JP2009028781A

JP2009028781A - 接合方法及び接合装置

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Publication number: JP2009028781A
Application number: JP2008004358A
Authority: JP
Inventors: Toru Mizuno; 亨水野; Tatsuya Wago; 達也和合; Hidetoshi Suzuki; 英利鈴木
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2007-06-26
Filing date: 2008-01-11
Publication date: 2009-02-12
Also published as: CN101335416B; CN101335416A

Abstract

【課題】小型で簡易な構成であって、接合部材の残渣がノズル開口部及びその近傍に接合部材に発生することがなく、また着弾精度を向上できる接合方法及び接合装置を提供することを目的とする。
【解決手段】ノズルから導電性部材を接合対象物に射出し前記接合対象物と前記導電性部材とを電気的に接合する接合方法であって、前記ノズルの開口部の、前記導電性部材が接触する部分の曲率半径より大きい曲率半径の外径を有する前記導電性部材を用意し、前記導電性部材を前記ノズルの開口部に圧着させ、前記ノズルの内部空間内に圧縮気体を供給し、前記導電性部材を固相状態で前記接合対象物に射出する接合方法若しくは接合装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、導電性部材と接合対象物とを電気的に接合するための接合方法及び接合装置に関する。

磁気ヘッドの製造工程において、磁気ヘッドスライダの電極とフレキシャの電極との接合は、半田ボールを用いて半田付けにより行われている。具体的には、両電極が９０度の角度を挟んで配置され、これらの電極間に半田ボールを配置し、当該ボールを熱線等により溶融してこれらの電極間の電気的接合が行われる。以下に、従来の半田ボール半田付け装置について図面を参照して説明する。

図１０は、第１の従来の半田付け装置を示す図である。図中において、符号７０９は、略直方体のスライダであり、符号７１１は、フレキシャである。スライダ７０９の一端部には、スライダ電極７１３が設けられている。また、スライダ７０９は、薄板状のフレキシャ７１１に装着されており、フレキシャ７１１のフレキシャ電極７１５は、スライダ電極７１３に対して約９０度になるように延在している。

まず、吸引ノズル７００は、不図示の吸引源からの吸引力により吸引開口部７０３に半田ボール７０７を吸引保持し、スライダ電極７１３とフレキシャ電極７１５に接触する位置に移送する。そして、吸引ノズル７００の吸引力を解除し両電極の接触する位置に半田ボール７０７を残し、吸引ノズル７００がその位置から離れる。そして光学装置７１０のレーザ出力開口７１３内に半田ボール７０７を部分的に入り込ませた状態で、光学装置７１０の内部空間７０５を介してレーザ光を半田ボール７０７に照射し半田ボール７０７を溶解する。半田ボール７０７は、スライダ電極７１３とフレキシャ電極７１５との間で固着し、両電極の電気的な接合を行う。

ところで、近年、磁気ヘッドの小型化に伴い上述したスライダ電極、フレキシャ電極等の接合対象物も小型化してきている。上記半田付け装置は、半田ボール７０７を吸着した状態で吸引ノズル７００の吸引開口部７０３や光学装置７１０のレーザ出力開口７１２を電極７１５、７１３に安定かつ確実に近づける必要がある。しかし、電極が小さくなるに従って、他の電子部品に接触することなく、吸引ノズル７００や光学装置７１０を用いて半田ボール７０７を移送し、溶融することが困難となってきている。また、溶融した半田ボール７０７の残渣が、レーザ出力開口７１２に発生する恐れがある。そこで、他のタイプの半田付け装置が提案されている。以下に、第２の従来の半田付け装置の構成について説明する。

図１１は、第２の従来の半田付け装置の部分断面図である。この半田付け装置８００では、固体状の半田ボール８０７を射出させた後に、半田ボール８０７を溶融しスライダ電極８１３及びフレキシャ電極８１５間に付着させ半田付けがなされる。

半田付け装置８００は、半田ボール８０７を射出するためのノズル８０２及びノズル８０２を保持するためのノズル本体８１３からなるノズル組立体８０１と、半田ボール８０７を貯留するための貯留部８１５と、半田ボール８０７を溶融するためのレーザ装置８１７と、ノズル８０２の開口部８０３を開閉するためのシャッター８２３と、シャッター８２３を開閉する駆動部８２５と、レーザ装置８１７及び駆動部８２５の動作を同期するための制御部８３５と、を備える。

ノズル８０２の内部に設けられた内部空間８０５の開口部８０３近傍の内径の曲率半径は、半田ボール８０７の外径の曲率半径より大きく寸法付けされている。よって、ノズル８０２の内部空間８０５に導入された固体状半田ボール８０７は、開口部８０３近傍において内部空間８０５内においてシャッター８２３により保持される。

また、ノズル８０２の内部空間８０５内には、レーザ装置８１７からレーザ光がノズル本体部８１３のレーザ導入路８１９を介して導入される。制御部８３５は、シャッター８２３が開放され、半田ボール８０７ａが開口部８０３を通過した後に半田ボール８０７ａが溶融するように、レーザ装置８１７を駆動して半田ボール８０７ａを溶融させる。
特開２００２−２５０２５号公報（図１、４）特開２００６−３０５６２５号公報（図１）

特許文献１の半田付け装置は、吸引ノズル７００の吸引開口部７０３に半田ボール７０７をフレキシャ電極７１５とスライダ電極７１３との間に近接した状態で載置した後、光学装置７１０のレーザ出力開口７１２内に半田ボール７０７を入れ込んでレーザを照射して、溶融させるため、半田部材の残渣がレーザ出力開口７１２の周囲に発生する恐れがある。

特許文献２の半田付け装置８００では、シャッター８２３が開口８０３を開放し、半田ボール８０７が射出された後に、半田ボール８０７ａを溶融し、スライダ電極８１３とフレキシャ電極８１５とを接合させる構成である。溶融した半田ボール８０７ａの一部または全部が内部空間８０５の内壁面および開口部８０３周辺の外壁面に付着する恐れは無い。

