JP3575399B2 - 電子部品のボンディング装置およびボンディング方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子部品を基板などのワーク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方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
バンプ付電子部品などの電子部品を基板などのワーク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、電子部品のバンプを基板に押圧しながら超音波振動を付与し、バンプと基板の電極などの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。このボンディング過程において良好な接合性を確保するためには、バンプを基板の電極に対して適切な圧着荷重値で押圧する必要がある。
【0003】
このため従来より電子部品のボンディング装置には、電子部品を保持して基板に押圧するボンディングヘッドに、電子部品をボンディングツールを介して適正荷重で押圧するための加圧手段が設けられている。すなわち、ボンディングヘッドをワーク上の所定高さ位置まで下降させることにより、エアシリンダやダイアフラムなどの加圧手段が所定の押し込み量だけ押し込まれ、これによって電子部品に所定の押圧力が作用するようになっている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、電子部品にはボンディングツールとの当接面を介して荷重と超音波振動が伝達されるため、ボンディング作業を継続する過程においてボンディングツールの当接面は徐々に摩耗する。このため、予め設定された高さ位置までボンディングヘッドを下降させた場合においても、ボンディングツールの摩耗状態によって加圧手段が押し込まれる押し込み量は一定ではない。この結果電子部品を押圧する押圧荷重は一定に保たれず摩耗状態によって変化する。
【0005】
この押圧荷重のばらつきを防止するため、ボンディングツールの使用時に摩耗量を測定して適正押し込み量に調整することが行われる。この摩耗量測定は、従来は手作業的に行う測定しか方法がなく、ボンディングツールを取り外した状態で作業者がマイクロメータなどの測定具を用いて行っていた。このため測定作業に手間と時間を要して生産性向上が阻害されると共に測定結果にばらつきを生じやすく、不正確な測定値に基づいて押し込み量調整が行われる結果、ボンディング品質にばらつきが生じやすいという問題点があった。
【0006】
そこで本発明は、ボンディングツールの摩耗量管理を容易に行え、ボンディング品質を確保する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方法を提供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、ボンディングヘッドによって電子部品をワークに押圧して超音波振動を印加することにより前記電子部品をボンディングする電子部品のボンディング装置であって、前記ワークを保持するワーク保持部と、前記ボンディングヘッドを昇降させる昇降手段と、このボンディングヘッドの高さ位置を検出する高さ検出手段と、このボンディングヘッドに装着され電子部品に当接する当接面を有するボンディングツールと、このボンディングツールに超音波振動を印加する振動付与手段と、前記当接面を介して電子部品を前記ワークに対して押圧する加圧手段と、ボンディングツールの前記当接面の摩耗量を検出する摩耗量検出手段と、摩耗量検出結果に基づいて前記ボンディングヘッドの昇降手段を制御する制御手段とを備え、前記摩耗量検出手段は、前記振動付与手段駆動時のインピーダンス又はその代用値である電流、電圧を測定するインピーダンス検出部と、インピーダンス又はその代用値である電流、電圧の変化に基づいてボンディングツールの前記当接面が基準面に当接したことを検知する当接検知手段と、この当接検知手段によって当接が検出されたときのボンディングヘッドの高さ位置をボンディングツールの当接高さ位置として高さ検出手段より読み取る当接高さ位置検出手段とを備え、この当接高さ位置から前記当接面の摩耗量を検出するようにした。
【0009】
請求項2記載の電子部品のボンディング方法は、ボンディングヘッドによって電子部品をワークに押圧して超音波振動を印加することにより前記電子部品をボンディングする電子部品のボンディング方法であって、ボンディングに先立って前記ボンディングヘッドに装着されたボンディングツールの電子部品との当接面の摩耗量を検出し、この摩耗量検出結果に基づいてボンディングヘッドを昇降させる昇降手段を制御することにより、電子部品をワークに対して所定の押圧力で押圧するようにし、前記摩耗量を検出する工程において、ボンディングツールの前記当接面を基準面に対して下降させながら振動付与手段を駆動してインピーダンス又はその代用値である電流、電圧を測定し、測定されたインピーダンス又はその代用値である電流、電圧の変化に基づいてボンディングツールの前記当接面が基準面に当接したときのボンディングツールの当接高さ位置を検出し、この当接高さ位置から前記当接面の摩耗量を検出する。
