JP5480978B2 - 超音波振動接合装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波振動接合装置に関する発明であり、本発明に係る超音波振動接合装置は、たとえば、薄厚の基板に対して被処理体を超音波振動接合する際に利用することができる。

基板に対して導電性部材等の被処理体を接合するための技術として、超音波振動接合というものがある（たとえば、特許文献１，２参照）。

基板上に被処理体を配置させ、当該被処理体に所定の圧力で接合ツールを当接し、当該接合ツールを水平方向に超音波振動をさせる。これにより、被処理体が基板上に接合される。

太陽電池の分野においては、たとえば、ガラス基板に形成された電極層にリード線を接合する際に、当該超音波振動接合処理を適用することも考えられる。

特開２００８−１５５２４０号公報 特開平１１−５４６７８号公報

ところで、厚さ数ｍｍ以下の基板に対して、成膜処理や熱処理を施すと、局所的または広い範囲に渡って歪や反りが発生することがある。当該歪等が発生した基板に対して、超音波振動接合処理を施すと、超音波振動が正常に伝達されず、接合不良が発生する。

超音波振動接合処理前に、基板の歪や反りを矯正することも考えられる。しかしながら、当該矯正のために、非常に高い圧力を基板に与える必要があり、たとえば基板が薄厚のガラス基板であるなどの場合には、当該矯正により基板が損傷を受けてしまう。

そこで、本発明は、たとえば基板に歪や反りが発生していたとしても、当該基板に対してダメージを与えること無く、正常に基板上に被処理体を超音波振動接合することができる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、本発明に係る超音波振動接合装置は、基板に対して被処理体を超音波振動接合することができる超音波振動接合装置であって、上方向からの加圧を行いながらの水平方向の超音波振動を、前記被処理体に印加することができる超音波振動部と、前記基板が載置されるテーブルと、前記超音波振動部における前記被処理体との当接部に対応した位置に存し、前記基板を下方向から受けることが可能な受部とを、備えており、前記超音波振動部は、前記基板が前記受部により受けられている状態で、前記被処理体に対して前記超音波振動の印加を行う。

本発明に係る超音波振動接合装置は、基板に対して被処理体を超音波振動接合することができる超音波振動接合装置であって、上方向からの加圧を行いながらの水平方向の超音波振動を、前記被処理体に印加することができる超音波振動部と、前記基板が載置されるテーブルと、前記超音波振動部における前記被処理体との当接部に対応した位置に存し、前記基板を下方向から受けることが可能な受部とを、備えており、前記超音波振動部は、前記基板が前記受部により受けられている状態で、前記被処理体に対して前記超音波振動の印加を行う。

したがって、本発明に係る超音波振動接合装置は、たとえば基板に歪や反りが発生していたとしても、当該基板に対してダメージを与えること無く、正常に当該基板上に被処理体を超音波振動接合することができる。

この発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。

実施の形態１に係る超音波振動接合装置１００の概略構成を示す断面図である。 実施の形態２に係る受部１５の制御動作を説明するための図である。 実施の形態３に係る、接触感知センサ２０が配設されている受部１５の構成を示す拡大断面図である。 実施の形態３に係る、接触感知センサ２１が配設されている受部１５の構成を示す拡大断面図である。 受部１５に配設されている接触感知センサ２１の動作を説明するための拡大断面図である。 実施の形態４に係る超音波振動接合装置２００の概略構成を示す断面図である。 実施の形態４に係る超音波振動接合装置２００の動作を説明するための断面図である。 実施の形態５に係る超音波振動接合装置３００の概略構成を示す断面図である。

以下の実施の形態では、厚さ４ｍｍより小さいガラス基板に対して、被処理体として導電性のリード線を超音波振動接合する場合を例にとって説明する。

たとえば太陽電池で用いられるガラス基板に対しては、ＰＮ接合等の形成のために、成膜処理や熱処理が施される。当該成膜処理や熱処理により、薄厚のガラス基板には、さまざまな形状・大きさの歪や反りが発生する。

下記では、本発明に係る超音波振動接合装置を用いて、当該歪や反りが発生しているガラス基板の電極層に、リード線を接合する場合を図面に基づいて具体的に説明する。

＜実施の形態１＞
図１は、本実施の形態に係る超音波振動接合装置１００の構成を示す断面図である。なお、図１に示す例では、ガラス基板１には局所的な反り１ａが生じている。図１に示す例では、当該反り１ａ発生部分のガラス基板１に対してリード線２を超音波振動接合する場面を図示している。

