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JP3447982B2 - 超音波振動接合装置 - Google Patents

超音波振動接合装置

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JP3447982B2
JP3447982B2 JP17034399A JP17034399A JP3447982B2 JP 3447982 B2 JP3447982 B2 JP 3447982B2 JP 17034399 A JP17034399 A JP 17034399A JP 17034399 A JP17034399 A JP 17034399A JP 3447982 B2 JP3447982 B2 JP 3447982B2
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Japan
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resonator
pressure
ultrasonic vibration
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joining
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貢 勝見
誠也 中居
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Ultex Corp
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Priority to US09/597,567 priority patent/US6491785B1/en
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、複数の重ね合され
た部材を超音波振動で接合する超音波振動接合装置に関
する。
【０００２】
【従来の技術】特開平１０−２２３０８号公報で開示さ
れたように、本出願人は、複数の重ね合された部材を超
音波振動により接合する超音波振動接合装置を提案し
た。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】前記超音波振動接合装
置で複数の重ね合された部材を接合する場合、接合され
る部分の大きさや材料等の物性によっては、複数の重ね
合された部材の接合部分に印加する加圧力が強すぎて接
合部分が潰れ過ぎたり、加圧力が弱過ぎて接合部分が剥
離する、等の接合不良を発生する可能性がある。
【０００４】そこで、本発明は、接合される部分の大き
さや材料等の物性によって加圧曲線を種々選択して適切
な接合が図れる超音波振動接合装置を提供するものであ
る。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明にあっては、複数
の重ね合された部材が接合機構に支持された共振器と実
装機構のマウントテーブルとでそれらの間に加圧保持さ
れ、共振器に結合された振動子から共振器に超音波振動
を伝達し、複数の重ね合された部材が超音波振動により
接合される超音波振動接合装置において、接合機構が接
合作業の上下駆動機構部と接合作業の加重制御機構部と
を備え、加重制御機構部が上下駆動機構部の出力端と共
振器を支持するホルダとに連結されたエアシリンダによ
り形成され、さらに、加重制御機構部が当該エアシリン
ダの内部に隔成された平衡室と加重室とに加圧空気を供
給する加圧供給系統と、加圧供給系統から平衡室に供給
される加圧空気の圧力を加重制御機構部に連結された要
素の総重量によって設定すると共に加圧供給系統から加
重室に供給される加圧空気の圧力を接合される部材の大
きさや材料によって設定する設定手段とを備えたことに
