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JP2009028728A - Ultrasonic vibration bonding method, device formed by the same, and ultrasonic vibration bonding apparatus - Google Patents

Ultrasonic vibration bonding method, device formed by the same, and ultrasonic vibration bonding apparatus Download PDF

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JP2009028728A
JP2009028728A JP2007191838A JP2007191838A JP2009028728A JP 2009028728 A JP2009028728 A JP 2009028728A JP 2007191838 A JP2007191838 A JP 2007191838A JP 2007191838 A JP2007191838 A JP 2007191838A JP 2009028728 A JP2009028728 A JP 2009028728A
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Japan
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resonator
ultrasonic vibration
amplitude
energy
bonded
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JP2007191838A
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Inventor
Seiya Nakai
誠也 中居
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Bondtech Inc
Original Assignee
Bondtech Inc
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ultrasonic vibration bonding method in which the workpieces can be stably and surely bonded with each other without breakage thereof in an ultrasonic vibration bonding apparatus for bonding a plurality of overlapped workpieces with each other by the ultrasonic vibration energy, and to provide the ultrasonic vibration bonding apparatus. <P>SOLUTION: The ultrasonic vibration energy is detected by an ultrasonic vibration energy control unit 31a. Before the ultrasonic vibration energy is rapidly reduced from the bonding start, the pressure applied to a workpiece is increased by a pressurization control unit 31c, and the voltage and the current applied to an oscillator 8 by the ultrasonic vibration energy control unit 31a are controlled by a resonance amplitude control unit 31b so that the amplitude of a resonator 7 is constantly maintained at the preset value. After the ultrasonic vibration energy is rapidly reduced, the amplitude of the resonator 7 is controlled to be damped to prevent damages to the workpiece. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、重ね合わされた複数の被接合物を超音波振動で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。   The present invention relates to an ultrasonic vibration bonding method and an ultrasonic vibration bonding apparatus for bonding a plurality of superposed objects by ultrasonic vibration.

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で加圧しながら、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。   Conventionally, as a method of joining a plurality of objects to be joined, by applying predetermined ultrasonic vibration energy for a predetermined time while simultaneously pressurizing the objects to be joined together, There is a method called ultrasonic vibration bonding for bonding.

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や不純物を除去し、新生面を露出させて被接合物同士の接合を行う方法である。   In this method, ultrasonic vibration is applied to the object to be bonded, and "slip" is generated on the surface of the object to be rubbed to remove the oxide film and impurities on the surface of the object to be bonded, and the new surface is exposed to be exposed. This is a method of joining joined objects.

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。   As such a method, conventionally, by performing control to increase the pressure applied to the object to be bonded, sufficient “slip” necessary for bonding is generated between the objects to be bonded. A method of joining has been proposed.

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。   In this case, the ultrasonic vibration is sequentially transmitted to the first object to be bonded held by the resonator, the second object to be bonded held by the stage, and the stage. However, when the applied pressure is increased in this way, when the applied pressure is large from the beginning, the frictional force at each transmission interface from the resonator to the stage is large, so the first and second workpieces are joined. Since “slip” does not occur at the joint and a new surface does not appear on the surface of the joint, there is a possibility that both objects to be joined cannot be joined. In addition, when the applied pressure is small, the frictional force between the resonator and the first workpiece is small, so that “slip” occurs between the resonator and the first workpiece, and the ultrasonic vibration is the first. And it is not transmitted to a 2nd to-be-joined object, and a "slip" will not arise between to-be-joined objects.

一方、接合過程で第一および第二の被接合物の接合部間の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。   On the other hand, when the bonding area between the bonded portions of the first and second objects to be bonded increases in the bonding process, the bonding force between the objects to be bonded increases, and the bonding force between the objects to be bonded decreases between the resonator and the first object. Since the friction force between the joints is greater, if the pressure is kept constant for a predetermined time in the process during joining, a “slip” occurs between the resonator and the first work piece during that time. Therefore, there is a possibility that it cannot be joined well. In particular, when the base material of the second workpiece is soft, the ultrasonic vibration is absorbed, and similarly, no “slip” occurs between the first and second workpieces. It is also conceivable that the second workpiece cannot be joined.

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。   Therefore, in order to cause “slip” necessary for joining between the first and second objects to be joined, it is necessary to perform control to change the value of the set pressure according to the joining state of both objects to be joined. is there.

