JP2003145282A

JP2003145282A - 超音波振動接合装置

Info

Publication number: JP2003145282A
Application number: JP2001344065A
Authority: JP
Inventors: Takanori Okita; 孝典沖田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2001-11-09
Filing date: 2001-11-09
Publication date: 2003-05-20

Abstract

(57)【要約】【課題】超音波振動による接合にあたって、ヒータを
併用しながら、超音波発振子を昇温によって破壊させる
ことなく、効率的に接合を行う。【解決手段】超音波振動接合装置１０は、超音波領域
の周波数を有する振動を発振する超音波発振子１と、前
記超音波発振子に接続され、前記超音波領域の周波数を
有する振動を伝達する超音波ホーン２と、前記超音波ホ
ーンの前記超音波領域の周波数を有する振動の最大振幅
部に取り付けられ、前記接合体を加熱するヒータ４と、
前記超音波ホーンを冷却する冷却部６とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波振動による
加熱によって接合体を接合する超音波振動接合装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】複数の部材を基材上に接合しようとする
場合に、接着剤等を使うことなく簡易に接合する方法と
して、部材に超音波領域の周波数（約２０ｋＨｚ以上）
を有する振動を加振して部材を接合する超音波振動接合
の方法が知られている。

【０００３】また、ヒータ等での加熱を併用して超音波
領域の周波数を有する振動（以下、「超音波振動」とい
う。）を印加する超音波振動接合の方法も種々試みられ
ている。例えば、特許第３０７８２３１号公報には、図
６に記載のように、超音波振動の最大振幅部に接合体と
接触させる接合作用部を備え、超音波振動の最小振幅部
に加熱用のヒータを取り付けた超音波接合装置が開示さ
れている。また、特開昭６０−８７９８５号公報には、
超音波振動させた加熱ツールで超音波ボンディングする
超音波ボンディング装置が開示されている。さらに、特
開昭６２−１４０８２３号公報には、超音波振動を伝え
られると共に、誘導コイルにより誘導加熱された溶接工
具で溶接する溶接装置が開示されている。またさらに、
特開平９−１６８８７６号公報には、被溶接物を置くア
ンビルを加熱して、アンビルから被溶接物に伝熱させる
とともに、超音波振動させて被溶接物を溶接する超音波
溶接装置が開示されている。また、特開２０００−２０
０９６１号公報には、最大振動振幅点に超音波振動の振
動作用部を備え、最小振幅点にヒータを備えた超音波振
動接合装置が開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のようにヒータを
併用して加熱する場合、超音波ホーン、さらに超音波発
振子にも伝熱して、超音波発振子が昇温して破壊される
場合がある。この超音波発振子の破壊を防ぐための冷却
設備を備えるために装置が大型化していた。

【０００５】また、接合の対象物が半導体チップのよう
に小さく、接合作用面が半導体チップより大きい場合に
は、超音波振動の印加時のスリップによって接合作用面
が摩耗し、くぼみが発生し、半導体チップを傷つける場
合がある。

【０００６】そこで、本発明の目的は、超音波振動によ
る接合にあたって、ヒータを併用しながら、超音波発振
子を昇温によって破壊させることなく、効率的に接合を
行うことである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る超音波振動
接合装置は、超音波領域の周波数を有する振動を発振す
る超音波発振子と、前記超音波発振子に接続され、前記
超音波領域の周波数を有する振動を伝達する超音波ホー
ンと、前記超音波ホーンの前記超音波領域の周波数を有
する振動の最大振幅部に取り付けられ、前記接合体を加
熱するヒータと、前記超音波ホーンを冷却する冷却部と
を備えることを特徴とする。

【０００８】また、本発明に係る超音波振動接合装置
は、前記超音波振動接合装置であって、前記冷却部は、
ペルチエ素子を含むことを特徴とする。

【０００９】またさらに、本発明に係る超音波振動接合
装置は、前記超音波振動接合装置であって、前記超音波
ホーンは、前記ヒータを貫く鉛直軸を回転中心として回
転可能であることを特徴とする。

【００１０】また、本発明に係る超音波振動接合装置
は、前記超音波振動接合装置であって、前記ヒータは、
前記接合体と接触する接触部が前記接合体より小さいこ
とを特徴とする。

【００１１】さらに、本発明に係る超音波振動接合装置
は、前記超音波振動接合装置であって、前記ヒータは、
凹部形状を有し、該凹部形状の内側側面で前記接合体を
把持することを特徴とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態に係る超音波
振動接合装置について、添付図面を用いて以下に説明す
る。なお、同一符号を付した部材は同一部材を示すもの
とする。

