(57)【要約】【課題】共振器の剛性を高く保持しつつ、共振器の小型化を実現する超音波振動接合装置を提供することを目的とする。【解決手段】共振器７は、共振器の両端位置ｆ０およびｆ４が最大振幅点になるように、共振周波数の一波長の長さで構成されている。共振器７の一端である最大振幅点の位置ｆ４には、チップ２３を保持する保持手段４０が配設され、第１最小振幅点の位置ｆ３および第２最小振幅点の位置ｆ１には、第１クランプ手段２１および第２クランプ手段２２がそれぞれ嵌挿されて共振器７が支持される。また、最大振幅点の位置ｆ４から保持手段４０の端面までの距離Ｌ２は、第１最小振幅点の位置ｆ３から第１クランプ手段２１の基部２０側と反対側の先端までの距離Ｌ１よりも短く構成されている。このような構成により、精度よく超音波振動接合を行うことができ、さらに装置の小型化を実現することができる。【選択図】図３
2009090296.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に長尺の共振器と、これを支持する支持手段とを備え、接合対象として重合された複数の被接合物に超音波振動を印加して前記複数の被接合物どうしを接合する超音波振動接合装置において、
前記共振器の一端側にて、前記被接合物を保持する保持手段と、
前記共振器の他端に前記軸と同軸上に設けられた振動子とを備え、
前記共振器は、前記軸の前記一端に前記軸方向への振幅が最大となる最大振幅点と、前記軸に沿い前記一端から共振周波数の１／４波長の長さの位置に前記振幅が最小となる第１最小振幅点と、前記軸に沿って前記第１最小振幅点と異なる位置に前記振幅が最小となる第２最小振幅点と、前記第１および第２最小振幅点の位置の前記共振器の外周面に凹んで形成された第１および第２被支持部とを有し、
前記支持手段は、前記第１および第２被支持部に嵌挿して前記共振器を支持し、前記保持手段は、前記第１被支持部と前記共振器の一端との間における前記共振器の外周面に、前記被接合物を当接状態に保持することを特徴とする超音波振動接合装置。
【請求項２】
前記支持手段は、基部と、前記第１および第２被支持部に嵌挿可能に前記基部に設けられた第１および第２クランプ手段とを有し、
前記第１最小振幅点から前記第１クランプ手段の前記基部側と反対側の先端までの距離Ｌ１が、
前記最大振幅点から前記被接合物を保持した状態における前記保持手段の端面までの距離Ｌ２よりも長く形成されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波振動接合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合対象として重合された複数の被接合物に超音波振動を印加して前記複数の被接合物どうしを接合する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数の被接合物を接合する方法として、重合された複数の被接合物を所定の加圧力で加圧しながら被接合物に超音波振動エネルギーを所定時間印加することで、前記複数の被接合物を接合する超音波振動接合と呼ばれる接合方法がある。この接合方法は、超音波振動によって被接合物同士を摺り合わせることにより、被接合物間に新生面が現れて被接合物の接合を行うことができるというものである。
【０００３】
このような超音波振動接合方法を実現する接合装置の一例として、特許文献１に記載のものがある。この特許文献１では、共振器を振動遮断支持部材で支持する構成の超音波振動接合装置が記載されている。具体的には、振動遮断支持部材は第１ダイヤフラムが取り付けられた第１筒体と、第２ダイヤフラムが取り付けられた第２筒体により構成され、第１筒体の内部にブースターを収納し、続いて第２筒体の内部に第１筒体より突出したブースターを取り込むと共に、第２筒体を第１筒体に同軸に装着して、ブースターの前後端が第１ダイヤフラムと第２ダイヤフラムに当接するように長さ調整を行い、ブースターを振動遮断支持部材に内蔵している。そして、前記ブースターの後端には、振動子を第１ダイヤフラムを介在して同軸に結合し、ブースターの前端には、一端に被接合物を保持する保持手段を配設した超音波ホーンを、第２ダイヤフラムを介在して同軸に結合する構成をしている。
【０００４】
また、従来の超音波振動接合装置の他の例として、特許文献２に記載のものがある。この特許文献２に記載の装置では、共振器を支持手段により支持するための被支持部を、共振器の中心軸上で前記最大振幅点を挟む最小振幅点（ノーダルポイント）の位置に形成している。ここで、最小振幅点は共振器に発生する定在波の節であり、振動の伝達方向である共振器の中心軸方向には膨張収縮は起こらない点である。すなわち、前記最小振幅点の位置の前記共振器の外周面に凹部を形成して、より最小振幅点に近い位置を支持する構成としている。
【０００５】
