CN104517860B - 接合组装装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种接合组装装置，通过短时间的焊接处理来将由至少一个被接合构件与至少一个焊接材料构成的层叠体进行接合，从而获得具有层中气泡较少的焊料接合层的接合体。该接合组装装置在减压路内具备如下构件：金属线；传送台，对至少一个被接合构件和至少一个焊接材料的层叠体进行支承，并能在水平方向和垂直方向上移动；冷却板，隔着所述传送台对所述层叠体进行冷却；热板)，隔着所述传送台对所述层叠体进行加热；活性种气体导入管；惰性气体导入管；以及排气口，该接合组装装置还具备通过通电来对所述金属线进行加热的加热单元、即炉外的未图示的交流或直流功率供电源。

Description

接合组装装置

技术领域

本发明涉及一种接合组装装置。本发明尤其涉及一种通过短时间的焊接处理来进行接合，并能获得具备气泡较少的焊料接合层的层叠体的接合组装装置。

背景技术

以往，作为制造功率用半导体装置的方法，主要实施以下三种方法。在第1方法中，首先利用还原气氛的连续炉(隧道炉)，进行预焊接，在硅芯片的背面电极上设置焊料。接着，利用该焊料将硅芯片焊接到绝缘基板上。之后，进行引线接合。然后，在大气中利用助焊剂将焊接有硅芯片的绝缘基板焊接到由铜等构成的金属基座上。

第2方法中，利用还原气氛的连续炉，将硅芯片与绝缘基板进行焊接。之后，进行引线接合。然后，利用还原气氛的连续炉将焊接有硅芯片的绝缘基板焊接到金属基座上。

在第3方法中，利用惰性气氛的减压炉，并通过含有助焊剂的焊料将硅芯片、绝缘基板以及金属基座进行焊接。之后，进行引线接合。

然而，在功率模块等功率用半导体装置中，由于有大电流流过，因此硅芯片的发热量非常大，在数十～数千瓦特。因此，要求功率用半导体装置具有较好的散热特性。然而，若在硅芯片与绝缘基板之间的焊料接合层、绝缘基板与金属基座之间的焊料接合层存在气泡(空隙)，则由于这些气泡会阻碍散热，因此将导致散热特性的明显下降，或成为半导体装置损坏的原因。因此，尽量使焊料接合层中不存在气泡是较为重要的。

作为焊料接合层中产生气泡的原因，可列举为：构成层叠体的金属构件表面的残留氧化物以及焊料材料中的碳酸气等溶解气在焊料熔融时作为气泡残留下来。另外，还可以列举出以下原因：焊接时，焊料或吸附在绝缘基板等被接合构件表面的吸附物、或者氧化气体或氧化铜或氧化镍被还原，由此产生的H2O气化从而作为气泡残留下。另外，焊接时所使用的助焊剂发生气化从而产生的气体或助焊剂本身残留在接合层中也是原因之一。

因此，为了减少焊料接合层中的气泡，一般采用如下等对策：为了防止被接合构件表面发生氧化而清洁其表面，或者使用不存在溶解气的焊接材料或湿润性较好的焊料材料。另外，还采用如下等对策：优化焊料剖面(profile)；或控制被接合构件的变形；或在减压气氛下进行焊接。

另外，还提出有其他多种焊接方法。例如已知有如下公知方法：利用焊接装置的加热单元对电路基板进行加热，并控制处理容器内的气氛压力，从而进行焊接，其中所述焊接装置具有如下单元：处理容器；通过真空排气及导入高纯度气体来生成低氧浓度气氛，从而控制处理容器内的气氛及其压力的单元；以及设置于处理容器内的加热单元(例如参照专利文献1)。

另外，还已知有具有如下特征的半导体装置的制造方法：将由金属基座、焊料板、绝缘基板、焊料板及硅芯片构成的层叠体设置于减压炉内，对炉内进行真空排气后，使炉内成为正压的氢气气氛从而使层叠体的各构件的表面还原，之后使焊料加热熔融(例如参照专利文献2)。

另外，还公开有如下为了进行干式焊接而对金属表面进行处理的方法，该方法中，利用耐热金属的丝状栅格(filament grid)来生成活性分子种，由此去除金属表面的氧化物，之后进行焊接(例如参照专利文献3)。

另外，还公开了通过接触分解反应来生成原子氢，利用所述原子氢对接合前的焊料进行洗净的应用例(例如参照非专利文献1、非专利文献2)。此外，还已知有如下的铅回流焊接合金的处理方法，在该处理方法中，使以锡为主要成分的铅回流焊接合金成为微小粉末状，利用由热线(hotwire)法生成的原子氢来进行还原及蚀刻(例如参照专利文献4)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开平8-242069号公报

专利文献2：日本专利特开2003-297860号公报

专利文献3：美国专利说明书5409543

专利文献4：日本专利特许第4991028号公报

非专利文献

非专利文献1：表面科学Vol.31,No.4,pp.196-201,2010

非专利文献2：エレクトロニクス実装学会講演大会講演論文集(电子安装学会演讲大会演讲论文集),22nd,pp.167-168(2008)

发明内容

发明所要解决的技术问题

然而，例如专利文献1的方法中，利用液体来固定搭载元器件，该情况下，在投入焊接装置前需要利用其他设备来进行预处理(涂布液体)，从而产生作业工序增加、以及发生作业时间这样的缺点。另外，在专利文献2的方法中，氢在约300℃以上能有效地发挥出还原能力，但在其之下的温度区域，被接合构件以及焊料的还原不足，接合性可能变差。为提高氢气的还原能力，也存在进一步使加热温度高温化的方法，但硅芯片可能发生热损坏。

专利文献3中公开的发明使用连续炉，无法达成足够的真空度，因此原子氢的生成量较少，对于金属氧化物等的还原力也不够。因此，需要使用用于电子控制的装置来有选择地将原子氢集中到工件中，由此将产生缺点：装置变得复杂，氢或能量的损失也较大。

另外，在专利文献4所公开的方法是在接合前利用旋转磁鼓式的装置仅对焊料合金进行处理的方法，从而无法实现焊料接合也包含在内的高效的接合组装。非专利文献1、2所公开的方法只不过是实验性的方法，无法实际应用于半导体装置的高效的量产中。

