專利名稱：超聲波振動接合裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及通過超聲波振動將半導體芯片安裝到電路板表面的超聲波振動接合裝置。
如特開平10-22308號公報所示，本申請人曾提出過適合于用超聲波振動將半導體芯片安裝到電路板表面的超聲波振動接合裝置。
上述超聲波振動接合裝置要在諧振器的最大振動點到最小振動點的范圍內(nèi)形成吸附半導體芯片用的通路，故形成該通路要化費很多勞力和時間。
為此，本發(fā)明的目的在于提供一種簡化吸附通路結構的超聲波振動接合裝置。
技術方案1的發(fā)明是一種超聲波振動接合裝置，第1構件放置在安裝機構上，第2構件被吸附于諧振器的接合作用部，該接合作用部被雙柱支承于在安裝機構上方與之隔開的超聲波接合機構，以非接觸狀態(tài)插入第1構件與第2構件之間的測量機構對設在第1構件上側面的金屬部和設在第2構件下側面的金屬部的位置進行測量并驅動安裝機構，以此來將第1構件的金屬部與第2構件的金屬部的位置對齊，然后諧振器下降，在加壓狀態(tài)下將第1構件的金屬部和第2構件的金屬部疊合，并利用從振動器傳遞到諧振器的超聲波振動將第1構件的金屬部與第2構件的金屬部接合，其特點是，諧振器在設有接合作用部的最大振幅點上設有吸附第2構件用的通路。
技術方案2的發(fā)明的特點在于分別構成可離合的方案1的吸附通路和與之連接的吸附用軟管。
技術方案3的發(fā)明的特點在于方案1的諧振器在最小振幅點上設有加熱器。
對附圖的簡單說明圖1是本發(fā)明第1實施形態(tài)的超聲波接合裝置的側視圖。
圖2是第1實施形態(tài)的壓接器(ホ-ン)的俯視圖。
圖3是第1實施形態(tài)的吸附吸附功能部的分解立體圖。
圖4圖1的A-A線剖視圖。
圖5是本發(fā)明第2實施形態(tài)的超聲波接合裝置的側視圖。
以下結合


本發(fā)明的實施形態(tài)。
圖1～圖3表示第1實施形態(tài)，其中圖1是超聲波接合裝置的主視圖，圖2是壓接器24的主視圖，圖3表示諧振器23的吸附功能部分解后的外觀，圖4是沿A-A線剖切圖1得到的剖面。
第1實施形態(tài)如圖1所示，是在作為第1構件的電路板92的表面安裝作為第2構件的半導體芯片90用的裝置。半導體芯片90的一面設有作為連接端子的多個平板狀或球狀襯墊91。在電路板92一面的芯片安裝部位設有作為連接端子的多個平板狀或球狀的襯墊93。芯片上的襯墊91和電路板上的襯墊93數(shù)量相同，位置對應。芯片上的襯墊91和電路板上的襯墊93通過超聲波振動接合，這樣將半導體芯片90安裝到電路板92表面。
超聲波振動接合裝置在基準臺1上設有安裝機構2、超聲波振動接合機構10、測量機構60及監(jiān)視器裝置80。安裝機構2具有設在基準臺1上的XYθ驅動部3和安裝在XYθ驅動部3之上的安裝工作臺4。另外，根據(jù)測量機構60的輸出，XYθ驅動部3使安裝工作臺4在沿與基準臺1平行的平面的縱橫方向、即X方向和Y方向移動的同時以上述平面內(nèi)的1點為中心沿與基準臺1平行的平面內(nèi)的旋轉角、即θ方向旋轉，并對安裝工作臺4進行位置控制，以使放置在與基準臺1平行的安裝工作臺4上側面的裝配對象、即電路板92的芯片安裝部位到達規(guī)定的裝配位置。XYθ驅動部3具有針對基準臺1的X方向仰角調(diào)節(jié)部5和針對基準臺1的Y方向仰角調(diào)節(jié)部6。在進行安裝準備作業(yè)時或更換諧振器23時，或更換安裝工作臺4時，如果不能確定安裝工作臺4的上側面與諧振器23的接合作用部27下側面之間是否保持平行，就通過人工操作X方向仰角調(diào)節(jié)部5和Y方向仰角調(diào)節(jié)部6，來調(diào)節(jié)XYθ驅動部3針對基準臺1的X方向仰角及XYθ驅動部3針對基準臺1的Y方向仰角，以確保安裝工作臺4上側面與接合作用部27下側面之間的平行度。
