JP7266299B2 - Ultrasonic bonding equipment - Google Patents
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Description
本発明は、例えば配線接続部や金属端子間接続等に用いる超音波接合装置に関する。
BACKGROUND OF THE
近年、車載用の電装部品として積層バッテリー、車載用モータ、ＥＣＵなど多くのパワーデバイスが用いられている。これらの電装部品は基板接続端子としてボンディングワイヤを用いてワイヤボンディング接続することが多い。基板接続端子には５０Ａ（アンペア）や１００Ａなどの大電流を流す大径のボンディングワイヤが用いられる。また、接合する配線材としては銅電線、銅板、ニッケル板、アルミ電線、アルミ板などが用いられる。基板接続端子を接合する方法としては、抵抗溶接（スポット溶接）、はんだ接合、超音波接合等が用いられる。 2. Description of the Related Art In recent years, many power devices such as laminated batteries, vehicle motors, and ECUs have been used as vehicle electrical components. These electrical components are often wire-bonded using bonding wires as board connection terminals. A large-diameter bonding wire that allows a large current such as 50 A (ampere) or 100 A to flow is used for the substrate connection terminal. As wiring materials to be joined, a copper wire, a copper plate, a nickel plate, an aluminum wire, an aluminum plate, or the like is used. Resistance welding (spot welding), soldering, ultrasonic bonding, or the like is used as a method for joining the board connection terminals.
上記接合方法のうち、抵抗溶接を用いれば、接合部分が酸化しやすく発熱するため、近くに半導体デバイスを配置できない。はんだ接合によれば、接合部の信頼性が低く、接合部に接触抵抗が発生して通電により発熱しやすくなる。
これに対して、超音波接合は、金属材料どうしを接合する加工時間が０．５ｓｅｃと瞬間的に接合でき、拡散接合するため接触抵抗が小さく、大電流を流しても発熱が生じ難いため注目されている。超音波接合は、重ね合わせたワークに超音波接合ホーンを押し当てて接合荷重を加えたまま超音波接合部により超音波振動させることで、ワーク表面に形成された酸化膜を破壊し、清浄な金属表面を生成し、金属間化合物が形成されて接合されるものである。
Among the above joining methods, if resistance welding is used, the joining portion is likely to be oxidized and heat is generated, so that the semiconductor device cannot be arranged nearby. With solder joints, the reliability of the joints is low, and contact resistance is generated in the joints, making it easy to generate heat when energized.
On the other hand, ultrasonic bonding is attracting attention because it can instantly join metal materials with a processing time of 0.5 seconds, has low contact resistance due to diffusion bonding, and does not easily generate heat even when a large current is applied. It is In ultrasonic bonding, an ultrasonic bonding horn is pressed against the superimposed workpieces, and while a bonding load is applied, ultrasonic vibrations are applied to the ultrasonic bonding section to destroy the oxide film formed on the workpiece surface and clean the workpieces. It produces a metal surface and is bonded by forming an intermetallic compound.
上下に重ね合わせた金属材料（ワーク）を接合する方法としては、下側金属材料をアンビル治具などで固定し、上側金属材料を超音波接合ツールのホーンの歯を食い込ませて横振動を伝える。このとき、ワーク接合面に清浄な金属表面を生成させるための適切な押し付け圧（接合荷重）を継続的に維持する必要がある。
適切な押し付け圧より小さい荷重の場合には、摩擦が生じても酸化膜を破壊するほどの摩擦力は発生せず、接合には至らない。
また、適切な押し付け圧より大きい荷重の場合には、金属材料間の摩擦力のみが大きくなり、接合面に摩擦が起こらず、結果として超音波ホーンの歯が上側金属材料を粉砕したり、潰したりするなど、ワークを変形させることにエネルギーが使用され、潰された距離や外形が同じでも接合されていない製品となる。
As a method of joining metal materials (workpieces) that are stacked one on top of the other, the lower metal material is fixed with an anvil jig or the like, and the upper metal material is bitten by the teeth of the horn of the ultrasonic welding tool to transmit lateral vibration. . At this time, it is necessary to continuously maintain an appropriate pressing pressure (bonding load) for generating a clean metal surface on the work bonding surface.
If the load is less than the appropriate pressing pressure, even if friction occurs, the frictional force that destroys the oxide film will not be generated, and bonding will not occur.
In addition, when the load is greater than the appropriate pressing pressure, only the frictional force between the metal materials increases, and friction does not occur on the joint surface, and as a result, the teeth of the ultrasonic horn crush or crush the upper metal material. Energy is used to deform the workpiece, such as squeezing, resulting in a product that is not joined even if the crushed distance and outer shape are the same.
適切な押し付け圧は、ワーク表面の酸化膜の状態、材料の硬度、振動させる材料の質量など多くの要因で変化し、一概には規定できないので、ワークを構成する材料にあったパラメータ、例えば超音波出力、荷重、時間を変化させて実験で最適値を求める。このように、金属接合においては、荷重を一定に保つ制御が重要となる。また荷重の変動により超音波接合に要する電力も変化するので、変動しない荷重を印加することは重要である。 The appropriate pressing pressure varies depending on many factors, such as the state of the oxide film on the work surface, the hardness of the material, and the mass of the material to be vibrated. Optimal values are obtained through experiments by changing the sound wave output, load, and time. Thus, in metal joining, control to keep the load constant is important. In addition, since the power required for ultrasonic bonding changes due to changes in the load, it is important to apply a load that does not fluctuate.
