JP2023183115A - はんだ付け装置 - Google Patents

Abstract

【課題】はんだ内のボイドの体積を低減可能な技術を提供することを目的とする。【解決手段】はんだ付け装置は、はんだが設けられた加工対象物をはんだ付けする。はんだ付け装置は、チャンバーと、加圧冷却部とを備える。チャンバーは、はんだが溶融された加工対象物の周囲を気密封止する。加圧冷却部は、チャンバーの内部を大気圧よりも高い圧力で加圧することによって、はんだ内のボイドの体積を低減し、かつ、チャンバー内のはんだを冷却して凝固させる。【選択図】図１

Description

本開示は、はんだ付け装置に関する。

従来、例えばチップと基板との間、または、基板とベースとの間などの面接合に、はんだが用いられることが多い。しかしながら、例えばフラックスなどに含まれるガスなどによって、はんだ内に気泡などのボイドが存在することが知られている。このボイドが、基準を超える大きさであれば、一定品質を満たさないという理由で加工対象物の廃棄ロスが発生したり、Ｘ線検査の手間が発生したりするという問題がある。

このような問題に対して、特許文献１には、加工対象物の周囲を減圧することによって、はんだ内のボイドを膨張させてはんだ外に排出させる技術が提案されている。

特開平１１－１５４７８５号公報

しかしながら、特許文献１の技術によってもはんだ内にボイドが残存する場合がある。このような場合に、加工対象物の周囲が減圧された状態ではんだが凝固すると、ボイドが減圧によって大きくなった状態ではんだに残存してしまうという問題があった。

そこで、本開示は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、はんだ内のボイドの体積を低減可能な技術を提供することを目的とする。

本開示に係るはんだ付け装置は、はんだが溶融された加工対象物の周囲を気密封止するチャンバーと、前記チャンバーの内部を大気圧よりも高い圧力で加圧し、かつ、前記チャンバー内の前記はんだを冷却して凝固させる加圧冷却部とを備える。

本開示によれば、チャンバーの内部を大気圧よりも高い圧力で加圧し、かつ、チャンバー内のはんだを冷却して凝固させる。このような構成によれば、はんだ内のボイドの体積を低減することができる。

実施の形態１に係るはんだ付け装置の構成を模式的に示す断面図である。 実施の形態１に係るワークの一例を示す側面図である。 実施の形態２に係るはんだ付け装置の構成を模式的に示す断面図である。 実施の形態３に係るはんだ付け装置の構成を模式的に示す断面図である。

以下、添付される図面を参照しながら実施の形態について説明する。以下の各実施の形態で説明される特徴は例示であり、すべての特徴は必ずしも必須ではない。また、以下に示される説明では、複数の実施の形態において同様の構成要素には同じまたは類似する符号を付し、異なる構成要素について主に説明する。また、以下に記載される説明において、「上」、「下」、「左」、「右」、「表」または「裏」などの特定の位置及び方向は、実際の実施時の位置及び方向とは必ず一致しなくてもよい。

＜実施の形態１＞
図１は、本実施の形態１に係るはんだ付け装置５１の構成を模式的に示す断面図である。以下の説明では、はんだ付け装置５１がトンネル型のリフロー炉を有する装置について説明するが、これに限ったものではない。はんだ付け装置５１は、以下と同様の作用を実現できるのであれば、例えばバッチ式や固定式で処理可能な装置などであってもよい。

図１のはんだ付け装置５１は、ワーク１の加工としてはんだ付けを行う。はんだ付け装置５１は、ベルト３と、トンネル４と、熱源部５と、ファン６と、チャンバー７ａ，７ｂ，１０ａ，１０ｂと、チャンバー駆動部７ｃ，１０ｃと、減圧部８，１２と、ガス導入部９，１１とを備える。

図２は、ワーク１の一例を示す側面図である。ワーク１は、はんだ４３が設けられた加工対象物である。図２の例では、ワーク１は、半導体素子４１と、被接合部４２と、はんだ４３と、突起４４ａを有する熱交換用のピンフィン４４とを備える。はんだ付け装置５１に投入される前のワーク１では、はんだ４３は、半導体素子４１と、被接合部４２とを接合していない。

