JP6418253B2 - 加熱冷却機器 - Google Patents

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Description

本発明は、加熱冷却機器に係り、より詳細には、例えば、半導体素子を基板にハンダ付けするのに好適な、加熱冷却機器に関する。
従来のハンダ付け装置としては、ハンダ付け部材をコンベヤに載せて、予備加熱ゾーン、本加熱ゾーン、冷却ゾーンを順に通過させてリフロー処理を行なう、連続送り式のリフロー炉が知られている。一般に、このようなリフロー炉は大気開放されている。
しかし、近年、電力変換用途のスイッチングデバイス等として用いられるパワー半導体モジュールなどでは、その使用環境条件が厳しく、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの半導体チップ、ＦＷＤ（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）などの電子部品と絶縁基板、もしくは絶縁基板とベース板のハンダ接合面においても、高強度かつ高耐熱性が必要とされ、ハンダ濡れ性は優れているが接合強度が十分とは言えないＳｎ−Ａｇ系のハンダ材料に代えて、高接合強度を得易い、Ｓｂ濃度の高いＳｎ−Ｓｂ系のハンダ材料が採用されつつある。
しかしながら、Ｓｂ濃度の高いＳｎ−Ｓｂ系のハンダ材料は、Ｓｎ−Ａｇ系のハンダ材料と比較すると、被ハンダ付け部材の表面に厚い酸化膜が形成されるため、ハンダが濡れにくいという性質があり、大気開放されたリフロー炉を用いると、被ハンダ付け部材の表面酸化膜を十分還元できず、ハンダ接合面にボイドが生じ易いという問題が提起されている。
特許文献１〜３には還元ガス雰囲気でリフロー処理し、ハンダぬれ濡れ性を向上させて、ボイドの発生を防止する方法が記載されている。
また、特許文献４には、密閉可能な縦型のプロセスチューブの内部空間を、本加熱ゾーンと、予備加熱ゾーンと、冷却ゾーンとに分け、被処理物を搭載した昇降手段を昇降させ、その昇降手段を、所望の処理時間条件にしたがって、前記予備加熱ゾーン、前記本加熱ゾーン及び前記冷却ゾーンの各ゾーンで停止させることにより、はんだリフロー処理を被処理物に行うようにしたリフロー炉が開示されている。
一方、特許文献５には、開閉可能なチャンバー内に、少なくとも基板を乗せる部分が平坦であり加熱手段を具えている熱板を設け、かつ前記熱板に密着し得る面を有する冷却板を前記熱板に対して進退可能に設け、前記チャンバーに真空排気ポンプとカルボン酸蒸気の供給源と非酸化性ガスの供給源とを結合したことを特徴とする半田付け装置が開示されている。
特開２０１０−１６１２０７号公報 特開２００８−１８２１２０号公報 特開２００９−１７０７０５号公報 特開２００２−１４４０７６号公報 特開平１１−２３３９３４号公報
しかしながら、特許文献１〜３の装置では、冷却装置が備わっておらず、ハンダ付け部材に対して加熱後の冷却は、自然冷却とされ、ハンダの凝固までに時間がかかって、効率が悪いという問題があった。また、特許文献４の装置では、予備加熱ゾーン、本加熱ゾーン、冷却ゾーンの各ゾーン空間が必要となり、装置の小型化には限界があった。また、特許文献５の装置では、シースヒーター等の加熱装置を具えている熱板の上にハンダ付け部材を載せて接触式の熱伝導により加熱する構造とされており、シースヒーターへの通電を停止しても、その熱板の余熱により、冷却板による冷却の効率が悪くなってしまうという問題があった。
このような問題に鑑み、本発明の目的は、気密性のある一つの処理室内で加熱及び冷却の処理を行うことができる加熱冷却機器であって、加熱冷却効率を高めると共に、装置の小型化を実現できる、加熱冷却機器を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明の加熱冷却機器は、被処理部材の出し入れが可能な開閉機構を有する気密性の処理室と、前記被処理部材を加熱する、少なくとも１つ又は複数の誘導加熱コイルからなる誘導加熱装置と、前記被処理部材を冷却する冷却装置と、前記被処理部材の温度を計測するための温度センサと、前記温度センサにより計測した温度に基づき前記誘導加熱装置及び前記冷却装置を制御する制御装置と、を備え、前記被処理部材及び／又は前記冷却装置の冷却部を移動させて、前記被処理部材と前記冷却装置の冷却部との距離を変更する移動装置を設けたことを特徴とする。
本発明の加熱冷却機器によれば、気密性の処理室の内部に配置された被処理部材を加熱及び冷却するので、例えば、還元ガス雰囲気下におけるハンダリフロー処理などに適し、誘導加熱可能な部材を直接加熱するので、冷却装置を被処理部材に当接又は近接させて配置した場合でも、冷却装置に影響されることなく加熱することができる。被処理部材を昇温する場合は、移動装置により被処理部材から冷却装置を離して冷却能力を下げ、被処理部材を急加熱することができる。また、被処理部材を一定の温度に保持する場合は、移動装置により被処理部材に冷却装置を近接させて、加熱と冷却を均衡させることにより、被処理部材の温度を高精度で制御することができる。また、被処理部材を降温する場合は、移動装置により被処理部材に冷却装置を当接させて急冷することができる。以上の加熱冷却工程を、加熱冷却効率を高めて処理時間を短縮できると共に、被処理部材を処理室内で水平方向に移動させることなく、加熱処理と冷却処理とを連続して施すことができるので、装置を小型化できる。
本発明の加熱冷却機器において、前記誘導加熱コイルは、前記被処理部材の下方に配置され、前記冷却部は、前記誘導加熱コイルと冷却機構が一体化していることが好ましい。
被処理部材を冷却する冷却装置の冷却部は、誘導加熱コイルと冷却機構とが一体化した構造にすることで、処理室内の部材設置スペースが節減され、処理室を小型化することができる。
本発明の加熱冷却機器において、前記冷却機構は、前記誘導加熱コイルを中空構造とすることで、冷媒が循環可能な流路を形成していることが好ましい。
上記態様によれば、誘導加熱コイルを中空構造としているので、それを流路として冷媒を循環させることができる。例えば、中空構造に冷却水を循環させることで被処理部材及び誘導加熱コイルを効率的に冷却することができる。
本発明の加熱冷却機器において、前記冷却部は、冷却時に前記中空構造の誘導加熱コイルの上面に当接する冷却板を備えることが好ましい。
上記態様によれば、被処理部材を昇温する場合は、移動装置により冷却板を被処理部材から引き離し、誘導加熱コイルにより被処理部材を加熱することができる。また、被処理部材を降温する場合は、移動装置により被処理部材を冷却板に当接させることで、被処理部材を急冷することができる。
本発明の加熱冷却機器において、前記被処理部材と前記誘導加熱コイルの間に位置する冷却板と、前記冷却機構として、前記冷却板の下方に配置され、前記誘導加熱コイルが浸る冷媒の流路と、を備えることが好ましい。
上記態様によれば、流路に冷媒を循環させることで、冷却板を冷却することができる。これにより、冷却時には、冷却された冷却板によって被処理部材を冷却することができる。
本発明の加熱冷却機器において、前記冷却板は、炭化珪素、窒化珪素又は窒化アルミのセラミックスで形成されていることが好ましい。
上記態様によれば、冷却板の下に誘導加熱コイルを配置しても被処理部材を加熱することができる。また、加熱された被処理部材を冷却板に接触させた場合、冷却板との熱交換により急速な冷却が可能となり、加熱や冷却で浪費するエネルギーのロスを低減できる。
本発明の加熱冷却機器において、前記誘導加熱コイルの表面を覆う、耐熱性のある絶縁性材料で形成された絶縁カバーを配置するのが好ましい。
上記態様によれば、耐熱性のある絶縁性材料（セラミックスやポリテトラフルオロエチレン樹脂等）の絶縁カバーにより、誘導加熱コイルが露出しないように表面を覆うことで、被処理部材の加熱時に導電性の粉塵や異物が誘導加熱コイル上に堆積して、誘導加熱コイルと短絡するのを防止することができる。導電部材間で生じる放電を防止できるので、長期間メンテナンスを行わなくても加熱冷却機器を安全に運転することができる。
