JP2012228700A - 接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】接合時間を短縮するとともに、ヒータチップの寿命の短縮化を回避する。
【解決手段】接合対象１５をヒータチップ１２で押圧しつつ、このヒータチップ１２に通電して加熱を行う接合装置１であって、出力電流および／又は出力端子間電圧に基づいて前記通電のための出力を制御する電源部２１と、接合対象１５に対してヒータチップ１２を近接および離隔させる昇降手段３と、ヒータチップ１２の押圧部近傍１２Ａに不活性ガスを吹き付けるノズル１４とを備え、ヒータチップ１２は下端に押圧部を設けた側面視略Ｖ字形状であり、上部の両端に給電端子１２Ｂを有し、この両端の給電端子１２Ｂの間隔が増減可能となるように昇降手段３に支持される。

【選択図】図１

Description

本発明は、被覆線の熱圧着や、電子部品をリフローによりはんだ付けする接合装置に係り、特に短時間の加熱で接合する用途に使用する接合装置に関する。

従来からヒータチップにパルスヒート電源から出力された電流を通電し、ヒータチップの抵抗発熱によって接合対象を加熱しつつ押圧することで、接合対象を接合する装置が広く用いられている。この種の接合装置は、薄膜基板やハードディスク用の磁気ヘッドへのリード線の熱圧着、プリント基板へのＩＣリード等のリフロソルダリング、被覆極微細線接合等を行う際に用いられている。

図５は、このような接合装置の接合動作の一例を示す図であり、モリブデン（Ｍｏ）やタングステン（W）等の、はんだが濡れ難い材料によって板状に形成されたヒータチップ５１と、このヒータチップ５１の押圧部近傍（下端近傍）に固着された熱電対５２とを備えている。ヒータチップ５１は厚さが０．８ｍｍ程度で、パルスヒート方式によって加熱される。パルスヒート方式は、パルス状の大電流をヒータチップの給電端子５１A，５１B間に流し、この時発生する抵抗発熱（ジュール熱）を利用する加熱方式である。被覆線５５は直径が数１０μｍ〜１ｍｍで、心線５７の表面がウレタン樹脂等の絶縁皮膜５８によって被覆されている。

被覆線５５を熱圧着するには、回路基板５３に形成されているランド部等の被接合部５４に予めはんだ層５６をめっき等によって形成しておき、その上に接合すべき被覆線５５を載置する。しかる後、ヒータチップ５１の押圧部（下端）で被覆線５５を押圧しつつパルス状の大電流を１秒から数秒の間流すと、ヒータチップ５１は抵抗発熱により加熱され、絶縁皮膜５８およびはんだ５６を溶融し、接合対象である被接合部５４と被覆線５５の心線５７とが熱圧着される。

ここで使用されるパルスヒート電源は複数の制御方式を採用しているが、例えば特許文献１に開示されているインバータ制御方式のパルスヒート電源の構成を、概略ブロック図である図６に基づいて説明する。図６において、符号６１は入力される商用３相交流を整流して平滑化する整流平滑部、６２は整流平滑部６１で得られた直流電圧を商用電力の周波数より十分に高い周波数（例えば１ｋＨｚ）でスイッチングし、交流電圧を得るインバータ部、６３はインバータ部６２で得られた交流を降圧して所定の低電圧で大電流の電力に変換するトランス、５１は前述したヒータチップである。

また、符号５２はヒータチップ５１の押圧部近傍に溶接等で固着され、ヒータチップ５１の温度を検出し電圧として出力する熱電対、６４は熱電対５２が出力する電圧を増幅する電圧増幅部、６５はヒータチップ５１の温度プロファイルを設定するパラメータ設定部である。そして符号６６はＰＷＭ制御部であり、別途設けられたスイッチからの接合開始信号１０１を受けたとき、パラメータ設定部６５に設定された温度プロファイルと電圧増幅部６４から帰還する電圧に基づき、ヒータチップ５１が所定の温度となるようにトランス６３の出力を制御する。