本发明鉴于上述问题而得以完成，其目的在于，提供一种接合组装装置，通过短时间的焊接处理来将由至少一个被接合构件与至少一个焊接材料构成的层叠体进行接合，从而获得具有层中气泡较少的焊料接合层的层叠体。

解决技术问题所采用的技术方案

本发明为解决上述问题而得以完成。也就是说，本发明所涉及的接合组装装置在减压炉内具备如下构件而构成：金属线；传送台，该传送台对由至少一个被接合构件与至少一个焊接材料构成的层叠体进行支承，且能在水平方向及垂直方向移动；水平方向上分开设置的冷却板及热板，所述冷却板能隔着所述传送台对所述层叠体进行冷却，所述热板能隔着所述传送台对所述层叠体进行加热；活性种生成气体导入管；惰性气体导入管；以及排气口，该接合组装装置还包括对所述金属线进行加热的加热单元。

所述接合组装装置中，所述金属线是从钨、钼、铂金、镍、铼中选出的金属，或者是由上述金属中的一种以上的金属构成的合金，通过将所述金属线加热至1000℃，来加热分解活性种生成气体，生成原子氢。另外，在所述接合组装装置中，优选为，所述金属线在所述减压炉的上部设置在所述热板的上方。另外，在所述接合组装装置中，优选为，所述金属线设置于所述热板的上方，以覆盖所述热板的整个区域。另外，在所述接合组装装置中，优选为，所述金属线与所述传送台的垂直方向距离能在30mm～150mm的范围内调节。

在所述接合组装装置中，优选为，所述活性种生成气体导入管具备多个向所述金属线导入活性种生成气体的吹出口，从所述吹出口经由所述金属线向所述热板均匀地喷出活性种生成气体。另外，在所述接合组装装置中，优选为，还具备所述减压炉内的压力监视装置。

根据本发明的另一个方面，涉及一种所述任一个接合组装装置的工作方法，具备如下工序：一次减压工序，对投入有层叠体的减压炉内进行抽真空，所述层叠体包含至少一个被接合构件与至少一个焊接材料；热线式加热工序，在所述一次减压工序后，将所述减压炉内的气氛设定为负压的氢气气氛，对所述金属线进行加热，生成原子氢；加热工序，在所述热线式加热工序后，将所述减压炉内的气氛设定为正压的氢气气氛，加热至接合温度为止，使所述焊接材料熔融；以及气泡去除工序，在所述加热工序后，在保持接合温度的状态下，再次将所述减压炉内的气氛设定为真空气氛，从而去除焊料融液中的气泡。

优选为，所述接合组装装置的工作方法中的、所述气泡去除工序中，断续地重复一次以上热线式加热工序，所述热线式加热工序将所述减压炉内的气氛设定为负压的氢气气氛，对所述金属线进行加热，生成原子氢。

优选为，所述接合组装装置的工作方法中的、所述热线式加热工序中，将氢分子气体提供至减压炉内，使得该氢分子气体与所述金属线接触后，被供给至所述层叠体。

优选为，在所述接合组装装置的工作方法中，在所述气泡去除工序后还包含再还原工序，在保持接合温度的状态下，再次将所述减压炉内的气氛设定为正压的氢气气氛。另外，优选为，在所述再还原工序后还包含冷却工序，在将所述减压炉内的气氛设定为正压的氢气气氛的状态下、对所述层叠体进行急速冷却。此外，优选为，还包含如下工序：在所述冷却工序后，将所述减压炉内进行抽真空的二次减压工序；以及在所述二次减压工序后，将所述减压炉内的气氛设定为正压的惰性气体气氛后，开放所述减压炉的工序。

优选为，在所述接合组装装置的工作方法中，多次重复所述热线式加热工序至所述加热工序。或者，优选为，多次重复所述气泡去除工序至所述再还原工序，或者多次重复所述热线式加热工序至所述加热工序及所述气泡去除工序至所述再还原工序。

发明效果

根据本发明所涉及的接合组装装置，尤其是在现有的仅利用氢气的焊料接合的基础上，利用金属线来分解氢气等活性种生成气体，从而产生具有不成对电子且活性种较高的氧化物还原效果。通过具备金属线，在本发明所涉及的接合组装装置中，能够实现：焊料熔融温度以下的焊料还原、被接合构件的加热辅助、以及被接合构件的氧化物还原。此外，通过使用本发明所涉及的接合组装装置，例如在制造半导体装置的情况下，能够在减压炉内同时实施金属基座与绝缘基板的焊接、以及绝缘基板与硅芯片等元件的焊接，并且此时能去除焊料中的气泡，还能迅速消除因不同材料的接合而产生的金属基座的翘曲。此外，在接合组装装置运行开始后，十分多钟内，与以往相比，能获得焊料接合层质量更好、可靠性更高，且散热特性较优的半导体装置。

另外，根据本发明所涉及的接合组装装置，与以往相比，在较低温度区域、例如300℃以下具有还原效果，且即使氢气或惰性气体的使用量较少也没问题，另外无需使用助焊剂。因此，能够获得如下效果：缩短处理时间、接合质量较好、运行成本减少、环境负荷降低。此外，由于通过使用本发明所涉及的接合组装装置，还具有如下优先：能提高层叠体的接合特性，因此能消除量产时多个产品之间的偏差，使质量稳定。

附图说明

图1是简要说明本发明所涉及的接合组装装置的图。

图2是表示金属线12与热板16的位置关系的图，图2(a)是表示减压炉11内从金属线12上方观察炉底时的金属线12与热板16的位置关系的图，图2(b)是表示从减压炉的正面观察时的金属线12与热板16的位置关系的图。

图3是示意性地示出本发明所涉及的接合组装装置中进行焊接的、由被接合体及焊料构成的层叠体的结构的图。

图4是表示本发明所涉及的接合组装装置的工作方法中的、温度分布、腔内气氛及压力、金属线通电、以及处理动作的一个示例的时序图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。其中，本发明并不限定于以下说明的实施方式。

