JP3788351B2 - 電子部品のボンディング装置および電子部品のボンディングツール - Google Patents

電子部品のボンディング装置および電子部品のボンディングツール Download PDF

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Description

【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電子部品の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、このホーンの接合作用部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。
【０００３】
接合作用部は、一般にホーンの中で最も振幅の大きい腹に相当する部分に、他の電子部品等との干渉を避けるためにホーンから凸出した凸状部の端部に設けられる。そしてこの凸状部にホーンを介して伝達される振動（縦振動）によって曲げ振動が発生し、電子部品との当接面における振幅が拡大され、電子部品がボンディングされるようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、サイズの大きな電子部品に対して上記のボンディングツールを適用する場合には、次のような不都合が生じる。すなわち、上述の凸状部の曲げ振動においては当接面と平行な方向（水平方向）の変位のみならず、当接面に対して直交する方向（上下方向）の変位が発生する。そしてこの変位は、上記接合作用部の電子部品との当接面の幅寸法が大きくなるとともに増大することから、サイズの大きな電子部品を対象とするボンディングツールでは、上記上下方向の変位が無視できない大きさとなる。
【０００５】
この結果、ボンディング過程において電子部品に水平方向の変位のみならず上下方向の荷重が反復して作用し、電子部品にダメージを与える原因となっていた。このように従来のボンディングツールは、振動を有効に利用しようとすると、ボンディング時の部品ダメージを招くおそれがあるという問題点があった。
【０００６】
そこで本発明は、電子部品へのダメージを生じることなく振動を効率よく利用することができる電子部品のボンディング装置および電子部品のボンディングツール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、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、固定部によって両持ち支持された金属材料からなる横長のホーンと、このホーンに対してホーンの長手方向に沿った第１方向に縦振動を付与する振動子と、前記固定部の略中央位置にこのホーンから前記第１方向と略直交する第２方向に凸出して設けられた凸状部と、この凸状部の凸端に設けられ前記電子部品に当接する接合作用部と、前記凸状部の反対側に前記ホーンから凸出し前記ホーンの上下の振動バランスを保つ振動バランス部とを備え、前記ホーンの第１方向に垂直な断面における断面形状・寸法を示す高さ寸法、幅寸法と、前記凸状部の凸出形状・寸法を示す根本幅寸法、凸端幅寸法、凸出高さ寸法との組み合わせにより、前記縦振動に起因して発生するホーンの第２方向の伸縮振動の振動波形の位相が前記縦振動に起因して前記凸状部に発生する曲げ振動の振動波形の位相と同位相になるようにし、前記凸状部の凸出高さ寸法Ｄおよび根本幅寸法Ｂ１と、前記ホーンの高さ寸法Ｈと、前記縦振動の半波長（Ｌ／２）とが、Ｄ＜Ｈ＜Ｂ１＜Ｌ／２の関係を満たし、かつ前記縦振動の周波数が４０ｋＨｚ以上７０ｋＨｚ以下になるようにした。
【０００８】
請求項２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、固定部によって両持ち支持された金属材料からなる横長のホーンと、このホーンに対してホーンの長手方向に沿った第１方向に縦振動を付与する振動子と、前記固定部の略中央位置にこのホーンから前記第１方向と略直交する第２方向に凸出して設けられた凸状部と、この凸状部の凸端に設けられ前記電子部品に当接する接合作用部と、前記凸状部の反対側に前記ホーンから凸出し前記ホーンの上下の振動バランスを保つ振動バランス部とを備え、前記ホーンの第１方向に垂直な断面における断面形状・寸法を示す高さ寸法、幅寸法と、前記凸状部の凸出形状・寸法を示す根本幅寸法、凸端幅寸法、凸出高さ寸法との組み合わせにより、前記縦振動に起因して発生するホーンの第２方向の伸縮振動による前記接合作用部の第１方向に沿った両側端部における変位を、この縦振動に起因して前記凸状部に発生する曲げ振動による前記両側端部の第２方向への変位によって相殺するようにし、前記凸状部の凸出高さ寸法Ｄおよび根本幅寸法Ｂ１と、前記ホーンの高さ寸法Ｈと、前記縦振動の半波長（Ｌ／２）とが、Ｄ＜Ｈ＜Ｂ１＜Ｌ／２の関係を満たし、かつ前記縦振動の周波数が４０ｋＨｚ以上７０ｋＨｚ以下になるようにした。
