JP2007180447A - 半田付け方法、半田付け装置、及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

半田付け方法、半田付け装置、及び半導体装置の製造方法 Download PDF

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JP2007180447A
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soldering
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Masahiko Kanehara
雅彦 金原
Akiko Kumano
明子 熊野
Hideto Kubo
秀人 久保
Takashi Fuji
敬司 藤
Masao Shiraki
雅雄 白木
Shigekazu Higashimoto
繁和 東元
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Toyota Industries Corp
Original Assignee
Toyota Industries Corp
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Abstract

【課題】ボイドの発生を抑制する。
【解決手段】密閉可能な容器内に半田付け対象物を収容するとともに、当該容器内に還元性ガスを供給し、容器内の圧力を常圧以上の圧力まで加圧した状態で半田付けを行う。加圧状態は、半田の溶融開始から当該半田が凝固するまでの半田溶融域において維持する。
【選択図】図６

Description

本発明は、回路基板に半導体素子を半田付けする半田付け方法、半田付け装置、及び半導体素子の製造方法に関する。
従来、セラミックス基板の表面に配線層となる金属板を接合するとともに裏面に接合層となる金属板を接合し、表面側の金属板には半導体素子を接合する一方で、裏面側の金属板には半導体素子の発する熱を放熱する放熱装置（ヒートシンク）を接合し、モジュール化した半導体モジュールが知られている。この種の半導体モジュールでは、表面側の金属板に対して半導体素子を半田付けにより接合している。
ところで、半導体素子の半田付けでは、半田を溶融して凝固させるまでの過程において半田の中にボイドが発生する場合が多く、問題とされている。半田の中に多くのボイドが発生した場合には、電気や熱の抵抗が高くなることに加えて、１つのボイドがある程度以上の大きさになると半導体素子からの電気や熱が当該ボイドを迂回して金属板側に流れることになる。このため、半導体素子からの電気や熱は、ボイドがあると当該ボイドがない部位を迂回して金属板側（回路側）に到達することから、ボイド周縁部に位置する半導体素子の部位には局所的な高温領域（ホットスポット）が生じ、半導体素子の破壊に繋がる虞がある。
そこで、従来、ボイドの発生を抑制するための提案がなされている（特許文献１や特許文献２参照）。特許文献１及び特許文献２では、加熱時に容器内を真空引きして減圧し、真空に近い状態で半田を溶融し、半田付けを行うことを提案している。
特開２００５−２３０８３０号公報 特開２００５−２７１０５９号公報
しかしながら、本発明者の実験によれば、真空に近い状態で半田を溶融し、半田付けを行った場合でもボイドが発生することを確認した。本発明者の実験結果は、図７に示しており、その詳細は後述する。したがって、特許文献１や特許文献２の半田付けの方法では、ボイドの発生を抑制し得るとは言い難い。
この発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものであり、その目的は、ボイドの発生を抑制することができる半田付け方法、及び半田付け装置を提供することにある。
上記問題を解決するために、請求項１に記載の発明は、容器内に回路基板と半導体素子との間に半田を介在させた半田付け対象物を収容し、還元性ガスからなる雰囲気ガス又は当該還元性ガスを含む雰囲気ガスで前記容器内を満たした状態で前記半田を溶融温度以上の温度まで加熱して前記半田を溶融し、その後に前記温度を前記溶融温度未満の温度まで下げて前記半田を凝固させることにより、前記回路基板と半導体素子とを半田付けする半田付け方法であって、前記容器は、密閉可能に構成されており、前記温度が前記溶融温度に達するまでの間に前記雰囲気ガスによって前記容器内の圧力を前記常圧以上の溶融開始時圧力まで加圧するとともに、前記半田の溶融開始から当該半田が凝固するまでの半田溶融域において前記容器内の圧力を前記溶融開始時圧力以上の圧力とすることにより、加圧状態で半田付けを行うことを要旨とする。
請求項９に記載の発明は、回路基板の接合部位に半導体素子を半田付けする半田付け装置であって、密閉可能な容器と、前記回路基板と前記半導体素子との間に介在される半田を加熱し、溶融させる加熱手段と、前記容器内に還元性ガスからなる雰囲気ガス又は当該還元性ガスを含む雰囲気ガスを導入するガス導入手段とを備え、前記容器には、前記回路基板と前記半導体素子との間に前記半田を介在させた半田付け対象物を収容するとともに、前記加熱手段は、前記ガス導入手段により前記雰囲気ガスを前記容器内に導入した状態で前記容器内の温度を前記半田の溶融温度以上の温度まで加熱して当該半田を溶融し、前記容器内の温度が前記溶融温度に達するまでの間に前記雰囲気ガスによって前記容器内の圧力を前記常圧以上の溶融開始時圧力まで加圧するとともに、前記半田の溶融開始から当該半田が凝固するまでの半田溶融域において前記容器内の圧力を前記溶融開始時圧力以上の圧力とすることにより、加圧状態で半田付けを行うことを要旨とする。
