JP2015095478A - Ultrasonic vibration joining apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超音波振動接合装置に関するものである。 The present invention relates to an ultrasonic vibration bonding apparatus.
従来、２つの部材、たとえば、ＩＣチップ等の電子部品と電気配線板とを接合する装置として、特許文献１に開示される超音波振動接合装置が知られている。かかる超音波振動接合装置では、超音波振動で振動するホーンに電子部品を保持し、ホーンに保持した電子部品を電気配線板に対して押圧させる。つまり、電子部品を電気配線板に押圧させた状態で超音波振動を印加させて電子部品と電気配線板との接合が行われる。電子部品の電気配線板への押圧は、ホーンに加重を付加することで行われている。
2. Description of the Related Art Conventionally, an ultrasonic vibration joining device disclosed in
しかしながら、ホーンに加重を付加すると、加重によりホーンの振動の慣性が大きくなり所定の振幅あるいは振動数を得られなくなる虞がある。 However, if a weight is added to the horn, there is a possibility that the inertia of the vibration of the horn increases due to the weight and a predetermined amplitude or frequency cannot be obtained.
そこで、本発明は、２つの部材を接合する際に超音波振動を用いる超音波接合装置において、接合時に２部材に押圧力を作用させる場合であっても、超音波振動の振幅や振動数に与える影響を小さくできる超音波振動接合装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention is an ultrasonic bonding apparatus that uses ultrasonic vibration when bonding two members, and even if the pressing force is applied to the two members during bonding, the amplitude and frequency of the ultrasonic vibration are adjusted. It is an object of the present invention to provide an ultrasonic vibration bonding apparatus capable of reducing the influence exerted.
上述の課題を解決するため、本発明の超音波振動接合装置は、第１部材と第２部材との間に接合部材を挟んだ状態で、第１部材を第２部材に向けて押圧力を作用させる押圧機構と、第２部材に対して超音波振動を印加する超音波振動印加機構とを有することとする。 In order to solve the above-described problem, the ultrasonic vibration bonding apparatus according to the present invention applies a pressing force toward the second member with the bonding member being sandwiched between the first member and the second member. A pressing mechanism to be applied and an ultrasonic vibration application mechanism that applies ultrasonic vibration to the second member are provided.
また、他の発明は、上述の発明に加え、押圧機構は、第１部材および第２部材の上方に配置され、超音波振動印加機構は、第１部材および第２部材の下方に配置されていることとする。 According to another invention, in addition to the above-described invention, the pressing mechanism is disposed above the first member and the second member, and the ultrasonic vibration applying mechanism is disposed below the first member and the second member. Suppose that
また、他の発明は、上述の発明に加え、第１部材または第２部材の少なくとも一方を介して、接合部材を溶融温度以上の温度に加熱する加熱機構を有することとする。 In addition to the above-described invention, another invention has a heating mechanism for heating the joining member to a temperature equal to or higher than the melting temperature via at least one of the first member and the second member.
また、他の発明は、上述の発明に加え、超音波振動印加機構の超音波の発振周波数は１０ｋＨｚ以上５０ｋＨｚ以下であり、振幅は０．１μｍ以上１０μｍ以下であることとする。 In another invention, in addition to the above-mentioned invention, the ultrasonic oscillation frequency of the ultrasonic vibration applying mechanism is 10 kHz to 50 kHz, and the amplitude is 0.1 μm to 10 μm.
また、他の発明は、上述の発明に加え、押圧機構の押圧力は、０．１Ｎ以上５０Ｎ以下であることとする。 In another invention, in addition to the above-described invention, the pressing force of the pressing mechanism is 0.1 N or more and 50 N or less.
また、他の発明は、上述の発明に加え、超音波振動接合装置は、内部を不活性ガスにて充満し酸素濃度が１００ｐｐｍ以下の低酸素空間を形成する低酸素空間形成機構を有し、第１部材と第２部材との接合を低酸素空間内にて行うこととする。 Further, in addition to the above-described invention, the ultrasonic vibration bonding apparatus has a low oxygen space formation mechanism that fills the interior with an inert gas and forms a low oxygen space with an oxygen concentration of 100 ppm or less. The first member and the second member are joined in a low oxygen space.
また、他の発明は、上述の発明に加え、超音波振動接合装置は、接合が行われた第１部材と第２部材とを冷却する冷却機構を有することとする。 In another invention, in addition to the above-described invention, the ultrasonic vibration bonding apparatus includes a cooling mechanism that cools the first member and the second member that have been bonded.
本発明によれば、接合時に２部材に押圧力を作用させる場合であっても、超音波振動の振幅や振動数に与える影響を小さくできる超音波振動接合装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an ultrasonic vibration bonding apparatus that can reduce the influence on the amplitude and frequency of ultrasonic vibration even when a pressing force is applied to two members during bonding.
（超音波振動接合装置１の全体構造）
