JP6070349B2 - 接合装置及び接合方法 - Google Patents

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Description

本発明は、光硬化型接着剤を使用して部品同士を接合する接合装置及び接合方法に関する。
光配線は、電気配線に比べて設計自由度が高く、伝送速度が速く、配線スペースを小さくできるなどの多くの利点を有している。このため、スーパーコンピュータ、高性能サーバ及び携帯端末などの電子機器への応用が期待されている。
光配線では、例えば光導波路やミラー等により発光素子と受光素子との間を光学的に接続している。
WO2003/041478
光硬化型接着剤を使用して部品同士を短時間で精度よく接合できる接合装置及び接合方法を提供することを目的とする。
開示の技術の一観点によれば、光源と、第1の部品が載置されるステージと、透明材料により形成されて第2の部品を保持する部品保持部と、制御部と、前記制御部により制御されて前記ステージに載置された前記第1の部品と前記部品保持部に保持された前記第2の部品との間の距離を変化させる駆動部とを有し、前記部品保持部は、前記光源から出力された光が入射する入射面と、前記入射面と反対側の面であって前記入射面から入射した光を反射する第1の反射面と、前記第1の反射面で反射された光を反射する第2の反射面と、前記第2の反射面で反射された光が出射する出射面と有し、前記第2の部品を前記出射面側に保持した状態で光硬化接着剤により前記第1の部品と前記第2の部品とを接合する接合装置が提供される。
開示の技術の他の一観点によれば、光硬化型接着剤により第1の部品と第2の部品とを接合する接合方法において、透明材料により形成され、光源から出力された光が入射する入射面と、前記入射面と反対側の面であって前記入射面から入射した光を反射する第1の反射面と、前記第1の反射面で反射された光を反射する第2の反射面と、前記第2の反射面で反射された光が出射する出射面と有する部品保持部の前記出射面側に前記第2の部品を保持する工程と、前記光硬化型接着剤を挟んで前記第1の部品と前記第2の部品とを配置する工程と、前記入射面から前記部品保持部内に光を入射して前記光硬化型接着剤を硬化させる工程とを有することを特徴とする接合方法。
上記一観点に係る接合装置及び接合方法によれば、光硬化型接着剤を使用して部品同士を短時間で精度よく接合できる。
図1は、光配線の一例を示す断面図である。 図2(a),(b)は、光導波路シートとレンズシートとの接合方法の一例を示す断面図である。 図3は、従来の接合装置を使用し、接着剤としてUV硬化型接着剤を用いた場合の問題点を示す模式図である。 図4は、部品保持部を透明材料で形成し、部品保持部内にミラーを配置した場合の問題点を示す模式図である。 図5は、第1の実施形態に係る接合装置の構成を示すブロック図である。 図6(a)は部品保持部の下面図、図6(b)は図6(a)のI−I線の位置における断面図、図6(c)は図6(a)のII−II線の位置における断面図である。 図7は、接着剤がレンズシートと光導波路シートとの間に濡れ広がった状態を示す断面図である。 図8は、UV到達率のシミュレーション計算時における第1の反射面の角度θ1及びライトガイドから出射する光の広がり角θ2を示す模式図である。 図9(a),(b)は、部品保持部の第1の反射面の角度θ1を変化させて出射面におけるUV到達率をシミュレーション計算により求めた結果を示す図である。 図10は、シミュレーション計算時の部品保持部の各部の寸法を示す図である。 図11は、ライトガイドから出射するUV光の広がり角θ2を変化させて出射面におけるUV到達率と面内分布とをシミュレーション計算により求めた結果を示す図である。 図12(a)〜(c)は、第1の実施形態の変形例を示す図である。 図13(a)は第2の実施形態に係る結合装置の部品保持部の下面図、図13(b)は図13(a)のI−I線の位置における断面図、図13(c)は図13(a)のII−II線の位置における断面図である。