ワークに所定の荷重を付与した接合技術として以下のものが提案されている。予めＩＣチップのバンプと回路基板の電極の押圧力プロファイルを作成する。バンプと電極の接触から接合完了までの一定時間で吸着コレットに印加される圧力をロードセルで検出し、この圧力をもとにフックの法則により圧縮コイルばねの変位量を算出し、圧縮コイルばねの変位量の差分を、現在の時間から接合完了までの残り時間との差分で除算して吸着コレットの修正された移動速度を求めてモータ回転数を制御することで、接合完了時に目標押圧力に到達するようにしている（特許文献１：特開２００３－３１８２２６号公報）。
また、圧着ヘッドを上下動自在に支持する昇降部と、圧着ヘッドの間に介在して圧着ヘッドに作用する荷重を検出するロードセルと、該ロードセルと線形な荷重・変位特性を有するコイルばねを直列に組み合わせて配置することで、ロードセルの変位量を大きくして単位昇降動作あたりの押圧荷重変化量を小さくした熱圧着装置が提案されている（特許文献２：特開２００７－３３５８９４号公報）。
また、エアアクチュエータの加圧力と、反発力設定用ばねの反発力を直列に協働させて接合ヘッドに加えるばね加圧式接合装置も提案されている（特許文献３：特開２０１６－１０７２７９号公報）。
The following techniques have been proposed as joining techniques in which a predetermined load is applied to the work. A pressing force profile of the bumps of the IC chip and the electrodes of the circuit board is created in advance. A load cell detects the pressure applied to the suction collet for a certain period of time from the contact between the bump and the electrode to the completion of bonding. By dividing the difference in the amount of displacement by the difference between the current time and the remaining time until the completion of welding, the corrected movement speed of the suction collet is obtained, and by controlling the motor rotation speed, the target pressing force is achieved at the time of completion of welding. (Patent Document 1: JP-A-2003-318226).
In addition, an elevating unit that supports the crimping head so that it can move vertically, a load cell that is interposed between the crimping heads and detects the load acting on the crimping head, and a coil spring that has linear load/displacement characteristics with the load cell are arranged in series. A thermocompression bonding apparatus has been proposed in which the amount of displacement of the load cell is increased and the amount of change in the pressing load per unit lifting operation is reduced by arranging the load cells in combination with each other (Patent Document 2: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-335894).
In addition, a spring pressurization type joining device has been proposed in which the pressurizing force of an air actuator and the repulsive force of a repulsive force setting spring are serially cooperated and applied to the joining head (Patent Document 3: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2016-107279). ).
たとえば、直径８ｍｍ（３８ｓｑ：芯線の断面積）のアルミ電線を金属端子に接続する場合、仕上がり高さは、おおよそ３ｍｍとなる。これは、１～２秒間の超音波発振動作中にホーンが５ｍｍ程度下降することになるので、５ｍｍ／ｓｅｃの下降速度に追従して接合荷重を維持できないと、印加する荷重値が下がってしまう。 For example, when connecting an aluminum wire with a diameter of 8 mm (38 sq: core wire cross-sectional area) to a metal terminal, the finished height is approximately 3 mm. This means that the horn descends by about 5 mm during the ultrasonic oscillation operation for 1 to 2 seconds, so if the bonding load cannot be maintained following the descending speed of 5 mm/sec, the applied load value will decrease. .
特許文献１の圧縮コイルばねを用いて接合荷重を検出する場合、温度変化によりばね係数が大きく変化するため、ばね係数から接合荷重を求める方法では、繰り返し正確な接合荷重を設定できない。サーボモータで吸着コレットの移動速度を制御する場合、外部からトルクが作用すると、位置決めしたポイントからずれるので、設定された接合荷重が変化して位置ずれ量も変化する。このためゲインを高くして応答性を上げないと目標位置に追従できない。位置ゲインを高く設定すると、発振し易くなるため振動を起こす可能性が増大する。また、出力の大きいモータが必要になり、起動速度が遅くなるため急激な立ち上がり起動には向かない。
特許文献２のようにロードセルにより接合荷重を検出する場合、ロードセルに入力するアナログ信号に乗るノイズ除去のためアンプに積分回路が設けられているので、出力信号の応答が遅く急激な変化を検出できない。よって、荷重変動に対して圧着ヘッドの昇降制御が遅れてしまう。
特許文献３のようにエアアクチュエータ（エアシリンダー）とばねを併用して加圧する場合、加工距離が５ｍｍと大きな場合に、急激な荷重変化に対してばねの伸縮に対してシリンダーが追従できないので、ばねが伸びて加圧力が一時的に下がる。このため、一定の接合荷重を維持する制御はできない。
When the joint load is detected using the compression coil spring of
When the joint load is detected by a load cell as in
When pressure is applied using both an air actuator (air cylinder) and a spring as in
本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、金属材料どうしを重ね合わせて超音波接合する際に、応答性の良い一定荷重制御を行って加工精度を高めた超音波接合装置を提供することにある。 The present invention has been made to solve these problems, and its object is to perform a constant load control with good responsiveness when superimposing and ultrasonically bonding metal materials to improve processing accuracy. An object of the present invention is to provide an improved ultrasonic bonding apparatus.
