JP3855973B2 - 超音波接合方法および超音波接合装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は接合部材に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。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開２００１−４４２４２号公報
【特許文献２】
特開２００１−１１０８５０号公報
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。
特許文献１には、接合部材に押圧荷重と超音波振動とを作用させながら、接合部材を被接合面に接合する超音波接合装置が開示されている。この超音波接合装置は、図８に示すように、先細形状のホーン７０の一端部にホーン７０の長さ方向の縦振動を印加する振動子７１を装着し、ホーン７０の縦振動の定在波の腹の位置にあって、このホーン７０から縦振動の方向とほぼ直交する方向にボンディングツール７２を取り付けてある。そして、ホーン７０の略中央部に押圧荷重を印加する加圧手段との連結部７３が設けられている。ホーン７０が振動すると、ボンディングツール７２の先端の接合部材７４との接触部７２ａに略水平な振動が伝達される。このとき、接合部材７４に対する振動の伝達は、接合部材７４をボンディングツール７２の接触部７２ａで押し付けた時に生じる摩擦力で行なわれる。
【０００３】
図８に示す構成では、接合部材７４への振動の伝達が、ボンディングツール７２の接触部７２ａと接合部材７４の間の摩擦力に左右される。そのため、接合部材７４と被接合面７５との摩擦力が、ボンディングツール７２の接触部７２ａと接合部材７４との摩擦力より大きいと、ボンディングツール７２の接触部７２ａと接合部材７４との間で滑りが生じ、十分に接合部材７４に振動が伝達されず、その結果、接合不良が生じるという問題がある。また、超音波振動の振幅が小さく（０．６μｍ程度が限度）、接合エネルギーが小さいため、接合に時間がかかったり、常温接合が難しいという問題があった。
【０００４】
一方、特許文献２には、吸着ツールに対する接合部材の超音波振動方向の位置ずれを防止した超音波接合装置が開示されている。すなわち、図９に示すように、接合部材８０の上面に面取り部８０ａを予め形成し、ボンディングツール８１の超音波振動方向の２辺に設けた面取り部８１ａと当接させることで、接合部材８０の位置ずれを防止している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この場合には、接合部材８０の面取り部８０ａとボンディングツール８１の面取り部８１ａとが当接しているため、図８のような摩擦力に左右されないが、接合部材８０に面取り部８０ａを新たに形成する必要から、コスト上昇を招くという問題がある。また、接合部材８０の吸着時に、面取り部８０ａ，８１ａが正確に当接するとは限らず、接合部材８０が傾いてしまう恐れがある。さらに、接合部材８０の面取り部８０ａに大きな力が生じるため、接合部材８０に割れや欠けが生じる可能性がある。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、印加部材による超音波振動を効率よく接合部材に伝えることができ、良好な接合品質を得ることができるとともに、接合部材に面取り部などの格別な加工を必要とせず、接合部材の傾きや、割れ、欠けなどの発生を防止できる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。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、接合部材に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において、上記接合部材の超音波振動方向の一側面を支え、所定の超音波振動を接合部材に印加する印加部材と、上記印加部材と別体に設けられ、上記接合部材の超音波振動方向の一側面と対向する他側面を支え、上記印加部材から接合部材を介して伝達される超音波振動によって、印加部材と同一方向でかつほぼ同一振幅で同期振動する挟持部材と、上記挟持部材を、上記印加部材との間で接合部材を挟持する方向と接合部材を解放する方向とに作動させるアクチュエータとを備えた超音波接合装置を用い、上記アクチュエータによって上記挟持部材が接合部材を印加部材に対して押し付けた状態で、上記印加部材から超音波振動を印加することにより接合部材を被接合面に対して接合することを特徴とする超音波接合方法を提供する。
【０００８】
また、請求項５に係る発明は、接合部材に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装置において、超音波振動を発生する振動子と、上記接合部材の超音波振動方向の一側面を支え、上記振動子が発生する超音波振動を接合部材に印加する印加部材と、上記接合部材の超音波振動方向の他側面を支え、上記印加部材から接合部材を介して伝達される超音波振動によって、印加部材と同一方向でかつほぼ同一振幅で同期振動する挟持部材と、上記挟持部材のノード部に連結され、上記印加部材と挟持部材とで接合部材を挟持する方向と接合部材を解放する方向とに挟持部材を作動させるアクチュエータとを備え、上記印加部材と挟持部材と接合部材とを、超音波振動方向に一体的に振動可能としたことを特徴とする超音波接合装置を提供する。
【０００９】
請求項１において、接合部材の超音波振動方向の両側面は、超音波振動を印加する印加部材と挟持部材とで挟持されているので、印加部材と接合部材と挟持部材とが同期して振動し、印加部材の振動が効率よく接合部材に伝えられる。そのため、接合部材に面取りなどの新たな加工を施すことなく、接合部材に安定して振動を伝達することができ、低コストで良好な接合品質を得ることができる。
本発明では、摩擦力に左右されずに振動を接合部材に伝達できるので、接合部材を大きな振幅（例えば１μｍ以上）でバラツキの小さい振動をさせることができる。そのため、接合部に対して大きな接合エネルギーを発生させることができ、短時間接合、常温接合が可能になる。
また、接合部材の超音波振動方向の両側面を印加部材と挟持部材とで挟持するので、従来の面取りを設けた場合に比べて、接合部材の一部に大きな力が作用することがなく、接合部材の割れや欠けを防止できる。
【００１０】
請求項２のように、挟持部材の振幅と印加部材の振幅とがほぼ等しくなるように、挟持部材の共振周波数を超音波振動の周波数に対してずらしてもよい。
挟持部材は、印加部材から接合部材を介して伝達される超音波振動によって、印加部材と同一方向でかつほぼ同一振幅で同期振動するよう設定されている。挟持部材の共振周波数を超音波振動の周波数と同一に設定してもよいが、その場合には、挟持部材の構造によっては挟持部材の振幅が印加部材の振幅より大きくなり、接合部材が印加部材あるいは挟持部材と大きく接離を繰り返す可能性がある。これにより、接合部材と印加部材および挟持部材との間に比較的大きな隙間が生じ、接合部材への振動伝達効率が低下することがある。
そこで、挟持部材の共振周波数を超音波周波数から若干ずらすことで、最大振幅を抑え、挟持部材の振幅をできるだけ印加部材に近づけることができ、接合部材と印加部材および挟持部材との間に生じる隙間が小さくなる結果、接合部材への振動伝達効率を高く維持することが可能になる。印加部材と挟持部材との振幅差は１０％以下が望ましい。
なお、挟持部材の振幅を調整する方法としては、上記のように共振周波数を超音波振動の周波数からずらす方法のほか、挟持部材の作用点（接合部材の挟持点）を振幅が最大となる点からずらす方法や、挟持部材の材質（特に減衰係数）やサイズなどを変更することで調整する方法などがある。
【００１１】
