JPH10163418A - 電子部品のはんだ付け方法および装置 - Google Patents

電子部品のはんだ付け方法および装置

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JPH10163418A
JPH10163418A JP8321443A JP32144396A JPH10163418A JP H10163418 A JPH10163418 A JP H10163418A JP 8321443 A JP8321443 A JP 8321443A JP 32144396 A JP32144396 A JP 32144396A JP H10163418 A JPH10163418 A JP H10163418A
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soldering
substrate
metal base
solder
molten solder
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Mikio Takeuchi
幹雄 武内
Hiroshi Uchiyama
拓 内山
Toshimasa Arai
敏政 新井
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Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】毛細管浸透式はんだ付け方法を基本に、金属ベ
ースに対する基板のはんだ付け位置の正確な位置決め，
および溶融はんだの不要な漏れ出しを防止して、はんだ
付けの品質改善を図る。 【解決手段】炉内に配備したホットプレート５と、ホッ
トプレート上に金属ベース３と基板１との重ね合わせ体
を搭載した状態で、基板の周囲四辺を取り囲んで金属ベ
ース上に載置する分割構造の位置決めガイド１０と、は
んだ付け時に基板中央部を上方から加圧して金属ベース
に押圧する加圧ピン８とを具備し、かつ周囲４辺のうち
のガイド１０ａを溶融はんだ注入ヘッダ兼用として、該
ガイドに線はんだ９を差し込むはんだガイド穴に連ねて
ガイド内壁面の下縁中央に溶融はんだ吐出口１０ａ-2を
開口し、金属ベース上に基板を重ね合わせた状態で、基
板の周囲四辺を位置決めガイドにより包囲して所定のは
んだ付け位置に位置決めし、このガイド部材で囲まれた
領域内で、前記の溶融はんだ吐出口から金属ベースと基
板との間の隙間に溶融はんだを注入してはんだ付けを行
う。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、パワート
ランジスタモジュールを対象に、半導体チップ（ＩＧＢ
Ｔ），フリーホイーリングダイオードなどの電子部品を
マウントしたセラミックス基板（例えば、セラミックス
板を挟んでその両面に銅箔を直接結合したダイレクトボ
ンデッドカッパー（Direct Bonded Copper) 基板を放熱
用のヒートシンクを兼ねたパッケージの金属ベース上に
重ね合わせてはんだ接合する場合のはんだ付け法として
好適な電子部品のはんだ付け方法，およびそのはんだ付
け装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】頭記したチップ素子実装済みのセラミッ
クス基板を金属ベース（銅板）にはんだ付けする際に、
接合面はんだ層内にはんだ付け欠陥（伝熱抵抗の増加）
となるボイドの発生を抑えて製品の信頼性，製造歩留り
の向上を図ることを狙いに、金属ベースの上面側にはあ
らかじめはんだ接合面域の周縁部に微小な突起を形成し
ておき、金属ベース上にはんだ付け面を下に向けて基板
を重ね合わせて還元性ガス雰囲気に保ったはんだ付け炉
内に搬入して金属ベース，基板をはんだ付け温度まで予
熱し、炉内のはんだ付け部では基板の中央部を上方から
加圧ピンで金属ベースへ向けて押圧しながら基板の外周
縁側からはんだ注入ヘッダを通じて金属ベース上に供給
した溶融はんだを、毛細管浸透作用とはんだ接合面の濡
れ性により基板と金属ベースの間の接合面域の隙間へ浸
透、拡散させてはんだ接合するようにしたフラックスレ
スのはんだ付け方法（以下「毛細管浸透式はんだ付け
法」と称する）が開発され、本発明と同一出願人より特
願平７−２０４１１９号として既に提案されている。
【０００３】次に、前記の毛細管浸透式はんだ付け法に
基づく従来のはんだ付け装置を図４に示す。図におい
