JP2004098131A

JP2004098131A - Jig for reflow soldering

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Publication number: JP2004098131A
Application number: JP2002263813A
Authority: JP
Inventors: Ayano Tsukanaka; 塚中　綾乃; Teruhiko Sonoda; 園田　輝彦
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-09-10
Filing date: 2002-09-10
Publication date: 2004-04-02

Abstract

【課題】部品のセットおよび半田付体の取出しが簡単でありながら、位置精度のよい半田付を可能とするリフロー半田付用治具を提供する。
【解決手段】半田付用治具１は、線膨張率の小さい材料（カーボン等）からなる治具本体６０と、治具本体６０よりも線膨張率の大きな材料（アルミニウム等）から構成された熱伸張型位置決部材４０とを備える。開口部６５，６７は部品１０，２０，３０を挿通可能な開口形状を有するので、これらの部品を開口部６５，６７から治具１に容易にセットすることができる。治具１が半田付温度に加熱されると、治具本体６０と位置決部材４０との線膨張率の違いにより位置決部材４０が開口部６５の内側にはみ出して部品２０の外周に当接し、部品２０の位置決めが行われる。治具１が冷えると位置決部材４０が収縮するので、治具１から半田付体を簡単に取り出すことができる。
【選択図】　図４An object of the present invention is to provide a reflow soldering jig that enables easy setting of components and removal of a soldered body, and also enables high-accuracy soldering.
A jig for soldering 1 is composed of a jig body 60 made of a material having a small linear expansion coefficient (such as carbon) and a material having a larger linear expansion coefficient than the jig body 60 (such as aluminum). And a heat-stretchable positioning member 40. Since the openings 65, 67 have an opening shape through which the components 10, 20, 30 can be inserted, these components can be easily set on the jig 1 through the openings 65, 67. When the jig 1 is heated to the soldering temperature, the positioning member 40 protrudes inside the opening 65 due to a difference in linear expansion coefficient between the jig main body 60 and the positioning member 40, and contacts the outer periphery of the component 20. , The positioning of the component 20 is performed. When the jig 1 cools, the positioning member 40 contracts, so that the soldered body can be easily removed from the jig 1.
[Selection diagram] Fig. 4

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、複数の部品をリフロー半田付するとき（例えば、半導体素子とその上部電極および／または下部電極をリフロー半田付するとき等）に用いる治具に関する。
【０００２】
【従来の技術】一の部品と他の部品とを、それらの間に固体状の半田を挟んで積層配置し、その状態でリフロー炉内に搬入して加熱することによって半田付（リフロー半田付）する方法が知られている。かかるリフロー半田付工程は、上記一の部品に対する他の部品の半田付位置を決めるために、これらの部品を半田付用治具にセットして行われることが多い。
【０００３】
このようなリフロー半田付方法の典型例について図２２を用いて説明する。図２２に示す半田付用治具１００は、主として上型１６０および下型１８０により構成されている。下型１８０の上面には、第一部品１１０に対応した形状の凹部１８２が設けられている。半田付を行う際には、まずこの凹部１８２に第一部品１１０を収容する。次いで、下型１８０に設けられた組合ピン１８４と上型１６０の穴部１６４とを位置合わせして、下型１８０上と上型１６０とを組み合わせる。ここで、上型１６０の所定位置には、第二部品１２０に対応した形状の開口部１６２が設けられている。第一部品１１０の上に箔状の半田１２２を載せ、さらに開口部１６２に第二部品１２０を収容する（嵌め込む）と、上型１６０と下型１８０との間で第一部品１１０に対する第二部品１２０の位置が定まる。このようにして半田付用治具１００にセットされた部品１１０，１２０をリフロー炉（図示せず）内に搬送し、このリフロー炉内の熱により半田１２２を溶融させて半田付を行う。冷却後、上型１６０を取り外し（すなわち上型１６０と下型１８０との組み合わせを解除し）、半田付により一体化された部品（半田付体）を下型１８０から取り出す。
リフロー半田付に関する先行技術文献情報として以下のものがある。
【０００４】
【特許文献１】
特開平２−１７９３５５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このように上型１６０と下型１８０とを組み合わせて用いる半田付用治具１００では、治具に部品をセットする操作および治具から部品を取出す操作を行う際に、下型１８０に上型１６０を着脱しなくてはならないので操作が煩雑である。
【０００６】
そこで本発明は、治具に部品をセットする作業および半田付された部品（半田付体）を治具から取出す操作が簡単でありながら、位置精度のよい半田付を可能とするリフロー半田付用治具を提供することを目的とする。関連する他の目的は、そのような治具を用いて半田付された半田付体を提供することである。さらに、そのような治具を用いたリフロー半田付方法および半田付体の製造方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段と作用と効果】本発明者は、治具への部品のセットおよび治具からの半田付体の取出しは、一般に半田付温度に比べて低温（典型的には常温）で行われることに着目した。そして、治具に部品をセットする際の温度と半田付温度との温度差によって治具の形状を部分的に異ならせることにより上記課題を解決し得ることを見出した。
【０００８】
本発明は、複数の部品をリフロー半田付するための治具に関する。その治具は、第一部品を収容して位置決めする第一保持部を備える。また、その第一保持部の入口側（部品の収容および取出しを行う側）に、第二部品を収容して位置決めする第二保持部を備える。さらに、半田付温度に加熱されたとき第二部品に当接する熱感応部を備える。ここで第二保持部は、常温時に第一部品を挿通可能な第二開口部を有する。また熱感応部は、半田付温度に加熱されることにより、第二開口部の内側に可逆的にはみ出し、これにより第二部品の位置決めを行う。
【０００９】
半田付温度への加熱によって上記熱感応部を第二開口部の内側に可逆的にはみ出させる好適な一方法として、構成材料の線膨張率に応じて生じる伸縮（熱膨張・熱収縮）を利用する方法が挙げられる。この種の伸縮を利用して上記構成を実現するために、例えば、熱感応部の一部または全部を構成する材料として、第二保持部の構成材料よりも線膨張率の大きい材料を用いることができる。治具の温度が上昇すると、熱感応部が第二保持部に対して相対的に膨張し、これにより熱感応部が第二開口部の内側にはみ出す。このはみ出した熱感応部により第二部品が位置決めされる。
【００１０】
また、半田付温度への加熱によって上記熱感応部を第二開口部の内側に可逆的にはみ出させる他の好適な一方法として、熱感応部の一部と他部との線膨張率の違いにより生じる変形（熱変形）を利用する方法が挙げられる。この種の熱変形を利用して上記構成を実現するために、例えば、熱感応部の構成材料としてバイメタルを用いることができる。
【００１１】
かかる構成の半田付用治具に部品をセットして半田付温度に加熱すると、第二開口部の内側にはみ出した熱感応部が第二部品に当接する。このとき、第二部品の位置が所定の半田付位置からズレている場合には、熱感応部によってその所定の半田付位置に第二部品を押しやることができる。このようにして第二部品が所定の半田付位置に保持（位置決め）された状態でリフロー半田付を行うことにより、第一部品と第二部品とを位置精度よく半田付することができる。
