JP7331478B2 - 接合装置 - Google Patents
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Description
この構成によるように、レーザビームまたは電子ビームを載置面から遠い方の金属部材に照射することによって、2つの金属部材の接合界面に固相拡散を発生させるための熱を与えることができる。レーザビームまたは電子ビームが載置面から遠い方の金属部材に吸収されることにより当該金属部材が加熱されるとともに、このレーザビームまたは電子ビームの照射により発生した熱は、載置面に近い方の金属部材へ向けて伝達する。
この構成によるように、基板に設けられた半導体素子の表面電極または基板の表面に成膜された金属、および配線部材を接合対象とすることができる。特に、接合装置が先の固相拡散を利用した接合方法を実行するものである場合、2つの金属部材の接合界面に対してそれら金属部材が溶融しない程度の熱が与えられる。このため、半導体素子あるいは基板の耐熱温度によるものの、2つの金属部材を溶融させて接合する場合に比べて、半導体素子あるいは基板に対する熱的な影響を抑えつつ半導体素子の表面電極または基板の表面に成膜された金属と、配線部材とを接合することができる。
この構成によるように、基板に設けられた半導体素子、および放熱部材を接合対象とすることもできる。先の固相拡散を利用した接合方法を実行することにより、半導体素子あるいは基板に対する熱的な影響を抑えつつ半導体素子と放熱部材とを接合することができる。
以下、接合装置の第1の実施の形態を説明する。接合装置は、電磁波ビームとしてのレーザ光(レーザビーム)を使用して金属あるいは金属部分を含む2つの部品を接合する装置である。
図1に示すように、接合体としての半導体モジュール11は、基板12に設けられた半導体素子13の表面電極14と、配線部材15とが接合されてなる。表面電極14は、金(Au)により平板状あるいは薄膜状に設けられた金属部材である。配線部材15は、銅(Cu)により平板状に設けられたバスバーあるいはリードフレームなどの金属部材である。配線部材15の厚みは表面電極14の厚みよりも厚い。
図2に示すように、接合装置21は、支持台22、規制部材23、駆動装置24、加熱装置としてのレーザ装置25、温度センサ26、および制御装置27を有している。
温度センサ26は、配線部材15の表面においてレーザ光Lが照射される領域(規制部材23の第2の部分32を介して孔23aから露出する領域)であるレーザ照射領域15aの表面温度を非接触で検出する。レーザ照射領域15aは、電磁波ビームが照射されるビーム照射領域に相当する。
つぎに、半導体モジュール11の製造方法を説明する。ただし、半導体素子13が設けられた基板12は、あらかじめ用意される。また、接合装置21において、規制部材23は初期位置P1に保持されている。載置面22aには、基板12が半導体素子13を上に向けた姿勢で載せられている。半導体素子13の表面電極14には、配線部材15が重ねられている。この状態で、接合装置21の動作が開始される。
つぎに、規制部材として第2の部分32を割愛した構成が採用された比較例を説明する。
この点、本実施の形態の規制部材23において、第1の部分31における孔23aの内部にはレーザ光Lを透過する第2の部分32が設けられている。そして、表面電極14と配線部材15とを接合する際には、半導体素子13が設けられた基板12および配線部材15を規制部材23と支持台22の載置面22aとで挟むことにより、表面電極14および配線部材15の互いに離間する方向(図7中の上下方向)への移動を規制する。このとき、規制部材23の第1の部分31は、配線部材15におけるレーザ照射領域15aの周縁部分に接触した状態に維持される。また、規制部材23の第2の部分32は、配線部材15のレーザ照射領域15aに接触した状態に維持される。この状態で、レーザ光Lが第1の部分31の孔23aおよび第2の部分32を介して配線部材15のレーザ照射領域15aに照射される。
