JP5967545B2 - 電子部品ボンディングツール - Google Patents

Description

本発明は、電子部品を回路基板に装着する電子部品ボンディングツールに関するものである。

従来、プリント基板等の回路基板に電子部品を装着する装置では、部品保持部に保持された電子部品の電極と回路基板の電極とを接合する様々な方法が利用されている。このうち、電子部品を短時間で接合することができる方法の１つとして、超音波を利用する接合方法（以下、「超音波接合」という。）が知られている。超音波接合では、回路基板に押圧された電子部品に超音波振動を付与することにより、回路基板に対して電子部品を振動させ、電子部品の電極（例えば、バンプ）と回路基板の電極とを電気的に接合する。

電子部品装着装置では、電子部品を吸着保持する保持ツールの保持面が超音波振動を付与するため、その保持面が電子部品との摩擦により摩耗したり、保持面に異物が付着する等により、保持面が理想的な状態から変化してしまう。すると、保持面に吸着された電子部品が回路基板に対して傾いてしまったり、電子部品に所望の振動が伝わらないことになるため、電子部品の電極と回路基板の電極との間で十分な接合強度が得られなくなる。

このような場合、保持面を研磨することにより、保持面の再生及び異物の除去（クリーニング）が行われるのが一般的である。しかしながら、研磨回数を重ねると、ツール自体も研磨してしまうため、電子部品が傾くといった不具合が生じてしまう。

前述した先端部の磨耗を抑制し、クリーニング時における研磨においても、削れを抑えられるための技術として、特許文献１が提案されている。特許文献１では、図１２に示すように、ボンディングツール１００５の構造において、ホーン１０５１に設けられた雌型嵌合部１１５１と超硬材でできた部品保持部１０５３に設けられた雄型嵌合部１５３２とを、接着層１５１６のロウ材で形成し、先端部のみを高硬度化する構造を用いている。このように構成することにより、超音波振動特性の安定化を行い、磨耗の進行を抑えたり、研磨時にも削れにくくするためのツールを提供している。

国際公開第ＷＯ ２０１１／１４５２６６号パンフレット

特許文献１などにおいては、電子部品と接触するツール部に超硬材料を用いて高硬質化する方法を提供しているが、電子部品の材料がサファイアなどの比較的高い硬度を持っているものに対しては、耐摩耗性が十分確保されず、安定した接合を長期的に提供できないことが課題となる。

本発明は、前記従来の課題に鑑みなされたものであり、超音波接合における電子部品接触部であるツール先端磨耗を防止し、長期的に接合信頼性を確保できる電子部品ボンディングツールを提供するものである。

前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。

第１態様によれば、超音波振動を発生する超音波振動子と、
前記超音波振動子を長手方向の一端に設けて前記長手方向沿いに超音波振動を伝達するホーンと、
前記ホーンの前記長手方向の中間部に配置されて電子部品を保持する電子部品保持部とを備え、
前記電子部品保持部が、電子部品保持時に前記電子部品と接触する電子部品接触部と、前記電子部品接触部を下端に有しかつ前記ホーンに設けられた雌型の嵌合部の形状に対応した形状を有する雄型の嵌合部とを有し、
前記雌型の嵌合部が前記雄型の嵌合部に、前記雌型の嵌合部と前記雄型の嵌合部との間に接着層を挟み込んで接合されており、
前記雄型の嵌合部の前記下端には、前記電子部品接触部が５０μm〜１０００μmの厚みの焼結材料にて構成され、
前記雄型嵌合部の厚みが前記電子部品接触部の厚みの５倍以上１００倍以下で構成されている、多層構造のボンディングツールを提供する。

この構成によって、電子部品接触部の材質をより硬度なものを採用する事を可能にし、安定した超音波振動特性及び超音波印加時エネルギーに耐えうることができる。

第２態様によれば、前記ホーンの前記長手方向の断面形状に対し、前記雌型の嵌合部と前記雄型の嵌合部と前記電子部品接触部とのそれぞれの断面形状は、前記電子部品保持部の中心を中心として、対称な形状を有している、請求項１記載のボンディングツールを提供する。

この構成によって、加圧時にも振動伝達が良好になり、振動の再現性を保つ事ができるため、安定した接合を可能にする。

第３態様によれば、前記ホーン雌型嵌合部と前記雄型嵌合部とが前記接着層を介し、嵌め合って接合しており、前記雄型嵌合部は、下方に突出した突出部を有して、前記突出部の下端に前記電子部品接触部を固定して、前記ホーン下面よりも前記電子部品接触部が下方に突出して配置されるように構成されている第１又は２の態様のボンディングツールを提供する。

この構造により、ヤング率が大きく異なる材料を使用した状態で、振動速度の急激な変化を緩和し、振動子から伝達される振動を大きく損なうことなく、良好な振幅を得る事が可能になり、共振点を安定させることができる。

第４態様によれば、前記ホーンの振動方向の断面形状厚みにおいて、前記雄型嵌合部に対する厚みが２倍以上及び１０倍以下である第１〜３の態様のいずれか１つに記載のボンディングツールを提供する。

この構造を用いることで、超音波伝達を損なうことなく振動を電子部品に供給することが可能になり、さらには、部品接触部に加工時の残留応力を発生することを軽減できるため、安定した超音波接合ができるホーン構造を提供することができる。

