JP2004351480A - ろう付け方法及びろう付け装置 - Google Patents

Abstract

【課題】生産性を向上させ、また装置を安価とすることができるろう付け方法を得る。
【解決手段】この発明に係るろう付け方法は、ろう材を球状とすることで酸化を抑制できる第１の酸素濃度の雰囲気の中で、溶融ろう材を球状に成形しその後硬化させる球状ろう材形成工程と、球状のろう材を接合物２と被接合物３との間に挟み、ろう材接合に最適な第１の酸素濃度より低い第２の酸素濃度の雰囲気の中で、球状のろう材を再溶融させ、この溶融ろう材により接合物と被接合物とをろう付けするろう付け工程とを有する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、トンネル型加熱炉及び密閉型加熱炉を用いたろう付け方法及びろう付け装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、ろう材としてはんだを用いる従来のはんだ付け装置（ろう付け装置）は、はんだの酸化を抑制する目的で、はんだ付けを行う装置機構が、内部を所定の酸素濃度の窒素雰囲気に保つカバー内にすべて収められている。また、接合物の投入・排出の為の出入口は、エアカーテンにより装置内部の雰囲気と大気とて仕切られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、はんだ付け工程の前には、はんだ表面に形成された酸化膜をはんだ融点以上の温度の水素を吹き付けることで還元させ、その後、はんだ付けを行っている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−２０２３６２号公報
【特許文献２】
特開平６−２９１４５７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような構成の従来のろう付け方法及びろう付け装置においては、生産性が悪く、また装置が高価なので改善が求められていた。
【０００６】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、生産性を向上させ、また装置を安価とすることができるろう付け方法及びその方法をによりろう付けを行うろう付け装置を得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るろう付け方法は、第１の酸素濃度の雰囲気の中で溶融ろう材を球状に成形しその後硬化させる球状ろう材形成工程と、球状のろう材を接合物と被接合物との間に挟み、第１の酸素濃度より低い第２の酸素濃度の雰囲気の中で、球状のろう材を再溶融させ、この溶融ろう材により接合物と被接合物とをろう付けするろう付け工程とを有する。
【０００８】
また、この発明に係るろう付け方法は、第１の酸素濃度の雰囲気の中で溶融ろう材を球状に成形しその後硬化させることにより、球状のろう材を作製する球状ろう材形成工程と、球状ろう材形成工程にて作製された球状のろう材を、接合物上に配置するろう材載置工程と、接合物上に、球状のろう材を挟むようして被接合物を重ね、第１の酸素濃度より低い第２の酸素濃度の雰囲気の中で、球状のろう材を再溶融させ、この溶融ろう材により接合物と被接合物とをろう付けするろう付け工程とを有する。
【０００９】
この発明に係るろう付け装置は、所定の空間内を第１の酸素濃度の雰囲気に保持する第１雰囲気保持手段と、第１の酸素濃度の雰囲気の中で、溶融ろう材を球状に成形しその後硬化させる球状ろう材形成手段と、所定の空間内を第１の酸素濃度より低い第２の酸素濃度の雰囲気に保持する第２雰囲気保持手段と、第２の酸素濃度の雰囲気の中で、球状のろう材を再溶融させ、この溶融ろう材により接合物と被接合物とろう付けするろう付け手段とを有する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
本実施の形態においては、本発明のろう付け方法及びろう付け装置として、ろう材としてはんだを用いるはんだ付け方法及びはんだ付け装置について述べるが、接合材料として用いられるろう材としては、はんだ（錫と鉛の合金）に限られるものでなく、低融点の金属を溶融して接合物と被接合物とを接合するもの（例えば、亜鉛と銅の合金、銀、等）であれば、広く適合できるものである。本実施の形態のろう付け方法及びろう付け装置は、ろう材としてはんだを用い、また、接合物と被接合物として、電力用半導体装置のベース板と絶縁基板、及び絶縁基板と電力用半導体素子を接合するろう付け方法及びろう付け装置である。
【００１１】
図１はこの発明の実施の形態１のはんだ付け装置の側断面図である。図２は図１のはんだ付け装置の第１工程装置のＡ−Ａ線に沿う矢視断面図である。図３は図２の第１工程装置のＢ−Ｂ線に沿う矢視断面図である。本実施の形態のはんだ付け方法は、第１工程から第５工程までを有している。このうち、第１工程が、球状はんだ形成工程を構成し、第２工程から第５工程が、はんだ付け工程を構成している。また、本実施の形態のはんだ付け装置（ろう付け装置）１００は、この第１工程から第５工程に対応する第１工程装置１０１から第５工程装置１０５から構成されている。
