JP2008182120A - 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

Abstract

【課題】ボイドの発生を抑制すること。
【解決手段】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周囲の雰囲気ガスの圧力を制御しながら前記半田を溶融温度以上の温度まで加熱して溶融し、その後に前記半田を前記溶融温度未満の温度まで下げて凝固させることにより、半田付けを行う。そして、半田付けは、少なくとも半田の凝固時において雰囲気ガスの圧力が上昇している状態で行う。
【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。これらの特許文献１〜３には、収容室内の雰囲気圧力を上昇させた状態で半田付けを行う方法が開示されている。
特開平１１−１５４７８５号公報 特開２００４−１１４０７４号公報 特開２００５−２３０８３０号公報

ところで、特許文献１〜３では、半田の凝固前に雰囲気圧力を上昇させており、半田の凝固時の雰囲気圧力は一定とされている。しかしながら、本発明者の実験によれば、これらの半田付け方法ではボイドの発生を十分に抑制することができないことを確認した。本発明者の実験結果は、図９及び図１０に示しており、その詳細は後述する。

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、半田付け装置、及び半導体装置の製造方法を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１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周囲の雰囲気ガスの圧力を制御しながら前記半田を溶融温度以上の温度まで加熱して溶融し、その後に前記半田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、少なくとも前記半田の凝固時には、前記雰囲気ガスの圧力が上昇している状態で半田付けを行うことを要旨とする。

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、前記半田の冷却開始から前記半田の凝固時には、前記雰囲気ガスの圧力を上昇させ続け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５のうち何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を収容室に収容し、前記収容室内へ前記雰囲気ガスを供給することにより、前記雰囲気ガスの圧力を上昇させることを要旨とする。

請求項７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半田付けする半田付け装置であって、前記半田を加熱し、溶融させる加熱手段と、半田付け対象物周囲の雰囲気ガスの圧力を制御する雰囲気ガス制御手段と、を備え、前記加熱手段は、前記半田を溶融温度以上の温度まで加熱して溶融し、前記雰囲気ガス制御手段は、溶融後の前記半田の凝固時において前記雰囲気ガスの圧力が上昇している状態に制御することを要旨とする。

請求項８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周囲の雰囲気ガスの圧力を制御しながら前記半田を溶融温度以上の温度まで加熱して溶融し、その後に前記半田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、少なくとも前記半田の凝固時には、前記雰囲気ガスの圧力が上昇している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２、請求項６、請求項７及び請求項８に記載の発明によれば、半田の凝固時には、収容室内の雰囲気圧力が上昇していることにより、圧力変化が生じる。このため、圧力を一定とした場合よりも、圧力変化が生じることによって、ボイドの発生を抑制することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の半田付け方法において、少なくとも前記半田の加熱段階において前記半田が前記溶融温度に達した時には、前記雰囲気ガスの圧力が上昇している状態で半田付けを行うことを要旨とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の半田付け方法において、前記半田が前記溶融温度に達した時から加熱が終了する迄の間、前記雰囲気ガスの圧力を上昇させ続け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、半田の溶融時には、収容室内の雰囲気圧力が上昇していることにより、圧力変化が生じる。このため、圧力を一定とした場合よりも、圧力変化が生じることによって、ボイドの発生を抑制することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のうち何れか一項に記載の半田付け方法において、前記半田の冷却段階において前記雰囲気ガスの圧力は、前記半田の加熱段階における前記雰囲気ガスの最大圧力よりも高い０．２ＭＰａ以下の圧力まで上昇させることを要旨とする。

請求項５に記載の発明によれば、雰囲気ガスの圧力を上昇させて半田付けを行った場合、加圧により縮小されて残ったボイドの内圧は大気圧に近い圧となる。そして、加圧力を高めた場合、ボイドの内圧は高くなる。このため、内圧が高い状態でボイドが残ると、半田に応力が生じ、半田付けの信頼性の低下をもたらす虞がある。

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１０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、収容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、両室２０，２１を連通状態と非連通状態に仕切る仕切部材として機能する開閉式の投入側扉（例えば、ゲートバルブ）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、両室２０，２２を連通状態と非連通状態に仕切る仕切部材として機能する開閉式の取出側扉（例えば、ゲートバルブ）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。すなわち、リフロー室２０の室内空間は、投入側扉２３と取出側扉２４の両方を閉鎖することにより、投入室２１と取出室２２の各室内空間と区画される。

