特開 2022-175200 接合装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022175200

(43)【公開日】2022-11-25

(54)【発明の名称】接合装置

(51)【国際特許分類】

   B29C 65/18 20060101AFI20221117BHJP

   B23K 3/00 20060101ALI20221117BHJP

   B23K 3/02 20060101ALI20221117BHJP

【ＦＩ】

B29C65/18

B23K3/00 310A

B23K3/02 Q

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021081425

(22)【出願日】2021-05-13

(71)【出願人】

【識別番号】000227836

【氏名又は名称】日本アビオニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100098394

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 茂樹

(72)【発明者】

【氏名】関本 隆司

【テーマコード（参考）】

4F211

【Ｆターム（参考）】

4F211AK09

4F211AP05

4F211AP06

4F211AR06

4F211AR07

4F211TA01

4F211TN02

4F211TQ10

(57)【要約】

【課題】高い精度で被接合物の高さを制御する。
【解決手段】接合装置は、被接合物を上から押さえて加熱するヒータチップ２と、ヒータチップ２の温度を検出する温度センサ３と、ヒータチップ２に電流を供給して発熱させる電源８と、ヒータチップ２の温度に対応するヒータチップ２の高さ方向の位置を導出する位置導出部６と、位置導出部６の導出結果に基づいて熱膨張によるヒータチップ２の高さ方向の変位量を相殺するようにヒータチップ２の高さ方向の変位制御を行う昇降制御部７とを備える。
【選択図】 図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

被接合物を上から押さえて加熱するように構成されたヒータチップと、
前記ヒータチップの温度を検出するように構成された温度センサと、
前記ヒータチップに電流を供給して発熱させるように構成された電源と、
前記ヒータチップの温度に対応する前記ヒータチップの高さ方向の位置を導出するように構成された位置導出部と、
前記位置導出部の導出結果に基づいて熱膨張による前記ヒータチップの高さ方向の変位量を相殺するように前記ヒータチップの高さ方向の変位制御を行うように構成された昇降制御部とを備えることを特徴とする接合装置。

【請求項2】

請求項１記載の接合装置において、
前記昇降制御部は、前記ヒータチップを昇温して前記被接合物を加熱する加熱期間と、前記加熱期間の終了後に前記ヒータチップを降温して前記被接合物を冷却する冷却期間とにおいて、前記ヒータチップの高さ方向の変位制御を行うことを特徴とすることを特徴とする接合装置。

【請求項3】

請求項１または２記載の接合装置において、
前記位置導出部は、前記ヒータチップの温度と前記ヒータチップの高さ方向の位置との既知の関係に基づいて、前記温度センサによって検出された温度から前記ヒータチップの高さ方向の位置を導出することを特徴とする接合装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

パルスヒート方式の接合装置では、被接合物を加圧する電極（ヒータチップ）に取り付けた熱電対によってヒータチップの温度を検出し、この温度が予め設定された温度になるようにヒータチップに供給する電流を制御していた。

【0003】

接合時には被接合物の溶融による沈み込みが発生するので、被接合物の高さが変化するが、製品によっては被接合物の高さを均一にすることが要求されることもある。そこで、従来は、ヒータチップの高さ方向の変位を検出して、ヒータチップの高さ方向の制御を行うことにより、被接合物の均一な高さを実現するようにしていた（特許文献１参照）。

【0004】

しかしながら、発生するジュール熱によって高温になるヒータチップは、熱膨張するため、被接合物との接触面の高さ方向の位置が変化する。特許文献１に開示されたようなμｍオーダーの微小変位制御を行う場合、ヒータチップの熱膨張の影響を無視できず、高い精度での変位制御を行うことができなかった。

【0005】

従来、ヒータチップの熱膨張の影響を軽減する技術として、特許文献２に開示された接合システムが知られている。特許文献２に開示された接合システムでは、まず室温から温度ＴＭ１までヒータチップを昇温して、２つの被接合物のうちヒータチップによって保持している一方の被接合物を加熱し、温度ＴＭ１に昇温した状態でヒータチップを下降させて２つの被接合物を接触させ、その時点でのヒータチップの高さを維持した状態で、さらに温度ＴＭ２（ＴＭ１＜ＴＭ２）までヒータチップを昇温することによって２つの被接合物を接合するようにしていた。