図１から図６を参照しながら本発明の実施の形態に係る超音波振動接合装置１について説明する。以下の説明において、図中、矢印Ｘ１−Ｘ２方向を左方（左側）−右方（右側）、矢印Ｙ１−Ｙ２方向を前方（前側）−後方（後側）、矢印Ｚ１−Ｚ２方向を上方（上側）−下方（下側）として説明を行う。
(Overall structure of ultrasonic vibration bonding apparatus 1)
An ultrasonic
図１は、超音波振動接合装置１を右斜め前方から見た外観を示す斜視図である。図２は、超音波振動接合装置１を上方から見た外観を示す平面図である。図３は、超音波振動接合装置１を正面から見た外観を示す正面図であり、筐体１１の前面側板１１Ｄ（図１参照）を取り外した状態を示している。図４は、超音波振動接合装置１のうち、後述する、保持機構２、セット機構４、超音波振動印加機構５、エアーシリンダ７、低酸素空間形成機構８およびダクト３８の互いの位置関係と概略の構成を示す図である。図５は、超音波振動接合装置１の保持機構２と、この保持機構２を上下・左右・前後に移動させる移動機構３を示す図である。図６は、超音波振動接合装置１のセット機構４および超音波振動印加機構５を示す図である。
FIG. 1 is a perspective view showing an appearance of the ultrasonic
超音波振動接合装置１は、図４に示すように、半田Ｓを介して重ねられた第１部材Ｍ１と第２部材Ｍ２とを互いに押圧させた状態で超音波振動を印加させつつ加熱し半田Ｓを溶融させた後、半田Ｓを冷却し第１部材Ｍ１と第２部材Ｍ２とを半田Ｓを介して接合させるための装置である。半田Ｓは、第１部材Ｍ１と第２部材Ｍ２とを接合させる接合部材として機能する。
As shown in FIG. 4, the ultrasonic
超音波振動接合装置１は、保持機構２と、移動機構３と、セット機構４と、超音波振動印加機構５と、加熱機構６（図４，６参照）と、押圧機構としてのエアーシリンダ７と、低酸素空間形成機構８と、冷却機構９（図３，６参照）と、超音波振動印加機構５および冷却機構９を所定の位置に移動させる移動機構１０（図３，６参照）と、筐体１１と、基台１２と、超音波振動接合装置１の各機構の駆動を制御する図示外の制御部とを有する。該制御部は、所定のセンサからの信号や操作者からの指令等に基づき、超音波振動接合装置１の駆動制御を行う。
The ultrasonic
保持機構２は、第１部材Ｍ１と第２部材Ｍ２とを接合する際に、第１部材Ｍ１を保持するための機構である。移動機構３は、保持機構２を上下・左右・前後に移動させるための機構である。セット機構４は、第１部材Ｍ１と第２部材Ｍ２との接合処理に先立ち、第２部材Ｍ２（図４参照）を、超音波振動接合装置１の所定の位置にセットする（据え置く）ための機構である。
The
超音波振動印加機構５は、第１部材Ｍ１と第２部材Ｍ２とが半田Ｓを介して重ねられたときに、第２部材Ｍ２に対して超音波振動を印加するための機構である。第２部材Ｍ２に印加された超音波振動は、半田Ｓおよび第１部材Ｍ１にも伝播する。加熱機構６は、第１部材Ｍ１と第２部材Ｍ２との間に挟持された半田Ｓを加熱し溶融させるための機構である。エアーシリンダ７は、超音波振動印加機構５により超音波振動が印加されている第２部材Ｍ２に半田Ｓを介して重ねられた第１部材Ｍ１を、第２部材Ｍ２に向けて押圧するための機構である。
The ultrasonic vibration applying mechanism 5 is a mechanism for applying ultrasonic vibration to the second member M2 when the first member M1 and the second member M2 are overlapped via the solder S. The ultrasonic vibration applied to the second member M2 also propagates to the solder S and the first member M1. The
低酸素空間形成機構８は、第１部材Ｍ１と第２部材Ｍ２との接合時に、半田Ｓの酸化を抑えるために第１部材Ｍ１、半田Ｓおよび第２部材Ｍ２が配置される空間を低酸素空間とするための機構である。冷却機構９は、第１部材Ｍ１と第２部材Ｍ２との間で溶融された半田Ｓを冷却するための機構である。移動機構１０は、超音波振動印加機構５を第２部材Ｍ２に超音波振動を印加することができる位置である加振位置と、超音波振動印加機構５を加振位置から退避させると共に冷却機構９を半田Ｓの冷却を行うことができる位置である冷却位置とに移動させるための機構である。筐体１１は、超音波振動印加機構５、加熱機構６、低酸素空間形成機構８および冷却機構９を覆うカバーである。
The low oxygen
保持機構２、移動機構３、セット機構４、超音波振動印加機構５、加熱機構６、エアーシリンダ７、低酸素空間形成機構８、冷却機構９、移動機構１０および筐体１１は、基台１２上に構築されている。超音波振動印加機構５とエアーシリンダ７とは、セット機構４を挟んで上下に配置されている。本実施の形態における超音波振動接合装置１においては、超音波振動印加機構５が、セット機構４の下側に、エアーシリンダ７がセット機構４の上側に配置されている。
The
（保持機構２）
保持機構２は、本実施の形態では、真空吸引にて吸着面１３に第１部材Ｍ１を吸引保持する真空吸引式のチャック機構にて構成されている。吸着面１３には、図示外の真空ポンプ（保持機構用真空ポンプ）に連通する図示外の吸引孔が形成され、この吸引孔に負圧を発生させることで、吸着面１３に第１部材Ｍ１を吸引保持することができる。なお、保持機構２は、固定具（たとえば、パッチン錠）１４より保持機構マウント１５に対して着脱自在に取り付けられている。保持機構２を保持機構マウント１５に対して着脱自在とすることで、第１部材Ｍ１の大きさ等に応じて、保持機構２を適宜の大きさや材質あるいは吸引力のものに取り換えることができる。
(Holding mechanism 2)
In the present embodiment, the
移動機構３は、昇降機構１６、左右移動機構１７および前後移動機構１８を有する。保持機構２は、昇降機構１６により上下方向に移動可能であり、また、左右移動機構１７により左右方向に移動可能であり、さらに、前後移動機構１８により前後方向に移動可能である。つまり、第１部材Ｍ１は、保持機構２に保持された状態で、上下・左右・前後に移動可能とされる。
The moving
昇降機構１６は、モーター１９と、このモーター１９により回転される図示外のリードねじと、このリードねじに係合する図示外のナットと、保持機構２が取り付けられる昇降板２０とを有する。該ナットは昇降板２０に取り付けられている。昇降機構１６は、昇降機構取付盤２１に対して取り付けられている。モーター１９により該リードねじが回転することで、該ナットが取り付けられる昇降板２０が、該リードねじの回転方向に対応して上下方向に移動することができる。つまり、保持機構２が上下方向に移動することができる。
The
左右移動機構１７は、前後方向に延びる前後ガイド部２２Ｒ，２２Ｌに架け渡される左右ガイド部２３と、モーター２４と、このモーター２４により回転される図示外のリードねじと、このリードねじに係合する図示外のナットとを有する。該ナットは、昇降機構取付盤２１に対して取り付けられている。昇降機構１６が取り付けられる昇降機構取付盤２１は、左右ガイド部２３にガイドされて左右方向に移動可能に取り付けられている。モーター２４により該リードねじが回転することで、該ナットが取り付けられる昇降機構取付盤２１が、該リードねじの回転方向に対応して左右方向に移動することができる。つまり、保持機構２は、昇降機構取付盤２１に取り付けられる昇降機構１６と共に左右方向に移動することができる。
The left and right moving
前後移動機構１８は、左右に互いに平行に配置される前後ガイド部２２Ｒ，２２Ｌを有する。左右ガイド部２３が、前後ガイド部２２Ｒ，２２Ｌに、前後ガイド部２２Ｒ，２２Ｌによる前後方向へのガイドを受けて移動可能に取り付けられている。また、前後移動機構１８は、モーター２５Ｒ，２５Ｌと、モーター２５Ｒ，２５Ｌにそれぞれ備えられ回転される図示外のリードねじと、各リードねじに係合する図示外のナットとを有する。該各ナットは左右ガイド部２３に取り付けられ、モーター２５Ｒ，２５Ｌにより該各リードねじが回転することで、回転方向に対応して左右ガイド部２３が前後方向に移動することができる。つまり、保持機構２は、左右ガイド部２３と共に前後方向に移動することができる。
The front / rear moving
前後ガイド部２２Ｒ，２２Ｌは、基台１２の上面１２Ａに取り付けられる支持柱２６を介して基台１２に対して支持されている。支持柱２６は、左右それぞれに２本ずつ前後に配置されている。前後ガイド部２２Ｒ，２２Ｌには、左右ガイド部２３が架け渡されている。また、左右ガイド部２３には、昇降機構取付盤２１が取り付けられている。つまり、昇降機構１６、左右移動機構１７および前後移動機構１８は、支持柱２６を介して基台１２上に構築されている。
The front and
