JP2008300508A

JP2008300508A - 圧着装置および電子装置の製造方法

Info

Publication number: JP2008300508A
Application number: JP2007143349A
Authority: JP
Inventors: Yuji Goto; 祐司後藤; Takuya Oga; 琢也大賀; Yuji Kawahara; 裕司川原; Norihiko Kanezuka; 憲彦金塚
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-05-30
Filing date: 2007-05-30
Publication date: 2008-12-11

Abstract

【課題】従来の圧着装置を用いて電子部品を実装した実装基板とフレキシブル基板とを加圧圧着し接着させる場合、電子部品の凹凸により実装基板とフレキシブル基板それぞれの基板面を装置のステージ上で平行に維持できないため、それらの間に挟まれた接着剤の厚みを均一にできず、接着性の弱い領域が発生するいという課題があった。
【解決手段】本発明の圧着装置は、実装基板の基板面を圧着ヘッドの圧着面と水平対向にする基板ガイドを設けたので、それぞれの基板面を平行に維持でき、接着剤の厚みを均一にし、実装基板とフレキシブル基板との間に強い接着性が得られるようになる。
【選択図】図１

Description

この発明は、電子部品等を実装した実装基板に電子部品やフレキシブル基板等の配線基板を圧着するのに用いる圧着装置と、その圧着により得られる電子装置の製造方法に関する。

従来の圧着装置は、実装基板とフレキシブル基板等の間に熱硬化性接着剤等の接着剤を挟んだ被基板を圧着装置のステージ上に設置し、加熱した圧着ヘッドを押し付けることにより前記被基板を加圧および加熱し、接着剤を加圧しながら熱硬化させ前記実装基板とフレキシブル基板を接着するものである。しかしながら従来の圧着装置では、実装基板に設けられた電子部品の持つ凹凸のため、実装基板とフレキシブル基板の間の接着剤に均一な加圧および加熱が必ずしもできないという課題があった。この課題の克服のため、従来の圧着装置の中には、装置のステージ表面や圧着ヘッド表面にゴム板などの弾性体を設けることで、圧着ヘッドの押し付け時に実装基板の電子部品をその弾性体中に埋め込ませ、実装基板とフレキシブル基板の間の接着樹脂を均一に加圧および加熱できるようにする圧着装置があった（例えば特許文献１参照）。

特開平１０−２５６３１１号公報（段落０００４、図２）

従来の弾性体を設けた圧着装置では、ステージ表面や圧着ヘッド表面に設けた弾性体により、圧着ヘッド押し付け時の実装基板の電子部品の凹凸の影響を緩和するようにしている。しかし、被基板をステージに設置する際、実装基板の一部の電子部品とステージの弾性体の一部のみが接触するので片持ち状態になりやすく、ステージ面に対して実装基板の基板面が傾くことがあった。基板面が傾いた被基板を圧着ヘッドで押し付けると、基板面の傾きが維持されたまま加圧されるので、実装基板とフレキシブル基板間の隙間に勾配が生じ、接着剤の厚みを均一にできなくなるという問題点があった。すなわち、実装基板とフレキシブル基板間の接着剤の厚みが均一でないために、接着性の弱い領域が発生した電子装置になるという課題を持っていた。また、弾性体が被基板を介して圧着ヘッドに押し付けられ、変形して生じた反力が実装基板に加わった状態での接着となり、実装基板は圧着ヘッドの加圧領域の外端部から反りやすく、また接着層の一部に応力が残留しやすくなっていた。したがって、従来の圧着装置を用いた接着では、実装基板とフレキシブル基板間に接着性の弱い領域が発生するという課題があった。

この発明は上記のような課題を解決し、実装基板とフレキシブル基板等の配線基板との間の接着剤の厚さを均一にできる圧着装置を得ることを目的とする。

本発明の圧着装置は、弾性体がその主面に配置されたステージと、配線基板と実装基板とを載置するための基板ガイドと、ステージと対になって実装基板と配線基板とを加圧するための圧着ヘッドと、圧着ヘッドを前記ステージに対して進退自在に移動させるアクチュエータ機構とを備え、基板ガイドは圧着中に圧着ヘッドの加圧動作に連動して加圧方向へ移動することを特徴とするものである。

