説明

接合装置

【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。

【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

【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。

【図1】
image rotate

【図2】
image rotate

【図3】
image rotate

【図4】
image rotate

【図5】
image rotate


【公開番号】特開2012−186398(P2012−186398A)
【公開日】平成24年9月27日(2012.9.27)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−49738(P2011−49738)
【出願日】平成23年3月8日(2011.3.8)
【公序良俗違反の表示】
(特許庁注:以下のものは登録商標)
1.パトライト
【出願人】(000227836)日本アビオニクス株式会社 (197)
【Fターム(参考)】