WO2017159339A1 - 超音波接合装置および超音波接合方法 - Google Patents

超音波接合装置および超音波接合方法 Download PDF

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正樹 国頭
斉藤 仁
次男 増田
信宏 笛木
真三 漆谷
達哉 奥中
智行 金丸
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本田技研工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a technique for welding conductors with ultrasonic vibration energy.
  • an object of the present invention is to provide an apparatus or the like that can improve the quality of the welding by improving the estimation accuracy of the completion of coating removal of the conductor to be ultrasonically bonded.
  • the present invention includes a horn that is vibrated by a piezoelectric element, an anvil that is disposed to face the horn, and a control device, and one conductor and the other that are overlapped by the horn and the anvil via a synthetic resin.
  • the horn is ultrasonically vibrated and displaced in the overlapping direction of the horn so that the synthetic resin is melted and removed from between the one conductor and the other conductor, and
  • the present invention relates to an ultrasonic bonding apparatus for welding the one conductor and the other conductor.
  • the control device increases the displacement speed of the horn from the state in which one conductor and the other conductor overlapped with each other through the synthetic resin by the horn and the anvil are sandwiched.
  • the displacement speed is stable in the second speed range that is higher than the first speed range through the first stable state where the displacement speed is stable in the first speed range.
  • a measurement element that measures the displacement of the horn as a reference displacement in a reference period that is at least a part of the period until the second stable state, and the reference displacement measured by the measurement element is large.
  • An adjustment element for adjusting the ultrasonic vibration energy of the horn so that the ultrasonic vibration energy of the horn in a period following the reference period decreases stepwise or continuously. Characterized in that it comprises a.
  • the “first stable state” is a state in which the displacement speed of the horn is stable in the first speed range, and before the start of the melting and removal of the synthetic resin between the two conductors or at the initial stage by the ultrasonic vibration energy of the horn. Equivalent to.
  • the “second stable state” is a state in which the displacement speed of the horn is stable in the second speed range that is higher than the first speed range, and the final stage of melting and removing the synthetic resin between the two conductors or It corresponds after the end.
  • the amount of displacement of the horn in the period from the start of displacement of the horn for welding one conductor and the other conductor to the second stable state through the first stable state in the process of increasing the displacement speed is determined between the two conductors. Represents the progress of melting and removal of the synthetic resin. For this reason, the size of the ultrasonic vibration energy of the horn is controlled based on the amount of displacement (reference displacement) of the horn in at least a part of the period (reference period), thereby welding the two conductors. From the viewpoint of realizing sufficient joint strength by the above, the magnitude of energy converted into welding of the two conductors is appropriately adjusted.
  • An ultrasonic bonding apparatus includes a horn 11 (or a chip), an anvil 12 disposed below and facing the horn 11, and the horn 11 up and down.
  • An elevating drive device 111 that drives in the direction, a piezoelectric element 112 (ultrasonic transducer) that ultrasonically vibrates the horn 11, and a control device 20 are provided.
  • the lower end portion of the horn 11 is formed in a substantially truncated cone shape with the upper bottom surface facing downward, but the tip portion has a plurality of strip-like or dot-like tip portions depending on the arrangement mode of the conductor to be welded.
  • the shape having protrusions can be appropriately changed.
  • the upper end portion of the anvil 12 is substantially flat, irregularities may be appropriately formed according to the shape of the horn 11.
  • the control device 20 is configured by a computer (configured by a CPU (arithmetic processing unit), a memory (storage device) such as a ROM or a RAM, an I / O circuit, etc.).
  • the control device 20 controls the operations of the lifting drive device 111 and the piezoelectric element 112.
  • the control device 20 comprises a measuring element 21 and an adjusting element 22.
  • Each of the elements 21 and 22 is configured by an arithmetic processing device that reads a necessary program and data from a storage device and executes arithmetic processing described later according to the program and data.
  • a first conductor C1 (one conductor) made of metal constituting an FFC (flexible flat cable) and a second conductor C2 made of metal constituting a PCB (printed circuit board).
  • the other conductor is employed.
  • the FFC includes an insulating coating C0 made of a synthetic resin covering the first conductor C1 in addition to the first conductor C1.
  • the PBC includes a substrate that points to the second conductor C2.
  • first conductor C1 For simplification of the figure, only a single first conductor C1 is shown, but a plurality of first conductors C1 that are juxtaposed in the horizontal direction and extend in the vertical direction in the FFC are electrically independent. Thus, it is covered with an insulating coating C0. Similarly, only a single second conductor C2 is shown, but a plurality of second conductors C2 are provided on the substrate in the PCB.
