專利名稱：超聲波接合方法及超聲波接合裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及向接合構(gòu)件施加超聲波振動(dòng)而與被接合面接合的超聲波接合方法及超聲波接合裝置。
背景技術(shù)：
在將半導(dǎo)體元件和壓電元件等的電子元件倒裝式(flip-chip)組裝在基板等上時(shí)，大多是使用超聲波接合裝置。
在日本專利特開2001-44242號(hào)公報(bào)(特許文獻(xiàn)1)中揭示了一種將按壓荷重和超聲波振動(dòng)作用于接合構(gòu)件、將接合構(gòu)件與被接合面接合的超聲波接合裝置。如圖8所示，該超聲波接合裝置是在前端尖狀的柄臂(horn)70的一端部安裝著施加柄臂70長(zhǎng)度方向的縱向振動(dòng)的振動(dòng)子71，在柄臂70的縱向振動(dòng)的駐波的腹部位置，從該柄臂70的與縱向振動(dòng)方向大致正交的方向上安裝有結(jié)合工具72。并在柄臂70的大致中央部設(shè)置有與施加按壓荷重的加壓裝置的連結(jié)部73。柄臂70振動(dòng)時(shí)，向結(jié)合工具72前端的與接合構(gòu)件74的接觸部72a傳遞大致水平的振動(dòng)。此時(shí)，向接合構(gòu)件74的振動(dòng)傳遞是利用由結(jié)合工具72的接觸部72a推壓接合構(gòu)件74時(shí)產(chǎn)生的磨擦力來進(jìn)行的。
在圖8所示的結(jié)構(gòu)中，向接合構(gòu)件74的振動(dòng)傳遞是由結(jié)合工具72的接觸部72a與接合構(gòu)件74間的磨擦力所左右。因此，一旦接合構(gòu)件74與被接合面75的磨擦力大于結(jié)合工具72的接觸部72a與接合構(gòu)件74的磨擦力，則在結(jié)合工具72的接觸部72a與接合構(gòu)件74之間發(fā)生滑移，不能充分地向接合構(gòu)件74傳遞振動(dòng)，結(jié)果是存在著接合不良的問題。又由于超聲波振動(dòng)的振幅小(以約0.6μm為限度)，接合能小，故存在接合時(shí)間長(zhǎng)和難以常溫接合的問題。
另一方面，在日本專利特開2001-110850號(hào)公報(bào)(特許文獻(xiàn)2)中揭示了一種可防止接合構(gòu)件對(duì)吸附工具的超聲波振動(dòng)方向錯(cuò)位的超聲波接合裝置。即，如圖9所示，在接合構(gòu)件80的上面預(yù)先形成倒角部80a，通過與設(shè)于結(jié)合工具81的超聲波振動(dòng)方向的2邊的倒角部81a抵接，以防止接合構(gòu)件80的錯(cuò)位。
在此場(chǎng)合，接合構(gòu)件80的倒角部80a與結(jié)合工具81的倒角部81a抵接，雖然不受圖8所示的磨擦力左右，但因需要在接合構(gòu)件80上形成新的倒角部80a，故存在著導(dǎo)致成本上升的問題。又，接合構(gòu)件80吸附時(shí)，有可能使接合構(gòu)件80傾斜，不一定能正確地將倒角部80a、81a抵接。并且，由于在接合構(gòu)件80的倒角部80a上產(chǎn)生大的力，因此存在著接合構(gòu)件80發(fā)生裂開和缺陷的可能性。
為此，本發(fā)明的目的在于提供一種可高效率地將附加構(gòu)件的超聲波振動(dòng)傳遞給接合構(gòu)件、可得到良好的接合品質(zhì)、且不需要在接合構(gòu)件上進(jìn)行倒角部等特殊性加工、可防止接合構(gòu)件的傾斜、裂開和缺陷等發(fā)生的超聲波接合方法及其超聲波接合裝置。

發(fā)明內(nèi)容
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明第1技術(shù)方案的超聲波接合方法，它是一種向接合構(gòu)件施加超聲波振動(dòng)、使其與被接合面接合的方法，其特征在于，所述接合構(gòu)件的超聲波振動(dòng)方向的兩側(cè)面由施加所定超聲波振動(dòng)的附加構(gòu)件和夾持構(gòu)件所夾持，所述夾持構(gòu)件利用從所述附加構(gòu)件經(jīng)由接合構(gòu)件傳遞的超聲波振動(dòng)設(shè)定成以與附加構(gòu)件的同一方向且以大致同一的振幅進(jìn)行同步振動(dòng)，所述夾持構(gòu)件在將接合構(gòu)件推壓至附加構(gòu)件的狀態(tài)下將接合構(gòu)件與被接合面接合。
又，本發(fā)明第5技術(shù)方案的超聲波接合裝置，它是一種向接合構(gòu)件施加超聲波振動(dòng)、使其與被接合面接合的裝置，其特征在于，包括發(fā)生超聲波振動(dòng)的振動(dòng)子；支承所述接合構(gòu)件的超聲波振動(dòng)的一側(cè)面、向接合構(gòu)件附加所述振動(dòng)子發(fā)生的超聲波振動(dòng)的附加構(gòu)件；支承所述接合構(gòu)件的超聲波振動(dòng)的另一側(cè)面、利用從所述附加構(gòu)件經(jīng)由接合構(gòu)件傳遞的超聲波振動(dòng)、以與附加構(gòu)件同一方向且大致同一振幅進(jìn)行同步振動(dòng)的夾持構(gòu)件；以及與所述夾持構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)部連結(jié)、沿著由所述附加構(gòu)件和夾持構(gòu)件夾持接合構(gòu)件的方向?qū)A持構(gòu)件施力的施力裝置，可使所述附加構(gòu)件、夾持構(gòu)件和接合構(gòu)件在超聲波振動(dòng)方向上一體振動(dòng)。
