JP3397136B2 - ボンディングツールおよびボンディング装置 - Google Patents

ボンディングツールおよびボンディング装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電子部品などのボ
ンディング対象物を、超音波振動により基板などの被圧
着面にボンディングするボンディングツールおよびボン
ディング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】電子部品などのボンディング対象物を基
板などの被圧着面に接合する方法として超音波圧接を用
いる方法が知られている。この方法は、ボンディング対
象物を被圧着面に押圧しながら超音波振動を付与し、接
合面を相互に摩擦させてボンディングするものである。
この方法ではボンディングツールとして、ボンディング
対象物に当接して押圧する圧着面が設けられたホーンの
端部に、超音波振動の発生源を装着したものが用いられ
る。超音波振動によって発生した振動は、ホーンにより
増幅されて圧着面を介してボンディング対象物に伝達さ
れる。超音波振動の発生源としては、一般に圧電素子を
組み合わせて単体の振動子とした市販の超音波振動子が
用いられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところが、市販品の超
音波振動子をボンディングツールに用いる場合には、以
下に述べるような問題点があった。まず、超音波振動子
からの振動伝達の確実性が損なわれる点である。超音波
振動は圧電素子に交流電圧を印加することにより発生す
るが、市販の超音波振動子は圧電素子が直接ホーンに接
触する形となっておらず、単体の超音波振動子を構成す
るために不可避的に付加される部品を介して、超音波振
動がホーンに伝達されることになる。したがって市販の
超音波振動子を使用した場合には、振動がホーンに伝達
されるまでに多くの不連続面、すなわち部品が相互に接
触する境界面を介して伝達されることとなり、この境界
面の状態によって振動伝達が不安定となり、振動伝達の
確実性が確保されなかった。
【０００４】また、市販の超音波振動子は発生周波数に
対応した波長によって決定される最小寸法より小さくす
ることができず、ボンディングツールに装着すると水平
方向の全体寸法が長くなり、コンパクトなボンディング
ツールを実現する上でのネックとなっていた。このよう
に従来のボンディングツールには、市販の超音波振動子
を採用していることに起因して、振動伝達の確実性が損
なわれ。ボンディングツールのコンパクト化が困難であ
るという問題点があった。
【０００５】そこで本発明は、振動伝達の確実性に優
れ、コンパクトなボンディングツールおよびボンディン
グ装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】請求項１記載のボンディ
ングツールは、ボンディング対象物に当接してこのボン
ディング対象物を被圧着面に押圧しながら振動を付与し
て被圧着面に圧着するボンディングツールであって、板
状部を有する固定部材と、この板状部の両面に配置され
て対をなす振動子と、前記板状部の一方面の振動子側に
配置され、この振動子の振動を接合作用部を介してボン
ディング対象物へ伝達する振動伝達部材と、前記板状部
の他方面の振動子側に配置され、前記振動伝達部材と連
結されてこの振動伝達部材と前記振動子を前記板状部に
締結する締結部材とを備えた。
【０００７】請求項２記載の電子部品のボンディング装
置は、ボンディングツールによりボンディング対象物を
被圧着面に押圧しながら振動を付与して被圧着面に圧着
するボンディング装置であって、前記ボンディングツー
ルが、板状部を有する固定部材と、この板状部の両面に
配置されて対をなす振動子と、前記板状部の一方面の振
動子側に配置され、この振動子の振動を接合作用部を介
してボンディング対象物へ伝達する振動伝達部材と、前
記板状部の他方面の振動子側に配置され、前記振動伝達
部材と連結されてこの振動伝達部材と前記振動子を前記
板状部に締結する締結部材とを備え、前記固定部材を保
持するホルダと、このホルダを駆動することにより接合
作用部をボンディング対象物に押圧する駆動手段とを備
えた。
【０００８】各請求項記載の発明によれば、ボンディン
グ対象物に振動を伝達する振動伝達部材に振動発生源で
ある振動子を直接締結することにより、振動をロスなく
確実に伝達することができ、かつコンパクトなボンディ
ングツールを実現することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】（実施の形態１）図１は本発明の
