気を排出する空気出口も有している。空気入口は、たとえば、第１の穿孔１４であって、空気出口は、たとえば第２の穿孔１５である。空気入口及び空気出口が存在する場合、空気入口は、軸線６の長さ方向において、空気出口の間に配置されている。空気出口は、周辺圧力が作用するように環境に接続したり、空気入口を通して空気軸受内に強制的に入れた空気を吸い出すために、真空を空気出口に作用させたりすることができる。空気入口及び空気出口内の空気の流れの方向は、図６に（横方向にオフセットしている）矢印によって示している。空気入口が空気出口によって囲まれているこの配置によって、空気入口を通して軸２と筐体部３との間の隙間内に押し込まれた空気の一部が、キャビティ１２に到達し、したがって、軸２に対して軸線６の長さ方向に作用している力を変化させることが防止される。

図７は、温度制御装置を備えているボンディングヘッドを模式的に、そして断面で示している。温度制御装置は、ボンディングヘッド１の所定の部分の温度を所定の値に維持する役割がある。温度制御装置は、たとえば、図示のように筐体部３に組み込まれていることが有利で、外部の加熱装置または冷却装置あるいは加熱及び冷却装置内で温度が所定の値に制御されている流体が流れる閉じている熱回路の一部であるパイプ１６を有している。流体は、気体または液体とすることができる。特定の場合、温度制御装置は、筐体部３に組み込まれている電気加熱抵抗である。温度制御装置は、すべてのボンディングヘッド１と共に使用できる。たとえば、空圧力発生器を備えているボンディングヘッド１では、温度制御装置は、力発生器によって発生する力が、周辺温度の変動に無関係なように、圧力チャンバ内の温度を所定の値に制御するのに使用できる。

本発明のボンディングヘッドは、業界ではダイボンダとして知られている半導体装着装置で典型的に使用される。そのような半導体装着装置は、ボンディングヘッド１を軸線６の長さ方向に動かすように構成されている駆動部１７を有している。部品のピッキング時、及び部品のボンディング時に、ボンディングヘッド１を、この駆動部１７によって下降させ、それによって軸２を受動的に共に移動させる。

ボンディングヘッドにはいくつかの利点があり、それらは、以下のとおりである。
−回転子が直接取り付けられている軸を回転させる本発明の駆動部は、直接駆動部であって、したがって、遊びがなく、したがって高精度に軸の回転位置に動かすことができる。これは、駆動部と軸との間に歯車が介在している既知のボンディングヘッドとは対照的である。
−エンコーダスケールが軸に取り付けられている円盤上に装着されているので直接的で、軸の回転位置の計測も、遊びのない計測である。
−歯車なしの、そして歯付きベルト等なしの軸の直接駆動は、摩耗がなく、どのような擦過も発生しない。これは、擦過によってＩＣが損傷して、半導体チップが粒子によって汚染されることになるクリーンルーム環境において特に有利である。
−軸の軸線方向の変位、つまり軸のその長さ方向の軸線に沿った変位は、実質的に力がいらない。これは、ピッキング力またはボンディング力の増加時に軸の長さ方向の軸線に沿った変位によって、力発生器によって発生した力を増加させたり減少させたりする追加の力が発生しないことを意味している。これは、駆動部と軸との間に歯付き歯車やベルトが介在している既知のボンディングヘッドとは対照的である。
−本構成は、省スペースで、コンパクトで、半導体部品を装着するのに必要な比較的大きなボンディング力の発生を小さい空間及び小さい重量で可能にする。
−回転子を含めた軸の質量は、非常に小さい。軸が部品に衝突したときにその部品に作用する一時的な力は、軸の運動量、つまり質量と速度との積に比例し、所定の値を超えてはならず、そうでなければ、部品が損傷する可能性がある。質量がより小さいと、速度を高くすることが可能で、したがってサイクル時間が短くなる。
−空気軸受を備えているボンディングヘッドの構成によって、軸の摩擦のほぼない回転及び変位が可能になる。
−温度制御装置を備えているボンディングヘッドの構成によって、環境の温度変動のボンディングヘッドに対する、したがってボンディングプロセスに対する影響を最小にするか無くしてしまうことができる。

本発明の実施形態及び用途を図示し説明したが、本明細書の発明の概念から逸脱することなく説明した以上のさらなる修正が可能なことが本開示の便益を得る当業者には明らかである。そのため、本発明は、添付の特許請求の範囲及び等価物の精神以外においては限定されない。

Claims (6)

1. 軸（２）と、
   軸（２）の軸線（６）を中心とした回転及び軸（２）の軸線（６）の長さ方向の所定のストローク（Ｈ）の動きを可能にする軸（２）用の軸受を有する筐体部（３）と、
   軸（２）を軸線（６）を中心に回転させるように構成されている駆動部と、
   軸（２）の回転位置を計測するように構成されているエンコーダと、
   力を軸線（６）の長さ方向に軸（２）に作用させるように構成されている力発生器と、
   を有し、
   駆動部は固定子と回転子とを有している電気モータであって、
   固定子は、筐体部（３）に取り付けられており、回転子は、軸（２）に取り付けられており、
   回転子は複数の永久磁石（８）を有しており、
   固定子は、電流を作用させることが可能なコイル（７）を有しており、コイル（７）の全体を通して流れる電流によって発生した磁界によって、永久磁石（８）が軸線（６）を中心に回転し、
   永久磁石（８）の軸線（６）の長さ方向に計測した長さ（Ｌ_１）は、コイル（７）の軸線（６）の長さ方向に計測した有効長（Ｌ_２）よりも、ストローク（Ｈ）だけ、短いか長い、
   部品を基板上に装着するボンディングヘッド（１）。
2. エンコーダは、軸（２）に固定されており、その縁に取り付けられているエンコーダスケールを備えている円形の円盤（９）と、エンコーダ読み取りヘッド（１０）とを有し、
   エンコーダスケールは、軸線（６）の長さ方向に延びている長線を有しており、
   軸線（６）の長さ方向で計測した長線の長さ及び軸線（６）の長さ方向に延びているエンコーダ読み取りヘッド（１０）の計測領域は、長線が軸（２）の全ストローク（Ｈ）にわたって、エンコーダ読み取りヘッド（１０）の計測領域に位置するように互いに一致している、
   請求項１に記載のボンディングヘッド。
3. 力発生器は、圧縮空気の供給を受けることができる圧力チャンバを有している空圧力発生器であって、
   圧力チャンバに行き渡っている圧力は、軸（２）の端部に作用する、
   請求項１または２に記載のボンディングヘッド。
4. 軸受は、空気軸受であって、
   筐体部（３）は、圧縮空気を供給する空気入口と、空気軸受から空気を排出する空気出口とを有しており、
   空気入口は、いくつかの空気出口の間に、軸線（６）の長さ方向に配置されている、
   請求項１から３のいずれか一項に記載のボンディングヘッド。
5. ボンディングヘッド（１）の所定の部分の温度を所定の値に維持する役割のある温度制御装置をさらに有する、請求項１から４のいずれか一項に記載のボンディングヘッド。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載のボンディングヘッドと、ボンディングヘッド（１）を軸線（６）の長さ方向に移動するように構成されている駆動部（１７）とを備えているダイボンダ。