(57)【要約】【課題】アンビルに生じる振動の振幅の大きさを判定することにより被接合物どうしを接合するときに異常が生じたか否かを判定することができる技術を提供する。【解決手段】ヘッド２が超音波振動しているときにアンビル３に生じる振動の振幅が検出され、検出されたアンビル３の振動の振幅が、予め設定された所定範囲内の大きさでなければ異常であると判定される。このとき、判定手段２０による判定の基準となる振幅の大きさが予め適切に設定されているので、アンビル３に生じる振動の振幅の大きさを判定することにより被接合物Ｓｈ，Ｓａどうしを接合するときに異常が生じたか否かを判定することができる。【選択図】図２
2014024065.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
重ね合わされた複数の被接合物をヘッドとアンビルとの間に狭持し加圧した状態で前記ヘッドを超音波振動させて前記被接合物どうしを接合するときの異常を検出する異常検出装置において、
前記ヘッドが超音波振動しているときに前記アンビルに生じる振動の振幅を検出する振幅検出手段と、
前記アンビルの振動の振幅が、予め設定された所定範囲内の大きさでなければ異常であると判定する判定手段と
を備えることを特徴とする異常検出装置。
【請求項２】
前記振幅検出手段は、
前記アンビルに設けられた基準マークを撮影する撮影手段と、
前記ヘッドが振動しているときに前記基準マークが前記撮影手段により前記ヘッドの振動周期よりも長いシャッタースピードで撮影されて取得された判定用画像に含まれる前記基準マークの幅に基づいて前記アンビルの振動の振幅を導出する導出手段と
を備えることを特徴とする請求項１に記載の異常検出装置。
【請求項３】
前記基準マークは、半導体基板またはガラス基板の一主面にフォトリソグラフィにより所定形状に形成された金属膜であることを特徴とする請求項２に記載の異常検出装置。
【請求項４】
重ね合わされた複数の被接合物をヘッドとアンビルとの間に狭持し加圧した状態で前記ヘッドを超音波振動させて前記被接合物どうしを接合するときの異常を検出する異常検出方法において、
前記ヘッドが超音波振動しているときに前記アンビルに生じる振動の振幅を検出する検出工程と、
前記アンビルの振動の振幅が、予め設定された所定範囲内の大きさでなければ異常であると判定する判定工程と
を備えることを特徴とする異常検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヘッドとアンビルとの間に狭持された被接合物どうしを超音波振動を利用して接合する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超音波振動を利用して被接合物どうしを接合する超音波振動接合装置において、安定した接合強度で被接合物どうしを接合することができる種々の技術が提案されている。例えば特許文献１に記載の超音波振動接合装置では、ヘッド（ホーン）とアンビルとの間に被接合物（金属板）どうしが重ね合わされて狭持される。この状態でヘッドが水平方向に超音波振動してヘッド（上）側の被接合物に超音波振動が印可されることにより、被接合物どうしが接合される。
【０００３】
このとき、ヘッドの超音波振動が開始されてからしばらくの間は、ヘッドにより直接超音波振動が印可されている上側の被接合物にのみ振動が生じて両被接合物の接合面どうしが擦り合わせられる。そして、両被接合物の接合面どうしが擦り合わせられることによって両接合面に付着している酸化膜等の不純物が除去されることにより被接合物どうしの接合が進むと下側の被接合物にも振動が生じる。