JP7266299B2 - Ultrasonic bonding equipment - Google Patents

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JP7266299B2 JP2019180125A JP2019180125A JP7266299B2 JP 7266299 B2 JP7266299 B2 JP 7266299B2 JP 2019180125 A JP2019180125 A JP 2019180125A JP 2019180125 A JP2019180125 A JP 2019180125A JP 7266299 B2 JP7266299 B2 JP 7266299B2
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  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)

Description

本発明は、例えば配線接続部や金属端子間接続等に用いる超音波接合装置に関する。 BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ultrasonic bonding apparatus used, for example, for wiring connections and connections between metal terminals.

近年、車載用の電装部品として積層バッテリー、車載用モータ、ECUなど多くのパワーデバイスが用いられている。これらの電装部品は基板接続端子としてボンディングワイヤを用いてワイヤボンディング接続することが多い。基板接続端子には50A(アンペア)や100Aなどの大電流を流す大径のボンディングワイヤが用いられる。また、接合する配線材としては銅電線、銅板、ニッケル板、アルミ電線、アルミ板などが用いられる。基板接続端子を接合する方法としては、抵抗溶接(スポット溶接)、はんだ接合、超音波接合等が用いられる。 2. Description of the Related Art In recent years, many power devices such as laminated batteries, vehicle motors, and ECUs have been used as vehicle electrical components. These electrical components are often wire-bonded using bonding wires as board connection terminals. A large-diameter bonding wire that allows a large current such as 50 A (ampere) or 100 A to flow is used for the substrate connection terminal. As wiring materials to be joined, a copper wire, a copper plate, a nickel plate, an aluminum wire, an aluminum plate, or the like is used. Resistance welding (spot welding), soldering, ultrasonic bonding, or the like is used as a method for joining the board connection terminals.

上記接合方法のうち、抵抗溶接を用いれば、接合部分が酸化しやすく発熱するため、近くに半導体デバイスを配置できない。はんだ接合によれば、接合部の信頼性が低く、接合部に接触抵抗が発生して通電により発熱しやすくなる。
これに対して、超音波接合は、金属材料どうしを接合する加工時間が0.5secと瞬間的に接合でき、拡散接合するため接触抵抗が小さく、大電流を流しても発熱が生じ難いため注目されている。超音波接合は、重ね合わせたワークに超音波接合ホーンを押し当てて接合荷重を加えたまま超音波接合部により超音波振動させることで、ワーク表面に形成された酸化膜を破壊し、清浄な金属表面を生成し、金属間化合物が形成されて接合されるものである。
Among the above joining methods, if resistance welding is used, the joining portion is likely to be oxidized and heat is generated, so that the semiconductor device cannot be arranged nearby. With solder joints, the reliability of the joints is low, and contact resistance is generated in the joints, making it easy to generate heat when energized.
On the other hand, ultrasonic bonding is attracting attention because it can instantly join metal materials with a processing time of 0.5 seconds, has low contact resistance due to diffusion bonding, and does not easily generate heat even when a large current is applied. It is In ultrasonic bonding, an ultrasonic bonding horn is pressed against the superimposed workpieces, and while a bonding load is applied, ultrasonic vibrations are applied to the ultrasonic bonding section to destroy the oxide film formed on the workpiece surface and clean the workpieces. It produces a metal surface and is bonded by forming an intermetallic compound.

上下に重ね合わせた金属材料(ワーク)を接合する方法としては、下側金属材料をアンビル治具などで固定し、上側金属材料を超音波接合ツールのホーンの歯を食い込ませて横振動を伝える。このとき、ワーク接合面に清浄な金属表面を生成させるための適切な押し付け圧(接合荷重)を継続的に維持する必要がある。
適切な押し付け圧より小さい荷重の場合には、摩擦が生じても酸化膜を破壊するほどの摩擦力は発生せず、接合には至らない。
また、適切な押し付け圧より大きい荷重の場合には、金属材料間の摩擦力のみが大きくなり、接合面に摩擦が起こらず、結果として超音波ホーンの歯が上側金属材料を粉砕したり、潰したりするなど、ワークを変形させることにエネルギーが使用され、潰された距離や外形が同じでも接合されていない製品となる。
As a method of joining metal materials (workpieces) that are stacked one on top of the other, the lower metal material is fixed with an anvil jig or the like, and the upper metal material is bitten by the teeth of the horn of the ultrasonic welding tool to transmit lateral vibration. . At this time, it is necessary to continuously maintain an appropriate pressing pressure (bonding load) for generating a clean metal surface on the work bonding surface.
If the load is less than the appropriate pressing pressure, even if friction occurs, the frictional force that destroys the oxide film will not be generated, and bonding will not occur.
In addition, when the load is greater than the appropriate pressing pressure, only the frictional force between the metal materials increases, and friction does not occur on the joint surface, and as a result, the teeth of the ultrasonic horn crush or crush the upper metal material. Energy is used to deform the workpiece, such as squeezing, resulting in a product that is not joined even if the crushed distance and outer shape are the same.

適切な押し付け圧は、ワーク表面の酸化膜の状態、材料の硬度、振動させる材料の質量など多くの要因で変化し、一概には規定できないので、ワークを構成する材料にあったパラメータ、例えば超音波出力、荷重、時間を変化させて実験で最適値を求める。このように、金属接合においては、荷重を一定に保つ制御が重要となる。また荷重の変動により超音波接合に要する電力も変化するので、変動しない荷重を印加することは重要である。 The appropriate pressing pressure varies depending on many factors, such as the state of the oxide film on the work surface, the hardness of the material, and the mass of the material to be vibrated. Optimal values are obtained through experiments by changing the sound wave output, load, and time. Thus, in metal joining, control to keep the load constant is important. In addition, since the power required for ultrasonic bonding changes due to changes in the load, it is important to apply a load that does not fluctuate.

ワークに所定の荷重を付与した接合技術として以下のものが提案されている。予めICチップのバンプと回路基板の電極の押圧力プロファイルを作成する。バンプと電極の接触から接合完了までの一定時間で吸着コレットに印加される圧力をロードセルで検出し、この圧力をもとにフックの法則により圧縮コイルばねの変位量を算出し、圧縮コイルばねの変位量の差分を、現在の時間から接合完了までの残り時間との差分で除算して吸着コレットの修正された移動速度を求めてモータ回転数を制御することで、接合完了時に目標押圧力に到達するようにしている(特許文献1:特開2003-318226号公報)。
また、圧着ヘッドを上下動自在に支持する昇降部と、圧着ヘッドの間に介在して圧着ヘッドに作用する荷重を検出するロードセルと、該ロードセルと線形な荷重・変位特性を有するコイルばねを直列に組み合わせて配置することで、ロードセルの変位量を大きくして単位昇降動作あたりの押圧荷重変化量を小さくした熱圧着装置が提案されている(特許文献2:特開2007-335894号公報)。
また、エアアクチュエータの加圧力と、反発力設定用ばねの反発力を直列に協働させて接合ヘッドに加えるばね加圧式接合装置も提案されている(特許文献3:特開2016-107279号公報)。
The following techniques have been proposed as joining techniques in which a predetermined load is applied to the work. A pressing force profile of the bumps of the IC chip and the electrodes of the circuit board is created in advance. A load cell detects the pressure applied to the suction collet for a certain period of time from the contact between the bump and the electrode to the completion of bonding. By dividing the difference in the amount of displacement by the difference between the current time and the remaining time until the completion of welding, the corrected movement speed of the suction collet is obtained, and by controlling the motor rotation speed, the target pressing force is achieved at the time of completion of welding. (Patent Document 1: JP-A-2003-318226).
In addition, an elevating unit that supports the crimping head so that it can move vertically, a load cell that is interposed between the crimping heads and detects the load acting on the crimping head, and a coil spring that has linear load/displacement characteristics with the load cell are arranged in series. A thermocompression bonding apparatus has been proposed in which the amount of displacement of the load cell is increased and the amount of change in the pressing load per unit lifting operation is reduced by arranging the load cells in combination with each other (Patent Document 2: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-335894).
In addition, a spring pressurization type joining device has been proposed in which the pressurizing force of an air actuator and the repulsive force of a repulsive force setting spring are serially cooperated and applied to the joining head (Patent Document 3: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2016-107279). ).

