JP6984194B2

JP6984194B2 - 加熱冷却装置

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Publication number: JP6984194B2
Application number: JP2017126991A
Authority: JP
Inventors: 毅松下; 嘉男五十嵐; 剛典和田; 昌希丸山
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2017-06-29
Filing date: 2017-06-29
Publication date: 2021-12-17
Anticipated expiration: 2037-06-29
Also published as: JP2019010648A

Description

本発明は、加熱冷却装置に係り、より詳細には、半導体素子を絶縁基板にハンダ付けする半導体モジュールの製造方法に好適な加熱冷却装置に関する。

近年、電力変換用のスイッチングデバイス等として用いられる半導体モジュールは、その使用環境条件が非常に厳しくなっている。ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＦＷＤ（Free Wheeling Diode）等の半導体チップと絶縁基板とのハンダ接合面、又は絶縁基板とベース板とのハンダ接合面においても、高接合強度かつ高耐熱性が必要とされている。

そこで、ハンダ材料として、濡れ性に優れるが接合強度が十分とはいえないＳｎ−Ａｇ系の材料に代えて、高接合強度を得やすく、Ｓｂ濃度の高いＳｎ−Ｓｂ系の材料が採用されつつある。

しかしながら、Ｓｎ−Ｓｂ系のハンダ材料は、Ｓｎ−Ａｇ系のハンダ材料と比較すると、被ハンダ付け部材の表面に厚い酸化膜が形成されるので、ハンダが濡れにくいという性質がある。このため、被ハンダ付け部材の表面酸化膜を十分還元できず、ハンダ接合面にボイドが生じやすいという問題が生じている。

この問題を解決するため、特許文献１の被処理部材の製造方法では、積層体を、減圧炉を備えた接合組み立て装置内に投入して炉内を真空排気した後、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ている。ハンダの加熱溶融後は、炉内を再び真空雰囲気にしてハンダ板中の気泡（ボイドの原因）を除去し、続いて再び炉内を正圧の水素雰囲気にして、ハンダ板中に気泡の移動により生じたトンネル状の孔を塞ぐようにしている（段落００４８参照）。

また、特許文献２の被処理部材の製造方法では、以下の図５に示すようにチャンバ内の温度と圧力とを変化させている。具体的には、（１）雰囲気気体封入工程、（２）低圧溶融工程、（３）加圧工程、（４）再減圧工程、（５）再加圧工程、（６）降温工程の６工程を順番に行う。これにより、ハンダ内のボイドの破裂を防いでいる（段落００１４〜００２１）。

特開２００３−２９７８６０号公報特開２００６−２８１３０９号公報

特許文献１，２の被処理部材の製造方法では、溶融したハンダ材料中のボイドを除去するため、容器内を真空排気する。しかしながら、この真空排気工程において、排気を高速で行うと、急激な圧力変化によりボイドが膨張して破裂することがあり、ハンダが飛散して、絶縁基板や周辺の部材に付着するという問題があった。一方、排気を低速で行うと、設定した圧力に到達するまでの到達時間が長くなり、工程時間が長くなるという問題があった。

このような問題に鑑み、本発明の目的は、真空排気速度を制御して、被処理部材のハンダ付けの品質向上を図ることができる加熱冷却装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の加熱冷却装置は、被処理部材の出し入れが可能な開閉機構を有する気密性の容器と、前記被処理部材の加熱又は冷却を行う加熱冷却手段と、前記被処理部材が載置されるトレイを上下させる昇降装置と、前記被処理部材の温度を計測するための温度センサと、前記容器内の圧力を検出する圧力センサと、前記容器内に還元ガスを供給する還元ガス供給手段と、前記容器内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段と、前記容器内を減圧する真空排気手段と、前記温度センサにより計測された温度に基づいて前記加熱冷却手段による加熱又は冷却と前記容器内の圧力とを制御する制御手段とを備える加熱冷却装置において、前記昇降装置は、加熱時は前記被処理部材と前記加熱冷却手段とが非接触状態となるように前記トレイを上昇させ、冷却時は前記被処理部材と前記加熱冷却手段とが接触状態となるように前記トレイを下降させ、前記真空排気手段は、前記容器内のガスを排気する真空ポンプが接続された排気配管の流路を分岐して、該分岐された排気配管の少なくとも一方に該ガスの排気流量を調整する流量調整手段を設け、前記制御手段は、前記容器内の圧力に基づいて前記分岐された排気配管を切替え、真空排気速度を多段階に変化させ、前記真空排気手段は、前記容器内の圧力が大気圧から予め設定した第１圧力になるまでの第１期間と、前記容器内の圧力が前記第１圧力から前記第１圧力よりも低い第２圧力になるまでの第２期間と、前記容器内の圧力が前記第２圧力から前記第２圧力よりも低い第３圧力となるまでの第３期間とで真空排気を行い、前記第３期間の排気速度を前記第１期間の排気速度よりも遅くすることを特徴とする。