したがって、レーザードップラー振動計によりアンビル（下）側の被接合物に生じる振動が計測され、計測された下側の被接合物の振動の振幅の大きさが所定振幅以上であり、かつ、当該振動の継続時間が所定時間以上である場合に被接合物どうしの接合が完了したと判断されて接合処理が完了することにより、安定した接合強度で被接合物どうしが接合される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２９８７３号公報（段落００１９〜００２９、図１〜６、要約書など）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、接合対象である被接合物が小さく薄い場合などに、ヘッドとアンビルとの間に狭持された被接合物がヘッドまたはアンビルに隠れて見えない場合がある。この場合には、上記した従来の装置では、ヘッドおよびアンビル間に配置された被接合物の振動を計測するのが困難であった。
【０００６】
この発明は、上記した課題に鑑みてなされたものであり、アンビルに生じる振動の振幅の大きさを判定することにより被接合物どうしを接合するときに異常が生じたか否かを判定することができる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記した目的を達成するために、本発明にかかる異常検出装置は、重ね合わされた複数の被接合物をヘッドとアンビルとの間に狭持し加圧した状態で前記ヘッドを超音波振動させて前記被接合物どうしを接合するときの異常を検出する異常検出装置において、前記ヘッドが超音波振動しているときに前記アンビルに生じる振動の振幅を検出する振幅検出手段と、前記アンビルの振動の振幅が、予め設定された所定範囲内の大きさでなければ異常であると判定する判定手段とを備えることを特徴としている（請求項１）。
【０００８】
また、前記振幅検出手段は、前記アンビルに設けられた基準マークを撮影する撮影手段と、前記ヘッドが振動しているときに前記基準マークが前記撮影手段により前記ヘッドの振動周期よりも長いシャッタースピードで撮影されて取得された判定用画像に含まれる前記基準マークの幅に基づいて前記アンビルの振動の振幅を導出する導出手段とを備えるとよい（請求項２）。
【０００９】
また、前記基準マークは、半導体基板またはガラス基板の一主面にフォトリソグラフィにより所定形状に形成された金属膜であるとよい（請求項３）。
【００１０】
また、本発明にかかる異常検出方法は、重ね合わされた複数の被接合物をヘッドとアンビルとの間に狭持し加圧した状態で前記ヘッドを超音波振動させて前記被接合物どうしを接合するときの異常を検出する異常検出方法において、前記ヘッドが超音波振動しているときに前記アンビルに生じる振動の振幅を検出する検出工程と、前記アンビルの振動の振幅が、予め設定された所定範囲内の大きさでなければ異常であると判定する判定工程とを備えることを特徴としている（請求項４）。
【発明の効果】
【００１１】
従来、超音波振動を利用した接合装置による被接合物どうしの接合処理では、超音波振動するヘッドの振動状態と、ヘッドとアンビルとの間に狭持されている被接合物の振動状態とが被接合物どうしの接合品質に大きな影響を与えると考えられており、ヘッドまたは被接合物の振動状態に基づいて被接合物どうしの接合品質が評価されていた。一方、本願発明者は、重ね合わされた複数の被接合物をヘッドとアンビルとの間に狭持し加圧した状態でヘッドを超音波振動させて被接合物どうしを接合する際にアンビルに生じる振動の状態を繰り返し観察することにより、次のような知見を得た。すなわち、超音波振動するヘッドにより超音波振動が印加されて複数の被接合物が接合される際にアンビルに生じる振動の振幅の大きさは、超音波振動するヘッドの振動振幅の状態や、被接合物に対する加圧力、被接合物の種類などの接合条件に応じた大きさとなる。したがって、所定の接合条件における接合処理の際にアンビルに生じる振動の振幅の大きさの範囲などを予め計測するなどして得られた値に基づいて、判定の基準となる振幅の大きさの範囲を予め設定しておくことによって、アンビルに生じる振動の振幅の大きさを判定することにより被接合物どうしを接合するときに異常が生じたか否かを判定することができる。
