KR102411595B1 - 가열 냉각 기기 - Google Patents

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소지 요코야마
타케시 마츠시타
히로아키 나카하라
마사키 다케우치
다케노리 와다
마사히로 기쿠치
요시오 이가라시
미츠히로 나루세
마사히로 모모세
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후지 덴키 가부시키가이샤
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Abstract

기밀성(氣密性)이 있는 처리실 내에서 가열 및 냉각 처리를 행하는 것이 가능하며, 가열 냉각 효율을 높이는 동시에, 장치의 소형화를 실현할 수 있는 가열 냉각 기기를 제공한다. 가열 냉각 기기(100)는, 기밀성이 있는 처리실(4)과, 피(被)처리 부재(1)를 가열하는 유도 가열 코일(2a)로 이루어지는 유도 가열 장치(2)와, 피처리 부재(1)를 냉각하는 냉각 장치(3)와, 피처리 부재(1)의 온도를 측정하기 위한 온도 센서(5)와, 유도 가열 장치 (2) 및 냉각 장치(3)를 제어하는 제어 장치(6)를 구비한다. 더욱이, 가열 냉각 기기(100)는, 피처리 부재(1)와 냉각 장치(3)의 냉각부(3a) 중 적어도 일방(一方)을 이동시켜서, 피처리 부재(1)와 냉각부(3a) 간의 거리를 변경하는 이동 장치(15)를 설치하였다.

Description

가열 냉각 기기{HEATING AND COOLING DEVICE}
[0001] 본 발명은, 가열 냉각 기기에 관한 것이며, 보다 상세하게는, 예컨대, 반도체 소자를 기판에 납땜하는 데 매우 적합한, 가열 냉각 기기에 관한 것이다.
[0002] 종래의 납땜 장치로서는, 납땜 부재를 컨베이어에 올려놓고, 예비가열 존, 본가열 존, 냉각 존을 차례로 통과시켜 리플로우 처리를 행하는, 연속이송식의 리플로우로(reflow furnace)가 알려져 있다. 일반적으로, 이러한 리플로우로는 대기에 개방되어 있다.
[0003] 그러나, 최근, 전력 변환 용도의 스위칭 디바이스 등으로서 이용되는 파워 반도체 모듈 등에서는, 그 사용 환경 조건이 엄격하여, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등의 반도체 칩, FWD(Free Wheeling Diode) 등의 전자 부품과 절연 기판, 혹은 절연 기판과 베이스 판의 납땜 접합면에 있어서도, 고강도 및 고내열성이 필요해져, 땜납젖음성(solder wettability)은 우수하지만 접합 강도는 충분하다고 할 수 없는 Sn-Ag계의 납땜 재료를 대신하여, 높은 접합 강도를 얻기 쉬운, Sb 농도가 높은 Sn-Sb계의 납땜 재료가 채용되고 있다.
[0004] 그러나, Sb 농도가 높은 Sn-Sb계의 납땜 재료는, Sn-Ag계의 납땜 재료와 비교하면, 피(被)납땜 부재의 표면에 두꺼운 산화막이 형성되기 때문에, 땜납이 젖기 어려운 성질이 있어, 대기에 개방된 리플로우로를 이용하면, 피납땜 부재의 표면 산화막을 충분히 환원시키지 못하여, 납땜 접합면에 보이드(void)가 생기기 쉽다는 문제가 제기되고 있다.
[0005] 특허 문헌 1∼3에는 환원 가스 분위기에서 리플로우 처리하여, 땜납젖음성을 향상시켜, 보이드의 발생을 방지하는 방법이 기재되어 있다.
[0006] 또한, 특허 문헌 4에는, 밀폐 가능한 세로형(縱型)의 프로세스 튜브의 내부 공간을, 본가열 존과, 예비가열 존과, 냉각 존으로 나누어, 피처리물을 탑재한 승강 수단을 승강시키며, 그 승강 수단을, 원하는 처리 시간 조건에 따라, 상기 예비가열 존, 상기 본가열 존 및 상기 냉각 존의 각 영역에서 정지시킴으로써, 땜납 리플로우 처리(solder reflow process)를 피처리물에 행하도록 한 리플로우로가 개시되어 있다.
[0007] 한편, 특허 문헌 5에는, 개폐 가능한 챔버 내에, 적어도 기판을 싣는 부분이 평탄하며 가열 수단을 구비하고 있는 열판을 설치하고, 또한 상기 열판에 밀착될 수 있는 면을 가지는 냉각판을 상기 열판에 대해 진퇴 가능하도록 설치하고, 상기 챔버에 진공 배기 펌프와 카르복실산 증기의 공급원과 비(非)산화성 가스의 공급원을 결합한 것을 특징으로 하는 납땜 장치가 개시되어 있다.
[0008] 일본 특허공개공보 제2010-161207호 일본 특허공개공보 제2008-182120호 일본 특허공개공보 제2009-170705호 일본 특허공개공보 제2002-144076호 일본 특허공개공보 H11-233934호
[0009] 그러나, 특허 문헌 1∼3의 장치에서는, 냉각 장치가 구비되어 있지 않아, 납땜 부재에 대해 가열 후의 냉각은, 자연 냉각으로 하게 되어, 땜납의 응고까지 시간이 걸려, 효율이 나쁘다는 문제가 있었다. 또한, 특허 문헌 4의 장치에서는, 예비가열 존, 본가열 존, 냉각 존의 각 영역의 공간이 필요하여, 장치의 소형화에는 한계가 있었다. 또한, 특허 문헌 5의 장치에서는, 시즈 히터(sheath heater) 등의 가열 장치를 구비하고 있는 열판 상에 납땜 부재를 싣고 접촉식의 열전도에 의해 가열하는 구조로 되어 있어, 시즈 히터로의 통전(通電)을 정지하더라도, 그 열판의 여열(餘熱)에 의해, 냉각판에 의한 냉각 효율이 나빠져 버리는 문제가 있었다.
[0010] 이러한 문제를 감안하여, 본 발명의 목적은, 기밀성(氣密性)이 있는 하나의 처리실 내에서 가열 및 냉각 처리를 행하는 것이 가능한 가열 냉각 기기로서, 가열 냉각 효율을 높이는 동시에, 장치의 소형화를 실현할 수 있는, 가열 냉각 기기를 제공하는 데 있다.
[0011] 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 가열 냉각 기기는, 피(被)처리 부재를 넣었다 뺐다 할 수 있는 개폐 기구를 가지는 기밀성(氣密性)이 있는 처리실과, 상기 피처리 부재를 가열하는, 적어도 1개 또는 복수의 유도 가열 코일로 이루어진 유도 가열 장치와, 상기 피처리 부재를 냉각하는 냉각 장치와, 상기 피처리 부재의 온도를 계측하기 위한 온도 센서와, 상기 온도 센서에 의해 계측한 온도에 근거하여 상기 유도 가열 장치 및 상기 냉각 장치를 제어하는 제어 장치를 구비하며, 상기 피처리 부재 및/또는 상기 냉각 장치의 냉각부를 이동시켜, 상기 피처리 부재와 상기 냉각 장치의 냉각부 간의 거리를 변경하는 이동 장치를 설치한 것을 특징으로 한다.
[0012] 본 발명의 가열 냉각 기기에 의하면, 기밀성이 있는 처리실의 내부에 배치된 피처리 부재를 가열 및 냉각하므로, 예컨대, 환원 가스 분위기하에 있어서의 땜납 리플로우 처리 등에 적합하며, 유도 가열 가능한 부재를 직접 가열하므로, 냉각 장치를 피처리 부재에 접촉 또는 근접시켜서 배치한 경우라 하더라도, 냉각 장치에 영향을 받는 일 없이 가열할 수 있다. 피처리 부재의 온도를 상승(昇溫)시키는 경우는, 이동 장치에 의해 피처리 부재로부터 냉각 장치를 떼어 놓아 냉각 능력을 낮추고, 피처리 부재를 급가열(急加熱)할 수 있다. 또한, 피처리 부재를 일정한 온도로 유지시키는 경우는, 이동 장치에 의해 피처리 부재에 냉각 장치를 근접시켜, 가열과 냉각을 균형되게 함으로써, 피처리 부재의 온도를 높은 정밀도로 제어할 수 있다. 또한, 피처리 부재의 온도를 하강(降溫)시키는 경우는, 이동 장치에 의해 피처리 부재에 냉각 장치를 접촉시켜 급랭(急冷)시킬 수 있다. 이상의 가열 냉각 공정을, 가열 냉각 효율을 높여 처리 시간을 단축시킬 수 있는 동시에, 피처리 부재를 처리실 내에서 수평방향으로 이동시키는 일 없이, 가열 처리와 냉각 처리를 연속하여 실시할 수 있으므로, 장치를 소형화할 수 있다.
[0013] 본 발명의 가열 냉각 기기에 있어서, 상기 유도 가열 코일은, 상기 피처리 부재의 하방(下方)에 배치되며, 상기 냉각부는, 상기 유도 가열 코일과 냉각 기구가 일체화되어 있는 것이 바람직하다.
[0014] 피처리 부재를 냉각하는 냉각 장치의 냉각부는, 유도 가열 코일과 냉각 기구가 일체화된 구조로 함으로써, 처리실 내의 부재 설치 스페이스가 절감되어, 처리실을 소형화할 수 있다.
[0015] 본 발명의 가열 냉각 기기에 있어서, 상기 냉각 기구는, 상기 유도 가열 코일을 중공(中空) 구조로 함으로써, 냉매가 순환 가능한 유로를 형성하고 있는 것이 바람직하다.
[0016] 상기 양태에 의하면, 유도 가열 코일을 중공 구조로 하고 있으므로, 이를 유로로 하여 냉매를 순환시킬 수 있다. 예컨대, 중공 구조에 냉각수를 순환시킴으로써 피처리 부재 및 유도 가열 코일을 효율적으로 냉각할 수 있다.
[0017] 상기 냉각부는 본 발명의 가열 냉각 기기에 있어서, 냉각시에 상기 중공 구조의 유도 가열 코일의 상면(上面)에 접촉하는 냉각판을 구비하는 것이 바람직하다.
[0018] 상기 양태에 의하면, 피처리 부재의 온도를 상승(昇溫)시키는 경우에는, 이동 장치에 의해 냉각판을 피처리 부재로부터 떼어 놓고, 유도 가열 코일에 의해 피처리 부재를 가열할 수 있다. 또한, 피처리 부재의 온도를 하강(降溫)시키는 경우에는, 이동 장치에 의해 피처리 부재를 냉각판에 접촉시킴으로써, 피처리 부재를 급랭시킬 수 있다.
[0019] 본 발명의 가열 냉각 기기에 있어서, 상기 피처리 부재와 상기 유도 가열 코일의 사이에 위치하는 냉각판과, 상기 냉각 기구로서, 상기 냉각판의 하방에 배치되며, 상기 유도 가열 코일이 잠기는 냉매의 유로를 구비하는 것이 바람직하다.
[0020] 상기 양태에 의하면, 유로에 냉매를 순환시킴으로써, 냉각판을 냉각할 수 있다. 이에 의해, 냉각시에는, 냉각된 냉각판에 의해 피처리 부재를 냉각할 수 있다.
[0021] 본 발명의 가열 냉각 기기에 있어서, 상기 냉각판은, 탄화규소, 질화규소 또는 질화알루미늄의 세라믹스로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
[0022] 상기 양태에 의하면, 냉각판 아래에 유도 가열 코일을 배치하더라도 피처리 부재를 가열할 수 있다. 또한, 가열된 피처리 부재를 냉각판에 접촉시켰을 경우, 냉각판과의 열교환에 의해 급속한 냉각이 가능해져, 가열이나 냉각으로 낭비되는 에너지의 손실을 저감시킬 수 있다.
[0023] 본 발명의 가열 냉각 기기에 있어서, 상기 유도 가열 코일의 표면을 덮는, 내열성이 있는 절연성 재료로 형성된 절연 커버를 배치하는 것이 바람직하다.
