JP2015070053A - Junction assembly apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、接合組立装置に関する。本発明は、特には、短時間のはんだ付け処理によって接合し、はんだ接合層中の気泡の少ないはんだ接合層を備える積層体を得ることができる接合組立装置に関する。 The present invention relates to a joining and assembling apparatus. In particular, the present invention relates to a joining / assembling apparatus that can be joined by a short-time soldering process to obtain a laminate including a solder joining layer with few bubbles in the solder joining layer.
従来、電力用半導体装置を製造する方法として、主に次の3つの方法が実施されている。第一の方法では、まず還元雰囲気の連続炉(トンネル炉)を用いて、予備はんだをおこない、シリコンチップの裏面電極上にはんだを設ける。つづいて、そのはんだを介して絶縁基板にシリコンチップをはんだ付けする。その後、ワイヤボンディングをおこなう。そして、絶縁基板上にシリコンチップをはんだ付けしたものを、大気中でフラックスを用いて、銅などでできた金属ベースにはんだ付けする。 Conventionally, the following three methods are mainly performed as a method of manufacturing a power semiconductor device. In the first method, first, preliminary soldering is performed using a continuous furnace (tunnel furnace) in a reducing atmosphere, and solder is provided on the back electrode of the silicon chip. Subsequently, a silicon chip is soldered to the insulating substrate through the solder. Thereafter, wire bonding is performed. Then, a silicon chip soldered on an insulating substrate is soldered to a metal base made of copper or the like using a flux in the atmosphere.
第2の方法では、還元雰囲気の連続炉を用いて、シリコンチップと絶縁基板とをはんだ付けする。その後、ワイヤボンディングをおこなう。そして、絶縁基板上にシリコンチップをはんだ付けしたものを、還元雰囲気の連続炉を用いて金属ベースにはんだ付けする。 In the second method, the silicon chip and the insulating substrate are soldered using a continuous furnace in a reducing atmosphere. Thereafter, wire bonding is performed. Then, a silicon chip soldered on an insulating substrate is soldered to a metal base using a continuous furnace in a reducing atmosphere.
第3の方法では、不活性雰囲気の減圧炉を用いて、シリコンチップと絶縁基板と金属ベースとをフラックス入りはんだを介してはんだ付けする。その後、ワイヤボンディングをおこなう。 In the third method, a silicon chip, an insulating substrate, and a metal base are soldered via flux-cored solder using a vacuum furnace in an inert atmosphere. Thereafter, wire bonding is performed.
ところで、パワーモジュールなどの電力用半導体装置では、大電流が流れるため、シリコンチップの発熱量は数十〜数千ワットと非常に大きい。そのため、電力用半導体装置には、優れた熱放散特性が要求される。しかし、シリコンチップと絶縁基板との間のはんだ接合層や、絶縁基板と金属ベースとの間のはんだ接合層に気泡(ボイド)が存在すると、これらの気泡は熱放散を妨げるため、熱放散特性の著しい低下をもたらし、半導体装置の破壊を招く原因となる。したがって、はんだ接合層中に気泡をできるだけ存在させないことが重要である。 By the way, in a power semiconductor device such as a power module, since a large current flows, the heat generation amount of the silicon chip is as large as several tens to several thousand watts. Therefore, the power semiconductor device is required to have excellent heat dissipation characteristics. However, if air bubbles (voids) exist in the solder joint layer between the silicon chip and the insulating substrate, or the solder joint layer between the insulating substrate and the metal base, these bubbles prevent heat dissipation. This causes a significant decrease in the thickness of the semiconductor device and causes a breakdown of the semiconductor device. Therefore, it is important that bubbles do not exist as much as possible in the solder joint layer.
はんだ接合層中に気泡が発生する原因として、積層体を構成する金属部材表面の残留酸化物及びはんだ材料中の炭酸ガスなどの溶存ガスがはんだ溶融時に気泡として残ることが挙げられる。また、はんだ付け時に、はんだや絶縁基板などの被接合部材の表面に吸着した吸着物、または酸化スズや酸化銅や酸化ニッケルが還元され、それによって生じたH2Oがガス化して気泡として残ることも原因として挙げられる。また、はんだ付け時に使用するフラックスの気化により発生するガスやフラックスそのものがはんだ接合層中に残留することも原因の一つである。 The reason why bubbles are generated in the solder joint layer is that residual oxides on the surface of the metal member constituting the laminate and dissolved gases such as carbon dioxide in the solder material remain as bubbles when the solder melts. Further, at the time of soldering, adsorbate adsorbed on the surface of a member to be joined such as solder or an insulating substrate, or tin oxide, copper oxide or nickel oxide is reduced, and H 2 O generated thereby is gasified and remains as bubbles. This is also a cause. Another cause is that the gas generated by vaporization of the flux used during soldering and the flux itself remain in the solder joint layer.
したがって、はんだ接合層中の気泡を低減させるため、一般に、被接合部材表面の酸化を防止してその表面を清浄に保ったり、溶存ガスのないはんだ材料や濡れ性のよいはんだ材料を使用したりするなどの対策が講じられている。また、はんだ付けプロファイルを最適化したり、被接合部材の変形を制御したり、減圧雰囲気ではんだ付けをおこなうなどの対策が講じられている。 Therefore, in order to reduce air bubbles in the solder joint layer, in general, oxidation of the surface of the member to be joined is prevented to keep the surface clean, or a solder material having no dissolved gas or a solder material having good wettability is used. Measures such as doing are taken. In addition, measures such as optimizing the soldering profile, controlling deformation of the members to be joined, and soldering in a reduced pressure atmosphere are taken.
また、はんだ付け方法に関する提案も多数なされている。例えば、処理容器と、真空排気と高純度ガス導入とにより低酸素濃度雰囲気を生成することによって処理容器内の雰囲気とその圧力とを制御する手段と、処理容器内に設けられた加熱手段とを備えたはんだ付け装置を用いて、回路基板を加熱手段により加熱し、処理容器内の雰囲気の圧力を制御することにより、はんだ接続を行う方法が公知である(例えば、特許文献1参照)。 Many proposals regarding soldering methods have also been made. For example, a processing container, means for controlling the atmosphere in the processing container and its pressure by generating a low oxygen concentration atmosphere by evacuation and high-purity gas introduction, and heating means provided in the processing container. A method of performing solder connection by heating a circuit board with a heating unit and controlling the pressure of the atmosphere in a processing container using a soldering apparatus provided is known (for example, see Patent Document 1).
さらには、金属ベース、はんだ板、絶縁基板、はんだ板およびシリコンチップからなる積層体を減圧炉内に設置し、炉内を真空排気後、炉内を正圧の水素雰囲気にして積層体の各部材の表面を還元した後、はんだを加熱溶融させることを特徴とする半導体装置の製造方法も知られている(例えば、特許文献2参照)。 Furthermore, a laminated body composed of a metal base, a solder plate, an insulating substrate, a solder plate and a silicon chip is placed in a vacuum furnace, and after evacuating the furnace, the furnace is evacuated to a positive pressure hydrogen atmosphere. A method for manufacturing a semiconductor device is also known in which solder is heated and melted after reducing the surface of a member (see, for example, Patent Document 2).
他にも、耐熱金属のフィラメントグリッドを用いて活性分子種を生成し、これにより金属表面の酸化物を除去した後、はんだ付けを行う、乾式はんだ付けのために金属表面を処理する方法が開示されている(例えば、特許文献3参照)。 Also disclosed is a method of treating metal surfaces for dry soldering, where active molecular species are generated using a refractory metal filament grid, thereby removing oxides on the metal surface and then soldering. (For example, see Patent Document 3).
また、接触分解反応によって生成した原子状水素による接合前のはんだの洗浄への適用例が開示されている(例えば、非特許文献1、非特許文献2参照)。さらに、錫を主成分とする鉛フリーはんだ合金を微粉末状で、ホットワイヤー法によって発生した原子状水素を用いて、還元及びエッチングを行なうことを特徴とする鉛フリーはんだ合金の処理方法も知られている(例えば、特許文献4参照)。
In addition, examples of application to cleaning of solder before bonding with atomic hydrogen generated by a catalytic decomposition reaction are disclosed (for example, see Non-Patent
しかしながら、例えば、特許文献1の方法では、搭載部品の固定に液体が用いられるが、この場合はんだ付け装置への投入前に別設備にて前処理(液体の塗布)を行う必要があり作業工程の増加、及び作業時間が発生するといった不利益がある。また、特許文献2の方法では、およそ300℃以上で水素の還元能力が効果的に発揮されるが、それ以下の温度域では被接合部材及びはんだの還元は不足してしまい接合性は悪化してしまう場合がある。水素ガスの還元能力を向上させるため、加熱温度をさらに高温化する手法も存在するが、シリコンチップの熱損傷が懸念される。
However, for example, in the method of
特許文献3に開示された発明は、連続炉を用いており、十分な真空度を達成できないために、原子状水素の生成量が少なく、金属酸化物等に対する還元力も十分ではない。そのために電子抑制のための装置を使用して原子状水素を選択的にワークに集める必要があり、装置が複雑になり、水素やエネルギーの損失も大きいという不利益がある。
Since the invention disclosed in
また、特許文献4に開示された方法は、接合に先だってはんだ合金のみを回転ドラム式の装置で処理する方法であり、はんだ接合をも含む効率的な接合組立を実現するものではない。非特許文献1、2が開示する方法は、実験的手法にすぎず、半導体装置の効率的な量産には現実的に適用することができるものではない。
Further, the method disclosed in Patent Document 4 is a method in which only a solder alloy is processed by a rotary drum type device prior to joining, and does not realize an efficient joining assembly including solder joining. The methods disclosed in
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、少なくとも1つの被接合部材と少なくとも1つのはんだ材をとの積層体を、短時間のはんだ付け処理によって接合し、はんだ接合層中の気泡の少ないはんだ接合層を備える積層体を得ることができる接合組立装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and a laminated body of at least one member to be joined and at least one solder material is joined by a short-time soldering process, It is an object of the present invention to provide a joint assembly apparatus that can obtain a laminate including a solder joint layer with less bubbles.
