JP2016034656A - 面接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接合界面にボイドが生じるのを抑制し、接合界面における接合面積を増大させることができる技術を提供する。【解決手段】重ね合わされた複数の被接合物１０，２０それぞれの対向する接合面１１，２１どうしを接合する際に、対向する接合面１１，２１のいずれか一方の全面に渡って凹凸パターンが形成される。したがって、重ね合わされた複数の被接合物をヘッド２およびアンビル３それぞれの押圧面２ａ，３ａにより挟持して加圧した状態で超音波振動を印加することで、対向する接合面１１，２１それぞれにおいて生成される新生面の面積が増大するので、接合界面にボイドが生じるのを抑制し、接合界面における接合面積を増大させることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、重ね合わされた複数の被接合物を第１、第２の押圧体それぞれの押圧面により挟持して加圧した状態で超音波振動を印加し、各被接合物それぞれの対向する接合面どうしを接合する技術に関する。

従来、加圧しながら超音波振動を印加することにより重ね合わされた複数の被接合物それぞれの対向する接合面どうしを接合する技術が知られている。例えば、特許文献１に記載の接合装置では、超音波振動を生成する振動子が結合された共振器（ヘッド）の押圧面とアンビルの押圧面との間に複数の被接合物が重ね合わされた状態で保持される。そして、共振器の押圧面とアンビルの押圧面との間に加圧された状態で保持された各被接合物に、振動子が生成する超音波振動に共振する共振器の押圧面から超音波振動が印加されることにより、各被接合物それぞれの対向する接合面どうしが接合される。

特開平９−１２２９３４号公報（段落００１７〜００２３、図１〜３など）

近年、電池や大容量コンデンサ、パワーデバイス等の分野において、金属板や金属箔、金属シート、リボン状の金属テープ、一方面に金属膜が形成された基板などの被接合物どうしを超音波振動を利用して面接合する機会が増大している。この場合、セラミック積層チップ部品の外部電極や実装部品のバンプを基板表面のランドに超音波振動を利用して実装する場合と比較すると、被接合物どうしの接合領域の面積が非常に大きい。そのため、接合領域が全面に渡って接合できず、図６の従来の接合界面の一例に示すように、接合界面にボイドが生じる場合がある。接合界面にボイドが生じると、接合強度が減少すると共に、被接合物どうしの接合界面における電気抵抗が増大するという問題がある。

超音波振動を利用した被接合物どうしの接合では、互いの接合面どうしが当接した状態で重ね合わされた被接合物に加圧しながら超音波振動を印加することで、接合面の酸化膜やゴミ、埃などのコンタミネーションが除去されて接合面に生成される新生面どうしが結合する。したがって、被接合物の接合面どうしを良好に接合するには、被接合物の接合面どうしが接触した状態で接合面間に十分に大きな滑りを生じさせる必要がある。

そのため、例えば図６に示すように、シート状の被接合物１０，２０どうしが接合される場合には、被接合物１０，２０それぞれの裏面とヘッド２およびアンビル３それぞれの押圧面２ａ，３ａとの間に生じる摩擦力を増大させるために、一般的に、ヘッド２の押圧面２ａおよびアンビル３の押圧面３ａのそれぞれに凹凸パターンが形成されている。このようにすると、ヘッド２およびアンビル３それぞれの押圧面２ａ，３ａと被接合物１０，２０との間に滑りが生じるのが抑制されるので、相対的に被接合物１０，２０の接合面間の滑り量を大きくすることができる。

ところが、本願発明者が従来の接合方法により接合面どうしが接合された被接合物１０，２０どうしの接合界面を観察したところ、図６に示すように、ヘッド２およびアンビル３それぞれの押圧面２ａ，３ａの凹凸パターンの凸部分の位置Ｐ１では接合面どうしが一体化されて十分に接合されていた。その一方で、押圧面２ａ，３ａの凹凸パターン凹部分の位置Ｐ２においては、同図中の一点鎖線で囲まれた領域に示すように接合界面にボイドが生じていた。したがって、接合界面にボイドが生じるのを抑制し、接合界面において新生面どうしが接合した部分の面積を増大させることができる技術が要望されている。

この発明は、上記した課題に鑑みてなされたものであり、接合界面にボイドが生じるのを抑制し、接合界面における接合面積を増大させることができる技術を提供することを目的とする。

上記した目的を達成するために、本発明にかかる面接合方法は、重ね合わされた複数の被接合物を第１、第２の押圧体それぞれの押圧面により挟持して加圧した状態で超音波振動を印加し、前記各被接合物それぞれの対向する接合面どうしを接合する面接合方法において、前記対向する接合面のいずれか一方の所定の接合領域全面に規則的な凹凸パターンを形成する工程を備え、前記超音波振動および前記加圧により前記凹凸パターンの凸部分を潰して新生面を凹部分に形成することを特徴としている。

