JP2007142343A - 半田付け装置及び半田付け方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】装置構造を簡素化しつつ、効率的な加熱を実現すること。
【解決手段】半田付け装置HKを、回路基板(セラミックス基板14、金属板15、金属板16)を収容する密閉可能な容器17と、半導体素子12の直上に配置されるとともに半導体素子12を回路基板側に押圧する錘35と、錘35に電磁誘導作用を生じさせ、当該錘35を発熱させる高周波加熱コイル28とを備えて構成する。また、高周波加熱コイル28を、錘35から離間して配置する。そして、錘35の発熱により回路基板における複数箇所の半導体素子12の接合部位を加熱する。
【選択図】図3
【解決手段】半田付け装置HKを、回路基板(セラミックス基板14、金属板15、金属板16)を収容する密閉可能な容器17と、半導体素子12の直上に配置されるとともに半導体素子12を回路基板側に押圧する錘35と、錘35に電磁誘導作用を生じさせ、当該錘35を発熱させる高周波加熱コイル28とを備えて構成する。また、高周波加熱コイル28を、錘35から離間して配置する。そして、錘35の発熱により回路基板における複数箇所の半導体素子12の接合部位を加熱する。
【選択図】図3
Description
本発明は、回路基板に半導体素子を半田付けする半田付け装置及び半田付け方法に関する。
従来から、金属部材とセラミックス部材や、基板と電子部品とを接合する方法として、高周波誘導加熱を用いる方法が知られている(例えば、特許文献1,2,3参照)。高周波誘導加熱は、高周波電流の流れるコイルの中に導体を置くと、当該導体が電磁誘導作用によって発熱する現象である。この高周波誘導加熱を利用した特許文献1や特許文献2の接合装置(接合方法)では、導体部材(鉄心や加圧冶具)を囲むように高周波加熱コイルを配置し、当該導体部材に生じる熱によって半田を溶融し、接合を行っている。なお、接合時には、接合面を加圧することで良好な接合状態が得られ易くなるため、特許文献1や特許文献2の接合装置においても、導体部材を発熱体として機能させる一方で、加圧体としても機能させている。また、特許文献3には、保持板に固定された発熱体を高周波誘導加熱によって発熱させ、電子部品の電極を加熱して半田を溶融し、接合を行っている。
特開昭59−207885号公報
実開平5−13660号公報
特開平8−293668号公報
ところで、半導体モジュールなどにおいては、回路基板上に多数の半導体素子が密集状態で配置されている。また、高周波誘導加熱に用いる高周波加熱コイルは、通常、コイル冷却のための水路などがコイルの中に形成されている。このため、密集状態でかつ小型の半導体素子を加圧し、発熱する導体部材(加圧体)に対して、特許文献1や特許文献2と同様に導体部材を囲むように高周波加熱コイルを設ける構成は採用することができない。仮に、導体部材に対して高周波加熱コイルを設けることができたとしても、半導体素子の数に対応する導体部材毎に高周波加熱コイルを設ける必要があり、半田付け装置の構造が複雑化してしまう。
また、半田付けでは、半田を溶融した後、当該半田の凝固によって回路基板と半導体素子を接合することから、半田の溶融後には必ず冷却工程が行われる。この冷却工程において半導体素子は、良好な接合状態を得るために導体部材(加圧体)で加圧しておくことが好ましい。このため、加圧体に高周波加熱コイルを設ける構成では、冷却工程が終了するまでの間、高周波加熱コイルを使用することができなくなる。したがって、作業効率を向上させるためには、複数の高周波加熱コイルを用意しておく必要があり、半田付け装置の構造が複雑化しまう。
また、半導体素子(トランジスタやダイオード)の接合を行う際には、例えば不活性ガス雰囲気中で接合を行い、当該作業中は通常雰囲気調整を行うことになる。しかしながら、特許文献3では、電子部品の特定箇所(電極)を加熱して半田を溶融させる構成ではあるが、雰囲気調整を行う構成になっておらず、半導体素子を接合する場合に適用可能な方法(装置)であるとは言い難い。また、特許文献3で雰囲気調整を行うために、特許文献2と同様に高周波加熱コイルを不活性ガス雰囲気中に配置してしまうと、高周波加熱コイルを配置するための容積分のガスも雰囲気調整のために必要となり、雰囲気作りのための容器の大型化に伴って半田付け装置も大型化し、構造が複雑化してしまう。
この発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものであり、その目的は、装置構造を簡素化しつつ、効率的な加熱を実現することができる半田付け装置、及び当該半田付け装置を用いて半田付け作業の効率化を図ることができる半田付け方法を提供することにある。