本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。すなわち、本発明は、接合組立装置であって、金属線と、少なくとも1つの被接合部材と少なくとも1つのはんだ材との積層体を支持する搬送ステージであって、水平方向及び鉛直方向に移動可能な搬送ステージと、水平方向に離間されて設置される冷却板及び熱板であって、前記搬送ステージを介して前記積層体を冷却可能な冷却板と、前記搬送ステージを介して前記積層体を加熱可能な熱板と、活性種生成ガス導入管と、不活性ガス導入管と、排気口とを減圧炉内に備えるとともに、前記金属線を加熱する加熱手段を備えてなる。 The present invention has been made to solve the above problems. That is, the present invention is a joining and assembling apparatus, which is a transfer stage that supports a laminated body of a metal wire, at least one member to be joined, and at least one solder material, and is movable in the horizontal direction and the vertical direction. A transport plate, a cooling plate and a hot plate that are spaced apart in the horizontal direction, the cooling plate capable of cooling the stack through the transport stage, and the stack through the transport stage. A heatable heat plate, an activated species production gas introduction pipe, an inert gas introduction pipe, and an exhaust port are provided in the vacuum furnace, and heating means for heating the metal wire is provided.
前記接合組立装置において、前記金属線が、タングステン、モリブデン、白金、ニッケル、レニウムから選択される金属、あるいはそれらの一以上からなる合金であり、1000℃以上に加熱することにより、活性種生成ガスを加熱分解して原子状水素を生成することができることが好ましい。また、前記接合組立装置において、前記金属線が、前記減圧炉の上部であって、かつ前記熱板の上方に設けられていることが好ましい。また、前記接合組立装置において、前記金属線が、前記熱板全域を覆うように、前記熱板の上方に設けられていることが好ましい。また、前記接合組立装置において、前記金属線と、前記搬送ステージとの鉛直方向距離を、30mm〜150mmに調節可能であることが好ましい。 In the joining and assembling apparatus, the metal wire is a metal selected from tungsten, molybdenum, platinum, nickel, rhenium, or an alloy made of at least one of them, and is heated to 1000 ° C. or higher to generate an active species generation gas. It is preferable that atomic hydrogen can be generated by thermal decomposition of In the joining and assembling apparatus, it is preferable that the metal wire is provided above the decompression furnace and above the hot plate. In the joining and assembling apparatus, it is preferable that the metal wire is provided above the hot plate so as to cover the entire hot plate. In the joining and assembling apparatus, it is preferable that a vertical distance between the metal wire and the transfer stage can be adjusted to 30 mm to 150 mm.
前記接合組立装置において、前記活性種生成ガス導入管が、前記金属線に活性種生成ガスを導く複数の吹き出し口を備え、前記吹き出し口から、前記金属線を介し、前記熱板へ向けて、活性種生成ガスを均一に噴出させることが好ましい。また、前記接合組立装置において、前記減圧炉内の圧力監視装置をさらに備えることが好ましい。 In the joining and assembling apparatus, the active species generation gas introduction pipe includes a plurality of outlets that guide the active species generation gas to the metal wire, and from the outlet through the metal wire toward the hot plate, It is preferable that the active species product gas is ejected uniformly. Moreover, it is preferable that the joining assembly apparatus further includes a pressure monitoring device in the decompression furnace.
本発明は、別の局面によれば、前述のいずれかの接合組立装置の作動方法であって、少なくとも1つの被接合部材と少なくとも1つのはんだ材とを含む積層体を投入した減圧炉内を真空排気する一次減圧工程と、前記一次減圧工程後、前記減圧炉内を負圧の水素雰囲気にして、前記金属線を加熱して、原子状水素を発生させる、熱線式加熱工程と、前記熱線式加熱工程後、前記減圧炉内を正圧の水素雰囲気にして、接合温度まで加熱して前記はんだ材を溶融する加熱工程と、前記加熱工程後、接合温度に保持したまま前記減圧炉内を再び真空雰囲気にしてはんだ融液中の気泡を除去する気泡除去工程とを含む。 According to another aspect of the present invention, there is provided a method for operating any one of the above-described joining and assembling apparatuses, wherein the inside of a vacuum furnace in which a laminate including at least one member to be joined and at least one solder material is charged. A primary depressurizing step for evacuating; a hot-wire heating step for generating atomic hydrogen by heating the metal wire after the primary depressurizing step to form a negative pressure hydrogen atmosphere in the decompression furnace; and the hot wire After the heating process, the inside of the vacuum furnace is set to a positive pressure hydrogen atmosphere, heated to a joining temperature to melt the solder material, and after the heating process, the inside of the vacuum furnace is maintained at the joining temperature. And a bubble removal step of removing the bubbles in the solder melt again in a vacuum atmosphere.
前記接合組立装置の作動方法における、前記気泡除去工程において、前記減圧炉内を負圧の水素雰囲気にして前記金属線を加熱し、原子状水素を発生させる熱線式加熱工程を1回以上、断続的に繰り返して含むことが好ましい。 In the air bubble removing step in the operation method of the joining and assembling apparatus, the hot wire heating step of generating atomic hydrogen by heating the metal wire by setting the inside of the vacuum furnace to a negative pressure hydrogen atmosphere is intermittently performed one or more times. It is preferable to include repeatedly.
前記接合組立装置の作動方法における、前記熱線式加熱工程において、水素分子ガスが、前記金属線と接触した後、前記積層体に向けて供給されるように、減圧炉内に供給されることが好ましい。 In the hot-wire heating step in the operation method of the joining and assembling apparatus, the hydrogen molecular gas may be supplied into the vacuum furnace so as to be supplied toward the laminated body after contacting the metal wire. preferable.
前記接合組立装置の作動方法において、前記気泡除去工程後、接合温度に保持したまま再び前記減圧炉内を正圧の水素雰囲気にする再還元工程をさらに含むことが好ましい。また、前記再還元工程後、前記減圧炉内を正圧の水素雰囲気にしたまま前記積層体を急冷する冷却工程をさらに含むことが好ましい。さらに、前記冷却工程後、前記減圧炉内を真空排気する二次減圧工程と、前記二次減圧工程後、前記減圧炉内を正圧の不活性ガス雰囲気にした後、前記減圧炉を開放する工程とをさらに含むことが好ましい。 It is preferable that the operation method of the bonding assembly apparatus further includes a re-reduction step in which the inside of the vacuum furnace is again brought into a positive pressure hydrogen atmosphere while maintaining the bonding temperature after the bubble removing step. In addition, it is preferable that the method further includes a cooling step of rapidly cooling the stacked body while keeping the inside of the decompression furnace in a positive pressure hydrogen atmosphere after the re-reduction step. Further, after the cooling step, a secondary decompression step for evacuating the inside of the decompression furnace, and after the secondary decompression step, the inside of the decompression furnace is changed to a positive pressure inert gas atmosphere, and then the decompression furnace is opened. It is preferable that a process is further included.
前記接合組立装置の作動方法において、前記熱線式加熱工程から前記加熱工程までを、複数回繰り返して含むことが好ましい。あるいは、もしくはそれに加えて、前記気泡除去工程から前記再還元工程までを、複数回繰り返して含むことが好ましい。 In the operation method of the joining and assembling apparatus, it is preferable that the process from the hot wire heating process to the heating process is repeated a plurality of times. Alternatively, or in addition, it is preferable that the process from the bubble removal process to the re-reduction process is repeated a plurality of times.
