JP4308444B2 - 部品接合装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体ウエハから切り分けたいわゆるベアチップのような電子部品を例えば回路基板上にバンプを介して直接に搭載して超音波振動を作用させて接合するフリップチップ実装等に適用可能な部品接合方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器の小型、軽量化、及び機器に用いられる電子部品の高周波化に伴い、電子部品を直接に回路基板上に搭載して接合するフリップチップ実装が用いられてきている。中でも、ＳＡＷフィルタや水晶発振器などの微小デバイスをパッケージ基板に実装する際に、超音波振動を上記微小デバイスに与えることによって、上記微小デバイス又は上記パッケージ基板上に形成されたバンプを介して上記パッケージ基板上に上記微小デバイスを接合する超音波接合フリップチップ実装方式が多く用いられている。
【０００３】
図１６には、上記パッケージ基板上に上記微小デバイスを接合するための部品接合装置３０の構成の内、主な構成部分として、ヘッド２と、認識装置６と、ステージ８とを図示している。ヘッド２は、上記微小デバイスに相当する電子部品１を保持し、該電子部品１を回路基板９上の接合位置に接合するため位置決めされた後、保持している電子部品１を回路基板９上に押圧しかつ超音波振動を電子部品１に作用させながら接合させる装置である。よってヘッド２には、上記超音波振動を発生する超音波振動発生部３と、先端部に電子部品１を吸着保持するための保持部４ａを有し上記超音波振動発生部３に取り付けられるノズル４と、上記超音波振動発生部３及びノズル４をノズル４の周方向に回転させる回転装置５とを有する。尚、該ヘッド２は、不図示の移動装置にて例えばＸ方向に移動する。
【０００４】
ステージ８には上記回路基板９が載置され、ステージ８は例えばＹ方向に移動可能な構造を有する。
認識装置６は、上記保持部４ａに保持されている電子部品１の姿勢を認識する撮像カメラを備え、撮像情報は表示部７に表示される。保持部４ａに保持されている電子部品１が回路基板９上の接合位置に接合されるように、上記撮像情報に基づき、上記ヘッド２及びステージ８がＸ、Ｙ方向に移動する。
【０００５】
上述の構成を有する部品接合装置３０による従来の電子部品接合方法について説明する。
ヘッド２が部品保持位置に移動し、保持部４ａによって電子部品１を吸着保持する。次に、保持部４ａに保持された電子部品１を認識装置６にて認識し、保持されている電子部品１の位置及び角度を検出した後、回路基板９上の接合位置へ正しく接合可能なように、上記認識結果に基づいてヘッド２及び回転装置５を動作させて電子部品１の位置補正を行なう。そして回路基板９上の上記接合位置へ電子部品１を搭載しさらに押圧する。このとき、超音波振動発生部３を動作させて、ノズル４及び保持部４ａを介して電子部品１に超音波振動を作用させる。
上記押圧動作及び超音波振動の作用により、電子部品１に接合されている図１７に示すバンプ１１と、回路基板９上の電極部１０とが、両者の金属拡散現象にて接合する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、超音波振動を印加する前に上記バンプ１１を上記電極部１０に接触させた時点の搭載位置に対して、電子部品１に超音波振動を印加することによって、上記搭載位置からずれた位置に電子部品１が移動して接合されてしまうことがある。これは、バンプ１１の配置が超音波振動の振動方向に対して対称でない場合に、接合が進行するときに各バンプ１１における摩擦力のバランスが崩れることにより生じる。例えば図２０に示すように、バンプ１１が３つ存在する電子部品１に対して矢印１４の方向に沿って上記超音波振動を作用させたような場合が相当する。電子部品１の位置ずれ量が大きいときには、接合後の製品が不良となることもある。
【０００７】
これに対して、接合強度をできるだけ維持するとともに接合位置ずれを防ぐような接合条件を求めて対策を施す場合もあるが、接合強度及び位置ずれに関する不良がゼロとなる接合条件が必ずしも得られるものではない。一般的に、超音波振動の振幅を抑えることによって接合位置ずれは減少するが、これは接合強度の低下を招く。つまり、接合強度を増すことと接合位置ずれを抑えることは相反する関係にあるといえる。
【０００８】
又、接合前において円形状のバンプ１１は、超音波振動を印加されて接合されると、通常、楕円形に変形する。よって、電子部品１が回路基板９上に搭載されたとき、図１８に示すように、バンプ１１が回路基板９の電極部１０の周縁部に位置した場合、上記超音波振動の印加による上記変形により、図１９に示すように、回路基板９の電極部１０の端部に接合したバンプ１１は、該電極部１０に隣接する配線パターンにまで達し、電気的なショートを引き起こして製品が不良となる場合がある。又、上記ショートに至らない場合であっても、バンプ１１の変形によってバンプ１１が電極部１０からはみだして、バンプ１１の接合面積の減少による接合強度の低下を起こし製品不良となる場合もある。これらに対しても、接合強度をできるだけ維持するとともに、バンプ１１の変形を防ぐような接合条件を求め対策を施すこともあるが、必ずしも不良をゼロに抑える接合条件が得られるものではない。