  • the conductor which comprises each of several FFC other than the conductor which comprises each of FFC and PCB, or the conductor which comprises each of FFC and FPC (flexible printed circuit) may be made into a welding object.
  • the ultrasonic bonding method according to the first embodiment of the present invention executed by the ultrasonic bonding apparatus having the above-described configuration will be described.
  • the FFC and the PCB are sandwiched between the horn 11 and the anvil 12 while being stacked one above the other.
  • each of the first conductors C1 of the FFC and each of the second conductors C2 of the PCB are overlapped with each other via the FFC insulating coating C0.
  • the elevating drive device 111 displaces the horn 11 so as to approach the anvil 12, thereby applying a vertical load to the FFC and the PCB, and applying a high-frequency AC voltage to the piezoelectric element 112.
  • the horn 11 is ultrasonically vibrated (in the horizontal direction in the figure), so that the welding of the FFC and the PCB (or the first conductor C1 and the second conductor C2) is started.
  • the displacement amount Z of the horn 11 is, for example, according to a function Z (t) at time t shown in a simplified manner in FIG. Change.
  • the displacement amount Z of the horn 11 first increases at a relatively high speed in the first half of the first period [t 11 , t 12 ], and thereafter increases at a relatively low speed.
  • a “first stable state” is realized in which the displacement speed v of the horn 11 is stable in the first speed range in the latter period (or the middle period and the latter period) of the first period [t 11 , t 12 ].
  • the time change mode of the displacement amount Z of the horn 11 in the first period [t 11 , t 12 ] conforms to the following relational expression (1).
  • ⁇ 1 (t) ( ⁇ 0 / E) ⁇ 1-exp ( ⁇ (t) / ( ⁇ / E)) ⁇ (1).
  • the elastic and viscous characteristics of the synthetic resin are represented by a parallel spring (elastic coefficient: E) and damper (damping coefficient: ⁇ ).
  • the inclination is approximately ( ⁇ 0 / ⁇ ) according to equation (1).
  • the “first stable state” corresponds to an initial stage or a state before starting of melting and removing the synthetic resin (insulating coating C0) between the two conductors C1 and C2 by the ultrasonic vibration energy of the horn 11.
  • the ultrasonic vibration energy of the horn 11 locally raises the temperature of the FFC and the PCB sandwiched between the horn 11 and the anvil 12, and the FFC insulating coating C0 locally melts.
  • the melted insulating coating C0 synthetic resin
  • the insulating coating C0 existing between the first conductor C1 and the second conductor C2 is also melted and gradually removed from the first conductor C1 and the second conductor C2.
  • the speed v of the horn 11 gradually increases during this transition period [t 12 , t 21 ].
  • the second conductor C2 contacts the first conductor C1 while being plastically deformed.
  • the frictional heat of the contact portion is generated by the ultrasonic vibration energy of the horn 11, and the oxide film formed on the respective metal surfaces of the first conductor C1 and the second conductor C2 is removed, and the active surface (also referred to as a clean surface). .) Is exposed and undergoes a bonding reaction (also referred to as solid phase bonding).
  • the displacement speed v of the horn 11 is stable in the second speed range in the second period [t 21 , t 22 ].
  • a “stable state” is realized.
  • the time change mode of the displacement amount Z of the horn 11 in the second period [t 21 , t 22 ] is consistent with the following relational expression (2).
  • ⁇ 2 (t) A ⁇ D ⁇ ( ⁇ 0 / G) n ⁇ t (2).
  • the relational expression (2) approximates the strain amount ⁇ 2 (t) in the transition creep region of the first conductor C1 and the second conductor C2 made of metal using the material constant A, diffusion coefficient D, and coefficient G of the metal.
  • the inclination is approximately A ⁇ D ⁇ ( ⁇ 0 / G) n according to the equation (2).
  • the second speed range is in a higher speed range than the first speed range.
  • the “second stable state” corresponds to a final stage or a state after the end of melting and removal of the synthetic resin (insulating coating C0) between the two conductors C1 and C2.
  • the horn 11 is returned to the original position, and its ultrasonic vibration is also stopped.
  • the displacement amount Z (t 21 ) ⁇ Z (t 11 ) of the horn 11 in the “first period” as the “reference period” and the “transition period” is measured as the reference displacement amount ⁇ Z (FIG. 4 / STEP 202).