請求項３のように、超音波振動の印加と同時に、接合部材が被接合面に対して圧接する方向に印加部材に所定の押圧荷重を印加してもよい。
接合部材と被接合面との間の押圧荷重を制御することによって、常に安定した接合品質を得ることができる。
【００１２】
請求項４のように、超音波振動の印加と同時に、接合部材と被接合面との対向距離を制御してもよい。
この場合には、接合部材と被接合面との間の距離を位置制御することにより、接合部材と被接合面との間のギャップを制御できる。接合部材がバンプを有する高周波部品の場合、チップと基板とのギャップが特性に影響を及ぼすため、接合後のギャップの精度が要求される。また、アンダーフィル等の樹脂のギャップへの浸透具合を制御する上でも、ギャップ量の制御が重要となる。従来の摩擦力を利用した接合の場合には、摩擦力を発生させるために所定の加圧力が必要であり、そのためギャップ制御が難しかったが、本発明では、接合部材と被接合面との対向距離を制御することによって、バンプの潰れ量を一定にすることができ、チップと基板とのギャップを一定にできる。
【００１３】
請求項５に係る発明において、接合部材は印加部材と挟持部材とによって挟持されており、挟持部材は印加部材から接合部材を介して伝達される超音波振動によって同期振動するので、印加部材から振動が効率よく接合部材に伝達される。挟持部材を印加部材とで接合部材を挟持する方向および接合部材を解放する方向に作動させるアクチュエータは、挟持部材のノード部に連結されているので、アクチュエータに振動が伝わることがない。したがって、振動子の振動が印加部材、接合部材、挟持部材へ効率よく伝達される。
挟持部材は、超音波振動が外部へ漏れ出ないようにするため、印加部材とは別の部材に支持するのがよい。挟持部材は、撓み振動するもの、縦振動するものなど、任意に選択できる。
アクチュエータとしては、シリンダ、ソレノイドなどのアクチュエータを用いることができる。アクチュエータを用いた場合には、容易に接合部材の挟持、解放ができるので、接合作業に関する動作を遅延させない。
【００１４】
請求項６のように、印加部材は、接合部材の超音波振動方向の一側面を支える第１面と、被接合面に対してほぼ平行で接合部材の上面を支える第２面とを有し、第２面に接合部材を吸着する吸着穴を設けるのがよい。
印加部材に接合部材の側面を支える第１面と、上面を支える第２面とを設ければ、印加部材から接合部材への押圧荷重を容易に加えることができるし、接合部材への押し込み量の制御も簡単である。また、上面を支える第２面が被接合面に対してほぼ平行であるから、部品保持時の傾きを無くすことができ、被接合面に対してほぼ平行に接合することができる。
【００１５】
請求項７は請求項３と同様に荷重制御で接合部材を被接合面に接合する場合であり、請求項８は請求項４と同様に位置制御で接合部材を被接合面に接合する場合である。
前者の場合には、安定した接合品質を得ることができ、後者の場合には接合部材と被接合面とのギャップ制御が簡単になる。
【００１６】
請求項９は、印加部材として、略左右対称な略逆三角形状に形成された超音波ホーンを用いたものである。超音波ホーンの左右少なくとも一方の頂部に振動子が取り付けられ、超音波ホーンの下頂部に、接合部材に超音波振動を与える出力部が設けられ、振動子から超音波ホーンの左右いずれかの頂部に隣接する斜辺に対してほぼ平行な超音波振動が入力されたとき、出力部から水平方向の超音波振動が出力される。
このように出力部である下頂部には水平方向の超音波振動が得られ、しかも超音波ホーンに撓みが発生しないので、水平方向の超音波振動を接合部材に与えることができ、良質な接合を実現できる。
また、上記逆三角形状のホーンの場合、ホーンの下頂部に対向する上辺の中央部付近に、最小振幅領域（ノード領域）が存在する。超音波ホーンの下頂部を接合作用部として使用した場合、上記ノード領域を荷重入力部とし、この入力部に下向きの押圧荷重を印加すれば、超音波ホーンの振動が阻害されず、また荷重印加手段に超音波振動が伝播せず、悪影響を与えない。しかも、荷重印加手段と超音波ホーンとの連結部が押圧ベクトルの軸線上またはその近傍に位置しているので、超音波ホーンに曲げ応力を発生させず、接合対象物に押圧荷重を直に作用させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明にかかる超音波接合装置を備えたボンディング装置の一例、特に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装置の全体構成を示す。この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に接合する超音波接合装置８、およびこの超音波接合装置８を支持して昇降させる昇降ブロック９などが配備されている。ここで、装着ステージ３は、超音波接合装置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を超音波接合装置８の上下移動経路内に搬入して、超音波接合装置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。
【００１８】
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は超音波接合装置８の一例の詳細な構造を示す。
昇降ブロック９は、ベース４０、ベース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４０にガイド部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上に固定されたエアーシリンダ等からなる荷重印加装置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、後述する超音波ホーン１０に保持された部品４を基板２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の下端には押圧治具３２が固定されている。押圧治具３２は、後述するように、超音波ホーン１０の連結部１８に連結されている。荷重印加装置３０の一方の室３０ａに配管４４を介して加圧エアーを供給すると、ピストンロッド３１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。一方、他方の室３０ｂに存在しているエアーは、配管４５を介して排出することができる。スライド板４３と押圧治具３２との間には、自重キャンセル用のバネ４６が張設されている。なお、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している。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せず、荷重印加装置３０の室３０ａに供給されるエアー圧のみで設定できるようにしてある。
なお、バネ４６の代わりに、他方の室３０ｂに配管４５を介して加圧エアーを供給することによって、自重をキャンセルすることも可能である。
上記実施例では、荷重印加装置３０としてエアーシリンダを用いたが、これに限らず、ボイスコイルモータ、モータとボールねじ機構の組み合わせなどの他の手段を用いることもできる。
【００１９】
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。なお、３３ｂはアクチュエータ３３を作動させるためのエアー配管である。押圧治具３２の下面には一対の軸受部３２ａが一体的に垂設されており、これら軸受部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を超音波接合装置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、超音波接合装置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。
