(57)【要約】【課題】超音波振動よりも振動のエネルギの大きな音波振動で半田を溶かして下側金属部材と上側金属部材と接合する。【解決手段】下側金属部材１５と上側金属部材１６とペースト状又は板状の半田１７とからなる積層状の接合対象部材１４が共振器９と受台１３とで挟まれて加圧され、共振器９が振動子１２から伝達された音波振動に共振し、半田１７が上記加圧と上記共振器９の矢印Ｘで示した横方向の振動による摩擦とを受け、半田１７が溶かされた後、上記加圧が維持されたまま、振動子１２の音波振動の発生が停止されることにより、半田１７が固まって下側金属部材１５と上側金属部材１６とを接合し、音波振動による低温化と、熱による残留応力の低減、接合後の半田１７が薄く仕上がり、下側金属部材１５と上側金属部材１６との間での熱伝導効率が向上し、半田１７に気泡が発生しない効果を奏する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接合対象部材が下側金属部材と上側金属部材とをペースト状又は板状の半田を介在させて重ね合わされた積層状になっており、この接合対象部材が共振器と受台とで挟まれて加圧され、共振器が共振器の一端部に取り付けられた振動子から伝達された音波振動に共振し上記共振器と受台とで挟まれて加圧される方向に直交する横方向の振動が下側金属部材と上側金属部材と半田とに付与され、半田が上記加圧と上記横方向の振動による摩擦とを受けて溶かされた後、上記加圧が維持されたまま、振動子の音波振動の発生が停止され、この音波振動の発生の停止により上記溶かされた半田が固まり、この固まった半田が下側金属部材と上側金属部材とを接合することを特徴とする音波接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波振動よりも振動のエネルギの大きな音波振動でペースト状又は板状の半田を溶かして積層状の金属部材を接合する音波接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図３を参照し、特許文献１の段落００３３、段落００３５、図４（ｂ）で示された、半導体チップ２１を配線基板２２に接合する方法について説明する。配線基板２２を加熱ステージ２３の上に配置し、半導体チップ２１を加熱ヘッド２４で吸着支持し、半導体チップ２１の電極突起２５と配線基板２２の接続パッド２６とをそれらの間に半田２７を挟んで位置合わせし、加熱ヘッド２４で半導体チップ２１を半田２７の融点よりも低い温度に加熱すると共に加圧し、加熱ステージ２３で配線基板２２を半田２７の融点よりも高い温度に加熱し、加熱ヘッド２４で半導体チップ２１の電極突起２５に加圧することにより半田２７が電極突起２５と接続パッド２６とを接合する。
【０００３】
しかしながら、特許文献１で開示された方法では、半導体チップ２１及び配線基板２２を全体的に加熱するので、半田２７に気泡（ボイドと同義語）を生じる可能性があり、半導体チップ２１及び配線基板２２に熱劣化を生じる可能性があるという欠点がある
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５０６６９３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、超音波振動よりも振動のエネルギの大きな音波振動で半田を溶かして積層状の金属部材を接合することにより、半田に気泡を発生せず、金属部材を有する部材の熱劣化も防止できる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】
【０００６】
本発明は、接合対象部材が下側金属部材と上側金属部材とをペースト状又は板状の半田を介在させて重ね合わされた積層状になっており、この接合対象部材が共振器と受台とで挟まれて加圧され、共振器が共振器の一端部に取り付けられた振動子から伝達された音波振動に共振し上記共振器と受台とで挟まれて加圧される方向に直交する横方向の振動が下側金属部材と上側金属部材と半田とに付与され、半田が上記加圧と上記横方向の振動による摩擦とを受けて溶かされた後、上記加圧が維持されたまま、振動子の音波振動の発生が停止され、この音波振動の発生の停止により上記溶かされた半田が固まり、この固まった半田が下側金属部材と上側金属部材とを接合することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は、超音波振動よりも振動のエネルギの大きな音波振動で半田を溶かして積層状の金属部材を部分的に加熱した後に、音波振動を停止して半田が固まることより、下側金属部材と上側金属部材とを半田で接合することにより、半田に気泡を発生せずかつ金属部材を有する部材の熱劣化も防止できる音波接合方法を提供することができる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】発明を実施するための形態に係る音波接合装置を示す正面図。
