JP2010161207A - 半田付け方法および半田付け装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ボイドおよび半田ボールの発生を抑制しつつ濡れ性に優れた半田付け方法および半田付け装置を提供する。
【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温度および雰囲気圧力を制御しながら半田を溶融して回路基板と半導体素子とを半田付けする。このとき、雰囲気を本加熱時の雰囲気圧力よりも低い圧力とした状態で雰囲気を高速昇温して半田が融点に到達し溶融した直後に高速昇圧とした状態で半田付けを行う。
【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および半田付け装置に関する。

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。

このような半導体素子の半田付けにはリフロー半田付けが用いられる。リフロー半田付けを行う際のボイドを抑制する技術が知られている（特許文献１，２等）。特許文献１においては、減圧状態で半田を溶融させて、その後に加圧することで溶融した半田内の減圧状態の圧力を持ったボイドが当該ボイド内の圧力よりも高い圧力でつぶされてボイドを消滅あるいは小さくしてボイドの低減が図られる。特許文献２においては、大気圧で半田を溶融させてその後に大気圧から減圧することで半田の溶融中にその内部に発生したボイドが膨張し溶融中の半田から抜けることでボイドを除去している。

特開２００５−２０５４１８号公報 特開２００７−９１５号公報

本発明者らは実験により次のことを確認した。特許文献１においては、半田内部の欠陥（ボイド）に関しては効果があるものの、外部欠陥（濡れ不良）に対しては悪影響を及ぼすため、全体としては欠陥の改善には至っていないことが判明した。つまり、特許文献１のように減圧状態で半田を溶融させてその後に加圧すると濡れ性に対して悪影響を及ぼす。また、特許文献２のように大気圧で半田を溶融させ半田が溶けている期間に真空引きすると、外部欠陥は小さいが半田ボールが発生しやすいことが分かった。

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、ボイドおよび半田ボールの発生を抑制しつつ濡れ性に優れた半田付け方法および半田付け装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、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圧力および半田温度を制御しながら前記半田を溶融して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、雰囲気圧力を本加熱時の雰囲気圧力よりも低い圧力とした状態で半田温度を高速昇温して前記半田が融点に到達し溶融した直後に雰囲気圧力を高速昇圧して半田付けを行うようにしたことを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、低圧状態で昇温して半田を溶融することにより加圧後のボイドを小さくすることができる。また、低圧状態で高速昇温して半田溶融直後に高速昇圧することにより濡れ性を向上させることができる。さらに、低圧状態で高速昇温して半田溶融直後に高速昇圧することにより半田溶融期間での減圧に伴う半田ボールの発生を回避することができる。

その結果、ボイドおよび半田ボールの発生の抑制しつつ濡れ性に優れたものとすることができる。
請求項２に記載のように、請求項１に記載の半田付け方法において、半田温度が融点温度に到達した時点から０〜２０秒で前記高速昇圧を開始すると、ボイドの発生をより抑制することができる。

請求項３に記載のように、請求項１または２に記載の半田付け方法において、前記高速昇温は２．０℃／秒以上で行うと、欠陥面積率を低く抑えることができる。
請求項４に記載のように、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半田付け方法において、前記高速昇圧は０．００２ＭＰａ／秒以上で行うと、欠陥面積率を低く抑えることができる。

請求項５に記載の発明では、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、半田付け対象物周囲の雰囲気圧力を調整する圧力調整手段と、半田温度を調整する温度調整手段と、前記圧力調整手段および前記温度調整手段を制御して雰囲気圧力を本加熱時の雰囲気圧力よりも低い圧力とした状態で半田温度を高速昇温する第１の制御手段と、前記圧力調整手段を制御して前記半田が融点に到達し溶融した直後に雰囲気圧力を高速昇圧して半田付けを行う第２の制御手段と、を備えたことを要旨とする。

請求項５に記載の発明によれば、第１の制御手段により、圧力調整手段および温度調整手段が制御されて雰囲気圧力を本加熱時の雰囲気圧力よりも低い圧力とした状態で半田温度が高速昇温される。第２の制御手段により、圧力調整手段が制御されて半田が融点に到達し溶融した直後に雰囲気圧力が高速昇圧されて半田付けが行われる。このようにして、請求項１に記載の半田付け方法を行うことができる。

