JP2010080592A - 高温パルスヒート用ヒータチップおよび製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱電対の酸化を防ぎ熱電対の寿命を長くする。ヒータチップの長期連続使用を可能にし、接合装置の稼働率向上と保守費用の低減を可能にする。
【解決手段】電子部品１０の電極１２に他の電子部品を接合するために用いる高温パルスヒート用ヒータチップ２０において、両電子部品１０の接合部１８に圧接される圧接部２４の近傍に、接合温度のフィードバック制御用熱電対２８の温接点３２を固着し、熱電対２８の少なくとも温接点３２付近を含むヒータチップ２０全体を耐酸化セラミックコーティングで被覆する。
【選択図】図１

Description

この発明は、電子部品を接合するために用いる高温パルスヒート用ヒータチップと、その製造方法とに関するものである。

電子回路を製造する際には半導体チップなどの電子部品をプリント配線板などに実装する。この実装には、半導体チップのリード端子（リードピン）を、プリント配線板に形成した電極（回路パターン）に位置合わせして、高温に加熱したヒータチップをリード端子に圧接することにより、接合部を熱圧着またはリフローはんだ付け（接合部に予め供給したはんだを溶融させる）するものである。ヒータチップはパルス電流を用いるパルスヒート方式により瞬時に発熱し、熱圧着またははんだを溶融した後は速やかに冷えて、接合部から離されるものである。

このヒータチップには温度センサとなる熱電対が固着され、検出した温度を温度制御回路にフィードバックして接合温度を制御している。ここに熱電対は万一ヒータチップから剥がれるとヒータチップ温度が急上昇し、いわゆる温度暴走が発生することになる。このため熱電対はヒータチップに確実に固着して長期間剥がれることがないようにしておく必要がある。

一方ヒータヒップに対しては、接合装置の長期連続運転を可能にして稼働率向上と保守費用低減を図るため、その長寿命化やメンテナンス周期の長期化が求められている。ヒータチップ自体は通電による抵抗発熱と冷却が繰り返されるため、十分な耐熱性が求められる。このためヒータチップにはタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、超硬合金、チタンなどが従来より使われている。また近年ではニッケルベースの超合金が使われている。このニッケルベースの超合金は、ニッケルをベースとして、鉄、クロム、ニオブ、モリブデン等の合金元素を含有する合金であり、例えばインコネル（Inconel、スペシャルメタル社（Special Metals Corporation（旧インコ社・International Nickel Company）の商品名）が使用される。

特開平１−１０７９６３ 特開平８−２２２６０９ 特開２００１−２８４７８１

特許文献１には、モリブデンのヒータチップを用いるにもかかわらず、はんだの付着やフラックスによる腐蝕が発生し圧接面（加圧面）やその周縁を定期的に研磨する必要があるため、はんだの接触部分をセラミックス材で被覆することにより長期の連続運転を可能にすることが開示されている。しかしこの特許文献１には熱電対の固着についての説明はない。

実際のＷ、Ｍｏで作られたヒータチップでは熱電対の溶接性が悪いため、熱電対が剥がれ易いという問題がある。特許文献２はヒータチップと熱電対の融点差が大きいことが溶接強度が不十分になる原因であると推定し（段落０００４）、ヒータチップに熱電対の取付部をロウ付けし、この取付部に熱電対を溶接することを提案している。ここに取付部はニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）などとし、ロウ材はＣｕ、Ａｇ、Ａｕのいずれかを主成分とし融点が６５０℃〜１２００℃のものとしている（段落０００６）。なお熱電対の取付部となる金属をヒータチップに直接溶接あるいは溶かし付ける（溶かし込む）ことも従来より行われている。

特許文献３には、ヒータチップに接合補助部材（Ｎｉ、Ｃｒ、Ｂｅ等の接合金属）を介して熱電対を溶接することと、ヒータチップに熱電対の素線の係止手段（貫通孔、凹部など）を設けることが示されている。

以上のように、ヒータチップ自体の長寿命化のためにはんだ接触部分をセラミックス材で被覆することが特許文献１に示され、ヒータチップと熱電対の接合を確実にするためにＮｉやＡｇなどの取付部や接合補助部材を介在させることが特許文献２，３に示されている。

一方本願の発明者は、ヒータチップのトラブルは熱電対に発生することが多いことに着目して熱電対の劣化、断線の原因を追及した。その結果、熱電対の素線がヒータチップの接合部付近で裸線となっているため、素線が高温下で酸化が促進されて「やせ細り」現象が生じ断線の原因になることを知った。また接合部付近の裸線に発生した酸化層がヒータチップとの接合部に浸入し、接合界面の剥離および熱電対のヒータチップからの剥離が発生することを知った。