根据本发明的一个实施方式，本发明涉及一种接合组装装置。图1示出了本发明所涉及的接合组装装置的示意图。本发明所涉及的接合组装装置在减压炉11内主要具备：金属线12、传送台13、冷却板15、热板16、活性种生成气体导入管17、以及惰性气体导入管18。本发明中，活性种生成气体是指经过金属线12接触分解，具有较高还原性且能生成含有不成对电子的元素的气体。上述活性种生成气体没有特别限定，在以下本实施方式的说明中，以氢气来作为活性种生成气体的一个示例来进行说明。

减压炉11主要由炉主体110、以及经由密封件112覆盖于炉主体110、并将炉内部保持为气密状态的盖体111构成。减压炉11中设有：用于在炉内提供氢分子气体a的氢分子气体导入管17、用于在炉内提供氮气b等惰性气体的惰性气体导入管18、以及排气口113。炉主体110的底部分开设置有热板16与冷却板15。传送台13构成为能利用传送轨道14在热板16与冷却板15之间往返。传送台13构成为还能利用未图示的其它机构在垂直方向上上下运动。

优选为，减压炉11内的上部是构成盖体111的减压炉11的顶部，热板16的上方安装有金属线12。金属线12连接于通过通电来对金属线12进行加热的加热单元、即炉外未图示的交流或直流功率供电源。此外，将具备对提供至金属线12的供电功率进行调整的功能的电源装置设置于减压炉11的外部，以作为该交流或直流功率供电源。此时，金属线12的周围以耐热性的构件来构成，并确保绝缘性。这是由于金属线12的周围会变得非常高温，且施加有电流、电压。此外，若金属线12的安装位置为后述的规定部位，则金属线12无需安装于减压炉11的顶部，可以安装于减压炉11的侧壁部，也可以从减压炉11的底部由适当的单元来支承。另外，由于金属线12可能因热或氧化而劣化，因此优选为金属线12可更换地安装于减压炉11。

金属线12是能在1000℃以上、优选为1500℃以上、更优选为1600℃以上，且优选为可加热到2000℃以下的线状的金属构件，金属线12能通过与氢分子气体的接触分解反应来生成具有还原性的原子氢(氢原子)。金属线12能重复多次使用，例如，能重复约1000次使用，而重复使用次数并没有特别限定。本说明书中，氢分子气体是指气体状的氢分子，与通过金属线的加热而生成的原子氢区别使用。构成金属线的材料例如可以是钨、钽、钼、钒、铂、钍、锆、钇、铪、钯、镍、铼、或以这些金属中的一种以上为主要成分的合金，虽然优选使用钨，但只要有上述功能即可，并未限定于特定金属。

金属线12的直径例如为0.1mm～1.0mm，优选为0.3mm～0.8mm，但并不局限于此。金属线12可以是单线，也可以是2条以上金属线组合而成的复线，单线或复线的金属线12可以分别设置多根。另外，上述单线或复线的金属线12例如可以为锯齿状(Z字形、U字形)、螺旋状、网格状、格子状、或将上述形状适宜组合后的形状。虽并不限定于特定形状，但优选使得金属线表面积增大的形状。这是为了增大氢分子气体与金属线12的接触面积，从而生成更多的具有还原性的原子氢。

另外，对于金属线12的安装位置，在传送台13位于位置B时，放置于传送台13上的层叠体10与金属线12之间的垂直方向距离在150mm以内，优选为在30mm以上，更优选为在50～100mm。层叠体10与金属线12之间的垂直方向距离是指，如后述那样，以均匀的位置关系来设置层叠体10与金属线12的情况下，金属线12的直径的中心与进行加热接合的层叠体10的上表面的距离。此外，层叠体10与金属线12的垂直方向距离能通过传送台13的垂直方向上下的调节机构来进行调节。尤其是，本领域的技术人员能适当地进行调节，以使得金属线12对氢原子气体的分解活性、构成层叠体10的焊料温度保持在后述恰当的条件。

减压炉11内，在传送台13位于位置B或位置C时，优选为金属线12与作为接合对象的层叠体10的距离成为均一的位置关系。若金属线12与层叠体10的距离不均一，则由于金属线12被加热到高温，从而对层叠体10的辐射热产生影响，使得层叠体10的温度可能上升。另外，减压炉11内的金属线12与热板16在水平方向上的位置关系优选为，在作为接合对象的层叠体10的整个形状的范围内，无偏差地设置金属线，更优选为在热板16表面的整个区域设置金属线。这是由于，虽然与金属线的接触而分解的氢分子气体辐射状地产生于金属线的全方向上，但会根据距离发生衰减。图2(a)是表示减压炉11内从金属线12上方观察炉底时的金属线12与热板16的位置关系的图，图2(b)是表示从减压炉的正面观察时的金属线12与热板16的位置关系的图。此外，为了简化图示，省略记载传送台13。另外，金属线12与热板16的关系并不局限于该形式，例如也可以至少在作为接合对象的层叠体10的表面的整个区域的范围内进行设置。

在图示的实施方式中，金属线12仅安装于热板16的上方，但也可以在此基础上，以包围热板16的四条边的方式，优选为以垂直于热板16的加热面且平行于减压炉11的侧壁的方式安装金属线12。该情况下，通过将金属线12与层叠体10的距离保持在上述恰当的距离范围，从而能获得由原子氢产生的还原效果。

冷却板15至少具有冷却面，若具备能调节冷却温度及速度的任意的冷却机构，则可以是在典型的焊接装置中普遍使用的冷却板。作为一个示例，冷却板15可以是连接于炉外的、使冷却板15的冷却水d循环的冷却器20。该情况下，优选为，在炉主体110的底部、冷却板15的下方设有用于使冷却水循环的未图示的出入口。此外，冷却板15也可以利用其它机构来冷却层叠体。另外，热板16至少具有加热面，若具备能调节加热温度及速度的任意的加热机构，则可以是在典型的焊接装置中普遍使用的热板。例如，热板16可以是能隔着传送台13在常温～400℃的范围内对层叠体10进行加热的加热器等。

