JP4772467B2 - 超音波接合装置、超音波接合装置の制御装置及び超音波接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置や電子部品の配線基板の実装等において超音波を併用して接合を行う超音波接合装置、超音波接合装置の制御装置及び超音波接合方法に関するものである。

ワイヤボンディング装置やフリップチップボンディング装置などのように、金ワイヤやバンプを有する電子部品などの被接合部材を、リードフレームや基板の配線などの接合部材に対して、超音波振動を加えつつ加圧し、更に必要に応じて接合部近傍を加熱して、接合する超音波接合装置が知られている。

超音波接合装置は、超音波振動を発生させる超音波発生源と、この超音波発生源に連結して超音波振動を伝達する超音波ホーン部と、この超音波ホーンの先端部に固定されたボンディングツール部とを備え、このボンディングツール部の先端部に被接合部材、例えばワイヤの金属ボールや吸着された半導体チップを形成又は吸着させ、接合部材、例えばリードフレームに向けて加圧しつつ、超音波発生源から超音波振動を被接合部材に伝達させて接合する。

超音波接合装置は、半導体装置の実装ラインに設けられ、連続して供給される接合部材に対し、被接合部材の接合を順次に行う。この半導体装置の実装ラインにおいては、通常、定期的な抜取り検査を行って接合状態の確認を実施している。この抜取り検査において接合不良が発見されると、実装ラインを直ちに停止し、不良原因の究明が行われる。

不良原因の究明の際は、接合状態の良否に係る特に重要な条件の一つである超音波特性を調査するために、レーザドップラー計に代表される、高周波、かつ微小振動を計測することのできる測定器を用いて調査を行う。

従来の調査に用いられているレーザドップラー計と、超音波接合装置との位置関係について、図１８に斜視図で示す。同図に示すように、超音波接合装置１０１は、基台１０２上において超音波振動子からの超音波振動を伝達する超音波ホーン１０３と、この超音波ホーン１０３の先端部に取り付けられたボンディングツール１０４と、この超音波ホーン１０３を支持する支持部材１０５と、この支持部材１０５が揺動可能に取り付けられたフレーム１０６と、このフレーム１０６を載置して水平面内で移動可能にするＸＹテーブル１７とを備えている。この超音波接合装置１０１のボンディングツール１０４に超音波振動が伝達されて、接合材と搬送装置１０８上の被接合材１０９との接合を行う。

レーザドップラー計１１０は、超音波接合装置１０１と同一床面上で超音波接合装置１０１及び搬送装置１０８とは離れて設置され、ボンディングツール１０４等の接合を行う加工点付近の超音波振動等を測定する。このようにレーザドップラー計１１０等の測定器が超音波接合装置１０１とは離れて、床面に固定して設けられているために、ＸＹテーブル１０７により水平面内で自在に移動するボンディングツール１０４の動作に追従できない。よって、超音波振動等の測定は、一つの接合部材について、微小箇所での測定しか行うことができない。そのため、超音波振幅等の測定は間欠的な測定であった。

調査の結果、原因等が判明すれば、直ちに対策を行い、実装ライン稼動を再開するが、従来は、不良発生の検出及び原因究明のための測定を、抜取り検査のタイミングでしか行うことができない。このために不良の発生から抜き取り検査までの時間は、不良品を製造することになり、発見が遅れた場合には大量の不良品を生産することになって歩留りが低下する。また、抜取り検査であって全量検査ではないことから、不良が発見できない場合も考えられる。さらには、調査の段階においても、間欠的な調査になるため連続動作時の超音波特性と完全に一致するとは限られず、突発的な不良を測定することは困難であり、調査と原因究明に時間と労力を要する。

このように従来の方法では、不良発見が遅れて歩留りを悪化させると共に、不良発生原因の調査に時間がかかるという課題があった。

特許文献１には、レーザドップラー振動計と、光ファイバーと、レーザ集光ヘッドとからなる測定システムの当該レーザ集光ヘッドが、移動するボンディングツールの先端部に焦点を固定するように取り付けられた超音波接合装置が開示されている。このレーザ集光ヘッドは軽量であり、移動する接合ヘッドに取り付け可能なものである。
特開平５−２０６２２４号公報

特許文献１に開示された超音波接合装置は、レーザを利用して振動を計測する光学系が、移動するボンディングツールの先端に焦点位置を固定して取り付けられるので、ボンディングツールの振動を常に正確に測定することができるとされている。

しかしながら、超音波振動の計測は、接合部材と被接合部材とに対して行われ、これらの相対振動の減少により接合品質をモニタリングするものであって、そのためにボンディングツールの先端部における振幅を測定している。この先端部の測定位置の特定が正確に行われないと、相対振動の減少を測定することが困難となるため、レーザ集光ヘッドの取り付け固定は、測定点がボンディングツール先端から１／３２波長以内になるよう正確に行うことを要するが、特許文献１に開示された超音波接合装置は、レーザ集光ヘッドとレーザドップラー振動計とが光ファイバを介して接続されているため、この光ファイバの取り回しが煩雑となる。また、レーザ集光ヘッド以外のレーザドップラー振動計そのものは、従来同様に大型であって、超音波接合装置の小型化に寄与せず、結果として実用性がなかった。

本発明は、これらの事情に基づいてなされたものであり、接合状態をリアルタイムに全接合数にわたって監視することができ、これにより不良の発生を直ちに検出して超音波接合装置の停止などの制御が可能で、さらには、超音波振動状況をより正確に、確実に検出することのできる超音波接合装置、超音波接合装置の制御装置及び超音波接合方法を提供することを目的とする。

本発明の超音波接合装置は、ボンディングツール部と、このボンディングツール部の一端を支持し、このボンディングツール部に超音波振動を付与する超音波ホーン部と、このボンディングツール部の振動を計測して、このボンディングツール部の振動の節の位置を算出する振動測定手段とを具備し、この振動測定手段は、ボンディングツール部の任意の点につき複数箇所にて同時期に振幅の測定を行う振幅測定部と、この振幅測定部にて得られる同時期の異なる箇所の振幅値から、ボンディングツール部の振動の節の位置を演算する振動態様算出部とを具備し、この振動態様算出部は、上記振幅測定部にて得られる同時期の異なる箇所の振幅値から、ボンディングツールの振動の近似曲線を算出し、さらに異なる時刻においても同様に、同時期の異なる箇所の振幅値の測定と近似曲線の算出を行い、結果として得られる異なる時刻の複数の近似曲線から、ボンディングツール部の振動の節の位置を演算するものであることを特徴とする。

また、本発明の別の超音波接合装置は、ボンディングツール部と、このボンディングツール部の一端を支持し、このボンディングツール部に超音波振動を付与する超音波ホーン部と、このボンディングツール部の振動を計測して、このボンディングツール部の振動の節の位置を算出する振動測定手段とを具備し、この振動測定手段は、ボンディングツール部の任意の点と、超音波ホーン部のボンディングツールを支持している領域近傍の任意の点とについて、同時期に振幅の測定を行う振幅測定部と、この振幅測定部にて得られる同時期の異なる箇所の振幅値から、ボンディングツール部の振動の節の位置を演算する振動態様算出部とを具備し、この振動態様算出部は、上記振幅測定部にて得られる同時期の異なる箇所の振幅値から、ボンディングツールの振動の近似曲線を算出し、さらに異なる時刻においても同様に、同時期の異なる箇所の振幅値の測定と近似曲線の算出を行い、結果として得られる異なる時刻の複数の近似曲線から、ボンディングツール部の振動の節の位置を演算するものであることを特徴とする。

本発明の超音波接合装置において、振幅測定部は、レーザ発振器と、このレーザ発振器から出射されたレーザ光を測定点に照射されるよう導光する光学部材と、この測定点にて反射されたレーザ光を受光して電気信号を出力する光検出部とを具備するものとすることができる。

また、振幅測定部は、超音波ホーン部に取り付けられたブラケットに対して固着され、超音波ホーン部の移動に対して相対的に固定されていることが好ましい。

さらに、光学部材は、測定点を変更自在に移動する可動部を有するものとすることもできる。

また、本発明の超音波接合装置は、振動態様算出部により算出された振動の節の位置に関する値に基づいて、あらかじめ設定する所定値と比較し、この所定値に対する所定の必要条件を満足しない場合に接合動作を停止させる制御部を具備するものとすることができる。

