JP2009253157A - Soldering method and method of manufacturing semiconductor device - Google Patents

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万善 竹内
Shigekazu Higashimoto
繁和 東元
Munehiko Masutani
宗彦 増谷
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a soldering method by which soldering using lead-free solder can be performed while preventing the generation of voids and making wettability of the solder favorable without using flux, and to provide a method of manufacturing a semiconductor device. <P>SOLUTION: For soldering a circuit board and a semiconductor device, the inside of a container is pressurized by a first atmosphere gas up to a primary pressurization pressure higher than the atmospheric pressure, then solder is heated up to a high melting temperature higher than its melting temperature with maintaining the pressurization by the primary pressurization pressure and is melted. Then the temperature of the solder is maintained at the high melting temperature for a predetermined time with the pressure of the inside of the container being maintained at the primary pressurization pressure and the inside of the container is turned into a vacuum state with the temperature of the solder being maintained at the high melting temperature. The inside of the container is pressurized by a second atmosphere gas from the vacuum state up to a secondary pressurization pressure higher than the primary pressurization pressure with the temperature of the solder being at its melting temperature or higher. After that, the temperature of the solder is lowered to a temperature lower than its melting temperature and the circuit board and the semiconductor device are soldered. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、回路基板に半導体素子を鉛フリー半田によって半田付けする半田付け方法、及び半導体装置の製造方法に関する。   The present invention relates to a soldering method for soldering a semiconductor element to a circuit board with lead-free solder, and a method for manufacturing a semiconductor device.

従来、セラミックス基板の一面に配線層が形成されるとともに他面に金属層が形成されてなる回路基板を用いた半導体装置が知られている。この半導体装置は、例えば、回路基板の配線層上に、MOSFETやIGBT等の半導体素子を半田付けすることにより製造される。   Conventionally, a semiconductor device using a circuit board in which a wiring layer is formed on one surface of a ceramic substrate and a metal layer is formed on the other surface is known. This semiconductor device is manufactured, for example, by soldering a semiconductor element such as MOSFET or IGBT on a wiring layer of a circuit board.

ところで、半導体素子の半田付けでは、半田を溶融させて凝固させるまでの過程において、半田層の中にボイドが発生する場合がある。回路基板と半導体素子とを接合する半田層の中に多くのボイドが発生すると、ボイドの存在によって半田層における電気や熱の抵抗が高くなってしまう。さらに、1つのボイドが大きいと半導体素子が発する電気や熱が当該大きなボイドを迂回して回路基板側に流れることになるため、大きなボイドの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。   By the way, in the soldering of the semiconductor element, a void may be generated in the solder layer in the process from melting and solidifying the solder. If many voids are generated in the solder layer that joins the circuit board and the semiconductor element, the presence of voids increases the electrical and thermal resistance of the solder layer. Furthermore, if one void is large, electricity or heat generated by the semiconductor element flows around the large void and flows to the circuit board side. There is a possibility that a high temperature region (hot spot) is generated and the semiconductor element is destroyed.

そこで、半田層の中にボイドが発生することを抑制するための提案がなされている(例えば、特許文献1参照。)。特許文献1では、密閉可能な容器内に、回路基板と半導体素子との間に鉛フリー半田を介在させた半田付け対象物を収容するとともに、容器内に還元性ガスを供給し、容器内の圧力を大気圧(常圧)以上の圧力まで加圧した状態で半田付けを行うことを提案している。この半田付け方法において、加圧状態は、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において維持される。
特開2007−180447号公報
Therefore, proposals have been made to suppress the generation of voids in the solder layer (see, for example, Patent Document 1). In Patent Document 1, a solderable object in which lead-free solder is interposed between a circuit board and a semiconductor element is housed in a sealable container, and a reducing gas is supplied into the container. It has been proposed to perform soldering in a state where the pressure is increased to a pressure equal to or higher than atmospheric pressure (normal pressure). In this soldering method, the pressurized state is maintained in a solder melting region from the start of solder melting to the solidification of the solder.
JP 2007-180447 A

しかしながら、特許文献1の半田付け方法でも半田層の中にボイドが発生してしまうことが本発明者の実験によって確認されている。
また、近年では、環境への対応から半導体素子の半田付けに鉛フリー半田を用いることが多くなっている。鉛フリー半田は、溶融温度が通常の半田に比較して高いことや、半田付け時の濡れ性が悪いという特性を有する材料である。半田付け時の濡れ性が悪いと、半田が半導体素子の接合領域全体にわたって濡れ広がらずに、半導体素子の接合領域と回路基板との間に半田が存在しない半田未付着部分が生じてしまうことになる。MOSEFTやIGBT等の比較的大型の半導体素子を用いる場合には、この半田未付着部分による損失が大きな問題となる。
However, it has been confirmed by experiments of the present inventor that voids are generated in the solder layer even in the soldering method of Patent Document 1.
In recent years, lead-free solder is often used for soldering semiconductor elements in order to cope with the environment. Lead-free solder is a material having characteristics that the melting temperature is higher than that of normal solder and that wettability during soldering is poor. If the wettability at the time of soldering is poor, the solder does not spread over the entire bonding area of the semiconductor element, and a solder non-adhered portion where no solder exists between the bonding area of the semiconductor element and the circuit board occurs. Become. When a relatively large semiconductor element such as MOSEFT or IGBT is used, the loss due to the unattached portion of solder becomes a big problem.

鉛フリー半田の濡れ性を改善する方法として、フラックスを用いることが考えられる。ところが、フラックスを用いると半田付けを行った後に、フラックスの洗浄工程が必要となり、半田付けの工程数が増加してしまうという新たな問題が発生する。   It is conceivable to use flux as a method for improving the wettability of lead-free solder. However, when flux is used, after soldering, a flux cleaning step is required, which causes a new problem that the number of soldering steps increases.

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、鉛フリー半田を用いた半田付けにおいて、ボイドの発生を抑制しつつ、フラックスを用いることなく半田の濡れ性を良好なものにして半田付けを行うことができる半田付け方法、及び半導体装置の製造方法を提供することにある。   The present invention has been made paying attention to such problems existing in the prior art, and the object thereof is to use a flux while suppressing the generation of voids in soldering using lead-free solder. It is an object of the present invention to provide a soldering method and a semiconductor device manufacturing method capable of performing soldering with good solder wettability.

