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【発明の名称】 超音波振動切断工具
【発明者】 【氏名】佐藤 茂

【氏名】勝見 貢

【氏名】石井 亮一

【要約】 【課題】超音波振動が共振器から刃体に好適に伝達されるように、刃体が共振器に適切に取り付けられるようにする。

【構成】ダイヤモンドブレード8が振動変換部4に嵌め込まれる場合、半田12がダイヤモンドブレード8と共振器側取付部5との間に挟み込まれた後、ダイヤモンドブレード8と共振器側取付部5とが半田12を介在しつつ離れないように支持された状態において、ヒータで熱を半田12に付与し、半田12が付与された熱で溶融したら、当該半田12への熱の供給を止めることによって、半田12が冷却して固化する過程において、ダイヤモンドブレード8の金属層11と共振器側取付部5とが互いに半田12で固定されているので、超音波振動が共振器から刃体に好適に伝達され、刃体が共振器に損傷を受けることなく適切に取り付けられる。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
超音波振動に共振する金属製の共振器と、共振器から伝達された超音波振動でワークを切断するためのダイヤモンドブレードとを備え、ダイヤモンドブレードが共振器のダイヤモンドブレードを取り付けるための共振器側取付部に半田で固定されたことを特徴とする超音波振動切断装置。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明は、超音波振動が共振器からダイヤモンドブレードに好適に伝達されるように、ダイヤモンドブレードが共振器に適切に取り付けられる超音波振動切断工具に関する。
【背景技術】
【0002】
超音波振動切断工具には、超音波振動でワークを切断するためのダイヤモンドブレードが超音波振動に共振する金属製の共振器にねじで取り付けられたもの(特許文献1参照)、または、超音波振動でワークを切断するためのダイヤモンドブレードが超音波振動に共振する金属製の共振器に電解メッキ法で成長されたもの(特許文献2乃至特許文献4参照)が知られている。しかしながら、前者は、ねじが高トルクで締め付けられることによって、超音波振動が共振器からダイヤモンドブレードに好適に伝達される構造であるため、ダイヤモンドブレードが割れや変形などの被害を受けることがあるという欠点がある。後者は、ダイヤモンドブレードが共振器の突起を種として電解メッキ法で成長された後、突起の外縁部または全部を除去する構造であるため、ダイヤモンドブレードにおける突起の除去で露出された部分の厚さが一様にならないことがあるという欠点がある。また、超音波振動を使用しない切断工具には、工具台座にダイヤモンドブレードを合成樹脂製の接合剤で固定した構造も知られているが、共振器とダイヤモンドブレードを合成樹脂製接合剤で固定した場合、超音波振動が合成樹脂製接合剤で吸収されて共振器からダイヤモンドブレードに好適に伝達されないので、にわかに採用しがたいのである。
【特許文献1】特許第3128508号公報
【特許文献2】特許第3469516号公報
【特許文献3】特許第3772162号公報
【特許文献4】特開2003−285297号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
発明が解決しようとする問題点は、超音波振動が共振器からダイヤモンドブレードに好適に伝達されるように、ダイヤモンドブレードが共振器に適切に取り付けられないという点である。
【課題を解決するための手段】
【0004】
本発明に係る超音波振動切断工具は、超音波振動に共振する金属製の共振器と、共振器から伝達された超音波振動でワークを切断するためのダイヤモンドブレードとを備え、ダイヤモンドブレードが共振器のダイヤモンドブレードを取り付けるための共振器側取付部に半田で固定されたことを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【0005】