本発明の超音波接合装置の制御装置は、超音波接合装置のボンディングツール部の振動を計測してこの振動の節の位置を算出する振動測定手段に接続され、この振動測定手段から入力されたボンディングツール部の振動の節の位置の値に基づいて超音波接合装置の接合動作を停止する超音波接合装置の制御装置であって、この振動測定手段が、ボンディングツール部の任意の点につき複数箇所にて同時期に振幅の測定を行う振幅測定部と、この振幅測定部にて得られる同時期の異なる箇所の振幅値から、ボンディングツール部の振動の節の位置を演算する振動態様算出部とを具備し、この振動態様算出部が、上記振幅測定部にて得られる同時期の異なる箇所の振幅値から、ボンディングツールの振動の近似曲線を算出し、さらに異なる時刻においても同様に、同時期の異なる箇所の振幅値の測定と近似曲線の算出を行い、結果として得られる異なる時刻の複数の近似曲線から、ボンディングツール部の振動の節の位置を演算するものであり、この超音波接合装置の制御装置は、上記振動測定手段により算出されたボンディングツール部の振動の節の位置の値を入力して、このボンディングツール部の振動の節の位置の値と、あらかじめ設定された接合終了のための節の位置の値とを比較する演算部と、この演算部で比較されたボンディングツール部の振動の節の位置の値が、あらかじめ設定された節の位置に達しないときに超音波接合装置の接合動作を停止させる装置制御部とを備えることを特徴とする。

本発明の別の超音波接合装置の制御装置は、超音波接合装置のボンディングツール部の振動を計測してこの振動の節の位置を算出する振動測定手段に接続され、この振動測定手段から入力されたボンディングツール部の振動の節の位置の値に基づいて超音波接合装置の接合動作を停止する超音波接合装置の制御装置であって、この振動測定手段が、ボンディングツール部の任意の点と、超音波ホーン部のボンディングツールを支持している領域近傍の任意の点とについて、同時期に振幅の測定を行う振幅測定部と、この振幅測定部にて得られる同時期の異なる箇所の振幅値から、ボンディングツール部の振動の節の位置を演算する振動態様算出部とを具備し、この振動態様算出部が、上記振幅測定部にて得られる同時期の異なる箇所の振幅値から、ボンディングツールの振動の近似曲線を算出し、さらに異なる時刻においても同様に、同時期の異なる箇所の振幅値の測定と近似曲線の算出を行い、結果として得られる異なる時刻の複数の近似曲線から、ボンディングツール部の振動の節の位置を演算するものであり、この超音波接合装置の制御装置は、上記振動測定手段により算出されたボンディングツール部の振動の節の位置の値を入力して、このボンディングツール部の振動の節の位置の値と、あらかじめ設定された接合終了のための節の位置の値とを比較する演算部と、この演算部で比較されたボンディングツール部の振動の節の位置の値が、あらかじめ設定された節の位置に達しないときに超音波接合装置の接合動作を停止させる装置制御部とを備えることを特徴とする。

本発明の超音波接合装置の制御装置において、演算部が、所定の接合時間を経過した時点におけるボンディングツール部の振動の節の位置の値と、あらかじめ設定された接合終了のための節の位置の値とを比較するものであることは、好ましい。

また、本発明の超音波接合装置の制御装置は、演算部の、あらかじめ設定された接合終了のための節の位置の値が、接合強度とボンディングツール部の振動の節の位置との相関関係に基づいて定められたものとすることができる。

また、演算部の、あらかじめ設定された接合終了のための節の位置の値が、接合部材と被接合部材との接合良否の統計データに基づいて定められたものとすることもできる。

本発明の超音波接合装置の制御装置は、演算部が、所定の接合時間内にボンディングツール部の振動の節の位置の値と、あらかじめ設定された接合終了のための節の位置の値とを比較するものであり、装置制御部が、この演算部で比較されたボンディングツール部の振動の節の位置の値が、あらかじめ設定された節の位置に達しているときに、設定接合時間の経過を待たずに超音波接合装置の接合動作を停止させるものとすることができる。

また、本発明の超音波接合装置の制御装置は、演算部が、所定の接合時間を経過した時におけるボンディングツール部の振動の節の位置の値と、あらかじめ設定された接合終了のための節の位置の値とを比較するものであり、装置制御部が、設定接合時間までにボンディングツール部の振動の節の位置が設定された節の位置に達しないときに最大許容接合時間まで接合作業を続行し、かつ、この最大許容接合時間までにボンディングツール部の振動の節の位置が、設定された節の位置に達しないときに超音波接合装置の接合動作を停止させるものとすることもできる。

本発明の超音波接合方法は、ボンディングツール部の任意の点につき複数箇所にて同時期に振幅の測定を行う振幅測定部と、この振幅測定部にて得られる同時期の異なる箇所の振幅値から、ボンディングツール部の振動の節の位置を演算する振動態様算出部と、を具備させた振動測定手段を用い、振動測定手段を、振幅測定部にて得られる同時期の異なる箇所の振幅値から、ボンディングツールの振動の近似曲線を算出し、さらに異なる時刻においても同様に、同時期の異なる箇所の振幅値から、ボンディングツールの振動の近似曲線の算出を行い、結果として得られる異なる時刻の複数の近似曲線から、ボンディングツール部の振動の節の位置を演算するものとし、接合部材と被接合部材とを超音波接合する際、接合中の超音波接合装置のボンディングツール部の振動の節の位置を演算してボンディングツール部の振動態様を算出するステップと、算出されたボンディングツール部の振動態様に応じて、超音波接合装置の接合動作を続行もしくは停止するステップとを行うことを特徴とする。

本発明の超音波接合装置によれば、ボンディングツールの超音波振動の状態を、実装ラインを止めることなく全接合数にわたってリアルタイムで正確に計測することを可能とする。

本発明の超音波接合装置の制御装置によれば、超音波接合装置による接合中に接合不良を検出して、直ちに接合作業を停止する制御をすることを可能とする。

本発明の超音波接合方法によれば、接合中におけるボンディングツールの振動態様に基づいて超音波接合装置の運転を停止し、不良品の発生を抑制することを可能とする。

本発明の超音波接合装置及び超音波接合装置の制御装置の実施の形態を、図面を用いて説明する。

図１は、本発明の超音波接合装置及び超音波接合装置の制御装置の一実施例の構成を示す図として、ワイヤボンディング装置とその制御装置の例を示している。ワイヤボンディング装置は、例えば半導体素子上の電極とリードフレームとを、ワイヤを用いて電気的に接合するものである。このワイヤボンディング装置では、電極とワイヤ又はワイヤ先端に形成された被接合部材とを、超音波振動、圧力、そして熱を加えて接合する、超音波併用熱圧着方式が主流である。

図１に示す超音波接合装置１は、圧電素子などからなり、超音波振動を発生させる超音波振動子２と、この超音波振動子２と連結して水平方向に延設され、超音波振動を増幅伝達させる超音波ホーン３と、この超音波ホーンの先端部に取り付け固定されたボンディングツール４とを備え、このボンディングツール４に超音波振動子２からの超音波振動が超音波ホーン３を介して伝達される。

超音波ホーン３は、支持部材５に支持固定されている。この支持部材５に、回転軸材６が軸線方向が水平方向に取り付けられ、この回転軸材６がフレーム７に対して回動可能に取り付けられ、この回転軸材６にモータが直結することにより、支持部材５は、回転軸材６を回転軸として揺動可能になっている。このような揺動させるための手段が、超音波ホーン３の先端部に取り付けられたボンディングツール４により接合される接合部材と非接合部材とを押圧する移動手段となっている。

フレーム７は、ＸＹテーブル８上に載置され、基台９上に取り付けられた当該ＸＹテーブル８の移動により水平面内で自在に移動可能になっている。これにより、フレーム７に接続された超音波ホーン３及びこの超音波ホーン３の先端に取り付けられたボンディングツール４の水平面内の移動と位置決めを行うことができる。

