接合装置、接合方法、及び接合体
【課題】加熱溶融又は焼結時に気化した有機ガスを要因とするボイドの発生を低減すること。
【解決手段】接合装置２０の加熱室２１は、半田ペースト１７に含まれる有機溶媒の沸点未満の温度に維持されている。加熱時には、ヒータ２５を半導体素子１２の素子面１２ａの中央に接触させて局所加熱を行う。これによれば、半田ペースト１７には、中央部から各端部１７ｂに向かって温度上昇が遅くなる温度勾配が発生する。従って、気化した有機ガスは、雰囲気隣接部とした半田ペースト１７の端部１７ｂから雰囲気中に抜け出るようになる。
【解決手段】接合装置２０の加熱室２１は、半田ペースト１７に含まれる有機溶媒の沸点未満の温度に維持されている。加熱時には、ヒータ２５を半導体素子１２の素子面１２ａの中央に接触させて局所加熱を行う。これによれば、半田ペースト１７には、中央部から各端部１７ｂに向かって温度上昇が遅くなる温度勾配が発生する。従って、気化した有機ガスは、雰囲気隣接部とした半田ペースト１７の端部１７ｂから雰囲気中に抜け出るようになる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被接合材間を接合材により接合する接合装置、接合方法、該接合方法により接合された接合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属粉に有機溶媒を混合することにより、有機溶媒に金属粉同士の接触を抑制させ、ペースト状にした接合材が知られている。この接合材は被接合材に塗布された後、加熱溶融又は焼結されることにより被接合材を接合する。接合材の加熱を開始し、接合材の温度が有機溶媒の沸点に達すると、有機溶媒が気化し、有機ガスとなって接合材外に抜けるとともに、有機溶媒が気化したことにより金属粉同士が接触する。更に加熱を続けると、金属粉が溶融又は焼結し、その後冷却することにより、被接合材が接合される。
【０００３】
ところで、有機ガスが接合材外に抜けきる前に金属粉が接触してしまうと、有機ガスが接合材中に閉じ込められる。有機ガスが接合材中に閉じ込められた状態のまま被接合材が接合されると、ボイドの原因となることが知られている。そこで、特許文献１では、接合材に対しプレ加熱を行い、有機溶媒を気化させた後に、接合材を溶融し、接合を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−４４７５４号公報
【発明の概要】
【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に記載の方法は、プレ加熱工程において全体を均一に加熱している。このため、接合材において雰囲気に曝されている部分（接合材外周部）の有機溶媒ほど早く気化する。すなわち、接合材において外周部寄りの金属粉ほど早く接触し、雰囲気と接合材内部とが、接触した金属粉によって遮断される。その結果、接合材内部から発生する有機ガスが、雰囲気中に抜け出し難くなるため、接合材内部に残留した有機ガスによってボイドが発生してしまう。また、金属粉の融点よりも高い温度で金属粉を溶融させた後に凝固させることにより、被接合材を接合する接合材で接合を行う場合でも、同様に接合材中に閉じ込められた有機ガスに起因するボイドが発生する。
【０００６】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、加熱溶融又は焼結時に気化した有機ガスを要因とするボイドの発生を低減させることができる接合装置、接合方法、及びその接合方法によって接合された接合体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、金属粉に有機溶媒を混合してなる接合材を加熱溶融又は焼結することで被接合材を接合する接合装置において、雰囲気に接する前記接合材の雰囲気隣接部の温度を、前記有機溶媒の沸点未満の温度に調整する調整手段を備えたことを要旨とする。
【０００８】
本発明によれば、雰囲気に接する雰囲気隣接部の温度を、有機溶媒の沸点未満の温度に調整することができるため、雰囲気隣接部の有機溶媒を最後に気化させることができる。接合材の加熱に伴い発生する有機ガスは、雰囲気隣接部から雰囲気中に抜け出すことが出来るため、接合材内部に有機ガスが残留せず、ボイドの発生を低減させることができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の接合装置において、前記調整手段には、局所加熱を行う加熱手段を含むことを要旨とする。
