(57)【要約】【課題】  超音波振動を印加してバンプと基板の電極などの接合面を相互に摩擦させてボンディングする装置において、ボンディングツールの接合作用面を撮像してＩＣチップ割れなどの不具合が生じることを事前に予防する超音波振動接合装置は複雑、コスト高になるという問題と電気接続の不良品を検出できないという問題を有していた。【解決手段】  超音波振動接合装置において、超音波ホーンで、２つ以上の電極を電気接続することを目的として接合するときに、少なくとも接合時又接合直後の接続抵抗値またはインピーダンス値の変化量により不良品を管理する事ができるため、これを利用し超音波振動接合装置に接続抵抗値及びインピーダンス値の変化量を測定する機能有する測定機と、抵抗及びインピーダンスの変化量と抵抗値及びインピーダンス値により不良品と判断した時に作業者に伝える警報装置及び超音波接合装置の稼働を中断させる装置とを有する構成を提供する。【選択図】  図２
2006186325.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定端子を有する基板に電子部品を接合する超音波振動接合装置において、
前記基板を保持する受け台と、
前記電子部品に当接して超音波振動を伝達する接合作用部を有する超音波ホーンと、
前記超音波ホーンに超音波振動を付与する振動付与部と、
前記超音波ホーンを押圧対象面に対して昇降させる昇降駆動部と、
前記受け台に設置され、前記測定端子を有する測定端子移動装置と、
前記測定端子の一端に接続され、前記測定端子の少なくとも抵抗またはインピーダンスを測定する測定機と、
前記昇降駆動部と前記振動付与部の駆動の制御を行い、前記駆動部と前記振動付与部の駆動に基づいて前記測定端子移動装置を駆動させるコントロールユニットと、
を有する超音波振動接合装置。
【請求項２】
前記測定機から発信される信号を受信し、発報を行う警報装置を有する請求項１に記載の超音波振動接合装置。
【請求項３】
前記測定端子は前記超音波ホーンと連動して可動する前記測定端子移動装置に配設されている請求項１に記載の超音波振動接合装置。
【請求項４】
前記測定端子は、前記受け台に内蔵されている請求項１に記載の超音波振動接合装置。
【請求項５】
前記電子部品が、水晶振動子である請求項１に記載の超音波振動装置。
【請求項６】
測定端子を有する基板に電子部品を接合する超音波振動接合方法であって、
前記電子部品に振動の印加及び圧力の印加を行い、前記測定端子の抵抗値を所定の時間毎に測定をする工程と、
前記抵抗値が所定の時間内に目標抵抗値になった場合、前記電子部品への振動の印加及び圧力の印加を終了し、前記抵抗値が所定の時間内に目標抵抗値にならなかった場合、信号を出力または、前記電子部品への振動の印加及び圧力の印加を中断する工程と、
を有する超音波振動接合方法。
【請求項７】
測定端子を有する基板に電子部品を接合する超音波振動接合方法であって、
前記電子部品に振動の印加及び圧力の印加を行い、前記測定端子の抵抗値を所定の時間毎に測定をする工程と、
前記抵抗値が所定の時間内に目標抵抗値にならなかった場合、信号を出力または、前記電子部品への振動の印加及び圧力の印加を中断する工程と、
前記抵抗値が所定の時間内に目標抵抗値になった場合、前記測定端子のインピーダンス値を測定する工程と、
前記インピーダンス値が目標インピーダンス値の範囲内の場合、前記電子部品への振動の印加及び圧力の印加を終了し、前記インピーダンス値が目標インピーダンス値の範囲内にならなかった場合、信号を出力または、前記電子部品への振動の印加及び圧力の印加を中断する工程と、
を有する超音波振動接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波振動により電子部品及び回路基板を電気接続する超音波振動接合装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
バンプ付電子部品などの電子部品を基板などのワークにボンディングする方法として超音波圧接を用いる方法が知られている。この方法は、電子部品に当接して超音波振動を印加する接合作用面を備えたボンディングツールを用い、バンプと基板の電極などの接合面を相互に摩擦させてボンディングするものである。このボンディング過程において良好な接合品質を確保するためには、接合作用面を介して電子部品に押圧荷重や超音波振動が安定した状態で伝達されることが必要である。