本発明の加熱冷却装置では、気密された容器内に置かれた被処理部材を、加熱冷却手段により還元ガスの雰囲気下で加熱又は冷却するので、ハンダ付けを行うのに適している。また、制御手段は、容器内の圧力に基づいて排気配管を切替え、さらに、真空排気手段の排気速度を多段階に変化させるので、被処理部材のハンダ付けの品質向上を図ることができる。特に、前記第３期間の排気速度を前記第１期間の排気速度よりも遅くすることで、ハンダ材料中のボイドを破裂させずに脱泡することが可能となる。

本発明の加熱冷却装置において、前記制御手段は、前記第１期間は、前記流量調整手段が設けられた排気配管に切替えて真空排気を行い、前記第２期間は、前記流量調整手段が設けられていない排気配管に切替えて真空排気を行い、前記第３期間は、再び前記流量調整手段が設けられた排気配管に切替えて真空排気を行うことが好ましい。

上記態様によれば、制御手段は、第１期間に流量調整手段が設けられた排気配管（後述するスロー排気配管）に切替える。流量調整手段が設けられた排気配管を用いることで、排気流量を調整しながら速度を抑えて真空排気を行うことができる。これにより、被処理部材の半導体素子の位置が、急激な圧力変化で移動することを防止することができる。

また、制御手段は、第２期間に流量調整手段が設けられていない排気配管（後述する粗引配管）に流路を切替える。流量調整手段が設けられていない排気配管を用いることで真空排気の速度を高め、排気時間を短縮することができる。

また、制御手段は、第３期間に、再び流量調整手段が設けられた排気配管に流路を切替える。第３期間では、速度を抑えて真空排気を行うことにより急激な圧力変化が起こらなくなるので、ハンダ材料中のボイド低減とハンダの飛散とを同時に解消することができる。

また、本発明の加熱冷却装置において、前記真空排気手段は、前記真空ポンプが接続された排気配管の流路を３以上に分岐して、該分岐された各排気配管にコンダクタンスの異なる流量調整手段を設け、前記制御手段は、各工程に応じた排気速度で所定の圧力となるように真空排気を行うことが好ましい。

真空ポンプが接続された排気配管の流路を３以上に分岐して、各排気配管にコンダクタンスの異なる流量調整手段を設けてもよい。制御手段は、各流量調整手段を制御することにより、より精度を高めて排気流量を制御することができる。

本発明の加熱冷却装置の一実施形態に係り、被処理部材の加熱状態の概略構成図である。本発明の加熱冷却装置の一実施形態に係り、被処理部材の冷却状態の概略構成図である。被処理部材を製造する際の温度と圧力の状態変化を示す説明図である。対策前後のプロセスを比較した図である。ボイド発生率を示した図である。対策前後のハンダ飛散率を比較した図である。従来の加熱冷却装置において、被処理部材を製造する際の温度と圧力の状態変化を示す説明図である。

以下、図１、図２を参照して、本発明の加熱冷却装置の一実施形態を説明する。なお、図１は被処理部材１を加熱する加熱状態、図２は被処理部材１を冷却する冷却状態であり、被処理部材１が載置されるトレイ２の位置のみが異なる。

図１、図２に示すように、加熱冷却装置１００の容器５の内部には、主に、被処理部材１、被処理部材１を加熱又は冷却するための誘導加熱装置３、被処理部材１を保持しながら昇降を可能とした昇降装置１６（一部）が設けられている。

