JP2018069308A - 超音波接合ツール - Google Patents

Abstract

【課題】金属部材同士又は回路などが設けられた金属電極と電気を流すリード状の金属板とを直接接合させる際に、超音波接合する工程において、長期的に安定した接合を可能とする超音波接合ツールを提供する。
【解決手段】超音波振動を伝達するホーン２２と、ホーンの一端に設けられ、超音波振動を発生する超音波振動子２１と、複数の金属部材５，６を押圧するツール接合部２５とを備える超音波接合ツールにおいて、ツール接合部は、金属部材と接触する先端部に、長方形の平面２７を備えた四角錐状の突起部２６であり、四角錐状の突起部は、ホーンに向かって広がり、かつ、四角錐状の突起部の先端部の平面の長方形の長辺Ｂが、超音波振動方向と平行である。
【選択図】図２

Description

本発明は、金属部材同士又は回路などが設けられた金属電極と電気を流すリード状の金属板とを直接接合させる超音波接合ツールに関するものである。

従来、プリント基板等の回路基板に電子部品を装着する装置では、部品保持部に保持された電子部品の電極と回路基板の電極とを接合する様々な方法が利用されている。例えば、電子部品を短時間で接合することができる方法の１つとして、超音波を利用する接合方法（以下、超音波接合という。）が知られている。超音波接合では、回路基板に押圧された電子部品に超音波振動を付与することにより、電子部品の金属電極（例えば、バンプ）と回路基板の上の金属電極とを接合する。
超音波接合技術の特徴としては、金属同士を接合することが可能なため、近年においては、大電流を流すような電子デバイスにおいても、金属同士の直接接合において、活用されている。
前述した金属同士の超音波接合においては、金属電極が設けられた回路基板に金属板を押圧させ、金属を変形させながら、超音波振動を付与することにより、金属同士を塑性変形させながら接合させることで、強固な接合力が得られる。
金属部材同士を強固に接合させる際には、電子部品実装で使用されるような保持ツールを用いるのではなく、金属部材に直接接触するツール表面に、微細な突起を設けることで、接合対象である金属部材を変形させやすくし、接合強度を向上させる方法がある（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載された超音波接合ツールについて、図６を用いて、説明する。
接合ツール１０の先端には、多数の突起部１１が設けられている。各突起部１１は、六角錐の形状をしている。このような構成により、多数の突起部１１を、接合する対象の金属部１２に押し当てて、金属接合を行う。

特開２００７−３３０８５１号公報

しかしながら、特許文献１などにおいては、超音波印加時に非常に大きな応力が発生してしまうため、超音波を印加した際に、接合ツール１０に設けられた多数の突起部１１は、磨耗しやすくなってしまう。
また、接合ツール１０の先端部が傾いた場合などは、十分な接合強度を得られない箇所も発生し、接合不良が多発してしまう。
前述したような場合、接合ツール１０を再加工し、接合ツール１０を再生することで、品質を維持する手法を用いることも可能であるが、メンテナンス頻度が多く、生産性が大きく悪化してしまい、ランニングコストの課題も発生してしまう。
本発明は、前記従来の課題に鑑みなされたものであり、金属部材同士又は回路などが設けられた金属電極と電気を流すリード状の金属板とを直接接合させる際に、超音波接合する工程において、長期的に安定した接合を可能とする超音波接合ツールを提供するものである。

前記目的を達成させるために、本発明の１つの態様は、
超音波振動を伝達するホーンと、
前記ホーンの一端に設けられ、前記超音波振動を発生する超音波振動子と、
複数の金属部材を押圧するツール接合部とを備える超音波接合ツールにおいて、
前記ツール接合部は、前記金属部材と接触する先端部に、長方形の平面を備えた四角錐状の突起部であり、
前記四角錐状の突起部は、前記ホーンに向かって広がり、かつ、
前記四角錐状の突起部の前記先端部の前記平面の長方形の長辺が、超音波振動方向と平行である。