【００１２】
はんだ付け装置１００は、絶縁基板（接合物）２と電力用半導体素子（被接合物）３とをはんだ付けする。第１工程では、溶融はんだを絶縁基板２上に球状になるように形成する（球状ろう材形成工程）。第１工程装置１０１は、絶縁基板２と電力用半導体素子３を載せるトレイ４、それを加熱するためのヒータプレート２０、及び、はんだを溶融状態で保持するためのはんだ槽（ろう材槽）２７を有している。
【００１３】
第１工程装置１０１は、さらに、はんだ槽２７内の溶融はんだ表面にできた酸化膜を掻き取る図示しないスクレーパ、はんだ槽２７内の溶融はんだを吸引し、所定量塗布する注射器状器具２２、注射器状器具２２ではんだを吸引、吐出する際の注射器状器具２２の内筒を上下動させる図示しない移動機構、注射器状器具２２をはんだ槽２７上及び絶縁基板２のはんだ塗布位置に移動させる図示しない移動機構、雰囲気ガス投入するための図示しないガス導入配管、炉外からトンネル型加熱炉１１へトレイ４を搬送する図示しない搬送機構、第１工程装置１０１から第２工程装置１０２へトレイ４を搬送する図示しない搬送機構を有している。
【００１４】
ここで、ヒータプレート２０、注射器状器具２２とその内筒２２ｂを移動させる移動機構はトンネル型加熱炉１１の外部に設置されている。注射器状器具２２は、トンネル型加熱炉１１の上部に設置された可動できる開口部に先端が挿入されており、注射器状器具２２が図示しない移動機構によって水平移動した際、その移動にともない、その開口部も一緒に移動する。開口部両端には、ぜんまいバネ２４が設置されており、開口部が移動すると、一端のぜんまいバネ２４ｂは、リール２４ａに巻き取られ、他方のぜんまいバネ２４ｂはリール２４ａから繰り出され、ぜんまいバネ２４ａがシャッターの役割をする。このような構造にすることで外部に開放されている開放部分を極力少なくし、酸素濃度が上昇しないよう注意が払われている。このトンネル型加熱炉１１の接合物投入口、接合物排出口に扉を設けると、酸素濃度の上昇をさらに抑制することができる。
ここで第１工程装置１０１のトンネル型加熱炉１１は、第１雰囲気保持手段を構成している。第１工程装置１０１のその他の機器は、球状はんだ形成手段（球状ろう材形成手段）を構成している。
【００１５】
第２工程装置１０２から第５工程装置１０５は、第１工程装置１０１で供給された球状のはんだを再溶融させ、電力用半導体素子３を絶縁基板２上に載置しはんだ付けをする（ろう付け工程）。図１に示すように、はんだ付けは密閉型加熱炉１２内で行なわれ、この密閉型加熱炉１２は３室に分かれており、前室１２ａ、加熱室１２ｂ、後室１２ｃからなっている。加熱室１２ｂは常時低酸素濃度雰囲気に保たれた部屋であり、加熱室１２ｂに対して、この低酸素濃度の雰囲気を乱すことなくトレイ４を供給、排出するために前室１２ａ、後室１２ｃがさらに設けられている。
【００１６】
第２工程装置１０２は、常時低酸素濃度である加熱室１２ｂの雰囲気を乱さずにトレイを効率よく加熱室１２ｂに供給するために、内部の酸素濃度を任意に変化できる構造になっている。その構造は、前室１２ａを密閉空間にするための、前室入口密閉扉１３、前室出口密閉扉１４、前室１２ａ内を低酸素濃度にする際に真空引きする図示しない真空ポンプ、真空ポンプで前室１２ａ内を真空から大気圧に戻すための雰囲気ガスを供給する図示しないガス導入配管、第２工程装置１０２から第３工程装置１０３へトレイ４を搬送する図示しない搬送機構を備えている。前室入口密閉扉１３と前室出口密閉扉１４は閉状態でリークがないよう、例えばＯリングでシールされている。
【００１７】
第３工程装置１０３と第４工程装置１０４は、加熱室１２ｂ内にあり、低酸素濃度雰囲気でトレイ４に載せられた絶縁基板２、電力用半導体素子３を加熱、電力用半導体素子３を絶縁基板２上に載置し、はんだ付けする。その構造は、加熱室１２ｂ内に雰囲気ガスを供給するための図示しないガス導入配管、雰囲気ガスを供給することで、加熱室１２ｂ内の圧力が大気圧を超えた場合、大気圧へ減圧するための図示しない真空ポンプ、第３工程装置１０３において、トレイ４に載せられた絶縁基板２、電力用半導体素子３を加熱するためのヒータプレート（加熱手段）２８、第４工程装置１０４において、トレイ４に載せられた絶縁基板２、電力用半導体素子３の温度を保持するためのヒータプレート３０、ヒータプレート３０に振動を加える振動子（加振手段）３３、電力用半導体素子３を吸着するための吸着パッド３１、吸着パッド３１を電力用半導体素子３や絶縁基板２上の電力用半導体素子３のはんだ付け位置へ移動させる図示しない移動機構、第３工程装置１０３から第４工程装置１０４、第４工程装置１０４から第５工程装置１０５へトレイ４を搬送する図示しない搬送機構から成っている。
【００１８】
第５工程装置１０５は、常時低酸素濃度である加熱室１２ｂの雰囲気を乱さずにトレイを加熱室１２ｂから排出するために、酸素濃度を任意に変化させることができる構成になっている。その構成は、後室１２ｃを密閉空間にするための、後室入口密閉扉１５、後室出口密閉扉１６、後室１２ｃ内を低酸素濃度にする際に真空引きする図示しない真空ポンプ、真空ポンプで後室１２ｃ内を真空から大気圧に戻すための雰囲気ガスを供給する図示しないガス導入配管、第５工程装置１０５から第６工程装置１０６へトレイ４を搬送する図示しない搬送機構を備える。後室入口密閉扉１５と後室出口密閉扉１６は閉状態でリークがないよう、例えばＯリングでシールされている。
