CN1282644A - 超声波振动接合用工具 - Google Patents

Abstract

一种超声波振动接合用的工具,包括:方棒状的喇叭本体、在喇叭本体***的最大振动振幅点处从上侧面和下侧面凸出的接合作用部以及在从接合作用部向两侧离开相同尺寸的两个最小振动振幅点处从喇叭本体的前后侧面凸出的弯曲状支承部,可进行高质量的接合。

Description

超声波振动接合用工具

本发明涉及利用超声波振动将由多种金属组成的接合对象构件的重合部分进行接合的工具。

图25表示日本特许第2911394号公报公开的对工具支架的支承结构。在图25中，251是具有谐振频率1个波长的长度(从最大谐振振幅点f13至最大振动振幅点f17的长度)的超声波喇叭(horn)，252是在超声波喇叭251***的最大振动振幅点f15处由超声波喇叭251向外凸出的接合作用部，253是具有谐振频率1／2波长的长度(从最大振动振幅点f11至最大振动振幅点f13的长度)的圆棒状增压器，254是在增压器253***的最小振动振幅点f12处由增压器253向外凸出的筒状支承部，255是与增压器255形状对称的具有谐振频率1／2波长的长度(从最大振动振幅点f17至最大振动振幅点f19的长度)的圆棒状增压器，256是与支承部254形状对称、在增压器255***的最小振动振幅点f18处由增压器255向外凸出的筒状支承部，257是振子，258是支架，259和260是由支架258两端部向下凸出的筒状且在周壁一部分上具有狭缝的夹持部，261是放置在接合作用部252正下方的支承台，262和263是由多种金属组成的接合对象构件。在超声波喇叭251的两端，分别通过未图示的无头螺钉与增压器253、255同轴状结合，振子257通过未图示的无头螺钉与一个增压器253的端部同轴状结合。在将支承部254***夹持部259内部、支承部256***夹持部260内部的状态下，用未图示的螺栓紧固夹持部259、260，以减小狭缝的宽度，从而将支承部254、256从外周面夹持住。支架258被安装在气缸之类加压机构的可直线状升降驱动的输出部、即活塞杆上。在支承台上，接合对象构件262、263相互重合地搭载。在此状态下，通过气缸使支架258下降，接合作用部252和支承台261对接合对象构件262、263进行加压后保持，与此同时，超声波振动从振子257经由增压器253传递到超声波喇叭251，接合作用部252沿箭头X方向振动，该振动从接合作用部252传递到接合对象构件262、263，接合对象构件262、263的接合面在由接合作用部252和支承台261加压的状态下，沿横向彼此不同地振动，通过在它们的接合面上产生的磨擦热，使接合对象构件262、263的接合面活性化并结合。

然而，上述传统的工具支承结构采用以下双支承形态：在具有谐振频率1个波长的长度的超声波喇叭251的两侧与具有谐振频率1／2波长的长度的增压器253、255结合，用支架258上的筒状夹持部259、260将该增压器253、255的筒状支承部254、256保持住。即，因筒状支承部254、256被筒状夹持部259、260夹持着，故为了尽可能确保对于接合对象构件262、263的一个较宽敞的作业空间，从一个支承部254至另一个支承部256的支承点间距最小也应具有谐振频率1个波长和1／2波长相加后的长度。因此，在接合作用部252和支承台261对接合对象构件262、263进行加压保持后，有可能会使超声波喇叭251和增压器253、255以支承部254、256为节点向上形成弧状挠曲。并且，一旦产生这种挠曲，就会使振动状态、即谐振状态发生异常，造成接合不良。为解决这一问题，本发明人发明了图26所示的板状超声波喇叭271，用这种超声波喇叭代替前述超声波喇叭251进行了试用。但是，当接合对象构件262、263是一种半导体芯片和回路基板，且要将半导体芯片用超声波振动接合方法安装在回路基板上时，规定了半导体芯片每1个***点(电极)的基本加重。然而，在因***点数少而造成半导体芯片的接合加重(接合所需的加重)、即***点数×基本加重低于增压器253、255和超声波喇叭271的总重量时，即处于低加重时，难以进行接合时的接合加重控制。反之，在因***点数多而造成接合加重处于高加重的场合，会产生上述挠曲，有可能出现所谓接合不匀的现象，即半导体芯片有的***点与回路基板的接合处(pad电极)正确接合，而有的则不接合。

为此，本发明的目的在于提供可实现轻量化和两支承点间距缩短的工具。

本发明是一种用超声波振动将由多种金属组成的接合对象构件的重合部分接合用的超声波喇叭，其特征在于，包括：方棒状的喇叭本体、设在喇叭本体***的最大振动振幅点处的上侧面和下侧面的接合作用部、在从接合作用部向两侧离开相同尺寸的2个最小振动振幅点处从喇叭本体的前后侧面凸出的弯曲状支承部。采用本发明，因接合作用部和支承部设置在方棒状喇叭本体相互交叉的2个面上，故即使将支承部在从接合作用部向两侧离开相同尺寸的最接近的两个最小振动振幅点处设于方棒状喇叭本体上，也不会因支承部而减小对于接合对象构件的作业空间，可确保宽敞的作业空间。又，在以双支承形态将超声波喇叭安装在支架上的场合，可将支承点间距设定在谐振频率的1个波长以内。由于超声波喇叭的长度可缩短为谐振频率的1个波长，因此，可使超声波喇叭小型轻量化。

又，本发明的特征在于，支承部包括：与喇叭本体连接的厚壁的根基部、从根基部开始以与喇叭本体非接触的形态向喇叭本体端部一侧延伸的薄壁中间部、从中间部向外凸出的厚壁的膨出部以及从膨出部开始以与中间部非接触的形态向喇叭本体的中央一侧延伸的前端部。在接合时，薄壁的中间部吸收要从根基部向前端部一侧传递的振动，可使由振子产生的超声波振动高效正确地从超声波喇叭传递到接合作用部。