【００２０】
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。
【００２１】
この実施例では、挟持部材３５の材質は超硬合金（ヤング率５８０ＧＰａ、密度１３．９×１０3 ｋｇ／ｍ3 ）であり、その３次の撓み振動の共振周波数は約６１ｋＨｚに設定されている。すなわち、挟持部材３５の共振周波数を超音波振動の周波数（６０ｋＨｚ）に対して、１ｋＨｚ分だけ意図的にずらしている。そのため、挟持部材３５の超音波振動の周波数における振幅が、共振周波数における振幅（最大振幅）より小さくなり、挟持部材３５の下端部に取り付けられた当接部材３７の振幅と、後述するように超音波ホーン１０の下頂部１１に取り付けられた当接部材１７の振幅とをほぼ同一にすることができる。その結果、両当接部材３７，１７の間で部品４を安定して挟持でき、部品４に対して超音波振動を効果的に印加できる。両当接部材３７，１７の振幅差は１０％以内であればよく、この実施例の場合には、周波数を１ｋＨｚ分だけずらすことで、振幅差を約５％としてある。なお、周波数のずらし量は挟持部材３５の材質やサイズ等によって異なる。
【００２２】
超音波接合装置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の本体は、アルミ合金、超硬合金、チタン合金、ステンレスなどの金属材料で一体形成されたものである。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。この実施例の下頂部１１の頂角θは６０°〜１５０°、好ましくは９０°〜１２０°の範囲に設定されている。
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。
【００２３】
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（例えば超硬合金，セラミックス，ダイヤモンド等）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面１７ａと、部品４の上面を支持する面１７ｂとを有するＬ字形断面部材である。部品４４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１７ａ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の上端部は図２に示す真空配管４７を介して真空吸引装置（図示せず）と接続されている。なお、真空配管４７は柔弾性材料からなるホースで構成するのがよい。
【００２４】
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と平行な超音波振動Ｕinを与える。振動方向は斜辺１６に対して±１０°程度の角度ずれがあってもよい。振動周波数としては、例えば２０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚの範囲が望ましいが、ここでは約６０ｋＨｚを用いた。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からやや下方位置の表裏両面にフランジ状の連結部１８が突設されている。連結部１８は、ホーン１０の振動のノード部に設けられており、連結部１８の突出長さは超音波振動周波数で共振しないように設計されている。上記連結部１８には、上記荷重印加装置３０のピストンロッド３１が押圧治具３２を介して連結されている。押圧治具３２には２本の脚部３２ｂが下方へ突設され、これら脚部３２ｂがボルトなどの締結具３８によって連結部１８に固定されている。そのため、押圧治具３２が超音波ホーン１０の連結部１８以外の部位に接触することがない。
【００２５】
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のノード領域内に設けた連結部１８を荷重入力部とし、この入力部１８に荷重印加装置３０（押圧治具３２）を連結してあるので、連結部１８から荷重印加装置３０へ超音波振動が伝播せず、外乱振動を発生させない。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面２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。
【００２６】
上記のように、部品４の超音波振動方向の両側面は、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とで挟持されている。当接部材３７は、超音波振動によって同期振動する挟持部材３５に設けられているので、両当接部材１７，３７が同期して振動し、ホーン１０の振動が効率よく部品４に伝えられる。特に、この例では挟持部材３５の振動の腹の部分（当接部材３７）で部品４を支持しているので、ホーン１０の振動が殆どロスなく部品４に伝達される。
本発明では、ホーン１０と挟持部材３５とで部品４の超音波振動方向の両側面を挟持しながら振動させるので、部品４を大きな振幅（例えば１μｍ以上）で振動させることができる。そのため、接合面２に対して大きな接合エネルギーを発生させることができ、短時間接合、常温接合が可能になる。
また、接合部材の超音波振動方向の両側面を印加部材と挟持部材とで挟持するので、従来の面取りを設けた場合に比べて、接合部材の一部に大きな力が作用することがなく、接合部材の割れや欠けを防止できる。
【００２７】
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、超音波接合装置８を降下させ、基板２に部品４を接触させて、荷重印加装置３０により所定の押圧荷重を印加する。ここで、圧電振動子２０から超音波ホーン１０の右頂部１３に対して超音波振動Ｕinを印加すると、当接部材１７には被接合面２に対してほぼ平行な振動Ｕout が発生し、部品４に振動が伝達される。このとき、挟持部材３５にも部品４を介して振動が伝達され、挟持部材３５は同期振動する。その結果、ホーン１０の当接部材１７と部品４と挟持部材３５の当接部材３７は同期して振動し、部品４は基板２に対して確実に接合される。
【００２８】
図５，図６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の第２実施例を示す。
第１実施例では、荷重印加装置３０によって所定の押圧荷重を印加しながら、超音波振動により部品４と基板２とを接合したが、この実施例では、荷重制御に代えて位置制御によって部品４を基板２に対して接合し、そのギャップ量を制御するようにしたものである。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。
治具３２の上方にはシャフト５０ａとブッシュ５０ｂとからなるスライドガイド５０が設けられている。シャフト５０ａは治具３２の上面に連結されており、ガイドケース５２の内部に設けられたブッシュ５０ｂおよびガイドブレーキ５１に挿通されている。ガイドブレーキ５１はシャフト５０ａを締結、解放の２位置に制御する。また、ガイドケース５２と治具３２との間に自重キャンセル用のバネ４６が張設されている。なお、バネ４６の上端はスライド板４３に連結してもよい。
【００２９】
上記構成の昇降ブロックの作動は次の通りである。
まずガイドブレーキ５１を解放した状態で、部品４を保持した超音波接合装置８を降下させ、基板２に部品４を接触させる。このとき、超音波接合装置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。このようにすることで、基板２に凹凸があっても、バンプが殆ど潰れないようにする（潰れ量を一定にする）ことが可能となる。