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、操作者が操作盤を操作して、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、振動子の一次接合時間、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。   As a specific example of performing ultrasonic vibration bonding by changing and controlling the value of the set pressure as described above, there is Patent Document 1. The specific method for controlling the applied pressure in the ultrasonic vibration welding apparatus of Patent Document 1 is that the operator operates the operation panel to set the welding start weight setting value, the parallel pressure setting value, the first weight pressure setting value, 2) the pressure setting value, the primary joining time of the vibrator, the slope of the pressure change until the second weighting pressure setting value is reached from the first weighting pressure setting value according to the physical properties of the part to be joined, such as the size and material, etc. Input and set. And ultrasonic vibration joining is performed under the load by the control according to the input set value.

特許第3447982号(段落0009,0017〜0025,図2)Japanese Patent No. 3447798 (paragraphs 0009, 0017 to 0025, FIG. 2)

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、表面の汚れや異物の噛み込み、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。 In the apparatus of Patent Document 1, an open loop control is performed in which an operator inputs and sets an appropriate pressure for each predetermined time from the start to the end of joining. Since this method is not feedback control in which the joining state in the joining process between the joined objects by the set value is fed back to the device, once the set value is set and input, the state and adsorption of the joined object flowing in mass production In the held condition, the effect of unstable factors such as surface contamination, foreign object biting, and resonator and stage wear cannot be absorbed, resulting in a high defect rate and a decrease in yield. is there.

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、被接合物の破壊やダメージにつながることになる。   Further, in the case of the open loop control, since the end of joining of both objects to be joined is determined by a predetermined elapsed time from the start of joining, the actual factors such as the above unstable elements for each object to be joined are used. There is a possibility that the end of joining of the objects to be joined will deviate from the set end. In this case, if the actual joining end is slower than the set joining end, the joining of the objects to be joined is incomplete, and if the actual joining end is earlier than the set joining end, Extra ultrasonic vibration energy is applied to the object, which leads to destruction and damage of the object to be joined.

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。   Therefore, every time the new surface of the surface of the object to be bonded increases, the bonding area increases. If the bonding area increases, the bonding force between the objects to be bonded also increases. And if the joining force of to-be-joined objects increases, the magnitude | size of the "slip" between to-be-joined objects will attenuate | damp. Therefore, in order to generate “slip” of a predetermined magnitude between the objects to be joined, it is necessary to increase the applied ultrasonic vibration energy in order to keep the vibration amplitude of the resonator constant.

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の付近にひび(クラック)が入るなどのダメージが生じるおそれがある。   However, if the ultrasonic vibration energy is continuously applied to cause the predetermined “slip” between the objects to be bonded even though the bonding between the bonding parts of both objects is sufficiently advanced, Excess ultrasonic vibration energy is applied to the bonded portion of the object and both objects to be bonded, and the bonded portion and objects to be bonded of both objects are broken or damaged. In particular, the damage is concentrated in a weak part. For example, if the joint is a semiconductor (Si) bump (electrode), a crack (crack) is formed in the vicinity of the under barrier metal at the boundary between Si and the bump. Such damage may occur.

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。 Furthermore, in the apparatus of Patent Document 1, the pressure is controlled in order to cause “slip” between the objects to be bonded. However, the control only with the pressure is sufficient to stabilize the space between the objects to be bonded. It is difficult to cause “slip”, and it is also considered that optimum “slip” for joining is not generated between objects to be joined due to unstable elements for each object to be joined. Therefore, in order to generate a stable “slip” between the objects to be bonded, the pressing force is controlled according to the bonding state of both objects to be bonded, and the vibration amplitude of the objects to be bonded is held at a predetermined set value. In addition, it is necessary to control the ultrasonic vibration energy applied to the workpiece.

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。 Then, an object of this invention is to provide the ultrasonic vibration joining method and ultrasonic vibration joining apparatus which can be joined stably and reliably, without damaging a to-be-joined object.

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ことを特徴としている(請求項1)。   In order to solve the above-described problems, an ultrasonic vibration bonding method according to the present invention includes ultrasonic vibration by applying ultrasonic vibration energy from a vibrator while pressing a plurality of stacked objects to be bonded by a pressing unit. In an ultrasonic vibration joining method for joining ultrasonic wave vibrations to a plurality of superposed objects to be joined to each other, the ultrasonic waves to the resonator by an energy amount detection means. While detecting vibration energy, the amplitude of the resonator is detected by a resonator amplitude detecting means, and from the start of bonding, while the pressure applied by the pressurizing means to the plurality of objects to be joined is monotonously increased, The amplitude of the resonator by the resonator amplitude detection unit is set in advance from the start of bonding until the ultrasonic energy by the energy amount detection unit suddenly decreases. Held in the set value, it is characterized by attenuating the amplitude of the resonator the after rapid decrease of the ultrasonic energy by said energy amount detecting means (claim 1).