また、容器５の外部には、主に、誘導加熱装置３の内部に冷媒を循環させる冷媒循環装置４、被処理部材１の加熱又は冷却を制御する制御装置６の他、入力装置７、還元ガス供給装置９、不活性ガス供給装置１０、真空排気装置１１、昇降装置１６（一部）が設けられている。

被処理部材１は、放熱性能が優れたベース板１ａ（例えば、銅やアルミニウム）の上面にハンダ板（図示省略）を介して絶縁基板１ｂ（例えば、Direct Copper Bond）を１個又は複数個積層し、さらに、絶縁基板１ｂの上面にハンダ板（図示省略）を介して半導体素子１ｃを複数個配置したものである。

そして、加熱処理によりハンダ板を溶融すると、半導体素子１ｃと絶縁基板１ｂ、絶縁基板１ｂとベース板１ａとが密着され、冷却処理によりハンダを凝固させて接合することで、パワー半導体デバイスが製造される。なお、被処理部材１は、矩形状のトレイ２を介して熱伝導により加熱、冷却ができるようになっている。また、トレイ２は被処理部材１と比較して十分大きいので、トレイ２上に被処理部材１が複数個セットできるようになっている。

誘導加熱装置３では、誘導加熱コイル３ａに交流電流を流すことにより、強度が変化する磁力線が発生する。この磁力線の中に配置された金属等の導電体には、渦電流が流れるので、被処理部材１及びトレイ２を発熱させることができる。誘導加熱コイル３ａを形成するパイプの形状は、角型とした方が後述する冷却板３ｂとの接触面積が大きくなる点で好ましいが、丸型パイプ又は楕円型パイプであってもよい。

また、誘導加熱装置３には、誘導加熱コイル３ａを支持するための絶縁体材料で形成された支持板３ｃと、誘導加熱コイル３ａの上面を覆う形で、セラミック材料（例えば、炭化珪素や窒化アルミ）で形成された冷却板３ｂが設けられている。冷却板３ｂは、ボルト（図示省略）の締め付け力により冷媒が循環している誘導加熱コイル３ａに密着させて、その温度が一定となるように配置されている。

誘導加熱コイル３ａの外周側面は、耐熱性を有する絶縁体材料（例えば、ＰＴＦＥ（フッ素樹脂）、ポリミイド、マシナブルセラミックス）によりその上面を覆い、昇降装置１６の支持板１６ｆが干渉しないよう形成した絶縁カバー３ｄを、支持板３ｃに取り付けている。これにより、被処理部材１及びトレイ２の着脱時に発生する導電性の塵埃が、加熱冷却装置１００の長時間運転時に誘導加熱コイル３ａ上に堆積せず、交流電流を通電したときの短絡や放電を防止することができる。

また、誘導加熱コイル３ａを形成するパイプ間には、絶縁体材料で形成されたスペーサ３ｅ挿入し、誘導加熱コイル３ａに交流電流を通電したときに起こる短絡や放電を防止する構造となっている。

また、誘導加熱装置３には、誘導加熱コイル３ａが配設されていない位置に、冷却板３ｂと支持板３ｃとに設けられた貫通孔を通して温度センサ１３が挿入され、トレイ２の底面温度を測定可能となっている。温度センサ１３は制御装置６に接続され、温度センサ１３で測定されたトレイ２の温度が制御装置６に入力されるようになっている。

冷媒循環装置４では、熱交換機４ａと誘導加熱コイル３ａとを、冷媒が循環する冷媒配管４ｃ，４ｄで接続している。冷媒配管４ｃの途中には循環ポンプ４ｂが配置されており、制御装置６は、誘導加熱コイル３ａのパイプ内を循環する冷媒の温度や流量を調整するため、信号ラインｊを介して熱交換機４ａと循環ポンプ４ｂとを制御する。なお、冷媒としては、一般的に水、純水、超純水、不凍液等の流体が用いられる。

気密性の容器５は、蓋部５ａと、底板５ｂと、蓋部５ａと底板５ｂとの接触面に設けられたシール材５ｃとで構成されている。蓋部５ａは、開閉アクチュエータ１７から延出されたシャフト１８に支持され、シャフト１８とともに昇降動作をし、底板５ｂに対して開閉可能となっている。なお、開閉アクチュエータ１７は、信号ラインｂを介して制御装置６と接続されている。

