JP4815309B2 - 超音波実装ツール及び電子部品の実装装置 - Google Patents

超音波実装ツール及び電子部品の実装装置 Download PDF

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Description

この発明は電子部品としての半導体チップをたとえば被実装部材となるポリイミド製のテープ状部材などの基板に超音波振動を利用して圧着するための超音波実装ツール及び電子部品の実装装置に関する。
たとえば、電子部品であるバンプ付きの半導体チップを被実装部材である基板に実装する場合、いわゆるフリップチップ方式の実装装置が知られている。フリップチップ方式の実装装置は、バンプが形成された面を上にしてウエハステージに保持された上記半導体チップをピックアップするピックアップツールを有する。
半導体チップをピックアップしたピックアップツールは180度回転して上記半導体チップの上面と下面を反転させ、バンプが形成された面を下にし、形成されていない面を上にする。そして、この半導体チップは実装ツールに受け渡され、この実装ツールによって上記基板に実装される。
バンプ付きの半導体チップを被実装部材である基板に実装する場合、この半導体チップに押圧荷重と超音波振動を与えて上記基板に実装するということが行なわれる。この実装は、半導体チップを基板の被接合面に所定の圧力で加圧して超音波振動を与え、基板と半導体チップとの接触面を接合させるというものである。
つまり、半導体チップのバンプと、基板の端子とを密着させ、半導体チップを超音波振動させる。それによって、バンプと端子との密着箇所が摩擦熱によって温度上昇するから、その熱によってバンプが端子に金属結合されることになる。
超音波振動を利用した半導体チップの実装はたとえば特許文献1に示される構成の超音波実装ツールを用いて行われる。特許文献1に示された超音波実装ツールはホーンを有する。このホーンの長手方向の一端には振動子が接続固定されている。この振動子には超音波発振器が接続される。この超音波発振器は上記振動子にたとえば40kHzの高周波電圧を印加する。それによって、振動子が超音波振動するから、その振動波によって上記ホーンも超音波振動する。つまり、ホーンはその長手方向に振動する。
上記ホーンの中途部の振動が最大となる部分の下面には、上記ホーンの振動方向に対して直交する方向に沿って細長い矩形状のツール部が突出形成されている。このツール部には下面に開口した吸引路が形成され、この吸引路に発生する吸引力によって上記ツール部と同じ矩形状の上記半導体チップが上記ツール部の下面に吸着保持される。
したがって、上記半導体チップを超音波振動させて基板に実装する場合、その半導体チップにはホーンが振動する方向と同方向の超音波振動が付与されることになる。
特開2006−156813号公報
上記半導体チップには複数のバンプが異なる形状で、しかも異なる配列状態で設けられているものがある。つまり、半導体チップは品種に応じてバンプの形状や配列などが異なることがある。
しかしながら、従来の超音波実装ツールでは半導体チップの品種が異なっても、ツール部に吸着保持される半導体チップはホーンのツール部に、ホーンの振動方向に対して同じ状態でしか吸着保持することができない。つまり、半導体チップは長手方向をホーンの振動方向に対して直交する状態で吸着保持される。
そのため、上記ホーンを超音波振動させると、半導体チップに設けられた複数のバンプの形状や配列状態が相違することによって、それぞれのバンプに加わる超音波振動による摩擦力に差が生じる。摩擦力に差があると、複数のバンプに生じる摩擦熱にも差が生じるから、その温度差によってバンプと端子との接合強度にばらつきが生じるということがあった。
さらに、バンプの形状が細長い場合、バンプに加わる超音波振動の方向を、バンプの長手方向に交差する方向にするか、或いは長手方向と同じ方向にするか、或いは長手方向に対して所定の角度で傾斜させる方向にするかなど、バンプに対する超音波振動の方向によってバンプと端子の接合強度が変化する。
しかしながら、従来は上述したようにホーンの振動方向に対してツール部が固定されているから、上記ツール部に保持される半導体チップのバンプに対して上記ホーンの振動方向を変え、バンプと端子の接合強度を設定するということができないということもあった。
