JP2004209506A - Nozzle for supplying brazing filler metal - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はろう材供給ノズルに関し、特に半導体チップ(ダイ)をリードフレームなどの基板にボンディングする際に、ワイヤ状のろう材の先端部を加熱された基板に接触溶融させることによって供給するようにしたろう材供給ノズルに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
半導体チップ(ダイ)をリードフレームなどの基板に固着する場合、半導体チップ(ダイ)の裏面を基板に対して電気的に接続する必要が無い場合は、絶縁性樹脂を用いて固着する樹脂ボンド方式が採用されることがあるが、一般には、半導体チップ(ダイ)の裏面を基板に対して電気的に接続すると共に、半導体チップ(ダイ)の動作中の発熱を効率的に基板に放熱するために、図4に示すように、半導体チップ(ダイ)30の裏面に電極31を形成し、この電極31を導電性、かつ、良熱伝導性のろう材32を用いてリードフレームなどの基板33に固着している。
【0003】
前記リードフレームなどの基板33は、例えば、図5(A)に示すように、良導電性でかつ良熱伝導性の銅または銅系の基板33aをそのまま用いたベアボンディング用のもの、図5(B)に示すように、良導電性でかつ良熱伝導性の銅または銅系の基板33aの両面にニッケル,金,銀などの発錆し難く、かつろう材が濡れ易いめっき層33bを形成したもの、図5(C)に示すように、良導電性でかつ良熱伝導性の銅または銅系の基板33aの半導体チップ(ダイ)のボンディング位置のみにニッケル,金,銀などの発錆し難く、かつろう材が濡れ易いめっき層33cを形成したもの、図5(D)に示すように、良導電性でかつ良熱伝導性の銅または銅系の基板33aの両面にニッケルなどの発錆し難く比較的安価なめっき層33dを形成し、さらに、このめっき層33dの半導体チップ(ダイ)のボンディング位置のみに金,銀などの発錆し難く、かつろう材が濡れ易いめっき層33eを形成したものなどが使用されている。
【0004】
前記ろう材を用いる方式には、金−シリコン共晶などを用いる硬ろう方式と、所謂、半田を用いる軟ろう方式とがある。前者の硬ろう方式は、半導体チップ(ダイ)と基板との固着の信頼性は高いが、ろう材が高価であり、しかも、硬ろうを溶融させるためのトンネル炉の加熱温度が高いために、コスト高となる理由で、高信頼性が要求される特殊の用途にしか用いられていない。
【0005】
後者の軟ろう方式は、ろう材が安価であり、ろう材を溶融するための基板の加熱温度も低いため、低コストであり、民生用半導体装置には最も広く採用されている。この軟ろう方式には、半導体チップ(ダイ)の裏面に予め半田層を形成しておいて、この半導体チップ(ダイ)を加熱された基板に押し付けて、半田層を溶融させて固着する予備半田方式、加熱された基板に半田片を供給して半田片を溶融する半田片供給方式、長尺の半田ワイヤを巻回したフィーダーローラーから引き出した半田ワイヤを半田供給ツールに挿通しその先端部から所定長さだけ突出させ、その先端部を加熱された基板に接触させて溶融させることによって供給するようにした半田ワイヤ供給方式などがある。
【0006】
予備半田方式は、半導体ウェーハの裏面に半田層を形成しておくので、後でダイシングソウ(ダイヤモンドカッタ)などにより各半導体チップ(ダイ)に切断分離する際に、軟らかい半田が目詰まりして、半田層の切断が困難であるという問題点がある。また、半田片供給方式は、微小な半田片を供給する際に、半田片の供給位置が一定しないため、高精度のダイボンドが実施できないという問題点がある。半田ワイヤ供給方式は、ノズル位置を高精度で制御できることによって、半田供給位置も高精度で制御できるので、高精度のダイボンドが実施できる。
そこで、近時は半田ワイヤ供給方式が広く採用されるようになってきている。
【0007】
従来の半田ワイヤ供給方式に用いられている半田供給ツールについて説明する。
図6に示すように、この半田供給ツール41は、半田ワイヤが挿入されるガイドパイプ42と、ガイドパイプ42を保持するツール本体43と、該ツール本体43の下部に固定されると共に、前記ガイドパイプ42の下端部に外嵌された外嵌部材44とにより構成されており、前記ガイドパイプ42の下端には、先細りの送出ヘッド45が設けられている。該送出ヘッド45には、案内孔46が設けられており、半田ワイヤは、前記ガイドパイプ42の上端から挿入され、案内孔46に案内されて送出されるようになっている。
【0008】
前記ツール本体43の側部には、冷却流体の流入口47と流出口48とが設けられており、流入口47から流入された水や空気などの冷却流体は、前記ガイドパイプ42と前記ツール本体43との間に形成された流入路49を通って前記ガイドパイプ42の下端部へ通流されると共に、前記ツール本体43と前記外嵌部材44との間に形成された間隙50を介して、流出口48から流出されるように構成されている。これにより、加熱されたリードフレームの上方に配置され、リードフレームを加熱するトンネル炉内の混合ガスに曝された前記ガイドパイプ42の下端部を、前記冷却流体によって冷却できるように構成されている。(例えば、特許文献1参照)。
【0009】
また、上記の水や空気などの冷却流体による冷却効果を改善するために、図7に示すような半田供給ツール51も提案されている。この半田供給ツール51は、フィードローラー61から引き出された半田ワイヤ32が挿入されるガイドパイプ52と、ガイドパイプ52を保持するツール本体53と、該ツール本体53の下部に固定されると共に、前記ガイドパイプ52の下端部に外嵌された外嵌部材54とにより構成されており、前記ガイドパイプ52の下端には、先細りの送出ヘッド55が設けられている。該送出ヘッド55には、案内孔56が設けられており、半田ワイヤ32は、前記ガイドパイプ52の上端から挿入され、案内孔56に案内されて送出されるようになっている。前記ガイドパイプ52の外周面に沿って、複数のヒートパイプ57が配置されている。
