JP4396568B2 - ハンダ付け構造体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は，基板や半導体部品等を他の部材上に位置決めしてハンダで接合するハンダ付け構造体の製造方法に関する。さらに詳細には，位置決め治具を用いて，基板や部品等をその対象部材上に位置決めするハンダ付け構造体の製造方法に関するものである。

基板や半導体部品等を他部材にハンダ付けする際には，精度良く作業を行うために，一般に両部材を位置決めして保持するための治具が利用される。特に，フェイスダウンでハンダ付けされる実装方法では，ハンダ面を目視できないことからこの位置決めが重要である。この位置決め方法は，基板の形状やハンダバンプの大きさ等の各種条件に応じて，それぞれ適切なものが選択される。例えば，特許文献１に記載の実装方法では，プリント板に複数のルーティングガイドを接着し，それらのルーティングガイドの間に半導体部品をはめ込むことにより位置決めしている。

ところで，１つの部材上に複数個の部材を，それらの部材間に所定の間隔を設けつつ同時にハンダ付けする場合がある。むろん，下の部材に対する上の各部材の位置精度も必要である。このような場合に用いられる従来の位置決め治具の例を，図８と図９に示す。これらの図に示したのは，１枚の基板１１上に４個の半導体素子１２を同時にハンダ付けするための位置決め治具１００である。図９は，図８のＢ−Ｂ断面図である。

この位置決め治具１００は，上治具１０１と下治具１０２との組み合わせからなっている。上治具１０１と基板１１は，それらの平面外形がほぼ同一の四角形に形成されている。下治具１０２は，これらより一回り大きく形成され，その四方には，図９中上方へ突出した位置決めピン１０２ａが設けられている。上治具１０１と基板１１の四隅にはそれぞれ，各位置決めピン１０２ａに対応する位置に凹部が設けられ，これらによって，上治具１０１，下治具１０２，および基板１１は，図９に示すように，積み重ねた状態で保持される。

上治具１０１は，平面視で「田」形状の部材であり，内側に形成されている４箇所の貫通孔の内部にそれぞれ半導体素子１２およびハンダ１３が重ねて配置される。すなわち，４箇所の貫通孔はそれぞれ，その位置に配置されるべき半導体素子１２に対応した形状に形成されている。これにより，４個の半導体素子１２がすべて，基板１１に対して同時に位置決めされ，各半導体素子１２同士の間隔が適切に保持される。このように重ね合わせた状態で加熱および冷却することにより，半導体素子１２と基板１１とは互いに位置決めされてハンダ付けされる。
特開平１−２３５３４１号公報

しかしながら，前記した従来のハンダ付け構造体の製造方法には，次のような問題点があった。一般に基板１１は加熱によって膨張し，その後の冷却によって収縮する。上治具１０１や下治具１０２も同様であるが，熱膨張による伸縮の程度は，材質の熱膨張率によって異なる。また，一般に，加熱によってハンダが溶融している時点では部材間の配置は多少流動的であるが，冷却によりハンダが凝固し始めた時点で各部材の位置決めがなされる。そして，さらなる冷却により，各部材の収縮が進行する。

そのため，各部材の熱膨張率の関係によって，次のようになる。例えば，上治具１０１を基板１１に比較して熱膨張率の小さい材質で形成した場合，ハンダ凝固後の収縮によって基板１１の方が上治具１０１より縮む。そのため，基板１１とともにその上の半導体素子１２は上治具１０１の内側へと寄せられる。あるいは，上治具１０１を基板１１に比較して熱膨張率の大きい材質で形成した場合，上治具１０１の方が基板１１より縮む。そのため，上治具１０１の方が内側へ寄ることになり，基板１１上の半導体素子１２の外周側へと近づく。

すなわち，例えば基板１１が銅で，上治具１０１がカーボン等の場合では，基板１１の熱膨張率の方が大きく，４つの半導体素子１２が上治具１０１の内側面へと押しつけられるおそれがある。その場合には，カーボンが削れて粉塵の原因となるおそれがあるという問題点があった。あるいは，上治具１０１を基板１１に比較して熱膨張率の大きい材質で形成した場合には，上治具１０１が４つの半導体素子１２の外周側を圧迫し，素子が破損するおそれがあるという問題点があった。

また，前記した特許文献１に記載の実装方法は，プリント板にルーティングガイドをそれぞれ接着固定する必要があり，手間もコストもかかるという問題点があった。

本発明は，前記した従来のハンダ付け構造体の製造方法が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，複数の素子等の部材を１つの基板等にハンダ付けするに際し，精密な位置決めが可能であるとともに粉塵の発生や素子の破損を防止したハンダ付け構造体の製造方法を提供することにある。