投入室２１には、入口側扉（例えば、ゲートバルブ）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（例えば、ゲートバルブ）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。そして、投入室２１の室内空間は、投入側扉２３と入口側扉２５の両方を閉鎖することにより、リフロー室２０の室内空間と区画される。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の室内空間は、取出側扉２４と出口側扉２６の両方を閉鎖することにより、リフロー室２０の室内空間と区画される。

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、１回の半田付けで投入する個数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。１回の半田付けで投入する半田付け対象物の個数は、１個でも良いし、複数個でも良い。また、リフロー室２０には、半田付け対象物を加熱し、半田を溶融するための加熱手段としての加熱装置（例えば、ヒータなど）２８が配設されている。

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（Ｈ_２））を供給する還元性ガス供給部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、減圧弁（圧力調整手段）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、室内に不活性ガス（本実施形態では窒素（Ｎ_２））を供給する不活性ガス供給部３１が接続されている。不活性ガス供給部３１は、配管３１ａと、当該配管３１ａの開閉バルブ３１ｂと、減圧弁（圧力調整手段）３１ｃと、不活性ガス供給源（例えば、窒素を充填した窒素タンク）３１ｄとを備えている。減圧弁３１ｃは、開閉バルブ３１ｂを介して導入した不活性ガス供給源３１ｄからの窒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３２が接続されている。真空部３２は、配管３２ａと、当該配管３２ａの開閉バルブ３２ｂと、真空ポンプ３２ｃ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及び不活性ガスを室外に排出するガス排出部３３が接続されている。ガス排出部３３は、配管３３ａと、当該配管３３ａの開閉バルブ３３ｂと、絞り弁（圧力調整手段）３３ｃとを備えている。リフロー室２０内のガスは、絞り弁３３ｃにて排出量が調整され、外部に排出される。また、リフロー室２０には、室内の温度を計測する温度センサ（例えば、熱電対など）３４が設置されている。本実施形態において温度センサ３４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、すなわち半田の温度を計測し得るようにリフロー室２０内に設置されている。

リフロー室２０は、還元性ガス供給部３０、不活性ガス供給部３１、真空部３２及びガス排出部３３が接続されることにより、リフロー室２０内の雰囲気ガスの圧力（以下、「雰囲気圧力」とも示す）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。そして、リフロー室２０に投入された半田付け対象物は、還元性ガス供給部３０、不活性ガス供給部３１、真空部３２及びガス排出部３３による圧力調整により、半田付け対象物周囲の雰囲気ガスの圧力が制御され、リフロー室２０にガスを供給することで半田付け対象物周囲の雰囲気ガスの圧力は上昇する。そして、本実施形態においてリフロー室２０の雰囲気圧力は、図６〜図８に示すように、リフロー室２０内の温度変化に合わせて制御される。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３３の絞り弁３３ｃの作用、及び不活性ガス供給部３１の減圧弁３１ｃとガス排出部３３の絞り弁３３ｃの作用により、雰囲気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。そして、本実施形態においてリフロー室２０では、半田付け対象物の半田の溶融から凝固まで行うようになっている。

次に、投入室２１について説明すると、該投入室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３５が配設されている。投入室２１は、リフロー室２０と同様に、１回の半田付けで投入する個数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。

次に、取出室２２について説明すると、該取出室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３６が配設されている。取出室２２は、リフロー室２０と同様に、１回の半田付けで投入する個数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、当該投入室２１に隣接して配置されたワーク供給ライン３７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及び図５には、ワーク供給ライン３７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３７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３８が載置され、次いで半田シート１７と半導体素子１２とが順次積層される。

図４及び図５は、投入室２１に投入される半田付け対象物を示している。治具３８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３８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３８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３９が形成されている。貫通孔３９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３８には複数個（４つ）の貫通孔３９が形成されている。

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４０に排出されるようになっている。ワーク排出ライン４０では、治具３８が取り外され、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４０で取り外された治具３８は、ワーク供給ライン３７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、制御装置４１を備えており、制御装置４１が還元性ガス供給部３０、不活性ガス供給部３１、真空部３２及びガス排出部３３を制御することによりリフロー室２０の雰囲気圧力の調整が行われるとともに、制御装置４１が各扉２３〜２６の開閉及び搬送機構（コンベア２７，３５，３９）の動作を制御する。本実施形態では、制御装置４１、還元性ガス供給部３０、不活性ガス供給部３１、真空部３２及びガス排出部３３により、雰囲気ガス制御手段が構成される。

