JP6677406B2 - ヒータチップ及び接合装置及び接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、導線と端子部材との接合に用いるヒータチップ、接合装置および接合方法に関する。

一般に、自動式の接合装置において、数１００μｍ以下の線径（太さ）を有する導線（たとえば電気部品または外部回路からの導線）１００を回路基板１０２上の端子部材（たとえば配線導体または接続パッド）１０４に熱圧着で接合する場合は、図１２に示すようなヒータチップ１０６が接合ツールに用いられている（たとえば特許文献１参照）。

このタイプのヒータチップ１０６は、たとえばタングステンあるいはモリブデン等の高融点金属を母材とする略Ｕ字状または略Ｖ字状の板体として形成され、直方体形状のコテ部１０８から左右の斜め上方に延びる一対の接続端子部１１０Ｌ，１１０Ｒをヒータヘッド１１２に取り付けている。図示のヒータヘッド１１２は、ヒータ電源（図示せず）の出力端子に通じる一対の給電用導体１１４Ｌ，１１４Ｒの一側面にボルト１１６Ｌ，１１６Ｒでヒータチップ１０６の両接続端子部１１０Ｌ，１１０Ｒを物理的かつ電気的にそれぞれ結合しており、給電用導体１１４Ｌ，１１４Ｒを介してヒータチップ１０６を上下に移動させる昇降機構や被接合物に向けて押圧する加圧機構（図示せず）を有している。給電用導体１１４Ｌ，１１４Ｒの間には両者を電気的に分離するための絶縁体１１８が挟まれている。

図１２において、回路基板１０２は図示しない作業台（たとえばＸＹテーブル）または治具等で水平に支持されており、導線１００の一端部が端子部材１０４の上に載せられる。ヒータヘッド１１２がヒータチップ１０６を下ろすと、図１３に示すように、ヒータチップ１０６のコテ部１０８のコテ先面１０８ａが直下の被接合部Ｗつまり回路基板１０２上で重なっている端子部材１０４および導線１００に適度な加圧力で接触する。このようにヒータチップ１０６のコテ部１０８を被接合部Ｗ（１００，１０４）に押し当てた状態の下で、ヒータ電源がオンしてヒータチップ１０６に電流を流すと、ヒータチップ１０６が抵抗発熱して、被接合部Ｗ（１００，１０４）を通常７５０℃以上の高い温度で加熱する。これによって、導線１００が被覆線である場合はその絶縁被膜が熱で溶けて剥がれ、導線１００の露出した導体がヒータチップ１０６からの加圧と加熱を同時に受け塑性変形して端子部材１０４に熱圧着で接合される。

この種のヒータチップ１０６は、コテ部１０８の温度を測定または監視するために、通常はコテ部１０８のコテ先面１０８ａと反対側の背面１０８ｂに温度センサとして熱電対１２０を取り付けている。通電時には、コテ部１０８およびその回りで発生したジュール熱の多くがコテ先面１０８ａを介して被接合部Ｗ（１００，１０４）に供給される一方で、一部の熱が熱電対１２０を介して外部へ逃げる。通常、熱電対１２０によって検出されるコテ部１０８の温度と被接合部Ｗ（１００，１０４）に当たるコテ先面１０８ａの温度は一致しないが、それぞれの時間的な変化の特性（温度波形）の間に一定の対応関係があればよく、熱電対１２０の出力信号に基づいてコテ部１０８のコテ先面１０８ａの温度（加熱温度）をモニタリングすることができる。

特開２００５−６６６３６号公報

従来のヒータチップ１０６においては、上記のような熱圧着のための高温（７５０℃以上）の通電発熱動作を繰り返すうちに、チップ表面に生じる酸化（ヒータチップの材質がタングステンの場合は酸化タングステンへの変質）が、左右両側の接続端子部１１０Ｌ，１１０Ｒのいずれか片方とコテ部１０８との境界付近に際立って多く偏在し、そのような偏在的な酸化によってヒータチップ１０６が短寿命になるだけでなく、熱電対１２０を用いたコテ先温度モニタリングの精度および信頼性の低下を招くことが問題になっている。

図１４Ａおよび図１４Ｂにつき、従来のヒータチップ１０６における偏在的酸化のメカニズムを説明する。なお、この明細書において、偏在的酸化とは、ヒータチップの電流経路上で一部の部位の酸化が他の部位の酸化よりも際立って多く現出ないし進行することを意味する。

図１４Ａに示すように、通電中のヒータチップ１０６においては、左側の接続端子部１１０Ｌ→コテ部１０８→右側の接続端子部１１０Ｒの経路上またはその逆向きの経路上でヒータ電源からの電流Ｉが流れ、電流Ｉが流れる各部で電流Ｉの実効値の自乗に比例してジュール熱が発生する。この場合、ヒータチップ１０６の各部の材質は同じで電気抵抗率は一定であるから、電流経路上で断面積の小さい箇所ほど、電流が集中して、ジュール熱が多く発生する。

