JP4529608B2

JP4529608B2 - 超音波接合装置

Info

Publication number: JP4529608B2
Application number: JP2004269750A
Authority: JP
Inventors: 祐三東山
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2004-09-16
Filing date: 2004-09-16
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2024-09-16
Also published as: JP2006086346A

Description

本発明は部品に押圧力と超音波振動とを加え、部品をバンプを介して被接合面に対して接合する超音波接合装置、特にボンディングツールとホーンとの固定構造に関するものである。

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。
一般に、超音波接合装置は、一方主面にバンプが形成された部品の他方主面をボンディングツールで吸着保持し、部品に押圧力と超音波振動とを印加してバンプを被接合面に接合するものである。

特許文献１には、横長なホーンの一端に振動子を取り付け、他端にホーンの軸方向と直交するように吸着ノズルを取り付けた超音波ヘッドが開示されている。ボンディングツールである吸着ノズルは、超音波ホーンの先端の割溝の中の凹部に嵌合させ、割溝の間隔を狭めるように締結ボルトで超音波ホーンの先端を締め付けることで、吸着ノズルを固定している。
しかしながら、上記の場合には、ツールの固定を割締めで行っているため、固定力が不十分であり、ホーンからツールへの振動伝達が不安定になる。そのため、ツールの振動が不安定になり、接合性にバラツキが生じるという問題がある。また、締結ボルトを強く締めつけ過ぎると、ホーンの割溝が歪み、そのため超音波の出力特性が変わり、良好な接合が得られなくなる可能性がある。
特開２００１−４４２４２号公報

特許文献２には、ツールの両側面を傾斜の異なる２つのテーパ面とし、当接子の内端面をテーパ面と対応した傾斜面とし、ボルトによって当接子をホーン側へ締結することにより、当接子をテーパ面に当接させてツールをホーンへ押し付けるツールの固定構造が開示されている。この場合、ボルトの締結力により当接子は弾性的な変形を生じ、この変形により常に安定した押圧力でテーパ面をホーン側へ押しつけ、ツールを固定している。
しかし、この固定構造では、ツールの固定部が大きくなってしまい、ホーンもそれに応じて大きくする必要がある。また、ツール取り付けボルトを下側から取り付けなければならないため、ボルトの頭を逃がすだけのツールの突出長さが必要になる。突出長さが長くなると、ツールに曲げ振動が励起され、接合面に垂直な振動成分が発生してしまい、接合性に悪影響を与える。
特開２０００−２６０８２４号公報

そこで、本発明の目的は、小型で簡素なボンディングツール固定部でありながら、ホーンに対して十分な固定力で固定でき、しかもボンディングツールに曲げ振動などが励起されるのを防止できる超音波接合装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、一方主面と他方主面とを持つ部品の他方主面をボンディングツールの吸着面で吸着し、ホーンからボンディングツールを介して部品に押圧力と超音波振動とを印加して、部品の一方主面をバンプを介して被接合面に接合する超音波接合装置において、上記ボンディングツールの吸着面の背面側に軸部を設け、上記ホーンに、上記被接合面に対して直交し、ボンディングツールの軸部を嵌合保持する取付穴と、この取付穴に対して直交方向に設けられ、ホーン側面から取付穴まで貫通する少なくとも１つのネジ穴とを設け、上記ネジ穴に、ボンディングツールの軸部を取付穴に対して押圧固定するネジ部材を螺合させてなり、上記軸部の中間部にくびれ部が形成され、上記くびれ部に軸端方向に向かって漸次大径となるテーパ面が設けられ、上記ネジ部材の先端部に上記テーパ面に接触する先細状のテーパ面が設けられ、上記ネジ部材をネジ穴にネジ込むことにより、上記テーパ面同士の接触によりボンディングツールは取付穴の奥方へ引き込まれることを特徴とする超音波接合装置を提供する。

