(57)【要約】【課題】超音波ホーンや振動子の設計変更等を伴うことなく適切な接合エネルギーで接合対象物を接合でき、製品の品質を向上させることができる接合装置、接合ツール及び接合ツールの製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】接合ツール６が、昇降機構４によって昇降部材５に連結されて振動子７により超音波振動が与えられる超音波ホーン１１と、超音波ホーン１１に設けられて接合対象物ＰＴを保持するノズル部１２とを備える。ノズル部１２は、振動子７により超音波ホーン１１に超音波振動が与えられたときに超音波ホーン１１に生じる定在波の腹よりも節側の位置に設けられる。【選択図】図４
2019102762.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
昇降部材と、前記昇降部材に連結されて接合対象物を保持する接合ツールと、前記昇降部材を昇降させて前記接合ツールが保持した前記接合対象物を被接合面に押し付ける昇降機構と、前記接合対象物が前記被接合面に押し付けられている状態で前記接合ツールを超音波振動させる振動子とを備えた接合装置であって、
前記接合ツールは、前記昇降部材に連結されて前記振動子により超音波振動が与えられる超音波ホーンと、前記超音波ホーンに設けられて前記接合対象物を保持するノズル部とを備え、
前記ノズル部は、前記振動子により前記超音波ホーンに超音波振動が与えられたときに前記超音波ホーンに生じる定在波の腹よりも節側の位置に設けられた接合装置。
【請求項２】
前記超音波ホーンは、前記超音波ホーンに生じる前記定在波の節の位置が前記昇降部材に連結された請求項１に記載の接合装置。
【請求項３】
前記超音波ホーンの両端部はそれぞれ自由端であって、前記振動子は前記２つの自由端のうちの一方に取り付けられており、前記ノズル部は、前記超音波ホーンに生じる前記定在波の腹と節との間の領域のうち、前記振動子が取り付けられていない領域内に設けられた請求項１又は２に記載の接合装置。
【請求項４】
前記超音波ホーンは前記２つの自由端の間に前記定在波の節を１つ有した請求項３に記載の接合装置。
【請求項５】
前記ノズル部は、前記定在波の腹からの距離Δが式
Δ＝Ｌ／１８０°×ａｒｃｃｏｓ（Ｘ／Ａ）
但し、Ｌ：超音波ホーンの長さ
Ｘ；ノズル部の位置の所望振幅
Ａ：定在波の腹の位置の最大振幅
で表される位置に設けられた請求項４に記載の接合装置。
【請求項６】
前記ノズル部は、前記ノズル部を挟んで隣接して位置する前記節と前記腹との間の中間位置よりも前記節の側に寄った位置に設けられた請求項１〜５のいずれかに記載の接合装置。
【請求項７】
接合装置の昇降機構が昇降させる昇降部材に連結されて接合対象物を保持し、前記昇降機構が前記昇降部材を昇降させることによって前記接合対象物が被接合面に押し付けられた状態で振動子により超音波振動が与えられる接合ツールであって、
前記昇降部材に連結されて前記振動子により超音波振動が与えられる超音波ホーンと、
前記超音波ホーンに設けられて前記接合対象物を保持するノズル部とを備え、
前記超音波ホーンは、前記振動子により超音波振動が与えられたときに生じる定在波の節となる位置に前記昇降部材に連結される被連結部を有し、
前記ノズル部は、前記超音波ホーンに生じる前記定在波の腹よりも節側の位置に設けられた接合ツール。
【請求項８】
接合装置の昇降機構が昇降させる昇降部材に連結され、振動子により超音波振動が与えられる超音波ホーンと、前記超音波ホーンに設けられて接合対象物を保持するノズル部とを備えた接合ツールの製造方法であって、
前記振動子によって前記超音波ホーンに超音波振動が与えられたときに前記超音波ホーンに生じる定在波の節となる位置に前記超音波ホーンを前記昇降部材に連結させる被連結部を設け、
前記超音波ホーンに生じる前記定在波の腹よりも節側の位置に前記ノズル部を設ける接合ツールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波振動を用いて接合対象物を被接合面に接合させる接合装置、接合ツール及び接合ツールの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体チップのような接合対象物を基板の表面等の被接合面に接合する接合装置として、超音波振動を用いたものが知られている（例えば、下記の特許文献１参照）。超音波振動を用いた接合装置は、横長の棒状の部材である超音波ホーンと超音波ホーンに設けられたノズル部とを備えており、ノズル部により保持した接合対象物を被接合面に押し付けながら振動子により超音波ホーンを超音波振動させるようになっている。これにより接合対象物には接合エネルギー（超音波エネルギー）が与えられ、接合対象物は効率よく接合対象物に接合される。
