(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波振動を印加して接合対象物と被接合部材とを接合するボンディングヘッドであって、
超音波振動を発生する振動子と、
前記超音波振動の１波長をλとして、超音波振動の進行方向におけるλ／２の位置を中心としてｄの長さを有する第１の振動伝達部と、
該第１の振動伝達部と前記振動子間に結合されて前記進行方向における（λ−ｄ）／２の長さを有する第２の振動伝達部と、
該第１の振動伝達部の他端に結合されて前記進行方向における（λ−ｄ）／２の長さを有する第３の振動伝達部とを有する振動伝達部材と、
第２の振動伝達部及び第３の振動伝達部の超音波振動の節の位置に設けられた支持部材と、前記第１の振動伝達部に設けた吸着部、ダクト部及び吸引部とを有し、
前記第１の振動伝達部の前記吸引部は、第１の振動伝達部の長手方向部の側面の略中心位置に設け、前記第１の振動伝達部の長手方向部の一方の側面に前記吸引部と同等の質量を有する吸引バランス部を設けたことを特徴とするボンディングヘッド。
【請求項２】
超音波振動を印加して接合対象物と被接合部材とを接合するボンディングヘッドであって、
超音波振動を発生する振動子と、
前記超音波振動の１波長をλとして、超音波振動の進行方向におけるλ／２の位置を中心としてｄの長さを有する第１の振動伝達部と、
該第１の振動伝達部と前記振動子間に結合されて前記進行方向における（λ−ｄ）／２の長さを有する第２の振動伝達部と、
該第１の振動伝達部の他端に結合されて前記進行方向における（λ−ｄ）／２の長さを有する第３の振動伝達部とを有する振動伝達部材と、
第２の振動伝達部及び第３の振動伝達部の超音波振動の節の位置に設けられた支持部材と、前記第１の振動伝達部に設けた吸着部、ダクト部及び吸引部とを有し、
前記第１の振動伝達部は、脱着可能なコレット又は前記コレットを保持するコレット保持部により、前記第２の振動伝達部及び前記第３の振動伝達部の方向にテーパ面を有するようにしたことを特徴とするボンディングヘッド。
【請求項３】
超音波振動を印加して接合対象物と被接合部材とを接合するボンディングヘッドであって、
超音波振動を発生する振動子と、
前記超音波振動の１波長をλとして、超音波振動の進行方向におけるλ／２の位置を中心としてｄの長さを有する第１の振動伝達部と、
該第１の振動伝達部と前記振動子間に結合されて前記進行方向における（λ−ｄ）／２の長さを有する第２の振動伝達部と、
該第１の振動伝達部の他端に結合されて前記進行方向における（λ−ｄ）／２の長さを有する第３の振動伝達部とを有する振動伝達部材と、
第２の振動伝達部及び第３の振動伝達部の超音波振動の節の位置に設けられた支持部材と、前記第１の振動伝達部に設けた吸着部、ダクト部及び吸引部とを有し、
前記第１の振動伝達部は、脱着可能なコレットを前記第１の振動伝達部に設けられた前記ダクト部を通ってネジ付き吸引パイプにより固定したことを特徴とするボンディングヘッド。
【請求項４】
超音波振動を印加して接合対象物と被接合部材とを接合するボンディングヘッドであって、
超音波振動を発生する振動子と、
前記超音波振動の１波長をλとして、超音波振動の進行方向におけるλ／２の位置を中心としてｄの長さを有する第１の振動伝達部と、
該第１の振動伝達部と前記振動子間に結合されて前記進行方向における（λ−ｄ）／２の長さを有する第２の振動伝達部と、
該第１の振動伝達部の他端に結合されて前記進行方向における（λ−ｄ）／２の長さを有する第３の振動伝達部とを有する振動伝達部材と、
第２の振動伝達部及び第３の振動伝達部の超音波振動の節の位置に設けられた支持部材と、前記第１の振動伝達部に設けた吸着部、ダクト部及び吸引部とを有し、
前記第１の振動伝達部は、上面にコレットと同等の質量を有する押圧バランス部を設けたことを特徴とするボンディングヘッド。
【請求項５】
前記第１の振動伝達部の前記ダクト部は、前記第１の振動伝達部の長手方向の中心線上に設けていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうち、いずれか１に記載のボンディングヘッド。
【請求項６】
超音波振動を印加して接合対象物と被接合部材とを接合するボンディングヘッドを有するボンディング装置であって、
超音波振動を発生する振動子と、
前記超音波振動の１波長をλとして、超音波振動の進行方向におけるλ／２の位置を中心としてｄの長さを有する第１の振動伝達部と、
該第１の振動伝達部と前記振動子間に結合されて前記進行方向における（λ−ｄ）／２の長さを有する第２の振動伝達部と、
該第１の振動伝達部の他端に結合されて前記進行方向における（λ−ｄ）／２の長さを有する第３の振動伝達部とを有する振動伝達部材と、
第２の振動伝達部及び第３の振動伝達部の超音波振動の節の位置に設けられた支持部材と、前記第１の振動伝達部に設けた吸着部、ダクト部及び吸引部とを有しているボンディングヘッドを備え、
前記ボンディングヘッドを駆動する圧接機構と、前記ボンディングヘッド及び前記圧接機構の制御を行う制御手段とを有し、
前記ボンディングヘッドの前記第１の振動伝達部の吸引部は、第１の振動伝達部の長手方向部の側面の略中心位置に設け、前記第１の振動伝達部の長手方向部の一方の側面に前記吸引部と同等の質量を有する吸引バランス部を設けたことを特徴とするボンディング装置。
【請求項７】