【0010】
前記ツール本体53には冷却流体の流入口58と流出口59とが設けられている。流入口58から流入された水や空気などの冷却流体は、前記ツール本体53とヒートパイプ57との間に形成された流通路60を通って、前記ヒートパイプ57に沿って上部へ通流されると共に、前記流出口59から流出されるように構成されている。これにより、加熱されたリードフレームの上方に配置され、リードフレームを加熱するトンネル炉内の混合ガスに曝された前記ガイドパイプ52の下端部を、前記冷却流体によって冷却できるように構成されている(例えば、特許文献1参照)。
【0011】
上記の半田供給ツール41,51を、図8(A)に示すように、混合ガス雰囲気内で所定温度に加熱されたリードフレームなどの基板33を収容したトンネル炉(図示省略)の上方に配置され、半田供給ツール41,51の先端から半田ワイヤ32を所定寸法だけ突出させ、図8(B)に示すように、下降させて半田ワイヤ32の先端を加熱された基板33に接触させて溶融させ、図8(C)に示すように、ノズル41,51を上昇させると、基板33上に所定量の溶融半田32が供給される。
【0012】
上記のように、半田供給ツール41,51内に冷却手段を設ける理由は、半田ワイヤ32の先端部を加熱されたリードフレームなどの基板33に接触させ溶融させて基板33上に供給する際に、半田ワイヤ32が必要以上に溶融したり、半田ワイヤ32中の融点の低い特定成分(Sn)が溶け別れをしたり、半田ワイヤ32の表面に2次酸化膜が形成されたりしないようにするためである。
【0013】
【特許文献1】
特開2000−252032号公報([0002]〜[0021]、図1〜図3参照。)。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、最近は、半導体装置を組み込む電子部品の小型化に伴い、半導体チップ(ダイ)の小型化、そのリードフレームなどの基板に対するボンディング位置の高精度化および半導体チップ(ダイ)とリードフレームなどの基板間の低電気抵抗化、低放熱抵抗化が要求されている。そのためには、リードフレームなどの基板に対する半田などのろう材の供給位置および供給量を正確に制御することが重要になる。
【0015】
ところが、図6の半田供給ツール41は、ガイドパイプ42と半田ワイヤとのクリアランスが大きく、半田ワイヤの冷却効果が十分でないため、半田の供給量を正確に制御することができず、図9(A)に示すように、半田の供給量が実線で示す正規の供給量32よりも2点鎖線32’で示すように過剰となって、この過剰な溶融半田32’の上に半導体チップ(ダイ)30を供給して加圧した場合、図9(B)に示すように、余剰の半田32’が半導体チップ(ダイ)30の周囲から食み出し、半導体チップ(ダイ)30の端面に盛り上がったり、甚だしい場合は半導体チップ(ダイ)30の上面にまで這い上がってショートしたりするという解決すべき課題があった。また、図7の半田供給ツール51は、ヒートパイプ47を用いるため高価であるという解決すべき課題があった。
【0016】
また、冷却媒体として、水などの液体を用いると、シール構造が複雑になるのみならず、万一、漏出した場合は、ダイボンダそのものや、近接した設備を濡らしたり、漏出した液体が蒸発した蒸気によって、半導体チップ(ダイ)が汚染されて、特性変動を生じたりするといった問題があった。さらに、冷却水を循環させるチラー(定温液体循環装置)などを具備しなければならず、コストアップの要因となっていた。
【0017】
そこで、本発明は上記の課題を解決して、半田などの軟ろうや、Pb−Sn−Ag系などの硬ろうや、Pbフリーの半田代替ろう材などのワイヤ状ろう材を、リードフレームなどの基板に対して所定量だけ供給できる、ろう材供給ノズルを提供することを目的とする。
【0018】
【課題を解決するための手段】
本発明のろう材供給ノズルは、長尺のワイヤ状ろう材を巻回したフィーダーローラーから引き出したろう材を挿通し、下端から突出したろう材の先端部を加熱された基板に接触溶融させて基板に供給するようにしたろう材供給ノズルにおいて、中心に空洞を有するノズル本体と、ノズル本体内の空洞に装着された隔壁ブッシュと、前記ノズル本体の下部に取り付けられたパイプ部材と、前記ノズル本体に設けられた冷却気体の流入口と、冷却気体の排出口と、前記隔壁ブッシュを貫通して設けられパイプ部材に固着されたガイドパイプとを有し、前記流入口からノズル本体内に供給された冷却気体を、前記隔壁ブッシュの内周面と前記ガイドパイプの外周面とで形成される隙間、および前記隔壁ブッシュの外周面とパイプ部材の内周面とで形成される隙間を通って、前記排出口から排出することを特徴とするものである(請求項1)。
【0019】
なお、上記の「前記流入口からノズル本体内に供給された冷却気体を、前記隔壁ブッシュの内周面と前記ガイドパイプの外周面とで形成される隙間、および前記隔壁ブッシュの外周面とパイプ部材の内周面とで形成される隙間を通って、前記排出口から排出する」の文章は、前記流入口からノズル本体内に供給された冷却気体が、「隔壁ブッシュの内周面とガイドパイプの外周面とで形成される隙間」を通った後、「隔壁ブッシュの外周面とパイプ部材の内周面とで形成される隙間」を通ることだけを意味するものではなく、冷却気体が「隔壁ブッシュの外周面とパイプ部材の内周面とで形成される隙間」を通った後、「隔壁ブッシュの内周面とガイドパイプの外周面とで形成される隙間」を通る場合をも含むことを意味するものである。
【0020】
