JP3854857B2

JP3854857B2 - 超音波振動発振器、及び部品接合方法

Info

Publication number: JP3854857B2
Application number: JP2001371102A
Authority: JP
Inventors: 和司東; 和之冨田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-12-05
Filing date: 2001-12-05
Publication date: 2006-12-06
Anticipated expiration: 2021-12-05
Also published as: JP2003170116A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波振動を用いて例えば電子部品や半導体チップ等を回路基板等へ実装する際に使用される超音波振動発振器、及び該超音波振動発振器を用いて実行される部品接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、回路基板への電子部品及び半導体チップの実装方法の一つとして、超音波エネルギーを用いて接合する方法がある。該方法は、ワイヤボンド技術に見られるように、一つの超音波振動子から得られる振動を超音波ホーンに伝え、該超音波ホーンに取り付けられているボンディングツールを通して部品と基板との接合部分へ振動エネルギーを伝え、上記接合部分の界面における金属接合を実現する。図３を参照して上述の部品接合方法について説明する。
図３に示す接合装置１０において、超音波ホーン２には、その一端部に超音波振動子１が、他端部にはボンディングツール３が取り付けられ、超音波振動子１には超音波発振器４が接続されている。一方、ステージ９上には基板７が保持され、該基板７上の基板電極８には金にてなるバンプ６が形成されている。ボンディングツール３の先端にはＩＣチップ５が保持され、上記バンプ６とＩＣチップ５の電極とが対応するようにステージ９を移動させて位置決めされる。
【０００３】
上述のように構成された接合装置１０の動作を説明する。
まず、超音波振動子１に超音波発振器４から任意の周波数の電圧、電流信号が与えられ、超音波振動子１が振動する。該振動は、超音波ホーン２さらにボンディングツール３に伝達され、ボンディングツール３の先端に保持されたＩＣチップ５等の電子部品、又はＡｕボール等に伝達される。よって、ボンディングステージ９に保持された基板電極８とＩＣチップ５との接触部に摩擦エネルギーが生じ、該摩擦エネルギーにより上記接触部が接合する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上述のような構成では、ボンディングツール３の先端に保持されたＩＣチップ５等の振動状態は、超音波振動子１から生じた振動が超音波ホーン２及びボンディングツール３に伝達された結果として得られるため、超音波ホーン２の加工精度のばらつきや、ボンディングツール３の形状変化により影響を受ける。従って、常に同一の振動を安定して得ることが困難であるという問題がある。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、常に安定した超音波振動が得られる超音波振動発振器、及び該超音波振動発振器を用いて実行される部品接合方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の第１態様の超音波振動発振器は、互いに直交するＸ，Ｙ，Ｚ方向へ延在し超音波振動を伝達する３つの伝達部材がそれぞれのほぼ中央部にて結合されて一体的に形成されるとともに、基板に接合される電子部品を上記中央部にて保持する振動部材と、
それぞれの上記伝達部材に取り付けられそれぞれの上記伝達部材へ伝達する超音波振動を発生する複数の超音波振動子と、
上記超音波振動子の発振制御を行い上記部品における振動状態を２又は３次元にて制御する制御装置であって、それぞれの上記超音波振動子に対して、目的方向以外の方向へ上記電子部品を振動させる不要振動を打ち消す打消用超音波振動を発生させる制御装置と、
を備えたことを特徴とする。
【０００６】
上記振動部材に取り付けられ、振動方向及び振動数を検出する振動検出器をさらに備え、