【０００３】
従来は、ボンディングツールの接合作用面を撮像しこの撮像結果に基づいて接合作用面の面状態の良否を判定し、この面状態判定結果により面状態が不良であると判定されたならば当該ボンディングツールの接合作用面を研磨して面状態を修正することにより、ボンディングツールを取り外すことなく面状態の確認および不良の場合の修正が可能となり、接合作用部の面状態の修正を適正に効率よく行うことができる超音波振動接合装置を開示している（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００３−１９８１０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来ではボンディングツールの接合作用面を撮像し、撮像データを２値化処理することにより微細な異物が付着して形成された堆積層が存在するような場合は暗像として現れるが、ボンディングツールの接合作用面を撮像するカメラ及び撮像データを２ 値化処理するソフトプログラムが必要で超音波振動接合装置が複雑、コスト高になるという問題と電気接続の不良品を検出するのでなくＩＣチップ割れなどの不具合が生じることを事前に予防するだけという問題を有していた。 したがって、本発明は、大幅に簡易な設備で、かつボンディング過程において発生する電気接続の不良品を検出する場合に、初期接続抵抗値及びインピーダンス値からＩＣバンプ下部のアルミ電極に発生するクラック不良の管理と、ボンディング位置ずれ不良の管理と、ボンディングツールと電子部品及び回路基板の平行度の管理ができる超音波振動接合装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のかかる目的は、少なくともホーンを有する超音波振動接合装置において、超音波ホーンで、２つ以上の回路基板または２つ以上の電子部品または電子部品と回路基板を超音波振動で電気接続することを目的として接合するときに、少なくとも接合時又接合直後の回路基板間または電子部品間または電子部品と回路基板の接続抵抗値またはインピーダンス値の変化量により不良品を管理する事ができるため、これを利用し超音波振動接合装置に接続抵抗値及びインピーダンス値の変化量を測定する機能と、かつ、ボンディング中及び直後の接続抵抗及びインピーダンス値を測定する機能を有する測定機と、超音波ホーンの可動と連動し、かつ、超音波ヘッドの受け台に内蔵する計測機の測定端子と、抵抗及びインピーダンスの変化量と抵抗値及びインピーダンス値により不良品と判断した時に作業者に伝える警報装置及び超音波接合装置の稼働を中断させる装置とを有する構成とした。
【０００６】
また、基板を保持する受け台と、電子部品に当接して超音波振動を伝達する接合作用部を有する超音波ホーンと、超音波ホーンに超音波振動を付与する振動付与部と、超音波ホーンを押圧対象面に対して昇降させる昇降駆動部と、受け台に設置され、測定端子を有す測定端子移動装置と、測定端子の一端に接続され、測定端子の抵抗を測定する測定機と、昇降駆動部と振動付与部の駆動の制御を行い、駆動部と振動付与部の駆動に基づいて測定端子移動装置を駆動させるコントロールユニットと、を有する構成とした。
【０００７】
その詳細について以下に述べる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の超音波振動接合装置は、少なくともホーンを有する超音波振動接合装置において、超音波ホーンで、２つ以上の回路基板または２つ以上の電子部品または電子部品と回路基板を超音波振動で電気接続することを目的として接合するときに、超音波ボンディング経過時間に従い２つ以上の回路基板間または２つ以上の電子部品または電子部品と回路基板の接続抵抗値の変化量を測定する機能と、かつ、ボンディング直後の接続抵抗変化を測定する機能を有する測定機と、超音波ホーンの可動と連動し、かつ超音波ホーンの受け台に内蔵する測定機の測定端子と抵抗及びインピーダンスの変化量と抵抗値及びインピーダンス値により不良品と判断した時に作業者に伝える警報装置及び超音波接合装置の稼働を中断させる装置と、を有する構成としたので以下に記載する効果を有する。