図示のように、ヒータチップ１０６内で電流経路上の断面積が一見して最も小さい部位は、左右両側の接続端子部１１０Ｌ，１１０Ｒとコテ部１０８との境界付近の部位（以下「コテ周辺部」という。）１２２Ｌ，１２２Ｒである。コテ部１０８自体は、左右両側のコテ周辺部１２２Ｌ，１２２Ｒの間で下方に突出していて、電流経路上の断面積が両側コテ周辺部１２２Ｌ，１２２Ｒよりも一段と大きいため、そこで（特にコテ先面１０８ａ付近で）発生するジュール熱はそれほど多くない。このため、通電中のヒータチップ１０６内では、熱伝導に関して、左右両側のコテ周辺部１２２Ｌ，１２２Ｒからコテ部１０８の中間部およびコテ先面１０８ａを通って被接合部Ｗへ熱が移動するコテ下部の熱伝導ｈ_1L，ｈ_1Rと、両コテ周辺部１２２Ｌ，１２２Ｒからコテ部１０６の背面１０８ｂ側を通って熱電対１２０へ熱が移動するコテ上部の熱伝導ｈ_2L，ｈ_2Rとの２つのルートが並存する。

ここで、左右両側のコテ周辺部１２２Ｌ，１２２Ｒで発生するジュール熱が互いに均衡している限り、そのいずれか片側の偏在的酸化は起こらず、コテ部１０８内で下部の熱伝導ｈ_1L，ｈ_1Rおよび上部の熱伝導ｈ_2L，ｈ_2Rはいずれも左右で均衡し、熱電対１２０を用いるコテ先温度のモニタリングも安定に機能する。

しかしながら、実際には、ヒータチップ１０６の両接続端子部１１０Ｌ，１１０Ｒを左右対称に製作しても、両者の寸法（特に電流経路上の断面積）には誤差がつきものであり、この寸法誤差がわずかであっても、両側コテ周辺部１２２Ｌ，１２２Ｒで発生するジュール熱の不均衡が１回の通電発熱動作の中で加熱温度が高くなるほど拡大し、かつ通電発熱動作を繰り返す度にもその不均衡の度合いを強め、これによって偏在的酸化の現象が生起し、コテ先温度のモニタリングも不安定になる。

たとえば、両接続端子部１１０Ｌ，１１０Ｒの間に、右側コテ周辺部１２２Ｒの断面積が左側コテ周辺部１２２Ｌの断面積よりも幾らか小さい関係（寸法誤差）があるとする。この場合、ヒータチップ１０６を通電させると、通電開始時に左側コテ周辺部１２２Ｌと右側コテ周辺部１２２Ｒでそれぞれ発生する抵抗発熱は同じではなく、断面積の相対的に小さい右側コテ周辺部１２２Ｒの発熱が断面積の相対的に大きい左側コテ周辺部１２２Ｌの発熱に勝る。これによって、発熱により一定の温度係数で上昇する右側コテ周辺部１２２Ｒの抵抗が同一の温度係数で上昇する左側コテ周辺部１２２Ｌの抵抗よりも高くなり、通電時間中に電流を大きくするほど両側のコテ周辺部１２２Ｌ，１２２の発熱量の不均衡ひいては発熱温度の不均衡が拡大する。

こうして、通電時にヒータチップ１０６内で右側コテ周辺部１２２Ｒが他の部位（特に左側コテ周辺部１２２Ｌ）よりも際立って高い温度で発熱することにより、図１４Ｂに示すように右側コテ周辺部１２２Ｒにおける酸化１２４が局所的に大きな成長率で厚くなる。そして、右側コテ周辺部１２２Ｒにおける酸化１２４の偏在的な増大により、この付近の導電路の有効断面積（酸化１２４を除く部分の断面積）がさらに減少することで、通電発熱動作を繰り返す度に右側コテ周辺部２２Ｒの突出した発熱ひいては酸化１２４の偏在が一層顕著になり、終にはコテ周辺部１２２Ｒ付近が破損または折損する。

また、ヒータチップ１０６の破損に至らなくても、通電中にコテ部１０８内で生じるコテ下部の熱伝導ｈ_1L，ｈ_1Rおよびコテ上部の熱伝導ｈ_2L，ｈ_2Rが左右でバランスせず、このアンバランスが通電時間中に拡大し、通電発熱動作を繰り返す度にも拡大するので、熱電対１２０を用いるコテ先温度モニタリングの精度および信頼性が大きく損なわれる。

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するものであり、偏在的酸化を起こり難くして長寿命化を図るとともに、コテ部の温度測定のために熱電対を取り付ける場合はその温度モニタリングの精度・信頼性を向上させるヒータチップおよびこれを用いる接合装置ならびに接合方法を提供する。

本発明の第１の観点におけるヒータチップは、１本の導線を端子部材に接合するためのヒータチップであって、前記端子部材上に配置された前記導線の一端部に当接ないし接触する抵抗発熱体からなるコテ部と、ヒータ電源からの給電用導体との物理的かつ電気的な接続をとるために、前記コテ部と同一の抵抗発熱体からなり、前記コテ部と一体的にその左右両端から対称または非対称に延びる第１および第２の接続端子部と、前記コテ部の近くで前記第１の接続端子部に取り付けられる熱電対とを有し、通電時に前記コテ部および前記第１および第２の接続端子部でそれぞれ発生する抵抗発熱に関して、前記コテ部と前記第１の接続端子部との境界付近に位置する第１の部位の発熱量をＪ１，前記コテ部と前記第２の接続端子部との境界付近に位置する第２の部位の発熱量をＪ２、前記第１の接続端子部上で前記熱電対から見て前記第１の部位と反対側に位置する第３の部位の発熱量をＪ３とすると、Ｊ３＜Ｊ２＜Ｊ１の関係があり、前記第１の部位にその付近の電流経路上の断面積を適度に縮小するためのノッチを設けている。

