半田付け方法及び半導体装置の製造方法
【課題】鉛フリー半田を用いた半田付けにおいて、ボイドの発生を抑制しつつ、フラックスを用いることなく半田の濡れ性を良好なものにして半田付けを行うことができる半田付け方法、及び半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】回路基板と半導体素子の半田付けは、第１雰囲気ガスによって容器内の圧力を大気圧より大きい一次加圧圧力まで加圧し、次に、一次加圧圧力による加圧を維持した状態で半田を溶融温度以上の高溶融温度まで加熱して半田を溶融させる。次に、容器内の圧力を一次加圧圧力に維持した状態で半田の温度を高溶融温度で一定時間保持し、半田の温度を高溶融温度に維持した状態で容器内を真空状態にする。半田の温度を溶融温度以上とした状態で第２雰囲気ガスによって容器内を真空状態から一次加圧圧力より大きい二次加圧圧力まで加圧する。その後、半田の温度を溶融温度未満の温度まで下げて回路基板と半導体素子とを半田付けする。
【解決手段】回路基板と半導体素子の半田付けは、第１雰囲気ガスによって容器内の圧力を大気圧より大きい一次加圧圧力まで加圧し、次に、一次加圧圧力による加圧を維持した状態で半田を溶融温度以上の高溶融温度まで加熱して半田を溶融させる。次に、容器内の圧力を一次加圧圧力に維持した状態で半田の温度を高溶融温度で一定時間保持し、半田の温度を高溶融温度に維持した状態で容器内を真空状態にする。半田の温度を溶融温度以上とした状態で第２雰囲気ガスによって容器内を真空状態から一次加圧圧力より大きい二次加圧圧力まで加圧する。その後、半田の温度を溶融温度未満の温度まで下げて回路基板と半導体素子とを半田付けする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回路基板に半導体素子を鉛フリー半田によって半田付けする半田付け方法、及び半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、セラミックス基板の一面に配線層が形成されるとともに他面に金属層が形成されてなる回路基板を用いた半導体装置が知られている。この半導体装置は、例えば、回路基板の配線層上に、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等の半導体素子を半田付けすることにより製造される。
【０００３】
ところで、半導体素子の半田付けでは、半田を溶融させて凝固させるまでの過程において、半田層の中にボイドが発生する場合がある。回路基板と半導体素子とを接合する半田層の中に多くのボイドが発生すると、ボイドの存在によって半田層における電気や熱の抵抗が高くなってしまう。さらに、１つのボイドが大きいと半導体素子が発する電気や熱が当該大きなボイドを迂回して回路基板側に流れることになるため、大きなボイドの周縁部に位置する半導体素子の部位には局所的な高温領域（ホットスポット）が生じ、半導体素子の破壊に繋がる虞がある。
【０００４】
そこで、半田層の中にボイドが発生することを抑制するための提案がなされている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１では、密閉可能な容器内に、回路基板と半導体素子との間に鉛フリー半田を介在させた半田付け対象物を収容するとともに、容器内に還元性ガスを供給し、容器内の圧力を大気圧（常圧）以上の圧力まで加圧した状態で半田付けを行うことを提案している。この半田付け方法において、加圧状態は、半田の溶融開始から当該半田が凝固するまでの半田溶融域において維持される。
【特許文献１】特開２００７−１８０４４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の半田付け方法でも半田層の中にボイドが発生してしまうことが本発明者の実験によって確認されている。
また、近年では、環境への対応から半導体素子の半田付けに鉛フリー半田を用いることが多くなっている。鉛フリー半田は、溶融温度が通常の半田に比較して高いことや、半田付け時の濡れ性が悪いという特性を有する材料である。半田付け時の濡れ性が悪いと、半田が半導体素子の接合領域全体にわたって濡れ広がらずに、半導体素子の接合領域と回路基板との間に半田が存在しない半田未付着部分が生じてしまうことになる。ＭＯＳＥＦＴやＩＧＢＴ等の比較的大型の半導体素子を用いる場合には、この半田未付着部分による損失が大きな問題となる。
【０００６】
鉛フリー半田の濡れ性を改善する方法として、フラックスを用いることが考えられる。ところが、フラックスを用いると半田付けを行った後に、フラックスの洗浄工程が必要となり、半田付けの工程数が増加してしまうという新たな問題が発生する。
【０００７】
この発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものであり、その目的は、鉛フリー半田を用いた半田付けにおいて、ボイドの発生を抑制しつつ、フラックスを用いることなく半田の濡れ性を良好なものにして半田付けを行うことができる半田付け方法、及び半導体装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の半田付け方法は回路基板と半導体素子との間に鉛フリー半田を介在させた半田付け対象物を容器内に収容して該容器内を還元性ガスを含む第１雰囲気ガスで満たした後、前記第１雰囲気ガスによって前記容器内を大気圧より大きい一次加圧圧力に加圧し、前記容器内の圧力を前記一次加圧圧力に維持した状態で前記半田を該半田の溶融温度以上の高溶融温度まで加熱して前記半田を溶融させ、前記容器内の圧力を前記一次加圧圧力に維持した状態で前記半田の温度を前記高溶融温度で一定時間保持し、前記半田の温度を前記高溶融温度に維持した状態で前記容器内を減圧して真空状態にし、前記半田の温度を前記溶融温度以上とした状態で、不活性ガスを含む第２雰囲気ガスによって前記容器内を前記真空状態から前記一次加圧圧力より大きい二次加圧圧力まで加圧し、その後、前記容器内の圧力を前記二次加圧圧力に維持した状態で前記半田の温度を前記溶融温度未満の温度まで下げて前記半田を凝固させ、前記回路基板と前記半導体素子との半田付けを行うことを要旨とする。
【０００９】
また、請求項５に記載の発明は、回路基板に半導体素子を鉛フリー半田によって半田付けしてなる半導体装置の製造方法であって、回路基板と半導体素子との間に鉛フリー半田を介在させた半田付け対象物が収容された容器内を還元性ガスを含む第１雰囲気ガスで満たした後、前記第１雰囲気ガスによって前記容器内を大気圧より大きい一次加圧圧力に加圧し、前記容器内の圧力を前記一次加圧圧力に維持した状態で前記半田を該半田の溶融温度以上の高溶融温度まで加熱して前記半田を溶融させ、前記容器内の圧力を前記一次加圧圧力に維持した状態で前記半田の温度を前記高溶融温度で一定時間保持し、前記半田の温度を前記高溶融温度に維持した状態で前記容器内を減圧して真空状態にし、前記半田の温度を前記溶融温度以上とした状態で、不活性ガスを含む第２雰囲気ガスによって前記容器内を前記真空状態から前記一次加圧圧力より大きい二次加圧圧力まで加圧し、その後、前記容器内の圧力を前記二次加圧圧力に維持した状態で前記半田の温度を前記溶融温度未満の温度まで下げて前記半田を凝固させ、前記回路基板と前記半導体素子との半田付けを行うことを要旨とする。
【００１０】
