JP5675213B2 - 電子部品の実装装置 - Google Patents

Description

この発明は半導体チップなどの電子部品に荷重と音波振動を加えて基板に実装する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ポリイミド製のテープ状部材や金属製のリードフレームなどの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方法が知られている。つまり、半導体チップを基板の被接合面に所定の圧力で加圧しながら超音波振動を与え、基板に形成されたリードと半導体チップのバンプとの接触部分を接合させるというものである。

このような実装は超音波実装ツールを用いて行われる。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連結固定されている。この振動子には超音波発振器が電気的に接続される。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、振動子が駆動されて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、ホーンは長手方向である、横方向に超音波振動する。

上記ホーンの中途部の下面には上記半導体チップを吸着保持するツール部が突出形成されている。このツール部の下端面である、吸着面には吸引孔が開口形成されていて、この吸引孔に生じる吸引力によって上記半導体チップが上記ツール部の吸着面に吸着保持される。

そして、上記ツール部に半導体チップを吸着保持した状態で超音波実装ツールが下降方向に駆動されることで、上記基板に上記半導体チップが荷重を超音波振動によって接合されることになる。このような先行技術は特許文献１に示されている。

従来、超音波実装ツールを構成する上記振動子とホーンはたとえばねじ結合などによって一体的に連結固定されている。また、ホーンに伝達される超音波振動の振幅が最大となる腹の部分が上記ツール部の箇所に位置するよう、上記ホーンの長さが各実装装置のそれぞれの超音波実装ツールが持つ固有の特性に応じて設定される。それによって、半導体チップを超音波振動のもつ最大のエネルギで基板に実装できるようにしている。

特開２００６−１５６８１３号公報

ところで、上記振動子とホーンをねじ結合する場合、これら振動子とホーンに形成されるねじの軸芯がわずかでも傾いていると、結合された上記振動子の一端面と、上記ホーンの一端面とが密着しないということが生じる。しかも、上記振動子と上記ホーンの一端面をそれぞれ精密に研磨加工したとしても、各端面のもつ粗さによってこれらの端面が確実に密着しないということもある。

上記振動子と上記ホーンの一端面が十分に密着していない状態、つまり部分的に接触した状態で上記振動子を超音波振動させると、その超音波振動が振動子からホーンに確実に伝わらないため、基板に対して半導体チップを確実に実装することができなくなるということがある。

しかも、振動子とホーンの一端面が密着していない状態で、振動子が超音波振動を繰り返すと、振動子の超音波振動にホーンが連動して振動せずに、振動子の一端面がホーンの一端面に対して衝突を繰り返す状態で振動することになるから、その衝突部分が高温度に加熱されてカーボンが発生し、そのカーボンが次第に蓄積されて振動子とホーンとの一端面の接触面積がさらに減少する。その結果、振動子からホーンへの超音波振動の伝達効率が大きく低下し、半導体チップの実装不良を招く原因になるということもある。

また、超音波実装ツールが持つ固有の特性に応じて、ホーンに設けられたツール部に超音波振動の振幅が最大となる腹の部分を位置させるためには、従来はホーンを切断するなどしてその長さを調整することで行なうようにしていた。しかしながら、ホーンの長さを調整する作業性は非常に多くの手間が掛かるばかりか、その調整作業に熟練を要するということもあった。

この発明は、振動子の超音波振動をホーンに効率よく確実の伝達することができるばかりか、ホーンに伝達された超音波振動の振幅が最大となる腹の部分を、上記ホーンに形成されたツール部の箇所に容易に位置決めすることができる電子部品の実装装置を提供することにある。

この発明は、電子部品に荷重と超音波振動を加えながらこの電子部品を基板に実装する実装装置であって、
超音波振動する振動子と、
この振動子とともに超音波振動するようその一端面に上記振動子の一端面が連結されるホーンと、
このホーンに設けられ上記電子部品に上記荷重とともに超音波振動を加えるツール部と、
上記ホーンの一端面と上記振動子の一端面との間に設けられ上記振動子と上記ホーンを連結したときに、一側面が上記振動子の一端面に密着し他側面が上記ホーンの一端面に密着し、各側面と各端面の間に隙間が生じないようにする上記振動子及び上記ホーンを形成する材料よりも柔らかな材料によって形成された振動伝達部材と
を具備したことを特徴とする電子部品の実装装置にある。

上記振動伝達部材は、上記振動子から上記ホーンに伝達される超音波振動の振幅が最大となる腹の部分が上記ホーンに設けられた上記ツール部に位置するよう厚さ寸法が設定されることが好ましい。

