(57)【要約】【課題】  振動系に悪影響を与えずに効果的に熱エネルギーを付与でき、効率的にかつ高い信頼性をもって接合できる超音波接合ヘッドと超音波接合方法を提供する。【解決手段】  超音波振動発生手段５と、超音波振動発生手段５に結合されるとともに接合対象物１４に超音波振動エネルギーを付与する作用部４を有する共振体３と、共振体３の作用部４若しくはその近傍に対して接触・離間移動可能に配設された加熱体６とを備え、共振体３に加熱体６を接触させて加熱し、共振体３の作用部４を介して接合対象物１４を加圧し、加圧状態でかつ共振体３から加熱体６を離間させた状態で超音波振動発生手段５から共振体３に超音波振動を入力して接合するようにした。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波振動発生手段と、超音波振動発生手段に結合されるとともに接合対象物に超音波振動エネルギーを付与する作用部を有する共振体と、共振体の作用部若しくはその近傍に対して接触・離間移動可能に配設された加熱体と、加熱体を共振体に接触した位置と離間した位置との間で移動させる駆動手段とを備えたことを特徴とする超音波接合ヘッド。
【請求項２】
共振体の作用面又はその近傍に対して加熱体とともに接触・離間可能に温度検出手段を配設したことを特徴とする請求項１記載の超音波接合ヘッド。
【請求項３】
超音波振動発生手段に結合された共振体の作用部から超音波振動エネルギーと熱エネルギーを接合対象物に付与して接合する超音波接合方法であって、共振体の作用部若しくはその近傍に加熱体を接触させて加熱する工程と、共振体の作用部を介して接合対象物を加圧する工程と、加圧状態でかつ共振体から加熱体を離間させた状態で超音波振動発生手段から共振体に超音波振動を入力して接合する工程とを有することを特徴とする超音波接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音波接合ヘッドと超音波接合方法に関し、特に超音波振動エネルギーと熱エネルギーを接合対象物に付与して接合する超音波接合ヘッドと超音波接合方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超音波接合方法において、接合対象物に超音波振動エネルギーと熱エネルギーの両方を付与することで効率的にかつ信頼性の高い接合状態を確保することは従来から知られている。また、そのような超音波接合方法を実現する超音波接合ヘッドとしては、図５に示すように、超音波振動子２１を共振体２２の一端に結合し、共振体２２の振動モードの腹の部分に接合対象物に当接させる作用部２３を設け、振動モードの一対の節の部分にこの共振体２２を支持する支持部２４を設けるとともに、この節の部分に共振体２２を加熱するヒータ２５を内蔵させたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、図６に示すように、共振体３１の作用部３２の近傍両側に、ヒータ３４を内蔵した加熱体３３を非接触状態で配設し、加熱体３３からの輻射熱で作用部３２を加熱するようにしたものも考えられている。
【特許文献１】特開平９−１２２９３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、図５に示した超音波接合ヘッドの構成では、ヒータ２５にて直接共振体２２を加熱しているが、共振体２２の節の位置でヒータ２５にて加熱しているため、作用部２３までの距離が長く、そのため熱効率が悪く、逆に超音波振動子２１までの距離が短く、超音波振動子２１が高温に晒され易いために振動系にも悪影響を与える恐れがあるいう問題がある。
【０００５】
このような問題を解消するには、ヒータ２５を作用部２３の近傍に配設することが考えられるが、作用部２３の近傍は超音波振動を受けることになるためヒータ２５及びその配線が極めて短時間で損傷してしまうという問題があり、実現不可能である。そこで、図６に示した構成の超音波接合ヘッドが考えられているが、加熱体３３からの輻射熱による間接的な加熱であるため、熱効率が悪く、かつ作用部３２の温度を精度良く制御することもできず、信頼性の高い接合状態を安定して得るのが困難であるという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、振動系に悪影響を与えずに効果的に熱エネルギーを付与でき、効率的にかつ高い信頼性をもって接合できる超音波接合ヘッドと超音波接合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】
本発明の超音波接合ヘッドは、超音波振動発生手段と、超音波振動発生手段に結合されるとともに接合対象物に超音波振動エネルギーを付与する作用部を有する共振体と、共振体の作用部若しくはその近傍に対して接触・離間移動可能に配設された加熱体と、加熱体を共振体に接触した位置と離間した位置との間で移動させる駆動手段とを備えたものである。なお、ここで作用部の近傍とは、作用部に可及的に近い位置が好ましく、少なくとも作用部と作用部に最も近い共振体の節との間の位置であれば良い。