次に、ガイドブレーキ５１を作用（締結）させて、超音波接合装置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。そして、昇降駆動装置４１を駆動してスライド板４３を降下させると、超音波接合装置８も一体に降下する。このとき、同時に超音波を印加し、部品４を基板２に接合する。所定量降下した後、降下を停止することで、接合を完了する。
【００３０】
部品４の超音波振動方向の両側面を当接部材１７，３７で挟持しているので、部品４に振動を伝達するための摩擦力を発生させる荷重を印加する必要がない。そのため、バンプを必要以上に潰すことなく、部品４と基板２とを接合することができる。また、超音波接合装置８の降下量を制御することで、接合後の部品４と基板２とのギャップを所望の値に制御することができる。
【００３１】
図７は超音波接合装置の第３実施例を示す。
この実施例では、上下方向の荷重を印加する荷重印加装置６０の下端部にホルダ６１が固定され、このホルダ６１の一方の脚部６１ａに超音波ホーン６２が取り付けられている。超音波ホーン６２の一端部には振動子６３が取り付けられ、他端部つまり振動の腹の部分に棒状の印加部材６４が連結されている。印加部材６４はホーン６２から超音波振動を受け、ホーン６２との連結部と、下端部とを振動の腹とする撓み振動を発生する。印加部材６４の下端部には、部品４の超音波振動方向の一側面および上面を支持する当接部材６５が取り付けられており、当接部材６５は部品４に対して下方向の押圧荷重と水平方向の超音波振動とを印加する。
【００３２】
ホルダ６１の他方の脚部６１ｂの下端部にはアクチュエータ６６が固定され、このアクチュエータ６６の下面には、アクチュエータ６６によって水平方向に移動可能な作動部材６７が設けられている。作動部材６７は、縦振動モードで振動する挟持部材６８のノード部に連結部６７ａを介して連結されている。挟持部材６８は、印加部材６４の共振周波数とほぼ等しい共振周波数を持ち、基板２（被接合面）に対してほぼ平行に縦振動（伸縮振動）する部材であり、連結部６７ａはそのノード部に位置しており、振動の腹の部分で部品４の超音波振動方向の他側面を支持している。なお、挟持部材６８の部品４との接触部に樹脂などからなる当接部材を設けてもよい。
【００３３】
上記実施例の超音波接合装置の場合も、振動子６３からホーン６２に超音波振動を印加すると、ホーン６２によって増幅された超音波振動が印加部材６４に伝達され、撓み振動する。部品４の超音波振動方向の両側面は印加部材６４に取り付けられた当接部材６５と挟持部材６８とで挟持されているので、撓み振動する印加部材６４と部品４と挟持部材６８とが同期して振動する。そのため、超音波振動が効率よく部品４に伝達され、部品４を基板２に対して確実に接合することができる。
【００３４】
上記実施例では、バンプ付き部品の基板へのフリップチップ実装について説明したが、本発明はＴＡＢと呼ばれる複数のリードを有するテープに対するチップのボンディングや、金属同士の接合にも適用できる。つまり、金属と金属とを超音波振動を利用して接合するすべての装置に適用可能である。
第１，第２実施例では、超音波ホーン１０の下頂部に当接部材を取り付けたが、下頂部に接合部材の超音波振動方向の一側面や上面に当接する支持面を直接設けてもよい。
第１，第２実施例では、超音波ホーン１０の左右いずれかの頂部に振動印加手段（振動子）を取り付けたが、左右両方の頂部にそれぞれ振動子を取り付けることも可能である。この場合には、出力部である下頂部に大きな出力を得ることができる。但し、その場合には、それぞれの振動子の振動数を同一とし、かつその位相を反転させる必要がある。
第１実施例において、挟持部材３５の揺動軸３６を超音波ホーン１０とは別の押圧治具３２の軸受部３２ａで支持したが、ホーン１０のノード部に支持することも可能である。但し、軸受部３２ａに支持した方が振動の漏れが少なくなるので望ましい。
【００３５】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、請求項１に係る発明によれば、接合部材の超音波振動方向の両側面を印加部材と挟持部材とで挟持したので、印加部材と接合部材と挟持部材とが同期して振動し、印加部材の振動が効率よく接合部材に伝えられる。そのため、接合部材に面取りなどの格別な加工を施すことなく、接合部材に安定して振動を伝達することができ、低コストで良好な接合品質を得ることができる。
また、摩擦力に左右されずに振動を接合部材に伝達できるので、接合部材を大きな振幅で振動させることができ、接合部に対して大きな接合エネルギーを発生させることができ、短時間接合、常温接合が可能になる。
さらに、接合部材の超音波振動方向の両側面を印加部材と挟持部材とで挟持するので、従来の面取りを設けた場合に比べて、接合部材の一部に大きな力が作用することがなく、接合部材の割れや欠けを防止できるという効果がある。
【００３６】
請求項５に係る発明によれば、請求項１に係る超音波接合方法を簡単な装置で実施できる。また、挟持部材を印加部材とで接合部材を挟持する方向および解放する方向に作動させるアクチュエータは、挟持部材のノード部に連結されているので、アクチュエータに振動が伝わることがなく、振動子の振動が印加部材、接合部材、挟持部材へ効率よく伝達される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる超音波接合装置を備えたボンディング装置の全体斜視図である。
【図２】図１に示す昇降ブロックの正面図である。
【図３】図２に示す昇降ブロックの左側面図である。
【図４】図２に示す超音波接合装置の第１実施例の拡大断面である。
【図５】昇降ブロックの第２実施例の正面図である。
【図６】図５に示す昇降ブロックの左側面図である。
【図７】本発明にかかる超音波接合装置の第３実施例の正面図である。
【図８】従来の超音波接合装置の一例の正面図である。
【図９】従来の超音波接合装置の他の例の一部断面図である。
【符号の説明】
２ 基板（被接合面）
４ 部品（接合部材）
８ 超音波接合装置
１０ 超音波ホーン（印加部材）
１７ 当接部材
２０ 振動子
３３ アクチュエータ
３５ 挟持部材
３７ 当接部材
【発明の属する技術分野】
本発明は接合部材に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。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開２００１−４４２４２号公報
【特許文献２】
特開２００１−１１０８５０号公報
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。
特許文献１には、接合部材に押圧荷重と超音波振動とを作用させながら、接合部材を被接合面に接合する超音波接合装置が開示されている。この超音波接合装置は、図８に示すように、先細形状のホーン７０の一端部にホーン７０の長さ方向の縦振動を印加する振動子７１を装着し、ホーン７０の縦振動の定在波の腹の位置にあって、このホーン７０から縦振動の方向とほぼ直交する方向にボンディングツール７２を取り付けてある。そして、ホーン７０の略中央部に押圧荷重を印加する加圧手段との連結部７３が設けられている。ホーン７０が振動すると、ボンディングツール７２の先端の接合部材７４との接触部７２ａに略水平な振動が伝達される。このとき、接合部材７４に対する振動の伝達は、接合部材７４をボンディングツール７２の接触部７２ａで押し付けた時に生じる摩擦力で行なわれる。
【０００３】
図８に示す構成では、接合部材７４への振動の伝達が、ボンディングツール７２の接触部７２ａと接合部材７４の間の摩擦力に左右される。そのため、接合部材７４と被接合面７５との摩擦力が、ボンディングツール７２の接触部７２ａと接合部材７４との摩擦力より大きいと、ボンディングツール７２の接触部７２ａと接合部材７４との間で滑りが生じ、十分に接合部材７４に振動が伝達されず、その結果、接合不良が生じるという問題がある。また、超音波振動の振幅が小さく（０．６μｍ程度が限度）、接合エネルギーが小さいため、接合に時間がかかったり、常温接合が難しいという問題があった。
