JP2012083246A

JP2012083246A - 接合検査方法

Info

Publication number: JP2012083246A
Application number: JP2010230346A
Authority: JP
Inventors: Takaya Yamamoto; 貴也山本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-10-13
Filing date: 2010-10-13
Publication date: 2012-04-26

Abstract

【課題】部品接合部について接合状態を精度良く簡易に検査する接合検査方法を提供すること。
【解決手段】接合部５１の接合状態を超音波を使用して検査するための接合検査方法であって、検査対象となる接合部５１の近くに設定した加振位置５５を超音波ツール２１からの超音波によって加振し、その加振位置５５から伝わった超音波による振動によって接合部５１に生じる熱又は音を検出手段３１で検出し、その検出手段３１によって得られた検出データに基づいて接合状態を出力する。
【選択図】図３

Description

本発明は、部品接合部について接合状態を精度良く簡易に検査することができる接合検査方法に関する。

例えば、半導体素子等を基板に実装した電子部品では、その半導体素子に対し超音波の振動エネルギーを利用して導体であるテープの接合が行われる。そうした場合、テープの接合検査を行う必要があるが、その検査方法として下記特許文献１に一例が開示されている。ここでは、プリント配線基板に実装を行う電子部品実装装置によって、接合中の状態の良否と、接合温度の良否との２つの判定を行う方法がとられている。そのため、電子部品実装装置には、予めバンプの許容温度や超音波インピーダンスとの関係を示す良品の波形データなどが格納されている。

超音波接合では、超音波発振器により超音波加振が与えられ、接合時の超音波インピーダンスとの関係などを示す接合波形データなどが得られる。各接合波形データは、ノイズ成分がフィルタリング処理によって除去され、予め格納されている良品波形データとの比較が行われ、その差の絶対値が予め設定されている許容値以上であれば、接合不良とみなされる。また、接合波形データが許容値を超えない場合でも、更に赤外線カメラで撮像された電子部品の画像処理によってバンプ温度が測定される。そして、バンプ温度が予め設定されている許容値以上であれば接合不良とみなされる。

特開２００１−９４２４５号公報

こうした従来の接合検査方法は、直ちに接合不良と判断できないような数μｍ単位の空隙部などまでもが正確に見分けられるものではなかった。すなわち、接合時の波形データによる比較やバンプ温度の確認は、超音波加振による部材同士の擦れ合いによって接合が実行されていることを確認できるにとどまるものである。そこで、数μｍ単位の空隙などの非接合部でも検出可能な高度な検査方法が求められる。

特に、インバータなどは小型化及び高性能化が求められているため、テープボンディングに関しても今以上に高度なレベルでの接合が必要になる。そうした場合、数μｍ単位の微小な非接合部の発生を把握する必要があるが、そうした接合部の空隙部などを正確に把握するには破壊試験を行うなど、現状では簡単には検査できない問題があるため、低コストで簡易な検査方法であることも求められている。

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、部品接合部について接合状態を精度良く簡易に検査する接合検査方法を提供することを目的とする。

本発明の接合検査方法は、接合部の接合状態を超音波を使用して検査するためのものであり、検査対象となる接合部の近くに設定した加振位置を超音波ツールからの超音波によって加振し、その加振位置から伝わった超音波による振動によって前記接合部に生じる熱又は音を検出手段で検出し、前記検出手段によって得られた検出データに基づいて接合状態を出力するようにしたことを特徴とする。
また、本発明の接合検査方法は、前記接合部を前記超音波ツールによって超音波接合した後に、当該超音波ツールを使用して前記加振位置を超音波によって加振させるようにすることが好ましい。
また、本発明の接合検査方法は、加振位置を加振する前記超音波ツールから発信される超音波の周波数を、連続的または段階的に変化させるようにすることが好ましい。
また、本発明の接合検査方法は、前記検出手段によって得られた検出データを、異なる周波数に応じて得られた検出データ毎に出力し、或いは異なる周波数に応じて得られた検出データを合成して出力させるようにすることが好ましい。

