(57)【要約】【課題】チップ部品を吸着保持する吸着部材の磨耗を抑制することができる超音波接合方法およびこれを用いた装置を提供することを目的とする。【解決手段】予め設定された接合時間内において、基板にチップ部品の接合を開始して減衰時間開始時点になると、振幅制御部によって超音波発生器が操作されて、吸着部材における超音波振動による振幅が、接合終了時間になるまでの間、その経過時間に比例して小さくなるように制御されるようにする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸着部材に吸着保持したチップ部品の電極をワークの電極に押圧しながら、両電極に超音波振動を付与して接合する超音波接合方法であって、
前記チップ部品の種類に応じて予め設定された接合時間のうち、所定時間経過後に前記両電極の接合部位における超音波振動の振幅を小さくしてゆく
ことを特徴とする超音波接合方法。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波接合方法において、
前記超音波振動の振幅の変化は、接合時間のうち所定時間経過後に時間に比例して小さくしてゆく
ことを特徴とする超音波接合方法。
【請求項３】
請求項１に記載の超音波接合方法において、
前記超音波振動の振幅の変化は、接合時間のうち所定時間経過後に経過時間に応じて段階的に小さくしてゆく
ことを特徴とする超音波接合方法。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の超音波接合方法において、
さらに、接合時間のうち、電極の接合開始から所定時間経過するまでは、時間の経過に比例して超音波振動の振幅を大きくしてゆく
ことを特徴とする超音波接合方法。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の超音波接合方法において、
接合時間の経過にともなって、前記超音波振動を発生させる所定周波数帯域内で周波数を調整する
ことを特徴とする超音波接合方法。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の超音波接合方法において、
前記ワークと前記チップ部品の両電極の接合部位に超音波振動が付与される最中に、当該接合部位を加熱する
ことを特徴とする超音波接合方法。
【請求項７】
チップ部品の電極とワークの電極を押圧しながら、両電極に超音波振動を付与して接合する超音波接合装置において、
前記チップ部品を保持する第１保持手段と、
前記第１保持手段を支持する支持手段と、
前記第１保持手段に超音波振動を付与する超音波振動付与手段と、
前記ワークを保持する第２保持手段と、
前記第１保持手段を支持した支持手段と前記第２保持手段の少なくともいずれか一方を昇降させる昇降駆動機構と、
前記超音波振動付与手段から第１保持手段に超音波が付与されたときに、前記チップ部品とワークの両電極の接合部位における超音波振動の振幅が、チップ部品の種類に応じて予め設定された接合時間のうち、所定時間経過後に小さくなってゆくように制御する振幅制御手段と、
を備えたことを特徴とする超音波接合装置。
【請求項８】
請求項７に記載の超音波接合装置において、
前記振幅制御手段は、さらに、接合時間のうち、電極の接合開始から所定時間経過するまでは、時間の経過に比例して超音波振動の振幅を大きくしてゆくように制御する
ことを特徴とする超音波接合装置。
【請求項９】
請求項７または請求項８に記載の超音波接合装置において、
さらに、接合時間の経過にともなって、前記超音波振動を発生させる所定周波数帯域内で周波数を調整する周波数調整手段を備えた
ことを特徴とする超音波接合装置。
【請求項１０】
請求項７ないし請求項９のいずれかに記載の超音波接合装置において、
さらに、前記ワークと前記チップ部品の両電極の接合部位を加熱する加熱手段を備えた
ことを特徴とする超音波接合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品などのチップ部品の電極を基板などのワークの電極に押圧および加熱しながら、当該接合部位に超音波振動を付与して接合する超音波接合方法およびこれを用いた装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