在第1技術(shù)方案中，由于接合構(gòu)件的超聲波振動(dòng)方向的兩側(cè)面由施加超聲波振動(dòng)的附加構(gòu)件和夾持構(gòu)件所夾持，因此，附加構(gòu)件、接合構(gòu)件和夾持構(gòu)件同步振動(dòng)，可高效地將附加構(gòu)件的振動(dòng)傳遞給接合構(gòu)件。這樣，不需要在接合構(gòu)件上實(shí)施倒角等新的加工，可將振動(dòng)穩(wěn)定地向接合構(gòu)件傳遞，可得到低成本且良好的接合品質(zhì)。
本發(fā)明中，由于可在不受磨擦力左右的情況下將振動(dòng)傳遞給接合構(gòu)件，因此，可利用大的振幅(例如1μm以上)使接合構(gòu)件發(fā)生偏差小的振動(dòng)，這樣，可對(duì)于接合部發(fā)生大的接合能，可進(jìn)行短時(shí)間接合和常溫接合。
又，由于由附加構(gòu)件和夾持構(gòu)件將接合構(gòu)件的超聲波振動(dòng)方向的兩側(cè)面夾持，因此，與以往設(shè)置有倒角的場(chǎng)合相比，大的力不會(huì)作用于接合構(gòu)件的一部分，可防止接合構(gòu)件的裂開和缺陷。
也可如第2技術(shù)方案所示，使夾持構(gòu)件的共振頻率與超聲波振動(dòng)的頻率錯(cuò)開，以使夾持構(gòu)件的振幅與附加構(gòu)件的振幅大體相等。
夾持構(gòu)件利用從附加構(gòu)件經(jīng)由接合構(gòu)件傳遞的超聲波振動(dòng)設(shè)定成與附加構(gòu)件以同一方向且大致同一振幅進(jìn)行同步振動(dòng)。也可將夾持構(gòu)件的共振頻率與超聲波振動(dòng)的頻率設(shè)定為同一，但該場(chǎng)合時(shí)，存在著因夾持構(gòu)件的構(gòu)造而使夾持構(gòu)件的振幅大于附加構(gòu)件的振幅、接合構(gòu)件與附加構(gòu)件或夾持構(gòu)件反復(fù)進(jìn)行大的接離的可能性。這樣，接合構(gòu)件與附加構(gòu)件及夾持構(gòu)件之間會(huì)產(chǎn)生較大的間隙，有時(shí)會(huì)使向接合構(gòu)件傳遞振動(dòng)的效率下降。
為此，通過將夾持構(gòu)件的共振頻率稍許與超聲波振動(dòng)頻率錯(cuò)開，可抑止最大振幅，可盡可能地將夾持構(gòu)件的振幅接近于附加構(gòu)件，減小接合構(gòu)件與附加構(gòu)件及夾持構(gòu)件之間產(chǎn)生的間隙，結(jié)果是可高度維持向接合構(gòu)件的振動(dòng)傳遞效率。附加構(gòu)件與夾持構(gòu)件的振幅差最好在10％以下。
另外，作為夾持構(gòu)件振幅的調(diào)整方法，如上所述，除了采用將共振頻率與超聲波振動(dòng)的頻率錯(cuò)開的方法之外，還有將夾持構(gòu)件的作用點(diǎn)(接合構(gòu)件的夾持點(diǎn))與最大振幅點(diǎn)錯(cuò)開的方法以及通過變更夾持構(gòu)件的材質(zhì)(特別是減衰系數(shù))和尺寸等來進(jìn)行調(diào)整的方法。
也可如第3技術(shù)方案所示，在附加超聲波振動(dòng)的同時(shí)，接合構(gòu)件相對(duì)于被接合面在壓接方向上向附加構(gòu)件施加所定的按壓荷重。
通過控制接合構(gòu)件與被接合面之間的按壓荷重，可始終得到穩(wěn)定的接合品質(zhì)。
也可如第4技術(shù)方案所示，在附加超聲波振動(dòng)的同時(shí)，對(duì)接合構(gòu)件與被接合面的對(duì)向距離進(jìn)行控制。
在此場(chǎng)合，通過對(duì)接合構(gòu)件與被接合面間的距離進(jìn)行位置控制，可控制接合構(gòu)件與被接合面的間隙。當(dāng)接合構(gòu)件是帶有凸度(bump)的高頻率元件時(shí)，因芯片與基板的間隙影響到特性，故對(duì)接合后的間隙精度有要求。又，在對(duì)欠滿等的樹脂的間隙的浸透程度的控制方面，間隙量的控制也很重要。利用以往的磨擦力進(jìn)行接合時(shí)，為產(chǎn)生磨擦力而需要有所定的加壓力，故難以進(jìn)行間隙控制，但在本發(fā)明中，通過對(duì)接合構(gòu)件與被接合面的對(duì)向距離進(jìn)行控制，可使凸度的壓壞量保持一定，可使芯片與基板的間隙一定。
