JPH0240425B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ 半田を含むアツセンブリのフラツクスレス半
田付けをおこなう半田付け装置であつて、 半田付け温度で液化可能な材料と半田付け温度
で蒸発する不活性材料とを入れる容器と、 上記容器に接続された加熱手段であつて、上記
液化可能な材料を半田付け温度に加熱して、上記
液化可能な材料が次に上記不活性材料を上記半田
付け温度に加熱して、上記容器内に不活性蒸気雰
囲気を作り出すようにした加熱手段と、 上記容器に接続され、上記液化可能な材料を振
動させる振動手段と、 上記不活性蒸気雰囲気中で上記半田を溶融する
に十分な時間、上記アツセンブリを固定し、また
上記アツセンブリの位置決めをするとともに、上
記アツセンブリを上記液化可能な材料の表面上に
浮遊させる位置決め手段とを具備し、上記アツセ
ンブリの振動と、そこに含まれる半田の連続溶融
とを同時におこなつてフラツクスレス半田付けを
達成するようにした半田付け装置。

２ 特許請求の範囲第１項記載の半田付け装置に
おいて、上記容器の底部に配置され、上記液化材
料を保持するのに適応された第二の容器を更に備
え、上記振動手段は上記第二の容器に接続されて
いる半田付け装置。

３ 特許請求の範囲第２項記載の半田付け装置に
おいて、上記容器の上部に近接し、そこから不活
性蒸気雰囲気が逃げるのを阻止する手段を更に備
えた半田付け装置。

４ 特許請求の範囲第３項記載の半田付け装置に
おいて、不活性蒸気雰囲気が逃げるのを阻止する
手段は、上記容器の上部に近接して上記容器内に
配置された冷却コイルを備えている半田付け装
置。

５ フラツクスレス半田付け方法において、半田
付け温度で液体になる液化可能な材料と半田付け
温度で蒸発する不活性材料とを含む容器を用意す
る工程と、 上記液化可能な材料を半田付け温度に加熱し
て、上記液化可能な材料が次に上記不活性材料を
上記半田付け温度に加熱して、上記容器内に不活
性蒸気雰囲気を作り出す工程と、 半田を含むアツセンブリを上記不活性蒸気雰囲
気内に配置して、上記半田を溶融する工程と、 上記アツセンブリを上記液化材料の表面に浮遊
させて、上記アツセンブリの半田可能な領域を上
記不活性蒸気雰囲気に暴露させておく工程と、 アツセンブリを浮遊させて上記不活性蒸気雰囲
気中で上記半田を溶融させている間に同時に上記
液化可能な材料を振動させるてフラツクスレス半
田付けを達成する工程とを具備した方法。

６ 特許請求の範囲第５項記載の方法において、
上記液化可能な材料は半田を含んでいる上記方
法。

７ 特許請求の範囲第５項記載の方法において、
上記不活性材料は大分子量のハロゲン化有機材料
である上記方法。

８ 半田を含むアツセンブリをフラツクスレス半
田付け方法において、 上記液化可能な材料を半田付け温度に加熱し、
上記液化可能な材料が次に上記半田付け温度で蒸
気となる不活性材料を加熱して、上記液化可能な
材料の上方に不活性蒸気雰囲気を作り出す工程
と、 半田を含む上記アツセンブリを上記不活性蒸気
雰囲気に十分な時間置いて、上記半田を溶融する
工程と、 上記アツセンブリを上記液化材料の表面に浮遊
させて、半田付けされる表面を上記不活性蒸気雰
囲気に暴露させておく工程と、 上記液化可能な材料及び上記浮遊アツセンブリ
を振動させ、一方上記半田を溶融し続けて上記ア
ツセンブリのフラツクスレス半田付けを達成する
工程と、を具備した上記方法。

９ 特許請求の範囲第８項の方法において、上記
液化可能な材料は半田を含んでいる上記方法。

１０ 特許請求の範囲第８項記載の方法におい
て、上記不活性材料は大分子量のハロゲン化有機
材料である上記方法。

背景技術 本発明は、半田付け装置および方法に関するも
ので、これにより、半田を含有するアツセンブリ
を蒸気加熱処理および超音波振動の両方を同時に
実施することによつてフラツクス（接合部に塗る
物質）の無い半田付け（以下、フラツクスレス半
田付けという）が実現される。このような方法お
よび装置は、半田付けおよび半田フラツクス塗布
の準備におけるクリニング作業に影響を受けやす
いアツセンブリに対して特に有益なものである。