上記問題点を解決するために、請求項1に記載の発明は、回路基板の接合部位に半導体素子を半田付けする半田付け装置であって、導体材料からなる加圧体と、密閉可能な容器と、高周波電流を通電可能な高周波加熱コイルとを備え、前記容器には、前記回路基板における複数箇所の前記接合部位に半田を介して前記半導体素子をそれぞれ配置し、かつ前記半導体素子の直上に前記加圧体を配置した前記回路基板が収容されるとともに、前記高周波加熱コイルは、当該高周波加熱コイルに通電される高周波電流によって前記加圧体に電磁誘導作用を生じさせ、かつ前記加圧体に対して離間した状態で配置されるようになっており、前記加圧体により前記半導体素子を前記回路基板側に押圧した状態で、前記電磁誘導作用による前記加圧体の発熱により前記複数箇所の接合部位に配置した前記半田を加熱溶融することを要旨とする。
請求項9に記載の発明は、半田付け装置を用いて回路基板の接合部位に半導体素子を半田付けする半田付け方法であって、前記半田付け装置は、導体材料からなる加圧体と、密閉可能な容器と、高周波電流を通電可能な高周波加熱コイルとを備え、前記回路基板における複数箇所の前記接合部位に半田を介して前記半導体素子をそれぞれ配置し、かつ前記半導体素子の直上に前記加圧体を配置した前記回路基板を前記容器内に収容して当該容器を密閉するとともに、前記高周波加熱コイルを当該高周波加熱コイルに通電される高周波電流によって前記加圧体に電磁誘導作用が生じ、かつ前記加圧体に対して離間した状態で配置し、次に前記高周波加熱コイルに前記高周波電流を通電し、前記加圧体により前記半導体素子を前記回路基板側に押圧した状態で、前記電磁誘導作用による前記加圧体の発熱により前記複数箇所の接合部位に配置した前記半田を加熱溶融することを要旨とする。
請求項1又は請求項9に記載の発明によれば、加圧体から離間して配置される高周波コイルに対して高周波電流を通電し、加圧体が発熱される。このため、複数の半導体素子を回路基板に半田付けする場合であっても、加圧体毎に高周波加熱コイルを設けることなく複数箇所の接合部位を加熱することができる。また、溶融した半田の冷却時においては、高周波加熱コイルを、加圧体及び回路基板とは別に取り扱うことが可能となるので、当該高周波加熱コイルを用いて他の回路基板の半田付けを行うこともできる。したがって、半田付け装置の構造を簡素化できる。そして、前記半田付け装置を用いて半田付けを行うことにより、半田付け作業の効率化を図ることができる。また、半導体素子を押圧する加圧体を発熱させることにより回路基板の接合部位を加熱するので、当該接合部位に対して集中的に熱を伝えることができ、回路基板全体や容器全体を加熱する場合に比べて効率的な加熱を実現できる。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の半田付け装置において、前記高周波加熱コイルは、前記加圧体の上方側に配置されていることを要旨とする。これによれば、半導体素子の直上に配置される加圧体の上方に高周波加熱コイルが配置されるので、回路基板における複数箇所の接合部位に対して平面的に熱を伝えることができ、均等に加熱することができる。
請求項3に記載の発明は、請求項1又は請求項2に記載の半田付け装置において、前記高周波加熱コイルは、前記容器の外部に配置されており、当該容器において前記高周波加熱コイルと対向する部位は、非磁性材で形成されていることを要旨とする。
請求項4に記載の発明は、請求項1又は請求項2に記載の半田付け装置において、前記高周波加熱コイルは、前記容器の外部に配置されており、当該容器において前記高周波加熱コイルと対向する部位は、非磁性かつ電気抵抗率が前記加圧体の電気抵抗率以上の材料で形成されていることを要旨とする。
請求項5に記載の発明は、請求項1又は請求項2に記載の半田付け装置において、前記高周波加熱コイルは、前記容器の外部に配置されており、当該容器において前記高周波加熱コイルと対向する部位は、非磁性かつ電気的絶縁材で形成されていることを要旨とする。
上記請求項3〜請求項5に記載の発明によれば、半田付け作業において加熱時間以外に高周波加熱コイルが拘束されなくなるので、容器交換などによって次の回路基板の半田付け作業を行うことが可能となり、生産ライン向けの半田付け装置を提供することができる。また、高周波加熱コイルと対向する容器の部位が、非磁性材、電気抵抗率が加圧体の電気抵抗率以上の材料、又は電気的絶縁材で形成することにより、容器自体が発熱することを回避できるとともに、磁束の通過によって加圧体を発熱させることができる。
