JP2015186810A

JP2015186810A - はんだ接合方法、ｌｄモジュールの製造方法、および、はんだ接合装置

Info

Publication number: JP2015186810A
Application number: JP2014064290A
Authority: JP
Inventors: 玄人吉野; Kurodo Yoshino; 真一阪本; Shinichi Sakamoto
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2014-03-26
Filing date: 2014-03-26
Publication date: 2015-10-29

Abstract

【課題】はんだを特殊な形状に加工しておく必要なく、はんだに含まれている気泡を効率的に排出することが可能なはんだ接合を実現すること。【解決手段】このはんだ接合方法は、サブマウント１１０の接合面１１０Ａの中央に、固形状のはんだ１３０を配置する配置工程と、接合面１１０Ａにおいて、その中心側の領域の温度よりも、その外周側の領域の温度が高くなるように、サブマウント１１０を加熱することにより、はんだ１３０を山型に溶融する加熱工程と、はんだ１３０が山型に溶融した状態において、接合面１１０Ａに対し、半導体素子１２０を押し付ける押付工程と、を含む。【選択図】図３

Description

本発明は、はんだ接合方法、ＬＤモジュールの製造方法、および、はんだ接合装置に関する。

従来、２つの部材（例えば、半導体素子とサブマウント）同士を接合するための手段として、はんだ接合が利用されている。はんだ接合では、２つの部材の間に配置された固形状のはんだを加熱して、当該はんだを溶融することにより、上記２つの部材の間において、当該はんだを広範囲に濡れ広げさせることができる。これにより、上記２つの部材の接合強度を高めることが可能となる。

このようなはんだ接合においては、はんだに含まれている気体がボイドとなってはんだ内に残留する場合がある。はんだ内に残留するボイドの量が多いほど、はんだの接合強度、熱伝導性、及び放熱性が低下することとなる。例えば、半導体素子とサブマウントとの接合に用いられるはんだにボイドが残留していると、半導体素子にて発生した熱がはんだを介してサブマウントに伝導し難くなり、放熱性能が低下することとなる。このような問題を解決するため、従来、はんだ接合時に、はんだに含まれている気泡を効率的に排出することを目的とした技術が考案されている。

例えば、下記特許文献１には、中央部が細く、且つ、中央部から両側に向けて徐々に太くなる鼓形状となるように、クリームはんだにくびれ部を形成する技術が開示されている。そして、下記特許文献１には、このような形状のクリームはんだを用いて、サーマルパットと電極とを互いに接合することにより、はんだの溶融が進行する過程において、はんだ内部に残留するボイドを上記くびれ部に集めながら外部に放出することができるとされている。

また、下記特許文献２には、基材の両面にはんだ材を積層することによってクラッド材を形成した後、当該クラッド材をプレス成型することによって、当該クラッド材の小片を形成し、さらに、当該小片における上記はんだを加熱溶融および冷却固化することにより、半田クラッド片を製造する方法が開示されている。当該方法によれば、凹状となっていた上記半田の表面を、加熱溶融および冷却固化することにより、平坦または凸状とし、これにより、ボイドの発生原因となる閉じた空間が形成されることを抑制できるとされている。

特開２０１０−２０５７５６号公報（２０１０年９月１６日公開）特開２００５−７４１２号公報（２００５年１月１３日公開）

しかしながら、上記特許文献１の技術では、クリームはんだに予めくびれ部を形成しておく必要があるため、コストの増加を招来する虞がある。また、上記特許文献２の技術では、クラッド片を製造するための多くの作業工程が必要なため、コストの増加を招来する虞がある。特に、上記特許文献１の技術では、くびれ部を有する形状にはんだを成形するために、フラックスを含有するクリームはんだを用いる必要がある。このため、ノンフラックスのはんだを用いたはんだ接合を行う場合（例えば、レーザダイオードをはんだ接合する場合）には、当該技術を適用することができない。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、はんだを特殊な形状に加工しておく必要なく、はんだに含まれている気泡を効率的に排出することが可能なはんだ接合を実現することにある。

上述した課題を解決するため、本発明に係るはんだ接合方法は、第１の部材の接合面の中央に、固形状のはんだを配置する配置工程と、前記接合面において、その中心側の領域の温度よりも、その外周側の領域の温度が高くなるように、前記第１の部材を加熱することにより、前記はんだを山型に溶融する加熱工程と、前記はんだが山型に溶融した状態において、前記接合面に対し、第２の部材を押し付ける押付工程とを含むことを特徴とする。

上記はんだ接合方法によれば、上記のとおりはんだを加熱することにより、はんだを山型に溶融することができる。このため、はんだを予め特別な形状に成形しておく必要はなく、一般的な形状（例えば、四角柱形状、円柱形状等）のはんだをそのまま用いることができる。したがって、コストの増加を招来する虞はない。特に、上記はんだ接合方法によれば、はんだの中央に、山型の頂上を形成することができる。

また、上記はんだ接合方法によれば、はんだが山型をなしている状態で、第１の部材および第２の部材を互いに押し付けるため、第１の部材と第２の部材との間ではんだが押し潰される過程において、山型のはんだの中央に形成された頂上部分の径が徐々に拡大するように、はんだをその外周方向に流動させることができ、それに伴って、はんだに残留している気泡を、外部へ放出することができる。したがって、はんだに含まれている気泡を効率的に排出することができる。