上記のろう材供給ノズルによれば、流入口から供給された冷却気体が、主として、隔壁ブッシュの内周面とガイドパイプの外周面とで形成される隙間を通る際に、ガイドパイプを介してその中に小さいクリアランスで挿通されたろう材を効果的に冷却することができ、加熱されたリードフレームなどの基板からの輻射熱や、ろう材が加熱された基板に接触したことによるろう材からの伝導熱によって過熱されることが防止できることによって、基板に対して所定量のろう材を正確に制御して供給することができる。したがって、図9(B)に示すような余剰半田が半導体チップ(ダイ)の側面部に盛り上がったり、半導体チップ(ダイ)の上面まで這い上がったりすることがなくなり、信頼性の高い半導体チップ(ダイ)のボンディングが可能になる。
【0021】
また、本発明のろう材供給ノズルは、前記流入口からノズル本体内に供給された冷却気体を、前記隔壁ブッシュの内周面と前記ガイドパイプの外周面とで形成される隙間を通って隔壁ブッシュの先端部でUターンさせ、隔壁ブッシュの外周面とパイプ部材の内周面とで形成される隙間を通って、前記排出口から排出することを特徴とするものである(請求項2)。
【0022】
上記のろう材供給ノズルによれば、流入口から供給された冷却気体を、まず、ろう材に近いガイドパイプの外周面と、このガイドパイプを取り囲む隔壁ブッシュの内周面とで形成される隙間を通すことによって、ろう材を効果的に冷却し、冷却気体を隔壁ブッシュの先端部でUターンさせ、隔壁ブッシュの外周面とパイプ部材の内周面とで形成される隙間を通すことによってさらに冷却し、前記排出口から排出するので、ろう材を効果的に冷却することができる。
【0023】
また、本発明のろう材供給ノズルは、前記ノズル本体の流入口または流出口に連通する環状溝を形成すると共に、前記隔壁ブッシュの前記環状溝と対応する部分に、中心の縦孔に連通する複数の横孔を放射状に形成したことを特徴とするものである(請求項3)。
【0024】
上記のろう材供給ノズルによれば、流入口から供給された冷却気体は、ノズル本体の環状溝から隔壁ブッシュの放射状に形成されている横孔を通って中心の縦孔に入り、隔壁ブッシュの内周面とガイドパイプの外周面とで形成される隙間へと導かれるので、前記隙間へ円滑に導くことができる。また、ノズル本体に形成された環状溝および隔壁ブッシュの放射状に形成された複数の横孔によって、隔壁ブッシュをノズル本体に装着する際の方向性が小さいので、組立作業性を向上することができ、しかも、冷却気体をガイドパイプの全外周に満遍なく導くことができる。
【0025】
また、本発明のろう材供給ノズルは、前記隔壁ブッシュが銅製で、前記ガイドパイプがステンレス製であることを特徴とするものである(請求項4)。
【0026】
上記のろう材供給ノズルによれば、加熱されたリードフレームなどの基板に接近するガイドパイプを、熱伝導率が低いステンレス製としたのは、耐食性・耐熱材としての効果を期待したもので、パイプの肉厚を薄肉とすることで、熱伝導のレスポンスの悪さを十分に補うことができることを理論的に確認し、しかも、隔壁ブッシュを熱伝導率が高い銅製としたことにより、冷却気体との接触による冷却効果および熱放散による冷却効果との相乗作用によって、ろう材の冷却効果を著しく向上することができる。
【0027】
また、本発明のろう材供給ノズルは、前記ガイドパイプの内周面とろう材の外周面とのクリアランスを、0.05〜0.2mmにしたことを特徴とするものである(請求項5)。
【0028】
上記のろう材供給ノズルによれば、ガイドパイプの内周面とろう材とのクリアランスを、0.05〜0.2mmにしたことにより、ろう材の冷却効果が向上して、ろう材の過熱により所定量を超えるろう材を供給するといったことや、ろう材が過冷却されて溶融困難になって必要量のろう材を供給することができなくなるといったことがなくなり、基板に所定量のろう材を供給ことができる。すなわち、ガイドパイプの内周面とろう材とのクリアランスを、0.05mm未満にした場合は、ろう材の寸法公差によりクリアランスを確保できず詰まりが発生するため、必要量のろう材の供給が困難になるし、クリアランスガ0.2mmを超えた場合は、ろう材の冷却不足によりろう材が必要以上に溶融して所定量を超えるろう材が供給される可能性があることと、ろう材の供給位置精度を悪化させることになる。
【0029】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明のろう材供給ノズルの実施形態について説明する。図1(A)は本発明のろう材供給ノズルの縦断面図で、図1(B)は図1(A)のろう材供給ノズルの下面図を示す。図2(A)〜図2(D)はそれぞれ図1(A)のA−A線に沿った横断面図、B−B線に沿った横断面図、C−C線に沿った横断面図、および平面図である。
【0030】
図1において、1は所謂半田と称される軟ろう(Sn−Pb合金)や、硬ろう(Pb−Sn−Ag系など)や、最近、Pbによる環境汚染問題を解決するために開発されたPbフリーの半田代替ろう材(Sn−Zn系、Sn−Ag系、Sn−Ag−Cu系など)のワイヤ状のろう材2を巻回したフィードローラーで、3はろう材2を挿通してリードフレームなどの基板に供給するろう材供給ノズルである。このろう材供給ノズル3は、内部に空洞5を有するノズル本体4と、このノズル本体4の空洞5に内装される銅製の隔壁ブッシュ6と、この隔壁ブッシュ6によって区画されたノズル本体4の上部に設けられた冷却気体を供給する流入口7と、ノズル本体4の下部に設けられた使用済みの冷却気体を排気する排出口8とを有する。流入口7および排出口8には、それぞれ冷却気体の供給パイプ7aおよび排気パイプ8aが接続されている。
【0031】
前記ノズル本体4は、前記流入口7に対応する内周面に環状溝4aを有する。
また、前記隔壁ブッシュ6は、図2(A)から明らかなように、環状溝4aと対応する部分に中心の縦孔に連通する複数の横孔6aを放射状に有し、これらのいずれかの横孔6aが前記流入口7の位置と一致し易いようにして、ノズル本体4との組み付けが容易になるようにされている。また、この隔壁ブッシュ6は、前記縦孔に沿って下方に延びるパイプ部6bを有する。
【0032】
