JP4665657B2 - 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、フリップチップ等の接合体を基板等の被接合体にボンディングする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。

フリップチップ等の接合体を基板等の被接合体にボンディングする方法として、ボンディングツールを用いた超音波接合によるボンディング方法が知られている。このボンディング方法は、接合体を被接合体に対して押圧した状態でボンディングツールにより接合体に振動を印加し、接合体の接合面（例えばフリップチップに形成されたバンプ等）と被接合体の被接合面（例えば基板上の電極等）との間に摩擦を生じさせて両者を接合するものである。

ボンディングツールには、振動子から発せられる振動を接合体に伝達する振動伝達部が備えられており、この振動伝達部に装着された接合作用部を接合体に当接させて振動を印加している。接合作用部は複数の接合体に繰り返し振動及び押圧荷重を印加しており、ボンディングを繰り返すうちに接合体との接触部に磨耗が生じるため、定期的に新たなものに交換して使用される。従来、接合作用部の交換は、振動伝達部ごと交換するか、接合作用部が着脱自在に装着されている場合には接合作用部のみを着脱して交換していた（例えば特許文献１参照）。
特許第３５５７９４０号公報

接合作用部の交換に際して振動伝達部ごと交換すると、高価な振動伝達部が消耗部品として廃棄されることになるのでランニングコストが上昇する。接合作用部のみを交換する場合にはこのような問題は軽減されるが、振動子から発せられる振動を安定して接合作用部に伝達する必要があるため、接合作用部と振動伝達部との取り付け剛性を確保する締結手段の構造が複雑になっていた。

そこで本発明は、簡単な構造により接合作用部と振動伝達部とを締結して安定した振動を接合作用部に伝達することができる接合体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記載の発明は、振動伝達部と、この振動伝達部に振動を付与する振動子と、この振動伝達部の振動伝達方向に直交して形成された開口部と、この開口部に挿入されて前記振動伝達部に締結される接合作用部と、前記開口部の前記振動伝達方向における一方の端部に形成された互いに対向する一対の内テーパ面と、この一対の内テーパ面と接面する外テーパ面を一方の端部に備えるとともに前記開口部に挿入された前記接合作用部に当接する当接面を他方の端部に備えた締結部材と、前記一対の内テーパ面を通って前記振動伝達部に形成されたねじ孔と、このねじ孔に螺入するねじとを備え、このねじを前記ねじ孔に螺入させて前記一対の内テーパ面を互いに近接させることにより、前記一対の内テーパ面で前記外テーパ面を押圧して前記締結部材を前記接合作用部側に移動させ、前記接合作用部を前記締結部材の当接面と前記開口部の前記振動伝達方向における他方の端部の間に挟持して前記振動伝達部に締結する。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記締結部材に形成された貫通
孔を前記ねじが貫通する。

請求項３記載の発明は、荷重と振動を印加して接合体を被接合体に接合するボンディング装置であって、振動伝達部と、この振動伝達部に振動を付与する振動子と、この振動伝達部の振動伝達方向に直交して形成された開口部と、この開口部に挿入されて前記振動伝達部に締結される接合作用部と、前記開口部の前記振動伝達方向における一方の端部に形成された互いに対向する一対の内テーパ面と、この一対の内テーパ面と接面する外テーパ面を一方の端部に備えるとともに前記開口部に挿入された前記接合作用部に当接する当接面を他方の端部に備えた締結部材と、前記一対の内テーパ面を通って前記振動伝達部に形成されたねじ孔と、このねじ孔に螺入するねじと、前記接合体と前記被接合体を接合させる接合ステージと、この接合ステージ上で前記接合体に荷重を印加する荷重印加手段とを備え、前記ねじを前記ねじ孔に螺入させて前記一対の内テーパ面を互いに近接させることにより、前記一対の内テーパ面で前記外テーパ面を押圧して前記締結部材を前記接合作用部側に移動させ、前記接合作用部を前記締結部材の当接面と前記開口部の前記振動伝達方向における他方の端部の間に挟持して前記振動伝達部に締結する。

