JP7011964B2 - シーム溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばＩＣ、水晶振動子等の回路素子のパッケージにリッドを溶接するシーム溶接装置に係り、特にリッドをパッケージに仮付けする技術に関するものである。

ＩＣ、水晶振動子等の回路素子の封止作業は、パッケージにこれらの回路素子を収納して、配線や試験調整作業を行った後の最終製造工程として行われる。封止方法としては、樹脂封止、気密封止などがある。
気密封止法は、金属又はセラミックスのパッケージの中に素子を収納固定し、不活性ガス雰囲気中あるいは真空中でリッド（蓋）をかぶせて素子を完全に密封する方法である。この気密封止法によれば、水分などの不純物の侵入がなく、また局所加熱による封止なので、熱応力の影響も少なく樹脂封止に比べて高い封止信頼性を得ることができる。

この気密封止法のひとつであるシーム溶接法を用いて、パッケージにリッドを溶接するシーム溶接装置がある。このシーム溶接装置は、円板状のローラ電極によってワークに圧力を加えながら電流を流すことにより、発生するジュール熱によってワークを溶融させて接合を得るものである（特許文献１参照）。

正確なシーム溶接を行う場合、パッケージとリッドの位置を、画像認識等の方法を用いて位置決めした後で、リッドをパッケージの上に搭載する。この位置決めされたリッドがずれないように吸着ノズルでリッドを押さえた状態で、１対のローラ電極をリッドに接触させて通電し、仮付けを行う必要がある。このとき、ローラ電極が金属等の導電性材料からなる吸着ノズルと接触してしまうと、溶接電流がリッドと吸着ノズルとに分流してしまい、溶接が不可能となる。

そこで、従来のシーム溶接装置では、絶縁性を保つために、左右のローラ電極とその間に位置する吸着ノズルとの間に隙間を設けるようにしていた。シーム溶接するパッケージが例えば１ｍｍ角程度に小型になった場合、ローラ電極と吸着ノズルとの隙間は例えば０．１ｍｍ程度となり、吸着ノズルと左右のローラ電極の位置関係、およびローラ電極間の距離を正確に調整することが難しくなってきた。近年では、パッケージの更なる小型化が進み、ローラ電極と吸着ノズルとの隙間が例えば０．０５ｍｍ程度まで小さくなり、シームヘッドを構成する各部品の公差や組立精度から、０．０５ｍｍの隙間を吸着ノズルとローラ電極の間に設けることが困難になり、ローラ電極間の距離を正確に設定することも難しくなってきた。

特開平７－２８４９５９号公報

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ローラ電極と吸着ノズルとの絶縁状態を保ちつつ、１対のローラ電極間の距離を正確に設定することができるシーム溶接装置を提供することを目的とする。

本発明のシーム溶接装置は、１対のローラ電極と、パッケージ上に載置されたリッドを仮付けするときに前記１対のローラ電極の間隙に配置され、先端部の下面に設けられた吸引穴によって前記リッドを吸着しつつ上から押さえる吸着ノズルと、前記仮付け時に前記１対のローラ電極が前記リッドの２辺と接触した状態で前記１対のローラ電極に溶接電流を供給する電源と、前記１対のローラ電極の軸方向に沿って前記１対のローラ電極をそれぞれ前記吸着ノズルに押し当てる方向に付勢する１対の付勢部とを備え、前記吸着ノズルは、少なくとも前記１対のローラ電極と接触する表面部分が絶縁体からなることを特徴とするものである。

