WO2017038282A1 - ヒータチップ及び接合装置及び接合方法 - Google Patents

Abstract

コテ部の通電発熱特性に優れ、導体細線と端子部材との接合加工を効率よく安定確実に行えるヒータチップを提供する。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、通電時にヒータチップ内を流れる電流の経路上で両接続端子部（１４Ｌ，１４Ｒ）の断面積以下の断面積を有している。さらにコテ部（１２）の一側面（１２ｂ）に凹部（１８）が形成されている。コテ部（１２）の背面（１２ｃ）には、突部（２２）を介して熱電対（２４）が取り付けられる。

Description

ヒータチップ及び接合装置及び接合方法

　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。

　半導体デバイスやアンテナコイル等の電子部品と外部の回路とを電気的に結ぶ導電性材料として、リードフレームがよく使われている。一般に、リードフレームは、１個の電子部品に備わる全ての外部端子または電極と接合されるべき一群のリードを同一の配置パターンで一次元方向に多数繰り返し形成したものであり、電子部品の端子接続加工の大量生産に適している。

　従来より、電子部品側の導線あるいは外部回路からの導線をリードフレームに接合する場合に、被接合部を熱圧着加工で仮止めし、仮止めした被接合部をレーザ溶接あるいはアーク溶接によって安定強固に接合する端子接続加工が行われている。そのような仮止め用の熱圧着加工を行う自動式の接合装置は、図１９に示すようなヒータチップ１００を接合ツールに用いている（たとえば特許文献１参照）。

　このタイプのヒータチップ１００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字状の板体として形成され、凹形の向き（姿勢）で底辺より下方に突出する小片状のコテ部１０２を水平にし、左右両端の接続端子部１０４Ｌ，１０４Ｒをヒータヘッド１１０に取り付けている。図示のヒータヘッド１１０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１０４Ｌ，１０４Ｒの一側面にボルト１０６Ｌ，１０６Ｒでヒータチップ１００の左右接続端子１０４Ｌ，１０４Ｒ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１１２Ｌ，１１２Ｒを介してヒータチップ１００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１１２Ｌ，１１２Ｒの間には両者を電気的に分離するための絶縁体１１６が挟まれている。

　図１９に示す一例のリードフレーム１２０は、たとえば銅合金からなり、棒状のフレーム部１２０ａと、このフレーム部１２０ａの長さ方向に沿ってその一側面より一定間隔で突出する多数のＴ字状端子片部１２０ｂとを有している。各々の端子片部１２０ｂの上面には、それと接合されるべき電気部品（図示せず）からの導線１２２が図示しないマウンタにより載置されている。

　ヒータヘッド１１０がヒータチップ１００を下ろすと、図２０に示すように、コテ部１０２のコテ先面（下面）１０２ａが直下の被接合部つまりリードフレーム１２０の中の１つの端子片部１２０ｂ上に載置されている１本の導線１２２に適度な加圧力で接触する。リードフレーム１２０は、絶縁性の支持治具１２４によって下から支えられている。

　このようにヒータチップ１００のコテ部１０２を被接合部（１２２，１２０ｂ）に押し当てた状態で、ヒータ電源がオンしてヒータチップ１００に電流を供給すると、ヒータチップ１００のコテ部１０２が抵抗発熱し、被接合部（１２２，１２０ｂ）を加熱する。これによって、導線１２２の絶縁被膜が熱で溶けて剥がれ、導線１２２の露出した導体がヒータチップ１００からの加圧と加熱を同時に受けて塑性変形して端子部１２０ｂに熱圧着される。

　通電開始から一定時間（通電時間）が経過するとヒータ電源が通電を止め、通電終了から一定時間（保持時間）経過後にヒータヘッド１１０がヒータチップ１００を上昇させて被接合部（１２２，１２０ｂ）から離す。リードフレーム１２０上の全ての被接合部（１２２，１２０ｂ）に対して、上記のような熱圧着加工が一定のタクトタイムで繰り返し行われる。

　なお、上述したような従来のヒータチップ１００は、リフローのハンダ付けにもよく使われている。

特開２００５－０６６６３６号公報

　上記のように、リードフレーム１２０に導線１２２を接合するアプリケーションにおいて、従来のヒータチップ１００は仮止め用の熱圧着加工に用いられ、正式な接合または本接合はその後のレーザ溶接またはアーク溶接によって行われる。また、別の接合方法として、リードフレーム１２０の端子片部１２０ｂに導線１２２を巻き付けてからハンダ槽に浸けるディップ式のハンダ付けもよく行われている。レーザ溶接、アーク溶接、ハンダディップを不要とするような熱圧着加工の本接合は行われていない。

