JP4144551B2 - 電子部品のボンディングツールおよびボンディング装置 - Google Patents

Description

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ツールおよびボンディング装置に関するものである。

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。

従来、電子部品を超音波圧接するためのホーンとしては、ワイヤボンディング装置に用いられるホーンと同様のホーンが用いられている。この種のホーンは片持ち構造であって、その先端自由端部に圧着子を保持しており、この圧着子で超音波圧接を行うようになっている。

しかしながら従来のホーンは片持ち構造であるため振動状態が不安定であり、安定したボンディングを行いにくいものであった。また圧着子もホーンの先端自由端部に保持されているため振動状態が不安定であった。また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、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圧着子はホーンに着脱して交換せねばならないが、この交換は簡単・迅速に行える必要があり、また圧着子を交換しても圧着子の振動特性が変らないことが肝要である。

したがって本発明は、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ツールおよびボンディング装置を提供することを目的とする。また圧着子の交換を簡単・迅速に行うことができ、更には圧着子を交換しても圧着子の振動特性が変りにくい電子部品のボンディングツールおよびボンディング装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の電子部品のボンディングツールは、荷重と振動を電子部品に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、吸着孔を有し前記ホーンに着脱自在に装着された圧着子と、前記ホーンに形成され前記吸着孔に連通する吸引孔と、前記圧着子を中心として平面視して対称に突設された装着部と、前記圧着子を前記ホーンに弾性的に押圧して固定する固定手段とを備えた。

請求項２記載の電子部品のボンディングツールは、請求項１記載の電子部品のボンディングツールであって、前記圧着子が下方に向って先細状のテーパ状側面を有し、このテーパ状側面に弾性材より成る当接子を当接させた状態でこの当接子を前記ホーンに締結固着することにより前記圧着子を前記ホーンに弾性的に押圧して固定する。

請求項３記載の電子部品のボンディング装置は、ボンディングツールにより荷重と振動を電子部品に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装置であって、前記ボンディングツールが、横長のホーンとこのホーンに振動を付与する振動子と、吸着孔を有し前記ホーンに着脱自在に装着された圧着子と、前記ホーンに形成され前記吸着孔に連通する吸引孔と、前記圧着子を中心として平面視して対称に突設された装着部と、前記圧着子を前記ホーンに弾性的に押圧して固定する固定手段とを備えた。

請求項４記載の電子部品のボンディング装置は、請求項３記載の電子部品のボンディング装置であって、前記圧着子が下方に向って先細状のテーパ状側面を有し、このテーパ状側面に弾性材より成る当接子を当接させた状態でこの当接子を前記ホーンに締結固着することにより前記圧着子を前記ホーンに弾性的に押圧して固定する。

本発明によれば、ホーンに着脱自在に装着された圧着子と、ホーンに形成され吸着孔に連通する吸引孔と、圧着子を中心として平面視して対称に突設された装着部と、圧着子をホーンに弾性的に押圧して固定する固定手段とを備えたことにより、圧着子の交換を迅速に行え、安定した固着状態をおよび振動特性を保持することができる。

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上下反転斜視図、図３（ａ）は同電子部品のボンディングツールの正面図、図３（ｂ）は同電子部品のボンディングツールの下面図、図３（ｃ）は同電子部品のボンディングツールの分解状態の正面図、図４、図５は同電子部品のボンディングツールの部分断面図である。

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。

図１において、被接合面としての基板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。

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。そしてこの観察結果により電子部品４０と基板４６の相対的な位置ずれを検出する。検出された位置ずれは、テーブル４８を駆動して基板４６をＸ方向やＹ方向へ水平移動させることにより補正し、これにより電子部品４０と基板４６の位置合わせがなされる。

図１において、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を制御し、またテーブル制御部５２を介してテーブル４８を制御し、また認識部５３を介してカメラ４２に接続され、また吸引装置５６が接続されている。また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。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。

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。

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）が下方へ突設されており、吸着部３０から等距離隔てられた４ヶ所にリブ１５ｂ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１５ｂ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１５ｂに形成された貫通孔２０にねじ１８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１５ｂ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。

図３（ｃ）に示すように、吸着部３０は上端部に設けられた突部３３の上面をホーン１５に設けられた凹部３４の底面に当接させ、当接子３７をボルト３９によってホーン１５のボルト孔３５に締結することによりホーン１５に着脱自在に装着されるようになっている。当接子３７はピン孔３６に挿入固定される位置決めピン３８によって位置決めされる。

図４は吸着部３０をホーン１５に装着した状態を示している。吸着部３０は下方に向って次第に幅狭となる先細状であり、その両側面は傾斜の異る２つのテーパ面３１Ａ，３１Ｂとなっている。当接子３７の内端面はテーパ面３１Ａと対応した傾斜を有しており、ボルト３９によって当接子３７をホーン１５側へ締結することにより、当接子３７はテーパ面３１Ａに当接して吸着部３０をホーン１５に押し付ける。このとき、ボルト３９の締結力により機械構造用の合金鋼やステンレス鋼などの弾性材より成る当接子３７は弾性的な変形を生じ、この変形により常に安定した押圧力でテーパ面３１Ａをホーン１５側へ押し付ける。すなわち当接子３７は、吸着部３０をホーン１５に弾性的に押圧して固定する固定手段となっている。

