JPH09326555A - 接合装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱電対の寿命や応答遅れに関わる問題を解消
する。 【解決手段】 ヒータツール１１の抵抗体にはトランス
２を介して交流電流が供給される。電流検出器３はトラ
ンス２の２次側に流れる電流を検出し、電圧検出器４は
ツール１１の端子電圧を検出する。温度換算回路５は、
検出された電流、電圧からツール１１の抵抗体の抵抗値
を算出して、これを温度値に換算する。制御回路７は、
この温度値に基づき抵抗体の温度が予め設定された温度
になるようにサイリスタ１を位相制御する。これによ
り、熱電対を使うことなくツール１１の温度制御を行う
ことができるので、熱電対の応答や寿命に関わる問題を
解消することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被接合物を加圧し
ながら加熱するヒータツールを用いてリフロソルダリン
グや熱圧着等を行う接合装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、被接合物を局部的に加熱する
ことによって厚膜、薄膜基板等へのリード線の熱圧着
や、プリント基板へのＩＣリード等のリフロソルダリン
グなどを行う接合装置があり、この接合装置で用いられ
る局部加熱法の１方式としてパルスヒート法がある。

【０００３】パルスヒート法は、Ｍｏ等の高抵抗材料か
らなるヒータツールによって被接合物を加圧しながら、
このヒータツールにパルス状の大電流を流して、そこで
発生するジュール熱により被接合物を溶融させて接合を
得るものである。このような接合装置では、ヒータツー
ルの先端に取り付けられた熱電対によってヒータツール
の温度を検出し、この温度が予め設定された温度になる
ようにヒータツールに供給する電流を制御していた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】以上のように従来の接
合装置では、ヒータツールに取り付けた熱電対の信号を
フィードバックすることによってツールの温度を制御し
ていたが、熱電対の寿命が短いという問題点があり、ま
た熱電対による温度測定に時間遅れが存在するため制御
に誤差が生じてしまうという問題点があった。本発明
は、上記課題を解決するためになされたもので、熱電対
の寿命や応答遅れを考慮する必要がない接合装置を提供
することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、熱伝導性及び
耐熱性が高い絶縁材料によって形成され下面が被接合物
との接触面となる伝熱部材、この伝熱部材の上に形成さ
れた通電されることにより発熱する抵抗体からなるヒー
タツールと、このヒータツールの抵抗体に流れる電流を
検出する電流検出手段と、抵抗体の端子電圧を検出する
電圧検出手段と、検出された電流、電圧から抵抗体の抵
抗値を算出して、これを温度値に換算する温度換算手段
と、この温度換算手段で得られた温度値に基づき、抵抗
体の温度が予め設定された温度になるように抵抗体に与
える電流を制御する給電手段とを有するものである。こ
のように抵抗体に通電することによりこれが発熱し、こ
の熱が伝熱部材を介して被接合物に伝導される。そし
て、温度換算手段が電流検出手段、電圧検出手段で検出
された電流、電圧から抵抗体の抵抗値を算出して温度値
に換算し、給電手段が温度換算手段で得られた温度値に
基づいて抵抗体に与える電流を制御することにより、抵
抗体の温度が予め設定された温度になるように制御され
る。

【０００６】

【発明の実施の形態】図１は本発明の第１の実施の形態
を示す接合装置のブロック図、図２はこの接合装置で用
いるヒータツールの斜視図、図３はヒータツールによっ
て半導体素子の半田付けを行っている状態を示す断面図
である。サイリスタ１は、制御信号に応じて入力交流電
圧をスイッチングし、トランス２は、サイリスタ１の出
力を低電圧、大電流に変換してヒータツール１１に供給
する。ホール電流検出器３は、電流に比例して発生する
磁束を検出することによりトランス２の２次側に流れる
電流を検出し、電圧検出器４は、ヒータツール１１の後
述する抵抗体に印加される電圧を検出する。

【０００７】温度換算回路５は、検出された電流及び電
圧からヒータツール１１の抵抗体の抵抗値を算出して、
これを温度値に換算し、制御回路７は、この温度値に基
づいた制御信号を出力してサイリスタ１をオン／オフさ
せ、ヒータツール１１の抵抗体に流れる電流を制御す
る。そして、サイリスタ１、トランス２、設定スイッチ
６、制御回路７が給電手段を構成している。

