JP7319165B2

JP7319165B2 - 接合装置

Info

Publication number: JP7319165B2
Application number: JP2019187634A
Authority: JP
Inventors: 綾介後藤; 元彦安藤; 隆司関本
Original assignee: Nippon Avionics Co Ltd
Current assignee: Nippon Avionics Co Ltd
Priority date: 2019-10-11
Filing date: 2019-10-11
Publication date: 2023-08-01
Anticipated expiration: 2039-10-11
Also published as: JP2021062389A

Description

本発明は、パルスヒート方式の接合装置に関するものである。

厚膜プリント配線板、薄膜プリント配線板などのリード線の接続、プリント配線板へのＩＣリードの接続などに、パルスヒート方式の接合装置が用いられている。この接合装置では、被接合物を加圧する加熱電極（ヒータチップまたはヒータツール）に取り付けた温度センサ（熱電対）によって加熱電極の温度を測定し、測定された温度が予め設定された温度になるように加熱電極に供給する電流を制御している（特許文献１参照）。

特開平１１－０５４９０６号公報

しかしながら、従来の接合装置では、加熱電極の温度を高精度に制御したとしても、必ずしも被接合物に、適切に熱が供給されているとは言えず、例えば、接合不良を見落とすなどのことが発生している。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、被接合物の接合不良を確実に検出できるようにすることを目的とする。

本発明に係る接合装置は、被接合物が第１面に載置される基台と、基台の上方に向かい合って配置され、接合時に被接合物と当接する加熱電極と、加熱電極に電流を供給する電源と、第１面に隣接する基台の第２面に接して設けられ、基台の第２面からの熱流を測定する熱流センサとを備え、加熱電極は、被接合物を、基台の側に押さえて加圧するパルスヒート方式の電極である。

上記接合装置の一構成例において、基台の第２面に、第１面と第２面との境界に沿って、熱流センサが複数設けられている。

上記接合装置の一構成例において、基台は、耐熱ガラスから構成されている。

上記接合装置の一構成例において、基台の熱流センサが設けられている第２面に、熱流センサを挾んで配置され、基台より高い熱伝導性を有する放熱ブロックをさらに備える。

上記接合装置の一構成例において、放熱ブロックは、溝を備え、基台は、溝に嵌合している。

上記接合装置の一構成例において、放熱ブロックを冷却する冷却機構をさらに備える。

以上説明したように、本発明によれば、被接合物が第１面に載置される基台の第２面に熱流センサを設けたので、被接合物の接合不良が確実に検出できる。

図１は、本発明の実施の形態に係る接合装置の構成を示す構成図である。図２は、本発明の実施の形態に係る接合装置の一部構成を示す斜視図である。図３は、本発明の実施の形態に係る接合装置の一部構成を示す斜視図である。図４Ａは、温度センサ１０４を用いた加熱電極１０２の温度変化（ａ）、熱流センサ１０６ａによる測定結果（ｂ）、熱流センサ１０６ｃによる測定結果（ｃ）の一例を示す特性図である。図４Ｂは、温度センサ１０４を用いた加熱電極１０２の温度変化（ａ）、熱流センサ１０６ａによる測定結果（ｂ）、熱流センサ１０６ｃによる測定結果（ｃ）の一例を示す特性図である。図５Ａは、温度センサ１０４を用いた加熱電極１０２の温度変化（ａ）、熱流センサ１０６ａによる測定結果（ｂ）、熱流センサ１０６ｂによる測定結果（ｃ）、熱流センサ１０６ｃによる測定結果（ｄ）の一例を示す特性図である。図５Ｂは、温度センサ１０４を用いた加熱電極１０２の温度変化（ａ）、熱流センサ１０６ａによる測定結果（ｂ）、熱流センサ１０６ｂによる測定結果（ｃ）、熱流センサ１０６ｃによる測定結果（ｄ）の一例を示す特性図である。図６は、制御部１０５、計測器１１１のハードウエア構成を示す構成図である。

