JP3565133B2 - 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
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、フリップチップのような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によっ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。圧着子にはボンディング時の負荷(荷重と振動)が作用するため、繰り返し使用によってその下面(電子部品の吸着面)が摩耗しやすい。この摩耗が甚しくなると正常なボンディングを行うことが出来なくなるため、定期的に圧着子を交換せねばならない。従来はこの圧着子の交換は、ホーン全体を交換するか、あるいは圧着子が別部品でホーン本体に対して着脱可能である場合には、この別部品のみを交換することにより行われていた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ホーン全体を交換する場合には、高価な部品であるホーンを消耗部品として廃却することになり、ランニングコストが上昇する。また、圧着子のみを着脱して交換する場合においても、従来のボンディングツールでは圧着子はボンディング対象の電子部品に応じて異なる形状・質料のものが同一のホーン本体へ取り付けられるため、ホーン全体の質量を適切にバランスさせることができなかった。そしてこの質量のアンバランスに起因して振動特性が変動しやすく、結果として安定したボンディングが行えないという問題点があった。
【0004】
そこで本発明は、低コストで安定した振動を行わせながら安定したボンディングを行うことができ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を提供することを目的とする。
【0005】
【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するボンディングツールと、このボンディングツールを前記電子部品に押圧する押圧手段とを備え、前記ボンディングツールは、横長のホーンと、このホーンに振動を付与する振動子と、前記ホーンの定在波振動の腹に相当する位置に前記ホーンの長さ方向に直交して設けられた貫通孔と、この貫通孔を挿通する締結手段によって前記ホーンに着脱自在に締結され先端部が前記電子部品に当接する圧着子と、前記ホーンの長さ方向の中心線に対して圧着子と反対側にこの圧着子の質量に対応して設けられ前記ホーンにおける質量バランスを調整する質量バランス部材を有し、前記締結手段は前記圧着子に設けられたねじ部およびこのねじ部に螺合するねじ部材であり、前記質量バランス部材は前記ねじ部材が挿通する円環状部材である。
【0006】
請求項2記載の電子部品のボンディング装置は、請求項1記載の電子部品のボンディング装置であって、前記円環状部材は前記貫通孔に設けられた内テーパ面と嵌合する外テーパ面を有する。
【0007】
請求項3記載の電子部品のボンディングツールは、電子部品に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ボンディングツールであって、横長のホーンと、このホーンに振動を付与する振動子と、前記ホーンの定在波振動の腹に相当する位置に前記ホーンの長さ方向に直交して設けられた貫通孔と、この貫通孔を挿通する締結手段によって前記ホーンに着脱自在に締結され先端部が前記電子部品に当接する圧着子と、前記ホーンの長さ方向の中心線に対して圧着子と反対側にこの圧着子の質量に対応して設けられ前記ホーンにおける質量バランスを調整する質量バランス部材を有し、前記締結手段は前記圧着子に設けられたねじ部およびこのねじ部に螺合するねじ部材であり、前記質量バランス部材は前記ねじ部材が挿通する円環状部材である。
【0008】
請求項4記載の電子部品のボンディングツールは、請求項3記載の電子部品のボンディングツールであって、前記円環状部材は前記貫通孔に設けられた内テーパ面と嵌合する外テーパ面を有する。
【0009】
本発明によれば、ホーンの定在波振動の腹に相当する位置にホーンの長さ方向に直交して設けられた貫通孔を設け、電子部品に当接して押圧する圧着子をこの貫通孔を挿通する締結手段によってホーンに着脱自在に締結するとともに、ホーンの長さ方向の中心線に対して圧着子と反対側にこの圧着子の質量に対応して設けられた質量バランス部材によってホーンにおける質量バランスを調整することにより、常に安定した固着状態および振動特性を保持することができる。
【0010】
【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上下反転斜視図、図3は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、図4は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部分断面図である。
【0011】
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。
【0012】
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46を相対的に移動させる位置決め手段となっている。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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で電子部品40のバンプを基板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40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50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。