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。半田付けを行う場合には、最初に、入口側扉２５を開放してワーク供給ライン３７から半田付け対象物を投入室２１に投入し、その後に投入側扉２３を開放して投入室２１内の半田付け対象物をリフロー室２０に投入する。そして、投入側扉２３を閉鎖し、リフロー室２０を密閉する。

次に、リフロー室２０内のガス置換を行う。まず、真空部３２を操作してリフロー室２０内を真空引きし、還元性ガス供給部３０からリフロー室２０内へ還元性ガスを供給し、密閉空間とされたリフロー室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、雰囲気圧力が所定圧（本実施形態では０．０１ＭＰａ）となるように雰囲気調整を行う。このときの所定圧は、本実施形態において半田付け開始時（加熱開始時）の圧力となる。リフロー室２０は、還元性ガス供給部３０からの還元性ガスの供給とガス排出部３３からのガスの排出により、室内でガスを流通させながら一定圧（０．０１ＭＰａ）に保持される。そして、この状態で半田付けを開始する。また、リフロー室２０に半田付け対象物を投入したならば、投入室２１には、ワーク供給ライン３７から次の半田付け対象物を投入し、入口側扉２５を閉鎖する。

次に、半田付けを開始すると、リフロー室２０では、加熱装置２８を作動させることにより、該リフロー室２０に投入した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、半田付けの開始後、リフロー室２０内は、温度センサ３４により計測される半田の温度変化に合わせて、時間の経過とともに圧力が制御される。具体的には、不活性ガス供給部３１からリフロー室２０内へ不活性ガスを供給し、半田の温度と時間をもとに、段階的に圧力が上昇させられる。これにより、リフロー室２０に投入した半田付け対象物周囲の雰囲気ガスの圧力は、段階的に上昇させられる。そして、リフロー室２０は、不活性ガス供給部３１からの不活性ガスの供給とガス排出部３３からのガスの排出により、室内でガスを流通させながら雰囲気圧力が所定圧に保持される。

その後、半田が完全に溶融したならば、加熱装置２８を停止させ、溶融した半田が凝固する迄の間、冷却する。本実施形態のリフロー装置ＨＫでは、溶融した半田を自然冷却させる。溶融した半田は、半田温度が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を接合する。そして、リフロー室２０内で半田が溶融凝固したならば、リフロー室２０内へのガスの供給を停止するとともにリフロー室２０内のガスをガス排出部３３により大気開放し、その後に取出側扉２４を開放して半田溶融凝固後の半田付け対象物を取出室２２へ搬送する。取出側扉２４は、半田溶融凝固後の半田付け対象物の搬送後に閉鎖する。

取出室２２へ搬送した半田溶融凝固後の半田付け対象物は、取出室２２にて半田温度が所定温度に低下する所定時間の間、さらに自然冷却し、その後に取出室２２からワーク排出ライン４０へ搬送する。取出室２２の出口側扉２６は、半田溶融凝固後の半田付け対象物をワーク排出ライン４０へ搬送する際に開放し、搬送後に閉鎖する。

一方、半田溶融凝固後の半田付け対象物を取出室２２へ搬送した後のリフロー室２０には、投入室２１で待機している次の半田付け対象物を投入し、次の半田付け対象物の半田付けを行う。この半田付けは前述同様に行い、リフロー装置ＨＫでは、投入室２１からリフロー室２０に半田溶融前の半田付け対象物を投入し、半田付け後に半田溶融凝固後の半田付け対象物をリフロー室２０から取出室２２に搬送する作業が繰り返される。

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〜図８に示す実験例１〜３を用いて説明する。
図６〜図８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リフロー室２０内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。

実験例１〜３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。なお、本実施形態の半田シート１７の成分は、Ｓｎ：９９％、Ｃｕ：０．７％、Ｎｉ：０．０７％、Ｐ：０．００３％である。また、本実施形態で用いる半田シート１７は、溶融温度が２２７℃〜２３０℃である。

