JP2007319876A - 超音波接合装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】超音波接合装置における超音波を印加する印加部が磨耗した場合、この磨耗に対応する部品交換を低コストで行う。
【解決手段】超音波接合装置において、超音波振動発生部から超音波振動が伝播される超音波ホーン12と、超音波ホーン12に形成されて少なくとも一部にテーパ形状の側壁面15aを有する取付凹部15と、錐台形状を有する挿入頭部19と挿入頭部19から延出する軸部20と軸部20の先端側に形成されて接合対象物3に当接される印加部21とを有する印加ブロック13と、挿入頭部19が取付凹部15に挿入された場合に軸部20の周囲に対面する部位に形成される雌ネジ部16と、軸部20が挿通される挿通穴部25と雌ネジ部16に螺合される雄ネジ部26と挿入頭部19を取付凹部15の側壁面15aに押圧する押圧部28とを有する固定部材13とを備える。
【選択図】 図3
【解決手段】超音波接合装置において、超音波振動発生部から超音波振動が伝播される超音波ホーン12と、超音波ホーン12に形成されて少なくとも一部にテーパ形状の側壁面15aを有する取付凹部15と、錐台形状を有する挿入頭部19と挿入頭部19から延出する軸部20と軸部20の先端側に形成されて接合対象物3に当接される印加部21とを有する印加ブロック13と、挿入頭部19が取付凹部15に挿入された場合に軸部20の周囲に対面する部位に形成される雌ネジ部16と、軸部20が挿通される挿通穴部25と雌ネジ部16に螺合される雄ネジ部26と挿入頭部19を取付凹部15の側壁面15aに押圧する押圧部28とを有する固定部材13とを備える。
【選択図】 図3
Description
本発明は、超音波接合装置及び半導体装置の製造方法に関し、特に、荷重と超音波振動とを接合対象物に印加して接合を行う超音波接合装置及びこの超音波接合装置を用いた半導体装置の製造方法に関する。
下記特許文献1に記載されているように、接合対象物に荷重と超音波振動とを印加することにより接合対象物の接合を行う超音波接合装置が知られている。このような超音波接合装置では、荷重と超音波振動とを接合対象物に印加する印加部が超音波ホーンに形成され、印加部が接合対象物に当接される。印加部には、接合対象物に食い込むことが可能な形状に形成された凸部が設けられている。凸部が接合対象物に食い込んでいることにより、超音波振動を印加する場合に印加部と接合対象物との間で滑りが生じにくくなり、印加部から接合対象物に超音波振動が効率良く印加され、超音波振動を利用した超音波接合の性能が向上する。
図6及び図7は、超音波接合装置100と、半導体チップ101と、リードフレーム102と、接続導体103とを示している。リードフレーム102は複数のリード端子を102a,102bを有し、リード端子102a上に半導体チップ101がボンディングされ、半導体チップ101とリード端子102bとが接続導体103を介して超音波接合されている。リードフレーム102と半導体チップ101とは、半導体製造装置のステージ104上に載置されている。接続導体103は、半導体チップ101とリード端子102bとの間を通電可能とする部材であり、例えば、板状、箔状に形成されたアルミニウムが用いられている。
超音波接合装置100は、超音波振動を発生させる超音波振動発生部105と、発生した超音波振動が伝播される超音波ホーン106とを有し、超音波ホーン106の端部には印加部107が形成されている。超音波ホーン106は、超音波振動発生部105側に対して着脱可能に連結されている。印加部107は、超音波振動を印加する接続導体103に当接される部分であり、超音波ホーン106に一体に形成され、超音波ホーン106の外周部における180°離間した位置に2つ形成されている。
印加部107の先端には、接続導体103に食い込み可能な形状に形成された複数の凸部108が設けられている。また、超音波ホーン106には、一端が印加部107の端面に開口する吸引通路109が形成され、吸引通路109の他端側は真空ポンプ(図示せず)に接続されている。
超音波接合を行う場合には、真空ポンプを駆動させることにより印加部107の先端に接続導体103を吸着し、接続導体103を吸着した超音波接合装置100を下降させ、接続導体103を半導体チップ101とリード端子102bとに押付ける。ついで、超音波振動発生部105を駆動させ、超音波振動発生部105で発生した超音波振動を超音波ホーン106を伝播させ、印加部107から接続導体103に超音波振動を印加する。