本発明は上記目的を達成するため、次の構成を備える。
金属材よりなるワークどうしを重ね合わせ、当該ワーク上に接合ツールを押し当てたまま超音波振動させて接合する超音波接合装置であって、ベース部より起立形成された起立部に支持されたパルスモータと、前記パルスモータの回転駆動を直動動作に変換する駆動伝達機構と、前記駆動伝達機構により駆動伝達されて前記起立部に設けられた第一直動レールに沿って鉛直方向に昇降する第一移動部と、前記第一移動部に設けられた第二直動レールに沿って鉛直方向に往復動すると共に前記接合ツールを保持する第二移動部と、前記第一移動部を下降させて当該第一移動部と前記第二移動部との間に介在する弾性部材を弾性変形させることで前記接合ツールを前記ワークに押し当てて目標荷重値となる接合荷重を検出する荷重検出部と、前記第二移動部の前記第一移動部に対する鉛直方向の移動量を計測するリニアスケールと、前記パルスモータの動作を制御する制御部と、を具備し、前記制御部は、前記第一移動部が下降して前記接合ツールがワークに押し当てられて前記荷重検出部で検出された接合荷重値が目標荷重値に到達した状態で前記接合ツールを超音波振動させ、前記第一移動部に対する前記第二移動部の鉛直方向の位置ずれを前記リニアスケールの計測値の変化から計測して前記パルスモータを所定方向に所定パルス回転駆動して前記第一移動部を移動させることで、接合荷重値を所定の値に保つように荷重制御することを特徴とする。
In order to achieve the above objects, the present invention has the following configurations.
An ultrasonic bonding apparatus that superimposes workpieces made of metal materials and bonds them by ultrasonically vibrating them while a bonding tool is pressed against the workpieces. A motor, a drive transmission mechanism that converts the rotational drive of the pulse motor into a linear motion, and a drive transmitted by the drive transmission mechanism to vertically move up and down along a first linear motion rail provided on the standing portion. a first moving portion, a second moving portion that reciprocates in the vertical direction along a second linear motion rail provided on the first moving portion and holds the welding tool, and a second moving portion that lowers the first moving portion. a load detection unit that detects a bonding load that becomes a target load value by pressing the welding tool against the work by elastically deforming an elastic member interposed between the first moving portion and the second moving portion; , a linear scale for measuring the amount of vertical movement of the second moving part with respect to the first moving part; and a control part for controlling the operation of the pulse motor, wherein the control part controls the first moving When the welding tool is pressed against the workpiece and the welding load value detected by the load detection unit reaches a target load value, the welding tool is ultrasonically vibrated to move the welding tool to the first moving portion. By measuring the displacement of the second moving part in the vertical direction from the change in the measurement value of the linear scale and driving the pulse motor to rotate in a predetermined direction with predetermined pulses to move the first moving part, the joint load is It is characterized in that the load is controlled so as to keep the value at a predetermined value.
上記構成によれば、制御部は荷重検出部により目標荷重値を設定して接合ツールを超音波振動させ、第一移動部に対する第二移動部の鉛直方向の位置ずれをリニアスケールにより検出し、パルスモータを所定方向に所定パルス回転駆動して第一移動部を移動させることで接合荷重値を所定の値に保つように荷重制御する。よって、リニアスケールの応答は高速であるのでワークに作用する急激な接合荷重変化に対しても、リニアスケールの計測値に応じてパルスモータを所定方向に所定パルス回転駆動することで、応答性の良い一定荷重制御を行って超音波接合を行なうことができる。
特に温度変化によりばね定数が変化したりばね自体が劣化したりするコイルばねによる荷重制御や、荷重変化に対する応答速度の遅いロードセルにより荷重制御を行う場合に比べて、応答性の良い一定荷重制御を実現することができる。
尚、第一移動部と第二移動部との間には弾性部材が介在しているが、荷重ゼロの状態で圧縮されており、温度変化のあるばね定数が荷重制御に影響しない。また、接合荷重として使用する範囲では弾性変形する線形領域を使用するため、荷重制御に影響することはない。
According to the above configuration, the control unit sets the target load value by the load detection unit, ultrasonically vibrates the welding tool, detects the vertical positional deviation of the second moving unit with respect to the first moving unit by the linear scale, By rotating the pulse motor in a predetermined direction with a predetermined pulse to move the first moving portion, the load is controlled so as to keep the bonding load value at a predetermined value. Therefore, since the response of the linear scale is high-speed, even if there is a sudden change in the joint load acting on the workpiece, the response can be improved by rotating the pulse motor in a predetermined direction in a predetermined pulse according to the measurement value of the linear scale. Ultrasonic bonding can be performed with good constant force control.