本発明の加熱冷却機器において、前記冷却部は、前記被処理部材の下方に配置され、前記誘導加熱コイルは、前記被処理部材の上方に配置されていることが好ましい。
上記態様によれば、被処理部材と誘導加熱コイルとの距離を、非接触ながらも接近させることができるので、被処理部材を効率よく加熱することができる。また、被処理部材と誘導加熱コイルとの間に障害物（例えば、冷却板）が存在しないので、加熱効率はより高くなる。
本発明の加熱冷却機器において、前記冷却部は、前記被処理部材の下方に配置され、前記誘導加熱コイルは、前記冷却部の下方に配置するようにしてもよい。
このように構成すると、高さの異なる被処理部材を連続して処理する場合であっても、被処理部材と誘導加熱コイルとの距離について高さ調整が必要なくなるので、作業効率がよくなる。
本発明の加熱冷却機器において、前記制御装置は、前記誘導加熱装置に供給する通電電流と周波数、前記冷却装置に供給する冷媒の入口温度と流量、前記被処理部材と前記冷却板との距離をパラメータとし、前記誘導加熱コイルから電磁的に遮蔽された温度センサにより計測した温度に基づき前記誘導加熱装置及び前記冷却装置を制御することが好ましい。
上記態様によれば、制御装置は、電気信号により加熱、冷却に関係するパラメータを精度よく制御して、誘導加熱装置及び冷却装置を制御することができる。また、温度センサは、誘導加熱コイルから電磁的に遮蔽された状態で設置されているので、被処理部材の温度を正確に測定することができる。
本発明の加熱冷却機器において、前記処理室に接続された真空排気装置と、還元ガスを前記処理室内へ導入する還元ガス供給装置と、不活性ガスを前記処理室内へ導入する不活性ガス供給装置と、を備え、前記制御装置は、前記真空排気装置、前記還元ガス供給装置及び前記不活性ガス供給装置を制御することが好ましい。
上記態様によれば、制御装置は、真空排気装置を制御して処理室を真空排気した後、還元ガス供給装置を制御して還元ガスを処理室内へ導入することで、被処理部材の表面を還元することができる。また、制御装置は、不活性ガス供給装置を制御して不活性ガスを処理室内へ導入し、還元ガスと置換するので、処理室を安全に大気開放することができる。
本発明の加熱冷却機器において、前記処理室の内圧を計測する圧力計を備え、前記制御装置は、前記真空排気装置を制御して前記処理室内を減圧し、前記圧力計で計測した該処理室の内圧を取得し、前記誘導加熱装置に供給する通電電流と周波数のパラメータ値から該内圧を最大通電電流に変換して出力制御することが好ましい。
上記態様によれば、制御装置は、例えば、減圧された処理室の内圧を圧力計から取得し、その内圧や被処理部材の加熱位置を考慮した演算を行い、処理室内で放電が生じない誘導加熱コイルの最大通電電流を直ちに出力できる。これにより、処理室内を減圧下に制御した場合においても被処理部材を加熱することができる。例えば、被処理部材のはんだ材料を溶融させたときに発生するガスを排出し易くなるので、欠陥が少なく、ハンダ付けの品質向上が図れる。
本発明の加熱冷却機器において、前記誘導加熱コイルは、中央にくびれを有する縦長の楕円形状をなす１つ又は複数のコイルからなり、前記被処理部材に対して平行に配置されていることが好ましい。
上記態様によれば、このようなコイルの形状により、被処理部材が載置されるトレイの中央付近に熱が集中するのを防止することができる。これにより、例えば、被処理部材の主面が長方形のような形状であっても、高い均熱性を得ることができる。
本発明の加熱冷却機器において、前記誘導加熱装置及び前記冷却装置を１つの処理室に２セット以上配置するのが好ましい。
上記態様によれば、誘導加熱コイルと冷却部以外の部分は全て共有化することができる。また、従来の２倍以上の加熱冷却部を収納することで、２倍以上の被処理部材の加熱、冷却処理が一度に行えるので、大幅なコストダウンと処理性能向上が見込める。
本発明の加熱冷却機器において、前記被処理部材が載置されているトレイを前記冷却部に接触させて冷却する、前記トレイを前記冷却部に押し当てる押当部を備えることが好ましい。
上記態様によれば、被処理部材が載置されているトレイを冷却部に接触させて冷却するとき、押当部によりトレイを冷却部に押し当てる。これにより、トレイと冷却部の接触面積を大きくすることができ、冷却効率を高めることができる。
本発明の加熱冷却機器によれば、移動装置により、被処理部材と冷却装置の冷却部の一方又は両方を移動させることで被処理部材の加熱及び冷却を効率的に行うことができる。
本発明の加熱冷却機器の一実施形態に係る概略構成図である。 本発明の加熱冷却機器に用いられる誘導加熱コイルの例を示す平面図である。 本発明の加熱冷却機器に用いられる瓢箪型の誘導加熱コイルに係る概略構成図である。 本発明の加熱冷却機器の他の実施形態（中空構造の誘導加熱コイル）に係る概略構成図である。 本発明の加熱冷却機器の他の実施形態（中空構造の誘導加熱コイルと冷却板）に係る概略構成図である。 本発明の加熱冷却機器の他の実施形態（２セット収容可能な処理室）に係る概略構成図である。 本発明の加熱冷却機器の他の実施形態（非接触の誘導加熱コイルが処理室の上面付近）に係る概略構成図である。 本発明の加熱冷却機器の他の実施形態（非接触の誘導加熱コイルが処理室の底面付近）に係る概略構成図である。 本発明の加熱冷却機器の他の実施形態（冷媒容器内に誘導加熱コイル配置）に係る概略構成図である。 本発明の加熱冷却機器の他の実施形態（誘導加熱コイル用の絶縁カバー）に係る概略構成図である。 本発明の加熱冷却機器の他の実施形態（トレイ押当機構と圧力計）に係る概略構成図である。
以下、図１を参照し、本発明による加熱冷却機器の一実施形態について説明する。
図１には、加熱冷却機器１００の概略構成図が示されている。加熱冷却機器１００は、被処理部材１の出し入れが可能な開閉機構を有する気密性の処理室４と、被処理部材１の下方に配置された冷却装置３の冷却部３ａと、冷却部３ａの下方に配置された誘導加熱装置２の誘導加熱コイル２ａと、被処理部材１と冷却部３ａとの間の距離を変えるための移動装置１５と、被処理部材１の温度を計測するための温度センサ５と、計測した温度に基づき誘導加熱装置２及び冷却装置３を制御する制御装置６と、制御装置６に信号を入力するための入力装置７とを備えている。
本発明においては、被処理部材１に対して誘導加熱コイル２ａと冷却部３ａとが縦置きされているので、従来の加熱部と冷却部とが横置きされている場合に比べて、装置を大幅に小型化することができる。
以下、各部の構成について詳細に説明する。
処理室４は、蓋部４ａと底部４ｂとで構成される気密室であって、蓋部４ａは、開閉装置８から延出されたシャフト９に支持され、シャフト９と共に図１中の矢印で示すように昇降動作し、底部４ｂに対して開閉可能とされている。蓋部４ａの上面の内側には、被処理部材１から放射される赤外線ふく射を反射して被処理部材１に再入射させるための遮熱カバー１０ａ、１０ｂを取付けることができる。ここで、遮熱カバー１０ａ、１０ｂは、誘導加熱装置２による加熱を妨げない構造にされている。一方、処理室４には真空排気装置１１が接続されており、処理室４を真空排気することができる。また、処理室４には還元ガス供給装置１２と、不活性ガス供給装置１３が接続されており、処理室４に還元ガス、又は不活性ガスを供給することができる。
誘導加熱装置２は、誘導加熱コイル２ａと電源２ｂで構成されている。誘導加熱は、誘導加熱コイル２ａに交流電流を通電し、その磁束変化によって、被処理部材１の導電部分に渦電流を発生させ、渦電流によるジュール発熱によって被処理部材１を加熱する方法であり、他の非接触加熱装置に比べると構造が簡単で、小型化することができ、処理室４の中に設置することもできる。また、消耗部分もないことから、メンテナンスの必要がなく、連続運転に適している。