上記のように構成された圧着装置によれば、配線基板と実装基板とを載置した基板ガイドが、圧着ヘッドとともに連動して移動する。そのため、圧着ヘッドによって押された実装基板が弾性体からの反力によって反ることが抑制される。したがって、実装基板の基板面が圧着ヘッドの圧着面に対して傾かなくなり、実装基板とフレキシブル基板間の接着剤の厚さを均一にできるようになる。その結果、実装基板とフレキシブル基板間の接着性を高くした電子装置を得ることができるという効果を有する。

実施の形態１
以下図面に基づき、本発明の実施の形態１について詳細に説明する。図１は本発明の一実施例である圧着装置の基板ガイドに被基板を設置したときの側面図である。図２は圧着ヘッドを降下し、被基板を圧着ヘッドにより押さえ始めた状態を示す側面図である。図３は、さらに圧着ヘッドを降下し、被基板の接着層が圧着変形した状態を示す側面図である。なお、図１ないし図３中の同一部分または相当部分には同一の符号を付与している。

図１に示すように本発明の実施の形態１の圧着装置のステージ支持台１０上には、ステージ１１と鉛直方向に延びたステージ支持柱１２が設けられている。ステージ１１の上には弾性体２０が備えられ、ステージ支持柱１２には、第１リニアガイド１２１およびストッパ１２２が設けられている。弾性体２０には、例えば板状のシリコンゴムを用いる。ステージ１１の上方には、一軸方向に進退制御されるアクチュエータ３０が設けられている。このアクチュエータ３０には圧着ヘッド４０およびプッシャ支持梁５１が接続され、共にステージ１１に向かって上下に移動する。また、プッシャ支持梁５１にはプッシャ５２が接続されており、前記圧着ヘッド４０と連動して上下に移動する。前記ステージ１１と圧着ヘッド４０との間には基板ガイド６０が配置されている。この基板ガイド６０には前記第１リニアガイド１２１に嵌合し基板ガイド６０を一軸方向に進退可動とする第２リニアガイド６２１が備えられ、ステージ支持台１０との間に設けられたスプリング８１によって押上げられている。基板ガイド６０は、前記プッシャ５２に押し付けられ上下に連動する。また、基板ガイド６０には、実装基板７１の基板面７１０を前記圧着ヘッド４０の圧着面４００に対して平行となるように対向させて保持・固定するための嵌め込み用の受けを持った基板ホルダ６１が備わっている。基板ガイド６０および基板ホルダ６１は、前記弾性体２０を挿入可能とする大きさの空隙部を有し、その空隙部を弾性体２０が挿入され、あるいは通れるようになっている。すなわち、前記弾性体２０を基板ガイド６０の上面を含む面と下面を含む面と内壁面とで形成する空隙部ならびに、基板ホルダ６１の嵌め込み用の受け面を含む面と下面を含む面と内壁面とで形成する空隙部に挿入でき、通れるようになっている。なお、基板ガイド６０および基板ホルダ６１は一体物であっても良いし、分離できる別々の構造体であっても良い。また、基板ホルダ６１は、必ずしも嵌め込み用の受けを持ったものである必要性はなく、実装基板７１の基板面７１０を前記圧着ヘッド４０の圧着面４００に対して平行となるように対向させて保持・固定できるものであればよい。弾性体２０の圧着面２００のもつ加圧領域は圧着ヘッド４０の圧着面４００のもつ加圧領域より狭くなっている。また、基板ガイド６０は、ストッパ１２２とスプリング８１の間に把持されることにより、その間のみを第１リニアガイド１２１に沿って移動できるようになっている。圧着ヘッド４０には接着剤７２を加熱するためのヒータ４１を設けても良い。プッシャ支持梁５１とプッシャ５２には、圧着時の圧着ヘッド４０の圧着面４００と基板ガイド６０との相対的な距離を設定するための一対の雌ネジと雄ネジからなる調整ネジ５２０が設けられ、必要に応じて調整ネジ５２０を回転させることで、プッシャ５２の長さの調整ができるようになっている。

