KR100390250B1 - 초음파 진동 절단 방법 및 그 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 웨이퍼도 적절하게 절단 가능하게 하는 것을 목적으로 하는 것으로, 절단 대상 부품을 탑재대(4)에 고정하고, 초음파 진동 회전 기구(12)를 하강시켜 초음파 진동 회전 기구(12)의 절단 날이 절단 대상 부품에 대해 절삭 가능한 위치에 도달하면 초음파 진동 회전 기구(12)의 하강을 정지하고, 초음파 진동 회전 기구(12)를 절단을 위해 직선 이동시키는 동시에, 절단 날을 회전 구동 및 초음파 진동시켜 절삭 대상 부품을 절단한다.

Description

초음파 진동 절단 방법 및 그 장치 {ULTRASONIC VIBRATION CUTTING METHOD AND APPARATUS}
본 발명은 초음파 진동 절단 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
반도체 장치의 제조에서, IC 등이 조립된 반도체 웨이퍼를 베어 칩(barechip)으로 불리는 복수의 주사위 형상의 반도체 칩으로 절단하는 경우, 초음파 진동에 의해 절단하는 것이 시도되고 있다.
그러나, 상기 초음파 진동에 의해 반도체 웨이퍼를 주사위 형상의 반도체 칩으로 절단하는 것은 현재 성공하지 못한 상태이다. 또, 금, 은, 알루미늄, 땜납, 동 등의 점성이 있는 부드러운 것, 세라믹스(ceramics), 실리콘(silicon), 페라이트(ferrite) 등의 단단하고 깨지기 쉬운 것, 합성 수지와 금속으로 이루어지는 적층 구조로 되어 있는 것, 무기질과 금속과 합성 수지로 이루어지는 적층 구조로 되어 있는 것 등도 초음파 진동에 의해 절단하는 것은 성공한 예가 없다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 물성(物性)을 가지는 각종 절단 대상 부품을 적절하게 절단할 수 있는 초음파 진동 회전 절단 방법 및 장치를 제공하려는 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예의 초음파 진동 절단 장치를 도시한 정면도.
도 2는 상기 제1 실시예의 초음파 진동 회전 구동 기구의 도 1의 A-A 선에 따른 단면도.
도 3은 상기 제1 실시예의 초음파 진동 회전 구동 기구의 도 2의 B-B 선에 따른 단면에 상당하는 단면도.
도 4는 상기 제1 실시예의 공진기와 진동 파형의 관계를 도시한 모식도.
도 5는 상기 제1 실시예의 고정 외각과 후부 외각을 분해한 사시도.
도 6은 상기 제1 실시예의 냉매 수납부 주위를 도시한 단면도.
도 7은 상기 제1 실시예의 노즐부를 도시한 사시도.
도 8은 본 발명의 제2 실시예를 도시한 측면도.
청구항 1의 발명에서는, 절단 대상 부품을 탑재대(搭載臺)에 탑재 고정하는 단계와, 초음파 진동 회전 기구를 하강시켜 초음파 진동 회전 기구의 절단 날이 절단 대상 부품에 대해 절삭(切削) 가능한 위치에 도달하면 초음파 진동 회전 기구의 하강을 정지하는 단계와, 초음파 진동 회전 기구를 절단을 위해 직선 이동시키는 단계와, 절단 날을 회전 구동 및 초음파 진동시켜 절삭 대상 부품을 절단하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하고 있다.
청구항 2의 발명에서는, 장치 본체에 장착되며 절단 대상 부품을 고정하기위한 탑재대와, 장치 본체에 장착되며 전후 좌우 상하의 서로 직교하는 3방향으로 직선 이동이 가능한 3축 구동 기구와, 3축 구동 기구의 3방향 출력부에 장착되며 탑재대에 고정된 절단 대상 부품을 절단하기 위한 초음파 진동 회전 기구를 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.
청구항 3의 발명에서는, 청구항 2에 기재된 초음파 진동 회전 기구의 절단 날과 절단 대상 부품에 대한 냉각 수단을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.
청구항 4의 발명에서는, 청구항 2에 기재된 초음파 진동 회전 기구가, 3축 구동 기구의 3방향 출력부에 장착되는 고정 외각(外殼)과, 고정 외각 내부에 회전 가능하게 장착되는 회전 내각(內殼)과, 회전 내각 내부에 격납되는 진동자와, 진동자에 결합되며 회전 내각과 동축상으로 배치되는 원형의 공진기와, 공진기의 고정 외각 및 회전 내각의 일단으로부터 외측으로 돌출된 최소 진동 진폭점에 설치되는 절단 날과, 고정 외각의 타단부에 장착되며 회전 내각을 회전시키기 위한 구동원을 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.
[실시예]
도 1∼도 7을 참조하여 본 발명의 제1 실시예의 구조에 대해 설명한다.
먼저 도 1을 참조하여 초음파 진동 절단 장치에 대해 설명한다. 참조 부호 1은 장치 본체로서, 하부에 이동용 차륜(2)과 고정용 다리부(3)를 가진다. 그리고, 초음파 절단 장치를 이동하는 경우에는 다리부(3)가 차륜보다 장치 본체(1) 측으로 퇴피(退避)되어 차륜(2)이 설치면(G)에 접촉한 상태에서, 장치 본체(1)가 밀리거나 당겨짐으로써 차륜(2)이 회전하여 장치 본체(1)를 이동시킬 수 있다. 또, 초음파 절단 장치가 설치되는 경우에는, 도시한 바와 같이 다리부(3)가 차륜(2)보다 설치면(G) 측으로 돌출되어 설치면(G)에 접촉되어 차륜(2)이 설치면(G)으로부터 부상(浮上)됨으로써, 장치 본체(1)를 설치면(G)에 고정할 수 있다. 다리부(3)는 볼트·너트에 의해 형성되어 있으며 장치 본체(1)가 설치면(G)에 고정될 때 장치 본체(1)를 수평 조정할 수 있다.
