JP4305270B2 - 部品接合装置および部品接合ツールならびに部品接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子部品などの部品を基板に接合する部品接合装置および部品接合ツールならびに部品接合方法に関するものである。

電子部品を基板に実装する方法として、超音波接合による方法が知られている。この方法によって電子部品を実装する場合には、電子部品を基板に設けられた電極に押圧しながら電子部品に超音波振動を印加し、電子部品と電極との接触面を相互に摩擦させることにより接触面が接合される。基板に実装される電子部品の種類・形状には様々なバリエーションがあり、従来サイズの電子部品に加えて、一方向側の寸法が従来サイズよりも大きい長尺部品などの大型部品が超音波接合の対象とされるようになってきている。このため、対象とする電子部品に応じた形状・サイズの接合作用部を備えた部品接合ツールが用いられるようになっており、長尺部品を対象とする例では、部品の長手方向の寸法に応じた接合作用部を備えた部品接合ツールが提案されている（例えば特許文献１）。
特開２００３−５９９７６号公報

しかしながら、上述の長尺部品を対象とした部品接合用ツールを用いる場合には、接合作用部がツール本体のホーンの幅方向側面から両側に張り出した形状となり、この張り出し範囲では接合作用部は片持ち支持状態となる。このため、部品接合用ツールを介して電子部品を基板に対して押圧して超音波振動を印加した状態において、接合作用部において片持ち支持状態の両端部は荷重と振動によって上向きの変形や不均一な振動を生じ、正常な接合を妨げる場合があった。

そこで本発明は、大型部品を対象とした場合であっても安定した接合を行うことができる部品接合装置および部品接合ツールを提供することを目的とする。

本発明の部品接合装置は、部品に荷重と振動を作用させることによりこの部品を基板に接合する部品接合装置であって、前記部品に当接する当接面が設けられた部品接合ツールと、この部品接合ツールを介して前記部品を押圧する押圧手段とを備え、前記部品接合ツールは、前記当接面が設けられたホーンと、前記ホーンに結合され、同期して振動する複数の振動子とを有し、前記複数の振動子は、それぞれの軸線が前記ホーンの軸線方向に向くとともにそれぞれの軸線が異なる位置となるように配列されている。

本発明の部品接合ツールは、部品に荷重と振動を作用させることによりこの部品を基板に接合する部品接合ツールであって、前記部品と当接する当接面と、前記当接面を有するホーンと、前記ホーンに結合され、同期して振動する複数の振動子とを有し、前記複数の振動子は、それぞれの軸線が前記ホーンの軸線方向に向くとともにそれぞれの軸線が異なる位置となるように配列されている。

本発明の部品接合方法は、部品に荷重と振動を作用させることによりこの部品を基板に接合する部品接合方法であって、前記部品に複数の当接面を当接させ、前記複数の当接面と同数の振動子を同期させながら振動させて複数の当接面の配列方向に略直交する方向から該当接面に振動を付与する。

本発明によれば、部品接合ツールを、部品に当接する当接面が設けられた振動伝達部材に軸線位置を互いに異にして並列に結合された複数の振動子を備えた構成とし、これらの振動子を同期させて振動させることにより、大型部品を対象とした場合にあっても安定した接合を行うことができる。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１の部品接合装置の正面図、図２は本発明の実施の形態１の部品接合ツールの正面図、図３、図４は本発明の実施の形態１の部品接合ツールの下面図である。

まず図１、図２を参照して、部品接合装置としての超音波ボンディング装置の構造を説明する。図１において、位置決めテーブル１の上面に設けられた基板保持部２には、基板３が保持されている。基板３には半導体チップ４が、超音波ボンディングにより接合される。半導体チップ４は長辺寸法（紙面垂直方向寸法）が短辺寸法（紙面左右方向寸法）に比べて大きい長尺形状の部品である。