請求項１０に記載の発明は、密閉可能な容器内に回路基板と半導体素子との間に半田を介在させた半田付け対象物を収容し、還元性ガスからなる雰囲気ガス又は当該還元性ガスを含む雰囲気ガスで前記容器内を満たした状態で前記半田を溶融温度以上の温度まで加熱して前記半田を溶融し、その後に前記半田の温度を前記溶融温度未満の温度まで下げて前記半田を凝固させることにより、前記回路基板に前記半導体素子を半田付けした半導体装置の製造方法であって、前記温度が前記溶融温度に達するまでの間に前記雰囲気ガスによって前記容器内の圧力を前記常圧以上の溶融開始時圧力まで加圧するとともに、前記半田の溶融開始から当該半田が凝固するまでの半田溶融域において前記容器内の圧力を前記溶融開始時圧力以上の圧力とすることにより、加圧状態で半田付けを行うことを要旨とする。
請求項１、請求項９及び請求項１０に記載の発明によれば、半田の溶融開始から当該半田が凝固するまでの半田溶融域では、常圧以上の圧力による加圧状態で半田付けが行われる。このため、半田の溶融時には、当該半田の表面張力に打ち勝つ力が加えられ、ボイド発生の要因と考えられる表面張力の影響が抑えられる。したがって、ボイドの発生を抑制できる。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の半田付け方法において、前記溶融開始時圧力は、０．１１ＭＰａ以上の圧力であることを要旨とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の半田付け方法において、前記溶融開始時圧力は、０．１３ＭＰａ以上の圧力であることを要旨とする。
請求項２、及び請求項３に記載の発明によれば、好適にボイドの発生を抑制できる。なお、容器内の圧力は、常圧（おおよそ０．１０２３ＭＰａ）に近いと、容器の耐久性の点で有利となる。
請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載の半田付け方法において、前記半田溶融域では、前記溶融開始時圧力よりも高い圧力の前記雰囲気ガスを第１の圧力調整手段を介して一定圧にして導入することにより、前記容器内の圧力を一定に保つ、又は漸増させることを要旨とする。
請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載の半田付け方法において、前記半田溶融域では、前記容器内の圧力を監視し、当該監視によって得られた圧力値に基づき前記溶融開始時圧力よりも高い圧力の前記雰囲気ガスを前記容器内に導入することにより、前記容器内の圧力を一定に保つ、又は漸増させることを要旨とする。
請求項３及び請求項４に記載の発明によれば、容器内の圧力を常圧以上の圧力に保つことができる。特に、凝固させる場合には、容器内の温度が低下することに伴い容器内の圧力が低下していくので、第１の圧力調整手段などを設けて容器内に雰囲気ガスを供給することで常圧以上の圧力に保つことができる。そして、容器内の圧力を一定に保つ、又は容器内の圧力を漸増させることにより、安定した加圧状態を作り出すことで確実にボイドの発生を抑制できる。
請求項６に記載の発明は、請求項４又は請求項５に記載の半田付け方法において、前記半田溶融域では、前記雰囲気ガスを前記容器内に導入する一方で、前記容器内に導入した前記雰囲気ガスを第２の圧力調整手段を介して前記容器外に排出することにより、前記容器内で前記雰囲気ガスを流通させることを要旨とする。これによれば、容器内の雰囲気ガスが容器内外で流通されるので、還元作用によって生じる容器内の水分を雰囲気ガスの排出によって除去することができる。
請求項７に記載の発明は、請求項１〜請求項６のうちいずれか一項に記載の半田付け方法において、前記半田付け対象物は、前記回路基板、前記半田、及び前記半導体素子の順に積層状態で前記容器内に収容するとともに、前記半導体素子の直上には当該半導体素子を前記回路基板側に押圧する押圧体を配置することを要旨とする。これによれば、溶融した半田の表面張力によって半導体素子が浮き上がることを防止でき、当該半導体素子と回路基板とを確実に半田付けすることができる。
請求項８に記載の発明は、請求項１〜請求項７のうちいずれか一項に記載の半田付け方法において、前記半田溶融域では、加熱終了時から凝固するまでの圧力を、加熱終了時の圧力よりも高めることを要旨とする。これによれば、半田の溶融時においてボイドが発生したとしても、容器内の圧力をさらに高めることで溶融した半田が凝固するまでの間に発生したボイドを消滅させることができる。したがって、ボイドの発生を抑制することができる。
本発明によれば、ボイドの発生を抑制することができる。
以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図７にしたがって説明する。
図１及び図２は、半導体装置としての半導体モジュール１０を示している。半導体モジュール１０は、回路基板１１と、当該回路基板１１に接合される半導体素子１２と、放熱装置としてのヒートシンク１３とから構成されている。回路基板１１は、セラミックス基板１４の両面に金属板１５，１６を接合して構成されている。セラミックス基板１４は、例えば、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化ケイ素などにより形成されている。また、金属板１５は、配線層として機能し、例えば、アルミニウム（純アルミニウム及びアルミニウム合金）や銅などで形成されている。半導体素子１２は、金属板１５に接合（半田付け）されている。図２の符号「Ｈ」は、半田層を示している。半導体素子１２は、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor )やダイオードからなり、回路基板１１（金属板１５）には複数（本実施形態では４つ）の半導体素子１２が接合されている。また、金属板１６は、セラミックス基板１４とヒートシンク１３とを接合する接合層として機能し、例えば、アルミニウムや銅などで形成されている。ヒートシンク１３は、金属板１６に接合されている。
図３は、半田付けに用いる半田付け装置ＨＫの構成を概略的に示している。半田付け装置ＨＫは、回路基板１１（金属板１５）に半導体素子１２を半田付けするための装置として構成されている。また、本実施形態の半田付け装置ＨＫは、図５に示すように、６枚の回路基板１１で構成される半導体モジュール（半導体装置）１００の半田付けを行う装置として構成されている。このため、半導体モジュール１００には、２４個の半導体素子１２が半田付けされるようになっている。