第５態様によれば、前記ホーンを構成する材料のヤング率は、前記雄型嵌合部の材料のヤング率より小さく、前記雄型嵌合部の材料のヤング率は、前記電子部品接触部の材料のヤング率より小さい、第１〜４の態様のいずれか１つに記載のボンディングツールを提供する。

この構成により、電子部品に接触する部位の高硬度化と副共振などの超音波振動不安定要素を除去することが可能になった。

本発明の前記態様により、ボンディングツール表面の高硬質化と振動特性の安定化とを可能にし、超音波接合における電子部品接触部であるツール先端磨耗を防止し、電子部品に安定した振動を付与し、長期的に信頼性の高い超音波接合を実施することができる。

本発明の実施形態に係る電子部品装着装置の概略構成を示す正面図 本実施形態におけるボンディングヘッド近傍の拡大正面図 本実施形態におけるボンディングヘッドの電子部品保持部の近傍の概略的な拡大断面図 本実施形態におけるホーン及び雄型嵌合部断面構造と振動モードの説明図 本実施形態におけるホーン及び雄型嵌合部断面構造と振動モードの説明図 本実施形態におけるホーン及び雄型嵌合部断面構造と振動モードの説明図 本実施形態における部品接触部の配置違いによる応力方向の断面図 本実施形態における部品接触部の配置違いによる応力方向の断面図 本実施形態におけるホーンと雄型嵌合部と部品接触部との断面構造を示す縦断面図 本実施形態におけるホーンと雄型嵌合部と部品接触部との断面構造を示す底面図 図５Ａ〜図１１におけるホーンと雄型嵌合部と部品接触部とにおけるハッチングの説明図 比較例のツール断面構造を示す縦断面図 比較例のツール断面構造を示す底面図 比較例のツール断面構造を示す縦断面図 比較例のツール断面構造を示す底面図 従来例のツール断面構造を示す縦断面図 従来例のツール断面構造を示す底面図 比較例のツール断面構造を示す縦断面図 比較例のツール断面構造を示す底面図 比較例のツール断面構造を示す縦断面図 比較例のツール断面構造を示す底面図 比較例のツール断面構造を示す縦断面図 比較例のツール断面構造を示す底面図 従来のボンディングヘッドとツールの概略的な正面図

以下、図面を参照しながら本発明にかかる実施の形態について詳細に説明する。

始めに、図１を主として参照しながら、本実施の形態における電子部品装着装置１の構成について説明する。

なお、図１は、本発明にかかる実施の形態における電子部品装着装置１の概略的な正面図である。

電子部品装着装置１は、対象物であるプリント基板などの回路基板９に対して、システムＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）などに利用される微細な電子部品の装着と接合とを同時に行う、いわゆるフリップチップ実装装置である。

電子部品装着装置１は、基板保持部２と、部品装着ユニット３と、部品供給部４と、撮像部１１と、を備えている。基板保持部２は回路基板９を保持する。部品装着ユニット３は、基板保持部２に保持された回路基板９に電子部品を装着する。部品供給部４は部品装着ユニット３に電子部品を供給する。撮像部１１は、部品供給部４により部品装着ユニット３に供給された電子部品を撮像する。

基板保持部２の（＋Ｚ）側、すなわち上方側には、部品装着ユニット３が設けられている。基板保持部２の（−Ｘ）側には、部品供給部４が設けられている。基板保持部２と部品供給部４との間には、撮像部１１が設けられている。これらの機構が、制御部１０により動作制御され、回路基板９に対する電子部品の装着が行われる。

ここで、基板保持部２、部品装着ユニット３、部品供給部４、及び撮像部１１の構成について、この順で詳細に説明する。

まず、基板保持部２は、回路基板９を保持するユニットである。基板保持部２は、回路基板９を保持するステージ２１と、ステージ２１をＹ方向に移動するステージ移動機構２２と、を備えている。

次に、部品装着ユニット３は、ステージ２１で保持された回路基板９に、部品供給部４から供給された電子部品を装着するユニットである。部品装着ユニット３は、押圧ユニット３３、ボンディングツール５を下端に有する部品装着部３１と、部品装着ユニット３をＸ方向に移動させる装着部移動機構３２と、を備えている。

押圧ユニット３３は、ボンディングツール５を介し、回路基板９に対して電子部品を押圧するユニットである。押圧ユニット３３は、モータ（図示省略）を有する昇降機構を利用してＺ方向に移動させられ、その下端に、ツール支持部３４が固定されたシャフト３５を有している。

ボンディングツール５の構成については、後に、より詳細に説明する。

次に、電子部品供給部４は、電子部品を供給するユニットである。部品供給部４は、所定の位置に多数の電子部品を配置する電子部品配置部４１と、電子部品配置部４１から電子部品を１つずつ取り出して保持する供給ヘッド４２と、供給ヘッド４２をＸ方向に移動する供給ヘッド移動機構４３と、供給ヘッド４２を回動及び僅かに昇降する回動機構４４と、を備えている。回動機構４４も、供給ヘッド４２と一体的に、供給ヘッド移動機構４３によりＸ方向に移動する。

電子部品配置部４１は、多数の電子部品が載置される電子部品トレイ４１１と、電子部品トレイ４１１を保持するステージ４１２と、電子部品トレイ４１１をステージ４１２とともにＸ方向及びＹ方向に移動するトレイ移動機構４１３と、を備えている。

