JP2020131244A - 被接合体の加圧具 - Google Patents

Abstract

【課題】被接合体に、所期した加圧力を容易に作用させることのできる加圧具を提供する。【解決手段】この発明の加圧具１は、被接合体Ｂｂを加圧するものであって、互いに対向して接近する向きに変位し、相互間に配置された被接合体Ｂｂを、該被接合体Ｂｂの厚み方向に挟み込む一対の挟込み部材２、３と、前記挟込み部材２、３の接近変位に伴い圧縮されて、一対の前記挟込み部材２、３間の被接合体Ｂｂを付勢する弾性部材４と、前記挟込み部材の接近変位を規制するストッパー部材８とを備えてなるものである。【選択図】図１

Description

この発明は、被接合体を加圧する加圧具に関するものであり、特には、比較的小さな寸法の被接合体であっても、所要の加圧力を容易に作用させることのできる技術を提案するものである。

近年は、パワー半導体等の半導体の性能の飛躍的な向上に伴い、該半導体の動作時に発生する熱より、その周囲の基板等が晒される温度が高くなっている状況にある。このような状況により、半導体と基板との接合に用いられる銀もしくは銅ペースト又は、はんだ等のダイボンディング剤の、高温下での接合強度や熱伝導性等の性能の向上が求められている。

ここで、半導体と基板を接合するには通常、半導体と基板との間に、上記のダイボンディング剤を介在させ、その被接合体を還元雰囲気等で、数百度の高温の下、たとえば０．１ＭＰａ以上といったような高い圧力を作用させることにより行われる。
この際に、大量生産の場合は一般に、ホットプレス機や、各社が独自に作製した加圧装置等が用いられている。かかる加圧装置としては、特許文献１に記載されたもの等がある。

特開２０１０−２３８９００号公報

ところで、たとえば試験の際のように、小型の加熱炉等を使用して、所定の被接合体を接合させるに当たっては、寸法が比較的小さい被接合体に、所要の大きな加圧力を作用させることが困難である場合がある。たとえば、被接合体上に、重しとして、銅等のインゴットを載せて、所定の加圧力を作用させようとすれば、小さな被接合体には大きな体積のインゴットが必要になり、これにより被接合体に均一な加圧力を作用させつつ、狭い炉内に設置することは、極めて難しい。

この発明は、このようなことに対処するべくなされたものであり、その目的は、被接合体に、所期した加圧力を容易に作用させることのできる加圧具を提供することにある。

この発明の加圧具は、被接合体を加圧するものであって、互いに対向して接近する向きに変位し、相互間に配置された被接合体を、該被接合体の厚み方向に挟み込む一対の挟込み部材と、前記挟込み部材の接近変位に伴い圧縮されて、一対の前記挟込み部材間の被接合体を付勢する弾性部材と、前記挟込み部材の接近変位を規制するストッパー部材とを備えてなるものである。

上記の加圧具は、一対の前記挟込み部材の互いに平行な姿勢での変位を案内するガイド部材をさらに備えてなることが好ましい。

また、上記の加圧具では、前記ガイド部材が、一対の前記挟込み部材のそれぞれに設けた貫通穴に挿入されたガイドロッドを少なくとも三つ含み、一対の挟込み部材は、三つの前記ガイドロッドの長手方向に摺動変位可能に構成されることが好ましい。
この場合、前記ストッパー部材は、前記ガイドロッド上に固定されて設けられ、該ガイドロッドの長手方向に沿う前記挟込み部材の変位を規制するように構成されることが好ましい。

さらにここでは、前記ガイドロッドの長手方向に沿う方向で、前記弾性部材、一方の前記挟込み部材、前記ストッパー部材及び、他方の前記挟込み部材の順に配置され、前記他方の挟込み部材が、前記ガイドロッドから取外し可能に構成されていることが好適である。
ここにおいて、前記ストッパー部材が、前記他方の挟込み部材の変位規制位置を変更可能に構成されていることが好ましい。

上記の加圧具は、前記弾性部材による被接合体への付勢力の作用の下、一対の前記挟込み部材が互いに平行になる姿勢で、該挟込み部材の変位を拘束することが可能な変位拘束部材をさらに備えることが好適である。
ここでは、前記ガイドロッドが、ねじ軸部を有し、前記変位拘束部材が、前記ガイドロッドの前記ねじ軸部に嵌まり込んでスライドするナットを含むものとすることができる。