超聲波振動接合機構10具有設置在基準臺1上的固定基座11、安裝在固定基座11上的伺服電動機一類的電動機12、與電動機12的輸出軸連接的螺栓·螺帽機構13、構成螺栓螺帽·機構13的螺帽的提升基座14、安裝在提升基座14上的氣缸15、與氣缸15的活塞桿連接的支架16、安裝在支架16上的諧振器23、通過未圖示的無頭螺釘和螺釘孔與諧振器23的一端同軸連接的振動器30。而且，一旦電動機12正轉，螺栓·螺帽機構13的螺紋桿即正轉，與該螺紋桿螺紋配合的螺帽就使提升基座14下降，而一旦電動機12逆轉，螺栓·螺帽機構13的螺紋桿即逆轉，提升基座14因螺帽的作用而上升。提升基座14與豎設于固定基座11下方的左右導向柱21滑接配合而被止轉并進行升降?？缮档匮b在各導向柱21內(nèi)部的導向軸22的下端與支架16連接，通過提升基座14的升降和氣缸15的伸縮而升降，將支架16保持在與基準臺1平行的狀態(tài)。
諧振器23具有壓接器24和通過未圖示的無頭螺釘和螺釘孔而同軸連接的2個增壓器25、26，各增壓器25、26分別支承于從支架16左右兩側向下方延伸的臂部17、18，由此將諧振器23雙柱支承在支架16上。振動器30通過未圖示的無頭螺釘和螺釘孔與一方的增壓器25同軸連接。振動器30是從未圖示的超聲波發(fā)生器接受電力供給、發(fā)生規(guī)定頻率的縱波超聲波振動并將輸出的電能轉換成機械能的壓電元件或磁應變元件等能量轉換器。
在本實施形態(tài)中，壓接器24具有與來自振動器30的超聲波振動諧振的諧振頻率的1個波長的長度，增壓器25、26具有與來自振動器30的超聲波振動諧振的諧振頻率的半個波長的長度。增壓器25、26為圓柱形狀，在中央的最小振幅點具有從外側面伸出的環(huán)狀支承部28、29。各支承部28、29收容在支架16的左右臂部17、18上同軸形成的貫通孔19、20中，各臂部17、18的外側面及貫通孔19、20被切縫50(見圖4)分割，通過用螺栓51(見圖4)連接被分割的部分，使各臂部17、18夾住支承部28、29。
又如圖2所示，壓接器24是四邊形的板狀，在中央的最大振幅點f3具有從上下側面向外側伸出的短四邊柱狀接合作用部27和作為吸附功能部的通路31。下側的接合作用部27具有平面積大于半導體芯片90的前端面。通路31由設于壓接器24的最大振幅點f3、從接合作用部27前端面的中央沿接合作用部27內(nèi)部延伸到壓接器24中心的縱孔33和從壓接器背面的中央沿內(nèi)部延伸、與縱孔32連接的橫孔33形成。接合作用部27上的縱孔33的開口部是吸附半導體芯片90的吸附孔。壓接器24的橫孔33的開口部是連接軟管的軟管口。在壓接器24的兩個最小振幅點f2、f4分別設有加熱器34。在壓接器24的兩端部存在最大振幅點f1、f5。
以下結合圖3說明軟管口、即橫孔33的開口部與軟管之間的連接結構。在從支架16的左右方向中央向下方延伸的托架部37上裝有氣缸38和紅外線溫度計一類非接觸式溫度計39。氣缸38的活塞桿上裝著軟管連接器40。在軟管連接器40的前側面裝著由彈性合成樹脂構成的喇叭狀吸附墊41。在軟管接頭40的上側面外嵌著用橡膠或合成樹脂做成的真空用軟管43的一端。吸附用軟管43的另一端經(jīng)過未圖示的閥與未圖示的真空泵一類吸力發(fā)生源連接。