【０００８】
この構成によると、接合対象物の接合動作前に、駆動手段にて加熱体を共振体の作用部若しくはその近傍に接触させることで、振動系に悪影響を与えることなくかつ直接熱伝達によって効率的に加熱することができ、その後接合直前に加熱体を共振体から離間させて加熱体を損傷する恐れを無くした後、超音波振動発生手段を作動させて共振体に超音波振動を入力することで、超音波振動エネルギーと熱エネルギーを接合対象物に付与して効率的にかつ高い信頼性をもって接合することができる。
【０００９】
また、共振体の作用面又はその近傍に対して加熱体とともに接触・離間可能に温度検出手段を配設すると、共振体の加熱温度を適正に制御することができ、信頼性の高い接合状態を安定して得ることができる。
【００１０】
また、本発明の超音波接合方法は、超音波振動発生手段に結合された共振体の作用部から超音波振動エネルギーと熱エネルギーを接合対象物に付与して接合する超音波接合方法であって、共振体の作用部若しくはその近傍に加熱体を接触させて加熱する工程と、共振体の作用部を介して接合対象物を加圧する工程と、加圧状態でかつ共振体から加熱体を離間させた状態で超音波振動発生手段から共振体に超音波振動を入力して接合する工程とを有するものである。
【００１１】
この構成によると、共振体の作用部若しくはその近傍に加熱体を接触させることで振動系に悪影響を与えることなくかつ直接熱伝達によって効率的に加熱し、その状態で共振体の作用部を介して接合対象物を加圧するとともに、加熱体が超音波振動を受けて損傷する恐れがないように加熱体を共振体から離間させた状態で共振体に超音波振動を付与することで、加熱体を損傷する恐れなくかつ熱効率良く、超音波振動エネルギーと熱エネルギーを接合対象物に付与して効率的にかつ高い信頼性をもって接合することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の超音波接合ヘッドと超音波接合方法によれば、共振体を加熱体から直接熱伝達によって効率的に加熱することができ、その後加熱体を共振体から離間させた状態で共振体に超音波振動を入力することで、超音波振動エネルギーとともに熱エネルギーを加熱体を損傷する恐れなくかつ熱効率良く接合対象物に付与して効率的にかつ高い信頼性をもって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】
【００１３】
以下、本発明の一実施形態の超音波接合ヘッドとそれを用いた超音波接合方法について、図１〜図４を参照して説明する。
【００１４】
図１、図２において、１は超音波接合ヘッドであり、ヘッド枠２の下端部に共振体３を配設して構成されている。共振体３は、その共振モードの節の位置の両側に突設された取付突部３ａをヘッド枠２に固定することで取付けられている。共振体３の下端部はヘッド枠２の下端面より下方に突出しており、その共振体３の下端面には接合対象物としての電子部品１４（図３参照）を保持して超音波振動エネルギーを付与する作用部４が設けられ、且つこの作用部４がその表面と略平行に超音波振動するように共振体３の適所に超音波振動発生手段としての超音波振動子５（図３参照）が結合されている。
【００１５】
ヘッド枠２の下端には、共振体３の下端部両側に対向させて、ヒータ７を内蔵した加熱体６が共振体３に接触した位置と離間した位置との間で移動自在に配設されている。また、ヘッド枠２の下部両側に突設された枢支ブラケット８にて揺動アーム９の中間部が枢支され、この揺動アーム９の下端部９ａが加熱体６の共振体３とは反対側端に設けられた連結部６ａに連結され、揺動アーム９の上端部９ｂとヘッド枠２との間に駆動手段として、シリンダ装置などの伸縮アクチュエータ１０が介装されている。かくして、伸縮アクチュエータ１０の伸縮動作によって、加熱体６が共振体３に接触した位置と離間した位置との間で移動される。
【００１６】
共振体３としては、加熱体６の接触部と作用部４との間の熱容量が大きくかつ熱伝導率が高く、その一方で加熱体６の接触部より作用部４とは反対側の部分は熱伝導率が低くなるように構成したものが好適である。
【００１７】
一方の加熱体６からは、共振体３の作用部４に向けて熱電対などの温度検出手段１１が延出され、加熱体６が共振体３に接触した状態で温度検出手段１１の先端部が作用部４に設けられた測定穴に嵌合接触してその温度を測定するように構成されている。なお、加熱体６が共振体３から離間すると、温度検出手段１１も作用部４から離間するように構成されている。また、ヘッド枠２の上部には、ヘッド枠２を下方に向けて押圧し、共振体３の作用部４を介して電子部品１４（図３参照）を加圧する加圧手段１２（図３参照）が配設されている。
【００１８】
次に、以上の構成の超音波接合ヘッド１によって接合対象物としての電子部品１４のバンプを回路基板１３の電極に超音波接合する動作について、図３、図４を参照して説明する。
【００１９】