超音波振動接合装置１００は、加圧機構１１、接合ツール１２、超音波振動子１３、テーブル１４および受部１５により、構成されている。ここで、加圧機構１１、接合ツール１２および超音波振動子１３により、超音波振動部が構成されている。

超音波振動部１１，１２，１３では、加圧機構１１は、接合ツール１２に対して、図１の上方方向から下方向に向かって所定の圧力（たとえば、５０ｋｇ程度の圧力）を印加することができる。また、超音波振動子１３は、接合ツール１２に対して、水平方向（たとえば、図１の紙面表裏方向に２０ｋＨｚ）の超音波振動を印加することができる。

図１に示すように、超音波振動接合処理の際には、テーブル１４上にガラス基板１が載置され、固定されており、当該ガラス基板１上の所定の箇所には、リード線２が配置されている。そして、接合ツール１２を当該リード線２上に当接する。そして、当該接合ツール１２を介してリード線２に対して上方向から所定の圧力を加えながら、当該接合ツール１２を水平方向に超音波振動させる。これにより、ガラス基板１上にリード線２を超音波振動接合することができる。

ガラス基板１が載置されるテーブル１４には、所望の大きさ・形状の穴１４ａが穿設されている。なお、図１に示されている穴１４ａの形状とは異なるが、たとえば線状のリード線２の接合を行う場合には、当該リード線２の接合位置に合わせて、細長い穴１４ａをテーブル１４に穿設しておいても良い。

受部１５は、ガラス基板１の接触・非接触が可能なように、上下方向に移動することができる。また、受部１５は、接合ツール１２におけるリード線２との当接部に対応した位置に存し、ガラス基板１を下方向から受けることができる。本実施の形態に係る超音波振動接合装置１００では、穴１４ａを介して、受部１５の上面部は直接、ガラス基板１の下面と接触することにより、受部１５はテーブル１４に固定されているガラス基板１を受ける。なお、本実施の形態では、テーブル１４は上下に移動せず、固定である。

上記構成から分かるように、超音波振動接合装置１００では、超音波振動接合処理の際には、受部１５が上方向に移動する。そして、接合部分において、接合ツール１２と受部１５とにより、穴１４ａを介して、ガラス基板１とリード線２とが挟み込まれる。そして、受部１５がガラス基板１の下面を受けた状態で、リード線２上に対して接合ツール１２は、圧力を加えながらの超音波振動を行う。

本実施の形態に係る超音波振動接合装置１００の動作について説明する。

まず、テーブル１４上にガラス基板１を載置・固定し、ガラス基板１上の接合位置に、リード線２を配置させる。次に、受部１５を上方向に移動させ、穴１４ａを介して、受部１５の上面部をガラス基板１の下面に接触させる。さらに、接合ツール１２を、リード線２上に当接させる。ここまでの動作により、図１に示すように、接合部分において、接合ツール１２と受部１５とにより、穴１４ａを介して、ガラス基板１とリード線２とが挟み込まれる。

上記状態において、加圧機構１１の制御により、接合ツール１２に対して所定の圧力を図１の下方向に印加する。当該圧力の印加を行いながら、超音波振動子１３により、接合ツール１２に対して図１の水平方向の超音波振動を印加する（超音波振動接合処理）。当該超音波振動接合処理により、接合位置において、ガラス基板１上とリード線２とを接合させることができる。

当該超音波振動接合処理の後、受部１５を図１の下方向に移動させ、受部１５によるガラス基板１の「受け」を解消する。

以上のように、本実施の形態に係る超音波振動接合装置１００では、受部１５によりガラス基板１の下面を受けることが可能である。そして、当該受部１５の上方において、ガラス基板１上に配置されたリード線２に対して、超音波振動部１１，１２，１３による超音波振動接合を実施することができる。

したがって、超音波振動接合装置１００は、たとえばガラス基板１に歪や反りが発生していたとしても、ガラス基板１に対してダメージを与えること無く、正常にガラス基板１上にリード線２を超音波振動接合することができる。

なお、被処理体に対して複数の接合を行う場合、複数の接合位置に合わせて、平面視において当該接合位置に対応するテーブル１４が開口するように、複数の穴１４ａ若しくは１つの所定の形状の穴１４ａをテーブル１４に設けても良い。たとえば、線状のリード線２の複数個所において接合処理を施す場合には、当該リード線２の接合位置に合わせて、長細い穴１４ａをテーブル１４に穿設しておいても良い（当該穴１４ａは、各接合位置に対応する位置に存する）。