さらに、上記はんだ接合方法によれば、はんだの接触面の面積を、比較的小さくすることができるため、ボイドの発生を抑制することができる。はんだの接触面と、部材の接合面との間に隙間が生じた場合、当該隙間内の空気を逃がすことができず、当該空気がはんだ内に残留してしまう場合がある。はんだの接触面の面積が小さいほど、上記隙間が発生する可能性が減少する。したがって、上記はんだ接合方法によれば、ボイドの発生を抑制することができる。

上記はんだ接合方法において、前記加熱工程では、前記接合面において、前記中心側の領域の温度よりも前記外周側の領域の温度が高くなるように、前記第１の部材の外周縁部に沿って、前記第１の部材を加熱することが好ましい。

上記構成によれば、上記第１の部材の外周側の領域から、上記第１の部材の中心側の領域に向けて、線型的に温度が変化するように、上記第１の部材を加熱することができる。これにより、上記第１の部材上に載置されたはんだを、なだらかな斜面を有する山型に溶融することができる。はんだをこのような山型とすることで、上記押付工程において当該はんだが不自然な形状に押しつぶされることを防止し、結果的に、気泡を効率的に排出することが可能となる。

上記はんだ接合方法において、前記押付工程では、前記接合面に対し、予め加熱された前記第２の部材を押し付けることが好ましい。

上記構成によれば、はんだに第２の部材が接触したときに、はんだが冷却されてしまうことを防止することができる。はんだの上記冷却は、はんだを固化させてしまい、はんだ内に気泡を生じさせてしまう虞がある。したがって、第２の部材を予め加熱しておくことで、はんだ内における気泡の発生を抑制することができる。

上記はんだ接合方法において、前記固形状のはんだは、前記第２の部材の接合面と接触する接触面の面積が、前記第２の部材の接合面の面積の０．１０〜０．３０倍であることが好ましい。

上記構成によれば、より効率的に、はんだに含まれている気泡を排出できることが、発明者らの知見により明らかである。

上記はんだ接合方法において、前記固形状のはんだは、前記第２の部材の接合面と接触する接触面の各辺の長さが、当該辺と平行な、前記第２の部材の接合面の辺の長さの０．３０〜０．６０倍であることが好ましい。

上記はんだ接合方法において、前記固形状のはんだは、厚さが１５０〜３００μｍであることが好ましい。

上記はんだ接合方法において、前記加熱工程では、前記第１の部材の加熱時間を８〜２０秒とすることが好ましい。

上記構成によれば、より効率的に、はんだに含まれている気泡を排出できることが、発明者らの知見により明らかである。なお、上記「加熱時間」とは、上記第１の部材を加熱したまま待機した時間を意味する「待機時間」と表現することもできる。

上記はんだ接合方法において、前記加熱工程では、前記接合面において、前記外周側の領域の温度が、前記中心側の領域の温度よりも５〜２０℃高い温度となるように、前記第１の部材を加熱することが好ましい。

上記はんだ接合方法において、前記加熱工程では、前記接合面において、前記中心側の領域の温度および前記外周側の領域の温度が、いずれも前記はんだの融点よりも４０〜６０℃高い温度となるように、前記第１の部材を加熱することが好ましい。

上記はんだ接合方法において、前記加熱工程では、前記接合面において、前記中心側の領域と前記外周側の領域との単位距離あたりの温度変化が、２．５℃／ｍｍよりも大きくなるように、前記第１の部材を加熱することが好ましい。

本発明に係るＬＤモジュールの製造方法は、上記はんだ接合方法において、ＬＤモジュールを構成する前記第２の部材を、前記ＬＤモジュールを構成する前記第１の部材に接合する接合工程を含むことを特徴とする。

上記ＬＤモジュールの製造方法によれば、上記はんだ接合方法と同様の効果を奏することができる。

本発明に係るはんだ接合装置は、第１の部材の接合面の中央に、固形状のはんだを配置する配置手段と、前記接合面において、その中心側の領域の温度よりも、その外周側の領域の温度が高くなるように、前記第１の部材を加熱することにより、前記はんだを山型に溶融する加熱手段と、前記はんだが山型に溶融した状態において、前記接合面に対し、第２の部材を押し付ける押付手段とを備えることを特徴とする。

上記はんだ接合装置によれば、上記はんだ接合方法と同様の効果を奏することができる。

本発明によれば、はんだを特殊な形状（例えば、上記特許文献１に開示されているくびれ形状、上記特許文献２に開示されている凸形状、等）に加工しておく必要なく、はんだに含まれている気泡を効率的に排出することが可能なはんだ接合を実現することができる。

本発明の実施形態に係るＬＤモジュールの構成を示す側面図である。本発明の実施形態に係るはんだ接合方法の手順を示すフローチャートである。図２に示す手順により、本発明の実施形態に係る積層構造体が製造される様子を示す図である。本発明の実施形態に係るはんだ接合装置の構成例を示す図である。本発明の実施形態に係るはんだ接合方法の実施例１〜１１において適用した各条件を示す。実施例１〜１１の積層構造体を、上方から見たときの平面図であり、各構成部材の配置位置を示している。本発明の実施形態に係るはんだ接合方法の参考例１〜１４において適用した各条件を示す。

