JP3952959B2 - 超音波ホーンおよびこの超音波ホーンを用いた超音波接合装置 - Google Patents

超音波ホーンおよびこの超音波ホーンを用いた超音波接合装置 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は複数の接合対象物に超音波振動を加えて接合するための超音波ホーンおよびこのホーンを用いた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、超音波接合装置が用いられる。
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、先細形状のホーンの一端部にホーンの長さ方向の縦振動を印加する振動子を装着し、ホーンの縦振動の定在波の腹の位置にあって、このホーン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を取り付けてある。そして、ホーンの略中央部に押圧荷重を印加する加圧手段との連結部が設けられている。
また、特許文献２には、略Ｔ字形のホーンを横向きにし、その横棒部の一端部に振動子を取り付け、縦棒部を円筒状に形成し、その中に保持部材を挿通し、この保持部材の上端に押圧荷重を印加する加圧手段を連結した超音波接合装置が開示されている。この場合には、押圧荷重を印加する手段（保持部材）と、超音波を作用させる手段（ホーン）とを別部材で構成し、機能を分担させている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１の場合には、ホーンの縦振動を受けたボンディングツールが撓み振動するため、その先端部が振り子状に揺動し、接合面に対して一定方向の超音波振動を与えることができない。そのため、接合部における中央部と端部とで振動成分に違いが生じ、部位による接合状態にバラツキが生じる。その結果、接合が不均一になり、接合品質が低下するとともに、接合部材へ余計なダメージが加わり、クラック、割れ、欠けなどの原因になるという問題がある。
一方、特許文献２の場合、接合部に対して押圧荷重を伝える保持部材と超音波振動を伝えるホーンの円筒部とが完全に分離されている訳ではなく、接触しているため、荷重を伝える保持部材にも振動が伝わることになる。そのため、接合部に与えられる振動が複数次モードとなり、接合に適した振動を与えることができない。また、接合部に接触するＴ字形ホーンの先端部は撓み振動するので、接合面に対して一定方向の超音波振動を与えることができない。そのため、接合部の接合品質を低下させるという問題がある。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、接合面に対して一定方向の超音波振動を作用させ、均一で良好な接合品質を得ることができる超音波ホーンを提供することにある。
他の目的は、荷重印加によって超音波ホーンに撓みを発生させず、接合面全体に均一な荷重および振動を作用させ、均一で良好な接合品質を得ることができる超音波接合装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、接合対象物に超音波振動を加えて、被接合対象物に対して接合するための超音波ホーンにおいて、左右方向に突出する左右の頂部と、下方へ突出する下頂部と、左右の頂部から下頂部に向かって延びる斜辺部とを有するホーン本体と、上記ホーン本体の左右少なくとも一方の頂部に設けられ、上記下頂部に向かう方向の超音波振動を入力する振動印加手段が取り付けられる振動入力部と、上記ホーン本体の下頂部に設けられ、上記振動入力部から上記超音波振動が入力されたときに上記ホーン本体の左右の頂部を結ぶ線に対して平行な方向の超音波振動が出力される振動出力部と、上記振動入力部から上記超音波振動が入力されたときに上記超音波振動のノード領域となる部位に設けられたホーン本体保持用の連結部と、を備えたことを特徴とする超音波ホーンを提供する。
【０００６】
また、請求項１０に係る発明は、接合対象物に押圧荷重と超音波振動を加えて、被接合対象物に対して接合する超音波接合装置において、左右方向に突出する左右の頂部と、下方へ突出する下頂部と、左右の頂部から下頂部に向かって延びる斜辺部とを有し、左右少なくとも一方の頂部に振動入力部を有し、下頂部に振動出力部を有する超音波ホーンと、上記超音波ホーンの振動入力部に取り付けられ、この振動入力部に対して振動出力部に向かう方向の超音波振動を入力する振動印加手段と、上記振動印加手段から超音波振動が入力されたときに超音波ホーンの超音波振動のノード領域となる部位に連結され、上記超音波ホーンに下向きの押圧荷重を印加する荷重印加手段とを備え、上記振動出力部が上記接合対象物に押圧荷重と超音波振動とを与えるように、上記超音波ホーンが配置され、上記荷重印加手段は、その押圧荷重のベクトルが上記振動出力部上またはその近傍を通るように配置されていることを特徴とする超音波接合装置を提供する。
