JP2006086345A

JP2006086345A - 超音波接合方法および超音波接合装置

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Publication number: JP2006086345A
Application number: JP2004269749A
Authority: JP
Inventors: Yuzo Higashiyama; 祐三東山
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2004-09-16
Filing date: 2004-09-16
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2024-09-16
Also published as: JP4548059B2

Abstract

【課題】超音波印加直後のバンプが潰れる速度を制御することで、バンプに十分に超音波を印加し、接合強度の高い超音波接合方法を得る。
【解決手段】一方主面にバンプが形成された部品４の他方主面にボンディングツールを接触させ、部品４に押圧力と超音波振動とを印加してバンプを被接合面２に接合する超音波接合方法であって、バンプを被接合面に接合する初期に、超音波を印加しながらボンディングツールをほぼ一定の速度で降下させ、バンプの潰れ速度を制御する第１の工程と、第１の工程の後、超音波を印加しながらボンディングツールに対してほぼ一定の押圧荷重を印加し、バンプを被接合面に接合する第２の工程とを有する。接合初期のバンプ潰れ速度を遅く制御することで、バンプを徐々に潰し、接合部に超音波振動を十分に作用させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は部品に押圧力と超音波振動を加えて被接合面に対して接合する超音波接合方法および超音波接合装置に関するものである。

半導体素子や圧電素子などの電子部品を基板などにフリップチップ実装する際に、超音波接合装置が広く用いられている。
一般に、超音波接合装置は、一方主面にバンプが形成された部品の他方主面をボンディングツールで吸着保持し、部品に押圧力と超音波振動とを印加してバンプを被接合面に接合するものである。

特許文献１には、ボンディング動作時に、まずバンプ付き電子部品を第１の押圧荷重Ｆ１で押圧し、次いで第１の押圧荷重Ｆ１より小さな第２の押圧荷重Ｆ２で押圧するとともに電子部品に超音波振動を付与するようにしたボンディング方法が開示されている。これにより、基板の高低差やバンプ高さばらつきがある場合でも、バンプと基板の電極との当接状態を均一にして接合強度に優れたボンディングを行うことが可能である。
しかし、荷重を印加しながら超音波を印加するプロセスの場合、超音波を印加した瞬間にバンプの剛性が低下してしまうため、超音波印加直後の非常に短い時間（数ｍｓ）にバンプがある程度潰れてしまう。その時に潰れた部分には十分な超音波エネルギーが加えられないため、最初に潰れた部分が基板に十分に接合しない。つまり、最初に潰れた部分であるバンプの中央部分が十分に接合しないため、接合強度が弱いという問題があった。
特開平１１−２６５９１３号公報

特許文献２には、電子部品のバンプを基板のパッド電極に、荷重を増加印加しながら当接する第１の工程と、荷重を増加印加しながら超音波振動を印加して融着する第２の工程と、一定荷重または荷重を減少印加しながら、超音波振動を印加して融着する第３の工程とでフリップチップ実装する方法が開示されている。
しかしながら、超音波振動を印加する第２の工程において、荷重を増加印加しているため、特許文献１と同様に超音波印加直後の非常に短い時間にバンプが潰れてしまい、バンプの中央部分が十分に接合しないという問題がある。
特開２００２−４３３５４号公報

そこで、本発明の目的は、超音波印加直後のバンプが潰れる速度を制御することで、バンプに十分に超音波を印加し、接合強度の高い超音波接合方法および超音波接合装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、一方主面と他方主面とを持つ部品の他方主面にボンディングツールを接触させ、部品に押圧力と超音波振動とを印加して、部品の一方主面をバンプを介して被接合面に接合する超音波接合方法において、上記バンプを被接合面に接合する初期に、上記超音波を印加しながらボンディングツールを所定の速度で降下させ、バンプの潰れ速度を制御する第１の工程と、上記第１の工程の後、上記超音波を印加しながらボンディングツールに対して所定の押圧荷重を印加し、部品の一方主面をバンプを介して被接合面に接合する第２の工程と、を有することを特徴とする超音波接合方法を提供する。

請求項４に係る発明は、一方主面と他方主面とを持つ部品の他方主面にボンディングツールを接触させ、部品に押圧力と超音波振動とを印加して、部品の一方主面をバンプを介して被接合面に接合する超音波接合装置において、上記ボンディングツールに取り付けられ、ボンディングツールに超音波を印加する超音波印加手段と、上記ボンディングツールに所定の押圧荷重を印加する荷重印加装置と、上記荷重印加装置を降下させ、その降下速度を制御可能なＺ軸駆動装置とを備え、上記部品からボンディングツールへの反力が上記荷重印加手段の押圧荷重未満のときはボンディングツールと荷重印加装置とをＺ軸駆動装置による速度で一体に降下させ、部品からボンディングツールへの反力が上記荷重印加手段の押圧荷重以上になるとボンディングツールと荷重印加手段とを相対変位させ、ボンディングツールに対して荷重印加手段の押圧荷重を印加することを特徴とする超音波接合装置を提供する。

