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JP2005088067A - ホーンと該ホーンを含む超音波接合装置、及び超音波接合方法 - Google Patents

ホーンと該ホーンを含む超音波接合装置、及び超音波接合方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 超音波接合におけるバリの発生を防止するためのホーン、該ホーンを含む超音波接合装置、及び超音波接合方法を提供する。
【解決手段】 超音波接合装置に用いるホーンが、被接合材を加圧する加圧面を有し振動方向に振動するホーン基部1と、加圧面に含まれる第1方向に沿って設けられた複数の第1溝部2と、加圧面に含まれる第2方向に沿って設けられた複数の第2溝部3と、第1溝部2と第2溝部3に挟まれた加圧面に設けられた突起部4とを含む。第1溝部2と振動方向との間の角度は、第2溝部3と振動方向との間の角度より大きく、かつ第1溝部2の溝幅は第2溝部3の溝幅より大きい。また、第1溝部2と振動方向との間の角度が、第2溝部3と振動方向との間の角度より大きく、かつ第1溝部2の深さが第2溝部3の深さより大きくても良い。
【選択図】図1

Description

本発明は、超音波振動によって電気部品の金属端子などを重ね合わせて接合する超音波接合装置に関し、特に、超音波接合装置に含まれるホーンの構造に関する。
従来の超音波振動接合装置では、基材をアルビン上に載せて固定し、その上に被接合材を載置する。更に、被接合材の上にホーンを下降させ、載置させる。ホーンは、基材に対して被接合材を押圧しながら、所定の周波数で被接合材を水平方向に超音波振動させる。
この結果、基材と被接合材の接合面は押圧と超音波振動による摺動が相まって、金属表面の酸化物やその他の汚れが除去される。更に、摩擦発熱により材料の塑性流動が起き易くなり、接合面積の拡大とともに金属原子間で接合が行われる。
かかる超音波接合装置では、ホーンの振動を被接合材に滑りを起こすことなく伝えるために、ホーンの加圧面には複数の角錐状の突起部が形成されている。接合工程においては、被接合材の表面にホーンの突起部が食い込み、ホーンに対して被接合材を固定する。しかし、突起部が被接合材を削ることにより、突起部と被接合材との間の空隙でバリが発生するという問題があった。
これに対して、ホーンの突起部(凹凸部)の谷と被接合材との間の空隙が無くなるまで、被接合材に対してホーンを押圧し、空隙内のバリを潰す方法が提案されている。即ち、ホーンの突起部が被接合材に深く食い込み、空隙が無くなることにより、被接合材の表面に形成される多くのバリは、ホーンと被接合材の間に押し潰されて被接合材と再度接合する(例えば、特許文献1参照)。
特開平4−99307号公報
しかしながら、ホーンと被接合材の間に空隙がなくなった状態で、接合工程を停止することは困難であり、更に、ホーンの押圧が続いた場合、押し潰されたバリはホーンの外周部に押し出され、ホーンの外周部でバリを形成する。特に、被接合材の厚さや硬度のばらつきにより、ホーンの食い込み量が場所によりばらつくため、かかるバリの発生の防止は非常に困難であった。
そこで、本発明は、超音波接合におけるバリの発生、特にホーン外周部におけるバリの発生を防止したホーン、該ホーンを含む超音波接合装置、及び超音波接合方法の提供を目的とする。
本発明は、超音波接合装置に用いるホーンであって、被接合材を加圧する加圧面を有し振動方向に振動するホーン基部と、加圧面に含まれる第1方向に沿って設けられた複数の第1溝部と、加圧面に含まれる第2方向に沿って設けられた複数の第2溝部と、第1溝部と第2溝部に挟まれた加圧面に設けられた突起部とを含む。第1溝部と振動方向との間の角度は、第2溝部と振動方向との間の角度より大きく、かつ第1溝部の溝幅は第2溝部の溝幅より大きい。また、第1溝部と振動方向との間の角度が、第2溝部と振動方向との間の角度より大きく、かつ第1溝部の深さが第2溝部の深さより大きいても良い。
ここで、第1溝部と振動方向との間の角度が、第2溝部と振動方向との間の角度より大きいとは、第1溝部が第2溝部より、より振動方向に対して垂直に近い方向に形成されていることをいう。
本発明にホーンを用いた超音波接合では、加圧面外周部でのバリの発生を防止できる。このため、バリの除去工程が不要となり、製造工程及び製造コストの削減が可能となる。