これにより、凸部108が接続導体103に食い込み、この食い込みにより超音波振動が印加される場合の印加部107と接続導体103との間の滑りが防止され、接続導体103に対して超音波振動が効率良く印加される。このため、半導体チップ101及びリード端子102bに対する接続導体103の超音波接合を短時間で行うことができ、しかも、接合状態の品質を高めることができる。
特開2001−334372号公報
しかしながら、上述した超音波接合装置では、以下の点について配慮がなされていない。
印加部107及び印加部107に形成されている凸部108は、超音波振動の印加時に接続導体103との間で接離を繰り返し、次第に磨耗する。凸部108を含む印加部107の磨耗量が或る規準量に達すると、凸部108の接続導体103に対する食い込み性能が低下し、印加部107から接続導体103への超音波振動の印加性能が低下する。印加部107から接続導体103への超音波振動の印加性能が低下すると、超音波振動を利用した接続導体103の超音波接合に要する時間が長くなり、また、接合状態の品質が低下する。
そこで、凸部108を含む印加部107の磨耗量が或る基準量に達した場合には、印加部107を含む超音波ホーン106を全体として交換している。
超音波ホーン106は高価な部材であり、この高価な超音波ホーン106を凸部108を含む印加部107の磨耗量に応じて定期的に交換しなければならないため、超音波接合装置100のランニングコストが高くなっている。
また、新たな超音波ホーン106を超音波振動発生部105側に連結する場合には、超音波ホーン106の平行度調整などを行う必要があり、超音波ホーン106の交換作業に要する手間と時間とがかかっている。
本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、その目的は、超音波振動を接合対象物に印加するために用いられる超音波接合装置における超音波を印加する印加部が磨耗した場合、この磨耗に対応する部品交換を低コストで行うことができ、しかも、この部品交換を手間をかけずに短時間で行うことができる超音波接合装置及びこの超音波接合装置を用いた半導体装置の製造方法を提供することである。
本発明の実施の形態に係る第1の特徴は、超音波接合装置において、超音波振動を発生させる超音波振動発生部と、前記超音波振動発生部から超音波振動が伝播される超音波ホーンと、前記超音波ホーンに形成され、少なくとも一部にテーパ形状の側壁面を有する取付凹部と、前記取付凹部に着脱可能に配置され、この取付凹部の前記側壁面に面接触する錐台形状を有する挿入頭部と、この挿入頭部が前記取付凹部に挿入された場合に前記取付凹部の外方に向けて前記挿入頭部から延出する軸部と、この軸部の先端側に形成されて接合対象物に当接される印加部とを有する印加ブロックと、前記挿入頭部が前記取付凹部に挿入された場合に前記軸部の周囲に対面する部位に形成される雌ネジ部と、前記軸部が挿通される挿通穴部と、外周面に形成されて前記雌ネジ部に螺合される雄ネジ部と、前記雄ネジ部を前記雌ネジ部に螺合させた場合に前記挿入頭部に当接してこの挿入頭部を前記取付凹部の円錐台形状の前記表面に押圧する押圧部とを有する固定部材と、を備えることである。
本発明の実施の形態に係る第2の特徴は、半導体装置の製造方法において、請求項1ないし5のいずれか一記載の超音波接合装置を用い、半導体チップとリード端子とを接続導体により接続して半導体装置を製造することである。
本発明によれば、超音波接合装置における接合対象物に超音波を印加する印加部が磨耗した場合、超音波ホーン全体を交換することなく印加部を含む印加ブロックのみを交換することができ、超音波を印加する印加部の磨耗に対応する部品交換を低コストで行うことができ、しかも、この部品交換を手間をかけず短時間で行うことができる。
以下、本発明の一実施の形態を図面を用いて説明する。
本発明の一実施の形態に係る超音波接合装置を含む半導体装置の製造装置Aは、図1及び図2に示すように、半導体チップ1とリードフレーム2のリード端子2bとを接合対象物である接続導体3により接続した半導体装置を製造する場合に使用される。この製造装置Aは、ベース4と、ベース4の一端側に取付けられた水平方向移動テーブル5と、ベース4の他端側に取付けられたステージ6とを有している。半導体チップ1とリードフレーム2とは、ステージ6上に載置されている。リードフレーム2は複数のリード端子2a,2bを有し、リード端子2a上に半導体チップ1がボンディングされている。接続導体3は、半導体チップ1とリード端子2bとの間を通電可能とする部材であり、例えば、板状、箔状に形成されたアルミニウムが用いられている。
