焊接方法、焊接装置及半导体装置的制造方法

专利名称：焊接方法、焊接装置及半导体装置的制造方法
技术领域：
半导体装置的制造方法。'" 、 '
背景技术：
现有的半导体模块包括陶瓷衬底、接合到该陶瓷衬底的表面上的 金属板即布线层、接合到上述陶瓷衬底的背面上的金属板即接合层。半 导体元件被焊接(接合)到布线层上。在接合层上接合对半导体元件发 出的热进行散热装置、即散热片。
在焊接时，在使焊料熔融之后到凝固的过程中，在焊料中产生空隙 的情况较多。在焊料中产生很多空隙的情况下，通过焊料的电或者热的 电阻变高。并且，当一个空隙的大小变为某程度以上时，电或热从半导 体元件绕过该空隙流入布线层及电路板。由此，存在在半导体元件的空 隙边缘部产生作为局部性高温区域的过热点(hot spot)的危险。其结果 是，存在牵连到半导体元件的破坏的危险。
因此，专利文献1及专利文献2提出了抑制空隙的发生的技术。这 些文献提出通过在焊料的加热时对容器抽真空来进行减压，在真空度 较高的状态下使焊料熔融，从而进行焊接。
但是，如图7A及图7B所示，本发明人通过试验确认在真空度较 高的状态下使焊料熔融从而进行焊接时，也发生空隙。因此，上述文献 的焊接方法很难说能够抑制空隙的产生。
专利文献l:特开2005-230830号公报
专利文献2:特开2005-271059号公报

发明内容
本发明的目的在于提供一种能够抑制空隙的发生的焊接方法、及焊 接装置。
根据本发明的一个观点，提供一种将半导体元件焊接到电路板上的 焊接方法。该焊接方法包括将焊接目标容纳在容器中。该焊接目标包括
上述电路板、上述半导体元件、配置在上述电路板和上述半导体元件之 间的焊料。上述焊料具有熔融温度。焊接方法包括实现由至少含有还原
性气体的环境气体充满上述容器的还原状态。上述焊接方法包括在上
述还原状态的上述容器中，对上述焊料进行加热，以使将上述焊料的温
度上升到上述熔融温度以上，从而使上述焊料熔融。上述焊接方法包括 将熔融焊料的温度下降到小于上述熔融温度从而使上述焊料凝固，由 此，将上述半导体元件焊接到上述电路板上。上述焊接方法包括以能 够密闭的方式构成上述容器；在上升中的上述焊料的温度达到上述熔融 温度之前，利用上述环境气体使上述容器的内压上升到常压以上的熔融 开始时压力。上述熔融开始时压力是上述焊料开始熔融时的上述容器的 内压。上述焊接方法包括在焊料熔融阶段，实现将上述容器的内压设 定为上述熔融开始时压力以上的加压状态。焊料熔融阶段是上述焊料开 始熔融之后到该熔融焊料凝固的期间。上述焊接方法包括在上述加压 状态下，将上述半导体元件焊接到上述电路板上。
并且，根据本发明的另外一个观点，提供一种包括电路板、焊接到 该电路板上的半导体元件的半导体装置的制造方法。
并且，根据本发明的另外一个观点，提供一种用于将半导体元件焊 接到电路板上的焊接装置。该焊接装置包括能够密闭的容器。加热装置 对配置在上述电路板和上述半导体元件之间的焊料进行加热，由此，使 该焊料熔融。上述电路板、上述半导体元件、及上述焊料构成焊接目标。 上述焊料具有熔融温度。气体导入部向上述容器内导入至少含有还原性 气体的环境气体。该气体导入部向容纳了上述焊接目标的状态的上述容 器内导入上述环境气体。上述加热装置使导入了上述环境气体的状态的 上述焊料的温度上升到上述熔融温度以上，从而使上述焊料熔融。上述 气体导入部在上升的上述焊料的温度达到上述熔融温度之前，利用上述
述焊接装置以如下^式构成在从上述焊料的、开始熔融到该熔融焊料凝 固的焊料熔融阶段，实现将上述容器的内压上升到上述熔融开始时压力 以上的压力的加压状态。上述焊接装置以在上述加压状态下将上述半导 体元件焊接到上述电路板上的方式构成。


图1是利用本发明的制造方法所制造的半导体模块的平面图。 图2是图1的2-2线剖面图。
图3是将本发明具体化的焊接装置的纵剖面图。
图4 (a)是图3所示的夹具(jig)的平面图，图4 (b)是图3所 示的重物(weight)的立体图。
图5示出针对图3所示的半导体模块的高频加热线圏的配置的平面图。
图6A是图3的焊接装置的第一试验例中的表示压力变化的图表和 所制造的半导体模块的X射线照片。
图6B是图3的焊接装置的第二试验例中的表示压力变化的图表和 所制造的半导体模块的X射线照片。
图7A是表示第 一 比较例中的压力变化的图表和所制造的半导体模 块的X射线照片。
图7B是表示第二比较例中的压力的变化的图表和所制造的半导体 模块的X射线照片。
图8是表示本发明的其他例子中的压力变化的图表。
具体实施例方式
以下，根据图1~图7B,对将本发明具体化的一实施方式进行说明。 如图1及图2所示，作为半导体装置的半导体模块10包括电路 板ll、接合到该电路板U上的半导体元件12、作为散热装置的散热片 13。电路板ll包括陶瓷衬底14;接合在陶资衬底14的表面、即图2 中的上表面上的布线层15;接合在陶资衬底14的背面、即图2中的下 表面上的接合层16。陶资衬底14由例如氮化铝、氧化铝、氮化硅形成。 布线层15由例如铝(纯铝及铝合金)或铜形成。半导体元件12焊接到 布线层15上。焊料层H位于半导体元件12和布线层15之间。半导体 元件12及布线层15是被接合焊料的接合构件。
