(57)【要約】【課題】従来の誘導加熱現象を利用したはんだ接合装置では、サセプタ上に載置したワークの各部の温度が不均一となるためはんだの溶融状態がばらつき、接合面が均一にはんだ接合されなかった。【解決手段】誘導加熱現象を利用して、放熱板２と回路基板３との間にはんだ４を介在させて構成されるはんだ接合体１のはんだ４を溶融させ、放熱板２と回路基板３とをはんだ接合するはんだ接合装置１０であって、交流電流を通電することで交流磁場を発生させる誘導コイル１１と、誘導コイル１１内に配置され、交流磁場に曝されると発熱するサセプタ１７と、サセプタ１７上に設置され、放熱板２と回路基板３とのはんだ接合時にはんだ接合体１が載置される熱伝導シート１８とを備え、熱伝導シート１８の略中央部には開口部１８ａが形成され、熱伝導シート１８は、はんだ接合体１を開口部１８ａの開口縁部１８ｂ・１８ｂにて支持する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導加熱現象を利用して、第１の接合部材と第２の接合部材との間にはんだを介在させて構成されるはんだ接合体のはんだを溶融させ、前記第１の接合部材と第２の接合部材とをはんだ接合するはんだ接合装置であって、
交流電流を通電することによって交流磁場を発生させ、内側に貫通空間を有する誘導コイルと、
前記誘導コイルの貫通空間内に配置され、交流磁場に曝されると発熱するサセプタと、
前記サセプタ上に設置され、前記第１の接合部材と第２の接合部材とのはんだ接合時に前記はんだ接合体が載置される熱伝導シートとを備え、
前記熱伝導シートの略中央部には開口部が形成され、
前記熱伝導シートは、前記はんだ接合体を前記開口部の縁部にて支持する、
ことを特徴とするはんだ接合装置。
【請求項２】
前記熱伝導シートは、該熱伝導シートに載置されたはんだ接合体の前記開口部に位置する部分の下面と、前記サセプタとの間に間隙が形成されるだけの厚みを有する、
ことを特徴とする請求項１に記載のはんだ接合装置。
【請求項３】
前記はんだ接合体における第１の接合部材および第２の接合部材の何れか一方は、半導体素子が実装された回路基板であり、何れか他方は前記回路基板に生じた熱を放熱させるための放熱板であり、
前記放熱板が前記熱伝導シートの開口部の縁部に支持される、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のはんだ接合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導加熱現象を利用して、第１の接合部材と第２の接合部材との間にはんだを介在させて構成されるはんだ接合体のはんだを溶融させ、前記第１の接合部材と第２の接合部材とをはんだ接合するはんだ接合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体素子が実装された回路基板と、前記回路基板に生じた熱を放熱させる放熱板とをはんだ接合する場合等、第１の接合部材と第２の接合部材とをはんだにより接合してはんだ接合体を構成する場合に、誘導加熱現象を利用して第１の接合部材と第２の接合部材との間に介在させたはんだを溶融し、溶融したはんだにより第１の接合部材と第２の接合部材とをはんだ接合することが行われている。
ここで、誘導加熱現象とは、誘導コイルに交流電流を通電することによって交流磁場を発生させ、交流磁場内に存在する磁性体または導体に交流電流を発生させ、その交流電流によって磁性体または導体を発熱させる現象をいう。
【０００３】
前述のように、誘導加熱現象を用いてはんだ接合を行う装置としては、例えば特許文献１に示すように、はんだを載置している半導体基板の上部に平面上の誘導コイルを配置し、この誘導コイルが発生する交流磁場により半導体基板上のはんだを溶融して、該半導体基板と電子部品とをはんだ接合する装置が知られている。