冷却板15与热板16分开设置于减压炉11的底部。冷却板15与热板16优选为例如隔开10mm～50mm左右的距离进行设置。另外，冷却板15的冷却面与热板16的加热面优选为设置成位于距离减压炉11内的底部大致相同的高度上。另外，冷却板15的冷却面与热板16的加热面优选为具有大致相同的面积。此外，在图示的实施方式中，冷却板15、热板16分别远离减压炉11内的底部来进行设置。这是为了避免从冷却板15、热板16向炉主体的热转移，从而进行高效的冷却或加热。然而，也可以配置适当的隔热材料，将冷却板15、热板16与减压炉11内的底部相接触地进行设置，以替代上述设置方式。

作为未图示的任意选择的结构，冷却板15与热板16之间也可以设置起到隔热壁作用的隔板。另外，热板16的外周也可以设置隔热壁。利用所述结构，能消除热板16与冷却板15相接近的区域上温度不均匀的部分。通过所述结构能起到保温效果。

传送台13保持层叠体10，起到层叠体10的移动单元的作用。传送台13及其驱动机构可以使用典型的焊接装置中普遍使用传送台及其驱动机构。传送台13构成为能利用传送轨道14在热板16与冷却板15之间进行水平方向的移动。也就是说，能在图1中的左右方向上移动，在位置A、B之间、位置C、D之间移动。另外，还构成为能利用未图示的机构在垂直方向上移动，从而在位置A、B、C、D之间移动。也就是说，还可以在图1中的上下方向上移动。优选为，传送台13的垂直方向的可动范围为0mm～50mm。另外，该可动范围优选为，能在30mm～150mm，优选为能在50mm～100mm的范围内对金属线12与传送台13之间的垂直方向距离进行调整。传送台13优选为在其上方具备可拆卸的均热板(未图示)。均热板能保持作为接合对象的层叠体10，只要能实现均热化即可，例如可以使用由2～3mm的碳板构成的均热板。

氢分子气体导入管17以及惰性气体导入管18安装于减压炉主体111。氢分子气体导入管17以及惰性气体导入管18分别连接于炉外的未图示的氢分子气体供给源以及惰性气体供给源，对减压炉11内提供氢分子气体导入管17以及惰性气体导入管18。此外，在氢分子气体导入管17不仅导入氢分子气体，还能单独导入其它活性种生成气体、或与氢分子气体一起导入的该情况下，活性种生成气体除了氢分子气体之外，例如还可举出氨、四氟化碳、六氟化硫等含卤气体等，并不局限于此。或者，也可以另外设置其它管道，以用于对减压炉11内导入其它活性种生成气体。另外，惰性气体导入管18一般为氮气导入管，但也可以是导入其它惰性气体的导入管

氢分子气体导入管17设置于金属线12的上方，即、氢分子气体导入管17的喷出部位于盖体111与金属线12之间。为了简化图示，省略了图示，但氢分子气体导入管的喷出部在吹出氢分子气体的范围内设置配管而并不在金属线的整个区域设置配管，并且在朝向金属线12的方向上设置吹出孔。在图1所示的实施方式的情况下，具体而言，在朝向正下方的方向上设置吹出孔。吹出的氢分子气体通过金属线12，在该过程中，分解为原子氢，能够到达层叠体10。另一方面，惰性气体导入管18在炉内11内，大致均匀地导入氮气等惰性气体，并能置换炉内气氛即可，并没有特别限定。

减压炉11是其内部能耐受真空，且能保持气密性的炉体即可，其容量等没有限定。优选为，其内部由不易因原子氢或其它活性种而发生劣化的材料构成，例如能由SUS304、SUS316等不锈钢或表面经过处理的不锈钢以及铝合金构成。减压炉11的排气口113除了用于对炉内抽真空之外，还成为作为炉内层叠体10的构成构件的还原结果而生成的、包含含氧化合物、硫化物、氯化物等在内的含氢化合物等的排出口。排气口113连接有真空泵等减压装置30。

减压炉11内可以具备未图示的压力测定装置及/或温度测定装置。通过利用压力测定装置对炉内全压以及任意选择的氢分压进行监视，及/或利用温度测定装置对构成层叠体10的构件、金属线12的温度进行监视，从而能调节减压炉11内部的反应。

上述接合组装装置用于对由至少一个被接合构件与至少一个焊接材料构成的层叠体进行焊接。一般来说，是用于制造以将焊接有硅芯片等元件的具有金属电路板的陶瓷等的绝缘基板作为接合组装装置焊接在金属基座上而成的IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor：绝缘栅双极晶体管)模块、IPM(Intelligent Power Module：智能功率模块)等功率模块为代表的半导体装置的接合组装装置。

接下来，从接合组装装置的工作方法的角度来说明本发明所涉及的接合组装装置。此外，本发明所涉及的图1所示的接合组装装置的工作方法也可认为是使用该接合组装装置的层叠体、例如半导体装置的制造方法。因此，以下说明涉及使用图1所示的上述接合组装装置的层叠体的制造方法。

也就是说，根据本发明的其它方面，本发明涉及接合组装装置的工作方法，其包含如下工序：一次减压工序，对投入有层叠体的减压炉内进行抽真空，所述层叠体包含至少一个被接合构件与至少一个焊接材料；热线式加热工序，在所述一次减压工序后，将所述减压炉内的气氛设定为负压的氧气气氛，对所述金属线进行加热，生成原子氢；加热工序，在所述热线式加热工序后，将所述减压炉内的气氛设定为正压的氧气气氛，加热至接合温度为止，使所述焊接材料熔融；以及气泡去除工序，在所述加热工序后，在保持接合温度的状态下，再次将所述减压炉内的气氛设定为真空气氛，从而去除焊料融液中的气泡，并且，本发明涉及接合组装装置的工作方法还有选择地包含以下工序：再还原工序，在所述气泡去除工序后，在保持接合温度的状态下，再次将所述减压炉内的气氛设定为正压的氢气气氛；冷却工序，在所述再还原工序后，在将所述减压炉内的气氛设定为正压的氢气气氛的状态下、对所述层叠体进行急速冷却；二次减压工序，在所述冷却工序后，将所述减压炉内进行抽真空；以及在所述二次减压工序后，将所述减压炉内的气氛设定为正压的惰性气体气氛后，开放所述减压炉的工序。