以下、実施形態について説明する前に、実施形態の理解を容易にするための予備的事項について説明する。
図1は、光配線の一例を示す断面図である。この図1に例示した光配線では、プリント基板11の上にVCSEL(面発光レーザ)12と、VCSEL12を駆動する集積回路(IC)13とが実装されている。
プリント基板11の下には接着剤14を介してレンズシート15が接合されており、レンズシート15の下には接着剤16を介して光導波路シート17が接合されている。
光導波路シート17には光導波路18が設けられており、光導波路18の端部にはミラー18aが配置されている。
VCSEL12から出射されたレーザ光は、プリント基板11に設けられた孔を介してレンズシート15に到達する。そして、レンズシート15により集光され、ミラー18aにより反射されて光導波路18内を進行する。
ところで、図1に示す光配線において、レーザ光はレンズシート15と光導波路シート17とを接合する接着剤16を透過するので、接着剤16には光透過率が高いことが要求される。また、接着剤16には、レンズシート15や光導波路シート17の耐熱温度よりも低い温度、例えば140℃以下の温度で硬化することも要求される。
現在、レンズシート15と光導波路シート17とを接合する接着剤16として、光透過率が90%以上の熱硬化型接着剤が使用されている。しかし、そのような熱硬化型接着剤を140℃以下の低温で十分に硬化させるには数十分の時間がかかる。そのため、生産性が悪いという問題点がある。
生産性を改善するために、接着剤16としてUV(紫外線)硬化型接着剤を使用することが考えられる。しかし、レンズシートと光導波路シートとの接合に使用している従来の接合装置では、UV硬化型接着剤に対応することができない。以下に、その理由を説明する。
図2(a),(b)は、光導波路シート17とレンズシート15との接合方法の一例を示す断面図である。この図2(a),(b)のように、接合装置は、実装ヘッド21と、実装ヘッド21の下側に配置された部品保持部22とを有する。
レンズシート15は、図2(a)のように、部品保持部22の下に真空吸着された状態で光導波路シート17の上に配置される。また、光導波路シート17の上には適量の接着剤16が塗布される。ここで、接着剤16は、熱硬化型接着剤である。
次に、図2(b)のように、実装ヘッド21が下降してレンズシート15が光導波路シート17の上に配置され、レンズシート15と光導波路シート17との間に接着剤16が濡れ広がる。
実装ヘッド21にはヒータが設けられており、ヒータで発生した熱が部品保持部22を介して接着剤16に伝達されて、接着剤16が硬化する。部品保持部22は、接着剤16が十分硬化するまでレンズシート15を保持して、位置ずれを防止する。
このような接合装置を使用し、接着剤16としてUV硬化型接着剤を用いた場合、部品保持部22が邪魔をしてUV光を接着剤16に照射することが困難である。
部品保持部22をガラス等の透明材料により形成することも考えられる。しかし、その場合も、図3のように実装ヘッド21が邪魔をしたり、部品保持部22の側面で光が反射したり、部品保持部22を光が透過したりするため、部品保持部22の下の接着剤16にUV光を均一且つ十分に照射することは困難である。なお、図3中の符号23はUV光を出射する光源であり、図中の破線矢印は光の進行方向を示している。
図4に例示するように、部品保持部22を透明材料で形成し、部品保持部22内にミラー25を配置することも考えられる。しかし、その場合は部品保持部22の長さHが長くなり、たわみが発生して部品の実装精度が低下するという問題が発生する。また、熱とUV光とを併用してUV硬化型接着剤を硬化させる場合、部品保持部22の長さHが長くなると実装ヘッド21から接着剤16に熱を十分に伝達できなくなり、硬化時間が長くなってしまうという問題もある。
以下の実施形態では、光硬化型接着剤を使用して部品同士を短時間で精度よく接合できる接合装置及び接合方法について説明する。
(第1の実施形態)
図5は、第1の実施形態に係る接合装置の構成を示すブロック図である。