また、加圧方向に突出する複数の微小突起が形成されることにより前記凹凸パターンが形成され、前記超音波振動の方向が前記加圧方向に直交する方向であるとよい。

また、前記被接合物は、金属板、金属箔または一方面に金属膜が形成された基板であるとよい。

請求項１の発明によれば、重ね合わされた複数の被接合物それぞれの対向する接合面どうしを接合する際に、対向する接合面のいずれか一方の所定の接合領域全面に規則的な凹凸パターンが形成される。そのため、複数の被接合物どうしが重ね合わされる際に、対向する接合面のいずれか一方の所定の接合領域全面に形成された凹凸パターンの凸部分が他方の接合面に接触するので、対向する接合面どうしの接触面積を減少させて両接合面間に生じる接触（静止）摩擦力を減少させることができる。したがって、超音波振動を利用した接合の初期段階において、接合面間に確実に大きな滑りを生じさせることができる。

また、重ね合わされた複数の被接合物を第１、第２の押圧体それぞれの押圧面により挟持して加圧した状態で超音波振動を印加したときに、対向する接合面のうち凹凸パターンが形成された一方の接合面では、凹凸パターンの凸部分が超音波振動および加圧によって潰れることにより新生面が凹部分にも広がるので、接合面の所定の接合領域に生成される新生面の面積が増大する。また、凹凸パターンが形成されていない他方の接合面では、対向する一方の接合面に形成された凹凸パターンの凸部分が摺接することにより生成される新生面の面積が増大する。したがって、対向する接合面それぞれの接合領域全面において生成される新生面の面積が増大するので、接合界面にボイドが生じるのを抑制し、接合界面における接合面積を増大させることができる。

請求項２の発明によれば、加圧方向に突出する複数の微小突起が形成されることにより凹凸パターンが形成されているので、加圧方向に直交する方向に振動する超音波振動により、微小突起を確実に潰すことができる。

請求項３の発明によれば、金属板、金属箔または一方面に金属膜が形成された基板により形成される被接合物の接合面どうしを良好に接合することができる。

本発明の第１実施形態にかかる接続方法を示す図である。 接合面に凹凸パターンを形成する工程を示す図であって、（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ異なる工程を示す図である。 接合面に形成された凹凸パターンを示す拡大図である。 接合界面の一例を示す顕微鏡写真による断面図であって、（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ種類の異なる接合界面を示す断面図である。 本発明の第２実施形態にかかる接続方法を示す図である。 従来の接合界面の一例を示す図である。

＜第１実施形態＞
この発明の第１実施形態について図１〜図４を参照して説明する。図１は本発明の第１実施形態にかかる接続方法を示す図である。図２は接合面に凹凸パターンを形成する工程を示す図であって、（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ異なる工程を示す図であり、図３は接合面に形成された凹凸パターンを示す拡大図である。また、図４は接合界面の一例を示す顕微鏡写真による断面図であって、（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ種類の異なる接合界面を示す断面図である。

図１に示す接合装置１は、ヘッド２（本発明の「第１の押圧体」に相当）およびアンビル３（本発明の「第２の押圧体」に相当）を備え、重ね合わされた金属板状の被接合物１０，２０を、ヘッド２およびアンビル３それぞれの押圧面２ａ，３ａにより挟持して加圧した状態で超音波振動を印加し、被接合物１０，２０それぞれの対向する接合面１１，２１どうしを接合して接続するものである。接合装置１では、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｓｎ等の金属により形成された金属板や金属箔、金属シート、金属テープにより形成された被接合物１０，２０どうしが超音波振動を用いて接合される。なお、一方面にめっきや蒸着によりＣｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｓｎ等の金属膜が接合面として形成されたＳｉ等の半導体基板や化合物系の基板、ガラス基板、セラミック基板により被接合物１０，２０が形成されていてもよい。また、どのような材質または種類の被接合物が組み合わされて接合面どうしが接合されるようにしてもよい。

また、接合装置１には、ヘッド２を矢印Ｘ，Ｙ，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（図示省略）が設けられている。また、両被接合物１０，２０は保持機構（図示省略）に保持されており、保持機構が駆動することにより両被接合物１０，２０は矢印Ｘ，Ｙ方向に位置調整される。したがって、ヘッド２が矢印Ｘ，Ｙ，θ方向に、アンビル３が矢印Ｘ，Ｙ方向に駆動機構によりそれぞれ駆動され、両被接合物１０，２０が保持機構により矢印Ｘ，Ｙ方向に位置調整されることにより、ヘッド２、アンビル３および両被接合物１０，２０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（加圧方向Ｚ）に駆動機構により駆動されることによって、接合面１１，２１どうしが対向した状態で重ねて配置された両被接合物１０，２０の当該重合部分がヘッド２の押圧面２ａおよびアンビル３の押圧面３ａにより挟持されて加圧される。

