CN108140584B - 超声波振动接合装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于，提供能够可靠地消除导线浮起并将导线高精度地接合在基板上的超声波振动接合装置。并且，本发明具备：焊头(4)，执行从抵接前端部(4t)向导线(12)上的施加部(12p)施加超声波振动的超声波振动处理；及一对压紧机构(20、30)，具有能够旋转动作的一对压紧辊(23、33)。一对压紧机构(20、30)，在焊头(4)执行超声波振动处理时，执行通过一对压紧辊(23、33)对导线(12)上的施加部的两侧进行按压的按压处理，在不执行上述超声波振动处理时，执行移动处理，在移动处理中，使一对压紧辊(23、33)执行旋转动作，按压导线(12)并且在导线(12)上移动。

Description

超声波振动接合装置
技术领域
本发明涉及加压式的超声波振动接合装置，例如涉及在薄的基板上超声波振动接合具有导电性的导线的情况下应用的超声波振动接合装置。
背景技术
以往，作为例如配线中的中间接头接合的方法，采用加压式的超声波振动接合技术。在该超声波振动接合技术中，在规定的部件上配置工件，并在对该工件进行按压的同时施加超声波振动。通过该该按压和超声波振动的能量，工件与规定的部件强力地接合。
另外，在半导体的领域中，也在安装电子零部件时采用加压式的超声波振动接合技术，作为这种技术，例如列举专利文献1所公开的加压式超声波振动接合装置。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2011－9262号公报
发明内容
发明解决的课题
图6及图7是指出了专利文献1中公开的以往的加压式的超声波振动接合装置200的问题点的说明图。图6是从图1的X轴方向观看超声波振动处理时的压紧部件29及39按压导线12的状态的放大图，图7是从图1的X轴方向观看超声波振动处理后的状态的放大图。图6及图7各自之中示出了XYZ正交坐标系。
如图6所示，通过焊头4的抵接前端部4t以按压力P4进行按压，并且从抵接前端部4t对导线12的超声波接合点12p施加超声波振动(沿着X轴方向的振动)，由此执行超声波振动处理。
另一方面，压紧部件29及39与未图示的汽缸连结。压紧部件29及39在来自汽缸的按压力F29及F39的作用下，向图6的Z轴方向(－Z方向)移动，向基板台10侧施加按压。即，压紧部件29及39在超声波振动处理的执行时，进行用按压力F29及F39按压存在于超声波接合点12p(施加部)的两侧的、导线12的按压部W29及W39的按压处理。通过该按压处理抑制在导线12上发生导线浮起(挠曲)的现象。
在上述的超声波振动接合处理时对线状的导线12进行俯视的情况下(从上方向(+Z侧)观察的情况下)，在该导线12的延伸方向上，存在压紧部件29的按压部W29(Y方向的宽度10mm左右)、间隙Δ29(1mm左右)、超声波接合点12p(抵接前端部4t的Y方向的宽度)、间隙Δ39(1mm左右)、压紧部件39的按压部W39(Y方向的宽度10mm)。即，在导线12上，从抵接前端部4t的端部到两侧的压紧部件29及39各自的端部，分别必定会产生具有1mm左右的间隙距离的间隙Δ29及Δ39。另外，在将超声波接合点12p的间隔设定得比较宽的情况下，在彼此相邻的一方及另一方的超声波接合点12p间在一方的按压部W29(W39)与另一方的按压部W39(W29)之间也会产生间隙(以下，简记为“接合点间间隙”)。
在导线12上，在上述的形成间隙Δ29及Δ39的区域(导线间隙形成区域)以及形成接合点间间隙的区域(接合点间形成区域)，基于压紧部件29及39的按压处理和基于焊头4的接合处理都不执行，因此如图7所示，可能在导线12的导线间隙形成区域(Δ29及Δ39)发生导线浮起12u(挠曲)，并且在上述接合点间形成区域也可能发生挠曲。