通過氣缸38的伸長動作，使軟管接頭40前進，吸附墊41與橫孔33開口部周圍的壓接器24的背面接觸，吸附墊41的前端開口部向外側彈性擴展，通路31和吸附用軟管43的內(nèi)孔部通過軟管接頭40的內(nèi)孔和吸附墊41的內(nèi)孔連接(見圖4)。在此狀態(tài)下，通過將未圖示的閥從大氣開放狀態(tài)切換到吸附狀態(tài)，接合作用部27的開口部就用來自吸力發(fā)生源的吸力吸引外氣，以吸附半導體芯片90。
相反，由于閥從吸附狀態(tài)切換到大氣開放狀態(tài)，通路31充滿大氣，就將半導體芯片90釋放。另外，通過氣缸38的收縮動作使軟管接頭40后退，吸附墊41脫離橫孔33開口部周圍的壓接器24的背面，通路31與吸附用軟管43的連接被解除。從軟管接頭40向背面伸出的左右導桿44與在氣缸38周圍的托架部37上形成的導孔45滑接配合，軟管接頭40被止轉并前進或后退。
又如圖4所示，固定在托架部37上的加熱器導軌46上安裝可橫向移動的左右加熱器支板47，該加熱器支板47上分別裝有加熱器34。在加熱器34插入諧振器23上形成的加熱器用孔48的狀態(tài)下，將螺栓49從加熱器支板47一側擰入加熱器導軌46，將加熱器支板47固定在加熱器導軌46上。
以下再用圖1說明，測量機構60用于使吸附在超聲波振動接合機構10的接合作用部27上的半導體芯片90的芯片襯墊91與放置在安裝工作臺4上的電路板92的電路板襯墊93對齊，具有設在基準臺1上的轉臺61、裝載在轉臺61的可動臂62上的上側及下側測量用光源63、64、裝載在可動臂62上的雙視野光學鏡頭65、以及裝載在可動臂62上的CCD攝象機70。雙視野光學鏡頭65的2個直角棱鏡66、67各自的斜面隔著光學膜68而相互重疊，在其中1個直角棱鏡67的與CCD攝象機70相反方向的一面設有反射膜69。
通過轉臺61的驅動，可動臂62從實線所示的待機位置移動并停止在虛線所示的測量位置，上側及下側的測量用光源63、64和雙視野光學鏡頭65以非接觸狀態(tài)插入設置在上下隔離設置的測量對象、即半導體芯片90和電路板92之間。在此狀態(tài)下，上側及下側測量用光源63、64中的一方、譬如上側的測量用光源63發(fā)光，從該測量用光源63照射到半導體芯片90下側面的光的反射光被雙視野光學鏡頭65的光學膜68反射到反射膜69上后又被反射膜69反射。該反射光透過光學膜68而到達CCD攝象機70，使CCD攝象機70對半導體芯片90的襯墊91進行攝象，并將轉換成電信號的圖象信號輸出。另外，另一方的下側測量用光源64發(fā)光，從該測量用光源64照射到電路板92上側面的光的反射光被雙視野光學鏡頭65的光學膜68反射到CCD攝象機70上。該反射光到達CCD攝象機70，使CCD攝象機70對電路板92的襯墊進行攝象，并將轉換成電信號的信號輸出。
即，測量機構60通過使上側及下側測量用光源63、64交替發(fā)光，可使CCD攝象機70通過雙視野光學鏡頭65而交替地對芯片襯墊91和電路板襯墊93進行攝象。另外，測量機構60通過使上側及下側測量用光源63、64同時發(fā)光，可使CCD攝象機70通過雙視野光學鏡頭65而同時對芯片襯墊91和電路板襯墊93進行攝象，不過在這種場合，由于被攝的圖象是芯片襯墊91與電路板襯墊93重疊的形態(tài)，故操作者要一邊看著監(jiān)視器裝置80上顯示的2個合成圖象一邊手動操作XYθ驅動部3，直到監(jiān)視器裝置80上顯示的芯片襯墊91的整個圖象與電路板襯墊93的整個圖象一致，此時表明半導體芯片90與電路板92的芯片安裝部位已對齊，這種方法很適用于手動操作。