  • the horn 11 is returned to the original position, and its ultrasonic vibration is also stopped.
  • the displacement amount of the horn 11 in the “reference period” is measured as the reference displacement amount ⁇ Z (FIG. 5 / STEP 302).
  • the horn 11 is returned to the original position, and its ultrasonic vibration is also stopped.
  • a large displacement amount (reference displacement amount ⁇ Z) of the horn 11 in at least a part of the period (reference period) in the period means that the elasticity and viscosity of the synthetic resin constituting the insulating coating C0 are low in the period or This suggests that the temperature is high and that the ultrasonic vibration energy E of the horn 11 is relatively high.
  • the ultrasonic vibration energy E of the horn 11 is controlled to be relatively low, so that the ultrasonic vibration energy E is excessive when the two conductors C1 and C2 are welded. Therefore, these sufficient bonding strengths are reliably realized.
  • the reference displacement amount ⁇ Z is small, the ultrasonic vibration energy E of the horn 11 is controlled to be relatively high, so that the ultrasonic vibration energy E at the time of welding the two conductors C1 and C2 is controlled. Therefore, sufficient bonding strength can be reliably realized.
  • the ultrasonic vibration energy E is adjusted in three stages according to the amount of the reference displacement amount ⁇ Z.
  • the ultrasonic vibration energy E may be adjusted in two steps, in multiple steps of four steps or more, or continuously.
  • Other forms of periods may be employed, for example, period [t 11 , t 20 ] or period [t 12 , t 20 ].
  • the ultrasonic vibration energy is changed as described above according to the amount of the reference displacement amount after the replacement. E may be adjusted.

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Abstract

超音波溶着の対象となる導体の被覆除去完了の推定精度の向上を図ることにより、当該溶着の質向上を図りうる装置等を提供する。ホーン(11)がアンビル(12)との間にFFCおよびPCBを挟んでいる状態から、ホーン(11)の変位速度(v)が増加していく過程で、当該変位速度(v)が第1速度域で安定している「第1安定状態」を経て、当該変位速度(v)が第1速度域よりも高速域にある第2速度域で安定している「第2安定状態」に至るまでの期間のうち少なくとも一部の期間におけるホーン(11)の変位量(基準変位量(ΔZ))の多少に基づき、ホーン(11)の超音波振動エネルギー(E)が調節される。

