(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端面に超音波振動子が取付けられる超音波ホーンを装置本体内に収容し、実装基板接合面上の被接合部材に超音波ホーンの先端部を密着させ、被接合部材を加圧しながら接合面に対して垂直方向の超音波振動を作用させ、実装基板の接合面に被接合部材を固着する超音波ボンディング装置であって、
上記超音波ホーンの所定部位周面に沿ってフランジ部を一体に備え、
このフランジ部に複数の取付け用孔を設け、
これら取付け用孔に挿通して、超音波ホーンを上記装置本体に取付け固定する止め具を備え、
上記装置本体は、その前面側に上記超音波ホーンの着脱が自在な開口部と、この開口部と対向する装置本体内部位に、超音波ホーンの高さ位置を変えずに水平に挿脱自在に支持する支持部とを備えたことを特徴とする超音波ボンディング装置。
【請求項２】
上記超音波ホーンは、その先端面からホーンの軸心に沿うとともに、途中で屈曲して上記フランジ部周面に開口する、被接合部材を吸着するための吸着用通路が設けられることを特徴とする請求項１記載の超音波ボンディング装置。
【請求項３】
上記超音波ホーンは、その先端部にボンディングツールが交換自在に取付けられていて、上記超音波ホーンに対するボンディングツールの取付け構造として、超音波ホーンとボンディングツールのいずれか一方にネジ孔を設け、他方に上記ネジ孔に螺合するネジ部を一体に設けたことを特徴とする請求項１記載の超音波ボンディング装置。
【請求項４】
上記超音波ホーンは、被接合部材に対する加圧方向に対して、垂直な面内でθ回転させる機構に支持されることを特徴とする請求項３記載の超音波ボンディング装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の超音波ボンディング装置を用いてボンディングを行う超音波ボンディング方法であって、
超音波ホーンの先端部に取付けられるボンディングツールを、接合面上の被接合部材に当接する工程と、
超音波ホーンからボンディングツールを介して被接合部材に所定の荷重を印加するとともに、接合面に対して垂直方向の超音波振動を印加し、被接合部材を接合面に固着する工程とを具備したことを特徴とする超音波ボンディング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえばバンプ付き電子部品を、実装基板などの接合面にフリップチップボンディングする、超音波ボンディング装置と、そのボンディング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波フリップチップボンディング装置は、被接合部材である電子部品に超音波ホーンを所定の荷重で押し当てる。そして、超音波ホーンに備えた超音波振動子（電歪素子）の振動を電子部品に対して伝達する。
電子部品同士を接合させるための部材であるバンプに対して、荷重と超音波振動が作用し、バンプと電極との間で固相拡散が生じて、電子部品のフリップチップボンディングが行われる。
【０００３】
初期のころの超音波ボンディング装置を、図１２に概略的に示す。
軸方向を水平方向に向けた超音波ホーンａが、図示しない支持機構に支持されている。超音波ホーンａは、直径の大きな基端部と、直径の小さな先端部とからなっている。
超音波ホーンａの基端部端面には超音波振動子ｂが取付けられ、これは超音波発振器ｃと電気的に接続される。超音波ホーンａの先端部には、超音波ホーンの軸心方向と垂直な方向にボンディングツールｄが一体に設けられている。
【０００４】
超音波ホーンａ全体を水平姿勢に保持したままで降下し、ボンディングツールｄを被接合部材である電子部品ｅのバンプｇに当接する。さらに、バンプｇを加圧するとともに、超音波ホーンａからボンディングツールｄに超音波振動を印加する。
超音波ホーンａは軸方向に沿って超音波振動をなすから、ボンディングツールｄは電子部品ｅの接合面と平行な方向に相対運動をなす。バンプｇと電極との間で固相拡散が生じ、互いにボンディング接合をなす。
【０００５】
超音波ボンディング装置では、ボンディングツールｄと電子部品ｅの接触面間に働く摩擦力によって、ボンディングツールｄから電子部品ｅへ超音波振動を伝達する。