　その理由は、ヒータチップ１００のコテ部１０２の発熱効率が低くて、コテ部１０２より被接合部（１２２，１２０ｂ）に供給する熱をヒータヘッド１１０からの加圧に追従して高速かつ高温に立ち上げることができないためである。リードフレーム１２０の熱引き（熱伝導度）が非常に大きいため、これに打ち勝ってコテ部１０２の発熱温度が急速に立ち上がるようでないと、被接合部（１２２，１２０ｂ）の拡散接合を促進することが難しく、安定強固な接合は得られない。

　この問題に対しては、ヒータチップ１００のコテ部１０２の温度を温度センサたとえば熱電対（図示せず）を用いて測定し、熱電対の出力（測定温度）が所望の設定値になるようにヒータチップ１００に供給する電力を多めに制御する方法が考えられる。しかしながら、一般に熱電対はコテ部１０２のコテ先面１０２ａから離れた部位に取り付けられるため、熱電対の測定するコテ部の温度とコテ先面１０２ａの実際の温度との間には一定の乖離がある。リードフレームのように被接合部側の熱引きが大きい場合は、熱電対より得られるモニタ結果が設定値通りであっても、コテ先面１０２ａの実際の温度は設定値を大きくしかも不定に下回ることが多い。コテ先温度モニタリングの信頼性が低ければ、熱電対は無用になる。

　ヒータチップの別のアプリケーションであるリフローのハンダ付けにおいては、あらかじめ端子部材の表面に塗っているハンダの溶け込みと這い上がりを適確に制御する必要がある。しかしながら、上記のようなコテ先回りでの通電発熱の応答性がよくない従来のヒータチップ１００を用いる場合は、ヒータ電源側で電流を高速・精細に制御しても、精密な接合を首尾よく行うのが難しいという問題がある。

　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、コテ部の通電発熱特性に優れ、導体細線と端子部材との接合加工を効率よく安定に行え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。

　本発明のヒータチップは、導体細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体細線の一端部に当接するコテ部と、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、前記コテ部と一体的にその左右両端から対称または非対称に延びる一対の接続端子部とを有し、前記コテ部は、前記導線および端子部材と対向するコテ先面と、このコテ先面に連続していて凹部が形成されている側面とを有し、通電時に流れる電流の経路上で、前記コテ部は、その全区間にわたって、前記接続端子部の断面積以下の断面積を有する。

　上記構成によれば、通電時に流れる電流の経路上でコテ部の断面積を両接続端子部の断面積以下に絞り、かつコテ部の少なくとも一方の側面に凹部を形成する構成により、コテ部（特にコテ先面付近）の通電発熱ないし温度特性（立ち上がり特性および立下り特性）を大きく改善し、導体細線と端子部材との接合を安定確実に首尾よく行うことができる。

　本発明の好適な一態様において、凹部は、コテ部のコテ先面側で開口し、コテ部のコテ先面からその反対側の背面まで延びている。この構成においては、コテ部が一段と効率よく括られるので、コテ部における電流の集中ないし抵抗発熱の集中が一段と増し、コテ部の発熱温度特性および冷却特性が一段と向上する。

　別の好適な一態様において、コテ部のコテ先面と反対側の背面には、好ましくは左右方向の中心位置の部位に、温度センサ、典型的には熱電対が取り付けられ、あるいはフィン状またはブロック状の突出した放熱部が取り付けられる。このようにコテ部の背面に熱電対あるいは放熱部が取り付けられる構成により、背面付近で発生するジュール熱が熱電対あるいは放熱部を介して速やかに外へ放出され、その反動としてコテ部のコテ先面への熱の集中が促進され、被接合物に対するコテ部の加熱性能が一層向上する。この場合、上記凹部がコテ先面からその反対側の背面まで連続している構成においては、コテ先面の温度（加熱温度）と熱電対の測定温度との対応関係が良いので、熱電対によるコテ先温度モニタリングの精度および信頼性をより一層向上させることができる。

　別の好適な一態様において、コテ部のコテ先面に、導体細線と接触する被研磨領域として凸面部が設けられる。これにより、コテ先面をクリーニングするときは、凸面部の領域だけを研磨すればよく、必要最小限の研磨作業で済む。

　別の好適な一態様において、コテ部および接続端子部の材質に焼結金属または焼結合金が用いられる。かかる構成によれば、多数回の使用によりコテ先面が消耗劣化（酸化）してもクラックや剥離が生じ難くなり、ヒータチップの長寿命化を図ることができる。

　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、導体細線を端子部材に接合する際に、コテ部のコテ先面を端子部材上の導体細線に加圧接触させるヒータヘッドと、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。

　上記構成の接合装置においては、本発明のヒータチップを接合のツールに用いることにより、熱圧着およびリフローソルダリングのいずれであっても、導体細線と端子部材とを接合する接合加工の効率性および信頼性を改善し、生産性の向上を図ることもできる。