[0024] 상기 양태에 의하면, 내열성이 있는 절연성 재료(세라믹스나 폴리테트라플루오르에틸렌 수지 등)의 절연 커버에 의해, 유도 가열 코일이 노출되지 않도록 표면을 덮음으로써, 피처리 부재의 가열시에 도전성 분진(粉塵)이나 이물이 유도 가열 코일 상에 퇴적되어, 유도 가열 코일과 단락(短絡)되는 것을 방지할 수 있다. 도전 부재 간에 생기는 방전을 방지할 수 있으므로, 장기간 메인터넌스를 행하지 않더라도 가열 냉각 기기를 안전하게 운전할 수 있다.
[0025] 본 발명의 가열 냉각 기기에 있어서, 상기 냉각부는, 상기 피처리 부재의 하방(下方)에 배치되고, 상기 유도 가열 코일은, 상기 피처리 부재의 상방(上方)에 배치되어 있는 것이 바람직하다.
[0026] 상기 양태에 의하면, 피처리 부재와 유도 가열 코일 간의 거리를, 비접촉이면서도 접근시킬 수 있으므로, 피처리 부재를 효율적으로 가열할 수 있다. 또한, 피처리 부재와 유도 가열 코일과의 사이에 장해물(예컨대, 냉각판)이 존재하지 않기 때문에, 가열 효율은 보다 높아진다.
[0027] 본 발명의 가열 냉각 기기에 있어서, 상기 냉각부는, 상기 피처리 부재의 하방에 배치되고, 상기 유도 가열 코일은, 상기 냉각부의 하방에 배치되도록 해도 된다.
[0028] 이와 같이 구성하면, 높이가 상이한 피처리 부재를 연속하여 처리하는 경우라 하더라도, 피처리 부재와 유도 가열 코일 간의 거리에 대해 높이 조정이 필요 없게 되므로, 작업 효율이 좋아진다.
[0029] 본 발명의 가열 냉각 기기에 있어서, 상기 제어 장치는, 상기 유도 가열 장치에 공급하는 통전 전류와 주파수, 상기 냉각 장치에 공급하는 냉매의 입구 온도와 유량, 상기 피처리 부재와 상기 냉각판 간의 거리를 파라미터로 하여, 상기 유도 가열 코일로부터 전자적(電磁的)으로 차폐(遮蔽)된 온도 센서에 의해 계측한 온도에 근거하여 상기 유도 가열 장치 및 상기 냉각 장치를 제어하는 것이 바람직하다.
[0030] 상기 양태에 의하면, 제어 장치는, 전기신호에 의해 가열, 냉각에 관계하는 파라미터를 높은 정밀도로 제어하여, 유도 가열 장치 및 냉각 장치를 제어할 수 있다. 또한, 온도 센서는, 유도 가열 코일로부터 전자적으로 차폐된 상태로 설치되어 있으므로, 피처리 부재의 온도를 정확하게 측정할 수 있다.
[0031] 본 발명의 가열 냉각 기기에 있어서, 상기 처리실에 접속된 진공 배기 장치와, 환원 가스를 상기 처리실 내로 도입하는 환원 가스 공급 장치와, 불활성 가스를 상기 처리실 내로 도입하는 불활성 가스 공급 장치를 구비하며, 상기 제어 장치는, 상기 진공 배기 장치, 상기 환원 가스 공급 장치 및 상기 불활성 가스 공급 장치를 제어하는 것이 바람직하다.
[0032] 상기 양태에 의하면, 제어 장치는, 진공 배기 장치를 제어하여 처리실을 진공 배기한 후, 환원 가스 공급 장치를 제어하여 환원 가스를 처리실 내로 도입함으로써, 피처리 부재의 표면을 환원할 수 있다. 또한, 제어 장치는, 불활성 가스 공급 장치를 제어하여 불활성 가스를 처리실 내로 도입하여, 환원 가스와 치환하므로, 처리실을 안전하게 대기 개방할 수 있다.
[0033] 본 발명의 가열 냉각 기기에 있어서, 상기 처리실의 내압(內壓)을 계측하는 압력계를 구비하며, 상기 제어 장치는, 상기 진공 배기 장치를 제어하여 상기 처리실 내를 감압하고, 상기 압력계로 계측한 상기 처리실의 내압을 취득하여, 상기 유도 가열 장치에 공급하는 통전 전류와 주파수의 파라미터 값으로부터 상기 내압을 최대 통전 전류로 변환하여 출력 제어하는 것이 바람직하다.
[0034] 상기 양태에 의하면, 제어 장치는, 예컨대, 감압된 처리실의 내압을 압력계로부터 취득해서, 그 내압이나 피처리 부재의 가열 위치를 고려한 연산을 행하여, 처리실 내에서 방전이 생기지 않는 유도 가열 코일의 최대 통전 전류를 즉시 출력할 수 있다. 이에 의해, 처리실 내를 감압하에 제어한 경우에 있어서도 피처리 부재를 가열할 수 있다. 예컨대, 피처리 부재의 땜납 재료를 용융시켰을 때 발생하는 가스를 배출하기 쉬워지므로, 결함이 적어, 납땜의 품질 향상을 도모할 수 있다.
[0035] 본 발명의 가열 냉각 기기에 있어서, 상기 유도 가열 코일은, 중앙에 잘록한 부분을 가지는 세로로 긴 타원 형상을 이루는 1개 또는 복수의 코일로 이루어지며, 상기 피처리 부재에 대해 평행하게 배치되어 있는 것이 바람직하다.
[0036] 상기 양태에 의하면, 이러한 코일의 형상에 의해, 피처리 부재가 재치(載置)되는 트레이의 중앙 부근에 열이 집중하는 것을 방지할 수 있다. 이에 의해, 예컨대, 피처리 부재의 주면(主面)이 직사각형과 같은 형상이라 하더라도, 높은 온도균일성(均熱性)을 얻을 수 있다.
[0037] 본 발명의 가열 냉각 기기에 있어서, 상기 유도 가열 장치 및 상기 냉각 장치를 1개의 처리실에 2세트 이상 배치하는 것이 바람직하다.
[0038] 상기 양태에 의하면, 유도 가열 코일과 냉각부 이외의 부분은 모두 공유화(共有化)할 수 있다. 또한, 종래의 2배 이상의 가열 냉각부를 수납함으로써, 2배 이상의 피처리 부재의 가열, 냉각 처리를 한 번에 실시할 수 있으므로, 대폭적인 비용 절감과 처리 성능 향상을 기대할 수 있다.
[0039] 본 발명의 가열 냉각 기기에 있어서, 상기 피처리 부재가 재치되어 있는 트레이를 상기 냉각부에 접촉시켜서 냉각하는, 상기 트레이를 상기 냉각부에 꽉 누르는 프레스부(pressing unit)를 구비하는 것이 바람직하다.
[0040] 상기 양태에 의하면, 피처리 부재가 재치되어 있는 트레이를 냉각부에 접촉시켜서 냉각할 때, 프레스부에 의해 트레이를 냉각부에 꽉 누른다. 이에 의해, 트레이와 냉각부의 접촉 면적을 크게 할 수 있어, 냉각 효율을 높일 수 있다.
[0041] 본 발명의 가열 냉각 기기에 의하면, 이동 장치에 의해, 피처리 부재와 냉각 장치의 냉각부의 일방 또는 양방을 이동시킴으로써 피처리 부재의 가열 및 냉각을 효율적으로 행할 수 있다.
[0042] 도 1은, 본 발명의 가열 냉각 기기의 하나의 실시형태에 따른 개략적인 구성도이다.
도 2는, 본 발명의 가열 냉각 기기에 이용되는 유도 가열 코일의 예를 나타낸 평면도이다.
도 3은, 본 발명의 가열 냉각 기기에 이용되는 표주박 타입의 유도 가열 코일에 따른 개략적인 구성도이다.
도 4는, 본 발명의 가열 냉각 기기의 다른 실시형태(중공 구조의 유도 가열 코일)에 따른 개략적인 구성도이다.
도 5는, 본 발명의 가열 냉각 기기의 다른 실시형태(중공 구조의 유도 가열 코일과 냉각판)에 따른 개략적인 구성도이다.
도 6은, 본 발명의 가열 냉각 기기의 다른 실시형태(2세트를 수용 가능한 처리실)에 따른 개략적인 구성도이다.
도 7은, 본 발명의 가열 냉각 기기의 다른 실시형태(비접촉식의 유도 가열 코일이 처리실의 상면 부근)에 따른 개략적인 구성도이다.
도 8은, 본 발명의 가열 냉각 기기의 다른 실시형태(비접촉식의 유도 가열 코일이 처리실의 바닥면(底面) 부근)에 따른 개략적인 구성도이다.
도 9는, 본 발명의 가열 냉각 기기의 다른 실시형태(냉매 용기 내에 유도 가열 코일 배치)에 따른 개략적인 구성도이다.
도 10은, 본 발명의 가열 냉각 기기의 다른 실시형태(유도 가열 코일용의 절연 커버)에 따른 개략적인 구성도이다.
도 11은, 본 발명의 가열 냉각 기기의 다른 실시형태(트레이 프레스 기구와 압력계)에 따른 개략적인 구성도이다.
[0043] 이하에서는, 도 1을 참조하여, 본 발명에 의한 가열 냉각 기기의 하나의 실시형태에 대해 설명한다.
[0044] 도 1에는, 가열 냉각 기기(100)의 개략적인 구성도가 도시되어 있다. 가열 냉각 기기(100)는, 피처리 부재(1)를 넣었다 뺐다 할 수 있는 개폐 기구를 가지는 기밀성이 있는 처리실(4)과, 피처리 부재(1)의 하방에 배치된 냉각 장치(3)의 냉각부(3a)와, 냉각부(3a)의 하방에 배치된 유도 가열 장치(2)의 유도 가열 코일(2a)과, 피처리 부재(1)와 냉각부(3a) 사이의 거리를 변경하기 위한 이동 장치(15)와, 피처리 부재(1)의 온도를 계측하기 위한 온도 센서(5)와, 계측한 온도에 근거하여 유도 가열 장치(2) 및 냉각 장치(3)를 제어하는 제어 장치(6)와, 제어 장치(6)에 신호를 입력하기 위한 입력 장치(7)를 구비하고 있다.
[0045] 본 발명에 있어서는, 피처리 부재(1)에 대해 유도 가열 코일(2a)과 냉각부(3a)가 세로로 배치되어 있으므로, 종래의 가열부와 냉각부가 가로로 배치되어 있는 경우에 비해, 장치를 대폭적으로 소형화할 수 있다.
[0046] 이하에서는, 각부의 구성에 대해 상세히 설명한다.
[0047] 처리실(4)은, 덮개부(4a)와 바닥부(底部; 4b)로 구성되는 기밀실(氣密室)이며, 덮개부(4a)는, 개폐 장치(8)로부터 연장되어 나온 샤프트(9)에 지지되고, 샤프트(9)와 함께 도 1 중의 화살표로 나타낸 바와 같이 승강 동작하여, 바닥부(4b)에 대해 개폐 가능하도록 되어 있다. 덮개부(4a)의 상면의 내측에는, 피처리 부재(1)로부터 방사되는 적외선 복사(輻射)를 반사시켜 피처리 부재(1)에 재입사시키기 위한 차열(遮熱) 커버(10a, 10b)를 부착시킬 수 있다. 여기서, 차열 커버(10a, 10b)는, 유도 가열 장치(2)에 의한 가열을 방해하지 않는 구조로 되어 있다. 한편, 처리실(4)에는 진공 배기 장치(11)가 접속되어 있어, 처리실(4)을 진공 배기할 수 있다. 또한, 처리실(4)에는 환원 가스 공급 장치(12)와, 불활성 가스 공급 장치(13)가 접속되어 있어, 처리실(4)에 환원 가스, 또는 불활성 가스를 공급할 수 있다.