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)。   Further, the ultrasonic vibration joining method according to the present invention is characterized in that the set value of the amplitude of the resonator is obtained in advance for each kind of the object to be joined (Claim 2). .

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)。   Further, the device formed by the ultrasonic bonding method according to claim 1 or 2 is characterized in that the bonded material is a substrate, a wafer, a chip obtained by dividing the substrate or the wafer, a semiconductor, or a MEMS device ( Claim 3).

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)。   The ultrasonic vibration bonding apparatus according to the present invention includes a resonator that vibrates ultrasonically by applying ultrasonic vibration energy from a vibrator while pressurizing a plurality of objects to be joined by a pressurizing unit. In an ultrasonic vibration bonding apparatus that transmits ultrasonic vibrations to a plurality of objects to be bonded to bond the objects to be bonded together, a drive control unit that controls the pressurizing unit and the vibrator, and the vibrator Energy amount detecting means for detecting the ultrasonic vibration energy and resonator amplitude detecting means for detecting the amplitude of the resonator, wherein the drive control means is applied to the plurality of superimposed objects to be joined. A pressurizing control unit that controls the pressurizing unit so that the pressure monotonously increases, and the resonator amplitude detecting unit until the ultrasonic energy by the energy amount detecting unit rapidly decreases. And a vibrator control unit that controls the vibrator so that the amplitude of the resonator is attenuated after the ultrasonic energy is suddenly decreased by the energy amount detection unit by holding the amplitude of the resonator according to the preset value. (Claim 4).

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に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。   According to the first and fourth aspects of the present invention, it is possible to determine the end of bonding by detecting ultrasonic vibration energy. That is, when the bonding of the objects to be bonded is completed, the bonding force at the bonding surface between the objects to be bonded becomes large, and therefore, between the resonator and the first object to be bonded (or between the second object to be bonded and the stage). The ultrasonic vibration causes a force greater than the maximum static frictional force between the resonator and the first workpiece (or between the second workpiece and the stage) to be applied to the resonator and the first workpiece. The friction coefficient between the objects (or between the second workpiece and the stage) shifts from the static friction coefficient to the dynamic friction coefficient. As a result, a “slip” occurs between the resonator and the first workpiece (or between the second workpiece and the stage). Therefore, when ultrasonic vibration energy is monitored, when a “slip” between the resonator and the first object to be joined (or between the second object to be joined and the stage) starts to occur, the load applied to the resonator is reduced. Since it becomes smaller, the ultrasonic vibration energy decreases rapidly. Therefore, it can be determined that the end of joining is detected by detecting when the ultrasonic vibration energy suddenly decreases.

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。   In addition, the pressurizing force is increased from the start of joining, and the vibration amplitude of the resonator is maintained at a predetermined set value until the ultrasonic vibration energy, which is a signal from the start of joining to the end of joining, suddenly decreases. A stable “slip” large enough for joining can be produced between the joints. Therefore, a new surface appears between the joints, and both objects to be joined can be reliably joined.

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。   Furthermore, after the ultrasonic vibration energy suddenly decreases, the joining of the objects to be joined has been completed, so that it is possible to add extra ultrasonic vibration energy to the joint and the base material by attenuating the amplitude of the resonator. This can prevent the destruction of the object to be joined and the like.

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。   According to invention of Claim 2, since the amplitude of a resonator can be set for every kind of to-be-joined object, favorable joining can be performed for every kind of to-be-joined object.

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。   According to the invention of claim 3, it is possible to provide a novel device having the same effect as that of the invention of claim 1 or 2.

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。   An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 is a schematic configuration diagram of an ultrasonic vibration bonding apparatus according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 2 and 3 are ultrasonic vibration energy, vibration amplitude of a resonator, from start to end of bonding of an object to be bonded, FIG. 2 is a state transition diagram of the magnitude of “slip” between the objects to be joined and the applied pressure. FIG. 2 shows a case where the vibration amplitude of the resonator is maintained at a predetermined value even after the ultrasonic vibration energy is lowered. This is a case where the vibration amplitude of the resonator is decreased after the vibration energy is lowered. In the present embodiment, an apparatus for bonding the chip 20 as the first object to be bonded and the substrate 22 as the second object to be bonded is taken as an example.