上記の加圧具は、前記弾性部材をコイルばねとすることができる。
この場合、上記の加圧具は、コイルばねを一個のみ有するものとすることができる。

上記の加圧具は、前記弾性部材が、当該加圧具に対して着脱可能に配置されていることが好適である。
また、上記の加圧具は、当該加圧具が備える各部材が、耐熱耐食性を有する材料からなることが好ましい。

上記の加圧具は、試験に用いられるものとすることが特に有効である。

この発明の加圧具によれば、弾性部材を用いて、被接合体に加圧力を作用させることとし、またストッパー部材が、前記挟込み部材の接近変位を規制することにより、先述の重し等を用いる場合に比して、被接合体に、所期した加圧力を容易に作用させることができる。

この発明の一の実施形態の加圧具を、そこに配置した被接合体とともに示す正面図である。 図１の加圧具の平面図である。 図１の加圧具から挟込み部材を取り外して示す正面図である。 図１の加圧具を、被接合体の加圧状態で示す正面図である。 他の実施形態の加圧具を示す斜視図及び正面図である。 さらに他の実施形態の加圧具を示す斜視図及び正面図である。

以下に図面を参照しながら、この発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１及び２に正面図及び平面図でそれぞれ例示する加圧具１は、たとえば、試験等の目的で、二枚の板状材料Ｐ１、Ｐ２の間に、図示しない接着剤を挟み込んだ被接合体Ｂｂを、所定の温度下で加圧して、それらの板状材料Ｐ１、Ｐ２を接合するために用いることができる。

上記の接着剤としては、パワー半導体などの半導体チップと、その基板であるダイパッドとを、それらの間の導電性及び熱伝導性を確保しつつ接着する導電性・熱伝導性のダイボンディング剤等とすることができる。このような接着剤として具体的には、銀ペースト、銅ペースト又は、はんだ等を挙げることができる。なお、たとえば、半導体チップや基板を模擬したものとすることができる板状材料Ｐ２は、平面視で１ｍｍ²〜１００ｍｍ²の表面積、０．０１ｍｍ〜１ｍｍの厚みを有するものとすることができる。

図１、２に例示される加圧具１は、主として、それぞれ平板その他の板状等の形状を有し、互いに所定の間隔をおいて平行に対向して配置され、図１の上下方向に沿って相対的に接近する向きに変位可能な一対の挟込み部材２、３と、そのうちの一方の挟込み部材２の背後（図１では、下方側に位置する挟込み部材２の下方側）に設けられたコイルばね等の弾性部材４と、挟込み部材２、３の変位を拘束することのできる変位拘束部材５としてのナットとを備えてなるものである。

この実施形態の加圧具１は、一対の挟込み部材２、３の互いに平行な姿勢での変位を案内するガイド部材６として、平面視で矩形状の挟込み部材２、３の四隅に設けた貫通穴のそれぞれに挿入された四本のガイドロッドをさらに備える。ガイドロッドは、三本又は、五本以上とすることも可能であるが、貫通穴にガイドロッドが通された挟込み部材２、３の円滑な変位及び、被接合体Ｂｂへの均一な加圧力の作用を実現するとの観点からは、図示のように四本とすることが好適である。加圧具１全体の寸法その他の条件を考慮して、ガイドロッドの本数や外径等を変更することができる。またガイドロッドの本数等に応じて、挟込み部材２、３に設ける貫通穴の個数や位置を適宜決定する。
変位拘束部材５である各ナットは、四本のガイドロッドとしてのガイド部材６のそれぞれの先端側（図１では上端側）の一部に設けたねじ軸部６ａに嵌まり込んで取り付けられている。

なお、加圧具１には、加圧具１の載置面に接触し、弾性部材４を隔てて一方の挟込み部材２とは逆側に配置されて、当該逆側から弾性部材４を支える平板等の板状支持部材７を設けることができる。

このような加圧具１で、加圧対象である被接合体Ｂｂは、一対の挟込み部材２、３の相互間に配置されるものである。そして、被接合体Ｂｂは、一対の挟込み部材２、３が互いに接近する向きに変位するに伴い、一方の挟込み部材２の背後で圧縮される弾性部材４の復元による付勢力が、当該一方の挟込み部材２を介して伝達されることにより、挟込み部材２、３の間で挟み込まれて加圧される。