請求項6に記載の発明は、請求項1〜請求項5のうちいずれか一項に記載の半田付け装置において、前記回路基板は半導体モジュールを構成する回路基板であって、当該回路基板には放熱装置が接合されており、前記容器には、熱媒体を前記放熱装置に供給する供給手段が接続されていることを要旨とする。
また、請求項10に記載の発明は、請求項9に記載の半田付け方法において、前記回路基板は半導体モジュールを構成する回路基板であって、当該回路基板には放熱装置が接合されているとともに、前記半導体装置には、前記容器内に配置した前記回路基板に接合される前記放熱装置に対して熱媒体を供給する供給手段が設けられており、前記半田の加熱溶融後に、前記供給手段を作動させて前記熱媒体を前記放熱装置に供給し、溶融後の半田を冷却して凝固させることを要旨とする。
請求項6又は請求項10に記載の発明によれば、これによれば、回路基板に接合された放熱装置を利用して冷却を行うので冷却効率が向上され、冷却時間の短縮化を図ることができる。その結果、半田付け作業に係る時間の短縮化を図り、半田付け作業の効率化を図ることができる。
請求項7に記載の発明は、請求項1〜請求項6のうちいずれか一項に記載の半田付け装置において、前記容器は、開口部を有する箱状の本体部材と当該開口部を開放及び閉鎖する蓋部材によって構成されており、前記加圧体は、前記蓋部材に取り付けられており、当該蓋部材で前記開口部を閉鎖した時に前記半導体素子の直上に配置されて当該半導体素子を加圧し、前記開口部を開放した時に前記半導体素子の加圧状態を解除することを要旨とする。これによれば、蓋部材の取り付け及び取り外しに合わせて加圧体を配置させることができ、作業工程を削減できる。
請求項8に記載の発明は、請求項1〜請求項7のうちいずれか一項に記載の半田付け装置において、前記加圧体には、前記複数の半導体素子を同時に加圧する加圧面が形成されていることを要旨とする。これによれば、一つの加圧体によって加圧される加圧面積を広げることが可能となり、溶融した半田の表面張力による影響を受け難く、安定した状態で半田付け作業を行うことができる。
本発明の半田付け装置によれば、装置構造を簡素化しつつ、効率的な加熱を実現することができる。そして、前記半田付け装置を用いて半田付けを行うことにより、半田付け作業の効率化を図ることができる。
以下、本発明を具体化した一実施形態を図1〜図5にしたがって説明する。
図1及び図2は、半導体モジュール10を示している。半導体モジュール10は、回路基板11と、当該回路基板11に接合される半導体素子12と、放熱装置としてのヒートシンク13とから構成されている。回路基板11は、セラミックス基板14の両面に金属板15,16を接合して構成されている。セラミックス基板14は、例えば、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化けい素などにより形成されている。また、金属板15は、配線層として機能し、例えば、アルミニウムや銅などで形成されている。半導体素子12は、金属板15に接合(半田付け)されている。図2の符号「H」は、半田層を示している。半導体素子12は、IGBT(Insurated Gate Bipolar Transistor )やダイオードからなり、回路基板11(金属板15)には複数(本実施形態では4つ)の半導体素子12が接合されている。また、金属板16は、セラミックス基板14とヒートシンク13とを接合する接合層として機能し、例えば、アルミニウムや銅などで形成されている。ヒートシンク13は、金属板16に接合されている。
図1及び図2は、半導体モジュール10を示している。半導体モジュール10は、回路基板11と、当該回路基板11に接合される半導体素子12と、放熱装置としてのヒートシンク13とから構成されている。回路基板11は、セラミックス基板14の両面に金属板15,16を接合して構成されている。セラミックス基板14は、例えば、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化けい素などにより形成されている。また、金属板15は、配線層として機能し、例えば、アルミニウムや銅などで形成されている。半導体素子12は、金属板15に接合(半田付け)されている。図2の符号「H」は、半田層を示している。半導体素子12は、IGBT(Insurated Gate Bipolar Transistor )やダイオードからなり、回路基板11(金属板15)には複数(本実施形態では4つ)の半導体素子12が接合されている。また、金属板16は、セラミックス基板14とヒートシンク13とを接合する接合層として機能し、例えば、アルミニウムや銅などで形成されている。ヒートシンク13は、金属板16に接合されている。
