CN1277904A - 超声波振动接合装置 - Google Patents

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Abstract

一种超声波振动接合装置,操作者在控制装置上设定振动开始负荷设定值、第1及第2负荷压力设定值、平衡压力设定值、一次接合时间、全接合时间及与接合部分的大小和材料相应的压力曲线的斜度等控制条件,使控制装置控制负荷控制机构部、即气缸的负荷室内部的压力以及构成上下驱动机构部的电动机正转和逆转,使第1和第2构件在从振动开始时刻起经过第1负荷压力设定值逐渐向第2负荷压力设定值上升的负荷下一边接受超声波振动一边被接合。本发明可实现最佳接合。

Description

超声波振动接合装置
本发明涉及利用超声波振动将重叠的多个构件接合的超声波振动接合装置。
如特开平10-22308号公报所公开的，本申请人提出过利用超声波振动将重叠的多个构件接合的超声波振动接合装置。
在用前述超声波振动装置将重叠的多个构件接合时，由于被接合部分的大小和材料等的物性不同，有可能因对重叠的多个构件的接合部分施加过大的压力而将接合部分压坏，或因压力过弱导致接合部分剥离等，形成接合不良。
为此，本发明的目的在于提供一种可根据被接合部分的大小和材料等的物性来选择各种加压曲线，以实现最佳接合的超声波振动接合装置。
本发明的技术方案是一种超声波振动接合装置，用支承在接合机构上的谐振器和装配机构的装配台将重叠的多个构件加压保持在它们之间，从与谐振器结合的振子向谐振器传递超声波振动，利用超声波振动将重叠的多个构件接合，其特点是，接合机构具有接合作业的上下驱动机构部和接合作业的负荷控制机构部。
本发明的上下驱动机构部将谐振器移动到装配机构的装配台上，负荷控制机构在用谐振器和装配台对重叠的多个构件进行加压保持后根据被接合部分的大小和材料等的物性选择各种可实现超声波振动接合的加压力，由此实现重叠的多个构件既没有过度毁坏又不会发生剥离的最佳接合。
在本发明中，如果接合机构部由电动机和与电动机输出轴及支承谐振器的支架连接的螺栓·螺帽机构组成，则与接合机构部只由气缸一类直线运动单元构成的场合相比，由于接合机构部可将旋转运动转换成直线运动，故便于谐振器上下驱动时的速度控制。
在本发明中，如果负荷控制机构部由与接合机构部的输出端和支承谐振器的支架连接的气缸构成，则与负荷控制机构部由气缸以外的单元构成的场合相比，负荷控制机构部可利用作为压缩弹性流体的空气来适当地调节对于重叠的多个构件的加压力。
在本发明中，如果负荷控制机构部具有向在气缸内部隔成的平衡室和负荷室供给加压空气的加压供给系统、及根据与负荷控制机构连接的单元的重量来设定从加压供给系统供给平衡室的加压空气压力且根据被接合构件的大小或材料来设定从加压供给系统供给负荷室的加压空气压力的设定装置，则负荷控制机构部可设定振动开始负荷设定值、第1负荷压力设定值、第2负荷压力设定值、平衡压力设定值等各种加压力控制条件。
在本发明中，如果在支承谐振器的支架上设置负荷传感器，则可正确地检测负荷控制机构部支承的单元的重量，而且不必计算该重量。
对附图的简单说明
图1是本发明实施形态的超声波振动接合装置的结构图。
图2是同一实施形态的接合作业流程图。
以下结合附图说明本发明的实施形态。
图1表示本发明一实施形态的超声波振动接合装置。本实施形态是一种在作为第1构件的电路板92上装配作为第2构件的半导体芯片90的装置。在半导体芯片90的一面上具有作为连接端子的平板状或球状的多个连接点91。在电路板92一面的芯片安装位置上具有作为连接端子的平板状或球状的多个连接点93。芯片连接点91和电路板连接点93数量相同，位置各自对应。芯片连接点91和电路板连接点93通过超声波振动接合，由此将半导体芯片90装配到电路板92上。
