特許 7563648 溶融金属吐出装置及び溶融金属吐出方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-30

(45)【発行日】2024-10-08

(54)【発明の名称】溶融金属吐出装置及び溶融金属吐出方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 3/06 20060101AFI20241001BHJP

   H05K 3/34 20060101ALI20241001BHJP

   B05C 5/00 20060101ALI20241001BHJP

   B05C 11/10 20060101ALI20241001BHJP

【ＦＩ】

B23K3/06 E

H05K3/34 505Z

B05C5/00 101

B05C11/10

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2024502406

(86)(22)【出願日】2022-02-25

(86)【国際出願番号】 JP2022008026

(87)【国際公開番号】W WO2023162178

(87)【国際公開日】2023-08-31

【審査請求日】2024-03-18

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003199

【氏名又は名称】弁理士法人高田・高橋国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】岩尾 俊明

【審査官】柏原 郁昭

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－２２１４５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０３２８０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６０－２５５１６７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ３／０６

Ｈ０５Ｋ ３／３４

Ｂ０５Ｃ ５／００

Ｂ０５Ｃ １１／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

溶融金属を収納する収納部と、前記収納部に収納された前記溶融金属を吐出する吐出口と、前記吐出口とは異なる開口部と、前記開口部と前記収納部とを接続し前記溶融金属が流動するバイパス経路とを有するシリンジと、
前記シリンジの周囲に設けられ、前記溶融金属を加熱して溶融状態を保つヒーターと、
前記シリンジの内部を摺動して前記収納部に収納された前記溶融金属を押圧するシャフトと、
前記開口部に設けられ開閉する蓋とを備え、
前記開口部は、前記シリンジの内部にある前記溶融金属の上面より上に配置されていることを特徴とする溶融金属吐出装置。

【請求項2】

前記シャフトの摺動と前記蓋の開閉を個別に制御することを特徴とする請求項１に記載の溶融金属吐出装置。

【請求項3】

前記蓋は、前記バイパス経路の内部から外部に排出される空気の流量を調整する流量調整弁であることを特徴とする請求項１又は２に記載の溶融金属吐出装置。

【請求項4】

前記バイパス経路を通った前記溶融金属が前記開口部から外部に吐出しないことを特徴とする請求項１又は２に記載の溶融金属吐出装置。

【請求項5】

請求項１又は２に記載の溶融金属吐出装置を用いた溶融金属吐出方法であって、
前記シリンジの前記吐出口を溶融金属貯留槽内の前記溶融金属の液面に密着させ、前記蓋を閉めた状態で前記シャフトを上方向に引き上げて前記溶融金属を前記シリンジの内部に吸入する工程と、
前記吐出口を部品の上に配置し、前記蓋を開けた状態で前記シャフトを押し下げることで前記吐出口から前記溶融金属を前記部品に吐出する工程とを備えることを特徴とする溶融金属吐出方法。

【請求項6】

前記シャフトを押し下げる時間の一部の時間のみ前記蓋を開けることを特徴とする請求項５に記載の溶融金属吐出方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、溶融した金属を吐出する溶融金属吐出装置及び溶融金属吐出方法に関する。

【背景技術】

【0002】

例えばＳｉチップ、ＳｉＣチップ等の半導体素子の電極に溶融金属を塗布してベース板又はリードフレーム等と接合するために、溶融金属吐出装置が用いられている（例えば、特許文献１参照）。一般的な溶融金属吐出装置は、例えばガラス製のシリンジとシャフトを備える。シリンジの先端を溶融した金属に浸した状態でシャフトを引き上げることにより、シリンジ内を負圧にして溶融金属を吸い込む。そしてシリンジの先端を所定の位置に移動させた後、シャフトを押し下げることによりシリンジ内を加圧して、溶融金属を吐出する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】日本特開２０１４－００４５６７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

近年、ＳｉチップからＳｉＣチップへの移行と高密度実装化に伴い、半導体素子の小型化が進んでいる。半導体素子が小型化することにより、接合部の面積も小さくなる。一方で電力半導体装置などでは、大電流化、長寿命化、高信頼性を実現するために、主電流の経路の接続に金属ワイヤボンドではなく溶融金属が使用される。即ち、溶融金属を半導体素子上の接合部に吐出することで外部電極と半導体素子を直接接合する。接合部の小面積化に伴い、一か所当たりの接合部に要する溶融金属の量も少なくなる。つまり、一回当たりの溶融金属の吐出量、即ち供給量をより精度よく安定化することが要求されている。溶融金属吐出装置では、シャフトの上下動作に伴うシリンジ内の容積変動量に相当する溶融金属が吐出される。しかし、吐出量の制御が難しく一回当たりの吐出量が安定しないという問題があった。

