JP5196795B2

JP5196795B2 - 真空加熱プレス機

Info

Publication number: JP5196795B2
Application number: JP2007018879A
Authority: JP
Inventors: 宏治川崎; 克信青柳; 雅裕北野; 善和池田
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC; Kitano Seiki Co Ltd
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC; Kitano Seiki Co Ltd
Priority date: 2007-01-30
Filing date: 2007-01-30
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2027-01-30
Also published as: JP2008183587A

Description

本発明は、二つの対象物質を互いに対して貼り合わさるようにプレスするプレス機に関する。

二つ以上の層をプレスにより貼り合わせるプレス機が知られている。斯かるプレス機としては、例えば、多層プリント配線板又はＩＣカード等を接着形成するための積層プレス機等が挙げられる。

斯かるプレス機は、一般に、プレス対象となる複数の積層材料を載置する下方プレートと、上方プレートとを具備し、下方プレートと上方プレートとを互いに向かって移動させることで積層材料をプレスすることとしている。そして、プレス機によっては、これら二つのプレートを貫通してこれらプレートの相対移動方向に延びる複数のロッドを具備する。斯かるプレス機では、これら複数のロッドは上方プレートに対してプレートの相対移動方向に移動不能に連結され、下方プレートに対して相対移動方向に移動可能に螺合部により連結される。そして、複数のロッドを回転させることにより下方プレートが上方プレートに対して接近又は離間され、これに伴って積層材料のプレスが行われる（特許文献１）。

特開２００４−９０３９８号公報

ところで、紫外光源用発光素子として窒化物半導体が知られており、とりわけ直接遷移型のワイドギャップ窒化物半導体で、波長２００〜３５０ｎｍの深紫外発光が可能な窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＮ）に注目が集まっている。そして、斯かるＡｌＧａＮ系深紫外発光素子（以下、「発光素子」と称す）のハイパワー化を図るためには、発光素子を熱伝導性の高い基板（以下、「高熱伝導性基板」と称す）、例えば銅タングステン基板に貼り合わせる必要がある。

半田層を介して発光素子を高熱伝導性基板上に貼り合わせるためには、プレス機によって発光素子を高熱伝導性基板上にプレスすることになる。ここで、ＡｌＧａＮ系深紫外発光素子は一般にサファイア基板上に結晶成長させることにより形成されるが、形成された発光素子は必ずしもサファイア基板上に均一に形成されるわけではなく、例えばサファイア基板に対して傾斜して形成されてしまったりして不均一に形成される場合がある。

このような場合に、特許文献１に記載されたようなプレス機により発光素子を高熱伝導性基板に貼り合わせるべくプレスを行うと、これら発光素子と高熱伝導性基板とは、間に介在する半田層の膜厚精度が低い状態で不均一に貼り合わせられてしまうことになる。

そこで、本発明の目的は二つのプレス対象材料をプレスにより均一に貼り合わせることができるプレス機を提供することにある。

上記課題を解決するために、第１の発明では、二つのプレス対象材料を互いに対して貼り合わさるようにプレスするプレス機において、上記プレス対象材料の両側に配置された第一プレスプレート及び第二プレスプレートを具備し、第一プレスプレートは第二プレスプレートに向かって移動可能であり、第一プレスプレートが第二プレスプレートに向かって駆動されることでこれらプレート間に配置されたプレス対象材料のプレスが行われ、二つのプレスプレートのうちの一方のプレスプレートが他方のプレスプレートに対して傾斜可能に一点で支持されており、両プレスプレートを収容すると共に真空ポンプに連結されたハウジングと、上記第一プレスプレートとハウジングとの間で延びて上記駆動ロッド及び球面ジョイントを包囲する真空ベローズとを更に具備し、該真空ベローズは真空ポンプによりハウジング内の圧力が低下したときにおいても上記真空ベローズ内の圧力が低下しないように第一プレスプレート及びハウジングに気密に連結される。
第１の発明によれば、一方のプレスプレートが他方のプレスプレートに対して傾斜可能に一点で支持されているため、二つのプレスプレートによってプレスされるプレス対象材料が上述したような発光素子と高熱伝導性基板であって発光素子が傾斜して形成されているような場合でも、上記他方のプレスプレートがこの発光素子の傾斜に合うように傾斜する。このため、斯かる場合であっても二つのプレス対象材料を均一に貼り合わせることができる。