本発明の第２の観点におけるヒータチップは、１本の導線を端子部材に接合するためのヒータチップであって、前記端子部材上に配置された前記導線の一端部に当接ないし接触する抵抗発熱体からなるコテ部と、ヒータ電源からの給電用導体との物理的かつ電気的な接続をとるために、前記コテ部と同一の抵抗発熱体からなり、前記コテ部と一体的にその左右両端から対称または非対称に延びる第１および第２の接続端子部と、前記コテ部の近くで前記第１の接続端子部に取り付けられる突出した放熱体とを有し、通電時に前記コテ部および前記第１および第２の接続端子部でそれぞれ発生する抵抗発熱に関して、前記コテ部と前記第１の接続端子部との境界付近に位置する第１の部位の発熱量をＪ１，前記コテ部と前記第２の接続端子部との境界付近に位置する第２の部位の発熱量をＪ２、前記第１の接続端子部上で前記放熱体から見て前記第１の部位と反対側に位置する第３の部位の発熱量をＪ３とすると、Ｊ３＜Ｊ２＜Ｊ１の関係があり、前記第１の部位にその付近の電流経路上の断面積を適度に縮小するためのノッチを設けている。

上記構成のヒータチップにおいては、コテ部の近くで片側の接続端子部に熱電対（また
は放熱体）を取り付けるとともに、コテ部と第１の接続端子部との境界付近に位置する第
１の部位（第１のコテ周辺部）の通電時の発熱量Ｊ１，コテ部と第２の接続端子部との境界付近に位置する第２の部位（第２のコテ周辺部）の通電時の発熱量Ｊ２、第１の接続端子部上で熱電対（または放熱体）から見て第１の部位と反対側に位置する第３の部位（コテ遠隔部）の通電時の発熱量Ｊ３の間にＪ３＜Ｊ２＜Ｊ１の関係を持たせるとともに、第１の部位にその付近の電流経路上の断面積を適度に縮小するためのノッチを設けることにより、通電時に他の部位よりも高温に発熱する第１および第２のコテ周辺部が両者の電流経路上の断面積が違っていても自律的に両者の発熱温度を適格にバランスさせるので、両コテ周辺部のいずれか片方で生じる偏在的酸化が起こり難い。

また、コテ部の温度測定のために熱電対を取り付けた場合は、コテ部内で左右両方向の熱伝導が均衡状態で安定することで、熱電対寄りのコテ周辺部から熱電対への熱伝導も安定し、熱電対の検出する温度とコテ部の温度（特にコテ先面付近の温度）との間の対応関係が一定に保たれるので、温度モニタリングの精度および信頼性が安定に維持される。

本発明の好適な一態様においては、通電時に流れる電流の経路上で第１、第２、第３の部位の断面積をそれぞれＳ１，Ｓ２，Ｓ３とすると、Ｓ１＜Ｓ２＜Ｓ３の関係を持たせる。また、通電時に流れる電流の経路上でコテ部の左右両端間の中間部の断面積をＳ４とすると、Ｓ３＜Ｓ４の関係をもたせる。

本発明の接合装置は、本発明のヒータチップと、このヒータチップを支持し、導線を端子部材に接合する際に、前記コテ部のコテ先面を前記端子部材上の前記導線に加圧接触させるヒータヘッドと、前記ヒータチップに抵抗発熱用の電流を供給するヒータ電源とを有する。

本発明の第１の観点における接合方法は、本発明の接合装置を用いて端子部材に接合する接合方法であって、前記端子部材上に前記導線を載せる第１の工程と、前記ヒータヘッドを制御して前記ヒータチップのコテ部を前記端子部材上の前記導線に当て所定の加圧力を加える第２の工程と、前記ヒータ電源を制御して前記ヒータチップを通電し、前記コテ部からの加熱と加圧により前記導線を前記端子部材に密着させて拡散接合を促す第３の工程と、前記ヒータ電源を制御して前記ヒータチップの通電を所定のタイミングで停止し、所定時間後に前記ヒータヘッドを制御して前記コテ部を前記導体細線から引き離す第４の工程とを有する。

本発明の第２の観点における接合方法は、前記端子部材上にハンダを介して前記導体細線を載せる第１の工程と、前記ヒータヘッドを制御して前記ヒータチップのコテ部を前記端子部材上の前記導体細線に当て所定の加圧力を加える第２の工程と、前記ヒータチップを制御して前記ヒータチップを通電し、前記コテ部からの加熱により前記ハンダを溶かす第３の工程と、前記ヒータ電源を制御して前記ヒータチップの通電を所定のタイミングで停止し、所定時間後に前記ヒータヘッドを制御して前記コテ部を前記導体細線から引き離す第４の工程とを有する。

本発明のヒータチップによれば、上記のような構成および作用により、偏在的酸化現象を起こり難くして長寿命化を図り、かつコテ部の温度測定のために熱電対を取り付ける場合はその温度モニタリングの精度・信頼性を向上させることができる。

