JP5521879B2 - はんだ付け装置およびマガジン - Google Patents

Description

本発明は、上面にはんだを塗布し、その上に電子部品を搭載してなるリードフレームを加熱して電子部品のリードフレームへのはんだ付けを行うはんだ付け装置およびそのようなリードフレームを収納保持するマガジンに関する。

一般的な半導体パッケージでは、リードフレーム上にＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、集積回路チップなどの半導体を線はんだにより接合を行い、金・銅・アルミニウムなどのワイヤで結線後、樹脂封止を行う。

その際のはんだによるチップ付けは、ダイボンダでリードフレームのダイパッドに線はんだを供給し、そこにチップを搭載することにより行っていた（たとえば、特許文献１参照）。この特許文献１の装置では、ヒータレールによって搬送されるリードフレームに線はんだを供給し、その上にパワートランジスタを搭載することにより、パワートランジスタをリードフレームにはんだ付けしている。この方法では、タクト重視の工法であって短時間ではんだ付けを行うことができる反面、はんだ中のボイドが多く、製造途中でボイド検査を行うなどの工程が入ることが多い。

これに対し、混成集積回路などのモジュールの場合は、印刷などにより塗布したはんだに集積回路や容量、抵抗、コイルなどのチップ部品類を多数搭載した製品を板治具に並べてはんだ付け装置に入れ、一括して真空中の熱板にてはんだ付けを行う方法がある。この方法では、はんだ付けを真空中で行うために、はんだ中のボイドを引き出す効果があり、ボイド率の低減が可能である。しかし、このはんだ付け装置では、板治具への製品を人手により並べていたので、その際の工数増加、工数作業時間の増加などの影響により量産性が非常に低かった。そのため、処理時間が長いことから、量産性を重視するディスクリートのようなリードフレームタイプの製品では採用されることはなかった。

ところで、リードフレームを使用した半導体の製造においては、それぞれの工程間でのリードフレームの搬送にマガジンが用いられている（たとえば、特許文献２，３参照）。マガジンは、縦に細長い長方形の開口部が両側にある直方体を有し、両側板の対向する内壁には、開口部間に水平方向に伸びる仕切り段が所定の間隔を置いて複数個形成されている。マガジンは、その仕切り段にリードフレームを水平状態で載せていくことにより複数枚収納することができる。これにより、半導体のそれぞれの製造工程では、マガジンからリードフレームを１枚ずつ引き出して加工を行い、加工を終えたリードフレームは、マガジンに戻される。マガジンに収納されたすべてのリードフレームの加工が終わると、これらのリードフレームは、マガジンに修された状態で次の工程まで搬送される。

ここで、はんだ付け工程において、はんだ中のボイド率を低減させるために、上記のはんだ付け装置で行おうとする場合、マガジンからリードフレームを１枚ずつ引き出して板治具に並べ、リードフレームが並べられた板治具をはんだ付け装置に送り込むことになる。はんだ付け装置では、板治具は、真空雰囲気中で熱板の上に配置され、リードフレームは、熱板により下面から加熱されることによって一括してはんだ付けが行われる。はんだ付け装置でのはんだ付けが終わると、はんだ付け装置から板治具が引き出され、リードフレームは、板治具から１枚ずつ拾い上げられ、マガジンに収納される。リードフレームのマガジンへの収納が終わると、それらのリードフレームは、マガジンに収納された状態で次の製造工程まで搬送される。

特開２００６−１１４６４９号公報（段落〔００２３〕，図１） 特開平９−３６１３７号公報 特開平９−２３７７９８号公報

しかしながら、リードフレームのはんだ付けを真空雰囲気中で熱板により一括して行う場合、リードフレームをマガジンから取り出して板治具に並べ、はんだ付けが終わると、板治具から拾い上げてマガジンに戻すという作業を人手により行うため、手間と処理時間がかかり、量産性が非常に低いという問題点があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、複数の半導体チップおよびチップ部品が搭載されるリードフレームのはんだ付けを、人手を介することなく、一括で大量にバッチ処理することができるはんだ付け装置およびマガジンを提供することを目的とする。

本発明では上記の課題を解決するために、それぞれ塗布したはんだに電子部品が載置された複数のリードフレームを水平状態に保ちつつ垂直方向に所定間隔隔てて保持するマガジンに対し、その両側面に接触して加熱することにより前記はんだを溶融して前記電子部品を前記リードフレームに接合することができる少なくとも１対のヒータプレートと、前記ヒータプレートの少なくとも一方を前記マガジンの側面に対して接離自在に駆動可能であって、加熱時には前記マガジンを挟持状態にするヒータプレート駆動部と、を有する加熱手段を備えていることを特徴とするはんだ付け装置が提供される。

