CN1197681C - 超声波振动接合方法 - Google Patents

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Abstract

一种能提高作业性能及防止连接不良和防止树脂破坏的超声波振动接合方法。使被接合部(3b)与被接合部(4b)重合，并使基部(3a)成为共振器(1)的接合作用部(1a)侧，基部(4a)作为承受台(2)侧，用共振器(1)和承受台(2)对第1构件(3)和第2构件(4)有弹性地加压，利用从振动器(17)传递至共振器(1)的超声波振动将被接合部(3b)与被接合部(4b)相接合，从而能提高作业性能及能防止连接不良和树脂破坏。

Description

超声波振动接合方法
技术领域
本发明涉及利用从振动器传递给共振器的超声波振动将第1构件的金属制的被接合部与第2构件的金属制的被接合部相接合的超声波振动接合方法。
背景技术
众所周知，在电路基片上表面安装半导体装置的被称为倒装片及裸片等的IC片及被称为BGA的LSI组件时，历来采用超声波振动接合方法。该方法是将IC片及LSI组件表面所设的金或焊锡之类的凸头与电路基片表面所设的金或焊锡之类的凸头重合，IC片及LSI组件成为共振器的接合作用部侧，而电路基片作为超声波振动接合装置的承受台侧，IC片或LSI组件与电路基片由共振器和承受台加压夹持。在该状态下，利用从振动器传递到共振器的超声波振动，将第1构件的被接合部与第2构件的被接合部相接合。
但是，IC片、LSI组件及电路基片等的第1、第2构件的厚度存在公差范围内的误差，由于该误差，在接合过程中会发生第1、第2构件的被接合部分相互接合强度弱的部分，接合强度弱的部分在接合后有时会发生剥离。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供一种能防止第1、第2构件的被接合部在接合后发生剥离的超声波振动接合方法。
根据第1方面的发明，其特征在于，使设于第1构件基部的金属制的被接合部与第2构件的金属制的被接合部相重合，并且，使所述第1构件的基部位于共振器的接合作用部侧，使所述第2构件位于承受台侧，在该状态下用所述共振器和所述承受台对所述第1构件和所述第2构件施加弹性压力，利用从振动器传递给所述共振器的超声波振动使所述第1构件的被接合部与所述第2构件的被接合部相接合。
根据第2方面的发明，其特征在于，第1方面中的共振器用加压机构的保持架支承两端。
根据第3方面的发明，其特征在于，第1方面中的第1构件的基部是合成树脂制成的。
根据第4方面的发明，其特征在于，第3方面中的合成树脂具有挠性。
根据第5方面的发明，其特征在于，第1方面中的第2构件具有设有第2构件的被接合部的基部，该第2构件的基部位于承受台侧。
根据第6方面的发明，其特征在于，第1方面中的共振器的接合作用部与第1构件的基部之间夹有缓冲构件。
根据第7方面的发明，其特征在于，第6方面中的第1构件的基部对冲击是脆弱的。
根据第8方面的发明，其特征在于，第6方面中的第2构件具有设有第2构件的被接合部的基部，该第2构件的基部位于承受台侧。
根据第9方面的发明，其特征在于，第6方面中的缓冲构件呈至少能与共振器的接合作用部的整个面及第1构件的基部的整个面接触的层状。
根据第10方面的发明，其特征在于，第6方面中的缓冲构件设于共振器的接合作用部。
根据第11方面的发明，其特征在于，第6方面中的缓冲构件设于第1构件的基部。