実施の形態１における被基板７０は、電子部品７１１が実装され、電極７１２が形成された実装基板７１上に例えば導電粒子７２１を内部に含んだ熱硬化性の接着剤７２を塗布し、その上に電極７３２や図示しない配線を実装したフレキシブル基板７３が、電極７１２と電極７３２が対応する関係に対向するように設置され仮留めされたものである。

以下、本発明の実施の形態１における圧着装置の動作について説明する。図１に示すように、圧着装置の基板ホルダ６１のホールド面６１１に実装基板７１を設置する。このとき、実装基板７１の基板面７１０は圧着ヘッド４０の圧着面４００と平行となるように対向に配置されている。また、電子部品７１１を設けた実装基板７１の第１の面は下側を向いており、弾性体２０の圧着面２００と対向に配置されている。なお、この時点では前記実装基板７１の電子部品７１１と弾性体２０の圧着面２００は接触していない。そのため、実装基板７１の姿勢は、電子部品７１１の形状に影響されることはない。電極７１２を設けた実装基板７１の第２の面は上を向いていて、圧着ヘッド４０の圧着面４００と平行となるように対向に配置されている。また、この実装基板７１の第２の面上には熱硬化性の接着剤７２が塗布され、さらにその上にフレキシブル基板７３が設置されている。このとき電極７３２が設けられたフレキシブル基板７３の第１の面は、前記接着剤７２と接触している。また、フレキシブル基板７３の第２の面と圧着ヘッド４０は、非接触の対向関係にある。なお、このときのプッシャ５２は基板ガイド６０と接触していない。

図２はアクチュエータ３０を駆動し、圧着ヘッド４０とプッシャ支持梁５１ならびにプッシャ５２を下降させたときの様子を示す。前記圧着ヘッド４０の圧着面４００は、フレキシブル基板７３の第２の面と平行状態を保って接触する。なお、フレキシブル基板７３と圧着ヘッド４０の接触するタイミングは、プッシャ５２と基板ガイド６０の接触するタイミングで調整される。具体的には、調整ネジ５２０によりプッシャ５２の長さを調整することから実施される。そのため接触後のプッシャ５２の下降に対して、圧着ヘッド４０と基板ガイド６０ないし基板ホルダ６１との距離は一定となる。なお、図２では凹凸のある電子部品７１１と弾性体２０とは非接触である。そのため、実装基板７１の姿勢は電子部品７１１の形状に影響されることはない。

アクチュエータ３０をさらに駆動し、圧着ヘッド４０とプッシャ支持梁５１ならびにプッシャ５２をさらに下降させる。基板ガイド６０および基板ホルダ６１はさらに下降し、弾性体２０は電子部品７１１と接触する。この瞬間から実装基板７１は弾性体２０からの反力を受ける。ただし、フレキシブル基板７３の第２の面と圧着ヘッド４０の圧着面４００は平行状態を保って接触しており、また、実装基板７１の基板面７１０と圧着ヘッド４０の圧着面４００も平行となるよう対向状態にある。そのため基板面７１０の姿勢は、その後の下降に対しても維持され、また、電子部品７１１は弾性体２０のなかに埋め込まれていく。したがって、実装基板７１とフレキシブル基板７３間の隙間を均一に維持しながら、弾性体２０からの反力によって接着剤はしだいに薄くなっていく。

図３はアクチュエータ３０をさらに駆動し、被基板７０を圧着するために必要な所定距離まで圧着ヘッド４０を下降させた後に、アクチュエータ３０を停止したときの様子を示す。このときの弾性体２０の圧着面２００のもつ加圧領域は圧着ヘッド４０の圧着面４００のもつ加圧領域より狭くなっている。そのため、圧着ヘッド４０の加圧領域外の範囲にある実装基板７１の領域は、弾性体２０からの反力を受けないため反ることがない。また、弾性体２０からの反力による余分な応力の残留も抑止できる。このような加圧状態を確保した上で、圧着ヘッド４０のヒータ４１に通電し加熱することから、実装基板７１とフレキシブル基板７３間の熱硬化性接着剤の厚さを均一にした状態で、硬化させることが可能となる。したがって、本発明の圧着装置を用いることにより、実装基板７１とフレキシブル基板７３間を均一に接着でき、機械的接合強度を高くした電子装置を得ることができるという効果が得られる。

