JP2006339198A - 超音波接合ホーン及びこれを用いた超音波接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】生産効率を上げることができるとともに装置コストの低減化を図ることのできる超音波接合ホーン、及びこれを用いた超音波接合を提供する。
【解決手段】チップ部品の電極をワークの電極に押圧しながら、両電極に超音波振動及び熱を付与してこれら両電極を接合する超音波接合装置に用いる超音波接合ホーン１７において、超音波発生手段に接続されこの超音波発生手段から発生した超音波振動を伝達するホーン本体１７１と、ホーン本体１７１における超音波振動の最大振幅部に超音波振動を伝達可能に設けられると共にチップ部品を吸着保持してワークに押圧可能な面を備える吸着部材１９と、吸着部材１９を所定温度に加熱するためのヒータ２２とを有し、前記ヒータ２２は、ホーン本体１７１と吸着部材１９との間にホーン本体１７１への熱伝達を遮蔽する熱遮蔽部材２１を介して取り付けられている。
【選択図】図３

Description

本発明は、電子部品などのチップ部品の電極をワークの電極に押圧しながら、両電極に超音波振動及び熱を付与して電極同士を接合するのに用いる超音波接合ホーン、及びこれを用いた超音波接合装置に関する。

電子部品などのチップ部品の電極を基板の電極に接合する場合、例えばチップ部品の電極を基板の電極に押圧しながら当該接合部位に超音波振動を付与する。それと同時に接合部位を１００°Ｃ〜２００°Ｃ程度に加熱する。加熱することで接合に要する時間を短縮することができ、また接合強度を高めることができる（特許文献１参照）。このような超音波接合に用いられる超音波接合ホーンは、例えば図６に示すように、ホーン本体１７１’、吸着部材１９’及びヒータ２２’を有する。吸着部材１９’は、チップ部品を吸着保持可能とすると共に、押圧のための押圧面を備える。

特開２００１−３５８８８号公報

ところで、上述のような超音波接合においては、チップ部品の材質やサイズに応じて接合温度を変化させる必要がある。従来の超音波接合ホーンにおけるヒータ２２’は、例えばカートリッジ式熱電極で構成され、ホーン本体１７１’を加熱することで、その熱を吸着部材１９’に伝達させていた。つまり、ホーン本体１７１’の温度を変化させることにより吸着部材１９’の温度を変化させていた。このため、吸着部材１９’の温度が所望の温度になるまでの時間が長く、生産効率が低下する要因となった。

また、一般に超音波接合ホーンは、所定の周波数、例えば５０ｋＨｚに共振するように設計されている。しかし、超音波接合ホーンに２０°Ｃ〜３０°Ｃ程度の温度変化があると、熱変形することにより、その固有振動数が設計時の固有振動数から微妙にずれてしまう。そこで、２０°Ｃ〜３０°Ｃ程度の温度幅毎に互い長さを変えて各温度に適切な専用の超音波接合ホーンを複数種類製作しておき、接合温度に応じて超音波接合ホーンを選択交換することで、各温度についての接合を行っていた。このため、交換作業の手間がかかると共に、複数個の超音波接合ホーンを製造する分、装置がコスト高となった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、生産効率を上げることができるとともに装置コストの低減化を図ることのできる超音波接合ホーン、及びこれを用いた超音波接合装置を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するために、請求項１の超音波接合ホーンは、チップ部品７の電極３１をワーク１の電極３０に押圧しながら、両電極３０，３１に超音波振動及び熱を付与してこれら両電極３０，３１を接合する超音波接合装置に用いる超音波接合ホーン１７において、超音波発生手段１８に接続されこの超音波発生手段１８から発生した超音波振動を伝達するホーン本体１７１と、ホーン本体１７１における超音波振動の最大振幅部に超音波振動を伝達可能に設けられると共にチップ部品７を吸着保持してワーク１に押圧可能な面を備える吸着部材１９と、吸着部材１９を所定温度に加熱するためのヒータ２２とを有し、前記ヒータ２２は、ホーン本体１７１と吸着部材１９との間にホーン本体１７１への熱伝達を遮蔽する熱遮蔽部材２１を介して取り付けられていることを特徴とする。