本発明に係る超音波振動切断工具は、ダイヤモンドブレードが共振器の共振器側取付部に半田で固定されたことによって、ダイヤモンドブレードが共振器に取り付けられる場合に割れや変形などの被害を受けることがなく、ダイヤモンドブレードには共振器と別に形成された厚さの一様の物を使用することができ、金属接合剤が超音波振動を吸収することもないので、超音波振動が共振器からダイヤモンドブレードに好適に伝達されるという利点がある。金属接合剤が半田により構成されれば、ダイヤモンドブレードの交換が容易に行えるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【0006】
図1乃至図3は、発明を実施するための最良の形態である。図1のa図は、回転切断タイプの超音波振動切断工具1の外観を示す。図1のb図は、共振器2とダイヤモンドブレード8と半田12とを分解しかつ超音波振動の伝達方向X1に切断した断面を示す。図2は、超音波振動切断工具1とブースタ14と振動子16との結合された構造を示す。図3は回転式の超音波振動切断装置20を示す。
【0007】
図1において、2は共振器、3は共振本体部、4は振動変換部、5は共振器側取付部、6は工具嵌合部、7はねじ孔、8はダイヤモンドブレード、9は装着孔、10はダイヤモンド粒子、11は金属層、12は半田、13は貫通孔を示す。
【0008】
図1のa図に示すように、超音波振動切断工具1は、ダイヤモンドブレード8における装着孔9の周りが共振器2の共振器側取付部5に金属接合剤である半田12で固定されたことによって、ダイヤモンドブレード8が共振器2に取り付けられた構造である。よって、ダイヤモンドブレード8が共振器2に取り付けられる場合に割れや変形などの被害を受けることがなく、ダイヤモンドブレード8には共振器2と別に形成された厚さの一様の物を使用することができ、半田12が超音波振動を吸収することもないので、超音波振動が共振器2からダイヤモンドブレード8に好適に伝達されるという利点があるうえ、ダイヤモンドブレード8の交換が容易に行えるという利点がある。ダイヤモンドブレード8には、市販の物を用いてもよい。
【0009】
図1のb図に示すように、共振器2は、音響特性の良いアルミニウムなどの金属からなる超音波ホーンを構成し、共振本体部3、振動変換部4、共振器側取付部5、工具嵌合部6、ねじ孔7を備える。共振本体部3は、一端より入力される超音波振動に共振する1/2波長の長さを有する。共振本体部3の両端には超音波振動の伝達方向X1に振動する瞬間的な変位(振動振幅)を示す振動波形W1の最大振動振幅点f1;f3が存在し、共振本体部3の中央には振動波形W1の最小振動振幅点f2が存在する。
【0010】
振動変換部4は、振動波形W1の最小振動振幅点f2の位置で共振本体部3の外周面から超音波振動の伝達方向X1に直交する直交方向Yに共振本体部3と同軸状に突出する環状であって、共振本体部3より大きな直径と最小振動振幅点f2を中心として超音波振動の伝達方向X1の両側に等分に振分けられた幅とを有し、超音波振動の伝達方向X1を軸方向から直交方向Yである径方向に変換する。伝達方向X1は、共振器2の中心線Lの延びる方向と同じである。直交方向Yに変換された超音波振動の瞬間的な変位(振動振幅)は振動波形W2である。振動波形W2における最大振動振幅点f4;f5は振動変換部4の外周部側に存在する。共振器側取付部5は、振動変換部4の外周面より直交方向の外側に共振本体部3と同軸状に突出した環状である。工具嵌合部6は、共振本体部3の外周面に振動変換部4と干渉しない位置に設けられる。ねじ孔7は、無頭ねじを結合するために、共振本体部3の両端面の中心より内側に形成される。
【0011】
ダイヤモンドブレード8は、ダイヤモンド電解メッキ法によって多数のダイヤモンド粒子10をニッケルからなる金属層11で結合した構造であって、共振器2における共振器側取付部5の直径よりも大きな外径を有する。装着孔9は、振動変換部4に嵌め込まれるように、伝達方向X1に貫通する孔として、ダイヤモンドブレード8の中央部に設けられる。
【0012】
半田12は、固い固体または柔らかな糊状である。半田12が固体の場合、装着孔9と同径の内径、共振器側取付部5と同径の外径を有する。半田12が糊状の場合、共振器側取付部5におけるダイヤモンドブレード8の側の面、または、ダイヤモンドブレード8における共振器側取付部5の側の面に塗布される。貫通孔13は、振動変換部4に嵌め込まれるように、伝達方向X1に貫通する孔として、固体として構成された半田12の中央部に設けられる。