在本發(fā)明第5技術(shù)方案中，由于接合構(gòu)件由附加構(gòu)件和夾持構(gòu)件夾持，夾持構(gòu)件利用從附加構(gòu)件經(jīng)由接合構(gòu)件傳遞的超聲波振動(dòng)進(jìn)行同步振動(dòng)，因此，可高效地從附加構(gòu)件將振動(dòng)傳遞給接合構(gòu)件。施力裝置向由夾持構(gòu)件和附加構(gòu)件夾持接合構(gòu)件的方向施力，該施力裝置與夾持構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)部連結(jié)，故振動(dòng)不會(huì)向施力裝置傳遞。這樣，可將振動(dòng)子的振動(dòng)高效地傳遞給附加構(gòu)件、接合構(gòu)件和夾持構(gòu)件。
由于超聲波振動(dòng)不會(huì)向外部漏出，因此，可將夾持構(gòu)件支承在與附加構(gòu)件分體的別的構(gòu)件上。夾持構(gòu)件可任意選擇撓曲振動(dòng)方法或縱向振動(dòng)方法等。
作為施力裝置既可使用缸體、電磁閥等的作動(dòng)器，也可使用單純的彈簧構(gòu)件。使用作動(dòng)器時(shí)，因容易將接合構(gòu)件夾持或釋放，故有關(guān)接合作業(yè)的動(dòng)作不會(huì)延遲。使用彈簧構(gòu)件時(shí)，在將接合構(gòu)件從附加構(gòu)件與夾持構(gòu)件間取出時(shí)，只需設(shè)置可解除彈簧構(gòu)件的力的任一機(jī)構(gòu)即可。
也可如第6技術(shù)方案所示，附加構(gòu)件具有支承接合構(gòu)件的超聲波振動(dòng)方向一側(cè)面的第1面和以相對(duì)被接合面大致平行地支承接合構(gòu)件的上面的第2面，在第2面設(shè)置有吸引接合構(gòu)件的吸孔。
若在附加構(gòu)件上設(shè)置支承接合構(gòu)件側(cè)面的第1面和支承上面的第2面，則既可容易地將按壓荷重從附加構(gòu)件施加于接合構(gòu)件，又可使向接合構(gòu)件的推入量的控制簡(jiǎn)單化。又由于支承上面的第2面相對(duì)被接合面大致平行，因此，元件保持時(shí)不會(huì)傾斜，可大致平行地與被接合面接合。
第7技術(shù)方案與第3技術(shù)方案一樣，是屬于通過荷重控制來進(jìn)行接合構(gòu)件與被接合面的場(chǎng)合。第8技術(shù)方案與第4技術(shù)方案一樣，是屬于通過位置控制來進(jìn)行接合構(gòu)件與被接合面的場(chǎng)合。
前者場(chǎng)合可得到穩(wěn)定的接合品質(zhì)，后者場(chǎng)合可使接合構(gòu)件與被接合面的間隙控制簡(jiǎn)單化。
第9技術(shù)方案是使用形成大致左右對(duì)稱的大致倒三角形的超聲波柄臂作為附加構(gòu)件，在超聲波柄臂的左右至少一方的頂部安裝著振動(dòng)子，在超聲波柄臂的下頂部設(shè)置有向接合構(gòu)件施加超聲波振動(dòng)的輸出部，在相對(duì)于與超聲波柄臂左右的某一方的頂部鄰接的斜邊從振動(dòng)子輸入大致平行的超聲波振動(dòng)時(shí)，從輸出部輸出水平方向的超聲波振動(dòng)。
這樣，在輸出部即下頂部得到水平方向的超聲波振動(dòng)，并且，在超聲波柄臂上不會(huì)發(fā)生撓曲，故可向接合構(gòu)件提供水平方向的超聲波振動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)良好品質(zhì)的接合。
采用上述倒三角形的柄臂時(shí)，在與柄臂的下頂部對(duì)向的上邊的中央部附近存在著最小振幅區(qū)域(節(jié)點(diǎn)區(qū)域)。使用超聲波柄臂的下頂部作為接合作用部時(shí)，將上述節(jié)點(diǎn)區(qū)域作為荷重輸入部，若向該輸入部施加向下方的按壓荷重，則不會(huì)阻礙超聲波柄臂的振動(dòng)，超聲波振動(dòng)不會(huì)向荷重附加裝置傳遞，無不良影響。并且，由于荷重附加裝置與超聲波柄臂的連結(jié)部位于按壓矢量的軸線上或其附近，因此，超聲波柄臂上不會(huì)發(fā)生彎曲應(yīng)力，可將按壓荷重直接作用于接合對(duì)象物。
從上述說明中可以看出，采用本發(fā)明的第1技術(shù)方案，由于接合構(gòu)件的超聲波振動(dòng)方向的兩側(cè)面由附加構(gòu)件和夾持構(gòu)件所夾持，因此，附加構(gòu)件、接合構(gòu)件和夾持構(gòu)件同步振動(dòng)，可高效地將附加構(gòu)件的振動(dòng)傳遞給接合構(gòu)件。這樣，不需要在接合構(gòu)件上實(shí)施倒角等的特殊性加工，可將振動(dòng)穩(wěn)定地向接合構(gòu)件傳遞，可得到低成本且良好的接合品質(zhì)。
本發(fā)明中，由于可在不受磨擦力左右的情況下將振動(dòng)傳遞給接合構(gòu)件，因此，可利用大的振幅使接合構(gòu)件振動(dòng)，這樣，可對(duì)于接合部發(fā)生大的接合能，可進(jìn)行短時(shí)間接合和常溫接合。
又，由于由附加構(gòu)件和夾持構(gòu)件將接合構(gòu)件的超聲波振動(dòng)方向的兩側(cè)面夾持，因此，與以往設(shè)置有倒角的場(chǎng)合相比，大的力不會(huì)作用于接合構(gòu)件的一部分，可防止接合構(gòu)件的裂開和缺陷。
