锡焊方法与半导体模块的制造方法以及锡焊装置的制作方法

专利名称：锡焊方法与半导体模块的制造方法以及锡焊装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及锡焊方法与半导体4莫块的制造方法以及锡焊装置。
背景技术：
在电路基板上安装半导体元件、片状电阻、片状电容等电子元件 时，通常采用将电路基板与电子元件通过焊锡来接合的方法。在电路 基板上锡焊电子元件时，当电子元件与电路基板之间的焊锡熔化时， 由于熔化的焊锡的表面张力，会发生电子元件的位置移动，或焊锡不 在电子元件的整个接合面上流散地接合电子元件的情况。
作为抑制这样的问题的方法，例如有公开于专利文献l、 2上的方 法。在专利文献l中，提出将电子元件锡焊在作为支持体的基板上时， 通过在电子元件上置放重物，将电子元件对基板压紧的方法。专利文 献1 ^^开的锡焊中使用三层焊锡。该三层焊锡设有由高熔点材料构 成的第1焊锡层，配置在该第1焊锡层的两面的第2焊锡层，笫2焊 锡层由比第1焊锡层熔点低的材料构成。这三层焊锡配置在半导体元 件与置放该半导体元件的支持体之间，在这三层焊锡上用重物施加压 力。然后，通过仅对第2焊锡层加热及热处理来使之熔化，进行半导 体元件与支持体的接合。
另外，在专利文献2中，作为通过熔化焊锡将电子元件安装在配线 基板上的装置，提出了设有在熔化焊锡后至凝固的期间将电子元件的上表面在多个部位弹性压紧的多个压紧构件(销)的装置。这些销的下 端以大致一定的间隔触及设置在印刷电路基板上的电子元件的上表 面，同时，它们的上端固定在加热装置的下端。
在公开于专利文献l的方法中，在锡焊时，由于在电子元件，即被 锡焊的元件上置放重物，可以抑制焊锡熔化时引起的电子元件位置的 偏移，同时在电子元件的整个接合面上焊锡变得容易流散。但是，用 以加热及熔化焊锡的热会传导至重物而将重物加热。以往，在使用重 物的锡焊方法中，熔化的焊锡凝固后重物一直置放在电子元件上，直 到电子元件降至规定温度。因此，由于^皮加热的重物的热量传导至电 子元件，电子元件的温度下降至M^定温度所需时间变长，锡焊操作所 需时间增加。
在/>开于专利文献2的装置中，将电子元件不用重物而用多个销压 紧。因此，与用重物的情况不同，电子元件下降至规定温度所需的时 间不会变长。但是，由于需设置多个销，使结构变得复杂。特别是将 多个电子元件锡焊在基板上时，构造就变得更为复杂。
专利文献l:特开平6-163612号公才艮
专利文献2:特开2001-185841号/>才良

发明内容
本发明的目的在于，提供能够在电路基板上锡焊电子元件时缩短被 锡焊的电子元件的温度下降至规定温度所需时间的锡焊方法、半导体 模块的制造方法及锡焊装置。
为了达成上述目的，按照本发明的一实施例，提供了在设于电路基 板上的接合部上锡焊电子元件的接合面的锡焊方法。该锡焊方法包括 下列步骤在上述电路基板的上述接合部上，将焊锡夹于中间置放上述电子元件；在上述电子元件上置》文重物； 一边用上述重物将上述电 子元件向上述电路基板压紧， 一边加热上述焊锡并使之熔化；上述熔 化的焊锡浸润流散到上述接合部与上述电子元件的接合面之间的时刻 之后，在上述焊锡的温度处于高温期间，使上述重物从上述电子元件 上离开。
另夕卜，按照本发明的一实施例，提供了在设于电路基板的接合部上 锡焊电子元件的接合面而构成半导体才莫块的制造方法。该半导体才莫块 的制造方法包括下列步骤，即在上述电路基板的上述接合部上，将 焊锡夹于中间置放上述电子元件；在上述电子元件上置放重物； 一边 用上述重物将电子元件向上述电路基板压紧， 一边加热上述焊锡并使 之熔化；在上述熔化的焊锡浸润流散到上述接合部与上述电子元件的 接合面之间的时刻之后，在上述焊锡的温度处于高温期间，使上述重 物从上述电子元件离开。是本发明的半导体才莫块的平面图。是沿

图1的2-2线的剖面图。是用以在图1的半导体一莫块上进行锡焊的第1实施例的锡焊 装置的概略剖面图。(a)是锡焊时所用夹具的平面图，(b)是锡焊时所用的重物的透 视图。是锡焊时所用的重物保持夹具的平面图。是表示图3的锡焊装置的作用的概略纵剖面图。是用以在图1的半导体冲莫块上进行锡焊的第2实施例的锡焊
装置的部分概略剖面图。是另一实施例中的锡焊装置的局部剖视图。(a)是表示另一实施例的半导体元件的配置及重物形状的示意
平面图，(b)是支持板的平面图。(a) (c)是表示另 一实施例的焊锡熔化时的角焊缝形成过程的
示意图。(a)、 (b)同样表示焊锡熔化时的角焊缝形成过程中的示意图。 [图12](a)是表示向角焊缝照射光时的反射状态的示意图，(b)是表
示在角焊缝未形成的状态下照射光时的反射状态的示意图。(a)是表示夹具的平面图，(b)是表示射光受光装置、夹具、
