JP3171023U

JP3171023U - 加圧接合治具

Info

Publication number: JP3171023U
Application number: JP2011004605U
Authority: JP
Inventors: 義則山田; 寿一尾崎
Original assignee: 有限会社ディアックス
Priority date: 2011-07-20
Filing date: 2011-07-20
Publication date: 2011-10-13
Anticipated expiration: 2021-07-20

Abstract

【課題】バネ力を精密に設定できる加圧接合治具を提供する。【解決手段】下側固定板と、これに載置される被接合体を押圧する加圧板と、加圧板を押し下げる皿バネと上側固定板を備え、上側固定板と加圧板の間には皿バネが配置される穴を有するスペーサが挿入され、上側固定板の上面より挿通されスペーサ及び加圧板を貫通して下側固定板に螺合される固定ボルトと、下側固定板の下面より挿通螺嵌し加圧板及びスペーサを貫通して上側固定板に当接する、もしくは上側固定板の上面より挿通螺嵌しスペーサ及び加圧板を貫通して下側固定板に当接する位置決めボルトにより上側固定板と下側固定板は固定され、皿バネガイドに前記固定ボルトを使用し、上側固定板より挿通されスペーサを貫通して加圧板に螺合されるバネ調整ボルトを締め付けることで皿バネはたわみを受け、バネ調整ボルトを緩めることでバネ力を加圧板に加えるようにしたことを特徴とする加圧接合治具。【選択図】図１

Description

本考案は、部品の実装基板への実装に少なくとも加圧力を必要とする加圧接合治具に関し、特に半導体モジュールにおける半導体素子や部品の接合に適用する加圧接合治具に関する。接合材料に加圧、加熱を必要とするナノ金属ペーストを使用する場合に好適な治具である。

ナノ金属ペーストを用いた部品あるいは基板の接合では、一方の基板の接合面にナノ金属ペーストをスクリーン印刷法などにより均一な厚さに塗布し、この上に相手側の基板や部品を重ね合わせた状態で外部から加熱，加圧力を加えて接合を行う。接合のための基本的なパラメータは温度と加圧力になるため、治具で実現するためには圧縮バネを使う。治具はオーブンに入れることにより均一な加熱が確保できる（特許文献１）。

加圧接合治具の従来技術に図５に示すものがある。被接合体１５を押圧する上側加圧板１３があり、皿バネ５によりバネ力がかかる。調整ボルト１２は下側加圧板１４に螺合され、調整ボルト１２を上下することによりバネのたわみ量（縮み量）を変えることができる。図５は一か所のボルト及びバネを示しているが、上側加圧板の下側加圧板に対する平行度を確保するためには複数個所（少なくとも３か所以上）が必要になる。

バネ力を利用した加圧接合治具で重要な点は、バネ力が精密に設定できることである。またバネが複数個所ある場合には、バネのたわみ量が同じ値に設定できるような手段を具備していることが必要である。

特開２００７−４４７５４号公報

バネ力が精密に設定でき、バネが複数個所にあっても無調整でバネのたわみ量が同じ値に設定できる加圧接合治具を提供する。

上記課題を解決する一つの実施形態によれば、下側固定板と、これに載置される被接合体を押圧する加圧板と、加圧板を押し下げる皿バネと上側固定板を備え、上側固定板と加圧板の間には皿バネが配置される穴を有するスペーサが挿入され、上側固定板の上面より挿通されスペーサ及び加圧板を貫通して下側固定板に螺合される固定ボルトと、下側固定板の下面より挿通螺嵌し加圧板及びスペーサを貫通して上側固定板に当接する、もしくは上側固定板の上面より挿通螺嵌しスペーサ及び加圧板を貫通して下側固定板に当接する位置決めボルトにより上側固定板と下側固定板は固定され、皿バネガイドに前記固定ボルトを使用し、上側固定板より挿通されスペーサを貫通して加圧板に螺合されるバネ調整ボルトを締め付けることで皿バネはたわみを受け、バネ調整ボルトを緩めることでバネ力を加圧板に加えるようにしたことを特徴とする。

上記手段において、スペーサは皿バネに所定のバネ力を持たせるためにバネのたわみ量を決めるためのものである。スペーサは、皿バネの無荷重時のバネ厚さ（自由高さ）から荷重をかけた時のたわみ量を引いた厚さに設定する。バネ調整ボルトにより上側固定板とスペーサと加圧板が密着するほどに締め付けると、上側固定板と加圧板の間に配置された皿バネはスペーサの厚さに圧縮される。従ってスペーサの厚さはバネ力を決める役割を持つ。数十μｍ厚さの金属箔や１ｍｍ程度の金属基板をスペーサとして組み合わせることでバネ力の広範囲で精密な設定が可能となる。バネ調整ボルトは上側固定板とスペーサは貫通しているが加圧板には螺合される。

バネ調整ボルトの締め付けで密着した３つの基板（上側固定板、スペーサ、加圧板）を下側固定板に載置する。上側固定板はその下降が位置決めボルトにより拘束保持され、その上昇は固定ボルトにより拘束保持される。このようにして位置決めボルトと固定ボルトにより上側固定板と下側固定板は固定され、バネ調整ボルトを緩めるとバネ力が加圧板に加えられる。