また、本発明の接合検査方法は、前記接合部が複数ある場合に、当該複数の接合部を接合した後に、各接合部について検査を行うようにすることが好ましい。
また、本発明の接合検査方法は、前記接合部が複数ある場合に、当該複数の接合部を接合した後に、複数の前記検出手段によって各接合部の検査を行うようにすることが好ましい。
また、本発明の接合検査方法は、接合箇所が近接して複数存在する場合に、前記超音波ツールによって一の接合箇所を超音波接合している時に、当該一の接合箇所を前記加振位置としてその他の接合箇所で既に接合を終えた接合部について検査を行うようにすることが好ましい。
また、本発明の接合検査方法は、前記検出手段が赤外線カメラであり、その赤外線カメラで前記接合部の温度を測定させるようにすることが好ましい。
また、本発明の接合検査方法は、前記検出手段がＡＥセンサであり、そのＡＥセンサで前記接合部の音を測定させるようにすることが好ましい。

本発明によれば、超音波ツールから与える超音波振動によって非接合部から発せられる熱や音を検出するようにしたので、数μｍ単位で生じる空隙部などでも検出することができ、しかも非破壊によって検査するためコストを押さえたものとすることができる。

半導体装置にテープを配線する超音波接合機の一部を示した図である。半導体素子に複数のテープが基板との間に接続された状態を示した図である。第１実施形態の接合検査方法を概念的に示した図である。第２実施形態の接合検査方法を概念的に示した図である。周波数を変化させて超音波加振を行う場合の当該周波数をイメージした図である。

次に、本発明に係る接合検査方法について、その一実施形態を以下に図面を参照しながら説明する。この接合検査方法は、接合に使用する超音波接合機を利用するものであるため、先ず超音波接合機における接合について簡単に説明する。図１は、半導体装置に対して導体であるテープを配線する超音波接合機の一部を示した図である。半導体装置１０は、ＩＧＢＴ等の半導体素子１１が実装されたものであり、その半導体素子１１は絶縁基板１２に半田１３を介して接合され、更に基板１５に半田１４によって接合されている。

超音波接合機は、半導体素子１１にテープ２５をボンディングする接合ヘッド部２０が設けられている。接合ヘッド部２０は、半導体素子１１の配線用端子にテープ２５を圧接させながら超音波加振を与える超音波ツール２１が備えられ、その超音波ツール２１を挟むようにしてガイド２２とカッター２３が配置されている。超音波接合機は、その本体２４内に不図示のテープ供給装置が設けられ、ロール状に巻かれたテープ２５がセットされ、一箇所のボンディングに必要な長さのテープ２５が繰り出されるようになっている。

接合ヘッド部２０は、半導体装置１０の位置に合わせて水平移動し、位置決めして下降する。それによって、繰り出されたテープ２５が超音波ツール２１により半導体素子１１の配線用端子に押し当てられ、超音波ツール２１がテープ２５を押し付けた状態で超音波加振が与えられる。すると、被接合物の接合面間、すなわち半導体素子１１の配線用端子とテープ２５との接触面が高周波で摺動し、その摩擦熱によって溶融した溶接が行われる。

半導体装置１は、例えば図２に示すように、半導体素子１１に複数のテープ２５（２５ａ，２５ｂ，２５ｃ）が基板１８との間に接続され、両者が電気的に接続される。従って、３本のテープ２５ａ，２５ｂ，２５ｃは、各々の接合部が順に超音波ツール２１によって押さえ付けられ、超音波加振が与えられて接合が行われる。

次に、こうして超音波接合した部品接合部の接合検査方法について説明する。図３は、第１実施形態の接合検査方法を概念的に示した図である。この接合検査方法では、超音波接合に使用した超音波接合機の他、接合部の温度を検出するための赤外線カメラ３１および、その赤外線カメラ３１によって得られた検出データに基づいて画像処理を行う演算装置３２が使用される。赤外線カメラ３１は、検査箇所となる接合部の温度測定が行えるように、不図示の移動手段によって水平移動できるよう構成されている。

