JP5420990B2 - 基板固定テーブル及び超音波接合装置 - Google Patents

Description

この発明は、超音波接合装置に用いられる基板固定テーブルに関する。

端子ボックスの電線接続部と電線のリード引出線の電線端末を接続する装置、あるいは電子デバイス等の接合対象部上に外部引出用のリード線等の被接合材を接合する装置として超音波接合装置がある。超音波接合装置は、例えば、電線接続部（接合対象部）上に電線端末（被接合材）を載置し超音波振動を印加して接合を行う。超音波接合装置による超音波振動を利用した超音波接合では、接合界面に対して垂直方向の加圧による応力と、平行方向の高い振動加速度による繰返し応力とを与えて接合界面に摩擦発熱を生じさせる。これにより被接合材の原子を拡散させて接合することができる。このような超音波接合装置はアンビルと呼ばれるテーブル上に接合対象部を載置して超音波接合動作を行うのが一般的である。上記テーブルを有する超音波接合装置は例えば特許文献１に開示されている。

特開２００６−１０７８８２号公報

しかしながら、超音波接合装置における上記テーブルは、接合対象部より生じる反射波に起因して超音波振動が減衰する結果、接合対象部と被接合材との接合強度を劣化させてしまうという問題点があった。

この発明は上記問題点を解決するためになされたもので、接合対象部と被接合材との接合強度を劣化させない構造の接合対象部搭載用の基板固定テーブルを得ることを目的とする。

この発明に係る請求項１記載の基板固定テーブルは、第１の材質からなる薄膜基体の表面上に配置された被接合材に対し、超音波接合用ツールを用いて上方から加圧するとともに超音波振動を印加して、前記薄膜基体の表面上に前記被接合材を接合する超音波接合装置に用いられ、前記薄膜基体を上部に搭載する第２の材質からなる基板固定テーブルであって、前記基板固定テーブルは、その表面上に前記薄膜基体を固定搭載可能な固定搭載手段を有し、前記第２の材質は前記薄膜基体を前記固定搭載手段によって固定搭載した時に前記薄膜基体内の振動が透過波として伝搬可能な音響インピーダンスを有する材質を含み、前記薄膜基体の固定搭載時における前記薄膜基体の外周端部から前記基板固定テーブルの端部までの最短距離が、前記薄膜基体内部を伝わる平面波長の１／４の長さに設定されたことを特徴とする。

この発明における請求項１記載の基板固定テーブルは、以下の特徴(a) ，(b) を有している。
(a) （基板固定テーブル用の）前記第２の材質は前記薄膜基体を前記固定搭載手段によって固定搭載した時に前記薄膜基体内の振動が透過波として伝搬可能な音響インピーダンスを有する材質を含む、
(b) 前記薄膜基体の固定搭載時における前記薄膜基体の外周端部から前記基板固定テーブルの端部までの最短距離が、前記薄膜基体内部を伝わる平面波長の１／４の長さに設定されている。

請求項１記載の基板固定テーブルは上記特徴(a) を有することにより、超音波接合装置による超音波振動の印加時に生じる入射波は薄膜基板内部に伝わり、さらに透過波として基板固定テーブル内に伝播することにより、薄膜基体端部での反射波を小さくすることができる。この効果（反射波低減効果）は、上記特徴(b) である「上記最短距離を、薄膜基体内部を伝わる平面波長の１／４の長さに設定する」ことにより顕著となる。
その結果、請求項１記載の基板固定テーブルは、被接合材の薄膜基体への超音波接合時において、薄膜基体端部の生じる反射波による影響を取り除くことができ、接合強度を弱めることなく、被接合材を薄膜基体の表面上に接合することができる効果を奏する。

この発明の実施の形態１である基板固定テーブルの上面構造を模式的に示す平面図である。 実施の形態１の基板固定テーブルのガラス基板搭載予定領域上にガラス基板を実際に搭載した際の超音波接合状況を模式的に示す断面図である。 実施の形態１の基板固定テーブルのガラス基板搭載予定領域上にガラス基板を搭載した時の状態を模式的に示した平面図である。 実施の形態１の基板固定テーブルを用いることによる効果を示すグラフである。 この発明の実施の形態２である基板固定テーブル上にガラス基板を搭載した状況を示す説明図である。

