JPH1131703A

JPH1131703A - 半田接合装置

Info

Publication number: JPH1131703A
Application number: JP18794397A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Tanabe; 慶祐田辺; Toru Sasaki; 徹佐々木
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1997-07-14
Filing date: 1997-07-14
Publication date: 1999-02-02

Abstract

(57)【要約】【課題】簡易な手段を備えることにより、基板上の温
度分布を空間的かつ時間的に均一にするようにした半田
接合装置を提供する。【解決手段】複数個の素子チップをそれぞれ基板の所
定接合面上に半田接合するために、基板の所定接合面に
設けられた半田ランド上に素子チップをそれぞれ配置
し、その基板をヒータ上に載せて加熱して半田接合する
ようにした半田接合装置において、高い熱伝導率の材質
で形成され、基板よりも熱容量が大きく、平面外形が基
板より大きな伝熱板をヒータ上に備える。素子チップを
配置した基板を伝熱板上に載せて加熱することにより、
基板上の温度分布は空間的かつ時間的に均一になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半田接合装置に関
し、更に詳しくは、レーザダイオード等の多数の素子チ
ップを基板全面にわたって半田接合する際、素子チップ
を良好な接合品質で半田接合できるようにした半田接合
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】レーザダイオード等の半導体装置の製造
工程では、基板を直下からヒータで加熱する炉（アロイ
炉とも言われる）を有する半田接合装置を用い、基板の
所定接合面に設けられた半田ランド上に数個から数千個
の素子チップ（例えばＬＤチップ）をそれぞれ配置し、
素子チップを一括して基板に半田接合する。本明細書で
は、ワークとは、複数の素子チップと、素子チップを半
田接合する半田ランドを所定接合面に有し、各半田ラン
ド上に素子チップを載せた基板との集合体をいう。

【０００３】図１４は、従来の半田接合装置のヒータ部
分の展開図である。従来の半田接合装置は、ワーク１０
を載置する上面を有するヒータ１２と、ヒータ１２の下
側にスパイラル状に設けられ、溶融後の半田を冷却する
ガスを吹き出す噴出孔を上側全体にわたって有する冷却
ガス管１４とを備えており、半田接合時での加熱経過時
間とヒータ温度との関係に従って半田接合工程を制御す
るように構成されている。ヒータ１２は、ヘアピン状の
角筒形発熱体を順次連結して平板状に形成したもので、
外見上、金属板を交互に切り込んだ形態のように見え
（図１４参照）、ヒータ端部１３Ａ、Ｂから通電できる
ように銅線に電気接続されている。尚、発熱体の材質
は、通常、比較的電気抵抗の高いステンレス鋼板（例え
ばＳＵＳ３０４）であり、通電により発熱する。ヒータ
１２は、熱伝導率の低い材料からなる支持部材（図示せ
ず）で支えられ、しかも、ヒータ１２と支持部材との接
触面積は、熱を逃がさないように極力小さくされてい
る。

【０００４】従来の半田接合装置を用いてワーク１０に
半田接合を行うには、ヒータ１２の上面にワーク１０を
載せて加熱することにより行う。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述の半田
接合では、基板全面にわたり形成されている多数の半田
ランドが、２００℃±１０℃の許容温度範囲内で、しか
も、数秒以内で加熱、冷却される必要があり、このよう
な温度条件及び管理をすることが重要である。しかし、
上述した従来の半田接合装置には以下の問題があった。
第１には、基板全面にわたり良好な半田接合を行うよう
に温度制御することが難しく、そのため、或る所では温
度上昇が不足して半田の溶融が充分でなく、また、或る
所では、温度が上昇し過ぎて素子チップに影響を与える
ことである。第２には、難しい温度制御を行うために、
半田接合装置のヒータを頻繁にメンテナンスする必要が
あることである。

【０００６】以上のような事情に照らして、本発明の目
的は、簡易な手段を備えることにより、基板上の温度分
布を空間的かつ時間的に均一にするようにした半田接合
装置を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者は、第１の問題
が生じる原因について検討し、以下のことを見い出し
た。基板を載せるヒータ上面の形状は、ヘアピンの連な
った形状なので、一平面にすることが困難であり、この
ため、基板を載置すると、ヒータと基板との間にギャッ
プが生じ、基板の温度分布が面内で大きくばらつく。特
に、ヒータのコーナ部の温度が直線部の温度に比べて大
きく異なる。また、ヒータは、ヘアピン状の角筒形発熱
体を順次連結して平板状に形成したものなので、ヘアピ
ン間で発熱体が開くように離隔しており、このように離
隔した所の上側の基板領域と、発熱体の直上の基板領域
との温度差が大きい。本発明者は、以上のことにより第
１の問題が生じているを突き止め、また、第２の問題
は、第１の問題の解決により改善できると考え、鋭意検
討の結果、本発明を完成するに至った。

