JP4213713B2 - ホーンの使用方法及びホーンユニットの使用方法並びにボンディング装置 - Google Patents

Description

本発明は、ホーン、ホーンユニット及びそれを用いたボンディング装置に関するものである。

従来、この技術の分野におけるホーンは、例えば、下記特許文献１に開示されている。この公報に記載されているホーンは、フリップチップなどのバンプ付き電子部品を保持した状態でこの電子部品に振動を付与して、電子部品を基板上に超音波圧接するためのものである。このホーンは、ホーンに励起される振動の定在波の腹に相当する位置に、電子部品を基板に圧着する面（圧着面）が設けられている。
特許第３３７４８５６号公報

ホーンを電子部品の超音波圧接に利用する際は、ホーンが保持する電子部品を水平一方向に振動させるのが好適である。しかしながら、上述した従来のホーンでは、その圧着面において、水平一方向以外の振動成分を十分に抑えた振動を励起させることができていなかった。

そこで、本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、圧着面における水平一方向以外の振動成分を抑えることができるホーン、ホーンユニット及びそれを用いたボンディング装置を提供することを目的とする。

本発明に係るホーンは、振動子によって振動が付与されるホーンであって、ホーンに励起される振動の定在波の腹に相当する位置からオフセットした位置に圧着面が配置されたことを特徴とする。

発明者らは、ホーンに励起される振動の定在波の腹に相当する位置からオフセットした位置に圧着面が配置されたホーンを用いた場合には、腹に相当する位置に圧着面が配置されたホーンを用いた場合に比べて、その圧着面における水平一方向以外の振動成分を有意に抑えることができることを新たに見出した。

また、オフセットした位置が、振動子によるホーンの振動方向に交差する第１の方向の振動成分が最小となる位置であることが好ましい。このホーンを用いることで、第１の方向の振動成分が抑えられる。

本発明に係るホーンユニットは、振動子によって振動が付与されるホーンと、圧着面を有し、ホーンに励起される振動の定在波の腹に相当する位置からオフセットした位置に圧着面が配置されるように、ホーンに取り付けられる圧着ノズルとを備えることを特徴とする。

発明者らは、ホーンに励起される振動の定在波の腹に相当する位置からオフセットした位置に圧着ノズルの圧着面が配置されるように、圧着ノズルをホーンに取り付けたホーンユニットを用いた場合には、腹に相当する位置に圧着ノズルの圧着面が配置されたホーンユニットを用いた場合に比べて、その圧着面における水平一方向以外の振動成分を有意に抑えることができることを新たに見出した。

また、オフセットした位置が、振動子によるホーンの振動方向に交差する第１の方向の振動が最小となる位置であることが好ましい。このホーンユニットを用いることで、第１の方向の振動成分が抑えられる。

本発明に係るボンディング装置は、ホーンに振動を付与する振動子と、振動子によって振動が付与されるホーンであって、ホーンに励起される振動の定在波の腹に相当する位置からオフセットした位置に圧着面が配置されたホーンと、ホーンの圧着方向への加圧制御をおこなう加圧手段とを備えることを特徴とする。このボンディング装置は、上記ホーンを含むため、水平一方向以外の振動成分を抑えることができる。

本発明に係るボンディング装置は、ホーンに振動を付与する振動子と、振動子によって振動が付与されるホーンと、圧着面を有し、ホーンに励起される振動の定在波の腹に相当する位置からオフセットした位置に圧着面が配置されるように、ホーンに取り付けられる圧着ノズルとを含むホーンユニットと、ホーンユニットの圧着ノズルの圧着方向への加圧制御をおこなう加圧手段とを備えることを特徴とする。このボンディング装置は、上記ホーンユニットを含むため、水平一方向以外の振動成分を抑えることができる。

本発明によれば、圧着面における水平一方向以外の振動成分を抑えることができるホーン、ホーンユニット及びそれを用いたボンディング装置が提供される。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するにあたり最良と思われる形態について詳細に説明する。なお、同一又は同等の要素については同一の符号を付し、説明が重複する場合にはその説明を省略する。
（ボンディング装置）

図１に、本発明の実施形態に係るボンディング装置１を示す。このボンディング装置１は、超音波圧接によって電子部品を実装基板上に実装するための装置であり、架台フレーム２上に搭載されたＹテーブル４と、Ｙテーブル４によって水平方向に駆動されるＺ軸サーボモータ６（上下駆動部２０Ａ）と、Ｚ軸サーボモータ６によって上下動されるボンディングユニット８とを有している。

そして、ボンディングユニット８は、上下動ブロック１０と、上下動ブロック１０に上下動自在に保持されたボンディングヘッド１２と、ボンディングヘッド１２が電子部品２２を実装基板２４の被圧着面２４ａに圧着させる荷重を制御するボイスコイルモータ１４（ＶＣＭ駆動部２０Ｂ）と、上下動ブロック１０に対するボンディングヘッド１２の上下動を規制するロック用ソレノイド１６（ソレノイド駆動部２０Ｃ）と、ボンディングヘッド１２のＺ軸方向の位置を検出するリニアスケール１８（位置検出部２０Ｄ）とを有している。なお、ボンディングヘッド１２は、電子部品２２を保持すると共に電子部品２２を実装基板２４の被圧着面２４ａに圧着させた状態で振動させるものであり、後述する振動子４２（超音波振動駆動部２０Ｅ）を含んでいる。