請求項１及び請求項５に記載の発明によれば、容器内を大気圧より大きい一次加圧圧力まで加圧した状態で半田を溶融させるため、溶融した半田の界面周囲には大気圧より大きい一次加圧圧力にある第１雰囲気ガスが存在することになる。また、半田はその溶融温度よりも高い温度である高溶融温度にまで加熱されて溶融状態が維持されている。このため、半田の濡れ性を良好なものにすることができる。これは、溶融温度よりも高い温度にまで加熱されて表面張力が低下している溶融状態の半田の界面が周囲に存在する第１雰囲気ガスにより外側方向へ強く引っ張られることによるものであると考えられる。さらに、本発明では、半田の温度を高溶融温度に維持した状態で容器内の真空引きを行うことで、溶融半田層に存在する比較的大きなボイドを、該溶融半田層より外部に抜き出すことができる。そして、真空引きに連続して容器内を一次加圧圧力より大きい二次加圧圧力まで加圧することにより、真空引きによって抜き出せなかった溶融半田層中の微小ボイドを押し潰すことができる。その結果、鉛フリー半田を用いても、ボイドの発生を効果的に抑制するとともに、フラックスを用いることなく半田の濡れ性を良好なものとすることができる。
【００１１】
また、前記容器内の圧力を前記真空状態から前記二次加圧圧力にする加圧は、前記半田の加熱を停止して前記半田が降温状態にある間に行われるとしてもよい。これによれば、容器内を真空引きする間に半田の加熱が停止され、半田の温度が下がり始めた状態において容器内を二次加圧圧力にする加圧が行われるので、半田付けに係る時間を短くすることができる。
【００１２】
また、前記高溶融温度は前記半田の溶融温度よりも５０℃以上高い温度であってもよい。そして、前記第１雰囲気ガスは不活性ガスである窒素と還元性ガスである水素との混合ガスであり、前記第１雰囲気ガス中の前記水素の割合は前記窒素よりも少ないとしてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、鉛フリー半田を用いた半田付けにおいて、ボイドの発生を抑制しつつ、フラックスを用いることなく半田の濡れ性を良好なものにして半田付けを行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図６にしたがって説明する。
図１及び図２は、半導体装置としての半導体モジュール１０を示している。半導体モジュール１０は、四角板状をなす回路基板１１と、この回路基板１１に半田付けされる四角板状の半導体素子１２、及び四角板状の基台１３とから構成されている。回路基板１１は、セラミックス基板１４の両面に金属板１５，１６を接合して構成されている。セラミックス基板１４は、例えば、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化ケイ素などにより形成されている。また、金属板１５は、配線層として機能し、例えば、アルミニウム（純アルミニウム及びアルミニウム合金）や銅などで形成されている。半導体素子１２は、金属板１５に半田付けされている。図２の符号「Ｈ」は、半田層を示している。この半田層Ｈは、四角シート状の半田シート３３（図３参照）によって形成され、半田シート３３は、錫を主成分として鉛以外の金属との合金からなる鉛フリー半田によって形成されている。
【００１５】
半導体素子１２は、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor )やダイオードからなり、回路基板１１（金属板１５）には複数（本実施形態では４つ）の半導体素子１２が半田付けされている。また、金属板１６は、セラミックス基板１４と基台１３とを接合する接合層として機能し、例えば、アルミニウムや銅などで形成されている。なお、基台１３は半導体素子を冷却する冷却器（ヒートシンク）である。
【００１６】
図３は、半田付けに用いる半田付け装置ＨＫの構成を概略的に示している。半田付け装置ＨＫは、回路基板１１（金属板１５）に半導体素子１２を半田付けするための装置として構成されている。また、本実施形態の半田付け装置ＨＫは、図５に示すように、６枚の回路基板１１で構成される半導体モジュール（半導体装置）１００の半田付けを行う装置として構成されている。このため、半導体モジュール１００には、２４個の半導体素子１２が半田付けされるようになっている。
【００１７】
半田付け装置ＨＫは、密閉可能な容器（チャンバ）１７を備え、この容器１７は開口部１８ａを有する箱型の本体部材１８と、この本体部材１８の開口部１８ａを開放及び閉鎖する蓋部材１９とから構成されている。本体部材１８内には、半導体モジュール１００を位置決めし、支持する支持台２０が設置されている。また、本体部材１８には、蓋部材１９の装着部位にパッキン２１が配設されている。
【００１８】
蓋部材１９は、本体部材１８の開口部１８ａを閉鎖可能な大きさで形成されており、本体部材１８に蓋部材１９を装着することにより容器１７内には密閉空間Ｓが形成されるようになっている。また、蓋部材１９において、密閉空間Ｓと対向する部位は、非磁性かつ電気的絶縁材で形成されている。本実施形態では、電気的絶縁材としてガラスが用いられており、蓋部材１９にはガラス板２２が組み付けられている。
【００１９】
また、本体部材１８には、容器１７内に還元性ガス（本実施形態では水素（Ｈ２））を供給するための還元性ガス供給部２３が接続されている。還元性ガス供給部２３は、配管２３ａと、この配管２３ａの開閉バルブ２３ｂと、減圧弁２３ｃと、水素タンク２３ｄとを備えている。減圧弁２３ｃは、開閉バルブ２３ｂを介して導入した水素タンク２３ｄからの水素ガスの圧力を一定圧にし、容器１７内に供給するようになっている。
【００２０】
また、本体部材１８には、容器１７内に不活性ガス（本実施形態では窒素（Ｎ２））を供給するための不活性ガス供給部２４が接続されている。不活性ガス供給部２４は、配管２４ａと、この配管２４ａの開閉バルブ２４ｂと、窒素タンク２４ｃとを備えている。
【００２１】
また、本体部材１８には、容器１７内を真空引きするための真空部２５が接続されている。真空部２５は、配管２５ａと、この配管２５ａの開閉バルブ２５ｂと、真空ポンプ２５ｃとを備えている。また、本体部材１８には、容器１７内に充満したガスを外部に排出するためのガス排出部２６が接続されている。ガス排出部２６は、配管２６ａと、この配管２６ａの開閉バルブ２６ｂと、絞り弁２６ｃとを備えている。
【００２２】
そして、容器１７内のガスは、絞り弁２６ｃによって排出量が調整され、外部に排出される。半田付け装置ＨＫは、還元性ガス供給部２３、不活性ガス供給部２４、真空部２５及びガス排出部２６を備えることにより、密閉空間Ｓ内の圧力を調整可能な構成とされており、容器１７内は圧力調整によって加圧されたり、減圧されたりする。
【００２３】
また、本体部材１８には、容器１７内において温度を計測する温度センサ（例えば、熱電対など）２７が設置されている。本実施形態において温度センサ２７は、半導体素子１２と金属板１５の接合部位（半田付けを行う部位）の温度を計測し得るように容器１７内に設置されている。
【００２４】
半田付け装置ＨＫの上部（蓋部材１９の上部）には、高周波加熱コイル２８が設置されている。本実施形態において高周波加熱コイル２８は、図５に示すように、６枚の回路基板１１に各別に対応するように６つの高周波加熱コイル２８が各回路基板１１の上側に配置されている。本実施形態の高周波加熱コイル２８は、１枚の回路基板１１を覆う大きさに形成されている。また、図３に示すように、各高周波加熱コイル２８は、渦巻き状（角形の渦巻き状）に形成されており、平面的に展開されている。また、各高周波加熱コイル２８は、蓋部材１９（ガラス板２２の装着部位）に対向するように配置されている。また、各高周波加熱コイル２８は、半田付け装置ＨＫが備える高周波発生装置２９に電気的に接続されているとともに、容器１７内に設置された温度センサ２７の計測結果に基づき、所定の温度に制御されるようになっている。また、各高周波加熱コイル２８には、コイル内部に冷却水を通すための冷却路３０が形成されているとともに、半田付け装置ＨＫが備える冷却水タンク３１に接続されている。
【００２５】