【0005】

本開示は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は溶融金属の吐出量を高精度に制御することができる溶融金属吐出装置及び溶融金属吐出方法を得るものである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示に係る溶融金属吐出装置は、溶融金属を収納する収納部と、前記収納部に収納された前記溶融金属を吐出する吐出口と、前記吐出口とは異なる開口部と、前記開口部と前記収納部とを接続し前記溶融金属が流動するバイパス経路とを有するシリンジと、前記シリンジの周囲に設けられ、前記溶融金属を加熱して溶融状態を保つヒーターと、前記シリンジの内部を摺動して前記収納部に収納された前記溶融金属を押圧するシャフトと、前記開口部に設けられ開閉する蓋とを備え、前記開口部は、前記シリンジの内部にある前記溶融金属の上面より上に配置されていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

本開示では、吐出口とは異なる開口部と収納部とを接続するバイパス経路を設けている。溶融金属吐出動作時に開口部に設けられた蓋を開くことで、溶融金属が吐出口から吐出されると同時にバイパス経路に一定量の溶融金属が流れ込む。これにより、シャフトの下降移動に伴うシリンジ内の容積変動量よりも小さい体積の溶融金属を吐出することができるため、溶融金属の吐出量を高精度に制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施の形態１に係る溶融金属吐出装置の溶融金属吸入動作を示す断面図である。

【図2】実施の形態１に係る溶融金属吐出装置の溶融金属吐出動作を示す断面図である。

【図3】実施の形態２に係る溶融金属吐出装置の溶融金属吸入動作を示す断面図である。

【図4】実施の形態２に係る溶融金属吐出装置の溶融金属吐出動作を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

実施の形態に係る溶融金属吐出装置及び溶融金属吐出方法について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

【0010】

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る溶融金属吐出装置の溶融金属吸入動作を示す断面図である。図２は、実施の形態１に係る溶融金属吐出装置の溶融金属吐出動作を示す断面図である。溶融金属吐出装置１００は、溶融金属１を部品２の接合部分に吐出する。吐出した溶融金属１により部品２とリードフレーム等の他の部材を接合する。溶融金属１は、例えばＳｎ又はＰｂなどを主成分としＡｇ又はＣｕなどの添加元素を含むはんだ材などである。

【0011】

部品２は、例えばシリコン（Ｓｉ）素材のＩＧＢＴ、ダイオード、逆導通ＩＧＢＴでもよいし、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）又は窒化ガリウム（ＧａＮ）系の様なＳｉに比べてバンドギャップが大きい素材で形成されたＭＯＳＦＥＴ又はショットキーダイオードなどでもよく、回路形成のため単に銅等の金属リードフレーム又は絶縁基板上の回路パターンなどでもよい。半導体素子などの上に孔の開いた金属リードフレームを配置し、穴を介して溶融金属１を吐出することで半導体素子と金属リードフレームを接合してもよい。

【0012】

溶融金属吐出装置１００は、シリンジ３、シャフト４、ヒーター５等を備える。なお、溶融金属吐出装置１００は、溶融金属貯留槽６と部品２との間を往復移動するための互いに直行するＸ，Ｙ，Ｚの３軸の移動機構を備えているが、図示を省略している。

【0013】

シリンジ３は、溶融金属１を収納する収納部３ａと、収納部３ａに収納された溶融金属１を吐出する吐出口３ｂと、吐出口３ｂとは異なる開口部３ｃと、開口部３ｃと収納部３ａとを接続し溶融金属１が流動するバイパス経路３ｄとを有する。開口部３ｃは、シリンジ３の内部にある溶融金属１の上面より上に配置されている。シリンジ３の材質は、ガラス又はセラミックなどの溶融金属１が拡散接合しない材質が好ましいが、これに限定するものではない。

【0014】

ヒーター５が、シリンジ３の周囲に設けられ、シリンジ３内の溶融金属１を加熱して溶融状態を保つ。温度制御部７がヒーター５を制御して溶融金属１を融点以上の温度に保つ。ヒーター５は放射、誘導加熱、対流熱伝達などにより溶融金属１を加熱してもよい。

【0015】

シャフト４は、シリンジ３の内部を摺動して収納部３ａに収納された溶融金属１を押圧する。シャフト４は、シリンジ３内の溶融金属１と外気を遮断するためのシール部８を有する。蓋９が開口部３ｃに設けられている。

【0016】

制御部１０が、駆動部１１を制御してシャフト４を上下に摺動させ、他の駆動部を制御して蓋９を開閉させる。制御部１０はシャフト４の摺動と蓋９の開閉を個別に制御することができる。駆動部１１は、アクチュエータ、エアシリンダー、単軸ロボットなどの機構を有する。

【0017】

蓋９を閉めるとバイパス経路３ｄが外気から遮断される。蓋９が開いている時だけ外気がバイパス経路３ｄに出入りできる。蓋９は、エアシリンダー又はアクチュエータなどの開閉制御できるもの、又は、一般的なゲート弁若しくはバタフライ弁などの開閉弁でもよい。なお、バイパス経路３ｄが１系統の場合を図示しているが、１つのシリンジ３に対して複数のバイパス経路３ｄを設けてもよい。

