JPH02214144A - 封止治具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、封止治具に関し、特に、半導体集積回路装置
の製造工程におけるパッケージの封着作業に適用して効
果のある技術に関する。

〔従来の技術〕

たとえば、汎用の電子計算機用の大規模な半導体集積回
路装置（以下ＬＳＩと記す）においては、内部に個々の
回路素子を封入した気密封止型のパッケージを、さらに
大型のモジュールベース右よびモジュールキャップから
なる封止構造のモジュール内部に封入し、個々のパッケ
ージとモジュールキャップの内壁面との間に熱伝導部材
を介在させるなどして放熱を行わせるとともに、冷却お
よび計算機システムに対する実装をこのモジニールを単
位として行うことにより、冷却機構の簡素化や実装スベ
ースおよび実装作業の効率化を図ることが知られている
。

ところで、前述のような個々の回路素子が封入される気
密封止型のパッケージの組立技術としては、たとえば、
株式会社工業調査会、昭和６２年１１月１８日発行、電
子材料別刷、１９８８年版「超ＬＳＩ製造・試験装置ガ
イドブック」Ｐ２Ｓ５に記載されている。

すなわち、セラミックスなどからなるベースおよびキャ
ップの接合面の間に半田などの低融点金属からなるろう
材を挟持させ、クリップなどで一定の加圧を行いながら
加熱炉を通過させてろう材を溶融させることにより、ベ
ースとキャップとの接合面を封着するものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、前記のような従来のパッケージの封止技術で
は、単にクリップなどでベースとキャップとを挟圧する
だけであるため、当該ベースおよびキャップの製作誤差
や両者の接合面に介在するろう材の分布の偏りなどによ
ってベースとキャップとの平行度にばらつきを生じるこ
とは避けられない。

このため、たとえば、前述のようなモジニールの内部へ
のパッケージの組み込みに際して、モジュールキャップ
とパッケージとの間に介設される熱伝導部材に対してパ
ッケージを構成するキャップが傾斜した状態となり、パ
ッケージと熱伝導部材との接触面積が減少して伝熱抵抗
が大きくなる結果、パッケージ内部の回路素子の冷却効
率が損なわれるなどの問題があることを本発明者は見出
した。

そこで、本発明の目的は、封止構造を構成する第１およ
び第２の部材の高い平行度を実現することが可能な封止
治具を提供することにある。

本発明の他の目的は、モジュールに組み込まれる第１お
よび第２の部材からなる封止構造の冷却効率を向上させ
ることが可能な封止治具を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本
明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう
。

〔課題を解決するための手段〕

本順において開示される発明のうち、代表的なものの概
要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。

すなわち、本発明になる封止治具は、接合面に塗着され
た封着材を介して相互に封着されて封止構造を構成する
第１および第２の部材の封着作業に用いられる封止治具
であって、第１および第２の部材の少なくとも一方を支
持する下治具と、自重によって下治具との間で第１ふよ
び第２の部材を挟圧する上治具とからなり、この上治具
の重心位置が第１および第２の部材の接合面よりも低く
なるようにしたものである。

〔作用〕

上記した手段によれば、たとえば、封止構造を構成する
第１および第２の部材の接合面に介在する封着材の溶融
による封着作業に際して、下治具と上治具との間で挟圧
される第１および第２の部材が非平行状態にある場合に
は、上治具の重心位置が安定な鉛直下方から逸れ、この
安定位置から逸れた重心位置の復元力によって、第１お
よび第２の部材の接合面の回りに当該第１および第２の
部材の傾斜状態を矯正する方向に当該第１および第２の
部材に作用する押圧力の分布が変化するので、溶融した
封着材を介して封着される第１および第２の部材の高い
平行度を得ることが可能となる。

これにより、たとえば、第１および第２の部材からなる
封止構造のモジュール内への組み込みに際して、モジュ
ールキャップと当該封止構造との間に介在する熱伝導部
材に対する封止構造の傾斜に起因する熱伝導部材と封止
構造との伝熱面積の減少がなくなり、伝熱抵抗の増大が
回避される結果、第１ふよび第２の部材からなる封止構
造の冷却効率を向上させることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面を参照しながら詳細に説
明する。

第１図は、本発明の一実施例である封止治具の使用状態
の一例を示す断面図であり、第２図は、その分解斜視図
、さらに第３図は、それを用いて封着された封止構造が
実装されるモジニールの一例を示す断面図である。

本実施例の封止治具は、下治具１０と、これに嵌合する
ことにより自重によって封着前のパッケージ（封止構造
）を挟圧する上治具２０とで構成されている。

なお、以下の説明では、パッケージの一例として、いわ
ゆるマイクロチップキャリア３０の場合について説明す
る。

下治具１０の上治具２０に対する対向面には、一対の枠
部１１が突設されており、その内部には、マイクロチッ
プキャリア３０を構成するベース３１およびキャップ３
２が反転した姿勢で重なり合った状態で保持されている
。

