-
TECHNISCHES GEBIET
-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Heizofen zum Aufheizen eines durch Strahlung aufzuheizenden Gegenstandes und ein Heizverfahren unter Verwendung des Heizofens. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Heizofen, welcher eine Entzündung vermeiden und die Sicherheit verbessern kann, und ein Heizverfahren unter Verwendung des Heizofens.
-
STAND DER TECHNIK
-
Bisher wurde in einem Lötverfahren, bei welchem ein Halbleiterelement oder -vorrichtung, welches in einem Leistungsmodul, wie z. B. einem IGBT-(Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode)-Element und anderen, verwendet wird, mit einem Träger mit Lot verbunden wird, eine Wasserstoffatmosphäre in einer als Prozesskammer dienenden Kammer ausgebildet und das Verfahren unter verringertem Atmosphärendruck durchgeführt (siehe z. B.
JP 2005-205418 A ).
-
Ein typischer Wasserstoffvakuumofen, wie er beispielsweise in
JP 2004-134631 A , ist wie in
5 gezeigt aufgebaut. Insbesondere umfasst ein Wasserstoffvakuumheizofen
90 eine Prozesskammer
1, in welche ein zu erhitzender Gegenstand
10 (”Gegenstand”) gestellt oder gelegt wird, eine Heizkammer
2, in welcher Heizlampen
25, die als eine Heizquelle dienen, untergebracht sind, und eine Kristallplatte
3 zur Trennung der Prozesskammer
1 und der Heizkammer
2. Die Prozesskammer
1 ist mit einer Einlassöffnung
11 zum Hinzufügen von Wasserstoff oder einem Gasgemisch aus Wasserstoff und einem Inertgas und einer Auslassöffnung
12 zum Ablassen von Gas aus der Prozesskammer
1 versehen. In dem Wasserstoffvakuumofen
90 wird der Gegenstand
10 durch eine Strahlung (eine Infrarotstrahlung oder ähnliches) von der Heizlampe
25 aufgeheizt.
-
Der Wasserstoffvakuumofen mit dem obigen Aufbau, bei welchem die Heizlampen von dem aufzuheizenden Gegenstand getrennt sind, bietet die folgenden Vorteile im Vergleich zu einem Aufbau, bei welchem die Heizlampe in der Prozesskammer platziert ist:
- (1) Die Heizlampe, welche eine Zündquelle werden kann, ist von dem Wasserstoff oder dem Gasgemisch aus Wasserstoff und Inertgas getrennt;
- (2) es wird verhindert, dass sich die Heizlampe während des Heizens unter reduziertem Druck elektrisch entlädt,
- (3) die Heizlampe kann durch eine andere ersetzt werden, ohne dabei das Innere der Prozesskammer zu kontaminieren (einfache Wartung);
- (4) das Volumen der Prozesskammer ist reduziert (reduzierte Menge an benötigtem Gas);
- (5) es wird verhindert, dass Fremdstoffe (im Lot enthaltenes Flussmittel oder dergleichen) an der Heizlampe kleben bleiben;
- (6) es wird verhindert, dass die Prozesskammer durch Fremdstoffe (eine Reflexionsbeschichtung auf der Oberfläche der Heizlampe oder dergleichen) von der Heizlampe kontaminiert wird.
-
Ein Heizofen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus
JP 07-238380 A bekannt. Ein Heizofen mit lediglich einer Prozesskammer und darin angeordneten, gekapselten Heizelementen ist dagegen aus
US 2002/0034714 A1 bekannt.
-
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
-
DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEME
-
Der zuvor genannte herkömmliche Wasserstoffvakuumofen 90 hat die folgenden Nachteile. Insbesondere ist die Kristallplatte 3 mittels Dichtteilen 31, wie z. B. O-Ringe, abgedichtet, welche dazu neigen, sich mit der Zeit zu verschlechtern. Diese Verschlechterung kann die Dichtteile 31 brechen lassen, was zu einer unzureichenden Abdichtung führt. Ein Bruch der Dichtteile 31 führt dazu, dass Wasserstoff oder ein Gasgemisch aus Wasserstoff und Inertgas sehr schnell von der Prozesskammer 1 in die Umgebung jeder Heizlampe 25 strömt, welche zu einer Zündquelle werden können.
-
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die oben genannten Probleme des zuvor genannten herkömmlichen Heizofens zu lösen. Insbesondere beabsichtigt die vorliegende Erfindung einen Heizofen bereitzustellen, welcher eine Zündung vermeiden und die Sicherheit verbessern kann, sowie ein Heizverfahren unter Verwendung dieses Heizofens.