なお、本発明の実施の形態１において用いた被基板７０は必ずしも仮留めされていなくてもよく、基板ホルダ６１の上に設置された実装基板７１上に接着剤７２を塗布し、その上に置かれたフレキシブル基板７３であっても良い。さらに、フレキシブル基板７３は、必ずしもフレキシブルである必要性はなく、剛体のソリッド基板であっても良い。また、接着剤７２は、導電粒子７２１を内部に含んだ熱硬化性の接着剤であるが、必ずしもその必要性はなく、他のゲル状あるいは液状の、例えば、エポキシ系接着剤、瞬間接着剤等の化学反応形の接着剤や溶剤を蒸発させることで硬化する接着剤等であっても良い。そして、熱硬化性接着剤以外の硬化性の接着剤を用いた場合、その用いた接着剤にあわせた方法で接着剤を硬化させればよい。

実施の形態２
以下図面に基づき、本発明の実施の形態２について詳細に説明する。図４は本発明の一実施例である圧着装置の基板ガイドに被基板を設置したときの側面図である。図５は圧着ヘッドを降下し、その圧着ヘッドにより被基板の接着層が圧着変形した状態を示す側面図である。なお、図４または図５中の各部位において、図１ないし図３と同一部分ないし相当部分には同一の符号を付与している。

図４に示すように本発明の実施の形態２の圧着装置は、実施の形態１で用いた圧着装置の第１リニアガイド１２１と第２リニアガイド６２１およびストッパ１２２とスプリング８１を別の機構であるジャッキ１００に置換えた点と、プッシャ５２の押す個所を基板ガイド６０から基板ホルダ６１に変更した点のみにおいて、実施の形態１の圧着装置と異なっている。従って、実施の形態２の圧着装置の動作や作用効果は、ジャッキ１００に起因する動作や作用効果を除いて、実施の形態１と同じである。

以下、本発明の実施の形態２における圧着装置の動作について説明する。図４に示すように本発明の実施の形態２の圧着装置の基板ガイド６０はジャッキ１００に支持されている。また、実装基板７１は圧着装置の基板ホルダ６１のホールド面６１１に設置されている。ジャッキ１００は、ヒンジ１１３によって回転連結されたリンク１１１とリンク１１２によって上下に伸縮できるようになっている。より詳細に説明する。リンク１１１の下端はステージ支持台１０に設けられた固定ヒンジ１０１に連結されている。リンク１１２の下端はステージ支持台１０上を一軸方向に移動できるカムフォロア１０２に連結されている。このカムフォロア１０２はステージ支持台１０上を移動できるので、ジャッキ１００は上下に伸縮できるようになっている。また、カムフォロア１０２の移動範囲はステージ支持台１０上のストッパ１０４の位置とスプリング１０３の押し付けにより制限がかけられている。ジャッキ１００上に配置された基板ガイド６０は、スプリング１０３によって上方に押し付けられながら、カムフォロア１０２の移動範囲内で上下に移動できるようになっている。このような構成のため、アクチュエータ３０を下降させプッシャ５２で基板ホルダ６１を押し付けると、ジャッキ１００もそれに連動して縮むので、結果的に、基板ホルダ６１はプッシャ５２の動きに連動して下降する。実装基板７１の基板面７１０は圧着ヘッド４０の圧着面４００と平行となるように対向に配置されている。電子部品７１１を設けた実装基板７１の第１の面は下側を向いており、弾性体２０の圧着面２００と対向に配置されている。なお、図４では前記実装基板７１の電子部品７１１と弾性体２０の圧着面２００は接触していない。従って実装基板７１の姿勢は、電子部品７１１の形状に影響されることはない。

アクチュエータ３０を駆動し、圧着ヘッド４０とプッシャ支持梁５１ならびにプッシャ５２を下降させると、実施の形態１と同様に前記圧着ヘッド４０の圧着面４００とフレキシブル基板７３の第２の面が接触する。その後、基板ガイド６０および基板ホルダ６１がさらに下降すると、弾性体２０が電子部品７１１と接触する。そして電子部品７１１は弾性体２０のなかに埋め込まれていく。このとき、実装基板７１とフレキシブル基板７３間の隙間は、実施の形態１と同様に均一に維持され、弾性体２０からの反力により接着剤は薄くなっていく。