上記問題点を解決するために、請求項1に記載の半田付け方法は回路基板と半導体素子との間に鉛フリー半田を介在させた半田付け対象物を容器内に収容して該容器内を還元性ガスを含む第1雰囲気ガスで満たした後、前記第1雰囲気ガスによって前記容器内を大気圧より大きい一次加圧圧力に加圧し、前記容器内の圧力を前記一次加圧圧力に維持した状態で前記半田を該半田の溶融温度以上の高溶融温度まで加熱して前記半田を溶融させ、前記容器内の圧力を前記一次加圧圧力に維持した状態で前記半田の温度を前記高溶融温度で一定時間保持し、前記半田の温度を前記高溶融温度に維持した状態で前記容器内を減圧して真空状態にし、前記半田の温度を前記溶融温度以上とした状態で、不活性ガスを含む第2雰囲気ガスによって前記容器内を前記真空状態から前記一次加圧圧力より大きい二次加圧圧力まで加圧し、その後、前記容器内の圧力を前記二次加圧圧力に維持した状態で前記半田の温度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、前記回路基板と前記半導体素子との半田付けを行うことを要旨とする。   In order to solve the above-mentioned problems, the soldering method according to claim 1, a soldering object in which lead-free solder is interposed between a circuit board and a semiconductor element is contained in a container, and the inside of the container is accommodated. After filling with a first atmospheric gas containing a reducing gas, the inside of the container is pressurized to a primary pressurizing pressure greater than atmospheric pressure by the first atmospheric gas, and the pressure in the container is maintained at the primary pressurizing pressure. In this state, the solder is heated to a high melting temperature equal to or higher than the melting temperature of the solder to melt the solder, and the temperature of the solder is set to the high melting temperature in a state where the pressure in the container is maintained at the primary pressurizing pressure. In a state where the temperature of the solder is maintained at the high melting temperature, the inside of the container is depressurized to be in a vacuum state, and an inert gas is contained in a state where the temperature of the solder is equal to or higher than the melting temperature. The container by the second atmosphere gas From the vacuum state to a secondary pressurization pressure greater than the primary pressurization pressure, and then the temperature of the solder is less than the melting temperature in a state where the pressure in the container is maintained at the secondary pressurization pressure. The gist is to lower the temperature to solidify the solder and to solder the circuit board and the semiconductor element.

また、請求項5に記載の発明は、回路基板に半導体素子を鉛フリー半田によって半田付けしてなる半導体装置の製造方法であって、回路基板と半導体素子との間に鉛フリー半田を介在させた半田付け対象物が収容された容器内を還元性ガスを含む第1雰囲気ガスで満たした後、前記第1雰囲気ガスによって前記容器内を大気圧より大きい一次加圧圧力に加圧し、前記容器内の圧力を前記一次加圧圧力に維持した状態で前記半田を該半田の溶融温度以上の高溶融温度まで加熱して前記半田を溶融させ、前記容器内の圧力を前記一次加圧圧力に維持した状態で前記半田の温度を前記高溶融温度で一定時間保持し、前記半田の温度を前記高溶融温度に維持した状態で前記容器内を減圧して真空状態にし、前記半田の温度を前記溶融温度以上とした状態で、不活性ガスを含む第2雰囲気ガスによって前記容器内を前記真空状態から前記一次加圧圧力より大きい二次加圧圧力まで加圧し、その後、前記容器内の圧力を前記二次加圧圧力に維持した状態で前記半田の温度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、前記回路基板と前記半導体素子との半田付けを行うことを要旨とする。   The invention according to claim 5 is a method of manufacturing a semiconductor device in which a semiconductor element is soldered to a circuit board with lead-free solder, wherein lead-free solder is interposed between the circuit board and the semiconductor element. And filling the container containing the soldering object with a first atmosphere gas containing a reducing gas, then pressurizing the container to a primary pressurization pressure greater than atmospheric pressure with the first atmosphere gas, With the internal pressure maintained at the primary pressure, the solder is heated to a high melting temperature equal to or higher than the melting temperature of the solder to melt the solder, and the pressure in the container is maintained at the primary pressure. In this state, the temperature of the solder is maintained at the high melting temperature for a certain period of time, and the container is depressurized and vacuumed while the temperature of the solder is maintained at the high melting temperature, and the temperature of the solder is melted. More than temperature Then, the inside of the container is pressurized from the vacuum state to a secondary pressurizing pressure larger than the primary pressurizing pressure by the second atmospheric gas containing an inert gas, and then the pressure in the container is changed to the secondary pressurizing pressure. In this state, the temperature of the solder is lowered to a temperature lower than the melting temperature to solidify the solder, and the circuit board and the semiconductor element are soldered.

請求項1及び請求項5に記載の発明によれば、容器内を大気圧より大きい一次加圧圧力まで加圧した状態で半田を溶融させるため、溶融した半田の界面周囲には大気圧より大きい一次加圧圧力にある第1雰囲気ガスが存在することになる。また、半田はその溶融温度よりも高い温度である高溶融温度にまで加熱されて溶融状態が維持されている。このため、半田の濡れ性を良好なものにすることができる。これは、溶融温度よりも高い温度にまで加熱されて表面張力が低下している溶融状態の半田の界面が周囲に存在する第1雰囲気ガスにより外側方向へ強く引っ張られることによるものであると考えられる。さらに、本発明では、半田の温度を高溶融温度に維持した状態で容器内の真空引きを行うことで、溶融半田層に存在する比較的大きなボイドを、該溶融半田層より外部に抜き出すことができる。そして、真空引きに連続して容器内を一次加圧圧力より大きい二次加圧圧力まで加圧することにより、真空引きによって抜き出せなかった溶融半田層中の微小ボイドを押し潰すことができる。その結果、鉛フリー半田を用いても、ボイドの発生を効果的に抑制するとともに、フラックスを用いることなく半田の濡れ性を良好なものとすることができる。   According to the first and fifth aspects of the invention, since the solder is melted in a state where the inside of the container is pressurized to a primary pressurizing pressure larger than the atmospheric pressure, the area around the interface of the molten solder is larger than the atmospheric pressure. There will be a first ambient gas at the primary pressurization pressure. Also, the solder is heated to a high melting temperature, which is higher than its melting temperature, and the molten state is maintained. For this reason, the wettability of solder can be made favorable. This is thought to be due to the fact that the interface of the molten solder, which is heated to a temperature higher than the melting temperature and has a reduced surface tension, is strongly pulled outward by the surrounding first ambient gas. It is done. Furthermore, in the present invention, by evacuating the container while maintaining the solder temperature at a high melting temperature, relatively large voids existing in the molten solder layer can be extracted from the molten solder layer to the outside. it can. Then, by pressurizing the inside of the container to a secondary pressurizing pressure larger than the primary pressurizing pressure continuously after evacuation, the fine voids in the molten solder layer that could not be extracted by evacuation can be crushed. As a result, even when lead-free solder is used, the generation of voids can be effectively suppressed, and the wettability of the solder can be improved without using a flux.

また、前記容器内の圧力を前記真空状態から前記二次加圧圧力にする加圧は、前記半田の加熱を停止して前記半田が降温状態にある間に行われるとしてもよい。これによれば、容器内を真空引きする間に半田の加熱が停止され、半田の温度が下がり始めた状態において容器内を二次加圧圧力にする加圧が行われるので、半田付けに係る時間を短くすることができる。   Further, the pressurization for changing the pressure in the container from the vacuum state to the secondary pressurization pressure may be performed while the heating of the solder is stopped and the solder is in a temperature-decreasing state. According to this, since the heating of the solder is stopped while the inside of the container is evacuated and the inside of the container is pressurized to a secondary pressurizing pressure in a state where the temperature of the solder starts to drop, Time can be shortened.