-
MITTEL ZUM LÖSEN DER PROBLEME
-
Um die oben genannte Aufgabe zu lösen, ist ein Heizofen zum Aufheizen eines aufzuheizenden Gegenstandes mittels Strahlung vorgesehen, welcher aufweist: eine erste Kammer, in welche der Gegenstand gelegt wird und welche eine Gaseinlass- und eine Gasauslassöffnung enthält; eine zweite Kammer, welche neben der ersten Kammer vorgesehen ist, in welcher eine Heizquelle untergebracht ist und welche eine Gaseinlass- und eine Gasauslassöffnung aufweist; und ein Trennteil zum Trennen der ersten und zweiten Kammer, welche eine Strahlung von der Heizquelle durchlässt, wobei die Atmosphäre und der atmosphärische Druck in der ersten Kammer und der zweiten Kammer durch Ein- und Ablassen von Gas zur bzw. aus der ersten Kammer und der zweiten Kammer durch die Einlass- und Auslassöffnungen verändert werden.
-
In dem Heizofen der vorliegenden Erfindung sind die erste und zweite Kammer nebeneinander vorgesehen und die Strahlung von der Heizquelle in der zweiten Kammer kann durch das Trennteil, welches die Kammern voneinander trennt, hindurchgehen und wird von dem aufzuheizenden Gegenstand absorbiert, wodurch der Gegenstand aufgeheizt wird. Sowohl die erste als auch die zweite Kammer ist mit einer Gaseinlassöffnung und einer Gasauslassöffnung zum Ein- bzw. Ablassen von Gas versehen. Mit anderen Worten können die Kammern zur Bildung eines Vakuums evakuiert werden oder mit Gas versorgt werden, um die Atmosphäre zu tauschen und den Atmosphärendruck einzustellen.
-
Daher werden z. B. vor dem Heizprozess des aufzuheizenden Gegenstandes beide Kammern evakuiert, um den Sauerstoff aus den Kammern zu beseitigen. Die Atmosphäre der zweiten Kammer wird durch Stickstoff ersetzt. Auf diese Weise wird die zweite Kammer in eine Inertgasatmosphäre gebracht und die Sauerstoffkonzentration, welche eine der Wasserstoffentzündungsbedingungen darstellt, reduziert, wodurch eine Zündung vermieden wird.
-
Ferner weist der Heizofen der vorliegenden Erfindung einen Gassensorabschnitt zum Erfassen eines der ersten Kammer zuzuführenden ersten Gases auf, welcher in der zweiten Kammer oder in einer Ablassleitung eines aus der zweiten Kammer abzulassenden Gases angeordnet ist, wobei, wenn der Gassensorabschnitt erfasst, dass das erste Gas bei einem Wert gleich oder höher als ein vorbestimmter Wert ist, eine Sicherheitssteuerung durchgeführt wird, um zu verhindern, dass die Menge an erstem Gas in der zweiten Kammer zunimmt.
-
Insbesondere erfasst der Gassensorabschnitt das erste Gas (z. B. Wasserstoff), welches in der zweiten Kammer enthalten ist. Wenn ein Wert gleich oder höher als der vorbestimmte Wert erfasst wird, wird die Sicherheitssteuerung durchgeführt, um zu verhindern, dass die Menge des ersten Gases in der zweiten Kammer zunimmt.
-
In dem Heizofen der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise während eines Heizprozesses des Gegenstandes der atmosphärische Druck in der zweiten Kammer höher als der in der ersten Kammer. Insbesondere wird der zweiten Kammer Inertgas (z. B. Stickstoff) zugeführt. Dies bringt die zweite Kammer in einen höheren atmosphärischen Druckzustand als die erste Kammer. Selbst wenn ein Dichtungsteil, welches einen Spalt zwischen der ersten und der zweiten Kammer abdichtet, bricht oder kaputt geht, kann verhindert werden, dass während des Heizvorgangs Wasserstoff aus der ersten Kammer sehr schnell in die zweite Kammer strömt. Dadurch kann verhindert werden, dass in der zweiten Kammer Wasserstoff und eine Zündquelle gleichzeitig existieren, wodurch eine Zündung vermieden wird.
-
Ferner wird in dem Heizofen der vorliegenden Erfindung während des Heizprozesses des Gegenstandes vorzugsweise ein Inertgasstrom von der Einlassöffnung der zweiten Kammer zur Auslassöffnung der zweiten Kammer ausgebildet. Insbesondere wird das Inertgasbegasungsverfahren in der zweiten Kammer durchgeführt. Dieses Begasungsverfahren kann einen Anstieg des atmosphärischen Drucks der zweiten Kammer verhindern. Einhergehend wird auch der Temperaturanstieg des Trennteils vermieden. Da der höchste Temperaturbereich in der ersten Kammer das Trennteil ist, kann ebenso der Temperaturanstieg in der ersten Kammer verhindert werden, wodurch das Auftreten einer Zündquelle (410°C oder höher), welche eine der Zündbedingungen ist, verhindert werden und damit eine Zündung in der ersten Kammer vermieden werden kann.
