JP4867589B2 - 部品接合装置及び超音波ホーン - Google Patents

Description

本発明は、超音波ホーンの接合作用部で部品を被接合面に押し付けながら超音波ホーンに超音波振動を与えて部品を被接合面に接合する部品接合装置及び超音波ホーンに関するものである。

半導体チップのような部品（電子部品）を基板の被接合面に接合する部品接合装置として、超音波振動を用いるものが知られている。この部品接合装置は、昇降自在な昇降部材に横長の棒状部材である超音波ホーンを長手方向及び幅方向が水平になるように固定し、超音波ホーンの下面から下方に突出した接合作用部で部品を被接合面に押し付けながら超音波ホーンに超音波振動を与え、部品を微小に振動させて被接合面に密着させるものである。

この超音波ホーンは、幅方向の両側面に設けられた複数の固定部が昇降部材に固定されるが、これらの固定部は接合作用部を超音波ホーンの長手方向に挟み、かつ超音波ホーン内に生じる定在波（超音波ホーン内を長手方向に進行する縦振動の進行波と反射波の合成波）の節の位置に設けられるので、定在波の腹に位置する接合作用部は大きな振幅で長手方向に振動（揺動）することになり、部品は効率良く接合される（特許文献１）。

超音波ホーンの接合作用部は接合しようとする部品に応じた大きさとする必要があるため、液晶ディスプレイ駆動用の半導体チップなど、アスペクト比の大きい部品に対しては長手方向寸法に対する幅方向寸法が比較的大きい超音波ホーンが用いられる。超音波ホーンの幅方向寸法が大きいと、幅方向寸法が小さい場合には殆ど問題とならない幅方向の振動成分（振幅）が大きくなり、この幅方向の振動が固定部から昇降部材に伝わって超音波ホーンの振動安定性が低下し、部品の接合不良が生じてしまう。このような不都合を解消するには、超音波ホーンの固定部にスリットを形成し、固定部の弾性変形を許容して超音波ホーンから昇降部材に伝達される振動を遮断するようにすることが有効である（特許文献２）。
特開２００５−３４７５０５号公報 特開２００４−４００１４号公報

しかしながら、上記のように微小部位である固定部にスリットを形成する作業は困難であること、また固定部にスリットを形成すると固定部の剛性が低下するためにその補強が必要になることから超音波ホーン、ひいては部品接合装置の製造コストが高くなるという問題点があった。

そこで本発明は、長手方向寸法に対する幅方向寸法が比較的大きい超音波ホーンの振動安定性を良好に保ことができ、併せてコストの低減も図ることができる部品接合装置及び超音波ホーンを提供することを目的とする。

請求項１に記載の部品接合装置は、昇降自在な昇降部材と、昇降部材に固定された超音波ホーンとを有し、超音波ホーンの下面に設けられた接合作用部で部品を被接合面に押し付けながら超音波ホーンに振動を与えて部品を被接合面に接合する部品接合装置であって、超音波ホーンの幅方向の両側面に設けられて昇降部材に固定される複数の固定部が、前記幅方向に対向し、かつ接合作用部を超音波ホーンの長手方向に挟む位置に配設されており、前記超音波ホーンの前記幅方向に対向する固定部同士の間に前記長手方向に延びて弾性変形を許容する空間を形成することにより超音波ホーンの幅方向に発生する振動の振幅を小さくする溝状部が設けられている。

請求項２に記載の部品接合装置は、請求項１に記載の部品接合装置において前記溝状部は、超音波ホーンを上下方向に貫通する溝状の貫通穴若しくは超音波ホーンの上面及び下面の少なくとも一方に開口する溝状の凹部である。