ただし、被処理部材１が、非磁性材料で電気抵抗の低い金属、例えば銅で構成されている場合は、直に誘導加熱することが難しいため、誘導加熱され易い材料で構成された被加熱部材の上に載置し、誘導加熱コイル２ａによって被加熱部材を誘導加熱し、加熱された被加熱部材からの熱伝導によって間接的に被処理部材１を加熱することができる。被加熱部材で作られたトレイ１ｄは、電気抵抗の高い金属又はカーボン等で構成されることが好ましく、形状は特に限定されない。なお、被加熱部材は、必ずしも専用部材を用意する必要はなく、トレイ１ｄをカーボン等で構成して同様の効果を得ることができる。
誘導加熱コイル２ａの形状は、特に限定されず、例えば、導線を巻いて中央に空所を有する主面の外形が円形又は縦長の楕円形の平板、あるいは主面の外形が中央にくびれを有する瓢箪形の平板のものを用いることができる。
冷却装置３は、冷却部３ａと、熱交換器３ｂと、冷却部３ａ及び熱交換器３ｂを環状に接続する冷媒配管３ｃと、冷媒配管３ｃ内の冷媒を冷却部３ａと熱交換器３ｂとの間で循環させる循環ポンプ３ｄと、前記冷却部に循環させる冷媒の流量を調節するための流量調節弁３ｅとで構成されている。このうち、熱交換器３ｂ、循環ポンプ３ｄ、流量調節弁３ｅは、処理室４の外部に設置されており、熱交換器３ｂには、図示しない配管を通して、冷媒配管３ｃ内を流れる冷媒と熱交換して冷媒を冷却するための流体が流れるようになっている。
冷却装置３の運転方法は、特に限定されないが、例えば、循環ポンプ３ｄを常時運転し、冷却部３ａへの冷媒の流通は流量調節弁３ｅにより遮断又は流量調節することができる。具体的には、被処理部材１の加熱の際には、冷却部３ａへの冷媒循環を止めることができる。被処理部材１の温度を一定に保持している期間では、誘導加熱コイル２ａを流れる交流電力の電流量及び／又はその周波数と共に、流量調節弁３ｅにより冷媒の流量を調整することができる。被処理部材１を冷却する際には、誘導加熱コイル２ａへの電力供給を止め、流量調節弁３ｅを大きく開けて冷却部３ａへの冷媒循環量を増やし、被処理部材１を急冷することができる。
冷却部３ａは、例えば、処理室４内の底部４ｂ上に設置された、冷媒循環流路を備える板状の部材で構成することができる。冷却部３ａの材質は、特に限定されず、耐熱性があり、熱伝導に優れているものが好ましい。また、非接触加熱装置が誘導加熱装置である場合は、冷却部３ａは、誘導加熱されないように、磁束を透過させる絶縁体であることが好ましい。具体的には炭化珪素、セラミックス、石英ガラス等を使用することができ、炭化珪素は熱伝導率が高いため特に好ましい。
また、誘導加熱コイル２ａを中空パイプで構成し、冷媒配管３ｃを循環ポンプ３ｄの吐出側で流量調節弁３ｅの手前から分岐して、誘導加熱コイル２ａに冷媒を流通させ、誘導加熱コイル２ａを冷却することができる。
移動装置１５は、被処理部材１を支持するフレーム１５ａと、フレーム１５ａを昇降させるための複数本の昇降シャフト１５ｂと、昇降シャフト１５ｂが取り付けられている昇降ベース１５ｃと、昇降ベース１５ｃを駆動するための昇降アクチュエータ１５ｄからなり、被処理部材１を上下方向に移動させて、被処理部材１と冷却部３ａとの間の距離を変えることができる。昇降アクチュエータ１５ｄを収縮させると、昇降ベース１５ｃが上昇し、昇降シャフト１５ｂの先端に取り付けられているフレーム１５ａに支持されている被処理部材１が上昇して、冷却部３ａから離間する。逆に、昇降アクチュエータ１５ｄを延伸させると、昇降ベース１５ｃが下降し、昇降シャフト１５ｂの先端に取り付けられているフレーム１５ａに支持されている被処理部材１が下降して、冷却部３ａに接触する。被処理部材１を昇温する場合は、被処理部材１を冷却部３ａから離間させて急加熱することができる。また、被処理部材を一定の温度に保持する場合は、被処理部材１に冷却部３ａを近接させて、加熱と冷却を均衡させることにより、被処理部材１の温度を高精度で制御することができる。また、被処理部材１を降温する場合は、被処理部材１に冷却部３ａを当接させて急冷することができる。
なお、移動装置１５は、被処理部材１の位置を変えず、冷却部３ａを移動させて、被処理部材１と冷却部３ａとの間の距離を変える装置であってもよい。
温度センサ５は、特に限定されず、例えば、熱電対、赤外線放射温度計等を用いることができる。ただし、温度センサ５が誘導加熱の影響を受けないセンサであるか、直接的に誘導加熱されないように電磁的に遮蔽された構造とされていることが好ましい。上記のうち、赤外線放射温度計は、誘導加熱の影響を受けない温度センサである。温度センサ５が熱電対である場合は、芯線部分が直接的に誘導加熱されないように、シースで被覆されていることが好ましい。また、温度センサ５の先端部付近が冷却部３ａに触れていると、温度の低い冷却部３ａの影響を受けるので、少なくとも温度センサ５の先端と冷却部３ａとの間には隙間を設けることが好ましい。温度センサを複数設けてもよい。複数の温度センサからの入力値を平均して、目標値との偏差が最小となるようにすることで温度の信頼性が増す。
真空排気装置１１は、弁１１ａを有する配管１１ｂと、真空ポンプ１１ｃとで構成されている。真空ポンプ１１ｃは、特に限定されず、例えば、ロータリポンプ、ダイアフラムポンプ、ピストン型ポンプ等を用いることができる。ただし、還元ガスを排気する場合は、安全のため、真空ポンプ１１ｃは防爆型であることが好ましい。
還元ガス供給装置１２は、弁１２ａを有する配管１２ｂと、還元ガスボンベ１２ｃとで構成されている。還元ガスとしては、例えば、水素、ギ酸やホルムアルデヒド等を含むガスを用いることができる。
不活性ガス供給装置１３は、弁１３ａを有する配管１３ｂと、不活性ガスボンベ１３ｃとで構成されている。不活性ガスとしては、例えば、窒素、アルゴン等を用いることができる。
制御装置６は、図示していないが、ＲＡＭ、ＲＯＭ、磁気ディスク、光ディスク等からなる記憶装置と、ＣＰＵからなる演算装置とを少なくとも備えており、記憶装置に格納されたプログラムやデータに基づいて、演算装置により各種装置に制御信号が送られるようになっている。制御装置６には、入力装置７と、図示しないディスプレイ、プリンタ等からなる表示装置とが接続されている。制御装置６の記憶装置に格納されるデータは、制御装置６に接続された入力装置７から入力できる。入力装置７から入力するデータとしては、例えば、保持時間ｔ１、保持時間ｔ２、第１目標加熱温度Ｔ１、第２目標加熱温度Ｔ２、第１目標冷却温度Ｔ３、第２目標冷却温度Ｔ４等が挙げられる。また、制御装置６には、前述したように、温度センサ５で測定された被処理部材１の温度Ｔなども入力される。
制御装置６は、開閉装置８に接続されており、制御信号ａによって、処理室４の蓋部４ａを上下させることができる。また、制御装置６は、誘導加熱装置２の電源２ｂに接続されており、制御信号ｂによって誘導加熱コイル２ａの出力を制御することができる。例えば、誘導加熱コイル２ａに通電する交流電力の周波数、電流量を制御することができる。また、制御装置６は、冷却装置３の熱交換器３ｂに接続されており、制御信号ｃによって冷媒の温度を制御できる。また、制御装置６は、冷却装置３の流量調節弁３ｅに接続されており、制御信号ｄによって冷媒の流量を制御できる。また、制御装置６は、真空排気装置１１の弁１１ａに接続されており、制御信号ｅによって弁１１ａを開閉することができる。また、制御装置６は、真空排気装置１１の真空ポンプ１１ｃに接続されており、制御信号ｆによって真空ポンプ１１ｃを運転／停止させることができる。また、制御装置６は、還元ガス供給装置１２の弁１２ａに接続されており、制御信号ｇによって弁１２ａを開閉することができる。また、制御装置６は、不活性ガス供給装置１３の弁１３ａに接続されており、制御信号ｈによって弁１３ａを開閉することができる。また、制御装置６は、移動装置１５の昇降アクチュエータ１５ｄに接続されており、制御信号ｉによって被処理部材１と冷却部３ａとの間の距離を変えることができる。
よって、制御装置６は、誘導加熱コイル２ａに供給する通電電流と周波数、冷却部３ａに供給する冷媒の入口温度と流量、被処理部材１と冷却部３ａとの距離をパラメータとして、被処理部材１の温度を制御することができる。
次に、本発明の加熱冷却機器１００を、半導体モジュールのハンダ付けに用いた、実施形態の一例について説明する。
