(57)【要約】【課題】  振動発生部への熱の伝達を極力低減することができると共に、接合しようとする部位に対して、効率良く熱エネルギを加える。【解決手段】  超音波振動を発生する振動発生部２と、この振動発生部２の出力端に連結されて振動発生部２の発生する超音波振動に共振する振動伝達部３と、この振動伝達部３の所定箇所に装着された接合作業用のツール１０と、を備えた超音波接合装置１において、前記ツール１０の内部に、先窄まりのツール先端１１に対して略直交する姿勢で加熱用の面状ヒータ２０を配置した。【選択図】      図１
2005224821.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波振動を発生する振動発生部と、この振動発生部の出力端に連結されて振動発生部の発生する超音波振動に共振する振動伝達部と、この振動伝達部の所定箇所に装着された接合作業用のツールとを備えた超音波接合装置において、前記ツールの内部に、先窄まりのツール先端に対して略直交する姿勢で加熱用の面状ヒータを配置したことを特徴とする超音波接合装置。
【請求項２】
前記振動伝達部の所定箇所に設けたツール取付穴に前記ツールを着脱自在に装着し、前記ツール取付穴の底面と前記ツールの底面との間に空所を確保すると共に、前記ツール取付穴の内周面と前記ツールの外周面をテーパ嵌合により密着させたことを特徴とする請求項１に記載の超音波接合装置。
【請求項３】
前記ツールを、接合作業用のツール先端を有するツール本体と、該ツール本体の底面を塞ぐ蓋体とで構成し、前記ツール本体の底面にツール先端に対して略直交するヒータ取付面を形成して、そのヒータ取付面に前記面状ヒータを密着させて配置すると共に、その面状ヒータの上にヒータ押さえ板を配置し、そのヒータ押さえ板を、該押さえ板に対して空間をおいて配置した前記蓋体により押圧支持したことを特徴とする請求項２に記載の超音波接合装置。
【請求項４】
前記ツール本体に、ツール先端からツール本体の底面中央に至る真空吸引孔を設け、前記面状ヒータ、ヒータ押さえ板、及び蓋体に前記真空吸引孔に対応した通孔を設け、前記蓋体に形成した通孔に雌ネジを形成し、その通孔に真空吸引管をねじ込み、その真空吸引管の先端により前記ヒータ押さえ板を押圧支持したことを特徴とする請求項３に記載の超音波接合装置。
【請求項５】
前記蓋体を絶縁材料により構成して、その蓋体に２本の電極ネジをねじ込み、その２本の電極ネジの先端を前記面状ヒータの電極に押圧させたことを特徴とする請求項３または４に記載の超音波接合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フリップチップボンディング（ＦＣＢ）マシン等の超音波接合装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超音波振動を利用した接合装置は、金属加工やＩＣチップボンディングなどの各種の分野に利用されている。この種の超音波接合装置は、超音波振動を発生する振動発生部（振動子）の出力端に振動伝達部（共振器）を結合し、振動発生部から接合作用部に超音波振動を伝達することにより、被接合部材間に振動による接合エネルギを集中させて、被接合部材同士の接合を行うものである。
【０００３】
このような超音波接合装置において、振動伝達部に内蔵したヒータから被接合部材に熱を与えて、超音波振動のエネルギをあまり高くしないでも、被接合部材間に超音波振動による接合エネルギと加熱による接合エネルギとの双方を加えて、接合能率のアップを図れるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−１２２９３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、従来のヒータ内蔵型の超音波接合装置では、距離や構造上の条件から、ヒータの熱が振動伝達部を介して振動発生部に伝わりやすく、場合によっては、振動発生部に冷却構造を設けなければならないことがあった。因みに、振動発生部は圧電体でできており、熱に弱く、推奨温度は１００℃以下となっているのが一般的であり、この温度以下に保持しなくてはならない。
【０００６】
本発明は、上記事情を考慮し、振動発生部への熱の伝達を極力低減することができると共に、接合しようとする部位に対して、効率良く熱エネルギを加えることのできる、コンパクトな構造のヒータ内蔵型の超音波接合装置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】