-
Die oben erwähnte Sicherheitssteuerung kann zum Beispiel durchgeführt werden, indem die Zufuhr von dem ersten Gas in die erste Kammer gestoppt wird. Alternativ kann die Sicherheitssteuerung durchgeführt werden, indem eine Strömungsgeschwindigkeit von dem der zweiten Kammer zuzuführenden Inertgas erhöht wird. Dadurch kann verhindert werden, dass die Konzentration des ersten Gases in der zweiten Kammer ansteigt, wodurch ein Entzünden vermieden werden kann.
-
Der Heizofen der vorliegenden Erfindung weist vorzugsweise ferner auf: einen ersten Druckmesser zum Erfassen eines atmosphärischen Drucks in der ersten Kammer; einen zweiten Druckmesser zum Erfassen eines atmosphärischen Drucks in der zweiten Kammer; und einen Steuerabschnitt zum Steuern des atmosphärischen Drucks in der ersten Kammer und des atmosphärischen Drucks in der zweiten Kammer auf der Basis der Messergebnisse des ersten Druckmessers und des zweiten Druckmessers, wobei der Steuerabschnitt steuert, dass während des Heizvorgangs des Gegenstandes der atmosphärische Druck in der zweiten Kammer höher als der atmosphärische Druck in der ersten Kammer ist und eine Druckdifferenz zwischen dem atmosphärischen Druck in der ersten Kammer und dem atmosphärischen Druck in der zweiten Kammer gleich oder geringer als ein vorbestimmter Wert ist.
-
Insbesondere behält der Steuerabschnitt einen Zustand bei, bei welchem die Druckdifferenz zwischen der ersten und zweiten Kammer gering ist. Dadurch kann die Beanspruchung des Trennteils reduziert werden und eine Reduzierung der Dicke des Trennteils erreicht werden. Daher kann der Abstand zwischen der Heizquelle und dem aufzuheizenden Gegenstand verkürzt werden, wodurch die Heizeffizienz verbessert wird. Zusätzlich kann eine Kostenreduzierung des Trennteils selbst erreicht werden. Da die absorbierte Energie durch das Trennteil abnimmt, wird verhindert, dass die Temperatur des Trennteils ansteigt.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Heizverfahren unter Verwendung eines Heizofens zum Heizen eines aufzuheizenden Gegenstandes mittels Strahlung bereit, wobei der Heizofen eine erste Kammer zur Unterbringung des aufzuheizenden Gegenstandes, eine zweite Kammer, welche neben der ersten Kammer angeordnet ist und welche eine Heizquelle unterbringt, und ein Trennteil aufweist, welches eine Strahlung von der Heizquelle durchlässt, wobei das Verfahren aufweist: einen Vorbereitungsschritt vor dem Einbringen des aufzuheizenden Gegenstandes in die erste Kammer, welcher das Ersetzen des Inneren der zweiten Kammer mit einer Inertgasatmosphäre und das anschließende Erhöhen des atmosphärischen Drucks in der zweiten Kammer gegenüber dem äußeren atmosphärischen Druck umfasst; einen Evakuierungsschritt nach dem Einbringen des aufzuheizenden Gegenstandes in die erste Kammer, wobei dieser das Evakuieren der ersten Kammer umfasst, um deren Atmosphäre auf einen vorbestimmten Druck zu reduzieren; und einen Heizschritt nach der Evakuierung der ersten Kammer, wobei dieser das Heizen des Gegenstandes auf eine vorbestimmte Temperatur umfasst.
-
Das zuvor genannte Heizverfahren unter Verwendung des Heizofens kann vorzugsweise einen Begasungssteuerschritt aufweisen, um die zweite Kammer bei einem vorbestimmten atmosphärischen Druck zu halten und einen Inertgasstrom von einer Einlassöffnung der zweiten Kammer zu einer Auslassöffnung der zweiten Kammer auszubilden.
-
Das zuvor genannte Heizverfahren unter Verwendung des Heizofens kann vorzugsweise einen Druckdifferenzsteuerschritt aufweisen, um den atmosphärischen Druck in jeder der ersten und zweiten Kammer synchron mit Veränderungen des atmosphärischen Drucks in der ersten Kammer so zu steuern, dass der atmosphärische Druck in der zweiten Kammer höher als der atmosphärische Druck in der ersten Kammer ist und eine Druckdifferenz zwischen dem atmosphärischen Druck der ersten Kammer und dem atmosphärischen Druck der zweiten Kammer gleich oder kleiner als ein vorbestimmter Wert ist.
