JPH11123539A - リフロー炉内のハンダバンプの温度制御方法およびリフロー炉 - Google Patents
リフロー炉内のハンダバンプの温度制御方法およびリフロー炉Info
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- JPH11123539A JPH11123539A JP9287462A JP28746297A JPH11123539A JP H11123539 A JPH11123539 A JP H11123539A JP 9287462 A JP9287462 A JP 9287462A JP 28746297 A JP28746297 A JP 28746297A JP H11123539 A JPH11123539 A JP H11123539A
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- Electric Connection Of Electric Components To Printed Circuits (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 半導体素子を基板に実装したマルチチップモ
ジュールの、ハンダバンプの潰れ量が同じ半導体素子設
けられたもの同士で異なることに起因して半導体素子が
傾くのを防止するために、リフロー炉の条件を決定する
方法に関し、 【構成】 搬送ベルトでリフロー炉内を搬送される方向
に対して、前方と後方の双方のハンダバンプの時間的な
温度解析を行い、双方のハンダ溶融温度に達する時間や
ハンダ溶融温度を維持する時間が近接するようにリフロ
ー炉の条件を設定する。
ジュールの、ハンダバンプの潰れ量が同じ半導体素子設
けられたもの同士で異なることに起因して半導体素子が
傾くのを防止するために、リフロー炉の条件を決定する
方法に関し、 【構成】 搬送ベルトでリフロー炉内を搬送される方向
に対して、前方と後方の双方のハンダバンプの時間的な
温度解析を行い、双方のハンダ溶融温度に達する時間や
ハンダ溶融温度を維持する時間が近接するようにリフロ
ー炉の条件を設定する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子を基板に実
装するリフロー炉の条件を決定する方法に関し、特に、
ハンダバンプの溶融の偏りを防止する方法に関する。
装するリフロー炉の条件を決定する方法に関し、特に、
ハンダバンプの溶融の偏りを防止する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】図１１は半導体素子を基板に実装するた
めにハンダを加熱するリフロー炉の概要を示す図であ
る。ＢＧＡあるいはＣＳＰと呼ばれるパッケージ部品や
ベアチップからなる半導体素子１の端子には図に示すよ
うにハンダバンプが２が形成され、基板３に位置決めさ
れ実装される。基板３は例えばカーボンで形成された収
納治具４に収められ搬送ベルトに乗せられる。また、ハ
ンダバンプ２によって確実に接続されるように、ハンダ
バンプ２の溶融時にハンダバンプ２が潰れるように、半
導体素子１の上には１バンプ当たり数mgの荷重がかかる
重さの重り５が乗せられる。このようにして基板３と半
導体素子１はリフロー炉６内を搬送ベルトよって搬送さ
れリフロー炉６内の気体の熱によって加熱され、その熱
がハンダバンプ２に伝達してハンダバンプ２が溶融し半
導体素子１と基板３が接続される。リフロー炉６内の温
度は図に示すように例えば６つの領域で異なる温度に設
定されている。この温度はリフロー炉の入り口側から中
へ進むにしたがって高く設定されており、また、出口部
分で再度低くなるよう設定されている。入口側の領域は
予熱領域と呼ばれ、半導体素子１を含む複数ある実装部
品をハンダにより一括して実装するためのハンダを実装
部品が異なっても均一な温度になるように設定されてい
る。また、その次の領域はリフロー領域と呼ばれハンダ
が溶けるような温度に設定されている。この６つの領域
の温度をそれぞれＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６
とすると、それぞれの温度の関係はＲ１＜Ｒ６＜Ｒ２＜
Ｒ３＝Ｒ５＜Ｒ４に設定される。また、ハンダバンプが
高Ｐｂハンダとすれば、溶融温度が３１０°Ｃ付近であ
るので、Ｒ１は溶融温度の直前の温度である３００°Ｃ
付近に、Ｒ２は４００°Ｃ付近に、Ｒ６は溶融後の温度
である３５０°Ｃ付近に設定される。
めにハンダを加熱するリフロー炉の概要を示す図であ
る。ＢＧＡあるいはＣＳＰと呼ばれるパッケージ部品や
ベアチップからなる半導体素子１の端子には図に示すよ
うにハンダバンプが２が形成され、基板３に位置決めさ
れ実装される。基板３は例えばカーボンで形成された収
納治具４に収められ搬送ベルトに乗せられる。また、ハ
ンダバンプ２によって確実に接続されるように、ハンダ
バンプ２の溶融時にハンダバンプ２が潰れるように、半
導体素子１の上には１バンプ当たり数mgの荷重がかかる
重さの重り５が乗せられる。このようにして基板３と半
導体素子１はリフロー炉６内を搬送ベルトよって搬送さ
れリフロー炉６内の気体の熱によって加熱され、その熱
がハンダバンプ２に伝達してハンダバンプ２が溶融し半
導体素子１と基板３が接続される。リフロー炉６内の温
度は図に示すように例えば６つの領域で異なる温度に設
定されている。この温度はリフロー炉の入り口側から中
へ進むにしたがって高く設定されており、また、出口部
分で再度低くなるよう設定されている。入口側の領域は
予熱領域と呼ばれ、半導体素子１を含む複数ある実装部
品をハンダにより一括して実装するためのハンダを実装
部品が異なっても均一な温度になるように設定されてい
る。また、その次の領域はリフロー領域と呼ばれハンダ
が溶けるような温度に設定されている。この６つの領域
の温度をそれぞれＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６
とすると、それぞれの温度の関係はＲ１＜Ｒ６＜Ｒ２＜