【0006】

特許文献２に開示された接合システムでは、室温から温度ＴＭ１まで昇温した状態で２つの被接合物を接触させることで室温から温度ＴＭ１までの温度上昇に伴う熱膨張の影響を排除することができ、温度ＴＭ１から温度ＴＭ２までの昇温によるヒータチップの熱膨張量を、小さい熱膨張量（例えば数μｍ）に抑えることができるとしている。

【0007】

しかしながら、特許文献２に開示された技術においてもμｍオーダーの熱膨張の影響を排除することができないので、上記のような微小変位制御を行う場合に、ヒータチップの熱膨張の影響を無視できず、高い精度での変位制御を行うことができなかった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２００７－１７３５２２号公報

【特許文献2】特開２０１７－３４２８２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、従来よりも高い精度で被接合物の高さを制御することができる接合装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明の接合装置は、被接合物を上から押さえて加熱するように構成されたヒータチップと、前記ヒータチップの温度を検出するように構成された温度センサと、前記ヒータチップに電流を供給して発熱させるように構成された電源と、前記ヒータチップの温度に対応する前記ヒータチップの高さ方向の位置を導出するように構成された位置導出部と、前記位置導出部の導出結果に基づいて熱膨張による前記ヒータチップの高さ方向の変位量を相殺するように前記ヒータチップの高さ方向の変位制御を行うように構成された昇降制御部とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の接合装置の１構成例において、前記昇降制御部は、前記ヒータチップを昇温して前記被接合物を加熱する加熱期間と、前記加熱期間の終了後に前記ヒータチップを降温して前記被接合物を冷却する冷却期間とにおいて、前記ヒータチップの高さ方向の変位制御を行うことを特徴とすることを特徴とするものである。
また、本発明の接合装置の１構成例において、前記位置導出部は、前記ヒータチップの温度と前記ヒータチップの高さ方向の位置との既知の関係に基づいて、前記温度センサによって検出された温度から前記ヒータチップの高さ方向の位置を導出することを特徴とするものである。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、位置導出部と昇降制御部とを設けることにより、従来よりも高い精度で被接合物の高さを制御することができる。本発明では、はんだ付けやＡＣＦ（Anisotropic Conductive Film）接合における高品質な仕上がり外観を実現することができ、信頼性の高い接合性を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、ヒータチップの温度とヒータチップの高さ方向の位置との関係を示す図である。

【図2】図２は、本発明の実施例に係る接合装置の構成を示すブロック図である。

【図3】図３は、本発明の実施例に係る接合装置の動作を説明するフローチャートである。

【図4】図４は、昇温開始時のヒータチップと被接合物の拡大断面図である。

【図5】図５は、温度プロファイルの１例を示す図である。

【図6】図６は、接合途中のヒータチップと被接合物の拡大断面図である。

【図7】図７は、接合終了時のヒータチップと被接合物の拡大断面図である。

【図8】図８は、温度プロファイルの別の例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

［発明の原理］
ヒータチップの温度Ｔと、熱膨張によるヒータチップの中央部の高さ方向の位置Ｚ（下方先端の位置）には、例えば次式のような直線関係が成り立つ（図１）。
Ｚ＝ａ・Ｔ＋ｂ ・・・（１）

【0014】

ａは傾き、ｂは切片である。定数ａ，ｂは被接合物と接合装置によって変わるので、対象の被接合物と接合装置について事前の実験等により定数ａ，ｂを調べて設定しておけば、接合中にリアルタイムで高さ方向の位置を補正することができ、温度上昇に伴うヒータチップの熱膨張の影響を排除することができる。ただし、図１、式（１）は温度Ｔと位置Ｚの関係の１例であって、これに限定されるものではない。事前の実験等により求めた温度Ｔと位置Ｚの関係を記憶しておくようにしてもよい。

