JP3533992B2 - 電子部品のボンディング装置およびボンディングツール - 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、バンプ付き電子部
品などの電子部品を基板の電極などの被接合面にボンデ
ィングする電子部品のボンディング装置およびボンディ
ングツールに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電子部品を基板の電極などの被接合面に
ボンディングする方法として、超音波圧接を用いる方法
が知られている。この方法は、電子部品を被接合面に対
して押圧しながら電子部品に超音波振動を与え、接合面
を微小に振動させて摩擦を生じさせることにより接合面
を密着させるものである。この方法に用いられるボンデ
ィングツールは、振動発生源である超音波振動子の振動
を電子部品に伝達させる細長形状の棒体であるホーンを
有しており、このホーンに備えられた圧着子を電子部品
に押し当てて電子部品に荷重と振動を作用させながら、
電子部品を被接合面に圧着してボンディングするように
なっている。

【０００３】電子部品に押し当てられる圧着子は、電子
部品に伝達される水平方向の振動を出来るだけ大きくす
るため、ホーンに伝達される縦振動を曲げ振動に変換す
るようにホーンから下方に突出した形状となっている。
そしてこの圧着子の形状・寸法は圧着子に誘起される曲
げ振動の固有周波数がホーンの縦振動と共振するように
設定されることが望ましい。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、圧着子を含
めたボンディングツール全体の形状・寸法の最適設定に
は種々の要素が関連している。例えば圧着子の寸法は対
象とする電子部品に必要とされる圧着荷重に対して十分
な剛性を有するものでなければならない。また、ボンデ
ィングツール全体の形状・レイアウトからみれば、ホー
ンの先端部に装着される振動子はボンディング動作時に
被接合面である基板からある程度の間隔を保った位置に
配置される必要がある。ボンディング時に加熱された基
板から振動子に伝達される輻射熱の影響をできるだけ少
なくするためである。これ以外にも、ホーンの長さや振
動子の発生する振動の周波数など、多くの要素が相互に
関連しており、所要条件を満たす最適設定を実現するた
めにはこれらの相互の関連を考慮に入れなければならな
い。

【０００５】しかしながら、これらの要素には相反する
内容の項目が含まれており、すべての要素について所要
条件を満たすボンディングツールの最適設定を実現する
ことは実際上極めて困難であった。このため、従来のボ
ンディングツールでは安定した振動特性を実現すること
が困難でボンディング効率、ボンディング品質の向上が
阻害されるという問題点があった。

【０００６】そこで本発明は、安定した振動特性を実現
してボンディング効率、ボンディング品質を向上させる
ボンディングツール及びボンディング装置を実現するこ
とを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の電子部品
のボンディング装置は、電子部品に押圧荷重と振動を作
用させながらこの電子部品を被接合面に圧着する電子部
品のボンディング装置であって、前記電子部品に当接し
て押圧するボンディングツールと、このボンディングツ
ールを押圧する押圧手段とを備え、前記ボンディングツ
ールは、振動子によって縦振動するホーンと、このホー
ンに結合されてホーンの縦振動を曲げ振動に変換しこの
曲げ振動と押圧手段による押圧荷重を圧着面を介して前
記電子部品に作用させる曲げ振動部とを有し、前記ホー
ンの中心線は前記押圧手段の押圧方向において前記曲げ
振動部側よりもこのホーンの端部側の方が後退してい
る。

【０００８】

【０００９】請求項２記載の電子部品のボンディングツ
ールは、電子部品に当接して荷重と振動を作用させなが
らこの電子部品を被接合面に圧着する電子部品のボンデ
ィングツールであって、振動子によって縦振動するホー
ンと、このホーンに結合されてホーンの縦振動を曲げ振
動に変換しこの曲げ振動と荷重を圧着面を介して前記電
子部品に作用させる曲げ振動部とを有し、前記ホーンの
中心線は前記荷重の押圧方向において前記曲げ振動部側
よりもこのホーンの端部側の方が後退している。

【００１０】

【００１１】本発明によれば、ホーンの中心線は前記押
圧手段の押圧方向において前記曲げ振動部側よりもこの
ホーンの端部側の方が後退していることにより、曲げ振
動部の形状・寸法を適正に設定しながら振動子を基板面
から離した配置が可能となり、安定した振動特性を備え
たボンディングツールが実現される。