Ｒ３＝Ｒ５＜Ｒ４に設定される。また、ハンダバンプが
高Ｐｂハンダとすれば、溶融温度が３１０°Ｃ付近であ
るので、Ｒ１は溶融温度の直前の温度である３００°Ｃ
付近に、Ｒ２は４００°Ｃ付近に、Ｒ６は溶融後の温度
である３５０°Ｃ付近に設定される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】このようにハンダが適
宜溶けるように温度設定しても、ハンダバンプの接続部
でのショート現象が発生する場合がある。この現象を１
つの半導体素子の各ハンダバンプ毎に統計をとった所、
リフロー炉での進行方向の前寄りのハンダバンプで多く
起こっていることを突き止めた。つまり、図１２で示す
ように、収納治具４に収納された基板３にハンダバンプ
２を介して搭載された半導体素子１は、(ａ)に示すとお
り図中右側へ搬送される。すると、(ｂ)の示す通り半導
体素子１が正規の搭載位置１’よりも沈んだ位置に搭載
されてしまう。しかも、この時に、進行方向の前方であ
る図中右側のハンダバンプの潰れ量が大きいのである。
宜溶けるように温度設定しても、ハンダバンプの接続部
でのショート現象が発生する場合がある。この現象を１
つの半導体素子の各ハンダバンプ毎に統計をとった所、
リフロー炉での進行方向の前寄りのハンダバンプで多く
起こっていることを突き止めた。つまり、図１２で示す
ように、収納治具４に収納された基板３にハンダバンプ
２を介して搭載された半導体素子１は、(ａ)に示すとお
り図中右側へ搬送される。すると、(ｂ)の示す通り半導
体素子１が正規の搭載位置１’よりも沈んだ位置に搭載
されてしまう。しかも、この時に、進行方向の前方であ
る図中右側のハンダバンプの潰れ量が大きいのである。
【０００４】この現象を詳しく解析するにあたり、まず
炉内の温度履歴を取り、米国のＨＫＳ社の有限要素法汎
用解析プログラムである製品名ＡＢＡＱＵＳを用いて温
度解析を行った。その解析を行う時に、同一の半導体素
子に設けられる複数のハンダバンプの内、リフロー炉で
の進行方向の前方のハンダバンプと後方のハンダバンプ
とで温度履歴に時間的な差が生じることを発見した。
炉内の温度履歴を取り、米国のＨＫＳ社の有限要素法汎
用解析プログラムである製品名ＡＢＡＱＵＳを用いて温
度解析を行った。その解析を行う時に、同一の半導体素
子に設けられる複数のハンダバンプの内、リフロー炉で
の進行方向の前方のハンダバンプと後方のハンダバンプ
とで温度履歴に時間的な差が生じることを発見した。
【０００５】ハンダバンプが溶融温度に到達すると、時
間が経過するつれてハンダバンプの潰れ量が増大し半導
体素子の沈み量が大きくなると考えられる。そして、こ
の状態が必要以上に発生すると、ハンダバンプが横方向
へ拡散し隣接するハンダバンプ同士が融合しショート現
象が発生するものと考えられる。本発明は半導体素子を
基板に接続するための複数のハンダバンプの潰れ量が、
単一の半導体素子内で異なることによって生じる接合不
良を解消することを目的とする。
間が経過するつれてハンダバンプの潰れ量が増大し半導
体素子の沈み量が大きくなると考えられる。そして、こ
の状態が必要以上に発生すると、ハンダバンプが横方向
へ拡散し隣接するハンダバンプ同士が融合しショート現
象が発生するものと考えられる。本発明は半導体素子を
基板に接続するための複数のハンダバンプの潰れ量が、
単一の半導体素子内で異なることによって生じる接合不
良を解消することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、リフロー炉の
条件設定を行うに当たり、実装される単一の半導体素子
の複数のハンダバンプの内、リフロー炉での進行方向の
前方と後方とのハンダバンプの双方の温度履歴を解析す
ることで、最適な温度制御を可能とするものである。
条件設定を行うに当たり、実装される単一の半導体素子
の複数のハンダバンプの内、リフロー炉での進行方向の
前方と後方とのハンダバンプの双方の温度履歴を解析す
ることで、最適な温度制御を可能とするものである。
【０００７】本発明の第一の方法は、半導体素子をハン
ダバンプを介して基板に搭載し、基板を移動しながらリ
フロー炉内へ投入して半導体素子の実装を行うにあた
り、温度解析によってリフロー炉の熱伝達率を設定して
半導体素子を実装する方法において、半導体素子を固定
するハンダバンプの移動する方向の前方と後方との温度
を温度解析により求める温度解析ステップを有し、温度
解析ステップは、半導体素子の周囲から半導体素子へ伝
達する熱伝達率を変更して解析し、解析結果から、前方
と後方とのハンダバンプの温度がハンダの溶融温度を越
えている時間の差が少ないか、前方と後方とのハンダバ
ンプの温度がハンダの溶融温度に到達する時間の差が少
ない熱伝達係数を求め、求めた熱伝達率に基づいて、リ
フロー炉内の熱伝達率を設定してハンダバンプの温度を
制御する。
ダバンプを介して基板に搭載し、基板を移動しながらリ
フロー炉内へ投入して半導体素子の実装を行うにあた
り、温度解析によってリフロー炉の熱伝達率を設定して
半導体素子を実装する方法において、半導体素子を固定
するハンダバンプの移動する方向の前方と後方との温度
を温度解析により求める温度解析ステップを有し、温度
解析ステップは、半導体素子の周囲から半導体素子へ伝
達する熱伝達率を変更して解析し、解析結果から、前方
と後方とのハンダバンプの温度がハンダの溶融温度を越
えている時間の差が少ないか、前方と後方とのハンダバ
ンプの温度がハンダの溶融温度に到達する時間の差が少
ない熱伝達係数を求め、求めた熱伝達率に基づいて、リ
フロー炉内の熱伝達率を設定してハンダバンプの温度を
制御する。
【０００８】リフロー炉内の熱伝達率は、リフロー炉内
の気体に対流を生じさせる対流機構を設け、該対流速度
を制御することで設定される。リフロー炉内の熱伝達率
は、ハンダバンプが溶融する前の領域である予熱領域で
高く設定され、ハンダバンプが溶融する領域であるリフ
ロー領域で予熱領域よりも低く設定される。
の気体に対流を生じさせる対流機構を設け、該対流速度
を制御することで設定される。リフロー炉内の熱伝達率