蓋部５ａの上面の内側には、被処理部材１から放射される赤外線ふく射を反射して被処理部材１に再入射させるための遮熱カバー５ｄが取り付けられている。なお、遮熱カバー５ｄは、誘導加熱コイル３ａによる被処理部材１の加熱を妨げない構造となっている。

制御装置６は、少なくともＲＡＭ、ＲＯＭ、磁気ディスク又は光ディスク等の記憶手段と、ＣＰＵを有する演算手段とを備えており、記憶手段に格納されたプログラムやデータに基づいて、演算手段により各種装置に制御信号が送信されるようになっている。

また、制御装置６には、入力装置７と、図示しないディスプレイ等からなる表示手段とが接続されている。制御装置６の記憶手段に格納されるデータは、入力装置７から入力することができる。入力装置７から入力するデータとしては、経過時間ｇ、目標加熱時間ｈ、目標冷却時間ｉ等の温度プロファイルデータが挙げられる。

制御装置６の記憶手段には、温度センサ１３で測定されたトレイ２の温度等も入力される。制御装置６は、入力された温度プロファイルデータに基づいて、被処理部材１の加熱又は冷却処理を行うように制御する。

加熱冷却装置１００は、還元ガスを容器５内に供給する還元ガス供給装置９を備えている。還元ガス供給装置９は、還元ガスボンベ９ｃと、還元ガスボンベ９ｃ内の気体を容器５の内部に送出する供給配管９ａと、供給配管９ａの経路上に設けられた供給弁９ｂとで構成されている。供給弁９ｂは制御装置６に接続されているので、制御装置６により開閉を制御することができる。なお、還元ガスとしては、水素や蟻酸等を用いることができる。

また、加熱冷却装置１００は、不活性ガスを容器５内に供給する不活性ガス供給装置１０を備えている。不活性ガス供給装置１０は、不活性ガスボンベ１０ｃと、不活性ガスボンベ１０ｃ内の気体を容器５の内部に送出する供給配管１０ａと、供給配管１０ａの経路上に設けられた供給弁１０ｂとで構成されている。供給弁１０ｂは制御装置６に接続されているので、制御装置６により開閉を制御することができる。なお、不活性ガスとしては、窒素等を用いることができる。

還元ガス供給装置９及び不活性ガス供給装置１０から供給される各ガスにより、容器５内の圧力が圧力センサ１４に設定された値（例えば、大気圧以上）を超える場合には、容器５内の圧力を逃がすための放出弁２１を開放する。放出弁２１は放出配管２２に設けられており、制御装置６の信号ラインｆを介して開閉動作を行い、容器５内が過圧されないように制御する。なお、圧力センサ１４は、容器５の外部に設けられた圧力計１９と接続されている。

次に、加熱冷却装置１００に設けられた真空排気装置１１について説明する。真空排気装置１１の真空ポンプ１１ｈは、主排気配管１１ａにより容器５の内部と接続されている。

主排気配管１１ａの途中には、主排気弁１１ｂが設けられている。また、主排気配管１１ａを二分する形で粗引配管１１ｃとスロー排気配管１１ｅとが設けられている。粗引配管１１ｃには粗引弁１１ｄが設けられ、スロー排気配管１１ｅには排気流量を絞ることで調整が可能な流量調整弁１１ｆとスロー弁１１ｇとが設けられている。

なお、本実施形態において、粗引配管１１ｃに流量調整弁１１ｆとは異なる、コンダクタンスの小さい第２の流量調整弁を設けてもよい。

各排気配管上に設けられた主排気弁１１ｂ、粗引弁１１ｄ及びスロー弁１１ｇは、信号ラインｃ１〜ｃ３を介して制御装置６と接続されている。また、真空ポンプ１１ｈは、信号ラインｄを介して制御装置６と接続され、容器５内の圧力を計測する圧力センサ１４は、信号ラインｋを介して制御装置６と接続されている。

容器５内の雰囲気を減圧させるときには、制御装置６に予め設定された排気動作パターンに従って真空ポンプ１１ｈの動作、主排気弁１１ｂ、粗引弁１１ｄ及びスロー弁１１ｇの開閉動作を切替えながら排気動作を行う。