実施の形態１のボンディング装置の正面図、図２は同ボ
ンディングツールの斜視図、図３（ａ）は同ボンディン
グツールの正面図、図３（ｂ）は同ボンディングツール
の平面図、図３（ｃ）は同ボンディングツールの定在波
振動を示すグラフ、図４は従来のボンディングツールの
定在波振動を示すグラフである。
【００１０】まず、図１を参照してボンディング装置の
全体構造を説明する。１は支持フレームであって、その
前面には第１昇降板２と第２昇降板３が昇降自在に設け
られている。第１昇降板２にはシリンダ４が装着されて
おり、そのロッド５は第２昇降板３に結合されている。
第２昇降板３にはボンディングヘッド１０が装着されて
いる。支持フレーム１の上面にはＺ軸モータ６が設けら
れている。Ｚ軸モータ６は垂直な送りねじ７を回転させ
る。送りねじ７は第１昇降板２の背面に設けられたナッ
ト８に螺合している。したがってＺ軸モータ６が駆動し
て送りねじ７が回転すると、ナット８は送りねじ７に沿
って上下動し、第１昇降板２や第２昇降板３も上下動す
る。
【００１１】図１において、被圧着面である基板３２は
基板ホルダ３３上に載せられており、基板ホルダ３３は
テーブル３５上に載せられている。テーブル３４は可動
テーブルであって、基板３２をＸ方向やＹ方向へ水平移
動させ、基板３２を所定の位置に位置決めする。主制御
部３５は、モータ駆動部３６を介してＺ軸モータ６を制
御し、またテーブル制御部３７を介してテーブル３４を
制御する。またシリンダ４は荷重制御部３８を介して主
制御部３５に接続されており、シリンダ４のロッド５の
突出力すなわちボンディングツール２０でボンディング
対象物としての電子部品３０を基板３２に押し付ける押
圧荷重が制御される。
【００１２】ボンディングヘッド１０の本体１１の下端
部にはホルダ１２が結合されている。ホルダ１２にはボ
ンディングツール２０が固定されている。ボンディング
ツール２０は超音波振動を発生する振動発生源が備えら
れており、振動発生源は超音波振動駆動部３９により駆
動される。以下、図２、図３を参照してボンディングツ
ール２０について説明する。図２に示すように、ホルダ
１２には、絶縁部材１３を介してボンディングツール２
０が装着されている。ボンディングツール２０は、振動
伝達部材としてのホーン２１、固定部材２２、振動子と
しての圧電素子２３、およびこれらの部品を締結する締
結部材としてのボルト２４より構成されている。
【００１３】図３（ｂ）に示すように、ホーン２１の中
央部には上下両方向に突出する突出部２１ａ，２１ｂが
設けられ、下方の突出部２１ａは電子部品３０を真空吸
着して保持するとともに、電子部品３０を押圧して基板
に接合する接合作用部２１ａとなっている。この接合作
用部２１ａにはホーン２１に設けられた真空吸引用の内
孔２６の一端が開口して吸着孔２６ａを形成している。
内孔２６の他端はホーン２１の上面に開口して吸引孔２
６ｂを形成している。吸引孔２６ｂには吸着パッド２７
が当接し、図外の吸引装置から吸着パッド２７を介して
エアを吸引することにより、吸引孔２６を介してた吸着
孔２６ａから真空吸引し、圧着面に電子部品３０を真空
吸着して保持することができる。
【００１４】図２，図３の各図に示すように、ホーン２
１の左右両側端面には、振動発生源が装着されている。
振動発生源は、１対をなす圧電素子２３を固定部材２２
の板状部２２ａの両面に対向させて配置して構成されて
いる。図２に示すように、圧電素子２３およびホーン２
１は、ボルト２４によって固定部材２２の板状部２２ａ
に締結されている。圧電素子２３は固定部材２２を介し
て交流電源２５と接続されており、ボルト２４は電気的
に接地されている。したがって、ボルト２４に連結され
たホーン２１も同様に電気的に接地されている。交流電
源２５を駆動することにより、圧電素子２３には交流電
圧が印加される。
【００１５】ここで、圧電素子２３の配列について説明
する。図３（ａ）に示すように、ホーン２１の左側端の
圧電素子２３は、極性を示す矢印が背中合わせになり、
右側端では矢印が向き合った形となっている。すなわ
ち、圧電素子２３は、それぞれ極性を逆方向にして対を
構成しており、さらに板状部２２ａと接触する圧電素子
２３の極性は、ホーン２１の右側端と左側端とで反対に
なるようにしている。言い換えると、２つの板状部２２
ａに挟まれた内側の２つの圧電素子２３と、固定部材２
２の外側の２つの圧電素子２３では極性が反対になって
いる。
【００１６】このように配列された圧電素子２３に、交
流電源２５を駆動して交流電圧を印加すると、圧電素子
２３は交流の周波数に応じた機械的な振動、すなわちホ
ーン２１の長手方向に変位する縦振動を発生する。ここ
で前述のように、板状部２２ａの内側と外側では圧電素