超音波振動を印加して接合対象物と被接合部材とを接合するボンディングヘッドを有するボンディング装置であって、
超音波振動を発生する振動子と、
前記超音波振動の１波長をλとして、超音波振動の進行方向におけるλ／２の位置を中心としてｄの長さを有する第１の振動伝達部と、
該第１の振動伝達部と前記振動子間に結合されて前記進行方向における（λ−ｄ）／２の長さを有する第２の振動伝達部と、
該第１の振動伝達部の他端に結合されて前記進行方向における（λ−ｄ）／２の長さを有する第３の振動伝達部とを有する振動伝達部材と、
第２の振動伝達部及び第３の振動伝達部の超音波振動の節の位置に設けられた支持部材と、前記第１の振動伝達部に設けた吸着部、ダクト部及び吸引部とを有しているボンディングヘッドを備え、
前記ボンディングヘッドを駆動する圧接機構と、前記ボンディングヘッド及び前記圧接機構の制御を行う制御手段とを有し、
前記ボンディングヘッドの前記第１の振動伝達部は、脱着可能なコレット又は前記コレットを保持するコレット保持部により、前記第２の振動伝達部及び前記第３の振動伝達部の方向にテーパ面を有するようにしたことを特徴とするボンディング装置。
【請求項８】
超音波振動を印加して接合対象物と被接合部材とを接合するボンディングヘッドを有するボンディング装置であって、
超音波振動を発生する振動子と、
前記超音波振動の１波長をλとして、超音波振動の進行方向におけるλ／２の位置を中心としてｄの長さを有する第１の振動伝達部と、
該第１の振動伝達部と前記振動子間に結合されて前記進行方向における（λ−ｄ）／２の長さを有する第２の振動伝達部と、
該第１の振動伝達部の他端に結合されて前記進行方向における（λ−ｄ）／２の長さを有する第３の振動伝達部とを有する振動伝達部材と、
第２の振動伝達部及び第３の振動伝達部の超音波振動の節の位置に設けられた支持部材と、前記第１の振動伝達部に設けた吸着部、ダクト部及び吸引部とを有しているボンディングヘッドを備え、
前記ボンディングヘッドを駆動する圧接機構と、前記ボンディングヘッド及び前記圧接機構の制御を行う制御手段とを有し、
前記ボンディングヘッドの前記第１の振動伝達部は、脱着可能なコレットを前記第１の振動伝達部に設けられた前記ダクト部を通ってネジ付き吸引パイプにより固定したことを特徴とするボンディング装置。
【請求項９】
超音波振動を印加して接合対象物と被接合部材とを接合するボンディングヘッドを有するボンディング装置であって、
超音波振動を発生する振動子と、
前記超音波振動の１波長をλとして、超音波振動の進行方向におけるλ／２の位置を中心としてｄの長さを有する第１の振動伝達部と、
該第１の振動伝達部と前記振動子間に結合されて前記進行方向における（λ−ｄ）／２の長さを有する第２の振動伝達部と、
該第１の振動伝達部の他端に結合されて前記進行方向における（λ−ｄ）／２の長さを有する第３の振動伝達部とを有する振動伝達部材と、
第２の振動伝達部及び第３の振動伝達部の超音波振動の節の位置に設けられた支持部材と、前記第１の振動伝達部に設けた吸着部、ダクト部及び吸引部とを有しているボンディングヘッドを備え、
前記ボンディングヘッドを駆動する圧接機構と、前記ボンディングヘッド及び前記圧接機構の制御を行う制御手段とを有し、
前記ボンディングヘッドの前記第１の振動伝達部は、上面にコレットと同等の質量を有する押圧バランス部を設けたことを特徴とするボンディング装置。
【請求項１０】
前記ボンディングヘッドの前記第１の振動伝達部の前記ダクト部は、前記第１の振動伝達部の長手方向の中心線上に設けていることを特徴とする請求項６乃至請求項９のうち、いずれか１に記載のボンディング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体チップのパッド上に形成された表面電極と基板上に形成された配線用リードとを接合するボンディングヘッド及びこれを備えたボンディング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体チップ（例えばフリップチップ）のパッド上に形成された表面電極と基板上に形成された配線用リードとを超音波振動により接合するボンディング装置としては、図１２に示すボンディングヘッドを使用したものが知られている。図１２に示すように、従来のボンディングヘッドは、振動子５０に結合した超音波ホーン５１と、超音波ホーン５１の先端に取り付けられたボンディングツールとしてのコレット５２と、超音波ホーン５１を支持する支持具５３等で構成されている。ボンディングヘッドはコレット５２の先端で半導体チップを真空吸着し、基板上に形成された配線用リードに半導体チップを押圧して接合する。この時、コレット５２により半導体チップに超音波振動が印加される。また、必要により熱等を加えて接合する場合もある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
図１２に示すように、従来のボンディングヘッドは、超音波ホーン５１の先端にボンディングツールとしてのコレット５２が取り付けられている。半導体チップと基板のリードとの接合時に超音波振動が超音波ホーン５１によりコレット５２に印加され、このとき、コレット５２は半導体チップに接触した状態で超音波振動を印加する。このため、超音波印加時にコレット５２にたわみ振動によるねじれ等が発生すると、半導体チップへの超音波振動の伝達が不均一となり、接合の不完全な電極が発生して、接合状態がばらつくことがある。また、コレット５２の半導体チップに接触している個所に上下振動が発生すると、接合中にコレット５２の上下振動により半導体チップが破損することがある。