一方、熱感応部のはみ出しは可逆的なものであるので、部品をセットしたり取り出したりする操作を半田付温度よりも低温（典型的には常温）で行うときには、熱感応部が第二開口部にはみ出していないか、少なくともそのはみ出しの程度が半田付温度にあるときよりも小さくなっている。したがって、上記セット操作や取出し操作が熱感応部によって妨げられることはない。また、第二開口部は第一部品を挿通可能（その半田付される向きのままで挿通可能なことをいう。以下同じ。）な形状に形成されているので、図２２に示す従来技術とは異なり上型１６０の着脱を行うことなく、第二開口部を通して第一部品を治具にセットする（第一保持部に収容する）ことができるとともに、得られた半田付体（第一部品を含む）を治具から取り出すことができる。このように、本発明の治具は部品のセットおよび半田付体の取出しが簡単である。
【００１２】
本発明の半田付用治具は、第二保持部の入口側に、第三部品を収容して位置決めする第三保持部をさらに備えた構成とすることができる。その第三保持部は、第一部品および第二部品を挿通可能な第三開口部を有する。
かかる構成によると、図２２に示す従来技術とは異なり、上型１６０の着脱を行うことなく、第一部品および第二部品を治具にセットしたり、リフロー後に得られた半田付体を治具から取り出したりすることができる。
このような半田付用治具は、一回のリフロー工程によって第二部品の両側（上下）に第一部品および第三部品を半田付する用途に好適である。また、一度目のリフロー工程によって第一部品と第二部品とを半田付し、次いで、得られた半田付体の上に第三部品をセットして二度目のリフロー工程により半田付する用途に用いてもよい。
【００１３】
本発明の好適な態様の一例では、前記半田付温度に加熱されたとき、第二部品が、二以上の熱感応部の間および／または熱感応部と第二開口部の内周との間で、互いに非平行な二方向以上に対して位置決めされる。これにより第二部品の半田付の位置精度をさらに向上させ得る。
本発明の好適な態様の他の例では、この治具が二以上の熱感応部を備える。それらの熱感応部は、第二開口部の周囲に、互いに非平行な二方向以上にはみ出すように配置されている。かかる態様によると、二以上の熱感応部の間および／または熱感応部と第二保持部の内周との間で、第二部品を少なくとも二方向に対して位置決めすることができる。このことによって、第二部品の半田付の位置精度をさらに向上させ得る。
【００１４】
なお、本発明の治具を用いて半田付される各部品の典型的な形状はほぼ板状である。本発明の治具を用いて半田付される部品の代表例としては、半導体素子、電極、基板、放熱板、ハウジング等が挙げられる。
【００１５】
【発明の実施の形態】この発明は、また、下記の形態で実施することを特徴とする。
【００１６】
（形態１）　本発明に係る治具により製造される半田付体が、第一部品と第三部品との間に第二部品が半田付された構成であって、その第二部品は、その外周の少なくとも一部が第一部品および第三部品のいずれの外周よりも内側となる位置に半田付されている形状の半田付体である。ここで各部品の「外周」とは、目的とする半田付体をその垂直方向から透視したときの各部品の外周をいう。このような半田付体の一例は、後述する第一実施例により作製された半田付体である（図６参照。ここで、図６中の符号１０は第一部品、符号２０は第二部品、符号３０は第三部品を示す。）。
かかる形状の半田付体を作製する場合には、本発明の治具を用いることによる効果が特によく発揮される。このことにつき図面を用いて説明する。
【００１７】
すなわち、図２３に示すような従来の半田付用治具２００によると、第二部品１２０の外周が第一部品１１０および第三部品１３０の外周よりも内側に位置する部分では、治具２００の内周と第二部品１２０の外周との間に隙間Ｋが空いてしまう。したがって第二部品１２０の位置決めを行うことができない。
また、かかる形状の半田付体を位置精度よく作製するために、一度目の半田付工程により第一部品と第二部品とを半田付し、得られた半田付体に対して二度目の半田付工程により第三部品を半田付することが考えられる。例えば、図２４（ａ）に示すように、上型２６０と下型２８０とを組み合わせた治具２２０を用いて、まず第一部品１１０と第二部品１２０とを半田１２２により半田付する（一度目の半田付工程）。次いで、図２４（ｂ）に示すように、上型２６０を形状の異なる他の上型２７０に交換し、この上型２７０と下型２８０とを組み合わせた治具２３０を用いて、第二部品１２０と第三部品１３０を半田１２４により半田付する（二度目の半田付工程）という方法である。しかしこの方法によると、二種類の上型２６０，２７０が必要となる上、半田付工程を二度実施するため製造効率が低下しがちである。
本発明の半田付用治具によれば、各部品が上述のような位置関係にある場合にも、一度のリフロー工程により、第二部品の上下に第一部品および第三部品を位置精度よく半田付することが可能である。
【００１８】
（形態２）　本発明に係る治具により製造される半田付体が、第一部品上に第二部品が半田付された構成であって、その第二部品は、その外周の少なくとも一部が第一部品の外周よりも内側となる位置に半田付されている形状の半田付体である。このような半田付体の一例は、後述する第二実施例により作製された半田付体である（図１６参照。ここで、図１６中の符号１０は第一部品、符号２０は第二部品を示す。）。
かかる形状の半田付体を作製するにあたって本発明の治具を用いることにより、図２２に示す半田付用治具１００とは異なり、上型１６０の脱着を行わなくても部品のセットおよび取出しを行うことができる。
【００１９】
（形態３）　本発明に係る治具により製造される半田付体が、複数の第二部品の上下に第一部品および第三部品が共通的に半田付された構成の半田付体である。このような構成では、それらの第二部品の外周の一部が第一部品と第三部品の間に位置することとなる。このような半田付体の一例は、後述する第三実施例により作製された半田付体である（図２１参照。ここで、図２１中の符号１０は第一部品、符号２０，２０は第二部品、符号３０は第三部品を示す。）。
このような半田付体を作製するにあたって本発明の治具を用いることにより、第一部品と第三部品との間に複数の第二部品を、一度のリフロー工程により位置精度よく半田付することが可能である。
【００２０】
【実施例】以下、本発明の好適な実施例について詳細に説明する。
【００２１】
＜第一実施例＞
この第一実施例は、一度のリフロー工程により、半導体素子（第二部材）の上面および下面に上部電極（第三部材）および下部電極（第一部材）がそれぞれリフロー半田付された三層構造の半導体装置（半田付体）を製造する用途等に適した半田付用治具およびそれを用いた半導体装置製造方法を例示するものである。ここで、図５および図６に示すように、上部電極３０と下部電極１０とはほぼ同じ平面形状を有する。両電極１０，３０の間に挟まれた半導体素子２０は、それらの電極１０，３０よりも幅が狭く、その外周の大部分（外周のうち三辺のほぼ全部）が両電極１０，３０の外周よりも内側となる位置に半田付される。
この半田付は、図１および図２に示すように、大まかにいって有底筒状の治具本体６０と、その治具本体６０の三箇所に設けられた三つの熱伸張型位置決部材４０ａ，４０ｂおよび４０ｃ（以下、これら三つの位置決部材４０ａ〜４０ｃを併せて「熱伸張型位置決部材４０」ということもある。）とを備える半田付用治具１を用いて行われる。
【００２２】
図２に示すように、治具本体６０には、その底面（下側）から入口側（上側）に向かって、第一保持部６２、第二保持部６４および第三保持部６６がこの順に形成されている。第一保持部６２の上面中央部には、下部電極１０（図４参照）を収容して位置決めする凹部６３が設けられている。第二保持部６４の中央部には、半導体素子２０（図４参照）を収容する第二開口部６５が設けられている。第三保持部６６の中央部には、上部電極３０（図４参照）を収容して位置決めする第三開口部６７が設けられている。凹部６３、第二開口部６５および第三開口部６７の横断面形状（開口形状）はほぼ同じであり、これらによって治具６０の中央部に、大まかにいって柱状の半田付空間６８が形成されている。
図１に示すように、第二開口部６５を囲む環状の第二保持部６４には、その三辺に、第二開口部６５に開口する三つの横穴６９がそれぞれ一つづつ設けられている。それらの横穴６９に、熱感応部を構成する熱伸張型位置決部材４０が設置されている。この位置決部材４０は脚部４２と頭部４４とを有し、頭部４４の端面（脚部４２とは反対側の面）が横穴６９の底面に接着剤（図示せず）等により固定されている。脚部４２の先端（頭部４４とは反対側の端）は、部品のセットや取出しを行うときの温度（典型的には常温）において、第二保持部６４の内周とほぼ同じ面上に位置しており、横穴６９の入口から半田付空間６８に開放されている。
【００２３】
一般に治具本体６０は、部品のセットや取出しを行うときの温度（典型的には常温）と半田付温度との間での形状の差異が少ないほうが好都合である。したがって、治具本体６０は線膨張率の比較的小さい材料を主体に構成されていることが好ましい。治具本体６０を構成するのに適した材料の代表例としてはカーボンが挙げられる。カーボンは、線膨張率が小さいことに加えて、半田の付着しにくさ、熱伝導性のよさ、加工性のよさ等の観点からも治具本体６０の構成材料として好適である。治具本体６０の構成材料として使用し得る他の材料としては、ＳＵＳ、セラミックス、チタン等が例示される。本実施例では実質的にカーボンからなる治具本体６０を用いた。
【００２４】