(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。
(Device configuration)
As shown in FIG. 1, the ultrasonic vibration bonding apparatus according to the present embodiment includes a bonding mechanism 27 including a vertical driving mechanism 25, a head unit 26, and a stage 10 that sucks and holds a substrate 22 that is a second bonded object, The alignment unit 28 includes the stage table 12 and the position recognition unit 29, the gantry 35, the column 13 standing on the gantry 35, the gantry frame 34 that moves up and down along the column 13, the conveyance unit 30, and the control device 31. The

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のトルク制御によるものを使用するのが好ましい。 The vertical drive mechanism 25 and the head part 26 of the joining mechanism 27 function as the “pressurizing means” of the present invention. The vertical drive mechanism 25 converts the rotation of the vertical drive motor 1 through the bolt / nut mechanism 2 to the head portion 26 guided by the vertical guide 3 by converting it into a vertical motion, and transmits the head portion 26 up and down. It is supposed to be moved. As the vertical drive motor 1, for example, a servo motor based on torque control is preferably used.

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、自重をキャンセルして、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。 Further, in the head unit 26, the vibrator 8 is joined to the resonator 7 in order to efficiently apply ultrasonic vibration energy to the article to be joined when the vibrator 8 is vibrated by applying voltage and current. The resonator 7 includes a suction mechanism (not shown) for holding the chip 20 as the first bonded body, and holds the chip 20 by this suction mechanism. The resonator 7 is installed in the resonator holding portion 6 that can hold the resonator 7 without disturbing the vibration of the resonator 7, and is guided in the vertical direction by the head escape guide 5. The resonator 7 cancels its own weight and is applied to the pressure detection means 32 and the vertical drive mechanism 25 for detecting the pressure while being pulled by the head weight counter 4 for pressing against the pressure detection means 32. is set up.

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。 The head unit 26 includes a head height detecting unit 24 so that the head height can be detected. The head height detection means 24 may be either a contact type sensor or a non-contact type sensor. Further, the vertical drive mechanism 25 is connected to the gantry frame 34.

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、回転移動の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。 Next, the alignment unit 28 will be described. The stage table 12 of the alignment unit 28 is configured by a translational and rotational movement axis for adjusting the position of the substrate 22 so that the metal pad 22a of the substrate 22 corresponds to a predetermined metal protrusion 20a of the chip 20. The Further, the stage 10 is provided with a suction mechanism (not shown) for holding the substrate 22. Here, as a suction mechanism of the resonator 7 and the stage 10, a mechanism using vacuum suction or electrostatic suction may be used.

また、位置認識部29は、前記チップ20と前記基板22各々の位置認識用の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。 The position recognizing unit 29 includes upper and lower mark recognizing means 14 for recognizing the position recognizing marks on the chip 20 and the substrate 22 respectively, and the recognizing means moving for moving the upper and lower mark recognizing means 14 horizontally and / or up and down. A table 15 is provided. A resonator amplitude detecting means 33 is provided at the tip of the upper and lower mark recognizing means 14, and it can be moved to an arbitrary position by the recognizing means moving table 15 and the vibration amplitude of the resonator 7 can be measured. For example, a laser Doppler measuring device can be used as the resonator amplitude detection unit 33. If the resonator amplitude detection unit 33 cannot be installed at the tip of the upper / lower mark recognition unit 14, it may be installed separately from the upper / lower mark recognition unit 14. .

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。 The transport unit 30 includes a chip supply device 16 that transports the chips 20 and a chip tray 17, and a substrate transport device 18 that transports the substrate 22 and a substrate transport conveyor 19.

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。 The control unit 31 controls the entire apparatus and includes an operation unit, and includes an ultrasonic vibration energy control unit 31a, a resonance amplitude control unit 31b, a pressurization control unit 31c, and a recording unit 31d.

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。   The ultrasonic vibration energy control unit 31a functions as the “ultrasonic vibration energy detection unit” of the present invention, the “drive control unit” that controls the vibrator 8, and the “vibrator control unit”. Since the ultrasonic vibration energy can be detected by the product of the applied voltage to the vibrator 8 and the current with respect to the applied voltage, the ultrasonic vibration energy is controlled by the ultrasonic vibration energy control unit 31a. May be performed, the applied current may be changed, and both the applied voltage and current may be controlled.

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。 The resonance amplitude control unit 31b performs control so that the vibration amplitude of the resonator 7 detected by the resonator amplitude detection means 33 or the magnitude of “slip” between the objects to be joined is held at a predetermined value.

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。 The pressurization control unit 31 c controls the torque of the vertical drive motor 1 by a signal from the pressurizing force detection unit 32 and controls the pressurizing force related to the joining. In addition, the recording unit 31d records the set value of the amplitude of the resonator 7 obtained in advance for each type of object to be bonded.

