JP3966217B2 - 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、電子部品などの接合対象物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】
電子部品などの接合対象物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、振動発生源の振動を電子部品に伝達させる細長形状のホーンを有しており、このホーンに設けられた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】
このようなボンディングツールとして、ホーンにヒータを内蔵したものが知られている。これにより、ボンディング時に接合作用部を介して電子部品を加熱することができ、ボンディング効率を向上させることができるという利点がある。従来より、このようなヒータのホーンへ装着方法として、ホーンの長手方向に直交する方向に設けられた装着孔に、棒状のヒータを挿入して固定する方法が用いられていた(たとえば特許文献1参照)。
【0004】
【特許文献1】
特開2000−200961号公報(図3)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで電子部品のボンディングにおいて、安定した接合品質を確保するためには、振動発生源からホーンに伝達される超音波振動の伝播特性を安定させて、電子部品に常に安定した振動を付与することが必要である。しかしながら、このような安定した振動特性が求められるボンディングツールに対し、上述の従来のヒータ装着方法の構成をそのまま適用すると、以下のような問題が生じる。
【0006】
すなわち、従来の構成では、棒状のヒータを装着孔の内部に挿入した状態でヒータをホーンに固定していたため、ヒータは装着孔の内面に常に押し付けられた状態にある。ところが、ヒータを装着孔内面に押し付ける接触圧は必ずしも常に一定でなく、温度変化や締結手段の弛みなどによって変動する場合が多い。このためホーン全体の剛性分布が変動し、安定した振動特性が保たれない場合があった。
【0007】
そこで本発明は、安定した振動特性を実現することができる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。
【0008】
【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装置は、接合対象物に荷重と振動を作用させながらこの接合対象物を被接合面に圧着するボンディング装置であって、前記接合対象物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接合対象物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、前記ホーンから前記第1方向と略直交する第2方向に突出して設けられた凸状部と、この凸状部の端部に設けられ前記接合対象物に当接する接合作用部と、前記ホーンに設けられた装着孔に挿入された加熱手段とを備え、前記加熱手段は、前記装着孔の内面との間に隙間を保って装着される。
【0009】
請求項2記載のボンディングツールは、接合対象物に荷重と振動を作用させながらこの接合対象物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、前記ホーンから前記第1方向と略直交する第2方向に突出して設けられた凸状部と、この凸状部の端部に設けられ前記接合対象物に当接する接合作用部と、前記ホーンに設けられた装着孔に挿入された加熱手段とを備え、前記加熱手段は、前記装着孔の内面との間に隙間を保って装着される。
【0010】
本発明によれば、ホーンに設けられた装着孔に加熱手段を挿入する構成において、加熱手段を装着孔の内面との間に隙間を保って装着することにより、装着状態を常に一定に保ってホーン全体の剛性分布の変動を防止することができ、安定した振動特性を実現することができる。
【0011】
【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は本発明の実施の形態1のボンディング装置の正面図、図2(a)は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2(b)は本発明の実施の形態1のボンディングツールの部分上下反転斜視図、図3は本発明の実施の形態1の電子部品のボンディングツールの正面図である。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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、矩形断面を有する棒状体となっており、ホーン15の一方側の側端部には振動子17が装着されている。なお、矩形断面の高さおよび幅寸法は、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。
【0020】
