TWI430727B - 結合工具、電子零件安裝裝置及電子零件安裝方法 - Google Patents

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Hiroshi Ebihara
Katsuhiko Watanabe
Ryo Fujita
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Panasonic Corp
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Description

結合工具、電子零件安裝裝置及電子零件安裝方法 發明領域
本發明係有關於用以將電子零件安裝於電路基板等之結合工具、電子零件安裝裝置及電子零件安裝方法。
 發明背景
已知有用以將電子零件之凸塊電極與印刷基板之電極之各種接合方法。
舉例言之，超音波接合方法係該種接合方法之一，可在短時間將電子零件安裝於電路基板。
在此，超音波接合方法係指一面將保持在接合作用部之電子零件按壓至電路基板，一面以超音波振動使該電子零件振動，利用以在接合面之局部滑移產生之表面被膜之破壞及飛散所作的結合，以原子能階將電子零件之電極與電路基板之電極電性接合的接合方法。
是故，一面參照第16圖，一面就利用上述超音波接合方法之習知結合工具之結構及動作作說明。
此外，第16圖係習知結合工具1000之概略部份截面圖。
習知之結合工具1000係用以以超音波振動子1400使電子零件1910振動，對電路基板1920進行電子零件1910之結合之裝置(例如參照專利文獻1)。
此外，上述文獻之所有揭示完全直接引用(參照)，而於此一體化。
即，焊頭1200之形狀係以X方向為長向之角柱，以設於焊頭1200之(-X)側之一端的超音波振動子1400所產生之超音波振動以焊頭1200於X方向傳導，其超音波振動藉由接合作用部1500，施加於電子零件1910。
而且，對電路基板1920之電子零件1910之結合之接合的可靠度利用在於傳導超音波振動之X方向貫穿焊頭1200之加熱器安裝空洞部1610內部從(+X)側插入之加熱器1600而提高。
即，以加熱器1600所產生之熱以焊頭1200傳導，熱藉由接合作用部1500，施加於電子零件1910。
此外，導線1810及1820係用以將加熱器1600及熱電偶1700分別連接於外部電源(省略圖式)之配線，結合於固緊結合在升降塊1100之托架1110。
而以加熱器1600產生之熱藉由焊頭1200亦傳導至超音波振動子1400。
因此，在對熱敏感之超音波振動子1400，有壽命降低、電特性變化及振動特性之變動等發生之虞。
是故，於與傳導超音波振動之X方向垂直相交之Y方向貫穿焊頭1200，供藉由吸附墊1310供給之空氣流通之4個通氣孔的冷卻部1300設於加熱器1600與超音波振動子1400間。
藉此，應傳導至超音波振動子1400之熱因在通氣孔流通之空氣而發散，而可減低因以加熱器1600所產生之熱引起之對超音波振動子1400之不良影響。
先行技術文獻 專利文獻
【專利文獻1】日本專利公開公報2005-347505號
然而，了解到上述習知結合工具要進行品質更高之超音波接合並不妥。
即，本案發明人分析當焊頭1200以加熱器1600加熱時，便膨脹，其加熱時之膨脹方式係對焊頭1200之長向之X方向呈非對稱為其不妥之原因。
更具體說明，在加熱器1600與焊頭1200之(-X)側之一端間設有冷卻部1300，熱因在通氣孔流通之空氣而發散，故加熱時之膨脹程度小。
然而，由於在加熱器1600與焊頭1200之(+X)側之另一端間未設有冷卻部，熱不易發散，故加熱時之膨脹程度大。
結果，當焊頭1200加熱時之膨脹方式係對焊頭1200之長向X方向呈非對稱時，電子零件1910相對於電路基板1920傾斜，所保持之電子零件1910振動之方向或振幅偏離原本之設計值，或振動模式變化。
本發明考慮上述習知課題，而以提供可進行品質更高之超音波接合之結合工具、電子零件安裝裝置、及電子零件安裝方法為目的。
為達成上述目的，第1本發明係一種結合工具，包含：傳導超音波振動之焊頭；設於前述焊頭之一端，以產生前述超音波振動之超音波振動子；設於前述焊頭之前述一端與前述焊頭之另一端之間，以配置加熱器之加熱器配置部；設於前述焊頭之前述一端與前述焊頭之前述另一端之間，以保持電子零件，並以前述加熱器進行加熱之接合作用部；設於前述加熱器配置部與前述焊頭之前述一端之間，以供流體流通之第1冷卻部；及，設於前述加熱器配置部與前述焊頭之前述另一端之間，以供流體流通之第2冷卻部。
又，第2本發明係第1本發明之結合工具，其中前述加熱器配置部係於與傳導前述超音波振動之方向垂直相交之方向貫穿前述焊頭之加熱器插入孔。
又，第3本發明係第2本發明之結合工具，其中前述加熱器與前述加熱器插入孔之壁部隔著預定間隙，連結至設在外部之按壓單元，並固定於配置在前述焊頭外側之加熱器保持塊。
又，第4本發明係第1本發明之結合工具，其中前述接合作用部設於前述焊頭之下面，且前述加熱器配置部設於前述接合作用部之正上方。
又，第5本發明係第1本發明之結合工具，其中前述加熱器配置部與前述第1冷卻部間之距離係與前述加熱器配置部與前述第2冷卻部間之距離相等。
又，第6本發明係第1本發明之結合工具，其中前述第1冷卻部及前述第2冷卻部係通氣孔，且其係於與前述超音波振動之傳導方向垂直相交之方向貫穿前述焊頭，供氣體流通。
又，第7本發明係第6本發明之結合工具，其中前述通氣孔之開口部之形狀係以傳導前述超音波振動之方向為長向之寬度窄小的矩形。
又，第8本發明係第1本發明之結合工具，其中前述焊頭之形狀係角柱，且前述接合作用部設於前述焊頭之下面，用以保持前述焊頭之焊頭保持塊則分別設於前述焊頭之兩側面。