加圧具１による被接合体Ｂｂの加圧動作について、より詳細に説明すれば次のとおりである。
はじめに、一方の挟込み部材２上に、被接合体Ｂｂを配置する。このとき、ガイド部材６としてのガイドロッドから、ナットである変位拘束部材５を取り外して、図３に示すように、他方の挟込み部材３（図１では、上方側に位置する挟込み部材３）を取外し可能に構成することにより、一方の挟込み部材２上への被接合体Ｂｂの配置が容易になる。

次いで、一方の挟込み部材２と他方の挟込み部材３との間に、被接合体Ｂｂを位置させた状態で、他方の挟込み部材３を、ガイド部材６の長手方向（図１では上下方向）に沿わせて摺動変位させて、該他方の挟込み部材３を、一方の挟込み部材２側に向けて図１の下方側に変位させる。これにより、一方の挟込み部材２と他方の挟込み部材３との間に、被接合体Ｂｂがその厚み方向に挟み込まれつつ、一方の挟込み部材２も変位して、一方の挟込み部材２の背後にある弾性部材４が圧縮され、その圧縮に伴って復元しようとする弾性部材４の付勢力が、一方の挟込み部材２を介して被接合体Ｂｂへ伝わる。

その後、図４に示すように、変位拘束部材５である各ナットをスライドさせて締めることにより、上述したように、弾性部材４による付勢力が被接合体Ｂｂに作用した状態で、一対の挟込み部材２、３が互いに平行になるようにしながら、挟込み部材２、３の変位を拘束することができる。
なお、変位拘束部材５である各ナットをスライドさせて締めることにより、一方の挟込み部材２を変位させてもよい。変位拘束部材５をナットとしたこの実施形態では、ガイドロッド上にねじ込まれる該ナットが、一対の挟込み部材２、３の互いに離れる向きの離隔変位を制限するだけでなく、挟込み部材２、３の変位量も調整するべく機能する。

かかる加圧具１による加圧動作により、比較的小さい寸法の被接合体Ｂｂであっても、挟込み部材２、３により、所要の大きな加圧力を、当該被接合体Ｂｂの表面に均一に作用させることができる。また、この加圧具１によれば、先述した重しのような大きなスペースを要しない。それにより、加圧具１の省スペースを実現することができて、たとえば研究開発の現場で用いられるような小型の加熱炉内に配置することも可能になる。

また、図示の加圧具１では、ガイド部材６を有することにより、挟込み部材２、３の平行な変位が維持されやすくなる。仮に被接合体Ｂｂの各部位で厚みに差異があったとしても、ガイド部材６により、そのような厚みの差異に関わらず、被接合体Ｂｂの均一な加圧を実現することができる。なお、ガイド部材は、図示のようなガイドロッド等のロッド状のものに限らず、図示は省略するが、たとえば左右二枚の平板等といったような他の形状のものとすることもできる。

ここにおいて、変位拘束部材５により、一対の挟込み部材２、３が互いに平行になる姿勢での、挟込み部材２、３の変位の拘束をより容易に行い得るようにするため、加圧具１は、図１に示すように、挟込み部材２、３の接近変位を規制するストッパー部材８をさらに備える。この実施形態では、ストッパー部材８は、挟込み部材２、３の相互間で、ガイド部材６としてのガイドロッド上に固定させて設けている。なお、ストッパー部材８は、たとえば図示の実施形態のように、ガイドロッドの周囲を取り囲む円筒その他の筒状のものとして設けることができる。

図示のストッパー部材８は、各ガイドロッドに設けられ、ガイドロッドの長手方向に沿う前記挟込み部材の変位を規制するものである。
より詳細には、挟込み部材２、３が弾性部材４側に変位をする前の状態では、弾性部材４により若干付勢される一方の挟込み部材２が、ストッパー部材８に当接して、一方の挟込み部材２の、他方の挟込み部材３側への変位を規制する。これに対し、挟込み部材２、３が弾性部材４側に変位をして、それらの間に被接合体Ｂｂが所定の加圧力で挟み込まれた状態（被接合体Ｂｂの加圧状態）では、図４に示すように、他方の挟込み部材３がストッパー部材８に当接し、それにより、該ストッパー部材８は、他方の挟込み部材３の、一方の挟込み部材２側への変位を規制して、被接合体Ｂｂに、所期したとおりの大きさの加圧力を作用させるべく機能する。

