JP2012019033A

JP2012019033A - はんだ付け用治具

Info

Publication number: JP2012019033A
Application number: JP2010154979A
Authority: JP
Inventors: Masami Takeuchi; 政美竹内; Shigekazu Higashimoto; 繁和東元; Takuya Ishizaki; 卓也石崎; Munehiko Masutani; 宗彦増谷
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2010-07-07
Filing date: 2010-07-07
Publication date: 2012-01-26

Abstract

【課題】はんだ付けされた第１の部品と第２の部品に第３の部品をはんだ付けする際に、第１の部品と第２の部品とを接続するはんだの再溶融を防止することができるはんだ付け用治具を提供する。
【解決手段】加熱ビーム発射器３１，３２により上部電極５４が加熱される。加熱用プレート３０と下治具２１により、半導体素子５１およびヒートスプレッダ５２が、半導体素子５１とヒートスプレッダ５２とを接続するはんだ５３が再溶融しない温度で加熱される。そして、はんだ付けされた半導体素子５１とヒートスプレッダ５２に、上部電極５４がはんだ付けされる。
【選択図】図３

Description

本発明は、はんだ付け用治具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

はんだ付けの際に、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る。しかし、はんだ付けされた第１の部品と第２の部品に第３の部品をはんだ付けする際には、第１の部品と第２の部品とを接続するはんだが再溶融してしまう虞があった。

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、はんだ付けされた第１の部品と第２の部品に第３の部品をはんだ付けする際に、第１の部品と第２の部品とを接続するはんだの再溶融を防止することができるはんだ付け用治具を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、はんだ付けされた第１の部品と第２の部品に、第３の部品をはんだ付けするためのはんだ付け用治具であって、前記第３の部品を加熱する第１の加熱手段と、前記第１の部品および第２の部品を、前記第１の部品と前記第２の部品とを接続するはんだが再溶融しない温度で加熱する第２の加熱手段と、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の加熱手段により、第３の部品が加熱される。第２の加熱手段により、第１の部品および第２の部品が、第１の部品と第２の部品とを接続するはんだが再溶融しない温度で加熱される。

よって、はんだ付けされた第１の部品と第２の部品に第３の部品をはんだ付けする際に、第１の部品と第２の部品とを接続するはんだの再溶融を防止することができる。
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用治具において、前記第１の加熱手段は、前記第３の部品を局所的に加熱することを要旨とする。

請求項２に記載の発明によれば、第１の加熱手段が第３の部品を局所的に加熱することにより、第３の部品における加熱が必要な箇所を局所的に加熱することが可能となる。
請求項３に記載の発明のように、請求項１または２に記載のはんだ付け用治具において、前記第１の部品は半導体素子であり、前記第２の部品は基板であり、前記第３の部品は上部電極であるとよい。

本発明によれば、はんだ付けされた第１の部品と第２の部品に第３の部品をはんだ付けする際に、第１の部品と第２の部品とを接続するはんだの再溶融を防止することができる。

（ａ）は実施形態におけるはんだ付け装置の平面図、（ｂ）ははんだ付け装置の正面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ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）ははんだ付け後の半導体装置の正面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ線での縦断面図。（ａ）は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）ははんだ付け装置の正面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ線での縦断面図。（ａ）は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）ははんだ付け装置の正面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ線での縦断面図。（ａ）は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）ははんだ付け装置の正面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ線での縦断面図。温度の推移および放熱プレートの動作を説明するためのタイムチャート。

以下、本発明を具体化した一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、第１の部品としての半導体素子（チップ）５１の下面には第２の部品としてのヒートスプレッダ５２がはんだ５３により接合されている。基板としてのヒートスプレッダ５２は四角の金属板よりなり、水平に配置されている。

そして、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により第３の部品としての上部電極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。

図１において、はんだ付け装置１０は、治具２０を備えている。治具２０は、下治具２１と、上治具２２，２３と、加熱用プレート３０と、加熱ビーム発生器３１，３２を備えている。下治具２１は伝熱性に優れた材料で構成されており、例えば金属やカーボン等で形成される。一方、上治具２２，２３は下治具２１を構成する材料より低い伝熱性を有する材料、例えば、シリコン系材料よりなる。