【0011】
本発明によれば、ボンディングに先立ってボンディングヘッドに装着され電子部品に超音波振動を伝達するボンディングツールの電子部品との当接面の摩耗量を検出し、この摩耗量検出結果に基づいてボンディングヘッドを昇降させる昇降手段を制御することにより、電子部品をワークに対して所定の押圧力で押圧することができ、ボンディング品質を確保することができる。
【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、図5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加圧部の機能を示す説明図、図3(a)は本発明の一実施の形態のボンディングツールの当接検出のフロー図、図3(b)は本発明の一実施の形態のボンディングツールの当接検出の工程説明図、図4は本発明の一実施の形態のインピーダンス検出結果を示すグラフである。
【0013】
まず図1を参照して電子部品のボンディング装置について説明する。図1において基板位置決め部1は移動テーブル2を備えており、移動テーブル2上には基板保持部3が設けられている。基板保持部3は、電子部品5がボンディングされるワークである基板4を保持するワーク保持部となっている。基板保持部3の上面には、平坦で剛な表面の基準面3aが設けられており、後述するように基準面3aはボンディングツールの摩耗量を計測する際の押し付け面として用いられる。
【0014】
基準位置決め部1の上方にはボンディング部10が配設されている。ボンディング部10の垂直なフレーム11にはガイド部材12が上下方向に配設されており、ガイド部材12によって昇降ブロック13は昇降自在となっている。昇降ブロック13にはナット部材14が固着されており、ナット部材14にはZ軸モータ16によって回転駆動される送りねじ15が螺入している。
【0015】
昇降ブロック13の下部にはボンディングヘッド17が配設されており、ボンディングヘッド17は加圧部18を内蔵している。加圧部18はボンディングツール19と結合されており、ボンディングツール19の下面には電子部品5を吸着保持するとともに電子部品5を基板4に押圧してボンディングする当接部19aが設けられている。ボンディングツール19には振動付与手段である振動子20が装着されており、振動子20を駆動することにより、ボンディングツール19の当接部19aを介して電子部品5に超音波振動が付与される。
【0016】
Z軸モータ16を駆動することにより昇降ブロック13は昇降し、したがってボンディングヘッド17もともに昇降する。Z軸モータ16、送りねじ15、ナット部材14はボンディングヘッド17の昇降手段となっている。このときの昇降ブロック13の高さ位置はリニアスケール21によって検出される。
【0017】
加圧部18は圧力設定部22を介して圧力源23に接続されており、圧力源23から所定圧力に設定されたエアを加圧部18に供給することにより、加圧部18は当接部19aの当接面を介して電子部品5を基板保持部3に保持された基板4に押圧する。したがって加圧部18は、電子部品5を基板4に対して押圧する加圧手段となっている。
【0018】
移動テーブル2を駆動することにより基板保持部3は水平移動し、基板4および基準面3aのいずれかをボンディングツール19に対して位置合わせできるようになっている。ボンディング作業は、基板4をボンディングツール19に位置合わせした状態で行われる。また、摩耗量の計測は、基準面3aをボンディングツール19に位置合わせした状態で行われる。
【0019】
基板保持部3の上方にはカメラ6が水平方向に進退自在に配設されており、カメラ6は基板保持部3の上方に進出して基板4およびボンディングツール19に保持された状態の電子部品5を撮像する。撮像結果は認識部7によって認識され、これにより基板4および電子部品5の位置が検出される。
【0020】
次に図2を参照して加圧部18による押圧機能について説明する。なおここで用いる「高さ位置」は、昇降ブロック13のZ座標上の位置とZ軸モータ16によって昇降ブロック13が下降するZ軸下降量とが対応関係にあることから、Z軸下降量と同義である。
【0021】
図2(a)は昇降ブロック13を高さ位置Z0まで下降させてボンディングツール19の当接部19aの下面(当接面)を基準面3aに当接させた状態を示している。この状態では、当接面は単に基準面3aに接触しているのみであり、押圧荷重は作用していない。この状態から図2(b)に示すように所定の押し込み量dだけ押し込むことにより、すなわち高さ位置Z0から押し込み量dだけ更に昇降ブロック13を下降させた高さ位置Z1(Z0+d)まで押し込むことにより、当接面には押し込み量dに対応した押圧荷重Fが作用する。
【0022】
電子部品の種類に応じたボンディング時の適正押圧荷重Fが設定されると、この押圧荷重Fに対応した押し込み量dが求められる。すなわち、昇降ブロック13を下降させてボンディングツール19によって電子部品5を基板4に押圧する際の下降量の設定時には、上記押し込み量dを加算してZ軸下降量が決定される。
【0023】
