JP5575698B2 - 部品接合用治具 - Google Patents

Description

本発明は、部品接合用治具に関し、特に、電子装置を構成する複数の部品を半田により接合するための部品接合用治具に関する。

複数の部品を半田を介して順次積層し、これら複数の部品を半田により溶着接合して構成された電子装置が存在する（例えば、特許文献１参照）。

このような電子装置を構成する複数の部品を半田により溶着接合する場合、各部品は、治具を用いて位置決めされる。また、接合用の半田が複数段を呈して使用される場合には、複数の治具が積み重ねられて、半田による溶着接合が行われる。

特開平６−１３４５７０号公報

しかしながら、前記特許文献１に記載の技術においては、半田による溶着接合作業における部品の位置ずれを防止すべく、治具の位置をずれないようにする等の工夫が必要であり、そのため治具の構造が複雑化するといった課題があった。

また、前記特許文献１に記載の技術では、炉の熱により昇華する昇華剤を治具間に介装するように使用して還元ガスが流通する空間を作っているため、設置場所によって昇華剤の熱による変化に違いが生じた場合には、部品が傾いたり加圧治具による部品への押圧力に偏りが生じたりして、良好な半田付けが行われない虞がある。さらに、加圧治具は、部品としてのチップの一部しか押圧していないため、半田の溶融時に該半田が部品の接合面に均一に流動せず、部品に傾きが生じたり、時として、溶融する半田が部品の接合面から外にはみ出したりする、といった不具合が発生する虞がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、簡易な構造で複数の部品を位置決めできると共に、各部品の接合面に均一な押圧力を付与できる部品接合用治具を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、電子装置を構成する複数の部品を半田により接合するための部品接合用治具であって、前記半田を溶融して前記複数の部品を接合するための溶着炉内に前記複数の部品を搬送するための、凹部を有するトレイと、前記トレイの前記凹部内に位置決めされて配置される第１部品の上に載置可能であると共に、前記トレイの前記凹部に嵌合して配置され、第１くり抜き孔部を有する第１治具と、前記第１治具の前記第１くり抜き孔部内に位置決めされて前記第１部品の上に順次積層して配置される第１半田及び第２部品の上に載置可能であると共に、前記第１治具の前記第１くり抜き孔部に嵌合して配置され、第２くり抜き孔部を有する第２治具と、前記第２治具の前記第２くり抜き孔部内に位置決めされて前記第２部品の上に順次積層して配置される第２半田及び第３部品の上に載置可能であると共に、前記第２治具の前記第２くり抜き孔部に嵌合して配置される第３治具と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、トレイの凹部に嵌合して第１治具を配置し、第１治具の第１くり抜き孔部に嵌合して第２治具を配置し、第２治具の第２くり抜き孔部に嵌合して第３治具を配置する構造としたため、治具の位置決めが容易であると共に、部品接合用治具全体を簡素化できる。そして、トレイに複数の治具を嵌め込みながら、各部品と半田とが交互に位置決めされて積層され、半田の溶融時に各部品の動きを簡易な構造で抑制することができる。
また、治具の一部が錘として作用するため、各部品の接合面に均一な押圧力を付与でき、半田の溶融時に該半田を各部品の接合面に均一に流動させて各部品を接合することができる。これにより、半田の流動が偏るために部品が傾いたり半田が部品の接合面からはみ出したりすることを防止することができる。
すなわち、簡易な構造で複数の部品を位置決めできると共に、各部品の接合面に均一な押圧力を付与できる部品接合用治具を提供することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の部品接合用治具において、前記第１治具は、複数の第１くり抜き孔部と、前記複数の第１くり抜き孔部の間に位置する第１隔壁部とを有し、前記第２治具は、複数の第２くり抜き孔部と、前記複数の第２くり抜き孔部の間に位置する第２隔壁部とを有し、前記第２治具の前記第２隔壁部は、前記第１治具の前記第１隔壁部の少なくとも一部を跨いで前記第２部品の一部を押圧可能な押圧部を有することを特徴とする。

この発明によれば、第２治具の第２隔壁部のうちの押圧部が、厚みが大きくなると共に、第３治具と協働して第２部品を押圧することが可能となり、第２部品の接合面に対してより均一な押圧力を付与することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の部品接合用治具において、前記第１治具の外周部に、前記第１くり抜き孔部と外部とを連通させる切欠き部が形成されており、前記第２治具の前記押圧部に、鉛直方向の貫通孔が形成されていることを特徴とする。