根据第12方面的发明，其特征在于，第1方面中的第2构件具有设有第2构件的被接合部的基部，该第2构件的基部位于承受台侧，第1构件与第2构件中间夹着电气绝缘性的粘接剂重合，当所述第1构件的被接合部与所述第2构件的被接合部因来自共振器的超声波振动而接合时，所述粘接剂由于超声波振动而从第1构件的被接合部与第2构件的被接合部之间被挤压到所述第1构件的基部与所述第2构件的基部之间，该粘接剂将所述第1构件的基部与所述第2构件的基部相粘接。
根据第13方面的发明，其特征在于，第2方面中的粘接剂是热硬化性的。
根据第14方面的发明，其特征在于，第12方面中的粘接剂是非热硬化性的。
附图说明
附图中，
图1为本发明实施形态1的超声波振动接合装置的纵剖视图。
图2为示出本发明实施形态1的接合方法的工序图。
图3为示出本发明实施形态2的接合方法的工序图。
图4为示出本发明实施形态3的接合方法的工序图。
图5为示出本发明实施形态4的接合方法的工序图。
图6为示出本发明实施形态5的接合方法的工序图。
具体实施方式
以下说明实施形态1。
图1示出了将使用于接合方法的超声波振动接合装置纵向剖切后的剖面。在该图1中，装置本体11在其前侧下部设有向前方和左右敞开的作业空间12。在区划作业空间12上部的装置本体11的内部设有作为加压机构的气缸13。在向气缸13的下方伸出的活塞杆13a的下端，通过连接构件15安装有保持架14。在气缸13两侧的装置本体11的内部有一对弹簧片16，弹簧片16和保持架14上连接着类似螺旋弹簧的弹性构件20。弹性构件20的作用是对保持架14施加向上的弹性力，尤其是在气缸13未从图之外的压力空气供给回路得到上升动作用的压力空气的状态下，利用上述弹性力防止保持架14因自重而下落，将保持架14保持在上升极限位置。
保持架14在作业空间12的上侧内部，以两端支承的横置状态保持由钛等有良好声学特性材料构成的棒状共振器1。在共振器1的一端同轴状结合着声学变换器或磁致伸缩变换器之类的振动器17。在该状态下，振动器因从超声波振荡器18经电线19收到的电能而发生超声波振动。共振器1做成与从振动器17传递来的频率所决定的共振频率匹配的形状。共振器1在两端有共振频率的最小振动振幅点，至少在中央有共振频率的最大振动振幅点，并有从其中央的外周面凸出的接合作用部1a。接合作用部1a至少具有与图2的步骤201所示的第1构件3的基部3a大致相同形状的平坦的表面。
共振器1以其存在于中央的最大振动振幅点与两端的最小振动振幅点之间的、凸出于最小振动振幅点外周面的两个环状支承部1b插入安装在保持架14的相对峙的顶端部的形态，被安装在保持架14上。共振器1也有做成单一体的，但也可以做成在设有接合作用部1a的棒(horn)的两端通过无头螺栓同轴状连接设有支承部1b的两个增强器的复合体。保持架14在气缸13作用下向承受台2作下降动作，共振器1就在下侧面与承受台2的平坦的上侧面保持平行的情况下向承受台2侧下降。承受台2设置在区划作业空间12的背部的装置本体11的下侧部分之上。超声波振动接合装置例如组装在半导体装置的表面安装等的制造流水线上时，所述下侧部分设置在构成所述制造流水线的基座的底板上。
图2为示出本发明实施形态1的接合方法的工序图。在图2中，第1构件3例如在IC片或LSI组件之类对冲击脆弱的陶瓷等的基部3a的表面，设有由金或焊锡构成的凸头即金属制的被接合部3b。第2构件4在表面安装第1构件3用的、例如作为印刷基片之类的电路基片的基部4a的表面，设有金或焊锡构成的凸头即金属制的被接合部4b。如同被接合部3b是金时被接合部4b也是金的，被接合部3b是焊锡时被接合部4b也是焊锡的那样，被接合部3b与被接合部4b用相同材料形成时接合强度最好，但在利用超声波振动可以互相接合的范围，也可以是不同的材料。