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。 A plurality of metal protrusions 20 a are formed on the bonding surface of the chip 20, and a plurality of metal pads 22 a such as solder are formed at positions corresponding to the metal protrusions 20 a on the bonding surface of the substrate 22.

(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。
(Joining operation)
Next, a series of operations for joining the metal protrusions 20a of the chip 20 and the metal pads 22a of the substrate 22 by ultrasonic vibration in order to mount the chip 20 on the substrate 22 will be described below.

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。 First, an object to be joined is installed. That is, the chip 20 is supplied from the chip tray 17 to the resonator 7 by the chip supply device 16 of the transport unit 30, and is sucked and held on the resonator 7 by vacuum suction or the like. In addition, the substrate 22 is supplied from the substrate transfer conveyor 19 to the stage 10 by the substrate transfer device 18 and is sucked and held on the stage 10 by vacuum suction or the like. Then, the upper / lower mark recognition means 14 is inserted by the recognition means moving table 15 between the chip 20 and the substrate 22 whose holding surfaces are opposed to each other, and the alignment marks of the opposing chip 20 and the substrate 22 are placed on the upper / lower mark recognition means. 14 to recognize. When the alignment mark between the chip 20 and the substrate 22 is shifted, the position of the substrate 22 is moved in the parallel movement direction and / or the rotational movement direction by the stage table 12 with the chip 20 as a reference, and the position adjustment is performed.

次に、チップ20および基板22の接合位置が整合された状態で、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。 Next, in a state in which the joining positions of the chip 20 and the substrate 22 are aligned, the head unit 26 is lowered by the vertical drive mechanism 25, and the predetermined metal protrusion 20a of the chip 20 and the predetermined metal of the substrate 22 corresponding thereto. Adjustment is performed so that the pad 22a is brought into contact with the pad 22a and a predetermined pressure is applied. Here, the position of the head portion 26 in the height direction is detected by the head height detecting means 24. Further, the contact timing between the chip 20 and the substrate 22 is detected by the pressure detection means 32.

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。 Then, ultrasonic vibration bonding is started in a state where a predetermined pressure is applied to the chip 20 and the substrate 22 by the vertical drive motor 1. During bonding, the ultrasonic vibration energy, the resonance amplitude of the resonator 7 and the applied pressure are monitored, and the control device 31 controls the ultrasonic vibration energy, the resonance amplitude of the resonator 7 and the applied pressure. The control method will be described with reference to FIGS.

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の横軸は時間(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。 2 and 3, A is the applied pressure, B is the vibration amplitude of the resonator 7, C is the magnitude of “slip” between the chip 20 and the substrate 22, and D is the ultrasonic vibration energy. Show. 2 and 3 are time (seconds). In the vertical axis, the unit of A applied pressure is (N), the vibration amplitude of the resonator 7 of B, and “ The unit of magnitude of “slip” is (μm), and the unit of ultrasonic vibration energy of D is (W). Moreover, time t = 0 in FIG. 2 and FIG. 3 shows a joining start time.

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。 Since the bonding surfaces of the chip 20 and the substrate 22 have small unevenness and a difference in height at a plurality of bonding portions, the bonding area gradually increases in the process of bonding. Then, since the bonding force between the chip 20 and the substrate 22 gradually increases, when the magnitude of “slip” between the chip 20 and the substrate 22 is detected by the resonator amplitude detection unit 33, the gap between the chip 20 and the substrate 22 is detected. “Slip” gradually decreases. Then, the bonding force between the chip 20 and the substrate 22 becomes larger than the frictional force between the resonator 7 and the chip 20 (or between the substrate 22 and the stage 10), and the resonator 7 and the chip 20 (or the substrate). When a force greater than the maximum static frictional force between the resonator 7 and the chip 20 (or between the substrate 22 and the stage 10) is applied between the resonator 7 and the chip 20 between the resonator 7 and the chip 20 The friction coefficient (or between the substrate 22 and the stage 10) shifts from the static friction coefficient to the dynamic friction coefficient, and “slip” occurs between the resonator 7 and the chip 20 (or between the substrate 22 and the stage 10). Become. Therefore, the ultrasonic vibration energy is not sufficiently transmitted to the chip 20 and the substrate 22, and the bonding does not proceed.