【０００７】
請求項１１に係る発明は、接合対象物に押圧荷重と超音波振動を加えて、被接合対象物に対して接合する超音波接合方法において、左右方向に突出する左右の頂部と、下方へ突出する下頂部と、左右の頂部から下頂部に向かって延びる斜辺部とを有し、左右少なくとも一方の頂部に振動入力部を有し、下頂部に振動出力部を有する超音波ホーンを準備する工程と、上記超音波ホーンの振動出力部に接合対象物を保持する工程と、上記接合対象物を被接合対象物に当接させる工程と、上記超音波ホーンの振動入力部に対して振動出力部に向かう方向の超音波振動を入力する工程と、上記振動入力部から超音波振動が入力されたときに超音波ホーンの超音波振動のノード領域となる部位に下向きの押圧荷重を印加する工程と、上記超音波ホーンの振動出力部が上記接合対象物に押圧荷重と超音波振動とを与えて被接合対象物に対して接合する工程と、を備えたことを特徴とする超音波接合方法を提供する。
【０００８】
本発明の超音波ホーンは左右の頂部と下頂部と斜辺部とを有する形状に形成されており、左右少なくとも一方の頂部に対して下頂部に向かう方向の超音波振動を入力すると、下頂部にはホーン本体の左右の頂部を結ぶ線に対して平行な方向の超音波振動が発生する。つまり、左右いずれかの頂部から斜め方向に入力された超音波振動が、下頂部から水平方向の超音波振動として出力される。出力される超音波振動は、撓み振動とは異なり一定方向の振動であるから、接合部における中央部と端部とで振動成分に違いが発生せず、部位による接合状態にバラツキが生じない。その結果、接合が均一になり、接合品質が向上するとともに、接合部へ余計なダメージが加わらず、クラック、割れ、欠けなどを防止できる。
また、左右いずれかの頂部に斜め方向に超音波振動を入力したとき、ホーン本体には超音波振動のノード領域が発生し、その部位に設けられたホーン本体保持用の連結部を保持して下方へ押圧すれば、接合対象物に対して適切な押圧荷重を印加でき、しかも外部へ振動が殆ど漏れない。
【０００９】
請求項２のように、ホーン本体を左右対称形状とするのがよい。
左右対称形状とすることで、左右一方の頂部に対して超音波振動を入力したとき、下頂部から左右の頂部を結ぶ線に対して平行な方向の超音波振動が出力される。したがって、ホーン本体を水平に保持すれば、下頂部から水平方向の超音波振動を出力できる。
【００１０】
請求項３のように、ホーン本体を左右の頂部間を結ぶ上辺部を有する略逆三角形状に形成してもよい。
この場合には、振動入力部に入力される超音波振動に比べて大きな振幅の超音波振動を振動出力部から出力することができ、振動効率の優れた超音波ホーンが得られる。
【００１１】
請求項４のように、ホーン本体の超音波振動の振幅が微小な領域に、ホーン本体に下向きの押圧荷重を印加するための荷重印加部を設けるのが望ましい。
本発明の超音波ホーンにおいて注目すべき点は、左右少なくとも一方の頂部に対して下頂部に略向かう方向の超音波振動が入力されたとき、下頂部の略直上に、超音波振動の振幅が微小な領域（ノード領域）が存在することである。超音波ホーンの下頂部（振動出力部）を接合対象物に接触させた場合、上記ノード領域を荷重印加部とし、この印加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、また荷重印加部に連結された荷重印加手段に超音波振動が伝播せず、接合部に与えられる振動が複数次モードにならない。しかも、荷重印加部および荷重出力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。
このように振動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る点、超音波振動が荷重印加手段に伝播しない点、超音波ホーンに撓みが発生しない点などの特徴によって、水平方向の超音波振動と垂直方向の押圧荷重とを接合対象物に効果的に作用させることができ、均一で良質な接合を実現できる。
従来では超音波ホーンに剛性が必要であったため、小型軽量化には制約があったが、本発明では超音波ホーンの曲げに対する剛性を確保する必要がないので、超音波ホーンを小型、軽量化することが可能となる。
