(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の端子を互いに電気的に導通するように接合する端子の接合方法において、
銅または銅を含む材料で形成され、錫または錫を含有する半田がメッキされた一対の端子を互いに当接させた状態で一対の電極により挟持、加圧する工程と、
前記一対の電極に電流を通電し、その端子間の抵抗値を測定する工程と、
通電を開始してから、測定された抵抗値が一旦減少した後、増加を始めて極大値を通過した時点で通電を停止する工程と、
を有することを特徴とする端子の接合方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、
前記一対の電極は、モリブデンを含む材料からなることを特徴とする端子の接合方法。
【請求項３】
一対の端子を互いに電気的に導通するように接合する端子の接合装置において、
銅または銅を含む材料で形成され、錫または錫を含有する半田がメッキされた一対の端子を互いに当接させた状態で挟持、加圧する一対の電極と、
前記一対の電極に電流を通電する電流供給源と、
前記一対の端子の間の抵抗値を測定する抵抗測定手段と、
通電を開始してから、測定された抵抗値が一旦減少した後、増加を始めて極大値を通過した時点で通電を停止する電流制御手段と、
を備えることを特徴とする端子の接合装置。
【請求項４】
請求項３記載の装置において、
前記一対の電極は、モリブデンを含む材料からなることを特徴とする端子の接合装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一対の端子を互いに電気的に導通するように接合する端子の接合方法およびその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、ＦＥＴなどの電子部品の端子を基板等に設けられた配線用の端子に接合するために、ヒュージングといわれる接合方法が用いられている。この接合方法では、図９に示すように、銅の如き金属で形成される電子部品の端子２の表面にニッケルの層４がメッキにより形成され、また、銅の如き材料で形成される配線用の端子６の表面に、錫または錫を含む半田の層８がメッキにより形成される。
【０００３】
これらの端子２および６を接合させる際には、端子２および６を互いに当接させ、一対の電極でこれらの端子２、６を挟持、加圧する。そして、一対の電極間に電流を通電すると、前記端子２、６に電流が流れ、そのジュール熱により層８の錫が溶融する。電流の通電を停止すると、この錫が固化することによって端子２と６とが互いに接合される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記の従来技術に係る接合方法では、ニッケルの層４が金属間化合物を形成しないため、ニッケルの層４が端子２から剥がれやすく、接合強度が低下してしまうという問題がある。また、ニッケルの層４と端子２との間には熱によりボイドと呼ばれる極小の泡９が形成されるため、端子２とニッケルの層４との境界面で破壊が起こりやすくなり、この場合にも接合強度が低下する。
【０００５】
本発明は前記の課題を解決すべくなされたものであって、接合強度を向上させることが可能な端子の接合方法およびその装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、一対の端子を互いに電気的に導通するように接合する端子の接合方法において、
銅または銅を含む材料で形成され、錫または錫を含有する半田がメッキされた一対の端子を互いに当接させた状態で一対の電極により挟持、加圧する工程と、
前記一対の電極に電流を通電し、その端子間の抵抗値を測定する工程と、
通電を開始してから、測定された抵抗値が一旦減少した後、増加を始めて極大値を通過した時点で通電を停止する工程と、
を有することを特徴とする。
【０００７】
また、本発明は、一対の端子を互いに電気的に導通するように接合する端子の接合装置において、
銅または銅を含む材料で形成され、錫または錫を含有する半田がメッキされた一対の端子を互いに当接させた状態で挟持、加圧する一対の電極と、