【０００９】
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電子部品のボンディングツールであって、固定部によって両持ち支持された金属材料からなる横長のホーンと、このホーンに対してホーンの長手方向に沿った第１方向に縦振動を付与する振動子と、前記固定部の略中央位置にこのホーンから前記第１方向と略直交する第２方向に凸出して設けられた凸状部と、この凸状部の凸端に設けられ前記電子部品に当接する接合作用部と、前記凸状部の反対側に前記ホーンから凸出し前記ホーンの上下の振動バランスを保つ振動バランス部とを備え、前記ホーンの第１方向に垂直な断面における断面形状・寸法を示す高さ寸法・幅寸法と、前記凸状部の凸出形状・寸法を示す根本幅寸法、凸端幅寸法、凸出高さ寸法との組み合わせにより、前記縦振動に起因して発生するホーンの第２方向の伸縮振動の振動波形の位相が前記縦振動に起因して前記凸状部に発生する曲げ振動の振動波形の位相と同位相になるようにし、前記凸状部の凸出高さ寸法Ｄおよび根本幅寸法Ｂ１と、前記ホーンの高さ寸法Ｈと、前記縦振動の半波長（Ｌ／２）とが、Ｄ＜Ｈ＜Ｂ１＜Ｌ／２の関係を満たし、かつ前記縦振動の周波数が４０ｋＨｚ以上７０ｋＨｚ以下になるようにした。
【００１０】
請求項４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電子部品のボンディングツールであって、固定部によって両持ち支持された金属材料からなる横長のホーンと、このホーンに対してホーンの長手方向に沿った第１方向に縦振動を付与する振動子と、前記固定部の略中央位置にこのホーンから前記第１方向と略直交する第２方向に凸出して設けられた凸状部と、この凸状部の凸端に設けられ前記電子部品に当接する接合作用部と、前記凸状部の反対側に前記ホーンから凸出し前記ホーンの上下の振動バランスを保つ振動バランス部とを備え、前記ホーンの第１方向に垂直な断面における断面形状・寸法を示す高さ寸法・幅寸法と、前記凸状部の凸出形状・寸法を示す根本幅寸法、凸端幅寸法、凸出高さ寸法との組み合わせにより、前記縦振動に起因して発生するホーンの第２方向の伸縮振動による前記接合作用部の第１方向に沿った両側端部における変位を、この縦振動に起因して前記凸状部に発生する曲げ振動による前記両側端部の第２方向への変位によって相殺するようにし、前記凸状部の凸出高さ寸法Ｄおよび根本幅寸法Ｂ１と、前記ホーンの高さ寸法Ｈと、前記縦振動の半波長（Ｌ／２）とが、Ｄ＜Ｈ＜Ｂ１＜Ｌ／２の関係を満たし、かつ前記縦振動の周波数が４０ｋＨｚ以上７０ｋＨｚ以下になるようにした。
【００１１】
本発明によれば、振動子によってホーンに付与された縦振動に起因するホーンの接合作用部の側端部における第２方向への伸縮変位をこの縦振動に起因する凸状部の曲げ振動による第２方向への変位によって相殺することにより、電子部品に当接する接合作用部の上下方向の変位を極力小さく抑えることができ、電子部品へのダメージを生じることなく振動を効率よく利用することができる。
【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（ａ）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斜視図、図２（ｂ）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凸状部の拡大正面図、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ツールの振動付与時の変形状態の説明図、図６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振動計測の説明図である。