また、前記高溶融温度は前記半田の溶融温度よりも50℃以上高い温度であってもよい。そして、前記第1雰囲気ガスは不活性ガスである窒素と還元性ガスである水素との混合ガスであり、前記第1雰囲気ガス中の前記水素の割合は前記窒素よりも少ないとしてもよい。   The high melting temperature may be 50 ° C. or more higher than the melting temperature of the solder. The first atmosphere gas may be a mixed gas of nitrogen as an inert gas and hydrogen as a reducing gas, and the proportion of the hydrogen in the first atmosphere gas may be less than the nitrogen.

本発明によれば、鉛フリー半田を用いた半田付けにおいて、ボイドの発生を抑制しつつ、フラックスを用いることなく半田の濡れ性を良好なものにして半田付けを行うことができる。   According to the present invention, in soldering using lead-free solder, it is possible to perform soldering with good solder wettability without using flux while suppressing generation of voids.

以下、本発明を具体化した一実施形態を図1〜図6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、四角板状をなす回路基板11と、この回路基板11に半田付けされる四角板状の半導体素子12、及び四角板状の基台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。この半田層Hは、四角シート状の半田シート33(図3参照)によって形成され、半田シート33は、錫を主成分として鉛以外の金属との合金からなる鉛フリー半田によって形成されている。
Hereinafter, an embodiment embodying the present invention will be described with reference to FIGS.
1 and 2 show a semiconductor module 10 as a semiconductor device. The semiconductor module 10 includes a circuit board 11 having a square plate shape, a square plate-like semiconductor element 12 to be soldered to the circuit board 11, and a square plate-like base 13. The circuit board 11 is configured by joining metal plates 15 and 16 to both surfaces of a ceramic substrate 14. The ceramic substrate 14 is made of, for example, aluminum nitride, alumina, silicon nitride, or the like. The metal plate 15 functions as a wiring layer, and is formed of, for example, aluminum (pure aluminum and aluminum alloy), copper, or the like. The semiconductor element 12 is soldered to the metal plate 15. The symbol “H” in FIG. 2 indicates a solder layer. The solder layer H is formed by a square sheet-like solder sheet 33 (see FIG. 3), and the solder sheet 33 is formed by lead-free solder made of an alloy with a metal other than lead containing tin as a main component.

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が半田付けされている。また、金属板16は、セラミックス基板14と基台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。なお、基台13は半導体素子を冷却する冷却器(ヒートシンク)である。   The semiconductor element 12 is composed of an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or a diode, and a plurality (four in this embodiment) of semiconductor elements 12 are soldered to the circuit board 11 (metal plate 15). The metal plate 16 functions as a bonding layer for bonding the ceramic substrate 14 and the base 13 and is made of, for example, aluminum or copper. The base 13 is a cooler (heat sink) that cools the semiconductor element.

図3は、半田付けに用いる半田付け装置HKの構成を概略的に示している。半田付け装置HKは、回路基板11(金属板15)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。また、本実施形態の半田付け装置HKは、図5に示すように、6枚の回路基板11で構成される半導体モジュール(半導体装置)100の半田付けを行う装置として構成されている。このため、半導体モジュール100には、24個の半導体素子12が半田付けされるようになっている。   FIG. 3 schematically shows the configuration of a soldering apparatus HK used for soldering. The soldering apparatus HK is configured as an apparatus for soldering the semiconductor element 12 to the circuit board 11 (metal plate 15). Further, as shown in FIG. 5, the soldering apparatus HK of the present embodiment is configured as an apparatus for soldering a semiconductor module (semiconductor device) 100 including six circuit boards 11. For this reason, 24 semiconductor elements 12 are soldered to the semiconductor module 100.

半田付け装置HKは、密閉可能な容器(チャンバ)17を備え、この容器17は開口部18aを有する箱型の本体部材18と、この本体部材18の開口部18aを開放及び閉鎖する蓋部材19とから構成されている。本体部材18内には、半導体モジュール100を位置決めし、支持する支持台20が設置されている。また、本体部材18には、蓋部材19の装着部位にパッキン21が配設されている。   The soldering apparatus HK includes a container (chamber) 17 that can be sealed. The container 17 has a box-shaped main body member 18 having an opening 18a, and a lid member 19 that opens and closes the opening 18a of the main body member 18. It consists of and. A support base 20 that positions and supports the semiconductor module 100 is installed in the main body member 18. Further, a packing 21 is disposed on the body member 18 at a portion where the lid member 19 is mounted.

蓋部材19は、本体部材18の開口部18aを閉鎖可能な大きさで形成されており、本体部材18に蓋部材19を装着することにより容器17内には密閉空間Sが形成されるようになっている。また、蓋部材19において、密閉空間Sと対向する部位は、非磁性かつ電気的絶縁材で形成されている。本実施形態では、電気的絶縁材としてガラスが用いられており、蓋部材19にはガラス板22が組み付けられている。   The lid member 19 is formed to have a size capable of closing the opening 18 a of the main body member 18, and the sealed space S is formed in the container 17 by attaching the lid member 19 to the main body member 18. It has become. Further, the portion of the lid member 19 that faces the sealed space S is formed of a nonmagnetic and electrically insulating material. In the present embodiment, glass is used as an electrical insulating material, and a glass plate 22 is assembled to the lid member 19.

また、本体部材18には、容器17内に還元性ガス(本実施形態では水素(H))を供給するための還元性ガス供給部23が接続されている。還元性ガス供給部23は、配管23aと、この配管23aの開閉バルブ23bと、減圧弁23cと、水素タンク23dとを備えている。減圧弁23cは、開閉バルブ23bを介して導入した水素タンク23dからの水素ガスの圧力を一定圧にし、容器17内に供給するようになっている。 The main body member 18 is connected to a reducing gas supply unit 23 for supplying a reducing gas (hydrogen (H 2 ) in the present embodiment) into the container 17. The reducing gas supply unit 23 includes a pipe 23a, an opening / closing valve 23b of the pipe 23a, a pressure reducing valve 23c, and a hydrogen tank 23d. The pressure reducing valve 23c is configured so that the pressure of the hydrogen gas from the hydrogen tank 23d introduced through the opening / closing valve 23b is kept constant and is supplied into the container 17.

また、本体部材18には、容器17内に不活性ガス(本実施形態では窒素(N))を供給するための不活性ガス供給部24が接続されている。不活性ガス供給部24は、配管24aと、この配管24aの開閉バルブ24bと、窒素タンク24cとを備えている。 The main body member 18 is connected to an inert gas supply unit 24 for supplying an inert gas (nitrogen (N 2 ) in the present embodiment) into the container 17. The inert gas supply unit 24 includes a pipe 24a, an opening / closing valve 24b of the pipe 24a, and a nitrogen tank 24c.