＜実施の形態１＞
図１はこの発明の実施の形態１である基板固定テーブルの上面構造を模式的に示す平面図である。同図に示すように、基板固定テーブル５はガラス基板搭載予定領域Ｒ３より十分大きな上面領域を有している。

ガラス基板搭載予定領域Ｒ３は基板固定テーブル５の上部に搭載する、板厚が０．７〜２．０ｍｍ程度の薄膜基体であるガラス基板３を搭載する仮想的な平面領域を意味している。また、リード線接合予定領域Ｒ２は、ガラス基板搭載予定領域Ｒ３上に搭載したガラス基板３上において実際に接合部材であるリード線２を接合する仮想的な平面領域を意味している。

基板固定テーブル５はガラス基板搭載予定領域Ｒ３の中心領域（第１の吸着領域）に図中横方向に２列に分散してそれぞれ複数個（図１では５個）の吸着パッド３１を選択的に設けている。さらに、基板固定テーブル５はリード線接合予定領域Ｒ２の近傍の領域（第２の吸着領域）にリード線接合予定領域Ｒ２に沿って複数の微細な吸着溝３２（吸着孔でも可）が設けられている。

図２は基板固定テーブル５のガラス基板搭載予定領域Ｒ３上にガラス基板３を実際に搭載し、ガラス基板３のリード線接合予定領域Ｒ２上にリード線２を配置した状態における、先端にチップ部分１ｃを有する超音波接合用ツール１による超音波接合状況を模式的に示す断面図である。なお、図２は図１のＡ−Ａ断面に相当する。

同図に示すように、５ｍｍ以上の板厚の基板固定テーブル５上にガラス基板３を搭載し、このガラス基板３の表面上のリード線接合予定領域Ｒ２に板厚が０．１〜０．２ｍｍ程度のアルミからなる外部引出用のリード線２（被接合材）を配置する。そして、超音波接合用ツール１のチップ部分１ｃを介してリード線２との接合面に垂直の加圧力を印加し、かつ超音波接合用ツール１を水平方向に超音波振動させて、接合面を大きく変形させる超音波接合動作を実行することにより、リード線２とガラス基板３との接合界面にて、リード線２とガラス基板３とが固相接合される。

図１及び図２に示すように、ガラス基板３は選択的に形成した複数の開口部３０内に設けた複数の吸着パッド３１（第１の固定手段）からの吸着機能により、基板固定テーブル５上で固定される。例えば、ガラス基板３が６００×１２００ｍｍの平面領域を有し、その表面上にＣｒ（クロム）やＭｏ（モリブデン）を成膜した複合構造である場合、熱処理履歴や熱膨張係数の違いにより５ｍｍ程度のソリが生じる可能性がある。

しかしながら、複数の吸着パッド３１からの吸着機能によりこのソリは精度良く矯正する（基板固定テーブル５に倣わせる）ことができる。

加えて、図１及び図２に示すように、リード線接合予定領域Ｒ２の近傍に形成される複数の吸着溝３２（第２の固定手段）によりガラス基板３の裏面から強固に吸着することにより、チップ部分１ｃに超音波振動を加えた時のガラス基板３振動を抑制することができる。このため、リード線２の接合面の超音波振動を効率よく接合エネルギーに変えることができ、リード線２をガラス基板３に強固に接合することができる。

さらに、複数の吸着パッド３１及び複数の吸着溝３２による吸着機能により、ガラス基板３と基板固定テーブル５とが一体となった振動特性（共振）を発揮することができるため、ガラス基板３単体が共振することによる、ガラス基板３の破損を効果的に抑制することができる。

なお、吸着パッド３１に代えて静電吸着手段を用いても良く、吸着溝３２に代えて、前述した吸着孔あるいは発泡金属板を用いても良い。

図３は基板固定テーブル５のガラス基板搭載予定領域Ｒ３上にガラス基板３を搭載した時の状態を模式的に示した平面図である。なお、図３では図示していないが、図１及び図２で示した複数の吸着パッド３１及び複数の吸着溝３２による第１及び第２の固定手段が基板固定テーブル５に設けられている。