特開2003-318226号公報JP-A-2003-318226 特開2007-335894号公報JP 2007-335894 A 特開2016-107279号公報JP 2016-107279 A

たとえば、直径8mm(38sq:芯線の断面積)のアルミ電線を金属端子に接続する場合、仕上がり高さは、おおよそ3mmとなる。これは、1~2秒間の超音波発振動作中にホーンが5mm程度下降することになるので、5mm/secの下降速度に追従して接合荷重を維持できないと、印加する荷重値が下がってしまう。 For example, when connecting an aluminum wire with a diameter of 8 mm (38 sq: core wire cross-sectional area) to a metal terminal, the finished height is approximately 3 mm. This means that the horn descends by about 5 mm during the ultrasonic oscillation operation for 1 to 2 seconds, so if the bonding load cannot be maintained following the descending speed of 5 mm/sec, the applied load value will decrease. .

特許文献1の圧縮コイルばねを用いて接合荷重を検出する場合、温度変化によりばね係数が大きく変化するため、ばね係数から接合荷重を求める方法では、繰り返し正確な接合荷重を設定できない。サーボモータで吸着コレットの移動速度を制御する場合、外部からトルクが作用すると、位置決めしたポイントからずれるので、設定された接合荷重が変化して位置ずれ量も変化する。このためゲインを高くして応答性を上げないと目標位置に追従できない。位置ゲインを高く設定すると、発振し易くなるため振動を起こす可能性が増大する。また、出力の大きいモータが必要になり、起動速度が遅くなるため急激な立ち上がり起動には向かない。
特許文献2のようにロードセルにより接合荷重を検出する場合、ロードセルに入力するアナログ信号に乗るノイズ除去のためアンプに積分回路が設けられているので、出力信号の応答が遅く急激な変化を検出できない。よって、荷重変動に対して圧着ヘッドの昇降制御が遅れてしまう。
特許文献3のようにエアアクチュエータ(エアシリンダー)とばねを併用して加圧する場合、加工距離が5mmと大きな場合に、急激な荷重変化に対してばねの伸縮に対してシリンダーが追従できないので、ばねが伸びて加圧力が一時的に下がる。このため、一定の接合荷重を維持する制御はできない。
When the joint load is detected using the compression coil spring of Patent Document 1, the spring coefficient changes greatly due to temperature changes. When the moving speed of the suction collet is controlled by a servomotor, when torque is applied from the outside, the collet deviates from the positioned point, so the set bonding load changes and the amount of positional deviation also changes. Therefore, the target position cannot be tracked unless the gain is increased to improve the response. If the position gain is set high, it becomes easy to oscillate, which increases the possibility of causing vibration. In addition, a motor with a large output is required, and the starting speed becomes slow, so it is not suitable for rapid start-up.
When the joint load is detected by a load cell as in Patent Document 2, an integration circuit is provided in the amplifier to remove noise on the analog signal input to the load cell, so the response of the output signal is slow and sudden changes cannot be detected. . As a result, the up-and-down control of the crimping head is delayed with respect to the load fluctuation.
When pressure is applied using both an air actuator (air cylinder) and a spring as in Patent Document 3, when the machining distance is as large as 5 mm, the cylinder cannot follow the expansion and contraction of the spring due to a sudden change in load. The spring expands and the pressure temporarily drops. Therefore, control to maintain a constant bonding load is not possible.

本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、金属材料どうしを重ね合わせて超音波接合する際に、応答性の良い一定荷重制御を行って加工精度を高めた超音波接合装置を提供することにある。 The present invention has been made to solve these problems, and its object is to perform a constant load control with good responsiveness when superimposing and ultrasonically bonding metal materials to improve processing accuracy. An object of the present invention is to provide an improved ultrasonic bonding apparatus.

本発明は上記目的を達成するため、次の構成を備える。
金属材よりなるワークどうしを重ね合わせ、当該ワーク上に接合ツールを押し当てたまま超音波振動させて接合する超音波接合装置であって、ベース部より起立形成された起立部に支持されたパルスモータと、前記パルスモータの回転駆動を直動動作に変換する駆動伝達機構と、前記駆動伝達機構により駆動伝達されて前記起立部に設けられた第一直動レールに沿って鉛直方向に昇降する第一移動部と、前記第一移動部に設けられた第二直動レールに沿って鉛直方向に往復動すると共に前記接合ツールを保持する第二移動部と、前記第一移動部を下降させて当該第一移動部と前記第二移動部との間に介在する弾性部材を弾性変形させることで前記接合ツールを前記ワークに押し当てて目標荷重値となる接合荷重を検出する荷重検出部と、前記第二移動部の前記第一移動部に対する鉛直方向の移動量を計測するリニアスケールと、前記パルスモータの動作を制御する制御部と、を具備し、前記制御部は、前記第一移動部が下降して前記接合ツールがワークに押し当てられて前記荷重検出部で検出された接合荷重値が目標荷重値に到達した状態で前記接合ツールを超音波振動させ、前記第一移動部に対する前記第二移動部の鉛直方向の位置ずれを前記リニアスケールの計測値の変化から計測して前記パルスモータを所定方向に所定パルス回転駆動して前記第一移動部を移動させることで、接合荷重値を所定の値に保つように荷重制御することを特徴とする。
In order to achieve the above objects, the present invention has the following configurations.
An ultrasonic bonding apparatus that superimposes workpieces made of metal materials and bonds them by ultrasonically vibrating them while a bonding tool is pressed against the workpieces. A motor, a drive transmission mechanism that converts the rotational drive of the pulse motor into a linear motion, and a drive transmitted by the drive transmission mechanism to vertically move up and down along a first linear motion rail provided on the standing portion. a first moving portion, a second moving portion that reciprocates in the vertical direction along a second linear motion rail provided on the first moving portion and holds the welding tool, and a second moving portion that lowers the first moving portion. a load detection unit that detects a bonding load that becomes a target load value by pressing the welding tool against the work by elastically deforming an elastic member interposed between the first moving portion and the second moving portion; , a linear scale for measuring the amount of vertical movement of the second moving part with respect to the first moving part; and a control part for controlling the operation of the pulse motor, wherein the control part controls the first moving When the welding tool is pressed against the workpiece and the welding load value detected by the load detection unit reaches a target load value, the welding tool is ultrasonically vibrated to move the welding tool to the first moving portion. By measuring the displacement of the second moving part in the vertical direction from the change in the measurement value of the linear scale and driving the pulse motor to rotate in a predetermined direction with predetermined pulses to move the first moving part, the joint load is It is characterized in that the load is controlled so as to keep the value at a predetermined value.

