JP2001287025A

JP2001287025A - 温度制御装置の製造方法

Info

Publication number: JP2001287025A
Application number: JP2000103158A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Kuriyama; 和也栗山; Yoichi Yasue; 洋一安江
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2000-04-05
Filing date: 2000-04-05
Publication date: 2001-10-16
Also published as: US6848171B2; TWI229019B; US20020026708A1; KR20010095294A

Abstract

(57)【要約】【課題】平坦度を改善することによって均熱性や応答
性などの伝熱特性が向上した温度制御装置を安価に製造
する。【解決手段】対向して配置された一対の絶縁基板５、
６の対向する表面に電極７、８がそれぞれ形成されると
共に、対向する電極７、８間に熱電素子９をはんだ付け
して構成された温度制御素子２と、この温度制御素子２
の各絶縁基板５、６の外側表面にそれぞれ配置された一
対の伝熱板３、４とを備えた温度制御装置１の製造方法
において、伝熱板４は熱電素子９をはんだ付けした後に
絶縁基板６の外側表面に配置され、絶縁基板６は可撓性
を有しており、熱電素子９のはんだ付けは、層厚制御部
材である銅粉を混合したはんだ１２を使用し、所定の圧
力を加えながら行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えば半導体ウ
エハの製造工程においてシリコン基板の温度制御に使用
される温度制御装置の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体ウエハの製造工程は、基板の表面
に塗布したフォトレジスト膜（感光膜）に残存する溶剤
を除去すべく上記基板を加熱するベーキング処理工程
や、加熱された基板を室温レベルまで冷却するためのク
ーリング処理工程などのように、基板の温度を制御する
処理工程を含んでいる。そのため、これらの処理工程に
おいて使用される基板処理装置は、温度制御装置を備え
ている。

【０００３】図１８は、温度制御装置の概略的構成を示
す側面図である。温度制御装置４０は、温度制御素子４
１と、この温度制御素子４１の両側に配置される一対の
伝熱板４２、４３とを備える。温度制御素子４１は、対
向して配置された一対の絶縁基板４４、４５を有し、こ
れらの絶縁基板４４、４５の対向する表面にはそれぞれ
電極４６、４７が形成されている。対向する電極４６、
４７間には熱電素子４８としてＰ型素子とＮ型素子とが
はんだ付けによって接続されている。熱電素子４８は、
電極４６、４７を介してＰ型素子とＮ型素子とが交互に
直列に並ぶように接続されている。したがって、温度制
御素子４１では、熱電素子列に一方向に電流を流すと一
方の絶縁基板４４が吸熱側となり他方の絶縁基板４５が
放熱側となり、他方向に電流を流すと一方の絶縁基板４
４が放熱側となり他方の絶縁基板４５が吸熱側となる。
尚、一対の伝熱板４２、４３は、温度制御素子４１の応
答性、均熱性を向上させるために、各絶縁基板４４、４
５の外側表面に配置されている。

【０００４】図１９は、温度制御装置の従来の製造方法
を説明するための工程図である。まず工程Ｓ１では、一
方の絶縁基板４４の表面に電極４６を形成する。電極４
６は、絶縁基板４４の表面に貼り付けられた例えば銅板
をエッチングすることによって形成される。次に、工程
Ｓ２では、形成した電極表面の所定の位置にクリームは
んだを印刷する。そして、工程Ｓ３では、熱電素子４８
の一方端子をクリームはんだを印刷した場所に実装す
る。

【０００５】一方、工程Ｓ４では、他方の絶縁基板４５
の表面に電極４７を形成する。電極４７は、上記工程Ｓ
１と同様に、絶縁基板４５の表面に貼り付けられた銅板
をエッチングすることによって形成される。そして、工
程Ｓ５では、形成した電極表面の所定の位置にクリーム
はんだを印刷する。

【０００６】続いて工程Ｓ６では、熱電素子４８と電極
４６、４７とをはんだ付けするために、一対の絶縁基板
４４、４５の位置合わせを行う。位置合わせは、電極４
６、４７が対向するように絶縁基板４４、４５を配置す
ると共に、熱電素子４８の他方端子が他方絶縁基板４５
の電極表面のクリームはんだに接触するように行う。そ
れから工程Ｓ７では、はんだ溶融温度以上の温度、例え
ば２００°Ｃ程度まで加熱して熱電素子４８と電極４
６、４７とのはんだ付けを行う。

【０００７】その後、工程Ｓ８では、一対の絶縁基板４
４、４５の外側にそれぞれグリスを塗布する。グリスを
塗布したのは、絶縁基板４４、４５と伝熱板４２、４３
との密着性と熱伝導性を向上させて、温度制御の応答性
や伝熱板表面の均熱性などの伝熱特性の向上を図るため
である。そして、工程Ｓ９では、一対の絶縁基板４４、
４５の外側にそれぞれ伝熱板４２、４３をグリス層を介
在させて配置し、これで温度制御装置４０が完成する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述した熱電素子４８
のはんだ付工程Ｓ７では、はんだ付けの欠陥や位置ずれ
を防止するために、一対の絶縁基板４４、４５が近接す
る方向に微小な荷重を付加しているが、荷重が小さすぎ
るとはんだ層の厚さにばらつきが生じ、伝熱特性の向上
に重要な平坦度が確保できない。特に、伝熱特性を向上
させるために絶縁基板４４、４５の厚さを薄くした場合
は、絶縁基板４４、４５が変形しやすいので、平坦度の
低下は著しい。

【０００９】一方、はんだ層の厚さを均一にすべく荷重
を大きくすると、溶融しているはんだがはんだ付部位の
周囲に流れ出してしまい、はんだ層の厚さを確保できな
くなり、はんだ付強度が低下してしまう。そこで、銅粉
を混合したはんだを使用してはんだ層の厚さを確保し、
はんだ付強度を確保する技術が提案されている（特開平
６−２９０８１９号公報、特開平１−１７８３９７号公
報を参照）。しかし、銅粉を混合したはんだを使用した
場合は平坦度を維持できないという問題がある。

