JP2850895B2 - ボンディングヘッド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体チップ等の
電子部品を基板上に電気的に接合して高精度搭載するボ
ンディングヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】図５は、この種ボンディングヘッドの従
来例として、セラミックス基板等の基板１上において半
導体チップ等の電子部品２を搭載するにあたり、半田片
３によって溶着して電気的接合を行う装置を示してい
る。装置は、真空ポンプ等よりなる真空系に接続され、
真空引きして電子部品２を吸着保持するヒータブロック
４を有し、この中心軸に沿って吸引孔５を設けてある。
また、ヒータブロック４には電熱ヒータ６が埋め込まれ
た形で装着され、熱電対７による温度検出でもって、ヒ
ータブロック４を所定温度に加熱して温度調整できるよ
うになっている。こうしたヒータブロック４は断熱ベー
ス８を介して上下駆動装置９に担持され、作動によって
図の上下垂直方向への上下動が可能となっている。

【０００３】したがって、予め基板２上の搭載位置に半
田片３をセットし、真空系の作動によって電子部品２を
ヒータブロック４に吸引保持した状態で、半田付け接合
による搭載に備える。上下駆動装置９を降下させると、
半田片３を介して電子部品２が基板１に加圧される。加
圧状態で電熱ヒータ６を通電オンすると、ヒータブロッ
ク４を通して電子部品２が加熱される。加圧加熱によっ
て半田片３が溶解した後、電熱ヒータ６への通電をオフ
にする。電子部品２とヒータブロック４を冷却してか
ら、電子部品２を基板２上に接合して搭載完了する。

【０００４】一方、図６は、そうしたボンディングヘッ
ドの他の従来例として、特開平８−１１５９４８号公報
に記載された装置を概略的に示したものである。

【０００５】この場合も、基板１０上に搭載される電子
部品１１を吸引保持した状態で加圧加熱する圧着ヘッド
１２を有し、この圧着ヘッド１２は第１の上下駆動装置
１３に担持されて上下動可能となっている。また、第２
の上下駆動装置１４を有し、ここには支持部１５が一体
に上下動可能に取り付けてあり、この支持部１５には吸
着部１６が分離可能に支持されている。吸着部１６の中
心部には、第１の上下駆動装置１３側の圧着ヘッド１２
が臨む位置関係となっていて、電子部品１１は吸着部１
６を介して圧着ヘッド１２に吸着保持される。

【０００６】したがって、基板１０上への電子部品１１
の搭載に際し、圧着ヘッド１２に吸着部１６を介して電
子部品１１が吸引保持される。圧着ヘッド１２の降下に
よって、電子部品１１は基板１０上の搭載位置に接触す
る。これとほぼ同期して、第２の上下駆動装置１４の作
動によって支持部１５が一体に降下する。支持部１５の
降下によってそこから吸着部１６が分離する。圧着ヘッ
ド１２によって電子部品１１を加圧加熱し、基板１０に
接合して搭載する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】これら図５と図６の従
来例に示すように、いずれの場合も次の解決すべき共通
した問題を残している。１つは、電子部品の加圧加熱
時、ヒータブロック４や圧着ヘッド１２の熱膨張によっ
て位置変動が発生し、電子部品が搭載位置から位置ずれ
を生じる不具合がある。すなわち、基板上に電子部品の
高精度な搭載が困難となることが多い。

【０００８】また１つは、ヒータブロック４や圧着ヘッ
ド１２はいずれも熱容量が大きく、それらを電熱ヒータ
で加熱した後の冷却時間が長くなり、タクトタイムが延
びて、効率的な生産性を望むことができない。

【０００９】したがって、本発明の目的は、半導体チッ
プ等の電子部品を搭載ワークとして加圧加熱して基板上
に電気的に接合するにあたり、熱圧着ヘッド等の熱膨張
による位置変動等の影響を抑え、電子部品の高精度搭載
を可能とすると同時に、加熱時間と冷却時間を短縮して
生産効率を向上させるボンディングヘッドを提供するこ
とにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明のボンディングヘ
ッドは、垂直方向に往復動する上下駆動装置を作動させ
て、搭載ワークである半導体チップ等の電子部品を吸着
保持して加圧加熱することにより、基板上に電気的に接
合するにあたって、真空系に連通する真空室を有し前記
上下駆動装置に固定された断熱性のヒータ取付基部材
と、前記真空室に連通する吸引長孔を有した筒状であ
り、その筒状上端部が前記ヒータ取付基部材に連結され
て熱膨張により生じた位置変動が吸収されるようになっ
ているつなぎ部材と、前記つなぎ部材の筒状下端部に固
定されて前記ヒータ取付基部材に距離を置いて担持さ
れ、前記つなぎ部材の吸引長孔に連通させて中心に設け
た吸着孔により前記電子部品を吸着保持して加熱する熱
容量の小さな材質のワーク保持加熱体と、を備えてい
る。

