JP2011165780A

JP2011165780A - 接合装置

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Publication number: JP2011165780A
Application number: JP2010025010A
Authority: JP
Inventors: Takashi Sekimoto; 隆司関本
Original assignee: Nippon Avionics Co Ltd
Current assignee: Nippon Avionics Co Ltd
Priority date: 2010-02-08
Filing date: 2010-02-08
Publication date: 2011-08-25
Anticipated expiration: 2030-02-08
Also published as: JP5207557B2

Abstract

【課題】ヒータツールがワークに接触することで発生する温度分布の非均性を最小限にし、接合品質の向上を図ることを目的とする。
【解決手段】加熱されるヒータツール７をワーク９に押圧し、ワーク９を接合する接合装置において、ヒータツール７と、このヒータツール７の温度を検出する第１の温度センサ１４と、この第１の温度センサ１４の検出温度を所定の温度にするようにヒータツール７に導く電流を制御する第１のコントローラ１６と、ヒータツール７の温度を検出する第２の温度センサ１５と、ヒータツール７にレーザ光を照射するレーザ光照射手段１１と、第２の温度センサ１５の検出温度を所定の温度にするようにヒータツール７に照射するレーザ光照射時間を制御する第２のコントローラ１７とを備える。

【選択図】図１

Description

本発明は、電子部品、プリント配線板、フレキシブルプリント配線板等の接続端子を相互に接合する装置に関し、接合部にはんだ等のろう材や異方性導電膜を介在させ、押圧力と熱を加えて接合する接合装置に関するものである。

従来から、垂直な棒状のヒータツールと、このヒータツールの先端部にレーザ光を照射するレーザ照射部とを備え、電子部品を実装基板に実装するに際し、ヒータツールの先端部で電子部品のリードを実装基板のはんだパッドに押圧し、ヒータツールの先端部にレーザ光を照射、加熱して、電子部品のリードと実装基板のはんだパッドとを接合する接合装置が用いられていた。この方法は、特許文献１に開示されているように、電子部品のリードを１本ずつ実装基板のパッドへ接合するシングルポイントボンディング方式の接合装置を用いて行われている。

その様子を図５に示して説明する。図５において符号５１は電子部品実装装置（接合装置に相当）、５２はボンディングツール（ヒータツールに相当）、５３はレーザ照射部、５４はレーザ発振器、５５はレーザ制御部、５６は電子部品、５７はリード、５８は実装基板、５９はパッドである。また、図５（ａ）は電子部品実装装置と接合部の側面図、図５（ｂ）は接合部の拡大斜視図である。特許文献１に開示されたこの技術は、予め上面にはんだが供給されたパッド５９に電子部品５６のリード５７を載置し、このリード５７をボンディングツール５２の先端でパッド５９に押圧する。続いてボンディングツール５２の先端部の側面にレーザ光を照射して加熱し、パッド５９とリード５７とのあいだに介在するはんだを溶融し接合するものである。

このようにレーザ光を照射して加熱するボンディングツール５２は、電子部品のリード１本を押圧するように先端が細いため、この先端部全体の温度を所定の温度に制御することに工夫がなされている。しかしながら近年の被接合部品（以下ワークと記載する）は高密度実装技術が進展して配線密度が格段に高くなり、例えば液晶パネルと駆動素子等との接続に際しては、その接続端子の間隔はますます狭くすることが要求され、接続端子のピッチは０．２ｍｍあるいはそれより更に微細なものが要求されるようになってきた。このような微細な接続端子を接続する手段の一つとして、異方性導電膜を用いる方法が知られている。

この異方性導電膜は比較的低温での実装が可能であるため、許容温度の低い液晶パネルとフレキシブル配線板との接続などに多用されている。このような特性を有する異方性導電膜を用いて電極間の接合（この場合熱圧着）を行うとき、安定した電気的特性や接合強度を得るためには、所定の加圧力、所定の加熱温度が接続面に均一に加えられることが重要である。このため所定の温度に管理されたステージ上に、異方性導電膜を介してワークを重ねて配置し、上から接合部分の長さを持ったヒータツールを圧接する接合装置が用いられている。