通常のプリント基板には、その一表面上には回
路網が形成され、反対表面には個別部品が設けら
れている。これらデイスクリート部品上のリード
は、プリント基板中を貫通する開口であり、プリ
ント回路側上に延在している。ここで、プリント
基板を半田付けして前述の回路網を完成してい
る。この基板を洗浄し、フラツクス塗布し、この
プリント回路側を不純物の無い半田に接触させて
いる。半田ウエーブ（solder wave）によつて不
純物の無い表面が得られるようになる。溶解した
半田によりプリント回路およびリードが湿潤され
て、高信頼性の半田付けが行われるようになる。
このような半田による湿潤可能な表面が実現でき
るもう１つの方法としては、溶融した超音波半田
ポツト（ultrasonic solder pot）を採用すること
である。この場合、超音波エネルギによつて半田
をプリント回路およびリードの湿潤可能な表面上
で移動することができ、この結果、酸化物、フラ
ツクスおよび不純物を除去できるので、高信頼性
の半田付け作業が実現できる。いずれの場合で
も、フラツクスは、半田が直接接触するまでの
間、湿潤可能な表面を維持するために必要なもの
である。このような半田付けシステムは、半田を
接続部分に加えるために有効なもので、これら接
続部分は、ポツトから半田を加えるために準備さ
れるものである。

蒸気相半田付けは、半田を含むアツセンブリを
この蒸気中で半田付け可能温度まで加熱するシス
テムを意味するものである。この蒸気によつて不
活性気体（inert atmosphere）が得られると共
に、アツセンブリを半田付け温度まで上昇させる
熱が得られる。このような蒸気相半田付け
（vapor phase soldering）は、半田がすでにア
ツセンブリ中に存在すると共に、加熱によつて接
合部へ再び流入するような状況の下では有効なも
のである。このような半田付けは炉の中で実現さ
れ、この炉の中での不活性気体を利用することに
より、高信頼性の半田接続が実現される助けとな
る。しかし乍ら、半田によつて表面を再び接合す
る場合には、これを洗浄し、酸化物フラツクスお
よび不純物の無いものにする必要があり、これは
高信頼性の半田付けに対する半田付け温度にした
時に要求されるものである。

現在の半田付けシステムによれば、洗浄やフラ
ツクス塗布作業によつて有害な影響を受けてしま
うデバイスを含んだアツセンブリの信頼性の高い
半田付け作業が実現できなかつた。このようなデ
バイスとしては、半導体チツプおよび薄膜回路が
含まれている。従つて、このような半導体デバイ
スを含むコンポーネントを基板に接触させると共
に／または電気的に接続することのできる半田付
け装置および方法が要求されていた。

発明の概要 本発明をよりよく理解するために、本発明の半
田付け装置および方法によれば、アツセンブリの
２つの部分間に半田を有するアツセンブリを、半
田を溶解させるのに十分な高い温度での不活性気
体にさらすと共に、これと同時に、これら２つの
部分間に相対的な動きを生じさせる振動を与え
て、これら部分間で半田ボンデイングを行わせた
ことを特徴とするものである。

従つて、本発明の目的および利益は、以下のよ
うな半田付け装置および方法を提供することであ
る。即ち、この装置においては、２つの部分の一
方が通常の半田接合クリニング（洗浄）およびフ
ラツクス塗布作業に反応しやすいと共に保護され
ることにより、信頼性の高い半田付けボンデイン
グが実現されるようになる。

また、本発明の他の目的によれば、ベツセル中
に包合された高温度の不活性気体および高周波振
動源とによつてアツセンブリを加熱することによ
つて、このアツセンブリが加熱および振動を同時
に受けて適切な半田ボンデイングが確保されるよ
うな半田付け装置および方法を提供することであ
る。

また、本発明の他の目的は、半田の再流入によ
り半田付けすべきアツセンブリを流体半田ポツト
上に浮遊させ、この流体半田を高周波振動させる
ことにより、振動をこのアツセンブリに当てる一
方、このアツセンブリを高温度の不活性気体にさ
らし、この不活性気体はアツセンブリ中の再流入
半田を溶解させるのに十分な高温としたことを特
徴とする半田付け装置および方法を提供すること
である。