水平方向移動テーブル5は、水平方向における直交する2方向へ移動可能とされている。水平方向移動テーブル5上には、水平方向と直交する上向き方向に延出するガイド7が固定されている。ガイド7には、水平方向移動テーブル5の移動方向と直交する方向である上下方向に移動可能に上下方向移動テーブル8が取付けられている。上下方向移動テーブル8には保持部9が取付けられ、保持部9には超音波接合装置10が着脱可能に保持されている。
超音波接合装置10は、超音波振動を発生させる超音波振動発生部11と、超音波振動発生部11で発生した超音波振動が伝播される超音波ホーン12と、超音波ホーン12に着脱可能に取付けられる印加ブロック13と、印加ブロック13を固定する固定部材14とを有している。
超音波ホーン12は、長尺状に形成された部材であり、一端が超音波振動発生部11側に対して着脱可能に連結されている。超音波ホーン12の他端側には、テーパ形状の側壁面15aを有する取付凹部15と、雌ネジ部16とが形成されている。取付凹部15は、超音波ホーン12の外周面側に向かうにつれて拡径する向きに形成されている。雌ネジ部16は、取付凹部15の拡径方向の先端側に位置して形成されている。取付凹部15の底面には、スリット状の位置決め溝17が形成されている。超音波ホーン12の内部には、第1吸引通路18が形成されている。第1吸引通路18の一端は取付凹部15の底面に開口され、第1吸引通路18の他端は図示しない真空ポンプに接続されている。
印加ブロック13は、挿入頭部19と、軸部20と、軸部20の先端側に形成された印加部21とを有している。
挿入頭部19は、平行に対向する2つの端面19a,19bを有し、取付凹部15の側壁面15aに面接触可能な円錐台形状に形成されている。2つの端面19a,19bは、一方の端面19aが他方の端面19bに比べて小径に形成されている。挿入頭部19を取付凹部15に挿入した場合に小径側の端面19aが取付凹部15の底面に対向し、この小径側の端面19aには、位置決め溝17に係合する位置決め突起22が形成されている。なお、本実施の形態では、挿入頭部19を円錐台形状に形成した場合を例に挙げているが、角錐台形状に形成してもよい。この場合、取付凹部15の側壁面は、角錐台形状の挿入頭部19に面接触する角型に形成される。
軸部20は、円柱状に形成され、かつ、挿入頭部19の端面19bの直径寸法より小さい直径寸法に形成され、端面19bからこの端面19bと直交する向きに延出して設けられている。軸部20の長さ寸法は、挿入頭部19を取付凹部15に挿入して印加ブロック13を超音波ホーン12に取付けた場合に、印加部21が超音波ホーン12の外周面より外側へ延出する寸法に設定されている。
印加部21の先端には、接続導体3などの接合対象物に対して食い込み可能な形状に形成された複数の凸部23が設けられている。
印加ブロック13の内部には、第2吸引通路24が形成されている。第2吸引通路24の一端は印加部21の先端に開口され、第2吸引通路24の他端は位置決め突起22の先端面に開口されている。挿入頭部19を取付凹部15に挿入して印加ブロック13を超音波ホーン12に取付けた場合、第2吸引通路24と第1吸引通路18とが連通される。
固定部材14は筒形状に形成されており、中央部に断面形状が円形である挿通穴部25が形成され、外周面に雄ネジ部26と角柱部27とが形成され、挿通穴部25の中心線方向に沿った一端側に押圧部28が形成されている。角柱部27は、固定部材14の外周面における雄ネジ部26の一端側に形成され、スパナが嵌合される形状に形成されている。
固定部材14は、印加ブロック13を超音波ホーン12に固定するための部材であり、雄ネジ部26を超音波ホーン12の雌ネジ部16に螺合させることにより超音波ホーン12に着脱可能に取付けられている。挿入頭部19を取付凹部15に挿入した後、固定部材14の雄ネジ部26を雌ネジ部16に螺合させることにより、印加ブロック13の軸部20が挿通穴部25に挿通され、押圧部28が挿入頭部19の端面19bに当接され、挿入頭部19が取付凹部15の側壁面15aに押圧される。挿通穴部25の内径寸法が軸部20の外径寸法より大きく設定され、軸部20の外周面と挿通穴部25の表面との間には隙間29が設けられている。