陶瓷基板、金属回路、焊锡、电子元件的配置的示意图。
具体实施方式

下面，参照图1~图6说明具体实施本发明的第1实施例。 如图1所示，半导体才莫块IO设有电路基板11和作为电子元件的多 个半导体元件12。多个半导体元件12通过锡焊接合在电路基板11上。电路基板11设有多枚(在此实施例中是6枚)陶资基板14。在各陶资基 板14的表面上设置金属回路13。在各陶资基板14上锡焊了 4个半导 体元件12。在各陶资基板14上，以至少3个半导体元件12不在一直 线上的状态来设置。
如图2所示，电路基板11包括在表面上有金属回路13的陶资基 板14;在上述陶资基板14上通过金属板16固定的金属制的散热器15。 也就是，电路基板11是设有散热器15的冷却电路基板。散热器15用 铝系金属或铜等来形成，设有流过冷却i某体的冷i某流路15a。所谓铝 系金属，是指铝或铝合金。金属板16用作将陶资基板14与散热器15 接合的接合层，例如，用铝或铜等来形成。
金属回路13由例如铝或铜等形成。陶资基板14由例如氮化铝、氧 化铝、氮化硅等来形成。半导体元件12(用锡焊)接合在金属回路13上。 亦即，金属回路13构成用以将半导体元件12接合在电路基板11上的 接合部。图2中的标记「 H」表示焊锡层。作为半导体元件12，使用 例如，IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:绝缘栅双极晶体管)或二 极管。
下面，说明半导体模块10的制造方法。
图3概略表示锡焊装置HK的结构。锡焊装置HK构成为用以在设 于电路基板11上的金属回路13上锡焊半导体元件12的装置。另夕卜， 此实施例的锡焊装置HK构成为用以在图3所示的半导体^^莫块10即在 散热器15上方设置多枚(6枚)陶覺基板14的半导体模块10的锡焊装 置。
锡焊装置HK设有可密闭的容器(室)17，该容器17包含具有开口 部18a的箱形的主体18;将该主体18的开口部18a开放及闭锁的盖体19。在主体18上设置作为定位并支持半导体^f莫块10的支持部的支持 台20。另外，在主体18的开口边缘部上配置了可与盖体19贴紧的村 垫21。
盖体19以可闭锁主体18的开口部18a的大小来形成。通过在主体 18上安装盖体19，在容器17内形成密闭空间。另外，盖体19具有与 密闭空间S对置的部位22,该部位22用通过磁力线(磁通)的电气绝缘 材料来形成。在本实施例中，使用玻璃作为电气绝缘材料，盖体19的 该部位22由3皮璃+反构成。
另外，在主体18上，连接用以向容器17内供给还原性气体(在本 实施例中是氢)的还原气体供给部23。还原气体供给部23设有配管 23a;净皮设置在该配管23a上的开闭阀23b;氢罐23c。另外，在主体 18上，连接了用以向容器17内供给惰性气体(在本实施例中是氮)的惰 性气体供给部24。惰性气体供给部24设有配管24a;设置在该配管 24a上的开闭阀24b;以及氮气罐24c。另外，在主体18上，连接用以 将在容器17内充满的气体向外部排出的气体排出部25。气体排出部 25设有配管25a;设置在该配管25a上的开闭阀25b;以及真空泵 25c。锡焊装置HK由于设有还原气体供给部23、惰性气体供给部24 以及气体排出部25，构成为可调节密闭空间S内的压力，密闭空间S 通过压力调整进行加压或减压。
另外，在主体18上，锡焊后连接了向容器17内供给热媒(冷却气 体)的供给部(热媒供给部)26。热媒供给部26设有配管26a;设置在 该配管26a上的开闭阀26b;以及气体罐26c。热i某供给部26对收容 在容器17内的半导体模块10的散热器15供给冷却气体。再者，热媒 供给部26供给的热媒可以是冷却液。另外，在主体18上设置用以测 量容器17内温度的温度传感器(例如，热电偶等)27。
在锡焊装置HK的上部，具体地说是在盖体19的上方，设置了多 个高频加热线圈28。本实施例的锡焊装置HK具有6个高频加热线圏 28。如图3所示，这些高频加热线圏28分别配置在陶资基板14的上 方，使它们各自对应于6枚陶资基板。在本实施例中，各高频加热线 圈28从上方看时，具有可以覆盖1枚陶乾基板14的大小，且比后述 的重物35的上表面的轮廓更大。另外，各高频加热线圈28形成为使 之在一个平面内构成螺旋状(方形螺旋状)，整体上大致呈方形板状。 另外，各高频加热线圈28配置成与盖体19对置，具体地说是对置于 玻璃板22。另夕卜，各高频加热线圈28电连接至锡焊装置HK所设的高 频发生装置29上，根据设置在容器17内的温度传感器27的测量结果， 控制高频发生装置29的输出。各高频加热线圈28具有用以在内部通 过冷却水的冷却通路30,并连接在设于锡焊装置HK的冷却水箱31 上。