本発明では、ボンディングツールの固定に際し、ボンディングツールの軸部をホーンの取付穴に挿入し、軸部を取付穴に対し側方からネジ部材によって締結することで、ボンディングツールを固定している。そのため、固定部を小型化でき、ネジ部材はホーンの側方からネジ込むので、ネジ部材がボンディングツールの部品吸着部に突出せず、ツールはネジ部材を逃がすための突出長さを必要としない。そのため、ツールに曲げ振動が励起されにくく、接合性に悪影響を与えることが少ない。
また、本発明の固定構造では、従来のような割締めに比べて固定力が大きく、ホーンからツールへの振動伝達が安定する。また、ネジ部材を強く締めつけても、ホーンの取付穴が歪むことがなく、超音波の出力特性が変わることがない。

ネジ穴の方向を、ホーンからボンディングツールに伝達される超音波振動方向とほぼ等しくするのがよい。
ネジ穴の方向を超音波振動方向とほぼ同一方向とすることで、ホーンとボンディングツールおよびネジ部材とが一体に振動し、ネジ部材に緩みが発生せず、経時的にあるいは交換を繰り返しても、安定した振動特性を得ることができる。

本発明では、軸部の中間部にくびれ部を形成し、くびれ部に軸端方向に向かって漸次大径となるテーパ面を設け、ネジ部材の先端部にテーパ面に接触する先細状のテーパ面を設け、ネジ部材をネジ穴にネジ込むことにより、テーパ面同士の接触によりボンディングツールを取付穴の奥方へ引き込むように構成している。
ネジ部材でボンディングツールを押圧固定する際、超音波振動方向と振動方向に垂直な方向（上向き）の両方に押圧力が発生するので、吸着面に垂直な方向の振動が抑制され、接合品質を向上させることができる。

請求項２のように、ボンディングツールの一端部に軸部より幅広な部品接触部を形成し、部品接触部の表面に吸着面を形成し、部品接触部の背面の中央部に軸部を突設し、ネジ部材をネジ穴にネジ込むことにより、テーパ面同士の接触によりボンディングツールを取付穴の奥方へ引き込み、部品接触部の背面の周辺部をホーンの取付穴の周囲の支持面に密着させて固定するのがよい。
このようにしてボンディングツールを固定すれば、超音波振動方向だけでなく振動方向の垂直な方向にも安定に固定される。さらに、部品接触部の背面の周辺部をホーンの取付穴の周囲の支持面に密着させることで、取付穴を介して真空吸引される空気の漏れをなくすことができる。

請求項３のように、ボンディングツールの一端部に軸部より幅狭な部品接触部を形成した場合、部品接触部の表面に吸着面を形成し、取付穴の内部に、軸部の他端部が当接する停止面を形成し、ネジ部材をネジ穴にネジ込むことにより、テーパ面同士の接触によりボンディングツールを取付穴の奥方へ引き込み、軸部の他端部を取付穴の停止面に密着させて固定することもできる。
この場合も、請求項２と同様に、ボンディングツールを超音波振動方向だけでなく振動方向に対して垂直な方向にも安定に固定できるとともに、軸部の他端部を取付穴の停止面に密着させることで、取付穴を介して真空吸引される空気の漏れを解消できる。

本発明によれば、ボンディングツールの軸部をホーンの取付穴に挿入し、軸部を取付穴に対し側方からネジ部材によって締結することで、ボンディングツールを固定しているため、固定部を小型化できるとともに、ネジ部材はホーンの側方からネジ込むので、ネジ部材がボンディングツールの部品吸着面に突出せず、ツールはネジ部材を逃がすための突出長さを必要としない。そのため、ツールに曲げ振動が励起されにくく、接合性に悪影響を与えることが少ない。
さらに、従来のような割締めに比べて固定力が大きく、ホーンからツールへの振動伝達が安定するとともに、ネジ部材を強く締めつけても、ホーンの取付穴が歪まず、超音波の出力特性が変動しないという特徴を有する。

