JP7264532B1

JP7264532B1 - 接合方法及び接合装置

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Publication number: JP7264532B1
Application number: JP2021191354A
Authority: JP
Inventors: 茂佐藤
Original assignee: Ultex Corp
Current assignee: Ultex Corp
Priority date: 2021-11-25
Filing date: 2021-11-25
Publication date: 2023-04-25
Anticipated expiration: 2041-11-25
Also published as: JP2023077868A

Abstract

【課題】より簡易に材料間の接合処理を実現することに適した接合方法などを提供する。【解決手段】接合装置１は、第１部材３と第２部材５との間に粒状金属体群７が挟まれて保持されている状態で、共振部１１が音エネルギーを伝達して接合処理を行う。部材において接合する面は、平面状や、外周に沿って縁が形成された形状などであってもよい。また、粒状金属体の層を複数存在させて複数段にして、これらの粒状金属体の層に対して各別に接合処理を行っても、同時に接合処理を行ってもよい。また、粒状金属体群７が第１部材と第２部材の上や下にある状態で接合処理を行ってもよい。【選択図】図１

Description

本発明は、接合方法及び接合装置に関し、特に、複数の部材の接合処理を行う接合方法等に関する。

出願人は、音エネルギーを利用した様々な接合処理を提案している（特許文献１など参照）。

特開２０１８－８２８８号公報

しかしながら、同種材料の間でも異種材料の間でも、音エネルギーを利用して、より簡易に接合処理を行うことが求められている。

よって、本発明は、より簡易に材料間の接合処理を実現することに適した接合方法などを提供することを目的とする。

本願発明の第１の側面は、対象物の接合処理を行う接合方法であって、前記対象物は、第１部材と、第２部材と、一つ又は複数の粒状金属体を含む第１粒状金属体群を含み、共振部が前記対象物に音エネルギーを伝達して、前記粒状金属体を用いて前記第１部材と前記第２部材を接合する接合ステップを含む。

本願発明の第２の側面は、第１の側面の接合方法であって、前記対象物において、前記第１部材と前記第２部材は、前記第１粒状金属体群を挟んで保持した状態である。

本願発明の第３の側面は、第２の側面の接合方法であって、前記対象物は、さらに第３部材と、一つ又は複数の粒状金属体を含む第２粒状金属体群を含み、前記対象物において、前記第２部材と前記第３部材は、前記第２粒状金属体群を挟んで保持した状態である。

本願発明の第４の側面は、第１から第３のいずれかの側面の接合方法であって、前記接合ステップにおいて、前記対象物には、圧力が加えられ、前記第１部材において前記第１粒状金属体群に接する面、及び／又は、前記第２部材において前記第１粒状金属体群に接する面は、少なくとも一部が、前記圧力の方向及び／又は前記音エネルギーが加えられる方向に対して斜めである。

本願発明の第５の側面は、第１の側面の接合方法であって、前記対象物において、前記第１部材と前記第２部材は、前記第１粒状金属体群に含まれる粒状金属体がない状態で重ねられた状態であり、前記接合ステップにおいて、前記音エネルギーによって、前記第１粒状金属体群に含まれる粒状金属体が、重ねられた状態の前記第１部材と前記第２部材を接合する。

本願発明の第６の側面は、第５の側面の接合方法であって、前記接合ステップにおいて、前記第１粒状金属体群に含まれる粒状金属体が前記第１部材と前記第２部材の少なくとも一方を貫通して前記第１部材と前記第２部材を接合する。

本願発明の第７の側面は、第１から第６のいずれかの側面の接合方法であって、前記第１粒状金属体群に含まれる粒状金属体は、金属であり、前記第１部材は、金属又はセラミックスであり、前記第２部材は、金属又はセラミックスである。