【０００８】ヒータツール１１は、図２に示すように、
角筒状に形成されたヒートシンク１２と、このヒートシ
ンク１２の下側の開口端面に抵抗体１３を介して結合さ
せた伝熱部材１４とから構成される。ヒートシンク１２
は、高熱伝導率、高耐熱性および高硬度の絶縁材料、例
えばＡＬＮ（窒化アルミニウム）などのセラミックによ
って一体に形成される。このヒートシンク１２の中空部
１２ａは、ワーク（例えばＬＳＩ等の半導体素子のパッ
ケージ部分）の逃げとしての役割をもつ。

【０００９】また、ヒートシンク１２には上側の互いに
対向する２側部に側方へ突出するフランジ１２ｂが設け
られ、このフランジ１２ｂには加圧装置用連結ボルト
（図示せず）が挿通する丸穴１２ｄが設けられている。
このヒートシンク１２に連結する図示しない加圧装置
は、ヒートシンク１２の上端面（上側の開口端面）１２
ｃの全域に密接する。

【００１０】抵抗体１３は、通電されることにより発熱
する材料、例えばプラチナを主材料としてこれにバイン
ダなどを混合させたペースト状のものを伝熱部材１４の
上面に印刷してから焼成することによって形成される。
なお、本実施の形態では、ペースト状のものを焼成して
形成しているが、箔状に形成してヒートシンク１２およ
び伝熱部材１４に接着剤で接着する構成を採ってもよ
く、箔状に形成する場合にはニクロム箔を使用すること
が考えられる。また、この抵抗体１３には、トランス２
との間の接続のための端子１３ａ、１３ｂが側方に突出
するように一体に設けられている。

【００１１】下面が平坦な伝熱部材１４は、ヒートシン
ク１２と同じ材料からなり、ヒートシンク１２の下側の
開口端面と同じ形状に形成される。そして、抵抗体１３
を接着剤１５（図３）によってヒートシンク１２の下面
に接着することにより、ヒートシンク１２に接着剤層お
よび抵抗体１３を介して結合している。つまり、抵抗体
１３と伝熱部材１４は、上方から見てヒートシンク１２
の下側の開口端面と略同じ形状、すなわちロ字状となっ
ている。

【００１２】次に、このような接合装置の動作を説明す
る。例えば、４方にリードが多数突出するＬＳＩ等の半
導体素子のリード１８をプリント配線板１６のパッド１
７に半田付けするには、まず半田がプリコートされたプ
リント配線板１６のパッド１７に半導体素子のリード１
８を重ね、続いて加圧装置を駆動して、図３に示すよう
にヒータツール１１によりリード１８を上方から圧接す
る。この押圧時には、伝熱部材１４の全域にわたって略
均等にヒートシンク１２側から押圧力が伝達されるか
ら、伝熱部材１４の下面での圧力分布が略均等になる。

【００１３】リード１８を加圧するヒータツール１１の
加圧力が設定値に達すると、制御回路７が動作を開始し
て制御信号を出力する。これにより、サイリスタ１がオ
ンし、図示しない商用交流電源からの交流電圧（ＡＣ１
００Ｖまたは２００Ｖ）がトランス２に印加され、ヒー
タツール１１の抵抗体１３に電流が流れる。こうして、
抵抗体１３の温度が上昇する。抵抗体１３の熱は伝熱部
材１４の全域に略均等に伝導され、この伝熱部材１４を
介してリード１８へ伝導されるから、伝熱部材１４の下
面の温度分布も略均等になる。

【００１４】トランス２の２次側を流れる電流、すなわ
ちヒータツール１１の抵抗体１３に流れる電流は、電流
検出器３で検出される。また、抵抗体１３に印加される
電圧は、端子１３ａ、１３ｂに接続された電圧検出器４
で検出される。次に、温度換算回路５は、電流検出器
３、電圧検出器４によって検出された電流Ｉ、電圧Ｖか
らオームの法則（Ｖ＝Ｉ×Ｒ）によって抵抗体１３の抵
抗値Ｒを算出し、この抵抗値Ｒを次式に基づいて温度Ｔ
に換算する。 Ｒ＝ρ×｛１＋α×（Ｔ−Ｔ25）｝×（Ｌ／Ａ） ・・・（１）