【０００９】
このように、従来の電子部品接合方法では、電子部品の接合位置のずれが発生したり、バンプ変形によるショート及び接合強度低下が発生して、製品不良が発生するという問題がある。又、製品不良の発生を防止する接合条件を求めるために長時間を要するという問題や、求めた条件によっては接合強度が低下し製品不良が発生するという問題もある。
本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、超音波振動を作用させて部品接合を行なうときに、製品不良の発生を従来に比べて低減可能な部品接合方法、及び該部品接合方法を実行する部品接合装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の第２態様の部品接合装置は、電子部品の電極と、回路形成体の電極部とをバンプを介して接合するバンプ接合装置と、
上記バンプ接合装置による接合動作時に上記電子部品及び上記回路形成体を振動方向に沿って相対的に超音波振動させる超音波振動発生装置と、
上記バンプの数、上記バンプの配置位置、上記バンプの材質、及び上記バンプの高さの内の少なくとも一つの要素に基づいて上記振動方向を求め、求めた振動方向に沿って上記超音波振動発生装置に超音波振動を発生させる制御装置と、を備え、
上記バンプ接合装置は、上記電子部品と同じ大きさにてなる保持部材を先端に取り付けたノズルに上記超音波振動発生装置を取り付けた構成を有する状態にて、該バンプ接合装置は、さらに、上記超音波振動発生装置を上記ノズルの周方向に回転させる回転装置を有し、
上記制御装置は、上記回転装置による上記回転を制御して上記超音波振動発生装置を上記振動方向に沿って配置させて上記振動方向に沿った超音波振動を上記超音波振動発生装置に発生させ、
上記超音波振動発生装置は、上記回転装置による回転に対して上記電子部品を保持可能な姿勢に上記ノズルの取り付けを変更する取付変更機構を有する、ことを特徴とする。
【００１６】
又、上記第２態様において、上記保持部材を撮像する撮像装置と、該撮像情報を可視的に表示するモニタとをさらに備えるように構成することもできる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態である部品接合方法、及び該部品接合方法を実行する部品接合装置について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において同じ構成部分については同じ符号を付している。
又、この明細書で回路形成体とは、樹脂基板、紙−フェノール基板、セラミック基板、ガラス・エポキシ（ガラエポ）基板、フィルム基板等の回路基板、単層基板若しくは多層基板などの回路基板、部品、筐体、又は、フレーム等、回路が形成されている対象物を意味する。尚、本実施形態では、回路基板を例に採る。又、電子部品の一例として、本実施形態では半導体ウエハより切り分けた半導体チップを例に採る。又、本実施形態では、該半導体チップの電極に金にてなるバンプが形成されている。しかしながら、電子部品、及びバンプ形成されている部材は、上述の場合に限定するものではない。
【００１８】
図１に示すように、上記実施形態の部品接合装置１０１は、大別して、部品供給装置１０２、回路形成体保持装置としての機能を果たす一例としてのボンディングステージ１０３、部品反転装置１０４、バンプ接合装置１０５、回路基板搬送装置１０６、撮像装置１２４、及び制御装置１１０を備える。
上記部品供給装置１０２には、半導体ウエハに形成された集積回路の電極にバンプが形成され、さらに個々の集積回路毎にスクライブされた状態のウエハ１１２がマガジンリフタ１１１から供給される。上記部品供給装置１０２は、上記ウエハ１１２のいわゆる引き延ばしを行って、上記集積回路部分が形成された個々の上記半導体チップに分割し、該分割によりウエハ１１２から切り分けられた半導体チップ１５０を供給する装置である。本実施形態では、図９に示すように半導体チップ１５０の電極１３にはバンプ１１が形成されている。尚、本実施形態において上記バンプ１１における直径寸法Ｉは、約１００μｍであり、半導体チップ１５０の電極１３上における土台部分１１ａの高さ寸法IIIは約３０〜３５μｍであり、全高寸法IIは約７０〜７５μｍである。又、後述するように、バンプ１１は、回路基板２０の電極部２１に押圧されるが、押圧後のつぶれたバンプ（以後、つぶれたバンプ１１に対して符号「１２」を付す）は、図１０に示すような形状であり、バンプ１２の高さ寸法IVは、上記土台部分１１ａの高さ寸法IIIにほぼ等しい。
【００１９】
又、部品供給装置１０２に供給されたウエハ１１２及び個々の上記半導体チップ１５０の状態は、部品供給装置１０２の上方に設置されたウエハ認識装置１１３にて撮像され、その撮像情報は制御装置１１０に供給される。
尚、上述のように本実施形態では、電子部品として上記半導体チップを例に採っているので、このような形態の部品供給装置１０２を備えるが、処理する電子部品の形態が異なればそれに対応して当然に部品供給装置の形態も変更されることになる。
【００２０】