在本发明所涉及的接合组装装置中，接合对象是指，由至少一个被接合构件、与至少一个焊接材料构成的层叠体，尤其是至少在两个被接合构件之间夹持有焊料的任意层叠体。作为这样的接合对象的层叠体，可列举为半导体装置、功率转换器、通电电路、印刷布线板等，但并不局限于此。以下中，以制造半导体装置为一个示例来说明本发明，但本发明所涉及的接合组装装置的工作方法并不局限于用于特定装置的制造。参照图3，一般经由绝缘基板-金属基座接合用焊接材料3将绝缘基板2层叠到在金属基座1上，并经由硅芯片-绝缘基板接合用焊料5将硅芯片4层叠至其上方，从而构成作为接合组装对象的层叠体10。此外，图3中，作为半导体元件的一个示例，列举了硅芯片来进行说明，本发明中的作为接合对象的半导体元件并不局限于硅芯片，还可列举出SiC芯片、GaN芯片，但并不局限于此。

作为构成半导体元件的集电极电极面、金属基座、以及绝缘基板表面的典型的被接合构件(接合母材)，可列举出金(Au)、铜(Cu)、银(Ag)、镍(Ni)及/或以其一种以上为主要成分的合金，但并不局限于此。作为典型的焊接材料，可以使用铅回流焊料、优选使用熔点约190～290℃的铅回流焊料，更优选使用熔点约210～290℃的铅回流焊料。作为优选的实施方式，优选使用熔点为190～290℃的铅回流的含Sn的焊料。含Sn的铅回流焊料包含：Sn焊料、Sn-Ag类焊料、Sn-Cu类焊料、Sn-Sb类焊料(熔点：约190～290℃)、Sn-Bi类(熔点：约270℃)等。更优选为Sn-Ag类焊料。Sn-Ag类焊料包含：Sn-Ag、Sn-Ag-Cu、Sn-Ag-Bi、Sn-Ag-Cu-Bi、Sn-Ag-Cu-In、Sn-Ag-Cu-S、以及Sn-Ag-Cu-Ni-Ge等。更优选为Sn-3.5Ag-0.5Cu-0.1Ni-0.05Ge焊料、或Sn-3.5Ag-0.5Cu焊料。同样，Sn-Sb类焊料也广泛用于功率器件的芯片接合(diebonding)。Sn-Sb类焊料包含Sn-Sb、Sn-Sb-Ag、Sn-Sb-Ag-Cu、Sn-Sb-Ag-Cu-Ni等。优选是Sn-5Sb、Sn-8Sb、Sn-13Sb、Sn-8Sb-3Ag、Sn-8Sb-3Ag-0.5Cu、Sn-8Sb-3Ag-0.5Cu-Ni0.03～0.07wt.％等。另外，焊接材料可以是焊料板，也可以是糊料状焊料，其形式没有限定。

作为预先准备，如图3所示，层叠多个被接合构件以及焊接材料，形成层叠体10。接着，将该层叠体10放置于减压炉11内的传送台13上。可以利用合适的装置来将层叠体10放置于传送台13上，也可以人工执行。本发明所涉及的批量式接合组装装置中，以一次操作来进行接合的层叠体10可以如图所示那样是一个，也可以是多个。

图4是表示使用本发明所涉及的接合组装装置的半导体装置的制造方法中的、构成层叠体的焊料的温度分布、金属线通电、腔内气氛及压力、以及处理动作的一个示例的时序图。将层叠体10装载至传送台13上，按照图4所示的时序图来开始焊接，之后，密封投入有层叠体10的减压炉11，减压装置30工作，开始对炉内进行减压(时刻T0)。该脱气处理时，传送台13处于远离于热板16及冷却板15的待机状态，即位于图1的位置A。在时刻T0～T8的操作中，减压装置30优选为设定成始终工作的状态，持续对减压炉11内进行排气。

在所述一次减压工序后，进行如下热线式加热工序：使所述减压炉内设定为负压的氢气气氛，对减压炉内的金属线进行加热，生成原子氢(时刻T1至T2)。所述工序中，也能在负压的氢气气氛下，进行一次还原工序，即利用原子氢使被接合构件与焊接材料还原。本说明书中，负压是指低于101.3×10³Pa的压力。氢分子气体的流量例如由质量流动控制器等进行控制。

热线式加热工序中，若减压炉11内的真空度为1～10Pa、例如达到5.7319Pa，则开始对减压炉11内导入氢分子气体(时刻T1)。另外，传送台移动到热板16上方不被热板16直接加热的位置、即图1的位置B。也就是说，传送台移动到金属线与层叠体能在热线式加热处理中确保恰当的位置关系及距离的位置。减压炉11内的压力变为1～100Pa、优选为1～50Pa的情况下，通过通电来加热金属线12。图4的图中，将向金属线12通电的时刻或能进行通电的时刻记作“金属线通电”。在金属线12的温度例如达到1600℃的情况下，减压炉11内的氢分子气体被分解，变为具有较高还原能力的原子氢的状态。此外，在其它实施方式中，也可以在时刻T1，传送台移动到热板16的上方、受到热板16的加热的位置，也就是说移动到图1的位置C，在加热层叠体10的同时，对金属线通电。

金属线12的优选加热温度因构成金属线12的金属材料或合金材料的不同而不同，例如在使用钨来作为金属线的情况下，加热温度可以设为1600～1800℃。构成层叠体10的各构件表面的还原处理所需的金属线12的加热持续时间(时刻T1与时刻T2之间的时间)例如可设为10秒～5分钟，优选为30秒～120秒。金属线12的优选加热时间也因构成金属线12的金属材料或合金材料的不同而不同，例如在使用钨来作为金属线的情况下，加热时间可以设为30秒～120秒。另外，此时的金属线12与层叠体10的距离优选设定为30～150mm，更优选设定为50～100mm。通过将金属线12的加热温度、通电时间以及金属线12与层叠体10的距离设定为恰当的范围，从而能防止构成金属线12的金属材料对层叠体10的污染等。