以下、本発明の実施の形態に係る接合装置について図１を参照して説明する。この接合装置は、基台１０１、加熱電極１０２、電源１０３、温度センサ１０４、制御部１０５、熱流センサ１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃを備える。

基台１０１は、被接合物１１５が上面（第１面）に載置される。基台１０１は、例えば、耐熱ガラスから構成されている。また、基台１０１は、例えば直方体とされている。

加熱電極１０２は、基台１０１の上方に向かい合って配置され、接合時に被接合物１１５と当接する。加熱電極１０２は、例えば鉄系金属、モリブデン、タングステンなどの金属から構成されたヒータチップまたはヒータツールである。加熱電極１０２は、被接合物１１５を、基台１０１の側に押さえて加圧するパルスヒート方式の電極である。図示しない加圧機構により、加熱電極１０２は上下移動可能とされ、基台１０１の第１面との間で、被接合物１１５を挾み、被接合物１１５を基台１０１の側に押し付けて加圧可能とされている。

電源１０３は、加熱電極１０２に電流を供給する。温度センサ１０４は、加熱電極１０２の温度を測定する。温度センサ１０４は、例えば、熱電対から構成されている。制御部１０５は、温度センサ１０４が測定した温度をもとに加熱電極１０２に供給する電流を制御する。例えば、温度センサ１０４が測定した温度と、制御部１０５に設定された温度条件との差が０となるように、制御部１０５は、加熱電極１０２に供給する電流を制御する。

熱流センサ１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃは、上面に隣接する基台１０１の側面（第２面）に接して設けられ、基台１０１の側面からの熱流を測定する。例えば、ビスマス－テルル系の熱流センサ１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃである。この例では、複数の熱流センサ１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃを設けている。熱流センサ１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃは、基台１０１の側面に、上面と側面との境界に沿って、配列されている。熱流センサ１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃは、基台１０１の側面に接している面と、この面と反対側の面との間の温度差に起因する熱流に応じた信号を出力する。熱流センサ１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃの各々で測定された熱流は、これらが接続する計測器１１１で計測される。

なお、加熱電極１０２は、基台１０１の側方に向かい合って配置することもできる。この場合、被接合物１１５は、基台１０１の側面（第１面）に載置し、熱流センサ１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃは、基台１０１の上面および下面のいずれかの面（第２面）に接して設けることができる。

ここで、図２に例示するように、基台１０１は、放熱ブロック１０７の溝１０８に嵌合して固定することができる。放熱ブロック１０７は、基台１０１より高い熱伝導性を有する材料から構成されている。放熱ブロック１０７は、例えば、銅やアルミニウムなどの金属から構成することができる。この構成とすることで、放熱ブロック１０７の溝１０８の側面は、基台１０１の熱流センサ１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃが設けられている側面に、熱流センサ１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃを挾んで配置される状態となる。なお、放熱ブロック１０７を冷却する冷却機構を用いることもできる。

また、放熱ブロック１０７は、２つの部分から構成することもできる。例えば、図３に示すように、第１放熱ブロック１０７ａと第２放熱ブロック１０７ｂとから構成することができる。第１放熱ブロック１０７ａには、一体とした状態で溝１０８となる切欠き１０８ａが形成されている。第１放熱ブロック１０７ａの面１７１ａと、第２放熱ブロック１０７ｂの面１７１ｂとを当接させて一体とすることで、放熱ブロック１０７とすることができる。また、ボルト（不図示）などを用いて切欠き１０８ａに基台１０１を固定し、この状態で第１放熱ブロック１０７ａと第２放熱ブロック１０７ｂとを一体とすれば、図２に示す構成とすることができる。

上述した実施の形態によれば、通電されている加熱電極１０２により加熱される被接合物１１５への熱流量が、熱流センサ１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃにより測定されるので、被接合物１１５に供給されている熱の状態を、正確に把握することができる。熱流センサ１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃの測定結果を用いることで、被接合物１１５に対する加熱の良否判定が可能となる。