本発明の前記態様によれば、金属部材同士又は回路などが設けられた金属電極と電気を流すリード状の金属板とを直接接合させる際に、超音波接合する工程において、長期的に安定した接合を可能とする。

本発明の実施形態に係る超音波接合装置の概略構成を示す正面図 本実施形態における超音波接合ツールの先端形状の拡大図 本実施形態における超音波接合ツールの先端形状と比較するための比較例についての説明図 本実施形態における超音波接合ツール接合部の先端形状についての説明図 本実施形態における超音波接合ツールの先端形状の斜視図 従来の超音波接合ユニット及び超音波接合ツールの先端形状の詳細図

以下、図面を参照しながら本発明にかかる実施の形態にかかる超音波接合ツールについて、銅などの金属部材を用いた金属接合を事例にしながら、詳細に説明する。

初めに、図１を参照しながら、本実施の形態における超音波接合ツールを有する超音波接合装置１の構成について説明する。
なお、図１は、本発明にかかる実施の形態における超音波接合装置１の概略的な正面図である。

超音波接合装置１は、大電流を流す際に、電子デバイスなどに配線として利用される、リード状の金属板５に対し、相手側の対象物である回路が形成された金属板６との接合を行う、いわゆる超音波圧接接合装置である。金属板５及び６は金属部材の一例である。
超音波接合装置１は、超音波接合ツールの一例として機能する超音波接合ユニット２と、加圧ユニット３と、回路が形成された金属板６を保持するステージ部４を備えている。

以下、順を追って構成要素であるユニットについて簡単に全体構成を説明する。
まず、加圧ユニット３について、説明する。
加圧ユニット３は、加圧方向に押圧する力を発生させるためのモーター部３１と、高い剛性を持つガイド部３２と、加圧ユニット３と超音波接合ユニット２とを連結する連結部３３とを備えている。

超音波接合時には、初期の加速が大きく、図１に示すＸ方向にせん断方向の力が発生するため、上記のような剛性が強い構成が望ましい。また、モーター部３１の代わりに、エアーシリンダなどを用いても良い。

次に、超音波接合ユニット２について説明する。
超音波接合ユニット２は、超音波振動子２１と、横長のホーン２２と、ツール接合部２５とを備えている。

ホーン２２の長手方向の一端には、超音波振動子２１が固定されて、超音波振動を発生するとともに、ホーン２２の長手方向の中間部には、ツール接合部２５が下向きに突出して固定されており、超音波振動子２１からの超音波振動がツール接合部２５までホーン２２で伝達される。ツール接合部２５の下面には、複数でかつ同一の四角錘形状の先端突起部２６が下向きに突出して固定されており、先端突起部２６で複数の金属板５，６の接合箇所を押圧して、超音波圧接接合を行う。
先端突起部２６は、金属板５と接触する先端部に、長方形の平面のツール接触面２７を備えた四角錐状の突起部２６である。この四角錐状の突起部２６は、ホーン２２に向かって広がり、かつ、四角錐状の突起部２６の先端部のツール接触面２７の長方形の長手方向、言い換えれば、長辺２７ｂが、超音波振動方向と平行である。

超音波接合ユニット２のホーン２２は、ホーン２２の振動の影響を受けない各ノーダルポイント２３にてホルダー部２４に連結されて横長に配置され、ホーン２２の一対のホルダー部２４の中間にはツール接合部２５が位置する。ホルダー部２４は、連結部３３を介し、加圧ユニット３に取り付けられている。よって、超音波接合ユニット２は、モーター部３１を有する加圧ユニット３を利用して、Ｚ方向に移動させられ、超音波圧接接合を行うことが可能な構成となっている。

超音波接合を行う際には、ステージ部４に固定されたリード状の金属板５に、回路が形成された金属板６を重ねるとともに、超音波接合ユニット２で金属板５に押し当てられるように、金属板５と金属板６とを超音波接合ユニット２の直下に配置し、超音波接合ユニット２に設けられたツール接合部２５を、金属板６を介してリード状の金属板５に向けて前述した加圧ユニット３で加圧する。