ボンディングツール４は、上記ＸＹテーブル８により位置決めされるとともに、回転軸材６を回転軸として上下方向に揺動されて、ステージ３１上に載置された被接合部材としてのリードフレーム３２と、接合部材としての半導体素子３３上の電極３４とを、ワイヤ３５を用いて電気的に接合する。この電気的接合のために、ボンディングツール４の先端部にはワイヤ３５を溶融させてなる金属ボール３６が形成され、この金属ボール３６と電極３４又はリードフレームとを、超音波振動子２から超音波ホーン３を経てボンディングツール４に伝達された超音波振動を印加しつつ、また、支持部材５の下向きの揺動により加圧しつつ、必要に応じて加熱することにより接合する。このような超音波接合の動作については、従来の超音波接合装置と同様である。

そして、本実施例の超音波接合装置においては、ボンディングツール４の振動を計測して、このボンディングツール４の振動の節の位置を算出する振動測定手段を備えている。

振幅そのものではなく、節の位置の変位を検出することで、接合状態をモニタすることにした結果、部品・部材の個体差の影響が少なく、超音波接合装置の設置環境に起因する外乱・ノイズの影響受けにくい測定結果を得ることができるようになった。そのため、同じ品質の結果を得ようとする場合、従来の計測環境に比して、極めて簡素な構成で計測系を組むことができるようになった。

この振動測定手段について、以下に説明する。フレーム７の上側には、超音波ホーン３と同一方向に延出するブラケット１０が取り付け固定されている。このブラケット１０は、ボンディングツール４の複数点の超音波振動状態を計測するための振動測定手段の構成要素の一つである振幅測定部を固着して、超音波ホーン３の移動に対して相対的に固定するためのものである。そのために図１に図示したブラケット１０は、フレーム７の上側に取り付けられて超音波ホーン３と同一方向に延出する水平部分と、この水平部分の先端部と接続し垂直方向に延びるように形成されボンディングツール４近傍まで位置する垂直部分とを有する形状になっている。

この振幅測定部は、レーザドップラー効果を利用して振幅を測定する構成とすることができ、具体的には、レーザ発振器と、このレーザ発振器から出射されたレーザ光を測定点に照射されるよう導光する光学部材と、この測定点にて反射されたレーザ光を受光して電気信号を出力する光検出部とを具備する構成とすることができる。図１に示した本実施形態の超音波接合装置では、レーザ発振器と光検出部とを一体的に具備するレーザヘッド１１Ａ及び１１Ｂが、ブラケット１０の水平部分上に突設された取り付け部に、レーザ光の出射方向を水平方向にして垂直方向に並べて固定されている。また、レーザヘッド１１Ａ、１１Ｂからそれぞれ出射されたレーザ光をボンディングツール等の測定点まで導光するとともに測定点にて反射されたレーザ光をレーザヘッド１１Ａ、１１Ｂまで導光するための光学部材として、第１のミラー１３Ａ及び１３Ｂが、ブラケット１０の垂直部の上端部に、それぞれレーザヘッド１１Ａ、１１Ｂから出射されたレーザ光の出射方向に対して所定の角度をなして対面するように取り付け固定され、また、第２のミラー１４Ａ及び１４Ｂが、ブラケット１０の垂直部の下端部に、それぞれレーザヘッド１１Ａ及び１１Ｂから出射され第１のミラー１３Ａ及び１３Ｂで反射されたレーザ光がボンディングツール４までの光路ｐを形成するような角度をなして取り付け固定されている。

ブラケット１０にレーザヘッド１１Ａ、１１Ｂが固定され、これに対応して第１のミラー１３Ａ及び１３Ｂ、並びに第２のミラー１４Ａ及び１４Ｂとを備えていることにより、レーザヘッド１１Ａとレーザヘッド１１Ｂとから各々別々に出射されたレーザ光は、光軸が同一の仮想平面に存在する状態でボンディングツール４の相異なる点に照射される。これによりボンディングツール４の任意の点につき複数箇所にて同時期に振幅の測定を行うことができるようになる。複数箇所の振幅を同時期に測定することにより、ボンディングツール４の振動の節の位置を算出することができる。

ボンディングツール４の振動の節の位置を算出するために、レーザヘッド１１Ａ及び１１Ｂからの測定信号は、振幅算出部１２に入力され、ボンディングツール４の特定点における速度が算出され、得られた速度データ、又は速度データを時間で積分したボンディングツール４の変位データ若しくは速度データを時間で微分したボンディングツール４の加速度データから、ボンディングツール４の特定点における振幅が算出される。したがって、振動測定手段には、ボンディングツール４の速度を測定するものに限られず、変位を測定するものや加速度を測定するもの等、いずれも用いることができる。

振幅算出部１２により算出されたボンディングツール４の特定点における速度速度データ等は、振動態様算出部２１に出力される。この振動態様算出部２１は、振幅測定部にて得られる同時期の異なる箇所の振幅値から、ボンディングツール４の振動の節の位置を演算する。この振動態様算出部２１については、後述する。

図１に示したレーザヘッド１１Ａ、１１Ｂについては、特公平７−６９４２５号公報に開示されているレーザドップラー速度計を用いることができる。このレーザドップラー速度計は、図２にレーザヘッド１１の一例を模式図を示すように、測定対象物であるボンディングツール４に対向するレンズ１１１と、このレンズ１１１に対向して設けられレーザ光を発光するレーザ共振器１１２と、レーザ共振器１１２の背後に設けられたフォトダイオード１１３と、このレーザ共振器１１２及びフォトダイオード１１３を収容し先端部にレンズ１１１が焦点位置の調整可能に取り付けられる外筒１１４とを備えていて、光学系が超小型でレーザヘッド１１に全て備えられているものである。このレーザヘッド１１では、レーザ共振器１１２により自らが発振するレーザ光と、このレーザ光の測定対象物であるボンディングツール４からの反射光とを、レーザ共振器１１２で混合した後、振動速度に比例した光強度変化を出力し、この光強度変化をフォトダイオード１１３で検知する自己混合型レーザドップラー振動計測方式を採用している。この計測方式を採用することにより、レーザヘッド１１を半導体レーザ（レーザ共振器１１２）とレンズ１１１だけの簡便な光学系で構成することが可能となり、レーザヘッド１１の超小型化を実現している。このレーザヘッド１１の小型化により、速度計を超音波振動系が戴置されているＸＹテーブル８上の超音波接合装置の部材に一体的に搭載することが可能となっていて、図１に示した本実施例では、超音波接合装置１のフレーム７の上側に取り付け固定されているブラケット１０に一体的に搭載されている。

また、図１に示した超音波接合装置１では、ミラー１３Ａ、１３Ｂ、１４Ａ及び１４Ｂを用いてレーザ光を屈折させることで、レーザヘッド１１Ａ、１１Ｂを設置する位置の自由度を増していて、超音波接合を妨げない位置で超音波振動系の振動を随時測定することが可能となっている。

レーザヘッド１１Ａ、１１Ｂから出力された信号が入力される振幅算出部１２の一例について、図３に示すブロック図を用いて説明する。図３に示すブロック図は、レーザヘッド１１に設けられたレーザ光源（レーザ共振器）１１２を駆動する駆動電流が、測定対象物の速度に比例して変動することを利用して、測定対象物（ボンディングツール４）の振動速度を算出し、ひいては振幅を算出するものである。図３において、振幅算出部１２は、ドップラービート信号をレーザ共振器１１２からの信号から分離抽出するビート検出手段１２１と、レーザ共振器１１２を駆動するレーザ駆動回路１２２と、ビート検出手段１２１により検出されるドップラービート信号に基づいてボンディングツール４の振動速度を演算する速度演算手段１２３とを備えている。また、方向判別手段１２４を備えていて、ボンディングツール４の振動方向を必要に応じて判別することができるようになっている。