このようなはんだ付け装置によれば、マガジンからリードフレームを取り出すことなく、リードフレームを収納したままの状態でマガジンを加熱するようにした。これにより、大量のリードフレームのはんだ付けを一括して行うことができる。

本発明では、また、両側面がヒータプレートによって挟持されることにより内部に収納されたリードフレームに塗布されたはんだを溶融してその上に載置された電子部品のはんだ付けを行うマガジンであって、天板に、ガス抜き穴を備えていることを特徴とするマガジンが提供される。

このようなマガジンによれば、ヒータプレートによって挟持されて加熱されるときに、最上段のリードフレームが加熱されたときにガス化したフラックスを外部へ導出するガス抜き穴を備えている。これにより、最上段のリードフレームは、加熱時にガスが滞留して温度が高くなり過ぎてしまうことがなくなるので、すべてのリードフレームを均熱化することができる。

上記構成のはんだ付け装置は、リードフレームを収納した状態のマガジンを直接加熱することによりリードフレームのはんだ付けを行うようにしたので、マガジンに対してリードフレームの出し入れを行い、取り出したリードフレームを板治具に並べるという作業がなくなるので、短時間で大量のリードフレームのはんだ付けを一括して行うことができ、製品のコストダウンに大きく寄与できるという利点がある。

はんだ溶融中に真空状態とすることで、フラックスなどから発生するはんだ中のボイドを低減することが可能となる。
リードフレームを収納した状態で加熱することによりリードフレームのはんだ付けを行うマガジンは、天板にガス抜き穴を備えることで、熱履歴中に発生するフラックスからのガス成分を内部に滞留させることなく外部に引き出せるため、最上段のリードフレームの部分的高温化が回避され、すべてのリードフレームを均熱化させることが可能となる。

マガジンは、その側面にスリットを入れることにより、マガジンの熱容量を調整でき、側面からリードフレームまでの熱抵抗を調整できるため、マガジン内の温度分布を均一にすることができる。

本発明の一実施の形態に係るはんだ付け装置を示す図である。 リードフレームに電子部品を搭載して形成される半導体装置の製造工程を説明する図である。 マガジンの構成例を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について、リードフレームのモジュールになる１区画に半導体チップおよびチップ部品とする複数の電子部品が搭載されて混成集積回路などのモジュールとなる半導体装置を製造する場合を例に図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明の一実施の形態に係るはんだ付け装置を示す図である。
本発明によるはんだ付け装置１０は、内部を真空にすることができる真空チャンバ１１を備えている。真空チャンバ１１は、図示はしないが、マガジン２０が設置される内部空間を開放または密閉する開閉機構、内部空間を真空引きする真空ポンプ、内部空間と真空ポンプとの間に設けられる真空バルブなどを備えている。真空チャンバ１１は、また、図示はしないが、真空ポンプによって減圧される内部空間に不活性ガス（たとえば窒素ガス）を充填する機構を備えている。

真空チャンバ１１の内部は、マガジン２０が供給される側に加熱ゾーンを有し、マガジン２０が取り出される側に冷却ゾーンを有している。加熱ゾーンには、内部空間に供給されたマガジン２０を両側面から挟持して加熱する１対のヒータプレート１２，１３を備えている。図示の例では、ヒータプレート１２は、固定設置されたヒータプレート１３に対して接離自在に設置されている。これにより、ヒータプレート１２は、マガジン２０が供給されるときおよび冷却ゾーンへ移動するとき、マガジン２０の移動通路から待避し、はんだ付けを行うときには、マガジン２０をヒータプレート１３に押し付けるように動作する。同様に、冷却ゾーンには、マガジン２０を両側面から挟持して冷却する１対の吸熱プレート１４，１５を備えている。図示の例では、吸熱プレート１４は、固定設置された吸熱プレート１５に対して接離自在に設置されている。これにより、吸熱プレート１４は、マガジン２０が供給されるときおよび真空チャンバ１１の外へ移動するとき、マガジン２０の移動通路から待避し、冷却を行うときには、マガジン２０を吸熱プレート１５に押し付けるように動作する。