图4(a)表示进行锡焊时使用的夹具32,图4(b)表示进行锡焊时使用 的重物35。夹具32形成为平板状，具有与电路基板ll上的陶瓷基板 14同样的大小。如图3所示，夹具32用石墨或陶瓷等材料形成，用 来在锡焊时将焊锡片33、半导体元件12、重物35对陶资基板进行定 位。因此，在夹具32上形成定位用的孔34。这些孔34对应于接合半 导体元件12的陶瓷基板14上的部位(接合部)而形成在夹具32上。各 孔M具有与对应的半导体元件12的尺寸相应的大小。而且，在本实 施例中，由于在该陶资基板14上接合多个(4个)的半导体元件12，在 夹具32上也形成多个(4个)的孔34。
重物35用可因电磁感应作用而发热的材料(亦即由于自身的磁通 的变化而发生电流时由自身的电阻发热的材料)形成。即，重物35与 高频加热线圈28 —起构成加热并熔化夹在电路基板11的接合部与半导体元件12之间的焊锡的加热装置。在本实施例中，重物35用不锈 钢来形成。在锡焊时，重物35被置放在用夹具32定位的4个半导体 元件12的正上方，具有连接在4个半导体元件12的上表面(非接合面) 的大小。亦即，重物35;波形成为，以横跨在至少在一直线上没有3个 半导体元件12的状态置放的大小。
如图3所示，各驱动装置37由电气汽缸那样的线性执行机构构成， 其活塞杆37a配置成向上方垂直地突出。活塞杆37a的顶端可支持重 物保持夹具36的下面，同时可从重物保持夹具36的下面离开。驱动 装置37通过向活塞杆37a的上方移动，在将重物保持夹具36维持成 水平的状态下，使重物保持夹具36与纟皮保持在该重物保持夹具36上 的多个重物35—起，从上述压紧位置向离开位置移动(参照图6)。驱 动装置37通过活塞杆37a向下方的移动，在将重物保持夹具36保持 在水平的状态下，使重物保持夹具36与一皮保持在该重物保持夹具36 上的多个重物35—起，从上述离开位置向压紧位置移动(参照图3)。
下面，就使用上述锡焊装置HK进行半导体元件12锡焊的方法进 行说明。锡焊工序是半导体才莫块10的制造方法的一个工序。再者，在 使用锡焊装置HK进行锡焊之前，预先制作将具有金属回路13的多枚 (6枚)的陶资基板14接合在一个散热器15上(以下称为「锡焊对象物 j )。亦即，锡焊对象物相当于从图1所示的半导体才莫块10上除去半 导体元件12后的剩余物。
进行锡焊时，最初从主体18上卸下盖体19，打开开口部18a。另 外，将重物保持夹具36从主体18向外部取出。而且，在主体18的支 持台20上放置锡焊对象物，并相对于支持台定位。接着，在锡焊对象物的各陶资基板14上放置夹具32，在夹具32的各孔34内配置焊锡 片33和半导体元件12。焊锡片33配置在金属回路13与半导体元件 12之间。
接着，使高频发生装置29工作，在各高频加热线圈28内流过高频 电流。于是，高频加热线圈28发生通过对应的重物35的高频的磁通， 在重物35上，由于磁通的通过而发生涡流。其结果，设置在高频加热 线圈28的-兹通内的重物35由于电》兹感应作用而发热，这个热/人重物 35的压紧面35a传导至半导体元件12。而且，在被置放于电路基板 11的各接合部上的焊锡片33上，产生在重物35上的热通过该重物35 的压紧面35a及半导体元件12集中性地传导，加热焊锡片33。其结 果，焊锡片33达到自身的熔化温度以上的温度并熔化。
由于半导体元件12用重物35向电路基板ll压紧，因此不会因熔 化的焊锡的表面张力而移动。然后，在焊锡片33完全熔化时，使高频 发生装置29停止。再者，流过各高频加热线圈28的高频电流的大小， 根据设置在容器17内的温度传感器27的检测结果来控制。另外，容 器17(密闭空间S)内的气氛，亦即容器17内的压力，可根据锡焊操作 的进行状况加压和减压。
焊锡片33完全熔化后，停止向高频加热线圏28供给电流以停止加 热。另外，让热媒供给部26工作，向容器17内供给冷却气体。冷却 气体向散热器15的冷^^某流路15a的入口或出口吹入。再者，被供给到 容器17内的冷却气体流到冷媒流路15a及散热器15的周围而冷却锡 焊对象物。结果，熔化的焊锡由于^1冷却至熔化温度以下而凝固，将 金属回路13和半导体元件12接合。在此状态，锡焊操作结束，半导 体模块10的制作完成。熔化的焊锡凝固后，在焊锡的温度处于高温期间，将驱动装置37
驱动以使活塞杆37a向上方移动。结果如图6所示，重物35与重物保 持夹具36 —起移动到从半导体元件12离开的离开位置。在该状态， 焊锡的温度降低至规定温度后，在从主体18上卸下盖体19，卸下重 物保持夹具36及夹具32后，从容器17内取出半导体模块IO。
本实施例有以下优点