この発明によれば、ホーンの一端面と振動子の一端面との間に、一側面が振動子の一端面に密着し他側面がホーンの一端面に密着する振動伝達部材を設けるようにしたから、振動子の一端面とホーンの一端面は振動伝達部材を介して密着させることができる。

それによって、振動子の超音波振動をホーンに効率よく確実に伝達することができ、しかも振動伝達部材の厚さを設定することで、超音波振動の振幅が最大となる腹の部分を、ホーンに形成されたツール部に位置決めすることが可能となる。

この発明の一実施の形態を示す実装装置の正面図。 図１に示す実装装置の側面図。 振動子とホーンとが連結される前の状態を示す断面図。 振動子とホーンとが連結された状態を示す断面図。 ホーンのツール部に対する超音波振動の腹の部分の位置を説明した図。

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が取り付けられている。この超音波実装ツール２１は図２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同じく角柱状の振動子２３が後述するよう振動伝達部材１９を介して連結固定されている。
なお、詳細は図示しないが、上記振動子２３は複数の圧電素子を軸線方向に一体的に結合して構成されている。

上記振動子２３には図示しない発振器が電気的に接続されていて、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が超音波振動し、この振動子２３とともに上記ホーン２２も超音波振動するようになっている。

上記ホーン２２の長手方向中央部の下面には矩形状のベース部２４が設けられている。このベース部２４の下面で、上記ホーン２２に伝達される超音波振動の振幅が最大となる、図５にＳで示す振動の腹の部分にはツール部２５がホーン２２の幅方向全長にわたって突出形成されている。

上記ツール部２５の下端面には図示しない吸引孔の一端が開口形成されている。このツール部２５の下端面は、電子部品としての半導体チップＣが上記吸引孔に発生する吸引力によって吸着保持されるようになっている。

上記ホーン２２の上面の上記ツール部２５に対応する長手方向の中央部である、超音波振動の腹Ｓの部分には、上記ベース部２４とほぼ同じ平面形状の荷重受け部２７が突出形成されている。なお、上記ツール部２５と荷重受け部２７は、上記ホーン２２と一体形成されている。

上記荷重受け部２７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２８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２８の両端部はそれぞれねじ２９によって上記ホーン２２の超音波振動の振幅が最小となる、振動波の節の部分に連結固定されている。なお、上記超音波実装ツール２１は軸方向、つまり横方向に振動する。

上記ブラケット２８の両端部分と上記荷重受け部２７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２８の他の部分よりも低くする低剛性部２８ａに形成されている。上記低剛性部２８ａはブラケット２８の幅方向に貫通する空洞部３０によって形成されている。この空洞部３０はブラケット２８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２８を荷重受け部２７を介してホーン２２に固定するため、ブラケット２８の両端部のねじ２９をホーン２２に締め込むと、ブラケット２８の空洞部３０が形成された低剛性部２８ａが弾性変形して湾曲する。そのため、ブラケット２８の両端部分をホーン２２にねじ２９によって連結固定しても、このブラケット２８の長手方向中央部分と荷重受け部２７とは面接触状態が維持されることになる。

上記ブラケット２８は、上記荷重受け部２７に接触した部分の上面が上記θ可動体１７の下面に取り付け固定される。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。

図１と図２に示すように、上記超音波実装ツール２１の下方にはヒータ３１ａが内蔵されたステージ３１が配設されている。このステージ３１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３１の上面にはポリイミド製のテープ状部材や金属製のリードフレームなどの基板３２が供給載置される。この基板３２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２５に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の横振動と、ステージ３１に設けられたヒータ３１ａの熱によって上記基板３２に圧着、つまり実装されるようになっている。
なお、図示はしないが、上記ホーン２２にもヒータを設け、このヒータの熱によって半導体チップＣの実装効率を高めるようにしてもよい。

図３と図４に上記超音波実装ツール２１を構成するホーン２２と振動子２３の連結構造を示す。図３に示すように、上記ホーン２２の一端面２２ａと上記振動子２３の一端面２３ａには、それぞれ各端面２２ａ，２３ａの中心部に開放しためねじ２２ｂ，２３ｂが形成されている。

図４に示すように、上記ホーン２２のめねじ２２ｂには両切りのおねじ３４の一端部が螺合され、上記振動子２３のめねじ２３ｂには上記おねじ３４の他端部が螺合される。上記ホーン２２の一端面２２ａと上記振動子２３の一端面２３ａとの間に介在する上記振動伝達部材１９は中心部に通孔１９ａが形成された角形の板材であって、その通孔１９ａに上記おねじ３４が挿通される。したがって、上記ホーン２２と上記振動子２３は上記振動伝達部材１９を介してねじ結合されることになる。