참조 부호 4는 절삭 대상 부품을 탑재하여 고정하기 위해 장치 본체(1) 상부에 설치된 탑재대(mounting table)로서, 앙각(仰角)(ø)과 회전각(θ)을 조정하는 기능을 가진다. 앙각(ø)의 제어는 마이크로미터 헤드(micrometer head)로 불리는 정밀 니들 액츄에이터(precision needle actuator)에 의해 3부분에서 탑재대(4)의 최상면(最上面)의 수평 조정에 의해 이루어진다. 회전각(θ)의 제어는 회전 테이블처럼 액츄에이터에 의해 탑재대(4)의 최상면의 평면내에서의 방향 조정에 의해 이루어진다. 절삭 대상 부품을 탑재대(4)에 고정하기 위해서는, 송지(松脂), UV 수지 또는 양면 테이프 등과 같은 냉매(冷媒) 내구성과 열 가소성(可塑性)을 같이 가지는 접착제, 또는 흡인 또는 흡착(suction or adsorption) 등에서 어느 하나를 이용할 수 있다. 냉매의 내구성은 냉매가 접착제에 접촉해도 탑재대(4)와 절삭 대상 부품에 대한 접착제의 접착이 해리(解離)되지 않는 특성이다. 냉매의 열 가소성은 절단 대상 부품이 예를 들어 반도체 장치의 웨이퍼인 경우에, 접착제가 고온이어도 반도체 장치의 제조 과정에서 행해지는 번 인 테스트(burn-in test) 시에 가열되는 정도의 온도를 받으면 탑재대(4)와 절삭 대상 부품에 대한 접착제의 접착이 해리되는 특성이다. 흡인 또는 흡착의 경우에는 탑재대(4)의 최상면에 흡인공(suction hole)을 형성하고 이 흡인공을 탑재대(4)와는 별개로 설치한 흡인 펌프와 흡인 경로로 접속하고, 흡인 펌프가 구동된 상태에서 흡인 경로의 밸브 개방 동작을 행함으로써 흡인공을 통하여 탑재대(4)의 최상면에 절단 대상 부품을 고정하면 된다. 흡인공은 절단 대상 부품이 절단된 각 단체(單體)에 대응하여 설치할 수도 있다. 탑재대(4)의 최상면에 절단 대상 부품을 둘러싸는 환형의 프레임(annual frame)을 설치하여 절단된 단체의 비산(飛散)을 방지할 수도 있다.
참조 부호 5는 전후 좌우 상하의 서로 직교하는 3방향으로 직선 이동이 가능한 3축 구동 기구로서, 탑재대(4) 양측으로 이격되어 배치되어 장치 본체(1)에 장착된 전후 방향으로의 가이드부(6, 7)와, 탑재대(4)보다 위쪽으로 가이드부(6, 7)의 가동부에 수평으로 배치된 좌우 방향으로의 가이드 레일(guide rail)(8)과, 가이드 레일(8)에 좌우 방향으로 구동 가능하게 조립된 가동 헤드(movable head)(9)와, 가동 헤드(9)에 조립된 상하 방향으로의 승강 헤드(climbing head)(10)와, 승강 헤드(10)에 조립된 홀더(holder)(11)를 구비한다. 그리고, 가이드 레일(8)이 도시하지 않은 스텝 모터(step motor)와 같은 액츄에이터에 의해 가이드부(6, 7)를 따라 회전하지 않고 도 1의 지면의 표리(表裏) 방향인 Y 방향으로 직선 형상으로 이동하고, 가동 헤드가 도시하지 않은 스텝 모터와 같은 액츄에이터에 의해 가이드 레일(8)을 따라 회전하지 않고 도 1의 지면의 좌우 방향인 X 방향으로 직선 형상으로 이동하며, 승강 헤드(10)가 도시하지 않은 스텝 모터 또는 에어 실린더(air cylinder) 중 어느 하나의 액츄에이터에 의해 가동 헤드(9)에 대해 회전하지 않고직선 형상으로 승강함으로써, 홀더(11)가 하강, 절단, 상승, 복귀 각각의 4개의 직선으로 이루어지는 사각형의 궤적을 그리도록 이동한다. 참조 부호 12는 초음파 진동 회전 기구로서, 탑재대(4)에 고정된 절단 대상 부품의 절단을 위해 3축 구동 기구(5)의 3방향 출력부인 홀더(11)에 설치된다.