【００１０】また、伝熱板４２、４３を配置する際に
は、絶縁基板４４、４５にグリスを塗布してから、伝熱
板４２、４３と絶縁基板４４、４５とを擦り合わせる必
要があるが、グリスの塗布面積が大きいと大きな荷重を
均一に加えることが困難である。そのため、グリス層の
厚さにばらつきが生じ、伝熱特性の向上に重要な平坦度
が確保できないという問題がある。また、グリスを塗布
する際にグリス内部に取り込まれた気泡がそのまま残留
するため、熱伝導率にばらつきが生じてしまうという問
題がある。さらに、残留する気泡によってグリス層の厚
さが厚くなる傾向があり、熱伝導率が低下するという問
題もある。

【００１１】さらに、絶縁基板４４、４５と伝熱板４
２、４３を製造する際に加工精度を上げて平坦度が優れ
たものを製造しておけば、はんだ層やグリス層の厚みの
ばらつきによって平坦度が劣化しても、許容範囲内で収
めることは可能である。しかし、機械加工の加工精度を
上げると、加工コストが大幅に上昇し、製造コストが高
くなるという問題がある。

【００１２】この発明は上記従来の欠点を解決するため
になされたものであって、その目的は、平坦度を改善す
ることによって均熱性や応答性などの伝熱特性が向上し
た温度制御装置を安価に製造することができる温度制御
装置の製造方法を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段及び効果】そこで請求項１
の温度制御装置の製造方法は、対向して配置された一対
の絶縁基板５、６の対向する表面に電極７、８がそれぞ
れ形成されると共に、対向する電極７、８間に熱電素子
９をはんだ付けして構成された温度制御素子２と、この
温度制御素子２の各絶縁基板５、６の外側表面にそれぞ
れ配置された一対の伝熱板３、４とを備えた温度制御装
置１の製造方法において、上記一対の伝熱板３、４の少
なくとも一方４は上記熱電素子９をはんだ付けした後に
絶縁基板６の外側表面に配置され、はんだ付け後に伝熱
板４が配置される絶縁基板６は可撓性を有しており、上
記熱電素子９のはんだ付けは、層厚制御部材を混合した
はんだ１２を使用し、所定の圧力を加えながら行うこと
を特徴としている。

【００１４】上記請求項１の温度制御装置の製造方法で
は、所定の圧力を加えながらはんだ付けを行うので、は
んだ層１２ａの平坦化を図ることができる。したがっ
て、絶縁基板６の平坦度が向上し、これに伴って絶縁基
板６の外側に配置される伝熱板４の平坦度も向上する。
これによって、応答性、均熱性などの伝熱特性が向上し
た温度制御装置１を製造することができる。また、機械
加工によって平坦度を向上する場合に比べて、安価に実
施することができる。尚、はんだ１２には層厚制御部材
が混合されているので、最低限でも層厚制御部材の外径
程度のはんだ層厚が確保され、所定のはんだ付強度を確
保できる。

【００１５】また請求項２の温度制御装置の製造方法
は、対向して配置された一対の絶縁基板５、６の対向す
る表面に電極７、８がそれぞれ形成されると共に、対向
する電極７、８間に熱電素子９をはんだ付けして構成さ
れた温度制御素子２と、この温度制御素子２の各絶縁基
板５、６の外側表面にそれぞれ配置された一対の伝熱板
３、４とを備えた温度制御装置１の製造方法において、
上記一対の伝熱板３、４の少なくとも一方４は上記熱電
素子９をはんだ付けした後に絶縁基板６の外側表面に配
置され、はんだ付け後に伝熱板４が配置される絶縁基板
６は可撓性を有しており、上記熱電素子９のはんだ付け
をした後に、はんだ層１２ａをはんだの溶融温度以下で
軟化温度以上に加熱すると共に、その温度における降伏
応力の０．８〜１．５倍の圧力を加えることによって上
記はんだ層１２ａを平坦化することを特徴としている。

【００１６】上記請求項２の温度制御装置の製造方法で
は、はんだ付け後にはんだ層１２ａを柔らかくした状態
で圧力を加えるので、はんだが変形してはんだ層１２ａ
の平坦化を図ることができる。したがって、絶縁基板６
の平坦度が向上し、これに伴って絶縁基板６の外側に配
置される伝熱板４の平坦度も向上する。これによって、
応答性、均熱性などの伝熱特性が向上した温度制御装置
１を製造することができる。また、機械加工によって平
坦度を向上する場合に比べて、安価に実施することがで
きる。尚、はんだ１２の溶融温度以下で圧力を加えるの
で、はんだ１２が流れ出すことはなく、所定のはんだ層
厚が確保され、所定のはんだ付強度を確保できる。

【００１７】さらに請求項３の温度制御装置の製造方法
は、上記はんだ層１２ａは、層厚制御部材を含むことを
特徴としている。

【００１８】上記請求項３の温度制御装置の製造方法で
は、はんだ１２に層厚制御部材が混合されているので、
はんだ層１２ａの平坦化を行った際に最小限でも層厚制
御部材の外径程度のはんだ層厚が確保される。したがっ
て、はんだ層厚の制御（均一化）を容易にかつ確実に行
うことができる。

【００１９】請求項４の温度制御装置の製造方法は、対
向して配置された一対の絶縁基板５、６の対向する表面
に電極７、８がそれぞれ形成されると共に、対向する電
極７、８間に熱電素子９をはんだ付けして構成された温
度制御素子２と、この温度制御素子２の各絶縁基板５、
６の外側表面にそれぞれ配置された一対の伝熱板３、４
とを備えた温度制御装置１の製造方法において、上記一
対の伝熱板３、４の少なくとも一方４はグリス層１０を
介在して絶縁基板６の外側表面に配置され、グリス層１
０を介在して伝熱板４が配置される絶縁基板６は可撓性
を有しており、伝熱板４を絶縁基板６との間にグリス層
１０を介在させて配置した後に、約１２０〜１７０°Ｃ
に加熱すると共に、約０．６〜１０ｋｇ／ｃｍ²の圧力
を加えることによって上記グリス層１０を平坦化するこ
とを特徴としている。

【００２０】上記請求項４の温度制御装置の製造方法で
は、グリス層１０を加熱・加圧するので、グリス層１０
の平坦化及び薄層化を図ることができる。また、グリス
層１０内部に取り込まれた気泡が外部に押し出されるの
で、熱伝導率の均一化が図られると共に、薄層化にも寄
与することができる。したがって、グリス層１０の平坦
化によって伝熱板４の平坦度が向上し、またグリス層１
０の薄層化と気泡の減少とによって熱伝導率が向上し、
これによって応答性、均熱性などの伝熱特性が向上した
温度制御装置１を製造することができる。また、機械加
工によって平坦度を向上する場合に比べて、安価に実施
することができる。