本願発明の第８の側面は、対象物の接合処理を行う接合装置であって、前記対象物は、第１部材と、第２部材と、一つ又は複数の粒状金属体を含む第１粒状金属体群を含み、前記対象物に音エネルギーを伝達して前記第１部材と前記第２部材を接合する共振部を備える。

本願発明の第９の側面は、第８の側面の接合装置であって、前記対象物において、前記第１部材と前記第２部材は、前記第１粒状金属体群を挟んで保持した状態である。

本願発明の第１０の側面は、第９の側面の接合装置であって、前記対象物は、さらに第３部材と、一つ又は複数の粒状金属体を含む第２粒状金属体群を含み、前記対象物において、前記第２部材と前記第３部材は、前記第２粒状金属体群を挟んで保持した状態である。

本願発明の第１１の側面は、第８から第１１のいずれかの側面の接合装置であって、前記対象物には、圧力が加えられ、前記第１部材において前記第１粒状金属体群に接する面、及び／又は、前記第２部材において前記第１粒状金属体群に接する面は、少なくとも一部が、前記圧力の方向及び／又は前記音エネルギーが加えられる方向に対して斜めである。

本願発明の第１２の側面は、第１１の側面の接合装置であって、前記対象物において、前記第１部材と前記第２部材は、前記第１粒状金属体群に含まれる粒状金属体がない状態で重ねられた状態であり、前記音エネルギーによって、前記第１粒状金属体群に含まれる粒状金属体が、重ねられた状態の前記第１部材と前記第２部材を接合する。

本願発明の第１３の側面は、第１２の側面の接合装置であって、前記接合ステップにおいて、前記第１粒状金属体群に含まれる粒状金属体が前記第１部材と前記第２部材の少なくとも一方を貫通して前記第１部材と前記第２部材を接合する。

本願発明の第１４の側面は、第８から第１３のいずれかの側面の接合装置であって、前記第１粒状金属体群に含まれる粒状金属体は、金属であり、前記第１部材は、金属又はセラミックスであり、前記第２部材は、金属又はセラミックスである。

本願発明の各側面によれば、各部材と比較して小さな粒状金属体を利用して接合処理を実現することができる。

本願発明の実施の形態に係る接合装置の構成の一例を示すブロック図である。接合処理を行った例を示し、（ａ）全体像と（ｂ）側面からの撮影したものを示す。他の接合処理を行った例を示し、（ａ）全体像と（ｂ）側面からの撮影したものを示す。本願発明の実施の形態に係る接合装置の他の構成の一例を示すブロック図である。他の接合処理を行った例を示し、（ａ）全体像と（ｂ）側面からの撮影したものを示す。本願発明の実施の形態に係る接合装置のさらに他の構成の一例を示すブロック図である。本願発明の実施の形態に係る接合装置のさらに他の構成の一例を示すブロック図である。複数枚の金属箔を２つのボールを使用して接合した例を示す。

以下、図面を参照して、本願発明の実施例について述べる。なお、本願発明の実施の形態は、以下の実施例に限定されるものではない。

図１は、本願発明の実施の形態に係る接合装置の構成の一例を示すブロック図である。

接合装置１は、対象物を接合処理する。対象物は、第１部材３と、第２部材５と、粒状金属体群７を含む。第１部材３は、例えば、金属（アルミ、銅、ニッケル、鉄鋼など）、セラミックス（窒化ケイ素、炭化ケイ素など）などである。第２部材５は、例えば、金属（アルミ、銅、ニッケル、鉄鋼など）、セラミックス（窒化ケイ素、炭化ケイ素など）などである。粒状金属体群７は、一つ又は複数の粒状金属体を含む。粒状金属体は、第１部材３と第２部材５において接合処理が行われる面と比較して小さなつぶであり、形状は、例えば、球状、楕円体状などである。粒状金属体は、金属であり、例えば、アルミ、銅、鉄鋼、プラチナなどである。粒状金属体群７は、第１部材３と第２部材５に挟まれた状態で保持されている。