又，本发明的特征在于，前端部具有***螺栓用的贯通孔，可使用螺栓将前端部直接紧固在支架上，简化了超声波喇叭的安装作业。

又，本发明的特征在于，前端部具有比***螺栓用的贯通孔大的收纳螺栓头部用的凹部，由于将螺栓头部收纳在凹部内，因此，螺栓不从前端部凸出，不会因螺栓而减小对于接合对象构件的作业空间。

又，本发明的特征在于，支承部以喇叭本体的振动方向为线对称轴而非对称地设在喇叭本体上。采用本发明，可使工具的质量减小，便于接合时进行低加重控制，即使是很小的接合对象构件，也可利用超声波振动来进行高质量接合。

又，本发明的特征在于，支承部包括：从喇叭本体的最小振动振幅点位置凸出的厚壁的根基部、从根基部开始以与喇叭本体非接触的形态向喇叭本体端部一侧延伸的薄壁的中间部、从中间部向外凸出的厚壁的膨出部以及从膨出部开始以与中间部非接触的形态向喇叭本体的中间部一侧延伸的前端部。即使工具的最小振动振幅点偏离了理论上的位置，中间部也可吸收从根基部向前端部传递的振动，使安装着工具的支架和升降驱动支架的加压机构不会产生晃动，即使是很小的接合对象构件，也可利用超声波振动来进行高质量接合。

又，本发明的特征在于，支承部具有与喇叭本体的接合作用面平行的安装面，便于工具的安装作业。

又，本发明的特征在于，支承部具有与喇叭本体的接合作用面交叉的安装面，可在身边用螺栓将支承部紧固在支架上，更加便于工具的安装作业。

又，本发明的特征在于，具有从喇叭本体的最小振动振幅点位置凸出的支承部以及在支承部上作为安装面形成的斜面。采用本发明，可将工具正确地安装在支架上，即使是很小的接合对象构件，也可利用超声波振动进行高质量接合。

又，本发明的特征在于，支承部下侧的安装面形成斜面，支承部上侧的安装面形成与喇叭本体的接合作用面平行的平坦面。在接合时加重沿垂直方向施加在支承部上，不会产生斜向的分力，支承部不会受到沿振动方向移动的那种外力。

附图的简单说明

图1是本发明第1实施形态的工具的立体图。

图2是第1实施形态的工具和超声波振动的模式图。

图3是第1实施形态的工具和夹持器的立体图。

图4是说明第1实施形态的超声波振动接合的模式图。

图5是本发明第2实施形态的工具的立体图。

图6是第2实施形态的工具安装状态的剖视图。

图7是本发明第3实施形态的工具的立体图。

图8是本发明第4实施形态的工具的立体图。

图9是本发明第5实施形态的工具的立体图。

图10是本发明第6实施形态的工具的立体图。

图11是本发明第7实施形态的工具的立体图。

图12是本发明第8实施形态的工具的立体图。

图13是本发明第9实施形态的支架表面的立体图。

图14是第9实施形态的支架里侧的立体图。

图15是本发明第10实施形态的超声波振动接合装置的主视图。

图16是本发明第11实施形态的工具，其中，图a为主视图，图b为侧视图。

图17是本发明第12实施形态的工具和支承装置的分解立体图。

图18是第12实施形态的工具的俯视图。

图19是第12实施形态的工具的主视图。

图20是第12实施形态的工具和支承装置的组合主视图。

图21是第12实施形态的工具和支承装置的组合右视图。

图22是第12实施形态的超声波振动接合装置的主视图。

图23是本发明第13实施形态的工具和支承装置的组合主视图。

图24是本发明第14实施形态的工具和支承装置的组合主视图。

图25是对传统工具的支架的支承结构的模式图。

图26是对另一传统工具的支架的支承结构模式图。

发明的实施形态

图1-图4为本发明的第1实施形态，其中，图1表示工具1的外观，图2表示工具1与超声波振动的关系，图3表示工具1与夹持器15，图4表示将工具1安装在支架25上的状态。在图1中，1是称为超声波喇叭的工具，2是工具1的方棒状喇叭本体，3和4分别是从喇叭本体2的上下侧面向外凸出的接合作用部，5，6，7，8分别是从喇叭本体2的前后侧面向外凸出的略呈S形弯曲的支承部，9和10分别是在喇叭本体2的左右端面中央部形成的螺孔。工具1是由钛等合金或淬火后的铁等音响特性良好的材料组成的单一物体，包括喇叭本体2、接合作用部3和4、支承部5～8、螺孔9和10。

在图2中，喇叭本体2具有从图4的振动子20传递的超声波振动的谐振频率1个波长的长度(从最大振动振幅点f1至最大振动振幅点f5的长度)。接合作用部3、4在喇叭本体2***的最大振动振幅点f3处从喇叭本体2向外凸出，呈四方形。支承部5～8在从接合作用部3、4向两侧离开相同尺寸的两个最小振动振幅点f2、f4处从喇叭本体2向外凸出，呈弯曲状。支承部5包括：与喇叭本体2连接并从喇叭本体2以与其前侧垂直的状态笔直凸出的板状厚壁根基部5a、从根基部5a开始略直角状弯曲且以与喇叭本体2非接触的形态向喇叭本体2的右端部一侧延伸的板状薄壁中间部5b、从中间部5b开始略直角状弯曲并向前侧凸出的板状厚壁膨出部5c、以及从膨出部5c开始略直角弯曲并以与中间部5b非接触的形态向喇叭本体2的中央一侧延伸的板状厚壁前端部5d。支承部6包括：与喇叭本体2连接并从喇叭本体2以与后侧垂直的状态笔直凸出的板状厚壁根基部6a、从根基部6a开始略直角状弯曲并以与喇叭本体2非接触的形态向喇叭本体2的右端部一侧延伸的板状薄壁中间部6b、从中间部6b开始略直角状弯曲并向后凸出的板状厚壁膨出部6c、以及从膨出部6c开始略直角状弯曲并以与中间部6b非接触的形态向喇叭本体2的中央一侧延伸的板状厚壁前端部6d，支承部7包括：与喇叭本体2连接并从喇叭本体2以与前侧垂直的状态笔直凸出的板状厚壁根基部7a、从根基部7a开始略直角状弯曲并以与喇叭本体2非接触的形态向喇叭2的左端部一侧延伸的板状薄壁中间部7b、从中间部7b开始略直角状弯曲并向前凸出的板状厚壁膨出部7c、以及从膨出部7c开始略直角状弯曲并以与中间部7b非接触的形态向喇叭本体2的中央一侧延伸的板状厚壁前端部7d。支承部8包括：与喇叭本体2连接并从喇叭本体2以与后侧垂直的状态笔直凸出的板状厚壁根基部8a、从根基部8a开始略直角状弯曲并以与喇叭本体2非接触的形态向喇叭2的左端部一侧延伸的板状薄壁中间部8b、从中间部8b开始略直角状弯曲并向后凸出的板状厚壁膨出部8c、以及从膨出部8c开始略直角状弯曲后以与中间部8b非接触的形态向喇叭本体2的中央一侧延伸的板状厚壁前端部8d。