昇降機構取付盤２１には、撮影機構としてのカメラ２７と、落射照明２８（図３，５参照）と、同軸照明２９（図３，５参照）とが取り付けられている。落射照明２８および同軸照明２９は、カメラ２７の撮影範囲を照明することができる。カメラ２７および落射照明２８は、カメラ２７の撮影光軸が落射照明２８の中心孔２８Ａの中心を通るように互いに配置されている。撮影光軸中には図示外のハーフミラーが配置され、その反射面は撮影光軸に対して４５度とされている。同軸照明２９は、撮影光軸に対して直交する方向から該反射面に光を入射させる。したがって、同軸照明２９から照射された光は該ハーフミラーで撮影光軸に沿って下方に反射される。
A
昇降機構取付盤２１に取り付けられるカメラ２７、落射照明２８および同軸照明２９は、左右方向および前後方向に保持機構２と一体に移動することができる。なお、カメラ２７の撮影時の必要な光量が確保できれば落射照明２８と同軸照明２９の少なくとも一方を備えない構成としてもよい。
The
（セット機構４）
セット機構４は、第１部材Ｍ１と第２部材Ｍ２とを接合するに際し、第２部材Ｍ２を超音波振動接合装置１の所定の位置にセットする（据え置く）ための機構である。セット機構４は、図４に示すように、板状体を呈するパレット３０と、このパレット３０を保持するパレット保持部３１とを有する。
(Set mechanism 4)
The
パレット３０は、半田の溶融温度に対して耐熱性を有すると共に、超音波振動を伝播できるように、たとえば、鉄鋼やチタン合金やアルミ合金の板体により形成される。パレット３０は、たとえば、縦横約１５０ｍｍの矩形を呈し、厚み２ｍｍ程度の板状体である。パレット保持部３１は、後述する側板部３６Ｂおよび側板部３６Ｄを介して筐体１１の上板部１１Ａに対して取り付けられている。
The
パレット保持部３１は、パレット載置部３１Ａと、移動規制部３１Ｂとを有し、パレット載置部３１Ａの内側には孔部３１Ｃが形成されている。パレット載置部３１Ａは、孔部３１Ｃを囲むように形成される面部であり、パレット３０を載置することができる。パレット載置部３１Ａは、孔部３１Ｃからパレット３０が下方に落下しないようにパレット３０の底面の周縁部に当接できるように大きさおよび形状が設定されている。
The
移動規制部３１Ｂは、パレット載置部３１Ａを囲むように配置され、パレット載置部３１Ａの外周部から上方に向けて立ち上がる段部である。パレット３０は、パレット載置部３１Ａに載置したときに、移動規制部３１Ｂにより前後左右への移動が規制される。移動規制部３１Ｂの高さ寸法は、パレット３０の厚さ寸法よりも大きい。したがって、パレット載置部３１Ａにパレット３０が載置された状態で、パレット３０の上面は、移動規制部３１Ｂの上端よりも下方に位置する。
The
孔部３１Ｃは、後述するホーン３２が内側に挿入されたときに、孔部３１Ｃの内周縁とホーン３２の側面との間に間隙が形成される大きさに設定されている。また、移動規制部３１Ｂがパレット３０および孔部３１Ｃを囲む大きさ、すなわち移動規制部３１Ｂの孔部３１Ｃおよびパレット載置部３１Ａを囲む空間の前後方向および左右方向の大きさは、パレット載置部３１Ａ上にパレット３０を載置したときに、パレット３０の外周端面との間に間隙が形成される大きさに設定されている。該間隙が形成されることで、パレット３０の外周面と移動規制部３１Ｂとが接触し難くなる。パレット３０と移動規制部３１Ｂとの接触を防ぐことで、後述するように、ホーン３２がパレット３０に超音波振動を印加した際に、パレット３０が移動規制部３１Ｂに接触することによる超音波振動のエネルギーの損失を防止できる。
The
パレット載置部３１Ａ上に載置されたパレット３０の上に第２部材Ｍ２が載置された状態が、超音波振動接合装置１の所定位置に第２部材Ｍ２がセットされた状態である。パレット３０の上面よりも移動規制部３１Ｂの上端の方が高い。そのため、第２部材Ｍ２をパレット３０に載置する際の前後左右方向の位置を移動規制部３１Ｂの内側となる所定の位置にセットすることができる。
The state where the second member M2 is placed on the
なお、パレット３０には、孔部３０Ａが形成されている。この孔部３０Ａは、後述するホーン３２の上面３２Ａに形成される吸引溝３２Ｂに対応する位置に形成され、孔部３０Ａを介してパレット３０の上側と下側とは連通している。また、パレット３０の上面には、孔部３０Ａにつながる図示外の溝部が形成されている。
The
（超音波振動印加機構５）
超音波振動印加機構５は、図３に示すように、基台１２の上面１２Ａ上に構築されている。超音波振動印加機構５は、図４に示すように、ホーン３２と、振動発振部３３と、ブースタ３４とを有している。ホーン３２は、超音波を共振させ易くするため、鉄鋼やアルミ合金やチタン合金等の金属で構成されている。振動発振部３３は、たとえば、圧電セラミックス等の圧電素子に電圧を印加したときのピエゾ効果により超音波振動を発振する構成である。振動発振部３３は、磁気歪効果により超音波振動を発振する構成のものを使用することもできる。
(Ultrasonic vibration application mechanism 5)
The ultrasonic vibration applying mechanism 5 is constructed on the
振動発振部３３で発振された超音波振動は、ブースタ３４を介して共鳴体であるホーン３２に伝播される。ブースタ３４およびホーン３２により、振動発振部３３で発振された超音波振動の振幅は、接合される第１部材Ｍ１および第２部材Ｍ２の材質や大きさ等の接合条件に応じた振幅に増幅させられる。
The ultrasonic vibration oscillated by the vibration oscillating unit 33 is propagated through the
ホーン３２の上面３２Ａには、吸引溝３２Ｂが形成されている。ホーン３２には、吸引溝３２Ｂに連通する図示外の空気流通孔が形成され、この空気流通孔は、図示外の真空ポンプ（ホーン用真空ポンプ）に連通している。したがって、該ホーン用真空ポンプを駆動することで、吸引溝３２Ｂ内に負圧を発生させることができる。
A
（エアーシリンダ７）
エアーシリンダ７は、昇降板２０に取り付けられ、エアーシリンダ７のピストンロッド７Ａは、保持機構マウント１５に連結されている。エアーシリンダ７は、ピストンロッド７Ａを上下方向に移動させることができる。ピストンロッド７Ａを下方に移動させることで保持機構マウント１５を下方に移動させることができる。
(Air cylinder 7)
The
第１部材Ｍ１と第２部材Ｍ２との接合に際しては、半田Ｓを介して重ね合わせられた第１部材Ｍ１と第２部材Ｍ２とを、保持機構２とホーン３２との間に挟み込む。そして、エアーシリンダ７により保持機構２からホーン３２側（下方）へ押圧力を作用させ、第１部材Ｍ１を第２部材Ｍ２に対して押圧する。第１部材Ｍ１と第２部材Ｍ２とが互いに押圧されている状態で超音波振動印加機構５を駆動し、ホーン３２から第２部材Ｍ２に超音波振動を印加する。なお、エアーシリンダ７のエアー圧を変更することで、保持機構２のホーン３２側（下方）への押圧力を変えることができる。
When the first member M1 and the second member M2 are joined, the first member M1 and the second member M2, which are superposed via the solder S, are sandwiched between the holding
（加熱機構６）
加熱機構６は、第２部材Ｍ２への超音波振動の印加に併せて、半田Ｓを加熱し溶融させるための機構である。超音波振動接合装置１において、加熱機構６は、ホーン３２と、このホーン３２内に配置される発熱体３５とを有する。図４，６においては、例示的に６個の発熱体３５が備えられている。発熱体３５が発熱することで、ホーン３２が加熱される。第２部材Ｍ２に超音波振動を印加するに当たり、予め発熱体３５を発熱させホーン３２を加熱させておく。これにより、第２部材Ｍ２に超音波振動を印加する際に、第２部材Ｍ２を介して半田Ｓを加熱し溶融させるまでの時間を短縮することができる。
(Heating mechanism 6)
The
発熱体３５は、通電により発熱するニクロム線等の発熱体をセラミック成形体の内部に埋め込んだセラミックヒータや、発熱体を金属シース（パイプ）に収納しシース内を絶縁物により充填させたシーズヒータやカートリッジヒータ、あるいは発熱体の周囲をシリコンゴムで被覆したシリコンヒータを用いることができる。
The
加熱機構６は、保持機構２の側に発熱体３５を備える構成であってもよい。つまり、第１部材Ｍ１の側から半田Ｓが加熱させる構成であってもよい。しかしながら、ホーン３２は、超音波を共振させ易くするため、鉄鋼やアルミ合金やチタン合金等の金属で構成されている。そのため、ホーン３２は、保持機構２に比べて高密度に構成されているため熱容量および熱伝導率が大きい。したがって、ホーン３２に発熱体３５を備えることで、半田Ｓの加熱を効率的に行うことができる。
The
（低酸素空間形成機構８）