さらに、枠部１１の内周部は、幅寸法の異なるキャップ
３２およびベース３１が封止時に正確な位置関係で重な
り合うように、当該キャップ３２およびベース３１の幅
寸法に合致した幅寸法となるように段差部１２をなして
いる。

また、下治具１０は、マイクロチップキャリア３０を構
成するベース３１およびキャップ３２などと同一のたと
えば窒化アルミニウムなどのセラミックスで構成されて
おり、後述のような封止時の加熱操作に際して、熱膨張
係数の差異に起因してベース３１とキャップ３２との重
ね合わせ状態が所定の封着位置から変化するなどの不都
合が防止されるようになっている。

マイクロチップキャリア３０を構成するベース３１には
、予め周知の半田ボール接合技術などにより、半田ボー
ル３４を介して、内部に所望の半導体集積回路構造が形
成された半導体ペレット３３が固定されているとともに
、当該ベース３１およびキャップ３２の接合面３５およ
び３６の各々には、半田なとの低融点金属からなる封着
材３７が予め塗着されている。

一方、下治具ｌＯに嵌合する上治具２０は、当該下治具
１０に嵌合するフレーム２１と、このフレーム２１の四
部２２に係止される別体の錘部２３とで構成されている
。

フレーム２１は、たとえばアルミニウムなどのような加
工の容易な素材で構成されており、一方、錘部２３は、
たとえばタングステンなどのように、比重が比較的大き
く、しかも比熱の小さな材料を、表面積が大きくなるよ
うに平板状に加工して製作されている。

これにより、所定の押圧荷重を得るための上治具２０の
全体の熱容量が小さくなるとともに、外部からの加熱・
冷却操作における伝熱効率が良好となり、後述のような
加熱操作に対する応答性が良好となっている。

さらに、フレーム２１には、挿入される下治具１０の幅
寸法よりもわずかに内法寸法の大きな嵌合穴２４が形成
されており、下治具１０の枠部１１の上端部に対応する
この嵌合穴２４の天井部分は貫通している。

そして、中央部に残存した状態の押圧部２５はマイクロ
チップキャリア３０のベース３１に接した状態で、相嵌
合する下治具１０の側の一対の枠部１１の間に入り込み
、当該上治具２０の荷重によって当該マイクロチップキ
ャリア３０を下治具１０との間で挟圧するとともに、上
治具２０の全体は、前記嵌合穴２４の内法と下治具１０
の外周との隙間の分だけ任意の方向に傾動可能な構造と
なっている。

この場合、上治具２０のフレーム２１に設けられた鍔部
２２の位置は、フレーム２１および錘部２３からなる上
治具２０の重心位置Ｇが、第１図に示されるように、マ
イクロチップキャリア３０を構成するベース３１および
キャップ３２を挟持した状態で、当該ベース３１および
キャップ３２の接合面３５および３６の位置よりも低く
なるような高さに設定されている。

一方、後述のような封止工程経たマイクロチップキャリ
ア３０が実装されるモジュール４０の一例を示したもの
が第３図であり、同図に示されるように、モジュール４
０は、周知の半田ボール接合技術によって複数のマイク
ロチップキャリア３０が搭載されるモジュールベース４
１と、封着材４３を介してこのモジュールベース４１に
封着されるモジュールキャップ４２とで構成されている
。

モジュールキャップ４２と内部のマイクロチップキャリ
ア３０との間には、櫛形を呈する端面をモジニールキャ
ップ４２の内壁面に嵌合させた状態に熱伝導体４４が介
設されており、当該熱伝導体４４の平坦な他端面ば、ば
ね４５に付勢されることによってマイクロチップキャリ
ア３０の上面３０ａに密着している。

そして、マイクロチップキャリア３０の内部で発生する
熱は、熱伝導体４４を介してモジュールキャップ４２に
伝達され、さらにモジュールキャップ４２の熱は当該モ
ジコールキャップ４２の外部に密着した水冷ジャケット
４６に放散されるようになっている。

モジュールベース４１には、複数の実装端子４７が突設
されており、内部に収容されたマイクロチップキャリア
３０の内部の半導体ベレット３３と外部との間における
電気信号や電力の授受が行われるようになっている。

以下、本実施例の封止治具を用いた封止工程の一例を説
明する。

まず、下治具１０の枠部１１の内部には、マイクロチッ
プキャリア３０を構成するキャップ３２と予め半導体ベ
レット３３が搭載されているベース３１とが順次装填さ
れ、それぞれ、当該枠部１１の内周の段差部１２に嵌合
することによって、所定の位置関係で重なり合った状態
となる。

