JP4874445B2 - 超音波接合ツール及び超音波接合ツールの取付方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波振動によって金属同士の接合を行う超音波金属接合に関し、特に、超音波金属接合に供される超音波接合ツールおよび当該超音波接合ツールの取付方法に係るものである。

金属材同士の接合には従来から様々な方法が利用されている。その中で、異種若しくは同種の金属を大気中において比較的短時間で接合できる方法として、超音波金属接合方法がある。超音波金属接合方法は、被接合金属に加圧しながら横振動の超音波振動を印加することで、接合される被接合金属同士の表面に形成された酸化膜および吸着物を破壊し、露出した清浄な原子表面間に塑性流動を発生させて原子間結合を形成することにより接合を行う。

このような超音波金属接合を行う超音波接合装置として、例えば、先端にチップが取り付けられた柱状の超音波接合ツール（リード）を立設し、超音波を伝達するホーン（ウェッジ）の先端を超音波接合ツールの中間部に取り付けて超音波接合ツールおよびチップに超音波を伝達させると共に、超音波接合ツールの上方から接合荷重を加えて被接合金属同士を接合する超音波接合装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、柱状の超音波接合ツール（チップ）を立設し、その側面に縦振動の超音波を伝達するホーンを取り付け、ホーンから超音波接合ツールへ鉛直方向の接合荷重を加えるように構成した超音波接合装置等も知られている（例えば、特許文献２参照）。

一方、半導体パッケージなどの小型電子部品の製造において、半導体チップ上のボンディングパッドおよび半導体パッケージ上のリードに導電線を接合するのに用いられる超音波ボンディング装置では、ホーンの先端付近に小さなツール取付孔を穿設し、ツール取付孔に挿入したボンディングツールをホーン先端側からボルト締めすることによってボンディングツールがホーンに固定されている（例えば、特許文献３参照）。

この種のボンディングツールには、円柱状の先端部が導電体の寸法等に合わせて先細りしたペンシル形状のものが一般的に用いられる。（例えば、特許文献４参照）。そして、超音波ボンディング装置は、共振体から伝わる縦振動の超音波振動をボンディングツールでｎ次の撓み振動に変換し、ツール先端を振動ループとすることによって導電体に超音波振動を印加する。そして、上記構成を採る超音波ボンディング装置では、接合する導電体の寸法等に応じてボンディングツールを容易に交換できるようになっている。

ところで、導電体を接合するボンディングツールは、導電体として用いる円形断面のワイヤや矩形断面のリボン（テープ）等に超音波振動が効率良く伝達されるように、ツール先端にＶ字やＵ字形断面の溝が形成されたり、突起を格子状に並べたローレット等が形成されたりすることで、ワイヤやリボンに係合し易いようになっている（例えば、特許文献４，５参照）。
特開２００３−２６６１８０号公報 特開２００５−１３８１７２号公報 特開２００７−３５８２７号公報 特開２００４−８７８２２号公報 特開２００７−６７３４２号公報

しかしながら、特許文献１，２に記載の超音波接合ツールでは、障害物等により接合点までの距離が長くツールの長さを長くせざるを得ない場合や、高い接合荷重を必要とする場合、ツール先端が拘束されてツールに振動モードの変化が生じ、ｎ次の振動が維持されないため、接合が行われない。

また、特許文献３，４に記載のボンディングツールでは、大きな接合荷重を加えるためにはボンディングツールを太くする必要があるが、ボンディングツールの直径を大きくすれば、共振体に穿設するツール取付孔も大きくしなければならないため、例えホーンの性能が十分であってもツール寸法の増大に合わせてホーンを含む超音波振動系を大型化しなくてはならず、その取り扱いおよびコストの面で問題がある。また、ホーン先端面からのボルト締めでは大きな接合荷重に耐えることができないため、ホーンとボンディングツールとに互いに係合する係合部等を設ける必要があり、このような形状の変化はツールの振動特性に悪影響を与えてしまう。

本発明は、このような背景に鑑みなされたもので、障害物等により共振体から接合点までの距離が長くツール長さを長くせざるを得ない場合や、大きな接合荷重を必要とする場合であっても超音波接合を行うことができ、ホーンへの取付および交換が容易な超音波接合ツールおよび当該超音波接合接合ツールの取付方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、その基端が超音波共振体に取り付けられ、その先端で被接合金属に加圧すると共に超音波振動を印加することによって被接合金属同士を超音波接合する超音波接合ツールにおいて、第１の断面を有する柱状の基体部と、前記基体部から延設され、前記第１の断面より小さな第２の断面を有する柱状の先体部とを有するように構成し、前記先端は軸線に直交する平滑面であるように構成するとともに、前記基体部と前記先体部との境界部を振動ノード以外の位置に配置するように構成する。