【００２１】請求項５の温度制御装置の製造方法は、上
記熱電素子９のはんだ付けをした後に、はんだ層１２ａ
をはんだの溶融温度以下で軟化温度以上に加熱すると共
に、その温度における降伏応力の０．８〜１．５倍の圧
力を加えることによって上記はんだ層１２ａを平坦化し
ており、上記グリス層１０の平坦化と上記はんだ層１２
ａの平坦化とを同時期に行うことを特徴としている。

【００２２】上記請求項５の温度制御装置の製造方法で
は、グリス層１０の平坦化とはんだ層１２ａの平坦化と
を同時期に行うので、製造工程を１つ省略することがで
き、製造時間を短縮することができる。

【００２３】請求項６の温度制御装置の製造方法は、上
記熱電素子９のはんだ付けをする前に、伝熱板４を絶縁
基板６との間にグリス層１０を介在させて配置すること
を特徴としている。

【００２４】上記請求項６の温度制御装置の製造方法で
は、はんだ付け前の段階で絶縁基板６に伝熱板４が配置
されているので、所定の加熱・加圧装置にセットすれ
ば、加熱・加圧条件を変更するだけで、はんだ付け工程
とはんだ層１２ａの平坦化工程及びグリス層１０の平坦
化工程とを連続的に行うことができ、製造時間の短縮化
と製造工程の簡素化を図ることができる。

【００２５】請求項７の温度制御装置の製造方法は、上
記熱電素子９のはんだ付けをした後に、伝熱板４を絶縁
基板６との間にグリス層１０を介在させて配置すること
を特徴としている。

【００２６】上記請求項７の温度制御装置の製造方法で
は、はんだ付けを行ってからグリス層１０を介在して伝
熱板４を配置するので、熱電素子９とはんだ１２との位
置ずれが生じることはなく、良好なはんだ付けを行うこ
とができる。

【００２７】

【発明の実施の形態】次に、この発明の温度制御装置の
製造方法の具体的な実施の形態について、図面を参照し
つつ詳細に説明する。図１は、本発明の一実施の形態で
ある温度制御装置１の製造方法を説明するための断面図
である。

【００２８】温度制御装置１は、図１（ｄ）に示すよう
に、温度制御素子２と、温度制御素子２の両側に配置さ
れる一対の伝熱板３、４とを備える。温度制御素子２
は、対向して配置された一対の絶縁基板５、６を有し、
この絶縁基板５、６の対向する表面にはそれぞれ複数の
電極７、８が形成されている。対向する電極７、８間に
は熱電素子９としてＰ型素子９ｐとＮ型素子９ｎとがは
んだ付けによって接続されている。熱電素子９は、電極
７、８を介してＰ型素子９ｐとＮ型素子９ｎとが交互に
直列に並ぶように接続されている。したがって、温度制
御素子２は、熱電素子列に一方向に電流を流すと一方の
絶縁基板５が吸熱側となり、他方の絶縁基板６が放熱側
となり、逆に他方向に電流を流すと一方の絶縁基板５が
放熱側となり、他方の絶縁基板６が吸熱側となる。一対
の伝熱板３、４は、温度制御素子２の応答性、均熱性を
向上させるために、各絶縁基板５、６の外側表面に配置
されている。

【００２９】本実施の形態では、半導体基板を冷却する
ために用いる温度制御装置１を製造する際の製造方法を
説明する。また、温度制御装置１は、一方の絶縁基板５
を吸熱側とし、他方の絶縁基板６を放熱側として機能さ
せ、そして一方の伝熱板３の表面に半導体基板を載置し
て冷却する一方で、他方の伝熱板４を水で冷却するもの
とする。したがって、以下の説明においては、半導体基
板を載置する伝熱板３を均熱板と呼び、水で冷却する伝
熱板４を水冷板と呼ぶものとする。さらに、温度制御装
置１においては、均熱板３は絶縁基板５との密着性を確
保して熱伝導率を向上させるために温度制御素子２を製
造する前の段階で絶縁基板５に予め接着させておくが、
水冷板４は温度制御素子２の製造後に絶縁基板６の外側
表面にグリス層１０を介在させて配置するものとする。

【００３０】まず、図１（ａ）に示すように、はんだ付
け工程に先立って、所定の前処理を施した吸熱側絶縁基
板５と放熱側絶縁基板６とを準備する。ここで、図２及
び図３を参照しながら、絶縁基板５、６に対して施す所
定の前処理について説明する。

【００３１】吸熱側絶縁基板５は例えばポリイミドフィ
ルムであり、図２（ａ）に示すようにその一方表面には
金属板１１が配置され、また他方表面には均熱板３が配
置される。そして、オートクレーブ（加熱・加圧処理）
によって金属板１１及び均熱板３はそれぞれ吸熱側絶縁
基板５に貼り付けられる（図２（ｂ）参照）。金属板１
１は、電極７となるものであり、例えば銅板が用いられ
る。また、均熱板３は、熱伝導率の高い材料から成り、
例えばアルミニウム（Ａｌ）と炭化シリコン（ＳｉＣ）
とから成る金属複合板が用いられる。次に、図２（ｃ）
に示すように、金属板１１にエッチングを施して複数の
電極７を形成する。続いて、図２（ｄ）に示すように、
電極７の表面の所定の位置にクリームはんだ１２を印刷
によって配置する。尚、クリームはんだ１２には層厚制
御部材である銅粉が混合されている。それから、図１
（ａ）に示すように、クリームはんだ１２の上に熱電素
子９の一方端子をそれぞれ配置し、これで吸熱側絶縁基
板５に対する前処理が終了する。

【００３２】一方、放熱側絶縁基板６は、吸熱側絶縁基
板５と同様にポリイミドフィルムであり、図３（ａ）に
示すようにその一方表面には金属板１３が配置される。
そして、オートクレーブによって金属板１３は放熱側絶
縁基板６に貼り付けられる（図３（ｂ）参照）。金属板
１３は、電極８となるものであり、金属板１１と同様に
銅板が用いられる。次に、図３（ｃ）に示すように、金
属板１３にエッチングを施して複数の電極８を形成す
る。それから、図１（ａ）に示すように、電極８の表面
の所定の位置にクリームはんだ１２を印刷によって配置
し、これで放熱側絶縁基板６に対する前処理が終了す
る。