13은 초음파 진동 회전 기구(12)의 절단 날과 절단 대상 부품에 대한 냉각 시스템으로서, 탱크(14)와, 홀더(11) 또는 초음파 진동 회전 기구(12) 중 어느 하나에 장착된 노즐부(nozzle unit)(15)와, 탑재대(4) 주위에 배치된 냉매 수납부(refrigerant receiver)(16)와, 냉매 수납부(16)와 탱크(14)에 배관된 냉매 복귀로(17)와, 탱크(14)와 노즐부(15)에 배관된 냉매 공급로(18)를 구비한다. 그리고, 물 또는 기타 액체로 된 냉매가 탱크(14)에 공급되어 있는 상태에서, 탱크(14)에 설치된 도시하지 않은 펌프가 전력(電力)에 의해 구동됨으로써 냉매가 냉매 공급로(18)로부터 노즐부(15)에 가압 공급된 후, 노즐부(15)로부터 초음파 진동 회전 기구(12)의 절단 날과 절단 대상 부품에 분사되어 냉각시킨다. 냉각 후의 냉매는 냉매 수납부(16)에 모인 후 냉매 복귀로(17)로부터 탱크(14)에 복귀된다. 탱크(14)에 복귀된 냉매가 탱크(14)의 내부에 설치된 필터를 통과함으로써, 필터가 절삭시에 발생하는 부스러기(chip)를 냉매로부터 분리한다. 부스러기가 제거된 냉매가 펌프에 흡인되고 펌프가 냉매를 노즐부(15) 측으로 가압 공급함으로써 냉매가 순환되어 사용된다. 또, 냉매 공급기(18)는 탱크(14) 측의 솔리드 파이프(solid pipe)(19)와, 노즐부(15) 측의 솔리드 파이프(20)와, 양쪽 솔리드 파이프(19, 20)에 접속된 플랙시블 파이프(flexible pipe)(21)를 구비한다. 그리고,초음파 진동 절단 기구(12)가 탑재대(4) 상의 절단 대상 부품을 절단할 때, 홀더(11)가 사각형의 궤적을 따라 이동하는 과정에서, 플랙시블 파이프(21)가 홀더(11)의 이동 궤적을 따르면서 신축하여 냉매가 탱크(14)로부터 노즐부(15)에 적절하게 공급된다.
참조 부호 99는 CCD 카메라와 같은 촬상(撮像) 수단으로서, 탑재대(4)에 고정된 절단 대상 부품을 촬상하여 전기 신호로 변환한 신호를 제어부(100)에 출력한다. 제어부(100)는 CCD 카메라(97)로부터 입력된 화상 신호를 제어부(100)에 미리 설정된 기준 화상 정보와 비교하여 화상 신호와 기준 화상 정보의 위치 어긋남(diaplacement)을 연산하고, 그 연산 결과에 따라 탑재대(4)의 회전각(θ) 조정 기능을 구동시킨다. 이에 따라서, 절단 작업시에 탑재대(4)에 고정된 절단 대상 부품이 초음파 진동 회전 기구(12)에 대해 정확하게 향해지게 된다. 그리고, 도 1에서 K는 보호 커버이다.
도 2와 도 3을 참조하여 초음파 진동 회전 기구(12)에 대해 설명한다. 초음파 진동 회전 기구(12)는 개략적으로, 홀더(11)에 볼트로 장착된 고정 외각(fixed outer shell)(22)과, 고정 외각(22) 내부에 회전 가능하게 장착된 회전 내각(rotary inner shell)(23)과, 회전 내각(23) 내부에 격납된 진동자(transducer)(24)와, 진동자(24)에 헤드리스 나사(headless screw)와 같은 나사로 동축상으로(coaxially) 결합되며 회전 내각(23) 내부에 동축상으로 격납된 부스터(booster)(25)와, 부스터(25)에 헤드리스 나사와 같은 나사로 동축상으로 결합되며 고정 외각(22) 및 회전 내각(23)의 일단으로부터 외측으로 돌출된 원형의혼(circular horn)(26)과, 혼(26)의 진동 전달 방향 변환부에 설치된 절단 날(27)과, 고정 외각(22)의 타단부에 장착되어 회전 내각(23)을 회전하기 위한 구동원인 모터(28)를 구비한다. 절단 날(27)의 두께(t)는 수 미크론∼200미크론 정도이다. 부스터(25)와 혼(26)이 공진기(resonator)를 구성한다.
고정 외각(22)은 전후로 관통하는 격납실(storage chamber)(29)을 가진다. 격납실(29)의 전반부(前半部)에 삽입된 회전 내각(23)과 고정 외각(22) 사이에는 후측 베어링(rear bearing)(30)과 전측 베어링(front bearing)(31)이 배치된다. 후측 베어링(30)의 외측 링(outer ring)이 고정 외각(22)의 격납실(29)에 돌출된 단차부(32)에서 받쳐지고, 후측 베어링(30)의 내측 링(inner ring)이 회전 내각(23)의 외주면에 돌출된 단차부(33)에서 받쳐지며, 후측 베어링(30)과 전측 베어링(31) 사이에는 통형의 베어링 시트(cylindrical bearing sheet)(34)가 배치된다. 베어링 시트(34)의 양단은 후측 베어링(30)의 외측 링과 전측 베어링(31)의 외측 링 각각에 접촉한다. 전측 베어링(31)의 외측 링은 고정 외각(22)의 전단부(前端部) 내측에 나사 결합 장착된 환형의 외측 베어링 홀더(outer bearing holder)(35)에 의해 지지된다. 전측 베어링(31)의 내측 링은 회전 내각(23)의 전단부 외측에 나사 결합 장착된 환형의 내측 베어링 홀더(inner bearing holder)(36)에 의해 지지된다. 그리고, 외측 베어링 홀더(35)는 내측 베어링 홀더(36)와 회전 내각(23)의 전단(前端)을 냉매의 표면 장력보다 작은 간극으로 피복하고, 이러한 간극으로부터 냉매가 전측 베어링(31) 측으로 진입하는 것을 방지한다. 외측 베어링 홀더(35)는 전면(前面)에 체결 공구를 끼워넣기 위한 도시하지않은 요부(凹部)를 가지고, 이러한 요부에 체결 공구를 끼워 체결 조작함으로써 외측 베어링 홀더(35)와 고정 외각(22)의 결합이 적절하게 된다.
