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JP4808283B1 - 電子部品実装装置及び電子部品実装方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】電子部品を実装する際の冷却時間の短縮を図るための電子部品実装装置を提供する。
【解決手段】熱溶融する接合金属を介して電子部品３１の電極と基板の電極とを接合し、電子部品３１を基板の上に実装する電子部品実装装置において、基板と接離方向に駆動され、セラミックヒータ２７ｈを内蔵するヒータベース２７ａと、ヒータベース２７ａの下面に密着して固定される上面２８ａと下面２８ｂ面に形成されて電子部品３１を吸着保持する台座２８ｃとを有し、ヒータベース２７ａのセラミックヒータ２７ｈによって加熱され、台座２８ｃに吸着した電子部品３１を基板に熱圧着するボンディングツール２８と、を備え、ボンディングツール２８は、上面２８ａと台座２８ｃの側面２８ｄとを連通する冷却流路を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電子部品実装装置の構造及びその電子部品実装装置による電子部品の実装方法に関する。
半導体チップを基板上に実装する方法として電極にはんだバンプを形成した、はんだバンプ付電子部品を熱圧着によって基板に実装する方法や、電子部品の電極に金バンプを成形し、基板の銅電極の表面に薄いはんだの皮膜を設け、金バンプの金とはんだとを熱溶融接合する金はんだ溶融接合や、熱可塑樹脂や異方性導電膜（ＡＦＣ）等の樹脂系の接着材を使用した接続方法が用いられている。このような接続方法は、いずれも、電子部品を加熱して電極上のはんだや接着剤を溶融させた状態で圧着ツールによって電子部品を基板に押圧した後、はんだや接着材を冷却して固着させて、基板に電子部品を接合するものである。
このため、このような接合に用いられる電子部品実装装置では、はんだを溶融状態まで加熱或いは接着剤を軟化状態まで加熱するためのヒータと、接続後にはんだや接着剤を冷却する冷却手段を備え、加熱、冷却の時間を短縮することが提案されている。
特許文献１には被加熱物を押圧する為のツールと、ツールを加熱する為のセラミックスヒータと、セラミックスヒータから発生した熱が上記ツール以外に伝熱することを防止するための断熱材と、これらの部材を統合し、他部材に結合するホルダーから構成された接触加熱装置において、上記断熱材および／またはホルダーに冷却媒体用の通路を設け、ヒータまたは断熱材またはホルダーを冷却することで、接着剤を軟化或いははんだを溶融する温度まで急速に加熱できるとともに急速に温度を低下させる場合の装置の熱変形を抑制することが提案されている。
また、特許文献２には、半導体チップを吸着保持する実装ツールと、実装ツールの吸着部を加熱するヒータと、半導体チップを基板に加圧加熱して熱可塑性樹脂を溶融させて実装したときに、熱可塑性樹脂を冷却する気体を供給する流路を具備することによって、半導体チップを熱可塑性樹脂によって実装するときのタクトタイムの短縮を図ることができる電子部品の実装装置が提案されている。
特開２００２−１６０９１号公報 特開２００９−７６６０６号公報
しかし、特許文献１に記載された従来技術では、セラミックスヒータと断熱材との間に冷却媒体を流す流路を形成し、この冷却流路に冷却空気を流してセラミックスヒータを冷却することによってセラミックスヒータの断熱材と反対側の面に取り付けられたボンディングツールに吸着された半導体チップの冷却を行うものであり、半導体チップを冷却するまで時間がかかってしまうという問題があった。また、特許文献２に記載されている従来技術では、ボンディングツールに設けた冷却流路から冷却空気を半導体チップの周辺に吹き付けて、半導体チップの側面及び熱可塑性樹脂の側面から半導体チップ、熱可塑性樹脂の冷却をおこなうものである。しかし、半導体チップや熱可塑性樹脂の厚さは、その表面積に比較して非常に薄いことから、半導体チップの周囲に冷却空気を吹き付けても、半導体チップの全体の冷却ができず、結局冷却のための時間がかかってしまうという問題があった。
本発明は、電子部品を実装する際の冷却時間の短縮を図ることを目的とする。
本発明の電子部品実装装置は、熱溶融する接合金属を介して電子部品の電極と基板の電極とを接合し、前記電子部品を前記基板の上に実装する電子部品実装装置であって、前記基板と接離方向に駆動され、ヒータを内蔵する基体部と、前記基体部の表面に密着して固定される第１の面と、前記第１の面と反対側の第２の面に形成され、その表面に前記電子部品を吸着保持する台座とを有し、前記基体部の前記ヒータによって加熱され、前記台座の表面に吸着した電子部品を基板に熱圧着するボンディングツールと、を備え、前記ボンディングツールは、前記第１の面と前記台座の側面とを連通する冷却流路を有すること、を特徴とする。
本発明の電子部品実装装置において、前記ボンディングツールの前記冷却流路は、少なくともその一部が前記台座の表面に沿った方向に冷媒を流す流路であること、としても好適であるし、前記基体部は、側面に設けられ、冷媒が流入する冷媒入口と、ボンディングツールを密着固定する表面に設けられ、前記冷媒入口から流入した冷媒をボンディングツールの冷却流路に供給する冷媒供給口とを含む冷媒供給路を有し、前記ボンディングツールの前記冷却流路は、その一端が前記冷媒供給口と連通し、他端が前記台座側面に設けられる冷媒出口と連通する前記第１の面に設けられる前記台座表面に沿った方向に延びる溝と、前記溝を覆う前記基体部の表面とで構成されていること、としても好適である。