本発明によれば、ボイドおよび半田ボールの発生を抑制しつつ濡れ性に優れた半田付け方法および半田付け装置を提供することができる。

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、投入室および取出室の正面図。 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。 半田温度プロファイルと雰囲気圧力プロファイルを示す図。 融点を超えてから加圧開始までの時間と欠陥の面積率との関係を示す図。 昇温速度と欠陥面積率平均値との関係を示す図。 昇圧速度と欠陥面積率との関係を示す図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１および図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（純アルミニウムおよ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および取出室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において加熱およ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。従って、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と非連通状態となる。即ち、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。

以下、リフロー室２０、投入室２１および取出室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個でもよいし、複数個でもよい。また、リフロー室２０には、半田付け対象物を加熱して半田を溶融するための加熱装置（例えば、ヒータなど）２８が配設されている。温度調整手段としての加熱装置２８により半田温度を調整することができるようになっている。

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、開閉バルブ３０ｂと、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３１が接続されている。不活性ガス供給部３１は、配管３１ａと、開閉バルブ３１ｂと、減圧弁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、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およ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、開閉バルブ３３ｂと、絞り弁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。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、即ち、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およびガス排出部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およびガス排出部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、および、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、リフロー室２０では、半田付け対象物周囲の雰囲気圧力および半田温度を制御しながら半田を溶融して回路基板１１と半導体素子１２とを半田付けする。さらに、本実施形態においてはリフロー室２０で、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および図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。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。

図３において、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。

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およびガス排出部３３を制御することによりリフロー室２０の雰囲気圧力、即ち、半田付け対象物周囲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の開閉および搬送機構（コンベア２７，３５，３６）の動作を制御する。本実施形態では、還元性ガス供給部３０、不活性ガス供給部３１、真空部３２およびガス排出部３３により、圧力調整手段が構成されている。圧力調整手段（還元性ガス供給部３０、不活性ガス供給部３１、真空部３２およびガス排出部３３）により半田付け対象物周囲の雰囲気圧力が調整される。また、制御装置４１が加熱装置２８を制御する。

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。
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および出口側扉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、半田の温度に基づいて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。溶融した半田は、半田温度が融点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、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、半田付けの際の半田温度と雰囲気圧力を、図６を用いて説明する。
本実施形態では、半田シート１７の成分、即ち、半田として鉛フリー半田、具体的には、Ｓｎ−３．５Ａｇ半田を用いており、その融点は２２１℃である。

図６の半田温度プロファイルについて、ｔ３から加熱が開始され（ｔ３までの期間が加熱前であり）、ｔ３〜ｔ４の期間において予熱温度まで昇温され、ｔ４〜ｔ５の期間において予熱が行われ、ｔ５〜ｔ８の期間において本加熱温度まで昇温され、ｔ８〜ｔ９の期間において本加熱が行われる。

具体的には、ｔ３までが約４０℃であり、ｔ３から昇温を開始してｔ４で予熱温度の１６５℃にする。ｔ４〜ｔ５の期間において１６５℃で予熱を行い、ｔ５から昇温を開始してｔ８で本加熱温度の３２５℃にする。ｔ８〜ｔ９の期間において３２５℃で本加熱を行う。ｔ９で本加熱を終了して、以後、冷却（空冷方式）にて半田温度を低下させる。

また、図６の雰囲気圧力プロファイルについて、ｔ１のタイミングでリフロー室２０内の減圧動作が開始され、ｔ２からは一定圧力の低圧状態に保持され、ｔ６直後のｔｓ〜ｔ７の期間において本加熱時の雰囲気圧力に昇圧され、ｔ７〜ｔ１０の期間において一定圧力（０．１ＭＰａ：大気圧）の本加熱雰囲気圧力に保持され、ｔ１０〜ｔ１１の期間において所定の圧力に昇圧され、ｔ１１〜ｔ１２では一定圧力に保持され、ｔ１２以降において減圧状態を経て大気圧に戻される。

具体的には、ｔ１で大気圧（０．１ＭＰａ）から減圧を開始して真空に近づけ、ｔ２のタイミングで０．０１ＭＰａにし、これを保持する。雰囲気圧力０．０１ＭＰａでｔ４〜ｔ５の予熱が行われる。さらに、ｔ６直後のｔｓのタイミングで加圧を開始してｔ７で本加熱雰囲気圧力の０．１ＭＰａにする。雰囲気圧力０．１ＭＰａでｔ８〜ｔ９の本加熱が行われる。ｔ１０のタイミングで加圧を開始してｔ１１で雰囲気圧力を０．１９ＭＰａにする。ｔ１１〜ｔ１２の期間において雰囲気圧力を０．１９ＭＰａにした状態を保持し、ｔ１２で減圧を開始し、真空に近づけた後に大気圧に戻す。