ところで、現在使用されている電子部品の配置間隔や寸法では、その接合部材の着弾精度は特に問題とはならない。しかし、将来的に電子部品の更なる微小化に伴い、半田ボール等の接合部材が更に微小化すると、開口部８０３を開放するシャッター８２３の移動に伴い、接合部材に対する影響（例えば、図中右方向への力成分）が顕著となり、射出方向にずれが生じることが予想される。

また、特許文献２の半田付け装置では、シャッター８２３の動作タイミングとレーザ装置８１７の動作タイミングとを同期させる必要があり、その構成が複雑になる傾向がある。よって、接合装置の更なる小型化や簡易化が難しい。

そこで、本発明は、小型で簡易な構成であって、接合部材の残渣がノズル開口部及びその近傍に発生することがなく、また着弾精度を向上できる接合方法及び接合装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の接合方法の第１の態様は、ノズルから導電性部材を接合対象物に射出し前記接合対象物と前記導電性部材とを電気的に接合する接合方法であって、前記ノズルの開口部の、前記導電性部材が接触する部分の曲率半径より大きい曲率半径の外径を有する前記導電性部材を用意し、前記導電性部材を前記ノズルの開口部に圧着させ、
前記ノズルの内部空間内に圧縮気体を供給し、前記導電性部材を固相状態で前記接合対象物に射出する。

本発明の接合方法の第２の態様によれば、前記内部空間内の圧力が所定値のときに、前記開口部に圧着させた前記導電性部材に対して熱線を照射する。

本発明の接合方法の第３の態様によれば、前記導電性部材の前記開口部に対する圧着は、前記ノズルを前記導電性部材に対して押圧することにより行う。

本発明の接合方法の第４の態様によれば、前記導電性部材の前記開口部に対する圧着は、前記内部空間を介して前記開口部に付与される吸引力により行う。

本発明の接合方法の第５の態様によれば、前記導電性部材の前記開口部に対する圧着は、前記吸引力により前記開口部に当接した前記導電性部材を、押し込み部材により前記開口部に対して押し込むことにより行う。

本発明の接合方法の第６の態様によれば、前記導電性部材が射出された後、さらに前記導電性部材に対する熱線の照射を継続する。

また、上記課題を解決するための本発明の接合装置の第１の態様は、接合対象物に導電性部材を配置することで前記接合対象物と前記導電性部材とを電気的に接合する接合装置であって、前記導電性部材の外径の曲率半径より小さい曲率半径を有する開口部と、前記開口部を介して外部に連通する内部空間と、を有するノズルと、前記内部空間内に圧縮ガスを供給するガス供給手段と、前記導電性部材を前記ノズルの前記開口部に圧入し前記開口部に前記導電性部材を圧着させる圧入手段と、前記導電性部材を前記開口部に圧着させた状態で、前記内部空間に前記圧縮ガスを供給し前記導電性部材を固相状態で射出するように前記ガス供給手段を制御する制御部と、を備える。

本発明の接合装置の第２の態様によれば、さらに、前記開口部に圧着した前記導電性部材に熱線を照射する熱線照射手段を備え、前記内部空間が前記所定圧力の際に前記導電性部材に熱線を照射するように前記制御部により前記熱照射手段を制御する。

本発明の接合装置の第３の態様によれば、前記圧入手段は、前記導電性部材の、前記開口部の内径より大きい寸法部を前記ノズルの外側に位置させた状態で圧着させるように、前記導電性部材を前記開口部に圧入する。

本発明の接合装置の第４の態様によれば、前記圧入手段は、前記開口部と前記導電性部材とを互いに接離する方向に移動させる駆動手段を有する。
本発明の接合装置の第５の態様によれば、前記圧入手段は、前記内部空間を介して前記開口部に吸引力を付与し、前記開口部に対する前記導電性部材の圧着を補助する吸引手段を有する。

本明細書におけるノズルの外側とは、ノズルを形成する部材により画成される内部空間を内側とした場合の、内部空間以外の領域と定義する。従って、ノズルの開口部と、開口部により画成される開口する領域と、ノズルの外部空間と、はノズルの外側となる。

ガス供給手段に用いる圧縮ガスとしては、不活性ガス（窒素）や導電性部材を還元できる気体（水素など）を用いることが可能である。

さらに、本明細書において、導電性部材とは、半田、金などの金属材料あるいは合金などの、接合する対象である部材同士を電気的に接続できる部材を意味する。

さらに、本明細書において、接合対象物とは、基板（ＰＣＢ（ＰｒｉｎｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔＢｏａｒｄ（プリント基板）），ＦＰＣ（フレキシブルプリンテッドサーキット））や電子部品の電気接続用の導体電極の類を意味し、上記導電性部材により基板と電子部品との間で直接電気的接合を行うための導電性部材、或いは前記電気的接合を後工程で行うためのバンプが形成される部材などを含む。

本発明は、導電性部材が固相状態で射出される構成であるので、導電性部材の残渣がノズルの開口部及びその近傍に生じることがない。

さらに、導電性部材は、開口部に圧着させ、開口部と導電性部材との間の摩擦力より大きくなるように圧縮空気を供給し射出する構成であるので、ノズルに導電性部材を保持するための別部材を設ける必要がなく、また、別部材と熱照射手段との同期をとる必要がないため、接合装置の構成の小型化及び簡易化を実現できる。

シャッターが必要ないので、シャッターから導電性部材への影響を排除でき、射出方向とは異なる方向への力が付与される余地がない。よって、接合部材の着弾位置の精度を高めることができる。

以下、本発明による接合対象物を接合する接合装置を半田付け装置に適用した実施形態について図面を参照しつつ説明する。

（第１実施形態）
図１（ａ）〜（ｃ）は、第１実施形態による半田付け装置の各半田付け工程における部分断面図、図１（ｄ）は、第１実施形態のノズルと半田ボールの関係を示す図、図１（ｅ）は第１実施形態のノズルと半田ボールの関係を示す断面図、図１（ｆ）、（ｇ）はそれぞれ開口部に圧着した半田ボールに作用する力の関係を示す断面図、図２は、半田付け工程のフローチャートである。