本発明によれば、接合作用部と振動伝達部を簡単な構造で着脱自在に締結させているので、接合作用部の交換の際の作業性がよく、接合作用部の振動伝達部に対する位置決めも容易である。また、接合作用部を振動伝達方向で挟持して締結しているので、安定した振動が接合作用部に伝達される。

本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施の形態におけるボンディング装置の全体構成図、図２は本発明の一実施の形態におけるボンディングツールの斜視図、図３は本発明の一実施の形態におけるボンディングツールの側面図、図４は本発明の一実施の形態におけるボンディングツールの締結部分の平面図、図５は本発明の一実施の形態におけるボンディングツールの締結部分の分解斜視図、図６（ａ）、（ｂ）は本発明の一実施の形態におけるボンディングツールの締結部分に作用する押圧力の説明図、図７は本発明の一実施の形態におけるボンディング動作を示すフローチャート、図８は本発明の一実施の形態における予備動作を示すフローチャートである。

まず、ボンディング装置の全体構成について、図１乃至図３を参照して説明する。図１において、移動テーブル１上には、被接合体としての基板２が保持されている。基板２は、図示しない搬送機構により移動テーブル１上に搬入されて所定の位置に位置決めされる。また、移動テーブル１上には、接合体としての電子部品Ｐが格納されたトレイ等からなる電子部品Ｐ収納部３と平板状の弾性体４が載置されている。

移動テーブル１の上方には、ボンディングツール１０が配設されている。図２において、ボンディングツール１０は、長尺棒状の振動伝達部１１と、この振動伝達部の一方の端部に取り付けられた振動子１２と、振動伝達部１１に着脱自在に装着された接合作用部１３から構成されている。振動伝達部１１の両側部にはそれぞれ２個のブラケット１１ａが形成されており、各ブラケット１１ａにはねじ孔１１ｂが形成されている。

図３において、接合作用部１３の下端に形成された電子部品Ｐの吸着部１３ａの下面に吸着孔１３ｂが形成されている。この吸着孔１３ｂは、接合作用部１３の内部に形成された通気路１３ｃと振動伝達部１１の内部に形成された通気路１１ｃを介して、振動伝達部１１の上面に形成された吸引孔１１ｄと連通している。

接合作用部１３には、振動伝達部１１に装着する際の上下方向の装着位置を位置決めす
るストッパー１３ｄが形成されており、このストッパー１３ｄにより接合作用部１３の振動伝達部１１に対する装着位置が位置決めされた状態で、上記の通気路１３ｃと通気路１１ｃが連通するようになっている。

図１において、ボンディングツール１０は、昇降駆動部２０の下部に取り付けられており、振動伝達部１１の各ブラケット１１ａが昇降駆動部２０の昇降ブロック２０ａに図示しないねじにより螺着されている。このとき、昇降ブロック２０ａに設けられた吸引パッド２１が振動伝達部１１の上面に形成された吸引孔１１ｄに密着する。

図３において、振動子１２から振動伝達部１１に付与される振動は、振動伝達部１１の長尺方向に伝達する縦波であり、振動伝達部１１には、振動が最大となる腹の位置αと振動しない節の位置βが発生する。従って、振動を電子部品Ｐに効果的に印加するために、接合作用部１３はこの腹の位置α近傍に締結される。

また、ボンディングツール１０のブラケット１１ａのねじ孔１１ｂは節の位置βに形成されており、昇降ブロック２０ａに取り付ける際に振動の節の位置βでねじ留めするようになっている。これにより、振動の減衰やボンディングツールの振動によるねじの緩み等を防止している。