子２３の極性が反対となっているため、縦振動の変位も
板状部２２ａを境にして反対となり、ボンディングツー
ルには図３（ｃ）に示すように、板状部２２ａの位置を
振動の節とし、接合作用部２１ａの部分を振動の腹とす
る定在波振動が発生する。
【００１７】図３（ａ）に示すように、ホーン２１の形
状は両端部から中央部２１ｃの方向に順次幅が絞られた
形状となっており、これにより、圧電素子２３より接合
作用部２１ａに伝達される経路において超音波振動の振
幅は増幅され、接合作用部２１ａには圧電素子２３が発
振する振幅以上の振動が伝達される。
【００１８】ここで、図３（ｃ）に示すように、２つの
板状部２２ａ相互の距離は縦振動の半波長Ｌ／２に相当
しており、板状部２２ａから両側に張り出すボルト２４
を含めたボンディングツール２０の全体の長さは、１波
長Ｌとなっている。これを従来の市販の超音波振動子を
用いたボンディングツールと比較する。図４に示すよう
に、従来のボンディングツール２０’では、振動発生源
である市販の超音波振動子２３’が固定部材２２’より
も外側に位置していることから、ボンディングツール２
０’の全体の長さは、片側のみに振動発生源を配置して
長さを最小に抑えた場合でも、最低１．５波長の長さを
必要としていた。振動の対称性を得るために振動発生源
をホーンの両側に配置すれば、さらに半波長Ｌ／２の長
さを必要とすることになる。
【００１９】したがって、上記のように圧電素子２３を
直接組み込んだ構成とすることにより、ホーン２１の両
側に振動発生源を配置して、振動の対称性を確保するこ
とができると同時に、ボンディングツールの長さを小さ
くしてコンパクトなボンディングツールを実現すること
ができる。また、圧電素子２３がホーン２１に直接接触
して振動を伝達するため、振動が不連続の境界面を介し
て伝達されることによるロスがなく、振動伝達の確実性
に優れている。
【００２０】このボンディング装置は上記のように構成
されており、次に動作を説明する。図１においてボンデ
ィングツール２０の接合作用部２１ａに電子部品３０を
真空吸着させて保持し、基板３２の上方に位置させる。
次にＺ軸モータ６が駆動してボンディングヘッド１０が
下降し、電子部品３０のバンプを基板３２に押圧する。
このとき基板３２は加熱手段（図外）によって加熱され
ている。そして押圧した状態で超音波振動子駆動部３９
を駆動して圧電素子２３に交流電圧を印加しバンプ付電
子部品３０に振動を伝達する。これにより電子部品３０
のバンプと基板３２の電極との押圧面が振動により摩擦
され、バンプは基板３２の電極にボンディングされる。
このとき、ボンディングツール２０のホーン２１の両側
に振動発生源が配置されていることにより、電子部品３
０には偏りのない対称の振動が伝達され、したがって良
好なボンディング品質を得ることができる。
【００２１】（実施の形態２）図５は、本発明の実施の
形態２のボンディング装置の側面図である。図５におい
て、４０は電子部品を基板に電気的に接続するワイヤボ
ンディングに用いられるワイヤボンディング装置であ
り、以下のように構成されている。ＸＹテーブル４１上
にはＬ字形状の基部４２が載置されており、基部４２に
は同じくＬ字状のホルダ４４が軸支されている。また、
基部４２上には駆動手段としてのボイスコイルモータ４
３が配設されている。ボイスコイルモータ４３はマグネ
ットの磁界中に可動のコイルを配置したものであり、コ
イルに交流の駆動電流を流すことにより、コイルと結合
された可動部が往復動する。
【００２２】ボイスコイルモータ４３の可動部は、ホル
ダ４４に結合されている。ホルダ４４には板状部を有す
る固定部材４５が立設されている。固定部材４５にはボ
ンディングツール４６が結合されている。ボンディング
ツール４６は圧電素子４７、振動伝達部材であるホーン
４８、ホーンの先端に取り付けられた接合作用部として
のキャピラリツール４９および締結部材であるカウンタ
ー部材５０より構成されている。圧電素子４７は、実施
の形態１と同様に、固定部材４５の両面に互いに逆極性
の方向に対をなして配置されている。圧電素子４７の振
動は、ホーン４８によってキャピラリツール４９を介し
てボンディング対象物であるワイヤ５１に伝達される。
【００２３】ホーン４８には、実施の形態１におけるボ
ルト２４と同様に、カウンター部材５０がネジにより連
結されている。カウンター部材５０のネジを締め付ける
ことにより、圧電素子４７およびホーン４８を固定部材
４５に締結する。また、カウンター部材５０の形状や寸
法を適切に設定することにより、圧電素子４７によって
ボンディングツール４６に誘起される振動が、板状部材
４５に対して対称となるようボンディングツール４６全
