JP2007207899A - 半田付け装置、半田付け方法、及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

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

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Abstract

【課題】ボイドの発生を抑制する。
【解決手段】リフロー室２０に還元性ガスを導入し、リフロー室２０内の圧力を常圧よりも高い圧力（例えば、０．１３ＭＰａ）とする。そして、リフロー室２０において半田付け対象物を還元性ガスによって加圧した状態で加熱し、半田付けを行う。
【選択図】図３

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装置、半田付け方法、及び半導体装置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。また、半導体素子の半田付けには、例えば、特許文献１に記載されるような半田付け装置などが用いられている。
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では、ボイドの発生を抑制するために、半田の溶融状態で雰囲気を真空引きすることが記載されている。また、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２００４−３５１４８０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や半田の溶融状態で真空引きし、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装置、半田付け方法、及び半導体装置の製造方法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、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、半田付け対象物を加熱し、半田を溶融する加熱室と、前記加熱室へ投入する半田溶融前の半田付け対象物及び前記加熱室から取り出される半田溶融後の半田付け対象物を収容するワーク収容室と、前記加熱室と前記ワーク収容室との間で前記半田付け対象物を搬送する搬送手段と、前記加熱室に収容された前記半田付け対象物を加熱する加熱手段と、前記加熱室内に還元性ガスからなる雰囲気ガス又は還元性ガスを含む雰囲気ガスを導入する第１のガス導入手段とを備え、前記加熱室内の圧力を前記雰囲気ガスによって常圧よりも高い圧力とし、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、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加熱し、溶融する加熱室と、当該加熱室へ投入する半田溶融前の半田付け対象物及び前記加熱室から取り出される半田溶融後の半田付け対象物を収容するワーク収容室との間で前記半田付け対象物を搬送手段により搬送し、前記回路基板と前記半導体素子とを半田付けする半田付け方法であって、前記加熱室内に還元性ガスからなる雰囲気ガス又は還元性ガスを含む還元性ガスを含む雰囲気ガスを導入して前記加熱室内の圧力を常圧よりも高い圧力とし、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加圧状態で半田付けを行うことを要旨とする。
請求項１１に記載の発明は、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加熱し、溶融する加熱室と、当該加熱室へ投入する半田溶融前の半田付け対象物及び前記加熱室から取り出される半田溶融後の半田付け対象物を収容するワーク収容室との間で前記半田付け対象物を搬送手段により搬送し、前記回路基板と前記半導体素子とを半田付けした半導体装置の製造方法であって、前記加熱室内に還元性ガスからなる雰囲気ガス又は還元性ガスを含む還元性ガスを含む雰囲気ガスを導入して前記加熱室内の圧力を常圧よりも高い圧力とし、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１０及び請求項１１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、常圧よりも高い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に記載の半田付け装置において、前記加熱室の圧力は、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に記載の半田付け装置において、前記加熱室の圧力は、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、加熱室内の圧力は、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装置において、前記ワーク収容室内に不活性ガス又は前記雰囲気ガスを導入する第２のガス導入手段と、前記加熱室と前記ワーク収容室とを連通状態及び非連通状態に仕切る仕切部材とを備え、前記半田付け対象物は、前記ワーク収容室の圧力を前記加熱室の圧力と同一圧力に調整した後に前記仕切部材を開放し、両室間を搬送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装置において、前記ワーク収容室は、前記加熱室の前後に配置される投入室と取出室からなり、前記投入室及び前記取出室の各室内に不活性ガス又は前記雰囲気ガスを導入する第２のガス導入手段と、前記加熱室と前記投入室及び前記加熱室と前記取出室を、各別に連通状態及び非連通状態に仕切る仕切部材とを備え、前記半田付け対象物は、前記投入室から前記加熱室への搬送時、前記投入室の圧力を前記加熱室の圧力と同一圧力に調整した後に前記仕切部材を開放し、両室間を搬送させることを要旨とする。
請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項３及び請求項５のうちいずれか一項に記載の半田付け装置において、前記ワーク収容室は、前記加熱室の前後に配置される投入室と取出室からなり、前記投入室及び前記取出室の各室内に不活性ガス又は前記雰囲気ガスを導入する第２のガス導入手段と、前記加熱室と前記投入室及び前記加熱室と前記取出室を、各別に連通状態及び非連通状態に仕切る仕切部材とを備え、前記半田付け対象物は、前記加熱室から前記取出室への搬送時、前記取出室の圧力を前記加熱室の圧力と同一圧力に調整した後に前記仕切部材を開放し、両室間を搬送させることを要旨とする。
請求項４〜請求項６の発明によれば、加熱室は、仕切部材により他室と仕切られることで密閉され、半田付け対象物の投入部位と取出部位とが大気に開放されていない構造となる。したがって、室内のガスと熱の損失を低減できる。また、仕切部材は、他室との圧力を加熱室の圧力と同一圧力に調整された後、開放されるので、加熱室の圧力を常時、加圧状態に保つことができる。その結果、加熱室の圧力は、加圧状態と減圧状態に変動することなく一定圧に保たれ、半田溶融域において加圧状態を確実に作り出すことができ、ボイドの発生を抑制できる。
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装置において、前記半田付け対象物は、前記加熱室において前記半田が溶融され、当該半田の凝固後に取り出されて搬送されることを要旨とする。
