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JP4276989B2 - 超音波接合用ボンディングツールおよび超音波接合方法 - Google Patents

超音波接合用ボンディングツールおよび超音波接合方法 Download PDF

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Description

本発明は超音波接合用ボンディングツールおよび超音波接合方法に関し、より詳細には、磁気ディスク装置を構成するキャリッジアセンブリの組み立て等に用いられる超音波接合用ボンディングツールおよび超音波接合方法に関する。
超音波接合は半導体チップのフリップチップ接続や、ＴＡＢテープのインナーリードと電極との接続等の接合操作に広く利用されている。この超音波接合においては、ボンディングツールを用いて的確に接合部に超音波振動を伝達して、確実に安定した接合ができることが重要である。このため、被接合体に接触して超音波を印加するボンディングツールの先端面の圧接部に突起や粗面部を形成し、ボンディングツールの圧接部と被接合部の接触面との間の滑りを防止して接合するといったことが検討されている（特許文献１〜３参照）。
特開平５−２１５４１号公報 特開平７−５８１５５号公報 特開２０００−３１５７０８号公報
ところで、ボンディングツールを使用して超音波接合を繰り返していくと、ボンディングツールの圧接部が磨耗したり、圧接部に異物が付着したりして、ボンディングツールの圧接部の形状が初期状態から徐々に変化していく。
図７(a)は、ボンディングツール１０の圧接部の初期状態を示し、図７(b)は、ボンディングツール１０を何回も使用した状態を示す。ボンディングツール１０の圧接部には、被接合体のリードの表面に形成された金めっきが付着したり、めっきの下地であるニッケルや銅層が付着したりすることから、突起１２の端面が図のように丸くなる。
このように、ボンディングツール１０の圧接部の形状が変化すると、ボンディングツール１０と被接合部との接触面で滑りが生じて、ボンディングツールから被接合部に的確に超音波振動が伝達されなくなり、接合部の接合強度がボンディングツール１０の初期状態から徐々に低下し、安定した接合強度が得られなくなるという問題が生じる。
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、ボンディングツールを使用している際にボンディングツールの圧接部が磨耗したり、圧接部にめっき等の異物が堆積したりしても、圧接部の形状の変化を防止して安定した超音波接合を可能にする超音波接合用ボンディングツールおよびこのボンディングツールを用いて超音波接合する方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は以下の構成を備える。
すなわち、超音波接合時に被接合部に接触する圧接部に、外面が曲面状をなす複数の突起が形成されている超音波接合用ボンディングツールであって、前記ボンディングツールが、ツールを構成する主材質部中に、該主材質部にくらべて耐磨耗性がより大きな材料からなる硬質材質部が粒状の塊状として均一に分散してなる素材によって製作されていることを特徴とする。
また、前記突起が、ボンディングツールの端面に格子状に凹溝を形成した後、ボンディングツールの端面にサンドブラスト処理を施して、外面が球面状に形成されたものであることを特徴とする。これにより、突起はボンディングツールの端面に格子状配列に形成される。
また、前記突起が、ボンディングツールの圧接部に、一方向に細長く連続して延びるように形成され、所定間隔をあけて並列に形成されたものであることを特徴とする。このボンディングツールでは、超音波振動の振動方向を突起の長手方向に垂直となる方向に設定して使用する。
また、超音波接合時に被接合部に接触する圧接部に、外面が曲面状をなす複数の突起が形成されている超音波接合用ボンディングツールであって、前記突起が、ボンディングツールの圧接部に、超音波の印加の際に前記ボンディングツールの振動方向とは垂直になる一方向に細長く連続しており、所定間隔をあけて並列に形成されるとともに前記突起の上端部は断面形状で円弧状に形成されることを特徴とする。