【００１１】この場合、つなぎ部材がヒータ取付基部材
にテーパ嵌合によって直に連結するか、あるいはリング
形で低熱膨張材質の断熱補助部材を介してヒータ取付基
部材にテーパ嵌合によって連結している。

【００１２】また、つなぎ部材のテーパ嵌合されている
連結部分の筒状一端部は、ヒータ取付基部材に弾性部材
を介して係止することができる。

【００１３】また、電子部品としては、前記ワーク保持
加熱体の吸着孔にリング形の吸着片を介して吸着保持す
ることができる。

【００１４】さらに、ヒータ取付基部材に冷却水を給排
水して循環させて一定温度に維持するための冷却流通路
を形成することができる。

【００１５】係る構成によって、電子部品はワーク保持
加熱体に吸着保持され、しかも断熱性のヒータ取付基部
材につなぎ部材の長さ分だけ離れた位置に担持されるの
で、温度分布の影響も少なく、熱変動によって位置ずれ
を生じない。その結果、電子部品を基板の搭載位置に高
精度に搭載できる。

【００１６】つなぎ部材は、その筒状の一端部が板バネ
等の弾性部材でヒータ取付基部材に係止されているか
ら、熱膨張による寸法的な歪みが生じた場合でも、弾性
部材の弾性屈曲で吸収できる。

【００１７】また、ヒータ取付基部材に冷却水を循環さ
せることにより、断熱部材としてのヒータ取付基部材を
常に一定の温度に維持できる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明によるボンディング
ヘッドの実施の形態について、図面を参照して詳細に説
明する。

【００１９】図１は、第１実施の形態を示す断面図であ
る。ステージ上にセットされた基板２０に半田２２付け
でもって半導体チップ等の電子部品２１が搭載される。
装置の主部を構成する熱圧着ヘッド２３は次の各部材よ
りなっている。熱容量の小さいセラミックス等の材質に
より円板形状に形成されたセラミックスヒータとしての
ワーク保持発熱体２４を有し、このワーク保持発熱体２
４が所定の温度以上に上昇するのを抑える温度検出手段
としての熱電対２５が備わっている。また、ワーク保持
発熱体２４の円中心には板厚方向に貫通した吸着孔２４
ａが設けられ、この吸着孔２４ａから真空引きして搭載
ワークである電子部品２２を吸引保持できるようになっ
ている。

【００２０】また、垂直上下方向に長くテーパ筒状に形
成されたつなぎ部材２６を有し、その軸線に沿った筒孔
による吸引長孔２６ａをワーク保持発熱体２４の吸着孔
２４ａに揃えて結合し、両部材一体化している。つなぎ
部材２６は吸引長孔２６ａを通して真空ポンプ等よりな
る真空系に接続されている。また、つなぎ部材２６の長
手方向の一部は外径が漸次縮径したテーパ部２６ｂとし
て形成され、このテーパ部２６ｂに後続した後端部は雄
ネジ部２６ｃとして形成されている。

【００２１】これらワーク保持発熱体２４とつなぎ部材
２６とによる結合体は、本発明でいうヒータ取付基部材
の断熱ベース２７を介して上下駆動装置２８に担持さ
れ、該装置の作動によって図の上下の垂直方向に往復動
が可能である。断熱ベース２７は、熱伝導率が小さく断
熱作用を有するような材質のものが用いられ、内部に空
洞の真空室２７ａを設けた筐体状に形成されている。こ
の断熱ベース２７の底壁に設けたテーパ孔２７ｂにはつ
なぎ部材２６のテーパ部２６ｂがテーパ嵌合している。
さらに、つなぎ部材２６の後端部の雄ネジ部２６ｃは断
熱ベース２７の真空室２７ａにまで突き抜け、その真空
室２７ａで板バネ３０を介してナット３１を螺着して固
定されている。また、真空室２７ａは真空細孔２７ｃと
真空チューブ２７ｄを通して真空ポンプ等よりなる真空
系（図示せず）に接続されている。

【００２２】次に、係る構成による第１実施の形態のボ
ンディングヘッドの動作と作用を説明する。

【００２３】ステージ上に基板２０がセットされ、その
ワーク搭載位置に半田２２を介在させて電子部品２１が
セットすることにより搭載作業に臨む。真空系の作動に
よって断熱ベース２７内の真空室２７ａが負圧化され、
電子部品２１はワーク保持発熱体２４とつなぎ部材２６
の各吸引孔２４ａ、２６ａを通して吸引され、ワーク保
持発熱体２４に吸着保持される。