此期间，对氢分子气体流量进行控制，以使得减压炉11内的压力例如保持在1～100Pa、优选为10～50Pa，并同时持续对炉内进行减压(排气)。由此，利用原子氢的还原反应的结果是，所生成的放出至减压炉内的气氛的物质、例如属于水或氢化物的硫化氢、氯化氢等作为排气c排出至减压炉11外。另外，在金属线12通电的期间，同时利用热板16对构成层叠体10的各构件进行加热，使得构成层叠体10的焊接材料3、5的温度变为约100～200℃，该温度因构件的不同而有所不同。由此，在热线式加热工序中，能够在比利用现有的氢分子气体进行还原所需的温度要低的温度下实现还原效果。此外，在热线式加热工序中，也可以使用氨气、四氟化碳、六氟化硫等含卤气体以代替作为原子氢源而导入炉内的氢分子气体，或者一起使用。

时刻T2中，停止对金属线12通电，金属线加热结束。另外，传送台13从位置B移动至位置C。在热线式加热工序后执行加热工序，将所述减压炉内的气氛设定为正压的氢气气氛，加热至接合温度，使所述焊接材料熔融(时刻T2至T3)。所述工序也称作二次还原工序，在热线式加热工序后，将所述减压炉内的气氛设定为正压的氢气气氛，使所述层叠体的各构件的至少被接合表面还原。本说明书中，正压是指高于101.3×10³Pa的压力。加热工序中，对减压炉11内导入氢分子气体，将炉内设定为正压的氢气气氛。隔着移动到位置C的传送台13对层叠体10进行加热，保持该状态，直到到达目标接合温度为止。图4中的时刻T3～T5中的恒定温度表示接合温度。可以将升温速度设定为每秒约1～30℃，优选设定为每秒约5～10℃。

此处，热板16的温度优选为高于焊料的液相线温度约25℃左右以上的温度。例如在使用液相线温度为221℃的Sn-3.5Ag焊料来作为硅芯片-绝缘基板接合用焊接材料5、且使用液相线温度为243℃的Sn-8Sb焊料来作为绝缘基板-金属基座接合用焊料3的情况下，考虑热板16的面内的偏差，能够将热板16的温度设定为270～280℃。另外，例如在使用液相线温度为221℃的Sn-Ag类焊料来作为硅芯片-绝缘基板接合用焊接材料5、且使用液相线温度为219℃的Sn-3.0Ag-0.5Cu焊料来作为绝缘基板-金属基座接合用焊料3的情况下，若按照上述所述那样，则热板16的温度为245～250℃。然而，鉴于氢分子的还原效果在250℃以上显著发挥，优选为，用于充分发挥还原力的热板16的加热温度为290℃以上，350℃以下。此外，半导体元件为SiC芯片的情况下，热板16的加热温度例如可以为290℃～500℃左右，但并没有限定于特定的加热温度。

在达到目标接合温度为止的升温过程中(时刻T2～T3)，减压炉11内的压力为正压，因此层叠体10的各构件的间隙容易渗透氢分子气体，氢分子气体的还原作用也会发挥作用。因此，绝缘基板-金属基座接合用焊接材料3、硅芯片-绝缘基板接合用焊料5、绝缘基板2及金属基座1的各表面的还原得到促进，被接合表面、例如进行引线接合的表面等的湿润性得到保证。另外，各焊接材料3、5熔融，此时产生的气泡中填充有氢分子气体，由此，气泡活性化。也就是说，气泡中的气体成分被置换成氢，通过之后的时刻T3～T5中的气泡除去工序、以及再还原工序，使其充分活性化。焊接材料3、5熔融的期间，减压炉11内的氧浓度例如保持在30ppm以下，优选保持在10ppm以下，且露点保持在-30℃以下，优选保持在-50℃以下。

所述加热工序后，实施气泡除去工序，即，在若层叠体10的构成构件达到目标接合温度后，在保持于接合温度的状态下将所述减压炉内再次设定为真空气氛，从而去除焊料融液中的气泡(时刻T3至T4)。在气泡除去工序中，再次开始对减压炉11内进行减压(时刻T3)。然后，在减压炉11内的真空度例如达到10Pa之后，进一步持续例如30秒～1分钟的减压。由此，减压炉11内的真空度大致达到1Pa。通过该持续的减压，因焊接材料与被接合构件之间的湿润不足而产生的气泡、以及因包含在焊料中的溶解气而产生的气泡这两种气泡几乎均被除去。此处，使减压的持续时间(T3～T4)为30秒～1分钟是由于，在进行急剧的减压等情况下，液体中产生的气泡急剧地排出到外部时，与气泡被弹出的作用相同，焊料可能发生飞溅，产生焊球或焊料飞溅到外周部，且即使减压的持续时间长于1分钟，也无法获得进一步的气泡去除效果。

时刻T3至T4的期间，可以仅进行减压，而不将氢分子气体导入减压炉11内。或者，在时刻T3开始减压后，一旦真空度达到例如1～10Pa左右后，在到达时刻T4之前的期间，可以再次实施一次以上的热线式加热工序。也就是说，对炉内提供氢分子气体，将炉内压力设定为1～100Pa、优选为10～50Pa之后，对金属线12进行通电，利用原子氢进行还原处理。此时，在时刻T3至T4的期间，也可以仅对金属线12通电一次，也可以以通电及停止通电作为一组，重复多组。也就是说，也可以间断地重复一次以上将减压炉11内设定为负压的氢气气氛、对金属线12进行加热、产生原子氢的发热热线式加热工序。能够对氢流量及炉内压力进行控制，以使得在以通电与停止通电为一组来重复的情况下，在对金属线12通电的时刻，炉内压力变为1～100Pa，优选为10～50Pa，在停止通电的时刻，变为接近于真空的压力、例如为1～10Pa。另外，能够将通电时刻如上所述那样设定为10秒～5分钟，优选为，将停止通电的时间设定为30秒～120秒。在重复向金属线12进行通电、与停止通电的情况下，重复次数优选设定为2～5次，但并不局限于特定次数。此外，图4中，在时刻T3～T4间，记作“金属线通电”表示能在该区间进行通电，而并不是必须要在该区间内持续通电。

