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技術 超音波振動接合方法およびこの方法により形成されるデバイス並びに超音波振動接合装置

出願人 株式会社アドウェルズ
発明者 中居誠也
出願日 2007年7月24日 (12年2ヶ月経過) 出願番号 2007-191838
公開日 2009年2月12日 (10年7ヶ月経過) 公開番号 2009-028728
状態 未査定
技術分野 圧接、拡散接合 ボンディング 圧接、拡散接合
主要キーワード 一次接合 加重圧力 金属パット 架台フレーム オープンループ方式 最適電流値 接触タイミング 戻り電流
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重要な関連分野

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図面 (4)

課題

複数の重ね合わされた被接合物超音波振動振動エネルギーにより接合される超音波振動接合装置において、被接合物を破損することなく安定して確実に接合できる超音波振動接合方法および超音波振動接合装置を提供する。

解決手段

超音波振動エネルギー制御部31aにより、超音波振動エネルギーを検出し、接合開始から超音波振動エネルギーが急減するまでは、加圧制御部31cにより被接合物に加える加圧力を増大し、かつ共振振幅制御部31bにより、共振器7の振幅を予め設定された設定値に一定に保持するように、超音波振動エネルギー制御部31aによって振動子8に印加する電圧および電流の制御を行う。そして、超音波振動エネルギーの急減後は、共振器7の振幅を減衰させる制御を行い、被接合物へのダメージを防止する。

概要

背景

従来、複数の被接合物接合する方法として、当該被接合物同士を所定の加圧力加圧しながら、同時に所定の超音波振動エネルギーを所定時間加えることで、短時間で被接合物同士を接合する超音波振動接合と呼ばれる方法がある。

この方法は、被接合物に超音波振動印加し、被接合物表面に「滑り」を発生させ摩擦することにより、被接合物表面の酸化膜不純物を除去し、新生面露出させて被接合物同士の接合を行う方法である。

このような方法としては、従来、被接合物を加圧する加圧力を増大させる制御を行うことにより、被接合物間に接合に必要な十分な「滑り」を発生させて、両被接合物を接合する方法が提案されている。

この場合、超音波振動は、共振器に保持された第一の被接合物、ステージに保持された第二の被接合物およびステージへと順次伝達されることとなる。ところが、このように加圧力を増大させる場合、前記加圧力が最初から大きいときは、共振器からステージに至る各伝達界面での摩擦力が大きいため、第一および第二の被接合物間の接合部で「滑り」が生じず、接合部表面に新生面が現れないため、両被接合物を接合できないおそれがある。また、加圧力が小さいときには、共振器と第一の被接合物間の摩擦力が小さいため、共振器と第一の被接合物間で「滑り」が生じてしまい、超音波振動が第一および第二の被接合物に伝達されず、被接合物間では「滑り」が生じないこととなる。

一方、接合過程で第一および第二の被接合物の接合部間接合面積が増加すると、被接合物間の結合力が増加し、被接合物間の結合力が共振器と第一の接合物間の摩擦力よりも大きくなるため、接合途中の工程において加圧力を所定時間一定に保ったままにすると、その間において共振器と第一の被接合物との間で「滑り」が発生するため、上手く接合することができないおそれもある。また、特に第二の被接合物の基材が柔らかい場合には、超音波振動を吸収し、同様に第一および第二の被接合物間に「滑り」が生じないため、第一および第二の被接合物の接合ができなくなることも考えられる。

したがって、第一および第二の被接合物間に接合に必要な「滑り」を生じさせるためには、両被接合物の接合状態に応じて設定加圧力の値を変更する制御を行う必要がある。

このように、設定加圧力の値を変更制御して超音波振動接合を行う具体例として、特許文献1がある。この特許文献1の超音波振動接合装置における加圧力の具体的な制御方法は、操作者操作盤を操作して、接合開始加重設定値、平行圧力設定値、第1加重圧力設定値、第2加重圧力設定値、振動子一次接合時間、接合される部分の大きさや材料などの物性に応じた第1加重圧力設定値から第2加重圧力設定値に達するまで圧力変化の傾きなどを予め入力して設定するというものである。そして、入力設定された値に従った制御による加重下で、超音波振動接合が行われるようになっている。

特許第3447982号(段落0009,0017〜0025,図2)