【０００４】
また、超音波ホーン５１の先端に位置するコレット５２で、半導体チップを真空吸着するための機構を設けることは、振動系のバランスを崩して、コレット５２の振動を不安定にすることがある。
【０００５】
そこで、本発明は、従来のボンディングヘッドの改良を試みてなされたものであって、半導体チップの真空吸着を行っても、ボンディングツールの振動が安定化して、これにより、半導体チップのパッドと基板上のリードとの接合を確実に行うことが可能なボンディングヘッド及びこれを備えたボンディング装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によるボンディングヘッドは、超音波振動を印加して接合対象物と被接合部材とを接合するボンディングヘッドであって、超音波振動を発生する振動子と、前記超音波振動の１波長をλとして、超音波振動の進行方向におけるλ／２の位置を中心としてｄの長さを有する第１の振動伝達部と、該第１の振動伝達部と前記振動子間に結合されて前記進行方向における（λ−ｄ）／２の長さを有する第２の振動伝達部と、該第１の振動伝達部の他端に結合されて前記進行方向における（λ−ｄ）／２の長さを有する第３の振動伝達部とを有する振動伝達部材と、第２の振動伝達部及び第３の振動伝達部の超音波振動の節の位置に設けられた支持部材と、前記第１の振動伝達部に設けた吸着部、ダクト部及び吸引部とを有し、前記第１の振動伝達部の前記吸引部は、第１の振動伝達部の長手方向部の側面の略中心位置に設け、前記第１の振動伝達部の長手方向部の一方の側面に前記吸引部と同等の質量を有する吸引バランス部を設けたものである。
また、本発明によるボンディングヘッドの前記第１の振動伝達部は、脱着可能なコレット又は前記コレットを保持するコレット保持部により、前記第２の振動伝達部及び前記第３の振動伝達部の方向にテーパ面を有するようにしたものである。また、本発明によるボンディングヘッドの前記第１の振動伝達部は、脱着可能なコレットを前記第１の振動伝達部に設けられた前記ダクト部を通ってネジ付き吸引パイプにより固定したものである。また、本発明によるボンディングヘッドの前記第１の振動伝達部は、上面にコレットと同等の質量を有する押圧バランス部を設けたものである。
【０００７】
また、本発明によるボンディングヘッドの前記第１の振動伝達部の前記ダクト部は、前記第１の振動伝達部の長手方向の中心線上に設けたものである。
【０００８】
また、本発明によるボンディング装置は、超音波振動を印加して接合対象物と被接合部材とを接合するボンディングヘッドを有するボンディング装置であって、超音波振動を発生する振動子と、前記超音波振動の１波長をλとして、超音波振動の進行方向におけるλ／２の位置を中心としてｄの長さを有する第１の振動伝達部と、該第１の振動伝達部と前記振動子間に結合されて前記進行方向における（λ−ｄ）／２の長さを有する第２の振動伝達部と、該第１の振動伝達部の他端に結合されて前記進行方向における（λ−ｄ）／２の長さを有する第３の振動伝達部とを有する振動伝達部材と、第２の振動伝達部及び第３の振動伝達部の超音波振動の節の位置に設けられた支持部材と、前記第１の振動伝達部に設けた吸着部、ダクト部及び吸引部とを有しているボンディングヘッドを備え、前記ボンディングヘッドを駆動する圧接機構と、前記ボンディングヘッド及び前記圧接機構の制御を行う制御手段とを有し、前記ボンディングヘッドの前記第１の振動伝達部の吸引部は、第１の振動伝達部の長手方向部の側面の略中心位置に設け、前記第１の振動伝達部の長手方向部の一方の側面に前記吸引部と同等の質量を有する吸引バランス部を設けたものである。また、本発明によるボンディング装置の前記ボンディングヘッドの前記第１の振動伝達部は、脱着可能なコレット又は前記コレットを保持するコレット保持部により、前記第２の振動伝達部及び前記第３の振動伝達部の方向にテーパ面を有するようにしたものである。また、本発明によるボンディング装置の前記ボンディングヘッドの前記第１の振動伝達部は、脱着可能なコレットを前記第１の振動伝達部に設けられた前記ダクト部を通ってネジ付き吸引パイプにより固定したものである。また、本発明によるボンディング装置の前記ボンディングヘッドの前記第１の振動伝達部は、上面にコレットと同等の質量を有する押圧バランス部を設けたものである。
【０００９】
また、本発明によるボンディング装置の前記ボンディングヘッドの前記第１の振動伝達部の前記ダクト部は、前記第１の振動伝達部の長手方向の中心線上に設けたものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明によるボンディングヘッド及びこれを備えたボンディング装置の実施の形態について、図１乃至図１１を参照して説明する。
【００１１】