図４は、半田付けを行う際に使用する治具３２を示している。治具３２は、回路基板１１を構成するセラミックス基板１４と同一の大きさをなす平板状に形成されている。治具３２は、例えば、グラファイトやセラミックスなどの材料で形成されている。治具３２は、図３に示すように、半田付け時において回路基板１１上に半田シート３３と、半導体素子１２とを位置決めするために使用される。このため、治具３２には、回路基板１１における半導体素子１２の接合部位に対応する部位に位置決め用の貫通孔３４が形成されている。貫通孔３４は、半導体素子１２及び半田シート３３のサイズに応じた大きさで形成されている。そして、本実施形態においては、回路基板１１上に複数個（４つ）の半導体素子１２が接合されるので、治具３２には複数個（４つ）の貫通孔３４が形成されている。
【００２６】
次に、前述した半田付け装置ＨＫを用いて半導体素子１２の半田付けを行う方法について説明する。なお、図３に示す半田付け装置ＨＫを用いて半田付けを行う場合には、回路基板１１に基台１３を予め接合しておく。
【００２７】
半田付けを行う際には、最初に、本体部材１８から蓋部材１９を外し、開口部１８ａを開放する。そして、図３に示すように本体部材１８の支持台２０に、回路基板１１が接合された基台１３を置き、この基台１３を位置決めする。次に、各回路基板１１（セラミックス基板１４）上に治具３２を置き、治具３２の各貫通孔３４内に、鉛フリー半田よりなる半田シート３３と半導体素子１２を配置する。すなわち、回路基板１１と半導体素子１２との間に半田シート３３を介在させた半田付け対象部を容器１７内に収容する。
【００２８】
次に、蓋部材１９を本体部材１８に取り付け、開口部１８ａを閉鎖し、容器１７内に密閉空間Ｓを形成する。密閉空間Ｓ内に半田付け対象物を収容した状態（図３に示す）において、各高周波加熱コイル２８は、半田付け対象物の上方に配置されるとともに、各高周波加熱コイル２８と半田付け対象物との間には蓋部材１９に組み付けられたガラス板２２が配置される。
【００２９】
次に、容器１７内のガス置換を行う。まず、真空部２５を操作して容器１７内を真空引きするとともに、不活性ガス供給部２４を操作して容器１７内に窒素を供給し、密閉空間Ｓ内を不活性ガスで充満させる。この真空引きと窒素の供給を数回繰り返す。
【００３０】
次に、不活性ガス供給部２４及び還元性ガス供給部２３を操作して容器１７内に窒素及び水素を供給し、水素（還元性ガス）と窒素（不活性ガス）との混合ガスによって、すなわち、第１雰囲気ガスによって、容器１７内を大気圧より大きい一次加圧圧力まで加圧するとともに、その一次加圧圧力を維持する（一次加圧工程）。なお、第１雰囲気ガスは、還元性ガスである水素が、第１雰囲気ガスの全体容量に対して５〜１０％の割合で含まれているのが好ましい。すなわち、第１雰囲気ガス中の水素の割合は窒素よりも少なくなっている。また、一次加圧圧力は、半田の濡れ性を良好にするために大気圧より大きい圧力に設定されればよく、例えば、０．１６Ｍｐａに設定される。
【００３１】
次に、容器１７内が還元性ガスを含む第１雰囲気ガスによって一次加圧圧力に加圧された状態で、高周波発生装置２９を作動させ、各高周波加熱コイル２８に高周波電流を流して、各高周波加熱コイル２８によって半田シート３３を加熱する（加熱工程）。すると、半田シート３３は、加圧状態の中で温度が半田の溶融温度以上の温度になることにより溶融する。そして、半田シート３３は、温度センサ２７の計測結果に基づき、半田シート３３の溶融温度（例えば、２２１°Ｃ）より高い温度である高溶融温度まで加熱される。なお、この高溶融温度は、半田の溶融温度より５０°Ｃ以上高い温度に設定されるのが好ましく、５０〜８０°Ｃ高い温度に設定されるのが特に好ましい。この実施形態では、半田の濡れ性を良好とするために、高溶融温度を半田の溶融温度より６０°Ｃ以上高い温度に設定している。
【００３２】
次に、温度センサ２７の計測結果に基づき、高周波発生装置２９によって高周波加熱コイル２８を制御して、半田の温度を高溶融温度に一定時間保持し、半田を溶融させた状態で、真空部２５を操作して容器１７内を真空引きして減圧し、容器１７内を真空状態にする（真空工程）。この真空引きは、容器１７内の圧力が０．０００５〜０．０１ＭＰａ（低真空）以下となるまで行われるのが好ましい。
【００３３】
そして、容器１７内が低真空以下の圧力となった後に、高周波発生装置２９を停止させて半田の加熱を停止する。すると、高溶融温度にある半田の温度が徐々に低下して、半田の降温が開始する。
【００３４】
そして、降温状態にある半田が溶融温度以上にあるうちに不活性ガス供給部２４を操作して容器１７内に窒素からなる（不活性ガスを含む）第２雰囲気ガスが供給され、該第２雰囲気ガスによって容器１７内の圧力を真空状態から一次加圧圧力より大きい二次加圧圧力まで加圧する。この二次加圧圧力は、溶融した半田が凝固するまで維持される（二次加圧工程）。よって、半田の凝固は、半田が不活性ガスを含む第２雰囲気ガスによって二次加圧圧力で加圧された状態で行われる。
【００３５】
そして、溶融した半田は、溶融温度未満に冷却されることによって凝固し、金属板１５と半導体素子１２とを接合する。金属板１５と半導体素子１２とが接合することで半導体モジュール１００が完成する。そして、蓋部材１９を本体部材１８から取り出し、治具３２を外した後に容器１７内から半導体モジュール１００を取り出す。なお、半導体モジュール１００を容器１７から取り出す際、容器１７内のガスはガス排出部２６を介して大気開放される。
【００３６】
以下、本実施形態の半田付けにおいて加熱時及び冷却時に容器１７内の内部雰囲気を調整する態様を、図６に示す実験例を用いて説明する。
実験例で用いた半導体モジュール１０の各寸法は、以下のとおりである。
【００３７】
セラミックス基板１４は、窒化アルミニウムからなり、３０ｍｍ×３０ｍｍの四角形で、厚み０．６３５ｍｍである。金属板１５，１６は、純アルミニウム（例えば、工業用純アルミニウムである１０００系アルミニウム）からなり、２７ｍｍ×２７ｍｍの四角形で、厚み０．４ｍｍである。半導体素子１２は、厚み０．３５ｍｍである。半田シート３３は、Ｓｎ（錫）−Ｃｕ（銅）−Ｎｉ（ニッケル）−Ｐ（リン）系の鉛フリー半田からなり、四角形であるとともに厚み０．１ｍｍ〜０．２ｍｍである。
【００３８】
実験例では、図６のグラフに示すように容器１７内の圧力及び温度を変遷（調整）させている。なお、図６のグラフにおける実線によって容器１７内の圧力の変遷を示し、破線によって半田の温度の変遷を示している。
【００３９】
まず、容器１７内の真空引きと窒素の供給を数回繰り返し、容器１７内のガス置換を行う。次に、一次加圧工程を行い、第１雰囲気ガス（窒素＋水素）によって容器１７内を、大気圧より大きい一次加圧圧力（０．１６ＭＰａ）まで加圧するとともに、一次加圧圧力に加圧した状態を維持する。
【００４０】
次に、容器１７内を一定の一次加圧圧力に保った状態で、加熱工程を行い、半田シート３３を溶融温度よりも高い高溶融温度（３０１°Ｃ）になるまで加熱し、溶融した半田の温度を高溶融温度に維持する。次に、溶融した半田の温度が高溶融温度に維持された状態で、真空工程を行い、容器１７内の圧力を０．０００５ＭＰａ（低真空）以下まで減圧させる。
【００４１】
容器１７内の圧力が低真空以下に維持された状態で、高周波発生装置２９による加熱を停止する。すると、半田温度の低下が始まる。そして、半田の温度が溶融温度以上の状態で、二次加圧工程を開始し、第２雰囲気ガス（窒素）によって容器１７内を一次加圧圧力より大きい二次加圧圧力（０．２ＭＰａ）まで加圧し、その加圧状態を維持する。そして、加圧状態を維持しながら半田を凝固させる。図６のグラフの横には、実験例で半田付けした場合の半導体素子１２の裏面側（接合面側）を示したＸ線写真を掲載している。Ｘ線写真では、最も色が濃くなっている部分が半田層Ｈである。このＸ線写真によれば、半田層Ｈの四つの角部にまで半田層Ｈが延びており、ボイドについてもほとんど確認できなかった。
【００４２】