Description

超音波接合装置および超音波接合方法
 本発明は、超音波振動エネルギーにより導体同士を溶着する技術に関する。
 合成樹脂により被覆されている一方の導体と他方の導体とを接合するための超音波接合方法が提案されている(たとえば、特許文献1~2参照)。当該方法によれば、ホーンとアンビルとの間に溶着対象物が挟まれた状態でホーンの超音波振動エネルギーによってまず少なくとも一方の導体を被覆する合成樹脂が溶かされて両導体間から除去され、これに続いて当該両導体が相互に溶着される。
 この超音波振動エネルギーのばらつきに由来する両導体の接合強度のばらつき防止を図りながら超音波接合を実現するための方法が提供されている(たとえば、特許文献3参照)。当該方法によれば、ホーンを振動させるための振動素子に印加される電圧と振動素子に流れる電流との積がホーンを介して溶着対象物に付与された仕事率として算出される。そして、当該仕事率の変化率が第1所定値以下となった後、第1所定値よりも大きい第2所定値以上になった場合に導体間から被覆が除去されたと判断される。
特開2000-263248号公報 特開2006-024590号公報 特許第4456640号公報
 しかし、導体接合が開始している一方で被覆除去がなおも進行している過渡的な期間が存在するため、仕事率の変化に基づいて当該被覆の除去が完了しているか否かを判定することが困難になる可能性がある。このため、超音波振動エネルギーの過小により導体の接合強度が不十分になる可能性のほか、超音波振動エネルギーの過大により導体の損傷などを招く可能性がある。
 そこで、本発明は、超音波接合の対象となる導体の被覆除去完了の推定精度の向上を図ることにより、当該溶着の質向上を図りうる装置等を提供することを目的とする。
 本発明は、圧電素子により振動されるホーンと、前記ホーンに対向配置されているアンビルと、制御装置と、を備え、前記ホーンおよび前記アンビルによって合成樹脂を介して重なっている一方の導体および他方の導体が挟まれている状態で前記ホーンを超音波振動させながらこれらの重なり方向に変位させることで、前記合成樹脂を溶融させて前記一方の導体および前記他方の導体の間から除去し、かつ、前記一方の導体および前記他方の導体を溶着する超音波接合装置に関する。
 本発明の超音波接合装置は、前記制御装置が、前記ホーンおよび前記アンビルによって合成樹脂を介して重なっている一方の導体および他方の導体が挟まれている状態から、前記ホーンの変位速度が増加していく過程で、当該変位速度が第1速度域で安定している第1安定状態を経て、当該変位速度が前記第1速度域よりも高速域にある第2速度域で安定している第2安定状態に至るまでの期間のうち少なくとも一部の期間である基準期間における前記ホーンの変位量を基準変位量として測定する測定要素と、前記測定要素により測定された前記基準変位量が多いほど、前記基準期間に続く期間における前記ホーンの超音波振動エネルギーが段階的または連続的に小さくなるように前記ホーンの超音波振動エネルギーを調節する調節要素と、を備えていることを特徴とする。
 「第1安定状態」は、ホーンの変位速度が第1速度域において安定している状態であり、ホーンの超音波振動エネルギーにより両導体間の合成樹脂の溶融および除去の開始前または初期段階に相当する。「第2安定状態」は、ホーンの変位速度が第1速度域よりも高速域にある第2速度域において安定している状態であり、両導体間の合成樹脂の溶融および除去の終期段階または終了後に相当する。
 一方の導体および他方の導体の溶接のためのホーンの変位開始から、当該変位速度の増加過程において第1安定状態を経て第2安定状態に至るまでの期間におけるホーンの変位量は、両導体間における合成樹脂の溶融および除去の進行状況を表わしている。このため、当該期間のうち少なくとも一部の期間(基準期間)におけるホーンの変位量(基準変位量)の多少に基づいてホーンの超音波振動エネルギーの大小が制御されることにより、両導体の溶着による十分な接合強度を実現する観点から、当該両導体の溶着に転換されるエネルギーの大小が適当に調節される。
[規則91に基づく訂正 06.03.2017] 
本発明の一実施形態としての超音波接合装置の構成説明図。 ホーンの変位量の変化態様に関する説明図。 本発明の第1実施形態としての超音波接合方法に関する説明図。 本発明の第2実施形態としての超音波接合方法に関する説明図。 本発明の第3実施形態としての超音波接合方法に関する説明図。
 (構成)
 図1に示されている本発明の一実施形態としての超音波接合装置は、ホーン11(またはチップ)と、ホーン11に対向してその下方に配置されているアンビル12と、ホーン11を上下方向に駆動する昇降駆動装置111と、ホーン11を超音波振動させる圧電素子112(超音波振動子)と、制御装置20と、を備えている。ホーン11の下端部は上底面を下方に向けた略円錐台状に形成されているが、溶着対象である導体の配置態様に応じてその先端部が帯状または点状の先端部を有する複数の突起を有する形状など、適当に変更されうる。アンビル12の上端部は略平面であるが、ホーン11の形状に合わせて適当に凹凸が形成されていてもよい。