这样，在超声波振动处理的执行时，在通过压紧部件29及39对导线12的超声波接合点12p的两侧进行按压的形态的以往的超声波振动接合装置200中也是，在压紧部件29及39与焊头4的抵接前端部4t间的导线12上必定存在上述导线间隙形成区域，因此存在无法可靠地消除导线浮起12u的问题点。
本发明中，解决如上所述的问题点，目的在于，提供能够可靠地消除导线浮起并将导线高精度地接合在基板上的超声波振动接合装置。
用于解决课题的手段
本发明的超声波振动接合装置具备：基板台，载置基板；焊头，以在上述基板上配置有具有导电性的导线的状态，对上述基板台侧施加规定的压力，同时执行超声波振动处理，在超声波振动处理中，从抵接前端部对上述导线上的施加部施加超声波振动；以及第1及第2压紧机构，具有能够旋转动作的第1及第2压紧辊，在上述焊头执行上述超声波振动处理时，上述第1及第2压紧机构执行按压处理，在按压处理中，上述第1及第2压紧机构通过上述第1及第2压紧辊按压上述导线上的上述施加部的两侧，在上述焊头不执行上述超声波振动处理时，上述第1及第2压紧机构执行移动处理，在移动处理中，使上述第1及第2压紧辊执行旋转动作，上述第1及第2压紧机构按压上述导线并且在上述导线上移动。
发明的效果
本发明的超声波振动接合装置，在焊头进行超声波振动处理时，第1及第2压紧机构执行按压处理，因此能够抑制超声波振动处理时的导线挠曲等导线浮起。然而，在超声波振动处理时，在焊头与第1及第2压紧辊之间会产生间隙，因此在导线中的该间隙下的导线间隙形成区域发生挠曲而发生上述导线浮起的可能性残存。
因此，本申请发明的超声波振动接合装置，在焊头不执行超声波振动处理时，第1及第2压紧机构执行按压导线并且在导线上移动的移动处理，由此能够通过第1及第2压紧辊中的至少一个压紧辊按压上述导线间隙区域上，能够可靠地消除上述导线浮起并将导线高精度地接合在基板上。
本发明的目的、特征、方式以及优点，通过以下的详细的说明和附图，变得更明白。
附图说明
图1是表示作为本发明的实施方式的加压式的超声波振动接合装置的构成的说明图。
图2是表示在基板台上配置玻璃基板，并在玻璃基板上接合有导线的状态的立体图。
图3是示意地表示本实施方式的超声波振动接合装置执行超声波振动处理时的状态截面图。
图4是示意地表示本实施方式的超声波振动接合装置不执行超声波振动处理时的状态的截面图。
图5是示意地表示本实施方式的超声波振动接合装置的控制系统的框图。
图6是指出以往的超声波振动接合装置的问题点的说明图。
图7是指出以往的超声波振动接合装置的问题点的说明图。
具体实施方式
本发明是与在薄的基板上超声波振动接合具有导电性的导线的加压式的超声波振动接合装置有关的发明。另外，基板的厚度是例如2mm以下程度。以下，对于本发明，基于表示其实施方式的附图进行具体地说明。
＜实施方式＞
(整体构成)
图1是表示作为本发明的实施方式的加压式的超声波振动接合装置100的整体构成的说明图。图1是从斜上方观察超声波振动接合装置100的立体图。另外，在图1及以后所示的图2～图4中示出XYZ正交坐标系。
如图1所示，超声波振动接合装置100具备(电动)汽缸1、具有抵接前端部4t的焊头4、振动喇叭部6、压紧机构20、30及后述的基板台10(图1中未图示)。
汽缸1与焊头4连结，汽缸1的驱动力(按压力)F1，传递至焊头4，能够控制焊头4的驱动。具体而言，汽缸1能够使焊头4沿着Z轴方向移动。并且，汽缸1能够经由焊头4的抵接前端部4t对导线12施加规定的压力。另外，作为导线12的构成材料，考虑例如铝。