【０００３】
上記従来の接合装置では、ノズル部を超音波ホーンの振幅が最大となる箇所（詳細には超音波ホーンに生じる定在波の腹）に設けることによって、大きな振幅で接合対象物に振動を与えることができるようにしているが、接合対象物は年々小型化が進んでおり、接合対象物に対して接合エネルギーが過多となる傾向にある。接合エネルギーが過多であると接合状態が不安定となり、製品の品性に影響を与えるおそれがある。このため、近年では、超音波ホーンの形状や大きさ等を変更し、或いは振動子の出力が小さくなるように設計変更をするなどして、従来よりも低い接合エネルギーで接合対象物を接合できる装置が考案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１１０８５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、超音波ホーンや振動子の設計変更による接合エネルギーの低減には限界があり、極めて微小な接合対象物に適切な接合エネルギーを与えて接合することは難しいという問題点があった。
【０００６】
そこで本発明は、超音波ホーンや振動子の設計変更等を伴うことなく適切な接合エネルギーで接合対象物を接合でき、製品の品質を向上させることができる接合装置、接合ツール及び接合ツールの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の接合装置は、昇降部材と、前記昇降部材に連結されて接合対象物を保持する接合ツールと、前記昇降部材を昇降させて前記接合ツールが保持した前記接合対象物を被接合面に押し付ける昇降機構と、前記接合対象物が前記被接合面に押し付けられている状態で前記接合ツールを超音波振動させる振動子とを備えた接合装置であって、前記接合ツールは、前記昇降部材に連結されて前記振動子により超音波振動が与えられる超音波ホーンと、前記超音波ホーンに設けられて前記接合対象物を保持するノズル部とを備え、前記ノズル部は、前記振動子により前記超音波ホーンに超音波振動が与えられたときに前記超音波ホーンに生じる定在波の腹よりも節側の位置に設けられた。
【０００８】
本発明の接合ツールは、接合装置の昇降機構が昇降させる昇降部材に連結されて接合対象物を保持し、前記昇降機構が前記昇降部材を昇降させることによって前記接合対象物が被接合面に押し付けられた状態で振動子により超音波振動が与えられる接合ツールであって、前記昇降部材に連結されて前記振動子により超音波振動が与えられる超音波ホーンと、前記超音波ホーンに設けられて前記接合対象物を保持するノズル部とを備え、前記超音波ホーンは、前記振動子により超音波振動が与えられたときに生じる定在波の節となる位置に前記昇降部材に連結される被連結部を有し、前記ノズル部は、前記超音波ホーンに生じる前記定在波の腹よりも節側の位置に設けられた。
【０００９】
本発明の接合ツールの製造方法は、接合装置の昇降機構が昇降させる昇降部材に連結され、振動子により超音波振動が与えられる超音波ホーンと、前記超音波ホーンに設けられて接合対象物を保持するノズル部とを備えた接合ツールの製造方法であって、前記振動子によって前記超音波ホーンに超音波振動が与えられたときに前記超音波ホーンに生じる定在波の節となる位置に前記超音波ホーンを前記昇降部材に連結させる被連結部を設け、前記超音波ホーンに生じる前記定在波の腹よりも節側の位置に前記ノズル部を設ける。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、超音波ホーンや振動子の設計変更等を伴うことなく適切な接合エネルギーで接合対象物を接合でき、製品の品質を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施の形態における接合装置の構成図