【０００８】上記目的を達成するために、本発明に係る
半田接合装置は、複数個の素子チップをそれぞれ基板の
所定接合面上に半田接合するために、基板の所定接合面
に設けられた半田ランド上に素子チップをそれぞれ配置
し、その基板をヒータ上に載せて加熱して半田接合する
ようにした半田接合装置において、高い熱伝導率の材質
で形成され、基板より熱容量が大きく、平面外形が基板
より大きな伝熱板をヒータ上に備え、素子チップを配置
した基板を伝熱板上に載せて加熱するようにしたことを
特徴としている。

【０００９】伝熱板の材質は、例えばアルミニウムや銅
などの金属である。半田接合時の基板の温度は、通常、
２００℃以上であり、基板をその温度に維持する時間
は、通常、数秒から数十秒程度である。本発明に係る半
田接合装置を用いることにより、ヒータ上面に凸部が形
成されていても、伝熱板の熱容量が基板よりも大きいた
め、従来に比べ、基板を全面にわたり時間的、空間的に
均一に加熱することができる。

【００１０】好適には、伝熱板は、厚さが２〜３mmであ
って、その周囲がヒータに設けられた位置決めストッパ
で固定されている。本発明の好適な実施態様は、半田接
合装置に設けられた制御装置が、伝熱板の伝熱効果を反
映して予め設定されたヒータ温度と加熱経過時間との相
関関係に基づいて半田接合工程を制御するようにされて
いる。これにより、許容温度範囲を上回るオーバーシュ
ートや下回るアンダーシュートが、半田接合時の基板温
度−加熱経過時間の相関関係を示す曲線（以下、温度プ
ロファイルと言う）に生じることは、極力抑えられる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下に、実施形態例を挙げ、添付
図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつより
詳細に説明する。実施形態例本実施形態例は、本発明の好適な一実施形態例である。
図１（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、本実施形態例の半
田接合装置２０（以下、アロイ炉２０と言う）の正面図
及び側面図である。本実施形態例では、従来と同じもの
には同じ符号を付してその説明を省略する。本実施形態
例のアロイ炉２０は、ワーク１０を熱処理する炉本体２
１と、炉本体２１の正面に、作業者への安全のために設
けられた開閉扉２２と、アロイ炉２０の操作を行う操作
パネル２６を正面に有し、ヒータ１２の温度をフィード
バック制御する制御装置２３と、開閉扉２２及び制御装
置２３を載せて保持している載置台２４とを備えてい
る。

【００１２】図２は、炉本体２１の構成を示す正面部分
断面図である。炉本体２１は、短円筒状のチャンバ３０
内にヒータ１２と、冷却ガス管１４と、半田接合する際
にヒータ１２の上に載せられるトレイ状の熱拡散板３２
と、ヒータ１２のやや上方に着脱自在な整流板３１と、
チャンバ３０内にガスを送風して充満させるノズル状の
ガス導入口（図６，図７参照）３３と、ガスを排気する
ためのガス排気口（図示せず）とを備えている。ヒータ
１２の下側には、ヒータの温度を計測する熱電対３７が
付けられている。熱拡散板３２は、厚さ２mm〜３mm程度
で、平面外形が基板よりも大きい円板状の平板であっ
て、高い熱伝導率の材質で形成され、ワーク１０の５イ
ンチ径の基板よりも熱容量が大きい。また、炉本体２１
は、チャンバ３０の上壁を構成する炉カバー３６と、炉
カバー３６を上下させてチャンバ３０の開閉するアクチ
ュエータ３８とを有している。炉カバー３６は、炉本体
内部を見ることができるようにガラス窓（図示せず）を
有している。

【００１３】図３は、炉本体２１のヒータ部分の展開図
である。炉本体２１は、更に、熱拡散板３２の位置決め
ストッパとして、熱拡散板３２と同じ径の抜き孔が形成
され、ヒータ１２上に設けられる位置決め板３４を備え
ていてもよい。熱拡散板３２及び位置決め板３４は、ア
ロイ炉２０を使用しないときは、通常、炉本体２１の外
部に取り出されている。