【００１２】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態を図面を
参照して説明する。図１は本発明の一実施の形態の電子
部品のボンディング装置の正面図、図２は同電子部品の
ボンディングツールの斜視図、図３（ａ）は同電子部品
のボンディングツールの平面図、図３（ｂ）は同電子部
品のボンディングツールの正面図である。

【００１３】まず、図１を参照して電子部品のボンディ
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。

【００１４】図１において、上面が電子部品の被接合面
である基板４６は基板ホルダ４７上に載せられており、
基板ホルダ４７はテーブル４８上に載せられている。テ
ーブル４８は可動テーブルであって、基板４６をＸ方向
やＹ方向へ水平移動させ、基板４６を所定の位置に位置
決めする。テーブル４８は電子部品４０に対して基板４
６を相対的に移動させる位置決め手段となっている。

【００１５】４２はカメラであって、一軸テーブル４３
に装着されている。４４はカメラ４２から前方へ延出す
る鏡筒である。カメラ４２を一軸テーブル４３に沿って
前進させ、鎖線で示すように鏡筒４４の先端部をボンデ
ィングツール１４の下面に吸着して保持された接合物と
しての例えばフリップチップなどのバンプ付きの電子部
品４０と基板４６の間に位置させ、その状態で電子部品
４０と基板４６の位置をカメラ４２で観察する。

【００１６】５３は認識部であり、カメラ４２で撮像さ
れた電子部品４０や基板４６の画像を認識してこれらの
位置を検出する。５０は主制御部であり、モータ駆動部
５１を介してＺ軸モータ６すなわちボンディングヘッド
１０の昇降動作を制御し、テーブル制御部５２を介して
テーブル４８すなわち基板４６の位置決めを行う。また
主制御部５０は、認識部５３によって検出された電子部
品４０と基板４６の位置より、水平面内における両者の
位置ずれを演算し、この位置ずれを補正するようにテー
ブル４８を駆動する。さらに主制御部５０には、荷重制
御部５４と吸引装置５６が接続されている。

【００１７】押圧手段としてのシリンダ４は荷重制御部
５４を介して主制御部５０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１４
でバンプ付き電子部品４０を基板４６に押し付ける押圧
荷重が制御される。吸引装置５６は主制御部５０からの
指令によってボンディングツール１４による電子部品４
０の吸引・吸引解除を行う。超音波振動子から成る振動
子１７は、超音波振動子駆動部５５を介して主制御部５
０に接続されており、主制御部５０からの指令に従って
超音波振動を行う。

【００１８】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にはブ
ロック１３が装着され、ブロック１３にはボンディング
ツール１４が固定されている。ブロック１３の側部の突
部１３ａは吸引装置５６に接続されている。以下、図
２、図３を参照してボンディングツール１４について説
明する。

【００１９】図２および図３に示すように、ボンディン
グツール１４は横長のホーン１５を主体としている。ホ
ーン１５は細長形状の棒状体であり、平面視してその両
側部からセンターへ向って次第に幅狭となるテーパ面１
５ａを有している。ホーン１５のセンターには吸着部３
０（圧着子）が下方へ突設されている。図１において、
ブロック１３の側面に設けられた突部１３ａには吸着パ
ッド１９が装着されている。

【００２０】ホーン１５には吸着部３０の吸着孔３２に
連通する吸引孔１６ａ，１６ｂが形成されており、吸着
パッド１９はホーン１５の上面の吸引孔１６ｂに当接し
ている。したがって吸着パッド１９に接続された吸引装
置５６（図１）を駆動してエアを吸引することにより、
吸着部３０に開口した吸着孔３２（図３（ａ），
（ｂ））から真空吸引し、この吸着部３０の下面にバン
プ付きの電子部品４０を真空吸着して保持することがで
きる。

【００２１】吸着部３０の下面は圧着面３０ａとなって
おり、吸着部３０の曲げ振動と押圧手段（シリンダ４）
の押圧荷重を電子部品４０に作用させる。図３（ｂ）に
おいて、下向きの矢印Ａは、押圧手段の押圧方向を示し
ており、吸着部３０の中心線ＣＬ２は押圧方向と平行に
なっている。また吸着面３０ａはこの押圧方向に対して
垂直となっている。吸着部３０は電子部品４０を吸着し
て保持するとともに、ボンディング時には先端部の圧着
面３０ａが電子部品４０の上面に当接して電子部品４０
を基板４６に対して押圧する。