接合装置１は、音エネルギー付与装置９と、共振部１１と、ステージ１３を備える。

対象物は、ステージ１３に載置されている。図１では、第１部材３がステージ１３に載置される。第１部材３の上に粒状金属体群７が載せられる。粒状金属体群７の上に第２部材５が載せられる。

音エネルギー付与装置９は、共振部１１に対して、音波振動（２０ｋＨｚ以下の振動）及び／又は超音波振動（２０ｋＨｚを超える振動）を付与する。ここで、振動は、縦（圧力と同じ方向）でもよく、横（圧力に垂直な方向）でもよい。

共振部１１は、例えばホーンであり、対象物に圧力を加えつつ音波振動及び／又は超音波振動に共振して、対象物に音エネルギーを伝達して接合処理を行う。

共振部１１は、第２部材５に対して、上から圧力を加える。共振部１１は、音波振動及び／又は超音波振動に共振して、対象物に音エネルギーを伝達することにより、粒状金属体群７を介して第１部材３と第２部材５を接合する。

第１部材３と第２部材５と粒状金属体群７は、同じ材料でもよく、異なる材料でもよい。

図２は、第１部材３と第２部材５をアルミナ（酸化アルミニウム）の板とし、粒状金属体群７の粒状金属体としてアルミのボールを利用して、接合処理を行った例を示す。図２（ａ）は接合した状態の全体像を示し、（ｂ）は横から見た状態を示す。このように、いわば、金属のボールを挟んだ接合処理によって、金属間の接合や、金属とセラミックスとの間の接合などを実現することができる。例えば、アルミ、銅、ニッケル、鉄鋼などの接合を実現することができる。このように、積み重ねることによってパーツの面積を狭くすることができ、例えば半導体の構造革命的な小型化などを実現することができる。

図３は、他の接合処理を行った例を示す。図３（ａ）は、粒状金属体であるボールの間隔を離した状態で接合した例を示す。図３（ｂ）は、凹状の第１部材３にボールを入れ、凸状の第２部材５を挿入して接合した例を示す。ここで、第１部材３の凹状で窪んだ部分は、壁面が斜めに形成されており、この壁面の部分と凸状の第２部材５の挿入された部分でも接合処理が行われている。この接合処理に加えて、ボールによる接合処理を行うことができる。

図４は、本願発明の実施の形態に係る接合装置の他の構成の一例を示すブロック図である。接合装置２１は、対象物を接合処理する。対象物は、第１部材２３と、第２部材２５と、第３部材２７と、第１粒状金属体群２９と、第２粒状金属体群３１を含む。第１部材２３、第２部材２５及び第３部材２７は、例えば、金属（アルミ、銅、ニッケル、鉄鋼など）、セラミックス（窒化ケイ素、炭化ケイ素など）などである。第１粒状金属体群２９及び第２粒状金属体群３１は、それぞれ、一つ又は複数の粒状金属体を含む。粒状金属体は、金属であり、例えば、アルミ、銅、鉄鋼、プラチナなどである。第１粒状金属体群２９は、第１部材２３と第２部材２５に挟まれた状態で保持されている。第２粒状金属体群３１は、第２部材２５と第３部材２７に挟まれた状態で保持されている。

接合装置２１は、音エネルギー付与装置３３と、共振部３５と、ステージ３７を備える。

対象物は、ステージ３７に載置されている。図４では、第１部材２３がステージ３７に載置される。第１部材２３の上に第１粒状金属体群２９が載せられる。第１粒状金属体群２９の上に第２部材２５が載せられる。第２部材２５の上に第２粒状金属体群３１が載せられる。第２粒状金属体群３１の上に第３部材２７が載せられる。第１部材２３と第２部材２５は、第１粒状金属体群２９を挟んで保持した状態である。さらに、第２部材２５と第３部材２７は、第２粒状金属体群３１を挟んで保持した状態である。