また、前記特許文献２の装置では、被接合物を共振器に保持する保持手段は、共振器の中心軸方向への振幅が最大となる最大振幅点の位置の前記共振器の外周面で、共振器の中心軸方向の長さのほぼ中央にあたる部分に配設されている。この位置は、共振器の加圧中心に相当する位置でもあり、このような構成により、、剛性を高く保持しながら効率よく安定した超音波振動接合を可能にしている。
【特許文献１】特許３０７８２３１号公報（段落００３２、図９等）
【特許文献２】特開２００６−１５６９７０号公報（段落００１９、００３１、００４０、図８、１０等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１の記載の装置では、ダイヤフラムにより共振器が支持されるため、加圧を行う場合に剛性が弱く、大きな加圧力を加えられないという問題が生じる。また、ブースターの前後端が第１ダイヤフラムと第２ダイヤフラムに当接するように長さ調整を行い、ブースターを振動遮断支持部材に内蔵する構成であり、手動での調整が難しく不便であるという問題もある。
【０００７】
一方、前記した特許文献２に記載の装置では、共振器の中心軸上で前記最大振幅点を挟む最小振幅点の位置を支持手段により支持している。最小振幅点は共振器の中心軸方向には膨張収縮が起こらない点であり、共振器の中心軸上の最小振幅点では振動は発生しないが、最小振幅点を共振器の中心軸と垂直な面で切断したときの断面で考えると、最小振幅点から離れるほど、共振器が膨張収縮されるため振動が発生する。また、最小振幅点以外の位置でも、共振器の中心軸から離れるほど、同様の振動は発生することになる。そこで、共振器を安定して支持し、剛性の高い共振器を形成するために、前記最小振幅点の位置の前記共振器の外周面に凹部を形成して、より最小振幅点に近い位置を支持しており、前記した特許文献１の問題を解消する構成としている。
【０００８】
しかし、特許文献２に記載の装置では、前記共振器の支持手段は、共振器の外周よりも大きく、保持手段よりも突出した構造となっており、しかも保持手段が前記支持手段の間に備えられている構成であるため、共振器に備えられた保持手段と対向した位置に配設された他の被接合物を保持するためのステージの大きさは、前記支持手段の間の距離により制限される。したがって、ステージの大きさが大きい場合には、前記共振器の支持手段の間の距離が大きい共振器に置き換える必要があることから、共振器の小型化が妨げられるという新たな問題が生じる。
【０００９】
そこで、前記特許文献２のような共振器で、前記共振器の支持手段の間の距離より大きなステージを使用して接合を行う方法として、前記保持手段のステージ方向への高さを大きくし、保持手段の端面を前記した共振器の支持手段よりもステージ方向へ突出させた構成とすることが考えられる。しかしながら、このように保持手段の端面を突出させる構造とした場合、前記したように共振器の中心軸から離れるほど、共振器の外側へと振動が伝達されることとなり、加えて、共振器の中心軸から保持手段の端面までの間の材料の硬度や弾性特性等により、保持している被接合物に共振器の振動方向とは別の振動が含まれて被接合物に伝達されることもあり、例えば共振器の振動方向と垂直の振動を含む異常振動等も発生し、被接合物の破壊やダメージを招くおそれがある。
【００１０】
上記のような課題に鑑みて、本発明は、共振器の剛性を高く保持しつつ共振器の小型化を実現する超音波振動接合装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記した目的を達成するため、本発明にかかる超音波振動接合装置は、軸方向に長尺の共振器と、これを支持する支持手段とを備え、接合対象として重合された複数の被接合物に超音波振動を印加して前記複数の被接合物どうしを接合する超音波振動接合装置において、前記共振器の一端側にて、前記被接合物を保持する保持手段と、前記共振器の他端に前記軸と同軸上に設けられた振動子とを備え、前記共振器は、前記軸の前記一端に前記軸方向への振幅が最大となる最大振幅点と、前記軸に沿い前記一端から共振周波数の１／４波長の長さの位置に前記振幅が最小となる第１最小振幅点と、前記軸に沿って前記第１最小振幅点と異なる位置に前記振幅が最小となる第２最小振幅点と、前記第１および第２最小振幅点の位置の前記共振器の外周面に凹んで形成された第１および第２被支持部とを有し、前記支持手段は、前記第１および第２被支持部に嵌挿して前記共振器を支持し、前記保持手段は、前記第１被支持部と前記共振器の一端との間における前記共振器の外周面に、前記被接合物を当接状態に保持することを特徴としている（請求項１）。
【００１２】
