JP5653652B2

JP5653652B2 - 熱硬化性樹脂接合方法及び熱硬化性樹脂接合装置

Info

Publication number: JP5653652B2
Application number: JP2010111125A
Authority: JP
Inventors: 丈典大宮; 諭大石
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2010-05-13
Filing date: 2010-05-13
Publication date: 2015-01-14
Anticipated expiration: 2030-05-13
Also published as: JP2011235604A

Description

本発明は、レーザ光の照射によって熱硬化性樹脂剤を硬化させ、部材同士を接合して熱硬化性樹脂接合体を製造する熱硬化性樹脂接合方法及び熱硬化性樹脂接合装置に関する。

上記技術分野における従来の熱硬化性樹脂接合方法として、接合すべき部材同士の間に熱硬化性樹脂剤を配置した状態で、少なくとも一方の部材にレーザ光を照射することにより当該部材を発熱させ、その熱によって熱硬化性樹脂剤を硬化させるものが知られている（例えば特許文献１，２参照）。

特開平５−２９０４９０号公報特開平２−１９７３８５号公報

しかしながら、上述したような熱硬化性樹脂接合方法では、熱硬化性樹脂剤のうち、発熱した部材に接触する表面部は十分に加熱されて硬化しても、内部は十分に加熱されず硬化しないおそれがある。特に、外部への熱硬化性樹脂剤の露出面積が大きい一方で、部材に対する熱硬化性樹脂剤の接触面積が小さい場合（例えば、接合すべき部材同士によって形成された隅部に熱硬化性樹脂剤が盛られるように配置される場合）には、熱硬化性樹脂剤の内部が硬化しないおそれが高まる。

また、接合すべき部材の光吸収率が低いと、そのような部材は、熱硬化性樹脂剤の全体を硬化させるのに十分な熱を発し得ない。そのため、上述したような熱硬化性樹脂接合方法には、接合すべき部材の光吸収率が高い必要があるといった制約も存在する。

なお、レーザ光を熱硬化性樹脂剤に照射して吸収させ、熱硬化性樹脂剤自体の発熱によって熱硬化性樹脂剤を硬化させようとすると、熱硬化性樹脂剤においてレーザ光が入射する表面部に、入熱過多による損傷（気泡、白濁、焼損等）が生じるおそれがある。しかも、熱硬化性接着剤の硬化時に網目状架橋反応が進むこと等が光散乱要因となって、熱硬化性樹脂剤の内部にレーザ光が十分に到達せず、熱硬化性樹脂剤の内部が硬化しないおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、レーザ光の照射によって熱硬化性樹脂剤を良好に硬化させることができる熱硬化性樹脂接合方法及び熱硬化性樹脂接合装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の熱硬化性樹脂接合方法は、レーザ光の照射によって熱硬化性樹脂剤を硬化させ、第１の部材と第２の部材とを接合して熱硬化性樹脂接合体を製造する熱硬化性樹脂接合方法であって、レーザ光は、熱硬化性樹脂剤の光吸収率が最高となる波長よりも長い波長を有しており、熱硬化性樹脂剤の表面部から熱硬化性樹脂剤の内部に収束するように、表面部から内部に入射させられ、熱硬化性樹脂剤に照射されるレーザ光の強度は、第１の光強度から、第１の光強度よりも低い第２の光強度に変化させられることを特徴とする。また、本発明の熱硬化性樹脂接合装置は、レーザ光の照射によって熱硬化性樹脂剤を硬化させ、第１の部材と第２の部材とを接合して熱硬化性樹脂接合体を製造する熱硬化性樹脂接合装置であって、熱硬化性樹脂剤の光吸収率が最高となる波長よりも長い波長を有するレーザ光を出射する光源と、熱硬化性樹脂剤の表面部から熱硬化性樹脂剤の内部に収束するように、レーザ光を表面部から内部に入射させる集光光学系と、熱硬化性樹脂剤に照射されるレーザ光の強度を、第１の光強度から、第１の光強度よりも低い第２の光強度に変化させる手段と、を備える。

