JPH10178268A - 電子部品のはんだ付け方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】基板にチップ素子をはんだマウントする際に、
自動化して再現性よく達成できるようにしたはんだ付け
方法，および装置を提供する。 【解決手段】主チャンバー４内に配列した加熱，冷却ブ
ロック１６，１７と、各ブロックの間を乗り継いで基板
１を移送する基板搬送機構と、基板供給用ローダ７，取
出用アンローダ８と、はんだ付け部９から側方に引出し
て不酸化性雰囲気に保った分岐チャンバー１０と、該チ
ャンバー内に配置したチップ素子の予備はんだ付け部１
１と、ローダ１３で供給されたチップ素子２のはんだ付
け面を下に向けてチャックで吸着保持し、かつ予備んだ
付け部を経由してはんだ付け部へ移送するチップ搬送機
構とではんだ付け装置を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、パワートランジス
タモジュールなどを対象に、回路基板としてのセラミッ
クス基板（例えば、セラミックス板に銅箔を直接接合し
たダイレクトボンデッドカッパー（Direct Bonded Copp
er）基板に半導体チップ（ベアチップ）を含めた各種の
電子部品（チップ素子）をはんだマウントするチップマ
ウンターとしての用途に用いる電子部品のはんだ付け方
法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】頭記したパワートランジスタモジュール
を例に、下面に電極を形成した半導体チップをセラミッ
クス基板上に形成した導体箔パターンに搭載してはんだ
マウントするはんだ付け方法として、従来では基板とチ
ップとの間にはんだ箔を重ね合わせてカーボン治具など
で位置決め保持し、これを還元性雰囲気のコンベヤ炉内
に搬入し、加熱−冷却工程を経てはんだを溶融，凝固さ
せてはんだ付けする方法が広く採用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記した従
来のはんだ付け方法では次記のような問題点がある。す
なわち、従来方法では基板，チップ，はんだ箔を治具に
挿入する作業は人手に頼っているために、作業能率が低
く，またチップ破損，汚れなどが生じるほか、炉内では
輻射加熱のために基板の昇温，降温に時間がかかっては
んだ付け処理のリードタイムが長く、かつチップに加わ
る熱ストレスも大きい。さらに、大気中で基板，チッ
プ，はんだ箔を重ね合わせて治具内に組み込むことか
ら、還元性雰囲気の炉内に搬入して加熱しても、重ね合
わせたはんだ付け面の酸化膜などに還元作用が十分に働
かず、かつはんだ付け面の吸着ガス，水分の除去も不十
分となるために、溶融はんだに対する「濡れ性」が低下
し、これが原因ではんだ接合層内にボイドが多く発生
し、これが半導体チップから基板への伝熱性を低めて半
導体装置の特性を著しく低下させる。

【０００４】本発明は上記の点にかんがみなされたもの
であり、その目的は前記した従来のはんだ付け方法の問
題点を解消し、ボイドフリーで品質の安定したはんだ付
けを人手作業に頼ることなく自動化して再現性よく達成
できるようにした電子部品のはんだ付け方法，および装
置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のはんだ付け方法によれば、還元性，ないし
は低酸素濃度の雰囲気に保たれたはんだ付け炉としての
トンネル状チャンバーに対し、はんだ付け面を上に向け
て入口から供給した基板をチャンバー内の中央に設定し
たはんだ付け部へ搬送する経路途上ではんだ付け温度ま
で加熱し、一方、チップ素子については不酸化性雰囲気
内ではんだ付け面を下に向けて予備はんだを施した上
で、該チップ素子を前記チャンバー内のはんだ付け部に
送り込み、ここでチップ素子を上方から基板上の所定位
置に下降させて重ね合わせ、かつ再溶融した予備はんだ
を接合面域に押し広げてはんだマウントした後、チャン
バーの出口へ搬送する経路途上で基板を冷却してはんだ
を凝固させるようにする。（請求項１） 上記のはんだ付け方法によれば、まず、基板を単独で還
元性雰囲気に保たれたルートを通じて加熱，搬送し、は
んだ付け部にて基板の上に別ルートを通じて搬入された
チップ素子を重ねてはんだ付けを行うようにしたので、
はんだ付け面が十分に還元作用を受ける。また、チップ
素子は不酸化性雰囲気中でそのはんだ付け面を下向きに
して予備はんだ付けを行うことで、はんだ付け面に転着
したはんだは酸化されることもなく、かつその表面張力
により球面状を呈する。そして、はんだ付け部でははん
だ付け温度まで加熱昇温した基板の上にチップ素子を上
方から下降してはんだ付け面を重ね合わせ、この位置で
溶融した予備はんだをその中央部分から基板の上に押し
広げるようにしたので、ガスがはんだ層内に封じ込めら
れることが殆どなく、これによりボイド発生が効果的に
抑えられる。