また、図示の実施形態では、被接合体Ｂｂの加圧状態にて、図４に示すように、各ガイドロッドで、ナットである変位拘束部材５とストッパー部材８との間に、他方の挟込み部材３が挟まれて位置決めされる。したがって、各ガイドロッドにおけるストッパー部材８の固定位置を適正なものとすることによって、被接合体Ｂｂの加圧状態で、被接合体Ｂｂへの他方の挟込み部材３の平行な接触がより確実になるとともに、弾性部材４をより均一に圧縮変形させることができる。その結果、被接合体Ｂｂの加圧をより均一にすることが可能になる。この場合、被接合体Ｂｂの加圧状態の再現性も高くなる。
加えて、挟込み部材２上へ被接合体Ｂｂを配置する際、図３に示されるように、ストッパー部材８によって挟込み部材２の位置が固定されている。そのため、挟込み部材２が安定しているため、挟込み部材２上への被接合体Ｂｂの配置が容易になる。

このようなストッパー部材８は、他方の挟込み部材３が最も一方の挟込み部材２側に変位した際の位置（すなわち、他方の挟込み部材３の変位規制位置）を変更できるように構成することが好ましい。このことは、たとえば、ガイドロッドの長手方向の高さが異なる別のストッパー部材に交換できるようにすることや、図示のストッパー部材８よりも他方の挟込み部材３側に、図示は省略するが、他のストッパー部材を取付け可能にすること等により実現することができる。別のストッパー部材への交換は、ストッパー部材８をガイドロッドに、取外し可能な程度の大きさの力で圧入しておくこと等より可能になる。このことによれば、弾性部材４を交換しなくても、被接合体Ｂｂに作用させる加圧力の大きさを適宜変更することができるようになる。

ところで、弾性部材４は、金属製等のコイルばね一個のみを挟込み部材２の中央位置に配置することが好ましい。これにより、挟込み部材２の場所によって弾性部材４からの付勢力が異なることを防止できる。換言すれば、当該構成は、被接合体Ｂｂに均一な付勢力を与えることが出来る。加えて、当該構成とすることで、枚葉処理もしくは少数処理に適した構造となるとともに、全体として加圧具１の小型化にもつながる。但し、弾性部材は、コイルばねを複数個並べて配置したものとすることができる他、所期した復元力を得られるのであれば、板ばねその他のばね又は、金属材料以外のゴム材料等からなるものとすることも可能である。

弾性部材４は、たとえば板状支持部材７及び／又は一方の挟込み部材２の、当該弾性部材４側の表面を、弾性部材４の端面の外輪郭形状に合わせて窪ませて設けた凹状スペースに配置することができる。この場合、被接合体Ｂｂの加圧状態等に際する、弾性部材４の意図しない位置ずれを効果的に防止することができる。
また、弾性部材４は、加圧具１に対し、固着等させずに着脱可能に配置することが、弾性部材４の交換による加圧力の調整が可能になる点で好ましい。

上述した加圧具１では、図１に示すように、ガイド部材６のガイドロッドの長手方向に沿う方向で、板状支持部材７、弾性部材４、一方の挟込み部材２、ストッパー部材８、他方の挟込み部材３及び、変位拘束部材５がこの順序で配置されている。各ガイドロッドは、板状支持部材７側から、他方の挟込み部材３の貫通穴、ストッパー部材８、一方の挟込み部材２の貫通穴及び、変位拘束部材５を貫いて設けられている。

図５、６に、他の実施形態の加圧具１１、２１をそれぞれ示す。
このうち、図５に示す加圧具１１は、互いに対向して接近する向きに変位可能で、相互間に被接合体Ｂｂが配置される一対の挟込み部材１２、１３と、挟込み部材１２、１３の接近変位に伴って圧縮されて、それらの挟込み部材１２、１３間の被接合体Ｂｂを付勢する弾性部材１４と、一対の挟込み部材１２、１３の互いに平行な姿勢での変位を案内するガイド部材１６と、ガイド部材１６に設けられたストッパー部材１８とを備える。