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）本実施形態の半田付け方法においては、容器１７内を大気圧より大きい一次加圧圧力まで加圧した状態で、半田シート３３を溶融温度以上の高溶融温度まで加熱して溶融させているので、半田の濡れ性を良好なものとすることができる。これは、溶融温度よりも高い温度にまで加熱されて表面張力が低下している溶融状態の半田の界面が周囲に存在する第１雰囲気ガスにより外側方向へ強く引っ張られることによるものであると考えられる。したがって、半田層Ｈは半導体素子１２の四つの角部にまで延びており、すなわち、半田が半導体素子１２の接合領域全体にわたって濡れ広がっており、半導体素子１２の接合領域と回路基板１１との間に半田層Ｈが存在しない半田未付着部分が生じてしまうことを防止することができる。
【００４３】
さらに、半田の温度を高溶融温度に維持した状態で、容器１７内を真空引きしている。このため、溶融半田層に存在する比較的大きなボイドを溶融半田層から引き抜くことができる。そして、真空引きに連続して容器１７内を一次加圧圧力よりも大きい二次加圧圧力まで加圧することで溶融半田層に残る微小ボイドを押し潰すことができる。その結果として、鉛フリー半田を用いてもボイドの発生を抑制することができ、さらに、フラックスを用いることなく半田の濡れ性を良好なものとすることができる。そして、フラックスを用いないため、フラックスの洗浄工程も必要とせず、半田付け作業を簡単に行うことができる。
【００４４】
（２）容器１７内の圧力を真空状態から二次加圧圧力にする加圧は、半田の加熱を停止して半田が降温状態にある間に行われる。このため、容器１７内を真空引きする間に半田の加熱が停止され、半田の温度が下がり始めた状態において容器１７内を二次加圧圧力にする加圧が行われるので、半田付けに係る時間を短くすることができる。
【００４５】
（３）容器１７内を一次加圧圧力まで加圧する工程を行う際、一次加圧圧力の値は一定に保たれる。このため、例えば、一次加圧圧力を漸増させて加圧する場合に比して、二次加圧圧力まで加圧する工程において、その二次加圧圧力を低くすることができる。
【００４６】
（４）容器１７内を一次加圧圧力まで加圧するための第１雰囲気ガスは、窒素と水素との混合ガスであるため、還元性ガスである水素によって溶融した半田が酸化することを防ぐことができ、濡れ性の改善に寄与することができる。さらに、第１雰囲気ガス中の水素の割合は窒素よりも少ないため、水素の割合を窒素より多くする場合に比して第１雰囲気ガスに係るコストを抑えることができる。
【００４７】
（５）容器１７内を一次加圧圧力まで加圧する工程は、半田シート３３を加熱する前から開始される。このため、半田が溶融温度に達する前に、容器１７内を一次加圧圧力まで加圧した状態にすることができる。
【００４８】
（６）高溶融温度は、鉛フリー半田の溶融温度より５０°Ｃ以上高い温度に設定されているため、半田の濡れ性を良好なものとすることができる。
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
【００４９】
○ 実施形態では、一次加圧工程において、第１雰囲気ガスを窒素と水素との混合ガスとしたが、第１雰囲気ガスを水素のみとしてもよい。
○ 実施形態では、二次加圧工程において、第２雰囲気ガスを窒素としたが、第２雰囲気ガスを窒素と水素との混合ガスとしてもよい。
【００５０】
○ 実施形態では、一次加圧工程において容器内の一次加圧圧力を一定に保つようにしたが、一次加圧圧力を漸増させてもよい。
○ 実施形態では、溶融した半田の温度が下がる最中に、二次加圧圧力による加圧を開始したが、溶融した半田の温度が高溶融温度にあるうちから二次加圧圧力による加圧を開始してもよい。
【００５１】
○ 還元性ガスは、水素を含むガスに限らず、ホルムアルデヒドを含むなど他の組成のガスであっても良い。
○ 実施形態では、高周波加熱コイル２８による高周波誘導加熱により加熱を行っているが、加熱の方法は変更しても良い。例えば、容器１７内にヒータを設けて加熱してもよい。
【００５２】
○ 半田付けされる半田付け対象物としては、基台１３を接合していない状態の回路基板１１でも良い。この場合、本実施形態の容器１７内には、回路基板１１と半導体素子１２からなる半導体装置が収容されて半田付けされることとなる。また、半田付け対象物（半導体モジュール１００）を６個の回路基板１１で構成したが、回路基板１１の数は変更しても良い。
【００５３】
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
（１）前記高溶融温度は、前記半田の溶融温度より５０〜８０℃高い温度である請求項３に記載の半田付け方法。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】半導体モジュールの平面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図。
【図３】半田付け装置の縦断面図。
【図４】治具の平面図。
【図５】半導体モジュールと高周波加熱コイルの配置を示す模式図。
【図６】実験例における圧力及び温度の変遷を示すグラフとＸ線写真。
【符号の説明】
【００５５】
１０，１００…半導体装置としての半導体モジュール、１１…回路基板、１２…半導体素子、１７…容器、３３…鉛フリー半田としての半田シート。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回路基板に半導体素子を鉛フリー半田によって半田付けする半田付け方法、及び半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、セラミックス基板の一面に配線層が形成されるとともに他面に金属層が形成されてなる回路基板を用いた半導体装置が知られている。この半導体装置は、例えば、回路基板の配線層上に、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等の半導体素子を半田付けすることにより製造される。
【０００３】
ところで、半導体素子の半田付けでは、半田を溶融させて凝固させるまでの過程において、半田層の中にボイドが発生する場合がある。回路基板と半導体素子とを接合する半田層の中に多くのボイドが発生すると、ボイドの存在によって半田層における電気や熱の抵抗が高くなってしまう。さらに、１つのボイドが大きいと半導体素子が発する電気や熱が当該大きなボイドを迂回して回路基板側に流れることになるため、大きなボイドの周縁部に位置する半導体素子の部位には局所的な高温領域（ホットスポット）が生じ、半導体素子の破壊に繋がる虞がある。
【０００４】
そこで、半田層の中にボイドが発生することを抑制するための提案がなされている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１では、密閉可能な容器内に、回路基板と半導体素子との間に鉛フリー半田を介在させた半田付け対象物を収容するとともに、容器内に還元性ガスを供給し、容器内の圧力を大気圧（常圧）以上の圧力まで加圧した状態で半田付けを行うことを提案している。この半田付け方法において、加圧状態は、半田の溶融開始から当該半田が凝固するまでの半田溶融域において維持される。
【特許文献１】特開２００７−１８０４４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の半田付け方法でも半田層の中にボイドが発生してしまうことが本発明者の実験によって確認されている。
また、近年では、環境への対応から半導体素子の半田付けに鉛フリー半田を用いることが多くなっている。鉛フリー半田は、溶融温度が通常の半田に比較して高いことや、半田付け時の濡れ性が悪いという特性を有する材料である。半田付け時の濡れ性が悪いと、半田が半導体素子の接合領域全体にわたって濡れ広がらずに、半導体素子の接合領域と回路基板との間に半田が存在しない半田未付着部分が生じてしまうことになる。ＭＯＳＥＦＴやＩＧＢＴ等の比較的大型の半導体素子を用いる場合には、この半田未付着部分による損失が大きな問題となる。