概要

複数の重ね合わされた被接合物が超音波振動振動エネルギーにより接合される超音波振動接合装置において、被接合物を破損することなく安定して確実に接合できる超音波振動接合方法および超音波振動接合装置を提供する。超音波振動エネルギー制御部31aにより、超音波振動エネルギーを検出し、接合開始から超音波振動エネルギーが急減するまでは、加圧制御部31cにより被接合物に加える加圧力を増大し、かつ共振振幅制御部31bにより、共振器7の振幅を予め設定された設定値に一定に保持するように、超音波振動エネルギー制御部31aによって振動子8に印加する電圧および電流の制御を行う。そして、超音波振動エネルギーの急減後は、共振器7の振幅を減衰させる制御を行い、被接合物へのダメージを防止する。

目的

そこで、本発明は、被接合物を破損することなく安定して確実に接合できる超音波振動接合方法および超音波振動接合装置を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

重ね合わされた複数の被接合物加圧手段により加圧保持しながら、振動子からの超音波振動エネルギー印加により超音波振動する共振器から、前記重ね合わされた複数の被接合物に超音波振動を伝達して前記被接合物同士を接合する超音波振動接合方法において、エネルギー量検出手段により前記共振器への前記超音波振動エネルギーを検出するとともに、共振器振幅検出手段により前記共振器の振幅を検出し、接合開始から、前記重ね合わされた複数の被接合物への前記加圧手段による加圧力単調増大させる一方、接合開始から、前記エネルギー量検出手段による前記超音波エネルギー急減するまでの間、前記共振器振幅検出手段による前記共振器の振幅を予め設定された設定値に保持し、前記エネルギー量検出手段による前記超音波エネルギーの急減後に前記共振器の振幅を減衰させることを特徴とする超音波振動接合方法。

請求項2

前記共振器の振幅の前記設定値は、前記被接合物の種類ごとに予め求めておいたものであることを特徴とする請求項1に記載の超音波振動接合方法。

請求項3

請求項1または2に記載の超音波振動接合方法により形成されるデバイスであって、前記被接合物が基板ウエハー、基板もしくはウエハーを分割したチップまたは半導体もしくはMEMSデバイスからなることを特徴とするデバイス。

請求項4

重ね合わされた複数の被接合物を加圧手段により加圧保持しながら、振動子からの超音波振動エネルギーの印加により超音波振動する共振器から、前記重ね合わされた複数の被接合物に超音波振動を伝達して前記被接合物同士を接合する超音波振動接合装置において、前記加圧手段および前記振動子を制御する駆動制御手段と、前記振動子の前記超音波振動エネルギーを検出するエネルギー量検出手段と、前記共振器の振幅を検出する共振器振幅検出手段とを備え、前記駆動制御手段は、前記複数の重ね合わされた被接合物への加圧力が単調増大するように前記加圧手段を制御する加圧制御部と、前記エネルギー量検出手段による前記超音波エネルギーが急減するまでの間、前記共振器振幅検出手段による前記共振器の振幅を予め設定された設定値に保持し、前記エネルギー量検出手段による前記超音波エネルギーの急減後に前記共振器の振幅を減衰させるように前記振動子を制御する振動子制御部とを有することを特徴とする超音波振動接合装置。

技術分野

0001

本発明は、重ね合わされた複数の被接合物超音波振動接合する超音波振動接合方法および超音波振動接合装置に関する。

背景技術

0002

従来、複数の被接合物を接合する方法として、当該被接合物同士を所定の加圧力加圧しながら、同時に所定の超音波振動エネルギーを所定時間加えることで、短時間で被接合物同士を接合する超音波振動接合と呼ばれる方法がある。

0003

この方法は、被接合物に超音波振動を印加し、被接合物表面に「滑り」を発生させ摩擦することにより、被接合物表面の酸化膜不純物を除去し、新生面露出させて被接合物同士の接合を行う方法である。

0004

このような方法としては、従来、被接合物を加圧する加圧力を増大させる制御を行うことにより、被接合物間に接合に必要な十分な「滑り」を発生させて、両被接合物を接合する方法が提案されている。

0005

この場合、超音波振動は、共振器に保持された第一の被接合物、ステージに保持された第二の被接合物およびステージへと順次伝達されることとなる。ところが、このように加圧力を増大させる場合、前記加圧力が最初から大きいときは、共振器からステージに至る各伝達界面での摩擦力が大きいため、第一および第二の被接合物間の接合部で「滑り」が生じず、接合部表面に新生面が現れないため、両被接合物を接合できないおそれがある。また、加圧力が小さいときには、共振器と第一の被接合物間の摩擦力が小さいため、共振器と第一の被接合物間で「滑り」が生じてしまい、超音波振動が第一および第二の被接合物に伝達されず、被接合物間では「滑り」が生じないこととなる。

