JP6358428B2 - フラックスフリーのハンダを基板に供給および配置する装置 - Google Patents

Description

本発明はフラックスフリーのハンダを基板に供給および配置する装置に関する。

この種のハンダ付け法は、一般的には金属基板、いわゆるリードフレーム上に半導体チップを実装する際に用いられるが、これに限定されない。通常、パワー半導体は、接着剤を用いた実装と比べて、ハンダ接合部を介して半導体チップからの損失熱をより効率的に放散できるように、通常銅で構成される基板に、主にハンダ（軟ろう）付けで実装される。特に電力密度が大きい場合には、ハンダ接合部の均一性、すなわちチップ領域全体にわたるハンダ層の所定の厚さ、均一な分布、および完全な濡れに対する要求が高く、またハンダ接合部に気泡がまったくなく、不純物もないことが求められる。その一方で、ハンダがハンダ付け接合部の隙間から横に漏れたり半導体チップに隣接して広がったりしてはならず、この場合、ハンダの正確な分量と位置決めが再び必要となる。

半導体チップ実装の適用分野において、糸ハンダの端部を、糸ハンダを溶かすためにハンダの溶融温度より高温に加熱した基板に接触させる方法が実際に広く用いられている。この方法は、その単純性と融通性により、一般に大量生産に好適である。しかし、生じる濡れ面はほぼ円形で、長方形または正方形の半導体チップへの適合は十分でない。さらに、米国特許第６，０５６，１８４号明細書から、基板に盛ったハンダを長方形の半導体チップに合わせて調節した平らな形にすることができる抜き型が知られている。また、特定の経路に沿った供給ヘッドを用いて糸ハンダの端部を動かし、それと同時に熱した基板がハンダを溶かしていくことも知られている。これによって基板上にハンダの線が盛られる。

米国特許第５，８７８，９３９号明細書から、液状ハンダを成形用金型と基板の間に形成される空洞中に注入する方法が知られている。

これらの既知の方法にはいくつかの欠点がある。付着したハンダの形状が丸くなるか、または特定の抜き型を長方形の形状ごとに製作しなければならない。そのような抜き型には側壁があり、これが基板の一部分を覆う。そのため、半導体チップを載せるチップアイランドの端部にまでハンダを付着させることができない。さらに、基板をハンダの溶融温度より高温に加熱しなければならず、またハンダを盛ってから半導体チップを載せるまで、付着させたハンダを液状に保つ必要がある。加えて、液状ハンダと接触する部分を定期的に洗浄する必要があり、このために生産を中断しなければならないという欠点もある。

米国特許第４，５７７，３９８号明細書および米国特許第４，７０９，８４９号明細書から、寸法を半導体チップに適合させた、ハンダでできた平らな予備成形物（いわゆる「成形ハンダ」）を事前に作成する方法が知られている。この成形ハンダは基板上に配置され、ハンダの層を必要な大きさに形成するために同じように溶解される。しかしこの方法は、成形ハンダの事前作成に加え組立作業が必要であることから、比較的コストがかかり、また融通性に欠ける。

米国公開番号第２００９−１４５９５０号から、ハンダディスペンサーの供給ヘッドを通して糸ハンダをガイドし、同時にハンダを盛る際に加熱した基板と接触させることによって糸ハンダの先端を溶かし、さらに供給ヘッドが基板表面と平行な所定の経路に沿って動く方法と装置が知られている。このハンダディスペンサーは、このように基板上にハンダの線を供給する。この方法では、事前洗浄しないと基板が十分に濡れないのが欠点である。

米国公開番号第２０１２−０２９８７３０号から、ハンダを供給および配置する方法が知られており、この方法では、超音波を照射することのできるピンを用いて、第１の工程でハンダを基板に供給し、第２の工程でハンダを基板に配置する。

フラックスフリーのハンダを基板に供給および配置する工程は、基板表面上の不純物や酸化物層、供給または配置にそれぞれ使用されるツールとハンダとの化学反応などのさまざまな要因に影響され、これが、供給および配置を難しい課題としている。