音エネルギー付与装置３３は、共振部３５に対して、音波振動及び／又は超音波振動を付与する。ここで、振動は、縦でもよく、横でもよい。

共振部３５は、例えばホーンであり、対象物に圧力を加えつつ音波振動及び／又は超音波振動に共振して、対象物に音エネルギーを伝達して接合処理を行う。

共振部３５は、第３部材２７に対して、上から圧力を加える。

共振部３５は、音波振動及び／又は超音波振動に共振して、対象物に音エネルギーを伝達することにより、第１粒状金属体群２９を介して第１部材２３と第２部材２５を接合し、第２粒状金属体群３１を介して第２部材２５と第３部材２７を接合する。ここで、接合処理は、単点（第１粒状金属体群２９に対するものと第２粒状金属体群３１に対するものを別々に行うこと）でもよく、多数点同時（第１粒状金属体群２９に対するものと第２粒状金属体群３１に対するものを同時に行うこと）でもよい。

第１部材２３と第２部材２５と第３部材２７と第１粒状金属体群２９と第２粒状金属体群３１は、同じ材料でもよく、異なる材料でもよい。そのため、金属の材料間の接合も、金属とセラミックスとの間などのように異材料間の接合も実現することができる。

図５は、第１部材２３と第３部材２７をアルミナ（酸化アルミニウム）の板とし、第２部材２５をアルミの板とし、第１粒状金属体群２９及び第２粒状金属体群３１の粒状金属体としてアルミのボールを利用して、接合処理を行った例を示す。図４（ａ）は接合した状態の全体像を示し、（ｂ）は横から見た状態を示す。このように、ボールを挟めば何段でも積層した接合を実現することができる。

図６は、本願発明の実施の形態に係る接合装置のさらに他の構成の一例を示すブロック図である。

接合装置４１は、対象物を接合処理する。対象物は、第１部材４３と、第２部材４５と、粒状金属体群４７を含む。第１部材４３及び第２部材４５は、例えば、金属（アルミ、銅、ニッケル、鉄鋼など）、セラミックス（窒化ケイ素、炭化ケイ素など）などである。粒状金属体群４７は、一つ又は複数の粒状金属体を含む。粒状金属体は、金属であり、例えば、アルミ、銅、鉄鋼、プラチナなどである。粒状金属体群４７は、第１部材４３と第２部材４５に挟まれた状態で保持されている。

接合装置４１は、音エネルギー付与装置４９と、共振部５１と、ステージ５３を備える。

対象物は、ステージ５３に載置されている。図６では、第１部材４３がステージ５３に載置される。第１部材４３の上に粒状金属体群４７が載せられる。粒状金属体群４７の上に第２部材４５が載せられる。

音エネルギー付与装置４９は、共振部５１に対して、音波振動及び／又は超音波振動を付与する。ここで、振動は、縦でもよく、横でもよい。

共振部５１は、例えばホーンであり、対象物に圧力を加えつつ音波振動及び／又は超音波振動に共振して、対象物に音エネルギーを伝達して接合処理を行う。

共振部５１は、第２部材４５に対して、上から圧力を加える。

粒状金属体群４７を挟む第１部材４３及び第２部材４５の面は、共振部５１が圧力をかける方向に対して斜めとなる部分を含む。この例では、第１部材４３及び第２部材４５が粒状金属体群４７に接する面は、中央部分が水平（すなわち、共振部５１が圧力をかける方向に対して垂直）であり、外周に沿って、外側が高く、内側に低くなるように斜めとなる部分が形成されている。共振部５１が第２部材４５に圧力をかけていない状態では、粒状金属体群４７は、傾斜に沿って中央に集まる。共振部５１が第２部材４５に圧力をかけた状態では、粒状金属体群４７は、傾斜に沿って広がり、斜めとなる部分の間にも存在するようになる。