以下に、本発明の実施の形態を、実施例を参照して説明する。

図１は本発明にかかる超音波接合装置の一例の構造を示し、図２，図３はボンディングツール固定部を示し、図４はボンディングツールを示す。
超音波接合装置１は、バンプ付きの部品Ｐを基板Ｂ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１０を備えている。この実施例の超音波ホーン１０は、金属材料で逆二等辺三角形状に一体形成されている。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。

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とほぼ平行な超音波振動Ｕinを与える。振動周波数としては、例えば２０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚの範囲が望ましい。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。ホーン１０の上辺１４の中央部近傍には振動のノード部が存在し、このノード部に連結部１８が設けられている。連結部１８には下方への押圧荷重を印加する荷重印加装置２１の出力軸２１ａがボルト２２によって連結されている。荷重印加装置２１としては、エアーシリンダやボイスコイルモータなどが使用される。

超音波ホーン１０の下頂部１１には、耐摩耗性材料（例えば超硬合金，セラミックス，ジルコニア等）よりなるボンディングツール３０が着脱可能に固定されている。図２に示すように、下頂部１１のカット面には取付穴２３が上下方向に設けられ、この取付穴２３に対して直交方向に、ホーン斜辺１５，１６から取付穴２３まで貫通するネジ穴２４が設けられている。この実施例では、ネジ穴２４は超音波振動方向Ｕに沿って２箇所に設けられている。

ボンディングツール３０は、図２〜図４に示すように、フランジ状の部品接触部３１と、部品接触部３１の背面中央部に設けられた軸部３２とからなり、軸部３２は上記取付穴２３に挿入される。軸部３２の途中にはくびれ部３３が設けられ、このくびれ部３３の軸端側（上側）にはテーパ面３４が形成されている。ホーン１０のネジ穴２４には止めネジ２５が螺合され、止めネジ２５の先端部に設けられた先細状のテーパ面２５ａが上記軸部３２のテーパ面３４に当接することで、軸部３２は取付穴２３の奥方へ引き込まれる。そのため、軸部３２にはネジ２５のネジ込み方向（水平方向）に加えて垂直方向（上方向）にも押し付け力が働き、ボンディングツール３０の部品接触部３１の背面がホーン１０の下頂部１１のカット面に密着し、安定する。
なお、この実施例の止めネジ２５の基端部には六角穴２５ｂが形成され、この六角穴２５ｂに工具を係合させて回すことにより、止めネジ２５を締め付けることができる。

ボンディングツール３０の部品接触部３１の表面は吸着面３５となっており、この吸着面３５には部品Ｐの上面を吸着する吸着穴３６が形成されている。吸着穴３６は軸部３２の軸心部を貫通し、超音波ホーン１０に設けられた取付穴２３を介して真空吸引装置（図示せず）と接続されている。上記のようにボンディングツール３０の部品接触部３１の背面がホーン１０の下頂部１１のカット面に密着することで、取付穴２３を介して吸引されるエアーが吸着穴３６以外の部位から漏れることがない。
この実施例では、ボンディングツール３０の下端部に、軸部３２より幅広な部品接触部３１を形成してある。すなわち、軸部３２の直径をＤとし、部品接触部３１の幅寸法をＷとすると、
Ｗ＞Ｄ
に設定されている。
部品接触部３１の大きさは、吸着すべき部品Ｐの大きさに応じて決定される。

ここで、上記構成よりなるボンディング装置の動作について説明する。
部品Ｐを基板Ｂにボンディングする際、基板Ｂを加熱ステージＳ上に載置し、予め加熱しておく。ボンディングツール３０の吸着面３５に吸着された部品Ｐを基板Ｂに対して接触させ、荷重印加装置２１によって下方への押圧荷重を印加した状態で、圧電振動子２０から超音波ホーン１０の右頂部１３に対して斜辺１６とほぼ平行な超音波振動Ｕinを印加すると、下頂部１１には水平方向でかつ印加された超音波振動Ｕinより振幅が大きい超音波振動Ｕout が出力される。超音波振動Ｕout はホーン１０に固定されたボンディングツール３０にも伝達されるが、上記のようにボンディングツール３０はホーン１０に対して振動方向とともにその垂直方向にもしっかりと固定されているので、基板Ｂと部品ＰのバンプＰ１との接合面に垂直な振動を発生させることなく、接合面に対して平行に振動する。ボンディングツール３０と部品Ｐとの間に働く摩擦力によって、振動が部品Ｐに伝達され、部品Ｐに形成されたバンプＰ１と基板Ｂとが確実に接合される。