最初に、図６に示す実験例１を説明する。実験例１では、図６のグラフに示すように半田温度に合わせてリフロー室２０内の圧力を変遷させている。
実験例１において、半田温度は、リフロー室２０内を０．０１ＭＰａに雰囲気調整した後、予熱温度となる２００℃に達し、所定時間の予熱後に本加熱温度となる３００℃に達するように制御した。そして、半田温度は、所定時間の本加熱後、加熱装置２８を停止させることで自然冷却により、時間の経過とともに下降させた。

一方、リフロー室２０内の雰囲気圧力は、予熱時に０．０１ＭＰａを維持し、半田温度を２００℃から３００℃に昇温させる際に０．０１ＭＰａから０．０４５ＭＰａに昇圧するとともに本加熱時に０．０４５ＭＰａを維持するように制御した。実験例１では、０．０４５ＭＰａが、半田の加熱段階における雰囲気圧力となる。また、雰囲気圧力は、本加熱の終了と略同時に０．０４５ＭＰａから０．２ＭＰａに昇圧させるように制御した。実験例１では、０．２ＭＰａが、半田の冷却段階における雰囲気圧力となる。

そして、実験例１では、半田温度が２００℃から３００℃に昇温する過程と雰囲気圧力が０．０１ＭＰａから０．０４５ＭＰａに昇圧する過程において、半田温度が溶融温度に達した時、雰囲気圧力が上昇している状態に制御している。すなわち、雰囲気圧力は、半田温度が溶融温度に達した時に、０．０１ＭＰａから０．０４５ＭＰａへの昇圧状態となっている。また、雰囲気圧力は、半田温度が溶融温度に達した時から加熱終了となる３００℃に達する迄の間、時間の経過とともに連続的に上昇し続けるように制御している。

また、実験例１では、半田温度が３００℃から自然冷却により下降する過程と雰囲気圧力が０．０４５ＭＰａから０．２ＭＰａに昇圧する過程において、半田温度が凝固温度（溶融温度）に達した時、雰囲気圧力が上昇している状態に制御している。すなわち、雰囲気圧力は、半田の凝固時に、０．０４５ＭＰａから０．２ＭＰａへの昇圧状態となっている。また、雰囲気圧力は、溶融した半田の冷却開始から半田が凝固する迄の間、時間の経過とともに連続的に上昇し続けるように制御している。なお、実験例１では、半田温度を２００℃から３００℃に昇温する加熱段階における雰囲気圧力の上昇比率と、半田を本加熱の終了によって冷却する冷却段階における雰囲気圧力の上昇比率を同一比率に設定している。具体的に言えば、０．０１ＭＰａから０．０４５ＭＰａに昇圧する上昇比率と０．０４５ＭＰａから０．２ＭＰａに昇圧する上昇比率は、何れも約４．５倍に設定されている。

実験例１のように２段階で加圧して半田付けを行った場合は、図６に掲載する半導体素子１２の裏面側（接合面側）のＸ線写真に見られるように、ボイドの発生が好適に抑えられている。なお、実験例１で半田付けを行った場合のボイド率は、実験に用いたサンプルの平均値として［０．０３］であった。ボイド率は、体積中に占める気体の割合を示す。

次に、図７に示す実験例２を説明する。実験例２では、図７のグラフに示すように半田温度に合わせてリフロー室２０の雰囲気圧力を変遷させている。なお、実験例２は、半田温度については実験例１の半田温度と同様に制御しており、雰囲気圧力の制御が実験例１と異なっている。したがって、以下の説明では、実験例２における雰囲気圧力の制御を中心に説明する。

リフロー室２０内の雰囲気圧力は、予熱時に０．０１ＭＰａを維持し、半田温度を２００℃から３００℃に昇温させる際に０．０１ＭＰａから０．１ＭＰａ（１０倍）に昇圧するとともに本加熱時に０．１ＭＰａを維持するように制御した。実験例２では、０．１ＭＰａが、半田の加熱段階における雰囲気圧力となる。また、雰囲気圧力は、本加熱の終了と略同時に０．１ＭＰａから０．２ＭＰａ（２倍）に昇圧させるように制御した。実験例２では、０．２ＭＰａが、半田の冷却段階における雰囲気圧力となる。実験例２では、半田温度を２００℃から３００℃に昇温する加熱段階における雰囲気圧力の上昇比率と、半田を本加熱の終了によって冷却する冷却段階における雰囲気圧力の上昇比率を異なる比率に設定している。