また、本発明にかかる超音波振動接合装置は、前記支持手段が、基部と、前記第１および第２被支持部に嵌挿可能に前記基部に設けられた第１および第２クランプ手段とを有し、前記第１最小振幅点から前記第１クランプ手段の前記基部側と反対側の先端までの距離Ｌ１が、前記最大振幅点から前記被接合物を保持した状態における前記保持手段の端面までの距離Ｌ２よりも長く形成されていることを特徴としている（請求項２）。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に記載の発明によれば、保持手段が最大振幅点の位置にある共振器の一端に配設されるため、ステージの大きさは前記共振器の支持手段の間の距離にとらわれることなく、どのような大きさのステージにも対応することができる。それにより、共振器の大きさを小型化することができ、装置を小型化することも可能になる。また、共振器の最小振幅点の位置に被支持部として凹部を形成して支持手段により支持しているため、共振器の剛性を高く保つことができる。その結果、保持手段が加圧中心でない共振器の一端に配設されていても、大きな加圧力を加えながら、所望の超音波振動を被接合物に効率よく伝達することができる。
【００１４】
また、請求項２に記載の発明によれば、共振器の中心軸から離れるほど共振器は膨張収縮されるため、振動は共振器の外側へと伝達されることとなるので、共振器の一端における最大振幅点から被接合物を保持した状態における保持手段の端面までの距離Ｌ２をL１よりも短く形成し、共振器の中心軸から保持手段の端面までの距離を小さくすることによって、保持手段では共振器の振動方向と異なる方向の振動を含む異常振動等を抑えることができる。そのため、保持手段に共振器の振動方向の振動を効率よく伝達することができるとともに、異常振動等により生じる被接合物の破壊やダメージを抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
この発明の一実施形態について図１ないし図４を参照して説明する。図１はこの発明にかかる超音波振動接合装置の一実施形態の概略構成図である。また、図２は図１に示す超音波振動接合装置が備える共振器の構成図であり、（ａ）は保持手段が配設されている一端から見たときの左側面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は下面図である。また、図３は、支持手段により支持された共振器の構成図である。また、図４は図３の右側面図であって、共振器のＡ−Ａ線矢視断面図である。
【００１６】
（装置構成）
図１に示す超音波振動接合装置では、共振器７が保持する一方の接合対象としての被接合物であって、半導体の接合面に鉛錫はんだからなる金属溶融バンプ２３ａを有するチップ２３と、共振器７に対向して配置されたステージ１０が保持する他方の接合対象としての被接合物である金属溶融バンプ２４ａを有する基板２４とを、加圧制御可能な上下駆動機構２５によって、金属溶融バンプ２３ａと金属溶融バンプ２４ａとが接触するように加圧しながら、振動子８および共振器７により超音波振動を印加することにより、チップ２３と基板２４とを接合している。このように、本発明における超音波振動接合装置は、チップ２３と基板２４とを接合することで、種々の半導体デバイスまたはＭＥＭＳデバイスなどのデバイスを形成することができるように構成されている。
【００１７】
本発明における超音波振動接合装置は、図１に示すように、接合機構２７と、ステージ１０とステージテーブル１２とを有する実装機構２８と、位置認識部２９と、搬送部３０と、制御装置３１とを備えている。また、接合機構２７は、上下駆動機構２５と、ヘッド部２６とを備え、上下駆動機構２５は上下駆動モータ１とボルト・ナット機構２とにより、共振器保持部６を上下ガイド３でガイドしながら上下動できるように構成されている。そして、接合機構２７はフレーム３４に結合されて、フレーム３４はヘッド部２６の加圧中心の周辺を囲むように配設された４本の支柱１３により架台３５と連結されている。なお、支柱１３およびフレーム３４の一部は図示省略している。
【００１８】
共振器保持部６は、ヘッド逃がしガイド５で上下方向にガイドされ、自重をキャンセルするための自重カウンター４に牽引された状態でボルト・ナット機構２に連結されている。そして、この共振器保持部６に共振器７を有するヘッド部２６が結合されている。
【００１９】
また、共振器保持部６には圧力センサ３２が配設されており、共振器７とステージ１０との間に挟持された被接合物（チップ２３、基板２４等）への加圧力が検出できるように構成されている。したがって、圧力センサ３２により検出された被接合物に対する加圧力を制御装置３１へフィードバックすることで、当該フィードバック値に基づいて上下駆動機構２５を制御して、被接合物への加圧力を制御することができる。
【００２０】
また、ヘッド部２６は、共振器７と、チップ２３を吸着保持する保持手段４０と、振動子８と、基部２０と第１クランプ手段２１および第２クランプ手段２２からなる支持手段を備えている。保持手段４０は、共振器７の一端であり共振器７の最大振幅点である位置ｆ４（図２参照）に熱硬化型接着剤等で接着して配設され、振動子８は共振器７の他端である位置ｆ０に共振器７の中心軸と同軸になるように配設されている。また、ヘッド部２６の高さは共振器保持部６に設けられた共振器部高さ検出手段３６によって検出することができる。なお、ヘッド部２６の構成および動作については後で詳細に述べる。