一方、熱伸張型位置決部材４０は、治具本体６０に比べて線膨張率の大きな材料を主体に構成されている。例えば、治具本体６０の主構成材料（ここではカーボン）の線膨張率の２倍以上、好ましくは１０倍以上の線膨張率を有する材料を用いて熱伸張型位置決部材４０を構成することができる。治具本体６０よりも線膨張率が大きくて、半田付温度に耐えられる耐熱性を有する材料であれば、金属材料、セラミックス材料および有機材料（樹脂材料）等のいずれも使用可能である。これらのうち金属材料または樹脂材料を用いることが好ましい。金属材料としては銅、アルミニウム等を選択することができる。樹脂材料としてはＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）樹脂等を選択することができる。半田付温度よりも高い融点を有し、半田付温度に加熱されたときにも分解ガス等の汚染物質を発生しにくい樹脂材料を選択することが好ましい。本実施例では、実質的にアルミニウムからなる（その一部には半田付着防止のためのコーティングが施されている）熱伸張型位置決部材４０を用いた。
【００２５】
かかる構成の治具１に、半田付の対象となる部品および半田を所定の順序でセットする。すなわち、図４に示すように、下部電極１０、箔状の半田２２、半導体素子２０、半田２４および上部電極３０をこの順で治具１に収容する。ここで、図３によく示されるように、凹部６３、第二開口部６５および第三開口部６７の横断面形状（開口形状）は、半導体素子２０および電極１０，３０の平面形状を含んでいる。したがって、この治具１に下部電極１０、半導体素子２０および上部電極３０を容易に（その半田付される向きのままで）挿入し、セットすることができる。なお、このように治具に部品等をセットする操作は、取り扱いやすさ等の観点から、通常はほぼ常温（例えば約１０〜３０℃）で行うことが好ましい。
【００２６】
このようにして部品等がセットされた治具１をリフロー炉（図示せず）に搬入する。リフロー炉内の熱により治具１の温度が上昇すると、熱伸張型位置決部材４０は治具本体６０よりも顕著に膨張する。すなわち、位置決部材４０が治具本体６０に対して相対的に膨張することとなる。その結果、図５および図６に示すように、三つの位置決部材４０ａ〜４０ｃの脚部４２がそれぞれ第二開口部６５の内側にはみ出して（伸長して）、半導体素子２０の外周の三辺にそれぞれ当接する。これにより半導体素子２０が、図５の左右方向に対しては、互いに対向する位置に設けられた二つの位置決部材４０ａ，４０ｂの間で位置決めされる（図６参照）。また、図５の上下方向（位置決部材４０ａ，４０ｂを結ぶ方向とは非平行な（ほぼ直交する）方向）に対しては、第二保持部６４の一辺（図５で上側に位置する部分）の内周と、この一辺と対向する辺に設けられた位置決部材４０ｃとの間で位置決めされる。この状態で半田２２，２４を溶融させて半田付を行う。
【００２７】
その後、治具１をリフロー炉から搬出して冷却すると、図７に示すように、熱伸張型位置決部材４０ａ〜４０ｃが治具本体６０に対して相対的に収縮することにより、位置決部材４０の先端が第二保持部６４の内周とほぼ同じ面上まで後退する。これにより、半導体素子２０と電極１０，３０とが一体に半田付された半導体装置５を治具１から容易に取り出すことができる。この取出工程は、取り扱いやすさ等の観点から、通常はほぼ常温（例えば約１０〜３０℃）で行うことが好ましい。
【００２８】
このように、本実施例によると、一度のリフロー工程によって、半導体素子２０の上下に上部電極３０および下部電極１０が位置精度よく半田付された半導体装置５を製造することができる。また、温度に応じて可逆的に膨張（伸長）・収縮する熱伸長型位置決部材４０を備えるので、半田付温度では半導体素子２０の位置決めを行うことができるとともに、治具１の開閉を行うことなく（例えば、図２２に示す半田付用治具１００とは異なり、上型１６０の着脱を行うことなく）部品等のセットや半導体装置の取出しを行うことができる。
【００２９】
（変形例１）
上記実施例では熱伸張型位置決部材４０の全体を実質的に一種類の材料（ここではアルミニウム）で構成したが、位置決部材４０の一部を他の材料から構成してもよい。例えば図８に示すように、脚部４２の根元側４２ａ（すなわち頭部４４側）は上記実施例と同様に線膨張率の大きい材料から構成し、脚部４２の先端側４２ｂはカーボン（治具本体６０と同じ材料等）により構成することができる。図８に示す部品セット時（常温時）の状態から半田付温度に加熱されると、図９に示すように、脚部４２の根元側４２ａが治具本体６０に対して相対的に膨張する結果、脚部４２が全体として内側に伸長し、その先端側４２ｂが半導体素子２０の外周に当接する。このとき、図９に示す構成の熱伸張型位置決部材４０によると、溶融した半田２２，２４が位置決部材４０の先端側４２ｂ（カーボンから構成されている部分）に付着しにくいので好都合である。
【００３０】
（変形例２）
上記実施例では熱伸張型位置決部材を用いて熱感応部を構成したが、バイメタルを用いて熱感応部を構成してもよい。例えば、図１０に示すように、第二保持部６４（図２参照）の三辺に沿って三つの板状のバイメタル５０を設けた構成とすることができる。これらのバイメタル５０は、それぞれ相対的に熱膨張率の高い材料からなる高膨張部５２と、その高膨張部５２よりも熱膨張率の低い材料からなる低膨張部５４との二層構造を有し、それぞれ高膨張部５２が治具１の外周側となるように配置されている。各バイメタル５０の一端５０ａは第二保持部６４に固定され、他端５０ｂは固定されていない。
リフロー炉内の熱により治具１の温度が上昇すると、バイメタル５０のうち治具１の外周側にある高膨張部５２が内周側にある低膨張部５４よりも顕著に熱膨張する。その結果、図１１に示すように、バイメタル５０が反り変形して、第二保持部６４に固定されてない他端５０ｂ側が第二開口部６５にはみ出す。このはみ出したバイメタル５０により部品（ここでは半導体素子）の位置決めを行うことができる。
なお、バイメタル５０の構成材料としては、従来公知の各種バイメタルから、使用温度域（半田付温度）等を考慮して適当なものを選択すればよい。例えば、構成金属の組み合わせが黄銅とインバー、青銅とインバー、黄銅とニッケル鋼、モネルメタルとニッケル鋼等であるバイメタルを用いることができる。この他、形状記憶合金等を用いて熱感応部を構成することも可能である。
【００３１】
（変形例３）
上記実施例では第二保持部の三辺に一つづつ合計三つの熱感応部（熱伸張型位置決部材）を設けたが、熱感応部の数および配置はこれに限定されるものではない。例えば図１２に示すように、治具本体６０の肩部６１によって半導体素子２０の左右方向の位置を規制する（位置決めする）ことができる場合等には、第二保持部６４の上下のうち下側の一辺のみに一つの熱伸張型位置決部材４０を設けた構成としてもよい。半田付温度では、この位置決部材４０が伸長して半導体素子２０の外周の一辺（図１２で下側に位置する辺）に当接する。これにより半導体素子２０は、図１２の上下方向に対して、第二保持部６６の一辺（図１２で上側に位置する部分）の内周と、この一辺と対向する辺に設けられた位置決部材４０との間で位置決めされる。
【００３２】
また、上記実施例で用いた治具は、半田付の対象となる部品のうち半導体素子（第一部品と第三部品の間に半田付される第二部品）のみに対して熱感応部を利用した位置決めを行うものであるが、他の部品（ここでは上部電極および／または下部電極）の位置決めを行うための熱感応部をさらに備えた構成とすることもできる。かかる構成の例としては、半田付温度に加熱されることにより第三開口部の内側に可逆的にはみ出して上部電極（第三部品）の位置決めを行う熱感応部をさらに備える構成が挙げられる。
【００３３】
＜第二実施例＞
この第二実施例は、電極（第一部材）の上に半導体素子（第二部材）がリフロー半田付された二層構造の半導体装置（半田付体）を製造する用途等に適した半田付用治具およびそれを用いた半導体装置製造方法を例示するものである。以下、第一実施例に係る部材と同様の機能を果たす部材については同じ符号を付し、その説明を省略する。
図１５に示すように、半導体素子２０は電極１０よりも幅が狭く、その外周の大部分（三辺のほぼ全部）が電極１０の外周よりも内側に半田付される。
【００３４】
図１３および図１４に示すように、本実施例に用いる半田付用治具１は、カーボン製の治具本体６０と、この治具本体６０の三方向に設けられた三つの熱伸長型位置決部材４０とを備える。治具本体６０には、その底面から入口側に向かって、第一保持部６２および第二保持部６４がこの順に形成されている。第一保持部６２の上面中央部に設けられた凹部６３に電極１０が収容されて位置決めされる。また、第二保持部６４の中央部に設けられた第二開口部６５に半導体素子２０が収容される。凹部６３および第二開口部６５の横断面形状（開口形状）はほぼ同じである。第二保持部６４の三辺には、第二開口部６５に連なる三つの溝７０がそれぞれ一つづつ設けられている。それらの溝７０に、第一実施例と同様の材料によって同様の形状に構成された熱伸張型位置決部材４０が収容されている。位置決部材４０の頭部４４の端面は、溝７０の外周側端に固定されている。また、位置決部材４０の脚部４２の先端は、第二保持部６４の内周とほぼ同じ面上に位置している。
【００３５】
かかる構成の治具１に、図１４に示すように、電極１０、半田２２および半導体素子２０をこの順で収容し、リフロー炉（図示せず）に搬入して半田付温度に加熱する。これにより、図１５および図１６に示すように、三つの位置決部材４０の脚部４２が第二開口部６５の内側にはみ出して（伸長して）、半導体素子２０の外周の三辺にそれぞれ当接する。このことによって半導体素子２０が、図１５の左右方向に対しては位置決部材４０ａ，４０ｂの間で、図１５の上下方向に対しては第二保持部６６の内周と位置決部材４０ｃとの間で位置決めされる。この状態で半田２２を溶融させて半田付を行う。その後、治具１をリフロー炉から搬出して冷却すると、熱伸長型位置決部材４０の先端が第二保持部６４の内周とほぼ同じ面上（図１４に示す位置）まで後退する。これにより、電極１０と半導体素子２０とが一体に半田付された半導体装置（半田付体）を治具１から容易に取り出すことができる。
