TW473410B - Ultrasonic vibration joining device - Google Patents

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TW473410B
TW473410B TW089109893A TW89109893A TW473410B TW 473410 B TW473410 B TW 473410B TW 089109893 A TW089109893 A TW 089109893A TW 89109893 A TW89109893 A TW 89109893A TW 473410 B TW473410 B TW 473410B
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TW
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pressure
joint
vibration
weighting
resonator
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TW089109893A
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Shigeru Sato
Mitsugu Katsumi
Seiya Nakai
Original Assignee
Ultex Corp
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Description

五、發明說明（1) 發明所屬技術領域 本發明係有關於用超音浊 超音波振動4妾合襄£。 彳振動# 口複數重皆之構件之 習知技術 議-!:i:L=223°8號公報公開般，本專利申請人提 之構件之：ί接ϊ接合裝置，利用超音波振動將複數重叠 發明要解決之課題 況，ί】ΐ ί音波振動接合裴置接合複數重疊之構件之情 複數‘義之：：分之大小或材料等物性’有發生因作用於 露&、:構件之接合部分之加壓力過強而接合部分過度 s因加壓力過弱而接合部分剝離等接合不良之可能 性〇 人因此，本發明提供一種超音波振動接合裝置，依據接 二μ1之大小或材料等物性，選擇各種加壓曲線，可適當 的接合。 Φ 解決課題之手段 在t發明，用由接合機構支撐之共振器和組裝機構之 、ί ΐ: :1台將複數重疊之構件加壓保持在其中間後，自和 合之振動器向共振器傳達超音波振動，利用超音 波振動將複數重疊之構件接合，其特徵在於：接合機構具
第4頁 五、發明說明（2) :接合作業之上下驅動機構 部。 接作業之加重控制機構 右依據本發明，葬莫^ 襄位置之組裝工作台二= f構部將共振器移至組 性選擇各種加重_制機接σ部分之大小或材料等物 數重Α之堪：ϊ Ϊ 部自用共振器和組襄工作台將福 双置逢之構件加壓保持開 丨F D將複 加壓力，適當的接合， 曰波振動接合為止之 離。 〇 數重豐之構件不會過度壓垮或剥 以》，± Ϊ本發明’若接合機構利用馬達、气達之於屮鮎 和利用如缸之只是直绩運私、，σ之螺杯•螺中自機構形成， 相比，藉著接人機構將之凡件形成接合機構部之情況 之上下驅動時之速度控制容易。線運動’共振益 又在本發明’若加重控制擒雄JtR J丨m 輪出軸及和支撐共振器之夾利：接合機構部之 重控制機構部用氣壓缸以外形成，和加 控制機構部利用係壓縮性流體d 况相比’加重 重疊之構件之加壓力。體之二乳可適當的調整對複數 統，：給部包括：加壓供給系 顏.及却·贪驻® 隔成之平衡室和加重室加壓空 量-定：加严ί ’依據和加重控制機構部連結之元件之重 且依據接合之構件之大至之加壓空氣之壓力，而 加重室之加壓* j、或材料設定自加壓供給系統供給 二乳之壓力’加重控制機構部可設定振動開