図５はアクチュエータ３０をさらに駆動し、被基板７０を圧着するために必要な所定距離まで圧着ヘッド４０を下降させた後に、アクチュエータ３０を停止したときの様子を示す。このときの弾性体２０の圧着面２００のもつ加圧領域は圧着ヘッド４０の圧着面４００のもつ加圧領域より狭くなっている。このような加圧状態を確保した上で、圧着ヘッド４０のヒータ４１に通電し加熱することから、実装基板７１とフレキシブル基板７３間の熱硬化性接着剤の厚さを均一にした状態で、硬化させることが可能となる。したがって、本発明の圧着装置を用いることにより、実装基板７１とフレキシブル基板７３間を均一に接着でき、機械的接合強度を高くできるという効果が得られる。また、実施の形態２ではジャッキ１００を用いたことから、実施の形態１に比べて装置の設置面積を狭くできるという効果が得られる。

実施の形態３
以下図面に基づき、本発明の実施の形態３について詳細に説明する。図６は本発明の一実施例である圧着装置の基板ガイドに被基板を設置したときの側面図である。図７は圧着ヘッドを降下し、その圧着ヘッドにより被基板の接着層が圧着変形した状態を示す側面図である。なお、図６または図７中の各部位において、図１ないし図５と同一部分ないし相当部分には同一の符号を付与している。

図６に示すように本発明の実施の形態３の圧着装置は、実施の形態１で用いた圧着装置のプッシャ５２ならびにストッパ１２２とスプリング８１を別の構成であるサーボ制御機構に置換えたものである。サーボ制御機構は、ステージ支持台１０の定盤面の鉛直方向に延びたステージ支持柱１２に支持されたサーボモータ９０を制御し、ボールネジ９１で駆動力を伝達することにより、基板ガイド６０を移動させるものであって、それ以外の構成は実施の形態１の圧着装置と全く同じである。サーボモータ９０はアクチュエータ３０の駆動と連動するように制御されており、圧着ヘッド４０の動きに連動して基板ガイド６０を上下に移動させる。また、圧着ヘッド４０と基板ガイド６０の相対的な距離を変えて制御させることも、その制御系に予め動作パターンを設定しておくことで対応可能である。

以下、本発明の実施の形態３における圧着装置の動作について説明する。図６に示すよう基板ホルダ６１には、実装基板７１の基板面７１０が圧着ヘッド４０の圧着面４００に平行となるように対向するよう設置されている。また、電子部品７１１を設けた実装基板７１の第１の面は下側を向き、弾性体２０の圧着面２００と対向に配置されている。

アクチュエータ３０を駆動し圧着ヘッド４０を下降させると、サーボモータ９０も連動してボールネジ９１を下降方向に回転させる。ボールネジ９１に螺合把持された基板ガイド６０は、ボールネジ９１の下降方向の回転により、圧着ヘッド４０の動きと連動して下降する。実施の形態１と同様に圧着ヘッド４０の圧着面４００とフレキシブル基板７３の第２の面が接触する。その後、弾性体２０は基板ガイド６０および基板ホルダ６１がさらに下降すると、電子部品７１１と接触する。そして電子部品７１１は弾性体２０のなかに埋め込まれていく。このとき、実装基板７１とフレキシブル基板７３間の隙間は、実施の形態１と同様に均一に維持され、弾性体２０からの反力により接着剤は薄くなっていく。

図７はアクチュエータ３０をさらに駆動し、被基板７０を圧着するために必要な所定距離まで圧着ヘッド４０を下降させた後に、アクチュエータ３０を停止したときの様子を示す。このときの弾性体２０の圧着面２００のもつ加圧領域は、圧着ヘッド４０の圧着面４００のもつ加圧領域より狭くなっている。このような加圧状態を確保した上で、圧着ヘッド４０のヒータ４１に通電し加熱することから、実装基板７１とフレキシブル基板７３間の熱硬化性接着剤の厚さを均一にした状態で、硬化させることが可能となる。したがって、本発明の圧着装置を用いることにより、実装基板７１とフレキシブル基板７３間を均一に接着でき、機械的接合強度を高くできるという効果が得られる。また、実施の形態３ではサーボ制御機構を用いたことからプッシャ５２を必要とせず、実施の形態１のようなプッシャ５２と基板ガイド６０との接触に伴う振動や騒音を無くすことができ、上下動作を高速化できるという効果が得られる。