図１は、本発明によるボンディングヘッド１０の実施の形態を示す斜視図、図２（ａ）は、図１に示すボンディングヘッド１０の平面図、図２（ｂ）は、図１に示すボンディングヘッド１０のを示す正面図、図２（ｃ）は、図１に示すボンディングヘッド１０の振動モードを示す図、図３（ａ）は、図１に示すボンディングヘッド１０の寸法を示した平面図、（ｂ）は、図１に示すボンディングヘッド１０の寸法を示した正面図、図４及び図５は、第２の振動伝達部１ｂ及び第３の振動伝達部１ｃを直方体で形成した振動伝達部材１を示した図、図６及び図７は、本発明によるボンディングヘッド１０の振動伝達部材１の固定について示した図、図８は、本発明によるボンディングヘッド１０の振動子２を駆動する発振器１８の構成を示すブロック図、図９は、本発明によるボンディングヘッド１０の振動伝達部材１の振動時の変位状態を視覚的に表した図、図１０は、図９に示す振動伝達部材１の押圧部４付近を拡大して 振動時の変位状態を視覚的に表した図、図１１は、本発明によるボンディングヘッド１０を備えたボンディング装置の構成を示す図である。
【００１２】
図１、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、ボンディングヘッド１０は、所定の周波数の超音波振動を発生する１つの振動子２と、振動子２と結合して振動子２からの超音波振動を接合対象物２２（図１１に図示）に伝播する振動伝達部材１と、振動伝達部材１を支持固定する支持部材３（第１の支持部材３ａ、第２の支持部材３ｂ、第３の支持部材３ｃ及び第４の支持部材３ｄ）とを有する。なお、図１で２点鎖線で示す固定部材１９は、圧接機構１５（図１１に示す）に固定支持するためのものである。
【００１３】
図１乃至図８に示すように、振動子２は、例えばＰＺＴ（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ：圧電）素子等で構成され、ケーブル１４を介して発振器１８から所定の周波数の電圧が印加されて超音波振動を発生する。振動子２の超音波振動の進行方向ｕにおける全長は、超音波振動の１波長λに対してλ／２で設定されている。発振器１８から印加される電圧の周波数は、１５ｋＨｚ〜２００ｋＨｚのものが使用可能である。しかして、本実施の形態は、１５ｋＨｚ〜２００ｋＨｚのうち、６０ｋＨｚの高周波を使用している。
【００１４】
第１の振動伝達部１ａのチップと接触する表面部材は耐磨耗性にすぐれた材料、例えば超硬、セラミック、工具鋼、ダイヤモンドまたはＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）をロウ付け、溶接もしくは蒸着可能である。振動伝達部材１は、ジュラルミン、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、アルミニウム、チタン合金、超硬等の金属から形成されている。振動伝達部材１の全長は、振動子２が発生する超音波振動の進行方向ｕの共振長、すなわち超音波振動の半波長（λ／２）の整数倍に設定されており、本実施の形態では、振動子２が発生する超音波振動の進行方向ｕにおける全長がλ／２の２倍であるλである。
【００１５】
図２（ｂ）及び図２（ｃ）に示すように、振動伝達部材１は、超音波振動の進行方向ｕにおけるλ／２（超音波振動の腹）の位置を中心としてｄの長さを有する第１の振動伝達部１ａと、第１の振動伝達部１ａと振動子２との間に結合されて超音波振動の進行方向ｕにおける長さが（λ−ｄ）／２である第２の振動伝達部１ｂと、第１の振動伝達部１ａの他端、すなわち振動子２と対向する側の端部に結合されて超音波振動の進行方向ｕにおける長さが（λ−ｄ）／２である第３の振動伝達部１ｃとからなる。
【００１６】
図３（ａ）及び図３（ｂ）は振動伝達部材１を形成する第１の振動伝達部１ａ、第２の振動伝達部１ｂ及び第３の振動伝達部１ｃの各部の寸法を示し、第１の振動伝達部１ａは、超音波振動の進行方向ｕの長さがｄ、幅はｍ、高さがｈの寸法からなる。
【００１７】
また、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、第２の振動伝達部１ｂ及び第３の振動伝達部１ｃの超音波振動の進行方向ｕにおける長さは（λ−ｄ）／２であり、第１の振動伝達部１ａに結合された第２の振動伝達部１ｂ及び第３の振動伝達部１ｃの各面の幅は、第１の振動伝達部１ａの幅と同一のｍであり、高さはｋである。また、第２の振動伝達部１ｂの振動子２に結合している面及び第３の振動伝達部１ｃの端面（λの位置の面）の幅はｎ、高さは幅と同一寸法のｎである。ただし、ｎ≧ｍ及びｋ≧ｎとなるように幅及び高さを規定している。また、第１の振動伝達部１ａの幅ｍをｍ＝ｄとなるようにしてもよい。なお、第２の振動伝達部１ｂの振動子２に結合している面及び第３の振動伝達部１ｃの端面（λの位置の面）の幅と高さとの寸法は異なるようにしてもよい。
【００１８】
第２の振動伝達部１ｂの表面の形状は、第１の振動伝達部１ａに結合された面が長方形あり、振動子２に結合している面が正方形、その他の面（図３（ａ）、図３（ｂ）に示す１ｂｓ１，１ｂｓ２、１ｂｔ、１ｂｂ）は台形もしくは長方形（ｎ＝ｍ時）である。なお、第２の振動伝達部１ｂの振動子２に結合している面の形状は、正方形のみならず、長方形でもよい。
【００１９】
また、第３の振動伝達部１ｃの表面の形状は、第１の振動伝達部１ａに結合された面が長方形あり、端面が正方形、その他の面（図３（ａ）、図３（ｂ）に示す１ｃｓ１，１ｃｓ２、１ｃｔ、１ｃｂ）は台形である。なお、第２の振動伝達部１ｂ及び第３の振動伝達部１ｃでの対を成す面（図３（ａ）、図３（ｂ）に示す１ｂｓ１と１ｂｓ２、１ｂｔと１ｂｂ、１ｃｓ１と１ｃｓ２、１ｃｔと１ｃｂ）の台形もしくは長方形は同一形状となっている。なお、第３の振動伝達部１ｃの端面の形状は、正方形のみならず、長方形でもよい。