【００１２】
請求項５のように、振動出力部に、接合対象物に接触する耐摩耗性材料よりなる当接部材を着脱可能に取り付けるのが望ましい。
超音波ホーンには振動特性に適した材料が用いられるが、必ずしも耐久性が高い材料とは限らない。そこで、下頂部（振動出力部）に耐摩耗性材料よりなる当接部材を用いれば、振動特性と耐久性とを両立させることができる。また、当接部材が摩耗した時には、当接部材のみを交換することで超音波ホーンは何回も使用できる。
【００１３】
請求項６のように、ホーン本体を接合面に対して傾けて配置し、当接部材の接合対象物との接触面を、接合対象物と被接合対象物との接合面と平行になるように形成してもよい。
接合対象物に印加する超音波振動の接合面と平行な成分と垂直な成分とを任意の割合で設定できるので、様々な材料に対し、接合性の最適化を図ることができる。
【００１４】
請求項７のように、ホーン本体は下頂部に対向する上辺を持ち、この上辺に凹部または凸部を形成してもよい。
超音波ホーンの上辺の形状を変更すると、振動の変位分布が変化する。したがって、上辺の形状を変更することにより、ノード点が所望の位置にくるように調整することができる。
【００１５】
請求項８のように、ホーン本体の下頂部を含む中央部の厚みと、左右の頂部を含む両端部の厚みとを異ならせてもよい。
この場合には、出力部から出力される超音波振動の振幅および駆動力を任意に設定できるので、接合対象物に応じて接合条件の最適化を図ることができる。
【００１６】
請求項９のように、ホーン本体の左右両方の頂部に振動入力部を設け、一方の振動入力部に対して超音波振動を入力するとともに、他方の振動入力部に対して上記超音波振動と逆位相の超音波振動を入力するようにしてもよい。
左右一方の頂部に超音波振動を入力した場合、他方の頂部には入力された超音波振動と同期しかつ位相が逆転した振動が発生する。そこで、左右両方の振動入力部に互いに位相が逆の超音波振動を入力すれば、下頂部からは左右一方の頂部に超音波振動を入力した場合に比べて大きな駆動力の超音波振動が出力される。この出力振動も一定方向の振動であるから、本発明の特徴を損なうことがない。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明にかかる超音波接合ヘッドを備えたボンディング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、被接合対象物の一例である基板２を搭載支持する装着ステージ３、および接合対象物の一例であるバンプ付きのチップ部品などの部品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ヘッド８、およびこの超音波接合ヘッド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、超音波接合ヘッド８に保持された部品４に対する位置合わせのため、前後および左右に水平移動可能に構成されている。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を超音波接合ヘッド８の上下移動経路内に搬入して、超音波接合ヘッド８に受け渡すよう、上下および水平移動可能に構成されている。
【００１８】
図２は昇降ブロック９の具体的な構造の一例を示す。
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（図示せず）に螺合している。昇降装置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１０Ａ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１０Ａ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１０Ａ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、超音波ホーン１０Ａの自重キャンセル用のスプリング４６が張設されている。そのため、超音波ホーン１０Ａから接合対象物（部品４と基板２）に対する押圧荷重には、超音波ホーン１０Ａ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、スプリング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、超音波ホーン１０Ａの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】
