JP3983448B2 - 超音波ホーン - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波振動を与えてＩＣなどの配線を接合するボンディング用の超音波ホーンの技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超音波ホーンの構造を図５に示す。
１はホーン、２はフランジ、３はボルト締めランジュバン型振動子でホーン１の軸方向の超音波振動を発生する。
ホーン１はその途中から先端へ向かって直径が小さくなっていくテーパ部分を有しており、この部分で超音波振動の振幅が増幅される。ホーン１の先端には、断面円を２分する割り６が所定寸法だけフランジ２の方に向かって設けられている。
【０００３】
また、ホーン１の先端から少し入った所に、ボンディング工具であるキャピラリー４が図の紙面に対し垂直方向になるように取り付けられる。キャピラリー４はボンディングを行う部分が尖った円柱状をしているので、割り６の途中に円形孔が設けられている形になる。この円形孔にキャピラリー４を嵌入して、これを確実に固定するために、ボルト５が設けられている。ボルト５には頭が付いており、挿入して捩じると割り６の間隔を狭めるようになっているので、キャピラリー４を挟み締めるようになり、確実に固定できる。
【０００４】
この部分の詳細を図６に示す。
（ａ）はホーン１を先端の方から見た正面図であり、（ｂ）はホーン１の平断面とボルト５を示した図である。
更に図７は、捩じ込んだボルト５の先端にナット９を締め付けた状態を示す図である。
【０００５】
以上のような構造で、ボルト締めランジュバン型振動子３で発生した、ホーン１の軸方向の超音波振動をキャピラリー４の尖端１０に伝え、ＩＣ等の要接合部分のボンディングを行う。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、キャピラリー４の尖端はホーン１の軸方向、図５でいうなら点線で示された矢印方向Ｓ、図６，図７でいうなら紙面に垂直に振動したときにキャピラリー４の尖端１０と接合面の接触時間が長くなるようになっている。
【０００７】
しかるに実際には、キャピラリー４の尖端１０は図５の実線矢印Ｐのように振動してしまい、接合面との接触時間が短くなり接合の信頼性が低下するという問題がある。
【０００８】
その原因は、分析の結果、図５，図６におけるボルト５の頭があることにより、図５の点線矢印Ｓの点線の上側と下側とで重量差があることに起因することが判明した。
【０００９】
そこで、両側の重量バランスをとるため図７のように、ボルト５の先端部分にナット９を締め付ける工夫がなされたが、ナット９を締め付けたときのナット９とホーンの接触の仕方が締め付け具合によって完全な面接触にならず、そのため常によい効果が得られるとは限らないという問題があった。
【００１０】
本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑みて、重量バランスをとる手段として、従来のナットのように締め付け具合によって状況が安定しない手段ではなく、ホーン先端部分の形状自体をボルト５を締めた場合に重量バランスがとれる形状とし、以てキャピラリー４の尖端の振動方向が図５の点線矢印Ｓに近づくようにした超音波ホーンを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の超音波ホーンは次のような構成を有する。
即ち、断面円形で、先端方向へ進むにつれてその直径が直線的に減少してゆくテーパ部分を有し、所定の直径となった箇所で断面がその箇所における断面円を内包する長方形断面となり円の中心が一方の短辺に片寄った位置関係で先方へ所定の長さで先端に至る直方体状の先端部を有し、この先端部には前記テーパ部分からの中心軸を含み先端部断面直方形の短辺に平行な割りが設けられ、該割りの途中に前記テーパ部分からの中心軸と直交し前記断面直方形の短辺に平行な中心軸を有するキャピラリー保持用円形孔を有し、該円形孔と前記テーパ部分の間の割りが入っている部分で先端部分断面直方形の長辺に平行なボルト用孔