JP2011258799A - はんだ付け装置 - Google Patents

Abstract

【課題】少ない加熱源ではんだ付け対象の２つの部品を加熱してはんだ付けすることができるはんだ付け装置を提供する。
【解決手段】はんだ付け装置１０における下治具２１および連結部２２により、はんだ付け対象であるパワーモジュールＭｐと上部電極５４が位置決めされる。上治具２３により、供給する溶融前のはんだ２４が保持される。加熱用プレート３０により、下治具２１、連結部２２を加熱してパワーモジュールＭｐと上部電極５４を加熱するとともに上治具２３を加熱して固体の球状はんだ２４を加熱してパワーモジュールＭｐと上部電極５４に供給する。
【選択図】図３

Description

本発明は、はんだ付け装置に関するものである。

２つの部品をはんだ付けすべく溶融したはんだをはんだ付けしたい部分に落下させてはんだ付けすることが行われている（例えば、特許文献１）。

特開２００４−１３４４４５号公報

溶融したはんだをはんだ付けしたい部分に落下させるためには、はんだ槽と、はんだを注入する注射器等を別に加熱しておく必要があり、はんだ槽を加熱するための加熱源と、はんだを注入する注射器等を加熱する加熱源とが必要であった。また、はんだの濡れ性をよくするためには、はんだ付けしようとする部品を加熱する必要があり、そのための加熱源が必要となる。このように、はんだ付け対象部品を加熱するための加熱源と、溶融はんだを準備するための加熱源が必要であった。即ち、加熱源が多数必要であった。

本発明は、このような背景の下になされたものであり、その目的は、少ない加熱源ではんだ付け対象の２つの部品を加熱してはんだ付けすることができるはんだ付け装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、はんだ付け対象の２つの部品を位置決めする第１の部材と、溶融前のはんだを保持し、前記はんだ付け対象の２つの部品にはんだを供給する第２の部材と、前記第１の部材を加熱して前記はんだ付け対象の２つの部品を加熱するとともに前記第２の部材を加熱して前記はんだを加熱する加熱源と、を備えたことを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、第１の部材により、はんだ付け対象の２つの部品が位置決めされる。また、第２の部材により溶融前のはんだが保持される。そして、加熱源により、第１の部材が加熱されてはんだ付け対象の２つの部品が加熱されるとともに第２の部材が加熱されてはんだが加熱されはんだ付け対象の２つの部品に供給される。

よって、少ない加熱源ではんだ付け対象の２つの部品を加熱してはんだ付けすることができる。
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のはんだ付け装置において、前記加熱源による前記第２の部材への伝熱経路の途中に断熱材を更に備えたことを要旨とする。

請求項２に記載の発明によれば、加熱源による第２の部材への伝熱経路の途中に備えられた断熱材により、第１の部材と第２の部材とに温度の差を作ることができ、はんだを供給するときに、部品側が十分に加熱されているようにすることが可能となる。

請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載のはんだ付け装置において、前記第２の部材は、上下方向に貫通する貫通孔を有し、当該貫通孔に溶融前のはんだを保持したことを要旨とする。

請求項３に記載の発明によれば、第２の部材は、上下方向に貫通する貫通孔を有し、貫通孔に溶融前のはんだを保持したので、はんだを貫通孔を通して供給することができる。
請求項４に記載の発明では、請求項３に記載のはんだ付け装置において、前記貫通孔は下ほど縮径されたテーパー状をなすことを要旨とする。

請求項４に記載の発明によれば、貫通孔は下ほど縮径されたテーパー状をなすので、溶融前のはんだを保持しやすい。

本発明によれば、少ない加熱源ではんだ付け対象の２つの部品を加熱してはんだ付けすることができる。

（ａ）は第１の実施形態におけるはんだ付け装置の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での縦断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線での縦断面図。 （ａ）ははんだ付け後の半導体装置の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での縦断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線での縦断面図。 （ａ）は第１の実施形態におけるはんだ付け装置の作用を説明するためのはんだ付け装置の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での縦断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線での縦断面図。 （ａ）は第１の実施形態におけるはんだ付け装置の作用を説明するためのはんだ付け装置の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での縦断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線での縦断面図。 （ａ）は第２の実施形態におけるはんだ付け装置の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での縦断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線での縦断面図。 （ａ）は第２の実施形態におけるはんだ付け装置の作用を説明するためのはんだ付け装置の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での縦断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線での縦断面図、（ｄ）は温度分布図。