２個の被接合部材の金属からなる両接合部位を接触させ、一方の被接合部材を吸着保持した状態で他方の被接合部材に押圧しながら超音波振動を付与して接合している。具体的には、接合開始にともなって、接合部位における超音波振動の振幅を所定の振幅になるまで大きくしてゆく。所定振幅になった時点から予め設定された接合時間が終了するまでの残り時間は、超音波振動の振幅を一定に保った状態で接合部位に超音波振動を付与している（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平８−１９８７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の方法では、次のような問題がある。
【０００４】
すなわち、予め決められた接合時間内で、超音波接合が終了するまで超音波振動の振幅を一定に保った状態のまま接続部位の接合行なった場合、被接合部材を吸着保持している吸着部材の吸着面が短時間で磨耗してしまうといった問題ある。つまり、接合時間は、接合対象物の接合対象である被接合部材（チップ部品）の固体差を考慮して平均接合時間よりも長く、または最大時間に設定されている。そのため、これら設定時間よりも短時間で接合する物の場合、被接合部材の接合部位同士が接合時間内の早い時間に強固に金属結合され、吸着部材による被接合部材の吸着力を上回る。その結果、吸着部材の吸着面が、被接合部材の表面で滑り、摩擦により磨耗してしまう。
【０００５】
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、吸着部材の磨耗を抑制することができる超音波接合方法およびこれを用いた装置を提供することを主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明は、上記目的を達成するために次のような構成をとる。
【０００７】
第１の発明は、吸着部材に吸着保持したチップ部品の電極をワークの電極に押圧しながら、両電極に超音波振動を付与して接合する超音波接合方法であって、
前記チップ部品の種類に応じて予め設定された接合時間のうち、所定時間経過後に前記両電極の接合部位における超音波振動の振幅を小さくしてゆく
ことを特徴とする。
【０００８】
（作用・効果）  第１の発明によると、所定時間内でチップ部品と基板の両電極同士が金属結合している場合に、当該接合強度よりも吸着部材によるチップ部品の吸着強度が弱いので、吸着部材の吸着面がチップ部品の表面で滑りが発生して擦れる。しかしながら、吸着部材が擦れるときに、超音波振動の振幅が小さいので吸着部材の吸着面とチップ部品の表面での摩擦が抑制される。その結果、吸着部材の吸着面の磨耗を抑制することができる。
【０００９】
また、チップ部品の電極と基板の電極の金属結合よりも弱いチップ部品側の電極取り付け部分に加わる摩擦による伝達応力が抑制される。すなわち、チップ部品側の電極取り付け部分に加わる伝達応力によって発生しがちなクラックを抑制することができる。その結果、チップ部品の接合精度の向上を図ることができる。
【００１０】
さらに、両電極の接合が終了するまでの間は、超音波振動の振幅が小さい状態であっても、接続部位に超音波振動が継続的に付与されるので、押圧による金属変形を促進させる。したがって、押圧だけによる接合に比べて短い時間で両電極を接合することができる。
【００１１】
なお、前記超音波振動の振幅の変化としては、例えば、接合時間のうち所定時間経過後から時間に比例して小さくしたり（第２の発明）、接合時間のうち所定時間経過後から経過時間に応じて段階的に小さくしたり（第３の発明）することが好ましい。このように設定することにより、第１の発明を好適に実施することができる。
【００１２】
第４の発明は、第１ないし第３の発明において、さらに、接合時間のうち、電極の接合開始から所定時間経過するまでは、時間の経過に比例して超音波振動の振幅を大きくしてゆくことが好ましい。
【００１３】