次に、図４及び図５を用いて第２の振動伝達部１ｂ及び第３の振動伝達部１ｃを直方体で形成した振動伝達部材１について説明する。図４（ａ）は、コレット保持部１１がテーパ面を形成し、第２の振動伝達部１ｂ及び第３の振動伝達部１ｃを直方体で形成した振動伝達部材１を示した平面図、図４（ｂ）は、コレット保持部１１がテーパ面を形成し、第２の振動伝達部１ｂ及び第３の振動伝達部１ｃを直方体で形成した振動伝達部材１を示した正面図、図４（ｃ）は、図４（ｂ）に示すＡ−Ａの断面図である。図５（ａ）は、コレット２１がテーパ面を形成し、第２の振動伝達部１ｂ及び第３の振動伝達部１ｃを直方体で形成した振動伝達部材１を示した平面図、図５（ｂ）は、コレット２１がテーパ面を形成し、第２の振動伝達部１ｂ及び第３の振動伝達部１ｃを直方体で形成した振動伝達部材１を示した正面図である。図４（ｂ）及び図５（ｂ）に示すように、第２の振動伝達部１ｂ及び第３の振動伝達部１ｃを直方体で形成した振動伝達部材１は、第２の振動伝達部１ｂ及び第３の振動伝達部１ｃを直方体を形成し、第１の振動伝達部１ａは、脱着可能なコレット２１と前記コレット２１を保持するコレット保持部１１とからなる。また、図４（ａ）、（ｃ）及び図５（ａ）に示すように脱着可能なコレット２１は、第１の振動伝達部１ａに設けられたダクト部８を通ってネジ付き吸引パイプ１２により固定されている。また、第１の振動伝達部１ａの上面にはコレット２１と同等の質量を有する押圧バランス部１３が設けられている。
【００２０】
また、図２（ｂ）及び図３（ｂ）に示すように、第２の振動伝達部１ｂ及び第３の振動伝達部１ｃの側面（図３（ａ）、図３（ｂ）に示す１ｂｓ１と１ｂｓ２、１ｃｓ１と１ｃｓ２）は、第１の振動伝達部１ａに向って次第に幅広となるテーパ面を有している。
図４及び図５に示す第２の振動伝達部１ｂ及び第３の振動伝達部１ｃを直方体で形成した振動伝達部材１は、第２の振動伝達部１ｂ及び第３の振動伝達部１ｃにテーパ面を有していないが、第１の振動伝達部１ａにテーパ面を有するようになっている。テーパ面は、押圧部が安定して振動するために設けたものであり、第２の振動伝達部１ｂ及び第３の振動伝達部１ｃ、又は第１の振動伝達部１ａ、若しくは第１の振動伝達部１ａ、第２の振動伝達部１ｂ及び第３の振動伝達部１ｃに設けるようにしてもよい。
【００２１】
図３（ｂ）に示すように、第２の振動伝達部１ｂ及び第３の振動伝達部１ｃの上面（１ｂｔ，１ｃｔ）及び下面（１ｂｂ，１ｃｂ）は、振動子２及び振動伝達部材１の長手方向に於ける中心軸に対してテーパ角（θ）を有している。なお、テーパ角（θ）は、４５度以内となるように規定している。
また、図４（ｂ）及び図５（ｂ）に示す第２の振動伝達部１ｂ及び第３の振動伝達部１ｃを直方体で形成した振動伝達部材１では、前記コレット２１を保持するコレット保持部１１又は脱着可能なコレット２１により、第２の振動伝達部１ｂ及び第３の振動伝達部１ｃの方向にテーパ面を有している。なお、テーパ角（θ）は、４５±１５度以内となるように規定している。
【００２２】
また、図３（ａ）及び図３(ｂ)に示すように、第２の振動伝達部１ｂの振動子２と結合した面の面積はｎ×ｎであり、第１の振動伝達部１ａに結合した面の面積はｍ×ｋとなっている。第２の振動伝達部１ｂの振動子２と結合した面と第１の振動伝達部１ａに結合した面とは、同一の面積を有するようになっている。すなわち、ｎ×ｎ＝ｍ×ｋの関係となっている。これにより振動伝達部１の振動の変成比（超音波の振幅増幅比）は１である。なお、図３（ａ）に示す幅ｍを変えることにより、超音波振動の変成比を可変することができる。
【００２３】
図２（ｂ）に示すように、第１の振動伝達部１ａの下面には、接合対象物２２としての半導体チップ（図１１に図示）を押圧して振動子２からの超音波振動を印加して接合対象物２２と被接合部材２３としての基板（図１１に図示）との接合を行うボンディングツールとしての押圧部４を有する。押圧部４は、略直方体状に形成され、接合対象物２２と対向する位置に設けられている。押圧部４は、図２（ｂ）に示すように、第１の振動伝達部１ａにおける超音波振動の振幅が最大になる位置に取付られている。
【００２４】
また、図２（ｂ）に示すように、第１の振動伝達部１ａの上面には、押圧部４の質量と同等の質量を持つバランス部５を有している。バランス部５は、押圧部４の質量と同等の質量を有することにより、第１の振動伝達部１ａの振動の安定化を図るものである。
【００２５】
図２（ｂ）に示すように、第１の振動伝達部１ａの下面には、接合対象物２２としての半導体チップ（図１１に図示）を吸着する吸着部７を有している。吸着部７は、接合対象物２２を下面で吸引して図１１に示す被接合部材２３の接合面に位置決め載置を行うものである。また、吸着部７は、吸引部９からの吸引力を付与するダクト部８につながっている。ダクト部８は、第１の振動伝達部１ａの長手方向の中心線上に設けられており、吸引部までか、略中心部若しくは第１の振動伝達部１ａの上面近傍まで形成可能である。また、吸引部９は、第１の振動伝達部１ａの長手方向部の側面の略中心位置若しくは該中心位置の対称線上に設けられており、ダクト部８と接続されている。なお、本実施の形態では図示せぬチューブが着脱可能であるが、チューブをダクト部８に直接接着してもよく、その場合、吸引部９の構成部材を少なくすることができる。また、第１の振動伝達部１ａの長手方向部の一方の側面に吸引部と同等の質量を有する吸引バランス部６が設けられており、第１の振動伝達部１ａの振動の安定化を計っている。なお、吸引力を付与する吸引機構については図示していないが、公知の吸引機構を用いている。また、前記吸引バランス部６は本実施の形態では用いられているが必須のものではなく設けなくてもよい。