この発明は、ホーンに保持される電子部品の向きを、ホーンの振動方向に対して任意に設定することができるようにした超音波実装ツール及びその超音波実装ツールを用いた実装装置を提供することにある。
この発明は、上下駆動される可動部に取付けられ電子部品を被実装部材に押圧荷重と振動とによって圧着する超音波実装ツールであって、
ホーンと、
このホーンの一端に接続されホーンを振動させる振動子と、
上記ホーンの下面の振動が最大となる部分に設けられた円形状の凹部からなる取付け部と、
上記凹部に入り込む円盤状であるとともに、上記電子部品を保持する保持部を有し、上記凹部に吸着保持されるとともに、所定の回転角度で上記取付け部に回転不能に保持されるツール部材と
を具備したことを特徴とする超音波実装ツールにある。
上記ホーンには、上記凹部に連通しこの凹部に上記ツール部材を吸着保持する第1の吸引路と、上記ツール部材を介して上記保持部に連通しこの保持部に上記電子部品を吸着保持する第2の吸引路が形成されていることが好ましい。
上記ツール部材は、上記取付け部にセットねじによって所定の回転角度で回転不能に固定される構造であることが好ましい。
上記ホーンと上記ツール部材は硬度の異なる材料で形成されていることが好ましい。
この発明は、電子部品を被実装部材に押圧荷重と振動とによって圧着する電子部品の実装装置であって、
上下方向に駆動される可動部と、
この可動部に対向して設けられ上面に上記被実装部材が保持されるステージと、
上記可動部に水平方向の回転角度の調整可能に取付けられ上記電子部品を保持してこの電子部品に振動を付与しその振動と上記可動部の下降による押圧力とで上記電子部品を上記被実装部材に圧着する超音波実装ツールとを具備し、
上記超音波実装ツールは請求項1に記載された構成であることを特徴とする電子部品の実装装置にある。
この発明によれば、電子部品を保持する保持部を有するツール部材を、ホーンの下面の振動が最大となる部分に設けられた取付け部に回転角度の調整可能に設けるようにしたから、上記保持部に保持される電子部品の向きを、ホーンに伝わる超音波振動の方向に対して任意に設定することができる。
以下、この発明の一実施の形態を図面を参照して説明する。
図1はこの発明の実装装置の側面図で、図2は正面図である。図1に示すように、この実装装置は装置本体1を備えている。この装置本体1にはYガイド体2がY方向に沿って設けられ、このYガイド体2には矢印で示すY可動体3がY方向に駆動可能に設けられている。
上記Y可動体3の前端面には上下方向に所定間隔で離間した一対のXガイド体4がX方向に沿って設けられている。このXガイド体4にはX可動体5が駆動可能に設けられている。このX可動体5は側面形状が逆L字状に形成されていて、垂直壁の外面に上記Xガイド体4に移動可能に係合する受け部6が設けられている。
X可動体5の垂直壁5aの内面には上下方向に沿って一対のZガイド体7がX方向に所定間隔で離間して設けられている。このZガイド体7には可動体としてのZ可動体8が矢印Zで示す上下方向に駆動可能に設けられている。このZ可動体8の上面と、上記X可動体5の水平壁5bの下面との間には複数、たとえば4つのばね11が張設されていて、上記Z可動体8を上昇方向に付勢している。
上記X可動体5の水平壁の上面にはZ駆動源であるシリンダ12が軸線を垂直にして設けられている。このシリンダ12のロッド13の先端には押圧部材14が設けられている。この押圧部材14は上記Z可動体8の上面に回転軸線を水平にして設けられたローラ15に当接している。したがって、上記シリンダ12のロッド13が突出方向に付勢されると、上記Z可動体8をばね11の復元力に抗して下降方向に駆動させることができるようになっている。
上記Z可動体8の下面にはθ駆動源16が設けられている。このθ駆動源16によって回転駆動されるθ可動体17には超音波実装ツール21が取付けられている。この超音波実装ツール21は図3(a)に示すように角柱状のホーン22を有する。このホーン22の長手方向一端には振動子23が連結固定されている。この振動子23には図示しない発振器が接続されていて、この発振器からたとえば40kHzの高周波電圧が印加される。それによって、上記振動子23とともに上記ホーン22が超音波振動する。