-
Die vorliegende Erfindung kann einen Heizofen bereitstellen, welcher eine Zündung vermeiden und die Sicherheit verbessern kann, sowie ein Heizverfahren unter Verwendung des Heizofens bereitstellen.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist eine Ansicht eines Aufbaus eines Wasserstoffvakuumofens einer bevorzugten Ausführungsform;
-
2 ist eine Ansicht eines Aufbaus eines Heizsteuersystems, welches den Wasserstoffvakuumofen der 1 enthält;
-
3 ist ein Diagramm, welches Temperatur- und Druckprofile in einem. Lötverfahren zeigt;
-
4 ist eine Ansicht eines Aufbaus eines Heizvakuumofens einschließlich separat vorgesehener Prozesskammer und Heizkammer; und
-
5 ist eine Ansicht eines Aufbaus eines Wasserstoffvakuumofens nach dem Stand der Technik.
-
BESTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
-
Eine detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform eines Heizofens gemäß der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen gegeben. In dieser Ausführungsform wird die vorliegende Erfindung bei einem Wasserstoffvakuumofen angewandt, welcher in einem Lötverfahren eines IGBT-Elements an einen Keramikträger verwendet wird.
-
<Aufbau des Wasserstoffvakuumofens>
-
Ein Heizvakuumofen 100 dieser Ausführungsform umfasst wie in 1 gezeigt eine Prozesskammer 1, in welche ein zu erhitzender Gegenstand 10 (vereinfacht ein ”Gegenstand”) für einen Lötvorgang des Gegenstandes 10 gestellt oder gelegt wird, eine Heizkammer 2, in welcher Heizlampen 25, die als eine Heizquelle dienen, angeordnet sind, eine Kristallplatte 3, welche den Gegenstand 10 und die Heizlampen 25 voneinander trennt, und ein Sicherheitsventil 4, welches geöffnet werden muss, wenn der Innendruck der Prozesskammer 1 einen Druck gleich oder höher als ein vorbestimmter atmosphärischer Druck erreicht. In dem Wasserstoffvakuumofen 100 wird der Gegenstand 10 mit von den Heizlampen 25 emittierten Strahlen aufgeheizt.
-
Der Gegenstand 10 besteht aus einem IGBT-Element, einem Keramikträger und einem Lotkügelchen (Lotpellet), welches das IGBT-Element an den Keramikträger bindet. Das IGBT-Element wird durch eine allgemein bekannte Halbleiterfertigungstechnik hergestellt. Das Lot ist ein bleifreies Lot, welches im Wesentlichen kein Blei enthält (in dieser Ausführungsform Sn-In, Sn-Cu-Ni, Sn-Cu-Ni-P, Sn-Ag-Cu, etc.). Der Gegentand 10 wird an einem Ende durch ein nicht gezeigtes Halteteil gehalten.
-
Die Prozesskammer ist mit einer Einlassöffnung 11 zum Zuführen von Wasserstoff oder einem Gasgemisch aus Wasserstoff und Inertgas (in dieser Ausführungsform Stickstoff) zur Prozesskammer 1, einer Auslassöffnung 12 zum Ablassen von Gas aus der Prozesskammer 1 und einem Thermometer 14 zur Messung der Temperatur des Gegenstandes 10 versehen.
-
Die Heizkammer 2 ist mit einer Einlassöffnung 21 zum Zuführen von Inertgas (in dieser Ausführungsform Stickstoff) in die Heizkammer 2, einer Auslassöffnung 22 zum Ablassen von Gas aus der Heizkammer 2, Heizlampen 25 (in dieser Ausführungsform Halogenlampen), welche Strahlung in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich emittieren (in dieser Ausführungsform Infrarotstrahlung), und einer Reflexionsplatte 26 mit einer paraboloiden Oberfläche, welche von den Heizlampen 25 emittierte Strahlung reflektiert, versehen. Die Reflexionsplatte 26 ist so angeordnet, dass sie Strahlung von den Heizlampen 25 zur Prozesskammer 1 hin reflektiert.
-
Die Kristallplatte 3 ist eine Kristallglasplatte mit einer Länge von 40 mm, einer Breite von 400 mm unfeiner Dicke von 10 mm, welche zwischen der Prozesskammer 1 und der Heizkammer 2 angeordnet ist, um diese zu trennen. Die Kristallplatte 3 hat die Funktion, von den Heizlampen 25 emittierte Strahlung durchlassen zu können. Ein Kantenabschnitt der Kristallplatte 3 wird zwischen Halteteilen 13 und 23 gehalten, welche an Wandoberflächen der Prozesskammer 1 und der Heizkammer 2 ausgebildet sind. O-Ringe 31 sind angeordnet, um Spalten zwischen den Halteteilen 13 und 23 und der Kristallplatte 3 abzudichten und dadurch eine Gasdichtheit zwischen der Prozesskammer 1 und der Heizkammer 2 sicherzustellen.