また、本発明の接合装置または接合方法によれば、本発明のヒータチップを用いることにより、導線と端子部材との接合加工の品質および生産性を向上させることができる。

本発明の一実施形態におけるヒータチップの構成を示す斜視図である。 上記実施形態における接合装置の全体構成を示す図である。 上記接合装置を用いて導線を端子部材に熱圧着で接合する一実施例の様子を示す斜視図である。 上記熱圧着加工の一段階を示す一部断面正面図である。 上記熱圧着加工の一段階を示す一部断面正面図である。 上記熱圧着加工の一段階を示す一部断面正面図である。 実施形態のヒータチップにおけるコテ部回りの熱伝導の作用を説明するための図である。 実施形態のヒータチップにおけるコテ部回りの構成に関する一変形例を示す斜視図である。 実施形態のヒータチップにおけるコテ部回りの構成に関する別の変形例を示す斜視図である。 図６の変形例によるヒータチップを用いる熱圧着加工の一段階を示す一部断面側面図である。 図６の変形例によるヒータチップを用いるリフロー式ハンダ付けの一段階を示す一部断面側面図である。 図６の変形例によるヒータチップを用いるリフロー式ハンダ付けの一段階を示す一部断面側面図である。 図６の変形例によるヒータチップを用いるリフロー式ハンダ付けの一段階を示す一部断面側面図である。 図７の変形例によるヒータチップを用いるリフロー式ハンダ付けの一段階を示す一部断面側面図である。 図７の変形例によるヒータチップを用いるリフロー式ハンダ付けの一段階を示す一部断面側面図である。 図７の変形例によるヒータチップを用いるリフロー式ハンダ付けの一段階を示す一部断面側面図である。 別の変形例におけるヒータチップの構成を示す斜視図である。 従来のヒータチップを用いる熱圧着加工の一例を示す斜視図である。 図１２の熱圧着加工においてヒータチップを通電させている状態を示す一部断面正面図である。 従来のヒータチップにおけるコテ部回りの発熱および熱伝導の作用を模式的に説明するための図である。 上記従来のヒータチップにおける偏在的酸化現象を説明するための図である。

以下、図１〜図１１を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。
［実施形態におけるヒータチップの構成］

図１に、本発明の一実施形態におけるヒータチップの構成を示す。この実施形態におけるヒータチップ１０は、たとえば３ｍｍ程度の厚さを有する硬い板状の高融点金属たとえば圧延加工タングステンまたは焼結タングステンからなり、たとえばワイヤ放電加工により図示のような正面視で略Ｕ字形または略Ｖ字状に製作されている。

このヒータチップ１０は、通常使用形態の姿勢において最下端に位置するコテ部１２と、このコテ部１２と一体的にその上部の左右両端から上方に対称（または非対称）に延びる一対の接続端子部１４Ｌ，１４Ｒとを有している。

コテ部１２は、略直方体の形状を有し、左右両側の接続端子部１４Ｌ，１４Ｒの下端から下方に突出して延びている。両接続端子部１４Ｌ，１４Ｒは、固定用のボルト通し穴１６Ｌ，１６Ｒが設けられる幅広の平板部１８Ｌ，１８Ｒと、これらの平板部１８Ｌ，１８Ｒとコテ部１２との間で斜めに延びるアーム部２０Ｌ，２０Ｒとを有している。

このヒータチップ１０は、コテ部１２に近い位置にて片側（図示の例では右側）の接続端子部１４Ｒのアーム部２０Ｒに熱電対２２を取り付けている。そして、コテ部１２と両接続端子部１４Ｌ，１４Ｒのアーム部２０Ｌ，２０Ｒとの境界付近にそれぞれ位置する第１および第２の部位つまり左側および右側のコテ周辺部２４Ｌ，２４Ｒの通電時の抵抗発熱量をＪ_L，Ｊ_Rとし、右側接続端子部１４Ｒのアーム部２０Ｒ上で熱電対２２から見て右側コテ周辺部２４Ｒと反対側（右側）に位置する第３の部位つまり右側コテ遠隔部２４Ｐの通電時の抵抗発熱量をＪ_Pとすると、Ｊ_P＜Ｊ_L＜Ｊ_Rの関係または条件が成り立つようにしている。

この実施形態では、Ｊ_P＜Ｊ_L＜Ｊ_Rの関係（条件）を満たすために、左側コテ周辺部２４Ｌ、右側コテ周辺部２４Ｒ、右側コテ遠隔部２４Ｐの電流経路上の面積をそれぞれＳ_L，Ｓ_R，Ｓ_Pとすると、Ｓ_R＜Ｓ_L＜Ｓ_Pの関係（条件）が満たされるように、ヒータチップ１０を製作する。すなわち、両接続端子部１４Ｌ，１４Ｒのアーム部２０Ｌ，２０Ｒをそれぞれ平板部１８Ｌ，１８Ｒからコテ部１２に向って断面積が次第に小さくなるようにテーパ状に形成し（これによって、Ｓ_R＜Ｓ_P，Ｓ_L＜Ｓ_Pの条件が満たされる）、右側コテ周辺部２４Ｒにその付近の電流経路上の断面積を適度に縮小するためのノッチ（または括れ部）２６を設けている（これによって、Ｓ_R＜Ｓ_Lの条件が満たされる）。

熱電対２２は、より詳細には、右側接続端子部１４Ｒのアーム部２０Ｒの背面（コテ部１２の背面１２ｂと同じ側の面）に形成される突部２８に取り付けられる。熱電対２２の端部（測温端）は、たとえばアーク溶接により突部２８に接合されている。

このヒータチップ１０も、従来のヒータチップ１０６（図１２，図１３）と同様に、ヒータヘッド１１２（図１２）にボルト１１６Ｌ，１１６Ｒで取り付けられ、所与の被接合物に対して予め設定された手順および加工条件で所定の加圧動作および通電発熱動作を行うようになっている。

［実施形態における接合装置の全体構成］

図２に、この実施形態における接合装置３０の全体構成を示す。この接合装置３０は、上述した構成を有するヒータチップ１０と、このヒータチップ１０を支持し、被接合物を接合する際にコテ部１２を上から被接合物に加圧接触させるヒータヘッド１１２と、ヒータチップ１０に抵抗発熱用の電流を供給するヒータ電源３２と、装置内の各部および全体の動作を制御する制御部４６とを備えている。