采用本發(fā)明的第4技術(shù)方案，可實(shí)施第1技術(shù)方案的超聲波接合方法簡(jiǎn)單的裝置。又，施力裝置向由夾持構(gòu)件和附加構(gòu)件夾持接合構(gòu)件的方向施加力，該施力裝置與夾持構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)部連結(jié)，故振動(dòng)不會(huì)向施力裝置傳遞，可將振動(dòng)子的振動(dòng)高效地傳遞給附加構(gòu)件、接合構(gòu)件和夾持構(gòu)件。
附圖的簡(jiǎn)單說明

圖1為具有本發(fā)明超聲波接合裝置的結(jié)合裝置的全體立體圖。
圖2為圖2所示的升降塊的主視圖。
圖3為圖2所示的升降塊的左側(cè)視圖。
圖4為圖2所示的超聲波接合裝置的第1實(shí)施例的放大剖視圖。
圖5為升降塊的第2實(shí)施例的主視圖。
圖6為圖5所示的升降塊的左側(cè)視圖。
圖7為本發(fā)明超聲波接合裝置的第3實(shí)施例的主視圖。
圖8為傳統(tǒng)的超聲波接合裝置一例的主視圖。
圖9為傳統(tǒng)的超聲波接合裝置另一例的局部剖視圖。
具體實(shí)施例方式
圖1為具有本發(fā)明超聲波接合裝置的結(jié)合裝置一例，特別是表示在基板上倒裝式組裝帶凸度的芯片元件的倒裝裝置的全體構(gòu)成。在該結(jié)合裝置的裝置構(gòu)架1的上面配置有搭載支承被接合面一例的基板2的安裝臺(tái)3、以及整列收容有接合構(gòu)件即帶凸度的芯片元件4的元件供給部5。在裝置構(gòu)架1的上方配置有元件搬送臺(tái)6、將從元件供給部5取出的元件4向元件搬送臺(tái)6供給的元件供給組件7、接受向元件搬送臺(tái)6供給的元件4后與安裝臺(tái)3上的基板2接合的超聲波接合裝置8、以及支承該超聲波接合裝置8進(jìn)行升降的升降塊9等。其中，安裝臺(tái)3為了能與保持于超聲波接合裝置8的元件4位置一致而采用可沿X方向和Y方向水平移動(dòng)的結(jié)構(gòu)，通過內(nèi)裝式加熱器對(duì)支承于其一面的基板2進(jìn)行加熱。又，元件搬送臺(tái)6是將由元件供給組件7供給的元件4搬入超聲波接合裝置8的上下移動(dòng)路徑內(nèi)，并交付給超聲波接合裝置8，可沿Z方向和X方向移動(dòng)。
圖2、圖3表示升降塊9的具體結(jié)構(gòu)一例，圖4表示超聲波接合裝置8一例的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。
升降塊9包括底座40；由固定于底座40的伺服電機(jī)等構(gòu)成的升降驅(qū)動(dòng)裝置41；安裝于底座40、由導(dǎo)向部42可沿上下方向移動(dòng)自如的滑動(dòng)板43；以及由固定于滑動(dòng)板43上的氣缸等構(gòu)成的荷重附加裝置30等。升降驅(qū)動(dòng)裝置41的回轉(zhuǎn)軸由絲杠軸41a構(gòu)成，該絲杠軸41a與設(shè)于滑動(dòng)板43的螺母48螺合。絲杠軸41a的前端部由軸承49回轉(zhuǎn)自如地支承。通過驅(qū)動(dòng)升降驅(qū)動(dòng)裝置41，滑動(dòng)板43上下進(jìn)行移動(dòng)，可使保持于后述的超聲波柄臂10的元件4下降至基板2。荷重附加裝置30具有活塞桿31，在活塞桿31的下端固定著按壓夾具32。如后所述，按壓夾具32與超聲波柄臂10的連結(jié)部18連結(jié)。在通過配管44將加壓空氣供給至荷重附加裝置30的一方的室30a時(shí)，可通過活塞桿31將向下方的按壓荷重提供給超聲波柄臂10。另一方面，存在于另一方的室30b的空氣通過配管45可排出。在滑動(dòng)板43與按壓夾具32之間張?jiān)O(shè)有抵消自重用的彈簧46。該彈簧46不僅能抵消超聲波柄臂10的自重，而且能抵消按壓夾具32以及位于該內(nèi)部的作動(dòng)器33等吊掛于彈簧46的所有構(gòu)件的自重。這樣，在從超聲波柄臂10向接合對(duì)象物(元件4和基板2)施加的按壓荷重中，這些構(gòu)件的自重不起作用，只要通過向荷重附加裝置30的室30a供給的氣壓即可設(shè)定。
也可不用彈簧46，而是通過在另一方的室30b中插裝配管45供給加壓氣體來抵消自重。
上述實(shí)施例是使用氣缸作為荷重附加裝置30，但不限定于此，也可使用音圈電機(jī)、電機(jī)與滾珠絲桿機(jī)構(gòu)的組合等的其它手段。
