JP5712903B2

JP5712903B2 - はんだ付け装置

Info

Publication number: JP5712903B2
Application number: JP2011247774A
Authority: JP
Inventors: 元舟橋; 隆行冨永; 靖秀園田; 光佐野
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2011-11-11
Filing date: 2011-11-11
Publication date: 2015-05-07
Anticipated expiration: 2031-11-11
Also published as: JP2013105848A

Description

本発明は、半導体素子を基板側に向かって加圧しつつリフローはんだ付けを行うはんだ付け装置に関するものである。

従来、半導体素子と基板を接合する装置として、半導体素子の上に重りを載せて半導体素子を基板側に向かって加圧しつつ、リフローはんだ付けを行うものが提案されている（例えば、特許文献１〜４参照）。

特開２００２−１８４７９１号公報特開２００８−１５９８７８号公報特許第３６１４０７９号明細書特開平７−２９７２０９号公報

しかしながら、半導体素子におけるワイヤボンディングが実施される面に重りが接触するため、リフローはんだ付け工程でワイヤボンディング実施面に傷が付き、ワイヤボンディングの接合強度が低下する虞があった。

本発明は上記点に鑑みて、半導体素子を基板側に向かって加圧しつつリフローはんだ付けを行うはんだ付け装置において、ワイヤボンディングの接合強度の低下を防止することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、基板（１）と半導体素子（２）との間にはんだ（３）を介在させ、重り（１２）により半導体素子（２）を基板（１）側に向かって加圧しつつリフローはんだ付けを行うはんだ付け装置であって、重り（１２）における半導体素子（２）に接触する加圧接触面（１２１ａ）は、鏡面仕上げされていることを特徴とする。

これによると、リフローはんだ付け工程で半導体素子（２）におけるワイヤボンディング実施面（２ａ）に傷が付くことを防止することができ、ひいてはワイヤボンディングの接合強度の低下を防止することができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のはんだ付け装置において、加圧接触面（１２１ａ）の中心線平均粗さは、０．２μｍ以下であることを特徴とする。

これによると、リフローはんだ付け工程で半導体素子（２）におけるワイヤボンディング実施面（２ａ）に傷が付くことを確実に防止することができる。

また、請求項１に記載の発明では、加圧接触面（１２１ａ）は、フッ素樹脂にて覆われていることを特徴とする。

これによると、加圧接触面（１２１ａ）への異物（ダスト、油分等）の付着が防止されるため、加圧接触面（１２１ａ）に付着していた異物がリフローはんだ付け工程で半導体素子（２）におけるワイヤボンディング実施面（２ａ）に付着することを防止することができ、ひいてはワイヤボンディングの接合強度の低下を防止することができる。

なお、請求項１に記載の発明において、重り（１２）は、フッ素樹脂を含浸させたアルミニウムにて形成することができる。

請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載のはんだ付け装置において、重り（１２）は、アルマイト処理されたアルミニウムよりなることを特徴とする。

これによると、重り（１２）の耐食性や耐摩耗性を向上させて、リフローはんだ付け工程で半導体素子（２）におけるワイヤボンディング実施面（２ａ）に傷が付くことを継続して防止することができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態に係るはんだ付け装置を示す断面図である。図１のはんだ付け装置によるはんだ付け工程を示す図である。本発明の第２実施形態に係るはんだ付け装置を示す断面図である。本発明の第３実施形態に係るはんだ付け装置を示す断面図である。本発明の第４実施形態に係るはんだ付け装置を示す断面図である。本発明の第５実施形態に係るはんだ付け装置を示す断面図である。本発明の第６実施形態に係るはんだ付け装置におけるはんだ溶融前の状態を示す断面図である。図７の装置におけるはんだ溶融後の状態を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１は第１実施形態に係るはんだ付け装置を示す断面図、図２はそのはんだ付け装置によるはんだ付け工程を示す図である。

図１に示すように、本実施形態に係るはんだ付け装置１０は、基板１と半導体素子２との間にはんだ３を介在させ、リフローはんだ付けにより基板１と半導体素子２との接合を行うものである。なお、基板１は、ガラスエポキシまたはセラミックからなる板状の部材、もしくはアルミニウムからなるリードフレームである。

はんだ付け装置１０は、半導体素子２を位置決めするガイド治具１１と、半導体素子２を基板１側に向かって加圧するアルミニウム製の重り１２と、重り１２を摺動自在に支持する支持治具１３とを備えている。なお、ガイド治具１１および支持治具１３は、耐熱性を考慮してカーボン製としている。

ガイド治具１１は、直方体であり、天地方向（鉛直方向）に貫通した収容空間１１０を備え、この収容空間１１０に半導体素子２が挿入される。ガイド治具１１を天地方向に沿って見たとき、収容空間１１０と半導体素子２は相似形状（具体的には矩形）であり、かつ、半導体素子２を位置決めするために収容空間１１０の壁面と半導体素子２の外周側面との隙間は小さく設定されている。