在该实施形态1下实施接合方法，首先如图2的步骤201所示，在接合作用部1a的下表面与承受台2的上表面之间形成规定的空间。该规定空间具有夹着粘接剂重合的第1、第2构件3、4可出入的宽度。即，通过切换图外的压力空气供给回路的空气供给路径，驱使图1所示的气缸13的活塞杆13a向内缩，接合作用部1a在与从振动器17向共振器1传递超声波振动的传递方向正交的方向向上方离开承受台2的方向移动规定距离之后，活塞杆13a停止，接合作用部1a停止在上升极限，从而形成上述规定空间。在设定了该规定空间的状态下，在承受台2上放置夹有粘接剂的第1、第2构件3、4。此时，被接合部3b、4b夹着粘接剂5相互对应，并且基部3a成为共振器1的接合作用部1a侧，而基部4a为承受台2侧。此外，在被接合部3b、4b的周围存在空间6、7。
接着如图2的步骤202所示，接合作用部1a下降，接合作用部1a和承受台2对夹着粘接剂5的第1、第2构件3、4进行加压。即，在切换压力空气供给回路的空气供给路径、从而图1所示的活塞杆13a克服弹性构件20的弹性力向外伸长的过程中，接合作用部1a下降，与承受台2合作，对夹着粘接剂5的第1、第2构件3、4进行加压。因为在该状态，粘接剂5受到稍许压缩具有复原弹性，所以第1、第2构件3、4受到接合作用部1a和承受台2弹性加压。即，由于弹性加压，从接合作用部1a及承受台2对基部3a、4a的冲击被吸收，基部3a、4a不会破损。
该加压之后，或在加压之前，高频能量从图1所示的超声波振荡器18供给图1所示的振动器17，振动器17产生超声波振动，共振器1与从振动器17传递来的超声波振动发生共振。由此，接合作用部1a沿与气缸13的箭头Y的加压方向正交的箭头X方向以最大振动振幅进行振动。由于所述箭头Y方向的加压力和所述箭头X方向的振动，粘接剂5从被接合部3b、4b受到挤压力和横向振动而被横向挤压。因此，粘接剂5的一部分从被接合部3b、4b之间移动至步骤201所示的空间6、7，被接合部3b、4b不再夹有粘接剂而是相互接触之后，被接合部3b、4b由于从接合作用部1a传递来的箭头X方向的振动即超声波振动而相互非熔化接合。与此同时，被横向挤推的粘接剂5填没上述被接合部3b、4b周围的步骤201所示的空间6、7并硬化，将基部3a、4a结合。
作为粘接剂，除了热硬化性合成树脂或热硬化性合成树脂构成的双面胶带之外，同样也可以应用不是比被接合部3b、4b进行超声波振动接合时产生的热还高的温度不会发生硬化的非热硬化性合成树脂或非热硬化性合成树脂构成的双面胶带。如实施形态那样，作为粘接剂5使用热硬化性合成树脂或热硬化性合成树脂构成的双面胶带时，如果热硬化性合成树脂或热硬化性合成树脂构成的双面胶带例如是在130℃下发生硬化的物质，则用电热丝或热风等将共振器1及承受台2中的一个或双方加热至100℃左右即可。作为粘接剂5使用非热硬化性合成树脂或非热硬化性合成树脂构成的双面胶带时，不必加热共振器1或承受台2。
现说明实施形态2。
图3为示出本发明实施形态2的接合方法的工序图。如图3的步骤301所示，21为缓冲构件，由聚四氟乙烯、聚丙烯等一种材料形成。缓冲构件21在接合作用部1a的整个下表面涂覆成平坦层状的涂层。在固定有该缓冲构件21的接合作用部1a的下侧面与承受台2的上侧面之间，以相互重合的状态插入第1构件3和第2构件4。在该状态下，被接合部3b与被接合部4b相互接触，基部3a位于接合作用部1a侧，基部4a装载在承受台2上。
接着如图3的步骤302所示，在切换压力空气供给回路的空气供给路径而使图1所示的活塞杆13a伸长的过程中，基部3a受缓冲构件21按压，被接合部3b、4b相互紧密接触，同时基部4a与承受台2紧密接触，第1构件3与第2构件4被接合作用部1a和承受台2加压。