按壓夾具32呈盒狀，在其內(nèi)部例如固定著由氣缸等構(gòu)成的直動(dòng)型作動(dòng)器33。作動(dòng)器33的作動(dòng)軸33a可沿圖2的水平方向移動(dòng)，在作動(dòng)軸33a上通過擺動(dòng)自如的銷34軸支承著夾持構(gòu)件35上端的節(jié)點(diǎn)部。另外，33b是作動(dòng)器33作動(dòng)用的空氣配管。在按壓夾具32的下面垂設(shè)有一體狀的一對(duì)軸承部32a，將固定于夾持構(gòu)件35的中間節(jié)點(diǎn)部的擺動(dòng)軸36的兩端部軸支承在這些軸承部32a之間。這樣，作動(dòng)器33的作動(dòng)軸33a前進(jìn)時(shí)，夾持構(gòu)件35將擺動(dòng)軸36作為支點(diǎn)進(jìn)行回轉(zhuǎn)，如后所述，可由超聲波接合裝置8的超聲波柄臂10將元件4夾持。本實(shí)施例的夾持構(gòu)件35是經(jīng)過材質(zhì)、形狀設(shè)計(jì)的棒狀構(gòu)件，在柄臂10發(fā)生的超聲波振動(dòng)的頻率(例如60kHz)附近能產(chǎn)生3次撓曲振動(dòng)，非接觸地上下貫通于超聲波接合裝置8的柄臂10的縱孔10b中。又，擺動(dòng)軸36也是非接觸地前后貫通于柄臂10的橫孔10c中。這樣，夾持構(gòu)件35和擺動(dòng)軸36處于與柄臂10的非接觸狀態(tài)。另外，在柄臂10上與縱孔10b的左右對(duì)稱位置上形成有平衡用的縱孔10d。
如上所述，由于夾持構(gòu)件35的上端節(jié)點(diǎn)部與作動(dòng)軸33a連結(jié)，中間節(jié)點(diǎn)部固定著擺動(dòng)軸36，因此如圖4所示，在以3次撓曲方式使夾持構(gòu)件35振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)基本上不向作動(dòng)軸33a和擺動(dòng)軸36傳遞，可防止振動(dòng)的漏出。在夾持構(gòu)件35的下端部即振動(dòng)的腹部位置可裝取地固定著由樹脂等形成的抵接構(gòu)件37。該抵接構(gòu)件37對(duì)元件4的超聲波振動(dòng)方向的兩側(cè)面進(jìn)行按壓。
本實(shí)施例中，夾持構(gòu)件35的材質(zhì)是超硬合金(楊氏模數(shù)580GPa、密度13.9×103kg/m3)，該3次撓曲振動(dòng)的共振頻率設(shè)定為約61kHz。即，將夾持構(gòu)件35的共振頻率相對(duì)于超聲波振動(dòng)的頻率(60kHz)有意識(shí)地錯(cuò)開1kHz。這樣，夾持構(gòu)件35的超聲波振動(dòng)頻率的振幅小于共振頻率的振幅(最大振幅)，可使安裝于夾持構(gòu)件35下端部的抵接構(gòu)件37的振幅與后述的安裝于超聲波柄臂10的下頂部11的抵接構(gòu)件17的振幅大體相同。結(jié)果是可將元件4穩(wěn)定地夾持于兩抵接構(gòu)件37、17之間，可有效地向元件4施加超聲波振動(dòng)?？蓪傻纸訕?gòu)件37、17的振幅差控制在10％以內(nèi)，在本實(shí)施例中，通過將頻率錯(cuò)開1kHz將振幅差設(shè)定為約5％。另外，頻率的錯(cuò)開量可根據(jù)夾持構(gòu)件35的材質(zhì)和尺寸等而有所不同。
如上所述，超聲波接合裝置8通過施加按壓荷重和超聲波振動(dòng)，將帶凸度的元件4與基板2接合，并具有倒二等邊三角形的超聲波柄臂10。超聲波柄臂10的本體由鋁合金、超硬合金、鈦合金、不銹鋼等的金屬材料一體形成。在超聲波柄臂10的下頂部11和左右頂部12、13分別設(shè)置有切割面。下頂部11的切割面與上邊14呈平行狀，左右頂部12、13的切割面分別與斜邊15、16大致呈垂直狀。本實(shí)施例的下頂部11的頂角θ設(shè)定在60°～150°、最好是90°～120°范圍內(nèi)。
本實(shí)施例是將超聲波柄臂10的上邊14形成具有2個(gè)斜面14a、14b和1個(gè)底面14c的凹狀體，但上邊14既可為平坦，也可是凸?fàn)睢?br> 在超聲波柄臂10的下頂部11的切割面可裝取地安裝著耐磨損性材料(如超硬合金、陶瓷、金剛石等)組成的抵接構(gòu)件17。如4所示，抵接構(gòu)件17是L字形剖面的構(gòu)件，具有支承元件4的超聲波振動(dòng)方向一側(cè)面的面17a和支承元件4上面的面17b。元件4的超聲波振動(dòng)方向的另一側(cè)面由所述夾持構(gòu)件35的抵接構(gòu)件37支承。
另外，在抵接構(gòu)件17上形成有吸引元件4用的吸孔17c。該吸孔17c與設(shè)于超聲波柄臂10的吸孔10a連通，該吸孔10a的上端部通過圖2所示的真空配管47與真空吸引裝置(未圖示)連接。真空配管47可由柔彈性材料組成的軟管所構(gòu)成。
在超聲波柄臂10左右一方的頂部(圖中是右頂部13)的切割面固定著壓電振動(dòng)子20，向超聲波柄臂10的右頂部13施加與斜邊16平行的超聲波振動(dòng)Uin。振動(dòng)方向也可相對(duì)于斜邊16錯(cuò)開約±10°的角度。作為振動(dòng)頻率，例如以20kHz～200kHz為宜，本例中采用約60kHz。因超聲波柄臂10左右形狀對(duì)稱，故無論將振動(dòng)子20設(shè)置于左右頂部12、13的任一方，均具有同樣的作用效果。在與下頂部11對(duì)向的上邊14的中央部附近且稍許離上邊14下方位置的表里兩面凸設(shè)有凸緣狀的連結(jié)部18。設(shè)計(jì)時(shí)，連結(jié)部18設(shè)置在柄臂10振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)部，連結(jié)部18的凸出長(zhǎng)度不會(huì)由超聲波振動(dòng)頻率引起共振。所述連結(jié)部18通過按壓夾具32與所述荷重附加裝置30的活塞桿31連結(jié)。在按壓夾具32上凸設(shè)有朝向下方的2個(gè)腳部32b，這些腳部32b由螺栓等的締結(jié)工具38固定于連結(jié)部18。這樣，按壓夾具32不會(huì)與超聲波柄臂10的連結(jié)部18以外的部位接觸。