低酸素空間形成機構８は、低酸素室３６（図２，４参照）と、低酸素室３６内に不活性ガスとして窒素ガスを流入させることができる図示外の窒素流入機構と、シャッタ３７（図１，２，４参照）とを有する。低酸素室３６内が低酸素空間として形成されている。
(Low oxygen space formation mechanism 8)
The low oxygen
低酸素室３６は、窒息ガスの吹出し口３６Ａ（図４参照）を有する側板部３６Ｂと、半田Ｓの加熱時に発生するヒュームを後述するダクト部３８に排気する排気口３６Ｃ（図１，３参照）を有する側板部３６Ｄと、パレット３０と、パレット保持部３１と、シャッタ３７と、保持機構２とに囲まれる空間である。側板部３６Ｂは、上板部１１Ａに形成される開口部１１Ｂの左右に配置され、低酸素室３６とその外部とを左右において仕切る。側板部３６Ｄは、上板部１１Ａに形成される開口部１１Ｂの前後に配置され、低酸素室３６とその外部とを前後において仕切る。パレット３０およびパレット保持部３１は、低酸素室３６の底部に配置され、低酸素室３６とその外部とを底部において仕切る。開口部１１Ｂは、シャッタ３７と保持機構２とにより閉鎖される。
The
低酸素室３６の左右前後の側方および下方は、ダクト部３８（図３，４参照）により覆われている。ダクト部３８は、上板部１１Ａに固定されている。ダクト部３８は、活性炭フィルタ等を有する図示外の集塵装置に連通し、半田Ｓを加熱する際に発生するヒュームは、ダクト部３８から集塵装置に排気される。また、ダクト部３８は，冷却機構９による超音波振動印加機構５および冷却機構９の左右方向への移動を許容できる形状とされている。具他的には、前後方向の中央部に、上方へ向かって凹む凹部が左右方向に沿って形成され、この凹部に沿って超音波振動印加機構５および冷却機構９が左右方向に移動することができる。図４に示すダクト部３８は、該凹部の左右方向に沿う面における断面の概略形状を示す。
The lateral sides and the lower side of the
凹部の底板部３８Ａには、ホーン３２および後述する放熱体３９の突出部４０の部分が挿通できるように孔部３８Ｂが形成されている。ホーン３２と孔部の内周縁との間は、ホーン３２が底板部３８Ａに接触しないように間隙が形成されている。この間隙は、たとえば、１ｍｍ程度であり、また、ダクト部３８内は、大気に比べて陰圧となっている。そのため、ダクト部３８内のヒュームを含んだ空気はダクト部３８外に流出し難くい。また、該間隙が形成されることで、ホーン３２の超音波振動のエネルギーが低酸素室３６に伝播することを抑制でき、振動エネルギーの損失を抑えることができる。該間隔は、１ｍｍに限定されるものではなく、ダクト部３８内の陰圧状態を維持できる間隔であればよい。ホーン３２および突出部４０の孔部３８Ｂに挿通されている部分の形状は略同一であり、突出部４０と底板部３８Ａとの間にも１ｍｍ程度の隙間が形成される。
A
筐体１１の上板部１１Ａには、開口部１１Ｂが形成されている。開口部１１Ｂは、筐体１１の左右方向の略中央位置に配置され、シャッタ３７により開閉される。図１は、シャッタ３７が右方に移動され、開口部１１Ｂが開口されている状態が示されている。シャッタ３７が、開口部１１Ｂの位置に配置されているときが、シャッタ３７の開口部１１Ｂの閉鎖位置である。図４は、シャッタ３７が閉鎖位置に配置されている状態を示している。シャッタ３７には、開口部３７Ａが形成されている。したがって、シャッタ３７が開口部１１Ｂの位置に配置されただけでは、開口部１１Ｂを閉鎖することができない。
An
開口部３７Ａは、保持機構２を挿通可能である。保持機構２を開口部３７Ａに挿通させることで、保持機構２は、保持機構２に保持した第１部材Ｍ１をセット機構４にセットされている第２部材Ｍ２に重ね合わせることができる。
The
開口部３７Ａに保持機構２が挿通されたときの、保持機構２と開口部３７Ａとの間の間隙は、たとえば、１ｍｍ程度である。低酸素室３６内には窒素ガスが流入されるため、大気圧に対して陽圧となる。したがって、該間隔が１ｍｍ程度であれば、低酸素室３６内に窒素ガスを流入させたときに、低酸素室３６外の空気が低酸素室３６内に流入し難くい。該間隔は、１ｍｍに限定されるものではなく、低酸素室３６内の陽圧状態を維持できる間隔であればよい。
The gap between the holding
図以外の窒素ガス流入機構は、窒素ガスボンベ内の窒素ガスを側板部３６Ｂに形成される吹出し口３６Ａから低酸素室３６内に流入させることができる機構である。窒素ガスボンベと低酸素室３６とを連通する図示外のガス管が備えられ、このガス管に備えられる図示外の電磁ベンの開閉により、窒素ガスボンベから低酸素室３６内への窒素ガスの流入を制御することができる。
The nitrogen gas inflow mechanism other than the drawing is a mechanism that allows the nitrogen gas in the nitrogen gas cylinder to flow into the
シャッタ３７が開口部１１Ｂの閉鎖位置に配置され、保持機構２が開口部３７Ａに挿通された状態で、窒素ガス流入機構（図示外）から吹出し口３６Ａを介して低酸素室３６内に窒素ガスが流入される。ダクト部３８内は、図示外の集塵装置による吸引により負圧の状態とされ、低酸素室３６内のヒュームは、排気口３６Ｃからダクト部３８に排出される。
In a state where the
図示外の集塵装置による吸引力と排気口３６Ｃの開口面積や数は、低酸素室３６内に窒素ガスの流入が行われている状態で、低酸素室３６内が陽圧（外気圧よりも高い圧力）となるように設定されている。そのため、低酸素室３６内を窒素ガスで充満させた状態としながら、ヒュームをダクト部３８側に排出させることができる。
The suction force by the dust collector (not shown) and the opening area and the number of the
（冷却機構９）
図６に示すように、冷却機構９は、アルミ等の熱伝導性に優れた金属板である放熱体３９と、この放熱体３９内に形成され空気を流通させる図示外の空気流路と、この空気流路に空気を送り込む図示外のエアーコンプレッサとを有する。エアーコンプレッサから送出される空気は、バルブ４１から空気流路に送り込まれ、空気流路を通った空気は、空気放出部４２から放熱体３９の外側に排気される。空気が放熱体３９に形成される空気流路を通過し空気放出部４２から排気されることで、放熱体３９の放熱が促される。図６では、例示的に、４つの空気放出部４２が設けられている。
(Cooling mechanism 9)
As shown in FIG. 6, the
また、放熱体３９には上方に突出する突出部４０が形成され、この突出部４０の上面４０Ａには、吸引溝４０Ｂが形成されている。放熱体３９には、吸引溝４０Ｂに連通する図示外の空気流通孔が形成され、この空気流通孔は、図示外の真空ポンプ（放熱体用真空ポンプ）に連通している。したがって、該放熱体用真空ポンプを駆動することで、吸引溝４０Ｂ内に負圧を発生させることができる。
Further, the
（移動機構１０）
図６に示すように、移動機構１０は、超音波振動印加機構５および放熱体３９が載置されるステージ４３と、ステージ４３の左右方向への移動をガイドするガイドレール４４と、ステージ４３をガイドレール４４に沿って左右に移動させる駆動部であるエアーシリンダ４５と、放熱体３９を上下に移動させるアクチュエータ４６と、ホーン３２を上下に移動させるアクチュエータ４７とを有する。アクチュエータ４６およびアクチュエータ４７は、たとえば、電磁アクチュエータにて構成できる。
(Movement mechanism 10)
As shown in FIG. 6, the moving
超音波振動印加機構５および放熱体３９は、ブラケット４８によりステージ４３に対して固定されている。ガイドレール４４は、前後に２本平行に配置され、基台１２の上面に対して固定されている。エアーシリンダ４５も前後に２本に配置され、ブラッケト４９により基台１２に対して固定されている。基台１２には、ステージ４３の左右方向の停止位置を決めるストッパ５０が備えられている。ストッパ５０は、ステージ４３の左右に１つずつ備えられている。
The ultrasonic vibration applying mechanism 5 and the
エアーシリンダ４５は、第１部材Ｍ１と第２部材Ｍ２との接合を行うに先立ち、ホーン３２を第２部材Ｍ２の下方となる加振位置に配置させることができる。そして、アクチュエータ４７を駆動しホーン３２を上方に移動させることで、ホーン３２の上面３２Ａが、第２部材Ｍ２が載置されているパレット３０に当接させられる。
Prior to joining the first member M1 and the second member M2, the
エアーシリンダ４５は、半田Ｓの冷却を行うに先立ち、放熱体３９を第２部材Ｍ２の下方となる冷却位置に配置させることができる。そして、アクチュエータ４６を駆動し放熱体３９を上方に移動させることで、駆動し放熱体３９の突出部４０が、第２部材Ｍ２が載置されているパレット３０に当接させられる。
Prior to the cooling of the solder S, the
（超音波振動接合装置１の動作）
