(57)【要約】      （修正有）【課題】インサート材が位置ずれすることなく、被接合材と接合材とをインサート材を介して安定に超音波接合可能な超音波接合装置、超音波接合方法を提供する。併せて当該超音波接合装置による超音波接合構造、および当該超音波接合方法による半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】超音波接合装置は、固定台と、ホーン２と、排斥防止機構３とを備える。固定台は、被接合材１０１を固定する。ホーン２は、インサート材１０３を介して被接合材１０１に接合されるべき接合材１０２を押圧しながら超音波を発振する。排斥防止機構３は、インサート材１０３の少なくとも一部を、固定台を平面視したときの側方から挟み込むことが可能である。【選択図】図１４
2020161529.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被接合材を固定する固定台と、
インサート材を介して前記被接合材に接合されるべき接合材を押圧しながら超音波を発振するホーンと、
前記固定台上に載置可能な排斥防止機構とを備え、
前記排斥防止機構は、前記インサート材の少なくとも一部を、前記固定台を平面視したときの側方から挟み込むことが可能である、超音波接合装置。
【請求項２】
前記排斥防止機構は、前記接合材の少なくとも一部を、前記固定台を平面視したときの側方から挟み込むことが可能である、請求項１に記載の超音波接合装置。
【請求項３】
前記排斥防止機構が圧力センサを含み、
前記圧力センサに基準値以上の圧力が加わることにより前記排斥防止機構が停止される、請求項１または２に記載の超音波接合装置。
【請求項４】
前記排斥防止機構は、前記接合材を側方から挟持可能に対向する本体部と、前記接合材を側方から押圧可能な少なくとも１つのチャック機構とを含み、
前記圧力センサに基準値以上の圧力を加えると前記チャック機構が停止する、請求項３に記載の超音波接合装置。
【請求項５】
前記排斥防止機構は前記接合材の押さえ機構を含み、
前記圧力センサに基準値以上の圧力を加えると前記押さえ機構が検知可能である、請求項３または４に記載の超音波接合装置。
【請求項６】
前記排斥防止機構には温度モニター機構が取り付けられ、
前記温度モニター機構により得られたデータに基づいて前記ホーンによる超音波振動のなされる時間が制御され、
前記押さえ機構により得られたデータに基づいて前記ホーンの昇降の動作が制御される、請求項５に記載の超音波接合装置。
【請求項７】
前記排斥防止機構には集塵機構およびマーキング機構が取り付けられる、請求項１〜６のいずれか１項に記載の超音波接合装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の超音波接合装置を用いて、前記被接合材と前記接合材とが前記インサート材を介在して接合された超音波接合構造。
【請求項９】
被接合材と接合材との間にインサート材が介在するように配置する工程と、
前記インサート材が排斥防止治具に囲まれた状態で、前記接合材にホーンが押圧しながら超音波振動を与える工程とを備える、超音波接合方法。
【請求項１０】
前記排斥防止治具は、前記被接合材と前記接合材とが積層される方向に沿う第１部分と、前記接合材の主表面に沿う方向に延びる第２部分とを有する形状である、請求項９に記載の超音波接合方法。
【請求項１１】
前記超音波振動を与える工程は、
前記ホーンの押圧および前記超音波振動により前記被接合材および前記接合材の表面の酸化膜を除去する工程と、
前記超音波振動によって前記被接合材および前記接合材に発生する摩擦熱により前記インサート材を溶融する工程とを含み、
前記除去する工程および前記溶融する工程は、前記ホーンを可変の周波数および振幅で振動させることにより、一括および段階的のいずれかの方法でなされる、請求項９または１０に記載の超音波振動方法。
【請求項１２】
前記インサート材は、前記超音波振動を与える工程の前において厚み０．０５ｍｍ以上０．２ｍｍ以下であり、前記超音波振動を与える工程の前に表面活性処理がなされる、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の超音波接合方法。
【請求項１３】
前記被接合材、前記接合材および前記インサート材を準備する工程と、
請求項９〜１２のいずれか１項に記載の超音波接合方法を用いて前記被接合材と前記接合材とを前記インサート材により接合する工程とを備え、
前記被接合材は絶縁性の基板を含み、
前記接合材は半導体素子に電気的に接続されている、半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波接合装置、超音波接合構造、超音波接合方法および半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の金属端子などを重ね合わせ、それらを超音波振動によって接合する超音波接合装置、およびそのような装置を用いた超音波接合方法が、従来から提案されている。特に、上記の超音波接合方法においては、被接合材に過剰な負荷が加わることによる被接合材の損傷の発生を最小限にとどめるために、以下のような対策が考えられてきた。
【０００３】
たとえば特開平１０−５０７５８号公報（特許文献１）には、アルミニウムと他の金属との超音波接合方法が開示されている。特開平１０−５０７５８号公報では、２つの部材の接合界面にはクッション材の役割を有する柔らかい低融点金属が予め配置される。２つの部材に加熱と荷重と超音波とが加わることで、低融点金属は溶融排出され、２つの部材が接合される。
【０００４】
また特開２０１０−４０７１４号公報（特許文献２）に開示の技術においては、主成分を銅とする接合材と被接合材との間にスズを主成分とするスズ層が挟まれる。この状態で被接合材に対して接合材が圧接される。これにより、被接合材材に対して接合部材が、十分に大きい接合面積で接合される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−５０７５８号公報
【特許文献２】特開２０１０−４０７１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
接合材と被接合材との間にインサート材が挟まれた３層以上の積層接合構造を得るために、超音波振動を与えるホーンの荷重および超音波振動のみを調整することにより、被接合材の損傷を防ぐ技術においては、以下の課題が生じる。仮に超音波接合時にインサート材が被接合材と接合材のいずれにも固定されなければ、超音波振動により被接合材と接合材との間からインサート材が滑り出す。つまり超音波接合の際に、インサート材が本来配置されるべき位置からすり抜けたり位置ずれしたりする可能性がある。このようにインサート材の配置される位置が意図せず変わってしまえば、接合作業が安定に行なえないことにより、インサート材による被接合材と接合材との十分な強度の接合ができない場合がある。
【０００７】
本発明は以上の課題に鑑みなされたものである。その目的は、インサート材が位置ずれすることなく、被接合材と接合材とをインサート材を介して安定に超音波接合可能な超音波接合装置、超音波接合方法を提供することである。併せて当該超音波接合装置による超音波接合構造、および当該超音波接合方法による半導体装置の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示に従った超音波接合装置は、固定台と、ホーンと、排斥防止機構とを備える。固定台は被接合材を固定する。ホーンはインサート材を介して被接合材に接合されるべき接合材を押圧しながら超音波を発振する。排斥防止機構は、インサート材の少なくとも一部を、固定台１を平面視したときの側方から挟み込むことが可能である。
【０００９】
本開示に従った超音波接合方法は、被接合材と接合材との間にインサート材が介在するように配置される。インサート材が排斥防止治具に囲まれた状態で、接合材にホーンが押圧しながら超音波振動を与えられる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、インサート材が取り囲まれた状態で被接合材と接合材とが接合される。このためインサート材が位置ずれすることなく、被接合材と接合材とをインサート材を介して安定に超音波接合可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１での被接合材の構成を示す概略側面図である。
【図２】実施の形態１での接合材の一部の構成を示す概略図である。
【図３】図１の被接合材および図２の接合材が超音波接合された態様を示す概略側面図である。
【図４】実施の形態１に係る超音波接合装置の構成を示す概略図である。
【図５】図４の超音波接合装置に超音波接合すべき対象物が設置された状態を示す概略図である。