上記制御装置は、上記振動検出器から供給される検出情報に応じて、それぞれの上記超音波振動子に対して上記打消用超音波振動をリアルタイムにて発生させることもできる。
【０００７】
水平方向に延在する２つの上記伝達部材は、それぞれの当該伝達部材における超音波振動の節に相当する箇所を通過する円形状の支持部材にて支持されてもよい。
【０００８】
上記振動部材は、上記部品を保持しかつ上記振動部材に対して着脱自在な部品保持部材を有しても良い。
【０００９】
又、本発明の第２態様の部品接合方法は、電子部品を保持する振動部材に対して、互いに直交するＸ，Ｙ，Ｚの方向から超音波振動を与え、上記振動部材に取り付けた振動検出器にて上記振動部材における振動方向及び振動数を検出し、この検出情報に応じて上記超音波振動をリアルタイムにて制御することで上記電子部品の振動状態を２又は３次元にて制御して、上記電子部品と被接合材である基板との間で金属接合させることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態である超音波振動発振器、及び該超音波振動発振器を用いて実行される部品接合方法について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において同じ構成部分については同じ符号を付している。
図１及び図２には、上記超音波振動発振器１００が示され、その平面図を図１に、側面図を図２に示している。超音波振動発振器１００は、振動部材１１０と、超音波振動子１２０と、制御装置１３０とを基本的に備え、さらに上記振動部材１１０を支持する支持部材１４０と、部品保持部材１５０とを有することもできる。
【００１１】
上記振動部材１１０は、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ方向へそれぞれ延在する、上述の超音波ホーン２と同様の機能を果たす、第１伝達部材１１１、第２伝達部材１１２、第３伝達部材１１３を、それぞれのほぼ中央部分にて結合して一体的に形成した部材である。本実施形態では、第１伝達部材１１１及び第２伝達部材１１２が水平方向に対して平行に延在し、第３伝達部材１１３が垂直方向に延在する。又、各伝達部材１１１〜１１３は、ステンレスやチタン等からなる円筒形状である。尚、本実施形態では、上記３方向へ延在する各伝達部材を備えるが、これに限定されるものではなく互いに直交する２方向に沿って伝達部材を設けることもできる。
各伝達部材１１１、１１２、１１３の一端には、各伝達部材１１１、１１２、１１３へ伝達する超音波振動を発生する第１超音波振動子１２０−１、第２超音波振動子１２０−２、第３超音波振動子１２０−３がそれぞれ取り付けられている。よって、第１伝達部材１１１は第１超音波振動子１２０−１の発する超音波振動を伝達し、第２伝達部材１１２は第２超音波振動子１２０−２の発する超音波振動を伝達し、第３伝達部材１１３は第３超音波振動子１２０−３の発する超音波振動を伝達する。よって、これらの伝達部材１１１〜１１３にて一体的に形成された上記振動部材１１０は、各超音波振動子１２０−１〜１２０−３が発する超音波振動にて共振する。
【００１２】
又、振動部材１１０には、図２に示すように、第３伝達部材１１３の他端部に、部品を保持するための上記部品保持部材１５０が振動部材１１０に対して着脱自在に取り付けられている。部品保持部材１５０は、本実施形態では吸引装置１６１による吸着により上記部品の厚み方向とＺ方向とを一致させて上記部品を保持する。このように振動部材１１０に対して部品保持部材１５０を着脱自在とすることで、部品の形態の変化に対応して部品保持部材１５０を交換することで種々の部品を保持することができる。又、本実施形態では、上記部品として、金バンプ６を有するＩＣチップ５を例に採る。
【００１３】
このように構成される振動部材１１０は、上記支持部材１４０にて支持される。即ち、水平方向に平行に延在する、第１伝達部材１１１及び第２伝達部材１１２について、上記支持部材１４０は、これらの伝達部材を伝わる超音波振動の節に相当する箇所、つまり第１伝達部材１１１では支持箇所１４１−１、１４１−２、並びに第２伝達部材１１２では支持箇所１４１−３、１４１−４のそれぞれにて接触する円筒状の部材であり、上記Ｚ方向に沿って延在する。又、上記各支持箇所１４１に対向する支持部材１４０の他端には、押圧用部材１４２が取り付けられる。該押圧用部材１４２は、後述の押圧装置１６３にて押下される。尚、発生する超音波振動数は、材質の物性により必然的に決まるため、本実施形態では位相のみを制御して部品保持部材１５０における振動モードを制御するものである。
