(57)【要約】【課題】接合時間を短縮するとともに、過熱を監視して安全を図る【解決手段】接合対象であるワーク１４をヒータチップ９で押圧しつつ、このヒータチップ９に通電して加熱を行う接合装置１であって、出力電流および／又は出力端子間電圧に基づいて前記通電のための出力を制御する電源部２１と、接合対象に対してヒータチップ９を近接および離隔させる昇降手段３と、ヒータチップ９の過熱を監視する温度監視部２９とを備え、この温度監視部２９は、前記ヒータチップ９と離隔して設けられ、且つ前記昇降手段３によって前記ヒータチップ９と一体的に移動する温度検知手段を含むことを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接合対象をヒータチップで押圧しつつ、このヒータチップに通電して加熱を行う接合装置であって、
出力電流および／又は出力端子間電圧に基づいて前記通電のための出力を制御する電源部と、
接合対象に対して前記ヒータチップを近接および離隔させる昇降手段と、
前記ヒータチップの過熱を監視する温度監視部とを備え、
この温度監視部は、前記ヒータチップと離隔して設けられ、且つ前記昇降手段によって前記ヒータチップと一体的に移動する温度検知手段を含むことを特徴とする接合装置。
【請求項２】
前記温度検知手段は、ヒータチップの押圧部近傍の表面温度を非接触で計測する放射温度センサであることを特徴とする請求項１に記載の接合装置。
【請求項３】
前記放射温度センサがサーモパイルを備えることを特徴とする請求項２に記載の接合装置。
【請求項４】
前記ヒータチップの押圧部近傍には、表面に黒体層が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の接合装置。
【請求項５】
前記黒体層は黒体塗料からなり、放射率が０．９０以上であり、耐熱温度が１０００℃以上であることを特徴とする請求項４に記載の接合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被覆線の熱圧着や、電子部品をリフローによりはんだ付けする接合装置に係り、特に短時間の加熱で接合する用途に使用する接合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来からヒータチップにパルスヒート電源から出力された電流を通電し、ヒータチップの抵抗発熱によって接合対象を加熱しつつ押圧することで、接合対象を接合する装置が広く用いられている。この種の接合装置は、薄膜基板やハードディスク用の磁気ヘッドへのリード線の熱圧着、プリント基板へのＩＣリード等のリフロソルダリング、被覆極微細線接合等を行う際に用いられている。
【０００３】
図４は、このような接合装置の接合動作の一例を示す図であり、モリブデン（Ｍｏ）やタングステン（W）等の、はんだが濡れ難い材料によって板状に形成されたヒータチップ５１と、このヒータチップ５１の押圧部近傍（下端近傍）に固着された熱電対５２とを備えている。ヒータチップ５１は厚さが０．８ｍｍ程度で、パルスヒート方式によって加熱される。パルスヒート方式は、パルス状の大電流をヒータチップの給電端子５１A，５１B間に流し、この時発生する抵抗発熱（ジュール熱）を利用する加熱方式である。被覆線５５は直径が数１０μｍ〜１ｍｍで、心線５７の表面がウレタン樹脂等の絶縁皮膜５８によって被覆されている。
【０００４】
被覆線５５を熱圧着するには、回路基板５３に形成されているランド部等の被接合部５４に予めはんだ層５６をめっき等によって形成しておき、その上に接合すべき被覆線５５を載置する。しかる後、ヒータチップ５１の押圧部（下端）で被覆線５５を押圧しつつパルス状の大電流を１秒から数秒の間流すと、ヒータチップ５１は抵抗発熱により加熱され、絶縁皮膜５８およびはんだ５６を溶融し、接合対象である被接合部５４と被覆線５５の心線５７とが熱圧着される。
【０００５】
ここで使用されるパルスヒート電源は複数の制御方式を採用しているが、例えば特許文献１に開示されているインバータ制御方式のパルスヒート電源の構成を、概略ブロック図である図５に基づいて説明する。図５において、符号６１は入力される商用３相交流を整流して平滑化する整流平滑部、６２は整流平滑部６１で得られた直流電圧を商用電力の周波数より十分に高い周波数（例えば１ｋＨｚ）でスイッチングし、交流電圧を得るインバータ部、６３はインバータ部６２で得られた交流を降圧して所定の低電圧で大電流の電力に変換するトランス、５１は前述したヒータチップである。
【０００６】
また、符号５２はヒータチップ５１の押圧部近傍に溶接等で固着され、ヒータチップ５１の温度を検出し電圧として出力する熱電対、６４は熱電対５２が出力する電圧を増幅する電圧増幅部、６５はヒータチップ５１の温度プロファイルを設定するパラメータ設定部である。そして符号６６はＰＷＭ制御部であり、別途設けられたスイッチからの接合開始信号１０１を受けたとき、パラメータ設定部６５に設定された温度プロファイルと電圧増幅部６４から帰還する電圧に基づき、ヒータチップ５１が所定の温度となるようにトランス６３の出力を制御する。