また、本発明のシーム溶接装置の１構成例において、前記吸着ノズルは、導電材料からなる母材の表面を絶縁体でコーティングしたものである。
また、本発明のシーム溶接装置の１構成例において、前記吸着ノズルは、少なくとも前記リッドおよび前記１対のローラ電極と接触する先端部が絶縁体で成形されたものである。
また、本発明のシーム溶接装置の１構成例において、前記１対の付勢部は、弾性力で前記１対のローラ電極をそれぞれ前記吸着ノズルに押し当てる方向に付勢する弾性体からなる。
また、本発明のシーム溶接装置の１構成例において、前記１対の付勢部は、流体の圧力で前記１対のローラ電極をそれぞれ前記吸着ノズルに押し当てる方向に付勢する押圧機構からなる。
また、本発明のシーム溶接装置の１構成例において、前記１対の付勢部は、磁石の反発力で前記１対のローラ電極をそれぞれ前記吸着ノズルに押し当てる方向に付勢する押圧機構からなる。

本発明によれば、吸着ノズルを、少なくとも１対のローラ電極と接触する表面部分が絶縁体からなるものとし、１対のローラ電極をそれぞれ吸着ノズルに押し当てる方向に付勢する１対の付勢部を設けることにより、ローラ電極と吸着ノズルとの絶縁状態を保ちつつ、ローラ電極間の距離を正確に設定することができる。本発明では、ローラ電極と吸着ノズルとの間に隙間を設ける必要がなく、ローラ電極の軸方向の吸着ノズルの寸法でローラ電極間の距離が決まるので、ローラ電極と吸着ノズルの隙間調整およびローラ電極間の距離調整が不要となり、小型のパッケージの仮付け作業に容易に対応することができる。

図１は、本発明の実施例に係るシーム溶接装置のシームヘッドの構造を示す正面図である。 図２は、本発明の実施例に係るシーム溶接装置の吸着ノズルとローラ電極との位置関係を説明する斜視図である。 図３は、本発明の実施例に係るシーム溶接装置の電気的な接続関係を示すブロック図である。 図４は、本発明の実施例に係るシーム溶接装置の仮付け時の動作を説明するフローチャートである。 図５は、本発明の実施例に係るシーム溶接装置の仮付け時のシームヘッドとワークとの位置関係を示す正面図および側面図である。 図６は、本発明の実施例に係るシーム溶接装置の仮付け時のシームヘッドとワークとの位置関係を示す正面図および側面図である。 図７は、本発明の実施例に係るシーム溶接装置によるＹ方向のシーム溶接を説明する側面図である。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施例に係るシーム溶接装置のシームヘッドの構造を示す正面図である。本実施例のシームヘッド１は、金属等の導電材料からなる円板状の１対のローラ電極１０ａ，１０ｂと、ローラ電極１０ａ，１０ｂに給電する、金属等の導電材料からなる円柱状の導電シャフト１１ａ，１１ｂと、導電シャフト１１ａ，１１ｂを回動自在に軸支すると同時に導電シャフト１１ａ，１１ｂに給電する、金属等の導電材料からなる電極ホルダ１２ａ，１２ｂと、電極ホルダ１２ａ，１２ｂを吊り下げる形で支持する金属製の電極支持アーム１３ａ，１３ｂと、パッケージにリッドを仮付けするときにローラ電極１０ａ，１０ｂの間隙に配置され、先端部の下面に設けられた吸引穴によってリッドを吸着しつつ上から押さえる吸着ノズル１４と、シームヘッド１全体をＸＹ方向に移動させることが可能なシームヘッド駆動機構１５と、電極支持アーム１３ａ，１３ｂをＺ方向に移動させることが可能な電極側駆動機構１６と、吸着ノズル１４をＺ方向に移動させることが可能なノズル側駆動機構１７と、ローラ電極１０ａ，１０ｂをそれぞれ吸着ノズル１４に押し当てる方向に付勢する圧縮コイルバネ等の弾性体からなる付勢部１８ａ，１８ｂとを備えている。