在该状态下，因为缓冲构件21受到稍许压缩具有复原弹性，所以第1、第2构件3、4受到接合作用部1a与承受台2的弹性加压。即，由于弹性加压，从接合作用部1a及承受台2对基部3a、4a的冲击被吸收，基部3a、4a不会发生破损。
由于缓冲构件21在基部3a与接合作用部1a之间被压缩，所以，缓冲构件21将第1、第2构件3、4中的公差范围内的厚度误差及接合作用部1a与承受台2的平行度误差吸收，被接合部3b的全部与被接合部4b的全部整体性相互接合，所以能防止被接合部3b、4b的相互接合不良。
此外，因为缓冲构件21设于接合作用部1a，所以接合的作业性良好。
在该加压保持后或者加压保持前，从图1所示的超声波振荡器18向图1所示的振动器17供给高频能量，振动器17发生超声波振动，共振器18与振动器17传递来的超声波振动发生共振，接合作用部1a在与图1所示的气缸13的箭头Y的加压方向正交的箭头X方向以最大振动振幅进行振动，经缓冲构件21使被接合部3b与被接合部4b相互非熔化接合。
现说明实施形态3。
图4为示出本发明实施形态3的接合方法的工序图。如图4的步骤401所示，特征在于与所述缓冲构件21相当的缓冲构件22固定设于基部3a。缓冲构件22呈在基部3a上表面的整个区域涂覆成平坦层状的形态。因此，若采用实施形态3，每一次进行超声波接合，缓冲构件22都是新的，所以不必担心缓冲构件22的磨损。又，图4的步骤402与图3的步骤302是相同的。
现说明实施形态4。
图5为示出本发明第4实施形态的接合方法的工序图。其特征在于，与所述缓冲构件22相当的缓冲构件23与接合作用部1a和基部3a是分离的，在第1、第2构件3、4加压保持以前插入配置在接合作用部1a与基部3a之间的间隙内。并由于共振器1的下降动作，缓冲构件23被夹在接合作用部1a与基部3a之间。因此，每一次进行超声波接合，缓冲构件23都可以是新的，共振器1和第1构件3为无缓冲构件23的原有的简单形态即可。此时，如果用图外的支承机构支承缓冲构件，则作业的安全性也可保证。
如果所述缓冲构件21、22、23选用相对共振器1及第1构件3不易滑动的材料，则接合作业性能就良好。
现说明实施形态5。
图6为示出本发明实施形态5的接合方法的工序图。在该实施形态中作为接合对象使用的第1、第2构件3、4是挠性电缆，在由具有挠性的合成树脂构成的基部3a、4a的表面，以规定间隔设有金属构成的多个被接合部3b、4b。被接合部3b、4b可以是由一层铜箔形成的，或者是由铜箔和镀镍层形成为两层的，或者是由铜箔和镀镍层和金的凸头或焊锡凸头或镀金层等形成为多层的等各种形态。
对超声波振动接合方法进行说明。要使第1构件3与第2构件4接合，首先如图6的步骤601所示，在接合作用部1的下侧面与承受台2的上侧面之间，以相互重合的形态插入第1、第2构件3、4。在该状态下，被接合部3b与被接合部4b相互接触，基部3a位于接合作用部1a侧，基部4a装载在承受台2上。
接着如图6的步骤602所示，在切换压力空气供给回路的空气供给路径、使图1所示的活塞杆13a伸长的过程中，接合作用部1a压基部3a，被接合部3b、4b相互紧密接触，同时，基部4a与承受台2紧密接触，第1构件3与第2构件4被接合作用部1a及承受台2加压。
在该状态下，因为基部3a是具有挠性的合成树脂，所以，基部3a具有稍许受压缩复原的弹性。因此，第1、第2构件3、4被接合作用部1a及承受台2弹性加压。在该加压保持之后或加压保持之前的任一情况下，共振器1与从图1所示的振动器17传递来的超声波振动发生共振，接合作用部1a在与图1所示的气缸13引起的箭头Y的加压方向正交的箭头X的方向以最大振动振幅进行振动，经基部3a使被接合部3b与被接合部4b相互非熔化接合。