超声波振动接合装置大致上具有接合机构1、内装计算机的控制装置40、操作面板41及装配机构50。接合机构1具有由伺服电动机一类的电动机2和螺栓·螺帽机构3构成的接合作业的上下驱动机构部、及由气缸4构成的接合作业的负荷控制机构部。在气缸4的内部由活塞7隔成下部的平衡室5和上部的负荷室6。而且，从平衡空气供给系统8向平衡室5供给承担气缸4所支承的单元的重量用的加压空气，由负荷空气供给系统11根据被接合部分的大小和材料物性等向负荷室6供给与接合时所需压力相当的加压空气。37是作为平衡空气供给系统8及负荷空气供给系统11的加压空气供给源的气泵，A是将负荷空气供给系统11与气泵37连接的连接记号。
在本实施形态中，由气缸4支承的单元的重量是活塞7、活塞杆15、支架16、导杆17、谐振器18、振子30、半导体芯片90等的总重量，测力传感器一类的负荷传感器38设置在活塞杆15和支架16之间并将活塞杆15与支架16结合。由此使负荷传感器38能够感知向上的拉力及向下的推力，能够正确地检测气缸4所支承的单元的重量。负荷传感器38将检测信号输出到控制装置40。B是将负荷传感器38与控制装置40连接的连接记号。
向控制装置40输入设在平衡空气供给系统8中的压力传感器9的输出信号、设在负荷空气供给系统11中的压力传感器12的输出信号、负荷传感器38的输出信号、及用操作面板41设定的设定信号等各种信号。在输入了这些信号后，控制装置40对设在平衡空气供给系统8中的压力调节阀10和设在负荷空气供给系统11中的压力调节阀13进行控制，由此将平衡室5内部的压力设定在平衡压力设定值BP，将负荷室6内部的压力设定为第1负荷压力设定值PP1或第2负荷压力设定值PP2及具有从第1负荷压力设定值PP1向第2负荷压力设定值PP2变化的多个变化斜度a、b、c中一个斜度的压力变化。压力调节阀10、13使用称为精密减压阀的阀和称为电子压力调节阀的电磁阀，前者利用主阀和降压阀用先导阀作动的伺服平衡机构，后者通过电压或电流作动。譬如，精密减压阀采用如下结构：步进电动机一类的电气作动器使导引舱(pilotcapsule)伸缩，该导引舱的伸缩引起先导阀动作，该先导阀的动作又使主阀或降压阀动作，由此控制阀的二次压力(阀输出侧的压力)达到目标压力。利用步进电动机一类的电气作动器的精密减压阀是尚未公开的新结构的阀。
一旦操作者对操作面板41上的第1负荷压力操作部42进行操作以设定第1负荷压力设定值PP1，操作面板41就将设定的第1负荷压力设定值PP1在第1负荷压力显示部45显示出并输出到控制装置40。一旦操作者对操作面板41上的第2负荷压力操作部43进行操作以设定第2负荷压力设定值PP2，操作面板41就将设定的第2负荷压力设定值PP2在第2负荷压力显示部46显示出并输出到控制装置40。一旦操作者对操作面板41上的平衡压力操作部44进行操作以设定平衡压力设定值BP，操作面板41就将设定的平衡压力设定值BP在平衡压力显示部47显示出并输出到控制装置40。在操作面板41上的负荷显示部48中显示从控制装置40输入的用负荷传感器38检测到的负荷。在通过平衡空气供给系统8使供给平衡室5的平衡室5内部的压力与气缸4所支承的单元的重量取得平衡的状态下，一旦操作者对操作面板41上未图示的复位按钮进行操作，操作面板41就将此时负荷传感器38的检测值、即实际负荷清除为零，同时负荷显示部48显示零。一旦操作者对操作面板41上的振动开始操作部49进行操作，操作面板41就在负荷显示部48中显示振动开始负荷设定值SP，并输出到控制装置40。振动开始负荷设定值SP＜第1负荷压力设定值PP1＜第2负荷压力设定值PP2。