-
<Aufbau des Heizsteuersystems>
-
Ein Heizsteuersystem einschließlich des Wasserstoffvakuumofens 100 dieser Ausführungsform umfasst wie in 2 gezeigt Massenstromsteuereinrichtungen (MFC) 61 und 62, verschiedene Ventile 63, 64, 65, 66, 67, 74, 75, 76, 77, Druckmesser (PG) 71 und 72, eine Pumpe (P) 73 und einen Steuerabschnitt 5 zum Steuern des Betriebs jeder Vorrichtung.
-
Genauer gesagt wird die Prozesskammer 1 mit Wasserstoff-(H2)-Gas versorgt. Ein Wasserstoffversorgungssystem umfasst das Ventil 66, den MFC 61 und das Ventil 63, welche in dieser Reihenfolge in einer Wasserstoffzufuhrrichtung angeordnet sind, um Wasserstoffgas in die Prozesskammer 1 durch deren Einlassöffnung 11 zuzuführen. Die Heizkammer 12 wird mit Stickstoff-(N2)-Gas versorgt. Ein Stickstoffzufuhrsystem umfasst das Ventil 67, das MFC 62 und das Ventil 64, welche in dieser Reihenfolge in einer Stickstoffzufuhrrichtung angeordnet sind, um Stickstoffgas der Heizkammer 2 durch deren Einlassöffnung 21 zuzuführen. Eine Zweigleitung erstreckt sich zwischen dem MFC 62 und dem Ventil 64, um mit dem Wasserstoffzufuhrsystem durch das Ventil 65 verbunden zu sein. In anderen Worten kann in diesem System Stickstoff der Prozesskammer 1 gemäß dem Ein-/Aus-Betrieb des Ventils 65 zugeführt werden. Eine Zufuhrmenge jedes Gases wird durch die MFCs 61 und 62 gesteuert.
-
Die Atmosphären in der Prozesskammer 1 und der Heizkammer 2 werden durch die Pumpe 73 angesaugt. Insbesondere umfasst das Ablasssystem der Prozesskammer 1 die Ventile 75 und 77 und die Pumpe 73, welche in dieser Reihenfolge von der Auslassöffnung 12 der Prozesskammer 1 aus angeordnet sind. Andererseits umfasst das Auslasssystem der Heizkammer 2 die Ventile 76 und 77 und die Pumpe 73, welche in dieser Reihenfolge von der Auslassöffnung 22 der Heizkammer 2 aus angeordnet sind. D. h., die Pumpe 73 und das Ventil 77 werden gemeinsam für die Ableitung der Prozesskammer 1 und der Heizkammer 2 verwendet. Ferner ist ein Ablassventil 74 stromabwärts der Auslassöffnung 22 angeordnet, um eine Stickstoffausblasung durch den Ein-/Aus-Betrieb des Ventils 74 durchzuführen.
-
In dem Ablasssystem der Prozesskammer 1 ist der Druckmesser 71 stromabwärts der Auslassöffnung 12 der Prozesskammer 1 angeordnet. Dieser misst den atmosphärischen Druck in der Prozesskammer 1. Andererseits ist in dem Ablasssystem der Heizkammer 2 der Druckmesser 72 stromabwärts der Auslassöffnung 22 der Heizkammer 2 angeordnet. Dieser misst den atmosphärischen Druck in der Heizkammer 2. Die Messergebnisse der Druckmesser 71 und 72 werden an den Steuerabschnitt 5 übertragen.
-
In dem Ablasssystem der Heizkammer 2 ist ein Wasserstoffsensor 78 stromabwärts der Auslassöffnung 22 der Heizkammer 2 angeordnet, um eine Wasserstoffkonzentration in der Atmosphäre in der Heizkammer 2 zu erfassen. Ein Messergebnis des Wasserstoffsensors 78 wird an den Steuerabschnitt 5 übertragen.
-
<Lötverfahren>
-
Im Folgenden werden die Betriebsschritte des Lötverfahrens unter Verwendung des Heizsteuersystems dieser Ausführungsform erklärt. In der folgenden Erklärung werden zwei Betriebsverfahren beschrieben, wobei ein erster Modus als ein Basisbeispiel und ein zweiter Modus als ein Anwendungsbeispiel angenommen werden.
-
<Erster Modus>
-
Zunächst wird vor der Einbringung des Gegenstandes 10 als Werkstück eine vorbetriebliche Vorbereitung durchgeführt, indem sowohl die Prozesskammer 1 als auch die Heizkammer 2 mit Stickstoff ersetzt werden (Schritt 1). Genauer gesagt werden beide Kammern durch die Pumpe 73 evakuiert. Anschließend wird den beiden Kammern zur Beseitigung des Sauerstoffs aus beiden Kammern so lange Stickstoff zugeführt, bis die Sauerstoffkonzentration auf 10 ppm oder niedriger abgenommen hat. Somit wird eine Stickstoffatmosphäre in jeder Kammer gebildet.