【特許文献１】特開平７−１７１６７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述のように、誘導加熱現象を利用してはんだ接合を行うはんだ接合装置においては、はんだ接合の対象となるワークを搬送する搬送キャリア側に、交流磁場に曝されると発熱するサセプタを配置し、該サセプタ上にワークを載置して、サセプタを介してワークの加熱を行うように構成している。
しかし、はんだ接合を行うワーク（第１の接合部材および第２の接合部材）がＩＧＢＴやパワーＭＯＳ等を搭載したパワーモジュールであった場合、該パワーモジュールは下端面に放熱板を供えており、はんだ接合時には該放熱板が前記サセプタと接することとなっている。
【０００５】
一般的にパワーモジュールは、放熱グリスを塗布した放熱板の下面を冷却器に接合させて、回路基板に実装される半導体素子の発熱を前記冷却器に放熱するように構成されているため、前記放熱板と冷却器とを密着させることが重要である。
従って、前記放熱板を予め下に凸の反り形状に形成しておき、該放熱板の両端を冷却器に固定することで、放熱板と冷却器とが全体的に密着するようにしている。
【０００６】
このように、パワーモジュールの放熱板は下に凸の反り形状に形成されているので、平板状部材にて構成される前記サセプタ上に放熱板を載置すると、放熱板のサセプタとの接触部位が、該放熱板の中央部（最も下方に突出している部分）のみに偏ったり、サセプタ上に載置した放熱板の姿勢が不安定になったりして、はんだ接合時にパワーモジュールの各部の温度が不均一となり、はんだの溶融度合いにばらつきが生じることとなる。
例えば、放熱板がサセプタと接触している中央部のはんだが高温に加熱されて融け易くなり、端部のはんだがあまり高温に加熱されなくて融けにくくなるため、部位によってはんだの溶融状態がばらつき、回路基板と放熱板との接合面が均一にはんだ接合されなかったり、はんだ接合部にボイドが発生したりする。
そこで、本発明においては、前記サセプタとの接触面が下に凸の反り形状に形成されているワークに対しても、均一な加熱を行うことができるはんだ接合装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するはんだ接合装置は、以下の特徴を有する。
即ち、請求項１記載のごとく、誘導加熱現象を利用して、第１の接合部材と第２の接合部材との間にはんだを介在させて構成されるはんだ接合体のはんだを溶融させ、前記第１の接合部材と第２の接合部材とをはんだ接合するはんだ接合装置であって、交流電流を通電することによって交流磁場を発生させ、内側に貫通空間を有する誘導コイルと、前記誘導コイルの貫通空間内に配置され、交流磁場に曝されると発熱するサセプタと、前記サセプタ上に設置され、前記第１の接合部材と第２の接合部材とのはんだ接合時に前記はんだ接合体が載置される熱伝導シートとを備え、前記熱伝導シートの略中央部には開口部が形成され、前記熱伝導シートは、前記はんだ接合体を前記開口部の縁部にて支持する。
これにより、熱伝導シートに設置される前記はんだ接合体（第１の接合部材または第２の接合部材）の下面が平坦でなく、下に凸となる反り形状等の反り形状を有していたとしても、該はんだ接合体を略均一に加熱することができ、さらには第１の接合部材と第２の接合部材との間に介在させたはんだをも全体的に均一に加熱することができて、各部でのはんだの溶融状態のばらつきを抑えることができる。
従って、接合後のはんだにボイドが発生することを防止できるとともに、第１の接合部材と第２の接合部材との接合面を均一にはんだ接合することができる。
【０００８】
また、請求項２記載のごとく、前記熱伝導シートは、該熱伝導シートに載置されたはんだ接合体の前記開口部に位置する部分の下面と、前記サセプタとの間に間隙が形成されるだけの厚みを有する。
これにより、熱伝導シートに載置したはんだ接合体（第１の接合部材または第２の接合部材）の下面が直接サセプタに接触することがなく、該放熱板が局部的に高温に加熱されることを防止して、放熱板の加熱温度の均一化を図ることが可能となる。