この発明によれば、溶着炉内の還元ガスを、切欠き部や貫通孔を通して部品接合用治具内に良好に導入して各部品に提供できる。また、半田やランド等の表面の酸化物が還元された場合に生じるガスを、切欠き部や貫通孔を通して逃がすことができる。これにより、良好な半田付けが可能となる。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の部品接合用治具において、前記第１治具及び前記第２治具の下端面の外周には、全周に面取り部が形成されていることを特徴とする。

この発明によれば、第１治具は、トレイの凹部にスムーズに嵌合して配置されるため、第１治具がトレイの凹部の開口縁部に引っ掛かって斜めに傾いてセットされることは無い。また、第２治具は、第１治具の第１くり抜き孔部にスムーズに嵌合して配置されるため、第２治具が第１治具の第１くり抜き孔部の開口縁部に引っ掛かって斜めに傾いてセットされることは無い。
これにより、第１部品と第１治具との隙間に第１半田や第２部品が潜り込んだり、第２部品と第２治具との隙間に第２半田や第３部品が潜り込んだりすることによって部品の位置がずれたり半田が部品の接合面からはみ出したりすることを防止することができる。
また、溶着炉内の還元ガスを、面取り部の形成により生じた空間を通して部品接合用治具内に良好に導入して各部品に提供できると共に、半田やランド等の表面の酸化物が還元された場合に生じるガスを、面取り部の形成により生じた空間を通して逃がすことができ、良好な半田付けが可能となる。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の部品接合用治具において、前記トレイ、前記第１治具及び前記第２治具は、カーボンを含む素材から形成されていることを特徴とする。

この発明によれば、カーボンは軽量で熱膨張率が低いことから、トレイに対する治具の組付けや取外しなどの取扱いが容易となる。

本発明によれば、簡易な構造で複数の部品を位置決めできると共に、各部品の接合面に均一な押圧力を付与できる部品接合用治具を提供することができる。

電子装置としての半導体装置の一例を示す概略断面図である。 図１に示す半導体装置を構成する複数の部品と、これらを半田により接合するための本発明の一実施形態に係る部品接合用治具とを併せて示す概略分解斜視図である。 図１に示す半導体装置を構成する複数の部品が部品接合用治具にセットされた状態を示す概略断面図である。 第１治具の概略斜視図である。 第１治具がトレイの凹部内にセットされる様子を示す説明図である。 第２治具の概略斜視図である。

以下、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、電子装置としての半導体装置の一例を示す概略断面図である。

図１に示すように、半導体装置１は、ベース銅（第１部品）２の上に、一対の板状の第１半田３，３を介して一対の基板（第２部品）４，４がそれぞれ接合され、また、一つの基板４の上に、平面上で隣接して配置される２枚の板状の第２半田５，５（図２参照）を介して２個の半導体素子であるチップ６がそれぞれ接合されて構成されている。ベース銅２は、放熱用金属板としての機能を有している。基板４としては、例えば、セラミックス基板の表裏両面に金属板としての銅板が接合されてなるＤＣＢ(Direct Copper Bonding)基板が使用される。

図２は、図１に示す半導体装置を構成する複数の部品と、これらを半田により接合するための本発明の一実施形態に係る部品接合用治具とを併せて示す概略分解斜視図である。図３は、図１に示す半導体装置を構成する複数の部品が部品接合用治具にセットされた状態を示す概略断面図である。なお、図３は、図２のＡ−Ａ線から見た断面を示している。

図２及び図３に示すように、部品接合用治具１０は、半田を溶融して複数の部品を接合するための溶着炉（図示せず）内に前記複数の部品を搬送するためのトレイ２０を備えている。トレイ２０は、略矩形板状を呈しており、縦横に例えば５個ずつ並んだ複数の凹部２１を有している。したがって、一度に複数個の半導体装置１の作製に対応できる。

また、部品接合用治具１０は、トレイ２０の凹部２１内に位置決めされて配置されるベース銅２の上に載置可能であると共に、トレイ２０の凹部２１に嵌合して配置され、第１くり抜き孔部３１を有する第１治具３０と、第１治具３０の第１くり抜き孔部３１内に位置決めされてベース銅２の上に順次積層して配置される第１半田３及び基板４の上に載置可能であると共に、第１治具３０の第１くり抜き孔部３１に嵌合して配置され、第２くり抜き孔部４１を有する第２治具４０と、を備えている。

トレイ２０、第１治具３０及び第２治具４０は、カーボンを含む素材から形成されている。このように構成すれば、カーボンは軽量で熱膨張率が低いことから、トレイ２０に対する第１治具３０及び第２治具４０の組付けや取外しなどの取扱いが容易となる。