図3は、本実施形態の半田付け装置HKの構成を概略的に示している。半田付け装置HKは、回路基板11(金属板15)に半導体素子12を半田付けするための装置として構成されている。また、本実施形態の半田付け装置HKは、図5に示すように、6枚の回路基板11で構成される半導体モジュール100の半田付けを行う装置として構成されている。このため、半導体モジュール100には、24個の半導体素子12が半田付けされるようになっている。
半田付け装置HKは、密閉可能な容器(チャンバ)17を備え、当該容器17は開口部18aを有する箱型の本体部材18と当該本体部材18の開口部18aを開放及び閉鎖する蓋部材19とから構成されている。本体部材18には、半導体モジュール100を位置決めし、支持する支持台20が設置されている。また、本体部材18には、蓋部材19の装着部位にパッキン21が配設されている。
蓋部材19は、本体部材18の開口部18aを閉鎖可能な大きさで形成されており、本体部材18に蓋部材19を装着することにより容器17内には密閉空間Sが形成されるようになっている。また、蓋部材19において、密閉空間Sと対向する部位は、磁力を通す電気的絶縁材で形成されている。本実施形態では、電気的絶縁材としてガラスが用いられており、蓋部材19にはガラス板22が組み付けられている。
また、本体部材18には、容器17内に還元性ガス(本実施形態では水素)を供給するための還元ガス供給部23が接続されている。還元ガス供給部23は、配管23aと、当該配管23aの開閉バルブ23bと、水素タンク23cとを備えている。また、本体部材18には、容器17内に不活性ガス(本実施形態では窒素)を供給するための不活性ガス供給部24が接続されている。不活性ガス供給部24は、配管24aと、当該配管24aの開閉バルブ24bと、窒素タンク24cとを備えている。また、本体部材18には、容器17内に充満したガスを外部に排出するためのガス排出部25が接続されている。ガス排出部25は、配管25aと、当該配管25aの開閉バルブ25bと、真空ポンプ25cとを備えている。半田付け装置HKは、還元ガス供給部23、不活性ガス供給部24及びガス排出部25を備えることにより、密閉空間S内の圧力を調整可能な構成とされており、圧力調整によって加圧されたり、減圧されたりする。
また、本体部材18には、半田付け後の容器17内に熱媒体(冷却用ガス)を供給するための供給手段としての熱媒供給部26が接続されている。熱媒供給部26は、配管26aと、当該配管26aの開閉バルブ26bと、ガスタンク26cとを備えている。熱媒供給部26は、容器17内に収容した半導体モジュール100のヒートシンク13に冷却用ガスを供給するように接続されている。なお、熱媒供給部26から供給される熱媒体を冷却液としても良い。また、本体部材18には、容器17内の温度を計測するための温度センサ(例えば、熱電対など)27が設置されている。
半田付け装置HKの上部(蓋部材19の上部)には、高周波加熱コイル28が設置されている。本実施形態において高周波加熱コイル28は、図5に示すように、6枚の回路基板11に各別に対応するように6つの高周波加熱コイル28が各回路基板11の上側に配置されている。本実施形態の高周波加熱コイル28は、1枚の回路基板11を覆う大きさで、かつ後述する錘35の上面の輪郭よりも大きく形成されている。また、各高周波加熱コイル28は、渦巻き状に形成されており、平面的に展開されている。また、各高周波加熱コイル28は、蓋部材19(ガラス板22の装着部位)に対向するように配置されている。また、各高周波加熱コイル28は、半田付け装置HKが備える高周波発生装置29に電気的に接続されているとともに、容器17内に設置された温度センサ27の計測結果に基づき、所定の温度に制御されるようになっている。また、各高周波加熱コイル28には、コイル内部に冷却水を通すための冷却路30が形成されているとともに、半田付け装置HKが備える冷却水タンク31に接続されている。
図4は、半田付けを行う際に使用する冶具32(図4(a))と加圧体としての錘35(図4(b))を示している。冶具32は、回路基板11を構成するセラミックス基板14と同一の大きさをなす平板状に形成されている。冶具32は、例えば、グラファイトやセラミックスなどの材料で形成されている。冶具32は、図3に示すように、半田付け時において回路基板11上に半田シート33と、半導体素子12と、錘35とを位置決めするために使用される。このため、冶具32には、回路基板11における半導体素子12の接合部位に対応する部位に位置決め用の貫通孔34が形成されている。貫通孔34は、半導体素子12のサイズに応じた大きさで形成されている。そして、本実施形態においては、回路基板11上に複数個(4つ)の半導体素子12が接合されるので、冶具32には複数個(4つ)の貫通孔34が形成されている。