実施の形態４
以下図面に基づき、本発明の実施の形態４について詳細に説明する。図８は本発明の圧着装置に用いられる基板ガイドに取付けられる別構造の基板ホルダに関する側面図である。なお、図８中の各部位において、図１ないし図７と同一部分ないし相当部分には同一の符号を付与している。

本発明の実施の形態１ないし実施の形態３に用いた基板ホルダ６１は、実装基板７１の基板面７１０を圧着ヘッド４０の圧着面４００に対して平行となるように対向させて保持・固定するための嵌め込み用の受けを持った構造であった。これに対して、本発明の実施の形態４における圧着装置の基板ホルダ６１は、特に嵌め込み用の受けのかわりに、位置決めピン６１１とそれを挿入できるピン穴６１２を複数個所に開けたものである。位置決めピン６１１は、基板ガイド６０に設けられた基板ホルダ６１上に開けられたピン穴６１２に差し込み固定される。実施の形態１ないし実施の形態３では、基板ホルダ６１の受けの形状を実装基板７１の外形に合わせて変更する必要があった。これに対して実施の形態４では、以下に説明するように実装基板７１の形状が変更されても必ずしも実装基板７１の外形に合わせて変更する必要がないという特徴を有する。例えば、予め基板ホルダ６１の任意の位置に複数のピン穴６１２を開けておき、外形形状の異なる実装基板７１ごとに、それぞれ適した位置を選択し、その位置に位置決めピン６１１を取付けられるようにしておけばよい。すなわち、実装基板の外形形状に対応した位置に位置決めピン６１１を取付けることから、それぞれの実装基板の基板面を圧着ヘッド４０の圧着面４００に対して平行となるように対向させて保持・固定できるようにすればよい。その結果、実施の形態４の基板ホルダ６１においては、実装基板７１の品種切り替え時の作業量を低減できるという効果が得られる。

本発明の実施の形態１による圧着装置を示す側面図である。本発明の実施の形態１による圧着装置を示す側面図である。本発明の実施の形態１による圧着装置を示す側面図である。本発明の実施の形態２による圧着装置を示す側面図である。本発明の実施の形態２による圧着装置を示す側面図である。本発明の実施の形態３による圧着装置を示す側面図である。本発明の実施の形態３による圧着装置を示す側面図である。本発明の実施の形態４における基板ホルダを示す側面図である。

符号の説明

１１ステージ、２０弾性体、
３０アクチュエータ、４０圧着ヘッド、
４１ヒータ、６０基板ガイド、
５２プッシャ、７１実装基板、
５２０調整ネジ

Claims

弾性体がその主面に配置されたステージと、配線基板と実装基板とを載置するための基板ガイドと、前記ステージと対になって前記実装基板と配線基板とを加圧するための圧着ヘッドと、前記圧着ヘッドを前記ステージに対して進退自在に移動させるアクチュエータ機構とを備え、前記基板ガイドは圧着中に前記圧着ヘッドの加圧動作に連動して加圧方向へ移動することを特徴とする圧着装置。
圧着ヘッドの圧着面の面積が、ステージの弾性体と実装基板との圧着係合時の接触面のなす面積より広いことを特徴とする請求項１に記載の圧着装置。
圧着ヘッドに加熱手段が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧着装置。
圧着ヘッドと基板ガイドの相対的な距離を設定する調整機構が設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の圧着装置。
圧着ヘッドと基板ガイドの相対的な距離を設定する調整ネジがアクチュエータ機構に接続されたプッシャに設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の圧着装置。
圧着装置を使用して配線基板と実装基板とを熱圧着して電子装置を製造する方法において、前記配線基板と前記実装基板とが前記圧着装置の基板ガイドに載置され、前記配線基板と前記実装基板とが前記圧着装置の圧着ヘッドと弾性体がその主面に配置されたステージとによって挟持される工程と、前記挟持される工程に引き続いて前記圧着ヘッドによって加圧され、該加圧時に前記圧着ヘッドに連動して前記基板ガイドが加圧方向へ移動する工程とを備えた電子装置の製造方法。