【００１４】また、図４は、アロイ炉２０の制御装置２
３の制御回路３９を示す図である。制御回路３９は、ヒ
ータ１２を加熱するように通電するサイリスタ４０と、
サイリスタ４０を制御する指示調節計４２及び温度調節
機４４とを備えている。熱電対３７からヒータ温度が指
示調節計４２、更に温度調節機４４に伝達され、温度調
節機４４は、ＰＩＤ動作をし、サイリスタ４０の通電電
流を指示調節計４２を介して伝達してサイリスタ４０に
伝達するようにされている。尚、指示調節計４２及び温
度調節機４４は、何れも市販のものである。制御回路３
９は、更に、指示調節計４２及び温度調節機４４を制御
するＣＰＵ４６と、指示調節計４２から信号が伝達さ
れ、ヒータ１２の温度を時間経過を追って出力するペン
レコーダ４８とを備えている。指示調節計４２及び温度
調節機４４は、ＣＰＵ４６からのスタート命令によって
ＰＩＤ制御をするようにコントロールされている。制御
装置２３は、制御回路３９により、熱拡散板３２の伝熱
効果を反映して予め設定されたヒータ温度と加熱経過時
間との相関関係に基づいて半田接合工程を制御するよう
にされている。

【００１５】また、アロイ炉２０は、作業者にＮＧ等の
通報するメロディ出力装置２５及びパトライト２７をそ
れぞれ制御装置２３内及び上に備えている。アロイ炉２
０の正面幅Ｂ₁は１０００mm、側面幅Ｂ₂は９００mm、高
さＨ₁は１９００mmである。載置台２４の正面幅及び側
面幅はアロイ炉２０に同じであり、高さＨ₂は８００mm
である。炉本体２１の正面幅Ｂ₃及び側面幅Ｂ₄は何れも
６００mmであり、高さＨ₃は５５０mmである。制御装置
２３の正面幅Ｂ₅は４００mmであり、側面幅及び高さは
載置台２４と同じある。載置台２４の上面のうち、正面
から奥行きＬ＝３００mmまでは、作業台４９として用い
ることが可能なようにされている。

【００１６】半田接合装置２０を用いてワーク１０に発
光部品としてＬＤチップを半田接合するには、５インチ
のウエハに数千個形成されているベース部１６の上にＬ
Ｄチップ１９を位置決めして仮止めしてワーク１０を形
成する（後述の図８参照）。尚、ベース部１６は柔らか
い金属で形成されているため、ＬＤチップ１９を半田に
上から押圧することにより、少し粘着されて仮止めされ
る。次いで、炉外部に取り出されている熱拡散板３２の
上にワーク１０を載せ、開閉扉２２を開けて熱拡散板３
２及びワーク１０を炉本体２１内に入れてヒータ１２上
に載置し（図５、６参照。尚、図５では、参考のために
位置決め板３４を取り付けた状態を示している）、更
に、その上に整流板３１をセットし（図７参照）、開閉
扉を閉める。次いで、制御回路３９に温度プロファイル
を設定し、操作パネル２２のスタートスイッチ（図示せ
ず）を押してヒータ１２によるワーク１０の加熱、及び
冷却ガス管１４によるワーク１０の冷却を行って半田接
合する。図８は、半田接合されたワーク１０の斜視図で
ある。半田接合されたワーク１０は、その後の工程でベ
ース部単位に裁断される。

【００１７】本実施形態例では、厚さ２mm〜３mmの範囲
内の薄い熱拡散板３２にヒータ１２からの熱が伝熱さ
れ、熱拡散板３２の上面の温度分布は均一になる。従っ
て、熱拡散板３２の上に載置された５インチ径のワーク
１０は、全面にわたり均一な温度処理、すなわち、温度
範囲が２００±１０℃、処理時間が６０秒間の高い精度
で温度処理を行うことができ、半田接合は全面にわたり
均一に行われる。また、熱拡散板３２がトレイ状なの
で、炉本体２１の外部で熱拡散板３２にワーク１０を予
め載せておき、そのまま炉本体２１のヒータ１２上に載
置して半田接合すればよく、従って、ワーク１０の炉本
体２１への搬入出時間を短縮することができ、タクトタ
イムを短縮することができる。

【００１８】実験例本発明者は、上述した実施形態例の温度プロファイルを
制御回路３９に予め設定し、アロイ炉２０上に載置され
た熱拡散板３２の上面、及びヒータ１２の温度Ｔと加熱
経過時間ｔを追って計測した。図９は、本実験例でのヒ
ータ１２及び熱拡散板３２の側面図である。本実験例で
は、熱拡散板３２の上面温度は、中央−周縁部間のう
ち、ヒータ１２の凸部の直上部５２Ａと、直上部５２Ａ
に対称な位置で、熱拡散板３２−ヒータ１２の間に隙間
が形成されている対称部５２Ｂとの２カ所に熱電対５０
Ａ、Ｂを貼り付けて計測し、また、ヒータ１２の温度は
熱電対３７により計測した。計測結果を図１０に示す。
図１０では、実線は熱電対３７、点線は熱電対５０Ａ、
一点鎖線は熱電対５０Ｂから得られたそれぞれの温度プ
ロファイルを示す。図１０に示すように、何れの測定個
所でも温度プロファイルは殆ど重なることが判った。