【００３６】
このように、本実施例によると、電極１０と半導体素子２０とを位置精度よく半田付することができる。また、図２２に示す半田付用治具１００とは異なり、上型１６０の脱着を行わなくても部品等のセットや半導体装置の取出しを行うことができる。
【００３７】
＜第三実施例＞
この第三実施例は、一度のリフロー半田付工程により、間隔を開けて配置された複数（ここでは二つ）の半導体素子の上下に、上部電極（第三部品）および下部電極（第一部品）が共通的に半田付された三層構造の半導体装置（半田付体）を製造する用途等に適した半田付用治具およびそれを用いた半導体装置製造方法を例示するものである。以下、第一実施例に係る部材と同様の機能を果たす部材については同じ符号を付し、その説明を省略する。
図２０に示すように、二つの半導体素子２０，２０は、それらの外周の全体が下部電極１０の外周よりも内側となる位置に半田付される。また、上部電極３０は下部電極１０および半導体素子２０よりも幅が狭く、その外周の大部分（外周のうち三辺のほぼ全部）は二つの素子２０，２０のいずれかの外周よりも内側に半田付される。一方、素子２０，２０は上部電極３０により連結されるので、それらの素子２０，２０は、外周の一部が上部電極３０の下方（すなわち上部電極３０の外周よりも内側）となる位置に半田付される。
【００３８】
図１７および図１８に示すように、本実施例に用いる半田付用治具１は、カーボン製の治具本体６０と、この治具本体６０の四方向に上下二段に分けて設けられた合計八つの熱伸長型位置決部材４０とを備える。
図１８に示すように、治具本体６０には、第一保持部６２、第二保持部６４および第三保持部６６がこの順に形成されている。第一保持部６２の上面中央部に設けられた凹部６３に、下部電極１０が収容されて位置決めされる。第二保持部６４の中央部に設けられた第二開口部６５に二つの半導体素子２０，２０が収容される。第三保持部６６の中央部に設けられた第三開口部６７に上部電極３０が収容される。凹部６３、第二開口部６５および第三開口部６７の横断面形状（開口形状）はほぼ同じであり、これらによって治具６０の中央部に、大まかにいって柱状の半田付空間６８が形成されている。
【００３９】
図１７に示すように、半田付空間６８を囲む治具本体６０の各辺（四辺）には、熱伸長型位置決部材を設置するための横穴６９が形成されている。本実施例では、図１８に示すように、これらの横穴６９が、第二保持部６４および第三保持部６６の二段にわたって合計八個設けられている。それらの横穴６９に、第一実施例と同様の材料によって同様の形状に構成された熱伸長型位置決部材４０が収容されている。以下、下段（第二保持部６４）に設けられた四つの位置決部材を４２１，４２２，４２３，４２４といい、上段（第三保持部６６）に設けられた四つの位置決部材を４３１，４３２，４３３，４３４ということがある。これらは、図１７によく示されるように、位置決部材４２１と４２２が対向し、位置決部材４２３と４２４が対向し、位置決部材４３１と４３２が対向し、そして位置決部材４３３と４３４が対向する位置に設けられている。
【００４０】
かかる構成の治具１に、図１８に示すように、下部電極１０を収容し、その上に複数（ここでは二つ）の半導体素子２０，２０を間隔を開けて載置し、それらの素子２０，２０に跨がるように上部電極３０を載置する。下部電極１０と素子２０，２０との間にはそれぞれ箔状の半田２２を挟む。また、素子２０，２０と上部電極３０との間にもそれぞれ半田２４，２４を挟む。
【００４１】
このように部品等がセットされた半田付用治具１をリフロー炉（図示せず）に搬入して加熱する。これにより、各位置決部材４０が第二開口部６５および第三開口部６７の内側にはみ出す（伸長する）。このとき、図１９に示すように、第二保持部６４に設けられた四つの位置決部材４２１〜４２４については、図１９の左右から伸びる位置決部材４２１，４２２が素子２０，２０の外周に当接する前に、図１９の上下から伸びる位置決部材４２３，４２４の先端が素子２０，２０の間に入り込んでいることが好ましい。このことは、位置決部材４２１〜４２４の材質の選択や形状の設定等により実現することができる。必要に応じて、位置決部材４２１，４２２と位置決部材４２３，４２４とを線膨張係数の異なる材料から構成してもよい。これにより、位置決部材４２１，４２２が素子２０，２０の外周に当接してこれらを内側に押しやったとき、素子２０，２０の間に伸長した位置決部材４２３，４２４がスペーサとして機能することにより、二つの素子２０，２０の間隔を規定することができる（図２１参照）。各素子２０は、位置決部材４２１（または４２２）の先端と位置決部材４２３の側面との間、および位置決部材４２１（または４２２）の先端と位置決部材４２４の側面との間で、それぞれ互いに非平行な二方向に対して位置決めされる。
【００４２】
一方、図２０および図２１に示すように、第三保持部６６に設けられた四つの位置決部材４３１〜４３４は上部電極３０の外周の四辺にそれぞれ当接する。これにより上部電極２０は、位置決部材４３１、４３２により図２０の左右方向に位置決めされ、位置決部材４３３、４３４により図２０の上下方向に位置決めされる。その後、治具１をリフロー炉から搬出して冷却すると、位置決部材４０の先端が第二保持部６４の内周とほぼ同じ面上（図１８に示す位置）まで後退する。これにより、下部電極１０、二つの素子２０，２０および上部電極３０が一体に半田付された半導体装置を治具１から容易に取り出すことができる。このようにして、一度のリフロー工程により、複数の半導体素子２０，２０の上下に上部電極３０および下部電極１０が位置精度よく半田付された半導体装置を製造することができる。
【００４３】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一実施例に係る半田付用治具を示す平面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】第一実施例に係る半田付用治具に常温で部品等をセットした状態を示す平面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】第一実施例に係る半田付用治具に部品等をセットして半田付温度に加熱した状態を示す平面図である。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ線断面図である。
【図７】第一実施例に係る半田付用治具をリフロー炉から取り出して冷却した状態を示す断面図である。
【図８】第一実施例の変形例１に係る半田付用治具に常温で部品等をセットした状態を示す断面図である。
【図９】第一実施例の変形例１に係る半田付用治具に部品等をセットして半田付温度に加熱した状態を示す断面図である。
【図１０】第一実施例の変形例２に係る半田付用治具に常温で部品等をセットした状態を示す平面図である。
【図１１】第一実施例の変形例２に係る半田付用治具に部品等をセットして半田付温度に加熱した状態を示す平面図である。
【図１２】第一実施例の変形例３に係る半田付用治具に常温で部品等をセットした状態を示す平面図である。
【図１３】第二実施例に係る半田付用治具に常温で部品等をセットした状態を示す平面図である。
【図１４】図１３の　ＸＩＶ−ＸＩＶ　線断面図である。
【図１５】第二実施例に係る半田付用治具に部品等をセットして半田付温度に加熱した状態を示す平面図である。
【図１６】図１５のＸＶＩ−ＸＶＩ線断面図である。
【図１７】第三実施例に係る半田付用治具に常温で部品等をセットした状態を示す平面図である。
【図１８】図１７の　ＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ　線断面図である。
【図１９】第三実施例に係る半田付用治具に部品等をセットして半田付温度に加熱する途中の状態を、図１８の　ＸＩＸ−ＸＩＸ　断面から見た図である。
【図２０】第三実施例に係る半田付用治具に部品等をセットして半田付温度に加熱した状態を示す平面図である。
【図２１】図２０の　ＸＸＩ−ＸＸＩ　線断面図である。
【図２２】従来の半田付用治具を示す断面図である。
【図２３】従来の半田付用治具を用いた半田付方法を示す断面図である。
【図２４】従来の半田付用治具を用いた半田付方法を示す断面図であって、（ａ）は一度目の半田付工程を、（ｂ）は二度目の半田付工程を示す。
【符号の説明】
１：半田付用治具（リフロー半田付用治具）
５：半導体装置（半田付体）
１０：下部電極（電極、第一部品）
２０：半導体素子（第二部品）
２２，２４：半田
３０：上部電極（第三部品）
４０：熱伸張型位置決部材（熱感応部）
５０：バイメタル（熱感応部）
６０：治具本体
６２：第一保持部
６４：第二保持部
６５：第二開口部
６６：第三保持部
６７：第三開口部[0001]
The present invention relates to a jig used when reflow soldering a plurality of components (for example, when reflow soldering a semiconductor element and its upper electrode and / or lower electrode).