この課題の解決を目的としてなされたハンダ付け構造体の製造方法は，下部材上に複数の上部材をハンダ付け接合してなるハンダ付け構造体の製造方法であって，下部材上に下部材よりも熱膨張率において小さく複数の上部材の全体を囲む第１治具と，下部材よりも熱膨張率において大きく複数の上部材の間に位置する第２治具とを配置し，複数の上部材を，第１治具および第２治具により区画されたスペース内に，下部材との間にハンダを介在させて配置し，その状態でハンダを溶融させて下部材上に複数の上部材をハンダ付け接合するものである。

本発明のハンダ付け構造体の製造方法によれば，下部材上に配置された第１治具と第２治具とによって，複数の上部材の配置スペースが区画されている。このとき，複数の上部材の全体を囲む第１治具の熱膨張率が下部材よりも小さく，複数の上部材の間に位置する第２治具の熱膨張率が下部材よりも大きいので，各区画スペースは，加熱時には常温時より小さくなる。従って，複数の上部材の精密な位置決めが可能である。さらに，加熱後の冷却による縮み量は，第２治具が最も大きく，次いで下部材，第１治具の順となる。すなわち，第１治具も第２治具も，下部材上に配置された上部材から離れる方向へ移動されることになる。これにより，複数の素子等の部材を１つの基板等にハンダ付けするに際し，精密な位置決めが可能であるとともに粉塵の発生や素子の破損が防止されている。

さらに本発明では，第１治具として，第２治具の先端と係合する係合部が内縁に設けられたものを使用し，常温にて下部材上に第１治具および第２治具を配置したときに，第１治具の係合部と第２治具の先端との間に隙間があることが好ましい。
このようなものであれば，第１治具と第２治具とが係合部によって係合される。従って，この部分でこれらの間の位置決めがなされる。さらに，加熱時には第２治具の方がより大きく膨張するが，第１治具の係合部と第２治具の先端との間に隙間があれば，これらの間で圧迫が起きることはない。

さらに本発明では，第１治具および下部材を位置決めする位置決め部を有する第３治具をさらに用い，第３治具上に下部材を載置した状態で，下部材上への第１治具，第２治具，および複数の上部材の配置を行うことが好ましい。
このようなものであれば，第３治具によって，第１治具と下部材との位置決めがなされる。従って，下部材と複数の上部材とが，第１治具と第３治具とを介して精密に位置決めされる。

本発明のハンダ付け構造体の製造方法によれば，複数の素子等の部材を１つの基板等にハンダ付けするに際し，精密な位置決めが可能であるとともに粉塵の発生や素子の破損が防止されている。

以下，本発明を具体化した最良の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は，１枚の基板に４個の半導体素子をハンダ付けすることにより製造されるハンダ付け構造体の製造方法に本発明を適用したものである。

本形態のハンダ付け構造体の製造方法に使用される位置決め治具１は，図１と図２とに示すように，１枚の基板１１上に４個の半導体素子１２を同時にハンダ付けするための治具である。図２は，図１のＡ−Ａ断面図である。基板１１は，ここでは銅製で３層構造のものを使用している。その基板１１の図２中上面に，パワートランジスタやダイオード等の半導体素子１２をハンダ１３によってハンダ付けする。ハンダ１３としては，ハンダ箔やハンダペースト等を適量使用する。ここで，基板１１が下部材に，各半導体素子１２が上部材にそれぞれ相当する。

位置決め治具１は，図１に示すように，第１治具２１，第２治具２２，第３治具２３の組み合わせにより構成されている。第１治具２１は，図３に示すように，外形が略四角形であり，略四角形の貫通孔２５が設けられた枠状の部材である。第２治具２２は，図４に示すように，略十字形の部材である。第３治具２３は，図５に示すように，略四角形の板状部材である。第１治具２１，第２治具２２，第３治具２３は，それぞれ別体に形成され，図１に示すように重ねられて使用される。

第３治具２３の四方にはそれぞれ，位置決め用のピン２３ａが取り付けられている。一方，第１治具２１の四隅は，そのピン２３ａの外形に合致させた凹部２１ａが形成されている。すなわち，この凹部２１ａとピン２３ａとによって第１治具２１と第３治具２３との位置合わせがされる。また，第１治具２１の貫通孔２５は，その四辺にそれぞれ凸部２５ａが形成され，その凸部２５ａに第２治具２２の四方の突端２２ａがそれぞれ入るようになっている。また，基板１１にも，その四隅にピン２３ａの外形に合致させた凹部が形成され，基板１１と第３治具２３とが位置合わせされるようになっている。

