ガス発生装置、はんだ接合装置およびはんだ接合方法
【目的】高濃度のカルボン酸含有ガスを供給できるガス発生装置を備えるはんだ接合装置を提供する。
【解決手段】ガス発生装置２０が、容器２１と、容器２１に形成された送液管２３および送気管２４と、カルボン酸２２およびキャリアガスを含むカルボン酸含有ガス２５を容器２１外へ供給するため形成されたガス取り出し部２６と、カルボン酸２２の温度を制御するため容器２１の外側に設置された温度制御手段２７と、カルボン酸２２の液面２２ａを検知する液面検知手段２８とを備える。
【解決手段】ガス発生装置２０が、容器２１と、容器２１に形成された送液管２３および送気管２４と、カルボン酸２２およびキャリアガスを含むカルボン酸含有ガス２５を容器２１外へ供給するため形成されたガス取り出し部２６と、カルボン酸２２の温度を制御するため容器２１の外側に設置された温度制御手段２７と、カルボン酸２２の液面２２ａを検知する液面検知手段２８とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カルボン酸含有ガスを供給するためのガス発生装置、このガス発生装置を備えるはんだ接合装置、および、このはんだ接合装置を用いるはんだ接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置等の被接合物をはんだ接合する方法としてカルボン酸を含むガスにより被接合物表面を還元して接合する方法、および、この方法に用いるはんだ接合装置が知られている。カルボン酸を含むガスは主にカルボン酸とキャリアガスとを含んでいる。はんだ接合装置は、カルボン酸含有ガスを発生するためのガス発生装置と、ガス発生装置から供給されるカルボン酸含有ガスにより被接合物表面を還元し、次いではんだ接合するリフロー炉とを少なくとも備えている。
【０００３】
このようなはんだ接合方法およびはんだ接合装置に関し、例えば、下記特許文献１には、ジケトンの蒸気と、カルボン酸の蒸気、不活性ガス、還元性ガス等を含む雰囲気下ではんだ付けを行う方法、および、ジケトンとカルボン酸との混合液を貯溜するバブリング槽を備えるはんだ付け装置が記載されている。
【０００４】
また、下記特許文献２には、導電部材と半導体装置とをはんだ材を介して組み立てた半導体部品を、ギ酸蒸気を含む不活性ガス雰囲気下で還元する半導体部品の製造方法が記載されている。
【０００５】
さらに、下記特許文献３には、基板上に形成されたはんだバンプを加熱溶融して基板と電子部品とを接合するリフロー装置と、このリフロー装置に還元剤を供給する還元剤供給部とを備えるリフロー装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−１６４１４１号公報（段落００２８〜００４４、図１）
【特許文献２】特開２０１０−１１４１９７号公報（段落００１０〜００２６、図１〜３）
【特許文献３】特開２０１１−６０８５６号公報（段落００１２〜００１７、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、カルボン酸をバブリングしてカルボン酸含有ガスを発生する従来のガス発生装置には、カルボン酸のガス中含有量を制御し、高濃度のカルボン酸を含有するガスを発生させ、リフロー炉に短時間に供給する機能は設けられていなかった。
【０００８】
例えば、カルボン酸のひとつで、はんだ接合時の還元処理に用いられている蟻酸の蒸発量は２０℃で０．００３ｇ／ｍｉｎ／ｃｍ２程度と少量であるので、室温雰囲気で蟻酸をバブリングして高濃度の蟻酸含有ガスを発生させ、実用レベルの容積の大きなリフロー炉を短時間で満たすことは難しかった。また、このようなガス発生装置においてはカルボン酸の蒸発量が環境の温度とともに変動するので、カルボン酸含有ガスのカルボン酸含有量を一定に保つことが困難であった。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、前記の課題を解決して、カルボン酸をキャリアガスと混合してカルボン酸含有ガスを発生するガス発生装置であって、高濃度のカルボン酸を含有するガスを発生させることができるとともに、カルボン酸含有量を一定に保つことができるガス発生装置、このガス発生装置を備えるはんだ接合装置、および、このガス発生装置を用いるはんだ接合方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のはんだ接合装置は、上記問題を解決するために、積層体の還元処理およびはんだ接合に用いる加熱手段を備えるリフロー炉と、前記リフロー炉内にカルボン酸含有ガスを供給するためのガス発生装置と、を少なくとも備える。前記ガス発生装置は、両端面が塞がれた筒状形状の容器と、カルボン酸を前記容器内に供給するため前記容器に固定された送液管と、キャリアガスを前記容器内に供給し、前記カルボン酸に吹き込むため前記容器に固定された送気管と、前記カルボン酸および前記キャリアガスを含み前記容器内で発生する前記カルボン酸含有ガスを前記容器外へ供給するため前記容器内に開口している開口部を備えるガス取り出し部と、前記容器内に供給される前記カルボン酸の温度を制御するため前記容器に設置された温度制御手段と、前記容器内に供給される前記カルボン酸の液面を検知して、当該液面と前記開口部の間の距離を制御するため、前記容器に設置された液面検知手段と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
このように、容器内に供給されるカルボン酸は、送気管から供給されるキャリアガスによりバブリングされ、温度制御手段により温度を制御され、さらに、液面検知手段によりその液面と容器に形成された開口部との間の距離が制御される。この容器内で発生したカルボン酸含有ガスがリフロー炉内に供給される。
【００１２】
また、本発明のガス発生装置は、積層体のはんだ接合に用いるリフロー炉にカルボン酸含有ガスを供給するためのガス発生装置であって、両端面が塞がれた筒状形状の容器と、カルボン酸を前記容器内に供給するため前記容器に固定された送液管と、キャリアガスを前記容器内に供給し、前記カルボン酸に吹き込むため前記容器に固定された送気管と、前記カルボン酸および前記キャリアガスを含み前記容器内で発生する前記カルボン酸含有ガスを前記容器外へ供給するため前記容器内に開口している開口部を備えるガス取り出し部と、前記容器内に供給される前記カルボン酸の温度を制御するため前記容器に設置された温度制御手段と、前記容器内に供給される前記カルボン酸の液面を検知して、当該液面と前記開口部の間の距離を制御するため、前記容器に設置された液面検知手段と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
このように、容器内に供給されるカルボン酸は、送気管から供給されるキャリアガスによりバブリングされ、温度制御手段により温度を制御され、さらに、液面検知手段によりその液面と容器に形成された開口部との間の距離が制御される。
【００１４】
さらに、本発明の積層体のはんだ接合方法は、少なくとも２つの被接合部材間にはんだ部材が挟まれた積層体をリフロー炉内に配置する配置工程と、前記リフロー炉へカルボン酸含有ガスを供給するためのガス発生装置において、カルボン酸にキャリアガスを吹き込み前記カルボン酸含有ガスを発生するガス発生工程と、前記カルボン酸含有ガスを前記リフロー炉に供給するとともに、当該リフロー炉内に配置した前記積層体を加熱して当該積層体を還元する還元工程と、前記リフロー炉内において前記積層体のはんだ接合を行う接合工程と、を備える。前記ガス発生装置が、両端面が塞がれた筒状形状の容器と、カルボン酸を前記容器内に供給するため前記容器に固定された送液管と、キャリアガスを前記容器内に供給するため前記容器に固定された送気管と、前記カルボン酸および前記キャリアガスを含み前記容器内で発生する前記カルボン酸含有ガスを前記容器外へ供給するため前記容器内に開口している開口部を備えるガス取り出し部と、前記容器内に供給される前記カルボン酸の温度を制御するため前記容器に設置された温度制御手段と、前記容器内に供給される前記カルボン酸の液面を検知して、当該液面と前記開口部の間の距離を制御するため、前記容器に設置された液面検知手段と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