ヒータ電源３２は、交流波形インバータ式の電源回路を用いている。この電源回路におけるインバータ３４は、ＧＴＲ（ジャイアント・トランジスタ)またはＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）等からなる４つのトランジスタ・スイッチング素子３６，３８，４０，４２を有している。

これら４つのスイッチング素子３６〜４２のうち、第１組（正極側）のスイッチング素子３６，４０はドライブ回路４４を介して制御部４６からの同相の駆動パルスＧ₁，Ｇ₃ により所定のインバータ周波数（たとえば４ｋＨｚ）で同時にスイッチング（オン・オフ）制御され、第２組（負極側）のスイッチング素子３８，４２はドライブ回路４４を介して制御部４６からの同相の駆動パルスＧ₂，Ｇ₄ により上記インバータ周波数で同時にスイッチング制御されるようになっている。

インバータ３４の入力端子（Ｌ₀ ，Ｌ₁）は三相整流回路４８の出力端子に接続されている。三相整流回路４８は、たとえば６個のダイオードを三相ブリッジ結線してなり、三相交流電源端子（Ｒ，Ｓ，Ｔ）より入力する商用周波数の三相交流電圧を全波整流して直流電圧に変換する。三相整流回路４８より出力された直流電圧は、コンデンサ５０で平滑されてからインバータ３４の入力端子［Ｌ₀ ，Ｌ₁］に与えられる。

インバータ３４の出力端子（Ｍ₀ ，Ｍ₁）は、溶接トランス５２の一次側コイルの両端にそれぞれ接続されている。溶接トランス５２の二次側コイルの両端は、整流回路を介さずに二次側導体１１４Ｌ，１１４Ｒを介してヒータチップ１０の接続端子部１４Ｌ，１４Ｒにそれぞれ接続されている。

制御部４６は、マイクロコンピュータを含んでおり、ヒータ電源３２内の一切の制御たとえば通電制御（特にインバータ制御）や各種ヒート条件の設定ないし表示処理等を行うほか、ヒータヘッド１１２に対しても所要の制御を行う。

このヒータ電源３２では、ヒータチップ１０の右側接続端子部１４Ｒに取り付けられている熱電対２２より、ヒータチップ１０のコテ部１２の温度を表す電気信号（コテ温度測定信号）がケーブル２５を介して制御部４６に与えられる。電流フィードバック制御を行う場合は、一次側回路の導体にたとえばカレント・トランスからなる電流センサ５４が取り付けられる。この電流センサ５４の出力信号から電流測定回路５６において一次電流または二次電流の測定値（たとえば実効値、平均値またはピーク値）が求められ、その電流測定信号が制御部４６に与えられる。

［熱圧着加工に関する実施例］

次に、図３〜図７を参照して、上記構成の接合装置３０を用いて導線を端子部材に熱圧着加工で接合する一実施例を説明する。

図３に示すように、この実施例は、上述した従来例（図１２、図１３）と同様に、図示しない電気部品または外部回路からの導線１００を回路基板１０２上の端子部材（たとえば配線導体）１０４に熱圧着で接合する。導線１００は、たとえば、線径が３００μｍ以下の銅線またはアルミ線であり、被覆線または裸線のいずれであってもよい。回路基板１０２の材質はセラミック（たとえばアルミナ）であり、端子部材１０４の材質はたとえば銀系または金系の導体である。

先ず、接合装置３０を起動させる前に、作業台または支持治具（図示せず）上で回路基板１０２の端子部材１０４の上に所定の向きで導線１００の一端部を水平に配置し、ヒータヘッド１１２（図２）に取り付けられているヒータチップ１０の直下に被接合部Ｗ（１００，１０４）を位置合わせする。

接合装置３０（図２）を起動させると、最初にヒータヘッド１１２が作動する。ヒータヘッド１１２は、ヒータチップ１０を降ろして、図４Ａに示すようにコテ部１２のコテ先面１２ａを導線１００の頂部に当てる。次に、ヒータ電源３２（図２）が作動してヒータチップ１０の通電を開始するとともに、ヒータヘッド１１２がヒータチップ１０を通じて被接合部Ｗ（１００，１０４）に所定の圧力または荷重を加える。そうすると、導線１００が被覆線である場合はその絶縁被膜がヒータチップ１０からの熱で溶けて剥がれ、導線１００の露出した導体がヒータチップ１０６からの加圧と通常７５０℃以上の高温の加熱により図４Ｂに示すように潰れて塑性変形し、導線１００と端子部材１０４とが拡散接合によって結合される。通電開始から所定時間が経過すると、ヒータ電源３２が通電を停止し、ヒータチップ１０の抵抗発熱を止めて、被接合部Ｗ（１００，１０４）を加圧したまま一定時間保持する。そして、保持時間の経過後に、ヒータヘッド１１２が図４Ｃに示すようにヒータチップ１０を上方へ引き上げる。

［実施形態におけるヒータチップ内の熱伝導の作用］

この実施形態におけるヒータチップ１０は、図５を参照して以下に説明するようなコテ部回りの熱伝導の作用により、上記のような熱圧着のための高温の通電発熱動作を多数回行っても、偏在的酸化が起こりにくいうえ、熱電対２２を用いるコテ先温度モニタリングの精度および信頼性を安定に維持できるようになっている。