【００２６】
次に、本発明によるボンディングヘッド１０は、図１乃至図３に示すように、振動伝達部材１を支持固定する支持部材３としての第１の支持部材３ａ、第２の支持部材３ｂ、第３の支持部材３ｃ、第４の支持部材３ｄが、振動伝達部材１の全長（λ）の範囲内に配置されている。図２（ａ）及び図２（ｃ）に示すように、第１の支持部材３ａ及び第２の支持部材３ｂは、第２の振動伝達部１ｂの両側面に振動子２と結合している面より超音波振動の進捗方向のλ／４の位置（超音波振動の節）に、また、第３の支持部材３ｃ及び第４の支持部材３ｄは、第３の振動伝達部１ｃの両側面に端面よりλ／４の位置（超音波振動の節）にそれぞれ設けられている。第１の支持部材３ａ、第２の支持部材３ｂ、第３の支持部材３ｃ、第４の支持部材３ｄは、円柱の形状をなしており、第２の振動伝達部１ｂの両側面及び第３の振動伝達部１ｃの両側面に設けられた取り付け用の穴に嵌合して結合されている。
【００２７】
押圧部４は、互いにλ／２の距離を隔てて設けられた第１の支持部材３ａと第３の支持部材３ｃ及び第２の支持部材３ｂと第４の支持部材３ｄとの間に位置しているため、接合対象物２２に付与する押圧力が均一化され、振動伝達部材１に高荷重が付加された場合であっても振動伝達部材１のたわみや変形が抑止されて超音波振動を高効率で印加することができる。
【００２８】
本発明によるボンディングヘッド１０は、押圧部４に圧接機構１５（図１１に示す）からの荷重を印加するための固定部材１９が設けられている。図６に示すように、固定部材１９は第１固定部材１９ａ及び第２固定部材１９ｂよりなり、振動子２及び振動伝達部材１の長手方向に於ける中心軸に向かって支持部材３を拘束して、振動伝達部材１を前記固定部材１９に固定するようになっている。第１固定部材１９ａは、支持部材３と結合するするための、円形の穴及び長穴が設けられている。各穴の深さは、固定部材１９を結合したときに振動伝達部材１に接触しない寸法となっている。円形の穴は、支持部材３と嵌合するためのものであり、長穴は支持部材３とＺ方向に密着し、Ｘ方向に対してはフリーの状態である。また、第２固定部材１９ｂにも支持部材３と結合するための円形の穴又は長穴が設けられている。なお、支持部材３を固定部材１９に嵌合する個所は少なくとも１個所以上設けるようにしている。振動伝達部材１が固定部材１９と結合した状態では、超音波振動の進行方向には、拘束されないため、振動伝達部材１の電気的なインピーダンスの変化がなく、安定した振動が可能となる。また、図７は第２固定部材１９ｂを分割してネジを使用して固定した例を示す図である。図７に示すように、図６に示す第１の支持部材３ａ、第３の支持部材３ｃの代わりに、ネジで第３固定部材１９ｃ及び第４固定部材１９ｄを固定し、ネジの先端で振動伝達部材１と嵌合して結合したものである。
【００２９】
また、図８に示すように、振動子２を駆動する発振器１８は、所定の周波数を発振する発振回路１８ａと、発振回路１８ａから発振される周波数により駆動する駆動回路１８ｂと、駆動回路１８ｂの駆動周波数を電力増幅する増幅回路１８ｃと、振動子２への駆動力を付与すると共に振動子２とのインピーダンスの整合を行うタンク回路１８ｄと、タンク回路１８ｄの出力を受けて発振回路１８ａに振幅帰還を行う振幅帰還回路１８ｅとからなる。
【００３０】
以上の構成からなるボンディングヘッド１０の振動伝達部材１の振動時の変位状態を視覚的に表したものを図９に示す。また、図１０は、振動伝達部材１の押圧部４付近を拡大して振動時の変位状態を視覚的に表したものである。図９及び図１０における２点鎖線は、振動していないときの位置を表す。また、メッシュ（要素）で示した振動伝達部材１は、振動時の振動伝達部材１の各部の変位の状態を示している。図９及び図１０に示すように、振動時の振動伝達部材１の押圧部4は、Ｘ方向に変位しており、Ｚ方向の変位は見られない。また、図９に示すように、振動伝達部材１の第１の振動伝達部１ａのＺ方向に於けるたわみが発生していない。これは、超音波振動子２による振動伝達部材１内の縦振動と、第１の振動伝達部１ａで発生するたわみ振動とが合成された結果、Ｘ方向のみの振動が生成されるためである。
なお、図４及び図５に示すように、第１の振動伝達部１ａにテーパ面を設けるようにしても、コレット２１にＺ方向に於けるたわみの発生がなく、Ｘ方向のみの振動が生成されるため、同様の効果を得ることができる。
【００３１】
本発明による第１の実施の形態としてのボンディングヘッド１０は、以下のような効果を奏する。
【００３２】
振動伝達部材１の超音波振動の進行方向ｕにおける全長がλに設定されており、全体が小型化されている。振動伝達部材１を支持固定する支持部材３及び押圧部４は、振動伝達部材１の全長（λ）の範囲内に配置され、押圧部４は、互いにλ／２の距離を隔てて設けられた第１の支持部材３ａと第２の支持部材３ｂとの間に位置しているため、接合対象物２２に付与する押圧力が均一化される。また、振動伝達部材１に高荷重が付加された場合であっても、振動伝達部材１のたわみや変形が抑止可能で超音波振動を高効率で印加することができる。第１の支持部材３ａ及び第２の支持部材３ｂは、超音波振動の伝播に影響を及ぼさないノーダル・ポイントに設けられ、それぞれ振動伝達部材１の両端から均等な距離（λ／４）を隔てた位置に設けられ、振動伝達部材１が片持支持とならないのでバランスよく保持され、接合対象物２２への押圧力を均一にすることができる。