[0048] 유도 가열 장치(2)는, 유도 가열 코일(2a)과 전원(2b)으로 구성되어 있다. 유도 가열은, 유도 가열 코일(2a)에 교류 전류를 통전시켜, 그 자속(磁束) 변화에 의해, 피처리 부재(1)의 도전(導電) 부분에 와전류(渦電流)를 발생시키고, 와전류에 의한 줄 발열(Joule Heating)에 의해 피처리 부재(1)를 가열하는 방법으로서, 다른 비접촉식의 가열 장치에 비하면 구조가 간단하여, 소형화할 수 있으며, 처리실(4) 내에 설치할 수도 있다. 또한, 소모 부분도 없기 때문에, 메인터넌스가 불필요하며, 연속 운전에 적합하다.
[0049] 단, 피처리 부재(1)가, 비자성 재료이며 전기 저항이 낮은 금속, 예컨대 구리(銅)로 구성되어 있는 경우는, 직접 유도 가열하는 것이 어렵기 때문에, 유도 가열되기 쉬운 재료로 구성된 피가열 부재 상에 재치하고, 유도 가열 코일(2a)에 의해 피가열 부재를 유도 가열하여, 가열된 피가열 부재로부터의 열전도에 의해 간접적으로 피처리 부재(1)를 가열할 수 있다. 피가열 부재로 만들어진 트레이(1d)는, 전기 저항이 높은 금속 또는 탄소(carbon) 등으로 구성되는 것이 바람직하며, 형상은 특별히 한정되지 않는다. 참고로, 피가열 부재는, 반드시 전용 부재를 준비할 필요는 없으며, 트레이(1d)를 탄소 등으로 구성하여 동일한 효과를 얻을 수 있다.
[0050] 유도 가열 코일(2a)의 형상은, 특별히 한정되지 않으며, 예컨대, 도선(導線)을 감아 중앙에 빈 곳(空所)을 가지는 주면의 외형이 원형 또는 세로로 긴 타원형의 평판, 혹은 주면의 외형이 중앙에 잘록한 부분을 가지는 표주박형의 평판인 것을 이용할 수 있다.
[0051] 냉각 장치(3)는, 냉각부(3a)와, 열교환기(3b)와, 냉각부(3a) 및 열교환기(3b)를 환형(環狀)으로 접속하는 냉매 배관(3c)과, 냉매 배관(3c) 내의 냉매를 냉각부(3a)와 열교환기(3b) 사이에서 순환시키는 순환 펌프(3d)와, 상기 냉각부에 순환시키는 냉매의 유량을 조절하기 위한 유량 조절 밸브(3e)로 구성되어 있다. 이 중, 열교환기(3b), 순환 펌프(3d), 유량 조절 밸브(3e)는, 처리실(4)의 외부에 설치되어 있으며, 열교환기(3b)에는, 도시되지 않은 배관을 통해, 냉매 배관(3c) 내를 흐르는 냉매와 열교환하여 냉매를 냉각시키기 위한 유체가 흐르도록 되어 있다.
[0052] 냉각 장치(3)의 운전 방법은, 특별히 한정되지 않지만, 예컨대, 순환 펌프(3d)를 상시(常時) 운전하고, 냉각부(3a)로의 냉매의 유통은 유량 조절 밸브(3e)에 의해 차단하거나 또는 유량을 조절할 수 있다. 구체적으로는, 피처리 부재(1)의 가열시에는, 냉각부(3a)로의 냉매 순환을 정지시킬 수 있다. 피처리 부재(1)의 온도를 일정하게 유지하고 있는 기간에는, 유도 가열 코일(2a)을 흐르는 교류 전력의 전류량 및/또는 그 주파수와 함께, 유량 조절 밸브(3e)에 의해 냉매의 유량을 조정할 수 있다. 피처리 부재(1)를 냉각할 때에는, 유도 가열 코일(2a)로의 전력 공급을 정지시키고, 유량 조절 밸브(3e)를 크게 열어 냉각부(3a)로의 냉매 순환량을 늘려서, 피처리 부재(1)를 급랭시킬 수 있다.
[0053] 냉각부(3a)는, 예컨대, 처리실(4) 내의 바닥부(4b) 상에 설치된, 냉매 순환 유로를 구비하는 판(板) 형상의 부재로 구성할 수 있다. 냉각부(3a)의 재질은, 특별히 한정되지 않으며, 내열성이 있고, 열전도가 우수한 것이 바람직하다. 또한, 비접촉 가열 장치가 유도 가열 장치인 경우, 냉각부(3a)는, 유도 가열되지 않도록, 자속을 투과시키는 절연체인 것이 바람직하다. 구체적으로는 탄화규소, 세라믹스, 석영 유리 등을 사용할 수 있으며, 탄화규소는 열전도율이 높기 때문에 특히 바람직하다.
[0054] 또한, 유도 가열 코일(2a)을 중공 파이프로 구성하고, 냉매 배관(3c)을 순환 펌프(3d)의 토출(吐出)측에서 유량 조절 밸브(3e)의 앞쪽으로부터 분기(分岐)시켜, 유도 가열 코일(2a)에 냉매를 유통시킴으로써, 유도 가열 코일(2a)을 냉각할 수 있다.
[0055] 이동 장치(15)는, 피처리 부재(1)를 지지하는 프레임(15a)과, 프레임(15a)을 승강시키기 위한 복수 개의 승강 샤프트(15b)와, 승강 샤프트(15b)가 부착되어 있는 승강 베이스(15c)와, 승강 베이스(15c)를 구동하기 위한 승강 액추에이터(15d)로 이루어지며, 피처리 부재(1)를 상하방향으로 이동시켜서, 피처리 부재(1)와 냉각부(3a) 간의 거리를 변경할 수 있다. 승강 액추에이터(15d)를 수축시키면, 승강 베이스(15c)가 상승하고, 승강 샤프트(15b)의 선단(先端)에 부착되어 있는 프레임(15a)에 지지되어 있는 피처리 부재(1)가 상승하여, 냉각부(3a)로부터 이격(離間)된다. 반대로, 승강 액추에이터(15d)를 연신(延伸)시키면, 승강 베이스(15c)가 하강하고, 승강 샤프트(15b)의 선단에 부착되어 있는 프레임(15a)에 지지되어 있는 피처리 부재(1)가 하강하여, 냉각부(3a)에 접촉한다. 피처리 부재(1)의 온도를 상승시키는 경우는, 피처리 부재(1)를 냉각부(3a)로부터 이격시켜 급가열할 수 있다. 또한, 피처리 부재를 일정한 온도로 유지시키는 경우는, 피처리 부재(1)에 냉각부(3a)를 근접시켜서, 가열과 냉각을 균형되게 함으로써, 피처리 부재(1)의 온도를 높은 정밀도로 제어할 수 있다. 또한, 피처리 부재(1)의 온도를 하강시키는 경우는, 피처리 부재(1)에 냉각부(3a)를 접촉시켜서 급랭시킬 수 있다.
[0056] 참고로, 이동 장치(15)는, 피처리 부재(1)의 위치를 변경하지 않고, 냉각부(3a)를 이동시켜, 피처리 부재(1)와 냉각부(3a) 간의 거리를 변경하는 장치여도 된다.
[0057] 온도 센서(5)는, 특별히 한정되지 않으며, 예컨대, 열전쌍, 적외선 방사 온도계 등을 이용할 수 있다. 단, 온도 센서(5)가 유도 가열의 영향을 받지 않는 센서이거나, 직접적으로 유도 가열되지 않도록 전자적으로 차폐된 구조로 되어 있는 것이 바람직하다. 이들 중, 적외선 방사 온도계는, 유도 가열의 영향을 받지 않는 온도 센서이다. 온도 센서(5)가 열전쌍인 경우는, 심선(芯線) 부분이 직접적으로 유도 가열되지 않도록, 시스(sheath)로 피복되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 온도 센서(5)의 선단부(先端部) 부근이 냉각부(3a)에 접촉되어 있으면, 온도가 낮은 냉각부(3a)의 영향을 받으므로, 적어도 온도 센서(5)의 선단과 냉각부(3a) 사이에는 틈새를 마련하는 것이 바람직하다. 온도 센서를 복수 설치해도 된다. 복수의 온도 센서로부터의 입력값을 평균하여, 목표값과의 편차가 최소가 되도록 함으로써 온도의 신뢰성이 증대된다.
[0058] 진공 배기 장치(11)는, 밸브(11a)를 가지는 배관(11b)과, 진공 펌프(11c)로 구성되어 있다. 진공 펌프(11c)는, 특별히 한정되지 않으며, 예컨대, 로터리 펌프, 다이어프램 펌프, 피스톤형 펌프 등을 이용할 수 있다. 단, 환원 가스를 배기하는 경우는, 안전을 위해, 진공 펌프(11c)는 방폭형(防爆型)인 것이 바람직하다.
[0059] 환원 가스 공급 장치(12)는, 밸브(12a)를 가지는 배관(12b)과, 환원 가스 봄베(12c)로 구성되어 있다. 환원 가스로서는, 예컨대, 수소, 포름산이나 포름알데히드 등을 포함하는 가스를 이용할 수 있다.
[0060] 불활성 가스 공급 장치(13)는, 밸브(13a)를 가지는 배관(13b)과, 불활성 가스 봄베(13c)로 구성되어 있다. 불활성 가스로서는, 예컨대, 질소, 아르곤 등을 이용할 수 있다.
[0061] 제어 장치(6)는, 도시되어 있지 않지만, RAM, ROM, 자기 디스크, 광디스크 등으로 이루어진 기억 장치와, CPU로 이루어진 연산 장치를 적어도 구비하고 있으며, 기억 장치에 격납(格納)된 프로그램이나 데이터에 근거하여, 연산 장치에 의해 각종 장치로 제어 신호가 보내지게 되어 있다. 제어 장치(6)에는, 입력 장치(7)와, 도시되지 않은 디스플레이, 프린터 등으로 이루어진 표시장치가 접속되어 있다. 제어 장치(6)의 기억 장치에 격납되는 데이터는, 제어 장치(6)에 접속된 입력 장치(7)로부터 입력할 수 있다. 입력 장치(7)로부터 입력하는 데이터로서는, 예컨대, 유지 시간(t1), 유지 시간(t2), 제1 목표 가열 온도(T1), 제2 목표 가열 온도(T2), 제1 목표 냉각 온도(T3), 제2 목표 냉각 온도(T4) 등을 들 수 있다. 또한, 제어 장치(6)에는, 전술한 바와 같이, 온도 센서(5)로 측정된 피처리 부재(1)의 온도(T) 등도 입력된다.
[0062] 제어 장치(6)는, 개폐 장치(8)에 접속되어 있으며, 제어 신호(a)에 의해, 처리실(4)의 덮개부(4a)를 상하 이동시킬 수 있다. 또한, 제어 장치(6)는, 유도 가열 장치(2)의 전원(2b)에 접속되어 있으며, 제어 신호(b)에 의해 유도 가열 코일(2a)의 출력을 제어할 수 있다. 예컨대, 유도 가열 코일(2a)에 통전하는 교류 전력의 주파수, 전류량을 제어할 수 있다. 또한, 제어 장치(6)는, 냉각 장치(3)의 열교환기(3b)에 접속되어 있으며, 제어 신호(c)에 의해 냉매의 온도를 제어할 수 있다. 또한, 제어 장치(6)는, 냉각 장치(3)의 유량 조절 밸브(3e)에 접속되어 있으며, 제어 신호(d)에 의해 냉매의 유량을 제어할 수 있다. 또한, 제어 장치(6)는, 진공 배기 장치(11)의 밸브(11a)에 접속되어 있으며, 제어 신호(e)에 의해 밸브(11a)를 개폐할 수 있다. 또한, 제어 장치(6)는, 진공 배기 장치(11)의 진공 펌프(11c)에 접속되어 있으며, 제어 신호(f)에 의해 진공 펌프(11c)를 운전/정지시킬 수 있다. 또한, 제어 장치(6)는, 환원 가스 공급 장치(12)의 밸브(12a)에 접속되어 있으며, 제어 신호(g)에 의해 밸브(12a)를 개폐할 수 있다. 또한, 제어 장치(6)는, 불활성 가스 공급 장치(13)의 밸브(13a)에 접속되어 있으며, 제어 신호(h)에 의해 밸브(13a)를 개폐할 수 있다. 또한, 제어 장치(6)는, 이동 장치(15)의 승강 액추에이터(15d)에 접속되어 있으며, 제어 신호(i)에 의해 피처리 부재(1)와 냉각부(3a) 간의 거리를 변경할 수 있다.