【0015】

［実施例］
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２は本発明の実施例に係る接合装置の構成を示すブロック図である。接合装置は、ヘッド部１と、ヒータチップ２と、ヒータチップ２の温度を検出する温度センサ３と、電気モータによってヒータチップ２を上下動させることが可能な昇降機構４と、ヒータチップ２の沈み込み量を検出する変位センサ５と、ヒータチップ２の温度に対応するヒータチップ２の高さ方向の位置（下方先端の位置）を導出する位置導出部６と、ヒータチップ２の昇降を制御する昇降制御部７と、ヒータチップ２に電流を供給する電源８と、電源８からヒータチップ２への通電量を制御する電源制御部９と、被接合物を載置するための保持台１０とから構成される。

【0016】

ヘッド部１の下端には、例えばモリブデン等の高抵抗材料からなるヒータチップ２が取り付けられている。このヒータチップ２の先端付近には熱電対からなる温度センサ３が固定されている。また、ヘッド部１には、昇降機構４と変位センサ５とが設けられている。

【0017】

以下、本実施例の接合装置の動作を説明する。図３は接合装置の動作を説明するフローチャート、図４は昇温開始時のヒータチップ２と被接合物の拡大断面図である。

【0018】

接合装置の保持台１０上に載置されたガラス板２０の上には、導電体２１が形成されている。一方、導体からなる端子２３の接合予定部には、はんだ２２が予め印刷されている。導電体２１の接合予定部と端子２３の接合予定部とが向かい合うように位置決めし、導電体２１の上に端子２３を載せた状態で、例えばユーザが接合開始を指示すると、昇降制御部７は、ヘッド部１の昇降機構４を制御し、ヒータチップ２を下降させる（図３ステップＳ１００）。

【0019】

これにより、ヒータチップ２と保持台１０とによって被接合物（導電体２１とはんだ２２と端子２３）を上下方向から挟み込み加圧する（図４）。このとき、ヘッド部１には、図示しないロードセルが設けられており、被接合物に加わる荷重の大きさを検出できるようになっている。昇降制御部７は、検出された荷重が予め定められた値になるように昇降機構４を制御する。

【0020】

電源制御部９は、電源８からヒータチップ２にパルス電流を供給させ、温度センサ３によって検出されるヒータチップ２の温度が予め設定された温度プロファイルが示す温度と一致するように、電源８からヒータチップ２への通電量を制御する（図３ステップＳ１０１）。電源８から供給されるパルス電流は例えばヒータチップ２の端子２０ａから端子２０ｂに流れ、ヒータチップ２が発熱する。温度プロファイルの１例を図５に示す。

【0021】

ヒータチップ２が発熱すると、図６に示すようにヒータチップ２が高さ方向の下側に熱膨張して変位が増す。
位置導出部６は、温度センサ３によって検出されたヒータチップ２の最新の温度Ｔに対応するヒータチップ２の中央部の高さ方向の最新の位置Ｚを式（１）の一次式により算出する（図３ステップＳ１０２）。また、位置導出部６は、昇温開始時に温度センサ３によって検出されたヒータチップ２の温度Ｔ０に対応する昇温開始時のヒータチップ２の中央部の高さ方向の位置Ｚ０を式（１）の一次式により算出する。

【0022】

そして、昇降制御部７は、昇降機構４を制御してヒータチップ２を上昇させ、この上昇による昇温開始時からのヒータチップ２の上昇量の絶対値と、昇温開始時のヒータチップ２の中央部の高さ方向の位置Ｚ０と最新の位置Ｚとの差（下降量）の絶対値とが等しくなるように高さ方向の変位制御を行うことにより、ヒータチップ２の高さ方向の位置を補正する（図３ステップＳ１０３）。すなわち、下側が膨らむヒータチップ２の熱膨張に対して反対側にヒータチップ２を動かす。

【0023】

昇降機構４の制御は、昇降機構４の電気モータ（不図示）にパルス信号を印加することで行う。昇降機構４は、例えば駆動信号の１パルス当たりＸμｍだけヒータチップ２を上昇させる。こうして、熱膨張によるヒータチップ２の高さ方向の変位を相殺することができる。

【0024】

接合装置は、温度プロファイルによって定められた通電停止タイミングまで、ステップＳ１０１～Ｓ１０３の処理を繰り返し実施する。
次に、電源制御部９は、温度プロファイルによって定められた通電停止タイミングになると（図３ステップＳ１０４においてＹＥＳ）、電源８からヒータチップ２への通電を停止させる（図３ステップＳ１０５）。

