(57)【要約】  超音波振動子１から付与される超音波振動方向５に対して平行な方向において、ツール３の中央部３ａの形状と、ツール３の端部３ｂの形状とを変化させ、断面積を異なるようにし、超音波振動方向５に対して垂直な方向における超音波振幅９が略同じになるようにする。これによりツール３の中央部３ａとツール３の端部３ｂとにおける超音波振動の差がなくなるか、あるいは小さくすることができる。
2008139668.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波振動子から発生した超音波振動を、超音波ホーンおよびツールを介して配線基板上の電子部品に伝達し、前記電子部品と前記配線基板とを接合させる電子部品装着装置において、
前記超音波振動子の中心軸を通り、かつ前記電子部品との接触面に対して垂直方向の前記ツールにおける中央部の断面積が前記ツールの他の部位の断面積よりも大きくなるように設定した
電子部品装着装置。
【請求項２】
超音波振動方向に対して平行な方向の前記ツールにおける前記電子部品との接触面の中央部の長さが、前記ツールにおける前記電子部品との接触面の端部の長さより大きくなるように設定した
請求項１記載の電子部品装着装置。
【請求項３】
前記ツールの側面に、前記超音波振動子から付与される超音波振動方向に対して平行な方向の溝部を形成した
請求項１記載の電子部品装着装置。
【請求項４】
前記ツールの側面に、前記超音波振動子から付与される超音波振動方向に対して垂直な方向の２つの穴部を形成し、該２つの穴部をそれぞれ前記超音波振動子の中心軸から対称な位置に設置した
請求項１記載の電子部品装着装置。
【請求項５】
超音波振動子から発生した超音波振動を、超音波ホーンとツールを介して配線基板上の電子部品に伝達し、前記電子部品と前記配線基板とを接合させる電子部品装着装置において、
前記超音波振動子の中心軸を通り、かつ前記電子部品との接触面に対して垂直方向の前記ツールにおける中央部の断面積が他の部位の断面積よりも小さくなるように設定した
電子部品装着装置。
【請求項６】
前記ツールの前記超音波振動子から付与される超音波振動方向に対して垂直な方向の側面に、穴部を形成し、前記穴部を、該穴部の中心線が前記ツールにおける前記電子部品との接触面の中央部と前記超音波振動子の中心軸とを通る平面上に存在するように設置した請求項５記載の電子部品装着装置。
【請求項７】
前記ツールにおける電子部品保持面の中央部に溝部を形成した
請求項５記載の電子部品装着装置。
【請求項８】
超音波振動子から発生した超音波振動を、超音波ホーンとツールを介して配線基板上の電子部品に伝達し、前記電子部品と前記配線基板とを接合させる電子部品装着装置において、
前記超音波振動子の中心軸を通り、かつ前記ツールにおける電子部品との接触面に対して垂直方向の前記ツールにおける中央部の材質と前記ツールの他の部位の材質とを異なるものにした
電子部品装着装置。
【請求項９】
超音波振動子から発生した超音波振動を、超音波ホーンとツールを介して配線基板上の電子部品に伝達し、前記電子部品と前記配線基板とを接合させる電子部品装着装置において、
前記超音波振動子の中心軸を通り、かつ前記ツールにおける電子部品との接触面に対して垂直方向の前記ツールにおける中央部の材質組織と前記ツールにおける他の部位の材質組織とを異なるものにした
電子部品装着装置。
【請求項１０】
請求項１〜６のいずれか１項の電子部品装着装置を用いて超音波を利用して電子部品を配線基板に装着する電子部品装着方法であって、
超音波振動子から付与される超音波の振動方向と平行な方向における中央部の形状と端部の形状とを変化させたツールと、該ツールを保持する超音波ホーンとを具備し、
前記超音波ホーンと電子部品を保持した前記ツールとを介して前記電子部品に前記超音波振動子から超音波振動を付与する工程と、
前記超音波ホーンが取り付けられる支持部材と前記超音波ホーンと前記ツールとを介して、前記電子部品を前記配線基板に押圧する工程と
を備えた電子部品装着方法。
【請求項１１】
請求項８または請求項９に記載の電子部品装着装置を用いて超音波を利用して電子部品を配線基板に装着する電子部品装着方法であって、
超音波振動子から付与される超音波の振動方向と平行な方向における中央部の超音波の振動方向と垂直な方向の材質または組織と、端部の超音波の振動方向と垂直な方向の材質または組織とを変化させたツールと、該ツールを保持する超音波ホーンとを具備し、
前記超音波ホーンと電子部品を保持した前記ツールとを介して前記電子部品に前記超音波振動子から超音波振動を付与する工程と、
前記超音波ホーンが取り付けられる支持部材と前記超音波ホーンと前記ツールとを介して、前記電子部品を前記配線基板に押圧する工程と
を備えた電子部品装着方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品の金属電極と配線基板の金属電極とを、超音波振動を用いて装着するための電子部品装着装置および電子部品装着方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、プリント基板などの配線基板に電子部品を装着する装置では、電子部品の電極と配線基板の電極とを接合する様々な方法が利用されており、電子部品を短時間で、かつ比較的低温にて実装することができる方法の１つとして、超音波を利用する接合方法（以下、超音波接合という）が知られている。【０００３】
前記超音波接合では、配線基板に押圧された電子部品を超音波振動により振動させ、電子部品の電極（例えばバンプが形成されている）と配線基板の電極とを電気的に接合する。このとき、前記バンプは配線基板の電極に形成されてもよく、また電子部品の電極および配線基板の電極の双方に形成されていてもよい。【０００４】
図１３（ａ）（ｂ）は、従来の超音波を利用して電子部品４を配線基板１４に装着する電子部品装着装置（以下、超音波接合装置という）による電子部品４の金属電極と配線基板１４の金属電極との接合を実施している状態を示す説明図であって、１は超音波振動子、２は超音波ホーン、３はツールである。【０００５】
図１３（ａ）は断面図、図１３（ｂ）の右図は配線基板１４を除いた底面図、図１３（ｂ）の左図の９は無荷重時の超音波振幅であって、荷重印加時の超音波振動の伝達量を擬似的に表している。【０００６】
図１３（ａ）に示すように、超音波振動子１により発生した超音波振動は、超音波振動を伝達する超音波ホーン２、および搭載されている電子部品４に直接に接触するツール３を介して電子部品４に伝達されて、電子部品４上の電極と配線基板１４の電極が接合される。【０００７】
図１４は電子部品の各接合部に負荷される荷重条件、および超音波振動条件と電子部品の各接合部の良品・不良品の関係を示す説明図である。横軸が各接合部に負荷される荷重条件、縦軸が超音波振動である。【０００８】
この図１４に示すように、低荷重または低超音波振動の領域Ｂでは、接合に必要な負荷エネルギーが不足し、電子部品４の電極と配線基板１４の電極とが接合されていない接合部の電気的導通不良や、製品として要求される信頼性を確保するために必要な接合強度（例えば、配線基板１４に対する電子部品４のせん断強度）が不足するといった接合強度の不足による接合不良が発生する。【０００９】
また、高荷重または高超音波振動の領域Ｃでは、負荷エネルギーの過負荷より電子部品４もしくは配線基板１４が破壊する。【００１０】
よって、接合条件である荷重値および超音波振動値は、製品として要求される信頼性を確保するために必要な接合強度が確保でき、かつ電子部品４または配線基板１４の破壊が発生しない範囲で設定する必要がある。領域Ａは、適正な荷重で適正な超音波振動の電子部品４と配線基板１４との良好な接合を実現できる。
【特許文献１】特開２００４−３３０２２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
近年、超音波接合方式は、電子部品の電極と配線基板の電極を接合する他の接合方式、例えば電子部品の電極に形成されたバンプと、配線基板の電極をバンプに形成された導電性接着材を介して接合する接合方法、あるいは、導電性粒子を含有した接着シートを介して、電子部品の電極に形成されたバンプと配線基板の電極とを接合する接合方法、あるいは、電子部品に形成されたバンダバンプと配線基板の電極を接合する方法と比べて、短時間でかつ比較的低温で、電子部品の接合が可能である優位性が認められ、多くの電子部品の接合形態への適用が期待されている。【００１２】
特に、画像表示用駆動ドライバーＩＣなどの大型で、かつ電極の狭ピッチ化が今後も進むと予測される電子部品の接合形態では、接合時の温度負荷による各構成部材の熱膨張によって、接合位置ずれなどの不具合が生じるため、低温での接合が可能な超音波接合方式の適用が最も期待されている。【００１３】
超音波接合では、ツールから伝達される超音波振動を電子部品の全面に伝達するために、ツールにおける超音波振動方向に対して垂直方向の長さおよび平行方向の長さは、電子部品における超音波振動方向に対して垂直方向の長さおよび平行方向の長さと同じ長さか、電子部品における超音波振動方向に対して垂直方向の長さおよび平行方向の長さより長く設定され、かつ、ツールにおける超音波振動方向に対する垂直方向の長さは、ツールの部品保持面において同じ長さであり、かつ、ツールにおける超音波振動方向に対する平行方向の長さは、ツール保持面において同じ長さに設定されている。【００１４】