請求項２の超音波接合ホーン１７は、前記ヒータ２２がシート状体である。

請求項３の超音波接合ホーン１７は、前記ヒータ２２と吸着部材１９の温度を検出する温度センサ２２３とが一体化している。

請求項４の超音波接合ホーン１７は、前記熱遮蔽部材２１Ａは、冷却用の流体が循環する冷却流体循環流路２１Ｒを内部に備えている。

請求項５の超音波接合装置は、チップ部品７の電極３１をワーク１の電極３０に押圧しながら、両電極３０，３１に超音波振動及び熱を付与してこれら両電極３０，３１を接合する超音波接合装置において、超音波振動を発生させる超音波発生手段１８と、請求項１から請求項４のいずれかに記載の超音波接合ホーン１７と、ワーク１を保持するワーク保持手段２と、吸着部材１９に吸着保持されたチップ部品７の電極３１とワーク保持手段２に保持されたワーク１の電極３０とを押圧する押圧手段９と、ヒータ２２を加熱するための電源供給手段１１とを備えたことを特徴とする。

請求項６の超音波接合装置は、前記ヒータ２２の加熱温度を複数段階に設定可能とする加熱温度変更手段２４を有する。

本発明によると、ヒータ２２は、ホーン本体１７１と吸着部材１９との間にホーン本体１７１への熱伝達を遮蔽する熱遮蔽部材２１を介して取り付けられているため、ヒータ２２に生じた熱は、吸着部材１９にのみ伝達し、ホーン本体１７１には伝達しない。したがって、ホーン本体１７１が熱変形することが無く、その固有振動は一定の周波数に保たれる。すなわち、異なる温度で電極３０，３１を加熱して接合するに際し、１つの超音波接合ホーン１７で各温度に対応することができる。このため、超音波接合ホーン１７の交換作業の手間を省くことができ、また装置の製造コストの低減化を図ることができる。そして、ホーン本体１７１の温度を変化させることなく、吸着部材１９の温度を変化させることができるため、吸着部材１９の温度が所望の温度になるまでの時間が短くて済み、生産効率が良い。

また、熱遮蔽部材２１の内部に冷却用の空気または水が循環する流路２１Ｒを設けることにより、ヒータ２２に生じた熱がホーン本体１７１に伝達しないという作用効果をより一層高めることができる。また、ヒータ２２は、温度センサ２２３を組み込んだシート状体で構成することにより、超音波接合ホーン１７を簡素な構造とすることができる。

つまり、本発明によると、生産効率を上げることができるとともに装置コストの低減化を図ることのできる超音波接合ホーン、及びこれを用いた超音波接合装置が提供される。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお、本実施形態では、チップ部品としてバンプ付きの電子部品を基板に実装する場合を例にとって説明する。なお、チップ部品としては、その他に例えば、ＩＣチップ、半導体チップ、光素子、表面実装部品、ウエハなどの種類や大きさに関係なく、基板と接合させる側の全ての形態を示す。また、基板としては、例えば、樹脂基板、ガラス基板、フィルム基板などチップ部品と接合される側の全ての形態を示す。

図１は本発明に係るホーンを備えた超音波接合装置の正面図、図２はホーンの要部構成を示す正面図、図３はホーンの要部構成を示す分解斜視図、図４はホーンの要部構成の他の例を示す分解斜視図である。本実施形態の超音波接合装置は、図１に示すように、基板１を吸着保持する基板ホルダ２を備えた可動テーブル３と、基台４の後部に立設した縦壁５に支持フレーム６を介して取り付けられ、先端でチップ部品７を吸着保持して基板１に実装（接合）する超音波接合ヘッド８を備えた圧着機構９と、基板ホルダ２に保持された基板１と超音波接合ヘッド８によって吸着保持されるチップ部品７の位置を認識するカメラ１０と、これら可動テーブル３、超音波接合ヘッド８、圧着機構９、及びカメラ１０などの駆動を制御する主制御部１１などから構成される。

可動テーブル３は、図中左右と前後の水平２軸（Ｘ、Ｙ）方向に移動自在に構成されている。また、可動テーブル３に備わった基板ホルダ２は、基板１が載置される表面部分に吸着孔（図示省略）が形成されており、当該吸着孔が図示しない真空ポンプと配管を介して連通接続されている。なお、本実施形態では、基板ホルダ２における基板１の保持を吸着式にしているが、吸着式に限らず、可動ツメを使った機械式保持、静電気を使った静電吸着、磁石を使った磁気吸着など、任意の保持構造を用いることができる。

圧着機構９は、支持フレーム６に固定されたシリンダ１２と、シリンダ１２の垂直下方に向けられたロッド１３に連結した本体１４と、本体１４の下方先端に設けられた超音波接合ヘッド８とから構成されている。つまり、シリンダ１２の伸縮動作に連動して超音波接合ヘッド８が昇降するように構成されている。

