JP4431020B2

JP4431020B2 - 超音波振動接合方法及び装置

Info

Publication number: JP4431020B2
Application number: JP2004298324A
Authority: JP
Inventors: 朗山内; 誠也中居
Original assignee: BONDTECH CO Ltd
Current assignee: BONDTECH CO Ltd
Priority date: 2003-10-14
Filing date: 2004-10-13
Publication date: 2010-03-10
Anticipated expiration: 2024-10-13
Also published as: JP2005138182A

Description

本発明は、複数の重ね合わされた被接合物を超音波振動で接合する接合方法及び超音波接合装置に関する。

従来、超音波振動により複数の重ね合わされた被接合物同士を接合する方法として、一定の超音波振動エネルギーと加圧力を一気に一定時間加えることで短時間で被接合物同士を接合していた。但し、被接合物は微少なシリコンチップに数個金属突起を施したようなもので固く強固な基材に微少エリアの金属接合部を持つものに限られていた。
また、特許文献１には、加圧力を制御する装置が開示されているが、作業者が任意に適切な加圧力を入力して設定する方式であり、感と熟練に頼るしかない方法であった。この方式では加圧カーブが牽引役となり、本来、接合面積が牽引役であるはずなので、これでは試行錯誤で最適なものを決めていかないといけなくなり、外乱やバラツキに対処できない。また、基本的にこの制御方法は結果がフィードバック制御されておらず設定入力によるオープンループ制御方法である。

また、上下駆動制御部と荷重制御機構部に分けられ、加圧力はエアシリンダによるエア圧力によりコントロールされている。そのため、応答性が悪かったり、上下動スピードがエアシンリンダのスピードで制限されてしまう。

特許第３４４７９８２号

接合面積が小さく、固く強固な被接合物であれば一気に一定の超音波振動エネルギーと加圧力を加えても良好な接合はできるが、接合面積が大きく、または接合部がたくさんある場合は一気に接合することが難しい。また、被接合物が壊れやすいものであればダメージが発生する。また、被接合物が柔らかいものであれば振動が吸収され接合が難しくなる。

今、接合の課程をミクロに考えると、接合面には小さな凹凸や複数の接合部での高さのバラツキから接合が進む課程で接合面積は順次大きくなっていくと考えられる。よって接合課程において接合面積に比例した加圧力と超音波振動エネルギーを加えることが必要となる。これが、接合初期において、接合面積以上の超音波接合エネルギーが加えられると接合部や基材に余分なエネルギーが加えられることによる破壊やダメージが発生する。また、位置ずれの原因にもなる。

超音波振動の伝達を説明する上で共振器側から振動が伝わる被接合物の順を第１、第２と呼ぶこととする。まず、超音波振動の伝達を考えた時、共振器から第１の被接合物、第２の被接合物、ステージと順次振動が伝達されていくが、一定の振動が与えられた状況で加圧力を増加させると各伝達界面における摩擦力が増すため、振動は下層へ移っていくことは容易に理解できる。そのため初期から大きな加圧力を加えると第１、第２の被接合物間で接合のための目的のすべりが生じず第２の被接合物の基材が柔らかいと超音波振動エネルギーを吸収してしまい、接合ができなくなる。また、加圧力が弱いと共振器と第１の被接合物間ですべりが生じてしまう。また、接合課程で接合面積が増すと結合力が増加し、同じ加圧力のままでは共振器と第１の被接合物間ですべりが発生してしまう。以上のように微妙な加圧タイミングと接合課程のずれや、ゴミ、被接合物表面の汚れや状態による摩擦係数のバラツキなどの外乱が加わると、実際に接合される被接合物間の振幅を目的とする値にすることは容易では無い。従来のような事前の設定値によるオープンループな制御では、これらの誤差、外乱により、目的値から逸脱してしまう。例えば、第２の被接合物がステージにゴミなどの噛み込みにより十分吸着保持できていなかった時には、第２の被接合物とステージ間ですべりが発生し、接合界面である第１、第２の被接合物間で目的のすべりが発生せず、接合が行えない。また、第２の被接合物の基材が予想より柔らかくなっていた場合には、第２の被接合物が振動を吸収してしまい、第１、第２の被接合物間で目的のすべりが発生せず、接合が行えない。

特許文献１においては、作業者が任意に適切な加圧力を入力して設定する方式であり、感と熟練に頼るしかない方法であるため、様々なアプリケーションに対応するには膨大な時間と費用を要し、また、結果がフィードバック制御されていないため、量産で流れる被接合物の状態や吸着保持される状況において表面の汚れや異物の噛み込み、共振器やステージの摩耗などの不安定要素の影響を吸収することができず、結果として不良品を作ることになってしまう。

従来の時間による停止タイミングの管理では前述のような不安定要素の影響を受けて、超音波振動エネルギーを加え過ぎることによる破壊、ダメージや少ないことによる接合不良を無くすことができなかった。

また、上下駆動制御部と荷重制御機構部に分けられ、加圧力はエアシリンダによるエア圧力によりコントロールされているため、エアの供給により増圧を行い、エアの弾性を通して加圧するため、超音波のようにコンマ数秒代での接合過程における圧力コントロール手段としては、遅く、応答性が十分でない。また、エアシリンダの摺動抵抗から上下動速度はエアシリンダのスピードに制限されてしまい、高速で動作ができなかった。