請求項５に係る発明は、一方主面と他方主面とを持つ部品の他方主面にボンディングツールを接触させ、部品に押圧力と超音波振動とを印加して、部品の一方主面をバンプを介して被接合面に接合する超音波接合装置において、上記ボンディングツールに取り付けられ、ボンディングツールに超音波を印加する超音波印加手段と、上記ボンディングツールに所定の押圧荷重を印加する荷重印加装置と、上記ボンディングツールと荷重印加装置との間に設けられ、両者を一体的に固定する締結状態と相対的に変位可能な解放状態とに切り替え可能なブレーキ手段と、上記荷重印加装置を降下させ、その降下速度を制御可能なＺ軸駆動装置とを備え、上記ブレーキ手段を締結状態としたときはボンディングツールと荷重印加装置とをＺ軸駆動装置による速度で一体に降下させ、上記ブレーキ手段を解放状態としたときはボンディングツールと荷重印加手段とを相対変位させ、ボンディングツールに対して荷重印加手段の押圧荷重を印加することを特徴とする超音波接合装置を提供する。

請求項１に係る発明について説明する。ここでは、バンプが予め部品の一方主面に固定され、このバンプを被接合面に接合する例について説明する。
荷重を印加しながら超音波を印加してバンプを被接合面に接合する場合、超音波印加直後の非常に短い時間にバンプが潰れてしまい、この潰れた部分には十分な超音波エネルギーが伝わらない。そこで、本発明では接合初期のバンプの潰れ速度を所定に制御することで、バンプを徐々に潰し、接合部に超音波振動を十分に作用させる。その結果、従来では接合されていなかった初期接合部（バンプの中央部）を接合させることが可能になり、接合強度を向上させることができる。その後、超音波を印加しながらボンディングツールに対して所定の押圧荷重を印加することで、バンプの周辺部だけでなく中央部も被接合面に対して確実に接合できる。また、バンプの単位面積当たりの接合強度が増加し、バンプを小さくすることができ、デバイスの小型化が図れる。

第１の工程では超音波を印加しながら所定の速度でボンディングツールを降下させるが、超音波印加は一定出力で行う必要はなく、任意の出力プロファイルを設定し、それに従って超音波を印加してもよい。
また、この降下速度はほぼ一定速度であってもよいし、任意の速度プロファイルを設定し、そのプロファイルに従ってボンディングツールを降下させてもよい。少なくとも、荷重と超音波とを印加してバンプを接合する際における超音波印加直後でのバンプの潰れ最大速度よりも低速であればよい。
接合初期のボンディングツールの降下速度、つまりバンプの潰れ速度について、発明者は０．１ｍｍ／ｓ〜１０ｍｍ／ｓまで変更した実験を行っているが、いずれも従来は接合されていなかったバンプ中央部が接合され、接合強度が向上していることを確認している。上記範囲の中でも、０．１ｍｍ／ｓ〜２ｍｍ／ｓ程度が望ましい。
さらに、第２の工程では所定の押圧荷重を印加するが、この押圧荷重はほぼ一定荷重であってもよいし、ゆるやかな勾配で上昇あるいは減少させてもよい。さらに、途中で勾配を変更してもよい。

本発明では、接合初期と接合終期との間で速度制御から荷重制御に切り替えている。その切替方法として、請求項２と３の２種類の方法がある。
請求項２に記載の第１の方法は、接合初期つまり部品からボンディングツールへの反力（バンプ抗力）が荷重印加手段の押圧荷重未満のときは速度制御を実施し、バンプの潰れ速度を制御する。一方、部品からの反力（バンプ抗力）が所定値を越えると、所定の押圧荷重を印加する荷重制御に切り替える。つまり、第１の方法は、部品からの反力に応じて自動的に速度制御から荷重制御へと切り替えるものである。
請求項３に記載の第２の方法は、接合初期である第１の工程では、ボンディングツールと荷重印加手段とを一体に連結し、両者を一体に降下させることで速度制御を実施する。接合終期である第２の工程では、ボンディングツールと荷重印加手段とを相対的に変位自在とし、荷重印加手段による押圧荷重を印加することにより荷重制御を実施する。つまり、ブレーキ手段などによってボンディングツールと荷重印加手段とを一体に連結した締結状態と相対変位自在とした解放状態とに切り替えることで、速度制御と荷重制御とを切り替えるものである。