次に、ツール接合部２５が金属板６に接触して加圧した後、超音波振動子２１からホーン２２に超音波を印加することで、応力の集中する先端突起部２６に振動エネルギーが集中するため、金属板６と金属板５との間で金属を変形しながら接合することが可能になる。

超音波振動子２１からホーン２２に超音波振動を印加する際には、超音波振動子２１に超音波帯域の周期的な電圧負荷を電圧印加装置７から与え、ホーン２２によって、伝達及び増幅され、ツール接合部２５において最大振幅が発生されるように設計されている。

次に、先端突起部２６の構成について、詳細に説明する。
図２の（ａ），（ｂ），（ｃ）は、先端突起部２６の３面図である。リード状の金属板５に接触する面を、長方形の平面のツール接触面２７とする。ツール接触面２７を基準に、四角錐形状に広がるように、先端部の形状を定義する。ツール接触面２７を基準に傾斜を伴って突起形状が作成されるが、このときの傾斜角を、接触面の短手方向を短辺Ａとし、長手方向を長辺Ｂとしたときに、短手方向の短辺Ａを下端縁とする第１傾斜面２６ａの傾斜角を傾斜角αとし、長手方向の長辺Ｂを下端縁とする第２傾斜面２６ｂの傾斜角βとし、以下に詳細に説明する。

第１傾斜面２６ａの傾斜角αの角度が大きい場合、短辺Ａは、超音波接合する際に、応力がもっとも発生する箇所となる。そのため、接合力が非常に強くなり、超音波方向の力を抑制しなければ、接合対象であるリード状の金属板５に短辺Ａが入り込んでしまい、接合するよりも破断する力が発生してしまう。

そのため、第１傾斜面２６ａの傾斜角αは小さいほうが良い。しかしながら、傾斜角αを小さくしすぎてしまうと、超音波接合を行う際に、金属の塑性変形を起こすことが難しくなるため、所望の接合力を維持できないということが起こる。そのため、傾斜角αは、１５〜７５度の角度が望ましい。その理由を以下に説明する。

傾斜角αが１５度未満で形成されたツールおいては、超音波方向のすべり力が顕著に発生してしまうため、本来の接合が不可能となる。

また、傾斜角αが７５度を超えて形成されたツールにおいては、以下の不具合が発生する。すなわち、接合時のリード状の金属板５に破断が発生することが多くなる一方で、破断箇所には、接合対象のリード状の金属板５の表面が擦れた粉塵が発生し、凝着され始める。このため、量産時などの多くの接合を行っていく際には、凝着部が、リード状の金属板５と超音波エネルギーによって接合されてしまうため、ツール上昇時に金属板６からリード状の金属板５を持ち上げてしまい、金属板５，６とで構成する製品自体を破断させてしまう。

傾斜角βにおいては、長辺Ｂに応力が発生するが、磨耗の進行にて、長辺Ｂについては、その長さが短くなっていくため、応力の変動を加味すると、傾斜角αと同様の角度にすることが望ましい。

これは、磨耗によって長辺Ｂの長さが短くなって、短辺Ａの長さと同様になり、正方形になった場合を想定すると、応力が均一になり、残った先端突起部２６が脱落する現象が発生するためである。このとき、傾斜角α＝βであれば、急激な変化が起こりにくい。

次に、図３を用いて、ツール先端突起部２６のツール接触面２７の形状について説明する。
図３に、比較例として、１つの先端突起部２６のツール接触面２７の形状を正方形にした場合について説明する。図３の（ａ）に初期の１つの先端突起部２６の形状の側面図を示し、図３の（ｂ）に先端突起部２６の形状の下面図を示し、図３の（ｃ）に接合繰り返し後の先端突起部２６の形状の側面図を示し、図３の（ｄ）に接合繰り返し後の先端突起部２６の形状の側面図を示す。