另外，焊头4通过未图示的夹具来支承，在该夹具内部，焊头在上下方向上被引导。在焊头4中的基板台10侧的前端部，配设有抵接前端部4t。另外，在焊头4上连接有振动喇叭部6，通过未图示的超声波振子产生的超声波振动UV，经由振动喇叭部6向焊头4传递。
另外，抵接前端部4t是形成于焊头4的前端，且在超声波振动接合处理时与工件(导线12)抵接的部分。抵接前端部4t中的与导线12的抵接面上，例如形成有规定的图案的第一凹凸形状，在该第一凹凸形状的面上，进一步形成有比第一凹凸形状小的多个第二凹凸形状。
另外，本实施方式的超声波振动接合装置100为，与焊头4连结的汽缸1的两侧面(Y方向侧的面)经由接合板25及35与压紧机构20及30(的汽缸21及31)连结，由此焊头4与压紧机构20及30构成为一体。
压紧机构20(第1压紧机构)通过(电动)汽缸21、压紧部件22及压紧辊23构成，压紧辊23(第1压紧辊)能够进行以压紧部件22的旋转轴22j为中心的旋转动作。同样地，压紧机构30(第2压紧机构)通过(电动)汽缸31、压紧部件32及压紧辊33构成，压紧辊33(第2压紧辊)能够进行以压紧部件32的旋转轴32j为中心的旋转动作。
压紧部件22及32与汽缸21及31连结。因此，来自汽缸21的驱动力(按压力)F22经由压紧部件22传递至压紧辊23，能够使压紧辊23向Z轴方向(－Z方向)移动。并且，汽缸21能够经由压紧辊23对导线12施加规定的压力。同样地，来自汽缸31的驱动力(按压力)F32经由压紧部件32向压紧辊33传递，能够使压紧辊33向Z轴方向(－Z方向)移动，进而，汽缸31能够经由压紧辊33对导线12施加规定的压力。
另外，压紧辊23及33例如用橡胶等的弹性体构成，通过压紧辊23及33对导线12的按压，防止对导线12造成损伤。
并且，在焊头4与压紧机构20及30等一体化而成的超声波振动接合装置100中连结有未图示的驱动部，能够执行使超声波振动接合装置100沿着装置操作方向DR100移动的移动处理。
(玻璃基板)
图2是表示在基板台10上配置有玻璃基板11，并在玻璃基板11上接合有导线12的状态的立体图。
如该图所示，在基板台10上，设置在表面形成有太阳能电池薄膜11g的玻璃基板11，在玻璃基板11的太阳能电池薄膜11g上设置导线12。另外，虽然省略了图示，但在基板台10上面，穿设有至少一个以上的孔，通过经由该孔的真空吸附，玻璃基板11固定于基板台10。
在超声波振动处理的执行时，成为在玻璃基板11(的太阳能电池薄膜11g上)配置有具有导电性的导线12的状态。在该状态下，执行超声波振动处理，在超声波振动处理中，通过来自汽缸1的驱动力F1，焊头4将朝向基板台10侧的规定的压力施加于导线12的同时，由超声波振子产生并经由振动喇叭部6而获得的超声波振动UV，从焊头4的抵接前端部4t施加于导线12的超声波接合点12p上，由此将导线12接合于玻璃基板11。
(超声波振动接合动作)
图3及图4是示意地表示本实施方式的超声波振动接合装置执行及不执行超声波振动处理时的状态的截面图。具体而言，图3表示通过该压紧机构20及30按压导线12的按压处理，图4表示压紧机构20及30的压紧辊23及33的旋转动作的移动处理。图3及图4都是从横方向(X方向侧)观看超声波振动接合装置100的放大图。另外，在图3及图4中将太阳能电池薄膜11g的图示省略。
以下，参照图1～图4，对使用了本实施方式的超声波振动接合装置100的、加压式的超声波振动接合动作进行说明。
首先，在基板台10上，设置在表面形成有太阳能电池薄膜11g的薄的玻璃基板11。然后，通过经由设置于基板台10的孔(未图示)的真空吸附，使玻璃基板11固定于基板台10。