【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４６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。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振動子１７が超音波振動子駆動部５５によって駆動されることにより、ボンディングツール１４には超音波振動が付与される。このとき、ボンディングツール１４の振動は共振状態となっており、振動子１７に印加される電圧と電流の位相差はほぼゼロとなっている。
【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。突部１３ａには吸着パッド１９が設けられており、後述するように吸着パッド１９がホーン１５に当接することにより、吸引装置５６によって電子部品４０の吸着保持ができるようになっている。
【００１９】
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。図２（ａ）はブロック１３から取り外した状態のボンディングツール１４の斜め上方からの斜視図であり、図２（ｂ）は、ボンディングツール１４を上下反転した状態のホーン１５を部分的に示している。また図３は、ボンディングツール１４の正面図とともに、振動子１７によってホーン１５に誘起される定在波振動の振幅のグラフを示している。
【００２０】
図２（ａ）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は金属材料（例えばステンレス、アルミニウム、チタン等）等から成り、高さ寸法Ｈ、幅寸法Ｗの矩形断面を有する棒状体となっており、ホーン１５の１方側の側端部には振動子１７が装着されている。なお、ＨまたはＷは、ホーンの長手方向に沿って寸法を連続的にまたは段階的に変化させてもよい。これにより、振動付与手段によって与えられる振動をホーン１５において拡大・縮小する調整が可能となる。振動子１７を駆動することにより、ホーン１５の長手方向に沿った第１方向（矢印ａ方向）に縦振動が付与される。従って振動子１７は、ホーン１５の長手方向に沿った第１方向に振動を付与する振動付与手段となっている。
【００２１】
ホーン１５の両側面１５ｂには、それぞれリブ１５ｃがホーン１５と一体的に２カ所づつ中心振り分け配置で設けられている。２つのリブ１５ｃの間の寸法は、振動成分を固定することによる振動の減衰を極小にするために、振動子１７によって付与される縦振動の半波長（Ｌ／２）に等しくなるように設定される（図３参照）。なお、当該寸法は振動の減衰が許容できる範囲であればよく、必ずしもＬ／２に等しくなくてもよい。
【００２２】
リブ１５ｃはホーン１５から外側に突出して設けられており、リブ１５ｃに設けられた取付穴１５ｄにボルト（図示省略）を挿入してブロック１３に締結することにより、ホーン１５はブロック１３に両持ち支持状態で固定される。すなわち、４個の（２組の）リブ１５ｃは、ホーン１５をブロック１３に固定する固定部となっている。
【００２３】
このホーン５の固定において、４個のリブ１５ｃをホーン１５の中心点に関して対称に配置していることから、ボンディングツール１４をブロック１３へバランスよく固定することができ、また押圧手段からホーン１５に負荷された荷重をバランスよく支持することができる。なお、リブ１５ｃの個数は４個に限られず、例えばホーン１５の節の上方に２個設けてもよい。要は、ホーン１５に負荷された荷重をバランスよく支持できればよく、この限りにおいてはリブの個数は何個であっても構わない。また取付穴１５ｄにボルトを挿入して締結した状態においてボルトがホーン１５の下面から突出しない構造となっており、ボンディング時に基板上の電子部品などとの干渉を生じることなく固定できるようになっている。
【００２４】
２組（４個）のリブ１５ｃの略中央位置には、凸状部３０が第１方向と直交する第２方向（矢印ｂ方向）に凸出して形成されている。凸状部３０の材質はホーン１５と同じ材質である方がホーン１５と一体的に形成できて望ましいが、異なる材質でもよい。異なる材質の場合は、ホーン１５の材質との、密度、ヤング率およびポアソン比の差を考慮して凸状部３０の形状・寸法を設定する。
【００２５】