고정 외각(22)은 주벽(主壁)에 작업용 구멍(work hole)(37)을 가진다. 작업용 구멍(37)은 홀더(11)보다 혼(26) 측으로 위치한다. 베어링 시트(34)는 작업용 구멍(37)과 대응하는 퇴피공(escape hole)(38)을 가진다. 회전 내각(23)은 전후로 관통하는 수용실(39)과 주벽의 관통공(through hole)(40)을 가진다. 관통공(40)은 작업용 구멍(37)과 대응한다. 부스터(25)는 작업용 구멍(37)과 대응하는 요부(41)를 외주면에 가진다. 그리고, 진동자(24)와 부스터(25)가 회전 내각(23)의 내부에 장착될 때 관통공(40)과 요부(41)의 위치를 맞춰 두고, 베어링 시트(34)가 고정 외각(22)의 내부에 장착될 때 작업용 구멍(7)과 퇴피공(38)의 위치를 맞춰 둔다. 그 후, 혼(26) 또는 절단 날(27) 중 어느 하나를 교환하는 경우, 작업자가 혼(26)을 손으로 돌려 작업용 구멍(37)과 관통공(40)의 정합(整合)을 확인한 후에 도시하지 않은 봉(棒)을 작업용 구멍(37)으로부터 퇴피공(38)과 관통공(40)을 거쳐 요부(41)에 끼워넣음으로써, 회전 내각(23) 및 부스터(25)의 회전 정지가 이루어지고, 혼(26) 또는 절단 날(27) 중 어느 하나의 교환이 쉬워진다.
회전 내각(23)의 수용실(39)에는 진동자(24)와 부스터(25)가 배치된다. 진동자(24)와 부스터(25)가 결합된 상태에서, 진동자(24)와 부스터(25)가 수용실(39)에 회전 내각(23)의 앞쪽으로부터 삽입됨으로써 진동자(24)가 수용실(39)에 비접촉으로 배치되고, 부스터(25)의 전측 지지부(front support portion)(42)의 외주면과 후측 지지부(rear support portion)(43)의 외주면이 수용실(39)의 내주면에 접촉하면서 삽입되고, 후측 지지부(43)가 수용실(39)에 돌출된 단차부(stepped portion)(44)에서 받쳐진다. 전측 지지부(42)의 외주면과 후측 지지부(43)의 외주면과 수용실(39)의 내주면의 접촉에 의해, 진동자(24)와 부스터(25)가 수용실(39)에 방사 방향(radial direction)으로 덜컥거림 없이 배치된다. 전측 지지부(42)는 회전 내각(23)의 전단부 내측에 나사 결합 장착된 환형의 체결구(annual fastener)(45)에 의해 지지된다. 이에 따라서, 진동자(24)와 부스터(25)가 회전 내각(23)에 전후 방향으로 덜컥거림 없이 동축상으로 조립된다. 체결구(45)는 내측 에지부(inner edge portion)에 고무 또는 합성 수지로 이루어지는 환형의 밀봉 부재(annual sealing member)(46)를 가진다. 밀봉 부재(46)는 부스터(25)의 외주면에 접촉하여 체결구(45)와 부스터(25) 사이의 간극에 대한 방수(防水)를 도모한다. 체결구(45)는 외측 베어링 홀더(35)를 냉매의 표면 장력보다 작은 간극으로 피복하고, 이러한 간극으로부터 냉매가 회전 내각(23) 측으로 진입하는 것을 방지한다. 체결구(45)는 전면에 체결 공구를 끼워넣기 위한 도시하지 않은 요부를 가지고, 이러한 요부에 체결 공구를 끼워 체결 조작함으로써 체결구(45)와 회전 외각(23)의 결합이 적절하게 된다.
진동자(24)로의 전기 공급 시스템은 다음과 같이 이루어져 있다. 진동자(24)는 도전성(導電性)을 가지는 커버(47)를 끼워 장착하고 진동자(24)의 부극(負極) 전극과 커버(47)가 접속된다. 커버(47)의 후단(後端) 중앙에는 정극(正極) 진동자 단자(48)를 전기 절연하여 고정하고, 정극 진동자 단자(positive transducer terminal)(48)와 진동자(24)의 정극 단자가 접속된다. 회전 외각(23)의 후단에는 전기 절연 물질로 이루어지는 회전 접속부(49)가 나사로 고정된다. 회전 접속부(49)는 내부에 매설(埋設)된 정극 회전 단자(50)와, 외주면에 장착된 슬립 링(slip ring)으로 불리는 부극 및 정극 환형 회전 단자(negative and positive annual rotary terminals)(51, 52)와, 전면으로부터 돌출된 부극 회전 단자(53)와, 부극 및 정극 환형 회전 단자(51, 52) 서로가 간격을 두도록 외주면으로부터 돌출되며 절기 절연 물질로 이루어지는 환형의 격벽(隔璧)(54)을 가진다. 정극 회전 단자(50)와 정극 환형 회전 단자(52)가 회전 접속부(49)에 매설된 도시하지 않은 도체(導體)에 의해 접속되고, 정극 회전 단자(50)의 전면이 정극 진동자 단자(48)에 접촉한다. 부극 환형 회전 단자(51)와 부극 회전 단자(53)가 회전 접속부(49)에 매설된 도체에 의해 접속되고, 부극 회전 단자(53)가 커버(47)의 외주면에 접촉한다. 회전 접속부(49)와 대응하는 위치에서 고정 외각(22)은 전기 절연 물질로 이루어지는 복수의 고정 접속부(55)를 가진다. 각 고정 접속부(55)는 브러시(brush)로 불리는 부극 및 정극 슬라이딩 단자(negative and positive sliding terminals)(56, 57)와, 부극 및 정극 슬라이딩 단자(56, 57)를 회전 접속부(49) 측으로 가압하는 도전성 재료로 이루어지는 부극 및 정극 탄성 부재(58, 59)와, 부극 및 정극 배선 단자(60, 61)와, 전기 절연 물질로 이루어지는 캡(cap)(62, 63)과, 부극 및 정극 슬라이딩 단자(56, 57) 사이에 위치하는 환형 홈(64)을 개별적으로 가진다. 부극 슬라이딩 단자(56)가 부극 탄성 부재(58)에 의해 가압되어 부극 환형 회전 단자(51)에 접촉하고, 정극 슬라이딩 단자(57)가 정극 탄성 부재(59)에 의해 가압되어 정극 환형 회전 단자(52)에 접촉한다.