よって、上下駆動機構部が共振器を実装機構のマウント
テーブル側に移動し、加重制御機構部が複数の重ね合さ
れた部材を共振器とマウントテーブルとで加圧保持して
から超音波振動により接合されるまでの加圧力を接合さ
れる部分の大きさや材料等の物性によって種々選択する
ことにより、複数の重ね合された部材が潰れ過ぎや剥離
することなく適切に接合されるとともに、加重制御機構
部がエアシリンダ以外の要素で形成された場合に比べ、
加重制御機構部が複数の重ね合された部材への加圧力を
圧縮弾性流体である空気により適切に調整でき、加重制
御機構部が振動開始加重設定値、第１加重圧力設定値、
第２加重圧力設定値、平衡圧力設定値等の加圧力制御条
件を種々設定できる。又、本発明にあっては、上下駆動
機構部がモータとモータの出力軸と共振器を支持するホ
ルダとに連結されたボルト・ナット機構とにより形成さ
れれば、上下駆動機構部がシリンダのような直線運動だ
けの要素により形成された場合に比べ、上下駆動機構部
が回転運動を直線運動に変換することにより、共振器の
上下駆動時の速度制御が容易である。又、本発明にあっ
ては、接合機構は加重制御機構部のエアシリンダにおけ
るピストンが加重室の側にフルストロークする直前に上
下駆動機構部の下降動作を停止する異常停止出手段を備
えれば、上下駆動機構部による下降する力が接合部分に
印加されることはない 。 又、本発明にあっては、加重
制御機構部に連結された要素の総重量を検出する荷重セ
ンサを備えれば、加重制御機構部が支持する要素の総重
量を正確に検出することができる。又、本発明にあって
は、荷重センサが共振器を支持するホルダ側に設けられ
れば、加重制御機構部の支持する要素の総重量を計算す
る必要がない。
【０００６】
【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施形態に係る
超音波振動接合装置を示す。この実施形態では、第１部
材である回路基板９２に第２部材である半導体チップ９
０を面実装するための装置を例として説明する。半導体
チップ９０はその一表面に接続端子として平板状又は球
状に形成された複数のパッド９１を有する。回路基板９
２はその一表面のチップ実装位置に接続端子として平板
状又は球状に形成された複数のパッド９３を有する。チ
ップ側パッド９１と基板側パッド９３とは、同数であっ
て、それぞれの位置が対応している。チップ側パッド９
１と基板側パッド９３とが超音波振動により接合される
ことにより、半導体チップ９０が回路基板９２に面実装
される。
【０００７】超音波振動接合装置は、大まかには、接合
機構１、コンピュータを内蔵した制御装置４０、操作盤
４１、実装機構５０を備える。接合機構１は、サーボモ
ーターのようなモータ２とボルト・ナット機構３とから
なる接合作業の上下駆動機構部と、エアシリンダ４から
なる接合作業の加重制御機構部とを備える。エアシリン
ダ４の内部には下部の平衡室５と上部の加重室６とがピ
ストン７で隔成される。そして、平衡室５にはエアシリ
ンダ４で支持される要素の重量を負担する加圧空気が平
衡空気供給系統８より供給され、加重室６には接合され
る部分の大きさや材料等の物性により接合時に必要な加
圧力に相当する加圧空気が加重空気供給系統１１により
供給される。３７は平衡空気供給系統８及び加重空気供
給系統１１の加圧空気供給源としてのエアポンプ、Ａは
加圧空気供給系統１１とエアポンプ３７とを接続する結
合子である。
【０００８】この実施形態の場合、エアシリンダ４で支
持される要素の重量は、ピストン７、ピストンロッド１
５、ホルダ１６、ガイドロッド１７、共振器１８、振動
子３０、半導体チップ９０等の総重量であるが、ロード
セルのような荷重センサ３８がピストンロッド１５とホ
ルダ１６との間に配置されてピストンロッド１５とホル
ダ１６とに結合される。これによって、荷重センサ３８
が上方に引かれる力及び下方に押される力の双方を感知