【００３３】上述したような前処理を施した絶縁基板
５、６は、図１（ｂ）に示すように所定の治具１４に設
置される。治具１４は、絶縁基板５、６の位置合わせと
はんだ付けとを行うために使用するものである。絶縁基
板５は、熱電素子９とクリームはんだ１２が配置された
電極７が上向きになるように均熱板３を下向きにして治
具１４の上面に設置される。一方、絶縁基板６は、クリ
ームはんだ１２が配置された電極８が下向きになるよう
に位置決め用ピン１５、１５によって保持されて、絶縁
基板５の上側に設置される。すなわち、絶縁基板５、６
は電極７、８が相対向するように配置されると共に、吸
熱側絶縁基板５に配置された熱電素子９の他方端子と放
熱側絶縁基板６に配置されたクリームはんだ１２とが接
触するように配置される。位置決め用ピン１５、１５
は、治具１４の上面に設けられている。

【００３４】上述したような位置合わせを行った後に、
熱電素子９と電極７、８とのはんだ付けを行う。はんだ
付けは、所定の雰囲気ガス中で、クリームはんだ１２に
所定の圧力を加えた状態で行われる。図１（ｃ）に示す
ように治具１４の上面には、位置合わせ後の絶縁基板
５、６全体を覆うようにカバー１６が配置されると共
に、さらにカバー１６全体を覆うようにバギングシート
１７が設けられる。治具１４とバギングシート１７とに
よって密閉空間が形成され、位置合わせ後の絶縁基板
５、６はこの密閉空間内に配置されることになる。治具
１４にはこの密閉空間に連通する導入孔１８が形成され
ており、密閉空間には導入孔１８を介して雰囲気ガス導
入部１９からのガスが供給される。本実施形態では、Ｃ
Ｏガスを供給し、圧力は約１００ｍｍＴｏｒｒに設定す
る。また、上側に配置された絶縁基板６の上面には重り
２０が載置される。重り２０は、平板状に形成されると
共に、熱電素子９が配置されている領域全体を覆うこと
ができる大きさに形成される。これによって、クリーム
はんだ１２には、熱電素子９と電極７、８とが近接する
方向に、大気圧との差圧による静水圧と重り２０とによ
って所定の圧力が加えられることになる。このようにＣ
Ｏガス雰囲気中で所定の圧力を加えた状態で、クリーム
はんだ１２の溶融温度以上まで加熱して、はんだ付けが
行われる。これで、温度制御素子２が完成する。

【００３５】上記のはんだ付けを行った後に、はんだ層
１２ａの平坦化処理を行う。はんだ層１２ａの平坦化処
理は、減圧下ではんだ層１２ａを所定の温度に加熱する
と共に、はんだ層１２ａに所定の圧力を加えることによ
って行われる。治具１４には上記密閉空間に連通する吸
出孔２１が形成されており、この吸出孔２１には圧力制
御部２２を介して真空ポンプ２３が接続されている。圧
力制御部２２は、例えばチャンバ弁で実現される。した
がって、真空ポンプ２３を駆動して吸出孔２１から空気
（ガス）を吸い出すことによって密閉空間内を減圧する
ことができる。そして、はんだ層１２ａの加熱は、はん
だ付けのときと同様にして行われる。また、はんだ層１
２ａの加圧は、大気圧との差圧による静水圧と上記重り
２０とを利用して行われる。

【００３６】上記はんだ層１２ａの平坦化処理を行った
後に、図１（ｄ）に示すように、放熱側絶縁基板６の外
側にグリス層１０を介して水冷板４を配置する。このと
き、グリス層１０の平坦化処理を行う。グリス層１０の
平坦化処理は、グリス層１０を所定の温度に加熱すると
共に、グリス層１０に所定の圧力を加えることによって
行われる。グリス層１０の加熱は、はんだ付けのときと
同様にして行うことができる。また、グリス層１０の加
圧は、上記重り２０を利用して行うことができる。した
がって、グリス層１０の平坦化処理は、上記治具１４を
利用して、はんだ付け及びはんだ層１２ａの平坦化処理
に引き続いて連続的に行うことができる。

【００３７】最後に、水冷板４をボルト２４、２４で均
熱板３に固定して、温度制御装置１が完成する。

【００３８】次に、本発明の製造方法の特徴を説明す
る。本発明の第１の特徴は、熱電素子９と電極７、８の
はんだ付けの際に、多数の銅粉を混合したクリームはん
だ１２を使用し、所定の圧力を加えながら行うことであ
る。このように所定の圧力を加えながらはんだ付けを行
うので、はんだ層１２ａの平坦化を図ることができる。
したがって、ポリイミドフィルムのように可撓性を有す
る絶縁基板６の平坦度が向上し、これに伴って絶縁基板
６の外側に配置される水冷板４の平坦度も向上する。ま
た、均熱板３は予め絶縁基板５に貼り付けられているの
で、充分な平坦度を有している。これによって、応答
性、均熱性などの伝熱特性が向上した温度制御装置１を
製造することができる。また、機械加工によって平坦度
を向上する場合に比べて安価に実施することができる。

【００３９】尚、クリームはんだ１２には多数の銅粉が
混合されているので、最小限でも銅粉の外径程度のはん
だ層厚が確保され、所定のはんだ付け強度を確保でき
る。図４のグラフに示されているように、はんだ層の剪
断強度は、はんだ層厚が５０μｍより小さくなると徐々
に低下し、２５μｍ以下になると急激に低下するため、
はんだ層厚は約５０μｍ〜２００μｍとするのが好まし
い。

【００４０】本発明の第２の特徴は、熱電素子９と電極
７、８とのはんだ付けをした後に、はんだ層１２ａを所
定の温度に加熱すると共に、所定の圧力を加えることに
よってはんだをクリープ変形させてはんだ層１２ａの平
坦化処理を行うことである。所定の温度とは、クリーム
はんだ１２の溶融温度以下で軟化温度以上であり、例え
ば６３Ｓｎ・３７Ｐｂ共晶はんだの場合は、溶融温度が
約１８３°Ｃであり、軟化温度が約１２０°Ｃであるの
で、約１２０〜１７０°Ｃの範囲の温度を選択する。ま
た、所定の圧力とは、その温度における降伏応力の０．
８〜１．５倍の圧力であり、例えばＰｂ−Ｓｎはんだを
１６０°Ｃに加熱した場合は、１ｋｇ／ｍｍ²程度であ
る。