図５は本発明にかかる超音波接合装置の第２実施例を示す。
この実施例は、ホーン１０に取付穴２３に対して直交する水平方向の３本のネジ穴２４を１２０°間隔で形成し、これらネジ穴２４にそれぞれ止めネジ２５を螺合し、３本の止めネジ２５によってボンディングツール３０を固定したものである。ボンディングツール３０の構造および止めネジ２５は第１実施例と同様である。
３本の止めネジ２５のうちの１本は超音波振動方向Ｕと平行に配置され、他の２本の止めネジ２５は超音波振動方向Ｕに対して約６０°の角度をもって配置されている。この場合は、３本の止めネジ２５で３方から均等に押圧されるので、ボンディングツール３０を安定して固定できる。

図６は本発明にかかる超音波接合装置の第３実施例を示す。ボンディングツール４０以外は第１実施例と同様であるため、同一部分に同一符号を付して重複説明を省略する。
この実施例では、ボンディングツール４０の下端部に、軸部４２よりも幅狭な部品接触部４１を形成してある。すなわち、軸部４２の直径をＤとし、部品接触部４１の幅寸法をＷとすると、
Ｄ＞Ｗ
に設定されている。

部品接触部４１の表面に吸着面４５が形成され、吸着面４５には吸着穴４６が形成されている。この実施例の場合も、軸部４２の途中にはくびれ部４３が設けられ、このくびれ部４３の上側にはテーパ面４４が形成されている。ホーン１０のネジ穴２４に螺合された止めネジ２５のテーパ面２５ａが軸部４２のテーパ面４４に当接することで、軸部４２は取付穴２３の奥方へ引き込まれる。そのため、軸部４２の端部は、取付穴２３の奥部に形成された段差状の停止面２６に密着し、安定する。このように軸部４２の端部が停止面２６に密着することで、ボンディングツール４０は超音波振動方向だけでなくその垂直方向にもしっかりと固定され、基板Ｂと部品ＰのバンプＰ１との接合面に垂直な振動成分を発生させることがない。また、軸部４２の端部が停止面２６に密着することで、取付穴２３を介して吸引されるエアーの漏れがなくなる。

この実施例のボンディングツール４０の場合、軸部４２の形状は第１実施例のボンディングツール３０と共通しており、その先端の部品接触部４１が吸着すべき部品Ｐの大きさに応じて変更されている。そのため、部品Ｐの形状が変更されても、ボンディングツール４０を取り替えるだけで、ホーン１０は共通使用できる。

図７，図８は本発明にかかる超音波接合装置の第４実施例を示す。第１実施例と同一部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
この実施例では、ボンディングツール５０の軸部５２にくびれ部やテーパ面は形成されておらず、それに代えて平面カット面５３が形成されている。ホーン１０の側方から取付穴３２に向かって形成されたネジ穴２４に止めネジ２５が螺合され、その止めネジ２５の先端面を平面カット面５３に圧着させることにより、ボンディングツール５０はホーン１０に固定されている。
この場合は、ボンディングツール５０の軸部５２の周面に平面カット面５３を形成するだけであるため、加工が容易である。
この実施例では、ネジ穴２４が超音波振動方向の１箇所のみに形成されているが、平面カット面５３を軸部５２の対向位置の２箇所に形成した場合には、ネジ穴２４もこれに応じて２箇所に設けてもよい。
また、ボンディングツール５０の下端部に設けられた部品接触部５１は軸部５２より幅広なフランジ状に形成されているが、図６と同様に軸部５２より幅狭な形状としてもよい。