位置決めテーブル１の上方にはボンディング機構が配設されている。ボンディング機構は、昇降押圧機構５によって昇降動作を行う昇降ブロック６の下面に、部品接合ツール７を装着して構成されている。部品接合ツール７は棒状部材であるホーン８を主体としており、ホーン８の１方側の端部には振動子１１が装着されている。振動子１１を駆動することにより、ホーン８には超音波振動が付与される。なお後述するように、本実施の形態においては、長尺の半導体チップ４を対象とすることから、部品接合ツール７には複数の振動子１１が装着されている。

ホーン８の下面８ａの中央部には突部９が設けられており、突部９の下面には接合作用部１０が固着されている。接合作用部１０の下面はボンディング対象の半導体チップ４に当接する当接面１０ａとなっており、当接面１０ａは、半導体チップ４の形状に対応した長尺形状となっている。すなわち、部品接合ツール７の下面には、半導体チップ４に当接する当接面が設けられている。なお当接面１０ａは、ホーン８の定在波振動の腹に相当する位置に設けられている。

図２に示すように、ホーン８の内部には吸引孔８ｂが設けられており、吸引孔８ｂは当接面１０ａに設けられた吸着孔１０ｂ（図３参照）に連通している。図１に示すように、吸引孔８ｂはホーン８の上面に当接した吸着パッド１２を介して真空吸引源１３に接続されている。真空吸引源１３を駆動することにより吸着孔１０ｂから真空吸引し、当接面１０ａに当接した半導体チップ４を真空吸着により保持する。

図２、図３に示すように、ホーン８の幅方向側面８ｄには固定用のリブ８ｃが両方の幅方向側面８ｄから外側に突出して設けられており、リブ８ｃに開孔された装着孔にボルト（図示省略）を挿通させて昇降ブロック６に締結することにより、部品接合ツール７は昇降ブロック６に両持支持状態で着脱自在に装着される。

部品接合ツール７の当接面１０ａに半導体チップ４を保持させた状態で、昇降押圧機構５によって部品接合ツール７を下降させることにより、半導体チップ４は基板３に対して押圧される。この状態で振動子１１を駆動することにより半導体チップ４にはボーン８および接合作用部１０を介して荷重と振動が作用し、これにより半導体チップ４は基板３に接合される。したがって、昇降押圧機構５は部品接合ツール７を介して半導体チップ４を基板３に押圧する押圧手段となっている。またホーン８は、振動子１１の振動を当接面１０ａに当接した半導体チップ４に伝達する振動伝達部材となっている。

次に図２、図３を参照して部品接合ツール７の構造について説明する。図２に示すように、ホーン８の下面８ａには中央部から下方に突出した突部９が設けられている。突部９の下面には接合作用部１０がロウ付けやボルト締結などにより固着されている。すなわち棒状部材であるホーン８は、下面に当接面１０ａを有する接合作用部１０が設けられた形態となっている。なお、上記実施の形態では突部９の下面に接合作用部１０を固着しているが、接合作用部１０を突部９と一体に設けてもよい。またホーン８の上面に中央部から上方に突出した振動バランス部（図示せず）を設けて、突部９との振動のバランスをとってもよい。

図３はホーン８の下面を示している。前述のように、半導体チップ４は長尺部品であるため、部品接合ツール７によって半導体チップ４をボンディングする際には、接合作用部を半導体チップ４の長手方向に必要十分な当接幅で当接させて押圧することが求められる。このため、本実施の形態に示す部品接合ツール７においては、図３に示すように、ホーン８の幅寸法を半導体チップ４の長手方向寸法に応じて通常のツール幅よりも広い幅Ｂ１に設定するようにしている。

そして突部９の下面に当接面１０ａの高さが等しい２個の接合作用部１０を幅方向に直列配置して、半導体チップ４に対して必要十分な当接幅で接合作用部１０を当接させるようにしている。すなわち本実施の形態においては、当接面１０ａは、略同一平面内に位置する複数の面となっている。吸着孔１０ｂは、それぞれの接合作用部１０に個別に設けられており、吸着孔１０ｂから真空吸引することにより、半導体チップ４は当接面１０ａに吸着保持される。