在图3中，15是分别装在支承部5～8上的夹持器。各夹持器15由高度大于支承部5～8上下宽度的金属棒形成，具有贯通上下侧面的贯通孔16、在上下侧面与贯通孔16同心状凹部且比贯通孔16大的凹部17和18、在一个侧面形成的缺口部19。贯通孔16具有比图4的螺栓22的螺纹部外径大的孔径。缺口部19是不晃动地分别收容支承部5～8的前端部5d～8d的部分。凹部18是容纳图4的螺栓22头部的部分。并且，通过将缺口部19分别从外侧嵌入前端部5d～8d，使各夹持器15虽然分别安装在前端部5d～8d上，但各自与根基部5a～8a和中间部5b～8b形成非接触的形态。关于各夹持器15在支承部5～8上的安装，当然也可以嵌合成在用手拿起喇叭本体2时夹持器15不会因自重而从支承部5～8上脱落的状态，但如果嵌合成夹持器15会因自重而从支承部5～8中脱落的状态，则此时夹持器15在支承部5～8上的安装为最佳状态。

参照图4说明超声波变振动接合的方法。在工具1的一端通过无头螺钉21与振子20的输出端同轴状结合。这种结合是喇叭本体2的一端与振子20的输出端接触的形态。振子20依靠从未图示的超声波振荡器接受的电能，产生并输出具有所定频率的纵波超声波振动。又，将夹持器15嵌入各支承部5～8，螺栓22从各夹持器15的凹部18经过贯通孔16和凹部17而在凹部26的周围与在支架25下侧面形成的螺孔紧固。这种紧固虽然是各夹持器15的上侧面与支架25的下侧面接触的形态，但工具1是以脱离支架25的悬浮状态，以双支承形态保持在支架25上。支架25被安装在气缸之类加压机构的可直线升降驱动的输出部、即活塞杆上。为了避开接合作用部3、4，凹部26在支架25的下侧面形成。在位于接合作用部4正下方的支承台27上，搭载着多个相互重叠的接合对象构件28、29。在此状态下，支架25由于气缸的动作而沿箭头Y方向下降，接合作用部4和支承台27对接合对象构件28、29作加压保持，与此同时，从振子20输出的超声波振动传递到超声波喇叭1，接合作用部4沿箭头X方向振动，该振动从接合作用部4传递到接合对象构件28、29，接合对象构件28、29的重合面在由接合作用部4和支承台27加压的状态下，沿横向彼此不同地振动，在活性化的同时被接合。

采用第1实施形态的结构，接合作用部3、4设置在方棒状的喇叭本体2***的最大振动振幅点f3处的上下侧面，在从接合作用部3、4向两侧离开相同尺寸的最靠近的两个最小振动振幅点f2、f4处的方棒状喇叭本体2的前后侧面设置支承部5～8，即，在方棒状喇叭本体2的相互交叉的两面方向设置接合作用部3、4和支承部5～8，因此，即使支承部5～8在从接合作用部3、4向两侧离开相同尺寸的最靠近的两个最小振动振幅点f2、f4处设置在方棒状喇叭本体2上，也不会因支承部5～8而减小对于接合对象构件28、29的作业空间，可确保宽敞的作业空间。并且，在以双支承形态将工具1安装在支架25上的场合，可以将从一个支承部5至另一个支承部7的支承点间距、即从根基部5a至根基部7a的支承点间距设定在谐振频率的1个波长以内。由此，工具1的长度就可以规定为双支承形态的最小尺寸、即谐振频率的1个波长。其结果，在接合作用部4和支承台27对接合对象构件28、29进行加压保持时，工具1被双支承在支架25上的支承点间距小于图25和图26所示的传统的支承点间距，工具1不易发生挠曲。

由于工具1的长度可缩短到谐振频率的1个波长，可使工具1小型轻量化。例如，当接合对象构件28、29为半导体芯片和回路基板，且通过超声波振动接合在回路基板上安装半导体芯片时，即使由于半导体芯片的***点数少而使接合加重为低加重时，也很容易进行接合时的接合加重控制。即使是半导体芯片的***点较多、接合加重为高加重时，由于将支承点间距设定在谐振频率的1个波长以内，工具1不会产生对半导体芯片在回路基板上的安装有不良影响的挠曲，从而使半导体芯片的全部***点与回路基板的全部接合处都能作高质量接合。

