본 발명은 부품의 실장용 초음파 접합 헤드 및 이를 이용한 초음파 접합장치에 관한 것으로, 각종 부품을 접합하는데 사용되는 초음파 접합 헤드를 사용하여 초음파 진동을 가함으로서, 표면에 복수의 범프 전극(bump electrodes)이 형성되어 있는 전자 부품을 기판 등의 실장 대상물에 실장하는 장치에 관한 것이다.
발명의 상세한 설명
배경 기술
일예로, 일본공개특허공보 2000-68327호에 개시되어 있는 바와 같이, 초음파 진동을 이용해 부품을 실장하는 장치는, 일반적으로, 호온(horn) 및 흡입 노즐을 구비하는 마운팅 헤드와, 전자 부품을 마운팅 헤드에 공급하는 수단과, 실장 대상물을 지지하는 지지 베이스와, 지지 베이스에 대해 마운팅 헤드를 수평면상에서 상대 운동시킴으로서 전자 부품을 실장 대상물상의 정위치에 위치시키는 위치정렬장치를 포함하여 구성된다.
초음파 진동자는 보이스 코일 모터와 같은 구동 메커니즘에 의해 수직 방향으로 이동 가능하게 설치되어 있는 지지 브라켓에 고정되어 있고, 초음파 진동자의 출력부에는 호온이 결합되어 있으며, 호온의 단부에는 전자 부품을 보지하는 흡입 노즐이 설치되어 있다. 이러한 종류의 부품 실장장치는, 전자 부품의 일측면에 형성되어 있는 복수의 범프 전극과 실장 대상물에 형성되어 있는 리드(lead)를 초음파 접합하는데 유용하게 사용되고 있다.
지지 베이스 상에 실장 대상물이 견고히 지지되어 있는 상태에서, 흡입 노즐은 범프 전극이 아래쪽을 향하는 상태로 공급된 전자 부품의 윗면을 보지하게 되며, 지지 베이스에 대해 마운팅 헤드를 상대 운동시킴으로서 전자부품이 실장 대상물 상의 정위치에 위치되고, 전자 부품의 범프 전극이 실장 대상물의 리드에 접촉된다. 이어, 미리 설정된 압박력이 부품에 가해지고, 초음파 진동자에 의해 발생된 초음파 진동이 호온을 통해 흡입 노즐에 전해짐으로서 호온이 수평방향으로 진동하게 된다. 따라서 전자 부품과 실장 대상물 사이의 접촉면에 초음파 진동 에너지가 공급되어 용융 및 확산에 의해 전자부품과 실장 대상물이 접합된다. 그런데 최근 들어 전자 회로가 소형 경량화 됨에 따라 사용되는 전자 부품(칩)의 수를 감소시킬 필요가 있었으며, 그에 따라 전자 부품의 밀도나 기능이 획기적으로 개선되고 있다. 그 결과, 개별 전자 부품은 그 크기가 커지고 종래보다 훨씬 많은 수의 전극을 갖게 되었다. 예를 들어, 종래의 전자 부품(베어 IC 칩)은 면당 0.3~5㎜로, 2~30개의 범프 전극이 형성되었으나, 멀지 않아 면당 10~20㎜로, 50~100개 많게는 1000개 이상의 범프 전극이 형성된 전자 부품이 사용될 것으로 기대되고 있다. 이러한 전자 부품을 초음파 진동에 의한 부품 실장 장치를 사용하여 회로에 실장하는 경우, 많은 수의 범프 전극을 실장 대상물의 리드에 일시에 접합하기 위해서는 흡입 노즐에 매우 큰 압박력을 가해야 하며, 또한, 부품을 보지하는 흡입 노즐의 하부면이 실장 대상물의 접합면과 정확히 평행을 유지해야만 범프 전극 모두가 실장 대상물의 리드와 확실하게 접합될 수 있다. 예를 들어, 대형 베어 IC 칩을 실장하는 경우, 흡입 노즐의 부품 보지면은 그 전체 면적을 따라 초음파 진동 방향에 대해 5㎛의 공차 범위로 평행하게 유지되어야 한다. 그러나 상기 구성에 의하면, 흡입 노즐이 호온의 단부에 고정되어 있으며, 그에 따라 흡입 노즐의 하부면이 상기 압박력이 작용하는 위치로부터 멀리 떨어져 있으므로, 초음파 진동자와 호온의 결합부에 지지 브라켓을 통해 높은 압박력이 가해지는 경우, 호온에 굽힘 모멘트가 작용하게 된다. 이와 같이 압박력에 의해 호온이 변형됨에 따라 부품 보지면이 일정 각도 경사지게 되므로 평행도를 정밀하게 유지할 수 없게 된다. 한편, 흡입 노즐의 부품 보지면과 호온과 사이에 탄성 유닛을 삽입하여 평행도를 확보하고자 하는 시도가 있었으나, 이 방식에 의하면 초음파 진동의 전달 효율이 현격히 저하되므로, 접합 효율이 낮아질 뿐만 아니라 접합의 신뢰성을 확보할 수 없게 된다.