尚、上述のように、支持部材１４０は、上記節に相当する箇所にて第１伝達部材１１１及び第２伝達部材１１２を支持することから、支持部材１４０は振動部材１１０における超音波振動を妨げることはない。
【００１４】
又、当該超音波振動発振器１００を備えて構成される部品接合装置には、図２に示すように、上記吸引装置１６１の他に、上記部品が接合される被接合材の一例に相当する基板７が載置されるステージ９と、該ステージ９をＸ、Ｙ方向へ自在に移動させる、例えばボールねじ機構等の公知の機構を有するステージ駆動機構１６２と、超音波振動発振器１００にて超音波振動が印加されながら上記部品を上記ステージ９上の基板７へ押圧するための押圧装置１６３とが備わる。尚、上記制御装置１３０は、これら吸引装置１６１、ステージ駆動機構１６２、及び押圧装置１６３の動作制御をも行う。
【００１５】
上記制御装置１３０は、超音波振動子１２０−１〜１２０−３の発振制御を行い、これらの超音波振動子１２０−１〜１２０−３のそれぞれから超音波振動を発振させ、上記振動部材１１０における部品保持部材１５０に保持されたＩＣチップ５における振動状態を３次元にて制御する。上記超音波振動とは、本実施形態では、２０ｋＨｚ以上の周波数を有する振動である。尚、互いに直交する２方向のみに伝達部材が延在して上記振動部材１１０を構成する場合、制御装置１３０は、部品保持部材１５０に保持されたＩＣチップ５における振動状態を２次元にて制御することになる。
上記制御について、より詳しく説明する。
例えば、上記第１伝達部材１１１は、第１超音波振動子１２０−１にて主にＸ方向へ超音波振動し、上記第２伝達部材１１２は、第２超音波振動子１２０−２にて主にＹ方向へ超音波振動し、上記第３伝達部材１１３は、第３超音波振動子１２０−３にて主にＺ方向へ超音波振動するとし、上記ＩＣチップ５に対して、目的方向の一例としてＸ方向へ振動させる場合を例に採る。又、制御装置１３０の記憶部１３１には、予め、接合させる部品に適切な超音波振動数、及び該振動数にて部品を振動させるために各超音波振動子１２０へ供給すべき電圧値、電流値が記憶されているものとする。よって、接合すべき部品に対応して自動的に適切な超音波振動を生じさせることが可能である。
【００１６】
このような内容を前提として、まず、制御装置１３０から接合すべき上記ＩＣチップ５に対応して、第１超音波振動子１２０−１へ所定の電圧及び電流が供給され、第１超音波振動子１２０−１は超音波振動を発振する。よって、第１伝達部材１１１を伝達されてＩＣチップ５は振動する。上述のように第１超音波振動子１２０−１は、図１に符号１７１にて示す図、及び矢印１７４に示すように、主にＸ方向への振動を発生するが、振動部材１１０においては上記目的方向以外の方向へＩＣチップ５を振動させる不要振動、例えば上記Ｙ方向及びＺ方向への振動も生じてしまう。よって、上記不要振動の一つであるＹ方向への振動に対して、制御装置１３０は、Ｙ方向への超音波振動を主に発生する第２超音波振動子１２０−２に対して、Ｙ方向における上記不要振動の位相とは逆位相の超音波振動を発生させ、上記Ｙ方向における不要振動を打ち消す。尚、上記逆位相の超音波振動を打消用超音波振動と呼ぶ。又、該Ｙ方向における打消用超音波振動の一例を図１に符号１７２を付した図、及び矢印１７５にて示す。
さらに、上記第１超音波振動子１２０−１及び第２超音波振動子１２０−２にて発生した、上記不要振動の一つであるＺ方向への振動について、制御装置１３０は、Ｚ方向への超音波振動を主に発生する第３超音波振動子１２０−３に対して、Ｚ方向における不要振動の位相とは逆位相の超音波振動を発生させ上記Ｚ方向における不要振動を打ち消す。尚、上記Ｙ方向及びＺ方向における打消用超音波振動を第２超音波振動子１２０−２及び第３超音波振動子１２０−３に発生させるためのそれぞれの電圧値及び電流値は、上述したように記憶部１３１に記憶されている。