半导体元件12由IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor:绝缘栅 双极晶体管)或二极管构成。在电路板11上接合多个半导体元件12, 在本实施方式中，在电路板11上接合四个半导体元件12。接合层16将 散热片13接合到陶瓷衬底14上。接合层16例如由铝或铜形成。散热 片13接合到接合层16上。
如图3所示，焊接装置HK将半导体元件12焊接到电路板11上。 图5表示相当于六个图1的半导体模块10的大型半导体模块100。即， 作为半导体装置的半导体模块100包括六个电路板11和二十四个半导 体元件12。焊接装置HK制造半导体模块100。
如图3所示，焊接装置HK具备能够密闭的容器(chamber) 17。容 器17包括具有开口 18a的箱主体18;能够切换开口 18a的开放和关 闭的盖19。箱主体18中容纳用于对半导体模块IO进行定位并进行支撑 的支撑台20。在箱主体18中，在盖19的安装部位配置衬垫21。
盖19具有能够关闭箱主体18的开口 18a的大小。箱主体18及盖 19限定容器17内的密闭空间S。盖19包括与密闭空间S对置的玻璃板 22。玻璃板22起到非磁性且电绝缘材料的作用。
如图3所示，在箱主体18上，连接有起到向容器17内提供还原性 气体的气体导入部的作用的还原性气体供给部23。在本实施方式中，还 原性气体为氢气(H2)。还原性气体供给部23具备管道23a、该管道 23a的开闭阀23b、作为第一压力调整部的减压阀23c、氢罐(hydrogen tank)23d。对于减压阀23c来说，使压力为固定值后将从氢罐23d通过 开闭阀23b导入的氢气提供给容器17。
在箱主体18上，连接有用于向容器17提供惰性气体的惰性气体供 给部24。在本实施方式中，惰性气体为氮气(N2)。惰性气体供给部 24具备管道24a;该管道24a的开闭阀24b;氮罐24c。并且，在箱主 体18上，连接有用于对容器17内进行抽真空的真空部25。真空部25 具备管道25a;该管道25a的开闭阀25b;真空泵25c。
并且，在箱主体18上，连接有用于将容器17内充满的气体排出到 外部的气体排出部26。气体排出部26具备管道26a;该管道26a的开 闭阀26b;作为第二压力调整部的节流阀(throttle valve) 26c。以节流 阀26c调整排出量之后，将容器17内的气体向外部排出。对于焊接装 置HK来说，具备还原性气体供给部23、惰性气体供给部24、真空部 25及气体排出部26,由此，以能够调整密闭空间S的压力的方式构成。 即，对于焊接装置HK来说，通过压力调整对密闭空间S进行加压或减 压。
在箱主体18的内部，配置有在容器17内测量温度的温度传感器27。 温度传感器27例如是热电偶。在本实施方式中，温度传感器27以能够
测量针对半导体元件12的布线层15的接合部位、即进行焊接的部位的
温度T的方式配置。
在焊接装置HK的上部、即盖19的上部设置多个起到加热装置的功 能的高频加热线圏28。以分别与图5所示的六个电路板11相对应的方 式，将六个高频加热线圏28配置在电路板11的上方。各高频加热线圏 28具有覆盖一个电路板11的大小。并且，各高频加热线圈28形成得比 重物35的上表面的轮廓大。
如图5所示，各高频加热线圏28形成为螺旋状，具体地说形成为 矩形的螺旋状。各高频加热线圏28被平面地展开。各高频加热线圈28 以与盖19的玻璃板22对置的方式配置。焊接装置HK具有与各高频加 热线圏28电连接的高频发生装置29。根据温度传感器27的测量结果， 将各高频加热线圏28控制为预定温度。在各高频加热线圏28上形成用 于在线圈内部通过冷却水的冷却路径30。焊接装置HK具有连接有冷却 ^各径30的冷却水罐31。
图4 (a)表示焊接中使用的夹具32。图4 (b)表示起到按压体作 用的上述重物35。夹具32是具有与电路板11的陶瓷衬底14相同大小 的平板状。夹具32例如是石墨或陶资制的。如图3所示，对于夹具32 来说，在焊接时，在电路板11上对焊料片33、半导体元件12、及重物 35进行定位。夹具32具有多个定位用的贯通孔34。由于在电路板11 上接合四个半导体元件12,因此夹具32具有四个贯通孔34。各贯通孔 34与电路板11上的半导体元件12的接合部位相对应。各贯通孔34具 有对应于半导体元件12的大小。温度传感器27所测量的温度T表示容 器17内的温度和焊料片33的温度。
选择重物35的材料，使得当通过重物35的磁通量变换时，在重物 35内产生电流，其结果是，由于重物35自身的电阻，重物35发热。在 本实施方式中，重物35是不锈钢制的。如图3所示，在焊接时，重物 35配置在半导体元件12的正上方。即，重物35与半导体元件12的上 表面、即非接合面12a接触。其结果是，重物35将半导体元件12朝向 电路板11按压。各重物35是利用材料的切削所制作的一体化部件。重 物35的按压面35a能够嵌插到夹具32的贯通孔34中。 一个重物35的 按压面35a能够接触以及按压四个半导体元件12的非接合面12a。夹具 32具有将相邻贯通孔34彼此隔开的隔离物32a。按压面35a具有跨越隔
离物32a的沟槽35b。重物35的按压面35a起到与半导体元件12的非 接合面12a接触的面的作用。图4 (a)表示将以双点划线表示的一个重 物35放入到四个贯通孔34中的状态。
