JP2005238268A - 超音波接合方法と装置及び超音波振幅制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 超音波振動エネルギーと熱エネルギーを付与して接合する超音波接合において、全使用温度範囲内の任意の温度に対して共通の共振体や超音波ヘッドにて所定の振幅の超音波振動を付与する。
【解決手段】 超音波振動発生手段１０から共振体８に超音波振動を入力するとともに共振体８を加熱手段１１にて加熱して超音波接合する際に、超音波振動発生手段１０への所定出力時における共振体の各温度状態における共振周波数と振幅の関係を示す共振体振幅基準データ１５を予め記憶手段１４に記憶しておき、制御手段１３に接合条件として温度と振幅を設定入力すると、制御手段１３が、加熱手段１１にて共振体８を設定温度に調節し、その状態で共振体８の共振周波数を検出し、検出結果と共振体振幅基準データ１５に基づいて超音波振動発生手段１０に対する出力を調節するようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は超音波接合方法と装置及び超音波振幅制御方法に関し、特に超音波振動エネルギーと熱エネルギーを接合対象物に付与して接合する超音波接合方法と装置及び超音波振幅制御方法に関するものである。

超音波接合方法において、接合対象物に超音波振動エネルギーと熱エネルギーの両方を付与することで効率的にかつ信頼性の高い接合状態を確保することは従来から知られている。また、そのような超音波接合方法を適用した部品実装装置１として、図５に示すように、ベアＩＣ部品などの部品を供給する部品供給部２と、部品供給部２から供給された部品を保持して実装する実装ヘッド３と、実装対象物である基板を保持して位置決めする実装ステージ４とを備え、実装ヘッド３に超音波接合ヘッド５を設けるとともに、超音波駆動エネルギーを供給する超音波発振器６を搭載したものが知られている。

また、その超音波接合ヘッド５は、図６に示すように、支持枠７にて共振体８の振動モードの節の部分を支持するとともに、共振体８の一端に超音波振動発生手段１０を結合し、共振体８の下端の振動モードの腹の部分に設定された作用部８ａに部品を保持するツール９を装着し、かつ共振体８の作用部８ａを加熱する加熱手段１１をその両側に配設して構成されている。加熱手段１１は作用部８ａを熱輻射や加熱気体の吹き付けや誘導加熱等にて非接触で加熱するものや接触加熱後離間動作するものなど、任意の構成のものを適用できる。

なお、加圧下で超音波振動エネルギーを付与する超音波接合においてその接合品質を安定化するために、接合ツール（共振体）によって消費される電力値と駆動指令値との相関関係のデータを接合ツール毎に求めて記憶部に記憶させておき、接合動作時に制御部から出力される電力値を相関関係データに基づいて変換して駆動指令値を出力することで、超音波振動の振幅を一定にし、超音波振動エネルギーの投入量を一定にするようにしたものは知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００１−７７１５６号公報

ところで、図６に示したような超音波接合ヘッド５において、例えば４０ｋＨｚの周波数の超音波振動を発生する超音波振動発生手段１０及び同周波数で共振する共振体８を用い、共振体８を共振させて接合する場合に、その共振体８の温度を例えば室温（２５℃）から２５０℃の間で変化させると、図７に示すように、共振体８の共振周波数が変化することになり、また超音波振動発生手段１０に対する入力が一定であると振幅も変化することになり、所望の超音波振動エネルギーを確実に投入することができないという問題がある。

そのため従来は、加熱下で超音波接合する超音波接合ヘッド５においては、予め接合温度（即ち、共振体の温度）に対応して共振体（ホーン）８を設計し、その共振体８の使用温度範囲を限定することで、超音波振動の周波数と振幅を確保するようにしており、例えば、図８に示すように、５０℃±５０℃用の共振体（ホーン）Ａと、１５０℃±５０℃用の共振体（ホーン）Ｂと、２００℃±５０℃用の共振体（ホーン）Ｃとを接合温度に応じて選択して使用するようにしている。

しかし、実際の超音波接合ヘッド５において、共振体８のみを交換するように構成することは困難であるため、図６（ａ）に矢印Ｄで示すように、実装ヘッド３に対して超音波接合ヘッド５の全体を着脱して交換する構成とせざるを得ず、そのため接合温度毎に超音波接合ヘッド５を用意しておく必要があって設備コストがかかり、かつ接合温度が変化すると超音波接合ヘッド５を交換し、その取付状態の微調整を行う必要があるため多大な手間がかかって生産性を低下させるという問題がある。