【００１５】式（１）において、ρは抵抗体１３を構成
する材料の抵抗率、αは抵抗体１３を構成する材料の温
度係数、Ｔ25は基準温度（ここでは、２５℃）、Ｌは抵
抗体１３の長さ、Ａは抵抗体１３の断面積である。な
お、本実施の形態では、後述する位相制御により抵抗体
１３に供給する電流を交流電圧の半周期ごとに制御する
が、温度換算回路５が抵抗値Ｒを算出するのは、各半周
期においてピーク電流値が得られた時点である。

【００１６】続いて、制御回路７は、温度換算回路５に
よって得られた温度と設定スイッチ６によって予め設定
された設定温度に基づき、抵抗体１３の温度が設定温度
になるように制御信号でサイリスタ２を位相制御する。
図４はトランス２に供給される電流（実線部）の波形図
であり、斜線部は供給される電力を示す。制御回路７
は、抵抗体１３の温度が上昇して設定温度に近づくにつ
れて、導通角θを図４に示すように次第に小さくして抵
抗体１３に供給する電流を減らしていくことにより、抵
抗体１３の温度を設定温度に保つ。

【００１７】こうして、抵抗体１３の熱がリード１８に
伝導されてパッド１７側の半田が溶融し、パッド１７と
リード１８が接合される。最後に、制御回路７は、抵抗
体１３の温度が設定温度に対して一定の範囲内に入って
から設定時間が経過した後に、制御信号により抵抗体１
３への電流供給を停止させて加熱を終了する。

【００１８】加熱終了後、押圧状態のまま抵抗体１３へ
の通電を絶つと、抵抗体１３、伝熱部材１４および半田
付け部分の熱は、ヒートシンク１２側に伝導されて放散
され、半田が凝固する。半田が凝固した後、加圧装置に
よりヒータツール１１を半導体素子から上方へ移動させ
ることによって、半田付け工程が終了する。以上のよう
に本実施の形態では、熱電対を使うことなく、ヒータツ
ール１１の温度制御を行うことができるので、熱電対の
応答や寿命に関わる問題を解消することができる。

【００１９】また、本実施の形態のヒータツール１１に
よれば、押圧時の押圧力は、ヒートシンク１２の上端面
１２ｃからヒートシンク１２の軸線方向に沿って抵抗体
１３を介して伝熱部材１４に伝達され、この伝熱部材１
４からリード１８に伝達されるため、抵抗体１３にはこ
れを加圧装置に連結するためのブラケットなどを形成し
なくてよい。このため、抵抗体１３を必要な発熱量が得
られる最小限度の体積となるように形成することがで
き、これに給電する給電用ケーブルとして従来より断面
積の小さいものが使用できる。

【００２０】しかも、半田付け時には抵抗体１３とリー
ド１８との間に伝熱部材１４が介在するので、抵抗体１
３の材料を選択するに当たって半田濡れ性を考慮しなく
てよいから、材料の選択範囲が拡がり、より抵抗値の大
きい材料を選択できる。また、伝熱部材１４を設けるこ
とにより、本実施の形態のような抵抗値算出による温度
制御を実現することができる。すなわち、抵抗体のみが
存在する従来のヒータツールでは、付着したフラックス
等を除去するためにツールを研磨しなければならず、ツ
ールの形状が変化（式（１）におけるＬ、Ａが変化）し
てしまうので、抵抗値算出が困難となるからである。

【００２１】また、このヒータツール１１によれば、通
電された抵抗体１３が発する熱は伝熱部材１４の全域に
略均等に伝導され、この伝熱部材１４を介してリード１
８へ伝導されるから、伝熱部材１４の下面の温度分布が
略均等になる。さらに、押圧時には伝熱部材１４の全域
にわたって略均等にヒートシンク１２側から押圧力が伝
達されるから、伝熱部材１４の下面での圧力分布が略均
等になる。その上、リード１８に接触する伝熱部材１４
を絶縁体によって形成しているため、抵抗体１３からリ
ード１８へ電流が漏れることがなく、しかも、この伝熱
部材１４を硬度の高い材料によって形成しているため、
リード１８が接触することによる摩耗が少ない。