は、ハンダバンプが溶融する前の領域である予熱領域で
高く設定され、ハンダバンプが溶融する領域であるリフ
ロー領域で予熱領域よりも低く設定される。
【０００９】本発明の第二の方法は、半導体素子をハン
ダバンプを介して基板に搭載し、基板を移動しながらリ
フロー炉内へ投入して半導体素子の実装を行うにあた
り、温度解析によって治具を選択して該半導体素子を実
装する方法において、半導体素子を固定するハンダバン
プの移動する方向の前方と後方との温度を温度解析によ
り求める温度解析ステップを有し、温度解析ステップ
は、治具の形状および物性値のデータを変更して解析
し、解析結果から、前方と後方とのハンダバンプの温度
がハンダの溶融温度を越えている時間の差が少ないか、
前方と後方とのハンダバンプの温度がハンダの溶融温度
に到達する時間の差が少ない治具を求め、求めた治具を
用いてハンダバンプの温度を制御する。
ダバンプを介して基板に搭載し、基板を移動しながらリ
フロー炉内へ投入して半導体素子の実装を行うにあた
り、温度解析によって治具を選択して該半導体素子を実
装する方法において、半導体素子を固定するハンダバン
プの移動する方向の前方と後方との温度を温度解析によ
り求める温度解析ステップを有し、温度解析ステップ
は、治具の形状および物性値のデータを変更して解析
し、解析結果から、前方と後方とのハンダバンプの温度
がハンダの溶融温度を越えている時間の差が少ないか、
前方と後方とのハンダバンプの温度がハンダの溶融温度
に到達する時間の差が少ない治具を求め、求めた治具を
用いてハンダバンプの温度を制御する。
【００１０】治具は半導体素子に乗せる重りであり、重
りの熱容量を変更することで、時間の差を少なくする。
治具は半導体素子に乗せる重りであり、重りの形状をフ
ィン形状として重りの表面積を変更して熱伝達率の変更
を可能としたものであり、重りを変更することで、時間
の差を少なくする。
りの熱容量を変更することで、時間の差を少なくする。
治具は半導体素子に乗せる重りであり、重りの形状をフ
ィン形状として重りの表面積を変更して熱伝達率の変更
を可能としたものであり、重りを変更することで、時間
の差を少なくする。
【００１１】治具は基板を収納する収納治具であり、収
納治具の熱容量を変更することで、時間の差を少なくす
る。治具は基板を収納する収納治具および基板を覆うカ
バーであり、カバーは半導体素子に乗せる重り部分に開
口を有する。以上の方法によりリフロー炉内を移動する
基板と半導体素子を接続するハンダバンプの前方と後方
で、ハンダバンプが溶融温度に達する時間の差が少なく
なり、同一素子における複数のハンダバンプの潰れる量
をほぼ等しくすることができる。
納治具の熱容量を変更することで、時間の差を少なくす
る。治具は基板を収納する収納治具および基板を覆うカ
バーであり、カバーは半導体素子に乗せる重り部分に開
口を有する。以上の方法によりリフロー炉内を移動する
基板と半導体素子を接続するハンダバンプの前方と後方
で、ハンダバンプが溶融温度に達する時間の差が少なく
なり、同一素子における複数のハンダバンプの潰れる量
をほぼ等しくすることができる。
【００１２】半導体素子をハンダバンプを介して基板に
搭載し、基板を移動させながら投入して半導体素子の実
装を行うリフロー炉であって、本発明のリフロー炉は、
複数の領域で異なる温度設定がなされており、領域毎に
異なる対流を生じさせる対流機構を設けてなる。以上の
構成によりリフロー炉によって固定される半導体素子の
前方と後方とのハンダバンプで、ハンダバンプが溶融温
度に達する時間の差を少なくする制御の幅が広がり、基
板の製造性が向上する。
搭載し、基板を移動させながら投入して半導体素子の実
装を行うリフロー炉であって、本発明のリフロー炉は、
複数の領域で異なる温度設定がなされており、領域毎に
異なる対流を生じさせる対流機構を設けてなる。以上の
構成によりリフロー炉によって固定される半導体素子の
前方と後方とのハンダバンプで、ハンダバンプが溶融温
度に達する時間の差を少なくする制御の幅が広がり、基
板の製造性が向上する。
【００１３】
【発明の実施の形態】図１は、本発明によるハンダバン
プの温度を制御する方法を示す図である。ステップ１０
１で、半導体素子を固定するハンダバンプの移動する方
向の前方と後方との温度を温度解析により求める。ステ
ップ１０２で設定条件を変更し、ステップ１０１で再度
温度解析を行う。数回温度解析を行い、その後ステップ
１０３でリフロー炉内の条件を変更する。ステップ１０
１により求めた温度解析結果から、前方と後方とのハン
ダバンプの温度がハンダの溶融温度を越えている時間の
差が少ないか、前方と後方とのハンダバンプの温度がハ
ンダの溶融温度に到達する時間の差が少ないものを選
び、ステップ１０２で変更した条件に基づいてリフロー
炉の条件を設定する。
プの温度を制御する方法を示す図である。ステップ１０
１で、半導体素子を固定するハンダバンプの移動する方
向の前方と後方との温度を温度解析により求める。ステ
ップ１０２で設定条件を変更し、ステップ１０１で再度
温度解析を行う。数回温度解析を行い、その後ステップ
１０３でリフロー炉内の条件を変更する。ステップ１０
１により求めた温度解析結果から、前方と後方とのハン
ダバンプの温度がハンダの溶融温度を越えている時間の
差が少ないか、前方と後方とのハンダバンプの温度がハ
ンダの溶融温度に到達する時間の差が少ないものを選
び、ステップ１０２で変更した条件に基づいてリフロー
炉の条件を設定する。
【００１４】図２は本発明による方法を適用するための
解析に用いた半導体素子と基板とからなる回路モジュー
ル（以下ＭＣＭと称する）と治具を示す図である。ま
た、それぞれの物質の物性値を表１に示す。
解析に用いた半導体素子と基板とからなる回路モジュー
ル（以下ＭＣＭと称する）と治具を示す図である。ま
た、それぞれの物質の物性値を表１に示す。
【００１５】
【表１】
【００１６】半導体素子１はベアチップであり、ハンダ
バンプ２を介して基板３に搭載されている。基板３は収
納治具４に収められ、半導体素子１の上には、重り５が