電子部品トレイ４１１には、回路基板９に装着される予定の多数の電子部品が、実装後の状態における下面、すなわち回路基板９に接合される電極部が形成された接合面を上側に向けて、回路基板９に装着される向きとは反対向きで載置されている。

供給ヘッド４２は、電子部品をボンディングツール５に供給する供給コレット４２１を、備えている。供給コレット４２１は、その先端部に吸引口を形成し、吸引口を利用する吸着により、電子部品を保持して、保持した電子部品をボンディングツール５に供給する。

なお、電子部品は、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）チップ、半導体レーザなどの半導体発光素子、パッケージされたＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、抵抗、コンデンサ、微細な半導体ベアチップなどの半導体、ＳＡＷ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）フィルタ、及びカメラモジュールなどの半導体以外の電子部品、の何れであってもよい。また、電子部品の電極部は、電子部品の電極パターンに金（Ａｕ）で形成された突起バンプであってもよいし、電子部品によってはメッキバンプなどであってもよいし、電極パターン自体であってもよい。また、電子部品の電極パターンに形成される突起バンプの代わりの突起バンプが、回路基板９の電極に設けられていてもよい。また、回路基板９は、樹脂により形成された回路基板、及びガラス及び半導体などの樹脂以外の材料により形成された回路基板、の何れであってもよい。

そして、撮像部１１は、装着部移動機構３２によって移動される部品装着部３１、特にボンディングツール５、の移動経路の真下に設置され、ボンディングツール５に保持された電子部品を（−Ｚ）側から撮像するユニットである。撮像部１１は、移動される部品装着部３１と干渉しない位置に設けられている。

なお、回路基板９の（＋Ｘ）側には、電子部品を保持するための、ボンディングツール５の電子部品保持部５３１（図２Ｂ参照、以下同様）を研磨する研磨部７が設けられている。研磨部７は、平らで水平な研磨面７１１を有するシート状の研磨部材７１と、研磨部材７１を保持する研磨部材保持部７２と、を備えている。研磨部材保持部７２は、ステージ２１の（＋Ｘ）側に取り付けられており、ステージ移動機構２２によりステージ２１と一体的にＹ方向に移動される。

ここで、本発明の本実施形態における主要部分を、図２Ａ及び図２Ｂを参照しながら、ボンディングツール５の構成についてより詳細に説明する（ボンディングツール５の構成について説明しながら、ボンディングツール５の製造方法についても説明する）。

なお、図２Ａは、本発明にかかる本実施形態におけるボンディングツール５の概略的な拡大正面図である。また、図２Ｂは、本発明にかかる本実施形態におけるボンディングツール５の、電子部品保持部５３の近傍の概略的な拡大断面図である。

ボンディングツール５は、ホーン５１と、超音波振動子５２と、電子部品保持部５３とを備えている。

ボンディングツール５は、さらに、その上面に配置された板状のホルダ５４と、ホルダ５４の下面に固定されるホルダブロック５４１及び５４２と、を備えている。板状のホルダ５４は、押圧ユニット３３の最下端に位置しかつシャフト３５の下端に固定されたツール支持部３４に連結されている。ボンディングツール５は、このようにして押圧ユニット３３に取り付けられており、回路基板９に対して相対的に昇降される。

ボンディングツール５の電子部品保持部５３は、その基端部に、たとえば先細りの形状(例えば円錐台形状)の雄型嵌合部５３２を有している。ホーン５１には、雄型嵌合部５３２の形状に応じた形状(例えば円錐凹部形状)の雌型嵌合部５１５１が形成されている。よって、雄型嵌合部５３２は雌型嵌合部５１５１に、接着層５１６を介して、嵌め合わされている。

雄型嵌合部５３２の先端部には、電子部品に直接接触する電子部品接触部５３１を有している。雄型嵌合部５３２及び電子部品接触部５３１には、吸引通路５３ｇが形成されており、吸引通路５３ｇの一端が電子部品接触部５３１に吸引口５３ｈとして開口し、電子部品８を電子部品接触部５３１の先端面に吸着保持できるようにしている。電子部品接触部５３１を構成する材料は、たとえば、回路基板９に電子部品８を装着する際に、電子部品８から受ける力に起因した磨耗が生じにくいダイヤモンド焼結体である。

磨耗を生じにくくする場合には、電子部品接触部５３１の先端部を単純に高硬度化したもの、たとえば、ＰＳＮ又はＤＬＣ又はＴｉＮといった表面処理などを施したものがある。

この表面処理は膜の厚みが２〜１０μmのため、超音波振動のせん断力によって、表面が剥がれてしまうという結果が得られており、根本的な改善にはならないことが解っている。このように、薄い膜状の表面処理では、表面硬度を単純に向上させることは可能であるが、超音波振動のようなせん断的な繰り返しの力がかかるものに対しては、膜の密着強度が十分に確保できない。そのため、固い層が必要であり、またその固い層が十分な強度で電子部品接触部５３１の先端部に接着され、かつ超音波印加時のエネルギーに耐えうる強固な固体層が必要不可欠である。さらに、超音波振動を減衰することなく、振動を安定して供給する構造体の導出が必要となるため、単純に母体を含めた高硬質化では、所望の接合強度が得られなくなる。また、超音波振動を高精度に制御するためには、副共振などの阻害要因を無くす必要がある。