請求項４は、請求項２に対応するものであり、速度制御と荷重制御との切替は、部品からの反力に応じて自動的に行われる。速度制御をＺ軸駆動装置で実施し、荷重制御を荷重印加手段で実施している。このように速度制御と荷重制御を別個の装置で実施することで、それぞれのパラメータ（荷重とバンプ潰れ速度）を独立して制御できる利点がある。

請求項５は、請求項３に対応するものであり、速度制御と荷重制御との切替は、例えば時間、下降量などによって決められた任意のタイミングでブレーキ手段を締結状態から解放状態へと切り替えることによって行われる。この場合は、速度制御と荷重制御との切替タイミングを自由に設定できるので、所望のバンプ高さ、所望の時間で超音波接合を行うことができる。この場合も、速度制御と荷重制御を別個の装置で実施することで、それぞれのパラメータ（荷重とバンプ潰れ速度）を独立して制御できる利点がある。

請求項６のように、ボンディングツールを荷重印加手段に対して上下方向に相対変位自在に支持するガイド機構と、ボンディングツールの自重をキャンセルするバネ手段とを備えるのがよい。
この場合は、ボンディングツールの自重をキャンセルすることで、部品のバンプが被接合面に接触したとき、バンプは殆ど潰れない。

請求項７のように、荷重印加手段とボンディングツールとの間に、部品の一方主面がバンプを介して被接合面に接触したことを検知する接触検知手段を設けるのがよい。
被接合面である基板の電極や、バンプには高さばらつきがあり、このような高さばらつきは接合品質に影響する。そこで、バンプが被接合面に接触したことを検知し、そこから一定高さまでバンプを潰すことで、高さバラツキの影響を受けずに安定した接合が可能になる。

請求項８のように、荷重印加手段はボイスコイルモータよりなり、接触検知手段はボイスコイルモータの起電力の変化により部品の一方主面がバンプを介して被接合面に接触したことを検知する手段であるであるのがよい。
ボイスコイルモータはその起電力の変化により可動部が停止したことを検出できるので、部品のバンプが被接合面と接触したことを容易に検知できる。

請求項１に係る発明によれば、押圧荷重と超音波とを印加して部品をバンプを介して被接合面に接合する場合に、接合初期のバンプの潰れ速度を制御するようにしたので、バンプを徐々に潰すことができ、接合部に超音波振動を十分に作用させることができる。その結果、従来では接合されていなかった初期接合部（バンプの中央部）を接合させることが可能になり、接合強度を向上させることができる。
また、バンプの単位面積当たりの接合強度が増加し、バンプを小さくすることができ、デバイスの小型化が図れる。

請求項４に係る発明によれば、請求項１における速度制御をＺ軸駆動装置で実施し、荷重制御を荷重印加手段で実施しているので、それぞれのパラメータ（荷重とバンプ潰れ速度）を独立して制御でき、最適な接合強度を得ることができる。また、部品からの反力に応じて自動的に速度制御から荷重制御へと切り替えるものであるから、格別な切替手段が不要であり、装置を簡素化できる。

請求項５に係る発明によれば、請求項４と同様に、荷重とバンプ潰れ速度を独立して制御でき、最適な接合強度を得ることができる。また、速度制御から荷重制御への切替をブレーキ手段によって行うので、バンプ高さや接合時間などを自由に設定でき、接合の自由度を高めることができる。

以下に、本発明の実施の形態を、実施例を参照して説明する。

図１〜図４は本発明にかかる超音波接合装置を適用したボンディング装置の一例を示す。この実施例は、バンプ付きのチップ部品を基板にフェイスダウン実装する例を示す。
図１に示すように、ボンディング装置の装置フレーム１の上面には、被接合面の一例である基板２を搭載支持する装着ステージ３、および接合部材であるバンプ付きのチップ部品４を整列収容した部品供給部５が装備されている。装置フレーム１の上方には、部品搬送ステージ６、部品供給部５から取り出された部品４を部品搬送ステージ６に供給する部品供給ユニット７、部品搬送ステージ６に供給された部品４を受け取って装着ステージ３上の基板２に接合する接合ヘッド８、およびこの接合ヘッド８を支持して昇降させる昇降ブロック９などが装備されている。
ここで、装着ステージ３は、接合ヘッド８に保持された部品４に対する位置合わせのため、Ｘ方向およびＹ方向に水平移動可能に構成されており、その上に支持された基板２を内蔵ヒータにより加熱している。また、部品搬送ステージ６は、部品供給ユニット７によって供給された部品４を接合ヘッド８の上下移動経路内に搬入して、接合ヘッド８に受け渡すよう、Ｚ方向およびＸ方向に移動可能に構成されている。