また，図１に示すように，凹部２１ａとピン２３ａとの間にはほとんど隙間がないが，貫通孔２５の凸部２５ａの内周面と第２治具２２の突端２２ａの外周面との間や，半導体素子１２の周囲には，やや隙間が設けられている。この隙間の大きさは，半導体素子１２の周りの隙間を含めた範囲が，半導体素子１２の配置の許容範囲内になるように形成されている。なおこの図は，常温での状態を示している。

ここで，位置決め治具１は，第１治具２１と第２治具２２の材質を，その線膨張係数と基板１１の線膨張係数との関係で次のように選択する。
（第１治具２１の線膨張係数）＜（基板１１の線膨張係数）＜（第２治具２２の線膨張係数）
すなわち，第１治具２１は，その線膨張係数が基板１１の線膨張係数より小さい材質を選択する。また，第２治具２２は，その線膨張係数が基板１１の線膨張係数より大きい材質を選択する。また，第３治具２３は，その線膨張係数が，第１治具２１の線膨張係数より小さくない材質を選択する。

さらには，各治具２１，２２，２３とも，ハンダに付きにくい材質が好ましい。さらには，熱容量が小さいものであれば，加熱時のエネルギーの節約となるので好ましい。また，ハンダ溶融温度程度まで加熱しても，燃えたり変質したりしないものがよい。例えば，上記のように銅製の基板１１を使用する場合には，第１治具２１と第３治具２３とをチタン製，第２治具２２をアルミ製とすればよい。またここでは，第３治具２３に設けるピン２３ａは，チタン製またはステンレス鋼製であり，第３治具２３に設けられた挿入孔に圧入されている。なお，各材質の線膨張係数はそれぞれ，銅が１７ｐｐｍ／Ｋ，チタンが８．４ｐｐｍ／Ｋ，アルミが２４ｐｐｍ／Ｋ程度である。

次に，この位置決め治具１を使用した本形態のハンダ付け構造体の製造方法を説明する。第１治具２１，第２治具２２，第３治具２３と，基板１１，半導体素子１２は，図２に示すように重ねられる。すなわち，まず第３治具２３上に基板１１を重ねて置く。そして，その上に，第１治具２１と第２治具２２とが互いに位置決めされて配置される。さらに，第１治具２１の貫通孔２５と第２治具２２の外形との間に形成される４箇所の隙間にそれぞれ，ハンダ１３と半導体素子１２とを重ねて配置する。このようにセットして，リフロー炉等を通すことにより加熱する。これにより，ハンダ１３が溶融される。

このとき，上記のようにこれらの線膨張係数が決定されているので，加熱時には，第２治具２２は，基板１１や第１治具２１と比較して大きく膨張する。また，基板１１は第１治具２１に比較して大きく膨張する。このとき，各治具の間には上記のように隙間が形成されているので，加熱時の膨張によっても，各治具に無理な力が加わることは無い。さらに，この膨張によって各隙間はごく小さくなるので，半導体素子１２と基板１１との配置は，精密に位置決めされる。

その後，冷却によってハンダ１３を凝固させる。これにより，基板１１と半導体素子１２とがハンダ付けされる。このとき，各治具２１，２２，２３や基板１１の加熱時の膨張分が元に戻る。それに伴って，各治具２１，２２，２３の相対的な位置関係や，半導体素子１２の配置が，図６や図７に示すように変更される。これらの図では，基板１１を１枚板として図示するとともに，膨張状態を誇張して示している。また，ピン２３ａを省略している。ここで，図６（ａ）と図７（ａ）は，加熱時の状態を示したものであり，図６（ｂ）と図７（ｂ）は，冷却後（常温）の状態を示したものである。

半導体素子１２が第２治具２２寄り，つまり中寄せに配置された場合の例を図６に示した。図６（ａ）に示すように，半導体素子１２が第２治具２２寄りに配置された場合でも，基板１１のハンダ凝固後の縮み量は第２治具２２より小さいため，冷却後には，図６（ｂ）に示すように，半導体素子１２と第２治具２２との間に隙間ができる。従って，半導体素子１２が第２治具２２に噛み込むことはない。

また，半導体素子１２が第１治具２１寄り，つまり外寄せに配置された場合の例を図７に示した。図７（ａ）に示すように，半導体素子１２が第１治具２１寄りに配置された場合でも，基板１１のハンダ凝固後の縮み量は第１治具２１より大きいため，冷却後には，図７（ｂ）に示すように，半導体素子１２と第１治具２１との間に隙間ができる。従って，半導体素子１２に第２治具２２が噛み込むことはない。すなわち，この位置決め治具１を使用してハンダ付けを行えば，中寄せと外寄せとのいずれの場合においても，半導体素子１２と各治具２１，２２とが噛み込むおそれはない。