ホーン15の両側面15bには、それぞれ肉薄のリブ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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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の端部には、接合対象物としての電子部品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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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15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。
【0032】
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。
【0033】
次に、ホーン15に備えられた加熱手段について説明する。図3に示すように、ホーン15の右半部には、円形断面の装着孔15eが長手方向(第1方向)に設けられており、装着孔15eには棒状の加熱手段であるヒータ18が長手方向に沿って挿入されている。ヒータ18を作動させることによりホーン15が加熱され、これにより接合作用面31aを介して電子部品40が加熱される。この加熱により、ボンディング動作において電子部品40の基板46への圧着を短時間で効率よく行うことができる。
【0034】
ホーン15の右端面近傍には、複数のスリット15gが長手方向に直交する水平方向(図3において紙面に垂直方向)に設けられている。ヒータ18を連続して作動させると、ヒータ18から発生した熱はホーン15を伝わって振動子17に伝達され、振動子17を昇温させる。振動子17の昇温は振動特性の変動を招く要因となることから、振動子17への伝熱はできるだけ抑制することが望ましい。このため、本実施の形態に示すホーン15においては、この伝熱方向の振動子17の手前側にスリット15gを設けることにより、ホーン15を介して伝達される熱をスリット15gによって放散して、振動子17への伝熱量を極力少なくするようにしている。
【0035】
次にヒータ18のホーン15への装着方法について説明する。装着孔15eの内径dはヒータ18の外径Dよりも僅かに大きく設定されており、ヒータ18を装着孔15e内に挿入した状態において、ヒータ18の外面と装着孔15eの内面との間に僅かな隙間を保って装着される。すなわち、ヒータ18はホーン15に固着されずに移動可能な状態、すなわちルーズな取り付け状態で装着されるようになっている。
【0036】
ホーン15の端部の装着孔15eの開孔側端部には、ヒータ18の端面との隙間を確保した状態でエンドプレート60がボルト61によって固定されており、ヒータ18が装着孔15eから抜け落ちるのを防止する。すなわち、エンドプレート60は、ヒータ18が装着孔15eから抜け落ちるのを防止する抜け落ち防止手段となっている。
【0037】
このように、ヒータ18の装着をルーズな取り付け状態とすることにより、ヒータ18を装着孔15eの内面に押し付ける接触圧が発生しない。このため温度変化によるホーン15の膨張・収縮が生じた場合においても装着状態が変動することなく、常に一定の装着状態が保たれる。したがって、ボンディング作業を反復して実行する過程においてホーン15全体の剛性分布の変動が発生せず、安定した振動特性が保たれる。
【0038】
またヒータ18はホーン15に固着されないことから、ホーン18には超音波振動が直接伝達されない。このためホーン18には振動に起因する破損が生じにくく、ホーン18の部品寿命を延長することができる。
【0039】
(実施の形態2)
図4は本発明の実施の形態2のボンディングツールの正断面図である。本実施の形態2は、実施の形態1に示すボンディングツール14と同様の外形形状・外形構成を有するボンディングツール141において、実施の形態1のヒータ18と同等または大きいサイズのヒータ18Aを、ホーン151内に略左右対称配置で装着する構成としたものである。
【0040】
図4においてホーン151には、円形断面の装着孔151eが右端面から吸引孔16cの手前側まで長手方向(第1方向)に設けられており、装着孔151eには棒状の加熱手段であるヒータ18Aが長手方向に沿って挿入されている。ヒータ18Aの機能および装着方法は、実施の形態1に示すヒータ18と同様であり、ヒータ18Aの外面と装着孔151eの内面との間に僅かな隙間を保って装着される。ホーン151の右端面近傍には、実施の形態1のスリット15gと同様のスリット151gが設けられている。
【0041】
ヒータ18Aの抜け落ち防止は、装着孔151eの内面にカラー部材62を嵌着し、このカラー部材62をセットボルト63でホーン151に固定することにより行われる。すなわちカラー部材62は、ヒータ18Aが装着孔151eから抜け落ちるのを防止する抜け落ち防止手段となっている。この構成においても、実施の形態1と同様に安定した振動特性を確保する効果を得る。なお、抜け落ち防止の方法として、カラー部材62を嵌着する替わりに、装着孔151e内にボルトを突出させる方法(実施の形態3参照)を用いてもよい。この場合、このボルトが抜け落ち防止手段となる。