測量機構60的運算部71根據(jù)從CCD攝象機70輸入的攝象信號計算芯片襯墊91與電路板襯墊93之間的位置偏差，并向XYθ驅動部3輸出控制信號。另外，根據(jù)由操作者輸入的監(jiān)視器顯示指令，運算部71將由CCD攝象機70輸入的攝象信號轉換成圖象信號后輸出到監(jiān)視器裝置80。監(jiān)視器裝置80用2分割畫面顯示芯片襯墊91的圖象和電路板襯墊93的圖象以及在XYθ驅動部3的X方向和Y方向及θ方向交叉的中心點P上相交的X-Y基準線L1、L2。在監(jiān)視器裝置80上用2分割畫面顯示的X-Y基準線L1、L2在2分割畫面上下排列時，Y基準線L2成為上下延伸的1條直線，在2分割畫面左右排列時，X基準線L1成為左右延伸的1條直線。這樣，操作者通過觀察監(jiān)視器裝置80上的2分割畫面，即很容易判斷芯片襯墊91與電路板襯墊93的位置是否對齊，或是向何方向偏移何種程度。
以下說明第1實施形態(tài)的動作。超聲波接合機構10的壓接器24如圖1所示，停止在上升極限位置，半導體芯片90被吸附于壓接器24的接合作用部27，半導體芯片90的芯片襯墊91向著下側，電路板92放置在安裝機構2的安裝工作臺4上，電路板92的電路板襯墊93向著上側。在此狀態(tài)下，測量機構60從實線位置移動到虛線位置，上側及下側測量用光源63、64和雙視野光學鏡頭65以非接觸狀態(tài)進入半導體芯片90與電路板92之間的空間。而且，通過使上側及下側的測量用光源63、64交替發(fā)光，CCD攝象機70對芯片襯墊91和電路板芯片93進行攝象。然后，運算部71對芯片襯墊91與電路板芯片93之間的位置偏差進行測量運算。根據(jù)其測量結果，安裝工作臺4作XY及θ方向驅動，并以半導體芯片90為基準修正電路板92的位置，以使芯片襯墊91的位置與電路板襯墊93的位置對齊。一旦用該位置修正動作進行的電路板92的安裝部位、即電路板襯墊93與芯片襯墊91之間的上下對位完成，測量機構60即從虛線位置移動到實線位置，上側及下側的測量用光源63、64、雙視野光學鏡頭65及CCD攝象機70均返回原來位置。
然后，超聲波振動接合機構10的諧振器23下降而將芯片襯墊91推壓到電路板襯墊93，振動器30作超聲波振動。諧振器23與該超聲波振動諧振，該諧振產(chǎn)生的超聲波振動從半導體芯片90作用到芯片襯墊91和電路板襯墊93之間的接觸部分，芯片襯墊91與電路板襯墊93接合，半導體芯片90被安裝到電路板92表面的芯片安裝部位。關于將半導體芯片90推壓到電路板92上的方式，是通過超聲波振動接合機構10的氣缸15的下降和電動機12的螺栓·螺帽機構13的下降來進行。對其壓力則通過氣缸15的輸出來控制。
關于芯片襯墊91和電路板襯墊93之間的接合時間控制，是由運算部71根據(jù)譬如振動器30的超聲波振動開始后所經(jīng)過的時間和從溫度計輸入的溫度信息來決定接合結束時間。而且，一旦到了接合結束時間，運算部71就對振動器30發(fā)出停止振動指令，對向氣缸15供給壓力的閥發(fā)出上升指令，對電動機12發(fā)出上升指令。由此使諧振器23上升，諧振器23脫離已安裝到電路板92表面的半導體芯片90并停止在上升極限位置。
圖5表示本發(fā)明第2實施形態(tài)的超聲波振動接合裝置。在圖5中，基準臺1上除了有安裝機構2、超聲波振動接合機構10、測量機構60、未圖示的監(jiān)視器裝置外，還設有與安裝機構2并排的芯片供給機構100、預定位機構110、芯片運送機構120。
芯片供給機構100具有設在基準臺1上的XY驅動部101、與XY驅動部101連接的隨行工作臺102，XY驅動部101使隨行工作臺102沿與基準臺1平行的平面縱橫方向、即沿X方向及Y方向移動，并對隨行工作臺102實行位置控制，以使放置在隨行工作臺102上的托盤103中所裝的多個半導體芯片90中作為裝配對象的1個半導體芯片90到達指定的吸取位置。