この実施形態の加圧具１１では、ガイド部材１６は、挟込み部材１２、１３及び弾性部材１４の周囲を取り囲む、他方の挟込み部材１３側が開口した中空の直方体ないし立方体その他の箱型をなす。図示のガイド部材１６は、その内側の底面と、一方の挟込み部材１２（図５（ｂ）では、上方側に位置する挟込み部材１２）との間で弾性部材１４を挟むとともに、内側で、挟込み部材１２、１３が内面に沿って摺動変位できるように構成されている。このような箱型のガイド部材１６の内側には、他方の挟込み部材１３側から順に、被接合体Ｂｂ、一方の挟込み部材１２及び、弾性部材１４が配置される。

ストッパー部材１８は、箱型のガイド部材１６の開口側の端部に設けた孔部を通過して、他方の挟込み部材１３の側面に設けた各ピン挿入孔１３ａに挿入可能な円柱等の計二本のピン状のものとして設けられている。なお、図５に示すところからは明らかではないが、ピン挿入孔１３ａは、他方の挟込み部材１３の反対側の側面まで貫通して設けられており、また、箱型のガイド部材１６の背面の側壁の端部にも孔部が設けられている。そして、ストッパー部材１８は、箱型のガイド部材１６の正面側に設けた孔部から、他方の挟込み部材１３のピン挿入孔１３ａを通って、ガイド部材１６の背面側に設けた孔部まで挿入することができる長いピン状のものとしている。これにより、後述するように被接合体Ｂｂを加圧した際に、弾性部材１４の復元力を長尺ピン状のストッパー部材１８全体で受け止めることができて、ストッパー部材１８にかかる力を分散させることができる。かかるストッパー部材は、必要に応じて、その形状を適宜変更することができるとともに、一本又は三本以上とすることも可能である。あるいは、貫通しないピン挿入孔が、他方の挟込み部材の両側面のそれぞれに設けられていて、それらの各ピン挿入孔１３ａに、たとえば四本の短いピン状のストッパー部材のそれぞれが挿入されるものとしてもよい。

この加圧具１１を用いて被接合体Ｂｂを加圧するには、一方の挟込み部材１２と他方の挟込み部材１３との間に、被接合体Ｂｂを配置した状態で、箱型のガイド部材１６を、載置面上に配置された他方の挟込み部材１３側に向けて押圧する。それにより、箱型のガイド部材１６が他方の挟込み部材１３側に近づくに伴い、箱型のガイド部材１６の内側で、弾性部材１４が圧縮されながら、一方の挟込み部材１２が他方の挟込み部材１３に向けて接近変位し、被接合体Ｂｂが、一方の挟込み部材１２を介して弾性部材１４により付勢される。この際に、箱型のガイド部材１６の内側にほぼ整合する挟込み部材１２、１３は、当該ガイド部材１６によって、互いに平行な姿勢での変位が案内される。

そして、箱型のガイド部材１６の孔部に配置したピン状のストッパー部材１８が、他方の挟込み部材１３の側面のピン挿入孔１３ａに挿入できる位置まで、箱型のガイド部材１６を押圧し、そこで、ピン状のストッパー部材１８をそれぞれピン挿入孔１３ａに挿入する。これにより、弾性部材１４により被接合体Ｂｂに所定の付勢力を作用させつつ、挟込み部材１２、１３の接近変位を規制することができる。このストッパー部材１８は、一対の挟込み部材１２、１３を、互いに平行な姿勢で拘束できるので、先述の変位拘束部材としても機能する。

なお、箱型のガイド部材１６の側壁には、内部を確認できるように、たとえば矩形の切欠き状等の窓部１９を設けることができる。

また、図６に示す加圧具２１は、ストッパー部材２８を、上述したピン状のものに代えて、箱型のガイド部材２６及び他方の挟込み部材２３の周囲を取り囲む外枠状のものとしたことを除いて、図５の加圧具１１と実質的に同様の構成を有するものである。
このストッパー部材２８によっても、弾性部材２４による被接合体Ｂｂへの所定の付勢力の作用下で、一対の挟込み部材２２、２３の離隔変位及び接近変位を平行な姿勢で規制することができる。したがって、ストッパー部材２８も変位拘束部材として機能し得るものである。