[0002]
2. Description of the Related Art One part and another part are stacked and arranged with a solid solder therebetween, and are carried into a reflow furnace in that state and heated to perform soldering (reflow soldering). ) Is known. Such a reflow soldering step is often performed by setting these components on a soldering jig in order to determine a soldering position of another component with respect to the one component.
[0003]
A typical example of such a reflow soldering method will be described with reference to FIG. The soldering jig 100 shown in FIG. 22 mainly includes an upper die 160 and a lower die 180. On the upper surface of the lower mold 180, a concave portion 182 having a shape corresponding to the first component 110 is provided. When performing soldering, first, the first component 110 is housed in the concave portion 182. Next, the combination pin 184 provided on the lower die 180 and the hole 164 of the upper die 160 are aligned, and the upper die 160 and the upper die 160 are combined. Here, an opening 162 having a shape corresponding to the second component 120 is provided at a predetermined position of the upper die 160. When the foil-shaped solder 122 is placed on the first component 110 and the second component 120 is accommodated (fitted) in the opening 162, the second component 120 is placed between the upper die 160 and the lower die 180 with respect to the first component 110. The position of the two parts 120 is determined. The components 110 and 120 thus set on the soldering jig 100 are transported into a reflow furnace (not shown), and the solder 122 is melted by heat in the reflow furnace to perform soldering. After cooling, the upper die 160 is removed (that is, the combination of the upper die 160 and the lower die 180 is released), and a component (soldered body) integrated by soldering is removed from the lower die 180.
Prior art document information on reflow soldering is as follows.
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-2-179355
[0005]
However, in the soldering jig 100 using the combination of the upper die 160 and the lower die 180, the operation of setting components on the jig and the operation of removing components from the jig are described. When performing the operation, the upper die 160 must be attached to and detached from the lower die 180, so that the operation is complicated.
[0006]
Accordingly, the present invention is directed to a reflow soldering method that enables easy setting of components on a jig and operation of removing a soldered component (soldered body) from the jig, while achieving high-accuracy soldering. The purpose is to provide a jig. Another related object is to provide a soldered body that is soldered using such a jig. Another object of the present invention is to provide a reflow soldering method using such a jig and a method for manufacturing a soldered body.
[0007]
Means for Solving the Problems, Functions and Effects The present inventor has set that the setting of parts in a jig and the removal of a soldered body from the jig are generally performed at a lower temperature (typically, lower than the soldering temperature). (Room temperature). The inventors have found that the above problem can be solved by making the shape of the jig partially different depending on the temperature difference between the temperature at which parts are set on the jig and the soldering temperature.
[0008]
The present invention relates to a jig for reflow soldering a plurality of components. The jig includes a first holding portion that accommodates and positions the first component. In addition, a second holding unit for housing and positioning the second component is provided on the entrance side of the first holding unit (on the side where components are stored and taken out). Further, a heat sensitive portion is provided which comes into contact with the second component when heated to the soldering temperature. Here, the second holding portion has a second opening through which the first component can be inserted at normal temperature. Further, the heat-sensitive portion reversibly protrudes inside the second opening by being heated to the soldering temperature, thereby positioning the second component.
[0009]
As a preferred method for reversibly projecting the heat-sensitive portion inside the second opening by heating to the soldering temperature, use is made of expansion and contraction (thermal expansion and thermal contraction) generated according to the linear expansion coefficient of the constituent material. Method. In order to realize the above configuration by utilizing this kind of expansion and contraction, for example, a material having a larger linear expansion coefficient than the material of the second holding unit is used as a material constituting part or all of the heat-sensitive unit. Can be. When the temperature of the jig rises, the heat-sensitive portion expands relatively to the second holding portion, whereby the heat-sensitive portion protrudes inside the second opening. The protruding heat sensitive portion positions the second component.
[0010]
Another preferable method for reversibly projecting the heat-sensitive portion inside the second opening by heating to the soldering temperature is a difference in linear expansion coefficient between a part of the heat-sensitive portion and another portion. A method utilizing deformation (thermal deformation) caused by the above. In order to realize the above configuration by utilizing this kind of thermal deformation, for example, a bimetal can be used as a constituent material of the heat sensitive portion.
[0011]
When the component is set on the soldering jig having such a configuration and heated to the soldering temperature, the heat-sensitive portion that protrudes inside the second opening contacts the second component. At this time, if the position of the second component is shifted from the predetermined soldering position, the second component can be pushed to the predetermined soldering position by the heat sensitive portion. By performing reflow soldering with the second component held (positioned) at a predetermined soldering position in this way, the first component and the second component can be soldered with high positional accuracy.
On the other hand, since the protrusion of the heat-sensitive portion is reversible, when the operation of setting or removing a component is performed at a temperature lower than the soldering temperature (typically at room temperature), the heat-sensitive portion is opened by the second opening. It does not protrude into the portion, or at least the extent of the protrusion is smaller than at the soldering temperature. Therefore, the setting operation and the unloading operation are not hindered by the heat sensitive section. Further, the second opening is formed in a shape that allows the first component to be inserted therethrough (this means that the first component can be inserted while being soldered in the same direction; the same applies hereinafter). Unlike the above, the first component can be set on the jig through the second opening (accommodated in the first holding portion) without attaching and detaching the upper die 160, and the obtained soldered body (first component) Can be removed from the jig. As described above, the jig of the present invention makes it easy to set a component and take out a soldered body.
[0012]
The soldering jig of the present invention may be configured so as to further include a third holding portion that accommodates and positions the third component on the entrance side of the second holding portion. The third holding portion has a third opening through which the first component and the second component can be inserted.
According to such a configuration, unlike the related art shown in FIG. 22, the first component and the second component are set on the jig or the soldered body obtained after the reflow is repaired without attaching / detaching the upper die 160. Can be removed from the tool.
Such a soldering jig is suitable for use in which the first component and the third component are soldered to both sides (up and down) of the second component by one reflow process. In the first reflow process, the first component and the second component are soldered, and then, the third component is set on the obtained soldered body, and the second reflow process is used for soldering. May be used.
[0013]
In an example of a preferred aspect of the present invention, when heated to the soldering temperature, the second component is placed between two or more heat-sensitive parts and / or between the heat-sensitive part and the inner periphery of the second opening. , Are positioned in two or more directions that are not parallel to each other. Thereby, the positional accuracy of the soldering of the second component can be further improved.
In another example of the preferred embodiment of the present invention, the jig includes two or more heat-sensitive portions. The heat-sensitive portions are arranged around the second opening so as to protrude in two or more non-parallel directions. According to this aspect, the second component can be positioned in at least two directions between the two or more heat-sensitive parts and / or between the heat-sensitive part and the inner periphery of the second holding part. Thereby, the positional accuracy of the soldering of the second component can be further improved.
[0014]
The typical shape of each component to be soldered using the jig of the present invention is substantially plate-like. Representative examples of components to be soldered using the jig of the present invention include a semiconductor element, an electrode, a substrate, a heat sink, a housing, and the like.
[0015]
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention is characterized in that it is carried out in the following modes.
[0016]
(Mode 1) A soldered body manufactured by the jig according to the present invention has a configuration in which a second component is soldered between a first component and a third component. The soldered body has a shape in which at least a part of the outer periphery is soldered to a position inside the outer periphery of any of the first component and the third component. Here, the “outer circumference” of each component refers to the outer circumference of each component when the intended soldered body is seen through from the vertical direction. An example of such a soldered body is a soldered body manufactured according to a first embodiment described later (see FIG. 6, where reference numeral 10 in FIG. 6 denotes a first component, and reference numeral 20 denotes a second component). , Reference numeral 30 indicates a third part).
When producing a soldered body having such a shape, the effect of using the jig of the present invention is particularly well exhibited. This will be described with reference to the drawings.
[0017]
That is, according to the conventional soldering jig 200 as shown in FIG. 23, in the portion where the outer periphery of the second component 120 is located inside the outer periphery of the first component 110 and the outer periphery of the third component 130, A gap K is left between the inner circumference and the outer circumference of the second component 120. Therefore, the second component 120 cannot be positioned.