【００１２】
請求項１，７に記載の発明によれば、ヘッドが超音波振動しているときにアンビルに生じる振動の振幅が検出され、検出されたアンビルの振動の振幅が、予め設定された所定範囲内の大きさでなければ異常であると判定されるので、アンビルに生じる振動の振幅の大きさを判定することにより被接合物どうしを接合するときに異常が生じたか否かを判定することができる。
【００１３】
請求項２の発明によれば、ヘッドが振動しているときにアンビルに設けられた基準マークが撮影手段によりヘッドの振動周期よりも長いシャッタースピードで撮影されることにより取得された判定用画像には、残像により幅が広がった状態の基準マークが含まれている。したがって、判定用画像に含まれる幅が広がった状態の基準マークの幅に基づいてアンビルの振動の振幅を容易に導出することができる。
【００１４】
請求項３の発明によれば、半導体基板またはガラス基板の一主面にフォトリソグラフィにより所定形状に形成された金属膜により基準マークが形成されており、基準マークと背景の基板とのコントラストが高いので、撮影手段により、エッジが鮮明な基準マークが含まれる判定用画像を取得することができる。したがって、判定用画像に含まれるエッジが鮮明な基準マークの幅に基づいてアンビルの振動の振幅を高精度に導出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の異常検出装置を備える接合装置を示す図である。
【図２】振幅の計測方法の一例を示す概念図である。
【図３】接合処理中のヘッドおよびアンビルの振動振幅の一例を示す図である。
【図４】異常検出処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
この発明の一実施形態について図１〜図４を参照して説明する。図１は本発明の異常検出装置を備える接合装置を示す図である。図２は振幅の計測方法の一例を示す概念図である。図３は接合処理中のヘッドおよびアンビルの振動振幅の一例を示す図である。図４は異常検出処理を示すフローチャートである。
【００１７】
（接合装置）
図１に示す接合装置１は、ヘッド２およびアンビル３を備え、重ね合わされた複数の被接合物Ｓｈ，Ｓａをヘッド２とアンビル３との間に狭持し加圧した状態でヘッド２を超音波振動させて被接合物Ｓｈ，Ｓａどうしを接合するものである。また、接合装置１は、被接合物Ｓｈ，Ｓａどうしを接合するときの異常を検出する異常検出装置１００を備えている。
【００１８】
接合装置１では、リードフレームやフレキシブル基板、リード線や同軸ケーブルなどの芯線、電子部品、チップ部品などの金属接合部を有する被接合物Ｓｈが、剛性を有するガラスエポキシ基板や可撓性を有するポリイミド製のフレキシブル基板などの有機基板、セラミック基板、ウエハなどの金属接合部を有する被接合物Ｓａの所定の位置に超音波振動により接合される。また、接合装置１では、被接合物Ｓｈ，Ｓａとして、金属板や金属箔どうしが接合されたり、樹脂基板等の樹脂材料どうしが接合される。なお、被接合物Ｓｈは、共振器により形成されるヘッド２の部品保持面に吸着等により保持され、被接合物Ｓａは、アンビル３の上面に載置される。
【００１９】
また、接合装置１には、ヘッド２を矢印Ｚ，θ方向に駆動し、アンビル３を矢印Ｘ，Ｙ方向に駆動する駆動機構が設けられている。したがって、ヘッド２が矢印θ方向に、アンビル３がＸ，Ｙ方向にそれぞれ駆動機構により駆動されることによって、ヘッド２およびアンビル３それぞれに保持された被接合物Ｓｈ，Ｓａどうしの相対的な位置がアライメントされる。また、ヘッド２が矢印Ｚ方向に駆動機構により駆動されることによって、ヘッド２およびアンビル３それぞれに保持された被接合物Ｓｈ，Ｓａどうしが近接または離間するように移動する。
【００２０】
