JP2006239749A - 超音波接合方法および超音波接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 バンプ接合面の振動状態を容易に可変させることが可能な超音波接合方法および超音波接合装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 第１の発信器の発信周波数と、第２の発信器の発信周波数の位相を位相制御装置で制御し、第１の振動子に入力する基本発信周波数に対し位相制御された発振周波数を第２の振動子に入力し、ホーンのチップ吸着部に合成振動を発生させるようにした超音波接合方法および超音波接合装置を提供する。さらに、第１の振動子に入力する周波数と第２の振動子に入力する周波数は、バンプ付電子部品の接合時間および加圧荷重の経過に応じて変化させるとよい。
【選択図】 図１

Description

本発明は超音波振動によりバンプ付電子部品のバンプを基板にボンディングする超音波接合方法と超音波接合装置に関する。

フリップチップなどのバンプ付電子部品を基板にボンディングする方法として超音波接合方法が知られている。超音波接合方法は、超音波ホーンユニットを実装装置のチップ加圧部に装着し、チップ吸着部に吸着されたチップが超音波振動することにより、チップと基板のバンプ接合を行うものである。

超音波ホーンユニットは図８に示すように、ホーン１の中心部にチップを吸着するチップ吸着部２がある。ホーン１の左右の両端部は、ブースタ３に連結している。超音波振動時、振動を受けない部分であるブースタ３のノーダルポイント４を介して、ホルダーユニット７が、ホーン１、チップ吸着部２、ブースタ３及び振動子２１を支持している。片側のブースタ３には、振動子２１が連結している。振動子２１には発信器２２からの電気信号が入力している。発信器２２には超音波接合装置の加圧開始信号が入力している。加圧開始信号に基づき、発信器２２が発振を開始し、振動子２１が超音波振動する。その超音波振動はブースタ３を介してホーン１に伝わりホーン１が超音波振動する。

超音波ホーンユニットの振幅曲線は、超音波ユニットを形成するホーン１の形状やブースタ３の形状により一義的に決まる。例えば５０ＫＨｚでホーン１を超音波振動させようとしたときは、５０ＫＨｚで共振するホーン１の設計となり、他の周波数では共振しないので容易に振動周波数を可変することができなかった。

これに対し、例えば、バンプ付電子部品の接合面の振動状態を可変させる方法として、特許文献１が知られている。特許文献１は、一対の超音波ホーンを互いに直交するように配置している。それぞれのホーンはＸ軸方向とＹ軸方向に配置している。それぞれのホーンの端部には超音波振動子が取り付けられている。これらの一対の超音波ホーンが発生する合成振動をホーンの交差位置に取り出してバンプ付電子部品に印加するようにしている。合成振動は、Ｘ軸用の超音波振動子の発振位相と、Ｙ軸用の超音波振動子の発振位相を制御することで、さまざまな振動パターンになっている。（特許文献１）
特開２００２−２１０４０９公報

超音波接合において、バンプ接合面の振動状態を可変させるには、超音波ホーンの形状や超音波発振子の発振周波数、超音波振動子と超音波ホーンの接合部のブースタの形状、超音波発振制御装置などの周波数特性を変更したり交換したりする必要がある。

また、特許文献１に開示されているような超音波接合装置をバンプ付電子部品の接合に用いた場合、装置の構成が複雑になり設備が大がかりとなる問題があった。特に、超音波接合装置の加圧ヘッド部が複雑な構造になるため、メンテナンス性が悪く、また加圧ヘッド部が奥行き方向のスペースを必要とし装置の省スペース化の妨げとなっていた。また、ボンディング効率を上げるため、加圧ヘッドを複数装備するマルチヘッド化には対応できない構造となっていた。また、良好なボンディングを行おうとすると、ボンディング時の接合荷重の変化を微妙にコントロールする必要がある。しかし、ボンディングヘッドに大がかりな超音波接合ユニットが取り付けられていると、ボンディングヘッドも大型化する問題があった。ホーンの組立の際も、各部のトルク管理が適正でないと、再現性の高いホーンを組み立てることができない。十字の構造のホーンの場合、トルク管理も難しい構造であった。

本発明は上記のような問題点に鑑みてなされたものであって、超音波接合方法においてバンプ接合面の振動状態を容易に可変させることが可能な超音波接合方法および超音波接合装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、チップ吸着部を接合面に有したホーンと、前記ホーンの両端に連結したブースターと、前記ブースターにおけるノーダルポイントを機械的なクランプ手段でクランプしたホルダーユニットと、前記ブースターを介して前記ホルダーユニットの両側に連結した第１の振動子および第２の振動子と、前記第１の振動子に接続した第１の発振器と、前記第２の振動子に接続した第２の発信器と、前記第１の発信器の発振周波数と前記第２の発信器の発信周波数の位相を制御する位相制御装置を備えている超音波接合装置である。