また、部品接合用治具１０は、第２治具４０の第２くり抜き孔部４１内に位置決めされて基板４の上に順次積層して配置される第２半田５及びチップ６の上に載置可能であると共に、第２治具４０の第２くり抜き孔部４１に嵌合して配置される第３治具としての錘５０を備えている。

錘５０の材質は、適切な押圧力を付与できるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、カーボンを含む素材から形成されていてもよいし、金属から形成されていてもよい。錘５０は、第２半田５やチップ６の個数と同じ個数だけ使用される。

図４は、第１治具の概略斜視図である。図４に示すように、第１治具３０は、略矩形枠状を呈しており、外枠をなす外周部３２と、一対の第１くり抜き孔部３１，３１と、一対の第１くり抜き孔部３１，３１の間に位置する第１隔壁部３３とを有している。

第１隔壁部３３の中央付近には、略矩形の中央切欠き部３４が形成されている。また、外周部３２には、第１くり抜き孔部３１と部品接合用治具１０の外部とを連通させる切欠き部３５が形成されている。切欠き部３５は、ここでは、外周部３２の第１隔壁部３３と平行な辺に相当する部分の中央付近が低くなるように削られて形成された段差部である。

また、第１治具３０の下端面の外周には、全周に面取り部３６（図３及び図４参照）が形成されている。すなわち、第１治具３０の側面には、所定高さの位置から下方に行くに従って中央側に寄るテーパが形成され、このテーパが面取り部３６を構成している。

図５は、第１治具がトレイの凹部内にセットされる様子を示す説明図である。面取り部３６のテーパ角度αは、第１治具３０の外周部３２の一辺がトレイ２０の凹部２１の底面に達するまでセットされた状態で、図５に示すように、外周部３２の前記一辺に対向する辺が矢印方向に移動する際にトレイ２０の凹部２１の開口端縁２２（図２及び図３参照）に引っ掛かって斜めに傾いてセットされることの無い角度に設定されている。なお、図５中の二点差線の部分は、第１治具３０の下端面の外周が面取り部３６によって除去された角部分を示す。

図６は、第２治具の概略斜視図である。図６に示すように、第２治具４０は、略矩形枠状を呈しており、外枠をなす外周部４２と、第２くり抜き孔部４１，４１…と、これらの第２くり抜き孔部４１，４１…の間に位置する第２隔壁部４３とを有している。

第２隔壁部４３は、第１治具３０の第１隔壁部３３の上方に位置される主壁４３ａと、それ以外の副壁４３ｂとから構成されている。主壁４３ａは、第１治具３０の第１隔壁部３３の少なくとも一部を跨いで基板４の一部（ここでは中央寄りの部分）を押圧可能な押圧部として機能するものである。

主壁４３ａの厚さ方向の断面（図３参照）は門形状を呈しており、第１治具３０の第１隔壁部３３と第２治具４０の主壁４３ａとの間には、隙間４４（図３参照）が形成されている。そして、主壁４３ａの中央付近には、鉛直方向に沿って貫通する貫通孔４５が形成されている。なお、貫通孔４５は、ここでは、平面視して長孔形状を呈しているが、これに限定されるものではなく、例えば複数の円形孔から構成されていてもよい。

また、第２治具４０の下端面の外周にも、全周に面取り部４６（図３及び図６参照）が形成されている。すなわち、第２治具４０の側面には、所定高さの位置から下方に行くに従って中央側に寄るテーパが形成され、このテーパが面取り部４６を構成している。

面取り部４６のテーパ角度は、第２治具４０の外周部４２の一辺が基板４の上面に達するまでセットされた状態で、外周部４２の前記一辺に対向する辺が第１治具３０の第１くり抜き孔部３１の開口端縁３７（図３及び図４参照）に引っ掛かって斜めに傾いてセットされることの無い角度に設定されている（図５の説明と同様）。

次に、前記のように構成された部品接合用治具１０を用いて、半導体装置１を構成する複数の部品２，４，６を半田により接合する方法について説明する。

図１及び図２に示すように、まず、半導体装置１の構成部品の１つであるベース銅２が、ロボット等の搬送手段によりチャックされ保持されて運ばれ、トレイ２０の凹部２１内に位置決めされて配置される。

ベース銅２がトレイ２０上に載置されると、次いで、該トレイ２０の凹部２１の内側面をガイドとして、第１治具３０がベース銅２上に載置される。

このとき、第１治具３０の下端面の外周には比較的大きな面取り部３６（図４参照）が形成されているため、第１治具３０は、傾くこと無くトレイ２０の凹部２１内にスムーズに嵌合して配置される。これにより、後で配置される第１半田３や基板４がベース銅２と第１治具３０との隙間に潜り込むことによって基板４の位置がずれたり第１半田３が基板４の接合面からはみ出したりすることを防止することができる。