【００４１】図５は、はんだ層に加える荷重と生じた歪
との関係を示すグラフである。はんだ層の加熱温度は１
５０°Ｃであり、丸印はＳｎ−Ｐｂ−Ｂｉはんだの測定
結果を示し、三角印はＳｎ−Ｐｂ共晶はんだの測定結果
を示し、四角印はインジウム系はんだの測定結果を示し
ている。また図６は、荷重／降伏点と歪との関係を示す
グラフであり、図５の測定結果を整理したものである。
尚、図５及び図６において、黒印ははんだ層にクラック
が発生したことを示している。

【００４２】フラットニング（平坦化）に必要な変形量
は、少なくとも歪２０％であるが、歪５０％以上である
ことが好ましく、歪８０％を超えるとクラックが発生し
ている。そして、図６において、歪５０％での荷重／降
伏点（降伏応力）は０．８であり、歪８０％での荷重／
降伏点は１．５である。したがって、平坦化に際して
は、はんだ層の加熱温度における降伏応力の０．８〜
１．５倍の圧力を加えることが良いことがわかる。

【００４３】このようにはんだ付け後にはんだ層１２ａ
を柔らかくした状態で圧力を加えるので、はんだ層１２
ａの平坦化を図ることができる。したがって、ポリイミ
ドフィルムのように可撓性を有する絶縁基板６の平坦度
が向上し、これに伴って絶縁基板６の外側に配置される
水冷板４の平坦度も向上する。また、均熱板３は予め絶
縁基板５に貼り付けられているので、充分な平坦度を有
している。これによって、応答性、均熱性などの伝熱特
性が向上した温度制御装置１を製造することができる。
また、機械加工によって平坦度を向上する場合に比べて
安価に実施することができる。

【００４４】尚、はんだ１２の溶融温度以下で圧力を加
えるので、はんだ１２が流れ出すことはなく、所定のは
んだ層厚が確保され、所定のはんだ付強度を確保でき
る。また、はんだ１２には銅粉が混合されているので、
はんだ層１２ａの平坦化を行った際に最低限でも銅粉の
外径程度のはんだ層厚が確保される。したがって、はん
だ層厚の制御（均一化）を容易にかつ確実に行うことが
できる。

【００４５】図７及び図８は、はんだ付け直後のはんだ
層厚と、平坦化処理を行った後のはんだ層厚との測定結
果を示すグラフである。平坦化処理は、４．５ｋｇ／ｃ
ｍ²の圧力を加えると共に、最大１５９°Ｃまで加熱し
た状態で５分間保持することによって実行した。但し、
圧力は加熱温度が１５７°Ｃ以上になってから加えた。
尚、各グラフにおける「ａ」〜「ｉ」は測定場所を区別
するための符号であり、ここでは９個の測定場所で測定
したはんだ層厚の測定結果を棒グラフで示している。左
側の白い棒グラフがはんだ付け直後のはんだ層厚を示
し、右側のハッチングを付した棒グラフが平坦化処理を
行った後のはんだ層厚を示している。

【００４６】図７は、はんだ付けの際に比較的大きな圧
力を加えた場合のグラフであり、（ａ）は銅粉が混合さ
れていないはんだを使用したときの測定結果を示し、
（ｂ）は直径約１００μｍの銅粉が混合されたはんだを
使用したときの測定結果を示している。図７（ａ）のグ
ラフから分かるように、層厚制御部材である銅粉が混合
されていないはんだを使用したときは、はんだ付け直後
の段階ではんだ層厚が全て０．０５０ｍｍ（５０μｍ）
未満であり、平坦化処理を行うことによってはんだ層厚
はさらに小さくなっている。したがって、この場合は充
分な剪断強度を持ったはんだ層を形成することはできな
い。

【００４７】一方、図７（ｂ）のグラフから分かるよう
に、直径約１００μｍの銅粉が混合されたはんだを使用
したときは、はんだ付け直後の段階ではんだ層厚は全て
０．１００ｍｍ（１００μｍ）以上であり、充分な剪断
強度を持ったはんだ層が形成されてはいるものの、はん
だ層厚にばらつきがみられる。しかし、平坦化処理を行
うことによって概ね１００μｍのはんだ層厚に均一化さ
れている。したがって、この場合は充分な剪断強度を持
つと共に、層厚が均一化された平坦なはんだ層を形成す
ることができる。

【００４８】また、図８は、はんだ付けの際に比較的小
さな圧力を加えた場合のグラフであり、（ａ）は銅粉が
混合されていないはんだを使用したときの測定結果を示
し、（ｂ）は直径約１００μｍの銅粉が混合されたはん
だを使用したときの測定結果を示している。図８（ａ）
のグラフから分かるように、はんだ付けの際に加える圧
力を小さくしたことによって、はんだ付け直後の段階で
のはんだ層厚はばらつきはあるものの、全て０．０５０
ｍｍ（５０μｍ）以上であり、充分な剪断強度を持った
はんだ層が形成されている。そして、平坦化処理を行う
ことによって概ね１００μｍのはんだ層厚に均一化され
ている。したがって、この場合でも充分な剪断強度を持
つと共に、層厚が均一化された平坦なはんだ層を形成す
ることができる。但し、はんだに銅粉が混合されていな
いため、測定場所「ｉ」のようにはんだ層厚の薄い部分
が生じる場合がある。

【００４９】一方、図８（ｂ）のグラフから分かるよう
に、はんだ付けの際に加える圧力を小さくしたことによ
って、同図（ａ）と同様にはんだ付け直後の段階でのは
んだ層厚はばらつきはあるものの、全て０．１００ｍｍ
（１００μｍ）以上であり、充分な剪断強度を持ったは
んだ層が形成されている。尚、層厚が１００μｍ以上あ
るのは、銅粉が混合されているからである。そして、平
坦化処理を行うことによって概ね１００μｍのはんだ層
厚に均一化されている。したがって、この場合でも充分
な剪断強度を持つと共に、層厚が均一化された平坦なは
んだ層を形成することができる。但し、はんだ付けの際
に加える圧力が小さいため、はんだ付け直後のはんだ層
厚が比較的大きな範囲でばらついており、平坦化処理後
のはんだ層厚のばらつきの範囲も、図７（ｂ）に示した
はんだ付けの際に加える圧力が大きい場合のばらつきの
範囲の範囲に比べて、大きくなる。