부품 보지면과 실장 대상물 사이의 평행도가 정밀하게 유지되고, 상당한 크기의 압력이 가해진다 해도, 칩에 많은 숫자의 범프 전극이 형성되어 있는 경우에는 초음파 진동에 의해 제공되는 접합 에너지가 필요에 못 미치는 경우가 발생하기 쉬우며, 따라서 접합 공정을 높은 신뢰성을 갖고 수행하기 어렵게 된다. 또 다른 문제점으로, 접합 후 칩과 실장 대상물 사이에 봉지재(sealing material)를 채운 후 이를 열경화(thermo-cure)하는 추가적인 공정을 필요로 하므로 비용이 많이 소요된다는 문제점이 있었다. 한편, 호온으로 작용하는 진동자의 일단부는 초음파 진동자의 출력부에 결합되고, 타단부에는 접합면에 평행하게 배치되는 작업면이 형성됨으로서 초음파 접합 헤드가 구성되는 데, 이러한 방식에 의하면, 접합 면적이 크거나 복수의 범프 전극의 총면적이 큰 경우 접합의 신뢰성을 확보하기 위해서는 매우 큰 압박력이 가해져야 하며, 전체 접합면에 걸쳐 접합의 신뢰성을 확보하기 위해서는 작업 유닛의 작업면과 실장 대상물의 접합면 사이의 평행도가 고 정밀도로 유지되어야 한다. 그러나, 실제에 있어서는, 큰 압박력이 진동자에 가해지는 경우, 진동자에 굽힘 모멘트가 작용하여 진동자에 굽힘 변형이 발생하고, 그에 따라 작업면이 경사지게 되므로, 평행도를 고정밀도로 유지하기 어렵다는 문제점이 있었다. 특히, 복수의 범프 전극이 접합면의 넓은 범위에 걸쳐 형성되어 있는 경우에는 평행도를 확보하기가 극히 곤란하였다.
반면에, 상기한 바와 같은 잡업면의 경사에 따른 문제점이 발생하지 않는 범위 이내로 압박력을 가하는 경우, 초음파 진동에 의한 접합 에너지가 신뢰성 있는 접합부를 형성할 수 있는 정도로 높지 못하다는 문제점이 있었다.
발명의 내용
과제 해결수단
본 발명의 초음파 접합 헤드는, 초음파 접합 헤드로, 초음파진동 발생장치와, 일단 면이 초음파진동 발생장치와 결합되고, 타단 면이 작업 면이 되는 진동자와, 진동자의 작업 면에 열을 가하는 히터를 구비한다. 또, 본 발명의 부품 실장 장치는, 일 면에 복수의 범프 전극을 갖는 부품을 실장 대상물의 리드 상에 접합하여 실장하는 부품 실장 장치로, 상기 초음파 헤드와, 부품을 범프 전극 배치 면이 아래쪽을 향하는 상태로 공급하는 부품 공급장치와, 공급된 부품을 보지(保持)하여 실장 대상물에 실장하는 마운팅 헤드와, 실장 대상물을 고 정하는 지지 베이스와, 마운팅 헤드와 지지 베이스를 상대 이동시켜서 부품과 실장 대상물을 정렬하는 위치 정렬장치를 구비한다.
발명의 실시를 위한 구체적인 내용
이하, 부품 실장 방법, 부품 실장 장치 및 이에 사용되는 초음파 접합 헤드의 구체적인 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
제 1 실시예
본 발명의 제 1 실시예에 따른 부품 실장 방법 및 부품 실장 장치를 그림 1 내지 그림 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 그림 1 및 그림 2를 참조하여 부품 실장 장치의 전체적인 구성을 살펴본다. 부품 실장 장치(1)는 부품(2; 베어 IC 칩)를 기판(3; 실장 대상물)에 실장하는 것으로, 부품(2)의 일측면에는 복수의 범프 전극(2a)이 배치되어 있으며, 기판(3)의 부품이 실장되는 곳에는 범프 전극(2a)과 접합되는 리드(lead)가 설치되어 있다. 부품(2)은, 예를 들어, 면당 10~20㎜이고, 50~100개 또는 그 이상의 범프 전극(2a)이 형성되어 있으며, 특히 사이즈가 큰 부품(2)의 경우에는 1000개 이상의 범프 전극이 형성되어 있다.
부품 실장 장치의 후방에는, 마운팅 헤드(5; mounting head)가 설치되는 X축 방향 테이블(6)이 X축 방향으로 이동 가능하게 설치되어 있다. 마운팅 헤드(5)는 부품(2)을 보지하여 기판(3) 상에 실장하는 작용을 한다. X축 방향 테이블(6) 저면의 특정 위치와 X축 방향 테이블(6)의 전방 사이에는 Y축 방향 테이블(7)이 Y축 방향으로 이동 가능하게 설치되는 바, Y축 방향 테이블(7)에는 기판(3)이 장착되는 지지 베이스(8)가 설치된다. X축 방향 테이블(6)의 전방에는, 기판(3)을 베이스(4)의 일측 단부로부터 Y축 방향 테이블(7) 쪽으로 이송시키는 적하기(9; loader) 및 기판(3)을 Y축 방향 테이블(7)로부터 베이스(4)의 타측 단부로 이송시키는 출하기(10; unloader)가 설치된다. 적하기(9)와 출하기(10) 각각은 기판(3)의 양측면을 지지하는 한 쌍의 레일을 구비하고 있다.
지지 베이스(8)는, 상기 각 쌍의 레일과 연결되는 이송 레일(11)을 그 전방 및 후방에 구비하고, 수직 방향으로 이동 가능하게 설치되어 있으며, 기판(2)은 이송 레일(11) 상에 수용된 후 지지 베이스(8) 상에 고정된다. X축 방향 테이블(6) 전방, 출하기(10) 측면 위치의 베이스(4) 상에는, 다수의 부품(2)이 팽창 시트(expand sheet) 상에 다이싱(dicing)되어 형성된 반도체 웨이퍼(12)가 수용되는 부품 매거진(component magazine)이 배치되어 있으며, 작업 대상 반도체 웨이퍼(2)를 설정 높이로 상승시키기 위한 매거진 리프터(14; lifter)가 설치
되어 있고, 매거진 리프터(14)와 Y축 방향 테이블(7) 사이에는 팽창 테이블(15)이 배치되어 있다.