振幅算出部１２のレーザ駆動回路１２２は、レーザ共振器１１２を駆動するためのものである。このレーザ駆動回路１２２により駆動されるレーザ共振器１１２からレーザ光がボンディングツール４に向けて照射され、この照射されたレーザ光がボンディングツール４によって反射され、ドップラー周波数偏移を受けた反射戻り光がレーザ共振器１１２に戻ると、ドップラー偏移を受けていないレーザ光との間で自己混合作用がレーザ共振器１１２内部に生じ、ドップラービートが発生する。そして、レーザ共振器１１２の駆動電流には、ビート周波数に対応した鋸歯状波信号が重畳される。

振幅算出部１２のビート検出手段１２１は、レーザ駆動回路１２２の出力端に併設され、レーザ共振器１１２を駆動する駆動電流中から当該駆動電流に重畳された鋸歯状波に近似したドップラービート信号を抽出し出力する。

速度演算手段１２４は、ビート検出手段１２１から出力されるドップラービート信号を所定のタイミング信号に変換する波形変換回路部と、この波形変換回路部から出力されるタイミング信号を信号処理して演算用速度信号を出力する信号処理回路部と、この信号処理回路部の出力に基づいて被測定物（ボンディングツール）の速度を算定する演算回路部とにより構成されていて、これらの回路部によりドップラービート信号からボンディングツールの速度信号を出力する。

本実施例の超音波接合装置は、上述したレーザヘッド１１Ａ、１１Ｂ及び振幅算出部１２を用いて、超音波接合装置１の超音波振動系加工点付近であるボンディングツール４の複数箇所又はボンディングツール４を含めたその近傍の複数箇所の振動を測定する。これにより、その振動情報から後述するように超音波振動系の振動態様（以下、「振動モード」ともいう。）を導出することができ、かつ、その時の接合状態（接合強度）と関連付けることで、非破壊検査でリアルタイムに接合状態の判別が可能となる。

また、ボンディングツール４の超音波振動を、複数の位置で測定することにより、ボンディングツール４の超音波振動の振動モード及びこの振動モードの接合中における変化を、正確に測定することができる。

振動測定手段が測定を行う複数箇所の測定位置の例として、図１に示した実施例では、ボンディングツール４の長手方向に沿った任意の２点で計測している。また、ボンディングツール４の任意の２点を計測する例に限られず、ボンディングツール４の任意の点と、このボンディングツール４を支持する超音波ホーン３におけるボンディングツール４近傍の任意の点とを同時期に振幅の測定を行うこともできる。

測定点の具体例を図４及び図５に示すボンディングツール４近傍の模式図で説明する。図４（ａ）は、ボンディングツール４の中間部の２点を測定する例、図４（ｂ）は、ボンディングツール４の中間部と先端部とを測定する例、図４（ｃ）は、ボンディングツール４の中間部とボンディングツールを固定している超音波ホーン３の先端部とを測定する例、図４（ｄ）は、図４（ａ）とは１８０°反対の方向からボンディングツール４の中間部の２点を測定する例である。また、図５（ａ）は、ボンディングツール４の長手方向に沿った４点を測定する例、図５（ｂ）は、ボンディングツール４の２点と、振動方向と直角な方向から超音波ホーン３の先端部を測定する例、図５（ｃ）は、ボンディングツール４の振動方向と平行な２点と、振動方向と直角な方向の２点とを測定する例である。いずれの測定においても、またこれら複数の組合せにおいても超音波振動系の振動状態測定が可能である。

ボンディングツール４又はその近傍の複数点を測定するためのレーザヘッド１１Ａ及び１１Ｂを一体的に取り付け固定する位置、並びにレーザ光を反射するミラーにより構成される光学系の位置についても、種々の態様とすることができる。この位置の例を図６〜図８に模式図で示す。なお、図６〜８は、複数位置の測定例としてボンディングツール４の長手方向の２点を測定する例について示している。

図６（ａ）は、レーザヘッド１１Ａ及び１１Ｂが、ボンディングヘッドの直上に設けられたブラケット１０Ａに載置固定され、このレーザヘッド１１Ａ及び１１Ｂからのレーザ光を反射するミラー１３Ｃ、１４Ａ及び１４ｂがブラケット１０Ａに取り付け固定され、これらのミラー１３Ｃ、１４Ａ及び１４ｂを使って光路を屈折してボンディングツール４へレーザ光を照射し、また、ボンディングツール４からの反射光をレーザヘッド１１Ａ及び１１Ｂへ導くようにしている。

図６（ｂ）は、レーザヘッド１１Ａ及び１１Ｂが、ボンディングヘッドの直上に設けられたブラケット１０Ｂに、レーザ光の照射方向を垂直下向き方向にして固定され、このレーザヘッド１１Ａ及び１１Ｂからのレーザ光を反射する１４Ａ及び１４ｂがブラケット１０Ｂに取り付け固定され、これらのミラー１４Ａ及び１４ｂを使って光路を屈折してボンディングツール４へレーザ光を照射し、また、ボンディングツール４からの反射光をレーザヘッド１１Ａ及び１１Ｂへ導くようにしている。

図６（ｃ）は、レーザヘッド１１Ａ及び１１Ｂと振幅算出部１２との間の配線を延長して、これらのレーザヘッド１１Ａ及び１１Ｂを、図示しない別の固定手段により固定し、ボンディングツール４の振動方向と平行にレーザ光を直接にボンディングツール４へ照射するようにしている。

図７（ａ）は、レーザヘッド１１Ａ及び１１Ｂが、支持部材５の側面部に取り付け固定されるとともに、支持部材５の上側に取り付けられたブラケット１０の下方に延びる端部にミラー１４Ｃが固定され、レーザヘッド１１Ａ及び１１Ｂから照射されたレーザ光がミラー１４Ｃに反射してボンディングツール４に到達するようにしている。

図７（ｂ）は、レーザヘッド１１Ａ及び１１Ｂが、支持部材５の正面部に取り付け固定され、レーザヘッド１１Ａ及び１１Ｂからレーザ光を直接にボンディングツール４へ照射するようにしている。

図７（ｃ）は、レーザヘッド１１Ａ及び１１Ｂが、支持部材５の側面部に取り付け固定され、レーザヘッド１１Ａ及び１１Ｂからレーザ光を直接にボンディングツール４へ照射するようにしている。

図６及び図７に示した例では、レーザヘッド１１Ａ及びレーザヘッド１１Ｂの二個のレーザヘッドを配設して、それぞれのレーザヘッドで同時期にボンディングツール４の異なる点を測定している。このような例に限られず、一個のレーザヘッドを配設して、このレーザヘッドから出射されるレーザ光を導光する光学部材が、ボンディングツール４又はその近傍の測定点を変更自在に移動する可動部を有するものとすることもできる。このような例を図８に示す。

図８（ａ）は、レーザヘッド１１Ａが、ボンディングヘッドの直上に設けられたブラケット１０Ｄに載置固定され、このレーザヘッド１１Ａからのレーザ光を反射するミラー１３Ｄがブラケット１０Ｄに取り付け固定されるとともに、ミラー１４Ｄが図示しない圧電素子等の駆動装置によって揺動可能にブラケット１０Ｄに取り付けられている。ミラー１４Ｄを揺動させることにより、ボンディングツールの長手方向を同一の仮想平面内で異なる光軸を有するレーザ光を生成する。これにより、単一の光学系で複数の測定点を得ることができる。測定動作中に測定点を変更することもでき、一つのレーザヘッド１１Ａを用いた場合であっても、複数箇所の振幅の測定を行うことができる。

図８（ｂ）は、レーザヘッド１１Ｃが、図示しない圧電素子等の駆動装置によって揺動可能に支持部材５の正面部に取り付けられている。レーザヘッド１１Ｃを揺動させることにより、レーザヘッド１１Ｃの照射方向を測定中に変更することができ、一つのレーザヘッド１１Ａを用いた場合であっても、ボンディングツール４に対してレーザ光を直接に照射して、複数箇所の振幅の測定を行うことができる。

以上説明した図６〜図８に示したいずれの態様によっても、実装ラインの連続動作時における超音波振動系のリアルタイムでの測定が可能となる。

レーザヘッド１１Ａ、１１Ｂ及び振幅算出部１２により、測定されたボンディングツール４又はその近傍の複数箇所の振動情報は、図１に示すように振動態様算出部２１に入力される。