そこで、このような諸問題を解決するための解決策について、以下に、図２を用いながら、各部分の構成を詳細に説明する。

ホーン５１を構成する材料は、たとえば、好適な振動特性及び振動伝達特性が保障されるように、超音波振動子５２を構成するステンレス鋼などの材料に合わせて選定されたステンレス鋼である。

接着層５１６を構成する材料は、たとえば電子部品保持部５３を構成する超硬合金とホーン５１を構成するステンレス鋼とを、超音波振動の伝達ロスがほとんど発生しないように強固に接着することができ、接合した後に隙間ができにくいロウ材である。

接着層５１６を形成するためのロウ材を、雄型嵌合部５３２と雌型嵌合部５１５１とを所定の冶具を利用して加圧しながら、恒温層において加熱することによって、接合を行うことができる。たとえば、薄いシート状のロウ材を雄型嵌合部５３２と雌型嵌合部５１５１との間に挟み込んで両嵌合部５３２，５１を互いに嵌め合わせ、電子部品保持部５３とホーン５１とを挟み込んで加圧しながら温度を上げてロウ材を溶融させ、その後、ゆっくりと温度を下げていけばよい。このとき、真空下でロウ付けを行う事で、より均一に隙間なく接着することが可能になる。

雌型嵌合部５１５１は、雄型嵌合部５３２の形状に応じた形状であるので、雄型嵌合部５３２に、加圧方向の反力方向に細めた形状を用いれば、機械精度にて嵌め合わせる構造に比べて、容易に均一な接合を確保し、振動特性又は振動伝達特性を阻害することが無くなり、プロセスによる不安定要素を大幅に軽減できる。

次に、前記した雄型嵌合部５３２と電子部品接触部５３１とについて詳細に説明する。

前記した雄型嵌合部５３２は、加圧を受け、集中的に応力をかけながら超音波振動を印加できる構造でなければならないため、ホーン５１に設けられた雌型嵌合部５１５１と嵌め合う構造であることが望ましい。

次に、電子部品接触部５３１については、一例として硬度の高いダイヤモンド焼結体を用い、より強固な母材を採用しながら振動伝達ロスを少なくするために、厚みｈｓを５０μm〜１０００μmの層状にすることで、振動減衰又は電子部品８に与える振動モードを安定に保つことが可能になる。なお、各図では、電子部品接触部５３１を理解しやすくするため、誇張して大きな寸法で図示している。

具体的には、半導体素子の接合においては、一般的には、最大で５０Ｎくらいの荷重をかけることになる。このときに超音波印加を行うと、半導体で用いられる超音波の周波数は４０〜６０ｋＨｚを使用しているため、ダイヤモンドの物性を考えると、１０００μｍ以下は加圧による振動の節ができないため、振動の減衰が起きずに、振動が不安定になることが無くなる。また、薄く焼結体を付けようとすると、安定した厚みの確保が難しくなるため、均一に焼結ダイヤモンドを構成するには、５０μｍほどの厚み以上が不可欠になる。よって、電子部品接触部５３１の厚みｈｓを５０μm〜１０００μmの層状にすることが好ましい。

さらに、雄型嵌合部５１５１の材料としては超硬材が望ましい。超硬材は、前記真空ロウ付けの際の熱膨張率が非常に低く、硬度が高いため、加工時のダイヤモンドクラックを発生させないための緩和剤となる。ダイヤモンドクラックが発生した場合は、振動特性が非常に悪くなる。

具体的には、ダイヤモンドがクラックした部分が、それ自体で個別の周波数を持ち、副共振をしてしまう懸念が考えられ、この状態では、超音波振動を安定的に制御しながら付与する事が困難になる。

次に、雄型嵌合部５３２及び電子部品接触部５３１については、ホーン振動のピーク部になることが好ましく、一般的には、電子部品保持部５３の中心すなわち中心線である軸線Ｓ１に対して、ホーン長手方向の断面形状を対称形状にすることで、先端の振動モードが縦方向に位相がずれることを防止し、実装時に電子部品に与える振動を安定させることが可能になる。

図２Ｂに示すように、構成材料が多くなる場合には、超音波振動の安定化のために、軸線Ｓ１に対するそれぞれの部材（電子部品接触部５３１と雄型嵌合部５３２と雌型嵌合部５１５１）の断面形状で見たときの配置が重要となってくる。例えば、電子部品接触部５３１と雄型嵌合部５３２と雌型嵌合部５１５１との中心線が軸線Ｓ１より１ｍｍ以上左右にずれて配置された場合は、図３Ａ及び図３Ｃに見られるように、振動モード（図３Ａ及び図３Ｃのそれぞれの下方に楕円形で図示したツール先端の起動モード）の方向が水平方向からずれてしまうため、電子部品８は実装ズレなどを生じてしまう。図３Ｂは、電子部品接触部５３１と雄型嵌合部５３２と雌型嵌合部５１５１との中心線が軸線Ｓ１となるように配置された適切な状態を示している。なお、図３Ａ〜図３Ｃでは、電子部品接触部５３１の形状を簡略化して図示している。なお、図３Ｂでは、具体的には図示していないが、吸引通路５３ｇに連通した電子部品接触部５３１の吸引口５３ｈの中心線も軸線Ｓ１となるように配置されている。