このように、ガス発生工程において、容器内に供給されるカルボン酸は、送気管から供給されるキャリアガスによりバブリングされ、温度制御手段により温度を制御され、さらに、液面検知手段によりその液面と容器に形成された開口部との間の距離が制御される。容器内で発生したカルボン酸含有ガスは、還元工程において、リフロー炉内に供給され、加熱された被接合部材表面を還元する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ガス発生装置が容器内に供給されるカルボン酸の温度制御手段および液面検知手段を備え、高濃度で一定の含有量に保たれたカルボン酸含有ガスを発生させ、供給することができるので、短時間で積層体をはんだ接合できるはんだ接合装置を提供することができる。
【００１７】
また、本発明によれば、容器内に供給されるカルボン酸の温度制御手段および液面検知手段を備えることにより、高濃度のカルボン酸を含有するガスを発生させることができるとともに、カルボン酸含有量を一定に保ち、供給することができるガス発生装置を提供することができる。
【００１８】
さらに、本発明によれば、ガス発生工程において、容器内に供給されるカルボン酸の温度制御手段および液面検知手段を備えるガス発生装置により、高濃度で一定の含有量に保たれたカルボン酸含有ガスを発生させ、リフロー炉に供給することができるので、還元工程において短時間で十分に積層体の被接合部材表面を還元することができ、短時間ではんだ接合できる接合方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態に係る積層体の模式的側面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るガス発生装置の模式的断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るはんだ接合装置の模式的系統図である。
【図４】本発明の実施の形態に係るはんだ接合方法の工程図である。
【図５】本発明の実施例に係る蟻酸の温度と蒸発量の関係を示す表である。
【図６】本発明の実施例に係る蟻酸の温度とバッファタンク内の蟻酸濃度の関係を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に添付図面を参照して、本発明にかかる半導体装置およびその製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。
（積層体）
図１は、本発明の実施の形態に係る積層体の模式的側面図である。
【００２１】
積層体１は、金属ベース２と、絶縁基板３および絶縁基板の両面に接合された回路パターン４、５を有する導電パターン付き絶縁基板６と、回路パターン４上の電子部品７、８とを備えている。金属ベース２と導電パターン付き絶縁基板６の間にはんだ部材９が、導電パターン付き絶縁基板６と電子部品７、８の間にはんだ部材１０が、それぞれ挟まれている。
【００２２】
金属ベース２は、例えば銅、銅合金、アルミニウムあるいはアルミニウム合金からなる。導電パターン付き絶縁基板６は、例えば、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムあるいは窒化珪素等のセラミックスからなる絶縁基板３と、銅もしくは銅合金からなる回路パターン４、５とを接合したものである。回路パターン４、５の表面にはＮｉめっき等が施されていてもよい。電子部品７、８は、例えばシリコン基板を用いて製造されたＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ（Insulated Gate-Bipolar Transistor）やＦＷＤ（Free Wheeling Diode）等の半導体素子である。炭化珪素（シリコンカーバイド）を基板に用いた半導体素子でもよい。はんだ部材９、１０は、公知のＳｎ−Ａｇ系はんだ、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだやＳｎ−Ｐｂはんだであり、その形態ははんだ板もしくはペーストはんだである。はんだ部材９とはんだ部材１０は同じ材料であっても異なっていてもよい。
（ガス発生装置）
図２は、本発明の実施の形態に係るガス発生装置の模式的断面図である。
【００２３】
ガス発生装置２０は、カルボン酸２２を貯留し、カルボン酸含有ガス２５を発生してリフロー炉に供給するために使用される。ガス発生装置２０は、容器２１と、容器２１に形成された送液管２３および送気管２４と、カルボン酸２２およびキャリアガス（図示せず）を含むカルボン酸含有ガス２５を容器２１外へ供給するため形成されたガス取り出し部２６と、カルボン酸２２の温度を制御するため容器２１の外側に設置された温度制御手段２７と、カルボン酸２２の液面２２ａを検知する液面検知手段２８と、を備えている。
【００２４】
容器２１は、送液管２３により外部から供給されるカルボン酸２２を貯留し、カルボン酸２２を加熱し、カルボン酸２２の蒸気とキャリアガスを混合してカルボン酸含有ガス２５を発生する空間を提供するものである。容器２１には、耐酸性、耐熱性および耐圧性を備える公知のものを用いることができる。例えば、耐酸性に優れたステンレス性容器や、ステンレス本体の内面にフッ素樹脂コーティングを施した容器を用いることができる。容器２１の形状は、任意のものでよいが、内側の断面積が底部から上部まで略一定のものが、カルボン酸２２の蒸発量を制御する点で好ましい。例えば、円筒形状が好ましい。
【００２５】
カルボン酸２２として、例えば蟻酸（沸点１０１℃）、酢酸（沸点１１９℃）等を用いることができ、蟻酸は還元性示し、不燃性であり、フラックスを用いない洗浄不要のはんだ接合を可能にすることから好ましい。特に、濃度９０〜９８ｗｔ％程度の蟻酸の水溶液が入手の容易性から好ましく用いられる。キャリアガスとしては、例えば窒素、水素やアルゴン等の希ガスが用いられ、特に窒素ガスが好ましく用いられる。
【００２６】
送液管２３は、カルボン酸２２を外部タンクから容器２１内に供給するため、容器２１を貫通して設けられている。送液管２３の開口部２３ａは、容器２１内に供給されるカルボン酸２２に常に浸漬するよう、容器２１の底部に配置される。開口部２３ａの形状は任意であるが、カルボン酸２２の対流を生じさせるようにカルボン酸２２を供給できるものが好ましい。
【００２７】
送気管２４は、キャリアガスを外部ボンベから容器２１内に供給するため、容器２１を貫通して設けられている。送気管２４の開口部２４ａは、容器２１内に供給されるカルボン酸２２に浸漬するよう、容器２１の底部に配置されている。開口部２４ａからカルボン酸２２内に噴き出されたキャリアガスは、カルボン酸２２を撹拌し、泡立たせて（バブリングして）カルボン酸２２の蒸発を促進し、カルボン酸２２と混合してカルボン酸含有ガス２５となる。開口部２４ａはキャリアガスがシャワー状に噴き出すよう、容器２１の底部に沿って複数形成されているとよい。
【００２８】
ガス取り出し部２６は、容器２１内で発生するカルボン酸含有ガス２５を容器２１外へ供給するため容器２１を貫通して設けられており、その開口部２６ａが容器２１内へ開口している。
【００２９】
温度制御手段２７は、容器２１内に供給されるカルボン酸２２の温度を制御するため容器２１本体に設置されている。温度制御手段２７は、例えば電気ヒーターや恒温槽等の公知の加熱手段２７ａと、熱電対等の公知の温度計測手段２７ｂとを備え、外部の制御装置によりカルボン酸２２の温度を調整する。温度調整の範囲は、カルボン酸２２の融点もしくは室温から沸点の間の範囲である。加熱手段２７ａは、容器２１本体のほか、ガス発生装置２０に接続される配管にも設置されてもよい。
【００３０】
液面検知手段２８は、容器２１内に供給されるカルボン酸２２の液面２２ａを検知して、液面２２ａと開口部２６ａの間の距離ｄを制御するため容器２１本体に設置されている。液面検知手段２８は、公知の手段により構成することができ、液面センサー２８ａと液面モニター用配管２８ｂにより構成され、外部の制御装置と連動して送液管２３から供給されるカルボン酸の量を調整し、液面２２ａと開口部２６ａの間の距離ｄを制御する。液面センサー２８ａとしては、カルボン酸２２とカルボン酸含有ガス２５の境界を検知できる公知の各種レベルセンサーを用いることができ、例えばレーザー式センサーが用いられる。また、液面モニター用配管２８ｂは例えば透明フッ素樹脂からなり、容器２１の上部と下部に連通するよう取り付けられている。