以上のように従来のパルスヒート電源は、温度センサとして熱電対を使用してヒータチップの温度を検出していた。そしてこの場合熱電対には、高温と低音の温度サイクルの影響により溶接部が剥離したり、熱電対素線が断線したりすることがあるので、当該熱電対の寿命に依存してヒータチップの寿命が短くなるという問題があり、採用する熱電対のタイプにもよるが加熱温度も最高６００℃程度が一般的であった。また、ヒータチップの温度を瞬時に制御するには、帰還すべきヒータチップの温度変化に対する応答が遅く、１回の接合での通電開始から通電終了までの時間が標準で数秒かかってしまう問題や、ヒータチップに流れる加熱用の電流に含まれるノイズ成分を検出してしまうという問題も有していた。

そこで特許文献２で開示されているように、ヒータチップの電極間の電圧を検出してヒータチップに対する通電を帰還制御し、温度をコントロールする技術が工夫された。これはヒータチップの温度が変化することにより、このヒータチップの抵抗値が変化する現象を利用するものであり、熱電対を使用しないことで前述した問題を回避しようというものである。さらに、溶接電極に流れる電流や溶接電極間の電圧を帰還制御する溶接電源の出力端子にヒータチップを接続し、従来から溶接電源の出力制御方法として用いられてきた電流、電圧又は電力を制御パラメータとする工夫がなされてきた。

これらの手法、つまりヒータチップの温度制御に熱電対を使用しない手法によれば、ヒータチップの寿命が熱電対の固着状態や寿命に左右されないことに加え、応答の速い帰還制御が可能となり、熱電対で帰還制御するパルスヒート電源での接合時間が数秒かかっていたのに対し、数十ミリ秒から数百ミリ秒で接合を行うことができ、また瞬間的にヒータチップを高温に加熱することが出来るので、大量生産に好適である。

特開平８−３３００５０号公報（第３頁、図１） 特開２００６−２６６８３号公報（第７頁、図１）

しかしながら前述したように、熱電対によるフィードバックを行わずに溶接電源を用いた接合方法で瞬間的な加熱を繰り返すと、ヒータチップの特に押圧部（下端）近傍が高温になることでこの部分の酸化が急速に進行し、この酸化による素材の劣化がヒータチップの寿命を短くする。また、加熱により温度上昇と下降が繰り返されることで、同じく押圧部近傍に膨張と収縮による応力が繰り返し発生するために、やはりヒータチップの寿命を短くするという問題がある。

図７に示すように、ヒータチップ７１は押圧部近傍７１Ｃの電流経路の断面積を小さくして抵抗発熱を導き出すようにするのが一般的である。一方給電端子７１Ａ，７１Ｂは、ボルト７２，７２で一対の給電ブロック７３，７３に強固に固定され、さらに一対の給電ブロック７３、７３は絶縁ブロック７４に対し、互いに間隙（符号ア）をあけて強固に固定されている。したがって、押圧部近傍７１Ｃが熱膨張することで図７に一点鎖線（符号イ）で示すように変形しようとした場合、断面積の小さい押圧部近傍７１Ｃに応力が集中し、これが繰り返されることで素材が劣化し、ヒータチップ７１の寿命が短くなる。

そこで、本発明はこれらの課題を解決すべく、接合時間の短縮を図るとともに、ヒータチップの温度上昇に起因した酸化劣化を防ぐとともに、加熱の繰り返しによる膨張と収縮による繰返し応力の悪影響を低減することにより、これらヒーターチップの寿命短縮要因を抑制することを目的とする。

