JP5281498B2 - 加圧式超音波振動接合方法および加圧式超音波振動接合装置 - Google Patents

Description

この発明は、加圧式超音波振動接合方法および加圧式超音波振動接合装置に関する発明であり、たとえば、薄厚の基体上に導電性を有するリード線を超音波振動接合する場合に適用される。

従来より、たとえばワイヤーハーネスにおける中間ジョイント接合の方法として、加圧式超音波振動接合が採用されている。当該加圧式超音波振動接合では、所定の部材にワークを配置し、当該ワークに対して押圧しながらの超音波振動を印加する。当該押圧と超音波振動とのエネルギーにより、ワークは所定の部材と強力に接合される。

また、半導体の分野においても、電子部品を実装する際に加圧式超音波振動接合技術が採用されることもある（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００４−６５７０号公報

ところで、たとえば２ｍｍ以下の薄厚のガラスのような基体に対して、そのガラス基体にクラックなどの損傷を与えずに、薄膜の導電性を有するリード線を接合する要請が高まってきている。当該接合の方法として、半田やペーストを利用した方法も考えられるが、簡易な接合方法、コスト低減、省エネルギーや常温での接合の観点から、加圧式超音波振動接合が採用されることが期待される。

しかしながら、たとえば、基体に対してリード線を配置し、当該リード線に押圧しながらの超音波振動を印加すると、リード線が撓む（基体に対して湾曲して浮き上がる）という問題が生じる。特に、リード線上で所定の間隔を設けながら複数点の接合を行った場合には、各接合点間においてリード線が湾曲した浮き上がりが顕著に生じる。

そこで、本発明は、薄厚の基体に対してリード線を接合する際に加圧式超音波振動接合を利用したとしても、当該リード線の撓みを抑制することができる加圧式超音波振動接合方法および加圧式超音波振動接合装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る請求項１に記載の加圧式超音波振動接合方法は、（Ａ）薄厚の基体を所定のテーブルに設置する工程と、（Ｂ）前記基体上に、導電性のリード線を配置させる工程と、（Ｃ）前記所定テーブル側に所定の圧力を加えながら前記リード線上に超音波振動を印加することにより、前記基体に前記リード線を接合する工程とを、備えており、前記工程（Ｃ）は、前記リード線における前記超音波振動の印加部の両脇を、前記所定のテーブル側に弾性体により押圧しながら、前記リード線に前記超音波振動を印加する工程である。

また、本発明に係る請求項３に記載の加圧式超音波振動接合装置は、薄厚の基体を設置する所定のテーブルと、前記基体上に導電性を有するリード線を配置した状態で、前記所定テーブル側に所定の圧力を加えながら前記リード線上に超音波振動を印加するボンディングツールと、前記リード線における前記ボンディングツールによる前記超音波振動の印加部の両脇を、前記所定のテーブル側に押圧する押さえ部材とを、備えている。
さらに、前記押さえ部材の前記リード線当接部は弾性体である。

本発明では、リード線における超音波振動の印加部の両脇を、所定のテーブル側に押圧しながら、リード線に超音波振動を印加する。したがって、リード線の撓み（浮き上がり）を防止または抑制できる。

また、当該押圧により、所定のテーブルに対する基体の固定がより強固なものとなり、リード線に対する加圧式超音波振動接合を施す際に、基体が所定のテーブルに対して移動することを防止できる。したがって、超音波振動によるリード線と基体との接合を、より短時間でより効率良く行うことが可能となる。

また、リード線における超音波振動の印加部の両脇の２点を押さえ部材により押圧する。これにより、リード線を１点のみで押圧したときに発生した、加圧式超音波振動による基体への損傷を防止することができる。