図１において、制御部２２は、移動テーブル１のテーブル駆動部５、昇降駆動部２０、吸引パッド２１内を真空吸引する真空発生源２３と接続されており、これらの駆動を制御する。すなわち、真空発生源２３の駆動を制御して、吸着部１３ａに電子部品Ｐを真空吸着させる。また、テーブル駆動部５及び昇降駆動部２０の駆動を制御して、移動テーブル１をボンディングツール１０に対して相対的に上下移動及び水平移動させて電子部品Ｐと基板２の位置合わせを行う。

また、制御部２２は、振動子１２の振動子駆動部２４の駆動を制御する。振動子駆動部２４に対して駆動指令値を送出し、振動子駆動部２４はこの駆動指令値に基づいた電力を発生して振動子１２を駆動させる。これにより、振動子１２は駆動指令値に応じた超音波出力で振動伝達部１１に締結された接合作用部１３に対して振動を印加する。このときの駆動電圧Ｖおよび駆動電流Ｉは計測部２５によって検出されて制御部２２にフィードバックされる。

さらに、制御部２２は昇降駆動部２０に対して荷重指令値を送出し、昇降駆動部２０はこの荷重指令値に応じた荷重でボンディングツール１０下降させ、吸着部１３ａに吸着された電子部品Ｐを位置合わせされた基板２に対して押圧する。この押圧荷重と振動を同時に電子部品Ｐに印加することにより電子部品Ｐと基板２が接合される。

制御部２２は、上記の接合動作の他に、電子部品Ｐを吸着しない状態の接合作用部１３の吸着部１３ａを移動テーブル１上の弾性体４に当接させ、これに荷重及び振動を印加する予備動作を予め設定されたタイミングで実行させる。この予備動作によりボンディング装置に擬似的な接合動作を行わせる。

このように、移動テーブル１は、接合体と被接合体を接合させる接合ステージとなっている。また、テーブル駆動部５及び昇降駆動部２０は、接合ステージとボンディングツール１０を相対的に上下移動及び水平移動させて位置合わせを行う位置合わせ手段となっている。また、昇降駆動部２０は、接合ステージ上で接合体に荷重を印加する荷重印加手段となっている。また、弾性体４は、接合作用部１３の下端部（吸着部１３ａ）を当接させる弾性部材からなる被当接部となっている。また、制御部２２は、予め設定されたタイミングで接合作用部１３の下端部（吸着部１３ａ）を被当接部（弾性体４）に当接させて荷
重と振動を印加する予備動作を制御する制御手段となっている。

制御部２２には、記憶部２６、操作・入力部２７、表示部２８が接続されている。記憶部２６は、ボンディング動作、予備動作などの各種動作プログラムや、電子部品Ｐの品種毎のボンディング条件などのボンディング実行用データを記憶する。操作・入力部２７は、駆動指令値や荷重指令値などのボンディング装置の操作入力や記憶部２６に記憶されるデータ入力を行う。表示部２８は、操作・入力部２７によるデータ入力時の案内画面の表示やボンディング装置における作業状況の表示等を行う。

次に、接合作用部１３と振動伝達部１１の締結部の構成について、図４及び図５を参照して説明する。図４は、振動伝達部１１に接合作用部１３が締結された状態を示す平面図である。接合作用部１３は、締結部材１４と並列して振動伝達部１１に形成された開口部１５に挿入されている。

図５は、図４の分解斜視図である。図５において、振動伝達部１１には、その長尺方向すなわち振動伝達方向に直交する開口部１５が振動伝達部１１の上下面に貫通して形成されている。開口部１５は振動伝達方向における一方の端部（本実施の形態においては振動子１２から離れた方の端部）１６は内テーパ状に形成されており、一対の内テーパ面１６ａ、１６ｂが平面視してハ字型に対向している。この一対の内テーパ面１６ａ、１６ｂが交差する箇所には、振動伝達方向に伸びるスリット１６ｃが振動伝達部１１の上下面に貫通して形成されている。

また、振動伝達部１１には振動伝達方向に直交して水平方向にねじ孔１７が形成されており、このねじ孔１７は、振動伝達部１１の一方の側面１１ｅから内テーパ面１６ａ、１６ｂを通って他方の側面１１ｆに貫通している。なお、ねじ孔１７は必ずしも側面１１ｆまで貫通しなくてもよい。