を有し、割りで区切られた孔の長い方にボルト締め用の雌ねじが刻まれており、テーパ部分が片寄った側のボルト用孔から頭付きボルトを挿入して捩じ締めることによりキャピラリー保持用円形孔に装着したキャピラリーを締め付け保持する構造であって、キャピラリー保持用円形孔中の中心軸をＺ軸、テーパ部分からの中心軸をＹ軸とし、これら２軸の交点を原点とし、この原点を通りこれら２軸に直交する軸をＸ軸とする直交座標を考えたとき、前記先端部を、締め付けボルトごとＺ軸とＹ軸を含む面で区切った両側のそれぞれについて前記数式１で算出した値が同じとなる形状であることを特徴とする超音波ホーンである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態は、超音波ホーン先端部の形状を、従来のような、先端まで断面円形のテーパ形状ではなく、断面円形のテーパ形状の途中から断面長方形（矩形）の直方体とし、断面が変わる点では円形断面が長方形に内包され、且つ、円の中心は長方形の中心よりいずれか一方の短辺の方に片寄った形状とする。この直方体部分をホーンの先端部と呼ぶ。そして、割りは、テーパ形状部分からの中心軸を含み断面長方形の短辺に平行な面でテーパ部分近くまでいれ、最先端から途中の部分にテーパ形状部分からの中心軸と直交し且つ断面長方形の短辺と平行する中心軸を有するキャピラリー保持用円形孔を設ける。更にそこからテーパ部分寄りの位置に断面長方形の長辺に平行なボルト用孔を設け、そのボルト用孔の、割りで区分された２つの部分のうち長い方にボルト締め用の雌ねじを切っておき、ボルトを挿入して捩じ締めることにより割りを締めることになり、キャピラリー保持用円形孔に装着したキャピラリーを超音波振動伝搬に充分なだけ確実に固定する。
【００１３】
以上の構造は、ホーンの先端部を先端部の先の方から割りが垂直に見えるようにして見た場合、先端部の全体としては長方形の先端面が見えるが、割りの左右では幅が異なるものとなる。そして、幅の小さい側の側面にボルトの頭が見えることになる。
【００１４】
本発明では、ホーンの先端面の割りを基準にした左右の幅をボルトの頭がない側の方の幅を大きくすることにより、ボルトの頭がある側の方とで左右のモーメントのバランスを取り、キャピラリー尖端の振動方向がＹ軸方向に近づくようにしている。
【００１５】
今、キャピラリー保持用円形孔の中心軸をＺ軸とし、テーパ部分からの中心軸をＹ軸とし、これら２軸の交点を通りこれら２軸と直交する軸をＸ軸とする３次元直交座標を考えたとき、ボルトを含む先端部中の或る位置Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）における微小体積は、ｄｘ・ｄｙ・ｄｚで表され、その重量ｇは密度をρとすればｇ＝ρ・ｄｘ・ｄｙ・ｄｚとなる。
一方、その位置の原点からの距離Ｓは数式２で表される。
【００１６】
【数２】
【００１７】
ところで、前記位置Ｐの微小体積の重量ｇによる原点に対するモーメントｍは、重量ｇと距離Ｓの積で表されるから数式３のようになる。
【００１８】
【数３】
【００１９】
従って、或る体積全体からのモーメントＭは数式３を積分したものとなる。即ち、数式４のようになる。
【００２０】
【数４】
【００２１】
従って、ボルトも含めた、ホーンの先端部についてＹＺ平面で区分された左側と右側のそれぞれについて、数式４により求めたモーメントの値が同じになるようにすることにより、キャピラリーの尖端の振動方向がＹ軸方向、即ちホーンの軸方向に近づくようにしている。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明の超音波ホーンの実施例を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の超音波ホーンの実施例の構造図である。（ｂ）は平面図、（ａ）は正面図、（ｃ）は側面図である。
【００２３】
