(57)【要約】【課題】            簡易に超音波ホーンの振幅測定と周波数測定ができる測定方法の提供と、その方法を用いた測定機器およびその超音波接合装置を提供すること。【解決手段】        超音波ホーンの振幅を撮像する拡大倍率または等倍率を備えたＣＣＤカメラと、ＣＣＤカメラによって撮像された画像の濃淡の変化を検出する濃淡検出部と、濃淡検出部で検出された濃淡の変化にもとずき濃部と淡部との距離を計算する距離測定処理部と、距離測定処理部によって計算された濃部と淡部との距離から超音波ホーンの振幅を測定する振幅測定部とを備え、超音波ホーンの振幅をＣＣＤカメラによって撮像後、画像処理によって拡大し、そのときに得られる振幅状態の画像を利用することによって超音波ホーンの振幅および共振周波数を測定する。【選択図】          図２
2008070158.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波ホーンの振幅を拡大倍率を備えたＣＣＤカメラによって撮像もしくは、等倍率を備えたＣＣＤカメラによって撮像後、画像処理によって拡大し、そのときに得られる振幅状態の画像を利用することによって超音波ホーンの振幅および共振周波数を測定する方法であって、
前記振幅状態の画像の濃淡の変化を画像処理によって検出するステップと、
前記振幅状態の画像の濃部と淡部との距離を自動処理によって測定するステップと、
前記測定されたデータから超音波ホーンの振幅を測定するステップと、
からなる超音波ホーンの振幅を測定する方法。
【請求項２】
請求項１に記載の発明において、前記振幅状態の画像の濃部のみを自動処理によって抽出するステップを含む超音波ホーンの共振周波数を測定する方法。
【請求項３】
請求項１に記載の発明において、前記振幅状態の画像の濃淡の変化を手動操作によって判定するステップを含む超音波ホーンの振幅を測定する方法。
【請求項４】
請求項３に記載の発明において、前記振幅状態の画像の濃淡の変化を手動操作によって強調させるステップを含む超音波ホーンの振幅を測定する方法。
【請求項５】
請求項３に記載の発明において、前記振幅状態の画像をもとに濃淡の変化を示すグラフを表示手段に表示させるステップを含む超音波ホーンの振幅を測定する方法。
【請求項６】
請求項１に記載の発明において、超音波ホーンと同色に濃部処理された構造物を超音波ホーンの近傍に固定配置し前記振幅状態の画像の淡部を強調するステップを含む超音波ホーンの振幅を測定する方法。
【請求項７】
超音波ホーンの振幅を撮像する拡大倍率または等倍率を備えたＣＣＤカメラと、
前記ＣＣＤカメラによって撮像された画像の濃淡の変化を検出する濃淡検出部と、
前記濃淡検出部で検出された濃淡の変化にもとずき濃部と淡部との距離を計算する距離測定部と、
前記距離測定部によって計算された濃部と淡部との距離から超音波ホーンの振幅を測定する振幅測定部と、
を備えた超音波ホーンの振幅測定機器。
【請求項８】
請求項７に記載の発明において、
前記濃淡検出部で検出された濃部を抽出し超音波ホーンの共振周波数を測定する共振周波数測定部を備えた超音波ホーンの周波数測定機器。
【請求項９】
請求項７または請求項８に記載の発明が搭載された超音波接合装置。
【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に用いる超音波ホーンの加圧面の振幅および周波数の測定方法と測定機器およびそれを用いた超音波接合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
チップ部品を基板に接合させる方法として、チップ部品の電極を基板の電極に接触させ、チップ部品を吸着保持した状態で基板の電極に押圧しながら超音波振動を付与して接合する超音波接合方法が知られている。
【０００３】
このような超音波ホーンの振幅量を測定する方法として、レーザドップラ計を用いて行う方法が知られている（例えば特許文献１）。
【０００４】
【特許文献１】特開平５−２０６２２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の方法では、次のような問題がある。
【０００６】
レーザドップラ計を用いた振幅量の測定は、レーザドップラ計自体が大型であるため、測定器の接合装置への取り付けが大掛かりとなる。取り付け時間もかかり、そのため接合装置を測定のたび毎に停機しなければならず、製品の生産性を損なわず振幅測定できないという問題がある。また、レーザドップラ計が高価であり接合装置毎に設置できない。そのため、超音波を利用した生産においては、超音波ホーンの発振状態の検出管理がしにくい問題がある。
【０００７】
