JP4315284B2 - Ultrasonic bonding head and ultrasonic bonding method - Google Patents
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Description
本発明は超音波接合ヘッドと超音波接合方法に関し、特に超音波振動エネルギーと熱エネルギーを接合対象物に付与して接合する超音波接合ヘッドと超音波接合方法に関するものである。 The present invention relates to an ultrasonic bonding head and an ultrasonic bonding method, and more particularly to an ultrasonic bonding head and an ultrasonic bonding method for applying ultrasonic vibration energy and thermal energy to an object to be bonded.
超音波接合方法において、接合対象物に超音波振動エネルギーと熱エネルギーの両方を付与することで効率的にかつ信頼性の高い接合状態を確保することは従来から知られている。また、そのような超音波接合方法を実現する超音波接合ヘッドとしては、図5に示すように、超音波振動子21を共振体22の一端に結合し、共振体22の振動モードの腹の部分に接合対象物に当接させる作用部23を設け、振動モードの一対の節の部分にこの共振体22を支持する支持部24を設けるとともに、この節の部分に共振体22を加熱するヒータ25を内蔵させたものが知られている(例えば、特許文献1参照。)。
In the ultrasonic bonding method, it has been conventionally known to ensure an efficient and highly reliable bonding state by applying both ultrasonic vibration energy and thermal energy to a bonding object. As an ultrasonic bonding head for realizing such an ultrasonic bonding method, an
また、図6に示すように、共振体31の作用部32の近傍両側に、ヒータ34を内蔵した加熱体33を非接触状態で配設し、加熱体33からの輻射熱で作用部32を加熱するようにしたものも考えられている。
ところが、図5に示した超音波接合ヘッドの構成では、ヒータ25にて直接共振体22を加熱しているが、共振体22の節の位置でヒータ25にて加熱しているため、作用部23までの距離が長く、そのため熱効率が悪く、逆に超音波振動子21までの距離が短く、超音波振動子21が高温に晒され易いために振動系にも悪影響を与える恐れがあるいう問題がある。
However, in the configuration of the ultrasonic bonding head shown in FIG. 5, the
このような問題を解消するには、ヒータ25を作用部23の近傍に配設することが考えられるが、作用部23の近傍は超音波振動を受けることになるためヒータ25及びその配線が極めて短時間で損傷してしまうという問題があり、実現不可能である。そこで、図6に示した構成の超音波接合ヘッドが考えられているが、加熱体33からの輻射熱による間接的な加熱であるため、熱効率が悪く、かつ作用部32の温度を精度良く制御することもできず、信頼性の高い接合状態を安定して得るのが困難であるという問題がある。
In order to solve such a problem, it is conceivable to arrange the
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、振動系に悪影響を与えずに効果的に熱エネルギーを付与でき、効率的にかつ高い信頼性をもって接合できる超音波接合ヘッドと超音波接合方法を提供することを目的とする。 In view of the above-described conventional problems, the present invention provides an ultrasonic bonding head and an ultrasonic bonding method capable of effectively applying thermal energy without adversely affecting the vibration system, and capable of bonding efficiently and with high reliability. The purpose is to do.
本発明の超音波接合ヘッドは、超音波振動発生手段と、超音波振動発生手段に結合されるとともに接合対象物に超音波振動エネルギーを付与する作用部を有する共振体と、共振体の作用部若しくはその近傍に対して接触・離間移動可能に配設された加熱体と、加熱体を共振体に接触した位置と離間した位置との間で移動させる駆動手段とを備えたものである。なお、ここで作用部の近傍とは、作用部に可及的に近い位置が好ましく、少なくとも作用部と作用部に最も近い共振体の節との間の位置であれば良い。 An ultrasonic bonding head according to the present invention includes an ultrasonic vibration generating means, a resonator having an action portion coupled to the ultrasonic vibration generating means and imparting ultrasonic vibration energy to an object to be joined, and an action portion of the resonator. Or the heating body arrange | positioned so that contact / separation movement is possible with respect to the vicinity, and the drive means which moves a heating body between the position which contacted the resonance body, and the separated position are provided. Here, the vicinity of the action part is preferably a position as close as possible to the action part, and may be a position at least between the action part and the node of the resonator closest to the action part.