この振動態様算出部２１において、振幅算出部１２からの複数点での測定結果から、振動の節の位置を算出する。この算出の要領を、図９に示すボンディングツールとそれに対応する振動モードとの模式図を用いて説明する。なお、同図では、ボンディングツール４の上方と下方の二箇所での振幅を測定した例を示している。

図９（ａ）に示すように、ボンディングツール４の各点における振幅と位相情報を基に、近似曲線を用いてボンディングツール４の振動状態を表すことができる。そこで、この近似曲線で表されたボンディングツール４の振動状態について、正方向への振幅時の近似曲線と、負方向への振幅時の近似曲線との二つの近似曲線(一次曲線)の交差点を振動モードの節位置としている。

そして、この振動モードの測定を超音波接合中における任意の時間に行い、各測定時間での振動モードの変化を観察する。図９（ｂ）は、接合を開始した直後及び接合完了（接合時間終了）前の振動モード及び節位置を比較して示したものである。同図に示すように、接合部材と被接合部材との接合状態により振動モードは変化し、接合が進行するとボンディングツールの下端部の振動が拘束されるために振動モードの節位置は、接合部材から遠ざかる方向、すなわち、上方に移動していることが判る。このようにして接合状態の変化に伴う超音波接合時の振動状態の変化を、振動モードの節位置の移動によって検出することができる。

そこで、振動態様算出部２１は、振幅測定部にて得られる同時期の異なる箇所の振幅値から、ボンディングツールの振動の近似曲線を算出し、さらに異なる時刻においても同様に、同時期の異なる箇所の振幅値の測定と近似曲線の算出を行い、結果として得られる異なる時刻の複数の近似曲線から、ボンディングツール部の振動の節の位置を演算するのである。

図９（ｃ）は、ボンディングツール４の測定点を４点として測定した例である。測定点を４点とした場合であっても、２点である場合と同様に振動モードの節位置を求めることができ、この節位置の移動により超音波接合時の振動状態の変化を検出することができる。また、測定点を増加させることは、近似曲線の精度が向上し、実際の振動モードとの誤差が減少する利点がある。もっとも、測定点を増加させると、節位置を求めるための演算時間、処理時間等が長くなり、計測器や制御装置を超音波接合装置に取り付けるスペースが大になるという不利もある。そのため、測定点数については、測定精度、測定間隔等から最適な点数を選定すればよい。

図１０は、超音波接合時において超音波振動を測定するタイミングの例を、超音波印加手段としてのボンディングツール４の垂直方向の位置と、ボンディングツール４に加えられる超音波出力の振幅と、接合部材及び被接合部材に加えられる加圧力と、振動モードの節位置と共に示すタイミングチャート図で示したものである。

超音波接合装置１における移動手段の動作によりボンディングツール４が下降して接合部材と被接合部材とが接触した直後から、接合動作として超音波印加及び加圧等を開始する。その結果、節位置は、上方に移動する。このような接合時において、振動モードの測定は、超音波が印加された時点（接合開始）から印加終了までの時間にわたって測定する方法（図中のタイミングＡ）や、任意の時間、例えば、印加終了時の直前のみに測定する方法（図中のタイミングＢ）、印加開始時と終了時に測定する方法（図中のタイミングＣ）、印加の中盤から終了時にかけて測定する方法（図中のタイミングＤ）など、種々の方法がある。いずれの方法をも用いることができ、測定タイミングについては、予め実験等で、接合状態の変化を捉えることのできるタイミングを確認し、ポイントとなる時間での測定を行えばよい。なお、本実施例では、特に説明する場合を除いて、接合時間内すべてにおいて測定を行う（タイミングＡ）場合を例として述べている。

前述したように、振動態様算出部２１においては、同時期の複数点で測定されたボンディングツール４の振動情報信号から超音波接合治具の振動の振幅の近似曲線を算出し、さらに異なる時刻においても同様に、同時期の複数点で測定されたボンディングツール４の振幅値の測定と近似曲線の算出を行い、結果として得られる異なる時刻の複数の近似曲線から、ボンディングツール部の振動の節の位置を演算して、接合中におけるボンディングツール４の振動態様を、振動の節の位置として算出する。これにより、ボンディングツールの振動状態の変化が捉え易くなり、次に述べるような接合性との関連性を求めることができ、ここから更に接合不良などのトラブル原因の究明に役立つ。また、従来技術のように、ボンディングツール先端部の振幅の減少をモニタリングするものではないので、測定点をボンディングツール先端から１／３２波長以内になるよう正確に設定することを要しない。

振動態様算出部２１により演算されたボンディングツールの振動の節の位置のデータは、超音波接合装置の制御装置２０に入力される。この制御装置２０は、この振動の位置の値に基づいて、あらかじめ設定する所定値と比較し、この所定値に対する所定の必要条件を満足しない場合に接合動作を停止させる制御を行う。

図１に示された制御装置２０は、振動態様算出部２１から算出されたボンディングツールの振動の節の位置と、あらかじめ設定された接合終了のための節の位置の値とを比較する演算部２２と、この演算部に接続され、設定された接合終了のための節の位置を記憶する記憶部２２ａと、演算部２２で比較されたボンディングツール部の振動の節の位置の値が、あらかじめ設定された節の位置に達しないときに超音波接合装置の接合動作を停止させる装置制御部２３と、演算部２２に接続され、演算部２２が行った比較の結果を出力する表示部２４とを備えている。

また、制御装置２０は、超音波接合装置１の超音波接合装置制御部１５と接続されている。この超音波接合装置制御部１５は、超音波振動子２にて超音波振動を発振させるための超音波発振器１６に接続され、超音波振動の振幅量と発振時間とを制御可能になっている。

演算部２２は、所定の測定タイミングで測定され、算出されたボンディングツールの振動の節の位置と、あらかじめ設定された接合終了時の節の位置とを比較する。前述のように、ボンディングツール４の振動モードは、接合状態の変化に関連している。そこで、算出された振動の節の位置と接合状態との関係性から、振動の節の位置が所定の位置に達していない場合には、接合状態が不良であると考えることができる。したがって、振動の節の位置が所定の位置に達していない場合には、接合を停止させる制御を行うことで、接合不良の製品が発生したときに直ちに超音波接合装置を停止させることができる。

振動の節の位置と接合状態との関係性について、図１１を用いて説明する。図１１（ａ）は、接合部材と被接合部材との接合強度の強弱の相違に対するボンディングツール４の振動モードの相違を図示したものである。接合初期のように、接合強度が低い場合には、ボンディングツール４の先端は自由端に近いモードを示す。一方、接合終期のように接合強度が高い場合には、ボンディングツール４の先端の振動が拘束されるようになり、固定端のモードとなる。このようにボンディングツール４先端の状態が接合強度に応じて変化すると、その時のツール振動モードも変化していく。図示した例では、その振動モードの変化を、変化量として検出し易い節の位置の変化を用いている。図示したように、接合状態の変化、すなわち接合強度の増加に伴って、振動モードは変化し、節位置も上方へ移動していく。

そして、接合工程完了時の節位置と接合強度との関係は、比例関係になることが実験より明らかになっている。このことから、接合工程完了時のボンディングツール４の節位置により接合強度が推測できる。つまり、節位置を測定することで接合強度がどの程度であるかを推測し、その接合強度が、あらかじめ判明している許容接合強度以上であるか否かで接合の良否を推測することが可能である。

この接合状態の良否推測を、概念的に図１１（ｂ）を用いて説明する。図１１（ｂ）は、接合強度とボンディングツール４の接合工程終了時の節位置の特性を示したものである。図示したようにボンディングツール４の節位置と接合強度とには相関があり、近似曲線(図では一次曲線)を用いて、その相関関係を示すことができる。つまり、ボンディングツールの節位置が判れば、この近似曲線により接合中の接合部材と被接合部材との接合強度が推測できる。推測された接合中の接合強度と、接合部材及び被接合部材により定められる許容接合強度とを比較した結果、接合強度が許容接合強度（すなわち、必要な接合強度のしきい値）以上であれば、接合状態を良と考えることができる。したがって、許容接合強度と近似曲線とから、しきい値に対応する節位置を求めておき、このしきい値に対応する節位置を、例えば演算部２２に接続する記憶部２２ａに記憶させておく。そして、このしきい値となる節位置と、測定結果から得られる実際のボンディングツールの節位置とを比較して、接合の良否を推測することができる。