乗せられている。基板３の表面の薄膜回路を形成するポ
リイミド膜がある。表１からわかるように半導体素子１
はシリコンで形成されており、ハンダバンプ２は高Ｐｂ
ハンダで形成されており、基板３は窒化アルミニュウム
で形成されており、ポリイミド膜８は大部分がポリイミ
ドで形成されており、収納治具４はカーボンで形成され
ており、重りはステンレスであるＳＵＳ４０５で形成さ
れている。
バンプ２を介して基板３に搭載されている。基板３は収
納治具４に収められ、半導体素子１の上には、重り５が
乗せられている。基板３の表面の薄膜回路を形成するポ
リイミド膜がある。表１からわかるように半導体素子１
はシリコンで形成されており、ハンダバンプ２は高Ｐｂ
ハンダで形成されており、基板３は窒化アルミニュウム
で形成されており、ポリイミド膜８は大部分がポリイミ
ドで形成されており、収納治具４はカーボンで形成され
ており、重りはステンレスであるＳＵＳ４０５で形成さ
れている。
【００１７】このような構造と物性および炉内条件がわ
かれば、有限要素法汎用解析プログラム（例えば、米国
ＨＫＳ社の商品名「ＡＢＡＱＵＳ」）を用いて温度解析
を行うことができる。このプログラムに図２で示す形状
データと、表１で示す材料物性値と、周囲温度である炉
内の温度と、熱伝達率を入力する。なお、流体と固体の
境界の熱伝達率は式１から求められる。
かれば、有限要素法汎用解析プログラム（例えば、米国
ＨＫＳ社の商品名「ＡＢＡＱＵＳ」）を用いて温度解析
を行うことができる。このプログラムに図２で示す形状
データと、表１で示す材料物性値と、周囲温度である炉
内の温度と、熱伝達率を入力する。なお、流体と固体の
境界の熱伝達率は式１から求められる。
【００１８】ｑ＝ｈ（Ｔａ−Ｔｍ）・・・（１） 式１中のｈは熱伝達率，ｑは熱流速であり、単位面積を
通る熱量，Ｔａは固体の表面温度，Ｔｍは流体の平均温
度である。つまり、ｑ，Ｔａ，Ｔｍを求めることで熱伝
達率ｈが求められる。半導体素子に既知の電圧加え、既
知の電流を流して発熱量がわかる状態にしておき、重り
の表面等の固体の温度を測定することで放熱量が求めら
れ、その放熱量を表面積で割ることで熱流速ｑを求めら
れる。また、Ｔａは重りの表面の温度を、Ｔｍは重りか
ら１ｃｍ以上離した点での温度を測定することで求めら
れる。ただし、このような測定では誤差が大きいので例
えば、産業図書出版、斉藤，岡田，一宮著の「例題演習
伝熱工学」を参照し、環境や形状に応じた熱伝達率を決
定する。
通る熱量，Ｔａは固体の表面温度，Ｔｍは流体の平均温
度である。つまり、ｑ，Ｔａ，Ｔｍを求めることで熱伝
達率ｈが求められる。半導体素子に既知の電圧加え、既
知の電流を流して発熱量がわかる状態にしておき、重り
の表面等の固体の温度を測定することで放熱量が求めら
れ、その放熱量を表面積で割ることで熱流速ｑを求めら
れる。また、Ｔａは重りの表面の温度を、Ｔｍは重りか
ら１ｃｍ以上離した点での温度を測定することで求めら
れる。ただし、このような測定では誤差が大きいので例
えば、産業図書出版、斉藤，岡田，一宮著の「例題演習
伝熱工学」を参照し、環境や形状に応じた熱伝達率を決
定する。
【００１９】以上のようにして各種データを決定した
ら、半導体素子の前方と後方との双方のハンダバンプの
時間的な温度履歴を取得する。図３は図２および表１で
示す構造および物性値に基づいて温度解析を行った結果
を示す図である。また、表２はその解析結果のうち前方
のハンダバンプと後方のハンダバンプとの溶融温度に達
する時間を示す。図３の横軸は時間であり、ＭＣＭを炉
に投入した時間を起点としており、縦軸は温度である。
１１は理論上の設定温度を表す。リフロー炉内の領域の
温度をそれぞれＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６と
すると、それぞれの温度の関係はＲ１＜Ｒ６＜Ｒ２＜Ｒ
３＝Ｒ５＜Ｒ４に設定される。また、ハンダバンプが高
Ｐｂハンダとすれば、溶融温度が３１０°Ｃ付近である
ので、Ｒ１は溶融温度の直前の温度である３００°Ｃ付
近に、Ｒ２は４００°Ｃ付近に、Ｒ６は溶融後の温度で
ある３５０°Ｃ付近に設定できるものとする。１２〜１
４は収納治具の熱容量を１．５６６×１０6Ｊ／ｍ3・Ｋ
とし、重りの熱容量を３．５８８×１０6Ｊ／ｍ3・Ｋと
し、熱伝達率がリフロー炉内で一定であるとして解析し
たものである。１２は熱伝達率を２００Ｗ／ｍ2・Ｋに
設定した時のハンダバンプの解析温度を表す。１３は熱
伝達率を２０Ｗ／ｍ2・Ｋに設定した時のハンダバンプ
の解析温度を表す。１４は熱伝達率を５Ｗ／ｍ2・Ｋに
設定した時のハンダバンプの解析温度を表す。このよう
にハンダバンプの温度を時間的に解析することで、ハン
ダバンプが溶融温度Ａ°Ｃに到達する時間とハンダバン
プが溶融温度Ａ°Ｃ以上である時間を求めることができ
る。このような解析を前方と後方の双方のハンダバンプ
について行いその比較をした結果が表２である。
ら、半導体素子の前方と後方との双方のハンダバンプの
時間的な温度履歴を取得する。図３は図２および表１で
示す構造および物性値に基づいて温度解析を行った結果
を示す図である。また、表２はその解析結果のうち前方
のハンダバンプと後方のハンダバンプとの溶融温度に達
する時間を示す。図３の横軸は時間であり、ＭＣＭを炉
に投入した時間を起点としており、縦軸は温度である。
１１は理論上の設定温度を表す。リフロー炉内の領域の
温度をそれぞれＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６と
すると、それぞれの温度の関係はＲ１＜Ｒ６＜Ｒ２＜Ｒ
３＝Ｒ５＜Ｒ４に設定される。また、ハンダバンプが高
Ｐｂハンダとすれば、溶融温度が３１０°Ｃ付近である
ので、Ｒ１は溶融温度の直前の温度である３００°Ｃ付
近に、Ｒ２は４００°Ｃ付近に、Ｒ６は溶融後の温度で
ある３５０°Ｃ付近に設定できるものとする。１２〜１
４は収納治具の熱容量を１．５６６×１０6Ｊ／ｍ3・Ｋ
とし、重りの熱容量を３．５８８×１０6Ｊ／ｍ3・Ｋと
し、熱伝達率がリフロー炉内で一定であるとして解析し
たものである。１２は熱伝達率を２００Ｗ／ｍ2・Ｋに