そして，十分に冷却されたら，第１治具２１と第２治具２２とを取り外し，基板１１を第３治具２３から抜き取る。上記のようにいずれの治具にも噛み込まれていないので，各治具２１，２２や基板１１の取り外しは容易である。これで，本形態の製造方法の説明を終了する。

以上詳細に説明したように，この位置決め治具１を使用した本形態のハンダ付け構造体の製造方法によれば，第１治具２１に形成された貫通孔２５によって第２治具２２の配置が位置決めされている。さらに，第１治具２１と第２治具２２とによって，基板１１に対する半導体素子１２の配置が位置決めされている。これらのうち第１治具２１，第２治具２２と基板１１の線膨張係数が，第１治具２１が最も小さく，次が基板１１，そして第２治具２２が最も大きくなるように，各部材の材質が選択されている。従って，ハンダの溶融のための加熱時に比較して，冷却後には，半導体素子１２のためのスペースが大きくなる。これにより，半導体素子１２と各治具２１，２２とが互いに噛み込むおそれはない。

さらに，各治具２１，２２と半導体素子１２との間には，常温ではやや隙間が設けられている。この隙間は，ハンダ溶融のための加熱時には，各部材の熱膨張率の違いによりごく小さくなるので，半導体素子１２は精密に位置決めされる。さらに，この隙間によって，膨張時の第１治具２１と第２治具２２とが互いに圧迫されることが防止されている。さらに，第３治具２３を使用するので，ピン２３ａにより基板１１と第１治具２１とがともに位置決めされ，これによって基板１１と半導体素子１２との間の配置がより精密に位置決めされている。以上のように，複数の素子等の部材を１つの基板にハンダ付けするに際し，精密な位置決めが可能であるとともに粉塵や素子の破損を防止したハンダ付け構造体の製造方法となっている。

なお，本形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。
例えば，第３治具２３と第１治具２１との間の位置決め方法はピン２３ａによる方法に限らず，第３治具２３に仕切り壁や枠を設けても良い。あるいは，より大きい基板１１に適用する場合には，基板１１にピン２３ａを貫通させるための孔を設けておいても良い。
また例えば，各治具２１，２２，２３の材質は，基板１１が銅製であった場合の一例である。基板１１の材質が異なる場合には当然，各治具の材質も変更する必要がある。また，上記の線膨張係数の関係を満たすものであれば，上記の材質に限らず使用できる。
また例えば，上記の形態では，１枚の基板１１に４つの半導体素子１２をハンダ付けする例を示した。１枚の基板１１へハンダ付けされる半導体素子１２の数は４個に限らず，２個以上であれば適用可能である。

本形態に係る位置決め治具を取り付けた状態を示す平面図である。 本形態に係る位置決め治具を取り付けた状態を示す断面図である。 第１治具を示す説明図である。 第２治具を示す説明図である。 第３治具を示す説明図である。 ハンダ付け状態の例を示す断面図である。 ハンダ付け状態の例を示す断面図である。 従来の位置決め治具を取り付けた状態を示す平面図である。 従来の位置決め治具を取り付けた状態を示す断面図である。

符号の説明

１ 位置決め治具
１１ 基板
１２ 半導体素子
１３ ハンダ
２１ 第１治具
２１ａ 凹部
２２ 第２治具
２２ａ 突端
２３ 第３治具
２３ａ ピン
２５ 貫通孔
２５ａ 凸部

Claims (3)

1. 下部材上に複数の上部材をハンダ付け接合してなるハンダ付け構造体の製造方法において，
   前記下部材上に
   前記下部材よりも熱膨張率において小さく複数の上部材の全体を囲む第１治具と，
   前記下部材よりも熱膨張率において大きく複数の上部材の間に位置する第２治具とを配置し，
   前記複数の上部材を，前記第１治具および前記第２治具により区画されたスペース内に，前記下部材との間にハンダを介在させて配置し，
   その状態でハンダを溶融させて前記下部材上に前記複数の上部材をハンダ付け接合することを特徴とするハンダ付け構造体の製造方法。
2. 請求項１に記載のハンダ付け構造体の製造方法において，
   前記第１治具として，前記第２治具の先端と係合する係合部が内縁に設けられたものを使用し，
   常温にて前記下部材上に前記第１治具および前記第２治具を配置したときに，前記第１治具の係合部と前記第２治具の先端との間に隙間があることを特徴とするハンダ付け構造体の製造方法。
3. 請求項１または請求項２に記載のハンダ付け構造体の製造方法において，
   前記第１治具および前記下部材を位置決めする位置決め部を有する第３治具をさらに用い，
   前記第３治具上に前記下部材を載置した状態で，前記下部材上への前記第１治具，前記第２治具，および前記複数の上部材の配置を行うことを特徴とするハンダ付け構造体の製造方法。

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