【００１３】実施の形態１．本発明の実施の形態１に係
る超音波振動接合装置について、図１を用いて以下に説
明する。この超音波振動接合装置１０は、図１に示すよ
うに、超音波領域の周波数を有する振動（超音波振動）
を発振する超音波発振子１と、該超音波発振子１と接続
され、一方の長手方向に延在し、該振動を伝達する超音
波ホーン２と、該超音波ホーン２の超音波振動の最大振
幅部に取り付けられ、接合体を加熱するヒータ４と、超
音波ホーン２を冷却する冷却部６とを備えている。この
場合、ヒータ４は、超音波振動を接合体（図示せず）に
作用させる接合作用面側に設けられ、冷却部６は超音波
ホーン２に面する側に設けられている。この超音波振動
接合装置では、ヒータ４で接合体を加熱しながら、超音
波振動を加振させて、接合体を基材に接合させることが
できる。この場合に、ヒータ４を併用することによっ
て、超音波振動のみで加熱する場合よりも接合体を効率
的に接合させることができる。また、ヒータ４に対し
て、超音波ホーン２を冷却する冷却部６を設けているの
で、超音波ホーン２内の温度を一定に保持して材料内音
速を一定に保つことができる。

【００１４】また、この超音波振動接合装置は、超音波
ホーン２を支持部５で支えている片持ち型である。この
場合、共振時には支持部５の箇所が超音波振動の節の箇
所となる。また、図１の（ａ）及び（ｂ）に示すよう
に、超音波ホーン２で超音波振動の振幅が最大となる箇
所に、超音波振動を接合体に作用させる接合作用面３を
配置する。これにより効果的に超音波接合を行うことが
できる。この超音波振動の周波数は、約２０ｋＨｚ以上
である。さらに、図１の（ａ）に示すように、接合体と
接する接合作用面３側に接合体を加熱するヒータ４を設
け、超音波ホーン２側にヒータ４からの伝熱で同時に加
熱される超音波ホーン２を冷却する冷却部６を設けてい
る。なお、超音波振動は疎密波であるので、実際の変位
方向は超音波ホーン２の長手方向であるが、図１の
（ｂ）では便宜上、超音波ホーンの長手方向の各位置で
の超音波振動の振幅を長手方向に対して垂直方向で変化
する横波として示している。

【００１５】また、このヒータ４としては、セラミック
ヒータを用いてもよい。セラミックヒータは加熱、冷却
が容易であり、超音波ホーン２、さらに超音波発振子１
への伝熱を最小限に抑えて超音波発振子１での昇温を抑
制することができ冷却を容易にできる。これによって装
置をコンパクトにすることができる。一方、この超音波
ホーン２側に設ける冷却部６は、例えば、ペルティエ素
子を用いることができる。

【００１６】なお、この超音波振動接合装置は、半導体
チップを基材にバンプボンドで接合する場合や、ワイヤ
ボンドする場合に用いることができる。また、これに限
られず、微小な接合体の溶接や接合に用いることができ
る。

【００１７】実施の形態２．本発明の実施の形態２に係
る超音波振動接合装置について、図２を用いて説明す
る。この超音波振動接合装置は、実施の形態１に係る超
音波振動接合装置と比較すると、図２に示すように、超
音波ホーン２を両端の支持部５ａ、５ｂで支持する両持
ち型である点で相違する。この場合、共振時に、各支持
部５ａ、５ｂは超音波振動の節となる。また、ここでは
超音波振動の波長をｌとすると、支持部５ａ、５ｂとの
間を超音波振動の１．５波長分（１．５ｌ）としてい
る。なお、各支持部５ａ、５ｂが節となるように適宜調
整すればよく、その間隔は２波長分あるいは半波長を単
位とする間隔とすることができる。また、片持ち型だけ
でなく両持ち型とすることができるので、より安定に超
音波振動接合を行うことができる。なお、片持ち型、両
持ち型のいずれを用いてもよい。

【００１８】実施の形態３．本発明の実施の形態３に係
る超音波振動接合装置について、図３を用いて説明す
る。この超音波振動接合装置は、実施の形態１に係る超
音波振動接合装置と比べると、図３に示すように、超音
波ホーン２の長手方向が、ヒータの接合作用面３を貫く
鉛直軸を中心に水平面内で回転可能となっている点で相
違する。これにより、接合体に合せて超音波振動を印加
する加振方向を設定することができる。

【００１９】例えば、図３に示すように、基材２０の上
に半導体チップ２２ａを接合して、基材２０に接合され
た半導体チップ２２ｂを得る場合について説明する。こ
の場合、基材２０上で搬送される半導体チップ２２ａの
接合箇所が複数箇所ある場合に、超音波接合装置１０の
超音波ホーン２の長手方向を水平面内で回転させて加振
方向を適宜変更することができる。なお、超音波ホーン
２は、鉛直軸について回転させる場合に限られず、水平
面内の軸について回転させてもよい。

【００２０】実施の形態４．本発明の実施の形態４に係
る超音波振動接合装置について、図４を用いて説明す
る。この超音波振動接合装置は、実施の形態１に係る超
音波振動接合装置と比べると、図４に示すように、接合
作用面３のサイズは、接合体、例えば、半導体チップ３
２のサイズより小さい。このようにヒータの接合作用面
３のサイズを半導体チップ３２より小さくすることによ
って、超音波振動の印加時にスリップによって生じる摩
耗量をヒータの接合作用面３の全面で均一とすることが
できる。これによって、凹凸の発生を防止し、ヒータ３
４の寿命を延ばすことができる。