上記ホーン22の長手方向中央部の下面、つまり上記ホーン22に伝播する振動波による振動が最大となる、図3(c)にS1で示す振動の腹に対応する部分には取付け部18が突設されている。この取付け部18には図4と図5に示すように、平面形状が円形状の凹部19が形成されていて、この凹部19には円盤状のツール部材25が周方向に回転可能に収容されている。
上記取付け部18には、図5に示すように上記凹部19の周辺部にツール部材25の回転角度を示す目盛り18aが形成され、ツール部材25に上記目盛り18aを指す指針25aが設けられている。
上記ホーン22と上記ツール部材25は異なる硬度の材料によって形成されている。たとえば、上記ホーン22はステンレス鋼で形成され、上記ツール部材25はホーン22よりも硬い超鋼(WC)によって形成されている。なお、上記ホーン22を上記ツール部材25よりも硬い材料で形成してもよい。
それによって、ホーン22の凹部19のツール部材25を取付けたとき、これらが良好に密着するから、ホーン22からツール部材25に超音波振動を効率よく伝達させることが可能となる。
上記ホーン22と上記ツール部材25を硬度の同じ材料で形成してもよく、その場合、上記凹部19に上記ホーン22と上記ツール部材25と異なる硬度のライナー(図示せず)を介してツール部材25を装着すれば、そのライナーを介して上記ホーン22と上記ツール部材25との密着度合を高めることができる。
上記ツール部材25の下面には平面形状が細長い矩形状の突条からなる保持部26が突設されていて、この保持部26は上記取付け部18の下面よりも下方に突出している。そして、上記ツール部材25は回転中心である、上記保持部26の長手方向の中心を上記ホーン22に伝播する振動波による振動が最大となる、図3(c)にS1で示す振動の腹に位置させている。
図4に示すように、上記取付け部18には上記ツール部材25を上記取付け部18に対して所定の回転角度で固定するセットねじ27が設けられている。上記ホーン22には、複数の第1の吸引路28が上記取付け部18に形成された凹部19の内底面に一端を開口させて形成されている。
上記第1の吸引路28の他端は上記ホーン22の上面の上記取付け部18と対応する振動の腹の部分S1に設けられた荷重受け部29の側面に開口している。この第1の吸引路28の他端は図示しない吸引ポンプに連通している。それによって、上記ツール部材25は上記凹部19に吸引保持され、しかも上記セットねじ27によって所定の回転角度で回転不能に保持されるようになっている。
上記ホーン22には第2の吸引路31が形成されている。この第2の吸引路31の一端は、上記ツール部材25の回転中心に厚さ方向に貫通して形成された連通路32に連通している。つまり、連通路32は上記ツール部材25に設けられた保持部26に開口している。上記第2の吸引路31の他端は上記荷重受け部29の側面に開口し、図示しない吸引ポンプに連通している。
上記連通路32の先端は上記保持部26の下面に長手方向に沿って形成された吸着溝32aに連通している。それによって、上記吸引ポンプの吸引力が上記吸着溝32aに作用するから、上記保持部26の下面に電子部品としての半導体チップCが吸着保持されるようになっている。
上記荷重受け部29の上面には、上記ホーン22と同じ幅寸法で、長さ寸法がホーン22よりも短い帯板状のブラケット34が長手方向中央部の下面を接触させて設けられている。このブラケット34の両端部はそれぞれ連結ねじ35によって上記ホーン22の振動が最小となる、図3(c)にS2で示す上記振動波の節の部分に連結固定されている。
上記ブラケット34の両端部分と上記荷重受け部29に接触した部分との間の部分は、この部分の剛性をブラケット34の他の部分よりも低くする低剛性部34aに形成されている。具体的には上記低剛性部34aはブラケット34の幅方向に貫通する空洞部36によって形成されている。この空洞部36はブラケット34の長手方向に沿って長いH形状で、隅部は応力集中を避けるようR状に形成されている。