(1) 在焊锡夹在电路基板11的接合部与半导体元件12(电子元件)之 间的状态下，在半导体元件12上置力大重物35。然后， 一边用重物35 压紧半导体元件12, —边加热并使焊锡熔化后，停止其加热。待熔化 的焊锡凝固后，在焊锡的温度处于高温期间内，使重物35离开半导体 元件12。完成锡焊后，重物35的热量不会传达到半导体元件12上。 因而，半导体元件12 ^皮冷却至规定温度所需时间与没有使重物35离 开的情况相比更短。其结果，可以缩短锡焊操作所需时间，从而缩短 半导体才莫块10的制造时间。
(2) 在多个重物35由重物保持夹具36保持的状态下，在压紧位置与 离开位置之间集中移动。因而，与将各重物35直接保持并使之移动的 情况相比，能够容易且高效地进行操作。
(3) 重物保持夹具36形成为板状，设有容许比重物35的凸缘35b 更下侧的部位的插通的孔36a。另外，重物35具有可以卡定在重物保 持夹具36的上面的凸缘35b，在凸缘35b卡定在重物保持夹具36的 上面的状态下，可与重物保持夹具36—起移动。因而，重物保持夹具 36的结构简单。
(4) 将多个半导体元件12置于电路基板11上，同时在由多个重物 35压紧的状态下进行锡焊。重物保持夹具36设有用以将多个重物35的位置关系保持在这些重物35压紧半导体元件12时的位置关系的多 个孔36a。因而，能够用结构简单的重物保持夹具36容易地使多个重 物35在压紧位置与离开位置之间移动。
(5) 锡焊在容器17内进行，借助于配置在容器17内的驱动装置37， 重物保持夹具36使重物35在压紧位置与离开位置之间移动。因而， 也可在容器17密闭的状态下，使重物35在压紧位置与离开位置之间 移动。
(6) 由线性执行机构构成的多个驱动装置37设置在容器17内，可使 活塞杆37a向上方顶出。驱动装置37用活塞杆37a的顶端支持重物保 持夹具36，重物保持夹具36可相对于活塞杆37a离开。因而，驱动 装置37的结构变得筒单，并且，当在电路基板11的规定位置上置放 焊锡片33及半导体元件12时，重物保持夹具36不会成为操作的障碍。
(7) 焊锡的加热通过用感应方式加热重物35来进行，同时将其热量 通过半导体元件12传到焊锡上。因而，由于可对焊锡集中性地传导热， 与加热电路基板11全体或容器17全体的情况相比，可以实现焊锡的 高效力口热。
(8) 重物35以跨越至少一直线上不出现3个的半导体元件12的状 态，配置在这些半导体元件12上。而且，在用重物35向电路基板11 压紧多个半导体元件12的状态下，加热并熔化焊锡。因而，重物35 在焊锡的熔化状态下，水平或大致水平地对着金属回路13压紧多个半 导体元件12。因此，半导体元件12与金属回路13之间的熔化状态的 焊锡在半导体元件12的面对金属回路13的整个面上均匀地流散。如 果焊锡冷却至自身熔化温度以下，则焊锡在接合部上的焊锡的厚度不 匀被抑制的状态下凝固。(9) 半导体模块IO设有作为冷却电路基板的电路基板11。在电路基 板ll的结构中其表面上具有金属回路13的至少1个陶资基板14被 固定在设有冷媒流路15a的金属制的散热器15上。然后，在与金属回 路13对置的各半导体元件12的整个面上施加焊锡，进而在厚度不匀 得到抑制的状态下凝固。因而，焊锡良好地发挥吸收半导体元件12与 金属回路13之间的线膨胀率差的应力緩和功能，这样，可以抑制接合
部的疲劳寿命偏差。
(10) 在设有多个陶覺基板14的电路基板11上进行锡焊时，对应于 各陶资基板14各配置1个高频加热线圈28,用1个高频加热线圈28 使配置在各陶乾基板14上的l个重物35发热。因此，与集中用l个 高频加热线圈28使分别配置在多个陶瓷基板14上的多个重物35发热 的情况相比，效率得到提高。
(11) 由于高频加热线圈不^_设在容器17内部而是配置在外部，可 极大地减小容器17的容积，实现容器17的小型化。另外，气氛调整 主要包括从容器17内排出空气(抽真空)；惰性气体(氮气等)的供给 与排出；以及还原性气体(氢等)的供给与排出。因此，由于减小了容 器17的容积，例如就空气的排出而言，可以使排出所需时间变短，或 排出需要的能量(例如，使真空泵25c工作需要的能量)消耗减少。另夕卜， 就惰性气体和还原性气体的供给或排出而言，可以缩短供给或排出所 需时间，或减少供给或排出需要的能量消耗，或减少供给气体的耗量。
(12) 通过向接合在陶资基板14上的散热器15供给冷却气体，冷却 金属回路13的接合部。因此，可以通过散热器15高效冷却金属回路 13的4矣合部，可以缩4豆冷却时间。
下面，参照图7说明具体实施本发明的第2实施例。再者，第2实施例与笫1实施例比较，重物35的结构不同，而其它结构与第1实施 例基本上相同，对于相同的部分省略其详细说明。