【０００６】また、本発明によれば、前記はんだ付け方
法を基本に、品質，再現性をより一層高めるために次記
のような形態の方法を付加することができる。 (1) チャンバーの入口からはんだ付け部に至る基板搬送
経路の途上で、基板をはんだ付け温度と同等な温度に加
熱した状態で基板の熱変形による反りを加圧修正する反
り修正工程を付加する（請求項２）ものとし、その反り
修正工程では、基板に対し上方から垂直方向に加圧荷重
を加えて凹状に反るよう変形させた後、加圧荷重を解除
して基板を平坦に自己復元させてはんだ付けのバラツキ
を小さく抑えるようにする。（請求項３） (2) チップ素子の予備はんだ工程では、予熱したチップ
素子のはんだ付け面に対向して下方から定量の溶融はん
だを細孔通路を通じて球状に吐出し、ここでチップ素子
のはんだ付け面を球状はんだに接触させて溶融はんだを
転着させるようにし、溶融はんだとの「濡れ性」を利用
してチップ素子のはんだ付け面に球面状を呈した定量の
予備はんだが的確に転着するようにする。（請求項４） (3) チャンバー内のはんだ付けの位置でチップ素子をマ
ウントする前に、基板上におけるチップ素子搭載地点の
高さレベルを計測し、この計測値を合わせて上方から基
板上に降ろしてマウントするチップ素子の下降移動距離
を制御するようにし、はんだ層厚の均一なはんだ付けを
実現する。（請求項５） (4) また、基板上にチップ素子をはんだマウントする際
に、基板上に重ね合わせたチップ素子をスクラブして溶
融はんだを基板のはんだ付け面域に広げるようにし、溶
融はんだが均一に広がるようにする。（請求項６） 一方、前記はんだ付け方法を実施する本発明のはんだ付
け装置は、内部を還元性，ないしは低酸素濃度の雰囲気
に保ったトンネル状の主チャンバーと、該チャンバー内
に沿ってその入口側とチャンバーの中央箇所に設定した
はんだ付け部との間に配列した加熱ブロック，およびは
んだ付け部から出口側までの間に配列した冷却ブロック
と、各加熱ブロック，冷却ブロックの間を順に乗り継い
で基板をチャンバーの入口側から出口側に向けて間欠的
に移送する基板搬送機構と、はんだ付け面を上に向けて
基板を１個ずつチャンバーの入口側に供給する基板用ロ
ーダと、チャンバーの出口側でチップ素子とはんだ付け
された基板を取り出すアンローダと、前記主チャンバー
のはんだ付け部から側方に分岐してその内部を不酸化性
雰囲気に保つチップ素子搬入用の分岐チャンバーと、該
分岐チャンバー内の搬送経路途上に配置したチップ素子
の予備はんだ付け部と、チップ素子を吸着保持する真空
チャック, および該真空チャックを上下方向に移動操作
する昇降ユニットを有し、はんだ付け面を下に向けて保
持したチャック素子を分岐チャンバーの入口側から予備
んだ付け部を経由して主チャンバーのはんだ付け部へ移
送するチップ搬送機構と、チップ素子を１個ずつ分岐チ
ャンバーの搬送手段に受け渡すチップ素子用ローダとか
ら構成するものとする。（請求項７） また、本発明によれば、前記のはんだ付け装置を構成す
る各部は、具体的に次記のような形態で構成するものと
する。

【０００７】(1) 基板搬送機構として、チャンバー内に
配列した各加熱，冷却ブロックの間にまたがって各ブロ
ックの上面に形成した凹溝内に敷設した左右一対の支持
棒を備え、該支持棒を上昇−前進−下降−後退させる動
作を１サイクルとして基板を各ブロック間に受渡して乗
り継ぎ搬送するよう構成する。（請求項８） (2) 予備はんだ付け部には、溶融はんだ槽と、チップ素
子の搬送路に向けて上面に細孔のはんだ吐出口を開口し
たはんだ濡れ性の低い材料からなる溶融はんだの吐出ヘ
ッダと、溶融はんだ槽内の液面下から溶融はんだを定量
ずつ抽出して吐出ヘッダに送出するポンプを具備し、チ
ップ素子のタクト搬送にタイミングを合わせて溶融はん
だを吐出ヘッドから球状に吐出してチップ素子のはんだ
付け面に転着させるように構成する。（請求項９） (3) 主チャンバー内のはんだ付け部の手前箇所に回路基
板の熱変形による反りを修正する反り修正手段を配備
し、かつ該反り修正手段として、当該位置に並ぶ加熱ブ
ロックの上面に基板の外形サイズより一回り小さな凹段
部を形成するとともに、その上方に加圧ピンを配備し、
基板の加熱，搬送の途上で前記加熱ブロック上に載置さ
れた基板に対して、加圧ピンにより上方から垂直方向に
加圧荷重を加えて凹状に反るよう変形させた後、加圧荷
重を解除して基板をほぼ平坦な状態に自己復元させる。
（請求項１０） (4) 主チャンバー内のはんだ付け位置で加熱ブロック上
に載置した基板におけるチップ素子搭載部の高さレベル
を計測する測定手段を備え、この計測値に合わせて上方
から基板上にチップ素子をマウントする搬送機構の昇降
ハンドの下降移動距離を制御するようにし、はんだ層厚
の均一なはんだ付けを実現する。 (請求項１１） (5) チップ搬送機構に装備した真空チャックとして、テ
ーパを有する四面で凹状のチップ吸着面を形成した角錐
コレットを採用するとともに、そのチップ吸着面の角錐
頂角を１３０°〜１７０°，好ましくは１４０°〜１６
０°の広角度の範囲に設定し、これによりチップ素子を
吸着保持する際に作用する吸引力を高めるとともに、チ
ップの吸着姿勢の安定化を図るようにする。（請求項１
２） (6) 真空チャックの角錐コレットに対し、そのチップ吸
着面の四隅コーナー部分に、平坦面を呈する方形状の逃
げ面を形成し、チップ素子を吸着した際にチップの角部
との干渉を避けてチップ素子の破損を防ぎつつ、併せて
周囲四辺のテーパ状吸着面を切削，仕上げ加工する際に
工具との干渉を避けて加工性の改善を図る。（請求項１
３） (7) チップ搬送機構の昇降ユニットの駆動系に、真空チ
ャックの加熱に伴う熱膨張で変位するＺ軸方向の位置決
めを補正する制御手段を備え、これにより真空チャック
の昇降位置決め精度を高めるとともに、チップ素子をチ
ャッキング，リリースする際にチップに過大な押圧加重
が加わるのを防ぐようにする。（請求項１４） (8) 分岐チャンバーの入口側に設置したチップ用ローダ
に、チップ素子を１個ずつ載置して所定の受け渡し位置
に保持するチップアライメント用のアンビルを備えると
とに、該アンビルに対し、チップ搬送機構へのチップ素
子受け渡し時に真空チャックからチップ素子に加わる押
圧荷重を吸収するダンパ手段を設け、チャッキング動作
時にチップが破損するのを防ぐようにする。 (請求項１
5) (9) さらに、前記アンビルの周囲四辺に配してアンビル
の上面に載置したチップ素子を所定の受け渡し位置にア
ライメントするプッシャ爪に対し、該プッシャ爪の押し
込み移動範囲を規制するストッパ手段を設け、チップ素
子に側方から過大な荷重が加わるのを防止する。 (請求
項１６）