本実施形態の接合検査方法は、検査対象部である接合部５１とは別の箇所に超音波加振を行い、間接的に受ける超音波振動エネルギによって空隙部５２や不完全接合部５３（図面には細鎖線で表現している）といった非接合部に起きる発熱を検出するものである。そこで、前述したように超音波接合を終えた後の超音波ツール２１が、接合部５１の近傍に設定された加振位置５５に配置される。加振位置５５は、被接合物のうち接合部５１に超音波エネルギが伝わるように、超音波ツール２１からの圧力を受ける半導体素子１１側に設けられている。

加振位置５５では、半導体素子１１とは非接触の超音波ツール２１から超音波が発信される。半導体素子１１に与えられた超音波は、その超音波振動エネルギが加振位置５５から接合部５１へと伝わる。接合部５１では、空隙部５２や不完全接合部５３が生じていると、伝わった振動によってテープ２５と半導体素子１１が擦れ合って発熱する。一方で、テープ２５と半導体素子１１とが十分に接合している接合箇所５４では両者が一体となっているため発熱は起きない。

赤外線カメラ３１では、こうした接合部５１に生じる各箇所の温度が測定され、その検出データが演算装置３２へと送られる。演算装置３２では、温度の検出データに基づいて接合部５１の温度分布画像が作成され、モニタに表示される。空隙部５２や不完全接合部５３が生じている箇所では、発熱して温度が高くなった状態が色分けによって表示され、接合していない部分や、その大きさが確認できる。

例えば、図２に示す３本のテープ２５ａ，２５ｂ，２５ｃは、それぞれ複数箇所が接合されているが、そのうち半導体素子２１との接合部５１（５１ａ，５１ｂ，５１ｃ）のみをとりあげて、その検査手順について説明する。先ず３本のテープ２５ａ，２５ｂ，２５ｃについて超音波接合が行われる。その後に接合部５１ａ，５１ｂ，５１ｃの各近傍に超音波ツール２１から超音波が与えられ、それぞれについて赤外線カメラ３１による温度測定が行われる。すなわち、本実施形態は、超音波接合工程に接合検査を組み込んだ接合検査方法を提案するものであるが、超音波接合と接合検査とを区別して行うよう方法を一案とする。

一方、他には、接合部５１ａ，５１ｂ，５１ｃのように接合箇所が接近していれば、超音波接合と接合検査とを同時に行うこともできる。つまり、接合部５１ａ，５１ｂ，５１ｃの順で超音波接合が行われたとした場合、接合部５１ｂを超音波接合するために超音波ツール２１から与えられた超音波エネルギが、既に接合された隣の接合部５１ａにも伝わり、振動を生じさせる。このとき赤外線カメラ３１は接合後の接合部５１ａ上に設置され、接合検査が行われる。

本実施形態の接合検査方法によれば、超音波ツール２１から与える超音波振動によって数μｍ単位で生じる接合部の空隙部５２や不完全接合部５３なども検出することができるようになった。しかも、超音波ツール２１によってテープ２５を半導体素子１１に接合した後に、同じ超音波ツール２１を使用して連続して行うため、接合検査が簡易になりコストを抑えることもできる。特に、他の箇所の接合時に、そこから伝わる超音波振動を利用して先に行った他の接合部を接合検査するようにすれば、更に作業効率を上げることができる。

（第２実施形態）
続いて、図４は、第２実施形態の接合検査方法を概念的に示した図である。この接合検査方法では、超音波接合に使用した超音波接合機の他、接合部に発生する音の信号（ＡＥ信号）を検出するためのアコースティックエミッションセンサ（以下、「ＡＥセンサ」とする）３３および、そのＡＥセンサ３３から得られたＡＥ信号に基づいてデータ処理を行う演算装置３２が使用される。本実施形態の接合検査では、非常に狭い領域で発生するＡＥ信号を受信する必要があるため、ＡＥセンサ３３には円錐形状の振動伝達治具３４が一体に形成されている。振動伝達治具３４には、結晶粒子が微細で音響減衰の少ない材質が使用される。