在向上述形狀的超聲波柄臂10、例如向左頂部13輸入與斜邊16大致平行的超聲波振動(dòng)Uin時(shí)，下頂部11發(fā)生水平方向(與被接合面2平行)的振動(dòng)Uout。并且，下頂部11的振幅大于右頂部13。即，加大了從右頂部13輸入的超聲波振動(dòng)Uin的振幅，可從下頂部11輸入大的超聲波振動(dòng)Uout。
由于將超聲波柄臂10的節(jié)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)設(shè)置的連結(jié)部18作為荷重輸入部，將荷重附加裝置30(按壓夾具32)與該輸入部18連結(jié)，因此，超聲波振動(dòng)不會(huì)從連結(jié)部18傳遞給荷重附加裝置30，不會(huì)發(fā)生干擾振動(dòng)。在由荷重附加裝置30施加向下方的按壓荷重時(shí)，因按壓荷重的矢量通過下頂部11，故超聲波柄臂10上不會(huì)發(fā)生撓曲，按壓荷重可直接作用于下頂部11。這樣，可將超聲波振動(dòng)和按壓荷重均勻地作用于整個(gè)接合面2，可得到均一且良好的接合。
如上所述，元件4的超聲波振動(dòng)方向的兩側(cè)面由設(shè)于柄臂10的抵接構(gòu)件17和設(shè)于夾持構(gòu)件35的抵接構(gòu)件37夾持。由于抵接構(gòu)件37設(shè)置在由超聲波振動(dòng)同步振動(dòng)的夾持構(gòu)件35上，因此，兩抵接構(gòu)件17、37同步振動(dòng)，可高效地將柄臂10的振動(dòng)傳遞給元件4。特別是在本例中，由于元件4由夾持構(gòu)件35振動(dòng)的腹部(抵接構(gòu)件37)支承，因此，可將柄臂10的振動(dòng)基本無損耗地傳遞給元件4。
本發(fā)明中，由于是在由柄臂10和夾持構(gòu)件35將元件4的超聲波振動(dòng)方向的兩側(cè)面夾持的同時(shí)進(jìn)行振動(dòng)的，因此，可利用大的振幅(例如1μm以上)使元件4振動(dòng)，這樣，可對(duì)接合面2發(fā)生大的接合能，可進(jìn)行短時(shí)間接合和常溫接合。
又，由于由附加構(gòu)件和夾持構(gòu)件將接合構(gòu)件的超聲波振動(dòng)方向的兩側(cè)面夾持，因此，與以往設(shè)置有倒角的場(chǎng)合相比，大的力不會(huì)作用于接合構(gòu)件的一部分，可防止接合構(gòu)件的裂開和缺陷。
下面說明由上述結(jié)構(gòu)組成的結(jié)合裝置的動(dòng)作。
在將元件4結(jié)合在基板2上時(shí)，搭載支承于安裝臺(tái)3上的基板通過內(nèi)裝于安裝臺(tái)3的加熱器進(jìn)行預(yù)先加熱。為了將元件4保持于抵接構(gòu)件17、37之間，朝夾持構(gòu)件35前端的抵接構(gòu)件37從抵接構(gòu)件17打開的方向驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器33，使抵接構(gòu)件17與元件搬送臺(tái)6上供給的元件4的側(cè)面抵接，其次，朝關(guān)閉方向驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器33，將元件4夾持于抵接構(gòu)件17、37之間。接著，在將基板2與元件4對(duì)準(zhǔn)位置之后，使超聲波接合裝置8下降，元件4與基板2接觸，由荷重附加裝置30施加所定的按壓荷重。此時(shí)，若從壓電振動(dòng)子20向超聲波柄臂10的右頂部13施加超聲波振動(dòng)Uin，則在抵接構(gòu)件17上發(fā)生與被接合面2大致平行的振幅Uout，將振動(dòng)傳遞給元件4。此時(shí)，夾持構(gòu)件35也通過元件4傳遞振動(dòng)，使夾持構(gòu)件35同步振動(dòng)。結(jié)果是柄臂10的抵接構(gòu)件17、元件4和夾持構(gòu)件35的抵接構(gòu)件37同步振動(dòng)，能可靠地將元件4與基板2接合。
圖5和圖6表示具有本發(fā)明的超聲波接合裝置的升降塊的第2實(shí)施例。
在第1實(shí)施例中，由荷重附加裝置30施加所定的按壓荷重，同時(shí)利用超聲波振動(dòng)將元件4與基板2接合，但在本實(shí)施例中，采用位置控制替代了荷重控制進(jìn)行元件4與基板2的接合，對(duì)其間隙量進(jìn)行控制。另外，與圖2、圖3相同的部分標(biāo)有同一符號(hào)，省略其重復(fù)說明。