【0025】

通電が終了すると、ヒータチップ２を降温して、被接合物をヒータチップ２によって加圧しつつ冷却する冷却期間となる。この冷却期間においても、ヒータチップ２は、昇温開始時よりも高い温度になっているので、熱膨張によって高さ方向の位置が変位している。

【0026】

そこで、位置導出部６は、ステップＳ１０２と同様に、温度センサ３によって検出されたヒータチップ２の最新の温度Ｔに対応するヒータチップ２の高さ方向の最新の位置Ｚを式（１）により算出する（図３ステップＳ１０６）。

【0027】

そして、昇降制御部７は、昇降機構４を制御してヒータチップ２を上昇させ、この上昇による昇温開始時からのヒータチップ２の上昇量の絶対値と、昇温開始時のヒータチップ２の中央部の高さ方向の位置Ｚ０と最新の位置Ｚとの差（下降量）の絶対値とが等しくなるように高さ方向の変位制御を行うことにより、ヒータチップ２の高さ方向の位置を補正する（図３ステップＳ１０７）。

【0028】

昇降制御部７は、通電停止タイミングから一定時間が経過して冷却期間が終了するか、あるいはヒータチップ２の温度が所定温度まで下がって冷却期間が終了するまで、ステップＳ１０６，Ｓ１０７の処理を繰り返し実施する。

【0029】

昇降制御部７は、冷却期間の終了後に（図３ステップＳ１０８においてＹＥＳ）、昇降機構４を制御し、ヒータチップ２を上昇させて被接合物から離間させる（図３ステップＳ１０９）。こうして、被接合物の接合が終了する。図７は接合終了時の状態を示している。図４に示した昇温開始時の状態と比べると、はんだ２２の高さが変化していることが分かる。

【0030】

以上のように、本実施例では、接合中にリアルタイムでヒータチップ２の高さ方向の位置を補正することにより、温度上昇に伴うヒータチップ２の熱膨張の影響を排除することができ、被接合物の均一な高さを実現することができる。本実施例では、冷却期間においてもヒータチップ２の高さ方向の位置を補正するので、被接合物の沈込量を高精度に制御することができる。

【0031】

本実施例では、図５に示すようにヒータチップ２を一定温度にした後に所定の通電停止タイミングになったときにヒータチップ２への電流供給を停止して加熱を停止する例で説明しているが、加熱期間の終了時に通電を直ちに停止せずに温度が徐々に下がるように通電量を制御してもよい。この場合の温度プロファイルを図８に示す。

【0032】

また、本実施例では、位置導出部６はヒータチップ２の温度Ｔに対応するヒータチップ２の位置Ｚを式（１）により算出しているが、上記のとおり図１、式（１）は温度Ｔと位置Ｚの関係の１例である。事前の試験測定の結果から得られた温度Ｔと位置Ｚの関係を位置導出部６に予め登録しておき、位置導出部６は、この既知の関係に基づいて、ヒータチップ２の温度Ｔに対応するヒータチップ２の位置Ｚを導出するようにしてもよい。

【0033】

また、本実施例では、説明を簡単にするため、特許文献１に開示された微小変位制御について説明していないが、ヒータチップ２の高さ方向の変位を変位センサ５によって検出して昇降制御部７によりヒータチップ２の高さ方向の制御を行って被接合物の高さを均一にする微小変位制御と、本実施例の高さ方向の位置の補正とを同時に実施してもよいことは言うまでもない。

【0034】

本実施例で説明した位置導出部６と昇降制御部７と電源制御部９とは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置および外部とのインタフェースを備えたコンピュータによって実現することができる。このようなコンピュータにおいて、本発明の接合方法を実現させるためのプログラムは記憶装置に格納される。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。

【産業上の利用可能性】

【0035】

本発明は、パルスヒート方式の接合装置に適用することができる。

【符号の説明】

【0036】

１…ヘッド部、２…ヒータチップ、３…温度センサ、４…昇降機構、５…変位センサ、６…位置導出部、７…昇降制御部、８…電源、９…電源制御部、１０…保持台。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】