本实施形态的接合机构1的电动机2安装在固定基座32上，该基座32设置于设置基准31，螺栓螺帽机构3的螺纹杆与电动机2的输出轴连接，螺栓螺帽机构3的螺帽固定在升降座33上，气缸4安装于升降座33上。在安装于活塞杆15上的支架16上装有谐振器18，谐振器18的一端通过未图示的无头螺钉和螺纹孔与振子30同轴结合。当电动机2正转时，螺栓·螺帽3的螺纹杆也正转，与该螺纹杆螺合的螺帽就使升降座33下降。而当电动机2逆转时，螺栓·螺帽3的螺纹杆也逆转，与该螺纹杆螺合的螺帽就使升降座33上升。升降座33与竖设在固定基座32下方的左右导向柱34滑动接触，不能旋转地进行升降。在各导向柱34的内部嵌入可升降的导杆17。导杆17的下端与支架16结合。这样，导杆17就通过升降座33的升降和气缸4的伸缩而升降，使支架16与设置基准31保持平行。
本实施形态的谐振器18具有喇叭体19和用未图示的无头螺钉和螺纹孔与其两侧同轴结合的2个增压器21、22，各增压器21、22分别支承在从支架16的左右向下方延伸的臂部23、24上，由此将谐振器18安装在支架16的两个支柱上。振子30通过未图示的无头螺钉和螺纹孔同轴地与增压器21结合。振子30是压电元件或磁畸变元件一类的能量转换器，将从未图示的超声波发生器接受电力供给后发生并输出规定频率的纵向波超声波振动的电能转换成机械能。在与增压器21结合的振子30的输出端存在超声波振动的最大振动振幅点。
喇叭体19上具有与来自振子30的超声波振动谐振的谐振频率1个波长的长度，增压器21、22具有与来自振子30的超声波振动谐振的谐振频率半个波长的长度。喇叭体19为四角板状，在左右端部及中央部具有最大振动振幅点，在中央部的最大振动振幅点上设有从上下面向外侧凸出的短四角柱状接合作用部20。增压器21、22为圆柱形，在左右两端部上具有最大振动振幅点，在中央部的最小振动振幅点上设有从外侧凸出的环状支承部25、26。各支承部25、26容纳于分别同轴状地形成于臂部23、24上的通孔27、28中。通过未图示的螺栓，将被从各臂部23、24的外侧面切到通孔27、28的切缝分割的部分紧固，使各臂部23、24握紧支承部25、26。在接合作用部20上形成吸附半导体芯片90用的吸引孔部29。吸引孔部29与未图示的具有真空泵或阀等的吸引系统连接，吸引系统使吸引孔部29将半导体芯片90吸附于接合作用部20。
装配机构50具有设在设置基准31上的XYθ驱动部51和安装在XYθ驱动部51上的装配台52。XYθ驱动部51对装配台52实行如下的位置控制，即，使装配台52沿与设置基准31平行的平面的纵横X方向和Y方向移动，同时以上述平面内的某一点为中心沿与设置基准31平行的平面内的旋转角、即θ方向旋转，使装载在与设置基准31平行的装配台52上面的被装配对象、即电路板92的芯片装配位置到达规定的位置。
XYθ驱动部51具有针对设置基准31的X方向仰角调节部54和针对设置基准31的Y方向仰角调节部55。正如装配准备作业时，或更换谐振器18时，或更换装配台52时一样，当不能确定装配台52的上侧面与接合作用部20的下侧面之间是否保持平行时，X方向仰角调节部54和Y方向仰角调节部55可通过人工操作来调节XYθ驱动部51对设置基准31在X方向的仰角和XYθ驱动部51对设置基准31在Y方向的仰角，以确保装配台52的上侧面与接合作用部20的下侧面之间的平行度。
接合机构1和装配机构50上设有紧急停止装置。该紧急停止装置具有设在升降座33上的传感器夹头35和设在支架16上的限位传感器36。而且在接合时，活塞7在即将全冲程地到达负荷室6之前，限位传感器36就将检测到的传感器夹头35的电气信号输出到控制装置40，于是控制装置40就停止电动机2的旋转驱动。从而可防止上下驱动机构部的力量施加到连接点91与电路板上的连接点93之间的被接合部分。也可以是传感器夹头35设在支架16上，限位传感器36设在升降座33上。限位传感器36既可是接触式的也可是非接触式的。