このような考え方から、制御装置２０の演算部は、振動態様算出部２１から入力されたボンディングツール部の振動の節の位置の値と、あらかじめ設定され、記憶された接合終了のための節の位置の値とを比較する。振動態様算出部２１から入力されたボンディングツール部の振動の節の位置の値が、あらかじめ設定され、記憶された接合終了のための節の位置の値を満足しない場合には、接合不良と推測できるので、接合動作を停止させるための信号を装置制御部２３に出力する。

このような制御を行うことにより、節の位置という、ボンディングツール４の振動状態の変化を捉え易い要素を用いて、接合不良の場合に確実に接合動作を停止させることができる。

図１１に示した例においては、ボンディングツール４の振動モードの変化量として、節位置を使って説明したが、振動状態の変化を示すものであれば節位置に限定されず、節位置と同様の効果が得られる。例えば、振動の位相を用いることができる。振動モードの位相変化を用いた例を、図１２を用いて説明する。

図１２は、ボンディングツールの複数の測定点の位相の差と、接合強度との関係を説明する図である。同図（ａ）に示すように、ボンディングツール４の振動の振幅について、ボンディングツール４の異なる２点では振動の位相差が生じている。そして、この位相差は、同図（ｂ）に示すように接合部材と被接合部材との接合強度と相関があり、接合強度が大きくなるほど位相差は小さくなる。この相関関係は、近似線で表すことができる。そこで、振動測定手段により測定された複数の位置の超音波振動により振動態様算出部で算出された接合中のボンディングツールの振動の位相差と、予め定められている位相差と接合強度との関係を示す近似線とから、接合時における接合強度を推測できる。推測された接合中の接合強度と、あらかじめ定められている許容接合強度とを比較した結果、接合強度が許容接合強度以上であれば接合状態を良と考えることができる。したがって、許容接合強度と近似曲線とから、しきい値に対応する位相差を求めておき、このしきい値に対応する位相差を、例えば演算部２２に接続する記憶部２２ａに記憶させておく。そして、このしきい値となる位相差と、測定結果から得られる実際のボンディングツールの振動の位相差とを比較して、位相差の値が、あらかじめ設定され、記憶された接合終了のための位相差の値を満足しない場合には、接合不良と推測できるので、接合動作を停止させるための信号を装置制御部２３に出力する。

なお、接合中の振動状態の変化は、図１１で説明した節の位置や、図１２で説明した位相差に限られず、振動の振動数を用いることもできる。更には、節の位置に基づいて制御を行う場合であっても、節の位置の絶対位置の値に基づくばかりに限られず、節の位置の変化量の値に基づいて制御を行うことができる。

図１１及び図１２を用いて説明した例では、振動の節の位置と接合状態との関係性について、予め近似曲線を求める例を説明したが、本発明の超音波接合装置の制御装置では、統計的に得られるデータを用いて接合の良否を推測することもできる。その例を図１３及び図１４を用いて説明する。図１３は、ボンディングツール４の振動の節位置と接合の良否の度数について調査を行い、その結果を統計的に示す一例のグラフであり、図１４は、本実施例における制御装置の制御方法のフローチャート図である。

本実施例は、前述の方法と異なり、すでにラインで稼動中、または接合条件が最適化されている場合に適している。図１４に示すように、稼動中の超音波接合装置１について、ボンディングツール４の振動を超音波振動測定手段により測定しつつ多数の超音波接合を行って、超音波接合の振動モードとして例えば接合終了時の節の位置を測定する（ステップＳ１）。次に、測定された振動モード、例えば節位置のデータを蓄積する（ステップＳ２）。このデータの蓄積は、例えば演算部２２に具備されている記憶領域や、あるいは演算部２２に接続して設けられた記憶部２２ａで行われる。この節位置のデータについて、統計に必要な度数以上のデータを蓄積する。蓄積されたデータは、例えば図１３に示したグラフのようになる。

次に、蓄積されたデータの平均、分散等を計算し（ステップＳ３）、しきい値（例えば、平均＋３σn-1又は、平均−３σn-1）を求める（ステップＳ４）。予め定められた条件での接合であれば、得られた母数の大部分は、許容接合強度を満足していると考えられ、平均から大幅に外れて、しきい値を超えたもののみが接合不良といえる。そこで、測定された振動モード（節の位置）を、しきい値に対応する振動モード（節の位置）と比較する（ステップＳ５）。比較の結果、この振動モード（節の位置）が、しきい値内である場合（ステップ６のＹＥＳ）には、ラインの稼動を継続して他の部材について超音波接合を続行するとともに、次の接合部材の超音波接合の振動モードを測定する（ステップＳ１に戻る）。一方、ステップＳ６において、節の位置が、しきい値を超えている場合には（ステップ６のＮＯ）、超音波接合装置を停止させるための信号を超音波接合装置制御部１５及び装置制御部２３に出力して接合を停止させるとともに表示部２４で不良通報、ログ記録を行う（ステップＳ７）。

本実施例に従い、振動の節の位置と接合状態との関係について統計データを用いることにより、事前実験によるしきい値の設定も不要である。しかも、稼動時にも測定データの統計処理を継続して行えるために、振動の節の位置と接合状態との関係性の更なる精度向上が見込まれる。

これまで述べたように、演算部２２においては、振動態様（振動モード）の変化により超音波接合装置の接合動作の続行又は停止の制御を行う。ボンディングツール４の節の位置は常時、リアルタイムで演算部に入力することができるので、接合不良が生じた場合には直ちに超音波接合装置の動作を止めて、接合作業を止めることができ、接合不良となった製品の量を最小限に抑制することができる。

また、演算部２２は、超音波接合時の接合状態の推測のみならず、例えば、接合部材の表面汚染等の検出にも用いることができる。図１５は、接合部材の表面が清浄で接合が良好な場合（Ａ）と、接合表面が汚染されていたために接合不良となった場合（Ｂ）の節位置変化の経時特性を示したグラフである。同図に示すようにボンディングツール４の振動モードにおける節位置は、接合時間の経過とともに上方へ移動していくが、所定の時間当たりの節位置変化量（節位置変化量÷時間）が、接合性が良好な例であるＡと、接合性が不良な例であるＢとで顕著な差が認められる。接合性不良の例Ｂは、接合表面が汚染されていたために接合不良となったものであるから、所定の時間におけるボンディングツールの振動の節位置の変化量を比較することで、接合部材が表面汚染していること等を推測することが可能である。また、同様の方法で、この他にも、部材の保持状態、超音波印加手段の組付状態についても状態変化を推測することが可能である。これらの要因によって変動する節位置の変化に応じて、制御装置２０は、接合作業を継続又は停止する制御を行うことができる。

更には、演算部２２は、接合条件の最適化をすることが可能であり、装置稼動中における接合条件の変更をすることも可能である。これを図１６及び図１７を用いて説明する。まず、図１６は、同一接合部材で接合性が異なる４種類（接合部材Ａ、接合部材Ｂ、接合部材Ｃ及び接合部材Ｄ）について、接合時におけるボンディングツール４の節位置の経時変化を示したものである。

図１６において、接合部材Ａ及び接合部材Ｂは、この接合部材を接合するための規定時間内で節位置がしきい値に達しており、接合状態は良であると考えられる。これに対して、接合部材Ｃ、Ｄは、規定時間になっても何らかの理由により節位置が規定値に達しておらず、この規定時間で接合を終了すると接合強度低下が予想できる。

これらの結果から、超音波接合装置に関して、２つの接合動作を提案できる。

（Ｉ） 一つは、図中Ａ、Ｂという接合部材の接合に関しては、あらかじめ設定された接合のための規定時間よりも短い接合時間で接合動作を停止する。これにより、接合時間を短縮する最適化を行うことができ、ひいては生産性向上が期待できる。