上記構成によれば、制御部は荷重検出部により目標荷重値を設定して接合ツールを超音波振動させ、第一移動部に対する第二移動部の鉛直方向の位置ずれをリニアスケールにより検出し、パルスモータを所定方向に所定パルス回転駆動して第一移動部を移動させることで接合荷重値を所定の値に保つように荷重制御する。よって、リニアスケールの応答は高速であるのでワークに作用する急激な接合荷重変化に対しても、リニアスケールの計測値に応じてパルスモータを所定方向に所定パルス回転駆動することで、応答性の良い一定荷重制御を行って超音波接合を行なうことができる。
特に温度変化によりばね定数が変化したりばね自体が劣化したりするコイルばねによる荷重制御や、荷重変化に対する応答速度の遅いロードセルにより荷重制御を行う場合に比べて、応答性の良い一定荷重制御を実現することができる。
尚、第一移動部と第二移動部との間には弾性部材が介在しているが、荷重ゼロの状態で圧縮されており、温度変化のあるばね定数が荷重制御に影響しない。また、接合荷重として使用する範囲では弾性変形する線形領域を使用するため、荷重制御に影響することはない。
According to the above configuration, the control unit sets the target load value by the load detection unit, ultrasonically vibrates the welding tool, detects the vertical positional deviation of the second moving unit with respect to the first moving unit by the linear scale, By rotating the pulse motor in a predetermined direction with a predetermined pulse to move the first moving portion, the load is controlled so as to keep the bonding load value at a predetermined value. Therefore, since the response of the linear scale is high-speed, even if there is a sudden change in the joint load acting on the workpiece, the response can be improved by rotating the pulse motor in a predetermined direction in a predetermined pulse according to the measurement value of the linear scale. Ultrasonic bonding can be performed with good constant force control.
In particular, compared to load control using coil springs, whose spring constant changes or deteriorates due to temperature changes, or load control using load cells, which have a slow response speed to load changes, constant load control with good responsiveness is possible. can be realized.
Although an elastic member is interposed between the first moving part and the second moving part, it is compressed in a state of zero load, and the spring constant with temperature change does not affect load control. In addition, since a linear region of elastic deformation is used within the range used as the joint load, it does not affect load control.

前記第一移動部に対して前記第二移動部が下方にずれた場合には、前記制御部が前記パルスモータを所定方向に回転させて前記第一移動部を下降させ、前記第一移動部に対して前記第二移動部が上方にずれた場合には、前記制御部が前記パルスモータを逆方向に回転させて前記第一移動部を上昇させて荷重制御が行われることが望ましい。
これにより、目標荷重値に対する接合荷重の変動に応じて、応答性の良い一定荷重制御を行うことができる。
When the second moving portion is displaced downward with respect to the first moving portion, the control portion rotates the pulse motor in a predetermined direction to lower the first moving portion, thereby moving the first moving portion downward. When the second moving portion is displaced upward with respect to, it is preferable that the control portion rotates the pulse motor in the opposite direction to raise the first moving portion to perform load control.
As a result, it is possible to perform constant load control with good responsiveness according to fluctuations in the joint load with respect to the target load value.

前記リニアスケールの計測値が、目標値荷重値に対応する目標パルス数からプラスマイナスで所定パルス範囲を超えた場合に、前記制御部が前記パルスモータを所定方向に回転させて荷重制御を行なうようにしてもよい。
これにより、接合ツールの超音波振動により第二移動体を通じたリニアスケールの振動等を考慮して目標パルス数の上下に不制御領域(緩衝領域)を設けることで安定した荷重制御を行うことができる。
When the measured value of the linear scale exceeds a predetermined pulse range plus or minus a target number of pulses corresponding to the target value load value, the control unit rotates the pulse motor in a predetermined direction to perform load control. can be
As a result, it is possible to perform stable load control by providing an uncontrolled region (buffer region) above and below the target pulse number in consideration of the vibration of the linear scale through the second moving body due to the ultrasonic vibration of the welding tool. can.

前記弾性部材はコイルばねであり、前記第一移動部に前記第二移動部の上限位置及び下限位置を各々検出する位置センサを備え、前記位置センサが前記第二移動部の移動を検出すると前記制御部は前記パルスモータの出力を停止することが望ましい。
これにより、第一移動部に対する第二移動部の上下動により印加される荷重が変化しコイルばねの撓み量が変化するところ、コイルばねの撓み量が線形変化する全撓み量の30%~70%の範囲を超える荷重が作用したときに、超音波接合動作を回避することができる。
The elastic member is a coil spring, the first moving part is provided with position sensors for detecting the upper limit position and the lower limit position of the second moving part, and when the position sensor detects the movement of the second moving part, the It is desirable that the controller stop the output of the pulse motor.
As a result, when the load applied by the vertical movement of the second moving part with respect to the first moving part changes and the deflection amount of the coil spring changes, the deflection amount of the coil spring changes linearly from 30% to 70% of the total deflection amount. Ultrasonic bonding operations can be avoided when loads exceeding the % range are applied.

金属材料どうしを重ね合わせて超音波接合する際に、応答性の良い一定荷重制御を行って、加工精度を高めた超音波接合装置を提供することができる。 It is possible to provide an ultrasonic bonding apparatus that performs constant load control with good responsiveness and improves processing accuracy when superimposing and ultrasonically bonding metal materials.

超音波接合装置の模式説明図である。It is a model explanatory view of an ultrasonic bonding apparatus. 加圧原理を説明する模式説明図である。It is a model explanatory view explaining a pressurization principle. 図2に続く加圧原理を示す模式説明図である。FIG. 3 is a schematic explanatory view showing the principle of pressurization continued from FIG. 2; 第一コイルばね及び第二コイルばねの圧縮距離を1mm単位で変化させたときのロードセル(荷重計1)と測定用ロードセル(荷重計2)の測定値を示す表及びグラフ図である。FIG. 4 is a table and a graph showing measured values of a load cell (load cell 1) and a measuring load cell (load cell 2) when the compression distances of the first coil spring and the second coil spring are changed in units of 1 mm. アルミ電線と銅端子の接合状態を示す写真図である。It is a photograph figure which shows the joining state of an aluminum electric wire and a copper terminal.