【００３１】
さらに、液面検知手段２８は、カルボン酸２２の液面２２ａと開口部２６ａの間の距離ｄを、容器の深さＤの３分の１以上、３分の２以下の範囲に保つように設置されていることが好ましい。さらに、例えば容器２１が円筒形の場合、距離ｄが容器２１内面の直径の４分の１以上であると好ましい。液面２２ａと開口部２６ａが近すぎると、液面２２ａの有効な面積が減り、高濃度のカルボン酸含有ガス２５を発生することができない。カルボン酸２２の上方に十分な空間を設けることにより、その蒸気が均一に分散してキャリアガスと混合し、高濃度のカルボン酸含有ガス２５を発生させることができる。また、距離ｄを、容器の深さＤの３分の２以上になると、送液管２３の開口部２３ａや送気間２４の開口部２４ａがカルボン酸２２に浸かっていない状態となり好ましくない。
【００３２】
なお、容器２１内の圧力は、大気圧に対して陽圧、例えば１．０×１０５Ｐａ〜１．１×１０５Ｐａの範囲の一定圧力に保たれる。圧力の制御はブルドン管等の圧力計２９と制御装置よって実施される。
【００３３】
図５は、ガス発生装置２０の一実施例により蟻酸を蒸発させたときの蒸発量の測定結果をまとめたものである。容器２１には内径２００ｍｍ（φ２００ｍｍ）で開口（液面）面積が３１４．２ｃｍ２の円筒形のものを用いた。測定時の圧力は大気圧である。この結果から、ガス発生装置２０を用いて蟻酸を直接加熱し、温度制御することにより、蟻酸の蒸発量を制御できることが分かる。
【００３４】
以上に説明したガス発生装置２０は、従来公知の方法により製造することができる。
このように、ガス発生装置２０では、容器２１内に供給されるカルボン酸２２が、送気管２４から供給されるキャリアガスによりバブリングされ、温度制御手段２７ａ、２７ｂにより温度を制御され、さらに、液面検知手段２８ａ、２８ｂによりその液面と容器２１に形成された開口部２６ａとの間の距離ｄが制御される。この結果、カルボン酸２２とキャリアガスが均一に混合する空間が容器２１内に確保されるので、高濃度のカルボン酸を含有するガスを発生させることができるとともに、カルボン酸含有量を一定に保ち、供給することができるガス発生装置２０を提供することができる。
【００３５】
さらに、液面検知手段２８ａ、２８ｂが、カルボン酸２２の液面２２ａと開口部２６ａの間の距離ｄを、容器２１の深さＤの３分の１以上、３分の２以下に保つように設置されているので、高濃度のカルボン酸含有ガスを安定に供給することができるガス発生装置２０を提供することができる。
（はんだ接合装置）
図３は、本発明の実施の形態に係るはんだ接合装置の模式的系統図である。
【００３６】
はんだ接合装置５０は、カルボン酸含有ガスを供給するためのガス発生装置２０と、積層体１が配置される加熱手段を備えるリフロー炉３０とを少なくとも備え、積層体１の還元処理およびはんだ接合に用いられる。はんだ接合装置５０は、さらにバッファタンク４０と、キャリアガスボンベ４１、４２と、カルボン酸貯留タンク４３とを備える。
【００３７】
ガス発生装置２０は、上記で説明した装置である。ガス発生装置２０の送液管２３にはカルボン酸貯留タンク４３が配管およびマスフローコントローラー４３ａを介して接続されている。また、送気管２４にはキャリアガスボンベ４１が配管およびマスフローコントローラー４１ａを介して接続されている。ガス発生装置２０のガス取り出し部２６は配管およびマスフローコントローラー２０ａを介してバッファタンク４０に接続されている。
【００３８】
リフロー炉３０は、例えば炉本体とこれにパッキンを介して被せられ、炉内部を気密状態に保つ蓋体を備える。リフロー炉３０は、炉内にカルボン酸含有ガスを供給するための配管およびマスフローコントローラー４０ａを介してバッファタンク４０に接続されている。リフロー炉３０には積層体１を加熱するためのヒータを備えた熱板３１が配置されている。この他、リフロー炉３０には炉内の圧力を制御するためのポンプ３２と、炉内に窒素ガス等を供給するための配管（図示せず）と、排気口（図示せず）が設けられている。また、リフロー炉３０内にはんだ接合後の積層体１を冷却するための冷却板を設けてもよい。
【００３９】
バッファタンク４０には、タンク内の圧力を調整するポンプ４５と、配管およびマスフローコントローラー４２ａを介してキャリアガスボンベ４２とがそれぞれ接続されている。バッファタンク４０は、ガス発生装置２０から供給されるカルボン酸含有ガス２５とキャリアガスボンベ４２から供給されるキャリアガスを所定の濃度となるよう混合して、貯留し、リフロー炉３０内へ供給する。
【００４０】
なお、上記の各マスフローコントローラーは制御装置によりカルボン酸、キャリアガスおよびカルボン酸含有ガスの流量を制御する。マスフローコントローラーに代えて、弁と流量計を用いてもよい。
【００４１】
上記において一実施例として説明したガス発生装置２０を容量が５０リットルのバッファタンク４０に接続し、蟻酸の温度を８０℃として蟻酸含有ガスを発生し、総流量が２００リットル／ｍｉｎとなるよう窒素と混合したところ、濃度１．８１ｖｏｌ％の蟻酸含有ガスをバッファタンク４０に１５秒で充填できた。また、総流量を１００リットル／ｍｉｎとしたところ、濃度３．５３ｖｏｌ％の蟻酸含有ガスを３０秒で充填できた。ガス発生装置２０に吹き込む窒素の流量をいずれも１５リットル／ｍｉｎとした。
【００４２】
図６は、この実施例において、総流量を１６５リットル／ｍｉｎとしたときの、蟻酸の温度と、ガス発生装置２０の出口およびバッファタンク４０での蟻酸濃度との関係を示す表である。蟻酸の温度を８０℃としたときのバッファタンク４０での蟻酸濃度は２．１８ｖｏｌ％である。ガス発生装置２０に吹き込む窒素の流量を１５リットル／ｍｉｎ、バッファタンク４０にキャリアガスボンベ４２から供給する窒素の流量を１５０リットル／ｍｉｎとした。
【００４３】
以上に説明したはんだ接合装置５０は、従来公知の方法により製造することができる。
このように、はんだ接合装置５０では、ガス発生装置２０の容器２１内に供給されるカルボン酸２２が、送気管２４から供給されるキャリアガスによりバブリングされ、温度制御手段２７ａ、２７ｂにより温度を制御され、さらに、液面検知手段２８ａ、２８ｂによりその液面２２ａと容器２１に形成された開口部２６ａとの間の距離ｄが制御される。この結果、カルボン酸２２とキャリアガスが均一に混合する空間が容器２１内に確保され、高濃度で一定の含有量に保たれたカルボン酸含有ガス２５をリフロー炉３０に供給することができるので、短時間で積層体１をはんだ接合できるはんだ接合装置５０を提供することができる。
【００４４】
さらに、ガス発生装置２０の液面検知手段２８ａ、２８ｂが、カルボン酸２２の液面２２ａと開口部２６ａの間の距離ｄを、容器２１の深さＤの３分の１以上、３分の２以下に保つように設置されているので、高濃度のカルボン酸含有ガスを安定にリフロー炉３０に供給することができるはんだ接合装置５０を提供することができる。
（はんだ接合方法）
図４は、本発明の実施の形態に係るはんだ接合方法の工程図である。このはんだ接合方法は、上記のはんだ接合装置５０により実施することができる。
【００４５】
はんだ接合方法は、上記の積層体１をリフロー炉３０内に配置する配置工程（Ｓ１）と、ガス発生装置２０において、カルボン酸２２をキャリアガスでバブリングしカルボン酸含有ガス２５を発生するガス発生工程（Ｓ２）と、カルボン酸含有ガス２５をリフロー炉３０に供給するとともに、リフロー炉３０内に配置した積層体１を加熱して還元処理する還元工程（Ｓ３）と、リフロー炉３０内において積層体１のはんだ接合を行う接合工程（Ｓ４）とを少なくとも備え、さらに、積層体１を冷却する冷却工程（Ｓ５）と、積層体１をはんだ接合装置５０から取り出す工程（Ｓ６）とを備える。
【００４６】
配置工程（Ｓ１）では、上記の積層体１をリフロー炉３０内の熱板３１に配置する。
ガス発生工程（Ｓ２）では、ガス発生装置２０から供給されるカルボン酸含有ガス２５を、必要に応じてバッファタンク４０内でキャリアガスと混合、希釈してリフロー炉３０に供給する。カルボン酸として蟻酸を用い、ＩＧＢＴ等の半導体素子を含む積層体１を還元処理するときは、蟻酸の濃度を３〜５ｖｏｌ％とすることが望ましい。