0006

一方、接合過程で第一および第二の被接合物の接合部間接合面積が増加すると、被接合物間の結合力が増加し、被接合物間の結合力が共振器と第一の接合物間の摩擦力よりも大きくなるため、接合途中の工程において加圧力を所定時間一定に保ったままにすると、その間において共振器と第一の被接合物との間で「滑り」が発生するため、上手く接合することができないおそれもある。また、特に第二の被接合物の基材が柔らかい場合には、超音波振動を吸収し、同様に第一および第二の被接合物間に「滑り」が生じないため、第一および第二の被接合物の接合ができなくなることも考えられる。

0007

したがって、第一および第二の被接合物間に接合に必要な「滑り」を生じさせるためには、両被接合物の接合状態に応じて設定加圧力の値を変更する制御を行う必要がある。

0008

このように、設定加圧力の値を変更制御して超音波振動接合を行う具体例として、特許文献1がある。この特許文献1の超音波振動接合装置における加圧力の具体的な制御方法は、操作者操作盤を操作して、接合開始加重設定値、平行圧力設定値、第1加重圧力設定値、第2加重圧力設定値、振動子一次接合時間、接合される部分の大きさや材料などの物性に応じた第1加重圧力設定値から第2加重圧力設定値に達するまで圧力変化の傾きなどを予め入力して設定するというものである。そして、入力設定された値に従った制御による加重下で、超音波振動接合が行われるようになっている。

0009

特許第3447982号(段落0009,0017〜0025,図2

発明が解決しようとする課題

0010

前記特許文献1の装置では、接合開始から終了までの所定の時間ごとの適切な加圧力を、作業者が入力して設定するオープンループ方式の制御を行っている。この方式は、設定値による被接合物同士の接合過程における接合状態が装置にフィードバックされるフィードバック制御ではないため、一度設定値が設定入力された後は、量産で流れる被接合物の状態や吸着保持される状況において、表面の汚れ異物の噛み込み、共振器やステージの摩耗などの不安定要素の影響を吸収することができず、結果として不良率が高く歩留まりの低下を招くという問題がある。

0011

また、前記オープンループ制御の場合では、両被接合物の接合終了時を、接合開始からの所定の経過時間で判断するため、上記のような被接合物ごとの不安定要素などにより、実際の被接合物の接合終了時が設定した終了時とずれてしまう可能性もある。この場合、設定した接合終了時より実際の接合終了時のほうが遅いと、被接合物の接合が不完全であることとなり、設定した接合終了時より実際の接合終了時のほうが早いと、被接合物に余分な超音波振動エネルギーが加えられることとなり、被接合物の破壊ダメージにつながることになる。

0012

したがって、被接合物表面の新生面が増大するごとに、接合面積が増大し、接合面積が大きくなれば被接合物同士の接合力も増大することとなる。そして、被接合物同士の接合力が増大すると、被接合物間の「滑り」の大きさは減衰することになる。そこで、被接合物間に所定の大きさの「滑り」を発生させるためには、共振器の振動振幅を一定に保つために、印加する超音波振動エネルギーを増大することが必要となる。

0013

しかし、両被接合物の接合部間での接合が十分進んでいるにも関わらず、被接合物間に所定の「滑り」を生じさせるために超音波振動エネルギーを加え続けると、両被接合物の接合部分や両被接合物に余分な超音波振動エネルギーが加えられることになり、両被接合物の接合部分や被接合物に破壊やダメージが発生することとなる。特にダメージは強度が弱い部分に集中して発生し、例えば接合部が半導体(Si)のバンプ(電極)であれば、Siとバンプの境になるアンダーバリアメタル付近ひびクラック)が入るなどのダメージが生じるおそれがある。

0014

さらに、前記特許文献1の装置では、被接合物間に「滑り」を生じさせるために、加圧力の制御を行っているが、加圧力のみの制御では、被接合物間に安定した十分な「滑り」を生じさせることは難しく、被接合物ごとの不安定要素などによって、被接合物間に接合に最適な「滑り」が生じないことも考えられる。したがって、被接合物間に安定した「滑り」を生じさせるには、両被接合物の接合状態に応じて加圧力を制御するとともに、被接合物の振動振幅を所定の設定値に保持するように、被接合物に与える超音波振動エネルギーを制御することが必要である。

0015

そこで、本発明は、被接合物を破損することなく安定して確実に接合できる超音波振動接合方法および超音波振動接合装置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