この実施例では、基板２の被接合面にはＡｕからなる配線パターンが形成されており、チップ部品４の一方主面にはＡｌからなる電極パターンが形成されている。また、接合部材であるバンプはＡｕで構成され、ワイヤボンディング法などによってチップ部品４の電極上に固定されている。

図２，図３は昇降ブロック９の具体的な構造の一例を示し、図４は接合ヘッド８の一例の詳細な構造を示す。
昇降ブロック９は、ベース板４０、ベース板４０に固定されたサーボモータ等からなる昇降駆動装置４１、ベース板４０にガイドレール４２によって上下方向に移動自在に取り付けられたスライド板４３、スライド板４３上に取付台４４を介して固定されたエアーシリンダよりなる荷重印加装置３０などを備えている。昇降駆動装置４１の回転軸はネジ軸４１ａで構成され、このネジ軸４１ａがスライド板４３の背面に設けられたナット部４８に螺合している。なお、ネジ軸４１ａの先端部はベース板４０に固定された軸受４９により回転自在に支持されている。昇降駆動装置４１を駆動することにより、スライド板４３は上下に移動し、後述する接合ヘッド８に保持された部品４を基板２と接触する位置まで降下させることができる。

荷重印加装置３０はピストンロッド３１を有し、ピストンロッド３１は初期状態では下死点で押圧治具３２に対して既知量の隙間がある状態に設定されている。押圧治具３２の頂部には２本のガイドポスト４５が上方に向けて突設されており、ガイドポスト４５は取付台４４のガイド穴４４ａに摺動自在に挿通されている。そのため、押圧治具３２は円滑に昇降移動できる。取付台４４と押圧治具３２との間には自重キャンセル用のバネ４６が張設され、押圧治具３２は吊り下げ支持されている。このバネ４６は、超音波ホーン１０の自重だけでなく、押圧治具３２やこの内部にあるアクチュエータ３３など、バネ４６に吊るされている全ての構成部品の自重をキャンセルする機能を有する。そのため、超音波ホーン１０から接合対象物（部品４と基板２）に対する押圧荷重には、これら構成部品の自重が作用しない。荷重印加装置３０に所定のエアー圧を供給しておき、ピストンロッド３１が押圧治具３２に当接した状態で、押圧治具３２を介して超音波ホーン１０に下方への押圧荷重を与えることができる。押圧荷重は、荷重印加装置３０に供給されるエアー圧のみで設定できる。

押圧治具３２の側面には接触検出用プレート３８が取り付けられ、取付台４４の側面にはこのプレート３８の位置を検出する接触検出用センサ３９が取り付けられている。センサ３９としては公知の近接センサや変位センサなどを用いることができる。後述するように接合ヘッド８の下端部に保持された部品４が基板２に接触したとき、プレート３８とセンサ３９との位置が変化するので、接触検出を行うことができる。

押圧治具３２は、ボックス形状に形成されており、その内部には例えばエアーシリンダなどからなる直動型のアクチュエータ３３が固定されている。アクチュエータ３３の作動軸３３ａは図２の水平方向に移動するものであり、作動軸３３ａには回動自在なピン３４を介して挟持部材３５の上端のノード部が軸支されている。押圧治具３２の下面には一対の取付板３２ａが一体的に垂設されており、これら取付板３２ａの間に、挟持部材３５の中間ノード部に固定された揺動軸３６の両端部が軸受けされている。そのため、アクチュエータ３３の作動軸３３ａを前進させると、挟持部材３５は揺動軸３６を支点として回転し、後述するように部品４を接合ヘッド８のホーン１０とで挟持することができる。この実施例の挟持部材３５は、ホーン１０が発生する超音波振動の周波数（例えば６０ｋＨｚ）近傍で３次の撓み振動をするように、材質、形状が設計された棒状部材であり、接合ヘッド８のホーン１０の縦穴１０ｂを上下に非接触で貫通している。また、揺動軸３６もホーン１０の横穴１０ｃを前後に非接触で貫通している。そのため、挟持部材３５および揺動軸３６はホーン１０と非接触状態にある。なお、ホーン１０には縦穴１０ｂと左右対称位置にバランス用の縦穴１０ｄが形成されている。

上記のように、挟持部材３５の上端ノード部が作動軸３３ａに連結され、中間ノード部に揺動軸３６が固定されているので、挟持部材３５が図４に示すように３次撓みモードで振動したとき、作動軸３３ａや揺動軸３６に振動が殆ど伝わらず、振動の漏れを防止できる。挟持部材３５の下端部、つまり振動の腹の位置には、樹脂などで形成された当接部材３７が着脱可能に固定されている。この当接部材３７は、部品４の超音波振動方向の一側面を押圧する。