この熱硬化性樹脂接合方法及び熱硬化性樹脂接合装置では、熱硬化性樹脂剤の光吸収率が最高となる波長よりも長い波長を有するレーザ光が熱硬化性樹脂剤に照射される。これにより、熱硬化性樹脂剤においてレーザ光が入射する表面部で吸収されるレーザ光の光量が減少し、熱硬化性樹脂剤の内部に到達するレーザ光の光量が増加する。加えて、レーザ光が長い波長を有するので、熱硬化性樹脂剤でのレーザ光の散乱が抑制され、熱硬化性樹脂剤の内部にレーザ光が進行し易くなる。従って、熱硬化性樹脂剤の表面部だけでなく内部も十分に加熱されて、熱硬化性樹脂剤の全体が硬化する。更に、レーザ光は、熱硬化性樹脂剤の表面部から内部に収束するように、熱硬化性樹脂剤の表面部から内部に入射させられる。このことと、熱硬化性樹脂剤の表面部で吸収されるレーザ光の光量が減少することが相俟って、熱硬化性樹脂剤の表面部での損傷の発生が防止される。よって、この熱硬化性樹脂接合方法によれば、レーザ光の照射によって熱硬化性樹脂剤を良好に硬化させることができる。また、熱硬化性樹脂剤の温度を硬化開始温度以上に素早く上昇させた後、熱硬化性樹脂剤の温度を硬化開始温度以上かつ損傷発生温度以下に保持して、熱硬化性樹脂剤の全体を良好に硬化させることができる。

ここで、レーザ光は、表面部において、光軸に対して垂直な断面形状が環形状となるように、熱硬化性樹脂剤に照射されることが好ましい。これによれば、熱硬化性樹脂剤におけるレーザ光の照射領域の中心部に、入熱過多による損傷が生じるのを防止することができる。しかも、レーザ光が熱硬化性樹脂剤の表面部から内部に収束しているため、光吸収によって減衰する光密度が補われて、熱硬化性樹脂剤の表面部から内部に至る熱硬化性樹脂剤の全体を硬化させることができる。

また、本発明の熱硬化性樹脂接合方法は、レーザ光の照射によって熱硬化性樹脂剤を硬化させ、第１の部材と第２の部材とを接合して熱硬化性樹脂接合体を製造する熱硬化性樹脂接合方法であって、レーザ光は、熱硬化性樹脂剤の光吸収率が最高となる波長よりも長い波長を有しており、熱硬化性樹脂剤の表面部から熱硬化性樹脂剤の内部に収束するように、表面部から内部に入射させられ、熱硬化性樹脂剤に照射されるレーザ光の集光スポットの位置は、第１の位置から、第１の位置よりも表面部に近い第２の位置に変化させられることを特徴とする。また、本発明の熱硬化性樹脂接合装置は、レーザ光の照射によって熱硬化性樹脂剤を硬化させ、第１の部材と第２の部材とを接合して熱硬化性樹脂接合体を製造する熱硬化性樹脂接合装置であって、熱硬化性樹脂剤の光吸収率が最高となる波長よりも長い波長を有するレーザ光を出射する光源と、熱硬化性樹脂剤の表面部から熱硬化性樹脂剤の内部に収束するように、レーザ光を表面部から内部に入射させる集光光学系と、熱硬化性樹脂剤に照射されるレーザ光の集光スポットの位置を、第１の位置から、第１の位置よりも表面部に近い第２の位置に変化させる手段と、を備える。
この熱硬化性樹脂接合方法及び熱硬化性樹脂接合装置では、熱硬化性樹脂剤の光吸収率が最高となる波長よりも長い波長を有するレーザ光が熱硬化性樹脂剤に照射される。これにより、熱硬化性樹脂剤においてレーザ光が入射する表面部で吸収されるレーザ光の光量が減少し、熱硬化性樹脂剤の内部に到達するレーザ光の光量が増加する。加えて、レーザ光が長い波長を有するので、熱硬化性樹脂剤でのレーザ光の散乱が抑制され、熱硬化性樹脂剤の内部にレーザ光が進行し易くなる。従って、熱硬化性樹脂剤の表面部だけでなく内部も十分に加熱されて、熱硬化性樹脂剤の全体が硬化する。更に、レーザ光は、熱硬化性樹脂剤の表面部から内部に収束するように、熱硬化性樹脂剤の表面部から内部に入射させられる。このことと、熱硬化性樹脂剤の表面部で吸収されるレーザ光の光量が減少することが相俟って、熱硬化性樹脂剤の表面部での損傷の発生が防止される。よって、この熱硬化性樹脂接合方法によれば、レーザ光の照射によって熱硬化性樹脂剤を良好に硬化させることができる。また、熱硬化性樹脂剤において、レーザ光の進行方向における上流側部分の硬化に起因して、当該方向における下流側部分へのレーザ光の進行が妨げられることを防止して、熱硬化性樹脂剤の全体を良好に硬化させることができる。