【０００６】
鉛フリー半田の濡れ性を改善する方法として、フラックスを用いることが考えられる。ところが、フラックスを用いると半田付けを行った後に、フラックスの洗浄工程が必要となり、半田付けの工程数が増加してしまうという新たな問題が発生する。
【０００７】
この発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものであり、その目的は、鉛フリー半田を用いた半田付けにおいて、ボイドの発生を抑制しつつ、フラックスを用いることなく半田の濡れ性を良好なものにして半田付けを行うことができる半田付け方法、及び半導体装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の半田付け方法は回路基板と半導体素子との間に鉛フリー半田を介在させた半田付け対象物を容器内に収容して該容器内を還元性ガスを含む第１雰囲気ガスで満たした後、前記第１雰囲気ガスによって前記容器内を大気圧より大きい一次加圧圧力に加圧し、前記容器内の圧力を前記一次加圧圧力に維持した状態で前記半田を該半田の溶融温度以上の高溶融温度まで加熱して前記半田を溶融させ、前記容器内の圧力を前記一次加圧圧力に維持した状態で前記半田の温度を前記高溶融温度で一定時間保持し、前記半田の温度を前記高溶融温度に維持した状態で前記容器内を減圧して真空状態にし、前記半田の温度を前記溶融温度以上とした状態で、不活性ガスを含む第２雰囲気ガスによって前記容器内を前記真空状態から前記一次加圧圧力より大きい二次加圧圧力まで加圧し、その後、前記容器内の圧力を前記二次加圧圧力に維持した状態で前記半田の温度を前記溶融温度未満の温度まで下げて前記半田を凝固させ、前記回路基板と前記半導体素子との半田付けを行うことを要旨とする。
【０００９】
また、請求項５に記載の発明は、回路基板に半導体素子を鉛フリー半田によって半田付けしてなる半導体装置の製造方法であって、回路基板と半導体素子との間に鉛フリー半田を介在させた半田付け対象物が収容された容器内を還元性ガスを含む第１雰囲気ガスで満たした後、前記第１雰囲気ガスによって前記容器内を大気圧より大きい一次加圧圧力に加圧し、前記容器内の圧力を前記一次加圧圧力に維持した状態で前記半田を該半田の溶融温度以上の高溶融温度まで加熱して前記半田を溶融させ、前記容器内の圧力を前記一次加圧圧力に維持した状態で前記半田の温度を前記高溶融温度で一定時間保持し、前記半田の温度を前記高溶融温度に維持した状態で前記容器内を減圧して真空状態にし、前記半田の温度を前記溶融温度以上とした状態で、不活性ガスを含む第２雰囲気ガスによって前記容器内を前記真空状態から前記一次加圧圧力より大きい二次加圧圧力まで加圧し、その後、前記容器内の圧力を前記二次加圧圧力に維持した状態で前記半田の温度を前記溶融温度未満の温度まで下げて前記半田を凝固させ、前記回路基板と前記半導体素子との半田付けを行うことを要旨とする。
【００１０】
請求項１及び請求項５に記載の発明によれば、容器内を大気圧より大きい一次加圧圧力まで加圧した状態で半田を溶融させるため、溶融した半田の界面周囲には大気圧より大きい一次加圧圧力にある第１雰囲気ガスが存在することになる。また、半田はその溶融温度よりも高い温度である高溶融温度にまで加熱されて溶融状態が維持されている。このため、半田の濡れ性を良好なものにすることができる。これは、溶融温度よりも高い温度にまで加熱されて表面張力が低下している溶融状態の半田の界面が周囲に存在する第１雰囲気ガスにより外側方向へ強く引っ張られることによるものであると考えられる。さらに、本発明では、半田の温度を高溶融温度に維持した状態で容器内の真空引きを行うことで、溶融半田層に存在する比較的大きなボイドを、該溶融半田層より外部に抜き出すことができる。そして、真空引きに連続して容器内を一次加圧圧力より大きい二次加圧圧力まで加圧することにより、真空引きによって抜き出せなかった溶融半田層中の微小ボイドを押し潰すことができる。その結果、鉛フリー半田を用いても、ボイドの発生を効果的に抑制するとともに、フラックスを用いることなく半田の濡れ性を良好なものとすることができる。
【００１１】
また、前記容器内の圧力を前記真空状態から前記二次加圧圧力にする加圧は、前記半田の加熱を停止して前記半田が降温状態にある間に行われるとしてもよい。これによれば、容器内を真空引きする間に半田の加熱が停止され、半田の温度が下がり始めた状態において容器内を二次加圧圧力にする加圧が行われるので、半田付けに係る時間を短くすることができる。
【００１２】
また、前記高溶融温度は前記半田の溶融温度よりも５０℃以上高い温度であってもよい。そして、前記第１雰囲気ガスは不活性ガスである窒素と還元性ガスである水素との混合ガスであり、前記第１雰囲気ガス中の前記水素の割合は前記窒素よりも少ないとしてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、鉛フリー半田を用いた半田付けにおいて、ボイドの発生を抑制しつつ、フラックスを用いることなく半田の濡れ性を良好なものにして半田付けを行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図６にしたがって説明する。
図１及び図２は、半導体装置としての半導体モジュール１０を示している。半導体モジュール１０は、四角板状をなす回路基板１１と、この回路基板１１に半田付けされる四角板状の半導体素子１２、及び四角板状の基台１３とから構成されている。回路基板１１は、セラミックス基板１４の両面に金属板１５，１６を接合して構成されている。セラミックス基板１４は、例えば、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化ケイ素などにより形成されている。また、金属板１５は、配線層として機能し、例えば、アルミニウム（純アルミニウム及びアルミニウム合金）や銅などで形成されている。半導体素子１２は、金属板１５に半田付けされている。図２の符号「Ｈ」は、半田層を示している。この半田層Ｈは、四角シート状の半田シート３３（図３参照）によって形成され、半田シート３３は、錫を主成分として鉛以外の金属との合金からなる鉛フリー半田によって形成されている。
【００１５】
半導体素子１２は、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor )やダイオードからなり、回路基板１１（金属板１５）には複数（本実施形態では４つ）の半導体素子１２が半田付けされている。また、金属板１６は、セラミックス基板１４と基台１３とを接合する接合層として機能し、例えば、アルミニウムや銅などで形成されている。なお、基台１３は半導体素子を冷却する冷却器（ヒートシンク）である。
【００１６】
図３は、半田付けに用いる半田付け装置ＨＫの構成を概略的に示している。半田付け装置ＨＫは、回路基板１１（金属板１５）に半導体素子１２を半田付けするための装置として構成されている。また、本実施形態の半田付け装置ＨＫは、図５に示すように、６枚の回路基板１１で構成される半導体モジュール（半導体装置）１００の半田付けを行う装置として構成されている。このため、半導体モジュール１００には、２４個の半導体素子１２が半田付けされるようになっている。
【００１７】
半田付け装置ＨＫは、密閉可能な容器（チャンバ）１７を備え、この容器１７は開口部１８ａを有する箱型の本体部材１８と、この本体部材１８の開口部１８ａを開放及び閉鎖する蓋部材１９とから構成されている。本体部材１８内には、半導体モジュール１００を位置決めし、支持する支持台２０が設置されている。また、本体部材１８には、蓋部材１９の装着部位にパッキン２１が配設されている。
【００１８】