これにより、超音波振動部１１，１２，１３と受部１５、または、テーブル１４を、水平方向に移動可能とすることによって、ガラス基板１とリード線２との複数点での超音波振動接合処理を連続して行うことができる。

＜実施の形態２＞
本実施の形態では、実施の形態１で説明した受部１５の制御について説明する。

受部１５は、エアシリンダーもしくは油圧シリンダーから構成されており、下記の制御が実施される（図２）。ここで、図２の縦軸は、受部１５がガラス基板１に及ぼす圧力であり、図２の横軸は、時間である。

まず、超音波振動接合処理に際して、受部１５を図１の上方向に移動させ、穴１４ａを介して、テーブル１４に載置・固定されているガラス基板１の下面に受部１５の上面を接触させる（接触開始）。当該接触後においては、上記上方向の移動を続けることにより、受部１５によるガラス基板１への前記上方向の加圧を増加させる。

そして、受部１５によるガラス基板１への加圧が、予め設定された所定の圧力値に達したとき、受部１５の前記上方向の移動（換言すれば、上記加圧）を停止する（所定の圧力値でロック）。その後、受部１５が所定の圧力値でガラス基板１を受けている状態で、超音波振動部１１，１２，１３による超音波振動接合処理を実施する。

ここで、当該所定の圧力値は、ガラス基板１の材質や厚さによって決定され、またガラス基板１にダメージを与えない範囲で決定される。

超音波振動接合処理の後、受部１５は図１の下方向の移動を開始し、受部１５によるガラス基板１の受けを解消する（接触終了）。さらに、所定の位置まで受部１５は、当該下方向の移動を継続する。

このように、本実施の形態に係る受部１５の制御を行うことにより、超音波振動接合装置１００は、ガラス基板１を所定の圧力値で受けながら、超音波振動部１１，１２，１３は、リード線２に対して超音波振動接合処理を行うことができる。

＜実施の形態３＞
本実施の形態では、受部１５とガラス基板１との接触を検知するセンサについて説明する。

図３，４，５は、受部１５に配設される、接触タイプの接触感知センサを示す図である。

図３は、受部１５に、圧電素子などの接触感知センサ２０が埋め込まれている。受部１５の上面と接触感知センサ２０の上面とは面一となっており、接触感知センサ２０は、ガラス基板１の下面が受部１５と接触したことを感知できる。

図４は、受部１５の上面に突出して、ピン状の接触感知センサ２１が配設されている。図５に示すように、ガラス基板１の下面が受部１５と接触すると、接触感知センサ２１は、受部１５内へと下がり、これにより受部１５の上面がガラス基板１と接触したことを検知する。

なお、上記では、接触タイプのセンサについて説明したが、たとえばレーザ等を利用した非接触タイプである、ガラス基板１と受部１５との接触を検知するセンサを採用しても良い。

本実施の形態では、受部１５が図１の上方向に移動し、センサ２０，２１により、受部１５の上面とテーブル１４に固定されているガラス基板１の下面とが接触したことを検知されると、受部１５は当該上方向の移動を停止する。そして、ガラス基板１が受部１５と接触している状態で、超音波振動部１１，１２，１３による超音波振動接合処理を実施する。

超音波振動接合処理の後、受部１５は図１の下方向の移動を開始し、受部１５によるガラス基板１の受けを解消する（接触終了）。さらに、所定の位置まで受部１５は、当該下方向の移動を継続する。

このように、本実施の形態では、受部１５にガラス基板１との接触を検知するセンサが配設されている。したがって、超音波振動接合装置１００は、受部１５がガラス基板１を確実に受けている状態において、超音波振動部１１，１２，１３は、リード線２に対して超音波振動接合処理を行うことができる。

＜実施の形態４＞
図６は、本実施の形態に係る超音波振動接合装置２００の構成を示す断面図である。なお、図１に示す例では、ガラス基板１には局所的な反り１ａが生じている。

本実施の形態に係る超音波振動接合装置２００と実施の形態１に係る超音波振動接合装置１００とは、次の点において構成が相違する。

つまり、本実施の形態に係る超音波振動接合装置２００では、テーブル１４の代わりに、薄厚（たとえば、５ｍｍ以下）の硬質樹脂から構成されるテーブル３１が設けられている。また、本実施の形態に係るテーブル３１には、テーブル１４とは異なり、穴１４ａは穿設されていない。これら以外の構成は、両超音波振動接合装置１００，２００において同じである。

