JP3291824B2 - 積層接合方法及び積層接合装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はインクジェットプリント
ヘッドを構成する合金部材同士を、はんだ付けによって
接合するインクジェットプリントヘッドの積層接合方
法、積層接合装置及びインクジェットプリンタに関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、インクジェットプリントヘッドを
積層接合するには、例えばＡｕ−Ｎｉ系合金を用いたろ
う付け、あるいはＰｂ−Ｓｎ系合金を用いたはんだ付け
を行っていた。

【０００３】なお、関連従来技術としては特開平２−１
０７４５１号公報、特開平３−１４２２４８号公報に開
示されている技術がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術はＡｕ−
Ｎｉ系合金を用いたろう付けの場合には、接合部の耐食
性は高いが接合温度が高く被接合物に与える熱的ダメー
ジが大きいという問題があった。またＰｂ−Ｓｎ系合金
を用いたはんだ付けの場合には、接合温度は低いが耐食
性が低いという問題があった。

【０００５】本発明の目的は被接合物に大きな熱的ダメ
ージを与えることなく耐食性に優れた接合部を得るイン
クジェットプリントヘッドの接合方法及び接合装置を提
供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、インクジェットプリントヘッドを構成する複
数の合金部材の第１合金部材の第１面を第２合金部材の
第２面に接合する部材において、前記合金部材の第１面
及び第２面のうち少なくとも一つの面の上にＳｎ含有量
が２３ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％未満、厚さ１μｍ
以上１０μｍ以下のＡｕ−Ｓｎ合金からなるはんだ層を
設け、前記第１面及び第２面を向い合わせに配置し、前
記第１面及び第２面の相対位置を調整した後密着させ、
前記第１及び第２合金部材を溶融することなく前記はん
だ層を溶融させて、前記第１及び第２合金部材をはんだ
付けするようにした。

【０００７】また、本発明はＳｎ含有量が２３ｍａｓｓ
％以上４０ｍａｓｓ％未満のＡｕ−Ｓｎはんだ合金を用
い、接合面をＡｒビームにて活性化した後、大気中にて
位置合わせしてスポット溶接あるいは機械的締結を利用
して密着させ、その後真空中あるいは不活性ガス中にて
加熱するものである。さらに、加熱に際しては接合面を
位置合わせした後、真空中あるいは不活性ガス中にて加
熱する前に固定された被接合物に対して予め所定温度に
加熱保持された治具を押し当てて加熱し、被接合物が所
定温度に到達後、不活性ガスを被接合物に吹き付けて冷
却するものである。

【作用】耐食性及び高温強度に優れるＳｎ含有量が２０
ｍａｓｓ％Ｓｎ以下のＡｕ−Ｓｎはんだ合金は、加熱接
合中の化合物形成に起因してはんだ中のＳｎ濃度が低下
し、はんだ融点が顕著に上昇する。その結果、接合部に
十分な融液が生じる前にはんだが凝固して、接合部の密
着が不完全となる。しかし本発明によればＳｎ含有量が
２３ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％未満のＡｕ−Ｓｎは
んだ合金を用いるので、加熱接合中の化合物形成に起因
してはんだ中のＳｎ濃度が低下することによるはんだ融
点の上昇がなく、接合部に十分な融液が生じて接合部の
密着性を向上させる。すなわち、Ａｕ−Ｓｎはんだを加
熱すると共晶温度の２８０℃で融け初め、溶融状態と固
体状態が混在した固液共存状態となる。この時、溶融し
ている部分のＳｎはプレートと反応するため、はんだの
Ｓｎ組成は減少し、完全に液体となる温度が上昇し接合
温度を超えてしまう。そのため接合が不可能となる。こ
の状態を避けるためには、はんだ成分中のＳｎが減少す
ると共に完全に液体となる温度が低下するＡｕ−Ｓｎ組
成を選択する必要がある。この組成範囲は図３に示すＡ
ｕ−Ｓｎの状態図から求めることができる。すなわち、
図３においてＳｎが曲線５００に示す領域である２０−
４０ｍａｓｓ％であればＳｎの減少と共に完全に液体と
なる温度が低下するので接合時にはんだは溶融状態とな
っており接合が可能となるのである。なお、接合温度の
上限は使用するプレートの耐熱温度で決まるが、Ｎｉめ
っき（電鋳）を用いる場合は４００℃が上限である。