以下、添付の図面を参照して、本発明の一実施形態に係る積層構造体について説明する。以下に説明する実施形態では、サブマウント（本発明に係る第１の部材の一例）の表面上に、半導体素子（本発明に係る第２の部材の一例）をはんだ接合することにより、ＬＤモジュールの一部をなす積層構造体を製造する例を説明する。但し、これに限らず、本発明は、様々な部材同士のはんだ接合に適用可能である。

〔積層構造体１００の構成〕
まず、図１を参照して、本発明の実施形態に係る積層構造体１００の構成について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る積層構造体１００の構成を示す側面図である。積層構造体１００は、互いに積層されたサブマウント１１０（第１の部材）および半導体素子１２０（第２の部材）を備えている。サブマウント１１０および半導体素子１２０は、いずれも平板状の部材である。

サブマウント１１０および半導体素子１２０は、これら２つの部材の間に介在するはんだ１３０によって、互いにはんだ接合されている。すなわち、当該はんだ接合により、半導体素子１２０が、サブマウント１１０の表面上に固着されているといえる。上記はんだ接合のため、サブマウント１１０の接合面１１０Ａ（図３参照）は、上記はんだ１３０との親和性の高い材料（例えば、銅）によって形成されている。同様に、半導体素子１２０の接合面１２０Ａ（図３参照）は、上記はんだ１３０との親和性の高い材料（例えば、銅）によって形成されている。

積層構造体１００は、ＬＤモジュール（図示省略）の一部を構成するものである。上記ＬＤモジュールは、サブマウント１１０の表面上に実装された半導体素子１２０に駆動電流が供給されることにより、当該半導体素子１２０からレーザ光を出射する光源装置である。ＬＤモジュールを製造する際には、図１に示す積層構造体１００に対し、さらにボンディングワイヤ等の他の構成部材（図示省略）が設けられる。上記ＬＤモジュールの具体的な構成については、従来から知られている構成を用いることができるため、説明を省略する。以降では、図１に示す積層構造体１００をはんだ接合する際のはんだ接合方法について、詳細に説明する。

なお、以下に説明するはんだ接合方法は、ＬＤモジュールを構成する半導体素子１２０（第２の部材）を、上記ＬＤモジュールを構成するサブマウント１１０（第１の部材）に接合する接合工程として、上記ＬＤモジュールの製造方法に組み込まれ得る。

〔はんだ接合方法〕
次に、図２および図３を参照して、本発明の実施形態に係るはんだ接合方法の手順について説明する。図２は、本発明の実施形態に係るはんだ接合方法の手順を示すフローチャートである。図３は、図２に示す手順により、本発明の実施形態に係る積層構造体１００が製造される様子を示す図である。図３においては、図中下側（ｚ軸負側）を、重力方向における下側とし、図中上側（ｚ軸正側）を、重力方向における上側とする。

（ステップＳ２０２：配置工程）
まず、加熱ヒーター１５０の表面上に、サブマウント１１０を配置する。そして、サブマウント１１０の接合面１１０Ａに、固形状のはんだ１３０を配置する。特に、本配置工程では、図３（ａ）に示すように、サブマウント１１０の接合面１１０Ａの中央に、固形状のはんだ１３０を配置する。すなわち、基準軸Ｘと同軸上に、サブマウント１１０の接合面１１０Ａの中心と、はんだ１３０の中心とが位置するように、両者を配置する。これにより、後述する加熱工程において、サブマウントの接合面１１０Ａ上において、はんだ１３０を、上記接合面１１０Ａの中央（すなわち、基準軸Ｘ）から、上記接合面１１０Ａの外周側（すなわち、基準軸Ｘの周囲）に向かって、各方向に濡れ広げさせることができる。その結果、図３（ｂ）に示すように、はんだ１３０を、（１）その中心側の領域に頂上を有し、且つ、（２）その中心側の領域からその外周側の領域に向かって徐々に標高が低くなるように、山型（凸形状）に溶融することができる。このように、はんだ１３０を山型に溶融することで、はんだ１３０が押し潰されたときに、はんだ１３０の周囲の全方向に向けて、はんだ１３０を流動させることができる。このため、はんだ１３０内に在留している気泡を、はんだ１３０の周囲の全方向へ放出することができる。したがって、はんだ１３０に残留する気泡を、効率的に排出することができる。例えば、上記固形状のはんだ１３０には、四角柱形状のものが用いられる。但し、これに限らず、上記固形状のはんだ１３０には、例えば、円柱形状のものを用いてもよい。

特に、上記固形状のはんだ１３０には、上記サブマウント１１０の接合面１１０Ａと上記半導体素子１２０の接合面１２０Ａとが互いに押し付けられたとき（すなわち、はんだ１３０が所定の厚さまで押し潰されたとき）に、上記サブマウント１１０の接合面１１０Ａおよび上記半導体素子１２０の接合面１２０Ａのうち、少なくとも一方の接合面（ここでは、上記半導体素子１２０の接合面１２０Ａ）の全面を覆うことが可能な体積を有するものを用いることが好ましい。これにより、接触面の面積が比較的小さいはんだ１３０を用いつつ、上記２つの部材同士の接合強度を十分に高めることができる。