ここで、部品接合ツール７における振動子１１の配列について説明する。前述のように本実施の形態においては、長尺の半導体チップ４に対応して、複数（図３に示す例においては２つ）の振動子１１を部品接合ツール７に装着するようにしている。２つの振動子１１は同一の振動子駆動部１４によって駆動され、それぞれの軸線ＡＬ１，ＡＬ２をホーン８の軸線方向に向け、ホーン８の幅方向における各軸線の位置が、ホーン８の中心に設けられた接合作用部１０の中心に略一致するように配列されている。ここで、軸線ＡＬ１，ＡＬ２はほぼ平行となっている。

すなわち、部品接合ツール７は、ホーン８に軸線位置を互いに異にして並列に結合された複数の振動子１１を有し、そして振動子駆動部１４によって駆動されることにより、２つの振動子１１を同期させて振動させる形態となっている。このような構成を採用することにより、次のような効果を得る。

超音波ボンディングにおいては、振動子が発生した振動を振動伝達部材としてのホーンを介して一次元的な縦振動として接合作用部に伝達するようになっており、このような機能に適した形状として一般にホーンには長尺の棒状部材が用いられる。しかしながら上述のホーン８のように軸線方向に直交する幅方向の寸法が大きい形状のホーンを用いた場合には、端部に装着された振動子の振動はホーン内部において単純な縦振動としてではなく、２次元的な広がりを持った複雑な振動として伝達される。

すなわち、振動によってホーンの端部に与えられた軸線方向の弾性変位はホーン材質のポアソン比に応じて幅方向の弾性変位を生じさせるため、振動子の加振幅（振動子が結合面を介して略均一な振幅でホーンに振動を伝える幅）に対してホーンの幅寸法が大きい場合には、ホーンは軸線方向の縦振動のみならずこの縦振動によって誘起された幅方向の横振動を伝達する。そしてこの横振動により本来望ましくない変位成分を有する振動がホーンに生じ、安定したボンディングを妨げる場合があった。

上述のように幅方向の寸法が大きいホーンを用いる場合にあっても、本実施の形態に示す部品接合ツール７のように、複数の振動子１１を幅方向に並列に配置することにより、１つの振動子１１によって振動が付与される振動付与対象幅と振動子１１の加振幅との比率を適正な範囲内に設定することができ、振動伝達過程における横振動の発生を極力抑制することができる。

この部品接合ツール７が装着された超音波ボンディング装置によって、半導体チップ４に荷重と振動を作用させて半導体チップ４を基板３に接合するよる部品接合においては、まずホーン８の下面の２つの接合作用部１０と半導体チップ４とが、図３に示すような相対位置関係となるように、部品接合ツール７を半導体チップ４に対して下降させ、２つの接合作用部１０を半導体チップ４に当接させて真空吸着により保持する。

そしてこの状態で部品接合ツール７を基板３に対して下降させ、保持した半導体チップ４を基板３に着地させて、基板３に対して押圧する。この押圧とともに、各接合作用部１０に対応した振動子１１を振動子駆動部１４によって駆動して同期させながら振動させる。そしてこれにより、接合作用部１０の当接面１０ａに、ホーン８の軸線方向から振動を付与し、半導体チップ４を基板３にボンディングする。

すなわち、半導体チップ４に複数の接合作用部１０の当接面１０ａを当接させ、当接面１０ａと同数の振動子１１を同期させながら振動させて、複数の当接面１０ａの配列方向に略直交する方向から、該当接面１０ａに振動を付与する形態となっている。これにより、長尺部品などホーンの幅方向からはみ出す形状の大型部品を対象とする場合にあっても、接合作用部の当接面を介して良好に振動を付与することができ、安定した接合を行うことができる。

なお、本実施の形態は上述例に示す部品接合ツール７には限定されず、図４に示すような様々なバリエーションが可能である。図４（ａ）に示す部品接合ツール７Ａは、図３に示す部品接合ツール７において、２つの振動子１１に対応してホーン８に個別に設けられていた接合作用部１０を連結し、幅方向に一体化した接合作用部１０Ａとしてホーン８Ａに設けたものである。半導体チップ４を接合する際には、接合作用部１０Ａの下面の当接面が半導体チップ４に一体として当接する。すなわち、部品接合ツール７Ａにおいては、当接面は単一の面として設けられている。