第5頁 五、發明說明（3) 始加重設定值、第一加重壓力定值、第二 及平衡壓力設定值等各種加壓力力疋值以 又，在本發明，若荷重感测器設於 正破的偵測加重控制機構部支榜 件振-側，可 計算該重量。 爻凡件之重量，又也不必 發明之實施例 匕表示本發明之一實施例之超音波振動接合裝置。 在本貝施例，以用以在係第一構件 第二構件之半導體晶片90之裝 ，路板92表面組裝係 在其一表面具有形成平板狀或球妝 ^體日日片90 接端子。電路板92在其一表面之曰月1 片91，作為連 板狀或球狀之複數塾片有形成平 Ϊ電路板側塾…之個數相同：=:置二：塾^ 晶片侧塾片91和電路板侧墊片93利用超音 人藉者 半導體晶片90表面組裝於電路板92。 < 。，將 超音波振動接合裝置大致具備接合機構1、内藏電腦 之控制裝置40、操作盤41以及組裝機構5 備由如伺服馬達之馬 :機冓1具 紫夕μ IT m叙Α德如 踢r目機構3構成之接合作 業之上下驅動機構。卩及由氣壓缸4構成之接合 控制機構部。在氣壓虹4之内部用活塞7㉟成下部之平 而，自平衡空氣供給系統8供給平衡 至5負擔孔堊缸4所支撐几件之重量之加壓空 空氣供給系統U供給加s室6相當於依據接合部分之大口小 1^· 第6頁 五、發明說明（4) f材料等物性在接合時所需之加壓力之 ^ 為平衡空氣供給系統8及加重空氣供給系工軋。37係作 1給源之氣壓泵，A係連接加重：二系,：？空氣 37之結合件。 孔供-1系統11和氣壓泵 在本實施例之情況，氣壓缸 塞7、活塞桿15、夾持器16 所支f牛之重量係活 以及半導體晶片振器18 '振動器 測器⑽配置於活塞桿二工16:=， 持器1 6結合。目而背重残。活塞枠1 5及夾 何重感測盗38向控制裝置4〇輸出偵測信重^。 感測器38和控制裝置4〇之結合件。°儿’、連接荷重 測器9在之控號4〇、輸 器9之輸出信號、荷重感測器心：：；”1::力感測 所設定操作之設定信料各種H'在操作盤4! 狀態，控制裝置4。藉著控制設於；衡二：些信號之 力調整閥10或設於加重空氣供給 ，，=系統8之壓 將平衡室5内部之磨力抓為、"°厭、、· 壓力調整閥1 3， 内部之壓力設為^重室6 則之壓力之複數傾斜a、b、c之其重壓力定 化。在壓力調整閥10、13使用主、，傾斜之壓力變 之饲服平衡機構之稱為精密降壓闕之闕 五、發明說明（5) ί I 2 Ϊ為電子調壓閥之電磁閥。例如’精密降壓閥在構 5導門引進馬達之在電氣上動作之致動器使引導囊伸縮， =用引導囊之伸縮動作，主闊或物之其中之一 =Π閱之動作動作，藉此將間之二次側壓力（閥之 ==力)控制成目標壓力。利用了如步進馬達之在電 it致動器之精密降壓閥係未公開之新構造之閥。 操作操作盤4i之第一加重壓力操 2 第一加重壓力定值PPH4，操作盤41在第一加重疋 •M5:不第一加重壓力定值m，同時向控制裝置㈣不 操作操作盤41之第二加重壓 設 Ϊ二定= 後：操作盤41在第二加重壓力顯V 口丨W ·，肩不第一加重壓力定值PP2，同時向 :二操作者操作操作盤41之平衡壓力； 輸 ㈣後’操作盤41在平㈣力顯示部47;= 偵ί二，同時向控制裝置40輸出。荷重减測写38所 偵測之何重自控制裝置4〇輸入汉、】器38所 顯示。在利用平衡★ $徂仏$ 、盤1之何重顯示部48後 内部之壓力;室5之平衡室5 作者操作操作盤41之圖外之重設鈕時量m態，操 之荷重感測器38之偵測值之實荷重：成：盤41將係那時 顯示部48顯示零。