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両被接合物１０，２０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両被接合物１０，２０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１０，２０に対する加圧力が制御される。

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、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。また、ヘッド２およびアンビル３の相対的な位置関係をアライメントするアライメント機構が設けられておらず、ヘッド２またはアンビル３の少なくとも一方を加圧方向Ｚに駆動する加圧機構のみが設けられていてもよい。

また、両被接合物１０，２０それぞれがヘッド２およびアンビル３の押圧面２ａ，２ｂに吸着等により保持される構成としてもよい。この場合には、ヘッド２およびアンビル３を駆動機構により駆動することによって、ヘッド２およびアンビル３それぞれに保持された両被接合物１０，２０どうしの相対的な位置をアライメントすることができる。

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加圧方向Ｚに直交する方向に超音波振動する。そして、両被接合物１０，２０がヘッド２の押圧面２ａとアンビル３の押圧面３ａとの間に挟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、両被接合物１０，２０に加圧方向Ｚに直交する方向に振動する超音波振動が印加される。なお、アンビル３を共振器により構成してもよく、ヘッド２およびアンビル３の両方を共振器により構成してもよい。

次に接合装置１において実行される両被接合物１０，２０それぞれの接合面１１，２１どうしを接合する接合処理の一例について説明する。

この実施形態では、両被接合物１０，２０の対向する接合面１１，２１のいずれか一方の所定の接合領域Ｓの全面に渡って規則的な凹凸パターンが形成される。図２および図３を参照して、被接合物１０の接合面１１に凹凸パターン１２が形成される場合を例に挙げて説明する。なお、接合面１１，２１の全面が接合領域Ｓに設定されていてもよいし、接合面１１，２１の一部が接合領域Ｓに設定されていてもよい。また、接合面１１，２１の一部が接合領域Ｓに設定されている場合に、接合面１１，２１の全面に渡って凹凸パターンが形成されてもよい。

まず、図２（ａ）に示すように、被接合物１０の接合面１１（接合領域Ｓ）に感光性のレジスト層４が形成される。次に、図２（ｂ）に示すように、綾目状に配列されて開口５１が形成された露光マスク５を介して紫外光Ｌがレジスト層４に照射される露光処理が実行される。続いて、図２（ｃ）に示すように、現像処理が実行されてレジスト層４の感光部分が除去されると共に、被接合物１０のエッチング処理が実行される。そして、図２（ｄ）に示すように、レジスト層４が除去されることにより、図３に示すような、接合面１１から加圧方向Ｚに突出する複数の微小突起１３が綾目状に規則的に配列されて成る凹凸パターン１２が被接合物１０の接合面１１に形成される。

なお、被接合物１０，２０の材質や厚み等に応じて、図３に示すように、約１０μｍ〜約３００μｍの間隔で約１０μｍ〜約２００μｍの高さの複数の微小突起１３が綾目状に配列されるように凹凸パターン１２が被接合物１０の接合面１１に形成されるとよい。また、被接合物２０の接合面２１に凹凸パターン１２が形成されてもよい。また、凹凸パターン１２の構成は図３に示す例に限定されるものではなく、例えば、複数の微小突起１３が碁盤目状に配列された凹凸パターン１２が形成されてもよい。

次に、図１に示すように、両被接合物１０，２０は、接合面１１，２１が当接した状態で重ねて配置される。続いて、重ねて配置された重合部分において、ヘッド２およびアンビル３それぞれの押圧面２ａ，３ａにより両被接合物１０，２０が挟持されて加圧される。そして、両被接合物１０，２０がヘッド２およびアンビル３それぞれの押圧面２ａ，３ａにより挟持されて加圧された状態でヘッド２が超音波振動し、ヘッド２から超音波振動が両被接合物１０，２０に印加されることにより、両被接合物１０，２０の接合面２１，２２どうしが接合して接続される。

次に、このようにして接合された被接合物１０，２０どうしの接合界面の一例について説明する。

図４（ａ）に示すように、被接合物としてＡｌ板どうしが接合された場合には、同図中の矢印で示す接合界面にボイドが生じおらず、Ａｌ板どうしが良好に接合されている。図４（ｂ）に示すように、被接合物としてＡｌ板とＣｕ板とが接合された場合には、同図中の矢印で示す接合界面にボイドが生じおらず、Ａｌ板とＣｕ板とが良好に接合されている。図４（ｃ）に示すように、被接合物としてＣｕ板どうしが接合された場合には、同図中の矢印で示す接合界面には多少ボイドが生じているが、従来の接合方法で接合された場合と比較すると、Ｃｕ板どうしが十分に良好に接合されている。