また、図６においてｔ４〜ｔ５まで１６５℃の一定温度を保持して予熱を行った後に、ｔ５のタイミングで昇温を開始して、ｔ８で本加熱温度の３２５℃となるまで、２．５℃／秒で高速昇温している。

このようにして、第１の制御手段としての制御装置４１は、温度調整手段（加熱装置２８）および圧力調整手段（還元性ガス供給部３０、不活性ガス供給部３１、真空部３２およびガス排出部３３）を制御して雰囲気圧力を本加熱時の雰囲気圧力よりも低い圧力とした状態で半田温度を高速昇温する。

さらに、図６においてｔ６のタイミングで半田温度が融点の２２１℃に到達している。半田温度が融点の２２１℃に到達すると直ちに雰囲気の加圧を開始して、ｔ７で本加熱雰囲気圧力となるまで０．０１２ＭＰａ／秒で高速昇圧（高速加圧）している。より詳しくは、融点に到達した時点ｔ６から高速昇圧（加圧）の開始時期ｔｓまでの時間Δｔは、３．６〜１１．６秒である。半田温度でいうと２３０〜２５０℃付近で高速昇圧を開始する。

このようにして、第２の制御手段としての制御装置４１は、圧力調整手段（還元性ガス供給部３０、不活性ガス供給部３１、真空部３２およびガス排出部３３）を制御して半田が融点に到達し溶融した直後に雰囲気圧力を高速昇圧して半田付けを行う。

ここで、図６のｔ５〜ｔ８の高速昇温は、２．０℃／秒以上で行うとよい。また、図６のｔ６（ｔｓ）〜ｔ７の高速昇圧は、０．００２ＭＰａ／秒以上で行うとよい。さらに、図６の高速昇圧開始タイミング、即ち、半田温度が融点に到達した時点ｔ６から高速昇圧を開始する時期ｔｓまでの時間Δｔは０〜２０秒とするとよい。

低圧状態で昇温して半田を溶融することにより加圧後のボイドを小さくすることができる。また、特許文献１のように減圧状態で半田を溶融させてその後に加圧すると濡れ性に対して悪影響を及ぼすが、低圧状態で高速昇温して半田溶融直後に高速昇圧することにより濡れ性を向上させることができる。さらに、特許文献２のように大気圧で半田を溶融させ半田が溶けている期間に真空引きすると半田ボールが発生しやすいが、低圧状態で高速昇温して半田溶融直後に高速昇圧することにより半田溶融期間での減圧に伴う半田ボールの発生を回避することができる。

次に、雰囲気圧力の加圧（昇圧）開始タイミングについて説明する。
図７において、横軸には半田の融点を超えてから加圧開始までの時間Δｔ（図６参照）をとり、縦軸には欠陥の面積率をとっている。そして、図７には、Δｔが−１６秒、＋８秒、＋１７秒、＋２８秒、＋４８秒、＋６９秒での内部欠陥（ボイド）の面積率と外部欠陥（濡れ不良）の面積率をプロットしている。

図７において、内部欠陥（ボイド）について、半田の融点の到達前に加圧を開始すると内部欠陥（ボイド）が発生して欠陥の面積率が大きい。これに対し、半田の融点を超えた後に加圧を開始すると欠陥の面積率が小さい。特に、半田の融点を超えてから２０秒以内に加圧を開始すると、欠陥の面積率がより小さく、半田の融点を超える前に加圧を開始する場合に比べその差（効果）が顕著である。

図７において、外部欠陥（濡れ不良）について、半田の融点の到達前に加圧を開始した場合には欠陥の面積率が小さい。これに対し、半田の融点を超えた後に加圧を開始すると欠陥の面積率が大きいが、半田の融点を超えてから２０秒以内に加圧を開始すると（Δｔが２０秒以内）、欠陥の面積率がより小さく、半田の融点を超える前に加圧を開始する場合に比べわずかに大きくなっているに過ぎない。また、半田温度が２３０〜２５０℃付近で高速昇圧を開始するのではなく、Δｔが２０秒以上であり、半田温度が高い状態（２８０〜３００℃）で高速昇圧を行うと濡れ性がよくない状態になってしまう（品質低下を招いてしまう）。

この図７から、半田の融点を超えた後、特に、超えた時点から２０秒以内に加圧を開始すると、半田の融点を超える前に加圧を開始する場合に比べ欠陥の面積率を小さくすることができることが分かる。