其次，对焊接装置HK将半导体元件12焊接到电路板11上的方法 进行说明。如图3所示，事先准备包括电路板11和接合到该电路板11 上的散热片13的接合物93。
在进行焊接时，首先，从箱主体18拆下盖19,将开口 18a开放。 如图3所示，在箱主体18的支撑台20上，对接合物93进行定位并进 行配置。其次，将夹具32放在各个电路板11上。将焊料片33及半导 体元件12按该顺序配置在夹具32的各贯通孔34内。将重物35放在半 导体元件12上。即，将焊料片33、半导体元件12、及重物35按该顺 序层叠在布线层15上。将焊料片33、半导体元件12、及重物35层叠 在焊接装置HK的上下方向上。即，将焊料片33、半导体元件12、及重 物35朝向盖19进行层叠。将接合物93相对于地面水平地配置。重物 35的按压面35a与半导体元件12的非接合面12a接触，并按压非接合 面12a。
这样，将焊接目标92配置在容器17内。焊接目标92包括接合物 93、焊料片33、半导体元件12。
其次，将盖19安装到箱主体18上，由此，关闭开口 18a,在容器 17内划分密闭空间S。如图3所示，在将焊接目标92容纳到密闭空间S 内的状态下，将各高频加热线圏28配置在各重物35的上方。玻璃板22 配置在各高频加热线圈28和各重物35之间。在将高频加热线圏28配 置在重物35的上方的状态下，高频加热线圏28从重物35的上表面的 轮廓露出。由于高频加热线圏28是螺旋状，因此靠近中央产生较多磁 通量。因此，优选以与高频加热线圈28的中央对应的方式配置重物35、 和电路板11的接合部位。电路板11的接合部位是指接合半导体元件12 的部位。
其次，置换容器17内的气体。首先，操作真空部25,对容器17内 抽真空。操作惰性气体供给部24，向容器17内提供氮气。即，以惰性 气体充满密闭空间S。多次反复进行这样的抽真空和氮气的供给之后， 操作还原性气体供给部23,向容器17内提供氬气。即，使容器17内变 为还原性气体环境。
其次，使高频发生装置29工作，从而在各高频加热线圈28内流过 高频电流。于是，产生通过重物35的高频的磁通量。在重物35内产生 涡电流。即，暴露在高频加热线圏28产生的磁通量中的重物35由于电 磁感应作用进行发热。重物35的热量从4要压面35a向半导体元件12传 导。其结果是，将重物35的热量集中性地、即局部性地向电路板ll的 与焊料片33的各接合部位传导。其结果是，焊料片33的温度T变为熔 融温度Tm以上，焊料片33熔融。利用重物35将半导体元件12朝向电 路板11按压。因此，防止半导体元件12由于熔融的焊料的表面张力而 浮起或移动。
若焊料片33完全被熔融，则使高频发生装置29停止。在熔融的焊 料凝固之前的期间，使焊料冷却。熔融的焊料由于被冷却到小于熔融温 度Tm而凝固，将半导体元件12接合到布线层15上。若将半导体元件 12接合到布线层15上，则半导体模块100完成。之后，从箱主体18取 下盖19，卸下夹具32及重物35,从容器17内取出半导体模块100。从 容器17中取出半导体模块100时，气体排出部26将容器17内的气体 向大气排放。
基于温度传感器27的测量温度或时间的经过，容器17的内压P被 加压及减压。对于容器17的内压P来说，通过还原性气体供给部23、 惰性气体供给部24、真空部25及气体排出部26向容器17内提供气体、 或者从容器17内排出气体，从而上升或降低。还原性气体供给部23的 减压阀23c、和气体排出部26的节流阀26c在焊料的加热时和冷却时， 使还原性气体在容器17的内部流通。
以下，对图6A所示的第一试验例和图6B所示的第二试验例中焊料 的加热时及冷却时调整容器17内的环境的状态进行说明。
第一试验例及第二试验例中使用的半导体模块10的各尺寸如下。
陶瓷衬底14由氮化铝构成。陶瓷衬底14是厚度为0.635mm的 30mmx30mm的四角形板。各布线层15及接合层16由纯铝、例如工业 用纯铝即1000系列铝构成。各布线层15及接合层16是厚度为0.4mm 的27mmx27mm的四角形板。半导体元件12的厚度为0.35mm。焊料片 33由Sn(锡)-Cu(铜)-Ni(镍)-P(磷)系的无铅焊料构成。焊料 片33的厚度为O.lmm ~ 0.2mm。
首先，如图6A的图表所示，说明第一试验例中的容器17的内压P
的变化、即调整。
对容器17抽真空，由此，初始时刻tO的容器17的内压P示出真空 度较高的状态。在第一时刻tl,容器17内部的环境被置换为具有比常
压Po高的设定压力Pl的还原性气体环境。在本说明书中，常压Po即 大气压约为0.1023MPa。设定压力Pl为0.13MPa。设定压力Pl表示焊 料片33开始熔融时的容器17的内压、即开始熔融时压力。
在第一时刻tl之后的第二时刻t2,开始焊料片33的加热。即，在 开始焊料片33的加热的第二时刻t2之前，将容器17内部的环境置换为 具有设定压力Pl的还原性气体环境。
在第三时刻t3,焊料片33的温度T达到熔融温度Tm。即，对于容 器17的内压P来说，在焊料片33的温度T达到熔融温度Tm的第三时 刻t3之前，上升到在第一时刻tl的常压Po以上。在本说明书中，焊料 片33的熔融温度Tm为217°C。