【図２】本発明の一実施の形態における接合装置が備える接合ツールを斜め下方から見た斜視図
【図３】本発明の一実施の形態における接合装置が備える接合ツールの分解斜視図
【図４】本発明の一実施の形態における接合装置が備える接合ツールの側面図
【図５】本発明の一実施の形態における接合装置が備える接合ツールのノズル部を取り付ける位置を説明する図
【図６】本発明の一実施の形態の変形例における接合装置が備える接合ツールの側面図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の一実施の形態における接合装置１を示している。接合装置１は、上面に基板保持部２を有した位置決めテーブル３、位置決めテーブル３の上方に備えられた昇降機構４、昇降機構４によって昇降される昇降部材５、昇降部材５に連結された接合ツール６及び接合ツール６に超音波振動を与える振動子７を備えている。
【００１３】
図１において、位置決めテーブル３は例えば多段型の移動テーブルから成り、基板保持部２に保持させた基板ＫＢを水平面内及び上下方向に移動させる。昇降機構４は例えばシリンダから成り、ブロック状の部材である昇降部材５を昇降させる。昇降部材５は下方に延びた２つの延出部５Ｌを有している。
【００１４】
図１及び図２において、接合ツール６は、超音波ホーン１１とノズル部１２を備えている。超音波ホーン１１は横長の棒状の部材であり、金属のような弾性を有する材料から構成されている。超音波ホーン１１の長手方向（図１の紙面における左右方向）の中間部には、超音波ホーン１１の両側面から側方に張り出した２つの被連結部１１Ｇが設けられている。
【００１５】
図２及び図３において、２つの被連結部１１Ｇのそれぞれには上下方向に貫通したボルト孔１１Ｈが設けられている。各ボルト孔１１Ｈには下方から連結ボルト１４が挿入され、連結ボルト１４は昇降部材５の延出部５Ｌの下面に開口した螺子穴（図示せず）に螺入される。これにより超音波ホーン１１は昇降部材５に連結され、水平方向に延びた姿勢が維持される。
【００１６】
図２及び図３において、ノズル部１２は、超音波ホーン１１の上方から挿通された取付け螺子１５によって、超音波ホーン１１の下面に取り付けられている。ノズル部１２は超音波ホーン１１に取り付けられた状態で超音波ホーン１１の下面から下方に突出しており、その下端面には吸着口１２ａが形成されている。
【００１７】
図１において、超音波ホーン１１の内部には吸引管路２１が設けられている。吸引管路２１の一端側は取付け螺子１５内の管路に通じ、ノズル部１２の吸着口１２ａに繋がっている。吸引管路２１の他端側は超音波ホーン１１と昇降部材５との間に設けられた中継管部２２に繋がっており、中継管部２２は、昇降部材５内の管路（昇降部材内管路２３）及び昇降部材内管路２３から昇降部材５の外部に延びた外部管路２４に繋がっている。外部管路２４は真空吸引源２５に接続されている。真空吸引源２５から空気を吸引するとノズル部１２の吸着口１２ａに吸引力が発生し、ノズル部１２の下面に当接させた接合対象物がノズル部１２に吸着保持される。
【００１８】
図１、図２及び図３において、超音波ホーン１１の両端部はそれぞれ自由端であり、振動子７は超音波ホーン１１の２つの自由端のうちの一方に取り付けられている。振動子７は超音波振動子から成り、接合装置１が備える振動子駆動部７Ｋからの指令を受けて作動し、超音波ホーン１１に超音波振動を与える。振動子７から超音波振動が与えられた超音波ホーン１１は長手方向に縦振動し、超音波ホーン１１に定在波が生じる。
【００１９】
超音波ホーン１１の両端部はそれぞれ自由端であるので、これら両端部はそれぞれ超音波ホーン１１に生じた定在波の腹となる。超音波ホーン１１は、振動子７から与えられる超音波の振動数に応じて、２つの腹（２つの自由端）の間に定在波の節を１つ有する基本振動或いは２つの腹（２つの自由端）の間に複数（通常は２つ）の節を有する倍振動の振動モードを生じる。ここでは、振動子７から超音波ホーン１１に与えられる超音波によって、超音波ホーン１１に基本振動の振動モードの定在波が生じるものとする。なお、実際の設計過程では、振動子７の振動数、超音波ホーン１１の材料の諸特性（ヤング率や密度等）及び形状等から、最終的に超音波ホーン１１の長さが決定される。
【００２０】