図示する真空排気装置１１の各排気配管は、流路を二分岐した例であるが、排気流量をより精度よく制御する必要がある場合には、二分岐に限らず、分岐数を３以上に増やしてもよい。

次に、加熱冷却装置１００に設けられた昇降装置１６について説明する。昇降装置１６は、容器５の底板５ｂに設けられた昇降アクチュエータ１６ａに、平板状に形成した昇降ベース１６ｂを接続している。そして、昇降ベース１６ｂに固定され、底板５ｂを貫通する昇降シャフト１６ｄが、底板５ｂの下面に設けられた昇降軸受け１６ｃで上下方向に移動できるように複数（例えば、昇降ベース１６ｂのコーナー４カ所）に設けられている。

昇降シャフト１６ｄの他端側には台座１６ｅがそれぞれ設けられており、さらに、１対の台座１６ｅ間を接続し、被処理部材１が載置されているトレイ２を保持する支持板１６ｆが設けられている。支持板１６ｆは、耐熱性を有する絶縁体材料（例えば、ポリミイド、ピーク板等のエンジニアリングプラスティックやセラミックス）で形成され、加熱された被処理部材１及びトレイ２を保持した場合でも、昇降軸１６ｃに熱が伝導され難いようになっている。

また、支持板１６ｆは、昇降装置１６が下降した場合に、誘導加熱装置３の冷却板３ｂ及び絶縁カバー３ｄと干渉しないように形成されている。かかる構成の昇降装置１６は、制御装置６の信号ラインｅの指令により昇降アクチュエータ１６ａが昇降動作を開始すると、被処理部材１を載置したトレイ２を保持しながら支持板１６ｆをスムーズに昇降させることができる。

被処理部材１を加熱する状態では、制御装置６は、信号ラインｅを介して被処理部材１が冷却板３ｂと非接触状態となる設定位置（図１参照）となるように、昇降装置１６の昇降アクチュエータ１６ａを上昇動作させる。そして、制御装置６は、信号ラインａを介して誘導加熱コイル３ａの通電電流、交流の周波数、通電時間、タイミング等を制御する。

高温に加熱された被処理部材１及びトレイ２を冷却する状態では、制御装置６は、信号ラインｅを介してトレイ２が冷却板３ｂと接触状態となる設定位置（図２参照）となるように、後述する昇降装置１６の昇降アクチュエータ１６ａを下降動作させる。誘導加熱コイル３ａのパイプ内を循環する冷媒で予め冷却されている冷却板３ｂをトレイ２に接触させることで、高温状態の被処理部材１及びトレイ２との間で熱交換が行われ、急速に冷却することができる。

特に、被処理部材１の溶融状態のハンダが固化する温度まで急速に冷却させると、ハンダの結晶が緻密で良好な接合品質となることが知られている。このため、冷却板３ｂの厚さは、被処理部材１及びトレイ２の熱容量に対して１倍以上となるように形成し、その熱容量を大きくすることが好ましい。

次に、図３を参照して、加熱冷却装置１００により半導体モジュールのハンダ付けを行う動作を、被処理部材１の温度状態、圧力状態に基づいて説明する。

（１）搬入
開閉アクチュエータ１７により蓋部５ａを上昇させて容器５を開け、被処理部材１を搬入する。被処理部材１をトレイ２上に載置した後、開閉アクチュエータ１７によって蓋部５ａを下降させて容器５を閉じて、密閉する。

（２）真空排気
真空排気装置１１の主排気弁１１ｂ、スロー弁１１ｇ及び粗引弁１１ｄを開いて、真空ポンプ１１ｈを用いて容器５の内部を真空排気し、圧力センサ１４に接続された圧力計１９の値が所定の真空度（図中のＰ１の圧力）に到達したところで、主排気弁１１ｂ、スロー弁１１ｇ及び粗引弁１１ｄを閉じる。

（３）還元ガス導入
還元ガス供給装置９の供給弁９ｂを開いて、還元ガスボンベ９ｃから容器５へ還元ガスを供給する。その後、圧力計１９により容器５内が所定の圧力（大気圧）に到達したところで、供給弁９ｂを閉じる。

