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
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Abstract
【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
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。
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。
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。
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (9)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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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