本発明に係る接合組立装置によれば、特には、従来の水素ガスのみを用いたはんだ接合に加えて、金属線による水素ガス等の活性種生成ガスの分解により生じる、不対電子を有する活性種が高い酸化物還元効果をもたらす。金属線を備えることにより、本発明に係る接合組立装置においては、はんだ溶融温度以下でのはんだの還元、被接合部材の加熱補助、並びに被接合部材の酸化物還元を実現することが可能である。そして、本発明に係る接合組立装置を用いることで、例えば、半導体装置を製造する場合には、金属ベースと絶縁基板とのはんだ接合、および絶縁基板とシリコンチップなどの素子とのはんだ接合を減圧炉内で同時に実施可能となるともに、そのときにはんだ中の気泡が除去され、また異種材料の接合により生じる金属ベースの反りが速やかに除去される。そして、接合組立装置の運転開始後、十数分以内に、従来よりも高品質で信頼性の高いはんだ接合層を有し、熱放散性に優れた半導体装置を得ることができる。 According to the joining and assembling apparatus according to the present invention, in particular, in addition to the conventional solder joining using only hydrogen gas, the activity having unpaired electrons generated by the decomposition of the active species product gas such as hydrogen gas by the metal wire. The seed provides a high oxide reduction effect. By providing the metal wire, in the joining and assembling apparatus according to the present invention, it is possible to realize the reduction of the solder below the solder melting temperature, the auxiliary heating of the joined member, and the oxide reduction of the joined member. . Then, by using the bonding assembly apparatus according to the present invention, for example, when manufacturing a semiconductor device, the solder bonding between the metal base and the insulating substrate and the solder bonding between the insulating substrate and an element such as a silicon chip are reduced. At the same time, it can be carried out in the furnace, and the bubbles in the solder are removed at that time, and the warp of the metal base caused by the joining of different materials is quickly removed. Then, within 10 minutes after the start of the operation of the joining and assembling apparatus, a semiconductor device having a solder joint layer with higher quality and higher reliability than the conventional one and excellent in heat dissipation can be obtained.
また、本発明に係る接合組立装置によれば、従来に比べて、低い温度域、例えば、300℃以下で還元効果を有し、かつ水素ガスや不活性ガスの使用量が少なくて済み、またフラックスを使用する必要がない。そのため、処理時間の短縮と高い接合品質、運転コストの低減効果や、環境負荷の低減といった効果を得ることが出来る。さらに、本発明による接合組立装置を用いることにより、積層体の接合特性を向上させることができるため、量産される複数の製品間でのばらつきをなくし、品質を安定化させることができるという利点も有する。 In addition, according to the joining and assembling apparatus according to the present invention, it has a reducing effect in a lower temperature range, for example, 300 ° C. or less, and the amount of hydrogen gas or inert gas used is small, compared to the conventional case. There is no need to use flux. For this reason, it is possible to obtain effects such as shortening of processing time, high bonding quality, operation cost reduction effect, and environmental load reduction. Furthermore, by using the joining and assembling apparatus according to the present invention, it is possible to improve the joining characteristics of the laminated body, thereby eliminating the variation among a plurality of mass-produced products and stabilizing the quality. Have.
以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施の形態によって限定されるものではない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described below.
本発明は、一実施の形態によれば、接合組立装置に関する。図1に本発明に係る接合組立装置の概略図を示す。本発明に係る接合組立装置は、減圧炉11内に、金属線12と、搬送ステージ13と、冷却板15と、熱板16と、活性種生成ガス導入管17と、不活性ガス導入管18とを主として備えてなる。本発明において、活性種生成ガスとは、金属線12により接触分解されて、高い還元性を有する、不対電子を有する元素を生成し得るガスをいう。このような活性種生成ガスは、特定のガスには限定されないが、以下の本実施形態の説明においては、活性種生成ガスの一例として、水素ガスを用いて説明する。
The present invention relates to a joining and assembling apparatus according to an embodiment. FIG. 1 shows a schematic view of a joining and assembling apparatus according to the present invention. A joining / assembling apparatus according to the present invention includes a
減圧炉11は、炉本体110およびこれにパッキン112を介して被せられ、炉内部を気密状態に保つ蓋体111から主として構成される。減圧炉11には、炉内に水素分子ガスaを供給するための水素分子ガス導入管17、炉内に窒素ガスbなどの不活性ガスを供給するための不活性ガス導入管18、および排気口113が設けられている。炉本体110の底部には、熱板16と冷却板15とが、離間して設置されている。搬送ステージ13は、搬送レール14により、熱板16と冷却板15との間を行き来することができるように構成されている。搬送ステージ13はまた、図示しない別の機構により、鉛直方向上下にも可動に構成される。
The
減圧炉11内の上部、好ましくは、蓋体111を構成する減圧炉11の天井部であって、熱板16の上方には、金属線12が取り付けられる。金属線12は、金属線12を通電により加熱する加熱手段である炉外の図示しない交流もしくは直流電力供給源に接続されている。なお、この交流もしくは直流電力供給源としては、金属線12への供給電力を調整する機能を備えた電源装置を減圧炉11の外部に備える。このとき、金属線12の周囲は、耐熱性の部材で、かつ絶縁性を確保するように構成する。金属線12の周囲は、非常に高温となり、かつ電流・電圧が印加されるためである。なお、金属線12の取り付け位置は、金属線が後述する所定の箇所に位置するのであれば、減圧炉11の天井部に取り付けられている必要はなく、減圧炉11の側壁部に取り付けられていても、減圧炉11の底部から適当な手段で支持されていても良い。また、金属線12は熱や酸化により劣化しうるため、金属線12は交換可能に減圧炉11に取り付けられていることが好ましい。
A
金属線12は、1000℃以上、好ましくは1500℃以上、さらに好ましくは1600℃以上であって、好ましくは2000℃以下に加熱することが可能な線状の金属部材であって、水素分子ガスの接触分解反応により、還元性の原子状水素(水素原子)を生成することができるものである。金属線12は、複数回繰り返して使用することが可能であり、例えば、約1000回程度繰り返して使用することが可能であるが、繰り返し使用回数は特定の回数には限定されるものではない。本明細書において、水素分子ガスとは、気体状の水素分子をいい、金属線の加熱により生成される原子状水素と区別して用いられる。金属線を構成する材料は、例えば、タングステン、タンタル、モリブデン、バナジウム、白金、トリウム、ジルコニウム、イットリウム、ハフニウム、パラジウム、ニッケル、レニウム、あるいはこれらの一以上を主成分とする合金であってよく、タングステンを用いることが好ましいが、上記機能を有するものであれば、特定の金属には限定されない。
The
金属線12は、直径が、例えば、0.1mm〜1.0mm、好ましくは、0.3mm〜0.8mmのものを使用することができるが、このような直径には限定されない。金属線12は、単線であってもよく、2以上の金属線を組み合わせて複線にしたものであってよく、単線もしくは複線とした金属線12を、別々に、複数本設けても良い。またこのような、単線もしくは複線にした金属線12を、例えば、ジグザグ形状(Z字形状、U字形状)、らせん状(渦巻き状)、網目状、格子状、またはこれらを適宜、組み合わせた形状としたものであってもよい。特定の形状には限定されないが、金属線の表面積が大きくなるようにすることが好ましい。水素分子ガスと金属線12との接触面積を大きくすることで、より多くの還元性の原子状水素を生成させるためである。
The
また、金属線12の取り付け位置については、搬送ステージ13が位置Bにあるとき、搬送ステージ13上に載置する積層体10と金属線12との鉛直方向の距離が、150mm以内であって、30mm以上とすることが好ましく、50〜100mmとすることがより好ましい。積層体10と金属線12との鉛直方向の距離とは、後述するように積層体10と金属線12とが均一になるような位置関係で設けられている場合の金属線12の径の中心と加熱接合する積層体10の上面との距離をいうものとする。なお、積層体10と金属線12との鉛直方向の距離は、搬送ステージ13の鉛直方向上下の調節機構により調節することもできる。特には、金属線12による水素分子ガスの分解活性や、積層体10を構成するはんだの温度を、後述する適切な条件に保つように、当業者が適宜調節することができるように構成される。
As for the mounting position of the
減圧炉11内において、搬送ステージ13が、位置Bもしくは位置Cにあるとき、金属線12と、接合対象である積層体10との距離が、均一になるような位置関係であることが好ましい。金属線12と積層体10との距離が不均一であると、金属線12は高温に加熱されるため、積層体10への輻射熱が影響し、積層体10の温度上昇を伴う可能性があるためである。また、減圧炉11内における、金属線12と熱板16との水平方向の位置関係は、接合対象である積層体10の形状を網羅する範囲で、片よりなく金属線を設置することが好ましく、熱板16表面全域を網羅する範囲で設置することがより好ましい。金属線との接触で分解された水素分子ガスは金属線の全方位に放射状に発生するが、距離に応じ減衰するためである。図2(a)は、減圧炉11内の、金属線12上方から炉底の向きに見た場合の、金属線12と熱板16との位置関係を示す図であり、図2(b)は、減圧炉の正面から見た場合の、金属線12と熱板16との位置関係を示す図である。なお、図が煩雑になるのを避けるために、搬送ステージ13の記載は省略している。また、金属線12と熱板16との関係は、必ずしもこの態様に限定されるものではなく、例えば、少なくとも接合対象となる積層体10の表面全域を網羅する範囲で設置されていればよい。
In the
図示する実施形態では、金属線12は、熱板16の上方のみに取り付けられているが、これに加えて、熱板16の四方を取り囲むように、好ましくは、熱板16の加熱面に対して垂直かつ減圧炉11の側壁に平行に金属線12を取り付けてもよい。この場合でも、金属線12と積層体10との距離を、上記適切な距離範囲に保つことにより、原子状水素による還元効果を得ることができる。
In the illustrated embodiment, the
