JP4626292B2 - 超音波ホーンとこれを用いたボンディング装置 - Google Patents

Description

本発明は超音波加工装置に用いられる超音波ホーンとこれを用いたボンディング装置に関し、特に超音波ホーンから加工装置本体に伝達する超音波振動を低減する支持構造を備えた超音波ホーンとこれを用いたボンディング装置に関する。

超音波加工装置の代表例として、超音波ワイヤボンダ、サーモソニック（超音波併用熱圧着）ワイヤボンダ、サーモソニックフリップチップボンダ等のボンディング装置が知られている。サーモソニックフリップチップボンダは、フリップチップと呼ばれる半導体チップの突起電極を基板の電極に押圧し、加熱した状態で接合面に超音波振動を与えて、接合面で金属拡散を生じさせ、電極間を接合する装置である。ワイヤボンダは、半導体チップの電極と基板の電極間に金、アルミニウム、銅等の金属ワイヤを張り、導通させる装置である。ワイヤを各電極に押圧し、常温で若しくは加熱した状態で、超音波振動をワイヤと電極の接合面に加えて、ワイヤと電極とを接合する装置である。

この種超音波加工装置においては超音波ホーンを用いて超音波振動を被加工物へ印加する。図７は、超音波方式ボンディング装置に用いられる従来の超音波ホーンの斜視図である。図７に示されるように、超音波ホーン３０は、ホーン本体３１の一方の端面に振動発生源である超音波振動子３２を取り付けたものである。ホーン本体３１は、丸形または方形の断面を持ち、ステンレス、チタン合金等の金属により製作される。そして、超音波振動子３２が取り付けられた端面と反対側の端面付近には、被接合部品（半導体チップ、ワイヤ等）を保持し、接合対象部品（基板、半導体チップ等）に押圧するための保持部３３が備えられており、超音波振動はこの保持部３３を介して被接合部品に伝えられる。またホーン本体３１には連結部３７によってホーン本体３１に連結された支持部３６が設けられており、これにより超音波ホーン３０は装置本体に取り付けられる。超音波ホーンは超音波振動子の発振周波数で共振振動するように、λ/2（λは超音波振動の波長）の整数倍の長さに設計されている。

ところで、超音波発振時には軸に対して垂直な縦振動と、ポアソン効果により縦波に直交する径方向振動が同時発生する。これは細長い棒を引張った時に棒の中心部分がくびれ、棒を押圧した時に中心部分が膨らむことと同じ現象であり、縦振動の腹点は、径方向振動の節点になる。図８にはある時点での超音波発振時の振動形状を示してある。縦波については右側への変位を正、左側への変位を負になるように実線にて描いてあり、また径方向振動については径方向に広がる変位を正、縮む方向の変位を負になるように破線にて描いてある。例えばa点付近は縦振動の節となっており、左右の部材から圧縮され、それに伴い径方向に広がっていることが分かる。半導体製造装置に取り付けるための支持部３６は、縦振動への影響を最小にするため、a点のようなホーン縦振動の節部分に位置するように設計され、そして、支持部は肉厚の薄い連結部３７によって超音波ホーン本体に連結されるようになされている（例えば、特許文献１、２参照）。
２００１−１７６９３２号公報 ２００４−１６７４３５号公報

縦振動への影響を最小にするためには、ホーン支持部の位置は縦振動の節部が最良であるが、この点は径方向振動の腹となり、その振動は支持部を介して装置本体側に伝達される。そして、装置本体側に振動が伝達することにより、以下の問題が発生する。なお、本明細書においては、装置本体とは、超音波ボンディング装置などの超音波加工装置の内超音波振動系を除いた装置部分を意味している。
第１の問題は超音波振動の系に装置本体側も含まれてしまうので、装置本体側の状況により超音波振動の状態が変わってしまうことである。例えば、超音波ホーンが取り付けられる装置本体に他の構造部材を取り付けるネジがある場合、そのネジの締め方で超音波ホーンの負荷が変動してしまう、といった問題が生じることがある。
第２の問題点は、ボンディング装置などの加工装置の大型化が挙げられる。第１の問題を解決することにも通じるが、振動系の安定性を高めるため、超音波ホーンが固定される装置本体を大型にし、慣性を大きくする必要がある。
第３の問題は、装置本体側に伝達された超音波振動により装置が破損することである。例えば、超音波ホーンが取り付けられる装置部材に転がり軸受がある場合、転動体と転動面が超音波振動で衝突し合い、転動面が破損することがある。