そして、実験例２では、実験例１と同様に、半田温度が２００℃から３００℃に昇温する過程と雰囲気圧力が０．０１ＭＰａから０．１ＭＰａに昇圧する過程において、半田温度が溶融温度に達した時、雰囲気圧力が上昇している状態に制御している。すなわち、雰囲気圧力は、半田温度が溶融温度に達した時に、０．０１ＭＰａから０．１ＭＰａへの昇圧状態となっている。また、雰囲気圧力は、半田温度が溶融温度に達した時から加熱終了となる３００℃に達する迄の間、時間の経過とともに連続的に上昇し続けるように制御している。

また、実験例２では、実験例１と同様に、半田温度が３００℃から自然冷却により下降する過程と雰囲気圧力が０．１ＭＰａから０．２ＭＰａに昇圧する過程において、半田温度が凝固温度（溶融温度）に達した時、雰囲気圧力が上昇している状態に制御している。すなわち、雰囲気圧力は、半田の凝固時に、０．１ＭＰａから０．２ＭＰａへの昇圧状態となっている。また、雰囲気圧力は、溶融した半田の冷却開始から半田が凝固する迄の間、時間の経過とともに連続的に上昇し続けるように制御している。

実験例２のように２段階で加圧して半田付けを行った場合は、図７に掲載する半導体素子１２の裏面側（接合面側）のＸ線写真に見られるように、ボイドの発生が好適に抑えられている。なお、実験例２で半田付けを行った場合のボイド率は、実験に用いたサンプルの平均値として［０．１２］であった。

次に、図８に示す実験例３を説明する。実験例３では、図８のグラフに示すように半田温度に合わせてリフロー室２０の雰囲気圧力を変遷させている。なお、実験例３は、半田温度については実験例１，２の半田温度と同様に制御しており、雰囲気圧力の制御が実験例１，２と異なっている。したがって、以下の説明では、実験例３における雰囲気圧力の制御を中心に説明する。

リフロー室２０内の雰囲気圧力は、予熱から本加熱が略終了する迄の間、０．０１ＭＰａを維持するように制御し、本加熱の終了と略同時に０．０１ＭＰａから０．２ＭＰａ（２０倍）に昇圧させるように制御した。実験例３では、半田温度を２００℃から３００℃に昇温する加熱段階において雰囲気圧力を加圧することなく、半田を本加熱の終了によって冷却する冷却段階においてのみ雰囲気圧力を加圧している。実験例３では、０．０１ＭＰａが半田の加熱段階における雰囲気圧力となり、０．２ＭＰａが半田の冷却段階における雰囲気圧力となる。

そして、実験例３では、実験例１，２と同様に、半田温度が３００℃から自然冷却により下降する過程と雰囲気圧力が０．０１ＭＰａから０．２ＭＰａに昇圧する過程において、半田温度が凝固温度（溶融温度）に達した時、雰囲気圧力が上昇している状態に制御している。すなわち、雰囲気圧力は、半田の凝固時に、０．０１ＭＰａから０．２ＭＰａへの昇圧状態となっている。また、雰囲気圧力は、溶融した半田の冷却開始から半田が凝固する迄の間、時間の経過とともに連続的に上昇し続けるように制御している。

実験例３のように１段階で加圧して半田付けを行った場合は、図８に掲載する半導体素子１２の裏面側（接合面側）のＸ線写真に見られるように、ボイドの発生が好適に抑えられている。なお、実験例３で半田付けを行った場合のボイド率は、実験に用いたサンプルの平均値として［０．０１未満］であった。

次に、図９及び図１０を用いて比較例１，２を説明する。
比較列１，２で用いた半導体モジュール１０の各寸法は、実験例１〜３で用いた半導体モジュール１０と同じである。そして、比較列１，２は、実験例１〜３に対して雰囲気圧力の制御が実験例１〜３と異なっている。したがって、以下の説明では、各比較例１，２について雰囲気圧力の制御を中心に説明する。

図９に示す比較例１においてリフロー室２０内の雰囲気圧力は、予熱から本加熱が略終了する迄の間、０．１ＭＰａを維持するように制御し、本加熱の終了と略同時に０．１ＭＰａから０．２ＭＰａに昇圧させるように制御した。そして、比較例１では、半田温度が３００℃から自然冷却により下降する過程と雰囲気圧力が０．１ＭＰａから０．２ＭＰａに昇圧する過程において、半田温度が凝固温度（溶融温度）に達した時、雰囲気圧力が一定圧（０．２ＭＰａ）を維持するように制御している。