冷却板15は、冷却面を少なくとも有し、冷却温度及び速度を調節可能な任意の冷却機構を備えるものであれば、典型的なはんだ付け装置で一般的に使用されるものであってよい。冷却板15は、一例として、炉外の、冷却板15の冷却水dを循環させるチラー20に接続されていてもよい。この場合、炉本体110の、好ましくは底部であって、冷却板15の下方には、冷却水の循環のための図示しない出入口が設けられていてもよい。なお、冷却板15は、他の機構で積層体を冷却するものであっても良い。また、熱板16は、加熱面を少なくとも有し、加熱温度及び速度を調節可能な任意の加熱機構を備えるものであれば、典型的なはんだ付け装置で一般的に使用されるものであってよい。例えば、熱板16としては、搬送ステージ13を介して、積層体10を、常温〜400℃の範囲で加熱可能なヒーター等であってよい。
The cooling
冷却板15と、熱板16とは、減圧炉11の底部に、離間して設置される。冷却板15と、熱板16とは、例えば、10mm〜50mm程度の距離をおいて、設置されることが好ましい。また、冷却板15の冷却面と、熱板16の加熱面が、減圧炉11内の底部から、略同一の高さに位置するように設置されることが好ましい。また、冷却板15の冷却面と、熱板16の加熱面は、略同一の面積を有することが好ましい。なお、図示する実施形態では、冷却板15、熱板16は、それぞれ、減圧炉11内の底部から離間して設置されている。冷却板15、熱板16から炉本体への熱移動を避け、効率の良い冷却もしくは加熱を行うためである。しかしながら、このような設置態様に替えて、好適な断熱材を配置して、冷却板15、熱板16を減圧炉11内の底部に接して設置することもできる。
The cooling
図示しない任意選択的な構成として、冷却板15と、熱板16との間に、断熱壁として機能する仕切り板を設けてもよい。また、熱板16の外周に断熱壁を設けても良い。かかる構成により、熱板16と冷却板15とが近接した領域における温度の不均一部分をなくすことができる。かかる構成により、保温効果を奏することができる。
As an optional configuration (not shown), a partition plate functioning as a heat insulating wall may be provided between the cooling
搬送ステージ13は、積層体10を保持し、積層体10の移動手段として機能する。搬送ステージ13及びその駆動機構は、典型的なはんだ付け装置で一般的に使用されるものであってよい。搬送ステージ13は、熱板16と冷却板15との間を、搬送レール14により、水平方向に移動可能に構成される。すなわち、図1における左右方向に移動することができ、位置A、B間、位置C、D間を移動することができる。また、図示しない機構により、鉛直方向にも移動可能に構成され、位置A、B、C、D間を移動することができる。すなわち、図1における上下方向にも移動することができる。搬送ステージ13の鉛直方向の可動範囲は、0mm〜50mmとすることが好ましい。また、この可動範囲は、金属線12と搬送ステージ13との鉛直方向距離を、30mm〜150mm、好ましくは、50mm〜100mmの範囲で調整することができるものであることが好ましい。搬送ステージ13は、その上に着脱可能な均熱板(図示せず)を備えることが好ましい。均熱板は、接合対象となる積層体10を保持することができ、均熱化に供するものであればよく、例えば、2〜3mmのカーボン板からなる均熱板を使用することができる。
The
水素分子ガス導入管17及び不活性ガス導入管18は、減圧炉本体111に取り付けられる。水素分子ガス導入管17及び不活性ガス導入管18は、それぞれ、炉外の図示しない水素分子ガス供給源および不活性ガス供給源にそれぞれ接続されて、減圧炉11内に、水素分子ガス導入管17及び不活性ガス導入管18を供給する。なお、水素分子ガス導入管17は、水素分子ガスのみならず、その他の活性種生成ガスを、単独であるいは水素分子ガスとともに導入する機能を果たす場合もある活性種生成ガスとしては、水素分子ガスの他に、例えば、アンモニア、四フッ化炭素、六フッ化硫黄などのハロゲン含有ガス等が挙げられるが、これらには限定されない。あるいは、他の活性種生成ガスを減圧炉11内に導入するための、図示しないさらに別の管が設けられていてもよい。また、不活性ガス導入管18は、典型的には窒素ガス導入管であるが、その他の不活性ガスを導入するものであってもよい。
The hydrogen molecular
水素分子ガス導入管17は、金属線12の上方、すなわち、蓋体111と金属線12との間に噴出部が位置するように設置する。図が煩雑になるのを避けるために図示省略するが、水素分子ガス導入管の噴出部は、金属線全体へ万遍なく水素分子ガスを吹き付けられる範囲に配管を設置し、金属線12に向けた方向に吹き出し孔を設ける。図1に示す形態の場合には、具体的には、真下に向けた方向に吹き出し孔を設ける。吹き出した水素分子ガスは、金属線12を通過し、その過程で原子状水素に分解され、積層体10へ到達することができる。一方、不活性ガス導入管18は、炉11内に、窒素ガスなどの不活性ガスを略均一に導入して、炉内雰囲気を置換することができるように構成されていればよく、特定の態様には限定されない。
The hydrogen molecular
減圧炉11は、内部が真空に耐えることができ、かつ気密性を保持することができる炉体であればよく、その容量等は限定されるものではない。内部が、原子状水素もしくはその他の活性種により劣化されにくい材料で構成されていることが好ましく、例えば、SUS304やSUS316などのステンレスや表面処理を施したステンレス及びアルミニウム合金で構成することができる。減圧炉11の排気口113は炉内を真空引きするために用いられるほか、炉内で積層体10の構成部材の還元の結果生成する、酸素含有化合物や、硫化物、塩化物などを含んだ水素含有化合物等の排出口ともなる。排気口113には、真空ポンプ等の減圧装置30が接続される。
The
減圧炉11内には、さらに、図示しない圧力測定装置及び/または温度測定装置を備えてもよい。炉内の全圧、及び任意選択的に水素分圧を、圧力測定装置を用いてモニタリングすることで、及び/または積層体10を構成する部材や金属線12の温度を温度測定装置を用いてモニタリングすることで、減圧炉11内部における反応の調節が可能になる。
The
このような接合組立装置は、少なくとも1つの被接合部材と少なくとも1つのはんだ材との積層体のはんだ接合のために用いられる。典型的には、金属回路板を有するセラミック等の絶縁基板上にシリコンチップ等の素子がはんだ付けされたものを、金属ベース上にはんだ付けしてなるIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)モジュールやIPM(Intelligent Power Module:インテリジェントパワーモジュール)などのパワーモジュールに代表される半導体装置の製造に用いられる、接合組立装置である。 Such a joining and assembling apparatus is used for solder joining of a laminate of at least one member to be joined and at least one solder material. Typically, an insulated gate bipolar transistor (IGBT) formed by soldering an element such as a silicon chip on an insulating substrate such as a ceramic having a metal circuit board on a metal base. ) A joining and assembling apparatus used for manufacturing a semiconductor device represented by a power module such as a module or an IPM (Intelligent Power Module).
次に、本発明に係る接合組立装置を、その作動方法の面から説明する。なお、本発明に係る図1に示す接合組立装置の作動方法は、当該接合組立装置を用いた積層体、例えば半導体装置の製造方法としても捉えることができる。したがって、以下の説明は、図1に示す上記接合組立装置を用いた積層体の製造方法に関するものでもある。 Next, the joining and assembling apparatus according to the present invention will be described in terms of its operating method. Note that the operation method of the bonding assembly apparatus shown in FIG. 1 according to the present invention can also be understood as a manufacturing method of a laminated body using the bonding assembly apparatus, for example, a semiconductor device. Therefore, the following description also relates to a method for manufacturing a laminate using the joining assembly apparatus shown in FIG.
すなわち、本発明は、別の局面によれば、接合組立装置の作動方法であって、少なくとも1つの被接合部材と少なくとも1つのはんだ材とを含む積層体を投入した減圧炉内を真空排気する一次減圧工程と、前記一次減圧工程後、前記減圧炉内を負圧の水素雰囲気にして、前記金属線を加熱して、原子状水素を発生させる、熱線式加熱工程と、前記熱線式加熱工程後、前記減圧炉内を正圧の水素雰囲気にして、接合温度まで加熱して前記はんだ材を溶融する加熱工程と、前記加熱工程後、接合温度に保持したまま前記減圧炉内を再び真空雰囲気にしてはんだ融液中の気泡を除去する気泡除去工程と、任意選択的に、前記気泡除去工程後、接合温度に保持したまま再び前記減圧炉内を正圧の水素雰囲気にする再還元工程と、前記再還元工程後、前記減圧炉内を正圧の水素雰囲気にしたまま前記積層体を急冷する冷却工程と、前記冷却工程後、前記減圧炉内を真空排気する二次減圧工程と、前記二次減圧工程後、前記減圧炉内を正圧の不活性ガス雰囲気にした後、前記減圧炉を開放する工程とを含む。 That is, according to another aspect of the present invention, there is provided a method for operating a joining and assembling apparatus, wherein a vacuum furnace in which a laminate including at least one member to be joined and at least one solder material is charged is evacuated. After the primary decompression step, after the primary decompression step, the inside of the decompression furnace is set to a negative pressure hydrogen atmosphere, and the metal wire is heated to generate atomic hydrogen, and the hot wire heating step and the hot wire heating step Then, a heating step in which the inside of the vacuum furnace is set to a positive pressure hydrogen atmosphere and heated to a joining temperature to melt the solder material, and after the heating step, the inside of the vacuum furnace is again in a vacuum atmosphere while maintaining the joining temperature. A bubble removing step of removing bubbles in the solder melt, and optionally, a re-reduction step of bringing the inside of the vacuum furnace again into a positive pressure hydrogen atmosphere while maintaining the bonding temperature after the bubble removing step. Before the re-reduction step A cooling step of rapidly cooling the laminate while maintaining a positive pressure hydrogen atmosphere in the vacuum furnace, a secondary pressure reduction step of evacuating the pressure reduction furnace after the cooling step, and the pressure reduction after the secondary pressure reduction step And opening the decompression furnace after setting the inside of the furnace to a positive pressure inert gas atmosphere.