締結部材１４は五角柱に形成されており、外テーパ面１４ａを備えるとともに、この外テーパ面１４ａの反対側に当接面１４ｂを備えている。この外テーパ面１４ａは、締結部材１４が振動伝達部１１に挿入された際に内テーパ面１６ａ、１６ｂと接面するように形成されている。さらに締結部材１４には、当接面１４ｂに平行して水平方向に貫通孔１４ｃが形成されている、この貫通孔１４ｃは、締結部材１４が振動伝達部１１に挿入された際にねじ孔１７と連通するようになっている。

図４に示すように、締結部材１４は、その外テーパ面１４ａが一対の内テーパ面１６ａ、１６ｂに接面するように開口部１５に挿入される。締結部材１４の当接面１４ｂは接合作用部１３の一方の端面１３ｅと接面し、この接合作用部１３の他方の端面１３ｆは開口部１５の他方の端部（本実施の形態においては振動子１２に近い方の端部）に形成された端面１５ａと接面している。ねじ孔１７には、振動伝達部１１の一方の側面１１ｅと内テーパ面１６ａの間にねじ１８の径よりも若干大きめの孔が形成され、内テーパ面１６ｂと他方の側面１１ｆの間に雌ねじが螺刻されており、この雌ねじと螺合する雄ねじが螺刻されたねじ１８が、振動伝達部１１の一方の側面１１ｅから他方の側面１１ｆに向けて螺入されている。

次に、接合作用部１３を振動伝達部１１に締結する方法について、図６（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。図６（ｂ）は図６（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図６（ａ）において、ねじ孔１７に螺入されたねじ１８を更に締め増すと、一対の内テーパ面１６ａ、１６ｂが、スリット１６ｃの縮み代で確保された弾性により互いに近接する方向に移動し、一対の内テーパ面１６ａ、１６ｂの間で外テーパ面１４ａが力Ｆで押圧される。力Ｆの働く方向と外テーパ面１４ａは斜角をなしているので、外テーパ面１４ａには接合作用部１３
側に向く分力Ｆ２が作用し、締結部材１４は接合作用部１３側に移動する。これにより、接合作用部１３は、一方の端面１３ｅの側から締結部材１４により力Ｆ３で押圧されるとともに他方の端面１３ｆ側から反作用力Ｆ４で押圧された状態で挟持される。このとき、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、接合作用部１３は、その一方の端面１３ｅの略全体が締結部材１４の当接面１４ｂに押接されるとともに他方の端面１３ｆの略全体が開口部１５の端面１５ａに押接されているため、振動伝達方向に微振動する接合作用部１３が緩むことなく強固に締結される。

接合作用部１３の交換等の際には、ねじ１８を緩めると、近接していた内テーパ面１６ａ、１６ｂが弾性により元の位置に復元し、外テーパ面１４ａを押圧していた力Ｆが解消する。これにより、締結部材１４が内テーパ面１６ａ、１６ｂ側に移動して接合作用部１３の両端面１３ｅ、１３ｂに作用していた押圧力Ｆ３、Ｆ４が解消し、接合作用部１３を振動伝達部１１から容易に離脱させることができる。

なお、図６（ｂ）に示すように、締結部材１４の貫通孔１４ｃの振動伝達方向の径Ｄは振動伝達部１１のねじ孔１７の径ｄより長く形成されており、締結部材１４が、接合作用部１３又は内テーパ面１６ａ、１６ｂ側へ移動する際のストロークを確保している。