また、振動伝達治具３４が接合部５１に対して非接触であると、空気層によってＡＥセンサ３３へ伝達されるＡＥ信号の減衰が大きい。そこで、振動伝達治具３４の先端には、シリコンゴムや樹脂シートなどからなるドライカプラント３５が取り付けられている。これによって、受信するＡＥ信号の減衰を抑える他、ＡＥセンサ３３を当てる半導体素子１１へのダメージを軽減させ、且つ複数箇所の接合部５１に対して繰り返し接着させることが可能になる。ＡＥセンサ３３は、所定の接合部５１にドライカプラント３５を当てることができるように、不図示の移動手段によって支持されている。なお、ドライカプラント３５は、その効果を必要としない場合には必ず取り付けなくはならないものではない。

そこで、本実施形態でも、接合部５１とは別の加振位置５５に超音波ツール２１が配置され、超音波が発信されることにより、接合部５１に対して超音波振動エネルギが間接的に与えられる。接合部５１は、与えられた超音波によって振動し、そこから発生するＡＥ信号がＡＥセンサ３３に受信される。接合部５１に空隙部５２や不完全接合部５３などが存在する場合には、接合箇所５４では発生しないＡＥ信号が得られる。演算装置３２ではＡＥ信号の波形がモニタに表示され、予め格納されている空隙部５２などの非接合や正常な接合によって生じるＡＥ信号の波形との比較によって接合状態の判定が示される。

この接合検査方法でも、図２に示すものを検査対象とした場合、その手順として、３本のテープ２５について超音波接合を行った後に、各接合部５１ａ，５１ｂ，５１ｃの接合検査を行ってもよく、或いは一つの接合部５１ｂに対する超音波接合と他の接合部５１ａに対する接合検査とを同時に行ってもよい。

よって、本実施形態によれば、超音波ツール２１から与える超音波振動により数μｍ単位で生じる接合部の空隙部５２や不完全接合部５３なども検出することができる。しかも、超音波ツール２１によってテープ２５を半導体素子１１に接合した後に、同じ超音波ツール２１を使用して連続して行うため、接合検査が簡易になりコストを抑えることもできる。特に、他の箇所の接合時に、そこから伝わる超音波振動を利用して先に行った他の接合部を接合検査するようにすれば、更に作業効率を上げることができる。

続いて、第１及び第２実施形態の接合検査方法を実行する場合に、超音波ツール２１から出力する超音波の周波数を変化させることについて説明する。ここで、図５は、周波数を変化させて超音波加振を行う場合の当該周波数をイメージした図である。超音波周波数（波長）を変化させた場合、空隙部５２や不完全接合部５３の違い、或いは非接合部の大きさの違いなどによって熱や音を発生させることができる。そこで、前記第１及第２実施形態では、超音波周波数を変化させて接合検査を行うことが有効である。その際、超音波周波数を、図５（ａ）に示すように連続的に変化させる場合と、図５（ｂ）に示すように段階的に変化させる場合とがある。

図５（ａ）に示すように超音波周波数を連続的に変化させる場合は、短時間で複数周波数による接合検査が可能であるが、各周波数の分析が難しく例えば赤外線画像の分離が困難になる。一方、図５（ｂ）に示すように超音波周波数を段階的に変化させる場合には、周波数変化が多くなるほど接合検査に時間がかかるが、検出データの分離が容易になる。従って、それぞれにメリット・デメリットがあるため、状況に応じて何れかを選択するようにすればよい。

接合部５１の非接合部としては、空隙部５２や不完全接合部５３が考えられるが、例えば４０ｋＨｚの比較的高めの周波数では不完全接合部５３が加振され、擦れによる発熱や音を発生させる。一方、空隙５２では、例えば１０ｋＨｚの比較的低め周波数で加振され、擦れによる発熱や音を発生させる。そこで、例えば１０〜１００ｋＨｚの間で連続的に、或いは段階的に周波数を変化させて検査を行う。