ここでは基板保持部3の上面を基準面3aとして用いる例を示しており、実際のボンディング時には、基板4の上面が押し込み量dの起算位置となることから、基板4の厚み分だけZ軸下降量を補正する。なお、基準面として基板4の上面そのものを用いるようにしてもよい。この場合には、上記補正が不要となる。
【0024】
次に制御系について説明する。制御部30は全体制御装置であり、以下に説明する各部を制御するほか、インピーダンス検出結果からボンディングツールの当接を検出する演算や、摩耗量を算出する演算処理を行う。記憶部31は各部の動作・処理を行うためのプログラムやデータを記憶する。このデータにはボンディングヘッド17の高さ位置のデータが含まれる。
【0025】
Z軸モータ駆動部32は、Z軸モータ16を駆動する。記憶部31に記憶された高さ位置のデータに基づいてZ軸モータ駆動部32を制御部30によって制御することにより、ボンディングヘッド17の高さ位置、したがってボンディングツール19の当接部19aの下面の当接面の高さ位置を所定高さ位置に設定することができる。
【0026】
振動子駆動部33はボンディングツール19に振動を付与する振動子20を駆動する。インピーダンス検出部34は振動子20を駆動する際のインピーダンスを検出する。このインピーダンス検出結果はボンディングツール19の当接面が基準面3aに当接したことを検出する当接検知処理に用いられる。インピーダンス検出部34によるインピーダンスの検出方法は、振動子駆動部33の回路構成によって異なる。振動子駆動部33が定電圧回路であればインピーダンス検出部34は振動子に流れる電流をインピーダンスの代用値として計測し、定電圧回路であれば、電圧をインピーダンスの代用値として検出してもよい。また、回路構成に関係なく振動子に流れる電流と電圧の両方を検出してインピーダンスを求める構成であってもよい。
【0027】
テーブル駆動部35は基板保持部3を移動させる移動テーブル2を駆動する。高さ検出部36はリニアスケール21の検出信号に基づいて、昇降ブロック13の高さ位置を検出する。この高さ位置検出結果に基づいて、ボンディングヘッド17の高さ位置が検出される。リニアスケール21および高さ検出部36はボンディングヘッド17の高さ位置を検出する高さ検出手段となっている。
【0028】
この電子部品のボンディング装置は上記の様に構成されており、次に図3、図4を参照してボンディングツールの摩耗量検出について説明する。超音波振動を利用したボンディングにおいては、電子部品を押し付けるボンディングツールの当接面は徐々に摩耗し、図2(a)に示す当接部高さhは累積使用によって短くなる。このため、所定の高さ位置Z1まで昇降ブロック13を下降させても、所定の押し込み量dが確保されず、この結果押圧荷重Fが変化する。ボンディングツールの摩耗量検出は、このような押圧荷重Fの変動を防止するために行われるものである。
【0029】
摩耗量検出に際しては、まず図3(a)に示すフロー図に従って、ボンディングツールの当接検出を行う。まずボンディングツール19の当接部19aが基準面3aに当接していない状態、すなわち空中にて振動子20を発振してボンディングツール19を振動させ、この状態でのインピーダンスをインピーダンス検出部34によって測定し、測定結果を記憶部31に記憶する(ST1)。次いでZ軸モータ16を駆動してZ軸を所定ピッチだけ下降させる(ST2)。そして再び振動子20を発振してインピーダンスを測定し、測定結果を記憶部31に記憶する(ST3)。
【0030】
次にこの測定結果を(ST1)にて測定された空中発振のインピーダンスと比較する(ST4)。このデータの比較演算は制御部30によって行われる。ここで測定結果が(ST1)における空中発振と同程度であれば(ST2)に戻り再度Z軸を下降させて同様のインピーダンス測定を反復する。
【0031】
そして(ST4)において空中発振と違う測定結果が得られたならば、すなわち図4に示すようにインピーダンスが不連続的に増加したことが制御部30の比較演算によって検出されたならば、その状態における高さ検出部36より出力される高さ位置Ztをボンディングツールの当接高さ位置として読み取り(ST5)、この当接高さ位置Ztを記憶部31に記憶させて当接検出を終了する。したがって、制御部30は、インピーダンスの変化に基づいてボンディングツールの当接面の当接を検出する当接検出手段となっている。また制御部30は、当接検出手段によって当接が検出されたときのボンディングヘッドの高さ位置を当接高さ位置として高さ検出手段より読み取る当接高さ位置検出手段として機能する。
【0032】
この当接検出は、超音波振動付与時のボンディングツール19の拘束状態の変化によってインピーダンスが変化することを利用して当接部19aの基準面3aとの当接を検出するものである。このような方法を用いることにより、振動付与手段を既に備えたボンディング装置にあっては何ら機構的な追加を必要とせず、既存機能に単にインピーダンス検出機能を追加するだけで、高精度の当接検出が可能となり、ボンディングツールの摩耗量の管理が容易に行える。
【0033】