図１（ａ）に示されるように、半田付け装置１０１は、主として、半田ボール１１７を射出するノズル１０３と、レーザ照射部１０５と、ガス供給部１１７と、ノズル１０３を移動し半田ボール１１７を圧入するための駆動部１１８（すなわち圧入手段）と、制御部１０９と、を備える。ノズル１０３は、その内部に、後述するレーザ光が通るとともに、圧縮ガスが供給される内部空間１１１を備え、長手方向における両端が開口する円筒状の部材である。ノズル１０３の長手方向の一端部は、レーザ光のみが透過できるガラス等から形成される上板１１５により閉じられ、他端部は、半田ボール１１７が圧着される開口部１１３を構成する。開口部１１３は、ノズル１０３の長手方向に所定の長さを有する。また、開口部１１３の開口は、内部空間１１１に連続し、均一の内径（もしくは曲率半径）の内周面１１３ａを有する。当該内径は少なくとも半田ボール１１７の外径（もしくは曲率半径）より小さく寸法付けされている。

さらに、ノズル１０３は、半田ボール１１７に対して接離可能に移動させる駆動部１１８が装着されている。従って、ノズル１０３の開口部１１３を半田ボール１１７に対し近づくように移動し、その開口部１１３が半田ボール１１７に対して当接した後は、さらに半田ボール１１７に押し付けて開口部１１３の先端部１１３ｂに圧着させる。なお、半田ボール１１７が開口部１１３に圧着した状態では、内部空間１１１は略密閉された状態となる。

さらに、ノズル１０３の外部と内部空間１１１とを連通させるガス導入路１１９が、ノズル１０３の周壁１０３ａに設けられている。ガス導入路１１９は、ガス源であるガス供給部１０７に連結され、ガス供給部１０７からの圧縮ガスは、内部空間１１１内に供給される。

さらに、ノズル１０３の上板１１５の近傍には熱照射手段であるレーザ照射部１０５が配置されている。レーザ照射部１０５は公知のものを用いる。レーザ照射部１０５から照射されたレーザ光の光軸は、内部空間１１１、開口部１１３の中心軸と一直線状になるように構成されている。従って、レーザ光は、上板１１５を透過し、ノズル１０３の内部空間１１１に進入し、さらに、内部空間１１１を通過し、開口部１１３を介してノズル１０３の外部へ進む。このように、内部空間１１１は、レーザ光を半田ボール１１７に導くためのレーザ導入路としても機能する。

ノズル１０３を下降させ、貯留部１２１に載置された半田ボール１１７に対して半田ボール１１７に当接した後、さらに半田ボール１１７にノズル１０３の開口部１１３を所定の力で押圧し、半田ボール１１７を開口部１１３に圧入させる。

半田ボール１１７の、図面中において水平（左右）方向に延在する水平面に沿った断面の最大寸法部である直径部１１７ａは、先端部１１３ｂと当接する半田ボール１１７の当接部１１７ｂより射出方向ｘにおいて貯留部１２１に近い側に位置する。すなわち、直径部１１７ａがノズル１０３の開口部１１３と半田ボール１１７の接触部分より外側に位置させた状態でノズル１０３に圧着される。さらに、換言すると、半田ボール１１７は、ノズル１０３の外側（開口部若しくは外部空間）に位置し、ノズル１０３の内側には半田ボール１１７は存在していない。

なお、最大寸法部とは、射出方向（本実施形態では上下方向）に対して垂直に延在する平面による半田ボールの断面を画成する外周上において、任意の２点間を結ぶ線分の最大長さを意味する。

さらに、レーザ照射部１０５、ガス供給部１０７、駆動部１１８は、制御部１０９に連結され、制御部１０９により作動する構成である。制御部１０９からの駆動信号をレーザ照射部１０５が受けると、レーザ照射部１０５からレーザ光が照射される。同様に、ガス供給部１０７が制御部１０９からの駆動信号を受けると、圧縮ガスが内部空間１１１内に供給される。レーザ照射部１０５からレーザ光により半田ボール１１７が軟化すると、ガス供給部１０７からの圧縮ガスにより内部空間１１１の内圧が高まっているため、半田ボール１１７の圧着が解除されて射出される。

上記構成の半田付け装置１０１を用いた、半田付け方法の工程について図１（ａ）〜（ｄ）及び図２を参照しつつ説明する。

図１（ａ）に示されるように、駆動部１１８によりノズル１０３を貯留部１２１に移動させ、開口部１１３に半田ボール１１７を圧入し、半田ボール１１７を先端部１１３ｂに圧着させる（ステップＳ１）。なお、本実施形態では、半田ボール１１７が載置されている貯留部１２１に対して、ノズル１０３を下降させていくことにより開口部１１３に圧入する。

このときのノズル１０３の開口部１１３の状態が図１（ｆ）に示されている。圧着した半田ボール１１７は、歪むことにより内部応力が発生し、当該内部応力に起因する摩擦力μＦ１によって開口部１１３に保持される。なお、図１（ａ）に示されるように圧入された状態では、半田ボール１１７の直径部１１７ａが、射出方向ｘに関し先端部１１３ｂより内部空間１１１から遠い位置に配置される。

次に、図１（ｂ）に示されるようにノズル１０３を、作業台１１８に載置されている接合対象物である電極若しくは導電性パターン１２３、１２５（詳細には図１（ｄ）の接触部１２９参照。）に対して位置決めを行う（ステップＳ２）。もちろん、ノズル１０３を固定した状態で、作業台１１８を移動する構成としても良い。