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明によるはんだ付け方
法，および装置の実施の形態を図示実施例に基づいて説
明する。まず、図７にパワートランジスタの組立体を示
す。図において、１はアルミナなどのセラミックス板１
ａを挟んでその上下両面に銅箔１ｂ，１ｃを接合したダ
イレクトボンデッドカッパー基板、２が基板１の上面側
銅箔１ｂに形成した回路パターンにはんだマウントした
チップ素子（ベアチップ）で、チップ素子２はその下面
にはんだ付け面となる電極が形成されており、両者の間
がはんだ（例えば、Ｐｂ９８％−Ｓｎ２％（融点３２２
℃),Ｐｂ９５％−Ｓｎ５％（融点３１４℃),Ｐｂ９３．
５％−Ｓｎ５％−Ａｇ１．５％（融点２９６℃））３に
より接合されている。

【０００９】次に、本発明によるはんだ付け装置の基本
構成を図１，図２(a),(b) に示す。この装置は、はんだ
付け炉としてトンネル状になる主チャンバー４と、主チ
ャンバー４の入口，出口側に敷設した基板用の搬入，搬
出用コンベヤ５，６と、主チャンバー４の入口側で先記
した基板１を１個ずつ搬入コンベヤ５に供給するローダ
７と、出口側ではんだ付け済みの基板を搬出コンベヤ６
から取り出すアンローダ８と、主チャンバー４の中央部
に設定したはんだ付け部９から側方に引出したチップ素
子搬入用の分岐チャンバー１０と、分岐チャンバー１０
の内部に設置した予備はんだ付け部１１と、はんだ付け
面を下に向けてチップ素子２を真空チャックに吸着保持
し、かつ分岐チャンバー１０の入口側から予備はんだ付
け部１１を経由して主チャンバー４のはんだ付け部９へ
移送する昇降ユニット付きの３軸ロボットとしてなるチ
ップ搬送機構１２と、分岐チャンバー１０の入口側でチ
ップ素子２を１個ずつチップ搬送機構１２に受け渡すチ
ップ用ローダ１３と、主チャンバー４ではんだ付け部９
の手前位置に設定した基板１の反り修正部１４と、はん
だ付け部９に配備した位置センサ部１５と、主チャンバ
ー４内の搬送経路に沿って入口とはんだ付け部９との間
に配列した加熱ブロック（電熱ヒータを備えたホットプ
レート）１６，およびはんだ付け部９と出口との間に配
列した冷却ブロック（冷却水を流して冷却するコールド
プレート）１７と、これらの各ブロックの間を乗り継い
で入口から搬入した基板１を出口へ間欠的に搬送する後
記の図３で詳細を述べる基板搬送機構とから構成されて
いる。なお、１８は前記チップ用ローダ１３に装備した
チップアライメント用のアンビル（位置決め用テーブル
機構）であり、その詳細な構造については前記したチッ
プ搬送機構１２の真空チャック１２ｂとともに後記す
る。なお、基板１に異なる種類のチップ素子を搭載する
場合には、主チャンバー４に沿って複数箇所に個々のチ
ップ素子に対応する分岐チャンバー１０，予備はんだ付
け部１１を含む設備を増設して対応させるようにしてい
る。

【００１０】また、主チャンバー４には入口側から窒素
と水素の混合ガスを吹き込み、チャンバー内の前半の加
熱行程では還元性雰囲気に、また後半の冷却行程では窒
素ガスで低酸素濃度雰囲気に保ち、基板１のはんだ付け
面の酸化を防ぎ、併せてはんだ付け面に生成した酸化膜
を還元除去してはんだの「濡れ性」を確保するように
し、分岐チャンバー１０の内部には窒素ガスを吹き込ん
で不酸化性雰囲気に保ち、予備はんだの酸化を防止して
いる。さらに、前記した加熱ブロック１６，冷却ブロッ
ク１７を個々に温度制御し、ブロック上を乗り継いで搬
送される基板１の温度が図２(b) の温度分布で表すよう
に昇温，降温制御される。ここで、Ｔ1 ははんだ融点よ
りも多少高く設定したはんだ付け温度、Ｔ2 は主チャン
バー４の出口から取り出す際の温度で例えば５０℃程度
に設定する。

【００１１】なお、前記構成のはんだ付け装置は、タク
トシステムを組んで制御部からの指令により各工程を全
自動で運転制御するようにしている。そして、ローダ７
によりはんだ付け面を上に向けて基板１を１個ずつ搬入
コンベヤ５に供給すると、基板１は主チャンバー４の中
に進入し、加熱ブロック１６の間を乗り継いではんだ付
け部９へ搬送される過程で加熱ブロックからの伝熱によ
り加熱され、はんだ付け温度Ｔ1 まで昇温する。また、
はんだ付け部９に到達する手前の反り修正部１４では、
後記のように加熱変形により湾曲状に反った基板１をほ
ぼ平坦な状態に修正するようにしている。