【０００８】また、真空中で接合面にＡｒビームを照射
することによって、接合表面に付着している油脂や水
分、酸化皮膜などが取り除かれる。それによって接合表
面は接合性の高い活性な面となり、接合性が向上する。

【０００９】大気中での位置合わせは真空中での位置合
わせよりも容易であり、位置合わせに必要な時間の短縮
が図れる。真空中あるいは不活性ガス中で加熱加圧する
ことにより、活性化された接合面が再汚染されることが
ないので接合性が向上する。接合面を位置合わせした
後、真空中あるいは不活性ガス中にて加熱加圧する前に
スポット溶接あるいは機械的締結を利用して被接合物を
固定することにより、接合中の位置ずれが生じず、歩留
まり及び作業効率の向上が図れる。被接合物に対して予
め所定温度に加熱保持された治具を押し当てて加熱加圧
し、被接合物が所定温度に到達後、不活性ガスを被接合
物に吹き付けて冷却することにより、Ａｕ−Ｓｎはんだ
合金とＮｉメタライズ層及び第２合金部材との界面に形
成されるＮｉ−Ｓｎ化合物層の成長を抑制して接合強度
を向上させることができる。雰囲気を真空あるいは不活
性ガス雰囲気に保つ接合室は、その中で合金部材表面の
活性化及び接合を行う際に、合金部材表面の再汚染や酸
化を抑制して接合強度を向上させることができる。

【００１０】

【実施例】以下本発明の積層接合方法にかかる実施例を
図２により説明する。図において、２１０は厚さ５０μ
ｍのＳＵＳ３０４製第１合金部材、２１３は厚さ１μｍ
のＮｉメタライズ層、２２０は厚さ２７μｍのＮｉ製第
２合金部材、２１１及び２２１は厚さ３μｍのＡｕ−２
３ｍａｓｓ％Ｓｎ合金はんだ層、２１２及び２２２は酸
化膜や水、有機物等からなる汚染物層、２３０は溶融し
て一体となったＡｕ−２３ｍａｓｓ％Ｓｎ合金はんだ
層、３００はＡｒアトムビーム、３０１は抵抗溶接機、
３０２は抵抗溶接チップ、３０３はアース端子、３０４
は導電性ベース、３０５及び３０８はヒータを内蔵した
加熱加圧治具、３０６は厚さ０．５ｍｍのチッ化アルミ
ニウム製合金部材保持治具、３０７はコイルばね、３０
９は冷却ガスノズル、３１０はガス導入フィードスル
ー、３１１はアトムソース、４００は真空チャンバであ
る。

【００１１】次に接合プロセスについて述べる。

【００１２】（１）セッティング 真空チャンバ４００中に第１合金部材２１０及び第２合
金部材２２０を装填し、真空排気する。第１合金部材２
１０にはＮｉメタライズ層２１３及びＡｕ−２３ｍａｓ
ｓ％Ｓｎ合金はんだ層２１１が形成されている。また第
２合金部材２２０にはＡｕ−２３ｍａｓｓ％Ｓｎ合金は
んだ層２２１が形成されている。真空排気された状態で
はＡｕ−２３ｍａｓｓ％Ｓｎ合金はんだ層２１１及び２
２１上には、酸化物層や水、有機物等の吸着物層からな
る汚染物層２１２及び２２２が形成されている。

【００１３】（２）活性化 アトムソース３１１にＡｒガスを導入し、発生したＡｒ
アトムビームによるスパッタリング現象を利用して汚染
物層２１２及び２２２を除去する。この処理によりＡｕ
−２３ｍａｓｓ％Ｓｎ合金はんだ層２１１及び２２１の
表面は清浄となり、接合性、ぬれ性に富んだ面となる。