本発明に係る接合組立装置において、接合する対象となるのは、少なくとも1つの被接合部材と、少なくとも1つのはんだ材との積層体であり、特には、少なくとも2つの被接合部材間にはんだ材を介した任意の積層体である。このような接合の対象となる積層体としては、半導体装置、電力変換器、通電回路、プリント配線板等が挙げられるが、これらには限定されない。以下においては、半導体装置の製造を一例として本発明を説明するが、本発明に係る接合組立装置の作動方法は、特定の装置の製造における使用には限定されない。図3を参照すると、接合組立対象となる積層体10は、典型的には、金属ベース1上に、絶縁基板2を、絶縁基板−金属ベース接合用はんだ材3を介して積層し、さらにその上にシリコンチップ4を、シリコンチップ−絶縁基板接合用はんだ材5を介して積層してなる。なお、図3においては、半導体素子の一例として、シリコンチップを挙げて説明したが、本発明において接合対象となる半導体素子は、シリコンチップには限定されず、SiCチップ、GaNチップが挙げられるが、これらには限定されない。
In the joining and assembling apparatus according to the present invention, a target to be joined is a laminate of at least one member to be joined and at least one solder material, and in particular, a solder material between at least two members to be joined. It is an arbitrary laminated body via. Examples of the laminated body to be bonded include a semiconductor device, a power converter, an energization circuit, a printed wiring board, and the like, but are not limited thereto. In the following, the present invention will be described by taking the manufacture of a semiconductor device as an example, but the operation method of the joining and assembling apparatus according to the present invention is not limited to use in the manufacture of a specific device. Referring to FIG. 3, a laminate 10 to be joined and assembled typically includes an insulating
半導体素子のコレクタ電極面、金属ベース、及び絶縁基板の表面を構成する典型的な被接合部材(接合母材)としては、金(Au)、銅(Cu)、銀(Ag)、ニッケル(Ni)、及び/またはこれらの一以上を主成分とする合金が挙げられるが、これらには限定されない。典型的なはんだ材としては、鉛フリーはんだ、好ましくは融点が約190〜290℃の鉛フリーはんだを用いることができ、より好ましくは融点が約210〜290℃の鉛フリーはんだを用いることができる。好ましい実施態様として、融点が約190〜290℃の鉛フリーのSn含有はんだを用いる。Sn含有鉛フリーはんだには、Snはんだ、Sn−Ag系はんだ、Sn−Cu系はんだ、Sn−Sb系はんだ(融点:約190〜290℃),Sn−Bi系(融点:約270℃)などが含まれる。より好ましくはSn−Ag系はんだである。Sn−Ag系はんだには、Sn−Ag、Sn−Ag−Cu、Sn−Ag−Bi、Sn−Ag−Cu−Bi、Sn−Ag−Cu−In、Sn−Ag−Cu−S、およびSn−Ag−Cu−Ni−Geなどが含まれる。より好ましくは、Sn−3.5Ag−0.5Cu−0.1Ni−0.05Geはんだ、またはSn−3.5Ag−0.5Cuはんだである。同様に、Sn−Sb系はんだも、パワーデバイスのダイボンド接合には広く用いられる。Sn−Sb系はんだには、Sn−Sb、Sn−Sb−Ag、Sn−Sb−Ag−Cu、Sn−Sb−Ag−Cu−Niなどが含まれる。好ましくは、Sn−5Sb、Sn−8Sb、Sn−13Sb、Sn−8Sb−3Ag、Sn−8Sb−3Ag−0.5Cu、Sn−8Sb−3Ag−0.5Cu−Ni0.03〜0.07wt.%などである。また、はんだ材は、はんだ板であってもよく、ペースト状はんだであってもよく、その形態は限定されない。 Typical members to be joined (joining base materials) constituting the collector electrode surface of the semiconductor element, the metal base, and the surface of the insulating substrate include gold (Au), copper (Cu), silver (Ag), nickel (Ni ), And / or alloys containing one or more of these as a main component, but are not limited thereto. As a typical solder material, lead-free solder, preferably lead-free solder having a melting point of about 190 to 290 ° C. can be used, more preferably lead-free solder having a melting point of about 210 to 290 ° C. can be used. . In a preferred embodiment, lead-free Sn-containing solder having a melting point of about 190 to 290 ° C. is used. Sn-containing lead-free solder includes Sn solder, Sn-Ag solder, Sn-Cu solder, Sn-Sb solder (melting point: about 190-290 ° C), Sn-Bi system (melting point: about 270 ° C), etc. Is included. More preferred is Sn-Ag solder. Sn-Ag solder includes Sn-Ag, Sn-Ag-Cu, Sn-Ag-Bi, Sn-Ag-Cu-Bi, Sn-Ag-Cu-In, Sn-Ag-Cu-S, and Sn -Ag-Cu-Ni-Ge and the like are included. More preferably, it is Sn-3.5Ag-0.5Cu-0.1Ni-0.05Ge solder or Sn-3.5Ag-0.5Cu solder. Similarly, Sn—Sb solder is also widely used for die bonding of power devices. Sn—Sb solder includes Sn—Sb, Sn—Sb—Ag, Sn—Sb—Ag—Cu, Sn—Sb—Ag—Cu—Ni, and the like. Preferably, Sn-5Sb, Sn-8Sb, Sn-13Sb, Sn-8Sb-3Ag, Sn-8Sb-3Ag-0.5Cu, Sn-8Sb-3Ag-0.5Cu-Ni 0.03-0.07 wt. %. Further, the solder material may be a solder plate or paste solder, and the form is not limited.
前準備として、図3に示すように、複数の被接合部材およびはんだ材を積層し、積層体10を形成する。次いで、この積層体10を、減圧炉11内の搬送ステージ13上に載置する。積層体10の搬送ステージ13への載置は、適切な装置で行うこともできるし、人が行うこともできる。本発明に係るバッチ式接合組立装置において、1回の操作で接合する積層体10は、図示するように1つであってもよく、複数であってもよい。
As a preparation, as shown in FIG. 3, a plurality of members to be joined and a solder material are laminated to form a
図4は、本発明にかかる接合組立装置を用いた半導体装置の製造方法における、積層体を構成するはんだの温度プロファイル、金属線の通電、チャンバー内雰囲気および圧力、並びに処理動作の一例を示すチャートである。搬送ステージ13上に積層体10を載せ、図4に示すチャートにしたがってはんだ付けを開始すると、積層体10が投入された減圧炉11が密封され、減圧装置30が作動して、炉内の減圧が開始される(タイミングT0)。この脱気処理時には、搬送ステージ13は、熱板16および冷却板15のいずれからも離れた待機状態である、図1の位置Aにある。タイミングT0〜T8の操作において、減圧装置30は、常に作動した状態として、減圧炉11内の排気を継続することが好ましい。
FIG. 4 is a chart showing an example of the temperature profile of the solder constituting the laminated body, the energization of the metal wire, the atmosphere and pressure in the chamber, and the processing operation in the manufacturing method of the semiconductor device using the bonding assembly apparatus according to the present invention. It is. When the laminate 10 is placed on the
前記一次減圧工程後、前記減圧炉内を負圧の水素雰囲気にして、減圧炉内の金属線を加熱して、原子状水素を発生させる熱線式加熱工程を行う(タイミングT1からT2)。かかる工程はまた、負圧の水素雰囲気において、原子状水素により被接合部材及びはんだ材を還元する一次還元工程ということもできる。本明細書において、負圧とは、101.3×103Paより低い圧力をいうものとする。水素分子ガスの流量は、例えばマスフローコントローラーなどで制御される。 After the primary depressurization step, a hot wire heating step is performed in which the inside of the depressurization furnace is set to a negative pressure hydrogen atmosphere to heat the metal wire in the depressurization furnace to generate atomic hydrogen (timing T1 to T2). Such a process can also be referred to as a primary reduction process in which the bonded member and the solder material are reduced by atomic hydrogen in a negative pressure hydrogen atmosphere. In the present specification, the negative pressure refers to a pressure lower than 101.3 × 10 3 Pa. The flow rate of the hydrogen molecular gas is controlled by, for example, a mass flow controller.