0016

上記課題を解決するために、本発明にかかる超音波振動接合方法は、重ね合わされた複数の被接合物を加圧手段により加圧しながら、振動子からの超音波振動エネルギーの印加により超音波振動する共振器から、前記重ね合わされた複数の被接合物に超音波振動を伝達して前記被接合物同士を接合する超音波振動接合方法において、エネルギー量検出手段により前記共振器への前記超音波振動エネルギーを検出するとともに、共振器振幅検出手段により前記共振器の振幅を検出し、接合開始から、前記重ね合わされた複数の被接合物への前記加圧手段による加圧力を単調増大させる一方、接合開始から、前記エネルギー量検出手段による前記超音波エネルギー急減するまでの間、前記共振器振幅検出手段による前記共振器の振幅を予め設定された設定値に保持し、前記エネルギー量検出手段による前記超音波エネルギーの急減後に前記共振器の振幅を減衰させることを特徴としている(請求項1)。

0017

また、本発明にかかる超音波振動接合方法は、前記共振器の振幅の前記設定値が、前記被接合物の種類ごとに予め求めておいたものであることを特徴としている(請求項2)。

0018

また、請求項1または2に記載の超音波接合方法により形成されるデバイスは、前記接合物が、基板ウエハー、基板もしくはウエハーを分割したチップまたは半導体もしくはMEMSデバイスからなることを特徴としている(請求項3)。

0019

また、本発明にかかる超音波振動接合装置は、重ね合わされた複数の被接合物を加圧手段により加圧しながら、振動子からの超音波振動エネルギーの印加により超音波振動する共振器から、前記重ね合わされた複数の被接合物に超音波振動を伝達して前記被接合物同士を接合する超音波振動接合装置において、前記加圧手段および前記振動子を制御する駆動制御手段と、前記振動子の前記超音波振動エネルギーを検出するエネルギー量検出手段と、前記共振器の振幅を検出する共振器振幅検出手段とを備え、前記駆動制御手段は、前記複数の重ね合わされた被接合物への加圧力が単調増大するように前記加圧手段を制御する加圧制御部と、前記エネルギー量検出手段による前記超音波エネルギーが急減するまでの間、前記共振器振幅検出手段による前記共振器の振幅を予め設定された設定値に保持し、前記エネルギー量検出手段による前記超音波エネルギーの急減後に前記共振器の振幅を減衰させるように前記振動子を制御する振動子制御部とを有することを特徴としている(請求項4)。

発明の効果

0020

請求項1,4の発明によれば、超音波振動エネルギーを検出することにより、接合終了時を判断することができる。つまり、被接合物の接合が終了すると、被接合物間の接合面での接合力が大きくなるため、共振器および第一の被接合物間(または第二の被接合物およびステージ間)には、超音波振動により共振器および第一の被接合物間(または第二の被接合物およびステージ間)の最大静止摩擦力以上の大きさの力が加わり、共振器および第一の被接合物間(または第二の被接合物およびステージ間)の摩擦係数は、静止摩擦係数から動摩擦係数移行することになる。その結果、共振器および第一の被接合物間(または第二の被接合物およびステージ間)では、「滑り」が生じることになる。そこで、超音波振動エネルギーの監視を行うと、共振器および第一の被接合物間(または第二の被接合物およびステージ間)の「滑り」が生じ始めたとき、共振器にかかる負荷が小さくなるため、超音波振動エネルギーが急減する。よって、超音波振動エネルギーの急減時を検出することで、接合終了時と判断することができる。

0021

また、接合開始から加圧力を増大させるとともに、接合開始から接合終了の合図である超音波振動エネルギーが急減時までは、共振器の振動振幅を所定の設定値に保持するので、両被接合物の接合部間に接合に十分な大きさの安定した「滑り」を生じることができる。したがって、前記接合部間に新生面が現れ、両被接合物を確実に接合させることができる。

0022

さらに、超音波振動エネルギーの急減後は、被接合物の接合が終了しているため、共振器の振幅を減衰させることにより、接合部や基材に余分な超音波振動エネルギーが加えられることを防止でき、被接合物などの破壊を未然に回避することができる。

0023

請求項2の発明によれば、被接合物の種類ごとに共振器の振幅を設定することができるため、被接合物の種類ごとに良好な接合をすることができる。

0024

請求項3の発明によれば、請求項1または2の発明と同様の効果を奏する新規なデバイスを提供することができる。

発明を実施するための最良の形態

0025

本発明の一実施形態について、図1ないし図3を参照して説明する。なお、図1は本発明の一実施形態における超音波振動接合装置の概略構成図、図2および図3は被接合物の接合開始から終了までの、超音波振動エネルギー、共振器の振動振幅、被接合物間の「滑り」の大きさおよび加圧力の状態遷移図であり、図2は超音波振動エネルギー下降後も共振器の振動振幅を所定の値に保持する場合、図3は超音波振動エネルギー下降後、共振器の振動振幅を減少させる場合である。なお、本実施形態では、第1の被接合物であるチップ20と第2の被接合物である基板22を接合するための装置を例として挙げる。