在焊料片33的温度T达到在第四时刻t4的设定温度Tl之前，对 焊料片33进行加热。设定温度Tl比熔融温度Tm高。设定温度Tl为 250°C。即，在第一时刻tl的容器17内部的气体置换之后，在第二时刻 t2 第四时刻t4对焊料片33进行加热。在第四时刻t4-第五时刻t5, 焊料片33的温度T维持为设定温度T1。
在第一时刻tl ~第七时刻t7,对容器17的内压P进行调整，使得 维持设定压力P1。即，对于第一试验例中的容器17的内压P来说，在 焊料片33被加热的第二时刻t2 第五时刻t5不下降到常压Po以下(真 空)地维持为设定压力Pl。在第五时刻t5,使焊料片33的加热结束。 在第一试验例中，在第五时刻t5 第七时刻t7的焊料冷却时，容器17 的内压P也维持为设定压力Pl上。在第六时刻t6，焊料的温度T下降 得比熔融温度Tm低。若焊料凝固，则在第七时刻t7,使容器17的内 压P暂时下降到常压Po以下，从而放出还原性气体。之后，在第八时 刻t8,向容器17内导入空气，从而使容器17的内压P恢复到常压Po。
图6A的图表的右侧横向的X射线照片表示在第 一试验例中所焊接 的半导体元件12的背面即接合面。X射线照片中颜色最浓的部分表示 焊料层H。根据图6A的X射线照片，在一部分焊料层H中确认焊料的 未润湿，但是，完全不能确认空隙。
其次，如图6B的图表所示，对第二实施例中的容器17的内压P的
变化即调整进行说明。
如图6B所示，在第二试验例的初始时刻t0~第五时刻t5,以与图 6A的第一试验例相同的方式调整容器17的内压P。即，在第二试验例 中，焊料加热时的容器17的内压P维持为比常压Po高的设定压力Pl (0.13MPa)。如图6B所示，在第五时刻t5使焊料的加热结束时，容 器17的内压P从设定压力Pl上升到第二设定压力P2。第二设定压力 P2为0.2MPa。在焊料冷却中的第五时刻t5 第七时刻t7,维持第二设 定压力P2。即，在焊料的温度T比熔融温度Tm低的第六时刻t6,容器 17的内压P为第二设定压力P2。在第七时刻t7,若焊料凝固结束，则 容器17的内压P暂时减压到常压Po以下(真空)。即，容器17的还 原性气体向外部排出。在第八时刻t8,向容器17内导入大气，由此， 使容器17的内压P恢复到常压Po的第二试验例中的第七时刻t7以后的 内压P与第 一试验例相同。
图6B的图表的右侧横向的X射线照片表示第二试验例中所焊接的 半导体元件12的背面即接合面。根据图6B的X射线照片，在所有焊料 层H中完全没有确认未润湿及空隙。
对于图7A来说，作为参考示出在焊料的加热时及冷却时使容器17 的内压P为常压Po以下的第一比较例。图7B表示在焊料的冷却时使容 器17的内压P为常压Po以下的第二比较例。
如图7A所示，在从第二时刻t2的焊料加热前将第一比较例中的容 器17的环境置换为还原性气体环境。即，在第一时刻tl,将容器17的 内压P设定为设定压力P1 (0.13MPa)。
但是，如图7A所示，在第二时刻t2和第三时刻t3之间的第23时 刻t23,容器17的内压P下降到常压Po以下。即，在第23时刻t23 第8时刻t8，容器17的内压P维持为真空状态。
换言之，对于第一比较例中的内压P来说，在焊料加热时，焊料的 温度T达到熔融温度Tm的第三时刻t3之前，下降到常压Po以下。对 于第一比较例的容器17的内压P来说，在焊料加热时的笫二时刻t2~ 第四时刻t4、和焊料冷却时的第五时刻t5 第八时刻t8的这二者，为常 压Po以下。图7A的图表中不存在第七时刻t7。换言之，在图7A的图 表中，不存在将容器17的内压P维持为设定压力Pl直到焊料凝固结束 的第六时刻t6后用的第七时刻t7。
图7A的图表的右侧横向的X射线照片表示在第 一 比较例中所焊接
的半导体元件12的背面、即接合面。根据该X射线照片可知，在所有 的焊料层H上产生了空隙。并且，这些空隙在较大范围内产生。即，确
认即使在真空度较高的状态下也产生空隙。第 一比较例强烈地暗示在空 隙的内部几乎不存在气体。
在图7B所示的第二比较例中，在初始时刻to~第五时刻t5,容器 17的内压P与图6A的第一试验例相同。即，在焊料加热前的第一时刻 tl,将容器17的环境置换为还原性气体环境。在焊料加热时的第二时刻 t2 第五时刻t5，将容器17的内压P维持为设定压力Pl (0.13MPa)。
但是，如图7B所示，在第五时刻t5,将容器17的内压P降低到常 压Po以下。即，在焊料冷却时的第五时刻t5 第八时刻t8,将容器17 的内压P维持在常压Po以下(真空)。在图7B的图表中也不存在第七 时刻t7。
图7B的图表的右侧横向的X射线照片表示第二比较例中所焊接的 半导体元件12的背面即接合面。根据该X射线照片，与图7A的笫一比 较例相比较，空隙的产生量变少，得到了改善。但是，在所有焊料层H 上依然产生空隙。在一部分焊料层H上还产生未润湿。
图6A的第一试验例及图6B的第二试验例与图7A的第一比较例及 图7B的第二比较例相比较，空隙的产生被抑制并被改善是一目了然的。 在第一试验例及第二试验例中，焊料熔融阶段t3 t7表示从第三时刻t3 焊料熔融开始到第七时刻t7焊料凝固的期间。在焊料熔融阶段t3-t7, 以将容器17的内压P维持为超过常压Po的设定压力Pl的方式，对熔 融焊料进行持续加压。这样对熔融焊料进行加压，由此，能够抑制空隙 的产生。