図中、テーパ部分１１の断面は円形であり、断面変換境界１３で断面が長方形に変換する。この長方形の四辺は断面変換境界１３におけるテーパ部分１１側の断面円を内包する大きさとなっている。断面長方形部分、即ち直方体部分がホーンの尖端部１２である。尖端部１２には割り６が設けられ、割り６の途中にキャピラリー保持用円形孔８が設けられており、更にテーパ部分１１寄りに割り６を締め付けるためのボルト５用の孔が設けられている。
【００２４】
図１の（ｂ）において、ボルト５の割り６より上の部分の点線はボルト５に刻まれた螺子を示し、先端部１２側にはこれに対応する雌螺子が刻まれている。
【００２５】
キャピラリー保持用円形孔８にキャピラリー４を嵌入し、ボルト５を捩じ締めることにより、割り６を狭める力が働きキャピラリー４が確実に先端部１２に固定される。
【００２６】
先端部１２は割り６より上側の方の厚み寸法が、下側の方の厚み寸法より大きくなっており、これによってボルト５の頭部分によるモーメントの増加分に対してバランスが取られるようになっている。
【００２７】
即ち、図１において図示したように、テーパ部分からの中心軸をＹ軸、これと直交するキャピラリー４の中心軸をＺ軸、Ｙ軸とＺ軸の交点０（これを原点とする）を通りこの２軸に直交する軸をＸ軸とする３次元直交座標を考え、Ｚ軸Ｙ軸を含む平面で先端部１２を２分し、ボルト５の頭のある側とない側のそれぞれについて、数式４で表されるモーメントＭの値が同じになるように、図１の（ｂ）の点線より上の増加部分の寸法が定められている。
【００２８】
このようにして定めた超音波ホーンによるキャピラリー尖端の超音波振動軌跡をシミュレーションした結果を図２に示す。Ｙ方向が本来の振動方向であり、Ｘ方向は横方向である。そして、実際にホーンを作成して実験した結果得られたデータが図３である。
【００２９】
図４は、従来の超音波ホーンによるキャピラリー先端の振動軌跡の実験データである。図３を図４と比較すると、横方向成分が２分の１以下に減少し改善されていることが分かる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の超音波ホーンは、ホーンの先端部を直方体とし、割りの左右の幅について、キャピラリー締め付け用のボルトの先端が来る側の幅を、ボルトの頭がある側の幅より大きくすることにより、キャピラリーの締め付け中心点（Ｙ軸とＺ軸の交点）に対する左側からの総モーメントと右側からの総モーメントの値が同じになるようにしているので、キャピラリーの尖端の振動軌跡の方向が従来の超音波ホーンにおけるよりもＹ軸方向に可成り近づき接合面との接触時間が長くなり、接合効率および接合の信頼性が向上するという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波ホーンの実施例の構造図である。
【図２】本発明の超音波ホーンによるキャピラリー尖端の振動方向のシミュレーション図である。
【図３】本発明の超音波ホーンによるキャピラリー尖端の振動方向実測データ図である。
【図４】従来の超音波ホーンによるキャピラリー尖端の振動方向の実測データ図である。
【図５】従来の超音波ホーンの全体構造図である。
【図６】図５の超音波ホーンの先端部分の詳細図でボルト５の先端にナットがない場合の図である。
【図７】図５の超音波ホーンの先端部分の詳細図でボルト５の先端にナット９が取り付けられた場合の図である。
【符号の説明】
１ ホーン
２ フランジ
３ ボルト締めランジュバン型振動子
４ キャピラリー
５ ボルト
６ 割り
７ ホーン先端面
８ キャピラリー保持用円形孔
９ ナット
１０ 尖端
１１ テーパ部分
１２ 先端部
１３ 断面変換境界
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波振動を与えてＩＣなどの配線を接合するボンディング用の超音波ホーンの技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超音波ホーンの構造を図５に示す。
１はホーン、２はフランジ、３はボルト締めランジュバン型振動子でホーン１の軸方向の超音波振動を発生する。
ホーン１はその途中から先端へ向かって直径が小さくなっていくテーパ部分を有しており、この部分で超音波振動の振幅が増幅される。ホーン１の先端には、断面円を２分する割り６が所定寸法だけフランジ２の方に向かって設けられている。