【００１２】一方、はんだ付け面を下に向けてローダ１
３により供給されたチップ素子２は、アライメント部１
８で向き，姿勢を整えた上でチップ搬送機構１２の昇降
ユニット１２ａに取付けた加熱ヒータ付きの真空チャッ
ク１２ｂを下降操作して吸着保持する。続いてチップ素
子２を加熱しながら搬送経路の途上に配置した予備はん
だ付け部１１まで移送し、ここでチップ素子のはんだ付
け面に予備はんだを施した後、基板１が待機しているは
んだ付け部９に搬入される。そして、このはんだ付け位
置ではチップ搬送機構１２の真空チャック１２ｂを下降
操作してチップ素子２を基板１上の定位置に重ね合わ
せ、予備はんだを基板１のはんだ付け面に押し広げては
んだマウントする。なお、この場合にチップ素子２を基
板１に重ね合わせた状態でスクラブし、溶融はんだを基
板のはんだ付け面域に広げるようにするのがよい。さら
に、チップ搬送機構１２をチップ素子２から切り離した
上で基板１をはんだ付け部９から後半の冷却ブロック１
７に受け渡し、冷却ブロックの間を乗り継いで主チャン
バー４の出口へ搬送される過程ではんだが冷却，凝固
し、出口側では搬出コンベヤ６を経てアンローダ８によ
り取り出される。

【００１３】次に、チップ搬送機構１２に装備した真空
チャック１２ｂについて述べる。すなわち、真空チャッ
クには、移送コレットとして従来よりよく知られている
角錐コレットを採用するものとし、図８に改良した角錐
コレットの詳細構造を示す。すなわち、角錐コレット２
３は、その端面にテーパを有する四面で凹状のチップ吸
着面を形成し、かつ吸着面２３ａの中心部に真空ポンプ
（図示せず）に通じる排気口２３ｂが開口した構造にな
り、周知のようにコレット２３をチップ素子１の上に降
ろして重ね合わせ、ここで排気口２３ｂを通じて真空背
圧を作用させることにより、チップ素子２の周縁がテー
パ状の吸着面２３ａに接した状態で吸着保持される。

【００１４】ここで、図示実施例の構成では、前記した
テーパ状吸着面２３ａの角錐頂角θが１３０°〜１７０
°，好ましくは１４０°〜１６０°の広角度な範囲に設
定されている。なお、従来の角錐コレットでは角錐頂角
θが一般に９０°〜１２０°である。このように角錐頂
角θを従来の角錐コレットに比べて大きな角度に設定す
ることにより、凹状の吸着面２３ａとここに吸着された
チップ素子２とで囲まれる逃げ空間の容積が小さくな
り、その分だけチップ吸着時に逃げ空間からの排気空気
流の流速が速くなってチップ素子２の上面側に大きな負
圧が作用し（ベルヌーイの法則）、その結果としてチッ
プ素子２をコレット２３に引き寄せる吸引力が増して確
実に吸着されるようになる。しかも、前記の角錐頂角θ
を拡大したことで、チップ素子２の吸着姿勢の乱れ，ば
らつきも少な、水平姿勢に安定よく吸着できることが実
機テストの結果からも確認されている。

【００１５】また、図９は図１のチップ用ローダ１３に
装備したチップアライメント用アンビルの詳細構造を示
すものである。ここで、アンビル１８は上面を平坦面と
した可動ブロックとしてなり、その上面がシリンダブロ
ックの基台１８ａから上方に突き出るように上下スライ
ド可能に組み込まれており、かつ緩衝ばねとして機能す
るスプリング１８ｂで上方に付勢されている。なお、１
８ｃはアンビル１８を基準のチップ搭載レベルに待機保
持させるように上方から押さえ込むストッパ部材であ
る。

【００１６】かかる構成おいて、アンビル１８の上に供
給したチップ素子２をチャッキングするように、コレッ
ト２３が上方から下降移動してチップ素子２の上に重な
ると、これに従動してアンビル１８がシリンダブロック
１８ａの中に後退してチップ素子２に作用する押圧荷重
を吸収，緩和する。これにより、チップ素子２がコレッ
ト２３からの押圧荷重で不測に破損するおそれがなくな
る。なお、図示例ではアンビル１８のダンパ手段として
スプリング１８ｂを用いているが、このスプリングの代
わりに金属ダイアフラムなどのダンパ、あるいはガス圧
を利用することもできる。

【００１７】また、アンビル１８の上面側の周囲四辺に
は、アンビル上に供給されたチップ素子２を外側方から
中央に押し込んで所定の受け渡し位置に追い込む位置決
め手段として、Ｘ軸，Ｙ軸方向にそれぞれ図示されてな
いシリンダの操作で同期して前進，後退移動する合計４
本のプッシャ爪１８ｄを備えている。ここで、チップの
位置決め動作に際してプッシャ爪１８ｄを必要なストロ
ーク以上に前進移動させると、左右，ないし前後から移
動して来るプッシャ爪の間に挟まれたチップ素子２に側
方から過大な荷重が加わり、そのためにチップが湾曲状
に反って破損するおそれがある。そこで、図示実施例で
はプッシャ爪１８ｄに前進移動の範囲を規制するストッ
パ手段として、プッシャ爪１８ｄに段付き状のストッパ
部１８ｅを形成しておき、チップ位置決め動作時の前進
行程で前記ストッパ部１８ｅをアンビル１８の側縁に突
き当て、それ以上の前進を規制してチップ素子２に過大
な荷重が加わるのを回避するようにしている。なお、プ
ッシャ爪１８ｅは、チップ素子２を定位置に位置決めし
た後に待機位置に向けて後退する。

【００１８】また、先述のように真空チャック１２ｂに
はヒータを装備し、分岐チャンバー１０の入口端でチッ
プ搬送機構１２に受け渡したチップ素子２を次の予備は
んだ付け部１１へ移送する間に加熱（加熱温度：３５０
℃以上）するようにしている。このために、チップ搬送
機構１２の駆動系がヒータ加熱の影響を受けて熱膨張し
てＺ軸（昇降方向）方向に寸法変化が生じ、このことが
原因でチップ素子２をチャッキング，リリースする際の
位置決め精度がばらつくようになる。

【００１９】そこで、この問題に対処するために、本発
明においては、チップ搬送機構１２の移動経路にセンシ
ングポジションを設定し、この位置でチャック１２ｂの
チップ保持面のレベル（Ｚ軸位置）を計測し、この計測
信号を昇降ユニット１２ａの駆動制御系にフィードバッ
クしてＺ軸方向の位置決め精度を高めるようにしてい
る。