し、エアシリンダ４が支持する要素の重量を正確に検出
することができる。荷重センサ３８は検出信号を制御装
置４０に出力する。Ｂは荷重センサ３８と制御装置４０
とを接続する結合子である。
【０００９】制御装置４０には、平衡空気供給系統８に
設けられた圧力センサ９の出力信号、加重空気供給系統
１１に設けられた圧力センサ１２の出力信号、荷重セン
サ３８の出力信号、操作盤４１で設定操作された設定信
号等の各種の信号が入力される。これらの信号が入力さ
れた状態では、制御装置４０は、平衡空気供給系統８に
設けられた圧力調整弁１０や加重空気供給系統１１に設
けられた圧力調整弁１３を制御することにより、平衡室
５内部の圧力を平衡圧力設定値ＢＰに設定し、加重室６
内部の圧力を第１加重圧力設定値ＰＰ１や第２加重圧力
設定値ＰＰ２及び第１加重圧力設定値ＰＰ１から第２加
重圧力設定値ＰＰ２へと変化する圧力の複数の傾きａ，
ｂ，ｃ中の１つの傾きを持つ圧力変化に設定する。圧力
調整弁１０，１３には、主弁とリリーフ弁とがパイロッ
ト弁で作動するサーボ平衡機構を利用した精密減圧弁と
呼ばれる弁、電圧又は電流によって動作する電子圧力調
整弁と呼ばれる電磁弁が用いられる。例えば、精密減圧
弁は、ステッピングモータのような電気的に動作するア
クチュエータがパイロットカプセルを伸縮し、このパイ
ロットカプセルの伸縮によりパイロット弁が動き、この
パイロット弁の動きにより主弁又はリリーフ弁のどちら
かが動き、これによって弁の二次圧（弁の出力側圧）が
目標圧となるように制御する構造である。ステッピング
モータのような電気的に動作するアクチュエータを利用
した精密減圧弁は未公開な新しい構造の弁である。
【００１０】操作者が操作盤４１の第１加重圧力操作部
４２を操作して第１加重圧力設定値ＰＰ１を設定する
と、操作盤４１は設定された第１加重圧力設定値ＰＰ１
を第１加重圧力表示部４５に表示すると共に制御装置４
０に出力する。操作者が操作盤４１の第２加重圧力操作
部４３を操作して第２加重圧力設定値ＰＰ２を設定する
と、操作盤４１は設定された第２加重圧力設定値ＰＰ２
を第２加重圧力表示部４６に表示すると共に制御装置４
０に出力する。操作者が操作盤４１の平衡圧力操作部４
４を操作して平衡圧力設定値ＢＰを設定すると、操作盤
４１は設定された平衡圧力設定値ＢＰを平衡圧力表示部
４７に表示すると共に制御装置４０に出力する。操作盤
４１の荷重表示部４８には荷重センサ３８で検出された
荷重が制御装置４０より入力されて表示される。平衡空
気供給系統８により平衡室５に供給された平衡室５内部
の圧力とエアシリンダ４で支持される要素の重量とが平
衡した状態において、操作者が操作盤４１の図外のリセ
ット釦を操作すると、操作盤４１はその時の荷重センサ
３８の検出値である実荷重をゼロにキャンセルすると共
に荷重表示部４８にゼロを表示する。操作者が操作盤４
１の振動開始操作部４９を操作すると、操作盤４１は荷
重表示部４８に振動開始加重設定値ＳＰを表示すると共
に制御装置４０に出力する。振動開始加重設定値ＳＰ＜
第１加重圧力設定値ＰＰ１＜第２加重圧力設定値ＰＰ２
である。
【００１１】この実施形態の接合機構１では、モータ２
が設置基準３１に設置された固定ベース３２に取付けら
れ、ボルト・ナット機構３のねじ棒がモータ２の出力軸
に連結され、ボルト・ナット機構３のナットがリフトベ
ース３３に固定され、エアシリンダ４がリフトベース３
３に装着されている。ピストンロッド１５に取付けられ
たホルダ１６には共振器１８が装着され、共振器１８の
一端には振動子３０が図外の無頭ねじとねじ孔とにより
同軸に結合されている。そして、モータ２が正転する
と、ボルト・ナット機構３のねじ棒が正転し、当該ねじ
棒にねじ嵌合したナットによりリフトベース３３が下降
する。一方、モータ２が逆転すると、ボルト・ナット機
構３のねじ棒が逆転し、リフトベース３３がナットを介
して上昇する。リフトベース３３は、固定ベース３２よ