設定した時のハンダバンプの解析温度を表す。１３は熱
伝達率を２０Ｗ／ｍ2・Ｋに設定した時のハンダバンプ
の解析温度を表す。１４は熱伝達率を５Ｗ／ｍ2・Ｋに
設定した時のハンダバンプの解析温度を表す。このよう
にハンダバンプの温度を時間的に解析することで、ハン
ダバンプが溶融温度Ａ°Ｃに到達する時間とハンダバン
プが溶融温度Ａ°Ｃ以上である時間を求めることができ
る。このような解析を前方と後方の双方のハンダバンプ
について行いその比較をした結果が表２である。
【００２０】
【表２】
【００２１】表２で示す通り、前方と後方の双方のハン
ダバンプが溶融温度Ａ°Ｃに到達する時間から、それぞ
れの時間差を求めることができる。表２から判るように
熱伝達率を一定にした場合２０Ｗ／ｍ2・Ｋに設定する
と、ハンダバンプの溶けはじめる時間が縮まり、ハンダ
バンプの潰れ量の差が最も少なくなることが判る。
ダバンプが溶融温度Ａ°Ｃに到達する時間から、それぞ
れの時間差を求めることができる。表２から判るように
熱伝達率を一定にした場合２０Ｗ／ｍ2・Ｋに設定する
と、ハンダバンプの溶けはじめる時間が縮まり、ハンダ
バンプの潰れ量の差が最も少なくなることが判る。
【００２２】図４はリフロー炉の領域によって、熱伝達
率を変化させた場合を示す図であり、図５はその時の温
度解析を行った結果を示す図である。図４に示すよう
に、リフロー炉６内の前半の領域の温度をＲ１，後半の
領域の温度をＲ２とすると、Ｒ１は溶融温度の直前の温
度である３００°Ｃ付近に、Ｒ２は溶融後の温度である
３５０°Ｃ付近に設定できるものとする。また、収納治
具および重りの熱容量は図３で示した解析時と同じであ
る。ただし、Ｒ１°Ｃの領域では、熱伝達率が高くなる
ように対流機構９が設けられている。対流機構９は例え
ばダクトで構成され、リフロー炉内と同じＲ１°Ｃの気
体をＭＣＭに吹きつけるように構成されている。また、
対流機構９は流量の制御ができるのが望ましく、解析時
に設定した熱伝達率になるまで、気体の流量が制御でき
るものが望ましい。このように、溶融温度の直前の温度
に早く達するようにＭＣＭを加熱することで、ＭＣＭ全
体に渡って温度差が無くなる。そして、温度差が無くな
った状態でＲ２°Ｃの領域で加熱することで、前方と後
方での温度差が少なくなり、しいては、前方と後方での
ハンダバンプが溶融温度に達する時間の差が少なくな
る。この状態での解析結果が図５である。１１は図３同
様理論上の温度でリフロー炉内の温度である。１２は対
流機構により熱伝達率を２００Ｗ／ｍ2・Ｋに設定した
時のハンダバンプの解析温度を表す。１３は熱伝達率を
２０Ｗ／ｍ2・Ｋに設定した時のハンダバンプの解析温
度を表す。１４は熱伝達率を５Ｗ／ｍ2・Ｋに設定した
時のハンダバンプの解析温度を表す。なお、１３と１４
で熱伝達率が異なる解析を行っているが、実際に熱伝達
率が異なるものをリフロー炉内に投入しても、対流機構
の風量を制御することにより、双方とも熱伝達率を２０
０Ｗ／ｍ2・Ｋまであげることができる。１２で示すよ
うに、ハンダバンプの温度が４００秒〜６００秒の間で
一定となっており、この時間によって、前方と後方のハ
ンダバンプの温度差が無くなる。
率を変化させた場合を示す図であり、図５はその時の温
度解析を行った結果を示す図である。図４に示すよう
に、リフロー炉６内の前半の領域の温度をＲ１，後半の
領域の温度をＲ２とすると、Ｒ１は溶融温度の直前の温
度である３００°Ｃ付近に、Ｒ２は溶融後の温度である
３５０°Ｃ付近に設定できるものとする。また、収納治
具および重りの熱容量は図３で示した解析時と同じであ
る。ただし、Ｒ１°Ｃの領域では、熱伝達率が高くなる
ように対流機構９が設けられている。対流機構９は例え
ばダクトで構成され、リフロー炉内と同じＲ１°Ｃの気
体をＭＣＭに吹きつけるように構成されている。また、
対流機構９は流量の制御ができるのが望ましく、解析時
に設定した熱伝達率になるまで、気体の流量が制御でき
るものが望ましい。このように、溶融温度の直前の温度
に早く達するようにＭＣＭを加熱することで、ＭＣＭ全
体に渡って温度差が無くなる。そして、温度差が無くな
った状態でＲ２°Ｃの領域で加熱することで、前方と後
方での温度差が少なくなり、しいては、前方と後方での
ハンダバンプが溶融温度に達する時間の差が少なくな
る。この状態での解析結果が図５である。１１は図３同
様理論上の温度でリフロー炉内の温度である。１２は対
流機構により熱伝達率を２００Ｗ／ｍ2・Ｋに設定した
時のハンダバンプの解析温度を表す。１３は熱伝達率を
２０Ｗ／ｍ2・Ｋに設定した時のハンダバンプの解析温
度を表す。１４は熱伝達率を５Ｗ／ｍ2・Ｋに設定した
時のハンダバンプの解析温度を表す。なお、１３と１４
で熱伝達率が異なる解析を行っているが、実際に熱伝達
率が異なるものをリフロー炉内に投入しても、対流機構
の風量を制御することにより、双方とも熱伝達率を２０
０Ｗ／ｍ2・Ｋまであげることができる。１２で示すよ
うに、ハンダバンプの温度が４００秒〜６００秒の間で
一定となっており、この時間によって、前方と後方のハ
ンダバンプの温度差が無くなる。
【００２３】図６は図３の解析結果のうち、前方と後方
のハンダバンプの溶融温度に達する時間差が最も少なか
った熱伝達率を２０Ｗ／ｍ2・Ｋに設定した時の他の解
析結果を示す図である。１１は図３同様理論上の設定温
度を表す。１２は収納治具の熱容量を１．５６６×１０
6Ｊ／ｍ3・Ｋに設定した時のハンダバンプの解析温度を
表す。１３は収納治具の熱容量を０．７８３×１０6Ｊ
／ｍ3・Ｋに設定した時のハンダバンプの解析温度を表
す。なお、他の要件は図３の解析時と同じである。この
ような解析を前方と後方の双方のハンダバンプについて
行いその比較をした結果が表３である。
のハンダバンプの溶融温度に達する時間差が最も少なか
った熱伝達率を２０Ｗ／ｍ2・Ｋに設定した時の他の解
析結果を示す図である。１１は図３同様理論上の設定温
度を表す。１２は収納治具の熱容量を１．５６６×１０
6Ｊ／ｍ3・Ｋに設定した時のハンダバンプの解析温度を
表す。１３は収納治具の熱容量を０．７８３×１０6Ｊ