また、本体部材18には、容器17内を真空引きするための真空部25が接続されている。真空部25は、配管25aと、この配管25aの開閉バルブ25bと、真空ポンプ25cとを備えている。また、本体部材18には、容器17内に充満したガスを外部に排出するためのガス排出部26が接続されている。ガス排出部26は、配管26aと、この配管26aの開閉バルブ26bと、絞り弁26cとを備えている。   The main body member 18 is connected to a vacuum unit 25 for evacuating the inside of the container 17. The vacuum unit 25 includes a pipe 25a, an opening / closing valve 25b of the pipe 25a, and a vacuum pump 25c. The main body member 18 is connected to a gas discharge portion 26 for discharging the gas filled in the container 17 to the outside. The gas discharge unit 26 includes a pipe 26a, an opening / closing valve 26b of the pipe 26a, and a throttle valve 26c.

そして、容器17内のガスは、絞り弁26cによって排出量が調整され、外部に排出される。半田付け装置HKは、還元性ガス供給部23、不活性ガス供給部24、真空部25及びガス排出部26を備えることにより、密閉空間S内の圧力を調整可能な構成とされており、容器17内は圧力調整によって加圧されたり、減圧されたりする。   The amount of gas in the container 17 is adjusted by the throttle valve 26c and discharged to the outside. The soldering apparatus HK includes a reducing gas supply unit 23, an inert gas supply unit 24, a vacuum unit 25, and a gas discharge unit 26 so that the pressure in the sealed space S can be adjusted. 17 is pressurized or depressurized by adjusting the pressure.

また、本体部材18には、容器17内において温度を計測する温度センサ(例えば、熱電対など)27が設置されている。本実施形態において温度センサ27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)の温度を計測し得るように容器17内に設置されている。   The main body member 18 is provided with a temperature sensor (for example, a thermocouple) 27 for measuring the temperature in the container 17. In the present embodiment, the temperature sensor 27 is installed in the container 17 so as to measure the temperature of the joint part (part where soldering is performed) between the semiconductor element 12 and the metal plate 15.

半田付け装置HKの上部(蓋部材19の上部)には、高周波加熱コイル28が設置されている。本実施形態において高周波加熱コイル28は、図5に示すように、6枚の回路基板11に各別に対応するように6つの高周波加熱コイル28が各回路基板11の上側に配置されている。本実施形態の高周波加熱コイル28は、1枚の回路基板11を覆う大きさに形成されている。また、図3に示すように、各高周波加熱コイル28は、渦巻き状(角形の渦巻き状)に形成されており、平面的に展開されている。また、各高周波加熱コイル28は、蓋部材19(ガラス板22の装着部位)に対向するように配置されている。また、各高周波加熱コイル28は、半田付け装置HKが備える高周波発生装置29に電気的に接続されているとともに、容器17内に設置された温度センサ27の計測結果に基づき、所定の温度に制御されるようになっている。また、各高周波加熱コイル28には、コイル内部に冷却水を通すための冷却路30が形成されているとともに、半田付け装置HKが備える冷却水タンク31に接続されている。   A high-frequency heating coil 28 is installed on the upper part of the soldering apparatus HK (upper part of the lid member 19). In the present embodiment, as shown in FIG. 5, the six high frequency heating coils 28 are arranged on the upper side of each circuit board 11 so as to correspond to the six circuit boards 11. The high-frequency heating coil 28 of the present embodiment is formed in a size that covers one circuit board 11. Further, as shown in FIG. 3, each high-frequency heating coil 28 is formed in a spiral shape (square spiral shape) and is developed in a plane. Moreover, each high frequency heating coil 28 is arrange | positioned so that the cover member 19 (attachment part of the glass plate 22) may be opposed. Each high-frequency heating coil 28 is electrically connected to a high-frequency generator 29 provided in the soldering apparatus HK, and is controlled to a predetermined temperature based on the measurement result of the temperature sensor 27 installed in the container 17. It has come to be. Each high-frequency heating coil 28 is formed with a cooling path 30 for passing cooling water through the coil, and is connected to a cooling water tank 31 provided in the soldering apparatus HK.

図4は、半田付けを行う際に使用する治具32を示している。治具32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32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32は、図3に示すように、半田付け時において回路基板11上に半田シート33と、半導体素子12とを位置決めするために使用される。このため、治具32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34が形成されている。貫通孔34は、半導体素子12及び半田シート33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32には複数個(4つ)の貫通孔34が形成されている。   FIG. 4 shows a jig 32 used for soldering. The jig 32 is formed in a flat plate shape having the same size as the ceramic substrate 14 constituting the circuit board 11. The jig 32 is formed of a material such as graphite or ceramics, for example. As shown in FIG. 3, the jig 32 is used to position the solder sheet 33 and the semiconductor element 12 on the circuit board 11 during soldering. Therefore, a positioning through-hole 34 is formed in the jig 32 at a portion corresponding to the bonding portion of the semiconductor element 12 in the circuit board 11. The through hole 34 is formed in a size corresponding to the size of the semiconductor element 12 and the solder sheet 33. In the present embodiment, a plurality (four) of the semiconductor elements 12 are bonded onto the circuit board 11, so that a plurality (four) of through holes 34 are formed in the jig 32.

次に、前述した半田付け装置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。なお、図3に示す半田付け装置HKを用いて半田付けを行う場合には、回路基板11に基台13を予め接合しておく。   Next, a method for soldering the semiconductor element 12 using the above-described soldering apparatus HK will be described. When soldering is performed using the soldering apparatus HK illustrated in FIG. 3, the base 13 is bonded to the circuit board 11 in advance.

半田付けを行う際には、最初に、本体部材18から蓋部材19を外し、開口部18aを開放する。そして、図3に示すように本体部材18の支持台20に、回路基板11が接合された基台13を置き、この基台13を位置決めする。次に、各回路基板11(セラミックス基板14)上に治具32を置き、治具32の各貫通孔34内に、鉛フリー半田よりなる半田シート33と半導体素子12を配置する。すなわち、回路基板11と半導体素子12との間に半田シート33を介在させた半田付け対象部を容器17内に収容する。   When performing soldering, first, the lid member 19 is removed from the main body member 18, and the opening 18a is opened. Then, as shown in FIG. 3, the base 13 to which the circuit board 11 is bonded is placed on the support base 20 of the main body member 18, and the base 13 is positioned. Next, a jig 32 is placed on each circuit board 11 (ceramic substrate 14), and a solder sheet 33 made of lead-free solder and the semiconductor element 12 are placed in each through hole 34 of the jig 32. That is, a soldering target portion in which the solder sheet 33 is interposed between the circuit board 11 and the semiconductor element 12 is accommodated in the container 17.