在第一试验例及第二试验例的焊料熔融阶段t3 ~ t7,从氢罐23d提 供具有比设定压力P1 (0.13MPa)高的还原性气体。减压阀23c使容器 17的内压P保持为固定值、即保持为设定压力P1。气体排出部26的节 流阀26c使固定量的气体向容器17的外部排出。还原性气体供给部23 以补充由于气体排出所导致的容器17的内压P的减压部分的方式向容 器17内提供还原性气体。其结果是，容器n的内压p保持为固定值。 而且，在容器17内使气体流通。对于焊料熔融阶段t3-t7的容器17的 内压P来说，加上容器17内部由于焊料加热而升温所导致的容器17的
内压P的上升部分，保持为固定值。
以下，根据这些试验结果，对空隙的产生因素进行研究。
焊料的温度T越上升熔融焊料的表面张力越下降。在焊料的表面及
接合构件(半导体元件12和布线层15)的表面存在氧化物，因此这些 表面的润湿性不好。在焊料润湿的界面，焊料、接合构件、环境气体(本 实施方式中是还原性气体)这三种物质互相交叉。在这三种物质交叉的 线即交叉线上，存在在接合构件(固体)和环境气体(气体)之间作用 的第一表面张力、在熔融焊料(液体)和环境气体(气体)之间作用的 第二表面张力、在接合构件(固体)和熔融焊料(液体)之间作用的界 面张力。这些第一表面张力、第二表面张力、及界面张力分别从上述交 叉线朝向各自对应的界面方向作用。
在焊料熔融之后，熔融焊料和环境气体之间的第二表面张力较大、 熔融焊料和接合构件之间的界面张力具有负值的情况很多。此时，焊料 难以扩展。对于焊料来说，为了缩小焊料和接合构件之间的接合面积， 具有成为球体(ball)的倾向。为了抑制该倾向，利用如本实施方式这 样的重物35,在对焊料加压的状态下进行焊接是有效的。例如，在将柔 软的球体夹持在上下一对板之间的状态下，若将重物载于上板上，则球 体破坏，因此容易理解上述理论。但是，仅利用环境的压力防止熔融焊 料的球形化倾向是困难的。例如，即便使例如以水充满的球体环境气 体的压力上升，球体也难以从球形变形，但是，若在球体上载置重物， 则球体4艮容易被破坏，因此，容易理解上述理论。
如本说明书的背景技术中所记载的那样，对于以往的空隙发生对策 来说，在使容器17的内压P为常压Po以下(真空)的状态下，对焊料 进行加热。这是由于将空隙的发生原因考虑为由环境气体或者残留气体 或焊料等产生的气体。即，是在进行了气体抽取的真空状态下能够抑制 空隙的发生这一想法。
但是，如图7A所示，本发明人在试马全中确认了即使在常压Po以下 (真空)下来进行焊接，在焊料中也产生空隙。在利用焊料片将一边约 10mm的功率晶体管等半导体元件接合到电路板上的情况下，在焊料中 散布着空隙。很多空隙是贯通100~20(Him的厚度的焊料的圆筒型。即， 本发明人确认空隙连接到接合部的两面。加热前存在于半导体元件和电 路板之间的焊料由于加热而在空隙部分消失，这意味着存在于空隙部分
的焊料由于某些力而被推到空隙周边部位。
根据这些结果，本发明人认为空隙的内部为低压状态(真空度较高 的状态)，使产生空隙的力是表面张力。换言之，表面张力是使液体的
表面积最小的力。本发明人发现与直径lmm的未润湿部分以未接合i也 紧密地接近的球体的状态存在的情况下、即球表面积为0.025x兀mm2的 情况相比，以直径lmm、高度100|iim、表面积lx兀xO.lmm2的圆筒稳定。 因此，若空隙的内部为真空度较高的状态，则若向该熔融焊料附以克服 熔融焊料的表面张力的压力，则考虑为空隙消失。根据该理论，如图6A 及图6B所示，在加压状态下进行焊接时，能够实现不能够测量空隙的 状态、即零空隙状态。
空隙的状态不由气体的有无决定，若由表面张力决定，则焊料的材 质、半导体元件12或布线层15的表面状态、温度T、焊料的厚度等因 素应该支配空隙的状态。使用厚度100|xm的焊料片33、厚度150pm的 焊料片33，在二者相同条件下进行试验焊接时，厚度15(Him的焊料片 33得到较好的结果。
例如，当使两个板为在二者之间空出间隙的状态浸在液体时，若两 个板很好地被润湿，则液面沿着上述间隙上升。空隙越小液面越上升。 若润湿不好、板弹回液体，则液面被压得较低。间隙较小时，液面被压 到较低的位置，但是间隙较大时，液面不太被压。
厚度lOOpm的焊料片33与作为两个板的半导体元件12和布线层 15之间的间隙较小的情况相对应。厚度150]im的焊料片33与两个板之 间的间隙较大的情况相对应。因此，与厚度100|Lim的焊料片33相比， 厚度15(Him的焊料片33由于压力而容易控制空隙这一考虑成立。根据 本发明人的考虑，可以说越提高容器17的内压P越能够抑制空隙的产 生。
本实施方式具有以下优点。
(1 )在从焊料开始熔融到凝固的焊料熔融阶段t3 ~t7,在常压Po 以上的设定压力Pl的环境中进行焊接。因此，向熔融焊料添加克服该 焊料的表面张力的力。因此，认为是空隙产生的主要原因的表面张力的 影响被抑制，能够抑制空隙的产生。
(2)为了将容器17的内压P保持为固定值，还原性气体供给部23 具有减压阀23c。因此，在焊料熔融阶段t3 t7,在容器17内实现稳定
的加压状态，能够可靠地抑制空隙的产生。特别是，在使熔融焊料凝固 的情况下，随着容器17内的温度T下降，容器17的内压P下降。从减