【００２０】次に、先記したチップ搬送機構１２の真空
チャック１２ｂに採用する角錐コレット２３（図８参
照）について、そのチップ吸着面２３ａの創成，加工性
の面で構造を改良した角錐コレットの実施例を図１０に
示す。すなわち、図８に示した角錐コレットを製作する
従来の加工法では、角錐状のチップ吸着面２３ａを放電
加工による電極形状の転写で形成し、ダイヤモンド砥石
でラッピングして表面仕上げを行う加工法が一般的であ
った。これは、チップ吸着面２３ａが角錐状の凹面であ
ることから、仮にチップ吸着面の切削，研磨に回転工具
を使用すると、四面からなるチップ吸着面の稜線部（コ
ーナー）では工具の逃げ場がなく、他の吸着面に工具が
干渉してしまって加工不能となるためである。また、放
電加工法では十分に高い加工精度を得ることが困難であ
る。

【００２１】そこで、発明者等は角錐コレット２３を図
１０のような構造に改良し、精密加工機械の回転工具を
用いてテーパ状のチップ吸着面を高精度に切削，研磨加
工でき、併せて当該コレットでチップ素子をチャッキン
グした際にチップ素子とコレットとの間の向きに多少の
ずれがあっても、過大な応力がチップの角部に集中する
ことがないようにした。すなわち、図１０の構造におい
ては、テーパ状のチップ吸着面２３ａがコレット２３の
周囲四辺に沿って或る幅に形成されており、その内周側
は平坦面としてその中心に排気口２３ｂを開口してい
る。さらに、コレット２３の四隅にはチップ吸着面２３
ａから一段奥に引っ込んだ方形状の平坦な逃げ面２３ｃ
が形成されている。なお、２３ｄは前記逃げ面２３ｃの
内側コーナー部に捨て加工した孔、２３ｅはチップ吸着
面２３ａと逃げ面２３ｃとの間に境に沿って形成した工
具刃先との干渉を避ける加工逃げ面である。

【００２２】かかる構成により、テーパ状のチップ吸着
面２３ａの切削，研磨加工を精密工作機械の回転工具を
使って他のチップ吸着面との干渉なしに高精度に加工で
きる。図１１はこの加工中の様子を模式的に示すもので
あり、回転工具２４は前記した四隅の逃げ面２３ｃ，２
３ｅにより加工面以外の面域との干渉なしに凹状に傾い
たテーパを有するチップ吸着面２３ａを加工できる。

【００２３】このように精密工作機械を使って角錐コレ
ット２３を加工することで、チップ吸着面の加工精度が
向上してチップ素子の吸着保持動作がより一層安定し、
実際の稼働に際してもチップ素子のチャックミス，リリ
ースミスの発生がなくなってはんだ付け装置の信頼性が
向上する。次に、前記したはんだ付け装置を使って行う
はんだ付け方法を工程別に分けて詳細に説明する。

【００２４】(1) 基板の搬送：先記のように主チャンバ
ー４内で加熱ブロック１６，冷却ブロック１７の間を乗
り継いで基板１を搬送する基板搬送機構を図３(a),(b)
の原理図で説明する。すなわち、各ブロック１６，１７
にはその上面側に位置を揃えて左右一対の凹溝１９が形
成されており、かつブロック間にまたがって前記凹溝１
９には竿状に長い角棒（角棒の厚さは凹溝１９の深さよ
りも小さい）としてなる左右一対の支持棒２０ａが敷設
されており、この支持棒２０ａを駆動部（図示せず）に
連結して基板搬送機構２０を構成している。ここで、支
持棒２０ａは駆動部の操作で、図示のように上昇，前
進，下降，後退を１サイクルとする動作を行い、
左右の支持棒２０ａの上に載置した基板１をブロック間
を乗り継いで矢印Ｐ方向に間欠的に搬送するとともに、
支持棒２０ａの下死点で基板１を加熱ブロック１６，冷
却ブロック１７の上面に載置させるように受け渡す。

【００２５】(2) 予備はんだ付け：図４(a),(b) は図１
における予備はんだ付け部１１の構造を示す。この予備
はんだ付け部１１は、はんだを溶融状態に貯留する溶融
はんだ槽１１ａと、チップ素子２の搬送経路に対向して
その下方に配置した溶融はんだの吐出ヘッダ１１ｂと、
溶融はんだ槽１１ａに貯留した溶融はんだ２１の液面下
から抽出した溶融はんだを前記した吐出ヘッダ１１ｂに
穿孔した細孔の吐出孔１１ｃに定量ずつ送り出すプラン
ジャポンプ１１ｄとから構成されている。なお、吐出ヘ
ッダ１１ｂはセラミックス材料，表面が不働態化された
ステンレス鋼など、溶融はんだとの「濡れ性」が低い
（溶融はんだとの接触角が大）材料で作られている。

【００２６】かかる構成で、チップ素子２の搬送タクト
にタイミングを合わせてプランジャポンプ１１ｄを動作
すると、(a) 図で示すように、酸化されてない定量の溶
融はんだが吐出ヘッダ１１ｂに送り出され、その吐出孔
１１ｃの開口端に表面張力により球状を呈するようには
んだボール２１ａが形成される。ここで、チップ搬送機
構１２の昇降ユニット１２ａを下降して真空チャック１
２ｂに吸着保持したチップ素子２のはんだ付け面をはん
だボール２１ａに接触させ、その後に(b) 図のように上
昇させると、チップ素子２のはんだ付け面と吐出ヘッダ
１１ｂとの「濡れ性」，したがって溶融はんだの付着張
力の差異によりはんだボール２１ａは吐出ヘッダ１１ｂ
からチップ素子側に転着し、そのはんだ付け面に図示の
ように球面状を呈した予備はんだ２２が付着形成され
る。このように、チップ素子２のはんだ付け面に球面状
を呈した予備はんだ２２を形成しておくことにより、は
んだ付け部９で基板１の上面にチップ素子２を重ね合わ
せてはんだマウントする際に、溶融した予備はんだが中
央から基板側のはんだ付け面に押し広がるようになるの
で、はんだ層内へのガスの封じ込めもなく、はんだ付け
欠陥となるボイドの発生率が大幅に改善できる。