なお、被接合部材（ここでは、電子部品）ｅによっては、ボンディングツールｄとの接触面における摩擦係数に個体差がある。そのため、接触面に働く摩擦力に差が生じて、被接合部材ｅに伝達される超音波振動が個体ごとに異なってしまう。
【０００６】
このような理由から、被接合部材ｅの接合性にバラツキが発生し易い。さらには、摩擦による振動伝達なので、被接合部材ｅの材質によっては、摩耗や欠損が発生することがある。
図１３（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、上述の超音波ボンディング装置の不具合を解消すべく提供された、従来の超音波ボンディング装置である。
この超音波ボンディング装置においても、超音波ホーンｊと、この超音波ホーン先端のボンディングツールｍと、超音波振動子ｋで超音波振動系が構成される。上記超音波ホーンｊの周面部に円筒状のフランジ部ｎが形成されていて、このフランジ部ｎの周面に保持部材ｐが嵌着される。
【０００７】
上記保持部材ｐは、フランジ部ｎの外周面に接合する内周面を備え、さらに、内周面を二分割する割り部ｑが形成されている。一方の割り部ｑにネジ孔ｒが設けられ、他方の割り部ｑに段部と透孔ｓが設けられ、ネジ孔ｒと透孔ｓは互いに連通する位置にある。
止めネジｔを透孔ｓに挿通してネジ孔ｒに螺挿することにより、割り部ｑ相互が近接する方向に移動し、保持部材ｐが超音波ホーンｊのフランジ部ｎを締結固定する。上記保持部材ｐは、図示しない装置本体に取付け固定される。
【０００８】
上記超音波ホーンｊの先端を削り出してボンディングツールｍが形成される。このボンディングツールｍ先端面から超音波ホーンｊに亘って、ボンディング時に被接合部材を吸着保持するための吸着用孔ｕが設けられている。
上記吸着用孔ｕは、超音波ホーンｊの軸方向に沿って延在され、かつ中途部において屈曲形成される。超音波ホーンｊの周面一部には継ぎ手部ｗが設けられていて、上記吸着用孔ｕはこの継ぎ手部ｗに沿って穿設され、継ぎ手部端面において開口する。
上記継ぎ手部ｗは、図示しないが吸着用のパイプやチューブなどを取付けるためのものであって、上記吸着用パイプやチューブは真空ポンプなどに接続され、ツールを介して被接合部材を真空吸着するようになっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図１３に示す超音波ボンディング装置の主たる特徴は、接合面に対して垂直な方向に超音波振動を印加する超音波ホーンｊを備えていることである。そのため、被接合部材によってボンディングツールｍとの接触面における摩擦係数に個体差があっても、接触面に働く摩擦力には差がなく、振動特性が向上する。
しかしながら、上述の超音波ボンディング装置は依然として、以下に述べる課題が存在している。
【００１０】
１．  超音波ホーンｊを固定する際の保持構造。
ボンディング時に超音波ホーンｊに印加される荷重（超音波ホーンｊの中心軸方向の荷重）に対して、保持部材ｐは超音波ホーンフランジ部ｎとの間に働く摩擦力によってのみ、超音波ホーンｊを支持している。
そのため、フランジ部ｎと保持部材ｐとの間の摩擦力を超えるボンディング荷重を設定することができず、設計的に窮屈なものとなっている。たとえ、摩擦力を超えない荷重であっても、被接合部材が接合面に接触する瞬間に、ボンディングツールｍの慣性力が衝撃的に作用する。
【００１１】
このとき、超音波ホーンｊに働く軸方向の力が摩擦力を超えて、保持部材ｐに対して移動（位置ズレ）してしまう。接合面とボンディングツールｍ間の距離が変化することとなり、その都度補正が必要となり作業性が低下する。
さらに、超音波ホーンｊの保持状態が変わることによって、超音波ホーンを含む超音波振動系の特性が変化し、安定した超音波振動が得られなくなる虞れがある。
【００１２】
２．  ボンディングツールｍの被接合部材吸着構造。
吸着用通路ｕを備えた継ぎ手部ｗが、超音波ホーンｊの先端部とフランジ部ｎとの間の、ホーンｊ周面に設けられている。
このような構造物を超音波ホーンｊに設けることで、超音波振動の伝達に影響を与え、結果として、ボンディングツールｍに対して良好な超音波振動を印加できなくなっている。
【００１３】
３．  超音波ホーンｊの装置本体への取付け構造。