压阀23c向容器17提供还原性气体，从而能够将容器17的内压P保持 为常压Po以上。
(3) 气体排出部26的节流阀26c将容器17内的气体向外部排出。 由此，使还原性气体在容器17的内外流通。其结果是，由于还原作用 而产生的容器17内的水分通过气体的排出而被除去。
(4) 如图6B所示，在第二试验例中，在焊料加热结束时，使容器 17的内压P从设定压力Pl进一步上升。因此，即使熔融焊料中产生空 隙，在熔融焊料凝固时之前，也能够使空隙消失。因此，容易抑制空隙 的产生。
(5) 利用从重物35离开的高频加热线圈28使重物35发热。因此， 在将多个半导体元件12—起焊接到电路板11上的情况下，也可以不按 照每个重物35设置高频加热线圈28。即，比重物35少的数量的高频加 热线圈28将电路板11上的更多的接合部位一起进行加热。
此外，由于高频加热线圈28从重物35离开，因此熔融焊料冷却时， 与重物35及电路板11分开地处理高频加热线圏28。因此，例如，在容 器17内配置有多个半导体模块100的情况下，使高频加热线圈28从某 半导体模块100移动到其他半导体模块100上，从而使高频加热线圏28 的运转效率提高。
此外，本实施方式通过使按压半导体元件12的重物35发热，A^而 对电路板11的接合部位加热。因此，能够集中性地将热量传导到该接 合部位。因此，例如，与对电路板11整体或容器17整体进行加热的情 况相比较，能够提高加热效率。
(6) 将一个高频加热线圏28配置在一个电路板11上的多个重物 35的上方。因此，能够平面地将热量传导到一个电路板11上的多个接 合部位。因此，能够均匀地加热多个接合部位。其结果是，使配置在各 接合部位的焊料片33的熔融开始定时近似为几乎同时。此外，可以^f吏 所有焊料片33熔融结束的时间近似为几乎同时。因此，可以使焊料作 业有效化。
(7) 高频加热线圈28配置在容器17的外部。因此，高频加热线 圏28在焊接作业中，加热时间以外不受限制。即，对于高频加热线圏
28来说，在加热时间以外，能够从容器17分离。因此，通过使一个高 频加热线圏28依次移动到新的容器17,可以使半导体模块100的生产 效率提高。
此外，例如与在容器17内配置加热构件、即高频加热线圈28的情 况相比较，将高频加热线圏28配置在容器17之外的本实施方式的容器 17的容积较小即可。因此，能够谋求容器17的小型化。
环境调整主要包括将来自容器17的空气排出即抽真空；提供或 排出氮气等惰性气体或氢气等还原性气体。因此，将容器17的容积变 少，从而可以将空气的排出所花费的时间或能量消耗量变少。例如可以 将真空泵25c的工作能量减少。此外，能够将针对容器17的惰性气体 或还原性气体的供给或排出所花费的时间或能量消耗量减少。也可以将 惰性气体或还原性气体的消耗量减少。
(8) 利用作为电绝缘材的玻璃板22形成与高频加热线圈28对置 的容器17的部位即盖19。因此，可以避免容器17自身发热。此外，》兹 通量通过容器17,从而能够使重物35发热。
(9) 重物35的一个按压面35a可以与多个半导体元件12的非接 合面12a接触。即， 一个重物35是集中了多个用于按压一个半导体元 件12的子重物的集合体。因此，可以将一个重物35的按压面35a变大。 因此，与按压面35a较小的情况相比较，重物35稳定地按压各半导体 元件12。因此，各半导体元件12很难受到由熔融焊料的表面张力所导 致的影响，稳定地进行焊接作业。
(10) 在一个电路板11上分配一个高频加热线圈28。因此，与例 如在多个电路板11上分配一个高频加热线圈28的情况相比较，重物35 的发热效率良好。
上述实施方式也可以进4亍如下变更。
如图8所示，在焊料熔融阶段t3~t7,也可以使容器17的内压P 逐渐增加。即，将容器17的内压P从第二时刻t2的设定压力Pl向第七 时刻t7的第二设定压力P2逐渐增加。即，不限于焊料熔融阶段t3 ~ t7 的容器17的内压P保持为作为固定值的设定压力Pl或第二设定压力 P2。
也可以将设定压力Pl设定得高于0.13MPa。也可以将第二设定压 力P2从0.2MPa变更。设定压力Pl及第二设定压力P2也考虑到容器
17的耐久性来设定。
设定压力Pl不限于0.13MPa。根据布线层15或半导体元件12的 材质或表面处理的状况，也可以使设定压力Pl为O.llMPa以上且 0.13MPa以下的范围。容器17的内压P接近容器17外的常压Po在容 器17的耐久性上是有利的。此外，设定压力Pl能够根据熔融焊料的润 湿性或表面张力而变更。以往，为了防止针对该回流焊炉的空气侵入， 向焊接所使用的回流焊炉提供惰性气体。但是，该惰性气体的提供只不 过是使回流焊炉的内压为常压左右。
根据监视容器17的内压P而得到的压力值，向容器17内导入比i殳 定压力Pl高的压力的还原性气体，由此，也可以将焊料熔融阶段t3-t7 的容器17的内压P保持成作为固定值的设定压力Pl。或者，通过还原 性气体的供给，也可以使容器17的内压P逐渐增加。
在上述实施方式中，也可以将节流阀连接到还原性气体供给部23。 利用该调节阀，向容器17内提供还原性气体，从而也可以使容器17的 内压P逐渐增加。