このヒータチップ１０は、上記のように、コテ部１２の近く（右側コテ周辺部２４Ｒと右側コテ遠隔部２４Ｐとの間）で右側の接続端子部１４Ｒのアーム部２０Ｒに熱電対２２を取り付けるとともに、左側コテ周辺部２４Ｌ，右側コテ周辺部２４Ｒおよび右側コテ遠隔部２４Ｐの電流経路上の断面積Ｓ_L，Ｓ_R，Ｓ_Pの間にＳ_R＜Ｓ_L＜Ｓ_Pの関係をもたせている。

図５に示すように、通電時には、左側の接続端子部１４Ｌ→コテ部１２→右側の接続端子部１４Ｒの経路上またはその逆向きの経路上でヒータ電源からの電流Ｉが流れ、電流Ｉが流れる各部で電流Ｉの実効値の自乗に比例してジュール熱が発生する。この場合、ヒータチップ１０の各部の材質は同じで電気抵抗率は一定であるから、電流経路上の断面積（電流Ｉの経路と直交する面積）の小さい箇所ほど、電流が集中して、ジュール熱が多く発生する。

このヒータチップ１０においては、電流経路上で断面積が最も小さい部位は右側コテ周辺部２４Ｒであり、左側コテ周辺部２４Ｌの断面積Ｓ_Lは右側コテ周辺部２４Ｒの断面積Ｓ_Rより幾らか大きく、右側コテ遠隔部２４Ｐの断面積Ｓ_Pは左側コテ周辺部２４Ｌの断面積Ｓ_Lより幾らか大きい。つまり、Ｓ_R＜Ｓ_L＜Ｓ_Pの関係がある。したがって、通電中のヒータチップ１０の左側コテ周辺部２４Ｌ、右側コテ周辺部２４Ｒおよび右側コテ遠隔部２４Ｐにおける発熱量Ｊ_L，Ｊ_R，Ｊ_Pの間にはＪ_P＜Ｊ_L＜Ｊ_Rの関係が成り立つ。コテ部１２は、左右両側のコテ周辺部２４Ｌ，２４Ｒから下方に突出していて、電流Ｉの経路上の断面積が両側コテ周辺部２４Ｌ，２４Ｒよりも一段と大きいため、通電時に発生するジュール熱はそれほど多くはなく、コテ先面１２ａ付近の発熱量をＪ_Kとすると、Ｊ_K＜Ｊ_Pである。

このため、通電中は、コテ部１２内で、左側コテ周辺部２４Ｌで発生したジュール熱の一部（大部分）がコテ部１２の中間部およびコテ先面１２ａを通って被溶接部Ｗへ移動する右向きの熱伝導Ｈ_1Lと、右側コテ周辺部２４Ｒで発生したジュール熱の一部がコテ部１２の中間部およびコテ先面１２ａを通って被溶接部Ｗへ移動する左向きの熱伝導Ｈ_1Rとが並存する。

一方で、右側接続端子部１４Ｒのアーム部２０Ｒ内では、右側コテ周辺部２４Ｒと右側コテ遠隔部２４Ｐとの間に熱電対２２が取り付けられているので、通電中は、右側コテ周辺部２４Ｒで発生したジュール熱の他の一部が熱電対２２へ移動する右向きの熱伝導Ｈ_2Lと、右側コテ遠隔部２４Ｐで発生したジュール熱の一部が熱電対２２へ移動する左向きの熱伝導Ｈ_2Rとが並存する。

ここで、発熱量の最も多い右側コテ周辺部２４Ｒから、コテ部１２側への左向きの熱伝導Ｈ_1Rと、熱電対２２側への右向きの熱伝導Ｈ_2Lとが左右二手に分かれて並存することが重要である。このように発熱量の最も多い右側コテ周辺部２４Ｒから熱が左右二手に分かれて伝導する条件と上記のＪ_P＜Ｊ_L＜Ｊ_Rの条件とが相俟って、コテ部１２内では左側コテ周辺部２４Ｌからの右向きの熱伝導Ｈ_1Lに対して右側コテ周辺部２４Ｒからの反対向き（左向き）の熱伝導Ｈ_1Rが無理に優越するのではなくて互いに均衡し、右側コテ周辺部２４Ｒで余った熱が熱電対２２へ流れることになる。

こうして、ヒータチップ１０において通電時に他の部位よりも高温に発熱する左右両側のコテ周辺部２４Ｌ，２４Ｒが両者の電流経路上の断面積が違っていても自律的に発熱温度をバランスさせるので、両コテ周辺部２４Ｌ，２４Ｒのいずれか片方で生じる偏在的酸化が起こり難い。また、コテ部１２内で左右両方向の熱伝導が均衡状態で安定することで、右側コテ周辺部２４Ｒから熱電対２２への熱伝導も安定し、熱電対２２の検出する温度とコテ部１２の温度（特にコテ先面１２ａ付近の温度）との間の対応関係が一定に保たれる。これによって、熱電対２２を用いるコテ先温度モニタリングの精度および信頼性が安定に維持される。

［他の実施形態又は変形例］

図６および図７に、上記実施形態のヒータチップ１０におけるコテ部１２回りの構成に関する変形例を示す。

図６に示す第１の変形例は、ヒータチップ１０において、略直方体形状のコテ部１２の一側面（図の正面）１２ｃにコテ先面１２ａに通じるくぼみまたはコテ先凹部３０を設けている。より詳細には、コテ先凹部３０は、コテ部１２の側面１２ｃの中心部にて下に向かって逆テーパ状に横に広がりながら、かつ内奥に深度を拡大しながらコテ部１２を上端から底（コテ先面１２ａ）まで湾曲に削ぎ落したような構造を有している。このくぼみ構造においては、コテ先凹部３０の天井には側面１２ｃから内奥に向かって次第に低くなり、入口から内奥の終端まで底が切り欠かれている。