次に、図７を参照しながら、第１部材Ｍ１と第２部材Ｍ２とを接合するための処理工程を、超音波振動接合装置１の動作を含めて説明する。
(Operation of the ultrasonic vibration bonding apparatus 1)
Next, processing steps for joining the first member M1 and the second member M2 will be described, including the operation of the ultrasonic
（パレット３０をセット機構４にセット：ステップＳ１０）
先ず、パレット３０をセット機構４にセットする（ステップＳ１０）。具体的には、シャッタ３７を右方に移動させ、開口部１１Ｂを開口させ、開口部１１Ｂを通してパレット３０をパレット載置部３１Ａに載置する。
(Set the
First, the
操作者は、開口されている開口部１１Ｂを介して、上板部１１Ａの上方からセット機構４に、手指をアクセスすることができる。操作者は、開口部１１Ｂを通してパレット３０をパレット載置部３１Ａに手作業で載置することができる。なお、パレット３０は、予めパレット載置部３１Ａに載置されていてもよく、また、接合する第２部材Ｍ２および第１部材Ｍ１の大きさや材質などに応じて適宜に変更することができる。パレット載置部３１Ａに載置されたパレット３０は、移動規制部３１Ｂにより左右前後への移動を規制される。
The operator can access a finger from above the
（第２部材Ｍ２をセット機構４にセット：ステップＳ２０）
次に、第２部材Ｍ２をパレット３０の上に載置し、さらに、第２部材Ｍ２の上にシート状の半田Ｓを載置する（ステップＳ２０）。第２部材Ｍ２のパレット３０への載置は、開口部１１Ｂを介して操作者が手作業で行うことができる。なお、第２部材Ｍ２は、ホーン３２の中心Ｘに第２部材Ｍ２の中心ができるだけ近くなるようにパレット３０に載置することが好ましい。パレット３０に第２部材Ｍ２が載置され、さらに第２部材Ｍ２上に半田Ｓが載置された状態で、シャッタ３７を左方に移動し、シャッタ３７の開口部３７Ａを筐体１１の開口部１１Ｂに重なる位置に移動させる。
(The second member M2 is set in the setting mechanism 4: Step S20)
Next, the second member M2 is placed on the
（低酸素室３６内の低酸素化および第１部材Ｍ１をセット機構４にセット：ステップＳ３０）
次に、低酸素室３６内を低酸素化した状態で、セット機構４にセットされた第２部材Ｍ２上に第１部材Ｍ１を載置する（ステップＳ３０）。上板部１１Ａの右側に配置されるストッカ部１１Ｃには、予め２枚の第１部材Ｍ１が載置されている。ストッカ部１１Ｃには、左右に２枚の第１部材Ｍ１を載置することができる。保持機構２は、ストッカ部１１Ｃに載置されている第１部材Ｍ１を吸引保持し、吸引保持した第１部材Ｍ１をセット機構４にセットされている第２部材Ｍ２上に載置する。
(Reducing oxygen in the
Next, the first member M1 is placed on the second member M2 set in the
保持機構２のストッカ部１１Ｃからセット機構４への移動は、昇降機構１６、左右移動機構１７および前後移動機構１８により行われる。超音波振動接合装置１は、カメラ２７による映像に基づき、ストッカ部１１Ｃに載置されている第１部材Ｍ１の位置を確認しながら、保持機構２の吸着面１３がストッカ部１１Ｃに載置された第１部材Ｍ１に当接するように保持機構２を移動する。そして、超音波振動接合装置１は、吸着面１３を第１部材Ｍ１に当接させた状態で、図示外の保持機構用真空ポンプを駆動し、吸着面１３に形成されている図示外の吸引孔に負圧を発生させ、第１部材Ｍ１を保持機構２に吸引保持する。
The movement of the
超音波振動接合装置１は、保持機構２に第１部材Ｍ１を吸引保持した後、保持機構２をセット機構４に移動し、カメラ２７による映像に基づき、セット機構４にセットされている第２部材Ｍ２の位置を確認しながら、第１部材Ｍ１を第２部材Ｍ２上に載置する。第１部材Ｍ１を第２部材Ｍ２に載置する際、シャッタ３７は閉鎖位置に配置されている。したがって、超音波振動接合装置１は、第１部材Ｍ１を第２部材Ｍ２上に載置する際、保持機構２を開口部３７Ａに挿通できるように移動させる。
The ultrasonic
開口部３７Ａに保持機構２が挿通され、第１部材Ｍ１を第２部材Ｍ２上に載置する前に、図示外の窒素流入機構により吹出し口３６Ａから低酸素室３６内に窒素ガスを流入させる。上述したように、保持機構２と開口部３７Ａとの間の間隙は、たとえば、１ｍｍ程度である。そのため、開口部３７Ａに保持機構２を挿通した状態で、低酸素室３６内に窒素ガスを流入させると、低酸素室３６内は、窒素ガスで充満され低酸素空間となる。超音波振動接合装置１は、低酸素室３６内を低酸素空間とした状態で、すなわち、低酸素室３６内を低酸素空間とした後、保持機構２に吸引保持した第１部材Ｍ１を第２部材Ｍ２上に載置する。
Before the
低酸素室３６内には、図示外の酸素濃度センサーが備えられている。超音波振動接合装置１は、開口部３７Ａに保持機構２を挿通した状態で、低酸素室３６内に窒素ガスを流入させ、酸素濃度センサーにて低酸素室３６内の酸素濃度を測定する。そして、所定の酸素濃度以下となった後、保持機構２を下方に移動させ、第１部材Ｍ１を第２部材Ｍ２上に載置する。
In the
ストッカ部１１Ｃには、第１部材Ｍ１が載置される載置面を加温する図示外の加熱機構が備えられ、第１部材Ｍ１は、第２部材Ｍ２に載置される前に加熱されている。そのため、第２部材Ｍ２の超音波の印加に併せて半田Ｓを溶融させる温度に半田Ｓを加熱するまでの時間の短縮を図ることができる。
The
また、ストッカ部１１Ｃには、２枚の第２部材Ｍ２が載置可能である。そのため、ストッカ部１１Ｃに載置した順に、第１部材Ｍ１をセット機構４に移動することで、セット機構４に移動させる第１部材Ｍ１の加熱を十分に行うことができる。
In addition, two second members M2 can be placed on the
（第１部材Ｍ１の下方への押圧：ステップＳ４０）
続いて、超音波振動接合装置１は、第２部材Ｍ２に第１部材Ｍ１を載置した状態で、エアーシリンダ７を駆動し、第１部材Ｍ１を第２部材Ｍ２に向けて（下方に）押圧させる（ステップＳ４０）。第１部材Ｍ１と第２部材Ｍ２とは、パレット載置部３１Ａと保持機構２との間で互いに押圧される状態となる。
(Pressing downward of the first member M1: Step S40)
Subsequently, the ultrasonic
（第２部材Ｍ２をホーン３２に固定：ステップ５０）
続いて、第２部材Ｍ２をホーン３２の上面３２Ａに固定する（ステップＳ５０）。具体的には、超音波振動接合装置１は、アクチュエータ４７を駆動し、ホーン３２を上方に移動させホーン３２の上面３２Ａをパレット３０の下面に当接させる。この際、超音波振動接合装置１は、エアーシリンダ７の押圧力に抗してパレット３０をパレット載置部３１Ａからわずかに上方に離間させるようにアクチュエータ４７を駆動する。離間させる距離は、ホーン３２が第２部材Ｍ２に超音波振動を印加させたとき、パレット３０からパレット載置部３１Ａに振動が直接伝播しない程度である。なお、第１部材Ｍ１と第２部材Ｍ２との接合工程を開始するに先立ち、超音波振動接合装置１は、エアーシリンダ４５を駆動し、ホーン３２を孔部３０Ａの下方となる加振位置に配置させる。
(The second member M2 is fixed to the horn 32: Step 50)
Subsequently, the second member M2 is fixed to the
超音波振動接合装置１は、ホーン３２の上面３２Ａをパレット３０の下面に当接させる際、図示外のホーン用真空ポンプを駆動し、吸引溝３２Ｂ内に負圧を発生させる。この吸引力により、パレット３０が上面３２Ａに吸引され、また、孔部３０Ａを介してパレット３０に載置される第２部材Ｍ２をパレット３０側に吸引する。つまり、パレット３０および第２部材Ｍ２は、吸引溝３２Ｂに発生される負圧によりホーン３２に対して固定される。なお、パレット３０の上面に、孔部３０Ａにつながる溝部（図示外）が形成されているため、この溝部にも負圧が生じ、第２部材Ｍ２をパレット３０により確実に吸引することができる。
When the
超音波振動接合装置１は、ホーン３２に第２部材Ｍ２を固定する前に、予め、発熱体３５の発熱を開始し、ホーン３２を加熱させておく。これにより、半田Ｓが加熱され溶融するまでの時間を短縮できる。
Prior to fixing the second member M2 to the
（超音波振動の印加：ステップＳ６０）
第１部材Ｍ１と第２部材Ｍ２とが押圧されている状態で、超音波振動接合装置１は、超音波振動印加機構５を駆動し、第２部材Ｍ２に超音波振動を印加する（ステップ６０）。この際、ホーン３２は、パレット３０および第２部材Ｍ２を介して半田Ｓに熱を伝導させ半田Ｓを溶融できる温度に加熱されている。そのため、第２部材Ｍ２への超音波振動の印加に併せて、半田Ｓが溶融される。