しかし、前記ツールの形状では、ツールにおける超音波振動方向に対して平行方向の中心線から遠ざかるツールの部位ほど超音波振動の伝達が悪くなる。【００１５】
つまり、図１３（ｂ）に示すように、ツール３の中央部とツール３の端部とにおいて超音波振幅９の変化、つまり超音波振動の伝達に差が生じ、特にツール３の端部で極端に超音波振動の伝達が小さくなる。【００１６】
前述したように、超音波接合の接合条件は電子部品の電極と配線基板の電極とが接合し、かつ破壊しない領域Ａの接合条件にする必要があるが、電子部品の中央部の電極と端部の電極部への超音波振動の伝達に差が生じると、電子部品内の各接合部に実際に負荷される接合条件は、例えば図１４に示すような範囲を有し、電子部品内の全接合部において接合強度確保と、電子部品または配線基板の非破壊の両方を満たす接合条件を見出すことができない。図１４においてＤ１の範囲は、電子部品の超音波振動方向と垂直な方向における端部に実際に負荷される接合条件の範囲を示す。Ｄ２の範囲は、電子部品の超音波振動方向と垂直な方向における端部以外に実際に負荷される接合条件の範囲を示す。【００１７】
あるいは、電子部品内の全接合部において、接合強度の確保と、電子部品または配線基板の非破壊の両方を満たす接合条件を見出せたとしても、良品を確保するために余裕度の小さい接合条件になってしまい、量産における接合条件の維持管理が非常に難しい。【００１８】
本発明は、前記従来の課題に鑑みなされたものであり、超音波接合におけるツール中央部とツール端部における超音波振幅の差、すなわち超音波振動の伝達の差をなくすか、あるいは超音波振動の伝達の差を小さくし、電子部品内の全接合部において接合強度の確保と、電子部品または配線基板の非破壊の両方を満たす条件を見出し、さらには良品を確保するために余裕度の大きい接合条件範囲を確保することにより、量産における接合条件の維持管理を容易にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の請求項１記載の電子部品装着装置は、超音波振動子から発生した超音波振動を、超音波ホーンおよびツールを介して配線基板上の電子部品に伝達し、前記電子部品と前記配線基板とを接合させる電子部品装着装置において、前記超音波振動子の中心軸を通り、かつ前記電子部品との接触面に対して垂直方向の前記ツールにおける中央部の断面積が前記ツールの他の部位の断面積よりも大きくなるように設定したことを特徴とする。【００２０】
本発明の請求項２記載の電子部品装着装置は、請求項１において、超音波振動方向に対して平行な方向の前記ツールにおける前記電子部品との接触面の中央部の長さが、前記ツールにおける前記電子部品との接触面の端部の長さより大きくなるように設定したことを特徴とする。【００２１】
本発明の請求項３記載の電子部品装着装置は、請求項１において、前記ツールの側面に、前記超音波振動子から付与される超音波振動方向に対して平行な方向の溝部を形成したことを特徴とする。【００２２】
本発明の請求項４記載の電子部品装着装置は、請求項１において、前記ツールの側面に、前記超音波振動子から付与される超音波振動方向に対して垂直な方向の２つの穴部を形成し、該２つの穴部をそれぞれ前記超音波振動子の中心軸から対称な位置に設置したことを特徴とする。【００２３】
本発明の請求項５記載の電子部品装着装置は、超音波振動子から発生した超音波振動を、超音波ホーンとツールを介して配線基板上の電子部品に伝達し、前記電子部品と前記配線基板とを接合させる電子部品装着装置において、前記超音波振動子の中心軸を通り、かつ前記電子部品との接触面に対して垂直方向の前記ツールにおける中央部の断面積が他の部位の断面積よりも小さくなるように設定したことを特徴とする。【００２４】
本発明の請求項６記載の電子部品装着装置は、請求項５において、前記ツールの前記超音波振動子から付与される超音波振動方向に対して垂直な方向の側面に、穴部を形成し、前記穴部を、該穴部の中心線が前記ツールにおける前記電子部品との接触面の中央部と前記超音波振動子の中心軸とを通る平面上に存在するように設置したことを特徴とする。【００２５】
本発明の請求項７記載の電子部品装着装置は、請求項５において、前記ツールにおける電子部品保持面の中央部に溝部を形成したことを特徴とする。【００２６】
本発明の請求項８記載の電子部品装着装置は、超音波振動子から発生した超音波振動を、超音波ホーンとツールを介して配線基板上の電子部品に伝達し、前記電子部品と前記配線基板とを接合させる電子部品装着装置において、前記超音波振動子の中心軸を通り、かつ前記ツールにおける電子部品との接触面に対して垂直方向の前記ツールにおける中央部の材質と前記ツールの他の部位の材質とを異なるものにしたことを特徴とする。【００２７】
本発明の請求項９記載の電子部品装着装置は、超音波振動子から発生した超音波振動を、超音波ホーンとツールを介して配線基板上の電子部品に伝達し、前記電子部品と前記配線基板とを接合させる電子部品装着装置において、前記超音波振動子の中心軸を通り、かつ前記ツールにおける電子部品との接触面に対して垂直方向の前記ツールにおける中央部の材質組織と前記ツールにおける他の部位の材質組織とを異なるものにしたことを特徴とする。【００２８】
本発明の請求項１０記載の電子部品装着方法は、請求項１〜６のいずれか１項の電子部品装着装置を用いて超音波を利用して電子部品を配線基板に装着する電子部品装着方法であって、超音波振動子から付与される超音波の振動方向と平行な方向における中央部の形状と端部の形状とを変化させたツールと、該ツールを保持する超音波ホーンとを具備し、前記超音波ホーンと電子部品を保持した前記ツールとを介して前記電子部品に前記超音波振動子から超音波振動を付与する工程と、前記超音波ホーンが取り付けられる支持部材と前記超音波ホーンと前記ツールとを介して、前記電子部品を前記配線基板に押圧する工程とを備えたことを特徴とする。【００２９】
本発明の請求項１１記載の電子部品装着方法は、請求項８または請求項９に記載の電子部品装着装置を用いて超音波を利用して電子部品を配線基板に装着する電子部品装着方法であって、超音波振動子から付与される超音波の振動方向と平行な方向における中央部の超音波の振動方向と垂直な方向の材質または組織と、端部の超音波の振動方向と垂直な方向の材質または組織とを変化させたツールと、該ツールを保持する超音波ホーンとを具備し、前記超音波ホーンと電子部品を保持した前記ツールとを介して前記電子部品に前記超音波振動子から超音波振動を付与する工程と、前記超音波ホーンが取り付けられる支持部材と前記超音波ホーンと前記ツールとを介して、前記電子部品を前記配線基板に押圧する工程とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、超音波接合におけるツール中央部とツール端部における超音波振幅の差、すなわち超音波振動の伝達の差をなくしたり、超音波振動の伝達の差を小さくしたりすることにより、電子部品内の全接合部における接合強度の確保と、電子部品または配線基板の非破壊の両方を満たすことが可能になり、さらには良品を確保するために、余裕度の大きい接合条件範囲を確保することなどができるため、量産における接合条件の維持管理が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る超音波接合装置の実施の形態１の概略構成図
【図２】本実施の形態における接合動作に係るフロー図
【図３】本実施の形態における超音波振動条件と荷重条件のプロファイルと、各接合時間における電子部品および配置基板部分を示す図であって、(ａ)は、超音波振動と荷重条件のプロファイルを示す図、（ｂ１）〜（ｂ３）は各接合時間における電子部品と配線基板と接合材の構成を示す断面図、(ｃ１)〜（ｃ３）は、各接合時間における電子部品と配線基板の間に配置された接合材の電子部品上電極との接触面の領域を示す図
【図４】本実施の形態における電子部品の各接合部に負荷される荷重条件および超音波振動条件と電子部品の各接合部の良品・不良品の関係を示す説明図
【図５】本実施の形態における接合ヘッドを示し、（ａ）は断面図、（ｂ）の右図は底面図、（ｂ）の左図は無荷重時のツール上位置と超音波振幅の関係を示す説明図、（ｂ）の下図は無荷重時の超音波ホーンと超音波振幅の関係を示す説明図
【図６】実施の形態１の変形例におけるツールを部品保持面方向より示す斜視図
【図７】（ａ），（ｂ）は実施の形態１の他の変形例におけるツールを部品保持面方向より示す斜視図
【図８】実施の形態１の他の変形例におけるツールを部品保持面方向より示す斜視図
【図９】実施の形態１の他の変形例におけるツールを部品保持面方向より示す斜視図
【図１０】実施の形態１の他の変形例におけるツールを部品保持面方向より示す斜視図
【図１１】本発明に係る超音波接合装置の実施の形態２におけるツールを部品保持面方向より示す斜視図