電子部品接触部５３１については、ホーン５１に設けられた雌型嵌合部５１５１に嵌め合わされた雄型嵌合部５３２が基端に取り付けられ、先端部には、ホーン５１の下面から突出した突出部５３２ｐを有するように構成されている、すなわち、ホーン５１の下面から電子部品８を保持するように突出した部分に構成されていることが望ましい。このように構成する理由は、以下の通りである。電子部品接触部５３１が接着された雄型嵌合部５３２を雌型嵌合部５１５１に前述したロウ付けを実施すると、加工時は高温にするため、ホーン５１が膨張し、応力が雄型嵌合部５３２を圧迫することになる。すると、図４Ａに示すように、雄型嵌合部５３２Ｂの内側まで電子部品接触部５３１Ｂが嵌合されている場合には、すべての方向からの応力を電子部品接触部５３１Ｂが受けてしまうことになる。この残留応力が、加圧時の超音波振動エネルギーに耐えられない結果になるため、超音波振動が安定せずに、所望の接合ができなくなってしまう。これを防止するためには、雄型嵌合部５３２の先端部が、ホーン５１の下面から突出した突出部５３２ｐを有し、その突出部５３２ｐの先端部に、電子部品８を保持する電子部品接触部５３１を配置するように構成するのが好ましい。また、雄型嵌合部５３２の先端部の突出した部分（突出部５３２ｐ）に、ダイヤモンドで電子部品接触部５３１を構成することで、残留応力の方向が一方向（突出部５３２ｐの突出方向の一方向）になるため、マイクロクッラクが発生する確率も格段に少なくなる（図４Ｂ参照）。

次に、突出部５３２ｐの飛び出し量（突出量）については、飛び出し量が長過ぎると荷重印加時に振動モードが変化してしまい、超音波出力に対して特性変動がリニアリティを持たなくなってしまうため、突出部５３２ｐは短ければ短いほど良い。実質的には前述した理由も含め、突出部５３２ｐの飛び出し量は１ｍｍ以下が望ましい。

ただし、集合基板上への実装の場合、隣接する基板上に電子部品であるチップを実装した後、突出部５３２ｐの飛び出し量が全く無い場合には、ホーン５１の下面の直下にある実装したチップを、ホーン５１の下面で破壊してしまうため、飛出し量は少しでもあったほうが良い。こちらも、超音波接合を適用する場合は、薄い電子部品にはダメージが入ってしまうため、前述した理由も含め、実質的には、突出部５３２ｐの飛び出し量は５０μｍ以上となる。

また、電子部品接触部５３１と雄型嵌合部５３２との厚みについては、焼結ダイヤモンドを用いる場合、前述した厚みに対して、密着性向上のために、電子部品接触部５３１の厚みｈｓに対し、雄型嵌合部５３２の厚みｈｄ（雄型嵌合部５３２の下端から上端までの寸法。図２Ｂ参照）は、５倍以上が必要とされる。また、超硬材で構成される雄型嵌合部５３２にて焼結ダイヤモンドを接合させた後の加工時の応力を緩和させるためには、ホーン５１との熱膨張の影響も考慮し、電子部品接触部５３１の厚みｈｓに対し、雄型嵌合部５３２の厚みｈｄは、１００倍以下にする必要がある。

電子部品接触部５３１の厚みｈｓに対し、雄型嵌合部５３２の厚みｈｄが５倍より小さい場合は、雄型嵌合部５３２とホーン５１の雌型嵌合部５１５１とのロウ付け加工時に、ホーン５１の熱膨張に耐えられずに、雄型嵌合部５３２が大きくひずんでしまうか、超硬材で構成された雄型嵌合部５３２が割れてしまうため、振動が安定しない。また、電子部品接触部５３１の厚みｈｓに対し、雄型嵌合部５３２の厚みｈｄが１００倍を越えると、雄型嵌合部５３２とホーン５１の雌型嵌合部５１５１とのロウ付け加工時の熱膨張を考慮すると、ホーン５１を含めた共振構造の導出が困難になり、インピーダンスが高くなってしまい、所望の振動が得られなくなる可能性が高くなる。

さらに、ホーン５１の厚みｈｗと雄型嵌合部５３２の厚みｈｄとについては、前記した内容により、加工時の応力を緩和させる点と材料の振動速度の変化とを考慮し、雄型嵌合部５３２の厚みｈｄに対し、ホーン５１の厚みｈｗ（ホーン５１の上端から下端（雌型嵌合部５１５１の凹部底面）までの寸法。図２Ａ参照）は２倍以上１０倍以下であることが必要である。

ホーン厚みｈｗが雄型嵌合部５３２の厚みｈｄの２倍より小さい場合は、ホーン５１をステンレス鋼とし、雄型嵌合部５３２を超硬材とすると、ヤング率が大きく異なり、全体の振動系が大きく変わってしまい、インピーダンスが高くなってしまうため、所望の振幅が得られなくなってしまう。また、ホーン５１の厚みｈｗを雄型嵌合部５３２の厚みｈｄの１０倍を越えて大きくし過ぎると、ホーン５１自体が大型化してしまい、こちらもインピーダンスが高くなり、同様の理由で所望の振幅が得られなくなってしまう。また、加熱加工時のひずみを軽減し、電子部品に均一な振動を与えられるように考慮すると、ホーン厚みｈｗは、雄型嵌合部５３２の厚みｈｄの１０倍以下が望ましい。加工上のひずみは、振動特性を大きく変化させ、多くの場合は副共振を起こすため、振動制御ができなくなってしまうことも挙げられる。