このように、接合作用部１３は、単一の部材である締結部材１４を用いて、１個のねじ１８を締め増ししたり緩めたりすることにより振動伝達部１１に着脱が可能であるので、接合作用部１３の交換の際の着脱が容易であり作業性がよい。また、接合作用部１３は、１個のねじ１８を締め増しするだけで締結部材１４の当接面１４ｂと開口部１５の端面１５ａの間に位置決めされるので、接合作用部１３の振動伝達部１１に対する精度の良い位置決めを容易に行うことができる。さらに、接合作用部１３を振動伝達方向に押圧した状態で挟持して振動伝達部１１に締結しているので、振動伝達方向に微振動する接合作用部１３が緩むことなく安定した振動が伝達される。

本実施の形態のボンディングツールおよびボンディング装置は以上のように構成される。次に、このボンディング装置におけるボンディング動作工程について、図７のフローチャートを参照して説明する。

ボンディング動作を開始すると、先ず、移動テーブル１上に基板２を搬入し、所定の位置に位置決めをする（ＳＴ１）。また、電子部品Ｐ供給部３に格納された電子部品Ｐを接合作用部１３の吸着部１３ａに吸着する（ＳＴ２）。次に、移動テーブル１を移動させ、移動テーブル１上の基板２の電子部品Ｐ実装箇所と接合作用部１３に吸着された電子部品Ｐとの位置合わせを行う（ＳＴ３）。位置合わせが完了すると、接合作用部１３を下降させて電子部品Ｐを基板２に当接させ、荷重と振動を印加して両者を接合する（ＳＴ４）。このＳＴ４は、接合体に荷重と振動を印加して被接合体に接合する接合工程となっている。

その後、上記ＳＴ２〜ＳＴ４の動作を繰り返して継続し、基板２の全ての電子部品Ｐ実装箇所に電子部品Ｐの実装を終えると、新たな基板２を搬入して基板の入れ替えを行う（ＳＴ５）。このように、上記ＳＴ１〜ＳＴ５の動作を繰り返し行い、所定の基板に電子部品Ｐを接合し終えるとボンディング動作が終了する。

このボンディング動作において、所定のタイミングで予備動作が行われる。次にボンディング動作における予備動作工程について、図８のフローチャートを参照して説明する。

予備動作を開始すると、先ず、移動テーブル１を移動させ、移動テーブル１上の弾性体４と接合作用部１３との位置合わせを行う（ＳＴ６）。位置合わせが完了すると、接合作
用部１３を下降させ、吸着部１３ａを平板状の弾性体４に当接させて荷重を印加する（ＳＴ７）。この荷重印加動作に並行して振動を印加する（ＳＴ８）。この振動印加動作はインターバルをおいて数回行われる。荷重及び振動印加動作が終了すると、接合作用部１３を上昇させて吸着部１３ａを弾性体４から離脱させ（ＳＴ９）、予備動作が終了する。この予備動作が終了すると、上記のボンディング動作が再開される。

予備動作は、上記のボンディング動作の動作開始後、最初の電子部品Ｐを基板２に接合する前段階で行われるが、その他にも、ボンディング装置の故障やメンテナンスの際に稼動を中断した後の再稼動開始直後や、上記ＳＴ４における荷重及び振動の印加により損耗した接合作用部１３を新たな接合作用部１３に交換した直後や、ＳＴ５における基板２の入れ替え直後のタイミングで行われる。接合作用部１３の交換を含む上記のようなタイミングで予備動作を行うことにより、ボンディング品質が安定しない状態で電子部品Ｐが基板２に接合されて物理的接合や電気的接合等の信頼性に問題のある製品が製造されるという不具合を未然に防止する。

なお、ＳＴ７及びＳＴ８において、弾性体４の上面と吸着部１３ａは、荷重が印加された状態で擦れ合うので、弾性体４をゴムや樹脂等の比較的柔らかい弾性部材で構成して吸着部１３ａの損耗を抑制するようにしている。また、弾性体４は平板状のものに限られず、高さがあるものや上面に凹凸があるもの等様々な形状のものを使用することができる。