【０００７】
以上のように従来のパルスヒート電源は、温度センサとして熱電対を使用してヒータチップの温度を検出していた。そしてこの場合熱電対には、高温と低音の温度サイクルの影響により溶接部が剥離したり、熱電対素線が断線したりすることがあるのでヒータチップの寿命が短くなるという問題があり、加熱温度も６００℃程度が限界であった。また、ヒータチップの温度を瞬時に制御するには、帰還すべきヒータチップの温度変化に対する応答が遅く、１回の接合での通電開始から通電終了までの時間が標準で数秒かかってしまう問題や、ヒータチップに流れる加熱用の電流に含まれるノイズ成分を検出してしまうという問題も有していた。
【０００８】
そこで特許文献２で開示されているように、ヒータチップの電極間の電圧を検出してヒータチップに対する通電を帰還制御し、温度をコントロールする技術が工夫された。これはヒータチップの温度が変化することにより、このヒータチップの抵抗値が変化する現象を利用するものであり、熱電対を使用しないことで前述した問題を回避しようというものである。さらに、溶接電極に流れる電流や溶接電極間の電圧を帰還制御する溶接電源の出力端子にヒータチップを接続し、従来から溶接電源の出力制御方法として用いられてきた電流、電圧又は電力を制御パラメータとする工夫がなされてきた。
【０００９】
これらの手法、つまりヒータチップの温度制御に熱電対を使用しない手法によれば、ヒータチップの寿命が熱電対の固着状態や寿命に左右されないことに加え、応答の速い帰還制御が可能となり、熱電対で帰還制御するパルスヒート電源での接合時間が数秒かかっていたのに対し、数十ミリ秒から数百ミリ秒で接合を行うことができ、大量生産に好適である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平８−３３００５０号公報（第３頁、図１）
【特許文献２】特開２００６−２６６８３号公報（第７頁、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、ヒータチップに流れる電流やヒータチップの電極間の電圧に基づいてヒータチップの温度を制御する手法は、通電の結果であるヒータチップの温度を監視する機能に欠けているので、その安全性に問題がある。例えば加熱動作中ヒータチップが過度に昇温した場合、ヒータチップの酸化劣化が著しく進行し、ヒータチップの寿命を極端に短くしてしまう問題が考えられる。また同様に、ヒータチップが過度に昇温した場合、接合対象への熱影響を増大させ、接合品質を悪化させてしまう可能性があり、顕著な場合には接合の対象である部品そのものを劣化あるいは破壊してしまう可能性がある。
【００１２】
そこで、本発明はこれらの課題を解決すべく、接合時間の短縮を図るとともに、ヒータチップが過度に温度上昇した場合に、これを検知することが可能な接合装置を提供し、ヒータチップの酸化劣化を招き難く、接合対象への悪影響を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は第１の態様として、接合対象をヒータチップで押圧しつつ、このヒータチップに通電して加熱を行う接合装置であって、出力電流および／又は出力端子間電圧に基づいて前記通電のための出力を制御する電源部と、接合対象に対して前記ヒータチップを近接および離隔させる昇降手段と、前記ヒータチップの過熱を監視する温度監視部とを備え、この温度監視部は、前記ヒータチップと離隔して設けられ、且つ前記昇降手段によって前記ヒータチップと一体的に移動する温度検知手段を含むことを特徴とする接合装置を提供する。
【００１４】
また本発明は第２の態様として、前記温度検知手段は、ヒータチップの押圧部近傍の表面温度を非接触で計測する放射温度センサを備えることを特徴とする第１の態様として記載の接合装置を提供する。
【００１５】
また本発明は第３の態様として、前記放射温度センサがサーモパイルを備えることを特徴とする第２の態様として記載の接合装置を提供する。
【００１６】
また本発明は第４の態様として、前記ヒータチップの押圧部近傍には、表面に黒体層が形成されていることを特徴とする第１乃至第３のいずれかの態様として記載の接合装置を提供する。
【００１７】