例えば、被処理部材１は、半導体素子１ａと、絶縁板の両面に金属箔を有する絶縁基板１ｂと、ベース板１ｃと、トレイ１ｄとからなる。被処理部材１の半導体素子は複数個であってもよい。半導体素子は、ペースト状のハンダを介して、絶縁基板の上面の金属箔の所定の位置に貼り付けられている。また、ベース板１ｃは、ペースト状のハンダを介して、絶縁基板１ｂの下面の金属箔に貼り付けられている。トレイ１ｄは搬送治具を兼ねており、冷却部３ａ上に載置すると、トレイ１ｄの下面が、冷却部３ａの上面、及び冷却部３ａに埋設された温度センサ５の先端に当接するようになっている。
トレイ１ｄの材質は、特に限定されず、セラミックス、石英ガラスなどの絶縁材料、カーボンなどの高抵抗材料を用いることができる。トレイ１ｄを絶縁材料で構成すると、透過した磁束によってベース板１ｃを直に誘導加熱することができる。一方、トレイ１ｄを高抵抗材料で構成すると、誘導加熱されたトレイ１ｄからの熱伝導によってベース板１ｃを間接的に加熱することができる。このように構成すれば、ベース板１ｃの材質に依存せず、被処理部材１を均一に加熱することができる。また、トレイ１ｄは、複数個のベース板１ｃを搬送して、加熱冷却処理できるように、トレイ１ｄの形状を適宜変更することができる。以下、加熱冷却機器１００による半導体モジュールのハンダ付け方法について説明する。
（１）搬入
開閉装置８によって処理室４の蓋部４ａを上昇させて処理室４を開け、被処理部材１を搬入し、被処理部材１をフレーム１５ａ上に載置した後、開閉装置８によって処理室４の蓋部４ａを下降させて処理室４を閉じて、密閉する。
（２）真空排気
真空排気装置１１の弁１１ａを開け、真空ポンプ１１ｃを用いて、処理室４の内部を真空排気し、所定の真空度に到達したところで、弁１１ａを閉じる。ただし、減圧状態で還元したい場合は、弁１１ａは開けておいてもよい。
（３）還元ガス導入
還元ガス供給装置１２の弁１２ａを開けて、還元ガスボンベ１２ｃから処理室４へ還元ガスを供給する。処理室４に所定圧力の還元ガスが供給されたところで、弁１２ａを閉じる。ただし、減圧状態で還元したい場合は、弁１２ａを開けたままとし、真空排気速度とバランスさせて、所定の圧力に保つことができる。
（４）第１加熱（還元処理）
誘導加熱装置２を用いて、被処理部材１を第１目標加熱温度Ｔ１まで加熱し、保持時間ｔ１に亘り、温度センサ５によって測定される被処理部材１の温度Ｔを第１目標加熱温度Ｔ１に保持して、被処理部材１を予熱すると共に、被処理部材１の表面を還元し、ハンダの濡れ性を高める。加熱に際して、被処理部材１は、冷却部３ａと接触しないように移動装置１５によって隙間を空けて保持されている。このようにすれば、被処理部材１から冷却部３ａへ熱が逃げ難くなるので、被処理部材１を急加熱することができる。第１目標加熱温度Ｔ１は、ハンダの溶融温度よりも低い温度に設定されている。被処理部材１の表面が十分還元される前にハンダが溶融すると接合部にボイドを生じるハンダ付け不良になる。このため、被処理部材１の温度Ｔがオーバーシュートしないように温度制御する必要がある。制御装置６は、第１目標加熱温度Ｔ１と、温度センサ５が測定した温度Ｔとの偏差を最小にするように、誘導加熱装置２の出力をフィードバック制御することができる。
本発明の加熱冷却機器１００は、誘導加熱装置２を用いて被処理部材１を発熱体として直接加熱する方法であるため、昇温速度が速いという利点があり、加熱時間を短縮して、加熱冷却機器の処理能力を高めることができる。
（５）第２加熱（ハンダ溶融）
誘導加熱装置２を用いて、被処理部材１を第２目標加熱温度Ｔ２まで加熱し、保持時間ｔ２に亘り、温度センサ５によって測定される被処理部材１の温度Ｔを第２目標加熱温度Ｔ２に保持して、被処理部材１のハンダを溶融させる。第２目標加熱温度Ｔ２は、ハンダの溶融温度よりも高い温度に設定されている。第２目標加熱温度Ｔ２の設定がハンダ溶融温度に対し高過ぎる場合は、ハンダ接合面おける固相反応が過剰に進んでハンダ不良となり、逆に第２目標加熱温度Ｔ２の設定をハンダの溶融温度に近づけ過ぎた場合は、加熱の面内ばらつきにより十分温度が上がりきらない場所で、ハンダが溶融せずハンダ不良になる危険性がある。このため、被処理部材１の温度Ｔを正確に測定し、且つ適正に温度制御する必要がある。制御装置６は、第２目標加熱温度Ｔ２と、温度センサ５が測定した温度Ｔとの偏差を最小にするように、誘導加熱装置２をフィードバック制御することができる。制御パラメータとして、誘導加熱コイル２ａに供給する通電電流と周波数、冷却部３ａに供給する冷媒の入口温度と流量、被処理部材１と冷却部３ａとの距離を制御することができる。
（６）冷却（ハンダ凝固）
誘導加熱装置２による加熱を止め、移動装置１５により、被処理部材１と冷却部３ａを接触又は近接させ、被処理部材１を冷却部３ａによって冷却する。また、制御装置６は、第１目標冷却温度Ｔ３と、温度センサ５が測定した温度Ｔとの偏差を最小にするように、冷却装置をフィードバック制御することができる。冷却部３ａは直接加熱されない材料で構成されており、温度上昇しないので、被処理部材１を速やかに冷却し、冷却時間を短縮して、加熱冷却機器の処理能力を高めることができる。
（７）不活性ガス導入
被処理部材１の温度Ｔは、温度センサ５によって測定され、第２目標冷却温度Ｔ４になったところで、還元ガス供給装置１２の弁１２ａが閉じられている状態で、真空排気装置１１の弁１１ａを開け、真空ポンプ１１ｃを用いて、処理室４の内部を真空排気する。処理室４が所定の真空度に到達したところで弁１１ａを閉じ、不活性ガス供給装置１３の弁１３ａを開けて、不活性ガスボンベ１３ｃから処理室４へ不活性ガスを供給する。処理室４の圧力が大気圧に戻ったところで、弁１３ａを閉じる。この間も被処理部材１は、冷却部３ａによって継続的に冷却されている。
（８）搬出
開閉装置８によって処理室４の蓋部４ａを上昇させて処理室４を開け、被処理部材１を搬出した後、開閉装置８によって処理室４の蓋部４ａを下降させて処理室４を閉じる
以上説明したように、本発明の加熱冷却機器は、１つの処理室４内で、ハンダ濡れ性を高める還元処理、ハンダ溶融処理、ハンダ凝固処理を行うことができるようにしたので、従来のハンダ付け装置に比べ小型化されている。また、被処理部材１の下方に冷却部３ａが配置され、冷却部３ａの更に下方に誘導加熱装置２の誘導加熱コイル２aが配置されている。この実施形態によれば、高さの異なる被処理部材１を続けて処理する場合であっても、誘導加熱コイル２ａが冷却装置３の下方に配置されているため、被処理部材１と誘導加熱コイル２ａとの距離は変わらない。よって、誘導加熱コイル２ａの高さの再調整が不要で、作業性を向上させることができる。また、誘導加熱コイル２ａによって、被処理部材１である半導体モジュールだけが加熱され易く、処理室４の内壁、冷却部３aなどは加熱され難いので、加熱に無駄がなく、しかも半導体モジュールを急加熱、急冷却することができる。
次に、本発明の加熱冷却機器の誘導加熱装置の詳細について図面を用いて説明する。
前述したように、被処理部材１が半導体モジュールであって、半導体素子１ａと、絶縁基板１ｂと、銅製のベース板１ｃとをハンダ接合する場合は、いずれの部材も直に誘導加熱することが難しい部材であって、誘導加熱された被加熱部材から熱伝導によって間接加熱する方が容易であり、ベース板１ｃを、例えば、カーボン材料で構成されたトレイ１ｄの上に載置して間接加熱することが好ましい。被処理部材１を均一に加熱するため、トレイ１ｄの外形はベース板１ｃを複数載置した領域の外縁よりも大きく、誘導加熱コイル２ａの外形はトレイ１ｄの外形よりも大きくされていることが好ましい。
本発明に用いられる誘導加熱コイル２ａの形状は、特に限定されず、例えば、図２の平面図に示されている誘導加熱コイルを用いることができる。図２では、導線の形は省略され、巻束の外形のみが図示されている。また、被加熱部材でできたトレイ１ｄは長方形で図示されている。図２（ａ）には、導線を巻いて中央に空所を有する主面の外形が円形である平板状の誘導加熱コイル２ａａが示されている。図２（ｂ）には、導線を巻いて中央に空所を有する主面の外形が縦長の楕円形である平板状の誘導加熱コイル２ａｂが示されている。図２（ｃ）には、導線を巻いて中央に空所を有する主面の外形が中央にくびれＳを有する縦長の楕円形（瓢箪形）である平板状の誘導加熱コイル２ａｃが示されている。これらの誘導加熱コイルは、絶縁被覆導線を巻いたコイルでもよいが、電気伝導性の良い金属製の中空パイプを巻いたコイルでもよい。中空であっても電流は金属表面を流れるために、損失や加熱性能に影響はない。