共振部５１は、音波振動及び／又は超音波振動に共振して、対象物に音エネルギーを伝達することにより、粒状金属体群４７を介して第１部材４３と第２部材４５を接合する。接合する面に傾斜があっても、接合することができる（例えば特許文献１など参照）。

第１部材４３と第２部材４５と粒状金属体群４７は、同じ材料でもよく、異なる材料でもよい。

図７は、本願発明の実施の形態に係る接合装置のさらに他の構成の一例を示すブロック図である。

接合装置６１は、対象物を接合処理する。対象物は、第１部材６３と、第２部材６５と、粒状金属体群６７を含む。第１部材６３及び第２部材６５は、例えば金属箔（アルミ、銅、ニッケル、鉄鋼など）である。粒状金属体群６７は、一つ又は複数の粒状金属体を含む。粒状金属体は、金属であり、例えば、アルミ、銅、鉄鋼、プラチナなどである。第２部材６５は第１部材６３の上に重ねられ、粒状金属体群６７は、第２部材６５の上に載せられた状態である。

接合装置６１は、音エネルギー付与装置６９と、共振部７１と、ステージ７３を備える。

対象物は、ステージ７３に載置されている。図７では、第１部材６３がステージ７３に載置される。第１部材６３の上に第２部材６５が載せられる。第２部材６５の上に粒状金属体群６７が載せられる。

音エネルギー付与装置６９は、共振部７１に対して、音波振動及び／又は超音波振動を付与する。ここで、振動は、縦でもよく、横でもよい。

共振部７１は、例えばホーンであり、対象物に圧力を加えつつ音波振動及び／又は超音波振動に共振して、対象物に音エネルギーを伝達して接合処理を行う。

共振部７１は、粒状金属体群６７の上から圧力を加える。

共振部７１は、音波振動及び／又は超音波振動に共振して、対象物に音エネルギーを伝達することにより、粒状金属体群６７に含まれる粒状金属体が第２部材６５を貫通して第１部材６３と第２部材６５を接合する。

図８は、複数枚の金属箔を２つの金属のボールを使用して接合した例を示す。

なお、これらの例ではステージという水平な面の上に載せた状態で説明をしたが、例えば、第１部材が斜めの面がある状態で固定されており、斜めの面に対して粒状金属体群を載せて、さらに第２部材を載せて、ホーンで圧力をかけつつ音エネルギーを伝達して接合する、などのものであってもよい。

また、本願発明では、例えば図６の例において、例えば錐のように、共振部５１が圧力をかける方向に対して垂直な部分がなく、全体として斜めとなっていてもよい。

また、セラミックスなどの金属でない部材に対して粒状金属体を用いて接合を行った場合でも、例えば粒状金属体としてアルミニウムを使用すると、異なる粒状金属体の間で導電性を得ることができた。この実験は、アルミニウム以外でも導電性を得られる可能性を示すものであり、アルミニウム以外では導電性を得られないことを意味するものではない。

また、接合を行うときに、音エネルギーを付与する共振部と、圧力を加える加圧部とを別々に設けて、異なる向きから音エネルギーと圧力を加えてもよい。例えば加圧は上から、音エネルギーは下から加えてもよい。また、図６の例で、圧力と音エネルギーが加えられる方向が異なる場合に、面の少なくとも一部が、圧力の方向及び／又は音エネルギーが与えられる方向に対して斜めであってもよい。

また、例えば図７の例で、粒状金属体は、例えば、第１部材及び第２部材の下にあってもよい。また、粒状金属体は、第１部材及び第２部材よりも共振部に近くても、遠くてもよい。

１接合装置
３第１部材
５第２部材
７粒状金属体群
９音エネルギー付与装置
１１共振部
１３ステージ
２１接合装置
２３第１部材
２５第２部材
２７第３部材
２９第１粒状金属体群
３１第２粒状金属体群
３３音エネルギー付与装置
３５共振部
３７ステージ
４１接合装置
４３第１部材
４５第２部材
４７粒状金属体群
４９音エネルギー付与装置
５１共振部
５３ステージ
６１接合装置
６３第１部材
６５第２部材
６７粒状金属体群
６９音エネルギー付与装置
７１共振部
７３ステージ