【図６】実施の形態１の超音波接合方法の第１工程を示す概略図である。
【図７】実施の形態１の超音波接合方法の第２工程を示す概略図である。
【図８】実施の形態１の超音波接合方法の第３工程を示す概略図である。
【図９】実施の形態１の超音波接合方法の第４工程を示す概略図である。
【図１０】実施の形態２に係る超音波接合装置の構成を示す概略図である。
【図１１】図１０に示す超音波接合装置の一部の領域を拡大し、その構成を詳細に示す概略図である。
【図１２】図１１の超音波接合装置に超音波接合すべき対象物が設置された状態を示す概略図である。
【図１３】図１２の状態の後に、排斥防止機構が下降した状態を示す概略図である。
【図１４】実施の形態２の超音波接合方法の第１工程を示す概略図である。
【図１５】実施の形態２の超音波接合方法の第２工程を示す概略図である。
【図１６】実施の形態３に係る超音波接合装置の構成を示す概略図である。
【図１７】図１６に示す超音波接合装置の一部の領域を拡大し、その構成を詳細に示す概略図である。
【図１８】実施の形態３における、図１７に示す排斥防止機構の変形例を示す概略側面図である。
【図１９】実施の形態３の超音波接合方法の第１工程を示す概略図である。
【図２０】実施の形態３の超音波接合方法の第２工程を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本実施の形態について図に基づいて説明する。なお説明の便宜のためＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向が導入されている。
【００１３】
実施の形態１．
実施の形態１は、主に超音波接合装置を用いた超音波接合方法に関するものである。具体的には、当該超音波接合方法においては、被接合材と接合材との間に、両者を接合するインサート材が介在するように配置される。インサート材が治具に囲まれた状態で、接合材に超音波振動が与えられる。当該超音波振動の際には接合材にはホーンにより圧力が加えられる。これらの超音波振動および圧力により、被接合材と接合材とがインサート材で接合される。実施の形態１は、インサート材が治具に囲まれた状態で超音波接合がなされる方法に関するものである。
【００１４】
図１は、実施の形態１での被接合材の構成を示す概略側面図である。図２は、実施の形態１での接合材の一部の構成を示す概略図である。ここでは上側に側面図を、下側に底面図を示している。図３は、図１の被接合材および図２の接合材が超音波接合された態様を示す概略側面図である。図１を参照して、被接合材１０１は、たとえば基板１０１ａと、パターン１０１ｂ，１０１ｃとを有している。基板１０１ａは絶縁性を有する平板形状の部材である。具体的には基板１０１ａはセラミックス材料からなることが好ましい。パターン１０１ｂは基板１０１ａの一方すなわちたとえば上側の主表面上に形成された導電性の薄膜部材である。パターン１０１ｃは基板１０１ａの他方すなわちたとえば下側の主表面上に形成された導電性の薄膜部材である。具体的にはパターン１０１ｂ，１０１ｃは銅またはアルミニウムからなることが好ましい。
【００１５】
図２および図３を参照して、接合材１０２は、たとえば超音波接合構造１００の端子として、被接合材１０１の上にインサート材１０３により接合される部材である。インサート材１０３は、亜鉛とアルミニウムとの合金、または亜鉛の単体からなることが好ましい。図２においては接合材１０２の一部、特に接合材１０２のうち被接合材１０１に接合される領域に隣接する領域のみに絞って図示されている。接合材１０２はインサート材１０３を挟むためにインサート材１０３に接触する接合底面１０２ａを有している。この接合底面１０２ａがインサート材１０３を挟んで被接合材１０１に対向するように配置される。そして接合底面１０２ａの真上から加圧されるとともに超音波振動が加えられる。するとたとえば接合底面１０２ａが塑性変形され凹部１０２ｂが形成される。図示されないが被接合材１０１のパターン１０１ｂの表面およびインサート材１０３の表面も塑性変形される。この塑性変形およびそれに伴う凝着を利用して、被接合材１０１と接合材１０２とが、インサート材１０３を介在するように接合される。このとき各部材は、インサート材１０３が多少溶融するものの、全体としては固相状態で接合される。これにより超音波接合構造１００が得られる。この接合時に、インサート材１０３の周囲には、図３には示されないが治具が配置される。これについては後述する。
【００１６】
なお接合材１０２は半導体素子１０４に電気的に接続されていてもよい。この場合には、本実施の形態の超音波接合方法により超音波接合構造１００を含む半導体装置が得られる。
【００１７】
次に図４〜図５を用いて、本実施の形態の超音波接合方法に用いられる超音波接合装置の構成について説明する。
【００１８】
図４は、実施の形態１に係る超音波接合装置の構成を示す概略図である。なお図４においては説明の便宜上、Ｚ方向上方からＸＹ平面に沿う態様を平面視した平面図（Ａ）と、（Ａ）の左側から見た側面態様を示した側面図（Ｂ）と、（Ａ）の下側から見た側面態様を示した側面図（Ｃ）とを示している。このことは以降の各図においても同様である。
【００１９】
図４を参照して、実施の形態１の超音波接合装置１０００（以下「装置１０００」と略すこともある）は、固定台１と、ホーン２とを有している。固定台１はＸＹ平面に沿うように主表面を有する平板形状の部材である。固定台１の平面形状は図４（Ａ）においては矩形であるがこれに限られない。固定台１は支柱５により、装置１０００の最下部に固定されるよう支持されている。固定台１は、超音波接合工程の際に被接合材１０１をその上に載置して固定する。装置１０００の最下部には支柱可動領域６が形成されている。支柱可動領域６はたとえば装置１０００の最下部を構成する面に形成された凹部として存在する。これにより当該凹部内において支柱５がＸ方向またはＹ方向に移動可能である。このような構成により、固定台１の位置が調整可能である。また固定台１は支柱５周りに回転することができる。
【００２０】
ホーン２はＺ方向に沿って延びている。ホーン２のＺ方向の真上には、超音波発振器８が固定されている。このためホーン２は、固定台１上に設置された接合材１０２を押圧しながら超音波を発振する。超音波発振器８のＹ方向正側にはＹ方向に沿って延在する棒状の上下可動部９が固定されている。装置１０００のたとえばＹ方向正側の端部には位置決め機構１１が、たとえばＺＸ平面に沿う壁状となるように配置されている。位置決め機構１１にはホーン可動領域１２が形成されている。ホーン可動領域１２はたとえば位置決め機構１１に形成された凹部として存在する。ホーン可動領域１２はＺ方向に沿って延在し、Ｘ方向について上下可動部９の一方の端部を挿入可能な程度の幅を有している。上下可動部９の一方の端部がホーン可動領域１２内に嵌挿されている。ホーン可動領域１２内を上下可動部９がＺ方向に移動可能である。このような構成により、ホーン可動領域１２のＺ方向に延びる範囲に応じて、ホーン２のＺ方向位置が調整可能である。
【００２１】
図５は、図４の超音波接合装置に超音波接合すべき対象物が設置された状態を示す概略図である。図５を参照して、図４の装置１０００を用いて超音波接合されることにより超音波接合構造１００を構成する部材が、たとえば図３と同様の超音波接合構造１００の配置となるように、固定台１の上面に載置され固定されている。超音波接合構造１００は、その上に接合がなされる被接合材１０１と、被接合材１０１に接合する対象物である接合材１０２と、両者の間に介在し両者を接合するインサート材１０３とを有している。
【００２２】
なお図２および図３での接合材１０２は、図５（Ｂ）の接合材１０２の左側すなわちＹ方向正側の一部の領域を抜き取って示されたものである。また図５（Ｂ），（Ｃ）における被接合材１０１は、本来は図１および図３に示す構成を有する部材である。ただし図５においては簡略化のため、被接合材１０１は上記の基板とパターンとを区別せずこれらを総括して示されている。被接合材１０１はたとえば矩形の平面形状を有している平板状の部材である。たとえば矩形の平面形状を有する固定台１の外縁の内側に収まる大きさを有する、矩形状の被接合材１０１が載置される。
【００２３】