In particular, compared to load control using coil springs, whose spring constant changes or deteriorates due to temperature changes, or load control using load cells, which have a slow response speed to load changes, constant load control with good responsiveness is possible. can be realized.
Although an elastic member is interposed between the first moving part and the second moving part, it is compressed in a state of zero load, and the spring constant with temperature change does not affect load control. In addition, since a linear region of elastic deformation is used within the range used as the joint load, it does not affect load control.
前記第一移動部に対して前記第二移動部が下方にずれた場合には、前記制御部が前記パルスモータを所定方向に回転させて前記第一移動部を下降させ、前記第一移動部に対して前記第二移動部が上方にずれた場合には、前記制御部が前記パルスモータを逆方向に回転させて前記第一移動部を上昇させて荷重制御が行われることが望ましい。
これにより、目標荷重値に対する接合荷重の変動に応じて、応答性の良い一定荷重制御を行うことができる。
When the second moving portion is displaced downward with respect to the first moving portion, the control portion rotates the pulse motor in a predetermined direction to lower the first moving portion, thereby moving the first moving portion downward. When the second moving portion is displaced upward with respect to, it is preferable that the control portion rotates the pulse motor in the opposite direction to raise the first moving portion to perform load control.
As a result, it is possible to perform constant load control with good responsiveness according to fluctuations in the joint load with respect to the target load value.
前記リニアスケールの計測値が、目標値荷重値に対応する目標パルス数からプラスマイナスで所定パルス範囲を超えた場合に、前記制御部が前記パルスモータを所定方向に回転させて荷重制御を行なうようにしてもよい。
これにより、接合ツールの超音波振動により第二移動体を通じたリニアスケールの振動等を考慮して目標パルス数の上下に不制御領域（緩衝領域）を設けることで安定した荷重制御を行うことができる。
When the measured value of the linear scale exceeds a predetermined pulse range plus or minus a target number of pulses corresponding to the target value load value, the control unit rotates the pulse motor in a predetermined direction to perform load control. can be
As a result, it is possible to perform stable load control by providing an uncontrolled region (buffer region) above and below the target pulse number in consideration of the vibration of the linear scale through the second moving body due to the ultrasonic vibration of the welding tool. can.
前記弾性部材はコイルばねであり、前記第一移動部に前記第二移動部の上限位置及び下限位置を各々検出する位置センサを備え、前記位置センサが前記第二移動部の移動を検出すると前記制御部は前記パルスモータの出力を停止することが望ましい。
これにより、第一移動部に対する第二移動部の上下動により印加される荷重が変化しコイルばねの撓み量が変化するところ、コイルばねの撓み量が線形変化する全撓み量の３０％～７０％の範囲を超える荷重が作用したときに、超音波接合動作を回避することができる。
The elastic member is a coil spring, the first moving part is provided with position sensors for detecting the upper limit position and the lower limit position of the second moving part, and when the position sensor detects the movement of the second moving part, the It is desirable that the controller stop the output of the pulse motor.
As a result, when the load applied by the vertical movement of the second moving part with respect to the first moving part changes and the deflection amount of the coil spring changes, the deflection amount of the coil spring changes linearly from 30% to 70% of the total deflection amount. Ultrasonic bonding operations can be avoided when loads exceeding the % range are applied.
金属材料どうしを重ね合わせて超音波接合する際に、応答性の良い一定荷重制御を行って、加工精度を高めた超音波接合装置を提供することができる。 It is possible to provide an ultrasonic bonding apparatus that performs constant load control with good responsiveness and improves processing accuracy when superimposing and ultrasonically bonding metal materials.
以下、本発明に係る超音波接合装置の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。超音波接合装置は金属材よりなるワークどうしを重ね合わせ、当該ワーク上に超音波接合ツールを押し当てたまま超音波接合部により振動させて超音波接合する。ワークとしては、例えば大電流用配線の結合部分に用いられる銅電線、アルミ電線等を銅板、ニッケル板、アルミ板等に重ね合わせて超音波接合する際に用いられる。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION An embodiment of an ultrasonic bonding apparatus according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. The ultrasonic bonding apparatus superimposes workpieces made of metal materials, and ultrasonically bonds the workpieces by vibrating them with an ultrasonic bonding portion while pressing the ultrasonic bonding tool against the workpieces. As the work, for example, a copper electric wire, an aluminum electric wire, or the like used for a connection portion of a high-current wiring is superimposed on a copper plate, a nickel plate, an aluminum plate, or the like, and used for ultrasonic bonding.
超音波接合装置の構成例について、図１を参照して説明する。
ベース部１にはワークである銅端子Ｗ１を固定する端子固定治具１ａ（アンビル治具等）が搭載される。端子固定治具１ａの上面は、端子の滑り止め用に例えば０．５ｍｍ程度のローレット加工が施されている。ベース部１上に起立形成された装置本体部２（起立部）の上端にはパルスモータ３がモータ軸（図示せず）を鉛直下方に向けて支持されている。パルスモータ３は、正逆回転駆動可能なパルスモータが用いられる。パルスモータ３のモータ軸には転造ボールねじ４が連結されている。転造ボールねじ４にはナット５がねじ嵌合しており、パルスモータ３の回転駆動を直動動作に変換する（駆動伝達機構）。
A configuration example of an ultrasonic bonding apparatus will be described with reference to FIG.