請求項３に記載の部品接合装置は、請求項１又は２に記載の部品接合装置において、超音波ホーンは、前記溝状部を挟んで幅方向に並設された２つのヒータを備えている。

請求項４に記載の超音波ホーンは、部品接合装置において昇降自在な昇降部材に固定され、下面に設けられた接合作用部で部品を被接合面に押し付けながら部品接合装置から与えられる指令を受けて振動することにより部品を被接合面に接合する超音波ホーンであって、超音波ホーンの幅方向の両側面に設けられて昇降部材に固定される複数の固定部が、前記幅方向に対向し、かつ接合作用部を超音波ホーンの長手方向に挟む位置に配設されており、前記超音波ホーンの前記幅方向に対向する固定部同士の間に前記長手方向に延びて弾性変形を許容する空間を形成することにより超音波ホーンの幅方向に発生する振動の振幅を小さくする溝状部が設けられている。
請求項５に記載の超音波ホーンは、前記溝状部は、超音波ホーンを上下方向に貫通する溝状の貫通穴若しくは超音波ホーンの上面及び下面の少なくとも一方に開口する溝状の凹部である。
請求項６に記載の超音波ホーンは、超音波ホーンは、前記溝状部を挟んで幅方向に並設された２つのヒータを備えている。

本発明では、超音波ホーンの幅方向に対向する固定部同士の間に溝状部が設けられており、固定部同士の間には弾性変形を許容する空間が形成されるので、超音波ホーンの長手方向寸法に対する幅方向寸法が比較的大きい場合であっても、超音波ホーンの幅方向に発生する振動の振幅は極めて小さなものとなり、超音波ホーンの振動安定性は良好に保たれる。しかも、超音波ホーンの固定部同士の間に溝状部を設ける作業は微小部位である固定部にスリットを形成する作業よりも格段に容易であるうえ、固定部の剛性低下がなく補強が不要であるので、超音波ホーン、ひいては部品接合装置の製造コストの低減も図ることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の一実施の形態における部品接合装置の正面図、図２は本発明の一実施の形態における部品接合装置の部分正面図、図３は本発明の一実施の形態における超音波ホーンの下面図、図４は本発明の一実施の形態における超音波ホーンの部分断面正面図である。

図１において、部品接合装置１は上面に基板保持部２を有した位置決めテーブル３と、位置決めテーブル３の上方に備えられた接合機構４を有しており、接合機構４は昇降押圧機構５によって昇降自在な昇降部材６と、昇降部材６の下部に取り付けられた超音波ホーン７を備えている。超音波ホーン７は横長の棒状の部材であり、長手方向（図１の紙面と平行な左右方向）及び幅方向（図１の紙面に垂直な方向）が水平になるように昇降部材６に固定されている。

図１において、超音波ホーン７の下面７ａの長手方向の中央部には下方に突出した凸状部７ｂが形成されており、凸状部７ｂの下端には下面に接合作用面８ａを有した接合作用部材（接合作用部）８が設けられている。超音波ホーン７の長手方向の一端側（図１の紙面左側）には、超音波ホーン７の外部に設けられた振動子駆動部１０（図２）から指令を受けて駆動し、超音波ホーン７の長手方向に超音波振動を与える振動子９が取り付けられている。

図２において、超音波ホーン７の内部には吸引管路７ｃが設けられている。この吸引管
路７ｃの一端側は超音波ホーン７の上面７ｄの開口部（上面開口部７ｅ）に繋がっており、他端側は超音波ホーン７の凸状部７ｂ内を上下方向に延びて接合作用部材８の接合作用面８ａに開口した吸着口８ｂに繋がっている。更に、超音波ホーン７の上面開口部７ｅは超音波ホーン７の外部を延びた外部管路１３を介して真空吸引源１４に繋がっているので、真空吸引源１４を作動させて吸着口８ｂから空気を吸引することにより、接合作用面８ａに当接させた半導体チップ１２を接合作用面８ａに吸着保持することができる。

図３において、超音波ホーン７の幅方向の両側面７ｆには、昇降部材６に取り付けられる４つの固定部７ｇが外方に延びて設けられている。これら４つの固定部７ｇは超音波ホーン７の幅方向に対向し、かつ接合作用部材８を長手方向に挟む位置に配設されている。各固定部７ｇには超音波ホーン７の高さ方向（部品接合装置１の上下方向）に貫通したボルト穴７ｈが設けられており、このボルト穴７ｈを貫通して設けられるボルト（図示せず）によって超音波ホーン７は昇降部材６に固定される。