又，第9本發明係第8本發明之結合工具，其中前述焊頭保持塊具有設於前述焊頭側面之肋條及接合至前述肋條之本體，前述肋條之長向係與前述超音波振動之傳導方向垂直相交之方向，且係與前述焊頭之前述下面垂直相交之方向。
又，第10本發明係第9本發明之結合工具，其中前述本體具有與前述肋條相鄰，且形成於前述肋條之前述長向之溝。
又，第11本發明係第8本發明之結合工具，其中前述焊頭保持塊於前述焊頭之前述兩側面各設有2個，前述第1冷卻部設於2個前述焊頭保持塊中較靠近前述焊頭之前述一端之前述焊頭保持塊與前述焊頭的前述一端之間，前述第2冷卻部則設於2個前述焊頭保持塊中較靠近前述焊頭之前述另一端之前述焊頭保持塊與前述焊頭的前述另一端之間。
又，第12本發明係第1本發明之結合工具，其中前述超音波振動具有2個節點，前述第1冷卻部設於2個前述節點中較靠近前述焊頭之前述一端之前述節點與前述焊頭的前述一端之間，前述第2冷卻部則設於2個前述節點中較靠近前述焊頭之前述另一端之前述節點與前述焊頭的前述另一端之間。
又，第13本發明係第1本發明之結合工具，其中使前述流體於前述第1冷卻部及前述第2冷卻部中之至少一者流通之流體流通單元係設於外部。
又，第14本發明係第1本發明之結合工具，其中用以藉吸引而保持前述電子零件之吸引路徑的吸引口係形成於前述接合作用部，且前述吸引路徑之排氣口形成於前述焊頭上面之比起前述焊頭之前述另一端，還較接近前述焊頭之前述一端的部份；前述吸引路徑之形狀係T字形，且前述吸引路徑之一部份為：從前述焊頭之前述一端之前述超音波振動子抵接之部份鑿穿的孔。
又，第15本發明係一種電子零件安裝裝置，包含：保持對象物之保持部；供給電子零件之供給部；將前述所供給之電子零件安裝於前述所保持之對象物之安裝單元；前述安裝單元具有零件安裝部，前述零件安裝部具有按壓單元及第1本發明之結合工具，前述按壓單元係經由前述結合工具之前述接合作用部，對前述對象物按壓前述電子零件。
又，第16本發明係使用第15本發明之電子零件安裝裝置，對前述對象物安裝前述電子零件之電子零件安裝方法，具有：利用前述接合作用部，保持前述電子零件之電子零件保持步驟；利用前述按壓單元，對前述對象物按壓前述電子零件之按壓步驟；利用前述超音波振動子，產生前述超音波振動之超音波振動產生步驟；利用前述加熱器，將前述接合作用部加熱之加熱步驟；及利用前述第1冷卻部及第2冷卻部，使前述流體流通之流體流通步驟。
根據本發明之結構，可提供可進行品質更高之超音波接合之結合工具、電子零件安裝裝置、及電子零件安裝方法。
圖式簡單說明
第1圖係本發明實施形態之電子零件安裝裝置之概略正面圖。
第2圖係本發明實施形態之電子零件安裝裝置之概略平面圖。
第3圖係本發明實施形態之結合工具之概略正面圖。
第4圖係本發明實施形態之結合工具之概略平面圖。
第5圖係本發明實施形態之結合工具之加熱器配置部附近之概略立體圖。
第6圖係本發明實施形態之結合工具之吸引路徑等的概略正面圖。
第7圖係本發明實施形態之結合工具之吸引路徑等的概略正面圖。
第8圖係本發明實施形態之結合工具之吸引路徑等的概略正面圖。
第9圖係本發明實施形態之結合工具之焊頭保持塊附近的概略立體圖。
第10圖係本發明實施形態之結合工具之焊頭保持塊附近的概略截面圖。
第11圖係本發明實施形態之結合工具之焊頭保持塊附近的概略截面圖。
第12圖係本發明實施形態之結合工具之焊頭保持塊附近的概略截面圖。
第13圖係本發明實施形態之結合工具之第1冷卻部的概略截面圖。
第14(A)圖係用以說明本發明實施形態之電子零件安裝裝置之動作原理的說明圖(1)，第14(B)圖係用以說明業經以本發明實施形態電子零件安裝裝置施加超音波振動之電子零件的振動軌跡之說明圖(1)。
第15(A)圖係用以說明本發明實施形態之電子零件安裝裝置之動作原理的說明圖(2)，第15(B)圖係用以說明業經以本發明實施形態電子零件安裝裝置施加超音波振動之電子零件的振動軌跡之說明圖(2)。
第16圖係習知結合工具之概略正面圖。
 較佳實施例之詳細說明
以下，一面參照圖式，一面就本發明實施形態詳細說明。
首先，一面主要參照第1圖及第2圖，一面就本實施形態之電子零件安裝裝置1之全體結構作說明。
此外，第1圖係本發明實施形態之電子零件安裝裝置1之概略正面圖。又，第2圖係本發明實施形態之電子零件安裝裝置1之概略平面圖。
電子零件安裝裝置1係將利用於系統LSI(Large Scale Integration)等之細微電子零件8(參照第3圖，以下相同)反轉，同時進行該業經反轉之電子零件8對對象物之印刷基板等電路基板9之安裝及接合的所謂倒裝晶片封裝裝置。
電子零件安裝裝置1包含有基板保持部2、零件安裝單元3、零件供給部4、拍攝部11。
於基板保持部2之(+Z)側、即上方側設有用以將保持在基板保持部2之電路基板9安裝於電子零件8之零件安裝單元3。
於基板保持部2之(-X)側設有將電子零件8供給至零件安裝單元3之零件供給部4。
於基板保持部2與零件供給部4間設有拍攝以零件供給部4供給至零件安裝單元3之電子零件8的拍攝部11。
該等機構以控制部10控制，進行對電路基板9之電子零件8之安裝。
在此，就基板保持部2、零件安裝單元3、零件供給部4、及拍攝部11之結構，依序詳細說明。
首先，基板保持部2具有保持電路基板9之台21、將台21於Y方向移動之台移動機構22。
接著，零件安裝單元3具有具按壓單元33及結合工具5之零件安裝部31、使零件安裝部31於X方向移動之安裝部移動機構32。
接壓單元33係經由接合作用部53(參照第3圖，以下相同)，對對象物之電路基板9按壓電子零件8之單元。此按壓單元33具有利用具馬達(省略圖式)之升降機構，而於Z方向移動之軸35。