なお、図６に示すところでは、ストッパー部材２８は、箱型のガイド部材２６及び他方の挟込み部材２３をその全周にわたって取り囲むものとしているが、少なくとも、箱型のガイド部材２６及び他方の挟込み部材２３を、一方の挟込み部材２２の変位方向の両側から挟むものであれば、挟込み部材２２、２３の変位の規制が可能である。

以上に述べた加圧具１、１１、２１では、当該加圧具１、１１、２１が備える各部材が、耐熱耐食性を有する材料からなることが好ましい。このことによれば、加熱時に、特に弾性部材４、１４、２４ではばね定数の変化が小さくなり、また還元ガスや酸性蒸気に耐えることにより、水素やギ酸を用いるダイボンディング剤の焼結に適応する。ここでいう耐熱耐食性とは、加熱時に変形又は変質が生じないこと、及び使用環境において腐食が生じないことを意味する。このような材料の例としては、ＳＵＳ３１６、Ｍｏ、インコネルＸ７５０（「インコネル」は登録商標）等を挙げることができる。

１、１１、２１ 加圧具
２、３、１２、１３、２２、２３ 挟込み部材
１３ａ ピン挿入孔
４、１４、２４ 弾性部材
５ 変位拘束部材
６、１６、２６ ガイド部材
６ａ ねじ軸部
７ 板状支持部材
８、１８、２８ ストッパー部材
Ｂｂ 被接合体
Ｐ１、Ｐ２ 板状材料

Claims (13)

1. 被接合体を加圧する加圧具であって、
   互いに対向して接近する向きに変位し、相互間に配置された被接合体を、該被接合体の厚み方向に挟み込む一対の挟込み部材と、
   前記挟込み部材の接近変位に伴い圧縮されて、一対の前記挟込み部材間の被接合体を付勢する弾性部材と、
   前記挟込み部材の接近変位を規制するストッパー部材とを備えてなる加圧具。
2. 一対の前記挟込み部材の互いに平行な姿勢での変位を案内するガイド部材をさらに備えてなる請求項１に記載の加圧具。
3. 前記ガイド部材は、一対の前記挟込み部材のそれぞれに設けた貫通穴に挿入されたガイドロッドを少なくとも三つ含み、
   一対の挟込み部材は、三つの前記ガイドロッドの長手方向に摺動変位可能に構成される、請求項２に記載の加圧具。
4. 前記ストッパー部材は、前記ガイドロッド上に固定されて設けられ、該ガイドロッドの長手方向に沿う前記挟込み部材の変位を規制するように構成される、請求項３に記載の加圧具。
5. 前記ガイドロッドの長手方向に沿う方向で、前記弾性部材、一方の前記挟込み部材、前記ストッパー部材及び、他方の前記挟込み部材の順に配置され、
   前記他方の挟込み部材が、前記ガイドロッドから取外し可能に構成されてなる請求項４に記載の加圧具。
6. 前記ストッパー部材が、前記他方の挟込み部材の変位規制位置を変更可能に構成されてなる請求項５に記載の加圧具。
7. 前記弾性部材による被接合体への付勢力の作用の下、一対の前記挟込み部材が互いに平行になる姿勢で、該挟込み部材の変位を拘束することが可能な変位拘束部材をさらに備える請求項３〜６のいずれか一項に記載の加圧具。
8. 前記ガイドロッドが、ねじ軸部を有し、前記変位拘束部材が、前記ガイドロッドの前記ねじ軸部に嵌まり込んでスライドするナットを含んでなる請求項７に記載の加圧具。
9. 前記弾性部材がコイルばねである請求項１〜８のいずれか一項に記載の加圧具。
10. 前記コイルばねを一個のみ有してなる請求項９に記載の加圧具。
11. 前記弾性部材が、当該加圧具に対して着脱可能に配置されてなる請求項１〜１０のいずれか一項に記載の加圧具。
12. 当該加圧具が備える各部材が、耐熱耐食性を有する材料からなる請求項１〜１１のいずれか一項に記載の加圧具。
13. 試験に用いられる請求項１〜１２のいずれか一項に記載の加圧具。

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