따라서, 정극 배선 단자(61)가 도시하지 않은 배선에 의해 초음파 발생기의 정극 출력 단자에 배선되게 되고, 진동자(24)에 대한 정극 경로가 정극 배선 단자(61), 정극 탄성 부재(59), 정극 슬라이딩 단자(56), 정극 회전 단자(50), 정극 진동자 단자(48)에 의해 형성된다. 각 부극 배선 단자(60)가 도시하지 않은 배선에 의해 부극 배선 단자(60), 부극 탄성 부재(58), 부극 슬라이딩 단자(56), 부극 회전 단자(51), 커버(47)에 의해 형성된다. 정극 경로와 부극 경로가 형성된 상태에서, 초음파 발생기로부터 진동자(24)에 전력이 공급됨으로써 진동자(24)가 소정 주파수를 가지는 종파(縱波)의 초음파 진동을 발생시켜 출력한다. 또, 격벽(54)은 부극 및 정극 환형 회전 단자(51, 52)와 부극 및 정극 슬라이딩 단자(56, 57)의 슬라이딩에 의해 발생한 분말이 부극 및 정극 환형 회전 단자(51, 52) 서로를 단락(短絡)하는 분진(粉塵) 단락을 방지한다. 또, 홈(64)은 부극 및 정극 환형 회전 단자(51, 52)와 부극 및 정극 슬라이딩 단자(56, 57)의 슬라이딩에 의해 발생한 분말이 부극 및 정극 슬라이딩 단자(56, 57) 서로를 단락하는 분진 단락을 방지한다. 또, 격벽(54)과 홈(64)의 결합에 의해 상기 분진 단락의 방지 성능이 최적 상태가 된다.
회전 외각(23)과 모터(28)의 연결 구조는 다음과 같이 되어 있다. 회전 접속부(49)의 후부에는 전기 절연 물질로 이루어지는 축(軸) 부재(65)가 볼트로 체결된다. 축 부재(65)에는 전측 커플링(front coupling)(66)이 함께 회전하도록 장착된다. 모터(28)가 고정 외각(22)의 후부에 장착된 후부 외각(rear outer shell)(68)에 볼트로 체결된다. 모터(28)의 출력단(出力端)에는 후측 커플링(69)이 함께 회전하도록 장착된다. 전측 커플링(66)과 후측 커플링(69)은 서로 전후 방향으로의 결합에 의해 함께 회전하는 요철(凹凸)을 가진다. 그리고, 전측 및 후측 커플링(66, 69)이 결합한 상태에서 모터(28)가 회전 구동하면, 그 회전 동력이 모터(28)의 출력단으로부터 전측 및 후측 커플링(66, 69), 축 부재(65), 회전 접속부(49)를 거쳐 회전 외각(23)에 전달되어 회전 외각(23)이 회전한다.
후부 외각(68)에는 상자형의 커버(70)가 나사로 고정된다. 커버(70)는 후부 외각(68)으로부터 고정 접속부(55)를 비접촉으로 피복하면서 고정 외각(22)의 중간부를 비접촉으로 피복한다. 커버(70)의 전부는 고정 외각(22)의 외측면에 형성된 도시하지 않은 지주(支柱)에 나사로 고정된다.
요컨대, 도 2에 도시한 바와 같이 초음파 진동 회전 기구(12)는 회전 외각(23)의 내부에 부스터(25)와 진동자(24)가 동축상으로 조립되고, 부스터(25)에 동축상으로 결합된 절단 날(7)을 가지는 혼(26)이 회전 외각(23)과 고정 외각(22)의 앞쪽 외측으로 배치되고, 고정 외각(22)의 후부에 장착된 모터(28)가 회전 외각(23)에 동축상으로 연결된 간소한 구조이다.
도 4를 참조하여 부스터(25)와 혼(26)으로 구성되는 공진기에 대해 설명한다. 부스터(25)는 티탄(titanium), 알루미늄(aluminum), 단련된 철(hardened iron) 등과 같은 음향 특성이 양호한 재료로 이루어지고, 진동자(24)로부터 전달된 초음파 진동에 공진하는 1파장의 길이를 가지는 형태에 의해, 회전 외각(23)과 진동자(24)를 동축상으로 하는 센터링(centering)과 절삭 가공시의 휘어짐(deflection) 방지가 양호하게 된다. 부스터(25)의 양단부에는 진동자(24)로부터의 초음파 진동에 공진하는 공진 파형(W1)의 최대 진동 진폭점(f1, f5)이 존재하고, 부스터(25)의 전측 지지부(43)와 후측 지지부(43)에는 최소 진동 진폭점(f2, f4)이 존재한다. 진동 파형(W1)은 공진에 의한 초음파 진동의 순간적인 변위(진동 진폭)를 나타낸다.