前記一対の電極に電流を通電する電流供給源と、
前記一対の端子の間の抵抗値を測定する抵抗測定手段と、
通電を開始してから、測定された抵抗値が一旦減少した後、増加を始めて極大値を通過した時点で通電を停止する電流制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、通電を開始すると端子間にジュール熱が発生し、この熱により端子の表面の錫または錫を含む半田が溶融し、さらに、端子を構成する銅が溶融する。この場合、発熱当初において、一方の端子と他方の端子との間の抵抗値が増加する。通電を継続すると、端子が軟化し、加圧力による接触面積の増大に伴って抵抗値が減少する。端子がさらに加熱されると、温度上昇に伴って再び抵抗値が急激に増大した後、端子の溶融により接触抵抗が減少し、その気化熱により端子間の抵抗値が減少し始める。この時点で通電を停止すると、一方の端子と他方の端子との間に銅と錫との金属間化合物が形成され、この金属間化合物によりそれぞれの端子が互いに強固に接続される。なお、抵抗値が極大値となる前に通電を停止すると、金属間化合物の形成が不十分で接合強度が低く、また、抵抗値が極大値となった後に通電を停止すると、金属間化合物の分解が始まり接合強度が低下する。
【０００９】
この場合、前記一対の端子がモリブデンを含む材料により形成され、該一対の電極により前記一対の端子を挟持、加圧すると、電極が端子に張り付くことを防止することができ、好適である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明に係る端子の接合方法および装置について、好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。
【００１１】
図１において、参照符号１０は、本実施の形態に係る端子の接合装置によって接合される端子が設けられたワークを示す。
【００１２】
ワーク１０はケーシング１２を有し、該ケーシング１２の一端側には複数のコネクタ１４が設けられる。ケーシング１２の内部には電子部品である複数のリレー１６、ＦＥＴ１８等が配設される。それぞれのリレー１６、ＦＥＴ１８は端子２０を有し、それぞれの端子２０は略鉛直方向に延在する。端子２０は銅または銅を含む金属材料で形成され、その表面に錫を含有する半田２２がメッキされている（図２Ａ参照）。端子２０は配線用の端子２４に電気的に導通するように接合される。配線用の端子２４は銅または銅を含む金属材料で形成され、その表面に錫２６がメッキされている。端子２４は、例えば、図示しない基板等に立設され、該基板に設けられた銅箔のパターンによって回路を構成する。
【００１３】
次に、前記ワーク１０を製造する本実施の形態に係る端子の接合装置３０について、図３を参照して説明する。
【００１４】
この接合装置３０は、ワーク１０を互いに直交する３方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ方向）に変位させる変位機構３２と、ワーク１０の端子２０、２４を接合させる接合機構３４と、接合のための電流を供給する電流供給機構（電流供給源）３６とを備える。
【００１５】
変位機構３２は、Ｘ軸方向に延在するＸ軸ガイド部材３８を有し、Ｘ軸ガイド部材３８にはガイドブロック４０が摺動自在に係合する。Ｘ軸ガイド部材３８の一端部にはモータ４２が設けられ、該モータ４２の回転軸には、例えば、送りねじ（図示せず）がＸ軸ガイド部材３８の内部に設けられ、該送りねじの回転作用下にガイドブロック４０がＸ軸方向に変位する。
【００１６】
ガイドブロック４０の上部にはＹ軸ガイド部材４４がＹ軸方向に延在して固着され、Ｙ軸ガイド部材４４にはガイドブロック４６が摺動自在に係合する。Ｙ軸ガイド部材４４の一端部にはモータ４８が設けられ、ガイドブロック４６はモータ４８の駆動作用下にＹ軸方向に変位する。
【００１７】