图2是实施形态的接合作业流程图，横轴上表示被接合部分、即芯片上的连接点91与电路板上的连接点93接触的瞬间时刻t0、振子30的振动开始时刻t1、一次接合开始时刻t2、一次接合结束时刻t3、二次负荷到达时刻t4、t5、t6，左纵轴上表示芯片上的连接点91与电路板上的连接点93接触的瞬间实际负荷W0(W0＝BP-PP1)、振动开始时间t1的实际负荷W1(W1＝SP)、一次接合开始时刻t2的实际负荷W2(W2＝PP1)、二次到达时刻t4～t6各自的实际负荷W3(W3＝PP2)，右纵轴上振动开始负荷设定值SP、第1负荷压力设定值PP1及第2负荷压力设定值PP2。
以下说明实施形态的动作。操作者对操作面板41进行操作，设定振动开始负荷设定值SP、平衡压力设定值BP、第1负荷压力设定值PP1、第2负荷压力设定值PP2、振子30的全加振时间T、振动30的一次接合时间T1(图2的t3-t1)、及从第1负荷压力设定值PP1(与作为被接合部分的芯片连接点91和电路板连接点93的大小和材料物性对应)到达第2负荷压力设定值PP2的压力变化斜度。
关于前述斜度，譬如图2中用虚线L1表示的斜度a、用实线L2表示的斜度b、及用双点划线表示的斜度c等所示，根据被接合部分的大小和材料等的物性而设有多个。从而，譬如将上述多个斜度a～c预先存入控制装置40，再由操作者对操作面板41进行操作，以从这些斜度a～c中选出与要接合的部分的大小和材料等物性相适应的斜度，并将所选择的斜度在控制装置40中设定。譬如，当操作者选择了斜度a时，负荷室6内部的压力就在图2的时刻t3～时刻t4的时间内从第1负荷压力设定值PP1变化为第2负荷压力设定值PP2，当操作者选择了斜度b时，负荷室6内部的压力就在图2的时刻t3～时刻t5的时间内从第1负荷压力设定值PP1变化为第2负荷压力设定值PP2，当操作者选择了斜度c时，负荷室6内部的压力就在图2的时刻t3～时刻t6的时间内从第1负荷压力设定值PP1变化为第2负荷压力设定值PP2。
由于设定了上述控制条件，控制装置40就对压力调节阀10、13进行驱动，将平衡室5内部的压力设定为平衡压力设定值BP，将负荷室6内部的压力设定为第1负荷压力设定值PP1。由此使活塞7位于气缸4内部的上下方向中间位置，具体说是位于气缸4内部的下降限度位置上。另外，接合机构1的谐振器18停止在上升限度位置上，半导体芯片90被接合作用部20吸附，半导体芯片90上的连接点91面向下方，电路板92装载于装配机构2的装配台52上，电路板92上的连接点93面向上方。在此状态下，未图示的测量装置上的CCD摄象机将对芯片连接点91和电路板连接点93进行摄象后的电气信号输出给控制装置40。然后，控制装置40对芯片连接点91与电路板连接点93之间的位置偏差进行计算。根据其计算结果，控制装置40对装配台52作位置修正。即，装配台52作XY及θ方向驱动，以半导体芯片90为基准对电路板92作位置修正，以使芯片连接点91的位置与电路板连接点93的位置对齐。
然后，一旦操作者按动操作面板41的起动按钮，控制装置40就对电动机2作正转驱动，接合机构1的谐振器18下降。于是如图2所示，在时刻t0，芯片连接点91被推向电路板连接点93。接着，由于电动机2的旋转使升降座33下降，且由于芯片连接点91与电路板连接点93抵接而使活塞7上升，使负荷室6的容积缩小、负荷室6内部的压力上升，在时刻t1，一旦实际负荷W1(W1＝SP)从负荷传感器38输入到控制装置40，控制装置40就向振子30发出振动开始的指令。因此振子30发出超声波振动使谐振器18谐振，该谐振发出的超声波振动从接合作用部20出发，经过半导体芯片90作用于芯片连接点91和电路板连接点93的接触部位，使芯片连接点92和电路板连接点93之间发生超声波振动接合。