 制御装置20は、コンピュータ(CPU(演算処理装置)、ROMまたはRAMなどのメモリ(記憶装置)およびI/O回路等により構成されている。)により構成されている。制御装置20は、昇降駆動装置111および圧電素子112のそれぞれの動作を制御する。制御装置20は、測定要素21および調節要素22を備えている。各要素21、22は、記憶装置から必要なプログラムおよびデータを読み出し、当該プログラムおよびデータにしたがって後述する演算処理を実行する演算処理装置により構成されている。
 超音波接合装置による溶着対象として、例えば、FFC(フレキシブルフラットケーブル)を構成する金属からなる第1導体C1(一方の導体)と、PCB(プリント回路基板)を構成する金属からなる第2導体C2(他方の導体)とが採用される。FFCは、第1導体C1に加えてこれを覆う合成樹脂からなる絶縁性被覆C0を備えている。PBCは、第2導体C2を指示する基板を備えている。
 図の簡略化のため、単一の第1導体C1のみが示されているが、FFCにおいて横方向に並列され、縦方向に延在している複数の第1導体C1が電気的に独立するように絶縁性被覆C0により覆われている。同様に、単一の第2導体C2のみが示されているが、PCBにおいて複数の第2導体C2が基板上に設けられている。
 なお、FFCおよびPCBのそれぞれを構成する導体のほか、複数のFFCのそれぞれを構成する導体、またはFFCおよびFPC(フレキシブルプリントサーキット)のそれぞれを構成する導体が溶着対象とされてもよい。
 (超音波エネルギーの調節方法(第1実施形態))
 前記構成の超音波接合装置により実行される本発明の第1実施形態としての超音波接合方法について説明する。まず、図1に示されているように、ホーン11とアンビル12との間にFFCおよびPCBが上下に重ねられた状態で挟まれる。この際、FFCの第1導体C1のそれぞれとPCBの第2導体C2のそれぞれとが、FFCの絶縁性被覆C0を介して上下に重ねられた状態となる。
 この状態から、昇降駆動装置111によりホーン11をアンビル12に対して接近させるように変位させ、これによりFFCおよびPCBに上下方向の荷重を印加し、かつ、圧電素子112に高周波の交流電圧が印加されることによりホーン11を(図中左右方向に)超音波振動させることで、FFCおよびPCB(または第1導体C1および第2導体C2)の溶着が開始される。
 (ホーンの変位量の時間変化態様)
 第1導体C1および第2導体C2の溶着または接合が完了するまでの間に、ホーン11の変位量Zは、例えば図2に簡略的に示されている時刻tの関数Z(t)にしたがって変化する。
 すなわち、ホーン11の変位量Zは、まず第1期間[t11,t12]の前期において比較的高速で増大した後、その後は比較的低速で増大する。ホーン11の変位速度vが第1期間[t11,t12]の後期(または中期および後期)において第1速度域において安定している「第1安定状態」が実現される。第1速度域は第1期間の後期における曲線Z=Z(t)の傾きの下限値および上限値により画定される速度域である。第1期間[t11,t12]におけるホーン11の変位量Zの時間変化態様は、次の関係式(1)に適合している。
 ε1(t)=(σ0/E){1-exp(-(t)/(η/E))} ‥(1)。
 関係式(1)は、時刻t=0において一定の外力σ0が付与された際の合成樹脂からなる絶縁性被覆C0のひずみ量ε1(t)(ホーン11の変位量Zに相当する。)を、Kelvin-Voigtモデルにしたがって近似的に表現している。このモデルでは、合成樹脂の弾性および粘性特性が、並列されたバネ(弾性係数:E)およびダンパ(減衰係数:η)により表わされている。
 図2には、第1安定状態の終了時点t=t12における曲線Z=Z(t)の接線L1が一点鎖線で示されている。その傾きは式(1)にしたがうとおおよそ(σ0/η)になる。第1期間における曲線Z=Z(t)の傾きは当該接線L1におおよそ沿っている。「第1安定状態」は、ホーン11の超音波振動エネルギーにより両導体C1およびC2間の合成樹脂(絶縁性被覆C0)の溶融および除去の初期段階または開始前の状態に相当する。
 ホーン11の超音波振動エネルギーにより、ホーン11およびアンビル12に挟まれている箇所のFFCおよびPCBが局所的に温度上昇し、FFCの絶縁性被覆C0が局所的に溶融する。ホーン11およびアンビル12による上下方向の荷重により、溶融した絶縁性被覆C0(合成樹脂)がホーン11とアンビル12との間から徐々に除去される。この際、第1導体C1および第2導体C2に間に存在する絶縁性被覆C0も溶融し、第1導体C1および第2導体C2に間から徐々に除去される。図2に示されているように、この遷移期間[t12,t21]において、ホーン11の速度vが徐々に増大していく。