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装置において、前記加熱手段は、高周波誘導加熱により前記半田付け対象物を加熱する装置であることを要旨とする。
これによれば、半田付け装置において加熱室内の雰囲気温度に依存しない伝熱主体の加熱方式を採用できる。したがって、雰囲気温度が低く、熱損失を小さくすることができる。
請求項９に記載の発明は、請求項１〜請求項８のうちいずれか一項に記載の半田付け装置において、前記加熱室に導入された前記雰囲気ガスを室外に排出するガス排出手段と、前記加熱室内に導入される前記雰囲気ガスを前記ガス排出手段で排出しながら、前記加熱室内の圧力を一定圧に維持する圧力調整手段とを備えたことを要旨とする。
これによれば、加熱室内の圧力を一定圧に保ちつつ、室内でガスが流通される。このため、加熱室では、ガスを流しながら半田付けを行うことができる。したがって、還元作用によって発生する水や、半田付け対象物の搬送時に、当該半田付け対象物とともに搬入される可能性がある揮発成分などの有害な不純物を低減しながら半田付け装置を運転させることができる。
本発明によれば、ボイドの発生を抑制することができる。
（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施形態を図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としてのリフロー装置ＨＫの構成を概略的に示している。リフロー装置ＨＫは、回路基板１１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。
リフロー装置ＨＫは、加熱室としてのリフロー室２０と、ワーク収容室を構成する投入室２１及び取出室２２とを備えている。リフロー室２０は、半田溶融前の半田付け対象物を受け入れ、当該半田付け対象物を加熱し、半田を溶融する部位として機能する。また、本実施形態においてリフロー室２０は、半田溶融後の半田付け対象物を冷却し、半田を凝固させる部位としても機能する。本実施形態の半田付け対象物は、回路基板１１とヒートシンク１３を接合した接合物に半導体素子１２を積層し、当該接合物と半導体素子１２との間に半田（半田シート１７）を介在させてなるものである。図３中、半田付け対象物は網掛けで図示している。
投入室２１は、リフロー室２０に投入する半田溶融前の半田付け対象物を収容する部位として機能する。一方、取出室２２は、リフロー室２０から取り出した半田溶融凝固後の半田付け対象物を収容する部位として機能する。そして、投入室２１は、リフロー室２０における半田付け対象物の投入側に接続されているとともに、取出室２２は、リフロー室２０における半田付け対象物の取り出し側に接続されている。本実施形態のリフロー装置ＨＫは、投入室２１に半田付け対象物を収容し、当該半田付け対象物を各室２０〜２２内に配設した搬送機構（コンベアなど）でリフロー室２０に搬送し、当該リフロー室２０において加熱及び冷却の各処理を経た後に搬送機構で取出室２２に搬送する構成となっている。したがって、リフロー室２０における半田付け対象物の投入側に接続される投入室２１は、リフロー装置ＨＫのワーク搬送方向（図３に示す矢印方向）の上流側（前側）に接続されているとともに、リフロー室２０における半田付け対象物の取り出し側に接続される取出室２２は、前記ワーク搬送方向の下流側（後側）に接続されていることとなる。
リフロー室２０と投入室２１は、仕切部材としての投入側扉２３を介して接続されている。また、リフロー室２０と取出室２２は、仕切部材としての取出側扉２４を介して接続されている。投入側扉２３と取出側扉２４は、図３（ｂ）に示す矢印方向（紙面上、上下方向）を開閉方向として動作可能に装着されている。リフロー室２０は、投入側扉２３の開放によりリフロー室２０の入口が開放されて投入室２１と連通状態となり、投入室２１内にある半田溶融前の半田付け対象物を投入可能な状態となる。その一方で、リフロー室２０は、投入側扉２３の閉鎖によりリフロー室２０の入口が閉鎖されて投入室２１と非連通状態となり、投入室２１内にある前記半田付け対象物を投入不能な状態となる。また、リフロー室２０は、取出側扉２４の開放によりリフロー室２０の出口が開放されて取出室２２と連通状態となり、リフロー室２０内にある半田溶融凝固後の半田付け対象物を取り出し可能な状態となる。その一方で、リフロー室２０は、取出側扉２４の閉鎖によりリフロー室２０の出口が閉鎖されて取出室２２と非連通状態となり、リフロー室２０内にある前記半田付け対象物を取り出し不能な状態となる。リフロー室２０は、投入側扉２３と取出側扉２４の両方を閉鎖することにより、室内に密閉空間が形成される密閉可能な構造とされている。
投入室２１には、入口側扉２５が設けられている。入口側扉２５は、投入室２１へ半田付け対象物を投入する入口に設けられている。また、取出室２２には、出口側扉２６が設けられている。出口側扉２６は、取出室２２から半田付け対象物を取り出す出口に設けられている。入口側扉２５と出口側扉２６は、図３（ｂ）に示す矢印方向（紙面上、上下方向）を開閉方向として動作可能に装着されている。投入室２１は、入口側扉２５の開放により入口が開放され、半田溶融前の半田付け対象物を投入可能な状態となる。投入室２１は、投入側扉２３と入口側扉２５の両方を閉鎖することにより、室内に密閉空間が形成される密閉可能な構造とされている。また、取出室２２は、出口側扉２６の開放により出口が開放され、半田溶融凝固後の半田付け対象物を取り出し可能な状態となる。取出室２２は、取出側扉２４と出口側扉２６の両方を閉鎖することにより、室内に密閉空間が形成される密閉可能な構造とされている。
以下、リフロー室２０、投入室２１及び取出室２２の構成をさらに詳しく記載する。
リフロー室２０には、投入室２１から投入された半田付け対象物を搬送する搬送手段としてのコンベア２７が配設されている。リフロー室２０は、複数個の半田付け対象物を搬送方向に沿って一列に収容可能な大きさで形成されており、コンベア２７は、複数個の半田付け対象物を一列に整列した状態で搬送し得るように配設されている。
リフロー室２０には、加熱手段としての高周波加熱コイル２８が配設されている。高周波加熱コイル２８は、図３（ｂ）に示すように、コンベア２７上を搬送される半田付け対象物の上方に位置するように配設されている。高周波加熱コイル２８は、半田付け対象物から離間して配置される。また、高周波加熱コイル２８は、リフロー室２０の室外に配設された高周波発生装置２９に電気的に接続されている。本実施形態では、高周波加熱コイル２８と高周波発生装置２９により、高周波誘導加熱により半田付け対象物を加熱する装置である加熱手段を構成している。
リフロー室２０には、室内に還元性ガス（本実施形態では水素（Ｈ２））を供給する第１のガス導入手段としての還元性ガス供給部３０が接続されている。還元性ガス供給部３０は、配管３０ａと、当該配管３０ａの開閉バルブ３０ｂと、圧力調整手段を構成する減圧弁３０ｃと、還元性ガス供給源（例えば、水素を充填した水素タンク）３０ｄとを備えている。減圧弁３０ｃは、開閉バルブ３０ｂを介して導入した還元性ガス供給源３０ｄからの水素ガスの圧力を一定圧にし、リフロー室２０内に供給するようになっている。また、リフロー室２０には、室内を真空引きするための真空部３１が接続されている。真空部３１は、配管３１ａと、当該配管３１ａの開閉バルブ３１ｂと、真空ポンプ３１ｃとを備えている。また、リフロー室２０には、室内に導入した還元性ガスを室外に排出するガス排出手段としてのガス排出部３２が接続されている。ガス排出部３２は、配管３２ａと、当該配管３２ａの開閉バルブ３２ｂと、圧力調整手段を構成する絞り弁３２ｃとを備えている。リフロー室２０内のガスは、絞り弁３２ｃにて排出量が調整され、外部に排出される。