在本实施例中，重物35具有通路38,通路38在重物35的下面(压 紧面35a)开口。上述通路38通过用以将半导体元件12等吸附在压紧 面35a上的开口，可使负压作用在压紧面35a上。在重物35的下面以 外的面上，设有可以将通路38与^皮设置在容器17的外部的负压源V 连接的连接部39。通路38具有向重物35的多个压紧面35a分别垂直 延伸的部分，这些部分的下端开口在对应的压紧面35a上。连接部39 构成为可通过柔性的配管(未图示)连接到负压源V上。
使用本实施例的锡焊装置HK来进行锡焊操作时，通过将重物35 作为吸着部使用，焊锡片33和半导体元件12配置在与置放于各陶瓷 基板14上的夹具32的孔34对应的位置上。例如，将焊锡片33配置 在与孔34对应的位置上时，卸下盖体19，同时在主体18的外部进行 配置，使所需数量的焊锡片33对应于电路基板11上的焊锡片33的配 置。然后，配置重物保持夹具36，使各重物35的压紧面35a对应于 这些焊锡片33。在该状态下，将连接部39通过配管连接到负压源V 上，使负压源V的负压作用在各重物35的通路38上。然后，在使焊 锡片33吸附在各重物35的压紧面35a上的状态下，移动重物保持夹 具36，将重物保持夹具36设置在活塞杆37a支持的位置上。其后， 将驱动装置37驱动，使活塞杆37a作下降移动。其结果，在各重物 35的压紧面35a吸附着焊锡片33的状态下，纟皮嵌插到夹具32的孔34 内，焊锡片33被配置在与接合部对应的位置。然后，解除对通路38 的负压作用，解除由重物35产生的吸附作用后，将驱动装置37驱动， 使活塞杆37a上升移动。其结果，重物35与重物保持夹具36—起从 夹具32向上方移动。接着，在主体18的外部，配置所需数量的半导体元件12，使之对
应于电路基板11上的半导体元件12的位置，并配置重物保持夹具36， 使各重物35的压紧面35a对应于这些半导体元件12。在该状态下， 使负压源V的负压作用在各重物35的通路38上，使半导体元件12 吸附在各重物35的压紧面35a上。然后，将重物保持夹具36放置在 由活塞杆37a支持的位置后，将驱动装置37驱动，使活塞杆37a下降 移动。其结果，在各重物35的压紧面35a吸附半导体元件12的状态 下， 一皮嵌插至夹具32的孔34中，构成为半导体元件12位于焊锡片 33上方的状态。按照以上所述，如图7所示，各半导体元件12及各 重物35向规定位置的配置结束。其后，解除对通路38的负压的作用 后，解除连接部39与配管的连接，将盖体19配置在闭锁位置。以下， 进行与笫1实施例一样的锡焊操作。
本实施例在与上述第1实施例中的优点(1) (12)同样的优点之外， 还具有以下优点。
(13) 重物35设有通路38,该通路具有使吸附半导体元件12等的负 压作用在压紧面35a上的开口。另外，作为将通路38与负压源V连接 的连冲妄部39设置在重物35的下面以外的面上。因而，可将重物35作 为吸附部使用，可将多个半导体元件12或焊锡片33吸附在重物35的 下面(压紧面35a)而一并配置在接合部(金属回路13)上。
实施方式不受限于上述的实施例，例如，也可以作如下的具体化。 半导体元件12的配置或大小、高度等不限定于所图示的上述两个实施例。例如，如图8所示，也可以使具有不同大小及高度的多个半导 体元件12接合在陶资基板14上。重物35也可形成为以跨越图8所示 的3个半导体元件12以外的未图示半导体元件上。这时，可取得与第 2实施例同样的效果。
全部的重物35无需是同样的大小及同样的形状，例如，如图9a所 示，将多个半导体元件12分开配置成包^^相互不同个数的半导体元件 12的多组(在图例中，有包含3个半导体元件12的组和包含4个半导 体元件12的组)，也可以将重物35(用双点划线图示)形成对应于各组 半导体元件12的配置的形状。这时，如图9(b)所示，在重物保持夹具 36上形成对应于2种孔36a的2种重物35的形状。
将重物35从半导体元件12(电子元件)离开的时间，不限于是熔化 的焊锡凝固后，焊锡的温度处于高温期间，也可在焊锡凝固之前，例 如也可以是焊锡在金属回路13的接合部与半导体元件12的接合面之 间浸润流散后的时刻之后。即，使重物35从电子元件离开的时间可以 是，从熔化的焊锡在上述接合部与电子元件的接合面之间浸润流散后 的时刻起至熔化的焊锡凝固后、焊锡的温度处于高温的时刻为止的期 间。熔化的焊锡在金属回路13的接合部与半导体元件12的接合部之 间浸润流散的时刻，可以通过例如用光学方法或目视确认在半导体元 件12的周围形成了角焊缝来确定。
具体而言，图10(a)表示在金属回路13上置放焊锡片33、半导体元 件12(电子元件)及重物35后的状态。在该焊锡片33 ^皮加热并熔化后， 焊锡H浸润流散前的熔化初期，如图10(b)所示，熔化状态的焊锡H 周围的表面构成向外侧凸起的曲面。但是，在焊锡H在半导体元件12 的整个接合面上浸润流散的状态下，如图10(c)所示，形成角焊缝40。