この場合の接合部分は、接続端子どうしは狭いピッチであるが、端子数が非常に多いので、接合部分全体としては端子の並び方向に長い形状となり、これを圧接するヒータツールは図６、図７で示すように長尺（図中のＬ寸法が長い）形状のものが用いられる。そしてこの場合ヒータツールの長手方向の温度が均一となる必要があるので、従来から工夫がなされてきた。例えば特許文献２には、加熱電流の流路の断面積に変化を持たせ、前記長手方向の中心部近傍と両端部近傍の温度を均一にするような技術が開示されている。

特開平１１−２５１３６１号公報（第３頁、図１）特開平８−２２７９１８号公報（第５頁、図１−図４）

しかしながら、ヒータツールがワークに接触していない状態では押圧面全体の温度が均一であったとしても、この押圧面がワークに接触し、ヒータツールの熱がワークに流れたとき、押圧面全体の温度がむらなく均一に維持されることは少なく、ヒータツールの押圧面近傍であって、特に長手方向に温度差が生じてしまう。そこで、本発明はこのような温度差の発生を最小限にし、接合品質の向上を図ることを目的とするものである。

本発明は第１の態様として、電流により加熱されるヒータツールをワークに押圧し、ワークを接合する接合装置において、ワークの上方で昇降する昇降手段と、この昇降手段の下端に固定された絶縁材製の絶縁ブロックと、この絶縁ブロックに互いに間隙をおいて固定された一対の給電ブロックと、この一対の給電ブロック各々に加熱電流経路の両端が固定されたヒータツールと、このヒータツールの温度を検出する第１の温度センサと、この第１の温度センサの検出温度を所定の温度にするように前記ヒータツールに導く電流を制御する第１のコントローラと、前記ヒータツールの温度を検出する第２の温度センサと、前記ヒータツールにレーザ光を照射するレーザ光照射手段と、前記第２の温度センサの検出温度を所定の温度にするように前記ヒータツールに照射するレーザ光照射時間を制御する第２のコントローラとを備えることを特徴とする接合装置を提供する。

また本発明は第２の態様として、前記レーザ光照射手段は前記ヒータツールと一体となって移動し、このヒータツールの押圧面近傍の側面にレーザ光を照射し、このヒータツールを加熱することを特徴とする第１の態様として記載の接合装置を提供する。

また本発明は第３の態様として、前記レーザ光照射手段が照射する前記ヒータツール上のレーザ光照射領域に対応して、前記第２の温度センサの温度検出領域を設けることを特徴とする第１又は第２の態様として記載の接合装置を提供する。

さらに本発明は第４の態様として、前記レーザ光照射手段と一体となって移動する反射鏡を備え、前記レーザ光照射領域を前記ヒータツールに分散させて複数設け、前記反射鏡によるレーザ光の反射により、複数設けたレーザ光照射領域に向けて前記レーザ光照射手段からのレーザ光束を導くことを特徴とする第１乃至第３のいずれかの態様として記載の接合装置を提供する。

通常ヒータツールは、ワークに接触すると、接触面の部分的な条件の差（吸熱量の差）によって不均一に熱がワーク側に流出し、ヒータツールの押圧面に温度差が発生する。本発明によれば、このような押圧面の温度分布の非均性を減少させることができる。したがって、ヒータツールの押圧面の温度分布が均一になり、接合部全域に均等な加熱が可能となるため、接合品質を向上させ、製品の歩留りも向上する。

また、ヒータツールの押圧面の温度分布が不均一である場合は、接合に要する時間は、押圧面の低温の領域の接合状況に依存していたが、本発明は、低温の領域を加熱して高温の領域と同等の温度に上昇させるものであるから、接合に要する時間も短縮され、生産効率が向上する。さらに従来は最適な接合を行うには、ワークの吸熱特性の分布に合わせて、ワークの品種ごとに最適な形状のヒータツールを作成しなければならなかったが、本発明により、一つのヒータツールを用いて多品種のワークへの適用が可能となる。したがって、ヒータツールの作成に要するコストが削減でき、またヒータツールの交換に要する段取り時間も削減できる。

本発明の実施形態を示す接合装置の側面図本発明の実施形態を示す構成図本発明の実施形態の要部斜視図本発明の他の実施形態を示す要部斜視図従来の技術を示す側面図と要部斜視図従来の技術を示す斜視図従来の技術を示す斜視図