さらに、基体１１とリード線１２との間における接合の接合力（密着力）のばらつきを格段に改善することができる。

実施の形態１に係る加圧式超音波振動接合装置の構成を示す図である。 押さえ部材がリード線を押圧する様子を示す拡大側面図である。 押さえ部材がリード線を押圧する様子を示す拡大断面図である。 押さえ部材がリード線を押圧する様子を示す拡大平面図である。 押さえ部材を省略した加圧式超音波振動接合装置を用いて加圧式超音波振動接合を実施した場合に生じる、問題点を説明するための図である。 実施の形態２に係る加圧式超音波振動接合の振動方向を説明する側面図である。 実施の形態２に係る加圧式超音波振動接合の振動方向を説明する平面図である。 実施の形態３に係る押さえ部材の構成を説明するための側面図である。 実施の形態３に係る押さえ部材の構成を説明するための断面図である。 実施の形態３に係る押さえ部材の他の構成を説明するための断面図である。

本発明は、薄厚の基体上に導電性を有するリード線を超音波振動接合することができる、加圧式超音波振動接合方法および加圧式超音波振動接合装置に関する発明である。本願発明では、基体は、基板または上面に所定の薄膜（たとえば、クロムや透明性導電膜など）が形成された基板のことである。また、当該基体の厚さは、たとえば２ｍｍ以下程度である。以下、この発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。

＜実施の形態１＞
図１は、本発明に係る加圧式超音波振動接合装置１００の構成を示す図である。図１は、加圧式超音波振動接合装置１００を横方向から見た図である。

図１に示すように、加圧式超音波振動接合装置１００は、電動シリンダー１、支柱部（シャフト）２、カップリング３、ロッド４、当接先端部５、振動ホーン部６、ホルダー７、超音波振動子８、押さえ部材９および所定のテーブル（たとえばアンビル）１０を、各々備えている。

なお、ロッド４および当接先端部５から成る構造体を、ボンディングツール４，５と称する。また、図１における図面上下方向がｙ軸方向であり、図１における図面左右方向がｘ軸方向である。また、他の図面で使用するｘ軸、ｙ軸は、図１で示したｘ軸、ｙ軸と同じ方向である。また、他の図面において、ｘ軸とｙ軸とに共に直交するｚ軸を図示する場合もある。

電動シリンダー１は、ボンディングツール４，５の駆動を制御することができる。具体的に、電動シリンダー１は、ボンディングツール４，５を、ｙ軸方向に移動させることができる。さらに、電動シリンダー１は、当接先端部５を介してリード線１２に対して所定の圧力を印加させることができる。なお、支柱部２は、電動シリンダー１に連接されている。したがって、当該電動シリンダー１の駆動力は、支柱部２に伝達される。

カップリング３は、支柱部２とロッド４とを接続する部分である。電動シリンダー１からの動力は、支柱部２を介してロッド４へと伝達される。

また、ロッド４は、ホルダー７により支持されており、当該ホルダー７内部においてロッド４は上下方向にガイドされている。当該ロッド４における所定のテーブル１０側の先端部には、当接先端部５が配設されている。また、ロッド４には、振動ホーン６が接続されており、超音波振動子８で発生した超音波振動は、振動ホーン６を介してロッド４に伝達される。

なお、当接先端部５は、超音波振動接合処理の際に、ワーク（リード線１２）に当接される部分である。当該当接先端部５におけるリード線１２との当接面には、所定のパターンの第一の凹凸形状が形成されており、当該第一の凹凸形状の面には、さらに第一の凹凸形状より小さな複数の第二の凹凸形状が形成されている。

所定のテーブル１０上には、薄厚の基体１１が設置される。また、図示は省略しているが、所定のテーブル１０上面には、少なくとも１以上穴が穿設されており、当該穴を介した真空吸着により、基体１１は所定のテーブル１０に固定される。

基体１１上に導電性を有するリード線１２が配置された状態で、電動シリンダー１からの駆動力によりボンディングツール４，５は、所定のテーブル１０側に向かう所定の圧力をリード線１２に加えながら、当該ボンディングツール４，５は、当該リード線１２上に超音波振動子８で発生した超音波振動を印加する。

押さえ部材９は、超音波振動接合処理の際に、ワーク（リード線１２）を所定のテーブル１０側に押圧する。当該押さえ部材９がリード線１２を押圧している状態を、図２乃至４に示す。