ここで、超音波ホーン７の長手方向に対向する２つの固定部７ｇは、超音波ホーン７を昇降部材６に固定（拘束）することによる振動の減衰を最小にするため、超音波ホーン７内に生じる定在波の半波長（Ｌ／２）分の距離をおいた隣接する節の位置に設けられている（図２）。従って、超音波ホーン７の長手方向に縦振動の共振状態を作り出すことができる適切な周波数の超音波振動を超音波ホーン７に与えることにより、その超音波振動の定在波の腹に位置する接合作用部材８を、超音波ホーン７の長手方向に大きな振幅で振動（揺動）させることができる。

図３において、超音波ホーン７の幅方向に対向する固定部７ｇ同士の間には、超音波ホーン７の長手方向に延びた溝状部７ｋが設けられている。この溝状部７ｋは、超音波ホーン７を上下方向に貫通する溝状の貫通穴である。

図３及び図４において、超音波ホーン７の内部には２つのヒータ挿入孔７ｍが超音波ホーン７の幅方向に並んで設けられている。これら２つのヒータ挿入孔７ｍは超音波ホーン７の長手方向に延びており、２つのヒータ挿入孔７ｍの間には上記の溝状部７ｋが配置されている。また、各ヒータ挿入孔７ｍの下方には熱電対挿入孔７ｎが超音波ホーン７の長手方向に延びて設けられている。

図４において、各ヒータ挿入孔７ｍにはヒータ１５が挿着されており、各熱電対挿入孔７ｎには熱電対１６が挿着されている。各ヒータ１５から延びたヒータ用リード線１７はヒータ挿入孔７ｍから超音波ホーン７の外部に延びており、各熱電対１６から延びた熱電対用リード線１８は熱電対挿入孔７ｎに挿着されたリード線固定部材１９を介して超音波ホーン７の外部に延びている。超音波ホーン７の外部に延びたヒータ用リード線１７と熱電対用リード線１８は、昇降部材６の側面にボルト２０で取り付けられたブラケット２１にクッション部材２２を介して保持され、加熱電源部２３に接続されている。

半導体チップ１２を基板１１の上面の被接合面１１ａに接合するには、基板１１を基板保持部２の上面に保持したうえで、超音波ホーン７の接合作用面８ａに半導体チップ１２を吸着保持させる。そして、昇降押圧機構５によって昇降部材６を（すなわち超音波ホーン７を）下降させ、半導体チップ１２の下面に形成された半田バンプ１２ａを基板１１の被接合面１１ａに押し付ける。この状態で加熱電源部２３からヒータ１５を作動させて超音波ホーン７を加熱し、超音波ホーン７に吸着保持した半導体チップ１２と基板１１の温度を上昇させて半田バンプ１２ａを溶融させつつ、振動子９を駆動して超音波ホーン７に超音波振動を与えると、超音波ホーン７の接合作用部材８は半導体チップ１２を吸着したまま超音波ホーン７の長手方向に振動（揺動）するので、半導体チップ１２には荷重と振動が同時に作用し、溶融した半田バンプ１２ａによって半導体チップ１２が基板１１の被
接合面１１ａに接合される。すなわち本部品接合装置１では、超音波ホーン７が部品接合装置１から与えられる指令を受けて振動することにより、部品である半導体チップ１２を被接合面１１ａに接合する。

ここで、本実施の形態における部品接合装置１では、超音波ホーン７の幅方向に対向する固定部７ｇ同士の間に溝状部７ｋが設けられており、固定部７ｇ同士の間には弾性変形を許容する空間が形成されるので、超音波ホーン７の長手方向寸法に対する幅方向寸法が比較的大きい場合であっても、超音波ホーン７の幅方向に発生する振動の振幅は極めて小さなものとなり、超音波ホーン７の振動安定性は良好に保たれる。しかも、超音波ホーン７の固定部７ｇ同士の間に溝状部７ｋを設ける作業は微小部位である固定部７ｇにスリットを形成する作業よりも格段に容易であるうえ、固定部７ｇの剛性低下がなく補強が不要であるので、超音波ホーン７、ひいては部品接合装置１の製造コストの低減も図ることができる。

また、本実施の形態における部品接合装置１では、２つのヒータ１５は溝状部７ｋを挟んで超音波ホーン７の幅方向に並設されており、２つのヒータ１５の間には溝状部７ｋによる空間が形成されているので、両ヒータ１５が超音波ホーン７に与える加熱の影響は互いに干渉しにくく、互いに独立した温度制御を行うことができる。