請求項１の発明は、超音波振動を発生する振動発生部と、この振動発生部の出力端に連結されて振動発生部の発生する超音波振動に共振する振動伝達部と、この振動伝達部の所定箇所に装着された接合作業用のツールと、を備えた超音波接合装置において、前記ツールの内部に、先窄まりのツール先端に対して略直交する姿勢で加熱用の面状ヒータを配置したことを特徴とする。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１において、前記振動伝達部の所定箇所に設けたツール取付穴に前記ツールを着脱自在に装着し、前記ツール取付穴の底面と前記ツールの底面との間に空所を確保すると共に、前記ツール取付穴の内周面と前記ツールの外周面をテーパ嵌合により密着させたことを特徴とする。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項２において、前記ツールを、接合作業用のツール先端を有するツール本体と、該ツール本体の底面を塞ぐ蓋体とで構成し、前記ツール本体の底面にツール先端に対して略直交するヒータ取付面を形成して、そのヒータ取付面に前記面状ヒータを密着させて配置すると共に、その面状ヒータの上にヒータ押さえ板を配置し、そのヒータ押さえ板を、該押さえ板に対して空間をおいて配置した前記蓋体により押圧支持したことを特徴とする。
【００１０】
請求項４の発明は、請求項３において、前記ツール本体に、ツール先端からツール本体の底面中央に至る真空吸引孔を設け、前記面状ヒータ、ヒータ押さえ板、及び蓋体に前記真空吸引孔に対応した通孔を設け、前記蓋体に形成した通孔に雌ネジを形成し、その通孔に真空吸引管をねじ込み、その真空吸引管の先端により前記ヒータ押さえ板を押圧支持したことを特徴とする。
【００１１】
請求項５の発明は、請求項３または４において、前記蓋体を絶縁材料により構成して、その蓋体に２本の電極ネジをねじ込み、その２本の電極ネジの先端を前記面状ヒータの電極に押圧させたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１の発明によれば、振動伝達部（共振器）にではなく、接合作業を行うツールの内部にヒータを内蔵したので、ツールの直接加熱により、接合しようとする部位への熱エネルギの集中を高めることができる。また、ツールにヒータを内蔵したことにより、ヒータと振動発生部との距離を大きくとることができるので、振動発生部への熱の伝達を大きく減らすことができ、振動発生部に余分な冷却構造を設ける等の対策を不要にできる。また、ツールに内蔵したヒータは面状ヒータであり、しかも、その面状ヒータをツール先端に対して略直交する姿勢で配置しているので、ツール先端に向けて効率良く熱を伝えられると共に、ツールの振動特性に悪影響を与える心配もない。また、ツールの軽量、コンパクト化の支障になるおそれもない。また、ツールの内部にヒータを内蔵していることから、ヒータの交換をツールの交換と同時に容易に行うことができる。
【００１３】
請求項２の発明によれば、振動伝達部に形成したツール取付穴の底面と、ツールの底面との間に敢えて空所を確保しているので、ヒータの熱が振動伝達部に伝達されるのを極力抑制することができ、結果的に振動発生部への熱の伝達を減らすことができる。また、ツール取付穴の内周面とツールの外周面をテーパ嵌合により密着させているので、振動伝達部からの振動を有効にツールに伝えることができる。また、そのテーパ嵌合部分だけで振動伝達部とツールを接触させればよいので、両者の接触面積を小さくでき、その点からも、振動伝達部側への熱移動を減らすことができる。
【００１４】
請求項３の発明によれば、ツール本体の底面に形成したヒータ取付面に面状ヒータを密着させて配置している上、面状ヒータを押さえ付けるヒータ押さえ板を、該押さえ板に対して間隔をおいて配置した蓋体により押圧支持しているので、背面（蓋体）側へのヒータの熱の逃げを抑制して、ヒータの熱を有効にツール先端に向けて伝えることができる。
【００１５】
請求項４の発明によれば、ヒータ押さえ板を、蓋体にねじ込んだ真空吸引管の先端で押圧支持しているので、ヒータ押さえ板を押圧するための特別な押圧手段を他に設ける必要がない。因みに真空吸引管は、ツール側の進級吸引孔と振動伝達部側の真空吸引孔とを接続するための継手部材であり、この部材がヒータ押さえ板の押圧支持を兼ねることで、余分な押圧手段が不要になる。