本発明の電子部品実装装置において、前記電子部品実装装置は、前記基体部を前記基板との接離方向に駆動する駆動部と、前記ボンディングツールの前記基板との接離方向の位置を検出する位置検出部と、前記ボンディングツールの冷却流路を開閉する遮断弁と、前記駆動部によって前記ボンディングツールの前記基板との接離方向の位置を変化させるとともに前記遮断弁を開閉させる制御部と、を備え、前記制御部は、前記ヒータによって前記電子部品を加熱しながら前記ボンディングツールが基準位置から所定の距離だけ前記基板に近づいた場合、前記電子部品の電極と前記基板の電極との間の前記接合金属が熱溶融したと判断し、その際の前記ボンディングツールの前記基板に対する接離方向の位置を保持すると共に、前記遮断弁を開として前記ボンディングツールの冷却流路に冷媒を供給して前記ボンディングツールの冷却を行うボンディングツール位置保持冷却手段を有すること、としても好適である。また、本発明の電子部品実装装置において、前記電子部品は電極の上にバンプが形成され、前記基板は電極に接合金属の皮膜が形成され、前記制御部は、さらに、前記位置検出部からの信号に基づいて前記バンプと前記皮膜との当接を判断する当接検出手段と、前記当接検出手段によって前記バンプと前記皮膜とが当接したと判断した場合に、前記ボンディングツールの前記基板に対する位置を前記基準位置として設定する基準位置設定手段を有すること、としても好適である。
本発明の電子部品実装装置において、前記制御部は、さらに、前記基準位置設定手段によって前記基準位置を設定した後、前記ボンディングツールの前記基板との接離方向の距離が増加から減少に変化した場合、前記ボンディングツールの前記基板に対する位置を第２の基準位置として設定する第２の基準位置設定手段と、前記電子部品を加熱しながら前記ボンディングツールが前記第２の基準位置から第２の所定の距離だけ前記基板に近づいた場合、前記電子部品の電極と前記基板の電極との間の前記接合金属が熱溶融したと判断し、その際の前記ボンディングツールの前記基板に対する接離方向の位置を保持すると共に、前記遮断弁を開として前記ボンディングツールの冷却流路に冷媒を供給して前記ボンディングツールの冷却を行う第２のボンディングツール位置保持冷却手段を有すること、
としても好適である。
本発明の電子部品実装方法は、熱溶融する接合金属を介して電子部品の電極と基板の電極とを接合し、前記電子部品を前記基板の上に実装する電子部品実装方法であって、前記基板と接離方向に駆動され、ヒータを内蔵する基体部と、前記基体部の表面に密着して固定される第１の面と、前記第１の面と反対側の第２の面に形成され、その表面に前記電子部品を吸着保持する台座と、前記第１の面と前記台座の側面とを連通する冷却流路と、を有し、前記基体部の前記ヒータによって加熱され、前記台座の表面に吸着した電子部品を基板に熱圧着するボンディングツールと、前記基体部を前記基板との接離方向に駆動する駆動部と、前記ボンディングツールの前記基板との接離方向の位置を検出する位置検出部と、前記ボンディングツールの冷却流路を開閉する遮断弁と、を有する電子部品実装装置を準備する工程と、前記ヒータによって前記電子部品を加熱しながら前記ボンディングツールが基準位置から所定の距離だけ前記基板に近づいた場合、前記電子部品の電極と前記基板の電極との間の前記接合金属が熱溶融したと判断し、その際の前記ボンディングツールの前記基板に対する接離方向の位置を保持すると共に、前記遮断を開として前記ボンディングツールの冷却流路に冷媒を供給して前記ボンディングツールの冷却を行うボンディングツール位置保持冷却工程とを有すること、を特徴とする。
本発明は、電子部品を実装する際の冷却時間の短縮を図ることができるという効果を奏する。
本発明の実施形態である電子部品実装装置の構成を示す系統図である。 本発明の実施形態である電子部品実装装置のヒータアセンブリとボンディングツールの空気流路を示す説明図である。 本発明の実施形態である電子部品実装装置にセットされた電子部品と基板とを示す説明図である。 本発明の実施形態である電子部品実装装置に用いられるリニアスケールを示す模式図である。 本発明の実施形態である電子部品実装装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施形態である電子部品実装装置の動作中のボンディングツールの位置と、押圧荷重と、冷却空気流量と、はんだ皮膜の温度変化を示す説明図である。 本発明の実施形態である電子部品実装装置によってバンプとはんだ層とが金はんだ溶融接合の工程を示す説明図である。 本発明の他の実施形態である電子部品実装装置のヒータアセンブリとボンディングツールの空気流路を示す説明図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１に示すように、本発明の電子部品実装装置１００は、ベース１０と、ベース１０から上部に向かって延びるフレーム１１と、フレーム１１の上部から張り出した上部フランジ１２と、フレーム１１の側面に上下方向（Ｚ方向）に設けられたガイド１４と、ガイド１４に上下方向にスライド自在に取り付けられたスライダ１６と、スライダ１６に固定されてスライダ１６と共に上下方向に移動可能な昇降ブロック１５と、昇降ブロック１５に固定されたナット１７と、ナット１７にねじ込まれる送りねじ１８と、上部フランジ１２に固定されて送りねじ１８を回転させるモータ１３と、昇降ブロック１５の下部に取り付けられたボイスコイルモータ２０と、ボイスコイルモータ２０によって上下方向に移動するロッド２６と、ロッド２６の先端に取り付けられ、内部にセラミックヒータを内蔵するセラミックヒータアセンブリ２７と、セラミックヒータアセンブリ２７の下端に取り付けられて電子部品３１を吸着するボンディングツール２８と、基板４２を吸着固定するボンディングステージ４１と、制御部５０とを備えている。モータ１３とボイスコイルモータ２０とはボンディングツール２８を上下方向（Ｚ方向）に駆動する駆動部である。