【図１２】本発明に係る超音波接合装置の実施の形態２におけるツールを部品保持面方向より示す斜視図
【図１３】従来の超音波接合装置による電子部品と配線基板の接合を実施している状態を示す説明図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）の右図は配線基板を除いた底面図、（ｂ）の左図は無荷重時のツール上の位置と超音波振幅との関係を示す説明図
【図１４】従来装置における電子部品の各接合部に負荷される荷重条件および超音波振動条件と電子部品の各接合部の良品・不良品の関係を示した説明図
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明の各実施の形態を図１〜図１２に基づいて説明する。【００３３】
（実施の形態１）
図１〜図１０は本発明の実施の形態を示す。【００３４】
図１は本発明に係る超音波接合装置の概略構成図である。【００３５】
この超音波接合装置は、配線基板１４を保持する配線基板保持部２４を備え、配線基板保持部２４の＋Ｚ方向の側には、配線基板１４に電子部品４を接合する接合機構２１が設けられている。配線基板保持部２４と接合機構２１との間には、電子部品４および配線基板１４を撮像する撮像機構２７が設けられている。また、電子部品４を接合機構２１に供給する供給機構（図示せず）が設置されている。この超音波接合装置では、これらの機構が制御部４０により制御されることにより、配線基板１４と電子部品４との接合が行われる。【００３６】
配線基板保持部２４は、配線基板１４を保持するステージ２５と、ステージ２５をＸ方向およびＹ方向に移動するステージ移動機構２６を備えている。接合機構２１は、接合ヘッド２３と、接合ヘッド２３をＺ方向に移動する（昇降する）昇降機構２２を備えている。撮像機構２７は、電子部品４および配線基板１４を撮像する撮像ユニット２８と、Ｘ方向およびＹ方向に移動する撮像ユニット移動機構２９を備えている。【００３７】
図２は、図１に示した超音波接合装置を用い、電子部品４を配線基板１４に接合させる動作に係る制御部４０のフロー図である。【００３８】
制御部４０は、まず、供給機構により供給された電子部品４を接合ヘッド２３で吸着する（Ｓ１１）。【００３９】
次に撮像ユニット２８が電子部品４および配線基板１４の間に移動し、吸着された電子部品４およびステージ２５に保持されている配線基板１４を撮像する（Ｓ１２）。【００４０】
次に、画像データを制御部４０に送り、予め記憶している電子部品４と配線基板１４の画像データとをそれぞれ比較し、電子部品４および配線基板１４の位置と向きを検出する（Ｓ１３）。【００４１】
次に、検出結果に基づいて電子部品４および配線基板１４を、予め設定した相対位置および向きに補正する（Ｓ１４）。【００４２】
電子部品４または接合ヘッド２３と接触しない位置に撮像ユニット２８が退避し、接合ヘッド２３が降下して、電子部品４を配線基板１４に押圧接合させる（Ｓ１５）。【００４３】
そして、接合ヘッド２３による電子部品４の吸着が解除され、接合ヘッド２３が上昇する（Ｓ１６）ことによって、接合動作の一つのサイクルが完了する。【００４４】
なお、電子部品４および配線基板１４を、予め設定した相対位置および向きに補正する工程（Ｓ１４）において、図１に示すステージ移動機構２６ではなく、接合機構２１に別途に移動機構を設けて補正を行うようにしてもよい。【００４５】
図３は、電子部品４を接合させる条件である超音波振動条件と荷重条件のプロファイルと、各接合時間における電子部品４および配線基板１４の部分を示す図である。【００４６】
図３において、（ａ）は超音波振動と荷重条件のプロファイルを示し、（ｂ１）〜（ｂ３）は各接合時間における電子部品４と配線基板１４、および電子部品４と配線基板１４とを接合させる接合材１３を示す断面図であり、（ｃ１）〜（ｃ３）は、電子部品４の電極１２と配線基板１４の側に配置された接合材１３との接触面の各接合時間における領域を示す図である。なお、図中の５は超音波振動方向を示す。【００４７】
図３を用いて、超音波振動条件と荷重条件の各プロファイルと、各接合時間における電子部品４および配線基板１４の状態の関係を説明する。【００４８】
まず、超音波振動を印加する前に、荷重印加部材１１にて荷重のみ印加する。すなわち、配線基板１４の配線電極１５上に接合材１３が配置されている配線基板１４と電子部品４を用意する〔（ａ）の０秒時，配線電極１５の状態（ｂ１），電子部品４の状態（ｃ１）：初期領域３０〕。【００４９】
次のｔ１秒間は荷重のみを印加する〔（ａ）０秒〜ｔ１秒，配線電極１５の状態（ｂ２），電子部品４の状態（ｃ２）：荷重により拡大した領域３１〕。このとき印加する荷重Ｆ〔Ｎ〕は、ｔ１〔ｓ〕後に超音波振動を印加した場合に電子部品４が位置ずれを生じない十分な値とする。【００５０】
次に、ｔ１秒後から超音波振動Ｐ〔Ｗ〕と荷重Ｆ〔Ｎ〕をｔ２秒後まで印加し、接合プロファイルを完了させる〔（ａ）ｔ１秒〜ｔ２秒，配線電極１５の状態（ｂ３），電子部品４の状態（ｃ３）：荷重＋超音波振動により拡大した領域３２〕。【００５１】
ここで、図３における（ｃ２）に示す接合材１３の荷重により拡大した領域３１は、接合強度が低いため、荷重Ｆ〔Ｎ〕は、電子部品４が位置ずれを生じないのに十分で、かつ小さい値であることが望ましい。【００５２】
なお、本実施の形態では、予め接合材１３を配線上に配置した配線基板１４と電子部品４を対向させて接合させる接合方法を例として説明するが、接合材１３は予め電子部品４に配置されていてもよい。また、ｔ１〔ｓ〕後の荷重または超音波振動は、図３における（ａ）に示すように、必ずしも一定である必要はなく、また、超音波振動の制御因子も電力Ｗではなく、電圧や電流であってもよい。【００５３】
図４は本実施の形態に関する電子部品４の各接合部に負荷される荷重条件および超音波振動条件と電子部品４の各接合部の良品・不良品の関係を示した説明図である。横軸が各接合部に負荷される荷重条件、縦軸が超音波振動である。低荷重または低超音波振動の領域Ｂでは、接合に必要な負荷エネルギーが不足し、電子部品４の電極と配線基板１４の電極とが接合されていない接合部の電気的導通不良や、製品として要求される信頼性を確保するために必要な接合強度（例えば、配線基板１４に対する電子部品４のせん断強度）が不足するといった接合強度の不足による接合不良が発生する。また、高荷重または高超音波振動の領域Ｃでは、負荷エネルギーの過負荷より電子部品４もしくは配線基板１４が破壊する。領域Ａでは、適正な荷重で適正な超音波振動の電子部品４と配線基板１４との良好な接合を実現できる。領域Ｅは、電子部品の各領域に実際に負荷される接合条件の範囲を示す。【００５４】
図４に示すように接合条件である荷重値および超音波振動は、接合強度が確保でき、かつ電子部品４または配線基板１４の破壊が発生しない範囲で設定する必要があり、接合する面積や接合材料の特性にもよるが、例えば荷重であれば５Ｎから５００Ｎ程度が妥当であり、超音波振動であれば無荷重時の超音波振幅に換算して０．５μｍから１０μｍ程度が妥当である。【００５５】
また、電子部品４および配線基板１４の接合部に対し、荷重，超音波振動以外に熱を印加すると、接合材１３と電子部品４の電極１２および配線基板１４の配線電極１５の相互拡散が促進され、より低荷重、低超音波振動で接合が可能となるため、接合条件のマージンが広がり、さらに安定した品質を得ることができる。【００５６】
図５は図１に示す接合ヘッド２３を示す。【００５７】
図５において（ａ）は接合ヘッド２３の正面の一部断面図であり、（ｂ）の右図は接合ヘッド２３の底面図、２０は超音波振動子１の超音波振動子長である。（ｂ）の左図は無荷重時のツール３上位置と超音波振幅の関係を示す説明図、（ｂ）の下図は無荷重時の超音波ホーンと超音波振幅の関係を示す説明図である。【００５８】
なお、図５では、接合ヘッド２３に保持される電子部品４も併せて図示する。また、（ｂ）の左図に示す無荷重時の超音波振幅９は、荷重印加時の超音波振動の伝達量を近似的に表している。【００５９】
図５に示すように、接合ヘッド２３は、電子部品４を吸着するツール３、超音波振動を発生する超音波振動子１、超音波振動をツール３に伝える超音波ホーン２、超音波ホーン２の支持部材１０、荷重印加部材１１で構成される。超音波ホーン２は、長手方向の中央部に超音波振動の最大振幅点３５を有し、ツール３は、超音波振動の最大振幅点３５である超音波ホーン２の中央部に配置されている。本構成により、超音波振動を最も効率的に電子部品４に伝達することができる。【００６０】
超音波振動子１は、超音波ホーン２の長手方向の一端部に配置され、超音波の長手方向に超音波振動する。また、超音波ホーン２は、超音波振動におけるノーダル部（節部）３４のみで支持部材１０により固定されている。このような構成により、超音波ホーン２の超音波振動を阻害することなく、超音波ホーン２を保持することができる。【００６１】
ツール３に荷重を印加する荷重印加部材１１は、超音波ホーン２の最大振幅点３５であるツール３位置の上に配置され、超音波ホーン２の超音波ホーン支持部材１０に固定される構造となっている。この場合、荷重印加部材１１にベアリングを配置し、超音波ホーン２を配置したツール３と反対面の超音波ホーン最大振幅点３５を含む面とが接触するような構造にしてもよい。【００６２】