次に、図８を用いて昇温速度と欠陥面積率の関係について説明する。
図８において、横軸には昇温速度をとり、縦軸には欠陥面積率平均値をとっている。そして、昇温速度が０．７℃／秒、１．５℃／秒、２．２℃／秒、２．３℃／秒での欠陥面積率平均値をプロットしている。なお、欠陥面積は内部欠陥面積と外部欠陥面積の和である。

図８において昇温速度が０．７℃／秒では欠陥面積率平均値が大きく、これに比べ、昇温速度が１．５℃／秒では欠陥面積率平均値が小さく、昇温速度が２．２℃／秒および２．３℃／秒では欠陥面積率平均値がさらに小さい。

よって、昇圧開始が同じタイミングでも、昇温速度が小さいと欠陥は大きくなることが分かる。即ち、ゆっくり昇温すると欠陥（外部欠陥）となる。
次に、図９を用いて昇圧速度と欠陥面積率の関係について説明する。

図９において、横軸には昇圧速度をとり、縦軸には欠陥面積率をとっている。そして、昇圧速度が０．０１２ＭＰａ／秒と０．００２ＭＰａ／秒での欠陥面積率をプロットしている。

図９において昇圧速度が０．００２ＭＰａ／秒では欠陥面積率（平均値）が大きく、これに比べ、昇圧速度が０．０１２ＭＰａ／秒では欠陥面積率（平均値）が小さく。
よって、昇圧開始が同じタイミングでも、加圧が緩やかな場合は欠陥が大きくなりやすい傾向にあることが分かる。即ち、ゆっくり加圧すると欠陥（外部欠陥）となりやすい。

以上のごとく本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）雰囲気圧力を本加熱時の雰囲気圧力よりも低い圧力とした状態（雰囲気圧力を本加熱時の雰囲気圧力よりも低い一定圧力とした状態）で半田温度を本加熱時の半田温度まで高速昇温して半田が融点に到達し溶融した直後に雰囲気圧力を本加熱時の雰囲気圧力まで高速昇圧して半田付けを行うようにした。これにより、ボイドおよび半田ボールの発生の抑制しつつ濡れ性に優れたものとすることができる。

（２）半田温度が融点温度に到達した時点から０〜２０秒で高速昇圧を開始することにより、ボイドの発生をより抑制することができる。
（３）高速昇温は２．０℃／秒以上で行うことにより、欠陥面積率を低く抑えることができる。

（４）高速昇圧は０．００２ＭＰａ／秒以上で行うことにより、欠陥面積率を低く抑えることができる。
なお、本実施形態は以下のように変更してもよい。

・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。

・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よい。
・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よい。

・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よいし、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よい。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よい。

・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でもよい。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。

・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およ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よい。例えば、還元性ガス供給部３０、不活性ガス供給部３１およびガス排出部３３の何れにも減圧弁を設けてもよいし、何れにも絞り弁を設けてもよい。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およ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よい。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。

・リフロー室２０に、還元性ガス供給部３０、真空部３２およびガス排出部３３のみを接続してもよい。
・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よい。

ＨＫ…リフロー装置、１１…回路基板、１２…半導体素子、１７…半田シート、２８…加熱装置、３０…還元性ガス供給部、３１…不活性ガス供給部、３２…真空部、３３…ガス排出部、４１…制御装置。

Claims (5)

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圧力および半田温度を制御しながら前記半田を溶融して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、
   雰囲気圧力を本加熱時の雰囲気圧力よりも低い圧力とした状態で半田温度を高速昇温して前記半田が融点に到達し溶融した直後に雰囲気圧力を高速昇圧して半田付けを行うようにしたことを特徴とする半田付け方法。
2. 半田温度が融点温度に到達した時点から０〜２０秒で前記高速昇圧を開始することを特徴とする請求項１に記載の半田付け方法。
3. 前記高速昇温は２．０℃／秒以上で行うことを特徴とする請求項１または２に記載の半田付け方法。
4. 前記高速昇圧は０．００２ＭＰａ／秒以上で行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半田付け方法。
5. 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、
   半田付け対象物周囲の雰囲気圧力を調整する圧力調整手段と、
   半田温度を調整する温度調整手段と、
   前記圧力調整手段および前記温度調整手段を制御して雰囲気圧力を本加熱時の雰囲気圧力よりも低い圧力とした状態で半田温度を高速昇温する第１の制御手段と、
   前記圧力調整手段を制御して前記半田が融点に到達し溶融した直後に雰囲気圧力を高速昇圧して半田付けを行う第２の制御手段と、
   を備えたことを特徴とする半田付け装置。

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