本発明によれば、レーザ光の照射によって熱硬化性樹脂剤を良好に硬化させることができる。

本発明の一実施形態の熱硬化性樹脂接合方法によって製造された熱硬化性樹脂接合体の斜視図である。本発明の一実施形態の熱硬化性樹脂接合方法に用いられる集光光学系の構成図である。図２の集光光学系を通過したレーザ光の集光スポット到達前の光強度プロファイルを示すグラフである。レーザ光の波長と熱硬化性樹脂剤の光吸収率との関係を示すグラフである。本発明の一実施形態の熱硬化性樹脂接合方法を説明するための断面図である。本発明の一実施形態の熱硬化性樹脂接合方法を説明するための断面図である。熱硬化性樹脂剤の表面部からの深さとレーザ光の中心部のエネルギ密度との関係を示すグラフである。熱硬化性樹脂剤の温度及びレーザ光のレーザ出力の時間変化を示すグラフである。本発明の他の実施形態の熱硬化性樹脂接合方法を説明するための断面図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態の熱硬化性樹脂接合方法によって製造された熱硬化性樹脂接合体の斜視図である。図１に示されるように、熱硬化性樹脂接合体１０は、長方形板状の第１の部材１１及び第２の部材１２が熱硬化性樹脂剤１３によって接合されたものである。第１の部材１１と第２の部材１２とは、部材１１の表面１１ｆの一部と部材１２の裏面１２ｒの一部とが接触した状態で接合されている。熱硬化性樹脂剤１３は、第１の部材１１の表面１１ｆと第２の部材１２の端面１２ｅとで形成された隅部に盛られるように配置されている。

なお、各部材１１，１２の形状としては、長方形板状に限定されず、様々な形状を適用することができる。また、各部材１１，１２の材料としては、ガラス、金属、樹脂等、様々な材料を適用することができ、光吸収率が高い材料であっても、光吸収率が低い材料であってもよい。また、熱硬化性樹脂剤１３による部材１１，１２の接合は、仮接合であっても、本接合であってもよい。

図２は、本発明の一実施形態の熱硬化性樹脂接合方法に用いられる集光光学系の構成図である。図２に示されるように、集光光学系１は、レーザ光Ｌの光源ＬＳ側から順に、コリメート用レンズ２、集光用レンズ３及び円錐凹状のアキシコンレンズ４が光軸ＯＡ上に配置されて構成されている。この集光光学系１をレーザ光Ｌが通過すると、光軸ＯＡに対して垂直なレーザ光Ｌの断面形状は、集光スポットＦＳに対して光源ＬＳ側で円環形状となり、集光スポットＦＳに対して光源ＬＳと反対側で中実円形状となる。