Further, in order to produce a soldered body having such a shape with high positional accuracy, the first component and the second component are soldered in the first soldering step, and the obtained soldered body is soldered for the second time. It is conceivable to solder the third component in the attaching step. For example, as shown in FIG. 24A, first, the first component 110 and the second component 120 are soldered with the solder 122 by using a jig 220 in which an upper die 260 and a lower die 280 are combined. Second soldering process). Next, as shown in FIG. 24 (b), the upper mold 260 is replaced with another upper mold 270 having a different shape, and the second part is formed by using a jig 230 combining the upper mold 270 and the lower mold 280. This is a method of soldering the second component 120 and the third component 130 with the solder 124 (second soldering step). However, according to this method, two types of upper molds 260 and 270 are required, and the manufacturing efficiency tends to decrease because the soldering step is performed twice.
According to the jig for soldering of the present invention, even when the components have the above-described positional relationship, the first component and the third component can be accurately positioned above and below the second component by a single reflow process. It is possible to solder.
[0018]
(Mode 2) A soldered body manufactured by the jig according to the present invention has a configuration in which a second component is soldered on a first component, and the second component has at least a part of its outer periphery. The soldered body has a shape soldered to a position inside the outer periphery of the first component. An example of such a soldered body is a soldered body manufactured according to a second embodiment to be described later (see FIG. 16. Here, reference numeral 10 in FIG. 16 denotes a first component, and reference numeral 20 denotes a second component. Is shown.).
By using the jig of the present invention in manufacturing a soldering body having such a shape, unlike the jig 100 for soldering shown in FIG. 22, it is possible to set and take out parts without detaching the upper die 160. It can be carried out.
[0019]
(Embodiment 3) A soldered body manufactured by the jig according to the present invention is a soldered body having a configuration in which a first component and a third component are commonly soldered above and below a plurality of second components. In such a configuration, a part of the outer periphery of the second component is located between the first component and the third component. An example of such a soldered body is a soldered body manufactured according to a third embodiment described later (see FIG. 21. Here, reference numeral 10 in FIG. 21 denotes a first component, and reference numerals 20 and 20 denote first and second parts. Two parts, reference numeral 30 indicates a third part.)
By using the jig of the present invention in producing such a soldered body, a plurality of second components can be soldered between the first component and the third component with high positional accuracy by a single reflow process. Is possible.
[0020]
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the present invention will be described below in detail.
[0021]
<First embodiment>
The first embodiment has a three-layer structure in which an upper electrode (third member) and a lower electrode (first member) are respectively reflow-soldered on the upper and lower surfaces of a semiconductor element (second member) by a single reflow process. And a semiconductor device manufacturing method using the soldering jig suitable for use in manufacturing a semiconductor device (solder body). Here, as shown in FIGS. 5 and 6, the upper electrode 30 and the lower electrode 10 have substantially the same planar shape. The semiconductor element 20 sandwiched between the two electrodes 10 and 30 is narrower in width than the electrodes 10 and 30, and most of the outer periphery (almost all of three sides of the outer periphery) is formed by the two electrodes 10 and 30. It is soldered to a position inside the outer periphery.
As shown in FIGS. 1 and 2, this soldering is performed roughly by a jig main body 60 having a bottomed cylindrical shape and three heat-stretching type positioning members provided at three places of the jig main body 60. 40a, 40b and 40c (hereinafter, these three positioning members 40a to 40c may be collectively referred to as a "thermally stretchable positioning member 40").
[0022]
As shown in FIG. 2, the jig body 60 includes a first holding portion 62, a second holding portion 64, and a third holding portion 66 in this order from the bottom surface (lower side) to the entrance side (upper side). Is formed. At the center of the upper surface of the first holding portion 62, a concave portion 63 for housing and positioning the lower electrode 10 (see FIG. 4) is provided. A second opening 65 that accommodates the semiconductor element 20 (see FIG. 4) is provided at the center of the second holding section 64. A third opening 67 is provided at the center of the third holding portion 66 for receiving and positioning the upper electrode 30 (see FIG. 4). The recess 63, the second opening 65, and the third opening 67 have substantially the same cross-sectional shape (opening shape), so that a roughly columnar soldering space 68 is formed in the center of the jig 60. Have been.
As shown in FIG. 1, in the annular second holding portion 64 surrounding the second opening 65, three side holes 69 opening to the second opening 65 are respectively provided on three sides thereof. . In these lateral holes 69, a heat-stretching type positioning member 40 constituting a heat-sensitive portion is installed. The positioning member 40 has a leg 42 and a head 44, and the end surface of the head 44 (the surface opposite to the leg 42) is fixed to the bottom surface of the horizontal hole 69 with an adhesive (not shown) or the like. Have been. The tip of the leg 42 (the end opposite to the head 44) is substantially flush with the inner periphery of the second holding portion 64 at the temperature (typically, normal temperature) at which parts are set or taken out. And is opened to the soldering space 68 from the entrance of the lateral hole 69.
[0023]
In general, the jig body 60 preferably has a small difference in shape between the temperature at which components are set or taken out (typically, normal temperature) and the soldering temperature. Therefore, it is preferable that the jig main body 60 is mainly composed of a material having a relatively small linear expansion coefficient. A typical example of a material suitable for forming the jig body 60 is carbon. Carbon is suitable as a constituent material of the jig main body 60 from the viewpoint of not only low linear expansion coefficient but also difficulty in attaching solder, good thermal conductivity, good workability, and the like. Examples of other materials that can be used as a constituent material of the jig body 60 include SUS, ceramics, and titanium. In this embodiment, the jig body 60 substantially made of carbon is used.
[0024]
On the other hand, the thermal expansion type positioning member 40 is mainly made of a material having a higher linear expansion coefficient than the jig main body 60. For example, the thermal expansion type positioning member 40 is made of a material having a linear expansion coefficient of at least twice, preferably at least 10 times the linear expansion coefficient of the main constituent material (here, carbon) of the jig body 60. Can be. Any metal material, ceramic material, organic material (resin material), or the like can be used as long as the material has a higher linear expansion coefficient than the jig body 60 and has heat resistance enough to withstand the soldering temperature. Among these, it is preferable to use a metal material or a resin material. Copper, aluminum, or the like can be selected as the metal material. As the resin material, PPS (polyphenylene sulfide) resin or the like can be selected. It is preferable to select a resin material having a melting point higher than the soldering temperature and hardly generating contaminants such as decomposition gas even when heated to the soldering temperature. In this embodiment, the heat-stretchable positioning member 40 substantially made of aluminum (a part of which is coated to prevent solder adhesion) is used.
[0025]
The components to be soldered and the solder are set in the jig 1 having such a configuration in a predetermined order. That is, as shown in FIG. 4, the lower electrode 10, the foil-shaped solder 22, the semiconductor element 20, the solder 24, and the upper electrode 30 are accommodated in the jig 1 in this order. Here, as shown in FIG. 3, the cross-sectional shape (opening shape) of the recess 63, the second opening 65, and the third opening 67 includes the planar shape of the semiconductor element 20 and the electrodes 10, 30. I have. Therefore, the lower electrode 10, the semiconductor element 20, and the upper electrode 30 can be easily inserted into the jig 1 (with the soldering direction) and set. The operation of setting components and the like on the jig in this manner is usually preferably performed at substantially normal temperature (for example, about 10 to 30 ° C.) from the viewpoint of easy handling.
[0026]
The jig 1 on which the components and the like are set is carried into a reflow furnace (not shown). When the temperature of the jig 1 rises due to the heat in the reflow furnace, the thermal expansion type positioning member 40 expands more remarkably than the jig body 60. That is, the positioning member 40 expands relatively to the jig main body 60. As a result, as shown in FIGS. 5 and 6, the leg portions 42 of the three positioning members 40 a to 40 c respectively protrude (extend) inside the second opening 65, and the three Contact each side. Thus, the semiconductor element 20 is positioned between the two positioning members 40a and 40b provided at positions facing each other in the left-right direction in FIG. 5 (see FIG. 6). Further, with respect to the vertical direction in FIG. 5 (a direction that is non-parallel (substantially orthogonal) to the direction connecting the positioning members 40a and 40b), one side of the second holding portion 64 (the portion located on the upper side in FIG. 5). ) And the positioning member 40c provided on the side opposite to this one side. In this state, the solders 22 and 24 are melted and soldering is performed.
[0027]
Thereafter, when the jig 1 is carried out of the reflow furnace and cooled, the heat-extension type positioning members 40a to 40c contract relatively to the jig main body 60 as shown in FIG. The distal end of 40 retreats to almost the same plane as the inner periphery of second holding portion 64. Thereby, the semiconductor device 5 in which the semiconductor element 20 and the electrodes 10 and 30 are integrally soldered can be easily taken out from the jig 1. It is preferable that this removal step is usually performed at about normal temperature (for example, about 10 to 30 ° C.) from the viewpoint of easy handling.