り下方に立設された左右のガイドポール３４に摺接係合
して回り止めされて昇降する。各ガイドポール３４の内
部にはガイドロッド１７が昇降可能に嵌め込まれてい
る。ガイドロッド１７の下端はホルダ１６に結合されて
いる。これによって、ガイドロッド１７は、リフトベー
ス３３の昇降とエアシリンダ４の伸縮とにより昇降し
て、ホルダ１６を設置基準３１と平行に保持する。
【００１２】この実施形態の共振器１８は、ホーン１９
とその両側に図外の無頭ねじとねじ孔とにより同軸に結
合された２つのブースタ２１，２２とを備え、各ブース
タ２１，２２がホルダ１６の左右より下方に延設された
アーム部２３，２４のそれぞれに支持されたことで、共
振器１８がホルダ１６に両持ち支持に取付けられる。一
方のブースタ２１には振動子３０が図外の無頭ねじとね
じ孔とにより同軸に結合される。振動子３０は図外の超
音波発生器より電力が供給されて所定周波数の縦波の超
音波振動を発生して出力する電気エネルギーを機械エネ
ルギーに変換する圧電素子又は磁歪素子等のようなエネ
ルギー変換器である。ブースタ２１に結合される振動子
３０の出力端には超音波振動の最大振動振幅点が存在す
る。
【００１３】ホーン１９が振動子３０からの超音波振動
に共振する共振周波数の１波長の長さを有し、ブースタ
２１，２２が振動子３０からの超音波振動に共振する共
振周波数の半波長の長さを有する。ホーン１９は、四角
板状であって、左右端部及び中央部に最大振動振幅点を
有し、中央部の最大振動振幅点で上下面より外側に突出
した短四角柱状の接合作用部２０を有する。ブースタ２
１，２２は、円柱形状であって、左右両端部に最大振動
振幅点を有し、中央部の最小振動振幅点で外側面より突
出した環状の支持部２５，２６を有する。各支持部２
５，２６はアーム部２３，２４のそれぞれに同軸状に形
成された貫通孔２７，２８に収容される。そして、各ア
ーム部２３，２４の外側面と貫通孔２７，２８とにわた
り形成された図外のスリットにより分割された部分が図
外のボルトにより締結されることにより、各アーム部２
３，２４が支持部２５，２６を把持する。接合作用部２
０には半導体チップ９０を吸付けるための吸引孔部２９
が形成されている。吸引孔部２９には図外の真空ポンプ
やバルブ等を有する吸引吸着系統が接続され、吸引吸着
系統により吸引孔部２９が半導体チップ９０を接合作用
部２０に吸付けることができる。
【００１４】実装機構５０は、設置基準３１に設けられ
たＸＹθ駆動部５１と、ＸＹθ駆動部５１の上に組付け
られたマウントテーブル５２とを備える。ＸＹθ駆動部
５１は、マウントテーブル５２を設置基準３１と平行な
平面の縦横であるＸ方向とＹ方向とに移動すると共に上
記平面内の或る１点を中心として設置基準３１と平行な
平面内での回転角であるθ方向に回転し、設置基準３１
と平行なマウントテーブル５２の上面に搭載された被実
装対象である回路基板９２のチップ実装位置が所定の搭
載位置となるように、マウントテーブル５２を位置制御
する。
【００１５】ＸＹθ駆動部５１は、設置基準３１に対す
るＸ方向仰角調整部５４と、設置基準３１に対するＹ方
向仰角調整部５５とを有する。実装準備作業時、又は、
共振器１８が交換された時、又は、マウントテーブル５
２が交換された時のように、マウントテーブル５２の上
面と接合作用部２０の下面との平行度が保たれているか
否か不明な時に、Ｘ方向仰角調整部５４やＹ方向仰角調
整部５５が、人為操作により、設置基準３１に対するＸ
Ｙθ駆動部５１のＸ方向での仰角と、設置基準３１に対
するＸＹθ駆動部５１のＹ方向での仰角とを調整し、マ
ウントテーブル５２の上面と接合作用部２０の下面との
平行度を確保する。
【００１６】又、接合機構１には異常停止手段を備え
る。この異常停止出手段は、リフトベース３３に設けら
れたセンサドグ３５と、ホルダ１６に設けられたリミッ
トセンサ３６とを有する。そして、接合時において、ピ
ストン７が加重室６の側にフルストロークする直前に、