【０００９】
また、請求項３記載のごとく、前記はんだ接合体における第１の接合部材および第２の接合部材の何れか一方は、半導体素子が実装された回路基板であり、何れか他方は前記回路基板に生じた熱を放熱させるための放熱板であり、前記放熱板が前記熱伝導シートの開口部の縁部に支持される。
これにより、該放熱板が下に凸の反り形状を有している部材であっても、加熱時における放熱板の姿勢を安定させることができ、放熱板を均一に加熱して、回路基板と放熱板とを均一にはんだ接合することが可能となる。
また、反りの大きさが異なった放熱板を前記熱伝導シートに載置した場合でも、サセプタから熱伝導シートを通じての放熱板への熱の伝達度合いが殆ど変わることがなく、様々な反りの大きさの放熱板２に対して均一な加熱を行うことが可能となる
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、はんだ接合体を略均一に加熱することができ、さらには第１の接合部材と第２の接合部材との間に介在させたはんだをも全体的に均一に加熱することができて、各部でのはんだの溶融状態のばらつきを抑えることができる。
これにより、接合後のはんだにボイドが発生することを防止できるとともに、第１の接合部材と第２の接合部材との接合面を均一にはんだ接合することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に、本発明を実施するための形態を、添付の図面を用いて説明する。
【００１２】
図１〜図３に示すはんだ接合装置１０は、誘導加熱現象を利用して、第１の接合部材となる放熱板２と、第２の接合部材となり半導体素子が実装された回路基板３との間にはんだ４を介在させて構成されるはんだ接合体１のはんだ４を溶融させ、前記放熱板２と回路基板３とをはんだ接合するはんだ接合装置である。
【００１３】
なお、本例において、はんだ接合体１とは、第１の接合部材となる放熱板２と、第２の接合部材となる回路基板３との間にはんだ４を介在させたものをいうが、このはんだ接合体１には、はんだ４が溶融する前で前記放熱板２と回路基板３とがはんだ４により未だ接合されていない状態のもの、およびはんだ４が溶融され前記放熱板２と回路基板３とがはんだ４により接合された状態のものの、両方を含むものである。
【００１４】
前記はんだ接合装置１０は、前記放熱板２と回路基板３との間にペレット状のはんだ４を介在させた状態のはんだ接合体１を搬送するコンベア１２、前記コンベア１２の周囲を囲むように配置される誘導コイル１１、はんだ接合体１の温度を計測する温度計測器１４、および前記誘導コイル１１や温度計測記１４等を制御するコントローラ１３を備えている。
前記コンベア１２、誘導コイル１１、および温度計測器１４等は、リフロー炉の真空チャンバ内に収容されている。
【００１５】
なお、誘導コイル１１は、コンベア１２によるはんだ接合体１の搬送方向において、該ハンダ接合体１の長さよりも広い範囲に配置されている。
また、誘導コイル１１に囲まれた内側の空間は、コンベア１２上に載置されたはんだ接合体１が搬送されるのに十分な大きさに形成されている。
【００１６】
前記はんだ接合体１は、キャリア１６等を介してコンベア１２上に配置されている。
つまり、前記コンベア１２上には前記キャリア１６が載置されており、該キャリア１６上にはサセプタ１７が載置されている。そして、該サセプタ１７上には、熱伝導シート１８を介してはんだ接合体１が載置されている。
前記熱伝導シート１８は、前記サセプタ１７に立設される位置決めピン、高温用接着材、またはビス等により、前記サセプタ１７に対して固定されている。
【００１７】
ここで、前記サセプタ１７は、交流磁場に曝されると電流が流れて発熱する部材であり、例えば磁性材料にて構成されている。
また、はんだ接合体１が載置されるキャリア１６は、例えば複数が連結された状態でコンベア１２上を搬送されている。