図1は、全体が100で表される、本実施の形態にかかるホーンの概略図である。図1に示すように、ホーン100は、ホーン基部1の上面が加圧面(図2では、下方が加圧面)10となっている。加圧面10には、被接合材(図2の符号20)との滑りを防止するために、碁盤目(マトリックス)状に、縦溝2(y軸方向)と横溝3(x軸方向)が形成されている。また、縦溝2と横溝3に囲まれるように、複数の角錐状の突起部4が形成されている。
後述するように、ヘッド100の振動方向は、横溝方向(x軸方向)とする。また、突起部4の高さは、接合に必要な被接合材への突起部4の食い込み深さと、発生するバリの厚みとを勘案して決める。
本実施の形態にかかるホーン100では、超音波振動方向30に対して垂直な方向(y軸方向)の縦溝2の幅が、従来構造より広くなっている。
ここで、縦溝2の幅とは、隣接する突起部4の間隔をいい、換言すれば、隣接する突起部4の間に設けられた平坦部の幅をいう(図1において「W」で表示)。
図2は、全体が500で表される、ホーン100が組み込まれた超音波接合装置の概略図である。超音波接合装置はホーン100とアンビル150を含む。ホーン100は、加圧面10が下向きとなるように配置される。
アンビル150に上面にも、ホーン100の加圧面10と同様に、複数の角錐状の突起部151が設けられている。
超音波接合装置500では、アンビル150の上に、接合させる2つの被接合材20、基材21を載置し、その上にホーン100が載せられる。基材21にはアンビル150の突起部151が食い込んで、アンビル150に対して基材21を固定する。
一方、被接合材20にはホーン100の突起部4が食い込んで、ホーン100に対して被接合材20を固定する。
ホーン100で被接合材20、基材21をアンビル150の方向に加圧しながら、ホーン100が矢印30の方向に、例えば数10kHzの周波数で超音波振動する。これにより、被接合材20、基材21の表面酸化物やその他の汚れが除去される。更に、摩擦発熱により、被接合材20、基材21の塑性流動が起き易くなり、接合面積の拡大とともに接合が行われる。
図3は、超音波接合装置500を用いた接合工程を示す概略図である。図3において、縦溝2の幅をW、深さをHとする。
まず、図3(a)に示すように、アンビル(図示せず)上に被接合材20、基材21をセットする。かかる工程では、アンビル上に載置されたその上にホーン100を下降させる。図3(a)は、突起部4の先端を被接合材20に当接させた状態である。
図3(b)は、超音波接合中の概略図である。ホーン100により、被接合材20を基材21に対して押圧する。更に、ホーン100を矢印30の方向に超音波振動させる。周波数は、例えば数10kHzである。
これにより、被接合材20と基材21との接合面同士が摺れて、接合面を覆っている酸化膜等の、接合を阻害する膜等が除去される。被接合材20の上面には、ホーン100の突起部4が食い込んでいる。被接合材20は、突起部4の食い込みにより塑性変形し、バリが発生する前の状態にある。
図3(c)は、超音波接合が終了した段階の概略図である。基材21と被接合材20とは、超音波振動により接触面が溶融し、接合されている。突起部4は、更に被接合材20に食い込んだ状態となっている。
ここで、比較のために、図4に、全体が200で表される従来構造のホーンの斜視図を示す。ホーン基部201は、互いに略直交する縦溝202と横溝203とを有する。また、縦溝202と横溝203に挟まれた部分に、複数の、角錐状の突起部204を含む。
また、図5は、従来構造のホーン200を用いて超音波接合を行なった場合の、接合工程の概略図であり、図5(a)(b)(c)は、それぞれ図3(a)(b)(c)に相当する工程を示す。
従来のホーン200では、ホーン200の突起部204への被接合材20の食い込みが進み、縦溝202が被接合材20で埋まった時点で、被接合材が主にy軸方向(紙面に垂直な方向)に、ホーン200の外周部に押し出されて、バリ205が発生していた。なお、ここでは、y軸方向に突出したバリは省略し、x軸方向に突出したバリのみ示すこととする。
バリ205の量は、突起部204が被接合材20に食い込む程増加する。ホーン200の突起部204がすべて被接合材20に食い込むと、被接合材20の先端部は、ホーン200と被接合材20との間に留まることができず、被接合材20と突起部204によって形成される、縦溝202の底部の隙間を通って、ホーン200の外周部に押し出されてバリ205となる。
発生したバリについて詳細に観察したところ、バリは、主に、超音波振動の振動方向に対して垂直な方向に発生していることがわかった。