接下来，在省略图示的卷轴上卷绕着具有导电性的薄膜状的导线12。从该卷轴将导线12引出，并将该引出的导线12配置于玻璃基板11(的太阳能电池薄膜11g)上的规定的部位。
接下来，执行在汽缸21及31的按压力F22及F32的作用下压紧机构20及30的压紧辊23及33对导线12按压(向基板台10侧按压)的按压处理。这里，如图3所示，压紧辊23及33以夹着实施加压式的超声波振动接合的超声波接合点12p的方式按压导线12。即，压紧辊23及33将导线12中的超声波振动UV的施加部即超声波接合点12p的两侧，向基板台10侧按压。
然后，以通过压紧辊23及33按压导线12的状态，在汽缸1的驱动力F1的作用下，使焊头4朝向导线12下降。并且，焊头4的抵接前端部4t与导线12抵接时，在汽缸1的驱动力F1的作用下，对该导线12向基板台10侧施加规定的压力。
如上所述，通过压紧机构20及30的按压处理由压紧辊23及33按压导线12，在达到焊头4向导线12施加规定的压力的状态后，使超声波振子产生超声波振动UV。该产生的超声波振动UV，经由振动喇叭部6，传递至焊头4。然后，焊头4的抵接前端部4t进行规定的频率(例如20～40kHz)、振幅(10μm以下，例如根据防止对玻璃基板11的损伤的观点为4、5μm左右)的超声波振动UV。
这里，超声波振动UV的振动方向可以是例如与Y轴方向平行的方向(即，导线12的延伸方向)，也可以是与X轴方向平行的方向(即，导线12的宽度方向)。这样，通过使用了焊头4的超声波振动处理，超声波振动UV经由抵接前端部4t施加于导线12的超声波接合点12p。
这样，通过压紧辊23及33按压导线12的同时，对导线12执行使用了焊头4(抵接前端部4t)的加压式的超声波振动处理，由此导线12被接合于玻璃基板11。
在俯视超声波振动接合时的线状的导线12的情况下(从上方向观察的情况下)，如图3所示，在导线12的延伸方向(Y方向)上，存在有压紧机构20的压紧辊23、压紧辊23、抵接前端部4t间的间隙ΔS2(1mm左右)、超声波振动接合施工部(抵接前端部4t的Y方向的宽度)、抵接前端部4t、压紧辊33间的间隙ΔS3(1mm左右)、压紧机构30的压紧辊33。
该压紧机构20及30的按压处理，以压紧辊23及33对于导线12的压力不会对薄的玻璃基板11造成损伤的程度的大小执行，还根据玻璃基板11的材质、厚度而不同，例如设定为10kg程度的压力。另外，压紧机构20及30的压紧辊23及33，仅与导线12抵接，在按压时不会与玻璃基板11(太阳能电池薄膜11g)接触。
这样，在通过压紧机构20及30的压紧辊23及33的按压处理按压导线12的超声波合点12p的两侧的同时，进行基于焊头4的导线12的超声波接合点12p处的玻璃基板11的接合。
另外，通过用压紧辊23及33按压导线12，也将玻璃基板11向基板台10按压。因此，玻璃基板11相对于基板台10的固定变得更牢固，能够防止在实施对导线12的加压式的超声波振动接合时，玻璃基板11相对于基板台10移动。这样，玻璃基板11的固定变得牢固，则能够仅对导线12进行超声波振动。即，能够将焊头4的超声波振动能量，高效率地转换为玻璃基板11与导线12的接触部的摩擦能量。因此，能够在更短时间内更高效率地进行基于超声波振动的导线12与玻璃基板11的接合。
然而，在压紧辊23及33与超声波接合点12p之间存在间隙ΔS2及ΔS3，因此在导线12上，在该间隙ΔS2及ΔS3的形成区域(以下，称为“导线间隙形成区域”)内，因与图7所示的间隙Δ29及Δ39同样的理由，导线12上发生导线浮起(挠曲)的可能性残存。另外，在将超声波接合点12p的间隔设定得比较宽的情况下，在上述接合点间形成区域内，导线12可能发生导线浮起。
接下来，超声波振动接合装置100执行在不执行超声波振动处理时进行的压紧机构20及30的移动处理。