図３の（ａ）〜（ｄ）に示すように、比較例としてツール接触面２７を正方形にしたツール接触面１２７の場合、図３の（ａ）に示すように、振動方向沿いの正方形の一辺１２７ｂ−１，１２７ｂ−２の両端のエッジ部、言い換えれば、振動方向と直交する方向沿いの正方形の一辺１２７ａのエッジ部に、応力集中箇所Ｐ１及びＰ２が発生する。超音波振動を先端突起部２６に付与した瞬間、応力集中箇所Ｐ１とＰ２とに交互に応力集中が発生し、これらの応力集中箇所Ｐ１，Ｐ２から、接合対象である金属板５についても応力が発生し、せん断方向の超音波振動により、金属板５と金属板６との接合が強固になる。

しかし、このＰ１、Ｐ２の応力集中箇所が互いに近過ぎる場合には、図３の（ｂ）で示すように、図３の（ｂ）の下面図から考慮すると、ツール接触面１２７が正方形であるため、振動方向沿いの図３の（ｂ）の上側の辺１２７ｂ−１の両端のエッジ部と、振動方向沿いの図３の（ｂ）の下側の辺１２７ｂ−２の両端のエッジ部とが等距離に配置されているため、応力が分散しやすく、各エッジ部を基点に、先端突起部２６に磨耗がそれぞれ発生し始める。

最終的には、図３の（ｃ）に示すように、先端突起部２６のツール接触面１２７の各エッジ部から中央に向けて磨耗が均等に促進し、摩耗により最後に中央に細く残った先端突起部２６の残りが脱落するということが発生し、先端突起部２６による接合力が大きく落ちてしまう。

先端突起部２６の残りの脱落が起きると、図３の（ｂ）から（ｄ）に示すように、ツール接触面２７の位置が、図３の（ｃ）において初期位置８１から摩耗後の位置８２まで急に移動してしまい、ツール接触面２７の面積が初期の面積から急激に大きくなるように変化してしまうため、接合力不足が急に発生してしまうという危険性がある。

加えて、上記のような脱落現象が発生するため、比較的短く、定期的な接合条件確認が超音波接合ユニット２に必須となり、メンテナンスなどの頻度が多くなり、生産性を大きく損なってしまう。

前述においては、超音波振動方向にツール接触面２７の正方形の一辺１２７ｂ−１，１２７ｂ−２が振動方向と平行になるように設けられているが、正方形の一辺が振動方向に対して４５度に傾けた配置を採る場合も同様の現象が発生するため、接合力の維持という点においては、同様の課題が発生することが分かっている。

次に、図４にて、本実施の形態におけるツール先端突起部２６の形状について説明する。図３とは異なり、ツール接触面２７は、超音波振動方向に長辺２７ｂを有する長方形となっている。

図４に、図４の（ａ）に初期の先端突起部２６の形状の側面図を示し、図４の（ｂ）に先端突起部２６の形状の下面図を示し、図４の（ｃ）に接合繰り返し後の先端突起部２６の形状の側面図を示し、図４の（ｄ）に接合繰り返し後の先端突起部２６の形状の側面図を示す。

図４の（ａ）に示すように、超音波振動方向に長辺２７ｂが配置される構成のツール形状の場合、短辺２７ａの部分に応力集中箇所Ｐ３，Ｐ４は偏る。そのため、前述した原理と同様、図４の（ｂ）に示すように、Ｐ３、Ｐ４に交互に発生すると、短辺２７ａのエッジ部からの磨耗が同様に進んでしまう。

しかしながら、超音波振動方向と平行に長辺２７ｂを構成しているため、図４の（ｂ）に示すように、Ｐ３、Ｐ４における応力範囲の両端領域Ｒ１，Ｒ２と、加圧できる中央領域Ｒ３とに３分割化され、せん断方向に広がる力を、長辺２７ｂの両端のエッジ部から等しい距離の中央領域Ｒ３に定めることができる。

この結果、図４の（ｃ）に示すように、Ｐ３、Ｐ４の応力発生箇所が磨耗しながらも、加圧力を十分に伝える箇所である中央領域Ｒ３が確実に存在するため、図４の（ｄ）のように、両端領域Ｒ１，Ｒ２に残渣が残った状態でも、中央領域Ｒ３が正方形に近い形状になり、応力のバランスが均等化され、非常に良好な接合強度を維持することが可能となる。