図２は、当該押さえ部材９がリード線１２を押圧している状態を、加圧式超音波振動接合装置１００を横方向から見た拡大図である。また、図３は、当該押さえ部材９がリード線１２を押圧している状態を、図１のｘ軸方向から見た拡大図である。また、図４は、当該押さえ部材９がリード線１２を押圧している状態を、図１のｙ軸方向から見た拡大図である。なお、図２，４では図面簡略化の観点より、ボンディングツール４，５の図示を省略している。さらに、図４における砂地部分は、リード線１２における超音波振動接合処理が施される領域である。

押さえ部材９は、図示を省略しているが、シリンダーに接続されている。当該シリンダーからの動力により、押さえ部材９は、図１のｙ軸方向に移動し、所定のテーブル１０側に押圧を印加する。図３，４に示すように、押さえ部材９は、リード線１２におけるボンディングツール４，５による超音波振動の印加部の両脇を押圧する。

つまり、超音波振動接合の際の線状のリード線１２を平面視した場合（上方向から見た場合）、当該リード線１２の延設方向に、押さえ部材９による第一の押圧部（ｚ方向の幅１０ｍｍ）、所定の距離（１ｍｍ）、超音波振動接合施工部（当接先端部５のｚ方向の幅）、所定の距離（１ｍｍ）、押さえ部材９による第二の押圧部（ｚ方向の幅１０ｍｍ）が存在することとなる（図３，４参照）。当該記載からわかるように、当接先端部５の端部から、当該端部に面する各押さえ部材９の端部までの距離は、各々１ｍｍである。

当該押さえ部材９によるリード線１２に対する圧力は、薄厚の基体１１に損傷を与えない程度の大きさであり、基体１１の材質や厚さにもよるが、たとえば１０ｋｇ程度である。なお、押さえ部材９は、リード線１２にのみ当接され、押圧の際に基体１１には接しない。

なお、基体１１は、セラミック、シリコン、ガラスやエポキシなどの薄厚（２ｍｍ以下）の部材である。または、基体１１は、これらの部材上（所定のテーブル１０への非載置側上）に所定の薄膜が形成された部材である。また、基体１１に加圧式超音波接合されるリード線１２は、たとえばアルミニウムや銅などの薄膜（１００μｍ程度）の部材であり、所定の線幅（図１のｘ方向の幅）を有する線状の形状を有する。

次に、加圧式超音波振動接合装置１００を用いた、加圧式超音波振動接合方法の動作について説明する。

まず、所定のテーブル１０上に、薄厚の基体１１を設置する。そして、所定のテーブル１０に設けられた穴（図示せず）を介した真空吸着により、基体１１を所定のテーブル１０に固定させる。

次に、図示を省略しているリールには、導電性を有する薄膜のリード線１２が旋回されている。当該リールからリード線１２を引き出し、当該引き出したリード線１２を基体１１上の所定の箇所に配置させる。

次に、図示を省略しているシリンダーの動力により、押さえ部材９をリード線１２に対して押圧（所定のテーブル１０側に押圧）させる。ここで、図３，４に示すように、押さえ部材９は、加圧式超音波振動接合が実施される領域を挟むように、リード線１２を押圧する。つまり、押さえ部材９は、リード線１２における超音波振動の印加部の両脇を、所定のテーブル１０側に押圧する。

そして、押さえ部材９がリード線１２を押圧している状態で、電動シリンダー１の駆動力により、リード線１２に向けてボンディングツール４，５を下降させる。さらに、ボンディングツール１２（より具体的には、当接先端部５）がリード線１２に当接すると、電動シリンダー１の駆動力により、当該リード線１２に対して所定テーブル１０側に所定の圧力を加える。