／ｍ3・Ｋに設定した時のハンダバンプの解析温度を表
す。なお、他の要件は図３の解析時と同じである。この
ような解析を前方と後方の双方のハンダバンプについて
行いその比較をした結果が表３である。
【００２４】
【表３】
【００２５】表３で示す通り、前方と後方の双方のハン
ダバンプが溶融温度Ａ°Ｃに到達する時間から、それぞ
れの時間差を求めることができる。表３から判るように
収納治具の熱容量を変化することで、ハンダバンプの溶
けはじめる時間が縮めることが可能となり、ハンダバン
プの潰れ量の差が少なくできることが判る。
ダバンプが溶融温度Ａ°Ｃに到達する時間から、それぞ
れの時間差を求めることができる。表３から判るように
収納治具の熱容量を変化することで、ハンダバンプの溶
けはじめる時間が縮めることが可能となり、ハンダバン
プの潰れ量の差が少なくできることが判る。
【００２６】図７は図６の解析結果のうち、前方と後方
のハンダバンプの溶融温度に達する時間差が最も少なか
った収納治具の熱容量を１．５６６×１０6Ｊ／ｍ3・Ｋ
に設定した時の他の解析結果を示す図である。１１は図
６同様理論上の設定温度を表す。１２は収納治具の重り
の熱容量を３．５８８×１０6Ｊ／ｍ3・Ｋに設定した時
のハンダバンプの解析温度を表す。１３は重りの熱容量
を１．７９４×１０6Ｊ／ｍ3・Ｋに設定した時のハンダ
バンプの解析温度を表す。なお、他の要件は図６の解析
時と同じである。このような解析を前方と後方の双方の
ハンダバンプについて行いその比較をした結果が表４で
ある。
のハンダバンプの溶融温度に達する時間差が最も少なか
った収納治具の熱容量を１．５６６×１０6Ｊ／ｍ3・Ｋ
に設定した時の他の解析結果を示す図である。１１は図
６同様理論上の設定温度を表す。１２は収納治具の重り
の熱容量を３．５８８×１０6Ｊ／ｍ3・Ｋに設定した時
のハンダバンプの解析温度を表す。１３は重りの熱容量
を１．７９４×１０6Ｊ／ｍ3・Ｋに設定した時のハンダ
バンプの解析温度を表す。なお、他の要件は図６の解析
時と同じである。このような解析を前方と後方の双方の
ハンダバンプについて行いその比較をした結果が表４で
ある。
【００２７】
【表４】
【００２８】表４で示す通り、前方と後方の双方のハン
ダバンプが溶融温度Ａ°Ｃに到達する時間から、それぞ
れの時間差を求めることができる。表４から判るように
重りの熱容量を変化することで、ハンダバンプの溶けは
じめる時間が縮めることが可能となり、ハンダバンプの
潰れ量の差が最も少なくできることが判る。
ダバンプが溶融温度Ａ°Ｃに到達する時間から、それぞ
れの時間差を求めることができる。表４から判るように
重りの熱容量を変化することで、ハンダバンプの溶けは
じめる時間が縮めることが可能となり、ハンダバンプの
潰れ量の差が最も少なくできることが判る。
【００２９】以上のように解析を繰り返すことで、熱伝
達率を２０Ｗ／ｍ2・Ｋに，収納治具の熱容量を１．５
６６×１０6Ｊ／ｍ3・Ｋに，熱容量を１．７９４×１０
6Ｊ／ｍ3・Ｋに設定した時に、ハンダバンプの溶けはじ
める時間差が最も縮まり、ハンダバンプの潰れ量の差が
最も少なくできる。図８は、熱伝達率を変更する構造を
示す。上記解析によりリフロー炉内全般に渡って熱伝達
率を全体的にあげる必要が生じた場合、例えば、複数の
半導体素子があり、特定の半導体素子のみ熱伝達率をあ
げる必要が生じた場合等である。この場合に、半導体素
子１に乗せる重り５の上部をフィン形状に加工すること
で、熱伝達率をあげることができる。重り５の上部をフ
ィン形状とすることで重りの表面積が増加し、リフロー
炉内の気体との接触面積が増え、熱伝達率をあげること
ができる。
達率を２０Ｗ／ｍ2・Ｋに，収納治具の熱容量を１．５
６６×１０6Ｊ／ｍ3・Ｋに，熱容量を１．７９４×１０
6Ｊ／ｍ3・Ｋに設定した時に、ハンダバンプの溶けはじ
める時間差が最も縮まり、ハンダバンプの潰れ量の差が
最も少なくできる。図８は、熱伝達率を変更する構造を
示す。上記解析によりリフロー炉内全般に渡って熱伝達
率を全体的にあげる必要が生じた場合、例えば、複数の
半導体素子があり、特定の半導体素子のみ熱伝達率をあ
げる必要が生じた場合等である。この場合に、半導体素
子１に乗せる重り５の上部をフィン形状に加工すること
で、熱伝達率をあげることができる。重り５の上部をフ
ィン形状とすることで重りの表面積が増加し、リフロー
炉内の気体との接触面積が増え、熱伝達率をあげること
ができる。
【００３０】図９は、ＭＣＭの前端と後端がリフロー炉
に入る時の時間差あるいは、ＭＣＭの前端と後端がリフ
ロー炉内で温度の異なる領域に移動する時の時間差によ
り、ＭＣＭ内の場所ごとに異なる温度差を軽減する構造
を示す。１０は収納治具４を覆うように形成されたポリ
イミド製のカバーである。カバー１０は重り５を搭載す
る半導体素子１に対応する部分のみに開口が形成されて
おり、ＭＣＭに重り５を乗せた状態でカバー１０を掛け
ることで、重り５のみを露出するようになっている。こ
れにより、前後で炉に投入される時間の差が大きい基板
３や収納治具４に断熱され、ＭＣＭの温度が上昇する時
間差が少なくなる。
に入る時の時間差あるいは、ＭＣＭの前端と後端がリフ
ロー炉内で温度の異なる領域に移動する時の時間差によ
り、ＭＣＭ内の場所ごとに異なる温度差を軽減する構造
を示す。１０は収納治具４を覆うように形成されたポリ
イミド製のカバーである。カバー１０は重り５を搭載す
る半導体素子１に対応する部分のみに開口が形成されて
おり、ＭＣＭに重り５を乗せた状態でカバー１０を掛け
ることで、重り５のみを露出するようになっている。こ
れにより、前後で炉に投入される時間の差が大きい基板
３や収納治具４に断熱され、ＭＣＭの温度が上昇する時
間差が少なくなる。
【００３１】図１０は、特に温度差の大きい常温からリ
フロー炉へ入る時に、時間的な要因による温度差を無く
す方法を示す図であり、基板３の全体が同時にリフロー
炉へ入るようにしたものである。これにより、図４およ
び図５で示した構造と同様に、ハンダバンプが溶融温度
に達する前の温度が均一になり、ハンダバンプが溶融温
度に達する時間の差が少なくなる。