(Application of ultrasonic vibration: Step S60)
In a state where the first member M1 and the second member M2 are pressed, the ultrasonic
第１部材Ｍ１と第２部材Ｍ２との接合面に介在する半田Ｓが溶融した状態で、超音波振動が印加されることで、接合面の酸化膜の除去が行われ、半田Ｓと第２部材Ｍ２および第１部材Ｍ１との接合強度が向上させられる。また、低酸素室３６には窒素ガスが充満され酸素濃度が外気に比べて低くなっている。このため、接合面の酸化を抑制させた状態で、半田Ｓと第２部材Ｍ２および第１部材Ｍ１との接合を行うことができる。超音波振動接合装置１は、母材（第２部材Ｍ２および第１部材Ｍ１）と半田Ｓとの結合が十分に行わるまでの時間、超音波振動の印加と加熱を行う。なお、パレット３０は、パレット載置部３１Ａから離間しているため、超音波振動がパレット載置部３１Ａに直接伝わることがない。
The ultrasonic vibration is applied in a state where the solder S interposed in the joint surface between the first member M1 and the second member M2 is melted, whereby the oxide film on the joint surface is removed, and the solder S and the second member The bonding strength between the member M2 and the first member M1 is improved. Further, the
（ホーン３２のパレット３０からの離間：ステップＳ７０）
半田Ｓと第２部材Ｍ２および第１部材Ｍ１との結合が十分に行わるまでの時間、超音波振動の印加と加熱とを行った後、超音波振動接合装置１は、吸引溝３２Ｂを負圧にするホーン用真空ポンプの駆動を停止し、次いで、アクチュエータ４７を駆動しホーン３２を下方に移動させ、上面３２Ａをパレット３０から離間させる（ステップＳ７０）。
(Separation of the
After applying the ultrasonic vibration and heating for a time until the solder S is sufficiently bonded to the second member M2 and the first member M1, the ultrasonic
ホーン３２が下方に移動する際、パレット３０、第１部材Ｍ１および第２部材Ｍ２が下方に移動し、エアーシリンダ７のピストンロッド７Ａも、ホーン３２の下方への移動に併せて移動するにしたがって、パレット３０、第１部材Ｍ１および第２部材Ｍ２は、ホーン３２と保持機構２との間に挟持された状態で下方に移動する。
When the
これにより、半田Ｓが溶融状態にあっても、半田Ｓと第１部材Ｍ１および第２部材Ｍ２との結合力の低下を抑えることができる。そして、パレット３０がパレット載置部３１Ａに当接すると、パレット３０、第１部材Ｍ１および第２部材Ｍ２は、エアーシリンダ７の押圧力により保持機構２によりパレット載置部３１Ａに向けて押圧される。
Thereby, even if the solder S is in a molten state, it is possible to suppress a decrease in the bonding force between the solder S and the first member M1 and the second member M2. When the
パレット３０の孔部３０Ａの直径は、３ｍｍ程度の孔であり、また孔部３０Ａは、パレット３０の中心付近に数個（３〜５個）形成されている程度である。また、パレット３０には、第２部材Ｍ２が載置されている。したがって、ホーン３２の上面３２Ａがパレット３０から離間しても、孔部３０Ａから低酸素室３６内の窒素ガスが大量に漏れてしまうことはなく、低酸素室３６の低酸素状態は維持される。
The diameter of the
（第１部材Ｍ１、第２部材Ｍ２および半田Ｓの冷却：ステップ８０）
次いで、第１部材Ｍ１、第２部材Ｍ２および半田Ｓを冷却する（ステップ８０）。超音波振動接合装置１は、ホーン３２の上面３２Ａがパレット３０からの離間した後も引き続きホーン３２を下方に移動させ、ホーン３２を孔部３８Ｂの下側に移動させる。すなわち、超音波振動接合装置１は、ホーン３２が孔部３８Ｂから抜かれた位置までホーン３２を下方に移動させる。
(Cooling of first member M1, second member M2 and solder S: Step 80)
Next, the first member M1, the second member M2, and the solder S are cooled (step 80). The ultrasonic
そして、超音波振動接合装置１は、エアーシリンダ４５を駆動し、放熱体３９を冷却位置（第２部材Ｍ２の下方となる位置）に移動させる。そして、超音波振動接合装置１は、アクチュエータ４６を駆動し、放熱体３９を上方に移動させ、放熱体３９の突出部４０を孔部３８Ｂ内に挿通し、上面４０Ａをパレット３０の下面に当接させる。
Then, the ultrasonic
突出部４０の上面４０Ａをパレット３０の下面に当接させる際、超音波振動接合装置１は、図示外の放熱体用真空ポンプを駆動し、吸引溝４０Ｂ内に負圧を発生させる。この吸引力により、パレット３０が上面４０Ａに吸引され、また、孔部３０Ａを介してパレット３０に載置される第２部材Ｍ２をパレット３０側に吸引される。つまり、パレット３０が上面４０Ａに密着し、また、第２部材Ｍ２はパレット３０に密着する。これにより、加熱された第２部材Ｍ２、半田Ｓおよび第１部材Ｍ１の熱が、放熱体３９に放熱される。
When the
放熱体３９内には、図以外のエアーコンプレッサにより送り込まれた空気を通し、空気放出部４２に排気させる図示外の空気流路が形成されている。該空気流路に空気が流されることで、放熱体３９の放熱が促され、第２部材Ｍ２および第１部材Ｍ１の放熱も促される。
An air flow path (not shown) is formed in the
（第１部材Ｍ１および第２部材Ｍ２のセット機構４からの取り出し：ステップ９０）
そして、超音波振動接合装置１は、互いに接合された第１部材Ｍ１および第２部材Ｍ２をセット機構４から取り出し、所定位置への移動に移動させる（ステップ９０）。具体的には、先ず、超音波振動接合装置１は、第２部材Ｍ２および第１部材Ｍ１の冷却が完了した後、吸引溝４０Ｂを負圧にする放熱体用真空ポンプの駆動、および放熱体３９内の空気流路に空気を送り込むエアーコンプレッサの駆動を停止する。続いて、超音波振動接合装置１は、エアーシリンダ７による第１部材Ｍ１の下方への押圧を停止させ、保持機構２が上方に移動するように昇降機構１６を駆動する。
(Removal of first member M1 and second member M2 from set mechanism 4: step 90)
Then, the ultrasonic
これにより、互いに接合された第１部材Ｍ１および第２部材Ｍ２が、上板部１１Ａの上方に移動する。そして、超音波振動接合装置１は、左右移動機構１７、前後移動機構１８および昇降機構１６を駆動し、保持機構２を所定の位置まで移動させた後、保持機構２の吸引力を解除する。これにより、保持機構２から互いに接合された第２部材Ｍ２および第１部材Ｍ１が、保持機構２から離脱し、所定の位置に置かれ、接合処理が完了する。
Thereby, the 1st member M1 and the 2nd member M2 which were mutually joined move above 11 A of upper board parts. Then, the ultrasonic
なお、上述の実施の形態において、互いに接合する部材のうち、上側に配置されている部材を第１部材Ｍ１とし、下側に配置されている部材を第２部材Ｍ２としているが、これは記載上の問題であり、上下いずれの部材を第１部材と記載しても、あるいは第２部材と記載してもよい。 In the above-described embodiment, among the members to be joined to each other, the member disposed on the upper side is referred to as the first member M1, and the member disposed on the lower side is referred to as the second member M2. This is an upper problem, and either the upper or lower member may be described as the first member or the second member.