ガイドブロック４６にはＺ軸方向（鉛直方向）に延在して支柱５０が立設され、支柱５０にはガイドブロック５２が摺動自在に係合する。支柱５０の上部にはモータ５４が設けられ、ガイドブロック５２は該モータ５４の駆動作用下にＺ軸方向に変位する。ガイドブロック５２には水平方向に延在してテーブル５６が固着され、テーブル５６の上部には前記ワーク１０が位置決めされる治具５８が設けられる。なお、参照符号６０は、変位機構３２を制御してテーブル５６を変位させるコントローラである。
【００１８】
接合機構３４は支柱６２を有し、支柱６２の上部は前記変位機構３２のテーブル５６の上方に突出する凸部６４が形成される。凸部６４の下部には支持部６６が設けられる。支持部６６の下部には一対の電極ホルダ７４ａ、７４ｂが設けられ、電極ホルダ７４ａ、７４ｂは支持部６６の側部に設けられたシリンダ６８の駆動作用下に互いに接近、離間する方向に変位する。該電極ホルダ７４ａ、７４ｂには、図４に示すように、電流供給機構３６が接続される。なお、電極ホルダ７４ａ、７４ｂの抵抗値は十分に小さいものとする。電極ホルダ７４ａ、７４ｂには電圧計７６の端子が接続され、また、一方の電極ホルダ７４ａには電流測定用のコイル７８を有する電流計８０が接続される。電圧計７６と電流計８０との出力は抵抗測定部（抵抗測定手段）８２に入力される。抵抗測定部８２の出力は電流制御部（電流制御手段）８３を介して前記電流供給機構３６に接続される。
【００１９】
電極ホルダ７４ａ、７４ｂには凹部８４ａ、８４ｂが形成され、凹部８４ａ、８４ｂには電極８６ａ、８６ｂに形成された凸部８８ａ、８８ｂが係合する。電極８６ａ、８６ｂはタングステンとモリブデンとにより形成される。なお、以下の説明において、電極ホルダ７４ａ、７４ｂと電極８６ａ、８６ｂとの接触抵抗値をＲ1、電極８６ａ、８６ｂの抵抗値をＲ2とする。
【００２０】
本実施の形態に係る端子の接合装置３０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、前記接合装置３０の使用方法について、本実施の形態に係る端子の接合方法との関連で、図５に示すフローチャートを参照して説明する。
【００２１】
ワーク１０の端子２０と２４とは、ケーシング１２にリレー１６、ＦＥＴ１８等の電子部品を配置する際に互いに当接させておく（図１参照）。この状態でワーク１０が変位機構３２の治具５８に載置される（図３参照）。
【００２２】
変位機構３２が駆動されてテーブル５６がＸ、Ｙ、Ｚ方向に変位し、端子２０、２４が接合機構３４の電極８６ａと８６ｂとの間に配置される。
【００２３】
以上のような準備工程を経て、シリンダ６８が駆動されると、電極８６ａ、８６ｂが互いに接近して端子２０、２４が挟持、加圧される（ステップＳ１）。
【００２４】
次に、電流供給機構３６を付勢して電極ホルダ７４ａと７４ｂとの間に４０００〜６６００Ａの電流Ｉを流す（ステップＳ２）。この電流Ｉは、一方の電極ホルダ７４ａから電極８６ａ、端子２０、２４、電極８６ｂを介して他方の電極ホルダ７４ｂに通電される。このとき、電流計８０のコイル７８には電極ホルダ７４ａに流れる電流Ｉにより誘導起電力が発生し、この起電力を測定することにより前記電流Ｉを測定することができる。一方、電圧計７６は電極ホルダ７４ａと７４ｂとの間の電圧Ｖを測定する。電流計８０によって測定された電流Ｉと、電圧計７６によって測定された電圧Ｖとは抵抗測定部８２に入力され、抵抗測定部８２では電極ホルダ７４ａと７４ｂとの間の抵抗値Ｒ0を、
Ｒ0＝Ｖ／Ｉ
として求める。
【００２５】
この抵抗値Ｒ0は、電極ホルダ７４ａ、７４ｂと電極８６ａ、８６ｂとの接触抵抗値Ｒ1、Ｒ1と、電極８６ａ、８６ｂの抵抗値Ｒ2、Ｒ2と、電極８６ａ、８６ｂと端子２０、２４との接触抵抗値Ｒ3、Ｒ3と、端子２０、２４のそれぞれの抵抗値Ｒ4、Ｒ4と、端子２０と２４との接触抵抗値Ｒ5とを含む。ここで、電極ホルダ７４ａ、７４ｂと電極８６ａ、８６ｂとの接触抵抗値Ｒ1、Ｒ1と、電極８６ａ、８６ｂの抵抗値Ｒ2、Ｒ2とは一定値であり、予め測定しておくことができる。そこで、前記抵抗値Ｒからこれらの抵抗値Ｒ1、Ｒ2の差を計算すると、電極８６ａ、８６ｂと端子２０、２４との接触抵抗値Ｒ3、Ｒ3と、端子２０、２４のそれぞれの抵抗値Ｒ4、Ｒ4と、端子２０と２４との接触抵抗値Ｒ5との和が求められる。