本発明は第１の態様として、接合対象をヒータチップで押圧しつつ、このヒータチップに通電して加熱を行う接合装置であって、出力電流および／又は出力端子間電圧に基づいて前記通電のための出力を制御する電源部と、接合対象に対して前記ヒータチップを近接および離隔させる昇降手段と、前記ヒータチップの押圧部近傍に不活性ガスを吹き付けるノズルとを備え、前記ヒータチップは下端に押圧部を設けた側面視略Ｖ字形状であり、上部の両端に給電端子を有し、この両端の給電端子の間隔が増減可能となるように前記昇降手段に支持され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、前記両端の給電端子は間隙をあけて設けられた一対の給電ブロックの各々に固定され、この一対の給電ブロックは間隙をあけて設けられた一対の絶縁ブロックの各々に固定され、この一対の絶縁ブロックの間隔が増減可能となるように前記昇降手段に支持され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、前記一対の絶縁ブロックのうち一方の絶縁ブロックが、前記ヒータチップの押圧方向と直交する方向に摺動可能に設けられることを特徴とする第２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４の態様として、前記一対の絶縁ブロックの両方が、前記ヒータチップの押圧方向と直交する方向に摺動可能に設けられ、この摺動の方向であって前記両端の給電端子の間隔を縮小する方向に付勢する付勢手段が、前記一対の絶縁ブロックの各々に対して付勢することを特徴とする第２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５の態様として、前記ノズルは側面視略Ｖ字形状の前記ヒータチップの上方から、前記両端の給電端子間の間隙を通り、前記押圧部近傍に開口部を有することを特徴とする第１乃至第４のいずれか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６の態様として、前記不活性ガスはヘリウム、アルゴンのうちのいずれかであることを特徴とする第１乃至第５のいずれかの態様として記載の接合装置を提供する。

本発明によれば、電源部の出力電流および／又は出力端子間電圧をフィードバックすることでヒータチップに流す電流に対し応答の速い制御が行えるので、接合作業に要する時間が短くてすむ。これに加え、ヒータチップの押圧部近傍に向けて不活性ガスを吹き付けることでこの部分の雰囲気中の酸素を排除できるので、ヒータチップの特に押圧部近傍が昇温することによる酸化劣化の著しい進行を避けることができる。またさらに、ヒータチップの給電端子の間隔を増減可能に支持することで、ヒータチップの押圧部近傍が昇温を繰り返すことによる応力集中を緩和することができ、ヒータチップの寿命が極端に短くなるという問題を回避することが可能となる。

本発明の実施形態に係る接合装置の斜視図 本発明の実施形態に係る接合装置の概略ブロック図 本発明の実施形態に係る接合装置の部分側面図 本発明の実施形態に係る接合装置の部分断面図 従来の技術を示す接合部の模式図 従来の技術を示す概略ブロック図 従来の技術を示す部分側面図

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を示す斜視図である。図１において符号１は接合装置である。ただし電源部および動作制御部の図示は省略してある。符号２は図示しない基台から立設された支柱、３は支柱２に固定された昇降手段であり、昇降駆動部４および押圧力設定部５を含む。６は昇降ブロック７を上下に移動させるモータ、８は押圧力設定部５から下方に延出するロッド、９はロッド８の下端に固定された第１のホルダ、１０，１０は第１のホルダ９に支持された一対の絶縁ブロック、１１，１１は一対の絶縁ブロック１０，１０各々の前面に固定された一対の給電ブロック、１２は一対の給電ブロック１１，１１の各々に給電端子が固定されたヒータチップ、１３，１３は一対の給電ブロック１１，１１と図示しない電源部の出力端子とを接続する給電ケーブル、１４は下端の開口部をヒータチップ１２の押圧部近傍１２Ａに向けて備えたノズルであり、図示しない不活性ガス供給源からチューブ１４Ａを通して供給された不活性ガスをヒータチップ１２の押圧部近傍１２Ａに吹き付ける。また符号１５は接合対象であるワーク、１６は載置したワーク１５を間欠的に搬送してその接合部をヒータチップ１２の直下に位置決めする搬送手段である。

ここで、図１において図示を省略した動作制御部の出力に基づき、搬送手段１６が駆動してワーク１５を所定の接合位置に搬送し、同様に動作制御部の出力に基づき、モータ６が駆動して昇降駆動部４を動作させることで、ヒータチップ１２が下降して押圧動作を開始する。また、給電ケーブル１３，１３が接続されている図示を省略した電源部から加熱電流が出力され、一対の給電ブロック１１，１１に固定されたヒータチップ１２に電流が供給される。さらに動作制御部の出力に基づき、所定のタイミングでノズルからヒータチップ１２の押圧部近傍１２Ａに向けて不活性ガスが吹き付けられる。