上記構成から分かるように、超音波振動接合装置２００では、超音波振動接合処理の際には、受部１５が上方向に移動する。そして、接合部分において、接合ツール１２と受部１５とにより、テーブル３１とガラス基板１とリード線２とが挟み込まれる。そして、受部１５がテーブル３１を介してガラス基板１の下面を間接的に受けた状態で、リード線２上に対して接合ツール１２は、圧力を加えながらの超音波振動を行う。

なお、本実施の形態においても、受部１５は上下方向に移動するが、テーブル１４は上下に移動せず、固定である。

本実施の形態に係る超音波振動接合装置２００の動作について説明する。

まず、テーブル３１上にガラス基板１を載置・固定し、ガラス基板１上の接合位置に、リード線２を配置させる。次に、受部１５を上方向に移動させる。これにより、図７に示すように、受部１５の上面と接する部分において、テーブル３１は変形する。そして、当該変形したテーブル３１を介して、受部１５の上面部は間接的に、テーブル３１に固定されているガラス基板１の下面を受ける。

さらに、当接ツール１２を、リード線２上に当接させる。ここまでの動作により、図７に示すように、当接部分において、接合ツール１２と受部１５とにより、テーブル３１とガラス基板１とリード線２とが挟み込まれる。

上記状態において、加圧機構１１の制御により、接合ツール１２に対して所定の圧力を図７の下方向に印加する。当該圧力の印加を行いながら、超音波振動子１３により、接合ツール１２に対して図７の水平方向の超音波振動を印加する（超音波振動接合処理）。当該超音波振動接合処理により、接合位置において、ガラス基板１上とリード線２とを接合させることができる。

当該超音波振動接合処理の後、受部１５を図７の下方向に移動させ、受部１５によるガラス基板１の間接的な「受け」を解消する。そして、図６に示したように、受部１５による「受け」が解消することにより、テーブル３１において生じていた「変形」も元に戻る。

以上のように、本実施の形態に係る超音波振動接合装置２００では、受部１５により間接的にガラス基板１の下面を受けることが可能である。そして、当該受部１５の上方において、ガラス基板１上に配置されたリード線２に対して、超音波振動部１１，１２，１３による超音波振動接合を実施することができる。

したがって、超音波振動接合装置２００は、たとえばガラス基板１に歪や反りが発生していたとしても、ガラス基板１に対してダメージを与えること無く、正常にガラス基板１上にリード線２を超音波振動接合することができる。

また、本実施の形態に係るテーブル３１は、薄厚の硬質樹脂から構成されている。したがって、受部１５からの押し上げによりテーブル３１は容易に変形するので、テーブル３１に、実施の形態１で説明したような穴１４ａを設ける必要がない。

また、超音波振動部１１，１２，１３と受部１５、または、テーブル３１を、水平方向に移動可能とすることによって、ガラス基板１とリード線２との複数点での超音波振動接合処理を連続して行うことができる。換言すれば、超音波振動部１１，１２，１３と受部１５、または、テーブル３１を、水平方向に移動可能とすることによって、テーブル３１の任意の箇所において、ガラス基板１とリード線２との超音波振動接合処理を実施できる。

＜実施の形態５＞
実施の形態４に係る超音波振動接合装置２００では、テーブル３１は固定で、受部１５が上下方向に移動することにより、受部１５による、変形したテーブル３１を介したガラス基板１の「受け」が行われていた。

本実施の形態５に係る超音波振動接合装置３００では、受部１５が固定で、テーブル３１が上下方向に移動することにより、受部１５による、変形したテーブル３１を介したガラス基板１の「受け」が行われる。なお、当該動作以外、両超音波振動接合装置２００，３００の構成・動作は同じである。

以下に、本実施の形態に係る超音波振動接合装置３００の動作について具体的に説明する。

まず、テーブル３１上にガラス基板１を載置・固定し、ガラス基板１上の接合位置に、リード線２を配置させる。次に、テーブル３１を下方向に移動させる。これにより、図８に示すように、受部１５の上面と接する部分において、テーブル３１は変形する。そして、当該変形したテーブル３１を介して、受部１５の上面部は間接的に、テーブル３１に固定されているガラス基板１の下面を受ける。

さらに、接合ツール１２を、リード線２上に当接させる。ここまでの動作により、図８に示すように、当接部分において、接合ツール１２と受部１５とにより、テーブル３１とガラス基板１とリード線２とが挟み込まれる。