また、図１０に示す比較例２においてリフロー室２０内の雰囲気圧力は、予熱時に０．０１ＭＰａを維持し、半田温度を２００℃から３００℃に昇温させる際に０．０１ＭＰａから０．１ＭＰａに昇圧するとともに本加熱時及び本加熱の終了後も０．１ＭＰａを維持するように制御した。そして、比較例２では、半田温度が２００℃から３００℃に昇温する過程と雰囲気圧力が０．０１ＭＰａから０．１ＭＰａに昇圧する過程において、半田温度が溶融温度に達した時、雰囲気圧力が上昇している状態に制御している。一方、比較列２では、半田温度が３００℃から自然冷却により下降する過程において、半田温度が凝固温度（溶融温度）に達した時、雰囲気圧力が一定圧（０．１ＭＰａ）を維持するように制御している。

比較例１，２のように半田付けを行った場合は、図９及び図１０に掲載する半導体素子１２の裏面側（接合面側）のＸ線写真に見られるように、実験例１〜３に比べてボイドが発生していることが分かる。比較例１で半田付けを行った場合のボイド率は、実験に用いたサンプルの平均値として［１．３８］であった。また、比較列２で半田付けを行った場合のボイド率は、実験に用いたサンプルの平均値として［０．３１］であり、ボイド率としてはまずまずの結果を得られたがばらつきが大きかった。なお、実験例１〜３及び比較例１，２のボイド率は、同数のサンプルの平均値である。

以上、これらの実験結果を踏まえると、図８の実験例３と図９及び図１０の比較例１，２の対比結果から、半田の冷却段階で雰囲気圧力を加圧し、さらに冷却段階で加圧する場合には半田の凝固時においても雰囲気圧力を加圧していることがボイドの発生を抑制する上で効果的であることが分かる。そして、図６の実験例１及び図７の実験例２からは、半田の加熱段階で雰囲気圧力を加圧し、さらに半田の冷却段階で雰囲気圧力を加圧すれば、ボイドの発生を抑制する上でさらに効果的であることが分かる。

ボイドが発生する原因には、雰囲気から半田内に取り込まれたガスや加熱によって基板などの接合対象物から発生したガスが溶融凝固した半田内に閉じ込められてしまうことが挙げられる。このため、雰囲気を圧力が上昇している状態にすれば、半田内のガスを半田外に放出させたり、ガスの体積を縮小させたりすることが可能となる。しかし、本発明者が行った実験結果によれば、雰囲気を単に加圧しただけではボイドの発生を好適に抑えることはできず、昇圧タイミングが重要であることが分かる。具体的に言えば、半田の凝固時において昇圧、すなわち雰囲気圧力を変化（変動）させることによりボイドの発生を好適に抑えられることが分かる。このため、ボイドの発生は、半田の凝固時において雰囲気圧力が一定となるように加圧するよりも、半田の凝固時においても雰囲気圧力が変化しているように加圧した方が効果的に抑制し得る。

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）半田付け対象物の半田付けを行う際、半田の凝固時にはリフロー室２０内の雰囲気圧力を上昇させるように、圧力を制御する。これによれば、溶融されている半田内に存在するガスを半田外に放出させたり、ガスの体積を縮小させたりすることができる。したがって、半田の凝固時には雰囲気圧力を上昇させているので、半田の凝固前に雰囲気圧力を上昇させて凝固時の雰囲気圧力を一定にしている場合に比してボイドの発生を抑制することができる。

（２）また、半田の冷却開始から半田の凝固時には、リフロー室２０内の雰囲気圧力を上昇させ続けることにより、半田の凝固時には確実に雰囲気圧力が上昇している環境を作り出すことができるとともに、雰囲気圧力の制御を簡素化することができる。

（３）半田付け対象物の半田付けを行う際、半田の溶融時にはリフロー室２０内の雰囲気圧力を上昇させるように、圧力を制御する。これによれば、溶融されている半田内に存在するガスを半田外に放出させたり、ガスの体積を縮小させたりすることができる。したがって、半田の溶融時には雰囲気圧力を上昇させているので、半田の溶融前に雰囲気圧力を上昇させて溶融時の雰囲気圧力を一定にしている場合に比してボイドの発生を抑制することができる。そして、半田の溶融時と半田の凝固時の２段階で雰囲気圧力を上昇させることで、ボイドの発生をさらに抑制することができる。