【００２７】また、この予備はんだ付け工程は窒素ガス
雰囲気中で行われるので、はんだが酸化されることはな
く、また溶融はんだ槽１１ａに生じたスラグ等は液面上
に浮上しているので、純粋な溶融はんだのみが吐出ヘッ
ダ１１ｂに供給される。 (3) 基板の反り修正：図７のパワートランジスタに採用
するダイレクトボンデッドカッパー基板１は、セラミッ
クス基板１ａに熱膨張率の異なる銅箔１ｂ，１ｃが接合
されており、かつ上面側の銅箔１ｂには回路パターンが
形成されている。このために、図１で述べたように基板
１を主チャンバー４に搬入して加熱昇温させると、熱膨
張率の差から基板が熱変形して基板自身が反るような挙
動を示す。なお、この場合に反り方向，その湾曲の程度
は基板サイズ，回路パターンの形状などにより異なる。
しかも、基板１の予熱，搬送過程でこのような熱変形に
伴う反りが生じると、この反りが垂直方向のバラツキと
なり、次のはんだ付け部９でチップ素子２をはんだマウ
ントする際に、適正なはんだ付けが行えなくなるおそれ
がある。

【００２８】そこで、この基板１の反りを修正するため
に、図１の実施例では主チャンバー４におけるはんだ付
け部９の手前位置に反り修正部１４を備えており、その
構造，動作原理を図５(a),(b) で説明する。すなわち、
図５(a) で示すように、反り修正部１４の位置に対応し
て配置されている加熱ブロック１６の上面には基板１の
外形サイズより一回り小さい所定深さｌの凹段部１４ａ
が形成されており、かつその中央に位置を合わせて昇降
式の加圧ピン１４ｂを上方に配置して反り修正部１４を
構成している。なお、図示は加圧ピン１４ｂで基板１を
上方から下方に押圧している修正動作中の状態を表して
いる。

【００２９】かかる構成で、加熱，搬送過程で加熱変形
した基板１が反り修正部１４の位置に搬送されて来て、
加熱ブロック１６の上に載置されると、基板１ははんだ
付け温度と同じ温度まで加熱昇温される。さらに、図５
(b) の原理図で表すように、上向きに反った基板１（実
腺）の上面中央部に加圧ピン１４ｂを当てがい、荷重Ｆ
を加えながら加圧ピン１４ｂを下降操作して基板１の中
央下面が加熱ブロック側に形成した凹段部１４ａの底面
に着地するまでレベルＬ1 からレベルＬ2 の間で垂直距
離Δｈ1 だけ下向きに押圧し、基板１を強制的に凸状か
ら凹状に反った状態（点線）に塑性変形させる（行程
）。次いで、加圧ピン１４ｂを上昇後退させて基板１
の荷重を解除すると、基板１は弾性により鎖線で示す位
置まで垂直距離Δｈ2 だけ戻り、ほぼ平坦な状態に自己
復元する（行程）。

【００３０】特に、基板１をはんだ付け温度まで加熱す
ると、銅の再結晶温度に比較的近くなって基板の塑性変
形量も大きくなるので、上記した基板の反り修正が効果
的に行える。 (4) はんだ付け部における基板はんだ付け面の垂直位置
の検知：前項(3) で述べたように基板１は温度上昇によ
り変形し、そのはんだ付け面の高さ位置に局部的なバラ
ツキが生じるようになる。この熱変形は前記した反り修
正工程で大半は修正されるが、それでも基板上の各チッ
プ搭載部の相互間には多少のバラツキは残る。そのため
に、はんだ付け部９でチップ素子２をマウントする際
に、チップ素子を保持したチップ搬送機構１２の下降移
動量を一義的に設定したとすると、チップをはんだマウ
ントした状態でのはんだ層厚さにバラツキが生じて各チ
ップ素子２と基板１との間の伝熱抵抗が変わってしま
う。

【００３１】そこで、本発明の実施例では、図１で述べ
たようにはんだ付け部に位置センサ部１５を備え、ここ
には図６の模式図で示すようにはんだ付け部に対応位置
する加熱ブロック１６の上方に高さ位置検知用のプロー
ブ１５ａを配し、このプローブ１５ａを加熱ブロック１
６の上に載置された基板１の上面をなぞるように走査
し、チップ素子などを搭載する地点Ｐ1,Ｐ2,Ｐ3 の高さ
を計測する。なお、図示例では、プローブ１５ａを地点
Ｐ1 で基準点Ｓ0 から下降操作してプローブの先端が基
板１に接触するまでの高さＳ1 を計測し、続いてプロー
ブ１５ａを横方向に走査してＰ2,Ｐ3 地点における高さ
Ｓ2,Ｓ3 を地点Ｐ1 の高さＳ1 との距離差として検出す
る。

【００３２】そして、図１で述べたようにはんだ付け部
９に搬入した予備はんだ済みのチップ素子２を上方から
下降して基板１のチップ搭載部にマウントする際には、
前記したプローブの走査で求めた高さ位置の計測値を基
に、チップ素子を保持したチップ搬送機構１２のトラベ
ル距離（下降移動量）を精密にフィードバック制御す
る。これにより、基板１にはんだマウントされた各チッ
プ素子２のはんだ層３（図７参照）を均一な厚さに揃え
た質の高いはんだ付けが達成される。

【００３３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の請求項１な
いし１６に記載したはんだ付け方法，および装置によれ
ば、従来実施されているはんだ付け方式と比べて次記の
効果を奏する。 (1) 基板，チップ素子の供給から、加熱−予備はんだ付
け−はんだマウント−冷却の工程を経て製品を取り出す
までの各工程を全自動で行うことができ、従来の人手作
業に頼っていたはんだ付け方式と比べて高い生産性，製
造歩留りとともに、大幅な省人力化が図れる。