【０００９】
本発明によれば、超音波ボンディング経過時間に従って２つ以上の回路基板間または２つ以上の電子部品または電子部品と回路基板の接続抵抗値及びインピーダンス値の変化量を測定することにより、接続する金属同士接触の界面状態が判断できるため、信頼を確保した超音波ボンディング条件の条件だしが容易になった。
また、超音波ボンディング経過時間に従って２つ以上の回路基板間または２つ以上の電子部品または電子部品と回路基板の接続抵抗値及びインピーダンス値の変化量を測定することにより、超音波接合による金属間同士の融着状態が判断できるため、量産時における良品及び不良品の管理を行うことができるようになった。
また、量産時の超音波振動印加時間の最適化を接続抵抗値の変化量を測定することにより、超音波接合による金属間同士の融着状態が判断できるため、ロット間による電子部品及び回路基板の電極表面清浄度の差による、超音波振動印加時間のばらつきを超音波接合中に管理でき、毎回接合ごとに最適な超音波振動印加時間を自動的に制御できるようになった。
【００１０】
また、超音波ボンディング中の抵抗値及びインピーダンス値を測定することにより、ボンディングツールと電子部品及び回路基板の平行度ずれによる接合不良も同時に判断でき、良品、不良品を即座に判断できるようになった。
【００１１】
また、超音波ボンディング後の抵抗値及びインピーダンス値を測定することにより、位置ずれによる接続抵抗の増加も同時に判断でき、良品、不良品を即座に判断できるようになった。
【００１２】
また、測定機の測定端子は、超音波ホーンの可動と連動することや、超音波ホーンの受け台に内蔵することにより、自動化が容易となった。
また、抵抗の変化量と抵抗値及びインピーダンス値により接合不良と判断したものは、即座に超音波の印加を中断し、警報ランプや警報ブザーで作業者に伝え、ＩＣチップのバンプ及び回路基板の電極表面の汚れ検出及び超音波振動接合装置の工程管理も容易となった。
【００１３】
また、抵抗値が目標抵抗値に対し大きい場合で一定時間以上検出されたことにより接合不良と判断したものは、即座に超音波振動の印加を中断することにより、ＩＣチップ割れ及びＩＣバンプ下部のアルミ電極のクラック発生を予防し、ボンディングツールの保守・点検が効率の良いタイミングで計画することができるようになった。
【００１４】
また、インピーダンス値が所定のインピーダンス値の範囲外である場合に超音波の印加を中断することによりＩＣバンプ下部のアルミ電極に発生するクラック不良の管理と、ボンディング位置ずれ不良の管理と、ボンディングツールと電子部品及び回路基板の平行度の管理ができるようになった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の超音波振動接合装置において、前記のように構成された超音波ホーンを有する超音波振動接合装置においては、超音波ホーンで、２つ以上の回路基板または２つ以上の電子部品または電子部品と回路基板を超音波振動で電気接続することを目的としてボンディングするときに、ボンディング経過時間に従って２つ以上の回路基板間または２つ以上の電子部品間または電子部品と回路基板間の接続抵抗値及びインピーダンス値の変化量を測定することにより、信頼を確保したボンディング条件を即座に判断できる。また、量産時における信頼性を確保しない不良品の管理を行うことができる。このとき、電子部品として、水晶振動子を用いる事も可能である。水晶振動子を用いた場合、振動子片と電極端子を超音波接合するときに振動子片自体が固有振動数を保有しているため、超音波接合時に印加される振動と共振し、振動子片にクラックが入る危険性があるが、接続抵抗値の変化量を測定し、フィードバック制御することにより、最短の振動印加時間で接合が可能となり、生産性が良く不良品を発生させないボンディングを行うことができる。また、超音波接合後、インピーダンス値の変化量を測定し、振動子片にクラックが入っているか否かを判断することが可能となり、信頼を確保したボンディングの管理を行うことができる。