図３，図４は超音波接合ヘッド８の第１実施例の詳細な構造を示す。
この超音波接合ヘッド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、超音波ホーン１０Ａを備えている。
超音波ホーン１０Ａ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逆二等辺三角形状に一体形成されたブロック状部材である。超音波ホーン１０Ａは下頂部１１と左右の頂部１２，１３とを持ち、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のカット面は左右対称軸ＣＬに対して垂直であり、ここでは上辺１４に対して平行である。左右の頂部１２，１３のカット面は下頂部１１との対向方向に対して垂直であり、ここではそれぞれ斜辺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。
【００２０】
超音波ホーン１０Ａ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と部品４との接触面１７ｂは所望の表面粗さを持つように仕上げた平面となっており、当接部材１７には部品４を吸着するための吸着穴１７ａが形成されている。この吸着穴１７ａは超音波ホーン１０Ａ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。
【００２１】
超音波ホーン１０Ａの左右一方の頂部（ここでは右頂部１２）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１０Ａの右頂部１２に対して下頂部１１に向かう方向の超音波振動Ｕinを与える。ここでは、右頂部１２のカット面が斜辺１５に対してほぼ垂直であるから、振動方向は斜辺１５とほぼ平行である。振動方向は斜辺１５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。上記のように右頂部１２に超音波振動Ｕinを入力すると、下頂部１１には左右の頂部１２，１３を結ぶ線ＨＬに対して平行な方向の超音波振動Ｕout が出力される。また、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、後述するように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３２ａが下方へ突設され、これら脚部３２ａがボルトなどの締結具３３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１０Ａの連結部１８以外の部位に接触することがない。
【００２２】
ここで、超音波ホーン１０Ａの作動原理を図５に従って説明する。
図５の（ａ）は変位ベクトル図であり、（ｂ）は変位等高図である。
上記のような形状の超音波ホーン１０Ａに対し、例えば右頂部１２に斜辺１５と平行な超音波振動Ｕinを入力すると、図５の（ａ）に三角矢印で示すような変位ベクトルが発生する。図５の（ａ）はある瞬間の変位ベクトルを示したものであり、大きな三角形ほど振幅が大きい。右頂部１２に斜め方向の振動Ｕinが入力された時、左頂部１３にも斜辺１６に対して平行な斜め方向の振動が発生し、下頂部１１には左右の頂部１２，１３を結ぶ線ＨＬに対して平行な方向、つまり水平方向のみ（水平振動成分１００％、垂直振動成分０％）の超音波振動Ｕout が出力される。しかも、下頂部１１の出力振動Ｕout の振幅は右頂部１２の入力振動Ｕinより振幅が大きい。つまり、右頂部１２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。
【００２３】
図５に示すように、超音波ホーン１０Ａには、斜辺１５，１６のほぼ中点を通る円弧状領域に、振幅の小さな領域が存在する。特に、下頂部１１の直上の上辺１４の中央部よりやや下部で、かつ左右対称軸ＣＬ上またはその付近に最小振幅領域（ノード部）が存在する。このノード部内に設けた連結部１８を荷重印加部とし、この荷重印加部１８に荷重印加装置３０（押圧治具３２）を連結すれば、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。また、荷重印加装置３０によって下向きの押圧荷重Ｆを印加すれば、図４に示すように押圧荷重Ｆのベクトルが下頂部１１を通るので、超音波ホーン１０Ａに撓みを発生させず、下頂部１１に押圧荷重Ｆを直に作用させることができる。なお、荷重印加装置３０を連結する部位は、上記最小振幅領域に限るものではなく、図５に示す振幅の小さな円弧状領域であって、押圧荷重Ｆの合計ベクトルが下頂部１１を通る位置に設ければ、上記とほぼ同様な作用効果を有する。
