JP2009028729A

JP2009028729A - 超音波振動接合方法およびこの方法により形成されたデバイス並びに超音波振動接合装置

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Publication number: JP2009028729A
Application number: JP2007191839A
Authority: JP
Inventors: Seiya Nakai; 誠也中居
Original assignee: Bondtech Inc
Current assignee: Bondtech Inc
Priority date: 2007-07-24
Filing date: 2007-07-24
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2027-07-24
Also published as: JP5076163B2

Abstract

【課題】簡素な構成で効率よく接合作業を行うことのできる技術を提供する。
【解決手段】予め設定された第１時間Ｔ１、セラミックヒータを昇温するパルスヒート加熱するとともに、共振器７の熱伝導率が約７．５Ｗ／ｍ℃以下であることから、従来のように熱遮断部材を共振器７とセラミックヒータとの間に設けなくとも、セラミックヒータから共振器７への伝熱が抑制され、共振器７が昇温して熱膨張したりしないので、どのような接合温度Ｈｊであっても共振器７を共通して使用することができて効率がよい。また、セラミックヒータで発生する熱の共振器７への放熱が抑制されているため、パルスヒート加熱によるセラミックヒータの加熱であってもセラミックヒータを効率よく昇温できるため、セラミックヒータを短時間で接合温度Ｈｊに昇温することができ、熱遮断部材等を用いずに、簡素な構成で効率よく接合作業を行うことができる。
【選択図】図６

Description

本発明は、接合対象として重合された複数の被接合物に超音波振動を印加して該複数の被接合物どうしを接合する技術に関する。

従来、接合対象として重合された複数の被接合物に超音波振動を印加して該複数の被接合物どうしを接合する際に、超音波振動を印加すると同時に該重ね合わされた被接合物を加熱することにより、超音波振動エネルギーを高くしなくても接合強度を安定させ、品質感および信頼性の向上を図る技術が知られている（例えば、特許文献１）。すなわち、共振器とステージとの間に重合状態の複数の被接合物を挟持した状態で、共振器に結合した振動子に超音波振動エネルギーを供給して振動子を超音波振動させ、共振器を共振振動させるとともに、共振器に内蔵したヒーターにより共振器を所定の温度に加熱している。

このような構成とすれば、共振振動した共振器から重合状態の複数の被接合物に超音波振動が印加されるとともに、ヒーターによって加熱された共振器により該複数の被接合物が加熱される。したがって、重合状態の複数の被接合物には、超音波振動により発生する摩擦熱と、ヒーターによる熱との総和による接合エネルギーが集中するため、振動子に供給する超音波振動エネルギーを高くしたり、重合状態の複数の被接合物への加圧力を強くしなくても、当該複数の被接合物どうしを適切に接合することができる。

ところで、上記した特許文献１に記載の技術では、ヒータを共振器に内蔵して設けているため、次のような点について技術の改善が求められていた。すなわち、超音波振動と加熱を併用して被接合物どうしを接合する際、まず、ヒータにより共振器本体を加熱して、当該加熱された共振器により被接合物を加熱している。このとき、被接合物の材質や大きさによって接合温度は異なるが、共振器の温度が所定の接合温度になるまで時間がかかるため、常に共振器を加熱して所定の接合温度に維持しておく必要があった。

しかしながら、通常、共振器は所定の設定周波数で共振するように設計されているが、常に共振器を所定の接合温度に加熱しておくことにより、加熱された共振器が膨張する等して、当該共振器の固有振動数が設計時の固有振動数からずれることがあった。そのため、各接合温度専用、つまり被接合物の種類や大きさに応じた複数種類の共振器を形成しておき、被接合物の種類等に応じて共振器を交換してその接合温度における接合を行わなければならず、非常に効率が悪かった。

そこで、例えば、特許文献２に記載の技術では、ヒータを有する被接合物の保持手段を熱遮断部材を介して共振器に取り付けるという対策が講じられていた。このような構成とすれば、ヒータから共振器への伝熱が抑制され、共振器の温度を変化させることなく、ヒータの熱が保持手段にのみ伝達されるため、保持手段を所定の接合温度まで昇温する昇温時間の短縮を図ることができる。しかも、共振器の温度変化が抑制されるため、当該共振器の固有振動数が変化せず、被接合物の種類等に応じた様々な接合温度において共通の共振器を使用することができる。

特許第３０７８２３１号公報（段落［０００４］、［０００８］〜［００１０］、［００２１］、［００３４］、［００３７］、［００４１］、図１，２等）特開２００６−３３９１９８号公報（段落［０００７］、［００１３］、図３参照）

しかしながら、上記した特許文献２に記載の技術では、熱遮断部材を共振器と保持手段との間に別途設けなければならず、部品点数が多くなり、装置構成が複雑になるという問題があった。

この発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、簡素な構成で効率よく接合作業を行うことのできる技術を提供することを目的とする。

上記した目的を達成するため、本発明にかかる超音波振動接合方法は、接合対象として重合された複数の被接合物に超音波振動を印加して該複数の被接合物どうしを接合する超音波振動接合方法において、振動子が発生する振動により超音波振動し、熱伝導率が２５．０Ｗ／ｍ℃以下の材質からなる共振器の最大振幅部に固着して設けられ、前記複数の被接合物のうち少なくとも一の前記被接合物を加熱可能に保持する加熱保持手段を待機温度から該待機温度よりも高温の接合温度に昇温し、前記一の被接合物を、予め設定された第１時間、前記接合温度にて加熱した後に、前記加熱保持手段を冷却するパルスヒート加熱工程と、前記加熱保持手段、および、前記共振器に対向配置されたステージとの間に重合状態で挟持された前記複数の被接合物に、少なくとも、予め設定された第２時間、前記超音波振動を印加する超音波振動印加工程とを含むことを特徴としている（請求項１）。

また、本発明にかかる超音波振動接合装置は、接合対象として重合された複数の被接合物に超音波振動を印加して該複数の被接合物どうしを接合する超音波振動接合装置において、振動子が発生する振動により超音波振動し、熱伝導率が２５．０Ｗ／ｍ℃以下の材質からなる共振器と、前記共振器に対向配置されたステージと、前記共振器の最大振幅部に固着して設けられ、前記複数の被接合物のうち少なくとも一の前記被接合物を加熱可能に保持し、前記ステージとの間に重合状態で挟持された前記複数の被接合物に前記共振器の超音波振動を伝達する加熱保持手段と、前記振動子を制御する振動制御手段と、前記加熱保持手段をパルスヒート加熱制御する加熱制御手段とを備え、前記加熱制御手段は、前記加熱保持手段を待機温度から該待機温度よりも高温の接合温度に昇温し、前記一の被接合物を、予め設定された第１時間、前記接合温度にて加熱した後に、前記加熱保持手段を冷却し、前記振動制御手段は、前記加熱保持手段と前記ステージとの間に重合状態で挟持された前記複数の被接合物に、少なくとも、予め設定された第２時間、前記超音波振動を印加することを特徴としている（請求項５）。

このように構成された発明では、熱伝導率が約２５．０Ｗ／ｍ℃以下の材質からなる共振器の最大振幅部に固着して設けられた加熱保持手段を待機温度よりも高温の接合温度に昇温し、該加熱保持手段により保持された一の被接合物を、予め設定された第１時間、接合温度にて加熱した後に、加熱保持手段を冷却するパルスヒート加熱を行うとともに、加熱保持手段とステージとの間に重合状態で挟持された複数の被接合物に、少なくとも、予め設定された第２時間、超音波振動を印加して、重合された複数の被接合物どうしを接合している。