第２の発明では、第１の発明において、上記第一プレスプレートを第二プレスプレートに向かって駆動するための駆動装置と、該駆動装置によって駆動される駆動ロッドとを具備し、上記一方のプレスヘッドは第一プレスプレートであり、該第一プレスプレートは球面ジョイントを介して上記駆動ロッドに連結される。

第３の発明では、第２の発明において、上記駆動装置は、空気圧により上記第一プレスヘッドを駆動する。

第４の発明では、第１〜第３のいずれか一つの発明において、上記二つのプレスプレートのうち一方のプレスプレートを加熱するための加熱手段をさらに具備し、他方のプレスヘッドには断熱材が設けられる。

本発明によれば、二つのプレス対象材料をプレスにより均一に貼り合わせることができるプレス機が提供される。

以下、図面を参照して本発明のプレス機について詳細に説明する。図１は本発明のプレス機の概略断面図である。

図１に示したように、プレス機１はハウジング２とハウジング２内に設けられた上方プレート３及び下方プレート４とを具備する。下方プレート４にはヒータが内蔵されている。さらに、ハウジング２内には断熱材料で形成されたプレート支持台５が設けられ、このプレート支持台５はハウジング２に連結されると共に下方プレート４を支持する。従って、下方プレート４は、プレート支持台５を介してハウジング２に相対移動することができないように固定される。

一方、上方プレート３には、下方プレート４側とは反対側において断熱材６に連結され、断熱材６は球面ジョイント７を介してエアシリンダ８の駆動ロッド９に連結される。駆動ロッド９はエアシリンダ８に駆動されて上下に移動することができ、駆動ロッド９が下方に駆動されるとそれに伴って上方プレート３が下方に移動せしめられ、逆に駆動ロッド９が上方に駆動されるとそれに伴って上方プレート３が上方に移動せしめられる。

図１に示したように、エアシリンダ８はハウジング２の外部、本実施形態では上方に配置されており、エアシリンダ８の駆動ロッド９はハウジング２の上部に設けられた開口部２ａを通ってハウジング２内に延びている。開口部２ａ周りのハウジングの部分と断熱材６の外周部との間にはベローズ１０が延びている。開口部２ａ周りのハウジングの部分とベローズ１０の上部、及び断熱材６の外周部とベローズ１０の下部はそれぞれ気密に連結されている。従って、ベローズ１０と断熱材６とに囲われたハウジング２内の空間は、ハウジング２内のそれ以外の空間から遮断されており、これら空間の間で気体が流通しないようにされている。

球面ジョイント７は球面ジョイント７を中心として断熱材６及び上方プレート３を回動可能に支持する。従って、断熱材６及び上方プレート３は駆動ロッド９の軸線（すなわち、上方プレート３と下方プレート４との相対移動の方向）に対する角度が自由に回動することができる。或いは断熱材６及び上方プレート３が駆動ロッド９の軸線に対して±１０°の範囲内で変化可能なように回動することができるように構成されてもよい。また、断熱材６及び上方プレート３は球面ジョイント７のみによって支持されている。換言すると、断熱材６及び上方プレート３は駆動ロッド９の軸線に対する角度が自由に変化するように一点で支持されている。なお、本実施形態では、断熱材６及び上方プレート３は球面ジョイント７により支持されているが、駆動ロッド９の軸線に対する角度が自由に、或いは±１０°の範囲内で変化するように一点で支持されれば、他のいかなる部材によって支持されてもよい。

また、ハウジング２にはその側方にも開口部２ｂが設けられており、この開口部２ｂは真空ポンプ１１に連通せしめられる。従って、真空ポンプ１１が作動せしめられるとベローズ１０と断熱材６とに囲われたハウジング２内の空間を除いてハウジング２内は真空とされる。

次に、本実施形態のプレス機１の使用方法について説明する。まず、エアシリンダ８により上方プレート３を上方に移動させて上方プレート３と下方プレート４との間を開いた状態で下方プレート４上にプレス対象材料Ｘを載置する。その後、真空ポンプ１１を作動させて一部を除いてハウジング２内を真空にする。そして、エアシリンダ８を駆動して上方プレート３を下方プレート４に向けて移動させる。そして上方プレート３がプレス対象材料Ｘに接触した後もさらに上方プレート３が下方プレート４に向けて移動するようにエアシリンダ８により上方プレート３を駆動することにより、プレス対象材料Ｘがプレスされる。このようにプレス対象材料Ｘを上方プレート３と下方プレート４との間で押圧した状態で下方プレート４のヒータにより下方プレート４、そしてプレス対象材料Ｘを加熱する。これにより、プレス対象材料Ｘを加熱した状態でプレスを行うことができる。