【００２１】
実装機構２８は、基板２４を吸着保持し、ステージ１０と、チップ２３に対する基板２４の位置を調整するために平行・回転移動自在な移動軸を有するステージテーブル１２とを備えている。また、ステージ１０は、基板２４を保持するための保持機構（図示せず）を備えている。ここでは、ステージ１０の保持機構として、真空吸着による保持機構を利用したものを用いる。なお、保持手段４０は静電吸着を利用したものでもよく、その他の保持機構やステージ１０上に基板２４を置くだけとしてもよい。
【００２２】
また、位置認識部２９は、対向配置されたチップ２３と基板２４の間に挿入されて、上下のチップ２３と基板２４各々の位置認識用のアライメントマークを認識する上下マーク認識手段１４と、チップ２３、基板２４および共振器７の振幅を検出する振幅検出器３３と、これらの認識手段１４および振幅検出器３３を水平および／または上下移動させる認識手段移動テーブル１５とを備えている。
【００２３】
また、搬送部３０は、チップ２３を搬送するチップ供給装置１６およびチップトレイ１７と、基板２４を搬送する基板搬送装置１８および基板搬送コンベア１９とを備えている。また、制御装置３１は、ヘッド部２６へ加えられる加圧力や振動子８へ印加される電圧値および／または電流値より求められる超音波振動エネルギー等を制御する。さらに、制御装置３１は、超音波振動接合装置全体の制御を行うための操作パネル（図示省略）を備えており、共振器部高さ検出手段３６によるヘッド部２６の高さ位置の検出信号によって上下駆動機構２５を制御し、ヘッド部２６の図１中の矢印Ｚ方向の高さを調節することができる。なお、制御装置３１の構成および動作については後で詳細に述べる。
【００２４】
（共振器）
次に、図２ないし図４を参照して、ヘッド部２６について詳細に説明する。共振器７は、例えばチタン合金（６Ａｌ−４Ｖ）により構成され、共振器７の一端である位置ｆ０には振動子８が配設され、この振動子８が制御装置３１に制御されることにより発生する超音波振動によって共振器７がその中心軸方向に振動する。また、図２に示すように、共振器７は、共振器７のほぼ中央の位置ｆ２と、両端位置ｆ０およびｆ４とが最大振幅点となるように、共振周波数の一波長の長さで構成されている。この場合、最大振幅点から１／４波長離れた位置ｆ３およびｆ１は、それぞれ第１および第２最小振幅点に相当する。
【００２５】
図２は共振器７の概略構成図であり、同図（ａ）は位置ｆ４側から見た左側面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は下面図である。同図（ａ）に示すように、共振器７は位置ｆ４側から見た断面が円形である円柱状をしている。そして、同図（ｃ）に示すように、ｆ４付近では、位置ｆ４に近づくに連れ円柱の側面が削られてテーパ状を成し、位置ｆ４から見た断面形状がほぼ長方形の板状となるように形成されている。そして、同図（ａ）に示すように、板状に形成された長方形を位置ｆ４側から見たときに左側面の長方形の短辺が上下に配置されるように共振器７が設置され、その上下面には、被接合物であるチップ２３を保持するための保持手段４０が配設されている。
【００２６】
さらに、図２（ｂ）および（ｃ）に示すように、共振器７の第１最小振幅点である位置ｆ３および第２最小振幅点である位置ｆ１では、共振器７の外周が凹状に形成され、共振器７を支持するための第１被支持部４１および第２被支持部４２が構成されている。そして、前記第１被支持部４１および第２被支持部４２は、共振器７の中心軸と垂直の断面で切断した場合、八角形の断面形状をしている。なお、前記第１被支持部４１および第２被支持部４２の断面の形状は、八角形に限らず円形やその他の多角形でもよい。
【００２７】
図３は、支持手段により支持された共振器７の構成図である。図３に示すように、基部２０と第１クランプ手段２１および第２クランプ手段２２からなる支持手段により、前記第１被支持部４１および第２被支持部４２において、共振器７は支持されている。図４は、図３に示す共振器７のＡ−Ａ線矢視断面図である。同図に示すように、基部２０に支持された第２クランプ手段２２の上部部材２２ａと下部部材２２ｂが第２被支持部４２に嵌挿し、ボルト４３により上部部材２２ａと下部部材２２ｂが固定されることにより、共振器７が挟持されている。同様に、基部２０に支持された第１クランプ手段２１の上部部材２１ａと下部部材２１ｂが第１被支持部４１に嵌挿し、ボルト４３により上部部材２１ａと下部部材２１ｂが固定されることにより、共振器７が挟持されている。そして、基部２０は共振器保持部６に固定されており、上下駆動機構２５による加圧力をチップ２３および基板２４へ加える構成となっている。
【００２８】