【００２４】
以上のように、出力部である下頂部１１には、水平方向の大きな振幅の超音波振動Ｕout が得られ、しかも超音波振動が荷重印加装置３０によって阻害されることがない。そして、入力部１８に印加される押圧荷重Ｆのベクトルの軸線が下頂部１１を通るので、超音波ホーン１０Ａに撓みが発生しない。よって、超音波振動と押圧荷重とを接合面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。
なお、超音波ホーン１０Ａは左右対称形状であるから、超音波振動の入力部が左右いずれの頂部１２，１３であっても、同様の作用効果を有する。
【００２５】
図６は本発明にかかる超音波接合ヘッドの第２実施例を示す。
この実施例は、第１実施例と同一形状の超音波ホーン１０Ｂを接合面に対して傾けて配置し、当接部材１７を接合対象物４との接触面１７ｂが接合面と平行になるように山形に形成したものである。
また、超音波ホーン１０Ｂに設けられる連結部１８は、接合面と平行になるように上辺１４に対して傾けて固定されている。
この場合には、出力部である下頂部１１には、矢印で示すように斜め方向の超音波振動Ｕout が出力されるので、当接部材１７は接合対象物４に対して斜め方向の振動を与える。このように超音波ホーン１０Ｂを傾斜させ、かつ当接部材１７の接触面１７ｂの角度を調整することで、接合対象物４に印加する超音波振動の接合面と平行な成分と垂直な成分とを任意の割合で設定できる。そのため、様々な材料に対し、接合性の最適化を図ることができる。
なお、荷重印加装置３０の押圧荷重Ｆのベクトルの方向が当接部材１７と接合対象物４との接触面から多少ずれるが、接合性に影響は殆どない。
【００２６】
図７は本発明にかかる超音波接合ヘッドの第３実施例を示す。
この実施例は、超音波ホーン１０Ｃの上辺１４を、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。なお、他の構成は第１実施例（図４参照）と同様であるから、同一符号を付して重複説明を省略する。
図８の（ａ）および（ｂ）は上記超音波ホーン１０Ｃの変位ベクトル図および変位等高図である。
図８から明らかなように、左右一方の頂部１２，１３に、下頂部１１方向の超音波振動を入力すると、下頂部１１には水平方向のみ（水平振動成分１００％、垂直振動成分０％）の超音波振動が出力されることがわかる。しかも、入力振動に比べて出力振動の振幅の方が大きい。
【００２７】
図９は本発明にかかる超音波接合ヘッドの第４実施例を示す。
この実施例は第３実施例の変形例であり、超音波ホーン１０Ｄの上辺１４を２つの斜面１４ａ，１４ｂと１つの底面１４ｃとを持つ凹状に形成するとともに、斜面１４ａ，１４ｂの角度を第３実施例に比べて急角度とし、底面１４ｃを長くしたものである。
【００２８】
図１０は本発明にかかる超音波接合ヘッドの第５実施例を示す。
この実施例は、超音波ホーン１０Ｅの上辺１４を２つの斜面１４ａ，１４ｂを持つＶ字状に形成したものである。
この場合には、上辺１４が水平面を持たないので、出力部から出力される超音波振動の方向は、上辺１４と平行ではなく、ホーン本体の左右対称軸に対して垂直な方向となる。
【００２９】
図１１は本発明にかかる超音波接合ヘッドの第６実施例を示す。
この実施例は、超音波ホーン１０Ｆの上辺１４を２つの斜面１４ｄ，１４ｅと頂面１４ｆとを持つ山形状に形成したものである。
上記第３〜第６実施例に示すように、超音波ホーン１０Ｃ〜１０Ｆの上辺１４の形状を変更することで、振動の変位分布を所望の分布に調整できる。
【００３０】
図１２は本発明にかかる超音波接合ヘッドの第７実施例を示す。
この実施例は、超音波ホーン１０Ｇの斜辺１５ａ，１６ｂを平坦面ではなく、上方に向かって屈曲させたものである。
この場合も、上辺１４の形状を変更した場合と同様に、振動の変位分布を調整できる。
この実施例では、超音波ホーン１０Ｇが厳密には左右対称形状ではないが、他の実施例１０Ａ〜１０Ｆと同様な作用効果を得ることができる。
【００３１】
図１３は本発明にかかる超音波接合ヘッドの第８実施例を示す。
この実施例は、超音波ホーン１０Ｈの斜辺１５ｂ，１６ｂを下方に向かって屈曲形成したものである。
この場合も、振動の変位分布を調整可能である。また、この超音波ホーン１０Ｈも厳密には左右対称形状ではない。