こうして第１治具３０がトレイ２０の凹部２１内に嵌合しつつ、ベース銅２上に載置された後、一対の第１半田３，３がベース銅２上に載置され、続いて、一対の基板４，４が第１半田３，３上に載置される。

このとき、第１半田３，３と基板４，４とは、第１治具３０の第１くり抜き孔部３１内に嵌め込まれるようにして位置決めされて配置される。

基板４，４が第１治具３０の第１くり抜き孔部３１内に位置決めされて配置されると、次いで、第１治具３０の第１くり抜き孔部３１の内側面をガイドとして、第２治具４０が基板４上に載置される。

このとき、第２治具４０の下端面の外周にも比較的大きな面取り部４６が形成されているため、第２治具４０は、傾くこと無く第１治具３０の第１くり抜き孔部３１にスムーズに嵌合して配置される。これにより、後で配置される第２半田５やチップ６が基板４と第２治具４０との隙間に潜り込むことによって、チップ６の位置がずれたり第２半田５がチップ６の接合面からはみ出したりすることを防止することができる。

こうして第２治具４０が第１治具３０の第１くり抜き孔部３１に嵌合しつつ、基板４上に載置された後、第２半田５が基板４上に載置され、続いて、チップ６が第２半田５上に載置される。

このとき、第２半田５とチップ６とは、第２治具４０の第２くり抜き孔部４１内に嵌め込まれるようにして位置決めされて配置される。

以上の如く複数の部品と該複数の部品間に半田が配置されると、次いで、第２治具４０の第２くり抜き孔部４１の内側面をガイドとして、錘５０がチップ６上に載置される。

この状態で、トレイ２０が溶着炉（図示せず）内へと搬送される。溶着炉内にて第１半田３及び第２半田５が溶融し、ベース銅２、基板４、チップ６が一体に溶着接合される。

このとき、溶着炉内では、第１半田３及び第２半田５の溶着性を良好にするためチッソガスなどの還元ガスが充満される。この還元ガスは、第１治具３０の面取り部３６や切欠き部３５、第２治具４０の面取り部４６や貫通孔４５、及び第１治具３０の第１隔壁部３３と第２治具４０の主壁４３ａとの間に形成される隙間４４等の空間を通して、部品接合用治具１０内に良好に導入されて各部品に提供される。また、半田やランド等の表面の酸化物が還元された場合に生じるガスが、前記空間を通して逃がされる。これにより、良好な半田付けが可能となる。

また、本実施形態は、還元ガスの効果を高めるため、治具３０，４０に還元ガスが流通する空間を形成して各部品の表面が酸化されないような対応を図っており、従来のような昇華剤を使用して空間を作るという対応を不要にしている。

さらに、第１半田３や第２半田５から形成される半田接合層の厚みを均一にするためにチップ６上に錘５０が載置されており、該錘５０による押圧力は、チップ６の第２半田５との接合面に対しては全面に均一に作用している。本実施形態では、第２治具４０の第２隔壁部４３のうち、中央部に位置する押圧部としての主壁４３ａ（図６参照）が、厚みが大きくなると共に、錘５０と協働して基板４を押圧することが可能となり、基板４の第１半田３との接合面に対して、より均一な押圧力を付与することができる。

このようにして半田付け作業が完了すると、錘５０、第２治具４０、及び第１治具３０がトレイ２０から取り外され、次いで、完成品となった半導体装置１がトレイ２０から取り出される。

前記したように、本実施形態の部品接合用治具１０は、トレイ２０と、トレイ２０の凹部２１内に位置決めされて配置されるベース銅２の上に載置可能であると共に、トレイ２０の凹部２１に嵌合して配置される第１治具３０と、第１治具３０の第１くり抜き孔部３１内に位置決めされてベース銅２の上に順次積層して配置される第１半田３及び基板４の上に載置可能であると共に、第１治具３０の第１くり抜き孔部３１に嵌合して配置される第２治具４０と、第２治具４０の第２くり抜き孔部４１内に位置決めされて基板４の上に順次積層して配置される第２半田５及びチップ６の上に載置可能であると共に、第２治具４０の第２くり抜き孔部４１に嵌合して配置される錘５０と、を備えている。