（４）加熱（ハンダ溶融と還元処理）
誘導加熱装置３を用いて、被処理部材１が載置されているトレイ２を第１目標加熱温度Ｔ２に到達するように、温度センサ１３の値を計測しながら加熱制御する。制御装置６は、第１目標加熱温度Ｔ２と、温度センサ１３の測定温度Ｔとの偏差を最小にするように、加熱冷却装置１００の出力をフィードバック制御することができる。

本発明の加熱冷却装置１００は、誘導加熱コイル３ａを用いて被処理部材１を発熱体として直接加熱する方法であるため、昇温速度が速いという利点がある。これにより、加熱時間を短縮して、加熱冷却装置１００の処理能力を高めることができる。

（５）減圧動作（ボイド抜き）
被処理部材１が温度Ｔ２の状態で所定時間が経過したとき、被処理部材１のハンダ材料中のボイドを脱泡するため、容器５内の圧力を減圧する。容器５内の圧力が大気圧からＰ４（約５０ｋＰａ〜２０ｋＰａ、本発明の「第１圧力」）の領域では、被処理部材１の半導体素子１ｃの位置が所定位置からずれないように、排気流量を調整する流量調整弁１１ｆを用いて、真空排気装置１１の主排気弁１１ｂとスロー弁１１ｇを開放して真空排気を行う。

流量調整弁１１ｆは、容器５内がＰ４の圧力に到達する時間ｔ１（本発明の「第１期間」）が５秒程度となるように排気速度を調整する。容器５内がＰ４の圧力に到達した場合、Ｐ３（約５ｋＰａ〜２ｋＰａ、本発明の「第２圧力」）までの領域では、粗引弁１１ｄを開いて、粗引配管１１ｃにより真空排気を行う。これにより、排気時間ｔ２（本発明の「第２期間」）を短縮することができる。

容器５内がＰ３の圧力に到達した場合、Ｐ２（約１ｋＰａ〜０．５ｋＰａ、本発明の「第３圧力」）までの領域では、粗引弁１１ｄを閉じ、流量調整弁１１ｆにより真空排気装置１１の主排気弁１１ｂとスロー弁１１ｇを開いて真空排気を行う。

この領域の排気動作では、溶融したハンダ材料中のボイドが膨張した際、容器５内の圧力とボイド内部の圧力との差が生じてボイドが破裂、飛散し、絶縁基板１ｂや他の部材に付着することがある。このため、容器５内の圧力がＰ３からＰ２に減圧されるときの排気時間ｔ３（本発明の「第３期間」）は、時間をかけて（例えば、４０〜６０秒程度）減圧することが好ましく、ハンダ材料中のボイドを破裂させずに脱泡することが可能となり、良好なハンダ付け品質が得られる。

また、真空排気装置１１に設けられた流量調整弁１１ｆは、電気的に弁の開度を調整できるものが望ましいが、さらに、排気配管を分岐して第２の流量調整弁を設けて圧力領域に応じて排気速度を切替えることができる構成としてもよい。

（６）還元ガス導入
上記（５）の減圧動作で、容器５内がＰ２の圧力に到達した場合、還元ガス供給装置９の供給弁９ｂを開いて、還元ガスボンベ９ｃから容器５へ還元ガスを供給する。その後、圧力計１９により容器５内が大気圧に到達したところで供給弁９ｂを閉じる。

この動作は、ハンダ材料中のボイドが脱泡されると、ハンダの強固な酸化膜により空壁が生じるため、ハンダ材料中の酸化膜を還元ガスにより除去する効果がある。上記（５）と今回の（６）の動作を２回以上繰り返した方がハンダ材料中のボイドが低減されるが、６回以上繰り返してもボイドの低減効果は小さい。

（７）冷却（ハンダ凝固）
誘導加熱コイル３ａによる加熱を止め、昇降装置１６により、被処理部材１を載置しているトレイ２を冷却板３ｂに接触するように下降させ、被処理部材１を冷却板３ｂによって冷却する。冷却板３ｂは直接加熱されない材料で構成されており、冷媒循環装置４で所定温度に冷却された冷媒が循環している誘導加熱コイル３ａと接触するので、冷却板３ｂに接触している被処理部材１を速やかに冷却することができる。