[0063] 따라서, 제어 장치(6)는, 유도 가열 코일(2a)에 공급하는 통전 전류와 주파수, 냉각부(3a)에 공급하는 냉매의 입구 온도와 유량, 피처리 부재(1)와 냉각부(3a) 간의 거리를 파라미터로 하여, 피처리 부재(1)의 온도를 제어할 수 있다.
[0064] 다음으로, 본 발명의 가열 냉각 기기(100)를, 반도체 모듈의 납땜에 이용한, 실시형태의 일례에 대해 설명한다.
[0065] 예컨대, 피처리 부재(1)는, 반도체 소자(1a)와, 절연판의 양면에 금속박(箔)을 가지는 절연 기판(1b)과, 베이스 판(1c)과, 트레이(1d)로 이루어진다. 피처리 부재(1)의 반도체 소자는 복수 개여도 된다. 반도체 소자는, 페이스트상(狀)의 땜납을 통해, 절연 기판의 상면의 금속박의 소정 위치에 부착되어 있다. 또한, 베이스 판(1c)은, 페이스트상의 땜납을 통해, 절연 기판(1b)의 하면의 금속박에 부착되어 있다. 트레이(1d)는 반송 지그(jig, 治具)를 겸하고 있으며, 냉각부(3a) 상에 재치하면, 트레이(1d)의 하면이, 냉각부(3a)의 상면, 및 냉각부(3a)에 매설된 온도 센서(5)의 선단에 접촉하도록 되어 있다.
[0066] 트레이(1d)의 재질은, 특별히 한정되지 않으며, 세라믹스, 석영 유리 등의 절연 재료, 탄소 등의 고(高)저항 재료를 이용할 수 있다. 트레이(1d)를 절연 재료로 구성하면, 투과한 자속에 의해 베이스 판(1c)을 직접 유도 가열할 수 있다. 한편, 트레이(1d)를 고저항 재료로 구성하면, 유도 가열된 트레이(1d)로부터의 열전도에 의해 베이스 판(1c)을 간접적으로 가열할 수 있다. 이와 같이 구성하면, 베이스 판(1c)의 재질에 의존하지 않고, 피처리 부재(1)를 균일하게 가열할 수 있다. 또한, 트레이(1d)는, 복수 개의 베이스 판(1c)을 반송하여, 가열 냉각 처리할 수 있도록, 트레이(1d)의 형상을 적절히 변경할 수 있다. 이하에서는, 가열 냉각 기기(100)에 의한 반도체 모듈의 납땜 방법에 대해 설명한다.
[0067] (1) 반입
개폐 장치(8)에 의해 처리실(4)의 덮개부(4a)를 상승시켜 처리실(4)을 열고, 피처리 부재(1)를 반입하여, 피처리 부재(1)를 프레임(15a) 상에 재치한 후, 개폐 장치(8)에 의해 처리실(4)의 덮개부(4a)를 하강시켜 처리실(4)을 닫아, 밀폐한다.
[0068] (2) 진공 배기
진공 배기 장치(11)의 밸브(11a)를 열고, 진공 펌프(11c)를 이용하여, 처리실(4)의 내부를 진공 배기하고, 소정의 진공도에 도달하였을 때, 밸브(11a)를 닫는다. 단, 감압 상태에서 환원하고자 하는 경우는, 밸브(11a)를 열어 두어도 된다.
[0069] (3) 환원 가스 도입
환원 가스 공급 장치(12)의 밸브(12a)를 열고, 환원 가스 봄베(12c)로부터 처리실(4)에 환원 가스를 공급한다. 처리실(4)에 소정 압력의 환원 가스가 공급되었을 때, 밸브(12a)를 닫는다. 단, 감압 상태에서 환원하고자 하는 경우는, 밸브(12a)를 연 채로 하여, 진공 배기 속도와 밸런스를 맞추어, 소정의 압력으로 유지할 수 있다.
[0070] (4) 제1 가열(환원 처리)
유도 가열 장치(2)를 이용하여, 피처리 부재(1)를 제1 목표 가열 온도(T1)까지 가열하고, 유지 시간(t1)에 걸쳐, 온도 센서(5)에 의해 측정되는 피처리 부재(1)의 온도(T)를 제1 목표 가열 온도(T1)로 유지하여, 피처리 부재(1)를 예열하는 동시에, 피처리 부재(1)의 표면을 환원하여, 땜납젖음성을 높인다. 가열시에 있어서, 피처리 부재(1)는, 냉각부(3a)와 접촉하지 않도록 이동 장치(15)에 의해 틈새를 두고 유지되어 있다. 이와 같이 하면, 피처리 부재(1)로부터 냉각부(3a)로 열이 도피하기 어려워지므로, 피처리 부재(1)를 급가열할 수 있다. 제1 목표 가열 온도(T1)는, 땜납의 용융 온도보다 낮은 온도로 설정되어 있다. 피처리 부재(1)의 표면이 충분히 환원되기 전에 땜납이 용융되면 접합부에 보이드를 발생시키는 납땜 불량이 된다. 이 때문에, 피처리 부재(1)의 온도(T)가 오버슛(overshoot)되지 않도록 온도를 제어할 필요가 있다. 제어 장치(6)는, 제1 목표 가열 온도(T1)와, 온도 센서(5)가 측정한 온도(T) 간의 편차가 최소가 되도록, 유도 가열 장치(2)의 출력을 피드백 제어할 수 있다.
[0071] 본 발명의 가열 냉각 기기(100)는, 유도 가열 장치(2)를 이용하여 피처리 부재(1)를 발열체로서 직접 가열하는 방법이기 때문에, 온도 상승 속도가 빠르다는 이점이 있어, 가열 시간을 단축하여, 가열 냉각 기기의 처리 능력을 높일 수 있다.
[0072] (5) 제2 가열(땜납 용융)
유도 가열 장치(2)를 이용하여, 피처리 부재(1)를 제2 목표 가열 온도(T2)까지 가열하고, 유지 시간(t2)에 걸쳐, 온도 센서(5)에 의해 측정되는 피처리 부재(1)의 온도(T)를 제2 목표 가열 온도(T2)로 유지하여, 피처리 부재(1)의 땜납을 용융시킨다. 제2 목표 가열 온도(T2)는, 땜납의 용융 온도보다 높은 온도로 설정되어 있다. 제2 목표 가열 온도(T2)의 설정이 땜납 용융 온도에 대해 너무 높은 경우는, 납땜 접합면에 있어서의 고상(固相) 반응이 과잉되게 진행되어 납땜 불량이 되며, 반대로 제2 목표 가열 온도(T2)의 설정을 땜납의 용융 온도에 너무 근접시킨 경우는, 가열의 면내(面內) 편차에 의해 충분히 온도가 다 올라가지 않은 장소에서, 땜납이 용융되지 않아 납땜 불량이 될 위험성이 있다. 이 때문에, 피처리 부재(1)의 온도(T)를 정확하게 측정하고, 또한 적정하게 온도를 제어할 필요가 있다. 제어 장치(6)는, 제2 목표 가열 온도(T2)와, 온도 센서(5)가 측정한 온도(T) 간의 편차가 최소가 되도록, 유도 가열 장치(2)를 피드백 제어할 수 있다. 제어 파라미터로서, 유도 가열 코일(2a)에 공급하는 통전 전류와 주파수, 냉각부(3a)에 공급하는 냉매의 입구 온도와 유량, 피처리 부재(1)와 냉각부(3a) 간의 거리를 제어할 수 있다.
[0073] (6) 냉각(땜납 응고)
유도 가열 장치(2)에 의한 가열을 멈추고, 이동 장치(15)에 의해, 피처리 부재(1)와 냉각부(3a)를 접촉 또는 근접시켜, 피처리 부재(1)를 냉각부(3a)에 의해 냉각한다. 또한, 제어 장치(6)는, 제1 목표 냉각 온도(T3)와, 온도 센서(5)가 측정한 온도(T) 간의 편차가 최소가 되도록, 냉각 장치를 피드백 제어할 수 있다. 냉각부(3a)는 직접 가열되지 않는 재료로 구성되어 있어, 온도가 상승되지 않기 때문에, 피처리 부재(1)를 신속하게 냉각시켜, 냉각 시간을 단축함으로써, 가열 냉각 기기의 처리 능력을 높일 수 있다.
[0074] (7) 불활성 가스 도입
피처리 부재(1)의 온도(T)는, 온도 센서(5)에 의해 측정되며, 제2 목표 냉각 온도(T4)가 되었을 때, 환원 가스 공급 장치(12)의 밸브(12a)가 닫혀 있는 상태에서, 진공 배기 장치(11)의 밸브(11a)를 열고, 진공 펌프(11c)를 이용하여, 처리실(4)의 내부를 진공 배기한다. 처리실(4)이 소정의 진공도에 도달하였을 때 밸브(11a)를 닫고, 불활성 가스 공급 장치(13)의 밸브(13a)를 열어, 불활성 가스 봄베(13c)로부터 처리실(4)에 불활성 가스를 공급한다. 처리실(4)의 압력이 대기압으로 돌아왔을 때, 밸브(13a)를 닫는다. 이 동안에도 피처리 부재(1)는, 냉각부(3a)에 의해 계속적으로 냉각되고 있다.
[0075] (8) 반출
개폐 장치(8)에 의해 처리실(4)의 덮개부(4a)를 상승시켜 처리실(4)을 열고, 피처리 부재(1)를 반출한 후, 개폐 장치(8)에 의해 처리실(4)의 덮개부(4a)를 하강시켜 처리실(4)을 닫는다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 가열 냉각 기기는, 1개의 처리실(4) 내에서, 땜납젖음성을 높이는 환원 처리, 땜납 용융 처리, 땜납 응고 처리를 행할 수 있도록 하였으므로, 종래의 납땜 장치에 비해 소형화되어 있다. 또한, 피처리 부재(1)의 하방에 냉각부(3a)가 배치되고, 냉각부(3a)의 더욱 하방에 유도 가열 장치(2)의 유도 가열 코일(2a)이 배치되어 있다. 본 실시형태에 의하면, 높이가 상이한 피처리 부재(1)를 계속하여 처리하는 경우라 하더라도, 유도 가열 코일(2a)이 냉각 장치(3)의 하방에 배치되어 있기 때문에, 피처리 부재(1)와 유도 가열 코일(2a) 간의 거리는 변하지 않는다. 따라서, 유도 가열 코일(2a)의 높이의 재조정이 불필요하여, 작업성을 향상시킬 수 있다. 또한, 유도 가열 코일(2a)에 의해, 피처리 부재(1)인 반도체 모듈만이 가열되기 쉽고, 처리실(4)의 내벽, 냉각부(3a) 등은 가열되기 어렵기 때문에, 가열에 낭비가 없고, 나아가 반도체 모듈을 급가열, 급냉각할 수 있다.
[0076] 다음으로, 본 발명의 가열 냉각 기기의 유도 가열 장치에 대한 상세(詳細)를, 도면을 이용하여 설명한다.