전측 지지부(42)는 진동 파형(W1)의 최소 진동 진폭점(f4)으로부터 방사 방향 외측으로 돌출하는 환형의 근원부(annual root portion)(42a)와, 근원부(42a)의 에지로부터 혼(26) 측으로 연장된 통형의 얇은 부분(cylindrical thin portion)(42b)과, 얇은 부분(42b)의 선단으로부터 방사 방향 외측으로 돌출하는 환형의 두꺼운 부분(annual thick portion)(42c)을 가진다. 후측 지지부(43)는 최소 진동 진폭점(f2)으로부터 방사 방향 외측으로 돌출하는 환형의 근원부(43a)와, 근원부(43a)의 주연(周緣)으로부터 진동자(24) 측으로 연장된 통형의 얇은 부분(43b)과, 얇은 부분(43b)의 선단으로부터 방사 방향 외측으로 돌출하는 환형의 두꺼운 부분(43c)을 가진다. 두꺼운 부분(42c, 43c)의 외주면이 회전 외각(23)의 수용실(39)의 내주면에 전체적으로 접촉함으로써, 부스터(25)의 회전 외각(23)에 대한 전후 방향의 지지 간격(스팬(span))이 길어져 절삭 가공 시의 휘어짐 방지가 더 양호하게 된다. 근원부(42a, 43a)가 얇은 부분(42b, 43b)보다 두껍게, 두꺼운 부분(42c, 43c)이 얇은 부분(42b, 43b)보다 두껍게 형성되어 있다.
혼(26)은 티탄, 알루미늄, 단련된 철 등과 같은 음향 특성이 양호한 재료로 이루어지고, 진동자(24)로부터 전달된 초음파 진동에 공진하는 1/2 파장의 길이를 가진다. 혼(26)의 양단부에는 진동 파형(W1)의 최대 진동 진폭점(f5, f7)이 존재한다. 혼(26)에서의 진동 파형(W1)의 최소 진동 진폭점(f6)에는 전술한 진동 전달 방향 변환부(71)와 절단 날(27)이 존재한다. 진동 전달 방향 변환부(71)를 제외한 혼(26)과 부스터(25)는 화살표 X1으로 도시한 축 방향으로 진동한다.
진동 전달 방향 변환부(71)는 혼(26)보다 큰 직경과 최소 진동 진폭점(f6)을 중심으로 하여 양단 측으로 똑같이 배분된 폭을 가지고, 혼(26)과 동축상의 원형을 이루며, 진동의 전달 방향을 축 방향으로부터 방사 방향으로 변환한다. 이 전달 방향이 방사 방향으로 변환된 초음파 진동의 순간적인 변위(진동 진폭)를 나타내는 진동 파형(W2)에서의 최대 진동 진폭점(f8, f9)은 진동 전달 방향 변환부(71)의 주연부에 존재한다. 절단 날(27)은 최소 진동 진폭점(f6)에 위치하고 진동 전달 방향 변환부(71)보다 큰 직경을 가지며, 절단 날(27)의 날 끝은 화살표 Y1으로 나타낸 방사 방향으로 진동한다. 이 날 끝이 방사 방향으로 진동하는 것은, 진동 전달 방향 변환부(71)로부터의 날 끝의 돌출량에 의해 결정된다. 즉, 절단 날(27)의 직경이 진동 전달 방향 변환부(71)의 직경보다 과도하게 크면 날 끝은 화살표 X1 방향으로의 진동도 발생되므로, 절단 날(27)의 직경은 진동 절단 방향 변환부(71)의 직경을 기초로 하여 날 끝이 화살표 Y1 방향으로만 진동하는 범위 내로 결정된다.
또, 부스터(25)의 전측 및 후측 지지부(42, 43)를 제외한 외주면, 및 혼(26)의 진동 전달 방향 변환부(71)를 제외한 외주면 각각에는 부스터(25)와 진동자(24)의 결합이나 해제, 부스터(25)와 혼(26)의 결합이나 해제 각각에 있어서 공구를 삽입하는 공구용 요부(72, 73, 74, 75)를 개별적으로 가진다.
도 5를 참조하여 고정 외각(22)과 커버(70)의 주위에 대해 설명한다.커버(70)는 저면(底面) 전부의 개구부(80)와 저면 후부의 단자 기판(terminal substrate)(81)을 가진다. 단자 기판(81)은 합성 수지로 이루어지는 기부(基部)에 진동자용 정극 단자(82)와 진동자용 부극 단자(83)와 모터용 정극 단자(84)와 모터용 부극 단자(85)를 가진다. 그리고, 커버(70)가 고정 외각(22)에 장착된 상태에서, 진동자용 정극 단자(82)와 고정 접속부(55)의 정극 배선 단자(61)가, 진동자용 부극 단자(83)와 고정 접속부(55)의 부극 배선 단자(69)가, 모터용 정극 단자(84)와 모터(28)의 정극 단자가, 모터용 부극 단자(85)와 모터(28)의 부극 단자가 커버(70)로 덮인 내부 공간을 이용하여 배선된 도시하지 않은 각각의 전선을 통하여 접속된다. 또, 진동자용 정극 단자(82)와 진동자용 부극 단자(83)에는 도시하지 않은 초음파 발생기의 정극 출력 단자와 부극 출력 단자가 각각의 전선을 통하여 커버(70)의 외부로부터 접속된다. 모터용 정극 단자(84)와 모터용 부극 단자(85)에는 도시하지 않은 모터 구동 회로의 정극 출력 단자와 부극 출력 단자가 각각의 전선을 통하여 커버(70)의 외부로부터 접속된다. 상기 각 단자와 전선의 배선 작업 종료 후에, 커버(86)가 고정 외각(22)에 복수의 지주(87)를 통하여 나사로 고정되어 개구부(81)를 닫는다. 따라서, 개방된 개구부(81)를 이용하여 상기 배선을 행함으로써 배선 작업이 용이하게 된다. 또, 커버(86)로 개구부(81)를 닫음으로써 감전 등의 사고를 방지할 수 있다. 그리고, 고정 외각(22)의 측면에 돌출된 복수의 지주(88)는 반대측면에도 동일하게 존재하며 고정 접속부(55)와 간섭하지 않도록 커버(70)를 고정 외각(22)에 나사로 장착하기 위한 부재이다.