リフロー室２０は、還元性ガス供給部３０、真空部３１及びガス排出部３２が接続されることにより、室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。本実施形態においてリフロー室２０の圧力は、リフロー装置ＨＫの作動中、常時、常圧（本明細書では、おおよそ０．１０２３ＭＰａ）よりも高い一定圧（本実施形態では０．１３ＭＰａ）に保たれている。また、リフロー室２０では、還元性ガス供給部３０の減圧弁３０ｃとガス排出部３２の絞り弁３２ｃの作用により、室内の圧力を一定値に保ちつつ、ガスを室内と室外で流通させるようになっている。
還元性ガス供給部３０は、高周波加熱コイル２８と取出室２２の間に位置するように接続されている。その一方で、ガス排出部３２は、高周波加熱コイル２８と投入室２１の間に位置するように接続されている。還元性ガス供給部３０は、高周波加熱コイル２８によって加熱された半田溶融後の半田付け対象物の搬送経路上に還元性ガスを供給するように接続されており、リフロー室２０に導入した還元性ガスで前記半田付け対象物に冷却作用をもたらしている。
次に、投入室２１について説明する。
投入室２１には、半田付け対象物を搬送する搬送手段としてのコンベア３４が配設されている。投入室２１は、一個の半田付け対象物を収容可能な大きさで形成されている。
投入室２１には、室内に不活性ガス（本実施形態では窒素（Ｎ２））を供給する第２のガス導入手段としての不活性ガス供給部３５が接続されている。不活性ガス供給部３５は、配管３５ａと、当該配管３５ａの開閉バルブ３５ｂと、不活性ガス供給源（例えば、窒素を充填した窒素タンク）３５ｃとを備えている。また、投入室２１には、室内を真空引きするための真空部３６が接続されている。真空部３６は、配管３６ａと、当該配管３６ａの開閉バルブ３６ｂと、真空ポンプ３６ｃとを備えている。また、投入室２１には、室内に導入した不活性ガスを室外に排出するガス排出部３７が接続されている。ガス排出部３７は、配管３７ａと、当該配管３７ａの開閉バルブ３７ｂを備えている。
次に、取出室２２について説明する。
取出室２２には、半田付け対象物を搬送する搬送手段としてのコンベア３８が配設されている。取出室２２は、一個の半田付け対象物を収容可能な大きさで形成されている。
取出室２２には、室内に不活性ガス（本実施形態では窒素（Ｎ２））を供給する第２のガス導入手段としての不活性ガス供給部３９が接続されている。不活性ガス供給部３９は、配管３９ａと、当該配管３９ａの開閉バルブ３９ｂと、不活性ガス供給源（例えば、窒素を充填した窒素タンク）３９ｃとを備えている。また、取出室２２には、室内を真空引きするための真空部４０が接続されている。真空部４０は、配管４０ａと、当該配管４０ａの開閉バルブ４０ｂと、真空ポンプ４０ｃとを備えている。また、取出室２２には、室内に導入した不活性ガスを室外に排出するガス排出部４１が接続されている。ガス排出部４１は、配管４１ａと、当該配管４１ａの開閉バルブ４１ｂを備えている。
投入室２１には、当該投入室２１に隣接して配置されたワーク供給ライン４２から半田付け対象物が供給されるようになっている。図４には、ワーク供給ライン４２から投入室２１に供給される半田付け対象物を示している。ワーク供給ライン４２では、回路基板１１とヒートシンク１３の接合物（図３（ａ）には「基板」と図示する）に半導体素子１２や半田シート１７の位置決め用の治具４３が載置され、次いで半田シート１７と、半導体素子１２と、錘４４とが順次積層される。
図５は、治具４３（図５（ａ））と押圧体としての錘４４（図５（ｂ））を示している。治具４３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４３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４３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４５が形成されている。貫通孔４５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４３には複数個（４つ）の貫通孔４５が形成されている。
錘４４は、当該錘４４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４４は、ステンレスで形成されている。錘４４は、図４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４４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４４の押圧面４４ａは、治具４３の各貫通孔４５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４４の押圧面４４ａが、半導体素子１２の非接合面に接する面となる。図５（ａ）には錘４４を二点鎖線で示し、当該錘４４を治具４３に設置した状態を示している。
取出室２２に搬送された半田溶融凝固後の半田付け対象物は、当該取出室２２に隣接して配置されたワーク排出ライン４６に排出されるようになっている。ワーク排出ライン４６では、錘４４と治具４３が順次取り外され、半田溶融凝固後の半田付け対象物が製品（半導体モジュール１０）として搬送される。ワーク排出ライン４６で取り外された治具４３と錘４４は、ワーク供給ライン４２に再び戻される。
次に、本実施形態のリフロー装置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。本実施形態のリフロー装置ＨＫは、図示しない制御装置を備えており、各室２０，２１，２２のガス雰囲気調整、各扉２３〜２６の開閉、及び搬送機構（コンベア２７，３４，３８）の動作を制御する。
リフロー装置ＨＫは、起動時、投入側扉２３、取出側扉２４、入口側扉２５及び出口側扉２６の全ての扉が閉鎖されている。そして、リフロー装置ＨＫは、起動後、まず、真空部３１によりリフロー室２０を真空引きする。次に、還元性ガス供給部３０によりリフロー室２０内に還元性ガスを供給し、当該リフロー室２０内を還元性ガス雰囲気に置換する。このとき、リフロー室２０は、室内の圧力が常圧（本明細書では０．１０２３ＭＰａ）よりも高い圧力（本実施形態では０．１３ＭＰａ）となるように雰囲気調整を行う。リフロー室２０は、還元性ガス供給部３０による還元性ガスの供給とガス排出部３２によるガスの排出により、室内でガスを流通させながら一定圧（０．１３ＭＰａ）とし、加圧状態を維持する。そして、リフロー室２０の圧力が０．１３ＭＰａに達したならば、半田付けを開始する。
本実施形態のリフロー装置ＨＫでは、入口側扉２５と出口側扉２６を閉鎖した状態で投入側扉２３と取出側扉２４を同時に開放し、投入室２１からリフロー室２０へ半田溶融前の半田付け対象物を搬送するとともにリフロー室２０から取出室２２へ半田溶融凝固後の半田付け対象物を搬送する。投入側扉２３と取出側扉２４を開放させる場合、投入室２１と取出室２２は、リフロー室２０内の圧力と同一圧力（０．１３ＭＰａ）となるようにガス置換を行う。投入室２１では、真空部３６を操作して室内を真空引きするとともに、不活性ガス供給部３５を操作して室内に不活性ガスを供給する。また、取出室２２では、真空部４０を操作して室内を真空引きするとともに、不活性ガス供給部３９を操作して室内に不活性ガスを供給する。投入室２１と取出室２２は、真空引きと不活性ガスの供給を数回繰り返した後、室内を不活性ガス雰囲気に置換する。そして、投入室２１と取出室２２の各圧力がリフロー室２０の圧力と同一圧力になったならば投入側扉２３と取出側扉２４を開放し、半田付け対象物を搬送する。半田付け対象物の搬送後は、投入側扉２３と取出側扉２４を閉鎖する。本実施形態においてリフロー室２０は、常時、加圧状態に維持されており、半田付け対象物の供給時及び取り出し時も加圧状態とされる。