そして、上下駆動部２０Ａ、ＶＣＭ駆動部２０Ｂ、ソレノイド駆動部２０Ｃ、位置検出部２０Ｄ及び超音波振動駆動部２０Ｅは、制御部２０によって制御されている。この制御部２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器、各種Ｉ／Ｆ等を含んで構成されており、位置検出部２０Ｄなどからの入力信号、及び、例えば他の入力信号や記憶値などの各種の情報に基づいて所定のプログラムに基づいて各種演算処理をおこない、上下駆動部２０Ａ、ＶＣＭ駆動部２０Ｂ及びソレノイド駆動部２０Ｃ等に対して駆動信号を送りその駆動を制御すると共に、超音波振動駆動部２０Ｅに対して駆動信号を送り振動子４２の駆動を制御する。

なお、ボンディング装置１には、図示は省略しているが、各構成要素の位置検出をおこなうカメラが随所に設けられている。

このボンディング装置１を用いて超音波圧接をおこなう際は、以下に示す手順によっておこなわれる。
（１）まず、上下動ブロック１０に一体的に取り付けられているロック用ソレノイド１６を駆動してボンディングヘッド１２の上下動を規制した状態で、Ｙテーブル４でＺ軸サーボモータ６及びボンディングユニット８を一体的に移動させて、基板ステージ２６上の基板２４に対する電子部品２２の水平方向の位置合わせをおこなう。
（２）次に、Ｚ軸サーボモータ６を駆動してボンディングユニット８を下降させて、ボンディングヘッド１２が保持する電子部品２２を接触検出開始位置まで下降させる。そして、電子部品２２が基板２４に接触したときの荷重が設定値となるように、ボイスコイルモータ１４へ供給する電流を設定し、ロック用ソレノイド１６を開放する。
より詳細には、ボンディングヘッド１２が保持する電子部品２２に作用する荷重が、基板２４との接触時において設定値（例えば、１０〜１００ｇ程度）となるように、ボイスコイルモータ１４へ供給する電流値（すなわち、ボイスコイルモータ１４の発生トルク）を設定する。つまり、
「設定値」＝「ボンディングヘッド重量」＋「ボイスコイルモータトルク」
なお、ボンディングヘッド１２が設定値以上の場合には、ボイスコイルモータ１４は、図１において上方に向かうトルク（引き上げ方向のトルク）を発生させることになる。つまり、例えば、以下のように設定されることになる。
「設定値（すなわち、電子部品と基板との接触時に許容される荷重）」＝５０ｇ
「ボンディングヘッド重量」＝１０００ｇ
とすると、
「ボイスコイルモータトルク」＝−９５０ｇ（図１において上方へ作用する引き上げ方向トルク）
に設定されることになる。すなわち、ボイスコイルモータ（加圧手段）１４によって、後述するホーン５０の圧着方向（Ｚ方向）への加圧制御がおこなわれる。
（３）さらにＺ軸サーボモータ６を駆動して、ボンディングヘッド１２によって保持される電子部品２２が基板２４に接触するまで上下動ブロック１０を下降させる。そして、電子部品２２が基板２４の被圧着面２４ａに接触すると、上下動ブロック１０の下降動作に連動していたボンディングヘッド１２はその位置で停止して、上下動ブロック１０のみが下降を続ける。それにより、ボンディングヘッド１２が、それまで連動していた上下動ブロック１０から離れてフローティングすることとなり、リニアスケール１８がその変化（すなわち、電子部品と基板との接触開始）を検出する。
このように、リニアスケール１８を用いてボンディングヘッド１２が保持する電子部品２２と基板ステージ２６上の基板２４との接触の開始を検出することで、モータの駆動電流の検出値やロードセルの検出値に基づいて電子部品２２と基板２４との接触開始を検出する場合に比べて、高い検出安定性を保持しつつ接触開始を高精度に検出することができる。
（４）電子部品２２と基板２４とが接触した後に上下動ブロック１０を下降させると、上下動ブロック１０のみが下降動作を継続するが、上下動ブロック１０の下降動作を、所定押し込み量（例えば、３００μｍ程度）分だけ継続する。
（５）振動子４２を駆動させることにより電子部品２２を振動させて、電子部品２２を基板２４に超音波圧接する。なお、超音波圧接をおこなっている間、リニアスケール１８の出力値をモニタしつつ、ボイスコイルモータ１４の駆動力を調整することで、電子部品２２と基板２４との間の接触圧を所定の目標値に制御することなどができる。
（６）超音波圧接が完了した後は、Ｚ軸サーボモータ６を駆動して、ボンディングヘッド１２を接触検出開始位置まで上昇させる。
（７）ロック用ソレノイドを駆動して、ボンディングヘッド１２の遊動を規制する。
（８）さらにＺ軸サーボモータ６を駆動して、上下動ブロック１０を所定の待機位置まで上昇させて、実装処理を終了する。
（ボンディングヘッド）