図１に示すように、ワーク１は、パレット２に搭載され、パレット２は、ベルト３上に搭載されてトンネル４内を搬送される。トンネル４内の雰囲気は、概ね窒素雰囲気である。

図１のはんだ付け装置５１は、ワーク１にステップ状の処理を行う。すなわち、ワーク１は一回当たり決められた距離ずつ搬送され、かつ、搬送先の領域で予め定められた処理がワーク１に行われる。はんだ付け装置５１は、ワーク１のはんだ４３に予熱、溶融及び冷却の処理を行う。このため、トンネル４内には、少なくとも３つの領域が設けられる。

図１の例では、トンネル４内に６つの領域（第１～第６領域４ａ～４ｆ）が設けられている。第１～第３領域４ａ～４ｃで予熱の処理が行われ、第４領域４ｄで溶融の処理が行われ、第５及び第６領域４ｅ，４ｆで冷却の処理が行われることによって、ワーク１のはんだ付けが行われる。なお、トンネル４内には、６つの領域に限ったものではなく、少なくとも３つの領域が設けられればよい。各々の領域は、ワーク１の通過部分を除いて隔壁で分離されている。なお、複数のワーク１が、はんだ付け装置５１に順次投入されて並行的に処理されてもよい。

次に、第１～第６領域４ａ～４ｆについて説明する。

第１～第３領域４ａ～４ｃのそれぞれには、熱源部５及びファン６が設けられており、熱源部５及びファン６は、各領域内が所定の温度となるように熱風を循環する。図１の下側の図は、ワーク１の温度変化の例を示す。第１領域４ａ及び第２領域４ｂでは、ワーク１は、はんだ４３の融点未満の温度まで段階的に加熱される。第３領域４ｃでは、はんだ付けの品質を高めるために、ワーク１全体の温度が、はんだ４３の融点未満の温度で均一化される。第３領域４ｃは、熱容量の小さいワーク１に対しては省略可能である。

第４領域４ｄには、チャンバー７ａ，７ｂと、チャンバー駆動部７ｃと、減圧部８と、ガス導入部９とが設けられている。チャンバー７ａ，７ｂは、チャンバー駆動部７ｃの駆動によってパレット２と着脱可能に移動し、パレット２を挟み込んでワーク１の周囲を気密封止する。図示しないが、例えば、ゴム状のシール部をチャンバー７ａ，７ｂの合わせ面に設けると、気密性を高めることができる。

ワーク１がチャンバー７ａ，７ｂによって気密封止された状態で、ガス導入部９は、窒素などのガスを供給し、減圧部８は、チャンバー７ａ，７ｂの内部を大気圧よりも低くする。ガス導入部９から供給されるガスの温度は、はんだ４３の融点よりも高いことが好ましく、その最低温度は、ガス導入によってはんだ４３が凝固しない温度である。

このような第４領域４ｄでは、チャンバー７ａ，７ｂの内部が減圧された状態で、ワーク１ははんだ４３の融点以上に加熱される。これにより、ワーク１に設けられたはんだ４３は溶融し、はんだ４３内のボイドが膨張してはんだ４３外に排出される。

第５領域４ｅには、チャンバー１０ａ，１０ｂと、チャンバー駆動部１０ｃと、ガスノズルなどのガス導入部１１と、減圧部１２とが設けられている。チャンバー１０ａ，１０ｂは、チャンバー駆動部１０ｃの駆動によってパレット２と着脱可能に移動し、パレット２を挟み込む。これにより、チャンバー１０ａ，１０ｂは、第４領域４ｄではんだ４３が溶融されたワーク１の周囲を気密封止する。図示しないが、例えば、ゴム状のシール部をチャンバー１０ａ，１０ｂの合わせ面に設けると、気密性を高めることができる。

はんだ４３が溶融され、かつ、ワーク１がチャンバー１０ａ，１０ｂによって気密封止された状態で、ガス導入部１１は、チャンバー１０ａ，１０ｂの内部を加圧し、かつ、はんだ４３を融点より低い温度に冷却する窒素などのガスを導入する。これにより、ガス導入部１１は、チャンバー１０ａ，１０ｂの内部を大気圧よりも高い圧力で加圧し、かつ、チャンバー１０ａ，１０ｂ内のはんだ４３を冷却して凝固させる。なお、ガス導入部１１から供給される加圧用のガスと、ガス導入部１１から供給される冷却用のガスとは互いに異なってもよい。減圧部１２は、チャンバー１０ａ，１０ｂの内部の圧力が高くなり過ぎないようにするために設けられる。