【0013】
そして、ダイヤモンドブレード8が振動変換部4に嵌め込まれる場合、半田12がダイヤモンドブレード8と共振器側取付部5との間に挟み込まれた後、ダイヤモンドブレード8と共振器側取付部5とが半田12を介在しつつ離れないように支持された状態において、図外のヒータで熱を半田12に付与し、半田12が付与された熱で溶融したら、当該半田12への熱の供給を止める。これによって、半田12が冷却して固化する過程において、ダイヤモンドブレード8の金属層11と共振器側取付部5とが互いに半田12で固定される。つまり、共振器側取付部5とダイヤモンドブレード8とが互いに半田12で固定され、ダイヤモンドブレード8が共振器2に取り付けられ、超音波振動切断工具1が図1のa図に示す構造で完成する。つまり、半田12がダイヤモンドブレード8と共振器側取付部5とをホットメルトなどの接合剤のように再溶融結合する。
【0014】
図2を参照し、超音波振動切断工具1が超音波振動切断加工に供される形態について説明する。共振器2の一端にはブースタ14が無頭ねじ15により結合され、ブースタ14の一端には振動子16が無頭ねじ17により結合される。ブースタ14は、音響特性の良いアルミニウムなどの金属からなり、振動子16から伝達された超音波振動に共振する1波長の長さを有する。ブースタ14の両端部には、振動波形W1の最大振動振幅点f11;f15が存在する。共振器2とブースタ14とが、無頭ねじ15により結合された場合、1つの共振器を構成する。ブースタ14は前後の支持部18および工具嵌合部19を備える。支持部18はブースタ14の最小振動振幅点f12;f14の位置でブースタ14の外側面より径方向外側に突出する環状である。工具嵌合部19はブースタ14の外周面に支持部18と干渉しない位置に設けられる。
【0015】
そして、支持部18が超音波振動回転機構21(図3参照)で支持された状態において、振動子16に電気エネルギーで超音波振動を発生させると、超音波振動が振動子16からブースタ14を経由して共振器2に伝達され、共振器2が振動子16から伝達された超音波振動に共振し、ダイヤモンドブレード8の外周面が矢印Yで示す径方向に振動する。このダイヤモンドブレード8の外周面が径方向に振動することは、振動変換部4からの突出量により決まる。ダイヤモンドブレード8の直径が振動変換部4の直径より大き過ぎると、ダイヤモンドブレード8の外周面は矢印X1方向への振動も生じてしまうので、ダイヤモンドブレード8の直径は振動変換部4の直径を基に刃先が矢印Y方向にのみ振動する範囲内に定められる。図2において、共振器2とブースタ14とが無頭ねじ15で結合されることなく単一の金属材から構成された形態の共振器でもよい。
【0016】
図3を参照し、超音波振動切断工具1を用いた切断加工について説明する。切断対象部材としてのICなどの組込まれた半導体ウエハ23を複数のベアチップと呼ばれるさいころ状の半導体チップに切断するような切断加工を例として説明する。図2のブースタ14及び振動子16が超音波振動切断装置20の超音波振動回転機構21の内部に同軸状に組込まれ、ブースタ14の前後の図2の支持部18が超音波振動回転機構21に取り付けられ、超音波振動切断工具1の図1のダイヤモンドブレード8が超音波振動回転機構21の外側に配置される。また、超音波振動切断装置20の搭載台22に半導体ウエハ23が固定される。
【0017】
そして、超音波振動回転機構21と3軸駆動機構26と図2の振動子16とが動作し、ダイヤモンドブレード8が一方向に回転すると共に超音波振動に共振しつつ前後左右上下方向の直線移動により四角形の軌跡を描くことによって、その四角形の1回の軌跡において、ダイヤモンドブレード8が半導体ウエハ23に対する一方向の1回の切断が実行される。この3軸駆動機構26による四角形の軌跡を描く移動が繰返されることにより、半導体ウエハ23が複数の帯状に切断される。この帯状の切断が完了すると、搭載台22が水平方向に90度回転して停止し、超音波振動回転機構21に対する半導体ウエハ23の向きを水平面内で90度変化させる。その状態において、超音波振動回転機構21と3軸駆動機構26と図2の振動子16との動作が再開し、ダイヤモンドブレード8が帯状の半導体ウエハ23を複数のさいころ状に切断することにより、1つの半導体ウエハ23に対する切断作業が終了する。