本発明のボンディングツールおよびボンディング装置によれば、接合作用部と振動伝達部を簡単な構造で着脱自在に締結させているので、接合作用部の交換の際の作業性がよく、接合作用部の振動伝達部に対する位置決めも容易であり、また、接合作用部を振動伝達方向に押圧して締結しているので、安定した振動が接合作用部に伝達されるという利点を有しているので、フリップチップ等の接合体を基板等の被接合体にボンディングする分野に有用である。

本発明の一実施の形態におけるボンディング装置の構成図 本発明の一実施の形態におけるボンディングツールの斜視図 本発明の一実施の形態におけるボンディングツールの側面図 本発明の一実施の形態におけるボンディングツールの締結部分の平面図 本発明の一実施の形態におけるボンディングツールの締結部分の分解斜視図 （ａ）本発明の一実施の形態におけるボンディングツールの締結部分に作用する押圧力の説明図（ｂ）本発明の一実施の形態におけるボンディングツールの締結部分に作用する押圧力の説明図 本発明の一実施の形態におけるボンディング動作を示すフローチャート 本発明の一実施の形態における予備動作を示すフローチャート

符号の説明

１ 移動テーブル
２ 基板
４ 弾性体
５ テーブル駆動部
１０ ボンディングツール
１１ 振動伝達部
１２ 振動子
１３ 接合作用部
１３ａ 吸着部
１４ 締結部材
１４ａ 外テーパ面
１４ｂ 当接面
１４ｃ 貫通孔
１５ 開口部
１５ａ 端面
１６ 端部
１６ａ、１６ｂ 内テーパ面
１７ ねじ孔
１８ ねじ
２０ 昇降駆動部
２２ 制御部

Claims (3)

1. 振動伝達部と、この振動伝達部に振動を付与する振動子と、この振動伝達部の振動伝達方向に直交して形成された開口部と、この開口部に挿入されて前記振動伝達部に締結される接合作用部と、前記開口部の前記振動伝達方向における一方の端部に形成された互いに対向する一対の内テーパ面と、この一対の内テーパ面と接面する外テーパ面を一方の端部に備えるとともに前記開口部に挿入された前記接合作用部に当接する当接面を他方の端部に備えた締結部材と、前記一対の内テーパ面を通って前記振動伝達部に形成されたねじ孔と、このねじ孔に螺入するねじとを備え、
   このねじを前記ねじ孔に螺入させて前記一対の内テーパ面を互いに近接させることにより、前記一対の内テーパ面で前記外テーパ面を押圧して前記締結部材を前記接合作用部側に移動させ、前記接合作用部を前記締結部材の当接面と前記開口部の前記振動伝達方向における他方の端部の間に挟持して前記振動伝達部に締結することを特徴とするボンディングツール。
2. 前記締結部材に形成された貫通孔を前記ねじが貫通することを特徴とする請求項１記載のボンディングツール。
3. 荷重と振動を印加して接合体を被接合体に接合するボンディング装置であって、振動伝達部と、この振動伝達部に振動を付与する振動子と、この振動伝達部の振動伝達方向に直交して形成された開口部と、この開口部に挿入されて前記振動伝達部に締結される接合作用部と、前記開口部の前記振動伝達方向における一方の端部に形成された互いに対向する一対の内テーパ面と、この一対の内テーパ面と接面する外テーパ面を一方の端部に備えるとともに前記開口部に挿入された前記接合作用部に当接する当接面を他方の端部に備えた締結部材と、前記一対の内テーパ面を通って前記振動伝達部に形成されたねじ孔と、このねじ孔に螺入するねじと、前記接合体と前記被接合体を接合させる接合ステージと、この接合ステージ上で前記接合体に荷重を印加する荷重印加手段とを備え、
   前記ねじを前記ねじ孔に螺入させて前記一対の内テーパ面を互いに近接させることにより、前記一対の内テーパ面で前記外テーパ面を押圧して前記締結部材を前記接合作用部側に移動させ、前記接合作用部を前記締結部材の当接面と前記開口部の前記振動伝達方向における他方の端部の間に挟持して前記振動伝達部に締結することを特徴とするボンディング装置。

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