上記回路基板搬送装置１０６は、当該部品接合装置１０１へ回路基板２０を搬入、搬出する装置である。
上記ボンディングステージ１０３は、上記回路基板搬送装置１０６にて搬入された上記回路基板２０を載置してバンプ接合を行なうためのステージであり、図１１に示すように、いわゆるボールねじ構造にてなり駆動部としてのモータ１１４を有するＹ軸ロボット１０７にて、Ｙ方向へ滑動する。又、ボンディングステージ１０３は、回路基板搬送装置１０６から供給される回路基板２０の大きさに応じて、該回路基板２０をボンディングステージ１０３上に載置するため、上記回路基板２０のＹ方向に沿った周縁部分を保持しＸ方向に可動な基板規正部１１５と、上記回路基板２０のＸ方向に沿った周縁部分を保持しＹ方向に可動な基板規正部１１６とを備える。又、上記ボンディングステージ１０３には、上記回路基板２０を吸着保持するための吸入用通路が形成されており上記吸入用通路は吸引装置１１７に連通している。又、バンプ接合のために上記回路基板２０を約１５０℃に加熱する加熱装置１１８が備わる。
【００２１】
上記ウエハ１１２では、当然に、上記バンプ１１を有する回路形成部分が上を向いている。そして、分割された上記半導体チップ１５０のそれぞれは、部品供給装置１０２に備わる突き上げ装置１２０にて上記半導体チップ１５０の厚み方向に突き上げられた後、部品反転装置１０４にて一つずつ保持される。部品反転装置１０４は、上記部品供給装置１０２から上記半導体チップ１５０を保持し該半導体チップ１５０の電極１３に形成されているバンプ１１が上記ボンディングステージ１０３上に載置されている上記回路基板２０に対向するように、保持した半導体チップ１５０を反転する装置である。
【００２２】
バンプ接合装置１０５は、上記部品反転装置１０４から上記半導体チップ１５０を受け取り上記ボンディングステージ１０３へ搬送した後、ボンディングステージ１０３に載置されている上記回路基板２０の所定位置へ、保持している半導体チップ１５０をＺ方向に押圧するとともに超音波振動を作用させて上記バンプ１１を回路基板２０の電極部２１へ接合する装置である。該接合装置１０５は、図２及び図１２に示すように、半導体チップ１５０を保持する部品保持装置９６と、半導体チップ１５０をバンプ１１を介して回路基板２０に押圧するボイスコイルモータ（ＶＣＭ）１２１と、該ボイスコイルモータ１２１による押圧動作時に、本実施形態では半導体チップ１５０を主振動方向に沿って超音波振動させる圧電素子９１を有する超音波振動発生装置９と、本実施形態において特徴的な構成部分の一つであり、制御装置１１０の制御に基づいて下記のノズル９３の周方向（θ方向と記す場合もある）に上記圧電素子９１を回転させる回転装置１２２とを備える。上記圧電素子９１は、発振器１３３を介して制御装置１１０に接続される。
【００２３】
上記部品保持装置９６は、図１２に示すように、本実施形態では保持される半導体チップ１５０と同形状で同じ大きさにてなり、上記半導体チップ１５０を保持する保持部材９５と、先端に保持部材９５を取り付け本実施形態では上記半導体チップ１５０を吸着保持するための吸引用通路９４が軸方向に沿って形成されているノズル９３と、上記吸引用通路９４に連通し制御装置１１０にて動作制御される吸引装置１１９と、を備える。尚、半導体チップ１５０の保持方法としては、上述の吸着動作に限定されるものではなく、例えば機械的に保持するように構成することもできる。
【００２４】
保持部材９５を、保持される半導体チップ１５０と同形状で同じ大きさとするのは以下の理由による。即ち、保持する半導体チップ１５０に対して保持部材９５が小さいときには、半導体チップ１５０の全体に超音波振動が伝導しないため、接合強度が悪化するという問題が生じる場合がある。逆に、保持する半導体チップ１５０に対して保持部材９５が大きいときには、半導体チップ１５０と、保持部材９５の半導体チップ接触面とが超音波振動により擦れるため、保持部材９５の上記半導体チップ接触面が磨耗し、上記半導体チップ接触面に半導体チップ１５０と同形状の窪みができる場合がある。よって、上記半導体チップ接触面にて半導体チップ１５０の位置ずれが生じたときには、半導体チップ１５０に局所的な荷重が作用し半導体チップ１５０を破損する場合があるからである。
よって、保持部材９５は、保持される半導体チップ１５０と同形状で同じ大きさとするのが好ましい。
【００２５】
上記ボイスコイルモータは、本実施形態では、上記バンプ１１と上記回路基板２０の電極部２１とを接合するため、上記電極部２１に対して上記バンプ１１を対向させてバンプ１１と上記電極部２１とが互いに近接する方向（本実施形態では、Ｚ方向）へ上記半導体チップ１５０を移動し、バンプ１１と上記電極部２１とを押圧する。
【００２６】