【００１４】（３）大気中位置決め、固定 第１合金部材２１０及び第２合金部材２２０を大気中に
取り出し、アース端子３０３により接地された導電性ベ
ース３０４上に設置し、Ａｕ−２３ｍａｓｓ％Ｓｎ合金
はんだ層２１１及び２２１を対向させ、第１合金部材２
１０及び第２合金部材２２０の相対位置を調整したのち
密着させ、抵抗溶接機３０１及び抵抗溶接チップ３０２
を用いてスポット溶接を行い、第１合金部材２１０及び
第２合金部材２２０の相対位置を固定する。この処理に
より位置決め治具などを用いなくとも、第１合金部材２
１０及び第２合金部材２２０の相対位置のずれを生じさ
せることなく以降の処理を続けることができる。

【００１５】（４）治具予熱 位置決め固定された第１合金部材２１０及び第２合金部
材２２０を真空チャンバ４００中の合金部材保持治具３
０６上に設置し、一旦真空排気した後チッ素やＡｒなど
の不活性ガスを導入する。同時にヒータを内蔵した加熱
加圧治具３０５及び３０８を予熱し、３００〜３２０℃
に保つ。この状態では合金部材保持治具３０６はコイル
ばね３０７で加熱加圧治具３０８から浮いており、また
加熱加圧治具３０５は第２合金部材２２０に接触しない
位置に引き上げられている。従って第１合金部材２１０
及び第２合金部材２２０は加熱加圧治具３０５及び３０
８と熱的に直接接触していないので、加熱加圧治具３０
５及び３０８を３２０℃に予熱しても第１合金部材２１
０及び第２合金部材２２０の温度は１５０℃程度までし
か上昇せず、Ａｕ−２３ｍａｓｓ％Ｓｎ合金はんだ層２
１１及び２２１は溶融せず、また、Ｎｉメタライズ層２
１３とＡｕ−２３ｍａｓｓ％Ｓｎ合金はんだ層２１１と
の相互拡散もほとんど生じない。

【００１６】（５）加圧、加熱 加熱加圧治具３０５を図示しない加圧装置を用いて押下
し、第１合金部材２１０及び第２合金部材２２０を加圧
して密着させる。この時、コイルばね３０７が縮み、合
金部材保持治具３０６が加熱加圧治具３０８と接触する
ので、合金部材保持治具３０６を介して熱が急速に第１
合金部材２１０及び第２合金部材２２０に伝わり、急速
加熱される。同時に加熱加圧治具３０５を第２合金部材
２２０と接触しているので熱が第１合金部材２１０及び
第２合金部材２２０に伝わり、急速加熱される。加熱加
圧の結果、Ａｕ−２３ｍａｓｓ％Ｓｎ合金はんだ層２１
１及び２２１は溶融して一体となる。はんだ層２１１及
び２２１が溶融するとはんだ中のＳｎとＮｉメタライズ
層２１３及び第２合金部材とＮｉ−Ｓｎ化合物を形成
し、はんだ中のＳｎ濃度が減少する。本実施例の場合に
は、加熱昇温速度を２０℃／ｓｅｃ以上とすればはんだ
中のＳｎ濃度がＡｕ−Ｓｎ共晶組成である２０ｍａｓｓ
％よりも低くなる前に接合を完了し、強固で気密性のあ
る接合部を得ることができる。また加熱温度もＡｕ−Ｓ
ｎ系はんだの共晶点である２８０℃よりもわずかに高い
３００〜３２０℃とすればよく、第１合金部材２１０及
び第２合金部材２２０への熱的ダメージを小さく抑える
ことができる。加熱加圧時間の最適値は実験により予め
求めておく。

【００１７】（６）冷却 所定時間加熱加圧した後、加熱加圧治具３０５を引き上
げて第２合金部材２２０から離す。この際コイルばね３
０７が伸び、合金部材保持治具３０６を持ち上げるの
で、加熱加圧治具３０５及び３０８から第１合金部材２
１０及び第２合金部材２２０への熱の流入は減少する。
次にガス導入フィードスルー３１０及び冷却ガスノズル
３０９を通してＡｒあるいはＮ2などの不活性ガスを第
１合金部材２１０及び第２合金部材２２０と一体化した
Ａｕ−２３ｍａｓｓ％Ｓｎ合金はんだ層２３０へ吹き付
けることにより、接合部は急速に冷却される。この急速
冷却により、Ａｕ−２３ｍａｓｓ％Ｓｎ合金はんだ層２
３０とＮｉメタライズ層２１３及び第２合金部材２２０
との界面に形成されるＮｉ−Ｓｎ化合物層の成長を抑制
することができ、強固で気密性のある接合部を得ること
ができる。