また、ボンディング中の抵抗値及びインピーダンス値を測定することにより、ＩＣチップのバンプ及び回路基板の電極表面の汚れによる接合不良及びボンディングツールと電子部品及び回路基板の平行度ずれによる接合不良も同時に判断でき、良品、不良品を即座に判断できる。また、ボンディング中に接合不良を判断するため、ＩＣチップ割れ及びＩＣバンプ下部のアルミ電極のクラック発生を予防し、接合不良になったＩＣを再度使用できる。また、ボンディング後の抵抗値及びインピーダンス値を測定することにより、位置ずれによる接続抵抗値の上昇及びＩＣバンプ下部のアルミ電極に発生するクラック不良によるインピーダンス値の上昇も同時に判断でき、良品、不良品を即座に判断できる。測定機の測定端子は、超音波ホーンの可動と連動することや、超音波ホーンの受け台に内蔵することにより、自動化が容易となる。抵抗の変化量と抵抗値及びインピーダンスの変化量とインピーダンス値により不良品と判断したものは、警報ランプや警報ブザーで作業者に伝え、工程管理も容易となる。また、抵抗値が目標抵抗値に対し大きい場合で一定時間以上検出されたことにより不良品と判断したものは、超音波振動の印加を中断することにより、ＩＣチップ割れ及びＩＣバンプ下部のアルミ電極に発生するクラックなどの不具合が生じることを事前に予防し、ボンディングツールの保守・点検が効率の良いタイミングで計画することができるようになる。また、インピーダンス値が所定のインピーダンス値の範囲外である場合に超音波の印可を中断することによりＩＣバンプ下部のアルミ電極に発生するクラック不良の管理と、ボンディング位置ずれ不良の管理と、ボンディングツールと電子部品及び回路基板の平行度の管理ができるようになる。
【実施例１】
【００１６】
以下、添付図面に基づいて、本発明の好ましい実施態様につき、詳細に説明を加える。この実施例は、超音波圧接を用いて、電極にバンプが形成された電子部品と回路基板を電気接続した例である。図１は本発明の第１の実施形態に係る超音波振動接合装置の工程フローチャート図である。電子部品１２を超音波ホーン５の吸着ヘッドに固定し、昇降駆動部３を下降させ、超音波ヘッド受け台にあらかじめ固定してある回路基板１１の所定の位置に電子部品１２装着し、測定端子８を回路基板１１に接触させる。次に、電子部品１２を回路基板１１に対して所定の荷重で押圧する。前記所定の荷重と同時に熱を印加することも可能である。そしてこの状態でブースター４を駆動することにより、電子部品１２は回路基板１１に荷重と超音波振動によりボンディングすると同時に超音波振動印加時間と前記測定端子８間の抵抗値を測定する。測定機９はあらかじめ設定してある抵抗値に所定の時間に到達しなければ異常と判断する信号を出力する。異常ならば装置オペレータが不具合を修正し、再度最初からボンディング工程をやり直す。正常ならば測定機９はインピーダンス値を測定し、所定のインピーダンス値の範囲外である場合は異常と判断する信号を出力する。異常ならば装置オペレータが品質管理担当者に連絡する。正常ならば良品となる。
【００１７】
本発明の図２は、図１は本発明の第１の実施形態に係る超音波振動接合装置の構成図である。１は外部入力装置、２は超音波接合条件コントロールユニット、３は昇降駆動部、４はブースター、５は超音波ホーン、６は超音波ヘッド受け台、７は測定端子移動装置、８は測定端子、９は測定機、１０は警報装置、１１は回路基板、１２は電極にバンプが形成された電子部品である。
【００１８】
また、超音波ホーン５は、ブースター４を付属しており、その上部は、プレスシリンダ３の先端に接続され、測定機端子８は、測定機端子移動装置７と共に超音波ヘッド受け台６に内蔵され、その後端は測定機９、警報装置１０と接続され、圧着機を構成している。つぎに、この構成による動作を説明する。
【００１９】