第６領域４ｆには、第１領域４ａなどと同様にファン６が設けられており、ファン６は、第６領域４ｆ内が比較的低い所定の温度となるように冷却風によって調節する。

＜実施の形態１のまとめ＞
以上のような本実施の形態１に係るはんだ付け装置５１によれば、チャンバー１０ａ，１０ｂの内部を大気圧よりも高い圧力で加圧し、かつ、チャンバー１０ａ，１０ｂ内のはんだ４３を冷却して凝固させる。ボイドの体積は圧力が大きくなるほど小さくなるため、このような構成によれば、ボイドの体積が小さい状態ではんだ４３を凝固することができる。これにより、はんだ４３の凝固によって形成されるはんだ層内のボイドの体積を低減することができる。

なお、はんだ４３にペーストはんだを用い、はんだ付け後にペーストに含まれていたフラックスを図示しない洗浄設備で洗浄して除去れば、良好な品質の製品を得ることができる。

＜実施の形態２＞
図３は、本実施の形態２に係るはんだ付け装置５１のチャンバー１０ａ，１０ｂの構成を模式的に示す断面図である。図３に示すように、はんだ付け装置５１は、可変的に逆流防止の圧力を変更できる機構として、第１開閉バルブ２０と、高圧用逆流防止弁２１と、第２開閉バルブ２２と、常圧用逆流防止弁２３とを備える。

常圧よりも高い圧力に調整可能な高圧用逆流防止弁２１は、チャンバー１０ａ，１０ｂの内部と第１開閉バルブ２０を介して接続されている。常圧に調整可能な常圧用逆流防止弁２３は、チャンバー１０ａ，１０ｂの内部と第２開閉バルブ２２を介して接続されている。第１開閉バルブ２０及び第２開閉バルブ２２が、高圧用逆流防止弁２１及び常圧用逆流防止弁２３をチャンバー１０ａ，１０ｂに選択的に接続することによって、可変的に逆流防止の圧力を変更できる機構が実現される。

ここで一般的に、ガス導入部１１からのガス流量を大きくしないと、はんだを高速に冷却ができず、はんだ層に引け巣が生じる原因となる。このため、ガスの流量を大きくするには、チャンバー１０ａ，１０ｂの内部にガスを送り込むだけでなく、ワーク１と熱交換したガスを排出して低温のガスを次々に導入することが有効である。その一方で、第６領域４ｆにワーク１を搬送するために、第５領域４ｅでチャンバー１０ａ，１０ｂを開放するためには、チャンバー１０ａ，１０ｂの内圧は大気圧と同等にすることが好ましい。

＜実施の形態２のまとめ＞
そこで本実施の形態２では、冷却時には、第２開閉バルブ２２を閉じ、第１開閉バルブ２０を開いて高圧用逆流防止弁２１を用いる。これにより、ガス導入部１１から高圧でガスを導入しつつ、高圧でガスを排出することができるので、はんだ層の引け巣を低減することができる。一方、ワーク１及びパレット２の排出の際には、第１開閉バルブ２０を閉じ、第２開閉バルブ２２を開いて常圧用逆流防止弁２３を用いる。これにより、高圧から常圧に戻すためのチャンバー１０ａ，１０ｂの内部のガスの排出が実施され、チャンバー１０ａ，１０ｂの内部の圧力を常圧に戻すことができる。

なお、高圧用逆流防止弁２１の外側に排出されてきたガスの温度を、熱交換手段を用いて下げ、当該ガスをガス導入部１１に送り込んで再使用してもよい。このような構成によれば、使用するガスの量を減らすことができる。一方、高圧用逆流防止弁２１の外側に排出されてきたガスを単純に放出した場合は、はんだ付け装置５１全体の小型化が可能となる。

＜実施の形態３＞
図４は、本実施の形態３に係るはんだ付け装置５１の構成を模式的に示す断面図である。図４の構成は、第５領域４ｅを除けば図１の構成と同様である。

はんだ付け装置５１は、図４の第５領域４ｅにおいて、チャンバー１０ａ，１０ｂの内部に設けられたガス循環機構３０を備える。このような構成によれば、冷却時に冷却用のガスを導入しつつ、ガス循環機構３０を動作させることで、ワーク１に対する冷却能力を高めることができる。図４の例では、ガス循環機構３０はファンであるが、これに限ったものではない。