錘35は、当該錘35を通る磁束の変化により電流が発生し、自身の電気抵抗によって発熱する材料を用いて形成されている。本実施形態の錘35は、ステンレスで形成されている。錘35は、図3に示すように、半田付け時において半導体素子12の直上において当該半導体素子12の上面(非接合面)に接するように配置されるとともに、半導体素子12を回路基板11側に押圧するために使用される。本実施形態の錘35は、削り出しによって作製された一体化部品とされている。そして、錘35の加圧面35aは、冶具32の各貫通孔34に嵌挿可能で、かつ4つの半導体素子12の非接合面に接して加圧可能に形成されている。錘35の加圧面35aが、半導体素子12の非接合面に接する面となる。図4(a)には錘35を二点鎖線で示し、当該錘35を冶具32に設置した状態を示している。
次に、本実施形態の半田付け装置HKを用いて半導体素子12の半田付けを行う方法について説明する。なお、本実施形態の半田付け装置HKを用いて半田付けを行う場合には、回路基板11にヒートシンク13を接合した物(以下、「半田付け対象物」という)を予め作製しておく。
半田付けを行う際には、最初に、本体部材18から蓋部材19を外し、開口部18aを開放する。そして、図3に示すように本体部材18の支持台20に半田付け対象物を置き、位置決めする。次に、半田付け対象物の各回路基板11(セラミックス基板14)上に冶具32を置き、冶具32の各貫通孔34内に半田シート33と半導体素子12を配置する。半田シート33は、回路基板11(金属板15)と半導体素子12との間に配置する。そして、半導体素子12を配置した回路基板11に錘35を置く。この状態において、回路基板11(金属板15)上には、金属板15側から順に半田シート33、半導体素子12、錘35が積層される。半田シート33、半導体素子12、錘35は、半田付け装置HKの上下方向、すなわち、蓋部材19側に向かって積層される。また、錘35の加圧面35aは、半導体素子12の非接合面に接触し、加圧する。
次に、蓋部材19を本体部材18に取り付け、開口部18aを閉塞し、容器17内に密閉空間Sを形成する。密閉空間S内に半田付け対象物を収容した状態(図3に示す)において、各高周波加熱コイル28は、半田付け対象物(各錘35)の上方に配置されるとともに、各高周波加熱コイル28と半田付け対象物(各錘35)との間には蓋部材19に組み付けられたガラス板22が配置される。本実施形態では、高周波加熱コイル28を錘35の上方に配置した場合、当該錘35の上面の輪郭によって形成される領域から高周波加熱コイル28がはみ出るようになっている。本実施形態のように渦巻き状に形成した高周波加熱コイル28は、中央寄りに磁束が多く発生することから、当該高周波加熱コイル28の中央に錘35(回路基板11の接合部位)を配置することが好ましい。
次に、ガス排出部25を操作して容器17内を真空引きするとともに、不活性ガス供給部24を操作して容器17内に窒素を供給し、密閉空間S内を不活性ガスで充満させる。この真空引きと窒素の供給を数回繰り返した後、還元ガス供給部23を操作して容器17内に水素を供給し、密閉空間S内を還元ガス雰囲気とする。
次に、高周波発生装置29を作動させ、各高周波加熱コイル28に高周波電流を流す。すると、錘35には、当該錘35を通る高周波の磁束が発生するとともに渦電流が発生する。その結果、高周波加熱コイル28の磁束内に置かれた錘35は、電磁誘導作用によって発熱し、その熱が錘35の加圧面35aから半導体素子12に伝わる。そして、回路基板11の各接合部位は、錘35に生じた熱が当該錘35の加圧面35aを介して集中的(局所的)に伝わり、加熱される。この結果、半田シート33は、半導体素子12を介して伝わる熱が溶融温度以上の温度になることにより溶融する。また、半導体素子12は、錘35によって回路基板11側に押圧されているので、溶融した半田の表面張力で動かされることはない。そして、半田シート33が完全に溶融したならば、高周波発生装置29を停止させる。なお、各高周波加熱コイル28は、容器17内に設置した温度センサ27の検出結果に基づき、温度が制御される。また、容器17(密閉空間S)内の圧力は、はんだ付け作業の進行状況に合わせて加圧及び減圧され、雰囲気調整が行われる。