このとき、加熱保持手段を恒常的（コンスタントヒート加熱）ではなくパルス様（パルスヒート加熱）に昇温して予め設定された第１時間のみ加熱することで、共振器の熱伝導率が約２５．０Ｗ／ｍ℃以下であることから、従来のように熱遮断部材を共振器と加熱保持手段との間に設けなくとも、加熱保持手段から共振器への伝熱が抑制され、共振器が設計温度よりも高温に昇温することがなく膨張したりしないので、どのような接合温度であっても共振器を共通して使用することができて効率がよい。また、加熱保持手段で発生する熱が共振器に伝導し難いことから、パルスヒート加熱による加熱保持手段の加熱であっても当該加熱保持手段を効率よく昇温させることができるため、当該加熱保持手段を短時間で接合温度に昇温させることができる。したがって、従来のような熱遮断部材等の断熱材を用いずとも、簡素な構成で効率よく接合作業を行うことができる。しかも、被接合物に対する接合温度での加熱を、パルス様に短時間（第１時間）行うだけなので、被接合物を過剰に加熱して該被接合物が溶融しすぎるのを効果的に防止できる。

また、前記接合温度は、前記被接合物の融点よりも低い温度に設定されている構成でもよい（請求項２）。

このような構成とすれば、接合温度が被接合物の融点よりも低い温度に設定されているため、被接合物どうしを接合する際に、当該被接合物が過剰に加熱されることにより溶融して当該被接合物の形状が崩れるのを確実に防止できる。また、被接合物どうしの接合面には超音波振動が印加されることにより摩擦熱が発生しているため、接合面においては当該被接合物の融点を超える温度となるため、被接合物の接合面どうしのみが溶融し、確実に被接合物どうしを接合することができる。

また、接合対象としての少なくとも１つの前記被接合物の接合面には、融点が約４５０℃以下の材質からなる金属溶融電極が形成されている構成でもよい（請求項３）。

このような構成とすれば、超音波振動を印加することによる摩擦力により金属溶融電極の表面に付着した有機物や酸化膜等の付着物層を除去することができる。また、金属溶融電極の融点が約４５０℃以下と低温であることから、当該金属溶融電極表面の付着物層を除去した後、低温加熱を行うことにより、該金属溶融電極が形成された被接合物の接合を行うことができる。

したがって、接合面に金属溶融電極が形成された被接合物と、接合面に回路パターンが形成された被接合物との接合を行う場合、超音波振動を印加して金属溶融電極表面に付着した付着物層を除去することにより、従来、金属溶融電極が形成された被接合物と、回路パターンが形成された被接合物とを接合する際に必要であったフラックス（融剤）を用いずとも、当該被接合物どうしを接合することができる。

また、被接合物に対してコンスタントヒート加熱ではなく、被接合物の種類に応じて予め設定された短時間（第１時間）の加熱であるパルスヒート加熱を行うことにより、被接合物の接合面に形成された金属溶融電極が過剰に加熱されて、当該金属溶融電極が溶融しすぎるのを防止できる。したがって、溶融した金属溶融電極が被接合物の接合面上の回路パターンをショートさせたり、被接合物どうしを接合した後の金属溶融電極の形状が歪んだり、金属溶融電極が溶融しすぎて位置ずれしたりすることがないため、被接合物どうしを精度よく接合することができる。

特に、接合温度を金属溶融電極の融点以下としてパルスヒート加熱を行うことにより、超音波振動を印加することによる摩擦熱と、パルスヒート加熱による熱とが金属溶融電極の接合表面のみ溶融させて被接合物どうしの接合が行われるので、よりいっそう効果的に精度よく被接合物どうしの接合を行うことができる。

また、本発明にかかるデバイスは、請求項１ないし３のいずれかに記載の超音波振動接合方法により形成されたデバイスであって、半導体デバイスまたはＭＥＭＳデバイスからなることを特徴としている（請求項４）。

このような構成とすれば、超音波振動によるエネルギーと、パルスヒート加熱によるエネルギーとの２つのエネルギーが併用されることにより効率よく発生する接合エネルギーによって被接合物どうしが接合されて、半導体デバイスまたはＭＥＭＳデバイスが形成される。したがって、より少ない超音波振動エネルギーで、かつ、過剰な加熱を行わずとも被接合物どうしを接合してデバイスを形成できるので、デバイス作成時に被接合物どうしを接合する接合エネルギーを過剰に印加することで、作成されるデバイスに破損が生じたりするのを防止でき、精度のよいデバイスを提供することができる。

また、前記加熱保持手段は、電源供給用の電極が形成されたセラミックヒータを備え、前記電極に接触して前記セラミックヒータに電源供給する端子を有する電源供給手段をさらに備える構成でもよい（請求項６）。

このような構成とすれば、一般的に昇温特性と冷却特性に優れているセラミックヒータを採用することにより、当該セラミックヒータの昇温と冷却とを迅速に行うことができ、接合される被接合物に対して効率よくパルスヒート加熱を行うことができる。また、セラミックヒータに形成された電極に電源供給手段が有する端子が接触することで当該セラミックヒータに電源供給しているため、従来のように、電源供給用の配線がセラミックヒータに、はんだ等により直接接続されている構成に比べ、電源供給用の配線が共振器と一緒に振動することがなく、共振器の振動特性に影響を与えることがない。また、端子がセラミックヒータに形成された電極に接触して電源供給を行っているため、共振器は電源供給手段の平板端子と独立して超音波振動するので、電源供給用の配線が破損したりすることがなく、装置の耐久性の向上を図ることができる。

また、前記加熱保持手段は、静電チャック手段を備え、該静電チャック手段により前記一の被接合物を保持する構成でもよい（請求項７）。

このような構成とすれば、真空吸着方式と比較して、一の被接合物を保持する保持力が向上し、超音波振動を被接合物に効率よく伝達することができるので、被接合物どうしを良好に接合することができる。また、加熱保持手段に真空吸着のための吸着孔を形成する必要がないため、加熱保持手段の重量バランスが向上し、共振器が安定して超音波振動することとなり、安定した超音波振動を得ることができる。また、静電チャック手段により、真空中で一の被接合物を保持することができるため、真空中で被接合物どうしの接合を行うことができ、被接合物に有機物や酸化膜等の不純物が付着するのが防止されるので、被接合物どうしを良好に接合することができる。

請求項１、５に記載の発明によれば、予め設定された第１時間、加熱保持手段を昇温するパルスヒート加熱を行うとともに、共振器の熱伝導率が約２５．０Ｗ／ｍ℃以下であることから、従来のように熱遮断部材を共振器と加熱保持手段との間に設けなくとも、加熱保持手段から共振器への伝熱が抑制され、共振器が昇温して熱膨張したりしないので、どのような接合温度であっても共振器を共通して使用することができて効率がよい。また、加熱保持手段で発生する熱が共振器に伝導し難いことから、パルスヒート加熱による加熱保持手段の加熱であっても当該加熱保持手段を効率よく昇温させることができるため、当該加熱保持手段を短時間で所要の接合温度に昇温することができ、熱遮断部材等を用いずとも、簡素な構成で効率よく接合作業を行うことができる。

また、請求項２に記載の発明によれば、接合温度が被接合物の融点よりも低い温度に設定されているため、被接合物どうしを接合する際に、当該被接合物が過剰に加熱されることにより溶融して当該被接合物の形状が崩れるのを確実に防止できるとともに、被接合物どうしの接合面には超音波振動が印加されることにより摩擦熱が発生しているため、接合面においては当該被接合物の融点を超える温度となるため、接合面のみどうしが溶融して確実に被接合物どうしが接合される。

また、請求項３に記載の発明によれば、超音波振動を印加することによる摩擦力により金属溶融電極の表面に付着した有機物や酸化膜等の付着物層を除去することができ、金属溶融電極の融点が約４５０℃以下と低温であることから、当該金属溶融電極表面の付着物層を除去した後、低温加熱を行うことにより、該金属溶融電極が形成された被接合物の接合を行うことができる。

また、請求項４に記載の発明によれば、超音波振動によるエネルギーと、パルスヒート加熱によるエネルギーとの２つのエネルギーが併用されることにより効率よく発生する接合エネルギーによって被接合物どうしが接合されて、半導体デバイスまたはＭＥＭＳデバイスが形成されているため、より少ない超音波振動エネルギーで、かつ、過剰な加熱を行わずとも被接合物どうしを接合してデバイスを形成でき、デバイス作成時に被接合物どうしを接合する接合エネルギーを過剰に印加することで、作成されるデバイスに破損が生じたりするのを防止でき、精度のよいデバイスを提供することができる。