リミットセンサ３６がセンサドグ３５を検出した電気信
号を制御装置４０に出力することにより、制御装置４０
がモータ２の回転駆動を停止する。これによって、上下
駆動機構部の力がパッド９１と基板側パッド９３との接
合される部分に印加されることを防止する。センサドグ
３５がホルダ１６に設けられ、リミットセンサ３６がリ
フトベース３３に設けられても良い。リミットセンサ３
６は接触タイプ又は非接触タイプのどちらでも良い。
【００１７】図２は、実施形態の接合作業時のタイムチ
ャートであって、横軸には接合される部分であるチップ
側パッド９１と基板側パッド９３とが接触した瞬間の時
刻ｔ０、振動子３０の発振開始時刻ｔ１、一次接合開始
時刻ｔ２、一次接合終了時刻ｔ３、二次荷重到達時刻ｔ
４，ｔ５，ｔ６を表し、左縦軸にはチップ側パッド９１
と基板側パッド９３とが接触した瞬間の実荷重Ｗ０（Ｗ
０＝ＢＰ−ＰＰ１）、振動開始時刻ｔ１での実荷重Ｗ１
（Ｗ１＝ＳＰ）、一次接合開始時刻ｔ２での実荷重Ｗ２
（Ｗ２＝ＰＰ１）、二次到達時刻ｔ４〜ｔ６それぞれで
の実荷重Ｗ３（Ｗ３＝ＰＰ２）を表し、右縦軸に振動開
始加重設定値ＳＰと第１加重圧力設定値ＰＰ１及び第２
加重圧力設定値ＰＰ２を表す。
【００１８】実施形態の動作について説明する。操作者
が、操作盤４１を操作し、振動開始加重設定値ＳＰ、平
衡圧力設定値ＢＰ、第１加重圧力設定値ＰＰ１、第２加
重圧力設定値ＰＰ２、振動子３０の全発振時間Ｔ、振動
子３０の一次接合時間Ｔ１（図２のｔ３−ｔ１）、接合
される部分であるチップ側パッド９１と基板側パッド９
３の大きさや材料等の物性に応じた第１加重圧力設定値
ＰＰ１から第２加重圧力設定値ＰＰ２に達するまでの圧
力変化の傾きを設定する。
【００１９】前記傾きは、例えば、図２に示すように、
点線Ｌ１に相当する傾きａ、実線Ｌ２に相当する傾き
ｂ、二点鎖線Ｌ３に相当する傾きｃ等のように、接合さ
れる部分の大きさや材料等の物性に応じ複数存在する。
よって、例えば、上記複数の傾きａ〜ｃを制御装置４０
に予め記憶しておき、それらの傾きａ〜ｃの中からこれ
から接合しようとする接合される部分の大きさや材料等
の物性に適した傾きを、操作者が操作盤４１を操作して
選択することにより、その選択された傾きが制御装置４
０に設定される。例えば、操作者が傾きａを選択した場
合は図２の時刻ｔ３〜時刻ｔ４の時間で加重室６内部の
圧力が第１加重圧力設定値ＰＰ１から第２加重圧力設定
ＰＰ２に変化し、操作者が傾きｂを選択した場合は、図
２の時刻ｔ３〜時刻ｔ５の時間で加重室６内部の圧力が
第１加重圧力設定値ＰＰ１から第２加重圧力設定ＰＰ２
に変化し、操作者が傾きｃを選択した場合は、図２の時
刻ｔ３〜時刻ｔ６の時間で加重室６内部の圧力が第１加
重圧力設定値ＰＰ１から第２加重圧力設定ＰＰ２に変化
する。
【００２０】上記の制御条件が設定されたことにより、
制御装置４０が圧力調整弁１０，１３を駆動し、平衡室
５内部の圧力が平衡圧力設定値ＢＰに設定され、加重室
６内部の圧力が第１加重圧力設定値ＰＰ１に設定され
る。これによって、ピストン７はエアシリンダ４内部の
上下方向中間具体的にはエアシリンダ４内部の下降限度
に位置する。又、接合機構１の共振器１８が上昇限度位
置に停止し、半導体チップ９０が接合作用部２０に吸引
吸着され、半導体チップ９０のチップ側パッド９１が下
側を向き、回路基板９２が実装機構２のマウントテーブ
ル５２に搭載され、回路基板９２の基板側パッド９３が
上側を向いている。この状態において、図外の計測装置
におけるＣＣＤカメラがチップ側パッド９１と基板側パ
ッド９３とを撮像した電気信号を制御装置４０に出力す
る。それから、制御装置４０がチップ側パッド９１と基
板側パッド９３との位置ずれを演算する。その演算結果
により、制御装置４０がマウントテーブル５２を位置補
正する。つまり、マウントテーブル５２がＸＹ及びθ駆
動してチップ側パッド９１の位置と基板側パッド９３の
位置とが正確に整合し得るように、半導体チップ９０を