-
Anschließend wird Stickstoff bei 20 Liter/Min. in die Heizkammer 2 zugeführt, während das Ablassventil 74 so gesteuert wird, dass ein atmosphärischer Druck von 1,1 atm in der Heizkammer 2 gehalten wird (Schritt 2). Dies führt dazu, dass das Stickstoffgas in der Heizkammer 2 von der Einlassöffnung 21 zur Auslassöffnung 22 strömt und ein Gasstrom wird ausgebildet (im Folgenden wird dieser Prozess als ”Stickstoffbegasungsvorgang” bezeichnet). In diesem Schritt 2 wird die vorbetriebliche Vorbereitung beendet, der Sauerstoff aus beiden Kammern beseitigt und der atmosphärische Druck in der Heizkammer 2 höher als der äußere atmosphärische Druck.
-
Anschließend geht das Verfahren zum Lötvorgang über, bei welchem die folgenden Schritte durchgeführt werden. Der Gegenstand 10 wird zunächst in die Prozesskammer 1 eingebracht (Schritt 3). Die Stickstoffatmosphäre in der Prozesskammer 1 wird durch Wasserstoff ersetzt (Schritt 4). In anderen Worten wird die Prozesskammer 1 durch die Pumpe 73 evakuiert und anschließend der Prozesskammer 1 Wasserstoff zugeführt, um in der Prozesskammer 1 eine Wasserstoffatmosphäre zu bilden.
-
Anschließend werden die Heizlampen 25 eingeschaltet, um den Gegenstand 10 auf eine Vorheizsolltemperatur aufzuheizen (in dieser Ausführungsform 200°C), welche niedriger als der Schmelzpunkt des Lots liegt (Lotsolidustemperatur: 235°C). Danach werden die Heizlampen 25 ausgeschaltet, um die Temperatur für eine vorbestimmte Zeit zu halten (Schritt 5). Dieses Vorheizen reinigt die Oberfläche des Gegenstandes 10.
-
Zum Zusammendrücken von Blasen im Lot oder für andere Zwecke wird die Prozesskammer 1 auf 2 kPa evakuiert (Schritt 6). Dies reduziert den atmosphärischen Druck in der Prozesskammer 1 gegenüber dem atmosphärischen Druck in der Heizkammer 2. Anschließend wird der Gegenstand 10 auf eine Endsolltemperatur aufgeheizt (in dieser Ausführungsform 280°C), welche höher als der Lotschmelzpunkt liegt (Lotliquidustemperatur: 240°C) (Schritt 7). Durch dieses Hauptheizen schmilzt das Lot und benetzt eine vorbestimmte Fläche und dehnt sich auf dieser aus.
-
Die Heizlampen 25 werden ausgeschaltet und das Innere der Prozesskammer 1 wieder mit Stickstoff ersetzt, um zum äußeren atmosphärischen Druck zurückzukehren (Schritt 8). Anschließend wird der Gegenstand 10 auf nahe der Raumtemperatur abgekühlt, wodurch sich das Lot verfestigt. Der Lötvorgang wird damit vollendet. Der Gegenstand 10 wird anschließend entnommen. Auf diese Weise wird in dem Lötvorgang (Schritte 3 bis 8) der atmosphärische Druck in der Heizkammer 2 auf einem höheren Druck gehalten als der atmosphärische Druck in der Prozesskammer 1.
-
Es ist zu beachten, dass während des Stickstoffbegasungsvorgangs eine Flussrate von Wasserstoff durch den Wasserstoffsensor 78 erfasst wird. Anders gesagt wird erfasst, ob der der Prozesskammer 1 zugeführte Wasserstoff in die Heizkammer 2 entweicht. Wenn festgestellt wird, dass der Wasserstoff einen Wert gleich oder höher als einen vorbestimmten Wert hat, wird eine Sicherheitssteuerung durchgeführt, um einen Anstieg der Wasserstoffmenge in der Heizkammer 2 zu vermeiden und dadurch einer Zündung vorzubeugen, selbst wenn eine geringe Menge an Wasserstoff in die Heizkammer 2 strömt.
-
Die Sicherheitssteuerung wird ausgeführt, indem z. B. die Heizlampen 25 sofort ausgeschaltet werden, um die Existenz der Zündquelle zu beseitigen, oder indem die Flussrate von Stickstoff in dem Stickstoffbegasungsvorgang erhöht wird, um den Wasserstoff aus der Heizkammer 2 zu spülen. In anderen Worten wird verhindert, dass ein Zustand auftritt, bei welchem der Wasserstoff und die Zündquelle gleichzeitig existieren.