操作者操作 動=:在荷重 SP，同時向控制裝置4〇輸出。而 重設定值 ㈣〈第-加重墨力定值_第二加重 =動定=如 五、發明說明（6) 31之固定座C例1之接合機構1 ’馬達裝在設置於設置基準 連結，螺ί碑螺桿•螺帽機構3之螺桿和馬達2之輸出軸 裝在上螺帽機構3之螺帽固定於上升座33，氣壓缸4 1 8，利用Β1〜°在裝在活塞桿1 5之夹持器1 6安裝共振11 之-端卜之無頭螺絲和螺絲孔將振動器30和共振器18 之螺桿°而’馬達2正轉時’螺桿•螺帽機構3 而，馬逵2月μ *升座33利用和該螺桿螺合之螺帽下降。 33經由螺帽上時’螺桿•螺帽機構3之螺桿反轉，上升座 右之導柱34滑接：入升座33和自固定座32立設於下方之左 持器16結合。因而"=不轉動的升降。導桿17之下端和夾 4之伸縮升降，將」姓導桿Π利用上升座33之升降和氣壓缸 本电 、夾持器1 6和設置基準31保持平行。 之無頭=備㈣9和在其兩侧利用圖外 著由自夾持器16 i ^成同軸之2個增壓器21、22，藉 壓器21 '22，在才#右向下方延設之臂部23、24支撐各增 -方之增壓器將ί振器18裝成兩端支樓。而在 後，產=定；由圖外之超音波產生器供給電力 換為機械能之如壓ί縱；之超音波振動’將輸出之電能變 和增壓器21結合之磁歪元件ΐ之能量變換器。在 大振動振幅點。動㈣之輸出端存在超音波振動之最 唓J队1 9具有和來白 頻率之一個波長之振動器30之超音波振動共振之共振 长度’増壓器21、22具有和來自振動器
第9頁 五、發明說明（7) 30之超音波振動共据 址 m系四角板形，在左右：J =之半個波長之長度， 點，在中Μ之最大及中央部具有最大振動振幅 2丄： 動振幅點具有自上下面向外側突出 角柱狀之接合作用部20。增壓 左右兩端部具有最大振動振“：；2二在 點具有自上下面向外側突屯$ Ρ 央邰之取大振動振幅 。 卜側大出之裱形之支撐部25、26。久古 撐°卩25、26收容於和臂部23、2 各支 而，藉著利用圖外之螺 =和貫穿孔27、28之間所形成： = =半導U Ϊ =臂部23、24。在接合作用部2〇形成用以 圖外之真空栗或閥等之吸引吸住系統，吸 ^ 引吸住糸統可將半導體晶片90吸在接合作用侧。制及 組裝機構5 0具備設於設置基準3 1夕γ ν a sr_ * 在XY_動部51上之組裝ι23χ1ΧθΥ2動部51和裝 办·署其淮Wβ々τ二 卜口 χγ Θ驅動部51在係和 :f基準31千灯之平面之縱橫之χ方向和γ方向移動工 作口 52，而且以該平面内之某_點為中 ： :31平行之平面之内之轉動角之Θ方向轉動，；;且裝： 台52之位置控制成裝在和設置基準31平行之組 之上面之係被組裝對象之電路板92之晶片 口 定之裝載位置。 K组裂位置變成既 ΧΥ Θ驅動部51具有對於設置基準3liX方向 部54和對於設置基準31之γ方向仰角調整部冗。二二^ = 準備作業時、或更換共振器18時、或更換組裝工在作如二裝時 五 '發明說明（8) 不確定組裝工作台52之上面和接合作 保持平行度時，Χ方向仰角調：下面是否 利用人為摔作，詷敕Α疏如* 方向仰角調整部55 勹锞作，調整χγ Θ驅動部51相對於設置 X方向之仰角和χγ Θ驅動部51相土丰31之在 -^ ^52^" 之平行度。 饮0作用部20之下面 又，在接合機構1和組裝機構5〇具備 ==”有設於上升座33二=二 » 40輸出偵測到感測器觸件35之者電極^向控制裝置 驅動馬心裝置4〇停止 ^,, 上下驅動機構部之力作用於 墊片9 1和電路板側墊片93之接人 、 抓於十*姓-1 e " ^ 要口口 I5刀 又，感測器觸件3 5 议於夾持益16側、極限感測器36設於上升座 ； 感測器36係接觸式或接觸式都可。 