【００２６】
図６は、複数のサンプルである端子２０、２４についてＮｏ．１〜Ｎｏ．８まで番号を付し、それぞれの端子２０、２４に電流Ｉを通電したときの抵抗値Ｒ0の変化を示すグラフである。
【００２７】
端子２０、２４に電流Ｉが通電されると、通電開始から略３ｍｓまでの間（領域９０ａ）、温度上昇に伴って金属の抵抗値Ｒ0が増加する。そこで、この時点での抵抗値Ｒ0の増加を接合完了と誤検出しないようにするために、通電開始から所定時間（例えば、１０ｍｓ）経過するのを待つ（ステップＳ３）。
【００２８】
次に、所定時間経過した後、抵抗値Ｒ0を測定し、抵抗値Ｒ0が増加状態にあるか否かを判断する（ステップＳ４）。ここで、タングステンとモリブデンとにより形成された電極８６ａ、８６ｂは、銅または銅を含む材料により形成された端子２０、２４より抵抗が大きく、電流Ｉが通電されることにより電極８６ａ、８６ｂにジュール熱が発生する。この熱は電極８６ａ、８６ｂから端子２０、２４に伝達されて該端子２０、２４が軟化する。端子２０、２４は電極８６ａ、８６ｂにより加圧されているため、端子２０と２４との接触面において微少な凹凸等により接触面積が限られていたものが、端子２０、２４の軟化によって凹凸等がなくなり、接触面積が増大する。従って、通電開始から所定時間経過後の領域９０ｂにおける接触抵抗値Ｒ5は減少し、抵抗値Ｒ0も減少する。
【００２９】
一方、端子２０、２４の温度がさらに高くなると、端子２０、２４の表面にメッキされた錫および錫を含む半田が溶融する。次いで、端子２０、２４を形成する銅または銅を含む材料が溶融する。このため、溶融した銅と錫とが相互拡散し、端子２０と２４との間に金属間化合物であるＣｕ3Ｓｎの層９４、９６が形成され、さらに、層９４と９６との間に金属間化合物であるＣｕ6Ｓｎ5の層９８が形成される（図２Ｂ参照）。この金属間化合物は抵抗値が大きく、従って、層９４、９６、９８が形成されるのに伴って抵抗値Ｒ0が増加する（領域９０ｃ）。
【００３０】
ステップＳ４において抵抗値Ｒ0の増加を検出すると、次いで、抵抗値Ｒ0が減少したか否かの判断を行う（ステップＳ５）。
【００３１】
端子２０、２４では、さらなる発熱作用によって銅、錫等の金属が溶融し、接触抵抗が減少する。従って、抵抗値Ｒ0は極大値Ｐを通過して減少し始める（領域９０ｄ）。ステップＳ５において抵抗値Ｒ0の減少を検出すると、電流制御部８３は、電流供給機構３６による電流Ｉの供給を停止させる（ステップＳ６）。このため、発熱が停止して端子２０、２４の温度が低下し、溶融して形成された金属化合物の層９４、９６、９８が固化して端子２０と２４とが互いに接合される。この金属間化合物は堅くて強度が高いという特徴を有し、また、金属間化合物の層９４、９６、９８は銅と錫とが混合された状態であり、端子２０、２４を構成する材料である銅と一体的に形成されている。このため、従来技術のようにメッキによって端子２０、２４に接合されているものとは異なり、層９４、９６、９８が端子２０、２４から剥がれる懸念が減少する。従って、端子２０と２４とは強固に接合される。
【００３２】
なお、抵抗値Ｒ0が極大値Ｐとなる前に通電を停止すると、金属間化合物の形成が不十分で接合強度が低く、また、抵抗値Ｒ0が極大値Ｐとなった後に通電を停止すると、金属間化合物の分解が始まり接合強度が低下する。また、この時点で電流Ｉを停止しないと、端子２０、２４では溶融した銅、錫等の金属がさらに溶融して端子２０、２４の形状が著しく変形してしまう懸念がある。これらの理由から、抵抗値Ｒ0が極大値Ｐを通過して低下し始めた時点で通電を停止する必要がある。
【００３３】
以上のようにして端子２０と２４とが接合されると、電極ホルダ７４ａと７４ｂとを互いに離間する方向に変位させて端子２０、２４から離間し、該端子２０、２４の挟持、加圧を停止する。なお、電極８６ａ、８６ｂはモリブデンを含む材料により形成されており、モリブデンは表面が薄く剥がれやすい性質を有しているため、電極８６ａ、８６ｂと端子２０、２４とが張り付いてしまう懸念はない。
【００３４】