即ち、超音波振動の振動方向に対して垂直方向の溝の幅が例えば0.2mmであり、超音波の振幅量が0.05mmとすると、超音波の振動毎に、溝の幅が、実質的に0.2mmから0.15mmに変化している。このため、溝の幅が狭くなって押された分だけ、振動方向に対して垂直方向に金属の塑性流動が発生し、これがバリとなると考えられる。
これに対して、本発明にかかるホーン100では、上述のように、振動方向に対して垂直な方向(図1のy軸方向)の縦溝2の幅を広くしている。例えば、縦溝2の幅が、従来の2倍である0.4mmとなっている。この場合、超音波振動の振幅量が0.05mmであれば、バリとなる塑性流動の速度は、従来の半分程度となる。
図6は、ホーン100の縦溝2の幅(W)と、かかるホーン100を用いた場合に発生するバリの数との関係である。図6から明らかなように、縦溝2、横溝3の溝幅が共に0.2mmの場合、発生したバリの数は12個であるが、縦溝2の幅を0.3mmより大きくすることにより、バリの発生を殆ど0にできる。即ち、振動方向に垂直な方向の縦溝2の幅を広くすることによって、バリの発生が防止できる。なお、図6では、横溝3の幅は、0.2mmで一定とする。
ただし、横溝2の幅が大きくなれば、逆に、超音波接合中の被接合材20の固定が不充分となり、被接合材20と基材21と接合強度が低下することもわかった。
従って、接合強度を考慮すると、突起部4のピッチに対して、縦溝2の幅をピッチの1/2以下とすることが好ましい。
このように、本実施の形態にかかる超音波接合装置500では、超音波振動の振動方向に対して、垂直な縦溝2の幅を、横溝3の幅より広くすることにより、バリの発生を抑えることができる。このため、接合工程において、バリを取り除くための作業工数を減らすことができ、製造コストの削減が可能となる。
本実施の形態では、ホーン100の加圧面10に、碁盤目状に角錐状の突起部4を形成したが、振動方向に直交する方向のみ溝(図1では縦溝2)を形成しても良い。また、縦溝2と横溝3とが斜めに交差するように、綾目状に配置してもよい。ただし、振動方向に対する溝の形成方向の角度(例えば、図1では、振動方向(x軸方向)と縦溝2の形成方向との間の角度)が0度に近づくほど、バリ発生防止効果は小さくなる。従って、突起部4の形状としては、三角錐や円錐形状より角錐形状が好ましい。
なお、ここでは、縦溝2の溝幅を変える場合について説明したが、縦溝2の深さを深くしても同様の効果が得られる。即ち、縦溝2を横溝3より深くすることにより、縦溝2中からホーン100の外周部に押し出される被接合材20をなくし、バリの発生を防止できる。
実施の形態2.
図7は、全体が110で表される、本実施の形態にかかるホーンの概略図である。ホーン110は、上述のホーン100とほぼ同じ形状であり、ホーン基部11の先端に、角錐形状の突起部14が複数設けられている。突起部14の間には、略直行する方向に、縦溝2A〜2Fと横溝(図示せず)とが設けられている。ホーン110の振動方向は、縦溝1A等に対して略直交する方向(図7の横方向)である。
ホーン110では、突起部14の先端は略同一平面内にある。
また、縦溝2Cの底面と縦溝2Dの底面とを含む平面を符号40で表す。同様に、縦溝2A、2B、2Cの底面を含む平面、縦溝2D、2E、2Fの底面を含む平面を、それぞれ符号42、41で表す。図7から分かるように、平面40は、突起部14の先端を含む平面と略平行である一方、平面41及び平面42は、平面40に対して所定の角度で傾斜している。即ち、縦溝2C、2Dは同じ深さであるが、両側に行くほど縦溝が深くなっている。
図8は、本実施の形態にかかる超音波接合工程の概略図である。本実施の形態にかかるホーン110を用いて超音波接合を行なった場合、図3の工程と同じように接合工程が進む。しかしながら、周囲の縦溝2A、2B、2E、2Fが中央の縦溝2C、2Dより深くなっているため、図8(c)に示すように、縦溝が被接合材で埋められることによるバリの発生を低減できる。
なお、被接合材に対する突起部14の食い込み量は、超音波振動の印加時間によって変化するが、溝部の空隙が埋まることにより加圧面の面圧は低下するため、食い込みスピードもこの時点で低下する。従って、溝部にできる空隙の量は、食い込み量のプロセスばらつきを考慮した上で決定すればよい。例えば、突起部14の高さが0.7mmの場合、縦溝2Aと縦溝2Cとの段差(上下方向の距離)は約0.2mm以上とするのが好ましい。
このように、本実施の形態2にかかる超音波接合装置では、縦溝の底部を結んだ平面を、3つの面40、41、42からなるようにしたため、バリの発生を防止できる。この結果、接合工程において、バリの除去工程が省略でき、製造コストの低減が可能となる。