接合材１０２は、たとえば超音波接合構造１００の端子として、被接合材１０１の上にインサート材１０３により接合される部材である。図５（Ａ）に示すように、接合材１０２は、Ｘ方向に間隔をあけて配置されＹ方向に延びる部分を３つ有している。接合材１０２はまた、これらのＹ方向に延びる部分のＹ方向の中央部を横切るようにＸ方向に延びる部分を１つ有している。ただし上記の各部分の数はこれに限らず任意である。図５（Ｂ），（Ｃ）において、接合材１０２のうち３つのＹ方向に延びる部分のそれぞれは、Ｙ方向の一方の端部および他方の端部において被接合材１０１に接合するためＺ方向の位置が低くなっている。ただし図５（Ｂ），（Ｃ）において、接合材１０２のうち３つのＹ方向に延びる部分のそれぞれは、Ｙ方向の一方の端部および他方の端部の間の領域は、一方の端部および他方の端部に比べてＺ方向の上方に配置される。このような態様とするため、一部の領域において接合材１０２は、Ｚ方向に沿って延びている。また接合材１０２のうちＸ方向に延びる部分も、Ｙ方向に延びる一方の端部および他方の端部の間の領域と同様に、Ｙ方向の一方の端部および他方の端部に比べてＺ方向の上方に配置される。ただしこのような接合材１０２の態様もはあくまで一例でありこれに限られない。
【００２４】
超音波接合装置１０００には固定具１４が備えられていることが好ましい。固定具１４は、固定台１上に被接合材１０１としての基材を位置決めし固定する。併せて固定具１４は、接合直前の接合材１０２の被接合材１０１上における配置されるべき位置を決めて固定する。すなわち固定具１４は、固定台１上での被接合材１０１の位置決め固定、および被接合材１０１上での接合材１０２の位置決め固定の双方の役割を有する。このような固定具１４を備えれば、たとえば被接合材１０１の位置決め手段と接合材１０２の位置決め手段とが別個に存在する場合に比べて、装置を簡略化できる。固定具１４は、固定台１上における被接合材１０１の位置を決めて固定するクランプ部を有することが好ましい。また固定具１４は、被接合材１０１上における接合材１０２の位置を決めて固定する部分であるたとえばクランプ部を有することが好ましい。
【００２５】
ただし固定台１上への被接合材１０１などの固定手段は上記の固定具１４に限られない。たとえば当該固定手段として、固定具１４の代わりに、電磁チャックまたはトグルクランプなどが用いられてもよい。電磁チャックまたはトグルクランプなどは超音波振動を与えられても被接合材１０１を固定台１上に固定可能である。また電磁チャックまたはトグルクランプなどは、超音波接合時にホーン２などの各部材と干渉しないように被接合材１０１などを固定することができる。さらに上記固定手段としては、電磁チャックまたはトグルクランプ以外にも、上記のように被接合材１０１を固定台１上に固定可能な任意の手段が用いられる。
【００２６】
超音波接合装置１０００には排斥防止治具１５が配置されている。排斥防止治具１５は、被接合材１０１と接合材１０２との間に挟まれたインサート材１０３が、超音波振動時に被接合材１０１と接合材１０２との間から滑り出す不具合を抑制するための部材である。具体的には、排斥防止治具１５は、平面視においてインサート材１０３を取り囲むように配置される。これについては後述する。
【００２７】
次に、図６〜図９、および必要に応じて図５を用いて、本実施の形態の超音波接合方法について説明する。図６は、実施の形態１の超音波接合方法の第１工程を示す概略図である。図６を参照して、たとえば図５に示す構成を有する装置１０００の固定台１の上に、被接合材１０１、インサート材１０３、接合材１０２がこの順に積まれるように配置される。すなわち固定台１上には、被接合材１０１のパターン１０１ｂ上にインサート材１０３が配置され、その上に接合材１０２が配置される。なお図６〜図８においては装置１０００は、ホーン２を除き図示省略されている。
【００２８】
より正確には、図５（Ａ）〜（Ｃ）に示す態様となるように各部材が配置される。そして固定具１４により、固定台１上での被接合材１０１の位置、および被接合材１０１上での接合材１０２の位置が固定される。この結果、被接合材１０１と接合材１０２との間に、両者を接合するインサート材１０３が介在するように配置される。
【００２９】
図７は、実施の形態１の超音波接合方法の第２工程を示す概略図である。図７を参照して、インサート材１０３を囲む排斥防止治具１５が取り付けられる。排斥防止治具１５は、被接合材１０１の表面上に取り付けられる。排斥防止治具１５は、ステンレス鋼またはアルミニウムからなることが好ましい。あるいは排斥防止治具１５はカーボンにより形成されてもよい。このようにすれば、たとえ超音波接合工程においてインサート材１０３が溶融してもそれが排斥防止治具１５の表面に付着し固着することが抑制される。またアルミニウムおよびカーボンは耐熱性が高いためそのことによる効果も得られる。図７（Ａ）に示すように、たとえばインサート材１０３を介して被接合材１０１に接合されるべき接合材１０２の部分がＹ方向に長く延びる矩形状であり、インサート材１０３も同様の平面形状を有する場合を考える。排斥防止治具１５は、インサート材１０３のＹ方向に延びる部分と、それに繋がるＸ方向に延びる部分との双方を外側から囲むような、たとえばＬ字型の平面形状を有することが好ましい。図７（Ａ）では、インサート材１０３の左下の角部を形成する２つの縁部、すなわち左側にありＹ方向に延びる部分と下側にありＸ方向に延びる部分との双方の外側に、Ｌ字型の排斥防止治具１５が配置される。また図７（Ａ）では、インサート材１０３の右上の角部を形成する２つの縁部、すなわち右側にありＹ方向に延びる部分と上側にありＸ方向に延びる部分との双方の外側にも、Ｌ字型の排斥防止治具１５が配置される。
【００３０】
このように２つのＬ字型の排斥防止治具１５がインサート材１０３に対して対角線状に対向するように配置される。これにより、矩形状のインサート材１０３の４つの縁部のすべての外側に排斥防止治具１５が配置されている。このためインサート材１０３は平面視における四方全てが排斥防止治具１５に囲まれた状態となっている。ただしこのような態様に限らず、たとえば直線状に延びる排斥防止治具１５が、矩形状のインサート材１０３の４つの縁部のすべてに１つずつ合計４つ、配置されてもよい。またインサート材１０３のＹ方向に延びる縁部の一部、すなわち図７（Ａ）の左上および右下の縁部に隣接する領域にはインサート材１０３が配置されないが、このような構成であってもよい。
【００３１】
図７（Ａ）に示すように、インサート材１０３は接合材１０２よりも平面視でのサイズが大きいことが好ましいが、このような態様に限られない。また図７（Ｃ）に示すように、排斥防止治具１５は、第１部分１５Ａと第２部分１５Ｂとを有する側面形状であることが好ましい。第１部分１５Ａは、被接合材１０１と接合材１０２とが積層されるＺ方向に沿うように延びる部分である。第１部分１５Ａの最下部は被接合材１０１の表面上に接触するように載置される。第２部分１５Ｂは、接合材１０２の主表面に沿うＸＹ平面に沿うように延びる部分である。第２部分１５Ｂは、第１部分１５ＡのＺ方向の最上部にて屈曲することで、そこからＸＹ平面に沿うように延びている。したがって第２部分１５Ｂは被接合材１０１の表面上に接触せずそこから上方に浮くように配置されている。
【００３２】
このような形状を有することにより、排斥防止治具１５はインサート材１０３と接触しないように、かつインサート材１０３になるべく近い位置に設置することができる。これにより、接合時におけるインサート材１０３の排斥防止治具１５への固着、および接合時のインサート材１０３などの部材の超音波振動の妨害などの不具合の発生を抑制できる。ただし排斥防止治具１５は、その延びる方向についての少なくとも一部が、インサート材１０３が固着しない程度に、インサート材１０３と接触するように配置されていてもよい。
【００３３】
第１部分１５Ａの最上部から第２部分１５Ｂが、インサート材１０３の内側に向けて延びるように屈曲していることが好ましい。すなわち図７（Ｃ）に示す方向から見た排斥防止治具１５はＬ字型を有することが好ましい。このようにすれば、第２部分１５Ｂの少なくとも一部が、平面視にてインサート材１０３と重なるように配置される。このためインサート材１０３をその平面視の外側のみならず、その真上にて囲むこともできる。
【００３４】
なお図７の示す段階においてはまだ超音波接合はなされていない。このためホーン２は接合材１０２に対してＺ方向の上方に離れた状態となっている。
【００３５】
図８は、実施の形態１の超音波接合方法の第３工程を示す概略図である。図８を参照して、図７のようにインサート材１０３が排斥防止治具１５に囲まれた状態を維持しながら、ホーン２が下降する。具体的には、ホーン可動領域１２内を上下可動部９がＺ方向に移動する。これにより上下可動部９に固定されたホーン２がＺ方向下方に移動し、ホーン２の真下にある接合材１０２の上に載置される。ホーン２が下降し接触する接合材１０２の部分は、その下にインサート材１０３を介して被接合材１０１が接触する位置であることがより好ましい。
【００３６】