【００３２】
図１４は本発明にかかる超音波接合ヘッドの第９実施例を示す。
この実施例は、超音波ホーン１０Ｉの下頂部１１を含む中央部の厚みを、左右の頂部１２，１３を含む両端部の厚みより漸次厚くし、その間に傾斜面１２ａ，１３ａを設けたものである。
この場合には、超音波振動Ｕinが入力される右頂部１２に比べて、超音波振動Ｕout が出力される下頂部１１の厚みが大きいので、振幅は小さくなるが、駆動力は大きくなる。
【００３３】
図１５は本発明にかかる超音波接合ヘッドの第１０実施例を示す。
この実施例は、超音波ホーン１０Ｊの下頂部１１を含む中央部の厚みを、左右の頂部１２，１３を含む両端部の厚みより厚くし、その間に段差部１２ｂ，１３ｂを設けたものである。
この場合も、第７実施例と同様に、超音波振動Ｕinが入力される右頂部１２に比べて、超音波振動Ｕout が出力される下頂部１１の厚みが大きいので、振幅は小さくなるが、駆動力は大きくなる。
このように超音波ホーン１０Ｉ，１０Ｊの厚みを変えることで、振幅，駆動力を任意に調整可能となる。
【００３４】
図１６は本発明にかかる超音波接合ヘッドの第１１実施例を示す。
この実施例は、超音波ホーン１０Ｋを第３実施例（図８参照）と同様に、上辺１４を２つの斜面１４ａ，１４ｂと１つの底面１４ｃとを持つ凹状に形成するとともに、連結部１８を超音波ホーン１０Ｋの両側面に突設された２本の棒状部材で構成したものである。
超音波ホーン１０Ｋの下頂部１１の頂角θが１２０°以上に大きくなると、振動のノード点が２領域に別れる。そこで、各ノード点に連結部１８を設けることで、ノード点のみに押圧荷重を印加でき、振動特性の安定化を図ることができる。また、製作も容易であり、低コスト化できる。
なお、この例では超音波ホーン１０Ｋの上辺１４を凹状に形成したが、第１実施例と同様に平坦面としてもよいし、第６実施例と同様に凸状としてもよい。
【００３５】
図１７は本発明にかかる超音波接合ヘッドの第１２実施例を示す。
この実施例は、超音波ホーン１０Ａの左右両方の頂部１２，１３にそれぞれ振動子２０，２１を取り付けたものである。各振動子２０，２１は、周知のように圧電素子２０ａ，２１ａと電極板２０ｂ，２１ｂとを交互に複数枚ずつ積層したものであり、圧電素子２０ａ，２１ａは矢印で示すように厚み方向に分極されている。
各振動子２０，２１はその発生する超音波振動の位相が逆になるように構成されている。ここでは、左右の振動子２０，２１を構成する圧電素子２０ａ，２１ａの分極方向が逆方向とされ、それぞれの電極板２０ｂ，２１ｂは電源２２に対して並列に接続されている。なお、２３は振動子２０，２１を制御するための制御回路である。
このように左右の頂部１２，１３に対して入力される超音波振動の位相が逆であるため、左右一方の頂部１２，１３にのみ超音波振動を入力した場合に比べて、下頂部１１からより大きな駆動力の超音波振動を出力することができる。
【００３６】
図１８は超音波ホーンの第１３実施例を示す。
この超音波ホーン１０Ｌは、下頂部１１の頂角θを６０°とし、全体としてほぼＶ字形としたものである。この場合も、図１８の変位ベクトルから明らかなように、左右少なくとも一方の頂部１２，１３に、下頂部１１方向の超音波振動を入力すると、下頂部１１には水平方向のみ（水平振動成分１００％、垂直振動成分０％）の超音波振動が出力されることがわかる。
【００３７】
図１９は超音波ホーンの第１４実施例を示す。
この超音波ホーン１０Ｍは、下頂部１１の頂角θを１５０°としたものである。この場合も、図１９の変位ベクトルから明らかなように、左右少なくとも一方の頂部１２，１３に下頂部１１方向の超音波振動を入力すると、下頂部１１には水平方向のみの超音波振動が出力される。
【００３８】
本発明の超音波ホーンは左右対称形に限るものではなく、本発明の特徴と作用を備えたものであれば、形状を変更してもよい。
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。
また、上記実施例の超音波接合装置（超音波接合ヘッド）は超音波振動と押圧荷重とを加えて接合するものであるが、さらに熱を加えることも可能である。この場合には、超音波ホーンや装着ステージを加熱する加熱手段を設ければよい。
上記実施例では、超音波ホーンの下頂部に当接部材を取り付けたが、下頂部を接合対象物に直接当接させてもよい。また、下頂部に水平なカット面を設けたが、このカット面は必須ではなく、任意の形状とすることができる。
上記実施例の荷重印加装置３０は、昇降装置４１と別に設けたものであるが、昇降装置４１を荷重印加装置３０として用いてもよい。