也了 極限 圖2係在該實施例之接合作業之時序圖，在橫軸 係1合部分之晶片側墊片91和電路板側墊㈣接觸、 之時刻t〇、振動器30之振動開始時㈣、一次接 ： 刻t2、-次接合終了時刻t3、二次荷重到達時刻“、二 t6，在左縱軸表示晶片侧墊片91和電路板侧墊片93接觸之 瞬間之實荷重W0(W0 = BP-PP1)、在振動開始 重W1(W1=SP)、在一次接合開始時刻“之實荷重 貫何 W2(W2 = PP1)、在二次荷重到達時刻t4〜t6之實 W3(W3 = PP2)，在右縱軸表示振動開始加重設定值sp和第一 五'發明說明（9) ' ------ 加重f力定值ΡΡ1以及第二加重壓力定值ρρ2。 η私，:5施例之動作。操作者操作操作盤41，設定振動 乂：一定值SP .、平衡壓力設定值ΒΡ、第-加重壓力定 T 、f —加重壓力定值ΡΡ2、振動器30之總振動時間 人、辰動器30之一次接合時間71 (圖2it3_tl)、按照係接 ^ 刀之晶片側墊片9 1和電路板側墊片9 3之大小或材料等 物^生之自第一加重壓力定值ρρι達到第二加重壓力定值 尸以為止之壓力變化之傾斜。 Ϊ ^斜，例如如圖2所示，如相當於虛線11之傾斜a、 二；貝線L2之傾斜b、相當於二點鏈線L3之傾斜c等般， / ”、、接〇 °卩分之大小或材料之物性存在複數。因而，藉著 2 t 5在控制裝置40記憶例如上述之複數傾斜a〜c後， ’:、 操作操作盤41自那些傾斜a〜c之中選擇適合接合部 二ί 2广或材料等物性之傾斜，將該所選到之傾斜設於控 ^ °例如’在操作者選擇了傾斜a之情況，在圖2之 日、亥it3〜時刻t4之時間加重室6内部之壓 一 定值PP]鐵良结 & " _、、 為弟二加重壓力定值PP2 ;在操作者選擇了傾斜 月况在圖2之時刻13〜時刻15之時間加重室6内部之壓 1自第一加重壓力定值PP1變為第二加重壓力定值盯2 ;在 操作者，擇了傾斜C之情況，在圖2之時刻t3〜時刻t6之時 間加重至6内部之壓力自第一加重壓力定值PP1變為第二加 重壓力定值PP2。 藉著設定上述之控制條件，控制裝置4〇驅動壓力調整 閱10、13 ’將平衡室5内部之壓力設為平衡壓力設定值
第12頁 五、發明說明（10) B:: ㈣力設為第一加重麼力定值ρρι。因 位於氣ίΐ :ί= 二之上/方向中間，具體 停在上升極限位置下二^^^ 住，半導體曰ί f 合作用部2〇吸引吸 牛導姐曰日片90之晶片側墊片91朝向下側， 在組裂機構5G之㈣工作台52，電 =板92装 =上側。在此狀態，在圖外IS裝 之拍：了晶片側墊片91和電路板側塾片93 板側Γ丄：ί危；制裝置40計算晶片側藝片91和電路 的匹配般，墊片93之位置可正確 〇导體Β曰片90為基準修正電路板92之位置。 動馬達7正鐘保按操作盤41之起動钮後。控制裝置40驅 *1 ’接σ機構1之共振器18下降。因而，如圖2 =，時刻t〇，晶片側墊片9 j被壓在電路板側墊片93。 馬達2轉動使上升座33下降及晶片側塾片91和 藉 貝'片93之碰撞引起之活塞7之上升，加重室6之容 m:加重室6内部之壓力上升。巾，在時mi，自荷 拉=38向控制裝置4〇輸入實荷重wi(wi=sp)後，控制 ^ a不振動器3〇開始振動。因而，振動器3〇產生超音 ，共振器18和該超音波振動共振，該共振引起之超 二/ &動自接合作用部2〇經由半導體晶片9〇作用於晶片側 和電路板侧塾片93之接觸部分，利用晶片側墊片91 五、發明說明（11) ' 和電路板侧墊片9 3之超音波振動開始接合。 % 進一步，藉著馬達2轉動使上升座33下降及晶片側墊 片9 1和電路板側墊片9 3之碰撞引起之活塞7之上升，加重 ^ 6之容積縮小，加重室6内部之壓力上升在時刻^，自 何重感測38向控制裝置4〇輸入實荷重W2後，控制裝置4〇 控制使壓力調整閥13之引導閥動作之如步進馬達之電氣致 動器。因而，加重室6之壓力保持在第一加重壓力定值 PP1 ’在自時刻t2至時刻t3為止之間，半導體晶片9〇利用 係第-加重壓力定值PP1和和第二加重壓力定值pp2之差壓 之加重將半導體晶片9〇壓在電路板μ。 —在上述控制條件之設定，若操作者選擇傾斜b後設 =地將在時刻t3以後之半導體晶片9〇被壓在電路板92之加 二制成著圖2之實線L2之壓力變化。因而，在時刻 U制裝置40控制壓力調整閥13之電氣致動器。該控制 ^據加重室6之壓力按照實線L2自第-加重壓力定值PP1 二—二加重壓力定值PP2上升之加壓曲線之壓力控制。利 Γ Ϊ 1測器38偵測該壓力變化。然後，在自時刻tl開始 二3^間到達總接合時間T時’晶片側塾片91和電路板 動哭之利用超音波振動之接合完了，控制裝置40向振 停止振動，而且將馬達2自正轉驅動切換為反 ，接合機構1之共振器18上升，而且停止超 骨波振動。 ,共振器18到達上升極限位置後，控制裝置40停 反轉。控制裝置40和該共振器丨8之開始上升或共
五、發明說明（12) 振器1 8之開始上升或共振器18往上升極限位置之到達並行 的控制壓力調整閥1 3之電氣致動器。該控制係加重室6之 C力^到達了實線L2上之總接合時間τ之壓力向第一加重 壓力定值ΡΡ1下降之壓力控制。因而一個半導體晶片9〇 對電=板92之組裝製程完成一個循環。 — 似之若依據本實施例，藉著操作者在控制裝置4 〇設 定振動開始加重設定值SP、第一加重壓力定值PP1、第二 加重壓力定值PP2 '平衡壓力設定值Bp、一次接合時間 T1、總接合時間τ以及自複數傾斜a〜c之中按照接合部分之 大小或材料等物性所選擇之傾斜等控制條件，控制裝置40 f制係接合作業之加重控制機構部之氣壓缸4之加重室6内 $之壓力及構成接合作業之上下驅動機構部之一部分之馬 之正反轉，係第一構件之電路板92和係第二構件之 f體晶片90在自振動開始加重設定值sp經由第一加重壓力 定值PP1往第二加重壓力定值PP2之逐漸上升之加重下邊接 受超音波振動邊接合。 該振動開始加重設定值SP、第一加重壓力定值ρρι、 一加重壓力定值PP2、平衡壓力設定值肿、一次接人時 間τι以及總接合時間T(T>T1)等控制條件使用 ς人
St:”：塾片91和電路板側塾片…小或材I 例如，*第一構件和第二構件之接合部分 見或硬之情況，將第二加重壓力定值ΡΡ2設為比較高的 ΐ第而ii;構件和第二構件之接合部分窄或軟之情況， 將第二加重壓力定值PP2設為比較低的值。因而，若依據
五、發明說明（13) 1 本^實^施例’可依據接合部分之大小或材料等物性對加重室 3設^定在接合時所需之加壓力’可得到利用超音波振動之至 適f之接合’不會發生接合部分之過度壓垮或接合部分剝 離專。
曰又’若依據本實施例’因接合機構1具備由馬達2和螺 f ·螺帽機構3構成之接合作業之上下驅動機構部及由氣、 疋缸4構成之接合作業之加重控制機構部，上下驅動機構 f力不作用於在接合時之接合部分，只有在加重控制機構 部之加壓力作用於在接合時之接合部分。即，馬達2正 轉’接合機構1之共振器1 8下降，將晶片側墊片9 1壓在電 路板側墊片93之情況，活塞7上升。因而，利用馬達2下降 之力被活塞7之上升吸收而未作用於接合部分，只有相當 於加重室6之壓力之加壓力作用於接合部分。因而，提高 馬達2之轉速而提高共振器18之下降速度，急速升高之衝 擊力也不會作用於接合部分，可消除半導體晶片9〇 板92裂開之不良。