蓋部材１９は、本体部材１８の開口部１８ａを閉鎖可能な大きさで形成されており、本体部材１８に蓋部材１９を装着することにより容器１７内には密閉空間Ｓが形成されるようになっている。また、蓋部材１９において、密閉空間Ｓと対向する部位は、非磁性かつ電気的絶縁材で形成されている。本実施形態では、電気的絶縁材としてガラスが用いられており、蓋部材１９にはガラス板２２が組み付けられている。
【００１９】
また、本体部材１８には、容器１７内に還元性ガス（本実施形態では水素（Ｈ２））を供給するための還元性ガス供給部２３が接続されている。還元性ガス供給部２３は、配管２３ａと、この配管２３ａの開閉バルブ２３ｂと、減圧弁２３ｃと、水素タンク２３ｄとを備えている。減圧弁２３ｃは、開閉バルブ２３ｂを介して導入した水素タンク２３ｄからの水素ガスの圧力を一定圧にし、容器１７内に供給するようになっている。
【００２０】
また、本体部材１８には、容器１７内に不活性ガス（本実施形態では窒素（Ｎ２））を供給するための不活性ガス供給部２４が接続されている。不活性ガス供給部２４は、配管２４ａと、この配管２４ａの開閉バルブ２４ｂと、窒素タンク２４ｃとを備えている。
【００２１】
また、本体部材１８には、容器１７内を真空引きするための真空部２５が接続されている。真空部２５は、配管２５ａと、この配管２５ａの開閉バルブ２５ｂと、真空ポンプ２５ｃとを備えている。また、本体部材１８には、容器１７内に充満したガスを外部に排出するためのガス排出部２６が接続されている。ガス排出部２６は、配管２６ａと、この配管２６ａの開閉バルブ２６ｂと、絞り弁２６ｃとを備えている。
【００２２】
そして、容器１７内のガスは、絞り弁２６ｃによって排出量が調整され、外部に排出される。半田付け装置ＨＫは、還元性ガス供給部２３、不活性ガス供給部２４、真空部２５及びガス排出部２６を備えることにより、密閉空間Ｓ内の圧力を調整可能な構成とされており、容器１７内は圧力調整によって加圧されたり、減圧されたりする。
【００２３】
また、本体部材１８には、容器１７内において温度を計測する温度センサ（例えば、熱電対など）２７が設置されている。本実施形態において温度センサ２７は、半導体素子１２と金属板１５の接合部位（半田付けを行う部位）の温度を計測し得るように容器１７内に設置されている。
【００２４】
半田付け装置ＨＫの上部（蓋部材１９の上部）には、高周波加熱コイル２８が設置されている。本実施形態において高周波加熱コイル２８は、図５に示すように、６枚の回路基板１１に各別に対応するように６つの高周波加熱コイル２８が各回路基板１１の上側に配置されている。本実施形態の高周波加熱コイル２８は、１枚の回路基板１１を覆う大きさに形成されている。また、図３に示すように、各高周波加熱コイル２８は、渦巻き状（角形の渦巻き状）に形成されており、平面的に展開されている。また、各高周波加熱コイル２８は、蓋部材１９（ガラス板２２の装着部位）に対向するように配置されている。また、各高周波加熱コイル２８は、半田付け装置ＨＫが備える高周波発生装置２９に電気的に接続されているとともに、容器１７内に設置された温度センサ２７の計測結果に基づき、所定の温度に制御されるようになっている。また、各高周波加熱コイル２８には、コイル内部に冷却水を通すための冷却路３０が形成されているとともに、半田付け装置ＨＫが備える冷却水タンク３１に接続されている。
【００２５】
図４は、半田付けを行う際に使用する治具３２を示している。治具３２は、回路基板１１を構成するセラミックス基板１４と同一の大きさをなす平板状に形成されている。治具３２は、例えば、グラファイトやセラミックスなどの材料で形成されている。治具３２は、図３に示すように、半田付け時において回路基板１１上に半田シート３３と、半導体素子１２とを位置決めするために使用される。このため、治具３２には、回路基板１１における半導体素子１２の接合部位に対応する部位に位置決め用の貫通孔３４が形成されている。貫通孔３４は、半導体素子１２及び半田シート３３のサイズに応じた大きさで形成されている。そして、本実施形態においては、回路基板１１上に複数個（４つ）の半導体素子１２が接合されるので、治具３２には複数個（４つ）の貫通孔３４が形成されている。
【００２６】
次に、前述した半田付け装置ＨＫを用いて半導体素子１２の半田付けを行う方法について説明する。なお、図３に示す半田付け装置ＨＫを用いて半田付けを行う場合には、回路基板１１に基台１３を予め接合しておく。
【００２７】
半田付けを行う際には、最初に、本体部材１８から蓋部材１９を外し、開口部１８ａを開放する。そして、図３に示すように本体部材１８の支持台２０に、回路基板１１が接合された基台１３を置き、この基台１３を位置決めする。次に、各回路基板１１（セラミックス基板１４）上に治具３２を置き、治具３２の各貫通孔３４内に、鉛フリー半田よりなる半田シート３３と半導体素子１２を配置する。すなわち、回路基板１１と半導体素子１２との間に半田シート３３を介在させた半田付け対象部を容器１７内に収容する。
【００２８】
次に、蓋部材１９を本体部材１８に取り付け、開口部１８ａを閉鎖し、容器１７内に密閉空間Ｓを形成する。密閉空間Ｓ内に半田付け対象物を収容した状態（図３に示す）において、各高周波加熱コイル２８は、半田付け対象物の上方に配置されるとともに、各高周波加熱コイル２８と半田付け対象物との間には蓋部材１９に組み付けられたガラス板２２が配置される。
【００２９】
次に、容器１７内のガス置換を行う。まず、真空部２５を操作して容器１７内を真空引きするとともに、不活性ガス供給部２４を操作して容器１７内に窒素を供給し、密閉空間Ｓ内を不活性ガスで充満させる。この真空引きと窒素の供給を数回繰り返す。
【００３０】
次に、不活性ガス供給部２４及び還元性ガス供給部２３を操作して容器１７内に窒素及び水素を供給し、水素（還元性ガス）と窒素（不活性ガス）との混合ガスによって、すなわち、第１雰囲気ガスによって、容器１７内を大気圧より大きい一次加圧圧力まで加圧するとともに、その一次加圧圧力を維持する（一次加圧工程）。なお、第１雰囲気ガスは、還元性ガスである水素が、第１雰囲気ガスの全体容量に対して５〜１０％の割合で含まれているのが好ましい。すなわち、第１雰囲気ガス中の水素の割合は窒素よりも少なくなっている。また、一次加圧圧力は、半田の濡れ性を良好にするために大気圧より大きい圧力に設定されればよく、例えば、０．１６Ｍｐａに設定される。
【００３１】
次に、容器１７内が還元性ガスを含む第１雰囲気ガスによって一次加圧圧力に加圧された状態で、高周波発生装置２９を作動させ、各高周波加熱コイル２８に高周波電流を流して、各高周波加熱コイル２８によって半田シート３３を加熱する（加熱工程）。すると、半田シート３３は、加圧状態の中で温度が半田の溶融温度以上の温度になることにより溶融する。そして、半田シート３３は、温度センサ２７の計測結果に基づき、半田シート３３の溶融温度（例えば、２２１°Ｃ）より高い温度である高溶融温度まで加熱される。なお、この高溶融温度は、半田の溶融温度より５０°Ｃ以上高い温度に設定されるのが好ましく、５０〜８０°Ｃ高い温度に設定されるのが特に好ましい。この実施形態では、半田の濡れ性を良好とするために、高溶融温度を半田の溶融温度より６０°Ｃ以上高い温度に設定している。
【００３２】
次に、温度センサ２７の計測結果に基づき、高周波発生装置２９によって高周波加熱コイル２８を制御して、半田の温度を高溶融温度に一定時間保持し、半田を溶融させた状態で、真空部２５を操作して容器１７内を真空引きして減圧し、容器１７内を真空状態にする（真空工程）。この真空引きは、容器１７内の圧力が０．０００５〜０．０１ＭＰａ（低真空）以下となるまで行われるのが好ましい。
【００３３】
そして、容器１７内が低真空以下の圧力となった後に、高周波発生装置２９を停止させて半田の加熱を停止する。すると、高溶融温度にある半田の温度が徐々に低下して、半田の降温が開始する。
【００３４】