したがって、上記ブラケット34を荷重受け部29を介してホーン22に固定するため、ブラケット34の両端部の連結ねじ35をホーン22に締め込むと、ブラケット34は図3(a)に示す状態から図3(b)に示すように、空洞部36が形成された低剛性部34aが弾性変形して湾曲する。そのため、ブラケット34の両端部分をホーン22に連結ねじ35によって連結固定しても、このブラケット34の長手方向中央部分と荷重受け部29とは面接触状態が維持されることになる。
なお、上記空洞部36の形状は楕円形状や円形状などであってもよく、要はブラケット34に低剛性部34aを形成することができる形状であればよい。
上記ブラケット34は、上記荷重受け部29に接触した部分の上面が上記θ可動体17の下面に取付け固定される。したがって、上記超音波実装ツール21はX、Y、Z及びθ方向に駆動可能となっている。
上記超音波実装ツール21の下方にはステージ41が配設されている。このステージ41は、詳細は図示しないがX、Y、及びZ方向に駆動可能となっている。ステージ41の上面にはポリイミド製のテープ状部材などの基板42が供給載置される。この基板42に対して上記超音波実装ツール21のツール部25が位置決めされて下降する。それによって、ツール部材25の保持部26に吸着保持された半導体チップCがZ可動体8による加圧力と、ホーン22の長手方向に伝播される振動とによって上記基板42に圧着される。
上記ツール部材25の保持部26に対する半導体チップCの供給は、図示しない反転ピックアップツールによって行なわれる。すなわち、反転ピックアップツールはウエハステージに保持された半導体チップCのバンプBが形成された面を吸着した後、180度回転してバンプBが設けられた面を下にして待機する。
上記超音波実装ツール21は待機した上記反転ピックアップツールの上方に駆動される。そして、その下面に設けられたツール部材25の保持部26によって上記反転ピックアップツールに吸着保持された半導体チップCを、その上面を吸着して受け取る。つまり、半導体チップCはバンプBが形成された面を下にして上記超音波実装ツール21に吸着保持される。
上記半導体チップCには複数のバンプBが設けられている。複数のバンプBは図6(a)に示すように半導体チップCの直交する2つの辺に、各辺に対して直交する方向に設けられていたり、図6(b)に示すように対向する一対の短い辺に、これらの辺に対して直交する方向に設けられていたり、図6(c)に示すように対向する一対の長い辺に、これらの辺に対して直交する方向に設けられるなど、半導体チップCの品種などに応じて異なる配列状態で設けられることがある。さらに、図6(a)〜(c)に示す配列状態において、バンプBの幅寸法や長さなどの形状が異なる場合もある。
図6(a)の場合、矢印Vで示す半導体チップCに作用する超音波振動の方向を、半導体チップCの長手方向に対して45度の角度に傾斜させる。それによって、半導体チップCの2つの辺に設けられたバンプBに対して超音波振動が作用する方向がそれぞれ45度になるから、各辺のバンプBを同じ条件で圧接することができる。
図6(b)の場合、半導体チップCに作用する超音波振動の方向Vを、半導体チップCの長手方向に対して直交する方向にする。それによって、バンプBに作用する超音波振動の方向Vは各辺に設けられたバンプBの長手方向に沿う方向になるから、それぞれの辺のバンプBを同じ条件で圧接することができる。
図6(c)の場合、半導体チップCに作用する超音波振動の方向Vを、半導体チップCの長手方向に沿う方向にする。それによって、バンプBに作用する超音波振動の方向Vは各辺に設けられたバンプBの長手方向に沿う方向になるから、それぞれの辺のバンプBを同じ条件で圧接することができる。
たとえば、図6(a)の配列状態でバンプBが設けられた半導体チップCを基板42に実装する場合、超音波実装ツール21が取り付けられたθ可動体17をθ駆動源16によって回転角度が0度の基準位置から45度回転させる。それによって、上記超音波実装ツール21のホーン22は、図7(a)に示すようにその長手方向である超音波振動の方向VがY方向に対して45度の角度で傾斜する。
ついで、上記超音波実装ツール21のホーン22の取付け部18にツール部材25を回転不能に保持したセットねじ27を緩め、このツール部材25の保持部26がY方向と平行になるよう、45度回転させた後、上記セットねじ27を締めて保持固定する。