ここで、基台１０１および基台１０１に対する熱流センサ１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃの配置について、より詳細に説明する。

まず、基台の上面に熱流センサを配置し、この上に被接合物が載置される構成とすることで、被接合物に供給される熱流が、最も正確に測定できるものとなる。しかしながら、被接合物には、接合のための圧力が加わるため、上記構成では、熱流センサにも接合の圧力が加わる。このような状態では、接合のための圧力の大きさの違いによる接触熱伝達の変化が、測定結果に影響する。また、加わる圧力のために、熱流センサを破壊してしまう場合もある。これに対し、基台１０１の側面に熱流センサを配置し、基台１０１を伝導する熱流を測定する構成とすることで、上述した圧力による問題が発生しない。

次に、基台の材料について説明する。接合装置による接合においては、通常、被接合物が載置される基台の材質は、断熱材から構成する。これば、加熱電極からの熱量を効率良く被接合物に供給するためでる。仮に、基台を金属などの高い熱伝導率の材料から構成すると、基台側の放熱量が大き過ぎ、被接合物の温度が上がらない。また、この場合、電源が過剰な電流を消費し、電源容量オーバーなどの不都合が生じる。

一方、基台の断熱性能が高過ぎると熱流センサへの熱量の移動が起こりにくく、熱流値を検出することができない。実施の形態に係る接合装置の構成では、接合における断熱性と熱流センサの熱流測定とはトレードオフの関係にあるが、これをちょうど良く満たせる熱物性値を有する材質が、耐熱ガラス（代表物性値：熱伝導率１Ｗ／ｍ・ｋ、比熱７５０Ｊ／ｋｇ・Ｋ、密度２．２ｇ／ｃｍ³）であることが、発明者らの実験により突きとめることができた。よく知られているように、熱流センサを用いることでは，熱電対では測定できない微小熱流を測定できる。

次に、放熱ブロックについて説明する。基台１０１の熱流センサ１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃが設けられている側面に、これらを挾んで放熱ブロック１０７を配置することで、熱流センサ１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃの表面側と裏面側との温度差を大きく保つことができ、測定の感度を上げることができる。上述したように表面側と裏面側との温度差を大きく保つ観点より、放熱ブロック１０７は、例えば室温の状態を維持するために、可能な範囲で大きな体積とすることが好ましい。また、水冷などによる冷却機構により、冷却することがより好ましい。

次に、複数の熱流センサ１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃを用いた、様々な不良判定について説明する。例えば、熱流センサ１０６ａと熱流センサ１０６ｃとの測定結果の違いにより、接合不良を判定することができる。例えば、一方の熱流センサによる測定結果が、他方の熱流センサによる測定結果より低い場合、はんだ溶け不足や異方性導電フィルムの硬化不足などが判定できる。このように、複数の熱流センサを用いることで、より正確な接合良否判定が可能となる。

また、ヒータチップやヒータツールの平行度偏りに起因する、一端側と他端側との温度バラツキも判定できる。例えば、温度センサ１０４を用いた加熱電極１０２の温度が、図４Ａの（ａ）に示すように変化している場合、上述した平行度偏りがなければ、熱流センサ１０６ａによる測定結果（ｂ）と熱流センサ１０６ｃによる測定結果（ｃ）との間に差はない。これに対し、上述した平行度偏りがある場合、図４Ｂに示すように、熱流センサ１０６ａによる測定結果（ｂ）と熱流センサ１０６ｃによる測定結果（ｃ）との間に差が発生する。このように、異なる箇所に配置した熱流センサの測定結果の差により、ヒータチップやヒータツールの平行度偏りが判定でき、パルスヒートヘッドの稼働状態監視に応用できる。