米国特許第６，０５６，１８４号明細書 米国特許第５，８７８，９３９号明細書 米国特許第４，５７７，３９８号明細書 米国特許第４，７０９，８４９号明細書 米国公開番号第２００９−１４５９５０号 米国公開番号第２０１２−０２９８７３０号

本発明は、正確に計量された完全な品質のハンダを基板に供給する工程を提供することを目的としている。

本発明に従った、フラックスフリーのハンダを基板に供給および配置するための装置は、
細長いツールであって、先端に開口部を有し、かつツールの先端にある開口部に通じる長手方向の孔を有するツール；
長手方向の孔を有するツール取付部；
ツール取付部に固定された、長手方向の孔を有する超音波発生器、および
糸ガイド管
を備え；
ツールは、それぞれの長手方向の孔が互いに一直線上にあるように、ツールをツール取付部に固定することができ、かつ超音波発生器がツール取付部に固定されており、ならびに、糸ガイド管が、超音波発生器およびツール取付部の長手方向の孔を通って延び、ツールの長手方向の孔の中に、ツールの先端より上の位置まで突き出し、かつツールに接触しない。

ツール取付部は、糸ガイド管を支える延長部を備えていてよい。この延長部は、好ましくは、超音波発生器が発生する超音波の節に配置される。

積極的に冷却することができる冷却チャンバは、ハウジングの内壁と超音波発生器との間に形成してよい。

ヒートシンクは糸ガイド管に固定してよい。

装置は、３つの空間方向に移動可能な書込みヘッドに取り付けることができ、また、中にツールの下部が突き出している加熱冷却装置を、ツールの先端の温度を所定温度域内に保つために使用してもよい。

本明細書に組み込まれ、その一部を構成する添付の図面は、本発明の１つまたは複数の実施形態を説明し、さらに詳細な説明とともに、本発明の原則および実装を解説するのに用いられる。図面は正確な縮尺ではない。図面は次のとおりである：
図１は、フラックスフリーのハンダを基板に供給および配置するための、本発明に従った装置を示し、さらに 図２は、そのような装置を備えた書込みヘッドを示す。

図１は、本発明に従ってフラックスフリーのハンダを基板２に供給および配置するための装置１を示す。基板２は加熱炉３を通って所定の輸送方向に運ばれ、加熱炉３の中は通常保護ガス雰囲気である。保護ガス４は、例えばＨ_２Ｎ_２である。図２に示すように、装置１は書込みヘッド５に固定されており、書込みヘッド５は、駆動部（図示せず）によって、基板２の面に対し平面状に延びるＸおよびＹの２方向に移動可能させることができ、また、基板２の面に対し垂直に延びるＺ方向に上下させることができる。書込みヘッド５は、ハンダ部分６としてハンダを基板２に配置するために、ハンダの供給中および／または供給後に、所定の進路に沿って移動する。装置１は、先端８を有する細長いツール７を備え、ツール７には、開口部、ツール取付部９、超音波発生器１０および糸ガイド管１１が設けられている。ツール７の先端８は、ツール７と一体化した構成要素であるか、またはツール７に固定された、取り外し可能な、従って交換可能な別個の部品であることができる。ハンダは、糸ハンダ１２の形で供給される。糸ハンダは、通常コイル状に巻かれており、糸送り装置１３によって糸ガイド管１１に供給される。装置１は、さらに任意選択で、ヒートシンク１４およびハウジング１５を備える。ツール７の下部は、ツール７の先端８の温度を所定温度域内に保つために用いられる加熱冷却装置１６を通って突き出している。糸送り装置１３および加熱冷却装置１６は、好ましくは書込みヘッド５に固定されているが、装置１の基部１８にも固定することができる。

ツール７は、ツール７の先端８にある開口部に通じる長手方向の孔を有する。ツール７はツール取付部９に固定されており、ツール取付部９は、有利には、取り外し可能な方法で、従って交換可能な方法で存在する。超音波発生器１０は、ツール取付部９に、具体的には、ツール７とは反対側に固定されている。ツール取付部９は、振動体として形成されていると同時に、超音波発生器１０が発生する超音波をツール７に伝達する。