て、１は頭記したダイレクトボンデッドカッパー基板な
どのセラミックス基板、２は基板１にマウントしたＩＧ
ＢＴなどのチップ素子、３は基板１を重ね合わせてはん
だ付けする金属ベース（パワートランジスタモジュール
のヒートシンクを兼ねたパッケージの底板）である。一
方、はんだ付け装置は金属ベースの搬送機構，予熱源な
どを装備したはんだ付け炉のトンネル状チャンバー４の
中に組み込まれており、その構成は、チャンバー４の底
部にホットプレート５を配置し、その上方には先端に溶
融はんだ注入ヘッダ６（ヘッダは、溶融はんだとの「濡
れ性」が低いセラミックス，Ｗ，Ｍｏなどの高融点金
属，あるいは表面を不働態化したステンレス鋼などを材
料として作られている）を備えた昇降式のはんだ供給管
７，およびセラミックス基板１の中央部を上方から金属
ベース３（金属ベース３には、そのはんだ接合面域の周
縁数カ所に０．０５〜０．５mmの微小な突起３ａが形成
されており、この突起の上にセラミックス基板１を重ね
合わせる）に向けて押圧する加圧ピン８が配置されてい
る。なお、９ははんだ供給管７に送り込む線はんだ（線
径１．２mm程度の糸状はんだ）である。
【０００４】かかる構成のはんだ付け装置に対して、チ
ャンバー４内の搬送機構に載せて予熱しつつ搬送されて
来た金属ベース３とセラミックス基板１の重ね合わせ体
（基板１は金属ベース３の上に重ね合わせる際に、所定
のはんだ付け位置に位置決めされている）はホットプレ
ート５の上に載り移り、ここで線はんだ９の融点以上の
温度までさらに加熱される。また、金属ベース３の移載
にタイミングを合わせて、はんだ供給管７を上方から引
き下ろしてヘッダ６の溶融はんだ吐出口６ａを基板１の
周縁部に向けて金属ベース板３の上にセットし、かつ線
はんだ９を送り込んでその先端を加熱された金属ベース
３に押しつけるようにするとともに、さらに基板１の中
央部を加圧ピン８で上方から押圧し、前記の突起３ａを
支点にセラミックス基板１を凹状に反らせてその中央面
域を金属ベース３の上に軽く接触させた状態に保持す
る。
【０００５】これにより、ヘッダ６の内部で溶融したは
んだは、吐出口６ａより基板１と金属ベース３との間の
隙間に向けて供給され、はんだ接合面の濡れ性と毛細管
浸透作用により矢印のように基板１と金属ベース３との
間の接合面域に浸透して広がる。なお、溶融はんだに含
まれる酸化物などのスラグはヘッダ６内で溶融はんだの
表面に浮上するので、吐出口６ａからはスラグを含まな
い純粋なはんだのみが供給される。また、この場合に
は、セラミックス基板１の中央面域は周縁部と比べて加
圧ピン８の押圧により金属ベース３との間の隙間が狭ま
ってこの部分の毛細管現象が強く作用するので、溶融は
んだは中央面域から先に浸透して広がって行く。したが
って、基板／金属ベース間の隙間内に発生，もしくは残
存していたガスは基板１の周辺に押し遣られて隙間から
排除されるため、溶融はんだははんだ付け面の隅々まで
均一に広がってボイドの発生が抑制される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところで、図４に示し
た構成のはんだ付け装置では、セラミックス基板１と金
属ベース３とをはんだ付けする際に次記のような問題が
ある。すなわち、 １）はんだ付け装置の前段工程で金属ベース３の上に基
板１を重ね合わせる際に、基板を所定のはんだ付け位置
に位置決めしたとしても、はんだ付け装置に移載する搬
送過程で基板が所定位置からずれたり、はんだ付け位置
で溶融はんだ注入ヘッダ６をセットする際にヘッダが突
き当たって基板１がずれ動いたりして正確に位置決めで
きないことがある。なお、基板１の位置決めが正確でな
いと、モジュールを組立てる際にパッケージの外部導出
端子と基板１との相対位置がずれて外部導出端子のはん
だ接合が正しく行えなくなる。
【０００７】２）はんだ付け工程で、金属ベース３と基
板１との間のはんだ付け面に向けてヘッダ６から溶融は
んだを注入する際のはんだ供給量が過剰であると、溶融
はんだは基板１のはんだ接合面域を超えて基板周縁から
外側に漏れ出して局部的に金属ベースの周縁まで広が
り、そのためにパッケージの外囲樹脂ケースと金属ベー
スとの接着面に凹凸段差が生じて接着がうまく行えない
ことがある。
【０００８】本発明は上記の点にかんがみなされたもの
であり、頭記した毛細管浸透式はんだ付け方法を基本
に、金属ベースに対する基板のはんだ付け位置の正確な
位置決め，および溶融はんだの不要な漏れ出しを防止し
て、はんだ付けの品質改善が図れるよう改良した電子部