ツール３は、電子部品４の接合において好適な振動特性および振動伝達特性を有するステンレス鋼，超硬合金，焼入鋼により形成されており、中心部に電子部品４の吸着保持に利用される真空吸引用の吸引路を備えている。【００６３】
図５（ｂ）に示すように、実施の形態１のツール３の形状は、超音波振動子１の中心軸を通り、かつ電子部品４との接触面に対して水平方向のツール３における中央部３ａの断面積がツール３の他の部位としての端部３ｂの断面積よりも大きくなるように設定されている。つまり、超音波振動子１から付与される超音波振動方向に対して平行な方向において、ツール３の中央部３ａの形状と、ツール３の端部３ｂの形状を変化させ、断面積が異なるようにしており、超音波振動子１から付与される超音波振動方向５と平行な方向に、ツール３の中央部３ａにおいてツール３の端部３ｂの厚さよりも厚くなるようにしている。【００６４】
この構成によると、図５（ｂ）に示すように、超音波振動方向５に対して垂直な方向における超音波振幅９が略同じになる。つまり超音波振動の差がなくなるか、あるいは小さくなるため、電子部品４における超音波振動方向５に対して垂直な方向における中央部３ａと端部３ｂとで超音波振動の伝達の差をなくすか、あるいは小さくすることができる。【００６５】
電子部品４における超音波振動方向５に対して垂直な方向における中央部３ａと端部３ｂで超音波振動の伝達の差をなくすか、あるいは小さくすることができることにより、図３（ｂ１）〜（ｂ３）に示すように、荷重＋超音波振動により拡大した領域の面積差を電子部品４における超音波振動方向５に対して垂直な方向における中央部と端部の電極１２，１５でなくすか、あるいは小さくすることができ、電子部品４における超音波振動方向５に対して垂直な方向における中央部と端部の電極１２，１５の接合強度差をなくすか、あるいは小さくすることができ、かつ接合時に電子部品４における超音波振動方向に対して垂直な方向における中央部と端部の電極１２，１５に与える負荷の差をなくすか、あるいは小さくすることができる。【００６６】
よって、電子部品４における各接合部に実際に負荷される接合条件の範囲は、例えば、図４に示すように、低荷重または低超音波振動による接合強度不足の不良が発生する領域Ｂと、高荷重および高超音波振動による電子部品または配線基板の破壊不良が発生する領域Ｃではないの接合良品の領域Ａにおいて、同一の電子部品全面に負荷される接合条件の範囲が、従来の接合条件の範囲に比べ格段に小さくなるため、電子部品と配線基板の全接合部で接合強度確保と非破壊の両方を満たす接合条件の設定が容易となり、量産における接合条件の維持管理を容易にすることができる。【００６７】
また、ツール３は超音波ホーン２と必ずしも一体となっている必要はなく、ツール３が超音波ホーン２に対して着脱可能に取り付けられる構造となっていてもよい。さらに、ツール３による電子部品４の保持方法としては、吸引吸着には限定されず、電気的あるいは磁気的な吸着により保持されてもよい。【００６８】
また、各部材の材料としては、超音波振動子１は圧電素子、超音波ホーン２はステンレスなどが適しているが、超音波ホーン２は、超音波振動子１にて発生した超音波振動を伝達できる材料であればよい。【００６９】
図６〜図１０に示す要部の斜視図を参照して、実施の形態１のツール３の各種変形例について説明する。【００７０】
前記実施の形態１と同様の効果を確保するために、超音波振動子１から付与される超音波振動方向５に対して垂直な方向において、ツール３の中央部３ａの形状（断面積）と、ツール３の端部３ｂの形状（断面積）を変化させる場合、およびツール３の中央部３ａの材質（組成）とツール３の端部３ｂの材質（組成）を変化させる場合の変形例におけるツール３に関する構成を説明する。【００７１】
図６に示す例では、超音波振動子１の中心軸を通り、超音波振動子１から付与される超音波振動方向５に対して平行な方向のツール３の側面に溝部４１，４１を形成している。溝部４１，４１の幅および深さは、ツール３の中央部３ａと端部３ｂとに振動差がないか、あるいは小さくなる寸法に設定される。【００７２】
前記溝部４１の形状は図６に示した形状に限定されるものではない。また、溝部４１，４１を複数個形成するようにしてもよい。【００７３】
図７（ａ）（ｂ）に示す例では、超音波振動子１から付与される超音波振動方向５に対して垂直な方向のツール側面に穴部４２または穴部４３を形成している。図７（ａ）に示す例の穴部４２，４２はツール３の端部３ｂに形成されており、超音波振動子１の中心軸を通り、かつ電子部品４との接触面に対して垂直方向のツール３における中央部３ａの断面積がツール３の他の部位としての端部３ｂの断面積よりも大きくなるように設定されている。【００７４】
これに対して図７（ｂ）に示す例の穴部４３はツール３の中央部３ａに形成されて、超音波振動子の中心軸を通り、かつ電子部品との接触面に対して垂直方向のツール３における中央部３ａの断面積が他の部位としての端部３ｂの断面積よりも小さくなるように構成されている。【００７５】
前記穴部４２，４３の形状および大きさは、ツール３の中央部３ａと端部３ｂとに振動差がないか、あるいは小さくなる寸法に設定される。また、穴部４２，４３は複数形成するようにしてもよい。【００７６】
図８に示す例では、超音波振動子の中心軸を通り、かつ電子部品との接触面に対して垂直方向のツール３における中央部３ａの断面積が他の部位としての端部３ｂの断面積よりも小さくなるように、ツール３の上面である部品保持面の中央部３ａに溝部４４を形成している。溝部４４の幅および深さは、ツール３の中央部３ａと端部３ｂとに振動差がないか、あるいは小さくなるように設定される。【００７７】
前記溝部４４の形状は図８に示した形状に限定されるものではない。また、溝部４４は複数個形成するようにしてもよい。【００７８】
図９に示す例では、ツール３の中央部３ａの材料（材質）と、ツール３の端部３ｂの材料（材質）とを異種材料で形成している。材料の種類および材料の設置範囲は、ツール３の中央部３ａと端部３ｂとに振動差がないか、あるいは小さくなるように選択される。【００７９】
図１０に示す例では、ツール３の中央部３ａの材質組成と、ツール３の端部３ｂの材質組織（Microstructure of Materials）とを異なるものにしている。例えば、同一の材料を用いて熱プロセスにより、ツール３の中央部３ａの組成と、ツール３の端部３ｂの組成を変化させる。【００８０】
前記熱プロセスとしては、例えば高周波焼入焼戻や窒化などが有効であるが、ツール３の中央部３ａと端部３ｂとに振動差がないか、あるいは小さくなるような熱プロセスであればよい。【００８１】
（実施の形態２）
さらに、上記の実施の形態１に示した何れかのツール３に加えて超音波ホーン２を図１１または図１２のように構成して電子部品４に作用する超音波振動の大きさを変更することもできる。【００８２】
図１１は実施の形態２における超音波ホーン２とツール３の部分を示す斜視図である。【００８３】
超音波ホーン２に穴部５０を形成している。本例では超音波振動子１から付与される超音波振動方向５に対して平行な方向の超音波ホーン２におけるツール３両側部分に穴部５０を形成している。孔部５０の形状および大きさは、ツール３の中央部３ａと端部３ｂとに振動差がないか、あるいは小さくなるように設定される。また、穴部５０は複数形成するようにしてもよい。【００８４】
図１２では、超音波振動子１から付与される超音波振動方向５に対して平行な方向の超音波ホーン２の側面に、突起部５１を形成している。突起部５１の形状および大きさは、ツール３の中央部３ａと端部３ｂとに振動差がないか、あるいは小さくなるように設定される。また、突起部５１は複数形成するようにしてもよい。【００８５】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更，実施の形態の組み合わせなどが可能である。【００８６】
前記構成の各実施の形態の超音波接合装置は、半導体チップを搭載する必要のある画像表示装置用駆動ドライバー用ＩＣの装着に適しており、また、画像表示装置用駆動ドライバー用ＩＣ以外の様々な種類の電子部品、例えば半導体発行素子、あるいはＳＡＷ（Surface Acoustic Wave：表面弾性波）フィルタや半導体ベアチップ部品などの装着にも適している。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明によれば、配線基板上に電子部品を接合するときに、電子部品と配線基板の十分な接合と非破壊を同時に満たすことができ、超音波を利用して電子部品を配線基板に装着する様々な技術に有用である。
【図１】
2008139668.tif 000003
【図２】
2008139668.tif 000004
【図３】
2008139668.tif 000005
【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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【手続補正書】