（実施の形態の主な効果）
上述のように、本発明の実施の形態に係る超音波振動接合装置１は、第１部材Ｍ１と第２部材Ｍ２とを接合部材としての半田Ｓを介して接合する装置である。超音波振動接合装置１は、第１部材Ｍ１と第２部材Ｍ２との間に半田Ｓを挟んだ状態で、第１部材Ｍ１を第２部材Ｍ２に向けて押圧力を作用させる押圧機構としてのエアーシリンダ７と、第２部材Ｍ２に対して超音波振動を印加する超音波振動印加機構５とを有する。
(Main effects of the embodiment)
As described above, the ultrasonic
したがって、超音波振動接合装置１によれば、互いに接合される部材の一方の部材である第１部材Ｍ１にエアーシリンダ７により押圧力を作用させ、他方の部材である第２部材Ｍ２に超音波振動印加機構５により超音波振動を印加させることができる。つまり、超音波振動接合装置１は、超音波振動を印加させる機構と、接合される部材に押圧力を作用させる機構とを別々の機構に構成されている。そのため、接合される部材に作用させる押圧力により、超音波振動印加機構５から接合する部材に印加される超音波振動の振幅や振動数が変化させられてしまうことを抑制することができる。
Therefore, according to the ultrasonic
接合される部材（第１部材Ｍ１，第２部材Ｍ２）が大きくなると、ホーン３２を大型化すると共に押圧力も大きくする必要がある。したがって、超音波振動接合装置１のように、超音波振動を印加させる機構と、接合される部材に押圧力を作用させる機構とを別々の機構に構成することで、ホーン３２を大型化し、また、押圧力を大きくしても、超音波振動の振幅や振動数が変化させられてしまうことを抑制することができる。超音波振動接合装置１によれば、ＣＰＵ、ＲＡＭやＲＯＭ等の半導体メモリ、あるいはＩＣ等に比べて大型の部材同士、たとえば、パワー半導体と基板との接合、あるいは金属板と金属板との接合を好適に行うことができる。
When the members to be joined (the first member M1 and the second member M2) are increased, it is necessary to increase the size of the
超音波振動印加機構５の超音波振動の発振周波数および振幅は、接合される部材（第１部材Ｍ１，第２部材Ｍ２）の大きさ等により適宜に設定することができる。しかしながら、パワー半導体と基板との接合、あるいは金属板と金属板との接合といったＣＰＵ等に比べて大型の部材を好適に行うためには、発振周波数を１０ｋＨｚ以上５０ｋＨｚ以下、振幅を０．１μｍ以上１０μｍ以下とすることが好ましい。 The oscillation frequency and amplitude of the ultrasonic vibration of the ultrasonic vibration applying mechanism 5 can be appropriately set depending on the size of the members to be joined (the first member M1 and the second member M2). However, in order to suitably perform a large member as compared with a CPU or the like such as bonding between a power semiconductor and a substrate or bonding between a metal plate and a metal plate, the oscillation frequency is 10 kHz to 50 kHz and the amplitude is 0.1 μm or more. The thickness is preferably 10 μm or less.
発振周波数が１０ｋＨｚ未満、振幅が０．１μｍ未満となると、接合面の酸化膜を除去する作用が小さくなり、接合に必要な半田の濡れ性を確保し難くなる。また、発振周波数が５０ｋＨｚを超えたり、振幅が１０μｍを超えた場合には、振動エネルギーが大きくなり、この大きな振動エネルギーに対応できるように超音波振動接合装置１の構成を頑丈にしたり、あるいは制振性を高める必要があり、装置の構成が複雑化し易くなったりあるいは高コスト化し易い。発振周波数を１５ｋＨｚ以上４５ｋＨｚ以下、振幅が０．５μｍ以上５μ以下とすることで、半田の濡れ性を好適に確保しつつ、超音波振動接合装置１の構成の複雑化や高コスト化を好適に抑えることができる。
When the oscillation frequency is less than 10 kHz and the amplitude is less than 0.1 μm, the action of removing the oxide film on the joint surface becomes small, and it becomes difficult to ensure the solder wettability necessary for joining. Further, when the oscillation frequency exceeds 50 kHz or the amplitude exceeds 10 μm, the vibration energy becomes large, and the configuration of the ultrasonic
また、超音波振動を印加させる機構と、接合される部材に押圧力を作用させる機構とを別々の機構に構成することで、押圧力の制御が容易となる。仮に、ホーン３２側から押圧力を作用させる構成とした場合には、ホーン３２の振動により押圧力が変化してしまい、接合強度が低下してしまう虞がある。これに対し、超音波振動を印加させる機構と、接合される部材に押圧力を作用させる機構とを別々の機構に構成した場合には、押圧力を一定に保ち易く、接合に必要な押圧力で押圧できるため接合部の強度の向上を図ることができる。
Further, by configuring the mechanism for applying the ultrasonic vibration and the mechanism for applying the pressing force to the members to be joined to separate mechanisms, the pressing force can be easily controlled. If the structure is such that a pressing force is applied from the
押圧力は、０．１Ｎ以上５０Ｎ以下であることが好ましい。超音波振動を印加させる機構と、接合される部材に押圧力を作用させる機構とを別々の機構に構成したとしても、第１部材Ｍ１および第２部材Ｍ２を介してエアーシリンダ７に超音波振動が伝播する。そのため、エアーシリンダ７の押圧力が変動してしまう場合がある。押圧力が０．１Ｎ未満とすると、エアーシリンダ７により作用させたい押圧力に対して、超音波振動により変動する押圧力の変動量の割合が大きくなり、押圧力の制御が難しくなる。
The pressing force is preferably 0.1 N or more and 50 N or less. Even if the mechanism for applying the ultrasonic vibration and the mechanism for applying the pressing force to the members to be joined are configured as separate mechanisms, the ultrasonic vibration is applied to the
一方、押圧力が５０Ｎを超えると、超音波振動接合装置１の構成を５０Ｎの押圧力に耐えることができる構成とする必要がある。つまり、超音波振動接合装置１の構成を頑丈に構成する必要があり、装置の構成が複雑化し、また高コスト化し易い。
On the other hand, when the pressing force exceeds 50 N, the configuration of the ultrasonic
押圧力を１Ｎ以上１０Ｎ以下とすることで、押圧力の制御が容易となり、また、超音波振動接合装置１の構成が複雑化したり高コスト化することを抑制できる。
By controlling the pressing force to be 1 N or more and 10 N or less, it is easy to control the pressing force, and it is possible to prevent the configuration of the ultrasonic
また、超音波振動接合装置１において、エアーシリンダ７は、第１部材Ｍ１および第２部材Ｍ２の上方に配置され、超音波振動印加機構５は、第１部材Ｍ１および第２部材Ｍ２の下方に配置されている。超音波振動印加機構５は、ホーン３２やブースタ３４といった重量の重い構成部材を有する。また、ホーン３２およびブースタ３４が振動するため、この振動の慣性力も発生する。そのため、仮に、超音波振動印加機構５を第１部材Ｍ１および第２部材Ｍ２の上方に配置することとなると、移動機構３の構成を頑強で大がかりなものとする必要がある。
In the ultrasonic