【００５０】上述した図７及び図８の各グラフを比較す
ることによって、以下の事項が導き出される。まず、図
７と図８との間で白い棒グラフを比較すると、はんだ付
けの際に比較的大きな圧力を加えた方がはんだ層厚が均
一化されていることが分かる。また、図７において
（ａ）と（ｂ）との間で白い棒グラフを比較すると、層
厚制御部材である銅粉が混合されているはんだを使用し
た方が、充分な剪断強度を持ったはんだ層が形成されて
いることが分かる。したがって、銅粉を混合したはんだ
を使用して所定の圧力を加えながらはんだ付けを行うこ
とによって、充分な剪断強度を確保しながら、はんだ層
厚を均一化して平坦度の向上を図ることができること
（本発明の第１の特徴）が確認された。

【００５１】また、図７及び図８の各グラフにおいて、
白い棒グラフとハッチングを付した棒グラフとを比較す
ると、はんだ層を所定の温度に加熱すると共に、所定の
圧力を加えること（はんだ層の平坦化処理）によって、
はんだ層厚を均一化して平坦度の向上を図ることができ
ること（本発明の第２の特徴）が確認された。さらに、
図７及び図８においてそれぞれ（ａ）と（ｂ）との間で
ハッチングを付した棒グラフを比較すると、はんだ層の
平坦化処理を行う際にはんだ層に銅粉が含まれている方
が、はんだ層厚のばらつきが小さく、はんだ層厚の制御
が容易であることが確認された。

【００５２】さらに、図７（ｂ）と図８（ｂ）のグラフ
を比較すると、銅粉を混合したはんだを使用して所定の
圧力を加えながらはんだ付けを行った後に、はんだ層の
平坦化処理を行うことによって、はんだ層厚の均一化に
よる平坦度の向上がより一層図られる事が確認された。

【００５３】さらに本発明の第３の特徴は、水冷板４を
絶縁基板６との間にグリス層１０を介在させて配置した
後に、減圧下でグリス層１０を所定の温度に加熱すると
共に、所定の圧力を加えることによってグリス層１０の
平坦化処理を行うことである。所定の温度とは、約１２
０〜１７０°Ｃであり、所定の圧力とは、約０．６〜１
０ｋｇ／ｃｍ²の圧力である。

【００５４】このようにグリス層１０を加熱・加圧する
ので、グリス層１０の平坦化及び薄層化を図ることがで
きる。また、減圧かつ加熱することによってグリス層内
部に取り込まれていた気泡が膨張し、この膨張した気泡
が外部に押し出されるので、熱伝導率の均一化が図られ
ると共に、薄層化にも寄与することができる。したがっ
て、グリス層１０の平坦化によって水冷板４の平坦度が
向上し、またグリス層１０の薄層化と気泡の減少とによ
って熱伝導率が向上する。また、均熱板３は予め絶縁基
板５に貼り付けられているので、充分な平坦度を有して
いる。これによって、応答性、均熱性などの伝熱特性が
向上した温度制御装置１を製造することができる。ま
た、機械加工によって平坦度を向上する場合に比べて安
価に実施することができる。

【００５５】図９は、グリス層における気泡面積を示す
グラフである。現状では、グリス層の気泡面積は約５で
ある。一方、本発明では、室温・大気圧下では現状と同
じであるが、減圧し、かつ加熱することによって気泡が
膨張して気泡面積が増加するので、荷重を加えることに
よって膨張した気泡が外部に押し出される。したがっ
て、室温まで冷却し、かつ大気圧に戻すことによって残
留している気泡は縮小し、その結果、気泡面積は現状の
半分以下の約２程度まで減少させることができる。

【００５６】図１０は、温度制御装置１の平坦度を示す
模式図である。図１０（ａ）に示すように、温度制御素
子２、グリス層１０、水冷板４の全てが平坦であること
が理想的であるが、現状では図１０（ｂ）に示すよう
に、温度制御素子２ははんだ層厚にばらつきがあるため
厚さにばらつきがあり、またグリス層１０にも厚さのば
らつきがある。一方、本発明では、図１０（ｃ）に示す
ように、温度制御素子２のはんだ層が平坦化されるため
厚さのばらつきが小さくなり、またグリス層１０の厚さ
のばらつきも小さくなっている。したがって、温度制御
素子２と水冷板４との間の距離がほぼ均一になり、応答
性、均熱性などの伝熱特性が向上する。

【００５７】図１１は、温度制御装置の平坦度を示すグ
ラフである。図１１（ａ）は、本発明の製造方法に従っ
て製造された温度制御装置の平坦度を示し、同図（ｂ）
は従来の製造方法に従って製造された温度制御装置の平
坦度を示す。初期状態とは水冷板４と均熱板３だけの状
態での平坦度である。本発明では、図１１（ａ）に示す
ように、はんだ付け後に平坦化を行い、またグリス塗布
後にも平坦化を行うので、平坦度の低下は初期状態の
１．５倍程度に抑えられている。一方、従来技術では、
図１１（ｂ）に示すように、はんだ付け後の平坦化及び
グリス塗布後の平坦化は共に行われないので、初期状態
の４倍程度まで平坦度が低下している。

【００５８】ところで、本発明の製造方法は、はんだ
付け工程、はんだ層の平坦化工程、グリス層の平坦
化工程の３つの特徴を有している。そして、３つの工程
のうちいずれか１つの工程だけを実行しても平坦度を向
上することは可能であるが、いずれか２つの工程を実行
すれば平坦度をより向上することができ、３つの工程を
全て実行すれば平坦度を最も向上することができる。そ
して、３つの工程はそれぞれ独立して実行してもよい
が、各工程は共に加熱・加圧処理を行うので、連続して
又は同時期に工程を実行すれば製造時間の短縮を図るこ
とができる。また、加熱・加圧装置を共用できるので、
製造コストの低減を図ることもできる。そこで、以下
に、複数の工程を連続して又は同時期に実行する場合の
温度・荷重条件について説明する。