接合材１０２に接触するように載置されたホーン２は、接合材１０２に下向きの荷重を加えながら超音波振動を与える。これにより、接合材１０２の下のインサート材１０３にも荷重および超音波振動が加わる。するとインサート材１０３には超音波振動で滑って動き出すことができる程度の運動エネルギが与えらえる。しかしインサート材１０３は排斥防止治具１５に囲まれた状態で、ホーン２が押圧しながら接合材１０２に与える超音波振動が伝えられる。このためインサート材１０３はたとえ多少動いても、少なくともその位置は平面視において排斥防止治具１５に囲まれた領域の内部に収まった状態が維持される。したがってインサート材１０３はたとえ多少動いたとしても、少なくとも被接合材１０１と接合材１０２との間に配置された状態が維持されやすくなる。
【００３７】
上記のホーン２による荷重および超音波振動により、被接合材１０１と接合材１０２とが、インサート材１０３を介するように接合される。具体的には、被接合材１０１とインサート材１０３とが接触する面同士がまず接合され、その後インサート材１０３と接合材１０２とが接触する面同士が接合される。
【００３８】
本実施の形態においては、インサート材１０３は被接合材１０１および接合材１０２よりも柔らかい材料が用いられる。このため平面視においてインサート材１０３が接合材１０２に対して外側にはみ出す部分を有する場合、ホーン２からの圧力および超音波エネルギの印加により、インサート材１０３は接合材１０２との接触部においてＺ方向に圧縮される。これによりインサート材１０３と接合材１０２との境界部は、Ｚ座標位置がばらつくように段差が生じる。一方、インサート材１０３はその全面が被接合材１０１と接触するため、インサート材１０３と接合材１０２との境界部は、その全体においてＺ座標位置がほぼ等しくなり段差が生じない。このためインサート材１０３はその一部の接合材１０２に対してはみ出た部分がたとえば接合材１０２の表面を包むように配置され、インサート材１０３と接合材１０２とが一体となる。まずこれらの一体となったインサート材１０３と接合材１０２とがホーン２からの超音波エネルギにより一体で動き出す。この一体として動き出したインサート材１０３および接合材１０２が被接合材１０１の表面を擦る。このため被接合材１０１とインサート材１０３との接触部がまず接合される。いったんインサート材１０３と被接合材１０１とが接合されると、インサート材１０３と接合材１０２との界面に滑りが生じる。この状態でホーン２が接合材１０２に超音波振動を与え続けることにより、インサート材１０３が接合材１０２に対し擦られるように相対運動する。このためインサート材１０３と接合材１０２との接触部が接合される。以上のように本実施の形態では、インサート材１０３に接する各部材間の接合される順序が明確に決まる。これにより超音波接合構造１００を構成する被接合材１０１、接合材１０２およびインサート材１０３間の接合の安定性が高まる。
【００３９】
なお上記の理論とは別に、インサート材１０３に対する各部材の接合の順序は、たとえば被接合材１０１、接合材１０２およびインサート材１０３のそれぞれの表面の粗面化により制御できる。具体的には、たとえばインサート材１０３の表面のうち被接合材１０１と接合する部分を、インサート材１０３の表面のうち接合材１０２と接合する部分よりも粗くしてもよい。このようにすれば、インサート材１０３と被接合材１０１との接触部における摩擦が、インサート材１０３と接合材１０２との接触部における摩擦よりも大きくなる。このためインサート材１０３と被接合材１０１との接触部が、インサート材１０３と接合材１０２との接触部よりも優先的に接合が進行する。
【００４０】
図９は、実施の形態１の超音波接合方法の第４工程を示す概略図である。図９を参照して、被接合材１０１と接合材１０２とがインサート材１０３を介して超音波接合された後、排斥防止治具１５が被接合材１０１の表面上から取り外される。また被接合材１０１などが接合されて得られた超音波接合構造１００、または超音波接合構造１００に半導体素子１０４（図３参照）を含む半導体装置が、装置１０００から取り外される。
【００４１】
次に、本実施の形態の背景となる課題について説明したうえで、本実施の形態の作用効果について説明する。
【００４２】
超音波振動を発するホーンを用いた一般的な超音波接合工程における課題は以下の通りである。たとえば被接合材と接合材とがインサート材を挟んで接合される場合、インサート材は当初、被接合材との接触部と、接合材との接触部との２つの接触部を有する。このため接合プロセス中にインサート材と被接合材との間と、インサート材と接合材との間との２か所にて接合される必要がある。ところが一般的な超音波接合工程の初期の段階では、たとえば上記の図６のように、インサート材１０３と被接合材１０１との間、およびインサート材１０３と接合材１０２との間はいずれも単に接触されているだけであり、何ら接着されていない状態である。
【００４３】
一般的な超音波接合工程においても、被接合材１０１および接合材１０２は、たとえば装置１０００に設置される際に、本実施の形態の装置１０００における固定具１４と同等の部材により、その位置が固定される。しかしインサート材１０３は、一般的な超音波接合工程によれば、その位置が固定されることなく単に被接合材１０１および接合材１０２に挟まれただけの状態とされる。この状態であってもインサート材１０３は、超音波接合工程において、加えられる圧力および超音波エネルギにより塑性変形するほどの運動エネルギを受ける。したがってインサート材１０３は、運動エネルギを受けることにより、その全体が被接合材１０１と接合材１０２との間からすり抜けるおそれがある。またインサート材１０３は、被接合材１０１と接合材１０２との間にて本来配置されるべき位置に対し位置ずれする恐れがある。このようなインサート材１０３のすり抜けまたは位置ずれは、正常な接合が行なえなくなる要因となる。
【００４４】
しかし上記の課題を回避するために、たとえばインサート材を被接合材および接合材のいずれかに固定すれば、以下の問題が生じ得る。たとえばインサート材と、インサート材に固定された被接合材および接合材のいずれかの表面において、超音波振動のエネルギを加えても、そのエネルギに寄る部材間の擦り合わせが不十分になる。その結果、その固定された接触面間の超音波接合の強度が不十分になる可能性がある。このため超音波接合工程前にインサート材を被接合材および接合材のいずれかに固定することは好ましくない。
【００４５】
そこで本実施の形態の超音波接合方法においては、被接合材１０１と接合材１０２との間にインサート材１０３が介在するように配置される。インサート材１０３が排斥防止治具１５に囲まれた状態で、接合材１０２にホーン２が押圧しながら超音波振動が与えられる。
【００４６】
このようにすれば、たとえば平面視において接合材１０２に対し部分的にはみ出したインサート材１０３が外側にすり抜けたり位置ずれしたりする可能性を低減できる。排斥防止治具１５が被接合材１０１と接合材１０２との間から外側に動こうとするインサート材１０３を動けないようブロックするためである。したがってインサート材１０３をなるべく本来配置されるべき位置に近い位置に配置した状態で、超音波接合を行なうことができる。このため超音波接合後の被接合材１０１と接合材１０２との接合の安定性を高めることができる。
【００４７】
上記超音波接合方法に用いられる排斥防止治具１５は、被接合材１０１と接合材１０２とが積層されるＺ方向に沿う第１部分１５Ａと、接合材１０２の主表面すなわちＸＹ平面に沿う方向に延びる第２部分１５Ｂとを有する形状であることが好ましい。これにより、第１部分１５Ａのブロックによりインサート材１０３の接合材１０２の外側へのすり抜けまたは位置ずれを抑制できるのみならず、第２部分１５Ｂによりインサート材１０３の接合材１０２の上側への位置ずれ等が抑制できる。
【００４８】
実施の形態２．
実施の形態２は、主に超音波接合装置の構成上の特徴に関するものである。具体的には、当該超音波接合装置は、排斥防止機構を備えている。実施の形態２は、インサート材などを囲む排斥防止機構を備える超音波接合装置に関するものである。
【００４９】
図１０は、実施の形態２に係る超音波接合装置の構成を示す概略図である。図１０を参照して、実施の形態２の超音波接合装置２０００（以下「装置２０００」と略すこともある）は、大筋で実施の形態１の装置１０００と同様の構成を有している。このため装置２０００について装置１０００と同一の構成要素には同一の符号を付しその説明を繰り返さない。ただし装置２０００は、排斥防止機構３を有している点において装置１０００と異なっている。次に図１１〜図１３を用いて、本実施の形態の超音波接合方法に用いられる超音波接合装置の構成について説明する。
【００５０】
図１１は、図１０に示す超音波接合装置の一部の領域を拡大し、その構成を詳細に示す概略図である。なお図１１（Ａ）は、図１０（Ａ）中における点線で囲まれた領域ＸＩＡの、超音波発振器８の真下の領域に配置される排斥防止機構３などの平面視における態様を示している。図１１（Ｂ）は、図１０（Ｂ）中における点線で囲まれた領域ＸＩＢの、排斥防止機構３の態様を示している。図１１（Ｃ）は、図１１（Ｂ）中における点線で囲まれた領域ＸＩＣの、排斥防止機構３の態様を示している。