凸状部３０の凸端部には、接合対象の電子部品４０に当接する接合作用部３１が設けられている。接合作用部３１に電子部品４０が当接した状態で、ボンディングツール１４に押圧荷重を作用させることにより、電子部品４０のバンプは基板４６に押しつけられる。そしてこの状態で振動子１７を駆動してホーン１５に縦振動を付与することにより、電子部品４０は基板４６に荷重と振動により圧着される。このとき、凸状部３０は４つのリブ１５ｃの中央に位置していることから、大きい押圧荷重を必要とする大型部品を対象とする場合にあっても、均一な押圧状態が実現される。
【００２６】
図２（ｂ）に示すように、接合作用部３１の下面の接合作用面３１ａには、吸着孔３１ｂが開孔している。吸着孔３１ｂは、図３に示すようにホーン１５の内部に形成された吸引路１６ａ，１６ｂを介して、ホーン１５の上面１５ａに開口した吸引孔１６ｃ（図２（ａ）参照）に連通している。
【００２７】
ボンディングツール１４がブロック１３に固定された状態において、突部１３ａに設けられた吸着パッド１９がホーン１５の上面１５ａに当接することにより（図１参照）、吸着孔３１ｂは吸引路１６ａ，１６ｂおよび吸引孔１６ｃを介して吸着パッド１９と連通する。したがって吸着パッド１９に接続された吸引装置５６（図１参照）を駆動してエアを吸引することにより、吸着孔３１ｂから真空吸引し、接合作用面３１ａに電子部品４０を真空吸着して保持することができる。すなわち凸状部３０は、電子部品４０を基板４６に対して押圧すると共に、電子部品４０の上面に当接して電子部品４０を吸着して保持する吸着子としての機能を併せ有している。
【００２８】
またホーン１５の長手方向の凸状部３０の反対側には、凸状部３０とほぼ同一形状で凸出した振動バランス部３２が設けられている。振動バランス部３２の材質はホーン１５と同じ材質である方がホーン１５と一体的に形成できて望ましいが、異なる材質でもよい。異なる材質の場合は、ホーン１５の材質との、密度、ヤング率およびポアソン比の差を考慮して振動バランス部３２の形状・寸法を設定する。振動バランス部３２は、ボンディングツール１４において、主として質量バランスを保つことによりホーン１５の上下の振動バランスを保つために設けられており、ホーンの厚み方向に貫通して設けられた貫通孔３２ａの位置・形状・サイズによってバランス量を調整できるようになっている。この振動バランス部３２により、ホーン１５の振動分布および質量分布は第１方向の中心軸に対してほぼ対称となり、均一な振動伝達が確保される。
【００２９】
次に、ホーン１５の振動特性について説明する。超音波振動子駆動部５５により振動子１７をホーン１５に応じた適切な周波数（ホーン１５を共振状態にする周波数であれば足りるが、望ましくは４０ｋＨｚ以上７０ｋＨｚ以下であって、さらに６０ｋＨｚ程度であると電子部品のボンディング上望ましい。）で駆動してホーン１５に第１方向の縦振動を付与して共振状態を作り出すことにより、ホーン１５には図３のグラフに示すような定在波振動が発生する。すなわちホーン１５の定在波振動において、リブ１５ｃの位置は水平方向の変位がほとんどない節となり、リブ１５ｃの中心に位置する凸状部３０の位置は水平方向の振幅が最大となる腹に相当する。なお、凸状部３０の位置はこの定在波振動の腹の位置に一致していることが望ましいが、ホーン５を固定するリブ１５ｃの略中央に位置している限りにおいては、定在波振動の腹の位置から多少ずれていても良い。
【００３０】
そして凸状部３０の振動は接合作用面３１ａを介して電子部品４０に伝達される。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に付与された縦振動のみならず、後述するようにホーン１５の縦振動によって凸状部３０に誘起される曲げ振動が重畳して伝達される。
【００３１】
次に図４を参照して、凸状部３０の詳細形状について説明する。図４に示すようにホーン１５の下面には、所定の凸出高さ寸法Ｄ、根本幅寸法Ｂ１の凸状部３０が形成されている。凸状部３０は根本幅寸法Ｂ１よりも接合作用部３１が設けられる凸端幅寸法Ｂ２の方が小さい下窄まり形状となっており、凸端幅寸法Ｂ２は接合対象となる電子部品４０のサイズに応じて決定される。
【００３２】
凸状部３０の形状を上記のように下窄まり形状に設定することにより、ボンディング時に凸状部３０と基板４６上の既実装部品との干渉を避けることができる。また、接合作用部３１と凸端幅寸法Ｂ２のみを対象とする電子部品に合わせて加工することにより、基本形状・寸法が共通のボンディングツール１４を、多種類の電子部品に使用することができる。
【００３３】