図２（ａ）に示すように、セラミックヒータアセンブリ２７は、基体部であるヒータベース２７ａの内部に薄いセラミックヒータ２７ｈが取り付けられたものである。ヒータベース２７ａの内部にはヒータベース２７ａの下面にボンディングツール２８を真空吸着するための第１真空吸着溝９５と、第１真空吸着溝９５の空気を吸引する第１空気吸引路９４と、ボンディングツール２８の下面２８ｂに突出した台座２８ｃの下面２８ｅに設けられた第２真空吸着溝９８の空気を吸引する第２空気吸引路９３とが設けられている。第２空気吸引路９３はボンディングツール２８の上面２８ａに設けられた真空溝９６に連通し、真空溝９６と台座２８ｃの下面２８ｅに設けられた電子部品３１を真空吸着する第２真空吸着溝９８との間は第３空気吸引路９７によって連通するように構成されている。従って、第２空気吸引路９３は真空溝９６と第３空気吸引路９７とを介して第２真空吸着溝９８の空気を吸引することができる。ボンディングツール２８の上面２８ａは請求項に記載した第１の面であり、ボンディングツール２８の下面２８ｂは請求項に記載した第２の面である。
図２（ｂ）は、図２（ａ）のＢの矢印の方向から見たボンディングツール２８のヒータベース２７ａに密着する第１の面である上面２８ａを示す図であり、ヒータベース２７ａの下面に設けられている第１真空吸着溝９５が一点鎖線で示されている。図２（ｂ）に示すように、第１真空吸着溝９５は四角い管状の溝となっている。また、図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、第１真空吸着溝９５の一部に円形でヒータベース２７ａの上下（Ｚ）方向に延びる第１空気吸引路９４が連通するよう構成されている。図２（ｂ）に示すようにボンディングツール２８の上面２８ａに設けられる真空溝９６は一端が第２空気吸引路９３に連通し、他端が第３空気吸引路９７に連通する長円形の溝となっている。また、図２（ｃ）は、台座２８ｃの下面２８ｅを図２（ａ）のＡの矢印の方向からみた図である。図２（ｃ）に示すように、第２真空吸着溝９８は十字型の溝である。第１空気吸引路９４はヒータベース２７ａの側面２７ｂに設けられた第１空気吸引口９２に連通し、第１空気吸引口９２には図１に示す第１真空配管７５が接続されている。第２空気吸引路９３はヒータベース２７ａの側面２７ｂに設けられた第２空気吸引口９１に連通し、第２空気吸引口９１には図１に示す第２真空配管７４が接続されている。図１に示すように、第１、第２真空配管７５，７４は真空装置７３に接続され、第１、第２真空配管７５，７４の途中にはそれぞれ電磁弁７７，７６が設けられている。
ヒータベース２７ａには、ヒータベース２７ａを冷却するための冷媒である冷却空気を流す第１冷却流路８６と、第１冷却流路８６に冷却空気を供給する第１空気供給路８４と、ボンディングツール２８を冷却するための冷却空気をボンディングツール２８に供給する冷媒供給路である第２空気供給路８３とが設けられている。第１冷却流路８６は、ヒータベース２７ａのセラミックヒータ２７ｈとボンディングツール２８との間でヒータベース２７ａの下面に沿った方向に延びて、ヒータベース２７ａの側面２７ｂに設けられた第１空気出口９０に連通している。第１冷却流路８６はヒータベース２７ａの一方の側面２７ｂから他方の側面２７ｂに向かって延びる１本または複数本の流路であり、その形状は円形でも四角でも他の形状でもよく、ヒータベース２７ａの中央から各側面２７ｂに向かって放射状に延びるようにしてもよい。ヒータベース２７ａの側面２７ｂに設けられた第１空気入り口８２から第１空気供給路８４に流入した空気は第１冷却流路８６を流れてヒータベース２７ａを冷却した後、第１空気出口９０から外部に流出する。
ヒータベース２７ａの側面２７ｂに設けられた第２空気入り口８１に連通する第２空気供給路８３は、ヒータベース２７ａの内部を下に向かってヒータベース２７ａの下面まで延び、ボンディングツール２８の上面２８ａから下面２８ｂに向かって台座２８ｃの厚さの途中まで延びる第３空気供給路８５に連通している。第２空気供給路８３のヒータベース２７ａの下面端はボンディングツール２８に冷却空気を供給する冷媒供給口となる。ボンディングツール２８の台座２８ｃには台座２８ｃの下面２８ｅに沿った方向に延び、第３空気供給路８５と台座２８ｃの側面２８ｄに設けられた第２空気出口８９とに連通する第２冷却流路８７が設けられている。ヒータベース２７ａの側面２７ｂに設けられた第２空気入り口８１から第２空気供給路８３に流入した冷却空気は、ヒータベース２７ａの下面とボンディングツール２８の上面２８ａとの接触面で第３空気供給路８５に流入し、第３空気供給路８５から第２冷却流路８７を流れてボンディングツール２８を冷却した後、台座２８ｃの側面２８ｄに設けられた第２空気出口８９から外部に流出する。図２（ｂ）、図２（ｃ）に示すように、第２冷却流路８７は、第３空気供給路８５から台座２８ｃの各側面２８ｄに向かって放射状に延びる流路であり、断面形状は円形でも四角でも、他の形状でもよい。また、第２冷却流路８７は、第３空気供給路８５に連通し、台座２８ｃの一方の側面２８ｄから他方の側面２８ｄに延びる流路でもよい。
図２（ａ）に示すように、第１空気入り口８２には図１に示す第１空気管７２が接続され、第２空気入り口８１には図１に示す第２空気管７１が接続されている。図１に示すように、第１、第２空気管７２、７１には、それぞれ絞り弁６８，６７と、流量計６６，６５と、電磁弁６４，６３が設けられている。電磁弁６４，６３の上流側で第１、第２空気管７２，７１は合流して空気供給管６９となる。空気供給管６９は圧縮空気源７０に接続され、空気供給管６９には、圧縮空気源７０から供給された空気圧力を第１、第２空気管７２，７１に供給する圧力まで減圧する減圧弁６９ａが設けられている。電磁弁６４，６３はそれぞれ第１、第２空気管７２，７１及びそれに接続された第１、第２、第３空気供給路８４，８３，８５、第１、第２冷却流路８６，８７を開閉する遮断弁である。