【００３４】(2) 従来の輻射加熱方式と比べて基板，チ
ップ素子に加わる熱ストレスが小さく、かつ１パスの熱
履歴ではんだ付けを行うことができ、しかもはんだ接合
層に生じるボイド発生率も大幅に減少するなど、質の高
いはんだ付けを安定，かつ再現性よく実現でき、加熱に
敏感なシリコンチップ素子の特性劣化防止と併せて半導
体装置の信頼性が向上する。

【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
だ付け装置の全体構成を略示的に示す平面配置図

【図２】図１における主チャンバー内部の構成図であ
り、(a) はチャンバーの長手方向に沿った断面図、(b)
はその温度分布図

【図３】図１の装置に組み込んだ基板搬送機構の構成原
理図であり、(a) は側面図、(b) は正面図

【図４】図１における予備はんだ付け部の構成図であ
り、(a) は予備はんだ付けの前半工程の状態図、(b) は
チップ素子に予備はんだが転着した後半工程の状態図

【図５】図１における基板の反り修正部の構成，動作原
理の説明図であり、(a) は構成図、(b) は反り修正動作
を模式的に表した説明図

【図６】図１におけるはんだ付け部に配した基板位置セ
ンサ部の構成，動作を模式的に表した説明図

【図７】本発明の実施対象となるパワートランジスタの
組立構造図

【図８】図２のチップ搬送機構に装備した本発明の実施
例によるチップ素子吸着用の角錐コレット詳細構造であ
り、(a) はコレット先端部の断面図、(b) はチップ吸着
面の平面図

【図９】図１のチップ用ローダに装備したチップアライ
メント用アンビルの詳細構造を示す断面図

【図１０】図８と異なる角錐コレットの実施例の構成図
であり、(a) はチップ吸着面の平面図、(b) は(a) 図の
矢視Ａ−Ａ断面図

【図１１】図１０におけるチップ吸着面の機械加工の状
態を模式的に表した図

【符号の説明】

１ ダイレクトボンデッドカッパー基板（回路基板） ２ チップ素子 ３ はんだ層 ４ 主チャンバー ７ 基板用ローダ ８ アンローダ ９ はんだ付け部 １０ 分岐チャンバー １１ 予備はんだ付け部 １１ａ 溶融はんだ槽 １１ｂ 溶融はんだの吐出ヘッダ １１ｃ はんだ吐出孔 １１ｄ プランジャポンプ １２ チップ搬送機構 １２ａ 真空チャック １３ チップ用ローダ １４ 反り修正部 １４ａ 凹段部 １４ｂ 加圧ピン １５ａ 位置センサ部 １５ａ 高い位置検出用プローブ １６ 加熱ブロック １７ 冷却ブロック １８ チップアライメント用アンビル １８ｂ スプリング（ダンパ手段） １８ｄ プッシャ爪 １８ｅ ストッパ部 １９ ブロックの凹溝 ２０ 基板搬送機構 ２０ａ 支持棒 ２１ はんだボール ２２ 予備はんだ ２３ 角錐コレット ２３ａ チップ吸着面 ２３ｂ 排気口 ２３ｃ 方形状逃げ面 θ チップ吸着面の頂角