ホーン５１の厚みｈｗが雄型嵌合部５３２の厚みｈｄの１０倍よりも大きい場合の課題としては、ホーン５１の形状全体が重くなってしまい、超音波特性上、特にインピーダンスが大きくなってしまうため、極端にツール先端の振幅が少なくなってしまうことも挙げられる。

前述したように、これらの何種類もの異なる材料を用いるにあたっては、超音波振動特性、振動伝達、及び、電気特性といった振動特性全般を安定させなければ、所望の接合を安定して得ることは難しい。

そこで、振動特性全般をより安定させるために、ホーン５１の材料と、雄型嵌合部５３２の材料と、さらには電子部品接触部５３１の材料との３種のヤング率が重要となってくる。振動の伝達を大きく支えているのはホーン材質になるため、それぞれのヤング率をホーン５１のヤング率をＥｈとし、雄型嵌合部のヤング率をＥｔとし、電子部品接触部５３１のヤング率をＥｄとすると、Ｅｈ＜Ｅｔ＜Ｅｄとなるよう構成されている必要がある。具体的な一例としては、ホーン５１をＳＵＳ４２０Ｊ２とすると、そのヤング率は２００ＧＰａ程度となる。雄型嵌合部５３２を超硬とすると、そのヤング率は６１０ＧＰａ程度となる。電子部品接触部５３１をダイヤモンドとすると、そのヤング率は８８０ＧＰａ程度となる。これにより、ホーン５１を構成する材料のヤング率（２００ＧＰａ程度）は、雄型嵌合部５３２の材料のヤング率（６１０ＧＰａ程度）より小さく、雄型嵌合部５３２の材料のヤング率（６１０ＧＰａ程度）は、電子部品接触部５３１の材料のヤング率（８８０ＧＰａ程度）より小さくすることができる。

さらに、振動モードをより安定させるためには、ホーン５１と雄型嵌合部５３２と電子部品接触部５３１との体積も重要になってくる。それぞれの体積をホーン５１の体積をＶｈとし、雄型嵌合部５３２の体積をＶｔとし、電子部品接触部５３１の体積Ｖｄとすると、Ｖｈ＞Ｖｔ＞Ｖｄとすることが不可欠である。

また、ホーン５１が、共振体を構成するときに非常に重要な部分になる。具体的には、ホーン５１と雄型嵌合部５３２との体積の比率をＶｈ／Ｖｔ＞１０以上にすることで、雄型嵌合部５３２だけでの共振を防ぐことができ、副共振が発生しないため、安定した超音波振動を電子部品８に印加することが可能になる。

このように構成することで、振動特性を従来と同等に維持することが可能になる。

また、製造方法については、ダイヤモンドの微粉と結合材と比較的熱膨張係数の近い超硬材とを高温焼結にて加工する方法を用い、所望の形状に合わせた後、前述した方法にて雄型嵌合部５３２を接着することで、先端の高硬質化と安定した超音波振動構造の提供とが可能となる。

前記構造体の導出により、電子部品接触部５３１の硬度は、従来の超硬材がビッカース固さ１４００程度に対し、本実施形態の実施例としてダイヤモンドを使用する場合、ダイヤモンドがビッカース固さ５０００程度の固さに向上し、従来比で３倍以上にすることが可能になる。

以下、図を用いながら、本発明の実施形態における適用可能な形状例を説明する。

図５Ａ及び図５Ｂに示す実施例は、前述した断面形状を用いて構成された例である。図５Ｂに示すように、超音波伝達方向に対する垂直方向をホーン５１の幅Ｗｈとすると、ホーン５１の幅Ｗｈと同じ幅を有する雄型嵌合部５３２を雌型嵌合部５１５１にはめ込む形状を用いると、ホーン５１の幅方向からのロウ付け加工時の応力を受けにくくなるため、雄型嵌合部５３２には残留応力が発生しない。この例では、雌型嵌合部５１５１を含むホーン５１としてステンレス鋼を使用し、雌型嵌合部５１５１として超硬材を使用し、接着層５１６としてロウ材を使用し、電子部品接触部５３１としてダイヤモンドを使用している（図５Ｃ参照）。なお、図５Ａでは断面部分のハッチングは図５Ｃに基づいてハッチングが付されている。図５Ｂでは、本来、断面部分のハッチングは不要であるが、材料を明示するために図５Ｃに基づいてハッチングが付されている。図６Ａ〜図１１Ｂも同様である。

これによって、電子部品保持部５３を電子部品の形状に対して最適な形状に加工する際に、前述したようなマイクロクラックが発生しないため、振動特性を非常に安定させることが可能となる。

別の実施例として、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、雄型嵌合部５３２を円錐台形状とし、雌型嵌合部５１５１を雄型嵌合部５３２を円錐台形状が嵌合可能な凹部形状にしても、振動特性としては良好な結果が得られる。これは、超音波振動を前記しているとおり、超硬材で形成されている雄型嵌合部５３２が加工時の応力及び、残留応力を吸収し、超音波特性に影響するクラックが入らないためである。

また、さらに別の実施例として、雄型嵌合部５３２の突出部５３２ｐの先端の電子部品接触部５３１の断面配置態様としては、図７Ａ及び図７Ｂのように電子部品接触部５３１が突出部５３２ｐの根元から先端部にかけて全部の領域に達しても良い。これは、焼結材であるダイヤモンドで生成される電子部品接触部５３１と雄型嵌合部５３２との接着強度が強く、超音波振動に十分追従できるためである。