【００４７】
還元工程（Ｓ３）では、例えばリフロー炉４０内の圧力を０．８×１０５Ｐａに調整しながらカルボン酸含有ガスを供給し、積層体１を２００℃程度に加熱して、積層体１の表面を還元処理する。還元処理の所要時間は、濃度３〜５ｖｏｌ％の蟻酸を用いた場合、６０〜２４０秒である。
【００４８】
続く接合工程（Ｓ４）では、積層体１を２５０〜２９０℃程度に加熱し、はんだ部材を溶融する。加熱温度と時間ははんだ部材の種類、積層体の構成により適宜選択される。また、接合工程中のリフロー炉３０内の雰囲気は、例えば圧力を０．８×１０５Ｐａに調整されたカルボン酸含有ガス、窒素あるいは水素である。
【００４９】
冷却工程（Ｓ５）では、例えば窒素雰囲気において、積層体１を冷却板等に移動し冷却する。冷却の速度は例えば３００℃／ｍｉｎであり、積層体１の温度がたとえば５０〜６０℃になったら、リフロー炉３０の排気が開始され、積層体１が取り出される（Ｓ６）。
【００５０】
以上のはんだ接合方法においては、ガス発生工程（Ｓ２）において、ガス発生装置２０を用い高濃度のカルボン酸含有ガス２５を発生させることを除いて、公知の工程を用いることができる。
【００５１】
上記において一実施例として説明したガス発生装置２０を用いた場合、所定の高濃度の蟻酸含有ガスをリフロー炉３０に短時間で、安定して、供給することができた。
このように、本発明の実施の形態に係るはんだ接合方法では、ガス発生工程（Ｓ２）において、容器２１内に供給されるカルボン酸２２が、送気管２４から供給されるキャリアガスによりバブリングされ、温度制御手段２７ａ、２７ｂにより温度を制御され、さらに、液面検知手段２８ａ、２８ｂによりその液面２２ａと容器２１に形成された開口部２６ａとの間の距離ｄが制御される。容器２１内で発生したカルボン酸含有ガス２５は、還元工程（Ｓ３）において、リフロー炉３０内に供給され、加熱された被接合部材表面を還元する。ガス発生工程（Ｓ２）において、高濃度で一定の含有量に保たれたカルボン酸含有ガス２５を発生させ、リフロー炉３０に供給することができるので、還元工程（Ｓ３）において短時間で十分に積層体１の被接合部材表面を還元することができ、短時間ではんだ接合できる接合方法を提供することができる。
【００５２】
なお、上述した実施の形態は、本発明を具体化した例を示すものであり、したがって本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を外れることなく種々の変形が可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００５３】
１ 積層体
２ 金属ベース
３ 絶縁基板
４、５ 回路パターン
６ 導電パターン付き絶縁基板
７、８ 電子部品
９、１０ はんだ部材
２０ ガス発生装置
２１ 容器
２２ カルボン酸
２２ａ 液面
２３ 送液管
２４ 送気管
２５ カルボン酸含有ガス
２６ ガス取り出し部
２６ａ 開口部
２７ 温度制御手段
２８ 液面検知手段
３０ リフロー炉
３１ 熱板
４０ バッファタンク
４１、４２ キャリアガスタンク
４３ カルボン酸貯留タンク
５０ はんだ接合装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カルボン酸含有ガスを供給するためのガス発生装置、このガス発生装置を備えるはんだ接合装置、および、このはんだ接合装置を用いるはんだ接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置等の被接合物をはんだ接合する方法としてカルボン酸を含むガスにより被接合物表面を還元して接合する方法、および、この方法に用いるはんだ接合装置が知られている。カルボン酸を含むガスは主にカルボン酸とキャリアガスとを含んでいる。はんだ接合装置は、カルボン酸含有ガスを発生するためのガス発生装置と、ガス発生装置から供給されるカルボン酸含有ガスにより被接合物表面を還元し、次いではんだ接合するリフロー炉とを少なくとも備えている。
【０００３】
このようなはんだ接合方法およびはんだ接合装置に関し、例えば、下記特許文献１には、ジケトンの蒸気と、カルボン酸の蒸気、不活性ガス、還元性ガス等を含む雰囲気下ではんだ付けを行う方法、および、ジケトンとカルボン酸との混合液を貯溜するバブリング槽を備えるはんだ付け装置が記載されている。
【０００４】
また、下記特許文献２には、導電部材と半導体装置とをはんだ材を介して組み立てた半導体部品を、ギ酸蒸気を含む不活性ガス雰囲気下で還元する半導体部品の製造方法が記載されている。
【０００５】
さらに、下記特許文献３には、基板上に形成されたはんだバンプを加熱溶融して基板と電子部品とを接合するリフロー装置と、このリフロー装置に還元剤を供給する還元剤供給部とを備えるリフロー装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−１６４１４１号公報（段落００２８〜００４４、図１）
【特許文献２】特開２０１０−１１４１９７号公報（段落００１０〜００２６、図１〜３）
【特許文献３】特開２０１１−６０８５６号公報（段落００１２〜００１７、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、カルボン酸をバブリングしてカルボン酸含有ガスを発生する従来のガス発生装置には、カルボン酸のガス中含有量を制御し、高濃度のカルボン酸を含有するガスを発生させ、リフロー炉に短時間に供給する機能は設けられていなかった。
【０００８】
例えば、カルボン酸のひとつで、はんだ接合時の還元処理に用いられている蟻酸の蒸発量は２０℃で０．００３ｇ／ｍｉｎ／ｃｍ２程度と少量であるので、室温雰囲気で蟻酸をバブリングして高濃度の蟻酸含有ガスを発生させ、実用レベルの容積の大きなリフロー炉を短時間で満たすことは難しかった。また、このようなガス発生装置においてはカルボン酸の蒸発量が環境の温度とともに変動するので、カルボン酸含有ガスのカルボン酸含有量を一定に保つことが困難であった。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、前記の課題を解決して、カルボン酸をキャリアガスと混合してカルボン酸含有ガスを発生するガス発生装置であって、高濃度のカルボン酸を含有するガスを発生させることができるとともに、カルボン酸含有量を一定に保つことができるガス発生装置、このガス発生装置を備えるはんだ接合装置、および、このガス発生装置を用いるはんだ接合方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のはんだ接合装置は、上記問題を解決するために、積層体の還元処理およびはんだ接合に用いる加熱手段を備えるリフロー炉と、前記リフロー炉内にカルボン酸含有ガスを供給するためのガス発生装置と、を少なくとも備える。前記ガス発生装置は、両端面が塞がれた筒状形状の容器と、カルボン酸を前記容器内に供給するため前記容器に固定された送液管と、キャリアガスを前記容器内に供給し、前記カルボン酸に吹き込むため前記容器に固定された送気管と、前記カルボン酸および前記キャリアガスを含み前記容器内で発生する前記カルボン酸含有ガスを前記容器外へ供給するため前記容器内に開口している開口部を備えるガス取り出し部と、前記容器内に供給される前記カルボン酸の温度を制御するため前記容器に設置された温度制御手段と、前記容器内に供給される前記カルボン酸の液面を検知して、当該液面と前記開口部の間の距離を制御するため、前記容器に設置された液面検知手段と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
このように、容器内に供給されるカルボン酸は、送気管から供給されるキャリアガスによりバブリングされ、温度制御手段により温度を制御され、さらに、液面検知手段によりその液面と容器に形成された開口部との間の距離が制御される。この容器内で発生したカルボン酸含有ガスがリフロー炉内に供給される。
【００１２】