図３は、図２の集光光学系を通過したレーザ光の集光スポット到達前の光強度プロファイルを示すグラフである。図３に示されるように、レーザ光Ｌの光強度プロファイルは、集光スポットＦＳ到達前において、ガウシアン分布やトップハット分布のレーザ光の光強度プロファイルとは逆に、中央部の光強度が周囲部の光強度よりも低いものとなっている。なお、図３の光強度プロファイルは、光軸ＯＡ及びレーザ光Ｌの進行方向と直交する方向にレーザ光Ｌの光強度を積分した場合である。

ここで、レーザ光Ｌは、熱硬化性樹脂剤１３の光吸収率が最高となる波長よりも長い波長を有している。図４は、レーザ光の波長と熱硬化性樹脂剤の光吸収率との関係を示すグラフである。図４に示されるように、熱硬化性樹脂剤には、レーザ光の波長が長くなるに従って光吸収率が徐々に低くなるもの（例１）や、所定の波長において光吸収率のピーク値を有するもの（例２）がある。熱硬化性樹脂剤１３が例１や例２の熱硬化性樹脂剤である場合には、レーザ光Ｌとして、半導体レーザで発振可能な近赤外波長（例えば波長９４０ｎｍ）のレーザ光を用いればよい。なお、熱硬化性樹脂剤には、寸法精度や熱伝導率等といった所望の特性を発揮させるべく、金属粉、無機フィラー、樹脂添加物等が入れられるので、例１や例２のように光吸収特性に違いが生じる。

次に、集光光学系１を用いて熱硬化性樹脂接合体１０を製造する熱硬化性樹脂接合方法について説明する。まず、図５に示されるように、部材１１の表面１１ｆの一部と部材１２の裏面１２ｒの一部とが接触した状態で部材１１，１２を保持する。そして、部材１１の表面１１ｆと部材１２の端面１２ｅとで形成された隅部に、硬化前の熱硬化性樹脂剤１３を配置する。

続いて、図６に示されるように、外部に露出する熱硬化性樹脂剤１３の表面部１３ｓを光軸ＯＡが通るように集光光学系１を設定する。そして、熱硬化性樹脂剤１３の光吸収率が最高となる波長よりも長い波長を有するレーザ光Ｌを熱硬化性樹脂剤１３に照射する。このとき、レーザ光Ｌは、熱硬化性樹脂剤１３の表面部１３ｓから内部１３ｉに収束するように（すなわち、理論上の（熱硬化性樹脂剤１３による散乱や部材１１，１２の存在を考慮しない場合の）集光スポットＦＳの位置がレーザ光Ｌの入射方向において表面部１３ｉの下流側となるように）、熱硬化性樹脂剤１３の表面部１３ｓから内部１３ｉに入射させられる。これにより、熱硬化性樹脂剤１３自体が発熱し、その熱によって熱硬化性樹脂剤１３が硬化して、熱硬化性樹脂接合体１０が得られる。

なお、レーザ光Ｌの集光スポットＦＳは、熱硬化性樹脂剤１３の外部に位置していてもよし、熱硬化性樹脂剤１３の内部１３ｉに位置していてもよい。また、レーザ光Ｌは、熱硬化性樹脂剤１３の表面部１３ｓだけでなく、各部材１１，１２の一部を含むように照射されてもよい。

以上の熱硬化性樹脂接合方法によれば、次に説明するように、レーザ光Ｌの照射によって熱硬化性樹脂剤１３を良好に硬化させることができる。

すなわち、熱硬化性樹脂剤１３には、熱硬化性樹脂剤１３の光吸収率が最高となる波長よりも長い波長を有するレーザ光Ｌが照射される。これにより、熱硬化性樹脂剤１３においてレーザ光Ｌが入射する表面部１３ｓで吸収されるレーザ光Ｌの光量が減少し、熱硬化性樹脂剤１３の内部１３ｉに到達するレーザ光Ｌの光量が増加する。加えて、レーザ光Ｌが長い波長を有するので、熱硬化性樹脂剤１３でのレーザ光Ｌの散乱が抑制され、熱硬化性樹脂剤１３の内部１３ｉにレーザ光Ｌが進行し易くなる。従って、熱硬化性樹脂剤１３の表面部１３ｓだけでなく内部１３ｉも十分に加熱されて、熱硬化性樹脂剤１３の全体が硬化する。