A
ナット５は第一プレート６（第一移動部）に一体に組み付けられている。装置本体部２には第一直動ガイドレール２ａが長手方向（鉛直方向）に設けられている。第一プレート６は第一直動ガイド６ａを介して第一直動ガイドレール２ａと連繋している。転造ボールねじ４が所定方向に回転すると、ナット５と共に第一プレート６が、装置本体部２に設けられた第一直動ガイドレール２ａに沿って昇降する。尚、転造ボールねじ４は右ねじであるので、ＣＷ方向（時計回り方向）に回転すると第一プレート６は下降し、ＣＣW（反時計回り方向）に回転すると第一プレート６は上昇する。
The
第一プレート６には、第二プレート７（第二移動部）が鉛直方向に往復動可能に組み付けられている。第二プレート７の下端部には、ホーンクランプ７ａが設けられ、このホーンクランプ７ａにより超音波ホーン８（接合ツール）が保持されている。第一プレート６には鉛直方向で２か所に第一ばね取付部６ｂ及び第二ばね取付部６ｃが水平方向に突設されている。第一，第二ばね取付部６ｂ，６ｃには一対の第二直動ガイドレール６ｄが鉛直方向に設けられている。尚、第二直動ガイドレール６ｄは第一，第二ばね取付部６ｂ，６ｃの両側であって第一プレート６上に鉛直方向に設けられていてもよい。第二プレート７は、第二直動ガイド７ｂを介して第二直動ガイドレール６ｄと各々連繋している。超音波ホーン８は、ホーン先端部８ａが銅端子Ｗ１に重ねて配置されたアルミ電線Ｗ２に当接したまま超音波発振器９により振動子８ｂを超音波振動させて超音波接合するようになっている。超音波ホーン８のホーン先端部８ａには、アルミ電線Ｗ２に押し当てられる面にローレット加工若しくは波形加工が施されている。
A second plate 7 (second moving portion) is attached to the
また、第二プレート７には、第一ばね取付部６ｂと第二ばね取付部６ｃとの間に挿入配置される中間プレート７ｃが水平方向に突設されている。この中間プレート７ｃ上にはロードセル１０（荷重計１：荷重検出部）が固定されている。第一ばね取付部６ｂとロードセル１０との間には第一コイルばね１１（コイルばね）が伸縮可能に設けられており、中間プレート７ｃと第二ばね取付部６ｃとの間には第二コイルばね１２（コイルばね）が伸縮可能に設けられている。
Further, the
第二プレート７は、転造ボールねじ４の回転により第一プレート６と共に昇降し、第二プレート７に保持された超音波ホーン８がワークに押し当てられると相対的に上昇し、超音波接合によりワークの厚みが減少すると下降するようになっている。
第一プレート６を下降させて当該第一プレート６と第二プレート７との間に介在する第一コイルばね１１及び第二コイルばね１２（弾性部材）を弾性変形させることで超音波ホーン８をワークに押し当ててロードセル１０によって、目標荷重値となる接合荷重を検出する。
The
By lowering the
また、第一プレート６には、第二プレート７の第一プレート６に対する鉛直方向の位置ずれを計測するリニアスケール１３が設けられている。本実例例では後述するように、超音波ホーン８の接合荷重をロードセル１０の検出信号によらずリニアスケール１３の検出信号に基づいて制御するようになっている。リニアスケール１３としては、例えば光学反射式のインクリメンタル型のものが用いられる。
Further, the
制御装置１４（制御部：コントローラ）は、超音波ホーン８の接合動作及びパルスモータ３の駆動を制御する。制御装置１４は、装置全体の動作を制御するＣＰＵ（中央演算処理装置）や制御プログラムを記憶したＲＯＭ、ＲＯＭに記憶した制御プログラムを読み出したり、ＣＰＵのワークエリアとして演算を実行したり、入力部（操作パネル）等から入力されたデータの一時的な記憶を行うＲＡＭ、パルスモータ３を駆動制御するモータドライバ１４ａなどを備えている。
制御装置１４には、図示しない入力部から入力された入力信号や、ロードセル１０により検出された荷重値、リニアスケール１３により検出された変位量計測値（カウンター値）が入力され、制御装置１４からパルスモータ３の駆動信号や超音波発振器９に対する駆動信号が送出される。
制御装置１４は、予めロードセル１０によって検出された目標荷重値を記憶したり、入力部からのコマンドに応じて超音波発振器９を起動したり、リニアスケール１３の変位検出値に応じてパルスモータ３を所定量所定方向に回転させて接合荷重を目標荷重値になるように制御したりする。
A control device 14 (controller: controller) controls the bonding operation of the
An input signal input from an input unit (not shown), a load value detected by the
The control device 14 stores the target load value detected by the