また、請求項６に記載の発明によれば、セラミックヒータに形成された電極に電源供給手段が有する端子が接触することで当該セラミックヒータに電源供給しているため、従来のように、電源供給用の配線がセラミックヒータに、はんだ等により直接接続されている構成に比べ、電源供給用の配線が共振器と一緒に振動することがなく、共振器の振動特性に影響を与えることがない。また、端子がセラミックヒータに形成された電極に接触して電源供給を行っているため、共振器は電源供給手段の端子と独立して超音波振動するので、電源供給用の配線が破損したりすることがなく、耐久性の向上を図ることができる。

また、請求項７に記載の発明によれば、静電チャック手段により、真空中で一の被接合物を保持することができるため、真空中で被接合物どうしの接合を行うことができ、被接合物に有機物や酸化膜等の不純物が付着するのが防止されるので、被接合物どうしを良好に接合することができる。

この発明の一実施形態について図１ないし図５を参照して説明する。図１はこの発明にかかる超音波振動接合装置の一実施形態の概略構成図である。また、図２は図１に示す超音波振動接合装置が備える共振器の下面図である。また、図３は図２の右側面図であって、共振器のＡ−Ａ線断面図である。また、図４は図２の要部拡大図である。また、図５は図３に示す共振器の動作説明図である。

＜装置構成＞
図１に示す超音波振動接合装置２００では、共振器７が保持する一方の接合対象としての被接合物であって、半導体の接合面に鉛錫はんだからなる金属溶融電極２０ａを有するチップ２０と、共振器７に対向して配置されたステージ１０が保持する他方の接合対象としての被接合物であって鉛錫はんだからなる金属溶融電極２２ａを有する基板２２とを、加圧制御可能な上下駆動機構２５によって、金属溶融電極２０ａと金属溶融電極２２ａとが接触するように加圧しつつ、振動子８および共振器７により超音波振動を印加するとともにセラミックヒータ９で加熱することで、チップ２０と基板２２とを接合している。このように、本実施形態における超音波振動接合装置２００は、チップ２０と基板２２とを接合することで、種々の半導体デバイス（光素子デバイス等）またはＭＥＭＳデバイスなどのデバイスを形成することができるように構成されている。

図１に示すように、超音波振動接合装置２００は、接合機構２７と、ステージ１０とステージテーブル１２とを有する実装機構２８と、位置認識部２９と、搬送部３０と、制御装置３１とを備えている。また、接合機構２７は、上下駆動機構２５と、共振器部２６とを備え、上下駆動機構２５は上下駆動モータ１とボルト・ナット機構２とにより、共振器保持部６を上下ガイド３でガイドしながら上下動できるように構成されている。共振器保持部６は、ヘッド逃がしガイド５で上下方向にガイドされ、自重をキャンセルするための自重カウンター４に牽引された状態でボルト・ナット機構２に連結されている。そして、この共振器保持部６に共振器７を有する共振器部２６が結合されている。

また、共振器保持部６には圧力センサ３２が配設されており、共振器７とステージ１０との間に挟持された被接合物（チップ２０、基板２２等）への加圧力が検出できるように構成されている。したがって、圧力センサ３２により検出された被接合物に対する加圧力を制御装置３１へフィードバックすることで、当該フィードバック値に基づいて上下駆動機構２５を制御して、被接合物への加圧力を制御することができる。

また、共振器部２６は、共振器７と、共振器７の最大振幅部である位置ｆ２（図２参照）に熱硬化型接着剤で接着して設けられチップ２０（本発明の「一の被接合物」に相当）を加熱可能に吸着保持するセラミックヒータ（本発明の「加熱保持手段」に相当）９と、振動子８とを備えており、共振器７の振動が阻害されないように配設されている。また、共振器部２６の高さは共振器保持部６に設けられた共振器部高さ検出手段２４によって検出することができる。なお、共振器部２６の構成および動作については後で詳細に述べる。

また、実装機構２８は、基板２２を吸着保持し、内部にステージヒーター１１を内蔵したステージ１０と、チップ２０に対する基板２２の位置を調整するために平行・回転移動自在な移動軸を有するステージテーブル１２とを備えている。そして、接合機構２７はフレーム３４に結合されて、フレーム３４は共振器部２６の加圧中心の周辺を囲むように配設された４本の支柱１３により架台３５と連結されている。このように、セラミックヒーター９およびステージヒーター１１により、被接合物であるチップ２０および基板２２を加熱することができる。なお、支柱１３およびフレーム３４の一部は図示省略している。

また、位置認識部２９は、対向配置されたチップ２０と基板２２の間に挿入されて、上下のチップ２０と基板２２各々の位置認識用のアライメントマークを認識する上下マーク認識手段１４と、チップ２０、基板２２および共振器７の振幅を検出する振幅検出器３３と、被接合物として発光素子を接合する際に当該発光素子を電気的に機能させて発光させることにより被接合物どうしの位置調整（アライメント）を行う際に利用する発光点認識手段（図示省略）と、これらの認識手段１４および振幅検出器３３を水平および／または上下移動させる認識手段移動テーブル１５とを備えている。

また、搬送部３０は、基板２２を搬送する基板搬送装置１６および基板搬送コンベア１７と、チップ２０を搬送するチップ供給装置１８およびチップトレイ１９とを備えている。また、制御装置３１は、本発明の「振動制御手段」および「加熱制御手段」として機能し、共振器部２６を制御するとともに、超音波振動接合装置２００全体の制御を行うための操作パネル（図示省略）を備えており、共振器部高さ検出手段２４による共振器部２６の高さ位置の検出信号によって上下駆動機構２５を制御し、共振器部２６の図１中の矢印Ｚ方向の高さを調節することができる。なお、制御装置３１の構成および動作については後で詳細に述べる。

＜共振器＞
次に、図２ないし図５を参照して、共振器部２６について詳細に説明する。共振器７は、制御装置３１に制御された振動子８が発生する振動により超音波振動し、熱伝導率が約２５．０Ｗ／ｍ℃以下の材質、例えばチタン合金（６Ａｌ−４Ｖ、約７．５Ｗ／ｍ℃）により構成されている。また、図２に示すように、共振器７は、ほぼ中央の位置ｆ２と、両端位置ｆ０，ｆ４とが最大振幅部となるように、共振周波数の一波長の長さでほぼ左右対称に構成されている。また、図３に示すように、共振器７の中央の位置ｆ２の中央部７Ｃは断面形状がほぼ四角形状で厚みを有する板状に形成されている。そして、中央部７Ｃを挟んだ右側部７Ｒおよび左側部７Ｌは断面形状がほぼ円形状である円柱状に形成され、中央部７Ｃと一体形成されている。

また、共振器７の右側部７Ｒのほぼ中央の位置ｆ１と、左側部７Ｌのほぼ中央の位置ｆ３は最小振幅部（ノーダルポイント）に相当し、当該位置には、他の位置よりもその円柱形状の径が小さい小径部７Ｒａ，７Ｌａが形成されている。そして、この小径部７Ｒａ，７Ｌａを、共振器保持部６に支持された支持部材７００と、クランプ部材７０１とにより挟持してボルト７０２で固定することにより共振器７が支持部材７００に固定されている。また、ボルト７０２を緩めることで、共振器７は長手方向の中心軸を回転の中心として回転可能に構成されている。なお、共振器７の支持部材７００への固定方法はボルト７０２に限られず、どのようなものであってもよく、例えば、電気制御可能に構成された機械的なクランプ機構であってもよい。

また、図３に示すように、共振器７の中央部７Ｃの４つの側面のうち、対向する２つの側面にはセラミックヒータ９が配設可能に凹部７１が形成されている。そして、この２つの凹部７１のそれぞれに、セラミックヒータ９が熱硬化型接着剤により接着して固着されている。したがって、セラミックヒータ９とステージ１０との間に重合状態で挟持された複数の被接合物に共振器７の超音波振動をセラミックヒータ９を介して伝達することができる。なお、本実施形態では、チップ２０および基板２２に該超音波振動を印加するように構成されている。