また、共振器７は、ボルト４３を緩めることで、共振器７の中心軸を回転の中心として回転可能に構成されており、ボルトを緩めて共振器７の中心軸を中心に１８０度回転させることによって、被接合部４０を交換することができる。なお、共振器７を第１クランプ手段２１および第２クランプ手段２２に固定する方法は、ボルト４３に限られずどのようなものであってもよく、例えば、電気制御可能に構成された機械的なクランプ機構であってもよい。
【００２９】
また、共振器７は、図３に示すように、共振器７の最大振幅点である位置ｆ４から被接合物であるチップ２３を保持した状態における保持手段４０の端面までの距離Ｌ２が、第１最小振幅点である位置ｆ３から第１クランプ手段２１の基部２０側と反対側の先端までの距離Ｌ１よりも短くなるように構成されている。
【００３０】
保持手段４０は、例えば、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ等の材質により構成され、熱硬化型樹脂等によって共振器７に接着されている。また、共振器７から直接削り出して形成されてもよい。さらに、保持手段は超硬タングステンカーバイト、セラミックス、ダイヤモンド等、金属以外の材質により構成されてもよく、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ等の金属ろうによって共振器７に接着されるとしてもよい。また、保持手段４０には、被接合物であるチップ２３を保持するために、一例として真空吸着による保持機構（図示せず）が備えられている。なお、この保持機構は、静電吸着、機械式のチャック等により被接合物を維持する構成であってもよいし、これに限らず被接合物を保持手段４０に直接貼り付ける構成であってもよい。
【００３１】
ヘッド部２６をこのような構成とすることにより、第１クランプ手段２１および第２クランプ手段２２の間の距離にとらわれることなく、ステージ１０にはどのような大きさのステージでも配置することができる。また、第１最小振幅点である位置ｆ３および第２最小振幅点である位置ｆ１にそれぞれ形成された第１被保持手段４１および第２被保持手段４２に、第１クランプ手段２１および第２クランプ手段２２がそれぞれ嵌挿することで、共振器７が支持される構成であるため、共振器７の剛性を高く保つことができる。したがって、保持手段４０が共振器７の一端に配設されていても、剛性を高く保ちながらチップ２３および基板２４に大きな加圧力を加えることができる。
【００３２】
また、共振器７の最大振幅点である位置ｆ４から保持手段４０のチップ２３を保持した状態における端面までの距離Ｌ２が、第１最小振幅点である位置ｆ３から第１クランプ手段２１の基部２０側とは反対側の先端までの距離Ｌ１よりも短い構成であるため、保持手段４０で共振器７の振動方向とは異なる方向の振動を含む異常振動等を抑えることができ、共振器７の振動方向の振動をチップ２３や基板２４に効率よく伝達して接合を行うことができる。以下に、その接合動作の一例を示す。
【００３３】
（接合動作）
次に、チップ２３を基板２４に面実装するために、チップ２３の金属溶融バンプ２３ａと基板２４の金属溶融バンプ２４ａとを超音波振動により接合する一連の動作について説明する。
【００３４】
まず、被接合物であるチップ２３および基板２４の設置を行う。チップ２３はチップ供給装置１６によりチップトレイ１７から共振器７に供給され、吸着保持される。また、基板２４は、基板搬送装置１８により基板搬送コンベア１９からステージ１０に供給され、吸着保持される。そして、接合面を対向保持されたチップ２３と基板２４との間に上下マーク認識手段１４が認識手段移動テーブル１５により挿入され、対向保持されたチップ２３と基板２４各々の位置合わせ用アライメントマークの位置が上下マーク認識手段１４により検出される。この後、チップ２３の位置を基準として、ステージテーブル１２を平行・回転移動することで基板２４の位置を移動させてチップ２３および基板２４の位置の調整が行われる。
【００３５】
次に、前記チップ２３および基板２４の接合位置が整合された状態（金属溶融バンプ２３ａ、２４ａの位置が合わされた状態）で、上下マーク認識手段１４が認識手段移動テーブル１５により待避される。続いて、上下駆動機構２５により、ヘッド部２６の下降が開始され、チップ２３と基板２４とが接近される。そして、チップ２３の金属溶融バンプ２３ａと基板２４の金属溶融バンプ２４ａが接触すると、圧力センサ３２からの検出信号に基づき、チップ２３および基板２４とが共振器７およびステージ１０との間に挟持されたことが検出される。
【００３６】
そして、上下駆動機構２５に設置された上下駆動モータ１が、制御装置３１により制御され、所定の加圧力がチップ２３および基板２４に加えられ、超音波振動接合が開始される。接合中は、制御装置３１により、例えば、振動子８に印加される電流値および電圧値から求められる超音波振動エネルギー、共振器７の共振振幅および加圧力の監視と制御が行われる。
【００３７】