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。 Therefore, as shown by A in FIGS. 2 and 3, when the applied pressure is increased, the frictional force between the resonator 7 and the chip 20 (or between the substrate 22 and the stage 10) increases with time from the start of bonding. The “slip” between the resonator 7 and the chip 20 (or between the substrate 22 and the stage 10) is suppressed, ultrasonic vibration energy is transmitted to the chip 20, and the “slip” between the chip 20 and the substrate 22 is large. Therefore, a new surface appears on the bonding surface between the chip 20 and the substrate 22, and the bonding area becomes larger.

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。 However, as described above, the “slip” between the chip 20 and the substrate 22 decreases as the bonding area increases. Accordingly, in order to increase the applied pressure and increase the ultrasonic vibration energy, the magnitude of “slip” between the chip 20 and the substrate 22 is maintained at a predetermined value as indicated by C in FIGS. Further, the ultrasonic vibration energy control unit 31a and the resonance amplitude control unit 31b are controlled so that the vibration amplitude of the resonator 7 is kept constant at a preset value as shown in B in FIGS. I do.

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。 Specifically, the applied pressure is increased as indicated by A in FIGS. 2 and 3, a predetermined voltage is applied to the vibrator 8, and the phase of the voltage and the voltage are applied to the vibrator 8 when the voltage is applied. The phase of the flowing current is detected, the phase of the voltage applied to the vibrator 8 and the phase of the current match, and the vibration amplitude of the resonator 7 and the chip 20 as shown by B and C in FIGS. The current of the vibrator 8 is controlled so that the magnitude of the “slip” between the first and second substrates 22 is maintained at a predetermined value. As an example, the voltage applied to the vibrator 8 is set within the range of 0V to 10V. Further, although there are differences depending on the member, area, etc., as an example, the magnitude of “slip” between the chip 20 and the substrate 22 has an amplitude of about 0.1 μm to 0.5 μm.

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。 The set value of the vibration amplitude of the resonator 7 is read from the recording unit 31d when the vibration amplitude of the resonator 7 is measured in advance according to the type of the object to be joined and is already recorded in the recording unit 31d. The vibration energy control unit 31a and the resonance amplitude control unit 31b can be set. Further, as described above, when the control is performed by changing the current while keeping the applied voltage constant, the optimum condition of the current with respect to the applied voltage value is measured in advance and recorded in the recording unit 31d. Even if the vibration amplitude of the resonator 7 is not controlled by the unit 31b, the applied voltage value and the optimum current value corresponding to the applied voltage value can be read and set from the recording unit 31d.

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。 Further, when the control is performed so that the vibration amplitude of the resonator 7 is held at a preset value by applying a voltage to the vibrator 8 as described above, the ultrasonic vibration energy control unit 31a simultaneously performs the control. For example, when the ultrasonic vibration energy is detected by measuring the value of the current flowing through the vibrator 8, the ultrasonic vibration energy gradually increases as indicated by D in FIGS.

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。 When the ultrasonic vibration energy is continuously monitored, it is possible to detect the end of bonding of the chip 20 and the substrate 22. When the bonding of the chip 20 and the substrate 22 is completed, the “slip” between the chip 20 and the substrate 22 does not occur as described above, and therefore, the resonator 7 and the chip 20 to be bonded (or the substrate 22 and the stage). 10)), the load applied to the resonator 7 is reduced, and the ultrasonic vibration energy rapidly decreases as indicated by D in FIG. Therefore, it can be determined that the time when the ultrasonic vibration energy is rapidly reduced is the end of the joining.

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。 Even after the sudden decrease of the ultrasonic vibration energy, if the control to keep the vibration amplitude of the resonator 7 constant as shown in FIG. 2 is continued, an extra force is applied to the chip 20 and the substrate 22. Will cause destruction and damage. Therefore, after the sudden decrease of the ultrasonic vibration energy, in order to prevent damage and destruction to the chip 20 and the substrate 22, the ultrasonic vibration energy control unit 31a, the resonance amplitude control unit 31b, and the pressurization control unit 31c are shown in FIG. As shown, control is performed to reduce the vibration amplitude of the resonator 7. Further, control may be performed to reduce the vibration amplitude of the resonator 7 and reduce the applied pressure.

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の吸着を解除すると、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。 Then, after the ultrasonic vibration bonding is completed and the vibration amplitude and the applied pressure of the resonator 7 are reduced to predetermined values, when the adsorption of the chip 20 is released, the chip 20 is mounted on the substrate 22 side on the stage. Remain in. This is again discharged to the substrate transfer conveyor 19 by the substrate transfer device 18, and the series of operations ends.

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。 Therefore, according to the above-described embodiment, before the ultrasonic vibration energy is suddenly reduced, the bonding force between the chip 20 and the substrate 22 is controlled by increasing the pressure and holding the vibration amplitude of the resonator 7 at a constant value. Since “slip” occurs between the two joints, a new surface appears between the joints, and both the objects to be joined can be joined.