ヒータプレート１２，１３は、熱伝導体に発熱体を埋設することによって構成することができる。発熱体は、供給する電流に応じた温度に発熱することができるものであって、好ましくは、熱伝導体の中に複数の棒状発熱体を適当に離間させて配置するのがよい。この場合、それぞれの棒状発熱体の発熱温度を制御して、マガジンに収納されたリードフレームを均一に加熱できるように、熱伝導体の加熱側の面に適当な温度勾配を持たせることができる。たとえば、加熱対象となるマガジン２０の熱容量の分布に応じて温度勾配を持たせればよい。そのために、マガジン２０の肉厚の部分には棒状発熱体を近接させるように配置してもよいし、棒状発熱体の発熱温度を高めに設定してもよい。あるいは、発熱が集積しやすいマガジン上部では、棒状発熱体の発熱温度を低めに設定してもよい。

吸熱プレート１４，１５は、内部に冷却水が流れる通路が蛇行するように設けられた熱伝導体によって構成され、真空チャンバ１１の外部に設けられた図示しない熱交換器と接続されて、冷却水をポンプで循環させるようにしている。これにより、熱交換器と吸熱プレート１４，１５との間で冷却水が循環される方式の循環冷却装置が構成され、吸熱プレート１４，１５は、マガジン２０の冷却を連続して行うことができる。すなわち、循環する冷却水は、熱交換器でファンにより大気に放熱されて冷却され、吸熱プレート１４，１５に供給されてそこでマガジン２０から熱を吸収し、これにより高温になって再び熱交換器に戻され、ここで冷却される、というサイクルで繰り返される。

可動側のヒータプレート１２および吸熱プレート１４は、ヒータプレート１３および吸熱プレート１５に対して接離できるようたとえば電動アクチュエータによって構成されている。この電動アクチュエータは、ヒータプレート１２または吸熱プレート１４を、たとえば付勢ばねでヒータプレート１３または吸熱プレート１５の方向に付勢し、電動機でヒータプレート１３または吸熱プレート１５から離れる方向に駆動するように構成されている。付勢ばねは、ヒータプレート１２または吸熱プレート１４がマガジン２０をヒータプレート１３または吸熱プレート１５に押し付けたときに、互いに密着する程度の付勢力を有している。なお、この電動アクチュエータは、可動側のヒータプレート１２および吸熱プレート１４に共通の１つの機構で構成し、ヒータプレート１２および吸熱プレート１４を同時に駆動するようにしてもよい。

以上の構成のはんだ付け装置１０において、リードフレームに搭載した電子部品のリードフレームへのはんだ付けを行うときには、まず、真空チャンバ１１を開放し、ヒータプレート１２，１３は、マガジン２０を受け入れるだけの隙間を有するよう離間されている。次に、マガジン２０がリードフレームを収納した状態で真空チャンバ１１内に押し込まれ、ヒータプレート１２，１３の間の隙間にて停止される。

その後、真空チャンバ１１が駆動されて内部が密閉されて不活性ガスが充填され、ヒータプレート１２が駆動されてマガジン２０をヒータプレート１３に押し付け、ヒータプレート１２，１３が加熱を開始する。ヒータプレート１２，１３が高温になると、その熱は、マガジン２０に伝達され、さらにマガジン２０からリードフレームに伝達され、リードフレームに塗布されたはんだを溶融する。真空チャンバ１１は、はんだが融点に達するまでの適当なタイミングで真空引きされる。これにより、はんだが融点を超えて溶けたときにフラックスがガス化するなどして内部に生じたボイドを真空引きにより低減し、はんだの接合強度の低下を防止している。

はんだが溶融した後、ヒータプレート１２，１３の加熱が停止され、真空チャンバ１１内の真空引きが停止される。その後、ヒータプレート１２がマガジン２０から離れる方向に駆動され、マガジン２０は、適当な移動手段を用いて加熱ゾーンから冷却ゾーンに移動される。このとき、吸熱プレート１４，１５は、マガジン２０を受け入れるだけの隙間を有するよう離間されている。吸熱プレート１４，１５の間にマガジン２０が移動されてくると、吸熱プレート１４が駆動されてマガジン２０を吸熱プレート１５に押し付け、吸熱プレート１４，１５に冷却水が循環されてマガジン２０の冷却を開始する。マガジン２０は、吸熱プレート１４，１５に密着状態で挟持されることにより効率よく吸熱されて降温され、これに伴って中に収納されているリードフレームも降温される。マガジン２０が所定の温度まで降温すると、吸熱プレート１４がマガジン２０から離れる方向に駆動され、真空チャンバ１１が開放されて、マガジン２０は、適当な移動手段を用いて真空チャンバ１１から取り出される。