この構成によると、接合対象物の接合動作前に、駆動手段にて加熱体を共振体の作用部若しくはその近傍に接触させることで、振動系に悪影響を与えることなくかつ直接熱伝達によって効率的に加熱することができ、その後接合直前に加熱体を共振体から離間させて加熱体を損傷する恐れを無くした後、超音波振動発生手段を作動させて共振体に超音波振動を入力することで、超音波振動エネルギーと熱エネルギーを接合対象物に付与して効率的にかつ高い信頼性をもって接合することができる。 According to this configuration, before the joining operation of the objects to be joined, the heating body is brought into contact with the action part of the resonator or the vicinity thereof by the driving means, so that the vibration system is not adversely affected and efficient by direct heat transfer. After the heating body is moved away from the resonator immediately before joining to eliminate the possibility of damaging the heating body, the ultrasonic vibration generating means is operated to input the ultrasonic vibration to the resonator. Thus, ultrasonic vibration energy and thermal energy can be applied to the objects to be bonded, and bonding can be performed efficiently and with high reliability.
また、共振体の作用面又はその近傍に対して加熱体とともに接触・離間可能に温度検出手段を配設すると、共振体の加熱温度を適正に制御することができ、信頼性の高い接合状態を安定して得ることができる。 In addition, if the temperature detecting means is disposed so as to be able to contact and separate from the working surface of the resonator or the vicinity thereof together with the heating member, the heating temperature of the resonator can be controlled appropriately, and a highly reliable bonding state can be achieved. It can be obtained stably.
また、本発明の超音波接合方法は、超音波振動発生手段に結合された共振体の作用部から超音波振動エネルギーと熱エネルギーを接合対象物に付与して接合する超音波接合方法であって、共振体の作用部若しくはその近傍に加熱体を接触させて加熱する工程と、共振体の作用部を介して接合対象物を加圧する工程と、加圧状態でかつ共振体から加熱体を離間させた状態で超音波振動発生手段から共振体に超音波振動を入力して接合する工程とを有するものである。 Further, the ultrasonic bonding method of the present invention is an ultrasonic bonding method in which ultrasonic vibration energy and thermal energy are applied to an object to be bonded from an action part of a resonator coupled to ultrasonic vibration generating means. A step of heating a heating body in contact with or near the action part of the resonator, a step of pressing the object to be joined via the action part of the resonator, and a step of separating the heating body from the resonator in a pressurized state. And a step of inputting ultrasonic vibrations from the ultrasonic vibration generating means to the resonator and joining them in a state in which they are made.
この構成によると、共振体の作用部若しくはその近傍に加熱体を接触させることで振動系に悪影響を与えることなくかつ直接熱伝達によって効率的に加熱し、その状態で共振体の作用部を介して接合対象物を加圧するとともに、加熱体が超音波振動を受けて損傷する恐れがないように加熱体を共振体から離間させた状態で共振体に超音波振動を付与することで、加熱体を損傷する恐れなくかつ熱効率良く、超音波振動エネルギーと熱エネルギーを接合対象物に付与して効率的にかつ高い信頼性をもって接合することができる。 According to this configuration, the heating body is brought into contact with or in the vicinity of the action portion of the resonator so that the vibration system is not adversely affected and is efficiently heated by direct heat transfer. The heating object by applying ultrasonic vibration to the resonator in a state where the heating object is separated from the resonator so that the heating object is not damaged by receiving the ultrasonic vibration. The ultrasonic vibration energy and the thermal energy can be applied to the object to be bonded without fear of damaging the substrate, and the bonding can be performed efficiently and with high reliability.
本発明の超音波接合ヘッドと超音波接合方法によれば、共振体を加熱体から直接熱伝達によって効率的に加熱することができ、その後加熱体を共振体から離間させた状態で共振体に超音波振動を入力することで、超音波振動エネルギーとともに熱エネルギーを加熱体を損傷する恐れなくかつ熱効率良く接合対象物に付与して効率的にかつ高い信頼性をもって接合することができる。 According to the ultrasonic bonding head and the ultrasonic bonding method of the present invention, the resonator can be efficiently heated by direct heat transfer from the heating body, and then the heating body is separated from the resonator to the resonator. By inputting the ultrasonic vibration, it is possible to apply the thermal energy together with the ultrasonic vibration energy to the object to be bonded with high thermal efficiency without causing the damage to the heating body and to perform the bonding efficiently and with high reliability.