なお前記特許文献２にはＮｉ、Ｃｒ、Ｃｕの少なくとも１種以上を成分とする熱電対（アルメル−クロメル（Ｋ型）、クロメル−コンスタンタン（Ｅ型）、鉄−コンスタンタン（Ｊ型）、銅−コンスタンタン（Ｔ型）など）の場合に、熱電対の表面をセラミック被覆しておくことが示されている（請求項７，段落０００７，００１１）。

しかしセラミック被覆した熱電対線全体としての過熱使用限度はＫ型熱電対では約５００℃であり、常用限度は約４００℃とされている一方、熱電対の溶接温度はこの過熱使用限度（約５００℃）より著しく高いと考えられるため、熱電対の溶接時に接合部付近のセラミック被覆は消失することになり、熱電対の素線は接合部付近で裸線になっていると考えられる。

この発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、熱電対の高温下での酸化を防ぎ熱電対の寿命を長くすると共に、ヒータチップへのはんだやフラックスの付着による腐蝕を防いでヒータチップの長期連続使用を可能にし、接合装置の稼働率向上と保守費用の低減を可能にする高温パルスヒート式ヒータチップを提供することを第１の目的とする。またこのヒータチップの製造方法を提供することを第２の目的とする。

この発明によれば第１の目的は、電子部品の電極に他の電子部品を接合するために用いる高温パルスヒート用ヒータチップにおいて、前記両電子部品の接合部に圧接される圧接部の近傍に、接合温度のフィードバック制御用熱電対の温接点が固着され、前記熱電対の少なくとも前記温接点付近を含むヒータチップ全体が耐酸化セラミックコーティングで被覆されていることを特徴とする高温パルスヒート用ヒータチップ、により達成される。

また第２の目的は、電子部品の電極に他の電子部品を接合するために用いる高温パルスヒート用ヒータチップの製造方法であって、前記両電子部品の接合部に圧接されるヒータチップの圧接部近傍に、接合温度のフィードバック制御用熱電対の温接点を予め固着し、この熱電対の少なくとも温接点付近を含むヒータチップ全体をＰＶＤ法によって耐酸化セラミックコーティングすることを特徴とする高温パルスヒート用ヒータチップの製造方法、により達成される。

請求項１に係る発明によれば、熱電対の少なくとも温接点付近を含むヒータチップ全体が耐酸化セラミックコーティングで被覆されているので、熱電対の最も高温になるヒータチップとの固着部付近が酸化せず、熱電対の耐久性が向上する。またヒータチップ全体も耐酸化セラミックコーティングされているので、圧接部にはんだの付着やフラックスによる腐蝕が発生しにくくなり、圧接部付近を研磨する間隔を長くして、装置の稼働率を向上させ保守費用低減を可能にすることができる。さらに熱電対とヒータチップは一度に耐酸化セラミックコーティングできるので処理工程が少なく熱電対付のヒータチップの生産性も高くなる。
請求項７の発明によればこのヒータチップの製造方法が得られる。

耐酸化セラミックコーティングは、ＰＶＤ法（物理的気相成長法）により形成する窒化クロム系、窒化チタン系などの薄膜が望ましい（請求項２）。すなわちチタニウムまたはクロームの窒化物、炭窒化物、アルミ窒化物のいずれかが望ましい。ＰＶＤ法は、目的とする薄膜の構成原子を含む固体のターゲットを、物理的な作用（蒸発・昇華、スパッタリング、イオンプレーティング）により原子・分子・クラスタ状にして薄膜形成表面へ輸送し、薄膜を形成する方法である。例えばカソードアーク方式のイオンプレーティング装置やＨＣＤ（ホローカソードディスチャジ、hollow cathode discharge：中空陰極放電）電子銃により加熱・蒸発させるイオンプレーティング装置が適する。これらのＰＶＤ装置によればコーティング表面温度が２００〜５００℃の低温であるため、熱電対の固着部が溶融するおそれがなく都合が良いからである。

すなわちヒータチップに熱電対取付用の金属（Ｎｉなど）、をロウ付けする場合に、ロウ付け温度をこのＰＶＤ処理温度（２００〜５００℃）より高く（約６５０℃以上）することにより、ＰＶＤ処理時にロウ材が溶融するおそれが無くなるからである。またヒータチップの最高使用温度が前記ＰＶＤ処理温度より高い場合は、この温度より融点が高いロウ材を使用する。

ヒータチップはタングステン、モリブデン、超硬合金、チタンなどであってもよいが、ニッケルベースの超合金、例えば前記インコネルが最も好ましい（請求項３）。熱電対の素線は予めセラミックコーティングしたものを使用することができ、この場合にはＰＶＤ法で耐酸化セラミックコーティングした熱電対のヒータチップ付近（温接点付近）から遠い部分もセラミックコーティングされていることになり、素線全体の耐酸化性、耐腐食性を向上させて熱電対の耐久性を一層向上させることができる（請求項４）、