結合工具5如後述，安裝於按壓單元33，對電路基板9相對地升降。
此外，關於結合工具5之結構，之後詳述。
接著，零件供給部4具有將電子零件8配置於預定位置之零件配置部41、從零件配置部41取出電子零件8來保持之供給頭42、將供給頭42於X方向移動之供給頭移動機構43、使供給頭42旋動及稍微升降之旋動機構44。
零件配置部41具有載置許多電子零件8之零件托盤411、保持零件托盤411之台412、使零件托盤411與台412一同於X方向及Y方向移動之托盤移動機構413。
在零件托盤411，安裝於電路基板9之預定多數電子零件8將封裝後之狀態之下面、即形成有接合於電路基板9之電極部之接合面朝向上側，以與安裝於電路基板9之方向相反之方向配置。
供給頭42具有將以利用形成於前端部之吸引口之吸附所保持的電子零件8供給至結合工具5之供給筒夾421。
此外，電子零件8可為LED(Light Emitting Diode)晶片、半導體雷射等之半導體元件發光元件、業經封包之IC(Integrated Circuit)、電阻、電容器、細微之半導體裸晶等半導體、SAW(Surface Acoustic Wave)濾波器、及照相機模組等半導體以外之電子零件之任一者。
又，電路基板9可為以樹脂形成之電路基板、及以玻璃與半導體等樹脂以外之材料形成之電路基板之任一者。
又，電子零件8之電極部可為於電子零件8之電極圖形以金(Au)形成之突起凸塊，根據電子零件8，可為電鍍凸塊，亦可為電極圖形本身。
又，取代形成於電子零件8之電極圖形之突起凸塊的突起凸塊亦可設於電路基板9之電極。
而且，拍攝部11係從(-Z側)拍攝以安裝部移動機構32移動之零件安裝部31、特別是設置於結合工具5之移動路徑之正下方，保持在結合工具5之電子零件8的單元。
拍攝部11設於不與移動之零件安裝部31干擾之位置。
此外，於電路基板9之(+X)側設有研磨用以保持電子零件8之結合工具5之前端部531(參照第3圖，以下相同)的研磨部7。
另，研磨部7裝設於台21之(+X)側，以台移動機構22與台21一體地於Y方向移動。
又，研磨部7具有具平坦且水平之研磨面之片狀研磨構件71、保持研磨構件71之研磨構件保持部72。
在此，主要參照第3圖及第4圖，就結合工具5之結構詳細說明。
此外，第3圖係本發明實施形態之結合工具5之概略正面圖。又，第4圖係本發明實施形態之結合工具5之概略平面圖。
結合工具5具有焊頭51、超音波振動子52、接合作用部53、加熱器配置部570、第1冷卻部515、第2冷卻部516。
再者，結合工具5具有配置於上面之板狀支撐具54、固定於支撐具54之支撐具塊541及542、加熱器保持塊571及572。
板狀支撐具54連結於位於按壓單元33最下端之工具支撐部34。該工具支撐部34固定於按壓單元33之軸35之下端。
焊頭51係傳導超音波振動之單元。焊頭51具有以超音波振動之預定頻率呈共振狀態之構造。焊頭51之形狀實質上為以X方向為長向，具長度L，並具與YZ平面平行之對稱面(即，將長度L之角柱二等分之平面，以下相同)S1、及與XY平面平行之對稱面S2的角柱。
此外，焊頭51之形狀如上述為角柱。然而，焊頭51之形狀亦可為圓柱等。
超音波振動子52係設於焊頭51之(-X)側之一端，利用壓電元件(省略圖式)，產生超音波振動之單元。
以超音波振動子52所產生之超音波振動以X方向為前進方向，媒質之振動以對同一前進方向平行之縱振動，傳導至位於角柱底面中央之接合作用部53。
點P1係顯示對應於超音波振動之振幅在共振狀態最大之波腹的X方向位置之點。本實施形態之超音波振動具有2個節點，靠近焊頭51之(-X)側之一端的點P2及靠近焊頭51之(+X)側之另一端的點P3顯示對應於超音波振動之振幅在共振狀態幾乎為零的波節之X方向位置之點。點P1存在於對稱面S1上，點P2及P2以對對稱面S1大致呈面對稱之狀態存在。
以超音波振動子52所產生之超音波振動以焊頭51於X方向傳導，超音波振動經由接合作用部53施加於電子零件8。
在此，主要參照第3圖、第4圖及第5圖，就加熱器配置部570之結構詳細說明。
此外，第5圖係本發明實施形態之結合工具5之加熱器配置部570附近的概略立體圖。
加熱器配置部570係設於焊頭51之(-X)側之一端與焊頭51之(+X)側之另一端間，供加熱器57插入配置之部份。
加熱器配置部570設成對對稱面S1、對稱面S2皆大致呈面對稱。更具體言之，加熱器配置部570係設於要以加熱器57加熱之接合作用部53之正上方、即(+Z)側，係於與傳導超音波振動之X方向垂直相交之Y方向貫穿焊頭51的加熱器插入孔。
以加熱器57所產生之250℃左右之熱以焊頭51傳導，熱經由接合作用部53，施加於電子零件8。
而且，加熱器57與上述加熱器插入孔之壁部隔著預定間隙δ配置。
加熱器57之兩端以加熱器固定螺絲58固定於加熱器保持塊571及572。此加熱器保持塊571及572固定於連結在外部之按壓單元33之支撐具54下面。此時，加熱器保持塊571及572對焊頭51分別隔著預定間隔G1及G2，固定於支撐具54下面。
藉此構造，加熱器57不致接觸焊頭51，因而，即使加熱器57不配置於超音波振動之傳導方向，反而配置於與該傳導方向垂直相交之方向，亦無對超音波振動之特性造成不良影響之慮。
更具體說明，在上述習知結合工具，焊頭1200之形狀係以傳導超音波振動之X方向為長向之角柱，加熱器1600從(+X)側插入至於X方向貫穿焊頭1200之加熱器安裝空洞部1610內部。