制御装置１４は、第一プレート６が下降して超音波ホーン８のホーン先端部８ａがワーク（アルミ電線Ｗ２）に押し当てられ、ロードセル１０で検出された荷重値が目標荷重値に到達した状態で、超音波ホーン８を超音波振動させ、第一プレート６に対する第二プレート７の鉛直方向の位置ずれをリニアスケール１３の計測値の変化から計測してパルスモータ３を所定方向に所定パルス回転駆動させて第一プレート６を移動させる。これにより、第一コイルばね１１及び第二コイルばね１２の変位量（撓み量）を所定範囲に保つように荷重制御する。
The controller 14 detects a state in which the
ここで、接合荷重を一定に保つ加圧原理について図２乃至図４を参照して説明する。図２において、端子固定治具１ａには、測定用ロードセル１５（荷重計２）が設けられている。パルスモータ３を回転駆動して第一プレート６を装置本体部２に沿って下降させると、第二プレート７の先端部（下端部）が測定用ロードセル１５に当たる。更に第一プレート６を下降させると、第一コイルばね１１が圧縮され、第二コイルばね１２が伸びる。この状態から第一コイルばね１１及び第二コイルばね１２の圧縮又は伸びの変化量を１ｍｍ単位で変化させたときのロードセル１０（荷重計１）と測定用ロードセル１５（荷重計２）の値を図４Ａの表と図４Ｂのグラフに示す。
荷重計１の値を荷重計２の値（印加荷重値）に変換する方法としては、ホーン先端部８ａが測定用ロードセル１５から離れているときに、荷重計２が零を示すばね圧縮距離位置で荷重計１の値をシフト値（150N）として用いる。荷重計２が例えば５００Ｎを示すまで第一プレート６を下降させるときの荷重計１の傾きを求める。荷重計１の傾きがａ１で荷重計２の傾きがａ２とすると、傾き倍率はa２／a１となり、荷重変換式は荷重計１の値からシフト値を減算して傾き倍率を乗算する。図４Ｂでは、シフト値が150Nであるので、荷重計１の値をF１とすると、荷重計２の印加荷重値F２に変換するには
F２＝（F１－150N）×（a２／a１）となる。
Here, the pressurizing principle for keeping the bonding load constant will be described with reference to FIGS. 2 to 4. FIG. In FIG. 2, the
As a method of converting the value of the
F2 = (F1 - 150N) x (a2/a1).
尚、第一コイルばね１１及び第二コイルばね１２の撓み量（圧縮距離）を荷重に換算すると、設計上では全撓み量の３０％～７０％の範囲で使用するように考慮しなければならない。これは、ばね定数が直線を示す領域が、３０％以下では小さく、７０％以上では大きくなるためである。本実施例では、ばねの使用領域（上端及び下端）を超える一対の位置センサ１６（例えばフォトセンサ）を第一プレート６に設けて、第二プレート７が上記いずれかの位置センサ１６に検出されるとパルスモータ３への出力を遮断するようになっている。
また、荷重零の状態で第一コイルばね１１及び第二コイルばね１２がともに圧縮されており、装置で使用する荷重範囲内でばね定数の直線領域を使用する設計となっている。尚、第一プレート６には、第一コイルばね１１の撓み量を予め調整する荷重調整ねじが設けられていてもよい。
When the amount of deflection (compression distance) of the
In addition, the
次に上述した超音波接合装置を用いた接合動作について説明する。
図１に示すように、端子固定治具１ａにセットされた銅端子Ｗ１の上にアルミ電線Ｗ２を置き、ホーン先端部８ａで下向き荷重を加える。荷重値は上述したようにロードセル１０（荷重計１）で計測された荷重値を演算した値であり、加圧荷重値と同じ値である。この加圧荷重値が目標荷重値（例えば５００Ｎ）となるまでパルスモータ３をＣＷ方向（時計回り方向）に回転させると、第一プレート６は下降し、ホーン先端部８ａがアルミ電線Ｗ２に当たると第二プレート７は第一プレート６と連繋している第二直動ガイドレール６ｄ上を滑り、第一プレート６との相対位置がずれる。このとき第一コイルばね１１は圧縮され、第二コイルばね１２は伸びる。アルミ電線Ｗ２はホーン先端部８ａで印加された荷重により潰された後、第一プレート６はそれ以上下降しない。第一，第二プレート６，７間の相対位置がずれるときに、リニアスケール１３の出力パルスが送出され、カウンター値を変化させる。例えば、パルスモータ３が0.72°／plsの１回転５００パルス、転造ボールねじ４のリードが２mmであるとすると、２５０パルスで１mm、１パルス当たり0.004mm移動する。
Next, a bonding operation using the ultrasonic bonding apparatus described above will be described.