更に、レーザ光Ｌは、熱硬化性樹脂剤１３の表面部１３ｓから内部１３ｉに収束するように、熱硬化性樹脂剤１３の表面部１３ｓから内部１３ｉに入射させられる。このことと、熱硬化性樹脂剤１３の表面部１３ｓで吸収されるレーザ光Ｌの光量が減少することが相俟って、熱硬化性樹脂剤１３の表面部１３ｓでの損傷の発生が防止される。

このような熱硬化性樹脂接合方法は、特に、外部への熱硬化性樹脂剤１３の露出面積が大きい一方で、接合すべき部材１１，１２に対する熱硬化性樹脂剤１３の接触面積が小さい上記実施形態のような場合に、特に有効である。

また、レーザ光Ｌは、熱硬化性樹脂剤１３に入射する表面部１３ｓにおいて、光軸ＯＡに対して垂直な断面形状が円環形状等の環形状となるように、熱硬化性樹脂剤１３に照射される。これにより、熱硬化性樹脂剤１３におけるレーザ光Ｌの照射領域の中心部に、入熱過多による損傷が生じるのを防止することができる。しかも、レーザ光Ｌが熱硬化性樹脂剤１３の表面部１３ｓから内部１３ｉに収束しているため、光吸収によって減衰する光密度が補われて、熱硬化性樹脂剤１３の表面部１３ｓから内部１３ｉに至る熱硬化性樹脂剤１３の全体を確実に硬化させることができる。

図７は、熱硬化性樹脂剤の表面部からの深さとレーザ光の中心部のエネルギ密度との関係を示すグラフである。図７では、光軸ＯＡに対して垂直な断面形状が熱硬化性樹脂剤１３の表面部１３ｓにおいて円環形状となり、かつ熱硬化性樹脂剤１３の表面部１３ｓから内部１３ｉに収束するように、レーザ光Ｌが熱硬化性樹脂剤１３の表面部１３ｓから内部１３ｉに入射させられている。図７に示されるように、熱硬化性樹脂剤１３の表面部１３ｓからの深さが５ｍｍの位置では、レーザ光Ｌの中心部のエネルギ密度が、開口数（ＮＡ）０．１で１０倍を超え、開口数５で１００倍を超えている。このことから、熱硬化性樹脂剤１３の表面部１３ｓ（特に、レーザ光Ｌの照射領域の中心部）に入熱過多による損傷が生じるのを防止し得ること、及び光吸収によって減衰する光密度が補われて熱硬化性樹脂剤１３の全体を確実に硬化させ得ることが分かる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。

例えば、図８に示されるように、熱硬化性樹脂剤１３に照射されるレーザ光Ｌの強度を、第１の光強度Ｉ１から、第１の光強度Ｉ１よりも低い第２の光強度Ｉ２に変化させてもよい。これによれば、熱硬化性樹脂剤１３の温度を硬化開始温度Ｔ１以上に素早く上昇させた後、熱硬化性樹脂剤１３の温度を硬化開始温度Ｔ１以上かつ損傷発生温度Ｔ２以下に保持して、熱硬化性樹脂剤１３の全体を良好に硬化させることができる。なお、レーザ光Ｌの強度は、熱硬化性樹脂剤１３の温度が硬化開始温度Ｔ１に達したときにレーザ出力を切り替えることにより、第１の光強度Ｉ１から第２の光強度Ｉ２に変化させることができる。