【００２１】例えば、図４に示すように、接合体として
半導体チップ３２を用い、バンプを介して基材と接合さ
せようとする場合について説明する。この場合、ヒータ
３４の接合作用面３に、バンプ３５を設けた半導体チッ
プ３２を接触させる。このとき、ヒータ３４の接合作用
面３は、半導体チップ３２の面積より小さい面積として
いる。

【００２２】実施の形態５．本発明の実施の形態５に係
る超音波振動接合装置について、図５を用いて説明す
る。この超音波振動接合装置では、図５に示すように、
実施の形態１に係る超音波振動接合装置と比較すると、
ヒータ３４の接合作用面を凹部形状とし、接合体である
半導体チップ３２を該凹部形状の内側側面に内接させて
把持する点で相違する。これによって超音波振動の印加
時のスリップを小さくすることができ、半導体チップ３
２の接合効率を向上させることができる。なお、ヒータ
３４の接合作用面の凹部形状は、所定の傾斜を有する平
面又は曲面で構成することができる。

【００２３】

【発明の効果】本発明に係る超音波振動接合装置によれ
ば、超音波ホーンの超音波振動の最大振幅部に取り付け
られ、接合体を加熱するヒータと、超音波ホーンを冷却
する冷却部とを備えている。このようにヒータを併用す
ることによって、超音波振動のみで加熱する場合よりも
接合体を効率的に接合させることができる。また、ヒー
タに対して、超音波ホーンを冷却する冷却部を設けてい
るので、超音波ホーン内の温度を一定に保持して材料内
音速を一定に保つことができる。

【００２４】また、本発明に係る超音波振動接合装置に
よれば、冷却部にペルティエ素子を含んでいるので、冷
却の制御を容易に行うことができる。

【００２５】またさらに、本発明に係る超音波振動接合
装置によれば、超音波ホーンの長手方向が、ヒータの接
合作用面を貫く鉛直軸を中心に水平面内で回転可能とな
っている。これにより、接合体に合せて超音波振動を印
加する加振方向を設定することができる。

【００２６】また、本発明に係る超音波振動接合装置に
よれば、ヒータの接合作用面のサイズは、接合体のサイ
ズより小さい。これによって、超音波振動の印加時にス
リップによって生じる摩耗量をヒータの接合作用面の全
面で均一とすることができる。これによって、凹凸の発
生を防止し、ヒータの寿命を延ばすことができる。

【００２７】さらに、本発明に係る超音波振動接合装置
によれば、ヒータの接合作用面を凹部形状とし、接合体
である半導体チップを該凹部形状の内側側面に内接させ
て把持する。これによって超音波振動の印加時のスリッ
プを小さくすることができ、接合効率を向上させること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、本発明の実施の形態１に係る超音
波振動接合装置の概略図であり、（ｂ）は、（ａ）の超
音波発振子から発振される超音波振動の振幅と位置との
関係を示すグラフである。

【図２】（ａ）は、本発明の実施の形態２に係る超音
波振動接合装置の概略図であり、（ｂ）は、（ａ）の超
音波発振子から発振される超音波振動の振幅と位置との
関係を示すグラフである。

【図３】本発明の実施の形態３に係る超音波振動接合
装置の概略図である。

【図４】本発明の実施の形態４に係る超音波振動接合
装置の概略図である。

【図５】本発明の実施の形態５に係る超音波振動接合
装置の概略図である。

【図６】（ａ）は、従来の超音波振動接合装置の概略
図であり、（ｂ）は、（ａ）の超音波発振子から発振さ
れる超音波振動の振幅と位置との関係を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

１超音波発振子、２超音波ホーン、３接合作用
面、４ヒータ、５、５ａ、５ｂ支持部、６冷却
部、１０超音波振動接合装置、２０基材、２２ａ半
導体チップ（接合前）、２２ｂ半導体チップ（接合
後）、３２半導体チップ、３４ヒータ、３５バン
プ、５１超音波発振子、５２超音波ホーン、５３
接合作用部、５４ヒータ、５５支持部、６０超音
波接合装置、６１接合作用面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超音波領域の周波数を有する振動を発振
する超音波発振子と、前記超音波発振子に接続され、前記超音波領域の周波数
を有する振動を伝達する超音波ホーンと、前記超音波ホーンの前記超音波領域の周波数を有する振
動の最大振幅部に取り付けられ、前記接合体を加熱する
ヒータと、前記超音波ホーンを冷却する冷却部とを備え
ることを特徴とする超音波振動接合装置。
【請求項２】前記冷却部は、ペルチエ素子を含むこと
を特徴とする請求項１に記載の超音波振動接合装置。
【請求項３】前記超音波ホーンは、前記ヒータを貫く
鉛直軸を回転中心として回転可能であることを特徴とす
る請求項１又は２に記載の超音波振動接合装置。
【請求項４】前記ヒータは、前記接合体と接触する接
触部が前記接合体より小さいことを特徴とする請求項１
から３のいずれか一項に記載の超音波振動接合装置。
【請求項５】前記ヒータは、凹部形状を有し、該凹部
形状の内側側面で前記接合体を把持することを特徴とす
る請求項１から３のいずれか一項に記載の超音波振動接
合装置。