【００１８】（７）取り出し 真空チャンバ４００から第１合金部材２１０及び第２合
金部材２２０を取り出して接合は完了する。第１合金部
材２１０及び第２合金部材２２０は一体化したＡｕ−２
３ｍａｓｓ％Ｓｎ合金はんだ層２３０により強固に接合
されている。

【００１９】本実施例の場合、加熱昇温速度が２０℃／
ｓｅｃよりも小さい場合にははんだが溶融したのち完全
に一体となる前にはんだ中のＳｎ濃度がＡｕ−Ｓｎ共晶
組成である２０ｍａｓｓ％よりも低くなる。その結果、
はんだ融点が急激に上昇し、はんだの一体化が不完全な
ままはんだが凝固するので、強固で気密性のある接合部
は得られない。しかしはんだの組成が本実施例と異なる
場合には加熱昇温速度を必ずしも２０℃／ｓｅｃ以上と
する必要はない。

【００２０】本実施例でははんだのＳｎ濃度を２３ｍａ
ｓｓ％としたが、Ｓｎ濃度は２０ｍａｓｓ％を超え４０
ｍａｓｓ％未満ならば良好な接合が可能である。この範
囲では前述の如くＮｉ−Ｓｎ化合物の形成によりはんだ
中のＳｎ濃度が低下するとはんだ組成が共晶組成に近づ
くので、はんだ融点は低下する。その結果、加熱加圧中
にはんだが溶融して一体化するのに十分な時間的余裕が
あり、強固で気密性のある接合部を得ることができる。
一方、はんだ組成が２０ｍａｓｓ％以下及び４０ｍａｓ
ｓ％以上の場合には、Ｓｎ濃度が低下すると、はんだ融
点は急速に上昇し、はんだが溶融して一体化する時間的
余裕がない。その結果、接合部にはボイドや未接合部な
どの接合欠陥が発生し、接合強度及び気密性を低下させ
る。

【００２１】本実施例でははんだをＡｕ−Ｓｎ系合金は
んだとしたが、接合中のはんだ組成の変化によりはんだ
融点が変化するはんだあるいはろうであれば、はんだあ
るいはろうの組成を接合中に融点が低下する組成に設定
することにより本実施例と同様にして良好な接合部を得
ることができる。

【００２２】本実施例では合金部材を第１合金部材と第
２合金部材の２枚としたが、本発明による接合プロセス
を繰り返すことにより何枚でも積層接合することが可能
である。

【００２３】本実施例でははんだ面同士を密着させた
後、はんだを溶融する構成となっているが、合金部材表
面がはんだと接合性に富む場合には、一方のはんだ層を
省略することも可能である。また本実施例では第１合金
部材２１０にＮｉメタライズ層２１３を施しているが、
第１合金部材がはんだと接合性に富む材質の場合には、
Ｎｉメタライズ層２１３を省略することも可能である。

【００２４】次に本発明の積層接合装置にかかる実施例
を図１により説明する。図において、１は加圧装置、２
は加圧加熱治具、３は冷却ガスノズル、４は接合室への
不活性ガス導入バルブ、５は冷却ガスバルブ、６は不活
性ガス供給源、７は真空排気バルブ、８は真空排気装
置、９はベース、１０は厚さ１ミクロンのＮｉめっき及
び厚さ４ミクロンのＡｕ−２３ｍａｓｓ％Ｓｎ合金メタ
ライジングを施した厚さ１０ミクロン〜５０ミクロンの
ＳＵＳ３０４板及び厚さ２０ミクロンの電鋳Ｎｉ板の組
み合わせからなる被接合物、１１は被接合物保持治具、
１２はＡｒビーム源、１３はＡｒビーム照射ステージ、
１４は真空対応の接合室、１５は温度センサー、１６は
温度制御装置、１７はリークバルブである。