【００５９】図１２は、はんだ付け工程とはんだ層の平
坦化工程を連続して行う場合のタイムチャートである。
実線Ｌ１が温度変化を示し、実線Ｌ２が荷重変化を示し
ている。０〜２時間がはんだ付け工程であり、２〜４．
５時間がはんだ層の平坦化工程である。はんだ付け工程
では、わずかに荷重を加えた状態で、はんだの溶融温度
以上の約２００°Ｃに加熱する。また、平坦化工程では
約１ｋｇ／ｃｍ²の荷重を加えた状態で、はんだの溶融
温度以下で軟化温度以上である約１６０°Ｃに加熱す
る。その後、グリスを塗布して水冷板４を配置した後
に、グリス層の平坦化工程を行う。

【００６０】図１３は、はんだ層の平坦化工程とグリス
層の平坦化工程を同時期に行う場合のタイムチャートで
ある。実線Ｌ３が温度変化を示し、実線Ｌ４が荷重変化
を示している。０〜２．５時間がはんだ付け工程であ
り、２．５〜３．５時間がグリス塗布・水冷板配置工程
であり、３．５〜６時間がはんだ層・グリス層の平坦化
工程である。はんだ付け工程では、わずかに荷重を加え
た状態で、はんだの溶融温度以上の約２００°Ｃに加熱
する。はんだ付け工程終了後に、絶縁基板６の表面にグ
リスを塗布して水冷板４を配置する。それから、はんだ
層・グリス層の平坦化工程では、約１ｋｇ／ｃｍ²の荷
重を加えた状態で、はんだの溶融温度以下で軟化温度以
上である約１６０°Ｃに加熱する。このようにはんだ付
けを行ってからグリスを塗布して水冷板４を配置するの
で、熱電素子９とはんだ１２との位置ずれが生じること
はなく、良好なはんだ付けを行うことができる。

【００６１】図１４は、はんだ付け工程とはんだ層の平
坦化工程とを連続して行うと共に、はんだ層の平坦化工
程とグリス層の平坦化工程とを同時期に行う場合のタイ
ムチャートである。実線Ｌ５が温度変化を示し、実線Ｌ
６が荷重変化を示している。０〜２時間がはんだ付け工
程であり、２〜５．５時間がはんだ層・グリス層の平坦
化工程である。まず、はんだ付け工程に先立って絶縁基
板６の表面にグリスを塗布して水冷板４を配置する。そ
れから、はんだ付け工程ではわずかに荷重を加えた状態
で、はんだの溶融温度以上の約２００°Ｃまで加熱す
る。続いて、はんだ層・グリス層の平坦化工程では、約
１ｋｇ／ｃｍ²の荷重を加えた状態で、はんだの溶融温
度以下で軟化温度以上である約１６０°Ｃに加熱する。
このようにはんだ付け前にグリスを塗布して水冷板４を
配置するので、３つの工程を連続的かつ同時期に行うこ
とができるので、製造時間を短縮することができる。

【００６２】図１５は、はんだ層・グリス層の平坦化メ
カニズムを説明するための断面図である。また、図１６
はグリス層の平坦化メカニズムを説明するためのグラフ
であり、（ａ）はグリス層厚と加圧力との関係を温度別
に示したグラフであり、（ｂ）は１５０°Ｃでのグリス
層厚と加圧力との関係を示したグラフであり、（ｃ）は
時間経過に伴う荷重の変化を示すグラフである。

【００６３】水冷板４の面積をＳ、熱電素子９の面積率
をＡ（％）とし、仮定として、Ｎ個の熱電素子９のうち
Ｍ個の熱電素子９が２０μｍ突出しているとする。突出
している熱電素子９には、図１５において参照符号に添
字Ｍを付して示す。グリス層厚と加圧力との関係は図１
６（ｂ）であるので、図１６（ｃ）に示すように加圧を
開始すると、Ｙをはんだの降伏強度としたとき、加圧力
（Ｐ１×Ｓ）＝Ｙ×（Ｎ／Ｍ）×Ａ×Ｓの関係を満たす
荷重Ｐ１の時にはんだ層１２ａの突出部分の変形が開始
し、突出部分が周囲と同一高さとなる。この結果、はん
だ層１２ａの平坦度が０となったとすると、熱電素子１
個当たりに加えられる荷重は、Ｐ２＝Ｙ×Ｍ／Ｎとなっ
て降伏強度以下の値となり、はんだ層１２ａはこれ以上
変形しない。さらに、荷重を増加させていくと、グリス
層１０の厚さは図１５（ｃ）に示すように薄くなってい
き、必要層厚に対応する荷重Ｐ３に達するまで荷重を増
加させ、それから荷重Ｐ３を維持する。

【００６４】以上のように、図１６（ｃ）に示すように
荷重が加えられると、荷重がＰ１に達した時にはんだ層
１２ａの変形が開始し、荷重がＰ２に達するまでに平坦
化が達成され、はんだ層１２ａはその後変形しない。さ
らに、荷重が増加することによってグリス層１０の層厚
が減少し、荷重がＰ３の時に必要層厚に達する。この結
果、はんだ層１２ａの平坦化と、グリス層厚の制御（薄
膜化）が達成される。

【００６５】図１７は、絶縁基板６に対する加圧状態を
示す断面図である。図１７（ｂ）に示すように、はんだ
付け工程後に平坦化を行うために押圧板２５を絶縁基板
６に押し付けて加圧した場合、絶縁基板６の突出部分６
ａが押圧板２５と局所的に接触することとなり、突出部
分６ａの局所面圧が大きくなり、熱電素子９を破壊する
可能性が大きくなる。一方、図１７（ａ）に示すよう
に、グリス層１０を介在させると圧力が分散されるた
め、熱電素子９の破壊が防止される。尚、押圧板２５
は、上記重り２０又は水冷板４に相当するものである。
したがって、上記のようにはんだ層１２ａの平坦化工程
とグリス層１０の平坦化工程とを同時期に行うことによ
って、熱電素子９の破壊を防止して歩留りを向上するこ
とができる。

【００６６】尚、本実施の形態では水冷板４のみをグリ
ス層１０を介在して配置する構造の温度制御装置１を例
にとって説明したけれども、均熱板３と水冷板４の双方
をグリス層を介在して配置する構造の温度制御装置に対
しても本発明を適用できることはもちろんである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態である温度制御装置の製
造方法を説明するための断面図である。