熱電対の温接点はヒータチップに溶接（スポット溶接やアーク溶接）によって固着することができる（請求項５）。溶接部に他の金属を介在させてもよい。例えばヒータチップの圧接部付近の熱電対取付位置にＮｉなどの金属をロウ付けしたり、溶接、溶かし付け、溶かし込みによって固着しておいて、ここに熱電対をスポット溶接などで溶接するものである。この場合には、ヒータチップと熱電対の固着強度を増大させ、熱電対の剥離や脱落を防いでヒータチップの熱暴走を確実に防止できる（請求項６，８）。

図１は本発明の一実施例であるヒータチップを用いた接合装置を示す正面図である。この図１において符号１０は電子部品としてのプリント配線板であり硬基板であってもよいし、フレキシブルプリント配線板であってもよい。

このプリント配線板１０の上面には多数の電極１２が所定間隔をもって並ぶように形成されている。１４は他の電子部品としての半導体チップ（半導体集積回路、半導体メモリなど）であり、長方形のパッケージの対向する二辺または四辺には多数のリード端子１６が所定間隔をもって突出している。なお電極１２にははんだめっきが施されている。

半導体チップ１４はリード端子１６を電極１２に位置合わせして接着剤で仮止めされる。リード端子１６とこれに対向する電極１２とがはんだ接合される接合部１８となる。この接合部１８を上方からヒータチップ２０で押圧し、ヒータチップ２０をパルス電流によって瞬間的に発熱させてはんだめっきを溶融する。はんだが凝固するのを待ってヒータチップ２０を上昇させてはんだ付けを終了するものである。

ヒータチップ２０はニッケルベースの超合金、例えばインコネルで作られる。ヒータチップ２０は正面視で略Ｖ字形に形成され、その一対の上端がそれぞれ電極部材２２，２２に固定されている。ヒータチップ２０の中央部下面には下方に突出した圧接部２４が形成されている。

２６は制御部であり、電極部材２２，２２にパルス電流を供給してヒータチップ２０をその電気抵抗により瞬間的に発熱させる。電極部材２２、２２は図示しない昇降装置によって昇降し、圧接部２４を接合部１８に所定圧力で押圧する。この昇降装置は制御部２６により昇降制御される。制御部２６は、ヒータチップ２０が接合部１８を所定圧力で押圧した状態でヒータチップ２０にパルス電流を供給し、はんだを溶融させる一方、その後パルス電流を遮断してヒータチップ２０がはんだ凝固温度以下に冷えるのを待ってヒータチップ２０を上昇させ、次の接合動作を繰り返す。

２８は熱電対である。この熱電対２８は、例えばクロメル（Ｎｉ−Ｃｒ合金）とアルメル（Ａｌ・Ｍｎを含んだＮｉ合金）の素線３０，３０からなるＫ型のものが使用される。両素線３０，３０の接合部である温接点３２は、ヒータチップ２０の圧接部２４の近傍に固着される。ヒータチップ２０には、この温接点３２を固着する位置に予めＮｉ金属板（または金属箔）がロウ付けされ、温接点３２はこのＮｉ金属板にスポット溶接される。ここに用いるロウ材は、後記するアークイオンプレーティングの処理温度（２００〜５００℃）より高い融点のものであり、例えばＣｕ、Ａｇ、Ａｕのいずれかを主成分とするものであって融点が６５０℃以上のものがよい。

このようにして熱電対２８の温接点３２を予め固着したヒータチップ３０は、素線３０，３０の少なくとも温接点３２付近を含めて全体が例えばカソードアーク方式イオンプレーティングによるＰＶＤ法により耐酸化セラミックコーティングされる。

図２はこのコーティング処理に用いる装置の原理説明図である。この図２において符号５０は真空容器であり、このなかには窒素ガス（Ｎ₂）を含む反応ガスが供給される一方、真空ポンプにより所定圧力範囲に減圧されている。５２はエバポレータ（蒸発器）であり、例えばＴｉなどの皮膜形成材料からなるターゲット５４を陰極とし、その回りに配置したアノード５６を陽極として、両者間にアーク電源５８から電圧を印加することによりターゲット５４とアノード５６の間で真空アーク放電を発生させるものである。この放電によりターゲット５４の表面に数μｍ径のアークスポットと呼ばれる溶融領域を発生させることによってターゲット表面から材料を蒸発させ、イオン化させる。このアークスポットはターゲット表面をランダムに動き回る。