在此種習知結合工具之結構，儘管加熱器1600直接接觸焊頭1200，也不太有加熱器1600之插入使振動特性變動之虞。其理由係因加熱器安裝空洞部1610之內徑與加熱器1600之外徑幾乎相等，以超音波振動滑動之加熱器1600之變位於加熱器安裝空洞部1610貫穿焊頭1200之X方向幾乎受到束縛，故於X方向傳導之超音波振動不太受加熱器1600之變位之影響之故。當然，上述習知結合工具之結構有加熱器1600之更換不易等的缺點。然而，為避免加熱器1600之插入使振動特性變動之虞，加熱器1600必須採用插入至於傳導超音波振動之X方向貫穿焊頭1200之加熱器安裝空洞部1610內部的結構為該業者之常識。
此外，於採用此種習知之結構時，由於加熱器安裝空洞部1610存在，故於加熱器1600與焊頭1200之(+X)側之另一端間沒有設冷卻部之空間是無須贅言的。
在此，就間隙δ之大小具體說明。
即，由於進行加熱時，焊頭51及加熱器57膨脹，故間隙δ減少。
是故，間隙δ係預測焊頭51及加熱器57於加熱時膨脹，而設定成於不加熱時，為0.05mm左右。
更具體說明，加熱時之膨脹引起之間隙δ之減少即使在焊頭51及加熱器57側大，亦僅分別大0.01mm左右、即總計0.02mm左右。而且超音波振動之振幅亦僅大0.003mm左右。因而，若間隙δ設定成於不加熱時為0.05mm左右，於利用超音波振動及加熱，對電路基板9安裝電子零件8時，加熱器57亦不致撞擊焊頭51。
當然，即使間隙δ存在，亦可藉熱幅射或熱對流無障礙地進行加熱，但當間隙δ過大時，有加熱無效率之情形。
是故，利用低價之插裝加熱器作為加熱器57時，間隙δ亦考慮現狀之製作精確度，宜設定成0.02~0.2mm左右。
當然，亦可於間隙δ裝填無產生液體滴落或振動模式變化之虞之膠狀物質等。或者，亦可裝填彈力性大之橡膠等材料。
在本實施形態中，焊頭51之形狀係以X方向為長向之角柱，藉加熱器插入孔採用於與X方向垂直方向垂直相交之Y方向貫穿焊頭51之結構，隨故障等而至之加熱器57之更換非常容易。
又，藉採用加熱器配置部57設成對對稱面S1幾乎呈面對稱之結構，可使加熱時之溫度分布對X方向更對稱。
此外，以熱電偶固定板55所固定之熱電偶係為進行高精確度之溫度控制，而測量接合作用部53之溫度之單元。
接合作用部53係設於焊頭51之(-X)側之一端與焊頭51之(+X)側之另一端間，保持電子零件8，以加熱器57加熱之單元。接合作用部53設成對焊頭51之對稱面S1幾乎呈面對稱。更具體言之，接合作用部53設在於X方向，點P1之位置，焊頭51之與XY平面平行之2面中之(-Z)側之下面。
接合作用部53以具有適合之振動特性及振動傳導特性之不鏽鋼形成，具有用以利用吸引路徑600，以吸引保持電子零件8之前端部531。前端部531之形狀係具有設計成不產生撓曲振動之程度之大小的Z方向高度hZ ，且具最適合電子零件8之尺寸及種類之截面形狀的柱體。
在此，主要參照第6圖，就吸引路徑600之結構詳細說明。
此外，第6圖係本發明實施形態之結合工具5之不含支撐具4、支撐具塊541、542、加熱器保持塊571、572的概略正面圖。
吸引路徑600具有設於焊頭51上面之排氣口602、設於前端部531之吸引口601、為吸引路徑600之一部份之橫孔600a、將吸引口601連結於橫孔600a之縱孔600b及將排氣口602連結於橫孔600a之縱孔600c。吸引路徑600之形狀若無視短縱孔600b，實質上為T字形。
為吸引路徑600一部份之橫孔600a為從焊頭51之(-X)側之一端之超音波振動子52抵接的部份鑿穿之孔。此外，在此實施形態，由於超音波振動子52抵接上述橫孔之開口部份600d，故不需要用以確保真空性之栓等構件。
用以以吸引保持電子零件8之吸引路徑600之吸引口601形成於接合作用部53之用以以吸引保持電子零件8之前端部531之與XY平面平行的下面之大致中央。
吸引路徑600之排氣口602形成於焊頭51之與XY平面平行之2面中，(+Z)側之上面之比起焊頭51之(+X)側的另一端，還較靠近焊頭51之(-X)側之一端的部份。
排氣口602經由連結於耐熱性高之管64之矽樹脂等吸附墊61，通過支撐具54及工具支撐部34，而連結於真空泵(省略圖式)。
第1冷卻部515設於焊頭51之靠近(-X)側之一端的部份，由於縱孔600c通過第1冷卻部515之附近，故可減低因吸附墊61及管64因加熱器57所產生之熱而惡化之虞。
此外，吸引路徑600之排氣口602如上述，形成於焊頭51之與XY平面平行之2面中，(+Z)側之上面之比起焊頭51之(+X)側的另一端，還較靠近焊頭51之(-X)側之一端的部份。
然而，如第7圖所示，吸引路600' 之排氣口602' 亦可形成於本發明實施形態之結合工具5之焊頭51' 之與XY平面平行之2面中，(+Z)側之上面之比起焊頭51' 之(-X)側的一端，還較靠近焊頭51' 之(+X)側之另一端的部份。第2冷卻部516設於焊頭51' 之靠近(+X)側之另一端的部份，由於縱孔600c' 通過第2冷卻部516之附近，故可同樣地減低因吸附墊61及管64因加熱器57所產生之熱而惡化之虞。惟，由於橫孔600a' 其長度越短，鑿穿越容易是無須贅言的，故採用此種結構時，需注意橫孔600a' 之長度不過大。
此外，吸引路徑600' 之一部份之橫孔600a' 如上述係從焊頭51' 之(-X)側一端之超音波振動子52' 抵接的部份鑿穿之孔。然而，如第8圖所示，吸引路徑600〞之一部之橫孔600a〞亦可為從本發明實施形態之結合工具5之焊頭51〞的(+X)側另一端鑿穿之孔。惟，採用此種結構時，需要用以確保真空性之栓603等構件。
接著，說明按壓單元33保持並按壓焊頭51所需之構造。
焊頭保持塊511、512、513及514係按壓單元33用以保持按壓焊頭51之單元，於焊頭51之與XZ平面平行之左右側面各設2個。更具體言之，焊頭保持塊511及512設於在焊頭51之與XZ平面平行之2面中，(-Y)側之側面，焊頭保持塊513及514設於焊頭51之與XZ平面平行之2面中(+Y)側之側面。