本発明によれば、接合材が局所加熱されることにより、接合材には、加熱手段から離間する方向に向かって温度上昇が遅くなる温度勾配が発生し、加熱手段寄りの部分程、早く有機溶媒が気化する。このため、有機ガスの逃げ道は、加熱手段から離間する方向に作られることになり、加熱手段から離間する方向に位置する雰囲気隣接部から有機ガスを押し出すことができる。この結果、より確実に有機ガスが接合材内に残留することを防ぐことができる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の接合装置において、前記加熱手段は、前記被接合材の中央を加熱可能に配置されることを要旨とする。
本発明によれば、加熱手段から雰囲気隣接部までの距離が最短になる。このため、雰囲気隣接部の温度が上昇しやすく効率がよい。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のうち何れか１項に記載の接合装置において、前記調整手段には、前記雰囲気隣接部に冷媒を供給する冷媒供給手段を含むことを要旨とする。
【００１２】
本発明によれば、接合材をどのような方法で加熱したとしても、雰囲気隣接部を冷却することにより、雰囲気隣接部の温度を、有機溶媒の沸点未満に調整することができる。
請求項５に記載の発明は、金属粉に有機溶媒を混合してなる接合材を加熱溶融又は焼結することで被接合材を接合する接合方法において、雰囲気に接する前記接合材の少なくとも一の部位である雰囲気隣接部が最後に溶融又は焼結されるように前記雰囲気隣接部の温度を調節する温度調節工程を有することを要旨とする。
【００１３】
本発明によれば、接合材において雰囲気と接している部分である雰囲気隣接部が最後に溶融又は焼結するように温度を調節することができるため、接合材の加熱に伴い発生する有機ガスは、雰囲気隣接部から雰囲気中に抜け出すことができる。このため、接合材内部に有機ガスが残留せず、ボイドの発生を低減させることができる。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の接合方法において、前記温度調節工程では、前記接合材の前記雰囲気隣接部に向かって熱を拡散させるように加熱することを要旨とする。
【００１５】
本発明によれば、接合材には、雰囲気隣接部に向かって温度上昇が遅くなる温度勾配が発生し、雰囲気隣接部が最後に溶融又は焼結する。そして、有機ガスが雰囲気隣接部から押し出されることにより、より確実に有機ガスが接合材内に残留することを防ぐことができる。
【００１６】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の接合方法において、前記温度調節工程では、前記被接合材の中央を加熱することを要旨とする。
本発明によれば、請求項３に記載の発明と同様の効果を奏する。
【００１７】
請求項８に記載の発明は、請求項５〜請求項７のうち何れか１項に記載の接合方法において、前記温度調節工程では、前記雰囲気隣接部の温度を前記有機溶媒の沸点未満の温度に冷却することを要旨とする。
【００１８】
本発明によれば、請求項４と同様の効果を奏する。
請求項９に記載の発明は、被接合材の間に介在させた金属粉に有機溶媒を混合してなる接合材を、請求項５〜請求項８のうち何れか１項に記載の接合方法によって加熱溶融又は焼結した接合体であることを要旨とする。
【００１９】
本発明の接合体は、有機ガスを要因とする接合材内部のボイドの発生が低減されているため、接合信頼性が高い。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、加熱溶融又は焼結時に気化した有機ガスを要因とするボイドの発生を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】半導体モジュールの縦断面図。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は、第１の実施形態における接合装置の概略図。
【図３】第１の実施形態における接合装置の作用図。
【図４】第２の実施形態における接合装置の概略図。
【図５】第２の実施形態における接合装置の作用図。
【図６】第３の実施形態における接合装置の概略図。
【図７】第３の実施形態における接合装置の作用図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施形態について、図１及び図２に従って説明する。
図１に示すように、接合体としての半導体モジュール１０は、被接合材としての回路基板１１と、当該回路基板１１の一面に接合される被接合材としての半導体素子１２と、ヒートシンク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を接合することにより形成されている。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に半田付けにより接合されている。符号「Ｈ」は、半田層を示している。半導体素子１２は、ＩＧＢＴやダイオードからなる。金属板１６は、セラミックス基板１４とヒートシンク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。ヒートシンク１３は、金属板１６に接合されている。