（ステップＳ２０４：加熱工程）
次に、はんだ１３０を加熱することにより、当該はんだ１３０を溶融する。本加熱工程では、加熱ヒーター１５０によってサブマウント１１０を加熱することにより、間接的に、はんだ１３０を加熱および溶融する。特に、図３（ｂ）に示すように、サブマウント１１０の接合面において、その中心側の領域の温度よりも、その外周側の領域の温度が高くなるように、サブマウント１１０を加熱する。これにより、上記外周側の領域では、上記中心側の領域に比べて、はんだ１３０が濡れ広がりやすくなる。その結果、はんだ１３０は、前記サブマウント１１０からの熱により、図３（ｂ）に示すように、（１）上記中心側の領域に頂上を有し、且つ、（２）上記中心側の領域から上記外周側の領域に向かって徐々に標高が低くなるように、山型に溶融する。

なお、本加熱工程では、はんだ１３０をその下部から加熱した状態で、はんだ１３０が上記山型をなすまで待機する。例えば、上記のとおり加熱した状態で、予め定められた時間待機することにより、はんだ１３０を上記山型に溶融し、その後、次の押付工程へ進む。または、上記のとおり加熱した状態で、はんだ１３０の形状をモニタし、はんだ１３０が上記山型に溶融したことを確認した時点で、次の押付工程へ進んでもよい。

（ステップＳ２０６：押付工程）
次に、上記サブマウント１１０の接合面に対し、上記半導体素子１２０を押し付ける。具体的には、上記サブマウント１１０の接合面上において、上記はんだ１３０が上記山型を成している状態（図３（ｂ）に示す状態）で、上記サブマウント１１０の接合面に対し、上記半導体素子１２０を、下方（図中矢印Ａ方向）に押圧する。これにより、はんだ１３０は、サブマウント１１０と半導体素子１２０との間で押し潰され、図３（ｄ）に示すように、薄膜状となって、上記サブマウント１１０と上記半導体素子１２０との隙間を満たす。上記のとおり、はんだ１３０は、山型をなしている。このため、当該押付工程において、図３（ｃ）に示すように、（１）まず、はんだ１３０の頂上部分（すなわち、中心部分）が上記半導体素子１２０と接触し、（２）当該頂上部分の径が徐々に拡大するように、はんだ１３０が外側（図中矢印Ｂ方向）に向かって流動する。これに伴い、はんだ１３０内に在留している気泡は、はんだ１３０の外周表面側に寄せ集められ、やがて、はんだ１３０の外周表面から放出される。

特に、本押付工程では、上記サブマウント１１０の接合面に対し、予め加熱された上記半導体素子１２０を押し付けることが好ましい。これにより、はんだ１３０に半導体素子１２０が接触したときに、はんだ１３０が冷却されてしまうことを防止することができる。はんだ１３０の上記冷却は、はんだ１３０を固化させてしまい、はんだ１３０内に気泡を生じさせてしまう虞がある。したがって、上記半導体素子１２０を予め加熱しておくことで、はんだ１３０内における気泡の発生を抑制することができる。

（ステップＳ２０８：冷却工程）
最後に、上記はんだ１３０をその融点以下となるまで冷却することにより、上記はんだ１３０を固化させる。これにより、上記サブマウント１１０の表面上に、上記半導体素子１２０が固着された状態となる。本冷却工程では、例えば、周囲の大気による自然冷却により、上記はんだを冷却する。代わりに、従来から知られている何らかの冷却方式により、上記はんだ１３０を強制的に冷却してもよい。なお、自然冷却以外の強制的な冷却方式としては、例えば、圧縮空気を吹き付ける空冷方式や冷却水を供給する水冷方式などが挙げられる。

上記のとおり、本実施形態のはんだ接合方法は、（１）上記配置工程において、サブマウント１１０の接合面１１０Ａの中央に、固形状のはんだ１３０を配置する。また、（２）上記加熱工程において、サブマウント１１０の接合面において、その中心側の領域の温度よりも、その外周側の領域の温度が高くなるように、サブマウント１１０を加熱する。これにより、はんだ１３０が溶融する過程において、当該はんだ１３０を山型に成形することができる。そして、（３）はんだ１３０が山型を成している状態で、サブマウント１１０の接合面に半導体素子１２０の接合面を押し付ける。これにより、はんだ１３０に含まれている気泡を効率的に排出することができる。特に、本実施形態のはんだ接合方法によれば、はんだ１３０を予め特別な形状に成形しておく必要はなく、一般的な形状（例えば、四角柱形状、円柱形状等）のはんだをそのまま用いることができる。このため、コストの増加を招来する虞はない。

〔はんだ接合装置〕
上記はんだ接合方法は、例えば、コンピュータによって制御されたはんだ接合装置によって自動的に実施され得る。但し、上記はんだ接合方法は、その少なくとも一部の工程が、人的に実施されてもよい。図４は、本発明の実施形態に係るはんだ接合装置４００の構成例を示す図である。図４に示すはんだ接合装置４００は、吸着ステージ４１０、上部加熱ヒーター４２０、吸着コレット４３０、熱伝導セラミック４４０、および下部加熱ヒーター４５０を備えている。図４では、接合装置４００において、吸着コレット４３０によって半導体素子１２０が保持され、熱伝導セラミック４４０によってサブマウント１１０が保持されている。