次に、ガス供給部１０７から圧縮ガスを内部空間１１１内に供給する（ステップＳ３）。制御部１０９により内部空間１１１内の圧力が所定値に達したか否かが判別される（ステップＳ４）。内部空間１１１内の圧力が所定値に達したことが制御部１０９により判別された場合には、内部空間１１１を介して半田ボール１１７にレーザ照射部１０５からのレーザ光１０５ａを照射する（図１（ｃ）、ステップＳ５）。なお、内部空間１１１内が所定圧力に達しているか否かの判別は、例えば予め、ガス供給後から所定圧力に達するまでの所定時間を計測しておき、制御部によりガス供給後から所定時間が経過したか否かを判別することで、行うことができる。

レーザ光１０５ａは、内部空間１１１に面している半田ボール１１７の部分を照射し加熱すると、半田ボール１１７の弾性係数が低下し、結果として内部応力が緩和する。そのとき、内部空間１１１に充填された圧縮ガスの付勢力Ｐが半田ボールの内部応力によって発生する摩擦力（保持力）μＦ２を上回ることにより、半田ボール１１７と開口部１１３の先端部１１３ｂとの圧着が解除され、略球状の半田ボール１１７が固相状態において射出される（図１（ｄ）、（ｇ）、ステップＳ６）。なお、レーザ光１０５ａが照射された半田ボール１１７は、加熱されることにより、弾性係数が低下しているため内部応力が低下する。結果とし内部応力に起因する摩擦力μＦ２は、加熱されていない状態の半田ボール１１７に生じる摩擦力μＦ１より相対的に小さくなる。

射出された半田ボール１１７は、作業台１１８上の接合対象物１２３、１２５の接触部１２９に着弾する（図１（ｄ）、ステップＳ７）。なお、レーザ照射部１０５からレーザ光１０５ａは、半田ボール１１７が溶融するまで継続される。

そして、半田ボールが着弾位置（接触位置１２９）において溶融した後に、レーザ照射部１０５及びガス供給手段１０７の作動を停止するように制御部１０９からの信号が送られる（ステップＳ８）。

上記の通り、本実施形態の接合装置１では、固体状の半田ボール１１７をノズル１０３の開口部１１３に圧着させた後、内部空間内に圧縮ガスを供給し内部空間内が所定圧力値であるときに、レーザ照射部１０５からのレーザ光１０５ａを照射し、圧縮ガスにより固相状態のまま半田ボール１１７の圧着を解除する構成である。このような構成であるので、半田付け装置の構成が簡素化されるとともに、半田付け装置の制御が容易となる。

なお、発明者等は、鋭意検討した結果、ノズル１０３の開口部１１３の内径Ｄ１が０．０９５ｍｍ、半田ボール１１７の直径Ｄ２が０．１１ｍｍである場合には、Ｄ１／Ｄ２の比は、０．７８〜０．９５となるように寸法付けすると、所望の着弾精度が得られることを知得している。より好ましくは、０．８２〜０．９１である。また、半田ボール１１７と開口部１１３との接触角θ１で表現すると、１８〜３８度とすることが好ましい。より好ましくは、θ１は２５〜３５度とすることがより好ましい。ここで、接触角とは、開口部１１３の中心線Ｃ１（半田ボールの中心を通る鉛直線）と、半田ボール１１７の中心から開口部１１３と接触している当接部１１７ｂとを結ぶ半径ｒ１に対する垂線Ｌ１と、の成す角度である。

（変形例１）
第１実施形態の変形例について説明する。図３は、変形例１に係るノズルの断面図である。本変形例の開口部２１３は、実施形態１と異なり、先拡がり形状を呈している。すなわち、開口部２１３は、内部空間２１１側から、先端部２１３ｂに向かい内径が漸増する構成である。

半田ボール２１７が開口部２１３に圧着した状態では、実施形態１と同様に、半田ボール２１７の最大寸法部である直径部２１７ａは、半田ボール２１７の当接部２１７ｂより先端部２１３ａ側に位置するように圧着される。上記のように構成することにより、使用する半田ボールに寸法のばらつきがあった場合であっても、最大寸法部２１７ａが当接部２１７ｂよりノズルの先端部２１３ａ側に配置させることができる。その他の構成及び動作は、実施形態１と同じであるので説明は割愛する。

なお、発明者等は鋭意検討した結果、半田ボール２１７の直径Ｄ２が０．１１ｍｍである場合には、開口部２１３の内周面２１３ａ（線Ｌ２）の鉛直方向（線Ｃ２）に対する傾斜角度、すなわち、半田ボール２１７と開口部１１３との接触角θ２を、３〜３５度、より好ましくは、５〜３０度とすると所望の射出精度が得られるという知見を得ている。

（第２実施形態）
第２実施形態は、半田ボールを開口部に圧着させるための圧着手段として吸引手段を利用した半田付け装置である。以下、図４を参照して説明する。図４は、第２実施形態に係る半田付け装置の部分断面図である。

半田付け装置３０１は、主としてノズル３０３と、レーザ照射部３０５と、ガス供給部３０７と、制御部３０９と、吸引手段を構成する吸引部３２５と、を備える。レーザ照射部３０５、ガス供給部３０７及びガス導入路３１９は、第１実施形態と同一の構成、動作であるので説明を割愛する。さらに、図面の明瞭化のため、第１実施形態と同一の構成、作動であるノズル３０３を移動させる駆動部の図示を割愛した。

吸引手段は、公知の真空ポンプ等である吸引部３２５と、ノズル３０３の周壁３０３ａに設けられ、内部空間３１１と外部とを連通する吸引孔３２７と、吸引部３２５と吸引孔３２７とを連結するチューブ３２９と、を備える。吸引孔３２７は、ノズル３０３の開口部３１３近傍の側壁３０３ａを水平方向に貫通して延びている。よって、吸引部３２５からの吸引力は、チューブ３２９、吸引孔３２７、開口部３１３を介して、ノズル３０３の外部に付与される。