在实施形态5中，作为第1、第2构件3、4是挠性电缆之间的组合，但也可以应用于挠性电缆与电路基片或端子的组合、挠性电路基片的相互组合及IC片或LSI组件与电路基片的组合之中的任一种。又，基部3a、4a也可以是无挠性的硬质合成树脂。
在上述各实施形态中，如图1所示，因为共振器1由保持架14进行两端支承，所以，将被接合部3b与被接合部4b接合时，共振器1不会发生悬臂状倾斜，接合作用部1a与基部3a均匀接触，基部3a不会因加压而受伤。
所述接合作用部1a的表面为平坦状的也可以，但如果形成在有关表面形成有纵横正交的多条槽的方形格子或形成有纵横斜交的多条槽的斜格子(菱形格子)等，则因为接合时呈接合作用部1a与承受台2之间以多个点支承第1、第2构件3、4的形态，所以，超声波振动从接合作用部1a良好地传递至第1、第2构件3、4侧，被接合部3b、4b相互的接合良好。另外，在接合作用部1a的表面在所述表面形成有槽的方形格子或菱形格子的情况下，与第1构件3的基部3a多点接触的接合作用部1a的各个面是平坦的，能消除接合作用部1a刺破基部3a这样的不良情况。
在所述各实施形态中，第1、第2构件3、4进行超声波振动接合时，在共振器1和承受台2之中的至少任一方设置电热器之类的加热器，并用该加热器对夹在接合作用部1a与承受台2之间的第1、第2构件3、4的重合部分进行加热时，对加热温度进行管理，将其控制在对第1、第2构件3、4的基部3a、4a无坏影响的温度。
在所述各实施形态中，第1、第2构件3、4以重合的形态放置在承受台2之上，在该状态下共振器1下降，从而共振器1和承受台2夹住重合的第1、第2构件3、4，但对下述形态同样也能应用，即，用保持架14、气缸13、连接构件15、弹簧片16及弹性构件20构成的要素代替装置本体组装成可横向移动的可动部件，在共振器1设置连通到接合作用部1a的吸引通道，在吸引通道上连接具有真空泵之类的吸引源及阀的吸引系统，用共振器1使第1构件3相对放置在承受台2上的第2构件4重合，在此状态共振器1和承受台2夹住重合的第1、第2构件。
根据本发明，利用超声波振动使第1构件的被接合部与第2构件的被接合部相接合时，因为被横向推压的粘接剂填没被接合部周围而将第1、第2构件相结合，所以，即使第1、第2构件的被接合部产生相互接合强度弱的部分，粘接剂也会保持第1、第2构件，可避免发生利用超声波振动接合的强度较弱部分在接合之后发生剥离这样不良情况。
另外，根据本发明，因为粘接剂在利用超声波振动使金属接合时因被接合部产生的热而硬化，所以，第1、第2构件呈相互不移动的结合状态。
另外，根据本发明，因为粘接剂在利用超声波振动使金属接合时不会因被接合部产生的热而硬化，所以，粘接剂可以作为第1、第2构件相互的缓冲材料起作用。
根据本发明，因为设于第1构件的对冲击脆弱的基部的金属制的被接合部与第2构件的金属制的被接合部被相重合，并且第1构件的基部成为共振器的接合作用部侧，第2构件作为承受台侧，第1构件与第2构件由共振器和承受台加压夹持时，缓冲构件被夹在共振器的接合作用部与第1构件的基部之间，所以，缓冲构件承受从接合作用部对第1构件的基部的冲击，能防止对冲击脆弱的有关基部的破损。又由于缓冲构件在第1构件的基部与共振器的接合作用部之间被压缩，故缓冲构件将第1、第2构件在公差范围内的厚度误差及接合作用部与承受台的平行度误差吸收，第1构件的被接合部与第2构件的被接合部全体相互紧密接触并通过超声波振动接合，所以，能防止被接合部的相互接合不良。