【００２２】なお、本実施の形態ではヒートシンク１
２、抵抗体１３及び伝熱部材１４を平面視ロ字状に形成
する例を説明したが、これらの平面形状はこれに限定さ
れるものではない。これらは、平面視長方形状、すなわ
ち板状に形成したり、平面視において非対称となるよう
な形状に形成することもできる。図２で示すように平面
視ロ字状に形成すると、中空部分に半導体素子を真空吸
着するためのノズルや、半導体素子を位置決めするため
の位置決め機構などを臨ませることができる。

【００２３】また、抵抗体１３および伝熱部材１４は、
必ずしもヒートシンク１２の開口端面と同じ形状に形成
しなくてもよく、抵抗体１３のみを同じ形状に形成し、
伝熱部材１４は抵抗体１３より幅が狭くなるかあるいは
広くなるように形成することもできる。また、伝熱部分
の面積を大きくとるために、抵抗体１３の一部が伝熱部
材１４に埋没する構造を採ることもできる。

【００２４】さらに、ヒートシンク１２および伝熱部材
１４を形成する材料は、窒化アルミニウムに限定される
ことはなく、同様の特性をもつものであれば、どのよう
なものでもよい。なお、ヒートシンク１２と伝熱部材１
４とを同じ材料で形成しなくてもよいことはいうまでも
ない。

【００２５】さらにまた、本発明に係る接合装置は、上
述したように半導体素子を半田付けするために用いる他
に、異方性導電膜、ＡＣＦ（Anisotronic Conductive F
ilm）などの貼着物を熱圧着するときや、ＣＯＢ（Chip
On Board），ＣＯＧ（ChipOn Glass）などでチップ直接
実装を行うために用いてもよい。

【００２６】また、本実施の形態では、単相交流式溶接
電源に本発明を適用した場合について説明したが、本発
明はこれに限らず、商用電流を整流して直流にし、この
直流をインバータにより所定周波数のパルス状高周波交
流に変換し、この高周波交流を溶接トランスに通した後
に整流器に通して再び直流にし、この直流を溶接電極を
介して被溶接材に供給するようにしたいわゆるインバー
タ式溶接電源等、クローズ・ループ構成の溶接電源に適
用しても同様の効果を得ることができる。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、温度換算手段が検出さ
れた電流、電圧から抵抗体の抵抗値を算出して温度値に
換算し、給電手段がこの温度値に基づいて抵抗体に与え
る電流を制御することにより、ヒータツールの温度が予
め設定された温度になるように制御されるので、熱電対
を使うことなくヒータツールの温度制御を行うことがで
き、熱電対の応答や寿命に関わる問題を解消することが
できる。また、本発明のような抵抗値算出によれば、こ
の抵抗値からヒータツールの発熱量を算出することがで
きる。よって、ワークに接触していないときの発熱量と
ワークを加熱しているときの発熱量との差を求めること
により、ワークに与えられた熱量の算出が可能であり、
これによりワークの温度を推定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施の形態を示す接合装置の
ブロック図である。

【図２】 図１の接合装置で用いるヒータツールの斜視
図である。

【図３】 図２のヒータツールによって半導体素子の半
田付けを行っている状態を示す断面図である。

【図４】 トランスに供給される電流の波形図である。

【符号の説明】

１…サイリスタ、２…トランス、３…電流検出器、４…
電圧検出器、５…温度換算回路、６…設定スイッチ、７
…制御回路、１１…ヒータツール、１２…ヒートシン
ク、１３…抵抗体、１４…伝熱部材。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱伝導性及び耐熱性が高い絶縁材料によ
   って形成され下面が被接合物との接触面となる伝熱部
   材、この伝熱部材の上に形成された通電されることによ
   り発熱する抵抗体からなるヒータツールと、 このヒータツールの抵抗体に流れる電流を検出する電流
   検出手段と、 前記抵抗体の端子電圧を検出する電圧検出手段と、 検出された電流、電圧から前記抵抗体の抵抗値を算出し
   て、これを温度値に換算する温度換算手段と、 この温度換算手段で得られた温度値に基づき、前記抵抗
   体の温度が予め設定された温度になるように抵抗体に与
   える電流を制御する給電手段とを有することを特徴とす
   る接合装置。