この図5のように、本実施形態に係る接合装置は、ステージ31と、ステージ駆動部32と、実装ヘッド33と、部品保持部34と、実装ヘッド駆動部35と、UVランプ36と、ライトガイド37と、カメラ38と、制御部40とを有する。
ステージ31の上には光導波路シート17が配置される。ステージ31には真空ポンプ41に接続する孔が設けられており、光導波路シート17はステージ31上に真空吸着された状態で固定される。また、ステージ31は、ステージ駆動部32により駆動されて、水平方向(XY方向)に移動する。更に、ステージ31内には、制御部40により制御されるヒータ31aが配置されている。
実装ヘッド33は、実装ヘッド駆動部35により駆動されて、垂直方向(Z方向)に移動する。また、実装ヘッド33には、傾斜角を調整可能な傾斜角調整機構(図示せず)が設けられている。更に、実装ヘッド33内にも、制御部40により制御されるヒータ33aが設けられている。
部品保持部34は実装ヘッド33の下に配置されている。この部品保持部34は、ガラス又はアクリル樹脂等の透明材料により形成されている。部品保持部34には真空ポンプ42に接続される孔が設けられており、レンズシート15は部品保持部34の下に真空吸着される。部品保持部34の詳細は後述する。
カメラ38は、レンズシート15と光導波路シート17とを接合する前に、部品保持部34とステージ31との間に配置される。制御部40は、カメラ38で撮影された映像に基づいてステージ駆動部32を制御し、ステージ31を移動させてレンズシート15と光導波路シート17との位置合せを行う。位置合わせが終了した後、カメラ38は制御部40により制御されて、側方に移動する。
UVランプ36は、制御部40により制御されて点灯する。UVランプ36で発生したUV光はライトガイド37を通り、後述するようにライトガイド37の先端から部品保持部34の側面(入射面a)に向けて出射する。
制御部40はコンピュータを含んで構成されており、カメラ38で撮影された映像を信号処理したり、ステージ駆動部32、実装ヘッド駆動部35、ヒータ31a,33a、UVランプ36及び真空ポンプ41,42を制御したりする。
なお、光導波路シート17は第1の部品の一例であり、レンズシート15は第2の部品の一例であり、UVランプ36は光源の一例である。
図6(a)は部品保持部34の下面図、図6(b)は図6(a)のI−I線の位置における断面図、図6(c)は図6(a)のII−II線の位置における断面図である。
前述したように、部品保持部34は、ガラス又はアクリル樹脂等の透明材料により形成されている。また、図6(a)〜(c)に示すように、部品保持部34は、ライトガイド37から出射した光が入射する入射面aと、入射面aと反対側の面であって入射面aから入射した光を斜め上方に反射する第1の反射面bとを有する。
更に、部品保持部34の上面は第1の反射面bで反射された光を下方に向けて反射する第2の反射面cとなっており、部品保持部34の下面は第2の反射面cで反射された光が出射する出射面dとなっている。部品保持部34の入射面a及び出射面d以外の面には反射膜が設けられている。本実施形態では、反射膜としてAu蒸着膜が使用されている。
なお、図6(a),(b)において、符号34x,34yは真空ポンプ42に連絡する孔及び凹部であり、符号34zはレンズシート15の凸部(レンズ)に対応する凹部である。
以下、本実施形態に係る接合装置を使用したレンズシート15と光導波路シート17との接合方法について、図5を参照して説明する。
なお、予めヒータ31a,33aには通電され、ステージ31の上面及び部品保持部34の下面は140℃以下の温度に加熱されているものとする。また、光導波路シート17の上には、予めUV硬化型接着剤が付着しているものとする。液状の接着剤に替えて、フィルム状の接着剤を使用してもよい。
まず、ステージ31上に光導波路シート17を配置し、真空ポンプ41を稼働させて光導波路シート17をステージ31上に固定する。また、真空ポンプ42を稼働させて、部品保持部34の下側にレンズシート15を吸着する。