また、超音波接合ヘッド８は、図２に示すように、略Ｕ字形を上下反転させ、底面が本体の下部に連結されたフレーム１５と、当該フレーム１５の両側面に形成された貫通孔を両側から貫通する１組のブースター１６と、フレーム１５の内側で１組のブースター１６によって挟み込まれた状態で着脱可能に保持されたホーン１７とから構成されている。

ブースター１６は、中央部分が太い円柱状であって、その両端が先端に向かうにつれて先細になるテーパー状となっている。また、図中左側のブースター１６には、当該ブースター１６に超音波振動を伝達付与するための圧電素子を備えた超音波発生器１８を備えている。なお、超音波発生器１８とブースター１６、フレーム１５によるブースター１６の保持部分、及びブースター１６とホーン１７の各結節点は、超音波発生器１８から付与された超音波振動によって共振するときに振動振幅がゼロとなるノーダルポイントに設定されている。

ホーン１７は、図２のホーン１７の部分を上下反転させた図３に示すように、ホーン本体１７１と、吸着部材１９と、保持部材２８と、ヒータ２２と、断熱部材２１とから構成されている。

ホーン本体１７１は、肉厚の板状の物であり、正面視して前後に格子状となるように貫通孔が形成されている。また、正面視したときに、下部中央から超音波振動の伝達方向の前後（図中の長手方向）に伸びる凹部２６が形成されている。凹部２６は、上側凹部２６１と下側凹部２６２とを備える段階状に形成されている。下側凹部２６２の中央の底面には、貫通孔２０が形成される。貫通孔２０は、図２の鎖線２９で示すように、後述するヒータ２２に形成された貫通孔２２Ｈ、断熱部材２１に形成された貫通孔２１Ｈ、及び吸着部材１９に形成された貫通孔２７と連通接続するようになっている。なお、貫通孔２０は、図示しない真空ポンプと連通接続されている。

吸着部材１９は、セラミックス等の熱伝導性に優れる部材で構成され、図３に示すように、中央にチップ部品７を吸着する凸部３２と、当該凸部３２の基部からホーン１７の超音波振動の伝達方向（図中の長手方向）である下方端部に向けて延びる斜面を有するテーパー状の側部とを有する。テーパー状の側部は、ホーン本体１７１の上側凹部２６１に収まる高さである。また、吸着部材１９の中央には、表面から裏面にかけて貫通孔２７が形成されている。すなわち、吸着部材１９を凹部２６に取り付けたときにホーン１７の凹部２６に形成された貫通孔２０と当該貫通孔２７同士が、連通接続されるように構成されている。なお、吸着部材１９の表面は、超音波振動が付与されて基板１にチップ部品７が接合されるときにチップ部品７の表面との摩擦を抑制するために、フッ素樹脂のコーティングが施されている。また、超音波発生器１８からブースター１６を介して伝達した振動振幅が最大となる位置にある。

断熱部材２１は、例えばゴムや樹脂などにより構成され、下側凹部２６２に収納可能なサイズとされる。その一端面には、ヒータ２２を収納可能な凹部２１１が形成されている。なお、断熱部材２１として、図４に示すように、その内部に冷却用の空気または水が循環する流路２１Ｒを設けたものとしてもよい。この場合、冷却用の空気または水は、流路２１Ｒの入口ポート２１２及び出口ポート２１３に接続された図示しない圧縮流体供給ポンプにより供給される。断熱部材２１，２１Ａの面中央には、一端面から他端面にかけて貫通孔２１Ｈが形成されている。

ヒータ２２は、厚さ２ｍｍ程度のセラミックス板に電熱線及び温度センサ２２３を組み込んだシート状体で構成される。この組込は、例えば電熱線及び温度センサ２２３をセラミックス板の表面に成形させる形態や、セラミックス板の内部に埋め込む形態で実現される。当該電熱線は、リード線２２１を介して供給された電流により発熱する。ヒータ２２に組み込まれた温度センサ２２３は、検出結果を主制御部１１にフィードバック可能に構成されている。ヒータ２２の面中央には、一端面から他端面にかけて貫通孔２２Ｈが形成されている。ヒータ２２は、断熱部材２１に形成された凹部２１１に収納された形で断熱部材２１と吸着部材１９とにより挟み込まれた形となる。