以下、本発明に係る超音波接合装置の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。超音波接合装置は金属材よりなるワークどうしを重ね合わせ、当該ワーク上に超音波接合ツールを押し当てたまま超音波接合部により振動させて超音波接合する。ワークとしては、例えば大電流用配線の結合部分に用いられる銅電線、アルミ電線等を銅板、ニッケル板、アルミ板等に重ね合わせて超音波接合する際に用いられる。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION An embodiment of an ultrasonic bonding apparatus according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. The ultrasonic bonding apparatus superimposes workpieces made of metal materials, and ultrasonically bonds the workpieces by vibrating them with an ultrasonic bonding portion while pressing the ultrasonic bonding tool against the workpieces. As the work, for example, a copper electric wire, an aluminum electric wire, or the like used for a connection portion of a high-current wiring is superimposed on a copper plate, a nickel plate, an aluminum plate, or the like, and used for ultrasonic bonding.

超音波接合装置の構成例について、図1を参照して説明する。
ベース部1にはワークである銅端子W1を固定する端子固定治具1a(アンビル治具等)が搭載される。端子固定治具1aの上面は、端子の滑り止め用に例えば0.5mm程度のローレット加工が施されている。ベース部1上に起立形成された装置本体部2(起立部)の上端にはパルスモータ3がモータ軸(図示せず)を鉛直下方に向けて支持されている。パルスモータ3は、正逆回転駆動可能なパルスモータが用いられる。パルスモータ3のモータ軸には転造ボールねじ4が連結されている。転造ボールねじ4にはナット5がねじ嵌合しており、パルスモータ3の回転駆動を直動動作に変換する(駆動伝達機構)。
A configuration example of an ultrasonic bonding apparatus will be described with reference to FIG.
A terminal fixing jig 1a (such as an anvil jig) for fixing a copper terminal W1, which is a work, is mounted on the base portion 1. As shown in FIG. The upper surface of the terminal fixing jig 1a is knurled to a thickness of about 0.5 mm, for example, to prevent the terminals from slipping. A pulse motor 3 is supported at the upper end of an apparatus main body 2 (upright portion) formed on the base portion 1 with its motor shaft (not shown) directed vertically downward. As the pulse motor 3, a pulse motor capable of rotating in forward and reverse directions is used. A rolled ball screw 4 is connected to the motor shaft of the pulse motor 3 . A nut 5 is threaded onto the rolled ball screw 4 to convert the rotational drive of the pulse motor 3 into linear motion (drive transmission mechanism).

ナット5は第一プレート6(第一移動部)に一体に組み付けられている。装置本体部2には第一直動ガイドレール2aが長手方向(鉛直方向)に設けられている。第一プレート6は第一直動ガイド6aを介して第一直動ガイドレール2aと連繋している。転造ボールねじ4が所定方向に回転すると、ナット5と共に第一プレート6が、装置本体部2に設けられた第一直動ガイドレール2aに沿って昇降する。尚、転造ボールねじ4は右ねじであるので、CW方向(時計回り方向)に回転すると第一プレート6は下降し、CCW(反時計回り方向)に回転すると第一プレート6は上昇する。 The nut 5 is integrally attached to the first plate 6 (first moving portion). A first direct-acting guide rail 2a is provided in the device main body 2 in the longitudinal direction (vertical direction). The first plate 6 is linked with the first linear motion guide rail 2a via the first linear motion guide 6a. When the rolled ball screw 4 rotates in a predetermined direction, the nut 5 and the first plate 6 move up and down along the first direct-acting guide rail 2 a provided in the device main body 2 . Since the rolled ball screw 4 is a right-hand screw, the first plate 6 descends when rotated in the CW direction (clockwise direction), and the first plate 6 ascends when rotated in the CCW direction (counterclockwise direction).

第一プレート6には、第二プレート7(第二移動部)が鉛直方向に往復動可能に組み付けられている。第二プレート7の下端部には、ホーンクランプ7aが設けられ、このホーンクランプ7aにより超音波ホーン8(接合ツール)が保持されている。第一プレート6には鉛直方向で2か所に第一ばね取付部6b及び第二ばね取付部6cが水平方向に突設されている。第一,第二ばね取付部6b,6cには一対の第二直動ガイドレール6dが鉛直方向に設けられている。尚、第二直動ガイドレール6dは第一,第二ばね取付部6b,6cの両側であって第一プレート6上に鉛直方向に設けられていてもよい。第二プレート7は、第二直動ガイド7bを介して第二直動ガイドレール6dと各々連繋している。超音波ホーン8は、ホーン先端部8aが銅端子W1に重ねて配置されたアルミ電線W2に当接したまま超音波発振器9により振動子8bを超音波振動させて超音波接合するようになっている。超音波ホーン8のホーン先端部8aには、アルミ電線W2に押し当てられる面にローレット加工若しくは波形加工が施されている。 A second plate 7 (second moving portion) is attached to the first plate 6 so as to reciprocate in the vertical direction. A horn clamp 7a is provided at the lower end of the second plate 7, and an ultrasonic horn 8 (welding tool) is held by this horn clamp 7a. The first plate 6 has a first spring attachment portion 6b and a second spring attachment portion 6c at two positions in the vertical direction, which project in the horizontal direction. A pair of second direct-acting guide rails 6d are vertically provided on the first and second spring mounting portions 6b and 6c. The second direct-acting guide rails 6d may be provided vertically on the first plate 6 on both sides of the first and second spring mounting portions 6b and 6c. The second plate 7 is linked with the second direct-acting guide rail 6d through the second direct-acting guide 7b. The ultrasonic horn 8 ultrasonically joins by ultrasonically vibrating the vibrator 8b with the ultrasonic oscillator 9 while the tip 8a of the horn is in contact with the aluminum wire W2 placed on the copper terminal W1. there is A horn tip portion 8a of the ultrasonic horn 8 is knurled or corrugated on the surface to be pressed against the aluminum electric wire W2.

また、第二プレート7には、第一ばね取付部6bと第二ばね取付部6cとの間に挿入配置される中間プレート7cが水平方向に突設されている。この中間プレート7c上にはロードセル10(荷重計1:荷重検出部)が固定されている。第一ばね取付部6bとロードセル10との間には第一コイルばね11(コイルばね)が伸縮可能に設けられており、中間プレート7cと第二ばね取付部6cとの間には第二コイルばね12(コイルばね)が伸縮可能に設けられている。 Further, the second plate 7 is provided with an intermediate plate 7c which is inserted between the first spring mounting portion 6b and the second spring mounting portion 6c so as to protrude in the horizontal direction. A load cell 10 (load cell 1: load detector) is fixed on the intermediate plate 7c. A first coil spring 11 (coil spring) is extendably provided between the first spring mounting portion 6b and the load cell 10, and a second coil spring is provided between the intermediate plate 7c and the second spring mounting portion 6c. A spring 12 (coil spring) is provided so as to be able to expand and contract.