接合ヘッド８は、上述のようにバンプ付きの部品４を基板２に対して押圧荷重と超音波振動とを加えて接合するものであり、逆二等辺三角形状の超音波ホーン１０を備えている。超音波ホーン１０は金属材料で一体形成されたものであり、超音波ホーン１０の下頂部１１と左右の頂部１２，１３にはそれぞれカット面が設けられている。下頂部１１のカット面は上辺１４に対して平行であり、左右の頂部１２，１３のカット面はそれぞれ斜辺１５，１６に対してほぼ垂直である。
この実施例では、超音波ホーン１０の上辺１４が２つの斜面１４ａ，１４ｂと１つの底面１４ｃとを持つ凹状に形成したものであるが、上辺１４が平坦であってもよいし、凸状であってもよい。

超音波ホーン１０の下頂部１１のカット面には、耐摩耗性材料よりなる当接部材１７が着脱可能に固定されている。当接部材１７は、図４に示すように部品４の超音波振動方向の一側面を支持する垂直面１７ａと、部品４の上面を支持する水平面１７ｂとを有するＬ字形断面部材である。部品４の超音波振動方向の他側面が上記挟持部材３５の当接部材３７によって支えられる。
なお、当接部材１７の水平面１７ｂには、部品４を吸着するための吸着穴１７ｃが形成されている。この吸着穴１７ｃは超音波ホーン１０に設けた吸引穴１０ａと連通しており、吸引穴１０ａの上端部は真空吸引装置（図示せず）と接続されている。

超音波ホーン１０の左右一方の頂部（ここでは右頂部１３）のカット面には、圧電振動子２０が固定されており、超音波ホーン１０の右頂部１３に対して斜辺１６とほぼ平行な超音波振動Ｕinを与える。なお、超音波ホーン１０は左右対称形状であるから、振動子２０を左右いずれの頂部１２，１３に設けても、同様の作用効果を有する。下頂部１１に対向する上辺１４の中央部付近であって、かつ上辺１４の近傍にホーン１０の振動のノード部が存在し、このノード部に押圧治具３２の取付板３２ａが連結されている。そのため、押圧治具３２には超音波ホーン１０の振動が殆ど伝播することがない。

上記のような形状の超音波ホーン１０に対し、例えば右頂部１３に斜辺１６とほぼ平行な超音波振動Ｕinを入力すると、下頂部１１には水平方向（被接合面２と平行）の振動Ｕout が発生する。しかも、下頂部１１では右頂部１３より振幅が大きい。つまり、右頂部１３から入力された超音波振動Ｕinの振幅が増幅されて、下頂部１１から大きな超音波振動Ｕout が出力される。また、超音波ホーン１０のノード領域に連結された押圧治具３２の上面、特にノード部の直上位置に荷重印加装置３０のピストンロッド３１が当接可能である。荷重印加装置３０によって下向きの押圧荷重を印加すれば、押圧荷重のベクトルが下頂部１１を通るので、超音波ホーン１０に撓みを発生させず、下頂部１１に押圧荷重を直に作用させることができる。そのため、超音波振動と押圧荷重とを接合部全体に均一に作用させることができ、均一で良好な接合を得ることができる。

この実施例では、部品４の超音波振動方向の両側面を、ホーン１０に設けられた当接部材１７と挟持部材３５に設けられた当接部材３７とで挟持するようにしたが、挟持部材３５および当接部材３７を省略し、当接部材１７に設けられた真空吸引穴１７ｃで部品４を吸着保持してもよい。

ここで、上記構成よりなるボンディング装置の動作を説明する。
部品４を基板２にボンディングする際には、装着ステージ３上に搭載支持された基板は、装着ステージ３に内蔵されたヒータにより予め加熱されている。部品４を当接部材１７，３７間で保持するには、アクチュエータ３３を挟持部材３５の先端の当接部材３７が当接部材１７から開く方向に駆動し、当接部材１７を部品搬送ステージ６上に供給された部品４の側面に当接させ、次にアクチュエータ３３を閉じ方向に駆動し、部品４を当接部材１７，３７の間で挟持する。次に、基板２と部品４とを位置合わせした後、以下のような接合動作を開始する。