 続いて、第2導体C2が塑性変形しつつ第1導体C1と当接する。ホーン11の超音波振動エネルギーにより当該当接箇所の摩擦熱が発生し、第1導体C1および第2導体C2のそれぞれの金属表面に生成されている酸化被膜が除去され活性面(清浄面ともいう。) が露出し接合反応する(固相接合ともいう。)。
 第1導体C1および第2導体C2の固相接合反応が進行している際、ホーン11の変位速度vが第2期間[t21,t22]において第2速度域において安定している「第2安定状態」が実現される。第2速度域は第2期間における曲線Z=Z(t)の傾きの下限値および上限値により画定される速度域である。第2期間[t21,t22]におけるホーン11の変位量Zの時間変化態様は、次の関係式(2)に整合している。
 ε2(t)=A・D・(σ0/G)n×t ‥(2)。
 関係式(2)は、金属からなる第1導体C1および第2導体C2の転移クリープ領域におけるひずみ量ε2(t)を、当該金属の材料定数A、拡散係数Dおよび係数Gを用いて近似的に表現する。
 図2には、第2安定状態の開始時点t=t21における曲線Z=Z(t)の接線L2が二点鎖線で示されている。その傾きは式(2)にしたがえばおおよそA・D・(σ0/G)nになる。第2期間における曲線Z=Z(t)の傾きは当該接線L2におおよそ沿っている。曲線Z=Z(t)の傾きが第2期間において第1期間よりも大きいことから明らかなように、第2速度域は第1速度域よりも高速域にある。「第2安定状態」は、両導体C1およびC2間の合成樹脂(絶縁性被覆C0)の溶融および除去の終期段階または終了後の状態に相当する。
 (超音波エネルギーの調節方法)
 制御装置20の測定要素21により、ホーン11の変位量Zに応じた変位量センサ(図示略)からの出力信号に基づき、「基準期間」としての「第1期間」におけるホーン11の変位量Z(t12)-Z(t11)が、基準変位量ΔZとして測定される(図3/STEP102)。例えば、ホーン11の変位速度vが第1速度域を超えた時点が第1期間の終点t=t12として測定される。溶着開始時刻のほか、同様に、ホーン11の変位速度vが第1速度域に進入した時点が、第1期間の始点t=t11として測定されてもよい。
 ホーン11の基準変位量ΔZがa1以下であるか否かが判定される(図3/STEP104)。当該判定結果が否定的である場合(図3/STEP104‥NO)、ホーン11の基準変位量ΔZがa1を超える一方でb1以下であるか否かがさらに判定される(図3/STEP106)。これらの判定結果に応じて、遷移期間およびこれに続く第2期間のそれぞれにおけるホーン11の超音波振動エネルギーEが次のような形態で制御される。
 基準変位量ΔZがa1以下であると判定された場合(図3/STEP104‥YES)、ホーン11の超音波振動エネルギーEが、当該基準変位量ΔZに基づく関係式E=E11(ΔZ)にしたがって制御される(図3/STEP108)。基準変位量ΔZがa1を超える一方でb1以下であると判定された場合(図3/STEP106‥YES)、ホーン11の超音波振動エネルギーEが、当該基準変位量ΔZに基づく関係式E=E12(ΔZ)にしたがって制御される(図3/STEP110)。基準変位量ΔZがb1以上であると判定された場合(図3/STEP106‥NO)、ホーン11の超音波振動エネルギーEが、当該基準変位量ΔZに基づく関係式E=E13(ΔZ)にしたがって制御される(図3/STEP112)。E11、E12およびE13の間には、E11>E12>E13という関係がある。
 そして、第1導体C1および第2導体C2の接合反応完了後、ホーン11が元の位置に戻され、その超音波振動も停止する。
 (超音波接合方法(第2実施形態))
 前記構成の超音波接合装置により実行される本発明の第2実施形態としての超音波接合方法について説明する。超音波振動エネルギーの制御方法を除き、第1実施形態と共通するため当該共通事項については説明を省略する。
 「基準期間」としての「第1期間」および「遷移期間」におけるホーン11の変位量Z(t21)-Z(t11)が、基準変位量ΔZとして測定される(図4/STEP202)。例えば、ホーン11の変位速度vが第2速度域に進入した時点が、遷移期間の終点(第2期間の始点)t=t21として測定されてもよい。
 ホーン11の基準変位量ΔZがa2以下であるか否かが判定される(図4/STEP204)。当該判定結果が否定的である場合(図4/STEP204‥NO)、ホーン11の基準変位量ΔZがa2を超える一方でb2以下であるか否かがさらに判定される(図4/STEP206)。これらの判定結果に応じて、遷移期間およびこれに続く第2期間のそれぞれにおけるホーン11の超音波振動エネルギーEが次のような形態で制御される。