続いて、上述したボンディングヘッド１２について、より詳しく説明する。

ボンディングヘッド１２は、その下部に、ホーンユニット４０と、ホーンユニット４０に取り付けられた振動子４２とを有している。そして、このホーンユニット４０によって電子部品２２が保持されると共に、振動子４２によってホーンユニット４０を介して電子部品２２に振動が付与される。このホーンユニット４０は、図２及び図３に示すように、長尺状のＳＵＳ製ホーン５０と、このホーン５０を保持するＳＵＳ製ホーンホルダ６０とが一体的に形成されたものである。
（ホーン）

ホーン５０に励起される定在波は、その波長（λ）が、ホーン５０の長手方向の全長（Ｌ）（例えば、８０ｍｍ）と一致している。そして、ホーン５０の先端面５０ａ及び後端面５０ｂの位置が、その定在波の腹の位置に相当している。そのため、先端面５０ａの位置をＰ１とし、Ｐ１から長手方向に沿ってλ／４ずつ離間した位置を順にＰ２、Ｐ３、Ｐ４及びＰ５とすると、Ｐ１、Ｐ３及びＰ５が定在波の腹に相当する位置となり、Ｐ２及びＰ４が定在波の節に相当する位置となる。つまり、理論上、Ｐ１、Ｐ３及びＰ５の位置では定在波の振幅が最大となり、Ｐ２及びＰ４の位置では定在波の振幅がゼロとなる。上述したホーン５０の全長（Ｌ）は
Ｌ＝λ
となっているが、適宜
Ｌ＝λ＋ｍλ／２（ｍ：自然数）
の一般式で与えられるＬに変更してもよい。

なお、本明細書中では、説明の便宜上、ホーン５０の長手方向をＸ方向、ホーン５０の圧接方向をＺ方向、Ｘ方向及びＺ方向に直交する方向をＹ方向と定義する。

ホーン５０は、図４及び図５に示すように、Ｐ１−Ｐ２間の部分であり断面形状の変化がない断面形状不変部５２Ａと、Ｐ２−Ｐ４間の部分であり断面形状の変化がある断面形状変化部５４と、Ｐ４−Ｐ５間の部分であり断面形状の変化がない断面形状不変部５２Ｂとからなっている。また、ホーン５０は、Ｐ３の位置に関して実質的に対称形状となっている。

断面形状不変部５２Ａ，５２Ｂは、その長さがいずれもλ／４であり、その断面はホーン５０の長手方向（Ｘ方向）に関する位置がどの位置でも変わらない。具体的には、断面形状不変部５２Ａ，５２Ｂの断面形状は、Ｙ方向に関する長さ（幅）とＺ方向に関する長さ（高さ）とが同じである正方形となっている。

断面形状変化部５４は、その長さがλ／２であり、その断面はＸ方向の位置によって図６に示すように変化している。この図６において、（Ａ）は図４及び図５のＡ−Ａ線断面図であり、（Ｂ）は図４及び図５のＢ−Ｂ線断面図であり、（Ｃ）は図４及び図５のＣ−Ｃ線断面図である。つまり、図６の（Ａ）はＰ２における断面図であり、図６の（Ｃ）はＰ３における断面図であり、図６の（Ｂ）はＰ２とＰ３との間の位置における断面図である。

ここで、断面形状変化部５４の断面形状を説明するにあたり、断面形状変化部５４の外形断面形状を、第１の領域Ａ１と第２の領域Ａ２とに分ける。第１の領域Ａ１はＺ方向に延びる方形領域である。第２の領域Ａ２は、第１の領域Ａ１をＸ方向に直交する方向（Ｙ方向）から挟む一対の方形領域である。なお、第１の領域Ａ１及び第２の領域Ａ２の高さをそれぞれｈ_１、ｈ_２とし、第１の領域Ａ１及び第２の領域Ａ２の幅をそれぞれｗ_１、ｗ_２とし、第１の領域Ａ１及び第２の領域Ａ２の面積をそれぞれＳ_１（＝ｈ_１・ｗ_１）、Ｓ_２（＝ｈ_２・ｗ_２）とする。

図６（Ａ）に示すとおり、Ｐ２における断面形状変化部５４の断面は、断面形状不変部５２Ａ，５２Ｂの断面形状と同様に正方形となっている。すなわち、第１の領域Ａ１の高さｈ_１と第２の領域Ａ２の高さｈ_２とが同一となっている。

Ｐ２とＰ３との間における断面形状変化部５４の断面では、図６（Ｂ）に示すとおり、第１の領域Ａ１は、Ｐ２における第１の領域Ａ１に比べてその幅ｗ_１は変わらずその高さｈ１が高くなっているため、Ｐ２における第１の領域Ａ１に比べてその面積Ｓ_１が増加している。一方、Ｐ２とＰ３との間における断面形状変化部５４の断面では、第２の領域Ａ２は、Ｐ２における第２の領域Ａ２に比べてその幅ｗ_２は変わらずその高さｈ_２が低くなっているため、Ｐ２における第２の領域Ａ２に比べてその面積Ｓ_２が減少している。