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。
下治具２１の上面には凹部２１ａが形成され、凹部２１ａにヒートスプレッダ５２が嵌合することにより、はんだ付け対象の部品としてのヒートスプレッダ５２および半導体素子５１を位置決めした状態で配置することができる。

下治具２１の上面には上治具２２，２３が離間して固定されている。上治具２２，２３の上面に切り欠き２２ａ，２３ａが形成され、切り欠き２２ａ，２３ａ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、下治具２１と上治具２２，２３により、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。

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を介してヒートスプレッダ５２および半導体素子５１に伝わる。加熱用プレート３０は、半導体素子５１およびヒートスプレッダ５２を、はんだ５３が再溶融しない温度で加熱するために設けられたものである。

図１（ｂ）に示すように、加熱ビーム発生器３１，３２は上治具２２，２３の上方に配置され、加熱ビーム発生器３１，３２からレーザビームＬｂが、セットされた上部電極５４におけるはんだ付けのために加熱が必要な先端部分に向かって発射される。レーザビームＬｂの照射により上部電極５４の先端部分が加熱される。このように、加熱ビーム発生器３１，３２は上部電極５４を局所的に加熱するために設けられたものである。

治具２０の上治具２２，２３の上方、即ち、はんだ付けを行う箇所の上方には、溶融したはんだを滴下するはんだ滴下装置４０が配置されている。はんだ滴下装置４０により部品（上部電極５４、半導体素子５１）に溶融したはんだを供給することができるようになっている。

また、上治具２３の上方には放熱プレート３５が配置され、放熱プレート３５は水平状態を保持したまま上下に移動可能に設けられている。放熱プレート３５は図示しない移動機構により上下に移動できるようになっている。そして、放熱プレート３５の下動により放熱プレート３５の下面が上部電極５４の上面と接触する。また、放熱プレート３５の上動により放熱プレート３５の下面が上部電極５４の上面と離間する。

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をはんだ付けしたものを用意する。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にヒートスプレッダ５２をセットする。また、治具２０の上治具２２，２３に上部電極５４をセットする。

このようにして、治具２０に対して、半導体素子５１がはんだ付けされたヒートスプレッダ５２と、上部電極５４をセットする。この状態においては、放熱プレート３５は、その下面が上部電極５４の上面と離間している。

また、ヒートスプレッダ５２と上部電極５４とが別々に温度調節できるように、ヒートスプレッダ５２と上部電極５４とが、断熱性を有する上治具２２，２３により熱的に分離された状態になっている。そして、それぞれ個別に加熱源（加熱用プレート３０、加熱ビーム発生器３１，３２）が用意されている。

この状態から、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の発する熱は下治具２１を介してヒートスプレッダ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の温度が上昇していく。また、加熱ビーム発生器３１，３２からレーザビームＬｂが上部電極５４に照射され、上部電極５４の温度が上昇していく。

このように加熱ビーム発生器３１，３２からレーザビームＬｂが上部電極５４に照射され、一方、下治具２１を加熱用プレート３０で加熱することにより伝熱部分である下治具２１に接しているヒートスプレッダ５２は昇温されて上部電極５４の温度よりも低く、はんだ５３が再溶融しない温度にされる。

よって、図６に示すように、上部電極５４がはんだ付け可能温度（２３０℃以上）に達した状態においてヒートスプレッダ５２および半導体素子５１はそれよりも低い温度（例えば１８０℃〜２００℃程度）となっている。そのため、ヒートスプレッダ５２に半導体素子５１をはんだ付けしているはんだ５３が再溶融しない温度に保つことができる。

この状態で、はんだ滴下装置４０により上部電極５４の先端部に液体状態の溶融はんだを滴下する。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。これにより、半導体素子５１をはんだ付けしているはんだ５３が再溶融しないまま上部電極５４と半導体素子５１とをはんだ付けすることができる。