この第１変形例のヒータチップ１０を用いて上記のような熱圧着加工を行う場合は、図８に示すように、コテ先面１２ａが導線１００の先端部に加圧接触しても、軸方向で導線１００と対向するコテ先凹部３０は導線１００に接触しないで覆い被さる。この変形例では、コテ部１２がコテ先凹部３０によってコテ先面１２ａ付近でテーパ状に括れているので、導線１００に与える加圧および加熱の集中が増して、熱圧着の接合強度が向上する。

この第１変形例のヒータチップ１０は、図９Ａ〜図９Ｃに示すように、リフローのハンダ付けにも好適に使用することができる。リフローのハンダ付けにおいては、図９Ａに示すように、端子部材１０４の表面には予めクリームハンダ３２が塗られていて、クリームハンダ３２の上に載置された導線１００に対してその上方からヒータチップ１０が加圧接触する。なお、導線１００は、被覆線または裸線のいずれであってもよいが、銅メッキアルミ線または銅クラッドアルミ線が特に好適である。また、回路基板１０２は樹脂であってもよく、端子部材１０４は銅系の導体であってもよい。

この場合、コテ部１２がコテ先面１２ａにて導線１００の先端部１００ａを端子部材１０４に押し付けると、コテ先凹部３０の直下では導線１００が端子部材１０４の表面に密着しない状態になり、あるいは両者（１００，１０４）の間に隙間が形成される状態となる。そして、通電が開始されると、ヒータチップ１０の各部が抵抗発熱し、コテ部１２（特にコテ先面１２ａ）より加圧と加熱を受ける導線１００の先端部分１００ａで表面の絶縁被膜（たとえばウレタン）が剥がれて、図９Ｂに示すように導線１００の先端部分１００ａが扁平に潰れて端子部材１０４の表面に熱圧着で結合し、熱圧着部３４が形成される。そうすると、導線１００の先端部１００ａおよび熱圧着部３４を介して端子部材１０４にコテ部１２の熱が伝わり、さらには導線１００のコテ先凹部３０内に延在する部分１００ｂ（以下、「先端近接部」と称する。）にもコテ部１２の熱が伝わり、この導線１００の先端近接部１００ｂでも絶縁被覆が溶けて剥がれる。

こうしてコテ先凹部３０内では、導線１００の先端近接部１００ｂの絶縁被覆が剥がれると、内側の銅メッキ層（または銅クラッド層）がピュアな状態で露出し、フラックスが使われていなくても、この露出した銅メッキ層を溶融状態のハンダ＜３２＞がぬれによって包み込む。この場合、コテ部１２と端子部材１０４との間のスペース（隙間）においては、端子部材１０４上の溶けたハンダ＜３２＞の多くがぬれと表面張力によってコテ先凹部３０の中に寄せ集まってきて、導線１００の先端近接部１００ｂの銅メッキ層（または銅クラッド層）を覆った状態になる。

そして、通電開始から所定時間が経過して、接合装置３０がコテ部１２をハンダ凝固点よりも低い温度（ベース温度または常温）に冷やすと、端子１０４上で全ての溶融ハンダ＜３２＞がそれぞれの位置で固化する。すなわち、図９Ｃに示すようにコテ先凹部３０内の溶融ハンダ部＜３２Ｍ＞は導線１００の先端近接部１００ｂの銅メッキ層（または銅クラッド層）を覆う固体ハンダ部［３２Ｍ］に変わり、コテ先面１２ａの下に残っている溶融ハンダ部＜３２Ｋ＞は熱圧着部３４の周囲に広がる低層の固体ハンダ部［３２Ｋ］に変わる。

図７に示す第２の変形例は、ヒータチップ１０においてコテ部１２のコテ先面１２ａに、各々がチップ幅方向に縦断して延びる複数（図示の例は２つ）の溝部３６Ａ，３６Ｂをチップ厚み方向に並べて設けている。この第２変形例のヒータチップ１０をリフローのハンダ付けに用いる場合も、端子部材１０４の表面には予めクリームハンダを塗布しておく。たとえば、図１０Ａに示すように、溝部３６Ａ，３６Ｂと対向する位置に予め枕木形のクリームハンダ３２Ａ，３２Ｂを塗布してもよい。

この場合も、上記第１変形例と同様の作用が奏されるが、図１０Ｂ，図１０Ｃに示すように、溝部３２Ａ，３２Ｂ内に溶融ハンダ＜３２Ａ＞，＜３２Ｂ＞ひいては固体ハンダ部［３２Ａ］，［３２Ｂ］が作られ、中間に熱圧着部３４が形成される。

図１１に、上記実施形態のヒータチップ１０において、片側（図示の例は右側）の接続端子部１４Ｒのアーム部２０Ｒに、熱電対（２２）の代わりに放熱体４０を取り付ける構成例を示す。この放熱体４０は、ヒータチップ１０と同じ材質で一体に形成されてよく、大気中への放熱性を高めるために好ましくは図示のようなフィン状（あるいはブロック状）に形成されてよく、表面に金メッキを施してもよい。ヒータチップ１０が通電すると、右側コテ周辺部２４Ｒおよび右側コテ遠隔部２４Ｐでそれぞれ発生したジュール熱の一部が放熱体４０を介して大気中に放出される。つまり、同じ位置に熱電対（２２）を取り付けた場合と同様の熱放出効果が奏される。