また、ヘッド２またはアンビル３に圧力センサ（図示省略）が設けられており、ヘッド２とアンビル３との間に挟持された被接合物Ｓｈ，Ｓａへの加圧力が圧力センサにより検出される。したがって、圧力センサにより検出された被接合物Ｓｈ，Ｓａに対する加圧力に基づいて、ヘッド２を矢印Ｚ方向に駆動する駆動機構がフィードバック制御されることにより、両被接合物Ｓｈ，Ｓａに対する加圧力が制御される。
【００２１】
なお、ヘッド２およびアンビル３を駆動する駆動機構は、サーボモータやリニアモータ、ステッピングモータ、エアシリンダ等の周知のアクチュエータにより構成することができる。また、ヘッド２およびアンビル３に設けられる移動軸の構成については上記した例に限られるものではなく、ヘッド２が矢印Ｘ，Ｙ方向に駆動されるように構成されてもよいし、アンビル３が矢印Ｚ，θ方向に駆動されるように構成されてもよく、ヘッド２およびアンビル３に矢印Ｘ，Ｙ，Ｚ，θ方向の移動軸がどのように組み合わされて設けられていてもよい。
【００２２】
また、ヘッド２は共振器により構成されており、ヘッド２は、ヘッド２に連結された振動子（図示省略）の超音波振動に共振して超音波振動する。そして、被接合物Ｓｈ，Ｓａがヘッド２とアンビル３との間に狭持され加圧された状態でヘッド２が超音波振動することにより、被接合物Ｓｈ，Ｓａに超音波振動が印加される。
【００２３】
異常検出装置１００は、被接合物Ｓｈ，Ｓａどうしが接合されるときの異常を検出するものであって、振幅検出手段１０と、判定手段２０と、報知手段３０とを備えている。なお、異常検出装置１００は、各種プログラムが格納されたメモリと該メモリに格納されたプログラムを実行するＣＰＵとを有するマイクロプロセッサを備え、各種プログラムがＣＰＵにより実行されることによって以下で説明する各種機能が構成される。
【００２４】
振幅検出手段１０は、被接合物Ｓｈ，Ｓａどうしの接合処理の際にヘッド２が超音波振動しているときにアンビル３に生じる振動の振幅Ａａを検出するものであって、撮影手段１１と、導出手段１２とを備えている。撮影手段１１は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の一般的な撮像素子により構成されており、アンビル３に設けられた短冊状の基準マークＭを撮影することにより判定用画像を取得する。具体的には、判定用画像は、ヘッド２が振動しているときに基準マークＭが撮影手段１１によりヘッド２の振動周期よりも長いシャッタースピードで撮影されることにより取得される。
【００２５】
導出手段１２は、撮影手段１１により取得された判定用画像に含まれる基準マークＭ’の振動方向における幅Ｗａを一般的な画像処理により検出することによりアンビル３の振動の振幅Ａａを導出する。具体的には、図２中に実線で示すように、アンビル３が振動していなければ、基準マークＭは、アンビル３に設けられた幅Ｗ０の短冊状の形状のままで撮影手段１１により撮影される。一方、アンビル３が振動している状態でヘッド２の振動周期よりも長いシャッタースピードで基準マークＭが撮影手段１１により撮影されて取得された判定用画像には、図２中に一点鎖線で示すように、アンビル３が（＋）側に移動したときの基準マークＭの（＋）側の端縁から、アンビル３が（−）側に移動したときの基準マークＭの（−）側の端縁まで残像により振動方向に幅がＷａに広がった状態の基準マークＭ’が含まれている。
【００２６】
したがって、導出手段１２は、基準マークＭ’の幅Ｗａと基準マークＭの幅Ｗ０との差分（Ｗａ−Ｗ０）を取ることにより、アンビル３に生じた振動の振幅Ａａを導出することができる。すなわち、導出手段１２は、判定用画像に含まれる基準マークＭ’の幅Ｗａの、ヘッド２が振動していないときに基準マークＭが撮影手段１１により撮影されて取得された基準画像に含まれる基準マークＭの幅Ｗ０に対する変化量に基づいてアンビル３の振動の振幅Ａａを導出する。
【００２７】