支承部5～8从喇叭本体2略呈S字形凸出，根基部5a～8a、膨出部5c～8c及前端部5d～8d为厚壁，而连接根基部5a～8a与膨出部5a～8c的中间部5b～8b形成薄壁。即，在支承部5～8上，中间部5b～8b与振动的传递方向平行，并且厚度小于根基部5a～8a、膨出部5c～8c及前端部5d～8d。因此，在接合时，即使因加重造成相对于根基部5a～8a的最小振动振幅点f2、f4的位置稍有偏离而使根基部5a～8a振动，也可由中间部5b～8b吸收从根基部5a～8a传向前端部5d～8d的振动。由此，可将由振子20产生的超声波振动从超声波喇叭1高效正确地传递到接合作用部3、4。

由于将螺栓22的头部收纳在夹持器15的凹部18内，因此，螺栓22不会从夹持器15向下凸出，不会因螺栓22而减小对于接合对象构件的作业空间。

图5和图6是本发明的第2实施形态。其中，图5表示工具30的外观，图6表示将工具30安装在支架25上的状态。该工具30的特点在于相当于前述前端部5d～8d的前端部5e～8e。前端部5e～8e的板壁比前端部5d～8d更厚。在前端部5e～8e上，各自形成有相当于前述贯通孔16的贯通孔5f～8f、相当于前述凹部17、18的凹部5g～8g、5h～8h。又，在支架25上，形成相当于前述凹部26的凹部31。凹部31的尺寸可以使喇叭本体2、接合作用部3和4、根基部5a～8a、中间部5b～8b以及膨出部5c～8c避让。并且，如图6所示，通过将螺栓22从凹部5h～8h经过贯通孔5f～8f而在凹部31的周围与在支架25的下侧面形成的螺孔紧固，使前端部5e～8e的上侧面与支架25的下侧面接触，喇叭本体2、接合作用部3和4、根基部5a～8a、中间部5b～8b及膨出部5c～8c与支架25非接触，使工具30在悬浮状态下通过4个支承部5～8以双支承形态保持在支架25上。采用该第2实施形态的结构，因可用螺栓22将前端部5e～8e紧固在支架25上，故可省略图3的夹持器15，便于工具30在支架25上的安装作业。在图5中，未图示的凹部5h、6h、8h与凹部7h相同。喇叭本体2、接合作用部3和4、根基本5a～8a、中间部5b～8b、膨出部5c～8c及螺孔9和10与第1实施形态相同。

在上述各实施形态中，工具1和30的长度为谐振频率的1个波长，但也可以是其整倍数。

在图4中，振子20直接与工具1的一端结合，但也可在工具1的两端安装具有谐振频率1／2波长或1／2波长整数倍长度的增压器，并将振子20同轴状地与这些增压器中一个增压器的一端结合，即，即使是通过增压器将振子20与工具1的一端结合也同样可以。

在上述图4中，形成有凹部26，使接合作用部3不与支架25接触，但若将从图3的缺口部19开始的夹持器15的厚度L设定为大于接合作用部3的高度H，则可省略凹部26。

图7表示本发明第3实施形态的工具1。在图7中，工具31是由铝或钛之类的合金或者淬火后的铁等音响特性良好的材料组成的单一物体，包括喇叭本体32、接合作用面33、支承部34、连接部37和螺钉41。喇叭本体32呈棒状，具有从振子20传递的超声波振动的谐振频率1个波长的长度(从最大振动振幅点f1至最大振动振幅点f5的长度)。喇叭本体32的上下宽度H大于前后宽度D。接合作用面33在喇叭本体32***的最大振动振幅点f3的位置处从喇叭本体32向外凸出，但也可以与喇叭本体32的外侧面处于同一平面或是从喇叭本体32的外侧面向内凹陷。

支承部34以喇叭本体32的振动方向X为线对称轴，非对称性地设置在喇叭本体32上。即、支承部34为配置在喇叭本体32同一侧的一对形态，支承部34的上侧面就是与接合作用面33平行的平坦的安装面35。安装孔36用于将工具31安装在图13所示的支架71上，是从安装面35面向喇叭本体32在支承部34上形成的螺钉。连接部37用于将喇叭本体32和安装部34非接触式连接，呈曲柄形状，由厚壁的根基部38、厚壁的前端部39和薄壁的中间部40组成。连接部37的曲柄形状为左右对称，但也可是左右同向，根基部38呈板状，在与接合作用面33相隔等距离的左右两侧的最小振动振幅点f2、4的位置上，以与喇叭本体32的振动方向X垂直的状态从喇叭本体32向外侧笔直凸出。前端部39呈板状，以与喇叭本体32的振动方向X垂直的状态从安装部34的一端笔直凸出。中间部40用于连接根基部38和前端部39，呈与喇叭本体32的振动方向X平行的板状。螺孔41是通过无头螺钉43将振子20或未图示的增压器同轴状安装在喇叭本体32上用的安装孔，位于喇叭本体32的左右端面的中央部。

图8表示本发明第4实施形态的工具31。第4实施形态的工具31的支承部34、安装面45和安装孔46的位置与第1实施形态的工具31不同。即，第4实施形态的支承部34相对于接合作用面33配置在侧方，但第3实施形态的支承部34相对于接合作用面33配置在相反侧。相当于上述安装面35的安装面45在与接合作用面33垂直的方向形成，相当于上述安装孔36的安装孔46在与接合作用面33平行的方向形成。

图9表示本发明第5实施形态的工具31。第5实施形态的工具31的安装面47和安装孔48的位置与第3实施形态的工具31不同。即，相当于上述安装面35的安装面47在与接合作用面33垂直的方向形成，相当于上述安装孔36的安装孔48在与接合作用面平行的方向形成。安装孔48可以是第3实施形态的螺孔，也可以是贯通孔。

图10表示本发明第6实施形态的工具31。第6实施形态的工具31的安装面49和安装孔50的位置与第4实施形态的工具31不同。即，相当于上述安装面45的安装面49在与接合作用面33平行的方向形成，相当于上述安装孔46的安装孔50在与接合作用面33垂直的方向形成。安装孔50可以是第4实施形态的螺孔，也可以是贯通孔。