次に、添付図面を参照して本発明に係る接合装置の実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明に係る接合装置の概略側面図である。図１において、符号１は接合装置、２は基台、３は基台２に立設され上部が水平方向に延出した支柱、４は支柱３の先端に上下動可能に設けられた昇降手段、５は昇降手段４の下端に固定された絶縁ブロック、６，６は絶縁ブロック５に互いに間隙をおいて固定された一対の給電ブロック、７は給電ブロック６，６各々に加熱電流経路の両端が固定されたヒータツールである。また、基台２には支柱３の他にステージ８が設けてあり、ステージ８の上面にはワーク９が載置されている。

さらに昇降手段４から延出するように、アングル１０が設けてあり、このアングル１０にはレーザ光照射手段１１と反射鏡１２が取り付けられている。したがって、昇降手段４が昇降するのに伴い、ヒータツール７、レーザ光照射手段１１及び反射鏡１２は一体となって移動するものである。ここで、ステージ８に載置されたワーク９は、昇降手段４の動作で下降するヒータツール７の押圧面７Ａに押圧され、次いでヒータツール７に加熱電流が流されることにより所定の温度まで温度上昇し、接続端子間の接合がなされる。

次に図２に基づいて、接合の動作について更に詳しく説明する。図２は昇降手段４と、この昇降手段４に固定されることにより、一体となって昇降するヒータツール７、レーザ光照射手段１１、反射鏡１２を、図１の全体図から抜き出して描いたものである。また、図１では図示を省略した、電源１３（本実施形態ではパルスヒート電源）、第１の温度センサ１４、第２の温度センサ１５、第１のコントローラ１６、第２のコントローラ１７、レーザ発振器１８（本実施形態では半導体レーザ発振器）、反射鏡駆動手段２０を示している。

まず、接合動作開始のトリガーが発生すると、前述したように昇降手段４が下降し、ヒータツール７の押圧面７Ａがワーク９を所定の押圧力で押圧する。次に第１のコントローラ１６からの指令により電源１３が加熱電流の出力を開始する。加熱電流は、一対の給電ケーブル２１，２１を介して一対の給電ブロック６，６に供給され、この給電ブロック６，６に加熱電流経路の両端が固定されたヒータツール７は自身の抵抗発熱により加熱する。このとき第１のコントローラ１６は、第１の温度センサ１４の検出温度に基づき、予め設定された温度プロファイルに従ってヒータツール７の温度が変化するように電源１３を制御する。

ここで、ヒータツール７の押圧面７Ａ全域が、前記温度プロファイルに基づいて均一に温度変化すればよいが、実際はワーク９への熱の流出量が押圧面内で不均一であり、押圧面７Ａの温度分布も不均一になる。特に長尺のヒータツールである場合は、その長手方向に温度差が現れる。そこで本実施形態では第２の温度センサ１５を、ヒータツール７の押圧面７Ａ近傍の長手方向に複数分散させて設けてある。そしてこれら複数の温度センサ１５の検出温度に基づき、第２のコントローラ１７は、レーザ発振器１８と反射鏡駆動手段２０とを制御する。

第２のコントローラ１７は、レーザ発振器１８に対して、レーザ光出力のオンオフ、つまりレーザ光射出時間の制御を行う、レーザ発振器１８から出力されたレーザ光は、光ファイバー１９に導かれてレーザ光照射手段１１から反射鏡１２（本実施形態ではガルバノミラー）に照射される。同時に第２のコントローラ１７は、反射鏡駆動手段２０を制御することで、反射鏡１２の姿勢をコントロールする。これにより、レーザ光照射手段１１から射出されたレーザ光は、第２のコントローラ１７の制御のもとに、ヒータツール７の予め設定された複数の領域のいずれかに照射される。そして、照射されるレーザ光の照射領域の選択と照射時間とは、複数配置された第２の温度センサ１５からの検出温度に基づいて決定される。

次に図３に基づいてヒータツール７へのレーザ光照射の様子を説明する。図３においてヒータツール７には、第１の温度センサ１４が固着されており、検出した温度情報を第１のコントローラ１６（不図示）に与え、ヒータツール７への加熱電流を出力する電源１３（不図示）を含めたループを形成し、温度のフィードバック制御を行う。また第２の温度センサ１５，１５・・・は、第２のコントローラ１７（不図示）に検出した温度情報を与え、第２のコントローラ１７はこの温度情報に基づき、レーザ光照射手段１１及び反射鏡１２の制御を行う。