前記ノズル本体4の下面部には、銅製のパイプ部材9が取り付けられており、前記隔壁ブッシュ6のパイプ部6a内に、ろう材2を案内するステンレス製のガイドパイプ10が挿通されている。パイプ部材9は、ノズル本体4の下面に固着されるフランジ部9aと、前記隔壁ブッシュ6との間に冷却気体を案内する隙間を形成するパイプ部9bとを有する。そして、図3(A)(B)に示すように、ガイドパイプ10の下端は、パイプ部材9から所定寸法だけ突出させて、銀ろう11によりパイプ部材9に固着されている。
【0033】
前記ガイドパイプ10の上方中途部は、位置決め部材12によってこのガイドパイプ部10を隔壁ブッシュ6の中心軸に同心状に位置決めされており、この位置決め部材12がノズルガイド13によって所定位置に保持されている。
【0034】
なお、前記ノズル本体4と隔壁ブッシュ6との間、ノズル本体4の下面とパイプ部材9のフランジ部9aとの間、ノズル本体4の上面と位置決め部材12の下面との間、および位置決め部材12とガイドパイプ10との間には、それぞれ耐熱性のOリング14,15,16,17が介装されており、気密にシールされている。また、ろう材2を巻回したフィードローラー1に対して、必要に応じてバックローラー18が配置されて、ろう材2を適当な引出抵抗を付与して、所定寸法ずつ繰り出すようにしている。
【0035】
次に、上記のろう材供給ノズル3の動作について説明する。まず、フィードローラー1からろう材2を引き出し、ノズルガイド13の開口部からガイドパイプ10内にろう材2を挿入し、ガイドパイプ10を通して、ガイドパイプ10の下端から所定寸法だけ突出させる。
【0036】
そして、流入口7からノズル本体4内に冷却空気などの冷却気体を供給する。
すると、ノズル本体4内に供給された冷却気体は、環状溝4aから隔壁ブッシュ6の放射状の横孔6aを通り、パイプ部6bの内周面とガイドパイプ10の外周面とで形成される隙間19を通って下降していき、隔壁ブッシュ6のパイプ部6bの下端から出た後Uターンして、今度はパイプ部材9の内周面と隔壁ブッシュ6の内周面とで形成される隙間20を通って上昇し、排出口8から排出される。
ここで、主として、冷却気体が前記隔壁ブッシュ6のパイプ部6bの内周面とガイドパイプ10の外周面とで形成される隙間19を通って下降する過程で、ガイドパイプ10を冷却し、このガイドパイプ10に挿通されたろう材2を冷却する。空気の熱拡散率は2.2×10−5m2/sであり、水の熱拡散率1.9×10−7m2/sの116倍もあり、水冷式に比較して冷却効果に優れているので、短時間で適温にろう材2を冷却することができる。
【0037】
そして、ガイドパイプ10の下端から突出したろう材2を、加熱されたリードフレームなどの基板に接触させる。すると、ろう材2の先端部が基板からの熱伝導によって溶融して、ろう材2から離れて基板上に供給される。このとき、ガイドパイプ10の内周面とろう材2とのクリアランスが、0.5〜2.0mmに設定されているため、ろう材2は適度に冷却されて、基板上に所定量のろう材を供給することができる。したがって、この溶融ろう材の上に半導体チップ(ダイ)を供給して加圧すると、半導体チップ(ダイ)を所定量のろう材によって、高精度でボンディングすることが可能になる。
【0038】
[実施例]
次に本発明の実施例について説明する。
試験条件
ろう材2:Pb−Sn半田(融点183℃)、φ1.0mm
隔壁ブッシュ6 :無酸素銅製
ガイドパイプ10:SUS316L+無電界ニッケルめっき、内径φ1.2mm
リードフレーム:銅製基材+両面Niめっき(加熱温度350℃)
リードフレームとガイドパイプ10との間隔寸法:1〜8mm
ガイドパイプ10からろう材2の突出寸法:1mm
ろう材2とガイドパイプ10とのクリアランス:0.1mm
冷却気体:空気
冷却気体の供給圧力:0.3MPa
トンネル炉雰囲気:80〜90%N2+20〜10%H2の混合ガス
リードフレームの加熱温度:350℃
試験サイクル:ろう材2をリードフレームに対して、0.5秒間接触、0.5
秒間離隔
【0039】
[試験結果]
上記の試験条件で、ガイドパイプ10の先端部の温度を測定したところ、300℃であったのに対して、ろう材2の先端部の温度は140℃一定であり、ろう材2の表面に2次酸化膜の生成やろう材成分の溶け分かれは認められなかった。
これに対して、冷却気体の供給を止めた場合は、ろう材2の先端部の温度は260℃となり、ろう材2の2次表面酸化膜の生成が認められ、しかも、ろう材2中のSn(融点235℃)が溶け分かれる現象が認められた。以上の結果から、本発明のろう材供給ノズル3の冷却効果が優れていることが判る。
【0040】
なお、上記実施形態は、本発明の一実施形態について説明したもので、本発明がこの実施形態に限定されないことは勿論である。
【0041】
例えば、ガイドパイプ10は、図3(A)に示すように、パイプ部材9から所定寸法だけ突出させる場合のみならず、パイプ部材9の下端と一致させる場合や、パイプ部材9の下端から若干凹入させるようにしてもよい。
【0042】
【発明の効果】
本発明のろう材供給ノズルは、長尺のワイヤ状ろう材を巻回したフィーダーローラーから引き出したろう材を挿通し、下端から突出したろう材の先端部を加熱された基板に接触溶融させて基板に供給するようにしたろう材供給ノズルにおいて、
中心に空洞を有するノズル本体と、ノズル本体内の空洞に装着された隔壁ブッシュと、前記ノズル本体の下部に取り付けられたパイプ部材と、前記ノズル本体に設けられた冷却気体の流入口と、冷却気体の排出口と、前記隔壁ブッシュを貫通して設けられパイプ部材に固着されたガイドパイプとを有し、前記流入口からノズル本体内に供給された冷却気体を、前記隔壁ブッシュの内周面と前記ガイドパイプの外周面とで形成される隙間、および前記隔壁ブッシュの外周面とパイプ部材の内周面とで形成される隙間を通って、前記排出口から排出することを特徴とするものであるから、ろう材を適度に冷却することができ、リードフレームなどの基板表面に所定量のろう材を容易、かつ、確実に供給することができることによって、図9(B)に示すような余剰のろう材の盛り上がりや、半導体チップ(ダイ)の上面への這い上がりがなくなり、また、ヒートパイプなど特殊な部品を使用しないので、安価にろう材供給ノズルを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(A)は本発明の実施形態に係るろう材供給ノズルの縦断面図、