【０００４】
一方、特許文献２には、吸着ツールに対する接合部材の超音波振動方向の位置ずれを防止した超音波接合装置が開示されている。すなわち、図９に示すように、接合部材８０の上面に面取り部８０ａを予め形成し、ボンディングツール８１の超音波振動方向の２辺に設けた面取り部８１ａと当接させることで、接合部材８０の位置ずれを防止している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この場合には、接合部材８０の面取り部８０ａとボンディングツール８１の面取り部８１ａとが当接しているため、図８のような摩擦力に左右されないが、接合部材８０に面取り部８０ａを新たに形成する必要から、コスト上昇を招くという問題がある。また、接合部材８０の吸着時に、面取り部８０ａ，８１ａが正確に当接するとは限らず、接合部材８０が傾いてしまう恐れがある。さらに、接合部材８０の面取り部８０ａに大きな力が生じるため、接合部材８０に割れや欠けが生じる可能性がある。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、印加部材による超音波振動を効率よく接合部材に伝えることができ、良好な接合品質を得ることができるとともに、接合部材に面取り部などの格別な加工を必要とせず、接合部材の傾きや、割れ、欠けなどの発生を防止できる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。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、接合部材に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において、上記接合部材の超音波振動方向の一側面を支え、所定の超音波振動を接合部材に印加する印加部材と、上記印加部材と別体に設けられ、上記接合部材の超音波振動方向の一側面と対向する他側面を支え、上記印加部材から接合部材を介して伝達される超音波振動によって、印加部材と同一方向でかつほぼ同一振幅で同期振動する挟持部材と、上記挟持部材を、上記印加部材との間で接合部材を挟持する方向と接合部材を解放する方向とに作動させるアクチュエータとを備えた超音波接合装置を用い、上記アクチュエータによって上記挟持部材が接合部材を印加部材に対して押し付けた状態で、上記印加部材から超音波振動を印加することにより接合部材を被接合面に対して接合することを特徴とする超音波接合方法を提供する。
【０００８】
また、請求項５に係る発明は、接合部材に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装置において、超音波振動を発生する振動子と、上記接合部材の超音波振動方向の一側面を支え、上記振動子が発生する超音波振動を接合部材に印加する印加部材と、上記接合部材の超音波振動方向の他側面を支え、上記印加部材から接合部材を介して伝達される超音波振動によって、印加部材と同一方向でかつほぼ同一振幅で同期振動する挟持部材と、上記挟持部材のノード部に連結され、上記印加部材と挟持部材とで接合部材を挟持する方向と接合部材を解放する方向とに挟持部材を作動させるアクチュエータとを備え、上記印加部材と挟持部材と接合部材とを、超音波振動方向に一体的に振動可能としたことを特徴とする超音波接合装置を提供する。
【０００９】
請求項１において、接合部材の超音波振動方向の両側面は、超音波振動を印加する印加部材と挟持部材とで挟持されているので、印加部材と接合部材と挟持部材とが同期して振動し、印加部材の振動が効率よく接合部材に伝えられる。そのため、接合部材に面取りなどの新たな加工を施すことなく、接合部材に安定して振動を伝達することができ、低コストで良好な接合品質を得ることができる。
本発明では、摩擦力に左右されずに振動を接合部材に伝達できるので、接合部材を大きな振幅（例えば１μｍ以上）でバラツキの小さい振動をさせることができる。そのため、接合部に対して大きな接合エネルギーを発生させることができ、短時間接合、常温接合が可能になる。
また、接合部材の超音波振動方向の両側面を印加部材と挟持部材とで挟持するので、従来の面取りを設けた場合に比べて、接合部材の一部に大きな力が作用することがなく、接合部材の割れや欠けを防止できる。
【００１０】
請求項２のように、挟持部材の振幅と印加部材の振幅とがほぼ等しくなるように、挟持部材の共振周波数を超音波振動の周波数に対してずらしてもよい。
挟持部材は、印加部材から接合部材を介して伝達される超音波振動によって、印加部材と同一方向でかつほぼ同一振幅で同期振動するよう設定されている。挟持部材の共振周波数を超音波振動の周波数と同一に設定してもよいが、その場合には、挟持部材の構造によっては挟持部材の振幅が印加部材の振幅より大きくなり、接合部材が印加部材あるいは挟持部材と大きく接離を繰り返す可能性がある。これにより、接合部材と印加部材および挟持部材との間に比較的大きな隙間が生じ、接合部材への振動伝達効率が低下することがある。
そこで、挟持部材の共振周波数を超音波周波数から若干ずらすことで、最大振幅を抑え、挟持部材の振幅をできるだけ印加部材に近づけることができ、接合部材と印加部材および挟持部材との間に生じる隙間が小さくなる結果、接合部材への振動伝達効率を高く維持することが可能になる。印加部材と挟持部材との振幅差は１０％以下が望ましい。
なお、挟持部材の振幅を調整する方法としては、上記のように共振周波数を超音波振動の周波数からずらす方法のほか、挟持部材の作用点（接合部材の挟持点）を振幅が最大となる点からずらす方法や、挟持部材の材質（特に減衰係数）やサイズなどを変更することで調整する方法などがある。
【００１１】
請求項３のように、超音波振動の印加と同時に、接合部材が被接合面に対して圧接する方向に印加部材に所定の押圧荷重を印加してもよい。
接合部材と被接合面との間の押圧荷重を制御することによって、常に安定した接合品質を得ることができる。
【００１２】
請求項４のように、超音波振動の印加と同時に、接合部材と被接合面との対向距離を制御してもよい。
この場合には、接合部材と被接合面との間の距離を位置制御することにより、接合部材と被接合面との間のギャップを制御できる。接合部材がバンプを有する高周波部品の場合、チップと基板とのギャップが特性に影響を及ぼすため、接合後のギャップの精度が要求される。また、アンダーフィル等の樹脂のギャップへの浸透具合を制御する上でも、ギャップ量の制御が重要となる。従来の摩擦力を利用した接合の場合には、摩擦力を発生させるために所定の加圧力が必要であり、そのためギャップ制御が難しかったが、本発明では、接合部材と被接合面との対向距離を制御することによって、バンプの潰れ量を一定にすることができ、チップと基板とのギャップを一定にできる。
【００１３】
請求項５に係る発明において、接合部材は印加部材と挟持部材とによって挟持されており、挟持部材は印加部材から接合部材を介して伝達される超音波振動によって同期振動するので、印加部材から振動が効率よく接合部材に伝達される。挟持部材を印加部材とで接合部材を挟持する方向および接合部材を解放する方向に作動させるアクチュエータは、挟持部材のノード部に連結されているので、アクチュエータに振動が伝わることがない。したがって、振動子の振動が印加部材、接合部材、挟持部材へ効率よく伝達される。
挟持部材は、超音波振動が外部へ漏れ出ないようにするため、印加部材とは別の部材に支持するのがよい。挟持部材は、撓み振動するもの、縦振動するものなど、任意に選択できる。