本発明の他の目的および利益は、以下の明細書
の部分、請求の範囲および添付の図面を参照する
ことによつて明らかとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による半田付け装置の垂直中
央断面図であり、カバー、冷却コイルおよび半田
ポツトが側面拡大図で描かれている。

第２図は、本発明の装置および方法で半田付け
すべきアツセンブリの斜視図で、部分的に破断さ
れている。

説 明 本発明の半田付け方法と組合わされた本発明の
半田付け装置は、一般に第１図において１０で表
示されている。この装置には、ベース１２が設け
られており、このベース１２によつて半田付けポ
ツト（以下ポツトと略称する）１４を支持する。
このポツト１４には、半田１６が含まれており、
これを、ポツトのエツジ付近で破断図で表わして
いる。半田１６を液（流）体の状態となるよう
に、半田をヒータコイル１８で加熱している。こ
のコイル１８はポツト１４を包含するように設置
されている。ヒータ電源２０によつて、ヒータ電
力を供給する。このヒータ電源にフイードバツク
を設けて、これによつてヒータ電力の制御を行な
い、半田１６を予じめ選択された温度となるよう
に保持する。電気機械的トランスデユーサ２２を
このポツトに固定する。トランスデユーサ２２に
電源２４から電力を供給し、この電源２４によ
り、高周波電力をトランスデユーサ２２に印加し
ている。この周波数は超音波またはこれに近い周
波数が望ましいものである。トランスデユーサ２
２を半田ポツト１４に機械的に結合させ、電源２
４で付勢した時に、このトランスデユーサ２２よ
り超音波振動のような高周波が半田１６に供給さ
れるようになる。

支持プレート２４をベース１２上に設置し、こ
れに開口を形成する。この開口中に半田ポツト１
４が装着されている。壁２６にはベツセル（容
器）の壁が設けられており、これに対して支持プ
レート２４および半田ポツト１４が底部となつて
いる。第１図に示したように、全体の構造は、一
般に水平方向において四角形または矩形形状であ
るが、垂直軸に対して円形円筒状となつている。
これら壁２６は二重壁になつており、これら二重
壁には、内側スキン２８、外側スキン３０および
これらの間で熱絶縁３２が設けられている。この
ように規定されたベツセル３４をカバー３６によ
つて閉鎖させると共に、内側スペース３８を包囲
する。カバー３６を移動可能としてこの内側スペ
ースに接近させることができる。

冷却用コイル４０をこのベツセルの上部内側の
周りに装着する。このコイル４０には、流体入口
４２および流体出口４４が設けられており、これ
によつてベツセルの上側部分に冷却ゾーンを形成
できる。この冷却コイルを用いることによつて、
スペース３８で生成される蒸気を凝縮させて装置
の使用時に、ベツセルの頂部から蒸気が消失する
のを防止できる。この冷却コイル中に採用した流
体は、内部スペース内で用いた加熱用流体の蒸発
点に関連性を有している。本例によれば、この蒸
気の適当な凝縮が、室温の水を下記の蒸発材料と
一緒に冷却コイル内の流体として利用した場合に
実現される。内側スペース３８内の材料は動作温
度において蒸気状態である。この好適な材料は、
大きな分子のハロゲン化有機材料であり、この材
料は、ミネソタ州セントポールの3M社から入手
可能な流本FC70である。この冷却材料は215℃で
蒸発し、半田材料に関して不活性であると共に、
半田付け可能な接合部を有する殆んどのアツセン
ブリに対しても不活性である。215℃の気化点
（蒸発点）を有するこの流体は好適な材料であり、
殆んどの半田に対して適合できるものである。多
段ステツプの半田付け作業が要求される場合に
は、同じ3M社より入手可能なFC71が存在し、こ
の流体は253℃の気化点を有している。中間の温
度が、これら２つの流体を適当な比率で混合する
ことによつて得られるようになる。