つまり、ヒータツール７全体の加熱は、電源１３が出力する加熱電流による抵抗発熱で行い、ヒータツール７の部分的な温度のばらつきを第２の温度センサ１５がモニタリングして、部分的に温度が低下した領域を見出したときに、必要な領域に必要なエネルギー量のレーザ光を照射するものである。ここで、レーザ光が照射されるヒータツール７上の領域は、押圧面７Ａ近傍の側面であり、予め反射鏡１２の角度を設定し第２のコントローラ１７に記憶させておくものである。また、その照射領域に対応してヒータツール７に第２の温度センサ１５を固着しておくものである。本実施形態の場合はレーザ光照射領域に対向する裏側の側面に第２の温度センサ１５を固着しているが、レーザ光照射領域と同一面であって、その近傍に第２の温度センサ１５を設けてもよい。

このように、ヒータツール７上のレーザ光照射領域を予め記憶しておき、第２の温度センサ１５からの温度情報に基づき、必要と判断された場合に所定の照射領域にレーザ光を照射できるのは、ヒータツール７とレーザ光照射手段１１と反射鏡１２とが、常時一体となって移動するように、昇降手段４に連設されているからである。また、本実施形態では、第１及び第２の温度センサとして熱電対を使用し、これをヒータツール７に溶接して設けているが、ヒータツール７が放射する赤外線を感知する赤外線センサ等他の温度検知手段を使用しても本発明の目的は達成できる。

図４は、図３で示した内容に対して、異なる形状のヒータツールを用いた場合の構成を描いたものである。図４に示すヒータツール２２は、従来技術の説明で図７に示したものと同等のものであり、板状の材料をワイヤカッターで成形したものであるが、本発明を適用するにあたっては、図３に基づいて説明した手順の中で、ヒータツール２２上のレーザ光照射領域を改めて設定すれば、他は同様の手順で達成できる。また、ヒータツールの素材はチタン、インバー（Ｆｅ−Ｎｉ合金）、ステンレス、モリブデン等レーザ光吸収性を有する素材であれば、従来からヒータツールの素材として用いられているものが適用可能である。

１接合装置
２基台
３支柱
４昇降手段
５絶縁ブロック
６給電ブロック
７，２２ヒータツール
８ステージ
９ワーク
１０アーム
１１レーザ光照射手段
１２反射鏡
１３電源
１４第１の温度センサ
１５第２の温度センサ
１６第１のコントローラ
１７第２のコントローラ
１８レーザ発振器
１９光ファイバ
２０反射鏡駆動手段
２１給電ケーブル

Claims

電流により加熱されるヒータツールをワークに押圧し、ワークを接合する接合装置において、
ワークの上方で昇降する昇降手段と、
この昇降手段の下端に固定された絶縁材製の絶縁ブロックと、
この絶縁ブロックに互いに間隙をおいて固定された一対の給電ブロックと、
この一対の給電ブロック各々に加熱電流経路の両端が固定されたヒータツールと、
このヒータツールの温度を検出する第１の温度センサと、
この第１の温度センサの検出温度を所定の温度にするように前記ヒータツールに導く電流を制御する第１のコントローラと、
前記ヒータツールの温度を検出する第２の温度センサと、
前記ヒータツールにレーザ光を照射するレーザ光照射手段と、
前記第２の温度センサの検出温度を所定の温度にするように前記ヒータツールに照射するレーザ光照射時間を制御する第２のコントローラとを備えることを特徴とする接合装置。
前記レーザ光照射手段は前記ヒータツールと一体となって移動し、このヒータツールの押圧面近傍の側面にレーザ光を照射し、このヒータツールを加熱することを特徴とする請求項１に記載の接合装置。
前記レーザ光照射手段が照射する前記ヒータツール上のレーザ光照射領域に対応して、前記第２の温度センサの温度検出領域を設けることを特徴とする請求項１又は２に記載の接合装置。
前記レーザ光照射手段と一体となって移動する反射鏡を備え、前記レーザ光照射領域を前記ヒータツールに分散させて複数設け、前記反射鏡によるレーザ光の反射により、複数設けたレーザ光照射領域に向けて前記レーザ光照射手段からのレーザ光束を導くことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の接合装置。