吸着ステージ４１０は、吸着コレット４３０を吊持しており、当該吸着コレット４３０の水平移動（図中ｘ軸方向およびｙ軸方向への移動）、垂直移動（図中ｚ軸方向への移動）、および吸着エアのＯＮおよびＯＦＦを制御する。吸着コレット４３０は、対象物（例えば、半導体素子１２０）を保持することができる。具体的には、吸着コレット４３０は、内部にその底面４３０Ａに通じる通路が形成されており、吸着ステージ４１０の制御によって当該通路内に発生した吸着エアにより、底面４３０Ａに上記対象物を吸着させる。吸着コレット４３０は、上記対象物を保持した状態で、水平移動および垂直移動することができる。上部加熱ヒーター４２０は、吸着コレット４３０の一部を挟持しており、吸着コレット４３０における熱伝導を介して、吸着コレット４３０によって保持された上記対象物を加熱する。熱伝導セラミック４４０は、その表面上において、対象物（例えば、サブマウント１１０）を保持する。下部加熱ヒーター４５０は、熱伝導セラミック４４０の底面を支持しており、上記熱伝導セラミック４４０における熱伝導を介して、上記熱伝導セラミック４４０によって保持された対象物を加熱する。

熱伝導セラミック４４０の底面は、その中央部に凹部が形成されている。このため、当該中央部は加熱ヒーター４５０と接触していない。一方、熱伝導セラミック４４０の底面の外周部は、加熱ヒーター４５０と接触している。このため、加熱ヒーター４５０から発せられた熱は、熱伝導セラミック４４０の外周部を介して、熱伝導セラミック４４０によって保持された対象物へと伝わる。これにより、上記対象物は、中央の温度よりも、外周側の温度が高くなるように、加熱されることとなる。すなわち、当該構成は、上記対象物の外周縁部に沿って、上記対象物を加熱する構成といえる。このように、上記対象物の外周縁部に沿って上記対象物を加熱することで、上記対象物の外周側の領域から、中心側の領域に向けて、線型的に温度が変化するように、上記対象物を加熱することができる。これにより、上記対象物上に載置されたはんだを、なだらかな斜面を有する山型に溶融することができる。はんだをこのような山型とすることで、当該はんだが不自然な形状に押しつぶされることを防止し、結果的に、気泡を効率的に排出することが可能となる。

例えば、上記配置工程では、サブマウント１１０が熱伝導セラミック４４０によって保持された状態において、吸着コレット４３０（配置手段）により、サブマウント１１０の表面上に固形状のはんだ１３０が載置される。

また、上記加熱工程では、下部加熱ヒーター４５０（加熱手段）によってサブマウント１１０が、予め設定された温度に加熱される。これにより、はんだ１３０が溶融され、当該はんだ１３０は、山型をなす。

また、上記押付工程では、上部加熱ヒーター４２０（加熱手段）によって半導体素子１２０が、予め設定された温度に加熱される。そして、吸着コレット４３０（押付手段）の移動により、半導体素子１２０がサブマウント１１０に向かって（図中ｚ軸負方向に）押し当てられる。これにより、サブマウント１１０の接合面と半導体素子１２０の接合面との間ではんだ１３０が押し潰され、当該はんだ１３０により、サブマウント１１０と半導体素子１２０とが互いに押し付けられる。

また、上記冷却工程では、上部加熱ヒーター４２０による加熱、および、下部加熱ヒーター４５０による加熱が停止される。これにより、はんだ１３０が常温まで冷却される。はんだ接合装置４００は、はんだ１３０を強制的に冷却するための冷却手段（従来知られている何らかの冷却手段）を備えてもよい。

上述したはんだ接合装置４００の各動作は、例えば、メモリに格納されているプログラムを、プロセッサが実行することにより、実現される。上記メモリおよび上記プロセッサは、はんだ接合装置４００が備えていてもよく、外部装置が備えていてもよい。

〔実施例〕
次に、図５および図６を参照して、本発明の実施形態に係るはんだ接合方法の実施例１〜１１について説明する。図５は、本発明の実施形態に係るはんだ接合方法の実施例１〜１１において適用した各条件を示す。図６は、実施例１〜１１の積層構造体２００を、上方（図中ｚ軸正方向）から見たときの平面図であり、各構成部材の配置位置を示している。実施例１〜１１では、図５に示すように、各条件を具体的に規定した。そして、実施例１〜１１では、上記実施形態で説明したはんだ接合方法を用いて、下側部材２１０（実施形態のサブマウント１１０に相当する）の表面上に上側部材２２０（実施形態の半導体素子１２０に相当する）を、はんだ２３０（実施形態のはんだ１３０に相当する）によってはんだ接合し、積層構造体２００（実施形態の積層構造体１００に相当する）を形成した。なお、加熱工程では、図４に示す下部加熱ヒーター４５０および熱伝導セラミック４４０を用いて、下側部材２１０を加熱した。さらに、実施例１〜１１では、はんだ接合後の積層構造体２００において、はんだ２３０におけるボイド率を、Ｘ線透過装置により測定した。ボイド率とは、はんだに含まれるボイドの割合である。実施例１〜１１では、ボイド率が１０％以下であれば、合格とした。