フロー炉へ入る時に、時間的な要因による温度差を無く
す方法を示す図であり、基板３の全体が同時にリフロー
炉へ入るようにしたものである。これにより、図４およ
び図５で示した構造と同様に、ハンダバンプが溶融温度
に達する前の温度が均一になり、ハンダバンプが溶融温
度に達する時間の差が少なくなる。
【００３２】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、同じ半導体
素子設けられる複数のハンダバンプの内、リフロー炉内
での進行方向の前方と後方のハンダバンプの双方の温度
履歴を解析することによって、リフロー炉内の条件を詳
細に設定することが可能となり、極めて生産性の高い温
度設定が可能となる。
素子設けられる複数のハンダバンプの内、リフロー炉内
での進行方向の前方と後方のハンダバンプの双方の温度
履歴を解析することによって、リフロー炉内の条件を詳
細に設定することが可能となり、極めて生産性の高い温
度設定が可能となる。
【図１】本発明の原理図を示す図である。
【図２】本発明の解析対象を示す図である。
【図３】本発明の解析結果を示す図である。
【図４】熱伝達率を変化させたリフロー炉を示す図であ
る。
る。
【図５】図４で示したリフロー炉の解析結果を示す図で
ある。
ある。
【図６】本発明の他の解析結果を示す図である。
【図７】本発明の他の解析結果を示す図である。
【図８】熱伝達率を変更する構造を示す図である。
【図９】ＭＣＭのカバーを示す図である。
【図１０】ＭＣＭをリフロー炉へ投入する方法を示す図
である。
である。
【図１１】リフロー炉を示す図である。
【図１２】従来の問題点を説明する図である。
１ 半導体素子 ２ ハンダバンプ ３ 基板 ４ 収納治具 ５ 重り ６ リフロー炉 ７ ベルト ８ ポリイミド膜 ９ 対流機構 １０ カバー
Claims (9)
- 【請求項１】半導体素子をハンダバンプを介して基板に
搭載し、該基板を移動しながらリフロー炉内へ投入して
該半導体素子の実装を行うにあたり、温度解析によって
該リフロー炉の熱伝達率を設定して該半導体素子を実装
する方法において、 前記半導体素子を固定するハンダバンプの前記移動する
方向の前方と後方との温度を前記温度解析により求める
温度解析ステップを有し、 前記温度解析ステップは、前記半導体素子の周囲から前
記半導体素子へ伝達する熱伝達率を変更して解析し、 前記解析結果から、前記前方と後方とのハンダバンプの
温度がハンダの溶融温度を越えている時間の差が少ない
か、前記前方と後方とのハンダバンプの温度がハンダの
溶融温に到達する時間の差が少ない熱伝達係数を求め、 前記求めた熱伝達率に基づいて、リフロー炉内の熱伝達
率を設定してハンダバンプの温度を制御することを特徴
とするリフロー炉内のハンダバンプの温度制御方法。 - 【請求項２】前記リフロー炉内の熱伝達率は、前記リフ
ロー炉内の気体に対流を生じさせる対流機構を設け、該
対流速度を制御することで設定されることを特徴とする
請求項１記載のリフロー炉内のハンダバンプの温度制御
方法。 - 【請求項３】前記リフロー炉内の熱伝達率は、ハンダバ
ンプが溶融する前の領域である予熱領域で高く設定さ
れ、ハンダバンプが溶融する領域であるリフロー領域で
前記余熱領域よりも低く設定されることを特徴とする請
求項２記載のリフロー炉内のハンダバンプの温度制御方
法。 - 【請求項４】半導体素子をハンダバンプを介して基板に
搭載し、該基板を移動しながらリフロー炉内へ投入して
該半導体素子の実装を行うにあたり、温度解析によって
治具を選択して該半導体素子を実装する方法において、 前記半導体素子を固定するハンダバンプの前記移動する
方向の前方と後方との温度を前記温度解析により求める
温度解析ステップを有し、 前記温度解析ステップは、前記治具の形状および物性値
のデータを変更して解析し、 前記解析結果から、前記前方と後方とのハンダバンプの
温度がハンダの溶融温度を越えている時間の差が少ない
か、前記前方と後方とのハンダバンプの温度がハンダの
溶融温度に到達する時間の差が少ない治具を求め、 前記求めた治具を用いてハンダバンプの温度を制御する
ことを特徴とするリフロー炉内のハンダバンプの温度制
御方法。 - 【請求項５】前記治具は前記半導体素子に乗せる重りで
あり、該重りの熱容量を変更することで、前記時間の差
を少なくすることを特徴とする請求項４記載のリフロー
炉内のハンダバンプの温度制御方法。 - 【請求項６】前記治具は前記半導体素子に乗せる重りで
あり、該重りの形状をフィン形状として該重りの表面積
を変更して熱伝達率の変更を可能としたものであり、該
重りを変更することで、前記時間の差を少なくすること
を特徴とする請求項４記載のリフロー炉内のハンダバン
プの温度制御方法。 - 【請求項７】前記治具は前記基板を収納する収納治具で
あり、該収納治具の熱容量を変更することで、前記時間
の差を少なくすることを特徴とする請求項４記載のリフ
ロー炉内のハンダバンプの温度制御方法。 - 【請求項８】前記治具は前記基板を収納する収納治具お
よび前記基板を覆うカバーであり、該カバーは前記半導
体素子に乗せる重り部分に開口を有することを特徴とす
る請求項４記載のリフロー炉内のハンダバンプの温度制
御方法。 - 【請求項９】半導体素子をハンダバンプを介して基板に
搭載し、該基板を移動させながら投入して該半導体素子
の実装を行うリフロー炉であって、 前記リフロー炉は、複数の領域で異なる温度設定がなさ
れており、該領域毎に異なる対流を生じさせる対流機構
を設けたことを特徴とするリフロー炉。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28746297A JP3348639B2 (ja) | 1997-10-20 | 1997-10-20 | リフロー炉内のハンダバンプの温度制御方法 |
| US09/040,369 US6206265B1 (en) | 1997-10-20 | 1998-03-18 | Temperature control method of solder bumps in reflow furnace, and reflow furnace |