なお、この実施形態では、半導体基板またはガラス基板の一主面にフォトリソグラフィにより短冊状など、所定形状に形成された金属膜により基準マークＭが形成されている。そのため、基準マークＭと背景の基板とのコントラストが高いので、撮影手段１１により、エッジが鮮明な基準マークＭ’が含まれる判定用画像を取得することができる。したがって、判定用画像に含まれるエッジが鮮明な基準マークＭ’の幅Ｗａに基づいてアンビル３の振動の振幅Ａａを高精度に導出することができる。
【００２８】
判定手段２０は、アンビル３の振動の振幅Ａａが、予め設定された所定範囲内の大きさでなければ異常であると判定する。超音波振動するヘッド２により振幅Ａｈの超音波振動が印加されて複数の被接合物Ｓｈ，Ｓａが接合される際、図３に示すように、ヘッド２の超音波振動が開始された時刻ｔ０から、被接合物Ｓｈ，Ｓａどうしの接合が進むにつれてアンビル３の振動の振幅Ａａが徐々に大きくなる。このとき、被接合物Ｓｈ，Ｓａどうしの接合が完了したときにアンビル３に生じる振動の振幅Ａａの大きさは、超音波振動するヘッド２の振動振幅の状態や、被接合物Ｓｈ，Ｓａに対する加圧力、被接合物Ｓｈ，Ｓａの種類などの接合条件に応じた大きさとなる。
【００２９】
したがって、所定の接合条件における接合処理の際にアンビル３に生じる振動の振幅Ａａの大きさなどを予め計測するなどして得られた値に基づいて、判定の基準となる振幅の大きさの範囲を予め設定しておくことによって、アンビル３に生じる振動の振幅Ａａの大きさが、予め設定された判定の基準となる振幅の大きさの範囲内であるか否かを判定することにより、被接合物Ｓｈ，Ｓａどうしを接合するときに異常が生じたか否かを判定することができる。
【００３０】
報知手段３０は、警告を表示する液晶モニタや、警告音を発生するスピーカー等により構成されており、判定手段２０により被接合物Ｓｈ，Ｓａどうしの接合処理に異常が生じたと判定された場合に、装置の操作者に対して警告を報知するものである。
【００３１】
（異常検出処理）
次に、異常検出処理１００において実行される異常検出処理の一例について説明する。
【００３２】
まず、図３に示すように、重ね合わされた複数の被接合物Ｓｈ，Ｓａがヘッド２とアンビル３との間に狭持され加圧された状態でヘッド２が時刻ｔ０において超音波振動することにより被接合物Ｓｈ，Ｓａどうしの接合処理が開始すると共に、アンビル３の振幅Ａａが接合処理が終了する時刻ｔ１までの間、振幅検出手段１０により検出される（ステップＳ１）。
【００３３】
そして、振幅検出手段１０により検出されたアンビル３の振幅Ａａの大きさが、予め設定された振幅の大きさの範囲内であるか否かが判定手段２０により判定され（ステップＳ２）、アンビル３の振幅Ａａの大きさが所定の範囲内の大きさであれば（ステップＳ２でＹＥＳ）、正常な接合処理であったと判定されて処理が終了する。一方、アンビル３の振幅Ａａの大きさが所定の範囲内の大きさでなければ（ステップＳ２でＮＯ）、接合処理に異常が生じたと判定され、接合処理に異常が生じたことが報知手段３０により報知されて処理が終了する（ステップＳ３）。
【００３４】
以上のように、この実施形態では、ヘッド２が超音波振動しているときにアンビル３に生じる振動の振幅Ａａが検出され、検出されたアンビル３の振動の振幅Ａａが、予め設定された所定範囲内の大きさでなければ異常であると判定される。超音波振動するヘッド２により超音波振動が印加されて複数の被接合物Ｓｈ，Ｓａが接合される際にアンビル３に生じる振動の振幅Ａａの大きさは、超音波振動するヘッド２の振動の状態や、被接合物Ｓｈ，Ｓａに対する加圧力、被接合物Ｓｈ，Ｓａの種類などの接合条件に応じた大きさとなる。したがって、所定の接合条件における接合処理の際にアンビル３に生じる振動の振幅Ａａの大きさなどを予め計測して得られた値に基づいて、判定手段２０による判定の基準となる振幅の大きさの範囲が予め適切に設定されているので、アンビル３に生じる振動の振幅Ａａの大きさを判定することにより被接合物Ｓｈ，Ｓａどうしを接合するときに異常が生じたか否かを判定することができる。