したがって、本実施の形態によれば、以下の効果を得ることができる。
(1)規制部材23の第1の部分31には、配線部材15の表面におけるレーザ照射領域15aに対応する孔23aが設けられている。この第1の部分31の孔23aには、レーザ光Lを透過する第2の部分32が設けられている。このため、配線部材15に対するレーザ光Lの照射を邪魔することなく、表面電極14および配線部材15の互いに離間する方向D1,D2(重ね合わせられた方向)への移動を規制することができる。
(4)重ね合わせた2つの金属部材(14,15)の互いに離間する方向D1,D2への動きを規制した状態で2つの金属部材の接合界面Sb(接合部分)に熱を与えることによって生じる金属部材の熱膨張による圧力を利用して2つの金属部材が接合される。金属部材の外部から接合界面Sbを積極的に加圧することなく2つの金属部材を接合することができるため、金属部材の外部から接合界面Sbを加圧するための加圧装置が不要である。接合装置21には、加圧装置ではなく、規制部材23を移動させる駆動装置24が設けられるところ、この駆動装置24は規制部材23を移動させることができる程度の力を発生させるだけでよい。すなわち、加圧装置と異なり接合界面Sbを加圧するための大きな力を発生させる必要がない。このため、駆動装置24は、加圧装置に比べて体格を小さくすることができる。したがって、接合装置21の体格を、加圧装置が設けられる接合装置の体格よりも小さくすることができる。
つぎに、接合装置の第2の実施の形態を説明する。
図9に示すように、接合装置21は、基本的には先の第1の実施の形態と同様の構成を有している。すなわち、接合装置21は、支持台22、規制部材23、駆動装置24、加熱装置としてのレーザ装置25、温度センサ26、および制御装置27を有している。
(A1)制御装置27は、レーザ装置25を通じて配線部材15をレーザ加熱するとき、配線部材15におけるレーザ照射領域15aあるいはその近傍の表面温度Tsを監視する。制御装置27は、温度センサ26を通じて検出されるレーザ照射領域15aの表面温度Tsと、制御装置27の記憶装置27aに記憶された温度しきい値Tthとの比較を通じて、規制部材23の第2の部分32に軟化、変形あるいは溶融などの異常が発生するおそれがあるかどうかを判断する。温度しきい値Tthは、規制部材23の第2の部分32を形成する材料の軟化点を基準として設定される。軟化点とは、樹脂あるいはガラスなどの物質が温度の上昇によって軟化して変形を始めるときの温度をいう。制御装置27は、温度センサ26を通じて検出されるレーザ照射領域15aの表面温度Tsが温度しきい値Tth未満であるとき、規制部材23の第2の部分32に異常が発生するおそれはない旨判定する。制御装置27は、温度センサ26を通じて検出されるレーザ照射領域15aの表面温度Tsが温度しきい値Tth以上であるとき、規制部材23の第2の部分32に異常が発生するおそれがある旨判定する。制御装置27は、規制部材23の第2の部分32に異常が発生するおそれがある旨判定されるとき、規制部材23の第2の部分32を保護すべく、定められた保護制御を実行する。
(B1)図12(a)に示すように、レーザ装置25の出力をこれまでの出力よりも弱める。レーザ装置25の出力は、たとえば表面電極14と配線部材15とを接合するうえで好ましいとされる本来の出力よりも弱い出力に設定される。これにより、レーザ光Lの照射パワーも本来の照射パワーよりも弱くなる。すなわち、配線部材15に吸収されるレーザ光Lのエネルギ密度が低下するため、配線部材15の温度上昇、ひいては配線部材15の反りが抑制される。