【００２４】通電オンによって、ワーク保持発熱体２４
は加熱され、保持された電子部品２１も加熱される。こ
の間の加熱作用によって、筒状のつなぎ部材２６に熱膨
張が生じたとする。この場合、つなぎ部材２６の軸線方
向への熱膨張は板バネ３０の弾性屈曲によって吸収され
る。この膨張吸収作用によって、つなぎ部材２６が断熱
ベース２７に対して緩むことで位置ずれを生じるの防止
できる。

【００２５】電子部品２１は、セラミックスヒータとし
て熱容量の小さいワーク保持発熱体２４の中心軸上に真
空吸着されている。ワーク保持発熱体２４の熱膨張は、
理論的にはその中心軸上すなわち吸引孔２４ａ上では±
０で、発生していないことになる。しかし、実際には、
断熱ベース２７側の温度分布等の影響を受けるために、
多少の熱変動はある。その場合でも、ワーク保持発熱体
２４はつなぎ部材２６の長さ分だけ離れた距離に位置す
るから、熱変動の影響は少なく、僅少量に抑えることが
できる。また、電子部品２１に対して熱容量の小さいワ
ーク保持発熱体２４でもって直に保持加熱するので、急
速加熱でき、冷却も短時間で行われることになる。

【００２６】上下駆動装置２８の作動によって熱圧着ヘ
ッド２３が降下し、溶融化した半田２２による接着で、
電子部品２１は基板２０に熱圧着される。その間、前述
のような熱変動を抑える特徴によって、電子部品２１の
位置ずれを防ぎ、高精度の搭載が可能になる。

【００２７】次に、図２は、本発明によるボンディング
ヘッドの第２実施の形態を示す。この場合、図１の第１
実施の形態で示された円板状のワーク保持加熱体２４と
電子部品２１との間に、本発明でいう吸着片であるリン
グ形状の吸着コレット３２を介在させて、電子部品２１
を吸着保持する形態である。

【００２８】吸着コレット３２は外径寸法は、電子部品
２１の大きさ、形状にほぼ合わせて設定してある。この
吸着コレット３２の吸引孔３２ａは、ワーク保持加熱体
２４の中心吸引孔２４ａの同軸孔芯に一致するように設
定される。他の部材構成は、第１実施の形態における各
部材と同一であり、対応する部材に同一符号を付して重
複した説明は省略する。

【００２９】したがって、この第２実施の形態では、吸
着コレット３２を設けたので、ワーク保持加熱体２４の
円板面で吸着保持する場合の第１実施の形態よりも次の
利点が得られる。

【００３０】電子部品２１はこれとほぼ同形の吸着コレ
ット３２を介して加熱され、かつ吸着保持される。その
場合、ワーク保持加熱体２４の円板面で吸着できないよ
うな形状や大きさの電子部品にも対応し易くなる。ま
た、基板２０上において既に他の電子部品が搭載されて
いるような場合、その既設電子部品との干渉を吸着コレ
ット３２を介在させたスペース分で避けることができ
る。さらには、ほぼ同形の吸着コレット３２を介して最
小限の接触面積で電子部品２１を加熱できるので、小さ
い熱容量で急速加熱が可能となり、それだけ冷却時間も
短縮できる優れた利点が得られる。

【００３１】また、図３は、本発明によるボンディング
ヘッドの第３実施の形態を示す。この場合、図１と図２
で示した第１、第２の各実施の形態における双方の利点
を活かした構造となっている。すなわち、この場合も電
子部品２１との間に介在させて吸着保持する吸着コレッ
ト３２が設けられている。

【００３２】つなぎ部材２６は、断熱ベース２７に対し
て外周部にテーパ部を有する断熱補助部材であるリング
形状の断熱補助座３３を介してテーパ嵌合した構造であ
る。断熱補助座３３の材質には、例えば石英ガラス等の
低熱膨張材が用いられている。リング形状に形成された
その内環周側には、つなぎ部材２６のテーパ部２６ｂが
嵌合するテーパ孔３３ａを有し、外環周側に断熱ベース
２７にテーパ嵌合するテーパ部３３ｂが形成されてい
る。したがって、断熱ベース２７においては、断熱補助
座３３がテーパ嵌合するテーパ孔２７ｂを設けてある。
他の部材構成は、第１および第２実施の形態における各
部材と同一であり、対応する部材に同一符号を付して重
複した説明は省略する。

【００３３】したがって、つなぎ部材２６を断熱補助座
３３を介して断熱ベース２７にテーパ嵌合させた構造と
することにより、断熱ベース２７のみの単独の場合に比
べて、温度分布によって受ける熱影響を一層抑止するの
に有効となる。

【００３４】また、図４は、本発明によるボンディング
ヘッドの第４実施の形態を示す。この場合、水などによ
る冷却液の導水管３４と排水管３５が設けられている。
両管の間に接続する形で、前記断熱ベース２７に冷却流
通路３６とこれに連通する環状冷却流通路３７を形成し
た構造となっている。他の部材構成は、第１〜第３の各
実施の形態における各部材と同一であり、対応する部材
に同一符号を付して重複した説明は省略する。