なお、縦溝の底部を結んだ平面を、4以上とすることも可能である。
ここでは、縦溝の底部を結んだ平面が3つの面40、41、42からなり、先端部が1つの平面に含まれる場合について説明した。しかしながら、先端部を結んだ面を、多面構造とすることも可能である。要は、中央の縦溝が被接合材で埋められた場合でも、周囲の縦溝が被接合材で埋まらなければよい。
本発明の実施の形態1にかかるホーンの斜視図である。 本発明の実施の形態1にかかる超音波接合装置の概略図である。 本発明の実施の形態1にかかる超音波接合工程の概略図である。 従来構造にかかるホーンの斜視図である。 従来の超音波接合工程の概略図である。 ホーンに形成された溝幅と発生するばりの数との関係である。 本発明の実施の形態2にかかるホーンの概略図である。 本発明の実施の形態2にかかる超音波接合工程の概略図である。
符号の説明
1 ホーン基部、2 縦溝、3 横溝、4 突起部、10 加圧面、20 被接合材、21 基材、30 超音波振動方向、100 ホーン、150 アンビル、500 超音波接合装置。

Claims (9)

  1. 超音波接合装置に用いるホーンであって、
    被接合材を加圧する加圧面を有し、振動方向に振動するホーン基部と、
    該加圧面に含まれる第1方向に沿って設けられた複数の第1溝部と、
    該加圧面に含まれる第2方向に沿って設けられた複数の第2溝部と、
    該第1溝部と該第2溝部に挟まれた該加圧面に設けられた突起部とを含み、
    該第1溝部と該振動方向との間の角度が、該第2溝部と該振動方向との間の角度より大きく、かつ該第1溝部の溝幅が該第2溝部の溝幅より大きいことを特徴とするホーン。
  2. 超音波接合装置に用いるホーンであって、
    被接合材を加圧する加圧面を有し、振動方向に振動するホーン基部と、
    該加圧面に含まれる第1方向に沿って設けられた複数の第1溝部と、
    該加圧面に含まれる第2方向に沿って設けられた複数の第2溝部と、
    該第1溝部と該第2溝部に挟まれた該加圧面に設けられた複数の突起部とを含み、
    該第1溝部と該振動方向との間の角度が、該第2溝部と該振動方向との間の角度より大きく、かつ該第1溝部の深さが該第2溝部の深さより大きいことを特徴とするホーン。
  3. 超音波接合装置に用いるホーンであって、
    被接合材を加圧する加圧面を有し、振動方向に振動するホーン基部と、
    該加圧面に含まれる第1方向に沿って設けられた複数の第1溝部と、
    該加圧面に含まれる第2方向に沿って設けられた複数の第2溝部と、
    該第1溝部と該第2溝部に挟まれた該加圧面に設けられた突起部とを含み、
    該第1溝部と該振動方向との間の角度が、該第2溝部と該振動方向との間の角度より大きく、かつ、該突起部の先端を含む第1平面に対して、互いに隣接する該第1溝部の底部を含む第2平面が傾いてなることを特徴とするホーン。
  4. 更に、上記第1平面および上記第2平面に対して傾き、かつ、互いに隣接する該第1溝部の底部を含む第3平面を含むことを特徴とする請求項3に記載のホーン。
  5. 上記第2方向が上記振動方向と略一致し、上記第1方向が該振動方向と略直交する方向であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のホーン。
  6. 上記突起部が、角錐形状であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のホーン。
  7. 上記請求項1〜6のいずれかに記載のホーンと、アンビルとを含み、
    該ホーンが、該アンビルに載置された基材に対して被接合材を押圧しながら該接合材を振動方向に振動させることを特徴とする超音波接合装置。
  8. 超音波接合方法であって、
    アンビルの上に基材を載置する工程と、
    該基材の上に被接合材を載置し、その上に加圧面が接するようにホーンを載せる工程と、
    該加圧面で該被接合材を押圧しながら、該被接合材を振動方向に振動させる接合工程とを含み、
    該接合工程が、該振動方向に対して所定の角度で該加圧面に設けられた溝部に、該被接合材に埋まらない空隙を保ちつつ、該被接合材を振動させる工程であることを特徴とする超音波接合方法。
  9. 上記ホーンが、上記請求項1〜6のいずれかに記載のホーンであることを特徴とする請求項8に記載の超音波接合方法。

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