第二プレート7は、転造ボールねじ4の回転により第一プレート6と共に昇降し、第二プレート7に保持された超音波ホーン8がワークに押し当てられると相対的に上昇し、超音波接合によりワークの厚みが減少すると下降するようになっている。
第一プレート6を下降させて当該第一プレート6と第二プレート7との間に介在する第一コイルばね11及び第二コイルばね12(弾性部材)を弾性変形させることで超音波ホーン8をワークに押し当ててロードセル10によって、目標荷重値となる接合荷重を検出する。
The second plate 7 moves up and down together with the first plate 6 due to the rotation of the rolled ball screw 4, and when the ultrasonic horn 8 held by the second plate 7 is pressed against the work, it moves up relatively to perform ultrasonic bonding. When the thickness of the work decreases, it descends.
By lowering the first plate 6 and elastically deforming the first coil spring 11 and the second coil spring 12 (elastic members) interposed between the first plate 6 and the second plate 7, the ultrasonic horn 8 is moved. The load cell 10 is pressed against the workpiece to detect the joint load that becomes the target load value.

また、第一プレート6には、第二プレート7の第一プレート6に対する鉛直方向の位置ずれを計測するリニアスケール13が設けられている。本実例例では後述するように、超音波ホーン8の接合荷重をロードセル10の検出信号によらずリニアスケール13の検出信号に基づいて制御するようになっている。リニアスケール13としては、例えば光学反射式のインクリメンタル型のものが用いられる。 Further, the first plate 6 is provided with a linear scale 13 for measuring the vertical positional displacement of the second plate 7 with respect to the first plate 6 . In this example, as will be described later, the joint load of the ultrasonic horn 8 is controlled based on the detection signal of the linear scale 13 rather than the detection signal of the load cell 10 . As the linear scale 13, for example, an optical reflection incremental type is used.

制御装置14(制御部:コントローラ)は、超音波ホーン8の接合動作及びパルスモータ3の駆動を制御する。制御装置14は、装置全体の動作を制御するCPU(中央演算処理装置)や制御プログラムを記憶したROM、ROMに記憶した制御プログラムを読み出したり、CPUのワークエリアとして演算を実行したり、入力部(操作パネル)等から入力されたデータの一時的な記憶を行うRAM、パルスモータ3を駆動制御するモータドライバ14aなどを備えている。
制御装置14には、図示しない入力部から入力された入力信号や、ロードセル10により検出された荷重値、リニアスケール13により検出された変位量計測値(カウンター値)が入力され、制御装置14からパルスモータ3の駆動信号や超音波発振器9に対する駆動信号が送出される。
制御装置14は、予めロードセル10によって検出された目標荷重値を記憶したり、入力部からのコマンドに応じて超音波発振器9を起動したり、リニアスケール13の変位検出値に応じてパルスモータ3を所定量所定方向に回転させて接合荷重を目標荷重値になるように制御したりする。
A control device 14 (controller: controller) controls the bonding operation of the ultrasonic horn 8 and the drive of the pulse motor 3 . The control device 14 includes a CPU (Central Processing Unit) that controls the operation of the entire device, a ROM that stores control programs, reads control programs stored in the ROM, performs calculations as a work area of the CPU, and inputs It includes a RAM for temporarily storing data input from an operation panel or the like, a motor driver 14a for driving and controlling the pulse motor 3, and the like.
An input signal input from an input unit (not shown), a load value detected by the load cell 10, and a displacement measurement value (counter value) detected by the linear scale 13 are input to the control device 14. A drive signal for the pulse motor 3 and a drive signal for the ultrasonic oscillator 9 are sent.
The control device 14 stores the target load value detected by the load cell 10 in advance, activates the ultrasonic oscillator 9 in response to a command from the input unit, and operates the pulse motor 3 in response to the displacement detection value of the linear scale 13. is rotated in a predetermined direction by a predetermined amount to control the joint load to a target load value.

制御装置14は、第一プレート6が下降して超音波ホーン8のホーン先端部8aがワーク(アルミ電線W2)に押し当てられ、ロードセル10で検出された荷重値が目標荷重値に到達した状態で、超音波ホーン8を超音波振動させ、第一プレート6に対する第二プレート7の鉛直方向の位置ずれをリニアスケール13の計測値の変化から計測してパルスモータ3を所定方向に所定パルス回転駆動させて第一プレート6を移動させる。これにより、第一コイルばね11及び第二コイルばね12の変位量(撓み量)を所定範囲に保つように荷重制御する。 The controller 14 detects a state in which the first plate 6 is lowered, the horn tip 8a of the ultrasonic horn 8 is pressed against the workpiece (aluminum electric wire W2), and the load value detected by the load cell 10 reaches the target load value. Then, the ultrasonic horn 8 is ultrasonically vibrated, the positional displacement of the second plate 7 in the vertical direction with respect to the first plate 6 is measured from the change in the measurement value of the linear scale 13, and the pulse motor 3 is rotated in a predetermined direction by a predetermined pulse. The first plate 6 is moved by driving. Thereby, load control is performed so that the displacement amount (deflection amount) of the first coil spring 11 and the second coil spring 12 is kept within a predetermined range.

ここで、接合荷重を一定に保つ加圧原理について図2乃至図4を参照して説明する。図2において、端子固定治具1aには、測定用ロードセル15(荷重計2)が設けられている。パルスモータ3を回転駆動して第一プレート6を装置本体部2に沿って下降させると、第二プレート7の先端部(下端部)が測定用ロードセル15に当たる。更に第一プレート6を下降させると、第一コイルばね11が圧縮され、第二コイルばね12が伸びる。この状態から第一コイルばね11及び第二コイルばね12の圧縮又は伸びの変化量を1mm単位で変化させたときのロードセル10(荷重計1)と測定用ロードセル15(荷重計2)の値を図4Aの表と図4Bのグラフに示す。
荷重計1の値を荷重計2の値(印加荷重値)に変換する方法としては、ホーン先端部8aが測定用ロードセル15から離れているときに、荷重計2が零を示すばね圧縮距離位置で荷重計1の値をシフト値(150N)として用いる。荷重計2が例えば500Nを示すまで第一プレート6を下降させるときの荷重計1の傾きを求める。荷重計1の傾きがa1で荷重計2の傾きがa2とすると、傾き倍率はa2/a1となり、荷重変換式は荷重計1の値からシフト値を減算して傾き倍率を乗算する。図4Bでは、シフト値が150Nであるので、荷重計1の値をF1とすると、荷重計2の印加荷重値F2に変換するには
F2=(F1-150N)×(a2/a1)となる。
Here, the pressurizing principle for keeping the bonding load constant will be described with reference to FIGS. 2 to 4. FIG. In FIG. 2, the terminal fixing jig 1a is provided with a measuring load cell 15 (load cell 2). When the pulse motor 3 is rotationally driven to lower the first plate 6 along the device main body 2 , the leading end (lower end) of the second plate 7 hits the measuring load cell 15 . When the first plate 6 is further lowered, the first coil spring 11 is compressed and the second coil spring 12 is extended. From this state, the values of the load cell 10 (load cell 1) and the measuring load cell 15 (load cell 2) when the amount of change in compression or elongation of the first coil spring 11 and the second coil spring 12 is changed in units of 1 mm are It is shown in the table of FIG. 4A and the graph of FIG. 4B.
As a method of converting the value of the load cell 1 to the value of the load cell 2 (applied load value), when the horn tip 8a is separated from the load cell 15 for measurement, the spring compression distance position where the load cell 2 indicates zero. Use the value of load cell 1 as the shift value (150N). The inclination of the load cell 1 when the first plate 6 is lowered until the load cell 2 indicates, for example, 500N is obtained. If the tilt of load cell 1 is a1 and the tilt of load cell 2 is a2, the tilt magnification is a2/a1, and the load conversion formula subtracts the shift value from the value of load cell 1 and multiplies the tilt magnification. In FIG. 4B, the shift value is 150 N, so if the value of load cell 1 is F1, to convert the applied load value of load cell 2 to F2,
F2 = (F1 - 150N) x (a2/a1).