超音波ホーン１１が基本振動の振動モードで振動する場合、図４に示すように、超音波ホーン１１のほぼ中間の位置が節となる。そして、この節の位置（節に近接した位置を含む）に、前述の被連結部１１Ｇが設けられている。昇降部材５に連結される被連結部１１Ｇが定在波の節の位置に設けられることで、超音波ホーン１１を昇降部材５に連結（拘束）することにより生ずる振動の減衰を小さく抑えることができる。
【００２１】
接合装置１により電子部品等の接合対象物ＰＴを基板ＫＢの表面である被接合面Ｓｆに接合する場合には、基板保持部２に基板ＫＢを保持させたうえで、位置決めテーブル３を作動させ、接合対象物ＰＴを保持したノズル部１２の下方に被接合面Ｓｆ上を位置させる。被接合面Ｓｆのうち接合対象物ＰＴが接合される箇所には予め半田が塗布されている。
【００２２】
接合対象物ＰＴの下方に被接合面Ｓｆが位置したら、昇降機構４が昇降部材５を（すなわち接合ツール６を）下降させ、接合対象物ＰＴを被接合面Ｓｆに押し付ける（図１）。この状態で振動子７を作動させて超音波ホーン１１に超音波振動を与えると、ノズル部１２は接合対象物ＰＴを吸着したまま超音波ホーン１１の長手方向に振動する。これにより接合対象物ＰＴには被接合面Ｓｆへの押付け力と超音波振動とが同時に作用し、接合対象物ＰＴは半田によって被接合面Ｓｆに効率よく接合される。
【００２３】
ところで、本実施の形態における接合装置１では、接合ツール６の構成に特徴があり、以下にその説明を行う。図４に示すように、本実施の形態の接合ツール６では、ノズル部１２は、超音波ホーン１１に生じる定在波の腹と節との間の２つの領域（一方の腹と節との間の領域及び他の一方の腹と節との間の領域）のうち、振動子７が取り付けられていない側の領域（図４では節の左側の領域）内の、定在波の腹からずれた位置、すなわち、定在波の腹よりも節側の位置（定在波の腹から節の側に寄った位置であり、節の位置でも腹の位置でもない位置）に設けられている。
【００２４】
より詳細には、ノズル部１２は、定在波の腹からの距離Δ（図５）が下式で表される位置に設けられている。
Δ＝Ｌ／１８０°×ａｒｃｃｏｓ（Ｘ／Ａ）  ・・・（＊）
ここで、Ｘはノズル部１２の位置の（詳細にはノズル部１２の位置にある超音波ホーン１１の媒質の）最大振幅であり、ノズル部１２に所望される振幅（所望振幅）である。Ａは超音波ホーン１１に生じる定在波の腹の位置の（詳細には定在波の腹の位置にある超音波ホーン１１の媒質の）最大振幅であり、Ｌは超音波ホーンの長さである。
【００２５】
上記式（＊）の導出を、図５を用いて説明する。図５において、定在波の腹の位置から距離Δだけ離れた位置の最大振幅（ノズル部１２の位置の所望振幅Ｘ）は、定在波の腹の位置の最大振幅Ａ、定在波の腹から距離Δだけ離れた位置の振動の、腹の位置の振動に対する位相θ（円Ｃのｙ軸からの角度）を用いて、式
Ｘ＝Ａｃｏｓθ  ・・・（１）
で表すことができる。そして、この式を変形すると、式
θ＝ａｒｃｃｏｓ（Ｘ／Ａ）  ・・・（２）
が得られる。
【００２６】
一方、図５より、超音波ホーン１１の長さをＬとすると、Ｌは基本振動の定在波の波長（λとする）の半分に相当する長さである（Ｌ＝λ／２）ことから、定在波の半波長分の長さ（λ／２）に対応する角度θは１８０°となる。よって、比例式
θ：１８０°＝Δ：λ／２
が得られ、この式とＬ＝λ／２の関係式より、距離Δは、
Δ＝θ／１８０°×Ｌ  ・・・（３）
と表すことができる。この式（３）と式（２）とから上式（＊）、すなわち、
Δ＝Ｌ／１８０°×ａｒｃｃｏｓ（Ｘ／Ａ）
が得られる。なお、式（３）は、上述したように、超音波ホーン１１が基本振動で振動する場合を前提として得られることから、式（＊）の適用は、超音波ホーン１１が基本振動の振動モードで振動する場合、すなわち、超音波ホーン１１の両端部に対応する２つの腹の間に１つの節を有する場合に限られる。
【００２７】
本実施の形態では、上記式（＊）に基づいて求められる腹からの距離Δをノズル部１２の取付け位置とすることにより、ノズル部１２を、超音波ホーン１１の最大振幅（腹の位置の最大振幅）Ａよりも小さい振幅（所望振幅Ｘ）で振動させることができる。これは、超音波ホーン１１の形状や大きさを変えることなく、また、振動子７の出力を小さくことなく、超音波ホーン１１に対するノズル部１２の取付け位置を調整するだけで、超音波ホーン１１の振幅を小さくできることを意味する。
【００２８】