图11表示本发明第7实施形态的工具31。第3～第6实施形态的工具31用于接合对象构件是金属的场合，而第7实施形态的工具31用于接合对象构件是合成树脂的场合，因此，接合作用面51的位置与第3～第6实施形态的工具31不同。即，第7实施形态的工具31的接合作用面51设置在第3实施形态的工具31省略了1个螺孔41的一端面上。接合作用面51可以与喇叭本体32的一端面处于同一平面或从喇叭本体32的一端面向内凹陷。

图12表示本发明第8实施形态的工具31。第8实施形态的工具31与第7实施形态一样，用于接合对象构件是合成树脂的场合，但安装面47和安装孔48的位置与第7实施形态的工具31不同。即，第8实施形态的工具31的接合作用面51设置在第5实施形态的工具31省略了1个螺孔41的一端面上。

图13和图14表示本发明第9实施形态的支架71。在图13中，支架71在棒状的两端部具有一对安装孔72，由图15所示的超声波振动接合装置81的作为加压机构的气缸84产生加压动作方向A、加压动作方向B、加压动作方向C中的任一个方向。一对安装孔72的间隔与图7～图12的工具31上一对安装孔36、46、48、50的间隔相同。又如图14所示，支架71的安装孔72周围的下侧面作为平坦的安装面73，在安装面73的侧部设有定位部74。通过将图15的作为加压机构输出端的活塞杆85与支架71的上侧面连接，在支架71上形成加压动作方向A。通过将图15的活塞杆85与支架71的侧面连接，在支架71上形成加压动作方向B，通过将图15的活塞杆85与支架71的端面连接，在支架71上形成加压动作方向C。

图15表示本发明第10实施形态的超声波振动接合装置。在图15中，装置本体82的前侧下部具有向前方和左右敞开的作业空间83，在划分作业空间83上部的装置本体82上部的内部，具有用作加压机构的气缸84。向气缸84下方凸出的活塞杆85的下端配置在作业空间83内。在配置在该作业空间83内的活塞杆85的下端装有图13的支架71，在支架71上装有图7～图12的工具1。又，划分作业空间83背部的装置本体82的下部被设置在平台86上，该平台86构成在生产流水线上组装超声波振动接合装置81用的基座。在划分该作业空间83下部的平台86的上侧面设有支承台87。

下面说明在第10实施形态的超声波振动接合装置81中使用第3～第8实施形态的工具31和第9实施形态的支架71的超声波振动接合方法。在使用第3实施形态或第6实施形态的工具31时，图13的支架71的处于加压动作方向A的上侧面与图15的活塞杆85的下端结合。此时，活塞杆85配置在图13的安装孔72间的中央，图13的安装孔72设定为面向与图15的活塞杆85的升降方向平行的上下方向，图13的安装面73设定为与图15的支承台87的平坦的上侧面平行。

在此状态下，图7的安装面35或图10的安装面49从下方与图13的安装面73重合，图7或图10的安装部34与图14的定位部74抵接，图7的安装孔36或图10的安装孔50与图13的安装孔72的位置重合。并且，图13的螺栓75经过安装孔72及图7的安装孔36或图10的安装孔50，将图13的支架71与图7或图10的安装部34紧固。由此，图7或图10的工具31的接合作用面33与图15的支承台87的上侧面平行，支承台87的上侧面位于接合作用面33的正下方。又，图7或图10的工具31和振子20通过无头螺钉43结合。这一结合形态是喇叭本体32的一端与振子20的输出端接触。

在使用第4实施形态或第5实施形态的工具31时，图15的活塞杆85的下端被安装在图13的支架71处于加压动作方向B的前侧面或后侧面的安装孔72间的中央位置，图13的安装孔72面向与图15的活塞杆85的升降方向垂直的前后方向，图13的安装面73被设定为与图15的支承台87的上侧面垂直的状态。在此状态下，图8的安装面45或图9的安装面47与图13的安装面73前后重合，图13的螺栓75经过安装孔72及图8的安装孔46或图9的安装孔48，将图13的支架71与图8或图9的支承部34紧固。由此，图8或图9的工具31的接合作用面33与图15的支承台87的上侧面平行，支承台87的上侧面位于接合作用面3的正下方。又，与上述一样，图8或图9的工具31和振子20通过无头螺钉43结合。

接着，在支承台87上相互重叠搭载由金属构成的多个接合对象构件91、92。在此状态下，支架71通过气缸84的动作沿图9的箭头Y方向下降，接合作用面33和支承台87将接合对象构件91、92加压保持，与此同时，从振子20输出的超声波振动传递到工具31，使接合作用面33沿箭头X方向振动，该振动从接合作用面33传递到接合对象构件91、92，接合对象构件91、92的对合面在被接合作用面33和支承台87加压的状态下，沿横向彼此不同地振动，在活性化的同时被接合。

在使用第7实施形态或第8实施形态的工具31时，图15的活塞杆85的下端被安装在图13的支架71处于加压动作方向C的端面的中央位置，图13的安装孔72面向与图15的活塞杆85的升降方向垂直的前后方向，图13的安装面73被设定为与图15的支承台87的上侧面垂直的状态。在此状态下，图11的安装面35或图12的安装面47与图13的安装面73前后重合，图13的螺栓75经过安装孔72和图11的安装孔36或图12的安装孔48，将图13的支架71与图11或图12的支承部34紧固。由此，图11或图12的工具31的接合作用面51与图15的支承台87的上侧面平行，支承台87的上侧面位于接合作用面51的正下方。又，与上述一样，图11或图12的工具31和振子20通过平头螺钉43结合。

接着，在支承台87上相互重叠搭载由合成树脂构成的多个接合对象构件91、92。在此状态下，支架71通过气缸84的动作沿图15的箭头Y方向下降，接合作用面51和支承台87将接合对象构件91、92加压保持，与此同时，从振子20输出的超声波振动传递到工具31，使接合作用面51沿箭头X方向振动，该振动从接合作用面51传递到接合对象构件91、92，接合对象构件91、92的对合面在接合作用面51和支承台87的加压状态下，沿纵向相互振动接合。