基準に、回路基板９２を位置補正する。
【００２１】その後、操作者が操作盤４１のスタート釦
をオン動作すると、制御装置４０がモータ２を正転駆動
し、接合機構１の共振器１８が下降する。これによっ
て、図２に示すように、時刻ｔ０において、チップ側パ
ッド９１が基板側パッド９３に押付けられる。引続き、
モータ２の回転によるリフトベース３３の下降と、チッ
プ側パッド９１と基板側パッド９３との突当りによるピ
ストンロッド７の上昇とにより、加重室６の容積が縮小
し、加重室６内部の圧力が上昇する。そして、時刻ｔ１
において、荷重センサ３８から制御装置４０に実荷重Ｗ
１（Ｗ１＝ＳＰ）が入力されると、制御装置４０が振動
子３０に発振開始を指示する。これによって、振動子３
０が超音波振動を発振し、この超音波振動に共振器１８
が共振し、その共振による超音波振動が接合作用部２０
から半導体チップ９０を経由しチップ側パッド９１と基
板側パッド９３との接触部分に作用し、チップ側パッド
９１と基板側パッド９３との超音波振動による接合が始
まる。
【００２２】更に、モータ２の回転によるリフトベース
３３の下降と、チップ側パッド９１と基板側パッド９３
との突当りによるピストンロッド７の上昇とにより、加
重室６の容積が縮小し、加重室６内部の圧力が上昇し、
時刻ｔ２において、実荷重Ｗ２が荷重センサ３８から制
御装置４０に入力されると、制御装置４０が圧力調整弁
１３のパイロット弁を動作するステッピングモータのよ
うな電気的なアクチュエータを制御する。これによっ
て、加重室６の圧力が第１加重圧力設定値ＰＰ１に保持
され、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの間、半導体チップ９
０が回路基板９２に第１加重圧力設定値ＰＰ１と平衡圧
力設定値ＢＰとの差圧である加重により押付けられる。
【００２３】前記制御条件設定において、操作者が傾き
ｂを選択し設定したものとすると、時刻ｔ３以降におけ
る半導体チップ９０が回路基板９２に押付けられる加重
は図２の実線Ｌ２の圧力変化に沿うように制御される。
よって、時刻ｔ３になると、制御装置４０が圧力調整弁
１３の電気的なアクチュエータを制御する。この制御は
加重室６の圧力が実線Ｌ２により第１加重圧力設定値Ｐ
Ｐ１から第２加重圧力設定値ＰＰ２へと上昇する加圧曲
線による圧力制御である。その圧力変化は荷重センサ３
８により検出される。その後、時刻ｔ１からの経過時間
が全接合時間Ｔに到達した時点で、チップ側パッド９１
と基板側パッド９３との超音波振動による接合が完了
し、制御装置４０が振動子３０への発振停止を指示する
と共にモータ２を正転駆動より逆転駆動に切替える。こ
れによって、接合機構１の共振器１８が上昇すると共に
超音波振動の発振を停止する。
【００２４】引続き、共振器１８が上昇限度位置に到達
すると、制御装置４０がモータ２の逆転を停止する。こ
の共振器１８の上昇開始又は共振器１８の上昇開始中又
は共振器１８の上昇限度位置への到達の何れかと並行
し、制御装置４０が圧力調整弁１３の電気的なアクチュ
エータを制御する。この制御は、加重室６の圧力が実線
Ｌ２上の全接合時間Ｔに到達した圧力から第１加重圧力
設定値ＰＰ１へと下降する圧力制御である。これによっ
て、回路基板９２への１個の半導体チップ９０の実装工
程の１サイクルが終了する。
【００２５】要するに、この実施形態によれば、操作者
が制御装置４０に振動開始加重設定値ＳＰ、第１加重圧
力設定値ＰＰ１、第２加重圧力設定値ＰＰ２、平衡圧力
設定値ＢＰ、一次接合時間Ｔ１、全接合時間Ｔ、複数の
傾きａ〜ｃの中から接合される部分の大きさや材料に応
じて選択した傾き等の制御条件を設定することにより、
制御装置４０が接合作業の加重制御機構部であるエアシ
リンダ４の加重室６内部の圧力制御及び接合作業の上下
駆動機構部の一部を構成するモータ２の正転と逆転を制
御し、第１部材である回路基板９２と第２部材である半