超音波ホーンｊのフランジ部ｎに保持部材ｐを保持したうえで、装置本体の支持部に取付けているが、ホーンｊ先端のボンディングツールｍが支持部に衝突しないよう、超音波ホーンｊは支持部を確実に乗り越えさせる。
そこで、装置本体における支持部の上方には、超音波ホーンｊを挿脱するのに支障のない充分な空間スペースを備えている。ただし、この空間スペースは、実際のボンディング作業にあたっては何らの機能もしない。
したがって、装置本体には、超音波ホーンｊの挿脱作業だけのために、必要な高さを確保しなければならず、高さ寸法が高くなり、装置の大型化につながっている。
【００１４】
４．  超音波ホーンｊとボンディングツールｍの一体化構造。
ボンディングツールｍは、超音波ホーンｊ先端部を削り出すことによって形成されていて、ボンディングツールｍと超音波ホーンｊは一体化された構造をなしている。
しかるに、長期の使用に亘れば、ボンディングツールｍの先端面が摩耗することが避けられず、初期の頃と比較して超音波振幅が変化したり、ＩＣチップに破損や割れが発生する虞れがある。そのため、ボンディングツールｍを交換する必要があるが、超音波ホーンｊごと交換しなければならず、手間がかかるうえにランニングコストに悪影響がある。
【００１５】
本発明は上記事情に着目してなされたものであり、その目的とするところは、第１に、超音波ホーンは接合面に対して垂直方向の超音波振動を作用させることを前提として、超音波ホーンの装置本体への取付けを、超音波ホーンの振動に影響を与えることがなく、振動減衰を阻止し、振動効率の向上を得る。
【００１６】
第２に、被接合部材をボンディングツールに吸着保持するための吸着用通路は、超音波ホーンの振動特性に影響を与えることのない部位を選択して設け、振動減衰を阻止し、振動効率の向上を得る。
【００１７】
第３に、装置本体における超音波振動子と超音波ホーンの着脱のための空間スペースを必要最小限に抑えて、着脱作業性の向上を得られ、かつ装置本体の大型化を阻止する。
第４に、超音波ホーンに対してボンディングツールを交換自在となし、取付けを簡素化し、超音波ホーンとボンディングツール間における振動減衰を阻止して、振動効率の向上を図れる。
以上の目的を達し得る超音波ボンディング装置と、超音波ボンディング方法を提供しようとするものである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の超音波ボンディング装置は上記目的を満足するためになされたものであり、一端面に超音波振動子が取付けられる超音波ホーンを装置本体内に収容し、実装基板接合面上の被接合部材に超音波ホーンの先端部を密着させ、被接合部材を加圧しながら接合面に対して垂直方向の超音波振動を作用させ、実装基板の接合面に被接合部材を固着することを前提として、超音波ホーンの所定部位周面に沿ってフランジ部を一体に備え、このフランジ部に複数の取付け用孔を設け、これら取付け用孔に挿通して、超音波ホーンを装置本体に取付け固定する止め具を備え、上記装置本体は、その前面側に超音波ホーンの着脱が自在な開口部と、この開口部と対向する装置本体内部位に超音波ホーンの高さ位置を変えずに水平に挿脱自在に支持する支持部とを備えた。
【００１９】
さらに、超音波ホーンは、その先端面からホーンの軸心に沿うとともに、途中で屈曲してフランジ部周面に開口する、被接合部材を吸着するための吸着用通路が設けられる。
【００２０】
さらに、超音波ホーンは、その先端部にボンディングツールが交換自在に取付けられていて、超音波ホーンに対するボンディングツールの取付け構造として、超音波ホーンとボンディングツールのいずれか一方にネジ孔を設け、他方に上記ネジ孔に螺合するネジ部を一体に設けた。
さらに、超音波ホーンは、被接合部材に対する加圧方向に対して、垂直な面内でθ回転させる機構に支持される。
【００２１】
さらに本発明の超音波ボンディング方法は、上記目的を満足するためになされたものであり、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の超音波ボンディング装置を用いてボンディングを行う超音波ボンディング方法であって、超音波ホーンの先端部に取付けられるボンディングツールを接合面上の被接合部材に当接する工程と、超音波ホーンからボンディングツールを介して被接合部材に所定の荷重を印加するとともに接合面に対して垂直方向の超音波振動を印加し被接合部材を接合面に固着する工程とを具備した。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面にもとづいて説明する。