また、リフロー装置ＨＫでは、投入側扉２３と取出側扉２４を閉鎖した状態で入口側扉２５と出口側扉２６を同時に開放し、ワーク供給ライン４２から投入室２１へ半田溶融前の半田付け対象物を搬送するとともに取出室２２からワーク排出ライン４６へ半田溶融凝固後の半田付け対象物を搬送する。入口側扉２５と出口側扉２６を開放させる場合、投入室２１と取出室２２は、室内の圧力を常圧に戻す。投入室２１では、ガス排出部３７を操作して室内のガスを大気開放する。また、取出室２２では、ガス排出部４１を操作して室内のガスを大気開放する。そして、投入室２１と取出室２２の各圧力が常圧に戻ったならば入口側扉２５と出口側扉２６を開放し、半田付け対象物を搬送する。半田付け対象物の搬送後は、入口側扉２５と出口側扉２６を閉鎖する。
リフロー装置ＨＫでは、リフロー室２０に供給した半田溶融前の半田付け対象物を高周波誘導加熱により加熱し、半田を溶融する。その後、半田が溶融凝固したならば、投入側扉２３と取出側扉２４を開放してリフロー室２０へ半田付け対象物を供給するとともにリフロー室２０から半田付け対象物を取り出し、次の半田付け対象物を高周波加熱コイル２８の直下に移動させる。そして、投入側扉２３と取出側扉２４を閉鎖した後、続いて、入口側扉２５と出口側扉２６を開放し、投入室２１へ次の半田付け対象物を供給するとともに、取出室２２に収容した半田付け対象物をワーク排出ライン４６に供給する。
リフロー室２０では、高周波発生装置２９を作動させることにより高周波加熱コイル２８に高周波電流を流す。これにより、高周波加熱コイル２８の直下に半田付け対象物が移動すると、錘４４には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４４は、電磁誘導作用によって発熱し、その熱が錘４４の押圧面４４ａ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４４に生じた熱が当該錘４４の押圧面４４ａ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１７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４４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、半田付け対象物は、半田が完全に溶融したならば高周波加熱コイル２８の直下からリフロー装置ＨＫの搬送方向下流側に移動し、コンベア２７上を取出室２２へ向けて搬送される間に冷却されて溶融した半田が凝固する。
次に、本実施形態のリフロー装置ＨＫを用いて半田付けを行った場合の結果を図６に示す実験例を用いて説明する。
図６は、本実施形態のリフロー装置ＨＫを用いて半田付けを行う場合の圧力と温度の関係を示したグラフと、半田付け後の半導体素子１２の裏面側（接合面側）を示したＸ線写真である。また、図６のグラフは、１つの半田付け対象物を投入室２１からリフロー室２０へ搬送し、そのリフロー室２０で加熱・冷却を行った後、取出室２２へ至るまでの圧力と温度を示している。なお、図６の実験例は、図７に示す比較例１，２による実験結果として半導体モジュール１０を構成する半導体素子１２のうち、特にトランジスタの接合面に多くのボイドが発生したことから、基板上に４つのトランジスタを半田付けして行ったものである。
実験例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１７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。
図６の実験例では、リフロー室２０内の圧力を常圧以下（真空状態）に下げることなく、加圧状態（０．１３ＭＰａ）を維持し、半田付けを行っている。その結果、図６に掲載したＸ線写真で示す接合面を得た。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、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。
次に、加熱時及び冷却時、又は冷却時にリフロー室２０内の圧力を常圧以下として半田付けを行った場合の比較例１及び比較例２を図７（ａ），（ｂ）にしたがって説明する。
図７（ａ）に示す比較例１は、加熱前にリフロー室２０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）にリフロー室２０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、リフロー室２０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、加熱前にリフロー室２０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、冷却時はリフロー室２０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。
実験例と、比較例１及び比較例２を比較すると、実験例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）でリフロー室２０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。
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４４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、リフロー室２０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）、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、ボイドの発生はリフロー室２０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、リフロー室２０内の圧力を常圧よりも高い圧力に加圧し、半田付けを行うようにした。このため、半田溶融域では、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）リフロー室２０と、当該リフロー室２０に接続される投入室２１及び取出室２２との間に投入側扉２３及び取出側扉２４を設けた。このため、リフロー室２０は、半田付け対象物の投入部位と取出部位とが大気に開放されていない構造となる。したがって、室内のガスと熱の損失を低減できる。
（３）リフロー室２０と投入室２１、及びリフロー室２０と取出室２２を連通状態とする場合には、投入室２１と取出室２２の各室の圧力をリフロー室２０の圧力と同一圧力とし、投入側扉２３及び取出側扉２４を開放するようにした。このため、投入側扉２３及び取出側扉２４の開閉をスムーズに行うことができる。また、投入室２１及び取出室２２の圧力をリフロー室２０の圧力に合わせることで、リフロー室２０の圧力を常時、加圧状態に保つことができる。その結果、リフロー室２０内の圧力は、加圧状態と減圧状態に変動することなく一定圧に保たれ、半田溶融域（溶融から凝固まで）において加圧状態を確実に作り出すことができ、ボイドの発生を抑制できる。
（４）投入室２１の入口側扉２５及び取出室２２の出口側扉２６を開閉させる場合には、投入室２１及び取出室２２の圧力を常圧に戻すようにした。このため、入口側扉２５及び出口側扉２６の開閉をスムーズに行うことができる。