(B)は(A)のろう材供給ノズルの下面図である。
【図2】(A)は図1のろう材供給ノズルにおけるA−A線に沿った横断面図、
(B)は図1のろう材供給ノズルにおけるB−B線に沿った横断面図、
(C)は図1のろう材供給ノズルにおけるC−C線に沿った横断面図、
(D)は図1のろう材供給ノズルにおける平面図である。
【図3】(A)は図1のろう材供給ノズルにおける先端部の拡大縦断面図、
(B)は(A)のろう材供給ノズルにおけるD−D線に沿った横断面図である。
【図4】半導体チップ(ダイ)を基板にろう付けした半導体装置の正面図である。
【図5】リードフレームなどの基板の各種形態を示し、
(A)は基材を露出したベアボンディング用の基板の拡大縦断面図、
(B)は基材の両面にめっき層を形成した全面めっき基板の拡大縦断面図、
(C)は基材の半導体チップ(ダイ)のボンディング位置のみにめっき層を形成した部分めっき基板の拡大縦断面図、
(D)は基材の両面にめっき層を形成し、さらに半導体チップ(ダイ)のボンディング位置のみに他のめっき層を形成した基板の拡大縦断面図である。
【図6】従来のろう材供給ツールの縦断面図である。
【図7】他の従来のろう材供給ツールにおける縦断面図である。
【図8】(A)はろう材供給ツールにおける待機状態の拡大縦断面図、
(B)はろう材供給ツールが下降してろう材が基板に接触した状態の拡大縦断面図、
(C)はろう材供給ツールが上昇してろう材が基板に供給された状態の拡大縦断面図である。
【図9】(A)は基板上に過剰な半田が供給された状態の正面図、
(B)は(A)の過剰な半田の上に半導体チップ(ダイ)を加圧してボンディングした場合の課題に付いて説明する正面図である。
【符号の説明】
1 フィードローラー
2 ろう材
3 ろう材供給ノズル
4 ノズル本体
4a 環状溝
5 空洞
6 隔壁ブッシュ
6a 横孔
6b パイプ部
7 冷却気体の流入口
8 冷却気体の排出口
9 パイプ部材
9a フランジ部
9b パイプ部
10 ガイドパイプ
12 位置決め部材
13 ノズルガイド
14〜17 Oリング
19,20 隙間[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a brazing material supply nozzle, and more particularly, to bond a semiconductor chip (die) to a substrate such as a lead frame by supplying a tip of a wire-shaped brazing material to a heated substrate by contact melting. And a brazing material supply nozzle.
[0002]
[Prior art]
When the semiconductor chip (die) is fixed to a substrate such as a lead frame, and when it is not necessary to electrically connect the back surface of the semiconductor chip (die) to the substrate, a resin bond method using an insulating resin to fix the semiconductor chip (die) to the substrate However, in general, in order to electrically connect the back surface of the semiconductor chip (die) to the substrate and efficiently radiate heat generated during operation of the semiconductor chip (die) to the substrate. Next, as shown in FIG. 4, an
[0003]
As shown in FIG. 5 (A), for example, as shown in FIG. 5 (A), the
[0004]
The method using the brazing material includes a hard soldering method using gold-silicon eutectic and the like, and a so-called soft soldering method using solder. The former hard soldering method has high reliability in fixing the semiconductor chip (die) to the substrate, but the brazing material is expensive, and the heating temperature of the tunnel furnace for melting the hard solder is high. Because of high cost, it is used only for special applications requiring high reliability.