팽창 테이블(15)은, 매거진 리프터(14)에 의해 전달된 반도체 웨이퍼의 팽창 시트를 팽창시킴으로서 각각의 부품(2)이 간격을 두고 배열되도록 하는 것으로, 부품(2)을 제1 부품 공급 위치에 위치시키는 X-Y 테이블(16) 상에 설치된다. 부품 반전기(18; component flipper)는, 부품(2)을 제 1 부품 공급 위치로부터 캐치(catch)하여 또 다른 X축 방향 테이블을 이용해 제 2 부품 공급 위치로 이송시킴과 동시에 180도 반전시키는 역할을 한다.
반도체 웨이퍼(12)에는 부품(2)의 범프 전극(2a)이 그 윗면에 형성되어 있으므로, 부품 반전기(18)에 의해 캐치된 후 180° 반전됨으로서 범프 전극(2a)이 형성되어 있는 윗면이 아래쪽을 향한 상태로 제2 부품 공급 위치에 위치한 마운팅 헤드(5)로 전달된다. 부품 공급기(20)는 상기한 매거진 리프터(14), 팽창 테이블(15) 및 부품 반전기(18)로 구성되어 부품(2)을 마운팅 헤드(5)에 공급하는 역할을 하며, 디스펜서(19)는 부품(2) 또는 기판(3)상의 부품(2)이 실장되는 부분에 봉지재(sealing material)를 공급한다.
그림 2를 참조하면, 마운팅 헤드(5)는 초음파 접합 헤드(21; ultrasonic bonding head)를 구비하는 바, 초음파 접합 헤드(21)는 보이스 코일 모터 등의 구동 장치(22)에 의해 축방향으로 수직 이동 가능하도록 스플라인 축의 하단에 설치된다. 초음파 접합 헤드(21)는, 지지 브라켓(23)에 견고히 지지되어 있는 초음파 진동 발생기(24; ultrasonic vibration generator)와 진동자(25; oscillator)로 구성되며, 진동자(25) 또는 흡입 노즐에 의해 부품(2)을 보지하게 된다.
이와 같이 구성되는 부품 실장 장치의 실장 작동을 설명하면 다음과 같다. 부품 공급기(20)에 의해 부품(2)이 범프 전극(2a)이 아래쪽을 향하는 상태로 제2 부품 공급 위치에 공급되면, 마운팅 헤드(5)의 진동자(25) 또는 마운팅 헤드에 고정된 흡입 노즐에 의해 부품(2)이 보지되며, 이 상태에서 X축 방향 테이블(6)에 의해 마운팅 헤드(5)가 X축 방향으로 이동하여 부품(2)이 실장되는 기판(3)상에 위치하게 된다. 한편, 적하기(9)를 통해 전달된 기판(3)은 Y축 방향 테이블(7)에 고정되어 있는 이송 레일(11) 상으로 이동된 후, 이송 레일(11)이 설정 높이만큼 하강함에 따라 지지 베이스(8) 상에 장착된다. 다음으로, 마운팅 헤드(5) 하부의 부품(2)에 대응되는 위치에 기판(3)이 안착될 때 까지, Y축 방향 테이블(7)이 Y축 방향으로 이동된다.
다음에는, 디스펜서(19)에 의해 필요한 만큼의 봉지재가 도포된 후, 마운팅 헤드(5)의 구동 장치(22)에 의해 부품(2)이 하강하여, 부품의 범프 전극(2a)이 실장 위치에 놓여 있는 기판(3)의 리드와 접촉하게 되며, 구동 장치(22)에 의해 기 설정된 압박력이 가해지는 동안 초음파 진동 발생기(24)가 가동되어 초음파 진동 에너지가 범프 전극(2a)과 기판(3)의 리드 사이의 접합면에 공급됨으로서, 용융(fusion)과 확산(diffusion)에 의해 접합이 수행된다. 디스펜서(19)에 의해 공급된 봉지재는, 기판(3)과 부품(2) 사이의 공간에 채워짐으로서 기판(3)에 대한 부품(2)의 실장 공정이 완료된다. 부품(2)의 실장이 완료된 후에는, 이송 레일(11)이 상승하여 기판(3)이 이송 레일(11)상에 안착된 후, 이송 레일(11)이 출하기(10)와 연결되면 출하기에 의해 배출된다.
다음에는, 그림 3을 참조하여, 마운팅 헤드의 가장 중요한 요소인 초음파 접합 헤드(21)의 구성에 대해 기술하기로 한다. 지지 브라켓(23)에는, 진동자(25)를 지지하는 한 쌍의 지지 블록(26a, 26b)이 설치되는 바, 지지 블록은 그 축이 수평 방향이 되도록 배치되고, 진폭을 증폭하는 호온(27)의 출력단(27a)은 진동자의 일측 단부에 동심으로 결합되며, 초음파 진동 발생기(24)는 호온(27)의 다른 쪽 단부에 결합된다.
진동자(25)는, (1+3/4) ё 길이(ё는 진동 모드 M의 파장)의 축(28)을 구비한다. 지지 유닛(29a, 29b)은, 진동 모드의 노드(node; 마디)에 해당되는 곳 즉, 양 단부로부터 각각 ё/4 되는 곳에 위치하며, 지지 블록(26a, 26b)에 의해 지지된다. 흡입 노즐((30)은, 진동 모드의 엔티 노드(anti-node; 배)에 해당되는 곳에서 축(28)을 수직으로 관통하도록, 양측 지지 유닛(29a, 29b) 중앙부에 설치된다. 참조 번호 30a는 흡입 노즐(30)의 축에 형성된 흡입 통로를 나타낸다.
흡입 노즐(30)의 하부에는 보지되는 부품(2)의 크기에 대응되는 크기의 작업 유닛(31; working unit)이 형성되어 있으며, 카트리지 히터 등의 히터(32)가 작업 유닛 내부에 설치되어 있다. 초음파 진동 발생기(24)에 의해 발생된 초음파 진동을 작업면(33)에 전달하는 초음파 전달부재(34)는 진동자(25)의 축(28)과 흡입 노즐(30)에 의해 구성된다.