アクチュエータとしては、シリンダ、ソレノイドなどのアクチュエータを用いることができる。アクチュエータを用いた場合には、容易に接合部材の挟持、解放ができるので、接合作業に関する動作を遅延させない。
【００１４】
請求項６のように、印加部材は、接合部材の超音波振動方向の一側面を支える第１面と、被接合面に対してほぼ平行で接合部材の上面を支える第２面とを有し、第２面に接合部材を吸着する吸着穴を設けるのがよい。
印加部材に接合部材の側面を支える第１面と、上面を支える第２面とを設ければ、印加部材から接合部材への押圧荷重を容易に加えることができるし、接合部材への押し込み量の制御も簡単である。また、上面を支える第２面が被接合面に対してほぼ平行であるから、部品保持時の傾きを無くすことができ、被接合面に対してほぼ平行に接合することができる。
【００１５】
請求項７は請求項３と同様に荷重制御で接合部材を被接合面に接合する場合であり、請求項８は請求項４と同様に位置制御で接合部材を被接合面に接合する場合である。
前者の場合には、安定した接合品質を得ることができ、後者の場合には接合部材と被接合面とのギャップ制御が簡単になる。
【００１６】
請求項９は、印加部材として、略左右対称な略逆三角形状に形成された超音波ホーンを用いたものである。超音波ホーンの左右少なくとも一方の頂部に振動子が取り付けられ、超音波ホーンの下頂部に、接合部材に超音波振動を与える出力部が設けられ、振動子から超音波ホーンの左右いずれかの頂部に隣接する斜辺に対してほぼ平行な超音波振動が入力されたとき、出力部から水平方向の超音波振動が出力される。
このように出力部である下頂部には水平方向の超音波振動が得られ、しかも超音波ホーンに撓みが発生しないので、水平方向の超音波振動を接合部材に与えることができ、良質な接合を実現できる。
また、上記逆三角形状のホーンの場合、ホーンの下頂部に対向する上辺の中央部付近に、最小振幅領域（ノード領域）が存在する。超音波ホーンの下頂部を接合作用部として使用した場合、上記ノード領域を荷重入力部とし、この入力部に下向きの押圧荷重を印加すれば、超音波ホーンの振動が阻害されず、また荷重印加手段に超音波振動が伝播せず、悪影響を与えない。しかも、荷重印加手段と超音波ホーンとの連結部が押圧ベクトルの軸線上またはその近傍に位置しているので、超音波ホーンに曲げ応力を発生させず、接合対象物に押圧荷重を直に作用させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明にかかる超音波接合装置を備えたボンディング装置の一例、特に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装置の全体構成を示す。この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に接合する超音波接合装置８、およびこの超音波接合装置８を支持して昇降させる昇降ブロック９などが配備されている。ここで、装着ステージ３は、超音波接合装置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を超音波接合装置８の上下移動経路内に搬入して、超音波接合装置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。
【００１８】
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は超音波接合装置８の一例の詳細な構造を示す。
昇降ブロック９は、ベース４０、ベース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４０にガイド部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上に固定されたエアーシリンダ等からなる荷重印加装置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、後述する超音波ホーン１０に保持された部品４を基板２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の下端には押圧治具３２が固定されている。押圧治具３２は、後述するように、超音波ホーン１０の連結部１８に連結されている。荷重印加装置３０の一方の室３０ａに配管４４を介して加圧エアーを供給すると、ピストンロッド３１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。一方、他方の室３０ｂに存在しているエアーは、配管４５を介して排出することができる。スライド板４３と押圧治具３２との間には、自重キャンセル用のバネ４６が張設されている。なお、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している。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せず、荷重印加装置３０の室３０ａに供給されるエアー圧のみで設定できるようにしてある。
なお、バネ４６の代わりに、他方の室３０ｂに配管４５を介して加圧エアーを供給することによって、自重をキャンセルすることも可能である。
上記実施例では、荷重印加装置３０としてエアーシリンダを用いたが、これに限らず、ボイスコイルモータ、モータとボールねじ機構の組み合わせなどの他の手段を用いることもできる。
【００１９】
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。なお、３３ｂはアクチュエータ３３を作動させるためのエアー配管である。押圧治具３２の下面には一対の軸受部３２ａが一体的に垂設されており、これら軸受部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を超音波接合装置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、超音波接合装置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。
【００２０】
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。
【００２１】
この実施例では、挟持部材３５の材質は超硬合金（ヤング率５８０ＧＰａ、密度１３．９×１０3 ｋｇ／ｍ3 ）であり、その３次の撓み振動の共振周波数は約６１ｋＨｚに設定されている。すなわち、挟持部材３５の共振周波数を超音波振動の周波数（６０ｋＨｚ）に対して、１ｋＨｚ分だけ意図的にずらしている。そのため、挟持部材３５の超音波振動の周波数における振幅が、共振周波数における振幅（最大振幅）より小さくなり、挟持部材３５の下端部に取り付けられた当接部材３７の振幅と、後述するように超音波ホーン１０の下頂部１１に取り付けられた当接部材１７の振幅とをほぼ同一にすることができる。その結果、両当接部材３７，１７の間で部品４を安定して挟持でき、部品４に対して超音波振動を効果的に印加できる。両当接部材３７，１７の振幅差は１０％以内であればよく、この実施例の場合には、周波数を１ｋＨｚ分だけずらすことで、振幅差を約５％としてある。なお、周波数のずらし量は挟持部材３５の材質やサイズ等によって異なる。
【００２２】
超音波接合装置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の本体は、アルミ合金、超硬合金、チタン合金、ステンレスなどの金属材料で一体形成されたものである。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。この実施例の下頂部１１の頂角θは６０°〜１５０°、好ましくは９０°〜１２０°の範囲に設定されている。
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。
【００２３】