-
In dem oben im Detail beschriebenen Lötvorgang dieser Ausführungsform wird die vorbetriebliche Vorbereitung durchgeführt, indem zur Beseitigung des Sauerstoffs aus beiden Kammern beide Kammern evakuiert werden (Schritt 1) und dabei die Atmosphäre in beiden Kammern durch Stickstoff ersetzt wird. Deshalb wird insbesondere in der Heizkammer 2 eine Inertgasatmosphäre mit reduzierter Sauerstoffkonzentration gebildet und dadurch eine Entzündung vermieden.
-
In dieser Ausführungsform ist ferner während des Heizprozesses des Gegenstandes 10 der atmosphärische Druck in der Heizkammer 2 höher als der atmosphärische Druck in der Prozesskammer 1. Genauer gesagt wird der atmosphärische Druck in der Heizkammer 2 erhöht, indem der Heizkammer 2 Stickstoff zugeführt wird (Schritt 2). Dagegen wird in der Prozesskammer 1 der Heizprozess bei reduziertem Druck durchgeführt (Schritt 6). Entsprechend hat die Heizkammer 2 während des Heizprozesses des Gegenstandes 10 gegenüber der Prozesskammer 1 einem Überdruck. Selbst wenn die Dichtteile 31 kaputt gehen, wird verhindert, dass der Wasserstoff in der Prozesskammer 1 rasch in die Heizkammer 2 strömt. Deshalb wird verhindert, dass der Wasserstoff und die Zündquelle gleichzeitig in der Heizkammer 2 vorhanden sind, wodurch eine Zündung vermieden wird.
-
In dieser Ausführungsform wird während des Heizprozesses des Gegenstandes 10 der Stickstoffbegasungsvorgang durchgeführt (Schritt 2), um dadurch einen Anstieg des atmosphärischen Drucks in der Heizkammer 2 zu verhindern. Dies verhindert ferner einen Anstieg der Temperatur der Kristallplatte 3. Da der höchste Temperaturbereich in der Prozesskammer 1 die Oberfläche der Kristallplatte 3 ist, wird somit auch der Temperaturanstieg in der Prozesskammer 1 vermieden und dadurch das Auftreten der Zündquelle (410°C oder höher) verhindert, welches eine der Zündbedingungen ist, wodurch eine Zündung vermieden wird.
-
In dieser Ausführungsform wird ferner der Sauerstoff in der Heizkammer 10 auf 10 ppm oder niedriger reduziert. Es ist deshalb möglich, eine Alterung der Heizlampen 25 durch Oxidation zu verhindern. In dieser Ausführungsform wird insbesondere eine Halogenlampe verwendet und entsprechend hat eine Oxidation der Dichtteile der Heizlampen 25 einen großen Einfluss auf die Lebensdauer der Heizlampen. Durch Unterbinden einer Oxidation wird somit auf besonders effektive Weise eine lange Lebensdauer erreicht.
-
<Zweite Ausführungsform>
-
In dieser Ausführungsform wird ein Lötverfahren durchgeführt, indem der atmosphärische Druck in jeder Kammer so gesteuert wird, dass der atmosphärische Druck in der Heizkammer 2 den Veränderungen des atmosphärischen Drucks in der Prozesskammer 1 folgt und einen konstanten Überdruck gegenüber der Prozesskammer 1 hat. Dieser Aufbau unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform darin, dass dort keine genaue Drucksteuerung durchgeführt wird.
-
Die Schritte in dem Lötverfahren in dieser Ausführungsform werden nachfolgend mit Bezug auf ein in 3 gezeigtes Diagramm beschrieben, welches Temperatur- und Druckprofile zeigt. Die vorbetriebliche Vorbereitung ist die gleiche wie in der ersten Ausführungsform.
-
Zunächst wird von dem Zeitpunkt des Einbringens des Gegenstandes 10 bis zum Zeitpunkt t0 ein Vorheizen durchgeführt, indem der Gegenstand 10 auf eine Vorheizsolltemperatur aufgeheizt wird. Während dieser Zeitdauer wird das Innere der Heizkammer 2 auf einen höheren atmosphärischen Druck als die Prozesskammer 1 gehalten. Durch den Stickstoffbegasungsvorgang wird die Atmosphäre in der Heizkammer 2 die ganze Zeit nachgefüllt. Dadurch kann verhindert werden, dass die Temperatur der Atmosphäre in der Heizkammer 2 und die Temperatur der Kristallplatte 3 ansteigen.
-
Anschließend wird von dem Zeitpunkt t0 bis zu dem Zeitpunkt t1 der atmosphärische Druck in der Prozesskammer 1 auf 1 kPa reduziert. Zu diesem Zeitpunkt wird auch der Stickstoffbegasungsvorgang in der Heizkammer 2 gestoppt und der Druck synchron mit dem Evakuierungsvorgang auf 2 kPa reduziert, um zu verhindern, dass die Druckdifferenz zwischen beiden Kammern 1 kPa übersteigt. Der Druck jeder Kammer wird durch die Druckmesser 71 oder 72 gemessen. Auf der Basis jedes Messergebnisses steuert der Steuerabschnitt 5 den Druck jeder Kammer. Genauer gesagt wird die Drucksteuerung während eines Druckanstiegs durch die MFCs 61 und 62 und die Drucksteuerung während eines Druckabfalls durch Ein-/Ausschalten der Vakuumventile 75, 76 und 77 durchgeführt.