まず、昇降駆動装置４１を駆動してスライド板４３と接合ヘッド８とを一体に下降させる。このとき、荷重印加装置３０はある設定荷重を出力した状態にしておく。ただし、ピストンロッド３１は押圧治具３２に対して隙間があるため、荷重印加装置３０からの力は押圧治具３２には伝わらない。
その後、下降し続けると、部品４が基板２に接触し、接合ヘッド８とスライド板４３との位置関係が変化し、センサ３９が接触したことを検知する。このとき、接合ヘッド８はバネ４６によって自重キャンセルされているので、部品４のバンプは殆ど潰れない。この接触した時点から、ピストンロッド３１と押圧治具３２との隙間分だけスライド板４３を下降させて停止させる。この状態で、ピストンロッド３１が押圧治具３２に当接し、荷重印加装置３０の押圧力が押圧治具３２に伝わるようになる。ここで、この下降量を隙間分＋αにすると、α分だけバンプが潰れることになる。このように、接合前にバンプを少しだけ潰しておくと、接合後のバンプ形状が安定する。
次に、昇降駆動装置４１によってスライド板４３を設定速度（例えば０．１ｍｍ／ｓ〜２ｍｍ／ｓ程度）で設定量だけ下降させると同時に（若干タイミングをずらしてもよい）、圧電振動子２０を作動させて超音波を部品４に印加し、接合を開始する。接合初期は、部品４から接合ヘッド８への反力、つまりバンプの抗力が荷重印加手段３０の設定荷重未満であるから、スライド板４３と接合ヘッド８とは一体的に下降し、スライド板４３の下降速度でバンプは徐々に潰れていく。この下降速度は、昇降駆動装置４１の回転速度を制御することで、ほぼ一定に制御される。バンプがある程度潰れ、バンプの抗力が荷重印加手段３０の設定荷重以上になった時点で、接合ヘッド８はスライド板４３の下降に追従しなくなる。これ以降は、部品４に荷重印加手段３０の設定荷重と超音波とが印加された状態で接合が行われ、接合を完了する。

図５は、バンプ高さ、荷重印加装置３０の押圧力、超音波出力、接合ヘッド８の位置、スライド板３２の位置（Ｚ軸位置）のそれぞれの時間変化を表したものである。
昇降駆動装置４１を駆動してスライド板３２が下降を開始すると、バネ６によって吊り下げられた接合ヘッド８も一体に下降する。
時刻ｔ₁ でバンプが基板に接触し、これをセンサ３９で検出する。時刻ｔ₁ 以後、スライド板３２は下降し続けるが、接合ヘッド８の下降はほぼ停止する。ここではスライド板３２の速度勾配を時刻ｔ₁ の前後で変化させているが、同じ速度勾配でもよい。
時刻ｔ₂ でピストンロッド３１が押圧治具３２に当接し、それ以後、速度制御を開始し、バンプの潰れ速度を制御すると同時に、超音波を印加し、接合を開始する。時刻ｔ₂ 〜ｔ₃ までの間、超音波印加によってバンプの剛性が低下するため、押圧力（＝バンプ抗力）は時間に比例した変化を示さない。速度制御を実施している時刻ｔ₂ 〜ｔ₃ までの間、スライド板３２と接合ヘッド８はほぼ一体に下降する。
時刻ｔ₃ になると、バンプの抗力が荷重印加装置３０の設定荷重に等しくなるので、速度制御から荷重制御に切り換わり、ほぼ一定の押圧荷重を印加しながら超音波を印加することで、接合を行う。時刻ｔ₃ 以後、接合ヘッド８はスライド板４３の下降に追従しなくなる。
時刻ｔ₄ で接合が完了し、スライド板３２は上昇し、超音波も停止する。

図６は、本発明による接合方法と従来の接合方法とを用いて接合したバンプの同一圧着径における接合強度を比較したものである。
測定方法は、超音波接合後、塩酸で部品側の電極を溶解し、部品を取り外した。そして、基板側に残ったバンプに剪断荷重を印加し、基板から剥離した時点の荷重を測定した。試料数は２０個とし、２０個の測定値の平均値を求めた。
比較例として挙げた従来方法とは、接合初期から終了時まで一定荷重を印加し続けて接合した場合（バンプの潰れ速度制御を行わない場合）をいう。
図６から明らかなように、本発明方法では従来方法に比べて約２割の強度向上が見られる。
このように、接合初期のバンプ潰れ速度を制御することで、初期の接合部に超音波振動を十分に作用させ、従来は接合されていなかったバンプ中央部を接合させることが可能になり、接合強度を向上させることができる。
また、センサ３９によって接触検出を行うため、基板２やバンプ高さにバラツキがあっても、安定した接合が可能になる。