ここで、電子部品接触部５３１の材料としてダイヤモンドを使用し、先行例と同様の構造で構成した場合について、以下に説明する。

図８Ａ及び図８Ｂに示すのは、従来例として挙げられているものであり、前記雄型嵌合部１５３２を超硬材のみで構成する場合である。また、別の比較例として図９Ａ及び図９Ｂに示すように、前記雄型嵌合部１５３２の超硬材部分をダイヤモンドの焼結体で構成して、同様の構造を採った場合には、超硬材に比べヤング率が変化するのに加え、熱膨張係数も異なり、加工時に肥大な応力が加わるため、ひずみが残ってしまい、ツール接触面の平坦性が損なわれる。そのため、部材の凝着が偏ってしまうため、研磨がしにくくなり十分な効果が得られない。

また、別の比較例として図１０Ａ及び図１０Ｂのような雄型嵌合部１５３２が円錐台形状でかつすべてダイヤモンドで構成される場合は、図９Ａ及び図９Ｂと同様の理由によりダイヤモンドに応力がかかるため、クラックが発生し、その原因で振動特性の維持が困難になる。

別の比較例として図１１Ａ及び図１１Ｂのような場合は、雄型嵌合部１５３２が基端部分が超硬材で残りがダイヤモンド焼結体で構成されている場合であり、ダイヤモンド焼結体の薄い部分に加工時の応力がかかってしまうため、前述したような接着強度の低下又はマイクロクラックが発生する可能性が高く、振動特性が安定しない。

以上の理由により、本発明の実施形態の形式が最も安定して超音波振動特性を保ち、先端を高硬質化できる構造であると考えられえる。

続いて、図１を主として参照しながら、本実施形態における電子部品装着装置１の接合時の動作について説明しながら、電子部品接触部５３１における研磨工程の効果について以下に示す。

トレイ移動機構４１３は、多数の電子部品が接合面を（＋Ｚ）側に向けて載置された電子部品トレイ４１１を、（−Ｘ）側に位置している供給ヘッド４２の下方へ移動させたのち、供給コレット４２１は、電子部品トレイ４１１内の１つの電子部品の接合面を、吸引によって吸着する。

吸着後、供給ヘッド移動機構４３は供給ヘッド４２を反転させながら（＋Ｘ）方向へ移動させ、供給コレット４２１は、電子部品の受渡しを行うための位置で、ボンディングツール５と対向する（点線の位置を参照。）。

次いで、押圧ユニット３３はシャフト３５を僅かに下降させ、ボンディングツール５の電子部品保持部５３が、供給コレット４２１から電子部品８を吸引によって受け取ると、供給コレット４２１は、電子部品の吸引を停止する。

次いで、押圧ユニット３３はシャフト３５を僅かに上昇させ、供給ヘッド移動機構４３により供給ヘッド４２は元の位置へと退避する。

次いで、部品装着部３１は、装着部移動機構３２により撮像部１１の真上へと移動し、撮像部１１は、ボンディングツール５の電子部品保持部５３に保持されている電子部品を撮像する。

撮像後、撮像部１１は画像データを制御部１０に出力する。制御部１０は、出力された画像データに基づいて、部品装着部３１を制御して、電子部品の姿勢を補正する。

なお、制御部１０が、電子部品の姿勢が吸着エラーなどのために補正不可能な状態であると判断した場合には、電子部品の装着動作は中止され、部品装着部３１は部品回収機構（図示省略）の上方へ移動し、電子部品は回収される。

次いで、装着部移動機構３２は、電子部品が装着される予定でかつ回路基板保持部２に保持された回路基板９の上方へ、部品装着部３１を移動させる。

次いで、ボンディングツール５は、回路基板９に向けて下降し、電子部品の接合面に形成されたバンプと回路基板９における電極とが接触する。

次いで、押圧ユニット３３は、シャフト３５を下降させて電子部品を回路基板９に向けて押圧する。

押圧した状態で、ボンディングツール５の超音波振動子５２は、超音波振動を発生する。

次いで、電子部品の接合面に形成されたバンプが回路基板９における電極と電気的に接合され、電子部品の接合がその装着と同時に行われる。

電子部品の装着が終了すると、ボンディングツール５は電子部品の吸引を停止し、押圧ユニット３３はボンディングツール５を上昇させる。

次いで、電子部品接触部５３１の電子部品に当接する面の研磨が必要であるか否かが、確認される。研磨の必要性は、例えば、電子部品の吸着ミスの発生率が所定の閾値を超えたとき、又は、吸着時に、流量センサもしくは真空圧センサの値が閾値に満たないときに自動で制御部１０で判断することができる。

研磨が必要であると判断された場合には、装着部移動機構３２により、電子部品装着部３１は研磨部７の上方へ移動し、電子部品接触部５３１が研磨部材７１に押圧され、超音波振動子５２による研磨のための振動が付与される。

電子部品接触部５３１の研磨が終了した場合、又は、研磨が不要であると判断された場合には、電子部品の装着を継続するか否かが制御部１０で確認される。

電子部品の装着を継続する場合には、装着部移動機構３２により、部品装着部３１は、供給コレット４２１と電子部品８の受渡しを行うための位置へ再び移動し、回路基板９に電子部品を装着するための前記の装着動作が繰り返される。