そこで本発明の課題は、超音波振動により複数の重ね合わされた被接合物同士の接合において、接合課程における加圧力及び／又は超音波振動エネルギーを上昇するカーブで増大させる超音波振動接合装置を提供することにある。また、接合面積の増大に比例して、加圧力及び／又は超音波エネルギーを増大させて接合する超音波振動接合装置を提供することにある。また、接合課程における接合面積がある目的値に達した時に超音波振動を停止する超音波振動接合装置を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明に係る接合方法及び超音波接合装置双方の手段を一括して以降に説明する。

（項１）上記課題を解決するために本発明に係る接合方法及び超音波接合装置は、複数の重ね合わされた被接合物が接合機構に支持された共振器とステージとでそれらの間に加圧保持され、共振器に結合された振動子から共振器に超音波振動を伝達し、複数の重ね合わされた被接合物が超音波振動エネルギーにより接合される超音波接合方法において、接合過程において加圧力及び／又は超音波振動エネルギーを上昇するカーブで増大させる方法からなる。また、複数の重ね合わされた被接合物を加圧する加圧手段と、接合機構に支持された、振動子が接続された共振器と被接合物を保持するステージを備え、複数の重ね合わされた被接合物が接合機構に支持された、共振器とステージとでそれらの間に加圧保持され、共振器に結合された振動子から共振器に超音波振動を伝達し、複数の重ね合わされた被接合物が超音波振動エネルギーにより接合される超音波接合装置において、接合過程において加圧力及び／又は超音波振動エネルギーを上昇するカーブで増大させる制御手段を備えた超音波接合装置からなる。また、接合面積の増大に比例して、加圧力及び／又は超音波振動エネルギーを増大させる前記に記載の方法からなる。また、接合面積の増大に比例して、加圧力及び／又は超音波振動エネルギーを増大させる前記に記載の超音波接合装置からなる。接合面積の増大に比例して、加圧力及び／又は超音波振動エネルギーを増大させる方法が好ましい。今、接合の課程をミクロに考えると、接合面には小さな凹凸や複数の接合部での高さの違いから接合が進む課程で接合面積は順次大きくなっていくと考えられる。よって接合課程において接合面積に比例した加圧力と超音波振動エネルギーを加えることが必要となる。これが、接合初期において、接合面積以上の超音波振動エネルギーが加えられると接合部や基材に余分なエネルギーが加えられることによる破壊やダメージが発生する。また、超音波振動の伝達を考えた時、共振器から第１の被接合物、第２の被接合物、ステージと順次振動が伝達されていくが、一定の振動が与えられた状況で加圧力を増加させると各伝達界面における摩擦力が増すため、振動は下層へ移っていくことは容易に理解できる。そのため初期から大きな加圧力を加えると第１、第２の被接合物間で接合のための目的のすべりが生じず第２の被接合物の基材が柔らかいと超音波振動エネルギーを吸収してしまい、接合ができなくなる。このようなことから、接合課程において、加圧力及び／又は超音波エネルギーを増大させて接合することが有効であり、これらを制御する方法としては上昇するカーブで増大させることが有効である。また、接合面積の増大に比例させて増大させてやることが好ましい。補足すると、初期に低い加圧力で超音波振動を与えるとある面積の接合が始まる。そうすると第１の被接合物は第２の被接合物と一定の力で結合されるため第１、第２の被接合物間での振幅が小さくなり、共振器と第１の被接合物間ですべりが大きくなる。そこで加圧力を増加すると共振器と第１の被接合物間の摩擦力増加にともないすべりが押さえられ、第１の被接合物に超音波振動エネルギーが伝達されより接合面積が大きくなっていく。また、その時々の最適な超音波振動エネルギーを加圧力制御により接合箇所に集中して印加するので、余分なダメージを与えず良好な接合が行える。加圧力と超音波振動エネルギー双方を上昇するカーブで増大させることが好ましいが、一方だけでもそれなりの効果はあり、本発明に含む。

（項２）前記接合面積の増大を振動子の電気出力に対する戻り電流及び／または電圧値により読み取る項１に記載の方法からなる。また、前記接合面積の増大を振動子の出力に対する戻り電流及び／または電圧値により読み取る項１に記載の超音波接合装置からなる。また、共振器の振幅検出手段を有し、前記接合面積の増大を共振器の振幅を測定することにより読み取る項１に記載の方法からなる。また、共振器の振幅検出手段を有し、前記接合面積の増大を共振器の振幅を測定することにより読み取る項１に記載の超音波接合装置からなる。また、被接合物の振幅検出手段を有し、前記接合面積の増大を第１の被接合物の振幅を測定することにより読み取る項１に記載の方法からなる。また、被接合物の振幅検出手段を有し、前記接合面積の増大を第１の被接合物の振幅を測定することにより読み取る項１に記載の超音波接合装置からなる。また、相対する被接合物の振幅を検出する振幅検出手段を有し、前記接合面積の増大を相対する被接合物間の振幅を測定することにより読み取る項１に記載の方法からなる。また、相対する被接合物の振幅を検出する振幅検出手段を有し、前記接合面積の増大を相対する被接合物間の振幅を測定することにより読み取る項１に記載の超音波接合装置からなる。接合面積が増加すると相対する第１、第２の被接合物間の結合力が増し、振幅が小さくなることを利用し、接合面積の増大は次の方法で読み取ることができる。相対する第１、第２の被接合物の振幅を検出する振幅検出手段を有し、前記接合面積の増大を相対する第１、第２の被接合物間の振幅を測定することにより読み取ることができる。また、実際の接合界面の振幅でなくとも不安定要素がなければ、次の順で推定することができる。被接合物の振幅検出手段を有し、前記接合面積の増大を第１の被接合物の振幅を測定することにより読み取ることができる。また、共振器の振幅検出手段を有し、前記接合面積の増大を共振器の振幅を測定することにより読み取ることができる。また、振動子の振幅は振動子のピエゾ素子にかかる出力電流に対する戻り電流値から推測することができるので、前記接合面積の増大を振動子の出力に対する戻り電流及び／または電圧値により読み取ることができる。接合面積の増大に比例させる方法としては、振動子の電気出力に対する戻り電流及び／または電圧値や、振動物の振幅と、接合面積の関係を計算式で表したり、データマップに落として変換するなどすれば良い。