在所述气泡去除工序后实施再还原工序，在保持接合温度的状态下，再次将所述减压炉内的气氛设定为正压的氢气气氛(时刻T4～T5)。所述工序是接着时刻T1～T2中的利用原子氢的一次还原工序、时刻T2～T3中的利用氢分子气体的二次还原工序之后的还原工序，可称作三次还原工序。在还原工序中，首先再次向炉内导入氢分子气体(时刻T4)。在减压炉11内的压力到达正压之后，进一步持续30秒～1分钟以上5分钟左右来导入氢分子气体(T4～T5)。其中，该时间因加热对象的层叠体的大小的不同而发生变化，因此并不局限于该时间。持续导入氢分子气体是为了，如上所那样持续1分钟的减压时，焊料3、5中的气泡被去除到焊接材料3、5之外时，残留在焊料3、5中的隧道状的孔(气泡通过的痕迹)因氢分子气体的还原作用而被密封。也就是说，焊接材料3、5中的气泡充满有氧化成分的气体，因此在该气泡通过时所接触到的焊料部分发生氧化。因此，气泡通过部分的焊料可能不湿润，而留下隧道状的开口气泡。通过在时刻T4～T5中实施再还原工序，使得该开口气泡中充满氢分子气体，从而氧化的内表面被还原，焊料的湿润更好，开口气泡被焊料填埋。

另外，持续导入氢分子气体的另一个理由在于，通过利用氢分子气体来还原、并利用热板16来进行加热保持，从而降低焊接材料5的表面张力，由此使焊料圆角形状稳定，提高焊料开裂发生寿命。若不持续导入氢分子气体而在炉内减压后立刻开始冷却使焊接材料凝固，则焊接材料的表面张力较大，使得焊料圆角形状不均一，可能使得因温度周期等而产生的焊料开裂的发生寿命变短。为了降低焊接材料5的表面张力，可以在时刻T4～T5，将焊接材料5加温保持在接合温度，或将焊接材料5暴露于氢分子气体中的时间加长，或者将这两种做法相结合。然而，即使使持续导入氢分子气体的时间加长超过1分钟，填埋气泡通过的痕迹的孔的效果、焊料圆角形状的稳定化效果也没有较大的变化，因此优选将氢分子气体的持续导入时间设定为30秒～1分钟。

本发明的某个实施方式中，可以重复多次所述热线式加热工序至加热工序(T1～T3)。也就是说，也可以将该时刻T1～T3的操作设为1个周期，重复T1～T3的多个周期，例如重复2～5个周期。通过重复T1～T3的多个周期，能在焊料熔融前，有效地改质金属表面。

或者，也可以不重复上述时刻T1～T3的操作，或者在重复T1～T3的操作的同时，重复多次时刻T3～T5的气泡去除工序以及再循环工序。作为一个示例，在接合大面积基板的情况、气泡较难去除的情况下，可以以T3～T5的气泡去除工序以及再循环工序的操作为一个周期，重复T3～T5的多个周期，例如重复2～5个周期。由此，通过重复减压与加压，熔融中的焊料发生摇动，气泡易于去除，因此能获得气泡去除效果。其中，大多情况下，当气泡去除工序的重复次数达到5次以前，随着次数的增加，气泡率会变小，而若重复6个周期以上，则无法获得更佳的效果。

也可以在上述重复操作的基础上，重复多次T1～T5。

在再还原工序后，实施冷却工序，即、将减压炉11内设定为正压的氢气气氛的状态下，对层叠体10进行急速冷却(时刻T5～T6)。在冷却工序中，传送台13在轨道14上移动，从热板16移动到冷却板15(位置D)。由此，开始对层叠体10进行冷却(时刻T5)。层叠体10例如以每分钟300℃的速度进行冷却。此时，炉内维持正压的氢气气氛。

将焊料的冷却速度(凝固速度)考虑在内来选定冷却板15的温度及冷却时间。也就是说，在本实施方式中，由于同时对热膨胀系数不同的硅芯片4与绝缘基板2与金属基座1进行焊接，因此在焊接完成的状态下，热膨胀系数最大的金属基座1可能发生翘曲，使得向绝缘基板2一侧呈凸状。

在该影响下，通过焊料接合层相接合的层叠体10上可能发生最大0.3mm左右的翘曲。该翘曲若保持到接下来的引线接合工序，则其将成为电特性不良的发生原因，因此需要在引线接合前消除翘曲。为此，使绝缘基板2与金属基座1之间的焊料接合层在短时间内蠕变即可。

为了加快蠕变速度，优选为，将冷却速度设定为每分钟250℃以上，例如设定为每分钟300℃。本申请人在日本专利特开2003-297860号公报中示出了在冷却速度为每分钟250℃以上的情况下，金属基座1的翘曲在24小时内收敛于0～-0.1mm的范围(“-”表示向绝缘基板2一侧凸出)，从而能消除对引线接合的消极影响。换言之，在冷却速度在每分钟250℃以下的情况下，金属基座1的翘曲无法充分恢复，可能会对引线接合带来消极影响。另外，若加速焊料的蠕变从而尽可能在之前的工序中去除接合后的层叠体10的残留应力，则能使金属基座1的变形稳定。因此，选定冷却板15的温度及冷却时间，使得焊料的冷却速度变为每分钟250℃以上。

然后，在所述冷却工序后，实施对所述减压炉内进行抽真空的二次减压工序(时刻T6～T7)。在二次减压工序中，若层叠体10的温度例如变为50～60℃，则开始排出减压炉11内的氢(时刻T6)。

在所述二次减压工序后，将所述减压炉内的气氛设定为正压的氮气气氛后，实施开放所述减压炉的工序(时刻T7～T8)。在所述工序中，通过排出氢，使得减压炉11内的真空度例如变为1～10Pa后，对减压炉11内导入氮气(时刻T7)。然后，减压炉11内被氮气置换，炉内的氢浓度达到爆炸界限以下之后，开放减压炉11(时刻T8)。图4的时刻T0～T8的一连串的操作能大致在15分钟内完成，但也因重复工序的次数而有所不同。然后，通过这一连串的操作，所获得的半导体装置具有无气泡且质量高的接合层。此外，此处以氮气气氛为一个示例来进行说明，但并不局限于氮气，也可以使用任意的惰性气体，来设定为惰性气体气氛。