図７は本発明にかかる超音波接合装置を備えた昇降ブロック９Ａの第２実施例を示す。
第１実施例では、荷重印加装置３０としてエアーシリンダを用いたが、この実施例では、荷重制御装置としてボイスコイルモータ５０を用いている。なお、図２，図３と同一部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
ボイスコイルモータ５０の出力軸５１は取付台４４を摺動自在に貫通し、その下端は押圧治具３２の上面に連結されている。出力軸５１は貫通穴４４ｂによって上下動自在にガイドされている。取付台４４には、出力軸５１を締結，解放の２状態に制御するブレーキ手段であるガイドブレーキ５２が設けられている。このガイドブレーキ５２は、電気信号によって締結、解放の２状態に切り替え可能な一種の電磁ブレーキである。
この実施例では、ボイスコイルモータ５０から発生する起電力をモニタすることで接触検知が可能となるので、第１実施例における接触検出用センサ３９は設けられていない。

上記構成の昇降ブロック９Ａの作動を図８を参照して説明する。
まずガイドブレーキ５２を解放した状態で、部品４を保持した接合ヘッド８を降下させ、基板２に部品４を接触させる（時刻ｔ₁ ）。このとき、接合ヘッド８は自重キャンセル用のバネ４６で吊り下げられているため、部品４に設けられたバンプは殆ど潰れない。
次に、時刻ｔ₅ でガイドブレーキ５２を締結させて、出力軸５１を取付台４４に固定し、接合ヘッド８をスライド板４３に対して上下方向に動かないように拘束する。
次に、時刻ｔ₂ で昇降駆動装置４１を駆動してスライド板４３を設定速度（例えば０．１ｍｍ／ｓ〜２ｍｍ／ｓ程度）で下降させると同時に（若干タイミングをずらしてもよい）、超音波を部品４に印加し、接合を開始する。つまり、バンプの潰れ速度を制御しながら初期接合を行う。
次に、時刻ｔ₆ でボイスコイルモータ５０の出力軸５１に下方への設定荷重を出力させる。しかし、この時はガイドブレーキ５２が締結しているため、接合ヘッド８には荷重は作用しない。
しかる後、時刻ｔ₃ で時間あるいは下降量によって決められたタイミングでガイドブレーキ５２を解放すると、予め設定されたボイスコイルモータ５０の押圧荷重が接合ヘッド８に作用する。それ以後、部品４にはボイスコイルモータ５０による設定荷重と超音波とが印加された状態で接合が行われる。
なお、時刻ｔ₃ でバンプ高さとヘッド位置が少し変化しているのは、ガイドブレーキ５２を解放することで、バンプへの押圧力が上昇し、バンプが少し潰れるからである。

本発明は上記実施例に限定されるものではない。
上記実施例では、バンプを予め部品に固定しておき、このバンプを被接合面（例えば基板の電極）に接合する例について説明してが、バンプを予め被接合面（例えば基板の電極）に固定しておき、バンプを部品の電極に接合する場合でも本発明を同様に適用できる。
上記実施例では、荷重印加装置としてエアーシリンダとボイスコイルモータとを用いた例について説明したが、これに限らず、押圧荷重を制御できる装置であれば、任意の装置を用いることができる。
また、第２実施例におけるボイスコイルモータに代えてエアーシリンダを用いることも可能であり、第１実施例におけるエアーシリンダに代えてボイスコイルモータを用いることも可能である。
ボイスコイルモータを用いた場合、その入力電流により押圧荷重の制御が可能であるが、別にロードセルなどの荷重検出手段を用いて押圧荷重をフィードバック制御してもよい。
上記実施例では、部品４を超音波ホーン１０の当接部材１７と挟持部材３５の当接部材３７とで挟持した例を示したが、挟持部材３５を省略して超音波ホーン１０の当接部材１７に設けられた吸着穴１７ｃで部品４を吸着するだけでもよい。
上記実施例では、逆三角形状の超音波ホーンを用いたが、超音波ホーンの形状は任意であり、公知の超音波ホーンを使用することもできる。

本発明にかかる超音波接合装置を用いたボンディング装置の全体斜視図である。図１に示す昇降ブロックの正面図である。図２に示す昇降ブロックの側面図である。図２に示す接合ヘッドの拡大詳細図である。図１に示すボンディング装置を用いた場合のバンプ高さ、荷重印加装置の押圧力、超音波出力、接合ヘッドの位置、スライド板の位置のそれぞれのタイムチャート図である。本発明による接合方法と従来の接合方法とを用いて接合したバンプの同一圧着径における接合強度を比較した図である。本発明にかかる昇降ブロックの第２実施例の正面図である。図７に示すボンディング装置におけるバンプ高さ、荷重印加装置の押圧力、超音波出力、接合ヘッドの位置、スライド板の位置、ガイドブレーキの作動、ボイスコイルモータの作動のそれぞれのタイムチャート図である。