Ｐ３における断面形状変化部５４の断面では、図６（Ｃ）に示すとおり、第１の領域Ａ１は、Ｐ２とＰ３との間における第１の領域Ａ１に比べてさらにその高さｈ_１が高くなり、面積Ｓ_１が最大となっている。一方、Ｐ３における断面形状変化部５４の断面では、第２の領域Ａ２は、Ｐ２とＰ３との間における第２の領域Ａ２に比べてさらにその高さｈ_２が低くなり、面積Ｓ_２が最小となっている。

つまり、Ｐ２−Ｐ３間の断面形状変化部５４の断面は、定在波の腹に相当するＰ３の位置から定在波の節に相当するＰ２の位置に向かうに従って、第１の領域Ａ１の高さｈ_１が漸次減少して第１の領域Ａ１の面積Ｓ_１が漸次減少し、第２の領域Ａ２の高さｈ_２が漸次増加して第２の領域Ａ２の面積Ｓ_２が漸次増加する。

断面形状変化部５４はＰ３の位置に関して実質的に対称形状となっているため、Ｐ３−Ｐ４間の断面形状変化部５４の断面も、定在波の腹に相当するＰ３の位置から定在波の節に相当するＰ４の位置に向かうに従って、第１の領域Ａ１の面積Ｓ_１が漸次減少し、第２の領域Ａ２の面積Ｓ_２が漸次増加する。

すなわち、断面形状変化部５４の断面は、定在波の腹に相当するＰ３の位置において、第１の領域Ａ１の面積Ｓ_１が最大となっており、第２の領域Ａ２の面積Ｓ_２が最小となっている。さらに、定在波の腹に相当するＰ３の位置から定在波の節に相当するＰ２、Ｐ４の位置に向かうに従って、第１の領域Ａ１の面積Ｓ_１が減少しており、第２の領域Ａ２の面積Ｓ_２が増加している。

また、ホーン５０は、その幅の点から見てみると、幅が（ｗ_１＋２・ｗ_２）の本体部５３と、幅がｗ_１の突出部５５とで構成されている。ここで、本体部５３は、上述した断面形状不変部５２Ａ，５２Ｂと、幅方向に第１の領域Ａ１及び第２の領域Ａ２を含む部分の断面形状変化部５４とで構成されており、突出部５５は、幅方向に第１の領域Ａ１のみを含む部分の断面形状変化部５４で構成されている。すなわち、突出部５５は、本体部５３よりも肉薄であると共に、本体部５３の厚さ方向に本体部５３から突出している。
（ホーンホルダ）

ホーンホルダ６０は、ホーン５０のＹ方向に直交する両側面５０ｃ，５０ｄにおけるＰ２及びＰ４の４箇所の位置において、ホーン５０に固定されている。このように、定在波の振幅が理論上ゼロとなる位置Ｐ２及びＰ４においてホーンホルダ６０がホーン５０を保持するため、ホーン５０に励起された定在波がホーンホルダ６０に伝搬する事態が効果的に抑えられる。その結果、ホーン５０がホーンホルダ６０によって確実に保持されると共に、ホーン５０からホーンホルダ６０へ伝搬した振動がホーン５０の振動モードに影響を及ぼす事態が抑えられる。
（振動子）

振動子４２は、図示しない電源により電圧が印加されることにより６０ｋＨｚで振動する圧電振動子であり、ホーン５０の後端面５０ｂに取り付けられている。この振動子４２は、ホーン５０の後端面５０ｂ側からホーン５０にＸ方向の振動を付与して、ホーン５０に上記定在波を励起させる。なお、振動子４２のホーン５０への取り付けは、例えば、振動子４２に雄ネジ部を設けると共に、ホーン５０の後端面５０ｂ側に雌ネジ部を設けて、これら雄ネジ部及び雌ネジ部を螺合させることによりおこなわれる。
（ノズル）

図５に示すように、ホーン５０の突出部５５（つまり、断面形状変化部５４の中央部付近）にはＸ方向に沿うスリット５４ａが設けられており、このスリット５４ａはＺ方向にホーン５０を貫通している。そして、スリット５４ａが設けられた位置であって、断面形状変化部５４の中央の位置（すなわち、Ｐ３の位置）から微小長さΔＬ（オフセット長さ）だけＰ２の位置側にズレた位置には、ノズル装着用の貫通孔（ノズル収容穴）５４ｂがＺ方向に沿って貫設されている。そのため、この貫通孔５４ｂは、スリット５４ａと交差している。