そして、半田シート33が完全に溶融した場合には、冷却用の熱媒供給部26を操作して容器17内に冷却用ガスを供給する。容器17内に供給された冷却用ガスは、ヒートシンク13を流れ、半田付け対象物(半導体モジュール100)を冷却する。この結果、溶融した半田は、溶融温度未満に冷却されることによって凝固し、金属板15と半導体素子12とを接合する。この状態において、半田付けが終了し、半導体モジュール100が完成する。そして、蓋部材19を本体部材18から取り出し、冶具32と錘35を外した後に容器17内から半導体モジュール100を取り出す。なお、半導体モジュール100を容器17から取り出す際には、先ず、ガス排出部25を操作して密閉空間S内のガスを排出する。
したがって、本実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
(1)高周波加熱コイル28を錘35から離間して配置し、錘35を発熱させる。このため、複数の半導体素子12を回路基板11に半田付けする場合であっても、錘35毎に高周波加熱コイル28を設けることなく複数箇所の接合部位を加熱することができる。また、溶融した半田の冷却時においては、高周波加熱コイル28を、錘35及び回路基板11とは別に取り扱うことが可能となるので、当該高周波加熱コイル28を用いて半導体モジュール100の半田付けを行うこともできる。したがって、半田付け装置HKの構造を簡素化できる。また、半田付け作業の効率化を図ることもできる。
(1)高周波加熱コイル28を錘35から離間して配置し、錘35を発熱させる。このため、複数の半導体素子12を回路基板11に半田付けする場合であっても、錘35毎に高周波加熱コイル28を設けることなく複数箇所の接合部位を加熱することができる。また、溶融した半田の冷却時においては、高周波加熱コイル28を、錘35及び回路基板11とは別に取り扱うことが可能となるので、当該高周波加熱コイル28を用いて半導体モジュール100の半田付けを行うこともできる。したがって、半田付け装置HKの構造を簡素化できる。また、半田付け作業の効率化を図ることもできる。
(2)また、半導体素子12を押圧する錘35を発熱させて回路基板11の接合部位を加熱することで、当該接合部位に対して集中的に熱を伝えることができる。したがって、回路基板11全体や容器17全体を加熱する場合に比べて効率的な加熱を実現できる。
(3)半導体素子12の直上に配置される錘35の上方に高周波加熱コイル28を配置した。このため、回路基板11における複数の接合部位に対して平面的に熱を伝えることができ、均等に加熱することができる。この結果、各接合部位に配置した半田シート33の溶融の開始と終了を近似(ほぼ同時)させることができ、半田付け作業の効率化を図ることができる。
(4)高周波加熱コイル28を容器17の外部に配置した。このため、高周波加熱コイル28は、半田付け作業において加熱時間以外で拘束されなくなる(使用不可状態にならない)。したがって、容器17の交換などにより、次の半田付け作業を行うことが可能となり、生産ライン向けの半田付け装置HKを提供することができる。
(5)また、高周波加熱コイル28を容器17の外部に配置することにより、容器17内に加熱部材(本実施形態では高周波加熱コイル28)を配置する構成に比べて容器17の容積が少なくなる。したがって、容器17の小型化を図ることができる。また、雰囲気調整としては、主に、容器17内からの空気の排出(真空引き)、不活性ガス(窒素ガスなど)の供給と排出、還元性ガス(水素など)の供給と排出がある。このため、容積を少なくすることにより、例えば、空気の排出においては排出に掛かる時間を少なくしたり、排出に掛かるエネルギー(例えば、真空ポンプ25cを動作させる)の消費量を少なくしたりすることができる。また、不活性ガスや還元性ガスの供給又は排出においては、供給又は排出に掛かる時間を少なくしたり、供給又は排出に掛かるエネルギーの消費量を少なくしたり、あるいは供給するガスの消費量を少なくしたりすることができる。
(6)また、高周波加熱コイル28と対向する容器17の部位(本実施形態では蓋部材19)をガラス板22(電気的絶縁材)で形成した。このため、容器17自体が発熱することを回避できるとともに、磁束の通過によって錘35を発熱させることができる。
(7)冷却時において、回路基板11に接合されたヒートシンク13に冷却用ガスを供給し、冷却するようにした。このため、ヒートシンク13を通じて回路基板11の接合部位を効率的に冷却することができ、冷却時間の短縮化を図ることができる。その結果、半田付け作業に係る時間の短縮化を図ることもできる。
(8)錘35に、各半導体素子12の非接合面に接触可能な加圧面35aを形成した。すなわち、錘35を一つの集合体として構成した。このため、一つの錘35によって加圧される加圧面積を広げることが可能となり、溶融した半田の表面張力による影響を受け難く、安定した状態で半田付け作業を行うことができる。