また、本発明の他の態様は、第１の断面を有する柱状の基体部と、該基体部から延設され、前記第１の断面より小さな第２の断面を有するとともにその先端が軸線に直交する平滑面をなす柱状の先体部とを有し、その先端で被接合金属に加圧すると共に超音波振動を印加する超音波接合ツールを、超音波共振体に取り付けるツール取付方法において、前記超音波接合ツールの基端に、その軸線に沿うボルト孔を穿設し、前記共振体の先端付近に、その軸線に直交するボルト挿通孔を穿設し、前記ボルト挿通孔に挿通されるとともに前記超音波接合ツールの軸線上に配置されるボルトにより、前記超音波接合ツールを前記共振体に対して直交状態に締結し、前記基体部と前記先体部との境界部を振動ノード以外の位置に配置するものとする。

本発明の超音波接合ツールによれば、共振周波数を共振体の駆動周波数に正確に合わせることにより、ツール先端を振動ループとすると共に、ツール長さを長くせざるを得ない場合や、大きな接合荷重を必要とする場合においても、超音波接合ツールの振動モードの変化が抑制されてツール先端の振動ループが維持されるため、超音波エネルギを確実に被接合金属に伝達し、被接合金属同士を接合することができる。これにより、障害物等のために共振体から接合点までの距離が長い場合であっても接合が可能となる。また、前記先体部の先端面をその軸線に直交する平滑な面とすることにより、接合性能に不利な影響を与えることなく超音波金属接合を行えると共に、ツール形状が単純化され、製造コストを低減することができる。また、被接合金属に凹み等の損傷を与えることもない。さらに、境界部が振動ノード以外の位置に配置されることによって、大きな接合荷重にも耐え得る耐久性の高い超音波接合ツールを提供できる。

また、本発明のツール取付方法によれば、例え大きな接合荷重を加えたとしても超音波接合ツールが共振体から外れたりずれたりすることがない。また、超音波接合ツールの共振体への取付を容易に行えるため、被接合金属の種類や肉厚等に応じて共振周波数を正確に合わせた所望の超音波接合ツールへ容易に交換することが可能である。さらに、境界部を振動ノード以外の位置に配置したことによって、超音波接合ツールが大きな接合荷重にも耐え得るようになる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
≪実施形態の構成≫
図１は、超音波金属接合装置１を一部破断して示す側面図である。超音波金属接合装置１は、超音波発振器２と、超音波発振器２から発振した電気信号から超音波振動を発生させるＢＬＴ振動子３と、ＢＬＴ振動子３から発生した超音波振動を伝達する共振体としてのコーン４と、同じく超音波共振体としてのホーン５と、ホーン５の先端付近に取り付けられた超音波接合ツール６とを有している。ＢＬＴ振動子３、コーン４及びホーン５は、軸線が全て一致するように連結されている。ＢＬＴ振動子３、コーン４及びホーン５の上方にはブロック８が配置されており、ブロック８から懸装されたホルダ９によってコーン４の振動ノードとなる位置が保持されている。

超音波接合ツール６は、ホーン５の先端付近の下面から下方へ延設され、その軸線がホーン５の軸線に直行した状態でボルト７によって固定されている。超音波接合ツール６は、ホーン５側（図１において上側）に配設され、円柱形状を呈する基体部６ａと、基体部６ａの直径よりも小さな直径を有する円柱形状を呈し、先端側（図１における下側）に配設された先体部６ｂと、基体部６ａと先体部６ｂとを連結する境界部６ｃとから構成されている。基体部６ａと先体部６ｂとは一体形成されると共に、それらの軸線が一致するように配置されている。境界部６ｃは超音波接合ツール６の中間部に形成された段であって、本実施形態では、軸線に直交する平面によって形成されている。形成超音波接合ツール６の先端面６ｄは、ツールの軸線（すなわち、基体部６ａおよび先体部６ｂの軸線）に直交すると共に先体部６ｂの横断面と同一寸法の円形平滑面をなしている。