以下、本発明の一実施形態の超音波接合ヘッドとそれを用いた超音波接合方法について、図1〜図4を参照して説明する。 Hereinafter, an ultrasonic bonding head according to an embodiment of the present invention and an ultrasonic bonding method using the same will be described with reference to FIGS.
図1、図2において、1は超音波接合ヘッドであり、ヘッド枠2の下端部に共振体3を配設して構成されている。共振体3は、その共振モードの節の位置の両側に突設された取付突部3aをヘッド枠2に固定することで取付けられている。共振体3の下端部はヘッド枠2の下端面より下方に突出しており、その共振体3の下端面には接合対象物としての電子部品14(図3参照)を保持して超音波振動エネルギーを付与する作用部4が設けられ、且つこの作用部4がその表面と略平行に超音波振動するように共振体3の適所に超音波振動発生手段としての超音波振動子5(図3参照)が結合されている。
1 and 2,
ヘッド枠2の下端には、共振体3の下端部両側に対向させて、ヒータ7を内蔵した加熱体6が共振体3に接触した位置と離間した位置との間で移動自在に配設されている。また、ヘッド枠2の下部両側に突設された枢支ブラケット8にて揺動アーム9の中間部が枢支され、この揺動アーム9の下端部9aが加熱体6の共振体3とは反対側端に設けられた連結部6aに連結され、揺動アーム9の上端部9bとヘッド枠2との間に駆動手段として、シリンダ装置などの伸縮アクチュエータ10が介装されている。かくして、伸縮アクチュエータ10の伸縮動作によって、加熱体6が共振体3に接触した位置と離間した位置との間で移動される。
At the lower end of the
共振体3としては、加熱体6の接触部と作用部4との間の熱容量が大きくかつ熱伝導率が高く、その一方で加熱体6の接触部より作用部4とは反対側の部分は熱伝導率が低くなるように構成したものが好適である。
As the
一方の加熱体6からは、共振体3の作用部4に向けて熱電対などの温度検出手段11が延出され、加熱体6が共振体3に接触した状態で温度検出手段11の先端部が作用部4に設けられた測定穴に嵌合接触してその温度を測定するように構成されている。なお、加熱体6が共振体3から離間すると、温度検出手段11も作用部4から離間するように構成されている。また、ヘッド枠2の上部には、ヘッド枠2を下方に向けて押圧し、共振体3の作用部4を介して電子部品14(図3参照)を加圧する加圧手段12(図3参照)が配設されている。
A temperature detecting means 11 such as a thermocouple is extended from one
次に、以上の構成の超音波接合ヘッド1によって接合対象物としての電子部品14のバンプを回路基板13の電極に超音波接合する動作について、図3、図4を参照して説明する。
Next, an operation of ultrasonically bonding the bumps of the
まず、図3(a)に示すように、超音波接合に先立って、共振体3の作用部4にて電子部品14を吸着保持するとともに、図1に示すように伸縮アクチュエータ10を伸長させることで作用部4の近傍に加熱体6を接触させ、共振体3の作用部4を加熱する。このとき、温度検出手段11にて作用部4の温度を検出し、検出温度に応じて加熱体6のヒータ7に対する通電制御を行うことによって作用部4が所定温度になるように精度良く温度制御される。図4では、加熱だけがONで、加圧及び超音波はOFFの状態である。
First, as shown in FIG. 3A, prior to ultrasonic bonding, the
次に、図3(b)に示すように、加圧手段12を作動させ、ヘッド枠2を下降させて共振体3の作用部4を介して電子部品14を回路基板13に接触させ、さらに加圧力を増加し、所定の加圧力に達するとその加圧力を維持する。この加圧工程に入った時点で、図4に実線で示すように、加熱体6を離間させて加熱をOFFしても良いが、図3(b)に示し、図4に破線で示すように、加圧力が所定値に達するまで、加熱体6を共振体3に接触させて加熱ONを継続しても良い。
Next, as shown in FIG. 3B, the
次に、図3(c)に示すように、加圧力を維持した状態で、図2に示すように伸縮アクチュエータ10を収縮させることで加熱体6を共振体3から離間させた後、超音波振動子5を作動させることで、共振体3に超音波振動が入力されて共振し、作用部4を介して電子部品14に超音波振動エネルギーが付与される。また、加熱された共振体3からの伝熱により熱エネルギーも同時に付与される。かくして、電子部品14のバンプと回路基板13の電極が、それらの接合面に超音波振動エネルギーと熱エネルギーが付与されることで効率的にかつ高い信頼性をもって接合される。図4では、加熱がOFFで、加圧と超音波がONの状態である。
Next, as shown in FIG. 3 (c), the
ところで、この超音波振動を付与する加圧工程は、通常0.1〜0.5sec程度であるので、その間の放熱による共振体3の温度低下は無視できる程度に小さく、加熱された共振体3からの熱エネルギーの付与は十分に行うことができる。
By the way, the pressurizing step for applying the ultrasonic vibration is usually about 0.1 to 0.5 sec. Therefore, the temperature drop of the
なお、図4に破線で示すように、加圧工程で一定の加圧力が維持されるようにするのではなく、加圧工程の初期から接合工程の完了時点まで徐々に加圧力を増加させるようにしても良い。 In addition, as shown with a broken line in FIG. 4, it is not made to maintain a fixed pressurization force in a pressurization process, but it is made to increase a pressurization force gradually from the initial stage of a pressurization process to the completion time of a joining process. Anyway.