図１は、超音波ボンディング装置の概略の構成図である。
この装置は、フリップチップに供される被接合部材であるＩＣチップ１を移送する移送装置２と、接合面を上にした実装基板３が載置されるボンディングステージ４を備えている。
【００２４】
上記移送装置２からＩＣチップ１を吸着保持して、ボンディングステージ４上に配置された実装基板３の接合面３ａに対向する。ＩＣチップ１のバンプ１ａは下面側に向いていて、バンプに実装基板３の電極パッドが正しく対向するように、図示しないＸＹステージによって実装基板３が位置決めされる。
そして、ＩＣチップ１を実装基板３の接合面３ａに当接し、ＩＣチップからバンプ１ａに対して所定の荷重を印加し、かつ超音波振動を印加することによって、バンプ１ａと電極パッドとの間に金属の固相拡散接合が生じ、フリップチップ接合が行われる。
【００２５】
この超音波ボンディング装置における超音波振動系は、ボンディングツール５と、超音波ホーン６および超音波振動子７から構成される。超音波振動子７には、これを発振駆動するための超音波発振器８が接続されている。
この超音波振動系の全長は、発振周波数と、超音波振動系の縦振動共振点が一致するように設計されている。たとえば、約６０ＫＨｚで使用する場合の超音波振動系の全長は、約７０ｍｍとなる。
【００２６】
超音波ホーン６の先端部にボンディングツール５が取付けられ、ホーン基端部には超音波振動子７が取付けられる。さらに、超音波ホーン６の先端から所定距離離間したホーン周面には、円盤状のフランジ部１０が一体に設けられる。
フランジ部１０は、複数の止め具である取付けネジ１１を介して、図示しない装置本体に構成される支持部１２に取付けられる。すなわち、上記超音波ホーン６は、ボンディングツール５と超音波振動子７を取付けた状態で装置本体に取付け固定される。
【００２７】
図２は、上記超音波ホーン６の斜視図である。
上記超音波ホーン６には、ボンディングツール５と超音波振動子７が取付けられ、フランジ部１０には複数の取付け用孔１３が設けられている。なお、ボンディングツール５の超音波ホーン６に対する取付け構造については後述する。超音波振動子７の超音波ホーン６に対する取付けは、超音波振動子７のホーン接合面に、超音波振動子と一体に設けたネジ部と超音波ホーン６に設けたネジ孔とを螺合して行う。
【００２８】
図３は、超音波ホーン６の具体的な取付け構造を示す断面図である。
上記超音波ホーン６は、フランジ部１０と超音波振動子７とが装置本体に形成される支持部１２に挿入され、かつ支持部１２に備えられる支持用フランジ１４に超音波ホーン６のフランジ部１０が重ね合わされる。
【００２９】
そのうえで、取付けネジ１１がフランジ部１０の取付け用孔１３に挿入され、かつ支持用フランジ１４に設けられるネジ孔１５に螺挿され、支持部１２に超音波ホーンフランジ部１０が取付固定される。
このようにして、超音波ホーン６が装置本体の支持部１２に取付けられているので、超音波ホーン６の軸方向に沿う荷重が生じたときに支持部１２に対する摩擦力の発生がなく、超音波ホーン６の位置ズレもない。
【００３０】
図４は、超音波ホーン６に超音波振動を発生させた状態を示している。
上記フランジ部１０は、ボンディング中に、超音波振動子７と超音波ホーン６およびボンディングツール５の超音波振動系に生じる、縦振動の定在波の節位置にあるように配置されている。
したがって、超音波ホーン６のフランジ部１０を装置本体支持部１２に強固に取付け固定しても、超音波の出力ロスを軽減することができ、また、超音波振動をなす間の超音波ホーン６の位置ズレを防止することができる。そして、フランジ部１０位置を定在波の節位置とする設定によって、超音波ホーン６の振動特性に与える影響を最小限に抑制できる。
【００３１】
なお、ボンディングツール５の先端面から超音波ホーン６との接合面に亘って吸着用孔１７が貫通して設けられる。ボンディングツール５の吸着用孔１７は、超音波ホーン６に設けられる吸着用通路１８に連通している。