上記状態において、加圧機構１１の制御により、接合ツール１２に対して所定の圧力を図８の下方向に印加する。当該圧力の印加を行いながら、超音波振動子１３により、接合ツール１２に対して図８の水平方向の超音波振動を印加する（超音波振動接合処理）。当該超音波振動接合処理により、接合位置において、ガラス基板１上とリード線２とを接合させることができる。

当該超音波振動接合処理の後、テーブル３１を図８の上方向に移動させ、受部１５によるガラス基板１の間接的な「受け」を解消する。そして、図６に示したように、受部１５による「受け」が解消することにより、テーブル３１において生じていた「変形」も元に戻る。

以上のように、本実施の形態に係る超音波振動接合装置３００では、受部１５により間接的にガラス基板１の下面を受けることが可能である。そして、当該受部１５の上方において、ガラス基板１上に配置されたリード線２に対して、超音波振動部１１，１２，１３による超音波振動接合を実施することができる。

したがって、超音波振動接合装置３００は、たとえばガラス基板１に歪や反りが発生していたとしても、ガラス基板１に対してダメージを与えること無く、正常にガラス基板１上にリード線２を超音波振動接合することができる。

また、本実施の形態に係るテーブル３１は、薄厚の硬質樹脂から構成されている。したがって、受部１５との当接によりテーブル３１は容易に変形するので、テーブル３１に、実施の形態１で説明したような穴１４ａを設ける必要がない。

また、本実施の形態では、テーブル３１が上下方向に移動するので、たとえば、装置構成の都合により受部１５の上下方向移動が困難な場合においても、上記効果を有する超音波振動接合装置３００を構成することができる。

また、超音波振動部１１，１２，１３と受部１５、または、テーブル１４を、水平方向に移動可能とすることによって、ガラス基板１とリード線２との複数点での超音波振動接合処理を連続して行うことができる。換言すれば、超音波振動部１１，１２，１３と受部１５、または、テーブル１４を、水平方向に移動可能とすることによって、テーブル３１の任意の箇所において、ガラス基板１とリード線２との超音波振動接合処理を実施できる。

この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。

１ ガラス基板
１ａ 反り（または歪）
２ リード線
１１ 加圧機構
１２ 接合ツール
１３ 超音波振動子
１４，３１ テーブル
１４ａ 穴
１５ 受部
２０，２１ 接触感知センサ
１００，２００，３００ 超音波振動接合装置

Claims (10)

1. 基板に対して被処理体を超音波振動接合することができる超音波振動接合装置であって、
   上方向からの加圧を行いながらの水平方向の超音波振動を、前記被処理体に印加することができる超音波振動部と、
   前記基板が載置されるテーブルと、
   前記超音波振動部における前記被処理体との当接部に対応した位置に存し、前記基板を下方向から受けることが可能な受部とを、備えており、
   前記超音波振動部は、
   前記基板が前記受部により受けられている状態で、前記被処理体に対して前記超音波振動の印加を行う、
   ことを特徴とする超音波振動接合装置。
2. 前記テーブルには、
   所定の形状の穴が穿設されており、
   前記受部は、
   前記穴を介して、直接的に、前記基板と接触する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波振動接合装置。
3. 前記受部は、
   前記基板との接触・非接触が可能なように、上下方向に移動する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の超音波振動接合装置。
4. 前記受部は、
   前記基板に対する圧力が所定の圧力値に達するまで、上方向に上昇し、
   前記所定の圧力値に到達した後、前記上昇を停止し、当該所定の圧力値を維持する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の超音波振動接合措置。
5. 前記受部には、
   前記基板との接触を検知する、センサが配設されている、
   ことを特徴とする請求項３に記載の超音波振動接合装置。
6. 前記テーブルは、
   薄厚であり、樹脂から構成されており、前記受部の上面と接する部分において変形し、
   前記受部は、
   前記テーブルを介して、間接的に、前記基板を受ける、
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波振動接合装置。
7. 前記受部は、
   前記テーブルとの接触・非接触が可能なように、上下方向に移動する、
   ことを特徴とする請求項６に記載の超音波振動接合装置。
8. 前記テーブルは、
   前記受部との接触・非接触が可能なように、上下方向に移動する、
   ことを特徴とする請求項６に記載の超音波振動接合装置。
9. 前記超音波振動部と前記受部は、
   水平方向に移動可能である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波振動接合装置。
10. 前記テーブルは、
    水平方向に移動可能である、
    ことを特徴とする請求項１に記載の超音波振動接合装置。

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