（共通条件）
下記条件は、実施例１〜１１に共通して適用した条件である。

・はんだの材料：ＡｕＳｎ９０（融点：２１７℃）
・上側部材の材料：Ｍｏ板（金メッキ品）
・下側部材の材料：Ｍｏ板（金メッキ品）
・上側部材の温度：２７０℃
さらに、実施例１〜１１では、図６に示すように、基準軸Ｘと同軸上に、下側部材２１０の接合面の中心と、上側部材２２０の接合面の中心と、はんだ２３０の中心とが位置するように、各構成部材を重ね合せた。

〔実施例１，２〕
実施例１では、下記条件（１）〜（６）を適用した。

（１）上側部材の接合面のサイズ：４．２ｍｍ×３．５ｍｍ（＝１４．７ｍｍ^２）
（２）はんだの接触面のサイズ：２．０ｍｍ×１．８ｍｍ（＝３．６ｍｍ^２）
（３）はんだの厚さ：１９０μｍ
（４）熱伝導セラミックの低温部の温度：２５７℃
（５）熱伝導セラミックの高温部の温度：２６５℃
（６）加熱工程における待機時間：１０秒
ここで、熱伝送セラミックの高温部とは、熱伝送セラミックの表面の外周部において、最も温度が高い部分（すなわち、外周縁部）を意味する。また、熱伝送セラミックの低温部とは、熱伝送セラミックの表面の中央部において、最も温度が低い部分（すなわち、中心）を意味する。

実施例１では、上記のとおり、「（５）熱伝導セラミックの高温部の温度」を、「２６５℃」に設定した。その結果、実施例１では、ボイド率「８．９％」が得られた。また、実施例２では、上記実施例１から、「（５）熱伝導セラミックの高温部の温度」を、「２７０℃」に変更した。その結果、実施例２では、ボイド率「９．２％」が得られた。実施例１、２の結果を鑑み、上記高温部の温度を、上記低温部の温度よりも５〜２０℃高い温度とすることで、ボイド率を１０％以下とすることができることが判明した。また、上記低温部の温度および上記高温部の温度を、いずれもはんだの融点よりも４０〜６０℃高い温度とすることで、ボイド率を１０％以下とすることができることが判明した。また、上記低温部と上記高温部との間の単位距離あたりの温度変化を、２．５℃／ｍｍよりも大きくすることで、ボイド率を１０％以下とすることができることが判明した。

〔実施例３，４〕
実施例３では、上記実施例１から、「（２）はんだの接触面のサイズ」を、「２．１ｍｍ×２．１ｍｍ（＝４．４１ｍｍ^２）」に変更した。また、「（３）はんだの厚さ」を、「１５０μｍ」に変更した。また、「（５）熱伝導セラミックの高温部の温度」を、「２６７℃」に変更した。その結果、実施例３では、ボイド率「８．７％」が得られた。実施例４では、上記実施例１から、「（２）はんだの接触面のサイズ」を、「１．３ｍｍ×１．４ｍｍ（＝１．８２ｍｍ^２）」に変更した。また、「（３）はんだの厚さ」を、「２９０μｍ」に変更した。また、「（５）熱伝導セラミックの高温部の温度」を、「２６７℃」に変更した。その結果、実施例４では、ボイド率「９．７％」が得られた。

実施例３，４の結果を鑑み、はんだの厚さを、１５０〜３００μｍとすることで、ボイド率を１０％以下とすることができることが判明した。

〔実施例５，６〕
実施例５では、上記実施例３から、「（２）はんだの接触面のサイズ」を、「２．５ｍｍ×１．７ｍｍ（＝４．２５ｍｍ^２）」に変更した。その結果、実施例５では、ボイド率「９．５％」が得られた。実施例６では、上記実施例４から、「（２）はんだの接触面のサイズ」を、「１．３ｍｍ×１．２ｍｍ（＝１．５６ｍｍ^２）」に変更した。その結果、実施例６では、ボイド率「９．９％」が得られた。実施例５，６の結果を鑑み、はんだの接触面の面積を、上側部材の接合面の面積の０．１０〜０．３０倍とすることで、ボイド率を１０％以下とすることができることが判明した。

〔実施例７，８〕
実施例７では、上記実施例４から、「（２）はんだの接触面のサイズ」を、「１．３ｍｍ×２．１ｍｍ（＝２．７３ｍｍ^２）」に変更した。その結果、実施例７では、ボイド率「９．３％」が得られた。実施例８では、上記実施例３から、「（２）はんだの接触面のサイズ」を、「２．１ｍｍ×２．１ｍｍ（＝４．４１ｍｍ^２）」に変更した。その結果、実施例８では、ボイド率「９．７％」が得られた。実施例７，８の結果を鑑み、はんだの接触面の辺の長さを、上側部材の接合面の対応する辺（平行な辺）の長さの０．３０〜０．６０倍とすることで、ボイド率を１０％以下とすることができることが判明した。

〔実施例９〕
実施例９では、上記実施例１から、「（６）加熱工程における待機時間」を、「１８秒」に変更した。その結果、実施例９では、ボイド率「８．９％」が得られた。実施例９の結果を鑑み、加熱工程における待機時間を、８〜２０秒とすることで、ボイド率を１０％以下とすることができることが判明した。