また、本発明のガス発生装置は、積層体のはんだ接合に用いるリフロー炉にカルボン酸含有ガスを供給するためのガス発生装置であって、両端面が塞がれた筒状形状の容器と、カルボン酸を前記容器内に供給するため前記容器に固定された送液管と、キャリアガスを前記容器内に供給し、前記カルボン酸に吹き込むため前記容器に固定された送気管と、前記カルボン酸および前記キャリアガスを含み前記容器内で発生する前記カルボン酸含有ガスを前記容器外へ供給するため前記容器内に開口している開口部を備えるガス取り出し部と、前記容器内に供給される前記カルボン酸の温度を制御するため前記容器に設置された温度制御手段と、前記容器内に供給される前記カルボン酸の液面を検知して、当該液面と前記開口部の間の距離を制御するため、前記容器に設置された液面検知手段と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
このように、容器内に供給されるカルボン酸は、送気管から供給されるキャリアガスによりバブリングされ、温度制御手段により温度を制御され、さらに、液面検知手段によりその液面と容器に形成された開口部との間の距離が制御される。
【００１４】
さらに、本発明の積層体のはんだ接合方法は、少なくとも２つの被接合部材間にはんだ部材が挟まれた積層体をリフロー炉内に配置する配置工程と、前記リフロー炉へカルボン酸含有ガスを供給するためのガス発生装置において、カルボン酸にキャリアガスを吹き込み前記カルボン酸含有ガスを発生するガス発生工程と、前記カルボン酸含有ガスを前記リフロー炉に供給するとともに、当該リフロー炉内に配置した前記積層体を加熱して当該積層体を還元する還元工程と、前記リフロー炉内において前記積層体のはんだ接合を行う接合工程と、を備える。前記ガス発生装置が、両端面が塞がれた筒状形状の容器と、カルボン酸を前記容器内に供給するため前記容器に固定された送液管と、キャリアガスを前記容器内に供給するため前記容器に固定された送気管と、前記カルボン酸および前記キャリアガスを含み前記容器内で発生する前記カルボン酸含有ガスを前記容器外へ供給するため前記容器内に開口している開口部を備えるガス取り出し部と、前記容器内に供給される前記カルボン酸の温度を制御するため前記容器に設置された温度制御手段と、前記容器内に供給される前記カルボン酸の液面を検知して、当該液面と前記開口部の間の距離を制御するため、前記容器に設置された液面検知手段と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
このように、ガス発生工程において、容器内に供給されるカルボン酸は、送気管から供給されるキャリアガスによりバブリングされ、温度制御手段により温度を制御され、さらに、液面検知手段によりその液面と容器に形成された開口部との間の距離が制御される。容器内で発生したカルボン酸含有ガスは、還元工程において、リフロー炉内に供給され、加熱された被接合部材表面を還元する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ガス発生装置が容器内に供給されるカルボン酸の温度制御手段および液面検知手段を備え、高濃度で一定の含有量に保たれたカルボン酸含有ガスを発生させ、供給することができるので、短時間で積層体をはんだ接合できるはんだ接合装置を提供することができる。
【００１７】
また、本発明によれば、容器内に供給されるカルボン酸の温度制御手段および液面検知手段を備えることにより、高濃度のカルボン酸を含有するガスを発生させることができるとともに、カルボン酸含有量を一定に保ち、供給することができるガス発生装置を提供することができる。
【００１８】
さらに、本発明によれば、ガス発生工程において、容器内に供給されるカルボン酸の温度制御手段および液面検知手段を備えるガス発生装置により、高濃度で一定の含有量に保たれたカルボン酸含有ガスを発生させ、リフロー炉に供給することができるので、還元工程において短時間で十分に積層体の被接合部材表面を還元することができ、短時間ではんだ接合できる接合方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態に係る積層体の模式的側面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るガス発生装置の模式的断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るはんだ接合装置の模式的系統図である。
【図４】本発明の実施の形態に係るはんだ接合方法の工程図である。
【図５】本発明の実施例に係る蟻酸の温度と蒸発量の関係を示す表である。
【図６】本発明の実施例に係る蟻酸の温度とバッファタンク内の蟻酸濃度の関係を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に添付図面を参照して、本発明にかかる半導体装置およびその製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。
（積層体）
図１は、本発明の実施の形態に係る積層体の模式的側面図である。
【００２１】
積層体１は、金属ベース２と、絶縁基板３および絶縁基板の両面に接合された回路パターン４、５を有する導電パターン付き絶縁基板６と、回路パターン４上の電子部品７、８とを備えている。金属ベース２と導電パターン付き絶縁基板６の間にはんだ部材９が、導電パターン付き絶縁基板６と電子部品７、８の間にはんだ部材１０が、それぞれ挟まれている。
【００２２】
金属ベース２は、例えば銅、銅合金、アルミニウムあるいはアルミニウム合金からなる。導電パターン付き絶縁基板６は、例えば、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムあるいは窒化珪素等のセラミックスからなる絶縁基板３と、銅もしくは銅合金からなる回路パターン４、５とを接合したものである。回路パターン４、５の表面にはＮｉめっき等が施されていてもよい。電子部品７、８は、例えばシリコン基板を用いて製造されたＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ（Insulated Gate-Bipolar Transistor）やＦＷＤ（Free Wheeling Diode）等の半導体素子である。炭化珪素（シリコンカーバイド）を基板に用いた半導体素子でもよい。はんだ部材９、１０は、公知のＳｎ−Ａｇ系はんだ、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだやＳｎ−Ｐｂはんだであり、その形態ははんだ板もしくはペーストはんだである。はんだ部材９とはんだ部材１０は同じ材料であっても異なっていてもよい。
（ガス発生装置）
図２は、本発明の実施の形態に係るガス発生装置の模式的断面図である。
【００２３】
ガス発生装置２０は、カルボン酸２２を貯留し、カルボン酸含有ガス２５を発生してリフロー炉に供給するために使用される。ガス発生装置２０は、容器２１と、容器２１に形成された送液管２３および送気管２４と、カルボン酸２２およびキャリアガス（図示せず）を含むカルボン酸含有ガス２５を容器２１外へ供給するため形成されたガス取り出し部２６と、カルボン酸２２の温度を制御するため容器２１の外側に設置された温度制御手段２７と、カルボン酸２２の液面２２ａを検知する液面検知手段２８と、を備えている。
【００２４】
容器２１は、送液管２３により外部から供給されるカルボン酸２２を貯留し、カルボン酸２２を加熱し、カルボン酸２２の蒸気とキャリアガスを混合してカルボン酸含有ガス２５を発生する空間を提供するものである。容器２１には、耐酸性、耐熱性および耐圧性を備える公知のものを用いることができる。例えば、耐酸性に優れたステンレス性容器や、ステンレス本体の内面にフッ素樹脂コーティングを施した容器を用いることができる。容器２１の形状は、任意のものでよいが、内側の断面積が底部から上部まで略一定のものが、カルボン酸２２の蒸発量を制御する点で好ましい。例えば、円筒形状が好ましい。
【００２５】
カルボン酸２２として、例えば蟻酸（沸点１０１℃）、酢酸（沸点１１９℃）等を用いることができ、蟻酸は還元性示し、不燃性であり、フラックスを用いない洗浄不要のはんだ接合を可能にすることから好ましい。特に、濃度９０〜９８ｗｔ％程度の蟻酸の水溶液が入手の容易性から好ましく用いられる。キャリアガスとしては、例えば窒素、水素やアルゴン等の希ガスが用いられ、特に窒素ガスが好ましく用いられる。