（４）また、半田が溶融温度に達した時から加熱が終了する迄の間、リフロー室２０内の雰囲気圧力を上昇させ続けることにより、半田の溶融時には確実に雰囲気圧力が上昇している環境を作り出すことができるとともに、雰囲気圧力の制御を簡素化することができる。

（５）半田の冷却段階においてリフロー室２０の雰囲気圧力は、半田の加熱段階における最大雰囲気圧力（実験例１では０．０４５ＭＰａ、実験例２では０．１ＭＰａ、実験例３では０．０１ＭＰａ）よりも高い０．２ＭＰａの圧力まで上昇させている。これによれば、圧力が上昇している状態で半田付けを行った場合、加圧により縮小されて残ったボイドの内圧は大気圧に近い圧となる。リフロー室２０の雰囲気圧力をさらに高く設定すれば、ボイドの体積をより縮小させることができると考えられるが、ボイドの内圧は高くなる。このため、内圧が高い状態でボイドが残ると、半田に応力が生じ、半田付けの信頼性の低下をもたらす。例えば、内圧が高い状態のボイドは膨張することもあり、半導体モジュール１０を通電した際に、そのボイドの膨張による影響を受けて背景技術で記載したように局所的な高温領域（ホットスポット）が生じ易くなる。したがって、ボイドの内圧は、大気圧に近い圧に止めておくことで、局所的な高温領域（ホットスポット）の発生を抑制することができる。

（６）実験例１のように、半田の加熱段階と半田の冷却段階における雰囲気圧力の上昇比率を同一比率に設定することで、加圧しながら半田付けを行う場合の加熱段階と冷却段階の効果を均等化することができる。

なお、本実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 実施形態において、半田付け装置を図１１に示すように、収容室としての容器（チャンバ）５０で構成しても良い。容器５０は、開口部５１ａを有する箱型の本体部材５１と開口部５１ａを開放及び閉鎖する蓋部材５２から構成する。そして、本体部材５１内には半田付け対象物を位置決めし、支持する支持台５３が設置されている。また、本体部材５１には、蓋部材５２の装着部材にパッキン５４が配設されている。また、本体部材５１には、実施形態のリフロー室２０と同様に、還元性ガス供給部３０、不活性ガス供給部３１、真空部３２及びガス排出部３３を接続する。このような容器５０内に半田付け対象物を収容し、実施形態で説明したように、半田温度に合わせて雰囲気圧力を調整し、半田付けを行う。なお、容器５０は、密閉可能な構造とすることが好ましいが、室外へのガス漏れを考慮して容器５０内にガスを供給し、半田付けを行うための所望の圧力に調整可能な構成を採用すれば、容器５０を必ずしも密閉可能な構造にする必要はない。

○ 実施形態において、リフロー室２０は、投入側扉２３と取出側扉２４の両方を閉鎖した際に密閉可能な構造とすることが好ましいが、室外へのガス漏れを考慮してリフロー室２０内にガスを供給し、半田付けを行うための所望の圧力に調整可能な構成を採用すれば、リフロー室２０を必ずしも密閉可能な構造にする必要はない。

○ 実施形態において、半田付け時における各段階で維持する雰囲気圧力の値を変更しても良い。そして、実施形態では、冷却段階における雰囲気圧力を０．２ＭＰａに設定し、加圧しているが、このときの圧力値は０．２ＭＰａを超える値に設定しても良いし、０．２ＭＰａ以下の値に設定しても良い。また、０．２ＭＰａ以下の値に設定する場合、その値は常圧（おおよそ０．１０２３ＭＰａ）未満の値としても良い。なお、冷却段階における雰囲気圧力の値は、実施形態で理由を述べたように、０．２ＭＰａ以下の値が好ましい。

○ 実施形態において、半田の加熱段階や冷却段階で加圧する場合、少なくとも半田温度が溶融温度（凝固温度）に達した時、雰囲気圧力が上昇している状態に制御すれば良く、それ以外の所では雰囲気圧力が段階的（上昇と一定を繰り返す）に上昇するように制御しても良い。