さらに、下治具ｌＯの内部において上側になっているベ
ース３１の上部中央に、押圧部２５が接するように、下
治具１０に対して上治具２０のフレーム２１が嵌合され
、第１図に示されるように下治具ｌＯの枠部１１の上端
部が上治具２０のフレーム２１の天井部分から突出する
状態となり、下治具１０の内部のベース３１およびキャ
ップ３２は、互いの接合面３５および３６に予め塗着さ
れている半田などの封着材３７が接するように上治具２
０の荷重によって下治具１０との間に挟圧された状態と
なる。

この状態では、第１図に示されるように、上治具２０の
重心位置Ｇは、ベース３１とキャップ３２との接合面３
５および３６の位置よりも低くなっている。

その後、ベース３１およびキャップ３２を挟圧した状態
の封止治具は、たとえば、図示しない加熱炉への搬送台
５０に載置され、所定の温度の図示しない加熱炉の内部
に搬入されて、封着材３７の溶融温度などに応じて決め
られる所定の温度プロファイルで全体が加熱され、マイ
クロチップキャリア３０を構成するベース３１とキャッ
プ３２の接合面３５および３６０間には封着材３７が融
合して充満した状態となる。

ここで、下治具１０に接するマイクロチップキャリア３
０の（キャップ３２の）上面３０ａと上治具２０の押圧
部２５に接する（ベース３１の）下面３０ｂとが傾斜し
ている場合には、それに追随して上治具２０の全体が下
治具１０に対して傾斜した状態となり、上治具２０の重
心位置Ｇが、当該上治具２０の中心軸上の安定な鉛直下
方から逸れた状態となる。

このため、マイクロチップキャリア３０を構成するベー
ス３１およびキャップ３２には、上治具２０の重心位置
Ｇの鉛直下方への復元力によって、両者の傾斜を打ち消
す方向に荷重が作用することとなり、当該ベース３１お
よびキャップ３２の接合面３５および３６の各部の間隙
が適宜変化し、それに応じて両者の間に充満している溶
融状態の封着材３７も接合部の気密状態が損なわれない
ように適宜移動し、マイクロチップキャリア３０の上面
３０ａおよび下面３０ｂは互いに平行になるように矯正
される。

そして、図示しない加熱炉の出口部および炉外において
徐冷される間に、ベース３１とキャップ３２との間の封
着材３７は凝固し、ベース３１に搭載されている半導体
ベレット３３は、相互に封着されたベース３１およびキ
ャップ３２からなるマイクロチップキャリア３０の内部
に気密に封入された状態となるとともに、マイクロチッ
プキャリア３０の上面３０ａと下面３０ｂとの平行度は
、たとえば、従来のようなりリップなとによる挟圧方法
に比較して、極めて良好な状態となる。

その後、マイクロチップキャリア３０を構成するベース
３１は、周知の半田ボール接合技術によって、モジュー
ル４０のモジニールベース４１に搭載され、熱伝導体４
４などとともに、第３図に示されるように、当該モジュ
ール４０の内部に組み込まれ、所定の図示しない計算機
システムなどに実装される。

ここで、第３図に示されるような構造のモジニール４０
においては、動作時に内部に収容されたマイクロチップ
キャリア３０からの放熱を効果的に行わせるには、熱伝
導体４４とマイクロチップキャリア３０の上面３０ａと
を密着させることが伝熱抵抗を小さくするなどの観点か
ら重要となるが、マイクロチップキャリア３０の上面３
０ａと下面３０ｂとの平行度が低い場合には、熱伝導体
４４に対してマイクロチップキャリア３０が傾斜した状
態となる。このため、前記の傾斜が熱伝導体４４の傾動
による追随範囲を超えた場合には当該マイクロチップキ
ャリア３０の上面３０ａと熱伝導体４４との間に隙間を
生じて熱抵抗が増加し、熱伝導体４４を介してのマイク
ロチップキャリア３０から外部への放熱効率が劣化する
こととなる。

ところが、本実施例の場合には、前述のように、封止工
程において、上治具２０の重心位置の安定位置への復元
力によって、ベース３１およびキャップ３２などで構成
されるマイクロチップキャリア３０の上面３０ａおよび
下面３０ｂの傾斜状態を矯正して平行度を良好にするこ
とができるため、モジコール４０に対する実装時に、熱
伝導体４４に対してマイクロチップキャリア３０の上面
３０ａの全体が密着されることとなる。この結果、マイ
クロチップキャリア３０と熱伝導体４４との間の熱抵抗
を充分小さくすることができ、マイクロチップキャリア
３０および当該マイクロチップキャリア３０が実装され
るモジニール４０などにおける動作時の冷却操作を効果
的に行うことが可能となる。

また、マイクロチップキャリア３０の上面３０ａおよび
下面３０ｂの卑行度を良好にするなどの目的で、当［マ
イクロチップキャリア３０を構成するベース３１および
キャップ３２や、モジ５−ル４０を構成するモジニール
ベース４１．モジニールキャップ４２などの寸法精度を
必要以上に厳しくする必要がなくなり、製造原価の低減
に寄与することができる。