0026

装置構成
本実施形態における超音波振動接合装置は、図1に示すように、上下駆動機構25とヘッド部26および第2の接合物である基板22を吸着保持するステージ10を合わせた接合機構27と、ステージテーブル12および位置認識部29を合わせたアライメント部28、架台35、架台35に立設された支柱13、支柱13に沿って上下動する架台フレーム34、搬送部30、制御装置31により構成される。

0027

接合機構27の上下駆動機構25およびヘッド部26は、本発明の「加圧手段」として機能している。上下駆動機構25は、上下駆動モータ1の回転をボルトナット機構2を介して、上下ガイド3によりガイドされるヘッド部26に上下方向への運動に変換して伝達し、ヘッド部26を上下動させるようになっている。上下駆動モータ1は、例えばサーボモータトルク制御によるものを使用するのが好ましい。

0028

またヘッド部26では、振動子8に電圧および電流を印加して振動させるときに、被接合物に効率よく超音波振動エネルギーを与えるために、振動子8が共振器7に接合されている。また、共振器7は第1の接合物であるチップ20を保持するための吸着機構(図示せず)を備え、この吸着機構によりチップ20を保持するようになっている。そして、共振器7は、共振器7の振動を阻害しないかたちで共振器7を保持することが可能な共振器保持部6に設置され、ヘッド逃がしガイド5により上下方向にガイドされている。また、共振器7は、自重キャンセルして、加圧力検出手段32に押しあてるためのヘッド自重カウンター4に牽引された状態で、加圧力を検出する加圧力検出手段32および上下駆動機構25に設置されている。

0029

また、ヘッド部26は、ヘッド高さ検出手段24を備え、ヘッド高さを検出することができるようになっている。なお、このヘッド高さ検出手段24には、接触式非接触式のいずれのセンサを用いてもよい。さらに、上下駆動機構25は、架台フレーム34に連結されている。

0030

次に、アライメント部28について説明する。アライメント部28のステージテーブル12は、基板22の金属パッド22aがチップ20の所定の金属突起20aに対応するように、基板22の位置を調整するための平行移動回転移動移動軸により構成される。また、ステージ10には、基板22を保持するための吸着機構(図示せず)が備えられている。ここで、共振器7およびステージ10の吸着機構として、真空吸着あるいは静電吸着を利用したものを用いるとよい。

0031

また、位置認識部29は、前記チップ20と前記基板22各々の位置認識用マークを認識する上下マーク認識手段14を備え、上下マーク認識手段14を水平および/または上下に移動させる認識手段移動テーブル15を備えている。また、共振器振幅検出手段33が上下マーク認識手段14の先端に設けられており、認識手段移動テーブル15により任意の位置へ移動して、共振器7の振動振幅の測定が可能である。なお、この共振器振幅検出手段33には、例えばレーザードップラー測定器を使用することができ、上下マーク認識手段14の先端に設置できない場合は、上下マーク認識手段14とは別に設置してもよい。

0032

そして、搬送部30は、前記チップ20を搬送するチップ供給装置16、チップトレイ17を備えるとともに、前記基板22を搬送する基板搬送装置18、基板搬送コンベア19を備えている。

0033

また、制御部31は、装置全般の制御を司り、操作部を備えるとともに、超音波振動エネルギー制御部31a、共振振幅制御部31b、加圧制御部31cおよび記録部31dを備えている。

0034

超音波振動エネルギー制御部31aは、本発明の「超音波振動エネルギー検出手段」、振動子8の制御を行う「駆動制御手段」および「振動子制御部」として機能している。超音波振動エネルギーは、振動子8への印加電圧とその印加電圧に対する電流の積により検出できるため、超音波振動エネルギーの制御は、超音波振動エネルギー制御部31aによって、振動子8への印加電圧を変化させて行ってもよいし、印加電流を変化させてもよく、印加電圧および電流の両方を制御してもよい。