上記の問題を解決するため、従来の超音波ホーンでは、例えば特許文献１、２にも記載のあるように、支持部を肉厚の薄い連結部によってホーン本体と接続することにより、振動伝達を抑制している。しかしながら、この方法では連結部の剛性をある程度保つ必要があることから、肉厚をあまり薄くすることはできず、十分に振動伝達を抑制することは難しい。
本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解決することであって、その目的は、超音波方式ボンディング装置等において用いられる超音波ホーンに関し、超音波ホーンから装置本体への振動伝達を極小とする超音波ホーンの支持方法を提案し、小型の加工装置であっても装置本体側に損傷を与えることなく、安定した超音波振動を行うことができる超音波ホーンを提供することである。

上記の目的を達成するため、本発明によれば、超音波振動を発生する超音波振動子と前記超音波振動子の加振に共鳴して振動する構造体である超音波ホーン本体を有し、前記超音波ホーン本体にはこれを支持体に支持させるための支持部と被加工物に対し加工を行う加工部とが備えられている超音波ホーンにおいて、前記超音波ホーン本体には前記超音波ホーン本体と前記超音波振動子との接続部から前記支持部までの距離と等しい距離の位置に前記超音波ホーン本体の中心線を中心として対称的に一対の突起部が設けられていることを特徴とする超音波ホーン、が提供される。

上記構成の超音波ホーンにおいては、一対の突起部には超音波ホーン本体の縦振動とは位相が反転した縦振動が発生する。そのため、本発明の超音波ホーンによれば、超音波ホーン本体の縦振動に起因する支持部に対するポアソン効果を突起部の縦振動に起因する支持部に対するポアソン効果によって打ち消すようにすることができる。従って、本発明によれば、超音波ホーンから装置本体側への超音波振動の伝達を極小にすることができる。
よって、本発明によれば、以下の効果が得られる。第１の効果は、超音波ホーンが振動系として独立するので、装置本体側の状態の影響を殆ど受けず、安定した超音波振動が可能となることである。第２の効果は、振動系の安定性を高めるため、超音波ホーンが固定される装置本体側を大型にし、慣性を大きくする必要がないので、装置を小型化することができることである。第３の効果は装置側に伝達された超音波振動により装置が破損することがなくなることである。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態の超音波ホーンの斜視図である。この超音波ホーンは、電子部品の組立てを行う半導体製造装置、例えばフリップチップボンダやワイヤボンダ等に使用することを想定している。超音波ホーン１０は、ホーン本体１１と、ホーン本体１１に超音波振動を付与する超音波振動子１２と、被接合対象を保持する保持部材１３と、ホーン本体１１の中心軸に対して対称な対をなす突起１４と、図示されていない半導体製造装置へホーン本体１１を固定する支持部１６と、支持部１６とホーン本体１１との間を接続する連結部１７とにより構成されている。

ホーン本体１１の断面形状は、本実施の形態では方形であるが、丸形、三角形、その他の多角形断面形状であってもよい。また、円錐台、角錐台のようにテーパを有する形状であってもよく、さらには指数形状などの曲面を有するものであってもよい。ホーン本体１１の材料には、ステンレス、チタン合金、ジュラルミン等のホーン材料として一般的に使用されている金属材料であればいずれも用いうる。ホーン本体１１の一方の端面には振動発生源である超音波振動子１２が取り付けられている。超音波を発生させる超音波振動子１２には、圧電素子を数層に重ね合わせたランジュバン型超音波振動子を使用するのが最も一般的であるが、超磁歪素子等の他の振動発生源を利用したものであっても、所望の超音波振動を発生させ得るものなら使用可能である。ホーン本体１１の他端付近には被接合部品（半導体チップ、ワイヤ等）を保持し、接合対象部品（基板、半導体チップ等）に押圧するための保持部材１３を有する。保持部材１３の材質は、ステンレス、アルミニウム合金、チタン合金、セラミックス等が考えられる。保持部材１３は、ホーン本体１１と一体構造であってもよいし、別部品でホーン本体１１と着脱可能であってもよい。