チップ２３および基板２４の接合面には、小さな凹凸や複数の接合部での高さの違いなどがあるため、接合面積は接合が進む過程で徐々に大きくなる。そうすると、チップ２３と基板２４の接合力は徐々に大きくなるため、チップ２３および基板２４の間の「滑り」の大きさは徐々に小さくなる。そして、チップ２３および基板２４の間の接合力が、チップ２３を保持している保持手段４０とチップ２３の間または基板２４とステージ１０の間の摩擦力よりも大きくなり、保持手段４０とチップ２３の間または基板２４とステージ１０の間に、保持手段４０とチップ２３の間または基板２４とステージ１０の間の最大静止摩擦力の大きさ以上の力が加わると、保持手段４０とチップ２３の間または基板２４とステージ１０の間の摩擦係数は静止摩擦係数から動摩擦係数に移行し、保持手段４０とチップ２３の間または基板２４とステージ１０の間で「滑り」が生じることとなる。したがって、振動子８から伝達される超音波振動はチップ２３および基板２４には十分伝達されず、接合が進まないこととなる。
【００３８】
そこで、接合開始から時間とともに保持手段４０とチップ２３の間または基板２４とステージ１０の間の摩擦力を大きくするために加圧力を増大すると、保持手段４０とチップ２３の間または基板２４とステージ１０の間の「滑り」が押さえられ、チップ２３に超音波振動が伝達され、チップ２３と基板２４の間の「滑り」が大きくなるため、チップ２３と基板２４の接合面に新生面が現れ、接合面積はより大きくなっていく。
【００３９】
しかし、上記したように接合面積が増大するにつれて、チップ２３と基板２４の間の「滑り」は小さくなる。そこで、加圧力を大きくするとともに、超音波振動エネルギーを増大し、チップ２３と基板２４の間の「滑り」の大きさが所定値に保持されるように制御が行われる。
【００４０】
具体的には、制御装置３１により、所定の加圧力ｐおよび超音波振動エネルギーｅを印加して接合動作を進め、振幅検出器３３により、チップ２３および基板２４の間の「滑り」を検出したときに、前記「滑り」が所定値以下になったときに、制御装置３１により加圧力および超音波振動エネルギーをそれぞれΔｐ、Δｅ増加させる制御が行われる。Δｐ、Δｅの値は、チップ２３および基板２４の種類等による最適値を、予め求めておけばよい。また、超音波振動エネルギーの制御は、例えば、振動子８に印加した電圧と電流の位相が一致し、かつ、共振器７の振動振幅およびチップ２３と基板２４の間の「滑り」の大きさが所定の値に保持されるように、振動子８の電圧を所定値に保持しながら電流を調整して行われるとしてもよい。
【００４１】
なお、一例として、振動子８の発信周波数は５０ｋHｚ、振動子８への印加電圧は０Ｖ〜１０Ｖの範囲内で設定を行っている。また、部材、面積などにより違いがあるが、一例としてチップ２３と基板２４の間の「滑り」の大きさは、０．１μｍ〜０．５μｍ程度の振幅である。
【００４２】
そして、接合面積が目的値に達したときに、接合を終了する。接合終了時は、予め目的とされる接合面積を接合するために必要な加圧力、超音波振動エネルギーおよび接合時間を求めておき、その目的値に達したときを接合終了時とする。
【００４３】
そして、チップ２３および基板２４の接合が終了すると、共振器７によるチップ２３の吸着が解除され、ヘッド部２６の復帰移動が行われる。この後、チップ２３が実装された状態で、ステージ１０上に保持された基板２４が基板搬送装置１８により基板搬送コンベア１９へ排出されて一連の接合動作が終了する。
【００４４】
このように、チップ２３や基板２４に加圧力を加えながら超音波振動を伝達することにより、金属溶融バンプ２３ａ、２４ｂの間の被接合面に一定の「滑り」を生じさせることができるため、金属溶融バンプ２３ａ、２４ｂの表面に付着した有機物や酸化膜等の付着物層を除去することができる。そのため、従来、これらの金属溶融バンプ２３ａ、２４ｂどうしの接合に必要であったフラックス（融剤）を使用しなくても、これらの金属溶融バンプ２３ａ、２４ｂどうしを接合することができる。
【００４５】
なお、上記した実施形態によれば、保持手段４０が最大振幅点ｆ４の位置である共振器７の一端に配設されるため、ステージ１０の大きさは、前記共振器７の第１クランプ手段２１と第２クランプ手段２２の間の距離に関係なく、ステージ１０はどのような大きさのものでも配置することができる。それにより、共振器７の大きさを小型化することができ、装置を小型化することも可能になる。
【００４６】
また、共振器７の第１最小振幅点である位置ｆ３および第２最小振幅点である位置ｆ１の位置の共振器７の外周面に、凹部を形成して第１被支持部４１および第２被支持部４２を形成し、第１クランプ手段２１および第２クランプ手段２２を、それぞれ前記第１被支持部４１および第２被支持部４２に嵌挿して共振器７を支持しているため、共振器７の剛性を高く保つことができる。その結果、保持手段４０が加圧中心でない共振器７の一端に配設されていても、大きな加圧力を加えながら、所望の超音波振動をチップ２３および基板２４に効率よく伝達することが可能である。
【００４７】