図１に示すように、ボイスコイルモータ２０は、ケーシング２１と、ケーシング２１の内周に沿って固定される永久磁石の固定子２２と、固定子２２の内周に配置される可動子であるコイル２３と、を含んでいる。ロッド２６は、ケーシング２１に板ばね２５を介して取り付けられている。また、ロッド２６にはＬ字形でその垂直部分に細かな目盛りが設けられたリニアスケール６１が固定されている。また、リニアスケール６１と対向するケーシング２１の外面には、リニアスケール６１に設けられた目盛りを読み取るリニアスケールヘッド６２が取り付けられている。リニアスケール６１とリニアスケールヘッド６２とはボンディングツール２８の高さ方向の位置を検出する位置検出部を構成し、リニアスケールヘッド６２は制御部５０に接続されている。ボイスコイルモータ２０のコイル２３には電源１９から駆動用電源が供給されている。ボンディングステージ４１は内部にボンディングステージ４１に吸着固定された基板４２を加熱するステージヒータ４８を備えている。また、ボンディングステージ４１は図示しない駆動機構によってＸＹ方向に移動することができるよう構成されている。
制御部５０は、内部に信号処理を行うＣＰＵ５１とメモリ５２とを含むコンピュータであり、メモリ５２の中には、ボンディングの制御を行うボンディングプログラム５３と、制御用データ５８と、基準位置設定プログラム５４と、ボンディングツール位置保持冷却プログラム５５と、第２の基準位置設定プログラム５６と、第２のボンディングツール位置保持冷却プログラム５７と、当接検出プログラム５９とを含んでいる。
モータ１３は制御部５０に接続され、制御部５０の指令によって回転方向、回転角度が制御されるよう構成され、電源１９は制御部５０に接続され、制御部５０の指令によってコイル２３に出力する電流、電圧を変化させるように構成され、セラミックヒータアセンブリ２７、ステージヒータ４８は制御部５０に接続され、制御部５０の指令によってその発熱状態が制御されるよう構成されている。また、第１、第２空気管７２，７１に設けられた電磁弁６４，６３と第１、第２真空配管７５，７４に設けられた電磁弁７７，７６は制御部５０に接続され制御部５０の指令によって開閉するよう構成されている。
図３に示すように、ボンディングツール２８の先端に上下反転されて吸着された電子部品３１は、表面に複数の電極３２が設けられており、その各電極３２の上に各金バンプ３３が形成されている。金バンプ３３は、電極３２側の円板型の基部３４と円錐形で基部から突き出した突部３５とを有している。また、ボンディングステージ４１に吸着固定された基板４２は、表面に銅電極４３が形成され、銅電極４３の表面にはんだ皮膜４４が形成されている。このはんだ皮膜４４の厚さは非常に薄く、１０から３０μｍ程度である。電極３２、金バンプ３３と、基板の銅電極４３はそれぞれ対向するように配置されている。
図４に示すようにリニアスケール６１はリニアスケール本体６１ａの上に非常に細かいピッチＬで目盛り６１ｂが設けられたものである。リニアスケールヘッド６２は内部にリニアスケール６１の目盛り６１ｂを照射する光源と、光源からの光を透過させる格子と、リニアスケール６１の目盛り６１ｂで反射した光を検出する受光デバイスと、受光デバイスから入力された信号を処理する信号処理部とを含んでいる。光源から出射した光は格子を通ってリニアスケール６１の目盛り６１ｂで反射し、フォトダイオードのような受光デバイスの上で干渉縞を生成する。リニアスケール６１が目盛り６１ｂの長手方向に向かってリニアスケールヘッド６２と相対的に移動すると、その干渉縞が移動し、受光デバイスから目盛り６１ｂのピッチＬあるいは、ピッチＬの１／２の周期の正弦波信号が出力される。正弦波信号は、その位相が９０度ずれた二相正弦波である。リニアスケールヘッド６２は信号処理部で上記の二相正弦波の出力差に基づいてリニアスケール６１とリニアスケールヘッド６２との相対的な移動量を出力する。移動量の検出制度は目盛り６１ｂのピッチＬが例えば、数μｍの場合には１ｎｍ程度となる。
以上のように構成された電子部品実装装置１００によって図３に示した電子部品３１を基板４２に接合するボンディング動作について図５から図７を参照しながら説明する。ここで、電子部品３１は半導体チップ、トランジスタ、ダイオード等を含むものである。制御部５０は電磁弁７７を開として第１真空配管７５を通してセラミックヒータアセンブリ２７の内部に設けられた図２に示す第１空気吸引路９４から空気を吸い出して第１真空吸着溝９５の内部を真空としてボンディングツール２８をセラミックヒータアセンブリ２７の下面に真空吸着している。また、制御部５０は電磁弁７６を開として第２真空配管７４を通してセラミックヒータアセンブリ２７の内部に設けられた図２に示す第２空気吸引路９３、真空溝９６、第３空気吸引路９７から空気を吸い出してボンディングツール２８の第２真空吸着溝９８の内部を真空として電子部品３１をボンディングツール２８の台座２８ｃの下面２８ｅに真空吸着している。制御部５０はボンディングステージ４１をＸＹ方向に移動させて図３に示すように、電子部品３１の電極３２と基板４２の銅電極４３との位置合わせを行う。初期状態では図１に示す電磁弁６３，６４は閉となっているので冷却空気はセラミックヒータアセンブリ２７には流入していない。
位置合わせができたら、制御部５０は図５のステップＳ１０１、図６の時間ｔ１からｔ２に示すように、ボンディングツールを初期高さＨ０から降下させる降下動作を開始する。この降下動作は、図１に示すモータ１３を回転させて送りねじ１８を回転させ、送りねじ１８がねじ込まれているナット１７が固定されている昇降ブロック１５を下方向に移動させることによって行う。制御部５０は、モータ１３の回転角度によって降下位置を検出し、図５のステップＳ１０２に示すように図６に示す所定の高さＨ１まで降下したかどうかを判断する。高さＨ１まで降下すると、金バンプ３３とはんだ皮膜４４、銅電極４３とは図７（ａ）に示すようにかなり接近しているが、まだ金バンプ３３の突部３５とはんだ皮膜４４との間には隙間が開いている。降下動作ではボイスコイルモータ２０、ロッド２６、ボンディングツール２８とが一体となって降下していくので、ロッド２６に取り付けられているリニアスケール６１とボイスコイルモータ２０のケーシング２１との間には高さの差が発生せず、リニアスケールヘッド６２からの検出信号は初期出力から変動しない。