第２の発明は、前記第１の発信器の発信周波数と、前記第２の発信器の発信周波数の位相を前記位相制御装置で制御し、前記第１の振動子に入力する基本発信周波数に対し位相制御された発振周波数を前記第２の振動子に入力し、ホーンのチップ吸着部に合成振動を発生させるようにした超音波接合方法である。

第３の発明は、第２の発明において、前記第１の振動子に入力する周波数と前記第２の振動子に入力する周波数は、バンプ付電子部品の接合時間および加圧荷重の経過に応じて変化させるとよい。

第１の発明によると、ホルダーユニットの両側に振動子を連結しているので、第１の振動子と第２の振動子の位相を制御することにより、チップを吸着保持しているホーンの接合面に発生する合成振動の振動状態を容易に変更することができる。また、従来の超音波振動ユニットに第２の振動子を追加するだけでホーンの接合面に発生する合成振動を変更できるので、大がかりな設備が不要となり設備の省スペース化が図れ軽量化できる。

第２の発明によると、従来、接合強度を確保するため、振動時間を長くして接合していたが、振動状態を容易に変更できるので、短時間に接合強度を確保することができる。

第３の発明によると、接合部材の材質に最適な振幅曲線を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態の超音波ホーンユニット１００の正面図、図２は超音波ホーンユニット１００を適用した超音波接合装置の要部正面図である。

この超音波ホーンユニット１００は、図１に示すように一対の振動子をホーン１に対し左右対称な位置に配置している。ホーン１の中心部にはバンプ付きチップを吸着保持するチップ吸着部２が設けられている。チップ吸着部２には吸着穴があいており、ホーン内部を経由して超音波ホーンユニット１００の外部に設置した真空ポンプ１１に連結している。

ホーン１の左右の両端部はブースタ３に連結している。また、超音波ホーンユニット１００の振動がゼロになるノーダルポイント４がブースタ３に配置される様になっており、２つのノーダルポイント４を介してコの字型のホールダー７がホーン１を支持している。

左右のブースタ３の外側には第１の振動子５及び第２の振動子６がそれぞれ連結している。第１の振動子５に第１の発信器８が配線されている。同様に、第２の振動子６には第２の発信器９が配線されている。第１の発信器８および第２の発信器９は、予め設定された発信周波数が入力されており、第１の発信器８および第２の発信器９に配線接続された位相制御装置１０からの位相制御信号に基づき発信し、第１の振動子５および第２の振動子６を振動させるようになっている。

位相制御装置１０は超音波実装装置の加圧信号に基づいて第１の発信器８と第２の発信器９の発信タイミングを制御している。位相制御装置１０には、接合部材の材質に最適な振動パターンが材質毎に保存されており、外部から選択可能になっている。

以上のような構成の超音波ホーンユニット１００が、図２に示されるように、超音波接合装置の加圧ヘッド１２の下部に設けられている。また、超音波接合装置の基板保持ステージ１３が加圧ヘッド下方に設けられている。

次に、図３の動作フロチャートに従って超音波接合方法を説明する。

図３に示すステップ（図ではＳと記載する。以下、同様）１では、チップ１４がチップ吸着部２に吸着され、基板１７が基板保持ステージに保持される。そして、進退可能に装備された認識手段１８によってチップ１４および基板１７のアライメントマークが認識され、チップ１４と基板１６のアライメントが行われる。

アライメントが完了すると、認識手段１８は後退する。その後、ステップ２に示す、加圧ヘッド１２の下降が開始する。チップ１４と基板１６の接触が検知されると、ステップ３となる。ステップ３では、位相制御装置１０に加圧開始信号が入力される。位相制御装置１０から第１の発信器８の発振開始信号と第２の発信器９の発振開始信号が位相差を発生させるように出力される。

そして、ステップ４では、第１の振動子５と第２の振動子６が図４に示すように振動し、チップ吸着部２が合成振動する。一例として、図４に、合成振動の波形を示す。図４では、第１の振動子５の出力波形と第２の振動子６の出力波形が１／４周期（１／４λ）だけ位相差が発生している。図４の場合、チップ吸着部２に発生する合成振動は二つの波形の合成波形となる。第１の振動子５の波形と第２の振動子６の波形の位相は位相制御装置１０の設定により可変することができる。図５では、第１の振動子５の振幅と第２の振動子６の振幅の比率を１：２として１８０°位相を変更した場合の、チップ吸着部２に発生する合成振動を示している。このように、第１の振動子５の波形と第２の振動子６の波形の位相を制御することで、容易にチップ吸着部２に発生する合成振動を可変することができる。