(9)複数の回路基板11の半田付けを行う場合に、各回路基板11(錘35)に対して1つの高周波加熱コイル28を対応付けて配置し、当該回路基板11に配置した錘35を発熱させるようにした。このため、複数の回路基板11に配置される複数の錘35を纏めて1つの高周波加熱コイル28で発熱させる場合に比して効率が良い。
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 錘35は、削り出しによる一体化部品に代えて、複数の分割体を接合し、一つの集合体として構成しても良い。
○ 錘35は、削り出しによる一体化部品に代えて、複数の分割体を接合し、一つの集合体として構成しても良い。
○ 錘35は、半導体素子12毎に設置可能な分割体として構成しても良い。例えば、実施形態の場合には、回路基板11に4つの半導体素子12が接合されるので、4つの錘35を各半導体素子12の直上に配置して加圧しても良い。
○ 錘35を、蓋部材19の裏面側に取り付けても良い。例えば、蓋部材19に直接取り付けても良いし、蓋部材19に吊り下げても良い。そして、蓋部材19で開口部18aを閉鎖した時に各半導体素子12の直上に配置されて当該各半導体素子12を加圧し、開口部18aを開放した時に半導体素子12の加圧状態を解除するようにしても良い。この構成によれば、蓋部材19の取り付け及び取り外しに合わせて錘35を配置させることができ、作業工程を削減できる。
○ 錘35は、ステンレスに代えて、鉄やグラファイトでも良い。
○ 錘35を、熱伝導率の異なる2種類の導体材料を用いて構成しても良い。例えば、ステンレスと銅を用いて錘35を構成しても良い。この場合、加圧面35a側に銅を配置することで、加熱むらを抑制し、半導体素子12に対して均等に熱を伝えることができる。通常、錘35は、外側から中央に向かって温度が高くなっていくが、加圧面35a側を熱伝導率の良い導体材料にすることで、中央の温度上昇を促進させ、加圧面35a全体を短時間で加熱することができる。
○ 錘35を、熱伝導率の異なる2種類の導体材料を用いて構成しても良い。例えば、ステンレスと銅を用いて錘35を構成しても良い。この場合、加圧面35a側に銅を配置することで、加熱むらを抑制し、半導体素子12に対して均等に熱を伝えることができる。通常、錘35は、外側から中央に向かって温度が高くなっていくが、加圧面35a側を熱伝導率の良い導体材料にすることで、中央の温度上昇を促進させ、加圧面35a全体を短時間で加熱することができる。
○ 半田付け装置HKで半田付けされる半田付け対象物としては、ヒートシンク13を接合していない状態の回路基板11でも良い。
○ 蓋部材19は、本体部材18に対して着脱式でも良いし、開閉式でも良い。
○ 蓋部材19は、本体部材18に対して着脱式でも良いし、開閉式でも良い。
○ 蓋部材19における高周波加熱コイル28と対向する部位を、ガラス以外の電気的絶縁材で形成しても良い。例えば、セラミックスや樹脂でも良い。また、蓋部材19が容器17の内外の気圧差を受け、強度を上げる必要がある場合には、蓋部材19を、例えば、グラスファイバーと樹脂との複合材(GFRP(ガラス繊維強化プラスチック)で構成しても良い。また、蓋部材19を、非磁性材の金属で構成しても良い。なお、金属を用いる場合には、錘35よりも電気抵抗率が高いものを用いた方が良い。また、金属と絶縁材との複合材で構成しても良い。
○ 高周波加熱コイル28は、錘35の上面の輪郭と同じ大きさになるように形成し、当該高周波加熱コイル28を錘35の上面の輪郭と一致するように上方に配置しても良い。
○ 高周波加熱コイル28は、複数の錘35の上方に跨って配置する構成としても良い。この場合、高周波加熱コイル28に対する高周波電流の供給経路や冷却水の供給経路を少なくすることができ、半田付け装置HKの構造をさらに簡素化できる。
○ 生産ライン化に伴って容器17を移動可能とし、当該容器17とともに移動する錘35の移動経路に沿って高周波加熱コイル28を配置しても良い。この場合、高周波加熱コイル28を移動経路に沿った形状に構成し、配置しても良いし、移動経路に沿って複数配置しても良い。このように構成することで、容器17を移動させながら加熱することが可能である。
○ 高周波加熱コイル28を、錘35の側面に配置しても良い。
○ 高周波加熱コイル28を、容器17(密閉空間S)内に配置しても良い。
○ 容器17に、熱媒体を封入したタンクを搭載し、冷却時にタンクから熱媒体を供給するようにしても良い。
○ 高周波加熱コイル28を、容器17(密閉空間S)内に配置しても良い。
○ 容器17に、熱媒体を封入したタンクを搭載し、冷却時にタンクから熱媒体を供給するようにしても良い。