次に、制御部40は、部品保持具34の下側にカメラ38を配置して、レンズシート15及び光導波路シート17を撮影する。その後、制御部40は、カメラ38から取得した映像に基づいてステージ駆動部32を制御し、ステージ31を移動させて、レンズシート15と光導波路シート17との位置合わせを行う。レンズシート15と光導波路シート17との位置合わせが完了すると、制御部40はカメラ38を側方に退避させる。
その後、制御部40は、実装ヘッド駆動部35を制御して実装ヘッド33を下降させ、レンズシート15を光導波路シート17の上に配置する。レンズシート15が光導波路シート17にある程度近づくと、接着剤はレンズシート15と光導波路シート17との間に濡れ広がって、レンズシート15の下側全体に接着剤が付着する。図7は、このときの状態を示す断面図である。図7において、符号16aはUV硬化型接着剤であり、符号39は第1の反射面b及び第2の反射面cに設けられた反射膜(Au膜)を示している。
次いで、制御部40はUVランプ36を点灯させる。これにより、ライトガイド37の先端からUV光が出射する。
このライトガイド37の先端から出射したUV光は、図7中に矢印で示すように、受光面aから部品保持部34内に入り、第1の反射面b及び第2の反射面cで順次反射された後、出射面dから出射して部品保持部34の下の接着剤16aを照射する。このUV光の照射により、接着剤16aは10秒程度又はそれ以下の時間で硬化する。
UV光の照射により接着剤16aが硬化すると、制御部40は真空ポンプ41,42を停止する。また、制御部40は、実装ヘッド33を上昇させる。このようにして、レンズシート15と光導波路シート17との接合が完了する。
本実施形態では、入射面aから入射した光が反射面b,cで反射されて出射面dから出射するので、入射面aから出射面dまでの光路が長い。そのため、入射面aから出射面dまでの間に光が十分に広がり、部品保持部34の下の接着剤16aには均一且つ十分な強度のUV光が照射される。これにより、レンズシート15と光導波路シート17とを短時間で接合できる。
また、本実施形態では、UV光を第1の反射面bと第2の反射面cとで反射させるため、部品保持部34の長さH(図6参照)を短くできる。これにより、ヒータ33aで発生した熱を効率よく接着剤16aに伝達できるとともに、たわみの発生を抑制でき、実装精度が高くなるという利点もある。
なお、本実施形態ではUV光と熱とを併用してUV硬化型接着剤を硬化させる場合について説明したが、UV光のみでUV硬化型接着剤を硬化させる場合は、ヒータ31a,33aを省略してもよい。
また、可視光硬化型接着剤を使用する場合は、UVランプ36に替えて可視光を発生するランプを使用すればよい。
以下、第1の反射面bの角度及びライトガイド37から出射するUV光の広がり角の最適範囲を調べた結果について説明する。
まず、図8に示す部品保持部34の第1の反射面bの角度θ1を変化させて出射面dにおけるUV到達率をシミュレーション計算により求めた。その結果を図9(a),(b)に示す。
なお、部品保持部34の各部の寸法は図10に示す通りである。また、ライトガイド37から出射する光の広がり角θ2は10°とし、ライトガイド37と部品保持部34の入射面aまでの距離は30mmとした。また、部品保持部34の材質はガラス(BK7)とし、第1の反射面b及び第2の反射面cにおけるUV反射率は90%とした。更に、UV到達率Tは、ライトガイド37から出射するUV光の強度をA、出射面dにおけるUV光の強度をBとしたときに、T=B÷Aにより算出される。
図9(a),(b)からわかるように、第1の反射面bの角度が55°以上且つ62°以下の場合、UV到達率Tが2.5%以上となる。このことから、第1の反射面bの角度θ1の最適範囲は55°乃至62°であることが判明した。
次に、第1の反射面bの角度θ1を57°とし、ライトガイド37から出射するUV光の広がり角θ2を変化させて、出射面dにおけるUV到達率と面内分布とをシミュレーション計算により求めた。その結果を、図11(a),(b)に示す。
なお、面内分布は、出射面dにおける出力が0.003W/mm2以上となる面積と出射面dの面積との比率(面積率)で表している。