前記の構成で、外部入力１からの信号に従い、超音波接合条件コントロールユニット２は、昇降駆動部３の圧着圧力と圧着時間と、ブースター４の超音波振幅幅と超音波時間を制御することによって、超音波ホーン５の下降及び上昇を制御している。超音波ホーン受け台６の上方に配設されたボンディング機構は、超音波ホーン５によりボンディング対象物である電極にバンプが形成された電子部品１２をボンディングする。超音波ホーン５には下方に突出した接合作用部が設けられており、接合作用部は下面の接合作用面によって電極にバンプが形成された電子部品１２の上面に当接し、電極にバンプが形成された電子部品１２を真空吸着により保持する。また超音波ホーン５の両側の端部には振動付与手段であるブースター４が装着されており、超音波接合条件コントロールユニット２によってブースター４を電気的に駆動することにより、超音波ホーン５には超音波振動が付与される。
【００２０】
超音波ホーン５は昇降駆動部３に結合されている。接合作用部に電極にバンプが形成された電子部品１２を保持した状態で、超音波接合条件コントロールユニット２によって昇降駆動部３を制御することにより、電極にバンプが形成された電子部品１２を回路基板１１に対して昇降させることができるとともに、電極にバンプが形成された電子部品１２を回路基板１１に対して所定の荷重で押圧することができる。そしてこの状態でブースター４を駆動することにより、電極にバンプが形成された電子部品１２は回路基板１１に荷重と超音波振動によりボンディングされる。
【００２１】
また、超音波ホーン５の下降に従い、測定端子移動装置７が測定端子８を回路基板１１の電極端子に接続させる。超音波ホーン５が回路基板１１の上面から圧着した際に、測定機９が抵抗値を測定し始める。そして、超音波ホーン５が上昇してからも1秒程度後まで、０．０５秒おきに抵抗値を測定する。
【００２２】
図３グラフは、測定結果例であり、縦軸は接続抵抗値、横軸は超音波ボンディング経過時間である。図３グラフのＡ曲線の場合、ボンディング後０．３秒付近で抵抗値の低下の安定状態が確認できている。ボンディング後０．３秒付近で抵抗値の低下の安定状態が確認できる製品の接合は赤外線顕微鏡検査によるＩＣバンプ下部のアルミ電極クラック発生は無い。しかし、図３グラフのＢ曲線の場合、ボンディング後０．５秒経過付近で抵抗値の低下の安定状態が確認できている。ボンディング後０．５秒経過付近で抵抗値の低下の安定状態が確認できる製品の接合は赤外線顕微鏡検査によるＩＣバンプ下部のアルミ電極クラック発生は多い。ボンディング後０．５秒経過付近で抵抗値の低下の安定状態が確認できる製品は接合が完了しているにもかかわらず０．２秒間長く超音波振動を接合面に印加していることによりバンプ下面のＩＣ電極表面を破壊つまりクラックを発生させている。つまり、接合の信頼性が確保されないものである。上記のように抵抗値が目標抵抗値に対し大きい場合で一定時間以上超音波振動の印加が認められる場合、または、前記バンプと前記回路基板の電極のボンディング位置がずれることにより抵抗値が著しく目標抵抗値に対し大きい場合に、警報装置１０で作業者に電気接続の不良を知らせる。
【実施例２】
【００２３】
本発明の図４は本発明の第２の実施形態に係る超音波振動接合装置の構成図である。以下、添付図面に基づいて、詳細に説明を加える。１は外部入力装置、２は超音波接合条件コントロールユニット、３は昇降駆動部、４はブースター、５は超音波ホーン、６は超音波ヘッド受け台、７は測定端子移動装置、８は測定端子、９は測定機、１０は警報装置、１１は回路基板、１２は電極にバンプが形成された電子部品である。
【００２４】
また、超音波ホーン５は、ブースター４を付属しており、その上部は、プレスシリンダ３の先端に接続され、測定機端子８は、測定機端子移動装置７と共に超音波ヘッド受け台６に内蔵され、その後端は測定機９、警報装置１０及び超音波接合条件コントロールユニット２と接続され、圧着機を構成している。
【００２５】
つぎに、この構成による動作を説明する。前記の構成で、外部入力１からの信号に従い、超音波接合条件コントロールユニット２は、昇降駆動部３の圧着圧力と圧着時間と、ブースター４の超音波振幅幅と超音波時間を制御することによって、超音波ホーン５の下降及び上昇を制御している。超音波ホーン受け台６の上方に配設されたボンディング機構は、超音波ホーン５によりボンディング対象物である電極にバンプが形成された電子部品１２をボンディングする。超音波ホーン５には下方に突出した接合作用部が設けられており、接合作用部は下面の接合作用面によって電極にバンプが形成された電子部品１２の上面に当接し、電極にバンプが形成された電子部品１２を真空吸着により保持する。また超音波ホーン５の両側の端部には振動付与手段であるブースター４が装着されており、超音波接合条件コントロールユニット２によってブースター４を電気的に駆動することにより、超音波ホーン５には超音波振動が付与される。