ガイド治具１１は、下端面に下端切り欠き１１１を備え、上端面に上端切り欠き１１２を備えている。そして、下端切り欠き１１１に基板１を挿入してガイド治具１１と基板１との位置決めを行い、上端切り欠き１１２に支持治具１３を挿入してガイド治具１１と支持治具１３との位置決めを行うようになっている。

重り１２は、支持治具１３の摺動孔１３０に摺動自在に支持される軸部１２０と、この軸部１２０の下端に設けられて半導体素子２に接触する下端板部１２１と、軸部１２０が摺動孔１３０に挿入された後に軸部１２０の上端側に圧入等にて固定される上端板部１２２とを備えている。そして、支持治具１３の摺動孔１３０は天地方向に貫通しており、したがって、重り１２は天地方向に移動可能である。

重り１２は、下端板部１２１の下端面１２１ａが半導体素子２の上端面２ａに接触するようになっている。なお、半導体素子２の上端面２ａは、リフローはんだ付け後にワイヤボンディングが実施される面であり、以下、半導体素子２の上端面２ａを、ワイヤボンディング実施面２ａという。また、ワイヤボンディング実施面２ａに接触する下端板部１２１の下端面１２１ａを、以下、加圧接触面１２１ａという。

この加圧接触面１２１ａは、マシニングセンタ等を用いて切削加工のみで鏡面仕上げされている。切削加工のみのため、重り１２を多数用いる場合も対応が容易である。また、重り１２は、フッ素樹脂を含浸させ且つアルマイト処理されたアルミニウムよりなる。したがって、加圧接触面１２１ａは、フッ素樹脂にて覆われている。

次に、はんだ付け装置１０によるはんだ付け工程について、図２に基づいて説明する。まず、図２（ａ）に示すように、基板１にペースト状のはんだ３をスクリーン印刷する。なお、以降の工程で基板１にガイド治具１１をセットした際に、はんだ３がガイド治具１１の収容空間１１０に臨むように、基板１の所定位置にはんだ３が印刷される。

続いて、図２（ｂ）に示すように、基板１の上にガイド治具１１をセットする。このとき、ガイド治具１１の下端切り欠き１１１に基板１を挿入してガイド治具１１と基板１との位置決めを行う。

続いて、図２（ｃ）に示すように、半導体素子２をガイド治具１１の収容空間１１０に挿入し、半導体素子２をはんだ３の上に載せる。

続いて、図２（ｄ）に示すように、ガイド治具１１の収容空間１１０に重り１２を挿入してガイド治具１１の上に支持治具１３をセットする。このとき、ガイド治具１１の上端切り欠き１１２に支持治具１３を挿入してガイド治具１１と支持治具１３との位置決めを行う。この位置決めにより、重り１２と半導体素子２との相対位置が決められる。

続いて、図２（ｄ）に示す状態のワークをリフロー炉に入れ、はんだ３を溶かして基板１と半導体素子２のはんだ付けを行う。このはんだ付けを行っている間、重り１２の加圧接触面１２１ａが半導体素子２のワイヤボンディング実施面２ａに接触し、重り１２により半導体素子２が基板１側に向かって加圧されるため、図２（ｅ）に示すようにはんだ３が押しつぶされ、これにより、表面張力の大きい鉛フリーはんだを使用してもボイド率が低減され、冷却時のはんだ引けが少なくなる。

なお、はんだ付けの際にはんだ３が押しつぶされて重り１２が下降しても、重り１２の上端板部１２２は支持治具１３に当接しないようになっている。したがって、重り１２の重量により、リフローはんだ付け後のはんだ３の厚みを制御することができる。

続いて、ガイド治具１１、重り１２、および支持治具１３を取り外すことにより、基板１と半導体素子２とを接合した半導体組付体が完成する（図２（ｆ）参照）。

本実施形態では、重り１２の加圧接触面１２１ａを鏡面仕上げしているため、はんだ付け工程において加圧接触面１２１ａが半導体素子２のワイヤボンディング実施面２ａに接触しても、ワイヤボンディング実施面２ａに傷が付くことを防止することができ、ひいてはワイヤボンディングの接合強度の低下を防止することができる。ここで、加圧接触面１２１ａの中心線平均粗さを０．２μｍ以下にした場合、リフローはんだ付け工程でワイヤボンディング実施面２ａに傷が付くことを確実に防止することができる。

また、加圧接触面１２１ａはフッ素樹脂にて覆われているため、加圧接触面１２１ａへの異物の付着が防止される。したがって、加圧接触面１２１ａに付着していた異物がはんだ付け工程でワイヤボンディング実施面２ａに付着することを防止することができ、ひいてはワイヤボンディングの接合強度の低下を防止することができる。

さらに、重り１２はアルマイト処理されているため、重り１２の耐食性や耐摩耗性を向上させて、はんだ付け工程でワイヤボンディング実施面２ａに傷が付くことを継続して防止することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。図３は第２実施形態に係るはんだ付け装置を示す断面図である。以下、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