[0028]
As described above, according to the present embodiment, the semiconductor device 5 in which the upper electrode 30 and the lower electrode 10 are soldered with high positional accuracy above and below the semiconductor element 20 can be manufactured by one reflow process. In addition, since the thermal expansion type positioning member 40 that reversibly expands (extends) and contracts according to the temperature is provided, the semiconductor element 20 can be positioned and the jig 1 can be opened and closed at the soldering temperature. It is possible to set components and take out the semiconductor device without having to attach and detach the upper die 160 (for example, unlike the soldering jig 100 shown in FIG. 22).
[0029]
(Modification 1)
In the above embodiment, the entire heat-stretching type positioning member 40 is substantially composed of one kind of material (here, aluminum), but a part of the positioning member 40 may be composed of another material. For example, as shown in FIG. 8, the root side 42a (that is, the head 44 side) of the leg 42 is made of a material having a large linear expansion coefficient as in the above embodiment, and the tip side 42b of the leg 42 is made of carbon (cured). (The same material as the component main body 60). When heated to the soldering temperature from the state of component setting (at room temperature) shown in FIG. 8, the root 42a of the leg 42 expands relatively to the jig body 60 as shown in FIG. As a result, the leg 42 extends inward as a whole, and the distal end 42b contacts the outer periphery of the semiconductor element 20. At this time, according to the heat-stretching type positioning member 40 having the configuration shown in FIG. 9, the melted solders 22 and 24 are not easily attached to the front end side 42 b (portion made of carbon) of the positioning member 40, which is convenient. is there.
[0030]
(Modification 2)
In the above-described embodiment, the heat-sensitive section is formed by using the heat-expansion type positioning member. However, the heat-sensitive section may be formed by using bimetal. For example, as shown in FIG. 10, a configuration in which three plate-shaped bimetals 50 are provided along three sides of the second holding portion 64 (see FIG. 2) can be adopted. Each of these bimetals 50 has a two-layer structure of a high expansion portion 52 made of a material having a relatively high thermal expansion coefficient and a low expansion portion 54 made of a material having a lower thermal expansion coefficient than the high expansion portion 52. The high expansion portions 52 are arranged on the outer peripheral side of the jig 1. One end 50a of each bimetal 50 is fixed to the second holding portion 64, and the other end 50b is not fixed.
When the temperature of the jig 1 rises due to the heat in the reflow furnace, the high expansion portion 52 of the bimetal 50 on the outer peripheral side of the jig 1 expands more significantly than the low expansion portion 54 on the inner peripheral side. As a result, as shown in FIG. 11, the bimetal 50 is warped and deformed, and the other end 50 b not fixed to the second holding portion 64 protrudes into the second opening 65. The parts (here, semiconductor elements) can be positioned by the protruding bimetal 50.
As a constituent material of the bimetal 50, an appropriate material may be selected from conventionally known various bimetals in consideration of a use temperature range (a soldering temperature) and the like. For example, a bimetal whose combination of constituent metals is brass and invar, bronze and invar, brass and nickel steel, monel metal and nickel steel, or the like can be used. In addition, it is also possible to configure the heat sensitive portion using a shape memory alloy or the like.
[0031]
(Modification 3)
In the above embodiment, a total of three heat-sensitive portions (heat-stretchable positioning members) are provided, one for each of the three sides of the second holding portion, but the number and arrangement of the heat-sensitive portions are not limited to this. . For example, as shown in FIG. 12, when the position of the semiconductor element 20 in the left-right direction can be regulated (positioned) by the shoulder 61 of the jig main body 60, for example, A configuration in which one heat-stretchable positioning member 40 is provided only on one side of the side. At the soldering temperature, the positioning member 40 extends and comes into contact with one side of the outer periphery of the semiconductor element 20 (the side located on the lower side in FIG. 12). As a result, the semiconductor element 20 is positioned in the vertical direction in FIG. 12 on the inner periphery of one side of the second holding portion 66 (the portion located on the upper side in FIG. 12) and the positioning provided on the side opposite to this one side. It is positioned between the member 40.
[0032]
In addition, the jig used in the above embodiment has a heat sensitive portion for only the semiconductor element (second component soldered between the first component and the third component) among the components to be soldered. Although the positioning is performed using the positioning, it may be configured to further include a heat sensitive portion for positioning other components (here, the upper electrode and / or the lower electrode). As an example of such a configuration, a configuration is further provided that includes a heat-sensitive portion that reversibly protrudes inside the third opening by being heated to the soldering temperature and positions the upper electrode (third component).
[0033]
<Second embodiment>
In the second embodiment, soldering suitable for use in manufacturing a two-layer semiconductor device (soldered body) in which a semiconductor element (second member) is reflow-soldered on an electrode (first member). 1 illustrates a jig and a method for manufacturing a semiconductor device using the same. Hereinafter, members performing the same functions as the members according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
As shown in FIG. 15, the semiconductor element 20 is narrower than the electrode 10, and most of the outer periphery (almost all of three sides) is soldered inside the outer periphery of the electrode 10.
[0034]
As shown in FIGS. 13 and 14, the soldering jig 1 used in the present embodiment has a jig body 60 made of carbon and three heat-stretchable positions provided in three directions of the jig body 60. And a determining member 40. The jig body 60 has a first holding portion 62 and a second holding portion 64 formed in this order from the bottom surface toward the entrance side. The electrode 10 is housed and positioned in a concave portion 63 provided at the center of the upper surface of the first holding portion 62. Further, the semiconductor element 20 is accommodated in the second opening 65 provided at the center of the second holding portion 64. The transverse cross-sectional shape (opening shape) of the recess 63 and the second opening 65 is substantially the same. Three grooves 70 connected to the second opening 65 are provided one by one on three sides of the second holding portion 64. The grooves 70 accommodate the heat-stretchable positioning members 40 formed of the same material and in the same shape as in the first embodiment. The end face of the head 44 of the positioning member 40 is fixed to the outer peripheral end of the groove 70. Further, the distal ends of the legs 42 of the positioning member 40 are located on substantially the same plane as the inner periphery of the second holding portion 64.
[0035]
As shown in FIG. 14, the electrode 10, the solder 22, and the semiconductor element 20 are accommodated in this order in the jig 1 having such a configuration, carried into a reflow furnace (not shown), and heated to the soldering temperature. As a result, as shown in FIGS. 15 and 16, the legs 42 of the three positioning members 40 protrude (extend) inside the second opening 65, and respectively extend on three sides of the outer periphery of the semiconductor element 20. Abut As a result, the semiconductor element 20 is moved between the positioning members 40a and 40b in the left-right direction in FIG. 15 and between the inner periphery of the second holding portion 66 and the positioning member 40c in the vertical direction in FIG. Is positioned between In this state, the solder 22 is melted and soldering is performed. Thereafter, when the jig 1 is carried out of the reflow furnace and cooled, the tip of the heat-elongation type positioning member 40 retreats to almost the same plane as the inner periphery of the second holding portion 64 (the position shown in FIG. 14). Thereby, the semiconductor device (solder) in which the electrode 10 and the semiconductor element 20 are integrally soldered can be easily taken out from the jig 1.
[0036]
As described above, according to this embodiment, the electrode 10 and the semiconductor element 20 can be soldered with high positional accuracy. Further, unlike the soldering jig 100 shown in FIG. 22, it is possible to set components and take out the semiconductor device without detaching the upper die 160.
[0037]
<Third embodiment>
In the third embodiment, an upper electrode (third component) and a lower electrode (first component) are placed above and below a plurality (here, two) of semiconductor elements spaced apart by a single reflow soldering process. 3) illustrates a soldering jig suitable for use in manufacturing a semiconductor device (soldered body) having a three-layered structure to which solder is commonly soldered, and a semiconductor device manufacturing method using the same. Hereinafter, members performing the same functions as the members according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
As shown in FIG. 20, the two semiconductor elements 20 and 20 are soldered to positions where the entire outer periphery is inside the outer periphery of the lower electrode 10. Further, the upper electrode 30 is narrower in width than the lower electrode 10 and the semiconductor element 20, and most of the outer periphery (almost all three sides of the outer periphery) is located inside the outer periphery of either of the two elements 20, 20. Soldered. On the other hand, since the elements 20 and 20 are connected by the upper electrode 30, the elements 20 and 20 are soldered to a position where a part of the outer periphery is below the upper electrode 30 (that is, inside the outer periphery of the upper electrode 30). Attached.
[0038]
As shown in FIGS. 17 and 18, the soldering jig 1 used in the present embodiment is provided in a jig main body 60 made of carbon and in two stages in four directions of the jig main body 60. And a total of eight thermally stretchable positioning members 40.