また、封止治具に挟持された状態のマイクロチップキャ
リア３０が通過する図示しない加熱炉などにおいては、
温度プロファイルを所望の状態に正確に管理することが
、良好な封止結果を得るために重要となるが、本実施例
の場合には、前述のように、封じ治具を構成する上治具
２０の錘部２３の熱容量を小さくするとともに、伝熱面
積を大きくするなどの工夫が成されているため、加熱炉
における温度プロファイルに対する追従性が良好となる
。

このため、図示しない加熱炉における温度プロファイル
の管理などが容易になり、封止工程全体の生産性が向上
する。

以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具
体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定されるも
のではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能
であることはいうまでもない。

たとえば、封止治具を構成する下治具および上治具の形
状上よび構造は、前記の実施例中に例示したものに限定
されない。

また、半導体ペレットが封入される封止構造やモジュー
ルの形状および構成は、前記の実施例中に例示したもの
に限らず、いかなるものであってもよい。

〔発明の効果〕

本願において開示される発明のうち、代表的なものによ
って得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりで
ある。

すなわち、本発明になる封止治具は、接合面に塗着され
た封着材を介して相互に封着されて封止構造を構成する
第１ふよび第２の部材の封着作業に用いられる封止治具
であって、前記第１ふよび第２の部材の少なくとも一方
を支持する下治具と、自重によって前記下治具との間で
前記第１および第２の部材を挟圧する上治具とからなり
、この上治具の重心位置は前記第１お、′、び第２の部
材の前記接合面よりも低くなるようにしたので、たとえ
ば、封止構造を構成する第１および第２の部材の接合面
に介在する封着材の溶融による封着作業に際して、下治
具と上治具との間で挟圧される第１および第２の部材が
非平行状態にある場合には、上治具の重心位置が安定な
鉛直下方から逸れ、この安定位置から逸れた重心位置の
復元力によって、第１および第２の部材の接合面の回り
に当該第１および第２の部材の非平行状態を矯正する方
向に押圧力の分布が変化し、溶融した封着材を介して封
着される第１および第２の部材の高い平行度を得ること
が可能となる。

これにより、たとえば、第１および第２の部材からなる
封止構造のモジニール内への組み込みに際して、そジニ
ールキャップと当該封止構造との間に介在する熱伝導部
材に対する封止構造の傾斜に起因する熱伝導部材と封止
構造との隙間の発生がなくなり、伝熱抵抗の増大が回避
される結果、第１および第２の部材からなる封止構造の
冷却効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である封止治具の使用状態の
一例を示す断面図、 第２図は、その分解斜視図、 第３図は、それを用いて封着された封止構造が収容され
るモジュールの一例を示す断面図である。 １０・・・下治具、１１・・・枠部、１２・・・段差部
、２０・・・上治具、２１・・・フレーム、２２・・・
鍔部、２３・・・錘部、２４・・・嵌合穴、２５・・・
押圧部、３０・・・マイクロチップキャリア（封止構造
）、３０ａ・・・上面、３０ｂ・・・下面、３１・・・
ベース（第１の部材）、３２・・・キャップ（第２の部
材）、３３・・・半導体ベレット、３４・・・半田ボー
ル、３５．３６・・・接合面、３７・・・封着材、４０
・・・モジュール、４１・・・モジュールベース、４２
・・・モジコールキャップ、４３・・・封着材、４４・
・・熱伝導体、４６・・・水冷ジャケット、４７・・・
実装端子、５０・・・搬送台、Ｇ・・・重心位置。 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、接合面に塗着された封着材を介して相互に封着され
   て封止構造を構成する第１および第２の部材の封着作業
   に用いられる封止治具であって、前記第１および第２の
   部材の少なくとも一方を支持する下治具と、自重によっ
   て前記下治具との間で前記第１および第２の部材を挟圧
   する上治具とからなり、この上治具の重心位置は前記第
   １および第２の部材の前記接合面よりも低くなるように
   したことを特徴とする封止治具。 ２、前記上治具は、前記下治具に嵌合するフレームと、
   このフレームに係止される平板状の錘部とからなり、両
   者の合成重心位置が前記第１および第２の部材の前記接
   合面よりも低くなるようにした請求項１記載の封止治具
   。 ３、前記錘部を、比熱が小さく比重の大きな材料で構成
   した請求項１または２記載の封止治具。 ４、前記封着材はろう材であり、前記第１および第２の
   部材は、それぞれ、内部に半導体ペレットが封入される
   パッケージを構成するキャップおよびベースであり、前
   記ろう材の加熱溶融による封着作業に用いられる請求項
   １、２または３記載の封止治具。