（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施形態を図面に従って説明する。
図１には、本実施形態におけるはんだ付け装置１０を示す。当該はんだ付け装置１０によりはんだ付けされた半導体装置５０を図２に示す。

図２において、半導体素子（チップ）５１の下面にはヒートスプレッダ５２が接合材５３により接合されている。ヒートスプレッダ５２は四角の金属板よりなり、水平に配置されている。接合された半導体素子５１とヒートスプレッダ５２により、パワーモジュールＭｐが構成されている。

そして、パワーモジュールＭｐにおける半導体素子５１の通電により半導体素子５１で発生する熱がヒートスプレッダ５２を通して逃がされるようになっている。
半導体素子５１の上面においては、図１のはんだ付け装置１０により上部電極５４がはんだ付けされる。上部電極５４は金属の帯板よりなり、水平に配置されている。上部電極５４の一端が半導体素子５１の上方に位置し、上部電極５４の一端部において、はんだ５５により半導体素子５１の上面と接合されている。

本実施形態においては、パワーモジュールＭｐと、上部電極５４とが、はんだ付け対象の２つの部品である。
図１において、はんだ付け装置１０は、治具２０と、加熱源としての加熱用プレート３０を備えている。加熱用プレート３０の上に治具２０が搭載されている。治具２０は下治具２１と連結部２２と上治具２３を有している。下治具２１、連結部２２および上治具２３は、伝熱性に優れた材料、例えば金属やカーボン等で形成される。

下治具２１は四角板状をなし、加熱用プレート３０の上に固定されている。そして、加熱用プレート３０において発生した熱が下治具２１に伝わる。また、下治具２１の上面における中央部にはパワーモジュールＭｐのヒートスプレッダ５２が嵌まる凹部２１ａが形成され、凹部２１ａにヒートスプレッダ５２を位置決めした状態で配置することができる。

連結部２２は四角枠状をなしている。下治具２１の上面における外周部には連結部２２が固定されている。また、連結部２２における上部において貫通孔２２ａが形成され、貫通孔２２ａに上部電極５４を位置決めした状態で配置することができる。

このように本実施形態においては、第１の部材としての下治具２１および連結部２２により、パワーモジュールＭｐ（ヒートスプレッダ５２、半導体素子５１）と上部電極５４を位置決めすることができるようになっている。

また、加熱用プレート３０において発生した熱が下治具２１を介して連結部２２に伝わる。
四角枠状の連結部２２の上面には上治具２３が固定されている。そして、加熱用プレート３０において発生した熱が下治具２１および連結部２２を介して上治具２３に伝わる。

第２の部材としての上治具２３は四角板状をなし、中央部には貫通孔２３ａが形成されている。貫通孔２３ａは、上下方向に貫通している。貫通孔２３ａは、下ほど縮径されたテーパー状をなしている。貫通孔２３ａはパワーモジュールＭｐおよび上部電極５４を治具２０にセットした状態において、はんだ付けを行う箇所の上方に位置している。上治具２３の貫通孔２３ａ内に、溶融前のはんだとしての固体の球状はんだ２４を保持することができるようになっている。即ち、貫通孔２３ａの下端開口部での直径よりも球状はんだ２４の直径が大きく、上治具２３の貫通孔２３ａに球状はんだ２４を載せることができ、治具２０に、溶融させるはんだ置き場を設けた構成となっている。そして、固体の球状はんだ２４に対して加熱用プレート３０において発生した熱が、下治具２１、連結部２２および上治具２３を介して伝わる。