そして、貫通孔５４ｂには、超合金製（例えば、ＷＣ−Ｃｏ合金製）又はＳＵＳ製であるノズル５６が挿通されて収容されている。貫通孔５４ｂに沿って延在するこのノズル（圧着ノズル）５６には、その長手方向（すなわち、Ｚ方向）に沿って真空吸引孔５６ａが貫設されている。この真空吸引孔５６ａはボンディング装置１の図示しない真空装置に連通されており、ノズル５６は、真空吸引孔５６ａが露出するノズル５６の下端面５６ｂにおいて、電子部品２２を真空保持することが可能となっている。このノズル５６の下端面５６ｂが、実際に電子部品２２を基板２４に圧着する面（圧着面）となっている。そして、この圧着面５６ｂの中心位置は、貫通孔５４ｂがオフセット長さΔＬだけＰ３の位置からズレていることに伴い、やはりＰ３の位置からオフセット長さΔＬ（例えば、１ｍｍ）だけズレている。
（調整ネジ）

図３に示すように、ホーン５０の突出部５５におけるスリット５４ａの形成領域には、突出部５５をＹ方向に貫く解放用ネジ穴５７Ａ及び締結用ネジ穴５７Ｂからなるネジ穴対（締結孔）が上下に２対設けられている。そして、各解放用ネジ穴５７Ａには解放用ネジ５８Ａが螺合されており、各締結用ネジ穴５７Ｂには締結用ネジ（固定手段）５８Ｂが螺合されている。これらネジ穴５７Ａ，５７Ｂ及びネジ５８Ａ，５８Ｂは、スリット５４ａを広げたり狭めたりするものであり、ネジ５８Ａ，５８Ｂを調整することで断面形状変化部５４のスリット５４ａの幅が調整可能となっている。

また、スリット５４ａの位置に設けられた貫通孔５４ｂの径は、ノズル５６の径よりもわずかだけ大きくなるように設計されている。そのため、ネジ５８Ａ，５８Ｂにより、ネジ穴対５７Ａ，５７Ｂを介してスリット５４ａの幅を狭めることで、貫通孔５４ｂに挿通されたノズル５６をホーン５０に締め付け固定（いわゆる、割り締め）することができる。つまり、ノズル５６は、貫通孔５４ｂの全長に亘ってホーン５０にその側周面５６ｃ側から堅固に挟まれる。一方、ネジ５８Ａ，５８Ｂにより、ネジ穴対５７Ａ，５７Ｂを介してスリット５４ａの幅を広げることで、ノズル５６をホーン５０から取り外すこともできる。

つまり、ネジ５８Ａ，５８Ｂにより、ネジ穴対５７Ａ，５７Ｂを介してスリット５４ａの幅を調整して、ノズル５６の締結力を変えることで、ホーン５０に対するノズル５６の脱着やノズル５６の飛び出し長さの調整を容易におこなうことができる。なお、ノズル５６の飛び出し長さが上述した定常波の半波長に達した場合には、ノズル５６が大きく振動してしまってホーン５０と一体的に振動しなくなるため、ノズル５６の飛び出し長さは定常波の半波長よりも短い長さ（例えば、１ｍｍ）に設定する。
（ホーンの振動モード）

次に、振動子４２によってホーン５０に定在波を励起させた場合におけるホーン５０の振動モード（定常振動モード）について、図７を参照しつつ説明する。図７は、ホーン５０の各位置Ｐ１〜Ｐ５における定在波のＹ方向成分及びＺ方向成分の振幅を示したグラフである。

この図７のグラフから明らかなように、Ｙ方向の振幅及びＺ方向の振幅はほぼＰ３の位置において極小となっている。つまり、Ｐ３の位置では、実質的に定在波のＹ方向成分及びＺ方向成分の振動はなく、定在波のＸ方向成分のみの振動が生じている。

なお、本実施形態では、ホーン５０の後端面５０ｂにはホーン５０と異なるものである振動子４２が密着して固定されているために、振動方向（Ｘ方向）と異なる方向（Ｙ方向及びＺ方向）の振動成分が、定在波の腹に相当する位置Ｐ３を中心とする対称的な分布にはなっていない。そこで、ノズル５６の圧着面５６ｂの中心位置をオフセット長さΔＬだけＰ２側にズラすことで、圧着面５６ｂの中心位置を定在波のＹ方向成分及びＺ方向成分が極小となる位置Ｑに一致させている。ここで、電子部品２２を基板２４に圧接する際、Ｙ方向成分の振動は電子部品２２を基板２４に対して回すように作用し、Ｚ方向成分の振動は電子部品２２を基板２４に叩きつけるように作用してしまう。その結果、電子部品２２が、例えば半導体チップ部品の場合、そのチップ自体や、基板に既に形成されている電極膜に対して損傷を与えてしまうこととなる。

このような定在波の振動モードはホーン５０の形状に大きく依存するものであり、発明者らは、鋭意研究の末に、定在波のＹ方向成分の振幅及びＺ方向成分の振幅がほぼＰ３の位置において極小となるホーン形状を見出した。すなわち、ホーン５０が断面形状変化部５４を有し、その断面形状変化部５４が以下の２つの特徴を有する場合には、定在波のＹ方向成分の振幅及びＺ方向成分の振幅がＰ３の位置においてゼロ（若しくは極めてゼロに近い振幅）となる。
（１）ホーン５０に励起される振動の定在波の腹に相当する位置Ｐ３において、第１の領域Ａ１の面積Ｓ_１が最大となり、且つ、第２の領域Ａ２の面積Ｓ_２が最小となる。
（２）ホーン５０に励起される振動の定在波の腹に相当する位置Ｐ３から節に相当する位置Ｐ２、Ｐ４に向かうに従って、第１の領域Ａ１の面積Ｓ_１が減少し、第２の領域Ａ２の面積Ｓ_２が増加する。

