(57)【要約】【課題】超音波振動を高周波化して微小な部位を超音波接合するときにも対応できる超音波ホーンとそのツール保持方法及びそれを用いたバンプボンディング装置を提供する。【解決手段】超音波ホーンの先端部３０ｂは、中心線からスリット３１で分割した対称分割対３２ａ，３２ｂの間でキャピラリ（ツール）２を弾性保持する。キャピラリ２の着脱はネジ穴２０に両側からネジを螺入して対称分割対３２ａ，３２ｂ間を一時的に開いて行う。キャピラリ２は対称構造で保持されているので、高周波化された超音波も伝達ロスを発生させることなく伝達され、小さい振幅で微小部位を超音波接合することができる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波振動子が設けられた基部から延出形成された先端部にツールが保持されてなる超音波ホーンのツール保持方法において、
前記超音波ホーンの先端部を対称構造に分割した対称分割対間の弾性によりツールを弾性保持することを特徴とする超音波ホーンのツール保持方法。
【請求項２】
対称分割対間の対向距離を一時的に増加させて先端部からツールを着脱する請求項１に記載の超音波ホーンのツール保持方法。
【請求項３】
超音波振動子が設けられた基部から延出形成された先端部にツールの保持構造が形成されてなる超音波ホーンにおいて、
前記保持構造は、前記先端部を対称構造に分割した対称分割対に形成し、対称分割対間の弾性によりツールが弾性保持されてなることを特徴とする超音波ホーン。
【請求項４】
対称分割対間の対向距離を一時的に増加させてツールを先端部から着脱するツール着脱手段が設けられてなる請求項３に記載の超音波ホーン。
【請求項５】
超音波ホーンの先端部に保持されたキャピラリに通した金線の先端を放電によって金ボールに形成した後、前記キャピラリにより金ボールを電極パッドに押圧した状態で超音波ホーンから超音波振動を加え、電極パッドに金ボールを超音波接合するバンプボンディング装置において、
前記キャピラリは、超音波ホーンの先端部を対称構造に分割した対称分割対間の弾性により弾性保持されてなることを特徴とするバンプボンディング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波ホーンの先端部に超音波接合の用に供するツールを保持させるとき、ツールに超音波振動が適正に伝達させることを可能にする超音波ホーンとそのツール保持方法及びそれを用いたバンプボンディング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路（以下、ＩＣ）の製造工程におけるワイヤボンディング技術を応用して、フリップチップＩＣの電極パッドに金バンプを超音波接合するスタッドバンプボンディング技術が知られており、図５に示すようなバンプボンディング装置を用いて電極パッドに金バンプを形成している。
【０００３】
図５において、フリップチップＩＣはローダ２７に収容されてバンプボンディング装置に搬入され、ローダ２７内に収容されたフリップチップＩＣはヒートステージ１３上に搬送される。フリップチップＩＣはヒートステージ１３によって加熱された状態でバンプ形成ヘッド２６により電極パッドにバンプが形成される。バンプ形成が完了したフリップチップＩＣはアンローダ２８に収容されて装置外に搬出される。
【０００４】
図６（ａ）（ｂ）は、上記バンプボンディング装置において金バンプを形成するための構成を示すもので、金線の先端に放電により形成した金ボールをフリップチップＩＣの電極パッドに超音波接合できるように構成されている。加工対象とするフリップチップＩＣ１２は、ヒータ１８によって加熱されているヒートステージ１３上に配置されて適正温度に加熱される。フリップチップＩＣ１２の配置位置は位置認識カメラ８により認識され、所定位置に位置決めされる。金バンプを形成するための金線６は、図６（ａ）に示すように、エアテンショナ７を通し、クランパ４に保持されて超音波ホーン３の先端に保持されたキャピラリ２からフリップチップＩＣ１２上に引き出され、図６（ｂ）に示すように、スパーク発生電源１４から高電圧が印加される放電トーチ５により発生させたスパークによって金線６の先端に金ボールが形成される。