また、上記特許文献１には、駆動指令値と実際の駆動電力値の相関関係データを記憶しておいて、そのデータを参照して振幅を一定にする技術手段は開示されているが、このような問題の解決手段を示唆するものではない。

本発明は、上記従来の問題点に鑑み、超音波振動エネルギーと熱エネルギーを付与して接合する超音波接合において、全使用温度範囲内の任意の温度に対して共通の共振体や超音波ヘッドにて所定の振幅の超音波振動を付与できる超音波接合方法と装置及び超音波振幅制御方法を提供することを目的とする。

本発明の超音波接合方法は、超音波振動発生手段から共振体に超音波振動を入力するとともに共振体を加熱し、共振体から接合対象物に超音波振動エネルギーと熱エネルギーを付与して接合する超音波接合方法において、超音波振動発生手段への所定出力時における共振体の共振周波数若しくは温度と振幅の関係を示すデータを予め記憶しておき、温度と振幅を接合条件として設定入力し、共振体を設定温度に調節し、その状態で共振体の共振周波数若しくは温度を検出し、検出結果と記憶データに基づいて超音波振動発生手段に対する出力を調節するものである。

この構成によると、共振体の加熱温度を変化させた場合に、その温度に応じた共振体の熱膨張収縮にて共振周波数が変化するとともに、振幅が変化してしまうことによって超音波振動エネルギーの入力量が変化し、所望の接合状態が得られなくなるという現象に対して、予め記憶した共振周波数若しくは温度と振幅の関係を示すデータを参照してその温度若しくはその温度での共振周波数に応じて、所望の振幅を確保するために必要な超音波振動発生手段に対する出力を求め、それに応じて超音波振動発生手段に対する出力を調節することによって、全使用温度範囲内の任意の温度に対して共通の共振体や超音波ヘッドを使用しながら所定の振幅の超音波振動を付与することができ、その結果所望の接合状態を安定して確保することができる。なお、温度変化による共振周波数の変化は小さく、超音波振動エネルギーの入力量に対する影響は振幅の変化による影響に比べて無視できる程度であり、かつ共振体の振幅は超音波振動発生手段に対する出力にほぼ比例関係にあることから、上記方法によって適切に超音波振動の振幅を制御することで超音波振動エネルギーの入力量を制御することができる。

また、本発明の超音波接合装置は、超音波振動発生手段と、超音波振動発生手段から入力された超音波振動で共振する共振体と、共振体を加熱する加熱手段とを備え、共振体から接合対象物に超音波振動エネルギーと熱エネルギーを付与して接合する超音波接合装置において、超音波振動発生手段への所定出力時における共振体の共振周波数若しくは温度と振幅の関係を示すデータを予め記憶させた記憶手段と、加熱手段を制御して共振体を任意の温度に調節する加熱制御手段と、共振体の共振周波数若しくは温度を検出する検出手段と、検出手段による検出結果と記憶手段の記憶データに基づいて超音波振動発生手段への出力を制御する出力制御手段とを備えたものであり、上記超音波接合方法を実施してその効果を奏することができる。

また、本発明の超音波振幅制御方法は、共振体を任意の温度に加熱した状態で共振体に超音波振動を入力して共振体を所望の振幅で超音波振動させる超音波振幅制御方法であって、共振体に対する所定入力時における共振体の共振周波数若しくは温度と振幅との関係を示すデータを予め記憶しておき、共振体を設定温度に調節し、その状態で共振体の共振周波数若しくは温度を検出し、検出結果と記憶データに基づいて共振体に対する入力を調節して所望の振幅で超音波振動させるものである。

この構成によると、上記と同様に全使用温度範囲内の任意の温度に対して共通の共振体を使用しながら所定の振幅の超音波振動を付与することができる。

本発明の超音波接合方法と装置及び超音波振幅制御方法によれば、予め記憶した共振周波数若しくは温度と振幅の関係を示すデータを参照してその温度若しくはその温度での共振周波数に応じて、所望の振幅を確保するために必要な共振体に対する超音波振動エネルギーの入力を求め、それに応じて共振体に対する超音波振動エネルギーの入力を調節することによって、全使用温度範囲内の任意の温度に対して共通の共振体を使用しながら所定の振幅の超音波振動を付与することができる。