마운팅 헤드(5)는 작업면(33)과 지지 베이스(8)의 상부면 사이의 평행도가 5㎛ 이내로 유지되도록 하는 조절 메커니즘을 구비한다. 초음파 진동 발생기(24)에 의해 발생되어 초음파 전달부재(34)를 통해 작업면(33)에 전달된 초음파 진동은, 작업면(33)에서의 수직성분이 작업면에 평행한 수평성분의 3%이내가 되도록 조절된다. 보이스 코일 모터나 실린더 등의 구동장치(22)에 의해 작업면(33)에 가해지는 압박력은 부품(2)의 각 범프 전극(2a)의 직경과 숫자에 대응되게 조절되는 바, 범프 전극(2a)의 직경에 따라 다르지만, 범프 전극(2a) 당 보통 30~50g이 작용한다고 가정할 때, 압박력은 이 범프 전극 당 단위 부하에 범프 전극의 수를 곱한 값이 되며, 이와 같이 압박력을 산정하는 경우, 범프 전극 당 단위 부하는 30~200g 정도로 가정될 수 있다.
상기 구성에 따르면, 기판(3)은 지지 베이스(8) 상에 장착되고, 부품(2)은 초음파 접합 헤드(21)의 작업면(33)에 보지되며, 구동장치(22)에 의해 흡입 노즐(30)이 지지 베이스(8) 쪽으로 하강함에 따라, 기판(3)과 부품(2)이 작업면(33)과 지지 베이스(8)의 상부면 사이에 끼워지는 상태가 된다. 이 상태에서, 기 설정된 압박력이 지지 브라켓(23), 한 쌍의 지지 블록(26a, 26b)과 진동자(25)를 구성하는 축(28) 및 흡입 노즐(30)을 통해 작업면(33) 상에 가해진다.
압박력은 작업면(33)의 수직축선을 따라 직하방으로 가해지게 되며, 이와 같은 조건하에서, 초음파 진동 발생기(24)에 의해 초음파 진동이 공급되고, 히터(32)가 가동된다. 압박력이 부품(2) 뒷면의 직상방으로부터 직접 가해지므로, 큰 크기의 압박력을 가하는 경우에도, 부품(2)에 형성되어 있는 복수의 범프 전극(2a)의 단부는 기판(3)의 접합면에 정확하게 평행인 상태를 유지하게 된다. 따라서, 부품(2)에 형성되어 있는 범프 전극(2a)의 수가 많고 압박력이 큰 경우에도, 범프 전극 각각에 미리 설정된 압박력이 균등하게 작용하는 상태로 초음파 진동이 가해지게 되며, 그 결과 모든 범프 전극(2a)이 신뢰성 높게 접합될 수 있게 된다. 또한, 초음파 진동 에너지를 범프 전극(2a)과 기판(3)의 리드 사이에 공급하는 동안 부품(2)의 뒷면으로부터 열 에너지를 공급하게 되면, 범프 전극(2a)의 수가 많고 접합 면적이 큰 경우에도 접합 공정을 효과적으로 수행할 수 있게 된다.
가열 공정은 접합 공정 이전부터 접합 공정 이후까지 지속될 수 있는 데, 이 경우, 기판(3)의 측벽에 열에너지를 공급하기 위해, 또 다른 히터가 지지 베이스(8)의 측벽에 설치되는 데, 이는 필수적인 사항은 아니다. 부품(2)의 실장시, 디스펜서(19)에 의해 기판(3) 상의 실장 위치에 공급되어 부품(2)과 기판(3) 사이에 채워진 봉지재는, 상기한 바와 같은 가열 공정에 의해 경화되므로, 부품의 실장 공정과 동시에 봉지 공정이 수행된다. 그 결과, 후속되는 별도의 봉지 공정이 필요 없으며, 따라서 생산 원가를 절감시킬 수 있게 된다.
전술한 바와 같이, 초음파 진동의 수직성분이 작업면에 평행한 수평성분의 3%이내가 되도록 조절되므로, 큰 압박력을 가하는 경우에도, 초음파 접합 공정 중에 발생할 수 있는 범프 전극(2a)의 손상이나 심각한 변형을 방지할 수 있게 되며, 최적의 접합 조건을 제공할 수 있게 된다.
초음파 진동 에너지의 수직성분이 수평성분의 10%(바람직하게는 5%) 이내인 경우에는 범프 전극의 수가 어느 정도 큰 경우에도 접합 공정이 적절하게 이루어지지만, 수직 성분이 10% 이상이 되면 큰 압박력을 가하는 경우 범프 전극(2a)이 심각하게 변형될 우려가 있다. 50개 이상의 범프 전극(2a)을 갖는 부품(2)의 경우, 범프 전극(2a) 당 단위 부하가 30~50g이 되도록 조절하고, 이 단위부하에 범프 전극의 수를 곱한 값을 압박력으로 가하게 되며, 본 발명에 따르면 압박력이 각각의 범프 전극(2a)에 균등하게 작용하게 되므로, 범프 전극에 과도한 부하가 걸려 변형될 염려가 없게 된다.
제 2 실시예
다음에는, 그림 4를 참조하여 본 발명에 따른 부품 실장 장치의 제 2 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 실시예에 대해 설명하면서, 앞서의 실시예에 적용된 부품과 동일 부품에 대해서는 동일 도면 부호를 사용하며, 그에 대한 상세한 설명은 생략하고 차이점에 대해서만 기술하기로 한다.