（５）リフロー室２０に高周波加熱コイル２８を設け、高周波誘導加熱により半田付け対象物を加熱するようにした。このため、リフロー装置ＨＫにおいてリフロー室２０内の雰囲気温度に依存しない伝熱主体の加熱方式を採用できる。したがって、雰囲気温度が低く、熱損失を小さくすることができる。
（６）リフロー室２０に、減圧弁３０ｃを配設した還元性ガス供給部３０と絞り弁３２ｃを配設したガス排出部３２を接続し、リフロー室２０内の圧力を一定圧に保ちつつ、ガスを流通させるようにした。このため、リフロー室２０では、ガスを流しながら半田付けを行うことができる。したがって、還元作用によって発生する水や、半田付け対象物の搬送時に、当該半田付け対象物ともに搬入される可能性がある揮発成分などの有害な不純物を低減しながらリフロー装置ＨＫを運転させることができる。
（７）高周波加熱コイル２８を錘４４から離間して配置し、錘４４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４４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４４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を用いて他の半田付け対象物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４４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全体やリフロー室２０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。
（８）半導体素子１２の直上に配置される錘４４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。
（９）錘４４に、各半導体素子１２の非接合面に接触可能な押圧面４４ａを形成した。すなわち、錘４４を一つの集合体として構成した。このため、一つの錘４４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。
（第２の実施形態）
次に、本発明を具体化した第２の実施形態を図８にしたがって説明する。なお、以下に説明する実施形態では、既に説明した実施形態と同一構成について同一の符号を付すなどして、その重複する説明は省略又は簡略する。
図８は、本実施形態のリフロー装置ＨＫを示している。本実施形態のリフロー装置ＨＫは、複数個（本実施形態では３個）の半田付け対象物をトレイＴに平置き状態で搭載して搬送し、複数個の半田付け対象物を同時に加熱し、半田を溶融可能な装置として構成されている。図８中、半田付け対象物は、網掛けで図示している。
本実施形態のリフロー装置ＨＫは、加熱室としてのリフロー室５０と、ワーク収容室を構成する投入室５１及び取出室５２とを備えている。各室５０〜５２は、第１の実施形態のリフロー装置ＨＫが備えるリフロー室２０、投入室２１及び取出室２２の各室と同様に機能し、投入室５１は搬送方向（図８に示す矢印方向）の上流側に位置するようにリフロー室５０に接続されているとともに、取出室５２は前記搬送方向の下流側に位置するようにリフロー室５０に接続されている。各室５０〜５２の配置は、第１の実施形態のリフロー装置ＨＫが備えるリフロー室２０、投入室２１及び取出室２２の各室と同様の配置である。そして、リフロー室５０と投入室５１は、仕切部材としての投入側扉５３を介して接続されているとともに、リフロー室５０と取出室５２は、仕切部材としての取出側扉５４を介して接続されている。また、投入室５１には、入口側扉５５が設けられているとともに、取出室５２には、出口側扉５６が設けられている。各扉５３〜５６の構造及び機能は、第１の実施形態のリフロー装置ＨＫが備える投入側扉２３、取出側扉２４、入口側扉２５及び出口側扉２６と同じである。
本実施形態のリフロー室５０は、加熱エリア５０ａと冷却エリア５０ｂとに室内空間が二分されている。加熱エリア５０ａは、投入室５１側に配置されているとともに、冷却エリア５０ｂは、取出室５２側に配置されている。加熱エリア５０ａと冷却エリア５０ｂは、リフロー室５０に設けられた仕切扉５７で仕切られている。仕切扉５７は、図８（ｂ）に示す矢印方向を開閉方向として動作可能に装着されている。仕切扉５７は、加熱エリア５０ａからの熱を遮断する機能を有しており、シャッター状の部材でも良いし、シート状の部材でも良い。
加熱エリア５０ａには、投入室５１から投入された半田付け対象物を搬送する搬送手段としてのコンベア５８が配設されている。また、加熱エリア５０ａには、高周波加熱コイル５９が配設されている。高周波加熱コイル５９は、図８（ｂ）に示すように、コンベア５８上を搬送される半田付け対象物の上方に位置するように配設されている。本実施形態の高周波加熱コイル５９は、複数個の半田付け対象物を同時に加熱し得るように、複数個の半田付け対象物を覆う大きさで、渦巻き状（角形の渦巻き状）に形成されている。高周波加熱コイル５９は、半田付け対象物から離間して配置される。そして、高周波加熱コイル５９は、リフロー室５０の室外に配設された高周波発生装置２９に電気的に接続されている。本実施形態では、高周波加熱コイル５９と高周波発生装置２９により、加熱手段を構成している。また、加熱エリア５０ａには、還元性ガス供給部３０とガス排出部３２が接続されている。また、加熱エリア５０ａには、断熱材Ｄが配設されている。
リフロー室５０の冷却エリア５０ｂには、加熱エリア５０ａから搬送された半田付け対象物を搬送する搬送手段としてのコンベア６０が配設されている。また、冷却エリア５０ｂには、室内に不活性ガス（本実施形態では窒素（Ｎ２））を供給する不活性ガス供給部６１が接続されている。不活性ガス供給部６１は、配管６１ａと、当該配管６１ａの開閉バルブ６１ｂと、不活性ガス供給源（例えば、窒素を充填した窒素タンク）６１ｃとを備えている。また、冷却エリア５０ｂには、室内に導入した不活性ガスを室外に排出するガス排出部６２が接続されている。ガス排出部６２は、配管６２ａと、当該配管６２ａの開閉バルブ６２ｂを備えている。
投入室５１には、半田付け対象物を搬送する搬送手段としてのコンベア６３が配設されている。また、投入室５１には、不活性ガス供給部３５と、真空部３６と、ガス排出部３７が接続されている。取出室５２には、半田付け対象物を搬送する搬送手段としてのコンベア６４が配設されている。また、取出室５２には、不活性ガス供給部３９と、真空部４０と、ガス排出部４１が接続されている。
投入室５１には、当該投入室５１に隣接して配置されたワーク供給ライン６５から半田付け対象物が供給されるようになっている。ワーク供給ライン６５は、回路基板１１とヒートシンク１３の接合物を複数個搭載したトレイＴの載置部６６と、当該載置部６６からトレイＴを受入れ、トレイＴに搭載された前記接合物に治具４３と、半田シート１７と、半導体素子１２と、錘４４とを順次積層するマウンタ６７とを備えている。本実施形態において半田付け対象物は、ワーク供給ライン６５にて第１の実施形態と同様に図４に示すように準備され、投入室５１へ供給される。
取出室５２に収容された半田溶融凝固後の半田付け対象物は、当該取出室５２に隣接して配置されたワーク排出ライン６８に排出されるようになっている。ワーク排出ライン６８では、錘４４と治具４３が順次取り外され、半田溶融凝固後の半田付け対象物が製品（半導体モジュール１０）として搬送される。
次に、本実施形態のリフロー装置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。本実施形態のリフロー装置ＨＫは、図示しない制御装置を備えており、各室５０，５１，５２のガス雰囲気調整、各扉５３〜５７の開閉、及び搬送機構（コンベア５８，６０，６３，６４）の動作を制御する。