また、共振器７の長手方向の中心軸上のｆ２の位置に、セラミックヒータ９を貫通して吸引穴が形成されいる。そして、共振器７には、一端側７２ａが吸引穴と連通し、他端側７２ｂが上記した４つの側面のうち、セラミックヒータ９が固着されていない側面に露出するように貫通穴が共振器７を貫通して形成されている。

また、図３に示すように、貫通穴の他端側７２ｂには、貫通穴および吸引穴から空気を吸引する吸引ポンプ（図示省略）と連結されたバルブ７１０が、後述するように矢印Ｂの方向に移動可能に構成された支持部材７０１にボルトやナット等で支持されて、該貫通穴の他端側７２ｂと接離自在に配設されている。したがって、吸引ポンプを作動させることにより、バルブ７１０、貫通穴、吸引穴を介してチップ２０（被接合物）を吸着することができる。

また、図２ないし図４に示すようにセラミックヒータ９の表面には電源供給用の電極９２が形成されており、後述するように矢印Ｃの方向に移動可能に構成された支持部材７０２にねじ等で支持されて電源供給手段７２０が配設されている。そして、電源供給手段７２０が有する平板端子７２１が、セラミックヒータ９の電極９２に接離自在に接触して、制御装置３１に制御されることで該セラミックヒータ９に電源供給することができるように構成されている。なお、本実施形態では平板端子７２１が本発明の「端子」として機能しているが、「端子」としては平板端子７２１に限られず、棒形状の端子等、セラミックヒータ９または電極９２の構成・形状等に応じて種々の形状の「端子」を採用することができる。

また、図２に示すように、セラミックヒータ９には熱電対７２２が接続されており、当該熱電対７２２の出力を検出することで、制御装置３１によりセラミックヒータ９の温度を検出できるように構成されている。したがって、制御装置３１により電源供給手段７２０を制御してセラミックヒータ９に電源供給することで、セラミックヒータ９の昇温と冷却を任意のタイミングで行うパルスヒート加熱制御を行うことができる。よって、セラミックヒータ９により当該セラミックヒータ９に保持された被接合物（チップ２０）に対してパルスヒート加熱を行うことができる。また、熱電対７２２の出力を検出することで、セラミックヒータ９を任意の温度に制御することができるように構成されている。

また、前述したように、支持部材７０１，７０２はそれぞれ、矢印Ｂ，Ｃの方向に移動可能に構成されており、図３に示す接触位置と、図５に示す交換位置との間を移動可能に構成されている。すなわち、支持部材７０１，７０２が図３に示す接触位置に位置するときに、バルブ７１０は貫通穴の他端側７２ｂと接触し、電源供給手段７２０の平板端子７２１はセラミックヒータ９の電極９２と接触するように構成されている。また、支持部材７０１，７０２が図５に示す交換位置に位置するときに、バルブ７１０および平板端子７２１は、それぞれ、貫通穴の他端側７２ｂおよび電極９２と離間するように構成されている。

以上のような構成とすれば、被接合物どうしの超音波振動接合が繰返し行われ、共振器７が繰返し超音波振動することにより、セラミックヒータ９が被接合物との間に生じた摩擦力で磨耗した場合に、共振器７全体を交換しなくても、図５に示すように、支持部材７０１，７０２を交換位置に移動させて共振器７を例えば矢印Ｄの方向に回転させることで、セラミックヒータ９の交換を行うことができる。すなわち、図３に示すように、共振器７の下側に配設されたセラミックヒータ９が磨耗した場合に、図５に示すように共振器７を回転させ、共振器７の上側に配設されて未使用であったセラミックヒータ９を下側に位置させることで、セラミックヒータ９の交換を行うことができる。

なお、本実施形態では、共振器７の中央部７Ｃの４つの側面のうち、２つの側面にのみセラミックヒータ９を固着しているが、全ての側面にセラミックヒータ９を固着してもよい。また、共振器７の中央部７Ｃの断面形状がほぼ四角形状となるように当該中央部７Ｃを形成しているが、中央部７Ｃの形状としては四角形状に限られず、セラミックヒータ９（加熱保持手段）を固着できる形状であれば、多角形状等、どのような形状であっても構わない。

また、本実施形態では、セラミックヒータ９を共振器７に熱硬化型接着剤により直接接着して固着しているが、接着方法としては熱硬化型接着剤に限られず、例えば、セラミックヒータ９の接着面にＮｉめっき等を施した後に、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ等の金属ろうを接着剤として、ろう付けしてもよい。また、固着方法としては、接着に限られず、セラミックヒータ９をボルト等で強固に直接共振器７に取り付けてももちろんよい。

また、本実施形態では、本発明の「加熱保持手段」としてセラミックヒータ９を採用したが、セラミックヒータ９のチップ２０を吸着する吸着面側にコーティングを施して、セラミックヒータ９の耐磨耗性を向上させてもよい。また、本実施形態では、共振器７をチタン合金により構成したが、共振器７の材質としてはこれに限られず、上記した条件を満足する材質（金属、合金等）であればどのようなものであってもよい。上記した条件を満足する材質としては、ステンレス（オーステナイト系、フェライト系、マルテンサイト系、約１４Ｗ／ｍ℃〜約２５Ｗ／ｍ℃）、純チタン（約１７．１Ｗ／ｍ℃）、快削チタン（約１８．０Ｗ／ｍ℃）等、種々の材質を採用することができる。

また、本実施形態では、所謂、金属接合を行う超音波振動接合装置２００の共振器７を構成する材料として、チタン合金を採用したが、従来、チタン合金は硬度が低かったため、プラスチック等の柔らかい被接合物どうしを接合する超音波振動接合装置に採用されることはあったが、硬度の高い金属を接合する金属接合を行う超音波振動接合装置２００に採用することに想到するのは当業者であっても困難であった。しかしながら、本願発明者による種々の実験の結果、硬度の低い共振器７に硬度の高い加熱保持手段、例えばセラミックヒータ９を直接固着することで、硬度の低い共振器７を採用しても、金属接合を良好に行えることを見出した。このような構成とすれば、金属接合を行う超音波振動接合装置２００の共振器７として、例えば、音響特性が非常に優れているチタン合金（音速が約６，１００ｍ／ｓ）を採用することができ、共振器７を共振させることによる超音波振動を非常に効率よく発生させることができる。

なお、セラミックヒータ９を共振器７に接着剤で直接接着することにより、セラミックヒータ９と共振器７との間で摩擦が発生するおそれがないため、セラミックヒータ９および共振器７とが当該摩擦力により磨耗するおそれが無く、セラミックヒータ９を共振器７にボルト等で直接取り付ける場合に比べ、共振器７の耐久性の向上を図ることができるという、特に有利な効果を奏することができる。

＜超音波振動接合動作＞
続いて、図１、図６ないし図１２を参照して超音波振動接合装置２００により被接合物を接合する接合動作例（１）〜（７）について説明する。

１．接合動作例（１）
図６を参照して「接合動作例（１）」について説明する。図６は超音波振動接合処理の動作例（１）を示す図である。まず、チップ２０はチップ供給装置１８によりチップトレイ１９から共振器７に供給され、吸着保持される。また、基板２２は、基板搬送装置１６により基板搬送コンベア１７からステージ１０に供給され、吸着保持される。そして、接合面を対向保持されたチップ２０と基板２２との間に上下マーク認識手段１４が認識手段移動テーブル１５により挿入され、対向保持されたチップ２０と基板２２各々の位置合わせ用アライメントマークの位置が上下マーク認識手段１４により検出される。この後、チップ２０の位置を基準として、ステージテーブル１２を平行・回転移動することで基板２２の位置を移動させてチップ２０および基板２２の位置のアライメントが行われる。