次に、リード線１２が押さえ部材９により押圧され、ボンディングツール４，５がリード線１２に所定の圧力を印加している状態において、超音波振動子８に超音波振動を発生させる。当該発生した超音波振動は、振動ホーン部６を介して、ロッド４に伝達される。そして、ロッド４と共に当接先端部５は、所定の振動数（たとえば２０〜４０ＫＨｚ）・振幅（１０μｍ以下で、たとえば基体１１に対する損傷防止の観点から４，５μｍ程度）の超音波振動を行う。

ここで、当該超音波振動の振動方向は、たとえば図３，４のｚ軸方向である（つまり、リード線１２の延設方向である）。ボンディングツール４，５が超音波振動を行うことにより、当該超音波振動はリード線１２に印加される。

このように、リード線１２を押さえ部材９により押圧しながら、当該リード線１２にボンディングツール４，５を用いた加圧式超音波振動を印加することにより、リード線１２が基体１１に接合される。

なお、リード線１２を基体１１に対して接合した後は、電動シリンダー１の駆動力によりボンディングツール４，５を上方向に移動させ、図示しないシリンダーの駆動力により押さえ部材９を上方向に移動させる。また、リード線１２の他の場所と基体１１とを新たに超音波振動接合させる場合は、基体１１を真空吸着固定している所定のテーブル１０を移動させる。

次に、加圧式超音波振動接合装置１００および上記加圧式超音波振動接合方法の効果を、問題点を提示しつつ説明する。

まず、問題点を説明する。

加圧式超音波振動を印加し、リード線１２の所定の箇所１２Ａを基体１１に接合した後、リード線１２の延設方向に所定の距離だけ離れた、当該リード線１２の他の箇所１２Ｂを加圧式超音波振動接合を行う場合を想定する。当該他の箇所１２Ｂと基体１１との接合の際に、図５に示すように、押さえ部材９によるリード線１２の押圧をせずに、ボンディングツール４，５がリード線１２に対して加圧式超音波振動を印加したとする。この場合には、図５に示すように、所定の箇所１２Ａと他の箇所１２Ｂとの間におけるリード線１２が上方向に撓む。つまり、所定の箇所１２Ａと他の箇所１２Ｂとの間におけるリード線１２は、上方向に湾曲して浮き上がる。

当該リード線１２の撓みの規模（基体１１の上面からの浮き上がりの高さ）は１ｍｍ以上に及ぶ場合もあり、当該撓みに起因して、リード線１２が接合された基体１１を備えるデバイスの小型化が阻害される。また、当該リード線１２が撓むと、製造処理過程において他の部材がリード線１２の当該撓んでいる箇所に引っかかることもあり、リード線１２の断線の原因にもなる。

そこで、本発明では、図２，３，４に示すように、リード線１２における超音波振動の印加部の両脇を、押さえ部材９により所定のテーブル１０側に押圧する。そして当該押圧を行いながら、ボンディングツール４，５を用いたリード線１２に対する加圧式超音波振動接合を実施する。

したがって、リード線１２の上記撓み（浮き上がり）を防止または抑制でき、たとえリード線１２の上記撓み（浮き上がり）が発生したとしても、その規模（基体１１の上面からの浮き上がりの高さ）は、０．２ｍｍ以下となる。当該撓みの規模は、デバイスの薄型化に影響を及ぼさない範囲のものであり、また、製造処理過程において他の部材とリード線１２の当該撓んでいる箇所との引っかかりが生じない程度のものである。

また、押さえ部材９によりリード線１２を押圧することにより、基体１１を所定のテーブル１０に対して押圧することにもなる。したがって、所定のテーブル１０に対する基体１１の固定がより強固なものとなり、リード線１２に対する加圧式超音波振動接合を施す際に、基体１１が所定のテーブル１０に対して移動することを防止できる。このように、基体１１の固定が強固となると、リード線１２のみを超音波振動させることができる。つまり、ボンディングツール４，５による超音波振動エネルギーを、基体１１とリード線１２との接触部における摩擦エネルギーに効率良く変換できる。したがって、超音波振動によるリード線１２と基体１１との接合を、より短時間でより効率良く行うことが可能となる。