そして凸出高さ寸法Ｄ、根本幅寸法Ｂ１および凸端幅寸法Ｂ２は、後述するようにホーン１５の高さ寸法Ｈ、幅寸法Ｗとの組み合わせにおいて決定される。本実施の形態に示す寸法設定例では、根本幅寸法Ｂ１は２組（４個）のリブ１５ｃの間に配置されることから、半波長（Ｌ／２）よりも小さくなるように設定される。そして凸状部３０の近傍におけるホーン１５の高さ寸法Ｈとの関連においては、根本幅寸法Ｂ１の方が高さ寸法Ｈよりも大きくなるようにし、さらに高さ寸法Ｈが凸出高さ寸法Ｄよりも大きくなるような寸法設定が選択されている。
【００３４】
凸状部３０の凸端に設けられた接合作用部３１は、対象とする電子部品のサイズに合わせて製作された板状部品を凸状部３０にロウ付け・ボルト締めなどの方法で接合・締結して固定した構成となっている。板状部品の固定方法としてロウ付けにすると強固かつ安定的に固定することができ、ボルト締めを採用するとその着脱を容易に行うことができる。また板状部品の材質として耐摩耗性に優れた硬質の素材（例えば超硬合金）を用いることにより、ボンディングツール１４の部品寿命を延長することができるようになっている。もちろん、電子部品４０に当接する接合作用部３１を凸状部３０と一体に設けても良い。また、接合作用部３１を凸状部３０に対して着脱自在に、さらには凸状部３０をホーン１５本体に対して着脱自在に設けてもよい。これにより摩耗部分のみを交換することができ、ボンディングツール１４の部品寿命をさらに延長することができる。
【００３５】
次に図５を参照して、上記のような形状・寸法の凸状部３０が設けられたボンディングツール１４の振動付与時の変形状態について説明する。図５（ａ）に示すように、２組（４個）のリブ１５ｃによってホーン１５を両持ち支持しこれらの２位置が固定された状態で、ホーン１５の左端に装着された振動子１７を駆動することにより、ホーン１５には相反する矢印ｃ、ｄ方向への変位が交互に反復される縦振動が伝達される。
【００３６】
この振動付与によってホーン１５が水平方向に振動している状態において、振動子１７によって与えられる変位が矢印ｃ方向のように右側への変位であるときには、図５（ｂ）に示すように、ホーン１５は外形としてはホーン１５全体が第１方向に沿って右側にわずかに移動するとともに、ホーン１５の内部では右側と左側で異なった変形挙動を示す。すなわちリブ１５ｃの位置でホーン１５が固定されていることから、ホーン１５の左側半分ではリブ１５ｃの位置に向かって両側から圧縮する方向の変形が、また先端部が自由端となっている右側半分ではリブ１５ｃの位置を両側から引張る方向の変形が生じる。このとき、ホーン１５の中心位置１５ｅは左側へ変位し、したがって接合作用部３１は左側へ水平変位している。
【００３７】
このホーン１５に生じる第１方向の圧縮変形、引張り変形により、第１方向と直交する第２方向には、ホーン１５の材質に固有のポアソン比に応じた伸縮変位を生じる。この第２方向の伸縮変位は、ホーン１５の中心位置においては変位がほぼゼロで、ホーン１５の固定位置であるリブ１５ｃの位置で伸縮変位が最大になるような分布となる。これにより接合作用部３１の第１方向に沿った両側端部（図５（ａ）に示すＡ点、Ｂ点）に対応する位置において、圧縮・引張りの方向が常に反対の伸縮変位ΔＨ（ａ）、ΔＨ（ｂ）が生じる。
【００３８】
そして、振動子１７からホーン１５に付与される振動変位の方向が逆転することにより、伸縮変位ΔＨ（ａ）、ΔＨ（ｂ）の方向も逆転する。すなわち、振動子１７によってホーン１５に付与される縦振動に起因して、ホーン１５には第２方向の伸縮振動が発生する。なお、ホーン１５の対称性が保たれている場合には、伸縮変位ΔＨ（ａ）、ΔＨ（ｂ）の絶対値の大きさはほぼ等しくなる。
【００３９】
図５（ｃ）は、この縦振動によって凸状部３０に誘起される曲げ振動による変位を示している。図５（ｂ）に示すタイミングは前述のようにホーン１５の中心位置１５ｅが縦振動によって左側へ変位した状態であり、このとき中心位置１５ｅにはこの変位を反対方向に引き戻す方向（右側方向）の加速度（矢印ｅ）が作用している。そしてこの右側方向の加速度が与えられることにより、凸状部３０とホーン１５との間には、ホーン１５への加速度方向と反対側への慣性力（矢印ｆ）およびｆと反対方向（右側方向）への復元力が作用する。なお復元力は凸状部３０の変形によって生じる。
【００４０】