一旦电机2的旋转使升降座33进一步下降，且由于芯片连接点91与电路板连接点93的抵接而使活塞7上升，使负荷室6的容积减小、负荷室6内部的压力上升，在时刻t2，一旦实际负荷W2从负荷传感器38输入到控制装置40，控制装置40就对使压力调节阀13的先导阀动作的步进电动机一类的电气作动器进行控制。由此使负荷室6的压力保持在第1负荷压力设定值PP1，在从时刻t2到时刻t3期间，半导体芯片90被第1负荷压力设定值PP与平衡压力设定值BP之间的差压负荷推向电路板92。
在前述控制条件设定中，如果操作者选择设定斜度b，则时刻t3以后的将半导体芯片90推向电路板92的负荷就按图2的实线L2发生压力变化。从而，一旦到达时刻t3，控制装置40就对压力调节阀13的电气作动器进行控制。就是用负荷室6的压力沿实线L2从第1负荷压力设定值PP1向第负荷压力设定值PP2上升的加压曲线进行控制。其压力变化被负荷传感器38检测。然后，在从时刻t1开始到达全接合时间T的时刻，芯片连接点91与电路板连接点93之间利用超声波振动进行的接合结束，控制装置40向振子30发出停止振动的指令，同时将电动机2从正转转换为逆转。于是，接合机构1的谐振器18上升，同时超声波振动停止。
接着，一旦谐振器18到达上升限度位置，控制装置40就停止电动机2的逆转。在该谐振器18开始上升、或谐振器18在上升途中、或谐振器18到达上升限度位置的同时，控制装置40控制压力调节阀13的电气作动器。就是进行从负荷室6的压力从到达实线L2上的全接合时间T后的压力开始向第1负荷压力设定值PP1下降的压力控制。由此结束向电路板92上装配1个半导体芯片90的装配工序的1个周期。
总之，本实施形态是通过操作者在控制装置40上设定振动开始负荷设定值SP、第1负荷压力设定值PP1、第2负荷压力设定值PP2、平衡压力设定值BP、一次接合时间T1、全接合时间T、及根据被接合部分的大小和材料物性从多个斜度a～c选择的斜度等控制条件，使控制装置40对作为接合作业的负荷控制机构部的气缸室4的负荷室6内部的压力进行控制，并对构成接合作业的上下驱动部之一部的电动机2的正转和逆转进行控制，使作为第1构件的电路板92和作为第2构件的半导体芯片90在从振动开始负荷设定值SP开始、经过第1负荷压力设定值PP1向第2负荷压力设定值PP2逐渐上升的负荷下一边接受超声波振动一边被接合。
前述振动开始负荷设定值SP、第1负荷压力设定值PP1、第2负荷压力设定值PP2、平衡压力设定值BP、一次接合时间T1、全接合时间T(T＞T1)等控制条件采用根据被接合部分、即芯片连接点91和电路板连接点93的大小和材料等物性求出的值。譬如，当第1构件与第2构件间的接合部分较大或较硬时，就将第2负荷压力设定值PP2设定为较高值，当第1构件与第2构件间的接合部分较小或较软时，就将第2负荷压力设定值PP2设定为较低值。从而，本实施形态可根据被接合部分的大小和材料等物性在负荷室6中设定各种接合时所需的压力，可通过超声波振动进行最佳接合，不会发生接合部分被过度破坏或接合部分剥离的现象。
另外，本实施形态的接合机构1具有由电动机2和螺栓·螺帽3组成的接合作业的上下驱动机构部和由气缸4组成的接合作业的负荷控制机构部，故接合时上下驱动机构的力不作用于接合部分，只有负荷控制机构产生的加压力在接合时作用于接合部分。即，当电动机2正转、接合机构1的谐振器18下降、芯片连接点91被推向电路板连接点93时，活塞7上升。因此，由电动机2产生的下降的力被活塞7的上升吸收而不作用于接合部分，而只有与负荷室6的压力相当的加压力作用于接合部分。从而，即使电动机2的旋转速度提高，谐振器18的下降速度提高，也不会有急剧升高的冲击力施加到接合部分，不会发生半导体芯片90或电路板92破裂的现象。