また、前記超音波接合用ボンディングツールを用いて被接合部を超音波接合する超音波接合方法であって、ボンディングツールの圧接部を被接合部に接触させた状態で超音波を作用させるとともに、被接合部に作用させるボンディングツールによる加圧力を接合開始時から徐々に増大させて接合することを特徴とする。
また、磁気ディスク装置のキャリッジアセンブリの製造方法において、前記超音波接合用ボンディングツールがホーンに取り付けられた超音波接合装置を使用し、キャリッジアームとフレキシブル配線基板とを位置合わせし、前記キャリッジアームとフレキシブル配線基板との電気的接続部を前記ボンディングツールにより超音波接合して接合することを特徴とする。
本発明に係る超音波接合用ボンディングツールによれば、ボンディングツールの圧接部の形状が使用とともに変わることを抑制することができ、これによって超音波接合による接合強度が不安定になることを防止して確実な超音波接合が可能になる。また、本発明に係る超音波接合方法によれば、被接合部を位置ずれさせずに確実に超音波接合することが可能になる。
以下、本発明に係る超音波接合用ボンディングツールおよびこのボンディングツールを用いる超音波接合方法の実施形態について詳細に説明する。
〔ボンディングツール〕
（第１の実施の形態）
図１(a)および図１(b)は、本発明に係るボンディングツールの第１の実施の形態の構成を示すボンディングツールの端面図および側面図である。本実施形態のボンディングツール２０は、超音波接合時に被接合部に接触するツールの圧接部に、外面が球面状をなす複数の突起２２を格子状配列に形成したことを特徴とする。図１(b)に示すように、突起２２はボンディングツール２０の先端面上で半球状に突出するように形成される。
ボンディングツール２０の端面にこのような外面が球面状をなす突起２２を形成するには、まず、ボンディングツール２０の端面に、図１(a)に示すような格子状の凹溝２３を形成し、次いでボンディングツール２０の端面にサンドブラスト処理を行えばよい。
ボンディングツール２０の端面に凹溝２３を格子状に形成し、凹溝２３を形成した端面にサンドブラスト処理を施すと、凹溝２３が交差する部位が他の部位よりも深く削られ、図１(a)に示すように、ボンディングツール２０の端面に、外面が球面状となる突起２２が形成される。突起２２は、凹溝２３によって囲まれた区画ごとに一つずつ形成されるから、形成すべき突起２２の大きさに合わせて凹溝２３の間隔を設定する。
本実施形態のボンディングツール２０を超音波接合に使用した場合は、ボンディングツール２０の圧接部に形成される突起２２の外面が、あらかじめ球面状に形成されているから、ボンディングツール２０を繰り返し使用して、ボンディングツール２０の圧接部が磨耗したり、圧接部に被接合部に設けられためっきが堆積したりしても、突起２２の形状が球面形状から大きく変わることがない。この結果、ボンディングツール２０を用いて超音波接合する際に、被接合部に作用する超音波の作用が経時的に変動することを抑えることができ、超音波接合部分の接合強度が安定しないという問題を解消することができる。
（第２の実施の形態）
図２(a)および図２(b)は、ボンディングツールの第２の実施の形態の構成を示すボンディングツールの端面図および側面図である。本実施形態のボンディングツール３０は、ツールの圧接部に、一方向に細長く連続して延びるように形成された突起３２を所定間隔をあけて並列に形成したことを特徴とする。図２(b)に示すように、突起３２は上端部が断面形状で円弧状に形成され、突起３２と隣接する突起３２の間に形成される溝３３の底面が断面形状で円弧状に形成されることにより、ボンディングツール３０の圧接部の側面形状は波形となる。
本実施形態のように、ボンディングツール３０の圧接部に形成される突起３２を、上端部が断面形状で円弧状になるように形成し、ツールの圧接部を側面形状で波形に形成するには、放電ワイヤカット加工を利用すればよい。