なお、本実施の形態と異なり、リード線１２における超音波振動の印加部の片脇のみを、押さえ部材９により所定のテーブル１０側に押圧した実験を行った。結果、一点のみを押さえ部材９により押圧した場合には、加圧式超音波振動をリード線１２に印加すると、押さえ部材９による押圧部において基体１１に損傷が生じた。

これに対して、本実施の形態のように、リード線１２における超音波振動の印加部の両脇の２点を押さえ部材９により押圧したときには、前述のような加圧式超音波振動による基体１１の損傷を防止することが確認できた。

また、図５で示したように、押さえ部材９を省略した構成で基体１１とリード線１２とを複数点で接合した場合には、接合力（密着力）のばらつきは５０％程度であった。これに対して、本実施の形態のように、押さえ部材９によりリード線１２を２箇所で押圧する構成を採用し、基体１１とリード線１２とを複数点で接合した場合には、接合力（密着力）のばらつきは１０％以下となった。つまり、本実施の形態を採用した場合には、接合力のバラツキを格段に抑制することができる。

なお、上記リード線１２の撓み抑制、基体１１の所定のテーブル１０への固定、接合力のバラツキ抑制の観点から、平面視における、当接先端部５の端部から当該端部に面する各押さえ部材９の端部までの距離を、各々１ｍｍとすることが望ましい。

＜実施の形態２＞
実施の形態１では、図３に示したように、線状のリード線１２に印加する超音波振動の振動方向は、線状のリード線１２の延設方向であった。本実施の形態では、他の方向に超音波振動の振幅方向を振らす場合について言及する。

本実施の形態では、図６，７に示すように、ボンディングツール４，５による超音波振動の方向は、図面のｘ方向である。つまり、線状のリード線１２は、ｘ軸方向に所定の線幅を有するが、本実施の形態では、リード線１２と基体１１との加圧式超音波振動接合の際に、ボンディングツール４，５を当該所定の線幅方向に超音波振動をさせる。

なお、当該超音波振動の振動方向以外の構成および動作は、実施の形態１と同様である。つまり、リード線１２における超音波振動の印加部の両脇を、押さえ部材９により所定のテーブル１０側に押圧すること、当該押圧を行いながら、ボンディングツール４，５を用いたリード線１２に対する加圧式超音波振動接合を実施することなどは、実施の形態１と同様である。

以上のように、本実施の形態では、加圧式超音波振動接合の際に、所定の線幅を有する線状のリード線１２に対して、当該所定の線幅方向に振動する超音波振動を印加している。

したがって、加圧式超音波振動接合をリード線１２に施したとしても、図５で示したようなリード線１２の撓み（浮き上がり）を完全に防止できる。

また、実施の形態１で説明したように、加圧式超音波振動接合の際に、ボンディングツール４，５をリード線１２の延設方向に振動させたとする。この場合には、当該振動により、リード線１２は両押さえ部材９の方向に移動する。したがって、前記場合には、ボンディングツール４，５に面する側の押さえ部材９の端部とリード線１２との間において、局所的な力が働く。

これに対して、本実施の形態に係る方法では、リード線１２に対してリード線１２における所定の線幅方向に振動する超音波振動を印加している。したがって、当該振動により、リード線１２が両押さえ部材９の方向に移動することはない。よって、本実施の形態の場合には、ボンディングツール４，５に面する側の押さえ部材９の端部とリード線１２との間において、局所的な力が働くことも無い。

＜実施の形態３＞
本実施の形態では、押さえ部材９におけるリード線１２との当接部分の形態について、説明する。なお、押さえ部材９におけるリード線１２との当接部分の形態以外の構成および動作は、実施の形態１と同様である。

図８，９に示すように、本実施の形態では、押さえ部材９におけるリード線１２の当接部分は、ゴムなどの弾性体９ａで構成されている。

また、本実施の形態の他の構成では、図１０に示すように、押さえ部材９のリード線１２の当接部は、少なくともボンディングツール４，５に面する側において、丸面取りされている。なお、図１０の構成では、押さえ部材９のボンディングツール４，５が面する側が丸面取り（丸面取り部９ｂ）されているだけでなく、押さえ部材９のボンディングツール４，５に面しない側においても丸面取り（丸面取り部９ｃ）されている。ここで、丸面取りとは、角部が鋭角でなくなるように丸を帯びるように面取りされることである。