なお、吸引孔３２７を設ける位置は適宜変更でき、内部空間３１１と外部とを連通する構成としても良い。また、ノズルの外側と内部空間３１１とを連通する貫通孔である吸引孔３２７若しくはガス導入路３１９の一方のみをノズルに設け、単一の貫通孔を吸引孔及びガス導入路として共用し、単一の貫通孔にガス供給部３０７と吸引部３２５とを接続する構成としてもよい。すなわち、吸引力を開口部３１３を介してノズル３０３の外部に付与できる構成であれば適宜変更できる。

上記構成において、吸引部３２５の吸引力を内部空間３１１から開口部３１３を介して半田ボール３１７に付与することにより、半田ボール３１７を吸引し、その吸引力により半田ボール３１７を開口部３１３の先端部３１３ｂに圧着させる。

また、吸引部３２５は、レーザ照射部３０５及びガス供給部３０７と同様に制御部３０９に接続され、制御部の３０９からの信号を受け作動する構成である。なお、本実施形態における半田付け装置による半田付けの工程は、第１実施形態の工程と、図２に示す圧着させる工程（図２のステップＳ１に対応）が異なる。すなわち、半田ボール３１７を圧着させる工程（図２のステップＳ１に対応）では、ノズル３０３の開口部３１３と半田ボール３１７が当接するようにノズル３０３を下降させるのではなく、吸引部３２５を作動させ、吸引力により半田ボール３７１を開口部３１３に圧着させる。そして、吸引部３２５を停止し圧着工程が終わる。その後の工程は、第１実施形態の図２に示す工程と同様である。

また、第１実施形態と第２実施形態を組み合わせることも可能である。すなわち、ノズル３０３の開口部３０３ａを半田ボール３１７に近づけ当接すると同時、もしくはその前後において、吸引部３２５を作動させることにより、半田ボール３１７を開口部３０３ａに圧着させてもよい。

この構成の場合には、吸引するタイミングを、開口部３１３と半田ボール３１７とが当接するタイミングより早くすることにより、半田ボール３１７が開口部３０３ａに対する相対位置がずれている場合であっても、半田ボール３１７が開口部３１３に吸引され先端部３１３ｂに確実に当接させることができる。そして、ノズル３０３を半田ボール３１７を吸引した状態で、ノズルを作業台３２１に半田ボール３１７を押し付けるようにして圧着させることが可能である。

（変形例２）
図５は、変形例２に係るノズルの断面図である。実施形態２では、吸引力によりノズル３０３の開口部３１３に半田ボール３１７を圧着させていたが、変形例２では、半田ボール４１７を吸引し開口部４１７に当接した後に、半田ボール４１７を開口部４１７に押し込むための押し込み手段すなわち、押し込み部材４３５を接合装置に設けてもよい。押し込み部材４３５は、形状任意の部材であり、開口部４１３に対向する平坦な押し込み面４３５ａを有している。また押し込み部材４３５は、駆動部４３７により開口部４１３に対して接離させる（矢印４３９（垂直）方向に移動する）構成である。

例えば、吸引部４２５により吸引された後、押し込み部材４３５の押し込み面４３５ａで半田ボール４１７を開口部４１３ａに近づく方向（矢印４３９）に押圧し、半田ボール４１７を開口部４１３内に圧入させる。半田ボール４１７が圧着した後は、押し込み部材４３５が開口部４１３から離れるように移動させ、圧入が完了する。

この変形例によれば、吸引力だけでは、半田ボール４１７の圧入が十分ではなかった場合でも、押し込み部材４３５により確実に押し込むことができる。圧入させた後の工程は、第１実施形態と同様である。図面の明瞭化のため、第１実施形態と同一の構成、作動であるノズル３０３を移動させる駆動部の図示を割愛した。

（第３実施形態）
図６（ａ）は、第３実施形態に係る半田付け装置５０１の部分断面図、図６（ｂ）は、図６（ａ）の線ＶＩｂ−ＶＩｂに沿った断面図である。第３実施形態の半田付け装置５０１は、ノズル５０３の開口部５１３の開口形状が上述した第１実施形態と異なるが、その他の構成については同一である。したがって、同一の構成、機能等の説明は割愛する。

図６（ｂ）に示されるように開口部５１３の開口は、所定の曲率半径の円形状部５１３ａと、円形状部５１３ａを横切るスリット部５１３ｂとから構成される。円形状部５１３ａの曲率半径は、半田ボール５１７の曲率半径より小さく寸法付けされている。また、スリット部５１３ｂは、所定の曲率半径を有する略半円状である。また、本実施形態において、半田ボール５１７を開口部５１３に圧入すると、半田ボール５２７の外周面の一部が円形状部５１３ａに圧着し、スリット部５１３ｂと半田ボール５２７の外周面との間には、隙間が形成される。すなわち、半田ボール５１７が圧着した状態では、円形状部５１３ａは、半田ボール５１７により塞がれ、スリット部５１３ｂは、半田ボール５１７によっては塞がれない。

上記構成のノズル５０３を用いて、半田ボールの接合を行う工程は、第１実施形態において説明した図２と共通する。異なるところは、圧縮ガスを供給するガス供給工程（図２のステップＳ３に対応）及びレーザ照射をする工程（図２のステップＳ５に対応）である。すでに説明した実施形態では、開口部に半田ボールが圧着しているので、内部空間５１１は、密閉した状態となっているが、本実施形態では、スリット部５１３ｂが存在する。したがって、ガス供給工程（図２のステップＳ３に対応）において、圧縮ガスを供給すると、圧縮ガスはスリット部５１３ｂを通り、接合対象物５２３、５２５に付与される。したがって、半田ボール５１７が接合対象物５２３、５２５に付着する前に、接合対象物５２３、５２５が酸化することを防止できる。よって、接合対象物５２３、５２５の酸化に起因する半田付け不良を防止できる。

さらに、レーザ照射をする工程（図２のステップＳ５に対応）においても、レーザ光５０５ａの一部は、スリット部５１３ｂを介して、接合対象物５２３、５２５に到達する。したがって、接合対象物５２３、５２５が半田付けされる前に予め加熱されているので、接合対象物５２３、５２５に対する半田ボールの濡れ性を向上できる。結果として、半田付け作業の仕上がりがよくなる。