在工具31以双支承形态安装在支架71上时，可将从一个根基部38至另一个根基部38的支承点间距设定在谐振频率的1个波长以内，使工具31小型轻量化。例如，使用第3～第6实施形态的工具31，在接合对象构件91、92为半导体芯片和回路基板、通过超声波振动接合在回路基板上安装半导体芯片时，即使由于半导体芯片的***点数少，导致接合加重是低加重，也很容易进行接合时的接合加重控制。即使在半导体的***点数较多、接合加重是高加重的场合，通过将支承点间距设定在谐振频率的1个波长以内，就不会在工具31上产生对半导体芯片在回路基板上的安装有不良影响的挠曲，可使半导体芯片的全部***点与回路基板的全部接合处高质量地接合。

又，由于利用薄壁的中间部40将连接部37的厚壁根基部38与厚壁前端部39连接，因此，即使因接合时对工具31加重而导致相对于根基部38的工具31的最小振动振幅点f2、f4的位置偏离理论上的位置、使根基部38振动，薄壁的中间部40也能吸收从根基部38传向前端部39一侧的振动。由此，由振子20产生的超声波振动可高效正确地从工具31传递到接合作用面33、51，不用说工具31，连支架71和活塞杆85也不会晃动。

在第3～第10实施形态中，是将多个接合对象构件搭载在支承台87之后由接合作用面33和支承台87加压的，但也可如图16的图a所示，采用如下的结构，在接合作用面33上形成吸引孔101，由吸引装置的吸引动作将图15的一个接合对象构件91吸在接合作用面33上，预先将图15的另一个接合对象构件92放在支承台87上，由气缸84的下降动作使工具31下降，由此一边使接合对象构件91与接合对象构件92重合一边进行加压。在该第11实施形态中，在工具31的外侧面设有软管连接部102，在工具31的内部形成使吸引孔101与软管连接部102连通的吸引通路103。又，当吸在接合作用面33上的接合对象构件91是半导体芯片那样的小物件时，也可通过钎焊等方法将具有小径的吸引孔105的接合芯片104与接合作用面33接合。又，还可采取以下方法，用狭缝106将连接部37分离，在工具31的最小振动振幅点f2、f4(参照图7)的位置上设置加热器用孔107，用***安装在加热器用孔107内的电热器将工具31加热，利用超声波振动的接合能量和电热器的接合能量双方将多个接合对象构件接合。在此场合，狭缝106用作为供电热器配线避让的间隙。又，为了保持良好的振动平衡，在工具31上还可设置缺口部108。将图16的图a的工具31安装成图b所示的形态。

也可在位于一对根基部38之间的工具31的中间部形成图7的虚线L2所示的缩颈部，以增大振动振幅。

也可形成如图8的虚线L3所示的接合作用面33，在工具31的上下侧面设置接合作用面33。

图17～图22是本发明的第12实施形态。其中，图17表示将工具111及其支承装置分解后的外观，图18表示工具111的上侧面，图19表示工具111的正面，图20表示用支承装置支承工具111后的正面，图21表用支承装置支承工具111后的右侧面，图22表示超声波接合装置的正面。

参照图17说明工具111及其支承装置。在该第12实施形态中，工具111是由铝或钛之类的合金或者淬火后的铁等音响特性良好的材料组成的单一物体，包括喇叭本体112、接合作用面113、支承部114、斜面115、连接部116、根基部117、前端部118、中间部119和结合部120。喇叭本体112呈棒状，具有从振子20传递的超声波振动的谐振频率1个波长的长度(从最大振动振幅点f1至最大振动振幅点f5的长度)。结合部120是通过无头螺钉136将振子20或未图示的增压器同轴状安装在工具111上用的螺孔，位于喇叭本体112的左右端面的中央部。为了在工具111上增大振动振幅，在位于根基部118之间的喇叭本体112的中间部形成缩颈部112a，但也可不设置缩颈部112a。

上下夹持器121、122分割成可从上下方向支承部114的形态。上夹持器121是由铁质材料组成的单一物体，包括把持部124、斜面125、结合部126。把持部124以其位置与支承部144对应的状态从上夹持器121的四个角部向下凸出。把持部124的下侧面形成平坦的斜面125，以与支承部114上侧的斜面¨5接触。结合部126是将上夹持器121安装到图22所示的超声波振动接合装置141的加压机构、即气缸144的活塞杆145上用的螺孔，位于上夹持器121的中央部。

下夹持器122是由铁质材料组成的单一物体，被分割为前后两部分，各部分包括把持部128和斜面129。各下夹持器122的把持部128以位置与支承部114对应的状态从各下夹持器122的左右端部向上凸出。把持部128的上侧面形成平坦的斜面129，以与支承部114下侧的斜面115接触。

在上下夹持器121、122上，安装着勾挂弹性体133的弹簧勾挂部131、132。弹性体133向使上下夹持器121、122相互靠近的方向施力，由螺旋弹簧形成。弹性体133的上端挂在上夹持器121的弹簧勾挂部131上，弹性体133的下端挂在下夹持器122的弹簧勾挂部132上，由此，弹性体133将上夹持器121与下夹持器122连接。

参照图18和图19详细说明工具111。接合作用面113被配置在喇叭本体112***的最大振动振幅点f3位置的喇叭本体112的外侧面，支承部114被配置在从最大振动振幅点f3向左右两侧等距离离开的最小振动振幅点f2、f4位置的喇叭本体112的外侧面。接合作用面113设置在喇叭本体112的上下侧面，支承部114设置在喇叭本体112的前后侧面，即，接合作用面113和支承部114相互垂直地设在喇叭本体112上。接合作用面113既可以与上下侧面处于同一平面，也可以从上下侧面凹部陷，但若如图那样，从喇叭本体112的上下侧面凸出，则在接合较薄的接合对象品时，接合作用面113与接合对象品接触，而喇叭112的接合作用面113周围的面不与接合对象品接触，故为最佳方案。虚线L1为表示振动振幅变位的波形。