【００２６】
送液管２３は、カルボン酸２２を外部タンクから容器２１内に供給するため、容器２１を貫通して設けられている。送液管２３の開口部２３ａは、容器２１内に供給されるカルボン酸２２に常に浸漬するよう、容器２１の底部に配置される。開口部２３ａの形状は任意であるが、カルボン酸２２の対流を生じさせるようにカルボン酸２２を供給できるものが好ましい。
【００２７】
送気管２４は、キャリアガスを外部ボンベから容器２１内に供給するため、容器２１を貫通して設けられている。送気管２４の開口部２４ａは、容器２１内に供給されるカルボン酸２２に浸漬するよう、容器２１の底部に配置されている。開口部２４ａからカルボン酸２２内に噴き出されたキャリアガスは、カルボン酸２２を撹拌し、泡立たせて（バブリングして）カルボン酸２２の蒸発を促進し、カルボン酸２２と混合してカルボン酸含有ガス２５となる。開口部２４ａはキャリアガスがシャワー状に噴き出すよう、容器２１の底部に沿って複数形成されているとよい。
【００２８】
ガス取り出し部２６は、容器２１内で発生するカルボン酸含有ガス２５を容器２１外へ供給するため容器２１を貫通して設けられており、その開口部２６ａが容器２１内へ開口している。
【００２９】
温度制御手段２７は、容器２１内に供給されるカルボン酸２２の温度を制御するため容器２１本体に設置されている。温度制御手段２７は、例えば電気ヒーターや恒温槽等の公知の加熱手段２７ａと、熱電対等の公知の温度計測手段２７ｂとを備え、外部の制御装置によりカルボン酸２２の温度を調整する。温度調整の範囲は、カルボン酸２２の融点もしくは室温から沸点の間の範囲である。加熱手段２７ａは、容器２１本体のほか、ガス発生装置２０に接続される配管にも設置されてもよい。
【００３０】
液面検知手段２８は、容器２１内に供給されるカルボン酸２２の液面２２ａを検知して、液面２２ａと開口部２６ａの間の距離ｄを制御するため容器２１本体に設置されている。液面検知手段２８は、公知の手段により構成することができ、液面センサー２８ａと液面モニター用配管２８ｂにより構成され、外部の制御装置と連動して送液管２３から供給されるカルボン酸の量を調整し、液面２２ａと開口部２６ａの間の距離ｄを制御する。液面センサー２８ａとしては、カルボン酸２２とカルボン酸含有ガス２５の境界を検知できる公知の各種レベルセンサーを用いることができ、例えばレーザー式センサーが用いられる。また、液面モニター用配管２８ｂは例えば透明フッ素樹脂からなり、容器２１の上部と下部に連通するよう取り付けられている。
【００３１】
さらに、液面検知手段２８は、カルボン酸２２の液面２２ａと開口部２６ａの間の距離ｄを、容器の深さＤの３分の１以上、３分の２以下の範囲に保つように設置されていることが好ましい。さらに、例えば容器２１が円筒形の場合、距離ｄが容器２１内面の直径の４分の１以上であると好ましい。液面２２ａと開口部２６ａが近すぎると、液面２２ａの有効な面積が減り、高濃度のカルボン酸含有ガス２５を発生することができない。カルボン酸２２の上方に十分な空間を設けることにより、その蒸気が均一に分散してキャリアガスと混合し、高濃度のカルボン酸含有ガス２５を発生させることができる。また、距離ｄを、容器の深さＤの３分の２以上になると、送液管２３の開口部２３ａや送気間２４の開口部２４ａがカルボン酸２２に浸かっていない状態となり好ましくない。
【００３２】
なお、容器２１内の圧力は、大気圧に対して陽圧、例えば１．０×１０５Ｐａ〜１．１×１０５Ｐａの範囲の一定圧力に保たれる。圧力の制御はブルドン管等の圧力計２９と制御装置よって実施される。
【００３３】
図５は、ガス発生装置２０の一実施例により蟻酸を蒸発させたときの蒸発量の測定結果をまとめたものである。容器２１には内径２００ｍｍ（φ２００ｍｍ）で開口（液面）面積が３１４．２ｃｍ２の円筒形のものを用いた。測定時の圧力は大気圧である。この結果から、ガス発生装置２０を用いて蟻酸を直接加熱し、温度制御することにより、蟻酸の蒸発量を制御できることが分かる。
【００３４】
以上に説明したガス発生装置２０は、従来公知の方法により製造することができる。
このように、ガス発生装置２０では、容器２１内に供給されるカルボン酸２２が、送気管２４から供給されるキャリアガスによりバブリングされ、温度制御手段２７ａ、２７ｂにより温度を制御され、さらに、液面検知手段２８ａ、２８ｂによりその液面と容器２１に形成された開口部２６ａとの間の距離ｄが制御される。この結果、カルボン酸２２とキャリアガスが均一に混合する空間が容器２１内に確保されるので、高濃度のカルボン酸を含有するガスを発生させることができるとともに、カルボン酸含有量を一定に保ち、供給することができるガス発生装置２０を提供することができる。
【００３５】
さらに、液面検知手段２８ａ、２８ｂが、カルボン酸２２の液面２２ａと開口部２６ａの間の距離ｄを、容器２１の深さＤの３分の１以上、３分の２以下に保つように設置されているので、高濃度のカルボン酸含有ガスを安定に供給することができるガス発生装置２０を提供することができる。
（はんだ接合装置）
図３は、本発明の実施の形態に係るはんだ接合装置の模式的系統図である。
【００３６】
はんだ接合装置５０は、カルボン酸含有ガスを供給するためのガス発生装置２０と、積層体１が配置される加熱手段を備えるリフロー炉３０とを少なくとも備え、積層体１の還元処理およびはんだ接合に用いられる。はんだ接合装置５０は、さらにバッファタンク４０と、キャリアガスボンベ４１、４２と、カルボン酸貯留タンク４３とを備える。
【００３７】
ガス発生装置２０は、上記で説明した装置である。ガス発生装置２０の送液管２３にはカルボン酸貯留タンク４３が配管およびマスフローコントローラー４３ａを介して接続されている。また、送気管２４にはキャリアガスボンベ４１が配管およびマスフローコントローラー４１ａを介して接続されている。ガス発生装置２０のガス取り出し部２６は配管およびマスフローコントローラー２０ａを介してバッファタンク４０に接続されている。
【００３８】
リフロー炉３０は、例えば炉本体とこれにパッキンを介して被せられ、炉内部を気密状態に保つ蓋体を備える。リフロー炉３０は、炉内にカルボン酸含有ガスを供給するための配管およびマスフローコントローラー４０ａを介してバッファタンク４０に接続されている。リフロー炉３０には積層体１を加熱するためのヒータを備えた熱板３１が配置されている。この他、リフロー炉３０には炉内の圧力を制御するためのポンプ３２と、炉内に窒素ガス等を供給するための配管（図示せず）と、排気口（図示せず）が設けられている。また、リフロー炉３０内にはんだ接合後の積層体１を冷却するための冷却板を設けてもよい。
【００３９】
バッファタンク４０には、タンク内の圧力を調整するポンプ４５と、配管およびマスフローコントローラー４２ａを介してキャリアガスボンベ４２とがそれぞれ接続されている。バッファタンク４０は、ガス発生装置２０から供給されるカルボン酸含有ガス２５とキャリアガスボンベ４２から供給されるキャリアガスを所定の濃度となるよう混合して、貯留し、リフロー炉３０内へ供給する。
【００４０】
なお、上記の各マスフローコントローラーは制御装置によりカルボン酸、キャリアガスおよびカルボン酸含有ガスの流量を制御する。マスフローコントローラーに代えて、弁と流量計を用いてもよい。
【００４１】
上記において一実施例として説明したガス発生装置２０を容量が５０リットルのバッファタンク４０に接続し、蟻酸の温度を８０℃として蟻酸含有ガスを発生し、総流量が２００リットル／ｍｉｎとなるよう窒素と混合したところ、濃度１．８１ｖｏｌ％の蟻酸含有ガスをバッファタンク４０に１５秒で充填できた。また、総流量を１００リットル／ｍｉｎとしたところ、濃度３．５３ｖｏｌ％の蟻酸含有ガスを３０秒で充填できた。ガス発生装置２０に吹き込む窒素の流量をいずれも１５リットル／ｍｉｎとした。
【００４２】
図６は、この実施例において、総流量を１６５リットル／ｍｉｎとしたときの、蟻酸の温度と、ガス発生装置２０の出口およびバッファタンク４０での蟻酸濃度との関係を示す表である。蟻酸の温度を８０℃としたときのバッファタンク４０での蟻酸濃度は２．１８ｖｏｌ％である。ガス発生装置２０に吹き込む窒素の流量を１５リットル／ｍｉｎ、バッファタンク４０にキャリアガスボンベ４２から供給する窒素の流量を１５０リットル／ｍｉｎとした。