【００２２】吸着部３０から等距離隔てられた４ヶ所に
はリブ１５ｃがホーン１５と一体的に設けられている。
ブロック１３への取り付けバランスを良くするために、
４個のリブ１５ｃはホーン１５のセンターの吸着部３０
を中心として平面視して対称に突設されている。ボンデ
ィングツール１４は、リブ１５ｃに形成された貫通孔２
０にボルトを螺入することにより、ブロック１３の下面
に着脱自在に装着されている。すなわち、リブ１５ｃは
ホーン１５をブロック１３に装着する装着部となってい
る。

【００２３】図２において、ホーン１５の側端部には振
動付与手段である振動子１７が装着されている。振動子
１７を駆動することにより、ホーン１５には縦振動（ホ
ーン１５の長手方向の振動）が付与され、吸着部３０は
水平方向ａ（ホーン１５の長手方向）に振動する。図３
（ａ），（ｂ）に示すように、ホーン１５の形状は両端
部から中央部に向かって側面のテーパ面１５ａおよび上
下面のテーパ面１５ｂを経て順次幅および高さが絞られ
た形状となっている。これにより、振動子１７より吸着
部３０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、吸着部３０には振動子１７が発振する振幅以上
の振動が伝達され、この振動は圧着面３０ａを介して電
子部品４０に伝達される。

【００２４】この電子部品４０への振動伝達において
は、振動子１７によってホーン１５を介して伝達される
縦振動のみならず、ホーン１５の縦振動によって突出形
状の吸着部３０に誘起される曲げ振動が重畳して伝達さ
れる。すなわち、吸着部３０は単に電子部品４０を吸着
して保持する機能のみならず、曲げ振動による水平方向
の振動を誘起する曲げ振動部としての機能を有してい
る。したがって、電子部品４０への振動伝達効率を向上
させるためには、吸着部３０にできるだけ大きな曲げ振
動が誘起されるような条件設定を行う必要がある。以
下、このような条件を満たすためのホーン形状について
説明する。

【００２５】図３に示すようにホーン１５の中心線ＣＬ
１は直線状には設定されておらず、吸着部３０との結合
点Ｂで折曲している。このホーン１５の中心線ＣＬ１は
押圧方向（矢印Ａ）において吸着部３０側（結合点Ｂ）
よりも端部側（点Ｃ）が後退、すなわち上方に位置して
いる。ホーン１５の中心線ＣＬ１と曲げ振動部である吸
着部３０の中心線ＣＬ２とが押圧手段による押圧方向
（図３（ｂ）において矢印Ａで示す方向）に平行な面内
で交叉する角度αは、９０度より大きく１３５度以下の
範囲で、吸着部３０の突出代Ｄと振動子１７の高さ距離
Ｈとの関係に基づいて設定される。

【００２６】このとき、ホーン１５の下面が同一平面と
なるような形状にすることが望ましい。これにより、ホ
ーン１５の製作時の加工を容易にすることができる。な
お、角度αが９０度以下であれば距離Ｈが十分確保でき
ない。逆に１３５度を越えると、圧着面３０ａにおける
曲げ振動の成分よりも上下方向の縦振動の成分が多くな
ってしまい、電子部品４０にダメージを与える可能性が
ある。

【００２７】ホーン１５を上述のような形状とすること
により、吸着部３０の突出代Ｄに対してホーン１５の側
端部における基板４６の表面までの高さを大きく設定す
ることが可能となる。このことは、ボンディングツール
の各部形状・寸法の最適設定において以下のような意義
を有している。前述のように、吸着部３０の先端部に水
平方向の変位を与える曲げ振動を最大にするには、突出
形状の吸着部３０の曲げ振動の固有振動数をホーン１５
に振動を与える振動子１７の振動数にできるだけ近づけ
て共振を生じさせることが必要である。