これまで本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上述の実施の形態に示したものに限定されない。例えば、上述の実施の形態では、超音波ホーン７に設けられる溝状部７ｋは超音波ホーン７を上下方向に貫通する溝状の貫通穴であったが、この溝状部７ｋは、超音波ホーン７の幅方向に対向する固定部７ｇ同士の間に設けられて超音波ホーン７の長手方向に延びるのであれば、超音波ホーン７の上面７ｄ及び下面７ａの少なくとも一方に開口する溝状の凹部等であってよい。このような構成であっても、溝状部７ｋが超音波ホーン７を上下方向に貫通する溝状の貫通穴である場合と同様に、固定部７ｇ同士の間に弾性変形を許容する空間が形成されて、超音波ホーン７の幅方向に発生する振動の振幅を極めて小さなものとし得るからである。

また、上述の実施の形態では、接合作用部材（接合作用部）８は超音波ホーン７に対して着脱自在な構成であったが、接合作用部材８は超音波ホーン７の下面７ａから下方に突出して半導体チップ１２（部品）を被接合面１１ａに押し付ける機能を有していればよく、必ずしも超音波ホーン７に着脱自在である必要はない。

長手方向寸法に対する幅方向寸法が比較的大きい超音波ホーンの振動安定性を良好に保つことができ、併せてコストの低減も図ることができる。

本発明の一実施の形態における部品接合装置の正面図 本発明の一実施の形態における部品接合装置の部分正面図 本発明の一実施の形態における超音波ホーンの下面図 本発明の一実施の形態における超音波ホーンの部分断面正面図

符号の説明

１ 部品接合装置
６ 昇降部材
７ 超音波ホーン
７ａ 下面
７ｄ 上面
７ｆ 側面
７ｇ 固定部
７ｋ 溝状部
８ 接合作用部材（接合作用部）
１１ａ 被接合面
１２ 半導体チップ（部品）
１５ ヒータ

Claims (6)

1. 昇降自在な昇降部材と、昇降部材に固定された超音波ホーンとを有し、超音波ホーンの下面に設けられた接合作用部で部品を被接合面に押し付けながら超音波ホーンに振動を与えて部品を被接合面に接合する部品接合装置であって、
   超音波ホーンの幅方向の両側面に設けられて昇降部材に固定される複数の固定部が、前記幅方向に対向し、かつ接合作用部を超音波ホーンの長手方向に挟む位置に配設されており、前記超音波ホーンの前記幅方向に対向する固定部同士の間に前記長手方向に延びて弾性変形を許容する空間を形成することにより超音波ホーンの幅方向に発生する振動の振幅を小さくする溝状部が設けられていることを特徴とする部品接合装置。
2. 前記溝状部は、超音波ホーンを上下方向に貫通する溝状の貫通穴若しくは超音波ホーンの上面及び下面の少なくとも一方に開口する溝状の凹部であることを特徴とする請求項１に記載の部品接合装置。
3. 超音波ホーンは、前記溝状部を挟んで幅方向に並設された２つのヒータを備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の部品接合装置。
4. 部品接合装置において昇降自在な昇降部材に固定され、下面に設けられた接合作用部で部品を被接合面に押し付けながら部品接合装置から与えられる指令を受けて振動することにより部品を被接合面に接合する超音波ホーンであって、
   超音波ホーンの幅方向の両側面に設けられて昇降部材に固定される複数の固定部が、前記幅方向に対向し、かつ接合作用部を超音波ホーンの長手方向に挟む位置に配設されており、前記超音波ホーンの前記幅方向に対向する固定部同士の間に前記長手方向に延びて弾性変形を許容する空間を形成することにより超音波ホーンの幅方向に発生する振動の振幅を小さくする溝状部が設けられていることを特徴とする超音波ホーン。
5. 前記溝状部は、超音波ホーンを上下方向に貫通する溝状の貫通穴若しくは超音波ホーンの上面及び下面の少なくとも一方に開口する溝状の凹部であることを特徴とする請求項４に記載の超音波ホーン。
6. 超音波ホーンは、前記溝状部を挟んで幅方向に並設された２つのヒータを備えていることを特徴とする請求項４又は５に記載の超音波ホーン。

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