【００３９】
【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、ホーン本体の左右いずれかの頂部に下頂部に略向かう方向の超音波振動を入力すると、下頂部から左右の頂部を結ぶ線に対して略平行な方向の超音波振動が出力される。この出力される超音波振動は一定方向の振動であるから、接合部における中央部と端部とで振動成分に違いが発生せず、部位による接合状態にバラツキが生じない。その結果、接合が均一になり、接合品質が向上するとともに、接合部へ余計なダメージが加わらず、クラック、割れ、欠けなどを防止できる
また、下頂部の略直上に超音波振動の振幅が微小な領域が存在するので、この領域を下方へ押圧すれば、接合対象物に対して適切な押圧荷重を印加でき、しかも振動が外部へ殆ど漏れない。
【００４０】
請求項１０，１１のように、超音波ホーンの下頂部の略直上であって超音波振動の振幅が微小な領域に、超音波ホーンに下向きの押圧荷重を印加するための荷重印加部を設けた場合、荷重印加部がノード部に対応するので、超音波ホーンの振動が押圧荷重によって阻害されず、また荷重印加手段に超音波振動が伝播しない。そのため、超音波振動および押圧荷重を互いに影響を受けずに接合対象物に作用させることができる。
また、下向きの押圧荷重が印加される荷重印加部と下頂部とが押圧ベクトルの軸線上またはその近傍に位置するので、超音波ホーンにほとんど撓みが発生せず、接合対象物に押圧荷重を直に作用させることができる。
このような特徴から、本発明の超音波接合装置を用いることで、安定で、均一かつ良質な接合を実現でき、接合対象物へのダメージを低減できる。
また、本発明では超音波ホーンの曲げに対する剛性を考慮する必要がないので、アルミ合金、チタン合金などの高振動特性を有するが、低剛性の材料を用いた小型軽量のホーンを実現することが可能になり、振動特性を向上させることができる。また、小型、軽量化により、動作の高速性、高精度化が図れ、高精度なボンディングを低コストで行うことができる。
接合対象物と直接または間接的に接触する超音波ホーンの下頂部が下方に突出する形となるので、接合面の周囲に障害物（他の部品など）があっても、干渉することなくボンディングできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる超音波接合ヘッドを備えた超音波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内部構造図である。
【図３】超音波接合ヘッドの第１実施例の斜視図である。
【図４】図３に示す超音波接合ヘッドの正面図である。
【図５】（ａ）は図３に示す超音波接合ヘッドで用いられる超音波ホーンの変位ベクトル図、（ｂ）は変位等高図である。
【図６】超音波接合ヘッドの第２実施例の正面図である。
【図７】超音波接合ヘッドの第３実施例の正面図である。
【図８】（ａ）は図７に示す超音波接合ヘッドで用いられる超音波ホーンの変位ベクトル図、（ｂ）は変位等高図である。
【図９】超音波接合ヘッドの第４実施例の正面図である。
【図１０】超音波接合ヘッドの第５実施例の正面図である。
【図１１】超音波接合ヘッドの第６実施例の正面図である。
【図１２】超音波接合ヘッドの第７実施例の斜視図である。
【図１３】超音波接合ヘッドの第８実施例の斜視図である。
【図１４】超音波接合ヘッドの第９実施例の斜視図である。
【図１５】超音波接合ヘッドの第１０実施例の斜視図である。
【図１６】超音波接合ヘッドの第１１実施例の斜視図である。
【図１７】超音波接合ヘッドの第１２実施例の斜視図である。
【図１８】超音波ホーンの第１３実施例の変位ベクトル図である。
【図１９】超音波ホーンの第１４実施例の変位ベクトル図である。
【符号の説明】
２ 基板（接合対象物）
４ 部品（接合対象物）
８ 超音波接合ヘッド（超音波接合装置）
１０Ａ〜１０Ｍ 超音波ホーン
１１ 下頂部（振動出力部）
１２ 右頂部（振動入力部）
１４ 上辺
１５ 斜辺
１７ 当接部材
１８ 連結部（荷重印加部）
２０ 振動子（振動印加手段）
３０ 荷重印加装置
３２ 押圧治具

Claims (11)

  1. 接合対象物に超音波振動を加えて、被接合対象物に対して接合するための超音波ホーンにおいて、
    左右方向に突出する左右の頂部と、下方へ突出する下頂部と、左右の頂部から下頂部に向かって延びる斜辺部とを有するホーン本体と、
    上記ホーン本体の左右少なくとも一方の頂部に設けられ、上記下頂部に向かう方向の超音波振動を入力する振動印加手段が取り付けられる振動入力部と、