尚、第一コイルばね11及び第二コイルばね12の撓み量(圧縮距離)を荷重に換算すると、設計上では全撓み量の30%~70%の範囲で使用するように考慮しなければならない。これは、ばね定数が直線を示す領域が、30%以下では小さく、70%以上では大きくなるためである。本実施例では、ばねの使用領域(上端及び下端)を超える一対の位置センサ16(例えばフォトセンサ)を第一プレート6に設けて、第二プレート7が上記いずれかの位置センサ16に検出されるとパルスモータ3への出力を遮断するようになっている。
また、荷重零の状態で第一コイルばね11及び第二コイルばね12がともに圧縮されており、装置で使用する荷重範囲内でばね定数の直線領域を使用する設計となっている。尚、第一プレート6には、第一コイルばね11の撓み量を予め調整する荷重調整ねじが設けられていてもよい。
When the amount of deflection (compression distance) of the first coil spring 11 and the second coil spring 12 is converted into a load, it must be used within the range of 30% to 70% of the total amount of deflection in design. . This is because the area where the spring constant shows a straight line is small at 30% or less and large at 70% or more. In this embodiment, the first plate 6 is provided with a pair of position sensors 16 (for example, photo sensors) that extend beyond the use area (upper end and lower end) of the spring, and the second plate 7 is detected by any of the position sensors 16. Then, the output to the pulse motor 3 is cut off.
In addition, the first coil spring 11 and the second coil spring 12 are both compressed in a zero load state, and are designed to use a linear region of the spring constant within the load range used in the device. The first plate 6 may be provided with a load adjusting screw for adjusting the amount of deflection of the first coil spring 11 in advance.

次に上述した超音波接合装置を用いた接合動作について説明する。
図1に示すように、端子固定治具1aにセットされた銅端子W1の上にアルミ電線W2を置き、ホーン先端部8aで下向き荷重を加える。荷重値は上述したようにロードセル10(荷重計1)で計測された荷重値を演算した値であり、加圧荷重値と同じ値である。この加圧荷重値が目標荷重値(例えば500N)となるまでパルスモータ3をCW方向(時計回り方向)に回転させると、第一プレート6は下降し、ホーン先端部8aがアルミ電線W2に当たると第二プレート7は第一プレート6と連繋している第二直動ガイドレール6d上を滑り、第一プレート6との相対位置がずれる。このとき第一コイルばね11は圧縮され、第二コイルばね12は伸びる。アルミ電線W2はホーン先端部8aで印加された荷重により潰された後、第一プレート6はそれ以上下降しない。第一,第二プレート6,7間の相対位置がずれるときに、リニアスケール13の出力パルスが送出され、カウンター値を変化させる。例えば、パルスモータ3が0.72°/plsの1回転500パルス、転造ボールねじ4のリードが2mmであるとすると、250パルスで1mm、1パルス当たり0.004mm移動する。
Next, a bonding operation using the ultrasonic bonding apparatus described above will be described.
As shown in FIG. 1, an aluminum electric wire W2 is placed on a copper terminal W1 set on a terminal fixing jig 1a, and a downward load is applied by a horn tip portion 8a. The load value is a value obtained by calculating the load value measured by the load cell 10 (load meter 1) as described above, and is the same value as the applied load value. When the pulse motor 3 is rotated in the CW direction (clockwise direction) until the pressurized load value reaches the target load value (for example, 500 N), the first plate 6 descends and the horn tip 8a hits the aluminum wire W2. The second plate 7 slides on the second direct-acting guide rail 6d linked with the first plate 6, and the relative position with the first plate 6 is shifted. At this time, the first coil spring 11 is compressed and the second coil spring 12 is extended. After the aluminum wire W2 is crushed by the load applied by the horn tip portion 8a, the first plate 6 does not descend any further. When the relative position between the first and second plates 6 and 7 is displaced, an output pulse of the linear scale 13 is sent to change the counter value. For example, assuming that the pulse motor 3 has 500 pulses per rotation of 0.72°/pls and the lead of the rolled ball screw 4 is 2 mm, 250 pulses move 1 mm, or 0.004 mm per pulse.

ロードセル10で検出される荷重値が目標荷重値(例えば500N)に到達し、アルミ電線W2が荷重により潰される距離が変化しなくなった状態で、制御装置14は、リニアスケール13により検出されるカウンター値を目標パルス数として設定し、以下の制御を実行する。第一プレート6と第二プレート7間の相対位置がずれるときには、リニアスケール13から0.001mmごとにパルスが発生しているので、このパルスを(1/4)分周してモータドライバ14aに加える(0.004mm相当のパルスとなる)。リニアスケール13の出力パルス0.001mm/plsを(1/4)分周すると、0.004mm/plsであるので、パルスモータ3による第一プレート6の移動パルス幅と等しくなり、目標荷重到達後にプレート間のずれを生じさせないように制御することができる。 When the load value detected by the load cell 10 reaches the target load value (for example, 500 N) and the distance over which the aluminum wire W2 is crushed by the load does not change, the controller 14 controls the counter detected by the linear scale 13. Set the value as the target number of pulses, and execute the following control. When the relative position between the first plate 6 and the second plate 7 shifts, a pulse is generated every 0.001 mm from the linear scale 13. This pulse is divided by (1/4) and applied to the motor driver 14a. (It becomes a pulse equivalent to 0.004 mm). When the output pulse of 0.001 mm/pls from the linear scale 13 is divided by (1/4), the result is 0.004 mm/pls. can be controlled so as not to cause any deviation.

第一プレート6に対して第二プレート7が下方(圧力が減る方向)にずれた場合には、制御装置14は目標パルス数からマイナスにずれるので、モータドライバ14aのCW回転方向(時計回り方向)に所定パルスを加えて第一プレート6を下降させる。また、第一プレート6に対して第二プレート7が上方(圧力が増加する方向)にずれた場合には、制御装置14は目標パルス数からプラスにずれるので、モータドライバ14aのCCW回転方向(反時計回り方向)に所定パルスを加えて第一プレート6を上昇させる。 When the second plate 7 is displaced downward (in the direction of decreasing pressure) with respect to the first plate 6, the controller 14 deviates from the target number of pulses in the negative direction. ) to lower the first plate 6 . Further, when the second plate 7 is displaced upward (in the direction in which the pressure increases) with respect to the first plate 6, the controller 14 deviates from the target number of pulses in the positive direction. A predetermined pulse is applied in the counterclockwise direction) to raise the first plate 6 .