本実施の形態によれば、一対の端子２０と２４とは金属間化合物の層９４、９６、９８により互いに接合される。この金属間化合物は堅くて強度が高いという特徴を有し、また、金属間化合物の層９４、９６、９８は端子２０、２４と一体的に形成されるため、一対の端子２０、２４は互いに強固に接合され、接合強度を向上することができる。また、ニッケルの層を含まないため、極小の泡が形成されてしまう懸念がない。
【００３５】
図７、図８に、本実施の形態に係る端子の接合方法によって接合された端子２０、２４の、接合時の電流Ｉに対する引き剥がし強度の特性曲線を示す。図７は、端子２０、２４の厚さが１．２ｍｍの２つの試料ＴＲＹ−１およびＴＲＹ−２における実験結果を示し、図８は、端子２０、２４の厚さが０．５ｍｍの場合の実験結果を示す。
【００３６】
これらの特性曲線から理解されるように、接合時の電流Ｉの増加に伴い、引き剥がし強度も増加する。また、端子２０、２４の厚さが薄い程、少ない電流Ｉで所定の引き剥がし強度を得ることができる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明に係る端子の接合方法およびその装置によれば、以下のような効果ならびに利点が得られる。
【００３８】
銅または銅を含む材料で形成され、錫または錫を含有する半田がメッキされた一対の端子を電極により挟持、加圧し、該一対の電極間に電流を通電して銅と錫とを溶融させ、端子の抵抗値が一旦低下してから極大値を通過した時点で通電を停止することにより、一対の端子の間に溶融した銅と錫により金属間化合物の層が形成される。この金属間化合物は堅くて強度が高いという特徴を有し、また、金属間化合物の層は端子と一体的に形成されるため、一対の端子は互いに強固に接合され、接合強度を向上することができる。
【００３９】
さらに、ニッケルの層を含まないため、極小の泡が形成されてしまう懸念がなく、この泡に起因して接合強度が低下することもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る端子の接合方法によって接合されるワークを示す概略斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る接合方法において接合される端子の一部拡大概略断面図を示し、図２Ａは、接合される前の端子の図であり、図２Ｂは、接合された後の端子の図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る端子の接合装置を示す概略斜視図である。
【図４】図３の接合装置に使用される電極および該電極によって挟持、加圧される端子を示すブロック図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る端子の接合方法を示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施の形態に係る接合方法によって接合される端子に電流を通電したときの時間に対する抵抗値の変化を示すグラフである。
【図７】本発明の実施の形態に係る接合方法によって接合される端子（１．２ｍｍ厚さ）の電流に対する引き剥がし強度を示すグラフである。
【図８】本発明の実施の形態に係る接合方法によって接合される端子（０．５ｍｍ厚さ）の電流に対する引き剥がし強度を示すグラフである。
【図９】従来技術に係る端子の接合方法において接合される端子の一部拡大概略断面図である。
【符号の説明】
１０…ワーク                    ２０、２４…端子
２２…半田                      ２６…錫
３０…接合装置                  ３６…電流供給機構
７４ａ、７４ｂ…電極ホルダ      ８２…抵抗測定部
８６ａ、８６ｂ…電極            ９４、９６、９８…層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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