本実施形態のリフロー装置ＨＫは、半田付けを行う場合、第１の実施形態のリフロー装置ＨＫと基本的に同様の動作を行う。すなわち、本実施形態のリフロー装置ＨＫにおいてもリフロー室５０は、ガスの供給により、室内の圧力が常圧よりも高い圧力（本実施形態では０．１３ＭＰａ）となるように雰囲気調整され、加圧状態で半田付けを行う。そして、半田付け対象物は、ワーク供給ライン６５から投入室５１に供給された後、当該投入室５１からリフロー室５０の加熱エリア５０ａ、リフロー室５０の冷却エリア５０ｂ及び取出室５２の順に搬送され、当該取出室５２からワーク排出ライン６８に排出される。
リフロー装置ＨＫでは、入口側扉５５と出口側扉５６を閉鎖した状態で投入側扉５３、取出側扉５４及び仕切扉５７を同時に開放し、投入室５１からリフロー室５０へ半田溶融前の半田付け対象物を搬送するとともにリフロー室５０から取出室５２へ半田溶融凝固後の半田付け対象物を搬送する。具体的には、投入室５１内の半田付け対象物がリフロー室５０の加熱エリア５０ａに搬送されるとともに、加熱エリア５０ａ内の半田付け対象物がリフロー室５０の冷却エリア５０ｂに搬送され、さらに冷却エリア５０ｂ内の半田付け対象物が取出室５２に搬送される。そして、リフロー室５０、投入室５１及び取出室５２における半田付け対象物の搬送時、投入室５１及び取出室５２内の圧力は、リフロー室５０内の圧力と同一圧力とされる。
また、リフロー装置ＨＫでは、投入側扉５３、取出側扉５４及び仕切扉５７を閉鎖した状態で入口側扉５５と出口側扉５６を同時に開放し、ワーク供給ライン６５から投入室５１へ半田溶融前の半田付け対象物を搬送するとともに取出室５２からワーク排出ライン６８へ半田溶融凝固後の半田付け対象物を搬送する。このとき、投入室５１と取出室５２は、室内の圧力を常圧に戻した状態で半田付け対象物が搬送される。
リフロー室５０の加熱エリア５０ａでは、高周波発生装置２９を作動させて高周波加熱コイル５９に高周波電流を流すことにより、半田溶融前の半田付け対象物を高周波誘導加熱により加熱し、半田を溶融する。そして、半田付け対象物は、半田が完全に溶融したならば冷却エリア５０ｂに搬送され、当該冷却エリア５０ｂで冷却されて溶融した半田が凝固する。
本実施形態のリフロー装置ＨＫは、加圧状態で半田付けを行うため、第１の実施形態のリフロー装置ＨＫで半田付けを行った場合と同様にボイドの発生を抑制し得る。
したがって、本実施形態によれば、第１の実施形態の効果（１）〜（９）と同様の効果に加えて以下に示す効果を得ることができる。
（１０）リフロー室５０を加熱エリア５０ａと冷却エリア５０ｂに二分し、加熱エリア５０ａと冷却エリア５０ｂとの間に熱を遮断する機能を有する仕切扉５７を設けた。このため、冷却エリア５０ｂは、加熱エリア５０ａからの伝熱が抑制され、半田付け対象物の冷却効果を高めることができる。
（１１）１つのトレイＴに複数個の半田付け対象物を搭載し、複数個の半田付け対象物を同時に加熱して半田付けを行うようにした。このため、半導体モジュール１０の生産効率を向上させることができる。
（第３の実施形態）
次に、本発明を具体化した第３の実施形態を図９にしたがって説明する。
図９は、本実施形態のリフロー装置ＨＫを示している。本実施形態のリフロー装置ＨＫは、複数個（本実施形態では３個）の半田付け対象物を多段式トレイＲに多段積み状態（本実施形態では３段）で搭載して搬送し、複数個の半田付け対象物を同時に加熱し、半田を溶融可能な装置として構成されている。また、本実施形態のリフロー装置ＨＫでは、加熱方式として加熱室内の雰囲気温度を半田の溶融温度以上とし、加熱するように構成されている。図９中、半田付け対象物は、網掛けで図示している。
本実施形態のリフロー装置ＨＫは、加熱室としてのリフロー室７０と、ワーク収容室を構成する投入室７１及び取出室７２とを備えている。各室７０〜７２は、第１の実施形態のリフロー装置ＨＫが備えるリフロー室２０、投入室２１及び取出室２２の各室と同様に機能し、投入室７１は搬送方向（図９に示す矢印方向）の上流側に位置するようにリフロー室７０に接続されているとともに、取出室７２は前記搬送方向の下流側に位置するようにリフロー室７０に接続されている。各室７０〜７２の配置は、第１の実施形態のリフロー装置ＨＫが備えるリフロー室２０、投入室２１及び取出室２２の各室と同様の配置である。そして、リフロー室７０と投入室７１は、仕切部材としての投入側扉７３を介して接続されているとともに、リフロー室７０と取出室７２は、仕切部材としての取出側扉７４を介して接続されている。また、投入室７１には、入口側扉７５が設けられているとともに、取出室７２には、出口側扉７６が設けられている。各扉７３〜７６の構造及び機能は、第１の実施形態のリフロー装置ＨＫが備える投入側扉２３、取出側扉２４、入口側扉２５及び出口側扉２６と同じである。
本実施形態のリフロー室７０は、加熱エリア７０ａと冷却エリア７０ｂとに室内空間が二分されている。加熱エリア７０ａは、投入室７１側に配置されているとともに、冷却エリア７０ｂは、取出室７２側に配置されている。加熱エリア７０ａと冷却エリア７０ｂは、リフロー室７０に設けられた巻取り式の仕切カーテン７７で仕切られている。仕切カーテン７７は、加熱エリア７０ａからの熱を遮断する機能を有しており、シート状の部材である。仕切カーテン７７により、リフロー室７０は、加熱エリア７０ａと冷却エリア７０ｂとの間の雰囲気ガスの移動が制限され、高温室（加熱エリア７０ａ）と低温室（冷却エリア７０ｂ）とに仕切られている。なお、仕切カーテン７７に代えて、第２の実施形態のような開閉可能な仕切扉としても良い。
加熱エリア７０ａには、投入室７１から投入された半田付け対象物を搬送する搬送手段としてのコンベア７８が配設されている。また、加熱エリア７０ａには、リフロー室７０内の雰囲気温度を調整するための高温のガスを供給するガス供給装置７９が接続されている。リフロー室７０（加熱エリア７０ａ）内は、ガス供給装置７９の制御により、所定の温度に、かつ常圧よりも高い圧力（本実施形態では０．１３ＭＰａ）に保たれている。本実施形態では、ガス供給装置７９が加熱手段として機能する。また、リフロー室７０の冷却エリア７０ｂには、加熱エリア７０ａから投入された半田付け対象物を搬送する搬送手段としてのコンベア８０が配設されている。
投入室７１には、半田付け対象物を搬送する搬送手段としての移送機（例えば、ロボットなど）８１が配設されている。また、投入室７１には、不活性ガス供給部３５と、真空部３６と、ガス排出部３７が接続されている。取出室７２には、半田付け対象物を搬送する搬送手段としての移送機（例えば、ロボットなど）８２が配設されている。また、取出室７２には、不活性ガス供給部３９と、真空部４０と、ガス排出部４１が接続されている。
投入室７１には、当該投入室７１に隣接して配置されたワーク供給ライン８３から半田付け対象物が供給されるようになっている。ワーク供給ライン８３は、回路基板１１とヒートシンク１３の接合物に治具４３と、半田シート１７と、半導体素子１２と、錘４４とを順次積層するマウンタ８４と、多段式トレイＲに複数個の半田付け対象物を多段積みする移送機（例えば、ロボットなど）８５とを備えている。本実施形態において半田付け対象物は、ワーク供給ライン８３にて第１の実施形態と同様に図４に示すように準備され、投入室７１へ供給される。
取出室７２に収容された半田溶融凝固後の半田付け対象物は、当該取出室７２に隣接して配置されたワーク排出ライン８６に排出されるようになっている。ワーク排出ライン８６は、多段式トレイＲから半田付け対象物を取り出し、図示しない搬送コンベアに移送する移送機（例えば、ロボットなど）８７を備えている。また、ワーク排出ライン８６で半田付け対象物が取り出された多段式トレイＲは、コンベアなどの搬送機構を有するトレイ回収ライン８８により、ワーク供給ライン８３に戻されるようになっている。