【０００３】
また、ホーン１の先端から少し入った所に、ボンディング工具であるキャピラリー４が図の紙面に対し垂直方向になるように取り付けられる。キャピラリー４はボンディングを行う部分が尖った円柱状をしているので、割り６の途中に円形孔が設けられている形になる。この円形孔にキャピラリー４を嵌入して、これを確実に固定するために、ボルト５が設けられている。ボルト５には頭が付いており、挿入して捩じると割り６の間隔を狭めるようになっているので、キャピラリー４を挟み締めるようになり、確実に固定できる。
【０００４】
この部分の詳細を図６に示す。
（ａ）はホーン１を先端の方から見た正面図であり、（ｂ）はホーン１の平断面とボルト５を示した図である。
更に図７は、捩じ込んだボルト５の先端にナット９を締め付けた状態を示す図である。
【０００５】
以上のような構造で、ボルト締めランジュバン型振動子３で発生した、ホーン１の軸方向の超音波振動をキャピラリー４の尖端１０に伝え、ＩＣ等の要接合部分のボンディングを行う。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、キャピラリー４の尖端はホーン１の軸方向、図５でいうなら点線で示された矢印方向Ｓ、図６，図７でいうなら紙面に垂直に振動したときにキャピラリー４の尖端１０と接合面の接触時間が長くなるようになっている。
【０００７】
しかるに実際には、キャピラリー４の尖端１０は図５の実線矢印Ｐのように振動してしまい、接合面との接触時間が短くなり接合の信頼性が低下するという問題がある。
【０００８】
その原因は、分析の結果、図５，図６におけるボルト５の頭があることにより、図５の点線矢印Ｓの点線の上側と下側とで重量差があることに起因することが判明した。
【０００９】
そこで、両側の重量バランスをとるため図７のように、ボルト５の先端部分にナット９を締め付ける工夫がなされたが、ナット９を締め付けたときのナット９とホーンの接触の仕方が締め付け具合によって完全な面接触にならず、そのため常によい効果が得られるとは限らないという問題があった。
【００１０】
本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑みて、重量バランスをとる手段として、従来のナットのように締め付け具合によって状況が安定しない手段ではなく、ホーン先端部分の形状自体をボルト５を締めた場合に重量バランスがとれる形状とし、以てキャピラリー４の尖端の振動方向が図５の点線矢印Ｓに近づくようにした超音波ホーンを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の超音波ホーンは次のような構成を有する。
即ち、断面円形で、先端方向へ進むにつれてその直径が直線的に減少してゆくテーパ部分を有し、所定の直径となった箇所で断面がその箇所における断面円を内包する長方形断面となり円の中心が一方の短辺に片寄った位置関係で先方へ所定の長さで先端に至る直方体状の先端部を有し、この先端部には前記テーパ部分からの中心軸を含み先端部断面直方形の短辺に平行な割りが設けられ、該割りの途中に前記テーパ部分からの中心軸と直交し前記断面直方形の短辺に平行な中心軸を有するキャピラリー保持用円形孔を有し、該円形孔と前記テーパ部分の間の割りが入っている部分で先端部分断面直方形の長辺に平行なボルト用孔を有し、割りで区切られた孔の長い方にボルト締め用の雌ねじが刻まれており、テーパ部分が片寄った側のボルト用孔から頭付きボルトを挿入して捩じ締めることによりキャピラリー保持用円形孔に装着したキャピラリーを締め付け保持する構造であって、キャピラリー保持用円形孔中の中心軸をＺ軸、テーパ部分からの中心軸をＹ軸とし、これら２軸の交点を原点とし、この原点を通りこれら２軸に直交する軸をＸ軸とする直交座標を考えたとき、前記先端部を、締め付けボルトごとＺ軸とＹ軸を含む面で区切った両側のそれぞれについて前記数式１で算出した値が同じとなる形状であることを特徴とする超音波ホーンである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態は、超音波ホーン先端部の形状を、従来のような、先端まで断面円形のテーパ形状ではなく、断面円形のテーパ形状の途中から断面長方形（矩形）の直方体とし、断面が変わる点では円形断面が長方形に内包され、且つ、円の中心は長方形の中心よりいずれか一方の短辺の方に片寄った形状とする。