【００１６】
請求項５の発明によれば、蓋体にねじ込んだ２本の電極ネジで面状ヒータを直接押さえるので、ヒータの押さえが確実になる。また、電極ネジがヒータの電極に導通して電極の代わりになるので、ヒータから直接電線材を引き出す必要がなく、電線材の断線防止が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は要部を断面で示す実施形態の超音波接合装置の全体側面図、図２はツール部分を取り出して示す拡大側断面図で、（ａ）は図１と同じ向きから見た側断面図、（ｂ）はそれと直交する向きから見た側断面図、図３は図２（ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視図である。また、図４はツール本体の構成図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＩＶｂ−ＩＶｂ矢視断面図、（ｃ）は（ａ）のＩＶｃ−ＩＶｃ矢視断面図である。また、図５は蓋体の平面図、（ｂ）はヒータ押さえ板の平面図、（ｃ）は面状ヒータの平面図、図６はツールを取り付ける前の振動伝達部の下面図、図７はツールを装着しようとしている状態を示す要部断面図である。
【００１８】
この超音波接合装置１は、図１に示すように、超音波振動を発生する振動発生部２と、この振動発生部２の出力端に連結されて振動発生部２の発生する超音波振動に共振する振動伝達部３と、この振動伝達部３の所定箇所に装着された接合作業用のツール１０とを具備しており、ツール１０の内部に、先窄まり（円錐形）のツール先端１１に対して略直交する姿勢で加熱用の面状ヒータ２０を配置したことを特徴としている。
【００１９】
ツール１０は、振動伝達部３の所定箇所（例えば、最大振動振幅点）に設けたツール取付穴４に着脱自在に装着されている。ツール取付穴４の底面５とツール１０の底面１２との間には、両者の接触を避けるための空所１３が確保され、ツール取付穴４の内周面とツール１０の外周面に形成したテーパ嵌合面１４、１５を互いに面接触させることにより、ツール１０がツール取付穴４に嵌合されている。その状態で、ツール１０は、ツール取付ネジ４１により振動伝達部３に固定されている。４２はツール１０側のネジ通し孔、４３は振動伝達部側３のツール取付ネジ孔である。
【００２０】
ツール１０は、図２〜図４に示すように、接合作業用のツール先端１１を有する金属製のツール本体１６と、該ツール本体１６の底面側を塞ぐ絶縁・断熱材料製の蓋体１７とで構成されている。ツール本体１６には、振動伝達部３に取り付けるための前記ネジ通し孔４２を有するフランジ１６Ａと、振動伝達部３のツール取付穴４のテーパ嵌合面１４に密着嵌合する前述したテーパ嵌合面１５と、底部側の凹所１６Ｂとが設けられており、凹所１６Ｂの内底面に、ツール先端１１に対して略直交するヒータ取付面１８が形成され、そこに面状ヒータ２０が密着して配置され、その上にヒータ押さえ板２１が配置されている。また、ツール本体１６には、ツール本体１６の中心を通り、ツール先端１１からツール本体１６の底面中央に至る真空吸引孔１６Ｄが設けられている。真空吸引孔１６Ｄの先端はノズル状に細くなっている。また、ツール本体１６には、蓋体１７を取り付けるネジ４５をねじ込むネジ孔１６Ｃが設けられている。
【００２１】
面状ヒータ２０は、投入される電気エネルギを熱エネルギに変換してツール１０を加熱する円板状のもので、図５（ｃ）に示すように、円板の中心に真空引き用の貫通孔２０Ａを有し、円板の片面の半径方向の中間位置に点対称に一対の電極２０Ｂを有し、外周縁に位置決め用の半円状の切欠２０Ｃを有している。
【００２２】
ヒータ押さえ板２１は、面状ヒータ２０と同形の円板状のもので、図５（ｂ）に示すように、円板の中心に真空引き用の貫通孔２１Ａを有し、円板の半径方向の中間位置に点対称に一対の電極通し孔２１Ｂを有し、外周縁に位置決め用の半円状の切欠２１Ｃを有している。
【００２３】
蓋体１７は、ツール本体１６の底部側の凹所１６Ｂの上から被さるようにして凹所１６Ｂを塞ぐ円形平板状のもので、図５（ａ）に示すように、円板の中心に真空吸引管２７をねじ込むためのネジ孔１７Ａを有し、円板の半径方向の中間位置に点対称に一対の電極用ネジ孔１７Ｂを有し、外周縁近傍にツール本体１６との結合用ネジ４５を通すためのネジ通し孔１７Ｃを有している。
【００２４】