また、位相制御装置１０の出力は、チップ１４と基板１６の接合中の温度や加圧力の変化に応じて可変することもできる。また、合成振動の振動パターンであるプロファイルを自由に選択することができる。また、位相差を発生させないで、同位相で第１の発信器８と第２の発信器９を発振させ振幅が２倍の振動をチップ吸着部２に発生させてもよい。このように、接合面の材質に最適な振幅曲線を選択できる。

次に、予め設定され加圧時間が経過すると、ステップ５に移り、第１の発信器８および第２の発信器９の発振停止信号が位相制御装置１０より出力され、第１の振動子５および第２の振動子６の振動が停止する。その後、ステップ６に移り、加圧ヘッド１２が上昇し超音波接合が終了する。

次に、本発明の第２の実施の形態について図６を用いて説明する。図１では、位相制御装置１０を用いて第１の発信器８と第２の発信器９の位相を制御していたが、図６は位相制御装置１０を使わずに、予めボリューム１９で第１の発信器８の発振周波数と第２の発信器９の発信周波数を設定している。そして、第１の発信器８と第２の発信器９に、発信開始信号を外部から入力するようにしている。これにより、チップ吸着部２に簡易に合成振動を発生させることができる。

次に、本発明の第３の実施の形態について図７を用いて説明する。図７では、第１の振動子５および第２の振動子６とホーンを連結しているブースタ３の特性を、第１の振動子５に連結されるブースタ３の増幅率器２０を１．２倍に設定し、第２の振動子６に連結しているブースタ３の増幅率を２倍に設定している。ブースタ３の倍率を左右非対称に設定することで、合成振動の振幅を可変することができる。

本発明の超音波接合方法および超音波接合装置は、装置、工程ともに大幅に簡素化でき、かつ、信頼性の高い接合を行うことができるので、チップの基板への接合が要求されるあらゆる分野に適用することができる。

本発明の第１の実施の形態の超音波接合装置の超音波ホーンユニットを示す正面図である。 本発明の第１の実施の形態の超音波接合装置の要部正面図である。 本発明の第１の実施の形態の動作を説明するフロチャートである。 本発明の第１の実施の形態の１／４波長位相差のある場合の合成振動を示す図である。 本発明の第１の実施の形態の１８０°位相差のある場合の合成振動を示す図である。 本発明の第２の実施の形態の超音波接合装置の超音波ホーンユニットを示す正面図である。 本発明の第３の実施の形態の超音波接合装置の超音波ホーンユニットを示す正面図である。 従来の超音波接合装置の超音波ホーンユニットを示す正面図である。

符号の説明

１ ホーン
２ チップ吸着部
３ ブースタ
４ ノーダルポイント
５ 第１の振動子
６ 第２の振動子
７ ホールダー
８ 第１の発信器
９ 第２の発信器
１０ 位相制御装置
１１ 真空ポンプ
１２ 加圧ヘッド
１３ ステージ
１４ チップ
１５ バンプ
１６ 基板
１７ 電極
１８ 認識手段
１９ ボリューム
２０ 増幅率器
２１ 振動子
２２ 発信器
１００ ホーンユニット

Claims (3)

1. チップ吸着部を接合面に有したホーンと、前記ホーンの両端に連結したブースターと、前記ブースターにおけるノーダルポイントを機械的なクランプ手段でクランプしたホルダーユニットと、前記ブースターを介して前記ホルダーユニットの両側に連結した第１の振動子および第２の振動子と、前記第１の振動子に接続した第１の発振器と、前記第２の振動子に接続した第２の発信器と、前記第１の発信器の発振周波数と前記第２の発信器の発信周波数の位相を制御する位相制御装置を備えている超音波接合装置。
2. 前記第１の発信器の発信周波数と、前記第２の発信器の発信周波数の位相を前記位相制御装置で制御し、前記第１の振動子に入力する基本発信周波数に対し位相制御された発振周波数を前記第２の振動子に入力し、ホーンのチップ吸着部に合成振動を発生させるようにした超音波接合方法。
3. 請求項２に記載の超音波接合方法において、前記第１の振動子に入力する周波数と前記第２の振動子に入力する周波数は、バンプ付電子部品の接合時間および加圧荷重の経過に応じて変化させる超音波接合方法。

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