　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体細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。この接合方法は、とりわけ、端子部材が熱引きの大きい部材たとえばリードフレームである場合に大なる利点を発揮する。

　本発明の第２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、ヒータチップのコテ部（特にコテ先面付近）の通電発熱特性を向上させ、導線と端子部材との接合加工を効率よく安定確実に行うことができる。

　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。 上記ヒータチップの正面図である。 図２のＡ－Ａ線についての断面図である。 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。 上記熱圧着加工の各段階を示す一部断面正面図である。 上記実施形態のヒータチップのコテ先温度特性を比較例のヒータチップのコテ先温度特性と対比して示す図である。 上記比較例のヒータチップを示す斜視図である。 上記実施形態のヒータチップの要部の構成を模式的に展開して示す図である。 上記比較例のヒータチップの要部の構成を模式的に展開して示す図である。 一変形例におけるヒータチップの構成を示す正面図である。 図１１のヒータチップのコテ先回りの構成を下から見た部分拡大底面図である。 別の変形例におけるヒータチップの構成を示す正面図である。 図１３のヒータチップのコテ先回りの構成を下から見た部分拡大底面図である。 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。 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。 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。 上記実施形態における接合装置を用いて導線を端子部材にリフローのハンダ付けで接合する加工の各段階を示す図である。 従来のヒータチップとそれを用いる仮止め用の熱圧着加工の一例を示す斜視図である。 図１９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正面図である。

　以下、図１～図１８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及び接合装置の構成］
　図１～図３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。図１および図２はヒータチップの斜視図および正面図、図３は図２のＡ－Ａ線についての断面図である。

　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字形に作製されている。

　このヒータチップ１０は、後述するように、そのコテ部回りの特徴的な構造から、コンダクタンスの低い材質であってもコテ部回りで急速の高温発熱特性および冷却特性を実現することができる。このため、ヒータチップ１０の材質として、耐久性、特に耐磨耗性の面で有利な焼結金属（たとえば焼結タングステン）または焼結合金（たとえば焼結タングステン合金）を好適に用いることができる。

　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と一体的にその左右両端から上方に断面積を増しながら対称（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。両接続端子部１４Ｌ，１４Ｒは、それぞれの上端部に固定用のボルト通し穴１６Ｌ，１６Ｒを設けている。

　このヒータチップ１０において、コテ部１２は、両接続端子部１４Ｌ，１４Ｒの下方に突出してはいない。コテ部１２の下端のコテ先面１２ａは、接続端子部１４Ｌ，１４Ｒの下端と実質的に同じ高さで面―になっている。通電時にヒータチップ１０内を流れる電流の経路上で、コテ部１２は、その全長または全区間にわたって、両接続端子部１４Ｌ，１４Ｒのどの部位よりもそれと同じかそれより小さい断面積を有している。

　コテ部１２のコテ先面１２ａと連続する一方の側面（図１、図２では正面）１２ｂには、凹部１８が形成されている。この凹部１８は、横方向では、凹みの深さが中心部で最も大きくなるようにコテ部１２の左右両端間で湾曲している。縦方向では、この凹部１８は、少なくともコテ部下端のコテ先面１２ａ側で開口しており、好ましくは図示のようにコテ先面１２ａと反対側の上面または背面１２ｃ側でも開口している。つまり、凹部１８は、コテ部１２のコテ先面１２ａから背面１２ｃまで（正面１２ｂの下端から上端まで）延びている。また、凹部１８は、好ましくは、コテ先面１２ａからそれと反対側の上面または背面１２ｃに向って次第に凹みの深さが小さくなる（別な見方をすると、コテ先面１２ａに近いほどコテ部１２の横断面積が小さくなる）ように斜めに延びているか（図３の（ａ））、あるいはコテ先面１２ａから背面１２ｃまで垂直に延びている（図３の（ｂ））。コテ部１２の他方の側面（図１、図２では裏面）は、両接続端子部１４Ｌ，１４Ｒと面一で平坦になっている。

　コテ部１２のコテ先面１２ａには、凹部１８の凹みが最も深くなっている左右方向の中心部に隣接して平坦な突出部または凸面部２０が形成されている。この凸面部２０は、接合加工の際に金属導線と直接接触する被研磨領域で、消耗劣化しやすい部分であり、定期的または随時砥石に当てて研磨される。凸面部２０の突出量ｈ（図２、図３）は、コテ部１２の加熱機能を極力低下させないように、初期値でたとえば０．３ｍｍ以下に設定される。

　コテ部１２の背面１２ｃには、左右方向の中心位置の部位にたとえば１ｍｍ以上の高さまで上方に突出する突部２２が一体に形成されている。この突部２２に温度センサとして熱電対２４が取り付けられる。熱電対２４の端部（測温端）は、たとえばアーク溶接により突部２２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１００（図１９，図２０）と同様に、ヒータヘッド１１０（図１９）にボルト１０６Ｌ，１０６Ｒ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。