保持部材２８は、略立体台形状であり、上側凹部２６１に収納された吸着部材１９の側部の斜面と、上側凹部２６１の底面及び側面とに密着する。また、その表面は、ホーン本体１７１の先端面と面一となるように構成されている。さらに、保持部材２８の表面から当該保持部材２８の裏面と密着するホーン本体１７１の上側凹部２６１の底面とにわたってネジ孔３３及びネジ穴３４が形成されている。当該ネジ孔３３からネジ穴３４にかけて締結部材であるネジ３５を螺入することで、保持部材２８がホーン本体１７１に締結される。このとき、ネジ３５による締結動作にともなって吸着部材１９の左右１対の側部が保持部材２８で挟み込まれ、間接的に締結固定されるようになる。

図１に戻り、カメラ１０は、水平２軸（Ｘ，Ｙ）方向及び上下（Ｚ）方向に移動可能である。また、超音波接合ヘッド側に向かって進退する鏡筒２３を備えている。また、カメラ１０をＸ軸方向に前進させ、ホーン１７の吸着部材１９に吸着保持されたチップ部品７と基板１の間に位置させる。その状態でチップ部品７と基板１の位置を認識及び観察し、観察結果を主制御部１１に送信するようになっている。なお、両部材の位置を認識及び観察する手段としては、カメラ以外に、例えば、赤外線カメラ、センサなどの種類に関係なく基板１とチップ部品７の位置を認識できる全ての形態が適用できる。

主制御部１１は、操作部２４から設定入力された接合対象の基板１及びチップ部品７の種類に応じた接合条件（ヒータ２２の加熱温度も含む）を図示しないパターンテーブルから選択し、選択したパターンを共振振幅制御部に送信する。また主制御部１１は、可動テーブル３、シリンダ１２、カメラ１０、ヒータ２２などの駆動も操作部２４から設定入力された情報に基づいて総括的に制御している。また、ヒータ２２の加熱温度を複数段階に設定可能とする。

次に、上記実施形態装置を用いて基板１にチップ部品７を接合する動作を、図５に示すフローチャートに基づいて説明する。

先ず、操作部２４から接合対象の基板１及びチップ部品７の種類を選択入力し、接合時間など種々の初期条件が設定される（ステップＳ１）。

初期設定が終了すると、基板ホルダ２に基板１が載置保持されるとともに、ホーン１７の先端の吸着部材１９によってチップ部品７が吸着保持されて接合処理が開始する（ステップＳ２）。

接合処理が開始すると、主制御部１１の制御によって、カメラ１０が作動する。カメラ１０は、鏡筒２３を前進させて基板１とチップ部品７の画像データを取得し、主制御部１１に当該データを送信する。主制御部１１は、受信した画像データに基づいて、基板１とチップ部品７の相対的な位置ズレを演算により求め、当該求めた検出結果に基づいて可動テーブル３をＸ、Ｙ方向に移動させて位置ズレを補正する（ステップＳ３）。

位置ズレ補正が完了すると、主制御部１１の制御に基づいてシリンダ１２が作動し、超音波接合ヘッド８を所定位置まで降下させてチップ部品７を基板１に押圧する。同時に、ヒータ２２により吸着部材１９が所定温度に加熱される。ヒータ２２に組み込まれた温度センサ２２３は、吸着部材１９の温度を検出し、検出結果を主制御部１１にフィードバックする。主制御部１１は、その検出結果に基づいて、吸着部材１９の温度が一定値になるようにヒータ２２への供給電流を制御する。それとともに、主制御部１１は超音波発生器１８を駆動して、ブースター１６を介してホーン１７への超音波振動の付与を開始する（ステップＳ４）。ホーン１７に伝達された超音波振動は、中央に締結された吸着部材１９に伝達され、ホーン１７全体が図中左右、すなわちチップ部品７及び基板１の厚み方向に直交する方向に沿った方向に振動してチップ部品７の電極３１を基板１の電極３０に擦りつける。

また、主制御部１１は、内部に備わったタイマにより接合時間をカウントしており、予め設定された所定時間になると（ステップＳ５）、超音波発生器１８からホーン１７への超音波振動の付与が停止し、超音波接合ヘッド８が上昇して基板１が取り出され、本接合処理が終了する。