而且，焊頭保持塊511及513在X方向以點P2之位置為基準而設，焊頭保持塊512及514在X方向以點P3之位置為基準而設。
焊頭保持塊511及513固定於支撐具塊541，焊頭保持塊512及514固定於支撐具塊542。支撐具塊541、542如上述固定於支撐具54之下面。
此外，支撐具塊541及542分別具有於與傳導超音波振動之X方向垂直相交之Y方向貫穿支撐具塊541及542，供空氣流通之縫隙狀支撐具塊通氣孔543及544。支撐具塊通氣孔543及544係用以發散以加熱器57產生之熱，並且吸引因按壓時之載重及溫度變化等引起之節點位置變動的構造。
在此，由於焊頭保持塊511、512、513及514具有相同之結構，故一面主要參照第9圖及第10圖，一面就焊頭保持塊511之結構詳細說明。
此外，第9圖係本發明實施形態之結合工具5之焊頭保持塊511附近的概略立體圖。第10圖係本發明實施形態之結合工具5之焊頭保持塊511附近的概略截面圖。
焊頭保持塊511具有在焊頭51之與XZ平面平行之2面中(-Y)側之側面，以點P2之位置為基準而設的肋條5112、接合於肋條5112之本體5113。本體5113具有與肋條5112相鄰，形成於肋條5112之長向之溝5114。焊頭保持塊511以插入至於縱方向貫穿本體5113之孔的焊頭固定螺絲5111，固定於支撐具塊541。
肋條5112之長向係與傳導超音波振動之X方向垂直相交之Z方向，係與在焊頭51之與XY平面平行之2面中(-Z)側的下面垂直相交之方向。肋條5112設於與焊頭51相對之本體5113之面F1之(-X)側的端部。
而且肋條5112之形狀實質上為以Z方向為上述長向，具高度h，並以X方向為寬度方向，具寬度w之細角柱。
在此，就高度h及寬度w之大小，具體地說明。
首先，高度h亦考慮焊頭51之物性等，宜設定成相當大。其理由係因在按壓單元33按壓電子零件8之Z方向，可承受按壓時之載重，並在傳導按壓力時需確保足夠之剛性之故。在本實施形態，由於焊頭保持塊511、512、513及514於焊頭51之與XZ平面平行之兩側面各設2個，設有具與肋條5112相同之結構之足夠個數的肋條，故可確保足夠承受對應於電子零件8之尺寸或個數增加之按壓時的載重之剛性。
其次，寬度w亦考慮焊頭51之物性等，宜設定成相當小。其理由係因需確保在傳導超音波振動之X方向，電子零件8以超音波振動而振動之足夠自由度之故。當然，溝5114係用以更大幅確保此種自由度之構造。
此外，肋條5112如上述，設於面F1之(-X)側之端部。然而，如第11圖所示，肋條5112' 亦可設於本體5113之面F1之中央部。惟，由於肋條5112' 亦宜以點P2之位置為基準而設是無須贅言的，故採用此種結構時，需注意焊頭保持塊511' 不致大幅覆蓋第1冷卻部515之通氣孔的開口部份，且確保開口部份之面積足夠。
當然，由於為避免以加熱器57產生之熱傳導至遠處，第1冷卻部515設於點P2與加熱器57間之結構亦有效，故在設計上可採用此種結構時，具有與肋條5112' 相同之結構之肋條亦可設於面F1之(+X)側之端部。
又，溝5114如上述設於與面F1相鄰之本體5113之面F2的端部。然而，如第12圖所示，溝5114' 亦可設於本體5113之面F1之端部。同樣地可確保電子零件8在X方向以超音波振動而振動的足夠自由度。
接著，就第1、第2冷卻部515、516作說明。如第3圖、第4圖所示，第1冷卻部515係設於加熱器配置部570與焊頭51之(-X)側之一端間，供空氣流通之單元。更具體言之，第1冷卻部515係於與傳導超音波振動之X方向垂直相交之Y方向貫穿焊頭51，供空氣流通之4個縫隙狀通氣孔，設成對對稱面S2大致呈面對稱。
第2冷卻部516係設於加熱器配置部570與焊頭51之(+X)側之另一端間，供空氣流通之單元。更具體言之，第2冷卻部516亦係於與傳導超音波振動之X方向垂直相交之Y方向貫穿焊頭51，供空氣流通之4個縫隙狀通氣孔，設成對對稱面S2大致呈面對稱。
而且第1冷卻部515及第2冷卻部516設成對對稱面S1大致呈面對稱。更具體言之，加熱器配置部570及第1冷卻部515間之距離D1與加熱器配置部570及第2冷卻部516間之距離D2相等。
此外，第1冷卻部515設於靠近焊頭51之(-X)側之一端之焊頭保持塊511及513與焊頭51之(-X)側之一端間，第2冷卻部516設於靠近焊頭51之(+X)側之另一端之焊頭保持塊512及514與焊頭51之(+X)側之另一端間。
又，第1冷卻部515設於靠近焊頭51之(-X)側之一端之點P2與焊頭51之(-X)側之一端間，第2冷卻部516設於靠近焊頭51之(+X)側之另一端之點P3與焊頭51之(+X)側之另一端間。
總而言之，第1冷卻部515及第2冷卻部516分設於加熱器配置部570與焊頭51之(-X)側之一端間及加熱器配置部570與51之(+X)側之另一端間，設成獨立且對對稱面S2大致呈面對稱。
因此，可相當地抑制焊頭51之加熱時之膨脹方式係在焊頭51之長向X方向呈非對稱，故可減低所保持之電子零件8振動之方向或振幅從原本之設計值變化，或振動模式變化之虞。
因而，電子零件安裝裝置1可進行穩定之電子零件之接合。
在此，由於第1冷卻部515及第2冷卻部516之內部構造具有相同結構，故一面主要參照第13圖，一面就第1冷卻部515之結構詳細說明。
此外，第13圖係本發明實施形態之結合工具5之第1冷卻部515的概略截面圖。
供空氣流通之4個縫隙狀通氣孔係線剪加工而分別形成，線剪加工係在於與左右側面垂直相交之方向穿設的貫穿孔插入線，利用該線，於超音波振動之傳導方向穿設縫隙。
而且縱孔515a連結供空氣流通之4個縫隙狀通氣孔與設於外部之流體流通單元517用以使空氣流通之通氣口525。