（半田付け装置）
本発明の接合装置を適用した半田付け装置の全体構成の一例について説明する。図７は、半田付け装置１の側面模式図である。なお、図中において、図面の表裏方向をｘ方向、左右方向をｙ方向、上下方向をｚ方向とする。

半田付け装置１は、第１実施形態の半田付け装置を組み込んだ例である。半田付け装置１は、主として、基台１５３と、基台１５３の上面１５３ａ上にｙ方向、ｚ方向に移動可能に載置されるノズル１０３及びレーザ照射部１０５と、接合対象物１２３、１２５が載置される作業台１１８、半田ボールが載置されている貯留部１２１と、各構成要素を作動させるための制御部１０９と、を備える。

さらに、半田付け装置１は、ノズル１０３をｙ方向、ｚ方向に移動させるためのｙ方向駆動部１３１と、ｙ方向駆動部１３１に載置され、ｙ方向に移動するｙ方向スライダ１３５と、ｙ方向スライダ１３５に固定されているｚ方向駆動部１３７と、ｚ方向駆動部１３７に装着され、ｚ方向に移動するｚ方向スライダ１３９とを備える。

ｚ方向スライダ１３９には、ｙ方向に延びるノズルアーム１４１と、照射部アーム１４３と、ｚ方向に互いに離間して固定的に装着されている。ノズルアーム１４１と照射部アーム１４３のそれぞれには、ノズル１０３とレーザ照射部１０５が装着されている。

また、作業台１１８は、ｘ方向駆動部１４５によりｘ方向に移動可能なｘ方向スライダ１４７上に装着されている。したがって、ｘ方向駆動部１４５によりｘ方向スライダが移動すると作業台１１８をｘ方向に移動させることができる。

ここで、ｙ方向駆動部１３１、ｚ方向駆動部１３７、ｘ方向駆動部１４５の構成は公知の構成を利用する。例えば、ｙ方向駆動部１３１は、不図示のモータ、ｙボールネジ、ｙナットから構成することができる。雌ネジが設けられているｙナットはｙスライダ１３１に固定されている。雄ネジが外周に設けられているｙボールネジは、その両端を玉軸受で回転可能にｙ方向駆動部の筺体内に支持され、ｙボールネジの一端にはモータが連結されている。モータを駆動しｙボールネジを回転させると、ｙボールネジに螺合しているｙ方向ナットがｙボールネジに沿って往復運動する。このｙ方向ナットが往復運動することでｙ方向スライダ１３５が、ｙ方向に移送する。その他の駆動部も同様に構成できる。

作業台１１８とｙ方向駆動部１３１との間で、基台１５３の上面１５３ａに固定されているのは、半田ボール１１７を貯留する貯留部１２１である。なお、貯留部１２１への半田ボールの移送は、不図示の搬送手段で行われる。

また、制御部１０９は、ｙ方向駆動部１３１、ｚ方向駆動部１３７、ｘ方向駆動部１４５、レーザ照射部１０５、ガス供給部１０７、に電気的に接続されており、各要素は制御部１０９からの指令により作動する構成となっている。図示してないが、ノズル１０３と、接合対象物１２３、１２５と、貯留部１２１の半田ボール１１７と、の間の位置決めを行うために例えばＣＣＤカメラ等の位置決め用カメラを用い、位置決め用カメラからの映像に基づいて、位置決めを行う制御ができることは言うまでもない。

なお、上記構成の半田付け装置において、半田ボール１１７をノズル１０３の開口部１１３への圧入は、ノズル１０３を半田ボール１１７に当接するためにｘ方向、ｙ方向、ｚ方向に前述のｘ方向駆動部、ｙ方向駆動部、ｚ方向駆動部を作動することにより行う。したがって、これらの駆動部が圧入手段を構成することになる。

上記半田付け装置１を用いた半田付け作業について説明する。ｙ方向駆動部１３１及びｚ方向駆動部１３７は、制御部１０９からの駆動信号を受け、ノズル１０３を貯留部１２１に向けて移動させる。そして、半田ボール１１７が開口部１１３が当接した後、さらに下降させ、開口部１１３に半田ボール１１７を圧入させる。開口部１１３に圧着させた後、ノズル１０３は、作業台１１８上にある接合対象物１２３、１２５の接合位置に移動する。なお、接合位置とノズル１０３との間の位置決めは、ｘ方向駆動部１４５、ｙ方向駆動部１３１、ｚ方向駆動部１３７を作動することにより行う。

さらに、ガス供給部１０７から圧縮ガスをノズル１０３の内部空間１１１（図１（ｂ）参照）内に供給する。内部空間が所定圧力であるとき、レーザ照射部１０５は制御部１０９からの駆動信号を受け、レーザ光を開口部１１３に圧着している半田ボール１１７に付与される。半田ボール１１７が加熱されると、ガス供給部１０７からの圧縮ガスにより開口部１１３に対する圧着が解除され、半田ボール１１７は接合位置に着弾する。半田ボール１１７が着弾した後、制御部１０９はガス供給部１０７を停止する。また、半田ボール１１７の射出方向とレーザ光の進行方向とが一致する構成であるので、半田ボール１１７の全体が溶融するまでレーザ光の照射を続ける。そして、半田ボール１１７が溶融した後、制御部１０９はレーザ照射部１０５を停止する。そして溶融半田が固化し接合対象物１２３、１２５の半田付けが完了する。

なお、上記実施例では、半田ボールが射出され開口部を離れ、接合位置に着弾した後までレーザ照射をする構成としたが、半田ボールが接合位置に到達する前に、半田ボール全体を溶融する構成としてもよいことは言うまでもない。