以上のように、ヒータ２２は、ホーン本体１７１と吸着部材１９との間にホーン本体１７１への熱伝達を遮蔽する断熱部材２１を介して取り付けられているため、ヒータ２２に生じた熱は、吸着部材１９にのみ伝達し、ホーン本体１７１には伝達しない。したがって、ホーン本体１７１が熱変形することが無く、その固有振動は一定の周波数に保たれる。すなわち、異なる温度で電極３０，３１を加熱して接合するに際し、１つのホーン１７で各温度に対応することができる。このため、ホーン１７の交換作業の手間を省くことができ、また装置の製造コストの低減化を図ることができる。そして、ホーン本体１７の温度を変化させることなく、吸着部材１９の温度を変化させることができるため、吸着部材１９の温度が所望の温度になるまでの時間が短くて済み、生産効率が良い。

また、断熱部材２１の内部に冷却用の空気または水が循環する流路２１Ｒを設けることにより、ヒータ２２に生じた熱がホーン本体１７１に伝達しないという作用効果をより一層高めることができる。ヒータ２２は、温度センサ２２３を組み込んだシート状体で構成されるため、ホーン１７を簡素な構造とすることができる。

また、ネジ３５により保持部材２８をホーン１７に締結する位置が、振動振幅がゼロとなるノーダルポイントに設定されているので、ネジ３５への超音波振動の伝達を回避し、超音波振動により発生しがちなネジ緩みや金属疲労が回避される。すなわち、超音波接合ヘッド８を長期にわたって使用することができ、作業効率の向上を図ることができる。
さらに、超音波接合ヘッド８の消耗部品である吸着部材１９が簡素な構成により交換が可能であるので、メンテナンス効率の向上を図ることもできる。

以上、本発明の実施の形態について説明を行ったが、上に開示した実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら実施の形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、更に特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むことが意図される。

本発明に係るホーンを備えた超音波接合装置の正面図である。 ホーンの要部構成を示す正面図である。 ホーンの要部構成を示す分解斜視図である。 ホーンの要部構成の他の例を示す分解斜視図である。 本発明に係る超音波接合装置の動作を説明するフローチャートである。 従来のホーンの要部構成を示す斜視図である。

符号の説明

１ 基板（ワーク）
２ 基板ホルダ(ワーク保持手段)
７ チップ部品
９ 圧着機構（押圧手段）
１１ 主制御部(電源供給手段)
１７ ホーン（超音波接合ホーン）
１８ 超音波発生器（超音波発生手段）
１９ 吸着部材
２１ 断熱部材（熱遮蔽部材）
２１Ａ 熱遮蔽部材
２１Ｒ 流路（冷却流体循環流路）
２２ ヒータ
２２３ 温度センサ
２４ 操作部（加熱温度変更手段）
３０ 電極
３１ 電極
１７１ ホーン本体

Claims (6)

1. チップ部品の電極をワークの電極に押圧しながら、両電極に超音波振動及び熱を付与してこれら両電極を接合する超音波接合装置に用いる超音波接合ホーンにおいて、超音波発生手段に接続されこの超音波発生手段から発生した超音波振動を伝達するホーン本体と、ホーン本体における超音波振動の最大振幅部に超音波振動を伝達可能に設けられると共にチップ部品を吸着保持してワークに押圧可能な面を備える吸着部材と、吸着部材を所定温度に加熱するためのヒータとを有し、前記ヒータは、ホーン本体と吸着部材との間にホーン本体への熱伝達を遮蔽する熱遮蔽部材を介して取り付けられていることを特徴とする超音波接合ホーン。
2. 前記ヒータがシート状体である請求項１に記載の超音波接合ホーン。
3. 前記ヒータと吸着部材の温度を検出する温度センサとが一体化している請求項１または請求項２に記載の超音波接合ホーン。
4. 前記熱遮蔽部材は、冷却用の流体が循環する冷却流体循環流路を内部に備えている請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波接合ホーン。
5. チップ部品の電極をワークの電極に押圧しながら、両電極に超音波振動及び熱を付与してこれら両電極を接合する超音波接合装置において、超音波振動を発生させる超音波発生手段と、請求項１から請求項４のいずれかに記載の超音波接合ホーンと、ワークを保持するワーク保持手段と、吸着部材に吸着保持されたチップ部品の電極とワーク保持手段に保持されたワークの電極とを押圧する押圧手段と、ヒータを加熱するための電源供給手段とを備えたことを特徴とする超音波接合装置。
6. 前記ヒータの加熱温度を複数段階に設定可能とする加熱温度変更手段を有する請求項５に記載の超音波接合装置。

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