通氣孔之開口部之形狀實質上係以傳導超音波振動之X方向為長向之窄小寬度的矩形。
上述矩形4個皆以Z方向為寬度方向，具寬度W，(1)靠近焊頭51之與XY平面平行之2面的2個矩形以X方向為上述長向，具長度L1，(2)位於該等矩形間之剩餘2個矩形以X方向為長向，具長度L2(<L1)。
當然，為有效率地發散以加熱器57產生之熱，宜將矩形面積W×L1及W×L2設定大至某程度。
此外，如前述，在本實施例中，由於採用肋條5112設於面F1之(-X)側之端部的結構，故可在無焊頭保持塊511覆蓋第1冷卻部515之通氣孔之開口部份之虞下，將長度L1及L2設定非常大。
然而，為不致使振動特性變動，或焊頭剛性降低，矩形面積W×L1及W×L2宜設定成不太大。
是故，就寬度W以及長度L1及L2之大小，具體地分別說明。
首先，寬度W亦考慮焊頭51之物性等，宜設定成不致太大。其理由係為以良好效率發散以加熱器57產生之熱，需將在通氣孔流通之空氣流速確保在某程度之故。即，當寬度太大時，空氣之流動過慢，當空氣之流動過慢時，散熱至外部之效率便滑落。
接著，長度L1及L2亦考慮焊頭51之物性等，宜設定成不太大。具體言之，長度L1及L2宜設定成相當於焊頭51全長之長度L之20%以下。其理由係當長度L1及L2太大時，超音波振動之共振點增加，副共振在接近此種共振點之位置產生，故振動特性之控制困難之故。此外，使長度L2較L1小係因在焊頭51之遠離與XY平面平行之2面之位置(靠近中央)，上述副共振產生之現象顯著之故。
此外，使空氣於第1冷卻部515及第2冷卻部516流通之流體流通單元517設於外部。
如第3圖所示，流體流通單元517分別經由連結於耐熱性高之管65之矽樹脂等吸附墊62、及連結於耐熱性高之管66之矽樹脂等吸附墊63，而連結於第1冷卻部515及第2冷卻部516。
因此，由於以加熱器57所產生之熱可以更良好效率發散，焊頭51加熱時之膨脹方式係對焊頭51之長向X方向呈非對稱之情形減少，故可更減低所保持之電子零件8振動之方向或振幅從原本之設計值變化，或振動模式變化。
因而，電子零件安裝裝置1可進行更穩定之電子零件之接合。
此外，於第1冷卻部515及第2冷卻部516如上述使空氣流通。然而，亦可利用散熱器所連接之循環路徑，使水等液體之冷卻媒體於第1冷卻部515及第2冷卻部516流通。
又，流體流通單元517如上述，係作為使空氣於第1冷卻部515及第2冷卻部516流通之共通單元，設於外部。然而，亦可將具有與流體流通單元517相同之結構之流體流通單元個別獨立設置，使第1冷卻部515及第2冷卻部516個別獨立地使流體流通。
接著，一面主要參照第1圖~第3圖，一面就本實施形態之電子零件安裝裝置之動作作說明。此外，一面就本實施形態之電子零件安裝裝置之動作作說明，一面亦就本發明電子零件安裝方法之一實施形態作說明。
托盤移動機構413使許多電子零件8以接合面朝向(+Z)側而載置之零件托盤411往位於(-X)側之供給頭42之下方移動，供給筒夾421以吸引吸附電子零件8之接合面。
而且供給頭移動機構43使供給頭42一面反轉，一面往(+X)方向移動，供給筒夾421與零件安裝部31之結合工具5在用以交接電子零件8之位置相對。
接著，按壓單元33使軸35稍微下降，當接合作用部53在前端部531藉吸引吸附電子零件8之上面時，供給筒夾421停止吸引，接合作用部53從供給筒夾421收取電子零件8。
如此，接合作用部53保持電子零件8(電子零件保持步驟)。
當收取電子零件8時，按壓單元33使軸35稍微上升，供給頭42往原本之位置退離。
然後，與供給頭42之退離並行，零件安裝部31往拍攝部11之正上方移動，拍攝部11拍攝保持在前端部531之電子零件8。
拍攝部11所輸出之圖像資料送至控制部10，控制部10依據送來之圖像資料，控制零件安裝部31，以修正電子零件8之姿勢。
此外，控制部10於電子零件8之姿勢因吸附錯誤等而判斷為無法修正之狀態時，中止電子零件8之安裝動作，零件安裝部31往零件回收機構(省略圖式)之上方移動，回收電子零件8。
安裝部移動機構32使零件安裝部31往保持於基板保持部2之電路基板9之裝設電子零件8的預定位置上方移動。
接著，結合工具5朝電路基板9下降，形成於電子零件8之接合面之凸塊與電路基板9之電極接觸。
然後，按壓單元33使軸35下降。
如此，按壓單元33按壓電子零件8(按壓步驟)。
然後，超音波振動子52產生超音波振動(超音波振動產生步驟)，加熱器57將接合作用部53加熱(加熱步驟)，第1冷卻部515及第2冷卻部516使空氣流通(流通步驟)。
如此進行，形成於電子零件8之接合面之凸塊與電路基板9之電極電性接合，電子零件8之接合與其安裝同時進行。
當電子零件8之安裝結束時，接合作用部53停止電子零件8之吸引，按壓單元33使接合作用部53遠離電子零件8後，使其上升。
接著，確認前端部531抵接電子零件8之面之研磨是否必要。
於判斷為研磨必要時，零件安裝部31往研磨部7之上方移動，前端部531被按壓至研磨構件71，以超音波振動子52施與研磨用振動。
於前端部531之研磨結束時，或判斷為研磨不必要時，確認是否繼續電子零件8之安裝。
然後，於繼續電子零件8之安裝時，零件安裝部31再度往用以與供給筒夾421進行電子零件8之交接之位置，反覆進行用以將電子零件8安裝於電路基板9之上述安裝動作。
接著，當必要之所有電子零件8皆安裝於電路基板9時，安裝動作便結束。
接著如下詳述，在本實施形態中，所保持之電子零件8振動之方向或振幅從原本之設計值變化，或振動模式變化之虞少。