次に、蓋部材19を本体部材18に取り付け、開口部18aを閉鎖し、容器17内に密閉空間Sを形成する。密閉空間S内に半田付け対象物を収容した状態(図3に示す)において、各高周波加熱コイル28は、半田付け対象物の上方に配置されるとともに、各高周波加熱コイル28と半田付け対象物との間には蓋部材19に組み付けられたガラス板22が配置される。   Next, the lid member 19 is attached to the main body member 18, the opening 18 a is closed, and the sealed space S is formed in the container 17. In a state where the soldering object is accommodated in the sealed space S (shown in FIG. 3), each high-frequency heating coil 28 is disposed above the soldering object, and each high-frequency heating coil 28 and the soldering object. A glass plate 22 assembled to the lid member 19 is disposed between the two.

次に、容器17内のガス置換を行う。まず、真空部25を操作して容器17内を真空引きするとともに、不活性ガス供給部24を操作して容器17内に窒素を供給し、密閉空間S内を不活性ガスで充満させる。この真空引きと窒素の供給を数回繰り返す。   Next, gas replacement in the container 17 is performed. First, the inside of the container 17 is evacuated by operating the vacuum unit 25, and nitrogen is supplied into the container 17 by operating the inert gas supply unit 24, and the inside of the sealed space S is filled with the inert gas. This evacuation and supply of nitrogen are repeated several times.

次に、不活性ガス供給部24及び還元性ガス供給部23を操作して容器17内に窒素及び水素を供給し、水素(還元性ガス)と窒素(不活性ガス)との混合ガスによって、すなわち、第1雰囲気ガスによって、容器17内を大気圧より大きい一次加圧圧力まで加圧するとともに、その一次加圧圧力を維持する(一次加圧工程)。なお、第1雰囲気ガスは、還元性ガスである水素が、第1雰囲気ガスの全体容量に対して5〜10%の割合で含まれているのが好ましい。すなわち、第1雰囲気ガス中の水素の割合は窒素よりも少なくなっている。また、一次加圧圧力は、半田の濡れ性を良好にするために大気圧より大きい圧力に設定されればよく、例えば、0.16Mpaに設定される。   Next, the inert gas supply unit 24 and the reducing gas supply unit 23 are operated to supply nitrogen and hydrogen into the container 17, and a mixed gas of hydrogen (reducing gas) and nitrogen (inert gas) That is, the first atmospheric gas is used to pressurize the interior of the container 17 to a primary pressure higher than the atmospheric pressure and maintain the primary pressure (primary pressure process). In addition, it is preferable that 1st atmosphere gas contains hydrogen which is reducing gas in the ratio of 5 to 10% with respect to the whole capacity | capacitance of 1st atmosphere gas. That is, the ratio of hydrogen in the first atmosphere gas is less than that of nitrogen. Further, the primary pressurizing pressure may be set to a pressure higher than atmospheric pressure in order to improve the wettability of the solder, and is set to 0.16 Mpa, for example.

次に、容器17内が還元性ガスを含む第1雰囲気ガスによって一次加圧圧力に加圧された状態で、高周波発生装置29を作動させ、各高周波加熱コイル28に高周波電流を流して、各高周波加熱コイル28によって半田シート33を加熱する(加熱工程)。すると、半田シート33は、加圧状態の中で温度が半田の溶融温度以上の温度になることにより溶融する。そして、半田シート33は、温度センサ27の計測結果に基づき、半田シート33の溶融温度(例えば、221°C)より高い温度である高溶融温度まで加熱される。なお、この高溶融温度は、半田の溶融温度より50°C以上高い温度に設定されるのが好ましく、50〜80°C高い温度に設定されるのが特に好ましい。この実施形態では、半田の濡れ性を良好とするために、高溶融温度を半田の溶融温度より60°C以上高い温度に設定している。   Next, in a state where the inside of the container 17 is pressurized to the primary pressurizing pressure by the first atmospheric gas containing the reducing gas, the high-frequency generator 29 is operated, and a high-frequency current is caused to flow through each high-frequency heating coil 28. The solder sheet 33 is heated by the high-frequency heating coil 28 (heating process). Then, the solder sheet 33 is melted when the temperature becomes higher than the melting temperature of the solder in the pressurized state. Then, based on the measurement result of the temperature sensor 27, the solder sheet 33 is heated to a high melting temperature that is higher than the melting temperature (eg, 221 ° C.) of the solder sheet 33. The high melting temperature is preferably set to a temperature that is 50 ° C. or more higher than the melting temperature of the solder, and is particularly preferably set to a temperature that is 50 to 80 ° C. higher. In this embodiment, in order to improve the wettability of the solder, the high melting temperature is set to 60 ° C. or higher than the melting temperature of the solder.

次に、温度センサ27の計測結果に基づき、高周波発生装置29によって高周波加熱コイル28を制御して、半田の温度を高溶融温度に一定時間保持し、半田を溶融させた状態で、真空部25を操作して容器17内を真空引きして減圧し、容器17内を真空状態にする(真空工程)。この真空引きは、容器17内の圧力が0.0005〜0.01MPa(低真空)以下となるまで行われるのが好ましい。   Next, based on the measurement result of the temperature sensor 27, the high frequency heating coil 28 is controlled by the high frequency generator 29, the temperature of the solder is kept at a high melting temperature for a certain period of time, and the vacuum portion 25 is melted. To evacuate the inside of the container 17 to reduce the pressure, and the inside of the container 17 is evacuated (vacuum process). This evacuation is preferably performed until the pressure in the container 17 is 0.0005 to 0.01 MPa (low vacuum) or less.

そして、容器17内が低真空以下の圧力となった後に、高周波発生装置29を停止させて半田の加熱を停止する。すると、高溶融温度にある半田の温度が徐々に低下して、半田の降温が開始する。   Then, after the inside of the container 17 becomes a pressure equal to or lower than the low vacuum, the high frequency generator 29 is stopped to stop the heating of the solder. Then, the temperature of the solder at the high melting temperature gradually decreases, and the temperature of the solder starts to fall.

そして、降温状態にある半田が溶融温度以上にあるうちに不活性ガス供給部24を操作して容器17内に窒素からなる(不活性ガスを含む)第2雰囲気ガスが供給され、該第2雰囲気ガスによって容器17内の圧力を真空状態から一次加圧圧力より大きい二次加圧圧力まで加圧する。この二次加圧圧力は、溶融した半田が凝固するまで維持される(二次加圧工程)。よって、半田の凝固は、半田が不活性ガスを含む第2雰囲気ガスによって二次加圧圧力で加圧された状態で行われる。   Then, while the solder in the lowered temperature is above the melting temperature, the inert gas supply unit 24 is operated to supply the second atmosphere gas (including the inert gas) made of nitrogen (including the inert gas) into the container 17. The pressure in the container 17 is increased from the vacuum state to a secondary pressure higher than the primary pressure by the atmospheric gas. This secondary pressurizing pressure is maintained until the molten solder is solidified (secondary pressurizing step). Therefore, the solidification of the solder is performed in a state where the solder is pressurized at the secondary pressurizing pressure by the second atmospheric gas containing the inert gas.