本発明の前記実施形態においては、前記研磨動作時の磨耗抑制効果もある。すなわち、電子部品接触部５３１の材料にダイヤモンドを採用することで、研磨動作時にツールが磨耗しにくくなる。

また、近年の発光する電子部品においては比較的硬度が高くもろいものが用いられている。さらに光学的な特性向上のため、電子部品接触部５３１に接触する面である電子部品表面部が微細な突起状に加工されていることが多くなってきている。そのため、ツール面への電子部品材料の凝着が加速され、接合不良を起こす頻度が増してしまう。

このとき、上述したように研磨を行って再生を施す場合、ツール面と研磨材との間に硬度の高い材料が粒子状に残ってしまうため、その粒子がツール面を磨耗させてしまう現象がある。

本発明の前記実施形態のように、電子部品接触部５３１の材料にダイヤモンドを採用することで、ツールが磨耗しにくくなるため、非常に長く品質を保持しながら安定的な接合を提供できる。

以上のような動作を含め、必要な全ての電子部品が回路基板９に装着されると、装着動作は終了する。

前記実施形態によれば、ボンディングツール表面の高硬質化と振動特性の安定化とを可能にし、超音波接合における電子部品接触部であるツール先端磨耗を防止し、電子部品に安定した振動を付与し、長期的に信頼性の高い超音波接合を実施することができる。

なお、前記水平又は垂直などの数学的用語は、厳密に水平又は垂直な場合以外にそれらの機能を達成する上で支障のない限りでほぼ水平又はほぼ垂直などの場合も含む。

もちろん、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。

なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明にかかる電子部品ボンディングツールは、超音波接合における電子部品接触部であるツール先端磨耗を防止し、長期的に接合信頼性を確保できて、より質の高い超音波接合を行うことが可能であり、たとえば電子部品を回路基板に装着するために有用である。また、本発明にかかる電子部品ボンディングツールは、半導体発光素子、他の半導体ベアチップ、さらには他の種類の電子部品を回路基板に超音波を利用して装着する電子部品装着装置に利用可能である。

１ 電子部品装着装置
２ 基板保持部
２１ ステージ
２２ ステージ移動機構
３ 部品装着ユニット
３１ 部品装着部
３２ 装着部移動機構
３３ 昇降機構
３４ ツール支持部
３５ シャフト
４ 部品供給部
４１ 部品配置部
４１１ 部品トレイ
４１２ ステージ
４１３ トレイ移動機構
４２ 供給ヘッド
４２１ 供給コレット
４３ 供給ヘッド移動機構
４４ 回転機構
５ ボンディングツール
５１ ホーン
５１５１ 雌型嵌合部
５１６ 接着層
５２ 超音波振動子
５３ 電子部品保持部
５３１ 電子部品接触部
５３２ 雄型嵌合部
５３２ｐ 突出部
５４ ホルダ
５４１、５４２ ホルダブロック
７ 研磨部
７１ 研磨部材
７１１ 研磨面
７２ 研磨部材保持部
８ 電子部品
９ 回路基板
１１ 撮影部

Claims (5)

1. 超音波振動を発生する超音波振動子と、
   前記超音波振動子を長手方向の一端に設けて前記長手方向沿いに超音波振動を伝達するホーンと、
   前記ホーンの前記長手方向の中間部に配置されて電子部品を保持する電子部品保持部とを備え、
   前記電子部品保持部が、電子部品保持時に前記電子部品と接触する電子部品接触部と、前記電子部品接触部を下端に有しかつ前記ホーンに設けられた雌型の嵌合部の形状に対応した形状を有する雄型の嵌合部とを有し、
   前記雌型の嵌合部が前記雄型の嵌合部に、前記雌型の嵌合部と前記雄型の嵌合部との間に接着層を挟み込んで接合されており、
   前記雄型の嵌合部の前記下端には、前記電子部品接触部が５０μm〜１０００μmの厚みの焼結材料にて構成され、
   前記雄型嵌合部の厚みが前記電子部品接触部の厚みの５倍以上１００倍以下で構成されている、多層構造のボンディングツール。
2. 前記ホーンの前記長手方向の断面形状に対し、前記雌型の嵌合部と前記雄型の嵌合部と前記電子部品接触部とのそれぞれの断面形状は、前記電子部品保持部の中心を中心として、対称な形状を有している、請求項１記載のボンディングツール。
3. 前記ホーン雌型嵌合部と前記雄型嵌合部とが前記接着層を介し、嵌め合って接合しており、前記雄型嵌合部は、下方に突出した突出部を有して、前記突出部の下端に前記電子部品接触部を固定して、前記ホーン下面よりも前記電子部品接触部が下方に突出して配置されるように構成されている請求項１または２記載のボンディングツール。
4. 前記ホーンの振動方向の断面形状厚みにおいて、前記雄型嵌合部に対する厚みが２倍以上及び１０倍以下である請求項１〜３のいずれか１項に記載のボンディングツール。
5. 前記ホーンを構成する材料のヤング率は、前記雄型嵌合部の材料のヤング率より小さく、前記雄型嵌合部の材料のヤング率は、前記電子部品接触部の材料のヤング率より小さい、請求項１〜４のいずれか１項に記載のボンディングツール。

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