即，由於第1冷卻部515及第2冷卻部516設計成對對稱面S2大致呈面對稱，故因焊頭51加熱時之膨脹引起的長度或厚度增大之方式係對X方向大致呈對稱。如此，如用以說明本發明實施形態電子零件安裝裝置1之動作原理之說明圖(1)的第14(A)圖所示，在按壓時，來自焊頭保持塊512側之按壓時之載重f12與來自焊頭保持塊511側之載重f11幾乎相等。因此，如用以說明以本發明實施形態電子零件安裝裝置1施加超音波振動之電子零件之振動軌跡的說明圖(1)之第14(B)圖所示，電子零件8之振動雖不形成理想之X方向之直線上之來回運動，但為長軸之方向與X方向一致，在XY平面內之離心率接近1之橢圓上的運動。亦即，電子零件8之振動軌跡不致因加熱器57之加熱而大幅變化。
然而，若僅設有第1冷卻部515時，因焊頭51加熱時之膨脹引起之長度或厚度之增大之方式對X方向便不對稱。即，比在加熱器配置部570與焊頭51之(-X)側之一端間，在加熱器配置部570與焊頭51之(+X)側之另一端間焊頭51加熱時之膨脹引起之長度或厚度的增大方式較大。如此一來，如用以說明本發明實施形態電子零件安裝裝置1之動作原理之說明圖(2)的第15(A)圖所示，在按壓時，來自焊頭保持塊512側之按壓時之載重f22因隨著焊頭51之厚度增大而至之反作用，而較來自焊頭保持塊511側之荷重f21增大。因此，如用以說明以本發明實施形態電子零件安裝裝置1施加超音波振動之電子零件8之振動軌跡的說明圖(2)之第15(B)圖所示，電子零件8之振動為長軸之方向已不與X方向一致，在XY平面內之橢圓上之運動。
此外，電子零件安裝裝置1要求進行用以維持加熱器57之非常高之加熱溫度的高精確度溫度控制。在帶有金與金之接合之半導體倒裝晶片封裝等非常有效。
又，電子零件安裝裝置1在(1)電子零件8在焊頭51之長向X方向等，尺寸大之晶片或Z方向薄之晶片、及/或(2)電路基板9係電配線呈片狀之帶材料或電配線在樹脂上之機材之半導體覆晶封裝等也有效。
這是由於在此種高度之半導體倒裝晶片封裝，減低所保持之電子零件8振動之方向或振幅從原本之設計值變化，或振動模式變化之虞的必要性更增高，而關於本發明電子零件安裝裝置1誠如上述，此種虞慮少。因而，本發明電子零件安裝裝置1幾乎不需因應電子零件8相對於電路基板9傾斜，而產生電子零件8或電路基板9之電極等之損傷或接合不良的現象等，而進行裝置之平行調整等。
如此，由於可因應之電子零件8之元件尺寸及品種較習知多，故本發明之電子零件安裝裝置1在各種領域有效。
此外，在本發明中，垂直相交、平行等數學用語除了嚴密地垂直相交、平行之情形外，只要在達成該等功能上無障礙，亦包含大致垂直相交、大致平行等之情形。
當然，本發明不限於上述實施形態，可進行各種變形。
 產業之可利用性
本發明之結合工具、電子零件安裝裝置、及電子零件安裝方法可進行品質更高之超音波接合，而在半導體倒裝晶片封裝等有用。
1．．．電子零件安裝裝置
2．．．基板保持部
3．．．零件安裝單元
4．．．零件供給部
5,1000．．．結合工具
7．．．研磨部
8,1910．．．電子零件
9,1920．．．電路基板
10．．．控制部
11．．．拍攝部
21,412．．．台
22．．．台移動機構
31．．．零件安裝部
32．．．安裝部移動機構
33．．．按壓單元
34．．．工具支撐部
35．．．軸
41．．．零件配置部
42．．．供給頭
43．．．供給頭移動機構
44．．．旋動機構
53,1500．．．接合作用部
71．．．研磨構件
72．．．研磨構件保持部
51,51' ,51〞,1200．．．焊頭
52,52' ,1400．．．超音波振動子
53．．．接合作用部
54．．．支撐具
55．．．熱電偶固定盤
57,1600．．．加熱器
58．．．加熱器固定螺絲
59,1700．．．熱電偶
61,62,63,1310．．．吸附墊
64,65,66．．．管
411．．．零件托盤
413．．．托盤移動機構
421．．．供給筒夾
511-514,511' ．．．焊頭保持塊
515．．．第1冷卻部
515a,600b,600c,600c' ．．．縱孔
516．．．第2冷卻部
517．．．流體流通單元
525．．．通氣口
531．．．前端部
541,542．．．支撐具塊
543,544．．．支撐具塊通氣孔
570．．．加熱器配置部
571,572．．．加熱器保持塊
600,600' ,600〞．．．吸引路徑
600a,600a' ,600a〞．．．橫孔
600d．．．開口部份
601．．．吸引口
602．．．排氣口
603．．．栓
1100．．．升降塊
1110．．．托架
1300．．．冷卻部
1610．．．加熱器安裝空洞部
1810,1820．．．導線
5111．．．焊頭固定螺絲
5112,5112'．．．肋條
5113．．．本體
5114．．．溝
D1,D2．．．距離
F1．．．面
f11,f12,f21,f22．．．載重
G1,G2．．．間隔
L,L1,L2．．．長度
P1-P3．．．點
S1,S2．．．對稱面
h,hZ ．．．高度
W,w．．．寬度
δ．．．間隙
第1圖係本發明實施形態之電子零件安裝裝置之概略正面圖。
第2圖係本發明實施形態之電子零件安裝裝置之概略平面圖。
第3圖係本發明實施形態之結合工具之概略正面圖。
第4圖係本發明實施形態之結合工具之概略平面圖。
第5圖係本發明實施形態之結合工具之加熱器配置部附近之概略立體圖。
第6圖係本發明實施形態之結合工具之吸引路徑等的概略正面圖。
第7圖係本發明實施形態之結合工具之吸引路徑等的概略正面圖。
第8圖係本發明實施形態之結合工具之吸引路徑等的概略正面圖。
第9圖係本發明實施形態之結合工具之焊頭保持塊附近的概略立體圖。
第10圖係本發明實施形態之結合工具之焊頭保持塊附近的概略截面圖。
第11圖係本發明實施形態之結合工具之焊頭保持塊附近的概略截面圖。
第12圖係本發明實施形態之結合工具之焊頭保持塊附近的概略截面圖。
第13圖係本發明實施形態之結合工具之第1冷卻部的概略截面圖。