【産業上の利用可能性】
【0018】
図4は、異なる第1の形態に係る押切切断タイプの超音波振動切断工具31の外観を示す。図4において、超音波振動切断工具31は、ダイヤモンドブレード32が角棒状の共振器34の共振器側取付部35に半田12で固定されたことによって、ダイヤモンドブレード32が共振器34に取り付けられた構造である。よって、ダイヤモンドブレード32が共振器34に取り付けられる場合に割れや変形などの被害を受けることがなく、ダイヤモンドブレード32には共振器34と別に形成された厚さの一様の物を使用することができ、半田12が超音波振動を吸収することもないので、超音波振動が共振器34からダイヤモンドブレード32に好適に伝達されるという利点がある。ダイヤモンドブレード32は、図1のダイヤモンドブレード8に類似し、図1のb図に示すようにダイヤモンド電解メッキ法によって多数のダイヤモンド粒子10をニッケルからなる金属層11で結合した構造である。ダイヤモンドブレード32の先端部36は、共振器側取付部35からの突出量が一側から他側に行くに従って徐々に多くなる三角形になっている。共振器34は、図6の振動子16から入力される超音波振動に共振して共振超音波振動の伝達方向Zである上下方向に振動し、共振する共振周波数の1/2波長の伝達方向Zの長さを有する。共振器34の上下端は最大振動振幅点になっている。共振器側取付部35は、共振器34の下端面から下方に突出した横方向に細長い板状である。ねじ孔37は、共振器34の上端中心部に無頭ボルトを締結するために形成される。
【0019】
図5は、異なる第2の形態に係る押切切断タイプの超音波振動切断工具41の外観を示す。図5において、超音波振動切断工具41は、ダイヤモンドブレード42が丸棒状の共振器44の共振器側取付部45に半田12で固定されたことによって、ダイヤモンドブレード42が共振器44に取り付けられた構造である。よって、ダイヤモンドブレード42が共振器44に取り付けられる場合に割れや変形などの被害を受けることがなく、ダイヤモンドブレード42には共振器44と別に形成された厚さの一様の物を使用することができ、半田12が超音波振動を吸収することもないので、超音波振動が共振器44からダイヤモンドブレード42に好適に伝達されるという利点がある。ダイヤモンドブレード42は、図1のダイヤモンドブレード8に類似し、図1のb図に示すようにダイヤモンド電解メッキ法によって多数のダイヤモンド粒子10をニッケルからなる金属層11で結合した構造である。ダイヤモンドブレード42の先端部46は、共振器側取付部45からの突出量が中央から両側に行くに従って徐々に低くなった二等辺三角形になっているので、図6に示す搭載台58の直線的な横移動による1往復で2回の切断を行うことができる。共振器44は、図6の振動子16から入力される超音波振動に共振して共振超音波振動の伝達方向Zである上下方向に振動し、共振する共振周波数の1/2波長の伝達方向Zの長さを有する。共振器44の上下端は最大振動振幅点になっている。共振器側取付部45は共振器44の下端面から下方に突出した横方向に細長い板状である。ねじ孔47は共振器44の上端中心部に無頭ボルトを締結するために形成される。
【0020】
図6は、異なる第3の形態に係る押切式の超音波振動切断装置51を示す。超音波振動切断装置51には、図5の超音波振動切断工具31を用いた場合を例示する。共振器34とブースタ53とを図外の無頭ねじで同軸上に結合して構成された1つの共振器が、超音波振動切断装置51のホルダー52に取り付けられる。具体的には、ブースタ53の支持部54がホルダー52の貫通孔55に上方または下方より挿入された状態で、ボルト56が締結されることによって、ホルダー52の周壁に形成された割溝57が狭くなることで、貫通孔55の直径が縮小し、ホルダー52が支持部54を把持してブースタ53を支持する。ブースタ53は良好な音響特性を有する金属にて振動子16から出力された超音波振動と所定の共振周波数で共振する棒状であって、ブースタ53の上下方向の長さは例えば共振周波数の1/2波長であって、ブースタ53の上下端は最大振動振幅点となり、ブースタ53の中央の最小振動振幅点におけるブースタ53の外側面より支持部54が突出する。ブースタ53の上端には振動子16の最大振動振幅点である出力端が図外の無頭ねじで同軸上に結合される。