本発明の装置の利用法をより良く理解するため
に、本発明の装置および方法によつて半田付けさ
れるべきアツセンブリの例を第２図に示す。この
アツセンブリ５０には、チツプ５２が設けられて
おり、このチツプには、複数個の半導体電子デバ
イスが設けられている。チツプ５２をエポキシを
用いてチツプキヤリア５４上に装着し、このキヤ
リア５４をチツプを支持するためのセラミツクサ
ポートとする。このチツプ５２を固定させる前
に、チツプキヤリア５４をシルクスクリーン処
理、エツチング処理するか、またはその上にリー
ドをメツキ処理してある。これらリードは、この
チツプキヤリアのエツジの周りチツプキヤリアの
頂部上のパツドからこれの底部コーナーまで延在
するように図示してある。この底部コーナーにお
いて、これらリードを半田によつて湿らせること
ができる。チツプ上のパツドをチツプキヤリア上
のパツドにリードワイヤ、例えばリード５８上の
パツドに接続されたリードワイヤ６０のようなワ
イヤにより接続する。

これらチツプキヤリアとこれらのリードとの支
持、固定および接続が問題となる。アツセンブリ
５０には基板６２が設けられており、これもまた
セラミツクである。この基板６２の頂部上に複数
個のリードおよびパツドがシルクスクリーン処理
されている。リード６４，６６が特に、複数のこ
のようなリードとして表わされている。リード６
８および７０は、チツプキヤリア５４と他のチツ
プキヤリアとの間および／または基板６２上に装
着、スクリーン印刷、メツキ処理またはエツチン
グ処理された他の個別デバイス間を接続するよう
に表示されている。基板上のリードは、チツプキ
ヤリア５４のエツジの寸度下側で終端されてい
る。リード７２の終端部が破線で示されたチツプ
キヤリアのエツジの処に表わされている。基板６
２の頂部のリードおよびパツドが正しい位置でシ
ルクスクリーン処理されているか、または他の従
来の方法によつて設けられている。

これらリードおよびパツドに加えて、複数個の
装着用四角形（スクエア）を基板６２の頂部表面
上にシルクスクリーン処理する。これらスクエア
の位置は、接触点（コンタクトポイント）として
作用すると共に、チツプキヤリア５４の下側に存
在するような位置である。これらコンタクトポイ
ントの２つを７４，７６で表示する。これらポイ
ントは、上述のリードから離間している。これら
ポイントは、チツプキヤリアを基板の頂部表面に
接触させると共にボンデイングさせるために用い
られ、チツプキヤリアの基板への物理的接続のみ
ならず、これらエレメント間の良好な熱的通路が
形成されるようになる。第２図では、複数個の小
さなコンタクトポイントを設けていたが、所望に
応じて大きなコンタクトポイントを少数設けるこ
ともできる。

本発明の方法および装置は、チツプキヤリア５
４を基板６２に取付けるための半田付けステツプ
を実現するために利用するのが特に好適である。
チツプキヤリア５４に半田付けすべき基板６２上
の領域、例えばチツプキヤリア５４のエツジのす
ぐ下側のリードの熱伝導領域および／またはコン
タクトポイント７４，７６には、量が制御された
半田が設けられており、この半田は、チツプキヤ
リア５４を導入する前に、これら領域に流入させ
ると共に湿潤させる。冷却用流体を冷却コイル４
０中を通過させ、ヒータコイル８０を付勢し、更
に、不活性気体材料（inert atomosphere
matenal）をスペース３８に配置する。半田槽１
６によつてこの不活性材料を加熱する。この材料
は、室温で流体であると共に、蒸発するように加
熱すると、半田を溶解するのに十分な高い温度で
の蒸気がベツセルのアクテイブな内部スペース中
に生成される。この蒸気は空気より重いので、こ
のベツセル中に残存するようになる。しかし乍
ら、この蒸気が消失しないようにするために、冷
却コイル４０によつて蒸気の上側層を凝縮させ、
これがベツセルの内部壁を下げることにより戻つ
てくるようになる。電源２４を付勢させるので、
半田槽１６を高周波で振動させることができる。