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（例えば超硬合金，セラミックス，ダイヤモンド等）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面１７ａと、部品４の上面を支持する面１７ｂとを有するＬ字形断面部材である。部品４４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１７ａ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の上端部は図２に示す真空配管４７を介して真空吸引装置（図示せず）と接続されている。なお、真空配管４７は柔弾性材料からなるホースで構成するのがよい。
【００２４】
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と平行な超音波振動Ｕinを与える。振動方向は斜辺１６に対して±１０°程度の角度ずれがあってもよい。振動周波数としては、例えば２０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚの範囲が望ましいが、ここでは約６０ｋＨｚを用いた。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からやや下方位置の表裏両面にフランジ状の連結部１８が突設されている。連結部１８は、ホーン１０の振動のノード部に設けられており、連結部１８の突出長さは超音波振動周波数で共振しないように設計されている。上記連結部１８には、上記荷重印加装置３０のピストンロッド３１が押圧治具３２を介して連結されている。押圧治具３２には２本の脚部３２ｂが下方へ突設され、これら脚部３２ｂがボルトなどの締結具３８によって連結部１８に固定されている。そのため、押圧治具３２が超音波ホーン１０の連結部１８以外の部位に接触することがない。
【００２５】
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のノード領域内に設けた連結部１８を荷重入力部とし、この入力部１８に荷重印加装置３０（押圧治具３２）を連結してあるので、連結部１８から荷重印加装置３０へ超音波振動が伝播せず、外乱振動を発生させない。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面２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。
【００２６】
上記のように、部品４の超音波振動方向の両側面は、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とで挟持されている。当接部材３７は、超音波振動によって同期振動する挟持部材３５に設けられているので、両当接部材１７，３７が同期して振動し、ホーン１０の振動が効率よく部品４に伝えられる。特に、この例では挟持部材３５の振動の腹の部分（当接部材３７）で部品４を支持しているので、ホーン１０の振動が殆どロスなく部品４に伝達される。
本発明では、ホーン１０と挟持部材３５とで部品４の超音波振動方向の両側面を挟持しながら振動させるので、部品４を大きな振幅（例えば１μｍ以上）で振動させることができる。そのため、接合面２に対して大きな接合エネルギーを発生させることができ、短時間接合、常温接合が可能になる。
また、接合部材の超音波振動方向の両側面を印加部材と挟持部材とで挟持するので、従来の面取りを設けた場合に比べて、接合部材の一部に大きな力が作用することがなく、接合部材の割れや欠けを防止できる。
【００２７】
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、超音波接合装置８を降下させ、基板２に部品４を接触させて、荷重印加装置３０により所定の押圧荷重を印加する。ここで、圧電振動子２０から超音波ホーン１０の右頂部１３に対して超音波振動Ｕinを印加すると、当接部材１７には被接合面２に対してほぼ平行な振動Ｕout が発生し、部品４に振動が伝達される。このとき、挟持部材３５にも部品４を介して振動が伝達され、挟持部材３５は同期振動する。その結果、ホーン１０の当接部材１７と部品４と挟持部材３５の当接部材３７は同期して振動し、部品４は基板２に対して確実に接合される。
【００２８】
図５，図６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の第２実施例を示す。
第１実施例では、荷重印加装置３０によって所定の押圧荷重を印加しながら、超音波振動により部品４と基板２とを接合したが、この実施例では、荷重制御に代えて位置制御によって部品４を基板２に対して接合し、そのギャップ量を制御するようにしたものである。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。
治具３２の上方にはシャフト５０ａとブッシュ５０ｂとからなるスライドガイド５０が設けられている。シャフト５０ａは治具３２の上面に連結されており、ガイドケース５２の内部に設けられたブッシュ５０ｂおよびガイドブレーキ５１に挿通されている。ガイドブレーキ５１はシャフト５０ａを締結、解放の２位置に制御する。また、ガイドケース５２と治具３２との間に自重キャンセル用のバネ４６が張設されている。なお、バネ４６の上端はスライド板４３に連結してもよい。
【００２９】
上記構成の昇降ブロックの作動は次の通りである。
まずガイドブレーキ５１を解放した状態で、部品４を保持した超音波接合装置８を降下させ、基板２に部品４を接触させる。このとき、超音波接合装置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。このようにすることで、基板２に凹凸があっても、バンプが殆ど潰れないようにする（潰れ量を一定にする）ことが可能となる。
次に、ガイドブレーキ５１を作用（締結）させて、超音波接合装置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。そして、昇降駆動装置４１を駆動してスライド板４３を降下させると、超音波接合装置８も一体に降下する。このとき、同時に超音波を印加し、部品４を基板２に接合する。所定量降下した後、降下を停止することで、接合を完了する。
【００３０】
部品４の超音波振動方向の両側面を当接部材１７，３７で挟持しているので、部品４に振動を伝達するための摩擦力を発生させる荷重を印加する必要がない。そのため、バンプを必要以上に潰すことなく、部品４と基板２とを接合することができる。また、超音波接合装置８の降下量を制御することで、接合後の部品４と基板２とのギャップを所望の値に制御することができる。
【００３１】
図７は超音波接合装置の第３実施例を示す。
この実施例では、上下方向の荷重を印加する荷重印加装置６０の下端部にホルダ６１が固定され、このホルダ６１の一方の脚部６１ａに超音波ホーン６２が取り付けられている。超音波ホーン６２の一端部には振動子６３が取り付けられ、他端部つまり振動の腹の部分に棒状の印加部材６４が連結されている。印加部材６４はホーン６２から超音波振動を受け、ホーン６２との連結部と、下端部とを振動の腹とする撓み振動を発生する。印加部材６４の下端部には、部品４の超音波振動方向の一側面および上面を支持する当接部材６５が取り付けられており、当接部材６５は部品４に対して下方向の押圧荷重と水平方向の超音波振動とを印加する。
【００３２】
ホルダ６１の他方の脚部６１ｂの下端部にはアクチュエータ６６が固定され、このアクチュエータ６６の下面には、アクチュエータ６６によって水平方向に移動可能な作動部材６７が設けられている。作動部材６７は、縦振動モードで振動する挟持部材６８のノード部に連結部６７ａを介して連結されている。挟持部材６８は、印加部材６４の共振周波数とほぼ等しい共振周波数を持ち、基板２（被接合面）に対してほぼ平行に縦振動（伸縮振動）する部材であり、連結部６７ａはそのノード部に位置しており、振動の腹の部分で部品４の超音波振動方向の他側面を支持している。なお、挟持部材６８の部品４との接触部に樹脂などからなる当接部材を設けてもよい。