まず、図３（ａ）に示すように、超音波接合に先立って、共振体３の作用部４にて電子部品１４を吸着保持するとともに、図１に示すように伸縮アクチュエータ１０を伸長させることで作用部４の近傍に加熱体６を接触させ、共振体３の作用部４を加熱する。このとき、温度検出手段１１にて作用部４の温度を検出し、検出温度に応じて加熱体６のヒータ７に対する通電制御を行うことによって作用部４が所定温度になるように精度良く温度制御される。図４では、加熱だけがＯＮで、加圧及び超音波はＯＦＦの状態である。
【００２０】
次に、図３（ｂ）に示すように、加圧手段１２を作動させ、ヘッド枠２を下降させて共振体３の作用部４を介して電子部品１４を回路基板１３に接触させ、さらに加圧力を増加し、所定の加圧力に達するとその加圧力を維持する。この加圧工程に入った時点で、図４に実線で示すように、加熱体６を離間させて加熱をＯＦＦしても良いが、図３（ｂ）に示し、図４に破線で示すように、加圧力が所定値に達するまで、加熱体６を共振体３に接触させて加熱ＯＮを継続しても良い。
【００２１】
次に、図３（ｃ）に示すように、加圧力を維持した状態で、図２に示すように伸縮アクチュエータ１０を収縮させることで加熱体６を共振体３から離間させた後、超音波振動子５を作動させることで、共振体３に超音波振動が入力されて共振し、作用部４を介して電子部品１４に超音波振動エネルギーが付与される。また、加熱された共振体３からの伝熱により熱エネルギーも同時に付与される。かくして、電子部品１４のバンプと回路基板１３の電極が、それらの接合面に超音波振動エネルギーと熱エネルギーが付与されることで効率的にかつ高い信頼性をもって接合される。図４では、加熱がＯＦＦで、加圧と超音波がＯＮの状態である。
【００２２】
ところで、この超音波振動を付与する加圧工程は、通常０．１〜０．５ｓｅｃ程度であるので、その間の放熱による共振体３の温度低下は無視できる程度に小さく、加熱された共振体３からの熱エネルギーの付与は十分に行うことができる。
【００２３】
なお、図４に破線で示すように、加圧工程で一定の加圧力が維持されるようにするのではなく、加圧工程の初期から接合工程の完了時点まで徐々に加圧力を増加させるようにしても良い。
【００２４】
接合が完了すると、超音波振動子５の作動が停止されるとともに加圧手段１２が復帰し、加圧及び超音波がＯＦＦ状態となり、加熱体６が共振体３に接触されて加熱がＯＮ状態となる。
【００２５】
本実施形態によれば、以上のように共振体３の作用部４の近傍に加熱体６を接触させることで振動系に悪影響を与えることなくかつ直接熱伝達によって効率的に加熱することができ、その状態で共振体３の作用部４を介して電子部品１４を加圧するとともに、加熱体６を共振体３から離間させた状態で超音波振動子５を作動させて共振体３に超音波振動を付与することで、加熱体６を超音波振動で損傷する恐れなくかつ直接伝熱することで熱効率良く、超音波振動エネルギーと熱エネルギーを電子部品１４に付与して効率的にかつ高い信頼性をもって回路基板１３に接合することができる。
【００２６】
上記実施形態の説明では、加熱体６を共振体３の作用部４の近傍に接触させるようにした例を示したが、作用部４に直接接触させるようにしても良い。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明の超音波接合ヘッドと超音波接合方法は、加熱体を共振体に接触させることで直接熱伝達によって効率的に加熱することができ、その後加熱体を共振体から離間させた状態で共振体に超音波振動を入力することで、超音波振動エネルギーと熱エネルギーによる接合を加熱体を損傷する恐れなくかつ熱効率良く行うことができ、電子部品のバンプを基板の電極に接合する場合など、熱容量の小さい実装対象物の超音波接合に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施形態における加熱状態の超音波接合ヘッドの要部の正面図である。
【図２】同実施形態における加熱体離間状態の超音波接合ヘッドの要部の正面図である。
【図３】同実施形態における超音波接合工程の説明図である。
【図４】同実施形態における超音波接合工程のタイミング図である。
【図５】従来例の超音波接合ヘッドの概略構成図である。
【図６】他の従来例の超音波接合ヘッドの概略構成図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  超音波接合ヘッド
３  共振体
４  作用部
５  超音波振動子（超音波振動発生手段）
６  加熱体
１０  伸縮アクチュエータ（駆動手段）
１１  温度検出手段
１２  加圧手段
１４  電子部品（接合対象物）
【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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【図６】
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