それによって、上記保持部26に半導体チップCを吸着保持した後、ホーン22を超音波振動させれば、その超音波振動は上記保持部26に保持された半導体チップCのバンプBの長手方向に対し、図6(a)に示すように45度の方向に作用する。
したがって、半導体チップCの隣り合う2つの辺に対して直交して設けられたバンプBには超音波振動が同じ45度の方向に作用するから、各辺のバンプBを基板42に設けられた端子に対して同じ強度で接合することができる。
しかも、上記保持部26は長手方向がY方向に平行になるよう位置決めされているから、この保持部26に保持された半導体チップCの方向と、ステージ41上の基板42に対して実装する方向を、ホーン22の角度を変える前と同じにすることができる。つまり、図示しないウエハステージからピックアップツールによってピックアップされた半導体チップCを上記保持部26が受け取るときの方向を一定にすることができる。
なお、ツール部材25を45度回転させる方向は反時計方向に限られず、時計方向であってもよい。
図6(b)の状態でバンプBが設けられた半導体チップCを基板42に実装する場合、θ駆動源16によってθ可動体17の回転角度を0度、つまり図2に示す基準位置にする。それによって、上記超音波実装ツール21のホーン22は、図7(b)に示すようにその長手方向である超音波振動の方向VがX方向と平行になる。
ついで、ホーン22の取付け部18に設けられたツール部材25を回転させ、その保持部26の長手方向がホーン22に作用する超音波振動の方向Vに対して直交する方向、つまりY方向と平行に位置決めする。
そして、上記保持部26に半導体チップCを吸着保持した後、ホーン22を超音波振動させれば、その超音波振動の方向Vは、図6(b)に示すように上記保持部26に保持された半導体チップCの対向する一対の長辺に設けられたバンプBの長手方向に沿う方向になる。
それによって、超音波振動は一対の長辺に設けられたバンプBに対して同じ状態で作用するから、一対の長辺に設けられたバンプBを、基板42に設けられた端子に対して同じ強度で接合することができる。
この場合も、上記保持部26は長手方向がY方向に平行になるよう位置決めされているから、ピックアップツールから上記保持部26が半導体チップCを受け取るときの方向を一定にすることができる。
図6(c)の状態でバンプBが設けられた半導体チップCを基板42に実装する場合、θ駆動源16によってθ可動体17を基準位置から90度回転させる。それによって、上記超音波実装ツール21のホーン22は、図7(c)に示すようにその長手方向である超音波振動の方向VがX方向と直交するY方向に沿う方向に位置決めされる。
ついで、ホーン22の取付け部18に設けられたツール部材25の回転角度を、その保持部26の長手方向がホーン22に作用する超音波振動の方向Vに対して平行となる方向、つまりY方向に沿う方向に位置決めする。
そして、上記保持部26に半導体チップCを吸着保持した後、ホーン22を超音波振動させれば、その超音波振動の方向Vは上記保持部26に保持された半導体チップCの対向する一対の短辺に設けられたバンプBの長手方向と同じ方向になる。
それによって、超音波振動は一対の短辺に設けられたバンプBに対して同じ状態で作用するから、一対の短辺に設けられたバンプBを、基板42に設けられた端子に対して同じ強度で接合することができる。
この場合も、上記保持部26は長手方向がY方向に平行になるよう位置決めされているから、ピックアップツールから上記保持部26が半導体チップCを受け取るときの方向を一定にすることができる。
このように、半導体チップCに設けられるバンプBの配置状態が半導体チップCの品種によって異なっていても、上記ホーン22のZ可動体8に対する回転角度を設定し、しかも上記ホーン22に対して上記保持部26の回転角度を設定することで、半導体チップCに設けられた複数のバンプBに対してホーン22を伝わる超音波振動を同じ条件で作用させることができる。
それによって、半導体チップCに設けられた複数のバンプBを、基板42に設けられた端子に対して均一な強度で接合することが可能となる。
しかも、取付け部18に設けられたツール部材25の回転角度を設定できるため、上記ツール部材25に設けられた半導体チップCを吸着するための上記保持部26の方向を、ホーン22の水平方向の回転角度に係らず一定に維持することができる。