【００３３】
上記実施例の超音波接合装置の場合も、振動子６３からホーン６２に超音波振動を印加すると、ホーン６２によって増幅された超音波振動が印加部材６４に伝達され、撓み振動する。部品４の超音波振動方向の両側面は印加部材６４に取り付けられた当接部材６５と挟持部材６８とで挟持されているので、撓み振動する印加部材６４と部品４と挟持部材６８とが同期して振動する。そのため、超音波振動が効率よく部品４に伝達され、部品４を基板２に対して確実に接合することができる。
【００３４】
上記実施例では、バンプ付き部品の基板へのフリップチップ実装について説明したが、本発明はＴＡＢと呼ばれる複数のリードを有するテープに対するチップのボンディングや、金属同士の接合にも適用できる。つまり、金属と金属とを超音波振動を利用して接合するすべての装置に適用可能である。
第１，第２実施例では、超音波ホーン１０の下頂部に当接部材を取り付けたが、下頂部に接合部材の超音波振動方向の一側面や上面に当接する支持面を直接設けてもよい。
第１，第２実施例では、超音波ホーン１０の左右いずれかの頂部に振動印加手段（振動子）を取り付けたが、左右両方の頂部にそれぞれ振動子を取り付けることも可能である。この場合には、出力部である下頂部に大きな出力を得ることができる。但し、その場合には、それぞれの振動子の振動数を同一とし、かつその位相を反転させる必要がある。
第１実施例において、挟持部材３５の揺動軸３６を超音波ホーン１０とは別の押圧治具３２の軸受部３２ａで支持したが、ホーン１０のノード部に支持することも可能である。但し、軸受部３２ａに支持した方が振動の漏れが少なくなるので望ましい。
【００３５】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、請求項１に係る発明によれば、接合部材の超音波振動方向の両側面を印加部材と挟持部材とで挟持したので、印加部材と接合部材と挟持部材とが同期して振動し、印加部材の振動が効率よく接合部材に伝えられる。そのため、接合部材に面取りなどの格別な加工を施すことなく、接合部材に安定して振動を伝達することができ、低コストで良好な接合品質を得ることができる。
また、摩擦力に左右されずに振動を接合部材に伝達できるので、接合部材を大きな振幅で振動させることができ、接合部に対して大きな接合エネルギーを発生させることができ、短時間接合、常温接合が可能になる。
さらに、接合部材の超音波振動方向の両側面を印加部材と挟持部材とで挟持するので、従来の面取りを設けた場合に比べて、接合部材の一部に大きな力が作用することがなく、接合部材の割れや欠けを防止できるという効果がある。
【００３６】
請求項５に係る発明によれば、請求項１に係る超音波接合方法を簡単な装置で実施できる。また、挟持部材を印加部材とで接合部材を挟持する方向および解放する方向に作動させるアクチュエータは、挟持部材のノード部に連結されているので、アクチュエータに振動が伝わることがなく、振動子の振動が印加部材、接合部材、挟持部材へ効率よく伝達される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる超音波接合装置を備えたボンディング装置の全体斜視図である。
【図２】図１に示す昇降ブロックの正面図である。
【図３】図２に示す昇降ブロックの左側面図である。
【図４】図２に示す超音波接合装置の第１実施例の拡大断面である。
【図５】昇降ブロックの第２実施例の正面図である。
【図６】図５に示す昇降ブロックの左側面図である。
【図７】本発明にかかる超音波接合装置の第３実施例の正面図である。
【図８】従来の超音波接合装置の一例の正面図である。
【図９】従来の超音波接合装置の他の例の一部断面図である。
【符号の説明】
２ 基板（被接合面）
４ 部品（接合部材）
８ 超音波接合装置
１０ 超音波ホーン（印加部材）
１７ 当接部材
２０ 振動子
３３ アクチュエータ
３５ 挟持部材
３７ 当接部材
Claims (9)
- 接合部材に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において、
上記接合部材の超音波振動方向の一側面を支え、所定の超音波振動を接合部材に印加する印加部材と、
上記印加部材と別体に設けられ、上記接合部材の超音波振動方向の一側面と対向する他側面を支え、上記印加部材から接合部材を介して伝達される超音波振動によって、印加部材と同一方向でかつほぼ同一振幅で同期振動する挟持部材と、
上記挟持部材を、上記印加部材との間で接合部材を挟持する方向と接合部材を解放する方向とに作動させるアクチュエータとを備えた超音波接合装置を用い、
上記アクチュエータによって上記挟持部材が接合部材を印加部材に対して押し付けた状態で、上記印加部材から超音波振動を印加することにより接合部材を被接合面に対して接合することを特徴とする超音波接合方法。 - 上記挟持部材の振幅と上記印加部材の振幅とがほぼ等しくなるように、上記挟持部材の共振周波数を上記超音波振動の周波数に対してずらしたことを特徴とする請求項１に記載の超音波接合方法。
- 上記超音波振動の印加と同時に、上記接合部材が被接合面に対して圧接する方向に上記印加部材に所定の押圧荷重を印加することを特徴とする請求項１または２に記載の超音波接合方法。
- 上記超音波振動の印加と同時に、上記接合部材と被接合面との対向距離を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の超音波接合方法。
- 接合部材に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装置において、
超音波振動を発生する振動子と、
上記接合部材の超音波振動方向の一側面を支え、上記振動子が発生する超音波振動を接合部材に印加する印加部材と、
上記接合部材の超音波振動方向の他側面を支え、上記印加部材から接合部材を介して伝達される超音波振動によって、印加部材と同一方向でかつほぼ同一振幅で同期振動する挟持部材と、
上記挟持部材のノード部に連結され、上記印加部材と挟持部材とで接合部材を挟持する方向と接合部材を解放する方向とに挟持部材を作動させるアクチュエータとを備え、
上記印加部材と挟持部材と接合部材とを、超音波振動方向に一体的に振動可能としたことを特徴とする超音波接合装置。 - 上記印加部材は、上記接合部材の超音波振動方向の一側面を支える第１面と、被接合面に対してほぼ平行で上記接合部材の上面を支える第２面とを有し、上記第２面には上記接合部材を吸着する吸着穴が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の超音波接合装置。
- 上記印加部材に下向きの押圧荷重を印加し、この押圧荷重を制御する荷重制御手段を設けたことを特徴とする請求項６に記載の超音波接合装置。
- 上記印加部材の降下量を制御する位置制御手段を設けたことを特徴とする請求項６に記載の超音波接合装置。
- 上記印加部材は、略左右対称な略逆三角形状に形成された超音波ホーンよりなり、
上記超音波ホーンの左右少なくとも一方の頂部に上記振動子が取り付けられ、
上記超音波ホーンの下頂部に、上記接合部材に超音波振動を与える出力部が設けられ、
上記振動子から超音波ホーンの左右いずれかの頂部に隣接する斜辺に対してほぼ平行な超音波振動が入力されたとき、上記出力部から水平方向の超音波振動が出力されることを特徴とする請求項５ないし８の何れかに記載の超音波接合装置。
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