[0005]
The latter soft soldering method is inexpensive because the brazing material is inexpensive and the heating temperature of the substrate for melting the brazing material is low, so that the cost is low and it is most widely used in consumer semiconductor devices. In this soft soldering method, a solder layer is formed in advance on the back surface of a semiconductor chip (die), and the semiconductor chip (die) is pressed against a heated substrate to melt and fix the solder layer. Method, a solder piece supply method that supplies solder pieces to a heated substrate and melts the solder pieces, inserts a solder wire drawn from a feeder roller around which a long solder wire is wound into a solder supply tool, and from the tip There is a solder wire supply method in which a predetermined length is protruded, and the tip is brought into contact with a heated substrate to be melted and supplied.
[0006]
In the pre-soldering method, since a solder layer is formed on the back surface of the semiconductor wafer, when the semiconductor chip (die) is cut and separated later by a dicing saw (diamond cutter) or the like, the soft solder is clogged, There is a problem that it is difficult to cut the solder layer. Further, the solder piece supply method has a problem that when supplying a minute solder piece, the supply position of the solder piece is not constant, so that high-precision die bonding cannot be performed. In the solder wire supply method, since the nozzle position can be controlled with high precision, the solder supply position can also be controlled with high precision, so that high-precision die bonding can be performed.
Therefore, recently, a solder wire supply system has been widely adopted.
[0007]
A solder supply tool used in a conventional solder wire supply system will be described.
As shown in FIG. 6, the
[0008]
An
[0009]
In addition, a
[0010]
The
[0011]
As shown in FIG. 8A, the
[0012]
As described above, the reason why the cooling means is provided in the
[0013]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-252032 ([0002] to [0021]; see FIGS. 1 to 3).
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, recently, with the miniaturization of electronic components incorporating a semiconductor device, the size of a semiconductor chip (die) has been reduced, the precision of bonding position with respect to a substrate such as a lead frame has been increased, and the size of a semiconductor chip (die) and a lead frame have been reduced. Low electrical resistance and low heat dissipation resistance between substrates are required. For that purpose, it is important to accurately control the supply position and supply amount of brazing material such as solder to a substrate such as a lead frame.
[0015]
However, the
[0016]
In addition, if a liquid such as water is used as a cooling medium, not only does the sealing structure become complicated, but in the event of leakage, the die bonder itself or nearby equipment is wetted, or the vapor that evaporates from the leaked liquid. As a result, there is a problem that the semiconductor chip (die) is contaminated to cause characteristic fluctuation. Further, a chiller (constant-temperature liquid circulation device) for circulating cooling water must be provided, which has been a factor of cost increase.
[0017]
Therefore, the present invention solves the above-mentioned problems, and uses a wire brazing material such as a soft brazing material such as solder, a hard brazing material such as a Pb-Sn-Ag system, or a Pb-free solder substitute brazing material. It is an object of the present invention to provide a brazing material supply nozzle capable of supplying a predetermined amount to a substrate.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
The brazing material supply nozzle of the present invention inserts a brazing material drawn from a feeder roller wound with a long wire-shaped brazing material, and contacts and melts the tip of the brazing material protruding from the lower end with the heated substrate. A brazing material supply nozzle, a nozzle body having a cavity in the center, a partition bush mounted in the cavity in the nozzle body, a pipe member attached to a lower portion of the nozzle body, and the nozzle body A cooling gas inflow port, a cooling gas discharge port, and a guide pipe provided through the partition bush and fixed to a pipe member, and supplied from the inflow port into the nozzle body. The cooled gas is formed by the gap formed between the inner peripheral surface of the partition bush and the outer peripheral surface of the guide pipe, and the outer peripheral surface of the partition bush and the inner peripheral surface of the pipe member. Through a gap that is, it is characterized in that discharged from the discharge port (claim 1).
[0019]
In addition, the cooling gas supplied from the inflow port into the nozzle body is supplied to the gap formed between the inner peripheral surface of the partition bush and the outer peripheral surface of the guide pipe, and the outer peripheral surface of the partition bush and the pipe. The text “discharge from the discharge port through the gap formed between the inner peripheral surface of the member and the discharge port” states that the cooling gas supplied from the inflow port into the nozzle main body is “the inner peripheral surface of the partition bush and the guide. After passing through the “gap formed between the outer peripheral surface of the pipe” and the “gap formed between the outer peripheral surface of the partition bush and the inner peripheral surface of the pipe member”, this does not mean only passing through the gap. After passing through the "gap formed between the outer peripheral surface of the partition bush and the inner peripheral surface of the pipe member", it may also pass through the "gap formed between the inner peripheral surface of the partition bush and the outer peripheral surface of the guide pipe". It is meant to include.
[0020]
According to the brazing material supply nozzle, the cooling gas supplied from the inflow port mainly passes through the gap formed by the inner peripheral surface of the partition bush and the outer peripheral surface of the guide pipe, via the guide pipe. It can effectively cool the brazing material inserted with a small clearance in it, radiating heat from the substrate such as a heated lead frame, and conducting from the brazing material due to the brazing material contacting the heated substrate. By being prevented from being overheated by heat, a predetermined amount of brazing material can be accurately controlled and supplied to the substrate. Therefore, the surplus solder as shown in FIG. 9B does not rise on the side surface of the semiconductor chip (die) or creep up to the upper surface of the semiconductor chip (die), so that the semiconductor chip (die) having high reliability is obtained. Bonding becomes possible.
[0021]
Also, the brazing filler metal supply nozzle of the present invention may be configured such that the cooling gas supplied from the inflow port into the nozzle body is supplied to the partition wall through a gap formed between the inner peripheral surface of the partition bush and the outer peripheral surface of the guide pipe. The bush makes a U-turn at the leading end, and is discharged from the discharge port through a gap formed between the outer peripheral surface of the partition bush and the inner peripheral surface of the pipe member (claim 2). .