Claims

対象物の接合処理を行う接合方法であって、
前記対象物は、第１部材と、第２部材と、一つ又は複数の粒状金属体を含む第１粒状金属体群を含み、
前記対象物において、前記第１部材と前記第２部材は、前記第１粒状金属体群を挟んで保持した状態であり、
前記対象物に圧力が加えられて共振部が前記対象物に音エネルギーを伝達して、少なくとも一つの同じ前記粒状金属体が前記第１部材に接するとともに前記第２部材にも接して、当該粒状金属体は、接する前記第１部材と接合し、かつ、接する前記第２部材とも接合する接合ステップを含む接合方法。
前記粒状金属体は、球状又は楕円体状である、請求項１記載の接合方法。
少なくとも一つの前記粒状金属体は、他の粒状金属体から離れた状態で接合する、請求項１又は２に記載の接合方法。
前記対象物は、さらに第３部材と、一つ又は複数の粒状金属体を含む第２粒状金属体群を含み、
前記対象物において、前記第２部材と前記第３部材は、前記第２粒状金属体群を挟んで保持した状態である、請求項１乃至３のいずれかに記載の接合方法。
対象物の接合処理を行う接合方法であって、
前記対象物は、第１部材と、第２部材と、一つ又は複数の粒状金属体を含む第１粒状金属体群を含み、
共振部が前記対象物に音エネルギーを伝達して、前記粒状金属体を用いて前記第１部材と前記第２部材を接合する接合ステップを含み、
前記接合ステップにおいて、前記対象物には、圧力が加えられ、
前記第１部材において前記第１粒状金属体群に接する面、及び／又は、前記第２部材において前記第１粒状金属体群に接する面は、少なくとも一部が、前記圧力の方向及び／又は前記音エネルギーが加えられる方向に対して斜めである、接合方法。
対象物の接合処理を行う接合方法であって、
前記対象物は、第１部材と、第２部材と、一つ又は複数の粒状金属体を含む第１粒状金属体群を含み、
共振部が前記対象物に音エネルギーを伝達して、前記粒状金属体を用いて前記第１部材と前記第２部材を接合する接合ステップを含み、
前記対象物において、前記第１部材と前記第２部材は、前記第１粒状金属体群に含まれる粒状金属体がない状態で重ねられた状態であり、
前記接合ステップにおいて、前記音エネルギーによって、前記第１粒状金属体群に含まれる粒状金属体が、重ねられた状態の前記第１部材と前記第２部材を接合する、接合方法。
前記接合ステップにおいて、前記第１粒状金属体群に含まれる粒状金属体が前記第１部材と前記第２部材の少なくとも一方を貫通して前記第１部材と前記第２部材を接合する、請求項６記載の接合方法。
前記第１粒状金属体群に含まれる粒状金属体は、金属であり、
前記第１部材は、金属又はセラミックスであり、
前記第２部材は、金属又はセラミックスである、請求項１から７のいずれかに記載の接合方法。
対象物の接合処理を行う接合装置であって、
前記対象物は、第１部材と、第２部材と、一つ又は複数の粒状金属体を含む第１粒状金属体群を含み、
前記粒状金属体は、球状であり、
前記対象物において、前記第１部材と前記第２部材は、前記第１粒状金属体群を挟んで保持した状態であり、
前記対象物に圧力が加えられて少なくとも一つの同じ前記粒状金属体が前記第１部材に接するとともに前記第２部材にも接した状態で、前記対象物に音エネルギーを伝達して、当該粒状金属体を、接する前記第１部材と接合させ、かつ、接する前記第２部材とも接合させる共振部を備える接合装置。