図２は本実施形態に係る接合装置の概略ブロック図である。符号２１は図１で図示を省略した電源部であり、本実施形態ではインバータ方式の溶接電源を使用する。電源部２１において整流平滑部２２は整流回路と平滑コンデンサを備え、商用電力（例えば２００ボルト三相交流）を整流平滑し直流電力をインバータ部２３に出力する。インバータ部２３は入力した直流電力を商用電力の周波数よりも十分に高い周波数でスイッチングしトランス２４に出力する。トランス２４はインバータ部２３の出力を降圧し、出力電流はその二次側出力端子から給電ケーブル１３，１３によって、ヒータチップ１２の上部両端に設けられた給電端子１２Ｂ，１２Ｂに導かれる。

前記二次側の出力電流はホール素子等のセンサ２５で検出され、出力端子間電圧とともに増幅乗算部２６に入力される。増幅乗算部２６は入力された電流、電圧および該電流と該電圧を乗算して得た電力を所定の検出レベルとなるように増幅しＰＷＭ制御部２７に出力する。ＰＷＭ制御部２７はパラメータ設定部２８からの設定信号と増幅乗算部２６からの帰還信号に基づきインバータ部２３をゲート信号によってオンオフ制御する。このような構成により、ヒータチップ１２に供給される加熱電流は、電流、電圧又は電力、すなわち出力電流および／又は出力端子間電圧に基づいた出力制御がなされる。

次に図３の側面図に基づきヒータチップ１２の周辺の構造について説明する。図３（ａ）（ｂ）はヒータチップ１２の支持構造を示す側面図であり、図１で示した要素と同一の要素は同一の符号を付してある。まず図３（ａ）において、符号８は昇降手段３の一部である押圧力設定部５から下方に延出したロッドであり、その下端には第２のホルダ９´が固定されている。この第２のホルダ９´は斜線のハッチングで示した一対の絶縁ブロック１０，１０を支持しており、間隙をあけて支持される一対の絶縁ブロック１０，１０のうちの一方（本実施形態では図を見て右側の絶縁ブロック１０）をボルト１７で強固に固定し、他方の絶縁ブロック１０をスライドシャフト１８により図を見て左右方向（押圧方向と直交する方向）に摺動可能に支持している。そして、一対の絶縁ブロック１０，１０の各々の前面（図を見て手前側）には一対の給電ブロック１１，１１が固定され、この一対の給電ブロック１１，１１にヒータチップ１２の上部両端にある給電端子１２Ｂ，１２Ｂが固定されている。

これによりヒータチップ１２の押圧部近傍１２Ａが加熱され昇温することで左右方向に膨張しても、その変位を前記他方の絶縁ブロック１０の左右方向の摺動で吸収することができる。つまり、ヒータチップ１２の上部の両端にある給電端子１２Ｂ、１２Ｂの間隔が増減可能に支持されている。したがって、押圧部近傍１２Ａに応力が集中することがなく、金属疲労による素材の劣化を防ぐことができる。ここで、符号１９で示す圧縮コイルバネは、ヒータチップ１２の押圧部近傍１２Ａが膨張し、他方の絶縁ブロック１０が図を見て左側に移動することで圧縮され、押圧部近傍１２Ａの温度が下がり収縮したときに他方の絶縁ブロック１０を付勢することで、この他方の絶縁ブロック１０が滑らかに元の位置に復帰するように設けられている。したがって、スライドシャフト１８と他方の絶縁ブロック１０とが十分滑らかに摺動するのであれば圧縮コイルバネ１９は設けなくても構わない。