0035

共振振幅制御部31bは、共振器振幅検出手段33により検出した共振器7の振動振幅または被接合物間の「滑り」の大きさなどを、所定の値に保持するように制御を行う。

0036

加圧制御部31cは、加圧力検出手段32からの信号により上下駆動モータ1のトルクを制御し、接合に関する加圧力を制御する。また、記録部31dは、被接合物の種類ごとに予め求めておいた共振器7の振幅の設定値を記録している。

0037

なお、前記チップ20の接合面には複数の金属突起20aが形成され、前記基板22の接合面の金属突起20aに対応する位置には、複数のハンダなどの金属パッド22aが形成されている。

0038

接合動作
次に、チップ20を基板22に面実装するために、チップ20の金属突起20aと基板22の金属パッド22aとを超音波振動により接合する一連の動作について以下に説明する。

0039

まず、被接合物の設置を行う。すなわち、チップ20を搬送部30のチップ供給装置16によりチップトレイ17から共振器7に供給し、共振器7に真空吸着などにより吸着保持する。また、基板22を基板搬送装置18により基板搬送コンベア19からステージ10に供給し、ステージ10に真空吸着などにより吸着保持する。そして、接合面を対向保持されたチップ20と基板22の間に、上下マーク認識手段14を認識手段移動テーブル15により挿入し、対向するチップ20と基板22各々の位置合わせマークを上下マーク認識手段14により認識する。チップ20と基板22の位置合わせマークがずれている場合には、チップ20を基準として基板22の位置をステージテーブル12により平行移動方向および/または回転移動方向へ移動させ、位置調整を行う。

0040

次に、チップ20および基板22の接合位置整合された状態で、ヘッド部26を上下駆動機構25により下降させ、チップ20の所定の金属突起20aと、これに対応する基板22の所定の金属パット22aとを接触させ、所定の加圧力となるように調整を行う。ここで、ヘッド部26の高さ方向の位置は、ヘッド高さ検出手段24により検出する。また、チップ20と基板22の接触タイミングは加圧力検出手段32により検出する。

0041

そして、前記上下駆動モータ1により所定の加圧力がチップ20および基板22に加えられた状態で、超音波振動接合を開始する。接合中は、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を監視し、制御装置31により、前記超音波振動エネルギー、前記共振器7の共振振幅および前記加圧力の制御を行う。その制御の方法について、図2および図3を用いて説明する。

0042

図2および図3において、Aは加圧力、Bは共振器7の振動振幅、Cは被接合物であるチップ20と基板22の間の「滑り」の大きさ、Dは超音波振動エネルギーを示している。なお、図2および図3横軸は時間(秒)であり、縦軸において、Aの加圧力の単位は(N)、Bの共振器7の振動振幅およびCの被接合物間の「滑り」の大きさの単位は(μm)、Dの超音波振動エネルギーの単位は(W)である。また、図2および図3中の時間t=0が、接合開始時点を示す。

0043

チップ20および基板22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20と基板22の接合力は徐々に大きくなるため、共振器振幅検出手段33によりチップ20および基板22の間の「滑り」の大きさを検出すると、チップ20および基板22の間の「滑り」は徐々に小さくなる。そして、チップ20および基板22の間の接合力が共振器7とチップ20の間(または基板22とステージ10の間)の摩擦力よりも大きくなり、共振器7とチップ20の間(または基板22とステージ10の間)に、共振器7とチップ20の間(または基板22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、共振器7とチップ20の間(または基板22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、共振器7とチップ20の間(または基板22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、超音波振動エネルギーはチップ20および基板22に十分伝達されず、接合が進まないこととなる。

0044

そこで、図2および図3中のAのように、加圧力を増大すると、接合開始から時間とともに共振器7とチップ20の間(または基板22とステージ10の間)の摩擦力増加に伴い、共振器7とチップ20の間(または基板22とステージ10の間)の「滑り」が押さえられ、チップ20に超音波振動エネルギーが伝達され、チップ20と基板22の間の「滑り」が大きくなるため、チップ20と基板22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。

0045

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20と基板22の間の「滑り」は小さくなる。よって、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、図2および図3中のCのように、チップ20と基板22の間の「滑り」の大きさを所定値に保持するために、超音波振動エネルギー制御部31aおよび共振振幅制御部31bにより、図2および図3中のBのように、共振器7の振動振幅が予め設定された設定値に一定保持されるように制御を行う。

0046

具体的には、図2および図3中のAのように加圧力を増大させるとともに、振動子8に所定の電圧を印加し、前記電圧の位相と前記電圧を印加したときに振動子8に流れる電流の位相を検出して、振動子8に印加した電圧と電流の位相が一致し、かつ、図2および図3中のBおよびCに示すように、共振器7の振動振幅およびチップ20と基板22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の電流を制御する。なお、一例として、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20と基板22の間の「滑り」の大きさは、0.1μm〜0.5μm程度の振幅である。