【００３３】
また、ボンディングヘッド１０は、接合対象物２２を吸着する吸着部７を備えているが、ダクト部８は、第１の振動伝達部１ａの長手方向の中心線上に設けられており、また、吸引部９は、第１の振動伝達部１ａの長手方向部の側面の略中心位置に設け、第１の振動伝達部１ａの長手方向部の一方の側面に吸引部と同等の質量を有する吸引バランス部６を設けているため、振動のバランスを崩すことなく、押圧部４は安定した振動を行うことができる。また、押圧部４は、図９及び図１０に示したようにＸ方向にのみ振動が発生する。すなわち、接合対象物２２に対して平行に振動するため、接合が均一に行われる。
【００３４】
次に、本発明によるボンディングヘッド１０を備えたボンディング装置について、図１１を参照して説明する。
【００３５】
図１１に示すように、ボンディング装置２０は、接合対象物２２及び接対象物２２が接合される被接合部材２３が載置される載置台１６と、接合対象物２２に超音波振動を印加して接合対象物２２としての半導体チップと被接合部材２３としての基板のリードとを接合するボンディングヘッド１０と、ボンディングヘッド１０を保持し、このボンディングヘッド１０に押圧力を付与する荷重機構１５と、発振器１８、制御部（ＣＰＵ）１７とを有する。
【００３６】
制御手段としての制御部（ＣＰＵ）１７は、マイクロコンピュータ等で構成されて装置全体の制御を行うものであり、外部の図示せぬ操作手段からの操作指令に基づいて作動する。
【００３７】
載置台１６は、図示せぬ搬送手段により搬送される被接合部材２３を所定の位置に位置決め可能である。しかして、載置台１６を制御部１７からの制御信号に基づいて矢印ｘ方向及びｙ方向（図８の紙面に垂直な方向）の二次元方向に移動可能としてもよい。
【００３８】
圧接機構１５は、モータ等を有しボンディングヘッド１０を矢印ｚ方向に昇降動作させて位置決めする駆動部１５ａと、モータ、エアシリンダ及び油圧シリンダ等で構成され、ロッド１５ｃの突出量を可変して先端部に取り付けられた固定部材１９を介してボンディングヘッド１０による接合対象物２２への押圧力を付与する荷重機構部１５ｂとで構成されている。また、駆動部１５ａの移動量及び荷重機構部１５ｂによるロッド１５ｃの突出量は、制御部（ＣＰＵ）１７により制御される。
【００３９】
次に、上記の構成からなるボンディング装置２０の動作について説明する。図８に示すように、載置台１６上に接合対象物２２及び被接合部材２３が載置位置決めされると、駆動部１５ａが作動してボンディングヘッド１０が矢印ｚ方向に下降して所定の高さに位置決めされる。続いて、荷重機構部１５ｂが作動してボンディングヘッド１０の押圧部４が接合対象物２２に当接して一定の圧力で押圧して振動子２からの超音波振動が印加されて接合対象物２２と被接合部材２３との接合が行われる。次に、駆動部１５ａ及び荷重機構部１５ｂを作動させてボンディングヘッド１０を所定の高さまで上昇させて次のボンディング接続に備える。そして、前記動作を繰り返して接合対象物２２と被接合部材２３とのボンディング接続を繰り返す。
【００４０】
以上述べたように、本発明によるボンディングヘッド１０及びこれを備えたボンディング装置は、押圧部4が接合対象物２２としてのＩＣチップに対して平行な振動を行い、たわみ振動等の発生が無いため、安定したボンディングが可能である。本発明によるボンディングヘッド１０は、接合対象物２２としてＩＣチップ等の電子部品、被接合部材２３として基板上に形成されたリードとのボンディング接続について述べたが、接合対象物２２及び被接合部材２３として金属や合成樹脂製の板状部材等のボンディング接続も可能である。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のボンディングヘッドによれば、押圧部は、互いにλ／２の距離を隔てて設けられた第１の支持部材と第２の支持部材との間に位置しているため、接合対象物に付与する押圧力が均一化される。また、振動伝達部材に高荷重が付加された場合であっても、振動伝達部材のたわみや変形が抑止可能で超音波振動を高効率で印加することができる。
【００４２】
また、ボンディングヘッドは、接合対象物を吸着する吸着部を備えているが、ダクト部は、第１の振動伝達部の長手方向の中心線上に設けられており、また、吸引部は、第１の振動伝達部の長手方向部の側面の略中心位置に設け、第１の振動伝達部の長手方向部の一方の側面に吸引部と同等の質量を有する吸引バランス部を設けたいるため、振動のバランスを崩すことなく、押圧部は安定した振動を行うことができる。また、本発明のボンディングヘッドの押圧部は、接合対象物に対して平行に振動するため、接合対象物と被接合部材との接合を確実に行われるため、ボンディング品質が向上する。また、本発明のボンディングヘッドによりボンディング装置の小型化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるボンディングヘッドの実施の形態を示す斜視図である。