この直方体部分をホーンの先端部と呼ぶ。そして、割りは、テーパ形状部分からの中心軸を含み断面長方形の短辺に平行な面でテーパ部分近くまでいれ、最先端から途中の部分にテーパ形状部分からの中心軸と直交し且つ断面長方形の短辺と平行する中心軸を有するキャピラリー保持用円形孔を設ける。更にそこからテーパ部分寄りの位置に断面長方形の長辺に平行なボルト用孔を設け、そのボルト用孔の、割りで区分された２つの部分のうち長い方にボルト締め用の雌ねじを切っておき、ボルトを挿入して捩じ締めることにより割りを締めることになり、キャピラリー保持用円形孔に装着したキャピラリーを超音波振動伝搬に充分なだけ確実に固定する。
【００１３】
以上の構造は、ホーンの先端部を先端部の先の方から割りが垂直に見えるようにして見た場合、先端部の全体としては長方形の先端面が見えるが、割りの左右では幅が異なるものとなる。そして、幅の小さい側の側面にボルトの頭が見えることになる。
【００１４】
本発明では、ホーンの先端面の割りを基準にした左右の幅をボルトの頭がない側の方の幅を大きくすることにより、ボルトの頭がある側の方とで左右のモーメントのバランスを取り、キャピラリー尖端の振動方向がＹ軸方向に近づくようにしている。
【００１５】
今、キャピラリー保持用円形孔の中心軸をＺ軸とし、テーパ部分からの中心軸をＹ軸とし、これら２軸の交点を通りこれら２軸と直交する軸をＸ軸とする３次元直交座標を考えたとき、ボルトを含む先端部中の或る位置Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）における微小体積は、ｄｘ・ｄｙ・ｄｚで表され、その重量ｇは密度をρとすればｇ＝ρ・ｄｘ・ｄｙ・ｄｚとなる。
一方、その位置の原点からの距離Ｓは数式２で表される。
【００１６】
【数２】
ところで、前記位置Ｐの微小体積の重量ｇによる原点に対するモーメントｍは、重量ｇと距離Ｓの積で表されるから数式３のようになる。
【００１８】
【数３】
従って、或る体積全体からのモーメントＭは数式３を積分したものとなる。即ち、数式４のようになる。
【００２０】
【数４】
従って、ボルトも含めた、ホーンの先端部についてＹＺ平面で区分された左側と右側のそれぞれについて、数式４により求めたモーメントの値が同じになるようにすることにより、キャピラリーの尖端の振動方向がＹ軸方向、即ちホーンの軸方向に近づくようにしている。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明の超音波ホーンの実施例を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の超音波ホーンの実施例の構造図である。（ｂ）は平面図、（ａ）は正面図、（ｃ）は側面図である。
【００２３】
図中、テーパ部分１１の断面は円形であり、断面変換境界１３で断面が長方形に変換する。この長方形の四辺は断面変換境界１３におけるテーパ部分１１側の断面円を内包する大きさとなっている。断面長方形部分、即ち直方体部分がホーンの尖端部１２である。尖端部１２には割り６が設けられ、割り６の途中にキャピラリー保持用円形孔８が設けられており、更にテーパ部分１１寄りに割り６を締め付けるためのボルト５用の孔が設けられている。
【００２４】
図１の（ｂ）において、ボルト５の割り６より上の部分の点線はボルト５に刻まれた螺子を示し、先端部１２側にはこれに対応する雌螺子が刻まれている。
【００２５】
キャピラリー保持用円形孔８にキャピラリー４を嵌入し、ボルト５を捩じ締めることにより、割り６を狭める力が働きキャピラリー４が確実に先端部１２に固定される。
【００２６】
先端部１２は割り６より上側の方の厚み寸法が、下側の方の厚み寸法より大きくなっており、これによってボルト５の頭部分によるモーメントの増加分に対してバランスが取られるようになっている。