（作用・効果）  第４の発明によると、接合開始と同時に所定振幅の超音波振動で終始接合させた場合に比べ、チップ部品と基板の両電極間に初期に加わる超音波振動による摩擦抵抗を低減することができる。すなわち、両電極間の摩擦が低減されることにより、吸着部材の吸着面とチップ部品の表面との間に伝わる伝達応力が抑制され、吸着部材の吸着面の摩擦による磨耗を抑制することができる。
【００１４】
第５の発明は、第１ないし第４のいずれかの発明において、接合時間の経過にともなって、前記超音波振動を発生させる所定周波数帯域内で周波数を調整することが好ましい。
【００１５】
（作用・効果）  第５の発明によると、超音波振動を発生させる所定周波数帯域内で周波数を調節することにより、チップ部品の電極形状などに応じた最適な超音波振動となる周波数を選択することができ、吸着部材の吸着面とチップ部品の表面での無駄な滑りを抑制することができる。
【００１６】
第６の発明は、第１ないし第５のいずれかの発明において、前記ワークと前記チップ部品の両電極の接合部位に超音波振動が付与される最中に、当該接合部位を加熱することが好ましい。
【００１７】
（作用・効果）  第６の発明によると、接合部位を加熱することにより、両電極の変形が促進される。したがって、超音波接合の効率を向上させることができる。
【００１８】
第７の発明は、チップ部品の電極とワークの電極を押圧しながら、両電極に超音波振動を付与して接合する超音波接合装置において、
前記チップ部品を保持する第１保持手段と、
前記第１保持手段を支持する支持手段と、
前記第１保持手段に超音波振動を付与する超音波振動付与手段と、
前記ワークを保持する第２保持手段と、
前記第１保持手段を支持した支持手段と前記第２保持手段の少なくともいずれか一方を昇降させる昇降駆動機構と、
前記超音波振動付与手段から第１保持手段に超音波が付与されたときに、前記チップ部品とワークの両電極の接合部位における超音波振動の振幅が、チップ部品の種類に応じて予め設定された接合時間のうち、所定時間経過後に小さくなってゆくように制御する振幅制御手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００１９】
（作用・効果）  第７の発明によると、第１保持手段は、チップ部品を保持する。支持手段は、第１保持手段を保持する。超音波振動付与手段は、第１保持手段に超音波振動を付与する。昇降駆動機構は、第１保持手段を支持した支持手段と第２保持手段の少なくともいずれか一方を昇降させる。振幅制御手段は、超音波振動付与手段から第１保持手段に超音波が付与されたときに、チップ部品とワークの両電極の接合部位における超音波振動の振幅が、チップ部品の種類に応じて接合開始から所定時間経過後に小さくなってゆくように制御する。
【００２０】
この構成によれば、支持手段または第２保持手段のいずれかを昇降させることにより、チップ部品の電極とワークの電極が加熱した状態で押圧される。また、この押圧状態にある両電極に超音波振動が付与されるとともの、所定時間経過後からは、接続部位である両電極部分における超音波振動の振幅が小さくされてゆく。したがって、所定時間内でチップ部品と基板の両電極同士が金属結合している場合に、吸着部材の吸着面とチップ部品の表面で継続的に加わる超音波振動による滑りが抑制される、両部材の摩擦も抑制される。したがって、第１の発明を好適に実現することができる。
【００２１】
第８の発明は、第７の発明において、前記振幅制御手段は、さらに、接合時間のうち、電極の接合開始から所定時間経過するまでは、時間の経過に比例して超音波振動の振幅を大きくしてゆくように制御することが好ましい。
【００２２】
（作用・効果）  第８の発明によると、上述の第４の方法発明を好適に実現することができる。
【００２３】
第９の発明は、第７または第８の発明において、さらに、接合時間の経過にともなって、前記超音波振動を発生させる所定周波数帯域内で周波数を調整する周波数調整手段を備えた
ことを特徴とする。
【００２４】
（作用・効果）  第９の発明によると、上述の第５の方法発明を好適に実現することができる。
【００２５】
第１０の発明は、第７ないし第９のいずれかの発明において、さらに、前記ワークと前記チップ部品の両電極の接合部位を加熱する加熱手段を備えることが好ましい。
【００２６】
（作用・効果）  第１０の発明によると、上述の第６の方法発明を好適に実現することができる。