上記ホーン２２はハイス鋼やＳＫＤ１１などの鋼材で形成され、上記振動子２３は鉄、Ｔｉ合金或いはアルミニウム合金などの金属によって形成されている。上記振動伝達部材１９は上記ホーン２２と上記振動子２３を形成する金属材料よりも柔らかな材料、たとえば真ちゅうなどの金属材料、或いはガラエポ、ピーク材或いはロスナボード（商品名）などの樹脂材料によって形成されている。

したがって、上記ホーン２２と上記振動子２３をおねじ３４によってねじ結合し、上記振動伝達部材１９を上記ホーン２２と上記振動子２３の硬さによって変形させれば、上記振動伝達部材１９の一側面が上記ホーン２２の一端面２２ａに密着し、他側面が上記振動子２３の一端面２３ａに密着する。つまり、上記ホーン２２の一端面２２ａと上記振動子２３の一端面２３ａは上記振動伝達部材１９を介して密着固定される。

上記ホーン２２の一端面２２ａと上記振動子２３の一端面２３ａが密着すれば、上記振動子２３が超音波振動すると、その超音波振動は上記ホーン２２に効率よく確実に伝達されることになる。

つまり、振動子２３が超音波振動したときに、ホーン２２が一体的に超音波振動するため、振動子２３の一端面２３ａがホーン２２の一端面２２ａに対して衝突を繰り返して高温度に温度上昇することがない。

それによって、ホーン２２と振動子２３との端面２２ａ，２３ａ間にカーボンが堆積するのが防止されるから、振動子２３からホーン２２への超音波振動の伝達効率が低下するということがない。

上記ホーン２２と上記振動子２３との間に上記振動伝達部材１９を介在させたことで、この振動伝達部材１９の厚さによって超音波実装ツール２１の全長を調整することができる。なお、振動伝達部材１９の厚さは超音波振動の波長の４分の１以下が好ましい。

それによって、超音波振動の振幅が最大となる腹の部分がホーン２２に設けられたツール部２５の位置からずれた場合、上記振動伝達部材１９の厚さを変えて超音波実装ツール２１の全長を調整すれば、超音波振動の振幅が最大となる腹の位置を上記ツール部２５に一致させることができる。

つまり、上記振動伝達部材１９の厚さがｔのとき、図５に示すように超音波振動の振幅が最大となる腹Ｓの位置がツール部２５に対してＳ１で示す振動子２３側にずれている場合、そのずれ量に応じて振動伝達部材１９の厚さをｔよりも厚くすれば、振幅が最大となる腹の位置をＳ１からＳの位置に調整することができる。

逆に、腹の位置がＳ２で示すように振動子２３と反対側にずれている場合には、そのずれ量に応じて振動伝達部材１９の厚さをｔよりも薄くすれば、振幅が最大となる腹の位置をＳ２からＳに調整することができる。

このように、この発明の実施の形態によれば、ホーン２２の一端面２２ａと、振動子２３の一端面２３ａとの間に、上記ホーン２２と振動子２３を形成する材料よりも柔らかい材料によって形成された振動伝達部材１９を介在させて上記ホーン２２と振動子２３をねじ結合するようにした。

そのため、ホーン２２の一端面２２ａと、振動子２３の一端面２３ａは振動伝達部材１９を介して密着するから、振動子２３の超音波振動をホーン２２に確実に、しかも効率よく伝達することができるから、基板３２に対する半導体チップＣの実装効率も向上させることができる。

ホーン２２の一端面２２ａと、振動子２３の一端面２３ａとの間に設けられる振動伝達部材１９の厚さによって、超音波実装ツール２１の全長を変えることで、ホーン２２に伝達される超音波振動の振幅が最大となる腹Ｓの位置を調整することができる。

そのため、超音波実装ツール２１が持つ固有の特性によって超音波振動の腹Ｓの位置がホーン２２に形成されたツール部２５からずれる場合、振動伝達部材１９の厚さを調整することで、超音波振動の腹Ｓをツール部２５の箇所に位置させることができる。

上記ホーン２２と振動子２３は振動伝達部材１９を介しておねじ３４によって一体的に結合されている。そのため、上記ホーン２２と振動子２３との周方向に対する連結角度（回転角度）に制限がある場合、たとえばホーン２２のめねじ２２ｂに対するおねじ３４のねじ込み量を、上記振動伝達部材１９の厚さを考慮して調整しておくことで、ホーン２２に対する振動子２３の連結角度を所望する角度に設定することができる。