본 실시예에서, 초음파 진동 발생기(24)는 비교적 강성이 큰 호온(27)을 구비하며, 호온(27)의 입력단으로부터 ё/2 만큼 떨어진 곳을 통과하도록 흡입 노즐(30)이 수직으로 설치된다. 이러한 구성에 의하면, 작업 유닛(31) 내부에 설치되어 있는 히터(32)를 통해 의해 열에너지를 공급하는 것에 의해, 필요로 하는 초음파 에너지나 압박력을 감소시킬 수 있게 된다. 그에 따라, 압박력이 작용되는 동안, 작업면(33)과 지지 베이스(8) 사이의 평행도를 원하는 설정 범위 이내로 유지할 수 있고, 작업면(33)에서의 초음파 진동 에너지의 수직성분을 수평성분의 10% 이내로 제한할 수 있으므로, 모든 범프 전극(2a)이 정확히 접합될 수 된다.
제 3 실시예
다음에는, 그림 5 내지 그림 12를 참조하여, 본 발명에 따른 부품 실장 장치의 제 3 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 먼저, 그림 5와 그림 6을 참조하면, 초음파 접합 헤드(21)는 고정 유닛(36)과 평행도 조절 메커니즘(27)을 매개로 스플라인 축(35)의 하부에 설치되며, 스플라인축(35)은 마운팅 헤드(5)의 구동 장치(22)에 의해 수직 방향으로 작동된다. 평행도 조절 메커니즘(37)은, 중앙 연결봉(37c)을 매개로 상부 플레이트(37a)와 하부 플레이트(37b)가 연결되고, 세 개의 조절 스크류(37d)가 상부 플레이트(37a)를 관통하여 그 하단부가 하부 플레이트(37b)의 상부와 접촉하도록 체결되어 구성되는 바, 각각의 조절 스크류(37d)의 체결 깊이를 조절하는 것에 의해 하부 플레이트(37b)의 경사가 조절된다. 초음파 접합 헤드(21)는 초음파 진동 발생기(24), 진동자(38), 지지 브라켓(39)을 포함하는 바, 지지 브라켓(39)의 상단(39a)은 평행도 조절 메커니즘(37)의 하부면에 고정된다.
진동자(38)는 블록 형태로 형성되되, 그 일단부의 기저면(40; basal face)은 초음파 진동 발생기(24)에 결합되고, 타단부에는 작업면(41)이 형성된다. 진동자(38)는 그 작업면(38a)이 수평을 이루는 상태에서 상향 경사지게 배치되며, 진동 모드의 노드에 해당되는 부분에 형성되어 있는 고정 유닛(38a)이 지지 브라켓(39)에 지지된다.
바람직하게, 진동자(38)는, 기저면(40)에 공급된 초음파 진동이 작업면(41) 내에서 작업면에 대해 대략 평행하게 될 수 있는 형태로 형성된다. 그러나 진동 방향이 작업면에 대해 정확하게 평행할 필요는 없으며, 5-35°정도 경사가 져도 무방하다. 지지 브라켓(39)의 윗면 중앙부에는 스플라인 축(35)의 축선을 공유하는 위치결정 홀(39b)이 형성되어 있으며, 지지 브라켓(39)의 하부에는 진동자(38)가 삽입되는 홈(45)이 형성되고, 그 양측에는 한 쌍의 대향 플레이트(46)가 설치된다. 히터로 작용하는 카트리지 히터(47)는 각각의 대향 플레이트(46) 내부에 진동자(38)의 단부를 마주 보게 설치된다. 이와 같이 설치된 히터(47)는 플레이트(46)를 가열하게 되며, 진동자의 작업면(41) 인접부는 그 복사열에 의해 가열된다.
초음파 진동 발생기(24)와 진동자(38)를 연결하는 연결봉(42)의 주위에는 냉각 유닛 또는 온도 유지 유닛으로 작용하는 냉각 챔버(43)가 제공됨으로서, 유입구(43a)를 통해 유입되어, 배출구(43b)를 통해 배출되는 냉각 공기에 의해, 연결봉(42)과 초음파 진동 발생기(24)가 냉각되면서 가열된 진동자(38)로부터 전달되는 열을 발산시키게 되며, 따라서, 초음파 진동 발생기(24)의 과열에 의한 성능 저하나 파손을 방지할 수 있게 된다. 또한, 온도 검지부로 작용하는 열전대(44; thermocouple)을 연결봉(42) 내부에 설치하게 되면, 온도 상승에 의한 접합 불량이나 초음파 진동 성능의 저하를 미연에 방지할 수 있게 된다.
상기한 구성에 따르면, 그림 7에 도시된 바와 같이, 기판(3)은 지지 베이스(8) 상에 장착되고, 접합 대상 부품(2)은 그 위에 배치된다. 즉, 진동자에 설치되는 흡입 장치에 의해 부품(2)이 보지되어 있는 상태에서 스플라인 축(35)이 하강하여 초음파 접합 헤드(21)를 지지 베이스(8) 쪽으로 이동시킴으로서, 미리 설정된 압박력이 지지 브라켓(39)에 작용함과 동시에 진동자(38)의 작업면(41)과 지지 베이스(8)의 상부면 사이에 기판(3)과 부품(2)이 끼워지는 상태가 된다. 이 같은 조건하에서, 초음파 진동 발생기(24)에 의해 진동자(38)의 기저면(40)에 초음파 진동이 공급되고, 카트리지 히터(47)가 작동된다.