    上記ホーン本体の下頂部に設けられ、上記振動入力部から上記超音波振動が入力されたときに上記ホーン本体の左右の頂部を結ぶ線に対して平行な方向の超音波振動が出力される振動出力部と、
    上記振動入力部から上記超音波振動が入力されたときに上記超音波振動のノード領域となる部位に設けられたホーン本体保持用の連結部と、を備えたことを特徴とする超音波ホーン。
  2. 上記ホーン本体は左右対称形状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波ホーン。
  3. 上記ホーン本体は、上記左右の頂部間を結ぶ上辺部を有する略逆三角形状に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波ホーン。
  4. 上記連結部に、ホーン本体に下向きの押圧荷重を印加するための荷重印加部が設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の超音波ホーン。
  5. 上記振動出力部に、上記接合対象物に接触する当接部材が着脱可能に取り付けられていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の超音波ホーン。
  6. 上記ホーン本体は接合対象物と被接合対象物との接合面に対して傾けて配置され、上記当接部材の接合対象物との接触面は上記接合面と平行になるように形成されていることを特徴とする請求項５に記載の超音波ホーン。
  7. 上記ホーン本体は下頂部に対向する上辺を持ち、上記上辺に凹部または凸部が形成されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の超音波ホーン。
  8. 上記ホーン本体の下頂部を含む中央部の前後方向の厚みと、左右の頂部を含む両端部の前後方向の厚みとを異ならせたことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の超音波ホーン。
  9. 上記ホーン本体の左右両方の頂部に振動入力部が設けられ、
    一方の振動入力部に対して超音波振動が入力されるとともに、他方の振動入力部に対して上記超音波振動と逆位相の超音波振動が入力されるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の超音波ホーン。
  10. 接合対象物に押圧荷重と超音波振動を加えて、被接合対象物に対して接合する超音波接合装置において、
    左右方向に突出する左右の頂部と、下方へ突出する下頂部と、左右の頂部から下頂部に向かって延びる斜辺部とを有し、左右少なくとも一方の頂部に振動入力部を有し、下頂部に振動出力部を有する超音波ホーンと、
    上記超音波ホーンの振動入力部に取り付けられ、この振動入力部に対して振動出力部に向かう方向の超音波振動を入力する振動印加手段と、
    上記振動印加手段から超音波振動が入力されたときに超音波ホーンの超音波振動のノード領域となる部位に連結され、上記超音波ホーンに下向きの押圧荷重を印加する荷重印加手段とを備え、
    上記振動出力部が上記接合対象物に押圧荷重と超音波振動とを与えるように、上記超音波ホーンが配置され、
    上記荷重印加手段は、その押圧荷重のベクトルが上記振動出力部上またはその近傍を通るように配置されていることを特徴とする超音波接合装置。
  11. 接合対象物に押圧荷重と超音波振動を加えて、被接合対象物に対して接合する超音波接合方法において、
    左右方向に突出する左右の頂部と、下方へ突出する下頂部と、左右の頂部から下頂部に向 かって延びる斜辺部とを有し、左右少なくとも一方の頂部に振動入力部を有し、下頂部に振動出力部を有する超音波ホーンを準備する工程と、
    上記超音波ホーンの振動出力部に接合対象物を保持する工程と、
    上記接合対象物を被接合対象物に当接させる工程と、
    上記超音波ホーンの振動入力部に対して振動出力部に向かう方向の超音波振動を入力する工程と、
    上記振動入力部から超音波振動が入力されたときに超音波ホーンの超音波振動のノード領域となる部位に下向きの押圧荷重を印加する工程と、
    上記超音波ホーンの振動出力部が上記接合対象物に押圧荷重と超音波振動とを与えて被接合対象物に対して接合する工程と、を備えたことを特徴とする超音波接合方法。
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