そして、溶融した半田は、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とを接合する。金属板15と半導体素子12とが接合することで半導体モジュール100が完成する。そして、蓋部材19を本体部材18から取り出し、治具32を外した後に容器17内から半導体モジュール100を取り出す。なお、半導体モジュール100を容器17から取り出す際、容器17内のガスはガス排出部26を介して大気開放される。   The melted solder is solidified by being cooled below the melting temperature, and joins the metal plate 15 and the semiconductor element 12. The semiconductor module 100 is completed by joining the metal plate 15 and the semiconductor element 12. Then, the lid member 19 is taken out from the main body member 18, and after removing the jig 32, the semiconductor module 100 is taken out from the container 17. When the semiconductor module 100 is taken out from the container 17, the gas in the container 17 is released to the atmosphere via the gas discharge unit 26.

以下、本実施形態の半田付けにおいて加熱時及び冷却時に容器17内の内部雰囲気を調整する態様を、図6に示す実験例を用いて説明する。
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。
Hereinafter, an aspect of adjusting the internal atmosphere in the container 17 during heating and cooling in the soldering of the present embodiment will be described using an experimental example shown in FIG.
Each dimension of the semiconductor module 10 used in the experimental example is as follows.

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33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、四角形であるとともに厚み0.1mm〜0.2mmである。   The ceramic substrate 14 is made of aluminum nitride, is a 30 mm × 30 mm square, and has a thickness of 0.635 mm. The metal plates 15 and 16 are made of pure aluminum (for example, 1000 series aluminum, which is industrial pure aluminum), are a square of 27 mm × 27 mm, and have a thickness of 0.4 mm. The semiconductor element 12 has a thickness of 0.35 mm. The solder sheet 33 is made of Sn (tin) -Cu (copper) -Ni (nickel) -P (phosphorus) lead-free solder, and has a square shape and a thickness of 0.1 mm to 0.2 mm.

実験例では、図6のグラフに示すように容器17内の圧力及び温度を変遷(調整)させている。なお、図6のグラフにおける実線によって容器17内の圧力の変遷を示し、破線によって半田の温度の変遷を示している。   In the experimental example, as shown in the graph of FIG. 6, the pressure and temperature in the container 17 are changed (adjusted). In addition, the change of the pressure in the container 17 is shown by the solid line in the graph of FIG. 6, and the change of the temperature of the solder is shown by the broken line.

まず、容器17内の真空引きと窒素の供給を数回繰り返し、容器17内のガス置換を行う。次に、一次加圧工程を行い、第1雰囲気ガス(窒素+水素)によって容器17内を、大気圧より大きい一次加圧圧力(0.16MPa)まで加圧するとともに、一次加圧圧力に加圧した状態を維持する。   First, the evacuation in the container 17 and the supply of nitrogen are repeated several times, and the gas in the container 17 is replaced. Next, a primary pressurization step is performed, and the inside of the container 17 is pressurized to a primary pressurization pressure (0.16 MPa) larger than the atmospheric pressure by the first atmospheric gas (nitrogen + hydrogen), and the primary pressurization pressure is increased. Maintain the state.

次に、容器17内を一定の一次加圧圧力に保った状態で、加熱工程を行い、半田シート33を溶融温度よりも高い高溶融温度(301°C)になるまで加熱し、溶融した半田の温度を高溶融温度に維持する。次に、溶融した半田の温度が高溶融温度に維持された状態で、真空工程を行い、容器17内の圧力を0.0005MPa(低真空)以下まで減圧させる。   Next, a heating process is performed in a state where the inside of the container 17 is maintained at a constant primary pressurizing pressure, and the solder sheet 33 is heated to a high melting temperature (301 ° C.) higher than the melting temperature. Is maintained at a high melting temperature. Next, a vacuum process is performed in a state where the temperature of the melted solder is maintained at a high melting temperature, and the pressure in the container 17 is reduced to 0.0005 MPa (low vacuum) or less.

容器17内の圧力が低真空以下に維持された状態で、高周波発生装置29による加熱を停止する。すると、半田温度の低下が始まる。そして、半田の温度が溶融温度以上の状態で、二次加圧工程を開始し、第2雰囲気ガス(窒素)によって容器17内を一次加圧圧力より大きい二次加圧圧力(0.2MPa)まで加圧し、その加圧状態を維持する。そして、加圧状態を維持しながら半田を凝固させる。図6のグラフの横には、実験例で半田付けした場合の半導体素子12の裏面側(接合面側)を示したX線写真を掲載している。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、半田層Hの四つの角部にまで半田層Hが延びており、ボイドについてもほとんど確認できなかった。   Heating by the high frequency generator 29 is stopped while the pressure in the container 17 is maintained at a low vacuum or lower. Then, the solder temperature starts to decrease. Then, the secondary pressurization step is started in a state where the solder temperature is equal to or higher than the melting temperature, and the secondary pressurization pressure (0.2 MPa) larger than the primary pressurization pressure in the container 17 by the second atmospheric gas (nitrogen). Until the pressure is maintained. Then, the solder is solidified while maintaining the pressurized state. An X-ray photograph showing the back surface side (joint surface side) of the semiconductor element 12 when soldered in the experimental example is placed beside the graph of FIG. In the X-ray photograph, the darkest part is the solder layer H. According to the X-ray photograph, the solder layer H extends to the four corners of the solder layer H, and almost no voids can be confirmed.

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
(1)本実施形態の半田付け方法においては、容器17内を大気圧より大きい一次加圧圧力まで加圧した状態で、半田シート33を溶融温度以上の高溶融温度まで加熱して溶融させているので、半田の濡れ性を良好なものとすることができる。これは、溶融温度よりも高い温度にまで加熱されて表面張力が低下している溶融状態の半田の界面が周囲に存在する第1雰囲気ガスにより外側方向へ強く引っ張られることによるものであると考えられる。したがって、半田層Hは半導体素子12の四つの角部にまで延びており、すなわち、半田が半導体素子12の接合領域全体にわたって濡れ広がっており、半導体素子12の接合領域と回路基板11との間に半田層Hが存在しない半田未付着部分が生じてしまうことを防止することができる。
According to the above embodiment, the following effects can be obtained.
(1) In the soldering method of the present embodiment, in a state where the inside of the container 17 is pressurized to a primary pressure higher than atmospheric pressure, the solder sheet 33 is heated and melted to a high melting temperature equal to or higher than the melting temperature. Therefore, the solder wettability can be improved. This is considered to be due to the fact that the interface of the molten solder, which is heated to a temperature higher than the melting temperature and has a reduced surface tension, is strongly pulled outward by the first ambient gas present around it. It is done. Therefore, the solder layer H extends to the four corners of the semiconductor element 12, that is, the solder wets and spreads over the entire bonding area of the semiconductor element 12, and the solder layer H is between the bonding area of the semiconductor element 12 and the circuit board 11. It is possible to prevent the occurrence of a solder non-adhered portion where the solder layer H is not present.