【００２５】まず被接合物１０をＡｒビーム照射ステー
ジ１３に装着し、雰囲気を真空排気する。次にＡｒビー
ム源１２にアルゴンアトムビームを発生させ、同ビーム
を被接合物１０の接合面に照射して汚染物や表面皮膜を
取り去る。次にリークバルブ１７により接合室に大気を
導入して被接合物を取り出し、大気中にて位置合わせを
行う。汚染物や表面皮膜が取り去られた接合面は非常に
活性であるので、接合面を汚染しないよう注意し、位置
合わせ作業は１５分以内とすることが望ましい。位置合
わせ後、図示しないスポット溶接機により被接合物同士
の固定を行う。

【００２６】次に被接合物１０を保持治具１１に装着
し、接合室を真空排気する。同時に加圧加熱治具２を所
定温度まで加熱する。被接合物１０は保持治具１１によ
り加熱加圧治具との間に空隙を保ちつつ保持されている
ので、加圧加熱治具２よりも低い温度に保たれている。

【００２７】次に加圧加熱治具２を被接合物１０に押し
当てることにより、被接合物１０を加圧加熱する。加圧
加熱する時間は被接合物の温度と加圧加熱時間との関係
を予め求めておくことにより決定される。所定時間加圧
加熱した後、加圧加熱治具２を被接合物１０から離し、
冷却ガスバルブ５を開いて冷却ガスノズル３により被接
合物１０に不活性ガスを吹き付けて冷却する。

【００２８】冷却後リークバルブ１７を開いて接合室内
を大気圧とし、被接合物１０を取り出して接合が完了す
る。本実施例では接合雰囲気を真空としたが、接合室を
真空排気後不活性ガス導入バルブ４を開いて接合雰囲気
を不活性ガスとしてもよい。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、厚さ１０ミクロン〜５
０ミクロンのＳＵＳ３０４板及び厚さ２０ミクロンのＮ
ｉ板の組み合わせからなる被接合物を、Ｓｎ含有量が２
３ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％未満、厚さ１μｍ以上
１０μｍ以下のＡｕ−Ｓｎ合金を用いて、真空中でアル
ゴンアトムビームで清浄化し、その後大気中にて位置合
わせ及び位置固定を行い、次に真空中あるいは不活性ガ
ス中にて加圧加熱接合するもので、ＳＵＳ３０４板及び
電鋳Ｎｉ板に熱的ダメージを与えずに耐食性に優れた接
合を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の積層接合装置にかかる実施例を説明
する図である。

【図２】 本発明の積層接合方法にかかる実施例を説明
する図である。

【図３】 Ａｕ−Ｓｎ状態図を示す図である。

【符号の説明】

１は加圧装置、２は加圧加熱治具、３は冷却ガスノズ
ル、４は不活性ガス導入バルブ、５は冷却ガスバルブ、
６は不活性ガス供給源、７は真空排気バルブ、８は真空
排気装置、９はベース、１０は被接合物、１１は被接合
物保持治具、１２はＡｒビーム源、１３はＡｒビーム照
射ステージ、１４は接合室、１５は温度センサー、１６
は温度制御装置、１７はリークバルブ、２１０は厚さ５
０μｍのＳＵＳ３０４製第１合金部材、２１３は厚さ１
μｍのＮｉメタライズ層、２２０は厚さ２７μｍのＮｉ
製合金部材、２１１、２２１は厚さ３μｍのＡｕ−２３
ｍａｓｓ％Ｓｎ合金はんだ層、２１２、２２２は酸化膜
や水、有機物等からなる汚染物層、２３０は溶融して一
体となったＡｕ−２３ｍａｓｓ％Ｓｎ合金はんだ層、３
００はＡｒアトムビーム、３０１は抵抗溶接機、３０２
は抵抗溶接チップ、３０３はアース端子、３０４は導電
性ベース、３０５、３０８はヒータを内蔵した加熱加圧
治具、３０６は厚さ０．５ｍｍのチッ化アルミニウム製
合金部材保持治具、３０７はコイルばね、３０９は冷却
ガスノズル、３１０はガス導入フィードスルー、３１１
はアトムソース、４００は真空チャンバー、５００は完
全に液体となる温度である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 古家 佑治 茨城県勝田市武田1060番地 日立工機株 式会社内 (72)発明者 久貝 健一 茨城県勝田市武田1060番地 日立工機株 式会社内 審査官 尾崎 俊彦 (56)参考文献 特開 平３−169637（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−148533（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−70051（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−153032（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B41J 2/16