| US09/506,339 US6619531B1 (en) | 1997-10-20 | 2000-02-18 | Temperature control method of solder bumps in reflow furnace, and reflow furnace |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28746297A JP3348639B2 (ja) | 1997-10-20 | 1997-10-20 | リフロー炉内のハンダバンプの温度制御方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11123539A true JPH11123539A (ja) | 1999-05-11 |
| JP3348639B2 JP3348639B2 (ja) | 2002-11-20 |
Family
ID=17717656
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP28746297A Expired - Fee Related JP3348639B2 (ja) | 1997-10-20 | 1997-10-20 | リフロー炉内のハンダバンプの温度制御方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US6206265B1 (ja) |
| JP (1) | JP3348639B2 (ja) |
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| JP4456234B2 (ja) * | 2000-07-04 | 2010-04-28 | パナソニック株式会社 | バンプ形成方法 |
| JP3441067B2 (ja) * | 2000-08-03 | 2003-08-25 | 株式会社大進工業研究所 | ろう付装置 |
| JP3786091B2 (ja) * | 2002-03-22 | 2006-06-14 | セイコーエプソン株式会社 | 電子デバイス製造装置、電子デバイスの製造方法および電子デバイスの製造プログラム |
| JP4226855B2 (ja) * | 2002-07-31 | 2009-02-18 | パナソニック株式会社 | 熱解析方法及び熱解析装置、並びに前記熱解析方法を実施するプログラム |
| US7026582B2 (en) * | 2003-05-07 | 2006-04-11 | Visteon Global Technologies, Inc. | Vector transient reflow of lead free solder for controlling substrate warpage |
| DE10358357A1 (de) * | 2003-12-12 | 2005-07-21 | Infineon Technologies Ag | Anordnung zur Ermittlung einer Temperaturbelastung eines integrierten Schaltkreises und Verfahren |
| JPWO2007077727A1 (ja) * | 2006-01-06 | 2009-06-11 | 株式会社タムラ製作所 | リフロー装置 |
| EP2138258B1 (de) * | 2008-06-23 | 2022-08-24 | Siemens Energy Global GmbH & Co. KG | Verfahren zum Löten mit mehrstufigem Temperaturprofil |
| CN102566625A (zh) * | 2010-12-09 | 2012-07-11 | 西安中科麦特电子技术设备有限公司 | 一种回流焊机温度控制*** |
| US9230896B2 (en) | 2012-06-05 | 2016-01-05 | Stats Chippac, Ltd. | Semiconductor device and method of reflow soldering for conductive column structure in flip chip package |
| US20170216947A1 (en) * | 2014-07-28 | 2017-08-03 | Xin Yang | Systems and methods for reinforced adhesive bonding |
| CN116313946B (zh) * | 2023-05-24 | 2023-10-17 | 长鑫存储技术有限公司 | 温度调节***及调节方法 |
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|---|---|---|---|---|
| US4775776A (en) * | 1983-02-28 | 1988-10-04 | Electrovert Limited | Multi stage heater |
| US4771929A (en) * | 1987-02-20 | 1988-09-20 | Hollis Automation, Inc. | Focused convection reflow soldering method and apparatus |
| JP2501334B2 (ja) * | 1987-06-19 | 1996-05-29 | 松下電工株式会社 | リフロ−炉 |
| JPH0677830B2 (ja) | 1987-12-25 | 1994-10-05 | 松下電器産業株式会社 | 基板加熱方法 |
| JP2588558B2 (ja) | 1988-01-21 | 1997-03-05 | 富士通株式会社 | 印刷配線板への表面実装部品の実装方法 |
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