【0021】
また、超音波振動切断装置51の搭載台58の上に半導体ウエハ23を搭載して横ずれしないように固定的に支持させておく。そして、超音波振動切断装置51の支持部65に固定されたモータ59を一方向に回転駆動することによって、モータ59の出力端に一緒に回転するように連結されたねじ棒60が回転し、ねじ棒60に嵌め込まれたナット61および上壁62を有する支持機構63が支持機構63のガイドマスト64と支持部65に固定されたガイドレール66との摺接係合で案内されつつ下降し、共振器34のダイヤモンドブレード32が図6に示す実線示位置から仮想線示位置に停止する。この停止位置はダイヤモンドブレード32が半導体ウエハ23に接触するが、搭載台58に接触しない位置である。このダイヤモンドブレード32の停止までの間において、図外の超音波発振器から振動子16に電気的なエネルギーを供給して振動子16に超音波振動を発生させる。この超音波振動にブースタ53や共振器34及びダイヤモンドブレード32が共振する。ダイヤモンドブレード32は矢印Zで示す方向に振動する。
【0022】
その後、搭載台58がXY駆動機構で矢印X2方向に示すように実線示位置から一点鎖線示位置の方向に直線的に水平に横移動することによって、ダイヤモンドブレード32の下部が搭載台58の上の半導体ウエハ23に接触し、半導体ウエハ23がダイヤモンドブレード32からの超音波振動を受けて切断される。ダイヤモンドブレード32の下部が三角形状になっているので、ダイヤモンドブレード32の下部が半導体ウエハ23に一部分から接触して徐々にその接触面積を増やすように半導体ウエハ23を切断するので、ダイヤモンドブレード32の下部の全部が一緒に半導体ウエハ23に接触する場合に比べ、切断が適切に行われる。その理由はナイフで食物を引き切るような格好にダイヤモンドブレード32の下部が半導体ウエハ23に作用するからであると考えられる。
【0023】
図6において、図5の超音波振動切断工具1を用いてもよい。
【0024】
切断対象部品としては、半導体ウエハ23以外に、金、銀、アルミニウム、半田、銅などの粘りのある柔らかいもの、セラミックス、ガラス、石英、シリコン、フェライトなどの硬くて脆いもの、回路基板、合成樹脂と金属とよりなる積層構造となっているもの、無機質と金属と合成樹脂とよりなる積層構造となっているものなどでも良い。
【0025】
ダイヤモンドブレード8;32;42は、鉄板のような円盤状の金属基盤の外縁部に多数のダイヤモンド粒子を付着したものであってもよい。この場合、金属基盤が共振器側取付部5;35;45に半田12で固定されるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【0026】
【図1】a図は超音波振動切断工具の正面図、b図は共振器とダイヤモンドブレードとの断面図(最良の形態)。
【図2】超音波振動切断工具とブースタと振動子とを結合した側面図(最良の形態)。
【図3】回転式の超音波振動切断装置の正面図(最良の形態)。
【図4】超音波振動切断工具の斜視図(異なる第1の形態)。
【図5】超音波振動切断工具の斜視図(異なる第2の形態)。
【図6】押切式の超音波振動切断装置の正面図(異なる第3の形態)。
【符号の説明】
【0027】
1;31;41 超音波振動切断工具
2;34;44 共振器
5;35;45 共振器側取付部
8;32;42 ダイヤモンドブレード
10 ダイヤモンド粒子
11 金属層
12 半田
【出願人】 【識別番号】594114019
【氏名又は名称】株式会社アルテクス
【出願日】 平成18年8月11日(2006.8.11)
【代理人】 【識別番号】100080296
【弁理士】
【氏名又は名称】宮園 純一


【公開番号】 特開2008−44043(P2008−44043A)
【公開日】 平成20年2月28日(2008.2.28)
【出願番号】 特願2006−220505(P2006−220505)