次に、本実施形態のリフロー装置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。本実施形態のリフロー装置ＨＫは、図示しない制御装置を備えており、各室７０，７１，７２のガス雰囲気調整、各扉７３〜７７の開閉、及び搬送機構（コンベア７８，８０や、移送機８１，８２など）の動作を制御する。
本実施形態のリフロー装置ＨＫは、半田付けを行う場合、第１，第２の実施形態のリフロー装置ＨＫと加熱方式は異なるが、装置としての基本的な動作は同じである。すなわち、本実施形態のリフロー装置ＨＫにおいてもリフロー室７０は、ガスの供給により、室内の圧力が常圧よりも高い圧力（本実施形態では０．１３ＭＰａ）となるように雰囲気調整され、加圧状態で半田付けを行う。そして、半田付け対象物は、ワーク供給ライン８３から投入室７１に供給された後、当該投入室７１からリフロー室７０の加熱エリア７０ａ、リフロー室７０の冷却エリア７０ｂ及び取出室７２の順に搬送され、当該取出室７２からワーク排出ライン８６に排出される。
リフロー装置ＨＫでは、入口側扉７５と出口側扉７６を閉鎖した状態で投入側扉７３、取出側扉７４及び仕切カーテン７７を同時に開放し、投入室７１からリフロー室７０へ半田溶融前の半田付け対象物を搬送するとともにリフロー室７０から取出室７２へ半田溶融凝固後の半田付け対象物を搬送する。具体的には、投入室７１内の半田付け対象物がリフロー室７０の加熱エリア７０ａに搬送されるとともに、加熱エリア７０ａ内の半田付け対象物がリフロー室７０の冷却エリア７０ｂに搬送され、さらに冷却エリア７０ｂ内の半田付け対象物が取出室７２に搬送される。そして、リフロー室７０、投入室７１及び取出室７２における半田付け対象物の搬送時、投入室７１及び取出室７２内の圧力は、リフロー室７０内の圧力と同一圧力とされる。
また、リフロー装置ＨＫでは、投入側扉７３、取出側扉７４及び仕切カーテン７７を閉鎖した状態で入口側扉７５と出口側扉７６を同時に開放し、ワーク供給ライン８３から投入室７１へ半田溶融前の半田付け対象物を搬送するとともに取出室７２からワーク排出ライン８６へ半田溶融凝固後の半田付け対象物を搬送する。このとき、投入室７１と取出室７２は、室内の圧力を常圧に戻した状態で半田付け対象物が搬送される。
リフロー室７０の加熱エリア７０ａでは、室内が雰囲気ガスによって高温とされ、その熱により半田溶融前の半田付け対象物を加熱し、半田を溶融する。そして、半田付け対象物は、半田が完全に溶融したならば冷却エリア７０ｂに搬送され、当該冷却エリア７０ｂで冷却されて溶融した半田が凝固する。
本実施形態のリフロー装置ＨＫは、加圧状態で半田付けを行うため、第１，第２の実施形態のリフロー装置ＨＫで半田付けを行った場合と同様にボイドの発生を抑制し得る。
したがって、本実施形態によれば、第１の実施形態の効果（１）〜（４），（９）、及び第２の実施形態の効果（１０），（１１）と同様の効果を得ることができる。
なお、各実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 各実施形態において、リフロー室２０，５０，７０に対して１つのワーク収容室を接続し、当該ワーク収容室からリフロー室２０，５０，７０へ半田溶融前の半田付け対象物を投入し、リフロー室２０，５０，７０からワーク収容室へ半田溶融凝固後の半田付け対象物を取り出すようにしても良い。なお、リフロー室２０，５０，７０から半田付け対象物を取り出す場合には、半田溶融後、凝固前に取り出してワーク収容室に搬送しても良く、この場合、ワーク収容室はリフロー室２０，５０，７０と同一圧力（加圧状態）に調整し、半田溶融域における加圧状態を維持させる。
○ また、第２，第３の実施形態において、半田凝固前に半田付け対象物をリフロー室５０，７０から取り出して取出室５２，７２へ搬送させる場合には、仕切扉５７や仕切カーテン７７及び冷却エリア５０ｂ，７０ｂを省略しても良い。この場合、取出室５２，７２には、室内がリフロー室５０，７０と同一圧力に調整された上で半田溶融状態の半田付け対象物が搬送される。そして、搬送された半田付け対象物は、取出室５２，７２で半田凝固まで待機し、半田が凝固したならば取出室５２，７２の減圧とガス置換が行われ、その後にワーク排出ライン６８，８６へ搬送される。この構成によれば、リフロー装置ＨＫの構成が簡略化される。
○ 各実施形態では、リフロー室２０，５０，７０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。
○ 各実施形態では、リフロー室２０，５０，７０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。ボイドを抑制するために必要な圧力は、濡れ性と表面張力などによって変更可能である。
○ 各実施形態において、リフロー室２０，５０，７０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雰囲気ガスを導入し、室内の圧力を一定に保つようにしても良い。
○ 各実施形態において、リフロー室２０，５０，７０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。
○ 各実施形態において、投入室２１，５１，７１及び取出室２２，５２，７２に導入するガスを還元性ガスにしても良い。
○ 各実施形態において、例えば、リフロー室２０，５０，７０内にヒータなど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１７に熱を伝えるように加熱しても良い。また、第１，第２の実施形態では、高周波誘導加熱により錘４４からの伝熱によって半田を加熱しているが、高周波加熱コイル２８，５９により半田を直接加熱しても良い。また、半田周辺のワーク部位を加熱し、伝熱により半田を加熱しても良い。
○ 半田付け対象物は、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、リフロー室２０，５０，７０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、リフロー室２０，５０，７０に搬送し、一度に加熱する半田付け対象物の数は変更しても良い。また、半導体モジュールを複数の回路基板１１で構成しても良い。
○ 錘４４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４４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、各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４４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１７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１７の成分は限定されない。
○ 第１，第２の実施形態では、リフロー室２０，５０内へのガスの入口側となる還元性ガス供給部３０に減圧弁３０ｃを設ける一方で、室外への出口側となるガス排出部３２に絞り弁３２ｃ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３０とガス排出部３２の何れにも減圧弁を設けても良いし、何れにも絞り弁を設けても良い。なお、何れにも絞り弁を設ける場合には、室内へのガス導入量と室外へのガス排出量を同一に設定し、室内の圧力を一定圧に保つようにする。また、実施形態とは逆に、還元性ガス供給部３０に絞り弁を設ける一方で、ガス排出部３２に減圧弁を設けても良い。上記の各配置態様によれば、リフロー室２０，５０内の圧力を一定に保つことが可能である。