As shown in FIG. 18, the jig main body 60 has a first holding portion 62, a second holding portion 64, and a third holding portion 66 formed in this order. The lower electrode 10 is housed and positioned in a concave portion 63 provided at the center of the upper surface of the first holding portion 62. The two semiconductor elements 20 are accommodated in a second opening 65 provided at the center of the second holding portion 64. The upper electrode 30 is accommodated in a third opening 67 provided at the center of the third holding section 66. The recess 63, the second opening 65, and the third opening 67 have substantially the same cross-sectional shape (opening shape), so that a roughly columnar soldering space 68 is formed in the center of the jig 60. Have been.
[0039]
As shown in FIG. 17, on each side (four sides) of the jig main body 60 surrounding the soldering space 68, a horizontal hole 69 for installing a heat-expandable positioning member is formed. In the present embodiment, as shown in FIG. 18, a total of eight lateral holes 69 are provided in two stages of the second holding portion 64 and the third holding portion 66. The laterally extending holes 69 accommodate the heat-extensible positioning members 40 formed of the same material and having the same shape as those of the first embodiment. Hereinafter, the four positioning members provided in the lower stage (second holding unit 64) are referred to as 421, 422, 423, and 424, and the four positioning members provided in the upper stage (third holding unit 66) are denoted by 431 and 431. 432, 433, 434. As shown in FIG. 17, the positioning members 421 and 422 face each other, the positioning members 423 and 424 face each other, the positioning members 431 and 432 face each other, and the positioning members 433 and 434 face each other. They are provided at opposing positions.
[0040]
As shown in FIG. 18, a jig 1 having such a configuration accommodates a lower electrode 10 and a plurality of (here, two) semiconductor elements 20, 20 are placed at intervals on the lower electrode 10. The upper electrode 30 is placed so as to straddle 20 and 20. A foil-shaped solder 22 is interposed between the lower electrode 10 and the elements 20, 20. Further, solders 24, 24 are also interposed between the elements 20, 20 and the upper electrode 30, respectively.
[0041]
The soldering jig 1 on which the components and the like are set is carried into a reflow furnace (not shown) and heated. Thereby, each positioning member 40 protrudes (extends) inside the second opening 65 and the third opening 67. At this time, as shown in FIG. 19, regarding the four positioning members 421 to 424 provided on the second holding portion 64, the positioning members 421 and 422 extending from the left and right in FIG. Before the contact, it is preferable that the tips of the positioning members 423 and 424 extending from above and below in FIG. This can be realized by selecting the material of the positioning members 421 to 424, setting the shape, and the like. If necessary, the positioning members 421 and 422 and the positioning members 423 and 424 may be made of materials having different linear expansion coefficients. Thus, when the positioning members 421 and 422 abut against the outer circumferences of the elements 20 and push them inward, the positioning members 423 and 424 extending between the elements 20 and 20 function as spacers. , The distance between the two elements 20, 20 can be defined (see FIG. 21). Each element 20 is located between the tip of the positioning member 421 (or 422) and the side surface of the positioning member 423, and between the tip of the positioning member 421 (or 422) and the side surface of the positioning member 424, respectively. Positioned in two directions that are not parallel to each other.
[0042]
On the other hand, as shown in FIGS. 20 and 21, the four positioning members 431 to 434 provided on the third holding portion 66 abut on the four sides on the outer periphery of the upper electrode 30, respectively. Thus, the upper electrode 20 is positioned in the left-right direction in FIG. 20 by the positioning members 431 and 432, and is positioned in the vertical direction in FIG. 20 by the positioning members 433 and 434. Thereafter, when the jig 1 is carried out of the reflow furnace and cooled, the tip of the positioning member 40 retreats to almost the same plane as the inner periphery of the second holding portion 64 (the position shown in FIG. 18). Thus, the semiconductor device in which the lower electrode 10, the two elements 20, 20, and the upper electrode 30 are integrally soldered can be easily taken out from the jig 1. In this manner, a semiconductor device in which the upper electrode 30 and the lower electrode 10 are soldered above and below the plurality of semiconductor elements 20 with high positional accuracy can be manufactured by a single reflow process.
[0043]
As mentioned above, although the specific example of this invention was demonstrated in detail, these are only illustrations and do not limit a claim. The technology described in the claims includes various modifications and alterations of the specific examples illustrated above.
In addition, the technical elements described in the present specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. The technology illustrated in the present specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view showing a jig for soldering according to a first embodiment.
FIG. 2 is a sectional view taken along line II-II of FIG.
FIG. 3 is a plan view showing a state where components and the like are set at a normal temperature in a soldering jig according to the first embodiment.
FIG. 4 is a sectional view taken along line IV-IV of FIG. 3;
FIG. 5 is a plan view showing a state where components and the like are set on a soldering jig according to the first embodiment and heated to a soldering temperature.
FIG. 6 is a sectional view taken along line VI-VI of FIG. 5;
FIG. 7 is a sectional view showing a state in which the soldering jig according to the first embodiment is taken out of the reflow furnace and cooled.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a state where components and the like are set at a normal temperature in a soldering jig according to a first modification of the first embodiment.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a state where components and the like are set on a soldering jig according to a first modification of the first embodiment and heated to a soldering temperature.
FIG. 10 is a plan view showing a state where components and the like are set at a normal temperature in a soldering jig according to Modification 2 of the first embodiment.
FIG. 11 is a plan view showing a state where components and the like are set on a soldering jig according to a second modification of the first embodiment and heated to a soldering temperature.
FIG. 12 is a plan view showing a state where components and the like are set at a normal temperature in a soldering jig according to Modification 3 of the first embodiment.
FIG. 13 is a plan view showing a state where components and the like are set at a normal temperature in a soldering jig according to the second embodiment.
14 is a sectional view taken along line XIV-XIV of FIG.
FIG. 15 is a plan view showing a state where components and the like are set on a soldering jig according to the second embodiment and heated to a soldering temperature.
FIG. 16 is a sectional view taken along line XVI-XVI in FIG. 15;
FIG. 17 is a plan view showing a state where components and the like are set at room temperature in a soldering jig according to the third embodiment.
18 is a sectional view taken along line XVIII-XVIII in FIG. 17;
FIG. 19 is a view of a state in which parts and the like are set on a soldering jig according to the third embodiment and heated to a soldering temperature, as viewed from a cross section XIX-XIX in FIG. 18;
FIG. 20 is a plan view showing a state where components and the like are set on a soldering jig according to the third embodiment and heated to a soldering temperature.
FIG. 21 is a sectional view taken along the line XXI-XXI in FIG. 20;
FIG. 22 is a cross-sectional view showing a conventional soldering jig.
FIG. 23 is a cross-sectional view showing a soldering method using a conventional soldering jig.
24A and 24B are cross-sectional views showing a soldering method using a conventional soldering jig, wherein FIG. 24A shows a first soldering step, and FIG. 24B shows a second soldering step.
[Explanation of symbols]
1: Soldering jig (reflow soldering jig)
5: Semiconductor device (solder)
10: Lower electrode (electrode, first part)
20: Semiconductor element (second part)
22, 24: solder
30: Upper electrode (third part)
40: Heat stretch type positioning member (heat sensitive part)
50: Bimetal (heat sensitive part)
60: jig body
62: first holding unit
64: second holding unit
65: Second opening
66: Third holding unit
67: Third opening

Claims

A jig for reflow soldering a plurality of parts,
A first holding portion that accommodates and positions the first component,
A second holding portion formed on the entrance side of the first holding portion, for housing and positioning the second component,
A heat-sensitive portion that contacts the second component when heated to a soldering temperature,
The second holding portion has a second opening through which the first component can be inserted at normal temperature,
A reflow soldering jig for positioning the second component by reversibly protruding inside the second opening by being heated to a soldering temperature.

A third holding portion formed on the entrance side of the second holding portion and housing and positioning the third component is further provided.
The reflow soldering jig according to claim 1, wherein the third holding portion has a third opening through which the first component and the second component can be inserted at normal temperature.

The reflow soldering jig according to claim 1, wherein the heat-sensitive portion has a portion made of a material having a higher linear expansion coefficient than a constituent material of the second holding portion.

The jig for reflow soldering according to claim 1, wherein the heat-sensitive portion is formed using a bimetal.

When heated to the soldering temperature, the second component is non-parallel to each other between two or more of the heat sensitive parts and / or between the heat sensitive part and the inner periphery of the second holding part. The reflow soldering jig according to claim 1, wherein the jig is positioned in at least two directions.

6. The device according to claim 1, further comprising two or more heat-sensitive portions, wherein the heat-sensitive portions are arranged around the second opening so as to protrude in two or more non-parallel directions. 7. The jig for reflow soldering described in the above.