[0022]
According to the brazing material supply nozzle, the cooling gas supplied from the inflow port is first filled with a gap formed between the outer peripheral surface of the guide pipe close to the brazing material and the inner peripheral surface of the partition bush surrounding the guide pipe. By effectively cooling the brazing material, the cooling gas is U-turned at the tip of the partition bush, and further passed through a gap formed between the outer peripheral surface of the partition bush and the inner peripheral surface of the pipe member. Since it is cooled and discharged from the discharge port, the brazing material can be cooled effectively.
[0023]
Further, the brazing material supply nozzle of the present invention forms an annular groove communicating with the inflow port or the outflow port of the nozzle body, and communicates with a central vertical hole at a portion corresponding to the annular groove of the partition bush. A plurality of lateral holes are radially formed (claim 3).
[0024]
According to the brazing material supply nozzle described above, the cooling gas supplied from the inflow port enters the center vertical hole from the annular groove of the nozzle body through the radially formed horizontal hole of the partition bush, and enters the central bush. Since it is guided to the gap formed between the inner peripheral surface and the outer peripheral surface of the guide pipe, it can be smoothly guided to the gap. In addition, since the annular groove formed in the nozzle body and the plurality of radially formed lateral holes of the partition bush have a small directionality when the partition bush is mounted on the nozzle body, the assembly workability can be improved. In addition, the cooling gas can be evenly guided to the entire outer periphery of the guide pipe.
[0025]
Further, in the brazing material supply nozzle of the present invention, the partition bush is made of copper, and the guide pipe is made of stainless steel (claim 4).
[0026]
According to the brazing material supply nozzle described above, the guide pipe approaching the substrate such as a heated lead frame is made of stainless steel having a low thermal conductivity, because it is expected to have an effect as corrosion resistance and heat resistant material, Theoretically, it was confirmed that by making the pipe thinner, it was possible to sufficiently compensate for the poor heat conduction response.Moreover, the partition bush was made of copper, which has high thermal conductivity. The cooling effect of the brazing filler metal can be remarkably improved by the synergistic effect of the cooling effect by the contact of the solder and the cooling effect by the heat dissipation.
[0027]
In the brazing material supply nozzle according to the present invention, the clearance between the inner peripheral surface of the guide pipe and the outer peripheral surface of the brazing material is set to 0.05 to 0.2 mm. ).
[0028]
According to the brazing material supply nozzle described above, the cooling effect of the brazing material is improved by setting the clearance between the inner peripheral surface of the guide pipe and the brazing material to be 0.05 to 0.2 mm, so that the brazing material is overheated. This eliminates the need to supply a brazing filler metal exceeding a predetermined amount, and to prevent the supply of the required amount of brazing filler metal to the substrate, because the brazing filler metal is supercooled and becomes difficult to melt. Can be supplied. In other words, if the clearance between the inner peripheral surface of the guide pipe and the brazing material is set to less than 0.05 mm, the clearance cannot be secured due to the dimensional tolerance of the brazing material and clogging occurs. If the clearance exceeds 0.2 mm, the brazing material may be melted more than necessary due to insufficient cooling of the brazing material and the brazing material may be supplied in excess of a predetermined amount. Will deteriorate the supply position accuracy.
[0029]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a brazing material supply nozzle of the present invention will be described with reference to the drawings. 1A is a longitudinal sectional view of the brazing material supply nozzle of the present invention, and FIG. 1B is a bottom view of the brazing material supply nozzle of FIG. 1A. 2 (A) to 2 (D) are cross-sectional views taken along the line AA, cross-sectional views taken along the line BB, and cross-sections taken along the line CC of FIG. 1 (A), respectively. It is a figure and a top view.
[0030]
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a soft solder (Sn-Pb alloy) or a so-called solder (Pb-Sn-Ag type), which has been recently developed to solve the environmental pollution problem caused by Pb. A feed roller around which a wire-shaped brazing material 2 made of a Pb-free solder substitute brazing material (Sn-Zn-based, Sn-Ag-based, Sn-Ag-Cu-based, etc.) is wound, and 3 is inserted through the brazing material 2. This is a brazing material supply nozzle for supplying a substrate such as a lead frame. The brazing
[0031]
The
2A, the
[0032]
A
[0033]
An upper halfway of the
[0034]
In addition, between the
[0035]
Next, the operation of the brazing
[0036]
Then, a cooling gas such as cooling air is supplied into the
Then, the cooling gas supplied into the
Here, the
[0037]
Then, the brazing material 2 protruding from the lower end of the
[0038]
[Example]
Next, examples of the present invention will be described.
Test condition
Brazing material 2: Pb-Sn solder (melting point: 183 ° C.), φ1.0 mm
Bulkhead bush 6: Made of oxygen-free copper
Guide pipe 10: SUS316L + electroless nickel plating, inner diameter φ1.2mm
Lead frame: Copper base material + Ni plating on both sides (heating temperature 350 ° C)
Spacing between lead frame and guide pipe 10: 1 to 8 mm
Projection size of brazing material 2 from guide pipe 10: 1 mm
Clearance between brazing material 2 and guide pipe 10: 0.1 mm
Cooling gas: air
Supply pressure of cooling gas: 0.3 MPa
Tunnel furnace atmosphere: 80-90% N 2 + 20-10% H 2 Mixed gas
Lead frame heating temperature: 350 ° C
Test cycle: Brazing material 2 was in contact with lead frame for 0.5 seconds, 0.5
Seconds apart
[0039]
[Test results]
When the temperature at the tip of the
On the other hand, when the supply of the cooling gas is stopped, the temperature of the tip of the brazing material 2 becomes 260 ° C., and the formation of the secondary surface oxide film of the brazing material 2 is recognized. A phenomenon in which Sn (melting point: 235 ° C.) melts was observed. From the above results, it can be seen that the cooling effect of the brazing
[0040]
The above embodiment has been described for one embodiment of the present invention, and the present invention is of course not limited to this embodiment.