超音波ホーン６の吸着用通路１８は、ホーン６先端面からホーンの軸方向に沿って設けられ、フランジ部１０との対向部位で屈曲形成され、フランジ部１０内を貫通し、フランジ部１０の周面部位に開口する。この吸着用通路１８の開口端には図示しない継ぎ手部が取付けられ、チューブなどを介して真空源と連通する。
【００３２】
ボンディング作用時は、真空源から真空圧がかかって超音波ホーン６の吸着用通路１８と、ボンディングツール５の吸着用孔１７を介してＩＣチップ１を吸着したまま所定部位間を移送する。
ボンディング中に超音波ホーン６に生じる縦振動の定在波の節位置にフランジ部１０を設け、このフランジ部に吸着用通路１８を開口させたので、超音波振動に与える影響を最小に抑制することができる。
【００３３】
図５（Ａ）は、装置本体における支持部１２の概略の斜視図であり、図５（Ｂ）は、この支持部１２に超音波ホーン６を取付けた状態を概略的に示す斜視図である。
支持部１２下端に備えられる支持用フランジ１４は、作業者に対して手前側が開放されたＵ字形状の開口を有する略半円状をなしている。この支持用フランジ１４の開放端は、左右両側に突出し、ここでは図示しないネジ孔１５が下端面から上端面近傍まで設けられる。なお、図における支持用フランジ１４のハッチングは、理解し易いように、支持用フランジ１４の上面を示している。
【００３４】
支持用フランジ１４の外周面に亘って、ケーシング２０が一体に設けられる。このケーシング２０は、平面視で断面Ｕ字形状の略半円筒状に形成されていて、最上端には載置棚２１が取付けられる。
上記載置棚２１は、平面視で円形状に形成され、ケーシング２０に載る半円部および前面側に突出する半円部を備えている。載置棚２１は、装置本体に取付けられる加圧機構２２と連結される部位であり、この加圧機構２２によってケーシング２０と超音波ホーン６等が一体に昇降、または加圧調整されるようになっている。
【００３５】
上述した支持部１２構造に対して、基端部に超音波振動子７と、先端部にボンディングツール５を備えた超音波ホーン６を取付ける。すなわち、支持部１２の前方（手前側）に超音波ホーン６を対向させ、そのまま奥方へ超音波ホーンを水平に移動する。
このとき、超音波ホーン６のフランジ部１０が支持部１２の支持用フランジ１４に衝突しないよう、フランジ部１０を支持用フランジ１４の下部側に対向させてから移動するとよい。
【００３６】
フランジ部１０から上の超音波ホーン６部位と超音波振動子７がケーシング２０内に挿入位置したら、超音波ホーン６を上方向へ移動してフランジ部１０上面を支持用フランジ１４下面に当接する。
さらに、フランジ部１０周面をケーシング２０周面に合わせ、フランジ部１０の取付け用孔１３と支持用フランジ１４のネジ孔１５が連通するよう位置合わせする。
これらの位置合せが終わったら、フランジ部１０の下部側に取付けネジ１１を対向させ、取付け用孔１３を介してネジ孔１５に螺挿し、超音波ホーン６を支持部１２に取付け固定する。
【００３７】
図６は、装置本体２３の支持部１２に超音波ホーン６を組み込んだ状態の斜視図である。
すなわち、装置本体２３は、その前面側一部に開閉自在な蓋体２４が取付けられる開口部２５を備えている。図は、蓋体２４を開放して支持部１２を露出した状態を示している。
【００３８】
上記支持部１２は、前面側が欠落する半円状の支持用フランジ１４を備えたので、超音波ホーンの取付け時、あるいはメンテナンス時などに、支持部１４に対して超音波ホーン６を水平に挿脱移動すればよい。
このことから、超音波ホーン６の着脱にあたって良好な作業性が確保できるとともに、支持部１２の上下部位に超音波ホーン６を取付けるためのスペースを確保する必要がなく、装置本体２３の小型化に寄与する。
【００３９】
図７（Ａ）は、超音波ホーン６における縦振動の解析例であり、図７（Ｂ）は、超音波ホーン６における縦振動変位分布の特性図である。
上述したように超音波ホーン６のフランジ部１０は、超音波ホーンにおける縦振動定在波の節位置と一致するように設けられている。しかしながら、定在波の節位置は、理論的には一断面上であるため、ある程度の厚みを有するフランジ部１０は節位置のみに存在することができない。
【００４０】