ここで第２工程装置１０２の密閉型加熱炉１２は、第２雰囲気保持手段を構成している。第２工程装置１０２のその他の機器は、ろう付け手段を構成している。
【００１９】
第６工程装置１０６は、はんだ付けされた電力用半導体素子３と絶縁基板２が載せられたトレイ４を冷却する。その構成は、トンネル型冷却炉１７内に、トレイ４を冷却する冷却プレート、トンネル型冷却炉１７から炉外へトレイ４を搬送する図示しない搬送機構から成っている。
【００２０】
このように構成されたはんだ付け装置１００により、絶縁基板２と電力用半導体素子３とは以下のようにしてはんだ付けされる。図６は、はんだ付け装置１００によって絶縁基板２と電力用半導体素子３をはんだ付けする手順を示すフローチャート、及び、その時の雰囲気を形成するカバー構造を示している。本実施の形態の手順を、図６（ａ）を用いて以下に説明する。
【００２１】
まず、第１工程（球状はんだ形成工程）において、絶縁基板２と電力用半導体素子３が載せられたトレイ４が図示しない搬送機構でトンネル型加熱炉１１内のヒータプレート２０上へ搬送される。トンネル型加熱炉１１（第１雰囲気保持手段）内の酸素濃度は、好ましい濃度として、例えば３００ｐｐｍ（第１の酸素濃度）程度に保たれている。その後、ヒータプレート２０でトレイ４をはんだ融点以下で加熱する。ただし、はんだが後述する形状に問題なく供給できれば加熱する必要はない。加熱後、はんだが溶融されている状態で温度保持されているはんだ槽２７内のはんだから、図示しないスクレーパにて表面に発生している酸化膜を掻き取る。図示しない移動機構で注射器状器具２２をはんだ槽２７の真上に移動させ、注射器状器具２２の先端をはんだ槽２７内のはんだに挿入し、注射器状器具２２の内筒２２ｂを図示しない移動機構にて上昇させることで、注射器状器具外筒２２ａ内に溶融はんだを所定量吸引する。吸引したはんだは酸化膜等の不純物は含まれていない。
【００２２】
その後、注射器状器具２２の図示しない移動機構およびヒータプレート移動機構２１により、注射器状器具２２の先端が絶縁基板２のはんだ塗布位置になるように移動し、図示しない移動機構にて注射器状器具２２の内筒２２ｂを下降することで溶融はんだを供給する。このときはんだ塗布直後、図９（ａ）及び図９のＸ部拡大図に示されるはんだ５の形状に即硬化するよう塗布する（図６（ａ）ステップＳ１）。
【００２３】
このとき、はんだ形状は、図９のＸ部拡大図に示されるように、濡れ角が９０°以上であることが好ましい。このような形状に塗布するためには、はんだを塗布する部材である絶縁基板２の温度が重要である。絶縁基板２の温度が、はんだ融点を超えた温度に設定されていると、塗布後はんだは濡れ広がり、図９（ｂ）のはんだ５のような状態になる。逆に温度が低すぎると注射器状器具で溶融はんだを塗布中に硬化が始まり、絶縁基板２に塗布したはんだと注射器状器具２２先端のはんだとが切れなくなり、塗布が正常完了できない、または塗布精度が劣化する。よって、絶縁基板２の温度は、例えば、２３７℃が融点のはんだの場合、約１７０℃程度である。はんだを球状に形成する理由は、後述する第３工程装置１０３にてはんだを再溶融させた時、本工程ではんだ表面に発生した極少量の酸化膜は、再溶融することで自発的に破壊させ、はんだの新鮮面を表面に露出させるためである。すなわち、酸化膜の形成される表面積が出来るだけ小さく、体積は大きな方が有利であるため、はんだを球状に形成する。また、はんだ塗布後に即硬化させる理由は、図９（ａ）の形状を得るためのほかに、はんだ塗布後のはんだ表面の酸化の進行を止めるためである。その後、図示しない搬送機構で第２工程装置１０２へトレイ４を搬送する。
【００２４】
次に第２工程では、加熱室１２ｂの低酸素濃度雰囲気（好ましくは酸素濃度３０ｐｐｍ未満）を乱さずに、トンネル型加熱炉１１から加熱室１２ｂへトレイ４を搬送する。その具体的な動作を以下に示す。第２工程装置１０２（前室１２ａ）内の各扉の初期状態は、前室入口密閉扉１３は開、加熱室１２ｂ内は低酸素濃度雰囲気に保たれているので、前室出口密閉扉１４は閉である。この状態で、第１工程装置１０１から前室１２ａへトレイ４が搬送される。その後、前室入口密閉扉１３が閉まり、図示しない真空ポンプで所定の圧力（例えば、絶対圧１３．３３Ｐａ（０．１Ｔｏｒｒ））まで真空引きが行われ、図示しないガス導入配管により雰囲気ガスで大気圧に戻す。このように前室１２ａ内を真空引き後のガス置換を行うことで加熱室１２ｂと同等の酸素濃度にすることができる。前室１２ａが加熱室１２ｂと同雰囲気になったところで、前室出口密閉扉１４を開き、図示しない搬送機構でトレイ４を第３工程装置１０３へ搬送し、前室出口密閉扉１４を閉じ、前室入口密閉扉１３を開き、次のトレイが搬送されてくるのを待機する。
【００２５】