図４（ｂ）に示す部品接合ツール７Ｂは、図３においてはホーン８Ｂの一方側（下面側から見て右側）に並べて配置されていた振動子１１を、２つの接合作用部１０を中心として一方の接合作用部１０に対しては右側に、他方の接合作用部１０に対しては左側にそれぞれ軸線方向に隔てて配置した例を示している。すなわち、この例では２つの振動子１１は、当接面１０ａを中心とした略対称位置に軸線方向に隔てられて配置されている。

また図４（ｃ）に示す部品接合ツール７Ｃは、ホーン８Ｃに図４（ａ）と同様の一体型の接合作用部１０Ａを設けるとともに、振動子１１の配置を図４（ｂ）に示す例と同様に振り分けて配置したものである。上述の３例においても２つの振動子１１は、それぞれの軸線ＡＬ１，ＡＬ２をホーンの軸線方向に向け、軸線位置を互いに異にして並列に結合された形態となっている。

（実施の形態２）
図５，図６，図７は本発明の実施の形態２の部品接合ツールの下面図である。本実施の形態２は、実施の形態１と同様に複数の振動子を備えた部品接合ツールにおいて、振動伝達部材としてのホーンを振動子と同数の棒状部材から構成するようにしたものである。

図５において部品接合ツール１７は、実施の形態１においては幅寸法Ｂ１の幅広棒形状に設けられていたホーン８を、振動子１１の加振幅に対応した幅寸法Ｂ２のホーン１８を２本組み合わせた構成としたものである。ホーン１８は、実施の形態１におけるホーン８と同様の正面形状を有しており、ホーン１８の下面には中央部から下方に突出した突部１９が設けられている。

それぞれの突部１９の下面には実施の形態１と同様に接合作用部２０がロウ付けやボルト締結などにより固着されている。それぞれの接合作用部２０には、実施の形態１における吸着孔１０ｂと同様の吸着孔２０ｂが設けられている。２つの接合作用部２０の下面は、それぞれ半導体チップ４に当接する当接面となっており、上記実施例においては、これらの当接面は略同一平面内に位置する複数の面となっている。なお、実施の形態１と同様に、接合作用部２０を突部１９と一体に設けてもよい。またホーン１８の上面に中央部から上方に突出した振動バランス部（図示せず）を設けて、突部１９との振動のバランスをとってもよい。

２つの振動子１１は実施の形態１と同様に同一の振動子駆動部１４によって駆動され、それぞれの軸線ＡＬ１，ＡＬ２をホーン１８の軸線方向に向け、ホーン１８の幅方向における各軸線の位置が、ホーン１８の中心に設けられた接合作用部２０の中心に略一致するように配列されている。すなわち、部品接合ツール１７は、ホーン１８に軸線位置を互いに異にして並列に結合された複数の振動子１１を有し、２つの振動子１１を同期させて振動させる形態となっている。このような構成を採用することにより、大型部品を対象とする場合においても、１つの振動子１１の加振幅に対するホーン１８の幅寸法Ｂ２の比率を適正に設定することができ、実施の形態１と同様の効果を得る。

なお、本実施の形態は上述例に示す部品接合ツール１７には限定されず、図６，図７に示すような様々なバリエーションが可能である。図６に示す部品接合ツール１７Ａは、図５に示す部品接合ツール１７において、２つの振動子１１に対応してホーン１８に個別に設けられていた接合作用部２０を連結し、幅方向に一体化した接合作用部２０Ａとしたものである。半導体チップ４を接合する際には、接合作用部２０Ａの下面の当接面が半導体チップ４に一体として当接する。すなわち、部品接合ツール１７Ａにおいては、当接面は単一の面として設けられている。

図７（ａ）に示す部品接合ツール１７Ｂは、図５においては２つのホーン１８の一方側（下面側から見て右側）に並べて配置されていた振動子１１を、２つの接合作用部２０を中心として一方の接合作用部２０に対しては右側に、他方の接合作用部２０に対しては左側にそれぞれ軸線方向に隔てて配置した例を示している。すなわち、この例では振動子１１は、当接面を中心とした略対称位置に軸線方向に隔てられて配置されている。