【0018】

シリンジ３内の溶融金属１は溶融金属貯留槽６から吸入される。ヒーター１２が、溶融金属貯留槽６の周囲に設けられ、溶融金属貯留槽６内の溶融金属１を加熱して溶融状態を保つ。温度制御部１３がヒーター１２を制御して溶融金属１を融点以上の温度に保つ。溶融金属１の表面の酸化を防ぐため、溶融金属貯留槽６全体は不活性ガスなどの雰囲気中に設置されることが好ましい。

【0019】

続いて、本実施の形態に係る溶融金属吐出装置１００の溶融金属吸入動作と溶融金属吐出動作について説明する。

【0020】

まず、図１に示すように、シリンジ３の吐出口３ｂを溶融金属貯留槽６内の溶融金属１の液面に密着させる。そして、シリンジ３のバイパス経路３ｄの蓋９を閉めた状態でシャフト４を上方向に引き上げる。これにより、シリンジ３内の圧力が下がり、溶融金属１をシリンジ３の内部に吸入する（ステップ１）。

【0021】

次に、シリンジ３とシャフト４と温度制御部７を備えた溶融金属吐出装置１００を、図示していない３軸の移動機構により移動させ、吐出口３ｂを半導体素子などの部品２の上に配置する（ステップ２）。

【0022】

次に、図２に示すように、シリンジ３のバイパス経路３ｄの蓋９を開けた状態で、シャフト４を押し下げることで吐出口３ｂから溶融金属１を部品２に吐出する（ステップ３）。なお、シャフト４を押し下げる時間の全てでバイパス経路の蓋９を開けてもよいし、シャフト４を押し下げる時間の一部の時間のみ蓋９を開けてもよい。最後に、吐出した溶融金属１を冷却し凝固させる（ステップ４）。これにより部品２と他の部材を溶融金属１により接合することができる。

【0023】

以上説明したように、本実施の形態では、吐出口３ｂとは異なる開口部３ｃと収納部３ａとを接続するバイパス経路３ｄを設けている。溶融金属吐出動作時に開口部３ｃに設けられた蓋９を開くことで、溶融金属１が吐出口３ｂから吐出されると同時にバイパス経路３ｄに一定量の溶融金属１が流れ込む。これにより、シャフト４の下降移動に伴うシリンジ３内の容積変動量よりも小さい体積の溶融金属１を吐出することができるため、溶融金属１の吐出量を高精度に制御することができる。

【0024】

なお、バイパス経路３ｄを通った溶融金属１を外部に吐出し、その流量を流量調整弁により調整することでも、吐出口３ｂからの溶融金属１の吐出量を制御できる。しかし、流量調整弁の耐熱性及び高温時の熱膨張により吐出量の制御精度が悪化する。これに対して、本実施の形態では、開口部３ｃは、シリンジ３の内部にある溶融金属１の上面より上に配置されている。従って、バイパス経路３ｄを通った溶融金属１が開口部３ｃから外部に吐出しないため、上記の問題が発生しない。

【0025】

また、制御部１０はシャフト４の摺動と蓋９の開閉を個別に制御する。このため、吐出したい溶融金属１の量に応じて蓋９を開き、バイパス経路３ｄに任意の時間だけ溶融金属１を流動させることができる。例えば、溶融金属吐出動作の全ての時間で蓋９を開くのではなく、溶融金属吐出動作の一部の時間だけ蓋９を開くことができる。これにより、溶融金属１の吐出量を高精度に制御することができる。

【0026】

実施の形態２．
図３は、実施の形態２に係る溶融金属吐出装置の溶融金属吸入動作を示す断面図である。図４は、実施の形態２に係る溶融金属吐出装置の溶融金属吐出動作を示す断面図である。

【0027】

本実施の形態では、バイパス経路３ｄの開口部３ｃに、蓋９の代わりに流量調整弁１４を設けている。流量調整弁１４は、バイパス経路３ｄの内部から外部に排出される空気の流量を連続的に調整する。流量調整弁１４は、例えばダイヤフラムバルブ又はバタフライバルブなどである。その他の構成は実施の形態１と同様である。

【0028】

溶融金属１を吐出する際に流量調整弁１４を閉じていると、バイパス経路３ｄの液面上昇に伴ってバイパス経路３ｄの内部の空気が加圧され、バイパス経路３ｄの液面上昇の抵抗となる。一方、流量調整弁１４を開くと、溶融金属１が吐出口３ｂから吐出されると同時に一定量の溶融金属１がバイパス経路３ｄに流れ込む。そこで、流量調整弁１４を流量調整しながら開くことで加圧された空気を抜き、バイパス経路３ｄの液面上昇速度を制御する。これにより、バイパス経路３ｄに流れる溶融金属１の流量を微調整できるため、溶融金属１の吐出量を更に高精度に制御することができる。

【符号の説明】

【0029】

１ 溶融金属、３ シリンジ、３ａ 収納部、３ｂ 吐出口、３ｃ 開口部、３ｄ バイパス経路、４ シャフト、５ ヒーター、９ 蓋、１４ 流量調整弁、１００ 溶融金属吐出装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】