在夾具32的上方設(shè)置有由軸50a和襯套50b組成的滑動(dòng)導(dǎo)向器50。軸50a與夾具32的上面連結(jié)，插通于設(shè)置在導(dǎo)向器殼體52內(nèi)部的襯套50b及其導(dǎo)向止動(dòng)器51中。導(dǎo)向止動(dòng)器51對(duì)軸50a的締結(jié)、釋放的兩位置進(jìn)行控制。在導(dǎo)向器殼體52與夾具32之間張?jiān)O(shè)有自重抵消用的彈簧46。另外，彈簧46的上端也可與滑動(dòng)板43連結(jié)。
上述結(jié)構(gòu)的升降塊的作動(dòng)如下。
首先，在將導(dǎo)向止動(dòng)器51釋放的狀態(tài)下，使保持元件4的超聲波接合裝置8下降，基板2與元件4接觸。此時(shí)，超聲波接合裝置8因被自重抵消用的彈簧46所吊下，故設(shè)于元件4上的凸度基本上不壓壞。這樣，即使基板2上有凹凸，凸度也基本上不壓壞(壓壞量保持一定)。
其次，使導(dǎo)向止動(dòng)器51發(fā)揮作用(締結(jié))，將超聲波接合裝置8約束在相對(duì)滑動(dòng)板43不能上下方向移動(dòng)的狀態(tài)。接著，驅(qū)動(dòng)升降驅(qū)動(dòng)裝置41使滑動(dòng)板43下降，此時(shí)，超聲波接合裝置8也一起下降，同時(shí)附加超聲波振動(dòng)，將元件4與基板2接合。當(dāng)下降至所定量之后，停止下降，完成接合。
由于由抵接構(gòu)件17、37將元件4的超聲波振動(dòng)方向的兩側(cè)面夾持，因此，不需要向元件4附加發(fā)生振動(dòng)傳遞用的磨擦力的荷重。這樣，可在凸度不壓壞至必要以上的情況下將元件4與基板2接合。通過對(duì)超聲波接合裝置8的下降量進(jìn)行控制，可將接合后的元件4與基板2的間隙控制在所需值。
圖7表示超聲波接合裝置的第3實(shí)施例。
本實(shí)施例中，在附加上下方向荷重的荷重附加裝置60的下端部固定著夾具61，在該夾具61一方的腳部61a上安裝著超聲波柄臂62。在超聲波柄臂62的一端部安裝著振動(dòng)子63，另一端部即振動(dòng)的腹部與棒狀的附加構(gòu)件64連結(jié)。附加構(gòu)件64接受來自柄臂62的超聲波振動(dòng)，發(fā)生以與柄臂62的連結(jié)部及將下端部為振動(dòng)腹部的撓曲振動(dòng)。在附加構(gòu)件64的下端部安裝著支承元件4的超聲波振動(dòng)方向的一側(cè)面及其上面的抵接構(gòu)件65，該抵接構(gòu)件65向元件4附加下方向的按壓荷重和水平方向的超聲波振動(dòng)。
在夾具61另一方的腳部61a的下端部固定著作動(dòng)器66，在該作動(dòng)器66的下面設(shè)置有由作動(dòng)器66可水平方向移動(dòng)的作動(dòng)構(gòu)件67。作動(dòng)構(gòu)件67通過連結(jié)部67a與以縱向振動(dòng)方式振動(dòng)的夾持構(gòu)件68的節(jié)點(diǎn)部連結(jié)。夾持構(gòu)件68具有與附加構(gòu)件64的共振頻率大致相等的共振頻率，相對(duì)于基板2(被接合面)可大致平行狀縱向振動(dòng)(伸縮振動(dòng))，連結(jié)部67a位于該節(jié)點(diǎn)部，由振動(dòng)的腹部將元件4的超聲波振動(dòng)方向的另一側(cè)面支承。另外，也可在夾持構(gòu)件68與元件4的接觸部72a設(shè)置樹脂等構(gòu)成的抵接構(gòu)件。
在上述實(shí)施例的超聲波接合裝置中，也是在從振動(dòng)子63向柄臂62施加超聲波振動(dòng)時(shí)，經(jīng)柄臂62增幅后將超聲波振動(dòng)傳遞給附加構(gòu)件64進(jìn)行撓曲振動(dòng)。由于元件4的超聲波振動(dòng)方向的兩側(cè)面由安裝于附加構(gòu)件64的抵接構(gòu)件65和夾持構(gòu)件68夾持，因此，撓曲振動(dòng)的附加構(gòu)件64、元件4和夾持構(gòu)件68進(jìn)行同步振動(dòng)。這樣，可高效地將超聲波振動(dòng)傳遞給元件4，可靠地將元件4與基板2接合。
上述實(shí)施例對(duì)帶凸度的元件4倒裝式組裝在基板上的結(jié)構(gòu)作了說明，但本發(fā)明也適用于芯片對(duì)具有稱為TAB的多個(gè)導(dǎo)線的帶條的結(jié)合以及金屬相互間的接合。即，可適用于利用超聲波振動(dòng)將金屬與金屬接合的所有的裝置。
第1、第2實(shí)施例是將抵接構(gòu)件安裝于超聲波柄臂10的下頂部，但也可在下頂部直接設(shè)置與接合構(gòu)件的超聲波振動(dòng)方向的一側(cè)面及上面抵接的支承面。
第1、第2實(shí)施例是將振動(dòng)附加裝置(振動(dòng)子)安裝于超聲波柄臂10的左右任一頂部，但也可在左右雙方的頂部分別安裝振動(dòng)子。在此場(chǎng)合，輸出部即下頂部可得到大的輸出。但此時(shí)，各自的振動(dòng)子的振動(dòng)數(shù)應(yīng)相同，并且它的相位必須反轉(zhuǎn)。
第1實(shí)施例是將夾持構(gòu)件35的擺動(dòng)軸36由與超聲波柄臂10分體的按壓夾具32的軸承部32a支承，但也可支承于柄臂10的節(jié)點(diǎn)部，但最好是使支承于軸承部32a一方的振動(dòng)漏出量少。