品のはんだ付け方法，およびはんだ付け装置を提供する
ことを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によれば、はんだ付け面を下に向けて基板を
金属ベースの上に重ね合わせた状態で、基板上面の中央
部に上方から加圧力を加えて金属ベースに押圧しつつ基
板の外周縁側から金属ベース上に供給した溶融はんだを
毛細管作用により基板と金属ベースの間の面隙間に浸透
させてはんだ接合するはんだ付け方法において、金属ベ
ース上に基板を重ね合わせた状態で、基板の周囲四辺を
金属ベース上に載置した位置決めガイド部材により包囲
して基板を所定のはんだ付け位置に位置決めし、このガ
イド部材で囲まれた領域内に向け、その周面１箇所から
金属ベースと基板との間の隙間に溶融はんだを注入して
はんだ付けを行うものとする。
【００１０】上記のはんだ付け方法によれば、金属ベー
スの上に重ね合わせた基板が位置決めガイド部材により
所定のはんだ付け位置に拘束されて正確に位置決めされ
るとともに、基板／金属ベース間のはんだ付け面に向け
て注入された溶融はんだは基板の周囲を囲んで閉鎖する
ガイド部材により流動範囲が規制され、金属ベースの周
域まで過剰に広がることが防止できる。
【００１１】また、前記はんだ付け方法においては、は
んだ供給量が過多であると、余剰の溶融はんだがガイド
部材に囲まれた領域から押しだされて基板の上面側に乗
り上げたりするおそれがあり、その不具合を防止するた
めに次記のような方法を講じるのがよい。 １）金属ベース上に載置した基板の周囲四辺にガイド部
材を当てがって所定のはんだ付け位置に位置決めした後
に、はんだ注入地点のガイド部材を除く残り３辺のガイ
ド部材を基板周縁から僅かに外方へ後退させて基板とガ
イド部材の間に若干のはんだ逃がしスペースを形成し、
この位置で溶融はんだを供給するようにする。
【００１２】２）基板の上面に加える加圧を溶融はんだ
の注入過程の途中で釈放し、基板／金属ベース間のはん
だ付け面域のはんだ受容量に余裕を持たせた状態ではん
だ付けを行う。一方、前記したはんだ付け方法を実施す
るための本発明によるはんだ付け装置は、はんだ付け炉
内に配置して金属ベースを搭載するホットプレートと、
該ホットプレート上に金属ベースと基板との重ね合わせ
体を搭載した状態で、基板の周囲四辺を取り囲んで金属
ベース上に載置する可動式の分割位置決めガイドとを具
備し、かつ前記位置決めガイドの１辺を溶融はんだ注入
ヘッダ兼用として、該ガイドに上方から線はんだを差し
込むはんだ挿入ガイド穴，および該穴に連ねてガイド内
壁の下縁に開口した溶融はんだの吐出口を設けて構成す
るものとする。
【００１３】また、前記構成におけるガイドの底面と金
属ベースとの間に残る僅かな隙間を通して溶融はんだが
ガイドの外方に漏出するのを防止するために、位置決め
ガイドを、溶融はんだに対する「濡れ性」の低い材料で
構成するのがよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面に基
づいて説明する。なお、実施例の図中で図４に対応する
同一部材には同じ符号が付してある。先ず、図１(a),
(b) にはんだ付け装置の構成を示す。すなわち、図４で
述べたホットプレート５の上方には、加圧ピン８の他
に、ホットプレート上に頭記したチップ素子実装済みの
セラミックス基板１（セラミックス板１ａの両面に銅箔
１ｂ，１ｃを接合したダイレクトボンデッドカッパー基
板）と金属ベース３の重ね合わせ体を載置した状態で、
セラミックス基板１を金属ベース上の定めた所定のはん
だ付け位置に拘束する位置決めガイド手段として、方形
状のセラミックス基板１の周囲四辺を包囲する４分割構
造のガイド１０ａ〜１０ｄを組合せた位置決めガイド１
０を装備している。このガイド１０ａ〜１０ｄは、図示
されてない位置決めロボットにより個々に昇降，前後，
左右に移動操作される衝立状板であり、かつその材質は
溶融はんだに対する「濡れ性」の低い材料として、例え
ば高融点金属（モリブデン，タングステン等），非酸化
物系セラミックス（窒化アルミニウム，窒化硼素，窒化
珪素等），あるいは表面に不働態化処理を施したステン
レス鋼などを採用している。また、周囲四辺のうち特定
のガイド１０ａを溶融はんだ注入ヘッダと兼用し、この
ガイド１０ａには上方から線はんだ９を押し込み挿入す
るはんだガイド穴１０ａ-1、および該穴に連ねてガイド
１０ａの内壁面の下端中央に開口した溶融はんだ吐出口