〔実施例１０，１１〕
実施例１０では、上記実施例１から、「（１）上側部材の接合面のサイズ」を、「４．０ｍｍ×５．９ｍｍ（＝２３．６ｍｍ^２）」に変更した。また、「（２）はんだの接触面のサイズ」を、「２．０ｍｍ×２．５ｍｍ（＝５．０ｍｍ^２）」に変更した。また、「（３）はんだの厚さ」を、「１６０μｍ」に変更した。その結果、実施例１０では、ボイド率「７．２％」が得られた。実施例１１では、上記実施例１から、「（１）上側部材の接合面のサイズ」を、「６．２ｍｍ×３．５ｍｍ（＝２１．７ｍｍ^２）」に変更した。また、「（２）はんだの接触面のサイズ」を、「２．０ｍｍ×１．３ｍｍ（＝２．６ｍｍ^２）」に変更した。また、「（３）はんだの厚さ」を、「２００μｍ」に変更した。その結果、実施例１１では、ボイド率「３．５％」が得られた。実施例１０，１１の結果を鑑み、その他の条件を満たしていれば、上側部材の接合面のサイズによらず、ボイド率を１０％以下とすることができることが判明した。

〔参考例〕
次に、図７を参照して、上述した各実施例が特に好ましい実施例であることを示す参考例１〜１４について説明する。図７は、参考例１〜１４において適用した各条件を示す。参考例１〜１４では、図７に示すように、各条件を具体的に規定した。そして、参考例１〜１４では、上記実施形態で説明したはんだ接合方法を用いて、下側部材（実施形態のサブマウント１１０に相当する）の表面上に上側部材（実施形態の半導体素子１２０に相当する）をはんだ接合し、積層構造体（実施形態の積層構造体１００に相当する）を形成した。さらに、参考例１〜１４では、はんだ接合後の積層構造体において、はんだにおけるボイド率を、Ｘ線透過装置により測定した。参考例１〜１４では、ボイド率が１０％以下であれば、合格とした。

〔参考例１，２〕
参考例１では、上記実施例１から、「（５）熱伝導セラミックの高温部の温度」を、「２５７℃」に変更した。その結果、参考例１では、ボイド率「１０．４％」が得られた。また、参考例２では、上記実施例１から、「（５）熱伝導セラミックの高温部の温度」を、「２８２℃」に変更した。その結果、参考例２では、ボイド率「１１．３％」が得られた。参考例１、２の結果を鑑み、上記高温部の温度を、上記低温部の温度よりも５〜２０℃高い温度とすることで、ボイド率を１０％以下とすることができることの確証が得られた。

〔参考例３，４〕
参考例３では、上記実施例３から、「（３）はんだの厚さ」を、「１３０μｍ」に変更した。その結果、参考例３では、ボイド率「１０．８％」が得られた。また、参考例４では、上記実施例４から、「（３）はんだの厚さ」を、「３５０μｍ」に変更した。その結果、参考例４では、ボイド率「１０．７％」が得られた。参考例３，４の結果を鑑み、はんだの厚さを、１５０〜３００μｍとすることで、ボイド率を１０％以下とすることができることの確証が得られた。

〔参考例５，６〕
参考例５では、上記実施例５から、「（２）はんだの接触面のサイズ」を、「２．５ｍｍ×２．０ｍｍ（＝５．０ｍｍ^２）」に変更した。その結果、参考例５では、ボイド率「１０．８％」が得られた。また、参考例６では、上記実施例６から、「（２）はんだの接触面のサイズ」を、「１．３ｍｍ×１．１ｍｍ（＝１．４３ｍｍ^２）」に変更した。その結果、参考例６では、ボイド率「１０．５％」が得られた。参考例５，６の結果を鑑み、はんだの接触面の面積を、上側部材の接合面の面積の０．１０〜０．３０倍とすることで、ボイド率を１０％以下とすることができることの確証が得られた。

〔参考例７，８〕
参考例７では、上記実施例８から、「（２）はんだの接触面のサイズ」を、「２．７ｍｍ×１．５ｍｍ（＝４．０５ｍｍ^２）」に変更した。その結果、参考例７では、ボイド率「１１．３％」が得られた。参考例８では、上記実施例７から、「（２）はんだの接触面のサイズ」を、「２．７ｍｍ×１．０ｍｍ（＝２．７ｍｍ^２）」に変更した。その結果、参考例８では、ボイド率「１０．５％」が得られた。参考例７，８の結果を鑑み、はんだの接触面の辺の長さを、上側部材の接合面の対応する辺（平行な辺）の長さの０．３０〜０．６０倍とすることで、ボイド率を１０％以下とすることができることの確証が得られた。

〔参考例９，１０〕
参考例９では、上記実施例１から、「（６）加熱工程における待機時間」を、「５秒」に変更した。その結果、参考例９では、ボイド率「１０．２％」が得られた。また、参考例１０では、上記実施例１から、「（６）加熱工程における待機時間」を、「２５秒」に変更した。その結果、参考例１０では、ボイド率「１１．８％」が得られた。参考例７，８の結果を鑑み、加熱工程における待機時間を、８〜２０秒とすることで、ボイド率を１０％以下とすることができることの確証が得られた。

〔参考例１１，１２〕
参考例１１では、上記実施例１０から、「（２）はんだの接触面のサイズ」を、「２．８ｍｍ×３．０ｍｍ（＝８．４ｍｍ^２）」に変更した。その結果、参考例１１では、ボイド率「１１．５％」が得られた。また、参考例１２では、上記実施例１１から、「（２）はんだの接触面のサイズ」を、「２．８ｍｍ×２．５ｍｍ（＝７．０ｍｍ^２）」に変更した。その結果、参考例１２では、ボイド率「１３．８％」が得られた。参考例１１，１２の結果を鑑み、はんだの接触面の面積を、上側部材の接合面の面積の０．１０〜０．３０倍とすることで、ボイド率を１０％以下とすることができることの確証が得られた。