次に、チップ２０および基板２２の接合位置が整合された状態（金属溶融電極２０ａ、２２ａの位置が合わされた状態）で、上下マーク認識手段１４が認識手段移動テーブル１５により待避される。続いて、図６に示すように、時刻ｔ０において、上下駆動機構２５により、ステージ１０からの位置（高さ）がＺＨである待機位置から共振器部２６の下降が開始される。そして、時刻ｔ１で共振器部２６の位置が高さＺｓに達し、チップ２０（金属溶融電極２０ａ）と基板２２（金属溶融電極２２ａ）が接触する直前に共振器部２６の下降速度が減速される。

なお、共振器部２６（共振器保持部６）の高さ方向（矢印Ｚの方向）の位置は共振器部高さ検出手段２４により検出されており、共振器部２６の下降速度が減速された後、制御装置３１により、共振器部２６がさらに下降されて、チップ２０と基板２２とが接近される。また、制御装置３１により、上下駆動機構２５によるチップ２０および基板２２への加圧力は圧力Ｐ１に設定されている。

そして、時刻ｔ２において、共振器部２６の位置が高さＺ０（接触位置）に達すると、チップ２０と基板２２とが接触するため、圧力センサ３２からの検出信号に基づき、チップ２０および基板２２とが共振器７（セラミックヒータ９）およびステージ１０との間に挟持されたことが検出される。その後、制御装置３１により、共振器部２６によるチップ２０および基板２２への加圧力が圧力Ｐ２に再設定され、チップ２０および基板２２への超音波振動印加工程およびパルスヒート加熱工程が開始される。

具体的には、チップ２０が基板２２に接触した時刻ｔ２から、少なくとも、予め設定された時刻ｔ３までの時間、すなわち、図６中の第２時間Ｔ２の間、チップ２０および基板２２に対して超音波振動を印加する超音波振動印加工程が実行され、金属溶融電極２０ａ，２２ａの表面に付着した有機物や酸化物等の付着物層が破壊される。

また、チップ２０が基板２２に接触した時刻ｔ２以降、セラミックヒータ９の温度が待機温度Ｈｗ（約５０℃）から、該待機温度Ｈｗよりも高温であって金属溶融電極２０ａ，２２ａの融点Ｈｍ（本実施形態では約１８３℃）よりも低い温度に設定された接合温度Ｈｊ（本実施形態では約１５０℃）に昇温される。そして、予め設定された時刻ｔ３までの時間、すなわち、図６中の第１時間Ｔ１の間、チップ２０（金属溶融電極２０ａ）および基板２２（金属溶融電極２２ａ）が接合温度Ｈｊにて加熱された後に、セラミックヒータ９が冷却され、これら一連のパルスヒート加熱工程が実行される。

また、超音波振動を印加している間は、振幅検出器３３によりチップ２０と基板２２との間で「滑り」が生じていることを確認しながら、超音波振動を印加するとともに、共振器部２６をステージ１０へ近接（下降）させている。

続いて、時刻ｔ３において共振器７によるチップ２０の吸着が解除され、完了位置Ｚ１から待機位置ＺＨまで共振器部２６の復帰移動が開始される。そして、共振器部２６が待機位置ＺＨに達した時刻ｔ４において共振器部２６の移動が停止される。この後、チップ２０が実装された状態で、ステージ１０上に保持された基板２２が基板搬送装置１６により基板搬送コンベア１７へ排出されて一連の接合動作が終了する。

以上のように、この「接合動作例（１）」では、接合温度Ｈｊが金属溶融電極２０ａ，２２ａの融点Ｈｍよりも低い温度に設定されているため、チップ２０および基板２２どうしを接合する際に、チップ２０および基板２２が過剰に加熱されることにより金属溶融電極２０ａ，２２ａが溶融して、当該金属溶融電極２０ａ，２２ａの形状が崩れるのを確実に防止できる。一方、金属溶融電極２０ａ，２２ａどうしの接合面には超音波振動が印加されることによる摩擦熱が発生していため、接合面においては当該金属溶融電極２０ａ，２２ａの融点を超える温度となるため、接合面のみが溶融して当該金属溶融電極２０ａ，２２ａどうしが接合し、確実にチップ２０と基板２２とが接合される。

すなわち、超音波振動を印加することによる摩擦力により金属溶融電極２０ａ，２２ａ（鉛錫はんだ）の表面に付着した有機物や酸化膜等の付着物層を除去することができ、金属溶融電極２０ａ，２２ａの融点が約１８３℃以下と低温であることから、当該金属溶融電極２０ａ，２２ａ表面の付着物層を除去した後、低温加熱（約１５０℃）を行うのみで、該金属溶融電極２０ａ，２２ａが形成されたチップ２０と基板２２との接合を行うことができる。

このように、超音波振動を印加することにより、金属溶融電極２０ａ，２２ａ（鉛錫はんだ）の表面に付着した有機物や酸化膜等の付着物層を除去しているため、従来、これらの金属溶融電極２０ａ，２２ａどうしの接合に必要であったフラックス（融剤）を使用しなくても、これらの金属溶融電極２０ａ，２２ａどうしを接合することができる。

また、従来、加熱されて溶融した金属溶融電極２０ａ，２２ａの形状を整えるため、共振器部２６（加熱保持手段）を復帰移動させる前に、当該共振器部２６を所定の高さに定められた時間停止させることにより、溶融した金属溶融電極２０ａ，２２ａを冷却して固化させる冷却固化工程が必要であった。しかしながら、この「接合動作例（１）」では、金属溶融電極２０ａ，２２ａが過剰に加熱されて溶融しすぎることがないので、金属溶融電極２０ａ，２２ａの形状を整える冷却固化工程が不要となり、共振器部２６の上下動制御を簡略化することができる。

また、上記した冷却固化工程において、過剰に加熱されて溶融した液状の金属溶融電極２０ａ，２２ａは、その表面張力によりチップ２０および基板２２上に形成された配線パターンの形状に応じた位置に移動して固化することがある。このため、溶融した金属溶融電極２０ａ，２２ａが表面張力により配線パターンの形状に応じた位置に移動し、チップ２０の基板２２への接合位置が本来の位置からずれてしまうおそれがあった。したがって、チップ２０および基板２２上に形成された配線パターンが微細であって、高精度にチップ２０と基板２２との間の位置決めを行う必要がある場合に問題となっていた。

しかしながら、この「接合動作例（１）」では、金属溶融電極２０ａ，２２ａが過剰に加熱されて溶融しすぎることがないので、上記したような問題が生じるおそれがなく、高精度にチップ２０および基板２２どうしを位置決めして接合することができる。さらに、溶融した金属溶融電極２０ａ，２２ａにより、チップ２０および基板２２上に形成された微細な配線パターンが短絡するのを確実に防止できる。

また、パルスヒート加熱してチップ２０と基板２２とを接合することにより、チップ２０および基板２２が過剰に加熱されて損傷するのを防止できる。また、加熱されることによりチップ２０および基板２２が膨張するのを抑制できるため、チップ２０および基板２２が膨張して、チップ２０と基板２２との間の接合位置に誤差が生じるのを防止できる。また、熱膨張したチップ２０および基板２２が冷却されて収縮して変形することにより、接合された金属溶融電極２０ａ，２２ａに応力が生じるのを緩和することができ、当該応力により金属溶融電極２０ａ，２２ａに接合不良が生じるのを防止できる。

また、セラミックヒータ９に形成された電極９２に、電源供給手段７２０が有する平板端子７２１が接触することで当該セラミックヒータ９に電源供給しているため、従来のように、電源供給用の配線がセラミックヒータ９に、はんだ等により直接接続されている構成に比べ、電源供給用の配線が共振器７と一緒に振動することがなく、共振器７の振動特性に影響を与えることがない。また、平板端子７２１がセラミックヒータ９に形成された電極９２に接触して電源供給を行っているため、共振器７は電源供給手段７２０の平板端子７２１と独立して超音波振動するので、電源供給用の配線が破損したりすることがなく、装置の耐久性の向上を図ることができる。