ここで一般的に、一定体積の容器内のガスの圧力が増大した場合には、容器内の温度が上昇する。このため、ガス導入部１１から低温のガスをチャンバー１０ａ，１０ｂに導入しても、チャンバー１０ａ，１０ｂ内を加圧すると、低温ガスによる冷却能力が弱められる傾向にある。また、図２のように突起４４ａが設けられたワーク１は、パレット２及び治具類とほとんど接触させることができないので、はんだ４３を冷却することが困難である。

＜実施の形態３のまとめ＞
これに対して本実施の形態３では、ガス循環機構３０によって、冷却風をワーク１に吹き付けることができるので、効率的に温度を低減でき、はんだ層の引け巣を低減することができる。特に、図２のように突起４４ａが設けられたワーク１では、冷却風が当てられる面積が大きいので、はんだ４３の温度を効率よく下げることができ、はんだ層の引け巣を低減することができる。

＜変形例＞
実施の形態１では、チャンバー１０ａ，１０ｂの内部を大気圧よりも高い圧力で加圧し、かつ、チャンバー１０ａ，１０ｂ内のはんだ４３を冷却して凝固させる加圧冷却部は、ガス導入部１１であるものとして説明したが、これに限ったものではない。例えば、加圧冷却部は、チャンバー１０ａ，１０ｂの気密封止を維持したまま、チャンバー１０ａ，１０ｂをパレット２に押し付けることにより加圧し、かつ、実施の形態３のガス循環機構３０で冷却する構成であってもよい。

なお、各実施の形態及び各変形例を自由に組み合わせたり、各実施の形態及び各変形例を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

以下、本開示の諸態様を付記としてまとめて記載する。

（付記１）
はんだが溶融された加工対象物の周囲を気密封止するチャンバーと、
前記チャンバーの内部を大気圧よりも高い圧力で加圧し、かつ、前記チャンバー内の前記はんだを冷却して凝固させる加圧冷却部と
を備える、はんだ付け装置。

（付記２）
前記加圧冷却部は、
前記チャンバーの前記内部を加圧し、かつ、前記はんだを冷却するガスを導入するガス導入部を含む、付記１に記載のはんだ付け装置。

（付記３）
前記チャンバーの前記内部と第１開閉バルブを介して接続された高圧用逆流防止弁と、
前記チャンバーの前記内部と第２開閉バルブを介して接続された常圧用逆流防止弁と
をさらに備える、付記１または付記２に記載のはんだ付け装置。

（付記４）
前記加圧冷却部は、
前記チャンバーの前記内部に設けられたガス循環機構を含む、付記１から付記３のうちのいずれか１項に記載のはんだ付け装置。

１ ワーク、１０ａ，１０ｂ チャンバー、１１ ガス導入部、２０ 第１開閉バルブ、２１ 高圧用逆流防止弁、２２ 第２開閉バルブ、２３ 常圧用逆流防止弁、３０ ガス循環機構、４３ はんだ、５１ はんだ付け装置。

Claims (4)

1. はんだが溶融された加工対象物の周囲を気密封止するチャンバーと、
   前記チャンバーの内部を大気圧よりも高い圧力で加圧し、かつ、前記チャンバー内の前記はんだを冷却して凝固させる加圧冷却部と
   を備える、はんだ付け装置。
2. 請求項１に記載のはんだ付け装置であって、
   前記加圧冷却部は、
   前記チャンバーの前記内部を加圧し、かつ、前記はんだを冷却するガスを導入するガス導入部を含む、はんだ付け装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のはんだ付け装置であって、
   前記チャンバーの前記内部と第１開閉バルブを介して接続された高圧用逆流防止弁と、
   前記チャンバーの前記内部と第２開閉バルブを介して接続された常圧用逆流防止弁と
   をさらに備える、はんだ付け装置。
4. 請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載のはんだ付け装置であって、
   前記加圧冷却部は、
   前記チャンバーの前記内部に設けられたガス循環機構を含む、はんだ付け装置。

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