さらに、上記した実施形態によれば、共振器７の中心軸から離れるほど共振器７は膨張収縮されるため、超音波振動は共振器７の外側へと伝達されることとなるので、共振器７の一端における最大振幅点である位置ｆ４からチップ２３を保持した状態における保持手段４０の端面までの距離Ｌ２を、第１最小振幅点である位置ｆ１から第１クランプ手段２１の基部２０側と反対側の先端までの距離L１よりも短く形成し、前記共振器７の中心軸から保持手段４０の端面までの距離Ｌ２を小さくすることによって、保持手段４０では共振器７の振動方向と異なる方向の振動を含む異常振動等を抑えることができる。そのため、保持手段４０に共振器７の振動方向の振動を効率よく伝達することができるとともに、異常振動等により生じるチップ２３や基板２４の破壊やダメージを抑えることができる。
【００４８】
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。
【００４９】
例えば、共振器７の形状は、図２に示したように、保持手段４０が配設された位置ｆ４付近では、位置ｆ４に近づくに連れ円柱の側面が削られてテーパ状を成し、位置ｆ４から見た断面形状がほぼ長方形の板状となるように形成されていると説明したが、このような形状に限られるものではない。
【００５０】
一例として、位置ｆ４に近づくに連れ円柱の外周全面がテーパ状に削られ、位置ｆ４から見た断面形状が八角形となるように形成し、前記八角形の各辺と直交する各面に保持手段４０を接合するとしてもよい。このような形状にし、共振器７の中心軸から保持手段４０の端面までの距離をより小さくすることにより、異常振動等の発生をより抑制することができる。さらに、位置ｆ４での断面積が小さいほど振動は増幅され、チップ２３や基板２４に大きな振動振幅を効率よく伝達することができる。また、前記八角形の断面形状の各辺と直交する各面に、保持手段４０を接合することにより、保持手段４０をより頻繁に簡便に交換することができる。なお、前記位置ｆ４の断面形状は長方形や八角形に限らず、その他の多角形や円形としてもよい。
【００５１】
また、共振器７を構成する材料としては、本実施形態ではチタン合金（６Ａｌ−４Ｖ）により構成されるとしたが、鉄、チタン、ステンレス等その他の材料であってもよい。
【００５２】
さらに、共振器７の中心軸方向の大きさは、前記共振器７の共振周波数の一波長の長さに限られず、共振器７の両端が最大振幅点となるように構成するならば、どのような長さであってもよい。
【００５３】
また、本実施形態では、保持手段４０を共振器７に熱硬化型接着剤により直接接着して固着しているが、接着方法としては熱硬化型接着剤に限られず、例えば、セラミックスの接着面にＮｉめっき等を施した後に、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ等の金属ろうを接着剤としてろう付けしてもよい。また、固着方法としては、接着に限られず、保持手段４０をボルト等で強固に直接共振器７に取り付けてもよい。また、共振器７から削り出して形成し、共振器７と一体としてもよい。
【００５４】
また、本実施形態の制御方法では、接合終了時を、目的の接合面積を達成するために必要な電圧値、電流値、加圧力、時間等を予め求めておき設定するとしたが、振動子８の超音波振動エネルギーを監視し、超音波振動エネルギーが下降する時点を接合終了時としてもよい。
【００５５】
この場合には、被接合物の種類や表面状態等に関わらず、被接合物ごとの接合終了時を判断できるので、接合が終了した後もチップ２３や基板２４に加圧力や超音波振動エネルギーを加え続けることを防止することができ、チップ２３や基板２４の破壊などを防止することができる。
【００５６】
また、装置構成に関しては、チップ２３および基板２４間の「滑り」を求めるためには、複数の振幅検出器３３を設けて、チップ２３および基板２４の振幅を同時に測定して求めてもよく、１つの振幅検出器３３でチップ２３および基板２４の振幅を順番に測定した後、時間軸をずらして時間軸を重ねた状態で振幅差を計算することで、チップ２３および基板２４間の「滑り」を計測することもできる。また、チップ２３および基板２４が、共振器７およびステージ１０に確実に保持されていれば、チップ１０および基板２４のいずれか一方の振幅を検出するだけでよい。  
【００５７】
また、振幅検出器３３としては、うず電流式、静電容量式、光照射式または音波検出式等、周知のものであればどのようなものを用いても構わない。これらの手段を用いることにより、例えば、レーザードップラー測定器を使用する場合に比べ、低コスト化を達成することができる。
【００５８】
また、位置認識部２９には、上下マーク認識手段１４、振幅検出器３３の他に、被接合物として発光素子を接合する際に、当該発光素子を電気的に機能させて発光させることにより被接合物どうしの位置調整を行う際に利用する発光点認識手段を備えるとしてもよい。
【００５９】