【図２】（ａ）は、図１に示すボンディングヘッドの平面図、（ｂ）は、図１に示すボンディングヘッドの正面図、（ｃ）は、図１に示すボンディングヘッドの振動モードを示す図である。
【図３】（ａ）は、図１に示すボンディングヘッドの寸法を示した平面図、（ｂ）は、図１に示すボンディングヘッドの寸法を示した正面図である。
【図４】（ａ）は、コレット保持部がテーパ面を形成し、第２の振動伝達部及び第３の振動伝達部を直方体で形成した振動伝達部材を示した平面図、（ｂ）は、コレットの保持部がテーパ面を形成し、第２の振動伝達部及び第３の振動伝達部を直方体で形成した振動伝達部材を示した正面図、（ｃ）は、（ｂ）に示すＡ−Ａの断面図である。
【図５】（ａ）は、コレットがテーパ面を形成し、第２の振動伝達部及び第３の振動伝達部を直方体で形成した振動伝達部材を示した平面図、（ｂ）は、コレットがテーパ面を形成し、第２の振動伝達部及び第３の振動伝達部を直方体で形成した振動伝達部材を示した正面図である。
【図６】本発明によるボンディングヘッドの振動伝達部材の固定について示した図である。
【図７】本発明によるボンディングヘッドの振動伝達部材の固定について示した図である。
【図８】本発明によるボンディングヘッドの振動子を駆動する発振器の構成を示すブロック図である。
【図９】本発明によるボンディングヘッドの振動伝達部材の振動時の変位状態を視覚的に表した図である。
【図１０】図９に示す振動伝達部材の押圧部付近を拡大して振動時の変位状態を視覚的に表した図である。
【図１１】本発明によるボンディングヘッドを備えたボンディング装置の構成を示す図である。
【図１２】従来のボンディングヘッドの構成を示す図である。
【符号の説明】
１                    振動伝達部材
１ａ                  第１の振動伝達部
１ｂ                  第２の振動伝達部
１ｂｓ１，１ｂｓ２    第２の振動伝達部の側面
１ｂｔ                第２の振動伝達部の上面
１ｂｂ                第２の振動伝達部の下面
１ｃ                  第３の振動伝達部
１ｃｓ１，１ｃｓ２    第３の振動伝達部の側面
１ｃｔ                第３の振動伝達部の上面
１ｃｂ                第３の振動伝達部の下面
２、５０              振動子
３                    支持部材
３ａ                  第１の支持部材
３ｂ                  第２の支持部材
３ｃ                  第３の支持部材
３ｄ                  第４の支持部材
４                    押圧部
５                    バランス部
６                    吸引バランス部
７                    吸着部
８                    ダクト部
９                    吸引部
１０                    ボンディングヘッド
１１                    コレット保持部
１２                    ネジ付き吸引パイプ
１３                    押圧バランス部
１４                    ケーブル
１５                    圧接機構
１５ａ                  駆動部
１５ｂ                  荷重機構部
１５ｃ                  ロッド
１６                    載置台
１７                    制御部（ＣＰＵ）
１８                    発振器
１９                    固定部材
１９ａ                  第１固定部材
１９ｂ                  第２固定部材
１９ｃ                  第３固定部材
１９ｄ                  第４固定部材
２０                    ボンディング装置
２１，５２              コレット
２２                    接合対象物（半導体チップ）
２３                    被接合部材
５１                    超音波ホーン
５３                    支持具
【図１】
0003866150.tif 000002
【図２】
0003866150.tif 000003
【図３】
0003866150.tif 000004
【図４】
0003866150.tif 000005
【図５】
0003866150.tif 000006
【図６】
0003866150.tif 000007
【図７】
0003866150.tif 000008
【図８】
0003866150.tif 000009
【図９】
0003866150.tif 000010
【図１０】
0003866150.tif 000011
【図１１】
0003866150.tif 000012
【図１２】
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