預定位機構110具有預定位工作臺111，在該預定位工作臺111的上側面設有將作為裝配對象的半導體芯片90大致定位用的未圖示的凹凸。
芯片運送機構120具有通過豎設在基準臺1上的多根支柱121、122而橫跨在芯片供給機構100、預定位機構110和安裝機構2上方設置的橫架導軌123、以及可沿橫架導軌123往返移動的可動工作臺124，未圖示的電動機等作動器對可動工作臺124進行位置控制，以使可動工作臺124往返移動到左右的前進極限位置和后退極限位置2個位置上。在可動工作臺124上，以規(guī)定間隔并排設置吸取機構130和超聲波振動接合機構10。
該規(guī)定間隔的尺寸符合以下要求，即，當可動工作臺124停止在右面的后退極限位置時，吸取機構130的吸取臂132的前端在正上方對著預定位工作臺111的預定位位置，諧振器23的接合作用部27在正上方對著安裝工作臺4的安裝位置，而當可動工作臺124停止在左面的前進極限位置時，吸取機構130的吸取臂132的前端在正上方對著隨行工作臺102的吸取位置，接合作用部27在正上方對著預定位工作臺111的預定位位置。
吸取機構130具有設置在可動工作臺124上的機構基部131和從機構基部向下方延伸的吸取臂132，裝在機構基部131中未圖示的促動器使吸取臂132在上升極限位置和下降極限位置之間升降。該吸取臂132的下降極限位置被控制在符合以下要求的位置上，即，能使吸取臂132的前端吸附隨行工作臺102上的半導體芯片90或將吸附在吸取臂132上的半導體芯片90放置于預定位工作臺111上。上述促動器可使用電動機或氣缸，在使用電動機時，通過螺栓·螺帽機構和導向機構，使吸取臂132不旋轉地升降，而在使用氣缸時，為了避免碰撞半導體芯片90，最好附設緩沖機構。
本實施形態(tài)的吸取臂132具有吸附功能部，即，吸取臂132用管子做成，未圖示的真空泵一類吸力發(fā)生源通過未圖示的閥而與吸取臂132的后端連接。通過將該未圖示的閥從大氣開放狀態(tài)切換到吸附狀態(tài)，使吸取臂132用來自吸力發(fā)生源的吸力從其前端的開口吸附外氣，由此吸附半導體芯片90，相反，通過將閥從吸附狀態(tài)切換到大氣開放狀態(tài)，使吸取臂132的內(nèi)部充滿大氣，并釋放吸附半導體芯片90的吸力。
超聲波振動接合機構10除了固定基座11設置在可動工作臺124上以外，其余結構均與第1實施形態(tài)相同。
以下說明第2實施形態(tài)的動作。在第1工序，一旦芯片運送機構120的可動工作臺124從后退極限位置向左移動并停止在前進極限位置，吸取臂132就下降并從隨行工作臺102上吸取作為裝配對象的半導體芯片90后上升。
在第2工序，一旦可動工作臺124從前進極限位置向右移動并停止在后退極限位置，吸取臂132即下降，利用大氣開放將半導體芯片90放置在預定位工作臺111上，然后上升。在將該半導體芯片90放置于預定位工作臺111上時，利用預定位工作臺111的凹凸等將其大致定位。
在第3工序，一旦可動工作臺124再次向左移動并停止在前進極限位置上，超聲波振動接合機構10的壓接器24即下降，用吸力吸附預定位工作臺111上的半導體90后上升。在吸附該半導體芯片90的同時，吸取臂132下降，從隨行工作臺102的上方吸附作為下一個裝配對象的半導體芯片90后上升(與第1工序的動作相同)。
在第4工序，一旦可動工作臺124再次向右移動并停止在后退極限位置上，測量機構60就對吸附在接合作用部27的半導體芯片90的芯片襯墊91(見圖1)和放置在安裝機構2的安裝工作臺4上的電路板92的電路板襯墊93(見圖1)進行測量，安裝工作臺4根據(jù)測量結果進行XY及θ驅動，以使芯片襯墊91與電路板襯墊93準確對齊。