上記超音波振動発生装置９は、上記バンプ１１と回路基板２０側の電極部２１との間に摩擦熱を発生させて、上記ボンディングステージ３の加熱温度の低減を図りかつ上記バンプ１１の接合を強固なものにするため、上記バンプ１１を振動させるための超音波振動を発生する装置である。該超音波振動発生装置９は、図１２に示すように、複数積層された圧電素子９１と該圧電素子９１が一端部に接続される超音波ホーン９２とを備え、これらの圧電素子９１に電圧が印加されることで、圧電素子９１の積層方向に相当する主振動方向９７に沿って超音波振動を発生する。発生した上記主振動方向９７への振動は、超音波ホーン９２にて増幅される。超音波ホーン９２の他端部には、上記半導体チップ１５０を保持する上記保持部材９５を先端に設けたノズル９３が取り付けられており、圧電素子９１の上記振動により、ノズル９３、即ち保持部材９５に保持されている半導体チップ１５０が上記主振動方向９７へ超音波振動する。尚、圧電素子９１は上記主振動方向９７へ振動するが、発生した振動が上記半導体チップ１５０へ伝導する過程にて、実際には種々の方向への振動が生じる。よって、上記半導体チップ１５０では主たる振動方向は上記主振動方向９７であるが実際には種々の方向へ振動している。
【００２７】
部品接合装置１０１では、上記ボンディングステージ１０３にて約１５０℃に加熱された上記回路基板２０に対して上記半導体チップ１５０の上記バンプ１１を押圧した後、上記半導体チップ１５０を介して上記バンプ１１を超音波振動して上記バンプ１１と上記電極部２１との間に摩擦熱を発生させて上記接合を行っている。
【００２８】
次に、上記回転装置１２２について説明する。
図２０を参照して説明したように、バンプ１１の配置が超音波振動の振動方向に対して対称でない場合に、接合が進行するときに各バンプ１１における摩擦力のバランスが崩れることにより、上記搭載位置からずれた位置に電子部品１が移動して接合されてしまう場合が生じる。又、図１９を参照して説明したように、作用させる超音波振動の方向によっては、バンプ１１は、該電極部１０に隣接する配線パターンにまで達し、電気的なショートを引き起こす場合や、バンプ１１の接合面積の減少による接合強度の低下を起こす場合がある。
【００２９】
そこで本実施形態ではこのような問題点を解消するために、電子部品の一例である半導体チップ１５０に対して、接合を行なうに際し作用させる超音波振動の上記主振動方向９７を、バンプ１１の位置ずれを防止する方向に変化させる。具体的に説明すると、上記主振動方向９７は、半導体チップ１５０における、バンプ１１の数、バンプ１１の配置位置、バンプ１１の材質、及びバンプ１１の高さの内の少なくとも一つの要素に基づいて求められ、本実施形態では、求めた主振動方向９７に沿って半導体チップ１５０を超音波振動させながら上記接合を行なう。これは、一つの半導体チップ１５０における上記バンプ１１の数、配置位置、高さは、超音波振動を作用させた接合時に、各バンプ１１における摩擦力のバランスを崩す要因になるからである。又、例えばＬＥＤ（発光ダイオード）にあっては、２つの電極部の材質が例えばアルミニウムと金とからなるように異なる場合がある。よって、例えば金にてなるバンプ１１と電極部との材質の相異により、接合が完了するまでの時間や、接合強度が各バンプ１１で相違する。このようにバンプ１１の材質も上記摩擦力のバランスを崩す要因になる。
【００３０】
よって、例えばパワーモジュールＩＣや、ハードディスク用ヘッドの先端に取り付けられるＧＭＲ（Giant Magneto Resistive：巨大磁気抵抗効果）ヘッドの場合のようにバンプ１１の配置位置に偏りがある場合で、バンプ１１の配置位置に基づいて上記主振動方向９７を求めるとき、主振動方向９７は、バンプ１１の配置をほぼ対称とする対称軸に沿う方向として求められる。具体的に説明すると、例えば図５に示すように、バンプ１１が四角形の各頂点部分に存在するようなときには、上記対称軸としては、符号９７１−１から９７１−４にて示す４つの軸が考えられる。よって、上記主振動方向９７は、これら対称軸９７１−１〜９７１−４のいずれか一つに沿った方向となる。
又、例えば図６に示すようにバンプ１１が三角形の各頂点部分に存在するようなときには、もし符号９７３にて示す方向に超音波振動させたとすると、接合が進行中の状態においてバンプ数の多い、図の上側の接合強度が下側に比べて強くなる。その状態で更に超音波振動を与えると、接合強度が強い上記上側では、半導体チップ１５０と保持部材９５とが滑るのに対し、下側では回路基板２０に接しているバンプ１１が振動することになる。その結果、上側の２バンプ１１の内どちらかのバンプ１１を支点にして、回転方向に半導体チップ１５０が位置ずれする場合がある。これに対し、符号９７２にて示す４５度方向に超音波振動を作用させたときには、接合の進行中において各バンプ１１の接台強度バランスが保たれたまま振動するため、半導体チップ１５０のずれは発生しない。
よって、上記対称軸としては、符号９７２にて示すものが考えられ、上記主振動方向９７は、対称軸９７２に沿った方向となる。
【００３１】
又、上記電気的ショートや、バンプ１１の接合面積減による接合強度の低下を起こすときには、上記主振動方向９７は、上記電極１３又は上記電極部２１の領域内で上記バンプ１１が上記超音波振動により接合する方向である。具体的には、例えば図７に示すように、バンプ１１が電極部２１の周縁部に位置するようなときには、超音波振動によるバンプ１１の変形が電極部２１の領域からはみ出さないような、矢印９７３にて示す方向が上記主振動方向９７となる。
【００３２】