○ 実施形態において、リフロー室２０の雰囲気圧力を監視し、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。
○ 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。

○ 実施形態において、加熱装置２８は、リフロー室２０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、加熱装置２８として、高周波誘導加熱により半田を加熱する構成を採用しても良い。

○ 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。

○ 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、実施形態で説明したように半田付け時に加圧すれば良く、使用する半田シート１７の成分は限定されない。

○ 実施形態では、リフロー室２０内へのガスの入口側となる還元性ガス供給部３０及び不活性ガス供給部３１に減圧弁３０ｃ，３１ｃを設ける一方で、室外への出口側となるガス排出部３３に絞り弁３３ｃ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、不活性ガス供給部３１及びガス排出部３３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及び不活性ガス供給部３１に絞り弁を設ける一方で、ガス排出部３３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の圧力を一定に保つことが可能である。

○ 実施形態において、リフロー室２０に、還元性ガス供給部３０、真空部３２及びガス排出部３３のみを接続しても良い。
○ 実施形態では、ガスの供給によりリフロー室２０の雰囲気圧力を調整しているが、リフロー室２０の容積を圧縮することで雰囲気圧力を上昇させるようにしても良い。

半導体モジュールの平面図。 図１のＡ−Ａ線断面図。 （ａ）は本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を構成するリフロー室、投入室及び取出室の正面図。 投入室に投入される半田付け対象物の断面図。 図４に示す半田付け対象物の平面図。 実験例１の半田温度とリフロー室の圧力の変遷を示すグラフとＸ線写真。 実験例２の半田温度とリフロー室の圧力の変遷を示すグラフとＸ線写真。 実験例３の半田温度とリフロー室の圧力の変遷を示すグラフとＸ線写真。 比較例１の半田温度とリフロー室の圧力の変遷を示すグラフとＸ線写真。 比較例２の半田温度とリフロー室の圧力の変遷を示すグラフとＸ線写真。 別例における半田付け装置を示す縦断面図。

符号の説明

ＨＫ…リフロー装置、１１…回路基板、１２…半導体素子、２０…リフロー室、２１…投入室、２２…取出室、２８…加熱装置、３０…還元性ガス供給部、３１…不活性ガス供給部。

Claims (8)

1. 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周囲の雰囲気ガスの圧力を制御しながら前記半田を溶融温度以上の温度まで加熱して溶融し、その後に前記半田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、
   少なくとも前記半田の凝固時には、前記雰囲気ガスの圧力が上昇している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. 前記半田の冷却開始から前記半田の凝固時には、前記雰囲気ガスの圧力を上昇させ続けることを特徴とする請求項１に記載の半田付け方法。
3. 少なくとも前記半田の加熱段階において前記半田が前記溶融温度に達した時には、前記雰囲気ガスの圧力が上昇している状態で半田付けを行うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半田付け方法。
4. 前記半田が前記溶融温度に達した時から加熱が終了する迄の間、前記雰囲気ガスの圧力を上昇させ続けることを特徴とする請求項３に記載の半田付け方法。
5. 前記半田の冷却段階において前記雰囲気ガスの圧力は、前記半田の加熱段階における前記雰囲気ガスの最大圧力よりも高い０．２ＭＰａ以下の圧力まで上昇させることを特徴とする請求項１〜請求項４のうち何れか一項に記載の半田付け方法。
6. 前記半田付け対象物を収容室に収容し、前記収容室内へ前記雰囲気ガスを供給することにより、前記雰囲気ガスの圧力を上昇させることを特徴とする請求項１〜請求項５のうち何れか一項に記載の半田付け方法。
7. 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半田付けする半田付け装置であって、
   前記半田を加熱し、溶融させる加熱手段と、
   半田付け対象物周囲の雰囲気ガスの圧力を制御する雰囲気ガス制御手段と、を備え、
   前記加熱手段は、前記半田を溶融温度以上の温度まで加熱して溶融し、
   前記雰囲気ガス制御手段は、溶融後の前記半田の凝固時において前記雰囲気ガスの圧力が上昇している状態に制御することを特徴とする半田付け装置。
8. 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周囲の雰囲気ガスの圧力を制御しながら前記半田を溶融温度以上の温度まで加熱して溶融し、その後に前記半田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、
   少なくとも前記半田の凝固時には、前記雰囲気ガスの圧力が上昇している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。