支承部114以与工具111的振动方向X平行的线对称轴L5为中心对称地设置在喇叭本体112上。即，支承部114对称地配置在喇叭本体112的前后左右，支承部114的上下侧面作为安装面，形成相对于接合作用面113倾斜的平坦斜面115。连接部116用于非接触式地连接喇叭本体112和支承部114，呈曲柄状，由根基部117、前端部118和中间部119构成。接合作用面113是与振动振幅点f3平行的平坦面。位于上侧的左右斜面115在通过最小振动振幅点f3的垂线L6上的某一个点P1处交叉，这些上侧左右的斜面115与垂线L6形成的角度θ1相同。位于下侧的左右斜面115在垂线L6上的又一个点P2处交叉，这些下侧左右的斜面115与垂线L6形成的角度θ2相同。垂线L6与线对称轴L5垂直相交。

连接部116的曲柄形状是前后左右对称的形状，但也可是左右同一方向。根基部117呈厚壁的板状，在从接合作用面113向左右两侧等距离离开的最小振动振幅点f2、f4位置处，从喇叭本体112与振动方向X垂直地向外侧笔直凸出。前端部118呈厚壁的板状，从支承部114的一端与振动方向X垂直地笔直凸出。中间部119用于连接根基部117和前端部118，是与振动方向X平行的薄壁板状。

下面，对在上下夹持器121、122上组装工具111的场合进行说明。首先，将上夹持器121从图17的状态翻转过来放在未图示的作业台上。即，放在作业台上的夹持器121最好是使4个把持部124面向上方。在此状态下，将工具111从图17的状态翻转过来，将4处支承部114上的斜面115放在上夹持器121上的4处把持部124的斜面125上。在这样将4处支承部114放在4处把持部124上的状态下，工具111的接合作用面113和连接部116与上夹持器121为非接触状态。

然后将2个下夹持器122从图17的状态翻转过来，将2个下夹持器122上的合计2个处把持部128的斜面129放在工具111上的4处支承部114的斜面115上。在这样将4处把持部128放在4处支承部114的状态下，工具111的接合作用部113和连接部116与下夹持器122为非接触状态。

再在上夹持器121的把持部124上载放工具111的支承部114，在工具111的支承部114上载放下夹持器122的把持部128，上夹持器121的斜面125与工具111的斜面115接触，下夹持器122的斜面129与工具111的斜面接触，在此状态下，将4个弹性体133勾挂在上下夹持器121、122的弹簧勾挂部131、132上。

在这样将4个弹性体133勾挂在4个部位的弹簧勾挂部131、132的状态下，弹性体133与工具111和上下夹持器121、122隔离，弹性体133产生收缩方向的弹力，这种弹力向使下上下夹持器121、122相互靠近的方向施力。由此，如图20和图21所示，在弹性作用下，上下夹持器121、122将工具111夹持住。在图20中，工具111下侧的接合作用面113从下夹持器122的下侧面向下凸出。

参照图22说明超声波振动接合装置141，该超声波振动接合装置141采用图20和图21所示的利用弹性体133的弹性夹持工具111的上下夹持器121、122。超声波振动接合装置141的装置本体142的前侧下部具有前方和左右敞开的作业空间143，在划分作业空间143上部的装置本体142的上部内部，设有作为加压机构的气缸144。向气缸144下方凸出的活塞杆145的下端配置在作业空间143内。

在配置在作业空间143内的活塞杆145的下端，安装着利用弹性体133的弹性夹持图20的工具111的上下夹持器121、122。划分作业空间143背部的装置本体142的下部被设置在平台146上，该平台146构成在生产流水线等组装超声波振动接合装置141用的基座。划分作业空间143下部的平台146的上侧面设有支承台147。

下面，说明采用超声波振动接合装置141的超声波振动接合方法。装有工具111的上下夹持器121、122安装在活塞杆145的下端，工具111与振子20通过无头螺钉136结合。该结合的形态是工具111的一端与振子20的输出端接触。又，在支承台147上相互重叠搭载由金属组成的多个接合对象构件151、152。

在此状态下，通过气缸144的动作使支架171沿图20的箭头Y方向下降，接合作用面113和支承台147将接合对象构件151、152加压保持，与此同时，从振子20输出的超声波振动传递到工具111，接合作用面113沿箭头X方向振动，该振动从接合作用面113传递到接合对象构件151、152，接合对象构件151、152的对合面在接合作用面113和支承台147加压状态下，沿横向彼此不同地振动，在活性化的同时进行接合。

采用第12实施形态的结构，在弹性体133的弹性作用下，并在斜面115与斜面125相互接触、斜面115与斜面129相互接触的状态下，上下夹持器121、122从上下方向把持工具111的支承部114。因此，在相互接触的斜面115、125、129楔形的作用下，可正确地进行工具111对上下夹持器121、122的定位，可将接合对象构件151、152高质量接合。

在接合时，通过从上夹持器121对工具111实施加重，即使工具111的最小振动振幅点f2、f4相对于根基部117的位置偏离理论位置，即使根基部117振动，也能由中间部119吸收从根基部117传向前端部118的振动。由此，由振子20产生的超声波振动可从工具111高效正确地传递到接合作用面113，不用说工具111，连上下夹持器121、122、弹性体133和气缸活塞杆145也不会晃动。

在工具111以双支承形态安装在支架171上时，可将一个根基部117至另一个根基部117的支承点间距设定在谐振频率的1个波长以内，可使工具111小型轻量化。例如，当接合对象构件151、152是半导体芯片和回路基板、通过超声波振动接合方法将半导体芯片安装到回路基板上时，即使因半导体芯片的***点数少而导致接合加重是低加重，也容易进行接合时的接合加重控制。即使半导体芯片的***点较多、接合加重是高加重的场合，通过将支承点间距设定在谐振频率的1个波长以内，也不会在工具111上产生对半导体芯片在回路基板上的安装有不良影响的挠曲，可将半导体芯片的全部***点与回路基板的全部接合处高质量地接合。