ツール取付部９および超音波発生器１０は孔を有しており、この孔は、この場合、装置の長手方向の中心軸に沿って配置されているため、長手方向の孔と称される。ツール７、ツール取付部９および超音波発生器１０の長手方向の孔は、長手方向の中心軸に沿って延びており、すなわち、互いに一直線上にあり、また、糸ガイド管１１は、長手方向の中心軸に沿って、超音波発生器１０、ツール取付部９およびツール７の長手方向の孔を通って延び、ツール７の長手方向の孔の中に突き出し、ツール７に接触することなく、ツール７の先端８より上の位置まで達する。超音波発生器１０が発生する超音波は、長手方向の中心軸に沿って延びる縦波である。

ツール取付部９は、好ましくは、超音波の節に配置されているフランジ１７とともに配置され、フランジ１７を介して装置１の基部１８に固定される。基部１８は、書込みヘッド５（図２）に固定するために形成されている。

正確に規定した量のハンダを基板２に供給することができるよう、糸ガイド１１を通ってガイドされる糸ハンダが溶融せず、十分に固いままであるように、糸ガイド管１１の温度はハンダの溶融温度より低くなければならない。この課題を遂行するために、糸ガイド管１１は、主に、すなわち、超音波発生器１０およびツール７に接触しないように、好ましくは、ツール取付部９にも接触しないように、直接的または間接的に基部１８に固定される。図示した実施態様では、糸ガイド管１１はヒートシンク１４に、ヒートシンク１４はハウジング１５に、そしてハウジング１５は基部１８に固定されている。糸ガイド管１１の位置の安定性を高めるために、ツール取付部９の長手方向の孔には、例えば環状の延長部１９を設けることができ、糸ガイド管１１が、前記延長部１９を放射状に支える。超音波エネルギーが糸ガイド管１１に伝わり、その場で熱に変換されるのを防ぐために、延長部１９は、有利には、超音波発生器１０が発生する超音波の節に位置する。熱の伝達と同時に超音波エネルギーの伝達も最小限に抑えるために、糸ガイド管１１と延長部１９とが互いに触れる接触領域ができるだけ小さくなるよう、延長部１９における糸ガイド管１１の支持には、好ましくは、小さな遊びを設ける。

糸ガイド管１１の温度を、糸ハンダの溶融温度より低く保つためのその他の可能性として以下がある：
− 糸送り領域で糸ガイド管１１に固定されたヒートシンク１４の使用。ヒートシンク１４は、糸ガイド管１１を冷却するため、および、その全長にわたって、糸ハンダ１２の溶融温度より低い温度を同じままに維持するために用いられる。したがって、ヒートシンク１４および糸ガイド管１１は、互いに熱伝導的に接続される。ヒートシンク１４は、例えば冷却ガスを供給して、またはヒートシンク１４から周囲環境に熱を送り出すペルチェ素子を用いて、またはその他の手段で積極的に冷却することができる。
− ハウジング１５の使用。ハウジング１５は、冷却チャンバ２０がハウジング１５の内壁と超音波発生器１０との間に形成されるように形成され、その冷却チャンバ２０が、例えば冷却ガスを供給して、または例えばペルチェ素子などのその他の手段により積極的に冷却される。ハウジング１５は基部１８に固定される。冷却ガスは、好ましくは冷却装置によってもたらされ、閉回路で冷却チャンバ２０に供給され、冷却チャンバ２０から排出される。ハウジング１５には、この目的のために吸気口と排気口が設けられる。超音波発生器１０のピエゾ素子の円滑な動作を確保するために、冷却チャンバ２０内の温度が十分に低くなるように冷却チャンバ２０が冷却される。糸ガイド管１１は、部分的に冷却チャンバ２０を通って延び、したがって、同様に冷却される。
− ツール取付部９には、糸ガイド管１１および超音波発生器１０の冷却を補助するために、冷却リブを設けることができる。