尚、制御装置１１０には、接合動作に関わる半導体チップ１５０におけるバンプ１１の位置情報、該半導体チップ１５０が接合される回路基板２０における電極部２１の位置及び大きさ情報、電極部２１に対するバンプ１１の配置情報等の接合動作に必要な接合用情報が格納されており、制御装置１１０は、上記接合用情報に基づいて自動的に上記主振動方向９７を求めることができる。あるいは又、主振動方向９７を制御装置１１０に作業者が入力することも可能であり、さらに、通信回線を介して供給するように構成することも可能である。
【００３３】
このように主振動方向９７が求まる状況において、上記回転装置１２２は、図２及び図１２に示すように、上記圧電素子９１を保持する圧電素子保持部材１２２１と、Ｚ軸方向に延在する上記ノズル９３の周方向（θ方向）１２２２へ圧電素子保持部材１２２１を回転させ、制御装置１１０にて動作制御される、本実施形態ではモータにて構成される駆動部１２２３と、該駆動部１２２３の動力を上記圧電素子保持部材１２２１へ伝達する伝達機構１２２４と、を有する。
【００３４】
このような構成により、圧電素子９１の積層方向が上記主振動方向９７に沿うように制御装置１１０にて制御されて駆動部１２２３が動作し、伝達機構１２２４を介して圧電素子保持部材１２２１が上記周方向（θ方向）１２２２へ回転する。よって、圧電素子保持部材１２２１に保持されている圧電素子９１及び該圧電素子９１の一端に取り付けられている超音波ホーン９２も上記周方向１２２２へ回転する。このように、本実施形態では、回転装置１２２及び制御装置１１０にて、圧電素子９１の積層方向を上記主振動方向９７に沿わせることができる。よって、上記搭載位置からずれた位置に電子部品１が移動して接合されてしまうことや、上記電気的ショートや、バンプ１１の接合面積の減少による接合強度の低下を起こすことはなくなり、製品不良の発生を従来に比べて低減することができる。
【００３５】
一方、圧電素子９１の該回転により、上記超音波ホーン９２の他端部に取り付けられているノズル９３、さらにノズル９３に固定されている保持部材９５も上記周方向１２２２に回転する。本実施形態では、上述のように保持部材９５は、保持する半導体チップ１５０と同形状及び同面積にてなるので、保持部材９５が上記周方向１２２２に回転することで、上記部品反転装置１０４から保持部材９５が半導体チップ１５０を保持しようとしたとき、図１３に示すように、保持部材９５と半導体チップ１５０とが位置ずれしてしまう場合がある。
そこで本実施形態では、図４に示すように、圧電素子保持部材１２２１に保持されている圧電素子９１の超音波ホーン９２に対して独立して、保持部材９５が半導体チップ１５０を保持可能な姿勢に保持部材９５の向き、つまりノズル９３の取り付けを変更可能とする取付変更機構９８を超音波ホーン９２に設けている。
【００３６】
上記取付変更機構９８として、本実施形態では、図示するように、超音波ホーン９２に設けられノズル９３を挿通するノズル取付穴９２１に、ノズル９３を圧接させる固定用ネジ９２２を有する締結機構にてなる。尚、取付変更機構９８の構造としては、該形態に限定されるものではなく、公知の締結構造を採ることができる。
よって、圧電素子９１の積層方向が上記主振動方向９７に沿うように上記回転装置１２２により上記圧電素子保持部材１２２１を上記周方向１２２２に回転させた後、上記固定用ネジ９２２を緩めることで、圧電素子保持部材１２２１に圧電素子９１を介して保持されている超音波ホーン９２に対してノズル９３、即ち上記保持部材９５を上記周方向１２２２へ自由に回転させることができる。よって、保持部材９５によって保持される半導体チップ１５０の向きに応じて保持部材９５の向きを変更することができる。
尚、バンプ接合装置１０５において、ノズル９３は、上記周方向１２２２へ自由に回転可能な構造にて取り付けられている。
【００３７】
上述の説明では、予め超音波ホーン９２にノズル９３が取り付いた状態で圧電素子保持部材１２２１を介して圧電素子９１及び超音波ホーン９２を上記周方向１２２２に回転させたが、超音波ホーン９２にノズル９３を未装着の状態にて、圧電素子保持部材１２２１を介して圧電素子９１及び超音波ホーン９２を上記周方向１２２２に回転させた後、部品反転装置１０４から半導体チップ１５０を保持可能な姿勢に保持部材９５が一致するように、超音波ホーン９２に対してノズル９３を装着し、上記取付変更機構９８の固定用ネジ９２２にて取り付けを完了させてもよい。尚、後述する接合方法の動作説明では、この、追ってノズル９３を装着する方法にて説明する。
【００３８】
以上のように構成されるバンプ接合装置１０５は、Ｘ軸ロボット１０８にてＸ軸方向へ移動させる。Ｘ軸ロボット１０８は、本実施形態では図２に示すようにいわゆるボールねじ構造を有し、制御装置１１０にて動作制御される駆動部としてのモータ１２３を有する。よって、ボンディングステージ１０３上に保持されている回路基板２０に対してバンプ接合装置１０５に保持されている半導体チップ１５０を接合させるときには、上記Ｘ軸ロボット１０８にてＸ軸方向における位置制御がなされ、ボンディングステージ１０３のＹ軸ロボット１０７にてＹ軸方向における位置制御がなされ、半導体チップ１５０の電極１３に形成されているバンプ１１と回路基板２０の電極部２１とが対向して配置可能となる。
【００３９】