接合が完了すると、超音波振動子5の作動が停止されるとともに加圧手段12が復帰し、加圧及び超音波がOFF状態となり、加熱体6が共振体3に接触されて加熱がON状態となる。
When the joining is completed, the operation of the ultrasonic vibrator 5 is stopped and the pressurizing means 12 is restored, the pressurization and the ultrasonic wave are turned off, the
本実施形態によれば、以上のように共振体3の作用部4の近傍に加熱体6を接触させることで振動系に悪影響を与えることなくかつ直接熱伝達によって効率的に加熱することができ、その状態で共振体3の作用部4を介して電子部品14を加圧するとともに、加熱体6を共振体3から離間させた状態で超音波振動子5を作動させて共振体3に超音波振動を付与することで、加熱体6を超音波振動で損傷する恐れなくかつ直接伝熱することで熱効率良く、超音波振動エネルギーと熱エネルギーを電子部品14に付与して効率的にかつ高い信頼性をもって回路基板13に接合することができる。
According to the present embodiment, the
上記実施形態の説明では、加熱体6を共振体3の作用部4の近傍に接触させるようにした例を示したが、作用部4に直接接触させるようにしても良い。
In the description of the above embodiment, the example in which the
本発明の超音波接合ヘッドと超音波接合方法は、加熱体を共振体に接触させることで直接熱伝達によって効率的に加熱することができ、その後加熱体を共振体から離間させた状態で共振体に超音波振動を入力することで、超音波振動エネルギーと熱エネルギーによる接合を加熱体を損傷する恐れなくかつ熱効率良く行うことができ、電子部品のバンプを基板の電極に接合する場合など、熱容量の小さい実装対象物の超音波接合に有用である。 In the ultrasonic bonding head and the ultrasonic bonding method of the present invention, the heating body can be efficiently heated by direct heat transfer by bringing the heating body into contact with the resonator, and then the resonance is performed while the heating body is separated from the resonator. By inputting ultrasonic vibration to the body, bonding with ultrasonic vibration energy and thermal energy can be performed efficiently without fear of damaging the heating body, such as when bonding bumps of electronic components to electrodes on the substrate, etc. This is useful for ultrasonic bonding of mounting objects with a small heat capacity.
1 超音波接合ヘッド
3 共振体
4 作用部
5 超音波振動子(超音波振動発生手段)
6 加熱体
10 伸縮アクチュエータ(駆動手段)
11 温度検出手段
12 加圧手段
14 電子部品(接合対象物)
DESCRIPTION OF
6
DESCRIPTION OF
Claims (3)
An ultrasonic joining method in which ultrasonic vibration energy and thermal energy are applied to an object to be joined from an action part of a resonator coupled to an ultrasonic vibration generating means, and heating is performed on or near the action part of the resonator. Resonating from the ultrasonic vibration generating means in a state where the body is contacted and heated, a step where the object to be joined is pressurized via the action part of the resonator, and a state where the heating body is separated from the resonator And a step of joining the body by inputting ultrasonic vibration.
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