この慣性力と復元力により、凸状部３０には曲げモーメントＭが作用し、凸状部３０の下面を図５（ｃ）のように変位させるような曲げ変形が発生する。そしてホーン１５の縦振動による交番加速度が作用することにより、この慣性力と復元力は縦振動と同一の振動周波数で凸状部３０に作用し、凸状部３０に強制振動を誘起する起振力となる。
【００４１】
すなわち、振動子１７によってホーン１５に付与される縦振動に起因して、凸状部３０には上記起振力が作用する。そしてこの起振力によって凸状部３０はホーン１５に固定端を有し接合作用部３１を自由端とする片持ち梁としての振動特性で振動し、ホーン１５から伝達される振動によって誘起された曲げ振動により自由端が振動する。これにより、凸状部３０の接合作用部３１には、ホーン１５の長手方向に沿う第１方向の変位のみならず、第１方向と直交する第２方向の変位を有する振動が誘起され、前述の側端部Ａ，Ｂには、上下方向の変位ΔＤ（ａ）、ΔＤ（ｂ）が生じる。
【００４２】
ここで、図４に示すように凸出高さ寸法Ｄは、根本幅寸法Ｂ１と比べて小さくなるように凸状部３０の凸出形状・寸法が設定されていることから、凸状部３０の曲げ振動の固有振動数は極めて高い。したがって振動子１７によって与えられる起振力によって凸状部３０に誘起される曲げ振動（強制振動）においては、凸状部３０は振動子１７の縦振動に同期した振動挙動を示す。
【００４３】
このため、ホーン１５の縦振動に起因して発生する第２方向への伸縮振動の振動波形の位相は、この縦振動に起因して凸状部３０に発生する曲げ振動の振動波形の位相と常に同位相（図６に示す矢印ｖ１，ｖ２方向を正の方向として位相を比較した場合）とすることが可能となる。すなわち、図５（ｂ）、（ｃ）にそれぞれ示す変形は、常に同期して発生する。従って、振動子１７を駆動してホーン１５の振動が定常状態にあるときの接合作用部３１の変形状態は、図５（ｄ）に示すように、図５（ｂ）、（ｃ）を重ね合わせた変形状態で表される。
【００４４】
そしてホーン１５に発生する伸縮変位ΔＨ（ａ）、ΔＨ（ｂ）と、凸状部３０の曲げ振動による変位ΔＤ（ａ）、ΔＤ（ｂ）は、接合作用部３０の側端部Ａ，Ｂにおいて常に相互に相殺する方向に発生することから、図５（ｄ）に示すように、ボンディング時の接合作用面３１ａの上下方向（第２方向）の変位は、大幅に低減される。
【００４５】
この上下方向の変位は、ボンディング時に超音波接合に寄与しないのみならず、電子部品に対して垂直に作用しダメージ発生の要因となるが、上述のように縦振動に起因して発生するホーン１５の上下方向の伸縮振動による側端部Ａ，Ｂにおける変位を、この縦振動に起因して凸状部３０に発生する曲げ振動による側端部Ａ，Ｂの上下方向の変位によって相殺することにより、上下方向の変位を極小にすることができる。したがってボンディング時の電子部品へのダメージを防止するとともに、振動子１７の振動を有効に利用することができる。
【００４６】
ここで、ボンディングツール１４の各部形状・寸法を決定する際には、前述のホーン１５の伸縮変位ΔＨ（ａ）、ΔＨ（ｂ）や、曲げ振動による凸状部３０の変位ΔＤ（ａ）、ΔＤ（ｂ）の大きさを定量的に評価した上で細部設定を行うことが望ましい。これにより、接合作用面３１ａの上下方向の変位低減目的をより効果的に達成することが可能となる。
【００４７】
振動子１７により付与される振動変位によって生じる伸縮変位は、振動強度が一定ならばホーン１５の第１方向に垂直な断面の断面積（高さ寸法Ｈ×幅寸法Ｗ）によって決定される。また凸状部３０の曲げによる変位は、曲げモーメントＭの大きさ（凸状部３０に作用する慣性力の大きさと慣性力の合力が作用する作用点位置によって決定される）や凸状部３０の力学的剛性に依存し、いずれも凸状部３０の凸出形状・寸法・材質によって決定される。
【００４８】
したがって、ホーン１５の第１方向に垂直な断面におけるホーン１５の断面形状・寸法を示す高さ寸法Ｈ、幅寸法Ｗと、凸状部３０の凸出形状・寸法を示す根本幅寸法Ｂ１、凸端幅寸法Ｂ２、凸出高さ寸法Ｄとの組み合わせを適切に設定することにより、ホーン１５の縦振動に起因して発生する第２方向への伸縮振動の振動波形の位相を、この縦振動に起因して凸状部３０に発生する曲げ振動の振動波形の位相と常に同位相にすることができ、かつ伸縮振動による側端部Ａ，Ｂに対応する位置における伸縮変位ΔＨ（ａ）、ΔＨ（ｂ）の絶対値と、曲げ振動による側端部Ａ，Ｂにおける曲げ振動による変位ΔＤ（ａ）、ΔＤ（ｂ）の絶対値とが、対応する各位置においてそれぞれ略等しくなるようにすることができる。したがって、前述の伸縮振動による変位を曲げ振動による変位によって相殺する際に、相反対方向の変位によってほぼ完全に上下方向の変位をうち消すことができ、より効果的な相殺結果を得ることができる。