【００２８】ところが、一般にこの共振条件を満たす吸
着部３０の突出代Ｄは小さく、共振条件から求められた
突出代Ｄをそのままホーンが直線状の従来のボンディン
グツールに適用すると、ホーン１５の側端部が基板４６
に接近した配置となる。その結果として振動子１７がボ
ンディング動作中ヒータによって加熱された基板４から
の輻射熱を受けて温度が上昇し、振動子１７の振動特性
が不安定となっていた。

【００２９】これに対し、本実施の形態に示すボンディ
ングツール１４の形状設定では、突出代Ｄをホーン１５
の縦振動と共振するような適正寸法に設定するととも
に、ホーン１５の側端部に装着される振動子１７の基板
４６からの高さ距離Ｈを、加熱された基板からの熱影響
を排除するのに十分な距離に設定することを可能として
いる。これにより、吸着部３０の寸法・形状をホーン１
５の縦振動との共振条件を満たすような設定として、電
子部品４０に対する振動伝達効率を向上させることがで
きるとともに、振動子１７への熱伝達を抑制して熱影響
による振動特性の変動を防止し、ボンディング効率・ボ
ンディング品質を向上させることが出来る。

【００３０】また、ホーン１５の形状をこのような中央
で屈曲した形状とすることにより、単純な直線形状の部
材と比較してホーン１５の曲げ剛性を大きくすることが
でき、ボンディング時の押圧荷重に対するホーン１５の
変形を小さく抑えてボンディング時の電子部品の姿勢を
良好に保持できるという効果を有する。

【００３１】なお、本実施の形態では、４点の装着部で
固定される形状のホーン１５を例に説明したが、これに
限定されずホーンの一端部に振動子が装着され他端部に
曲げ振動部が設定された片持ち方式のボンディングツー
ルであってもよい。この場合にあっても、曲げ振動部の
突出代を最適に設定しながら、振動子の高さ位置を十分
に確保したボンディングツールを実現することが出来
る。さらに、押圧手段としてシリンダ４を用いた例を示
したが、Ｚ軸モータ６を押圧手段として用いてもよく、
要はボンディングツール１４を基板に対して押圧できる
機構であればよい。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、ホーンの中心線は前記
押圧手段の押圧方向において前記曲げ振動部側よりもこ
のホーンの端部側の方が後退している配置を採用したの
で、曲げ振動部の形状・寸法を適正に設定しながら振動
子を基板面から離した配置が可能となり、安定した振動
特性を備えたボンディングツールが実現される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態の電子部品のボンディン
グ装置の正面図

【図２】本発明の一実施の形態の電子部品のボンディン
グツールの斜視図

【図３】（ａ）本発明の一実施の形態の電子部品のボン
ディングツールの平面図 （ｂ）本発明の一実施の形態の電子部品のボンディング
ツールの正面図

【符号の説明】

１４ ボンディングツール １５ ホーン １７ 振動子 ３０ 吸着部 ３０ａ 圧着面 ３２ 吸着孔 ４０ 電子部品 Ｄ 突出代 Ｈ 高さ距離

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/60 311

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電子部品に押圧荷重と振動を作用させなが
   らこの電子部品を被接合面に圧着する電子部品のボンデ
   ィング装置であって、前記電子部品に当接して押圧する
   ボンディングツールと、このボンディングツールを押圧
   する押圧手段とを備え、前記ボンディングツールは、振
   動子によって縦振動するホーンと、このホーンに結合さ
   れてホーンの縦振動を曲げ振動に変換しこの曲げ振動と
   押圧手段による押圧荷重を圧着面を介して前記電子部品
   に作用させる曲げ振動部とを有し、前記ホーンの中心線
   は前記押圧手段の押圧方向において前記曲げ振動部側よ
   りもこのホーンの端部側の方が後退していることを特徴
   とする電子部品のボンディング装置。
2. 【請求項２】電子部品に当接して荷重と振動を作用させ
   ながらこの電子部品を被接合面に圧着する電子部品のボ
   ンディングツールであって、振動子によって縦振動する
   ホーンと、このホーンに結合されてホーンの縦振動を曲
   げ振動に変換しこの曲げ振動と荷重を圧着面を介して前
   記電子部品に作用させる曲げ振動部とを有し、前記ホー
   ンの中心線は前記荷重の押圧方向において前記曲げ振動
   部側よりもこのホーンの端部側の方が後退していること
   を特徴とする電子部品のボンディングツール。