【発明の効果】
【００２７】
この発明に係る超音波接合方法およびこれを用いた装置によれば、所定時間内でチップ部品と基板の両電極同士が金属結合している場合に、当該接合強度よりも吸着部材によるチップ部品の吸着強度が弱いので、吸着部材の吸着面がチップ部品の表面で滑りが発生して擦れる。しかしながら、吸着部材が擦れるときに、超音波振動の振幅が小さいので吸着部材の吸着面とチップ部品の表面での摩擦が抑制される。その結果、吸着部材の吸着面の磨耗を抑制することができる。
【００２８】
また、チップ部品の電極と基板の電極の金属結合よりも弱いチップ部品側の電極取り付け部分に加わる摩擦による伝達応力が抑制される。すなわち、チップ部品側の電極取り付け部分に加わる伝達応力によって発生しがちなクラックを抑制することができる。その結果、チップ部品の接合精度の向上を図ることができる。
【００２９】
さらに、両電極の接合が終了するまでの間は、超音波振動の振幅が小さい状態であっても、接続部位に超音波振動が付与されるので、押圧による金属変形を促進させる。したがって、押圧だけによる接合に比べて短い時間で電極を接合することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。なお、本実施例では、チップ部品としてバンプ付きの電子部品を基板に実装する場合を例にとって説明する。なお、チップ部品としては、その他に例えば、ＩＣチップ、半導体チップ、光素子、表面実装部品、ウエハなどの種類や大きさに関係なく、基板と接合させる側の全ての形態を示す。
【００３１】
また、基板としては、例えば、樹脂基板、ガラス基板、フィルム基板などチップ部品と接合される側の全ての形態を示す。
【００３２】
図１は、本実施例に係る超音波接合装置の正面図である。
【００３３】
本実施例の超音波接合装置は、図１に示すように、基板１を吸着保持する基板ホルダ２を備えた可動テーブル３と、基台４の後部に立設された縦壁５に支持フレーム６を介して取り付けられ、先端でチップ部品７を吸着保持して基板１に実装（接合）する圧着ヘッド８を備えた圧着機構９と、基板ホルダ２に保持された基板１と圧着ヘッド８によって吸着保持されるチップ部品７の位置を認識するカメラ１０と、これら可動テーブル３、圧着ヘッド８、圧着機構９、およびカメラ１０などの駆動を制御する主制御部１１などが備えられている。なお、基板ホルダ２は、本発明の第２保持手段に相当する。
【００３４】
可動テーブル３は、図中左右と前後の水平２軸（Ｘ、Ｙ）方向に移動自在に構成されている。また、可動テーブル３に備わった基板ホルダ２は、基板１が載置される表面部分に吸着孔（図示省略）が形成されており、当該吸着孔が図示しない真空ポンプと配管を介して連通接続されている。なお、本実施例では、基板ホルダ２における基板１の保持を吸着式にしているが、吸着式に限らず、可動ツメを使った機械式保持、静電気を使った静電吸着、磁石を使った磁気吸着など、任意の保持構造を用いることができる。
【００３５】
圧着機構９は、支持フレーム６に固定されたシリンダ１２と、シリンダ１２の垂直下方に向けられたロッド１３に連結された本体１４と、本体１４の下方先端に設けられた圧着ヘッド８とから構成されている。つまり、シリンダ１２の伸縮動作に連動して圧着ヘッド８が昇降するように構成されている。なお、シリンダ１２は、本発明の昇降駆動機構に相当する。
【００３６】
また、圧着ヘッド８は、図２に示すように、略Ｕ字形を上下反転させ、底面を本体１４の下部に連結されたフレーム１５と、当該フレーム１５の両側面に形成された貫通孔を両側から貫通する１組のブースター１６と、フレーム１５の内側で１組のブースター１６によって挟み込まれた状態で着脱可能に保持されたホーン１７とから構成されている。なお、フレーム１５は、本発明の支持手段に相当する。
【００３７】
ブースター１６は、中央部分が太い円柱状であって、その両端が先端に向かうにつれて先細になるテーパー状となっている。また、図中左側のブースター１６には、当該ブースター１６に超音波振動を伝達付与するための圧電素子を備えた超音発生器１８を備えている。なお、超音波発生器１８とブースター１６、フレーム１５によるブースター１６の保持部分、およびブースター１６とホーン１７の各結節点は、超音波発生器１８から付与された超音波振動によって共振するときに振動振幅がゼロとなるノーダルポイントに設定されている。なお、超音波発生器１８は、本発明の超音波発生手段に相当する。