【００４３】
以上に説明したはんだ接合装置５０は、従来公知の方法により製造することができる。
このように、はんだ接合装置５０では、ガス発生装置２０の容器２１内に供給されるカルボン酸２２が、送気管２４から供給されるキャリアガスによりバブリングされ、温度制御手段２７ａ、２７ｂにより温度を制御され、さらに、液面検知手段２８ａ、２８ｂによりその液面２２ａと容器２１に形成された開口部２６ａとの間の距離ｄが制御される。この結果、カルボン酸２２とキャリアガスが均一に混合する空間が容器２１内に確保され、高濃度で一定の含有量に保たれたカルボン酸含有ガス２５をリフロー炉３０に供給することができるので、短時間で積層体１をはんだ接合できるはんだ接合装置５０を提供することができる。
【００４４】
さらに、ガス発生装置２０の液面検知手段２８ａ、２８ｂが、カルボン酸２２の液面２２ａと開口部２６ａの間の距離ｄを、容器２１の深さＤの３分の１以上、３分の２以下に保つように設置されているので、高濃度のカルボン酸含有ガスを安定にリフロー炉３０に供給することができるはんだ接合装置５０を提供することができる。
（はんだ接合方法）
図４は、本発明の実施の形態に係るはんだ接合方法の工程図である。このはんだ接合方法は、上記のはんだ接合装置５０により実施することができる。
【００４５】
はんだ接合方法は、上記の積層体１をリフロー炉３０内に配置する配置工程（Ｓ１）と、ガス発生装置２０において、カルボン酸２２をキャリアガスでバブリングしカルボン酸含有ガス２５を発生するガス発生工程（Ｓ２）と、カルボン酸含有ガス２５をリフロー炉３０に供給するとともに、リフロー炉３０内に配置した積層体１を加熱して還元処理する還元工程（Ｓ３）と、リフロー炉３０内において積層体１のはんだ接合を行う接合工程（Ｓ４）とを少なくとも備え、さらに、積層体１を冷却する冷却工程（Ｓ５）と、積層体１をはんだ接合装置５０から取り出す工程（Ｓ６）とを備える。
【００４６】
配置工程（Ｓ１）では、上記の積層体１をリフロー炉３０内の熱板３１に配置する。
ガス発生工程（Ｓ２）では、ガス発生装置２０から供給されるカルボン酸含有ガス２５を、必要に応じてバッファタンク４０内でキャリアガスと混合、希釈してリフロー炉３０に供給する。カルボン酸として蟻酸を用い、ＩＧＢＴ等の半導体素子を含む積層体１を還元処理するときは、蟻酸の濃度を３〜５ｖｏｌ％とすることが望ましい。
【００４７】
還元工程（Ｓ３）では、例えばリフロー炉４０内の圧力を０．８×１０５Ｐａに調整しながらカルボン酸含有ガスを供給し、積層体１を２００℃程度に加熱して、積層体１の表面を還元処理する。還元処理の所要時間は、濃度３〜５ｖｏｌ％の蟻酸を用いた場合、６０〜２４０秒である。
【００４８】
続く接合工程（Ｓ４）では、積層体１を２５０〜２９０℃程度に加熱し、はんだ部材を溶融する。加熱温度と時間ははんだ部材の種類、積層体の構成により適宜選択される。また、接合工程中のリフロー炉３０内の雰囲気は、例えば圧力を０．８×１０５Ｐａに調整されたカルボン酸含有ガス、窒素あるいは水素である。
【００４９】
冷却工程（Ｓ５）では、例えば窒素雰囲気において、積層体１を冷却板等に移動し冷却する。冷却の速度は例えば３００℃／ｍｉｎであり、積層体１の温度がたとえば５０〜６０℃になったら、リフロー炉３０の排気が開始され、積層体１が取り出される（Ｓ６）。
【００５０】
以上のはんだ接合方法においては、ガス発生工程（Ｓ２）において、ガス発生装置２０を用い高濃度のカルボン酸含有ガス２５を発生させることを除いて、公知の工程を用いることができる。
【００５１】
上記において一実施例として説明したガス発生装置２０を用いた場合、所定の高濃度の蟻酸含有ガスをリフロー炉３０に短時間で、安定して、供給することができた。
このように、本発明の実施の形態に係るはんだ接合方法では、ガス発生工程（Ｓ２）において、容器２１内に供給されるカルボン酸２２が、送気管２４から供給されるキャリアガスによりバブリングされ、温度制御手段２７ａ、２７ｂにより温度を制御され、さらに、液面検知手段２８ａ、２８ｂによりその液面２２ａと容器２１に形成された開口部２６ａとの間の距離ｄが制御される。容器２１内で発生したカルボン酸含有ガス２５は、還元工程（Ｓ３）において、リフロー炉３０内に供給され、加熱された被接合部材表面を還元する。ガス発生工程（Ｓ２）において、高濃度で一定の含有量に保たれたカルボン酸含有ガス２５を発生させ、リフロー炉３０に供給することができるので、還元工程（Ｓ３）において短時間で十分に積層体１の被接合部材表面を還元することができ、短時間ではんだ接合できる接合方法を提供することができる。
【００５２】
なお、上述した実施の形態は、本発明を具体化した例を示すものであり、したがって本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を外れることなく種々の変形が可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００５３】
１ 積層体
２ 金属ベース
３ 絶縁基板
４、５ 回路パターン
６ 導電パターン付き絶縁基板
７、８ 電子部品
９、１０ はんだ部材
２０ ガス発生装置
２１ 容器
２２ カルボン酸
２２ａ 液面
２３ 送液管
２４ 送気管
２５ カルボン酸含有ガス
２６ ガス取り出し部
２６ａ 開口部
２７ 温度制御手段
２８ 液面検知手段
３０ リフロー炉
３１ 熱板
４０ バッファタンク
４１、４２ キャリアガスタンク
４３ カルボン酸貯留タンク
５０ はんだ接合装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層体の還元処理およびはんだ接合に用いる加熱手段を備えるリフロー炉と、
前記リフロー炉内にカルボン酸含有ガスを供給するためのガス発生装置と、を少なくとも備え、
前記ガス発生装置は、
両端面が塞がれた筒状形状の容器と、
カルボン酸を前記容器内に供給するため前記容器に固定された送液管と、
キャリアガスを前記容器内に供給し、前記カルボン酸に吹き込むため前記容器に固定された送気管と、
前記カルボン酸および前記キャリアガスを含み前記容器内で発生する前記カルボン酸含有ガスを前記容器外へ供給するため前記容器内に開口している開口部を備えるガス取り出し部と、
前記容器内に供給される前記カルボン酸の温度を制御するため前記容器に設置された温度制御手段と、
前記容器内に供給される前記カルボン酸の液面を検知して、当該液面と前記開口部の間の距離を制御するため、前記容器に設置された液面検知手段と、
を備えるはんだ接合装置。
【請求項２】
前記液面検知手段は、前記カルボン酸の液面と前記開口部の間の距離を、前記容器の深さの３分の１以上、３分の２以下に保つように設置されている請求項１記載のはんだ接合装置。
【請求項３】
前記温度制御手段は、前記容器内に供給される前記カルボン酸を、１．０×１０５Ｐａ〜１．１×１０５Ｐａの圧力下において、該カルボン酸の融点以上、沸点以下の温度に保つ請求項１または２記載のはんだ接合装置。
【請求項４】
前記送液管の開口部が、前記容器内に供給される前記カルボン酸に浸漬するよう、前記容器の底部に配置され、
前記送気管の開口部が、前記容器内に供給される前記カルボン酸に浸漬するよう、前記容器の底部に配置されるとともに、前記容器の底部に沿って複数個所で開口している請求項１〜３のいずれか一項に記載のはんだ接合装置。
【請求項５】
前記ガス発生装置は、前記ガス取り出し部に接続されたバッファタンクを介して、前記リフロー炉に接続されており、前記バッファタンクにおいて前記カルボン酸含有ガスが希釈され前記リフロー炉に供給される請求項１〜４のいずれか一項に記載のはんだ接合装置。
【請求項６】
積層体のはんだ接合に用いるリフロー炉にカルボン酸含有ガスを供給するためのガス発生装置であって、
両端面が塞がれた筒状形状の容器と、
カルボン酸を前記容器内に供給するため前記容器に固定された送液管と、
キャリアガスを前記容器内に供給し、前記カルボン酸に吹き込むため前記容器に固定された送気管と、
前記カルボン酸および前記キャリアガスを含み前記容器内で発生する前記カルボン酸含有ガスを前記容器外へ供給するため前記容器内に開口している開口部を備えるガス取り出し部と、
前記容器内に供給される前記カルボン酸の温度を制御するため前記容器に設置された温度制御手段と、