【提出日】平成21年7月3日(2009.7.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波振動子から発生した超音波振動を、超音波ホーンおよびツールを介して配線基板上の電子部品に伝達し、前記電子部品と前記配線基板とを接合させる電子部品装着装置において、
前記超音波振動子の中心軸を通り、かつ前記電子部品との接触面に対して垂直方向の前記ツールにおける中央部の断面積が前記ツールの他の部位の断面積よりも大きくなるように設定した
電子部品装着装置。
【請求項２】
超音波振動方向に対して平行な方向の前記ツールにおける前記電子部品との接触面の中央部の長さが、前記ツールにおける前記電子部品との接触面の端部の長さより大きくなるように設定した
請求項１記載の電子部品装着装置。
【請求項３】
前記ツールの側面に、前記超音波振動子から付与される超音波振動方向に対して平行な方向の溝部を形成した
請求項１記載の電子部品装着装置。
【請求項４】
前記ツールの側面に、前記超音波振動子から付与される超音波振動方向に対して垂直な方向の２つの穴部を形成し、該２つの穴部をそれぞれ前記超音波振動子の中心軸から対称な位置に設置した
請求項１記載の電子部品装着装置。
【請求項５】
超音波振動子から発生した超音波振動を、超音波ホーンとツールを介して配線基板上の電子部品に伝達し、前記電子部品と前記配線基板とを接合させる電子部品装着装置において、
前記超音波振動子の中心軸を通り、かつ前記電子部品との接触面に対して垂直方向の前記ツールにおける中央部の断面積が他の部位の断面積よりも小さくなるように設定した
電子部品装着装置。
【請求項６】
前記ツールの前記超音波振動子から付与される超音波振動方向に対して垂直な方向の側面に、穴部を形成し、前記穴部を、該穴部の中心線が前記ツールにおける前記電子部品との接触面の中央部と前記超音波振動子の中心軸とを通る平面上に存在するように設置した
請求項５記載の電子部品装着装置。
【請求項７】
前記ツールにおける電子部品保持面の中央部に溝部を形成した請求項５記載の電子部品装着装置。
【請求項８】
超音波振動子から発生した超音波振動を、超音波ホーンとツールを介して配線基板上の電子部品に伝達し、前記電子部品と前記配線基板とを接合させる電子部品装着装置において、
前記超音波振動子の中心軸を通り、かつ前記ツールにおける電子部品との接触面に対して垂直方向の前記ツールにおける中央部の材質と前記ツールの他の部位の材質とを異なるものにした
電子部品装着装置。
【請求項９】
超音波振動子から発生した超音波振動を、超音波ホーンとツールを介して配線基板上の電子部品に伝達し、前記電子部品と前記配線基板とを接合させる電子部品装着装置において、
前記超音波振動子の中心軸を通り、かつ前記ツールにおける電子部品との接触面に対して垂直方向の前記ツールにおける中央部の材質組織と前記ツールにおける他の部位の材質組織とを異なるものにした
電子部品装着装置。
【請求項１０】
請求項１〜６のいずれか１項の電子部品装着装置を用いて超音波を利用して電子部品を配線基板に装着する電子部品装着方法であって、
超音波振動子から付与される超音波の振動方向と平行な方向における中央部の形状と端部の形状とを変化させたツールと、該ツールを保持する超音波ホーンとを具備し、
前記超音波ホーンと電子部品を保持した前記ツールとを介して前記電子部品に前記超音波振動子から超音波振動を付与する工程と、
前記超音波ホーンが取り付けられる支持部材と前記超音波ホーンと前記ツールとを介して、前記電子部品を前記配線基板に押圧する工程と
を備えた電子部品装着方法。
【請求項１１】
請求項８または請求項９に記載の電子部品装着装置を用いて超音波を利用して電子部品を配線基板に装着する電子部品装着方法であって、
超音波振動子から付与される超音波の振動方向と平行な方向における中央部の超音波の振動方向と垂直な方向の材質または組織と、端部の超音波の振動方向と垂直な方向の材質または組織とを変化させたツールと、該ツールを保持する超音波ホーンとを具備し、
前記超音波ホーンと電子部品を保持した前記ツールとを介して前記電子部品に前記超音波振動子から超音波振動を付与する工程と、
前記超音波ホーンが取り付けられる支持部材と前記超音波ホーンと前記ツールとを介して、前記電子部品を前記配線基板に押圧する工程と
を備えた電子部品装着方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品の金属電極と配線基板の金属電極とを、超音波振動を用いて装着するための電子部品装着装置および電子部品装着方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、プリント基板などの配線基板に電子部品を装着する装置では、電子部品の電極と配線基板の電極とを接合する様々な方法が利用されており、電子部品を短時間で、かつ比較的低温にて実装することができる方法の１つとして、超音波を利用する接合方法（以下、超音波接合という）が知られている。
【０００３】
前記超音波接合では、配線基板に押圧された電子部品を超音波振動により振動させ、電子部品の電極（例えばバンプが形成されている）と配線基板の電極とを電気的に接合する。このとき、前記バンプは配線基板の電極に形成されてもよく、また電子部品の電極および配線基板の電極の双方に形成されていてもよい。
【０００４】
図１３（ａ）（ｂ）は、従来の超音波を利用して電子部品４を配線基板１４に装着する電子部品装着装置（以下、超音波接合装置という）による電子部品４の金属電極と配線基板１４の金属電極との接合を実施している状態を示す説明図であって、１は超音波振動子、２は超音波ホーン、３はツールである。
【０００５】
図１３（ａ）は断面図、図１３（ｂ）の右図は配線基板１４を除いた底面図、図１３（ｂ）の左図の９は無荷重時の超音波振幅であって、荷重印加時の超音波振動の伝達量を擬似的に表している。
【０００６】
図１３（ａ）に示すように、超音波振動子１により発生した超音波振動は、超音波振動を伝達する超音波ホーン２、および搭載されている電子部品４に直接に接触するツール３を介して電子部品４に伝達されて、電子部品４上の電極と配線基板１４の電極が接合される。
【０００７】
図１４は電子部品の各接合部に負荷される荷重条件、および超音波振動条件と電子部品の各接合部の良品・不良品の関係を示す説明図である。横軸が各接合部に負荷される荷重条件、縦軸が超音波振動である。
【０００８】
この図１４に示すように、低荷重または低超音波振動の領域Ｂでは、接合に必要な負荷エネルギーが不足し、電子部品４の電極と配線基板１４の電極とが接合されていない接合部の電気的導通不良や、製品として要求される信頼性を確保するために必要な接合強度（例えば、配線基板１４に対する電子部品４のせん断強度）が不足するといった接合強度の不足による接合不良が発生する。
【０００９】
また、高荷重または高超音波振動の領域Ｃでは、負荷エネルギーの過負荷より電子部品４もしくは配線基板１４が破壊する。
【００１０】
よって、接合条件である荷重値および超音波振動値は、製品として要求される信頼性を確保するために必要な接合強度が確保でき、かつ電子部品４または配線基板１４の破壊が発生しない範囲で設定する必要がある。領域Ａは、適正な荷重で適正な超音波振動の電子部品４と配線基板１４との良好な接合を実現できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００４−３３０２２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
近年、超音波接合方式は、電子部品の電極と配線基板の電極を接合する他の接合方式、例えば電子部品の電極に形成されたバンプと、配線基板の電極をバンプに形成された導電性接着材を介して接合する接合方法、あるいは、導電性粒子を含有した接着シートを介して、電子部品の電極に形成されたバンプと配線基板の電極とを接合する接合方法、あるいは、電子部品に形成されたバンプと配線基板の電極を接合する方法と比べて、短時間でかつ比較的低温で、電子部品の接合が可能である優位性が認められ、多くの電子部品の接合形態への適用が期待されている。
【００１３】
特に、画像表示用駆動ドライバーＩＣなどの大型で、かつ電極の狭ピッチ化が今後も進むと予測される電子部品の接合形態では、接合時の温度負荷による各構成部材の熱膨張によって、接合位置ずれなどの不具合が生じるため、低温での接合が可能な超音波接合方式の適用が最も期待されている。
【００１４】
超音波接合では、ツールから伝達される超音波振動を電子部品の全面に伝達するために、ツールにおける超音波振動方向に対して垂直方向の長さおよび平行方向の長さは、電子部品における超音波振動方向に対して垂直方向の長さおよび平行方向の長さと同じ長さか、電子部品における超音波振動方向に対して垂直方向の長さおよび平行方向の長さより長く設定され、かつ、ツールにおける超音波振動方向に対する垂直方向の長さは、ツールの部品保持面において同じ長さであり、かつ、ツールにおける超音波振動方向に対する平行方向の長さは、ツール保持面において同じ長さに設定されている。
【００１５】