このような本実施形態によれば、トレイ２０の凹部２１に嵌合して第１治具３０を配置し、第１治具３０の第１くり抜き孔部３１に嵌合して第２治具４０を配置し、第２治具４０の第２くり抜き孔部４１に嵌合して第３治具としての錘５０を配置する構造としたため、各治具の位置決めが容易であると共に、部品接合用治具１０全体を簡素化できる。そして、トレイ２０に複数の治具を嵌め込みながら、ベース銅２、基板４、チップ６の各部品と半田とが交互に位置決めされて積層され、半田の溶融時に各部品の動きを簡易な構造で抑制することができる。
また、治具の一部が錘として作用するため、各部品の接合面に均一な押圧力を付与でき、半田の溶融時に該半田を各部品の接合面に均一に流動させて各部品を接合することができる。これにより、半田の流動が偏るために部品が傾いたり半田が部品の接合面からはみ出したりすることを防止することができる。
すなわち、簡易な構造で複数の部品を位置決めできると共に、各部品の接合面に均一な押圧力を付与できる部品接合用治具１０を提供することができる。

以上、本発明について、実施形態に基づいて説明したが、本発明は、前記実施形態に記載した構成に限定されるものではなく、前記実施形態に記載した構成を適宜組み合わせ乃至選択することを含め、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができるものである。

例えば、前記実施形態では、第１部品としてのベース銅２、第２部品としての基板４、第３部品としてのチップ６が半田により接合される構成となっているが、本発明はこれに限定されるものではなく、半田により接合される複数の部品の種類及び個数、並びに積層数は、適宜設定され得る。例えば第１〜第４部品が半田により接合される場合、錘５０に代えて第３くり抜き孔部を有する第３治具が使用され、さらに、第３治具の第３くり抜き孔部内に位置決めされて第３部品の上に順次積層して配置される第３半田及び第４部品の上に載置可能であると共に、第３治具の第３くり抜き孔部に嵌合して配置される錘が使用される。

また、前記実施形態では、還元ガスが流通する空間を形成するために治具３０，４０に切欠き部や貫通孔が設けられているが、これらの切欠き部や貫通孔の形状や設置数は、適宜設定され得る。

１ 半導体装置
２ ベース銅（第１部品）
３ 第１半田
４ 基板（第２部品）
５ 第２半田
６ チップ（第３部品）
１０ 部品接合用治具
２０ トレイ
２１ 凹部
３０ 第１治具
３１ 第１くり抜き孔部
３２ 外周部
３３ 第１隔壁部
３５ 切欠き部
３６ 面取り部
４０ 第２治具
４１ 第２くり抜き孔部
４２ 外周部
４３ 第２隔壁部
４３ａ 主壁（押圧部）
４４ 隙間
４５ 貫通孔
４６ 面取り部
５０ 錘（第３治具）

Claims (5)

1. 電子装置を構成する複数の部品を半田により接合するための部品接合用治具であって、
   前記半田を溶融して前記複数の部品を接合するための溶着炉内に前記複数の部品を搬送するための、凹部を有するトレイと、
   前記トレイの前記凹部内に位置決めされて配置される第１部品の上に載置可能であると共に、前記トレイの前記凹部に嵌合して配置され、第１くり抜き孔部を有する第１治具と、
   前記第１治具の前記第１くり抜き孔部内に位置決めされて前記第１部品の上に順次積層して配置される第１半田及び第２部品の上に載置可能であると共に、前記第１治具の前記第１くり抜き孔部に嵌合して配置され、第２くり抜き孔部を有する第２治具と、
   前記第２治具の前記第２くり抜き孔部内に位置決めされて前記第２部品の上に順次積層して配置される第２半田及び第３部品の上に載置可能であると共に、前記第２治具の前記第２くり抜き孔部に嵌合して配置される第３治具と、
   を備えることを特徴とする部品接合用治具。
2. 前記第１治具は、複数の第１くり抜き孔部と、前記複数の第１くり抜き孔部の間に位置する第１隔壁部とを有し、
   前記第２治具は、複数の第２くり抜き孔部と、前記複数の第２くり抜き孔部の間に位置する第２隔壁部とを有し、
   前記第２治具の前記第２隔壁部は、前記第１治具の前記第１隔壁部の少なくとも一部を跨いで前記第２部品の一部を押圧可能な押圧部を有することを特徴とする請求項１に記載の部品接合用治具。
3. 前記第１治具の外周部に、前記第１くり抜き孔部と外部とを連通させる切欠き部が形成されており、前記第２治具の前記押圧部に、鉛直方向の貫通孔が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の部品接合用治具。
4. 前記第１治具及び前記第２治具の下端面の外周には、全周に面取り部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の部品接合用治具。
5. 前記トレイ、前記第１治具及び前記第２治具は、カーボンを含む素材から形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の部品接合用治具。

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