（８）不活性ガス導入
被処理部材１の温度Ｔは温度センサ１３によって測定され、第２目標冷却温度Ｔ１になったところで、還元ガス供給装置９の供給弁９ｂが閉じた後、真空排気装置１１の主排気弁１１ｂ、スロー弁１１ｇ及び粗引弁１１ｄを開いて、真空ポンプ１１ｈを用いて容器５の内部を真空排気する。そして、容器５内が所定の真空度（図中のＰ１の圧力）に到達したところで主排気弁１１ｂ、スロー弁１１ｇ及び粗引弁１１ｄを閉じる。この間も被処理部材１は、冷却板３ｂによって継続的に冷却されている。

（９）搬出
開閉アクチュエータ１７によって蓋部５ａを上昇させて容器５を開放し、被処理部材１を搬出した後、開閉アクチュエータ１７によって蓋部５ａを下降させて容器５を閉じる。

以上説明したように、本発明の加熱冷却装置１００によれば、被処理部材１を昇降動作のみで加熱処理と冷却処理とを連続して行うことができるので、容器５の小型化を図ることができる。

また、誘導加熱装置３の誘導加熱コイル３ａは、加熱効率の高いトレイ２を介して被処理部材１の被加熱部となるベース板１ａ、ハンダ、金属板等を加熱することができる。さらに、誘導加熱コイル３ａのパイプ内部を循環する冷媒により冷却板３ｂを蓄熱させ、ハンダが溶融された高温状態の被処理部材１を冷却板３ｂに接触させて吸熱することで、加熱冷却効率を高めて処理時間を短縮することができる。

また、容器５が小型化することで、排気時間及び還元ガス、不活性ガスの供給時間を短縮することが可能となり、真空排気動作を、容器５内の圧力領域に応じて排気速度を多段階に制御可能となり、半導体モジュールのハンダ材料の飛散を解消することができる。

次に、図４Ａ〜図４Ｃを参照して、本実施形態の加熱冷却装置１００による実験結果等を説明する。

まず、図４Ａは、対策前後の時間と圧力変化を示している。対策前（従来）においては、１．０×１０⁵Ｐａから１．０×１０²Ｐａ以下に真空排気するのにかかる時間が約１９秒と短かったため、ハンダ材料中の膨張したボイドが爆裂して、絶縁基板１ｂや半導体素子１ｃ上に飛散していた。

しかし、今回、１．０×１０⁵Ｐａから１．０×１０²Ｐａに真空排気するのにかかる時間を、上述の（５）減圧動作により４０秒以上に延長した。これにより、次のような実験結果が得られた。

図４Ｂは、対策前後のハンダ材料中のボイド発生率を示している。ここでは、横軸が真空排気回数（回）、縦軸が絶縁基板１ｂ下のボイド発生率（％）である。

図４Ｂに示されるように、真空排気回数が１回の場合（従来）に平均のボイド発生率が約２．８％であったのに対し、真空排気回数を２回（２サイクル）とした場合（対策後）に平均のボイド発生率が約１．４％に減少している。また、真空排気回数が３〜５回の場合にも平均のボイド発生率が１．１〜１．６％と、真空排気回数が１回の場合と比較して低い数値が得られた。すなわち、真空排気回数を２回以上にすることでボイド発生率が抑えられるという結果が得られた。

また、図４Ｃは、対策前後のハンダ材料中のハンダ飛散率を示している。ここでは、横軸がボイド抜きのための真空排気時間（秒）、縦軸がハンダ飛散率（％）である。

図４Ｃに示されるように、真空排気時間（約１９秒）の場合（従来）にハンダ飛散率が約６０％であったのに対し、真空排気時間を４０秒以上にした場合（対策後）にハンダ飛散率が２０％前後に減少している。すなわち、上述の（５）減圧動作により、ハンダ飛散率を従来の約１／３に抑えることができた。

以上のように、加熱冷却装置１００では、真空排気のため分岐された排気配管の一方にガスの排気流量を調整する流量調整弁１１ｆを設けた。制御装置６は、容器５内の圧力に基づいて排気配管を切替え、排気速度を変化させながら真空排気を行う。これにより、被処理部材１のハンダ付けの品質向上を図ることが可能となった。