更に、図２には、トレイ１ｄを誘導加熱した時の高温部ＨＴと低温部ＬＴが、それぞれハッチングによって模式的に図示されている。図２（ａ）に示された円形コイル２ａａでは、トレイ１ｄの四辺に高温部ＨＴが生じ、四隅に低温部ＬＴが生じる。図２（ｂ）に示された２個並列させた縦長楕円コイル２ａｂでは、トレイ１ｄの中央と短辺に沿って高温部ＨＴが生じる。特に、トレイ１ｄの中央付近は、２つの縦長楕円コイルの直線部から同時に加熱されるため、温度上昇し易くなっている。そこで、縦長楕円コイル２ａｂを改良して、中央にくびれＳをもたせた瓢箪形コイル２ａｃを用いると、トレイ１ｄの中央付近の熱の集中が緩和されて、図２（ｃ）に示されるように均熱性が向上する。
更に、図３を用いて、瓢箪形コイル２ａｃの形状及び配置の詳細について説明する。トレイ１ｄの上面には６個の被処理部材１が載置されている。トレイ１ｄの下方には、２つの瓢箪形コイル２ａｃが、くびれＳを隣接させて、並列して平行に配置されている。
ここで、瓢箪形コイル２ａｃは、その中心の空間と、前記くびれＳの少なくとも一部とをトレイ１ｄの外周より内側に配置される形状をなすことが好ましい。このようにすると、誘導加熱コイルの磁力線をトレイ１ｄの内側に集めて、トレイ１ｄを効率よく加熱することができる。
瓢箪形コイル２ａｃの長手方向の端部からトレイ１ｄの外縁までの距離Ｌ１を大きくしていくと、トレイ１ｄの地点Ａでの発熱量を増加させることができる。また、瓢箪形コイル２ａｃのくびれＳを有する側で、瓢箪形コイルの最も突出した外縁から被処理部材の外縁までの距離Ｌ２を大きくしていくと、トレイ１ｄの地点Ｂでの発熱量を増加させることができる。
本発明の加熱冷却機器において、並列する瓢箪形コイル２ａｃどうしの距離Ｌ３は、地点Ａと地点Ｂの発熱量が同程度になるように設計されていることが好ましく、トレイ１ｄの均熱性を調整する位置調整装置が設けられていることがより好ましい。また、瓢箪形コイル２ａｃとトレイ１ｄの距離Ｌ４は、平板外周の放熱を考慮して適正な平板外周と内側の発熱差を得るように設計されていることが好ましく、トレイ１ｄの均熱性を調整する位置調整装置が設けられていることがより好ましい。
また、本発明の加熱冷却機器において、隣接する瓢箪形コイル２ａｃの巻き方向は、逆巻き方向であることが好ましい。このように構成すれば、２つの誘導加熱コイル２ａｃによって作られる磁場は、渦電流を強めるように働くので、トレイ１ｄを効率よく加熱することができる。
本発明の加熱冷却機器において、隣接する瓢箪形コイル２ａｃの下方に軟磁性部材１６を備えていることが好ましい。このように構成すれば、一方の誘導加熱コイルの下方に伸びる磁力線を、軟磁性部材１６を介して他方の瓢箪形コイル２ａｃの磁力線へ接続し、瓢箪形コイル２ａｃ下側に生じる磁場を上方へ反転させることができる。また、瓢箪形コイル２ａｃに対する軟磁性部材１６の配置を調整することで、トレイ１ｄ上の磁束密度の分布を調節できる。
なお、本発明の加熱冷却機器は、瓢箪形コイルに限らず、他の形状の誘導加熱コイルであっても、並列する誘導加熱コイルどうしの距離Ｌ３を可変できる位置調整装置、誘導加熱コイルと被処理部材１との距離Ｌ４を可変できる位置調整装置を備えることができ、隣接する誘導加熱コイルの巻方向を逆巻き方向となるように構成し、誘導加熱コイルの下方に軟磁性部材を配置してもよい。
また、上記においては、誘導加熱コイルが２つ配置されている例を説明したが、誘導加熱コイルは、１つでもよく、２以上の複数が並列して平行に配置されていてもよい。
次に、本発明の加熱冷却機器において、冷却部の態様を変えた他の実施形態について、図面を用いて説明する。
図４には、冷却部が、冷媒が循環可能な流路が形成された中空の誘導加熱コイル２ａであって、加熱部と冷却部を兼ねている加熱冷却機器１０１が示されている。移動装置１５によって、トレイ１ｄを誘導加熱コイル２ａ（冷却部）に当接させて、トレイ１ｄを直に冷却することができる。誘導加熱コイル２ａの断面はトレイ１ｄとの接触面積を大きくするため、トレイ１ｄに接する面が平坦にされていることが好ましい。具体的には中空を有する矩形断面であることが好ましい。このように構成すれば、中空にされた誘導加熱コイル２ａに冷媒を流通させ、誘導加熱コイル２ａの自己発熱を抑制するとともに、誘導加熱コイル２ａが加熱部と冷却部を兼ねているので、設置スペースを節減し、処理室を小型化できる。
図５には、冷却部が、冷媒が循環可能な流路が形成された中空の誘導加熱コイル２ａと、誘導加熱コイル２ａの上方に配置した絶縁性材料で構成されている冷却板３ｆと、誘導加熱コイル２ａの下方に配置した絶縁性材料で構成されている支持板３ｇによって構成され、加熱部と冷却部を兼ねている加熱冷却機器１０２が示されている。移動装置１５によって、被処理部材１を冷却板３ｆに当接させて、被処理部材１を直に冷却することができる。ここで、冷却板３ｆの熱容量が大き過ぎると、加熱及び冷却の際の応答性が悪くなり、処理時間が長くなってしまう。このため、冷媒循環流量による吸熱と冷却板３ｆの熱容量のバランスによって、冷却能力の調節と温度変化の安定化をはかることが望ましい。
上記態様によれば、誘導加熱コイル２ａが加熱部と冷却部を兼ねているので、設置スペースを節減し、処理室を小型化できる。
図６には、本発明による加熱冷却機器の他の実施形態が示されている。図６（ａ）は被処理部材１を冷却部３ａから離間させた状態、図６（ｂ）は被処理部材１を冷却部３ａに当接させた状態を示している。加熱冷却機器１０３は、１つの処理室に、２セットの誘導加熱コイル２ａ及び冷却部３ａを備え、被処理部材１を２個同時に処理できるようになっている。上記態様によれば、誘導加熱コイル２ａ、冷却部３ａ以外は全て共有化でき、且つ従来の２倍の加熱冷却部を収納でき、コストダウンと処理性能向上ができる。
なお、上記では２セットの誘導加熱コイル２ａ及び冷却部３ａで説明したが、２以上の複数セットを備えてもよい。また、各セットは、１つの昇降アクチュエータ１５ｄによって同時に動かしてもよいが、セット毎に昇降アクチュエータ１５ｄを備え、個別に動かしてもよい。個別に動かせるようにすると、被処理部材１と冷却部３ａの距離を個別に調整できるので、温度制御がし易くなる。
図７には、本発明による加熱冷却機器の他の実施形態が示されている。加熱冷却機器１０４では、誘導加熱装置２の非接触の誘導加熱コイル２ａは、被処理部材１の上方に配置され、冷却装置３の冷却部３ａは、被処理部材１の下方に配置されている。その他の構造は、前記実施形態（図１）と同様である。
この実施形態によれば、被処理部材１と誘導加熱コイル２ａとの距離を接近させることができるため、被処理部材１を効率よく加熱できる。また、誘導加熱コイル２ａと、被処理部材１との間に、障害物が存在しないので、加熱効率をより高めることができる。
また、中空の誘導加熱コイル２ａで構成し、冷媒配管３ｃを循環ポンプ３ｄの吐出側で流量調節弁３ｅの手前から分岐して、誘導加熱コイル２ａに冷媒を流通させ、誘導加熱コイル２ａを冷却することができる。
図８には、図７で示した加熱冷却機器１０４の変更形態が示されている。
この加熱冷却機器１０５では、非接触の誘導加熱コイル２ａが冷却装置３の冷却部３ａの下方に配置されている。したがって、被処理部材１を載置したトレイ１ｄの下方に冷却部３ａが配置され、冷却部３ａの更に下方に誘導加熱コイル２ａが配置された構造をなしている。その他の構造は、前記実施形態と同様である。
この実施形態によれば、高さの異なる被処理部材１を続けて処理する場合であっても、誘導加熱コイル２ａが冷却装置３の冷却部３ａの下方に配置されているため、被処理部材１と誘導加熱コイル２ａとの距離は変わらない。よって、誘導加熱コイル２ａの高さの再調整が不要で、作業性を向上させることができる。