0047

また、共振器7の振動振幅の設定値は、被接合物の種類により共振器7の振動振幅が予め計測され記録部31dにすでに記録されている場合には、記録部31dより読み出し、超音波振動エネルギー制御部31aおよび共振振幅制御部31bに設定することができる。さらに、上記したように、印加電圧を一定にし電流を変化させることにより制御する場合には、印加電圧値に対する電流の最適条件を予め計測し、記録部31dに記録しておくと、共振振幅制御部31bにより共振器7の振動振幅の制御を行わなくても、記録部31dから印加電圧値およびそれに対応する最適電流値を読み出し、設定することができる。

0048

また、上記のように振動子8へ電圧を印加して共振器7の振動振幅が予め設定された設定値に保持されるように制御を行っているとき、同時に超音波振動エネルギー制御部31aにより、例えば振動子8に流れる電流値を計測して超音波振動エネルギーを検出すると、超音波振動エネルギーは図2および図3中のDに示すように、徐々に増大することとなる。

0049

そして、前記超音波振動エネルギーの監視を続けると、チップ20と基板22の接合終了時を検出することができる。チップ20と基板22の接合が終了すると、前述したようにチップ20および基板22の間の「滑り」は生じなくなるため、共振器7と被接合物であるチップ20の間(または基板22とステージ10の間)で「滑り」が生じ、共振器7にかかる負荷が軽減することとなり、超音波振動エネルギーは図2中のDに示すように急減する。そこで、前記超音波振動エネルギーが急減したときを接合終了時と判断することができる。

0050

超音波振動エネルギーの急減後も、図2のように共振器7の振動振幅を一定に保持する制御を続けると、チップ20や基板22に余計な力を加えることになり、チップ20や基板22の破壊やダメージを引き起こすことになる。そこで、超音波振動エネルギーの急減後はチップ20および基板22へのダメージや破壊を防止するために、超音波振動エネルギー制御部31a、共振振幅制御部31bおよび加圧制御部31cにより、図3に示すように共振器7の振動振幅を減少させる制御を行う。また、共振器7の振動振幅を減少させるとともに、加圧力を減少させる制御を行ってもよい。

0051

そして、超音波振動接合が終了し、共振器7の振動振幅および加圧力が所定の値まで減少した後、チップ20の吸着解除すると、チップ20は基板22側に実装された状態でステージ上に残る。これを再び基板搬送装置18により基板搬送コンベア19へ排出して一連動作は終了する。

0052

したがって、上記した実施形態によれば、超音波振動エネルギー急減前に、加圧力を増大するとともに共振器7の振動振幅を一定値に保持する制御を行うことにより、チップ20と基板22の接合部間に「滑り」が生じるため、前記接合部間に新生面が現れ、両被接合物を接合させることができる。

0053

また、超音波振動エネルギーの急減後に共振器7の振動振幅を減衰させるため、接合が終了したチップ20および基板22に余分な超音波振動エネルギーが加えられることを防ぎ、被接合物の破壊やダメージを避けることができる。

0054

さらに、制御部31に記録部31dを備えているため、被接合物の種類ごとの共振器7の最適な振動振幅の設定値、振動子8に印加する電圧値および前記電圧値に対応する最適電流値などが予め計測されて記録されている場合には、記録部31dから設定値を読み出して設定することにより、同じ種類の被接合物の接合を繰り返し行う場合には、過去の計測値の記録を利用することにより簡便に良好な接合を行うことができる。

0055

また、上記した実施形態によると、半導体デバイスやMEMSデバイスなど、微細なバンプで構成される電極を高精度に接合する必要のあるデバイスに対しても、効果的な接合を行うことができ、精度のよいデバイスを提供することができる。

0056

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。

0057

例えば、チップ20および基板22の間の「滑り」を求めるために、共振器振幅検出手段33を複数設けてチップ20および基板22の各振動振幅を同時に測定してもよいし、1つの共振器振幅検出手段33でチップ20および基板22の振動振幅を順番に測定した後、同じ時間軸上での振幅差を計算することもできる。また、例えばチップ20と基板22が薄く、片側から複数の共振器振幅検出手段33を設けることが難しい場合は、両側から個別に設置することもできる。