このように、制御装置１３０の動作制御により、各方向の不要振動を、それぞれ打消用超音波振動にて打ち消すことで、上記目的方向であるＸ方向の超音波振動のみを得ることができ、ＩＣチップ５を上記目的方向のみへ超音波振動させることができる。
【００１７】
又、上記制御装置１３０によれば、たとえ第１伝達部材１１１、第２伝達部材１１２、第３伝達部材１１３の加工精度がばらついたり、振動部材１１０に着脱自在な部品保持部材１５０を交換することで部品保持部材１５０の形状が変化したりすることで、部品において、目標とした方向及び振動数による超音波振動が得られない場合が生じても、上記不要振動を打ち消すように上記打消用超音波振動を生じさせることから、上記目標とした方向及び振動数の超音波振動を得ることができる。
【００１８】
以上のように構成された超音波振動発振器１００の動作、即ち該超音波振動発振器１００を用いて実行される部品接合方法又は超音波振動発振器１００を備えて構成される部品接合装置にて実行される部品接合方法について以下に説明する。尚、上記部品の一例として、金バンプ６が形成されたＩＣチップ５を例に採り、該ＩＣチップ５が接合される被接合材の一例として回路基板７を例に採る。尚、該回路基板７には、上記金バンプ６と接合する金属にてなる基板電極８が形成されている。該金属電極８の材質としては、アルミニウム、銅、又は金、等が選択される。又、上記部品接合方法は、上記制御装置１３０にて動作制御される。さらに、上記部品保持部材１５０は、既にＩＣチップ５を吸着しており、ステージ９には回路基板７が既に保持されているものとする。
【００１９】
制御装置１３０の動作制御により、ステージ駆動機構１６２が駆動され、ＩＣチップ５の金バンプ６と、所定の基板電極８とが対向するように、回路基板７が位置決めされる。次に、押圧装置１６３を駆動させ、金バンプ６が基板電極８に接触するまで超音波振動発振器１００をＺ方向に沿って下降させる。上記接触後、各超音波振動子１２０−１〜１２０−３を動作させることで、振動部材１１０及び部品保持部材１５０が共振し、部品保持部材１５０に保持されているＩＣチップ５が超音波振動する。よって、ステージ９に保持され移動できない回路基板７に対して、ＩＣチップ５の金バンプ６が上述の２０ＫＨｚ以上の周波数にて超音波振動し、基板電極８との間で摩擦される。このとき、上述したように、制御装置１３０は、第２超音波振動子１２０−２及び第３超音波振動子１２０−３に対して、上記打消用超音波振動を生じさせる。よって、上述した不要振動は消去され所望方向のみの超音波振動にてＩＣチップ５を振動させることができる。即ち、常に同一の振動を安定して得ることが可能である。又、上記超音波振動の印加と同時に又はその後に、上記押圧装置１６３をさらに駆動させて金バンプ６を、基板電極８との接触状態から基板電極８へ押圧させる。よって、金バンプ６と基板電極８との接触部に生じた摩擦エネルギーにより当該接触部が接合する。以上の動作にて、ＩＣチップ５は回路基板７に接合される。
【００２０】
以上説明したように、本実施形態の超音波振動発振器１００、及び上記部品接合方法によれば、振動部材１１０に取り付けた複数個の超音波振動子１２０のそれぞれを制御装置１３０にて個別に振動を制御するようにしたことから、振動部材１１０に保持されているＩＣチップ５の振動状態を３次元にて制御して、アルミニウム、銅、金等の金属同士を接合することができる。又、上述のように超音波振動子１２０のそれぞれを制御装置１３０にて個別に振動制御するので、第１伝達部材１１１、第２伝達部材１１２、第３伝達部材１１３の加工精度がばらついたり、振動部材１１０に着脱自在な部品保持部材１５０を交換することで部品保持部材１５０の形状が変化したりすることに起因して発生する、部品における超音波振動の方向及び振動数の変化を補正することができる。
【００２１】
本実施形態では、部品に対応して、第１超音波振動子１２０−１、第２超音波振動子１２０−２、及び第３超音波振動子１２０−３のそれぞれが発する超音波振動数を予め設定している。ここで、第２超音波振動子１２０−２及び第３超音波振動子１２０−３における超音波振動数は、上述した打消用超音波振動数である。しかしながら、上記打消用超音波振動数は、本実施形態のように予め設定しておく方法に限定されるものではなく、例えば、振動方向及び振動数を検出する振動検出器を振動部材１１０に取り付け、該振動検出器からの検出情報を制御装置１３０に供給し、制御装置１３０にて上記打消用超音波振動数をリアルタイムにて決定して第２超音波振動子１２０−２及び第３超音波振動子１２０−３の発振制御を行うようにすることもできる。