-
Anschließend wird von dem Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t2 das Hauptheizen durchgeführt, indem der Gegenstand 10 auf die Endsolltemperatur aufgeheizt wird. Während dieses Zeitraums führt das Heizen dazu, dass die Temperatur der Prozesskammer 1 allmählich ansteigt. Entsprechend wird die Prozesskammer 1 bei Bedarf zur Durchführung einer Feinsteuerung evakuiert, um zu verhindern, dass die Druckdifferenz von der Heizkammer 2 1 kPa übersteigt.
-
Nach dem Zeitpunkt t2 werden die Heizlampen 25 ausgeschaltet und beiden Kammern Stickstoff zugeführt, um das Innere der Prozesskammer 1 wieder auf den äußeren atmosphärischen Druck zu bringen. Zu diesem Zeitpunkt wird die zuzuführende Menge an Stickstoff so gesteuert, dass verhindert wird, dass die Druckdifferenz zwischen der Heizkammer 2 und der Prozesskammer 1 1 kPa übersteigt. Der Gegenstand 10 wird dann auf etwa Raumtemperatur abgekühlt, um das Lot zu verfestigen. Der Lötprozess wird so beendet. Anschließend wird der Gegenstand entnommen.
-
In dem Lötprozess der vorliegenden Ausführungsform führt der Steuerabschnitt 5 eine Drucksteuerung durch, um zu verhindern, dass die Druckdifferenz des atmosphärischen Drucks zwischen der Prozesskammer 1 und der Heizkammer 2 1 kPa übersteigt. Dies ermöglicht die Reduzierung der Druckbelastung der Kristallplatte 3, wodurch eine Reduzierung der Dicke der Kristallplatte 3 erreicht wird. Genauer gesagt soll die Kristallplatte 3 in der ersten Ausführungsform eine Dicke von 10 mm haben, während die Kristallplatte 3 nur eine reduzierte Dicke von etwa 5 mm hat. Entsprechend kann die Entfernung zwischen jeder Heizlampe 5 und dem Gegenstand 10 verkürzt werden und dabei die Heizeffizienz erhöht werden. Die Kosten der Kristallplatte 3 selbst können ebenfalls reduziert werden. Da die absorbierte Energie durch die Kristallplatte 3 abnimmt, kann ein Temperaturanstieg der Kristallplatte 3 verhindert werden.
-
Obige Ausführungsformen sind lediglich Beispiele, welche die vorliegende Erfindung nicht beschränken. Die vorliegende Erfindung kann in anderen spezifischen Formen ausgeführt werden, ohne dabei die wesentlichen Eigenschaften der Erfindung zu verlassen. Zum Beispiel sind in den obigen Ausführungsformen die Prozesskammer 1 und die Heizkammer 2 als eine integrierte Kammer aufgebaut, bei welcher in ihrem Inneren die Kristallplatte 3 zur Trennung angeordnet ist. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf begrenzt. Zum Beispiel kann wie in 4 gezeigt ein Heizbox 20, deren Druck reduziert werden kann, an die Prozesskammer 1 befestigt werden. D. h., die Prozesskammer 1 und die Heizkammer 2 können separat aufgebaut sein.
-
Obwohl die Druckmesser 71 und 72 und der Wasserstoffsensor 78 außerhalb der Prozesskammer 1 und der Heizkammer 2 ausgebildet sind, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern diese können auch im Inneren der Prozesskammer 1 oder der Heizkammer 2 angeordnet sein.
-
Die Heizquellen 25 brauchen nicht unbedingt Halogenlampen sein, sondern können auch aus Karbonheizelementen, Keramikheizelementen, etc. ausgewählt werden. Das Trennteil zum Trennen der Prozesskammer 1 und der Heizkammer 2 ist nicht auf die Kristallplatte beschränkt, sondern kann auch transparente Keramik oder dergleichen sein.
-
Der Gegenstand 10 ist nicht unbedingt beschränkt und kann nicht nur aus einer integrierten Leistungsschaltung, wie z. B. einem IGBT-Element und einem Keramikträger, sondern auch aus einem Widerstandselement, einem Kondensatorelement, einer Leiterplatte, etc. ausgewählt werden, solange dieses durch Hitze in einem Wasserstoffvakuumofen verarbeitet werden kann. Ferner ist das Lot nicht auf ein bleifreies Lot beschränkt.