上記撮像装置１２４は、上記保持部材９５における上記周方向１２２２への回転量を認識するため、及び保持部材９５に保持されている半導体チップ１５０の位置ずれを認識するために、保持部材９５をその真下から撮像し認識する装置であり、撮像カメラ１２４１と、上記制御装置１１０に含まれる画像認識部１２４２と、撮像した画像を表示するモニタ１２４３とを有する。さらに又、上記撮像カメラ１２４１を上記保持部材９５の撮像可能位置まで移動させる移動装置を備えることもできる。
上述のように、上記回転装置１２２により上記圧電素子保持部材１２２１を上記周方向１２２２に回転させた後、部品反転装置１０４に保持されている半導体チップ１５０の向きに応じて保持部材９５の向きを変更する必要があるが、該撮像装置１２４にて保持部材９５の姿勢を認識してモニタ１２４３に表示させることで、上記向きを変更するための上記周方向１２２２における保持部材９５の回転をモニタ１２４３の映像にて確認しながら行なうことができる。よって、モニタ１２４３は、超音波ホーン９２に対してノズル９３を作業者が取り付けながら目視確認できる位置に配置されている。
【００４０】
上記制御装置１１０は、上述したそれぞれの装置、例えば部品供給装置１０２、ボンディングステージ１０３等の動作制御を行なう。機能面より制御装置１１０を区分すると、制御装置１１０は、図３に示すように主処理部１１０１、メモリ部１１０２、モータ制御部１１０３、荷重制御部１１０４、及び上記画像認識部１２４２を有する。上記メモリ部１１０２は、上述の接合用情報を含め種々の情報を格納する。上記モータ制御部１１０３は、上記Ｘ軸ロボット１０８のモータ１２３、ボンディングステージ１０３のＹ軸ロボット１０７におけるモータ１１４、バンプ接合装置１０５の上記ボイスコイルモータ１２１、及び上記回転装置１２２の駆動部１２２３の動作制御を行なう。よって、回転装置１２２による上記主振動方向９７への圧電素子９１の上記周方向１２２２への回転は、上記主処理部１１０１にて上記主振動方向９７が求められ、モータ制御部１１０３の制御により回転装置１２２の駆動部１２２３が動作制御される。上記荷重制御部１１０４は、ボイスコイルモータ１２１へ供給する電流を制御して発生する押圧力を制御する。
尚、本実施形態では制御装置１１０は、部品接合装置１０１の全体にて一つ設けられ、例えばバンプ接合動作の制御等を行なうが、もちろんそれぞれの装置に対応して個々に制御装置を設けることもできる。
【００４１】
次に、上述の構成を備えた当該部品接合装置１０１による、上記半導体チップ１５０と回路基板２０との接合方法について、図８を参照して以下に説明する。尚、上記接合方法は、制御装置１１０の動作制御に基づいて実行される。
まず、ステップ（図内では「Ｓ」にて示す）１では、上述したように制御装置１１０は、接合対象となっている上記半導体チップ１５０及び回路基板２０における上記接合用情報に基づいて、上記主振動方向９７を求める。そして、求めた主振動方向９７に圧電素子９１の上記積層方向及び超音波ホーン９２が沿うように、上記バンプ接合装置１０５の回転装置１２２の駆動部１２２３を動作制御して上記圧電素子保持部材１２２１を介して圧電素子９１及び超音波ホーン９２を上記周方向１２２２へ回転させる。尚、ここでは、該回転動作において超音波ホーン９２にはノズル９３は未装着の状態である。
【００４２】
次のステップ２では、部品反転装置１０４から半導体チップ１５０を保持可能な角度である部品保持角度に保持部材９５が一致するように、超音波ホーン９２に対してノズル９３を装着し、上記取付変更機構９８の固定用ネジ９２２にて超音波ホーン９２にノズル９３を固定する。
該ノズル９３の超音波ホーン９２への取り付け動作において、撮像装置１２４の撮像カメラ１２４１を上記保持部材９５の撮像可能位置へ移動させ、上記モニタ１２４３にて保持部材９５の向きを目視確認しながら、保持部材９５が上記部品保持角度になるようにセットした後、上記固定用ネジ９２２にてノズル９３を超音波ホーン９２に固定するのが、作業性より好ましい。
【００４３】
次のステップ３では、ボンディングステージ１０３に保持されている回路基板２０上の接合位置に半導体チップ１５０を装着させる一連の動作を開始する。
次のステップ４では、部品反転装置１０４にて部品供給装置１０２から半導体チップ１５０を保持した後、上下が反転され、部品保持位置まで搬送される。一方、バンプ接合装置１０５もＸ軸ロボット１０８にて上記部品保持位置まで移動される。
次のステップ５では、再度、上記バンプ接合装置１０５の回転装置１２２の駆動部１２２３を動作制御して上記圧電素子保持部材１２２１を介して圧電素子９１及び超音波ホーン９２を上記周方向１２２２へ回転させる。上述のようにステップ１にて該回転動作は既に実行しているが、一連の動作により圧電素子９１及び超音波ホーン９２が原点復帰していたり、連続動作においては前回実装における角度に設定されたままになっているため、ステップ５においても実行される。
【００４４】
次のステップ６では、反転された半導体チップ１５０は、上記部品保持位置にてバンプ接合装置１０５の保持部材９５によって部品反転装置１０４から保持される。このとき、上記ステップ２にて保持部材９５の向きは、部品反転装置１０４にて保持されている半導体チップ１５０の向きに一致するように配向したことから、図１３に示すように保持部材９５と半導体チップ１５０とが位置ずれすることはない。