糸ガイド管１１は、フラックスフリーのハンダによって濡れにくい材料から成る。セラミック材料は、糸ガイド管１１に特に適した材料であるが、ステンレス鋼でもよい。ツール７は、ステンレス鋼またはチタンなど、超音波を非常によく伝導する材料から成る。ステンレス鋼またはチタンは、純粋な形で、またはアルミニウム、バナジウム、マンガン、モリブデン、パラジウム、銅、ジルコンおよび／もしくはスズから成るたいていは少量の合金剤とともに使用することができる。ツール７の先端８は、開口部を取り囲む作業領域を有し、この作業領域は、基板２の反対側にあり、フラックスフリーのハンダで非常によく濡れ得る材料から成るか、またはそのような材料でコーティングされている。特定の工程において、この作業領域は、ハンダの塗布および／または配置時に基板２に触れるが、別の工程では触れない。フラックスフリーのハンダによって比較的よく濡れる材料は、銅および青銅、真鍮などの銅合金、または、同様に主に銀を含有する合金、すなわち例えばスターリング銀などの銀と少量の合金剤との合金、または、少量の合金剤を含む金である。真鍮はさまざまな種類が利用でき、その中ではＣｕＺｎ３７またはＣｕＺｎ３８Ｐｂ２が代表的な種類である。作業領域を除いて、細長いツール７の外側は、少なくとも先端８の領域において、例えばクロムなど、フラックスフリーのハンダによってあまり濡れない材料でコーティングすることができる。

基板へのハンダの供給は、糸ハンダ１２を所定の長さＬ_１だけ進めることによって、糸ハンダ１２が基板２に触れ、その先端が溶融し、次いで、Ｌ_１より短い所定の長さＬ_２だけ引き戻すという方法で行われる。供給されるハンダの量は、長さの差によって定められる。

本発明の実施形態および適用例を提示するとともに説明してきたが、本発明の概念から逸脱せずに、上述したより多くの修正例が実施可能であることは、本開示の利益を得る当業者には明らかである。したがって、本発明は、添付の明細書およびこれに準ずるものの趣旨を除いて限定されるべきではない。

Claims (6)

1. 細長いツール（７）であって、先端（８）に開口部を有し、かつ前記ツール（７）の前記先端（８）の前記開口部に通じる長手方向の孔を有するツール（７）；
   長手方向の孔を有するツール取付部（９）；
   長手方向の孔を有する超音波発生器（１０）、および
   糸ガイド管（１１）；
   を備える、フラックスフリーのハンダを基板（２）に供給および配置するための装置（１）であって、
   前記超音波発生器（１０）は、前記ツール取付部（９）に固定され、超音波を発生するように構成されており、
   前記ツール取付部（９）は、前記ツール（７）を固定するように構成され、
   前記ツール取付部（９）は、前記超音波発生器（１０）によって発生された超音波を前記ツール（７）に伝達する振動体として形成されており、
   前記ツール取付部（９）、前記超音波発生器（１０）、および、前記ツール（７）のそれぞれの長手方向の孔は、互いに一直線上にあり、
   前記糸ガイド管（１１）が、前記超音波発生器（１０）および前記ツール取付部（９）の長手方向の孔を通って延び、前記ツール（７）の長手方向の孔の中に、前記ツール（７）の前記先端（８）より上の位置まで突き出し、かつ前記ツール（７）に接触しない、装置。
2. 前記ツール取付部（９）が、前記糸ガイド管（１１）を支える延長部（１９）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の装置（１）。
3. 前記延長部（１９）が、超音波発生器（１０）が発生する超音波の節に配置されることを特徴とする、請求項２に記載の装置（１）。
4. ハウジング（１５）をさらに備える装置（１）であって、積極的に冷却することができる冷却チャンバ（２０）が、前記ハウジング（１５）の内壁と前記超音波発生器（１０）との間に形成されている、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の装置（１）。
5. 前記糸ガイド管（１１）に固定されているヒートシンク（１４）をさらに備える、請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の装置（１）。
6. 請求項１〜５のうちいずれか一項に記載の装置（１）および、中に前記ツール（７）の下部が突き出している加熱冷却装置（１６）を備える、３つの空間方向に移動可能な書込みヘッド（５）であって、前記加熱冷却装置（１６）が、前記ツール（７）の前記先端（８）の温度を所定温度域内に保つために使用される書込みヘッド（５）。