【0016】
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。
【0017】
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15aを有している。ホーン15のセンターには吸着部30(圧着子)が下方へ突出して着脱自在に装着されている。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。
【0018】
ホーン15には吸着部30の吸着孔32に連通する真空吸引孔16a,16bが形成されており、吸着パッド19はホーン15の上面の真空吸引孔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。
【0019】
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。また圧着面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。
【0020】
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20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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
図3に示すようにホーン15の長さ方向の中心線CL1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。
【0024】
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。
【0025】
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の表面までの高さ距離H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。
【0026】
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46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。
【0027】
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46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15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。
【0028】
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40の姿勢を良好に保持できるという効果を有する。
【0029】
次に図4を参照して吸着部30のホーン15への装着について説明する。図4(a)に示すように、ホーン15の中心部には上下方向に貫通孔15hが設けられている。この貫通孔15hは、ホーン15に振動子17により誘起される定在波振動の腹に相当する位置にホーン15の長さ方向に直交して設けられており、貫通孔15hの上部および下部にはそれぞれ内テーパ面であるテーパ部15d,15eが設けられている。真空吸引孔16aは、貫通孔15hの中間部に開口している。
【0030】
テーパ部15eには吸着部30が装着される。吸着部30の上面にはねじ部30bが設けられ、ねじ部30bの外周面はテーパ部15eに対応した外テーパ形状の当接面30cとなっている。テーパ部15dには、円環状部材34が装着される。円環状部材34はテーパ部15dと嵌合する外テーパ面34aを有しており、円環状部材34の内孔34bにはねじ部材33が挿通する。ねじ部材33の下部には吸着部30のねじ部30bと螺合する外ねじ部33aが設けられており、ねじ部材33の内部には中間部の側面に開口し下端部まで連通する吸引孔33bが形成されている。
【0031】
吸着部30の締結時には、図4(b)に示すように吸着部30をテーパ部15e内に、円環状部材34をテーパ部15dにそれぞれ挿入した状態で、ねじ部材33を円環状部材34の内孔34bに挿通させ、外ねじ部33aを吸着部30のねじ部30bと螺合させて締め付ける。これにより吸着部30の当接面30cは、ねじ部材33によってテーパ部15eに押しつけられ固定締結される。
【0032】
このねじ部材33による締結において、円環状部材34はホーン15に設けられたテーパ部15dに押しつけられており、さらに円環状部材34の内孔34b上部に設けられた内テーパ面34cにねじ部材33の頭部下面の外テーパ面33cが当接した状態で締結される。これにより、吸着部30の締結部にホーン15の長手方向の振動が作用する際にも、これらの締結用の各部材相互の水平方向の変位が拘束され、強固な締結が実現される。したがって、ねじ部材33、円環状部材34および吸着部30に設けられたねじ部30bは、吸着部30をホーン15に着脱自在に締結する締結手段となっている。そしてこの締結状態で、ホーン15に設けられた真空吸引孔16aは、ねじ部材33に設けられた吸引孔33bを介して吸着部30の吸着孔32と連通する。