なお、上記の実施の形態では、真空チャンバ１１内の加熱ゾーンおよび冷却ゾーンには、それぞれ１つのマガジン２０を加熱および冷却するように構成したが、これに限定されるものではない。たとえば、ヒータプレートを３つ備え、真ん中の固定のヒータプレートと外側の可動のヒータプレートとの間にそれぞれマガジンを挟持させる構成にしてもよい。この場合、冷却ゾーンにおいても同じ構成が採られ、中央に設けた固定の吸熱プレートに対してその両側にそれぞれマガジンを押し付けるように可動の吸熱プレートを設けることになる。また、上記の実施の形態では、加熱ゾーンおよび冷却ゾーンを真空チャンバ１１内に形成したが、必ずしも真空チャンバ１１内でなくてもよく、大気中に設けてもよい。

図２はリードフレームに電子部品を搭載して形成される半導体装置の製造工程を説明する図である。
半導体装置の製造工程において、まず、短冊状のリードフレーム３０が用意される（Ｓ１）。このリードフレーム３０は、図では省略したが、所定のパターンに型抜き加工されて、半導体チップやチップ部品を載せる部分、インナーリード、アウターリードなどがあらかじめ形成されている。このようなリードフレーム３０は、マガジン２０に収納されて次の製造工程に搬送される。

次の製造工程では、リードフレーム３０がマガジン２０から一枚ずつ引き出され、リードフレームの所定位置にはんだペースト４０が塗布または印刷される（Ｓ２）。はんだペースト４０が塗布されたリードフレーム３０は、再びマガジン２０に収納されて次の製造工程に搬送される。なお、この実施の形態では、接合材料としてはんだペースト４０を使用しているが、これに限定されるものではなく、板はんだ、銀ペーストなどの他の接合材料とすることもできる。

次の製造工程では、リードフレーム３０がマガジン２０から一枚ずつ引き出され、リードフレーム３０に塗布されたはんだペースト４０の上に半導体チップ５０およびチップ部品５１が搭載される（Ｓ３）。半導体チップやチップ部品が搭載されたリードフレーム３０は、再びマガジン２０に収納されて次の製造工程に搬送される。

次の製造工程では、リードフレーム３０をマガジン２０に収納した状態のまま、マガジン２０を上述のはんだ付け装置１０に入れてリードフレーム３０の加熱および冷却が行われ、続いて、洗浄装置に入れてリードフレーム３０の洗浄が行われる（Ｓ４）。洗浄装置では、リードフレーム３０は、洗浄液に浸されて超音波洗浄が行われ、フラックスなどが除去される。このように、加熱、冷却および洗浄の工程では、リードフレーム３０をマガジン２０から取り出すことなくマガジン２０に入れたままで、一括してバッチ処理をすることができる。リードフレーム３０の洗浄が終了すると、マガジン２０は、次の製造工程に搬送される。

次の製造工程では、リードフレーム３０は、マガジン２０から一枚ずつ引き出され、ワイヤボンダによるワイヤボンディングが行われ（Ｓ５）、再びマガジン２０に収納されて次の製造工程に搬送される。

そして、次の製造工程では、リードフレーム３０は、マガジン２０から一枚ずつ引き出され、モールディング装置に入れられ、樹脂封止が行われる（Ｓ６）。樹脂封止が行われたリードフレーム３０は、リードフレーム３０の切断およびリード加工などの次の製造工程へ搬送するために、再びマガジン２０に収納される。

図３はマガジンの構成例を示す斜視図である。
マガジン２０は、リードフレーム３０を入れたまま、はんだ付け装置１０において加熱および冷却が行われ、洗浄装置において洗浄が行われるために、耐熱性があり、洗浄液に耐えることができる材質によって形成されている。また、マガジン２０は、十分な熱分布確保が可能であり、溶融したはんだがボイドの破裂により飛び散ったときに、マガジン内部に固着しないなどの特性を持った材質によって形成される。このようなマガジン２０の材質としては、ステンレス鋼またはアルミニウムとすることができる。特に、上記の諸特性を有する材料としてアルミニウムが好適である。

マガジン２０は、底板２１と、天板２２と、側板２３，２４とを有し、直方体の形状をなしている。長手方向の両端には、縦に細長い長方形の開口部を有し、リードフレーム３０が挿抜する出入口を構成している。側板２３，２４の対向する内壁には、水平方向に伸びるコの字状の係止溝２５が高さ方向に所定の間隔を置いて複数個形成されている。リードフレーム３０は、その係止溝２５に沿って挿入することにより、マガジン２０内に収納保持される。図示の実施の形態のマガジン２０では、２０枚のリードフレーム３０を収納することができる。