導体チップ９０とが振動開始加重設定値ＳＰから第１加
重圧力設定値ＰＰ１を経由して第２加重圧力設定値ＰＰ
２へと徐々に上昇する加重下で超音波振動を受けながら
接合される。
【００２６】前記振動開始加重設定値ＳＰ、第１加重圧
力設定値ＰＰ１、第２加重圧力設定値ＰＰ２、平衡圧力
設定値ＢＰ、一次接合時間Ｔ１、全接合時間Ｔ（Ｔ＞Ｔ
１）等の制御条件は、接合される部分であるチップ側パ
ッド９１と基板側パッド９３の大きさや材料等の物性に
より求められた値が用いられる。例えば、第１部材と第
２部材との接合される部分が広い場合又は硬い場合には
第２加重圧力設定値ＰＰ２が比較的高い値に設定され、
第１部材と第２部材との接合される部分が狭い場合又は
柔らかい場合には第２加重圧力設定値ＰＰ２が比較的低
い値に設定される。よって、この実施形態によれば、加
重室６には接合される部分の大きさや材料等の物性によ
り接合時に必要な加圧力が種々設定でき、接合部分の潰
れ過ぎや接合部分の剥離等がなく、超音波振動による適
切な接合が得られる。
【００２７】又、この実施形態によれば、接合機構１
が、モータ２とボルト・ナット機構３とからなる接合作
業の上下駆動機構部と、エアシリンダ４からなる接合作
業の加重制御機構部とを備えたので、上下駆動機構部の
力が接合時における接合部分に作用せず、加重制御機構
部における加圧力だけが接合時における接合部分に作用
する。即ち、モータ２が正転し、接合機構１の共振器１
８が下降し、チップ側パッド９１が基板側パッド９３に
押付けられた場合、ピストン７が上昇する。そのため、
モータ２による下降する力がピストン７の上昇により吸
収され接合部分に作用せず、加重室６の圧力に相当する
加圧力だけが接合部分に作用する。よって、モータ２の
回転速度を上げ、共振器１８の下降速度を上げても、接
合部分には急激に高くなるような衝撃力が印加されるこ
とはなく、半導体チップ９０や回路基板９２が割れるよ
うな不都合が解消できる。
【００２８】上記ピストン７の上昇により加重室６の容
積が縮小しても、圧力調整弁１３の圧力調整により、加
重室６内部の圧力は第１加重圧力設定値ＰＰ１に保持さ
れる。よって、全接合時間Ｔの間において、制御装置４
０がモータ２の正転を停止しなくても、加重室６の容積
縮小に比例し、加重室６の圧力が第１加重圧力設定値Ｐ
Ｐ１及び第１加重圧力設定値ＰＰ１から第２加重圧力設
定値ＰＰ２への圧力上昇への選択された傾きを保持する
ことができ、接合に悪影響を及ぼすことはない。
【００２９】又、この実施形態によれば、センサドグ３
５とリミットセンサ３６とからなる異常停止手段を備え
たので、ピストン７が上昇限度となる前に、モータ２の
正転が強制的に停止され、モータ２による下降する力が
接合部分に印加されることはない。
【００３０】前記実施形態では、接合機構１の共振器１
８が上昇限度位置に停止した接合作業の初期状態におい
て、半導体チップ９０を共振器１８に吸引吸着したが、
回路基板９２の上に半導体チップ９０を重ね合せて置
き、共振器１８の下降により接合作用部２０が半導体チ
ップ９０を回路基板９２に押付けるようにすれば、共振
器１８が吸引孔部２９を除去した簡単な構造となる。
【００３１】前記実施形態では操作盤４１から制御装置
４０に制御条件を設定したが、係る制御条件としては制
御装置４０に接合される部分の大きさや材料に応じた複
数の制御条件を予め記憶させておき、その記憶された複
数の制御条件の中からこれから接合しようとする部分の
大きさや材料に応じ選択し設定すれば、接合作業が容易
となる。
【００３２】前記実施形態では荷重センサ３８がピスト
ンロッド１５とホルダ１６との間に設けられたが、上記
荷重センサ３８に相当する図１に２点鎖線で示す荷重セ
ンサ５３を荷重センサ３８に代えてマウントテーブル５
２に設けても良い。この場合、荷重センサ３８が共振器
１８の接合作用部２０と対応する位置に設けられればよ
り正確な実荷重を検出できる。又、荷重センサ５３がエ