また図７（ｂ）に示す部品接合ツール１７Ｃは、ホーン１８に図６と同様の一体型の接合作用部２０Ａを設けるとともに、振動子１１の配置を図７（ａ）に示す例と同様に振り分けて配置したものである。さらに、図７（ｃ）に示す部品接合ツール１７Ｄは、図４（ａ）に示す例において、それぞれのホーン１８の両端に振動子１１を結合するようにしたものである。上述の４例においても、複数の振動子１１は、それぞれの軸線ＡＬ１，ＡＬ２をホーンの軸線方向に向け、軸線位置を互いに異にして並列に結合された形態となっている。

本発明の部品接合装置および部品接合ツールは、接合作用部の荷重と振動による変形や不均一な振動を防止して、大型部品を対象とした場合にあっても安定した接合を行うこと
ができるという効果を有し、ドライバ用の半導体チップなどの長尺・大型部品をボンディングにより実装する分野に利用可能である。

本発明の実施の形態１の部品接合装置の正面図 本発明の実施の形態１の部品接合ツールの正面図 本発明の実施の形態１の部品接合ツールの下面図 本発明の実施の形態１の部品接合ツールの下面図 本発明の実施の形態２の部品接合ツールの下面図 本発明の実施の形態２の部品接合ツールの下面図 本発明の実施の形態２の部品接合ツールの下面図

符号の説明

３ 基板
４ 半導体チップ
５ 昇降押圧機構
７、１７ 部品接合ツール
８、１８ ホーン
１０、１０Ａ、２０，２０Ａ 接合作用部
１０ａ 当接面
１１ 振動子

Claims (11)

1. 部品に荷重と振動を作用させることによりこの部品を基板に接合する部品接合装置であって、前記部品に当接する当接面が設けられた部品接合ツールと、この部品接合ツールを介して前記部品を押圧する押圧手段とを備え、前記部品接合ツールは、前記当接面が設けられたホーンと、前記ホーンに結合され、同期して振動する複数の振動子とを有し、
   前記複数の振動子は、それぞれの軸線が前記ホーンの軸線方向に向くとともにそれぞれの軸線が異なる位置となるように配列されていることを特徴とする部品接合装置。
2. 前記当接面は、同一平面内に位置する複数の面であることを特徴とする請求項１記載の部品接合装置。
3. 前記当接面は、単一の面であることを特徴とする請求項１記載の部品接合装置。
4. 前記ホーンは、前記振動子と同数の棒状部材からなることを特徴とする請求項１記載の部品接合装置。
5. 前記振動子は、前記当接面を中心とした対称位置に軸線方向に隔てられて配置されていることを特徴とする請求項１記載の部品接合装置。
6. 部品に荷重と振動を作用させることによりこの部品を基板に接合する部品接合ツールであって、前記部品と当接する当接面と、前記当接面を有するホーンと、前記ホーンに結合され、同期して振動する複数の振動子とを有し、前記複数の振動子は、それぞれの軸線が前記ホーンの軸線方向に向くとともにそれぞれの軸線が異なる位置となるように配列されていることを特徴とする部品接合ツール。
7. 前記当接面は、同一平面内に位置する複数の面であることを特徴とする請求項６記載の部品接合ツール。
8. 前記当接面は、単一の面であることを特徴とする請求項６記載の部品接合ツール。
9. 前記ホーンは、前記振動子と同数の棒状部材からなることを特徴とする請求項６記載の部品接合ツール。
10. 前記振動子は、前記当接面を中心とした対称位置に軸線方向に隔てられて配置されていることを特徴とする請求項６記載の部品接合ツール。
11. 部品に荷重と振動を作用させることによりこの部品を基板に接合する部品接合方法であって、前記部品に複数の当接面を当接させ、前記複数の当接面と同数の振動子を同期させながら振動させて複数の当接面の配列方向に直交する方向から該当接面に振動を付与することを特徴とする部品接合方法。

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