この発明の目的は、このような事情に鑑みてなされたものであって、簡易に超音波ホーンの振幅測定と周波数測定ができる測定方法の提供と、その方法を用いた測定機器およびその超音波接合装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の発明は、超音波ホーンの振幅を拡大倍率を備えたＣＣＤカメラによって撮像もしくは、等倍率を備えたＣＣＤカメラによって撮像後、画像処理によって拡大し、そのときに得られる振幅状態の画像を利用することによって超音波ホーンの振幅および共振周波数を測定する方法であって、
前記振幅状態の画像の濃淡の変化を画像処理によって検出するステップと、
前記振幅状態の画像の濃部と淡部との距離を自動処理によって測定するステップと、
前記測定されたデータから超音波ホーンの振幅を測定するステップと、
からなる超音波ホーンの振幅を測定する方法である。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記振幅状態の画像の濃部のみを自動処理によって抽出するステップを含む超音波ホーンの共振周波数を測定する方法である。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記振幅状態の画像の濃淡の変化を手動操作によって判定するステップを含む超音波ホーンの振幅を測定する方法である。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記振幅状態の画像の濃淡の変化を手動操作によって強調させるステップを含む超音波ホーンの振幅を測定する方法である。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記振幅状態の画像をもとに濃淡の変化を示すグラフを表示手段に表示させるステップを含む超音波ホーンの振幅を測定する方法である。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、超音波ホーンと同色に濃部処理された構造物を超音波ホーンの近傍に固定配置し前記振幅状態の画像の淡部を強調するステップを含む超音波ホーンの振幅を測定する方法である。
【００１４】
請求項７に記載の発明は、
超音波ホーンの振幅を撮像する拡大倍率または等倍率を備えたＣＣＤカメラと、
前記ＣＣＤカメラによって撮像された画像の濃淡の変化を検出する濃淡検出部と、
前記濃淡検出部で検出された濃淡の変化にもとずき濃部と淡部との距離を計算する距離測定部と、
前記距離測定部によって計算された濃部と淡部との距離から超音波ホーンの振幅を測定する振幅測定部と、
を備えた超音波ホーンの振幅測定機器である。
【００１５】
請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の発明において、
前記濃淡検出部で検出された濃部を抽出し超音波ホーンの共振周波数を測定する共振周波数測定部を備えた超音波ホーンの周波数測定機器である。
【００１６】
請求項９に記載の発明は、請求項７または請求項８に記載の発明が搭載された超音波接合装置である。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１に記載の発明によれば、濃部と淡部との距離を自動処理によって測定し、超音波ホーンの振幅を測定できるので、レーザドップラ計などの大掛かりな測定器の接合装置への取り付けが不要になり、簡易に振幅測定ができる。
【００１８】
請求項２に記載の発明によれば、濃部のみを自動処理によって抽出して超音波ホーンの共振周波数を測定できるので、レーザドップラ計などの大掛かりな測定器の接合装置への取り付けが不要になり、簡易に共振周波数の測定ができる。
【００１９】
請求項３に記載の発明によれば、前記振幅状態の画像の濃淡の変化を手動操作によって判定するので、画像データが不明確な場合でも振幅測定ができる。
【００２０】
請求項４に記載の発明によれば、前記振幅状態の画像の濃淡の変化を手動操作によって強調させるので、濃淡が曖昧な画像データでも振幅測定ができる。
【００２１】
請求項５に記載の発明によれば、前記振幅状態の画像をもとに濃淡の変化を示すグラフを表示手段に表示させるので、手動操作が容易に行える。
【００２２】
請求項６に記載の発明によれば、超音波ホーンと同色に濃部処理された構造物を超音波ホーンの近傍に固定配置し前記振幅状態の画像の淡部を強調するので、画像取り込み時の背景等の影響を低減することができる。
【００２３】
請求項７に記載の発明によれば、超音波ホーンの振幅を撮像する拡大倍率または等倍率を備えたＣＣＤカメラと、前記ＣＣＤカメラによって撮像された画像の濃淡の変化を検出する濃淡検出部と、濃淡の変化にもとずき濃部と淡部との距離を計算する距離測定部と、濃部と淡部との距離から超音波ホーンの振幅を測定する振幅測定部とを備えたので、レーザドップラー計を用いないで、超音波ホーンの振幅を簡易に測定することができる。
【００２４】
請求項８に記載の発明によれば、さらに、共振周波数測定部を備えたので超音波ホーンの共振周波数を簡易に測定することができる。
【００２５】