以下、本発明の超音波接合方法と装置の一実施形態を適用した部品実装装置について、図１〜図４を参照して説明する。なお、部品実装装置の全体構成及び超音波接合ヘッドの構成は、図５、図６を参照して説明した従来例と同一の構成であり、同一の構成要素については同じ参照符号を付して説明を省略し、主として本実施形態の特徴的な構成についてのみ説明する。

図１において、５は超音波接合ヘッドであり、超音波振動発生手段１０と、超音波振動発生手段１０から入力された超音波振動で共振する共振体８と、共振体８を加熱する加熱手段１１とを備えている。

超音波振動発生手段１０は、超音波発振器６から駆動エネルギーを供給されて超音波振動を発生するもので、本実施形態では４０ｋＨｚの高周波振動を発生するように構成されている。また、超音波発振器６は、超音波振動発生手段１０で実際に発生している高周波振動の周波数に合わせた周波数で発振駆動するとともにその発振周波数を検出するように構成されており、また駆動出力を制御して発生する高周波振動の振幅を任意に調整できるように構成されている。

加熱手段１１は、ヒータ温度制御部１２にて共振体８の作用部８ａの温度を検出する温度検出器（図示せず）からの検出温度に応じて通電制御されることによって、共振体８の作用部８ａの温度を所望の温度に制御するように構成されている。

１３は、超音波接合ヘッド５による接合動作を制御する制御手段であり、接合条件として入力される温度と振幅のデータに基づいて超音波発振器６及びヒータ温度制御部１２を制御するように構成されている。すなわち、超音波発振器６から制御手段１３に入力された発振周波数のデータと、記憶手段１４に格納された共振体振幅基準データ１５（後述）と、接合条件として入力された振幅とに基づいて、超音波発振器６に対して超音波出力指令値（具体的には、例えば超音波振動発生手段１０に対する印加電圧の指令値）を出力し、また接合条件として入力された温度データに基づいてヒータ温度制御部１２に共振体温度指令値を出力するように構成されている。

共振体振幅基準データ１５は、対象とする共振体８に関して、超音波振動発生手段１０に対して所定の出力指令値を出力した時の共振体８の各温度状態における共振周波数と振幅の関係を予め実験的に求めたデータであり、例えば図２に示すような関係を数式化した形態若しくはテーブル化して記憶手段１４に記憶されている。したがって、共振体８の共振周波数を検出してこの共振体振幅基準データ１５を参照することにより、所定の出力指令値における共振体８の振幅を知ることができ、接合条件として入力された振幅となるように出力指令値を比例制御することで、接合条件の振幅を確保することができる。

次に、以上の構成の部品実装装置１における制御手段１３の超音波出力制御動作を図３を参照して説明する。まず、制御手段１３に接合条件として温度と振幅を入力する。制御手段１３は、ヒータ温度制御部１２に対して入力された温度を共振体の温度指令値として出力する。これによって、加熱手段１１にて共振体８の作用部８ａが温度指令値に一致した温度になるように加熱制御される。

次に、共振体８がこのように温度制御された状態で、超音波発振器６にてほぼ４０ｋＨｚの周波数で超音波振動発生手段１０を駆動する。すると、共振体８のその温度状態に対応する周波数で共振し、超音波発振器６はその共振周波数に合わせた周波数で発振駆動する。

次に、制御手段１３は超音波発振器６から共振周波数を検出し、その周波数に対応する基準振幅を共振体振幅基準データ１５を参照して求め、入力された振幅とこの基準振幅から超音波出力の指令値を算出して超音波発振器６に出力する。

かくして、図４に示すように、例えば室温（２５℃）から２５０℃の全温度範囲にわたって共通の共振体（ホーン）８、すなわち超音波接合ヘッド５を用いながら、任意の所望の振幅を確保することができる。

本実施形態によれば、以上のように接合温度、すなわち共振体８の加熱温度を変化させた場合に、その状態での共振周波数を検出し、予め記憶した共振周波数と振幅の関係を示す共振体振幅基準データ１５を参照し、その温度での共振周波数に応じた基準振幅を読み出し、接合条件の振幅を確保するために必要な超音出力指令値を超音波発振器６に出力することによって、全使用温度範囲内の任意の温度に対して共通の共振体８、すなわち超音波接合ヘッド５を使用しながら所定の振幅の超音波振動を付与することができ、その結果所望の接合状態を安定して確保することができる。