なお、「接合動作例（１）」では、共振器部２６の位置が、接触位置Ｚ０から、チップ２０および基板２２に形成された金属溶融電極２０ａ，２２ａの高さにより予め設定され、良好にチップ２０と基板２２とを接合できる高さである完了位置Ｚ１となるまでの時間を、同じ時間幅である第１時間Ｔ１および第２時間Ｔ２（Ｔ１＝Ｔ２）としている。これらの第１時間Ｔ１および第２時間を後述する「接合動作例（２）〜（７）」で説明するように、被接合物の種類に応じた最適値を予め実験的に求めることにより設定してもよい。また、図６中、ＺＬとは、共振器部２６が完了位置Ｚ１を超えて移動することにより、チップ２０および基板２２の破壊を招くおそれのある限界位置である。

なお、共振器部２６によるチップ２０および基板２２への加圧力Ｐ２は、金属溶融電極２０ａ，２２ａの材質、形状、大きさ等に応じて適切に設定すればよく、チップ２０および基板２２の試験加圧を行うことによって加圧力Ｐ２を決定してもよいし、金属溶融電極２０ａ，２２ａの材質の硬度等から算出される理論値として加圧力Ｐ２を設定してもよい。要は、金属溶融電極２０ａ，２２ａを確実に加圧して押しつぶすことができるとともに、金属溶融電極２０ａ，２２ａを過剰な加圧力によって破壊しない加圧力Ｐ２であればよい。

また、チップ２０および基板２２を加圧する際の共振器部２６の設定速度は金属溶融電極２０ａ，２２ａが急速につぶれるのを防止して、金属溶融電極２０ａ，２２ａに均一に超音波振動を印加することができる速度であればよい。例えば、この設定速度の値は、金属溶融電極２０ａ，２２ａの高さ、形状等から理論値として算出することができる。

また、金属溶融電極２０ａ，２２ａ間の接合面積（実際に接合された部分）が増大すると、チップ２０と基板２２との接合力が強くなるため、超音波振動エネルギーを一定とすると徐々にチップ２０と基板２２との間の振幅（「滑り」）が小さくなる。そこで、制御装置３１において、チップ２０と基板２２との間で振幅が一定になるように印加する超音波振動エネルギーを増大させることで、常に接合界面において一定の振幅が得られるのでより良好に接合を行うことができる。

このように、接合される接合界面での実際の振幅（チップ２０と基板２２との間の「滑り」）を常に接合に最適な値とする方法として、チップ２０および基板２２の振幅を検出する振幅検出器３３を複数設け、チップ２０と基板２２との間の振幅が任意の一定値となるように印加する超音波振動エネルギーの大きさを制御してもよい。また、チップ２０または基板２２の振幅を振幅検出器３３により検出し、いずれか一方の振幅が任意の一定値となるように印加する超音波振動エネルギーの大きさを制御してもよい。

また、チップ２０および基板２２間の振幅を求めるためには、複数の振幅検出器３３を設けて、チップ２０および基板２２の振幅を同時に測定する方法もあるが、１つの振幅検出器３３でチップ２０および基板２２の振幅を順番に測定した後、時間軸をずらして時間軸を重ねた状態で振幅差を計算することで、チップ２０および基板２２間の振幅を計測することもできる。また、チップ２０および基板２２が、共振器７およびステージ１０に確実に保持されていれば、チップ１０および基板２２のいずれか一方の振幅を検出するだけでよい。

また、振幅検出器３３としては、うず電流式、静電容量式、光照射式または音波検出式等、周知のものであればどのようなものを用いても構わない。これらの手段を用いることにより、例えば、レーザードップラー測定器を使用する場合に比べ、低コスト化を達成することができる。

２．接合動作例（２）
図７を参照して「接合動作例（２）」について説明する。図７は超音波振動接合処理の動作例（２）を示す図である。この「接合動作例（２）」が上記した「接合動作例（１）」と異なる点は、チップ２０および基板２２をパルスヒート加熱するタイミングが異なる点であり、その他の点は「接合動作例（１）」と同様である。したがって、以下では「接合動作例（１）」と異なる点についてのみ説明し、その他の構成および動作については同一符号を付して、その構成および動作の説明を省略する。なお、続いて説明する「接合動作例（３）〜（７）」についても同様に、上記「接合動作例（１）」と同様の構成および動作については同一符号を付して、その構成および動作の説明を省略する。

図７に示すように、この「接合動作例（２）」では、共振器部２６が接触位置Ｚ０に到達する時刻ｔ２から、完了位置Ｚ１に到達する時刻ｔ４までの第２時間Ｔ２の間、超音波振動を印加する超音波振動印加工程が実行される。また時刻ｔ２から所定時間経過した後の時刻ｔ３から、完了位置Ｚ１に到達する時刻ｔ４までの第１時間Ｔ１の間、パルスヒート加熱工程が実行される。

続いて、時刻ｔ４において共振器７によるチップ２０の吸着が解除され、完了位置Ｚ１から待機位置ＺＨまで共振器部２６の復帰移動が開始される。そして、共振器部２６が待機位置ＺＨに達した時刻ｔ５において共振器部２６の移動が停止される。この後、チップ２０が実装された状態で、ステージ１０上に保持された基板２２が基板搬送装置１６により基板搬送コンベア１７へ排出されて一連の接合動作が終了する。

この「接合動作例（２）」においても、上記した効果と同様の効果を奏することができる。

３．接合動作例（３）
図８を参照して「接合動作例（３）」について説明する。図８は超音波振動接合処理の動作例（３）を示す図である。この「接合動作例（３）」が上記した「接合動作例（１）」と異なる点は、チップ２０および基板２２に超音波振動を印加するタイミングが異なる点と、チップ２０および基板２２をパルスヒート加熱するタイミングおよび温度が異なる点である。

図８に示すように、この「接合動作例（３）」では、共振器部２６が接触位置Ｚ０に到達する時刻ｔ２から、完了位置Ｚ１に到達する前の時刻ｔ３までの第２時間Ｔ２の間、超音波振動を印加する超音波振動印加工程が実行される。また時刻ｔ３から、完了位置Ｚ１に到達する時刻ｔ４までの第１時間Ｔ１の間、接合温度Ｈｊを金属溶融電極２０ａ，２２ａの融点Ｈｍとしてパルスヒート加熱工程が実行される。

この「接合動作例（３）」においても、チップ２０と基板２２とを良好に接合することができる。また、チップ２０および基板２２とをパルスヒート加熱する時間（第１時間Ｔ１）が短時間であるため、金属溶融電極２０ａ，２２ａが過剰に加熱されて溶融されることもない。

４．接合動作例（４）
図９を参照して「接合動作例（４）」について説明する。図９は超音波振動接合処理の動作例（４）を示す図である。この「接合動作例（４）」が上記した「接合動作例（１）」と異なる点は、チップ２０および基板２２に超音波振動を印加するタイミングが異なる点と、チップ２０および基板２２をパルスヒート加熱するタイミングおよび温度が異なる点である。

図９に示すように、この「接合動作例（４）」では、共振器部２６が接触位置Ｚ０に到達する時刻ｔ２から、完了位置Ｚ１に到達する前の時刻ｔ３までの第２時間Ｔ２の間、超音波振動を印加する超音波振動印加工程が実行される。また時刻ｔ２の直前から、第１時間Ｔ１の間、接合温度Ｈｊを金属溶融電極２０ａ，２２ａの融点Ｈｍとしてパルスヒート加熱工程が実行される。

この「接合動作例（４）」においても、チップ２０と基板２２とを良好に接合することができる。また、チップ２０および基板２２とをパルスヒート加熱する時間（第１時間Ｔ１）が短時間であるため、金属溶融電極２０ａ，２２ａが過剰に加熱されて溶融されることもない。

５．接合動作例（５）
図１０を参照して「接合動作例（５）」について説明する。図１０は超音波振動接合処理の動作例（５）を示す図である。この「接合動作例（５）」が上記した「接合動作例（１）」と異なる点は、チップ２０および基板２２に超音波振動を印加するタイミングが異なる点と、チップ２０および基板２２をパルスヒート加熱するタイミングが異なる点である。