この状態で、制御装置14は超音波発振器9を発振させて振動子8bによりホーン先端部8aを横振動させると、アルミ電線W2は潰れてアルミの塊となり、銅端子W1との間で金属間化合物を形成して接合される。アルミ線W2を銅端子W1に接合した状態を図5の写真図に示す。
このとき、超音波ホーン8のホーン先端部8aは、所定速度(5mm/sec)で下降するが、第一,第二プレート6,7間のずれをリニアスケール13が検出して出力パルスを送出し、制御装置14はその出力パルスよりパルスモータ3の駆動を制御しているので、第一,第二プレート6,7間のずれは一定となる。即ち、接合荷重値を一定に保つことができる。
In this state, the control device 14 causes the ultrasonic oscillator 9 to oscillate so that the horn tip portion 8a is laterally vibrated by the vibrator 8b. Joined to form a compound. The photograph of FIG. 5 shows a state in which the aluminum wire W2 is joined to the copper terminal W1.
At this time, the horn tip portion 8a of the ultrasonic horn 8 descends at a predetermined speed (5 mm/sec), but the linear scale 13 detects the displacement between the first and second plates 6, 7 and outputs an output pulse. However, since the controller 14 controls the drive of the pulse motor 3 from the output pulse, the deviation between the first and second plates 6 and 7 is constant. That is, the joint load value can be kept constant.

パルスモータ3の1パルスあたりのプレート間移動量を荷重に換算すると、ばね定数が64N/mmであるので、およそ4パルス(3.9パルス)で1N変化する。0.25N以内の荷重ずれを押さえられる計算であるが、実際には、超音波ホーン8の超音波振動による機械振動がリニアスケール13の振動となって伝達されるため、目標パルス数の上下に荷重換算で±1N~±5N程度の緩衝領域(不制御領域)を設けることで、安定した一定荷重制御を実現している。 When the amount of movement between the plates per pulse of the pulse motor 3 is converted into a load, the spring constant is 64 N/mm, so the load changes by 1N for about 4 pulses (3.9 pulses). This calculation can suppress the load deviation within 0.25 N, but in reality, the mechanical vibration due to the ultrasonic vibration of the ultrasonic horn 8 is transmitted as vibration of the linear scale 13, so the load above and below the target number of pulses Stable constant load control is achieved by providing a buffer area (uncontrolled area) of about ±1N to ±5N in terms of conversion.

具体的には、パルスモータ3の自起動周波数で起動できる回転数は300rpmであり1秒間に5回転する。実際には負荷がかかっているのでモータが回転できる速さはその1/5とすると1秒間に1回転程度は回転可能と考えられる。パルスモータ3の1回転は500パルスなので500パルスを荷重に換算すると、500/4=125Nとなる。リニアスケール13の出力パルスを直接モータドライバ14aに入力した場合、1秒間に125Nの荷重変化に追従できる計算となる。超音波ホーン8の下降速度は5mm/secであるので、1秒間に2.5回転であり、パルスモータ3の起動速度のままでは荷重が減ってしまうので短時間で2.5倍まで加速しなければならないが、倍率が低いので実現可能なことがわかる。荷重が低下する初期の段階で、1N低下したとすると4パルスを加えると荷重低下を防ぐことができる。リニアスケール13の検出信号をモータドライバ14aに直接に接続すれば、1パルスからモータ制御できるので荷重低下は無くすことができるが、実用上は装置構成部品の歪みやばねの振動、超音波ホーン8のたわみ、直動ガイドのガタ等が生ずるので、荷重値が上下する振動を起こしてしまう。これを解決するため、リニアスケール13の出力パルスで目標パルス数に±数パルス(±4パルス~20パルス)程度の不動作帯を設定しておくと振動が抑えられる。 Specifically, the number of revolutions that can be started at the self-starting frequency of the pulse motor 3 is 300 rpm, which is 5 revolutions per second. Assuming that the speed at which the motor can rotate is 1/5 of the actual load, it can be considered that the motor can rotate about once per second. Since one rotation of the pulse motor 3 is 500 pulses, converting 500 pulses into a load yields 500/4=125N. When the output pulse of the linear scale 13 is directly input to the motor driver 14a, it is calculated that a load change of 125 N per second can be followed. Since the descending speed of the ultrasonic horn 8 is 5 mm/sec, it rotates 2.5 times per second. However, since the magnification is low, it can be seen that it is feasible. If the load drops by 1 N at the initial stage when the load drops, adding 4 pulses can prevent the load from dropping. If the detection signal of the linear scale 13 is directly connected to the motor driver 14a, the motor can be controlled from one pulse, and the load reduction can be eliminated. deflection, backlash of the direct-acting guide, etc., the load value fluctuates. In order to solve this problem, vibration can be suppressed by setting a non-operating band of about ±several pulses (±4 pulses to 20 pulses) to the target number of output pulses of the linear scale 13. FIG.

また、超音波ホーン8を支持するホーンクランプ7aは質量を大きく設計することが望ましい。超音波ホーン8が加工中に横振動するのでそれを支える部品の質量が小さいと振動エネルギーが消失してしまう。しかしながら、ホーンクランプ7aを重く設計することは重い質量の部品を高速で動かすことになり、モータ出力が必要となるが、ボールねじ4にてモータトルクを増大させて推力(荷重)に変えるので、パルスモータ3のプルアウトトルク以内であれば、起動推力が不足することはない。超音波接合装置の各部品は共振を避けるため、ホーン固有振動数の(1/2)λ(35kHzは約75mm、40kHzは約125mm)を避けた寸法で設計する必要がある。 Also, the horn clamp 7a that supports the ultrasonic horn 8 is desirably designed to have a large mass. Since the ultrasonic horn 8 vibrates laterally during processing, the vibration energy is lost if the mass of the parts supporting it is small. However, if the horn clamp 7a is designed to be heavy, it will move a heavy-mass component at high speed, requiring a motor output. If it is within the pullout torque of the pulse motor 3, the starting thrust will not run short. In order to avoid resonance, each component of the ultrasonic bonding apparatus must be designed with dimensions that avoid (1/2)λ (approximately 75 mm at 35 kHz and approximately 125 mm at 40 kHz) of the natural frequency of the horn.

上述した実施例は、目標荷重値を500Nで設計したが、これに限定されたものではなく、コイルばねのばね定数を小さなものに変更してパルスモータ3の分解能を上げることにより、より軽い荷重で精度の高い制御を行なうことも可能であるし、コイルばねのばね定数を大きなものに変更してより重い荷重で精度の高い制御を行なってもよい。また、アルミ電線W2を銅端子W1に接合する場合を例示したが、銅線を銅端子やニッケル端子に接合する場合等、他のワークどうしの超音波接合に用いても良い。 In the above-described embodiment, the target load value is designed to be 500 N, but the target load value is not limited to this. Alternatively, the spring constant of the coil spring may be changed to a larger one to perform highly accurate control with a heavier load. Also, although the case of joining the aluminum wire W2 to the copper terminal W1 has been illustrated, it may be used for ultrasonic joining of other works such as joining a copper wire to a copper terminal or a nickel terminal.