前記容器内に供給される前記カルボン酸の液面を検知して、当該液面と前記開口部の間の距離を制御するため、前記容器に設置された液面検知手段と、
を備えるガス発生装置。
【請求項７】
前記液面検知手段は、前記カルボン酸の液面と前記開口部の間の距離を、前記容器の深さの３分の１以上、３分の２以下に保つように設置されている請求項６記載のガス発生装置。
【請求項８】
前記温度制御手段は、前記容器内に供給される前記カルボン酸を、１．０×１０５Ｐａ〜１．１×１０５Ｐａの圧力下において、該カルボン酸の融点以上、沸点以下の温度に保つ請求項６または７記載のガス発生装置。
【請求項９】
前記送液管の開口部が、前記容器内に供給される前記カルボン酸に浸漬するよう、前記容器の底部に配置され、
前記送気管の開口部が、前記容器内に供給される前記カルボン酸に浸漬するよう、前記容器の底部に配置されるとともに、前記容器の底部に沿って複数個所で開口している
請求項６〜８のいずれか一項に記載のガス発生装置。
【請求項１０】
少なくとも２つの被接合部材間にはんだ部材が挟まれた積層体をリフロー炉内に配置する配置工程と、
前記リフロー炉へカルボン酸含有ガスを供給するためのガス発生装置において、カルボン酸にキャリアガスを吹き込み前記カルボン酸含有ガスを発生するガス発生工程と、
前記カルボン酸含有ガスを前記リフロー炉に供給するとともに、当該リフロー炉内に配置した前記積層体を加熱して当該積層体を還元する還元工程と、
前記リフロー炉内において前記積層体のはんだ接合を行う接合工程と、を備え、
前記ガス発生装置が、
両端面が塞がれた筒状形状の容器と、
カルボン酸を前記容器内に供給するため前記容器に固定された送液管と、
キャリアガスを前記容器内に供給するため前記容器に固定された送気管と、
前記カルボン酸および前記キャリアガスを含み前記容器内で発生する前記カルボン酸含有ガスを前記容器外へ供給するため前記容器内に開口している開口部を備えるガス取り出し部と、
前記容器内に供給される前記カルボン酸の温度を制御するため前記容器に設置された温度制御手段と、
前記容器内に供給される前記カルボン酸の液面を検知して、当該液面と前記開口部の間の距離を制御するため、前記容器に設置された液面検知手段と、
を備える積層体のはんだ接合方法。
【請求項１１】
前記ガス発生工程に続いて、前記カルボン酸含有ガスをバッファタンクにおいて希釈する希釈工程を備え、希釈された前記カルボン酸含有ガスを前記リフロー炉に供給する請求項１０記載のはんだ接合方法。
【請求項１】
積層体の還元処理およびはんだ接合に用いる加熱手段を備えるリフロー炉と、
前記リフロー炉内にカルボン酸含有ガスを供給するためのガス発生装置と、を少なくとも備え、
前記ガス発生装置は、
両端面が塞がれた筒状形状の容器と、
カルボン酸を前記容器内に供給するため前記容器に固定された送液管と、
キャリアガスを前記容器内に供給し、前記カルボン酸に吹き込むため前記容器に固定された送気管と、
前記カルボン酸および前記キャリアガスを含み前記容器内で発生する前記カルボン酸含有ガスを前記容器外へ供給するため前記容器内に開口している開口部を備えるガス取り出し部と、
前記容器内に供給される前記カルボン酸の温度を制御するため前記容器に設置された温度制御手段と、
前記容器内に供給される前記カルボン酸の液面を検知して、当該液面と前記開口部の間の距離を制御するため、前記容器に設置された液面検知手段と、
を備えるはんだ接合装置。
【請求項２】
前記液面検知手段は、前記カルボン酸の液面と前記開口部の間の距離を、前記容器の深さの３分の１以上、３分の２以下に保つように設置されている請求項１記載のはんだ接合装置。
【請求項３】
前記温度制御手段は、前記容器内に供給される前記カルボン酸を、１．０×１０５Ｐａ〜１．１×１０５Ｐａの圧力下において、該カルボン酸の融点以上、沸点以下の温度に保つ請求項１または２記載のはんだ接合装置。
【請求項４】
前記送液管の開口部が、前記容器内に供給される前記カルボン酸に浸漬するよう、前記容器の底部に配置され、
前記送気管の開口部が、前記容器内に供給される前記カルボン酸に浸漬するよう、前記容器の底部に配置されるとともに、前記容器の底部に沿って複数個所で開口している請求項１〜３のいずれか一項に記載のはんだ接合装置。
【請求項５】
前記ガス発生装置は、前記ガス取り出し部に接続されたバッファタンクを介して、前記リフロー炉に接続されており、前記バッファタンクにおいて前記カルボン酸含有ガスが希釈され前記リフロー炉に供給される請求項１〜４のいずれか一項に記載のはんだ接合装置。
【請求項６】
積層体のはんだ接合に用いるリフロー炉にカルボン酸含有ガスを供給するためのガス発生装置であって、
両端面が塞がれた筒状形状の容器と、
カルボン酸を前記容器内に供給するため前記容器に固定された送液管と、
キャリアガスを前記容器内に供給し、前記カルボン酸に吹き込むため前記容器に固定された送気管と、
前記カルボン酸および前記キャリアガスを含み前記容器内で発生する前記カルボン酸含有ガスを前記容器外へ供給するため前記容器内に開口している開口部を備えるガス取り出し部と、
前記容器内に供給される前記カルボン酸の温度を制御するため前記容器に設置された温度制御手段と、
前記容器内に供給される前記カルボン酸の液面を検知して、当該液面と前記開口部の間の距離を制御するため、前記容器に設置された液面検知手段と、
を備えるガス発生装置。
【請求項７】
前記液面検知手段は、前記カルボン酸の液面と前記開口部の間の距離を、前記容器の深さの３分の１以上、３分の２以下に保つように設置されている請求項６記載のガス発生装置。
【請求項８】
前記温度制御手段は、前記容器内に供給される前記カルボン酸を、１．０×１０５Ｐａ〜１．１×１０５Ｐａの圧力下において、該カルボン酸の融点以上、沸点以下の温度に保つ請求項６または７記載のガス発生装置。
【請求項９】
前記送液管の開口部が、前記容器内に供給される前記カルボン酸に浸漬するよう、前記容器の底部に配置され、
前記送気管の開口部が、前記容器内に供給される前記カルボン酸に浸漬するよう、前記容器の底部に配置されるとともに、前記容器の底部に沿って複数個所で開口している
請求項６〜８のいずれか一項に記載のガス発生装置。
【請求項１０】
少なくとも２つの被接合部材間にはんだ部材が挟まれた積層体をリフロー炉内に配置する配置工程と、
前記リフロー炉へカルボン酸含有ガスを供給するためのガス発生装置において、カルボン酸にキャリアガスを吹き込み前記カルボン酸含有ガスを発生するガス発生工程と、
前記カルボン酸含有ガスを前記リフロー炉に供給するとともに、当該リフロー炉内に配置した前記積層体を加熱して当該積層体を還元する還元工程と、
前記リフロー炉内において前記積層体のはんだ接合を行う接合工程と、を備え、
前記ガス発生装置が、
両端面が塞がれた筒状形状の容器と、
カルボン酸を前記容器内に供給するため前記容器に固定された送液管と、
キャリアガスを前記容器内に供給するため前記容器に固定された送気管と、
前記カルボン酸および前記キャリアガスを含み前記容器内で発生する前記カルボン酸含有ガスを前記容器外へ供給するため前記容器内に開口している開口部を備えるガス取り出し部と、
前記容器内に供給される前記カルボン酸の温度を制御するため前記容器に設置された温度制御手段と、
前記容器内に供給される前記カルボン酸の液面を検知して、当該液面と前記開口部の間の距離を制御するため、前記容器に設置された液面検知手段と、
を備える積層体のはんだ接合方法。
【請求項１１】
前記ガス発生工程に続いて、前記カルボン酸含有ガスをバッファタンクにおいて希釈する希釈工程を備え、希釈された前記カルボン酸含有ガスを前記リフロー炉に供給する請求項１０記載のはんだ接合方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−１１１６４６（Ｐ２０１３−１１１６４６Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６３３１９（Ｐ２０１１−２６３３１９）
【出願日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
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