次に第３工程では、絶縁基板２と電力用半導体素子３が載せられたトレイ４をはんだ融点以上にヒータプレート２８で加熱し、第１工程装置１０１において塗布された球状のはんだを溶融させる（図６（ａ）ステップＳ２）。その状態を図９に示す。溶融したはんだは、新鮮面が露出している。この状態で図示しない搬送機構で第４工程装置１０４へトレイ４を搬送する。
【００２６】
次に第４工程４では、絶縁基板２の溶融したはんだ上に電力用半導体素子３を載置し、はんだ付けする（図６（ａ）ステップＳ３）。電力用半導体素子３は、吸着パッド３１で吸着され、図示しない移動機構で移動され、絶縁基板２のはんだ付け位置へ移動される。電力用半導体素子３を絶縁基板２に載置した直後のはんだは、電力用半導体素子３下を自発的に濡れ広がっていく。また、加熱室１２ｂ内の雰囲気でははんだはほとんど酸化しないため、電力用半導体素子３を絶縁基板２のダイパッドから若干外れていても、はんだの濡れ力によってダイパッド内にセルフアライメントされる。
【００２７】
次に第５工程では、加熱室１２ｂの雰囲気を乱さずに、加熱室１２ｂからトンネル型冷却炉１７へトレイ４を搬送する。その具体的な動作を以下に示す。第５工程装置１０５（後室１２ｃ）内の各扉の初期状態は、加熱室１２ｂ内は低酸素濃度雰囲気に保たれているので、後室入口密閉扉１５は閉、後室出口密閉扉１６は開である。この状態で、後室出口密閉扉１６を閉め、図示しない真空ポンプで所定の圧力（例えば、絶対圧１３．３３Ｐａ（０．１Ｔｏｒｒ））まで真空引きし、図示しないガス導入配管により雰囲気ガスで大気圧に戻す。このように後室１２ｃ内を真空引き後のガス置換を行うことで加熱室１２ｂと同等の酸素濃度にすることができる。後室１２ｃが加熱室１２ｂと同雰囲気になったところで、後室入口密閉扉１５を開き、図示しない搬送機構で第４工程装置１０４から第５工程装置１０５へトレイ４を搬送し、後室入口密閉扉１５を閉じ、後室出口密閉扉１６を開き、図示しない搬送機構でトレイ４を第６工程装置１０６へ搬送する。
【００２８】
次に第６工程では、第１工程装置１０１と同様のトンネル型の雰囲気カバー構造で形成された雰囲気内で、第４工程までに加熱されたトレイ４を室温に冷却する（図６ステップＳ４）。冷却は、冷却プレート３２上にトレイを載せることで行い、冷却プレート内は、空気もしくは水を流し、強制的に冷却させた後、図示しない搬送機構でトンネル型冷却炉１７からトレイ４が排出される。
【００２９】
ここで、第１工程装置１０１のトンネル型加熱炉１１内の酸素濃度は、３００ｐｐｍ程度と前述してあるが、はんだの組成や絶縁基板２、はんだの加熱温度により増減する。要は、第３工程において再溶融したはんだが自発的にはんだ表面の薄い酸化膜が破壊され、新鮮面が露出すれば３００ｐｐｍを超えても問題ない。
【００３０】
第１工程から第６工程にて用いられる雰囲気ガスは、窒素等の不活性ガス、または水素、または窒素等の不活性ガスと水素の混合ガスである。窒素等の不活性ガスのみを使用した場合、または混合ガスのうち水素の濃度を４％未満にした場合、雰囲気内や雰囲気に接するロボット等の電気を使用する装置部品に防爆仕様の部品を使用する必要がなくなり、装置を安価に構成することができる。また、水素を使用した場合、部材およびはんだの還元効果が期待でき、はんだの接合品質が向上する。
【００３１】
第１工程装置１０１の溶融はんだを供給する注射器状器具２２の材質は、はんだの融点以上の耐熱があれば問題ない。ただし、低酸素濃度で使用していても長時間使用すると少量の酸化膜が注射器状器具先端で詰まる可能性がある。この場合、ガラス、ステンレス等のはんだが濡れない材質にするとそれを防止することができるとともに、先端にはんだが残らず塗布精度を良くすることができる。
【００３２】
第１工程装置１０１のトンネル型加熱炉１１のカバー構造は、上述した図２に示すものの他に図７、図８に示すような構造でも問題ない。図２の構造でぜんまいバネの寿命が問題になるのであれば、図７に示すような構造でもよい。すなわち、図７に示す構造は、注射器状器具２２の先端が挿入される投入口が空いたプレート３４が注射器状器具２２の図示しない移動機構の水平軸に固定されており、それと一緒に動く構造である。さらに図７の構造で、プレート３４が重く、注射器状器具２２の図示しない移動機構を高速に動作させることができなければ、図８に示すような構造でもよい。すなわち、図８はヒータプレート２０の移動機構２１ではんだ槽２７も同時に動かせ、かつ水平直行２軸動かせるようにすることで、注射器状器具２２は水平に動作させることが不要となり、図示しない移動機構は上下動する軸のみを持つ構造となっている。
【００３３】
尚、本実施の形態の第１工程において、球状のはんだを直接、絶縁基板２上に形成しているが、別の球状はんだ形成工程にて球状のはんだを製作しておき、絶縁基板２上に球状のはんだを供給してもよい（図６（ｃ））。
この場合、別の球状はんだ形成工程（球状ろう材形成工程）にて予め作製されていた球状のはんだを、絶縁基板２上に配置する図示しないはんだ載置手段（ろう材載置手段）を用いるはんだ載置工程（ろう材載置工程）を別に設けることとなる。
【００３４】