22另外，图11(a)表示使比半导体元件12的接合面的面积更宽的面积 的焊锡片33夹在半导体元件12与金属回路13之间的状态。加热该焊 锡片33并熔化，则如图ll(b)所示，即使在熔化初期，焊锡H也在半 导体元件12的整个接合面上流散。但是，在焊锡H没有浸润的状态 下，其焊锡H的周围的表面构成向外侧凸起的曲面，没有形成角焊缝。 其后，如果焊锡H变成浸润后的状态，则如图10(c)所示，在半导体元 件12的周围形成角焊缝40。再者，根据重物35的压紧状态，如图10(a) 所示，即使在配置了与半导体元件12的接合面相同面积的焊锡片33 的情况下，在焊锡H的熔化初期，如图ll(b)所示，焊锡H也往往在 半导体元件12的整个接合面上流散。但是，如果焊锡H没有构成浸 润的状态，则焊锡H的周围的表面构成向外侧凸起的曲面。
焊锡H上形成角焊缝40时，如果在半导体元件12的周围部分照 射光(用箭头图示)，则如图12(a)所示，光^f皮反射至特定的方向。另一 方面，焊锡H的周围部分构成比半导体元件12的接合面更向外侧突 出的曲面时，如果在焊锡H的周围部分照射光，则如图12(b)所示，光 被散射。因此，可以通过检测反射光来判断是否形成角焊缝40。
作为光学检测是否形成角焊缝40的方法，如图13(a)及图13(b)所 示，作为相对于陶瓷基板14定位半导体元件12及重物35的夹具32, ^使用形成了可向半导体元件12的接合面的周边从外部照射光的长孔 32a的夹具32。如果焊锡H浸润，则焊锡H在金属回路13的面上流 散，而由于被拉向半导体元件12的接合面，不会流散到太超过其结合 面。由于在半导体元件12的周边上露出并形成良好的角焊缝40，良 好的角焊缝40的位置^皮确定在半导体元件12的周边。因而，将要形 成长孔32a的位置以及入射至长孔32a的光的方向与金属回路13的上 面构成的角度设定为，使通过长孔32a的光照射到半导体元件12的周 边上。
如图13(b)所示，从射光受光装置41向长孔32a照射光(用箭头图 示)，同时接收半导体元件12的周边所反射的反射光。而且，根据接 收到的光强度判断是否形成了角焊缝40。角焊缝40是否形成的判断 基准是，预先用试验求出例如，在预先形成角焊缝40的状态下照射光 时的反射光强度，以及形成向外侧凸的曲面的状态下照射光时的反射 光的强度，并根据它们的强度设定基准值。也可以使用具有相互独立 构成的射光装置和受光装置来代替射光受光装置41。另外，不限于长 孔32a,也可以是具有可从射光装置照射光并用受光装置接收反射光 的形状的孔。
这样，在熔化的焊锡H凝固之前使重物35从半导体元件12离开 时，可以加快熔化的焊锡H在凝固之前的冷却速度。其结果，焊锡H 的结晶纟皮微细化，提高使用时对热疲劳的耐久性。再者，即使熔化的 焊锡在凝固之前，如果熔化的焊锡H在上述接合部与电子元件的接合 面之间浸润流散后，即使解除由重物35产生的压紧，焊锡H也不会 因其表面张力而抬起电子元件，在凝固之前，在电子元件的整个接合 面上焊锡H保持流散浸润的状态。即使焊锡H在半导体元件12的整 个接合面上流散后的状态下，在如图ll(b)所示的焊锡H对接合部或接 合面不浸润的状态下冷却锡焊对象物的情况，比起在浸润的状态下冷 却的情况来，焊锡结合部的强度也降低。但是，在本实施例中，由于 在确认了角焊缝40的形成后开始锡焊对象物的冷却，能够进行接合强 度高的锡焊。另外，即便使重物35从半导体元件12离开，也可防止 焊锡H的厚度变化。
角焊缝40形成的确认方法不限于根据在半导体元件12的接合面的 周边照射的光的反射光的强度，也可以才艮据半导体元件12的接合面的 周边的图像信息来确认是否形成角焊缝40 。
也可以通过从夹具32上形成的长孔32a目视半导体元件12的接合 面的周边来进行角焊缝40形成的确认。
对焊锡H的加热的停止及重物35从半导体元件12的离开，如果 在确认角焊缝40已形成后则更好，两者不一定必需同时进行。重物 35的离开可以先于加热的停止，也可以在加热停止之后。但是，如果 在角焊缝40形成^皮确认的时刻，立即使重物35从半导体元件12离开 并同时停止焊锡H的加热，则可加快熔化的焊锡至凝固的冷却速度。 另外，可缩短锡焊所需的时间。
若在还原气氛中 一边供给还原气体一边进行锡焊，在确认角焊缝 40形成后，立即停止还原气体的供给。这时，由于还原气体的使用量 减少，可以降低锡焊的成本。
焊锡浸润流散的确认也可以预先用试验求出焊锡浸润流散的计时 (例如，/人加热开始的经过时间)，代替用上述那样的射光受光装置41 直接确认角焊缝的形成，也可根据从基准时刻起的经过时间来进行。 这时，用以确认焊锡是否浸润流散的结构变得简单。焊锡浸润流散的 计时试验既可在无夹具32的状态下进行，也可在有夹具32的状态下 进行。