そして、電子部品２２を保持するノズル５６は、ホーン５０のほぼＰ３の位置に取り付けられるため、電子部品２２には水平一方向（すなわち、Ｘ方向）の振動成分以外の振動成分が付与されないこととなる。一方、従来形状のホーンでは、定在波の振動モードは、Ｐ３の位置における定在波のＹ方向成分及びＺ方向成分が十分に抑えられていなかったため、Ｐ３の位置では、Ｘ方向のみならずＹ方向及びＺ方向に大きな振動が生じていた。すなわち、ホーン５０によれば、電子部品２２には実質的に水平一方向の振動成分のみの振動を付与することができ、電子部品２２の良好な超音波圧接を実現することができる。

加えて、ホーン５０においては、Ｐ３の位置における第２の領域Ａ２の面積Ｓ_２よりＰ２側やＰ４側の位置の面積Ｓ_２のほうが広くなっていることで、振動子４２からの超音波振動の振幅が増幅されて、Ｐ３の位置には振動子４２が発振する振幅以上の振動が伝わることとなり、振動の利用効率の向上が実現されている。さらに、Ｐ３の位置における第１の領域Ａ１の高さｈ_１のほうがＰ２側やＰ４側の位置の高さｈ_１よりも大きくなっているため、Ｐ３の位置におけるホーン５０の曲げ剛性が効果的に向上されており、超音波圧接時におけるホーン５０の撓みが有意に抑えられている。

以上で詳細に説明したように、上述したボンディング装置１及びホーンユニット４０においては、ノズル５６の貫通孔５４ｂに収容された部分は、貫通孔５４ｂとスリット５４ａと締結用ネジ５８Ｂとの協働によって、ノズル５６の圧接方向に直交する方向（Ｙ方向）に側周面５６ｃ側から割り締めされている。そのため、ノズル５６はホーン５０によって堅固に挟まれ、安定的に固定されている。それにより、ノズル５６とホーン５０とが一体的に振動し、良好な圧着状態を実現することができる。加えて、圧着時にノズル５６に荷重が負荷された際、その圧着方向（Ｚ方向）とノズル５６の締結方向（Ｙ方向）とが同一方向でないため、圧着時の荷重に締結力がほとんど影響されないようになっている。

加えて、ノズル５６がホーン５０に対して割り締めにより脱着可能となっているため、別途部材を準備することなくノズル５６をホーン５０に固定することができると共に、圧着面５６ｂが摩耗した際にノズル５６を簡単に交換することができる。また、ノズル５６がホーン５０と一体でないため、ノズル５６とホーン５０とを異なる材料で形成したり、用途に応じて長さや形状、圧着面の形状／寸法の異なるノズルに変更したりすることができる。

また、ホーンユニット４０においては、ノズル５６の圧着面５６ｂの中心位置が、ホーン５０に励起される振動の定在波の腹に相当する位置Ｐ３からΔＬだけオフセットした位置Ｑとなるように、圧着面５６ｂが配置されている。そのため、ホーンユニット４０は、腹に相当する位置（Ｐ３）に圧着面が配置された従来のホーンユニットに比べて、その圧着面５６ｂにおけるＹ方向及びＺ方向（本発明における第１の方向）の振動成分が抑えられており、良好な圧着状態を実現することができる。ここで、上記第１の方向は、振動子４２によるホーン５０の振動方向であるＸ方向と交差する方向であり、その振動成分はＸ方向以外の振動成分となっている。なお、上記第１の方向が、Ｙ方向及びＺ方向のいずれか一方である場合には、ノズル５６の圧着面５６ｂの中心位置を、定常波のＹ方向の振動成分及びＺ方向の振動成分のいずれか一方の振動成分のみが最小となる位置にオフセットさせる。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、ホーンユニットのホーンとホーンホルダを適宜別体としてもよい。また、第１の領域や第２の領域の形状は、長方形以外に、Ｚ方向を長軸方向とする楕円形状、Ｚ方向に細長く延びる多角形などであってもよい。さらに、ノズル収容穴はホーンを貫通していなくてもよい。

また、圧着面５６ｂを有するノズル５６を採用する代わりに、図８に示すように、下面に圧着面５６ｂが形成された突起部５６Ａを有するホーンを採用した態様も可能である。
このホーンにおける圧着面５６ｂも、定常波の腹に相当する位置Ｐ３からオフセットした位置Ｑに圧着面５６ｂの中心位置が配置されているため、このホーンが採用された態様であっても上述した効果と同様の効果を得ることができる。