そして、制御部５０は、所定の高さＨ１まで降下したと判断したらモータ１３を停止させて降下動作を停止し、図５のステップＳ１０３に示すように、図３に示す金バンプ３３の先端が基板４２の銅電極４３のはんだ皮膜４４に当接する位置を検出するサーチ動作を開始する。図６の時間ｔ２からｔ３に示すようにサーチ動作は金バンプ３３の突部３５の先端がはんだ皮膜４４の表面に当接するまでボンディングツール２８の高さを少しずつ下げて行く動作である。この、動作は例えば、次のようにボイスコイルモータ２０のコイル２３への通電電流を変化させることによって行う。
制御部５０がサーチ動作の降下位置の指令を出力すると、電源１９はその降下位置の指令値に基づいてボイスコイルモータ２０のコイル２３に電流を通電する。すると、コイル２３は下方向に移動し、その先端２４がロッド２６の上端に接触する。ロッド２６は板ばね２５によってケーシング２１に取り付けられているので、コイル２３に流れる電流が増加してコイル２３の先端２４がロッド２６を押し下げ、その押し下げ力に応じて板ばね２５がたわむと、ロッド２６が下方向に移動してボンディングツール２８の先端がしだいに降下していく。ロッド２６が下方向に移動すると、ロッド２６に固定されているリニアスケール６１とボイスコイルモータ２０のケーシング２１との間の相対高さに差ができてくるため、リニアスケールヘッド６２はリニアスケール６１の移動量を検出する。制御部５０はこのリニアスケールヘッド６２の検出する信号の変化に基づいてボンディングツール２８の降下位置を取得し、降下位置の指令値にフィードバックをかけて電源から出力する電流を調整する。そして、コイル２３に流す電流を少しずつ増加させてボンディングツール２８の先端を少しずつ降下させるサーチ動作を行うことができる。
サーチ動作の間、制御部５０は、図５のステップＳ１０４に示すように、当接検出手段によって金バンプ３３の突部３５の先端がはんだ皮膜４４の表面に当接しているかどうかを監視している。金バンプ３３の突部３５の先端がはんだ皮膜４４に当接すると、コイル２３の下方向への移動が停止し、リニアスケールヘッド６２によって検出する降下位置とサーチ動作の際の降下位置の指令値との間に差ができてくる。制御部５０は、この降下位置の指令値とリニアスケールヘッド６２によって検出した降下位置との差が所定の閾値を超えた場合に、金バンプ３３の突部３５の先端がはんだ皮膜４４に当接したと判断する（当接検出工程）。なお、リニアスケール６１の上下方向の位置は金バンプ３３の突部３５の先端がはんだ皮膜４４に当接した際に目盛り６１ｂの長手方向の中央がリニアスケールヘッド６２の正面に来るように調整されているので、リニアスケールヘッド６２は金バンプ３３の突部３５の先端がはんだ皮膜４４に当接した位置を中心に上下方向の移動量を測定することができる。
図５のステップＳ１０５、図６の時間ｔ３に示すように、制御部５０は、金バンプ３３の突部３５の先端がはんだ皮膜４４に当接したと判断したら、ボンディングツール２８が基準高さＨ２に達したと判断し、その際のリニアスケールヘッド６２によって検出した高さＨ２をボンディングツール２８の基準高さ（基準位置）として設定する（基準位置設定）。また、図７（ｂ）に金バンプ３３の突部３５の先端がはんだ皮膜４４に当接した状態を示す。
制御部５０は、基準目盛りを設定したら、図５のステップＳ１０６に示すように、ボンディングツール２８が基板４２を押し下げる押圧荷重が一定となる荷重一定動作を行う。この動作は、たとえば、ボイスコイルモータ２０のコイル２３に通電する電流の値が略一定となるようにして、コイル２３の先端２４がロッド２６を押し下げる力が一定となるようにすることとしてもよい。また、先に述べたように、ボンディングツール２８が基板４２を押し下げる押圧荷重を検出する荷重センサを設け、この荷重サンサによって検出する押圧荷重が一定となる様にコイル２３の電流を変化させるように制御してもよい。図５のステップＳ１０７に示すように、制御部５０は、リニアスケールヘッド６２によって検出した高さ方向の移動量と基準高さＨ２との差をとって金バンプ３３の突部３５の先端がはんだ皮膜４４に当接した際のボンディングツール２８の高さＨ２（基準高さ）から基板４２に近づいた距離、つまり基準高さＨ２からの下向きの移動距離を沈み込み量Ｄとして計算する。制御部５０は、図５のステップＳ１０８に示す様に沈み込み量Ｄが所定の閾値を超えるかどうかの監視を開始する。
図６の時間ｔ１から時間ｔ３の間は金バンプ３３の突部３５の先端がはんだ皮膜４４に当接してないので、はんだ皮膜４４の温度は図１に示すステージヒータ４８によって基板４２の温度と同じ温度Ｔ０となっている。一方、電子部品３１はボンディングツール２８の上部に配置されたセラミックヒータ２７ｈによってより高温に加熱されている。このため、図６の時間ｔ３に金バンプ３３の突部３５の先端がはんだ皮膜４４に当接すると、金バンプ３３の突部３５の先端からはんだ皮膜４４に熱が伝わり始める。そして、図６の時間ｔ４になると、はんだ皮膜４４の温度が上昇し始める。そして、図６の時間ｔ４から時間ｔ５にかけてはんだ皮膜４４の温度が上昇していくと、それにつれて銅電極４３の温度も上昇し、その結果、銅電極４３とはんだ皮膜４４とが熱膨張する。この間、押し下げ荷重は一定なので、ボンディングツール２８の位置は、金バンプ３３の先端がはんだ皮膜４４に当接した際の基準高さＨ２からしだいに上昇し、時間ｔ５には高さＨ３まで上昇する。この際、ボンディングツール２８の位置は基準高さＨ２より高い高さＨ３であるから、図６に示すように、基準高さＨ２からの下向きの移動量Ｄ１（＝Ｈ２−Ｈ３）はマイナスとなるので沈み込み量Ｄは所定の閾値を超えていない。