【図２】製造方法の一部を説明するための断面図であ
る。

【図３】製造方法の一部を説明するための断面図であ
る。

【図４】はんだ層の剪断強度とはんだ層厚との関係を示
すグラフである。

【図５】はんだ層に加える荷重と生じた歪との関係を示
すグラフである。

【図６】荷重／降伏点と歪との関係を示すグラフであ
る。

【図７】はんだ付け直後と平坦化後のはんだ層厚の測定
結果を示すグラフである。

【図８】はんだ付け直後と平坦化後のはんだ層厚の測定
結果を示すグラフである。

【図９】グリス層における気泡面積を示すグラフであ
る。

【図１０】温度制御装置の平坦度を示す模式図である。

【図１１】温度制御装置の平坦度を示すグラフである。

【図１２】はんだ付け工程とはんだ層の平坦化工程を連
続して行う場合の温度・荷重条件を示すタイムチャート
である。

【図１３】はんだ層の平坦化工程とグリス層の平坦化工
程とを同時期に行う場合の温度・荷重条件を示すタイム
チャートである。

【図１４】はんだ付け工程とはんだ層の平坦化工程を連
続して行うと共に、はんだ層の平坦化工程とグリス層の
平坦化工程とを同時期に行う場合の温度・荷重条件を示
すタイムチャートである。

【図１５】はんだ層・グリス層の平坦化メカニズムを説
明するための断面図である。

【図１６】グリス層の平坦化メカニズムを説明するため
のグラフである。

【図１７】絶縁基板に対する加圧状態を示す断面図であ
る。

【図１８】温度制御装置の概略的構成を示す側面図であ
る。

【図１９】温度制御装置の従来の製造方法を説明するた
めの工程図である。

【符号の説明】

１温度制御装置２温度制御素子３伝熱板（均熱板）４伝熱板（水冷板）５絶縁基板６絶縁基板７電極８電極９熱電素子９ｐＰ型素子９ｎＮ型素子１０グリス層１２クリームはんだ１２ａはんだ層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】対向して配置された一対の絶縁基板
（５）（６）の対向する表面に電極（７）（８）がそれ
ぞれ形成されると共に、対向する電極（７）（８）間に
熱電素子（９）をはんだ付けして構成された温度制御素
子（２）と、この温度制御素子（２）の各絶縁基板
（５）（６）の外側表面にそれぞれ配置された一対の伝
熱板（３）（４）とを備えた温度制御装置（１）の製造
方法において、上記一対の伝熱板（３）（４）の少なく
とも一方（４）は上記熱電素子（９）をはんだ付けした
後に絶縁基板（６）の外側表面に配置され、はんだ付け
後に伝熱板（４）が配置される絶縁基板（６）は可撓性
を有しており、上記熱電素子（９）のはんだ付けは、層
厚制御部材を混合したはんだ（１２）を使用し、所定の
圧力を加えながら行うことを特徴とする温度制御装置の
製造方法。
【請求項２】対向して配置された一対の絶縁基板
（５）（６）の対向する表面に電極（７）（８）がそれ
ぞれ形成されると共に、対向する電極（７）（８）間に
熱電素子（９）をはんだ付けして構成された温度制御素
子（２）と、この温度制御素子（２）の各絶縁基板
（５）（６）の外側表面にそれぞれ配置された一対の伝
熱板（３）（４）とを備えた温度制御装置（１）の製造
方法において、上記一対の伝熱板（３）（４）の少なく
とも一方（４）は上記熱電素子（９）をはんだ付けした
後に絶縁基板（６）の外側表面に配置され、はんだ付け
後に伝熱板（４）が配置される絶縁基板（６）は可撓性
を有しており、上記熱電素子（９）のはんだ付けをした
後に、はんだ層（１２ａ）をはんだの溶融温度以下で軟
化温度以上に加熱すると共に、その温度における降伏応
力の０．８〜１．５倍の圧力を加えることによって上記
はんだ層（１２ａ）を平坦化することを特徴とする温度
制御装置の製造方法。
【請求項３】上記はんだ層（１２ａ）は、層厚制御部
材を含むことを特徴とする請求項２の温度制御装置の製
造方法。
【請求項４】対向して配置された一対の絶縁基板
（５）（６）の対向する表面に電極（７）（８）がそれ
ぞれ形成されると共に、対向する電極（７）（８）間に
熱電素子（９）をはんだ付けして構成された温度制御素
子（２）と、この温度制御素子（２）の各絶縁基板
（５）（６）の外側表面にそれぞれ配置された一対の伝
熱板（３）（４）とを備えた温度制御装置（１）の製造
方法において、上記一対の伝熱板（３）（４）の少なく
とも一方（４）はグリス層（１０）を介在して絶縁基板
（６）の外側表面に配置され、グリス層（１０）を介在
して伝熱板（４）が配置される絶縁基板（６）は可撓性
を有しており、伝熱板（４）を絶縁基板（６）との間に
グリス層（１０）を介在させて配置した後に、約１２０
〜１７０°Ｃに加熱すると共に、約０．６〜１０ｋｇ／
ｃｍ²の圧力を加えることによって上記グリス層（１
０）を平坦化することを特徴とする温度制御装置の製造
方法。
【請求項５】上記熱電素子（９）のはんだ付けをした
後に、はんだ層（１２ａ）をはんだの溶融温度以下で軟
化温度以上に加熱すると共に、その温度における降伏応
力の０．８〜１．５倍の圧力を加えることによって上記
はんだ層（１２ａ）を平坦化しており、上記グリス層
（１０）の平坦化と上記はんだ層（１２ａ）の平坦化と
を同時期に行うことを特徴とする請求項４の温度制御装
置の製造方法。
【請求項６】上記熱電素子（９）のはんだ付けをする
前に、伝熱板（４）を絶縁基板（６）との間にグリス層
（１０）を介在させて配置することを特徴とする請求項
５の温度制御装置の製造方法。
【請求項７】上記熱電素子（９）のはんだ付けをした
後に、伝熱板（４）を絶縁基板（６）との間にグリス層
（１０）を介在させて配置することを特徴とする請求項
５の温度制御装置の製造方法。