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。 Further, since the vibration amplitude of the resonator 7 is attenuated after the ultrasonic vibration energy is suddenly reduced, it is possible to prevent excessive ultrasonic vibration energy from being applied to the chip 20 and the substrate 22 that have been joined, and to destroy or damage the object to be joined. Can be avoided.

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。 Furthermore, since the control unit 31 includes the recording unit 31d, the optimal vibration amplitude setting value of the resonator 7, the voltage value applied to the vibrator 8, and the optimum value corresponding to the voltage value are determined for each type of object to be joined. When the current value or the like is measured and recorded in advance, the setting value is read from the recording unit 31d and set. By using recording, good bonding can be easily performed.

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。 In addition, according to the above-described embodiment, effective bonding can be performed even for a device such as a semiconductor device or a MEMS device that needs to bond electrodes composed of fine bumps with high accuracy. A good device can be provided.

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。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications other than those described above can be made without departing from the spirit of the present invention.

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。 For example, in order to obtain “slip” between the chip 20 and the substrate 22, a plurality of resonator amplitude detection means 33 may be provided to measure each vibration amplitude of the chip 20 and the substrate 22 at the same time. After the vibration amplitudes of the chip 20 and the substrate 22 are measured in order by the amplitude detecting means 33, the amplitude difference on the same time axis can be calculated. For example, when the chip 20 and the substrate 22 are thin and it is difficult to provide a plurality of resonator amplitude detection means 33 from one side, they can be individually installed from both sides.

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。 The resonator amplitude detection means 33 is not limited to the laser Doppler measurement device described above, and may be an eddy current type, capacitance type, light irradiation type or sound wave type detection means. These methods may also be used for the upper and lower mark recognition means 14. Although the detection means of these methods are inferior in terms of resolution and speed compared to laser Doppler measuring instruments, the amplitude detection means of the present invention is accurate enough to determine whether or not the amplitude is the target value. Any method may be used. In addition, these methods are two orders of magnitude cheaper than laser Doppler measuring instruments, and are small detection means, so that measurement is possible even in complicated and complicated places.

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。 Furthermore, the magnitude of the “slip” between the chip 20 and the substrate 22 is an unstable factor even if the actual “slip” is not measured by the resonator amplitude detection means 33 as in this embodiment. If not, it can be estimated by the following procedure. For example, if the second object to be bonded is stably adsorbed and held on the stage, the amplitude of the first object to be measured is measured as the vibration object to be measured without measuring the amplitude of the second object to be bonded. Can be achieved. Further, if the friction between the first object to be bonded and the resonator 7 is stable and vibration transmission is stable, this can be achieved by measuring the amplitude of the resonator 7 as the vibration object to be measured. Further, since the amplitude of the vibrator can be estimated from the return current value with respect to the output current applied to the piezoelectric element of the vibrator, the increase in the junction area can be achieved by reading the return current value with respect to the output current of the vibrator. In addition, the amplitude of the vibrator can be estimated from the voltage value and / or current value applied to the piezoelectric element of the vibrator, and the current value and voltage value to the vibrator are controlled using the result of the amplitude value. You may carry out by control.

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。   In the above-described embodiment, the torque control method of the vertical drive motor 1 is shown as the pressurizing unit. However, the pressurizing unit using the fluid pressure by the air cylinder may be used.

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。 In the above-described embodiment, the stage table 12 on the alignment unit 28 side is provided with a translational and rotational movement axis for horizontal position adjustment, and the head unit 26 side is provided with a vertical axis for vertical position adjustment. However, the movement axis and the lifting axis of the parallel movement and the rotation movement may be combined in any way on the head part 26 side and the alignment part 28 side, or may overlap. Further, the arrangement direction may be appropriately changed, such as left and right arrangement or diagonal, without arranging the head unit 26 and the stage table 12 vertically.

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。   Further, the holding means for the chip 20 and the substrate 22 is not limited to suction holding such as electrostatic suction or vacuum suction, but may be clamp holding and grip holding, or may be held by mixing them. Moreover, in the case of a 2nd to-be-joined object, you may only put on the stage 10. FIG.

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。 Further, the resonator heater 9 and the stage heater 11 may be incorporated in the resonator 7 and the stage 10 as shown in FIG. In this case, since ultrasonic vibration bonding can be performed while heating the object to be bonded, it is not necessary to give excessive ultrasonic vibration energy to the object to be bonded, and the destruction and damage of the object can be prevented more. it can.