図６に示す時間ｔ５にはんだ皮膜４４の温度がはんだの溶融温度である温度Ｔ１まで上昇すると、はんだ皮膜４４の溶融が始まる。この際、ボンディングツール２８は押圧荷重一定となるように制御されているので、図７（ｃ）に示すように、金バンプ３３の突部３５が溶融したはんだ皮膜４４の中に沈み込んでいく。つまり、図６に示す時間ｔ５、高さＨ３でボンディングツール２８の高さが上昇から降下に変化する。そして、降下した突部３５の周囲は溶融したはんだ４５によって取り囲まれる。この様に、金バンプ３３の突部３５の先端がはんだ皮膜４４の中に沈み込んで行くと、ボンディングツール２８の高さは基準位置である高さＨ２よりも低い位置となり、基準高さＨ２から下方向への移動量である沈み込み量Ｄがプラスとなっていく。そして、図６の時間ｔ６に示すように、ボンディングツールの高さが高さＨ４となって沈み込み量Ｄ（＝Ｈ２―Ｈ４）が所定の値となると、図７（ｃ）に示すように、金バンプ３３の突部３５の先端と基板４２の銅電極４３との間にははんだ皮膜４４が数μｍの厚みで存在した状態となる。そして、沈み込み量Ｄが所定の閾値を超えると、図５のステップＳ１０９に示すように、制御部５０は、はんだ皮膜４４が熱溶融したと判断して荷重一定制御を停止し、ボンディングツール２８の高さを時間ｔ６の高さＨ４で一定に保持しながらセラミックヒータ２７ｈ、ボンディングツール２８を冷却するボンディングツール位置保持冷却動作を開始する。
この動作は、一例を挙げれば、ボンディングツール２８の高さが高さＨ４の状態のリニアスケールヘッド６２によって検出する上下方向の移動量を検出し、基準高さＨ２との差が所定の閾値以下となるようにボイスコイルモータ２０のコイル２３への通電電流を変化させるようにしてもよい。はんだ皮膜４４の厚さは１０から３０μｍであることから、ボンディングツール２８の上下方向の位置をリニアスケールヘッド６２によって１ｎｍ程度で計測、制御することによって、図７（ｃ）に示すように、金バンプ３３の突部３５の先端と基板４２の銅電極４３との間にはんだ皮膜４４による厚さ数μｍの状態を維持することができる。
制御部５０は、ボンディングツール位置保持冷却動作を開始すると、ボンディングツール２８を加熱しているセラミックヒータ２７ｈをオフとするとともに、セラミックヒータアセンブリ２７、ボンディングツール２８に冷却空気を供給して冷却し、セラミックヒータ２７ｈとともにボンディングツール２８およびその先に吸着されている電子部品３１を冷却する。制御部５０は、図１に示す電磁弁６３，６４を開とし、第１、第２空気管７２，７１から図２に示す第１空気入り口８２、第２空気入り口８１から第１、第２空気供給路８４，８３に冷却空気を流入させる。第１空気供給路８４に流入した冷却空気は、セラミックヒータ２７ｈの下側に設けられている第１冷却流路８６の中を水平方向に流れ、セラミックヒータ２７ｈとボンディングツール２８との間のヒータベース２７ａの部分を冷却する。第１冷却流路８６を流れてヒータベース２７ａを冷却した空気は第１空気出口９０から外部に放出される。また、第２空気供給路８３に流入した冷却空気は、第２空気供給路８３から第３空気供給路８５に流れた後、第３空気供給路８５から第２冷却流路８７に入り、台座２８ｃの下面２８ｅに沿った方向に水平に流れ、台座２８ｃの側面２８ｄに設けられた第２空気出口８９から外部に放出される。
このように、第１、第２空気入り口８２，８１から流入した空気はセラミックヒータ２７ｈの下部のヒータベース２７ａの部分と、ボンディングツール２８とを冷却するので、ボンディングツール２８の先端に吸着されている電子部品３１をより効果的に冷却することができる。このため、電子部品３１の冷却に伴って図７（ｃ）に示す金バンプ３３も急速に冷却され、金バンプ３３の突部３５の先端と基板４２の銅電極４３との間にはんだ皮膜４４の厚さが数μｍの状態を維持したまま、金バンプ３３の突部３５の周囲のはんだ４５が冷却されていく。そして、図６の時間ｔ７に示すように、はんだ皮膜４４の温度がはんだの凝固温度Ｔ３まで低下すると、はんだが凝固し、図７（ｄ）に示すように金バンプ３３の突部３５の先端と基板４２の銅電極４３との間にははんだ皮膜４４の厚さが数μｍの状態ではんだ４５が凝固して接合金属４６となる。
図５のステップＳ１１０に示すように、制御部５０は、所定の時間が経過したら、冷却が完了したものと判断し、図６の時間ｔ７に図１に示す電磁弁６３，６４を閉として冷却空気の流入を停止する。そして、制御部５０は、電磁弁７６を閉として第２空気吸引路９３からの空気の吸引を停止して第２真空吸着溝９８の真空を解除し、ボンディングツール２８の台座２８ｃの下面２８ｅに吸着固定されていた電子部品３１の吸着を解除する。その後、制御部５０は、図５のステップＳ１１１に示すようにモータ１３によって送りねじ１８を回転させてボンディングツール２８を初期高さＨ０まで上昇させて電子部品３１のボンディングを終了する。
以上述べたように、本実施形態の電子部品実装装置１００は、セラミックヒータ２７ｈの下部のヒータベース２７ａの部分と、ボンディングツール２８とを冷却するので、ボンディングツール２８の先端に吸着されている電子部品３１をより効果的に冷却することができ、短時間にはんだを凝固させることができ、ボンディング時間を短縮することができる。また、本実施形態の電子部品実装装置１００は、はんだ皮膜４４の溶融をボンディングツール２８の沈み込み量Ｄによって判断して、荷重一定制御からボンディングツール位置保持制御に移行するので、はんだ溶融による微小な沈み込み量Ｄの位置にボンディングツール２８の高さを維持するので、薄いはんだ皮膜４４の厚さの中に金バンプ３３の突部３５の先端が位置し、金バンプ３３の突部３５の先端が基板４２の銅電極４３に接触しない状態ではんだを凝固させて電子部品３１の実装を行うことができる。そして、金バンプ３３の突部３５と銅電極４３とが接触することを抑制することができ、金バンプ３３が変形して隣接する金バンプ３３と接触して不良となったり、接触による荷重で電子部品が損傷したりすることを抑制することができ、ボンディングの品質を向上させることができる。