　図４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を被接合物の頂部または上面に加圧接触させるヒータヘッド１１０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２２Ｌ，２２Ｒ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１１０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のコテ部１２に取り付けられている熱電対２４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。

　この接合装置３０は、インバータ式ヒータ電源３２の高速かつ精細な通電制御機能により、ヒータチップ１０の有する急速高温発熱／急速冷却機能を最大限に発揮させることができる。

［熱圧着加工に関する実施例］
　次に、図５～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５に示すように、この実施例は、上述した従来例（図１９、図２０）と同様に、電気部品（図示せず）または外部回路（図示せず）からの導線１２２をリードフレーム１２０の端子片部１２０ｂに接合する。ただし、仮付け用の熱圧着加工ではなく、後工程でレーザ溶接やアーク溶接等を一切必要としない本接合を行う。

　導線１２２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。リードフレーム１２０は、上述したように、銅合金（あるいは鉄ニッケル合金）からなり、棒状のフレーム部１２０ａと、このフレーム部１２０ａの長さ方向に沿ってその一側面より一定間隔で突出する多数のＴ字状端子片部１２０ｂとを有している。

　図中、リードフレーム１２０上で、ヒータチップ１０の直下からオフセットしている左側の端子片部１２０ｂ’は既に熱圧着接合の加工が済んでおり、導線１２２’の先端部１２２ｅ’が扁平につぶれて熱圧着の接合（拡散接合）により端子片部１２０ｂ’にしっかりと結合されている。ヒータチップ１０の直下に位置している右側の導線１２２には、それと接合されるべき電気部品（図示せず）からの導線１２２が未接合の状態で載置されている。

　接合装置３０（図４）を起動させると、最初にヒータヘッド１１０が作動する。ヒータヘッド１１０は、ヒータチップ１０を降ろして、図６の（ａ）に示すようにコテ部１２のコテ先面１２ａ（より正確には凸面部２０）を導線１２２の先端部１２２ｅの頂部に当てる。次に、ヒータ電源３２（図４）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１１０がヒータチップ１０を通じて被接合部（１２２，１２０ｂ）に所定の圧力または荷重を加える。

　通電が開始されると、ヒータチップ１０においては、左側の接続端子部１４Ｌ→コテ部１２→右側の接続端子部１４Ｒの経路またはその逆向きの経路でヒータ電源３２（図４）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、上記経路上で断面積（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。

　この実施形態のヒータチップ１０においては、通電時に流れる電流Ｉの経路上で、コテ部１２は両続端子部１４Ｌ，１４Ｒの断面積以下の断面積を有している。したがって、この条件からだけでも（図８に示す比較例の構成によっても）、コテ部１２は両続端子部１４Ｌ，１４Ｒより十分高い温度で発熱する。

　しかも、この実施形態のヒータチップ１０においては、コテ部１２の一側面１２ｂに上記のようなプロファイルを有する凹部１８が形成されている。この凹部１８によってコテ部１２（特に左右方向の中心部）の断面積が一段と細く括れており、電流の集中ないし抵抗発熱の集中が一段と増すことにより、コテ部１２（特にコテ先面１２ａ付近）の発熱温度特性および冷却特性が飛躍的に向上する。

　より詳細には、コテ部１２の上部では、そこで発生したジュール熱の一部または多くが熱電対２４を伝わって速やかに外へ逃げるため、急速な温度上昇が抑制される。一方、コテ部１２の下部ないし中間部では、そこで発生したジュール熱がコテ部１２の内部に留まってからコテ先面１２ａを通じて被接合部（１２２，１２０ｂ）に伝わる。このため、リードフレーム１２０の熱引きが大きくても、コテ部１２の下部ないし中間部がそれに打ち勝って温度を上昇させ、温度上昇によって抵抗が一定の温度係数で高くなることにより、さらにジュール熱が増大するというように、正帰還がかかって急速に昇温し、ひいては被接合部（１２２，１２０ｂ）に拡散接合を促進するのに十分な熱量を供給することができる。

　このように、この実施形態のヒータチップ１０は、通電によってヒータチップ内に電流Ｉが流れると、コテ部１２のコテ先面１２ａ付近に抵抗発熱が集中するので、ヒータチップ１０の材質に電気的および熱的なコンダクタンスが比較的低い焼結金属または焼結合金を用いても、図７の実線のグラフＦで示すように、コテ部１２のコテ先温度を急峻に立ち上げることが可能であり、設定到達温度を１０００℃以上にすることも容易に実現できる。