도 6을 참조하여 냉매 수납부(16)에 대해 설명한다. 냉매 수납부(16)는 탑재대(4)를 이격하여 둘러싸는 환형의 저부(89)와, 저부(89)의 내측 에지로부터 위쪽으로 연장되는 내주벽(90)과, 저부(89)의 외측 에지로부터 위쪽으로 연장되는 외주벽(91)에 의해 이루어지는 접시 형상으로서, 저부(89)에 냉매 복귀로(17)를 가진다. 내주벽(90)은 탑재대(4)의 절단 대상 부품을 놓는 최상면으로서의 테이블(92)의 외형보다 작은 내경을 가지고, 절단 대상 부품 측으로부터 테이블(92)을 경유하여 낙하하는 냉매를 장치 본체(1) 측으로 들어가지 않도록 저부(89) 측으로 적절하게 유도할 수 있다. 외주벽(91)은 테이블(92)의 외형보다 큰 내경을 가진다. 외주벽(91)의 상단은 테이블(92)보다 높게 위치하며, 테이블(92)에 탑재된 가상선으로 나타낸 절단 대상 부품보다 높게 위치되면 회전하는 절단 날(27)로부터 비산되는 냉매를 저부(89) 측에 적절하게 유도할 수 있으므로, 냉매 비산 방지 면에서 가장 바람직하다.
도 7을 참조하여 노즐부(15)에 대해 설명한다. 노즐부(15)는 홀더(11) 또는 초음파 진동 회전 기구(12) 중 어느 하나에 장착된 기부에 절단 대상 부품 쪽의 노즐(93)과 절단 날 쪽의 노즐(94)을 가진다. 절단 대상 부품 쪽의 노즐(93)은 화살표로 도시한 바와 같이 선단으로부터 냉매(95)를 절단 날(27)의 잘라 들어가는 쪽에서의 절단 대상 부품을 향하여 분사하고, 절단 날 쪽의 노즐(94)은 화살표로 도시한 바와 같이 측부로부터 냉매(96)를 절단 날(27)의 절단 대상 부품(27)으로 잘라 들어가는 부분 근방을 향하여 분사한다. 따라서, 절단 날(27)과 절단 대상 부품이 서로 접촉하는 부분에 냉매(95, 96)가 충분히 공급되어 냉매(85, 96)가 절단 날(27)과 절단 대상 부품과 적절하게 냉각할 수 있다. 특히, 절단 대상 부품이 반도체 웨이퍼인 경우에도 반도에 웨이퍼에 집적된 IC 부품이 절단시의 열로부터 보호된다.
제1 실시예의 동작에 대해 설명한다. 도 1에서, 탑재대(4)에 절단 대상 부품으로서 IC가 조립된 반도체 웨이퍼를 고정한다. 그리고, 작업자가 장치 본체(1)에 설치된 도시하지 않은 조작반을 조작하고, 절단 개시가 제어부(100)에 지시되면 제어부(100)가 CCD 카메라(99)에 촬영 개시를 지시하고, CCD 카메라(99)가 탑재대(4) 상의 반도체 웨이퍼의 화상 신호를 제어부(100)에 출력하고, 제어부(100)가 화상 신호와 기준 화상 정보에 따른 연산 결과인 위치 어긋남을 탑재대(4)에 출력하고, 탑재대(4)의 회전각(θ)의 조정 기능이 작용하고, 초음파 진동 회전 기구(12)에 대한 반도체 웨이퍼의 위치 맞춤이 종료된다. 이후, 제어부(100)가 3축 구동 기구(5)와 초음파 진동 회전 기구(12)와 냉각 시스템(13)을 제어함으로써, 초음파 진동 회전 기구(12)의 절단 날(27)(도 2에 도시함)이 일방향으로 회전하는 동시에 초음파 진동에 공진하고, 노즐부(15)가 냉매를 분사하며, 3축 구동 기구(5)의 홀더(11)가 X 방향 이동과 Z 방향 이동에 의해 사각형의 궤적을 그린다. 그 사각형의 1회의 궤적에서, 초음파 진동 회전 기구(12)의 절단 날(7)이 반도체 웨이퍼에 대한 일방향의 1회의 절단이 실행된다. 그 1회의 절단이 종료되면, 3축 구동 기구(5)의 홀더(11)가 Y 방향으로 이동한 후 다시 사각형의 궤적을 그림으로써, 초음파 진동 회전 기구(12)의 절단 날(7)이 반도체 웨이퍼에 대한 일방향의 다음 1회의 절단이 행해진다. 그 절단 종료 후, 3축 구동 기구(5)의 홀더(11)가 Y 방향으로 다시 이동하는 것을 반복함으로써, 반도체 웨이퍼가 복수의띠 형태로 절단된다. 이 띠 형태의 절단이 완료되면, 제어부(100)가 탑재대(4)에 90° 회전을 지시하고, 탑재대(4)의 회전각(θ)의 조정 기능이 작용하여 초음파 진동 회전 기구(12)에 대한 반도체 웨이퍼의 방향이 90。 변화한다. 그 상태에서 제어부(100)가 3축 구동 기구(5)의 제어를 재개하고 절단 날(7)이 띠 형태의 반도체 웨이퍼를 복수의 주사위 형상으로 절단함으로써 1개의 반도체 웨이퍼에 대한 초음파 진동 회전에 의한 절단 작업이 종료된다.