以上述べた実施形態では、金バンプ３３の突部３５の先端がはんだ皮膜４４に当接した状態で、ボンディングツール２８が基準高さＨ２にある場合のリニアスケールの目盛りを基準目盛りとして設定することとして説明したが、図６に示す時間ｔ５に示すように、金バンプ３３の突部３５の先端がはんだ皮膜４４に当接した後、ボンディングツール２８の高さが上昇から降下に変化した際の高さＨ３にある状態のリニアスケール６１の目盛りをリニアスケールヘッド６２によって読み取って第２の基準目盛りとしてもよい（第２の基準位置設定）。この場合、先に説明した実施形態と同様に、沈み込み量が図６に示すＤ２＝Ｈ３−Ｈ４、となった際に荷重一定制御からボンディングツール位置保持冷却制御に切り替える（第２のボンディングツール位置保持冷却動作）。この場合も先に述べた実施形態と同様の効果を奏する。
図８を参照して本発明の他の実施形態について説明する。図１から図７を参照して説明した部分と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。本実施形態は、図８に示すようにセラミックヒータアセンブリ２７、ボンディングツール２８に設けた第２空気吸引路９３、真空溝９６、第３空気吸引路９７の位置、及びボンディングツール２８に設けた冷却空気流路の形状が異なっているもので、他の構成は図１から図７を参照して説明した実施形態と同様である。
図８（ｂ）に示すように、図８（ａ）のＢの矢印の方向から見て、ボンディングツール２８の上面２８ａには、十字型の四角断面の溝１０１が形成されている。ボンディングツール２８が第１真空吸着溝９５の真空によってセラミックヒータアセンブリ２７のヒータベース２７ａの下面に吸着されると、溝１０１の上面はヒータベース２７ａの下面によって蓋をされ、溝１０１はボンディングツールの中心から四方に向かう四角断面の冷却流路となる。第２空気供給路８３は上記の溝１０１の中央部に連通するよう構成されている。第２空気供給路８３のヒータベース２７ａの下面端は、溝１０１とヒータベース２７ａとによって構成される角型の冷却流路に冷却空気を供給する冷媒供給口となる。また、図８（ｃ）は、図８（ａ）のＡの矢印の方向から見た台座２８ｃの下面２８ｅを示す図である。図８（ｃ）に示すように、台座２８ｃには台座２８ｃの下面２８ｅに沿った方向に延びて各側面２８ｄ側に設けられる各第３空気出口１０４に連通する第３冷却流路１０３が設けられている。そして、溝１０１の台座２８ｃの各側面２８ｄ側の端部には、溝１０１からボンディングツール２８の厚さ方向に向かって延びて第３冷却流路１０３に連通する第４空気供給路１０２が設けられている。第３空気吸引路９７は、先に説明した溝１０１と接触しない位置に配置され、その位置に合わせて真空溝９６、第２空気吸引路９３が配置されている。
第２空気入り口８１から空気が流入すると、流入した冷却空気は、第２空気供給路８３から溝１０１に流入し、溝１０１の中をボンディングツール２８の四方に向かって流れてボンディングツール２８を冷却した後、第４空気供給路１０２から第３冷却流路１０３に流れてボンディングツール２８の台座２８ｃを冷却し、台座２８ｃの各側面に設けられた第３空気出口１０４から外部に放出される。
本実施形態は、先に説明した実施形態と同様の効果を奏する。また、本実施形態は、ボンディングツール２８の冷却流路の一部をボンディングツール２８の上面２８ａに設けた溝１０１をセラミックヒータアセンブリ２７のヒータベース２７ａの下面で蓋をすることによって構成しているので、冷却流路の加工が容易となる。
本実施形態では、溝１０１の形は十字型としたが、溝とヒータベース２７ａの下面とでボンディングツール２８を冷却する冷却流路を構成することができれば溝の形状はどのような形状であってもよい。また、第３空気出口１０４は台座２８ｃの各側面２８ｄに設けられていなくともよく、いずれかの側面２８ｄに少なくとも１つ設けられていればよい。
以上説明した各実施形態では、セラミックヒータアセンブリ２７、ボンディングツール２８を冷却する第１、第２、第３冷却流路８６，８７，１０３は、電磁弁６３，６４を開閉することによって開閉することとして説明したが、各電磁弁６３，６４を流量調節可能な流量調節弁とし、冷却時間に基づいてその開度を調整し、冷却時間に応じて空気流量を変化させてもよい。また、電子部品３１の温度等に基づいてその空気流量を変化させてもよい。
１０ ベース、１１ フレーム、１２ 上部フランジ、１３ モータ、１４ ガイド、１５ 昇降ブロック、１６ スライダ、１７ ナット、１８ 送りねじ、１９ 電源、２０ ボイスコイルモータ、２１ ケーシング、２２ 固定子、２３ コイル、２４ 先端、２５ 板ばね、２６ ロッド、２７ セラミックヒータアセンブリ、２７ａ ヒータベース、２７ｂ 側面、２７ｈ セラミックヒータ、２８ ボンディングツール、２８ａ 上面、２８ｂ，２８ｅ 下面、２８ｃ 台座、２８ｄ 側面、３１ 電子部品、３２ 電極、３３ 金バンプ、３４ 基部、３５ 突部、４１ ボンディングステージ、４２ 基板、４３ 銅電極、４４ はんだ皮膜、４６ 接合金属、４８ ステージヒータ、５０ 制御部、５１ＣＰＵ、５２ メモリ、５３ ボンディングプログラム、５４ 基準位置設定プログラム、５５ ボンディングツール位置保持冷却プログラム、５６ 第２の基準位置設定プログラム、５７ 第２のボンディングツール位置保持冷却プログラム、５８ 制御用データ、５９ 当接検出プログラム、６１ リニアスケール、６１ａ リニアスケール本体、６１ｂ 目盛り、６２ リニアスケールヘッド、６３，６４，７６，７７ 電磁弁、６５，６６ 流量計、６７，６８ 絞り弁、６９ 空気供給管、６９ａ 減圧弁、７０ 圧縮空気源、７１ 第１空気管、７２ 第２空気管、７３ 真空装置、７４ 第２真空配管、７５ 第１真空配管、８１ 第２空気入り口、８２ 第１空気入り口、８３ 第２空気供給路、８４ 第１空気供給路、８５ 第３空気供給路、８６ 第１冷却流路、８７ 第２冷却流路、８９ 第２空気出口、９０ 第１空気出口、９１ 第２空気吸引口、９２ 第１空気吸引口、９３ 第２空気吸引路、９４ 第１空気吸引路、９５ 第１真空吸着溝、９６ 真空溝、９７ 第３空気吸引路、９８ 第２真空吸着溝、１００ 電子部品実装装置、１０１ 溝、１０２ 第４空気供給路、１０３ 第３冷却流路、１０４ 第３空気出口。