（項３）また、項２における複数の被接合物の振幅を検出する場合において、複数の被接合物の振幅を個別に検出する複数の振幅検出手段を有し、個別方向から測定する前記に記載の方法からなる。また、複数の被接合物の振幅を個別に検出する複数の振幅検出手段を有し、個別方向から測定する前記に記載の超音波接合装置からなる。薄い被接合物を重ね合わせた場合においても、個別方向から複数の振幅検出手段を設置すれば、振幅検出手段同士が干渉することなく測定できる。相対する第１、第２の被接合物間に有効であるが、３つ以上が重ねなれた場合においても適用できる。

（項４）前記目的とする振幅が任意の一定値となるように加圧力及び／又は超音波振動エネルギーを制御する項２または３のいずれかに記載の方法からなる。また、前記振幅が任意の一定値となるように加圧力及び／又は超音波振動エネルギーを制御する項２または３のいずれかに記載の超音波接合装置からなる。詳細を下記すると、共振器の振幅検出手段を有し、共振器の振幅が任意の一定値となるように加圧力及び／又は超音波振動エネルギーを制御する項２に記載の方法からなる。また、共振器の振幅検出手段を有し、共振器の振幅が任意の一定値となるように加圧力及び／又は超音波振動エネルギーを制御する項２に記載の超音波接合装置からなる。被接合物の振幅検出手段を有し、第１の被接合物の振幅が任意の一定値となるように加圧力及び／又は超音波振動エネルギーを制御する項２に記載の方法からなる。また、被接合物の振幅検出手段を有し、第１の被接合物の振幅が任意の一定値となるように加圧力及び／又は超音波振動エネルギーを制御する項２に記載の超音波接合装置からなる。また、第１、第２の被接合物の振幅を検出する振幅検出手段を有し、第１、第２の被接合物間の振幅が任意の一定値となるように加圧力及び／又は超音波振動エネルギーを制御する項２または３のいずれかに記載の方法からなる。また、第１、第２の被接合物の振幅を検出する振幅検出手段を有し、第１、第２の被接合物間の振幅が任意の一定値となるように加圧力及び／又は超音波振動エネルギーを制御する項２または３のいずれかに記載の超音波接合装置からなる。これは前述のように接合面積が増加すると振幅が小さくなるため、第１、第２の被接合物間での振幅が一定になるように加圧力及び／又は超音波振動エネルギーを増加してやれば常に接合界面において一定の振幅が得られるため、簡易的な制御方法として本方式を採用すれば良好な接合が進む。また、第２の被接合物はステージに保持されている状況に変化が無いとすれば、第１の被接合物の振幅を読み取るだけでも同様な結果が得られる。但し、共振器や振動子の振幅は共振器と第１の被接合物間でのすべりに影響されるため、一定とはならないので項２の方が好ましいが、簡易的に本方式が採用でき、容易である。

（項５）前記加圧力及び／又は超音波振動エネルギーがある目的値に達した時に超音波振動を停止する項１〜４のいずれかに記載の方法からなる。また、前記加圧力及び／又は超音波振動エネルギーがある目的値に達した時に超音波振動を停止する項１〜４のいずれかに記載の超音波接合装置からなる。ダメージ無く、かつ、接合が全て良好に完了し、かつ超音波エネルギーを印加しすぎによるダメージを無くすためには、前記加圧力及び／又は超音波振動エネルギーがある目的値に達した時に超音波振動を停止する方法からなる。目的とされる接合面積を接合するために必要な加圧力と超音波振動エネルギーはあらかじめ決められているので、その目的値に達した時に超音波振動を停止すればいい。特許文献１においては、上下駆動制御部と荷重制御機構部に分けられ、加圧力はエアシリンダによるエア圧力によりコントロールされているため、応答性が遅く、エアシリンダの摺動抵抗から上下動速度はエアシリンダのスピードに制限されてしまい、高速で動作ができなかったが、接合機構が接合作業の上下駆動機構に上下駆動モータと加圧力検出手段を持ち、加圧力制御が上下駆動モータのトルクで制御する方式である方法からなる。本方式を採用することにより、応答性の早い加圧動作と高速上下動作が可能になり、短時間で接合される超音波振動接合において、接合面積に比例した加圧力カーブを出すことが可能となる。また、良品率が上がり、生産能力が高まる。