密着した３つの基板を下側固定板に載置する際に、加圧板は被接合体に近接した位置で保持されるように上側固定板の位置を位置決めボルトで決めるのが好ましい。その理由は、上側固定板と下側固定板を固定ボルトで固定する際に、ボルト締めの加圧力が加圧板を介して被接合体に加わらないようにするためである。被接合体が半導体であればボルト締めの加圧力で容易に割れてしまうため、位置決めボルトはそれを防止する重要な役割を果たす。

固定ボルト及び位置決めボルトは上側固定板の平行度を確保するために三ヶ所乃至四箇所に配置されるのが好ましいが、バネ調整ボルトは上側固定板と加圧板、及びスペーサを密着保持したり、保持を解いたりする役割なので上側固定板の中心に一箇所配置すれば良い。

以上説明したように本考案によれば、複数個所のバネ力を精密に設定することのできる加圧接合治具を提供できる。

本考案の実施形態に係る加圧接合用治具の断面図である。（ａ）は本考案の実施形態に係る加圧接合用治具の透視図であり、（ｂ）は表側を見た外観図、（ｃ）は裏側を見た外観図である。（ａ）は上側固定板、スペーサ、加圧板においてバネ調整ボルトを締め付ける前の図、（ｂ）は締め付けた時の図である。皿バネの荷重とたわみ量の関係を示す。従来技術による加圧接合用治具の断面図である。

以下、本考案の一つの実施の形態を図１〜図５に示す実施例に基づいて説明する。図１は皿バネのバネ力が加圧板３に加えられた時の加圧接合治具の断面図を示す。位置決めボルト７は下側固定板４の裏面より挿通螺嵌し、加圧板３及びスペーサ２を貫通して上側固定板１に当接し、上側固定板１の下降を止める役割を持つ。固定ボルト６は上側固定板１とスペーサ２、及び加圧板３を貫通し、下側固定板４に螺合され、固定ボルト６を締めることで上側固定板１と下側固定板４が固定される。バネ調整ボルト８は上側固定板１とスペーサ２と加圧板３を密着させるためのボルトであり、図１の緩めた状態において加圧板３にバネ力を付与している。従って加圧板３は被接合体９に加圧力をもたらし、実装基板１０に形成したナノ金属ペースト（図示していない）による接合が準備される。ナノ金属ペーストが接合材となるには加熱と加圧力が必要なので、加熱手段であるオーブンに加圧接合治具を投入して接合が為される。

図１は上述したようにバネ付勢により加圧板３に加圧力が加えられた状態を示しているが、図３にはバネ付勢を持たせる手順を示す。（ａ）は下側固定板３にスペーサ２と上側固定板１を載置しただけの状態であり、皿バネは無荷重で圧縮されていないためスペーサ２と上側固定板１の間にギャップがある。バネ調整ボルト８は上側固定板１とスペーサ２は貫通し加圧板には螺合されるようにしてあり、調整ボルト８を締めつけていくと（ｂ）に示すように加圧板３が引き上げられ上側固定板１とスペーサ２と加圧板３は密着する。密着した基板を図１に示すように位置決めボルト７が立てられた下側固定板４に載置し、固定ボルト６を締め付けてすべての基板が固定される。この状態でバネ調整ボルト８を緩めたのが図１になる。なお（ｂ）に示すバネ調整ボルト８の締め付けでは、ハンドプレスなどの補助手段を用いて各基板を密着させ、バネ調整ボルト８で固定するのが簡便で無理が無い。

図４は一例として皿バネ（Ａ−１０）の荷重（Ｎ）とたわみ量（δ）の関係を示したものである。ここで荷重とバネ力は同じ意味である。Ａ−１０とはＪＩＳ規格品の皿バネ形状であり、板厚０．５ｍｍ、内径５．２ｍｍ、外径１０ｍｍ、バネ高さ（自由高さ）０．７５ｍｍの形状のものである。たわみ量（δ）はバネ高さ０．７５ｍｍから幾ら荷重をかけて圧縮したかを示す量であり、図に示すようにたわみ量（δ）を設定することで荷重（Ｎ）が設定される。δは数百ミクロンという非常に小さな数値であり、バネ力を設定するには精密に制御できる治具の構造が必要になることが分かる。皿バネは縦に重ねていくことで同じ荷重でもたわみ量を大きくできるので（皿バネの直列重ね使用）、実際には数個を直列に使用する。例えば４個を直列重ねで使用すると、δを０．２ｍｍとすると４δは０．８ｍｍとなる。しかしこれでも小さな数値である。スペーサ２は皿バネのたわみ量（δ）を作業性良く確実に設定するために挿入するものである。スペーサは加工性の良いステンレスだと、最小厚さが２０μｍから製作可能なので厚さの異なるステンレス箔、ステンレス基板を積層することでたわみ量を精密に設定できる。なお治具の材料としては、ナノ金属ペーストの加熱が３００℃程度であるとすると、低熱膨張の材料を使うのが好ましい。