작업면(41)은 접합면의 초음파 진동에 평행하게 유지되며, 압박력은 지지 브라켓(39)에 의해 진동자(38)에 가해진다. 카트리지 히터(47)는 대향 플레이트(46)의 하부를 가열하며, 그로부터 방사되는 열이 작업면(41) 인접부를 가열하게 된다. 작업면에 전달된 열은 도면에 화살표로 도시된 바와 같이 부품(2)측으로 전달되며, 그에 따라 기판(3)과 부품(2) 사이의 접합면에 열에너지가 공급된다. 이와 같이, 부품(2)과 기판(3) 간의 접합면과 작업면(41) 사이에 평행도가 유지되고, 압박력이 작용하는 상태에서, 초음파 에너지를 공급하기 위해 초음파 진동이 가해지고, 동시에 열에너지가 공급된다. 따라서 접합 면적이 큰 경우에도 접합면이 전체적으로 신뢰성 있게 접합된다. 만일, 기판(3)과 부품(2) 사이에 미리 봉지재를 배치하면, 봉지재는 접합과 동시에 경화되며, 그 결과, 후속되는 별도의 봉지재 주입/경화 공정이 필요 없으며, 따라서 생산 원가를 절감시킬 수 있게 된다. 또한, 본 실시예에 따르면, 카트리지 히터(47)가 대향 플레이트(46)에 설치되고, 진동자(38)는 그 방사열에 의해 가열되기 때문에, 초음파 진동 시스템은 열에 의한 악영향을 받지 않게 된다. 또한, 카트리지 히터(47)를 사용함으로서, 시스템을 저가, 저비용으로 구성할 수 있게 된다. 또한, 초음파 진동 발생기(24)가 냉각 챔버(43)에 의해 냉각되어, 카트리지 히터(47)로부터 발생하는 열이 초음파 진동 발생기(24)에 전혀 전달되지 않으므로, 초음파 진동 발생기의 성능 저하나 손상을 방지할 수 있게 된다. 더욱이, 열전대(44) 등의 온도 검지 부재가 초음파 진동 발생기(24)와 진동자(38) 사이에 배치되어 있는 연결봉(42)에 설치되어 있으므로, 초음파 진동 발생기(24) 쪽으로는 고온이 전달되지 않으며, 따라서, 온도 상승에 의한 접합 불량이나 성능 저하를 미연에 방지할 수 있게 된다.
본 실시예에서는 카트리지 히터(47)가 대향 플레이트(46) 내부에 설치된 형태를 예로 들어 설명하였으나, 본 발명의 히터는 이 형태에 한정되는 것은 아니다. 일례로, 그림 8A에 도시된 제1 변형예와 같이, 대향 플레이트(46) 중 적어도 어느 한쪽을 지지 브라켓(39)에 대해 분리 가능하게 설치하고, 카트리지 히터(47)를 이 플레이트(46)의 내부에 설치하는 것이 가능하다.
대향 플레이트(46)로부터 진동자(38) 측으로 복사되는 열전도율을 증대시키기 위해서는, 그림 8B에 도시된 바와 같이, 진동자(38)와 플레이트(46)의 서로 마주보는 면중 적어도 어느 일측에 열전도 핀(48)을 설치하는 것이 바람직하다. 또한, 그림 9A에 도시된 제2 변형예와 같이, 카트리지 히터(47) 대신에 판상 세라믹 히터(49)를 대향 플레이트(46) 상에 진동자(38)를 마주보게 설치하는 것도 가능하며, 이 경우 대상 면적을 균일하게 가열할 수 있게 된다. 그림 9B에 도시된 바와 같이, 진동자(38)와 세라믹 히터(49) 사이의 대향면 중 적어도 어느 일측에 열전도 핀(48)을 설치하면, 복사에 의한 열전도율이 증진된다.
또한, 그림 10A에 도시된 제3 변형예와 같이, 대향 플레이트(46)의 일측면에 카트리지 히터(47) 대신 열기 블로어(50; hot-air blower)를 진동자(38)와 마주보게 설치하는 것도 가능하며, 뜨거운 공기가 진동자(38)와 직접 접촉되므로, 신속하고 균일하게 가열할 수 있게 된다. 그림 10B에 도시된 바와 같이, 진동자의 양측면에 열전도 핀(48)을 설치하면, 분사되는 뜨거운 공기와의 열교환율이 증대되고, 그에 따라, 진동자(38)로의 열전도율이 향상된다.
또한, 그림 11에 도시된 제4 변형예와 같이, 진동자(38)에 열매체 통로(51)를 형성하고, 열매체 공급장치(52)에 의해 뜨거운 공기 등의 열매체가 열매체 통로(51)에 공급되도록 하는 것도 가능하며, 이 경우 진동자(38)는 그 내부로부터 직접 가열되어 가열 대상 부분을 더욱 효과적으로 가열할 수 있게 된다. 열매체 공급장치(52)는 작업면(41) 근방에 설치하는 것이 바람직하다. 또한, 그림 12와 같이, 레이저 등의 열선을 진동자(38)의 작업면 인접부에 조사하는 열선 조사기(53; heat ray emitter)가 설치될 수 있는 바, 작업면 인접부가 비 접촉 방식으로 효과적으로 가열될 수 있다. 만일, 전자파를 작업면 인접부에 조사하는 전자파 조사수단을 열선 조사기(53) 대신에 배치하고, 진동자를 강자성체로 형성하면, 작업면(41) 인접부는 전자 유도에 의해 가열된다.