【００２７】
即ち、図１において図示したように、テーパ部分からの中心軸をＹ軸、これと直交するキャピラリー４の中心軸をＺ軸、Ｙ軸とＺ軸の交点０（これを原点とする）を通りこの２軸に直交する軸をＸ軸とする３次元直交座標を考え、Ｚ軸Ｙ軸を含む平面で先端部１２を２分し、ボルト５の頭のある側とない側のそれぞれについて、数式４で表されるモーメントＭの値が同じになるように、図１の（ｂ）の点線より上の増加部分の寸法が定められている。
【００２８】
このようにして定めた超音波ホーンによるキャピラリー尖端の超音波振動軌跡をシミュレーションした結果を図２に示す。Ｙ方向が本来の振動方向であり、Ｘ方向は横方向である。そして、実際にホーンを作成して実験した結果得られたデータが図３である。
【００２９】
図４は、従来の超音波ホーンによるキャピラリー先端の振動軌跡の実験データである。図３を図４と比較すると、横方向成分が２分の１以下に減少し改善されていることが分かる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の超音波ホーンは、ホーンの先端部を直方体とし、割りの左右の幅について、キャピラリー締め付け用のボルトの先端が来る側の幅を、ボルトの頭がある側の幅より大きくすることにより、キャピラリーの締め付け中心点（Ｙ軸とＺ軸の交点）に対する左側からの総モーメントと右側からの総モーメントの値が同じになるようにしているので、キャピラリーの尖端の振動軌跡の方向が従来の超音波ホーンにおけるよりもＹ軸方向に可成り近づき接合面との接触時間が長くなり、接合効率および接合の信頼性が向上するという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波ホーンの実施例の構造図である。
【図２】本発明の超音波ホーンによるキャピラリー尖端の振動方向のシミュレーション図である。
【図３】本発明の超音波ホーンによるキャピラリー尖端の振動方向実測データ図である。
【図４】従来の超音波ホーンによるキャピラリー尖端の振動方向の実測データ図である。
【図５】従来の超音波ホーンの全体構造図である。
【図６】図５の超音波ホーンの先端部分の詳細図でボルト５の先端にナットがない場合の図である。
【図７】図５の超音波ホーンの先端部分の詳細図でボルト５の先端にナット９が取り付けられた場合の図である。
【符号の説明】
１ ホーン
２ フランジ
３ ボルト締めランジュバン型振動子
４ キャピラリー
５ ボルト
６ 割り
７ ホーン先端面
８ キャピラリー保持用円形孔
９ ナット
１０ 尖端
１１ テーパ部分
１２ 先端部
１３ 断面変換境界
Claims (1)
- 断面円形で、先端方向へ進むにつれてその直径が直線的に減少してゆくテーパ部分を有し、所定の直径となった箇所で断面がその箇所における断面円を内包する長方形断面となり円の中心が一方の短辺に片寄った位置関係で先方へ所定の長さで先端に至る直方体状の先端部を有し、この先端部には前記テーパ部分からの中心軸を含み先端部断面直方形の短辺に平行な割りが設けられ、該割りの途中に前記テーパ部分からの中心軸と直交し前記断面直方形の短辺に平行な中心軸を有するキャピラリー保持用円形孔を有し、該円形孔と前記テーパ部分の間の割りが入っている部分で先端部分断面直方形の長辺に平行なボルト用孔を有し、割りで区切られた孔の長い方にボルト締め用の雌ねじが刻まれており、テーパ部分が片寄った側のボルト用孔から頭付きボルトを挿入して捩じ締めることによりキャピラリー保持用円形孔に装着したキャピラリーを締め付け保持する構造であって、キャピラリー保持用円形孔中の中心軸をＺ軸、テーパ部分からの中心軸をＹ軸とし、これら２軸の交点を原点とし、この原点を通りこれら２軸に直交する軸をＸ軸とする直交座標を考えたとき、前記先端部を、締め付けボルトごとＺ軸とＹ軸を含む面で区切った両側のそれぞれについて数式１で算出した値が同じとなる形状であることを特徴とする超音波ホーン。
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