円柱状の導電シャフト１１ａ，１１ｂは、それぞれ電極ホルダ１２ａ，１２ｂの貫通穴に挿入されて支えられており、滑り摩擦で回転するようになっている。ローラ電極１０ａ，１０ｂは、導電シャフト１１ａ，１１ｂの一端に取付けられている。電極ホルダ１２ａ，１２ｂは、導電シャフト１１ａ，１１ｂの軸受として機能すると同時に、導電シャフト１１ａ，１１ｂに電流を供給する役目を果たす。
従来と同様に、溶接対象のワークは、内部にチップを収納するセラミック製のパッケージ３０と、平面視四角形のリッド３１とからなる。

図２（Ａ）、図２（Ｂ）は本実施例の吸着ノズル１４とローラ電極１０ａ，１０ｂとの位置関係を説明する斜視図である。なお、図２（Ｂ）では、ローラ電極１０ａ，１０ｂと吸着ノズル１４との関係を分かり易くするために、電極ホルダ１２ａ，１２ｂを省略して記載している。

本実施例では、吸着ノズル１４として、金属等の導電材料からなる母材の外側表面に規定膜厚の絶縁体をコーティングしたものを用いている。コーティングする絶縁体としては、例えばセラミックがある。
吸着ノズル１４には、内部に空気の流路１４０が設けられており、この流路１４０は吸着ノズル１４の先端部１４１の下面に設けられた吸引穴１４２と連通している。

一方、電極ホルダ１２ａ，１２ｂには、ローラ電極１０ａ，１０ｂの軸方向（Ｘ方向）に沿って導電シャフト１１ａ，１１ｂを押して、ローラ電極１０ａ，１０ｂをそれぞれ吸着ノズル１４に押し当てる方向に付勢する圧縮コイルバネ等の弾性体からなる付勢部１８ａ，１８ｂが設けられている。
このため、電極ホルダ１２ａ，１２ｂを電極支持アーム１３ａ，１３ｂに取り付けると、図２（Ｂ）に示すように、ローラ電極１０ａ，１０ｂは、付勢部１８ａ，１８ｂの弾性力によって吸着ノズル１４の２つの側面１４３，１４４に押し付けられるように常に付勢される。

上記のとおり吸着ノズル１４の母材の表面には絶縁体がコーティングされており、この吸着ノズル１４にローラ電極１０ａ，１０ｂが押し付けられるので、ローラ電極１０ａ，１０ｂと吸着ノズル１４との絶縁状態を保ちつつ、ローラ電極１０ａ，１０ｂ間の距離を正確に設定することができる。
本実施例の例では、吸着ノズル１４の先端部１４１のＸ方向の幅をＷ、吸着ノズル１４の母材の表面にコーティングされる絶縁体の膜厚をｔとすれば、ローラ電極１０ａと１０ｂの間隔は、Ｗ＋２ｔとなる。

図３は本実施例に係るシーム溶接装置の電気的な接続関係を示すブロック図である。シーム溶接装置は、パッケージ３０が載置されたトレイ３２を水平方向に動かすことが可能なＸＹステージ駆動機構１００と、ローラ電極１０ａ，１０ｂに電流を供給する電源１０１と、シーム溶接装置全体を制御する制御部１０２と、制御部１０２のプログラムとシーム溶接装置の動作の情報などを予め記憶する記憶部１０３と、ユーザがシーム溶接装置に指示を与えるための操作部１０４と、排気装置１０５とを備えている。

制御部１０２は、シームヘッド駆動機構１５を制御するシームヘッド駆動機構制御部１０２ａと、電極側駆動機構１６を制御する電極側駆動機構制御部１０２ｂと、ノズル側駆動機構１７を制御するノズル側駆動機構制御部１０２ｃと、ＸＹステージ駆動機構１００を制御するＸＹステージ駆動機構制御部１０２ｄと、電源１０１を制御する電源制御部１０２ｅと、排気装置１０５を制御する排気装置制御部１０２ｆとから構成される。

以下、本実施例のシーム溶接装置の仮付け時の動作を説明する。図４は仮付け時の動作を説明するフローチャートである。
吸着ノズル１４は、排気装置１０５に接続され、内部の流路１４０が排気されることにより、先端部１４１の下端にリッド３１を吸着できるようになっている。