符号１４は細長形状のノズルであり下端に設けられた開口部１４Ｂから不活性ガスを噴出させ、ヒータチップ１２の押圧部近傍１２Ａの環境を不活性ガスで満たすことによりヒータチップの高温時の急激な酸化を防ぐ。本実施形態では、このノズル１４は、ヒータチップ１２の両電極１２Ｂ，１２Ｂ間の間隙を通り、押圧部近傍１２Ａの直上に開口部１４Ｂを設け、チューブ１４Ａにより導かれる不活性ガスを押圧部近傍１２Ａに向けて噴出させるようにしている。したがってこのノズル１４は、ヒータチップ１２の外形から突出する部分がほとんど無いので、接合作業においてノズル１４が接合対象に干渉する心配がない。またここで使用される不活性ガスは可燃性でなく、高温に加熱されたヒータチップ１２と反応しないものから選択すればよいが、入手性等を考慮するとアルゴンまたはヘリウムが好適である。

次に図３（ｂ）に基づいて他の実施形態について説明する。図３（ｂ）が示す形態は、斜線のハッチングで示す一対の絶縁ブロック１０，１０の両方が図を見て左右方向（押圧方向と直交する方向）に摺動可能に支持されていることを特徴とする。ロッド８の下端に固定された第１のホルダ９は、その左右にスライドシャフト１８を有しており、このスライドシャフト１８に一対の絶縁ブロック１０，１０が支持され、その各々には一対の給電ブロック１１，１１が固定されている。また、圧縮コイルバネ１９も第１のホルダ９の左右に設けられ、一対の絶縁ブロック１０、１０を左右から付勢し、この付勢力の均衡が保たれることでヒータチップ１２の左右の位置が定まる。

つまり付勢手段である圧縮コイルバネ１９は、ヒータチップ１２の両端にある給電端子１２Ｂ，１２Ｂの間隔を縮小する方向に付勢している。したがって、ヒータチップ１２の押圧部近傍１２Ａが熱膨張することで両端の給電端子１２Ｂ，１２Ｂ間の間隔が拡大し、これに伴い一対の絶縁ブロック１０，１０の間隔も圧縮コイルバネ１９の付勢力に抗して拡大する。その結果、押圧部近傍１２Ａに応力が集中するのを防ぐことが可能となる。ここで、スライドシャフト１８と一対の絶縁ブロック１０，１０とが滑らかに摺動するようにし、圧縮コイルバネ１９の付勢力を小さく設定するのが好ましい。

次に図４に基づき接合動作について説明する。図４は図１で示した接合装置の側面図であり、特に押圧力設定部５について断面図を用い詳しく示してある。また、図１で示した部位と同一の部位には同じ符号を付してある。まず、図示しない動作制御部の駆動開始信号により、モータ６が昇降駆動部４に備えたボールねじ３１を回転させ、昇降ブロック７が下降する。昇降ブロック７には押圧力設定部５が固定され、この押圧力設定部５には上方に突出するシリンダ３２と、押圧力設定部５の下方であって上下方向に摺動可能に設けられたロッド８が保持されている。すなわちロッド８の上端の大径部８Ａがシリンダ３２内を摺動し、下部が押圧力設定部５の下方に突出している。

シリンダ３２内には圧縮コイルバネ３３が縮装され、この圧縮コイルバネ３３の上端に設けたバネ力調整器３４により押し下げられ、この圧縮コイルバネ３３の下端はロッド８の大径部８Ａを下方に押下している。ロッド８はその大径部８Ａが押圧力設定部５の保持部に当接することで下方への移動が制限される。バネ力調整器３４は、シリンダ３２の上端に回動可能で上下移動が規制されたストローク設定ダイヤル３５と、このストローク設定ダイヤル３５の下方に突出した送りねじ３６と、シリンダ３２内で上下にスライド可能かつ回転不可能に保持されたナット部材３７とを備える。そしてこのナット部材３７の下面に圧縮コイルバネ３３の上端が係止されている。したがってストローク設定ダイヤル３５を回転させることによって、ナット部材３７を上下動させることができ、圧縮コイルバネ３３のバネ力を設定することができる。