このような構成において、半導体チップ1とリード端子2bとに接続導体3を超音波接合した半導体装置を製造する場合には、まず、ステージ6上にリードフレーム2と半導体チップ1とをセットする。ついで、水平方向移動テーブル5と上下方向移動テーブル8とを駆動させることにより超音波接合装置10を水平方向及び上下方向に移動させ、印加ブロック13の印加部21を接続導体供給部(図示せず)に載置されている接続導体3に当接させ、真空ポンプを駆動させる。真空ポンプが駆動されることにより、第1吸引通路18と第2吸引通路24とを介して真空ポンプ側に向かう空気の流れが発生し、接続導体3が印加部21に真空吸着される。
印加部21に接続導体3を真空吸着した後、水平方向移動テーブル5と上下方向移動テーブル8とを駆動させ、真空吸着した接続導体3をステージ6の上方に搬送し、搬送した接続導体3を図2に示すように半導体チップ1とリード端子2bとに当接させ、接続導体3に下向きに荷重を印加する。この荷重の印加により、凸部23が接続導体3に食い込む。
接続導体3に予め設定した値の荷重を印加した後、超音波振動発生部11において超音波振動を発生させる。発生した超音波振動は超音波ホーン12を介して印加ブロック13に伝播され、印加ブロック13の印加部21から接続導体3に印加される。半導体チップ1とリード端子2bとに接触している接続導体3に荷重が印加され、さらに、この接続導体3に超音波振動が印加されることにより、半導体チップ1とリード端子2bとに対して接続導体3が超音波接合される。
印加部21から接続導体3に超音波振動を印加する場合に、凸部23が接続導体3に食い込んでいることにより、印加部21と接続導体3との間での滑りの発生が防止され、接続導体3に対して超音波振動が効率良く印加される。このため、半導体チップ1及びリード端子2bに対して接続導体3を超音波接合するために要する時間を短縮することができ、また、接合状態の品質を高めることができる。
超音波ホーン12に取付けられた印加ブロック13は、超音波ホーン12に形成された取付凹部15の側壁面15aと、円錐台形状の挿入頭部19とが面接触し、この面接触する方向へ向けて固定部材14の押圧部28により押圧されている。このため、超音波ホーン12への印加ブロック13の取付状態が安定し、超音波ホーン12から印加ブロック13への超音波振動の伝播を良好に行うことができる。また、印加部21から接続導体3に荷重を印加する場合、印加される荷重の反力を側壁面15aと円錐台形状の挿入頭部19との面接触部で受けることができ、荷重の印加を安定して行うことができる。
接続導体3への超音波振動の印加を、凸部23が接続導体3に食い込んだ状態で繰り返し行うことにより、凸部23を含む印加部21が次第に磨耗する。凸部23を含む印加部21の磨耗量が一定量に達した場合には、印加ブロック13を新しいものに交換する。
印加ブロック13の交換は、固定部材14を取外し、印加ブロック13を取付凹部15から取外し、新しい印加ブロック13を取付凹部15に装着し、固定部材14を締付けることにより行う。
固定部材14の取外しと締付けとは、角柱部27にスパナを嵌合させ、スパナを回して雄ネジ部26と雌ネジ部16との螺合を解除し、又は、螺合させることにより行う。スパナによる固定部材14の取外しと締付けとは、スパナを超音波ホーン12と平行な向きに差し込んで行うことができ、狭い作業スペース内で行うことができる。このため、超音波ホーン12とベース4との間のスペースが狭い場合でも、印加ブロック13の交換を容易に行うことができる。
新しい印加ブロック13を取付凹部15に装着する場合、印加ブロック13の挿入頭部19に形成されている位置決め突起22を、取付凹部15に形成されている位置決め溝17に係合させる。これにより、印加ブロック13の装着位置を一定に維持することができ、印加ブロック13を交換した場合でも超音波ツール12から印加ブロック13への超音波振動の伝播状態を一定に維持することができる。
取付凹部15に装着された印加ブロック13を固定部材14で固定する場合、印加ブロック13の軸部20が固定部材14の挿通穴部25に挿通される。しかし、軸部20と挿通穴部25との間には隙間29が設けられているため、固定部材14の雄ネジ部26を雌ネジ部16に螺合させる作業中に固定部材14が軸部20に接触するということが発生せしない。このため、軸部20が挿通穴部25の内周面に接触して軸部20が変位するということが発生せず、印加ブロック13の取付精度を向上させることができる。