图23表示本发明的第13实施形态。如图23所示，在第13实施形态中，在上夹持器121上向下延伸臂部155，在臂部155上，通过未图示的引导器安装着可上下方向移动的下夹持器122，在从臂部155向内侧凸状设置的弹簧支座156与下夹持器122之间的间隙中配置有压缩状态的弹性体157，弹性体157的下端与弹簧支座156接触，弹性体157的上端与下夹持器122接触。

在此状态下，弹性体157产生伸展方向的弹力，该弹力向使上下夹持器121、122相互靠近的方向施力。由此，斜面115与斜面125接触，斜面115与斜面129接触，上下夹持器121、122在弹性作用下将工具111夹持住，工具111下侧的接合作用面113从弹簧支架156的下侧面向下凸出，与第12实施形态一样，在相互接触的斜面115、125、129楔形的作用下，可正确地进行工具111对上下夹持器121、122的定位，可将接合对象构件151、152高质量接合。

图24表示本发明的第14实施形态。如图24所示，在第14实施形态中，将支承部114的上侧面做成与接合作用面113平行的平坦面161，将支承部114的下侧面做成斜面115，在这种场合，上夹持器121的把持部124的下侧面做成与支承部114的平坦面161对应的平坦面162，并在下夹持器122上形成斜面129。在第14实施形态中，来自上夹持器121的加重不会产生斜向的分力，而是沿垂直方向施加于工具111的支承部114，支承部114不会受到沿振动方向X移动的斜向外力，容易对接合时的接合加重实行最佳控制。

斜面115的倾斜也可与图17的倾斜反向，即，从工具111的中央侧开始向两端侧延伸，支承部114的上下宽度逐渐放大。在此场合，与反向的斜面115接触的斜面125、129的倾斜也与图17呈反向。又，将斜面115设在支承部114的上侧面或下侧面，将对应于支承部114的斜面115的斜面设在上下夹持器121、122中的任1个上也同样可以适用。例如，将支承部114的上侧面做成斜面115、将支承部114的下侧面做成与接合作用面113平行的平坦面时，在上夹持器121上形成斜面125，在下夹持器122的把持部128的上侧面形成与支承部114的平坦面对应的平坦面。

在各实施形态中，是将工具1、31、111规定为谐振频率1个波长的长度，但也可以是其整倍数。

在各实施形态中，是振子20直接与工具111的一端结合，但也可在工具1、31、111和振子20之间设置具有谐振频率1／2波长或1／2波长整倍数长度的未图示增压器。此时，使用相当于图17的无头螺钉136的无头螺钉将工具1、31、111与增压器同轴状结合。又，即使工具1、31、111采用具有接合作用面3、4、33、113的超声波喇叭和具有支承部114的增压器组成的结构，也同样适用。在此场合，通过相当于无头螺钉136的无头螺钉将超声波喇叭与增压器同轴状结合。

也可在中间部5b～8b、40、119上形成槽、孔或狭缝来调整振动的平衡。

可以将工具1、31、111、接合作用面3、4、33、113、支承部5～8、34、114以及连接部37、116等做成单一物体，也可将工具1、33、111与接合作用面3、4、33、113、支承部5～8、34、114以及连接部37、116等制成分体结构，用螺钉将接合作用面3、4、33、114、支承部5～8、34、114以及连接部37、116固定在工具1、31、111上。

Claims (10)

1．一种超声波振动接合用工具，其特征在于，包括：方棒状的喇叭本体、设在喇叭本体***的最大振动振幅点处的上侧面和下侧面的接合作用部以及在从接合作用部向两侧离开相同尺寸的两个最小振动振幅点处从喇叭本体的前后侧面凸出的弯曲状支承部。

2．如权利要求1所述的超声波振动接合用工具，其特征在于，支承部包括：与喇叭本体连接的厚壁的根基部、从根基部开始以与喇叭本体非接触的形态向喇叭本体的端部一侧延伸的薄壁的中间部、从中间部向外凸出的厚壁的膨出部以及从膨出部开始以与中间部非接触的形态向喇叭本体的中央一侧延伸的前端部。

3．如权利要求2所述的超声波振动接合用工具，其特征在于，前端部具有***螺栓用的贯通孔。

4．如权利要求3所述的超声波振动接合用工具，其特征在于，前端部具有比***螺栓用的贯通孔大的螺栓头部收纳用的凹部。

5．一种超声波振动接合用工具，其特征在于，支承部以喇叭本体的振动方向为线对称轴而非对称地设置在喇叭本体上。

6．如权利要求5所述的超声波振动接合用工具，其特征在于，支承部包括：从喇叭本体的最小振动振幅点位置凸出的厚壁的根基部、从根基部开始以与喇叭本体非接触的形态向喇叭本体的端部一侧延伸的薄壁的中间部、从中间部向外凸出的厚壁的膨出部以及从膨出部开始以与中间部非接触的形态向喇叭本体的中间一侧的前端部延伸。

7．如权利要求5所述的超声波振动接合用工具，其特征在于，支承部具有与喇叭本体的接合作用面平行的安装面。

8．如权利要求1所述的超声波振动接合用工具，其特征在于，支承部具有与喇叭本体的接合作用面交叉的安装面。

9．一种超声波振动接合用工具，其特征在于，具有从喇叭本体的最小振动振幅点向外凸出的支承部和在支承部上作为安装面形成的斜面。

10．如权利要求9所述的超声波振动接合用工具，其特征在于，斜面作为支承部下侧的安装面形成，支承部上侧的安装面作为与喇叭本体的接合作用面平行的平坦面形成。

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