然而，例如在硅芯片4等元件为5mm见方以下的尺寸的情况下，硅芯片-绝缘基板接合用焊接材料5的尺寸也在5mm见方以下。在上述那样硅芯片及焊接材料的尺寸显著较小的情况下，焊接的预先准备可能较费时，或者硅芯片4与焊接材料5的对准不充分，发生接合不良。因此，在焊接上述尺寸的硅芯片4的情况下，优选利用本发明所涉及的接合组装装置来进行预焊接，预先在硅芯片4的背面、例如集电极电极面设置硅芯片-绝缘基板接合用焊料5。尤其是，若作为焊接材料，使用以容易氧化的Sn为主要成分且不含有Pb的焊料，则减压炉11内的氧浓度为数十ppm以下的极低的氧气气氛，因此能极力地减少预焊接后的焊料的表面氧化膜。然后，同样地能够使用本发明所涉及的接合组装装置，并利用通过预焊接而设置于硅芯片4背面的焊料，将硅芯片4焊接于绝缘基板2。此外，预焊接并不是仅对上述那样尺寸较小的硅芯片4等元件进行的处理，对于更大尺寸的硅芯片4等元件等、任意的元件进行预焊接时，也能有效地适用本发明所涉及的半导体装置的制造方法。

工业上的实用性

本发明所涉及的半导体装置的制造装置及其工作方法优选用于IGBT模块、IPM等功率模块的制造中。

标号说明

1金属基座

2绝缘基板

3绝缘基板-金属基座接合用焊接材料

4硅芯片

5硅芯片-绝缘基板接合用焊接材料

10层叠体

11减压炉

110炉主体

111盖体

112密封件

113排气口

12金属线

13传送台

14传送轨道

15冷却板

16热板

17氢气导入管

18惰性气体导入管

20冷却器

30减压装置

a氢分子气体

b氮气

c排气

d冷却水

Claims (15)

1.一种接合组装装置，其特征在于，

所述接合组装装置的减压炉内具备如下构件：

金属线；

传送台，该传送台对由至少一个被接合构件与至少一个焊接材料构成的层叠体进行支承，且能在水平方向及垂直方向移动；

水平方向上分开设置的冷却板及热板，所述冷却板能隔着所述传送台对所述层叠体进行冷却，所述热板能隔着所述传送台对所述层叠体进行加热；

活性种生成气体导入管；

惰性气体导入管；以及

排气口，

该接合组装装置还包括对所述金属线进行加热的加热单元,

所述金属线与所述热板分离设置。

2.如权利要求1所述的接合组装装置，其特征在于，

所述金属线是从钨、钼、铂金、镍、铼中选出的金属，或者是由上述金属中的一种以上的金属构成的合金，通过将所述金属线加热至1000℃，来加热分解活性种生成气体，生成原子氢。

3.如权利要求1或2所述的接合组装装置，其特征在于，

所述金属线在所述减压炉的上部设置在所述热板的上方。

4.如权利要求3所述的接合组装装置，其特征在于，

所述金属线设置于所述热板的上方，以覆盖所述热板的整个区域。

5.如权利要求1或2或4所述的接合组装装置，其特征在于，

所述金属线与所述传送台的垂直方向距离能在30mm～150mm的范围内调节。

6.如权利要求1或2或4所述的接合组装装置，其特征在于，

所述活性种生成气体导入管具备多个向所述金属线导入活性种生成气体的吹出口，从所述吹出口经由所述金属线向所述热板均匀地喷出活性种生成气体。

7.如权利要求1或2或4所述的接合组装装置，其特征在于，

还具备所述减压炉内的压力监视装置。

8.一种如权利要求1至7中任一项所述的接合组装装置的工作方法，其特征在于，具备如下工序：

一次减压工序，对投入有层叠体的减压炉内进行抽真空，所述层叠体包含至少一个被接合构件与至少一个焊接材料；

热线式加热工序，在所述一次减压工序后，将所述减压炉内的气氛设定为负压的氢气气氛，对所述金属线进行加热，生成原子氢；

加热工序，在所述热线式加热工序后，将所述减压炉内的气氛设定为正压的氢气气氛，加热至接合温度为止，使所述焊接材料熔融；以及

气泡去除工序，在所述加热工序后，在保持接合温度的状态下，再次将所述减压炉内的气氛设定为真空气氛，从而去除焊料融液中的气泡。

9.如权利要求8所述的接合组装装置的工作方法，其特征在于，

在所述气泡去除工序中，断续地重复一次以上热线式加热工序，所述热线式加热工序将所述减压炉内的气氛设定为负压的氢气气氛，对所述金属线进行加热，生成原子氢。

10.如权利要求8或9所述的接合组装装置的工作方法，其特征在于，

在所述热线式加热工序中，将氢分子气体提供至减压炉内，使得该氢分子气体与所述金属线接触后，被供给至所述层叠体。

11.如权利要求8或9所述的接合组装装置的工作方法，其特征在于，

在所述气泡去除工序后还包含再还原工序，在保持接合温度的状态下，再次将所述减压炉内的气氛设定为正压的氢气气氛。

12.如权利要求11所述的接合组装装置的工作方法，其特征在于，

在所述再还原工序后还包含冷却工序，在将所述减压炉内的气氛设定为正压的氢气气氛的状态下、对所述层叠体进行急速冷却。

13.如权利要求12所述的接合组装装置的工作方法，其特征在于，

还包含如下工序：

在所述冷却工序后，将所述减压炉内进行抽真空的二次减压工序；以及

在所述二次减压工序后，将所述减压炉内的气氛设定为正压的惰性气体气氛后，开放所述减压炉的工序。

14.如权利要求8、9、12、13中任一项所述的接合组装装置的工作方法，其特征在于，

多次重复所述热线式加热工序至所述加热工序。

15.如权利要求11所述的接合组装装置的工作方法，其特征在于，

多次重复所述气泡去除工序至所述再还原工序。