（項６）前記振幅検出手段がうず電流式または静電容量式または光照射式または音波式検出手段であり、前記振幅検出手段と被測定物をあらかじめ設定された状態で振幅と検出値との相関をとってキャリブレーションする項１〜５のいずれかに記載の方法からなる。また、前記振幅検出手段がうず電流式または静電容量式または光照射式または音波式検出手段であり、前記振幅検出手段と被測定物をあらかじめ設定された状態で振幅と検出値との相関をとってキャリブレーションする項１〜５のいずれかに記載の超音波接合装置からなる。振幅検出手段として安価でコンパクトなものを採用するには、前記振幅検出手段がうず電流式または静電容量式または光照射式または音波式検出手段を使用することにより、２桁安価な検出手段を採用でき、小型であるため、複雑な入り組んだ場所でも測定が可能となる。従来は、レーザードップラー測定器を使用し、数十ｋＨｚで振動しているものを実際にその分解能でその速度で振動物の動きをとらえていたため、非常に高価なものが必要であった。しかし、今回の目的は、振幅の目的値になっているかどうか、その差が分かれば良く、実際の振幅が何μｍで何Ｈｚであるかを知る必要は無い。そのため、高速応答性が無い従来のうず電流式または静電容量式または光照射式または音波式検出手段を使用し、高速で振動しているものの平均的な差が検出できれば目的は達成できる。また、従来これらのセンサは振幅を測定するものではないため、あらかじめ設定された状態で振幅と検出値との相関をとってキャリブレーションすることにより使用することができる。例えば、音波センサを共振器から１ｍｍ離したところへ設置し、５０ｋHｚで振動させた時の振幅と検出値の相関を測定しておく。これを計算値及び／またはデータテーブルで変換することでキャリブレーションする。キャリブレーションとは正しい値に補正させることを意味する。

（項７）前記振幅検出手段がダイヤフラムの振動を圧電素子により検出する構成である音波方式である項６に記載の超音波接合方法からなる。また、前記振幅検出手段がダイヤフラムの振動を圧電素子により検出する構成である音波方式である項６に記載の超音波接合装置からなる。前記振幅検出手段がダイヤフラムの振動を圧電素子により検出する構成である音波方式であれば、応答性が高く超音波領域もピックアップすることができ、また、ダイヤフラムで拡大されるので、微小な振幅の差も読み取ることができる。また、音波方式では当に従来振幅測定はできなかったが、前述の前記振幅検出手段と被測定物をあらかじめ設定された状態で振幅と検出値との相関をとってキャリブレーションする方法により、振幅測定が可能となる。また、コストも安い。検出手段としては特に好適である。図７に音波式振幅検出手段の構成図を示す。本検出手段は、受信板３５でひらった超音波を圧電セラミックス３６からなる圧電素子で検出し、内臓されたヘッドアンプ３４で図服された信号をコネクタ３８から外部へ出力する構成となっており、ケース３７で覆われており、受信板は外周をケースで固定されることにより振動をひらい易いダイヤフラム構造となっている。図１における装置に設置した状態では、本検出手段を横向きとして、受信板３５を振動物に向け、一定距離に近接することで被接触で振幅を測定することができる。従来音波式センサとはAcoustic Emission略してAEセンサと呼ばれるもので、直接金属や構造物に受信板を接触させて振動を読み取り、構造物の損傷部位を特定するためのものであった。しかし、本発明においては、これを被接触状態で振動を得易い構造として、受信板をダイヤフラム構造とし、ダイヤフラムに接触させた圧電素子により振動を検出する構成としている。また、振幅を検出するために、振動物と一定距離離した状態で、その時の振動物の振幅の差によって得られるヘッドアンプからの出力差を、データテーブルや計算式で近似してキャリブレーションすることにより、同条件下でその振幅を読み取ることが可能となる。

（項８）被接合物が少なくとも一方の被接合物に金属突起を施し、少なくとも一方の被接合物が半導体チップである項１〜７のいずれかに記載の方法からなる。また、被接合物が少なくとも一方の被接合物に金属突起を施し、少なくとも一方の被接合物が半導体チップである項１〜７のいずれかに記載の超音波接合装置からなる。本方式が特に適する場合は、被接合物が少なくとも一方の被接合物に金属突起を施し、少なくとも一方の被接合物が半導体チップである方法からなる。半導体の電極となる金属突起部の下層金属部は超音波振動によりマイクロクラックが入りダメージを帯びやすい。そのため、本方式は特に適する。

上記のような本発明に係る接合方法及び装置においては、被接合物同士を超音波接合する接合課程において、その時々の最適な超音波振動エネルギーを加圧力制御により接合箇所に集中して印加するので、余分なダメージを与えず良好な接合が行える。また、振幅検出手段を有し、接合面積に比例したフィードバック制御することで外乱にも影響せず最適な接合が可能となる。また、超音波振動を吸収しやすい柔らかい基板への接合が可能となる。

以下に本発明の望ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。図１に本発明の一実施形態に係る超音波振動接合装置を示す。この実施形態では第１の被接合物であるチップ２０と第２の被接合物である基板２２を接合するための装置を例として上げる。チップ２０の接合面には接続端子である金属突起２１を多数有する。基板２２の接合面には接続端子である金属パッド２３が金属突起２１に対向した位置に配している。チップ側金属突起２１と基板側金属パッド２３が超音波振動により接合されることにより、チップ２０が基板２２に面実装される。