本発明では、固相状態の半田ボールを射出させる構成であるので、特許文献１のように溶融した半田ボールを射出することにより、溶融した半田部材が開口部及びその周辺に付着する、ということがない。溶融した半田部材を射出する構成の場合、半田部材の粘性等を考慮して、内部空間内の圧力を設定し射出する必要がある。しかし、本発明によれば、半田ボールが接合に適した射出速度となるように内部空間の圧力を設定できるので、半田部材の着弾位置精度を向上させることができる。

さらに、接合対象物に付着させるために適した圧縮ガスの圧力値を設定できる。よって、半田部材の付着に不具合が生じることがない。また、開口部を開閉するためのシャッターが不要であるので、シャッターの半田ボールに対する影響を排除できるとともに、半田付け装置の構成を簡易にできる。

第２実施形態の半田付け装置（図４参照）を用いて、半田付け作業を行った実施例について説明する。ノズル３０３の開口部３１３の内径Ｄ１は、０．０９５ｍｍであり、半田ボールの直径Ｄ２は、０．１１ｍｍである。また、吸引圧力は−３０．０ｋＰａで吸引部３２５により半田ボール３１７を開口部３１３に圧着させ、吸引部３２５を停止する。そして、内部空間３１１の圧力が１．０ｋＰａになるまでガス供給部３０７から圧縮ガスを供給する。内部空間３１１の圧力が１．０ｋＰａになったとき、レーザ照射部３０５からレーザ光を半田ボール３１７に照射した。

比較例として、特許文献２に記載されているシャッターにより半田ボールを保持する構成の半田付け装置を用いた。ノズルの内径は、０．１２５±０．００３ｍｍであり、半田ボールの直径Ｄ２は、０．１１ｍｍである。

また、本実施例及び比較例の半田付け装置では、圧縮ガスとして、窒素ガスを使用した。また、ノズルの先端部３１３ｂから着弾位置までの距離は、０．５ｍｍである。使用するレーザは、波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザであり、レーザ光のスポット径は、着弾位置においてφ２００μmである。

第２実施形態による接合装置を用いた場合には、比較例の接合装置に比べ着弾精度を、２５％〜３０％向上させることができた。

上述した、実施形態１〜３、変形例及び実施例においては、開口部に圧着させた半田ボール、すなわち導電性部材に対して熱を付与し、圧着を解除する構成とした。しかしながら、本発明は、導電性部材に熱を付与することで摩擦力を緩和させるのではなく、圧縮気体による付勢力のみを利用して導電性部材の圧着を解除する構成とすることも可能である。

実施形態１の他の例として、図１に示す構成の半田付け装置を用いて、圧着を解除するために摩擦力（図１（ｅ）に示すμＦ１）より大きな圧縮ガスによる付勢力Ｐを付与し射出させる方法が挙げられる。図１０は、圧縮ガスのみで半田ボールを射出させる半田付け方法を示すフローチャートである。フローチャートに示すように、半田ボール１１７を開口部１１３に圧着させ（ステップＳ１１、図１（ａ）対応）、ノズル１０３を位置決めする（ステップＳ１２）。内部空間１１１にガス供給部１０７から圧縮ガスを供給する（ステップＳ１２）。圧縮ガスによる半田ボール１１７に対する付勢力Ｐが、摩擦力μＦ１より大きくなると（図１（ｆ）対応）、半田ボール１１７が固相状態で射出される（ステップＳ１４）。この時、実施形態１と異なり、レーザ光は半田ボール１１７に照射されていない。その後、飛翔する半田ボール１１７へレーザ光を照射し（ステップＳ１５）、半田ボールを溶融させ所定位置に着弾させる。その後、レーザ光の照射及び圧縮ガスの供給を止め（ステップＳ１７）、半田付け工程が終了する。このように、圧着させた半田ボールに対して、レーザ光を照射させずに、射出させる方法も可能である。

さらに、レーザ照射部は、ノズルとは、別体として構成されていたが、ノズルとレーザ照射部を一体構成としてもよい。図８は、ノズル６０３にレーザ照射部６０５が固定された半田付け装置の部分断面図である。ノズル６０３の上板６１５に、レーザ照射部６０５が固定されている。レーザ照射部６０５からのレーザ光６０５ａは、ノズル上板６１５に設けられたガラス等から形成されるレーザ透光部６１５ａを介して、内部空間６１１内に進入し、半田ボール６１７に到達する。このように、レーザ照射部からのレーザ光６０５ａが、内部空間６１１を介して半田ボール６１７に到達し、半田ボール６１７が射出された後は、その射出方向とレーザ光の進行方向とを整合できる構成であれば、適宜変更できることは言うまでもない。

上述した、実施形態１〜３、変形例及び実施例においては、レーザ照射部は、ノズルとは、別体として構成されていたが、ノズルとレーザ照射部を一体構成としてもよい。図８は、ノズル６０３にレーザ照射部６０５が固定された半田付け装置の部分断面図である。ノズル６０３の上板６１５に、レーザ照射部６０５が固定されている。レーザ照射部６０５からのレーザ光６０５ａは、ノズル上板６１５に設けられたガラス等から形成されるレーザ透光部６１５ａを介して、内部空間６１１内に進入し、半田ボール６１７に到達する。このように、レーザ照射部からのレーザ光６０５ａが、内部空間６１１を介して半田ボール６１７に到達し、半田ボール６１７が射出された後は、その射出方向とレーザ光の進行方向とを整合できる構成であれば、適宜変更できることは言うまでもない。

上記実施形態１〜３及び変形例では、レーザ装置を用いたが、ハロゲン光や熱風を用いて半田ボールすなわち半田部材を加熱溶融してもよい。また、半田部材として球状の半田ボールを用いたが、立方体形状、直方体形状等の半田部材を適宜利用できることは言うまでもない。

また、上述した、実施形態１〜３、変形例及び実施例においては、少なくとも２つの部材を平面状に配置した接合対象物に対して半田ボールを射出し２つの部材を接合しているが、本発明の接合対象物は平面状に配置された接合対象物に限定されることはない。例えば背景技術として紹介した図１０や図１１のように、基板の電極と基板上に載置された電子部品の側面電極のように、接合対象物が略９０°の角度を成す２つの部材から構成されるものであってもよい。