【００３５】
また、ヘッド２が振動しているときにアンビル３に設けられた基準マークＭが撮影手段１１によりヘッド２の振動周期よりも長いシャッタースピードで撮影されることにより取得された判定用画像には、残像により幅が広がった状態の基準マークＭ’が含まれている。したがって、判定用画像に含まれる幅が広がった状態の基準マークＭ’の幅に基づいてアンビル３の振動の振幅Ａａを容易に導出することができる。
【００３６】
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能であり、例えば、振動検出手段１０が、レーザードップラー振動計や、レーザー変位計、デジタルダイヤルゲージを備えるようにしてもよい。このように構成すると、レーザードップラー振動計によりアンビルの振動の振幅が検出されたり、レーザー変位計によりアンビルの振動の振幅が検出されたり、デジタルダイヤルゲージによりアンビルの振動の振幅が検出されたりする、実用的な構成の異常検出装置を提供することができる。
【００３７】
また、基準マークＭの構成は上記した例に限られるものではなく、アンビル３に印刷により基準マークＭを設けたり、切削加工等を施すことにより基準マークＭをアンビル３に形成してもよい。すなわち、基準マークＭは、アンビル３と一緒に一体的に振動すると共に、撮影手段１１により撮影可能であれば、どのように構成されていてもよい。また、基準マークＭの形状は、上記した短冊状に限らず、撮影手段１１により撮影可能であれば、十字形状や鉤型など、どのような形状であってもよい。
【００３８】
また、基準マークＭをヘッド２にさらに設け、上記したアンビル３の振幅Ａａを検出するときと同様にして振幅検出手段１０によりヘッド２の振幅Ａｈを検出するようにしてもよい。また、上記した実施形態では、超音波振動の振動方向における基準マークＭの幅Ｗ０の変化が振幅検出手段１０により検出されるように構成されているが、超音波振動の振動方向にほぼ直交する方向における基準マークＭの長さの変化を振幅検出手段１０によりさらに検出するようにしてもよい。このように構成すると、被接合物Ｓｈ，Ｓａどうしが超音波振動により接合される際に、超音波振動の振動方向にほぼ直交する方向における基準マークＭの長さの変化を振幅検出手段１０により検出して、基準マークＭの長さが予め設定された所定範囲内の長さであるか否かを判定することにより、接合装置１（ヘッド２、アンビル３）に異常振動が生じて被接合物Ｓｈ，Ｓａどうしの接合処理に何らかの異常が生じているか否かを検出することができる。
【００３９】
また、接合される被接合物の数は上記した例に限られるものではなく、例えば、板状または箔状の部材を３個以上重ね合わせて超音波振動により接合するようにしてもよい。
【００４０】
また、金属接合部を有する被接合物の種類としては上記した例に限られるものではなく、セラミック基板やウエハなど、超音波振動により接合を行うことができる材質であれば、どのようなものを被接合物として超音波振動による接合を行ってもよい。
【００４１】
そして、重ね合わされた複数の被接合物をヘッドとアンビルとの間に狭持し加圧した状態でヘッドを超音波振動させて被接合物どうしを接合する接合装置に本発明を広く適用することができる。
【符号の説明】
【００４２】
２…ヘッド
３…アンビル
１０…振幅検出手段
１１…撮影手段
１２…導出手段
２０…判定手段
３０…報知手段
１００…異常検出装置
Ｍ…基準マーク
Ｓａ，Ｓｈ…被接合物
【図１】
2014024065.tif 000003
【図２】
2014024065.tif 000004
【図３】
2014024065.tif 000005
【図４】
2014024065.tif 000006