超音波振動接合装置は、大まかには、上下駆動機構２５とヘッド部２６と基板２２を吸着保持するステージ１０を合わせた接合機構２７と、ステージテーブル１２位置認識部２９によるアライメント部、架台フレーム１３，搬送部３０、制御装置２４からなる。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により、上下ガイド３でガイドされながらヘッド部２６を上下動させる。ヘッド部２６は、ヘッド逃がしガイド５で上下方向にガイドされ、自重をキャンセルし、加圧力検出手段３２に押しあてるためのヘッド自重カウンター４に牽引された状態で加圧力を検出する加圧力検出手段３２と上下駆動機構に接地されている。また、圧力検出手段の剛性が高い場合は、牽引しなくとも直接圧力検出手段を挟んで連結しても良い。ヘッド部２６は、チップ２０を吸着保持する共振器７、共振器の振動を阻害しないかたちで共振器を保持する共振器保持部６により構成されている。また、共振器内部には共振器ヒータ９が埋設されている。またステージテーブル１２は、チップと基板の位置をアライメントするための平行移動、回転移動の移動軸により構成される。また、ステージ１０内部にはステージヒータ１１を内蔵する。接合機構は架台フレーム１３により連結されている。位置認識部２９は、相対されたチップと基板間に挿入して、上下のチップと基板各々の位置認識用のマークを認識する上下マーク認識手段１４、上下マーク認識手段１４を水平及び／又は上下移動させる認識手段移動テーブル１５から構成される。また、振幅検出手段３３が上下マーク認識手段１４の先端に設けられており、認識手段移動テーブル１５により任意の位置へ移動して振動物の測定が可能である。また、第１、第２の被接合物双方の振幅を測定する場合には、複数の振幅検出手段を設けることもある。また、上下マーク認識手段１４の先端に設置できない場合は、架台フレーム１３から別途設置しても良い。搬送部３０は基板２２を搬送する基板搬送装置１６、基板搬送コンベア１７及びチップ２０を搬送するチップ供給装置１８、チップトレイ１９からなる。制御部３１は、装置全般の制御と操作部を備える。特に加圧力制御においては、加圧力検出手段３２からの信号により上下駆動モータ１のトルクを制御し、接合に関する加圧力をコントロールする。

次に、一連の動作を説明する。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。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。接合面を対向保持されたチップ２０と基板２２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、対向するチップ２０と基板２２各々の位置合わせマークを上下マーク認識手段１４により位置認識する。チップ２０を基準として基板２２の位置をステージテーブル１２により平行移動及び／又は回転移動方向へアライメント移動する。両接合位置が整合された状態で、ヘッド部２６は上下駆動機構２５により下降され、チップ２０と基板２２が接地される。ヘッド部２６の高さ方向の位置はヘッド高さ検出手段２４により検出されている。チップ２０と基板２２の接地タイミングは加圧力検出手段３２により検出され、上下駆動モータは位置制御からトルク制御へと切り替えられる。モータのトルクにより一定の加圧力が両被接合物間に加えられた状態で、超音波接合を開始する。トルク制御に切り替えられている接合中においてもヘッド高さはヘッド高さ検出手段２４によりモニタされている。超音波接合完了後、チップ２０の吸着は解除され、基板２２側にチップ２０が実装された状態でステージ上に残る。これを再び基板搬送装置１６により基板搬送コンベア１７へ排出して一連動作は終了する。

また、接合課程において、振幅検出手段３３により振動物の振幅を測定することができる。接合課程において、振幅検出手段３３により振動物の振幅を測定し、目的値となるように超音波振動エネルギーを制御する。図６に示すように振動物の測定個所として［１］共振器、［２］第１の被接合物、［３］第２の被接合物を測定できる。第１、第２の被接合物間の振幅を求めるためには、複数の振幅検出手段を設けて同時に測定することが好ましいが、１つの振幅検出手段で順番に第１、第２の被接合物を測定した後、同じ時間軸上での振幅差を計算することもできる。実際に接合される第１、第２被接合物間の振幅をある任意な目的値とすることが大事であり、次に測定する振動物の好ましい順に記述する。まず、第１、第２の被接合物間の振幅を測定することであり、また、第２の被接合物がステージに安定吸着保持されているとすると、第２の被接合物の振幅を測定しなくとも、測定する振動物として第１の被接合物を測定することにより達成できる。また、第１の被接合物と共振器間の摩擦が安定し、振動伝達が安定しているとすると、測定する振動物として共振器を測定することにより達成できる。また、過剰振動によるダメージの発生する不良品を無くすためには、測定された振幅がある任意の最大振幅値以上になった場合に超音波振動を停止すればよい。また、振動が小さ過ぎるための接合不良品を無くすためには、測定された振幅がある任意の最小振幅値以上にならない場合に超音波振動を停止すればよい。また、これら前記振幅検出手段を認識手段移動テーブル上に設けることにより、被接合物の品種による大きさの違いがあっても容易に測定場所へ移動することが可能であり、また、１つの検出手段で複数の場所の測定を行うこともできる。また、前記振幅検出手段がうず電流式または静電容量式または光照射式または音波式検出手段を使用することにより、２桁安価な検出手段を採用でき、小型であるため、複雑な入り組んだ場所でも測定が可能となる。従来は、レーザードップラー測定器を使用し、数十ｋＨｚで振動しているものを実際にその分解能でその速度で振動物の動きをとらえていたため、非常に高価なものが必要であった。しかし、今回の目的は、振幅の目的値になっているかどうか、その差が分かれば良く、実際の振幅が何μｍで何Ｈｚであるかを知る必要は無い。そのため、高速応答性が無い従来のうず電流式または静電容量式または光照射式または音波式検出手段を使用し、高速で振動しているものの平均的な差が検出できれば目的は達成できる。