さらに、支持手段の基部２０およびステージ１０に配設されたヒーター９および１１により、チップ２３および基板２４を加熱しながら超音波振動接合を行ってもよい。なお、ヒーター９および１１はコンスタントヒート方式やパルスヒート方式等どのような方式のものであってもよい。また、チップ２３を加熱するためのヒーター９は、基部２０でなくても、第１および第２クランプ手段２１、２２や、保持手段４０あるいは共振器７に配設するとしてもよい。
【００６０】
この場合には、超音波振動によるエネルギーと、加熱によるエネルギーとの２つのエネルギーが併用されるため、効率よく発生する接合エネルギーによってチップ２３と基板２４とを接合することができる。また、制御装置３１により、加圧力および超音波振動エネルギーとともに加熱の温度やタイミング等も制御することにより、より少ない加圧力や超音波振動エネルギーで、また、短時間でチップ２３と基板２４とを接合してデバイスを形成することができる。したがって、デバイス作成時にチップ２３と基板２４に過剰な加圧力や超音波振動エネルギーを印加することでチップ２３や基板２４に破損等が生じることを防止でき、精度のよいデバイスを提供することができる。
【００６１】
また、チップ２３および基板２４を保持するために、保持手段４０やステージ１０に設置される保持機構は、真空吸着による保持機構に限らず、静電チャックによる保持機構や機械式チャック機構、磁気吸着等、周知の保持機構を採用してもよい。
【００６２】
例えば、保持手段４０およびステージ１０に静電チャック手段を設けてチップ２３および基板２４を吸着する構成とすれば、真空中でチップ２３を保持することができるため、真空中でチップ２３と基板２４との接合を行うことができ、チップ２３および基板２４に有機物や酸化膜等の不純物が付着するのが防止されるので、チップ２３と基板２４とを良好に接合することができる。
【００６３】
また、本実施形態では、ステージ１０側が水平方向の位置調整機能、ヘッド部２６側が上下駆動機能を有するように構成したが、水平方向の位置調整機能、上下駆動機能はステージ１０側、ヘッド部２６側にどのように組み合わせてもよく、また、重複するように構成してもよい。
【００６４】
さらに、本実施形態では、ヘッド部２６およびステージ１０を上下方向（図１に示す矢印Ｚ方向）に配置し、被接合物であるチップ２３と基板２４を前記上下方向で重ね合わせて接合する構成であるが、配置方向としてはこれに限定されず、前記上下方向にほぼ直交する左右方向で重ね合わせて接合する構成でもよい。また、３つ以上の被接合物を重合して接合してもよい。
【００６５】
また、本実施形態では、加圧手段として上下駆動モーター１のトルク制御による方式を示したが、エアシリンダによる流体圧力を利用した加圧手段でもよい。
【００６６】
また、被接合物は半導体以外の材料（樹脂製の基板、フィルム基板またはこれらの基板をダイシングしたチップ等）でもよい。また、被接合物は、超音波振動を伝達することで接合できるものであればどのようなものであってもよい。例えば、Ｓｉのような金属、ＳｉＯ２、ガラス、イオン酸リチウム、酸化物単結晶（ＬＴ）、セラミック系を含む酸化物等により形成されるウエハーやチップ等に、金属溶融バンプあるいは配線パターンを形成したものどうしを接合することができる。
【００６７】
また金属溶融バンプ２３ａ、２４ａを形成する材料は、鉛錫はんだに限らず、超音波振動を印加することで接合できるものであればその他の金属や金属以外のものでもよい。
【００６８】
また、被接合物の形態は、基板、ウエハー、基板およびウエハーをダイシングしたチップ等、どのようなものであってもよい。また、金属溶融バンプ２３ａ、２４ａの形態は、個々に独立した複数のバンプ形状であってもよいし、被接合物間のある領域を、当該被接合物どうしで封止可能に輪郭状につながった形状であってもよい。また、金属溶融バンプ２３ａ、２４ａどうしの接合ではなく、被接合物の一方面の全面どうしを接合してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】この発明にかかる超音波振動接合装置の一実施形態の概略構成図である。
【図２】図１に示す超音波振動接合装置が備える共振器の図であって、（ａ）は保持手段が配設された一端側から見た側面図、（ｂ）は下面図、（ｃ）は正面図である。
【図３】図２に示す共振器を支持手段により支持した状態の正面図である。
【図４】図３に示す共振器のＡ−Ａ線矢視断面図である。
【符号の説明】
【００７０】
７……共振器
８……振動子
１０……ステージ
２０……基部（支持手段）
２１……第１クランプ手段（支持手段）
２２……第２クランプ手段（支持手段）
２３……チップ（被接合物）
２４……基板（被接合物）
３１……制御装置
４０……保持手段
４１……第１被支持部
４２……第２被支持部
ｆ０、ｆ２、ｆ４……最大振幅点
ｆ１……第１最小振幅点
ｆ３……第２最小振幅点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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