如图4所示，通过来自汽缸1的驱动力F1，使焊头4向Z轴方向(+Z方向)移动，成为从基板台10侧浮起的状态。即，超声波振动接合装置100，在使导线12相对于玻璃基板11接合的超声波振动处理的执行后，通过汽缸1的驱动力F1使焊头4向上方向移动，将与导线12的接触状态解放。
另一方面，压紧机构20及30的压紧辊23及33对导线12的压力被设定为，不会对薄的玻璃基板11造成损伤的程度、并且能够使导线12的以旋转轴22j及32j为中心的压紧辊23及33的旋转动作(旋转方向R23及R33)执行，且能够使压紧机构20及30按压导线12并且与焊头4一起在导线12上移动的状态。
在上述状态下，通过与超声波振动接合装置100连结的未图示的驱动部，执行使超声波振动接合装置100沿着装置操作方向DR100移动的移动处理。另外，也可以不设置驱动部，而使真空吸附固定有玻璃基板11的基板台10沿着装置操作方向DR100移动，从而与基板台10的关系上相对地执行超声波振动接合装置100的沿着装置操作方向DR100的移动处理。
即，通过压紧辊23及33的旋转动作，压紧辊23及33沿着装置操作方向DR100在导线12上移动，由此执行超声波振动接合装置100的移动处理。并且，在焊头4的抵接前端部4t位于要施加超声波振动的下一个超声波接合点12p的上方的状态下停止移动处理。
其结果，在移动处理中，压紧辊23及33中的一个压紧辊必定在按压上述的导线12的上述导线间隙形成区域(与ΔS2及ΔS3对应的区域)上的同时移动，因此即使在上述的超声波振动处理的执行时在导线12的上述导线间隙形成区域发生导线浮起的情况下，也能够通过上述一个压紧辊的按压将上述导线浮起可靠地消除。同样地，在接合点间形成区域发生导线浮起的情况下，也能够可靠地消除该导线浮起。
这样，本实施方式的超声波振动接合装置100的压紧机构20及30(第1及第2压紧机构)，在焊头4执行超声波振动处理后，执行按压导线12并且压紧辊23及33在导线12(包括刚才执行超声波振动处理时的导线间隙形成区域)上移动的移动处理。
因此，在超声波振动接合装置100的移动处理时，能够通过压紧辊23及33(第1及第2压紧辊)中的至少一个压紧辊，按压上述导线间隙形成区域及上述接合点间形成区域上。其结果，起到如下效果：在超声波振动接合装置100的移动处理时，能够将导线12发生的导线浮起可靠地消除，能够高精度地将导线12接合在玻璃基板11上。
(控制部)
图5是示意地表示超声波振动接合装置100的控制系统的框图。如该图所示，超声波振动接合装置100还具有控制部15，在控制部15，控制汽缸1、21及31、驱动部16以及超声波振子17的驱动。另外，驱动部16执行使超声波振动接合装置100整体在装置操作方向DR100方向上移动的移动处理，超声波振子17执行经由振动喇叭部6对焊头4赋予超声波振动UV的超声波振动处理。
控制部15能够通过控制汽缸21及31的驱动，将压紧辊23及33的按压力F22及F32控制为可变，并且能够通过控制驱动部16来控制超声波振动接合装置100的沿着装置操作方向DR100的移动处理。
并且，控制部15能够驱动控制汽缸1而控制对焊头4的沿着Z轴方向的驱动力F1，并控制超声波振子17来控制焊头4的超声波振动处理。因此，控制部15例如能够根据来自用户的指示，将基于焊头4的超声波振动接合处理的条件(频率、振幅、加压力)控制为可变。