第２工程装置１０２から第５工程装置１０５の密閉型加熱炉１２内の酸素濃度は、３０ｐｐｍと前述したが、はんだの組成や絶縁基板２、はんだの加熱温度により増減する。要は、第３工程から第４工程のはんだが再溶融後に酸化膜が発生しない、もしくははんだ付けまでにはんだ付け品質に影響されない程度の酸化しかしない酸素濃度であれば問題ない。また、密閉型の加熱炉でなくても、例えばトンネル型の加熱炉でも必要な酸素濃度が得られればそれを用いても問題ない。具体的には、図１に示すトンネル型加熱炉１１の注射器状器具２２を吸着パッド３１に置き換えたもので、吸着パッド３１の先端のみが、ぜんまいバネ２４に挟まれた開口部を介して雰囲気内に入っている構造等としてもよい。
【００３５】
また、第４工程装置１０４において、電力用半導体素子３を絶縁基板２の溶融はんだ上に載置後、はんだの濡れ広がりが不足する場合、ヒータプレート３０設置されている振動子３３により振動を加えることで濡れ広がりを促進することができる。また、電力用半導体素子３を絶縁基板２上に載置中に振動させながら行うと、濡れ広がりを促進しながらはんだ付けできるので、生産性が向上する。ここで、振動子３３を設置する場所であるが、ヒータプレート３０ではなく、吸着パッド３１に設置しても同様の効果を得ることができる。その他、ボイドが気になるのであれば、第４工程装置１０４にてはんだが溶融している状態で雰囲気を真空引きすればボイドを抜くことができる（第５工程装置１０５にヒータプレートを設置し、後室１２ｃ内ではんだを溶融状態で保てる構造であれば、第５工程装置１０５にて真空引きすればさらに生産性を向上することができる）。また、この真空引きを電力用半導体素子３を載置する前に行い、載置後はんだが十分濡れ広がったことを確認してから、雰囲気の圧力を大気圧へ戻してもボイドを防止することができる。
【００３６】
尚、本実施の形態は、絶縁基板２と電力用半導体素子３をはんだ付け方法について説明したが、ベース板と絶縁基板をはんだ付けするものに適応させる場合には、本実施の形態において、絶縁基板２と電力用半導体素子３をベース板と絶縁基板にそれぞれ置き換えれば実現することができる。
【００３７】
このような構成のはんだ付け方法は、はんだを球状とすることで酸化を抑制できる第１の酸素濃度の雰囲気の中で、溶融はんだを球状に成形し、その後硬化させる球状はんだ形成工程と、はんだ接合に最適な第１の酸素濃度より低い第２の酸素濃度の雰囲気の中で、球状のはんだを再溶融させ、この溶融はんだにより接合物と被接合物とをはんだ付けするはんだ付け工程とを有する。そのため、安価なはんだ付け装置にて、生産性を向上させることができる。
【００３８】
また、このような構成のはんだ付け装置は、所定の空間内を、はんだを球状とすることで酸化を抑制できる第１の酸素濃度の雰囲気に保持する第１雰囲気保持手段と、第１の酸素濃度の雰囲気の中で、溶融はんだを球状に成形し、その後硬化させる球状はんだ形成手段と、所定の空間内を、はんだ接合に最適な第１の酸素濃度より低い第２の酸素濃度の雰囲気に保持する第２雰囲気保持手段と、第１の酸素濃度の雰囲気の中で、球状のはんだを再溶融させ、この溶融はんだにより接合物と被接合物とはんだ付けするはんだ付け手段とを有する。そのため、生産性を向上させ、安価とすることができるはんだ付け装置とすることができる。
【００３９】
このような構成のはんだ付け方法においては、接合物と被接合物をはんだ接合する方法において、酸素濃度３００ｐｐｍ以下の雰囲気で、接合物に清浄な溶融はんだを接合物へ球状に塗布し、その直後硬化させる球状はんだ形成工程と、酸素濃度３０ｐｐｍ以下の雰囲気で、球状はんだ形成工程で塗布したはんだを再溶融させ、接合物に被接合物を重ねてはんだ付けするはんだ付け工程を有する。そして、生産性のよいトンネル型加熱炉と極限まで酸素濃度を下げられる雰囲気を使い分けることで、生産性が高く安価な装置とすることができ、接合物の品質が向上する。また、はんだ塗布後即硬化させ、さらに、はんだ溶融からはんだ付けまでの雰囲気を極低酸素濃度（密閉加熱炉）の雰囲気に保つため、はんだが酸化せず、はんだ塗布からはんだ付けまで長時間かかる場合でも高品質なはんだ接合が可能になり、はんだ付けの各工程が大量にまとめて行えるため生産性が向上する。またノンフラックスではんだ付けができ、生産コストおよび装置が安くなる。さらに、清浄なはんだを使用するため、はんだ表面の還元が不要となり、さらに、生産性が上がり装置をさらに安くすることができる。
【００４０】
また、酸素濃度３００ｐｐｍ以下の雰囲気で、清浄な溶融はんだにて球状に塗布し、その直後硬化させる球状はんだ形成工程と、接合物の上に球状はんだ形成工程で製作した球状のはんだ、および被接合物を搭載して運ぶ球状はんだ運搬工程と、酸素濃度３０ｐｐｍ以下の雰囲気で、はんだ付け工程の接合物をはんだ融点以上に加熱しはんだ付けするはんだ付け工程を有する。そして、生産性のよいトンネル型加熱炉と極限まで酸素濃度を下げられる雰囲気を使い分けることで、生産性が高く、装置が安価になり、接合物の品質も向上する。また、はんだ塗布後即硬化させ、はんだ溶融からはんだ付けまでの雰囲気を極低酸素濃度（密閉加熱炉）雰囲気に保つため、はんだが酸化せず、はんだ塗布からはんだ付けまで長時間かかる場合でも高品質なはんだ接合が可能になり、はんだ付けの各工程が大量にまとめて行えるため生産性が向上する。またノンフラックスではんだ付けができ、生産コストおよび装置が安くなる。さらに、清浄なはんだを使用するため、はんだ表面の還元が不要となり、生産性が上がり装置も安くなる。