【００４５】
次のステップ７では、上記Ｘ軸ロボット１０８にてバンプ接合装置１０５を上記撮像装置１２４の撮像カメラ１２４１の上方まで移動させ、ステップ８にて、撮像カメラ１２４１は、保持部材９５に保持されている半導体チップ１５０の保持姿勢を撮像する。
次のステップ９では、上記保持されている半導体チップ１５０が上記接合位置に正確に装着可能となるように、上記保持姿勢の撮像情報に基づいて半導体チップ１５０の微小な位置補正が実行される。即ち、上記回転装置１２２によって、圧電素子保持部材１２２１及び超音波ホーン９２を介してなされるノズル９３の先端の保持部材９５における上記周方向１２２２への回転量が制御させるとともに、上記Ｘ軸ロボット１０８及びＹ軸ロボット１０７のＸ、Ｙ方向への移動量が制御される。
【００４６】
そしてステップ１０にて、保持部材９５に保持されている半導体チップ１５０は、ボンディングステージ１０３に保持されている回路基板２０上の接合位置にバンプ接合装置１０５によって搭載される。
次のステップ１１では、圧電素子９１を動作させて、保持部材９５に保持されている半導体チップ１５０に対して超音波振動を作用させながら、ボイスコイルモータ１２１により押圧して、バンプ１１を介して半導体チップ１５０を回路基板２０に接合する。
【００４７】
上述したように、接合時において半導体チップ１５０に作用される超音波振動の振動方向は、ステップ１にて設定した上記主振動方向９７における角度と、ステップ９にて設定した補正用角度とを加算した角度方向となる。通常、上記補正用角度は、微小であるため、接合時に半導体チップ１５０に作用する超音波の振動方向は、上記主振動方向９７に等しいとみなすことができる。
このように本実施形態では、半導体チップ１５０を保持するときの角度や、保持部材９５と半導体チップ１５０との位置関係を変えることなく、バンプ１１の位置ずれを生じさせない適切な方向に超音波振動を作用させて半導体チップ１５０を回路基板２０へ接合させることができる。よって、半導体チップ１５０は、位置ずれを生じずかつ接合強度が低下することもない。
【００４８】
尚、上述の実施形態では、バンプ１１を形成した半導体チップ１５０を回路基板２０側へＺ方向に沿って移動させて押圧しているが、該形態に限定するものではない。即ち、図１４に示すように、バンプ１１は、回路基板２０の電極部２１に形成されていても良く、又、例えば図１５に示すように、バンプ接合時においてバンプ接合装置２０５を固定しておき上記回路基板２０を載置したボンディングステージ２０３をバンプ接合装置２０５へ移動させてもよい。その移動用の駆動装置としては、例えば上述したようなボイスコイルモータ２２１を使用し、上述のように該ボイスコイルモータ２２１へ供給する電流値にて移動量を制御しても良い。要するにバンプ接合時においてバンプ１１と電極部２１とを相対的に移動させれば良い。尚、図１５において、符号２０７はＹ軸ロボットを示し、符号２０８はＸ軸ロボットを示す。
【００４９】
又、上述の実施形態では、超音波振動をノズル９３を介して半導体チップ１５０に作用させたが、これに限定されるものではなく、図１５に示すように回路基板２０側を超音波振動発生装置２０９にて超音波振動させてもよい。要するに、バンプ１１と回路基板２０とを相対的に振動させれば良い。
【００５０】
又、上述の実施形態では、保持部材９５は、半導体チップ１５０と同形状、同面積としたが、半導体チップ１５０を超える大きさにて形成されてもよい。このような保持部材を用いることで、保持部材と半導体チップ１５０とにおける上記周方向１２２２での姿勢が異なるときでも、該姿勢を一致させるための動作を省くこともできる。
【００５１】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明の第２態様の部品接合装置によれば、バンプ接合装置、超音波振動発生装置、及び制御装置を備え、電子部品と回路形成体とを接合させる際に作用させる超音波振動の振動方向をバンプの位置ずれを防止する方向に変化させた後、上記接合を行なうことから、超音波振動の作用により電子部品が位置ずれしたり、バンプの接触面積が減少することによる接合強度の低下を防止でき、いかなる接合対象物に対しても常に最適の超音波振動方向において接合を行なえ、製品不良の発生を従来に比べて低減することができる。
【００５２】
上記振動方向は、バンプの数、配置位置等に基づいて求めることができ、バンプの配置位置に基づいて上記振動方向を求めるときにはバンプの配置をほぼ対称とする対称軸に沿う方向を上記振動方向とすることで、又、上記振動方向を、電子部品の電極又は回路形成体の電極部の領域内でバンプが接合可能な方向とすることで、バンプ配置や上記電極部のパターンが異なる接合対象物に対しても常に最適の超音波振動方向において接合を行なうことができる。よって、電子部品の位置ずれ、バンプの接合強度低下を防止でき、電子部品及び回路基板の接合対象物の相異に起因する接合品質及び不良率の差をなくすことができ、製品不良の発生を従来に比べて低減することができる。
【００５３】