１０ ヒータチップ
１２ コテ部
１２ａ コテ先面
１２ｂ （コテ部）背面
１２ｃ （コテ部）側面
１４Ｌ，１４Ｒ 接続端子部
２０Ｌ，２０Ｒ アーム部
２２ 熱電対
２４Ｌ 左側コテ周辺部
２４Ｒ 右側コテ周辺部
２４Ｐ 右側コテ遠隔部
３０ 接合装置
３２ ヒータ電源
４０ 放熱体
１００ 導線
１０２ 回路基板
１０４ 端子部材

Claims (7)

1. １本の導線を端子部材に接合するためのヒータチップであって、
   前記端子部材上に配置された前記導線の一端部に当接ないし接触する抵抗発熱体からなるコテ部と、
   ヒータ電源からの給電用導体との物理的かつ電気的な接続をとるために、前記コテ部と同一の抵抗発熱体からなり、前記コテ部と一体的にその左右両端から対称または非対称に延びる第１および第２の接続端子部と、
   前記コテ部の近くで前記第１の接続端子部に取り付けられる熱電対と
   を有し、
   通電時に前記コテ部および前記第１および第２の接続端子部でそれぞれ発生する抵抗発熱に関して、前記コテ部と前記第１の接続端子部との境界付近に位置する第１の部位の発熱量をＪ１，前記コテ部と前記第２の接続端子部との境界付近に位置する第２の部位の発熱量をＪ２、前記第１の接続端子部上で前記熱電対から見て前記第１の部位と反対側に位置する第３の部位の発熱量をＪ３とすると、Ｊ３＜Ｊ２＜Ｊ１の関係があり、
   前記第１の部位にその付近の電流経路上の断面積を適度に縮小するためのノッチを設けていることを特徴とするヒータチップ。
2. １本の導線を端子部材に接合するためのヒータチップであって、
   前記端子部材上に配置された前記導線の一端部に当接ないし接触する抵抗発熱体からなるコテ部と、
   ヒータ電源からの給電用導体との物理的かつ電気的な接続をとるために、前記コテ部と同一の抵抗発熱体からなり、前記コテ部と一体的にその左右両端から対称または非対称に延びる第１および第２の接続端子部と、
   前記コテ部の近くで前記第１の接続端子部に取り付けられる突出した放熱体とを有し、
   通電時に前記コテ部および前記第１および第２の接続端子部でそれぞれ発生する抵抗発熱に関して、前記コテ部と前記第１の接続端子部との境界付近に位置する第１の部位の発熱量をＪ１，前記コテ部と前記第２の接続端子部との境界付近に位置する第２の部位の発熱量をＪ２、前記第１の接続端子部上で前記放熱体から見て前記第１の部位と反対側に位置する第３の部位の発熱量をＪ３とすると、Ｊ３＜Ｊ２＜Ｊ１の関係があり、
   前記第１の部位にその付近の電流経路上の断面積を適度に縮小するためのノッチを設けていることを特徴とするヒータチップ。
3. 通電時に流れる電流の経路上で前記第１、第２、第３の部位の断面積をそれぞれＳ１，Ｓ２，Ｓ３とすると、Ｓ１＜Ｓ２＜Ｓ３の関係がある、請求項１または請求項２に記載のヒータチップ。
4. 通電時に流れる電流の経路上で前記コテ部の左右両端間の中間部の断面積をＳ４とすると、Ｓ３＜Ｓ４の関係がある、請求項１または請求項２に記載のヒータチップ。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のヒータチップと、
   前記ヒータチップを支持し、１本の導線を端子部材に接合する際に、前記コテ部のコテ先面を前記端子部材上の前記導線に加圧接触させるヒータヘッドと、
   前記ヒータチップに抵抗発熱用の電流を供給するヒータ電源と
   を有する接合装置。
6. 請求項５に記載の接合装置を用いて１本の導線を端子部材に接合する接合方法であって、
   前記端子部材上に前記導線を載せる第１の工程と、
   前記ヒータヘッドを制御して前記ヒータチップのコテ部を前記端子部材上の前記導線に当て所定の加圧力を加える第２の工程と、
   前記ヒータ電源を制御して前記ヒータチップを通電し、前記コテ部からの加熱と加圧により前記導線を前記端子部材に密着させて拡散接合を促す第３の工程と、
   前記ヒータ電源を制御して前記ヒータチップの通電を所定のタイミングで停止し、所定時間後に前記ヒータヘッドを制御して前記コテ部を前記導線から引き離す第４の工程と
   を有する接合方法。
7. 請求項５に記載の接合装置を用いて１本の導線を端子部材に接合する接合方法であって、
   前記端子部材上にハンダを介して前記導線を載せる第１の工程と、
   前記ヒータヘッドを制御して前記ヒータチップのコテ部を前記端子部材上の前記導線に当て所定の加圧力を加える第２の工程と、
   前記ヒータ電源を制御して前記ヒータチップを通電し、前記コテ部からの加熱により前記ハンダを溶かす第３の工程と、
   前記ヒータ電源を制御して前記ヒータチップの通電を所定のタイミングで停止し、所定時間後に前記ヒータヘッドを制御して前記コテ部を前記導線から引き離す第４の工程と
   を有する接合方法。