ガラス基板３はガラス材料（石英：音響インピーダンス＝１３．１×１０⁶Ｐａ・ｓ／ｍ³）で構成されている。基板固定テーブル５はガラス基板３内の振動が透過波として伝搬可能な音響インピーダンスを有する材質として、ガラス材料と同等の音響インピーダンスを有する材料で構成される。例えば、アルミ（音響インピーダンス＝１７．３×１０⁶Ｐａ・ｓ／ｍ³）や鉄（同４９．９×１０⁶Ｐａ・ｓ／ｍ³）が基板固定テーブル５の構成材料として用いられる材質特徴を有している。

図３に示すように、ガラス基板３の上面領域の大きさはガラス基板３を含み、ガラス基板３のガラス基板搭載予定領域Ｒ３上への搭載時におけるガラス基板３の周辺端部から基板固定テーブル５の端部までの最短距離となる余白幅Ｄｔが、ガラス材からなるガラス基板３内部を伝わる平面波長（例えば、超音波振動が２０ｋＨｚの場合、ガラス内を伝播する平面波長は約５００ｍｍとなる）の１／４（１２５ｍｍ）の長さに設定されるという上面領域特徴を有している。

以下、基板固定テーブル５の上記材質特徴及び上記上面領域特徴に基づく効果について説明する。超音波接合装置による超音波接合用ツール１を用いた超音波接合動作実行時において、超音波振動による入力波はガラス基板３内部に伝わる。この際、従来は、ガラス基板３の端部からの反射波と上記入力波との合成波により、リード線接合予定領域Ｒ２上における超音波振動が減衰してしまい、リード線２とガラス基板３との接合強度を弱めてしまう危険性があった。

一方、実施の形態１の基板固定テーブル５は上述したように材質特徴を有することにより、上記第１及び第２の固定手段からなる固定搭載手段によってガラス基板３が基板固定テーブル５に固定搭載されている場合、ガラス基板３内の振動が透過波として基板固定テーブル５内に伝搬させることができる。

その結果、ガラス基板３の周辺端部での反射波を小さくすることができるという反射波低減効果を発揮させることができる。この反射波低減効果は上述した上面領域特徴によってより顕著に発揮させることができる。

図４は実施の形態１の基板固定テーブル５を用いることによる効果を示すグラフである。同図において、位置はガラス基板３の長手方向Ｄ１（全長１２００ｍｍ）の位置（１単位＝３０ｍｍ）とガラス基板３と基板固定テーブル５との間の剥離力（単位ｇｆ）との関係を示すグラフである。

図４に示すように、ガラス基板３単体で反射波が発生する従来の配置による剥離力Ｌ２に比べ、基板固定テーブル５上にガラス基板３を固定搭載した実施の形態１による剥離力Ｌ１が優っており、その差は特にガラス基板３の長手方向Ｄ１の端部において顕著に表れていることがわかる。

このように、実施の形態１の基板固定テーブル５による上述した材質特徴、上面領域特徴、及び第１及び第２の固定手段による固定搭載手段を有することにより、基板固定テーブル５上に安定性良く固定してガラス基板３を搭載することができる。

その結果、実施の形態１の基板固定テーブル５を有する超音波接合装置は、リード線２のガラス基板３への超音波接合時において、リード線２の端部の生じる反射波による影響を取り除くことにより、接合強度を弱めることなく、リード線２をガラス基板３の表面上に接合することができる効果を奏する。

＜実施の形態２＞
図５はこの発明の実施の形態２である基板固定テーブル６上にガラス基板３を搭載した状況を示す説明図である。同図の(a) が上面図であり、同図(b) が同図(a) のＢ−Ｂ断面図である。

同図に示すように、基板固定テーブル６はテーブル本体６ａと、ガラス基板搭載予定領域Ｒ３上に搭載されるガラス基板３を上部から固定するための弾性部１８、押え板１９及びネジ２０からなる第３の固定手段とから構成されている。弾性部１８はゴム等の弾性体より構成される。なお、図５では図示していないが、図１及び図２で示した複数の吸着パッド３１及び複数の吸着溝３２による実施の形態１の第１及び第２の固定手段と同等の手段がテーブル本体６ａに設けられている。