即使由于上述活塞7的上升使负荷室6的容积缩小，通过压力调节阀13的压力调节也能使负荷室6内部的压力保持在第1负荷压力设定值PP1。从而，在全接合时间T的过程中，即使控制装置40停止电动机2的正转，也可以与负荷室6的容积缩小成比例，使负荷室6的压力保持第1负荷压力设定值PP1以及已选定的从第1负荷压力设定值PP1向第2负荷压力设定值PP2上升的斜度，不会对接合产生不良影响。
又由于本实施形态设有由传感器夹头35和限位传感器36构成的紧急停止装置，故在活塞7达到上升限度之前就会强制地停止电动机2的正转，由电动机2产生的下降的力不会施加给接合部分。
在前述实施形态中，是在接合机构1的谐振器18停止于上升限度位置的接合作业初始状态下将半导体芯片90吸附在谐振器18上，而如果将半导体芯片90重叠置于电路板92上方，再通过谐振器18的下降使接合作用部20将半导体芯片90推压到电路板92上，则谐振器18就无需设置吸引孔29，使结构更为简单。
在前述实施形态中，是从操作面板41上给控制装置40设定控制条件，而如果把与被接合部分的大小和材料相应的多个控制条件预先存入控制装置40作为有关的控制条件，并根据要接合的部分的大小和材料从存入的多个控制条件中选择设定，则接合作业更加容易。
在前述实施形态中，是在活塞杆15与支架16之间设置负荷传感器38，当然也可以用图1中双点划线表示的、相当于上述负荷传感器38的负荷传感器53来代替负荷传感器38设置在装配台上。在这种场合，如果将负荷传感器38设置在与谐振器18的接合作用部20对应的位置上，就能更准确地检测实际负荷。又，如前述实施形态所述，只在将活塞7、活塞杆15、导杆17、谐振器18、振子30、半导体芯片90等支承在支架16的状态下，负荷传感器53不能检测由气缸4支承的单元的重量，故活塞7、活塞杆15、支架16、导杆17、谐振器18、振子30、半导体芯片90等的总重量要通过计算求得，或最好是将平衡室5及负荷室6敞开于大气中，至少使电动机2工作以使支架16下降，使接合作用部20或吸附在接合作用部20的半导体芯片90与装配台52接触，再用传感器53检测由气缸4支承的单元的重量。

Claims (5)

1.一种超声波振动接合装置，用支承在接合机构上的谐振器和装配机构的装配台将重叠的多个构件加压保持在它们之间，从与谐振器结合的振子向谐振器传递超声波振动，利用超声波振动将重叠的多个构件接合，其特征在于，接合机构具有接合作业的上下驱动机构部和接合作业的负荷控制机构部。
2.根据权利要求1所述的超声波振动接合装置，其特征在于，接合机构部由电动机和与电动机输出轴及支承谐振器的支架连接的螺栓·螺帽机构组成。
3.根据权利要求1所述的超声波振动接合装置，其特征在于，负荷控制机构部由与接合机构部的输出端和支承谐振器的支架连接的气缸构成。
4.根据权利要求3所述的超声波振动接合装置，其特征在于，负荷控制机构部具有向在气缸内部隔成的平衡室和负荷室供给加压空气的加压供给系统、及根据与负荷控制机构连接的单元的重量来设定从加压供给系统供给平衡室的加压空气压力且根据被接合构件的大小和材料来设定从加压供给系统供给负荷室的加压空气压力的设定装置。
5.根据权利要求1所述的超声波振动接合装置，其特征在于，在支承谐振器的支架上设置负荷传感器。
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