これに対し、超音波振動印加機構５を第１部材Ｍ１および第２部材Ｍ２の下方に配置することで、超音波振動印加機構５を超音波振動接合装置１の下方に安定させた状態で取り付けることができる。これにより、超音波振動印加機構５から接合する部材に印加される超音波振動の振幅や振動数も安定させることができる。
On the other hand, the ultrasonic vibration application mechanism 5 is disposed below the first member M1 and the second member M2 so that the ultrasonic vibration application mechanism 5 is attached below the ultrasonic
超音波振動接合装置１は、第２部材Ｍ２を介して半田Ｓを溶融温度以上の温度に加熱する加熱機構６を有する。
The ultrasonic
加熱機構６を有することで、半田Ｓを溶融することができる。半田Ｓを溶融させることで、第１部材Ｍ１と第２部材Ｍ２との接合に要する時間を短縮でき、併せて接合強度を向上させることができる。加熱機構６は、複数の発熱体３５をホーン３２の上面３２Ａに沿って配置させている。そのため、上面３２Ａを広く均一に加熱できる。これにより、半田Ｓを均一に溶融することができ、接合部の強度を均一なものとすることができる。
By having the
なお、保持機構２の側に第２部材Ｍ２を加熱する機構を備え、第２部材Ｍ２を介して半田Ｓを加熱する構成としてもよく、また、第１部材Ｍ１および第２部材Ｍ２の両側から半田Ｓを加熱する構成としてもよい。保持機構２の側に加熱する機構を備える構成としては、たとえば、保持機構２内に発熱体を備える構成とすることができる。加熱機構６を有することで、半田Ｓを溶融することができ、第１部材Ｍ１と第２部材Ｍ２の接合を好適に行うことができる。
It should be noted that a mechanism for heating the second member M2 may be provided on the
超音波振動接合装置１は、接合が行われた第１部材Ｍ１と第２部材Ｍ２とを冷却する冷却機構９を有する。
The ultrasonic
冷却機構９を備えることで、第１部材Ｍ１と第２部材Ｍ２との間で溶融された半田Ｓの冷却を促すことができ、自然冷却の場合に比べて、第１部材Ｍ１と第２部材Ｍ２の接合完了までの時間を短縮でき、作業効率の向上を図ることができる。放熱体３９と超音波振動印加機構５とは、同一のステージ４３に載置され、ガイドレール４４に沿って移動可能とされている。したがって、ホーン３２を第２部材Ｍ２に当接している状態から、放熱体３９を第２部材Ｍ２の下方となる冷却位置に配置させるまでの時間を短いものとすることができ、作業効率の向上を図ることができる。
By providing the
１ … 超音波振動接合装置
５ … 超音波振動印加機構
６ … 加熱機構
７ … エアーシリンダ（押圧機構）
８ … 低酸素空間形成機構
９ … 冷却機構
Ｍ１ … 第１部材
Ｍ２ … 第２部材
Ｓ … 半田（接合部材）
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記第１部材と前記第２部材との間に前記接合部材を挟んだ状態で、前記第１部材を前記第２部材に向けて押圧力を作用させる押圧機構と、
前記第２部材に対して超音波振動を印加する超音波振動印加機構と、
を有することを特徴とする超音波振動接合装置。 In the ultrasonic vibration bonding apparatus for bonding the first member and the second member via the bonding member,
A pressing mechanism that exerts a pressing force on the first member toward the second member in a state where the joining member is sandwiched between the first member and the second member;
An ultrasonic vibration applying mechanism for applying ultrasonic vibration to the second member;
An ultrasonic vibration bonding apparatus comprising:
前記押圧機構は、前記第１部材および前記第２部材の上方に配置され、
前記超音波振動印加機構は、前記第１部材および前記第２部材の下方に配置され、
ていることを特徴とする超音波振動接合装置。 The ultrasonic vibration bonding apparatus according to claim 1,
The pressing mechanism is disposed above the first member and the second member,
The ultrasonic vibration applying mechanism is disposed below the first member and the second member,
An ultrasonic vibration bonding apparatus characterized by comprising:
前記第１部材または前記第２部材の少なくとも一方を介して、前記接合部材を溶融温度以上の温度に加熱する加熱機構を有することを特徴とする超音波振動接合装置。 The ultrasonic vibration bonding apparatus according to claim 1 or 2,
An ultrasonic vibration bonding apparatus comprising: a heating mechanism that heats the bonding member to a temperature equal to or higher than a melting temperature via at least one of the first member and the second member.
前記超音波振動印加機構の超音波の発振周波数は１０ｋＨｚ以上５０ｋＨｚ以下であり、振幅は０．１μｍ以上１０μｍ以下である、ことを特徴とする超音波振動接合装置。 The ultrasonic vibration bonding apparatus according to any one of claims 1 to 3,
An ultrasonic vibration joining apparatus, wherein an ultrasonic oscillation frequency of the ultrasonic vibration applying mechanism is 10 kHz to 50 kHz, and an amplitude is 0.1 μm to 10 μm.
前記押圧機構の押圧力は、０．１Ｎ以上５０Ｎ以下である、ことを特徴とする超音波振動接合装置。 In the ultrasonic vibration joining apparatus according to any one of claims 1 to 4,
The ultrasonic vibration bonding apparatus according to claim 1, wherein the pressing force of the pressing mechanism is 0.1 N or more and 50 N or less.
前記超音波振動接合装置は、内部を不活性ガスにて充満し酸素濃度が１００ｐｐｍ以下の低酸素空間を形成する低酸素空間形成機構を有し、
前記第１部材と第２部材との接合を前記低酸素空間内にて行う、
ことを特徴とする超音波振動接合装置。 The ultrasonic vibration bonding apparatus according to any one of claims 1 to 5,
The ultrasonic vibration bonding apparatus has a low oxygen space formation mechanism that fills the inside with an inert gas and forms a low oxygen space with an oxygen concentration of 100 ppm or less,
The first member and the second member are joined in the low oxygen space.
An ultrasonic vibration bonding apparatus characterized by that.
前記超音波振動接合装置は、接合が行われた前記第１部材と前記第２部材とを冷却する冷却機構を有することを特徴とする超音波振動接合装置。 The ultrasonic vibration bonding apparatus according to any one of claims 1 to 6,
The ultrasonic vibration bonding apparatus includes a cooling mechanism for cooling the first member and the second member that have been bonded.
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