また、縦振動の節位置は、理論上軸方向には振動しない位置であるが、逆に、径方向の振動が極大となる位置でもある。このため、フランジ部１０には、超音波ホーン６から軸方向と径方向のいずれの振動も伝達されることになる。
上記フランジ部１０は支持部１２に取付け固定されるので、伝達される軸方向と径方向の振動を拘束するように働く。したがって、そのままでは超音波ホーン６自体の振動を拘束し、超音波発振系の振動特性に影響を及ぼす場合がある。
【００４１】
図８は、上記の対策を施した超音波ホーン６の概略の断面図である。
超音波ホーン６は、縦振動変位分布による変形を許容するための構造を採用している。具体的には、フランジ部１０の板厚を厚くし、かつその根元部にあたる超音波ホーンの周面に沿う部分に溝部１０ａを設けて、根元部のみ板厚が薄くなるように構成している。
【００４２】
上記溝部１０ａをフランジ部１０に設けることにより、フランジ部１０の一部分だけが剛性が低下して、超音波ホーン６として軸方向と径方向の振動に応じて、より変形し易くなる。
すなわち、意図的に変形を許容する部分を設けることで、フランジ部１０が超音波ホーン６全体の振動を拘束する影響を最小限に抑制できる。
【００４３】
図９（Ａ）（Ｂ）は、超音波ホーン６Ａに対するボンディングツール５Ａの取付け構造を示す図である。
超音波ホーン６Ａとボンディングツール５Ａの形態は、先に図１ないし図８で示したものと相違しているが、実質的には同一の作用をなす。超音波ホーン６Ａとボンディングツール５Ａは別体に構成されていて、後述する手段によって交換自在に連結固定される。
【００４４】
なお説明すれば、繰り返してＩＣチップを実装基板にボンディングすることにより、ＩＣチップを直接加圧し、かつ超音波振動を付与する超音波ホーン６Ａ側の面が摩耗し、超音波振幅が変化したり、ＩＣチップに破損や割れが発生する虞れがある。
そこで、超音波ホーン６Ａに対してボンディングツール５Ａを交換自在とする必要がある。本発明の特徴の一つとして、超音波ホーン６Ａの先端に、別体としてのボンディングツール５Ａを備えることにある。詳しくは、超音波ホーン６Ａとボンディングツール５Ａとを直接、ネジ接合している。
【００４５】
すなわち、図９に示すように、切頭錘形状のボンディングツール５Ａには、被接合部材に当接される先端面に背向して超音波ホーン６Ａに対向する面側にネジ山が切られた凸部であるネジ部３１が設けられている。そして、ボンディングツール５Ａの先端面からネジ部３１の突端面に亘って図示しない真空吸着用の貫通孔が設けられている。
【００４６】
一方、超音波ホーン６Ａの先端部から上端面に亘って、上記ボンディングツール５Ａに設けられる真空吸着用貫通孔と連通する、図示しない真空吸着孔が設けられている。この真空吸着孔の開口にネジ溝が切られてネジ孔３０が形成されている。
【００４７】
すなわち、超音波ホーン６Ａの先端部にネジ孔３０を設け、ボンディングツール５Ａのホーン接合面にネジ部３１を一体に設けて、上記ネジ孔３０に螺合するようになっている。逆に、超音波ホーン６Ａ側にネジ部３１を設け、ボンディングツール５Ａ側にネジ孔３０を設けてもよい。
このように、ボンディングツール５Ａを超音波ホーン６Ａに直接螺着可能な構造としたことにより、互いを結合するための間接部材（ネジ、接着剤など）を不要として、部品を少なくすることが可能となった。また、直接ボンディングに寄与しない部品を取付ける必要がなくなるため、超音波の発振特性の管理を容易化することができた。
【００４８】
図１０は、超音波ボンディング装置の概略の構成図である。
先端にボンディングツール５Ａを取付けた超音波ホーン６Ａは、後述するθ回転機構３２を介して加圧機構３３に支持される。上記加圧機構３３は上部走行レール３４に沿って移動自在であり、したがって超音波ホーン６Ａとθ回転機構３２が一体に移動する。
【００４９】
上記超音波ホーン６Ａとボンディングツール５Ａおよび加圧機構３３とθ回転機構３２は全て一体化されているので、ここでは、これら一体化物をボンディングヘッド３５と呼ぶ。
一方、基台３６上のボンディングツール５Ａと対向する位置に上向き光学カメラ３７が設けられ、この上向き光学カメラの一側部に離間してピックアップステージ３８が、他側部に離間して加熱ステージ３９が、それぞれ配設される。
【００５０】