【００４１】
さらに、上述の球状はんだ形成工程ではんだ塗布する雰囲気の酸素濃度（例えば酸素濃度３００ｐｐｍ以下）と、上述の第ニの工程ではんだ付けする雰囲気の酸素濃度（例えば酸素濃度３０ｐｐｍ以下）に差があるので、はんだ接合において最適な雰囲気である酸素濃度が非常に低い雰囲気を形成するために高価な装置を要する部分（密閉型加熱炉）を最小限にすることができ、安価な装置とすることができる。
【００４２】
さらにまた、球状はんだ形成工程で塗布するはんだの形状が球状であるので、再溶融させた時、表面に薄く発生した酸化膜が自発的に破壊し、はんだの新鮮面が全体に露出するため、はんだの濡れ性がよくなり接合品質が向上する。
【００４３】
また、球状はんだ形成工程で塗布するはんだに、清浄な溶融はんだを用いる。すなわち、不純物（酸化膜、ドロス等）のないはんだを使用することで、はんだ接合品質が向上する。また、清浄なはんだは、はんだを溶融状態にすると不純物は溶融はんだ表面に浮いてくるため、表面をスクレーパ等の部材で掻き取ることで得られ、固形はんだを清浄状態にする（表面を削る等）より、安易に得られる。またノンフラックスではんだ付けができ、生産コストおよび装置が安くなる。さらに、清浄なはんだを使用するため、はんだ表面の還元が不要となり、生産性が上がり、装置も安くなる。
【００４４】
さらに、球状はんだ形成工程においては、接合物に溶融はんだを塗布後、即硬化させる。そのため、はんだの酸化を抑制することができ、はんだ付け時再溶融した場合に酸化膜が少なくはんだ接合品質が向上する。また、ノンフラックスではんだ付けができ、生産コストおよび装置が安くなる。
【００４５】
さらにまた、球状はんだ形成工程において、はんだを塗布する接合物をはんだ融点以下とするか、または加熱しない。そのため、はんだおよび接合物の酸化を抑制でき、はんだ接合品質が向上する。
【００４６】
また、はんだ付け工程において、接合物に被接合物をはんだ付けした後、はんだが溶融した状態で接合物或いは被接合物に振動を与える。この振動により、はんだの広がりが促進され、接合品質が向上する。
【００４７】
さらに、はんだ付け工程において、接合物に被接合物をはんだ付けする前に雰囲気を大気圧以下に減圧し、その後はんだ付けする。そのため、はんだ付け時にボイドを噛み込んだとしても、はんだ付け後大気圧に戻すことで、そのボイドを消滅することができ、はんだ接合品質が向上する。
【００４８】
さらにまた、はんだ付け工程において、接合物に被接合物をはんだ付けした後、はんだが溶融している状態で、雰囲気を大気圧以下に減圧する。そのため、はんだ付け時にボイドを噛み込んだとしても、はんだ付け後雰囲気を減圧することで、噛み込んだボイドが抜け、はんだ接合品質が向上する。
【００４９】
また、雰囲気に窒素等の不活性ガスを使用することで、はんだおよび接合物の酸化を抑制でき、はんだ接合品質が向上する。また、雰囲気内や雰囲気に接するロボット等の電気を使用する装置部品に防爆仕様の部品を使用する必要がなく、装置が安価になる。
【００５０】
さらに、雰囲気に水素を使用することで、はんだおよび接合物の酸化の抑制および還元作用が働き、はんだ接合品質が向上する。またノンフラックスではんだ付けができ、生産コストおよび装置が安くなる。
【００５１】
さらにまた、雰囲気に窒素等の不活性ガスと水素の混合ガスにすることで、はんだおよび接合物の酸化の抑制および還元作用が働き、はんだ接合品質が向上する。またノンフラックスではんだ付けができ、生産コストおよび装置が安くなる。ガスの混合比を水素について爆発限界濃度未満（４％）にした場合、雰囲気内や雰囲気に接するロボット等の電気を使用する装置部品に防爆仕様の部品を使用する必要がなく、装置が安価になる。
【００５２】
また、はんだ付け装置は、清浄な溶融はんだを注射器状器具にて供給するので、注射器状器具内への気体の噛み込みが最小限に抑えられ、安定したはんだ定量吐出が実現でき、さらに溶融はんだ中に注射器状器具先端を浸してはんだを吸引するため、溶融はんだ表面に不純物等が浮いていても、清浄なはんだを吸引でき、はんだ接合品質が向上する。またノンフラックスではんだ付けができ、生産コストを低減できるとともに装置を安くすることができる。
【００５３】
さらに、溶融はんだを供給する注射器状器具の材質として、溶融はんだに対して濡れにくい（よく弾く）材質（例えば、ガラス、ステンレス、セラミクス等）を用いるので、はんだやはんだの酸化膜が注射器状器具に付着しずらく、それを原因とする詰まりが発生しずらいため、生産性が向上する。
【００５４】
さらにまた、はんだ付け装置は、雰囲気カバーに可動式の開口部を有するので、雰囲気内の酸素濃度を低くでき、はんだ接合品質が向上する。また、安価に低酸素濃度雰囲気を得られ装置を安く構成することができる。
【００５５】