【００５１】
図１０および図１１を参照して、排斥防止機構３は、Ｙ方向に沿って延在する棒状の本体部３ｃを２つ含んでいる。また装置２０００においては、位置決め機構１１に機構可動領域４が２つ形成されている。機構可動領域４はホーン可動領域１２と同様に、位置決め機構１１に形成された凹部として存在する。２つの機構可動領域４はＺ方向に沿って延在し、Ｘ方向についてホーン可動領域１２の左側および右側に１つずつ形成されている。ただし機構可動領域４はＺ方向についてホーン可動領域１２よりも下側に形成されている。このため図１０においては１対の機構可動領域４は、Ｘ方向についてホーン可動領域１２と並ばないように配置されている。ただしたとえばホーン可動領域１２の最下部と１対の機構可動領域４の最上部とがＸ方向に互いに間隔をあけて並ぶ配列であってもよい。１対の機構可動領域４のそれぞれは、Ｘ方向について排斥防止機構３の１対の本体部３ｃのうち一方または他方を挿入可能な程度の幅を有している。１対の本体部３ｃのそれぞれが、１対の機構可動領域４のそれぞれの内部に１本ずつ嵌挿されている。このため１対の本体部３ｃはＸ方向に間隔をあけて並んでいる。１対の機構可動領域４内を１対の本体部３ｃのそれぞれがＺ方向に移動可能である。このような構成により、機構可動領域４のＺ方向に延びる範囲に応じて、１対の機構可動領域４のＺ方向位置が調整可能である。機構可動領域４は、少なくとも固定台１上に排斥防止機構３を載置可能な程度にＺ方向の下方まで延びていることが好ましい。
【００５２】
図１１に示すように、排斥防止機構３は、本体部３ｃの他に、１対のチャック機構３ａを含んでいる。１対のチャック機構３ａのうち一方はＸ方向の左側の本体部３ｃに取り付けられることにより、排斥防止機構３に含まれるように形成されている。１対のチャック機構３ａのうち他方はＸ方向の右側の本体部３ｃに取り付けられることにより、排斥防止機構３に含まれるように形成されている。これらの１対のチャック機構３ａはいずれも、Ｙ方向について本体部３ｃの機構可動領域４に嵌挿された側と反対側の端部に比較的近い領域に配置されている。１対のチャック機構３ａのそれぞれは、本体部３ｃから、互いに対向する本体部３ｃの配置される側に向かって延びるように配置されている。チャック機構３ａは、排斥防止機構３の本体部３ｃのうちＺ方向の下側の領域からＸ方向に沿って延び、ＸＹ平面に沿う配置となるように取り付けられることがより好ましい。
【００５３】
１対のチャック機構３ａは、１対の本体部３ｃに取り付けられている。１対のチャック機構３ａのそれぞれは、排斥防止機構３内において本体部３ｃの延びるＹ方向に沿って移動可能となっている。また１対の本体部３ｃのそれぞれＹ方向負側の端部には、本体部３ｃからＸ方向に突出するように突起部３ｂが形成されている。具体的には、１対の突起部３ｂのそれぞれは、本体部３ｃから、互いに対向する本体部３ｃの配置される側に向かって延びるように配置されている。排斥防止機構３を構成する本体部３ｃ、チャック機構３ａおよび突起部３ｂはいずれも排斥防止治具１５と同様に、ステンレス鋼、アルミニウムまたはカーボンにより構成されることが好ましい。
【００５４】
チャック機構３ａは、それぞれの本体部３ｃに１つずつ、図１１に示される位置のみに配置されてもよい。この場合、チャック機構３ａが排斥防止機構３内をＹ方向に動くことにより、突起部３ｂとのＹ方向の距離が可変である。ただしチャック機構３ａは、たとえば図１１の左側の本体部３ｃにおいて、図１１に示される位置と、突起部３ｂの位置とに配置されてもよい。この場合、チャック機構３ａは、１つの本体部３ｃに対して２か所に取り付けられ、それらのＹ方向の間隔が可変である。このように排斥防止機構３は、１つのチャック機構３ａとしての位置を変更可能な部材と、位置が固定された突起部３ｂとの間で、Ｙ方向の間隔を調整する構成であってもよい。あるいは排斥防止機構３は、各本体部３ｃにおいて、チャック機構３ａの位置と突起部３ｂの位置とに対として配置され、当該対として配置される機構のＹ方向の間隔を調整する構成であってもよい。いずれにせよ、排斥防止機構３においては、それに含まれる部分間のＹ方向の距離を調整する機構として、チャック機構の代わりに、板バネ部材または油圧シリンダが用いられてもよい。
【００５５】
さらに図示されないが、排斥防止機構３は本体部３ｃの代わりに追加のチャック機構が設けられることで、Ｘ方向およびＹ方向の双方についての間隔を可変とする構成であってもよい。あるいは排斥防止機構３は実施の形態１の排斥防止治具１５と同様に２つのＬ字型の平面形状を有する部材が対角線状に対向する配置であり、その少なくともいずれかがチャック機構のような対向する部材との距離を可変とする構成であってもよい。
【００５６】
図１２は、図１１の超音波接合装置に超音波接合すべき対象物が設置された状態を示す概略図である。図１２を参照して、図１０に示す装置２０００の固定台１の上に、実施の形態１の装置１０００（図５参照）と同様に、超音波接合構造１００を構成すべき被接合材１０１と接合材１０２とインサート材１０３とが配置される。
【００５７】
図１３は、図１２の状態の後に、排斥防止機構が下降した状態を示す概略図である。図１３を参照して、被接合材１０１、接合材１０２およびインサート材１０３が設置された状態を維持しながら、排斥防止機構３が下降する。すなわち２本の本体部３ｃのそれぞれが機構可動領域４をＺ方向に移動する。排斥防止機構３は固定台１上に載置可能な程度に下降できる。このためここでは被接合材１０１上まで排斥防止機構３が下降する。これにより排斥防止機構３は、固定台１上の接合材１０２の一部を側方から挟持するように配置される。これについて、次に、図１４および図１５、および必要に応じて図１３を用いて、本実施の形態の装置２０００を用いた超音波接合方法について説明する。
【００５８】
図１４は、実施の形態２の超音波接合方法の第１工程を示す概略図である。なお図１４〜図１５においては装置２０００は、ホーン２と排斥防止機構３を除き図示省略されている。図１４を参照して、図１３に示すように排斥防止機構３が下降する。これにより１対の本体部３ｃは、接合材１０２のうち特にＺ方向の最下部の、インサート材１０３と接触して被接合材１０１に隣接する部分を、Ｘ方向についての側方から挟むように配置される。これは１対の本体部３ｃが接合材１０２をＸ方向の側方から挟持可能に、Ｘ方向について互いに対向しているために可能となっている。接合材１０２のＺ方向の最下部のインサート材１０３と接触する部分は、図１４（Ａ）に示すようにＹ方向に長く延びＸＹ平面に沿う矩形状を有している。このため当該接合材１０２の部分はＸ方向から本体部３ｃに挟持されることが可能となる。
【００５９】
また図１３に示す排斥防止機構３の下降により、接合材１０２のインサート材１０３と接触する部分のＹ方向の一方端と他方端とを挟むように、Ｙ方向についてのチャック機構３ａと突起部３ｂとの距離が調整すなわち変更される。このためにたとえばチャック機構３ａがＹ方向に移動する。ただし図１３のチャック機構３ａの位置と突起部３ｂの位置とで対となる単一のチャック機構を構成する場合、突起部３ｂの位置のチャック機構がＹ方向に移動してもよい。また同様に、接合材１０２のインサート材１０３と接触する部分のＹ方向の一方端と他方端とを挟むように、Ｙ方向についてのチャック機構３ａと突起部３ｂとの距離が調整される。このためにたとえばチャック機構３ａがＹ方向に移動するが、突起部３ｂの位置のチャック機構がＹ方向に移動してもよい。これにより、２つのチャック機構３ａのそれぞれは、接合材１０２の一部分をＹ方向についての側方から押圧するように配置される。したがってチャック機構３ａおよび突起部３ｂは、Ｙ方向についての接合材１０２の寸法に適合するように、接合材１０２をＹ方向から固定する。
【００６０】
以上をまとめると、排斥防止機構３のうち１対の本体部３ｃはＸ方向から接合材１０２の一部分を挟み込む。また排斥防止機構３のうち１対のチャック機構３ａのそれぞれは、たとえば突起部３ｂとともに、Ｙ方向から接合材１０２の一部分を挟み込み固定する。このようにして排斥防止機構３は、接合材１０２の少なくとも一部を平面視にて挟み込むことができる。言い換えれば排斥防止機構３は、接合材１０２の少なくとも一部を、固定台１をＺ方向上方から平面視したとき（図１１（Ａ）参照）の側方にあたるＸ方向またはＹ方向から挟み込むことができる。たとえばＸ方向について、１対の本体部３ｃは、接合材１０２を側方すなわちＸ方向の正側および負側から覆うように配置される。またたとえばＹ方向について、チャック機構３ａおよび突起部３ｂは、接合材１０２を側方すなわちＹ方向の正側および負側から覆うように配置される。
【００６１】