超音波金属接合装置１の下方には、超音波接合ツール６の先端面６ｄと平行に、被接合金属を載置するアンビル１０が配置されている。被接合金属である第１の銅板１１および第２の銅板１２は、それぞれ超音波接合される接合部１１ａ，１２ａが重なり合った状態で、アンビル１０の上に載置されている。超音波金属接合装置１は、アンビル１０に対し相対的に移動可能とされており、超音波接合ツール６の先端面６ｄを第２の銅板１２の接合部１２ｂの上面に当接させ、ツール長さ方向（下方）への接合荷重を加えつつ横方向の超音波振動を印加することで、第１の銅板１１と第２の銅板１２とを超音波接合する。

図２は、図１中のII部拡大断面図である。ホーン５の先端付近には、ホーン５の軸線５ｄに直交するボルト挿通孔１４が穿設されている。一方、超音波接合ツール６の基端面（図２における上端面）には、超音波接合ツール６の軸線６ｄ上にボルト孔１５が穿設されている。そして、ボルト７がホーン５のボルト挿通孔１４上側から挿入され、超音波接合ツール６のボルト孔１５に螺合することで、超音波接合ツール６がホーン５に固定される。ホーン５の超音波接合ツール６が当接する面の基端側部分には、超音波接合ツール６の上端形状に整合する段部５ａが形成され、超音波接合ツール６のホーン５に対する位置決めが容易に行えるようになっている。

≪実施形態の作用効果≫
次に、本実施形態の作用効果について説明する。図３は、超音波金属接合装置１の作用説明図である。（Ａ）は超音波金属接合装置１の側面を示しており、（Ｂ）はＢＬＴ振動子３の先端からホーン５の先端までの縦振動モードを示しており、（Ｃ）は超音波接合ツール６の基端から先端までの撓み振動モードを示している。

超音波発振器２から発振された電気信号は、ＢＬＴ振動子３により縦振動の超音波振動に変換され、コーン４及びホーン５を共振して伝達され、ホーン５の先端部付近に取り付けられた超音波接合ツール６で撓み振動に変換される。図６（Ｂ）に示すように、ホーン５の先端は振動振幅が最大（振動ループ）となるようにされており、その先端近傍に超音波接合ツール６が取り付けられている。これにより、縦振動から撓み振動へ変換する際の超音波振動の減衰が抑制されている。

図６（Ｃ）に示すように、超音波接合ツール６における撓み振動は、超音波接合ツール６の基端（上端）が振動ループとなる。本実施形態では、超音波接合ツール６の基体部６ａと先体部６ｂとの境界部６ｃよりも上側、つまり基体部６ａ内に振動ノードがくるようになっている。すなわち、基体部６ａは波長λの１／４以上の長さを有している。直径の大きなツールの基体部６ａでは、振幅が小さいが、基体部６ａよりも直径の小さなツールの先体部６ｂでは、振幅が大きくなっている。そして超音波接合ツール６の先端は振動ループであり、且つ拘束されない自由端であるため、その振動振幅は最大となっている。

基体部６ａ内に振動ノードがくるようになっているのは、基体部６ａと先体部６ｂとの境界部６ｃに振動ノードがくると、応力集中による破壊や金属疲労を起こして境界部６ｃで超音波接合ツール６が折れ易くなるからであり、このように境界部６ｃの位置を振動ノードからずらすことによって、大きな接合荷重にも耐え得る耐久性の高い超音波接合ツール６が提供される。

超音波接合ツール６の形状、つまり基体部６ａおよび先体部６ｂの断面寸法や、境界部６ｃの位置は、共振周波数や音速等の種々の条件を考慮してツール先端（下端）が振動ループとなるように設定される。超音波接合ツール６は、その先端において図中下方向への接合荷重を被接合金属に加えると同時に、最大振幅の横振動（図中左右方向）を印加することにより、超音波エネルギを効率良く伝達して被接合金属同士を接合する。

従来の超音波接合ツールであれば、大きな接合荷重を加えると、超音波接合ツールの先端がリボンに拘束されてしまう。すなわち、超音波接合ツールにおける振動モードが変化してツール先端付近が振動ノードとなり、リボンが振動しないため接合が行われない。しかし、本実施形態による超音波接合ツール６においては、第２の銅板１２に干渉しない部分に大断面の基体部６ａを配置することで、超音波接合ツールの振動モードの変化が抑制されてツール先端の振動ループが維持されるため、超音波エネルギを確実に被接合金属に伝達できると共に、狭小且つホーン５から第２の銅板１２までの距離が長い超音波接合が可能となっている。