도 8을 참조하여 제2 실시예에 대해 설명한다. 초음파 진동 회전 기구(12)와 보조 초음파 진동 회전 기구(101)를 이용하며, 보조 초음파 진동 회전 기구(101)는 상기 부스터(25)에 상당하는 부스터(102)를 회전 가능하게 격납하여 형성되는 것으로서, 부스터(102)가 초음파 진동 회전 기구(12)의 절단 날(27)을 가지는 혼(26)의 타단에 헤드리스 나사와 같은 나사로 동축상으로 결합된 형태에서, 초음파 진동 회전 기구(12)와 보조 초음파 진동 회전 기구(101)가 상기 홀더(11)에 상당하는 두 갈래로 갈라진 형태의 홀더(103)에 양측으로 지지되어 장착되며 제1 실시예와 동일하게 적용할 수 있다.
그리고, 상기 제1 실시예에서는 절단 대상 부품으로서 반도체 웨이퍼를 사용하였지만, 절단 대상 부품은 금, 은, 알루미늄, 땜납, 동 등의 부드러운 것, 세라믹스, 실리콘, 페라이트 등의 단단하고 부서지기 쉬운 것, 합성 수지와 금속으로 이루어지는 적층 구조로 되어 있는 것, 무기질과 금속과 합성 수지로 이루어지는 적층 구조로 되어 있는 것 등으로 할 수도 있다.
이상과 같이, 청구항 1의 발명에 의하면, 절단 대상 부품을 탑재대에 탑재 고정하고, 초음파 진동 회전 기구를 하강시켜 초음파 진동 회전 기구의 절단 날이 절단 대상 부품에 대해 절삭 가능한 위치에 도달하면 초음파 진동 회전 기구의 하강을 정지하고, 초음파 진동 회전 기구를 절단을 위해 직선 이동시키는 동시에, 절단 날을 회전 구동 및 초음파 진동시켜 절삭 대상 부품을 절단함으로써, 절단 대상 부품을 초음파 진동 회전으로 적절하게 절단할 수 있다.
청구항 2의 발명에 의하면, 탑재대에 절단 대상 부품을 고정한 후 3축 구동 기구와 초음파 진동 회전 기구가 동작함으로써, 초음파 진동 회전 기구의 절단 날이 일방향으로 회전하는 동시에 초음파 진동하고, 3축 구동 기구의 3방향 출력부가 사각형의 궤적을 그리며, 초음파 진동 회전 기구의 절단 날이 절단 대상 부품을 절단할 수 있다.
청구항 3의 발명에서는, 냉각 수단이 초음파 진동 회전 기구의 절단 날과 절단 대상 부품을 냉각함으로써, 절단 대상 부품이 절단시의 열에 의한 손상을 받지 않도록 보호할 수 있다.
청구항 4의 발명에 의하면, 회전 외각 내부에 공진기가 격납되고, 공진기의 고정 외각 및 회전 내각의 일단으로부터 외측으로 돌출된 최소 진동 진폭점에 절단 날을 가지며, 고정 외각의 타단부에 장착된 구동원이 회전 외각을 회전시킴으로써, 초음파 진동 회전 기구의 구조를 간소화할 수 있다.

Claims (4)

  1. 판형의 절단 대상 부품을 초음파 진동으로 절단하는 방법으로서,
    상기 절단 대상 부품을 탑재대(mounting table)에 탑재 고정하는 단계와,
    초음파 진동 회전 기구를 하강시켜 초음파 진동 회전 기구의 절단 날(cutting edge)이 상기 절단 대상 부품에 대해 절삭(切削) 가능한 위치에 도달하면 상기 초음파 진동 회전 기구의 하강을 정지하는 단계,
    상기 초음파 진동 회전 기구를 절단을 위해 직선 이동시킴과 동시에, 상기 절단 날을 회전 구동 및 초음파 진동시켜 상기 절단 대상 부품을 절단하는 단계
    로 이루어지는 초음파 진동 절단 방법.
  2. 판형의 절단 대상 부품을 초음파 진동으로 절단하는 장치로서,
    상기 장치 본체에 장착되며 상기 절단 대상 부품을 고정하기 위한 탑재대,
    상기 장치 본체에 장착되며 전후 좌우 상하의 서로 직교하는 3방향으로 직선 이동이 가능한 3축 구동 기구, 그리고
    상기 3축 구동 기구의 3방향 출력부에 장착되며 상기 탑재대에 고정된 상기 절단 대상 부품을 절단하기 위한 초음파 진동 회전 기구
    를 구비하는 초음파 진동 절단 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 초음파 진동 회전 기구의 절단 날과 상기 절단 대상 부품에 대한 냉각 수단을 추가로 구비하는 초음파 진동 절단 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 초음파 진동 회전 기구가
    상기 3축 구동 기구의 3방향 출력부에 장착되는 고정 외각(外殼)(fixed outer shell),
    상기 고정 외각 내부에 회전 가능하게 장착되는 회전 내각(內殼)(rotary inner shell),
    상기 회전 내각 내부에 격납되는 진동자(transducer),
    상기 진동자에 결합되며 상기 회전 내각과 동축상으로 배치되는 원형의 공진기(cylindrical resonator),
    상기 공진기의 고정 외각 및 회전 내각의 일단으로부터 외측으로 돌출된 최소 진동 진폭점에 설치되는 절단 날, 그리고
    상기 고정 외각의 타단부에 장착되며 상기 회전 내각을 회전시키기 위한 구동원
    을 구비하는 초음파 진동 절단 장치.
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