これにより、変化する周波数に対応して空隙部５２と不完全接合部５３との区別や、非接合部分の大きさなどによって異なる検査データを取得することができる。例えば、赤外センサ３３で温度測定を行う第１実施形態では、周波数が変化することにより、接合部５１に存在する非接合箇所が順に発熱する。図５（ｂ）に示す断続的な場合には周波数毎の温度データを取得し、図５（ａ）に示す連続的な場合には一定の周波数領域で区切った温度データを取得する。

そして、演算装置３２では、接合部５１の温度分布画面がモニタに表示されるが、その際、各温度データ毎に温度分布画像を作成すれば、非接合部の状態毎に分けた検査結果を得ることができる。一方、各温度データを合成すれば、一つの検査結果を得ることができるが、その際、温度データ毎に発熱箇所の表示を色分けなどすることにより、非接合部の状態を区別した検査結果を出力する。ＡＥセンサ３３を使用する第２実施形態でも、周波数を変化させた場合には、同じように検査データ毎、或いは合成した検査結果を出力するようにしてもよい。

以上、本発明に係る接合検査方法について実施形態を説明したが、本発明はこれ限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
前記実施形態では、赤外線センサ３１やＡＥセンサ３３で一箇所を検査する場合について説明したが、複数の接合部５１が近い場合には、一つの加振位置５５からの加振によって一度に複数の接合部５１を検査するようにしてもよい。例えば、図２に示す接合部５１ａ，５１ｂ，５１ｃに対して各々に赤外線センサ３１やＡＥセンサ３３を配置し、一度に検査することも可能である。

１０半導体装置
１１半導体素子
２１超音波ツール
２５テープ
３１赤外線カメラ
３２演算装置
３３ＡＥセンサ

Claims

接合部の接合状態を超音波を使用して検査するための接合検査方法において、
検査対象となる接合部の近くに設定した加振位置を超音波ツールからの超音波によって加振し、
その加振位置から伝わった超音波による振動によって前記接合部に生じる熱又は音を検出手段で検出し、
前記検出手段によって得られた検出データに基づいて接合状態を出力するようにしたことを特徴とする接合検査方法。
請求項１に記載する接合検査方法において、
前記接合部を前記超音波ツールによって超音波接合した後に、当該超音波ツールを使用して前記加振位置を超音波によって加振するようにしたことを特徴とする接合検査方法。
請求項１又は請求項２に記載する接合検査方法において、
加振位置を加振する前記超音波ツールから発信される超音波の周波数を、連続的または段階的に変化させるようにしたことを特徴とする接合検査方法。
請求項３に記載する接合検査方法において、
前記検出手段によって得られた検出データを、異なる周波数に応じて得られた検出データ毎に出力し、或いは異なる周波数に応じて得られた検出データを合成して出力するようにしたことを特徴とする接合検査方法。
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載する接合検査方法において、
前記接合部が複数ある場合に、当該複数の接合部を接合した後に、各接合部について検査を行うようにしたことを特徴とする接合検査方法。
請求項５に記載する接合検査方法において、
前記接合部が複数ある場合に、当該複数の接合部を接合した後に、複数の前記検出手段によって各接合部の検査を行うようにしたことを特徴とする接合検査方法。
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載する接合検査方法において、
接合箇所が近接して複数存在する場合に、前記超音波ツールによって一の接合箇所を超音波接合している時に、当該一の接合箇所を前記加振位置としてその他の接合箇所で既に接合を終えた接合部について検査を行うようにしたことを特徴とする接合検査方法。
請求項１乃至請求項７のいずれかに記載する接合検査方法において、
前記検出手段が赤外線カメラであり、その赤外線カメラで前記接合部の温度を測定するようにしたことを特徴とする接合検査方法。
請求項１乃至請求項７のいずれかに記載する接合検査方法において、
前記検出手段がＡＥセンサであり、そのＡＥセンサで前記接合部の音を測定するようにしたことを特徴とする接合検査方法。