さらに本発明は第５の態様として、前記黒体層は黒体塗料からなり、放射率が０．９０以上であり、耐熱温度が１０００℃以上であることを特徴とする第４の態様として記載の接合装置を提供する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、接合作業に要する時間が短くてすむことに加え、加熱動作中ヒータチップが過度に昇温することによってヒータチップの酸化劣化が著しく進行し、ヒータチップの寿命を極端に短くしてしまうという問題が避けられる。また同様に、ヒータチップが過度に昇温することによる接合対象への熱影響を防ぐことが可能となり、接合品質を悪化させてしまったり、接合の対象である部品そのものを劣化あるいは破壊してしまう心配がなくなる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係る接合装置の斜視図
【図２】本発明の実施形態に係る接合装置の概略ブロック図
【図３】本発明の実施形態に係る接合装置の部分断面図
【図４】従来の技術を示す接合部の模式図
【図５】従来の技術を示す概略ブロック図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
次に、添付図面を参照して、本発明に係るはんだ供給装置の実施形態を詳細に説明する。図１は本発明に係る接合装置を示す斜視図である。図１において符号１は接合装置、２は図示しない基台から立設された支柱、３は支柱２に固定された昇降手段、４は昇降手段３を駆動するモータ、５は昇降手段３の昇降部３Ａに固定された接合ヘッド、６は接合ヘッド５から下方に延出するロッド、７はロッド６の下端に固定された絶縁ブロック、８は絶縁ブロック７の下面に間隙をおいて一対設けられた給電ブロック、９は一対の給電ブロック８の各々に給電端子が固定されたヒータチップ、１０，１０は一対の給電ブロック８と図示しない電源部の出力端子とを接続する給電ケーブル、１１はロッド６の下端に絶縁ブロック７とともに固定された支持部材、１２は温度監視部を構成する温度検知手段である放射温度センサ、１３はヒータチップ９の下端である押圧部の近傍に塗布された黒体塗料、１４は接合対象であるワーク、１５は載置したワーク１４を間欠的に搬送してその接合部をヒータチップ９の直下に位置決めする搬送手段である。
【００２１】
ここで、図１において図示を省略した動作制御部の出力に基づき、搬送手段１５が駆動してワーク１４を所定の接合位置に搬送し、同様に動作制御部の出力に基づき、モータ４が駆動して昇降手段３を動作させることで、接合ヘッド５が下降して押圧動作を開始する。また、給電ケーブル１０，１０が接続されている図示を省略した電源部から加熱電流が出力され、一対の給電ブロック８に固定されたヒータチップ９に電流が供給される。さらに、放射温度センサ１２はヒータチップ９の黒体塗料１３が塗布された領域の放射熱を検知して図示しない温度監視部本体に温度情報を出力する。
【００２２】
図２は本実施形態に係る接合装置の概略ブロック図である。図２において符号２１は図１で図示を省略した電源部である。電源部２１において整流平滑部２２は整流回路と平滑コンデンサを備え、商用電力（例えば２００ボルト三相交流）を整流平滑し直流電力をインバータ部２３に出力する。インバータ部２３は入力した直流電力を商用電力の周波数よりも十分に高い周波数でスイッチングしトランス２４に出力する。トランス２４はインバータ部２３の出力を降圧し、出力電流はその二次側出力端子から給電ケーブル１０，１０によって、ヒータチップ９の両端に設けられた給電端子に導かれる。
【００２３】
前記二次側の出力電流はホール素子等のセンサ２５で検出され、出力端子間電圧とともに増幅乗算部２６に入力される。増幅乗算部２６は入力された電流、電圧および該電流と該電圧を乗算して得た電力を所定の検出レベルとなるように増幅しＰＷＭ制御部２７に出力する。ＰＷＭ制御部２７はパラメータ設定部２８からの設定信号と増幅乗算部２６からの帰還信号に基づきインバータ部２３をゲート信号によってオンオフ制御する。このような構成により、ヒータチップ９に供給される加熱電流は、電流、電圧又は電力に基づいた出力制御がなされる。
【００２４】
一方本実施形態に係る接合装置は、図２に符号２９で示す温度監視部を備えており、予め設定された異常過熱温度と、放射温度センサ１２が検出する温度とを比較し、検出した温度が異常過熱温度に達したとき、ＰＷＭ制御部２７に通電停止信号を出力するとともに、アラーム表示部３０に始動信号を出力してパトライトやブザー等のアラーム動作を開始させる。
【００２５】
ここで放射温度センサ１２は被接触でヒータチップ９の放射温度を検出する機能を有し、本実施形態では複数の熱電対を備えたサーモパイルを使用している。また、この放射温度センサ１２はヒータチップ９の押圧部近傍の温度を検知するが、検知の対象となる領域の表面には黒体層が形成してある。この黒体層は黒体塗料１３を塗布することで形成され、その放射率が０．９０以上であることが好ましい。放射率は温度が一定であっても検知の対象となる素材の材質や表面処理により異なるので、検知した放射エネルギーを補正しなければ正確な温度が測定できないが、放射率が０．９０以上であれば補正が容易に行え、０．９４以上であれば更に好ましい。また、ヒータチップ９の押圧部近傍に塗布した黒体塗料１３は耐熱塗料である必要があり、ヒータチップ９先端の温度上昇を考慮すると、耐熱温度が１０００℃以上であることが好ましく、さらにこの黒体塗料の寿命等を勘案すると耐熱温度が１５００℃以上であればなお好ましい。