　図７において、横軸（時間軸）上のｔ_０～ｔ_１は通電時間であり、縦軸上のＴ_Ｓは通電開始直前の初期温度、Ｔ_Ｐは設定到達温度である。図示のように、立ち上がりが急峻なほど、一定の通電時間（ｔ_０～ｔ_１）で到達できるコテ先温度の値（ピーク値）Ｔ_Ｐが著しく高くなる。

　なお、図７に示すようなコテ先温度の時間変化の特性（温度波形）は、温度検知速度の高い非接触式の温度測定器たとえば放射温度計を用いて取得することができる。熱電対２４の出力（測定温度）は、コテ先温度に対して一定の時間遅れを伴って変化する。この実施形態においては、コテ部１２のコテ先面１２ａ付近の発熱温度が高く、コテ部１２の背面１２ｃに取り付けられる熱電対２４の測定温度とコテ先面１２ａの実際の温度との乖離が小さいため、熱電対２４によるコテ先温度モニタリングの精度および信頼性が高い。

　このように、この実施形態では、ヒータチップ１０のコテ部１２より被接合部（１２２，１２０ｂ）に供給する熱をヒータヘッド１１２からの荷重に追従して高速かつ高温に立ち上げることができるため、図６の（ａ）→（ｂ）に示すように、リードフレーム１２０の端子片部１２０ｂ上で導線１２２の先端部１２２ｅがヒータチップ１０から必要かつ十分な加熱と加圧を同時に受けて瞬時に潰れ（塑性変形）し、導線１２２と端子片部１２２ｂとの間で拡散接合が良好に促進される。

　図７において、横軸（時間軸）上のｔ_１～ｔ_２は、通電停止後の保持時間である。この保持時間が経過した後、図６の（ｃ）に示すように、ヒータチップ１０がヒータヘッド１１２によって上方へ引き上げられ、熱圧着の加工が終了する。この熱圧着加工により、リード線６０は端子部材６４に十全な拡散接合で安定強固に結合される。

　この実施形態のヒータチップ１０においては、通電中にコテ部１２（特にコテ先面１２ａ付近）に局所的に発熱が集中するため、通電停止直後はそれまでの反動でコテ部１２から両接続端子部１４Ｌ，１４Ｒへ熱が瞬時に移動して、コテ部１２のコテ先温度が急速に下がる。このことにより、通電停止後の保持時間（ｔ_１～ｔ_２）の短縮化ひいては熱圧着加工の所要時間の大幅な短縮化を図ることが可能であり、一定のタクトタイムでリードフレーム１２０上の端子接続加工を繰り返し行う接合装置３０の生産効率を大きく向上させることができる。

　図７において、仮想線（一点鎖線）Ｇのグラフは、比較例のヒータチップ１１（図８）におけるコテ先温度特性を示す。図８に示すように、この比較例のヒータチップ１１は、実施形態のヒータチップ１０から凹部１８を除いたもので、それ以外はヒータチップ１０と実質的に同じ構成を有している。

　コテ部１２に凹部１８を設けるか否かの違いで、ヒータチップ１０，１１のコテ先温度特性に顕著な差異が生じる。この差異を一目瞭然と理解できるように、図９および図１０に、ヒータチップ１０，１１のコテ部回りの構成をそれぞれ横方向に展開して示す。

　図１０に示すように、比較例のヒータチップ１１においては、コテ部１２が両接続端子部１４Ｌ，１４Ｒに連続して図のＸ方向ないしＺ方向だけで絞られる。このため、ヒータチップ内の電流Ｉの経路上で、コテ部１２の断面積は両接続端子部１４Ｌ，１４Ｒの最も細い部分（コテ部１２と隣接する部分）の断面積と略同じであり、コテ部１２（特にコテ先面１２ａ付近）への電流の集中には限界がある。

　一方、図９に示すように、実施形態のヒータチップ１０においては、コテ部１２が、両接続端子部１４Ｌ，１４Ｒに連続して図のＸ方向ないしＺ方向で絞られるだけでなく、さらに図のＹ方向でも凹部１８により絞られる。これよって、ヒータチップ内の電流Ｉの経路上で、コテ部１２（特に中心部分）の断面積が両接続端子部１４Ｌ，１４Ｒの最も細い部分（コテ部１２と隣接する部分）に比して一段と小さくなり、コテ部１２への電流の集中ひいては抵抗発熱の集中が一段と強められる。

　特に、実施形態のヒータチップ１０において、コテ部１２に設ける凹部１８を、コテ先面１２ａから背面１２ｃに向って次第に凹みの深さが小さくなる構成（コテ先面１２ａに近いほどコテ部１２の横断面積が小さくなる構成）とした場合は、コテ部１２内でのコテ先面１２ａ付近への電流の集中ひいては抵抗発熱の集中を一層効率よく実現することができる。