つまり、予めヒートスプレッダ５２に半導体素子５１がはんだ付けされており、そのはんだ５３が再溶融しない程度に高い温度にヒートスプレッダ５２および半導体素子５１を昇温した状態で、上部電極５４をはんだ付け可能温度まで昇温する。この状態で溶融はんだをはんだ滴下装置４０から滴下し、上部電極５４と半導体素子５１のはんだ付けを行うことにより、ヒートスプレッダ５２に半導体素子５１をはんだ付けしているはんだ５３が再溶融することなく上部電極５４と半導体素子５１のはんだ付けを行うことができる。

一方、上部電極５４が上限温度以上にならないように、上部電極５４の温度が閾値になると（図６のｔ１のタイミング）、図５に示すように、放熱プレート３５を上部電極５４に接触させる。これにより、上部電極５４の熱は放熱プレート３５に伝わり、放熱プレート３５から大気中に逃がされる。このように、上部電極５４に放熱プレート３５を接触させることにより冷却される。

はんだ付けが完了すると、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。
なお、上部電極５４と半導体素子５１がはんだ５５により接合されることにより半導体素子５１およびヒートスプレッダ５２の温度が大きく上昇しようとすることを考慮して、次のようにするとよりよい。半導体素子５１およびヒートスプレッダ５２の温度が半導体素子５１をはんだ付けしているはんだ５３の融点に近づかないように予めヒートスプレッダ５２および上部電極５４の熱容量を大きく設計しておく。

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）はんだ付け用治具の構成として、次のようにした。第１の加熱手段としての加熱ビーム発生器３１，３２により上部電極５４を加熱する。また、加熱用プレート３０と下治具２１により第２の加熱手段を構成し、第２の加熱手段（加熱用プレート３０、下治具２１）により、半導体素子５１およびヒートスプレッダ５２を、半導体素子５１とヒートスプレッダ５２とを接続するはんだ５３が再溶融しない温度で加熱する。よって、独立して温度調整可能な２つの加熱手段を用いることにより、はんだ付けされた半導体素子５１とヒートスプレッダ５２に、上部電極５４をはんだ付けする際に、半導体素子５１とヒートスプレッダ５２とを接続するはんだ５３の再溶融を防止することができる。

（２）加熱ビーム発生器３１，３２は、上部電極５４を局所的に加熱するので、上部電極５４における加熱が必要な箇所（先端部分）を局所的に加熱することができる。
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。

・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。要は、第１の部品と第２の部品と第３の部品は、その種類等は限定されない。
・下治具２１をなくして、加熱用プレート３０で直接、ヒートスプレッダ５２を加熱してもよい。この場合、加熱用プレート３０が第２の加熱手段となる。

・加熱源として加熱ビーム発生器（レーザビーム発生器）３１，３２を用いたがこれに限るものではない。例えば、非接触加熱方式においては、レーザビーム発生器以外にも、例えば、誘導加熱器、ハロゲンランプ等を用いることができる。また、接触加熱においては、例えば、上部電極５４のみを加熱する方式でもよい。

・第１の加熱手段と第２の加熱手段は、温度調節可能な独立した２つの加熱手段であれば上述した以外の他の構成でもよい。
・放熱プレート３５はなくてもよい。

１０…はんだ付け装置、２０…治具、２１…下治具、２２…上治具、２３…上治具、３０…加熱用プレート、３１…加熱ビーム発生器、３２…加熱ビーム発生器、５１…半導体素子、５２…ヒートスプレッダ、５３…はんだ、５４…上部電極。

Claims

はんだ付けされた第１の部品と第２の部品に、第３の部品をはんだ付けするためのはんだ付け用治具であって、
前記第３の部品を加熱する第１の加熱手段と、
前記第１の部品および第２の部品を、前記第１の部品と前記第２の部品とを接続するはんだが再溶融しない温度で加熱する第２の加熱手段と、
を備えたことを特徴とするはんだ付け用治具。
前記第１の加熱手段は、前記第３の部品を局所的に加熱することを特徴とする請求項１に記載のはんだ付け用治具。
前記第１の部品は半導体素子であり、前記第２の部品は基板であり、前記第３の部品は上部電極である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用治具。