印加ブロック13を超音波ホーン12に固定する部品である固定部材14は、印加ブロック13とは別体に設けられ、印加ブロック13の軸部20の周囲を囲む形状に形成している。このため、印加ブロック13を大型化することなく、固定部材14に形成される雄ネジ部26と、雄ネジ部26と噛み合う雌ネジ部16とを大径に形成することができる。これにより、雄ネジ部26と雌ネジ部16との結合力を高めることができ、超音波ホーン12への印加ブロック13の取付状態を安定させることができる。また、印加ブロック13の小型化を図ることができ、交換部品である印加ブロック13の低コスト化を図ることができる。
軸部20を含む印加ブロック13、及び、固定部材14は、円柱形状を基本として形成されている。このため、角柱形状に形成した場合に比べると、製造時の加工精度を高めることができ、印加ブロック13を超音波ホーン12に取付けた場合の取付制度を向上させることができる。これにより、印加ブロック13や固定部材14の加工精度が原因となるがたつきが発生しにくくなり、超音波ホーン12から印加ブロック13への超音波振動の伝播を効率良く安定して行うことができる。
このように、凸部23を含む印加部21が磨耗した場合には、超音波ホーン12については交換することなく、印加ブロック13のみを交換することができる。この印加ブロック13の交換作業は、固定部材14を取外して取付凹部15から印加ブロック13を取外し、新しい印加ブロック13を取付凹部15に装着して固定部材14を締付けることにより行うことができる。しかも、印加ブロック13の交換時に超音波ホーン12の平行度調整などを行う必要がない。このため、凸部23を含む印加部21が磨耗した場合の部品交換を低コストにて行うことができ、この部品交換を手間をかけずに短時間で行うことができる。
1…半導体チップ、2a…リード端子、3…接合対象物,接続導体、10…超音波接合装置、11…超音波振動発生部、12…超音波ホーン、13…印加ブロック、14…固定部材、15…取付凹部、15a…側壁面、16…雌ネジ部、17…位置決め溝、19…挿入頭部、20…軸部、21…印加部、22…位置決め突起、25…挿通穴部、26…雄ネジ部、27…角柱部、28…押圧部、29…隙間
Claims (6)
- 超音波振動を発生させる超音波振動発生部と、
前記超音波振動発生部から超音波振動が伝播される超音波ホーンと、
前記超音波ホーンに形成され、少なくとも一部にテーパ形状の側壁面を有する取付凹部と、
前記取付凹部に着脱可能に配置され、この取付凹部の前記側壁面に面接触する錐台形状を有する挿入頭部と、この挿入頭部が前記取付凹部に挿入された場合に前記取付凹部の外方に向けて前記挿入頭部から延出する軸部と、この軸部の先端側に形成されて接合対象物に当接される印加部とを有する印加ブロックと、
前記挿入頭部が前記取付凹部に挿入された場合に前記軸部の周囲に対面する部位に形成される雌ネジ部と、
前記軸部が挿通される挿通穴部と、外周面に形成されて前記雌ネジ部に螺合される雄ネジ部と、前記雄ネジ部を前記雌ネジ部に螺合させた場合に前記挿入頭部に当接してこの挿入頭部を前記取付凹部の円錐台形状の前記表面に押圧する押圧部とを有する固定部材と、
を備えることを特徴とする超音波接合装置。 - 前記取付凹部の底面に位置決め溝が形成され、前記挿入頭部の先端に前記位置決め溝と係脱可能な位置決め突起が形成されていることを特徴とする請求項1記載の超音波接合装置。
- 前記軸部が円柱状に形成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。
- 前記軸部の外周面と前記固定部材の前記挿通穴部の表面との間に隙間を有することを特徴とする請求項1ないし3のいずれか一記載の超音波接合装置。
- 前記固定部材の外周側に角柱部が形成されていることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか一記載の超音波接合装置。
- 請求項1ないし5のいずれか一記載の超音波接合装置を用い、半導体チップとリード端子とを接続導体により接続して半導体装置を製造することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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