ロッド８の下端には第１のホルダ９と絶縁ブロック１０とが前述したようにスライドシャフト１８を介して支持され、この絶縁ブロック１０にはさらに給電ブロック１１が固定されている。図をみて前後方向に一対ある給電ブロック１１には一対の図示しない給電ケーブルを介して図示しない電源部が接続されており、加熱電流はこの一対の給電ブロック１１に固定されたヒータチップ１２に供給される。更にヒータチップ１２の押圧部近傍１２Ａに向けてノズル１４が設けてあり、チューブ１４Ａにより導かれた不活性ガスが、ノズル１４下端にある開口部１４Ｂから噴出するようになっている。

モータ６によってボールねじ３１を回転させ、昇降ブロック７を下降させると、ヒータチップ１２の下端である押圧部がワーク１５に当接し、ロッド８は圧縮コイルバネ３３を圧縮しつつ押圧力設定部５に対して上方に相対移動する。この時の所定相対移動は押圧力設定部５内に設けた位置検出器３８で検出される。すなわち、押圧力設定部５に固定された遮光板３９がロッド８に固定した光センサ４０の光を遮断することからロッド８の相対移動が所定量になったことを検知する。

このように、ロッド８の押圧力設定部５に対する相対移動が所定量になったことを検知した時点で、圧縮コイルバネ３３は所定の押圧力でロッド８を下方に押圧していることになるので、ワーク１５にはヒータチップ１２の所定の押圧力が加わったことになり、ここで電源部からの加熱電流が供給される。したがって、本実施形態では電源部の出力電流および／又は出力端子間電圧に基づいて出力制御する電源部２１を備えることで、短時間で接合作業を実現可能とするのに加え、ヒータチップ１２の押圧部近傍１２Ａの酸化劣化や押圧力の集中を抑制することで、ヒータチップ１２の寿命の短縮化を回避可能とするものである。

１ 接合装置
２ 支柱
３ 昇降手段
４ 昇降駆動部
５ 押圧力設定部
６ モータ
７ 昇降ブロック
８ ロッド
９ 第１のホルダ
９´ 第２のホルダ
１０ 絶縁ブロック
１１ 給電ブロック
１２ ヒータチップ
１３ 給電ケーブル
１４ ノズル
１５ ワーク
１６ 搬送手段
１７ ボルト
１８ スライドシャフト
１９ 圧縮コイルバネ
２１ 電源部

Claims (6)

1. 接合対象をヒータチップで押圧しつつ、このヒータチップに通電して加熱を行う接合装置であって、
   出力電流および／又は出力端子間電圧に基づいて前記通電のための出力を制御する電源部と、
   接合対象に対して前記ヒータチップを近接および離隔させる昇降手段と、
   前記ヒータチップの押圧部近傍に不活性ガスを吹き付けるノズルとを備え、
   前記ヒータチップは下端に押圧部を設けた側面視略Ｖ字形状であり、上部の両端に給電端子を有し、この両端の給電端子の間隔が増減可能となるように前記昇降手段に支持されることを特徴とする接合装置。
2. 前記両端の給電端子は間隙をあけて設けられた一対の給電ブロックの各々に固定され、この一対の給電ブロックは間隙をあけて設けられた一対の絶縁ブロックの各々に固定され、この一対の絶縁ブロックの間隔が増減可能となるように前記昇降手段に支持されることを特徴とする請求項１に記載の接合装置。
3. 前記一対の絶縁ブロックのうち一方の絶縁ブロックが、前記ヒータチップの押圧方向と直交する方向に摺動可能に設けられることを特徴とする請求項２に記載の接合装置。
4. 前記一対の絶縁ブロックの両方が、前記ヒータチップの押圧方向と直交する方向に摺動可能に設けられ、この摺動の方向であって前記両端の給電端子の間隔を縮小する方向に付勢する付勢手段が、前記一対の絶縁ブロックの各々に対して付勢することを特徴とする請求項２に記載の接合装置。
5. 前記ノズルは側面視略Ｖ字形状の前記ヒータチップの上方から、前記両端の給電端子間の間隙を通り、前記押圧部近傍に開口部を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の接合装置。
6. 前記不活性ガスはヘリウム、アルゴンのうちのいずれかであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の接合装置。

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