熱線式加熱工程では、減圧炉11内の真空度が、1〜10Pa、例えば5.7319Paに達すると、減圧炉11内に水素分子ガスの導入が開始される(タイミングT1)。また、搬送ステージが、熱板16の上方であって、熱板16により直接に加熱されない位置である図1の位置Bへ移動する。すなわち、搬送ステージは、金属線と積層体とが、熱線式加熱処理において適切な位置関係ならびに距離を確保することができる場所に移動する。減圧炉11内の圧力が、1〜100Pa、好ましくは、1〜50Paになると、金属線12は通電により加熱される。図4のチャートにおいては、金属線12に通電されるタイミングあるいは通電可能なタイミングを、「金属線通電」として示した。金属線12の温度が例えば1600℃に達すると、減圧炉11内の水素分子ガスが分解され、高い還元能力を有する原子状水素の状態となる。なお、他の実施形態においては、タイミングT1において搬送ステージが、熱板16の上方であって、熱板16により加熱される位置、すなわち図1の位置Cに移動し、積層体10を加熱しながら、金属線への通電が行われてもよい。
In the hot wire heating process, when the degree of vacuum in the
金属線12の好ましい加熱温度は、金属線12を構成する金属材料もしくは合金材料によって異なり、例えば、金属線として、タングステンを用いる場合には、1600〜1800℃とすることができる。積層体10を構成する各部材表面の還元処理に必要な金属線12の加熱継続時間(タイミングT1とタイミングT2までの時間)は、例えば、10秒〜5分とすることができ、好ましくは、30秒〜120秒とすることができる。金属線12の好ましい加熱時間は、金属線12を構成する金属材料もしくは合金材料によっても異なり、例えば、金属線として、タングステンを用いる場合には、30秒〜120秒とすることができる。また、この時の金属線12と積層体10との距離は、30〜150mmとすることが好ましく、50〜100mmとすることがより好ましい。金属線12の加熱温度、通電時間、及び、金属線12と積層体10との距離を適切な範囲に設定することで、金属線12を構成する金属材料による積層体10の汚染などを防止することができる。
A preferable heating temperature of the
この間、減圧炉11内の圧力は、例えば、1〜100Pa、好ましくは10〜50Paに保持されるように、水素分子ガス流量を制御しながら、炉内の減圧(排気)も継続させる。これにより、原子状水素による還元反応の結果、生成されて減圧炉内の雰囲気に放出される物質、例えば、水や水素化合物に属する硫化水素、塩化水素などが、排気cとして減圧炉11外に排出されることとなる。また、金属線12が通電されている期間においては、同時に熱板16により積層体10を構成する各部材が加熱され、積層体10を構成するはんだ材3、5の温度は、部材にもよるが、約100〜200℃となる。このように、熱線式加熱工程では、従来の水素分子ガスによる還元に必要とされていた温度よりも低い温度で還元の効果を実現することができる。なお、熱線式加熱工程においては、原子状水素源として炉内に導入される水素分子ガスに替えて、あるいは水素分子ガスに加えて、アンモニアガス、四フッ化炭素、六フッ化硫黄などのハロゲン含有ガスを使用することもできる。
During this time, the pressure in the
タイミングT2において、金属線12への通電を停止し、金属線加熱を終了する。また、搬送ステージ13が、位置Bから位置Cに移動する。熱線式加熱工程後、前記減圧炉内を正圧の水素雰囲気にして接合温度まで加熱して前記はんだ材を溶融する加熱工程を実施する(タイミングT2からT3)。かかる工程はまた、熱線式加熱工程後、前記減圧炉内を正圧の水素雰囲気にして前記積層体の各部材の少なくとも被接合表面を還元する二次還元工程ということもできる。本明細書において、正圧とは、101.3×103Paより大きい圧力をいうものとする。加熱工程では、減圧炉11内に水素分子ガスを導入して、炉内を、正圧の水素雰囲気にする。積層体10は位置Cに移動した搬送ステージ13を介して加熱され、目標とする接合温度に到達するまでその状態で保持される。図4における、タイミングT3〜T5における一定温度が、接合温度を示すものである。昇温速度は、昇温速度は、毎秒約1〜30℃とすることができ、約5〜10℃とすることが好ましい。
At timing T2, energization to the
ここで、熱板16の温度は、はんだの液相線温度に対して約25℃程度以上高い温度であるのが好ましい。例えば、シリコンチップ−絶縁基板接合用はんだ材5として、液相線温度が221℃のSn−3.5Agはんだを用い、かつ絶縁基板−金属ベース接合用はんだ材3として、液相線温度が243℃のSn−8Sbはんだを用いる場合、熱板16の温度は、熱板16の面内のばらつきを考慮して、270〜280℃とすることができる。また、例えば、シリコンチップ−絶縁基板接合用はんだ材5として、液相線温度が221℃のSn−Ag系はんだを用い、かつ絶縁基板−金属ベース接合用はんだ材3として、液相線温度が219℃のSn−3.0Ag−0.5Cuはんだを用いる場合、上記記述にしたがえば、熱板16の温度は、245〜250℃である。しかし250℃以上で水素分子の還元力の効果が明らかに発揮されることを鑑みれば、十分に還元力が発揮されるための熱板16の加熱温度は、290℃以上であって、350℃以下であることが好ましい。なお、半導体素子が、SiCチップである場合には、熱板16の加熱温度は、例えば、290℃〜500℃程度であってよいが、特定の加熱温度には限定されない。
Here, the temperature of the
目標の接合温度に到達するまでの昇温過程(タイミングT2〜T3)において、減圧炉11内の圧力が、正圧であるため、積層体10の各部材の隙間に、水素分子ガスが浸透しやすくなり、水素分子ガスによる還元作用も進行する。したがって、絶縁基板−金属ベース接合用はんだ材3、シリコンチップ−絶縁基板接合用はんだ材5、絶縁基板2および金属ベース1の各表面の還元が促進され、被接合表面、例えばワイヤボンディングをおこなう表面などの濡れ性が確保される。また、各はんだ材3、5が溶融し、そのときに生じた気泡に水素分子ガスが充填され、それによって気泡が活性化する。すなわち、気泡中にあるガス成分が水素に置換され、その後のタイミングT3〜T5における気泡除去工程、及び再還元工程よって十分に活性化される。はんだ材3、5が溶融している間は、減圧炉11内の酸素濃度は例えば30ppm以下、好ましくは10ppm以下に保たれ、かつ露点は−30℃以下、好ましくは−50℃以下に保たれる。
In the temperature raising process (timing T2 to T3) until the target joining temperature is reached, the pressure in the
前記加熱工程後、積層体10の構成部材が目標の接合温度に達すると、接合温度に保持したまま前記減圧炉内を再び真空雰囲気にしてはんだ融液中の気泡を除去する気泡除去工程を実施する(タイミングT3からT4)。気泡除去工程では、再び減圧炉11内の減圧が開始される(タイミングT3)。そして、減圧炉11内の真空度が例えば10Paに達した後、さらに、例えば、30秒〜1分間、減圧が継続される。それによって、減圧炉11内の真空度はおおよそ1Paに達する。この減圧の継続により、はんだ材と被接合部材との間の濡れ不足によって発生する気泡、およびはんだ材中に含まれる溶存ガスによって発生する気泡の両方がほとんど除去される。ここで、減圧の継続時間(T3〜T4)を30秒〜1分間としたのは、急激な減圧など行う場合には,液体中に発生した気泡が急激に外部に排出される際に、泡が弾ける作用と同様にはんだが飛散し、はんだボールや外周部にはんだの飛散が発生する懸念があるからであり、かつ、減圧を1分間より長く継続してもさらなる気泡除去効果が得られないからである。
After the heating step, when the constituent members of the
タイミングT3からT4までの間は、水素分子ガスを減圧炉11内に導入することなく、単に減圧のみを行ってもよい。あるいは、タイミングT3で減圧を開始した後、いったん真空度を、例えば1〜10Pa程度にまでした後、タイミングT4までに間に、再度、熱線式加熱工程を1回以上実施しても良い。すなわち、炉内に水素分子ガスを供給し、炉内圧力を、1〜100Pa、好ましくは10〜50Paとした後、金属線12に通電して、原子状水素による還元処理を行う。このとき、タイミングT3からT4までの間に、1回だけ、金属線12に通電してもよいし、通電と、通電の停止とを1セットとして、これを複数セット繰り返しても良い。すなわち、減圧炉11内を、負圧の水素雰囲気にして金属線12を加熱し、原子状水素を発生させる熱線式加熱工程を1回以上、断続的に繰り返して含んでもよい。通電と、通電の停止とを1セットとして繰り返す場合、金属線12に通電されるタイミングにおいて、炉内圧力が、1〜100Pa、好ましくは10〜50Paとなり、通電を停止するタイミングにおいて、真空に近い圧力、例えば、1〜10Paとなるように、水素流量及び炉内圧力を制御することができる。また、通電の時間は、前述のように10秒〜5分とすることができ、通電を停止する時間は、30秒〜120秒とすることが好ましい。金属線12への通電と、通電の停止とを繰り返す場合には、繰り返し回数は2〜5回とすることが好ましいが、特定の回数には限定されない。なお、図4において、タイミングT3からT4で「金属線通電」としたのは、この区間で通電を継続することを必須とするものではなく、この区間において通電可能であることを示すものである。
During the period from timing T3 to T4, only the decompression may be performed without introducing the hydrogen molecular gas into the
前記気泡除去工程後、接合温度に保持したまま再び前記減圧炉内を正圧の水素雰囲気にする再還元工程を実施する(タイミングT4〜T5)。かかる工程は、タイミングT1〜T2における原子状水素による一次還元工程、タイミングT2〜T3における水素分子ガスによる二次還元工程に次ぐ還元工程であり、三次還元工程ともいう。再還元工程では、まず、炉内に再び水素分子ガスが導入される(タイミングT4)。減圧炉11内の圧力が正圧に達した後、さらに、30秒〜1分間以上5分程度継続して水素分子ガスが導入される(T4〜T5)。但しこの時間は対象の加熱する積層体の大きさによって変わるため、この時間に限定されるものではない。水素分子ガスの導入を継続する理由は、上述した1分間の減圧継続時にはんだ材3、5中の気泡がはんだ材3、5の外に除去される際にはんだ材3、5中に残るトンネル状の孔(気泡が通った跡)を、水素分子ガスの還元作用により塞ぐためである。つまり、はんだ材3、5中の気泡には酸化成分の気体が充満しているので、この気泡が通過する際に接触したはんだ部分は酸化してしまう。そのため、気泡の通過部分のはんだが濡れずに、トンネル状の開気泡が残ってしまう場合があった。タイミングT4〜T5で再還元工程を実施をすることで、この開気泡の中に水素分子ガスが充満することによって、酸化した内面が還元され、はんだの濡れがよくなり、開気泡がはんだで埋まることになる。
After the bubble removal step, a re-reduction step is performed again (timing T4 to T5) with the inside of the decompression furnace again set to a positive pressure hydrogen atmosphere while maintaining the bonding temperature. This process is a primary reduction process with atomic hydrogen at timings T1 to T2, a secondary reduction process with hydrogen molecular gas at timings T2 to T3, and is also referred to as a tertiary reduction process. In the re-reduction step, first, hydrogen molecular gas is again introduced into the furnace (timing T4). After the pressure in the