【００２３】
このような半導体モジュール１０は、図２（ａ）に示す接合装置２０を用いて、回路基板１１（金属板１５）と半導体素子１２との間に介在される接合材としての半田ペースト１７が加熱溶融されるとともに、溶融後の凝固によって半田付けされることで半田層Ｈが形成される。
【００２４】
図２（ａ）に示す接合装置２０には、装置の外部に対して閉塞される閉塞空間をなす加熱室２１が設けられている。加熱室２１の下部には、当該加熱室２１に半田溶融前の半田付け対象物３０を投入するとともに、加熱処理位置に位置決めするための搬送装置２２が敷設されている。また、加熱室２１の上部には、半田ペースト１７を溶融するための加熱手段としてのヒータ２５が、支持具２６によって支持されている。
【００２５】
本実施形態のヒータ２５は、図２（ｂ）に示すように、平面視円形の放熱面２５ａを有する棒状に形成されている。そして、放熱面２５ａの表面積は、半導体モジュール１０を構成する半導体素子１２の表面積よりも小さく形成されている。なお、ここで言う半導体素子１２の表面積とは、金属板１５に塗布された半田ペースト１７に載置された状態で平面視した時の素子面１２ａの表面積であって、当該素子面１２ａは金属板１５との接合面１２ｂに対向する面である。
【００２６】
また、ヒータ２５を支持する支持具２６には、ヒータ２５の放熱面２５ａを、半導体素子１２の素子面１２ａに対して接離動作させるための図示しない動作機構を具備している。本実施形態においてヒータ２５及び支持具２６は、図２（ａ）に示すように、半田付け対象物３０を加熱処理位置に位置決めした際、半導体素子１２の直上に位置するように配置されている。このため、放熱面２５ａを素子面１２ａに対して接離動作させる方向は、上方向（離間動作の方向）及び下方向（接近方向）とされる。
【００２７】
また、本実施形態においてヒータ２５による半田ペースト１７の加熱処理は、図３に示すように、ヒータ２５の放熱面２５ａを、加熱面としての半導体素子１２の素子面１２ａに接触（当接）させて行われる。本実施形態では、前述したように、ヒータ２５の放熱面２５ａの表面積が半導体素子１２の素子面１２ａの表面積よりも小さく構成されている。このため、放熱面２５ａを素子面１２ａに接触させた状態（加熱状態）では、素子面１２ａの局所（一部）にヒータ２５からの熱が伝達されることになる。したがって、本実施形態のヒータ２５は、局所加熱を行う加熱手段として機能する。また、加熱室２１の外部には、搬送装置２２の動作、ヒータ２５のＯＮ／ＯＦＦ操作、及び支持具２６の作動制御など、各種制御を実行する制御装置としての制御コントローラ２８が設けられている。搬送装置２２、ヒータ２５及び支持具２６の動作機構は、制御コントローラ２８に電気的に接続されている。そして、制御コントローラ２８は、予め用意された制御用プログラムにしたがって、上記各種制御を実行する。
【００２８】
次に、本実施形態の接合装置２０を用いて半導体素子１２と金属板１５を接合する接合方法を説明する。
最初に、接合装置２０の加熱室２１とは別の場所（別室）で、半田付け対象物３０を準備する。具体的には、回路基板１１における半導体素子１２の実装部位に対して半田ペースト１７を塗布するとともに、塗布した半田ペースト１７上に半導体素子１２を載置する。これにより、半田付け対象物３０の準備が完了し、この準備作業がペースト塗布工程となる。
【００２９】
なお、半田ペースト１７は、金属粉としての半田粉末に有機溶媒を加え、ペースト状にしたものである。有機溶媒としては、沸点が室温以上でペーストとして増粘や粘度調整ができ、混合される金属粉の溶融温度以下で気化する溶媒が用いられる。例えば、メタノール、エタノール、オクタノールなどが用いられる。
【００３０】
次に、準備した半田付け対象物３０を搬送装置２２によって加熱室２１へ搬送する。
搬送装置２２上の半田付け対象物３０は、搬送装置２２の駆動により、図２（ｂ）に示すように、ヒータ２５の放熱面２５ａが、半導体素子１２の素子面１２ａの中央に配置されるように位置決めする。この状態において放熱面２５ａは、支持具２６の接近動作によって素子面１２ａ側へ移動すると、当該素子面１２ａの中央付近に、局所的に接触可能とされる。また、半田付け対象物３０が投入された加熱室２１は閉塞空間とされる。また、加熱室２１の空間内（雰囲気内）は、半田ペースト１７に含まれる有機溶媒の沸点未満とされている。
【００３１】