제 4 실시예
다음에는, 본 발명에 따른 부품 실장 장치 및 방법의 제 4 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 먼저, 마운팅 헤드(5)의 주요 실시예를 그림 13 내지 그림 16을 참조하여 설명한다. 그림 13에서, 초음파 접합 헤드(13)는 초음파 진동 발생기(24)와, 진동자(54)와, 지지 브라켓(55)을 포함한다. 그림 16을 참조하면, 진동자(54)는, 베이스 유닛(54a)과 베이스 유닛의 양쪽으로 한 쌍의 분기부(54b; branch) 및 돌출부(54c; projection)가 형성되어 있는 Y형 유닛을 구비하며, 초음파 진동 발생기(24)는 베이스 유닛(54a)의 기저면(56)에 결합된다. 한 쪽 분기부(54b)의 단부면이 수평으로 놓여 작업면(57) 역할을 할 수 있도록, 진동자(54)와 초음파 진동 발생기(24)는 상향 경사진 형태로 지지 브라켓(55)에 결합된다. 진동자(54)의 형상은 그림 13 및 그림 16에 도시된 바와 같은 형상을 갖는다. 즉, 진동자의 형상은, 초음파 진동 발생기(24)에 의해 설정 주파수의 수직 진동모드를 갖는 초음파 진동이 화살표 A로 도시된 바와 같이 기저면(56)에 가해지는 경우, 작업면(57)이 화살표 B와 같이 수평방향으로 초음파 진동하여, 진동 모드의 노드가 직업면의 수직축선 상에서 작업면에 위치할 수 있도록 설계된다. 진동자(54)는 그 양측면의 노드(58)에 대응되는 위치에 돌출 형성된 각형(prism-like)의 압박 유닛(59; loading unit)을 구비하며, 이 압박 유닛(59)이 지지 브라켓(55)에 결합된다.
지지 브라켓(55)의 상부면에는 스를라인 축(35)과 동심으로 위치결정 홀(60)이 형성되어 있고, 지지 브라켓(55)하부에는 진동자(54)가 삽입되는 홈(61)이 형성되어 있으며, 홈(61)의 양측에는 한 쌍의 지지 플레이트(62)가 설치된다. 양쪽 지지 플레이트(62)의 하부 중앙부에는, 압박 유닛(59)이 아래쪽으로부터 삽입될 수 있도록 각형 노치가 형성되어 있다. 카트리지 히터(47)는, 각각의 지지 플레이트(62) 하부에 결합된 뚜껑(64) 내부에 설치되어, 플레이트(62)의 하부를 가열하게 되며, 플레이트로부터 복사되는 열에 의해 진동자(54)의 작업면(57) 인접부가 순차적으로 가열된다.
그림 16에 도시된 구성에 따르면, 기판(3)은 지지 베이스(8) 상에 놓여진다. 부품(2)은 흡입 장치에 의해 보지되어 초음파 접합 헤드(21)의 진동자(54)에 의해 이송되며, 스플라인 축(35)이 하강하여 초음파 접합 헤드(21)가 지지 베이스(8) 쪽으로 하향 이동됨에 따라, 진동자(54)의 작업면(57)과 지지 베이스(8)의 상부면 사이에 기판(3)과 부품(2)이 끼워지게 되며, 미리 설정된 압박력이 스플라인 축(35)을 통해 지지 브라켓(55)에 가해진다. 이 상태에서, 초음파 진동 발생기(24)에 의해 진동자(54)의 기저면(56)에 초음파 진동이 공급되고, 카트리지 히터(47)가 작동된다.
진동자(54)의 작업면(57)은 그 면에 실질적으로 평행하게 진동하게 되며, 그림 16에 중공 화살표로 나타낸 바와 같이, 지지 브라켓(55)으로부터의 압박력(65)이 진동자(54)의 진동 모드의 노드(58)에 해당하는 곳에 위치한 압박 유닛(59)에 가해진다. 압박 유닛(59)은 작업면(57)의 직상부에 배치되어 있기 때문에, 압박력(65)은 작업면에 100% 수직인 방향으로 작용하게 된다. 각각의 지지 플레이트(62)의 하부는 카트리지 히터(47)에 의해 가열되며, 작업면(57)의 인접부는 복사열에 의해 가열된다.
파선으로 나타낸 바와 같이, 복사열은 부품(2)에 도달하여, 부품(2)의 범프 전극(2a)과 기판(3)의 리드 사이의 접합면에 열에너지를 공급하게 된다. 이와 같은 방법으로, 부품(2)과 기판(3)간의 접합면과 작업면(57) 사이의 평행도가 정밀하게 유지되고, 큰 압박력이 작용함과 동시에, 열에너지가 공급되는 상태에서, 대량의 초음파 에너지가 초음파 진동에 의해 공급될 수 있다. 따라서 부품(2)에 형성되어 있는 범프 전극(2a)의 수가 많아서 접합 면적이 큰 경우에도, 모든 범프 전극(2a)이 기판(2)의 리드에 신뢰성 높게 접합될 수 있게 된다. 또한, 기판(3) 상의 부품이 배치될 위치에 도포되어, 부품의 실장시 부품(2)과 기판(3) 사이의 공간에 채워지는 봉지재가 열에너지에 의해 경화되므로, 부품(2)의 접합 공정과 봉지 공정이 동시에 수행된다.
본 실시예에 적용되는 히터는 지지 플레이트(62) 내부에 설치되는 카트리지 히터(47)로, 발생된 열이 진동자(54)에 방사되기 때문에, 초음파 진동 시스템은 열에 의한 악영향을 받지 않게 되며, 카트리지 히터(47)를 사용함으로서, 시스템을 저가, 저비용으로 구성할 수 있게 된다. 전술한 제3 실시예와 유사하게, 초음파 진동 발생기(24)를 냉각하기 위한 냉각 유닛(66)이나 온도 유지 유닛을 그림 13에 이점 쇄선으로 도시한 바와 같이 설치하는 것이 바람직하며, 또한, 카트리지 히터(47)에 의한 진동자(54)의 가열로 인해 초음파 진동 발생기(24)가 고온에 노출되는 것을 방지하기 위해 초음파 진동 발생기(24) 또는 그 인접부에 온도 검지기(67)가 설치될 수 있다. 냉각 유닛(66)으로, 찬 공기를 초음파 진동 발생기(24) 근처에 불어줄 수 있는 유닛을 사용하는 경우, 진동 시스템에 미치는 영향을 최소화시킬 수 있으므로 바람직하다. 온도 검지기(57)로는, 열전대를 진동 시스템에 영향을 미치지 않는 위치에 설치하는 것이 바람직하다. 냉각 유닛(66)에 의해 초음파 진동 발생기(24)의 과열이 방지되며, 따라서 접합 불량을 방지할 수 있게 되며, 또한, 온도 검지기(67)에 의해 초음파 진동 발생기(24)의 성능 저하를 방지할 수 있게 된다.