図１０に示すように、この「接合動作例（５）」では、共振器部２６が接触位置Ｚ０に到達する時刻ｔ２から、完了位置Ｚ１に到達する前の時刻ｔ３までの第２時間Ｔ２の間、超音波振動を印加する超音波振動印加工程が実行される。また時刻ｔ２の直前から、第１時間Ｔ１の間、金属溶融電極２０ａ，２２ａの融点Ｈｍよりも低い接合温度Ｈｊにてパルスヒート加熱工程が実行される。

この「接合動作例（５）」においても、チップ２０と基板２２とを良好に接合することができる。なお、超音波振動を印加する第２時間Ｔ２は、金属溶融電極２０ａ，２２ａの接合表面が摩擦熱によって接合するのに十分な温度に加熱される程度に予め設定すればよい。

６．接合動作例（６）
図１１を参照して「接合動作例（６）」について説明する。図１１は超音波振動接合処理の動作例（６）を示す図である。この「接合動作例（６）」が上記した「接合動作例（１）」と異なる点は、チップ２０および基板２２に超音波振動を印加するタイミングが異なる点である。

図１１に示すように、この「接合動作例（６）」では、共振器部２６が接触位置Ｚ０に到達する時刻ｔ２から、完了位置Ｚ１に到達する前の時刻ｔ３までの第２時間Ｔ２の間、超音波振動を印加する超音波振動印加工程が実行される。また時刻ｔ２から、時刻ｔ４までの第１時間Ｔ１の間、金属溶融電極２０ａ，２２ａの融点よりも低い接合温度Ｈｊにてパルスヒート加熱工程が実行される。

この「接合動作例（６）」においても、チップ２０と基板２２とを良好に接合することができる。なお、超音波振動を印加する第２時間Ｔ２は、金属溶融電極２０ａ，２２ａの接合表面が摩擦熱によって接合するのに十分な温度に加熱される程度に予め設定すればよい。

７．接合動作例（７）
図１２を参照して「接合動作例（７）」について説明する。図１２は超音波振動接合処理の動作例（７）を示す図である。この「接合動作例（７）」が上記した「接合動作例（１）」と異なる点は、チップ２０および基板２２に超音波振動を印加するタイミングが異なる点である。

図１２に示すように、この「接合動作例（７）」では、共振器部２６が接触位置Ｚ０に到達する時刻ｔ２から、完了位置Ｚ１に到達する時刻ｔ３までの時間内の任意のタイミングで、第２時間Ｔ２の間、超音波振動を印加する超音波振動印加工程が実行される。また時刻ｔ２から、時刻ｔ３までの第１時間Ｔ１の間、金属溶融電極２０ａ，２２ａの融点Ｈｍよりも低い接合温度Ｈｊにてパルスヒート加熱工程が実行される。

この「接合動作例（７）」においても、チップ２０と基板２２とを良好に接合することができる。なお、超音波振動を印加する第２時間Ｔ２は、金属溶融電極２０ａ，２２ａの接合表面が摩擦熱によって接合するのに十分な温度に加熱される程度に予め設定すればよい。

以上のように、この実施形態では、予め設定された第１時間Ｔ１、セラミックヒータ９を昇温するパルスヒート加熱するとともに、共振器７の熱伝導率が約７．５Ｗ／ｍ℃以下であることから、従来のように熱遮断部材を共振器７とセラミックヒータ９との間に設けなくとも、セラミックヒータ９から共振器７への伝熱が抑制され、共振器７が昇温して熱膨張等しないので、どのような接合温度Ｈｊであっても共振器７を共通して使用することができて効率がよい。また、セラミックヒータ９で発生する熱が共振器７に伝導し難いことから、パルスヒート加熱によるセラミックヒータ９の加熱であってもセラミックヒータ９を効率よく昇温させることができるため、当該セラミックヒータ９を短時間で接合温度Ｈｊに昇温することができ、熱遮断部材等を用いずとも、簡素な構成で効率よく接合作業を行うことができる。

次に、図１３を参照して上記した本実施形態の特徴について説明する。図１３はヒータ９および共振器７の昇温特性を示す図である。図１３に示すように、共振器７がチタン合金（６Ａｌ−４Ｖ）で構成されている場合には、セラミックヒータ９へ電源供給が開始されてセラミックヒータ９の昇温が開始されると、共振器７の温度はほとんど上昇せずに、約５秒で約１５０℃までのセラミックヒータ９の昇温が完了する。

一方、共振器７が、従来の超音波振動による金属接合装置に採用されていた鉄（ＳＫＤ１１、約６０．０Ｗ／ｍ℃）で構成されている場合には、図１３に示すように、セラミックヒータ９へ電源供給が開始されてセラミックヒータ９の昇温が開始されると、セラミックヒータ９から共振器７へ伝熱が進むことで、共振器７の温度が上昇するとともに、共振器７を約１５０℃まで昇温させるのに約６０秒の時間を必要とする。

なお、共振器７が、ステンレス（約２５Ｗ／ｍ℃）で構成されている場合には、図１３に示すようにセラミックヒータ９へ電源供給が開始されてセラミックヒータ９の昇温が開始されると、共振器７の温度はあまり上昇せず、約１２秒で約１５０℃までのセラミックヒータ９の昇温が完了し、共振器７をチタン合金で構成した場合と同様の効果を奏することができるとともに、チップ２０と基板２２との接合を効率よく行うことができる。

また、この実施形態では、超音波振動によるエネルギーと、パルスヒート加熱によるエネルギーとの２つのエネルギーが併用されることにより効率よく発生する接合エネルギーによってチップ２０と基板２２とが接合されて、半導体デバイスまたはＭＥＭＳデバイスが形成される。このように、より少ない超音波振動エネルギーで、かつ、過剰な加熱を行わずともチップ２０と基板２２とを接合してデバイスを形成できる。したがって、デバイス作成時にチップ２０と基板２２とを接合する接合エネルギーを過剰に印加することで、作成されるデバイスに破損が生じたりするのを防止でき、精度のよいデバイスを提供することができる。

また、この実施形態では、被接合物が金属溶融電極２０ａ，２２ａを有するチップ２０と基板２２である場合について説明したが、被接合物としては、例えば、Ｓｉのような半導体、ＳｉＯ_２、ガラス、イオン酸リチウム、酸化物単結晶（ＬＴ）、セラミック系を含む酸化物等により形成されるウエハーやチップ等に、金属溶融電極あるいは配線パターンを形成したものであってもよく、これらを接合することができる。また、上記したもの以外に、樹脂製の基板、フィルム基板またはこれらの基板をダイシングしたチップ等を被接合物としてもよい。

また、被接合物は、基板、ウエハー、基板およびウエハーをダイシングしたチップ等、どのような形態のものであってもよく、超音波振動を印加して加熱することで接合できる材質であれば、金属溶融電極２０ａ，２２ａどうしの接合ではなく、被接合物の一方面の全面どうしを接合してももちろんよい。また、金属溶融電極２０ａ，２２ａが形成された一方の被接合物を、金属溶融電極２０ａ，２２ａが形成されていない他方の被接合物の接合面に直接接合してもよい。

また、金属溶融電極２０ａ，２２ａの形状は、個々に独立した複数のバンプ形状であってもよいし、被接合物間のある領域を、当該被接合物どうしで封止可能に輪郭状につながった形状であってもよく、パッド形状であってもよい。また金属溶融電極２０ａ，２２ａを形成する材料としては、融点が約４５０℃以下のはんだが最適であるが、融点が４５０℃以下の材料であればどのようなものであってもよい。

例えば、融点が約４５０℃以下の合金である、Ａｇ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｎ、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｉｎ−Ｐｄ等により金属溶融電極を形成してもよい。また、Ｓｎ（融点、約２３２℃）、Ｉｎ（融点、約１５７℃）、Ｂｉ（融点、約２７１℃）等によっても金属溶融電極を形成することができる。このような構成とすると、超音波振動を印加することによる摩擦力により金属溶融電極の表面に付着した有機物や酸化膜等の付着物層を除去することができ、金属溶融電極の融点が約４５０℃以下と低温であることから、当該金属溶融電極表面の付着物層を除去した後、低温加熱を行うことにより、該金属溶融電極が形成された被接合物の接合を行うことができる。