【００４９】
上記各部形状・寸法と、ΔＨ（ａ）、ΔＨ（ｂ）、ΔＤ（ａ）、ΔＤ（ｂ）の相関関係を求めるには、有限要素法などの数値解析手法と、実物のボンディングツールの変位を計測して得られた実測結果を参照する方法とを組み合わせることが望ましい。このような詳細な形状・寸法設定を行うことにより、接合作用面３１ａの上下方向の変位がほとんどない理想的な水平振動を得ることができる。
【００５０】
次に図６を参照して、上述のような形状・寸法設定がなされたボンディングツール１４の振動状態を実測した結果について説明する。図６に示すように、ホーン１５に縦振動を付与した状態において、ホーン１５の下面の凸状部３０の根本近傍の上下方向の振動（ｖ１）と、接合作用部３１の側端部における水平方向の振動（ｖ２）および上下方向の振動（ｖ３）を計測対象とした。
【００５１】
この振動計測ではレーザ振動計を用い、上述の３計測位置にレーザを照射して、振動状態を示す波形を取得した。そしてこれらの波形を、基準波形（ここではホーン１５へ振動を付与する振動子１７の印加電圧を基準波形として用いる）と比較することにより、各計測対象部位の振動の振動波形の位相を比較することができる。この振動計測によれば、ｖ１とｖ２の振動の振動波形は同位相であること、すなわち、ｖ１方向およびｖ２方向をそれぞれ正方向として同一次元の振動波形の位相（すなわち振動の速度波形同士または振動変位波形同士の位相）を比較した場合において同位相であることが確認された。また、ｖ２とｖ３の振動波形を比較した結果、ｖ３の振幅はｖ２の振幅の１０％以下であり、接合作用部３１の上下方向の変位が大幅に低減されていることが確認された。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば、振動子によってホーンに付与された縦振動に起因するホーンの接合作用部の側端部における第２方向への伸縮変位をこの縦振動に起因する凸状部の曲げ振動による第２方向への変位によって相殺することにより、電子部品に当接する接合作用部の上下方向の変位を極力小さく抑えることができ、電子部品へのダメージを生じることなく振動を効率よく利用することができる。
【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】（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斜視図
（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部分上下反転斜視図
【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凸状部の拡大正面図
【図５】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振動付与時の変形状態の説明図
【図６】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振動計測の説明図
【符号の説明】
１４ ボンディングツール
１５ ホーン
１５ｃ リブ
１７ 振動子
３０ 凸状部
３１ 接合作用部
４０ 電子部品
４６ 基板

Claims (4)

  1. 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、固定部によって両持ち支持された金属材料からなる横長のホーンと、このホーンに対してホーンの長手方向に沿った第１方向に縦振動を付与する振動子と、前記固定部の略中央位置にこのホーンから前記第１方向と略直交する第２方向に凸出して設けられた凸状部と、この凸状部の凸端に設けられ前記電子部品に当接する接合作用部と、前記凸状部の反対側に前記ホーンから凸出し前記ホーンの上下の振動バランスを保つ振動バランス部とを備え、
    前記ホーンの第１方向に垂直な断面における断面形状・寸法を示す高さ寸法、幅寸法と、前記凸状部の凸出形状・寸法を示す根本幅寸法、凸端幅寸法、凸出高さ寸法との組み合わせにより、前記縦振動に起因して発生するホーンの第２方向の伸縮振動の振動波形の位相が前記縦振動に起因して前記凸状部に発生する曲げ振動の振動波形の位相と同位相になるようにし、前記凸状部の凸出高さ寸法Ｄおよび根本幅寸法Ｂ１と、前記ホーンの高さ寸法Ｈと、前記縦振動の半波長（Ｌ／２）とが、Ｄ＜Ｈ＜Ｂ１＜Ｌ／２の関係を満たし、かつ前記縦振動の周波数が４０ｋＨｚ以上７０ｋＨｚ以下になるようにしたことを特徴とする電子部品のボンディング装置。