本发明不限于驱动装置37被配置在重物保持夹具36的下方，并从 下方支持重物保持夹具36，使该重物保持夹具36向上下方移动的结 构。例如，也可以是这样的结构驱动装置37配置在重物保持夹具 36的上方，通过支持重物保持夹具36的上面、侧面及下面中的任意 一面来使重物保持夹具36向上下方向移动。具体地说，例如，配置线 性执行机构，使活塞杆向下方顶出，在该活塞杆的顶端安装电磁铁， 同时在重物保持夹具36的与上述电》兹铁对应的位置上设置磁体制作页
的被吸附部。而且，用电磁铁吸附被吸附部，与活塞杆一起使重物保 持夹具36移动。
作为驱动装置37配置在比重物保持夹具36更上方的结构，可将线 性执行^L构设置成活塞杆向下方顶出的状态，活塞杆的顶端可贯通在 重物保持夹具36上形成的孔。而且，也可在活塞杆的顶端一侧设置与 重物保持夹具36的下面配合的配合构件，用该配合构件来支持重物保 持夹具36的下面，并使重物保持夹具36移动。
重物35的压紧面35a不一定限于可接触对应的半导体元件12的整 个非接合面的大小，也可以比它大或比它小。夹具32不限于具有焊锡 片33、半导体元件12及重物35之定位功能的结构，也可以是^义具有 焊锡片33及半导体元件12的定位功能的结构。
在用感应方式加热重物35并用该热量使焊锡熔化的结构中，重物 35不限于用不锈钢制成，只要采用可感应加热的材料即可，例如，也 可代替不锈钢而用铁或石墨材料形成，或用热传导率不同的2种导体 材料构成。
也可取代将焊锡片33配置在与与金属回路13的接合部对应的部 位，也可将焊锡膏涂敷在与接合部对应的部位。
将焊锡加热到熔化温度以上的加热方法，也可以是感应加热以外的 方法。例如，也可以在容器17内设置电加热器作为加热装置来加热焊锡。
电路基板11也可以是陶资基板14固定在没有冷媒流路15a的散热 器15上的结构。另外，电路基板11也可以是没有散热器15的结构。
盖体19也可以是不能从主体18卸下的结构，例如，也可以是可开 闭地连4娄在主体18上。
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绝缘材料形成，也可以将该部位用例如陶瓷或树脂形成，以代替玻璃。
另外，也可将整个盖体19用电绝缘材料形成。
在需要对付容器17的内外压力差而增加盖体19的强度的情况下， 也可将盖体19用例如玻璃纤维与树脂的复合材料(GFRP(玻璃纤维强 化塑料))构成。另外，也可将盖体19用金属构成。作为金属，理想的 是非磁性材料的金属。再者，若使用磁性金属材料做盖体19,以使用 电阻率比重物35高的材料为好。另夕卜，也可用金属与绝缘材料的复合 材料来形成盖体19。还有，在重物35的正上部可使用强磁体的电磁 钢板等，使磁通在重物35上高效地导通。
高频加热线圈28也可在多个重物35的上方，跨越多个重物35而 配置。这时，可以减少对高频加热线圏28的高频电流的供给路径和冷 却水的供给路径，可以进一步简化锡焊装置HK的构造。
随着生产线化，可将容器17做成可移动的，也可沿着与该容器17 一起移动的重物35的移动路径来配置高频加热线圈28。这时，也可 将高频加热线圏28形成沿移动路径的形状，也可沿移动路径配置多 个。通过这样的结构，可以一边使容器17移动， 一边进行加热。
高频加热线圈28也可配置在面对于重物35的侧面。高频加热线圈28也可配置在容器17(密闭空间S)内。 电子元件也可以是半导体元件12以外的电子元件，例如片状电阻 、片状电容等。
锡焊不限于在可密闭的容器17内进行，也可以在例如设有搬入^皮 置放在所谓传送带等的搬送装置上的电路基板11的搬入口和搬出该 电路基板11的搬出口的容器内进行锡焊。另外，也可在无容器的状态、 即没有构件围合的状态下进行锡焊。
权利要求
1.一种将电子元件的接合面锡焊在设于电路基板的接合部上的锡焊方法中，其特征在于包括将所述电子元件夹着焊锡置放到所述电路基板的所述接合部上；在所述电子元件上置放重物；一边用所述重物将所述电子元件向所述电路基板压紧，一边加热所述焊锡并使之熔化；以及在所述熔化的焊锡在所述接合部与所述电子元件的接合面之间浸润流散的时刻之后，在所述焊锡的温度处于高温期间内，使所述重物从所述电子元件离开。
2. 如权利要求1所述的锡焊方法，其特征在于 在从所述熔化的焊锡在所述接合部与所述电子元件的接合面之间浸润流散的时刻起，到所述熔化的焊锡凝固后所述焊锡的温度处于高 温时刻的期间，使所述重物从所述电子元件离开。
3. 如权利要求l所述的锡焊方法，其特征在于 从所述熔化的焊锡在所述接合部与所述电子元件的接合面之间浸润流散的时刻起，到所述熔化的焊锡凝固的期间，使所述重物从所述 电子元件离开。
4. 如权利要求3所述的锡焊方法，其特征在于还包括润流散的时刻，立即停止所述焊锡的加热，并开始该焊锡的冷却。