また、被接合物の接合面に、上記した、融点が４５０℃以下の材質により構成される金属溶融電極の代わりに、融点が４５０℃を超えるＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ−Ｏｘｉｄｅ）や、Ａｕ（融点、約１０６４℃）、Ａｌ（融点、約６６０℃）、Ｃｕ（融点、約１０８３℃）、Ｎｉ（融点、約１４５３℃）、Ａｇ（融点、約９６２℃）等により、任意の形状（バンプ形状、パッド形状等）で金属電極を形成してもよい。このような構成としても、該金属電極が形成された被接合物どうしを、超音波振動を印加してパルスヒート加熱することにより効率よく接合することができる。

このように、被接合物の接合面には、種々の材質で任意の形状に金属溶融電極または金属電極を形成することができ、一方の被接合物の接合面に形成された金属溶融電極と、他方の被接合物の接合面に形成された金属電極とを、超音波振動を印加してパルスヒート加熱することにより効率よく接合することもできる。

また、接合装置の構成としては、図１に示すように被接合物を上下方向（Ｚ方向）で重ね合わせて接合してもよいし、Ｚ方向にほぼ直交する左右方向で重ね合わせて接合する構成でもよい。また、３つ以上の被接合物を重合して接合してもよい。

また、被接合物の接合面間に生じる「滑り」とは、適切な加圧力下で、接合面の酸化膜等を除去して被接合物どうしを接合するために必要な振幅が印加されることにより生じる接合界面での滑りである。この「滑り」の大きさは、接合面の材質、面積などにより異なるが、一例として、０．１μｍ〜０．５μｍ程度の振幅とすることができる。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、セラミックヒータ９およびステージ１０に静電チャック手段を設けてチップ２０および基板２２を吸着する構成としてもよい。図１４に示すように、セラミックヒータ９の内部に静電チャック電極９３，９４を埋設することで、チップ２０を静電気力により吸着することができる。

このような構成とすれば、静電チャック手段により、真空中でチップ２０（一の被接合物）を保持することができるため、真空中でチップ２０と基板２２との接合を行うことができ、チップ２０および基板２２に有機物や酸化膜等の不純物が付着するのが防止されるので、チップ２０と基板２２とを良好に接合することができる。なお、図１４は静電チャックの原理説明図である。また、ステージ１０側の静電チャック手段の構成については、図１４に示すセラミックヒータ９における静電チャックの原理と同様の原理であるので図面を用いた構成および動作の説明を省略する。

また、被接合物をセラミックヒータ９やステージ１０へ保持する保持機構としては、上記した真空吸着や静電チャックによる保持機構に限られず、機械式チャック機構、磁気吸着等、周知の保持機構を採用してもよい。

また、上記した実施形態では、ステージ１０側がアライメント機能、共振器部２６側が上下駆動機能を有するように構成したが、アライメント機能、上下駆動機能はステージ１０側、共振器部２６側にどのように組み合わせてもよく、また、重複するように構成してもよい。また、共振器部２６およびステージ１０を上下方向（矢印Ｚ方向）に配置しているが、配置方向としてはこれに限定されず、左右方向や斜め方向であってもよい。

また、上記した実施形態では、接合温度Ｈｊを、鉛錫はんだの融点Ｈｍ（約１８３℃）を基準として設定したが、接合温度Ｈｊはこれに限られず、被接合物の種類または被接合物に形成された金属溶融電極（金属電極）の種類に応じて最適な値に設定すればよい。

また、超音波振動印加工程およびパルスヒート加熱工程を実行するタイミングは、上記した「接合動作例（１）〜（７）」で例に挙げたタイミングに限られず、接合対象である被接合物の種類に応じて、適宜、最適なタイミングで実行することができる。

この発明にかかる超音波振動接合装置の一実施形態の概略構成図である。図１に示す超音波振動接合装置が備える共振器の下面図である。図２の右側面図であって、共振器のＡ−Ａ線断面図である。図２の要部拡大図である。図３に示す共振器の動作説明図である。超音波振動接合処理の動作例（１）を示す図である。超音波振動接合処理の動作例（２）を示す図である。超音波振動接合処理の動作例（３）を示す図である。超音波振動接合処理の動作例（４）を示す図である。超音波振動接合処理の動作例（５）を示す図である。超音波振動接合処理の動作例（６）を示す図である。超音波振動接合処理の動作例（７）を示す図である。ヒータおよび共振器の昇温特性を示す図である。静電チャックの原理説明図である。

符号の説明

７共振器
８振動子
９セラミックヒータ（加熱保持手段）
９２電極
１０ステージ
２０チップ（被接合物）
２２基板（被接合物）
２０ａ，２２ａ金属溶融電極
３１制御装置（振動制御手段、加熱制御手段）
７２０電源供給手段
７２１平板端子（端子）
９３，９４静電チャック電極（静電チャック手段）
Ｈｍ融点
Ｈｊ接合温度
Ｈｗ待機温度
Ｔ１第１時間
Ｔ２第２時間

Claims

接合対象として重合された複数の被接合物に超音波振動を印加して該複数の被接合物どうしを接合する超音波振動接合方法において、
振動子が発生する振動により超音波振動し、熱伝導率が２５．０Ｗ／ｍ℃以下の材質からなる共振器の最大振幅部に固着して設けられ、前記複数の被接合物のうち少なくとも一の前記被接合物を加熱可能に保持する加熱保持手段を待機温度から該待機温度よりも高温の接合温度に昇温し、前記一の被接合物を、予め設定された第１時間、前記接合温度にて加熱した後に、前記加熱保持手段を冷却するパルスヒート加熱工程と、
前記加熱保持手段、および、前記共振器に対向配置されたステージとの間に重合状態で挟持された前記複数の被接合物に、少なくとも、予め設定された第２時間、前記超音波振動を印加する超音波振動印加工程と
を含むことを特徴とする超音波振動接合方法。
前記接合温度は、前記被接合物の融点よりも低い温度に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波振動接合方法。
接合対象としての少なくとも１つの前記被接合物の接合面には、融点が約４５０℃以下の材質からなる金属溶融電極が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波振動接合方法。
請求項１ないし３のいずれかに記載の超音波振動接合方法により形成されたデバイスであって、半導体デバイスまたはＭＥＭＳデバイスからなることを特徴とするデバイス。
接合対象として重合された複数の被接合物に超音波振動を印加して該複数の被接合物どうしを接合する超音波振動接合装置において、
振動子が発生する振動により超音波振動し、熱伝導率が２５．０Ｗ／ｍ℃以下の材質からなる共振器と、
前記共振器に対向配置されたステージと、
前記共振器の最大振幅部に固着して設けられ、前記複数の被接合物のうち少なくとも一の前記被接合物を加熱可能に保持し、前記ステージとの間に重合状態で挟持された前記複数の被接合物に前記共振器の超音波振動を伝達する加熱保持手段と、
前記振動子を制御する振動制御手段と、
前記加熱保持手段をパルスヒート加熱制御する加熱制御手段とを備え、
前記加熱制御手段は、
前記加熱保持手段を待機温度から該待機温度よりも高温の接合温度に昇温し、前記一の被接合物を、予め設定された第１時間、前記接合温度にて加熱した後に、前記加熱保持手段を冷却し、
前記振動制御手段は、
前記加熱保持手段と前記ステージとの間に重合状態で挟持された前記複数の被接合物に、少なくとも、予め設定された第２時間、前記超音波振動を印加する
ことを特徴とする超音波振動接合装置。
前記加熱保持手段は、電源供給用の電極が形成されたセラミックヒータを備え、
前記電極に接触して前記セラミックヒータに電源供給する端子を有する電源供給手段をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の超音波振動接合装置。
前記加熱保持手段は、静電チャック手段を備え、該静電チャック手段により前記一の被接合物を保持することを特徴とする請求項５または６に記載の超音波振動接合装置。