　なお、比較例のヒータチップ１１においても、コテ部１２回りでＸ方向ないしＺ方向の絞りを強くすることによって、ヒータチップ内の電流Ｉの経路上でコテ部１２の断面積を可及的に小さくすることは可能である。しかし、そのようなＸ方向ないしＺ方向での絞りを強めると、コテ部１２の中でコテ先面１２ａと背面１２ｃとが近くなりすぎて、コテ先面１２ａ付近で発生したジュール熱が背面１２ｃ側の熱電対２４（図８）に吸収されるようになる。このため、ヒータチップ１１の加熱能力が弱まり、コテ先温度の立ち上がり特性を上手に改善することはできない。

　その点、実施形態のヒータチップ１０は、コテ部１２回りで、コテ先面１２ａと背面１２ｃとの間の距離を適度に保ったままＸ方向およびＺ方向と直交するＹ方向の絞りによってコテ部１２の断面積を小さくするので、背面１２ｃ側の熱電対２４を介した放熱機能とコテ先面１２ａ側の被接合物に対する加熱機能とをそれぞれ最適に調整することができる。

　また、この実施形態では、コテ部１２の一側面（正面）１２ｂに形成される凹部１８がコテ先面１２ａからその反対側の背面１２ｃまで延びているので、コテ先面１２ａの温度（加熱温度）と熱電対２４の測定温度との対応関係が良く、熱電対２４によるコテ先温度モニタリングの精度および信頼性がより一層向上している。

　また、この実施形態では、上記のようにヒータチップ１０の材質に焼結金属または焼結合金たとえば焼結タングステンを用いた場合は、多数回の使用によりコテ先面１２ａが消耗劣化してもそこに剥離やクラックが生じないので、ヒータチップ１０の長寿命化を図ることができる。

　この点に関して、従来は、この種のヒータチップの材質にコンダクタンスの高い熱間圧延加工のタングステン板を多く用いている。しかし、熱間圧延加工のタングステン板は積層構造を有するため、通電発熱動作の繰り返しにより（つまり通電時の発熱に伴う膨張と通電後の冷却に伴う収縮の繰り返しにより）、被接合部と接触するコテ先面に積層構造に基づく層間剥離やクラックが発生しやすい。しかし、焼結タングステンは、積層構造ではなく多孔質構造であるため、膨張と収縮を繰り返しても、コテ先面に層間剥離やクラックは発生しない。

　また、この実施形態では、コテ先面１２ａをクリーニングするときは、凸面部２０の領域だけを研磨すればよく、必要最小限の研磨作業で済む。なお、ヒータチップ１０から凸面部２０を省く構成、つまりコテ先面１２ａの全体を平坦面に形成する構成も可能である。

　上記のように、この実施形態においては、コテ部１２とその左右両端から一体的に対称または非対称に延びる一対の接続端子部１４Ｌ，１４Ｒとを有するヒータチップ１０において、通電時に流れる電流の経路上でコテ部１２の断面積を両接続端子部１４Ｌ，１４Ｒの断面積以下に絞り、かつコテ部１２の少なくとも一方の側面１２ｂに凹部１８を形成する構成により、コテ部１２（特にコテ先面１２ａ付近）の通電発熱ないし温度特性（立ち上がり特性および立下り特性）を大きく改善し、短時間の熱圧着加工によって導体細線と端子部材との接合を安定確実に行うことができる。これにより、量産型の接合装置においては、接合加工の品質と生産性を大きく向上させることができる。

［他の実施形態または変形例］
　以下、図１１～図１８を参照して、本発明のヒータチップに係る他の実施形態または変形例を説明する。

　図１１および図１２に、上記実施形態のヒータチップ１０において、コテ部１２を左右方向で長く延ばす一変形例の構成を示す。図１１はヒータチップ１０の正面図、図１２はヒータチップ１０のコテ先面１２ａ回りを下から見た部分拡大底面図である。

　この変形例では、コテ部１２に形成される凹部１８が、左右方向の複数個所（図示の例では２箇所）１８(1)，１８(2)で凹みの深さが極大になるように凹凸に入り組んでいる。コテ先面１２ａ（特に凸面部２０）は、その左右長手方向を導線１２２の延びる方向に平行に合わせられる。

　通電時、コテ先面１２ａ（凸面部２０）より導体細線６０に供給される熱は、凹部２０の複数の最深部１８(1)，１８(2)で極大になるようにコテ先面１２ａ（凸面部２０）の長手方向で分散する。これによって、導体細線６０と端子部材６４との間には広範囲に長く延びる均一な拡散接合が得られる。

　図１３および図１４に、上記実施形態のヒータチップ１０において、コテ部１２のコテ先面１２ａまたは凸面部２０を左右方向で複数に分割する一変形例の構成を示す。図１３はヒータチップ１０の正面図、図１４はヒータチップ１０のコテ先面１２ａ回りを下から見た部分拡大底面図である。