更に、誘導加熱コイル２ａが被処理部材１の上方及び冷却部３ａの下方に配置されていてもよい。このように構成すれば、被処理部材１を上下から加熱するので、より高い均熱性を得ることができる。
図９には、本発明による加熱冷却機器の他の実施形態が示されている。
この加熱冷却機器１０６では、誘導加熱コイル２ａが冷却装置３の冷媒容器３ｈの中に収納されている。また、冷媒容器３ｈの中には、冷媒が循環する流路が形成されているので、誘導加熱コイル２ａは、流路を循環する冷媒に浸かった状態となっている。
冷媒容器３ｈは、上方が開口した支持台３ｇ’に収められ、冷却板３ｆで閉じられている。また、冷媒容器３ｈの底部には、冷媒導入口３ｉ及び冷媒導出口３ｊが設けられている。そして、冷媒導入口３ｉから、冷媒（例えば、冷却水）を導入して冷媒導出口３ｊから排出する。これにより、誘導加熱コイル２ａ及び冷媒容器３ｈの上面に当接する冷却板３ｆを冷却することができる。
図９（ａ）は、被処理部材１の加熱時の様子を示している。被処理部材１の加熱時には、誘導加熱コイル２ａの端子２ｃに交流電流を流す。実際は、温度センサ５の右側にある誘導加熱コイル２ａにも端子２ｃがあり（図示省略）、端子２ｃから交流電流を流すことになる。
被処理部材１が載置されているトレイ１ｄは、移動装置１５の昇降シャフト１５ｂと接続されている。加熱時は、移動装置１５によりトレイ１ｄを、冷却板３ｆから少なくとも３ｍｍ以上離れた位置まで上昇させるが、誘導加熱コイル２ａは、被処理部材１の導電部分に渦電流を発生させることで、非接触で被処理部材１を加熱することができる。
次に、図９（ｂ）は、被処理部材１の冷却時の様子を示している。図示するように、冷却時には、移動装置１５によりトレイ１ｄを下降させ、トレイ１ｄを冷却板３ｆに接触させる。これにより、被処理部材１が冷却板３ｆによって急冷される。
本実施形態では、冷媒容器３ｈ内の循環する冷媒が直接、冷却板３ｆに接触しているため、冷却能力の損失が軽減される。また、誘導加熱コイル２ａの形状制約も緩和され、十分な巻き数を確保したり、低損失なリッツ線の使用も可能となる。
図１０には、本発明による加熱冷却機器の他の実施形態が示されている。
まず、この加熱冷却機器１０７は、移動装置１５、特にトレイ１ｄが載置される部分に特徴がある。図１０（ａ）に示すように、移動装置１５の昇降アクチュエータ１５ｄには、平板状に形成した昇降ベース１５ｃが接続されている。また、昇降ベース１５ｃに固定された、処理室４の底部４ｂを貫挿する昇降シャフト１５ｂが、底部４ｂにある昇降軸受け１５ｅで、上下方向の移動が可能となるように設けられている。
図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の領域Ｒを拡大した図である。図１０（ｂ）に示すように、昇降シャフト１５ｂの他端側には、台座１５ｆが備えられており、図１０（ａ）に示す２本の昇降シャフト１５ｂの１対の台座１５ｆ間を接続するように連結板１５ｇが取り付けられている。また、被処理部材１が載置されたトレイ１ｄの底面端部を保持する、耐熱性の絶縁性材料（例えば、セラミックス、ポリイミド、ピーク板等のエンジニアリングプラスチックス）で形成された支持部１５ｈが、連結板１５ｇに固定されている。
支持部１５ｈは、移動装置１５により被処理部材１が下降した場合に、被処理部材１が冷却板３ｆや、後述する絶縁カバー２ｄと干渉しないように形成されている。かかる構成の移動装置１５は、制御装置６の命令により昇降アクチュエータ１５ｄが昇降動作を行うと、トレイ１ｄを保持しながら、支持部１５ｈをスムーズに動作させることができる。
この加熱冷却機器１０７は、冷却装置３にも特徴がある。中空の誘導加熱コイル２ａの上面側には、誘導加熱で高温状態に熱せられた被処理部材１及びトレイ１ｄの吸熱を目的とした冷却板３ｆが、熱伝達が良好となるように密着して形成されている。冷却板３ｆは、熱伝導率が高いセラミックス（例えば、ＳｉＣやＡｌＮ等）により、その厚みを被処理部材１より大きくなるように形成することで、熱容量を大きくすることが好ましい。
また、誘導加熱コイル２ａの下面側には、誘導加熱コイル２ａの形状及び位置を固定するように設けた、絶縁性材料（例えば、プラスチックやセラミックス等）で形成された支持板３ｇがある。
ここで、矩形状のトレイ１ｄに載置した被処理部材１を、温度バラツキが小さくなるよう加熱するためには、誘導加熱コイル２ａは、冷却板３ｆより大きなサイズとする必要があり、誘導加熱コイル２ａの上面が露出してしまう。
このため、耐熱性を有する絶縁性材料（例えば、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、ポリイミド、マシナブルセラミックス等）により誘導加熱コイル２ａの上面を覆い、支持部１５ｈが干渉しないよう形成した絶縁カバー２ｄを、支持板３ｇに取り付けてある。
このとき、冷却板３ｆの端部と絶縁カバー２ｄの端部に隙間が生じないように、冷却板３ｆの下端に切欠きを設け、絶縁カバー２ｄの先端を冷却板３ｆの切欠き部に差し込めるようにしている（図１０（ｂ）参照）。
このように形成した絶縁カバー２ｄを備えることにより、被処理部材１及びトレイ１ｄの着脱時に発生する導電性の塵埃が、長期間運転時に誘導加熱コイル２ａ上に堆積することがなくなり、短絡及び放電の防止効果が得られる。
また、誘導加熱コイル２ａを形成するパイプ間には、絶縁性材料で形成したスペーサ２ｅを挿入し、誘導加熱コイル２ａに電流を通電した時の放電および短絡させない構造としている。
図１１には、本発明による加熱冷却機器の他の実施形態が示されている。
加熱冷却機器１０８は、加熱時には、移動装置１５によりトレイ１ｄを上昇させ、トレイ１ｄに載置された被処理部材１を誘導加熱コイル２ａで加熱する。また、冷却時には、移動装置１５によりトレイ１ｄを下降させ、トレイ１ｄと冷却板３ｆを接触させる。これにより、トレイ１ｄの熱を冷却板３ｆに伝導させて熱を逃がし、被処理部材１を冷却する。
冷却時には、トレイ１ｄが熱変形により反ったり、被処理部材１の重さでトレイ１ｄが撓むことがある。このような場合、トレイ１ｄと冷却板３ｆの接触面積が低下して、十分な冷却性能が得られないおそれがある。十分な冷却性能が得られないと、ハンダ組織が粗大化してクリープ変形時にクラックが進展し易くなり、ハンダ接合強度の長期信頼性が低下する。
そこで、加熱冷却機器１０８では、トレイ１ｄの外周部をトレイ押当機構１７によって加圧し、トレイ１ｄを冷却板３ｆに押し当てる。これにより、トレイ１ｄと冷却板３ｆの接触を常に良好な状態とすることができる。
しかしながら、トレイ１ｄにはカーボン材が使用されることが多く、強度的に強くないことから、破損してしまうことがある。すなわち、トレイ押当機構１７により、トレイ１ｄを強引に冷却板３ｆに押し当てると、トレイ１ｄが摩耗する、又は破損するといったことが起こる。
そこで、被処理部材１が載置されているトレイ１ｄと冷却板３ｆの接触面積を向上させるため、トレイ１ｄを冷却板３ｆに押し当てる際に、トレイ１ｄの温度を温度センサ５で観測し、更に冷却板３ｆの温度を冷却板温度センサ１８で観測することで、冷却状態を把握することができる。
加熱冷却機器１０８の制御装置６は、上記の方法によりトレイ１ｄと冷却板３ｆの接触状態が良好か否かをリアルタイムで判断し、接触状態が悪い場合のみトレイ１ｄを押し当てるようにトレイ押当機構１７を制御する（信号ラインｊを使用）。これにより、トレイ押当機構１７が必要以上にトレイ１ｄを押圧して、破損させてしまうことを軽減することができる。
以上により、加熱冷却機器１０８は、トレイ１ｄと冷却板３ｆの接触状態を改善し、所定の冷却特性を維持することができる。すなわち、被処理部材１の急速冷却が可能になり、ハンダ組織の粗大化を抑制して良好なハンダ接合状態を得ることができる。
最後に、加熱冷却機器１０８のもう１つの特徴である出力制御について説明する。加熱冷却機器１０８は、図１で説明した加熱冷却機器１００とほぼ同じ回路構成であるが、処理室４内の圧力を計測する圧力計１９を備えている点、処理室４内の圧力を開放する放出弁２０や放出配管２１を備えている点が相違する。