そして、プレスの開始から所定時間経過してプレス対象材料Ｘに対するプレスが完了した後に上方プレート３を上方に移動させて上方プレート３と下方プレート４とを離間させると共にプレート支持台５のヒータによる加熱を停止し、ハウジング２内の圧力を元に戻すことによりプレス作業が終了する。

ところで、紫外光源用発光素子として窒化物半導体が知られており、とりわけ直接遷移型のワイドギャップ窒化物半導体で、波長２００〜３５０ｎｍの深紫外発光が可能な窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＮ）に注目が集まっている。そして、斯かるＡｌＧａＮ系深紫外発光素子（発光素子）のハイパワー化を図るためには、図２（ａ）及び（ｂ）に示したように、発光素子２０を熱伝導性の高い基板（高熱伝導性基板）２１、例えば銅タングステン基板上に半田２２、２３を介して貼り合わせる必要があり、斯かる貼り合わせはプレス機によるプレスによって行われる。

ここで、発光素子２０を高熱伝導性基板２１に貼り合わせる際には、基板全面に亘り間に介在する半田２２、２３の膜厚精度が１μｍ以下の高い精度となるように貼り合わせを行う必要がある。ところが、従来のプレス機によっては高い膜厚精度で発光素子２０を高熱伝導性基板２１に貼り合わせることは困難であった。

すなわち、従来のプレス機では例えば図３に示したように上方プレート３’に固定された複数のロッド３０を上下させて、上方プレート３’を下方プレート４’に向かって駆動することでプレスを行うようにしている。このため、上方プレート３’に固定されたロッド３０の移動量がロッド３０間で異なると、ロッド３０に固定された上方プレート３’が傾いてしまうことになる。この結果、これらプレート３’、４’によりプレスを行う際に、これらプレート３’、４’のプレス面に均一に力を加えることができなくなり、発光素子２０を高熱伝導性基板２１に貼り合わせる際の膜厚精度は低いものとなってしまう。従って、従来のプレス機を使用した場合、膜厚精度はロッドの操作精度に依存し、高い膜厚精度を実現するためには複数のロッド３０を高い精度で均等に上下させなければならない。

また、ＡｌＧａＮ系深紫外発光素子は一般にサファイア基板２４上に結晶成長させることにより形成されるが、形成された発光素子２０は必ずしもサファイア基板２４上に均一に形成されるわけではなく、例えばサファイア基板２４に対して傾斜して形成されてしまったりして不均一に形成される場合がある。これはサファイア基板上に発光素子を均一に結晶成長させることが困難であることや、ＡｌＧａＮの結晶成長が高温で行われると共にサファイアとＡｌＧａＮの熱膨張係数に差があって冷却時に歪みができる場合があることに起因している。このため発光素子２０がサファイア基板２４上に傾斜して形成されている場合にはサファイア基板２４の表面と発光素子２０の表面（高熱伝導性基板２１と貼り合わせるべき表面）とは平行になっていない。このような場合、水平な上方プレートと下方プレートとによってプレスを行ったとしても、発光素子２０の表面と高熱伝導性基板２１の表面との間に均一に圧力を加えることができなくなり、よって発光素子２０を高熱伝導性基板２１に貼り合わせる際の膜厚精度は低いものとなってしまう。すなわち、たとえロッドの高い操作精度を実現することができたとしても、結晶成長により形成された発光素子２０がサファイア基板２４上に均一に形成されていないと、高い膜厚精度での貼り合わせを実現することができない。

これに対して、本実施形態のプレス機によれば、可動側の上方プレート３が一つの駆動ロッド９のみに支持されている。従って、高い膜厚精度を実現するために複数のロッドの操作量を高い精度で一致させる必要はない。また、本実施形態のプレス機によれば、駆動ロッド９の軸線に対する角度（すなわち、プレートの相対移動方向に対する角度）が自由に、或いは±１０°の範囲内で変化するように上方プレート３が支持されている。このため、発光素子２０がサファイア基板２４上に傾斜して形成されている場合であっても、上方プレート３は発光素子２０の傾斜に合わせて傾斜することになるため、発光素子２０の表面全面に亘って均一に圧力を加えて発光素子２０を高熱伝導性基板２１にプレスすることができる。従って、本実施形態のプレス機１によれば結晶成長により形成された発光素子２０がサファイア基板２４上に均一に形成されていなくても、高い膜厚精度で発光素子２０を高熱伝導性基板２１に貼り合わせることができる。