【0042】
(実施の形態3)
図5は本発明の実施の形態3のボンディングツールの正断面図である。実施の形態1,2においては、ホーンを長手方向において複数の支持位置で固定支持する両持ち支持型のボンディングツールの例を示したが、本発明は両持ち支持型のボンディングツールに限定されることなく、図5に示すような片持ち型のボンディングツールに対しても適用可能である。
【0043】
図5において片持ち型のボンディングツール142は、実施の形態2に示すボンディングツール141において凸状部30から右側の部分を切除した構成となっており、両持ち型の場合と同様に定在波の節に相当する位置で固定支持され、定在波の腹に相当する位置に接合作用部31が配置された構成となっている。
【0044】
ホーン152には、円形断面の装着孔152eが右端面から吸引孔16cの手前側まで長手方向(第1方向)に設けられており、装着孔152eには棒状の加熱手段であるヒータ18Bが長手方向に沿って挿入されている。ヒータ18Bの機能および装着状態は、実施の形態1に示すヒータ18と同様であり、ヒータ18Bの外面と装着孔152eの内面との間に僅かな隙間を保って装着される。ホーン152の右端面近傍には、実施の形態1のスリット15gと同様のスリット152gが設けられている。
【0045】
ヒータ18Bの抜け落ち防止は、装着孔152e内にボルト64を突出させてストッパとして機能させることによって行われる。すなわちボルト64は、ヒータ18Bが装着孔152eから抜け落ちるのを防止する抜け落ち防止手段となっている。この構成においても、実施の形態1と同様に安定した振動特性を確保する効果を得る。なお、抜け止め防止の方法として、ボルトを用いる替わりに、図3に示すように、エンドプレートをホーン152の開孔側端部に取り付ける方法を用いてもよい。この場合このエンドプレートが抜け落ち防止手段となる。
【0046】
上記説明したように、本発明の各実施の形態に示すボンディングツールにおいては、加熱用のヒータをホーンの長手方向に沿った第1方向に設けられた装着孔に挿入して装着する構成において、ヒータの外面と装着孔の内面との間に僅かな隙間を保って装着するようにしている。これにより、装着状態を常に一定に保ってホーン全体の剛性分布の変動を防止することができ、安定した振動特性を実現することができる。
【0047】
【発明の効果】
本発明によれば、ホーンに設けられた装着孔に加熱手段を挿入する構成において、加熱手段を装着孔の内面との間に隙間を保って装着するようにしたので、装着状態を常に一定に保ってホーン全体の剛性分布の変動を防止することができ、安定した振動特性を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1の電子部品のボンディング装置の正面図
【図2】(a)本発明の実施の形態1の電子部品のボンディングツールの斜視図
(b)本発明の実施の形態1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】本発明の実施の形態1の電子部品のボンディングツールの正面図
【図4】本発明の実施の形態2の電子部品のボンディングツールの正断面図
【図5】本発明の実施の形態3の電子部品のボンディングツールの正断面図
【符号の説明】
14、141,142 ボンディングツール
15、151、152 ホーン
15e,151e、152e 装着孔
17 振動子
18,18A.18B ヒータ
30 凸状部
31 接合作用部
40 電子部品
Claims (2)
- 接合対象物に荷重と振動を作用させながらこの接合対象物を被接合面に圧着するボンディング装置であって、前記接合対象物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接合対象物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、前記ホーンから前記第1方向と略直交する第2方向に突出して設けられた凸状部と、この凸状部の端部に設けられ前記接合対象物に当接する接合作用部と、前記ホーンに設けられた装着孔に挿入された加熱手段とを備え、前記加熱手段は、前記装着孔の内面との間に隙間を保って装着されることを特徴とするボンディング装置。
- 接合対象物に荷重と振動を作用させながらこの接合対象物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、前記ホーンから前記第1方向と略直交する第2方向に突出して設けられた凸状部と、この凸状部の端部に設けられ前記接合対象物に当接する接合作用部と、前記ホーンに設けられた装着孔に挿入された加熱手段とを備え、前記加熱手段は、前記装着孔の内面との間に隙間を保って装着されることを特徴とするボンディングツール。
Priority Applications (6)
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---|---|---|---|
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