ここで、長辺２７ｂの長さＬＢと短辺２７ａの長さＬＡの好ましい比率について説明する。

上記理由により、Ｐ３、Ｐ４における応力範囲が均等化されるよう、長辺２７ｂが構成されることが重要となるため、長辺２７ｂが短辺２７ａの長さの３倍以上になる構成が最もよい形状となる。

一方で、短辺２７ａに対し、長辺２７ｂの長さＬＢが３倍よりも小さいツール接触面２７の場合、寿命自体は延びるが、磨耗後の残渣の形状が偏ってしまうため、接合対象の金属部の破断、もしくは、残渣周辺部への接合対象金属の付着及び凝着による金属の持ち上げなどが発生しやすくなる。

また、長辺２７ｂの長さＬＢが短辺２７ａの長さＬＡの５倍より大きくなると、加圧方向の力に対し、ツール表面の抵抗が大きくなるため、超音波振動印加時には、初期のすべり力が発生してしまい、接合力不足が発生してしまう。

以上の理由により、ツール接触面２７を構成する長辺２７ｂの長さＬＢと短辺２７ａの長さＬＡの長さの比率は、３≦ＬＢ／ＬＡ≦５であることが望ましい。

次に、先端突起部２６の材料についても、実施の形態を示す。
ホーン２２を構成する材料は、たとえば、好適な振動特性及び振動伝達特性が保障されるように、超音波振動子２１を構成するステンレス鋼などの材料に合わせて選定されたステンレス鋼である。

ホーン２２とその一部であるツール接合部２５とを超硬材などの硬質な材料を用いることなどが考えられるが、ホーン２２そのものが音波などの伝達を考慮すると非常に重くなるため、接触時の制御が難しくなる。一方で、ツール接合部２５に硬質材である超硬材を用いると、先端突起部２６については、脱落現象が発生し、先端突起部２６にマイクロクラックが入り、全体的にカケが発生するなどの現象が起こるため、単純な硬質化は、振動伝達という観点と先端突起部２６の脱落という現象が起こるため、好ましくない。
よって、超硬材の代わりに、超微粒子超硬合金などの適用が好適である。

超微粒子を用いる場合、先端突起部２６の脱落現象を回避することが可能となる。先端突起部２６においては、図４に示すように、エッジ部に応力が発生するため、ツール内部で応力が拡散することが非常に重要となる。

前述したように、エッジ部に応力が集中するため、超微粒子は細かい粒子単位で脱落が発生するため、前述した磨耗と同様の削れが進み、接合力を大きく損失することなく長期的に良好な接合が可能となる。

また、超微粒子材料を用いる場合には、ホーン先端部へのロウ付けを行うことで、前述したホーン自体の重量アップを回避し、振動損失も防ぐことが可能となる。

前記した内容を基に、本実施形態の先端突起部２６を多数配列した場合の形態を図５にて、斜視図にて示す。

図５には、先端形状を上方に向けて、超音波ホーンを実際の取り付け時の配置より上下反転させ、ツール先端部が上面側に配置されるようにした状態で斜視図にて示している。

具体的には、図５の（ａ）、（ｂ）には、前述したツール先端部の拡大斜視図を示している。

図５の（ａ）については、前述した四角錐の先端突起部２６を９箇所、一辺の長さＴの正方形の基台３０上に配置したものである。接合対象である金属板５の厚みが薄い場合は、十分な強度を強固に得るために、最適な形状である。

また、図５の（ｂ）に、ツール先端突起部２６の一辺の長さＴの正方形の基台３０上に、四角錐を４箇所配置してものを示す。

図５の（ｂ）は、図５の（ａ）とは異なり、ツール先端突起部２６の高さＨが高いため、接合対象の金属部材の厚みが厚い場合にも有効である。

接合対象の金属部材の厚みが厚い場合には、接合後の接合対象である金属部材に食い込むことになるため、金属への超音波振動の伝達においては、四角錐高さＨによって、接合強度を強固にすることが可能である。