【０００５】
前記超音波ホーン３は、ＸＹテーブル１１上に搭載されたボンディングアーム１７に支持され、その基部に設けられた超音波振動子に超音波発振器１６から発振信号が印加されることにより発生した超音波振動を先端部に保持したキャピラリ２に伝達する。また、前記ボンディングアーム１７は上下駆動機構９により駆動されて超音波ホーン３をスイングさせる結果、超音波ホーン３の先端部に保持されたキャピラリ２が昇降移動する。上述のように金線６の先端に金ボールが形成されると、上下駆動機構９による超音波ホーン３の駆動によりキャピラリ２が下降し、上下駆動機構９に設けられた変位センサ１０による当たり検出機能によりフリップチップＩＣ１２上の電極パッド位置を検出する。キャピラリ２は上下駆動機構９からの駆動により所定圧力を加えて金ボールを電極パッドに押圧し、超音波発振器１６から超音波ホーン３に発振信号が印加されることにより超音波振動するキャピラリ２により金ボールを電極パッドに超音波接合する。接合後に上下駆動機構９によりキャピラリ２を一定量上昇させ、金線６をクランパ４により保持してキャピラリ２を更に上昇させると、金線６はバンプ台座との接合部分から破断し、電極パッド上にスタッドバンプが形成される。
【０００６】
上記構成において、キャピラリ２は超音波ホーン３の先端部に、図７に示すように、割り締め構造により保持されている。図７（ａ）に示すように、超音波ホーン３の先端部にはスリット１５が形成され、スリット１５内に形成されたツール保持穴５８にキャピラリ２を挿入した後、図７（ｂ）に示すように、止めネジ２１を螺入してスリット１５の間隔を狭めることによりキャピラリ２を締め付け固定している。
【０００７】
上記キャピラリ２の保持構造では、超音波ホーン３の基部に設けられた超音波振動子１９から超音波ホーン３を伝達して先端部に保持されたキャピラリ２に伝わる超音波振動がキャピラリ２の近傍にある止めネジ２１により弱められ、キャピラリ２に効率よく伝達されず、超音波振動子１９のインピーダンス及び位相が不安定になる課題があった。
【０００８】
上記課題を解決すべく開発された従来技術においては、図８に示すように、キャピラリを固定するネジを排除して弾性により保持するキャピラリ保持構造が示されている（特許文献１参照）。このキャピラリ保持構造は、超音波ホーン１００の先端にスリット部１１４及びキャピラリ取付け穴１１１を形成し、ねじ部１１６にボルトを螺合させて締めることにより、スリット部１１４の他方側部がボルトによって押されることによってスリット部１１４が開くので、キャピラリ取付け穴１１１にキャピラリ１２０を挿入する。螺入したボルトを緩めて開いたスリット部１１４を復帰させることにより、挿入したキャピラリ１２０は超音波ホーン１００の先端に保持される。キャピラリ１２０が超音波ホーン１００の先端に保持された後は、ボルトは図示するように取り外される。
【０００９】
【特許文献１】
実開平５−５９８４０号公報（第４〜６頁、図１）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ＩＣの高集積化の進展に伴ってＩＣ上に形成される電極パッドの形成間隔は小さくなり、それに伴って電極パッドの面積も小さくなっているため、電極パッド上に形成するバンプの径も小さくなる。小さい電極パッド上に小さいバンプを形成するためには、小さい金ボールを小さい電極パッドに超音波接合する必要がある。このとき、適正な接合強度とバンプ形状とを得るためには、超音波接合時にボールを加圧する加圧力の低加圧化し、印加する超音波の振幅を小さくする高周波化の必要がある。しかし、超音波振動を高周波化すると波長が短くなるため、超音波ホーンからキャピラリへの適正な振動伝達が困難になり、超音波接合に必要なキャピラリの振動振幅が得られず、バンプ形成に品質不良をまねくことになる。
【００１１】