本発明の実施形態に係るボンディング装置を示した概略構成図である。 図１のボンディング装置のホーンユニットを示した斜視図である。 図２に示したホーンユニットの分解斜視図である。 図２に示したホーンユニットの側面図である。 図２に示したホーンユニットの底面図である。 図２のホーンユニットのホーンの断面図である。 図２のホーンユニットの振動モードを示した図である。 異なる態様のホーンを示した側面図である。

符号の説明

１…ボンディング装置、４０…ホーンユニット、４２…振動子、５０…ホーン、５３…本体部、５４…断面形状変化部、５４ａ…スリット、５４ｂ…貫通孔、５５…突出部、５６…ノズル、５６Ａ…突起部、５６ｂ…圧着面、５７Ｂ…ネジ穴、５８Ｂ…締結用ネジ、６０…ホーンホルダ、Ａ１…第１の領域、Ａ２…第２の領域、Ｓ１，Ｓ２…面積。

Claims (4)

1. 電子部品の超音波圧接に利用するためのホーンに対し、振動子によって主として長手方向に振動を付与して、所定の波長を有する定常波を前記長手方向において発生させるホーンの使用方法であって、
   前記ホーンは、断面形状変化部と、前記断面形状変化部の前記長手方向における両端に配置された一対の断面形状不変部と、前記断面形状変化部の下端面に配置された突起部とを備え、
   前記断面形状不変部は、前記長手方向に垂直な面での断面形状が前記長手方向において変化がなく、且つ、前記長手方向に垂直な面での断面積が前記長手方向において同一であり、
   前記断面形状変化部は、前記長手方向に垂直な断面が、前記長手方向に直交する第１の方向に沿って延びる第１の領域と、前記長手方向に直交すると共に前記第１の方向に直交する第２の方向から前記第１の領域を挟む一対の第２の領域とを有し、
   前記一対の第２の領域は、前記長手方向に垂直な断面が、前記第１の領域に関して対称であり、
   前記定在波の腹に相当する位置において、前記第１の領域の面積が最大となり、且つ、前記第２の領域の面積が最小となり、
   前記第１の領域及び前記第２の領域が、前記第２の方向において変化せず且つ前記第１の方向において変化することで、前記定在波の腹に相当する位置から節に相当する位置に向かうに従って、前記第１の領域の面積が減少し、前記第２の領域の面積が増加する部分を含み、
   前記突起部の下面に圧着面が形成され、
   前記突起部の前記圧着面は、前記定在波の腹に相当する位置からオフセットした位置に配置されており、
   前記オフセットした位置は、前記振動子によって付与される振動のうち前記第１の方向の振動成分が前記長手方向における一端から他端までの間で最小となる位置であるか、前記振動子によって付与される振動のうち前記第２の方向の振動成分が前記長手方向における一端から他端までの間で最小となる位置であるか、又は、前記振動子によって付与される振動のうち前記第１の方向の振動成分が前記長手方向における一端から他端までの間で最小となる位置で且つ前記振動子によって付与される振動のうち前記第２の方向の振動成分が前記長手方向における一端から他端までの間で最小となる位置である、ホーンの使用方法。
2. 電子部品の超音波圧接に利用するためのホーンに対し、振動子によって主として長手方向に振動を付与して、所定の波長を有する定常波を前記長手方向において発生させるホーンユニットの使用方法であって、
   前記ホーンユニットは、
   断面形状変化部と、前記断面形状変化部の前記長手方向における両端に配置された一対の断面形状不変部とを備え、前記断面形状不変部は、前記長手方向に垂直な面での断面形状が前記長手方向において変化がなく、且つ、前記長手方向に垂直な面での断面積が前記長手方向において同一であり、前記断面形状変化部は、前記長手方向に垂直な断面が、前記長手方向に直交する第１の方向に沿って延びる第１の領域と、前記長手方向に直交すると共に前記第１の方向に直交する第２の方向から前記第１の領域を挟む一対の第２の領域とを有し、前記一対の第２の領域は、前記長手方向に垂直な断面が、前記第１の領域に関して対称であり、前記定在波の腹に相当する位置において、前記第１の領域の面積が最大となり、且つ、前記第２の領域の面積が最小となり、前記第１の領域及び前記第２の領域が、前記第２の方向において変化せず且つ前記第１の方向において変化することで、前記定在波の腹に相当する位置から節に相当する位置に向かうに従って、前記第１の領域の面積が減少し、前記第２の領域の面積が増加する部分を含むホーンと、
   圧着面を有する圧着ノズルとを備え、
   前記第１の方向に沿って延びるノズル収容穴が、前記ホーンの前記断面形状変化部のうち前記第１の領域に形成され、
   前記圧着ノズルが前記ノズル収容穴に収容されて前記ホーンに取り付けられた状態で、前記圧着ノズルの前記圧着面が前記定在波の腹に相当する位置からオフセットした位置に配置され、
   前記オフセットした位置は、前記振動子によって付与される振動のうち前記第１の方向の振動成分が前記長手方向における一端から他端までの間で最小となる位置であるか、前記振動子によって付与される振動のうち前記第２の方向の振動成分が前記長手方向における一端から他端までの間で最小となる位置であるか、又は、前記振動子によって付与される振動のうち前記第１の方向の振動成分が前記長手方向における一端から他端までの間で最小となる位置で且つ前記振動子によって付与される振動のうち前記第２の方向の振動成分が前記長手方向における一端から他端までの間で最小となる位置である、ホーンユニットの使用方法。