【００３８】
ホーン１７は、肉厚の板状の物であって、正面視して前後に格子状となるように貫通孔が形成されている。また、下面中央には、凸部からなるの吸着部材１９が設けられており、図示しない真空ポンプと連通接続された貫通孔２０が形成されている。また、高さ方向中間にある格子部分に穴が形成されており、当該穴にセラミックヒータ２２が挿入されるようになっている。当該セラミックヒータ２２の取り付け部分もノーダルポイントに設定されている。なお、吸着部材１９は、本発明の第１保持手段に相当する。
【００３９】
また、吸着部材１９には、超音波振動が付与されて基板１にチップ部品７が接合されるときにチップ部品７の表面との摩擦を抑制するためにフッ素コーティングが施されている。なお、超音発生器１８からブースター１６を介して伝達された振動振幅が最大となる位置にある。
【００４０】
図１に戻り、カメラ１０は、水平２軸（Ｘ，Ｙ）方向および上下（Ｚ）方向に移動可能である。また、圧着ヘッド側に向かって進退する鏡筒２３を備えている。また、カメラ１０をＸ軸方向に前進させ、ホーン１７の吸着部材１９に吸着保持されたチップ部品７と基板１の間に位置させる。その状態でチップ部品７と基板１の位置を認識および観察し、観察結果を主制御部１１に送信するようになっている。なお、両部材の位置を認識および観察する手段としては、カメラ以外に、例えば、赤外線カメラ、センサなどの種類に関係なく基板１とチップ部品７の位置を認識できる全ての形態が適用できる。
【００４１】
主制御部１１は、操作部２４から設定入力された接合対象の基板１およびチップ部品７の種類に応じた接合条件を図示しないパターンテーブルから選択し、選択したパターンを振幅制御部２５に送信する。また主制御部１１は、可動テーブル３、シリンダ１２、カメラ１０などの駆動も操作部２４から設定入力された情報に基づいて総括的に制御している。
【００４２】
振幅制御部２５は、超音波発生器１８から発生する超音波振動によって共振するホーン１７の吸着部材１９における超音波振動の振幅を制御している。例えば、図３に示すように、チップ部品７の接合時間が１秒である場合、接合開始から０．５秒まではホーン１７の吸着部材１９での振幅が最大となるように維持し、接合終了時間の１秒に達した時点で振幅がゼロになるように０．５秒経過時点を減衰開始時間の起点とし、当該時点からの時間経過に比例して振幅が小さくなるように超音波発生器１８を操作する。なお、超音波振動の振幅の減衰開始時間としては、チップ部品７の種類によっても異なるが、予め決められた接合開始時間のうち、接合開始から１０〜５０％経過した時点に設定される。なお、振幅制御部２５は、本発明の振幅制御手段に相当する。
【００４３】
次に、上記実施例装置を用いて基板１にチップ部品７を接合する動作を、図４示すフローチャートに基づいて説明する。
【００４４】
先ず、操作部２４から接合対象の基板１およびチップ部品７の種類を選択入力し、接合時間など種々の初期条件が設定される（ステップＳ１）。
【００４５】
初期設定が終了すると、基板ホルダ２に基板１が載置保持されるとともに、ホーン１７の先端の吸着部材１９によってチップ部品７が吸着保持されて接合処理が開始される（ステップＳ２）。
【００４６】
接合処理が開始すると、主制御部１１の制御によって、カメラ１０が作動する。カメラ１０は、鏡筒２３を前進させて基板１とチップ部品７の画像データを取得し、主制御部１１に当該データを送信する。主制御部１１は、受信した画像データに基づいて、基板１とチップ部品７の相対的な位置ずれを演算により求め、当該求まる検出結果に基づいて可動テーブル３をＸ、Ｙ方向に移動させて位置ずれを補正する（ステップＳ３）。
【００４７】
位置ズレ補正が完了すると、主制御部１１の制御に基づいてシリンダ１２が作動し、圧着ヘッド８を所定位置まで降下させてチップ部品７を基板１に押圧する。同時に、セラミックヒータ２２によってホーン１７が所定温度に加温されるとともに、超音波発生器１８を駆動させてホーン１７に超音波振動の付与を開始する（ステップＳ４）。