以上説明したように、ワークに作用する急激な接合荷重変化に対しても、リニアスケール13の計測値に応じてパルスモータ3を所定方向に所定パルス回転駆動することで、応答性の良い一定荷重制御を行って超音波接合を行なうことができる。
特に温度変化によりばね定数が変化したりばね自体が劣化したりするコイルばねによる荷重制御や、荷重変化に対する応答速度の遅いロードセルにより荷重制御を行う場合に比べて、応答性の良い荷重制御を実現することができる。
As described above, the pulse motor 3 is rotated by a predetermined pulse in a predetermined direction in accordance with the measurement value of the linear scale 13 even for a sudden change in the bonding load acting on the workpiece. Controls can be applied to effect ultrasonic bonding.
In particular, load control with better responsiveness is achieved compared to load control using coil springs, whose spring constant changes or deteriorates due to temperature changes, or load control using load cells, which have a slow response speed to load changes. can do.

1 ベース部 1a 端子固定治具 W1 銅端子 W2 アルミ電線 2 装置本体部 2a 第一直動ガイドレール 3 パルスモータ 4 転造ボールねじ 5 ナット 6 第一プレート 6a 第一直動ガイド 6b 第一ばね取付部 6c 第二ばね取付部 6d 第二直動ガイドレール 7 第二プレート 7a ホーンクランプ 7b 第二直動ガイド 7c 中間プレート 8 超音波ホーン 8a ホーン先端部 8b 振動子 9 超音波発振器 10 ロードセル 11 第一コイルばね 12 第二コイルばね 13 リニアスケール 14 制御装置 14a モータドライバ 15 測定用ロードセル 16 位置センサ REFERENCE SIGNS LIST 1 base portion 1a terminal fixing jig W1 copper terminal W2 aluminum wire 2 device body portion 2a first linear motion guide rail 3 pulse motor 4 rolled ball screw 5 nut 6 first plate 6a first linear motion guide 6b first spring attachment Part 6c Second spring attachment part 6d Second linear motion guide rail 7 Second plate 7a Horn clamp 7b Second linear motion guide 7c Intermediate plate 8 Ultrasonic horn 8a Horn tip 8b Transducer 9 Ultrasonic oscillator 10 Load cell 11 First Coil spring 12 Second coil spring 13 Linear scale 14 Control device 14a Motor driver 15 Measurement load cell 16 Position sensor

Claims (4)

金属材よりなるワークどうしを重ね合わせ、当該ワーク上に接合ツールを押し当てたまま超音波振動させて接合する超音波接合装置であって、
ベース部より起立形成された起立部に支持されたパルスモータと、
前記パルスモータの回転駆動を直動動作に変換する駆動伝達機構と、
前記駆動伝達機構により駆動伝達されて前記起立部に設けられた第一直動レールに沿って鉛直方向に昇降する第一移動部と、
前記第一移動部に設けられた第二直動レールに沿って鉛直方向に往復動すると共に前記接合ツールを保持する第二移動部と、
前記第一移動部を下降させて当該第一移動部と前記第二移動部との間に介在する弾性部材を弾性変形させることで前記接合ツールを前記ワークに押し当てて目標荷重値となる接合荷重を検出する荷重検出部と、
前記第二移動部の前記第一移動部に対する鉛直方向の位置ずれを計測するリニアスケールと、
前記接合ツールの接合動作及び前記パルスモータの駆動を制御する制御部と、を具備し、
前記制御部は、前記第一移動部が下降して前記接合ツールがワークに押し当てられて前記荷重検出部で検出された接合荷重値が目標荷重値に到達した状態で前記接合ツールを超音波振動させ、前記第一移動部に対する前記第二移動部の鉛直方向の位置ずれを前記リニアスケールの計測値の変化から計測して前記パルスモータを所定方向に所定パルス回転駆動して前記第一移動部を移動させることで、接合荷重値を所定の値に保つように荷重制御することを特徴とする超音波接合装置。
An ultrasonic bonding device that superimposes workpieces made of metal materials and bonds them by ultrasonically vibrating them while a bonding tool is pressed against the workpieces,
a pulse motor supported by an upright portion formed upright from a base portion;
a drive transmission mechanism that converts the rotational drive of the pulse motor into linear motion;
a first moving part that is driven and driven by the drive transmission mechanism and moves up and down in a vertical direction along a first direct-acting rail provided on the standing part;
a second moving part that reciprocates in the vertical direction along a second linear motion rail provided in the first moving part and holds the welding tool;
By lowering the first moving part and elastically deforming an elastic member interposed between the first moving part and the second moving part, the welding tool is pressed against the workpiece to achieve a target load value. a load detection unit that detects a load;
a linear scale for measuring a vertical displacement of the second moving part with respect to the first moving part;
a control unit that controls the welding operation of the welding tool and the drive of the pulse motor;
The control section moves the welding tool using ultrasonic waves in a state in which the first moving section descends, the welding tool is pressed against the workpiece, and the welding load value detected by the load detecting section reaches a target load value. By vibrating, the positional deviation of the second moving part in the vertical direction with respect to the first moving part is measured from a change in the measurement value of the linear scale, and the pulse motor is driven to rotate in a predetermined direction with predetermined pulses to move the first moving part. An ultrasonic bonding apparatus characterized in that by moving a part, load control is performed so as to keep a bonding load value at a predetermined value.
前記第一移動部に対して前記第二移動部が下方にずれた場合には、前記制御部が前記パルスモータを所定方向に回転させて前記第一移動部を下降させ、前記第一移動部に対して前記第二移動部が上方にずれた場合には、前記制御部が前記パルスモータを逆方向に回転させて前記第一移動部を上昇させて荷重制御が行われる請求項1記載の超音波接合装置。 When the second moving portion is displaced downward with respect to the first moving portion, the control portion rotates the pulse motor in a predetermined direction to lower the first moving portion, thereby moving the first moving portion downward. 2. The load control according to claim 1, wherein when the second moving part is displaced upward with respect to the Ultrasonic bonding equipment. 前記リニアスケールの計測値が、目標値荷重値に対応する目標パルス数からプラスマイナスで所定パルス範囲を超えた場合に、前記制御部が前記パルスモータを所定方向に回転させて荷重制御を行なう請求項1又は請求項2記載の超音波接合装置。 When the measured value of the linear scale exceeds a predetermined pulse range plus or minus a target number of pulses corresponding to the target value load value, the control unit rotates the pulse motor in a predetermined direction to perform load control. 3. The ultrasonic bonding apparatus according to claim 1 or 2. 前記弾性部材はコイルばねであり、前記第一移動部に前記第二移動部の上限位置及び下限位置を各々検出する位置センサを備え、前記位置センサが前記第二移動部の移動を検出すると前記制御部は前記パルスモータの出力を停止する請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の超音波接合装置。 The elastic member is a coil spring, the first moving part is provided with position sensors for detecting the upper limit position and the lower limit position of the second moving part, and when the position sensor detects the movement of the second moving part, the 4. The ultrasonic bonding apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the controller stops the output of the pulse motor.
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