特に、超音波ホーンのキャピラリ保持構造は、超音波振動を高周波化した際の影響を受けやすく、従来構造では超音波接合の安定性に欠ける問題があった。即ち、超音波ホーンの先端部に形成された従来のキャピラリ保持構造では、キャピラリを固定するためのボルト、あるいはキャピラリを装着するためのボルト螺入穴が、先端部を２分割した一方側に存在するため、２分割された左右で超音波の伝達状態が異なり、キャピラリに適正な超音波振動が伝達されないことになり、特に小型のボールを小型の電極パッドに超音波接合するために超音波を高周波化したバンプボンディング装置では安定した接合品質が得られない。
【００１２】
本発明が目的とするところは、超音波振動を高周波化した場合においても超音波ホーンの先端部に保持されたツールに安定して超音波振動が伝達される超音波ホーンとそのツール保持方法及びそれを用いたバンプボンディング装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本願第１発明は、超音波振動子が設けられた基部から延出形成された先端部にツールが保持されてなる超音波ホーンのツール保持方法において、前記超音波ホーンの先端部を対称構造に分割した対称分割対間の弾性によりツールを弾性保持することを特徴とする。
【００１４】
上記超音波ホーンのツール保持方法によれば、先端部を対称構造に分割した間にツールが弾性保持されているので、超音波ホーンの基部に超音波振動子から加えられた超音波振動は対称構造により偏りなくツールに伝達され、超音波接合を安定して実施することができる。
【００１５】
上記超音波ホーンのツール保持方法において、先端部に対するツールの着脱は、対称分割対間の対向距離を一時的に増加させると弾性保持力が低下するのでツールを着脱することができる。
【００１６】
また、本願第２発明は、超音波振動子が設けられた基部から延出形成された先端部にツールの保持構造が形成されてなる超音波ホーンにおいて、前記保持構造は、前記先端部を対称構造に分割した対称分割対に形成し、対称分割対間の弾性によりツールが弾性保持されてなることを特徴とする。
【００１７】
上記超音波ホーンによれば、先端部を対称構造に分割した対称先端対によりツールが保持される。従って、超音波ホーンの基部に超音波振動子から加えられた超音波振動は偏りなくツールに伝達され、超音波接合を安定して実施することができ、超音波振動を高周波化した場合にも基部からツールに安定した振動伝達がなされ、微小部位の超音波接合が可能になる。
【００１８】
上記超音波ホーンにおいて、対称分割対間の対向距離を一時的に増加させてツールを先端部から着脱するツール着脱手段を設けることにより、ツール着脱手段により対称分割対間の対向距離を一時的に増加させると、ツールを保持する弾性保持力が低下するので、ツールを装着し、あるいは交換することができる
また、本願第３発明は、超音波ホーンの先端部に保持されたキャピラリに通した金線の先端を放電によって金ボールに形成した後、前記キャピラリにより金ボールを電極パッドに押圧した状態で超音波ホーンから超音波振動を加え、電極パッドに金ボールを超音波接合するバンプボンディング装置において、前記キャピラリは、超音波ホーンの先端部を対称構造に分割した対称分割対間の弾性により弾性保持されてなることを特徴とする。
【００１９】
上記バンプボンディング装置によれば、キャピラリは超音波ホーンの先端部を対称構造に分割した間に保持されているので、超音波ホーンに印加された超音波振動は左右均等にキャピラリに加えられ、安定した超音波接合がなされる。特に、高集積化に伴って小型化され、形成間隔が縮小されたＩＣ電極に小型のバンプを形成するために、超音波振動の振幅を小さくする高周波化がなされたときにおいても、超音波ホーンからキャピラリに適正な振動伝達がなされるので、接合不良を発生させることなくバンプ形成を実施することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明し、本発明の理解に供する。尚、以下に示す実施形態は本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００２１】