[0077] 전술한 바와 같이, 피처리 부재(1)가 반도체 모듈이며, 반도체 소자(1a)와, 절연 기판(1b)과, 구리제의 베이스 판(1c)을 납땜 접합하는 경우는, 어느 부재도 직접 유도 가열하는 것이 어려운 부재여서, 유도 가열된 피가열 부재로부터 열전도에 의해 간접 가열하는 편이 용이하며, 베이스 판(1c)을, 예컨대, 탄소 재료로 구성된 트레이(1d) 상에 재치하여 간접 가열하는 것이 바람직하다. 피처리 부재(1)를 균일하게 가열하기 위해, 트레이(1d)의 외형은 베이스 판(1c)을 복수 재치한 영역의 외측 둘레(外緣)보다 크고, 유도 가열 코일(2a)의 외형은 트레이(1d)의 외형보다 크게 되어 있는 것이 바람직하다.
[0078] 본 발명에 이용되는 유도 가열 코일(2a)의 형상은, 특별히 한정되지 않으며, 예컨대, 도 2의 평면도에 도시되어 있는 유도 가열 코일을 이용할 수 있다. 도 2에서는, 도선의 형태는 생략되고, 감긴 다발의 외형만이 도시되어 있다. 또한, 피가열 부재로 된 트레이(1d)는 직사각형으로 도시되어 있다. 도 2(a)에는, 도선을 감아 중앙에 빈 곳을 가지는 주면의 외형이 원형인 평판 형상의 유도 가열 코일(2aa)이 도시되어 있다. 도 2(b)에는, 도선을 감아 중앙에 빈 곳을 가지는 주면의 외형이 세로로 긴 타원형인 평판 형상의 유도 가열 코일(2ab)이 도시되어 있다. 도 2(c)에는, 도선을 감아 중앙에 빈 곳을 가지는 주면의 외형이 중앙에 잘록한 부분(S)을 가지는 세로로 긴 타원형(표주박형)인 평판 형상의 유도 가열 코일(2ac)이 도시되어 있다. 이들 유도 가열 코일은, 절연 피복 도선을 감은 코일이어도 되나, 전기 전도성이 양호한 금속제의 중공 파이프를 감은 코일이어도 된다. 중공이더라도 전류는 금속 표면을 흐르기 때문에, 손실이나 가열 성능에 영향은 없다.
[0079] 또한, 도 2에는, 트레이(1d)를 유도 가열하였을 때의 고온부(HT)와 저온부(LT)가, 각각 해칭에 의해 모식적으로 도시되어 있다. 도 2(a)에 도시된 원형 코일(2aa)에서는, 트레이(1d)의 네 변(邊)에 고온부(HT)가 생기며, 네 모퉁이에 저온부(LT)가 생긴다. 도 2(b)에 도시된 2개를 병렬(竝列)시킨 세로로 긴 타원 코일(2ab)에서는, 트레이(1d)의 중앙과 단변(短邊)을 따라 고온부(HT)가 생긴다. 특히, 트레이(1d)의 중앙 부근은, 2개의 세로로 긴 타원 코일의 직선부로부터 동시에 가열되기 때문에, 온도 상승되기 쉽게 되어 있다. 따라서, 세로로 긴 타원 코일(2ab)을 개량하여, 중앙에 잘록한 부분(S)을 갖게 한 표주박형 코일(2ac)을 이용하면, 트레이(1d)의 중앙 부근의 열의 집중이 완화되어, 도 2(c)에 나타낸 바와 같이 온도균일성이 향상된다.
[0080] 나아가, 도 3을 이용하여, 표주박형 코일(2ac)의 형상 및 배치의 상세에 대해 설명한다. 트레이(1d)의 상면에는 6개의 피처리 부재(1)가 재치되어 있다. 트레이(1d)의 하방에는, 2개의 표주박형 코일(2ac)이, 잘록한 부분(S)을 인접시켜, 병렬하여 평행하게 배치되어 있다.
[0081] 여기서, 표주박형 코일(2ac)은, 그 중심의 공간과, 상기 잘록한 부분(S)의 적어도 일부가 트레이(1d)의 외주(外周)보다 내측에 배치되는 형상을 이루는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, 유도 가열 코일의 자력선을 트레이(1d)의 내측에 모아, 트레이(1d)를 효율적으로 가열할 수 있다.
[0082] 표주박형 코일(2ac)의 길이방향의 단부(端部)로부터 트레이(1d)의 외측 둘레까지의 거리(L1)를 크게 해 나가면, 트레이(1d)의 지점(A)에서의 발열량을 증가시킬 수 있다. 또한, 표주박형 코일(2ac)의 잘록한 부분(S)을 가지는 측에서, 표주박형 코일의 가장 돌출된 외측 둘레로부터 피처리 부재의 외측 둘레까지의 거리(L2)를 크게 해 나가면, 트레이(1d)의 지점(B)에서의 발열량을 증가시킬 수 있다.
[0083] 본 발명의 가열 냉각 기기에 있어서, 병렬되는 표주박형 코일(2ac)끼리의 거리(L3)는, 지점(A)와 지점(B)의 발열량이 동일한 정도가 되도록 설계되어 있는 것이 바람직하며, 트레이(1d)의 온도균일성을 조정하는 위치 조정 장치가 설치되어 있는 것이 보다 바람직하다. 또한, 표주박형 코일(2ac)과 트레이(1d)의 거리(L4)는, 평판 외주의 방열(放熱)을 고려하여 적정한 평판 외주와 내측의 발열 차(差)를 얻도록 설계되어 있는 것이 바람직하며, 트레이(1d)의 온도균일성을 조정하는 위치 조정 장치가 설치되어 있는 것이 보다 바람직하다.
[0084] 또한, 본 발명의 가열 냉각 기기에 있어서, 인접하는 표주박형 코일(2ac)의 감김 방향은, 역감김 방향인 것이 바람직하다. 이와 같이 구성하면, 2개의 유도 가열 코일(2ac)에 의해 만들어지는 자장(磁場)은, 와전류가 강해지도록 작용하므로, 트레이(1d)를 효율적으로 가열할 수 있다.
[0085] 본 발명의 가열 냉각 기기에 있어서, 인접하는 표주박형 코일(2ac)의 하방에 연자성(軟磁性) 부재(16)를 구비하고 있는 것이 바람직하다. 이와 같이 구성하면, 일방의 유도 가열 코일의 하방으로 연장되는 자력선을, 연자성 부재(16)를 통해 타방의 표주박형 코일(2ac)의 자력선에 접속하여, 표주박형 코일(2ac) 하측에 생기는 자장을 상방으로 반전시킬 수 있다. 또한, 표주박형 코일(2ac)에 대한 연자성 부재(16)의 배치를 조정함으로써, 트레이(1d) 상의 자속 밀도의 분포를 조절할 수 있다.
[0086] 또한, 본 발명의 가열 냉각 기기는, 표주박형 코일에 한정되지 않고, 다른 형상의 유도 가열 코일이라 하더라도, 병렬되는 유도 가열 코일 끼리의 거리(L3)를 가변(可變)할 수 있는 위치 조정 장치, 유도 가열 코일과 피처리 부재(1) 간의 거리(L4)를 가변할 수 있는 위치 조정 장치를 구비하는 것이 가능하며, 인접하는 유도 가열 코일의 감김 방향을 역감김 방향이 되도록 구성하고, 유도 가열 코일의 하방에 연자성 부재를 배치해도 된다.
[0087] 또한, 상기에 있어서는, 2개의 유도 가열 코일이 배치되어 있는 예를 들어 설명하였지만, 유도 가열 코일은, 1개여도 되고, 2개 이상의 복수가 병렬하여 평행하게 배치되어 있어도 된다.
[0088] 다음으로, 본 발명의 가열 냉각 기기에 있어서, 냉각부의 양태를 변경한 다른 실시형태에 대해, 도면을 이용하여 설명한다.
[0089] 도 4에는, 냉각부가, 냉매의 순환이 가능한 유로가 형성된 중공의 유도 가열 코일(2a)이며, 가열부와 냉각부를 겸하고 있는 가열 냉각 기기(101)가 도시되어 있다. 이동 장치(15)에 의해, 트레이(1d)를 유도 가열 코일(2a)(냉각부)에 접촉시켜, 트레이(1d)를 직접 냉각할 수 있다. 유도 가열 코일(2a)의 단면(斷面)은 트레이(1d)와의 접촉 면적을 크게 하기 위해, 트레이(1d)에 접하는 면이 평탄하게 되어 있는 것이 바람직하다. 구체적으로는 중공을 가지는 직사각형 단면인 것이 바람직하다. 이와 같이 구성하면, 중공으로 된 유도 가열 코일(2a)에 냉매를 유통시켜, 유도 가열 코일(2a)의 자기(自己) 발열을 억제하는 동시에, 유도 가열 코일(2a)이 가열부와 냉각부를 겸하고 있으므로, 설치 스페이스를 절감하여, 처리실을 소형화할 수 있다.
[0090] 도 5에는, 냉각부가, 냉매의 순환이 가능한 유로가 형성된 중공의 유도 가열 코일(2a)과, 유도 가열 코일(2a)의 상방에 배치한 절연성 재료로 구성되어 있는 냉각판(3f)과, 유도 가열 코일(2a)의 하방에 배치한 절연성 재료로 구성되어 있는 지지판(3g)에 의해 구성되며, 가열부와 냉각부를 겸하고 있는 가열 냉각 기기(102)가 도시되어 있다. 이동 장치(15)에 의해, 피처리 부재(1)를 냉각판(3f)에 접촉시켜, 피처리 부재(1)를 직접 냉각할 수 있다. 여기서, 냉각판(3f)의 열용량(熱容量)이 너무 크면, 가열 및 냉각시의 응답성이 나빠져, 처리 시간이 길어져 버린다. 이 때문에, 냉매 순환 유량에 의한 흡열과 냉각판(3f)의 열용량의 밸런스에 의해, 냉각 능력의 조절과 온도 변화의 안정화를 도모하는 것이 바람직하다.
[0091] 상기 양태에 의하면, 유도 가열 코일(2a)이 가열부와 냉각부를 겸하고 있으므로, 설치 스페이스를 절감하여, 처리실을 소형화할 수 있다.
[0092] 도 6에는, 본 발명에 의한 가열 냉각 기기의 다른 실시형태가 도시되어 있다. 도 6(a)는 피처리 부재(1)를 냉각부(3a)로부터 이격시킨 상태를, 도 6(b)는 피처리 부재(1)를 냉각부(3a)에 접촉시킨 상태를 나타내고 있다. 가열 냉각 기기(103)는, 1개의 처리실에, 2세트의 유도 가열 코일(2a) 및 냉각부(3a)를 구비하여, 2개의 피처리 부재(1)를 동시에 처리할 수 있게 되어 있다. 상기 양태에 의하면, 유도 가열 코일(2a), 냉각부(3a) 이외에는 모두 공유화할 수 있으며, 또한 종래의 2배의 가열 냉각부를 수납할 수 있어, 비용 절감과 처리 성능 향상이 가능하다.
[0093] 참고로, 상기에서는 2세트의 유도 가열 코일(2a) 및 냉각부(3a)로 설명하였으나, 2 이상의 복수 세트를 구비해도 된다. 또한, 각 세트는, 1개의 승강 액추에이터(15d)에 의해 동시에 움직이도록 해도 되지만, 세트마다 승강 액추에이터(15d)를 구비하여, 개별적으로 움직이도록 해도 된다. 개별적으로 움직일 수 있도록 하면, 피처리 부재(1)와 냉각부(3a)의 거리를 개별적으로 조정할 수 있으므로, 온도 제어가 용이해진다.
[0094] 도 7에는, 본 발명에 의한 가열 냉각 기기의 다른 실시형태가 도시되어 있다. 가열 냉각 기기(104)에서는, 유도 가열 장치(2)의 비접촉식의 유도 가열 코일(2a)은, 피처리 부재(1)의 상방에 배치되고, 냉각 장치(3)의 냉각부(3a)는, 피처리 부재(1)의 하방에 배치되어 있다. 기타의 구조는, 상기 실시형태(도 1)와 동일하다.
[0095] 본 실시형태에 의하면, 피처리 부재(1)와 유도 가열 코일(2a) 간의 거리를 접근시킬 수 있기 때문에, 피처리 부재(1)를 효율적으로 가열할 수 있다. 또한, 유도 가열 코일(2a)과, 피처리 부재(1)와의 사이에, 장해물이 존재하지 않기 때문에, 가열 효율을 보다 높일 수 있다.