【００４８】
接合開始にともなって振幅制御部２５が、予め設定された減衰開始時間に達したか否かをタイマカウントする。減衰開始時間に達すると予め選択されたパターンに基づいて、図３に示すように、超音波振動によるホーン１７の振幅を小さくしてゆく（ステップＳ５）。
【００４９】
また、振幅制御部２５によるタイマカウントが所定時間になると（ステップＳ６）、超音波発生器１８からホーン１７への超音波振動の付与が停止され、圧着ヘッド８が上昇して基板１が取り出され、本接合処理が終了する。
【００５０】
以上のように、ホーン１７に超音波振動を付与してチップ部品７を基板１に接合するときに、チップ部品７および基板１ごとに予め設定された接合時間のうち、所定時間経過後から時間の経過に比例して振幅がゼロとなるように振幅を小さくしてゆくことにより、ホーン１７の吸着部材１９の表面とチップ部品７の表面との摩擦が低減される、その結果、吸着部材１９の吸着面の磨耗も抑制される。つまり、チップ部品７と基板１の両電極３０，３１が強固に金属結合されても、振幅が小さくなってゆくので、吸着部材１９とチップ部品７の間の摩擦が低減される。
【００５１】
また、チップ部品７の電極３１と基板１の電極３０の金属結合よりも弱いチップ部品側の電極取り付け部分に加わる摩擦による伝達応力が抑制されるので、当該部分で発生しがちなクラックを抑制することができる。その結果、チップ部品７の接合精度の向上を図ることができる。
【００５２】
さらに、両電極３０，３１の接合が終了するまでの間は、振幅が小さい状態であっても、接続部位に超音波振動が継続的に付与されるので、押圧および加熱による金属変形が促進させられる。したがって、押圧と加熱だけによる接合に比べて短い時間で両電極３０，３１を接合することができる。
【００５３】
なお、本発明は以下のような形態で実施することも可能である。
【００５４】
（１）上記実施例では、減衰開始時間から経過時間に比例してリニアに振幅を小さくしているが、この形態に限定されず、時間の経過にともなって段階的に小さくしてゆくように制御してもよい。このように振幅を制御しても、上記実施例と同様の効果を奏する。
【００５５】
（２）上記実施例では、接合開始と同時に、接合部位の振幅が最大となるようにしていたが、図５に示すように、接合開始から減衰開始時間にかけて超音波振動による振幅を大きくしてゆくように制御してもよい。この構成によれば、接合開始と同時に一定の振幅で終始接合させた場合に比べ、チップ部品７と基板１の両電極間に初期に加わる超音波振動による摩擦抵抗を低減することができる。したがって、両電極間の摩擦が低減されることにより、吸着部材１９の吸着面とチップ部品７の表面との間に伝わる伝達応力が抑制され、吸着部材１９の吸着面の摩擦による磨耗を抑制することができる。
【００５６】
（３）上記実施例では、ホーン１７に超音波振動を発生させる周波数を一定に保っているが、超音波振動を発生させる所定周波数の帯域幅で周波数を調整するように構成してもよい。この構成によれば、チップ部品７の電極形状などに応じた最適な超音波振動となる周波数を選択することができ、吸着部材１９の吸着面とチップ部品７の表面での無駄な滑りを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】実施例に係る超音波接合装置の全体を示す正面図である。
【図２】ホーンの要部構成を示す正面図である。
【図３】振幅の変化を示す図である。
【図４】実施例装置の動作を説明するフローチャートである。
【図５】変形例に係る振幅の変化を示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
１  …  基板
２  …  基板ホルダ
７  …  チップ部品
８  …  圧着ヘッド
１１  …  主制御部
１７  …  ホーン
１８  …  超音波発生器
１９  …  吸着部材
２５  …  振幅制御部
３０  …  電極（基板）
３１  …  電極（チップ部品）
【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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