そして、面状ヒータ２０及びヒータ押さえ板２１を凹所１６Ｂの内部に組み込んだ状態で、蓋体１７をツール本体１６の底面側にネジ４５で固定することにより、凹所１６Ｂが塞がれている。また、蓋体１７に形成された中心のネジ孔１７Ａには真空吸引管２７がねじ込まれており、その真空吸引管２７の先端が、ヒータ押さえ板２１を押圧している。また、蓋体１７の各電極ネジ孔１７Ｂには電極ネジ４７がねじ込まれており、各電極ネジ４７の先端が面状ヒータ２０の電極２０Ｂに押圧している。これにより、面状ヒータ２０がツール本体１６のヒータ取付面１８に密着させられ、ヒータ押さえ板２１と蓋体１７との間に空間２８が確保されている。
【００２５】
なお、面状ヒータ２０及びヒータ押さえ板２１は、外周縁に設けた切欠２０Ｃ、２１Ｃが、蓋体１７を固定するネジ４５に係合することで、円周方向に位置決めされており、電極ネジ４７の先端を、ヒータ押さえ２１の電極通し孔２１Ｂを通して、面状ヒータ２０の電極２０Ｂに確実に押圧できるようになっている。
【００２６】
また、真空吸引管２７は、ツール本体１６の真空吸引孔１６Ｄに対し、面状ヒータ２０及びヒータ押さえ板２１の中心の通孔２０Ａ、２１Ａを介して連通している。
【００２７】
このように構成されたツール１０は、図７に示すように、振動伝達部３のツール取付穴４に嵌合して、ツール取付ネジ４１を振動伝達部３側のツール取付ネジ孔４３にねじ込むことで、振動伝達部３に固定されている。そして、このようにツール１０を組み込んで固定することにより、真空吸引管２７が、振動伝達部３側の真空吸引孔４８に嵌合し、ツール先端１１にてワークを吸着できるようになる。また、ヒータ用電線（図示略）は、振動伝達部３のツール取付穴４の底面に設けた電線引出孔４９（図６）から引き出すことができる。
【００２８】
次に作用を説明する。
この超音波接合装置１では、振動伝達部（共振器）３にではなく、接合作業を行うツール１０の内部にヒータ２０を内蔵したので、ツール１０の直接加熱により、接合しようとする部位への熱エネルギの集中を高めることができる。
【００２９】
また、ツール１０にヒータ２０を内蔵したことにより、ヒータ２０と振動発生部２との距離を大きくとることができるので、振動発生部２への熱の伝達を大きく減らすことができ、振動発生部２に余分な冷却構造を設ける等の対策を不要にできる。また、ツール１０に内蔵したヒータは面状ヒータ２０であり、しかも、その面状ヒータ２０を先窄まり形状のツール先端１１に対して略直交する姿勢で配置しているので、ツール先端１１に向けて効率良く熱を伝えられると共に、ツール１０の振動特性に悪影響を与える心配もない。
【００３０】
また、ツール１０の軽量、コンパクト化の支障になるおそれもない。また、ツール１０の内部に面状ヒータ２０を内蔵していることから、面状ヒータ２０の交換をツール１０の交換と同時に容易に行うことができる。
【００３１】
また、本実施形態の超音波接合装置１では、特に、振動伝達部３に形成したツール取付穴４の底面５と、ツール１０の底面１２との間に敢えて空所１３を確保しているので、面状ヒータ２０の熱が振動伝達部３に伝達されるのを極力抑制することができ、結果的に振動発生部２への熱の伝達を減らすことができる。また、ツール取付穴４の内周面とツール１０の外周面をテーパ嵌合により密着させているので、振動伝達部３からの振動を有効にツール１０に伝えることができる。また、そのテーパ嵌合部分だけで振動伝達部３とツール２０を接触させればよいので、両者の接触面積を小さくでき、その点からも、振動伝達部３側への熱移動を減らすことができる。
【００３２】
更に、ツール本体１６の底面側に形成したヒータ取付面１８に面状ヒータ２０を密着させて配置している上、面状ヒータ２０を押さえ付けるヒータ押さえ板２１を、ヒータ押さえ板２１に対して間隔をおいて配置した蓋体１７によって押圧支持しているので、背面（蓋体１７）側への面状ヒータ２０の熱の逃げを抑制して、面状ヒータ１６の熱を有効にツール先端１１に向けて伝えることができる。
【００３３】
また、ヒータ押さえ板２１を、蓋体１７にねじ込んだ真空吸引管２７の先端で押圧支持しているので、ヒータ押さえ板２１を押圧するための特別な押圧手段を他に設ける必要がなく、構造のコンパクト化が図れる。また、蓋体１７にねじ込んだ２本の電極ネジ４７で面状ヒータ２０を直接押さえているので、面状ヒータ２０の押さえがより確実になる。また、電極ネジ４７が面状ヒータ２０の電極２０Ｂに導通して電極の代わりになるので、面状ヒータ２０から直接電線を引き出すのではなく、電極ネジ４７から引き出せばよくなり、電線の無用な断線を防止することができる。
【実施例】