【００２６】
次に図３に基づき接合動作について説明する。図３は図１で示した接合装置の側面図であり、特に接合ヘッド５について断面図を用い詳しく示してある。また、図１で示した部位と同一の部位には同じ符号を付してある。まず、図示しない動作制御部の駆動開始信号により、モータ４が昇降手段３に備えたボールねじ３１を回転させ、昇降部３Ａが下降する。昇降部３Ａには接合ヘッド５が固定され、この接合ヘッド５には上方に突出するシリンダ３２と、接合ヘッド５の下方であって上下方向に摺動可能に設けられたロッド６が保持されている。すなわちロッド６の上端の大径部６Ａがシリンダ３２内を摺動し、下部が接合ヘッド５の下方に突出している。
【００２７】
シリンダ３２内には圧縮コイルバネ３３が縮装され、この圧縮コイルバネ３３の上端に設けたバネ力調整器３４により押し下げられ、この圧縮コイルバネ３３の下端はロッド６の大径部６Ａを下方に押下している。ロッド６はその大径部６Ａが接合ヘッド５の保持部に当接することで下方への移動が制限される。バネ力調整器３４は、シリンダ３２の上端に回動可能で上下移動が規制されたストローク設定ダイヤル３５と、このストローク設定ダイヤル３５の下方に突出した送りねじ３６と、シリンダ３２内で上下にスライド可能かつ回転不可能に保持されたナット部材３７とを備える。そしてこのナット部材３７の下面に圧縮コイルバネ３３の上端が係止されている。したがってストローク設定ダイヤル３５を回転させることによって、ナット部材３７を上下動させることができ、圧縮コイルバネ３３のバネ力を設定することができる。
【００２８】
ロッド６の下端には支持部材１１とともに絶縁ブロック７が固定され、この絶縁ブロック７の下面にはさらに（図を見て前後方向に）一対の給電ブロック８が固定されている。一対の給電ブロック８には一対の給電ケーブル１０を介して図示しない電源部が接続されており、加熱電流はこの一対の給電ブロック８に固定されたヒータチップ９に供給される。更に支持部材１１には温度検知手段である放射温度センサ１２が固定されており、ヒータチップ９の押圧部近傍に塗布された黒体塗料１３が放射する熱エネルギーを検知する。ここで、ヒータチップ９と放射温度センサ１２とは、ロッド６の上下移動に対して一体的に移動するため、接合対象であるワーク１４の個々の高さに差がある場合、あるいは接合動作中にワークがつぶれることでヒータチップ９が下方に移動した場合も、放射温度センサ１２はヒータチップ９の一定の位置の温度を検知することができる。
【００２９】
モータ４によってボールねじ３１を回転させ、昇降部３Ａを下降させると、ヒータチップ９の下端である押圧部がワーク１４に当接し、ロッド６は圧縮コイルバネ３３を圧縮しつつ接合ヘッド５に対して上方に相対移動する。この時の所定相対移動は接合ヘッド５内に設けた位置検出器３８で検出される。すなわち、接合ヘッド５に固定された遮光板３９がロッド６に固定した光センサ４０の光を遮断することからロッド６の相対移動が所定量になったことを検知する。
【００３０】
このように、ロッド６の接合ヘッド５に対する相対移動が所定量になったことを検知した時点で、圧縮コイルバネ３３は所定の押圧力でロッド６を下方に押圧していることになるので、ワーク１４にはヒータチップ９の所定の押圧力が加わったことになり、ここで電源部からの加熱電流が供給される。したがって、本実施形態では電源部の出力電流および／又は出力端子間電圧に基づいて出力制御する電源部２１を備えることで、短時間で接合作業を実現可能とするのに加え、ヒータチップ９の押圧部近傍の温度を監視することで、ヒータチップ９の過熱による不都合を回避可能とするものである。
【符号の説明】
【００３１】
１  接合装置
２  支柱
３  昇降手段
４  モータ
５  接合ヘッド
６  ロッド
７  絶縁ブロック
８  給電ブロック
９  ヒータチップ
１０  給電ケーブル
１１  支持部材
１２  放射温度センサ
１３  黒体塗料
１４  ワーク
１５  搬送手段
３１  ボールねじ
３２  シリンダ
３３  圧縮コイルバネ
３４  バネ力調整器
３５  ストローク設定ダイヤル
３６  送りねじ
３７  ナット部材
３８  位置検出器
３９  遮光板
４０  光センサ
【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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