HK…半田付け装置、10,100…半導体モジュール、11…回路基板、12…半導体素子、13…ヒートシンク、17…容器、18…本体部材、18a…開口部、19…蓋部材、26…熱媒供給部、28…高周波加熱コイル、35…錘。
Claims (10)
- 回路基板の接合部位に半導体素子を半田付けする半田付け装置であって、
導体材料からなる加圧体と、
密閉可能な容器と、
高周波電流を通電可能な高周波加熱コイルとを備え、
前記容器には、前記回路基板における複数箇所の前記接合部位に半田を介して前記半導体素子をそれぞれ配置し、かつ前記半導体素子の直上に前記加圧体を配置した前記回路基板が収容されるとともに、
前記高周波加熱コイルは、当該高周波加熱コイルに通電される高周波電流によって前記加圧体に電磁誘導作用を生じさせ、かつ前記加圧体に対して離間した状態で配置されるようになっており、
前記加圧体により前記半導体素子を前記回路基板側に押圧した状態で、前記電磁誘導作用による前記加圧体の発熱により前記複数箇所の接合部位に配置した前記半田を加熱溶融することを特徴とする半田付け装置。 - 前記高周波加熱コイルは、前記加圧体の上方側に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の半田付け装置。
- 前記高周波加熱コイルは、前記容器の外部に配置されており、
当該容器において前記高周波加熱コイルと対向する部位は、非磁性材で形成されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半田付け装置。 - 前記高周波加熱コイルは、前記容器の外部に配置されており、
当該容器において前記高周波加熱コイルと対向する部位は、非磁性かつ電気抵抗率が前記加圧体の電気抵抗率以上の材料で形成されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半田付け装置。 - 前記高周波加熱コイルは、前記容器の外部に配置されており、
当該容器において前記高周波加熱コイルと対向する部位は、非磁性かつ電気的絶縁材で形成されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半田付け装置。 - 前記回路基板は半導体モジュールを構成する回路基板であって、当該回路基板には放熱装置が接合されており、
前記容器には、熱媒体を前記放熱装置に供給する供給手段が接続されていることを特徴とする請求項1〜請求項5のうちいずれか一項に記載の半田付け装置。 - 前記容器は、開口部を有する箱状の本体部材と当該開口部を開放及び閉鎖する蓋部材によって構成されており、
前記加圧体は、前記蓋部材に取り付けられており、当該蓋部材で前記開口部を閉鎖した時に前記半導体素子の直上に配置されて当該半導体素子を加圧し、前記開口部を開放した時に前記半導体素子の加圧状態を解除することを特徴とする請求項1〜請求項6のうちいずれか一項に記載の半田付け装置。 - 前記加圧体には、前記複数の半導体素子を同時に加圧する加圧面が形成されていることを特徴とする請求項1〜請求項7のうちいずれか一項に記載の半田付け装置。
- 半田付け装置を用いて回路基板の接合部位に半導体素子を半田付けする半田付け方法であって、
前記半田付け装置は、導体材料からなる加圧体と、密閉可能な容器と、高周波電流を通電可能な高周波加熱コイルとを備え、
前記回路基板における複数箇所の前記接合部位に半田を介して前記半導体素子をそれぞれ配置し、かつ前記半導体素子の直上に前記加圧体を配置した前記回路基板を前記容器内に収容して当該容器を密閉するとともに、前記高周波加熱コイルを当該高周波加熱コイルに通電される高周波電流によって前記加圧体に電磁誘導作用が生じ、かつ前記加圧体に対して離間した状態で配置し、
次に前記高周波加熱コイルに前記高周波電流を通電し、前記加圧体により前記半導体素子を前記回路基板側に押圧した状態で、前記電磁誘導作用による前記加圧体の発熱により前記複数箇所の接合部位に配置した前記半田を加熱溶融することを特徴とする半田付け方法。 - 前記回路基板は半導体モジュールを構成する回路基板であって、当該回路基板には放熱装置が接合されているとともに、前記半田付け装置には、前記容器内に配置した前記回路基板に接合される前記放熱装置に対して熱媒体を供給する供給手段が設けられており、
前記半田の加熱溶融後に、前記供給手段を作動させて前記熱媒体を前記放熱装置に供給し、溶融後の半田を冷却して凝固させることを特徴とする請求項9に記載の半田付け方法。
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