上記加熱ステージ３９と対向する上方部位には下向き光学カメラ４０が設けられ、ボンディングヘッド３５が移動してきたときは位置を変えて、衝突のないように構成されている。
なお、ボンディングツール５Ａの超音波ホーン６Ａに対する直接的なネジ結合は、ネジの締め付けトルクを５００Ｎ・ｃｍに設定した。
【００５１】
ボンディングツール５Ａは超音波ホーン６に直接的にネジ結合されているので、交換するとボンディングツールの加圧面の向きが変化してしまう。そのため、交換したあとは上向き光学カメラ３７でボンディングツール５Ａを撮影し、加圧面の向きを確認する。
そして、加圧面の向きの変化に応じてθ回転機構３２を制御し、超音波ホーン６Ａとボンディングツール５Ａを回転させ、ボンディングツール５Ａ加圧面の向きを合わせる。したがって、ボンディングツール５ＡはＩＣチップに対して常に同一の加圧面をもってボンディング作用をなす。
【００５２】
このような超音波ボンディング装置において、図１１（Ａ）ないし（Ｅ）の順に示すようなボンディング作用をなす。
ＩＣチップとして、ベアチップ１を用いており、ここには電極があり、それぞれに金ボールバンプ１ａを形成している。実装基板３はセラミック基板であり、電極３ａ表面には金メッキが施されている。なお、バンプ１ａはメッキバンプでもよく、実装基板３は樹脂基板やリードフレームにも適用できる。
【００５３】
図１１（Ａ）ないし（Ｅ）は、実際のボンディング作業工程を順に示している。
はじめ、図１０に示すように、上向き光学カメラ３７と対向した位置にあるボンディングヘッド３５を移動して、図１１（Ａ）に示すように、ピックアップステージ３８上に変位する。このピックアップステージ３８上には、バンプ１ａを下面側に向けたベアチップ１が図示しない供給部から供給されている。
【００５４】
加圧機構３２は超音波ホーン６Ａを降下させ、ボンディングツール５Ａの端面をベアチップ１に当接する。そして、先に説明した真空ポンプ（図示しない）を駆動し、超音波ホーン６Ａを介してボンディングツール５Ａ先端面に真空圧を発生させ、ボンディングツールの先端部にベアチップ１を吸着する。
図１１（Ｂ）に示すように、ボンディングヘッド３５を移動して、上向き光学カメラ３７の上方に位置させる。この上向き光学カメラ３７でボンディングツール５Ａに吸着されたベアチップ１のバンプ１ａを撮影して、バンプの位置を認識する。
【００５５】
このとき、別の供給部から加熱ステージ３９上に実装基板３が供給され、載置固定される。加熱ステージ３９は加熱状態にあって、実装基板３は約２００℃程度に温度上昇する。下向き光学カメラ４０は、加熱される実装基板３を撮影して、ここに備えられる電極の位置を認識する。
図示しない制御部は、それぞれの光学カメラ３７，４０の位置と、カメラに対するベアチップ１および実装基板３の位置から、ベアチップと実装基板の相対位置を算出する。
【００５６】
図１１（Ｃ）に示すように、制御部の算出結果をもとにボンディングヘッド３５を実装基板３上方部位に移動し、その位置を微調整する。さらに、ベアチップ１のバンプ１ａが実装基板３の電極に正しく対向するよう、上記θ回転機構３２を駆動制御する。
図１１（Ｄ）に示すように、加圧機構３３を作動して超音波ホーン６Ａとともにボンディングツール５Ａを降下させ、ツール先端のベアチップ１を実装基板３上に載置する。
【００５７】
上記加圧機構３３は超音波ホーン６Ａ等の降下を継続して、ベアチップ１を実装基板３に対して加圧する。加圧荷重として、バンプ当たり０．５Ｎから５．０Ｎが最適である。
同時に、制御部は超音波振動子に所定周波数の超音波を印加するので、超音波ホーン６Ａは超音波振動をなす。このときの超音波振動の印加時間は約３００ｍｓ程度でよく、超音波振動の振幅は、ベアチップ１の位置で０．１μｍから１．０μｍとなる。
【００５８】
超音波ホーン６Ａとボンディングチップ５Ａは、ベアチップ１と実装基板３の接合面に対して垂直方向の超音波振動を印加するところから、ベアチップ１のバンプ１ａを実装基板３の電極に効率よくボンディングできる。
しかも、超音波ホーン６Ａのネジ孔３０に、ボンディングツール５Ａのネジ部を螺着して締結固定したから、超音波ホーンでの超音波振動が減衰することなく、ボンディングツールに伝達する。そのため、ボンディングツール５Ａのベアチップ１に対するボンディング効率を常に高い状態に保持できる。