ホーン本体１１には、ホーン本体１１をボンディング装置本体に取り付けるための支持部１６と、これをホーン本体１１に接続する連結部１７と共に一体的に形成されている。支持部１６にはこれを装置本体に固定するための取付穴１６aが形成されている。本実施の形態では、ホーン本体をホーン本体の縦振動と平行する方向に支持するように取付穴１６aはホーン本体の長手方向と平行に開けられているが、ホーン本体を縦振動と直交する方向に支持できるように取付穴１６aは、図の上下方向に開けるようにしてもよい。対をなす連結部１７、１７の水平方向の中心線がホーン本体の中心線と直交し、かつホーン本体の縦振動の節部を通るようになされている。本実施の形態では連結部１７は直線状に形成されているが、クランク状など他の形状に形成することもできる。また、対をなす連結部１７、１７の中心線およびホーン本体１１の中心線と直交する方向に伸びる一対の突起１４がホーン本体１１と一体的に形成されている。この対をもって形成された突起１４、１４を結ぶ中心線もホーン本体の中心線と直交し、かつホーン本体１１の縦振動の節部を通るようになされている。突起１４の断面形状は、本実施の形態では方形であるが、円形や多角形状であってもよい。更に、先端部に向かって細くなるようにテーパをもって、または先端部が太くなるように逆テーパをもって形成されていてもよい。また、本実施の形態では、突起１４はホーン本体１１と一体に形成されているが、着脱自在とすることもできる。この場合、突起１４はホーン本体１１とは異なる材料によって形成することもできる。また、支持部１６および連結部１７についても同様である。すなわち、これらは着脱可能であってもよく、着脱可能である場合は、ホーン本体１１とは異なる材料であってもよい。

ホーン本体1１は、超音波振動子１２の発振周波数で共振振動するように、λ/２（λは超音波振動の波長）の整数倍の長さに設計される。本実施の形態ではホーン本体1１はλの長さに形成されている。また、突起１４の対も同じ周波数で共振振動するように、突起１４の端面１４a間の距離はλ/２の整数倍の長さであることが好ましく、本実施の形態ではλ/２の長さに形成されている。ホーン本体１１は超音波振動子１２より駆動力を得て縦振動を生じるが、同時にポアソン効果により縦波に直交する径方向の振動が発生する。これにより、突起１４の対にも縦振動が発生する。
図２にある時点でのホーン本体と突起対での縦振動の様子を示す。図２では、ホーン本体については右方向への変位を正として、突起対については上方向への変位を正として示してある。また、図３に縦振動に伴って生じる径方向の振動の様子を示す。図３では、いずれも径方向に広がる変位を正として示してある。

さて、共振周波数で対をなす突起１４、１４には、ホーン本体１１とは逆位相の振動を生じる。すなわち、ホーン本体１１が縮むと突起対（１４、１４）は伸び、ホーン本体１が伸びると突起対は縮む。突起対の縦振動はホーン本体１１と交わる部分で節となり、ポアソン効果による径方向振動はホーン本体１１と交わる部分で腹となっている。ここで、ホーン本体１１の長手方向の中心線と、突起対（１４−１４）の中心線と、支持部対（１６−１６）の中心線とが互いに直交していることにより、ホーン本体１１の径方向と突起対の径方向の両者を支持部対の長さ方向とすることができる。そして、ホーン本体１１と突起対とが逆位相の縦振動をしていることにより、両者のポアソン効果は互いに打ち消しあう。

ここで、突起１４の形状を調整することにより、突起対に生じる径方向振動の振幅とホーン本体１１に生じる径方向振動の振幅を同じとすることができる。突起１４形状の調整方法は、例えば断面積を大きくすると径方向の振幅が大きくなる傾向があるため、振動を重ね合わせによりホーン本体１と逆位相の振動が残っていれば、突起１４の断面積を小さくし、同位相の振動が残っていれば、突起の断面積を大きくすればよい。また、突起が逆テーパ状に形成されている場合には、テーパ角を深くすると径方向の振幅が大きくなる傾向があるため、この角度を調整することによってもポアソン効果を相殺することができる。本実施の形態では、突起対は一対のみであったが、複数対形成することもできる。その場合、突起対同士が支持部対の中間を通る垂直面に対し対称的に配置されることが好ましい。
以上により、縦振動の節となる部分に対して径方向振動の振幅を０とする部分を作ることができる。ホーン本体１１は、この節の径方向振動の０となる部分に、図示されていない半導体製造装置へホーン本体１１を固定する支持部１６を支持する連結部１７を有する。支持部１６および連結部１７を有することにより、振動の状態は若干変化し、振幅は完全には０にならないが、それでも振幅が０に近い部分を支持することができるので、超音波ホーンから半導体製造装置の振動の伝達は極小とすることができる。