As shown in FIG. 1, an aluminum electric wire W2 is placed on a copper terminal W1 set on a
ロードセル１０で検出される荷重値が目標荷重値（例えば５００Ｎ）に到達し、アルミ電線Ｗ２が荷重により潰される距離が変化しなくなった状態で、制御装置１４は、リニアスケール１３により検出されるカウンター値を目標パルス数として設定し、以下の制御を実行する。第一プレート６と第二プレート７間の相対位置がずれるときには、リニアスケール１３から0.001mmごとにパルスが発生しているので、このパルスを（１／４）分周してモータドライバ１４ａに加える（0.004mm相当のパルスとなる）。リニアスケール１３の出力パルス0.001mm／plsを（１／４）分周すると、0.004mm／plsであるので、パルスモータ３による第一プレート６の移動パルス幅と等しくなり、目標荷重到達後にプレート間のずれを生じさせないように制御することができる。
When the load value detected by the
第一プレート６に対して第二プレート７が下方（圧力が減る方向）にずれた場合には、制御装置１４は目標パルス数からマイナスにずれるので、モータドライバ１４ａのＣＷ回転方向（時計回り方向）に所定パルスを加えて第一プレート６を下降させる。また、第一プレート６に対して第二プレート７が上方（圧力が増加する方向）にずれた場合には、制御装置１４は目標パルス数からプラスにずれるので、モータドライバ１４ａのＣＣＷ回転方向（反時計回り方向）に所定パルスを加えて第一プレート６を上昇させる。
When the
この状態で、制御装置１４は超音波発振器９を発振させて振動子８ｂによりホーン先端部８ａを横振動させると、アルミ電線Ｗ２は潰れてアルミの塊となり、銅端子Ｗ１との間で金属間化合物を形成して接合される。アルミ線Ｗ２を銅端子Ｗ１に接合した状態を図５の写真図に示す。
このとき、超音波ホーン８のホーン先端部８ａは、所定速度（５mm／sec）で下降するが、第一，第二プレート６，７間のずれをリニアスケール１３が検出して出力パルスを送出し、制御装置１４はその出力パルスよりパルスモータ３の駆動を制御しているので、第一，第二プレート６，７間のずれは一定となる。即ち、接合荷重値を一定に保つことができる。
In this state, the control device 14 causes the ultrasonic oscillator 9 to oscillate so that the
At this time, the
パルスモータ３の１パルスあたりのプレート間移動量を荷重に換算すると、ばね定数が６４N／mmであるので、およそ４パルス（3.9パルス）で１N変化する。0.25N以内の荷重ずれを押さえられる計算であるが、実際には、超音波ホーン８の超音波振動による機械振動がリニアスケール１３の振動となって伝達されるため、目標パルス数の上下に荷重換算で±１N～±５N程度の緩衝領域（不制御領域）を設けることで、安定した一定荷重制御を実現している。
When the amount of movement between the plates per pulse of the
具体的には、パルスモータ３の自起動周波数で起動できる回転数は３００rpmであり1秒間に５回転する。実際には負荷がかかっているのでモータが回転できる速さはその１／５とすると１秒間に1回転程度は回転可能と考えられる。パルスモータ３の１回転は５００パルスなので５００パルスを荷重に換算すると、５００／４＝１２５Ｎとなる。リニアスケール１３の出力パルスを直接モータドライバ１４ａに入力した場合、１秒間に１２５Ｎの荷重変化に追従できる計算となる。超音波ホーン８の下降速度は５mm／secであるので、１秒間に２．５回転であり、パルスモータ３の起動速度のままでは荷重が減ってしまうので短時間で２．５倍まで加速しなければならないが、倍率が低いので実現可能なことがわかる。荷重が低下する初期の段階で、１Ｎ低下したとすると４パルスを加えると荷重低下を防ぐことができる。リニアスケール１３の検出信号をモータドライバ１４ａに直接に接続すれば、１パルスからモータ制御できるので荷重低下は無くすことができるが、実用上は装置構成部品の歪みやばねの振動、超音波ホーン８のたわみ、直動ガイドのガタ等が生ずるので、荷重値が上下する振動を起こしてしまう。これを解決するため、リニアスケール１３の出力パルスで目標パルス数に±数パルス（±４パルス～２０パルス）程度の不動作帯を設定しておくと振動が抑えられる。
Specifically, the number of revolutions that can be started at the self-starting frequency of the
また、超音波ホーン８を支持するホーンクランプ７ａは質量を大きく設計することが望ましい。超音波ホーン８が加工中に横振動するのでそれを支える部品の質量が小さいと振動エネルギーが消失してしまう。しかしながら、ホーンクランプ７ａを重く設計することは重い質量の部品を高速で動かすことになり、モータ出力が必要となるが、ボールねじ４にてモータトルクを増大させて推力（荷重）に変えるので、パルスモータ３のプルアウトトルク以内であれば、起動推力が不足することはない。超音波接合装置の各部品は共振を避けるため、ホーン固有振動数の（1/2）λ（３５kHzは約75mm、40kHzは約125mm）を避けた寸法で設計する必要がある。
Also, the
上述した実施例は、目標荷重値を５００Ｎで設計したが、これに限定されたものではなく、コイルばねのばね定数を小さなものに変更してパルスモータ３の分解能を上げることにより、より軽い荷重で精度の高い制御を行なうことも可能であるし、コイルばねのばね定数を大きなものに変更してより重い荷重で精度の高い制御を行なってもよい。また、アルミ電線Ｗ２を銅端子Ｗ１に接合する場合を例示したが、銅線を銅端子やニッケル端子に接合する場合等、他のワークどうしの超音波接合に用いても良い。 In the above-described embodiment, the target load value is designed to be 500 N, but the target load value is not limited to this. Alternatively, the spring constant of the coil spring may be changed to a larger one to perform highly accurate control with a heavier load. Also, although the case of joining the aluminum wire W2 to the copper terminal W1 has been illustrated, it may be used for ultrasonic joining of other works such as joining a copper wire to a copper terminal or a nickel terminal.