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】インクジェットプリントヘッドを構成する
   複数の合金部材の第１合金部材の第１面を第２合金部材
   の第２面に接合する部材において、 前記合金部材の第１面及び第２面のうち少なくとも一つ
   の面の上にＳｎ含有量が２３ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓ
   ｓ％未満、厚さ１μｍ以上１０μｍ以下のＡｕ−Ｓｎ合
   金からなるはんだ層を設け、前記第１面及び第２面を向
   い合わせに配置し、前記第１面及び第２面の相対位置を
   調整した後密着させ、前記第１及び第２合金部材を溶融
   することなく前記はんだ層を溶融させて、前記第１及び
   第２合金部材をはんだ付けすることを特徴とするインク
   ジェットプリントヘッドの積層接合方法。
2. 【請求項２】インクジェットプリントヘッドを構成する
   複数の合金部材の第１合金部材の第１面を第２合金部材
   の第２面に接合する部材において、前記合金部材の第１
   面及び第２面のうち少なくとも一つの面の上にＳｎ含有
   量が２３ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％未満、厚さ１μ
   ｍ以上１０μｍ以下のＡｕ−Ｓｎ合金からなるはんだ層
   を設け、前記第１面及び第２面を向い合わせに配置し、
   前記第１面及び第２面の相対位置を調整した後密着さ
   せ、前記第１及び第２合金部材を溶融することなく前記
   はんだ層を溶融させて、前記第１及び第２合金部材をは
   んだ付けすることを特徴とするインクジェットプリント
   ヘッドの積層接合方法であって、 第１合金部材の第１面及び第２合金部材の第２面をＡｒ
   ビームにて活性化した後、前記第１面及び第２面の相対
   位置を大気中にて調整した後密着させ、その後真空中あ
   るいは不活性ガス中にて前記第１及び第２合金部材を溶
   融することなく前記はんだ層を溶融させて、前記第１及
   び第２合金部材をはんだ付けすることを特徴とするイン
   クジェットプリントヘッドの積層接合方法。
3. 【請求項３】請求項２記載のインクジェットプリントヘ
   ッドの積層接合方法において、予め所定温度に加熱保持
   された治具を、相対位置を調整した後密着させられた前
   記第１及び第２合金部材に押し当てて加熱し、はんだ層
   を溶融させ、前記第１及び第２合金部材が所定温度に到
   達後、不活性ガスを前記第１及び第２合金部材に吹き付
   けて冷却することを特徴とするインクジェットプリント
   ヘッドの積層接合方法。
4. 【請求項４】請求項３記載のインクジェットプリントヘ
   ッドの積層接合方法において、第１合金部材の第１面及
   び第２合金部材の第２面の相対位置を調整した後、加熱
   する前にスポット溶接あるいは機械的締結を利用して第
   １合金部材と第２合金部材とを固定することを特徴とす
   るインクジェットプリントヘッドの積層接合方法。
5. 【請求項５】Ａｒビーム照射機構、治具の加熱温度制御
   機構、治具の押下機構、加熱加圧治具との間に空隙を保
   ちつつ複数の合金部材からなる被接合物を弾性支持し、
   治具が押下された場合に弾性変位により加熱加圧治具と
   の間の空隙を消滅させる被接合物の保持機構、不活性ガ
   スの導入機構及び接合雰囲気を真空あるいは不活性ガス
   雰囲気に保つ接合室を有することを特徴とするインクジ
   ェットプリントヘッドの積層接合装置。