Claims (7)

  1. 熱溶融する接合金属を介して電子部品の電極と基板の電極とを接合し、前記電子部品を前記基板の上に実装する電子部品実装装置であって、
    前記基板と接離方向に駆動され、ヒータを内蔵する基体部と、
    前記基体部の表面に密着して固定される第１の面と、前記第１の面と反対側の第２の面に形成され、その表面に前記電子部品を吸着保持する台座とを有し、前記基体部の前記ヒータによって加熱され、前記台座の表面に吸着した電子部品を基板に熱圧着するボンディングツールと、を備え、
    前記ボンディングツールは、前記第１の面と前記台座の側面とを連通する冷却流路を有すること、
    を特徴とする電子部品実装装置。
  2. 請求項１に記載の電子部品実装装置であって、
    前記ボンディングツールの前記冷却流路は、少なくともその一部が前記台座の表面に沿った方向に冷媒を流す流路であること、
    を特徴とする電子部品実装装置。
  3. 請求項２に記載の電子部品実装装置であって、
    前記基体部は、側面に設けられ、冷媒が流入する冷媒入口と、ボンディングツールを密着固定する表面に設けられ、前記冷媒入口から流入した冷媒をボンディングツールの冷却流路に供給する冷媒供給口とを含む冷媒供給路を有し、
    前記ボンディングツールの前記冷却流路は、その一端が前記冷媒供給口と連通し、他端が前記台座側面に設けられる冷媒出口と連通する前記第１の面に設けられる前記台座表面に沿った方向に延びる溝と、前記溝を覆う前記基体部の表面とで構成されていること、
    を特徴とする電子部品実装装置。
  4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の電子部品実装装置であって、
    前記電子部品実装装置は、
    前記基体部を前記基板との接離方向に駆動する駆動部と、
    前記ボンディングツールの前記基板との接離方向の位置を検出する位置検出部と、
    前記ボンディングツールの冷却流路を開閉する遮断弁と、
    前記駆動部によって前記ボンディングツールの前記基板との接離方向の位置を変化させるとともに前記遮断弁を開閉させる制御部と、を備え、
    前記制御部は、
    前記ヒータによって前記電子部品を加熱しながら前記ボンディングツールが基準位置から所定の距離だけ前記基板に近づいた場合、前記電子部品の電極と前記基板の電極との間の前記接合金属が熱溶融したと判断し、その際の前記ボンディングツールの前記基板に対する接離方向の位置を保持すると共に、前記遮断弁を開として前記ボンディングツールの冷却流路に冷媒を供給して前記ボンディングツールの冷却を行うボンディングツール位置保持冷却手段を有すること、
    を特徴とする電子部品実装装置。
  5. 請求項４に記載の電子部品実装装置であって、
    前記電子部品は電極の上にバンプが形成され、
    前記基板は電極に接合金属の皮膜が形成され、
    前記制御部は、さらに、
    前記位置検出部からの信号に基づいて前記バンプと前記皮膜との当接を判断する当接検出手段と、
    前記当接検出手段によって前記バンプと前記皮膜とが当接したと判断した場合に、前記ボンディングツールの前記基板に対する位置を前記基準位置として設定する基準位置設定手段を有すること、
    を特徴とする電子部品実装装置。
  6. 請求項５に記載の電子部品実装装置であって、
    前記制御部は、さらに、
    前記基準位置設定手段によって前記基準位置を設定した後、前記ボンディングツールの前記基板との接離方向の距離が増加から減少に変化した場合、前記ボンディングツールの前記基板に対する位置を第２の基準位置として設定する第２の基準位置設定手段と、
    前記電子部品を加熱しながら前記ボンディングツールが前記第２の基準位置から第２の所定の距離だけ前記基板に近づいた場合、前記電子部品の電極と前記基板の電極との間の前記接合金属が熱溶融したと判断し、その際の前記ボンディングツールの前記基板に対する接離方向の位置を保持すると共に、前記遮断弁を開として前記ボンディングツールの冷却流路に冷媒を供給して前記ボンディングツールの冷却を行う第２のボンディングツール位置保持冷却手段を有すること、
    を特徴とする電子部品実装装置。
  7. 熱溶融する接合金属を介して電子部品の電極と基板の電極とを接合し、前記電子部品を前記基板の上に実装する電子部品実装方法であって、
    前記基板と接離方向に駆動され、ヒータを内蔵する基体部と、
    前記基体部の表面に密着して固定される第１の面と、前記第１の面と反対側の第２の面に形成され、その表面に前記電子部品を吸着保持する台座と、前記第１の面と前記台座の側面とを連通する冷却流路と、を有し、前記基体部の前記ヒータによって加熱され、前記台座の表面に吸着した電子部品を基板に熱圧着するボンディングツールと、
    前記基体部を前記基板との接離方向に駆動する駆動部と、
    前記ボンディングツールの前記基板との接離方向の位置を検出する位置検出部と、
    前記ボンディングツールの冷却流路を開閉する遮断弁と、
    を有する電子部品実装装置を準備する工程と、
    前記ヒータによって前記電子部品を加熱しながら前記ボンディングツールが基準位置から所定の距離だけ前記基板に近づいた場合、前記電子部品の電極と前記基板の電極との間の前記接合金属が熱溶融したと判断し、その際の前記ボンディングツールの前記基板に対する接離方向の位置を保持すると共に、前記遮断弁を開として前記ボンディングツールの冷却流路に冷媒を供給して前記ボンディングツールの冷却を行うボンディングツール位置保持冷却工程とを有すること、
    を特徴とする電子部品実装方法。
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