又、上記第２態様において、上記バンプ接合装置は、上記電子部品と同じ大きさにてなる保持部材を先端に取り付けたノズルに上記超音波振動発生装置を取り付けた構成を有するとき、上記バンプ接合装置は、取付変更機構を有することもできる。よって、上記バンプ接合装置に備わる回転装置にて超音波振動発生装置を回転させた後、保持部材の姿勢を変更するために、上記超音波振動発生装置に対して上記取付変更機構にて上記ノズルを取り付け姿勢を変更することができ、保持部材と電子部品との姿勢を一致させることができる。したがって、保持部材から電子部品に対して超音波振動を確実に伝達することができ、電子部品の接合を確実に行なうことができる。又、超音波振動発生装置の配置方向が変化しても同じ保持部材を使用することができることから、保持部材の種類を増やすことなく超音波印加方向を変化させることができる。
【００５４】
又、撮像装置を備えることで、上記ノズルの取り付け姿勢の変更を撮像情報に基づいて実行することができ、作業時間の短縮及び容易化を図れ作業性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態における部品接合装置の全体を示す斜視図である。
【図２】 図１に示す部品接合装置に備わるバンプ接合装置の拡大斜視図である。
【図３】 図１に示す部品接合装置に備わる制御装置の制御系を説明するためのブロック図である。
【図４】 上記バンプ接合装置における超音波ホーンへのノズルの取り付け状態を説明するための斜視図である。
【図５】 上記バンプ接合装置に備わる超音波振動発生装置にて発生させる超音波振動の主振動方向を説明するための図である。
【図６】 上記バンプ接合装置に備わる超音波振動発生装置にて発生させる超音波振動の主振動方向を説明するための図である。
【図７】 上記バンプ接合装置に備わる超音波振動発生装置にて発生させる超音波振動の主振動方向を説明するための図である。
【図８】 図１に示す部品接合装置にて実行される部品接合動作のフローチャートである。
【図９】 図１に示す部品接合装置にて扱われる半導体チップに形成されたバンプを示す図である。
【図１０】 図９に示すバンプが回路基板の電極部に接合された状態を示す図である。
【図１１】 図１に示す部品接合装置に備わるボンディングステージ部分の拡大斜視図である。
【図１２】 上記バンプ接合装置における圧電素子、超音波ホーン、ノズル、保持部材部分の拡大図である。
【図１３】 上記バンプ接合装置における保持部材と半導体チップとの位置ずれを示す図である。
【図１４】 図９に示す構造の変形例であって回路基板にバンプを形成した状態を示す図である。
【図１５】 図１に示す部品接合装置の変形例であって、回路基板側をＺ方向に移動可能とし、さらに超音波振動させる構造を示す図である。
【図１６】 従来の部品接合装置の主要部分を示す斜視図である。
【図１７】 バンプ付きの電子部品を示す斜視図である。
【図１８】 回路基板の電極部とバンプとの位置関係を示す図である。
【図１９】 超音波振動によるバンプの変形によりバンプが配線パターンに接触した状態を示す図である。
【図２０】 不適切な方向に超音波振動を作用させた状態を示す図である。
【符号の説明】
９…超音波振動発生装置、１１…バンプ、１３…電極、２０…回路基板、
２１…電極部、９３…ノズル、９５…保持部材、９７…主振動方向、
９８…取付変更機構、
１０１…部品接合装置、１０５…バンプ接合装置、１１０…制御装置、
１２２…回転装置、１２４…撮像装置、１５０…半導体チップ、
９７１、９７２…対称軸、１２２２…周方向。

Claims (2)

1. 電子部品（１５０）の電極（１３）と、回路形成体（２０）の電極部（２１）とをバンプ（１１）を介して接合するバンプ接合装置（１０５）と、
   上記バンプ接合装置による接合動作時に上記電子部品及び上記回路形成体を振動方向に沿って相対的に超音波振動させる超音波振動発生装置（９）と、
   上記バンプの数、上記バンプの配置位置、上記バンプの材質、及び上記バンプの高さの内の少なくとも一つの要素に基づいて上記振動方向を求め、求めた振動方向に沿って上記超音波振動発生装置に超音波振動を発生させる制御装置（１１０）と、を備え、
   上記バンプ接合装置は、上記電子部品と同じ大きさにてなる保持部材（９５）を先端に取り付けたノズル（９３）に上記超音波振動発生装置を取り付けた構成を有する状態にて、該バンプ接合装置は、さらに、上記超音波振動発生装置を上記ノズルの周方向（１２２２）に回転させる回転装置（１２２）を有し、
   上記制御装置は、上記回転装置による上記回転を制御して上記超音波振動発生装置を上記振動方向に沿って配置させて上記振動方向に沿った超音波振動を上記超音波振動発生装置に発生させ、
   上記超音波振動発生装置は、上記回転装置による回転に対して上記電子部品を保持可能な姿勢に上記ノズルの取り付けを変更する取付変更機構（９８）を有する、
   ことを特徴とする部品接合装置。
2. 上記保持部材を撮像する撮像装置（１２４）と、該撮像情報を可視的に表示するモニタ（１２４３）とをさらに備える、請求項１記載の部品接合装置。

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