本発明は上記実施例に限定されるものではない。
上記実施例では、バンプを予め部品に固定しておき、このバンプを被接合面（例えば基板の電極）に接合する例について説明してが、バンプを予め被接合面（例えば基板の電極）に固定しておき、バンプを部品の電極に接合する場合でも本発明を同様に適用できる。
上記実施例では、ボンディングツールの軸部にくびれ部３３やテーパ面３４を設けた例や平面カット面５３を設けた例を示したが、これらを設けることなく、軸部が円筒面を持ち、この円筒面に止めネジの先端を圧着させて固定してもよい。
止めネジとしては、ボンディングツールの軸部を取付穴に対して直交方向に押圧固定できるものであればよく、例えば頭付きネジでもよい。
上記実施例では、逆三角形状の超音波ホーンの下頂部にボンディングツールを着脱可能に取り付けたが、超音波ホーンの形状は任意であり、その取付位置も任意である。

本発明にかかる超音波接合装置の一例の側面図である。図１に示す超音波接合装置の一部拡大断面図である。図２のＡ−Ａ線断面図である。ボンディングツールの拡大側面図である。超音波接合装置の第２実施例の横断面図である。超音波接合装置の第３実施例の縦断面図である。超音波接合装置の第４実施例の縦断面図である。図７のＢ−Ｂ線断面図である。

符号の説明

Ｂ基板
Ｐ部品
Ｐ１バンプ
１０超音波ホーン
２０振動子
２１荷重印加装置
２３取付穴
２４ネジ穴
２５止めネジ
２５ａテーパ面
３０ボンディングツール
３１部品接触部
３２軸部
３３くびれ部
３４テーパ面
３５吸着面
３６吸着穴

Claims

一方主面と他方主面とを持つ部品の他方主面をボンディングツールの吸着面で吸着し、ホーンからボンディングツールを介して部品に押圧力と超音波振動とを印加して、部品の一方主面をバンプを介して被接合面に接合する超音波接合装置において、
上記ボンディングツールの吸着面の背面側に軸部を設け、
上記ホーンに、上記被接合面に対して直交し、ボンディングツールの軸部を嵌合保持する取付穴と、この取付穴に対して直交方向に設けられ、ホーン側面から取付穴まで貫通する少なくとも１つのネジ穴とを設け、
上記ネジ穴に、ボンディングツールの軸部を取付穴に対して押圧固定するネジ部材を螺合させてなり、
上記軸部の中間部にくびれ部が形成され、
上記くびれ部に軸端方向に向かって漸次大径となるテーパ面が設けられ、
上記ネジ部材の先端部に上記テーパ面に接触する先細状のテーパ面が設けられ、
上記ネジ部材をネジ穴にネジ込むことにより、上記テーパ面同士の接触によりボンディングツールは取付穴の奥方へ引き込まれることを特徴とする超音波接合装置。
上記ボンディングツールの一端部に軸部より幅広な部品接触部が形成され、
上記部品接触部の表面に上記吸着面が形成され、
上記部品接触部の背面の中央部に上記軸部が突設され、
上記ネジ部材をネジ穴にネジ込むことにより、上記テーパ面同士の接触によりボンディングツールは取付穴の奥方へ引き込まれ、上記部品接触部の背面の周辺部が上記ホーンの取付穴の周囲の支持面に密着して固定されることを特徴とする請求項１に記載の超音波接合装置。
上記ボンディングツールの一端部に軸部より幅狭な部品接触部が形成され、
上記部品接触部の表面に上記吸着面が形成され、
上記取付穴の内部に上記軸部の他端部が当接する停止面が形成され、
上記ネジ部材をネジ穴にネジ込むことにより、上記テーパ面同士の接触によりボンディングツールは取付穴の奥方へ引き込まれ、上記軸部の他端部が取付穴の停止面に密着して固定されることを特徴とする請求項１に記載の超音波接合装置。