 基準変位量ΔZがa1以下であると判定された場合(図4/STEP204‥YES)、ホーン11の超音波振動エネルギーEが、当該基準変位量ΔZに基づく関係式E=E21(ΔZ)にしたがって制御される(図4/STEP208)。基準変位量ΔZがa2を超える一方でb2以下であると判定された場合(図4/STEP206‥YES)、ホーン11の超音波振動エネルギーEが、当該基準変位量ΔZに基づく関係式E=E22(ΔZ)にしたがって制御される(図4/STEP210)。基準変位量ΔZがb2以上であると判定された場合(図4/STEP206‥NO)、ホーン11の超音波振動エネルギーEが、当該基準変位量ΔZに基づく関係式E=E23(ΔZ)にしたがって制御される(図4/STEP212)。E21、E22およびE23の間には、E21>E22>E23という関係がある。
 そして、第1導体C1および第2導体C2の接合反応完了後、ホーン11が元の位置に戻され、その超音波振動も停止する。
 (超音波接合方法(第3実施形態))
 前記構成の超音波接合装置により実行される本発明の第3実施形態としての超音波接合方法について説明する。超音波振動エネルギーの制御方法を除き、第1実施形態と共通するため当該共通事項については説明を省略する。
 「基準期間」におけるホーン11の変位量が、基準変位量ΔZとして測定される(図5/STEP302)。具体的には、第1安定状態から第2安定状態への遷移期間[t12,t21]の終了時点t=t21(第2安定状態の開始時点)における曲線Z=f(t)の接線L2と、時間軸との交点に相当する時点t=t20が求められる。当該時点t=t20を開始時点とし、第2安定状態の開始時点t=t21を終了時点とする期間[t20,t21]が基準期間として設定される。
 ホーン11の基準変位量ΔZがa3以下であるか否かが判定される(図5/STEP304)。当該判定結果が否定的である場合(図5/STEP304‥NO)、ホーン11の基準変位量ΔZがa3を超える一方でb3以下であるか否かがさらに判定される(図5/STEP306)。これらの判定結果に応じて、第2期間のそれぞれにおけるホーン11の超音波振動エネルギーEが次のような形態で制御される。
 基準変位量ΔZがa3以下であると判定された場合(図5/STEP304‥YES)、ホーン11の超音波振動エネルギーEが、当該基準変位量ΔZに基づく関係式E=E21(ΔZ)にしたがって制御される(図5/STEP308)。基準変位量ΔZがa3を超える一方でb3以下であると判定された場合(図5/STEP306‥YES)、ホーン11の超音波振動エネルギーEが、当該基準変位量ΔZに基づく関係式E=E22(ΔZ)にしたがって制御される(図5/STEP310)。基準変位量ΔZがb3以上であると判定された場合(図5/STEP306‥NO)、ホーン11の超音波振動エネルギーEが、当該基準変位量ΔZに基づく関係式E=E33(ΔZ)にしたがって制御される(図5/STEP312)。E31、E32およびE23の間には、E31>E32>E33という関係がある。
 そして、第1導体C1および第2導体C2の接合反応完了後、ホーン11が元の位置に戻され、その超音波振動も停止する。
 (効果)
 ホーン11がアンビル12との間にFFCおよびPCBを上下に挟み込んだ状態から、ホーン11の変位速度vの増加過程(変位加速度α=dv/dt=d2Z/dt2が0以上である状態)における第1安定状態を経た第2安定状態までの期間におけるホーンの変位量は、両導体C1およびC2の間における絶縁性被覆C0を構成する合成樹脂の溶融および除去の進行状況を表わしている。当該期間のうち少なくとも一部の期間(基準期間)におけるホーン11の変位量(基準変位量ΔZ)が多いことは、当該期間において絶縁性被覆C0を構成する合成樹脂の弾性および粘性が低いことまたは温度が高いこと、ひいてはホーン11の超音波振動エネルギーEが比較的高いことを示唆している。
 このため、基準変位量ΔZが多い場合にホーン11の超音波振動エネルギーEが比較的低くなるように制御されることにより、両導体C1およびC2の溶着時の当該超音波振動エネルギーEの過大が防止されるため、これらの十分な接合強度が確実に実現される。これとは逆に、基準変位量ΔZが少ない場合にホーン11の超音波振動エネルギーEが比較的高くなるように制御されることにより、両導体C1およびC2の溶着時の当該超音波振動エネルギーEの過小が防止されるため、これらの十分な接合強度が確実に実現される。
 (本発明の他の実施形態)
 第1~第3実施形態のそれぞれにおいては、基準変位量ΔZの多少に応じて、超音波振動エネルギーEが3段階で調節されたが、他の実施形態として、基準変位量ΔZの多少に応じて、超音波振動エネルギーEが2段階もしくは4段階以上の多段階で調節され、または、連続的に調節されてもよい。