(B3)図13に示すように、レーザ装置25を上昇または下降させる。レーザ装置25は、たとえば表面電極14と配線部材15とを接合するうえで好ましいとされる本来のレーザ照射位置を基準として、配線部材15から離れる方向または配線部材15に近づく方向へ移動される。これにより、レーザ光Lのスポット径が拡大する。レーザ装置25の出力が一定である場合、レーザ光Lのスポット径が大きくなるほどレーザ光Lのエネルギ密度が減少する。配線部材15に吸収されるレーザ光Lのエネルギ密度が低下するため、配線部材15の温度上昇、ひいては配線部材15の反りが抑制される。ただし、この構成を採用する場合、レーザ装置25を支持台22の載置面22aに対して直交する方向に沿って昇降可能に設ける。また、接合装置21には、レーザ装置25を昇降させるための駆動装置48を設ける。図13では、駆動装置48からレーザ装置25への動力伝達を破線で示す。ちなみに、支持台22をその基準位置に対して上昇または下降させるようにしてもよい。
(6)レーザ光Lが透過する規制部材23の第2の部分32の状態を監視し、その第2の部分32に異常が発生するおそれがある旨判定されるとき、第2の部分32を保護するための保護制御として、先の(B1)~(B5)のうちいずれか1つの制御が実行される。このため、規制部材23の第2の部分32に対してレーザ加熱に伴うダメージを与えることが抑制される。したがって、第2の部分32の交換頻度を低減することができる。また、第2の部分32に異常が発生する前に保護制御が実行されることにより、第2の部分32に何らの異常も存在しない状態で表面電極14と配線部材15とを接合することができる。このため、接合装置21の接合信頼性が向上する。
なお、第1および第2の実施の形態は、つぎのように変更して実施してもよい。
・接合界面Sbの温度Tとレーザ光Lの照射条件(照射パワーおよび照射時間)との関係は、先の図5のグラフに示される特性に限らない。たとえば、つぎの2つの特性が考えられる。図5に二点鎖線で示されるように、第1の特性では、照射パワーおよび照射時間が増加するにつれて接合界面Sbの温度Tは上昇し、やがて温度Tは照射パワーおよび照射時間にかかわらず一定の値となる。図5に破線で示されるように、第2の特性では、照射パワーおよび照射時間が増加するにつれて接合界面Sbの温度Tが上昇する特性を示した後、今後は逆に照射パワーおよび照射時間が増加するにつれて接合界面Sbの温度Tが下降する特性を示す。また、接合界面Sbの温度Tとレーザ光Lの照射パワーとの関係、ならびに接合界面Sbの温度Tとレーザ光Lの照射時間との関係は、互いに異なる特性を有していてもよい。
Claims (7)
- 重ね合わせた2つの金属部材を載置する載置面を有する支持台、および前記載置面との間で前記2つの金属部材を挟むことにより前記2つの金属部材の互いに重ね合わせた方向における動きを規制する規制部材を有する規制装置と、
前記規制装置により前記2つの金属部材の動きが規制された状態で前記2つの金属部材のうち前記載置面から遠い方の金属部材の表面に設定されるビーム照射領域に対して前記規制部材を介して電磁波ビームを照射することにより前記2つの金属部材の接合界面に固相拡散を発生させるための熱を与える加熱装置と、を有し、
少なくとも前記電磁波ビームが照射される金属部材のビーム照射領域に対応する部分には、前記電磁波ビームが透過する透過部が設けられており、
前記規制装置は、重ね合わせた前記2つの金属部材を互いに押し付けない状態で前記2つの金属部材の互いに重ね合わせた方向における動きを規制する接合装置。 - 重ね合わせた2つの金属部材を載置する載置面を有する支持台、および前記載置面との間で前記2つの金属部材を挟むことにより前記2つの金属部材の互いに重ね合わせた方向における動きを規制する規制部材を有する規制装置と、
前記規制装置により前記2つの金属部材の動きが規制された状態で前記2つの金属部材のうち前記載置面から遠い方の金属部材の表面に設定されるビーム照射領域に対して前記規制部材を介して電磁波ビームを照射することにより前記2つの金属部材の接合界面に固相拡散を発生させるための熱を与える加熱装置と、を有し、