在上述实施方式中，焊料加热时或冷却时的容器17的气体环境为 100%氢气的还原性环境。对此进行变更，也可以成为例如使氢气即还 原性气体变为3%、剩余为氮气即惰性气体的混合气体环境。
还原性气体不限于氢气，例如，也可以是含有甲醛的组成的气体。 焊料的加热方式不限于由高频加热线圏28所导致的高频感应加热， 例如，也可以将发热装置设在容器17内。此外，也可以使热介质在散 热片13内流通。散热片13向焊料片33传导热量，从而也可以加热焊 料。
也可以在焊接装置HK中设置调整容器17的内部环境的环境调整 装置。环境调整装置分别与各开闭阀23b、 24b、 25b、 26b和真空泵25c 连接。环境调整装置控制还原性气体供给部23、惰性气体供给部24、 真空部25及气体排出部26。其结果是，进行针对容器17的还原性气体 或惰性气体的供给、来自容器17的气体或空气的排出。
焊接半导体元件12的接合物93也可以是未接合散热片13的电路 板ll。此时，在容器17中，制造包括电路板11和半导体元件12的半 导体装置。半导体模块IOO具有的电路板11的数量不限于六个，可以 进行变更。
盖19可以以能够在箱主体18上进行拆卸的方式安装，也可以是开 闭式。
也可以以玻璃以外的电绝缘材、例如陶瓷或树脂形成盖19的与高 频加热线圏28对置的部位。在以盖19可耐受容器17的内外的气压差 的方式来确保强度的情况下，例如由玻璃纤维和树脂的复合材料、即 GFRP (玻璃，维强化塑料)构成盖19。此外，也可以由非磁性材料的 金属来形成盖'19。在由磁性材料的金属来形成盖19的情况下，也可以 是电阻率比重物35高的材料。也可以由金属和绝缘材的复合材料构成 盖19。可以以磁通量有效地引导到重物35的方式，在重物35的正上部 配置铁磁性体的电磁钢板。
重物35不限于由材料的切削而形成的一体化部件。重物35也可以 是通过将多个分割体接合而形成的一个集合体。
也可以使用多个与一个半导体元件12相对应的子重物来代替重物 35。具体地说，根据接合到一个电路板11上的四个半导体元件12,准 备四个子重物。各子重物配置在相对应的半导体元件12的正上方。
焊料片33的成分不限于上述实施方式。为了抑制空隙的产生，对 熔融焊料即熔化的焊料加压即可，焊料片33的成分不被限定。
在上述实施方式中，与容器17的气体的入口连接的还原性气体供 给部23具有减压阀23c。与容器17的出口连接的气体排出部26具有节 流阀26c。 ^旦是，也可以将减压阀及节流阀的配置方式进行变更。例如， 还原性气体供给部23具有减压阀23c和节流阀，并且气体排出部26也 具有减压阀和节流阀26c。与上述实施方式相反地，还原性气体供给部 23可以仅具有节流阀，气体排出部26也可以仅具有减压阀。也可以仅 还原性气体供给部23具有减压阀和调节阀之一。
在此情况下，减压阀能够将容器17的内压P保持为固定。在未设 置减压阀23c而设置有节流阀26c的情况下，若将向容器17提供的气体 的流量设定得比从容器17排出的气体的流量多，则能够使容器17的内 压P逐渐增加。与容器17的入口连接的压力调整部起到第一压力调整 部的作用。与容器17的出口连接的压力调整部起到第二压力调整部的 作用。
权利要求
1. 一种在电路板(11)上焊接半导体元件(12)的焊接方法，具有将焊接目标(92)容纳在容器(17)中，该焊接目标(92)包括所述电路板(11)、所述半导体元件(12)、配置在所述电路板(11)与所述半导体元件(12)之间的焊料(33)，所述焊料(33)具有熔融温度(Tm)；实现由至少含有还原性气体的环境气体充满所述容器(17)的还原状态(t1)；在所述还原状态的所述容器(17)中，对所述焊料(33)进行加热，以使将所述焊料(33)的温度(T)上升到所述熔融温度(Tm)以上，由此，使所述焊料(33)熔融(t3～t5)；使熔融焊料(33)的温度(T)下降到小于所述熔融温度(Tm)，从而使所述焊料(33)凝固，由此，将所述半导体元件(12)焊接到所述电路板(11)上(t6～t7)，其特征在于，包括以能够密闭的方式构成所述容器(17)；上升中的所述焊料(33)的温度(T)达到所述熔融温度(Tm)之前(t3)，根据所述环境气体，使所述容器(17)的内压(P)上升到常压(Po)以上的熔融开始时压力(P1)(t1)，所述熔融开始时压力(P1)是所述焊料(33)开始熔融时的所述容器(17)的内压(P)；在焊料熔融阶段(t3～t7)，实现将所述容器(17)的内压(P)设定为所述熔融开始时压力(P1)以上的加压状态，焊料熔融阶段(t3～t7)是所述焊料(33)开始熔融之后(t3)到该熔融焊料(33)凝固(t7)的期间；在所述加压状态下，将所述半导体元件(12)焊接到所述电路板(11)上。
2. 如权利要求l的焊接方法，其特征在于， 所述熔融开始时压力(Pl)为0.11MPa以上。
3. 如权利要求l的焊接方法，其特征在于， 所述熔融开始时压力(Pl)为0.13MPa以上。
4. 如权利要求l的焊接方法，其特征在于， 所述熔融开始时压力(Pl)在0.11MPa 0.13MPa的范围内。
5. 如权利要求1 ~4的任意一项的焊接方法，其特征在于，还包括 在所述焊料熔融阶段(t3 t7),利用第一压力调整部(23c)使具有比所述熔融开始时压力(Pl)高的压力的所述环境气体为固定值； 向所述容器(17)内导入成为固定值的所述环境气体，由此，使所 述容器(17)的内压(P)保持为固定或者逐渐增加。