在第5工序，超聲波振動接合機構10的諧振器23下降，將半導體芯片90推壓到電路板92上，同時振動器30作超聲波振動。諧振器23與該超聲波振動諧振，由該諧振所產(chǎn)生的超聲波振動將芯片襯墊91與電路板襯墊93接合，將半導體芯片90安裝到電路板92上側面。在將該半導體芯片90進行表面安裝的同時，吸取臂132下降，將作為下一個裝配對象的半導體芯片90定位放置在預定位工作臺111上后上升(與第2工序動作相同)。
然后，以第3工序到第5工序為1個周期重復進行，由此從隨行工作臺102上將作為裝配對象的半導體芯片90一個一個地經(jīng)過在預定位工作臺111上的大致定位而依次正確地安裝到安裝工作臺4上的電路板92的每次不同的裝配位置上。
采用該實施形態(tài)的結構，由于吸取機構130和超聲波振動接合機構10隔著規(guī)定間隔裝入芯片運送機構120的可動工作臺124中，故能夠做到在可動工作臺124停止在后退極限位置時，吸取臂132對著預定位工作臺111的預定位位置，且接合作用部27在正上方對著安裝工作臺4的安裝位置，而在可動工作臺124停止在前進極限位置時，吸取臂132對著隨行工作臺102的吸取位置，且接合作用部27對著預定位工作臺111的預定位位置。
如上所述，技術方案1的發(fā)明是，諧振器在設有接合作用部的最大振幅點設有吸附第2構件用的通路，故可以通過連接接合作用部下側面與諧振器內(nèi)部的縱孔和連接縱孔與諧振器一個表面的橫孔的結合來形成上述通路，可實現(xiàn)結構簡單的通路。
技術方案2的發(fā)明是，分別構成可離合的吸附通路及與其連接的吸附用軟管，故在通過超聲波振動將第1構件的金屬部與第2構件的金屬部進行接合時，可使吸附用軟管脫離諧振器，使諧振器處于良好的諧振狀態(tài)。
技術方案3的發(fā)明是，諧振器在最小振幅點上設有加熱器，故加熱器不會因諧振器的超聲波振動而發(fā)生諧振動，可延長加熱器壽命。
權利要求
1.一種超聲波振動接合裝置，第1構件放置在安裝機構上，第2構件被吸附于諧振器的接合作用部，該接合作用部被雙柱支承于處于安裝機構上方且與之隔開的超聲波接合機構，以非接觸狀態(tài)插入第1構件與第2構件之間的測量機構對設在第1構件上側面的金屬部和設在第2構件下側面的金屬部的位置進行測量并驅動安裝機構，以此來將第1構件的金屬部與第2構件的金屬部的位置對齊，然后諧振器下降，在加壓狀態(tài)下將第1構件的金屬部和第2構件的金屬部疊合，并利用從振動器傳遞到諧振器的超聲波振動將第1構件的金屬部與第2構件的金屬部接合，其特征在于，諧振器在設有接合作用部的最大振幅點上設有吸附第2構件用的通路。
2.根據(jù)權利1要求所述的超聲波振動接合裝置，其特征在于，分別構成可離合的吸附通路和與之連接的吸附用軟管。
3.根據(jù)權利1要求所述的超聲波振動接合裝置，其特征在于，諧振器在最小振幅點上設有加熱器。
全文摘要
一種超聲波振動接合裝置,諧振器在設有接合作用部的最大振幅點上設置吸附通路,測量機構對放置在安裝機構上的電路板的襯墊和被吸附在諧振器的接合作用部上的半導體芯片的襯墊的位置進行測量并驅動安裝機構,以將兩個襯墊的位置對齊,然后諧振器下降,用壓力將兩個襯墊疊合,利用從振動器傳遞到諧振器的超聲波振動將兩個襯墊接合。本發(fā)明可簡化吸附通路的結構。
文檔編號B23K20/10GK1259417SQ9912746
公開日2000年7月12日 申請日期1999年12月27日 優(yōu)先權日1999年1月6日
發(fā)明者佐藤茂, 中居誠也 申請人:株式會社厄泰克斯