【００２６】
超音波ホーン５は昇降駆動部３に結合されている。接合作用部に電極にバンプが形成された電子部品１２を保持した状態で、超音波接合条件コントロールユニット２によって昇降駆動部３を制御することにより、電極にバンプが形成された電子部品１２を回路基板１１に対して昇降させることができるとともに、電極にバンプが形成された電子部品１２を回路基板１１に対して所定の荷重で押圧することができる。そしてこの状態でブースター４を駆動することにより、電極にバンプが形成された電子部品１２は回路基板１１に荷重と超音波振動によりボンディングされる。
【００２７】
また、超音波ホーン５の下降に従い、測定端子移動装置７が測定端子８を回路基板１１の電極端子に接続させる。超音波ホーン５が回路基板１１の上面から圧着した際に、計測器９が抵抗値を測定し始める。そして、超音波ホーン５が上昇してからも1秒程度後まで、０．０５秒おきに抵抗値を測定する。
【００２８】
図３で説明したようにボンディング時間は０．３秒付近で抵抗値の低下の安定状態が確認できているため、測定機９は超音波振動時間を０．３秒で停止させる信号を超音波接合条件コントロールユニット２へ送信することにより、最適かつ最小の接合時間でボンディングすることができる。また、毎回の超音波接合ごとに最適かつ最小の超音波振動印加時間を自動的に制御できるようになり、高い生産性と高い良品率を実現できるようになった。
【００２９】
また、ボンディング中０．４秒付近で抵抗値が著しく目標抵抗値に対し大きい場合には前記バンプと前記回路基板の電極表面が汚れていること、または前記バンプと前記回路基板の電極のボンディング位置がずれていること、または超音波ホーン５と超音波ヘッド受け台６の平行度がずれていることで、超音波振動接合装置に不具合が発生しているため、直ちに超音波接合条件コントロールユニット２に超音波振動の印加を中断する信号を発信すると同時に警報装置１０で作業者に装置の異常を知らせる。
また、ボンディング時間は０．３秒付近で抵抗値の低下の安定状態が確認できている場合においても、ボンディング後のインピーダンス値が所定のインピーダンス値の範囲外である場合には超音波振動接合装置の稼働を停止させ、インピーダンス値が範囲外であった製品の赤外線顕微鏡検査によるＩＣバンプ下部のアルミ電極クラック発生の有無を調査することにより、ボンディング時間の最適値の管理ができるようになる。前記ボンディング時間とインピーダンス値の相関データを統計的手法で解析し、数値化し、超音波接合条件コントロールユニット２を制御できるようにすることにより、インピーダンス値により信頼性を考慮した最適ボンディング時間を制御する自動フィードバックシステムを構築できる。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明は、超音波振動により電子部品及び回路基板を電気接続するのに好適なる超音波振動接合装置に利用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】第１の実施形態に係る圧着機のフローチャート図である。
【図２】第１の実施形態に係る圧着機のシステムブロック図である。
【図３】本発明による実施例の接続抵抗値測定結果のグラフである。
【図４】第２の実施形態に係る圧着機のシステムブロック図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  外部入力装置
２  圧着条件コントロールユニット
３  昇降駆動部
４  ブースター
５  超音波ホーン
６  超音波ヘッド受け台
７  測定端子移動装置
８  測定端子
９  測定機
１０警報装置
１１回路基板
１２電極にバンプが形成された電子部品
【図１】
2006186325.tif 000003
【図２】
2006186325.tif 000004
【図３】
2006186325.tif 000005
【図４】
2006186325.tif 000006