そして、降温状態にある半田が溶融温度以上にあるうちに不活性ガス供給部２４を操作して容器１７内に窒素からなる（不活性ガスを含む）第２雰囲気ガスが供給され、該第２雰囲気ガスによって容器１７内の圧力を真空状態から一次加圧圧力より大きい二次加圧圧力まで加圧する。この二次加圧圧力は、溶融した半田が凝固するまで維持される（二次加圧工程）。よって、半田の凝固は、半田が不活性ガスを含む第２雰囲気ガスによって二次加圧圧力で加圧された状態で行われる。
【００３５】
そして、溶融した半田は、溶融温度未満に冷却されることによって凝固し、金属板１５と半導体素子１２とを接合する。金属板１５と半導体素子１２とが接合することで半導体モジュール１００が完成する。そして、蓋部材１９を本体部材１８から取り出し、治具３２を外した後に容器１７内から半導体モジュール１００を取り出す。なお、半導体モジュール１００を容器１７から取り出す際、容器１７内のガスはガス排出部２６を介して大気開放される。
【００３６】
以下、本実施形態の半田付けにおいて加熱時及び冷却時に容器１７内の内部雰囲気を調整する態様を、図６に示す実験例を用いて説明する。
実験例で用いた半導体モジュール１０の各寸法は、以下のとおりである。
【００３７】
セラミックス基板１４は、窒化アルミニウムからなり、３０ｍｍ×３０ｍｍの四角形で、厚み０．６３５ｍｍである。金属板１５，１６は、純アルミニウム（例えば、工業用純アルミニウムである１０００系アルミニウム）からなり、２７ｍｍ×２７ｍｍの四角形で、厚み０．４ｍｍである。半導体素子１２は、厚み０．３５ｍｍである。半田シート３３は、Ｓｎ（錫）−Ｃｕ（銅）−Ｎｉ（ニッケル）−Ｐ（リン）系の鉛フリー半田からなり、四角形であるとともに厚み０．１ｍｍ〜０．２ｍｍである。
【００３８】
実験例では、図６のグラフに示すように容器１７内の圧力及び温度を変遷（調整）させている。なお、図６のグラフにおける実線によって容器１７内の圧力の変遷を示し、破線によって半田の温度の変遷を示している。
【００３９】
まず、容器１７内の真空引きと窒素の供給を数回繰り返し、容器１７内のガス置換を行う。次に、一次加圧工程を行い、第１雰囲気ガス（窒素＋水素）によって容器１７内を、大気圧より大きい一次加圧圧力（０．１６ＭＰａ）まで加圧するとともに、一次加圧圧力に加圧した状態を維持する。
【００４０】
次に、容器１７内を一定の一次加圧圧力に保った状態で、加熱工程を行い、半田シート３３を溶融温度よりも高い高溶融温度（３０１°Ｃ）になるまで加熱し、溶融した半田の温度を高溶融温度に維持する。次に、溶融した半田の温度が高溶融温度に維持された状態で、真空工程を行い、容器１７内の圧力を０．０００５ＭＰａ（低真空）以下まで減圧させる。
【００４１】
容器１７内の圧力が低真空以下に維持された状態で、高周波発生装置２９による加熱を停止する。すると、半田温度の低下が始まる。そして、半田の温度が溶融温度以上の状態で、二次加圧工程を開始し、第２雰囲気ガス（窒素）によって容器１７内を一次加圧圧力より大きい二次加圧圧力（０．２ＭＰａ）まで加圧し、その加圧状態を維持する。そして、加圧状態を維持しながら半田を凝固させる。図６のグラフの横には、実験例で半田付けした場合の半導体素子１２の裏面側（接合面側）を示したＸ線写真を掲載している。Ｘ線写真では、最も色が濃くなっている部分が半田層Ｈである。このＸ線写真によれば、半田層Ｈの四つの角部にまで半田層Ｈが延びており、ボイドについてもほとんど確認できなかった。
【００４２】
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）本実施形態の半田付け方法においては、容器１７内を大気圧より大きい一次加圧圧力まで加圧した状態で、半田シート３３を溶融温度以上の高溶融温度まで加熱して溶融させているので、半田の濡れ性を良好なものとすることができる。これは、溶融温度よりも高い温度にまで加熱されて表面張力が低下している溶融状態の半田の界面が周囲に存在する第１雰囲気ガスにより外側方向へ強く引っ張られることによるものであると考えられる。したがって、半田層Ｈは半導体素子１２の四つの角部にまで延びており、すなわち、半田が半導体素子１２の接合領域全体にわたって濡れ広がっており、半導体素子１２の接合領域と回路基板１１との間に半田層Ｈが存在しない半田未付着部分が生じてしまうことを防止することができる。
【００４３】
さらに、半田の温度を高溶融温度に維持した状態で、容器１７内を真空引きしている。このため、溶融半田層に存在する比較的大きなボイドを溶融半田層から引き抜くことができる。そして、真空引きに連続して容器１７内を一次加圧圧力よりも大きい二次加圧圧力まで加圧することで溶融半田層に残る微小ボイドを押し潰すことができる。その結果として、鉛フリー半田を用いてもボイドの発生を抑制することができ、さらに、フラックスを用いることなく半田の濡れ性を良好なものとすることができる。そして、フラックスを用いないため、フラックスの洗浄工程も必要とせず、半田付け作業を簡単に行うことができる。
【００４４】
（２）容器１７内の圧力を真空状態から二次加圧圧力にする加圧は、半田の加熱を停止して半田が降温状態にある間に行われる。このため、容器１７内を真空引きする間に半田の加熱が停止され、半田の温度が下がり始めた状態において容器１７内を二次加圧圧力にする加圧が行われるので、半田付けに係る時間を短くすることができる。
【００４５】
（３）容器１７内を一次加圧圧力まで加圧する工程を行う際、一次加圧圧力の値は一定に保たれる。このため、例えば、一次加圧圧力を漸増させて加圧する場合に比して、二次加圧圧力まで加圧する工程において、その二次加圧圧力を低くすることができる。
【００４６】
（４）容器１７内を一次加圧圧力まで加圧するための第１雰囲気ガスは、窒素と水素との混合ガスであるため、還元性ガスである水素によって溶融した半田が酸化することを防ぐことができ、濡れ性の改善に寄与することができる。さらに、第１雰囲気ガス中の水素の割合は窒素よりも少ないため、水素の割合を窒素より多くする場合に比して第１雰囲気ガスに係るコストを抑えることができる。
【００４７】
（５）容器１７内を一次加圧圧力まで加圧する工程は、半田シート３３を加熱する前から開始される。このため、半田が溶融温度に達する前に、容器１７内を一次加圧圧力まで加圧した状態にすることができる。
【００４８】
（６）高溶融温度は、鉛フリー半田の溶融温度より５０°Ｃ以上高い温度に設定されているため、半田の濡れ性を良好なものとすることができる。
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
【００４９】
○ 実施形態では、一次加圧工程において、第１雰囲気ガスを窒素と水素との混合ガスとしたが、第１雰囲気ガスを水素のみとしてもよい。
○ 実施形態では、二次加圧工程において、第２雰囲気ガスを窒素としたが、第２雰囲気ガスを窒素と水素との混合ガスとしてもよい。
【００５０】
○ 実施形態では、一次加圧工程において容器内の一次加圧圧力を一定に保つようにしたが、一次加圧圧力を漸増させてもよい。
○ 実施形態では、溶融した半田の温度が下がる最中に、二次加圧圧力による加圧を開始したが、溶融した半田の温度が高溶融温度にあるうちから二次加圧圧力による加圧を開始してもよい。
【００５１】
○ 還元性ガスは、水素を含むガスに限らず、ホルムアルデヒドを含むなど他の組成のガスであっても良い。
○ 実施形態では、高周波加熱コイル２８による高周波誘導加熱により加熱を行っているが、加熱の方法は変更しても良い。例えば、容器１７内にヒータを設けて加熱してもよい。
【００５２】
○ 半田付けされる半田付け対象物としては、基台１３を接合していない状態の回路基板１１でも良い。この場合、本実施形態の容器１７内には、回路基板１１と半導体素子１２からなる半導体装置が収容されて半田付けされることとなる。また、半田付け対象物（半導体モジュール１００）を６個の回路基板１１で構成したが、回路基板１１の数は変更しても良い。