本実施形態は、図５及び図６に示したバンプボンディング装置において、金ボールを電極パッドに接合してスタッドバンプを形成するために用いられる超音波ホーン３のキャピラリ（ツール）２の保持構造を改良した超音波ホーン３０について示すもので、バンプボンディング装置を集積密度の高いＩＣに対してバンプ形成する場合にも適用できるように改良したものである。
【００２２】
図４に示すように、本実施形態に係る超音波ホーン３０は、基部３０ａに超音波振動子１９が設けられ、超音波振動子１９に超音波発振器１６から励磁電力が印加されることにより、超音波ホーン３０はその軸方向に加振される。基部３０ａから延出形成された先端部３０ｂには、図１又は図３に示すようなツール保持構造が形成され、本実施形態においては、ツールとしてキャピラリ２がツール保持構造により先端部３０ｂに保持される。
【００２３】
図１（ａ）（ｂ）は、第１の実施形態に係るツール保持構造を示すもので、超音波ホーン３０の先端部３０ｂは、中心線上を基部３０ａ方向に切り割りしたスリット３１により対称構造の一対の対称分割対３２ａ，３２ｂに形成され、対称分割対３２ａ，３２ｂのスリット３１内にはそれぞれキャピラリ２の軸部を収容する断面形状が三角形の角溝３３ａ，３３ｂがキャピラリ２の保持方向に対称形状に形成されている。キャピラリ２は対称分割対３２ａ，３２ｂがスリット３１を隔てて対向する間の弾性により角溝３３ａ，３３ｂ内に保持されており、対称分割対３２ａ，３２ｂの基部３０ａ側に先端部３０ｂの両側からスリット３１を通して貫通するネジ穴２０に、図２に示すように、両側からネジ（ツール着脱手段）３５ａ，３５ｂを螺入することにより先端部３０ｂから着脱することができる。
【００２４】
図２に示すように、所定長さのネジ３５ａ，３５ｂを両側からネジ穴２０に螺入していくと、両ネジ３５ａ，３５ｂの先端がスリット３１内で当接するまで螺入を進行させると、対称分割対３２ａ，３２ｂの基部３０ａ側は中心方向に弾性変形し、その反力で対称分割対３２ａ，３２ｂの先端側が開くので、角溝３３ａ，３３ｂによるキャピラリ２の弾性保持力が低下し、キャピラリ２を先端部３０ｂから着脱させることができる。ネジ３５ａ，３５ｂを緩めてネジ穴２０から抜き出すと、対称分割対３２ａ，３２ｂ間の基部３０ａ側に加わる変形圧力が解除されるので、弾性復帰して角溝３３ａ，３３ｂ内に挿入されたキャピラリ２を弾性保持することができる。従って、ネジ穴２０へのネジ３５ａ，３５ｂの螺入により超音波ホーン３０の先端部３０ｂにキャピラリ２を装着し、あるいは装着されたキャピラリ２を交換することができる。
【００２５】
超音波ホーン３０の先端部３０ｂは、キャピラリ２を中心として左右対称の構造に形成されているので、超音波の周波数を高周波化して波長が小さくなった超音波を使用したときにも、超音波ホーン３０の基部３０ａに加えられた超音波振動は左右均等にキャピラリ２に伝達され、超音波振動の伝達ロスの発生が防止できる。これを確認するために、超音波の周波数が２３０ｋＨｚの超音波ホーンについて、キャピラリ２の保持構造を従来構造に形成した場合と、本実施形態の構造に形成した場合について比較検証した。但し、超音波ホーンの作成数は、従来構造、実施形態構造共に４ホーンである。
【００２６】
従来の保持構造では、４ホーンのうち満足するインピーダンス値を示したものは５０％に満たず、満足するインピーダンス値が得られたものでも、キャピラリ２の交換を繰り返すと、インピーダンス値が変動する状態となった。これに対し、本実施形態の構造では、全てのホーンが満足するインピーダンス値を示し、キャピラリ２の交換を繰り返してもインピーダンス値に変動が見られなかった。
【００２７】
上記のように本実施形態に係る超音波ホーン３０は、超音波振動の高周波化を容易に実施できるので、ＩＣの高集積化に伴って電極パッドやバンプが微小化された場合にも対応させることができる。
【００２８】
図３は、第２の実施形態に係るツール保持構造を示すもので、超音波ホーン４０としての全体構成は、図４に示す超音波ホーン３０と同様である。
【００２９】