なお接合材１０２の真下にはインサート材１０３が接触するように配置されている。このため排斥防止機構３は、接合材１０２のみならず、インサート材１０３の少なくとも一部を平面視にて挟み込むことができる。言い換えれば排斥防止機構３は、インサート材１０３の少なくとも一部を、固定台１をＺ方向上方から平面視したときの側方にあたるＸ方向またはＹ方向から挟み込むことができる。たとえばＸ方向について、１対の本体部３ｃは、インサート材１０３を側方すなわちＸ方向の正側および負側から覆うように配置される。またたとえばＹ方向について、チャック機構３ａおよび突起部３ｂは、インサート材１０３を側方すなわちＹ方向の正側および負側から覆うように配置される。このためにチャック機構３ａは、排斥防止機構３の本体部３ｃのうちＺ方向の下側の領域に配置されることが好ましい。このようにすればチャック機構３ａはインサート材１０３とＹ方向について並ぶように配置されるため、インサート材１０３を挟み込むことができる。
【００６２】
なお排斥防止機構３は圧力センサを含む。当該圧力センサに基準値以上の圧力が加わることにより排斥防止機構３が停止される。装置２０００においては、当該圧力センサは、排斥防止機構３のうち特にチャック機構３ａを停止させる。これによりチャック機構３ａは、接合材１０２の接合部分のＹ方向の寸法に応じたＹ方向間隔となったところで停止し、接合材１０２を挟持することができる。
【００６３】
またチャック機構３ａは、装置２０００の固定台１上に被接合材１０１とインサート材１０３と接合材１０２とが配置された後、超音波接合工程が開始する前に、インサート材１０３をＹ方向から固定する機能を有している。この機能によっても、インサート材１０３は、平面視にてその少なくとも一部が挟み込まれる効果が高められる。
【００６４】
排斥防止機構３は、チャック機構３ａ、突起部３ｂ、本体部３ｃともに、接合材１０２およびインサート材１０３と接触するように配置されてもよい。しかし特に本体部３ｃは、接合材１０２と接触しないように、かつ接合材１０２になるべく近い位置に設置されてもよい。またチャック機構３ａ、突起部３ｂ、本体部３ｃは、インサート材１０３と接触しないように、かつインサート材１０３になるべく近い位置に設置されてもよい。これにより、接合時におけるインサート材１０３の突起部３ｂおよび本体部３ｃへの固着、および接合時のインサート材１０３などの部材の超音波振動の妨害などの不具合の発生を抑制できる。
【００６５】
図１５は、実施の形態２の超音波接合方法の第２工程を示す概略図である。図１５を参照して、図１４のように設置が完了した後、図８の工程と同様にホーン２が下降し、加圧および超音波振動の印加による超音波接合工程がなされる。
【００６６】
次に、本実施の形態の作用効果について説明する。
本実施の形態の超音波接合装置２０００は、固定台１と、ホーン２と、排斥防止機構３とを備える。固定台１は被接合材１０１を固定する。ホーン２はインサート材１０３を介して被接合材１０１に接合されるべき接合材１０２を押圧しながら超音波を発振する。排斥防止機構３は固定台１上に載置可能である。排斥防止機構３は、インサート材１０３の少なくとも一部を、固定台１を平面視したときの側方から挟み込むことが可能である。
【００６７】
すなわちインサート材１０３は、Ｘ方向から排斥防止機構３の１対の本体部３ｃにより挟み込まれ、Ｙ方向から排斥防止機構３のチャック機構３ａおよび突起部３ｂにより挟み込まれる。この排斥防止機構３は、実施の形態１の超音波接合方法にて用いられた排斥防止治具１５と同様の機能を有する。このため装置２０００を用いれば、排斥防止治具１５を用いなくても、たとえば平面視において接合材１０２に対し部分的にはみ出したインサート材１０３が外側にすり抜けたり位置ずれしたりする可能性を低減できる。排斥防止機構３が被接合材１０１と接合材１０２との間から外側に動こうとするインサート材１０３を動けないようブロックするためである。したがってインサート材１０３をなるべく本来配置されるべき位置に近い位置に配置した状態で、超音波接合を行なうことができる。このため超音波接合後の被接合材１０１と接合材１０２との接合の安定性を高めることができる。
【００６８】
上記の装置２０００において、排斥防止機構３は、接合材１０２の少なくとも一部を、固定台１を平面視したときの側方から挟み込むことが可能であることが好ましい。超音波接合工程においては、インサート材１０３のみならず接合材１０２も、超音波振動を受けることにより位置ずれまたは滑りを起こすことがある。このため装置２０００が接合材１０２の少なくとも一部を挟み込む排斥防止機構３を有すれば、排斥防止治具１５を用いなくても、これを固定台１およびその上に固定された被接合材１０１を平面視したときと同じ方向から見たときの接合材１０２の位置ずれおよび滑りを抑制できる。接合材１０２の位置ずれ等が抑制できれば、それに隣接するインサート材１０３の位置ずれ等を抑制することもできる。
【００６９】
上記の装置２０００において、排斥防止機構３が圧力センサを含み、圧力センサに基準値以上の圧力が加わることにより排斥防止機構３が停止されることが好ましい。圧力センサに基準値以上の圧力が加わるのは、たとえば排斥防止機構３が接合材１０２に接触し接合材１０２からの圧力を受ける場合である。このような場合においては、排斥防止機構３は、接合材１０２およびインサート材１０３の平面視における寸法に適合する状態となっている場合である。より具体的には、たとえば排斥防止機構３が接合材１０２およびインサート材１０３を平面視にて挟み込むような位置関係となったときに、排斥防止機構３は適当な位置に配置された状態となる。この状態で排斥防止機構３が停止することができる構成であることにより、排斥防止機構３は、インサート材１０３を平面視にて適切に挟み込み、インサート材１０３の位置ずれおよび滑りを抑制できる。
【００７０】
上記の圧力センサを含む装置２０００は以下の構成であることが好ましい。排斥防止機構３は、接合材１０２を側方から挟持可能に対向する（たとえば１対の）本体部３ｃと、接合材１０２を側方から押圧可能な少なくとも１つのチャック機構３ａとを含む。圧力センサに基準値以上の圧力を加えるとチャック機構３ａが停止する。
【００７１】
排斥防止機構３のたとえば１対の本体部３ｃが接合材１０２をＸ方向の側方から挟持することにより、本体部３ｃが接合材１０２の少なくとも一部を平面視にて挟み込むことができる。その結果、本体部３ｃはインサート材１０３の少なくとも一部を平面視で挟み込むこともできる。これにより、上記のように接合材１０２およびインサート材１０３の位置ずれ抑制効果が得られる。
【００７２】
またたとえば接合材１０２の寸法に適合するようにこれをチャック機構３ａで挟み込めば、インサート材１０３の平面視におけるＹ方向の寸法等に適合するようにチャック機構３ａとたとえば突起部３ｂとのＹ方向の間隔が調整される。具体的には、排斥防止機構３の一部であるたとえばチャック機構３ａと突起部３ｂとの間隔が、接合材１０２およびインサート材１０３のＹ方向の寸法に応じた適切な寸法となったところで基準値以上の圧力が加わるように調整できる。したがってたとえばチャック機構３ａと突起部３ｂとのＹ方向の間隔を接合材１０２の接合される部分のＹ方向の寸法と等しくするように調整することが容易になる。その結果、接合材１０２がチャック機構３ａなどにより押圧固定されるため、チャック機構３ａの部分が接合材１０２およびインサート材１０３の位置ずれを抑制するブロックとしての機能が高められる。
【００７３】
実施の形態３．
実施の形態３は、主に超音波接合装置の構成上の特徴に関するものである。具体的には、当該超音波接合装置は、排斥防止機構を備えている。当該排斥防止機構は押さえ機構を含む。当該排斥防止機構には温度モニター機構が取り付けられる。実施の形態３は、このような排斥防止機構を備える超音波接合装置に関するものである。
【００７４】
図１６は、実施の形態３に係る超音波接合装置の構成を示す概略図である。図１６を参照して、実施の形態３の超音波接合装置３０００（以下「装置３０００」と略すこともある）は、大筋で実施の形態２の装置２０００、および実施の形態１の装置１０００と同様の構成を有している。このため装置３０００について装置２０００と同一の構成要素には同一の符号を付しその説明を繰り返さない。ただし装置３０００は、排斥防止機構３に含まれる部材において装置２０００と異なっている。次に図１７〜図１８を用いて、本実施の形態の超音波接合方法に用いられる超音波接合装置の構成について説明する。
【００７５】
図１７は、図１６に示す超音波接合装置の一部の領域を拡大し、その構成を詳細に示す概略図である。なお図１７（Ａ）は、図１６（Ａ）中における点線で囲まれた領域ＸＶＩＩＡの、超音波発振器８の真下の領域に配置される排斥防止機構３などの平面視における態様を示している。図１７（Ｂ）は、図１６（Ｂ）中における点線で囲まれた領域ＸＶＩＩＢの、排斥防止機構３の態様を示している。図１７（Ｃ）は、図１６（Ｂ）中における点線で囲まれた領域ＸＶＩＩＣの、排斥防止機構３の態様を示している。