第14(A)圖係用以說明本發明實施形態之電子零件安裝裝置之動作原理的說明圖(1)，第14(B)圖係用以說明業經以本發明實施形態電子零件安裝裝置施加超音波振動之電子零件的振動軌跡之說明圖(1)。
第15(A)圖係用以說明本發明實施形態之電子零件安裝裝置之動作原理的說明圖(2)，第15(B)圖係用以說明業經以本發明實施形態電子零件安裝裝置施加超音波振動之電子零件的振動軌跡之說明圖(2)。
第16圖係習知結合工具之概略正面圖。
5．．．結合工具
8．．．電子零件
9．．．電路基板
33．．．按壓單元
34．．．工具支撐部
35．．．軸
51．．．焊頭
52．．．超音波振動子
53．．．接合作用部
54．．．支撐具
55．．．熱電偶固定盤
57．．．加熱器
58．．．加熱器固定螺絲
59．．．熱電偶
61,62,63．．．吸附墊
64,65,66．．．管
511,512．．．焊頭保持塊
515．．．第1冷卻部
516．．．第2冷卻部
531．．．前端部
541,542．．．支撐具塊
543,544．．．支撐具塊通氣孔
570．．．加熱器配置部
571．．．加熱器保持塊
600．．．吸引路徑
5111．．．焊頭固定螺絲
S1,S2．．．對稱面
L．．．長度
hZ ．．．高度
δ．．．間隙

Claims (15)

  1. 一種結合工具，係包含有：焊頭，係傳導超音波振動者；超音波振動子，係設於前述焊頭之一端，以產生前述超音波振動者；加熱器配置部，係設於前述焊頭之前述一端與前述焊頭之另一端之間，以配置加熱器者；接合作用部，係設於前述焊頭之前述一端與前述焊頭之前述另一端之間，以保持電子零件，並以前述加熱器加熱者；第1冷卻部，係設於前述加熱器配置部與前述焊頭之前述一端之間，以供流體流通者；及第2冷卻部，係設於前述加熱器配置部與前述焊頭之前述另一端之間，以供流體流通者，前述加熱器配置部為加熱器插入孔，其係於與前述超音波振動之傳導方向垂直相交之方向貫穿前述焊頭，且前述加熱器與前述加熱器插入孔之壁部隔著預定間隙，連結至設在外部之按壓單元，並固定於配置在前述焊頭外側之加熱器保持塊。
  2. 如申請專利範圍第1項之結合工具，其中前述接合作用部設於前述焊頭之下面，且前述加熱器配置部設於前述接合作用部之正上方。
  3. 如申請專利範圍第1項之結合工具，其中前述加熱器配置部與前述第1冷卻部間之距離係與前述加熱器配置部 與前述第2冷卻部間之距離相等。
  4. 如申請專利範圍第1項之結合工具，其中前述第1冷卻部及前述第2冷卻部為通氣孔，其係於與前述超音波振動之傳導方向垂直相交之方向貫穿前述焊頭，並供氣體流通。
  5. 如申請專利範圍第4項之結合工具，其中前述通氣孔之開口部之形狀為寬度窄小的矩形，且係以前述超音波振動之傳導方向為長向。
  6. 如申請專利範圍第1項之結合工具，其中前述焊頭之形狀係角柱，且前述接合作用部設於前述焊頭之下面，用以保持前述焊頭之焊頭保持塊則分別設於前述焊頭之兩側面。
  7. 如申請專利範圍第6項之結合工具，其中前述焊頭保持塊具有設於前述焊頭側面之肋條及接合至前述肋條之本體；前述肋條之長向係與前述超音波振動之傳導方向垂直相交之方向，且係與前述焊頭之前述下面垂直相交之方向。
  8. 如申請專利範圍第7項之結合工具，其中前述本體具有與前述肋條相鄰，且形成於前述肋條之前述長向之溝。
  9. 如申請專利範圍第6項之結合工具，其中前述焊頭保持塊於前述焊頭之前述兩側面各設有2個，前述第1冷卻部設於2個前述焊頭保持塊中較靠近前述焊頭之前述一端之前述焊頭保持塊與前述焊頭的前述一端之間，前述第2冷卻部則設於2個前述焊頭保持塊中較靠近前述焊頭之 前述另一端之前述焊頭保持塊與前述焊頭的前述另一端之間。
  10. 如申請專利範圍第1項之結合工具，其中前述超音波振動具有2個節點，前述第1冷卻部設於前述2個節點中較靠近前述焊頭之前述一端之前述節點與前述焊頭的前述一端之間，前述第2冷卻部則設於前述2個節點中之較靠近前述焊頭之前述另一端之前述節點與前述焊頭的前述另一端之間。
  11. 如申請專利範圍第1項之結合工具，其中使前述流體於前述第1冷卻部及前述第2冷卻部中之至少一者流通之流體流通單元係設於外部。
  12. 如申請專利範圍第1項之結合工具，其中用以藉吸引而保持前述電子零件之吸引路徑的吸引口係形成於前述接合作用部，且前述吸引路徑之排氣口形成於：前述焊頭上面之比起前述焊頭之前述另一端，還較接近前述焊頭之前述一端的部份；前述吸引路徑之形狀係T字形，且前述吸引路徑之一部份為：從前述焊頭之前述一端之前述超音波振動子抵接之部份鑿穿的孔。
  13. 如申請專利範圍第1項之結合工具，其中前述接合作用部設於前述第1冷卻部與前述第2冷卻部之間。
  14. 一種電子零件安裝裝置，包含：保持部，係保持對象物者；供給部，係供給電子零件者； 安裝單元，係將前述所供給之電子零件安裝於前述所保持之對象物者；前述安裝單元具有零件安裝部，前述零件安裝部具有按壓單元及如申請專利範圍第1項之結合工具，前述按壓單元係經由前述結合工具之前述接合作用部，對前述對象物按壓前述電子零件。
  15. 一種電子零件安裝方法，係使用如申請專利範圍第14項之電子零件安裝裝置，對前述對象物安裝前述電子零件者，具有：電子零件保持步驟，係利用前述接合作用部，保持前述電子零件者；按壓步驟，係利用前述按壓單元，對前述對象物按壓前述電子零件者；超音波振動產生步驟，係利用前述超音波振動子，產生前述超音波振動者；加熱步驟，係利用前述加熱器，將前述接合作用部加熱者；及流體流通步驟，係利用前述第1冷卻部及第2冷卻部，使前述流體流通者。
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