[0096] 또한, 중공의 유도 가열 코일(2a)로 구성하고, 냉매 배관(3c)을 순환 펌프(3d)의 토출측에서 유량 조절 밸브(3e)의 앞쪽으로부터 분기시켜, 유도 가열 코일(2a)에 냉매를 유통시킴으로써, 유도 가열 코일(2a)을 냉각할 수 있다.
[0097] 도 8에는, 도 7에 나타낸 가열 냉각 기기(104)의 변경된 형태가 도시되어 있다.
[0098] 이 가열 냉각 기기(105)에서는, 비접촉식의 유도 가열 코일(2a)이 냉각 장치(3)의 냉각부(3a)의 하방에 배치되어 있다. 따라서, 피처리 부재(1)를 재치한 트레이(1d)의 하방에 냉각부(3a)가 배치되고, 냉각부(3a)의 더욱 하방에 유도 가열 코일(2a)이 배치된 구조를 이루고 있다. 기타의 구조는, 상기 실시형태와 동일하다.
[0099] 본 실시형태에 의하면, 높이가 상이한 피처리 부재(1)를 계속하여 처리하는 경우라 하더라도, 유도 가열 코일(2a)이 냉각 장치(3)의 냉각부(3a)의 하방에 배치되어 있기 때문에, 피처리 부재(1)와 유도 가열 코일(2a) 간의 거리는 변하지 않는다. 따라서, 유도 가열 코일(2a)의 높이의 재조정이 불필요하여, 작업성을 향상시킬 수 있다.
[0100] 또한, 유도 가열 코일(2a)이 피처리 부재(1)의 상방 및 냉각부(3a)의 하방에 배치되어 있어도 된다. 이와 같이 구성하면, 피처리 부재(1)를 상하로부터 가열하므로, 보다 높은 온도균일성을 얻을 수 있다.
[0101] 도 9에는, 본 발명에 의한 가열 냉각 기기의 다른 실시형태가 도시되어 있다.
[0102] 이 가열 냉각 기기(106)에서는, 유도 가열 코일(2a)이 냉각 장치(3)의 냉매 용기(3h) 내에 수납되어 있다. 또한, 냉매 용기(3h) 내에는, 냉매가 순환하는 유로가 형성되어 있으므로, 유도 가열 코일(2a)은, 유로를 순환하는 냉매에 잠긴 상태로 되어 있다.
[0103] 냉매 용기(3h)는, 상방이 개구(開口)된 지지대(3g＇)에 수용되어 있으며, 냉각판(3f)으로 닫혀 있다. 또한, 냉매 용기(3h)의 바닥부에는, 냉매 도입구(3i) 및 냉매 도출구(3j)가 설치되어 있다. 그리고, 냉매 도입구(3i)로부터, 냉매(예컨대, 냉각수)를 도입하여 냉매 도출구(3j)로부터 배출한다. 이에 의해, 유도 가열 코일(2a) 및 냉매 용기(3h)의 상면에 접촉하는 냉각판(3f)을 냉각할 수 있다.
[0104] 도 9(a)는, 피처리 부재(1)의 가열시의 모습을 나타내고 있다. 피처리 부재(1)의 가열시에는, 유도 가열 코일(2a)의 단자(2c)에 교류 전류를 흐르게 한다. 실제로는, 온도 센서(5)의 우측에 있는 유도 가열 코일(2a)에도 단자(2c)가 있어(도시 생략), 단자(2c)로부터 교류 전류를 흐르도록 하게 된다.
[0105] 피처리 부재(1)가 재치되어 있는 트레이(1d)는, 이동 장치(15)의 승강 샤프트(15b)와 접속되어 있다. 가열시에는, 이동 장치(15)에 의해 트레이(1d)를, 냉각판(3f)으로부터 적어도 3mm 이상 떨어진 위치까지 상승시키지만, 유도 가열 코일(2a)은, 피처리 부재(1)의 도전(導電) 부분에 와전류를 발생시킴으로써, 비접촉식으로 피처리 부재(1)를 가열할 수 있다.
[0106] 다음으로, 도 9(b)는, 피처리 부재(1)의 냉각시의 모습을 나타내고 있다. 도시된 바와 같이, 냉각시에는, 이동 장치(15)에 의해 트레이(1d)를 하강시켜, 트레이(1d)를 냉각판(3f)에 접촉시킨다. 이에 의해, 피처리 부재(1)가 냉각판(3f)에 의해 급랭된다.
[0107] 본 실시형태에서는, 냉매 용기(3h) 내의 순환하는 냉매가 직접, 냉각판(3f)에 접촉하고 있기 때문에, 냉각 능력의 손실이 경감된다. 또한, 유도 가열 코일(2a)의 형상 제약도 완화되어, 충분한 감김수(捲數)를 확보하거나, 저(低)손실인 리츠선(litz wire)의 사용도 가능해진다.
[0108] 도 10에는, 본 발명에 의한 가열 냉각 기기의 다른 실시형태가 도시되어 있다.
[0109] 우선, 이 가열 냉각 기기(107)는, 이동 장치(15), 특히 트레이(1d)가 재치되는 부분에 특징이 있다. 도 10(a)에 나타낸 바와 같이, 이동 장치(15)의 승강 액추에이터(15d)에는, 평판 형상으로 형성된 승강 베이스(15c)가 접속되어 있다. 또한, 승강 베이스(15c)에 고정된, 처리실(4)의 바닥부(4b)를 관통하여 삽입되는 승강 샤프트(15b)가, 바닥부(4b)에 있는 승강 베어링(15e)에 의해, 상하방향의 이동이 가능해지도록 설치되어 있다.
[0110] 도 10(b)는, 도 10(a)의 영역(R)을 확대한 도면이다. 도 10(b)에 나타낸 바와 같이, 승강 샤프트(15b)의 타단측에는, 받침대(台座, pedestal; 15f)가 구비되어 있고, 도 10(a)에 나타낸 2개의 승강 샤프트(15b)의 한 쌍의 받침대(15f)사이를 접속하도록 연결판(15g)이 부착되어 있다. 또한, 피처리 부재(1)가 재치된 트레이(1d)의 바닥면 단부를 유지하는, 내열성의 절연성 재료(예컨대, 세라믹스, 폴리이미드, 피크판(PEEK plate) 등의 엔지니어링 플라스틱(engineering plastics)으로 형성된 지지부(15h)가, 연결판(15g)에 고정되어 있다.
[0111] 지지부(15h)는, 이동 장치(15)에 의해 피처리 부재(1)가 하강한 경우에, 피처리 부재(1)가 냉각판(3f)이나, 후술하는 절연 커버(2d)와 간섭하지 않도록 형성되어 있다. 이러한 구성의 이동 장치(15)는, 제어 장치(6)의 명령에 의해 승강 액추에이터(15d)가 승강 동작을 행하면, 트레이(1d)를 유지하면서, 지지부(15h)를 원활하게 동작시킬 수 있다.
[0112] 이 가열 냉각 기기(107)는, 냉각 장치(3)에도 특징이 있다. 중공의 유도 가열 코일(2a)의 상면측에는, 유도 가열에 의해 고온 상태로 가열된 피처리 부재(1) 및 트레이(1d)의 흡열(吸熱)을 목적으로 한 냉각판(3f)이, 열전달이 양호해지도록 밀착하여 형성되어 있다. 냉각판(3f)은, 열전도율이 높은 세라믹스(예컨대, SiC나 AlN 등)에 의해, 그 두께를 피처리 부재(1)보다 커지도록 형성함으로써, 열용량을 크게 하는 것이 바람직하다.
[0113] 또한, 유도 가열 코일(2a)의 하면측에는, 유도 가열 코일(2a)의 형상 및 위치를 고정하도록 설치된, 절연성 재료(예컨대, 플라스틱이나 세라믹스 등)로 형성된 지지판(3g)이 있다.
[0114] 여기서, 직사각형의 트레이(1d)에 재치한 피처리 부재(1)를, 온도 편차가 작아지도록 가열하기 위해서는, 유도 가열 코일(2a)은, 냉각판(3f)보다 큰 사이즈로 할 필요가 있어, 유도 가열 코일(2a)의 상면이 노출되어 버린다.
[0115] 이 때문에, 내열성을 가지는 절연성 재료(예컨대, 폴리테트라플루오르에틸렌 수지, 폴리이미드, 가공성 세라믹스(machinable ceramics) 등)에 의해 유도 가열 코일(2a)의 상면을 가려, 지지부(15h)가 간섭하지 않도록 형성한 절연 커버(2d)를, 지지판(3g)에 부착시켜 두었다.
[0116] 이때, 냉각판(3f)의 단부와 절연 커버(2d)의 단부에 틈새가 생기지 않도록, 냉각판(3f)의 하단(下端)에 노치를 형성하여, 절연 커버(2d)의 선단을 냉각판(3f)의 노치부에 꽂아 넣을 수 있도록 하고 있다(도 10(b) 참조).
[0117] 이와 같이 형성한 절연 커버(2d)를 구비함으로써, 피처리 부재(1) 및 트레이(1d)의 착탈시에 발생하는 도전성의 먼지가, 장기간 운전시에 유도 가열 코일(2a) 상에 퇴적될 일이 없어져, 단락 및 방전의 방지 효과를 얻을 수 있다.
[0118] 또한, 유도 가열 코일(2a)을 형성하는 파이프 사이에는, 절연성 재료로 형성한 스페이서(2e)를 삽입하여, 유도 가열 코일(2a)에 전류를 통전시켰을 때의 방전 및 단락을 일으키지 않는 구조로 하고 있다.
[0119] 도 11에는, 본 발명에 의한 가열 냉각 기기의 다른 실시형태가 도시되어 있다.
[0120] 가열 냉각 기기(108)는, 가열시에는, 이동 장치(15)에 의해 트레이(1d)를 상승시켜, 트레이(1d)에 재치된 피처리 부재(1)를 유도 가열 코일(2a)로 가열한다. 또한, 냉각시에는, 이동 장치(15)에 의해 트레이(1d)를 하강시켜, 트레이(1d)와 냉각판(3f)을 접촉시킨다. 이에 의해, 트레이(1d)의 열을 냉각판(3f)에 전도시켜 열을 도피시킴으로써, 피처리 부재(1)를 냉각한다.
[0121] 냉각시에는, 트레이(1d)가 열변형에 의해 젖혀지거나, 피처리 부재(1)의 무게로 트레이(1d)가 휘는 경우가 있다. 이러한 경우, 트레이(1d)와 냉각판(3f)의 접촉 면적이 저하되어, 충분한 냉각 성능이 얻어지지 못할 우려가 있다. 충분한 냉각 성능이 얻어지지 못하면, 땜납 조직이 조대화(粗大化)되어 크리프(creep) 변형시에 크랙이 진전되기 쉬워져, 납땜 접합 강도의 장기적인 신뢰성이 저하된다.
[0122] 따라서, 가열 냉각 기기(108)에서는, 트레이(1d)의 외주부를 트레이 프레스 기구(17)에 의해 가압하여, 트레이(1d)를 냉각판(3f)에 꽉 누른다. 이에 의해, 트레이(1d)와 냉각판(3f)의 접촉을 항상 양호한 상태로 할 수 있다.
[0123] 그러나, 트레이(1d)에는 탄소재가 사용되는 경우가 많아, 강도적(强度的)으로 강하지 않기 때문에, 파손되어 버리는 경우가 있다. 즉, 트레이 프레스 기구(17)에 의해, 트레이(1d)를 억지로 냉각판(3f)에 꽉 누르면, 트레이(1d)가 마모되거나, 또는 파손되거나 하는 일이 발생한다.