本実施形態のはんだ付け装置は、基板１が複数に分かれている場合に用いられるもので、図３に示すように、はんだ付け装置１０は、基板１が収容される収容孔１４０が複数個形成されたカーボン製のセット治具１４を備えている。

そして、複数の基板１をセット治具１４の収容孔１４０に挿入して位置決めし、複数の半導体素子２をガイド治具１１により位置決めし、重り１２および支持治具１３をセットした後、その状態のワークをリフロー炉に入れ、はんだ３を溶かして基板１と半導体素子２のはんだ付けを行う。

本実施形態では、半導体素子２および基板１の位置は、ガイド治具１１の壁の厚みやセット治具１４の収容孔１４０の位置を変えることで調整される。また、はんだ３の厚みは重り１２の重量で決定されるため、半導体素子２および基板１の形状は問わない。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。図４は第３実施形態に係るはんだ付け装置を示す断面図である。以下、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図４に示すように、支持治具１３は、リフロー炉内と収容空間１１０とを連通させる複数の連通孔１３１を備えている。これにより、リフロー炉内雰囲気を連通孔１３１を介して収容空間１１０内に取り込むことができるため、収容空間１１０の温度を上げやすく、はんだ付けを短時間で行うことができる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について説明する。図５は第４実施形態に係るはんだ付け装置を示す断面図である。以下、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図５に示すように、支持治具１３の摺動孔１３０は、下方に向かって径が小さくなるテーパになっている。

重り１２は、上端板部１２２が廃止され、重り１２の軸部１２０は、下方に向かって径が小さくなるテーパになっている。また、軸部１２０が摺動孔１３０に挿入された後に軸部１２０の下端側に下端板部１２１が圧入等にて固定される。

そして、はんだ付けの際に重り１２の重量によりはんだ３が押しつぶされて重り１２が所定位置まで下降すると、軸部１２０が摺動孔１３０に当接し、重り１２はその位置で停止する。したがって、重り１２の停止位置を調整することにより、リフローはんだ付け後のはんだ３の厚みを制御することができる。

（第５実施形態）
本発明の第５実施形態について説明する。図６は第５実施形態に係るはんだ付け装置を示す断面図である。以下、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図６に示すように、はんだ付けの際にはんだ３が押しつぶされて重り１２が下降すると、重り１２の上端板部１２２が支持治具１３に当接し、重り１２はその位置で停止するようになっている。したがって、重り１２の停止位置を調整することにより、リフローはんだ付け後のはんだ３の厚みを制御することができる。

（第６実施形態）
本発明の第６実施形態について説明する。図７は第６実施形態に係るはんだ付け装置におけるはんだ溶融前の状態を示す断面図、図８は図７の装置におけるはんだ溶融後の状態を示す断面図である。以下、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

本実施形態では、重り１２の線膨張係数が支持治具１３の線膨張係数よりも大である。そして、図７に示すように、はんだ３の溶融温度未満の温度域では、軸部１２０と摺動孔１３０との間に隙間があって、重り１２は天地方向に移動可能である。また、図８に示すように、はんだ３の溶融温度に達すると、軸部１２０と摺動孔１３０との間の隙間がなくなって重り１２は移動不可能になり、はんだ３はそれ以上押しつぶされなくなる。

（他の実施形態）
上記各実施形態では、ペースト状のはんだ３を用いたが、固形状のはんだ３を用いてもよい。具体的には、基板１の上にガイド治具１１をセットした後、基板１の上に固形状のはんだ３を載せ、さらにそのはんだ３の上に半導体素子２を載せる（図２（ｃ）の状態）。以下、第１実施形態と同様に、図２（ｄ）以降の工程を実行する。

また、ペースト状のはんだ３または固形状のはんだ３を基板１の上に載せた状態、すなわち、はんだ３の上に半導体素子２を載せる前の状態（図２（ａ）の状態）で、はんだ３を一度溶融させてもよい。そして、はんだ３が固まった後に目視等にて検査し、ボイドが多いワークは廃却するようにしてもよい。

なお、上記各実施形態は、実施可能な範囲で任意に組み合わせが可能である。

１基板
２半導体素子
３はんだ
１２重り
１２１ａ加圧接触面

Claims

基板（１）と半導体素子（２）との間にはんだ（３）を介在させ、重り（１２）により前記半導体素子（２）を前記基板（１）側に向かって加圧しつつリフローはんだ付けを行うはんだ付け装置であって、
前記重り（１２）における前記半導体素子（２）に接触する加圧接触面（１２１ａ）は、鏡面仕上げされており、
前記重り（１２）は、フッ素樹脂を含浸させたアルミニウムよりなり、前記加圧接触面（１２１ａ）は、フッ素樹脂にて覆われていることを特徴とするはんだ付け装置。
前記加圧接触面（１２１ａ）の中心線平均粗さは、０．２μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のはんだ付け装置。
前記重り（１２）は、アルマイト処理されたアルミニウムよりなることを特徴とする請求項１または２に記載のはんだ付け装置。