以上の説明では、共振体８の共振周波数を検出し、周波数と振幅の関係を示す共振体振幅基準データを参照して所望の振幅を得るための超音波出力を算出する例を示したが、共振体８の温度を検出し、温度と振幅の関係を示すデータや、温度と一定の振幅を得るための超音波出力倍率の関係を示すデータや、それらをテーブル化した振幅変換テーブルなどを参照するようにしても良い。しかし、共振体の周波数を検出する方法は、周波数と振幅が同じ振動系のパラメータでありかつ周波数は検出精度及び応答性が高いので、より精度の高い制御を行うことができて好適である。

以上の実施形態の説明では、超音波接合ヘッド５によって超音波振動エネルギーと熱エネルギーを付与して部品と基板を接合するようにした部品実装装置１に本発明を適用した例を説明したが、本発明は部品実装に限らず、その他各種の接合対象物の接合にも適用できることは改めて説明するまでもなく明らかであり、さらに共振体を任意の温度に加熱しながら超音波振動エネルギーを付与するその他の各種作業においても、本発明を適用して振幅を所定値に制御することで、所望の超音波振動エネルギーを付与して所望の作用効果を安定して得ることができる。

本発明の超音波接合方法と装置及び超音波振幅制御方法は、予め記憶した共振周波数若しくは温度と振幅の関係を示すデータを参照してその温度若しくはその温度での共振周波数に応じて、所望の振幅を確保するために必要な共振体に対する超音波振動エネルギーの入力を求め、それに応じて共振体に対する超音波振動エネルギーの入力を調節することにより、全使用温度範囲内の任意の温度に対して共通の共振体を使用しながら所定の振幅の超音波振動を付与することができるので、超音波振動エネルギーと熱エネルギーによる接合などに有用である。

本発明の一実施形態における超音波接合装置の制御構成の説明図である。 同実施形態における共振体の温度を変化させたときの周波数と振幅の関係を示す特性図である。 同実施形態における超音波出力制御動作のフローチャートである。 同実施形態における共振体の使用温度領域の説明図である。 従来例の超音波接合ヘッドを用いた部品実装装置の全体斜視図である。 同従来例の超音波接合ヘッドを示し、（ａ）は斜め上方から見た斜視図、（ｂ）は斜め下方から見た斜視図である。 共振体の温度と共振周波数の関係を示す特性図である。 従来例における共振体の使用温度領域の説明図である。

符号の説明

５ 超音波接合ヘッド
６ 超音波発振器
８ 共振体
１０ 超音波振動発生手段
１１ 加熱手段
１２ ヒータ温度制御部
１３ 制御手段
１４ 記憶手段
１５ 共振体振幅基準データ

Claims (3)

1. 超音波振動発生手段から共振体に超音波振動を入力するとともに共振体を加熱し、共振体から接合対象物に超音波振動エネルギーと熱エネルギーを付与して接合する超音波接合方法において、超音波振動発生手段への所定出力時における共振体の共振周波数若しくは温度と振幅の関係を示すデータを予め記憶しておき、温度と振幅を接合条件として設定入力し、共振体を設定温度に調節し、その状態で共振体の共振周波数若しくは温度を検出し、検出結果と記憶データに基づいて超音波振動発生手段に対する出力を調節することを特徴とする超音波接合方法。
2. 超音波振動発生手段と、超音波振動発生手段から入力された超音波振動で共振する共振体と、共振体を加熱する加熱手段とを備え、共振体から接合対象物に超音波振動エネルギーと熱エネルギーを付与して接合する超音波接合装置において、超音波振動発生手段への所定出力時における共振体の共振周波数若しくは温度と振幅の関係を示すデータを予め記憶させた記憶手段と、加熱手段を制御して共振体を任意の温度に調節する加熱制御手段と、共振体の共振周波数若しくは温度を検出する検出手段と、検出手段による検出結果と記憶手段の記憶データに基づいて超音波振動発生手段への出力を制御する出力制御手段とを備えたことを特徴とする超音波接合装置。
3. 共振体を任意の温度に加熱した状態で共振体に超音波振動を入力して共振体を所望の振幅で超音波振動させる超音波振幅制御方法であって、共振体に対する所定入力時における共振体の共振周波数若しくは温度と振幅との関係を示すデータを予め記憶しておき、共振体を設定温度に調節し、その状態で共振体の共振周波数若しくは温度を検出し、検出結果と記憶データに基づいて共振体に対する入力を調節して所望の振幅で超音波振動させることを特徴とする超音波振幅制御方法。

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