○ 第３の実施形態において、図１０に示すように、投入室７１と取出室７２の各移送機８１，８２に代えて、搬送手段としてコンベア９０，９１を設けても良い。
○ 第１の実施形態において、リフロー室２０に還元性ガス供給部３０とガス排出部３２のみを設けても良い。真空部３１は、リフロー装置ＨＫの起動時、リフロー室２０内を還元性ガス雰囲気にする上で当該還元性ガス雰囲気を真空部３１がない場合よりも早く作り出すことができることから、リフロー室２０に接続した方が好ましい。
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）前記加熱室の圧力は、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に記載の半田付け装置。
半導体モジュールの平面図。 図１のＡ−Ａ線断面図。 （ａ）は第１の実施形態のリフロー装置の平面図、（ｂ）は前記リフロー装置におけるリフロー室、投入室、取出室の正面図。 投入室に投入される半田付け対象物の断面図。 （ａ）は治具の平面図、（ｂ）は錘の斜視図。 実験例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。 （ａ）は第２の実施形態のリフロー装置の平面図、（ｂ）は同じく正面図。 （ａ）は第３の実施形態のリフロー装置の平面図、（ｂ）は前記リフロー装置におけるリフロー室、投入室及び取出室の正面図。 別例のリフロー装置におけるリフロー室、投入室及び取出室の正面図。
符号の説明
ＨＫ…リフロー装置、１１…回路基板、１２…半導体素子、２０，５０，７０…リフロー室、２１，５１，７１…投入室、２２，５２，７２…取出室、２８，５９…高周波加熱コイル、２９…高周波発生装置、３０…還元性ガス供給部、２３，５３，７３…投入側扉、２４，５４，７４…取出側扉、３０ｃ…減圧弁、３２ｃ…絞り弁、３５，３９…不活性ガス供給部。

Claims (11)

  1. 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、
    半田付け対象物を加熱し、半田を溶融する加熱室と、
    前記加熱室へ投入する半田溶融前の半田付け対象物及び前記加熱室から取り出される半田溶融後の半田付け対象物を収容するワーク収容室と、
    前記加熱室と前記ワーク収容室との間で前記半田付け対象物を搬送する搬送手段と、
    前記加熱室に収容された前記半田付け対象物を加熱する加熱手段と、
    前記加熱室内に還元性ガスからなる雰囲気ガス又は還元性ガスを含む雰囲気ガスを導入する第１のガス導入手段とを備え、
    前記加熱室内の圧力を前記雰囲気ガスによって常圧よりも高い圧力とし、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。
  2. 前記加熱室の圧力は、０．１１ＭＰａ以上の圧力であることを特徴とする請求項１に記載の半田付け装置。
  3. 前記加熱室の圧力は、０．１３ＭＰａ以上の圧力であることを特徴とする請求項１に記載の半田付け装置。
  4. 前記ワーク収容室内に不活性ガス又は前記雰囲気ガスを導入する第２のガス導入手段と、
    前記加熱室と前記ワーク収容室とを連通状態及び非連通状態に仕切る仕切部材とを備え、
    前記半田付け対象物は、前記ワーク収容室の圧力を前記加熱室の圧力と同一圧力に調整した後に前記仕切部材を開放し、両室間を搬送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装置。
  5. 前記ワーク収容室は、前記加熱室の前後に配置される投入室と取出室からなり、
    前記投入室及び前記取出室の各室内に不活性ガス又は前記雰囲気ガスを導入する第２のガス導入手段と、
    前記加熱室と前記投入室及び前記加熱室と前記取出室を、各別に連通状態及び非連通状態に仕切る仕切部材とを備え、
    前記半田付け対象物は、前記投入室から前記加熱室への搬送時、前記投入室の圧力を前記加熱室の圧力と同一圧力に調整した後に前記仕切部材を開放し、両室間を搬送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装置。
  6. 前記ワーク収容室は、前記加熱室の前後に配置される投入室と取出室からなり、
    前記投入室及び前記取出室の各室内に不活性ガス又は前記雰囲気ガスを導入する第２のガス導入手段と、
    前記加熱室と前記投入室及び前記加熱室と前記取出室を、各別に連通状態及び非連通状態に仕切る仕切部材とを備え、
    前記半田付け対象物は、前記加熱室から前記取出室への搬送時、前記取出室の圧力を前記加熱室の圧力と同一圧力に調整した後に前記仕切部材を開放し、両室間を搬送させることを特徴とする請求項１〜請求項３及び請求項５のうちいずれか一項に記載の半田付け装置。
  7. 前記半田付け対象物は、前記加熱室において前記半田が溶融され、当該半田の凝固後に取り出されて搬送され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装置。
  8. 前記加熱手段は、高周波誘導加熱により前記半田付け対象物を加熱する装置であ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装置。
  9. 前記加熱室に導入された前記雰囲気ガスを室外に排出するガス排出手段と、
    前記加熱室内に導入される前記雰囲気ガスを前記ガス排出手段で排出しながら、前記加熱室内の圧力を一定圧に維持する圧力調整手段とを備えたことを特徴とする請求項１〜請求項８のうちいずれか一項に記載の半田付け装置。
  10. 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加熱し、溶融する加熱室と、当該加熱室へ投入する半田溶融前の半田付け対象物及び前記加熱室から取り出される半田溶融後の半田付け対象物を収容するワーク収容室との間で前記半田付け対象物を搬送手段により搬送し、前記回路基板と前記半導体素子とを半田付けする半田付け方法であって、
    前記加熱室内に還元性ガスからなる雰囲気ガス又は還元性ガスを含む還元性ガスを含む雰囲気ガスを導入して前記加熱室内の圧力を常圧よりも高い圧力とし、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。
  11. 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加熱し、溶融する加熱室と、当該加熱室へ投入する半田溶融前の半田付け対象物及び前記加熱室から取り出される半田溶融後の半田付け対象物を収容するワーク収容室との間で前記半田付け対象物を搬送手段により搬送し、前記回路基板と前記半導体素子とを半田付けした半導体装置の製造方法であって、
    前記加熱室内に還元性ガスからなる雰囲気ガス又は還元性ガスを含む還元性ガスを含む雰囲気ガスを導入して前記加熱室内の圧力を常圧よりも高い圧力とし、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加圧状態で半田付けを行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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