また、水素分子ガスの導入を継続するもう一つの理由は、水素分子ガスによる還元と熱板16による加熱保持により、はんだ材5の表面張力を低減させ、それによってはんだフィレット形状を安定化させて、はんだ亀裂発生寿命を向上させるためである。水素分子ガス導入の継続をおこなわないで、炉内減圧の後、直ちに冷却を開始してはんだ材を凝固させると、はんだ材の表面張力が大きいため、はんだフイレット形状が不均一になり、温度サイクルなどによるはんだ亀裂の発生寿命が短くなってしまう場合がある。はんだ材5の表面張力を小さくするには、タイミングT4〜T5において、はんだ材5を接合温度で加熱保持するか、水素分子ガスにはんだ材5をさらす時間を長くするか、またはそれらを組み合わせればよい。ただし、水素分子ガスの導入を1分間より長く継続しても、気泡が通った跡の孔を埋める効果や、はんだフィレット形状の安定化効果にあまり違いはみられないため、水素分子ガス導入の継続時間は、30秒〜1分間とすることが好ましい。
Another reason for continuing the introduction of the hydrogen molecular gas is that the surface tension of the
本発明のある実施形態においては、前記熱線式加熱工程から加熱工程(T1〜T3)を複数回繰り返して含んでも良い。すなわち、このタイミングT1〜T3の操作を1サイクルとして、T1〜T3を複数サイクル、例えば2〜5サイクル繰り返しても良い。T1〜T3を複数サイクル繰り返すことで、はんだ溶融前に、効率的に金属表面を改質することができる。 In an embodiment of the present invention, the heating process (T1 to T3) from the hot wire heating process may be repeated a plurality of times. That is, the operation at the timings T1 to T3 may be one cycle, and T1 to T3 may be repeated for a plurality of cycles, for example, 2 to 5 cycles. By repeating T1 to T3 for a plurality of cycles, the metal surface can be efficiently modified before the solder is melted.
あるいは、上記タイミングT1〜T3の操作の繰り返しはせずに、もしくはT1〜T3の操作の繰り返しとともに、タイミングT3〜T5の気泡除去工程及び再還元工程を複数回繰り返しても良い。一例として、大面積基板を接合する場合や、気泡が抜けにくい場合には、T3〜T5の気泡除去工程及び再還元工程の操作を1サイクルとして、T3〜T5を複数サイクル、例えば2〜5サイクル繰り返す構成としてもよい。このようにして減圧と加圧を繰り返すことによって、溶融中のはんだに揺動が起こり、気泡が抜けやすくなるので、気泡除去効果が得られるためである。ただし、気泡除去工程の繰り返し回数が5回までは回数の増加とともに気泡率が小さくなるが、6サイクル以上繰り返してもそれ以上の効果は得られない場合が多い。
これらの繰り返し操作に加えて、T1〜T5を複数回繰り返す構成とすることも出来る。
Or you may repeat the bubble removal process and re-reduction process of timing T3-T5 in multiple times, without repeating operation of said timing T1-T3, or with repetition of operation of T1-T3. As an example, when a large area substrate is bonded or when bubbles are difficult to escape, the operations of the bubble removal process and the re-reduction process of T3 to T5 are set as one cycle, and T3 to T5 are performed in multiple cycles, for example, 2 to 5 cycles. It is good also as a structure to repeat. This is because by repeating the pressure reduction and pressurization in this manner, the molten solder is oscillated and the bubbles are easily removed, so that the bubble removal effect is obtained. However, when the number of repetitions of the bubble removal process is up to 5, the bubble rate decreases as the number increases. However, even if the number of repetitions is 6 cycles or more, no further effect can be obtained.
In addition to these repeating operations, T1 to T5 can be repeated a plurality of times.
再還元工程後、減圧炉11内を正圧の水素雰囲気にしたまま積層体10を急冷する冷却工程を実施する(タイミングT5〜T6)。冷却工程では、搬送ステージ13が、レール14を移動し、熱板16から冷却板15に移動される(位置D)。それによって、積層体10の冷却が開始される(タイミングT5)。積層体10は、例えば、毎分300℃の速度で冷却される。この際、炉内では、正圧の水素雰囲気が維持される。
After the re-reduction step, a cooling step is performed in which the stacked
冷却板15の温度および冷却時間は、はんだの冷却速度(凝固速度)を考慮して選定される。すなわち、本実施の形態では、熱膨張係数の異なるシリコンチップ4と絶縁基板2と金属ベース1とが同時にはんだ付けされるため、はんだ付けが完了した状態では、熱膨張係数の最も大きい金属ベース1が絶縁基板2の側に凸状となるように反ってしまう場合がある。その影響で、はんだ接合層を介して接合された積層体10には、最大0.3mm程度の反りが生じ得る。この反りが、次のワイヤボンディング工程まで持ち越されると、電気特性不良の発生原因となるので、ワイヤボンディング前に反りを除去する必要がある。そのためには、絶縁基板2と金属ベース1との間のはんだ接合層を短時間にクリープさせればよい。
The temperature and cooling time of the cooling
クリープ速度を速くするために、冷却速度を毎分250℃以上、例えば毎分300℃とするのが好ましい。本出願人による、特開2003-297860号公報では、冷却速度が毎分250℃以上であれば、24時間以内に金属ベース1の反りが0〜−0.1mmの範囲(“−”は絶縁基板2側に凸であることを表す)に収まり、ワイヤボンディングへの悪影響をなくすことができることが示されている。換言すれば、冷却速度が毎分250℃未満では、金属ベース1の反りを十分に戻すことができず、ワイヤボンディングに悪影響を及ぼすおそれがある。また、はんだのクリープを速くして接合後の積層体10の残留応力をできるだけ前の工程で除去すれば、金属ベース1の変形を安定化させることができる。従って、冷却板15の温度および冷却時間は、はんだの冷却速度が毎分250℃以上となるように選定される。
In order to increase the creep rate, the cooling rate is preferably 250 ° C. or more per minute, for example, 300 ° C. per minute. In Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-297860 by the present applicant, if the cooling rate is 250 ° C. or more per minute, the warp of the
そして、前記冷却工程後、前記減圧炉内を真空排気する二次減圧工程を実施する(タイミングT6〜T7)。二次減圧工程では、積層体10の温度が例えば50〜60℃になったら、減圧炉11内の水素の排気が開始される(タイミングT6)。
Then, after the cooling step, a secondary pressure reducing step for evacuating the inside of the pressure reducing furnace is performed (timing T6 to T7). In the secondary decompression step, when the temperature of the stacked
前記二次減圧工程後、前記減圧炉内を正圧の窒素雰囲気にした後、前記減圧炉を開放する工程を実施する(タイミングT7〜T8)。かかる工程では、水素の排気により、減圧炉11内の真空度が、例えば1〜10Paになったら、減圧炉11内に窒素ガスが導入される(タイミングT7)。そして、減圧炉11内が窒素ガスで置換され、炉内の水素濃度が爆発限界以下に達した後、減圧炉11が開放される(タイミングT8)。図4のタイミングT0〜T8の一連の操作は、繰り返し工程の回数にもよるが、概ね15分以内で完了することができる。そして、この一連の操作により、気泡のない高品質なはんだ接合層を有する半導体装置が得られる。なお、ここでは、窒素雰囲気を一例として説明したが、窒素に限定されず、任意の不活性ガスを用い、不活性ガス雰囲気とすることができる。
After the secondary decompression step, the inside of the decompression furnace is set to a positive nitrogen atmosphere, and then the decompression furnace is opened (timing T7 to T8). In such a process, when the degree of vacuum in the
ところで、例えば、シリコンチップ4等の素子が5mm角以下の大きさである場合には、シリコンチップ−絶縁基板接合用はんだ材5の大きさも5mm角以下である。このように、シリコンチップおよびはんだ材の大きさが著しく小さいと、はんだ付けの前準備に時間がかかったり、シリコンチップ4とはんだ材5との位置合わせが十分でなく、接合不良が発生したりするおそれがある。そこで、このようなサイズのシリコンチップ4をはんだ接合する場合には、本発明に係る接合組立装置を用いて予備はんだをおこない、シリコンチップ4の裏面、例えばコレクタ電極面に、予めシリコンチップ−絶縁基板接合用はんだ5を設けておくのが望ましい。特に、はんだ材料として、酸化しやすいSnを主成分とし、Pbを含まないはんだを用いる場合、減圧炉11内の酸素濃度が数十ppm以下と極低酸素雰囲気であるため、予備はんだ後のはんだの表面酸化膜を極力少なくすることができる。そして、同様に、本発明に係る接合組立装置を用いて、予備はんだによりシリコンチップ4の裏面に設けたはんだを介して、絶縁基板2にシリコンチップ4をはんだ付けすることができる。なお、予備はんだは、上記のような小さいサイズのシリコンチップ4等の素子に対してだけ行なわれる処理ではなく、より大きなサイズのシリコンチップ4等の素子など、任意の素子に対して行なわれる場合があり、このような場合においても、本発明に係る半導体装置の製造方法は効果的に適用することができる。
By the way, for example, when the element such as the silicon chip 4 has a size of 5 mm square or less, the size of the silicon chip-insulating substrate
本発明に係る半導体装置の製造装置及びその作動方法は、IGBTモジュールや、IPMなどのパワーモジュールの製造において好ましく使用することができる。 The semiconductor device manufacturing apparatus and the operation method thereof according to the present invention can be preferably used in manufacturing power modules such as IGBT modules and IPMs.