少なくとも前記電磁波ビームが照射される金属部材のビーム照射領域に対応する部分には、前記電磁波ビームが透過する透過部が設けられており、
前記規制部材は、前記2つの金属部材のうち前記載置面から遠い方の金属部材の表面における前記ビーム照射領域の周縁部に接触する第1の部分と、
前記2つの金属部材のうち前記載置面から遠い方の金属部材の表面における前記ビーム照射領域に接触する前記透過部としての第2の部分と、を有している接合装置。 - 重ね合わせた2つの金属部材を載置する載置面を有する支持台、および前記載置面との間で前記2つの金属部材を挟むことにより前記2つの金属部材の互いに重ね合わせた方向における動きを規制する規制部材を有する規制装置と、
前記規制装置により前記2つの金属部材の動きが規制された状態で前記2つの金属部材のうち前記載置面から遠い方の金属部材の表面に設定されるビーム照射領域に対して前記規制部材を介して電磁波ビームを照射することにより前記2つの金属部材の接合界面に固相拡散を発生させるための熱を与える加熱装置と、を有し、
少なくとも前記電磁波ビームが照射される金属部材のビーム照射領域に対応する部分には、前記電磁波ビームが透過する透過部が設けられていることを前提として、
前記透過部の状態を検出する検出器と、
前記検出器を通じて検出される前記透過部の状態に基づき前記透過部に異常が発生するおそれがある旨判定されるとき、前記透過部を保護すべく定められた保護制御を実行する制御装置と、を有し、
前記検出器は、前記電磁波ビームが照射される前記金属部材における前記ビーム照射領域あるいはその近傍の温度を検出する温度センサであって、
前記制御装置は、前記温度センサを通じて検出される前記ビーム照射領域あるいはその近傍の温度に基づき前記透過部に異常が発生するおそれがある旨判定されるとき、前記保護制御として前記加熱装置の出力を、これまでの出力よりも弱める、または一時的に停止する接合装置。 - 重ね合わせた2つの金属部材を載置する載置面を有する支持台、および前記載置面との間で前記2つの金属部材を挟むことにより前記2つの金属部材の互いに重ね合わせた方向における動きを規制する規制部材を有する規制装置と、
前記規制装置により前記2つの金属部材の動きが規制された状態で前記2つの金属部材のうち前記載置面から遠い方の金属部材の表面に設定されるビーム照射領域に対して前記規制部材を介して電磁波ビームを照射することにより前記2つの金属部材の接合界面に固相拡散を発生させるための熱を与える加熱装置と、を有し、
少なくとも前記電磁波ビームが照射される金属部材のビーム照射領域に対応する部分には、前記電磁波ビームが透過する透過部が設けられていることを前提として、
前記透過部の状態を検出する検出器と、
前記検出器を通じて検出される前記透過部の状態に基づき前記透過部に異常が発生するおそれがある旨判定されるとき、前記透過部を保護すべく定められた保護制御を実行する制御装置と、を有し、
前記検出器は、前記支持台において前記電磁波ビームが照射される前記金属部材の前記ビーム照射領域に対応する位置に設けられて前記載置面に交わる方向の圧力を検出する圧力センサであって、
前記制御装置は、前記圧力センサを通じて検出される圧力に基づき前記透過部に異常が発生するおそれがある旨判定されるとき、前記保護制御として前記加熱装置の出力を、これまでの出力よりも弱める、または一時的に停止する接合装置。 - 前記加熱装置は、前記電磁波ビームとしてレーザビームまたは電子ビームを照射する請求項1~請求項4のうちいずれか一項に記載の接合装置。
- 前記2つの金属部材は、基板に設けられた半導体素子の表面電極または基板の表面に成膜された金属、および配線部材である請求項1~請求項5のうちいずれか一項に記載の接合装置。
- 前記2つの金属部材は、基板に設けられた半導体素子、および放熱部材である請求項1~請求項5のうちいずれか一項に記載の接合装置。
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