仮付けの開始時に、制御部１０２のシームヘッド駆動機構制御部１０２ａは、シームヘッド駆動機構１５を制御して図示しないリッド供給部の位置にシームヘッド１を移動させる（図４ステップＳ１００）。
そして、制御部１０２のノズル側駆動機構制御部１０２ｃは、ノズル側駆動機構１７を制御して吸着ノズル１４を下降させ、吸着ノズル１４によりリッド３１を吸着させる（図４ステップＳ１０１）。そして、ノズル側駆動機構制御部１０２ｃは、吸着ノズル１４を上昇させる（図４ステップＳ１０２）。

一方、セラミック製のパッケージ３０は、トレイ３２上に載置された状態で図示しない搬送装置によって搬送され、ＸＹステージ３３上に載置される。
制御部１０２のＸＹステージ駆動機構制御部１０２ｄは、ＸＹステージ駆動機構１００を制御して、パッケージが所定の仮付け開始位置に来るようにＸＹステージ３３を移動させる（図４ステップＳ１０３）。

制御部１０２のシームヘッド駆動機構制御部１０２ａは、シームヘッド駆動機構１５を制御して、シームヘッド１が仮付け開始位置に来るように移動させる（図４ステップＳ１０４）。このとき、シームヘッド駆動機構制御部１０２ａは、吸着ノズル１４によって吸着されているリッド３１がパッケージ３０の真上に正確に来るように、シームヘッド１のＸＹ方向の位置およびＸＹ面内での回転角度を調整する位置決めを行う。周知のとおり、このような位置決めは、カメラを利用した画像認識技術により実現することができる。こうして、図１に示した状態となる。

図５（Ａ）、図５（Ｃ）、図５（Ｅ）、図６（Ａ）は仮付け時のシームヘッドとワーク（パッケージ３０とリッド３１）との位置関係を示す正面図、図５（Ｂ）、図５（Ｄ）、図５（Ｆ）、図６（Ｂ）はそれぞれ図５（Ａ）、図５（Ｃ）、図５（Ｅ）、図６（Ａ）に対応する側面図である。なお、図５、図６では、ローラ電極１０ａ，１０ｂと吸着ノズル１４との関係を分かり易くするために、電極ホルダ１２ａ，１２ｂおよび付勢部１８ａ，１８ｂを省略して記載している。

次に、図１の状態から、制御部１０２のノズル側駆動機構制御部１０２ｃは、ノズル側駆動機構１７を制御して吸着ノズル１４を下降させ、図５（Ａ）、図５（Ｂ）に示すようにリッド３１をパッケージ３０の上に載せ、リッド３１がパッケージ３０に当接した状態で吸着ノズル１４の下降を停止させる（図４ステップＳ１０５）。

さらに、制御部１０２の電極側駆動機構制御部１０２ｂは、電極側駆動機構１６を制御して電極支持アーム１３ａ，１３ｂを下降させて、図５（Ｃ）、図５（Ｄ）に示すようにローラ電極１０ａ，１０ｂをリッド３１に当接させる（図４ステップＳ１０６）。

制御部１０２の電源制御部１０２ｅは、電源１０１を制御し、所定の仮付け開始タイミング（例えばローラ電極１０ａ，１０ｂがリッド３１と接触する直前のタイミング）で電極ホルダ１２ａと電極ホルダ１２ｂ間に電圧を印加させる。ローラ電極１０ａ，１０ｂがリッド３１と接触すると、電源１０１から電極ホルダ１２ａ、導電シャフト１１ａ、ローラ電極１０ａ、リッド３１、ローラ電極１０ｂ、導電シャフト１１ｂ、電極ホルダ１２ｂという経路で溶接電流が流れる（図４ステップＳ１０７）。