さらに、接合対象物は、単一の部材から構成されているものであってもよい。図９は、単一の部材から構成される接合対象物に対して半田ボールを射出し、半田バンプを形成した状態を示す図である。図９では、図１の半田付け装置１０１を用いて平板状の導体９２４に半田ボール９１７を着弾させて、半田バンプ９１６を形成させたものである。

なお、実施形態１〜３、変形例及び実施例では、ノズルの開口部に圧着した導電性部材は、ノズルの外側に位置する構成であったが、導電性部材の一部がノズルの内側に延在する構成としても良いことは言うまでもない。例えば、開口部の長手方向の長さが、半田ボールの外径に対して相対的に短い場合には、半田ボールの一部が、内部空間内に延在することとなる。

また、レーザ光の光軸と、内部空間の中心軸と、開口部の中心軸とを同方向に一致させる構成としたが、開口部から射出する半田ボールの軌跡に沿ってレーザ光を走査できるレーザ装置であればよく、レーザ光の光軸と半田ボールが射出された後の射出経路とを整合させる必要がないことは言うまでもない。

なお、半田ボールの酸化防止の観点から、上記実施形態に圧縮気体として、窒素等の不活性ガス（圧縮気体）を適用できる。

本発明は、導電性部材に熱照射することにより、ノズルに対する圧着が解除され溶融を開始する構成であるので、導電性部材の残渣がノズルの開口部及びその近傍に生じることがない。

この発明は、その本質的特性から逸脱することなく数多くの形式のものとして具体化することができる。よって、上述した実施形態は専ら説明上のものであり、本発明を制限するものではないことは言うまでもない。

（ａ）〜（ｄ）は、第１実施形態による半田付け装置の各半田付け工程における部分断面図、（ｅ）は、第１実施形態のノズルと半田ボールの関係を示す断面図、（ｆ）、（ｇ）はそれぞれ圧着した半田ボールに作用する力の関係を示す断面図である。半田付け工程のフローチャートである。変形例に係るノズルの断面図である。第２実施形態に係る半田付け装置の部分断面図である。変形例２に係る半田付け装置の部分断面図である。（ａ）は、第３実施形態に係る半田付け装置の部分断面図、（ｂ）は、（ａ）の線ＶＩｂ−ＶＩｂに沿った断面図である。半田付け装置１の側面模式図である。ノズルにレーザ照射部が固定された半田付け装置の部分断面図である。図１の半田付け装置１０１を用いて平面状の導体である接合対象物に対して半田ボールを射出し、半田バンプを形成した状態を示す図である。第１実施形態の他の例である半田付け工程のフローチャートである。従来の第１の半田付け装置の部分断面図である。従来の第２の半田付け装置の部分断面図である。

符号の説明

１０１半田付け装置
１０３ノズル
１０５レーザ照射部
１０７ガス供給部
１１１内部空間
１１３開口部
１１５上板
１１７半田ボール
１１８駆動部
１２１貯留部

Claims

ノズルから導電性部材を接合対象物に射出し前記接合対象物と前記導電性部材とを電気的に接合する接合方法であって、
前記ノズルの開口部の、前記導電性部材が接触する部分の曲率半径より大きい曲率半径の外径を有する前記導電性部材を用意し、
前記導電性部材を前記ノズルの開口部に圧着させ、
前記ノズルの内部空間内に圧縮気体を供給し、前記導電性部材を固相状態で前記接合対象物に射出する接合方法。
さらに、前記内部空間内の圧力が所定値のときに、前記開口部に圧着させた前記導電性部材に対して熱線を照射する接合方法。
前記導電性部材の前記開口部に対する圧着は、前記ノズルを前記導電性部材に対して押圧することにより行う請求項１又は請求項２に記載の接合方法。
前記導電性部材の前記開口部に対する圧着は、前記内部空間を介して前記開口部に付与される吸引力により行う請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の接合方法。
前記導電性部材の前記開口部に対する圧着は、前記吸引力により前記開口部に当接した前記導電性部材を、押し込み部材により前記開口部に対して押し込むことにより行う請求項４に記載の接合方法。
前記導電性部材が射出された後、さらに前記導電性部材に対する熱線の照射を継続する請求項２乃至請求項５のいずれかに記載の接合方法。
接合対象物に導電性部材を配置することで前記接合対象物と前記導電性部材とを電気的に接合する接合装置であって、
前記導電性部材の外径の曲率半径より小さい曲率半径を有する開口部と、前記開口部を介して外部に連通する内部空間と、を有するノズルと、
前記内部空間内に圧縮ガスを供給するガス供給手段と、
前記導電性部材を前記ノズルの前記開口部に圧入し前記開口部に前記導電性部材を圧着させる圧入手段と、
前記導電性部材を前記開口部に圧着させた状態で、前記内部空間に前記圧縮ガスを供給し前記導電性部材を固相状態で射出するように前記ガス供給手段を制御する制御部と、を備える接合装置。
さらに、前記開口部に圧着した前記導電性部材に熱線を照射する熱線照射手段を備え、前記内部空間が前記所定圧力の際に前記導電性部材に熱線を照射するように前記制御部により前記熱照射手段を制御する請求項７に記載の接合装置。
前記圧入手段は、前記導電性部材の、前記開口部の内径より大きい寸法部を前記ノズルの外側に位置させた状態で圧着させるように、前記導電性部材を前記開口部に圧入する請求項７又は請求項８に記載の接合装置。
前記圧入手段は、前記開口部と前記導電性部材とを互いに接離する方向に移動させる駆動手段を有する請求項７乃至請求項９のいずれかに記載の接合装置。
前記圧入手段は、前記内部空間を介して前記開口部に吸引力を付与し、前記開口部に対する前記導電性部材の圧着を補助する吸引手段を有する請求項７乃至請求項１０のいずれかに記載の接合装置。