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。 In the joining process, the applied pressure may be increased in proportion to the joining area, or may be increased by an arbitrary curve. Moreover, you may hold | maintain to a predetermined value.

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。 Further, the number of objects to be joined is not limited to two, and may be three or more. The objects to be bonded are not limited to semiconductors such as the chip 20 and the substrate 22 described above, but may be other materials. In addition, gold, aluminum, copper, or the like is suitable for the joint, but any other metal or other metal can be used as long as it can be joined by ultrasonic vibration.

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。 Further, the chip 20 may have any form such as a wafer. Further, the metal protrusions may have a plurality of individual shapes, a shape in which a certain region is confined and connected, or the entire surface may be a bonding surface.

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。It is a schematic block diagram of the ultrasonic vibration joining apparatus in one embodiment of this invention. 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。FIG. 2 is a state transition diagram in the case where the vibration amplitude of the resonator is kept constant even after a sudden decrease in ultrasonic vibration energy in the joining process by the apparatus of FIG. 1. 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。FIG. 2 is a state transition diagram when the vibration amplitude of the resonator is decreased after the ultrasonic vibration energy is rapidly decreased in the joining process by the apparatus of FIG. 1.

符号の説明Explanation of symbols

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……共振器振幅制御部
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
1 …… Vertical drive motor (pressurizing means)
2 ... Bolt / nut mechanism (pressurizing means)
3 …… Up and down guide (pressurizing means)
4 …… Head weight counter (pressurizing means)
5 …… Head escape guide (pressurizing means)
6 …… Resonator holder (pressurizing means)
7 …… Resonator (Pressurizing means)
8 …… Vibrator (pressurizing means)
20 …… Chip (first object to be joined)
22 …… Substrate (second object to be joined)
25 …… Up-down drive mechanism (pressurizing means)
26 …… Head (Pressurizing means)
31... Control device 31a... Ultrasonic vibration energy control section (energy amount detection means, drive control means, vibrator control section)
31b: Resonator amplitude control unit 31c: Pressurization control unit 31d: Recording unit 32: Applied pressure detection means 33: Resonator amplitude detection means

Claims (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ことを特徴とする超音波振動接合方法。
From the resonator that ultrasonically vibrates by the application of ultrasonic vibration energy from the vibrator while holding and holding the plurality of stacked objects to be bonded by the pressurizing means, the ultrasonic waves are applied to the plurality of stacked objects to be bonded. In the ultrasonic vibration bonding method for transmitting vibration and bonding the objects to be bonded together,
While detecting the ultrasonic vibration energy to the resonator by the energy amount detection means,
Detecting the amplitude of the resonator by means of a resonator amplitude detector;
From the start of joining, while monotonously increasing the pressure applied by the pressurizing means to the superposed multiple joined objects,
From the start of bonding until the ultrasonic energy by the energy amount detection means rapidly decreases, the amplitude of the resonator by the resonator amplitude detection means is held at a preset setting value, and the energy amount detection means An ultrasonic vibration joining method, wherein the amplitude of the resonator is attenuated after the ultrasonic energy is suddenly reduced.
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。   The ultrasonic vibration bonding method according to claim 1, wherein the set value of the amplitude of the resonator is obtained in advance for each type of the object to be bonded. 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。   The device formed by the ultrasonic vibration bonding method according to claim 1, wherein the object to be bonded includes a substrate, a wafer, a chip obtained by dividing the substrate or the wafer, a semiconductor, or a MEMS device. device. 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。
From the resonator that ultrasonically vibrates by the application of ultrasonic vibration energy from the vibrator while holding and holding the plurality of stacked objects to be bonded by the pressurizing means, the ultrasonic waves are applied to the plurality of stacked objects to be bonded. In an ultrasonic vibration bonding apparatus that transmits vibration and bonds the objects to be bonded together,
Drive control means for controlling the pressurizing means and the vibrator;
Energy amount detecting means for detecting the ultrasonic vibration energy of the vibrator;
A resonator amplitude detecting means for detecting the amplitude of the resonator;
The drive control means includes
A pressurizing control unit that controls the pressurizing unit so that the pressurizing force to the plurality of objects to be joined is monotonously increased;
Until the ultrasonic energy by the energy amount detection unit rapidly decreases, the amplitude of the resonator by the resonator amplitude detection unit is held at a preset setting value, and the ultrasonic energy by the energy amount detection unit is maintained. And a vibrator control unit that controls the vibrator so that the amplitude of the resonator is attenuated after a sudden decrease.
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