符号の説明

１装置フレーム
２基板（被接合面）
４部品
８接合ヘッド（ボンディングツール）
１０超音波ホーン
２０振動子
３０エアーシリンダ（荷重印加手段）
３１ピストンロッド
３２押圧治具
３９接触検出用センサ
４１昇降駆動装置
４３スライド板
４６自重キャンセル用バネ
５０ボイスコイルモータ（荷重印加手段）
５１出力軸
５２ガイドブレーキ（ブレーキ手段）

Claims

一方主面と他方主面とを持つ部品の他方主面にボンディングツールを接触させ、部品に押圧力と超音波振動とを印加して、部品の一方主面をバンプを介して被接合面に接合する超音波接合方法において、
上記バンプを被接合面に接合する初期に、上記超音波を印加しながらボンディングツールを所定の速度で降下させ、バンプの潰れ速度を制御する第１の工程と、
上記第１の工程の後、上記超音波を印加しながらボンディングツールに対して所定の押圧荷重を印加し、部品の一方主面をバンプを介して被接合面に接合する第２の工程と、を有することを特徴とする超音波接合方法。
上記第１の工程は、上記部品からボンディングツールへの反力が上記所定の押圧荷重未満のときに実施され、
上記第２の工程は、上記部品からボンディングツールへの反力が上記所定の押圧荷重以上になると実施されることを特徴とする請求項１に記載の超音波接合方法。
上記ボンディングツールに所定の押圧荷重を印加する荷重印加装置が設けられ、
上記第１の工程は、上記ボンディングツールと荷重印加手段とを一体に連結し、両者を一体に降下させることにより実施され、
上記第２の工程は、上記ボンディングツールと荷重印加手段とを相対的に変位自在とし、上記荷重印加手段による押圧荷重を印加することにより実施されることを特徴とする請求項１に記載の超音波接合方法。
一方主面と他方主面とを持つ部品の他方主面にボンディングツールを接触させ、部品に押圧力と超音波振動とを印加して、部品の一方主面をバンプを介して被接合面に接合する超音波接合装置において、
上記ボンディングツールに取り付けられ、ボンディングツールに超音波を印加する超音波印加手段と、
上記ボンディングツールに所定の押圧荷重を印加する荷重印加装置と、
上記荷重印加装置を降下させ、その降下速度を制御可能なＺ軸駆動装置とを備え、
上記部品からボンディングツールへの反力が上記荷重印加手段の押圧荷重未満のときはボンディングツールと荷重印加装置とをＺ軸駆動装置による速度で一体に降下させ、部品からボンディングツールへの反力が上記荷重印加手段の押圧荷重以上になるとボンディングツールと荷重印加手段とを相対変位させ、ボンディングツールに対して荷重印加手段の押圧荷重を印加することを特徴とする超音波接合装置。
一方主面と他方主面とを持つ部品の他方主面にボンディングツールを接触させ、部品に押圧力と超音波振動とを印加して、部品の一方主面をバンプを介して被接合面に接合する超音波接合装置において、
上記ボンディングツールに取り付けられ、ボンディングツールに超音波を印加する超音波印加手段と、
上記ボンディングツールに所定の押圧荷重を印加する荷重印加装置と、
上記ボンディングツールと荷重印加装置との間に設けられ、両者を一体的に固定する締結状態と相対的に変位可能な解放状態とに切り替え可能なブレーキ手段と、
上記荷重印加装置を降下させ、その降下速度を制御可能なＺ軸駆動装置とを備え、
上記ブレーキ手段を締結状態としたときはボンディングツールと荷重印加装置とをＺ軸駆動装置による速度で一体に降下させ、上記ブレーキ手段を解放状態としたときはボンディングツールと荷重印加手段とを相対変位させ、ボンディングツールに対して荷重印加手段の押圧荷重を印加することを特徴とする超音波接合装置。
上記ボンディングツールを荷重印加手段に対して上下方向に相対変位自在に支持するガイド機構と、ボンディングツールの自重をキャンセルするバネ手段とをさらに備えることを特徴とする請求項４または５に記載の超音波接合装置。
上記荷重印加手段とボンディングツールとの間に、上記部品の一方主面がバンプを介して被接合面に接触したことを検知する接触検知手段が設けられていることを特徴とする請求項６に記載の超音波接合装置。
上記荷重印加手段はボイスコイルモータよりなり、
上記接触検知手段は上記ボイスコイルモータの起電力の変化により上記部品の一方主面がバンプを介して被接合面に接触したことを検知する手段であることを特徴とする請求項７に記載の超音波接合装置。