【００２２】
尚、上述した実施形態では、上記目的方向の振動を発生する振動子を第１超音波振動子１２０−１とし、打消用超音波振動を発生する振動子を第２超音波振動子１２０−２及び第３超音波振動子１２０−３としているが、勿論これに限定されるものではない。
又、上述した実施形態では、部品を基板に接合する場合を例に採って超音波振動発振器１００及び部品接合方法について説明したが、部品等への金線のワイヤボンディング作製やスタッドバンプ作製に対しても超音波振動発振器１００及び部品接合方法を適用することが可能であり、かつ本実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００２３】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明の第１態様の超音波振動発振器、及び第２態様の部品接合方法によれば、振動部材に複数の超音波振動子を取り付け、制御装置にて各超音波振動子の発振を制御するようにした。よって、上記振動部材に保持される部品における振動状態を２又は３次元にて制御することができ、上記振動部材を構成する伝達部材の加工精度のばらつき等の原因により生じる、目標振動からのズレを補正することができる。よって、常に同一の超音波振動を発生させることができる。
【００２４】
上記制御装置の振動状態の制御において、制御装置が不要振動を打ち消す打消用超音波振動を超音波振動子に発生させることで、上記振動部材に保持されている部品について、常に同一方向で同一の振動数にてなる超音波振動にて振動させることができる。よって、常に同一条件での安定した部品の接合を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態における超音波振動発振器の平面図である。
【図２】図１に示す超音波振動発振器の側面図である。
【図３】従来の超音波振動発振器を示す図である。
【符号の説明】
５…ＩＣチップ、７…基板、
１１０…振動部材、１１１…第１伝達部材、１１２…第２伝達部材、
１１３…第３伝達部材、１２０−１…第１超音波振動子、
１２０−２…第２超音波振動子、１２０−３…第３超音波振動子、
１３０…制御装置、１４０…支持部材、１５０…部品保持部材。

Claims

互いに直交するＸ，Ｙ，Ｚ方向へ延在し超音波振動を伝達する３つの伝達部材がそれぞれのほぼ中央部にて結合されて一体的に形成されるとともに、基板に接合される電子部品を上記中央部にて保持する振動部材と、
それぞれの上記伝達部材に取り付けられそれぞれの上記伝達部材へ伝達する超音波振動を発生する複数の超音波振動子と、
上記超音波振動子の発振制御を行い上記部品における振動状態を２又は３次元にて制御する制御装置であって、それぞれの上記超音波振動子に対して、目的方向以外の方向へ上記電子部品を振動させる不要振動を打ち消す打消用超音波振動を発生させる制御装置と、
を備えたことを特徴とする超音波振動発振器。
上記振動部材に取り付けられ、振動方向及び振動数を検出する振動検出器をさらに備え、
上記制御装置は、上記振動検出器から供給される検出情報に応じて、それぞれの上記超音波振動子に対して上記打消用超音波振動をリアルタイムにて発生する、請求項１記載の超音波振動発振器。
水平方向に延在する２つの上記伝達部材は、それぞれの当該伝達部材における超音波振動の節に相当する箇所を通過する円形状の支持部材にて支持される、請求項１又は２記載の超音波振動発振器。
上記振動部材は、上記部品を保持しかつ上記振動部材に対して着脱自在な部品保持部材を有する、請求項１から３のいずれかに記載の超音波振動発振器。
電子部品を保持する振動部材に対して、互いに直交するＸ，Ｙ，Ｚの方向から超音波振動を与え、上記振動部材に取り付けた振動検出器にて上記振動部材における振動方向及び振動数を検出し、この検出情報に応じて上記超音波振動をリアルタイムにて制御することで上記電子部品の振動状態を２又は３次元にて制御して、上記電子部品と被接合材である基板との間で金属接合させることを特徴とする部品接合方法。