1 金属ベース
2 絶縁基板
3 絶縁基板−金属ベース接合用はんだ材
4 シリコンチップ
5 シリコンチップ−絶縁基板接合用はんだ材
10 積層体
11 減圧炉
110 炉本体
111 蓋体
112 パッキン
113 排気口
12 金属線
13 搬送ステージ
14 搬送レール
15 冷却板
16 熱板
17 水素ガス導入管
18 不活性ガス導入管
20 チラー
30 減圧装置
a 水素分子ガス
b 窒素ガス
c 排気
d 冷却水
DESCRIPTION OF
Claims (15)
少なくとも1つの被接合部材と少なくとも1つのはんだ材との積層体を支持する搬送ステージであって、水平方向及び鉛直方向に移動可能な搬送ステージと、
水平方向に離間されて設置される冷却板及び熱板であって、前記搬送ステージを介して前記積層体を冷却可能な冷却板と、前記搬送ステージを介して前記積層体を加熱可能な熱板と、
活性種生成ガス導入管と、
不活性ガス導入管と、
排気口と
を減圧炉内に備えるとともに、前記金属線を加熱する加熱手段を備えてなる接合組立装置。 Metal wire,
A transport stage that supports a laminate of at least one member to be joined and at least one solder material, the transport stage being movable in a horizontal direction and a vertical direction;
A cooling plate and a hot plate that are installed separately in the horizontal direction, the cooling plate capable of cooling the stacked body via the transfer stage, and the hot plate capable of heating the stacked body via the transfer stage When,
An activated species production gas introduction pipe;
An inert gas introduction pipe;
A joining and assembling apparatus comprising an exhaust port in the decompression furnace and a heating means for heating the metal wire.
少なくとも1つの被接合部材と少なくとも1つのはんだ材とを含む積層体を投入した減圧炉内を真空排気する一次減圧工程と、
前記一次減圧工程後、前記減圧炉内を負圧の水素雰囲気にして、前記金属線を加熱して、原子状水素を発生させる、熱線式加熱工程と、
前記熱線式加熱工程後、前記減圧炉内を正圧の水素雰囲気にして、接合温度まで加熱して前記はんだ材を溶融する加熱工程と、
前記加熱工程後、接合温度に保持したまま前記減圧炉内を再び真空雰囲気にしてはんだ融液中の気泡を除去する気泡除去工程と
を含む、接合組立装置の作動方法。 An operation method of the joining assembly device according to any one of claims 1 to 7,
A primary depressurization step of evacuating the inside of the depressurization furnace into which the laminate including at least one member to be joined and at least one solder material is charged;
After the primary decompression step, the inside of the decompression furnace is set to a negative pressure hydrogen atmosphere, the metal wire is heated to generate atomic hydrogen, a hot wire heating step,
After the hot-wire heating step, the heating step of melting the solder material by heating the inside of the vacuum furnace to a positive pressure hydrogen atmosphere and heating to a bonding temperature;
After the heating step, the operation method of the joining and assembling apparatus includes a bubble removing step of removing the bubbles in the solder melt by making the inside of the decompression furnace a vacuum atmosphere again while maintaining the joining temperature.
前記二次減圧工程後、前記減圧炉内を正圧の不活性ガス雰囲気にした後、前記減圧炉を開放する工程と
をさらに含む、請求項12に記載の接合組立装置の作動方法。 After the cooling step, a secondary pressure reducing step for evacuating the inside of the vacuum furnace;
The operation method of the joining and assembling apparatus according to claim 12, further comprising a step of opening the decompression furnace after making the inside of the decompression furnace a positive pressure inert gas atmosphere after the secondary decompression process.
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015070052A (en) * | 2013-09-27 | 2015-04-13 | 富士電機株式会社 | Semiconductor device manufacturing method |
CN112427762A (en) * | 2020-11-04 | 2021-03-02 | 宁波江丰电子材料股份有限公司 | Target welding and cooling integrated device and operation method thereof |
CN114669823A (en) * | 2022-05-07 | 2022-06-28 | 深圳市卓盟科技有限公司 | MCU main control chip that assembly efficiency is high |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR102300081B1 (en) * | 2015-04-27 | 2021-09-08 | 삼성디스플레이 주식회사 | Bonding appratus and method of manufacturing curved display device using the same |
CN117086429A (en) * | 2023-10-18 | 2023-11-21 | 苏州申翰智能机器人有限公司 | Reflow soldering device based on semiconductor substrate and operation process thereof |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS54114971A (en) * | 1978-02-28 | 1979-09-07 | Toshiba Corp | Continuous environmental unit for semiconductor |
US5409543A (en) * | 1992-12-22 | 1995-04-25 | Sandia Corporation | Dry soldering with hot filament produced atomic hydrogen |
JP2003297860A (en) * | 2002-03-29 | 2003-10-17 | Fuji Electric Co Ltd | Method of manufacturing semiconductor device |
WO2006117961A1 (en) * | 2005-04-26 | 2006-11-09 | Kyushu Institute Of Technology | Semiconductor package and method for manufacturing same |
JP2015070052A (en) * | 2013-09-27 | 2015-04-13 | 富士電機株式会社 | Semiconductor device manufacturing method |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012119637A (en) * | 2010-12-03 | 2012-06-21 | Sumitomo Electric Device Innovations Inc | Manufacturing method of optical semiconductor device |
US20130069218A1 (en) * | 2011-09-20 | 2013-03-21 | Stmicroelectronics Asia Pacific Pte Ltd. | High density package interconnect with copper heat spreader and method of making the same |
-
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-
2014
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Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS54114971A (en) * | 1978-02-28 | 1979-09-07 | Toshiba Corp | Continuous environmental unit for semiconductor |
US5409543A (en) * | 1992-12-22 | 1995-04-25 | Sandia Corporation | Dry soldering with hot filament produced atomic hydrogen |
JP2003297860A (en) * | 2002-03-29 | 2003-10-17 | Fuji Electric Co Ltd | Method of manufacturing semiconductor device |
WO2006117961A1 (en) * | 2005-04-26 | 2006-11-09 | Kyushu Institute Of Technology | Semiconductor package and method for manufacturing same |
JP2015070052A (en) * | 2013-09-27 | 2015-04-13 | 富士電機株式会社 | Semiconductor device manufacturing method |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015070052A (en) * | 2013-09-27 | 2015-04-13 | 富士電機株式会社 | Semiconductor device manufacturing method |
CN112427762A (en) * | 2020-11-04 | 2021-03-02 | 宁波江丰电子材料股份有限公司 | Target welding and cooling integrated device and operation method thereof |
CN114669823A (en) * | 2022-05-07 | 2022-06-28 | 深圳市卓盟科技有限公司 | MCU main control chip that assembly efficiency is high |
CN114669823B (en) * | 2022-05-07 | 2023-09-29 | 深圳市卓盟科技有限公司 | MCU master control chip that assembly efficiency is high |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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