次に超音波接合時の接合課程における詳細について図面を参照して説明する。一つ目に、接合課程をミクロに考えると、接合面には小さな凹凸や複数の接合部での高さのバラツキから接合が進む課程で接合面積は順次大きくなっていくと考えられる。二つ目に、超音波振動の伝達を考えた時、共振器から第１の被接合物、第２の被接合物、ステージと順次振動が伝達されていくが、一定の振動が与えられた状況で加圧力を増加させると各伝達界面における摩擦力が増すため、振動は下層へ移っていくことは容易に理解できる。三つ目に、超音波接合の原理は、表面が酸化膜や有機物層で覆われた金属同士を押し付けた状態で超音波振動の微少なすべりを発生させ、こすり合わせることで表面の酸化膜、有機物層を除去し、金属同士の新生面を直接接合する方法である。よって接合界面で目的のすべりが発生しないと接合されない。また、接合のためのすべりは１μm以内のレベルで可能であるので、ある部分が結合されたとしても弾性変形内で他部分の接合を行うことができる。この三つの現象から接合過程を推測すると次のようになる。まず、初期に低い加圧力で超音波振動を与えると接合界面で目的のすべりが発生し、ある面積の接合が始まる。そうすると第１の被接合物は第２の被接合物と一定の力で結合されるため第１、第２の被接合物間での振幅が小さくなり、共振器と第１の被接合物間ですべりが大きくなる。そこで加圧力を増加すると共振器と第１の被接合物間の摩擦力増加にともないすべりが押さえられ、第１の被接合物に超音波振動エネルギーが伝達され、接合界面で目的のすべりが発生し、より接合面積が大きくなっていく。但し、第１、第２の被接合物間での結合力も増しているため、超音波振動エネルギーも増加してやる必要がある。また、初期から大きな加圧力を加えると第１、第２の被接合物間で接合界面で目的のすべりが生じず第２の被接合物とステージ間ですべりが発生したり、第２の被接合物の基材が柔らかいと第２の被接合物が超音波振動エネルギーを吸収してしまい、接合ができなくなる。また、必要以上の超音波振動エネルギーが加えられると過剰発振により、ダメージや位置ずれが発生する。接合時の過程をもっとミクロに考察すると、接合界面では任意の加圧力が加えられた状態で超音波振動により接合界面に目的のすべりと応力が発生し、変形が進み、押しつぶされていくことにより新しい新生面が出て接合面積が増加する。接合面積の増加に伴い両被接合物の結合力が増し、振幅が低下する。それを検出することにより比例して加圧力と超音波振動エネルギーを増加させてやる。そのことにより、単位面積あたりの応力が増加し、かつ、共振器と第１の被接合物間の摩擦力が増して接合面での振動が発生し、さらに接合が進むと考えられる。

これを実際の接合過程における状態遷移図である図２と加圧力部の拡大図である図３を持って説明する。まず、図２においてｔ0時間から超音波接合を開始し、t1で完了する。チップと基板を接触させた状態で初期加圧力p0においてa0の面積が接触している。そこから超音波振動を開始し、超音波振動エネルギーをe0かけてやると、接合面積がa0から増加していく。その接合面積に比例して、加圧力と超音波振動エネルギーを増加させて、さらに接合を進めていく。接合過程であるt2時間からt2＋Δt時間における状態を見てみると、t2時間において、p2の加圧力でe2の超音波振動エネルギーを与えると、a0からΔa分の接合面積が増加し、図３拡大図におけるＰ2点からＰ2' 点へ移り、チップと基板間の結合力が増加するためチップと基板間の振幅が小さくなり、良好な接合が進むＢ領域から共振器とチップ間ですべりが発生するＣ領域へと遷移する。そこで、Δa面積増加に対する加圧力をΔp増加すると、共振器とチップ間での摩擦力増加にともないすべりが押さえられ、チップと基板間の接合界面で目的のすべりが発生し接合が進む領域Ｃへと戻る。また、接合面積Δa増加にともなう結合力の増加分、超音波振動エネルギーもΔe増加させてやる必要がある。但し、t2点において、p2＋Δpの加圧力を先行してかけた場合は、Ｂの接合領域からＡの基板が吸収または基板、ステージ間ですべりが発生する領域へ移るため、良好な接合が行えない。また、超音波振動エネルギーにおいてもt2点において先行してe2＋Δeをかけると、余分なエネルギーΔe分の過剰振動により、ダメージや位置ずれの原因になる。よって接合課程において接合面積に比例して加圧力と超音波振動エネルギーを加えることが重要なポイントとなる。

接合面積に比例して加圧力と超音波振動エネルギーを加えていき、目的となる接合面積a1が達成されることにより超音波振動を停止する。目的とされる接合面積を接合するために必要な加圧力と超音波振動エネルギーはあらかじめ決められているので、その目的値に達した時に超音波振動を停止すればいい。接合開始からt2時間において、チップと基板間の距離である接合高さは接地時のh0から接合界面で押しつぶされ、接合面積が広がった分だけ高さがh1へと低くなる。このサブミクロン台での押しつぶし量はヘッド高さ検出手段で測定されている。