【００７６】
図１６および図１７を参照して、本実施の形態の装置３０００における排斥防止機構３は、本体部３ｃ、チャック機構３ａ、突起部３ｂの他に、２対の押さえ機構３ｄを含んでいる。２対の押さえ機構３ｄは、Ｘ方向の左側の本体部３ｃ、およびＸ方向の右側の本体部３ｃのそれぞれに２つずつ、Ｙ方向について互いに間隔をあけて取り付けられている。ただし押さえ機構３ｄの数は任意であり、たとえばそれぞれの本体部３ｃに１つずつ含まれる構成であってもよいし、３つずつ含まれる構成であってもよい。なお２対の押さえ機構３ｄはいずれも、Ｙ方向について本体部３ｃの機構可動領域４に嵌挿された側と反対側の端部に比較的近い領域に配置されている。図１７（Ａ）に示すように、押さえ機構３ｄは、チャック機構３ａよりもＹ方向負側すなわち機構可動領域４と反対側であり、ホーン２が配置され下降されるべき位置に近く、下降された際にホーン２とＹ方向について隣接する位置に配置されることがより好ましい。ただし押さえ機構３ｄの配置される位置はこれに限られない。２対の押さえ機構３ｄのそれぞれは、本体部３ｃから、互いに対向する本体部３ｃの配置される側に向かって延びるように配置されている。押さえ機構３ｄは、排斥防止機構３のたとえば本体部３ｃのうちＺ方向の上側の領域からＸ方向に沿って延び、ＸＹ平面に沿う配置となるように取り付けられる。ただし押さえ機構３ｄは、たとえば突起部３ｂのＺ方向の上側の領域からＹ方向に沿って延びる構成であってもよい。
【００７７】
押さえ機構３ｄは、たとえば板バネ部材または油圧シリンダなどの、Ｚ方向に沿う移動が可能であり、これにより押さえ機構３ｄのＺ方向下方への押圧を可能とする構成を有する。押さえ機構３ｄは、排斥防止機構３を構成する本体部３ｃ、チャック機構３ａおよび突起部３ｂと同様に、ステンレス鋼、アルミニウムまたはカーボンにより構成されることが好ましい。
【００７８】
次に、排斥防止機構３には温度モニター機構１６が取り付けられている。温度モニター機構１６は、たとえば１対の本体部３ｃのそれぞれに１つずつ取り付けられており、これらが対をなしている。図１７においては、１対の本体部３ｃのそれぞれにＹ方向に間隔をあけて２つ設けれた押さえ機構３ｄの間のＹ座標の位置に、温度モニター機構１６が取り付けられている。温度モニター機構１６は押さえ機構３ｄのように本体部３ｃからＸ方向に沿って本体部３ｃの外側に向けて延びるのではなく、本体部３ｃの内側に向かう位置に配置されている。また図１７（Ａ）に示すように、押さえ機構３ｄは、ホーン２が配置され下降されるべき位置とＹ座標位置が等しく、下降された際にホーン２とＸ方向について隣接する位置に配置されることがより好ましい。ただしこのような温度モニター機構１６の配置される位置および数についてはこれに限られない。
【００７９】
図１８は、実施の形態３における、図１７に示す排斥防止機構の変形例を示す概略側面図である。図１８は実施の形態３の変形例としての排斥防止機構３を図１７（Ｂ）と同方向から見た態様を示している。図１８を参照して、この排斥防止機構３は大筋で図１７の排斥防止機構３と同様の構成を有している。このため図１８において図１７と同一の構成要素には同一の符号を付しその説明を繰り返さない。ただし図１８の変形例の排斥防止機構３には、図１７の排斥防止機構３に加え、集塵機構１９およびマーキング機構２０が取り付けられている。集塵機構１９は、超音波接合工程での超音波振動にて、後述する酸化膜を除去する際に発生する粉じんなどを収集する機構である。マーキング機構２０は、たとえば温度モニター機構１６を用いて温度を測定する箇所をマーキングするためのものである。これにより、特に対象物に対して非接触で温度モニター機構１６で温度測定する場合に、その側定位置の精度が高められる。その結果、温度モニター機構１６により測定される温度の精度が高められる。
【００８０】
本実施の形態においても、図１７または図１８の排斥防止機構３を有する超音波接合装置３０００に、上記の各実施の形態と同様の超音波接合すべき対象物が設置され、超音波接合工程がなされる。すなわち排斥防止機構３が固定台１上の接合材１０２の一部を側方から挟持するように配置される。これについて、次に、図１９〜図２０を用いて、本実施の形態の装置３０００を用いた超音波接合方法について説明する。
【００８１】
図１９は、実施の形態３の超音波接合方法の第１工程を示す概略図である。なお図１４〜図１５においては装置２０００は、ホーン２と排斥防止機構３を除き図示省略されている。図１９を参照して、実施の形態２の図１４の工程と同様に、まず図１６の装置３０００の固定台１の上に、超音波接合構造１００を構成すべき被接合材１０１と接合材１０２とインサート材１０３とが配置される。次にその状態を維持しながら、排斥防止機構３が下降する。１対の本体部３ｃおよびチャック機構３ａなどが、固定台１上に載置された接合材１０２のうち特にＺ方向の最下部を側方から挟む。２つのチャック機構３ａのそれぞれは、接合材１０２の一部分をＹ方向についての側方から押圧するように配置される。このように排斥防止機構３は、本体部３ｃ、チャック機構３ａなどにより、接合材１０２およびインサート材１０３の少なくとも一部を平面視にて挟み込む。
【００８２】
ここで上記のように、本実施の形態の排斥防止機構３は、押さえ機構３ｄを有している。これにより、押さえ機構３ｄの最下面が接合材１０２のインサート材１０３と接合する部分に折衝しこれを下向きに押圧する。このような押さえ機構３ｄによる接合材１０２の押圧は、押さえ機構３ｄが、排斥防止機構３内においてＺ方向下方に移動することによりなされてもよい。
【００８３】
本実施の形態においても排斥防止機構３は圧力センサを含む。当該圧力センサに基準値以上の圧力が加わることにより押さえ機構３ｄが検知可能である。装置３０００においては、当該圧力センサは、排斥防止機構３のうちチャック機構３ａとともに、押さえ機構３ｄに接触する接合材１０２上に載置され超音波振動しているホーン２を停止させる。これによりチャック機構３ａは、接合材１０２の接合部分のＹ方向の寸法に応じたＹ方向間隔となったところで停止し、接合材１０２を挟持することができる。またホーン２による超音波振動は、接合材１０２の高さ方向の位置に応じて停止させることができる。
【００８４】
図２０は、実施の形態３の超音波接合方法の第２工程を示す概略図である。図２０を参照して、図１９のように設置が完了した後、図８および図１５の工程と同様にホーン２が下降し、加圧および超音波振動の印加による超音波接合工程がなされる。
【００８５】
ここで、温度モニター機構１６は、たとえば図２０のように対をなす場合、その対となったそれぞれが、別個に温度測定を行なえる。ただし温度モニター機構１６が対をなす場合、それらのうち一方は被接合材１０１の温度をモニターし、他方は接合材１０２の温度をモニターすることが可能であることが好ましい。すなわち温度モニター機構１６は、超音波振動時の接合材１０２と被接合材１０１との双方の温度測定ができることが好ましい。ただし温度モニター機構１６は、たとえば被接合材１０１と接合材１０２との接合部に近い領域であり被接合材１０１側の１か所の温度のみをモニターすることもできる。
【００８６】
温度モニター機構１６の温度測定方式は、測定対象物に接触して測定を行なう接触タイプと、測定対象物に対して非接触で測定を行なう非接触タイプとの双方が用いられ得る。接触タイプの温度モニター機構１６の例としては、熱電対が考えられる。したがってこの場合、図２０などに示す１対の温度モニター機構１６は熱電対の１対の測定端子を意味する。一方、非接触タイプの温度モニター機構１６としては、レーザー測定方式またはサーモカメラ方式が想定される。
【００８７】
図２０の超音波接合工程において、温度モニター機構１６により得られた被接合材１０１と接合材１０２またはこれらの境界部などの温度のデータに基づいて、ホーン２による超音波振動のなされる時間が制御される。具体的には、超音波振動により、被接合材１０１と接合材１０２との間には摩擦熱が発生する。超音波接合工程においてはこの摩擦熱により被接合材１０１が加熱する。この被接合材１０１側の１か所の温度がモニターされる。そのモニターされた温度が基準値以上となっていれば、インサート材１０３を介した被接合材１０１と接合材１０２との超音波接合工程を完了すべきと判断される。これにより、ホーン２からの荷重および超音波振動が止められる。
【００８８】