半田付け装置ＨＫは、密閉可能な容器（チャンバ）１７を備え、当該容器１７は開口部１８ａを有する箱型の本体部材１８と当該本体部材１８の開口部１８ａを開放及び閉鎖する蓋部材１９とから構成されている。本体部材１８には、半導体モジュール１００を位置決めし、支持する支持台２０が設置されている。また、本体部材１８には、蓋部材１９の装着部位にパッキン２１が配設されている。
蓋部材１９は、本体部材１８の開口部１８ａを閉鎖可能な大きさで形成されており、本体部材１８に蓋部材１９を装着することにより容器１７内には密閉空間Ｓが形成されるようになっている。また、蓋部材１９において、密閉空間Ｓと対向する部位は、非磁性かつ電気的絶縁材で形成されている。本実施形態では、電気的絶縁材としてガラスが用いられており、蓋部材１９にはガラス板２２が組み付けられている。
また、本体部材１８には、容器１７内に還元性ガス（本実施形態では水素（Ｈ２））を供給するためのガス導入手段としての還元性ガス供給部２３が接続されている。還元性ガス供給部２３は、配管２３ａと、当該配管２３ａの開閉バルブ２３ｂと、第１の圧力調整手段としての減圧弁２３ｃと、水素タンク２３ｄとを備えている。減圧弁２３ｃは、開閉バルブ２３ｂを介して導入した水素タンク２３ｄからの水素ガスの圧力を一定圧にし、容器１７内に供給するようになっている。また、本体部材１８には、容器１７内に不活性ガス（本実施形態では窒素（Ｎ２））を供給するための不活性ガス供給部２４が接続されている。不活性ガス供給部２４は、配管２４ａと、当該配管２４ａの開閉バルブ２４ｂと、窒素タンク２４ｃとを備えている。また、本体部材１８には、容器１７内を真空引きするための真空部２５が接続されている。真空部２５は、配管２５ａと、当該配管２５ａの開閉バルブ２５ｂと、真空ポンプ２５ｃとを備えている。また、本体部材１８には、容器１７内に充満したガスを外部に排出するためのガス排出部２６が接続されている。ガス排出部２６は、配管２６ａと、当該配管２６ａの開閉バルブ２６ｂと、第２の圧力調整手段としての絞り弁２６ｃとを備えている。容器１７内のガスは、絞り弁２６ｃにて排出量が調整され、外部に排出される。半田付け装置ＨＫは、還元性ガス供給部２３、不活性ガス供給部２４、真空部２５及びガス排出部２６を備えることにより、密閉空間Ｓ内の圧力を調整可能な構成とされており、圧力調整によって加圧されたり、減圧されたりする。
また、本体部材１８には、容器１７内において温度を計測する温度センサ（例えば、熱電対など）２７が設置されている。本実施形態において温度センサ２７は、半導体素子１２と金属板１５の接合部位（半田付けを行う部位）の温度を計測し得るように容器１７内に設置されている。
半田付け装置ＨＫの上部（蓋部材１９の上部）には、加熱手段としての高周波加熱コイル２８が設置されている。本実施形態において高周波加熱コイル２８は、図５に示すように、６枚の回路基板１１に各別に対応するように６つの高周波加熱コイル２８が各回路基板１１の上側に配置されている。本実施形態の高周波加熱コイル２８は、１枚の回路基板１１を覆う大きさで、かつ後述する錘３５の上面の輪郭よりも大きく形成されている。また、各高周波加熱コイル２８は、渦巻き状（角形の渦巻き状）に形成されており、平面的に展開されている。また、各高周波加熱コイル２８は、蓋部材１９（ガラス板２２の装着部位）に対向するように配置されている。また、各高周波加熱コイル２８は、半田付け装置ＨＫが備える高周波発生装置２９に電気的に接続されているとともに、容器１７内に設置された温度センサ２７の計測結果に基づき、所定の温度に制御されるようになっている。また、各高周波加熱コイル２８には、コイル内部に冷却水を通すための冷却路３０が形成されているとともに、半田付け装置ＨＫが備える冷却水タンク３１に接続されている。
図４は、半田付けを行う際に使用する治具３２（図４（ａ））と押圧体としての錘３５（図４（ｂ））を示している。治具３２は、回路基板１１を構成するセラミックス基板１４と同一の大きさをなす平板状に形成されている。治具３２は、例えば、グラファイトやセラミックスなどの材料で形成されている。治具３２は、図３に示すように、半田付け時において回路基板１１上に半田シート３３と、半導体素子１２と、錘３５とを位置決めするために使用される。このため、治具３２には、回路基板１１における半導体素子１２の接合部位に対応する部位に位置決め用の貫通孔３４が形成されている。貫通孔３４は、半導体素子１２のサイズに応じた大きさで形成されている。そして、本実施形態においては、回路基板１１上に複数個（４つ）の半導体素子１２が接合されるので、治具３２には複数個（４つ）の貫通孔３４が形成されている。
錘３５は、当該錘３５を通る磁束の変化により電流が発生し、自身の電気抵抗によって発熱する材料を用いて形成されている。本実施形態の錘３５は、ステンレスで形成されている。錘３５は、図３に示すように、半田付け時において半導体素子１２の直上において当該半導体素子１２の上面（非接合面）に接するように配置されるとともに、半導体素子１２を回路基板１１側に押圧するために使用される。本実施形態の錘３５は、削り出しによって作製された一体化部品とされている。そして、錘３５の押圧面３５ａは、治具３２の各貫通孔３４に嵌挿可能で、かつ４つの半導体素子１２の非接合面に接して押圧可能に形成されている。錘３５の押圧面３５ａが、半導体素子１２の非接合面に接する面となる。図４（ａ）には錘３５を二点鎖線で示し、当該錘３５を治具３２に設置した状態を示している。
次に、前述した半田付け装置ＨＫを用いて半導体素子１２の半田付けを行う方法について説明する。なお、図３に示す半田付け装置ＨＫを用いて半田付けを行う場合には、回路基板１１にヒートシンク１３を接合した物となる半田付け対象物を予め作製しておく。