また、t2時間を越えて超音波振動エネルギーを加え続けると、目的となる全接合面積分の接合は完了しているため、余分なエネルギーはダメージを与える元となってしまう。そのため、接合面積が目的値に達すると同時に超音波振動を停止することが必要である。特に半導体チップの場合は、半導体の電極となる金属突起部の下層金属部は超音波振動によりマイクロクラックが入りダメージを帯びやすい。そのため、本方式は特に適する。
接合課程において、加圧力及び／又は超音波エネルギーを増大させて接合することが有効であり、これらを制御する方法としては上昇するカーブで増大させることが有効である。そのカーブは図２のように直線であったり、図４，図５のような上昇カーブとなる。また、接合面積の増大に比例させて増大させてやることが好ましい。接合面積が増加すると第１、第２の被接合物間の結合力が増し、振幅が小さくなることを利用し、接合面積の増大は次の方法で読み取ることができる。第１、第２の被接合物の振幅を検出する振幅検出手段を有し、前記接合面積の増大を第１、第２の被接合物間の振幅を測定することにより読み取る方法からなる。また、実際の接合界面の振幅でなくとも不安定要素がなければ、次の順で推定することができる。第２の被接合物がステージに安定吸着保持されているとすると、第２の被接合物の振幅を測定しなくとも、測定する振動物として第１の被接合物の振幅を測定することにより達成できる。また、第１の被接合物と共振器間の摩擦が安定し、振動伝達が安定しているとすると、測定する振動物として共振器の振幅を測定することにより達成できる。また、振動子の振幅は振動子のピエゾ素子にかかる出力電流に対する戻り電流値から推測することができるので、前記接合面積の増大を振動子の出力電流に対する戻り電流値により読み取ることにより達成できる。
実際に接合される界面での振幅を常に接合に最適な値とする方法として、第１、第２の被接合物の振幅を検出する複数の振幅検出手段を有し、第１、第２の被接合物間の振幅が任意の一定値となるように加圧力及び／又は超音波振動エネルギーを制御する方法からなる。また、被接合物の振幅検出手段を有し、第１の被接合物の振幅が任意の一定値となるように加圧力及び／又は超音波振動エネルギーを制御する方法からなる。これは前述のように接合面積が増加すると振幅が小さくなるため、第１、第２の被接合物間での振幅が一定になるように加圧力及び／又は超音波振動エネルギーを増加してやれば常に接合界面において一定の振幅が得られるため、良好な接合が進む。また、第２の被接合物はステージに保持されている状況に変化が無いとすれば、第１の被接合物の振幅を読み取るだけでも同様な結果が得られる。但し、共振器や振動子の振幅は共振器と第１の被接合物間でのすべりに影響される。

接合面積に比例して加圧力及び／又は超音波振動エネルギーを増加させるための方法としては、ある超音波振動エネルギー（ｅ２）と加圧力（ｐ２）下で、第１、第２の被接合物間の振幅、第１の被接合物の振幅、共振器の振幅、振動子の振幅すなわち振動子の戻り電流が出力電流に比べてある任意の一定値以下となった場合に加圧力及び／又は超音波エネルギーをΔｐ、Δｅ増加させてやればいい。Δｅ、Δｐの値は、各々、材質、振動伝達状態によって、また、その時の接合面積すなわちその時の超音波振動エネルギーと加圧力の値に対して、その時の最適な値を設定すればいい。
また、本実施例においては、接合機構の加圧力制御方法は、従来の上下駆動制御部と荷重制御機構部に分けられ、加圧力はエアシリンダによるエア圧力によりコントロールされているため、応答性が遅く、エアシリンダの摺動抵抗から上下動速度はエアシリンダのスピードに制限されてしまい、高速で動作ができなかったが、接合機構が接合作業の上下駆動機構に上下駆動モータと加圧力検出手段を持ち、加圧力制御が上下駆動モータのトルクで制御する方式である方法を採用することにより、応答性の早い加圧動作と高速上下動作が可能になる。
接合課程において、加圧力及び／又は超音波エネルギーを増大させて接合することが有効であり、これらを制御する方法としては上昇するカーブで増大させることが有効である。そのカーブは図２のように直線であったり、図４，図５のような上昇カーブとなる。また、上昇する任意のカーブでも良い。また、段階的に類似させる場合も本発明に含む。

本実施例ではステージ側がアライメント移動手段、ヘッド側が昇降軸を持ったが、アライメント移動手段、昇降軸はヘッド側、ステージ側にどのように組み合わせられても良く、また、重複しても良い。また、ヘッド及びステージを上下に配置しなくとも左右配置や斜めなど特に配置方向に依存しない。

本実施例では、加圧手段にサーボモータのトルク制御手段を示したが、エアシリンダによる流体圧力加圧手段を採用してもよい。

一実施形態としてチップと基板における実施形態を説明したが、被接合物は半導体以外の材料でも良い。また接合部は金、Al、銅、などが適するが、その他の金属や金属以外のものでも超音波振動で接合できるものであれば良い。
チップはチップ、ウエハーなどどのような形態であっても良い。また、金属突起は個々に独立した複数の形状であっても良いし、ある領域を閉じ込めたつながった形状であっても良い。また、全面が接合面であっても良い。

接合する被接合物の共振器側を第１の被接合物、ステージ側を第２の被接合物と呼ぶが、その配置構成は上下左右どちら向きでも良い。また、２つ以上の被接合物を重ね合わせて接合しても良い。図２、図３中の接合面積、加圧力、超音波振動エネルギーは直線で示されているが、図４，図５など任意のカーブでも良い。
第１、第２の被接合物間の振幅を求めるためには、複数の振幅検出手段を設けて同時に測定することが好ましいが、１つの振幅検出手段で順番に第１、第２の被接合物を測定した後、同じ時間軸上での振幅差を計算することもできる。また、第１、第２の被接合物が薄く片側から複数の振幅検出手段を設けることが難しい場合は両サイドから個別にセットすることもできる。

目的とするすべりとは、被接合物同士を接合するために必要な振幅が適切な加圧力下でくだされることにより起こる接合界面でのすべりである。部材、面積などにより違いがあるが、一例として０．１μｍ〜０．５μｍ程度の振幅であることがある。

本発明の一実施態様に係る接合装置の概略構成図である。実際の接合過程における状態遷移図である。図２における加圧力部の拡大図である。図２における加圧力部と超音波振動エネルギー部の他の上昇カーブ例である。図２における加圧力部と超音波振動エネルギー部の他の上昇カーブ例である。振動物の振幅測定個所を示す図である。音波式振幅検出手段を示す図である。