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 空本 高寧 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (72)発明者 柳沢 丈志 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (72)発明者 藤高 久士 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (72)発明者 大川 澄人 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】チップ素子を回路基板の導体箔パターン上
   にはんだマウントするための電子部品のはんだ付け方法
   であって、還元性，ないしは低酸素濃度の雰囲気に保た
   れたはんだ付け炉としてのトンネル状チャンバーに対
   し、はんだ付け面を上に向けて入口から供給した基板を
   チャンバー内の中央に設定したはんだ付け部へ搬送する
   経路途上ではんだ付け温度まで加熱し、一方、チップ素
   子については不酸化性雰囲気内ではんだ付け面を下に向
   けて予備はんだを施した上で、該チップ素子を前記チャ
   ンバー内のはんだ付け部に送り込み、ここでチップ素子
   を上方から基板上の所定位置に下降させて重ね合わせ、
   かつ再溶融した予備はんだを接合面域に押し広げてはん
   だマウントした後、チャンバーの出口へ搬送する経路途
   上で基板を冷却してはんだを凝固させるようにしたこと
   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、
   チャンバーの入口からはんだ付け部に至る基板搬送経路
   の途上で、基板をはんだ付け温度と同等な温度に加熱し
   た状態で基板の熱変形による反りを加圧修正する反り修
   正工程を付加した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２記載のはんだ付け方法において、
   反り修正工程では、基板に対し上方から垂直方向に加圧
   荷重を加えて凹状に反るよう変形させた後、加圧荷重を
   解除して基板を平坦に自己復元させ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記載のはんだ付け方法において、
   チップ素子の予備はんだ工程では、予熱したチップ素子
   のはんだ付け面に対向して下方から定量の溶融はんだを
   細孔通路を通じて球状に吐出し、ここでチップ素子のは
   んだ付け面を球状はんだに接触させて溶融はんだを転着
   させることを特徴とする電子部品のはんだ付け方法。
5. 【請求項５】請求項１記載のはんだ付け方法において、
   チャンバー内のはんだ付けの位置でチップ素子をマウン
   トする前に、基板上におけるチップ素子搭載地点の高さ
   レベルを計測し、この計測値を合わせて上方から基板上
   に降ろしてマウントするチップ素子の下降移動距離を制
   御するようにしたことを特徴とする電子部品のはんだ付
   け方法。
6. 【請求項６】請求項１記載のはんだ付け方法において、
   基板上にチップ素子をはんだマウントする際に、基板上
   に重ね合わせたチップ素子をスクラブして溶融はんだを
   基板のはんだ付け面域に広げるようにしたことを特徴と
   する電子部品のはんだ付け方法。
7. 【請求項７】内部を還元性，ないしは低酸素濃度の雰囲
   気に保ったトンネル状の主チャンバーと、該チャンバー
   内に沿ってその入口側とチャンバーの中央箇所に設定し
   たはんだ付け部との間に配列した加熱ブロック，および
   はんだ付け部から出口側までの間に配列した冷却ブロッ
   クと、各加熱ブロック，冷却ブロックの間を順に乗り継
   いで基板をチャンバーの入口側から出口側に向けて間欠
   的に移送する基板搬送機構と、はんだ付け面を上に向け
   て基板を１個ずつチャンバーの入口側に供給する基板用
   ローダと、チャンバーの出口側でチップ素子とはんだ付
   けされた基板を取り出すアンローダと、前記主チャンバ
   ーのはんだ付け部から側方に分岐してその内部を不酸化
   性雰囲気に保つチップ素子搬入用の分岐チャンバーと、
   該分岐チャンバー内の搬送経路途上に配置したチップ素
   子の予備はんだ付け部と、チップ素子を吸着保持する真
   空チャック, および該真空チャックを上下方向に移動操
   作する昇降ユニットを有し、はんだ付け面を下に向けて
   保持したチャック素子を分岐チャンバーの入口側から予
   備んだ付け部を経由して主チャンバーのはんだ付け部へ
   移送するチップ搬送機構と、分岐チャンバーの入口側で
   前記チップ搬送機構にチップ素子を１個ずつ受け渡すチ
   ップ用ローダとを具備して構成したことを特徴とする請
   求項１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。
8. 【請求項８】請求項７記載のはんだ付け装置において、
   基板搬送機構が、チャンバー内に配列した各加熱，冷却
   ブロックの間にまたがって各ブロックの上面に形成した
   凹溝内に敷設した左右一対の支持棒を備え、該支持棒を
   上昇−前進−下降−後退させる動作を１サイクルとして
   基板を各ブロック間に受渡して乗り継ぎ搬送するよう構
   成したことを特徴とする電子部品のはんだ付け装置。
9. 【請求項９】請求項７記載のはんだ付け装置において、
   予備はんだ付け部が、溶融はんだ槽と、チップ素子の搬
   送路に向けて上面に細孔のはんだ吐出口を開口したはん
   だ濡れ性の低い材料からなる溶融はんだの吐出ヘッダ
   と、溶融はんだ槽内の液面下から溶融はんだを定量ずつ
   抽出して吐出ヘッダに送出するポンプを具備し、チップ
   素子のタクト搬送にタイミングを合わせて溶融はんだを
   吐出ヘッドから球状に吐出してチップ素子のはんだ付け
   面に転着させるようにしたことを特徴とする電子部品の
   はんだ付け装置。
10. 【請求項１０】請求項７記載のはんだ付け装置におい
    て、主チャンバー内のはんだ付け部の手前箇所に回路基
    板の熱変形による反りを修正する反り修正手段を配備
    し、かつ該反り修正手段として、当該位置に並ぶ加熱ブ
    ロックの上面に基板の外形サイズより一回り小さな凹段
    部を形成するとともに、その上方に加圧ピンを配備し、
    基板の加熱，搬送の途上で前記加熱ブロック上に載置さ
    れた基板に対して、加圧ピンにより上方から垂直方向に
    加圧荷重を加えて凹状に反るよう変形させた後、加圧荷
    重を解除して基板を平坦に自己復元させることを特徴と
    する電子部品のはんだ付け装置。
11. 【請求項１１】請求項７記載のはんだ付け装置におい
    て、主チャンバー内のはんだ付け位置で加熱ブロック上
    に載置した基板におけるチップ素子搭載部の高さレベル
    を計測する測定手段を備え、この計測値に合わせて上方
    から基板上にチップ素子をマウントする搬送手段の昇降
    ハンドの下降移動距離を制御するようにしたことを特徴
    とする電子部品のはんだ付け装置。
12. 【請求項１２】請求項７記載のはんだ付け装置におい
    て、チップ搬送機構の真空チャックとして、テーパを有
    する四面で凹状のチップ吸着面を形成した角錐コレット
    を採用し、かつそのチップ吸着面の角錐頂角を１３０°
    〜１７０°の範囲に設定したことを特徴とする電子部品
    のはんだ付け装置。
13. 【請求項１３】請求項７記載のはんだ付け装置におい
    て、チップ搬送機構の真空チャックとして、テーパを有
    する四面で凹状のチップ吸着面を形成した角錐コレット
    を採用し、かつそのチップ吸着面の四隅コーナー部分に
    は、チップ素子の角部との干渉を避けるように、平坦面
    を呈する方形状の逃げ面を形成したことを特徴とする電
    子部品のはんだ付け装置。
14. 【請求項１４】請求項７記載のはんだ付け装置におい
    て、チップ搬送機構の昇降ユニットの駆動系に、真空チ
    ャックの加熱に伴う熱膨張で変位するＺ軸方向の位置決
    めを補正する制御手段を備えたことを特徴とする電子部
    品のはんだ付け装置。
15. 【請求項１５】請求項７記載のはんだ付け装置におい
    て、分岐チャンバーの入口側に設置したチップ用ローダ
    に、チップ素子を１個ずつ載置して所定の受け渡し位置
    に保持するチップアライメント用のアンビルを備えると
    とに、該アンビルに対し、チップ搬送機構へのチップ素
    子受け渡し時に真空チャックからチップ素子に加わる押
    圧荷重を吸収するダンパ手段を設けたことを特徴とする
    電子部品のはんだ付け装置。
16. 【請求項１６】請求項１５記載のはんだ付け装置におい
    て、アンビルの周囲四辺に配してアンビルの上面に載置
    したチップ素子を所定の受け渡し位置にアライメントす
    るプッシャ爪に対し、該プッシャ爪の押し込み移動範囲
    を規制するストッパ手段を設けたことを特徴とする電子
    部品のはんだ付け装置。