權(quán)利要求
1.一種超聲波接合方法，系向接合構(gòu)件施加超聲波振動(dòng)、使其與被接合面接合，其特征在于，所述接合構(gòu)件的超聲波振動(dòng)方向的兩側(cè)面由附加所定超聲波振動(dòng)的附加構(gòu)件和夾持構(gòu)件所夾持，所述夾持構(gòu)件利用從所述附加構(gòu)件經(jīng)由接合構(gòu)件傳遞的超聲波振動(dòng)設(shè)定成與附加構(gòu)件的同一方向且以大致同一的振幅進(jìn)行同步振動(dòng)，所述夾持構(gòu)件在將接合構(gòu)件推壓至附加構(gòu)件的狀態(tài)下將接合構(gòu)件與被接合面接合。
2.如權(quán)利要求1所述的超聲波接合方法，其特征在于，使所述夾持構(gòu)件的共振頻率與所述超聲波振動(dòng)的頻率錯(cuò)開，以使所述夾持構(gòu)件的振幅與所述附加構(gòu)件的振幅大體相等。
3.如權(quán)利要求1所述的超聲波接合方法，其特征在于，在所述附加超聲波振動(dòng)的同時(shí)，所述接合構(gòu)件相對(duì)于被接合面在壓接方向上向所述附加構(gòu)件附加所定的按壓荷重。
4.如權(quán)利要求1所述的超聲波接合方法，其特征在于，在附加所述超聲波振動(dòng)的同時(shí)，對(duì)所述接合構(gòu)件與被接合面的對(duì)向距離進(jìn)行控制。
5.一種向接合構(gòu)件施加超聲波振動(dòng)、使其與被接合面接合的超聲波接合裝置，其特征在于，包括發(fā)生超聲波振動(dòng)的振動(dòng)子；支承所述接合構(gòu)件的超聲波振動(dòng)的一側(cè)面、向接合構(gòu)件旋加所述振動(dòng)子發(fā)生的超聲波振動(dòng)的附加構(gòu)件；支承所述接合構(gòu)件的超聲波振動(dòng)的另一側(cè)面、利用從所述附加構(gòu)件經(jīng)由接合構(gòu)件傳遞的超聲波振動(dòng)、以與附加構(gòu)件同一方向且大致同一振幅進(jìn)行同步振動(dòng)的夾持構(gòu)件；以及與所述夾持構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)部連結(jié)、沿著由所述附加構(gòu)件和夾持構(gòu)件夾持接合構(gòu)件的方向?qū)A持構(gòu)件施力的施力裝置，可使所述附加構(gòu)件、夾持構(gòu)件和接合構(gòu)件在超聲波振動(dòng)方向上一體振動(dòng)。
6.如權(quán)利要求5所述的超聲波接合裝置，其特征在于，所述附加構(gòu)件具有支承所述接合構(gòu)件的超聲波振動(dòng)方向一側(cè)面的第1面和以相對(duì)被接合面大致平行地支承所述接合構(gòu)件的上面的第2面，在所述第2面設(shè)置有吸引所述接合構(gòu)件的吸孔。
7.如權(quán)利要求6所述的超聲波接合裝置，其特征在于，設(shè)置有向所述附加構(gòu)件附加向下方的按壓荷重并控制該按壓荷重的荷重控制裝置。
8.如權(quán)利要求6所述的超聲波接合裝置，其特征在于，設(shè)置有控制所述附加構(gòu)件下降量的位置控制裝置。
9.如權(quán)利要求5所述的超聲波接合裝置，其特征在于，所述附加構(gòu)件由左右對(duì)稱的倒三角形的超聲波柄臂構(gòu)成，在所述超聲波柄臂的左右至少一方的頂部安裝有所述振動(dòng)子，在所述超聲波柄臂的下頂部設(shè)置有向所述接合構(gòu)件施加超聲波振動(dòng)的輸出部，在將平行的超聲波振動(dòng)相對(duì)于與超聲波柄臂左右的任一方的頂部鄰接的斜邊從所述振動(dòng)子輸入時(shí)，從所述輸出部輸出水平方向的超聲波振動(dòng)。
全文摘要
一種向接合構(gòu)件(4)施加超聲波振動(dòng)、使其與被接合面(2)接合的超聲波方法，接合構(gòu)件(4)的超聲波振動(dòng)方向的兩側(cè)面由附加所定超聲波振動(dòng)的附加構(gòu)件(10、17)和夾持構(gòu)件(35、37)所夾持。夾持構(gòu)件(35、37)利用從附加構(gòu)件(10、17)經(jīng)由接合構(gòu)件(4)傳遞的超聲波振動(dòng)進(jìn)行同步振動(dòng)，并在將接合構(gòu)件(4)推壓至附加構(gòu)件(10、17)的狀態(tài)下將接合構(gòu)件(4)與被接合面(2)接合。由此，可高效率地將附加構(gòu)件的超聲波振動(dòng)傳遞給接合構(gòu)件，可得到良好的接合品質(zhì)，并且不需要在接合構(gòu)件上進(jìn)行倒角部等特殊性加工，可防止接合構(gòu)件的傾斜、裂開和缺陷等發(fā)生。
文檔編號(hào)B23K20/10GK1490859SQ03157789
公開日2004年4月21日 申請(qǐng)日期2003年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月29日
發(fā)明者東山 三, 東山祐三 申請(qǐng)人:株式會(huì)社村田制作所