본 실시예의 경우, 히터의 일례로, 지지 브라켓(55)의 지지 플레이트(62) 고정된 뚜껑의 내부에 카트리지 히터(47)를 설치한 것을 예시하고 있으나, 본 발명은 예시된 히터에 한정되는 것은 아니며, 앞서의 제 3 실시예에 적용된 그림 8A 내지 그림 12의 변형 실시예가 본 실시예에도 유사하게 적용될 수 있다. 예를 들어, 그림 17A에 도시된 제 1 변형예는, 카트리지 히터(47)를 각각의 지지 플레이트(62) 내부에 설치하되, 지지 플레이트(62) 중 적어도 어느 하나를 지지 브라켓(55)에 대해 분리 가능하게 설치하고, 진동자(54)의 양 측면에 돌출 형성된 압박 유닛(59)을 지지 플레이트(62)에 형성된 지지홀에 열절연체(68)을 개재하여 끼워 맞춘 예를 나타낸다. 그림 17B는 지지 플레이트(46)로부터 진동자(38) 측으로 복사되는 열전도율을 증대시키기 위해서, 진동자(54)와 지지 플레이트(46)의 서로 마주보는 면 중 적어도 어느 일측에 열전도 핀(48)을 설치한 예를 나타낸다.
그림 18A에 도시된 제 2 변형예는, 카트리지 히터(47) 대신에 판상 세라믹 히터(49)를 지지 플레이트(46) 상에 진동자(54)를 마주보게 설치한 예를 나타내며, 대상 면적을 균일하게 가열할 수 있게 된다. 그림 18B에 도시된 바와 같이, 진동자(54)와 세라믹 히터(49) 사이의 대향면중 적어도 어느 일측에 열전도 핀(48)을 설치하면, 복사에 의한 열전도율이 증진된다. 또한, 그림 19A에 도시된 제 3 변형 예와 같이, 지지 플레이트(46)의 일측면에 카트리지 히터(47) 대신 열기 블로어(50)를 진동자(38)와 마주보게 설치하는 것도 가능하며, 뜨거운 공기가 진동자(54)와 직접 접촉되므로, 신속하고 균일하게 가열할 수 있게 된다.
그림 19B에 도시된 바와 같이, 진동자(54)의 양 측면에 열전도 핀(48)을 설치하면, 분사되는 뜨거운 공기와의 열 교환율이 증대되고, 그에 따라, 진동자(54)로의 열전도율이 향상된다. 또한, 그림 20에 도시된 제 4 변형예와 같이, 진동자(54)에 열매체 통로(51)를 형성하고, 도면에 화살표로 도시된 바와 같이, 열매체 공급장치(52)에 의해 뜨거운 공기 등의 열매체가 열매체 통로(51)에 공급되도록 하는 것도 가능하며, 이 경우 진동자(54)는 그 내부로부터 직접 가열되어 가열 대상 부분을 더욱 효과적으로 가열할 수 있게 된다.
열매체 공급장치(52)는 작업면(57) 근방에 설치하는 것이 바람직하다. 또한, 그림 21에 도시된 제 5 변형예와 같이, 레이저 등의 열선을 진동자(54)의 작업면 인접부에 조사하는 열선 조사기(53)가 설치될 수 있는 바, 이에 따르면, 작업면 인접부가 비 접촉 방식으로 효과적으로 가열될 수 있다. 만일, 전자파를 작업면(57) 인접부에 조사하는 전자파 조사수단을 열선 조사기(53) 대신에 배치하고, 진동자를 강자성체로 형성하면, 작업면(57) 인접부는 전자 유도에 의해 가열된다.
한편, 전술한 실시예는, 진동자(38, 54)를 단일체로 구성한 것을 예로 들었으나, 실장되는 부품(20)의 크기나 형태에 부응되는 최적의 작업면(41, 57)을 제공하기 위해서는, 부품(2)의 사양이 바뀌는 경우 초음파 접합 헤드(21)를 전체적으로 교체해야 한다는 단점이 있으며, 초음파 접합 헤드(21)는 고가이므로, 각각의 부품(2)의 사양에 맞는 다수의 초음파 접합 헤드(21)를 갖추는 경우 장치 비용이 상승한다는 단점이 있다. 따라서 진동자(38, 54)의 작업면(41, 57) 인접부를 분리 가능한 분할편(41a, 57a)으로 구성하는 것이 바람직하다. 이러한 분할편(41a, 57a)은, 볼트(70)에 의해 진동자(38, 54)에 탈착 가능하게 고정되는 바, 여러 개의 볼트를 사용할수록 접촉 면적 및 접촉 강도가 증대되고, 초음파 전달 효율이 향상된다.
그림 22는 분할편과 진동자의 접촉면이 초음파 진동 방향에 평행인 것을 예로 들었으나, 접촉면이 진동 방향에 직각이 되도록 하거나, 분할편을 하나의 면 이상을 사용하여 고정하는 것이 더욱 바람직하다. 압력 볼트 또는 압력 볼트와 경사 맞춤면 즉 쐐기(wedge)를 조합한 구성이, 분할편을 고정시키는 데 조임 볼트 대신에 적용될 수 있다.
전술한 실시예는, 복수의 범프 전극(2a)이 형성되어 있는 부품(2)을 기판(3)상에 실장하는 것을 예로 들어 설명했으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 초음파 접합 헤드에 의한 초음파 진동을 이용해 임의의 부품을 실장 대상물에 실장하거나 복수개의 부품을 임의의 대상에 실장하는 데 유용하게 적용될 수 있다.