5. 如权利要求3或权利要求4所述的锡焊方法，其特征在于 在所述焊锡浸润流散的时刻，立即使所述重物从所述电子元件离开。
6. 如权利要求1 权利要求5中任一项所述的锡焊方法，其特征 在于还包括向所述电子元件的接合面周边的部分照射光； 根据所述光的反射光，判断焊锡上是否形成角焊缝；以及 将角焊缝形成的时刻确定为所述焊锡浸润流散的时刻。
7. 如权利要求1所述的锡焊方法，其特征在于 还包括在所述焊锡溶化后停止所述焊锡的加热的步骤，且在所述熔化的焊锡凝固后、所述焊锡的温度处于高温期间内，使所述重物从 所述电子元件离开。
8. 如权利要求1-权利要求7中任一项所述的锡焊方法，其特征 在于还包括在压紧所述电子元件的压紧位置与从所述电子元件离开的离开的 位置之间，用重物保持夹具使所述重物移动。
9. 如权利要求8所述的锡焊方法，其特征在于 所述重物保持夹具为板状，并设有容许所述重物插入的保持部， 所述方法还包括在设于所述重物上的凸部卡定在所述重物保持夹具的上面的状态下，使所述重物与所述保持夹具一体地移动。
10. 如权利要求9所述的锡焊方法，其特征在于还包括 在设于所述电路基板上的多个接合部上，分别夹着焊锡置》丈多个电子元件；在所述多个电子元件上置放了各自对应的重物的状态下，进行焊 锡的加热及熔化；以及在将所述重物保持在对应的保持部上的状态下，将所述多个重物 同时爿yv所述压紧位置向所述离开位置移动，以使所述多个重物的位置 关系保持在这些重物压紧所述电子元件时的位置关系。
11. 如权利要求9或权利要求IO所述的锡焊方法，其特征在于 所述重物设有通路，该通路在可接触所述电子元件的重物的压紧面上开口 ，可将所述通路连接到负压源上的连接部设置在所述压紧面 以外的重物的部位，所述方法还包括如下步骤通过使由所述负压源产生的负压作用在所述通路上，在所述重物的压紧面上吸附所述焊锡或所述电子元件；在压紧面上吸附着所述焊锡或所述电子元件的状态下，使该焊锡 或电子元件移动至所述"^合部。
12. 如权利要求8-权利要求11中任一项所述的锡焊方法，其特 征在于在容器内进行所述锡焊；用配置在所述容器内的驱动装置，使所述重物与所述重物保持夹 具一起从所述压紧位置向所述离开位置移动。
13. 如权利要求1 权利要求12中任一项所述的锡焊方法，其特 征在于还包括用电磁感应作用使所述重物发热，将该重物的热通过所述电子元 件传到所述焊锡。
14. 如权利要求1-权利要求13中任一项所述的焊锡方法，其特 征在于通过将表面上有金属回路的陶瓷基板固定在设有冷媒流路的金属 制的散热器上，形成所述电路基板。
15. 如权利要求14所述的锡焊方法，其特征在于还包括 作为所述散热器，使用铝制或铜制的散热器。
16. —种制造方法，在设于电路基板上的接合部上锡焊电子元件 的接合面而构成的半导体才莫块的制造方法中，其特征在于包括在所述电路基板的所述接合部上夹着焊锡置放所述电子元件； 在所述电子元件上置放重物；一边用所述重物将所述电子元件向所述电路基板压紧， 一边使所 述焊锡加热并使之熔化；以及流散的时刻后、所述焊锡的温度处于高温期间内，使所述重物从所述 电子元件离开。
17. 如^5L利要求16所述的制造方法，其特征在于从所述熔化的焊锡在所述接合部与所述电子元件的接合面之间浸 润流散的时刻起，到所述熔化的焊锡凝固后、所述焊锡的温度为高温 的时刻的期间，使所述重物/人所述电子元件离开。
18. —种在设于电路基板上的多个接合部上分别锡焊电子元件的 锡焊装置，其特征在于设有在所迷电路基板的多个接合部上夹着焊锡分别置放所述电子元件 的状态下，其内收容电路基板的容器；为将所述电子元件向所述电^各基板压紧、分别置^c在所述电子元 件上的多个重物；设置在所述容器内，定位地支持所述电路基板的支持部；配置在所述支持部的上方，可在与所述支持部上的所述电路基板 的所述接合部各自对置的位置上保持所述重物的重物保持夹具；设置在所述容器内、驱动所述保持夹具的驱动装置，将保持在所 述重物保持夹具上的所述重物，在可压紧位于所述支持部上的所述电 路基板上的电子元件的压紧位置和从所述电子元件离开的离开位置之 间移动；以及加热所述焊锡并使之熔化的加热装置。
全文摘要
一种将电子元件锡焊在电路基板上的锡焊方法，其中包括在电路基板(11)的接合部(13)上夹着焊锡(H)置放电子元件(12)；在电子元件上置放重物(35)；一边用重物将电子元件向电路基板压紧，一边加热焊锡并使之熔化。从熔化的焊锡在接合部与电子元件的接合面之间浸润流散的时刻起，到熔化的焊锡凝固后、焊锡温度处于高温的时刻的期间，使重物从电子元件离开。
文档编号H01L21/52GK101317501SQ20068004444
公开日2008年12月3日 申请日期2006年12月27日 优先权日2005年12月28日
发明者金原雅彦 申请人:株式会社丰田自动织机