また、発光素子２０を高熱伝導性基板２１に貼り合わせる場合には、プレスを真空中で行う必要がある。これは、プレスを真空中で行わないと、半田内に空気溜まりができてしまう可能性があるためであるが、同様に半田内に異物（埃等）が混入してしまうのを防止するためでもある。加えて、空気中の酸素によって加熱時に金属半田が酸化するのを防止するためでもり、酸化防止のためには真空中ではなく水素ガス等の還元性ガスを導入することで、表面の酸化膜を除去し、良好な半田づけを行うことが可能である。

ここで、本実施形態とは異なり、上方プレートの駆動部品、すなわち球面ジョイント７、エアシリンダ８、駆動ロッド９がベローズ１０によって遮断されておらずに真空中に曝されていると、球面ジョイント７やエアシリンダ８と駆動ロッド９との間に用いられているオイルやエアシリンダ８内に発生する埃等が真空となっているハウジング内に放出されてしまう可能性がある。このようにオイルや埃が真空中に放出されると、これらオイルや埃がプレスの際に半田内に異物として混入してしまう可能性がある。

これに対して、本実施形態では、ベローズ１０が気密に断熱材６及びハウジング２に連結されていることにより、球面ジョイント７、エアシリンダ８、駆動ロッド９等の駆動部品が配置されている空間と発光素子２０と高熱伝導性基板２１とのプレスが行われる空間とが遮断されることになるため、オイルや埃がプレスの際に半田内に混入することが防止せしめられる。

また、本実施形態によれば、断熱材６及びベローズ１０によって囲まれるハウジング２内の空間を真空にする必要がなくなることから、真空ポンプ１１によって真空にすべき容積が低減され、真空ポンプ１１の作動効率を高めることができる。

また、発光素子２０及び高熱伝導性基板２１に設けられた半田層２２、２３を均一に溶融させ且つ凝固させるためには、半田層２２、２３を発光素子２０及び高熱伝導性基板２１の全面に亘って均一に加熱する必要がある。

ここで、本実施形態のプレス機では、下方プレート４をヒータにより加熱し、それを発光素子２０又は高熱伝導性基板２１に伝達することによって発光素子２０及び高熱伝導性基板２１を加熱することとしている。従って、例えば、高熱伝導性基板２１が直接下方プレート４に載置されている場合、下方プレート４の熱伝達率が高いことから高熱伝導性基板２１は均一に加熱される。また、上述したように、発光素子２０の表面全面に亘って均一に圧力が加えられつつ発光素子２０が高熱伝導性基板２１にプレスされることから、高熱伝導性基板２１の熱も均一に発光素子２０に伝達せしめられる。このため、発光素子２０も均一に加熱されることになる。従って、本実施形態によれば、高熱伝導性基板２１及び発光素子２０双方を均一に加熱することができ、よって半田層２２、２３を発光素子２０及び高熱伝導性基板２１の全面に亘って均一に加熱することができるようになる。

また、本実施形態のプレス機１では、上方プレート３に直接断熱材６が結合される。このため、下方プレート４のヒータによって加熱されるのは下方プレート４、発光素子２０、高熱伝導性基板２１及び上方プレート３のみであり、ヒータによって加熱される領域を極めて小さくすることができる。これにより、発光素子２０及び高熱伝導性基板２１を所定温度（例えば、３５０℃）にまで加熱して一定時間その温度に維持するのに必要なヒータの消費電力を極めて小さいものとすることができる。

また、加熱による上方プレート３及び下方プレート４の熱歪量を小さくするために、熱膨張係数の小さな材料を上方プレート３及び下方プレート４として用いることで、極めて平坦な貼り合わせができるようになる。

さらに、エアシリンダ８を用いて空気圧によりプレスを行うようにしている。ここで、油圧によりプレスを行うようにした場合にはプレスの開始から終了までにわたって上方プレート３に加える圧力（プレス圧）を一定に保持することができずに徐々に低下していくのに対して、空気圧によりプレスを行うようにした場合には上方プレート３に加える圧力を一定に保持することができる。