［第２の実施の形態］
図４は、本発明の第２の実施の形態の超音波ホーンの斜視図である。本実施の形態の超音波ホーンも電子部品組み立て用の半導体製造装置用の超音波ホーンが想定されている。本実施の形態の超音波ホーン２０は、ホーン本体２１、ホーン本体２１に超音波振動を付与する超音波振動子２２、被接合対象を保持する保持部材２３、２組の対をなす突起２４と２５、図示されていない半導体製造装置へホーン本体２１を固定するための２箇所に形成された支持部２６、２８、支持部２６、２８とホーン本体２１とをそれぞれ接続する連結部２７、２９により構成されている。ホーン本体２１の一方の端面には振動発生源である超音波振動子２２が取り付けられ、そしてホーン本体２１の中央部には、被接合部品（半導体チップ、ワイヤ等）を保持し、接合対象部品（基板、半導体チップ等）に押圧するための保持部材２３が備えられている。保持部材２３は、ホーン本体２１と一体構造であってもよいし、別部品でホーン本体２１と着脱可能であってもよい。

支持部２６、２８にはこれらを装置本体に固定するための取付穴２６a、２８aが形成されている。本実施の形態では、ホーン本体をホーン本体の縦振動と直交する方向に支持するように取付穴２６a、２８aは図の上下方向に開けられているが、ホーン本体を縦振動と平行方向に支持できるように取付穴２６a、２８aをホーン本体の長手方向と平行方向に開けるようにしてもよい。連結部２７、２９の垂直方向の中心線はそれぞれホーン本体の中心線と直交し、かつホーン本体の縦振動の節部を通るようになされている。本実施の形態では連結部２７、２９は直線状に形成されているが、クランク状など他の形状に形成することもできる。また、連結部２７、２９の垂直方向の中心線およびホーン本体２１の中心線と直交する方向に伸びる対をなす突起２４、２５がホーン本体２１と一体的に形成されている。そして、各突起対の水平方向の中心線はホーン本体の中心線と直交し、かつホーン本体２１の縦振動の節部を通るようになされている。突起２４、２５の断面形状は、本実施の形態では方形であるが、円形や多角形状であってもよい。更に、先端部に向かって細くなるようにテーパをもって、あるいは先端部が太くなるように逆テーパをもって形成されていてもよい。また、本実施の形態では、突起２４、２５はホーン本体２１と一体に形成されているが、着脱自在とすることもできる。この場合、突起２４はホーン本体２１とは異なる材料によって形成することもできる。支持部２６、２８および連結部２７、２９についても同様である。

ホーン本体２１は、超音波振動子２２の発振周波数で共振振動するように、λ/２（λは超音波振動の波長）の整数倍の長さに設計される。本実施の形態ではホーン本体２１はλの長さに形成されている。また、突起２４と２５の対も同じ周波数で共振振動するように、突起２４の端面２４a間の距離および突起２５の端面２５a間の距離はλ/２の整数倍の長さであることが好ましく、本実施の形態ではλ/２の長さになされている。ホーン本体２１は超音波振動子２２より駆動力を得て縦振動を生じるが、同時にポアソン効果により縦波に直交する径方向の振動が発生する。これにより、突起２４の対にも縦振動が発生する。
図５にある時点でのホーン本体と突起対での縦振動の様子を示す。図５では、ホーン本体については右方向への変位を正として、突起対については上方向への変位を正として示してある。また、図６に縦振動に伴って生じる径方向の振動の様子を示す。図６では、いずれも径方向に広がる変位を正として示してある。

さて、共振周波数で対をなす突起２４および２５には、ホーン本体２１とは逆位相の振動を生じる。すなわち、ホーン本体２１が縮むと突起対（２４−２４および２５−２５）は伸び、ホーン本体２１が伸びると突起対は縮む。突起対の縦振動はホーン本体２１の中心線と交わる部分で節となり、ポアソン効果による径方向振動はホーン本体２１の中心線と交わる部分で腹となっている。ここで、ホーン本体２１の長手方向の中心線と、突起対（２４−２４または２５−２５）の中心線と、支持部対（２６−２６または２８−２８）の中心線とが互いに直交していることにより、ホーン本体２１の径方向と突起対の径方向の両者を支持部対の長さ方向とすることができる。そして、ホーン本体２１と突起対とが逆位相の縦振動をしていることにより、両者のポアソン効果は互いに打ち消しあう。
ここで、突起２４、２５の形状を調整することにより、突起対に生じる径方向振動の振幅とホーン本体２１に生じる径方向振動の振幅を同じとすることができる。突起２４、２５形状の調整方法は、第１の実施の形態の場合と同様である。本実施の形態では、突起対は各支持部について一対のみであったが、各支持部に対して複数対形成することもできる。その場合、突起対同士がホーン本体の中心線を通る水平面に対し対称的に配置されることが好ましい。