また、はんだ付け装置は、振動子を備えているので、はんだ付け中、或いははんだ付け後にボイドを追出し、また濡れ広がりを促進するため、はんだ接合品質や生産性が向上する。
【００５６】
実施の形態２．
本実施の形態は、図６（ｂ）及び（ｄ）に示されるように、上述の第１工程において、溶融はんだを塗布し硬化後、その上に電力用半導体素子３を供給する。そのトレイ４には、図５（ａ）に示されるように上治具８が設置されている。この上治具８は、絶縁基板２のはんだ上に電力用半導体素子３を載せた場合の位置決めをする目的と、それが搬送中に所定位置以外へ飛散することがない目的のために設置している。本実施の形態の場合、電力用半導体素子３を絶縁基板２上に載せてから加熱室１２ｂへ搬送させるため、実施の形態１の第４工程装置１０４が不要となり、図４に示すような密閉型加熱炉１２のようなものになり、加熱室１２ｂ内にて図５（ｂ）のようにはんだ付けされることとなる。その他は実施の形態１と同様である。これにより、加熱室１２ｂ内に電力用半導体素子３を載置するロボットは不要となり容積を小さくでき、安価な装置することができる。
【００５７】
【発明の効果】
この発明に係るろう付け方法は、第１の酸素濃度の雰囲気の中で溶融ろう材を球状に成形しその後硬化させる球状ろう材形成工程と、球状のろう材を接合物と被接合物との間に挟み、第１の酸素濃度より低い第２の酸素濃度の雰囲気の中で、球状のろう材を再溶融させ、この溶融ろう材により接合物と被接合物とをろう付けするろう付け工程とを有する。そのため、酸素濃度を必要最小限低くしなければならない工程においては、その酸素濃度にするとともに、その他の工程においては、ろう材を球状にする工夫により、それほど低い酸素濃度としなくてもよいものとし、その結果、生産設備を安価なものとすることができる。
【００５８】
また、この発明に係るろう付け方法は、第１の酸素濃度の雰囲気の中で溶融ろう材を球状に成形しその後硬化させることにより、球状のろう材を作製する球状ろう材形成工程と、球状ろう材形成工程にて作製された球状のろう材を、接合物上に配置するろう材載置工程と、接合物上に、球状のろう材を挟むようして被接合物を重ね、第１の酸素濃度より低い第２の酸素濃度の雰囲気の中で、球状のろう材を再溶融させ、この溶融ろう材により接合物と被接合物とをろう付けするろう付け工程とを有する。そのため、球状ろう材形成工程にて予め作製されていた球状のはんだを、接合物あるいは被接合物上に配置することができ、接合物あるいは被接合物の状態によらず球状のろう材を作製することができるので、生産設備の汎用性が向上する。
【００５９】
この発明に係るろう付け装置は、所定の空間内を第１の酸素濃度の雰囲気に保持する第１雰囲気保持手段と、第１の酸素濃度の雰囲気の中で、溶融ろう材を球状に成形しその後硬化させる球状ろう材形成手段と、所定の空間内を第１の酸素濃度より低い第２の酸素濃度の雰囲気に保持する第２雰囲気保持手段と、第２の酸素濃度の雰囲気の中で、球状のろう材を再溶融させ、この溶融ろう材により接合物と被接合物とろう付けするろう付け手段とを有する。そのため、酸素濃度を必要最小限低くしなければならないろう付け手段においては、その酸素濃度となるように高密閉性を保つとともに、その他の手段においては、ろう材を球状にする工夫により、それほど低い酸素濃度としなくてもよいものとし、これにより生産性を向上させ、且つ安価なろう付け装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１のはんだ付け装置の側断面図である。
【図２】図１のはんだ付け装置の第１工程装置のＡ−Ａ線に沿う矢視断面図である。
【図３】図２の第１工程装置のＢ−Ｂ線に沿う矢視断面図である。
【図４】この発明の実施の形態２のはんだ付け装置の密閉型加熱炉の側断面図である。
【図５】実施の形態２のはんだ付け方法を説明する接合物と被接合物の側断面図である。
【図６】はんだ付け装置によって絶縁基板と電力用半導体素子をはんだ付けする手順を示すフローチャート、及び、その時の雰囲気を形成するカバー構造を示している。
【図７】第１工程装置のトンネル型加熱炉のカバー構造の他の例を示す側断面図である。
【図８】第１工程装置のトンネル型加熱炉のカバー構造のさらに他の例を示す側断面図である。
【図９】はんだ塗布直後の球状に形成されたはんだを説明する接合物の側断面図である。
【符号の説明】
２ 絶縁基板（接合物）、３ 電力用半導体素子（被接合物）、４ トレイ、８ 上治具、１１ トンネル型加熱炉（第１雰囲気保持手段）、１２ａ 前室、１２ｂ 加熱室、１２ 密閉型加熱炉（第２雰囲気保持手段）、１２ｃ 後室、１３ 前室入口密閉扉、１４ 前室出口密閉扉、１５ 後室入口密閉扉、１６ 後室出口密閉扉、１７ トンネル型冷却炉、２０ ヒータプレート、２１ ヒータプレート移動機構、２２ 注射器状器具、２７ はんだ槽、２８ ヒータプレート（加熱手段）、３０ ヒータプレート、３１ 吸着パッド、３２ 冷却プレート、３３ 振動子（加振手段）、３４ プレート、１００ はんだ付け装置（ろう付け装置）、１０１ 第１工程装置、１０２ 第２工程装置、１０３ 第３工程装置、１０４ 第４工程装置、１０５ 第５工程装置、１０６ 第６工程装置。

Claims (19)