半田付けを行う際には、最初に、本体部材１８から蓋部材１９を外し、開口部１８ａを開放する。そして、図３に示すように本体部材１８の支持台２０に半田付け対象物を置き、位置決めする。次に、半田付け対象物の各回路基板１１（セラミックス基板１４）上に治具３２を置き、治具３２の各貫通孔３４内に半田シート３３と半導体素子１２を配置する。半田シート３３は、回路基板１１（金属板１５）と半導体素子１２との間に配置する。そして、半導体素子１２を配置した回路基板１１に錘３５を置く。この状態において、回路基板１１（金属板１５）上には、金属板１５側から順に半田シート３３、半導体素子１２、錘３５が積層される。半田シート３３、半導体素子１２、錘３５は、半田付け装置ＨＫの上下方向、すなわち、蓋部材１９側に向かって積層される。半田付け対象物は、地面に対して水平な状態で置かれている。また、錘３５の押圧面３５ａは、半導体素子１２の非接合面に接触し、押圧する。
次に、蓋部材１９を本体部材１８に取り付け、開口部１８ａを閉塞し、容器１７内に密閉空間Ｓを形成する。密閉空間Ｓ内に半田付け対象物を収容した状態（図３に示す）において、各高周波加熱コイル２８は、半田付け対象物（各錘３５）の上方に配置されるとともに、各高周波加熱コイル２８と半田付け対象物（各錘３５）との間には蓋部材１９に組み付けられたガラス板２２が配置される。本実施形態では、高周波加熱コイル２８を錘３５の上方に配置した場合、当該錘３５の上面の輪郭によって形成される領域から高周波加熱コイル２８がはみ出るようになっている。本実施形態のように渦巻き状に形成した高周波加熱コイル２８は、中央寄りに磁束が多く発生することから、当該高周波加熱コイル２８の中央に錘３５（回路基板１１の接合部位）を配置することが好ましい。
次に、容器１７内のガス置換を行う。まず、真空部２５を操作して容器１７内を真空引きするとともに、不活性ガス供給部２４を操作して容器１７内に窒素を供給し、密閉空間Ｓ内を不活性ガスで充満させる。この真空引きと窒素の供給を数回繰り返した後、還元性ガス供給部２３を操作して容器１７内に水素を供給し、容器１７内を還元性ガス雰囲気とする。
次に、高周波発生装置２９を作動させ、各高周波加熱コイル２８に高周波電流を流す。すると、錘３５には、当該錘３５を通る高周波の磁束が発生するとともに渦電流が発生する。その結果、高周波加熱コイル２８の磁束内に置かれた錘３５は、電磁誘導作用によって発熱し、その熱が錘３５の押圧面３５ａから半導体素子１２に伝わる。そして、回路基板１１の各接合部位は、錘３５に生じた熱が当該錘３５の押圧面３５ａを介して集中的（局所的）に伝わり、加熱される。この結果、半田シート３３は、半導体素子１２を介して伝わる熱が溶融温度以上の温度になることにより溶融する。また、半導体素子１２は、錘３５によって回路基板１１側に押圧されているので、溶融した半田の表面張力で動かされることはない。
そして、半田シート３３が完全に溶融したならば、高周波発生装置２９を停止させ、溶融した半田が凝固する迄の間、冷却する。溶融した半田は、溶融温度未満に冷却されることによって凝固し、金属板１５と半導体素子１２とを接合する。金属板１５と半導体素子１２とが接合したならば、半導体モジュール１００が完成する。そして、蓋部材１９を本体部材１８から取り出し、治具３２と錘３５を外した後に容器１７内から半導体モジュール１００を取り出す。なお、半導体モジュール１００を容器１７から取り出す際、容器１７内のガスはガス排出部２６を介して大気開放される。
なお、容器１７内の圧力は、温度センサ２７によって計測される温度（半田付けを行う部位の温度）や時間の経過をもとに加圧及び減圧される。加圧及び減圧は、各ガス供給部２３，２４、真空部２５及びガス排出部２６を操作することにより、容器１７内にガスを供給したり、又は容器１７内からガスを排出したりして行う。また、容器１７内では、加熱時及び冷却時に、還元性ガス供給部２３の減圧弁２３ｃとガス排出部２６の絞り弁２６ｃの作用により、還元性ガスが流通される。
以下、本実施形態の半田付けにおいて加熱時及び冷却時に容器１７内の内部雰囲気を調整する態様を、図６（ａ）に示す実験例１と図６（ｂ）に示す実験例２を用いて説明する。
実験例１及び実験例２で用いた半導体モジュール１０の各寸法は、以下のとおりである。
セラミックス基板１４は、窒化アルミニウムからなり、３０ｍｍ×３０ｍｍの四角形で、厚み０．６３５ｍｍである。金属板１５，１６は、純アルミニウム（例えば、工業用純アルミニウムである１０００系アルミニウム）からなり、２７ｍｍ×２７ｍｍの四角形で、厚み０．４ｍｍである。半導体素子１２は、厚み０．３５ｍｍである。半田シート３３は、Ｓｎ（錫）−Ｃｕ（銅）−Ｎｉ（ニッケル）−Ｐ（リン）系の鉛フリー半田からなり、厚み０．１ｍｍ〜０．２ｍｍである。
最初に、実験例１（図６（ａ））を説明する。実験例１では、図６（ａ）のグラフに示すように容器１７内の圧力を変遷（調整）させている。
加熱前、容器１７内は、常圧（本明細書では０．１ＭＰａ）よりも高い０．１３ＭＰａ（本実施形態では、この圧力が溶融開始時圧力となる）の還元性ガス雰囲気に置換する。容器１７内の圧力は、半田の溶融温度（本実施形態では２１７℃）に達するまでの間に常圧以上の圧力まで加圧する。そして、ガス置換後は、半田の溶融温度よりも高い２５０℃になるまで加熱し、その温度を時間ａまで維持する。
また、容器１７内の圧力は、ガス置換後の圧力と同様に０．１３ＭＰａを維持するように雰囲気調整を行う。すなわち、実験例１では、加熱時、容器１７内の圧力を常圧以下（真空状態）に下げることなく、０．１３ＭＰａを維持している。そして、時間ａの経過後、加熱を終了する。実験例１では、冷却時も、容器１７内の圧力を０．１３ＭＰａに維持するように雰囲気調整を行う。そして、半田の溶融温度よりも下がり、半田が凝固したならば（時間ｂ）、容器１７内の圧力を常圧以下に一旦減圧し、還元性ガスを放出した後に大気を導入して常圧に戻す。図６（ａ）のグラフの横には、実験例１で半田付けした場合の半導体素子１２の裏面側（接合面側）を示したＸ線写真を掲載している。Ｘ線写真では、最も色が濃くなっている部分が半田層Ｈである。このＸ線写真によれば、一部の半田層Ｈに不濡れを確認したが、ボイドについては全く確認できなかった。