気密性の処理室４内の圧力が一定圧力（例えば、大気圧以上）を超える場合には、制御装置６は、放出配管２１に接続された放出弁２０を制御して、圧力を開放することができる。制御装置６は、信号ラインｋを介して放出弁２０の開閉動作を行ない、処理室４内の圧力を制御するようになっている。
また、圧力計１９の信号が制御装置６に送られた場合、制御装置６は、弁１１ａの開閉や真空ポンプ１１ｃの作動を制御するようになっている。
制御装置６は、誘導加熱コイル２ａに供給する通電電流と周波数、中空の誘導加熱コイル２ａに供給する冷媒の入口温度と流量、処理室４内の圧力Ｐｒ、被処理部材１と冷却板３ｆとの距離をパラメータとして、被処理部材１の温度を制御することができる。
以下では、加熱冷却機器１０８によるパワー半導体デバイスのハンダ付け方法について、既に説明した加熱冷却機器１００のハンダ付け方法と異なる点を中心に説明する。
（１）搬入
開閉装置８によって処理室４の蓋部４ａを上昇させて処理室４を開け、被処理部材１を搬入し、被処理部材１をフレーム１５ａ上に載置した後、開閉装置８によって処理室４の蓋部４ａを下降させて処理室４を閉じて、密閉する。
（２）真空排気
真空排気装置１１の弁１１ａを開け、真空ポンプ１１ｃを用いて、処理室４の内部を真空排気する。そして、圧力計１９の値が所定の真空度に到達したところで、弁１１ａを閉じる。
（３）還元ガス導入
還元ガス供給装置１２の弁１２ａを開けて、還元ガスボンベ１２ｃから処理室４へ還元ガスを供給する。処理室４の内圧が大気圧に到達したとき、放出弁２０を開放すると共に、還元ガスの供給流量を弁１２ａで調整する。
処理室４を減圧状態にして還元したい場合には、処理室４内の圧力を計測する圧力計１９の値が所定の圧力に到達したとき弁１２ａを閉じ、処理室４を封止することで圧力を密閉状態に保つことができる。
（４）第１加熱（還元処理）
誘導加熱装置２を用いて、被処理部材１を第１目標加熱温度Ｔ１まで加熱し、保持時間ｔ１に亘り、温度センサ５によって測定される被処理部材１の温度Ｔを第１目標加熱温度Ｔ１に保持して被処理部材１を予熱すると共に、被処理部材１の表面を還元し、ハンダの濡れ性を高める。加熱に際して、被処理部材１は、冷却部３ａと接触しないように移動装置１５によって隙間を空けて保持されている。このようにすれば、被処理部材１から冷却部３ａへ熱が逃げ難くなるので、被処理部材１を急加熱することができる。制御装置６は、第１目標加熱温度Ｔ１と、温度センサ５が測定した温度Ｔとの偏差を最小にするように、誘導加熱装置２の出力をフィードバック制御することができる。
被処理部材１を第１目標加熱温度Ｔ１に保持し、保持時間ｔ１が経過したとき還元ガス供給装置１２の弁１２ａ及び放出弁２０を閉じる。また、真空排気装置１１の弁１１ａを開いて真空ポンプ１１ｃの運転を開始し、処理室４内の圧力がＰｒ１に到達するまで減圧し、到達したとき弁１１ａを閉じる。
このとき、制御装置６は、処理室４用の圧力計１９の値と、被処理部材１が載置されたトレイ１ｄと冷却板３ｆとの間の距離が入力される。そして、制御装置６は、放電を生じさせずに誘導加熱コイル２ａに供給可能な最大通電電流（電力）に、入力データに基づい て都度変換して出力し、第２目標加熱温度Ｔ２に到達するまで加熱制御する。
ここで、誘導加熱コイル２ａからの放電は、処理室４内の圧力と距離の積と、誘導加熱コイルに通電する電力で変化することが知られている（パッシェンの法則）。換言するならば、最大通電電流（電力）は、パッシェンの法則で示される曲線以下の条件となるように調整している。第２目標加熱温度Ｔ２は、被処理部材１のハンダ材の液相線温度（ＴＳ）より若干高い温度に設定してあり、減圧環境でハンダ材を溶融することで処理室４内の還元ガスがハンダ中に巻き込まれるのを抑制する効果がある。
（５）第２加熱（ハンダ溶融）
誘導加熱装置２を用いて、被処理部材１を第３目標加熱温度Ｔ３まで加熱し、保持時間ｔ３に亘り、温度センサ５によって測定される被処理部材１が載置されるトレイ１ｄの温度Ｔを第３目標加熱温度Ｔ３に保持して、被処理部材１のハンダを溶融させる。第３目標加熱温度Ｔ３は、ハンダの液相線温度（ＴＳ）より十分高い温度に設定し、溶融したハンダ材、被処理部材１のベース板１ｃや絶縁基板１ｂに関するハンダ接合面、及び絶縁基板１ｂと半導体素子１ａ間のハンダ接合面の合金層が成長しやすい温度にしている。
制御装置６は、第３目標加熱温度Ｔ３と、温度センサ５の測定値Ｔとの偏差を最小にするように誘導加熱装置２の誘導加熱コイル２ａに供給する通電電流と周波数、冷媒が循環する冷却循環装置の温度と流量、被処理部材１が載置されたトレイ１ｄと冷却板３ｆとの間の距離を制御することができる。
先に記載した減圧状態でハンダ溶融工程が終了した場合には、還元ガス供給装置１２の弁１２ａを開き、処理室４内の圧力を大気圧に到達するよう制御する。大気圧に到達した場合、還元ガス供給装置１２の弁１２ａの開度を調整し、処理室４内に還元ガスの流れを作り、処理室４内が加圧状態にならないよう放出弁２０を開く。
ただし、処理室４内の圧力が減圧状態のＰｒ２に設定にされた場合は、制御装置６が被処理部材１の第３目標加熱温度Ｔ３までの加熱を処理室４内の圧力と、被処理部材１が載置されたトレイ１ｄと冷却板３ｆ間の距離に応じて、誘導加熱装置２の誘導加熱コイル２ａに供給する最大通電電流（電力）を都度変換しながら出力し、被処理部材１及びトレイ１ｄの温度Ｔを制御できるようにしてある。

被処理部材１及びトレイ１ｄが第３目標加熱温度Ｔ３に到達し、所定の保持時間ｔ３が経過した場合、還元ガス供給装置１２の弁１２ａ及び放出弁２０を閉じ、真空排気装置１１の真空ポンプ１１ｃの運転と弁１１ａを開け、処理室４内の還元ガスを所定の圧力に到達するまで排気する。
処理室４内が所定の圧力に到達したとき、弁１１ａを閉じ、還元ガス供給装置１２の弁１２ａを開け、処理室４を大気圧まで復帰させる。そして、大気圧に到達したとき、再び放出弁２０を開放する。この動作により、被処理部材１のハンダ中に内在するガスを排出し、ハンダ接合部のボイドの低減を図っている。
更に、制御装置６は、被処理部材１が第３目標加熱温度Ｔ３に所定の保持時間ｔ４に達するまで誘導加熱装置２の誘導加熱コイル２ａに供給する通電電流（電力）と周波数を制御する。この工程により、被処理部材１の前記ハンダ接合面の合金層を、所定の厚さに保持することができる。
（６）冷却（ハンダ凝固）
誘導加熱装置２による加熱を止め、移動装置１５により、被処理部材１と冷却板３ｆを接触又は近接させ、被処理部材１を冷却板３ｆによって冷却する。また、制御装置６は、第１目標冷却温度Ｔ４と、温度センサ５が測定した温度Ｔとの偏差を最小にするように、冷却装置をフィードバック制御することができる。冷却板３ｆは直接加熱されない材料で構成されており、温度上昇しないので、被処理部材１を速やかに冷却し、冷却時間を短縮して、加熱冷却機器の処理能力を高めることができる。
（７）不活性ガス導入
被処理部材１の温度Ｔは、温度センサ５によって測定され、第２目標冷却温度Ｔ５になったところで、還元ガス供給装置１２の弁１２ａが閉じられている状態で、真空排気装置１１の弁１１ａを開け、真空ポンプ１１ｃを用いて、処理室４の内部を真空排気する。処理室４用の圧力計１９の値が所定の真空度に到達したところで弁１１ａを閉じ、不活性ガス供給装置１３の弁１３ａを開けて、不活性ガスボンベ１３ｃから処理室４へ不活性ガスを供給する。処理室４の圧力が大気圧に戻ったところで、放出弁２０を開けて放出配管２１に還元ガスを放出し所定時間の経過後、弁１３ａ及び放出弁２０を閉じる。この間も被処理部材１は冷却板３ｆ上にあり、継続的に冷却されている。
（８）搬出
開閉装置８によって処理室４の蓋部４ａを上昇させて処理室４を開け、被処理部材１を搬出した後、開閉装置８によって処理室４の蓋部４ａを下降させて処理室４を閉じる。