[0041]
For example, as shown in FIG. 3A, the
[0042]
【The invention's effect】
The brazing material supply nozzle of the present invention inserts a brazing material drawn from a feeder roller around which a long wire-shaped brazing material is wound, and contacts and melts the tip of the brazing material protruding from the lower end with the heated substrate. In the brazing material supply nozzle that is supplied to the
A nozzle body having a cavity in the center, a partition bush mounted in the cavity in the nozzle body, a pipe member attached to a lower portion of the nozzle body, an inlet for cooling gas provided in the nozzle body, and cooling. A gas outlet, a guide pipe provided through the partition bush and fixed to a pipe member, and supplies the cooling gas supplied into the nozzle body from the inflow port to the inner peripheral surface of the partition bush. And discharging from the discharge port through a gap formed between the outer peripheral surface of the guide pipe and a gap formed between the outer peripheral surface of the partition bush and the inner peripheral surface of the pipe member. Therefore, the brazing material can be cooled appropriately, and a predetermined amount of the brazing material can be easily and reliably supplied to the substrate surface such as a lead frame. As shown in the figure, the excess brazing material does not rise and the semiconductor chip (die) does not crawl onto the upper surface, and no special parts such as heat pipes are used. Therefore, a brazing material supply nozzle can be provided at low cost. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a longitudinal sectional view of a brazing material supply nozzle according to an embodiment of the present invention,
(B) is a bottom view of the brazing material supply nozzle of (A).
FIG. 2A is a cross-sectional view of the brazing material supply nozzle of FIG. 1 taken along line AA.
(B) is a cross-sectional view of the brazing material supply nozzle of FIG. 1 along the line BB,
(C) is a cross-sectional view of the brazing material supply nozzle of FIG. 1 along the line CC,
(D) is a plan view of the brazing material supply nozzle of FIG. 1.
FIG. 3A is an enlarged vertical sectional view of a tip end of the brazing material supply nozzle of FIG. 1;
(B) is a cross-sectional view of the brazing material supply nozzle of (A) taken along the line DD.
FIG. 4 is a front view of a semiconductor device in which a semiconductor chip (die) is brazed to a substrate.
FIG. 5 shows various forms of a substrate such as a lead frame;
(A) is an enlarged vertical sectional view of a bare bonding substrate exposing the base material,
(B) is an enlarged vertical cross-sectional view of the entire plating substrate having plating layers formed on both surfaces of the base material,
(C) is an enlarged vertical sectional view of a partially plated substrate in which a plating layer is formed only at a bonding position of a semiconductor chip (die) on a substrate;
(D) is an enlarged vertical cross-sectional view of a substrate in which plating layers are formed on both surfaces of a substrate, and another plating layer is formed only at a bonding position of a semiconductor chip (die).
FIG. 6 is a longitudinal sectional view of a conventional brazing material supply tool.
FIG. 7 is a longitudinal sectional view of another conventional brazing material supply tool.
FIG. 8A is an enlarged vertical sectional view of the brazing material supply tool in a standby state,
(B) is an enlarged vertical sectional view showing a state where the brazing material supply tool is lowered and the brazing material contacts the substrate;
(C) is an enlarged longitudinal sectional view showing a state in which the brazing material supply tool is raised and the brazing material is supplied to the substrate.
FIG. 9A is a front view of a state in which excessive solder is supplied on a substrate,
(B) is a front view explaining a problem in the case where a semiconductor chip (die) is bonded by pressing on an excessive solder of (A).
[Explanation of symbols]
1 feed roller
2 Brazing filler metal
3 Brazing filler nozzle
4 Nozzle body
4a annular groove
5 cavities
6 Bulkhead bush
6a Horizontal hole
6b Pipe section
7 Cooling gas inlet
8 Cooling gas outlet
9 Pipe members
9a Flange part
9b Pipe section
10 Guide pipe
12 Positioning member
13 Nozzle guide
14-17 O-ring
19, 20 gap
Claims (5)
中心に空洞を有するノズル本体と、ノズル本体内の空洞に装着された隔壁ブッシュと、前記ノズル本体の下部に取り付けられたパイプ部材と、
前記ノズル本体に設けられた冷却気体の流入口と、冷却気体の排出口と、
前記隔壁ブッシュを貫通して設けられパイプ部材に固着されたガイドパイプとを有し、
前記流入口からノズル本体内に供給された冷却気体を、前記隔壁ブッシュの内周面と前記ガイドパイプの外周面とで形成される隙間、および前記隔壁ブッシュの外周面とパイプ部材の内周面とで形成される隙間を通って、前記排出口から排出することを特徴とするろう材供給ノズル。A brazing material supply in which a brazing material drawn out from a feeder roller wound with a long wire-like brazing material is inserted, and the tip of the brazing material protruding from the lower end is brought into contact with the heated substrate to be melted and supplied to the substrate. At the nozzle
A nozzle body having a cavity at the center, a partition bush mounted in the cavity in the nozzle body, and a pipe member attached to a lower portion of the nozzle body,
An inlet for cooling gas provided in the nozzle body, and an outlet for cooling gas,
Having a guide pipe provided through the partition bush and fixed to a pipe member,
The cooling gas supplied from the inflow port into the nozzle body is supplied to a gap formed between an inner peripheral surface of the partition bush and an outer peripheral surface of the guide pipe, and an outer peripheral surface of the partition bush and an inner peripheral surface of a pipe member. And discharging from the discharge port through a gap formed by the brazing material supply nozzle.
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