　この変形例においても、凹部１８は、複数個所（図示の例は２箇所）１８(1)，１８(2)で凹みの深さが極大になるように凹凸に入り組むように形成される。そして、コテ先面１２ａには各最深部１８(1)，１８(2)と隣接する位置に独立（分割）した凸面部２０(1)，２０(2)が設けられる。これら個別の凸面部２０(1)，２０(2)が個別の導線１２２(1)，１２２(2)にそれぞれ当てられ、ヒータチップ１０の１回の通電によりそれら複数の導体１２２(1)，１２２(2)がそれぞれ対応する複数の端子片部１２０ｂ(1)，１２０ｂ(1)に接合される。この変形例によれば、単一のヒータチップ１０を用いて、複数の導線１２２(1)，１２２(2) と複数の端子片部１２０(1)，１２０(2)との一括接合または同時接合を行うことができる。

　図１５および図１６に、上記実施形態のヒータチップ１０において、コテ部１２に形成される凹部１８のプロファイルに関する別の変形例を示す。図１５に示すようにコテ部１２の左右方向で凹部１８をＶ字状に凹ませる構成や、図１６に示すようにコテ部１２の左右方向で凹部１８の凹みの深さを一定にする構成も可能である。このように、凹部１８のプロファイルについて種種の変形が可能である。また、図示省略するが、凹部１８をコテ部１２の一方の側面（図の正面）と他方の側面（図の裏面）の両面に形成する構成も可能である。

　なお、熱電対２４による温度測定機能の精度および安定性を保つうえでは、熱電対２４が取り付けられるコテ部１２の背面１２ｃに凹部１８またはその他の凹部を設ける構成は望ましくなく、上述した実施形態のように背面１２ｃはコテ先面１２ａないし凸面部２０と同様に平坦である構成が好ましい。

　図１７に、上記実施形態のヒータチップ１０において、コテ部１２の背面１２ｃに放熱部材６０を取り付ける一構成例を示す。この放熱部材６０は、ヒータチップ１０と同じ材質でコテ部１２の背面１２ｃに一体に形成され、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、コテ部１２の背面１２ｃ付近で発生したジュール熱が放熱部材６０を介して速やかに大気中に放出される。つまり、コテ部１２の背面１２ｃ側で熱電対を取り付けた場合と同様の熱放出作用が奏される。なお、コテ部１２の背面１２ｃに放熱部材６０と熱電対（２４）とを併設する構成も可能であり、あるいは測定精度の低下を伴うが、熱電対（２４）を接続端子部材１４Ｌ，１４Ｒのいずれかに取り付ける構成も可能である。

　図１８に、上記実施形態の接合装置３０およびヒータチップ１０を用いて導線１２２をセラミック基板６２上の端子部材（配線導体）６４にリフローのハンダ付けで接合する一実施例を説明する。一般に、この種の端子部材６４の材質は銀または銀合金である。

　この場合、端子部材６４の表面には、あらかじめクリーム状のハンダまたはメッキのハンダ７０が塗布される。導線１２２の先端部１２２ａを端子部材６４の上に載せ、ヒータヘッド１１０（図４）によりヒータチップ１０を下ろすと、図１８の（ａ）に示すように、ヒータチップ１０のコテ部１２のコテ先面１２ａ（凸面部２０）が端子部材６４上の導線１２２に適度な加圧力で接触する。こうしてヒータチップ１０のコテ部１２を被接合部（１２２，６４）に押し当てた状態の下で、ヒータ電源３２（図４）がオンしてヒータチップ１０に電流Ｉを供給すると、ヒータチップ１０のコテ部１２が、特にコテ先面１２ａ付近で集中的に発熱し、被接合部（１２２，６４）を加熱する。ただし、リフローのハンダ付けなので、加熱温度はたとえば７００℃以下に制御される。この場合も、被接合部（１２２，６４）およびセラミック基板６２の熱引きはかなり大きいが、ヒータチップ１０のコテ部１２においてはコテ先面１２ａ付近の発熱がそれに打ち勝って抵抗値を上げながら急速に昇温し。被接合部（１２２，１２０ｂ）回りの温度を上昇させる。これによって、導線１２２の絶縁被膜が熱で溶けて剥がれ、導線１２２の周囲でハンダ７０が速やかに溶ける。溶けたハンダ７０は、図１８の（ｂ）に示すように、導線１２２の露出した導体の周面に沿って這い上がるように幾らか盛り上がる。通電開始から一定時間（通電時間）経過後にヒータ電源が通電を止め、通電終了から一定時間（保持時間）経過後にヒータヘッド１１０が図１８の（ｃ）に示すようにヒータチップ１０を上昇させて被接合部（１２２，６４）から離す。そうすると、ハンダ７０が凝固して、被接合部（１２２，６４）がハンダ付けによって結合する。