本実施形態の加熱冷却装置１００は、誘導加熱装置３を用いて被処理部材１の加熱、冷却を行う装置として説明したが、加熱源を熱板やランプヒータ等でプロファイルを形成してもよい。真空排気装置１１の減圧制御方法を同一に構成することで、半導体モジュールのハンダ材料中のボイドを低減し、ハンダの飛散による部材の付着を解消する同様の効果が得られる。

１被処理部材
１ａベース板
１ｂ絶縁基板
１ｃ半導体素子
２トレイ
３誘導加熱装置（加熱冷却手段）
３ａ誘導加熱コイル
３ｂ冷却板
３ｃ支持板
３ｄ絶縁カバー
３ｅスペーサ
４冷媒循環装置
４ａ熱交換機
４ｂ循環ポンプ
４ｃ，４ｄ冷媒配管
５容器
５ａ蓋部
５ｂ底板
５ｃシール材
５ｄ遮熱カバー
６制御装置（制御手段）
７入力装置
９還元ガス供給装置（還元ガス供給手段）
９ａ供給配管
９ｂ供給弁
９ｃ還元ガスボンベ
１０不活性ガス供給装置（不活性ガス供給手段）
１０ａ供給配管
１０ｂ供給弁
１０ｃ不活性ガスボンベ
１１真空排気装置（真空排気手段）
１１ａ主排気配管
１１ｂ主排気弁
１１ｃ粗引配管
１１ｄ粗引弁
１１ｅスロー排気配管
１１ｆ流量調整弁（流量調整手段）
１１ｇスロー弁
１１ｈ真空ポンプ
１３温度センサ
１４圧力センサ
１６昇降装置
１６ａ昇降アクチュエータ
１６ｂ昇降ベース
１６ｃ昇降軸
１６ｄ昇降シャフト
１６ｅ台座
１６ｆ支持板
１７開閉アクチュエータ
１８シャフト
１９圧力計
２１放出弁
２２放出配管
１００加熱冷却装置

Claims

被処理部材の出し入れが可能な開閉機構を有する気密性の容器と、
前記被処理部材の加熱又は冷却を行う加熱冷却手段と、
前記被処理部材が載置されるトレイを上下させる昇降装置と、
前記被処理部材の温度を計測するための温度センサと、
前記容器内の圧力を検出する圧力センサと、
前記容器内に還元ガスを供給する還元ガス供給手段と、
前記容器内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段と、
前記容器内を減圧する真空排気手段と、
前記温度センサにより計測された温度に基づいて前記加熱冷却手段による加熱又は冷却と前記容器内の圧力とを制御する制御手段とを備える加熱冷却装置において、
前記昇降装置は、加熱時は前記被処理部材と前記加熱冷却手段とが非接触状態となるように前記トレイを上昇させ、冷却時は前記被処理部材と前記加熱冷却手段とが接触状態となるように前記トレイを下降させ、
前記真空排気手段は、前記容器内のガスを排気する真空ポンプが接続された排気配管の流路を分岐して、該分岐された排気配管の少なくとも一方に該ガスの排気流量を調整する流量調整手段を設け、
前記制御手段は、前記容器内の圧力に基づいて前記分岐された排気配管を切替え、真空排気速度を多段階に変化させ、
前記真空排気手段は、前記容器内の圧力が大気圧から予め設定した第１圧力になるまでの第１期間と、前記容器内の圧力が前記第１圧力から前記第１圧力よりも低い第２圧力になるまでの第２期間と、前記容器内の圧力が前記第２圧力から前記第２圧力よりも低い第３圧力となるまでの第３期間とで真空排気を行い、前記第３期間の排気速度を前記第１期間の排気速度よりも遅くすることを特徴とする加熱冷却装置。
前記制御手段は、
前記第１期間は、前記流量調整手段が設けられた排気配管に切替えて真空排気を行い、
前記第２期間は、前記流量調整手段が設けられていない排気配管に切替えて真空排気を行い、
前記第３期間は、再び前記流量調整手段が設けられた排気配管に切替えて真空排気を行うことを特徴とする請求項１に記載の加熱冷却装置。
前記真空排気手段は、前記真空ポンプが接続された排気配管の流路を２以上に分岐して、該分岐された各排気配管にコンダクタンスの異なる流量調整手段を設け、
前記制御手段は、各工程に応じた排気速度で所定の圧力となるように真空排気を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の加熱冷却装置。