次に、はんだ付け装置１０の作用について説明する。
まず、半導体素子５１の下面にヒートスプレッダ５２を接合したパワーモジュールＭｐを用意する。また、上部電極５４を用意する。

そして、図３に示すように、はんだ付け装置１０の治具２０の下治具２１にパワーモジュールＭｐのヒートスプレッダ５２をセットする。また、上部電極５４を治具２０の連結部２２にセットする。さらに、治具２０の上治具２３の貫通孔２３ａに固体の球状はんだ（溶融前の固体のはんだ）２４を配置する。なお、図３（ａ）の平面図において上治具２３は省略している。

そして、加熱用プレート３０を駆動して加熱用プレート３０を発熱させる。加熱用プレート３０の発する熱Ｈ（図４参照）は下治具２１、連結部２２および上治具２３を介して固体の球状はんだ２４に伝わり、固体の球状はんだ２４の温度が上昇していく。また、加熱用プレート３０の発する熱は下治具２１を介してパワーモジュールＭｐのヒートスプレッダ５２および半導体素子５１に伝わり、ヒートスプレッダ５２および半導体素子５１の温度が上昇する。

固体の球状はんだ２４の温度が上昇してはんだの融点の２３０℃になると、固体の球状はんだ２４が溶融して液体状となって貫通孔２３ａから落下（滴下）する。この溶融はんだは、図４に示すように、上部電極５４の先端部に落下して半導体素子５１の上面において半円弧状となる。なお、図４（ａ）の平面図において上治具２３は省略している。

その後、冷却し、はんだ付け装置１０の治具２０から、はんだ付けが完了した半導体装置５０を取り出す。
このようにして、治具２０に、溶融させるはんだ置き場を設けておき、治具２０とヒートスプレッダ５２を同時に加熱して固体の球状はんだ２４を加熱し、融点を超えて落下してはんだ付けされる。

よって、従来のはんだ付け装置においては、ヒートスプレッダ５２側を温める加熱源と、溶融はんだを準備するための加熱源とが設けられ、はんだ槽とはんだを注入する注射器等を別に加熱しておく必要がある。つまり、ヒートスプレッダ５２を加熱すると同時にはんだ槽やはんだ注入用注射器を加熱しておく必要があった。これに対し、本実施形態では、１つの加熱源としての加熱用プレート３０のみを用いており、はんだ付け装置の小型化を図ることができるとともにシンプルな構成とすることができる。

また、１回のはんだ付けのためのはんだ量は固体の球状はんだ２４の大きさにより規定でき、所定の大きさの固体の球状はんだ２４を治具２０に搭載しておけばよい。
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。

（１）加熱用プレート３０により下治具２１、連結部２２を加熱してパワーモジュールＭｐと上部電極５４を加熱するとともに上治具２３を加熱して固体の球状はんだ２４を加熱・溶融してパワーモジュールＭｐと上部電極５４に供給するようにした。よって、少ない加熱源ではんだ付け対象のパワーモジュールＭｐと上部電極５４を加熱してはんだ付けすることができる。

（２）上治具２３は、上下方向に貫通する貫通孔２３ａを有し、貫通孔２３ａに溶融前のはんだ２４を保持したので、溶融したはんだを貫通孔２３ａを通して落下させて供給することができる。

（３）貫通孔２３ａは下ほど縮径されたテーパー状をなすので、球状はんだ２４を保持しやすくなる。つまり、球状はんだ２４を載置するための貫通孔の形状として、下側ほど縮径されたテーパーとすることにより安定して固体のはんだを保持することができる。
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態を、第１の実施形態との相違点を中心に説明する。

図１に代わり、本実施形態のはんだ付け装置は図５に示す構成となっている。本実施形態では治具２０における連結部２２と上治具２３との間に断熱材６０を配置して治具２０における伝熱の工夫をしている。断熱材６０は板材よりなり、断熱材６０の材質として例えばシリコン系を挙げることができる。他にも断熱材は多孔質構造体等であってもよい。断熱材６０の厚さについては、上部への熱が伝わりにくいように最適化された厚さとなっている。