また、次に示すように、接合の良否判定を実施することもできる。まず、図５Ａに示すように、基準となる熱流波形（熱流の時間変化）を設定する。この例では、図５Ａの（ａ）に示す、温度センサ１０４で測定される加熱電極１０２の温度の時間変化、熱流センサ１０６ａで測定される熱流の時間変化（ｂ）、熱流センサ１０６ｂで測定される熱流の時間変化（ｃ）、熱流センサ１０６ｃで測定される熱流の時間変化（ｄ）が設定される。また、熱流波形のピーク値における上下限閾値を設定する。

実際の接合処理において、熱流センサ１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃを用いて熱流Ｗ／ｍ²を監視する。この監視において、例えば、図５Ｂに示すように、熱流センサ１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃで測定される熱流ピーク値が、設定されている上下限閾値を超えた場合に、警報を出力する。このようにして警報を出力することで、使用者に、実施中の接合処理について、異常が発生していることを通知できる。なお、基準となる熱流波形に対する測定された熱流波形の乖離量が、設定されている閾値を超えた場合に、警報を出力することもできる。これらの処理は、例えば、計測器１１１に組み込んだ制御プログラムにより実施できる。

なお、上述した実施の形態における制御部１０５、計測器１１１は、図６に示すように、ＣＰＵ（Central Processing Unit；中央演算処理装置）３０１と主記憶装置３０２と外部記憶装置３０３とネットワーク接続装置３０４となどを備えたコンピュータ機器とし、主記憶装置３０２に展開されたプログラムによりＣＰＵ３０１が動作する（プログラムを実行する）ことで、制御部１０５、計測器１１１における上述した各機能が実現されるようにすることもできる。上記プログラムは、上述した実施の形態で示した制御部１０５、計測器１１１の各機能をコンピュータが実行するためのプログラムである。ネットワーク接続装置３０４は、ネットワーク３０５に接続する。また、各機能は、複数のコンピュータ機器に分散させることもできる。

また、上述した実施の形態における制御部１０５、計測器１１１は、ＦＰＧＡ（field-programmable gate array）などのプログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ：Programmable Logic Device）により構成することも可能である。

以上に説明したように、本発明によれば、被接合物が第１面に載置される基台の第２面に熱流センサを設けたので、被接合物の接合不良を確実に検出できるようになる。従来は、例えば、ヒータチップやヒータツールの温度を監視することで、被接合物にも所定の加熱がされているものと想定して良否判定をしていた。この場合、加圧が不均等であった場合などの原因により、被接合物に適切な加熱がされず、接合不良が発生していることを見逃す場合があった。これに対し、本発明によれば、被接合物におけける接合不良が確実に検出できる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…基台、１０２…加熱電極、１０３…電源、１０４…温度センサ、１０５…制御部、１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃ…熱流センサ、１１１…計測器、１１５…被接合物。

Claims

被接合物が第１面に載置される基台と、
前記基台の上方に向かい合って配置され、接合時に前記被接合物と当接する加熱電極と、
前記加熱電極に電流を供給する電源と、
前記第１面に隣接する前記基台の第２面に接して設けられ、前記基台の第２面からの熱流を測定する熱流センサと
を備え、
前記加熱電極は、前記被接合物を、前記基台の側に押さえて加圧するパルスヒート方式の電極であり、
前記基台は、耐熱ガラスから構成されていることを特徴とする接合装置。
請求項１記載の接合装置において、
前記基台の第２面に、第１面と第２面との境界に沿って、前記熱流センサが複数設けられていることを特徴とする接合装置。
請求項１または２記載の接合装置において、
前記基台の前記熱流センサが設けられている第２面に、前記熱流センサを挾んで配置され、前記基台より高い熱伝導性を有する放熱ブロックをさらに備えることを特徴とする接合装置。
請求項３記載の接合装置において、
前記放熱ブロックは、溝を備え、前記基台は、前記溝に嵌合していることを特徴とする接合装置。
請求項３または４記載の接合装置において、
前記放熱ブロックを冷却する冷却機構をさらに備えることを特徴とする接合装置。