ターゲット５４から蒸発し、イオン化した材料は負のバイアス電圧を印加したワーク（ヒータチップ２０）の表面に堆積し、皮膜を形成する。真空容器５０に導入する反応性ガスとして酸素、窒素、アセチレンなどを導入すれば、酸化物、窒化物、炭化物などを成膜でき、ターゲット５４の材料によりチタニウムやクロームの窒化膜、炭化膜、炭窒化膜やアルミ窒化膜が成膜できる。

なおエバポレータ５２は真空容器５０の異なる壁面に複数設ける一方、ワーク（２０）は回転テーブル６０に保持して回転させることにより、複雑な形状のワーク（２０）の表面に均一なコーティングができる。

ワークとなるヒータチップ２０には予め熱電対２８が固着されているので、この熱電対２８を含めてヒータチップ２０の表面全体が一度にコーティングされることになる。従って熱電対２８の温接点３２とその付近の素線３０，３０をコーティングするのであれば、コーティングしない領域をシールド材で囲んでおけばよい。なお素線３０，３０が予めセラミックコーティングしたものであれば、温接点３２の溶接時に消失した温接点３２付近にコーティングすれば足りる。

このように耐酸化セラミックコーティング処理を行ったヒータチップ２０は、前記昇降装置に取付ける一方、熱電対２８の素線３０，３０はコネクタ３４を介して制御部２６に接続される。制御部２６は熱電対２８の冷接点補償を行って温接点３２の温度を求め、圧接部２４の温度を予測する。また圧接部２４が接合部１８のはんだ付けに適する温度となるようにヒータチップ２０に供給するパルス電流を制御する。例えばパルス電流をパルス幅制御する。

制御部２６は接合部１８のはんだを溶融させた後パルス電流を遮断し、はんだ凝固温度以下に冷えるのを待ってヒータチップ２０を上昇させる。ヒータチップ２０は加熱・冷却が繰り返されるが、ヒータチップ２０と熱電対２８の温接点３２付近には耐酸化セラミックコーティングがされているので、これらの耐腐蝕性が極めて高くなり、耐久性が高く長寿命化できる。なおヒータチップ２０の昇降時に素線３０，３０が繰り返し僅かに撓むことになるが、コーティングは密着性が良く極めて薄い（１〜１０μｍ）ので問題が無い。またヒータチップ２０はこのコーティングによりはんだの付着、フラックスによる腐蝕が防止されるので、ヒータチップ２０自身の耐久性、長寿命化も可能である。

接合装置を示す正面図 コーティング装置の原理説明図

符号の説明

１０ プリント配線板（電子部品）
１２ 電極
１４ 半導体チップ（電子部品）
１６ リード端子
１８ 接合部
２０ ヒータチップ
２４ 圧接部
２６ 制御部
２８ 熱電対
３０ 素線
３２ 温接点
５０ 真空容器
５２ エバポレータ

Claims (8)

1. 電子部品の電極に他の電子部品を接合するために用いる高温パルスヒート用ヒータチップにおいて、
   前記両電子部品の接合部に圧接される圧接部の近傍に、接合温度のフィードバック制御用熱電対の温接点が固着され、前記熱電対の少なくとも前記温接点付近を含むヒータチップ全体が耐酸化セラミックコーティングで被覆されていることを特徴とする高温パルスヒート用ヒータチップ。
2. 耐酸化セラミックコーティングはＰＶＤ法により形成された、チタニウムまたはクロームの窒化物、炭窒化物、アルミ窒化物のいずれかの薄膜である請求項１の高温パルスヒート用ヒータチップ。
3. ヒータチップは、ニッケルベースの超合金、タングステン、モリブデン、超硬合金、チタン、のいずれかで形成されている請求項１または２の高温パルスヒート用ヒータチップ。
4. 熱電対の素線はセラミックコーティングされている請求項１〜３のいずれかの高温パルスヒート用ヒータチップ。
5. 熱電対の温接点はヒータチップに溶接されている請求項１〜４のいずれかの高温パルスヒート用ヒータチップ。
6. ヒータチップの圧接部近傍には熱電対取付部となる金属が溶接され、熱電対の温接点はこの取付部に溶接されている請求項１〜４のいずれかの高温パルスヒート用ヒータチップ。
7. 電子部品の電極に他の電子部品を接合するために用いる高温パルスヒート用ヒータチップの製造方法であって、
   前記両電子部品の接合部に圧接されるヒータチップの圧接部近傍に、接合温度のフィードバック制御用熱電対の温接点を予め固着し、この熱電対の少なくとも温接点付近を含むヒータチップ全体をＰＶＤ法によって耐酸化セラミックコーティングすることを特徴とする高温パルスヒート用ヒータチップの製造方法。
8. ヒータチップの圧接部付近に熱電対取付用金属を溶接し、この熱電対取付用金属に熱電対の温接点をスポット溶接してからＰＶＤ法による耐酸化セラミックコーティングする請求項７の高温パルスヒート用ヒータチップの製造方法。

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