しかし、前記ツールの形状では、ツールにおける超音波振動方向に対して平行方向の中心線から遠ざかるツールの部位ほど超音波振動の伝達が悪くなる。
【００１６】
つまり、図１３（ｂ）に示すように、ツール３の中央部とツール３の端部とにおいて超音波振幅９の変化、つまり超音波振動の伝達に差が生じ、特にツール３の端部で極端に超音波振動の伝達が小さくなる。
【００１７】
前述したように、超音波接合の接合条件は電子部品の電極と配線基板の電極とが接合し、かつ破壊しない領域Ａの接合条件にする必要があるが、電子部品の中央部の電極と端部の電極部への超音波振動の伝達に差が生じると、電子部品内の各接合部に実際に負荷される接合条件は、例えば図１４に示すような範囲を有し、電子部品内の全接合部において接合強度確保と、電子部品または配線基板の非破壊の両方を満たす接合条件を見出すことができない。図１４においてＤ１の範囲は、電子部品の超音波振動方向と垂直な方向における端部に実際に負荷される接合条件の範囲を示す。Ｄ２の範囲は、電子部品の超音波振動方向と垂直な方向における端部以外に実際に負荷される接合条件の範囲を示す。
【００１８】
あるいは、電子部品内の全接合部において、接合強度の確保と、電子部品または配線基板の非破壊の両方を満たす接合条件を見出せたとしても、良品を確保するために余裕度の小さい接合条件になってしまい、量産における接合条件の維持管理が非常に難しい。
【００１９】
本発明は、前記従来の課題に鑑みなされたものであり、超音波接合におけるツール中央部とツール端部における超音波振幅の差、すなわち超音波振動の伝達の差をなくすか、あるいは超音波振動の伝達の差を小さくし、電子部品内の全接合部において接合強度の確保と、電子部品または配線基板の非破壊の両方を満たす条件を見出し、さらには良品を確保するために余裕度の大きい接合条件範囲を確保することにより、量産における接合条件の維持管理を容易にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の請求項１記載の電子部品装着装置は、超音波振動子から発生した超音波振動を、超音波ホーンおよびツールを介して配線基板上の電子部品に伝達し、前記電子部品と前記配線基板とを接合させる電子部品装着装置において、前記超音波振動子の中心軸を通り、かつ前記電子部品との接触面に対して垂直方向の前記ツールにおける中央部の断面積が前記ツールの他の部位の断面積よりも大きくなるように設定したことを特徴とする。
【００２１】
本発明の請求項２記載の電子部品装着装置は、請求項１において、超音波振動方向に対して平行な方向の前記ツールにおける前記電子部品との接触面の中央部の長さが、前記ツールにおける前記電子部品との接触面の端部の長さより大きくなるように設定したことを特徴とする。
【００２２】
本発明の請求項３記載の電子部品装着装置は、請求項１において、前記ツールの側面に、前記超音波振動子から付与される超音波振動方向に対して平行な方向の溝部を形成したことを特徴とする。
【００２３】
本発明の請求項４記載の電子部品装着装置は、請求項１において、前記ツールの側面に、前記超音波振動子から付与される超音波振動方向に対して垂直な方向の２つの穴部を形成し、該２つの穴部をそれぞれ前記超音波振動子の中心軸から対称な位置に設置したことを特徴とする。
【００２４】
本発明の請求項５記載の電子部品装着装置は、超音波振動子から発生した超音波振動を、超音波ホーンとツールを介して配線基板上の電子部品に伝達し、前記電子部品と前記配線基板とを接合させる電子部品装着装置において、前記超音波振動子の中心軸を通り、かつ前記電子部品との接触面に対して垂直方向の前記ツールにおける中央部の断面積が他の部位の断面積よりも小さくなるように設定したことを特徴とする。
【００２５】
本発明の請求項６記載の電子部品装着装置は、請求項５において、前記ツールの前記超音波振動子から付与される超音波振動方向に対して垂直な方向の側面に、穴部を形成し、前記穴部を、該穴部の中心線が前記ツールにおける前記電子部品との接触面の中央部と前記超音波振動子の中心軸とを通る平面上に存在するように設置したことを特徴とする。
【００２６】
本発明の請求項７記載の電子部品装着装置は、請求項５において、前記ツールにおける電子部品保持面の中央部に溝部を形成したことを特徴とする。
【００２７】
本発明の請求項８記載の電子部品装着装置は、超音波振動子から発生した超音波振動を、超音波ホーンとツールを介して配線基板上の電子部品に伝達し、前記電子部品と前記配線基板とを接合させる電子部品装着装置において、前記超音波振動子の中心軸を通り、かつ前記ツールにおける電子部品との接触面に対して垂直方向の前記ツールにおける中央部の材質と前記ツールの他の部位の材質とを異なるものにしたことを特徴とする。
【００２８】
本発明の請求項９記載の電子部品装着装置は、超音波振動子から発生した超音波振動を、超音波ホーンとツールを介して配線基板上の電子部品に伝達し、前記電子部品と前記配線基板とを接合させる電子部品装着装置において、前記超音波振動子の中心軸を通り、かつ前記ツールにおける電子部品との接触面に対して垂直方向の前記ツールにおける中央部の材質組織と前記ツールにおける他の部位の材質組織とを異なるものにしたことを特徴とする。
【００２９】
本発明の請求項１０記載の電子部品装着方法は、請求項１〜６のいずれか１項の電子部品装着装置を用いて超音波を利用して電子部品を配線基板に装着する電子部品装着方法であって、超音波振動子から付与される超音波の振動方向と平行な方向における中央部の形状と端部の形状とを変化させたツールと、該ツールを保持する超音波ホーンとを具備し、前記超音波ホーンと電子部品を保持した前記ツールとを介して前記電子部品に前記超音波振動子から超音波振動を付与する工程と、前記超音波ホーンが取り付けられる支持部材と前記超音波ホーンと前記ツールとを介して、前記電子部品を前記配線基板に押圧する工程とを備えたことを特徴とする。
【００３０】
本発明の請求項１１記載の電子部品装着方法は、請求項８または請求項９に記載の電子部品装着装置を用いて超音波を利用して電子部品を配線基板に装着する電子部品装着方法であって、超音波振動子から付与される超音波の振動方向と平行な方向における中央部の超音波の振動方向と垂直な方向の材質または組織と、端部の超音波の振動方向と垂直な方向の材質または組織とを変化させたツールと、該ツールを保持する超音波ホーンとを具備し、前記超音波ホーンと電子部品を保持した前記ツールとを介して前記電子部品に前記超音波振動子から超音波振動を付与する工程と、前記超音波ホーンが取り付けられる支持部材と前記超音波ホーンと前記ツールとを介して、前記電子部品を前記配線基板に押圧する工程とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、超音波接合におけるツール中央部とツール端部における超音波振幅の差、すなわち超音波振動の伝達の差をなくしたり、超音波振動の伝達の差を小さくしたりすることにより、電子部品内の全接合部における接合強度の確保と、電子部品または配線基板の非破壊の両方を満たすことが可能になり、さらには良品を確保するために、余裕度の大きい接合条件範囲を確保することなどができるため、量産における接合条件の維持管理が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る超音波接合装置の実施の形態１の概略構成図
【図２】本実施の形態における接合動作に係るフロー図
【図３】本実施の形態における超音波振動条件と荷重条件のプロファイルと、各接合時間における電子部品および配置基板部分を示す図であって、（ａ）は、超音波振動と荷重条件のプロファイルを示す図、（ｂ１）〜（ｂ３）は各接合時間における電子部品と配線基板と接合材の構成を示す断面図、（ｃ１）〜（ｃ３）は、各接合時間における電子部品と配線基板の間に配置された接合材の電子部品上電極との接触面の領域を示す図
【図４】本実施の形態における電子部品の各接合部に負荷される荷重条件および超音波振動条件と電子部品の各接合部の良品・不良品の関係を示す説明図
【図５】本実施の形態における接合ヘッドを示し、（ａ）は断面図、（ｂ）の右図は底面図、（ｂ）の左図は無荷重時のツール上位置と超音波振幅の関係を示す説明図、（ｂ）の下図は無荷重時の超音波ホーンと超音波振幅の関係を示す説明図
【図６】実施の形態１の変形例におけるツールを部品保持面方向より示す斜視図
【図７】（ａ），（ｂ）は実施の形態１の他の変形例におけるツールを部品保持面方向より示す斜視図
【図８】実施の形態１の他の変形例におけるツールを部品保持面方向より示す斜視図
【図９】実施の形態１の他の変形例におけるツールを部品保持面方向より示す斜視図
【図１０】実施の形態１の他の変形例におけるツールを部品保持面方向より示す斜視図
【図１１】本発明に係る超音波接合装置の実施の形態２におけるツールを部品保持面方向より示す斜視図
【図１２】本発明に係る超音波接合装置の実施の形態２におけるツールを部品保持面方向より示す斜視図