押え板１９はガラス基板搭載予定領域Ｒ３の長手方向Ｄ１の両端部近傍においてガラス基板搭載予定領域Ｒ３の短手方向に延びて形成され、外側端部１９ｂがネジ２０によってテーブル本体６ａに固定されている。押え板１９の主要部１９ａの下面及び内側側面に弾性部１８が設けられている。図４の(b) に示すように、ガラス基板３は両端部を弾性部１８とテーブル本体６ａとによる凹み部分に挿入することにより、弾性部１８の端部側面と端部上面に密着させながら押え板１９内で安定性良く固定される。

このように、実施の形態２の基板固定テーブル６は、固定搭載手段として、実施の形態１の第１及び第２の固定手段に加え、第３の固定手段（弾性部１８、押え板１９及びネジ２０）によってガラス基板３をテーブル本体６ａ上にさらに強固に固定することにより、リード線２をガラス基板３の表面上への接合強度のより一層の安定化を図ることができる効果を奏する。

加えて、弾性部１８を構成する弾性体によってガラス基板３端部の振動エネルギーが減衰される結果、反射波の発生を抑制することができる効果を奏する。

＜その他＞
なお、上述した実施の形態では、薄膜基体としてガラス基板３の単体構造を示したが、ガラス基板３の表面上にＣｒ（クロム)やＭｏ（モリブデン）等の導電性金属成膜層やＩＴＯ、ＺｎＯ、ＳｎＯ等の導電性酸化物層等が積層されたガラス基板３を含む複合構造においても、ガラス基板３単体の場合と同様、本発明を適用することができるのは勿論である。

さらに、シリコン基板、セラミック基板等の他の構成材料からなる基板あっても板厚が２ｍｍ以下の薄膜であれば、ガラス基板３に代えて、上述した単体構造、複合構造の薄膜基体として本発明を適用することができる。

５，６ 基板固定テーブル、６ａ テーブル本体、１８ 弾性部、１９ 押え板、２０ ネジ、３１ 吸着パッド、３２ 吸着溝。

Claims (4)

1. 第１の材質からなる薄膜基体の表面上に配置された被接合材に対し、超音波接合用ツールを用いて上方から加圧するとともに超音波振動を印加して、前記薄膜基体の表面上に前記被接合材を接合する超音波接合装置に用いられ、前記薄膜基体を上部に搭載する第２の材質からなる基板固定テーブルであって、
   前記基板固定テーブルは、その表面上に前記薄膜基体を固定搭載可能な固定搭載手段を有し、
   前記第２の材質は前記薄膜基体を前記固定搭載手段によって固定搭載した時に前記薄膜基体内の振動が透過波として伝搬可能な音響インピーダンスを有する材質を含み、
   前記薄膜基体の固定搭載時における前記薄膜基体の外周端部から前記基板固定テーブルの端部までの最短距離が、前記薄膜基体内部を伝わる平面波長の１／４の長さに設定されたことを特徴とする、
   基板固定テーブル。
2. 請求項１記載の基板固定テーブルであって、
   前記固定搭載手段は、
   前記薄膜基体の搭載予定領域内の第１の吸着領域に設けられ、複数の吸着部による吸着作用によって、前記薄膜基体を固定する第１の固定手段と、
   前記搭載予定領域において前記第１の吸着領域より外側の前記被接合材を接合する接合予定領域の近傍の第２の吸着領域に設けられた複数の凹部による吸着作用によって、前記薄膜基体を固定する第２の固定手段とを備える、
   基板固定テーブル。
3. 請求項１あるいは請求項２記載の基板固定テーブルであって、
   前記固定搭載手段は、
   前記搭載予定領域上に前記薄膜基体を搭載した後、前記薄膜基体を弾性体を介して上部から固定可能な第３の固定手段をさらに備える、
   基板固定テーブル。
4. 第１の材質からなる薄膜基体の表面上に配置された被接合材に対し、超音波接合用ツールを用いて上方から加圧するとともに超音波振動を印加して、前記薄膜基体の表面上に前記被接合材を接合する超音波接合装置であって、
   前記薄膜基体を上部に搭載する第２の材質からなる基板固定テーブルを備え、
   前記基板固定テーブルは請求項１ないし請求項３のうちいずれか１項に記載の基板固定テーブルを含む、
   超音波接合装置。

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