[0124] 따라서, 피처리 부재(1)가 재치되어 있는 트레이(1d)와 냉각판(3f)의 접촉 면적을 향상시키기 위해, 트레이(1d)를 냉각판(3f)에 꽉 누를 때, 트레이(1d)의 온도를 온도 센서(5)로 관측하고, 나아가 냉각판(3f)의 온도를 냉각판 온도 센서(18)로 관측함으로써, 냉각 상태를 파악할 수 있다.
[0125] 가열 냉각 기기(108)의 제어 장치(6)는, 상기의 방법에 의해 트레이(1d)와 냉각판(3f)의 접촉 상태가 양호한지의 여부를 실시간으로 판단하고, 접촉 상태가 나쁜 경우에만 트레이(1d)를 꽉 누르도록 트레이 프레스 기구(17)를 제어한다(신호 라인(j)을 사용). 이에 의해, 트레이 프레스 기구(17)가 필요 이상으로 트레이(1d)를 가압하여, 파손시켜 버리는 것을 경감시킬 수 있다.
[0126] 이상에 의해, 가열 냉각 기기(108)는, 트레이(1d)와 냉각판(3f)의 접촉 상태를 개선하여, 소정의 냉각 특성을 유지할 수 있다. 즉, 피처리 부재(1)의 급속 냉각이 가능해져, 땜납 조직의 조대화를 억제하여 양호한 납땜 접합 상태를 얻을 수 있다.
[0127] 마지막으로, 가열 냉각 기기(108)의 또 하나의 특징인 출력 제어에 대해 설명한다. 가열 냉각 기기(108)는, 도 1에서 설명한 가열 냉각 기기(100)와 거의 동일한 회로 구성이지만, 처리실(4) 내의 압력을 계측하는 압력계(19)를 구비하고 있는 점과, 처리실(4) 내의 압력을 개방하는 방출 밸브(20)나 방출 배관(21)을 구비하고 있는 점이 상이하다.
[0128] 기밀성이 있는 처리실(4) 내의 압력이 일정 압력(예컨대, 대기압 이상)을 초과하는 경우에는, 제어 장치(6)는, 방출 배관(21)에 접속된 방출 밸브(20)를 제어하여, 압력을 개방할 수 있다. 제어 장치(6)는, 신호 라인(k)을 통해 방출 밸브(20)의 개폐 동작을 행하여, 처리실(4) 내의 압력을 제어하도록 되어 있다.
[0129] 또한, 압력계(19)의 신호가 제어 장치(6)에 보내졌을 경우, 제어 장치(6)는, 밸브(11a)의 개폐나 진공 펌프(11c)의 작동을 제어하도록 되어 있다.
[0130] 제어 장치(6)는, 유도 가열 코일(2a)에 공급하는 통전 전류와 주파수, 중공인 유도 가열 코일(2a)에 공급하는 냉매의 입구 온도와 유량, 처리실(4) 내의 압력(Pr), 피처리 부재(1)와 냉각판(3f) 간의 거리를 파라미터로 하여, 피처리 부재(1)의 온도를 제어할 수 있다.
[0131] 이하에서는, 가열 냉각 기기(108)에 의한 파워 반도체 디바이스의 납땜 방법에 대해, 이미 설명한 가열 냉각 기기(100)의 납땜 방법과 상이한 점을 중심으로 설명한다.
[0132] (1) 반입
개폐 장치(8)에 의해 처리실(4)의 덮개부(4a)를 상승시켜서 처리실(4)을 열고, 피처리 부재(1)를 반입하여, 피처리 부재(1)를 프레임(15a) 상에 재치한 후, 개폐 장치(8)에 의해 처리실(4)의 덮개부(4a)를 하강시켜서 처리실(4)을 닫아, 밀폐한다.
[0133] (2) 진공 배기
진공 배기 장치(11)의 밸브(11a)를 열고, 진공 펌프(11c)를 이용하여, 처리실(4)의 내부를 진공 배기한다. 그리고, 압력계(19)의 값이 소정의 진공도에 도달하였을 때, 밸브(11a)를 닫는다.
[0134] (3) 환원 가스 도입
환원 가스 공급 장치(12)의 밸브(12a)를 열어, 환원 가스 봄베(12c)로부터 처리실(4)에 환원 가스를 공급한다. 처리실(4)의 내압이 대기압에 도달하였을 때, 방출 밸브(20)를 개방하는 동시에, 환원 가스의 공급 유량을 밸브(12a)로 조정한다.
[0135] 처리실(4)을 감압 상태로 하여 환원하고자 하는 경우에는, 처리실(4) 내의 압력을 계측하는 압력계(19)의 값이 소정의 압력에 도달하였을 때 밸브(12a)를 닫아, 처리실(4)을 밀봉함으로써 압력을 밀폐 상태로 유지할 수 있다.
[0136] (4) 제1 가열(환원 처리)
유도 가열 장치(2)를 이용하여, 피처리 부재(1)를 제1 목표 가열 온도(T1)까지 가열하고, 유지 시간(t1)에 걸쳐, 온도 센서(5)에 의해 측정되는 피처리 부재(1)의 온도(T)를 제1 목표 가열 온도(T1)로 유지하여 피처리 부재(1)를 예열하는 동시에, 피처리 부재(1)의 표면을 환원하여, 땜납의 젖음성을 높인다. 가열시에 있어서, 피처리 부재(1)는, 냉각부(3a)와 접촉하지 않도록 이동 장치(15)에 의해 틈새를 두고 유지되어 있다. 이와 같이 하면, 피처리 부재(1)로부터 냉각부(3a)로 열이 도피하기 어려워지므로, 피처리 부재(1)를 급가열할 수 있다. 제어 장치(6)는, 제1 목표 가열 온도(T1)와, 온도 센서(5)가 측정한 온도(T) 간의 편차가 최소가 되도록, 유도 가열 장치(2)의 출력을 피드백 제어할 수 있다.
[0137] 피처리 부재(1)를 제1 목표 가열 온도(T1)로 유지하고, 유지 시간(t1)이 경과하였을 때 환원 가스 공급 장치(12)의 밸브(12a) 및 방출 밸브(20)를 닫는다. 또한, 진공 배기 장치(11)의 밸브(11a)를 열어 진공 펌프(11c)의 운전을 개시하고, 처리실(4) 내의 압력이 Pr1에 도달할 때까지 감압하며, 도달하였을 때 밸브(11a)를 닫는다.
[0138] 이때, 제어 장치(6)는, 처리실(4)용의 압력계(19)의 값과, 피처리 부재(1)가 재치된 트레이(1d)와 냉각판(3f) 간의 거리가 입력된다. 그리고, 제어 장치(6)는, 방전을 발생시키지 않고 유도 가열 코일(2a)에 공급 가능한 최대 통전 전류(전력)로, 입력 데이터에 근거하여 그때마다 변환하여 출력하며, 제2 목표 가열 온도(T2)에 도달할 때까지 가열 제어한다.
[0139] 여기서, 유도 가열 코일(2a)로부터의 방전은, 처리실(4) 내의 압력과 거리의 곱(product)과, 유도 가열 코일에 통전하는 전력으로 변화하는 것이 알려져 있다(파셴의 법칙(Paschen's law)). 환언하자면, 최대 통전 전류(전력)는, 파셴의 법칙으로 도시되는 곡선 이하의 조건이 되도록 조정하고 있다. 제2 목표 가열 온도(T2)는, 피처리 부재(1)의 납땜재의 액상선 온도(liquidus temperature; TS)보다 약간 높은 온도로 설정되어 있으며, 감압 환경에서 납땜재를 용융함으로써 처리실(4) 내의 환원 가스가 땜납 중에 말려 들어가는 것을 억제하는 효과가 있다.
[0140] (5) 제2 가열(땜납 용융)
유도 가열 장치(2)를 이용하여, 피처리 부재(1)를 제3 목표 가열 온도(T3)까지 가열하고, 유지 시간(t3)에 걸쳐, 온도 센서(5)에 의해 측정되는 피처리 부재(1)가 재치되는 트레이(1d)의 온도(T)를 제3 목표 가열 온도(T3)로 유지하여, 피처리 부재(1)의 땜납을 용융시킨다. 제3 목표 가열 온도(T3)는, 땜납의 액상선 온도(TS)보다 충분히 높은 온도로 설정하여, 용융된 납땜재, 피처리 부재(1)의 베이스 판(1c)이나 절연 기판(1b)에 관한 납땜 접합면 및, 절연 기판(1b)과 반도체 소자(1a) 간의 납땜 접합면의 합금층이 성장되기 쉬운 온도로 하고 있다.
[0141] 제어 장치(6)는, 제3 목표 가열 온도(T3)와, 온도 센서(5)의 측정값(T) 간의 편차가 최소가 되도록 유도 가열 장치(2)의 유도 가열 코일(2a)에 공급하는 통전 전류와 주파수, 냉매가 순환하는 냉각 순환 장치의 온도와 유량, 피처리 부재(1)가 재치된 트레이(1d)와 냉각판(3f) 간의 거리를 제어할 수 있다.
[0142] 앞서 기재한 감압 상태에서 땜납 용융 공정이 종료된 경우에는, 환원 가스 공급 장치(12)의 밸브(12a)를 열어, 처리실(4) 내의 압력을 대기압에 도달하도록 제어한다. 대기압에 도달한 경우, 환원 가스 공급 장치(12)의 밸브(12a)의 개방도를 조정하여, 처리실(4) 내에 환원 가스의 흐름을 만들고, 처리실(4) 내부가 가압 상태가 되지 않도록 방출 밸브(20)를 연다.
[0143] 단, 처리실(4) 내의 압력이 감압 상태인 Pr2로 설정된 경우는, 제어 장치(6)가 피처리 부재(1)의 제3 목표 가열 온도(T3)까지의 가열을 처리실(4) 내의 압력과, 피처리 부재(1)가 재치된 트레이(1d)와 냉각판(3f) 간의 거리에 따라, 유도 가열 장치(2)의 유도 가열 코일(2a)에 공급하는 최대 통전 전류(전력)를 그때마다 변환하면서 출력하여, 피처리 부재(1) 및 트레이(1d)의 온도(T)를 제어할 수 있도록 되어 있다.
[0144] 피처리 부재(1) 및 트레이(1d)가 제3 목표 가열 온도(T3)에 도달하여, 소정의 유지 시간(t3)이 경과한 경우, 환원 가스 공급 장치(12)의 밸브(12a) 및 방출 밸브(20)를 닫고, 진공 배기 장치(11)의 진공 펌프(11c)의 운전과 밸브(11a)를 열어, 처리실(4) 내의 환원 가스를 소정의 압력에 도달할 때까지 배기한다.
[0145] 처리실(4) 내부가 소정의 압력에 도달하였을 때, 밸브(11a)를 닫고, 환원 가스 공급 장치(12)의 밸브(12a)를 열어, 처리실(4)을 대기압까지 복귀시킨다. 그리고, 대기압에 도달하였을 때, 다시 방출 밸브(20)를 개방한다. 이 동작에 의해, 피처리 부재(1)의 땝납 중에 내재하는 가스를 배출시켜, 납땜 접합부의 보이드의 저감을 도모하고 있다.
[0146] 또한, 제어 장치(6)는, 피처리 부재(1)가 제3 목표 가열 온도(T3)에 소정의 유지 시간(t4)에 도달할 때까지 유도 가열 장치(2)의 유도 가열 코일(2a)에 공급하는 통전 전류(전력)와 주파수를 제어한다. 이 공정에 의해, 피처리 부재(1)의 상기 납땜 접합면의 합금층을, 소정의 두께로 유지할 수 있다.
[0147] (6) 냉각(땜납 응고)
유도 가열 장치(2)에 의한 가열을 멈추고, 이동 장치(15)에 의해, 피처리 부재(1)와 냉각판(3f)을 접촉 또는 근접시켜, 피처리 부재(1)를 냉각판(3f)에 의해 냉각한다. 또한, 제어 장치(6)는, 제1 목표 냉각 온도(T4)와, 온도 센서(5)가 측정한 온도(T)와의 편차가 최소가 되도록, 냉각 장치를 피드백 제어할 수 있다. 냉각판(3f)은 직접 가열되지 않는 재료로 구성되어 있어, 온도가 상승되지 않기 때문에, 피처리 부재(1)를 신속하게 냉각시켜, 냉각 시간을 단축함으로써, 가열 냉각 기기의 처리 능력을 높일 수 있다.