この押圧状態において、吸着部３０の上面とホーン１５の下面にはわずかな隙間ｃが設定されているので押圧力は突部３３に集中的に作用し、突部３３の上面は凹部３４の底面に対して十分な面圧を以て押圧される。したがってホーン１５の振動は吸着部３０に対して良好に伝達され、安定した固着状態および振動特性を保持することが出来る。

なお、固定手段として当接子３７のような吸着部３０とは独立した別部品を用いる替りに、図５に示すようなフランジ部３０’ａが一体的に設けられた吸着部３０’を用いてもよい。この方法では、ボルト３９によってフランジ部３０’ａをホーン１５に押し付けることによる変形でフランジ部３０’ａの基部に発生するせん断力や曲げモーメントなどの弾性力によって吸着部３０’はホーン１５に対して押し付けられる。すなわちこの例では、フランジ部３０’ａが吸着部３０’をホーン１５に弾性的に固定する固定手段となっている。

またホーン１５の両側面を吸着部３０へ向って次第に幅狭となるテーパ面１５ａとすることにより、振動子１７の振動を効率よく集中的に吸着部３０に付与することができ、また吸着部３０を下方へ向って先細状とすることにより、吸着部３０の振動を安定的なものとし、かつその下面に吸着された電子部品４０に振動を集中的に強く付与できる。このように吸着部３０は下方へ向って先細状とすることが電子部品４０への振動付与上望ましい。吸着部３０を先細状とする形状としては、テーパ面３１以外にも、例えば階段状に先細状としてもよい。

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。図３（ｃ）において、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。

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（ｂ）に示すように、ホーン１５の形状は両端部からテーパ面１５ａを経てセンターの方向に順次幅が絞られた形状となっており、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る。

次に、振動子１７によってホーン１５に励起される振動のモードについて説明する。図３（ａ）に示すように、ホーン１５に励起される振動の定在波Ａは、振動子１７の装着面およびホーン１５の中央に位置する吸着部３０の位置を定在波の腹とし、ホーン１５をブロック１３に固定する固定部としてのリブ１５ｂおよび吸引孔１６ｂの位置が定在波の節となるような形となっている。すなわちホーン１５各部の形状寸法、質量分布を適切に設定することにより、このような定在波をホーン１５に発生させることができる。

従って、装着部であるリブ１５ｂは、ホーン１５の振動の定在波の腹に相当する位置である吸着部３０からホーン１５の両端側の方向へ等距離隔てられた定在波の節に相当する位置に設けられている。これによりボンディングツール１４をブロック１３に固定し、シリンダ４の押圧力を定在波の節に相当する位置を介してホーン１５に伝達するリブ１５ｂの位置ではホーン１５の縦振動による変位は極小となり、また電子部品４０を保持する吸着部３０の位置では極大の振幅を得ることとなり、超音波振動を電子部品４０のボンディングに最も有効に利用することができる。

本発明によれば、ホーンに着脱自在に装着された圧着子と、ホーンに形成され吸着孔に連通する吸引孔と、圧着子を中心として平面視して対称に突設された装着部と、圧着子をホーンに弾性的に押圧して固定する固定手段とを備えたことにより、圧着子の交換を迅速に行えるとともに、安定した固着状態をおよび振動特性を保持することができ、電子部品のボンディングツールおよびボンディング装置として有用である。

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 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 （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正面図（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下面図（ｃ）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分解状態の正面図 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 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
１７ 振動子
３０ 吸着部
３０ａ 吸着孔
３７ 当接子
４０ 電子部品

Claims (4)

1. 荷重と振動を電子部品に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、吸着孔を有し前記ホーンに着脱自在に装着された圧着子と、前記ホーンに形成され前記吸着孔に連通する吸引孔と、前記圧着子を中心として平面視して対称に突設された装着部と、前記圧着子を前記ホーンに弾性的に押圧して固定する固定手段とを備えたことを特徴とする電子部品のボンディングツール。
2. 前記圧着子が下方に向って先細状のテーパ状側面を有し、このテーパ状側面に弾性材より成る当接子を当接させた状態でこの当接子を前記ホーンに締結固着することにより前記圧着子を前記ホーンに弾性的に押圧して固定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ツール。
3. ボンディングツールにより荷重と振動を電子部品に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装置であって、前記ボンディングツールが、横長のホーンとこのホーンに振動を付与する振動子と、吸着孔を有し前記ホーンに着脱自在に装着された圧着子と、前記ホーンに形成され前記吸着孔に連通する吸引孔と、前記圧着子を中心として平面視して対称に突設された装着部と、前記圧着子を前記ホーンに弾性的に押圧して固定する固定手段とを備えたことを特徴とする電子部品のボンディング装置。
4. 前記圧着子が下方に向って先細状のテーパ状側面を有し、このテーパ状側面に弾性材より成る当接子を当接させた状態でこの当接子を前記ホーンに締結固着することにより前記圧着子を前記ホーンに弾性的に押圧して固定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装置。
   

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