次にこの当接検出結果からボンディングツール19の摩耗量を求める方法について説明する。図5(a)に示すように、上記当接検出により求められた当接高さ位置Ztと、図2(a)に示す基準状態における基準高さ位置Z0との差が摩耗量aを示している。この摩耗量aを求める演算は、求められた当接高さ位置Ztと基準高さ位置Z0に基づき制御部30によって行われる。すなわち、インピーダンス検出部34、制御部30(当接検出手段、当接高さ位置検出手段)は、ボンディングツール19の当接面の摩耗量を検出する摩耗量検出手段となっている。なお、ここで基準状態とはボンディングツール19の新品時の状態(設計図面寸法と等しい状態)であると定義してもよいし、また任意の時点を相対的な基準状態と定義してもよい。
【0034】
そして基準高さ位置Z0と当接高さ位置Ztとの差で示される摩耗量aが求められたならば、図5(b)に示すようにボンディング時の高さ位置を図2(b)に示す高さ位置Z1に替えてZ1+aに更新する。すなわち制御部30によってZ軸モータ16を制御する際には、摩耗量aだけZ軸下降量を増加した上で下降動作を行わせる。制御部30は、摩耗量検出結果に基づいてボンディングヘッドの昇降手段を制御する制御手段となっている。
【0035】
これにより、ボンディングツール19の当接部19aの高さが摩耗によってh−aに減少した状態においても加圧部18の押し込み量dが一定に確保され、押圧荷重Fが一定に保たれる。したがって、ボンディング作業においては、電子部品5はボンディングツール19の摩耗状態に関係なく常に適正押圧荷重でボンディングされ、良好なボンディング品質が実現される。
【0036】
【発明の効果】
本発明によれば、ボンディングに先立ってボンディングヘッドに装着され電子部品に超音波振動を伝達するボンディングツールの電子部品との当接面の摩耗量を検出し、この摩耗量検出結果に基づいてボンディングヘッドを昇降させる昇降手段を制御するようにしたので、電子部品をワークに対して所定の押圧力で押圧することができ、ボンディング品質を確保することができる。
【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装置の加圧部の機能を示す説明図
【図3】(a)本発明の一実施の形態のボンディングツールの当接検出のフロー図
(b)本発明の一実施の形態のボンディングツールの当接検出の工程説明図
【図4】本発明の一実施の形態のインピーダンス検出結果を示すグラフ
【図5】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加圧部の機能を示す説明図
【符号の説明】
3 基板保持部
4 基板
5 電子部品
13 昇降ブロック
17 ボンディングヘッド
18 加圧部
19 ボンディングツール
19a 当接部
30 制御部
34 インピーダンス検出部
36 高さ検出部
Claims (2)
- ボンディングヘッドによって電子部品をワークに押圧して超音波振動を印加することにより前記電子部品をボンディングする電子部品のボンディング装置であって、前記ワークを保持するワーク保持部と、前記ボンディングヘッドを昇降させる昇降手段と、このボンディングヘッドの高さ位置を検出する高さ検出手段と、このボンディングヘッドに装着され電子部品に当接する当接面を有するボンディングツールと、このボンディングツールに超音波振動を印加する振動付与手段と、前記当接面を介して電子部品を前記ワークに対して押圧する加圧手段と、ボンディングツールの前記当接面の摩耗量を検出する摩耗量検出手段と、摩耗量検出結果に基づいて前記ボンディングヘッドの昇降手段を制御する制御手段とを備え、前記摩耗量検出手段は、前記振動付与手段駆動時のインピーダンス又はその代用値である電流、電圧を測定するインピーダンス検出部と、インピーダンス又はその代用値である電流、電圧の変化に基づいてボンディングツールの前記当接面が基準面に当接したことを検知する当接検知手段と、この当接検知手段によって当接が検出されたときのボンディングヘッドの高さ位置をボンディングツールの当接高さ位置として高さ検出手段より読み取る当接高さ位置検出手段とを備え、この当接高さ位置から前記当接面の摩耗量を検出することを特徴とするボンディング装置。
- ボンディングヘッドによって電子部品をワークに押圧して超音波振動を印加することにより前記電子部品をボンディングする電子部品のボンディング方法であって、ボンディングに先立って前記ボンディングヘッドに装着されたボンディングツールの電子部品との当接面の摩耗量を検出し、この摩耗量検出結果に基づいてボンディングヘッドを昇降させる昇降手段を制御することにより、電子部品をワークに対して所定の押圧力で押圧するようにし、前記摩耗量を検出する工程において、ボンディングツールの前記当接面を基準面に対して下降させながら振動付与手段を駆動してインピーダンス又はその代用値である電流、電圧を測定し、測定されたインピーダンス又はその代用値である電流、電圧の変化に基づいてボンディングツールの前記当接面が基準面に当接したときのボンディングツールの当接高さ位置を検出し、この当接高さ位置から前記当接面の摩耗量を検出することを特徴とする電子部品のボンディング方法。
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