1. 第１の酸素濃度の雰囲気の中で溶融ろう材を球状に成形しその後硬化させる球状ろう材形成工程と、
   前記球状のろう材を接合物と被接合物との間に挟み、第１の酸素濃度より低い第２の酸素濃度の雰囲気の中で、前記球状のろう材を再溶融させ、この溶融ろう材により接合物と被接合物とをろう付けするろう付け工程と
   を有することを特徴とするろう付け方法。
2. 前記球状ろう材形成工程は、前記球状のろう材を前記接合物上に形成する
   ことを特徴とする請求項１記載のろう付け方法。
3. 前記球状ろう材形成工程は、前記球状のろう材を形成する際に、前記接合物を、該ろう材の融点以下の温度にする
   ことを特徴とする請求項２記載のろう付け方法。
4. 第１の酸素濃度の雰囲気の中で溶融ろう材を球状に成形しその後硬化させることにより、球状のろう材を作製する球状ろう材形成工程と、
   前記球状ろう材形成工程にて作製された前記球状のろう材を、前記接合物上に配置するろう材載置工程と、
   前記接合物上に、前記球状のろう材を挟むようして被接合物を重ね、第１の酸素濃度より低い第２の酸素濃度の雰囲気の中で、前記球状のろう材を再溶融させ、この溶融ろう材により接合物と被接合物とをろう付けするろう付け工程と
   を有することを特徴とするろう付け方法。
5. 前記ろう付け工程は、前記接合物を加熱することにより、前記球状のろう材を再溶融させる
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか記載のろう付け方法。
6. 前記ろう付け工程は、前記ろう付けする際に、前記ろう材が溶融している状態で前記接合物および前記被接合物のいずれかに振動を与える
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか記載のろう付け方法。
7. 前記ろう付け工程は、前記接合物に前記被接合物をろう付けする前に、雰囲気の気圧を大気圧以下に減圧する
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか記載のろう付け方法。
8. 前記ろう付け工程は、前記接合物に被接合物をろう付けする際に、ろう材が溶融している状態で、雰囲気の気圧を大気圧以下に減圧する
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか記載のろう付け方法。
9. 前記雰囲気として不活性ガスを使用する
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれか記載のろう付け方法。
10. 前記雰囲気として水素を使用する
    ことを特徴とする請求項１から８のいずれか記載のろう付け方法。
11. 前記雰囲気として不活性ガスと水素の混合ガスを使用する
    ことを特徴とする請求項１から８のいずれか記載のろう付け方法。
12. 前記球状ろう材形成工程は、前記溶融ろう材をろう材槽から吸引する際、注射器状器具にて吸引する
    ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか記載のろう付け方法。
13. 前記注射器状器具の材質が、ガラス、ステンレス或いはセラミクスのいずれかである
    ことを特徴とする請求項１２記載のろう付け方法。
14. 所定の空間内を第１の酸素濃度の雰囲気に保持する第１雰囲気保持手段と、
    前記第１の酸素濃度の雰囲気の中で、溶融ろう材を球状に成形しその後硬化させる球状ろう材形成手段と、
    所定の空間内を第１の酸素濃度より低い第２の酸素濃度の雰囲気に保持する第２雰囲気保持手段と、
    前記第２の酸素濃度の雰囲気の中で、前記球状のろう材を再溶融させ、この溶融ろう材により接合物と被接合物とろう付けするろう付け手段と
    を有することを特徴とするろう付け装置。
15. 前記球状ろう材形成手段は、前記球状のろう材を前記接合物上に形成する
    ことを特徴とする請求項１４記載のろう付け装置。
16. 前記球状ろう材形成工程にて作製されていた前記球状のろう材を、前記接合物上に配置するろう材載置手段をさらに有する
    ことを特徴とする請求項１４記載のろう付け装置。
17. 前記ろう付け手段は、前記球状のろう材を前記接合物と前記被接合物との間に挟み込んだ状態で、前記接合物を加熱して前記球状のろう材を再溶融させる加熱手段をさらに有する
    ことを特徴とする請求項１４から１６のいずれか記載のろう付け装置。
18. 前記ろう付け手段は、前記接合物および前記被接合物のいずれかに接続され、これを振動させる加振手段をさらに有し、前記ろう付けする際に、前記ろう材が溶融している状態で前記接合物および前記被接合物のいずれかに振動を与える
    ことを特徴とする請求項１４から１６のいずれか記載のろう付け装置。
19. 前記球状ろう材形成手段は、ろう材槽から前記溶融ろう材を吸引する注射器状器具を有する
    ことを特徴とする請求項１４から１８のいずれか記載のろう付け装置。

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