【００１８】
図４、図５に示すように、前記熱伝導シート１８は、例えば、高熱伝導率および柔軟性（可撓性）を有するグラファイトをシート状に形成した部材にて構成されており、その略中央部には略矩形の開口部１８ａが形成されている。
前記開口部１８ａは、略対向する一対の開口縁部１８ｂ・１８ｂ、および略対向する一対の開口縁部１８ｃ・１８ｃを有しており、前記放熱板２は、一方の対向する開口縁部１８ｂ・１８ｂにより支持されるように熱伝導シート１８に載置される。
【００１９】
つまり、放熱板２の図４における左右方向の長さは、前記開口部１８ａの一対の開口縁部１８ｂ・１８ｂの間隔よりも長く形成され、該放熱板２の図４における上下方向の長さは、前記開口部１８ａの一対の開口縁部１８ｃ・１８ｃの間隔よりも短く形成されており、放熱板２は下に凸の反り形状を有しているので、熱伝導シート１８上に載置された放熱板２は一対の開口縁部１８ｂ・１８ｂにて支持されて、該開口縁部１８ｂ・１８ｂ間に位置する放熱板２の下面は熱伝導シート１８の上面よりも下方に位置し、開口縁部１８ｂ・１８ｂよりも左右外側に位置する放熱板２の下面は熱伝導シート１８の上面よりも上方に位置することとなる。
【００２０】
そして、前記熱伝導シート１８の厚みは、載置した放熱板２の開口部１８ａに位置する部分の下面と熱伝導シート１８の下面（すなわち前記サセプタ１７の上面）との間に所定の隙間ｄが形成されるだけの厚みを有するように設定して、熱伝導シート１８に載置した放熱板２が直接サセプタ１７に接触しないようにしている。
【００２１】
このように構成されるはんだ接合装置１０においては、前記はんだ接合体１が誘導コイル１１に囲まれる空間の内部へ搬送されると、コントローラ１３により誘導コイル１１に交流電流が通電される。
誘導コイル１１には、通電された交流電流によって交流磁場が発生する。誘導コイル１１に発生した交流磁場は、誘導コイル１１に囲まれた空間の内部に配置されるサセプタ１７に作用して誘導加熱現象を生じさせ、該サセプタ１７が発熱する。
ここで、誘導加熱現象とは、交流電流を通電した誘導コイルによって交流磁場を発生させ、交流磁場内に存在する磁性材または導体に交流電流を発生させ、その交流電流によって磁性材を発熱させる現象をいう。
【００２２】
前述のごとく、誘導コイル１１からの交流電流による誘導加熱現象によりサセプタ１７が加熱され、加熱されたサセプタ１７により、該サセプタ１７上に載置された熱伝導シート１８が加熱される。さらに、加熱された熱伝導シート１８により、該熱伝導シート１８上に載置された放熱板２を通じてはんだ接合体１が加熱されはんだ４が溶融する。
また、はんだ４の加熱温度は温度計測器１４により計測されており、計測された温度に基づいて、誘導コイル１１に流す電流量をコントローラ１３により制御している。
【００２３】
このように、誘導加熱現象によりはんだ接合体１を加熱する場合、該はんだ接合体１の放熱板２は、熱伝導シート１８と一対の開口縁部１８ｂ・１８ｂのみで接触しているので、サセプタ１７からの熱は、前記開口縁部１８ｂ・１８ｂを通じて放熱板２へ伝達されていく。
図６に示すように、放熱板２に伝達されたサセプタ１７からの熱は、放熱板２の前記開口縁部１８ｂ・１８ｂとの接触部分を中心として放熱板２の各部へ伝播していき、該放熱板２２が全体的に加熱されることとなる。
【００２４】
ここで、図７に、本はんだ接合装置１０にて加熱された放熱板２の温度分布（図７（ａ）と、従来のように下に凸の反り形状を有する放熱板を平板状部材にて構成される（開口部が形成されない）サセプタ上に載置して加熱した場合の放熱板２の温度分布（図７（ｂ）とを示す。
なお、図７（ａ）、図７（ｂ）における分布温度は、Ｈ２が最も高い温度を示しており、Ｈ２＞Ｈ１＞Ｍ＞Ｌ１＞Ｌ２の順に低くなっている。
【００２５】