また、図９に示されるように、熱硬化性樹脂剤１３に照射されるレーザ光Ｌの集光スポットＦＳの位置を、第１の位置Ｐ１から、第１の位置Ｐ１よりも熱硬化性樹脂剤１３の表面部１３ｓに近い第２の位置Ｐ２に変化させてもよい。これによれば、熱硬化性樹脂剤１３において、レーザ光Ｌの進行方向における上流側部分の硬化に起因して（例えば、網目状架橋反応が進むこと等が光散乱要因となって）、当該方向における下流側部分へのレーザ光Ｌの進行が妨げられることを防止して、熱硬化性樹脂剤１３の全体を良好に硬化させることができる。

１０…熱硬化性樹脂接合体、１１…第１の部材、１２…第２の部材、１３…熱硬化性樹脂剤、１３ｓ…表面部、１３ｉ…内部、ＯＡ…光軸、Ｌ…レーザ光、ＦＳ…集光スポット。

Claims

レーザ光の照射によって熱硬化性樹脂剤を硬化させ、第１の部材と第２の部材とを接合して熱硬化性樹脂接合体を製造する熱硬化性樹脂接合方法であって、
前記レーザ光は、前記熱硬化性樹脂剤の光吸収率が最高となる波長よりも長い波長を有しており、前記熱硬化性樹脂剤の表面部から前記熱硬化性樹脂剤の内部に収束するように、前記表面部から前記内部に入射させられ、
前記熱硬化性樹脂剤に照射される前記レーザ光の強度は、第１の光強度から、前記第１の光強度よりも低い第２の光強度に変化させられることを特徴とする熱硬化性樹脂接合方法。
レーザ光の照射によって熱硬化性樹脂剤を硬化させ、第１の部材と第２の部材とを接合して熱硬化性樹脂接合体を製造する熱硬化性樹脂接合方法であって、
前記レーザ光は、前記熱硬化性樹脂剤の光吸収率が最高となる波長よりも長い波長を有しており、前記熱硬化性樹脂剤の表面部から前記熱硬化性樹脂剤の内部に収束するように、前記表面部から前記内部に入射させられ、
前記熱硬化性樹脂剤に照射される前記レーザ光の集光スポットの位置は、第１の位置から、前記第１の位置よりも前記表面部に近い第２の位置に変化させられることを特徴とする熱硬化性樹脂接合方法。
前記レーザ光は、前記表面部において、光軸に対して垂直な断面形状が環形状となるように、前記熱硬化性樹脂剤に照射されることを特徴とする請求項１又は２記載の熱硬化性樹脂接合方法。
レーザ光の照射によって熱硬化性樹脂剤を硬化させ、第１の部材と第２の部材とを接合して熱硬化性樹脂接合体を製造する熱硬化性樹脂接合装置であって、
前記熱硬化性樹脂剤の光吸収率が最高となる波長よりも長い波長を有する前記レーザ光を出射する光源と、
前記熱硬化性樹脂剤の表面部から前記熱硬化性樹脂剤の内部に収束するように、前記レーザ光を前記表面部から前記内部に入射させる集光光学系と、
前記熱硬化性樹脂剤に照射される前記レーザ光の強度を、第１の光強度から、前記第１の光強度よりも低い第２の光強度に変化させる手段と、を備える、熱硬化性樹脂接合装置。
レーザ光の照射によって熱硬化性樹脂剤を硬化させ、第１の部材と第２の部材とを接合して熱硬化性樹脂接合体を製造する熱硬化性樹脂接合装置であって、
前記熱硬化性樹脂剤の光吸収率が最高となる波長よりも長い波長を有する前記レーザ光を出射する光源と、
前記熱硬化性樹脂剤の表面部から前記熱硬化性樹脂剤の内部に収束するように、前記レーザ光を前記表面部から前記内部に入射させる集光光学系と、
前記熱硬化性樹脂剤に照射される前記レーザ光の集光スポットの位置を、第１の位置から、前記第１の位置よりも前記表面部に近い第２の位置に変化させる手段と、を備える、熱硬化性樹脂接合装置。