此外根据本发明，因为缓冲构件设于接合作用部，所以，不必在每次进行超声波接合时将缓冲构件插入共振器与第1构件之间，接合的作业性良好。
此外根据本发明，因为缓冲构件设于第1构件，故每次进行超声波接合缓冲构件都是新的，所以，进行接合作业时可以不必担心缓冲构件的磨损。
此外根据本发明，因为使第1构件的金属制的被接合部与第2构件金属制的被接合部相重合，并且第1构件的合成树脂制的基部成为共振器的接合作用部侧，第2构件的合成树脂制的基部作为承受台侧，第1构件和第2构件由共振器和承受台加压夹持，利用从振动器传递到共振器的超声波振动使第1构件的被接合部与第2构件的被接合部相接合，所以，第1、第2构件的基部在共振器与承受台之间被压缩，第1、第2构件中的公差范围内的厚度误差及接合作用部与承受台的平行度的误差因而被吸收，第1构件的被接合部与第2构件的被接合部紧密接触，能利用超声波振动适当地直接接合，能防止第1、第2构件的被接合部相互之间的接合不良，另外，能省去传统那样加粘接剂、焊锡或供热的时间和劳力，并能提高接合作业及接合部分的电气特性。

Claims (14)

1.一种超声波振动接合方法，其特征在于，使设于第1构件基部的金属制的被接合部与第2构件的金属制的被接合部相重合，并且，使所述第1构件的基部位于共振器的接合作用部侧，使所述第2构件位于承受台侧，在该状态下用所述共振器和所述承受台对所述第1构件和所述第2构件有弹性地施加压力，利用从振动器传递至所述共振器的超声波振动使所述第1构件的被接合部与所述第2构件的被接合部相接合。
2.根据权利要求1所述的超声波振动接合方法，其特征在于，所述共振器用加压机构的保持架支承两端。
3.根据权利要求1所述的超声波振动接合方法，其特征在于，所述第1构件的基部是合成树脂制成的。
4.根据权利要求3所述的超声波振动接合方法，其特征在于，所述合成树脂具有挠性。
5.根据权利要求1所述的超声波振动接合方法，其特征在于，所述第2构件具有设有第2构件的被接合部的基部，该第2构件的基部位于承受台侧。
6.根据权利要求1所述的超声波振动接合方法，其特征在于，在所述共振器的接合作用部与第1构件的基部之间夹有缓冲构件。
7.根据权利要求6所述的超声波振动接合方法，其特征在于，所述第1构件的基部对冲击是脆弱的。
8.根据权利要求6所述的超声波振动接合方法，其特征在于，所述第2构件具有设有第2构件的被接合部的基部，该第2构件的基部位于承受台侧。
9.根据权利要求6所述的超声波振动接合方法，其特征在于，所述缓冲构件呈至少能与共振器的接合作用部的整个面及第1构件的基部的整个面接触的层状。
10.根据权利要求6所述的超声波振动接合方法，其特征在于，所述缓冲构件设于共振器的接合作用部。
11根据权利要求6的发明，其特征在于，所述缓冲构件设于第1构件的基部。
12.根据权利要求1所述的超声波振动接合方法，其特征在于，所述第2构件具有设有第2构件的被接合部的基部，该第2构件的基部位于承受台侧，第1构件与第2构件中间夹着电气绝缘性的粘接剂重合，当所述第1构件的被接合部与所述第2构件的被接合部因来自共振器的超声波振动而接合时，所述粘接剂由于超声波振动而从第1构件的被接合部与第2构件的被接合部之间被挤压到所述第1构件的基部与所述第2构件的基部之间，该粘接剂将所述第1构件的基部与所述第2构件的基部相粘接。
13.根据权利要求12所述的超声波振动接合方法，其特征在于，所述粘接剂是热硬化性的。
14.根据权利要求12所述的超声波振动接合方法，其特征在于，所述粘接剂是非热硬化性的。
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