【0033】
上記のような締結方法を採用することにより、以下に説明するような優れた効果を得ることができる。まず、上記締結方法では、貫通孔15hを挿通するねじ部材33によってホーン15の上側から吸着部30を引き上げることにより、当接面30cをテーパ面15dに押し当てている。このため、吸着部30の周囲にはホーン15への締結用の部品を配置する必要がなく、吸着部30の形状設定や、真空吸引孔16aの配置などにおける自由度が確保され、これにより、対象とする電子部品の形状や必要とされる振動特性に適合した吸着部30を実現できるとともに、吸着部30を十分な面圧でホーン15に押し付けて安定した固着状態を実現できる。
【0034】
さらには、ねじ部材33が挿通する円環状部材34のホーン15の上側に突出する部分の形状・寸法を適切に設定し、同一のねじ部材33に円環状部材34を適宜組み合わせることにより、ホーン15の上下方向の質量分布を振動伝達特性上望ましい質量分布に調整することが可能となる。すなわち、円環状部材34を質量バランス部として用いることができ、これにより良好な振動特性を得ることができる。
【0035】
したがって円環状部材34は、ホーン15の長さ方向の中心線CL1に対して吸着部30と反対側に吸着部30の質量に対応して設けられた質量バランス部材となっており、同一のねじ部材33を用い円環状部材34のみを交換することによりホーン15における質量バランスを調整することができるようになっている。
【0036】
上記説明したように、本実施の形態のボンディングツールは、電子部品40に当接して振動と荷重を伝達する圧着子としての吸着部30をホーン15本体に対して着脱自在とし、しかも吸着部30のホーン15への装着面に締結用の機構や部材を必要としないような締結方法を採用したものである。これにより、吸着部30の電子部品40との圧着面30aが損耗した場合には、この吸着部30のみを交換すればよく、ランニングコストを低減することができる。しかも上記締結方法によれば吸着部30の形状・寸法設定の自由度が確保されることから、安定した固着状態・振動特性を備えたボンディングツールを実現できる。
【0037】
【発明の効果】
本発明によれば、ホーンの定在波振動の腹に相当する位置にホーンの長さ方向に直交して設けられた貫通孔を設け、電子部品に当接して押圧する圧着子をこの貫通孔を挿通する締結手段によってホーンに着脱自在に締結するとともに、ホーンの長さ方向の中心線に対して圧着子と反対側にこの圧着子の質量に対応して設けられた質量バランス部材によってホーンにおける質量バランスを調整することにしたので、使用による部品損耗時には圧着子のみを交換することができるとともに、常に安定した固着状態および振動特性を保持することができる。
【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上下反転斜視図
【図3】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
【図4】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部分断面図
【符号の説明】
14 ボンディングツール
15 ホーン
15h 貫通孔
16a、16b 真空吸引孔
17 振動子
30 吸着部
32 吸着孔
33 ねじ部材
34 円環状部材
40 電子部品
46 基板
Claims (4)
- 電子部品に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するボンディングツールと、このボンディングツールを前記電子部品に押圧する押圧手段とを備え、前記ボンディングツールは、横長のホーンと、このホーンに振動を付与する振動子と、前記ホーンの定在波振動の腹に相当する位置に前記ホーンの長さ方向に直交して設けられた貫通孔と、この貫通孔を挿通する締結手段によって前記ホーンに着脱自在に締結され先端部が前記電子部品に当接する圧着子と、前記ホーンの長さ方向の中心線に対して圧着子と反対側にこの圧着子の質量に対応して設けられ前記ホーンにおける質量バランスを調整する質量バランス部材を有し、前記締結手段は前記圧着子に設けられたねじ部およびこのねじ部に螺合するねじ部材であり、前記質量バランス部材は前記ねじ部材が挿通する円環状部材であることを特徴とする電子部品のボンディング装置。
- 前記円環状部材は前記貫通孔に設けられた内テーパ面と嵌合する外テーパ面を有することを特徴とする請求項1記載の電子部品のボンディング装置。
- 電子部品に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ボンディングツールであって、横長のホーンと、このホーンに振動を付与する振動子と、前記ホーンの定在波振動の腹に相当する位置に前記ホーンの長さ方向に直交して設けられた貫通孔と、この貫通孔を挿通する締結手段によって前記ホーンに着脱自在に締結され先端部が前記電子部品に当接する圧着子と、前記ホーンの長さ方向の中心線に対して圧着子と反対側にこの圧着子の質量に対応して設けられ前記ホーンにおける質量バランスを調整する質量バランス部材を有し、前記締結手段は前記圧着子に設けられたねじ部およびこのねじ部に螺合するねじ部材であり、前記質量バランス部材は前記ねじ部材が挿通する円環状部材であることを特徴とする電子部品のボンディングツール。
- 前記円環状部材は前記貫通孔に設けられた内テーパ面と嵌合する外テーパ面を有することを特徴とする請求項3記載の電子部品のボンディングツール。
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