請求項９に記載の発明によれば、超音波ホーンの振幅および共振周波数の状態を接合毎に記録することができるので、超音波ホーンの発振異常や、超音波ホーンの組み換え時の組み付け良否の判断に利用することができる。そして、超音波ホーンの発振状態の検出管理を行うことができ、接合品質を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、実施の形態では、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。
【００２７】
また、基板としては、例えば、樹脂基板、ガラス基板、フィルム基板などのチップ部品と接合される側の全ての形態を示す。
【００２８】
図１は、実施の形態に係る超音波接合装置の正面図である。
【００２９】
実施の形態の超音波接合装置１００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、ＣＣＤカメラ３１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。
【００３０】
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２１が形成されており、当該吸着孔２１が図示しない真空ポンプと配管を介して接続されている。なお、実施の形態では、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。
【００３１】
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に連結されたヘッド本体１４と、ヘッド本体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。
【００３２】
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８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３５の吸着部材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。
【００３３】
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統括的に制御している。また、ＣＣＤカメラ３１で撮像した画像データが画像処理部３７に入力されており、画像処理部３７で処理されたホーン３５の振幅と共振周波数のデータが主制御部１１に送信されるようになっている。画像処理部３７には、画像データを確認するモニター３８が接続されている。画像処理部３７は、ＣＣＤカメラ３１で撮像した画像データの濃淡を検出する濃淡検出部３９と、濃淡の変化にもとずき濃部と淡部との距離を計算する距離測定部４０と、濃部と淡部との距離から超音波ホーンの振幅を測定する振幅測定部４１と、前記濃淡検出部３９で検出された濃部を抽出し超音波ホーンの共振周波数を測定する共振周波数測定部４２とから構成されている。
【００３４】
図２は圧着ヘッド８に搭載されている超音波ホーンユニット３０の構成と本発明におけるＣＣＤカメラ３１の取り付け位置の関係を示す。
【００３５】
超音波ホーンユニット３０では、振動子３２から発振された超音波振動が、中間ブースタ３３で整流され、ソリッドブースタ３４で増減された後、振動子３２と同一固有振動数を持つように設計されたホーン３５へ伝達し、共振振動を起こすようになている。
【００３６】
ホーン３５は、両端に設けたソリッドブースタ３４が両端を保持し、ホルダー取り付けベース３６を介して圧着ヘッド８へ取り付けられている。
【００３７】
本実施の形態では、ＣＣＤカメラ３１は、ホーン３５の一端を拡大もしくは等倍撮影が可能なように超音波接合装置１００のＹ方向手前側に配置している。ＣＣＤカメラ３１によるホーン３５の観測点Ｘを図２に示す。
【００３８】
図３は、本発明における振幅測定の基本概念図である。
【００３９】
振動子３２が発振せずホーン３５が共振していない状態では、ホーン３５は基準位置Ａで停止している。
【００４０】
振動子３２が発振しホーン３５が共振振動している状態では、ホーン３５はＸ軸の＋方向に振幅移動を行い振幅端Ｂに達し、基準位置Ａを経由してＸ軸−方向へ振幅移動を行い振幅端Ｃに達し、再び基準位置Ａへ移動する繰り返し動作を行う。その際、図２に示す観測点Ｘを拡大倍率を持つＣＣＤカメラ３１を近接させて、その映像を取り込むと、１サイクルで２回通過する基準位置Ａでは濃く、Ｘ軸＋方向の振幅端Ｂおよび、−方向の振幅端Ｃでは薄く映る。このように、振幅状態の画像の変化（濃淡の変化）を画像処理部３７の濃淡検出部３９によって検出する。
【００４１】
ＣＣＤカメラ３１は、特殊な機能を有する必要はなく、一般的に入手可能なシャッター速度１／１０００あるいは１／２０００のもので十分である（シャッター速度１／１０００の場合、１回のシャッター開閉で、２０〜６０回の振幅画像が取り込める）。
【００４２】