〔参考例１３〕
参考例１３では、上記参考例１１から、「（１）上側部材の接合面のサイズ」を、「６．０ｍｍ×６．０ｍｍ（＝３６．０ｍｍ^２）」に変更した。これにより、上記低温部と上記高温部との間の単位距離あたりの温度変化を、２．０℃／ｍｍとした。その結果、参考例１３では、ボイド率「１２．５％」が得られた。参考例１３の結果を鑑み、上記低温部と上記高温部との間の単位距離あたりの温度変化を、２．５℃／ｍｍよりも大きくすることで、ボイド率を１０％以下とすることができることの確証が得られた。

〔参考例１４〕
参考例１４では、上記実施例１から、「（４）熱伝導セラミックの低温部の温度」を「２６５℃」に変更した。また、「（５）熱伝導セラミックの高温部の温度」を「２５７℃」に変更した。これにより、上記低温部（すなわち、中央部）の温度を、上記高温部（すなわち、外周部）の温度よりも高くした。その結果、参考例１４では、ボイド率「１８．８％」が得られた。はんだをうまく山型に溶融できなかったためと考えられる。参考例１４の結果を鑑み、上記高温部（すなわち、外周部）の温度を、上記低温部（すなわち、中央部）よりも高くすることで、ボイド率をより低下させることができることの確証が得られた。

〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明は、２つの部材同士をはんだ接合する際のはんだ接合方法として好適に利用することができる。また、本発明は、２つの部材同士のはんだ接合を伴うＬＤモジュールの製造方法として、好適に利用することができる。

１００積層構造体（ＬＤモジュールの一部）
１１０サブマウント（第１の部材）
１１０Ａ接合面
１２０半導体素子（第２の部材）
１２０Ａ接合面
１３０はんだ
１５０加熱ヒーター（加熱手段）
４００はんだ接合装置
４１０吸着ステージ
４２０上部加熱ヒーター（加熱手段）
４３０吸着コレット（配置手段）
４４０熱伝導セラミック
４５０下部加熱ヒーター（加熱手段）

Claims

第１の部材の接合面の中央に、固形状のはんだを配置する配置工程と、
前記接合面において、その中心側の領域の温度よりも、その外周側の領域の温度が高くなるように、前記第１の部材を加熱することにより、前記はんだを山型に溶融する加熱工程と、
前記はんだが山型に溶融した状態において、前記接合面に対し、第２の部材を押し付ける押付工程と
を含むことを特徴とするはんだ接合方法。
前記加熱工程では、
前記接合面において、前記中心側の領域の温度よりも前記外周側の領域の温度が高くなるように、前記第１の部材の外周縁部に沿って、前記第１の部材を加熱する
ことを特徴とする請求項１に記載のはんだ接合方法。
前記押付工程では、
前記接合面に対し、予め加熱された前記第２の部材を押し付ける
ことを特徴とする請求項１または２に記載のはんだ接合方法。
前記固形状のはんだは、
前記第２の部材の接合面と接触する接触面の面積が、前記第２の部材の接合面の面積の０．１０〜０．３０倍である
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のはんだ接合方法。
前記固形状のはんだは、
前記第２の部材の接合面と接触する接触面の各辺の長さが、当該辺と平行な、前記第２の部材の接合面の辺の長さの０．３０〜０．６０倍である
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のはんだ接合方法。
前記固形状のはんだは、
厚さが１５０〜３００μｍである
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のはんだ接合方法。
前記加熱工程では、
前記第１の部材の加熱時間を８〜２０秒とする
ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のはんだ接合方法。
前記加熱工程では、
前記接合面において、前記外周側の領域の温度が、前記中心側の領域の温度よりも５〜２０℃高い温度となるように、前記第１の部材を加熱する
ことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のはんだ接合方法。
前記加熱工程では、
前記接合面において、前記中心側の領域の温度および前記外周側の領域の温度が、いずれも前記はんだの融点よりも４０〜６０℃高い温度となるように、前記第１の部材を加熱する
ことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のはんだ接合方法。
前記加熱工程では、
前記接合面において、前記中心側の領域と前記外周側の領域との単位距離あたりの温度変化が、２．５℃／ｍｍよりも大きくなるように、前記第１の部材を加熱する
ことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載のはんだ接合方法。
請求項１から１０のいずれか一項に記載のはんだ接合方法を用いて、ＬＤモジュールを構成する前記第２の部材を、前記ＬＤモジュールを構成する前記第１の部材に接合する接合工程
を含むことを特徴とするＬＤモジュールの製造方法。
第１の部材の接合面の中央に、固形状のはんだを配置する配置手段と、
前記接合面において、その中心側の領域の温度よりも、その外周側の領域の温度が高くなるように、前記第１の部材を加熱することにより、前記はんだを山型に溶融する加熱手段と、
前記はんだが山型に溶融した状態において、前記接合面に対し、第２の部材を押し付ける押付手段と
を備えることを特徴とするはんだ接合装置。