[0148] (7) 불활성 가스 도입
피처리 부재(1)의 온도(T)는, 온도 센서(5)에 의해 측정되며, 제2 목표 냉각 온도(T5)가 되었을 때, 환원 가스 공급 장치(12)의 밸브(12a)가 닫혀 있는 상태에서, 진공 배기 장치(11)의 밸브(11a)를 열고, 진공 펌프(11c)를 이용하여, 처리실(4)의 내부를 진공 배기한다. 처리실(4)용의 압력계(19)의 값이 소정의 진공도에 도달하였을 때 밸브(11a)를 닫고, 불활성 가스 공급 장치(13)의 밸브(13a)를 열어, 불활성 가스 봄베 (13c)로부터 처리실(4)에 불활성 가스를 공급한다. 처리실(4)의 압력이 대기압으로 돌아왔을 때, 방출 밸브(20)를 열어 방출 배관(21)으로 환원 가스를 방출하고 소정 시간이 경과한 후, 밸브(13a) 및 방출 밸브(20)를 닫는다. 이 동안에도 피처리 부재(1)는 냉각판(3f) 상에 있으며, 계속적으로 냉각되고 있다.
[0149] (8) 반출
개폐 장치(8)에 의해 처리실(4)의 덮개부(4a)를 상승시켜서 처리실(4)을 열고, 피처리 부재(1)를 반출한 후, 개폐 장치(8)에 의해 처리실(4)의 덮개부(4a)를 하강시켜서 처리실(4)을 닫는다.
[0150] 이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 가열 냉각 기기는, 피처리 부재(1)의 하방에, 냉각 장치(3)의 냉각판(3f)이, 냉매가 순환하는 유도 가열 코일(2a)에 접촉하도록 배치되어 있다. 즉, 1개의 처리실(4) 내에 있어서의 승강 동작만으로, 땜납젖음성을 높이는 환원 처리, 땜납 용융 처리, 땜납 응고 처리를 행할 수 있도록 하였으므로, 종래의 납땜 장치에 비해 소형화되어 있다.
[0151] 본 실시형태에 의하면, 높이가 상이한 피처리 부재(1)를 계속하여 처리하는 경우라 하더라도, 유도 가열 코일(2a)이 냉각판(3f)의 하방에 배치되어 있기 때문에, 피처리 부재(1)와 유도 가열 코일(2a) 간의 거리는 변하지 않는다. 따라서, 유도 가열 코일(2a)의 높이의 재조정이 불필요하여, 작업성을 향상시킬 수 있다.
[0152] 또한, 유도 가열 코일(2a)에 의해, 피처리 부재(1)의 반도체 모듈만 가열되기가 쉽고, 처리실(4)의 내벽, 냉각부(3a) 등은 가열되기 어렵기 때문에, 가열에 낭비가 없고, 게다가 반도체 모듈의 급가열, 급냉각이 가능하다.
[0153] 이상은, 본 발명의 하나의 실시형태에 지나지 않으며, 그 밖에도 다양한 변경 형태를 고려할 수 있다. 예컨대, 냉매 용기(3h)를 가지는 가열 냉각 기기(106)에, 트레이 프레스 기구(17)를 채용하는 등, 용도에 맞추어 각 부재를 조합하여 가열 냉각 기기를 구성해도 된다.
[0154] 모든 구성의 가열 냉각 기기에 적용이 가능한데, 냉매로서, 열교환기(3b)에 의해 냉각 가능한 물, 순수(pure water), 초순수(ultrapure water), 부동액 등의 유체를 이용할 수 있다. 또한, 처리실(4)의 덮개부(4a)와 바닥부(4b)의 접촉면에 시일 부재(예컨대, O링)를 설치해도 된다. 개폐 장치(8)에 의해 덮개부(4a)를 바닥부(4b)의 위치까지 하강시켰을 때, 탄성체의 시일 부재가 변형함으로써, 처리실(4) 내의 기밀 상태를 유지할 수 있다.
[0155] 1 : 피처리 부재
1a : 반도체 소자
1b : 절연 기판
1c : 베이스 판
1d : 트레이
2 : 유도 가열 장치
2a : 가열부(유도 가열 코일)
2aa : 주면의 외형이 원형인 평판 형상의 유도 가열 코일(원형 코일)
2ab : 주면의 외형이 세로로 긴 타원형인 평판 형상의 유도 가열 코일(세로로 긴 타원 코일)
2ac : 주면의 외형이 표주박형인 유도 가열 코일(표주박형 코일)
2b : 전원
2c : 단자
2d : 절연 커버
2e : 스페이서
3 : 냉각 장치
3a : 냉각부
3b : 열교환기
3c : 냉매 배관
3d : 순환 펌프
3e : 유량 조절 밸브
3f : 냉각판
3g : 지지판
3g＇ : 지지대
3h : 냉매 용기
3i : 냉매 도입구
3j : 냉매 도출구
4 : 처리실
4a : 덮개부
4b : 바닥부
5 : 온도 센서
6 : 제어 장치
7 : 입력 장치
8 : 개폐 장치
9 : 샤프트
10a, 10b : 차열 커버
11 : 진공 배기 장치
11a : 밸브
11b : 배관
11c : 진공 펌프
12 : 환원 가스 공급 장치
12a : 밸브
12b : 배관
12c : 환원 가스 봄베
13 : 불활성 가스 공급 장치
13a : 밸브
13b : 배관
13c : 불활성 가스 봄베
15 : 이동 장치
15a : 프레임
15b : 승강 샤프트
15c : 승강 베이스
15d : 승강 액추에이터
15e : 승강 베어링
15f : 받침대
15g : 연결판
15h : 지지부
16 : 연자성 부재
17 : 트레이 프레스 기구
100∼108 : 가열 냉각 기기
A, B : 온도 참조 위치
Pr : 압력
S : 표주박형 코일의 길이방향의 중앙의 잘록한 부분
T, T＇ : 온도
L1 : 표주박형 코일의 길이방향의 단부로부터 트레이 외측 둘레까지의 거리
L2 : 표주박형 코일의 잘록한 부분(S)을 가지는 측에서, 표주박형 코일의 가장 돌출된 외측 둘레로부터 피처리 부재의 외측 둘레까지의 거리
L3 : 병렬되는 유도 가열 코일 끼리의 거리
L4 : 유도 가열 코일과 트레이와의 거리
LT : 저온부
HT : 고온부

Claims (17)

  1. 피(被)처리 부재를 넣었다 뺐다 할 수 있는 개폐 기구를 가지는 기밀성(氣密性)이 있는 처리실과,
    상기 피처리 부재를 가열하는, 적어도 1개 또는 복수의 유도 가열 코일로 이루어진 유도 가열 장치와,
    상기 피처리 부재를 냉각하는 냉각 장치와,
    상기 피처리 부재의 온도를 계측하기 위한 온도 센서와,
    상기 온도 센서에 의해 계측한 온도에 근거하여 상기 유도 가열 장치 및 상기 냉각 장치를 제어하는 제어 장치와,
    상기 피처리 부재 및/또는 상기 냉각 장치의 냉각부를 이동시켜, 상기 피처리 부재와 상기 냉각 장치의 냉각부 간의 거리를 변경하는 이동 장치와,
    상기 피처리 부재와 상기 유도 가열 코일의 사이에 위치하는 냉각판
    을 구비한 것을 특징으로 하는 가열 냉각 기기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유도 가열 코일은, 상기 피처리 부재의 하방(下方)에 배치되고,
    상기 냉각부는, 상기 유도 가열 코일과 냉각 기구가 일체화되어 있는 것을 특징으로 하는 가열 냉각 기기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 냉각 기구는, 상기 유도 가열 코일을 중공(中空) 구조로 함으로써, 냉매가 순환 가능한 유로를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 가열 냉각 기기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 냉각부는, 냉각시에 상기 중공 구조의 유도 가열 코일의 상면(上面)에 접촉하는 냉각판을 구비하는 것을 특징으로 하는 가열 냉각 기기.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 냉각 기구로서, 상기 냉각판의 하방에 배치되며, 상기 유도 가열 코일이 잠기는 냉매의 유로를 구비하는 것을 특징으로 하는 가열 냉각 기기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 냉각판은, 탄화규소, 질화규소 또는 질화알루미늄의 세라믹스로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 가열 냉각 기기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 냉각판은, 탄화규소, 질화규소 또는 질화알루미늄의 세라믹스로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 가열 냉각 기기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 유도 가열 코일의 표면을 덮는, 내열성이 있는 절연성 재료로 형성된 절연 커버를 배치한 것을 특징으로 하는 가열 냉각 기기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 냉각부는, 상기 피처리 부재의 하방(下方)에 배치되고,
    상기 유도 가열 코일은, 상기 피처리 부재의 상방(上方)에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 가열 냉각 기기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 냉각부는, 상기 피처리 부재의 하방에 배치되고,
    상기 유도 가열 코일은, 상기 냉각부의 하방에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 가열 냉각 기기.
  11. 제4항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 유도 가열 장치에 공급하는 통전(通電) 전류와 주파수, 상기 냉각 장치에 공급하는 냉매의 입구 온도와 유량, 상기 피처리 부재와 상기 냉각판 간의 거리를 파라미터로 하여, 상기 유도 가열 코일로부터 전자적(電磁的)으로 차폐(遮蔽)된 온도 센서에 의해 계측한 온도에 근거하여 상기 유도 가열 장치 및 상기 냉각 장치를 제어하는 것을 특징으로 하는 가열 냉각 기기.
  12. 제5항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 유도 가열 장치에 공급하는 통전 전류와 주파수, 상기 냉각 장치에 공급하는 냉매의 입구 온도와 유량, 상기 피처리 부재와 상기 냉각판 간의 거리를 파라미터로 하여, 상기 유도 가열 코일로부터 전자적으로 차폐된 온도 센서에 의해 계측한 온도에 근거하여 상기 유도 가열 장치 및 상기 냉각 장치를 제어하는 것을 특징으로 하는 가열 냉각 기기.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 처리실에 접속된 진공 배기 장치와,
    환원 가스를 상기 처리실 내로 도입하는 환원 가스 공급 장치와,
    불활성 가스를 상기 처리실 내로 도입하는 불활성 가스 공급 장치를 구비하며,
    상기 제어 장치는, 상기 진공 배기 장치, 상기 환원 가스 공급 장치 및 상기 불활성 가스 공급 장치를 제어하는 것을 특징으로 하는 가열 냉각 기기.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 처리실의 내압(內壓)을 계측하는 압력계를 구비하며,
    상기 제어 장치는, 상기 진공 배기 장치를 제어하여 상기 처리실 내를 감압하고, 상기 압력계로 계측한 상기 처리실의 내압을 취득하여, 상기 유도 가열 장치에 공급하는 통전 전류와 주파수의 파라미터 값으로부터 상기 내압을 최대 통전 전류로 변환하여 출력 제어하는 것을 특징으로 하는 가열 냉각 기기.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 유도 가열 코일은, 중앙에 잘록한 부분을 가지는 세로로 긴 타원 형상을 이루는 1개 또는 복수의 코일로 이루어지며, 상기 피처리 부재에 대해 평행하게 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 가열 냉각 기기.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 유도 가열 장치 및 상기 냉각 장치를 1개의 처리실에 2세트 이상 배치한 것을 특징으로 하는 가열 냉각 기기.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 피처리 부재가 재치(載置)되어 있는 트레이를 상기 냉각부에 접촉시켜서 냉각하는, 상기 트레이를 상기 냉각부에 꽉 누르는 프레스부(pressing unit)를 구비하는 것을 특징으로 하는 가열 냉각 기기.


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