図３において、超音波ホーン４０の先端部４０ｂは、中心線上を切り割りした第１スリット４１により対称構造の一対の対称分割対４２ａ，４２ｂに形成され、対称分割対４２ａ，４２ｂの第１スリット４１内にはそれぞれキャピラリ２の軸部を収容する角溝４３ａ，４３ｂがキャピラリ２の保持方向に対称形状に形成されている。キャピラリ２は対称分割対４２ａ，４２ｂが第１スリット４１を隔てて対向する間の弾性により角溝４３ａ，４３ｂ内に弾性保持されている。
【００３０】
前記第１スリット４１から所定間隔を隔てて中心線上に第２スリット４４が形成され、この第２スリット４４を通して先端部４０ｂの両側に貫通する貫通穴２２が形成されている。この貫通穴２２の一方側から他方側にボルト４５を貫通させ、貫通したボルト４５の先端にナット４６を螺合して先端部３０ｂを両側から締め付けると、第２スリット４４が圧縮される結果、一対の対称分割対４２ａ，４２ｂの対向間、即ち第１スリット４１が開く方向に作用が及び、角溝４３ａ，４３ｂによるキャピラリ２の弾性保持力が低下し、キャピラリ２を先端部４０ｂから着脱させることができる。従って、貫通穴２２に挿入したボルト４５、ナット４６の締め付けにより、超音波ホーン４０の先端部４０ｂにキャピラリ２を装着し、あるいは装着されたキャピラリ２を交換することができる。
【００３１】
上記ボルト４５及びナット４６は、キャピラリ２を先端部４０ｂから着脱するときにのみ装着されるので、超音波ホーン４０の使用時にはキャピラリ２は対称構造の対称分割対４２ａ，４２ｂの間で弾性保持されるので、基部３０ａに印加された超音波振動は伝達ロスを発生させることなくキャピラリ２に伝達され、超音波振動を高周波化した場合にも適正な振動伝達がなされる。
【００３２】
【発明の効果】
以上の説明の通り本発明によれば、超音波接合のためのツールとなるキャピラリは超音波ホーンの先端部に形成された対称分割対の間で弾性保持されるので、超音波ホーンの基部に印加された超音波振動は伝達ロスを発生させることなくキャピラリに伝達され、超音波振動を高周波化したときにもキャピラリを微小振幅で加振することができる。従って、バンプボンディング装置においても、高集積化に伴う電極パッド及びバンプの微小化に対応する高周波化された超音波接合が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係るツール保持構造を示す（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）はＡ−Ａ線矢視断面図。
【図２】同上構造におけるツール着脱方法を示す平面図。
【図３】第２の実施形態に係るツール保持構造を示す平面図。
【図４】実施形態に係る超音波ホーンの構成を示す側面図。
【図５】バンプボンディング装置の外観構成を示す斜視図。
【図６】同上装置におけるバンプ形成の構成を示す（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図。
【図７】従来技術に係るツール保持構造を示す（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図。
【図８】従来技術に係るツール保持構造を示す平面図。
【符号の説明】
２　キャピラリ（ツール）
３、３０　超音波ホーン
５　放電トーチ
６　金線
２０　ネジ穴
２２　貫通穴
３０ａ　基部
３０ｂ　先端部
３１　スリット
３２ａ，３２ｂ　対称分割対
３５ａ，３５ｂ　ネジ（ツール着脱手段）
４１　第１スリット
４２ａ，４２ｂ　対称分割対
４４　第２スリット
４５　ボルト（ツール着脱手段）
４６　ナット（ツール着脱手段）
【図１】
2004134563.tif 000003
【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】
2004134563.tif 000008
【図７】
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【図８】
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