次に、実験例２（図６（ｂ））を説明する。実験例２では、図６（ｂ）のグラフに示すように、容器１７内の圧力を変遷（調整）させている。
実験例２では、実験例１を示す図６（ａ）のグラフと図６（ｂ）のグラフを比較して分かるように、時間ａが経過するまでの圧力の状態は同じである。すなわち、実験例２でも、加熱時は、容器１７内の圧力を常圧よりも高い０．１３ＭＰａとしている。そして、実験例２では、時間ａが経過したならば、加熱を終了し、冷却する際に容器１７内の圧力をさらに加圧している。具体的に言えば、実験例２では、０．２ＭＰａまで加圧している。その後、半田の溶融温度よりも下がり、半田が凝固したならば（時間ｂ）、容器１７内の圧力を常圧以下に一旦減圧し、還元性ガスを放出した後に大気を導入して常圧に戻す。
図６（ｂ）のグラフの横には、実験例２で半田付けした場合の半導体素子１２の裏面側（接合面側）を示したＸ線写真を掲載している。このＸ線写真によれば、何れの半田層Ｈにも、不濡れ及びボイドを全く確認できなかった。
参考までに、加熱時及び冷却時、又は冷却時に容器１７内の圧力を常圧以下として半田付けを行った場合の結果を比較例１及び比較例２として図７（ａ），（ｂ）に示す。
図７（ａ）に示す比較例１は、加熱前に容器１７内を還元性ガス雰囲気に置換し（０．１３ＭＰａ）、加熱時（温度が半田の溶融温度に達する前に）に容器１７内を常圧以下に減圧した場合の例である。比較例１では、加熱時及び冷却時の何れも、容器１７内の圧力を常圧以下としている。この場合のＸ線写真は、図７（ａ）のグラフの横に掲載している。このＸ線写真によれば、何れの半田層Ｈにもボイドが発生し、そのボイドが広範囲に亘って発生していることが分かる。つまりボイドは、真空でも発生することが確認された。このことは、ボイドの中にガスが殆ど存在しないことを強く示唆している。
図７（ｂ）に示す比較例２は、加熱前に容器１７内を還元性ガス雰囲気に置換し（０．１３ＭＰａ）、加熱時は０．１３ＭＰａを維持する一方で、冷却時は容器１７内を常圧以下に減圧した場合の例である。この場合のＸ線写真は、図７（ｂ）のグラフの横に掲載している。このＸ線写真によれば、ボイドの発生量は比較例１に比して改善されているが、依然として何れの半田層Ｈにもボイドが発生していることが分かる。また、一部の半田層Ｈには、不濡れも発生している。
実験例１及び実験例２と、比較例１及び比較例２とを比較すると、実験例１及び実験例２ではボイドの発生に関して改善されていることが一目瞭然である。この実験例１及び実験例２では、半田の溶融開始から当該半田が凝固するまでの半田溶融域（溶融開始から凝固まで）で容器１７内の圧力を、常圧を超える圧力とし、加圧している。この加圧によってボイドの発生を抑制させている。
また、実験例１及び実験例２では、半田溶融域において水素タンク２３ｄから容器１７内の圧力（０．１３ＭＰａ）よりも高い圧力とされた還元性ガスが供給され、減圧弁２３ｃを介することで容器１７内の圧力を一定に保つようになっている。また、ガス排出部２６の絞り弁２６ｃからは一定量のガスが排出されており、そのガス排出による減圧分を補うように還元性ガス供給部２３から容器１７内に還元性ガスが供給されて容器１７内の圧力を一定圧に保っているとともに、容器１７内でガスを流通させている。また、半田溶融域では、加熱によって容器１７内が昇温されることによる圧力上昇分を加味して一定圧に保たれる。
以下、これらの実験結果を踏まえ、ボイドの発生要因について考察する。
溶融した半田の表面張力は、溶融直後の低温ほど大きく、高温になるほど低下する。また、半田と接合部材（半導体素子１２と金属板１５）の表面は、酸化物などによって低温では濡れ性が悪い状態である。半田が濡れる界面は、半田、接合部材、雰囲気ガス（本実施形態では還元性ガス）の３種類の物質が交差している。そして、この３種類の物質が交差する線上では、接合部材と雰囲気ガスの間に働く固体−気体間の表面張力と、溶融した半田と雰囲気ガスの間に働く液体−気体間の表面張力と、接合部材と溶融した半田の間に働く固体−液体間の界面張力が、交差する線からそれぞれの界面方向に向かって働く。
半田の溶融直後の状態は、半田と雰囲気ガスの間に働く表面張力が大きく、半田と接合部材の間の界面力は負の状態の場合が多い。このような時には、半田は拡がらずに寧ろ接合面積を縮小して球になろうとする。この傾向を抑えて半田が縮小しないようにするためには、本実施形態のように錘３５を載せて押圧し、半田付けを行うことが有効となる。これは、例えば柔軟なボールを板で挟んで錘を載せればボールが潰れることから理解できる。しかし、球になろうとする傾向を雰囲気の圧力によって防止することはできない。この点は、例えば水で満たしたボールをガスで加圧しても球形のまま変形しないが、錘を載せれば潰れることで理解できる。
本明細書の背景技術にも記載したが、従来のボイドの発生対策としては、容器１７内の圧力を常圧以下（真空）とし、その状態で加熱することである。これは、ボイドの発生原因を雰囲気ガス（あるいは残留ガスや半田などから発生するガス）によるものとし、ガス抜きした真空下ではボイドの発生が抑えられるという考えに基づいている。しかし、本発明者の実験によれば、図７（ａ）に示すように、常圧以下（真空）で半田付けをした場合であってもボイドは発生することを確認した。また、１０ｍｍ角前後の面積を持つパワートランジスタなどの半導体素子を、半田シートを挟んで回路基板と接合する場合、ボイドは点在し、多くは１００〜２００μｍの半田厚さを貫通した円筒型で接合部両面に繋がっていることを確認した。加熱前に半導体素子１２と回路基板１１との間に存在していた半田が加熱によってボイド部分で消滅しているのは、その部分の半田が何らかの力でボイド周辺部に押し退けられたことを意味している。