こうして、リッド３１がパッケージ３０に仮付けされる。仮付け完了後、電源制御部１０２ｅは、電源１０１からの電流供給を停止させる（図４ステップＳ１０８）。なお、仮付けでは、溶接電流を極短時間印加すればよい。

なお、シーム溶接には、セラミック製のパッケージ３０に装着された平面視角環状のシールリング（不図示）とリッド３１とを溶融させて、リッド３１をパッケージ３０に溶接する方法や、リッド３１の溶接面に予め付けられたろう材を溶融させて、リッド３１をパッケージ３０に溶接する方法などがあるが、本発明はいずれの方法にも適用可能である。

次に、制御部１０２の排気装置制御部１０２ｆは、排気装置１０５を停止させて吸着ノズル１４による吸着を停止させる（図４ステップＳ１０９）。
制御部１０２のノズル側駆動機構制御部１０２ｃは、ノズル側駆動機構１７を制御して、図５（Ｅ）、図５（Ｆ）に示すように吸着ノズル１４を上昇させる（図４ステップＳ１１０）。

さらに、制御部１０２の電極側駆動機構制御部１０２ｂは、電極側駆動機構１６を制御して電極支持アーム１３ａ，１３ｂを上昇させて、図６（Ａ）、図６（Ｂ）に示すようにローラ電極１０ａ，１０ｂをリッド３１から離す（図４ステップＳ１１１）。
以上で、仮付けが終了する。仮付けでは、リッド３１のＹ方向の２辺をそれぞれ１点ずつスポット溶接しただけなので、仮付け後にＹ方向の２辺とＸ方向の２辺をシーム溶接する。

シームヘッド１を用いてそのまま本付けを行う場合には、ローラ電極１０ａ，１０ｂをリッド３１に接触させたまま、図７に示すようにローラ電極１０ａ，１０ｂをリッド３１のＹ方向の端の位置まで移動させる。そして、ローラ電極１０ａ，１０ｂをリッド３１に接触させたまま、ローラ電極１０ａ，１０ｂをＡの方向に移動させながら、電源１０１から電極ホルダ１２ａ、導電シャフト１１ａ、ローラ電極１０ａ、リッド３１、ローラ電極１０ｂ、導電シャフト１１ｂ、電極ホルダ１２ｂという経路で電流を流す。こうして、ローラ電極１０ａ，１０ｂがリッド３１上を回転しながら移動することにより、リッド３１のＹ方向の２辺がパッケージ３０にシーム溶接される。

さらにＸ方向のシーム溶接を行う場合には、ローラ電極１０ａ，１０ｂを一旦上昇させた後で、例えばＸＹステージ３３を９０°回転させ、Ｙ方向と同様の方法でリッド３１のＸ方向の２辺をパッケージ３０にシーム溶接すればよい。
以上のようなＸＹ方向のシーム溶接は周知の技術である。また、シームヘッド１を仮付け専用とし、別のシームヘッドでＸＹ方向のシーム溶接を行ってもよいことは言うまでもない。

本実施例では、吸着ノズル１４として、導電材料からなる母材の表面に絶縁体をコーティングしたものを用いているが、これに限るものではなく、セラミック等の絶縁体で成形された吸着ノズル１４を用いてもよい。この場合、ノズル全体が絶縁体からなる吸着ノズル１４を用いてもよいし、リッド３１およびローラ電極１０ａ，１０ｂと接触する先端部１４１が絶縁体で、他の部分が導電材料からなる吸着ノズル１４を用いてもよい。これらの吸着ノズル１４を用いる場合、ローラ電極１０ａと１０ｂの間隔は、先端部１４１のＸ方向の幅Ｗと同じ値となる。

また、本実施例では、付勢部１８ａ，１８ｂを構成する弾性体の例として、圧縮コイルバネを例に挙げて説明したが、これに限るものではなく、板バネ、皿バネ、ウェーブワッシャー等の弾性体を用いてもよい。