この接合方法を行うために、超音波接合装置の制御装置２０は、演算部２２が、接合中の設定接合時間内における振動態様算出部２１により算出された振動の節の位置の値と、接合状態のしきい値に対応する振動の節の位置と比較し、その結果、算出された節の位置が、設定されたしきい値に対応する節の位置に達している場合には、設定接合時間の経過を待たずに超音波接合装置の接合作業を停止させる信号を装置制御部２３に出力する。

（II） 二つ目は、しきい値に到達するまで接合を継続する。例えば、図１６中、接合部材Ｃが生産ラインに混入した場合、節位置がしきい値に到達するまで接合時間を自動的に延長する。これにより、接合強度不足を防止できる。また、通常の設定された接合時間では節の位置がしきい値に到達せず、不良品だと推測されるような接合部材であっても、接合時間を延長し、設定接合時間よりも長く接合を行うことにより接合が良好なものとすることができるので、製品の歩留まりが向上する。なお、接合部材Ｄのように最大許容接合時間になっても節位置がしきい値に到達しない場合には、接合不良なものと推測できるので接合を停止する。

この接合方法を行うために、超音波接合装置の制御装置２０においては、演算部２２が、接合中の設定接合時間内における振動態様算出部により算出された振動の節の位置の値と、接合状態のしきい値に対応する振動の節の位置とを比較し、その結果、算出された節の位置が、設定接合時間までにしきい値に対応する節の位置に達していない場合には、最大許容接合時間まで接合作業を続行するとともに節の位置の比較を継続して行い、算出された節の位置の値が、この最大許容接合時間で節の位置がしきい値に対応する節の位置に達していない場合には、超音波接合装置の接合作業を停止させる信号を装置制御部２３に出力する。

これらの２つの接合動作を行う演算部２２の制御シーケンスについて、図１７に示すフローチャートを用いて説明する。

超音波接合装置１により接合作業が開始されると、ボンディングツール４の振動を超音波振動計測手段により継続的に測定して、振動態様算出部２１により振動の節位置を継続的に算出することにより、演算部２２には、節位置の値が継続的に入力される。これにより節の移動が監視されることになる（ステップＳ１１）。そして、この節位置と、記憶部２２ａなどに記憶されていた、しきい値に対応する節位置とを比較して（ステップＳ１２）、測定された節位置がしきい値に到達した場合には、規定接合作業時間を待たずに接合停止信号を超音波接合装置制御部１５及び装置制御部２３に出力して接合を終了する。また、ステップＳ１２において、測定された節位置がしきい値に到達していない場合には、振動態様算出部２１の内部のタイマーで接合作業開始から計時されていた接合時間と、規定接合作業時間とを比較して（ステップＳ１３）、接合時間がこの規定接合作業時間に達していない場合には、接合を作業を継続するとともに節位置の監視を継続し、節位置としきい値とを比較する（ステップＳ１２に戻る）。次に、ステップＳ１３においては、接合時間がこの規定接合作業時間に達している場合には、接合時間を延長して接合を行う（ステップＳ１４）。そして延長した接合時間が最大接合時間に達するまでは、接合作業を継続するとともに（ステップＳ１５）、節位置の監視を継続し、節位置としきい値とを比較する（ステップＳ１２に戻る）。その結果、延長した接合時間が最大接合時間に達しても、節位置がしきい値に到達していない場合には、その接合不良の結果を表示部２４に通報をし、ログを記録し（ステップＳ１６）、接合停止信号を超音波接合装置制御部１５及び装置制御部２３に出力して接合作業を終了する。

以上の制御シーケンスにより、接合条件の最適化を図ることができ、また、製品歩留まりの向上を図ることができる。

制御装置２０の装置制御部２３は、演算部２２から出力された信号により、超音波接合装置１の接合動作を継続又は停止させし、かつ、超音波接合装置制御部１５への情報伝達を行う。

表示部２４は、演算部２２で節の位置を比較した結果を表示する。表示部２４で比較した結果を表示させることにより、制御装置２０が超音波接合装置１を停止させたとき、その停止原因となった状況の情報を管理者に伝達させるので、調査、原因の究明に役立てることができる。

演算部２２で行われた比較の結果については、逐次記録し、この結果を統計することができる構成とすることができる。この逐次記録は、例えば演算部２２に具備されている記憶領域や、あるいは演算部２２に接続して設けられた記憶部２２ａに記憶することができる。結果を記録することにより、履歴調査が容易となり、不良原因の究明等を早期に行うことができ、生産ラインの停止期間短縮などをすることができ、ひいては生産性向上が期待できる。

以上述べたように、本実施例の超音波接合装置の制御装置は、超音波振動系の複数の測定点における振幅又は位相情報より、振動モードを決定して、この振動モードの様子が、接合状態によって変化することに着目して、節の移動又は位相の変化を監視して接合状態を推測することにより、接合状態を非破壊かつリアルタイムに検出できる。また、検出の結果は、予め実験等より求められた接合状態との関連付けデータにより良否の推測することができ、不良の際には、装置停止とオペレータへの警告を実施することで不良品の大量生産を防止できる。更に、超音波接合の状態をリアルタイムに検知し、接合不良や接合状態の変化の兆候が現れた際に、表示部２４によりオペレータへの警告、そして原因調査、対策、ならびに条件変更等が可能となり、歩留りと生産性の向上が期待できる。

以上、図面を用いて本発明の超音波接合装置の実施例及び超音波接合装置の制御装置の実施例を説明したが、本発明の超音波接合装置及び超音波接合装置は、実施例に限定されるものではなく、幾多の変形が可能である。例えば、図１に示した超音波接合装置は、ワイヤボンディングへ適用した装置を例としたが、超音波を併用した接合方法であれば、フリップチップボンディングやその他の超音波接合装置であっても同様の効果が期待できる。

また、本発明の超音波接合装置は、本発明の超音波接合装置の制御装置の構成を具備する構成とすることもできる。

本発明の超音波接合装置及び超音波接合装置の制御装置の一実施例の構成を示す図。 レーザドップラー速度計のレーザヘッドの模式図。 振動計測部のブロック図。 ボンディングツール近傍の模式図。 ボンディングツール近傍の模式図。 レーザヘッドの取付位置の例を示す模式図。 レーザヘッドの取付位置の例を示す模式図。 レーザヘッドの取付位置の例を示す模式図。 ボンディングツールと振動モードとの対応の模式図。 超音波振動を測定するタイミングの例を示すタイミングチャート。 振動の節の位置と接合状態との関係性の説明図。 振動の位相差と接合状態との関係性の説明図。 ボンディングツールの振動の節位置と接合の良否の度数との関係の一例を示すグラフ。 制御装置の制御方法の一例のフローチャート図。 表面清浄性の異なる部材についての節位置変化の経時特性を示したグラフ。 接合性が異なる部材について、接合時におけるボンディングツールの節位置の経時変化を示すグラフ。 演算部の制御シーケンスの例を示すフローチャート。 従来の超音波接合装置とレーザドップラー計との位置関係を示す斜視図。

１…超音波接合装置、２…超音波振動子、３…超音波ホーン、４…ボンディングツール、１１…レーザヘッド、１２…振幅算出部、２０…制御装置、２１振動態様算出部、２２…演算部、２３…装置制御部、２４…表示部

Claims (14)