【図２】発明を実施するための形態に係る音波接合方法を示す工程図。
【図３】特許文献１で開示された音波接合方法を示す正面図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１を参照し、発明を実施するための形態に係る音波接合装置１の構造について説明する。図１に示した発明を実施するための形態に係る音波接合装置１の装置躯体２には、作業空間部３が前方及び左右に開口した態様に設けられる。装置躯体２の作業空間部３よりも上部には、加圧機構４が設けられる。加圧機構４の出力部材５は、装置躯体２の上部から作業空間部３に配置される。出力部材５の作業空間部３に配置された下部は、加圧機構４の駆動によって、作業空間部３の内部を直線的に昇降する。出力部材５の作業空間部３に配置された下部には、支持具６が設けられる。
【００１０】
支持具６は前後及び下方に貫通する内部空間７の左右両側に支持部８を備えた構成である。支持具６には共振器９が設置される。共振器９は、一端から他端までの長さが振動子１２から伝達された音波振動の共振周波数の少なくとも１波長を有する直線的な棒状になっている。共振器９の長さ方向の両端部及び中央部には、最大振動振幅点が位置する。共振器９の長さ方向の中央部おける最大振動振幅点の位置する外面部には、接合ツール部１０が設けられる。共振器９の接合ツール部１０より長さ方向の両側に存在する最小振動振幅点に位置する外面部には、被支持部１１が設けられる。
【００１１】
共振器９の一端部には、振動子１２が取り付けられる。共振器９と振動子１２との間には、図示のされていないブースターを設けることも適用可能である。支持具６には共振器９の長さ方向が矢印Ｘで示した左右方向に向けられ、共振器９の被被支持部１１以外の部分が支持具６に接触しないように内部空間７に配置され、被被支持部１１が支持部８に支持されることにより、共振器９が支持具６に設置される。装置躯体２の作業空間部３よりも下部には、受台１３が設けられる。振動子１２としては周波数が１０ｋＨｚから２０ｋＨｚの範囲中の或る周波数に固定された音波振動を発生する構成である。実験したところ、１５ｋＨｚの音波振動を発生する振動子１２を採用するのが、接合強度や接合時間等から最適であった。
【００１２】
音波接合装置１の動作について説明する。先ず、共振器９が支持具６に装着され、出力部材５が上昇位置に停止し、接合ツール部１０と受台１３とが接合対象部材１４の挿入可能な空間を残して上下方向で対向した状態になっている。その状態において、受台１３の上には、接合対象部材１４が搭載される。接合対象部材１４は、少なくとも下側金属部材１５と上側金属部材１６とがペースト状又は板状の半田１７を介在させて重ね合わされた積層体になっている。半田１７がペースト状の場合は、半田１７が少なくとも下側金属部材１５と上側金属部材１６とに塗布される。半田１７が板状の場合は、半田１７が下側金属部材１５と上側金属部材１６との間に挟まれる。
【００１３】
例えば、下側金属部材１５を有する上側部材１８としては、ＤＣＢ回路基板を用いた。ＤＣＢ回路基板は、アルミナセラミックス基板に銅回路版をＤＣＢ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｏｐｐｅｒ  Ｂｏｎｄ）法で接合した放熱用絶縁基板である。ＤＣＢ法は、セラミックス基板上に銅回路版を共晶反応によって接合する方法である。よって、下側金属部材１５は、ＤＣＢ回路基板の銅回路版により構成され、ＤＣＢ回路基板のアルミナセラミックス基板が下側金属部材１５を支持する部材である。上側金属部材１６としては、アルミニウム或いは銅からなる板状のヒートシンクを用いた。
【００１４】