バネ調整ボルトで密着した基板（図３（ｂ））を下側固定板に載置すると、図１に示すように下側固定板に立てられた位置決めボルト７により高さ位置が定まる。位置決めボルト７のボルト長は、加圧板３が被接合体９に近接する位置に来るように下側固定板の厚さ、加圧板の厚さ、スペーサの厚さ、被接合体９の高さ及び実装基板１０の厚さから設定するのが良い。この状態で上側固定板１と下側固定板４を固定ボルト６で固定する。具体的には固定ボルト６は下側固定板に切られたメネジに螺合され、上側固定板１、スペーサ２及び加圧板３は固定ボルトが貫通しているだけの状態である。位置決めボルト７はボルト締めによる加圧板１の被接合体９への応力を防止するために使用する。位置決めボルト７を使用することによりボルト６締めは安全に確実に実施することが出来る。次にバネ調整ボルト８を緩めていくとバネ力が加圧板を下に押し、被加圧物に加圧できるようになる。固定ボルトで治具が固定された後は、バネ調整ボルト８を抜き取っても構わない。

金属ナノペーストを使用した接合は加熱と加圧により進行していくので、所定の加圧力が設定された加圧接合治具をオーブンに入れることにより接合が完了する。オーブンに入れる際には位置決めボルトは加圧接合治具に残しても抜き取っても構わないが、上側固定板には重さがあるので、この重さが設定するバネ力を大きく変えるようであれば支持ボルトを残して上側固定板を拘束支持するのが好ましい。

図２の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に図１の加圧接合度具の略透視図、表側外観、裏側外観を示す。固定ボルト６と位置決めボルト７は四か所に設置してある。バネ調整ボルト８は中心部に一か所設置してある。前述したように皿バネのたわみ量は１個当たり数百ミクロンで設定しなければならないため治具に適用する場合には設定精度を確保する手段が必要になる。図５に示す従来技術では、複数個所ある皿バネのたわみ量の設定はボルト締め以外の手段が明示されていなく、四か所の皿バネのたわみ量を同じ値に設定することは困難である。本考案では皿バネのたわみ量を精度良く設定するためにスペーサを導入したものである。

図１に示す位置決めボルト７についてスクリューボルトであっても良い。以上説明した実施形態における位置決めボルト７は下側固定板の裏面より挿通しているが（図１を参照）、上側固定板１の表面より挿通し、上側固定板には螺合しスペーサ２及び加圧板３は貫通して下側固定板４に当接することにより上側固定板の高さ位置を決める形態であっても同じ効果を発揮する。

以上説明した実施形態における位置決めボルトについて、ボルト部品を外から挿入する形態を採ったが、以下の実施形態を採ることもできる。予め下側固定板に位置決めピンを突設させ、加圧板及びスペーサを貫通して上側固定板に当接することにより上側固定板の高さ位置を決める形態であっても良い。もしくは上側固定板に位置決めピンを突設させ、スペーサ及び加圧板を貫通して下側固定板に当接することにより上側固定板の高さ位置を決める形態であっても良い。この場合には位置決めピンの上側固定板あるいは下側固定板への当接位置を調整することは出来ないので治具の汎用性は少し損なわれる。

特に金属ナノペーストを使用した接合用途において本考案による加圧接合治具と加熱手段であるオーブンを使用すると、高価な接合装置を使用することなく、簡易な作業で高精度の加圧力が設定でき、生産性を向上できる。

１上側固定板
２スペーサ
３加圧板
４下側固定板
５皿バネ
６固定ボルト
７位置決めボルト
８バネ調整ボルト
９被接合体（半導体など）
１０実装基板
１１調整ボルト
１２上側加圧板
１３下側加圧板
１４溶融スペーサ
１５被接合体
１６固定ボルト

Claims

下側固定板と、これに載置される被接合体を押圧する加圧板と、加圧板を押し下げる皿バネと上側固定板を備え、上側固定板と加圧板の間には皿バネが配置される穴を有するスペーサが挿入され、上側固定板の上面より挿通されスペーサ及び加圧板を貫通して下側固定板に螺合される固定ボルトと、下側固定板の下面より挿通螺嵌し加圧板及びスペーサを貫通して上側固定板に当接する、もしくは上側固定板の上面より挿通螺嵌しスペーサ及び加圧板を貫通して下側固定板に当接する位置決めボルトにより上側固定板と下側固定板は固定され、皿バネガイドに前記固定ボルトを使用し、上側固定板より挿通されスペーサを貫通して加圧板に螺合されるバネ調整ボルトを締め付けることで皿バネはたわみを受け、バネ調整ボルトを緩めることでバネ力を加圧板に加えるようにしたことを特徴とする加圧接合治具。
前記位置決めボルトの代わりに、下側固定板に突設した位置決めピンが加圧板及びスペーサを貫通して上側固定板に当接する、もしくは上側固定板に突設した位置決めピンがスペーサ及び加圧板を貫通して下側固定板に当接するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の加圧接合治具。