このマガジン２０は、その天板２２に複数のガス抜き穴２６を有している。このガス抜き穴２６は、天板２２から最上段に収納されたリードフレーム３０への輻射熱を低減し、最上段のリードフレーム３０が加熱されたときにガス化したフラックスをマガジン２０の外部へ導出するためのものである。ガス抜き穴２６は、ないと、加熱時にガスが滞留してリードフレーム３０の温度が高くなり過ぎてしまい、あっても、大き過ぎると、ガスの流れのためにリードフレーム３０の温度が低くなり過ぎてしまう。そのため、ガス抜き穴２６は、加熱時にはんだペースト４０を適正温度に保持することができる程度に、大きさ、位置、数などが選択される。図示の実施の形態のマガジン２０では、１枚当たり１２個のモジュール形成区画のあるリードフレーム３０を対象としており、その場合、ガス抜き穴２６は、２個のモジュール形成区画に付き１個の割合で形成している。

なお、このマガジン２０は、その天板２２にガス抜き穴２６を有し、底板２１には有していないので、マガジン２０が正立しているかどうかは、ガス抜き穴２６があるかどうかを確認するだけで容易に判断することができる。

マガジン２０は、また、その側板２３，２４に水平に伸びる複数のスリット２７を有している。スリット２７は、側板２３，２４に形成した係止溝２５の間に穿設されている。このスリット２７は、マガジン２０の所要の強度を確保するために側板２３，２４の肉厚を厚くしたときにマガジン２０の熱容量が大きくなり過ぎて加熱に時間がかかってしまうような場合に、マガジン２０の熱容量を低減する目的で設けられている。このスリット２７は、また、リードフレーム３０の洗浄工程の際に、側板２３，２４が完全に覆われている場合に比べて洗浄性を向上させることに寄与している。

１０ はんだ付け装置
１１ 真空チャンバ
１２，１３ ヒータプレート
１４，１５ 吸熱プレート
２０ マガジン
２１ 底板
２２ 天板
２３，２４ 側板
２５ 係止溝
２６ ガス抜き穴
２７ スリット
３０ リードフレーム
４０ はんだペースト
５０ 半導体チップ
５１ チップ部品

Claims (9)

1. それぞれ塗布したはんだに電子部品が載置された複数のリードフレームを水平状態に保ちつつ垂直方向に所定間隔隔てて保持するマガジンに対し、その両側面に接触して加熱することにより前記はんだを溶融して前記電子部品を前記リードフレームに接合することができる少なくとも１対のヒータプレートと、
   前記ヒータプレートの少なくとも一方を前記マガジンの側面に対して接離自在に駆動可能であって、加熱時には前記マガジンを挟持状態にするヒータプレート駆動部と、
   を有する加熱手段を備えていることを特徴とするはんだ付け装置。
2. 前記リードフレームは、モジュールになる１区画に半導体チップおよびチップ部品とする複数の前記電子部品が搭載されている請求項１記載のはんだ付け装置。
3. 前記ヒータプレートは、供給する電流に応じた温度に発熱する複数の発熱体を熱伝導体に埋設することによって構成されている請求項１記載のはんだ付け装置。
4. １対の吸熱プレートと、
   前記吸熱プレートの少なくとも一方を前記マガジンの側面に対して接離自在に駆動可能であって、冷却時には前記マガジンを挟持状態にする吸熱プレート駆動部と、
   を有する冷却手段を備えている請求項１記載のはんだ付け装置。
5. 前記吸熱プレートは、熱伝導材料によって内部に冷却水が流れる通路が蛇行するように形成されている請求項４記載のはんだ付け装置。
6. 前記加熱手段および前記冷却手段は、真空チャンバ内に設置されている請求項４記載のはんだ付け装置。
7. 前記真空チャンバは、内部空間に不活性ガスを充填する機構を備えている請求項６記載のはんだ付け装置。
8. 両側面がヒータプレートによって挟持されることにより内部に収納されたリードフレームに塗布されたはんだを溶融してその上に載置された電子部品のはんだ付けを行うマガジンであって、
   天板に、ガス抜き穴を備えていることを特徴とするマガジン。
9. 両側面の側板にスリットを有している請求項８記載のマガジン。

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