以上のように、本実施の形態では、押さえ部材９におけるリード線１２の当接部分は、ゴムなどの弾性体９ａで構成されている。したがって、押さえ部材９によるリード線１２の押圧により、当該リード線にダメージを与えることを防止できる。

また、実施の形態１で説明したように、加圧式超音波振動接合の際に、ボンディングツール４，５をリード線１２の延設方向に振動させたとする。この場合には、当該振動により、リード線１２は両押さえ部材９の方向に移動する。

そこで、本実施の形態の他の構成では、押さえ部材９のリード線１２の当接部は、少なくともボンディングツール４，５に面する側において丸面取りされている。これにより、たとえボンディングツール４，５をリード線１２の延設方向に振動させ、当該振動によりリード線１２が両押さえ部材９の方向に移動したとしても、ボンディングツール４，５に面する側の押さえ部材９の端部とリード線１２との間において、局所的な力が働くことを緩和できる。

なお、図８，９の構成と図１０の構成とを組み合わせても良い。つまり、押さえ部材９におけるリード線１２の当接部分を弾性体とし、当該弾性体である押さえ部材９におけるボンディングツール４，５に面する側が丸面取りされていても良い。

また、押さえ部材９に対して本実施の形態を適用した場合、ボンディングツール４，５の振動方向は、実施の形態１で示したように、線状のリード線１２の延設方向でも良く、または、実施の形態２で示したように、線状のリード線１２が有する線幅の当該線幅方向であっても良い。

１ 電動シリンダー
２ 支柱部
３ カップリング
４ ロッド
５ 当接先端部
６ 振動ホーン部
７ ホルダー
８ 超音波振動子
９ 押さえ部材
９ａ 弾性体
９ｂ，９ｃ 丸面取り部
１０ 所定のテーブル
１１ 基体
１２ リード線
１００ 加圧式超音波振動接合装置

Claims (5)

1. （Ａ）薄厚の基体を所定のテーブルに設置する工程と、
   （Ｂ）前記基体上に、導電性のリード線を配置させる工程と、
   （Ｃ）前記所定テーブル側に所定の圧力を加えながら前記リード線上に超音波振動を印加することにより、前記基体に前記リード線を接合する工程とを、備えており、
   前記工程（Ｃ）は、
   前記リード線における前記超音波振動の印加部の両脇を、前記所定のテーブル側に弾性体により押圧しながら、前記リード線に前記超音波振動を印加する工程である、
   ことを特徴とする加圧式超音波振動接合方法。
2. 前記リード線は、
   所定の線幅を有する線状部材であり、
   前記工程（Ｃ）は、
   前記所定の線幅方向に振動する前記超音波振動を印加する工程である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の加圧式超音波振動接合方法。
3. 薄厚の基体を設置する所定のテーブルと、
   前記基体上に導電性を有するリード線を配置した状態で、前記所定テーブル側に所定の圧力を加えながら前記リード線上に超音波振動を印加するボンディングツールと、
   前記リード線における前記ボンディングツールによる前記超音波振動の印加部の両脇を、前記所定のテーブル側に押圧する押さえ部材とを、備えており、
   前記押さえ部材の前記リード線当接部は、
   弾性体である、
   ことを特徴とする加圧式超音波振動接合装置。
4. 前記押さえ部材の前記リード線当接部は、
   少なくとも前記ボンディングツールと面する側において、丸面取りされている、
   ことを特徴とする請求項３に記載の加圧式超音波振動接合装置。
5. 前記リード線は、
   所定の線幅を有する線状部材であり、
   前記ボンディングツールは、
   前記超音波振動の印加の際には、前記所定の線幅方向に振動する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の加圧式超音波振動接合装置。

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