以上のように、この実施形態では、重ね合わされた両被接合物１０，２０それぞれの対向する接合面１１，２１どうしを接合する際に、対向する接合面１１，１２のいずれか一方の全面に渡って凹凸パターン１２が形成される。そのため、両被接合物１０，２０どうしが重ね合わされる際に、被接合物１０の接合面１１の全面に形成された凹凸パターン１２の凸部分（微小突起１３）が被接合物２０の接合面２１に接触するので、対向する接合面１１，２１どうしの接触面積を減少させて両接合面１１，２１間に生じる接触（静止）摩擦力を減少させることができる。したがって、超音波振動を利用した接合の初期段階において、接合面１１，２１間に確実に大きな滑りを生じさせることができる。

また、重ね合わされた両被接合物１０，２０をヘッド２およびアンビル３それぞれの押圧面２ａ，３ａにより挟持して加圧した状態で超音波振動を印加したときに、対向する接合面１１，２１のうち凹凸パターン１２が形成された一方の接合面１１では、凹凸パターン１２の微小突起１３部分が潰れることにより新生面が凹部分にも広がるので、接合面１１に生成される新生面の面積が増大する。また、凹凸パターン１２が形成されていない他方の接合面２１では、対向する一方の接合面１１に形成された凹凸パターン１２の微小突起１３部分が摺接することにより生成される新生面の面積が増大する。したがって、対向する接合面１１，２１それぞれにおいて生成される新生面の面積が増大するので、接合界面にボイドが生じるのを抑制し、接合界面における接合面積を増大させることができる。

また、加圧方向Ｚに突出する複数の微小突起１３が形成されることにより凹凸パターン１２が形成されているので、加圧方向Ｚに直交する方向に振動する超音波振動により、微小突起１３を確実に潰すことができる。

また、上記した面接合方法を使用することにより、金属板、金属箔または一方面に金属膜が形成された基板により形成される被接合物の接合面どうしを良好に面接合することができる。

＜第２実施形態＞
この発明の第２実施形態について図５を参照して説明する。図５は本発明の第２実施形態にかかる接続方法を示す図である。

この実施形態が上記した第１実施形態と異なるのは、図５に示すように、被接合物１０と被接合物２０との間に被接合物３０がさらに重ね合わされている点である。そして、各被接合物１０〜３０の重合部分が、ヘッド２およびアンビル３の両押圧面２ａ，３ａにより挟持されて加圧される。また、被接合物１０，３０それぞれの対向する接合面１１，３１のいずれか一方と、被接合物２０，３０それぞれの対向する接合面２１，３２のいずれか一方とに図３に示すような規則的な凹凸パターン１２が形成される。その他の構成は上記した実施形態と同様であるため、同一符号を引用することによりその構成の説明は省略する。

この実施形態でも上記した第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

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る。例えば、さらに被接合物が重ね合わされて、４枚以上の被接合物が重ね合わされた状態であっても、各被接合物それぞれの対向する接合面のいずれか一方に凹凸パターンが形成されていれば、各被接合物それぞれの対向する接合面どうしを良好に接合することができる。

そして、重ね合わされた複数の被接合物を第１、第２の押圧体それぞれの押圧面により挟持して加圧した状態で超音波振動を印加し、各被接合物それぞれの対向する接合面どうしを接合する技術に本発明を広く適用することができる。

２…ヘッド（第１の押圧体）
２ａ…押圧面
３…アンビル（第２の押圧体）
３ａ…押圧面
１０，２０，３０…被接合物
１１，２１，３１，３２…接合面
１２…凹凸パターン
１３…微小突起
Ｓ…接合領域
Ｚ…加圧方向

Claims (3)

1. 重ね合わされた複数の被接合物を第１、第２の押圧体それぞれの押圧面により挟持して加圧した状態で超音波振動を印加し、前記各被接合物それぞれの対向する接合面どうしを接合する面接合方法において、
   前記対向する接合面のいずれか一方の所定の接合領域全面に規則的な凹凸パターンを形成する工程を備え、前記超音波振動および前記加圧により前記凹凸パターンの凸部分を潰して新生面を凹部分に形成することを特徴とする面接合方法。
2. 加圧方向に突出する複数の微小突起が形成されることにより前記凹凸パターンが形成され、
   前記超音波振動の方向が前記加圧方向に直交する方向である
   ことを特徴とする請求項１に記載の面接合方法。
3. 前記被接合物は、金属板、金属箔または一方面に金属膜が形成された基板であることを特徴とする請求項１または２に記載の面接合方法。