以上により、縦振動の節となる部分に対して径方向振動の振幅を０とする部分を作ることができる。ホーン本体２１は、この節の径方向振動の０となる部分に、図示されていない半導体製造装置へホーン本体２１を固定する支持部２６、２８を支持する連結部２７、２９を有する。支持部２６、２８および連結部２７、２９を有することにより、振動の状態は若干変化し、振幅は完全には０にならないが、それでも振幅が０に近い部分を支持することができるので、超音波ホーンから半導体製造装置の振動の伝達は極小とすることができる。更に、本実施の形態では、保持部材２３から対称な位置にある２個所によりホーン本体２１を支持することができるので、保持部材２３を一箇所による支持よりも安定して振動させることができる。
また、本実施の形態では２つの節を利用して超音波ホーンを支持したが、３つ以上の複数個の節を利用して支持することも可能である。
本発明の超音波ホーンは、超音波ボンディング装置ばかりでなく、超音波ウェルダなど他の超音波加工装置にも適用することが可能である。

本発明の第１の実施の形態である超音波ホーンの斜視図。 本発明の第１の実施の形態である超音波ホーンの縦振動の模式図。 本発明の第１の実施の形態である超音波ホーンの径方向振動の模式図。 本発明の第２の実施の形態である超音波ホーンの斜視図。 本発明の第２の実施の形態である超音波ホーンの縦振動の模式図。 本発明の第２の実施の形態である超音波ホーンの径方向振動の模式図。 従来の超音波ホーンの斜視図。 従来の超音波ホーンの振動模式図。

符号の説明

１０、２０、３０ 超音波ホーン
１１、２１、３１ ホーン本体
１２、２２、３２ 超音波振動子
１３、２３、３３ 保持部材
１４、２４、２５ 突起
１４ａ、２４ａ、２５ａ 突起の端面
１6、２6、２８、３6 支持部
１7、２7、２９、３7 連結部

Claims (13)

1. 超音波振動を発生する超音波振動子と前記超音波振動子の加振に共鳴して振動する構造体である超音波ホーン本体を有し、前記超音波ホーン本体にはこれを支持体に支持させるための支持部と被加工物に対し加工を行う加工部とが備えられている超音波ホーンにおいて、前記超音波ホーン本体には前記超音波ホーン本体と前記超音波振動子との接続部から前記支持部までの距離と等しい距離の位置に前記超音波ホーン本体の中心線を中心として対称的に一対の突起部が設けられていることを特徴とする超音波ホーン。
2. 前記一対の突起部の先端部間の距離が超音波振動の波長をλとしてλ／２の整数倍であることを特徴とする請求項１に記載の超音波ホーン。
3. 前記支持部が、前記一対の突起部の中心線に対し直交する方向に延び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. 前記突起部の形状は、前記超音波ホーン本体の縦振動に起因する前記支持部に対するポアソン効果を前記突起部の縦振動に起因する前記支持部に対するポアソン効果によって打ち消すように選定されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の超音波ホーン。
5. 前記支持部が、超音波波振動の節部を挟むように対をもって形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の超音波ホーン。
6. 前記支持部が、超音波波振動の複数の節部に形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の超音波ホーン。
7. 前記突起部が、前記超音波ホーン本体の縦振動の一つの節部において複数対形成されていることを特徴とする請求項１、２または４から６のいずれかに記載の超音波ホーン。
8. 前記突起部が前記超音波ホーン本体に着脱可能であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の超音波ホーン。
9. 請求項１から８のいずれかに記載された超音波ホーンを備え、前記加工部がワイヤのボンディングを行うことを特徴とするボンディング装置。
10. 前記加工部がワイヤの保持機能を有していることを特徴とする請求項９に記載ボンディング装置。
11. 請求項１から８のいずれかに記載された超音波ホーンを備え、前記加工部が半導体チップを押圧して半導体チップの突起電極のボンディングを行うことを特徴とするボンディング装置。
12. 前記加工部が半導体チップを吸引・保持する機能を有していることを特徴とする請求項１１に記載のボンディング装置。
13. ボンディングの行われる半導体チップまたは基板を加熱する機構が備えられていることを特徴とする請求項９から１２のいずれかに記載のボンディング装置。

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