それによって、上記保持部26がピックアップツールから半導体チップCを受けるときの方向を一定にすることができるから、ピックアップツールから保持部26に半導体チップCの受け渡すときに、半導体チップCの姿勢を制御せずにすむ。
上記実施の形態では、図6(b)、(c)の状態でバンプが設けられたそれぞれの半導体チップに対し、超音波振動をバンプの長手方向に沿う方向に作用させることで、各半導体チップの一対の辺に設けられたバンプを同じ条件で接合するようにしたが、超音波振動を作用させる方向を、各一対の辺に設けられたバンプの長手方向に対して45度の角度になるように設定しても、各辺に設けられたバンプを同じ条件、つまり同じ強度の超音波振動で接合することができる。
また、超音波振動を作用させる方向はバンプに対して45度及び長手方向だけに限られず、バンプの長手方向に対して直交する幅方向であってもよく、さらに角度も45度に限られず、任意の角度であってもよい。
さらに、ホーンの凹部に対するツール部材の保持方法はツール部材の外周面にセットねじを圧接して行なうようにしたが、ツール部材の上面の中心部にボルトを一体的に設け、このボルトをホーンの厚さ方向に貫通させ、ホーンの上面に突出したボルトの端部にナットを螺合させることで、上記ツール部材を凹部に保持固定するようにしてもよい。
この発明の一実施の形態を示す実装装置の概略的構成を示す側面図。 図1に示す実装装置の正面図。 (a)はブラケットが変形する前の状態を示す超音波実装ツールの正面図、(b)はねじを締め込んでブラケットが変形した状態を示す超音波実装ツールの正面図、(c)はホーンに発生する振動の波形を示す図である。 ホーンのツール部材が設けられた部分の拡大断面図。 ホーンのツール部材が設けられた部分の下面を示す図。 (a)〜(c)はバンプがそれぞれ異なる配置状態で設けられた半導体チップを示す説明図。 図6(a)〜(c)で示す配置状態のバンプを有する半導体チップを基板に実装するときの超音波実装ツールの角度を示す説明図。
符号の説明
19…凹部、21…超音波実装ツール、22…ホーン、23…振動子、25…ツール部材、26…保持部、27…セットねじ、28…第1の吸引路、31…第2の吸引路、42…基板、B…バンプ、C…半導体チップ(電子部品)。

Claims (5)

  1. 上下駆動される可動部に取付けられ電子部品を被実装部材に押圧荷重と振動とによって圧着する超音波実装ツールであって、
    ホーンと、
    このホーンの一端に接続されホーンを振動させる振動子と、
    上記ホーンの下面の振動が最大となる部分に設けられた円形状の凹部からなる取付け部と、
    上記凹部に入り込む円盤状であるとともに、上記電子部品を保持する保持部を有し、上記凹部に吸着保持されるとともに、所定の回転角度で上記取付け部に回転不能に保持されるツール部材と
    を具備したことを特徴とする超音波実装ツール。
  2. 上記ホーンには、上記凹部に連通しこの凹部に上記ツール部材を吸着保持する第1の吸引路と、上記ツール部材を介して上記保持部に連通しこの保持部に上記電子部品を吸着保持する第2の吸引路が形成されていることを特徴とする請求項1記載の超音波実装ツール。
  3. 上記ツール部材は、上記取付け部にセットねじによって所定の回転角度で回転不能に固定される構造であることを特徴とする請求項1記載の超音波実装ツール。
  4. 上記ホーンと上記ツール部材は硬度の異なる材料で形成されていることを特徴とする請求項1記載の超音波実装ツール。
  5. 電子部品を被実装部材に押圧荷重と振動とによって圧着する電子部品の実装装置であって、
    上下方向に駆動される可動部と、
    この可動部に対向して設けられ上面に上記被実装部材が保持されるステージと、
    上記可動部に水平方向の回転角度の調整可能に取付けられ上記電子部品を保持してこの電子部品に振動を付与しその振動と上記可動部の下降による押圧力とで上記電子部品を上記被実装部材に圧着する超音波実装ツールとを具備し、
    上記超音波実装ツールは請求項1に記載された構成であることを特徴とする電子部品の実装装置。
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