また図２０の超音波接合工程において、押さえ機構３ｄにより得られたデータに基づいてホーン２の昇降の動作が制御される。具体的には、圧力センサが、接合材１０２のたとえば最上面のＺ方向の位置座標を検出する。これにより、たとえば超音波振動が過剰な摩擦熱を発生しインサート材１０３が溶融すれば、その上の接合材１０２がＺ方向下側に急激に沈むことがあり、その現象が圧力センサにより検出される。このとき装置３０００は、ホーン２による接合材１０２に対する加圧および超音波振動を止めるよう制御される。これにより、インサート材１０３が過剰に溶融することにより、被接合材１０１と接合材１０２との間の領域から外へはみ出る不具合を抑制できる。
【００８９】
また図２０の超音波振動を与える工程においては、ホーン２の押圧および超音波振動により、被接合材１０１および接合材１０２の表面の酸化膜が除去される。超音波振動によって被接合材１０１および接合材１０２に発生する摩擦熱によりインサート材１０３が溶融される。これらの酸化膜の除去および摩擦熱によるインサート材１０３の溶融接合は、ホーン２による超音波振動の周波数および振幅を可変とすることにより、すべて一括でなされるか、もしくは間隔をあけて複数回段階的になされるかのいずれかの方法によりなされる。
【００９０】
なお上記の超音波接合工程において、インサート材１０３は、超音波振動を与える工程の前において厚みが０．０５ｍｍ以上０．２ｍｍ以下であることが好ましい。このときインサート材１０３は、必ずしも１種類または１枚のみが被接合材１０１と接合材１０２との間に挟まれるべきであるわけではない。すなわちたとえば複数枚のインサート材１０３が被接合材１０１と接合材１０２との間に挟まれてもよい。この場合、上記の厚みは、当該複数枚のインサート材１０３のそれぞれの厚みの合計値を意味する。また超音波接合工程の後において、被接合材１０１と接合材１０２との間にはインサート材１０３が残存するように接合されることが好ましい。
【００９１】
超音波振動を与える工程の前に、インサート材１０３は表面活性処理がなされることが好ましい。具体的には、超音波接合実施の直前に、インサート材１０３に対し、表面のプラズマ処理またはやすりによる表面の研磨処理がなされることが好ましい。
【００９２】
次に、本実施の形態の作用効果について説明する。本実施の形態においても実施の形態２と同様の作用効果を奏するが、ここではその説明を繰り返さない。それに加え、本実施の形態においては以下の作用効果を奏する。
【００９３】
本実施の形態の超音波接合装置３０００は、超音波接合装置２０００と同様の構成に加え、排斥防止機構３は接合材１０２の押さえ機構３ｄを含む。圧力センサに基準値以上の圧力が加わることにより押さえ機構３ｄが検知可能である。
【００９４】
排斥防止機構３の押さえ機構３ｄが接合材１０２を接触し押さえることにより、接合材１０２のＺ方向の位置を測定することができる。また押さえ機構３ｄには圧力センサが用いられるため、そのＺ方向の位置の測定精度が高められる。
【００９５】
押さえ機構３ｄ用の圧力センサに基準値以上の圧力が加わるのは、たとえばこれに接触する接合材１０２がＺ方向下方に移動したときである。このように接合材１０２が下方へ移動するのは、接合材１０２と被接合材１０１との間のインサート材１０３の溶融などにより両者の接合が完了したときである。インサート材１０３が溶融すればその分だけインサート材１０３の部分の厚みが薄くなるためである。したがって当該圧力センサがそのようなインサート材１０３が薄くなったことを検出することにより、ホーン２による超音波振動を停止させるべきであることが容易に判断できる。その結果、接合材１０２と被接合材１０１とを、インサート材１０３が適度な厚みとなった最適な状態で接合工程を完了させることができ、超音波接合構造１００の接合状態を良好とできる。
【００９６】
上記超音波接合装置３０００は以下の構成であることが好ましい。排斥防止機構３には温度モニター機構１６が取り付けられる。温度モニター機構１６により得られたデータに基づいてホーン２による超音波振動のなされる時間が制御される。押さえ機構３ｄにより得られたデータに基づいてホーン２の昇降の動作が制御される。これにより上記のように、ホーン２による超音波振動を終了すべきタイミングを精確にとらえ、インサート材１０３の過剰な溶融による被接合材１０１と接合材１０２との間の領域から外へはみ出る不具合を抑制できる。このため超音波接合後の被接合材１０１と接合材１０２との接合の安定性を高めることができる。
【００９７】
上記装置３０００において、排斥防止機構３には集塵機構１９およびマーキング機構２０が取り付けられることが好ましい。超音波振動により被接合材１０１および接合材１０２の表面が擦れ、当該表面に形成されている酸化膜が除去される。集塵機構１９は、このときに除去された酸化膜の粉塵を収集することができる。またマーキング機構２０により、温度モニター機構１６にて温度測定すべき位置を正確に特定できる。
【００９８】
上記装置３０００を用いた超音波接合工程において、超音波振動を与える工程では、ホーン２の押圧および超音波振動により被接合材１０１および接合材１０２の表面の酸化膜が除去される。超音波振動によって被接合材１０１および接合材１０２に発生する摩擦熱によりインサート材１０３が溶融される。上記の酸化膜を除去する工程およびインサート材１０３を溶融する工程は、ホーン２を可変の周波数および振幅で振動させることにより、一括および段階的のいずれかの方法でなされる。このようにすれば、様々な態様の、被接合材１０１と接合材１０２とがインサート材１０３で接合された超音波接合構造１００を、高品質に形成することができる。当該各材料の態様ごとに、最適な条件で超音波接合工程を行なえるためである。ただしこのような、酸化膜を除去し、インサート材１０３を溶融する超音波接合方法は、本実施の形態に限らず、実施の形態１，２においても適用可能である。
【００９９】
上記超音波接合工程において、インサート材１０３は、超音波振動を与える工程の前において厚み０．０５ｍｍ以上０．２ｍｍ以下であり、超音波振動を与える工程の前に表面活性処理がなされることが好ましい。インサート材１０３の厚みが０．０５ｍｍより小さければ、ホーン２の荷重と超音波振動とにより、被接合材１０１と接合材１０２との間にインサート材１０３が残存されない態様で両者が接合される。このような接合がされれば、被接合材１０１側には超音波接合工程時に発生するダメージが大きくなる問題がある。またインサート材１０３の厚みが０．２ｍｍより大きければ、１秒程度の実用的な超音波振動によっては摩擦熱によるインサート材１０３の加熱が不十分となり、十分な接合強度を得ることができない問題がある。したがってインサート材１０３の厚みが０．０５ｍｍ以上０．２ｍｍ以下であることにより、良好な接合強度の超音波接合構造１００を得ることができる。
【０１００】
以上に述べた超音波接合装置１０００，２０００，３０００のいずれかを用いて、被接合材１０１と接合材１０２とがインサート材１０３を介在して接合された超音波接合構造１００（図３参照）は、上記のようにインサート材１０３により良好な接合強度を有する高品質のものとなる。
【０１０１】
以上に述べた超音波接合装置１０００，２０００，３０００のいずれかを用いた実施の形態１〜３の超音波接合方法を用いて、図３の超音波接合構造１００を含む半導体装置が製造される。当該半導体装置の製造方法においては、図１および図２のように被接合材１０１、接合材１０２およびインサート材１０３が準備される。被接合材１０１と接合材１０２とがインサート材１０３により接合される。被接合材１０１は絶縁性の基板１０１ａを含む。接合材１０２は半導体素子１０４に電気的に接続されている。このような構成を有する半導体装置は、上記のようにインサート材１０３により良好な接合強度を有する高品質のものとなる。
【０１０２】
以上に述べた各実施の形態（に含まれる各例）に記載した特徴を、技術的に矛盾のない範囲で適宜組み合わせるように適用してもよい。
【０１０３】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１０４】
１  固定台、２  ホーン、３  排斥防止機構、３ａ  チャック機構、３ｂ  突起部、３ｃ  本体部、３ｄ  押さえ機構、４  機構可動領域、５  支柱、６  支柱可動領域、８  超音波発振器、９  上下可動部、１１  位置決め機構、１２  ホーン可動領域、１４  固定具、１５  排斥防止治具、１５Ａ  第１部分、１５Ｂ  第２部分、１６  温度モニター機構、１９  集塵機構、２０  マーキング機構、１００  超音波接合構造、１０１  被接合材、１０１ａ  基板、１０１ｂ，１０１ｃ  パターン、１０２  接合材、１０２ａ  接合底面、１０２ｂ  凹部、１０３  インサート材、１０４  半導体素子、１０００，２０００，３０００  超音波接合装置。 
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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