【００３５】使用中、矢印で示す冷却水等が導水管３４
から導入され、その冷却水は冷却流通路３６および環状
冷却流通路３７を通って排水管３５から排出される。そ
の間、断熱ベース２７は循環して通過する冷却水によっ
て冷却され、一定温度に維持される。

【００３６】その結果、断熱ベース２７における温度分
布の影響も皆無または最小限に抑えられる。したがっ
て、上記各実施の形態で示された場合と同様に、温度分
布の影響などで発生する電子部品２１の位置ずれ防止、
さらには電子部品２１に対して急速加熱、短時間冷却が
可能となる。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のボンディ
ングヘッドは、搭載ワークである電子部品は、断熱性の
ヒータ取付基部材である断熱ベースにつなぎ部材の長さ
分だけ離れた位置のワーク保持加熱体に吸着保持される
ので、温度分布の影響も少なく、熱変動によって位置ず
れを生じない。その結果、電子部品を加圧状態で加熱及
び冷却が必要な場合でも基板の搭載位置に高精度に搭載
できる。

【００３８】しかも、ワーク保持加熱体は、熱容量の小
さい円板状とすることで、電子部品を直に加熱するの
で、急速加熱が可能で、冷却時間も短縮できるのでタク
トタイムを短縮でき、大幅な生産性の向上を期待でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるボンディングヘッドの第１実施の
形態を示す一部断面による組立図である。

【図２】第２実施の形態を示す一部断面による組立図で
ある。

【図３】第３実施の形態を示す一部断面による組立図で
ある。

【図４】第４実施の形態を示す一部断面による組立図で
ある。

【図５】従来例のボンディングヘッドを示す一部断面に
よる組立図である。

【図６】他の従来例のボンディングヘッドを示す組立図
である。

【符号の説明】

２０ 基板 ２１ 搭載ワークの電子部品 ２２ 半田 ２３ 熱圧着ヘッド ２４ ワーク保持発熱体 ２４ａ 吸着孔 ２６ つなぎ部材 ２６ａ 吸引長孔 ２６ｂ テーパ嵌合部 ２６ｃ 雄ネジ部 ２７ 断熱ベース（ヒータ取付基部材） ２７ａ 真空室 ２８ 上下駆動装置 ３０ 板バネ（弾性部材） ３１ つなぎ部材締結固定用のナット ３２ 吸着コレット（吸着片） ３３ 断熱補助座 ３６ 冷却流通路 ３７ 環状冷却流通路

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】垂直方向に往復動する上下駆動装置を作動
   させて、搭載ワークである半導体チップ等の電子部品を
   吸着保持して加圧加熱することにより、基板上に電気的
   に接合するためのボンディングヘッドであって、 真空系に連通する真空室を有し前記上下駆動装置に固定
   された断熱性のヒータ取付基部材と、 前記真空室に連通する吸引長孔を有した筒状であり、そ
   の筒状上端部が前記ヒータ取付基部材に連結されて熱膨
   張により生じた位置変動が吸収されるようになっている
   つなぎ部材と、 前記つなぎ部材の筒状下端部に固定されて前記ヒータ取
   付基部材に距離を置いて担持され、前記つなぎ部材の吸
   引長孔に連通させて中心に設けた吸着孔により前記電子
   部品を吸着保持して加熱する熱容量の小さな材質のワー
   ク保持加熱体と、を備えていることを特徴とするボンデ
   ィングヘッド。
2. 【請求項２】前記つなぎ部材が前記ヒータ取付基部材に
   テーパ嵌合によって連結されていることを特徴とする請
   求項１に記載のボンディングヘッド。
3. 【請求項３】前記つなぎ部材の筒状上端部が、前記ヒー
   タ取付基部材に弾性部材を介して係止されていることを
   特徴とする請求項２に記載のボンディングヘッド。
4. 【請求項４】前記つなぎ部材がテーパ嵌合部を有するリ
   ング形で低熱膨張材質の断熱補助部材を介して前記ヒー
   タ取付基部材にテーパ嵌合によって連結されていること
   を特徴とする請求項２または３に記載のボンディングヘ
   ッド。
5. 【請求項５】前記ワーク保持加熱体の吸着孔に前記電子
   部品がこれとほぼ同一サイズの大きさと形状のリング形
   の吸着片を介して吸着保持されることを特徴とする請求
   項１〜４のいずれかに記載のボンディングヘッド。
6. 【請求項６】前記ヒータ取付基部材に冷却水を給排水し
   て循環させて一定温度に維持するための冷却流通路が形
   成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか
   に記載のボンディングヘッド。