符号の説明

１上下駆動モータ
２ボルト・ナット機構
３上下ガイド
４ヘッド自重カウンター
５ヘッド逃がしガイド
６共振器保持部
７共振器
８振動子
９共振器ヒータ
１０ステージ
１１ステージヒータ
１２ステージテーブル
１３架台フレーム
１４上下マーク認識手段
１５認識手段移動テーブル
１６基板搬送装置
１７基板搬送コンベア
１８チップ供給装置
１９チップトレイ
２０チップ
２１金属突起
２２基板
２３金属パッド
２４ヘッド高さ検出手段
２５上下駆動機構
２６ヘッド部
２７接合機構
２８実装機構
２９位置認識部
３０搬送部
３１制御装置
３２加圧力検出手段
３３振幅検出手段
３４ヘッドアンプ
３５受信板
３６圧電セラッミックス
３７ケース
３８コネクタ

Claims

複数の重ね合わされた被接合物が接合機構に支持された共振器とステージとでそれらの間に加圧保持され、共振器に結合された振動子から共振器に超音波振動を伝達し、複数の重ね合わされた被接合物が超音波振動エネルギーにより接合される超音波接合方法において、接合過程において接合面積の増大に比例して、加圧力及び／又は超音波振動エネルギーを上昇するカーブで増大させる方法であり、共振器の振幅検出手段を有し、前記接合面積の増大を共振器の振幅を測定することにより読み取る方法。
複数の重ね合わされた被接合物が接合機構に支持された共振器とステージとでそれらの間に加圧保持され、共振器に結合された振動子から共振器に超音波振動を伝達し、複数の重ね合わされた被接合物が超音波振動エネルギーにより接合される超音波接合方法において、接合過程において接合面積の増大に比例して、加圧力及び／又は超音波振動エネルギーを上昇するカーブで増大させる方法であり、被接合物の振幅検出手段を有し、前記接合面積の増大を第１の被接合物の振幅を測定することにより読み取る方法。
複数の重ね合わされた被接合物が接合機構に支持された共振器とステージとでそれらの間に加圧保持され、共振器に結合された振動子から共振器に超音波振動を伝達し、複数の重ね合わされた被接合物が超音波振動エネルギーにより接合される超音波接合方法において、接合過程において接合面積の増大に比例して、加圧力及び／又は超音波振動エネルギーを上昇するカーブで増大させる方法であり、相対する被接合物の振幅を検出する振幅検出手段を有し、前記接合面積の増大を相対する被接合物間の振幅を測定することにより読み取る方法。
複数の被接合物の振幅を個別に検出する複数の振幅検出手段を有し、個別方向から測定する請求項３に記載の方法。
前記目的とする振幅が任意の一定値となるように加圧力及び／又は超音波振動エネルギーを制御する請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
前記加圧力及び／又は超音波振動エネルギーがある目的値に達した時に超音波振動を停止する請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
被接合物が少なくとも一方の被接合物に金属突起を施し、少なくとも一方の被接合物が半導体チップである請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
複数の重ね合わされた被接合物を加圧する加圧手段と、接合機構に支持された、振動子が接続された共振器と被接合物を保持するステージを備え、複数の重ね合わされた被接合物が接合機構に支持された共振器と実装機構のステージとでそれらの間に加圧保持され、共振器に結合された振動子から共振器に超音波振動を伝達し、複数の重ね合わされた被接合物が超音波振動エネルギーにより接合される超音波接合装置において、接合過程において接合面積の増大に比例して、加圧力及び／又は超音波振動エネルギーを上昇するカーブで増大させる制御手段を備えた超音波接合装置であり、共振器の振幅検出手段を有し、前記接合面積の増大を共振器の振幅を測定することにより読み取る超音波接合装置。
複数の重ね合わされた被接合物を加圧する加圧手段と、接合機構に支持された、振動子が接続された共振器と被接合物を保持するステージを備え、複数の重ね合わされた被接合物が接合機構に支持された共振器と実装機構のステージとでそれらの間に加圧保持され、共振器に結合された振動子から共振器に超音波振動を伝達し、複数の重ね合わされた被接合物が超音波振動エネルギーにより接合される超音波接合装置において、接合過程において接合面積の増大に比例して、加圧力及び／又は超音波振動エネルギーを上昇するカーブで増大させる制御手段を備えた超音波接合装置であり、被接合物の振幅検出手段を有し、前記接合面積の増大を第１の被接合物の振幅を測定することにより読み取る超音波接合装置。
複数の重ね合わされた被接合物を加圧する加圧手段と、接合機構に支持された、振動子が接続された共振器と被接合物を保持するステージを備え、複数の重ね合わされた被接合物が接合機構に支持された共振器と実装機構のステージとでそれらの間に加圧保持され、共振器に結合された振動子から共振器に超音波振動を伝達し、複数の重ね合わされた被接合物が超音波振動エネルギーにより接合される超音波接合装置において、接合過程において接合面積の増大に比例して、加圧力及び／又は超音波振動エネルギーを上昇するカーブで増大させる制御手段を備えた超音波接合装置であり、相対する被接合物の振幅を検出する振幅検出手段を有し、前記接合面積の増大を相対する被接合物間の振幅を測定することにより読み取る超音波接合装置。
複数の被接合物の振幅を検出する複数の振幅検出手段を有し、個別方向から測定する請求項１０に記載の超音波接合装置。
前記目的とする振幅が任意の一定値となるように加圧力及び／又は超音波振動エネルギーを制御する請求項８〜１１のいずれかに記載の超音波接合装置。
前記加圧力及び／又は超音波振動エネルギーがある目的値に達した時に超音波振動を停止する請求項８〜１２のいずれかに記載の超音波接合装置。
被接合物が少なくとも一方の被接合物に金属突起を施し、少なくとも一方の被接合物が半導体チップである請求項８〜１３のいずれかに記載の超音波接合装置。