本発明では、この濃淡を利用してホーン３５の振幅量を測定している。
【００４３】
図４は、図３の基本概念によって取り込んだ画像を基に、その濃淡の変化を濃淡検出部３９の処理を行いグラフ表示したものである。横軸に振幅量、縦軸に濃淡度を示している。
【００４４】
基準位置Ａでは、一番濃く、Ｘ軸＋方向の振幅端Ｂおよび、−方向の振幅端Ｃでは薄くなる。その濃淡を画像処理によってグラフ化し、基準位置Ａから振幅端Ｂ、Ｃの片振幅量を計算し、＋方向の片振幅量と−方向の片振幅量の和によって、ホーン３５自体の振幅量を計算する。このように、振幅状態の画像の濃部と淡部との距離を距離測定部４０によって測定する。
【００４５】
淡部の判定には、個別に設定可能な、しきい値を設けることによって画像処理の際の背景の誤差、ＣＣＤカメラ３１の画像取り込み誤差を考慮している。
【００４６】
また、この振幅量の測定は、自動計算で算出するのが望ましいが、取り込み画像自体をモニター３８に表示させ、操作者の目視によってマウス等を用いての淡部を指定することによってもその振幅量を計算することができる。また、図４のグラフをモニター３８に表示させ、操作者の目視によって同様の操作を行い、振幅量を計算することも可能である。
【００４７】
図５は、手動での測定方法の一例を示す図である。図５（ａ）は、濃淡変化を濃淡検出部３９の処理によってモニター３８にグラフ化し、そのグラフ上の曲線を操作者がマウス等でデジタイズすることによって、その位置を確定させ、そのデジタイズした位置をもとに振幅測定を行うことを示している。このように、振幅状態の画像の濃淡の変化を手動操作によって判定し、振幅測定している。
【００４８】
図５（ｂ）は、濃淡変化を濃淡検出部３９によって強調処理を行い、その画像に対して操作者がマウス等でデジタイズすることによって、その位置を確定させ、そのデジタイズした位置をもとに振幅測定を行うことを示している。
【００４９】
また、手動での淡部の決定に際し、ホーン３５の端部近傍にホーン３５と同一処理された構造物を固定配置してより淡部を明瞭にすることも本発明を実施する上で有効な手段である。この濃淡の変化を手動で強調する方法は濃淡検出部３９で濃淡変化を明瞭にし、処理速度を向上させる効果もある。
【００５０】
図６は、図３〜図５の示された測定方法によって得られた情報をもとに、基準位置Ａを自動計算し、あらかじめ設定した設定時間内に基準位置Ａの濃部のピークの数をもとに共振周波数を求める際の概念図である。
【００５１】
設定した時間内に、基準位置Ａを示す濃部数をカウントし、その数をもとに共振周波数を自動計算する。本実施の形態では、設定時間（Ｔ）にＮ（４個）の濃部があり、周波数はｆ＝（Ｎ／２）／Ｔ  Ｈｚとなる。このように、振幅状態の画像の濃部のみを自動処理によって抽出することにより共振周波数を測定することができる。
【００５２】
以上、説明したように、超音波ホーンの振幅を撮像する拡大倍率または等倍率を備えたＣＣＤカメラと、前記ＣＣＤカメラによって撮像された画像の濃淡の変化を検出する濃淡検出部と、濃淡の変化にもとずき濃部と淡部との距離を計算する距離測定処理部と、濃部と淡部との距離から超音波ホーンの振幅を測定する振幅測定部とを備えたので、レーザドップラー計を用いないで、超音波ホーンの振幅を簡易に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】実施の形態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】ホーンの共振時の映像を説明する図である。
【図４】ホーンの振幅量を説明する図である。
【図５】手動での振幅量の測定方法を説明する図である。
【図６】共振周波数の測定方法を説明する図である。
【符号の説明】
【００５４】
１    基板
２    基板ホルダ
３    可動テーブル
４    基台
５    縦壁
６    支持フレーム
７    チップ部品
８    圧着ヘッド
９    圧着機構
１０    カメラ
１１    主制御部
１２    シリンダ
１３    ロッド
１４    ヘッド本体
２１    吸着孔
２３    鏡筒
２４    操作部
２５    振幅制御部
３０    超音波ホーンユニット
３１    ＣＣＤカメラ
３２    振動子
３３    ブースタ
３４    ソリッドブースタ
３５    ホーン
３６    ベース
３７    画像処理部
３８    モニター
３９    濃淡検出部
４０    距離測定部
４１    振幅測定部
４２    共振周波数測定部
１００    超音波接合装置
Ｘ    観測点
【図１】
2008070158.tif 000003
【図２】
2008070158.tif 000004
【図３】
2008070158.tif 000005
【図４】
2008070158.tif 000006
【図５】
2008070158.tif 000007
【図６】
2008070158.tif 000008