また、超音波接合ツール６の先端面６ｄがツールの軸線に直交する平滑面とされていることにより、接合性能に不利な影響を与えずに超音波振動を伝達できるだけでなく、第２の銅板１２に凹み等の損傷を与えることもない。また、超音波接合ツール６の製造も容易である。更に、超音波接合ツール６は、その基端がホーン５の下面に当接するように取り付けられているため、大きな接合荷重が加わっても取付位置がずれたりホーン５から外れたりしないだけでなく、超音波振動の伝達も効率良く行われる。

≪変形実施形態≫
図４は、変形実施形態による超音波金属接合装置１のホーンと超音波接合ツールとの接合部（要部）を示す断面図である。本変形実施形態の説明にあたっては、上記した実施形態と異なる点についてのみ説明し、同様の構成および機能を有する部材については同一の符号を付すとともに、その説明は省略する。超音波接合ツール６の基端部６ｂには、その軸線６ｄ上に延出するスタッドボルト１６が基端面（図４における上端面）の中央に一体形成されている。スタットボルト１６は、ホーン５の先端付近の厚さよりも長く、その先端（図４における上端）側にはねじが切られている。スタッドボルト１６をボルト挿通孔１４に挿通して突出したねじ部にナット１７を螺着すると、超音波接合ツール６の基端面がホーン５の先端に当接するとともに、超音波接合ツール６の上端形状がホーン５の段部５ａに整合し、超音波接合ツール６がホーン５に対して所定の位置に固定される。本変形実施形態の超音波接合装置においても、上記作用効果と同様の作用効果が発揮される。

以上で具体的実施形態についての説明を終えるが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、超音波接合ツールの基体部および先体部を円柱形状としているが、柱状であれば四角柱や六角柱等、他の形状であってもよい。また、超音波接合ツールの先端面は先体部の断面と同一形状である必要はなく、必要に応じて所望の形状に成形してもよい。更に、上記実施形態では、境界部が振動ノードの下側にくるように設定しているが、当該境界を振動ノードや振動ループとなる位置等に設定してもよく、また、当該境界を、ツール軸線方向に所定の長さを持たせ直径が次第に減少する円錐台（テーパー）形状等にしてもよい。また、上記実施形態では、被接合金属として２枚の銅板を用いているが、被接合金属はこれに限定されず、例えば、鉄、アルミニウム、鋼鉄その他の合金等、およびこれらを組み合わせであってもよい。更なる変更として、超音波接合ツールを３つ以上の部材の接合に用いてもよく、被接合金属の形状を板材以外の形状、例えばワイヤ等としてもよい他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更可能である。

超音波金属接合装置を一部破断して示す側面図 図１中のII部拡大断面図 超音波金属接合装置の作用説明図 変形実施形態による超音波金属接合装置の要部断面図

符号の説明

１ 超音波金属接合装置
２ 超音波発振器
３ ＢＬＴ振動子
４ コーン
５ ホーン
６ 超音波接合ツール
６ａ 基体部
６ｂ 先体部
６ｃ 境界部
６ｄ 先端面
７ ボルト
８ ブロック
９ ホルダ
１０ アンビル
１１ 第１の銅板
１２ 第２の銅板
１４ ボルト挿通孔
１５ ボルト孔
１６ スタッドボルト
１７ ナット

Claims (2)

1. その基端が超音波共振体に取り付けられ、その先端で被接合金属に加圧すると共に超音波振動を印加することによって被接合金属同士を超音波接合する超音波接合ツールであって、
   第１の断面を有する柱状の基体部と、
   前記基体部から延設され、前記第１の断面より小さな第２の断面を有するとともにその先端が軸線に直交する平滑面をなす柱状の先体部とを有し、
   前記基体部と前記先体部との境界部が、振動ノード以外の位置に配置されたことを特徴とする超音波接合ツール。
2. 第１の断面を有する柱状の基体部と、該基体部から延設され、前記第１の断面より小さな第２の断面を有するとともにその先端が軸線に直交する平滑面をなす柱状の先体部とを有し、前記先端で被接合金属に加圧すると共に超音波振動を印加する超音波接合ツールを、超音波共振体に取り付けるツール取付方法であって、
   前記超音波共振体の先端付近に、その軸線に直交するボルト挿通孔を穿設し、
   前記ボルト挿通孔に挿通されるとともに前記超音波接合ツールの軸線上に配置されるボルトにより、前記超音波接合ツールを前記共振体に対して直交状態に締結し、
   前記基体部と前記先体部との境界部を振動ノード以外の位置に配置したことを特徴とするツール取付方法。

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