【００５３】
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
（１）前記高溶融温度は、前記半田の溶融温度より５０〜８０℃高い温度である請求項３に記載の半田付け方法。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】半導体モジュールの平面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図。
【図３】半田付け装置の縦断面図。
【図４】治具の平面図。
【図５】半導体モジュールと高周波加熱コイルの配置を示す模式図。
【図６】実験例における圧力及び温度の変遷を示すグラフとＸ線写真。
【符号の説明】
【００５５】
１０，１００…半導体装置としての半導体モジュール、１１…回路基板、１２…半導体素子、１７…容器、３３…鉛フリー半田としての半田シート。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路基板と半導体素子との間に鉛フリー半田を介在させた半田付け対象物を容器内に収容して該容器内を還元性ガスを含む第１雰囲気ガスで満たした後、前記第１雰囲気ガスによって前記容器内を大気圧より大きい一次加圧圧力に加圧し、
前記容器内の圧力を前記一次加圧圧力に維持した状態で前記半田を該半田の溶融温度以上の高溶融温度まで加熱して前記半田を溶融させ、
前記容器内の圧力を前記一次加圧圧力に維持した状態で前記半田の温度を前記高溶融温度で一定時間保持し、
前記半田の温度を前記高溶融温度に維持した状態で前記容器内を減圧して真空状態にし、
前記半田の温度を前記溶融温度以上とした状態で、不活性ガスを含む第２雰囲気ガスによって前記容器内を前記真空状態から前記一次加圧圧力より大きい二次加圧圧力まで加圧し、
その後、前記容器内の圧力を前記二次加圧圧力に維持した状態で前記半田の温度を前記溶融温度未満の温度まで下げて前記半田を凝固させ、前記回路基板と前記半導体素子との半田付けを行うことを特徴とする半田付け方法。
【請求項２】
前記容器内の圧力を前記真空状態から前記二次加圧圧力にする加圧は、前記半田の加熱を停止して前記半田が降温状態にある間に行われる請求項１に記載の半田付け方法。
【請求項３】
前記高溶融温度は前記半田の溶融温度よりも５０℃以上高い温度である請求項１又は請求項２に記載の半田付け方法。
【請求項４】
前記第１雰囲気ガスは不活性ガスである窒素と還元性ガスである水素との混合ガスであり、前記第１雰囲気ガス中の前記水素の割合は前記窒素よりも少ない請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載の半田付け方法。
【請求項５】
回路基板に半導体素子を鉛フリー半田によって半田付けしてなる半導体装置の製造方法であって、
回路基板と半導体素子との間に鉛フリー半田を介在させた半田付け対象物が収容された容器内を還元性ガスを含む第１雰囲気ガスで満たした後、前記第１雰囲気ガスによって前記容器内を大気圧より大きい一次加圧圧力に加圧し、前記容器内の圧力を前記一次加圧圧力に維持した状態で前記半田を該半田の溶融温度以上の高溶融温度まで加熱して前記半田を溶融させ、前記容器内の圧力を前記一次加圧圧力に維持した状態で前記半田の温度を前記高溶融温度で一定時間保持し、前記半田の温度を前記高溶融温度に維持した状態で前記容器内を減圧して真空状態にし、前記半田の温度を前記溶融温度以上とした状態で、不活性ガスを含む第２雰囲気ガスによって前記容器内を前記真空状態から前記一次加圧圧力より大きい二次加圧圧力まで加圧し、その後、前記容器内の圧力を前記二次加圧圧力に維持した状態で前記半田の温度を前記溶融温度未満の温度まで下げて前記半田を凝固させ、前記回路基板と前記半導体素子との半田付けを行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１】
回路基板と半導体素子との間に鉛フリー半田を介在させた半田付け対象物を容器内に収容して該容器内を還元性ガスを含む第１雰囲気ガスで満たした後、前記第１雰囲気ガスによって前記容器内を大気圧より大きい一次加圧圧力に加圧し、
前記容器内の圧力を前記一次加圧圧力に維持した状態で前記半田を該半田の溶融温度以上の高溶融温度まで加熱して前記半田を溶融させ、
前記容器内の圧力を前記一次加圧圧力に維持した状態で前記半田の温度を前記高溶融温度で一定時間保持し、
前記半田の温度を前記高溶融温度に維持した状態で前記容器内を減圧して真空状態にし、
前記半田の温度を前記溶融温度以上とした状態で、不活性ガスを含む第２雰囲気ガスによって前記容器内を前記真空状態から前記一次加圧圧力より大きい二次加圧圧力まで加圧し、
その後、前記容器内の圧力を前記二次加圧圧力に維持した状態で前記半田の温度を前記溶融温度未満の温度まで下げて前記半田を凝固させ、前記回路基板と前記半導体素子との半田付けを行うことを特徴とする半田付け方法。
【請求項２】
前記容器内の圧力を前記真空状態から前記二次加圧圧力にする加圧は、前記半田の加熱を停止して前記半田が降温状態にある間に行われる請求項１に記載の半田付け方法。
【請求項３】
前記高溶融温度は前記半田の溶融温度よりも５０℃以上高い温度である請求項１又は請求項２に記載の半田付け方法。
【請求項４】
前記第１雰囲気ガスは不活性ガスである窒素と還元性ガスである水素との混合ガスであり、前記第１雰囲気ガス中の前記水素の割合は前記窒素よりも少ない請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載の半田付け方法。
【請求項５】
回路基板に半導体素子を鉛フリー半田によって半田付けしてなる半導体装置の製造方法であって、
回路基板と半導体素子との間に鉛フリー半田を介在させた半田付け対象物が収容された容器内を還元性ガスを含む第１雰囲気ガスで満たした後、前記第１雰囲気ガスによって前記容器内を大気圧より大きい一次加圧圧力に加圧し、前記容器内の圧力を前記一次加圧圧力に維持した状態で前記半田を該半田の溶融温度以上の高溶融温度まで加熱して前記半田を溶融させ、前記容器内の圧力を前記一次加圧圧力に維持した状態で前記半田の温度を前記高溶融温度で一定時間保持し、前記半田の温度を前記高溶融温度に維持した状態で前記容器内を減圧して真空状態にし、前記半田の温度を前記溶融温度以上とした状態で、不活性ガスを含む第２雰囲気ガスによって前記容器内を前記真空状態から前記一次加圧圧力より大きい二次加圧圧力まで加圧し、その後、前記容器内の圧力を前記二次加圧圧力に維持した状態で前記半田の温度を前記溶融温度未満の温度まで下げて前記半田を凝固させ、前記回路基板と前記半導体素子との半田付けを行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【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２００９−２５３１５７（Ｐ２００９−２５３１５７Ａ）
【公開日】平成２１年１０月２９日（２００９．１０．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１０１６３３（Ｐ２００８−１０１６３３）
【出願日】平成２０年４月９日（２００８．４．９）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月２９日（２００９．１０．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年４月９日（２００８．４．９）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【Ｆターム（参考）】
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