以上説明したように、ワークに作用する急激な接合荷重変化に対しても、リニアスケール１３の計測値に応じてパルスモータ３を所定方向に所定パルス回転駆動することで、応答性の良い一定荷重制御を行って超音波接合を行なうことができる。
特に温度変化によりばね定数が変化したりばね自体が劣化したりするコイルばねによる荷重制御や、荷重変化に対する応答速度の遅いロードセルにより荷重制御を行う場合に比べて、応答性の良い荷重制御を実現することができる。
As described above, the
In particular, load control with better responsiveness is achieved compared to load control using coil springs, whose spring constant changes or deteriorates due to temperature changes, or load control using load cells, which have a slow response speed to load changes. can do.
１ ベース部 １ａ 端子固定治具 Ｗ１ 銅端子 Ｗ２ アルミ電線 ２ 装置本体部 ２ａ 第一直動ガイドレール ３ パルスモータ ４ 転造ボールねじ ５ ナット ６ 第一プレート ６ａ 第一直動ガイド ６ｂ 第一ばね取付部 ６ｃ 第二ばね取付部 ６ｄ 第二直動ガイドレール ７ 第二プレート ７ａ ホーンクランプ ７ｂ 第二直動ガイド ７ｃ 中間プレート ８ 超音波ホーン ８ａ ホーン先端部 ８ｂ 振動子 ９ 超音波発振器 １０ ロードセル １１ 第一コイルばね １２ 第二コイルばね １３ リニアスケール １４ 制御装置 １４ａ モータドライバ １５ 測定用ロードセル １６ 位置センサ
REFERENCE SIGNS
Claims (4)
ベース部より起立形成された起立部に支持されたパルスモータと、
前記パルスモータの回転駆動を直動動作に変換する駆動伝達機構と、
前記駆動伝達機構により駆動伝達されて前記起立部に設けられた第一直動レールに沿って鉛直方向に昇降する第一移動部と、
前記第一移動部に設けられた第二直動レールに沿って鉛直方向に往復動すると共に前記接合ツールを保持する第二移動部と、
前記第一移動部を下降させて当該第一移動部と前記第二移動部との間に介在する弾性部材を弾性変形させることで前記接合ツールを前記ワークに押し当てて目標荷重値となる接合荷重を検出する荷重検出部と、
前記第二移動部の前記第一移動部に対する鉛直方向の位置ずれを計測するリニアスケールと、
前記接合ツールの接合動作及び前記パルスモータの駆動を制御する制御部と、を具備し、
前記制御部は、前記第一移動部が下降して前記接合ツールがワークに押し当てられて前記荷重検出部で検出された接合荷重値が目標荷重値に到達した状態で前記接合ツールを超音波振動させ、前記第一移動部に対する前記第二移動部の鉛直方向の位置ずれを前記リニアスケールの計測値の変化から計測して前記パルスモータを所定方向に所定パルス回転駆動して前記第一移動部を移動させることで、接合荷重値を所定の値に保つように荷重制御することを特徴とする超音波接合装置。 An ultrasonic bonding device that superimposes workpieces made of metal materials and bonds them by ultrasonically vibrating them while a bonding tool is pressed against the workpieces,
a pulse motor supported by an upright portion formed upright from a base portion;
a drive transmission mechanism that converts the rotational drive of the pulse motor into linear motion;
a first moving part that is driven and driven by the drive transmission mechanism and moves up and down in a vertical direction along a first direct-acting rail provided on the standing part;
a second moving part that reciprocates in the vertical direction along a second linear motion rail provided in the first moving part and holds the welding tool;
By lowering the first moving part and elastically deforming an elastic member interposed between the first moving part and the second moving part, the welding tool is pressed against the workpiece to achieve a target load value. a load detection unit that detects a load;
a linear scale for measuring a vertical displacement of the second moving part with respect to the first moving part;
a control unit that controls the welding operation of the welding tool and the drive of the pulse motor;
The control section moves the welding tool using ultrasonic waves in a state in which the first moving section descends, the welding tool is pressed against the workpiece, and the welding load value detected by the load detecting section reaches a target load value. By vibrating, the positional deviation of the second moving part in the vertical direction with respect to the first moving part is measured from a change in the measurement value of the linear scale, and the pulse motor is driven to rotate in a predetermined direction with predetermined pulses to move the first moving part. An ultrasonic bonding apparatus characterized in that by moving a part, load control is performed so as to keep a bonding load value at a predetermined value.
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