次に、加圧機構４が駆動し、出力部材５が下降するのに伴って、共振器９及び振動子１２が下降する。そして、図２に示したように、接合対象部材１４が接合ツール部１０と受台１３とで挟まれて加圧され、振動子１２が音波振動を発生し、共振器９が振動子１２から伝達された１５ｋＨｚの音波振動に共振し、接合ツール部１０が共振器９から伝達された振動に共振する。これによって、共振器９の最大振動振幅点における接合ツール部１０の矢印で示した横方向の振動が接合対象部材１４に伝達され、半田１７が上記加圧と上記横方向の振動による摩擦とを受け、半田１７が溶かされる。
【００１５】
上記のように半田１７が溶かされた後、上記加圧機構４の駆動が停止されて出力部材５の下降が停止し、上記接合対象部材１４に対する接合ツール部１０と受台１３とによる加圧が維持されたまま、振動子１２の音波振動の発生が停止され、この音波振動の発生の停止により上記溶かされた半田１７が固まり、この固まった半田１７が下側金属部材１５と上側金属部材１６とを接合する。この接合される工程では、半田１７の厚さが１乃至２μｍ程度の厚さの層状になるように、出力部材５の下降が停止し、その停止状態が０．１乃至１秒程度保持される。
【００１６】
上記のように、共振器９の音波振動で半田１７を溶かすことにより、ＤＣＢ回路基板のアルミナセラミックス基板及び上側金属部材１６の全体を加熱することなく、下側金属部材１５としての銅回路版と半田１７と上側金属部材１６の半田１７に接触する部分とが加熱されるだけであるので、音波振動による低温化と、熱による残留応力の低減、接合後の半田１７が薄く仕上がり、下側金属部材１５と上側金属部材１６との間での熱伝導効率が向上し、半田１７に気泡が発生しない。
【００１７】
その後、図１に示したように、出力部材５が上昇し、接合ツール部１０が上側金属部材１６から離れ、接合対象部材１４が接合構造体となって受台１３の上に残される。この受台１３の上に残された接合構造体となった接合対象部材１４が受台１３から音波接合装置１の外部に取り出され、音波接合装置１による接合対象部材１４に対する１回の接合動作が終了する。
【００１８】
以上により、下側金属部材１５と上側金属部材１６と半田１７とからなる積層状の接合対象部材１４が共振器９と受台１３とで挟まれて加圧された状態において、共振器９が振動子１２から伝達された音波振動に共振し、半田１７が共振器９と受台１３とからの加圧と摩擦とを受け、半田１７が溶かされた後、振動子１２の駆動が停止し、共振器９の音波振動が停止し、上記加圧状態下で半田１７が固まって下側金属部材１５と上側金属部材１６とを接合した状態になる。
【００１９】
上記図１で示した音波接合方法を実験したところ、半田１７の内部には気泡が発生していないこと、上半田１７の厚みは数μｍであること、接合時間は数秒の短時間であること、音波振動で半田１７の大気中での常温接合が数秒で可能になること等を確認できた。又、半田１７で接合された下側金属部材１５を折曲げたところ、上側金属部材１６を有するＤＣＢ回路基板が一緒に曲がったことも確認できた。
【００２０】
下側金属部材１５としては銅からなる板状のヒートシンクを採用し、上側金属部材１６を有する部材としてはシリコン又は炭化ケイ素又はチッカガリウムからなる半導体チップを採用しても適用可能である。この場合、上側金属部材１６はシリコン又は炭化ケイ素又はチッカガリウムからなる半導体チップの電極である。
【００２１】
又、下側金属部材１５を有する上側部材１８としてはＤＣＢ回路基板を採用し、上側金属部材１６を有する部材としてはシリコン又は炭化ケイ素又はチッカガリウムからなる半導体チップを採用しても適用可能である。この場合、下側金属部材１５はＤＣＢ回路基板に銅回路版であり、上側金属部材１６はシリコン又は炭化ケイ素又はチッカガリウムからなる半導体チップの電極である。
【符号の説明】
【００２２】
１は音波接合装置、２は装置躯体、３は作業空間部、４は加圧機構、５は出力部材、６は支持具、７は内部空間、８は支持部、９は共振器、１０は接合ツール部、１１は被支持部、１２は振動子、１３は受台、１４は接合対象部材、１５は下側金属部材、１６は上側金属部材、１７は半田、１８は上側部材、１９，２０は欠番、２１は半導体チップ、２２は配線基板、２３は加熱ステージ、２４は加熱ヘッド、２５は電極突起、２６は接続パッド、２７は半田。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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