【図１３】従来の超音波接合装置による電子部品と配線基板の接合を実施している状態を示す説明図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）の右図は配線基板を除いた底面図、（ｂ）の左図は無荷重時のツール上の位置と超音波振幅との関係を示す説明図
【図１４】従来装置における電子部品の各接合部に負荷される荷重条件および超音波振動条件と電子部品の各接合部の良品・不良品の関係を示した説明図
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明の各実施の形態を図１〜図１２に基づいて説明する。
【００３４】
（実施の形態１）
図１〜図１０は本発明の実施の形態を示す。
【００３５】
図１は本発明に係る超音波接合装置の概略構成図である。
【００３６】
この超音波接合装置は、配線基板１４を保持する配線基板保持部２４を備え、配線基板保持部２４の＋Ｚ方向の側には、配線基板１４に電子部品４を接合する接合機構２１が設けられている。配線基板保持部２４と接合機構２１との間には、電子部品４および配線基板１４を撮像する撮像機構２７が設けられている。また、電子部品４を接合機構２１に供給する供給機構（図示せず）が設置されている。この超音波接合装置では、これらの機構が制御部４０により制御されることにより、配線基板１４と電子部品４との接合が行われる。
【００３７】
配線基板保持部２４は、配線基板１４を保持するステージ２５と、ステージ２５をＸ方向およびＹ方向に移動するステージ移動機構２６を備えている。接合機構２１は、接合ヘッド２３と、接合ヘッド２３をＺ方向に移動する（昇降する）昇降機構２２を備えている。撮像機構２７は、電子部品４および配線基板１４を撮像する撮像ユニット２８と、Ｘ方向およびＹ方向に移動する撮像ユニット移動機構２９を備えている。
【００３８】
図２は、図１に示した超音波接合装置を用い、電子部品４を配線基板１４に接合させる動作に係る制御部４０のフロー図である。
【００３９】
制御部４０は、まず、供給機構により供給された電子部品４を接合ヘッド２３で吸着する（Ｓ１１）。
【００４０】
次に撮像ユニット２８が電子部品４および配線基板１４の間に移動し、吸着された電子部品４およびステージ２５に保持されている配線基板１４を撮像する（Ｓ１２）。
【００４１】
次に、画像データを制御部４０に送り、予め記憶している電子部品４と配線基板１４の画像データとをそれぞれ比較し、電子部品４および配線基板１４の位置と向きを検出する（Ｓ１３）。
【００４２】
次に、検出結果に基づいて電子部品４および配線基板１４を、予め設定した相対位置および向きに補正する（Ｓ１４）。
【００４３】
電子部品４または接合ヘッド２３と接触しない位置に撮像ユニット２８が退避し、接合ヘッド２３が降下して、電子部品４を配線基板１４に押圧接合させる（Ｓ１５）。
【００４４】
そして、接合ヘッド２３による電子部品４の吸着が解除され、接合ヘッド２３が上昇する（Ｓ１６）ことによって、接合動作の一つのサイクルが完了する。
【００４５】
なお、電子部品４および配線基板１４を、予め設定した相対位置および向きに補正する工程（Ｓ１４）において、図１に示すステージ移動機構２６ではなく、接合機構２１に別途に移動機構を設けて補正を行うようにしてもよい。
【００４６】
図３は、電子部品４を接合させる条件である超音波振動条件と荷重条件のプロファイルと、各接合時間における電子部品４および配線基板１４の部分を示す図である。
【００４７】
図３において、（ａ）は超音波振動と荷重条件のプロファイルを示し、（ｂ１）〜（ｂ３）は各接合時間における電子部品４と配線基板１４、および電子部品４と配線基板１４とを接合させる接合材１３を示す断面図であり、（ｃ１）〜（ｃ３）は、電子部品４の電極１２と配線基板１４の側に配置された接合材１３との接触面の各接合時間における領域を示す図である。なお、図中の５は超音波振動方向を示す。
【００４８】
図３を用いて、超音波振動条件と荷重条件の各プロファイルと、各接合時間における電子部品４および配線基板１４の状態の関係を説明する。
【００４９】
まず、超音波振動を印加する前に、荷重印加部材１１にて荷重のみ印加する。すなわち、配線基板１４の配線電極１５上に接合材１３が配置されている配線基板１４と電子部品４を用意する〔（ａ）の０秒時，配線電極１５の状態（ｂ１），電子部品４の状態（ｃ１）：初期領域３０〕。
【００５０】
次のｔ１秒間は荷重のみを印加する〔（ａ）０秒〜ｔ１秒，配線電極１５の状態（ｂ２），電子部品４の状態（ｃ２）：荷重により拡大した領域３１〕。このとき印加する荷重Ｆ〔Ｎ〕は、ｔ１〔ｓ〕後に超音波振動を印加した場合に電子部品４が位置ずれを生じない十分な値とする。
【００５１】
次に、ｔ１秒後から超音波振動Ｐ〔Ｗ〕と荷重Ｆ〔Ｎ〕をｔ２秒後まで印加し、接合プロファイルを完了させる〔（ａ）ｔ１秒〜ｔ２秒，配線電極１５の状態（ｂ３），電子部品４の状態（ｃ３）：荷重＋超音波振動により拡大した領域３２〕。
【００５２】
ここで、図３における（ｃ２）に示す接合材１３の荷重により拡大した領域３１は、接合強度が低いため、荷重Ｆ〔Ｎ〕は、電子部品４が位置ずれを生じないのに十分で、かつ小さい値であることが望ましい。
【００５３】
なお、本実施の形態では、予め接合材１３を配線上に配置した配線基板１４と電子部品４を対向させて接合させる接合方法を例として説明するが、接合材１３は予め電子部品４に配置されていてもよい。また、ｔ１〔ｓ〕後の荷重または超音波振動は、図３における（ａ）に示すように、必ずしも一定である必要はなく、また、超音波振動の制御因子も電力Ｗではなく、電圧や電流であってもよい。
【００５４】
図４は本実施の形態に関する電子部品４の各接合部に負荷される荷重条件および超音波振動条件と電子部品４の各接合部の良品・不良品の関係を示した説明図である。横軸が各接合部に負荷される荷重条件、縦軸が超音波振動である。低荷重または低超音波振動の領域Ｂでは、接合に必要な負荷エネルギーが不足し、電子部品４の電極と配線基板１４の電極とが接合されていない接合部の電気的導通不良や、製品として要求される信頼性を確保するために必要な接合強度（例えば、配線基板１４に対する電子部品４のせん断強度）が不足するといった接合強度の不足による接合不良が発生する。また、高荷重または高超音波振動の領域Ｃでは、負荷エネルギーの過負荷より電子部品４もしくは配線基板１４が破壊する。領域Ａでは、適正な荷重で適正な超音波振動の電子部品４と配線基板１４との良好な接合を実現できる。領域Ｅは、電子部品の各領域に実際に負荷される接合条件の範囲を示す。
【００５５】
図４に示すように接合条件である荷重値および超音波振動は、接合強度が確保でき、かつ電子部品４または配線基板１４の破壊が発生しない範囲で設定する必要があり、接合する面積や接合材料の特性にもよるが、例えば荷重であれば５Ｎから５００Ｎ程度が妥当であり、超音波振動であれば無荷重時の超音波振幅に換算して０．５μｍから１０μｍ程度が妥当である。
【００５６】
また、電子部品４および配線基板１４の接合部に対し、荷重，超音波振動以外に熱を印加すると、接合材１３と電子部品４の電極１２および配線基板１４の配線電極１５の相互拡散が促進され、より低荷重、低超音波振動で接合が可能となるため、接合条件のマージンが広がり、さらに安定した品質を得ることができる。
【００５７】
図５は図１に示す接合ヘッド２３を示す。
【００５８】
図５において（ａ）は接合ヘッド２３の正面の一部断面図であり、（ｂ）の右図は接合ヘッド２３の底面図、２０は超音波振動子１の超音波振動子長である。（ｂ）の左図は無荷重時のツール３上位置と超音波振幅の関係を示す説明図、（ｂ）の下図は無荷重時の超音波ホーンと超音波振幅の関係を示す説明図である。
【００５９】
なお、図５では、接合ヘッド２３に保持される電子部品４も併せて図示する。また、（ｂ）の左図に示す無荷重時の超音波振幅９は、荷重印加時の超音波振動の伝達量を近似的に表している。
【００６０】
図５に示すように、接合ヘッド２３は、電子部品４を吸着するツール３、超音波振動を発生する超音波振動子１、超音波振動をツール３に伝える超音波ホーン２、超音波ホーン２の支持部材１０、荷重印加部材１１で構成される。超音波ホーン２は、長手方向の中央部に超音波振動の最大振幅点３５を有し、ツール３は、超音波振動の最大振幅点３５である超音波ホーン２の中央部に配置されている。本構成により、超音波振動を最も効率的に電子部品４に伝達することができる。
【００６１】
超音波振動子１は、超音波ホーン２の長手方向の一端部に配置され、超音波の長手方向に超音波振動する。また、超音波ホーン２は、超音波振動におけるノーダル部（節部）３４のみで支持部材１０により固定されている。このような構成により、超音波ホーン２の超音波振動を阻害することなく、超音波ホーン２を保持することができる。
【００６２】
ツール３に荷重を印加する荷重印加部材１１は、超音波ホーン２の最大振幅点３５であるツール３位置の上に配置され、超音波ホーン２の超音波ホーン支持部材１０に固定される構造となっている。この場合、荷重印加部材１１にベアリングを配置し、超音波ホーン２を配置したツール３と反対面の超音波ホーン最大振幅点３５を含む面とが接触するような構造にしてもよい。
【００６３】