また、UV到達率Tは前述したようにT=B÷Aにより算出されるが、θ2の最適化のときの測定条件とθ1の最適化のときの測定条件とが異なるため、図11(a),(b)のUV到達率と図9(a),(b)のUV到達率とは異なっている。
図11(a),(b)からわかるように、ライトガイド37から出射するUV光の広がり角θ2が3°以上且つ10°以下の場合、面積率が85%以上となる。このことから、ライトガイド37から出射するUV光の広がり角θ2の最適範囲は3°乃至10°であることが判明した。
(変形例)
上述の実施形態では反射面bを平坦な面としているが、図12(a)のように凸型の面としてもよく、図12(b)のように凹型の面としてもよい。また、図12(c)のように多数の微細な凹凸を有する梨地面としてもよい。
(第2の実施形態)
図13(a)は、第2の実施形態に係る結合装置の部品保持部44の下面図、図13(b)は図13(a)のI−I線の位置における断面図、図13(c)は図13(a)のII−II線の位置における断面図である。
なお、本実施形態が第1の実施形態と異なる点は、部品保持部の形状が異なる点にあり、その他の構造は第1の実施形態と基本的に同一であるので、重複する部分の説明は省略する。
図13(a)〜(c)に示すように、本実施形態の接合装置の部品保持部44は、相互に隣り合う2つの側面がそれぞれUV光の入射面a1,a2となっている。これらの入射面a1,a2の近傍にそれぞれライトガイドの先端が配置される。入射面a1,a2の反対側の面はそれぞれ第1の反射面b1,b2となっており、それらの反射面b1,b2で反射された光が第2の反射面c(部品保持部44の上面)で反射され、出射面dから出射する。
第1の実施形態の部品保持具34(図7参照)では光路が1つしかないため、部品保持部34に設けられた孔34xにより光が遮られて、出射面dにおける面内分布が劣化することが考えられる。
しかし、本実施形態では、UV光が隣り合う2つの側面(入射面a1,a2)から入射されるので、2つの異なる光路でUV光が出射面dに到達する。これにより、出射面dにおける面内分布の劣化が回避される。
なお、上述の第1の実施形態及び第2の実施形態では、いずれもレンズシート15と光導波路シート17とを接続する場合について説明した。しかし、開示した接合装置は、レンズシートと光導波路シートとの接合だけでなく、種々の部品の接合に適用することができる。
以上の諸実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
(付記1)光源と、
第1の部品が載置されるステージと、
光透過性材料により形成されて第2の部品を保持する部品保持部と、
制御部と、
前記制御部により制御されて前記ステージに載置された前記第1の部品と前記部品保持部に保持された前記第2の部品との間の距離を変化させる駆動部とを有し、
前記部品保持部は、前記光源から出力された光が入射する入射面と、前記入射面と反対側の面であって前記入射面から入射した光を反射する第1の反射面と、前記第1の反射面で反射された光を反射する第2の反射面と、前記第2の反射面で反射された光が出射する出射面と有し、
前記第2の部品を前記出射面側に保持した状態で光硬化性接着剤により前記第1の部品と前記第2の部品とを接合することを特徴とする接合装置。
(付記2)前記ステージ及び前記部品保持部のうちの少なくとも一方にヒータが設けられていることを特徴とする付記1に記載の接合装置。
(付記3)前記第1の反射面が凸状又は凹状であることを特徴とする付記1又は2に記載の接合装置。
(付記4)前記第1の反射面が梨地状であることを特徴とする付記1又は2に記載の接合装置。
(付記5)前記部品保持部には、前記入射面及び前記第1の反射面がそれぞれ2つあることを特徴とする付記1乃至4のいずれか1項に記載の接合装置。
(付記6)前記第1の反射面が、前記入射面から入射した光の光軸に対し55°乃至62°傾いていることを特徴とする付記1乃至5のいずれか1項に記載の接合装置。
(付記7)前記光源で発生した光を前記入射面に案内するライトガイドを有し、