さらに、半田の温度を高溶融温度に維持した状態で、容器17内を真空引きしている。このため、溶融半田層に存在する比較的大きなボイドを溶融半田層から引き抜くことができる。そして、真空引きに連続して容器17内を一次加圧圧力よりも大きい二次加圧圧力まで加圧することで溶融半田層に残る微小ボイドを押し潰すことができる。その結果として、鉛フリー半田を用いてもボイドの発生を抑制することができ、さらに、フラックスを用いることなく半田の濡れ性を良好なものとすることができる。そして、フラックスを用いないため、フラックスの洗浄工程も必要とせず、半田付け作業を簡単に行うことができる。   Further, the container 17 is evacuated while the solder temperature is maintained at a high melting temperature. For this reason, the comparatively big void which exists in a molten solder layer can be pulled out from a molten solder layer. Then, the minute voids remaining in the molten solder layer can be crushed by pressurizing the inside of the container 17 to a secondary pressurizing pressure larger than the primary pressurizing pressure continuously after evacuation. As a result, generation of voids can be suppressed even when lead-free solder is used, and solder wettability can be improved without using flux. Since no flux is used, a flux cleaning step is not required, and the soldering operation can be easily performed.

(2)容器17内の圧力を真空状態から二次加圧圧力にする加圧は、半田の加熱を停止して半田が降温状態にある間に行われる。このため、容器17内を真空引きする間に半田の加熱が停止され、半田の温度が下がり始めた状態において容器17内を二次加圧圧力にする加圧が行われるので、半田付けに係る時間を短くすることができる。   (2) The pressurization to change the pressure in the container 17 from the vacuum state to the secondary pressurization pressure is performed while the heating of the solder is stopped and the solder is in the temperature lowered state. For this reason, heating of the solder is stopped while the inside of the container 17 is evacuated, and pressurization is performed so that the inside of the container 17 becomes a secondary pressurizing pressure in a state where the temperature of the solder starts to decrease. Time can be shortened.

(3)容器17内を一次加圧圧力まで加圧する工程を行う際、一次加圧圧力の値は一定に保たれる。このため、例えば、一次加圧圧力を漸増させて加圧する場合に比して、二次加圧圧力まで加圧する工程において、その二次加圧圧力を低くすることができる。   (3) When performing the process of pressurizing the inside of the container 17 to the primary pressurizing pressure, the value of the primary pressurizing pressure is kept constant. For this reason, for example, the secondary pressurization pressure can be lowered in the step of pressurizing to the secondary pressurization pressure as compared with the case where pressurization is performed by gradually increasing the primary pressurization pressure.

(4)容器17内を一次加圧圧力まで加圧するための第1雰囲気ガスは、窒素と水素との混合ガスであるため、還元性ガスである水素によって溶融した半田が酸化することを防ぐことができ、濡れ性の改善に寄与することができる。さらに、第1雰囲気ガス中の水素の割合は窒素よりも少ないため、水素の割合を窒素より多くする場合に比して第1雰囲気ガスに係るコストを抑えることができる。   (4) Since the first atmosphere gas for pressurizing the inside of the container 17 to the primary pressurizing pressure is a mixed gas of nitrogen and hydrogen, it is possible to prevent the molten solder from being oxidized by hydrogen which is a reducing gas. Can contribute to improvement of wettability. Furthermore, since the proportion of hydrogen in the first atmosphere gas is less than that of nitrogen, the cost associated with the first atmosphere gas can be reduced as compared with the case where the proportion of hydrogen is greater than that of nitrogen.

(5)容器17内を一次加圧圧力まで加圧する工程は、半田シート33を加熱する前から開始される。このため、半田が溶融温度に達する前に、容器17内を一次加圧圧力まで加圧した状態にすることができる。   (5) The process of pressurizing the inside of the container 17 to the primary pressurizing pressure is started before the solder sheet 33 is heated. For this reason, before the solder reaches the melting temperature, the inside of the container 17 can be brought into a pressurized state up to the primary pressurizing pressure.

(6)高溶融温度は、鉛フリー半田の溶融温度より50°C以上高い温度に設定されているため、半田の濡れ性を良好なものとすることができる。
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
(6) Since the high melting temperature is set to a temperature higher by 50 ° C. or more than the melting temperature of lead-free solder, the solder wettability can be improved.
In addition, you may change the said embodiment as follows.

○ 実施形態では、一次加圧工程において、第1雰囲気ガスを窒素と水素との混合ガスとしたが、第1雰囲気ガスを水素のみとしてもよい。
○ 実施形態では、二次加圧工程において、第2雰囲気ガスを窒素としたが、第2雰囲気ガスを窒素と水素との混合ガスとしてもよい。
In the embodiment, in the primary pressurizing step, the first atmosphere gas is a mixed gas of nitrogen and hydrogen, but the first atmosphere gas may be only hydrogen.
In the embodiment, in the secondary pressurizing step, the second atmosphere gas is nitrogen, but the second atmosphere gas may be a mixed gas of nitrogen and hydrogen.

○ 実施形態では、一次加圧工程において容器内の一次加圧圧力を一定に保つようにしたが、一次加圧圧力を漸増させてもよい。
○ 実施形態では、溶融した半田の温度が下がる最中に、二次加圧圧力による加圧を開始したが、溶融した半田の温度が高溶融温度にあるうちから二次加圧圧力による加圧を開始してもよい。
In the embodiment, the primary pressurization pressure in the container is kept constant in the primary pressurization step, but the primary pressurization pressure may be gradually increased.
○ In the embodiment, the pressurization by the secondary pressurization pressure is started while the temperature of the melted solder is lowered, but the pressurization by the secondary pressurization pressure is started while the melted solder temperature is at the high melting temperature. May start.

○ 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。
○ 実施形態では、高周波加熱コイル28による高周波誘導加熱により加熱を行っているが、加熱の方法は変更しても良い。例えば、容器17内にヒータを設けて加熱してもよい。
The reducing gas is not limited to a gas containing hydrogen, but may be a gas having another composition such as containing formaldehyde.
In the embodiment, heating is performed by high-frequency induction heating by the high-frequency heating coil 28, but the heating method may be changed. For example, a heater may be provided in the container 17 for heating.

○ 半田付けされる半田付け対象物としては、基台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、本実施形態の容器17内には、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、半田付け対象物(半導体モジュール100)を6個の回路基板11で構成したが、回路基板11の数は変更しても良い。   As a soldering object to be soldered, the circuit board 11 in a state where the base 13 is not joined may be used. In this case, a semiconductor device composed of the circuit board 11 and the semiconductor element 12 is accommodated and soldered in the container 17 of the present embodiment. Moreover, although the soldering object (semiconductor module 100) is composed of six circuit boards 11, the number of circuit boards 11 may be changed.