【００３４】
図８は、本発明をフリップチップボンディングマシンに適用した場合の熱の伝達特性の実験装置を示す図である。１００はホーン保持部、１１０はカートリッジヒータ、１２０は熱電対である。ここでは、内蔵のヒータの代わりに、カートリッジヒータ１１０でツール１０の先端を加熱した場合の熱伝達特性を調べた。これは、内蔵のヒータを使用する場合と差がないと判断したことによる。図中の（イ）はツール、（ロ）は振動伝達部３、（ハ）は振動発生部２の各測温点を示す。
【００３５】
測定の結果次表のデータが得られた。ただし、ヒータの温度は３００℃である。
【００３６】
時間      （イ）    （ロ）    （ハ）
０        ２７      ２７      ２７
１        ９５      ４０      ３２
２      １３０      ５５      ３３
３      １２０      ６５      ３７
４      １５５      ７５      ４４
５      １４０      ８０      ５０
６      １３５      ９５      ６０
７      １３０    １０５      ６３
８      １６０    １０５      ７０
９      １７０    １２５      ８０
１０      １８０    １２０      ７５
１１      １８０    １２１      ７５
１２      １８０    １２０      ８０
【００３７】
また、このデータをグラフにすると、図９に示すような特性が得られた。この図９から分かるように、振動発生部２の温度は８０℃で飽和した。従って、十分に圧電特性を発揮できることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施形態の超音波接合装置の要部を断面で示す全体側面図である。
【図２】同装置におけるツール部分を取り出して示す拡大側断面図であり、（ａ）は図１と同じ向きから見た側断面図、（ｂ）はそれと直交する向きから見た側断面図である。
【図３】図２（ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視図である。
【図４】同装置におけるツール本体の構成図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＩＶｂ−ＩＶｂ矢視断面図、（ｃ）は（ａ）のＩＶｃ−ＩＶｃ矢視断面図である。
【図５】（ａ）は同装置における蓋体の平面図、（ｂ）はヒータ押さえ板の平面図、（ｃ）は面状ヒータの平面図である。
【図６】同装置において、ツールを取り付ける前の振動伝達部の下面図である。
【図７】同装置において、ツールを装着しようとしている状態を示す要部断面図である。
【図８】実験装置の概略構成図である。
【図９】実験データを示す特性図である。
【符号の説明】
【００３９】
１          超音波接合装置
２          振動発生部
３          振動伝達部
４          ツール取付穴
５          ツール取付穴の底面
１０        ツール
１１        ツール先端
１２        ツールの底面
１３        空所
１４，１５  テーパ嵌合面
１６        ツール本体
１６Ｄ      真空吸引孔
１７        蓋体
１８        ヒータ取付面
２０        面状ヒータ
２０Ａ      貫通孔
２０Ｂ      電極
２１        ヒータ押さえ板
２１Ａ      貫通孔
２７        真空吸引管
２８        空間
４１        ツール取付ネジ
４２        ネジ通し孔
４３        ツール取付ネジ孔
４７        電極ネジ
１００      ホーン保持部
１１０      カートリッジヒータ
１２０      熱電対
【図１】
2005224821.tif 000003
【図２】
2005224821.tif 000004
【図３】
2005224821.tif 000005
【図４】
2005224821.tif 000006
【図５】
2005224821.tif 000007
【図６】
2005224821.tif 000008
【図７】
2005224821.tif 000009
【図８】
2005224821.tif 000010
【図９】
2005224821.tif 000011