図５に示すように、治具２０の上治具２３に固体の球状はんだ２４を搭載して治具２０と部品（パワーモジュールＭｐ、上部電極５４）と固体の球状はんだ２４を同時に加熱する。詳しくは、治具２０からの伝熱で固体の球状はんだ２４を溶かして液体はんだをはんだ付け部分に滴下する。

このとき、固体の球状はんだ２４を搭載する上治具２３への伝熱経路中に断熱材６０を設けることにより、図６（ｄ）の温度分布図に示すように、断熱材６０の上下で温度差（例えば３０℃）を得ることができる。詳しくは、ヒートスプレッダ５２が十分にはんだ付け可能な温度（例えば２６０℃）に達した頃に治具２０の上治具２３の温度がはんだ溶融温度（例えば２３０℃）に達する。

下側の部品（パワーモジュールＭｐ、上部電極５４）がはんだ溶融温度（例えば２３０℃）のときに上からはんだが落下しても、はんだがよく濡れる温度に達していないために、うまくはんだ付けを行うことができない場合がある。これに対し本実施形態では、パワーモジュールＭｐおよび上部電極５４が、はんだ付け良好な温度となっているときに液体はんだを滴下させることができる。

なお、図５（ａ）および図６（ａ）の平面図において上治具２３は省略している。
以上のように、加熱源としての加熱用プレート３０による上治具２３への伝熱経路の途中に断熱材６０を備えたので、上治具２３と、下治具２１および連結部２２とに温度の差を作ることができ、はんだが落下するときに（はんだを供給するときに）、ヒートスプレッダ５２側が十分に加熱されているように温度差をつけることができる。

即ち、上治具２３においては、はんだが溶融する温度（例えば、はんだ融点程度）とするとともに、下治具２１においては、はんだ付け良好温度（例えば、はんだ融点プラス３０℃）とすることができる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
・上治具２３におけるはんだ載置用貫通孔２３ａの形状として、テーパー角度は所望の角度とすることができる。

・また、載置用貫通孔２３ａの形状として、下ほど縮径されたテーパーとしたが、これに代り、二段に縮径された形状としてもよい。つまり、上面が開口する凹部における底面に貫通孔を形成した構成とし、凹部の内部に溶融前のはんだを配置してもよい。

・固体の球状はんだ２４を用いたが、固体のはんだの形状としては、球状以外にも、例えば、直方体状等であってもよい。
・固体のはんだ（球状はんだ２４）を用いたが、クリームはんだ（はんだペースト）を用いてもよく、要は液体以外のはんだを用いて加熱源により加熱して部品に供給すればよい。

・ヒートスプレッダ（金属板）に代わり回路基板等の他の基板を用いてもよい。
・はんだ付け対象の２つの部品は、単なる導体同士等の他の２つの部品であってもよい。

・下治具２１を加熱源としての加熱用プレート３０で加熱する構成としたが、これに代わり、上治具２３を加熱源で加熱する構成としてもよい。

１０…はんだ付け装置、２０…治具、２１…下治具、２２…連結部、２３…上治具、３０…加熱用プレート、５１…半導体素子、５２…ヒートスプレッダ、５４…上部電極、Ｍｐ…パワーモジュール。

Claims (4)

1. はんだ付け対象の２つの部品を位置決めする第１の部材と、
   溶融前のはんだを保持し、前記はんだ付け対象の２つの部品にはんだを供給する第２の部材と、
   前記第１の部材を加熱して前記はんだ付け対象の２つの部品を加熱するとともに前記第２の部材を加熱して前記はんだを加熱する加熱源と、
   を備えたことを特徴とするはんだ付け装置。
2. 前記加熱源による前記第２の部材への伝熱経路の途中に断熱材を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載のはんだ付け装置。
3. 前記第２の部材は、上下方向に貫通する貫通孔を有し、当該貫通孔に溶融前のはんだを保持したことを特徴とする請求項１または２に記載のはんだ付け装置。
4. 前記貫通孔は下ほど縮径されたテーパー状をなすことを特徴とする請求項３に記載のはんだ付け装置。

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