半田が溶解し、少なくとも半田付け温度で不活
性気体材料の溶解が行われる適当な温度に到達す
ると、第２図のアツセンブリ５０を運搬してく
る。このアツセンブリ５０には、基板６２の頂部
上に配置されたチツプキヤリア５４が設けられて
いる。このアツセンブリ５０は洗浄したり、融剤
処理ができない。この理由は、半導体チツプ５２
が存在すると共に、フラツクスがチツプキヤリア
５４と基板６２との間に落ちてしまうからであ
る。完全に除去できない場合には問題が生じてし
まう。このアツセンブリをクランプ、テンプレー
ト、または他の位置決めデバイスで保持し、カバ
ー３６を取外し、更に、このアツセンブリをゆつ
くりベツセル中に下ろして行く。このアツセンブ
リは、半田を実質的に溶解させるのに十分な長い
時間、ベーパーゾーン（蒸気ゾーン）内に残留さ
れている。このアツセンブリ５０は、高周波振動
を受けている半田１６上に浮遊している。この振
動によつて表面の洗浄を行なつており、フラツク
スが無い場合には、不純物の無い半田表面が得ら
れ、これらは確実に接合できるものである。この
接合には、チツプキヤリア５４の基板６２への固
着が包含されている。これはコンタクトポイント
７４および７６を含むコンタクトポイントに半田
を溶解させることにより固着している。これらコ
ンタクトポイントの半田は、セラミツクチツプキ
ヤリア５４の下側表面に接触しており、これによ
つてチツプキヤリアが正しい位置に固着されると
共に、チツプ５２からの熱伝導路が基板６２内に
形成される。更に、これらリード５６，５８のそ
れぞれは、リード６４，６６に接触して、チツプ
キヤリア上のパツドから基板上のパツドへの電気
的接続が形成される。このようにして、チツプキ
ヤリアから基板への全ての電気的接続が、エツジ
への半田付けボンデイング処理によつて実現され
るようになる。

ここで重要な点は、スペース３３中の蒸気は不
活性気体材料であると共に、半田を溶解するため
の基本的な熱を供給するためのものである。半田
槽１６によつて熱をこの不活性気体材料に供給す
る。更に、この槽１６によつてアツセンブリ５０
が浮遊することができるようになると共に、この
場合においてトランスデユーサ２２とアツセンブ
リ５０との間のカツプリングを確立するとができ
る。従つて、この槽１６は、特に半田である必要
はないが、液体の沸点より20℃〜40℃上の温度が
作用温度となるような液体であり、そして液体が
沸騰して加熱用蒸気を生成し、さらにアツセンブ
リ５０よりも高い密度のものでなければならな
い。このことによりこのアツセンブリは、機械的
振動を受けている間では、熱および不活性材料を
保持し乍らこの流体の上に浮遊することができ
る。前述のベーパーゾーンによつて、半田付けす
べきアツセンブリを予じめ加熱でき、このアツセ
ンブリが半田層の上部のベツセル中のスペース内
に存在している間に加熱される。また、このゾー
は、不活性雰囲気に保持されており、このことに
より半田くずが形成されるのを阻止している。更
に、この蒸気によつて熱が加わるので、実際の半
田付け温度が蒸気の凝縮によつて達成されると共
に、超音波エネルギが半田付け温度でアツセンブ
リに印加されるので、この結果フラツクスの発生
しない、信頼性の高い半田付けが実現できる。す
なわち、アツセンブリ５０は不活性蒸気雰囲気内
で、半田を溶融するに十分な温度に、十分な時間
加熱されて、ベツセルの上部内に引下げられる。
そして、アツセンブリ５０が下げられて、液化可
能な材料の表面に浮遊して、半田付される表面は
不活性ガス雰囲気中に暴露される。液化可能な材
料は振動され、これはついでアツセンブリ５０を
振動する。半田はアツセンブリ５０上で溶融し続
け、そのことによりフラツクスレス半田付けが達
成される。

なお、ここでの不活性気体材料は、上述したハ
ロゲン化有機材料に限らない。これは、不活性材
料の一例である。同等の材料には、3Mから入手
できるモデルP70及びP71が含まれる。他の材料
は、米国特許第4315042に記載されているフルオ
リナート（Fluorinert）FC−70、及びイ−・ア
イ・デイユポン社で製造されているFREON ES
である。これは、米国特許3866307号でも引用さ
れている。従つて、不活性気体材料は、上述した
ような大きなハロゲン化分子を持つ材料に限定さ
れるものではない。

本発明の最良モードについてのみ説明したが、
他の変形は種々考案できることは当業者にとつて
容易である。