本実施形態の圧接部を備えたボンディングツール３０を使用して超音波接合する際には、図２(b)に示すように、ボンディングツール３０の振動方向を、圧接部に形成された突起３２の長手方向に対し垂直になる方向に設定して使用する。このようにボンディングツール３０の振動方向を設定することにより、被接合部に突起３２による押接作用を有効に作用させて超音波接合することができる。
本実施形態のボンディングツール３０の場合も、第１の実施形態におけるボンディングツール２０と同様に、ツールの圧接部に形成する突起３２を断面形状であらかじめ円弧状に形成しているから、ボンディングツール３０を繰り返し使用して突起３２が磨耗したり、突起３２にめっき等の異物が堆積、付着したりした場合でも、突起３２の形状が丸み形状から大きく変わることがない。このように、ボンディングツール３０の圧接部の形状が初期状態と使用後とにおいて大きく変化することがないことから、被接合部に作用する超音波の作用がボンディングツール３０の使用とともに大きく変動せず、安定した超音波接合を行うことが可能になる。
上述したボンディングツールは、被接合部に接触する圧接部に所定の耐磨耗性および靱性を備えた材料を用いて製作されるが、ボンディングツールを製作する素材として、図３に示すように、主材質部４０中に、主材質部４０にくらべて耐磨耗性がより大きな材料からなる硬質材質部４２を加えた素材を使用することが有効である。硬質材質部４２は粒状に形成し、主材質部４中に均一に分散させるようにする。
このように、主材質部４０に、これよりも靱性の高い硬質材質部４２を粒状の塊状として含有させた素材を用いて製作したボンディングツールは、ボンディングツールを使用することによってツールの圧接部が磨耗する際に、主材質部４０が削られると内側の硬質材質部４２が新たに露出するようになる。これによって、砥石を使用する場合と同様に、使用とともにボンディングツールの圧接部が新しい摩擦面に更新され、被接合部に作用する摩擦力を一定に維持して、被接合部に所要の超音波を作用させることが可能になる。このように、ボンディングツールを主材質部４０と硬質材質部４２によって形成する方法は、上述したボンディングツール２０、３０に利用することが可能であるが、従来用いられているボンディングツールの製作材料としても有効に利用できる。
〔超音波接合方法〕
図４は、上述したボンディングツール２０、３０を使用してフレキシブル基板に形成されている接続パッド５０にリード６０を超音波接合する実施形態を示す。
図４(a)は、接続パッド５０にリード６０を位置合わせし、ボンディングツール２０をリード６０の上に接触させて超音波を作用開始した状態を示す。この状態では、ボンディングツール２０の圧接部に形成された突起２２はリード６０の上面にわずかに接触した状態にある。
図４(b)は、図４(a)の状態からボンディングツール２０による押圧力を高め、突起２２の外面をリード６０の上面に若干くい込ませるようにして超音波を作用させている状態、図４(c)は、図４(b)の状態からさらにボンディングツール２０の押圧力を高めて、ボンディングツール２０に超音波を作用させている状態を示す。
本実施形態の超音波接合方法は、ボンディングツール２０をリード６０に接触させて超音波を作用させる際に、リード６０を押圧する押圧力を徐々に高めるようにしながら接合することを特徴とする。ボンディングツール２０による押圧力を高めていくと、突起２２とリード６０とが当接する領域が徐々に拡大し、これとともにリード６０と接続パッド５０との接合部６０ａの接合面積が徐々に拡大して、リード６０と接続パッド５０とが確実に接合される。
図５、６は上記超音波接合方法を磁気ディスク装置に用いるキャリッジアセンブリの組み立てに利用する例を示す。図５は、キャリッジ７１の側面に形成されたフライングリード７２と、フレキシブル基板７３に設けられた接続パッド７４とを超音波接合によって接合する方法を示す。同図で７５は超音波接合装置のホーン（不図示）に取り付けられるボンディングツールであり、ボンディングツール７５の端面（圧接部）をフライングリード７２に押接することによって超音波接合する様子を示している。
図６は、ボンディングツール７５による接合部を拡大して示したもので、フライングリード７２をフレキシブル基板７３に設けられている接続パッド７４に位置合わせし、ボンディングツール７５をフライングリード７２に押接してフライングリード７２に超音波を作用させて、フライングリード７２を接続パッド７４に接合する様子を示している。