　この実施例においては、ヒータチップ１０の通電発熱の応答性が非常にすぐれているため、インバータ式のヒータ電源３２側で電流を高速・精細に制御することにより、被接合部（１２２，６４）に供給する熱を高速・精細にすることが可能であり、リフローソルダリングの加工品質を向上させることができる。

　　１０　　ヒータチップ
　　１２　　コテ部
　　１２ａ　　コテ先面
　　１２ｂ　　コテ部の一側面
　　１２ｃ　　コテ部の背面
　　１４Ｌ，１４Ｒ　　接続端子部
　　１８　　凹部
　　２０　　凸面部
　　２４　　熱電対
　　３０　　接合装置
　　３２　　ヒータ電源
　　６０　　放熱部材
　　６２　　セラミック基板
　　６４　　端子部材（導体配線）
　１１０　　ヒータヘッド
　１２０　　リードフレーム
　１２０ｂ　端子片部
　１２２　　導線
 

Claims (17)

1. 　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、前記コテ部と一体的にその左右両端から対称または非対称に延びる一対の接続端子部と
   　を有し、
   　前記コテ部は、前記導線および端子部材と対向するコテ先面と、このコテ先面に連続していて凹部が形成されている側面とを有し、
   　通電時に流れる電流の経路上で、前記コテ部は、その全区間にわたって、前記接続端子部の断面積以下の断面積を有する、
   　ヒータチップ。
2. 　前記凹部は、前記コテ部のコテ先面側で開口している、請求項１に記載のヒータチップ。
3. 　前記凹部は、前記コテ部のコテ先面からその反対側の背面まで延びている、請求項２に記載のヒータチップ。
4. 　前記凹部は、前記コテ部のコテ先面で最も深く凹み、その反対側の背面で最も浅く凹んでいる、請求項３に記載のヒータチップ。
5. 　前記凹部は、前記コテ部の左右方向で凹みの深さが中心部で極大になるように窪んでいる、請求項２に記載のヒータチップ。
6. 　前記凹部は、前記コテ部の左右方向で凹みの深さが複数個所で極大になるように凹凸に入り組んでいる、請求項２に記載のヒータチップ。
7. 　前記凹部は、前記コテ部の左右方向で凹みの深さが一定である、請求項２に記載のヒータチップ。
8. 　前記コテ部の背面で左右方向の中心位置の部位に温度センサが取り付けられる、請求項３に記載のヒータチップ。
9. 　前記温度センサは熱電対である、請求項８に記載のヒータチップ。
10. 　前記凹部は、前記中心位置を基準として左右対称の形状を有する、請求項８に記載のヒータチップ。
11. 　前記コテ部の背面で左右方向の中心位置の部位にフィン状またはブロック状の突出した放熱部が取り付けられる、請求項３に記載のヒータチップ。
12. 　前記コテ部のコテ先面に、前記導線と接触する被研磨領域として凸面部が設けられる、請求項１に記載のヒータチップ。
13. 　前記コテ部および前記接続端子部は焼結金属または焼結合金からなる、請求項１に記載のヒータチップ。
14. 　導線を端子部材に接合するための接合装置であって、
    　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、前記コテ部と一体的にその左右両端から対称または非対称に延びる一対の接続端子部とを備え、前記コテ部は、前記導線および端子部材と対向するコテ先面と、このコテ先面に連続していて凹部が形成されている側面とを有し、通電時に流れる電流の経路上で、前記コテ部は、その全区間にわたって、前記接続端子部の断面積以下の断面積を有する、ヒータチップと、
    　前記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
    　を有する接合装置。
15. 　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、前記コテ部と一体的にその左右両端部から対称または非対称に延びる一対の接続端子部とを備え、前記コテ部は、コテ先面と、このコテ先面に連続していて凹部が形成されている側面とを有し、通電時に流れる電流の経路上で、前記コテ部は、その全区間にわたって、前記接続端子部の断面積以下の断面積を有するヒータチップと、前記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ためのヒータ電源とを有する接合装置を用いて、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。
16. 　前記端子部材はリードフレームの一部である、請求項１５に記載に接合方法。
17. 　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、前記コテ部と一体的にその左右両端部から対称または非対称に延びる一対の接続端子部とを備え、前記コテ部は、コテ先面と、このコテ先面に連続していて凹部が形成されている側面とを有し、通電時に流れる電流の経路上で、前記コテ部は、その全区間にわたって、前記接続端子部の断面積以下の断面積を有するヒータチップと、前記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ためのヒータ電源とを有する接合装置を用いて、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線から引き離す第４の工程と
    　を有する接合方法。
     

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