これらの確認結果から本発明者は、ボイドの中身が低圧状態（真空に近い状態）であり、ボイドを発生させる力は表面張力であると考えた。表面張力は、換言すれば、表面積を最小にしようとする力である。そして、本発明者は、直径１ｍｍの不濡れ部分が接合せずに密着に近い状態で存在する場合（不濡れ部分の表面積（０．０２５×πｍｍ２））よりも、直径１ｍｍ、高さ１００μｍの円筒（ボイド円筒面の表面積（１×π×０．１ｍｍ２））で存在する方が、安定していることを発見した。このため、ボイドの中身が真空に近い状態であれば、その表面張力に打ち勝つ圧力で加圧すればボイドは消滅すると考えられる。この理論に基づき加圧状態で半田付けを行ったところ（図６（ａ）、（ｂ））、ボイドを計測できないボイドゼロの状態が実現できた。
また、ボイドの状態は、ガスの有無によって決まるのではなく表面張力により決まるとすれば、材質、表面状態、温度、半田の厚さなどの要因が支配する筈であり、同一条件で半田の厚さを１００μｍと１５０μｍで実験したところ、１５０μｍの方が良い結果を得られた。２枚の板を隙間を空けて液体につけると良く濡れば液面が上昇し、隙間が狭いと液面は高くなり、隙間が広いと液面は低くなる。濡れが悪くてはじけば液面は押し込まれ、隙間が狭いと低い位置まで押し込まれ、隙間が広ければあまり押し込まれない。このようなことから、半田の厚みが１００μｍよりも１５０μｍの方が圧力によってボイドを抑制し易いことが成り立つ。また、本発明者の考えによれば、ボイドの発生は容器１７内の圧力を高めるほど効果があると言える。
したがって、本実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）半田溶融域において、容器１７内の圧力を常圧以上の圧力に加圧し、半田付けを行うようにした。このため、半田の溶融時には、当該半田の表面張力に打ち勝つ力が加えられ、ボイド発生の要因と考えられる表面張力の影響が抑えられる。したがって、ボイドの発生を抑制できる。
（２）還元性ガス供給部２３に減圧弁２３ｃを設け、容器１７内の圧力を一定圧に保つようにした。このため、半田溶融域において容器１７内の圧力を一定圧に保つことで、安定した加圧状態が作り出され、確実にボイドの発生を抑制できる。特に、溶融した半田を凝固させる場合には、容器１７内の温度が低下することに伴い容器１７内の圧力が低下していくので、減圧弁２３ｃを介して容器１７内に還元性ガスを供給することで常圧以上の圧力に保つことができる。
（３）ガス排出部２６（絞り弁２６ｃ）により、容器１７内のガスを外部に排出するようにした。これによれば、還元性ガスが容器１７の内外で流通されるので、還元作用によって生じる容器１７内の水分をガス排出によって除去することができる。
（４）実験例２では、加熱終了時に容器１７内の圧力をさらに加圧するようにした。これによれば、半田の溶融時においてボイドが発生したとしても、容器１７内の圧力をさらに高めることで溶融した半田が凝固するまでの間に発生したボイドを消滅させることができる。したがって、ボイドの発生を抑制することができる。
（５）高周波加熱コイル２８を錘３５から離間して配置し、錘３５を発熱させる。このため、複数の半導体素子１２を回路基板１１に半田付けする場合であっても、錘３５毎に高周波加熱コイル２８を設けることなく複数箇所の接合部位を加熱することができる。また、溶融した半田の冷却時においては、高周波加熱コイル２８を、錘３５及び回路基板１１とは別に取り扱うことが可能となるので、当該高周波加熱コイル２８を用いて他の半導体モジュール１００の半田付けを行うこともできる。また、半導体素子１２を押圧する錘３５を発熱させて回路基板１１の接合部位を加熱することで、当該接合部位に対して集中的に熱を伝えることができる。したがって、回路基板１１全体や容器１７全体を加熱する場合に比べて効率的な加熱を実現できる。
（６）半導体素子１２の直上に配置される錘３５の上方に高周波加熱コイル２８を配置した。このため、回路基板１１における複数の接合部位に対して平面的に熱を伝えることができ、均等に加熱することができる。この結果、各接合部位に配置した半田シート３３の溶融の開始と終了を近似（ほぼ同時）させることができ、半田付け作業の効率化を図ることができる。
（７）高周波加熱コイル２８を容器１７の外部に配置した。このため、高周波加熱コイル２８は、半田付け作業において加熱時間以外で拘束されなくなる（使用不可状態にならない）。したがって、容器１７の交換などにより、次の半田付け作業を行うことが可能となり、生産効率を向上させることができる。また、高周波加熱コイル２８を容器１７の外部に配置することにより、容器１７内に加熱部材（本実施形態では高周波加熱コイル２８）を配置する構成に比べて容器１７の容積が少なくなる。したがって、容器１７の小型化を図ることができる。また、雰囲気調整としては、主に、容器１７内からの空気の排出（真空引き）、不活性ガス（窒素ガスなど）の供給と排出、還元性ガス（水素など）の供給と排出がある。このため、容積を少なくすることにより、例えば、空気の排出においては排出に掛かる時間を少なくしたり、排出に掛かるエネルギー（例えば、真空ポンプ２５ｃを動作させる）の消費量を少なくしたりすることができる。また、不活性ガスや還元性ガスの供給又は排出においては、供給又は排出に掛かる時間を少なくしたり、供給又は排出に掛かるエネルギーの消費量を少なくしたり、あるいは供給するガスの消費量を少なくしたりすることができる。
（８）高周波加熱コイル２８と対向する容器１７の部位（本実施形態では蓋部材１９）をガラス板２２（電気的絶縁材）で形成した。このため、容器１７自体が発熱することを回避できるとともに、磁束の通過によって錘３５を発熱させることができる。
（９）錘３５に、各半導体素子１２の非接合面に接触可能な押圧面３５ａを形成した。すなわち、錘３５を一つの集合体として構成した。このため、一つの錘３５によって押圧される押圧面積を広げることが可能となり、溶融した半田の表面張力による影響を受け難く、安定した状態で半田付け作業を行うことができる。