另一方面，根据玻璃基板11的材质及厚度、太阳能电池薄膜11g材质及厚度以及超声波振动接合处理的条件，需要改变压紧机构20及30对玻璃基板11的按压力。因此，控制部15根据来自用户的指示，将经由汽缸21及31的基于压紧机构20及30的按压力F22及F32控制为可变。具体而言，在对控制部15输入了各信息(玻璃基板11自身及构成太阳能电池薄膜11g的各膜的材质及厚度、以及超声波振动接合处理的条件等)的情况下，通过根据预先设定的信息表和上述各信息而决定的按压力，能够控制压紧机构20及30的按压力F22及F32。这里，该信息表中，对于上述各信息唯一地规定了按压力。
如上所述，通过控制部15的控制，来驱动压紧机构20及30的汽缸21及31，由此能够在超声波振动处理的执行时及执行后，分别根据超声波振动接合处理的条件，适当控制压紧辊23及33的按压力F22及F32。
这样，通过基于控制部15的控制，将基于压紧机构20及30的按压力F22及F32以及基于焊头4的超声波振动接合处理的条件等控制为可变。因此，能够根据玻璃基板11及太阳能电池薄膜11g的厚度·原料等，适当变更基于压紧机构20及30的按压力F22及F32、驱动部16的驱动内容以及基于焊头4(汽缸1、超声波振子17)的超声波振动接合处理的条件。
其结果，本实施方式的超声波振动接合装置100，能够不对玻璃基板11(包括太阳能电池薄膜11g)造成影响，而将导线12中的上述导线浮起的发生可能性可靠地消除，并且能够适当变更按压力F22及F32、驱动部16的驱动内容以及超声波振动接合处理的条件，将导线12接合在玻璃基板11上。
另外，上述效果能够通过用控制部15至少控制压紧机构20及30的按压力F22及F32来获得。
(其他)
在上述的实施方式中，作为形成导线12的基板，示出了玻璃基板11，但也可以代替玻璃基板11，用陶瓷、硅、环氧树脂等的薄的部件构成基板。另外，作为具有导电性的导线12的构成材料，示出了铝，但也可以采用其他的具有导电性的材料作为构成材料。
另外，关于超声波振动接合装置100，示出了焊头4与压紧机构20及30形成为一体的构成，但也可以使焊头4与压紧机构20及30互相分离而构成超声波振动接合装置。在该情况下，焊头4与压紧机构20及30互相独立地进行移动处理。另外，作为汽缸1、21及31，示出了电动汽缸，但并不限定于此。
对本发明详细地进行了说明，但上述的说明在全部的方式中都是例示，本发明并不限定于此。未例示的无数的变形例，被理解为不脱离本发明的范围就是能够想到的。
符号说明
1、21、31 汽缸
4 焊头
4t 抵接前端部
6 振动喇叭部
10 基板台
11 玻璃基板
12 导线
15 控制部
16 驱动部
17 超声波振子
20、30 压紧机构
23、33 压紧辊

Claims (2)

1.一种超声波振动接合装置，具备：
基板台(10)，载置基板(11)；
焊头(4)，在上述基板上配置有具有导电性的导线(12)的状态下，对上述基板台侧施加规定的压力，同时执行超声波振动处理，在该超声波振动处理中，从抵接前端部(4t)对上述导线上的施加部(12p)施加超声波振动；以及
第1及第2压紧机构(20、30)，具有能够旋转动作的第1及第2压紧辊(23、33)，
上述第1及第2压紧机构，
在上述焊头执行上述超声波振动处理时，执行按压处理，在按压处理中，上述第1及第2压紧机构通过上述第1及第2压紧辊按压上述导线上的上述施加部的两侧，
在上述焊头不执行上述超声波振动处理时，执行移动处理，在移动处理中，使上述第1及第2压紧辊执行旋转动作，上述第1及第2压紧机构按压上述导线并且在上述导线上移动，
上述焊头与上述第1及第2压紧机构物理连接，
在上述移动处理的执行时上述焊头与上述导线的接触状态被释放。
2.如权利要求1所述的超声波振动接合装置，
还具备控制上述第1及第2压紧机构的控制部(15)，
上述控制部将基于上述第1及第2压紧辊的按压力控制为可变。
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