アシリンダ４で支持される要素の重量を前記実施形態の
ようにピストン７、ピストンロッド１５、ガイドロッド
１７、共振器１８、振動子３０、半導体チップ９０等を
ホルダ１６に持たせた状態だけで検出できないので、ピ
ストン７、ピストンロッド１５、ホルダ１６、ガイドロ
ッド１７、共振器１８、振動子３０、半導体チップ９０
等の総重量は計算で求めるか、又は、望ましくは平衡室
５及び加重室６を大気開放し、少なくともモータ２を動
かしてホルダ１６を下降させ、接合作用部２０又は接合
作用部２０に吸着した半導体チップ９０をマウントテー
ブル５２に接触されることにより、エアシリンダ４で支
持される要素の重量を荷重センサ５３で検出すことは必
要である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態に係る超音波振動接合装置
を示す構成図。
【図２】 同実施形態における接合作業のタイムチャー
ト。
【符号の説明】
１ 接合機構 ２ モータ（上下駆動機構部） ３ ボルト・ナット機構（上下駆動機構部） ４ エアシリンダ（加重制御機構部） ８ 平衡空気供給系統 １１ 加重空気供給系統 ４０ 制御装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平10−22308（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−239538（ＪＰ，Ａ) 米国特許3697837（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B23K 20/10

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 複数の重ね合された部材が接合機構に支
    持された共振器と実装機構のマウントテーブルとでそれ
    らの間に加圧保持され、共振器に結合された振動子から
    共振器に超音波振動を伝達し、複数の重ね合された部材
    が超音波振動により接合される超音波振動接合装置にお
    いて、接合機構が接合作業の上下駆動機構部と接合作業
    の加重制御機構部とを備え、加重制御機構部が上下駆動
    機構部の出力端と共振器を支持するホルダとに連結され
    たエアシリンダにより形成され、さらに、加重制御機構
    部が当該エアシリンダの内部に隔成された平衡室と加重
    室とに加圧空気を供給する加圧供給系統と、加圧供給系
    統から平衡室に供給される加圧空気の圧力を加重制御機
    構部に連結された要素の総重量によって設定すると共に
    加圧供給系統から加重室に供給される加圧空気の圧力を
    接合される部材の大きさや材料によって設定する設定手
    段とを備えたことを特徴とする超音波振動接合装置。
  2. 【請求項２】 上下駆動機構部がモータとモータの出力
    軸と共振器を支持するホルダとに連結されたボルト・ナ
    ット機構とにより形成されたことを特徴とする請求項１
    記載の超音波振動接合装置。
  3. 【請求項３】 接合機構は加重制御機構部のエアシリン
    ダにおけるピストンが加重室の側にフルストロークする
    直前に上下駆動機構部の下降動作を停止する異常停止出
    手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の超音波振
    動接合装置。
  4. 【請求項４】 加重制御機構部に連結された要素の総重
    量を検出する荷重センサを備えたことを特徴とする請求
    項１記載の超音波振動接合装置。
  5. 【請求項５】 荷重センサが共振器を支持するホルダ側
    に設けられたことを特徴とする請求項４記載の超音波振
    動接合装置。
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