一方、上記振動伝達部材１９を樹脂などの断熱性の材料によって形成すれば、ホーン２２にヒータを取付けて、ホーン２２をたとえば４００℃に加熱した場合、振動子２３の温度は、上記振動伝達部材１９の材質による伝熱性や厚さなどによってホーン２２よりも低い、たとえば２００℃とすることができる。つまり、上記振動伝達部材１９の材料や厚さなどによって超音波実装ツール２１全体の上昇温度を変えることができる。

このように、超音波実装ツール２１の温度が高くなると、全体としての振動数は低くなる。たとえば、超音波実装ツール２１の振動数が４０ＫＨＺの場合、温度上昇によって振動数に２ＫＨＺの差が生じることもある。つまり、温度上昇によって超音波実装ツール２１の振動数が変化することになる。

したがって、上記振動伝達部材１９の材料や厚さなどを選択してホーン２２に設けられたヒータによる超音波実装ツール２１全体の上昇温度を変化させれば、超音波実装ツール２１の振動数を調整することが可能となる。

つまり、従来は超音波実装ツール２１の全長を変えて振動数を設定するということが行なわれていたが、振動伝達部材１９を用いることで、その厚さやその材料のもつ断熱性などによって超音波実装ツール２１の振動数を変えることができる。

上記振動伝達部材１９によって超音波実装ツール２１の振動数を変えた場合、その超音波振動の腹の位置が変位することになる。したがって、その場合、その腹の位置がホーン２２のツール部２５に位置するよう、上記振動伝達部材１９の厚さを設定すればよい。

なお、上記一実施の形態では振動伝達部材に、ホーンと振動子を形成する材料よりも柔らかな材料を用いるようにしたが、振動伝達部材をホーンと振動子を形成する材料よりも硬い材料を用いることで、ホーンと振動子をねじ結合したときに、これらホーンと振動子の端面を変形させて振動伝達部材の側面に密着させるようにしてもよい。

また、振動伝達部材にホーンと振動子を形成する材料よりも柔らかな材料を用いること
で、ホーンと振動子をねじ結合したときに振動伝達部材を変形させるようにしたが、振動
伝達部材は塑性変形する材料、或いは弾性変形する材料のどちらの材料で形成するように
してもよい。以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］電子部品に荷重と超音波振動を加えながらこの電子部品を基板に実装する実装装置であって、超音波振動する振動子と、この振動子とともに超音波振動するようその一端面に上記振動子の一端面が連結されるホーンと、このホーンに設けられ上記電子部品に上記荷重とともに超音波振動を加えるツール部と、上記ホーンの一端面と上記振動子の一端面との間に設けられ上記振動子と上記ホーンを連結したときに、一側面が上記振動子の一端面に密着し他側面が上記ホーンの一端面に密着する振動伝達部材とを具備したことを特徴とする電子部品の実装装置。
［２］上記振動伝達部材は、上記振動子及び上記ホーンを形成する材料よりも柔らかな材料或いは硬い材料のどちらかによって形成されていることを特徴とする［１］記載の電子部品の実装装置。
［３］上記振動伝達部材は、上記振動子から上記ホーンに伝達される超音波振動の振幅が最大となる腹の部分が上記ホーンに設けられた上記ツール部に位置するよう厚さ寸法が設定されることを特徴とする［１］又は［２］記載の電子部品の実装装置。

１９…振動伝達部材、２１…超音波実装ツール、２２…ホーン、２２ｂ…めねじ、２３…振動子、２３ｂ…めねじ、２５…ツール部、３２…基板、３４…おねじ、Ｃ…半導体チップ（電子部品）。

Claims (2)

1. 電子部品に荷重と超音波振動を加えながらこの電子部品を基板に実装する実装装置であって、
   超音波振動する振動子と、
   この振動子とともに超音波振動するようその一端面に上記振動子の一端面が連結されるホーンと、
   このホーンに設けられ上記電子部品に上記荷重とともに超音波振動を加えるツール部と、
   上記ホーンの一端面と上記振動子の一端面との間に設けられ上記振動子と上記ホーンを連結したときに、一側面が上記振動子の一端面に密着し他側面が上記ホーンの一端面に密着し、各側面と各端面の間に隙間が生じないようにする上記振動子及び上記ホーンを形成する材料よりも柔らかな材料によって形成された振動伝達部材と
   を具備したことを特徴とする電子部品の実装装置。
2. 上記振動伝達部材は、上記振動子から上記ホーンに伝達される超音波振動の振幅が最大となる腹の部分が上記ホーンに設けられた上記ツール部に位置するよう厚さ寸法が設定されることを特徴とする請求項１記載の電子部品の実装装置。

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