【００１９】また、本発明者は、熱伝導性の低い熱拡散
板を熱拡散板３２に代えてヒータ１２上に載置し、同様
にして温度計測を行い、従来の半田接合装置（アロイ
炉）で半田接合を行ったときのワーク１０及びヒータ１
２の温度プロファイルを求めることの模擬実験を行っ
た。用いた熱電対及び熱電対の位置は、上記と同じであ
る。計測結果を図１１に示す。熱電対５０Ａの温度プロ
ファイルは、図１１に示すように、熱電対３７よりもや
や遅れており、熱電対５０Ｂの温度プロファイルは、熱
電対５０Ａよりも更に遅れていた。

【００２０】尚、温度プロファイルが、図１２、図１３
に示すような温度プロファイルを制御装置２３に設定
し、本実験例と同様にして実験を行っても同様の結果が
得られる。

【００２１】

【発明の効果】本発明の半田接合装置の構成によれば、
半田接合装置は、高い熱伝導率の材質で形成され、基板
より熱容量が大きく、平面外形が基板より大きな伝熱板
をヒータ上に備えている。これにより、複数個の素子チ
ップを配置した基板を伝熱板上に載せて加熱し、基板上
の温度分布を空間的かつ時間的に均一にすることができ
るので、素子チップを基板全面にわたって半田接合する
際、良好な接合品質で半田接合することができ、製品の
歩留まりが向上する。また、従来のように難しい温度制
御を行う必要がないので、ヒータのメンテナンスを頻繁
に行う必要がなく、従って、メンテナンスを簡素にする
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、本実施形
態例の半田接合装置の正面図及び側面図である。

【図２】実施形態例の半田接合装置の炉本体の正面部分
断面図である。

【図３】実施形態例の炉本体のワークを加熱するヒータ
部分の展開図である。

【図４】実施形態例の半田接合装置の制御回路図であ
る。

【図５】実施形態例でヒータ上にワークを載せた状態を
示す斜視図である。

【図６】実施形態例でヒータ上にワークを載せた状態を
示す平面図である。

【図７】実施形態例でヒータ上にワークを載せ、その上
に整流板をセットした状態を示す平面図である。

【図８】実施形態例での半田接合後のワーク上面の斜視
図である。

【図９】実験例でのヒータ及び熱拡散板の側面図であ
る。

【図１０】実験例で、ヒータ及び熱拡散板の温度と加熱
時間経過との相関関係を示すデータ図である。

【図１１】実験例で、ヒータ及び熱拡散板の温度と加熱
時間経過との相関関係を示すデータ図である。

【図１２】温度プロファイルの一例である。

【図１３】温度プロファイルの一例である。

【図１４】従来の半田接合装置のワークを加熱するヒー
タ部分の展開図である。

【符号の説明】

１０……ワーク、１２……ヒータ、１３Ａ、Ｂ……端
部、１４……冷却ガス管、１６……ベース部、１８……
半田ランド、１９……半導体部品（素子チップ）、２０
……半田接合装置（アロイ炉）、２１……炉本体、２２
……開閉扉、２３……制御装置、２４……載置台、２５
……メロディ出力装置、２６……操作パネル、２７……
パトライト、３０……チャンバ、３１……整流板、３２
……熱拡散板、３３……ガス導入口、３４……位置決め
板、３６……炉カバー、３７……熱電対、３８……アク
チュエータ、３９……制御回路、４０……サイリスタ、
４２……指示調節計、４４……温度調節機、４６……Ｃ
ＰＵ、４８……ペンレコーダ、４９……作業台、５０
Ａ、Ｂ……熱電対、５２Ａ……直上部、５２Ｂ……対称
部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数個の素子チップをそれぞれ基板の所
定接合面上に半田接合するために、基板の所定接合面に
設けられた半田ランド上に素子チップをそれぞれ配置
し、その基板をヒータ上に載せて加熱して半田接合する
ようにした半田接合装置において、高い熱伝導率の材質で形成され、基板より熱容量が大き
く、平面外形が基板より大きな伝熱板をヒータ上に備
え、素子チップを配置した基板を伝熱板上に載せて加熱する
ようにしたことを特徴とする半田接合装置。
【請求項２】伝熱板は、厚さが２〜３mmであって、そ
の周囲がヒータに設けられた位置決めストッパで固定さ
れていることを特徴とする請求項１に記載の半田接合装
置。
【請求項３】半田接合装置に設けられた制御装置は、
伝熱板の伝熱効果を反映して予め設定されたヒータ温度
と加熱経過時間との相関関係に基づいて半田接合工程を
制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の半田
接合装置。