6. 如权利要求1 ~4的任意一项的焊接方法，其特征在于，还包括 在所述焊接熔融阶段(t3-t7),监视所述容器(17)的内压(P); 根据由该监视所得到的压力值，将具有比所述熔融开始时压力(P1 )高的压力的所述环境气体导入到所述容器(17)内，由此，使所述容器 (17)的内压(P)保持为固定或者逐渐增加。
7. 如权利要求5或6的焊接方法，其特征在于，还包括 利用第二压力调整部(26c)将导入到所述容器(17)中的所述环境气体排出到所述容器(17)的外部，由此，在所述焊料熔融阶段(t3 t7)的所述容器(17)的内部，使所述环境气体流通。
8. 如权利要求1~7的任意一项的焊接方法，其特征在于，还包括 在所述半导体元件(12)的正上方，配置将所述半导体元件(12)朝向所述电路板(11 )按压的按压体(35)。
9. 如权利要求1 ~ 8的任意一项的焊接方法，其特征在于，还包括 在所述焊料熔融阶段(t3~t7),将从所述焊料(33)的加热结束时(t5)到该焊料(33)凝固(t7)的所述容器(17)的内压(P2), 设定得比所述焊料(33)的加热结束时的压力(Pl)高。
10. —种半导体装置(100)的制造方法，该半导体装置(100)包 括电路板(11 )和焊接在该电路板(11 )上的半导体元件(12),该半 导体装置(100)的制造方法是焊接方法，该焊接方法具备准备能够 密闭的容器(17);将焊接目标(92)容纳在所述容器(17)中，该焊 接目标(92)包括所述电路板(11)、所述半导体元件U2)、配置在 所述电路板(11)与所述半导体元件(12)之间的焊料(33),所述焊 料(33)具有熔融温度(Tm);实现由至少含有还原性气体的环境气 体充满所述容器(17)的还原状态(tl);在所述还原状态的所述容器(17)中，对所述焊料(33)进行加热，以使将所述焊料(33)的温度 (T)上升到所述熔融温度(Tm)以上，由此，使所述焊料(33)熔融 (t3 ~ t5 );使熔融焊料(33 )的温度(T )下降到小于所述熔融温度(Tm ),从而使所述焊料(33)凝固，由此，将所述半导体元件(12)焊接到所述电路板(11 )上(t6~t7), 该制造方法包括上升中的所述焊料(33)的温度(T)达到所述熔融温度(Tm)之前 (t3),根据所述环境气体，使所述容器(17)的内压(P)上升到常压 (Po)以上的熔融开始时压力(Pl ) (tl)，所述熔融开始时压力(Pl ) 是所述焊料(33)开始熔融时的所述容器(17)的内压(P);在焊料熔融阶段(t3~t7),实现将所述容器(17)的内压(P)设 定为所述熔融开始时压力(P1 )以上的加压状态，所述焊料熔融阶段(t3~ t7 )是所述焊料(33 )开始熔融之后(t3 )到该熔融焊料(33 )凝固(t7 ) 的期间；在所述加压状态下，将所述半导体元件(12)焊接到所述电路板(11 )上。
11. 一种用于将半导体元件(12)焊接到电路板(11)上的焊接装 置(HK),其特征在于，该焊接装置(HK)包括能够密闭的容器(17);对配置在所述 电路板(11 )和所述半导体元件(12)之间的焊料(33)加热从而使该焊 料(33)熔融的加热装置(28),所述电路板(11)、所述半导体元件 (l2 )、及所述焊料(33 )构成焊接目标(92 ),所述焊料(33 )具有 熔融温度(Tm);向所述容器(17)内导入至少含有还原性气体的环 境气体的气体导入部(23),该气体导入部(23)向容纳有所述焊接目 标(92 )的状态的所述容器(17 )导入所述环境气体，所述加热装置(28 ) 使导入了所述环境气体的状态的所述焊料(33)的温度(T)上升到所 述熔融温度(Tm)以上，由此，使所述焊料(33)熔融，所述气体导 入部(23 )在上升的所述焊料(33 )的温度(T )达到所述熔融温度(Tm ) 之前，根据所述环境气体使所述容器(17)的内压(P)上升到所述常 压(Po)以上的熔融开始时压力(Pl),所述焊接装置(HK)以如下方式构成在从所述焊料(33)的熔 融开始到该熔融焊料(33)凝固的焊料熔融阶段(t3~t7),实现使所 述容器(17)的内压(P)为所述熔融开始时压力(Pl)以上的压力的 加压状态，在该加压状态下，将所述半导体元件(12)焊接到所述电路 板(11 )上。
全文摘要
将焊接目标(92)容纳在能够密闭的容器(17)内。向容器(17)内提供还原性气体，从而使容器(17)的内压(P)上升到常压(Po)以上。在该加压状态下，进行针对电路板(11)的半导体元件(12)的焊接。在从焊料(33)的熔融开始(t3)到该熔融焊料(33)凝固(t7)的焊料熔融阶段(t3～t7)，维持显示设定压力P1(例如0.13MPa)的加压状态。因此，能够抑制凝固后的焊料中的空隙的产生。
文档编号H05K3/34GK101390205SQ20068005345
公开日2009年3月18日 申请日期2006年12月27日 优先权日2005年12月28日
发明者东元繁和, 久保秀人, 熊野明子, 白木雅雄, 藤敬司, 金原雅彦 申请人:株式会社丰田自动织机