 基準期間は、ホーン11の変位開始時刻t=t11から、第1安定状態から第2安定状態への遷移期間の終了時刻t=t21までの期間のうち、少なくとも一部の期間であれば、例えば期間[t11,t20]または期間[t12,t20]など、他の形態の期間が採用されてもよい。
 第1~第3実施形態のそれぞれにおいて、ホーン11の変位開始時刻t=t11からその変位量Zが所定量Z0に達した後に基準期間が開始するように設定されてもよい。この場合、第1~第3実施形態のそれぞれにおける基準変位量ΔZがΔZ-Z0に置換されたうえで、当該置換後の基準変位量の多少に応じて、前記のように超音波振動エネルギーEが調節されてもよい。
11‥ホーン、12‥アンビル、111‥昇降駆動装置、112‥圧電素子(超音波振動子)、20‥制御装置、21‥測定要素、22‥調節要素、C1‥第1導体(一方の導体)、C2‥第2導体(他方の導体)、R‥絶縁性被覆(合成樹脂)。

Claims (6)

  1.  圧電素子により振動されるホーンと、前記ホーンに対向配置されているアンビルと、制御装置と、を備え、前記ホーンおよび前記アンビルによって合成樹脂を介して重なっている一方の導体および他方の導体が挟まれている状態で前記ホーンを超音波振動させながらこれらの重なり方向に変位させることで、前記合成樹脂を溶融させて前記一方の導体および前記他方の導体の間から除去し、かつ、前記一方の導体および前記他方の導体を溶着する超音波接合装置であって、
     前記制御装置が、
     前記ホーンおよび前記アンビルによって合成樹脂を介して重なっている一方の導体および他方の導体が挟まれている状態から、前記ホーンの変位速度が増加していく過程で、当該変位速度が第1速度域で安定している第1安定状態を経て、当該変位速度が前記第1速度域よりも高速域にある第2速度域で安定している第2安定状態に至るまでの期間のうち少なくとも一部の期間である基準期間における前記ホーンの変位量を基準変位量として測定する測定要素と、
     前記測定要素により測定された前記基準変位量が多いほど、前記基準期間に続く期間における前記ホーンの超音波振動エネルギーが段階的または連続的に小さくなるように前記ホーンの超音波振動エネルギーを調節する調節要素と、を備えていることを特徴とする超音波接合装置。
  2.  請求項1記載の超音波接合装置において、
     前記測定要素が、前記ホーンおよび前記アンビルによって合成樹脂を介して重なっている一方の導体および他方の導体が挟まれている状態から、前記第1安定状態が終了するまでの期間を前記基準期間として前記基準変位量を測定することを特徴とする超音波接合装置。
  3.  請求項1記載の超音波接合装置において、
     前記測定要素が、前記ホーンおよび前記アンビルによって合成樹脂を介して重なっている一方の導体および他方の導体が挟まれている状態から、前記第1安定状態から前記第2安定状態への遷移期間が終了するまでの期間を前記基準期間として前記基準変位量を測定することを特徴とする超音波接合装置。
  4.  請求項1記載の超音波接合装置において、
     前記測定要素が、前記第1安定状態から前記第2安定状態への遷移期間のうち、少なくとも終点を含む一部の期間を前記基準期間として前記基準変位量を測定することを特徴とする超音波接合装置。
  5.  請求項4記載の超音波接合装置において、
     前記測定要素が、時刻および前記ホーンの変位量のそれぞれを座標値とする2次元座標系において前記ホーンの変位量の時間変化態様を表わす曲線の、前記遷移期間の終了時点における接線と時間軸との交点に相当する時点を開始時点として前記基準期間を設定することを特徴とする超音波接合装置。
  6.  圧電素子により振動されるホーンおよび前記ホーンに対向配置されているアンビルによって合成樹脂を介して重なっている一方の導体および他方の導体が挟まれている状態で前記ホーンを超音波振動させながらこれらの重なり方向に変位させることで、前記合成樹脂を溶融させて前記一方の導体および前記他方の導体の間から除去し、かつ、前記一方の導体および前記他方の導体を溶着する超音波接合方法であって、
      前記ホーンおよび前記アンビルによって合成樹脂を介して重なっている一方の導体および他方の導体が挟まれている状態から、前記ホーンの変位速度が増加していく過程で、当該変位速度が第1速度域で安定している第1安定状態を経て、当該変位速度が前記第1速度域よりも高速域にある第2速度域で安定している第2安定状態に至るまでの期間のうち少なくとも一部の期間である基準期間における前記ホーンの変位量を基準変位量として測定する測定工程と、
     前記測定工程において測定された前記基準変位量が多いほど、前記基準期間に続く期間における前記ホーンの超音波振動エネルギーが段階的または連続的に小さくなるように前記ホーンの超音波振動エネルギーを調節する調節工程と、を含んでいることを特徴とする超音波接合方法。
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