前記ライトガイドから出射される光の広がり角が3°乃至10°であることを特徴とする付記1乃至6のいずれか1項に記載の接合装置。
(付記8)光硬化型接着剤により第1の部品と第2の部品とを接合する接合方法において、
透明材料により形成され、光源から出力された光が入射する入射面と、前記入射面と反対側の面であって前記入射面から入射した光を反射する第1の反射面と、前記第1の反射面で反射された光を反射する第2の反射面と、前記第2の反射面で反射された光が出射する出射面と有する部品保持部の前記出射面側に前記第2の部品を保持する工程と、
前記光硬化型接着剤を挟んで前記第1の部品と前記第2の部品とを配置する工程と、
前記入射面から前記部品保持部内に光を入射して前記光硬化型接着剤を硬化させる工程と
を有することを特徴とする接合方法。
(付記9)前記光硬化型接着剤を硬化させる工程では、前記部品保持部を介して前記光硬化型接着剤に熱を伝達することを特徴とする付記8に記載の接合方法。
11…プリント基板、12…VCSEL、13…集積回路、14,16,16a…接着剤、15…レンズシート、17…光導波路シート、18…光導波路、18a…ミラー、21…実装ヘッド、22…部品保持部、23…光源、31…ステージ、31a…ヒータ、32…ステージ駆動部、33…実装ヘッド、 33a…ヒータ、34,44…部品保持部、35…実装ヘッド駆動部、36…UVランプ、37…ライトガイド、38…カメラ、39…反射膜、40…制御部、41,42…真空ポンプ、a…入射面、b…第1の反射面、c…第2の反射面、d…出射面。

Claims (6)

  1. 光源と、
    第1の部品が載置されるステージと、
    透明材料により形成されて第2の部品を保持する部品保持部と、
    制御部と、
    前記制御部により制御されて前記ステージに載置された前記第1の部品と前記部品保持部に保持された前記第2の部品との間の距離を変化させる駆動部とを有し、
    前記部品保持部は、前記光源から出力された光が入射する入射面と、前記入射面と反対側の面であって前記入射面から入射した光を反射する第1の反射面と、前記第1の反射面で反射された光を反射する第2の反射面と、前記第2の反射面で反射された光が出射する出射面と有し、
    前記第2の部品を前記出射面側に保持した状態で光硬化接着剤により前記第1の部品と前記第2の部品とを接合することを特徴とする接合装置。
  2. 前記ステージ及び前記部品保持部のうちの少なくとも一方にヒータが設けられていることを特徴とする請求項1に記載の接合装置。
  3. 前記部品保持部には、前記入射面及び前記第1の反射面がそれぞれ2つあることを特徴とする請求項1又は2に記載の接合装置。
  4. 前記第1の反射面が、前記入射面から入射した光の光軸に対し55°乃至62°傾いていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の接合装置。
  5. 前記光源で発生した光を前記入射面に案内するライトガイドを有し、
    前記ライトガイドから出射される光の広がり角が3°乃至10°であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の接合装置。
  6. 光硬化型接着剤により第1の部品と第2の部品とを接合する接合方法において、
    透明材料により形成され、光源から出力された光が入射する入射面と、前記入射面と反対側の面であって前記入射面から入射した光を反射する第1の反射面と、前記第1の反射面で反射された光を反射する第2の反射面と、前記第2の反射面で反射された光が出射する出射面と有する部品保持部の前記出射面側に前記第2の部品を保持する工程と、
    前記光硬化型接着剤を挟んで前記第1の部品と前記第2の部品とを配置する工程と、
    前記入射面から前記部品保持部内に光を入射して前記光硬化型接着剤を硬化させる工程と
    を有することを特徴とする接合方法。
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