【００５９】
図１１（Ｅ）に示すように、真空ポンプの作用を停止し、かつ加圧機構３３は超音波ホーン６Ａを上昇させる。ボンディングツール５Ａはベアチップ１から離間し、実装基板３上にはボンディングされたベアチップ１が残る。
このあと、再び図１０の状態に戻り、上向き光学カメラ３７の上方部位にボンディングヘッド３５が移動して加圧面の向きの認識をなす。そして、先に説明した図１１（Ａ）ないし（Ｅ）の工程を順に繰り返す。
【００６０】
多数のベアチップ１を実装基板３にボンディングすると、ベアチップに当接するとともに、加圧しながら超音波振動を印加するボンディングツール５Ａが摩耗し易い。
図のように、ツール５Ａ面積に対してベアチップ１面積が大である場合には、ツールの摩耗が全面的に進行する。ツール面積に対してベアチップ面積が小である場合は、ツール面にベアチップ面積に相当する段部が形成されるように摩耗してしまう。
【００６１】
いずれにしても、ボンディングツール５Ａの摩耗は超音波発振特性とボンディング効果に悪影響があるので、これらの摩耗が発生する以前にボンディングツールを交換する必要がある。
ボンディングツール５Ａの交換にあたって、ボンディングツールを超音波ホーン６Ａにネジ止めしているから、交換が可能であり、しかも交換作業がごく容易に行えて短時間ですむ。
ネジ孔３０とネジ部３１による固定位置はボンディングツール５Ａによって相違するが、θ回転機構３２を備えているので、ツール加圧面を最適位置に調整でき、高い超音波発振特性を保持する。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、被接合部材に対して超音波ホーンが垂直方向の超音波振動を作用させることを前提として、超音波ホーンの装置本体に対する取付け固定を、超音波ホーンの振動に影響を与えることのない構成にして、振動減衰を阻止し、振動効率の向上を得る。
【００６３】
また、被接合部材をボンディングツールに吸着保持する超音波ホーンの吸着用通路は、超音波ホーンの振動特性に影響を与えることがない。
また、装置本体における超音波振動子と超音波ホーンの着脱のためのへの空間スペースを必要最小限に抑えて、着脱作業性の向上を得られ、かつ装置本体の大型化を阻止する。
また、超音波ホーンに対するボンディングツールの取付けを簡素化するとともに、超音波ホーンとボンディングツール間における振動減衰を阻止して、振動効率の向上を図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示す、超音波ボンディング装置の概略の構成図。
【図２】同実施の形態を示す、超音波ホーンの斜視図。
【図３】同実施の形態を示す、超音波ホーンの支持構造を概略的に示す縦断面図。
【図４】同実施の形態を示す、超音波ホーンの吸着用通路と、ホーン縦振動の定在波の特性図。
【図５】同実施の形態を示す、装置本体側の超音波ホーン支持部の斜視図と、その支持部に超音波ホーンを取付けた状態の斜視図。
【図６】同実施の形態を示す、超音波ボンディング装置の概略の斜視図。
【図７】同実施の形態を示す、超音波ホーンの振動解析図と、縦振動変位分布図。
【図８】同実施の形態を示す、超音波ホーンの変形許容部を説明する一部断面図。
【図９】本発明の他の実施の形態を示す、超音波ホーンに対するボンディングツールの取付け構造を説明する図。
【図１０】同実施の形態を示す、超音波ボンディング装置の概略の構成図。
【図１１】同実施の形態を示す、ボンディング工程を順に示す図。
【図１２】初期の従来の、超音波ボンディング装置の構成を概略的に示す図。
【図１３】近い従来の、超音波ボンディング装置の構成を概略的に示す図。
【符号の説明】
７…超音波振動子、
６，６Ａ…超音波ホーン、
２３…装置本体、
３…実装基板、
１…ＩＣチップ（被接合部材）、
１０…フランジ部、
１３…取付け用孔、
１１…取付けネジ（止め具）、
１８…吸着用通路、
１２…支持部、
３０…ネジ孔、
３１…ネジ部、
３２…θ回転機構。
【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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