3. 振動子と、
   前記振動子によって振動が主として長手方向に付与されることで所定の波長を有する定常波が前記長手方向において発生する、電子部品の超音波圧接に利用するためのホーンであって、断面形状変化部と、前記断面形状変化部の前記長手方向における両端に配置された一対の断面形状不変部と、前記断面形状変化部の下端面に配置された突起部とを備え、前記断面形状不変部は、前記長手方向に垂直な面での断面形状が前記長手方向において変化がなく、且つ、前記長手方向に垂直な面での断面積が前記長手方向において同一であり、前記断面形状変化部は、前記長手方向に垂直な断面が、前記長手方向に直交する第１の方向に沿って延びる第１の領域と、前記長手方向に直交すると共に前記第１の方向に直交する第２の方向から前記第１の領域を挟む一対の第２の領域とを有し、前記一対の第２の領域は、前記長手方向に垂直な断面が、前記第１の領域に関して対称であり、前記定在波の腹に相当する位置において、前記第１の領域の面積が最大となり、且つ、前記第２の領域の面積が最小となり、前記第１の領域及び前記第２の領域が、前記第２の方向において変化せず且つ前記第１の方向において変化することで、前記定在波の腹に相当する位置から節に相当する位置に向かうに従って、前記第１の領域の面積が減少し、前記第２の領域の面積が増加する部分を含み、前記突起部の下面に圧着面が形成され、前記突起部の前記圧着面は、前記定在波の腹に相当する位置からオフセットした位置に配置されており、前記オフセットした位置は、前記振動子によって付与される振動のうち前記第１の方向の振動成分が前記長手方向における一端から他端までの間で最小となる位置であるか、前記振動子によって付与される振動のうち前記第２の方向の振動成分が前記長手方向における一端から他端までの間で最小となる位置であるか、又は、前記振動子によって付与される振動のうち前記第１の方向の振動成分が前記長手方向における一端から他端までの間で最小となる位置で且つ前記振動子によって付与される振動のうち前記第２の方向の振動成分が前記長手方向における一端から他端までの間で最小となる位置であるホーンと、
   前記ホーンの圧着方向への加圧制御をおこなう加圧手段と
   を備える、電子部品を被接合面に圧着してボンディングするためのボンディング装置。
4. 振動子と、
   前記振動子によって振動が主として長手方向に付与されることで所定の波長を有する定常波が前記長手方向において発生し、断面形状変化部と、前記断面形状変化部の前記長手方向における両端に配置された一対の断面形状不変部とを備え、前記断面形状不変部は、前記長手方向に垂直な面での断面形状が前記長手方向において変化がなく、且つ、前記長手方向に垂直な面での断面積が前記長手方向において同一であり、前記断面形状変化部は、前記長手方向に垂直な断面が、前記長手方向に直交する第１の方向に沿って延びる第１の領域と、前記長手方向に直交すると共に前記第１の方向に直交する第２の方向から前記第１の領域を挟む一対の第２の領域とを有し、前記一対の第２の領域は、前記長手方向に垂直な断面が、前記第１の領域に関して対称であり、前記定在波の腹に相当する位置において、前記第１の領域の面積が最大となり、且つ、前記第２の領域の面積が最小となり、前記第１の領域及び前記第２の領域が、前記第２の方向において変化せず且つ前記第１の方向において変化することで、前記定在波の腹に相当する位置から節に相当する位置に向かうに従って、前記第１の領域の面積が減少し、前記第２の領域の面積が増加する部分を含む、電子部品の超音波圧接に利用するためのホーンと、圧着面を有する圧着ノズルとを含み、前記第１の方向に沿って延びるノズル収容穴が、前記ホーンの前記断面形状変化部のうち前記第１の領域に形成され、前記圧着ノズルが前記ノズル収容穴に収容されて前記ホーンに取り付けられた状態で、前記圧着ノズルの前記圧着面が前記定在波の腹に相当する位置からオフセットした位置に配置され、前記オフセットした位置は、前記振動子によって付与される振動のうち前記第１の方向の振動成分が前記長手方向における一端から他端までの間で最小となる位置であるか、前記振動子によって付与される振動のうち前記第２の方向の振動成分が前記長手方向における一端から他端までの間で最小となる位置であるか、又は、前記振動子によって付与される振動のうち前記第１の方向の振動成分が前記長手方向における一端から他端までの間で最小となる位置で且つ前記振動子によって付与される振動のうち前記第２の方向の振動成分が前記長手方向における一端から他端までの間で最小となる位置であるホーンユニットと、
   前記ホーンユニットの前記圧着ノズルの圧着方向への加圧制御をおこなう加圧手段と
   を備える、電子部品を被接合面に圧着してボンディングするためのボンディング装置。

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