ツール３は、電子部品４の接合において好適な振動特性および振動伝達特性を有するステンレス鋼，超硬合金，焼入鋼により形成されており、中心部に電子部品４の吸着保持に利用される真空吸引用の吸引路を備えている。
【００６４】
図５（ｂ）に示すように、実施の形態１のツール３の形状は、超音波振動子１の中心軸を通り、かつ電子部品４との接触面に対して水平方向のツール３における中央部３ａの断面積がツール３の他の部位としての端部３ｂの断面積よりも大きくなるように設定されている。つまり、超音波振動子１から付与される超音波振動方向に対して平行な方向において、ツール３の中央部３ａの形状と、ツール３の端部３ｂの形状を変化させ、断面積が異なるようにしており、超音波振動子１から付与される超音波振動方向５と平行な方向に、ツール３の中央部３ａにおいてツール３の端部３ｂの厚さよりも厚くなるようにしている。
【００６５】
この構成によると、図５（ｂ）に示すように、超音波振動方向５に対して垂直な方向における超音波振幅９が略同じになる。つまり超音波振動の差がなくなるか、あるいは小さくなるため、電子部品４における超音波振動方向５に対して垂直な方向における中央部３ａと端部３ｂとで超音波振動の伝達の差をなくすか、あるいは小さくすることができる。
【００６６】
電子部品４における超音波振動方向５に対して垂直な方向における中央部３ａと端部３ｂで超音波振動の伝達の差をなくすか、あるいは小さくすることができることにより、図３（ｂ１）〜（ｂ３）に示すように、荷重＋超音波振動により拡大した領域の面積差を電子部品４における超音波振動方向５に対して垂直な方向における中央部と端部の電極１２，１５でなくすか、あるいは小さくすることができ、電子部品４における超音波振動方向５に対して垂直な方向における中央部と端部の電極１２，１５の接合強度差をなくすか、あるいは小さくすることができ、かつ接合時に電子部品４における超音波振動方向に対して垂直な方向における中央部と端部の電極１２，１５に与える負荷の差をなくすか、あるいは小さくすることができる。
【００６７】
よって、電子部品４における各接合部に実際に負荷される接合条件の範囲は、例えば、図４に示すように、低荷重または低超音波振動による接合強度不足の不良が発生する領域Ｂと、高荷重および高超音波振動による電子部品または配線基板の破壊不良が発生する領域Ｃではない接合良品の領域Ａにおいて、同一の電子部品全面に負荷される接合条件の範囲が、従来の接合条件の範囲に比べ格段に小さくなるため、電子部品と配線基板の全接合部で接合強度確保と非破壊の両方を満たす接合条件の設定が容易となり、量産における接合条件の維持管理を容易にすることができる。
【００６８】
また、ツール３は超音波ホーン２と必ずしも一体となっている必要はなく、ツール３が超音波ホーン２に対して着脱可能に取り付けられる構造となっていてもよい。さらに、ツール３による電子部品４の保持方法としては、吸引吸着には限定されず、電気的あるいは磁気的な吸着により保持されてもよい。
【００６９】
また、各部材の材料としては、超音波振動子１は圧電素子、超音波ホーン２はステンレスなどが適しているが、超音波ホーン２は、超音波振動子１にて発生した超音波振動を伝達できる材料であればよい。
【００７０】
図６〜図１０に示す要部の斜視図を参照して、実施の形態１のツール３の各種変形例について説明する。
【００７１】
前記実施の形態１と同様の効果を確保するために、超音波振動子１から付与される超音波振動方向５に対して垂直な方向において、ツール３の中央部３ａの形状（断面積）と、ツール３の端部３ｂの形状（断面積）を変化させる場合、およびツール３の中央部３ａの材質（組成）とツール３の端部３ｂの材質（組成）を変化させる場合の変形例におけるツール３に関する構成を説明する。
【００７２】
図６に示す例では、超音波振動子１の中心軸を通り、超音波振動子１から付与される超音波振動方向５に対して平行な方向のツール３の側面に溝部４１，４１を形成している。溝部４１，４１の幅および深さは、ツール３の中央部３ａと端部３ｂとに振動差がないか、あるいは小さくなる寸法に設定される。
【００７３】
前記溝部４１の形状は図６に示した形状に限定されるものではない。また、溝部４１，４１を複数個形成するようにしてもよい。
【００７４】
図７（ａ）（ｂ）に示す例では、超音波振動子１から付与される超音波振動方向５に対して垂直な方向のツール側面に穴部４２または穴部４３を形成している。図７（ａ）に示す例の穴部４２，４２はツール３の端部３ｂに形成されており、超音波振動子１の中心軸を通り、かつ電子部品４との接触面に対して垂直方向のツール３における中央部３ａの断面積がツール３の他の部位としての端部３ｂの断面積よりも大きくなるように設定されている。
【００７５】
これに対して図７（ｂ）に示す例の穴部４３はツール３の中央部３ａに形成されて、超音波振動子の中心軸を通り、かつ電子部品との接触面に対して垂直方向のツール３における中央部３ａの断面積が他の部位としての端部３ｂの断面積よりも小さくなるように構成されている。
【００７６】
前記穴部４２，４３の形状および大きさは、ツール３の中央部３ａと端部３ｂとに振動差がないか、あるいは小さくなる寸法に設定される。また、穴部４２，４３は複数形成するようにしてもよい。
【００７７】
図８に示す例では、超音波振動子の中心軸を通り、かつ電子部品との接触面に対して垂直方向のツール３における中央部３ａの断面積が他の部位としての端部３ｂの断面積よりも小さくなるように、ツール３の上面である部品保持面の中央部３ａに溝部４４を形成している。溝部４４の幅および深さは、ツール３の中央部３ａと端部３ｂとに振動差がないか、あるいは小さくなるように設定される。
【００７８】
前記溝部４４の形状は図８に示した形状に限定されるものではない。また、溝部４４は複数個形成するようにしてもよい。
【００７９】
図９に示す例では、ツール３の中央部３ａの材料（材質）と、ツール３の端部３ｂの材料（材質）とを異種材料で形成している。材料の種類および材料の設置範囲は、ツール３の中央部３ａと端部３ｂとに振動差がないか、あるいは小さくなるように選択される。
【００８０】
図１０に示す例では、ツール３の中央部３ａの材質組成と、ツール３の端部３ｂの材質組織（Microstructure of Materials）とを異なるものにしている。例えば、同一の材料を用いて熱プロセスにより、ツール３の中央部３ａの組成と、ツール３の端部３ｂの組成を変化させる。
【００８１】
前記熱プロセスとしては、例えば高周波焼入焼戻や窒化などが有効であるが、ツール３の中央部３ａと端部３ｂとに振動差がないか、あるいは小さくなるような熱プロセスであればよい。
【００８２】
（実施の形態２）
さらに、上記の実施の形態１に示した何れかのツール３に加えて超音波ホーン２を図１１または図１２のように構成して電子部品４に作用する超音波振動の大きさを変更することもできる。
【００８３】
図１１は実施の形態２における超音波ホーン２とツール３の部分を示す斜視図である。
【００８４】
超音波ホーン２に穴部５０を形成している。本例では超音波振動子１から付与される超音波振動方向５に対して平行な方向の超音波ホーン２におけるツール３両側部分に穴部５０を形成している。孔部５０の形状および大きさは、ツール３の中央部３ａと端部３ｂとに振動差がないか、あるいは小さくなるように設定される。また、穴部５０は複数形成するようにしてもよい。
【００８５】
図１２では、超音波振動子１から付与される超音波振動方向５に対して平行な方向の超音波ホーン２の側面に、突起部５１を形成している。突起部５１の形状および大きさは、ツール３の中央部３ａと端部３ｂとに振動差がないか、あるいは小さくなるように設定される。また、突起部５１は複数形成するようにしてもよい。
【００８６】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更，実施の形態の組み合わせなどが可能である。
【００８７】
前記構成の各実施の形態の超音波接合装置は、半導体チップを搭載する必要のある画像表示装置用駆動ドライバー用ＩＣの装着に適しており、また、画像表示装置用駆動ドライバー用ＩＣ以外の様々な種類の電子部品、例えば半導体発行素子、あるいはＳＡＷ（Surface Acoustic Wave：表面弾性波）フィルタや半導体ベアチップ部品などの装着にも適している。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明によれば、配線基板上に電子部品を接合するときに、電子部品と配線基板の十分な接合と非破壊を同時に満たすことができ、超音波を利用して電子部品を配線基板に装着する様々な技術に有用である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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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【国際調査報告】
2008139668.tif 000031
2008139668.tif 000032
2008139668.tif 000033
2008139668.tif 000034