ボンディングツール７５をフライングリード７２に位置合わせした後、上述したように、ボンディングツール７５の押圧力を徐々に高めるようにして超音波接合することにより、フライングリード７２の位置ずれを防止し、かつフライングリード７２を確実にフレキシブル基板７３の接続パッド７４に接合することができる。
ボンディングツール７５の被接合部に対する押圧力を徐々に高めるようにして超音波接合する方法は、磁気ディスク装置のキャリッジアセンブリを組み立てる場合のように、微細なリードを電極等に接合する場合に、正確にかつ確実に接合する方法として有効に利用できる。また、このような超音波接合方法を利用して組み立てられたキャリッジアセンブリは組み立て信頼性が高く、このキャリッジアセンブリを組み込んだ磁気ディスク装置の信頼性を向上させることが可能となる。
本発明に係るボンディングツールの第１の実施の形態の構成を示す端面図および側面図である。 本発明に係るボンディングツールの第２の実施の形態の構成を示す端面図および側面図である。 ボンディングツールの素材構成を示す説明図である。 本発明に係る超音波接合方法を示す説明図である。 超音波接合方法を利用してキャリッジアセンブリを組み立てる方法を示す説明図である。 フライングリードとフレキシブル配線基板との接合方法を示す説明図である。 従来のボンディングツールの構成を示す説明図である。
符号の説明
１０、２０、３０ ボンディングツール
２２、３２ 突起
２３ 凹溝
３３ 溝
４０ 主材質部
４２ 硬質材質部
５０ 接続パッド
６０ リード
６０ａ 接合部
７１ キャリッジ
７２ フライングリード
７３ フレキシブル基板
７４ 接続パッド
７５ ボンディングツール

Claims (6)

  1. 超音波接合時に被接合部に接触する圧接部に、外面が曲面状をなす複数の突起が形成されている超音波接合用ボンディングツールであって、
    前記ボンディングツールが、ツールを構成する主材質部中に、該主材質部にくらべて耐磨耗性がより大きな材料からなる硬質材質部が粒状の塊状として均一に分散してなる素材によって製作されていることを特徴とする超音波接合用ボンディングツール。
  2. 前記突起が、ボンディングツールの端面に格子状に凹溝を形成した後、ボンディングツールの端面にサンドブラスト処理を施して、外面が球面状に形成されたものであることを特徴とする請求項１記載の超音波接合用ボンディングツール。
  3. 前記突起が、ボンディングツールの圧接部に、一方向に細長く連続して延びるように形成され、所定間隔をあけて並列に形成されたものであることを特徴とする請求項１記載の超音波接合用ボンディングツール。
  4. 超音波接合時に被接合部に接触する圧接部に、外面が曲面状をなす複数の突起が形成されている超音波接合用ボンディングツールであって、
    前記突起が、ボンディングツールの圧接部に、超音波の印加の際に前記ボンディングツールの振動方向とは垂直になる一方向に細長く連続しており、所定間隔をあけて並列に形成されるとともに前記突起の上端部は断面形状で円弧状に形成されることを特徴とする超音波接合用ボンディングツール。
  5. 請求項１〜４のいずれか一項記載の超音波接合用ボンディングツールを用いて被接合部を超音波接合する超音波接合方法であって、
    ボンディングツールの圧接部を被接合部に接触させた状態で超音波を作用させるとともに、被接合部に作用させるボンディングツールによる加圧力を接合開始時から徐々に増大させて接合することを特徴とする超音波接合方法。
  6. 請求項１〜４のいずれか一項記載の超音波接合用ボンディングツールがホーンに取り付けられた超音波接合装置を使用し、
    キャリッジアームとフレキシブル配線基板とを位置合わせし、前記キャリッジアームとフレキシブル配線基板との電気的接続部を前記ボンディングツールにより超音波接合して接合することを特徴とする磁気ディスク装置に用いるキャリッジアセンブリの製造方法。
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