また、付勢部１８ａ，１８ｂとして、空気等の流体の圧力で導電シャフト１１ａ，１１ｂを押して、ローラ電極１０ａ，１０ｂをそれぞれ吸着ノズル１４に押し当てる方向に付勢する例えばピストン式ポンプ等の押圧機構を用いてもよい。

また、付勢部１８ａ，１８ｂとして、例えば導電シャフト１１ａ，１１ｂ側に取り付けた磁石と電極ホルダ１２ａ，１２ｂ側に取り付けた磁石との間の反発力で導電シャフト１１ａ，１１ｂを押して、ローラ電極１０ａ，１０ｂをそれぞれ吸着ノズル１４に押し当てる方向に付勢する押圧機構を用いてもよい。

本実施例で説明した制御部１０２と記憶部１０３とは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置及びインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。ＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って本実施例で説明した処理を実行する。

本発明は、シーム溶接に適用することができる。

１…シームヘッド、１０ａ，１０ｂ…ローラ電極、１１ａ，１１ｂ…導電シャフト、１２ａ，１２ｂ…電極ホルダ、１３ａ，１３ｂ…電極支持アーム、１４…吸着ノズル、１５…シームヘッド駆動機構、１６…電極側駆動機構、１７…ノズル側駆動機構、１８ａ，１８ｂ…付勢部、３０…パッケージ、３１…リッド、３２…トレイ、３３…ＸＹステージ、１００…ＸＹステージ駆動機構、１０１…電源、１０２…制御部、１０２ａ…シームヘッド駆動機構制御部、１０２ｂ…電極側駆動機構制御部、１０２ｃ…ノズル側駆動機構制御部、１０２ｄ…ＸＹステージ駆動機構制御部、１０２ｅ…電源制御部、１０２ｆ…排気装置制御部、１０３…記憶部、１０４…操作部、１０５…排気装置、１４０…吸着ノズルの流路、１４１…吸着ノズルの先端部、１４２…吸引穴、１４３，１４４…吸着ノズルの先端部の側面。

Claims (6)

1. １対のローラ電極と、
   パッケージ上に載置されたリッドを仮付けするときに前記１対のローラ電極の間隙に配置され、先端部の下面に設けられた吸引穴によって前記リッドを吸着しつつ上から押さえる吸着ノズルと、
   前記仮付け時に前記１対のローラ電極が前記リッドの２辺と接触した状態で前記１対のローラ電極に溶接電流を供給する電源と、
   前記１対のローラ電極の軸方向に沿って前記１対のローラ電極をそれぞれ前記吸着ノズルに押し当てる方向に付勢する１対の付勢部とを備え、
   前記吸着ノズルは、少なくとも前記１対のローラ電極と接触する表面部分が絶縁体からなることを特徴とするシーム溶接装置。
2. 請求項１記載のシーム溶接装置において、
   前記吸着ノズルは、導電材料からなる母材の表面を絶縁体でコーティングしたものであることを特徴とするシーム溶接装置。
3. 請求項１記載のシーム溶接装置において、
   前記吸着ノズルは、少なくとも前記リッドおよび前記１対のローラ電極と接触する先端部が絶縁体で成形されたものであることを特徴とするシーム溶接装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のシーム溶接装置において、
   前記１対の付勢部は、弾性力で前記１対のローラ電極をそれぞれ前記吸着ノズルに押し当てる方向に付勢する弾性体からなることを特徴とするシーム溶接装置。
5. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のシーム溶接装置において、
   前記１対の付勢部は、流体の圧力で前記１対のローラ電極をそれぞれ前記吸着ノズルに押し当てる方向に付勢する押圧機構からなることを特徴とするシーム溶接装置。
6. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のシーム溶接装置において、
   前記１対の付勢部は、磁石の反発力で前記１対のローラ電極をそれぞれ前記吸着ノズルに押し当てる方向に付勢する押圧機構からなることを特徴とするシーム溶接装置。

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