0058

また、共振器振幅検出手段33には、上記したレーザードップラー測定器に限らず、うず電流式、静電容量式光照射式または音波式の検出手段を使用してもよい。また、上下マーク認識手段14にもこれらの方式を使用してもよい。これらの方式の検出手段は、レーザードップラー測定器に比較すると、分解能および速度の点で精度は劣るが、本発明の振幅検出手段では振幅が目的値になっているかどうかが分かる程度の精度があれば、どのような方式でもよい。また、これらの方式は、レーザードップラー測定器より2桁安価で済み、小型な検出手段であるため複雑な入り組んだ場所でも測定が可能である。

0059

さらに、チップ20および基板22の間の「滑り」の大きさは、本実施形態のように共振器振幅検出手段33によって実際の接合界面の「滑り」の計測を行わなくても、不安定要素がなければ次のような手順で推定することができる。例えば、第2の被接合物がステージに安定吸着保持されているとすると、第2の被接合物の振幅を測定しなくとも、測定する振動物として第1の被接合物の振幅を測定することにより達成できる。また、第1の被接合物と共振器7間の摩擦が安定し、振動伝達が安定しているとすると、測定する振動物として共振器7の振幅を測定することにより達成できる。さらに、振動子の振幅は振動子のピエゾ素子にかかる出力電流に対する戻り電流値から推測することができるので、前記接合面積の増大を振動子の出力電流に対する戻り電流値により読み取ることにより達成できる。また、振動子の振幅は、振動子のピエゾ素子にかかる電圧値および/または電流値から推測することもでき、振動子への電流値および電圧値の制御は、振幅値の結果を用いてフィードバック制御により行ってもよい。

0060

また、前記実施形態では、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。

0061

また、前記実施形態ではアライメント部28側のステージテーブル12に水平方向の位置調節のための平行移動および回転移動の移動軸を、ヘッド部26側に鉛直方向の位置調整のための昇降軸を配置しているが、平行移動、回転移動の移動軸および昇降軸は、ヘッド部26側、アライメント部28側にどのように組み合わせられてもよく、また、重複してもよい。また、ヘッド部26およびステージテーブル12を上下に配置しなくとも左右配置や斜めなど、配置方向を適宜変更してもよい。

0062

また、チップ20および基板22の保持手段は、静電吸着、真空吸着などの吸着保持に限られず、クランプ保持およびグリップによる保持などでもよく、これらを混合して保持してもよい。また、第2の被接合物の場合には、ステージ10に置くだけでもよい。

0063

また、共振器7の内部およびステージ10の内部には、図1に示すように共振器ヒータ9およびステージヒータ11がそれぞれ内蔵されていてもよい。この場合、被接合物を加熱しながら超音波振動接合を行うことができるため、被接合物に過大な超音波振動エネルギーを与える必要がなく、より被接合物の破壊やダメージを防止することができる。

0064

また、接合過程において、加圧力は接合面積に比例した大きさで増大させてもよく、任意のカーブで増大させてもよい。また、所定の値に保持してもよい。

0065

また、被接合物は2つに限らず、3つ以上であってもよい。被接合物は上記したチップ20、基板22などの半導体に限らず、その他の材料でもよい。また接合部は金、アルミニウム、銅、などが適するが、その他の金属や金属以外のものでも超音波振動で接合できるものであればよい。

0066

また、チップ20はウエハーなどどのような形態であってもよい。また、金属突起は個々に独立した複数の形状であってもよく、ある領域を閉じ込めてつながった形状であってもよいし、全面が接合面であってもよい。

図面の簡単な説明

0067

本発明の一実施態様における超音波振動接合装置の概略構成図である。
図1の装置による接合過程において、超音波振動エネルギー急減後も共振器の振動振幅を一定に保持した場合の状態遷移図である。
図1の装置による接合過程において、超音波振動エネルギー急減後に共振器の振動振幅を減少した場合の状態遷移図である。

符号の説明

0068

1……上下駆動モータ(加圧手段)
2……ボルト・ナット機構(加圧手段)
3……上下ガイド(加圧手段)
4……ヘッド自重カウンター(加圧手段)
5……ヘッド逃がしガイド(加圧手段)
6……共振器保持部(加圧手段)
7……共振器(加圧手段)
8……振動子(加圧手段)
20……チップ(第1の被接合物)
22……基板(第2の被接合物)
25……上下駆動機構(加圧手段)
26……ヘッド部(加圧手段)
31……制御装置
31a……超音波振動エネルギー制御部(エネルギー量検出手段、駆動制御手段、振動子制御部)
31b……共振器振幅制御
31c……加圧制御部
31d……記録部
32……加圧力検出手段
33……共振器振幅検出手段

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