体の質量分布を設定することができる。
【００２４】ホーン４８の先端部には、キャピラリツー
ル４９が装着されている。キャピラリツール４９の内部
には、ボンディング対象物であるワイヤ５１が上下に挿
通する。キャピラリツール４９の下端部から下方に突出
したワイヤ５１の先端部に電気的なスパークによりボー
ルを形成し、このボールをキャピラリツール４９によっ
て電子部品５２の電極に押圧することにより、ワイヤ５
１を被圧着面である電子部品５２の電極に接合し、同様
に基板５３の電極にワイヤ５１を接合して、電子部品５
２を基板５３に電気的に導通させる。
【００２５】板状部材４５には、交流電源５４が接続さ
れており、交流電源５４を駆動することにより、実施の
形態１と同様に圧電素子４７が機械的に振動し、この振
動はホーン４８により伝達されてキャピラリツール４９
が振動する。ボイスコイルモータ４３を駆動してキャピ
ラリツール４９を介してワイヤ５１を被圧着面に対して
押圧し、同時に圧電素子４７を振動させることにより、
ワイヤ５１は押圧力と振動により被圧着面にボンディン
グされる。
【００２６】このとき、圧電素子４７がホーン４８に直
接接触しているため、振動がロスなく確実に伝達され
る。また、カウンター部材５０を設けて、圧電素子４７
に対しての質量分布上の対称性を保つようにボンディン
グツール４９全体を配置することにより、ホーン４８に
発生する振動の対称性を確保することができる。
【００２７】
【発明の効果】本発明によれば、ボンディング対象物に
振動を伝達する振動伝達部材に振動発生源である振動子
を直接締結することにより、振動をロスなく確実に伝達
することができ、かつコンパクトなボンディングツール
およびボンディング装置が実現される。また、振動発生
源の配置の対称性により、発生する振動は対称性に優れ
ており、偏りのない良好なボンディング結果を得ること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１のボンディング装置の正
面図
【図２】本発明の実施の形態１のボンディングツールの
斜視図
【図３】（ａ）本発明の実施の形態１のボンディングツ
ールの正面図 （ｂ）本発明の実施の形態１のボンディングツールの平
面図 （ｃ）本発明の実施の形態１のボンディングツールの定
在波振動を示すグラフ
【図４】従来のボンディングツールの定在波振動を示す
グラフ
【図５】本発明の実施の形態２のボンディング装置の側
面図
【符号の説明】
１２、４４ ホルダ ２０、４９ ボンディングツール ２１、４８ ホーン ２２、４５ 固定部材 ２３、４７ 圧電素子 ２４ ボルト ３９ 超音波振動子駆動部 ４３ ボイスコイルモータ
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/60 B06B 1/02 B23K 20/10 H05K 3/32

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ボンディング対象物に当接してこのボンデ
    ィング対象物を被圧着面に押圧しながら振動を付与して
    被圧着面に圧着するボンディングツールであって、板状
    部を有する固定部材と、この板状部の両面に配置されて
    対をなす振動子と、前記板状部の一方面の振動子側に配
    置され、この振動子の振動を接合作用部を介してボンデ
    ィング対象物へ伝達する振動伝達部材と、前記板状部の
    他方面の振動子側に配置され、前記振動伝達部材と連結
    されてこの振動伝達部材と前記振動子を前記板状部に締
    結する締結部材とを備えたことを特徴とするボンディン
    グツール。
  2. 【請求項２】ボンディングツールによりボンディング対
    象物を被圧着面に押圧しながら振動を付与して被圧着面
    に圧着するボンディング装置であって、前記ボンディン
    グツールが、板状部を有する固定部材と、この板状部の
    両面に配置されて対をなす振動子と、前記板状部の一方
    面の振動子側に配置され、この振動子の振動を接合作用
    部を介してボンディング対象物へ伝達する振動伝達部材
    と、前記板状部の他方面の振動子側に配置され、前記振
    動伝達部材と連結されてこの振動伝達部材と前記振動子
    を前記板状部に締結する締結部材とを備え、前記固定部
    材を保持するホルダと、このホルダを駆動することによ
    り接合作用部をボンディング対象物に押圧する駆動手段
    とを備えたことを特徴とするボンディング装置。
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