^ 加重室6之容積因該活塞7之上升而縮小，也藉著壓力 5周整間13之麗力調整，將加重室6内部之壓力保持在第一 加重壓力定值pPl。因而，在總接合時間T之期間，控制裝 置40 ^止馬達2正轉’加重室6之功力也和加重室6之容積 成比例的保持第一加重壓力定值PP1及自第一加重壓力定 住弟二加重壓力定值PP2之所選擇之傾斜，對接合盔 不良影響。 … 又’若依據本實施例，因具備由感測器觸件35和極限
第16頁
五、發明說明（14) ^測器3 6構成之異常停止裝 前’強迫停止馬達2之正轉 作用於接合部分。 置’在活塞7變成上升極限之 馬達2所引起之下降之力不會 位詈之^ I I例，在接合機構1之共振器1 8停在上升極限 片9 〇，作：t ::起始狀態，共振器1 8吸引吸住半導體晶 竹田却^疋右在電路板92上重疊放置半導體晶片90，接合 乍用口 P 20利用共振器18之 丰導 q9 u k… 心卜降將牛冷體晶片90壓在電路板 ，/、振Is 1 8變成除去了吸引孔部之簡單之構造。 件ΐ t，實施例’自操作盤41在控制裝置4〇設定控制條 接合部分之大小或材料之福數押舍丨你 《隐按…' 叶乏複數控制條件後，按照今後接合 邛为之大小或材料自該所記憶之複數控制條件之中 設定，接合作業就變得簡單。 、擇後 在上述實施例，在活塞桿1 5和夾持器丨6之 1測器38，但是在組裝工作台52設置相當於該荷；感‘器 38之在圖1以二點鏈線表示之荷重感測器53，二、 :器38也可。☆此情況’若設置於荷重感測器何、 18之接合作用部20對應之位置，可偵測更正確 ^振15 又，因如上述實施例般在只是令夾持器i 6支 A何重。 <1 塞桿15、導桿17、共振器18、振動器3〇以及半=塞7曰、活 等之狀態荷重感測器53無法偵測氣壓缸4所支導體_晶片90 重量，用計算求活塞7、活塞桿15、導桿17、2之疋件之 振動器30以及半導體晶片90等之總重量，气共振器18、 室5及加重室6向大氣開放，至少驅動焉邊:人希望將平衡 $運2令失持器16下
4?^ Φ 五、發明說明（15) 降’需要藉著接合作用部20或接合作用部20所吸住之半導 體晶片90接觸組裝工作台52，用荷重感測器53偵測氣壓缸 4所支撐之元件之重量。 圖式簡單說明 圖1係表示本發明之實施例之超音波振動接合裝置之 構造圖。 圖2係在該實施例之接合作業之時序圖。 符號說明 1接合機構 2
馬達（上下驅動機構部） :^ ·螺帽機構（上下驅動機構部） 氣壓缸（加重控制機構部） 平衡空氣供給系統 加重空氣供給系統 控制裝置
第18頁

Claims (1)

  1. 振器和植？接合袭置，用由接合機構支p ί;Γ”4,自和共振器結合之=二壓保持 波振動，利用超 门，、振益傳達超音 其特徵在於複數重疊之構件接合， 之加接合作業之上下驅動機構部和接合作業 中接2合圍之：音波振動接合裝置，其 夹持器連結之螺桿·螺帽轴以Μ支撐共振器之 中力:重ί:::::範圍第1項之超音波振動接合裝置，其 利：接合機構部之輸出輛及和支撲共振 幵姦逑、纟0之軋壓缸形成。 由心舌^申"月專利範圍第3項之超音波振動接合裝置，其 中加重控制機構部包括： 衣置^ 力£供給系統，供給在氣壓缸之内部隔成之平衡室和 加重室加壓空氣；及 执—°又定裝置’依據和加重控制機構部連結之元件之重量 *又疋自加壓供給系統供給平衡室之加壓空氣之壓力，而且 依據接合之構件之大小或材料設定自加壓供給系統供給加 重室之加壓空氣之壓力。 ^ 5.如申請專利範圍第1項之超音波振動接合裝置其 中荷重感測器設於支撐共振器侧。
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