なお、上記実施形態では、上方プレート３が移動可能で下方プレート４が固定されているプレス機について示しているが、下方プレートが移動可能で上方プレートが固定されてもよい。また、上記実施形態では、上方プレート３がプレート３、４の開閉方向に移動可能であると共に一点支持されているが、上方プレートを開閉方向に移動可能にすると共に下方プレートを一点支持するようにしてもよいし、下方プレートを開閉方向に移動可能にすると共に上方プレートを一点支持するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、半田層を介して発光素子２０を高熱伝導性基板２１に貼り合わせる場合にプレス機を用いた例ついて示しているが、その他の用途、例えば有機フィルムやレジストの加熱プレス硬化処理を行う場合、紫外線照射プレス硬化処理を行う場合或いは液晶をガラス基板上に貼り合わせる場合に上記プレス機を用いてもよい。特に、紫外線照射プレス効果処理を行う場合には、必要に応じてヒータの代わりに紫外線照射用の専用窓が設けられると共に紫外線光源がプレス機内部に導入される。

５ｍｍ角に切断したサファイア基板上にＡｌＧａＮ系深紫外発光素子を形成したものにＮｉ、Ａｕをそれぞれ２０ｎｍずつ積層させた後、アニールを施してＬＥＤ基板を形成した。このＬＥＤ基板上にＴｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｕをそれぞれ５ｎｍ、２００ｎｍ、２００ｎｍ、７００ｎｍずつ積層させて半田層を形成した。また、６ｍｍ角に切断した厚さ５００μｍの銅タングステン（ＣｕＷ）基板上にＴｉ、Ａｕ、Ｓｎ、Ａｕをそれぞれ５ｎｍ、６００ｎｍ、６００ｎｍ、１００ｎｍずつ積層させて半田層を形成した。

そして、ＬＥＤ基板及び銅タングステン基板を半田層を向き合わせた状態で本発明のプレス機の下方プレート上に載置し、上方プレートを下降させてこれら基板に圧力を加えた状態で、ハウジング内を真空ポンプにより真空にした。そして、ヒータによりこれら基板を３５０℃まで加熱して１０分間おいた。その後、レーザ加工装置を用いてサファイア基板を除去した。一方、上述したように形成されたＬＥＤ基板及び銅タングステン基板を半田層を向き合わせた状態で図３に示したようなプレス機の下方プレート上に載置して同様な試験を行った。その結果、本発明のプレス機によりプレスしたものの方が一様な表面形状の試料が得られた。

本発明のプレス機の概略断面図である。本発明のプレス機によってプレスされる材料の例である。従来のプレス機の図１と同様な概略断面図である。

符号の説明

１プレス機
２ハウジング
３上方プレート
４下方プレート
５プレート支持台
６断熱材
７球面ジョイント
８エアシリンダ
９駆動ロッド
１０ベローズ
１１真空ポンプ

Claims

二つのプレス対象材料を互いに対して貼り合わさるようにプレスするプレス機において、
上記プレス対象材料の両側に配置された第一プレスプレート及び第二プレスプレートを具備し、第一プレスプレートは第二プレスプレートに向かって移動可能であり、第一プレスプレートが第二プレスプレートに向かって駆動されることでこれらプレート間に配置されたプレス対象材料のプレスが行われ、二つのプレスプレートのうちの一方のプレスプレートが他方のプレスプレートに対して傾斜可能に一点で支持されており、
両プレスプレートを収容すると共に真空ポンプに連結されたハウジングと、上記第一プレスプレートとハウジングとの間で延びて上記駆動ロッド及び球面ジョイントを包囲する真空ベローズとを更に具備し、該真空ベローズは真空ポンプによりハウジング内の圧力が低下したときにおいても上記真空ベローズ内の圧力が低下しないように第一プレスプレート及びハウジングに気密に連結される、プレス機。
上記第一プレスプレートを第二プレスプレートに向かって駆動するための駆動装置と、該駆動装置によって駆動される駆動ロッドとを具備し、上記一方のプレスヘッドは第一プレスプレートであり、該第一プレスプレートは球面ジョイントを介して上記駆動ロッドに連結される、請求項１に記載のプレス機。
上記駆動装置は、空気圧により上記第一プレスヘッドを駆動する、請求項２に記載のプレス機。
上記二つのプレスプレートのうち一方のプレスプレートを加熱するための加熱手段をさらに具備し、他方のプレスヘッドには断熱材が設けられる、請求項１〜３のいずれか１項に記載のプレス機。