１０ａ-2が形成されている。
【００１５】そして、金属ベース３の上にセラミックス
基板１を重ね合わせてはんだ付けする場合には、まず基
板１の周囲を取り囲んで位置決めガイド１０ａ〜１０ｄ
を金属ベース３の上に降ろし、さらに位置決めロボット
の操作により各ガイドを基板１の周縁に当てがいながら
移動調整して基板をベース上に設定した所定のはんだ付
け位置へ正確に位置決めし、この位置に拘束する。続い
て加圧ピン８を上方から基板１の上面中央部に下降さ
せ、図４で述べたように基板１を金属ベース３に向けて
押圧し、この状態ではんだ注入ヘッダを兼ねたガイド１
０ａに線はんだ９を挿入してその先端をはんだの溶融点
以上に予熱された状態にある金属ベース３の面上に押し
当てて溶融させ、その溶融はんだを吐出口１０ａ-2を通
じて金属ベース３と基板１との間のはんだ接合面域の隙
間に向けて外周側から供給する。これにより、図４で述
べたと同様に毛細管浸透作用により溶融はんだ９ａがは
んだ接合面域に浸透，拡散して基板１と金属ベース３と
の間をはんだ付けする。
【００１６】この場合に、基板１の周縁を「濡れ性」の
低い位置決めガイド１０が包囲しているので、溶融はん
だはガイド１０の壁面に阻止されてそれ以上先に流動せ
ず、溶融はんだが基板１のはんだ接合面域を超えてさら
に金属ベース３の周域にはみ出すことがなくなる。これ
により、基板１は所定のはんだ付け位置で、ボイドなど
の欠陥発生もなくはんだ付けされる。
【００１７】ところで、前記した位置決めガイド１０を
用いた場合でも、溶融はんだ供給量のばらつきで溶融は
んだが過剰に供給されたりすると、その注入圧も加わっ
て溶融はんだ９ａの一部が基板１の外周側に押し出さ
れ、このために図２で表すように溶融はんだ９ａの一部
がガイド部材の底面と金属ベース３との間の微小な隙間
ｇ1 を通じて外周側に漏れ出したり、また基板１の周縁
とガイド内壁面との間の微小な隙間ｇ2 を通じて基板１
の上面側に乗り上げるような不具合な状態が生じる。し
かも、基板１の上面側に溶融はんだが乗り上げると、チ
ップ素子２をマウントした上面側の銅箔１ｂと金属ベー
ス３（接地側）にはんだ付けされる下面の銅箔１ｃとが
短絡状態になって製品不良を引き起こす。
【００１８】そこで、このような事態を避けるための対
策として、本発明では次記のような手段を講じるものと
する。 対策１：図３で示すように、位置決めガイド１０を鎖線
で示す位置に移動調整して基板１を所定のはんだ付け位
置に位置決め設定した後、はんだ注入ヘッダ兼用のガイ
ド１０ａ（図１参照）を除く残り３辺の各ガイド１０ｂ
〜１０ｄを実線位置で示すように0.5 〜3.0 mm程度外方
に後退移動して基板１の周縁とガイドの壁面との間に遊
び間隙Ｇを確保し、この状態で基板１と金属ベース３と
の間のはんだ接合面に向けて溶融はんだを注入してはん
だ付けを行う。
【００１９】これにより、はんだ供給量が多少過多にな
った場合でも、その注入圧が前記した遊び間隙Ｇを通じ
て釈放され、余剰の溶融はんだ９ａは図示のように基板
１の周縁とガイド壁面との間の遊びスペース内に溜ま
り、図２のように細隙ｇ1,ｇ2を通じて溶融はんだが位
置決めガイド１０の外側に漏れだしたり、基板１の上面
側に乗り上げたりする不具合の発生を防止できる。
【００２０】対策２：はんだ付けに際して基板１を上面
側から金属ベース３に向けて押圧する加圧ピン８の加圧
を溶融はんだの注入途中（溶融はんだが基板１の中央面
域にまで浸透した状態）で釈放し、金属ベース３と基板
１との間の隙間を広げてはんだ受容量に余裕を持たせ
る。これにより、はんだ供給量が多少過多であっても、
溶融はんだは基板／金属ベース間のはんだ接合面域内に
収まって基板１の外周側にはみ出すことが殆どなく、こ
れにより対策１と同様な効果を奏することができる。
【００２１】なお、本発明のはんだ付け方法は、その用
途が前述したパワートランジスタモジュールなどの半導
体装置に限られるものではなく、その他の各種電子部品
のはんだ付け方法にも適用できることは勿論である。
【００２２】
【発明の効果】以上述べたように、本発明のはんだ付け
方法，および装置によれば、はんだ付け面を下に向けて
基板（チップ素子をマウントしたセラミックス基板な
ど）を金属ベースの上に重ね、基板の外周縁側から金属
ベース上に供給した溶融はんだを毛細管作用により基板
と金属ベースの間の面隙間に浸透させてはんだ接合する
方法を基本として、金属ベース上に基板を重ね合わせた
状態で、基板の周囲四辺を金属ベース上に載置した位置