上述の式（＊）の適用は、超音波ホーン１１を基本振動の振動モードで振動させる構成の場合に限定されるが、超音波ホーン１１を倍振動の振動モードで振動させる構成を採用する場合であっても、ノズル部１２が、超音波ホーン１１に生じる定在波の腹よりも節側の位置に設けられることで、上記効果が得られる。図６の変形例に示すように、超音波ホーン１１の両端部に対応する２つの腹の間に２つの節を有する振動モード（二倍振動の振動モード）で超音波ホーン１１を振動させる構成の場合には、２つの節の間の腹（超音波ホーン１１の中央に位置する腹）から一方の節側に寄った位置にノズル部１２が設けられるようにする。
【００２９】
なお、超音波ホーン１１を倍振動の振動モードで振動させる構成を採用する場合であっても、超音波ホーン１１は、振動子７により超音波振動が与えられたときに生じる定在波の節となる位置が昇降部材５に連結されるように、節の位置（節に近接した位置を含む）に被連結部１１Ｇが設けられるようにする（図６）。これにより、超音波ホーン１１を昇降部材５に連結（拘束）することにより生ずる振動の減衰を小さく抑えることができる。
【００３０】
接合ツール６を製造する場合には、超音波ホーン１１が基本振動で振動する構成であるか倍振動で振動する構成であるかを問わず、超音波ホーン１１に生じる定在波の腹よりも節側の位置にノズル部１２を設ける。また、振動子７によって超音波ホーン１１に超音波振動が与えられたときに超音波ホーン１１に生じる定在波の節となる位置に超音波ホーン１１を昇降部材５に連結させる被連結部１１Ｇを設けるようにする。このような接合ツール６の製造方法によれば、超音波ホーン１１の形状や大きさを変えることなく、また、振動子７の出力を小さくことなく、超音波ホーン１１に対するノズル部１２の取付け位置を調整するだけで、超音波ホーン１１の振幅を小さくすることができる。
【００３１】
また、超音波ホーン１１が基本振動で振動する構成であるか倍振動で振動する構成であるかを問わず、振動子７は、自由端である超音波ホーンの両端部のうちの一方に取り付けられるようにする。そして、ノズル部１２は、超音波ホーン１１に生じる定在波の腹と節との間の領域のうち、振動子７が取り付けられていない領域内に設けられるようにする。
【００３２】
超音波ホーン１１が基本振動で振動する構成であるか倍振動で振動する構成であるかを問わず、ノズル部１２の取付け位置は、超音波ホーン１１に生じる定在波の節に近いほど（式（＊）ではΔが大きいほど）、ノズル部１２を振動させることにより超音波ホーン１１に生じるモーメントは小さくなる。このため、ノズル部１２は、図４に示すように、少なくとも、ノズル部１２を挟んで隣接して位置する節と腹との間の中間位置よりも節の側に寄った位置に設けられていることが好ましい。このようにして超音波ホーン１１に生じるモーメントを小さくすることで、接合対象物ＰＴの被接合面Ｓｆに対する接合精度を向上させることができる。
【００３３】
以上説明したように、本実施の形態における接合装置１では、接合ツール６の超音波ホーン１１に設けられるノズル部１２が、超音波ホーン１１に生じる定在波の腹よりも節側の位置に設けられており、腹の振幅よりも小さい振幅でノズル部１２を振動させることができるので、超音波ホーン１１や振動子７の設計変更等を伴うことなく適切な接合エネルギーで接合対象物ＰＴを接合でき、接合装置１によって製造される製品の品質を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
超音波ホーンや振動子の設計変更等を伴うことなく適切な接合エネルギーで接合対象物を接合でき、製品の品質を向上させることができる接合装置、接合ツール及び接合ツールの製造方法を提供する。
【符号の説明】
【００３５】
１  接合装置
４  昇降機構
５  昇降部材
６  接合ツール
７  振動子
１１  超音波ホーン
１１Ｇ  被連結部
１２  ノズル部
Ｓｆ  被接合面
ＰＴ  接合対象物
【図１】
2019102762.tif 000003
【図２】
2019102762.tif 000004
【図３】
2019102762.tif 000005
【図４】
2019102762.tif 000006
【図５】
2019102762.tif 000007
【図６】
2019102762.tif 000008