1. ボンディングツール部と、
   このボンディングツール部の一端を支持し、前記ボンディングツール部に超音波振動を付与する超音波ホーン部と、
   前記ボンディングツール部の振動を計測して、前記ボンディングツール部の振動の節の位置を算出する振動測定手段と
   を具備し、
   前記振動測定手段は、
   ボンディングツール部の任意の点につき複数箇所にて同時期に振幅の測定を行う振幅測定部と、
   前記振幅測定部にて得られる同時期の異なる箇所の振幅値から、前記ボンディングツール部の振動の節の位置を演算する振動態様算出部と
   を具備し、
   前記振動態様算出部は、前記振幅測定部にて得られる同時期の異なる箇所の振幅値から、前記ボンディングツールの振動の近似曲線を算出し、さらに異なる時刻においても同様に、同時期の異なる箇所の振幅値の測定と近似曲線の算出を行い、結果として得られる異なる時刻の複数の近似曲線から、前記ボンディングツール部の振動の節の位置を演算するものであることを特徴とする超音波接合装置。
2. ボンディングツール部と、
   このボンディングツール部の一端を支持し、前記ボンディングツール部に超音波振動を付与する超音波ホーン部と、
   前記ボンディングツール部の振動を計測して、前記ボンディングツール部の振動の節の位置を算出する振動測定手段と
   を具備し、
   前記振動測定手段は、
   ボンディングツール部の任意の点と、超音波ホーン部の前記ボンディングツールを支持している領域近傍の任意の点とについて、同時期に振幅の測定を行う振幅測定部と、
   前記振幅測定部にて得られる同時期の異なる箇所の振幅値から、前記ボンディングツール部の振動の節の位置を演算する振動態様算出部と
   を具備し、
   前記振動態様算出部は、前記振幅測定部にて得られる同時期の異なる箇所の振幅値から、前記ボンディングツールの振動の近似曲線を算出し、さらに異なる時刻においても同様に、同時期の異なる箇所の振幅値の測定と近似曲線の算出を行い、結果として得られる異なる時刻の複数の近似曲線から、前記ボンディングツール部の振動の節の位置を演算するものであることを特徴とする超音波接合装置。
3. 前記振幅測定部は、レーザ発振器と、このレーザ発振器から出射されたレーザ光を測定点に照射されるよう導光する光学部材と、前記測定点にて反射された前記レーザ光を受光して電気信号を出力する光検出部と
   を具備することを特徴とする請求項１又は２記載の超音波接合装置。
4. 前記振幅測定部は、超音波ホーン部に取り付けられたブラケットに対して固着され、超音波ホーン部の移動に対して相対的に固定されていることを特徴とする請求項１又は２記載の超音波接合装置。
5. 前記光学部材は、測定点を変更自在に移動する可動部を有することを特徴とする請求項１又は２記載の超音波接合装置。
6. 前記振動態様算出部により算出された振動の節の位置に関する値に基づいて、あらかじめ設定する所定値と比較し、前記所定値に対する所定の必要条件を満足しない場合に接合動作を停止させる制御部
   を具備することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の超音波接合装置。
7. 超音波接合装置のボンディングツール部の振動を計測してこの振動の節の位置を算出する振動測定手段に接続され、この振動測定手段から入力されたボンディングツール部の振動の節の位置の値に基づいて超音波接合装置の接合動作を停止する超音波接合装置の制御装置であって、
   前記振動測定手段が、
   ボンディングツール部の任意の点につき複数箇所にて同時期に振幅の測定を行う振幅測定部と、
   前記振幅測定部にて得られる同時期の異なる箇所の振幅値から、前記ボンディングツール部の振動の節の位置を演算する振動態様算出部と
   を具備し、
   前記振動態様算出部が、前記振幅測定部にて得られる同時期の異なる箇所の振幅値から、前記ボンディングツールの振動の近似曲線を算出し、さらに異なる時刻においても同様に、同時期の異なる箇所の振幅値の測定と近似曲線の算出を行い、結果として得られる異なる時刻の複数の近似曲線から、前記ボンディングツール部の振動の節の位置を演算するものであり、
   前記超音波接合装置の制御装置は、
   前記振動測定手段により算出されたボンディングツール部の振動の節の位置の値を入力して、このボンディングツール部の振動の節の位置の値と、あらかじめ設定された接合終了のための節の位置の値とを比較する演算部と、
   前記演算部で比較されたボンディングツール部の振動の節の位置の値が、あらかじめ設定された節の位置に達しないときに超音波接合装置の接合動作を停止させる装置制御部と
   を備えることを特徴とする超音波接合装置の制御装置。
8. 超音波接合装置のボンディングツール部の振動を計測してこの振動の節の位置を算出する振動測定手段に接続され、この振動測定手段から入力されたボンディングツール部の振動の節の位置の値に基づいて超音波接合装置の接合動作を停止する超音波接合装置の制御装置であって、
   前記振動測定手段が、
   ボンディングツール部の任意の点と、超音波ホーン部の前記ボンディングツールを支持している領域近傍の任意の点とについて、同時期に振幅の測定を行う振幅測定部と、
   前記振幅測定部にて得られる同時期の異なる箇所の振幅値から、前記ボンディングツール部の振動の節の位置を演算する振動態様算出部と
   を具備し、
   前記振動態様算出部が、前記振幅測定部にて得られる同時期の異なる箇所の振幅値から、前記ボンディングツールの振動の近似曲線を算出し、さらに異なる時刻においても同様に、同時期の異なる箇所の振幅値の測定と近似曲線の算出を行い、結果として得られる異なる時刻の複数の近似曲線から、前記ボンディングツール部の振動の節の位置を演算するものであり、
   前記超音波接合装置の制御装置は、
   前記振動測定手段により算出されたボンディングツール部の振動の節の位置の値を入力して、このボンディングツール部の振動の節の位置の値と、あらかじめ設定された接合終了のための節の位置の値とを比較する演算部と、
   前記演算部で比較されたボンディングツール部の振動の節の位置の値が、あらかじめ設定された節の位置に達しないときに超音波接合装置の接合動作を停止させる装置制御部と
   を備えることを特徴とする超音波接合装置の制御装置。
9. 前記演算部が、所定の接合時間を経過した時点におけるボンディングツール部の振動の節の位置の値と、あらかじめ設定された接合終了のための節の位置の値とを比較するものであることを特徴とする請求項７又は８記載の超音波接合装置の制御装置。
10. 前記演算部の、あらかじめ設定された接合終了のための節の位置の値が、接合強度と前記ボンディングツール部の振動の節の位置との相関関係に基づいて定められたものであることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の超音波接合装置の制御装置。
11. 前記演算部の、あらかじめ設定された接合終了のための節の位置の値が、接合部材と被接合部材との接合良否の統計データに基づいて定められたものであることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の超音波接合装置の制御装置。
12. 前記演算部が、所定の接合時間内にボンディングツール部の振動の節の位置の値と、あらかじめ設定された接合終了のための節の位置の値とを比較するものであり、
    前記装置制御部が、前記演算部で比較されたボンディングツール部の振動の節の位置の値が、あらかじめ設定された節の位置に達しているときに、設定接合時間の経過を待たずに超音波接合装置の接合動作を停止させるものであることを特徴とする請求項７又は８記載の超音波接合装置の制御装置。
13. 前記演算部が、所定の接合時間を経過した時におけるボンディングツール部の振動の節の位置の値と、あらかじめ設定された接合終了のための節の位置の値とを比較するものであり、
    前記装置制御部が、設定接合時間までにボンディングツール部の振動の節の位置が設定された節の位置に達しないときに最大許容接合時間まで接合作業を続行し、かつ、
    この最大許容接合時間までにボンディングツール部の振動の節の位置が、設定された節の位置に達しないときに超音波接合装置の接合動作を停止させるものであることを特徴とする請求項７又は８記載の超音波接合装置の制御装置。
14. ボンディングツール部の任意の点につき複数箇所にて同時期に振幅の測定を行う振幅測定部と、前記振幅測定部にて得られる同時期の異なる箇所の振幅値から、前記ボンディングツール部の振動の節の位置を演算する振動態様算出部と、を具備させた振動測定手段を用い、
    前記振動測定手段を、前記振幅測定部にて得られる同時期の異なる箇所の振幅値から、前記ボンディングツールの振動の近似曲線を算出し、さらに異なる時刻においても同様に、同時期の異なる箇所の振幅値から、前記ボンディングツールの振動の近似曲線の算出を行い、結果として得られる異なる時刻の複数の近似曲線から、前記ボンディングツール部の振動の節の位置を演算するものとし、
    接合部材と被接合部材とを超音波接合する際、接合中の超音波接合装置のボンディングツール部の振動の節の位置を演算して前記ボンディングツール部の振動態様を算出するステップと、
    算出された前記ボンディングツール部の振動態様に応じて、前記超音波接合装置の接合動作を続行もしくは停止するステップと
    を行うことを特徴とする超音波接合方法。

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