本実施形態の先端突起部２６を用いる場合、接合対象の金属部材の厚みに対し、四角錐高さＨが８０％以上であれば、十分な接合強度が得られる。

前記実施形態によれば、四角錐状の突起部２６の先端部の平らなツール接触面２７の長方形の長手方向が、超音波振動方向と平行であることにより、先端部で摩耗が発生して両端領域Ｒ１，Ｒ２では接合作業が困難になっても、加圧力を十分に伝える箇所である中央領域Ｒ３が確実に存在することができる。よって、残った中央領域Ｒ３で、金属板５，６同士又は回路などが設けられた金属電極と電気を流すリード状の金属板とを超音波接合で直接接合することができ、長期的に安定した接合を行うことができる。すなわち、超音波接合ツール表面の磨耗が進んでも、長期間の接合強度の維持が可能となる。この結果、金属板５，６に常に安定した振動を付与することができ、超音波接合ツールの長寿命化によるメンテナンスレスによる生産性向上及び消耗品である超音波接合ツールのランニングコストの削減を実現することが可能となる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、様々な形態が可能である。

なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。また、実施形態同士の組み合わせ又は実施例同士の組み合わせ又は実施形態と実施例との組み合わせが可能であると共に、異なる実施形態又は実施例の中の特徴同士の組み合わせも可能である。

本発明の前記態様にかかる超音波接合ツールは、金属部材同士又は回路などが設けられた金属電極と電気を流すリード状の金属板とを直接接合させる際に、超音波接合する工程において、長期的に安定した接合を可能となる。よって、本発明の前記態様にかかる超音波接合ツールは、金属材料全般に適用可能であり、異種の金属材料においても、板状もしくは箔などの金属材料同士を超音波振動を利用して直接接合させる超音波接合装置に利用可能な技術である。

１ 超音波接合装置
２ 超音波接合ユニット
２１ 超音波振動子
２２ ホーン
２３ ノーダルポイント
２４ ホルダー部
２５ ツール接合部
２６ 先端突起部
２７ ツール接触面
３ 加圧ユニット
３１ モーター部
３２ ガイド部
３３ 連結部
４ ステージ部
５ リード状の金属板
６ 回路が形成された金属板
７ 電圧印加装置
８１ 初期位置
８２ 摩耗後の位置
１０ 接合ツール
１１ 突起部
Ｐ１ 応力集中箇所
Ｐ２ 応力集中箇所
Ａ 短辺
Ｂ 長辺
ＬＡ 短辺長さ
ＬＢ 長辺長さ
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４ 応力発生箇所
Ｒ１，Ｒ２ 両端領域
Ｒ３ 中央領域
α 短辺傾斜角
β 長辺傾斜角
Ｔ ツール先端部辺長さ
Ｈ 四角錐高さ

Claims (5)

1. 超音波振動を伝達するホーンと、
   前記ホーンの一端に設けられ、前記超音波振動を発生する超音波振動子と、
   複数の金属部材を押圧するツール接合部とを備える超音波接合ツールにおいて、
   前記ツール接合部は、前記金属部材と接触する先端部に、長方形の平面を備えた四角錐状の突起部であり、
   前記四角錐状の突起部は、前記ホーンに向かって広がり、かつ、
   前記四角錐状の突起部の前記先端部の前記平面の長方形の長辺が、超音波振動方向と平行である、超音波接合ツール。
2. 前記長方形の前記長辺は、前記長方形の短辺の３〜５倍の長さである請求項１に記載の超音波接合ツール。
3. 前記先端部の四角角錐の突起部の傾斜面の傾斜角αは、先端の接触面に対し、１５〜７５度となるように構成された請求項１又は２に記載の超音波接合ツール。
4. 前記先端部の材料がステンレス鋼を用いた請求項１〜３のいずれか１つに記載の超音波接合ツール。
5. 前記先端部の材料が超微粒子超硬合金を用いた請求項１〜３のいずれか１つに記載の超音波接合ツール。

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