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
(1)前記高溶融温度は、前記半田の溶融温度より50〜80℃高い温度である請求項3に記載の半田付け方法。
Next, the technical idea that can be grasped from the above embodiment and other examples will be described below.
(1) The soldering method according to claim 3, wherein the high melting temperature is 50 to 80 ° C higher than the melting temperature of the solder.

半導体モジュールの平面図。The top view of a semiconductor module. 図1のA−A線断面図。AA sectional view taken on the line AA of FIG. 半田付け装置の縦断面図。The longitudinal cross-sectional view of a soldering apparatus. 治具の平面図。The top view of a jig | tool. 半導体モジュールと高周波加熱コイルの配置を示す模式図。The schematic diagram which shows arrangement | positioning of a semiconductor module and a high frequency heating coil. 実験例における圧力及び温度の変遷を示すグラフとX線写真。The graph and X-ray photograph which show the change of the pressure and temperature in an experiment example.

符号の説明Explanation of symbols

10,100…半導体装置としての半導体モジュール、11…回路基板、12…半導体素子、17…容器、33…鉛フリー半田としての半田シート。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10,100 ... Semiconductor module as a semiconductor device, 11 ... Circuit board, 12 ... Semiconductor element, 17 ... Container, 33 ... Solder sheet as lead-free solder.

Claims (5)

回路基板と半導体素子との間に鉛フリー半田を介在させた半田付け対象物を容器内に収容して該容器内を還元性ガスを含む第1雰囲気ガスで満たした後、前記第1雰囲気ガスによって前記容器内を大気圧より大きい一次加圧圧力に加圧し、
前記容器内の圧力を前記一次加圧圧力に維持した状態で前記半田を該半田の溶融温度以上の高溶融温度まで加熱して前記半田を溶融させ、
前記容器内の圧力を前記一次加圧圧力に維持した状態で前記半田の温度を前記高溶融温度で一定時間保持し、
前記半田の温度を前記高溶融温度に維持した状態で前記容器内を減圧して真空状態にし、
前記半田の温度を前記溶融温度以上とした状態で、不活性ガスを含む第2雰囲気ガスによって前記容器内を前記真空状態から前記一次加圧圧力より大きい二次加圧圧力まで加圧し、
その後、前記容器内の圧力を前記二次加圧圧力に維持した状態で前記半田の温度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、前記回路基板と前記半導体素子との半田付けを行うことを特徴とする半田付け方法。
A soldering object in which lead-free solder is interposed between the circuit board and the semiconductor element is accommodated in a container, and the container is filled with a first atmosphere gas containing a reducing gas, and then the first atmosphere gas is contained. By pressurizing the inside of the container to a primary pressurizing pressure greater than atmospheric pressure,
The solder is melted by heating the solder to a high melting temperature equal to or higher than the melting temperature of the solder while maintaining the pressure in the container at the primary pressure.
Maintaining the temperature of the solder at the high melting temperature for a certain period of time while maintaining the pressure in the container at the primary pressure.
In a state where the temperature of the solder is maintained at the high melting temperature, the inside of the container is reduced to a vacuum state,
In a state where the temperature of the solder is equal to or higher than the melting temperature, the inside of the container is pressurized from the vacuum state to a secondary pressurization pressure larger than the primary pressurization pressure by a second atmosphere gas containing an inert gas,
Thereafter, the solder is solidified by lowering the temperature of the solder to a temperature lower than the melting temperature while maintaining the pressure in the container at the secondary pressurizing pressure, and soldering the circuit board and the semiconductor element. Soldering method characterized by performing.
前記容器内の圧力を前記真空状態から前記二次加圧圧力にする加圧は、前記半田の加熱を停止して前記半田が降温状態にある間に行われる請求項1に記載の半田付け方法。   2. The soldering method according to claim 1, wherein the pressure in the container from the vacuum state to the secondary pressurizing pressure is performed while heating of the solder is stopped and the solder is in a temperature lowered state. . 前記高溶融温度は前記半田の溶融温度よりも50℃以上高い温度である請求項1又は請求項2に記載の半田付け方法。   The soldering method according to claim 1, wherein the high melting temperature is a temperature that is 50 ° C. or more higher than the melting temperature of the solder. 前記第1雰囲気ガスは不活性ガスである窒素と還元性ガスである水素との混合ガスであり、前記第1雰囲気ガス中の前記水素の割合は前記窒素よりも少ない請求項1〜請求項3のうちいずれか一項に記載の半田付け方法。   The first atmosphere gas is a mixed gas of nitrogen, which is an inert gas, and hydrogen, which is a reducing gas, and the proportion of the hydrogen in the first atmosphere gas is less than that of the nitrogen. The soldering method as described in any one of these. 回路基板に半導体素子を鉛フリー半田によって半田付けしてなる半導体装置の製造方法であって、
回路基板と半導体素子との間に鉛フリー半田を介在させた半田付け対象物が収容された容器内を還元性ガスを含む第1雰囲気ガスで満たした後、前記第1雰囲気ガスによって前記容器内を大気圧より大きい一次加圧圧力に加圧し、前記容器内の圧力を前記一次加圧圧力に維持した状態で前記半田を該半田の溶融温度以上の高溶融温度まで加熱して前記半田を溶融させ、前記容器内の圧力を前記一次加圧圧力に維持した状態で前記半田の温度を前記高溶融温度で一定時間保持し、前記半田の温度を前記高溶融温度に維持した状態で前記容器内を減圧して真空状態にし、前記半田の温度を前記溶融温度以上とした状態で、不活性ガスを含む第2雰囲気ガスによって前記容器内を前記真空状態から前記一次加圧圧力より大きい二次加圧圧力まで加圧し、その後、前記容器内の圧力を前記二次加圧圧力に維持した状態で前記半田の温度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、前記回路基板と前記半導体素子との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。
A method of manufacturing a semiconductor device in which a semiconductor element is soldered to a circuit board with lead-free solder,
After filling the inside of the container containing the soldering target object in which lead-free solder is interposed between the circuit board and the semiconductor element with the first atmosphere gas containing the reducing gas, the container is filled with the first atmosphere gas. Is heated to a primary pressurizing pressure greater than atmospheric pressure, and the solder is melted by heating the solder to a high melting temperature equal to or higher than the melting temperature of the solder while maintaining the pressure in the container at the primary pressurizing pressure. And maintaining the solder temperature at the high melting temperature for a certain time while maintaining the pressure in the container at the primary pressurizing pressure, and maintaining the solder temperature at the high melting temperature in the container. In a state where the pressure is reduced to a vacuum state and the temperature of the solder is equal to or higher than the melting temperature, a secondary atmosphere larger than the primary pressurization pressure is applied from the vacuum state to the inside of the container by a second atmospheric gas containing an inert gas. Pressurization up to pressure Thereafter, the solder is solidified by lowering the temperature of the solder to a temperature lower than the melting temperature while maintaining the pressure in the container at the secondary pressurizing pressure, and soldering the circuit board and the semiconductor element. A method for manufacturing a semiconductor device, characterized by comprising:
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