（１０）複数の回路基板１１の半田付けを行う場合に、各回路基板１１（錘３５）に対して１つの高周波加熱コイル２８を対応付けて配置し、当該回路基板１１に配置した錘３５を発熱させるようにした。このため、複数の回路基板１１に配置される複数の錘３５を纏めて１つの高周波加熱コイル２８で発熱させる場合に比して効率が良い。
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 実施形態では、容器１７内の圧力を一定圧に保つようにしているが、図８に示すように、半田溶融域において容器１７内の圧力を漸増させるようにしても良い。
○ 実施形態では、容器１７内の圧力を０．１３ＭＰａとしているが、０．１３ＭＰａよりも高い圧力まで加圧しても良い。また、実験例２のように加熱終了時に容器１７内の圧力をさらに加圧する場合、その時の圧力値は変更しても良い。なお、容器１７内の圧力は、当該容器１７の耐久性も加味して設定される。
○ 実施形態では、容器１７内の圧力を０．１３ＭＰａとしているが、材質や表面処理の状況によっては０．１１ＭＰａ以上、０．１３ＭＰａ以下の範囲の圧力としても良い。容器１７内の圧力は、容器１７外の常圧に近い方が、当該容器１７の耐久性の点で有利である。ボイドを抑制するために必要な容器１７内の圧力は、濡れ性と表面張力などによって変更可能である。なお、従来、半田付けの際に用いるリフロー炉では、炉内への大気侵入を防止する目的で炉内に不活性ガスを供給することが行われているが、当該不活性ガスを供給しても炉内の圧力は常圧程度となっている。
○ 実施形態において容器１７内の圧力を監視し、当該監視によって得られた圧力値に基づき溶融開始時の圧力よりも高い圧力の還元性ガスを容器１７内に導入し、容器１７内の圧力を一定に保つようにしても良い。または、還元性ガスの供給により、容器１７内の圧力を漸増させても良い。
○ 実施形態において容器１７（還元性ガス供給部２３）に絞り弁を接続し、当該絞り弁を介して還元性ガスを供給（導入）することにより、容器１７内の圧力を漸増させるようにしても良い。
○ 実施形態では加熱時及び冷却時に容器１７内が還元性ガス雰囲気（水素１００％）とされているが、還元性ガスを含むガス雰囲気としても良い。例えば、３％の水素（還元性ガス）を窒素（不活性ガス）に混合したガス雰囲気としても良い。
○ 還元性ガスは、水素を含むガスに限らず、ホルムアルデヒドを含むなど他の組成のガスであっても良い。
○ 実施形態では、高周波加熱コイル２８による高周波誘導加熱により加熱を行っているが、加熱の方法は変更しても良い。例えば、容器１７内にヒータを設けて加熱しても良いし、ヒートシンク１３に熱媒体を流通させて当該ヒートシンク１３から半田シート３３に熱を伝えるように加熱しても良い。
○ 実施形態の半田付け装置ＨＫに、容器１７内の内部雰囲気を調整する雰囲気調整装置を設け、当該雰囲気調整装置が各ガス供給部２３，２４、真空部２５及びガス排出部２６を制御することにより内部雰囲気を調整するようにしても良い。この場合、雰囲気調整装置は、各開閉バルブ２３ｂ，２４ｂ，２５ｂ，２６ｂや真空ポンプ２５ｃにそれぞれ接続される。そして、雰囲気調整装置により、各開閉バルブ２３ｂ，２４ｂ，２５ｂ，２６ｂの開閉及び真空ポンプ２５ｃの作動が制御され、これらの制御により容器１７内へのガス（還元性ガスや不活性ガス）の供給及び容器１７内からのガスや空気の排出が行われる。
○ 半田付けされる半田付け対象物としては、ヒートシンク１３を接合していない状態の回路基板１１でも良い。この場合、本実施形態の容器１７内には、回路基板１１と半導体素子１２からなる半導体装置が収容されて半田付けされることとなる。また、半田付け対象物（半導体モジュール１００）を６個の回路基板１１で構成したが、回路基板１１の数は変更しても良い。
○ 蓋部材１９は、本体部材１８に対して着脱式でも良いし、開閉式でも良い。
○ 蓋部材１９における高周波加熱コイル２８と対向する部位を、ガラス以外の電気的絶縁材で形成しても良い。例えば、セラミックスや樹脂でも良い。また、蓋部材１９が容器１７の内外の気圧差を受け、強度を上げる必要がある場合には、蓋部材１９を、例えば、グラスファイバーと樹脂との複合材（ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）で構成しても良い。また、蓋部材１９を、金属で構成しても良い。金属としては非磁性材の金属が好ましい。なお、蓋部材１９に磁性材性の金属を用いる場合には、錘３５よりも電気抵抗率が高いものを用いた方が良い。また、金属と絶縁材との複合材で構成しても良い。また、錘３５に効果的に磁束を導くように錘３５直上部には強磁性体の電磁鋼板等を用いると良い。
○ 錘３５は、削り出しによる一体化部品に代えて、複数の分割体を接合し、一つの集合体として構成しても良い。例えば、錘３５は、半導体素子１２毎に設置可能な分割体として構成しても良い。具体的に言えば、実施形態の場合には、回路基板１１に４つの半導体素子１２が接合されるので、４つの錘３５を各半導体素子１２の直上に配置して加圧しても良い。
○ 半田シート３３の成分は、実施形態に限定されず、変更しても良い。すなわち、ボイドの発生を抑制するためには、半田の溶融時（溶けている間）に加圧すれば良く、使用する半田シート３３の成分は限定されない。
○ 実施形態では、容器１７内へのガスの入口側となる還元性ガス供給部２３に減圧弁２３ｃを設ける一方で、容器１７外への出口側となるガス排出部２６に絞り弁２６ｃを設けているが、弁体の配設態様を変更しても良い。例えば、還元性ガス供給部２３とガス排出部２６の何れにも減圧弁２３ｃを設けても良いし、何れにも絞り弁２６ｃを設けても良い。また、実施形態とは逆に、還元性ガス供給部２３に絞り弁２６ｃを設ける一方で、ガス排出部２６に減圧弁を設けても良い。また、容器１７内へのガスの入口側となる還元性ガス供給部２３のみに減圧弁又は絞り弁を設けても良い。上記の各配置態様によれば、減圧弁を設ける場合には容器１７内の圧力を一定に保つことが可能である。一方で、減圧弁を設けずに絞り弁を設ける場合には、容器１７内に供給するガスの流量を容器１７外に排出するガスの流量よりも多く設定することで、容器１７内の圧力を漸増させることが可能である。なお、容器１７の入口側に接続される圧力調整手段が第１の圧力調整手段となり、容器１７の出口側に接続される圧力調整手段が第２の圧力調整手段となる。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想を以下に追記する。