図７（ａ）によれば、本はんだ接合装置１０により加熱されるはんだ接合体１の放熱板２における温度は、前記開口縁部１８ｂ・１８ｂとの接触部分が最も高く、その接触部分から離れるに従って低くなるような分布となっているが、放熱板２内における温度差は小さい。
つまり、図７（ａ）において最も高い分布温度はＨ１であり、最も低い分布温度はＬ１であって、放熱板２内の各部における温度勾配は小さく、該放熱板２は略均一に加熱されている。
【００２６】
これに対し、図７（ｂ）によれば、従来のように下に凸の反り形状を有する放熱板を平板状部材にて構成されるサセプタ上に載置して加熱した場合の放熱板２の温度は、該放熱板２がサセプタに対して点接触的に接触している中心部が最も高く、その中心部から周辺部へ向うに従って序々に低くなっていくような分布となっていて、放熱板２内における温度差は大きい。
つまり。図７（ｂ）において最も高い分布温度はＨ２であり、最も低い分布温度はＬ２であって、放熱板２内の各部における温度勾配は大きく、該放熱板２は不均一に加熱されている。
【００２７】
このように、開口部１８ａを備えた熱伝導シート１８を介してサセプタ１７からの熱を放熱板２へ伝達することで、下に凸の反り形状を有した放熱板２を略均一に加熱することができるので、放熱板２と回路基板３との間に介在させたはんだ４をも全体的に均一に加熱することができて、各部でのはんだ４の溶融状態のばらつきを抑えることができる。
これにより、接合後のはんだ４にボイドが発生することを防止できるとともに、回路基板３と放熱板２との接合面を均一にはんだ接合することができる。
【００２８】
特に、前記開口部１８ａを備えた熱伝導シート１８は、載置した放熱板２の開口部１８ａに位置する部分の下面と前記サセプタ１７の上面との間に所定の隙間ｄが形成されるだけの厚みを有するように形成しているので、熱伝導シート１８に載置した放熱板２の中央部が直接サセプタ１７に接触することがなく、該放熱板２が局部的に高温に加熱されることを防止して、放熱板２の加熱温度の均一化を図ることが可能となっている。
【００２９】
また、前記熱伝導シート１８は、開口部１８ａの略対向する一対の開口縁部１８ｂ・１８ｂにて２箇所で放熱板２を支持しているので、該放熱板２が下に凸の反り形状を有している部材であっても、加熱時における放熱板２の姿勢を安定させることができ、放熱板２を均一に加熱して、回路基板３と放熱板２とを均一にはんだ接合することが可能となる。
また、反りの大きさが異なった放熱板２を前記熱伝導シート１８に載置した場合でも、サセプタ１７から熱伝導シート１８を通じての放熱板２への熱の伝達度合いが殆ど変わることがなく、様々な反りの大きさの放熱板２に対して均一な加熱を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】はんだ接合装置を示す斜視図である。
【図２】はんだ接合装置を示す平面図である。
【図３】はんだ接合装置を示す正面断面図である。
【図４】熱伝導シートを示す平面図である。
【図５】熱伝導シート上にはんだ接合体（放熱板）を載置した状態を示す側面断面図である。
【図６】熱伝導シート上に載置した放熱板における熱の伝播状態を示す平面図である。
【図７】（ａ）は本はんだ接合装置にて加熱した放熱板の温度分布を示す図であり、（ｂ）は従来のはんだ接合装置にて加熱した放熱板の温度分布を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１    はんだ接合体
２    放熱板
３    回路基板
４    はんだ
１０    はんだ接合装置
１１    誘導コイル
１２    コンベア
１６    キャリア
１７    サセプタ
１８    熱伝導シート
１８ａ  開口部
１８ｂ・１８ｃ  開口縁部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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