  2. 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、固定部によって両持ち支持された金属材料からなる横長のホーンと、このホーンに対してホーンの長手方向に沿った第１方向に縦振動を付与する振動子と、前記固定部の略中央位置にこのホーンから前記第１方向と略直交する第２方向に凸出して設けられた凸状部と、この凸状部の凸端に設けられ前記電子部品に当接する接合作用部と、前記凸状部の反対側に前記ホーンから凸出し前記ホーンの上下の振動バランスを保つ振動バランス部とを備え、
    前記ホーンの第１方向に垂直な断面における断面形状・寸法を示す高さ寸法、幅寸法と、前記凸状部の凸出形状・寸法を示す根本幅寸法、凸端幅寸法、凸出高さ寸法との組み合わせにより、前記縦振動に起因して発生するホーンの第２方向の伸縮振動による前記接合作用部の第１方向に沿った両側端部における変位を、この縦振動に起因して前記凸状部に発生する曲げ振動による前記両側端部の第２方向への変位によって相殺するようにし、前記凸状部の凸出高さ寸法Ｄおよび根本幅寸法Ｂ１と、前記ホーンの高さ寸法Ｈと、前記縦振動の半波長（Ｌ／２）とが、Ｄ＜Ｈ＜Ｂ１＜Ｌ／２の関係を満たし、かつ前記縦振動の周波数が４０ｋＨｚ以上７０ｋＨｚ以下になるようにしたことを特徴とする電子部品のボンディング装置。
  3. 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ツールであって、固定部によって両持ち支持された金属材料からなる横長のホーンと、このホーンに対してホーンの長手方向に沿った第１方向に縦振動を付与する振動子と、前記固定部の略中央位置にこのホーンから前記第１方向と略直交する第２方向に凸出して設けられた凸状部と、この凸状部の凸端に設けられ前記電子部品に当接する接合作用部と、前記凸状部の反対側に前記ホーンから凸出し前記ホーンの上下の振動バランスを保つ振動バランス部とを備え、
    前記ホーンの第１方向に垂直な断面における断面形状・寸法を示す高さ寸法・幅寸法と、前記凸状部の凸出形状・寸法を示す根本幅寸法、凸端幅寸法、凸出高さ寸法との組み合わせにより、前記縦振動に起因して発生するホーンの第２方向の伸縮振動の振動波形の位相が前記縦振動に起因して前記凸状部に発生する曲げ振動の振動波形の位相と同位相になるようにし、前記凸状部の凸出高さ寸法Ｄおよび根本幅寸法Ｂ１と、前記ホーンの高さ寸法Ｈと、前記縦振動の半波長（Ｌ／２）とが、Ｄ＜Ｈ＜Ｂ１＜Ｌ／２の関係を満たし、かつ前記縦振動の周波数が４０ｋＨｚ以上７０ｋＨｚ以下になるようにしたことを特徴とする電子部品のボンディングツール。
  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ツールであって、固定部によって両持ち支持された金属材料からなる横長のホーンと、このホーンに対してホーンの長手方向に沿った第１方向に縦振動を付与する振動子と、前記固定部の略中央位置にこのホーンから前記第１方向と略直交する第２方向に凸出して設けられた凸状部と、この凸状部の凸端に設けられ前記電子部品に当接する接合作用部と、前記凸状部の反対側に前記ホーンから凸出し前記ホーンの上下の振動バランスを保つ振動バランス部とを備え、
    前記ホーンの第１方向に垂直な断面における断面形状・寸法を示す高さ寸法・幅寸法と、前記凸状部の凸出形状・寸法を示す根本幅寸法、凸端幅寸法、凸出高さ寸法との組み合わせにより、前記縦振動に起因して発生するホーンの第２方向の伸縮振動による前記接合作用部の第１方向に沿った両側端部における変位を、この縦振動に起因して前記凸状部に発生する曲げ振動による前記両側端部の第２方向への変位によって相殺するようにし、前記凸状部の凸出高さ寸法Ｄおよび根本幅寸法Ｂ１と、前記ホーンの高さ寸法Ｈと、前記縦振動の半波長（Ｌ／２）とが、Ｄ＜Ｈ＜Ｂ１＜Ｌ／２の関係を満たし、かつ前記縦振動の周波数が４０ｋＨｚ以上７０ｋＨｚ以下になるようにしたことを特徴とする電子部品のボンディングツール。
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