（イ）前記溶融開始時圧力は、０．１１ＭＰａ〜０．１３ＭＰａの範囲の圧力であることを特徴とする請求項１に記載の半田付け方法。
半導体モジュールの平面図。 図１のＡ−Ａ線断面図。 半田付け装置の縦断面図。 （ａ）は治具の平面図、（ｂ）は錘の斜視図。 半導体モジュールと高周波加熱コイルの配置を示す模式図。 （ａ）は、実験例１における圧力の変遷を示すグラフとＸ線写真、（ｂ）は、実験例２における圧力の変遷を示すグラフとＸ線写真。 （ａ）は、比較例１における圧力の変遷を示すグラフとＸ線写真、（ｂ）は、比較例２における圧力の変遷を示すグラフとＸ線写真。 別例の圧力の変遷を示すグラフ。
符号の説明
１１…回路基板、１２…半導体素子、１７…容器、２３…還元性ガス供給部、２３ｃ…減圧弁、２６…ガス排出部、２６ｃ…絞り弁、２８…高周波加熱コイル、３３…半田シート、３５…錘、ＨＫ…半田付け装置。

Claims (10)

  1. 容器内に回路基板と半導体素子との間に半田を介在させた半田付け対象物を収容し、還元性ガスからなる雰囲気ガス又は当該還元性ガスを含む雰囲気ガスで前記容器内を満たした状態で前記半田を溶融温度以上の温度まで加熱して前記半田を溶融し、その後に前記温度を前記溶融温度未満の温度まで下げて前記半田を凝固させることにより、前記回路基板と半導体素子とを半田付けする半田付け方法であって、
    前記容器は、密閉可能に構成されており、
    前記温度が前記溶融温度に達するまでの間に前記雰囲気ガスによって前記容器内の圧力を前記常圧以上の溶融開始時圧力まで加圧するとともに、前記半田の溶融開始から当該半田が凝固するまでの半田溶融域において前記容器内の圧力を前記溶融開始時圧力以上の圧力とすることにより、加圧状態で半田付けを行うことを特徴とする半田付け方法。
  2. 前記溶融開始時圧力は、０．１１ＭＰａ以上の圧力であることを特徴とする請求項１に記載の半田付け方法。
  3. 前記溶融開始時圧力は、０．１３ＭＰａ以上の圧力であることを特徴とする請求項１に記載の半田付け方法。
  4. 前記半田溶融域では、前記溶融開始時圧力よりも高い圧力の前記雰囲気ガスを第１の圧力調整手段を介して一定圧にして導入することにより、前記容器内の圧力を一定に保つ、又は漸増させることを特徴とする請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載の半田付け方法。
  5. 前記半田溶融域では、前記容器内の圧力を監視し、当該監視によって得られた圧力値に基づき前記溶融開始時圧力よりも高い圧力の前記雰囲気ガスを前記容器内に導入することにより、前記容器内の圧力を一定に保つ、又は漸増させることを特徴とする請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載の半田付け方法。
  6. 前記半田溶融域では、前記雰囲気ガスを前記容器内に導入する一方で、前記容器内に導入した前記雰囲気ガスを第２の圧力調整手段を介して前記容器外に排出することにより、前記容器内で前記雰囲気ガスを流通させることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の半田付け方法。
  7. 前記半田付け対象物は、前記回路基板、前記半田、及び前記半導体素子の順に積層状態で前記容器内に収容するとともに、前記半導体素子の直上には当該半導体素子を前記回路基板側に押圧する押圧体を配置することを特徴とする請求項１〜請求項６のうちいずれか一項に記載の半田付け方法。
  8. 前記半田溶融域では、加熱終了時から凝固するまでの圧力を、加熱終了時の圧力よりも高めることを特徴とする請求項１〜請求項７のうちいずれか一項に記載の半田付け方法。
  9. 回路基板に半導体素子を半田付けする半田付け装置であって、
    密閉可能な容器と、
    前記回路基板と前記半導体素子との間に介在される半田を加熱し、溶融させる加熱手段と、
    前記容器内に還元性ガスからなる雰囲気ガス又は当該還元性ガスを含む雰囲気ガスを導入するガス導入手段とを備え、
    前記容器には、前記回路基板と前記半導体素子との間に前記半田を介在させた半田付け対象物を収容するとともに、
    前記加熱手段は、前記ガス導入手段により前記雰囲気ガスを前記容器内に導入した状態で前記容器内の温度を前記半田の溶融温度以上の温度まで加熱して当該半田を溶融し、
    前記容器内の温度が前記溶融温度に達するまでの間に前記雰囲気ガスによって前記容器内の圧力を前記常圧以上の溶融開始時圧力まで加圧するとともに、前記半田の溶融開始から当該半田が凝固するまでの半田溶融域において前記容器内の圧力を前記溶融開始時圧力以上の圧力とすることにより、加圧状態で半田付けを行うことを特徴とする半田付け装置。
  10. 密閉可能な容器内に回路基板と半導体素子との間に半田を介在させた半田付け対象物を収容し、還元性ガスからなる雰囲気ガス又は当該還元性ガスを含む雰囲気ガスで前記容器内を満たした状態で前記半田を溶融温度以上の温度まで加熱して前記半田を溶融し、その後に前記半田の温度を前記溶融温度未満の温度まで下げて前記半田を凝固させることにより、前記回路基板に前記半導体素子を半田付けした半導体装置の製造方法であって、
    前記温度が前記溶融温度に達するまでの間に前記雰囲気ガスによって前記容器内の圧力を前記常圧以上の溶融開始時圧力まで加圧するとともに、前記半田の溶融開始から当該半田が凝固するまでの半田溶融域において前記容器内の圧力を前記溶融開始時圧力以上の圧力とすることにより、加圧状態で半田付けを行う半導体装置の製造方法。
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