決めガイド部材により包囲して基板を所定のはんだ付け
位置に位置決めし、このガイド部材で囲まれた領域内に
向け、その周面１箇所から金属ベースと基板との間の隙
間に溶融はんだを注入してはんだ付けを行うようにした
ことにより、基板の正確な位置決めと併せて、溶融はん
だがはんだ接合面域から基板の外周側へはみ出すことが
防止でき、これにより品質の高いはんだ付けが達成でき
る。
【００２３】また、はんだ付けに際して請求項２，ない
し３の方法を採用することにより、はんだ供給量が多少
過多であっても、溶融はんだが基板の上面側へ乗り上げ
るなどのはんだ付け欠陥を抑制，防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のはんだ付け方法の実施に使用するはん
だ付け装置の構成図であり、(a) は平面図、(b) は断面
側視図
【図２】図１のはんだ付け装置ではんだ供給の過多に伴
うはんだ漏れ出しの様子を表した部分拡大図
【図３】図２に示したはんだ漏れ出しの防止対策を表し
た説明図
【図４】従来の毛細管浸透式はんだ付け法に基づくはん
だ付け装置の構成図
【符号の説明】
１ セラミックス基板 ２ チップ素子 ３ 金属ベース ３ａ 突起 ４ チャンバー ５ ホットプレート ８ 加圧ピン ９ 線はんだ ９ａ 溶融はんだ １０ 位置決めガイド １０ａ〜１０ｄ 分割ガイド １０ａ-1 はんだガイド穴 １０ａ-2 はんだ吐出口

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】セラミックス板の両面に銅箔を接合してそ
    の片面の銅箔にチップ素子を搭載したセラミックス基板
    などを対象とする絶縁基板を金属ベースにはんだ付けす
    る電子部品のはんだ付け方法であり、はんだ付け面を下
    に向けて基板を金属ベースの上に重ね合わせた状態で、
    基板上面の中央部に上方から加圧力を加えて金属ベース
    に押圧しつつ基板の外周縁側から金属ベース上に供給し
    た溶融はんだを毛細管作用により基板と金属ベースの間
    の面隙間に浸透させてはんだ接合するものにおいて、金
    属ベース上に基板を重ね合わせた状態で、基板の周囲四
    辺を金属ベース上に載置した位置決めガイド部材により
    包囲して基板を所定のはんだ付け位置に位置決めし、こ
    のガイド部材で囲まれた領域内に向け、その周面１箇所
    から金属ベースと基板との間の隙間に溶融はんだを注入
    してはんだ付けを行うことを特徴とする電子部品のはん
    だ付け方法。
  2. 【請求項２】請求項１記載のはんだ付け方法において、
    金属ベース上に載置した基板の周囲四辺にガイド部材を
    当てがって所定のはんだ付け位置に位置決めした後に、
    はんだ注入地点のガイド部材を除く残り３辺のガイド部
    材を基板周縁から僅かに外方へ後退させ、この状態で溶
    融はんだを注入してはんだ付けを行うことを特徴とする
    電子部品のはんだ付け方法。
  3. 【請求項３】請求項１記載のはんだ付け方法において、
    基板の上面に加える加圧を溶融はんだの注入過程の途中
    で釈放することを特徴とする電子部品のはんだ付け方
    法。
  4. 【請求項４】請求項１ないし３のいずれかに記載のはん
    だ付け方法の実施に用いる電子部品のはんだ付け装置で
    あって、はんだ付け炉内に配置して金属ベースを搭載す
    るホットプレートと、該ホットプレート上に金属ベース
    と基板との重ね合わせ体を搭載した状態で、基板の周囲
    四辺を取り囲んで金属ベース上に載置する可動式の分割
    位置決めガイドと、基板を位置決めした状態で溶融はん
    だの注入時に基板中央部を上方から加圧して金属ベース
    に押圧する加圧ピンとを具備し、かつ前記位置決めガイ
    ドの１辺を溶融はんだ注入ヘッダ兼用として、該ガイド
    に上方から線はんだを差し込むはんだガイド穴，および
    該穴に連ねてガイド内壁面の下縁中央に開口した溶融は
    んだの吐出口を備えたことを特徴とする電子部品のはん
    だ付け装置。
  5. 【請求項５】請求項４記載のはんだ付け装置において、
    位置決めガイドの材質が、溶融はんだに対する「濡れ
    性」の低い材料であることを特徴とする電子部品のはん
    だ付け装置。
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