以上説明したように、本発明の加熱冷却機器は、被処理部材１の下方に、冷却装置３の冷却板３ｆが、冷媒が循環する誘導加熱コイル２ａに当接するよう配置されている。すなわち、１つの処理室４内における昇降動作のみで、ハンダ濡れ性を高める還元処理、ハンダ溶融処理、ハンダ凝固処理を行うことができるようにしたので、従来のハンダ付け装置に比べ小型化されている。
この実施形態によれば、高さの異なる被処理部材１を続けて処理する場合であっても、誘導加熱コイル２ａが冷却板３ｆの下方に配置されているため、被処理部材１と誘導加熱コイル２ａとの距離は変わらない。よって、誘導加熱コイル２ａの高さの再調整が不要で、作業性を向上させることができる。
また、誘導加熱コイル２ａによって、被処理部材１の半導体モジュールだけが加熱され易く、処理室４の内壁、冷却部３ａなどは加熱され難いので、加熱に無駄がなく、しかも半導体モジュールを急加熱、急冷却することができる。
以上は、本発明の一実施形態に過ぎず、この他にも様々な変更形態が考えられる。例えば、冷媒容器３ｈを有する加熱冷却機器１０６に、トレイ押当機構１７を採用する等、用途に合わせて各部材を組合せて加熱冷却機器を構成してもよい。
あらゆる構成の加熱冷却機器に適用可能であるが、冷媒として、熱交換器３ｂで冷却可能な水、純水、超純水、不凍液等の流体を用いることができる。また、処理室４の蓋部４ａと底部４ｂの接触面にシール部材（例えば、Ｏリング）を設けてもよい。開閉装置８により蓋部４ａを底部４ｂの位置まで下降させたとき、弾性体のシール部材が変形することで、処理室４内の気密状態を保持することができる。
１ 被処理部材
１ａ 半導体素子
１ｂ 絶縁基板
１ｃ ベース板
１ｄ トレイ
２ 誘導加熱装置
２ａ 加熱部（誘導加熱コイル）
２ａａ 主面の外形が円形である平板状の誘導加熱コイル（円形コイル）
２ａｂ 主面の外形が縦長の楕円形である平板状の誘導加熱コイル（縦長楕円コイル）
２ａｃ 主面の外形が瓢箪形である誘導加熱コイル（瓢箪形コイル）
２ｂ 電源
２ｃ 端子
２ｄ 絶縁カバー
２ｅ スペーサ
３ 冷却装置
３ａ 冷却部
３ｂ 熱交換器
３ｃ 冷媒配管
３ｄ 循環ポンプ
３ｅ 流量調節弁
３ｆ 冷却板
３ｇ 支持板
３ｇ’ 支持台
３ｈ 冷媒容器
３ｉ 冷媒導入口
３ｊ 冷媒導出口
４ 処理室
４ａ 蓋部
４ｂ 底部
５ 温度センサ
６ 制御装置
７ 入力装置
８ 開閉装置
９ シャフト
１０ａ、１０ｂ 遮熱カバー
１１ 真空排気装置
１１ａ 弁
１１ｂ 配管
１１ｃ 真空ポンプ
１２ 還元ガス供給装置
１２ａ 弁
１２ｂ 配管
１２ｃ 還元ガスボンベ
１３ 不活性ガス供給装置
１３ａ 弁
１３ｂ 配管
１３ｃ 不活性ガスボンベ
１５ 移動装置
１５ａ フレーム
１５ｂ 昇降シャフト
１５ｃ 昇降ベース
１５ｄ 昇降アクチュエータ
１５ｅ 昇降軸受け
１５ｆ 台座
１５ｇ 連結板
１５ｈ 支持部
１６ 軟磁性部材
１７ トレイ押当機構
１００〜１０８ 加熱冷却機器
Ａ，Ｂ 温度参照位置
Ｐｒ 圧力
Ｓ 瓢箪形コイルの長手方向の中央のくびれ
Ｔ，Ｔ’ 温度
Ｌ１ 瓢箪形コイルの長手方向の端部からトレイ外縁までの距離
Ｌ２ 瓢箪形コイルのくびれＳを有する側で、瓢箪形コイルの最も突出した外縁から被処理部材の外縁までの距離
Ｌ３ 並列する誘導加熱コイルどうしの距離
Ｌ４ 誘導加熱コイルとトレイとの距離
ＬＴ 低温部
ＨＴ 高温部

Claims (17)

  1. 被処理部材の出し入れが可能な開閉機構を有する気密性の処理室と、
    前記被処理部材を加熱する、少なくとも１つ又は複数の誘導加熱コイルからなる誘導加熱装置と、
    前記被処理部材を冷却する冷却装置と、
    前記被処理部材の温度を計測するための温度センサと、
    前記温度センサにより計測した温度に基づき前記誘導加熱装置及び前記冷却装置を制御する制御装置と、
    前記被処理部材及び／又は前記冷却装置の冷却部を移動させて、前記被処理部材と前記冷却装置の冷却部との距離を変更する移動装置と、
    前記被処理部材と前記誘導加熱コイルの間に位置する冷却板と、
    を備えることを特徴とする加熱冷却機器。
  2. 前記誘導加熱コイルは、前記被処理部材の下方に配置され、
    前記冷却部は、前記誘導加熱コイルと冷却機構が一体化していることを特徴とする請求項１に記載の加熱冷却機器。
  3. 前記冷却機構は、前記誘導加熱コイルを中空構造とすることで、冷媒が循環可能な流路を形成していることを特徴とする請求項２に記載の加熱冷却機器。
  4. 前記冷却部は、冷却時に前記中空構造の誘導加熱コイルの上面に当接する冷却板を備えることを特徴とする請求項３に記載の加熱冷却機器。
  5. 前記冷却機構として、前記冷却板の下方に配置され、前記誘導加熱コイルが浸る冷媒の流路を備えることを特徴とする請求項２に記載の加熱冷却機器。
  6. 前記冷却板は、炭化珪素、窒化珪素又は窒化アルミのセラミックスで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の加熱冷却機器。
  7. 前記冷却板は、炭化珪素、窒化珪素又は窒化アルミのセラミックスで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の加熱冷却機器。
  8. 前記誘導加熱コイルの表面を覆う、耐熱性のある絶縁性材料で形成された絶縁カバーを配置したことを特徴とする請求項１に記載の加熱冷却機器。
  9. 前記冷却部は、前記被処理部材の下方に配置され、
    前記誘導加熱コイルは、前記被処理部材の上方に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の加熱冷却機器。
  10. 前記冷却部は、前記被処理部材の下方に配置され、
    前記誘導加熱コイルは、前記冷却部の下方に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の加熱冷却機器。
  11. 前記制御装置は、前記誘導加熱装置に供給する通電電流と周波数、前記冷却装置に供給する冷媒の入口温度と流量、前記被処理部材と前記冷却板との距離をパラメータとし、前記誘導加熱コイルから電磁的に遮蔽された温度センサにより計測した温度に基づき前記誘導加熱装置及び前記冷却装置を制御することを特徴とする請求項４に記載の加熱冷却機器。
  12. 前記制御装置は、前記誘導加熱装置に供給する通電電流と周波数、前記冷却装置に供給する冷媒の入口温度と流量、前記被処理部材と前記冷却板との距離をパラメータとし、前記誘導加熱コイルから電磁的に遮蔽された温度センサにより計測した温度に基づき前記誘導加熱装置及び前記冷却装置を制御することを特徴とする請求項５に記載の加熱冷却機器。
  13. 前記処理室に接続された真空排気装置と、
    還元ガスを前記処理室内へ導入する還元ガス供給装置と、
    不活性ガスを前記処理室内へ導入する不活性ガス供給装置と、を備え、
    前記制御装置は、前記真空排気装置、前記還元ガス供給装置及び前記不活性ガス供給装置を制御することを特徴とする請求項１に記載の加熱冷却機器。
  14. 前記処理室の内圧を計測する圧力計を備え、
    前記制御装置は、前記真空排気装置を制御して前記処理室内を減圧し、前記圧力計で計測した該処理室の内圧を取得し、前記誘導加熱装置に供給する通電電流と周波数のパラメータ値から該内圧を最大通電電流に変換して出力制御することを特徴とする請求項１３に記載の加熱冷却装置。
  15. 前記誘導加熱コイルは、中央にくびれを有する縦長の楕円形状をなす１つ又は複数のコイルからなり、前記被処理部材に対して平行に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の加熱冷却機器。
  16. 前記誘導加熱装置及び前記冷却装置を１つの処理室に２セット以上配置したことを特徴とする請求項１に記載の加熱冷却機器。
  17. 前記被処理部材が載置されているトレイを前記冷却部に接触させて冷却する、前記トレイを前記冷却部に押し当てる押当部を備えることを特徴とする請求項１に記載の加熱冷却機器。
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