そして、素子面１２ａに対して放熱面２５ａを接触させると、放熱面２５ａからの熱によって半田ペースト１７は半導体素子１２を介して加熱される。この加熱作業が加熱工程となる。ヒータ２５（放熱面２５ａ）の温度は、使用する接合材によって適宜設定されるが、本実施形態の加熱工程では半田ペースト１７を溶融可能な温度に設定される。
【００３２】
本実施形態の加熱工程のようにヒータ２５の熱を加えた場合、放熱面２５ａからの熱は、素子面１２ａの中央に集中して加えられることになる。そして、素子面１２ａに加えられた熱により接合面１２ｂの中央に熱が集中的に加えられることになる。このため、半田ペースト１７が加熱されると、半田ペースト１７においてヒータ２５寄りの部分である中央部１７ａ（図３に示す）程、早く温度が上昇する。一方で、半田ペースト１７は、中央部１７ａから離間する部分ほど温度は遅く上昇する。すなわち、半田ペースト１７は、中央部１７ａから四方に拡散するように熱が伝播されることになるので、半田ペースト１７の各端部１７ｂ（図２（ｂ）に示す４つの端面）は、温度上昇が最も遅くなる。本実施形態において、端部１７ｂは、雰囲気に接する雰囲気隣接部となり、雰囲気隣接部が最後に溶融するように、ヒータ２５により素子面１２ａの中央を局所的に加熱する作業が温度調節工程となる。これにより、半田ペースト１７は、各端部１７ｂに向かって温度上昇が遅くなる温度勾配を伴って溶融していく。なお、ヒータ２５の温度は、図２（ｂ）に示す半導体素子１２の端部１７ｂの温度が２００℃未満で、加熱される中央部１７ａとの温度差が４０℃となるような温度が望ましい。図３には、半田ペースト１７に温度勾配が形成されている状態を黒点の密度によって示しており、黒点の密度が高い程、温度が高いことを示している。
【００３３】
そして、ヒータ２５の加熱に伴い、半田ペースト１７の温度が有機溶媒の沸点に達すると、有機溶媒は気化し、有機ガスとなって雰囲気に抜け出していく。本実施形態の加熱工程では、半田ペースト１７の中央部１７ａの温度が最も高くなっているため、中央部１７ａから各端部１７ｂに向かって、徐々に有機溶媒が気化していく。有機溶媒が気化した部分では、半田粉末が接触し、有機ガスは通れなくなるため、有機ガスは中央部１７ａから端部１７ｂに向かって徐々に押し出されていく。そして、中央部１７ａから押し出された有機ガスは端部１７ｂから加熱室２１（雰囲気）中に抜け出し、最後に端部１７ｂの有機溶媒が気化する。
【００３４】
本実施形態の加熱工程によれば、ヒータ２５の局所加熱によって温度勾配を形成することから、気化した有機ガスの逃げ道が加熱室２１の雰囲気に接する部位としての端部１７ｂへ向かって作られることになる。その結果、半田ペースト１７が溶融しても、その内部に有機ガスが残留することなく、加熱室２１内に排出される。つまり、ボイドの発生要因となり得る有機ガスの残留を抑制することができる。本実施形態では、端部１７ｂが雰囲気隣接部となり、局所加熱を行うヒータ２５によって、端部１７ｂの温度を、有機溶媒の沸点未満の温度に調整する調整手段が構成される。
【００３５】
その後、半田ペースト１７が完全に溶融したならば、溶融した半田が凝固するまでの間、冷却する（冷却工程）。なお、溶融した半田の冷却は、自然冷却でも良いし、冷媒を供給する強制冷却の何れでも良い。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を接合する。
【００３６】
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）加熱室２１の空間内は、半田ペースト１７に含まれる有機溶媒の沸点未満とされている。このため、半田ペースト１７の各端部１７ｂが、雰囲気により冷却されることにより雰囲気隣接部は最後に溶融することとなる。このため半田ペースト１７の加熱に伴い発生する有機ガスは、各端部１７ｂから抜け出すことができ、半田ペースト１７内に残留する有機ガスが低減される。
【００３７】
（２）ヒータ２５は、半導体素子１２の素子面１２ａの中央を局所的に加熱している。ヒータ２５の局所加熱によって、半田ペースト１７には、中央部１７ａから各端部１７ｂに向かって温度上昇が遅くなる温度勾配が発生する。このため、気化した有機ガスの逃げ道が加熱室２１の雰囲気に接する部位である端部１７ｂへ向かって作られることになり、より確実に有機ガスを加熱室２１に排出することができる。
【００３８】
（３）半田ペースト１７を溶融する段階で、半田ペースト１７の加熱に伴う有機ガスを排出できるようにした。このため、特許文献１に記載の接合方法と比べると、プレ加熱工程を省略することができる。従って、工程が簡略化され、製造コストの削減につながる。
（第２の実施形態）
次に、本発明を具体化した第２の実施形態について図４及び図５に従って説明する。なお、以下に説明する実施形態では、既に説明した実施形態と同一構成について同一の符号を付すなどして、その重複する説明は省略又は簡略する。
【００３９】
図４に示すように、本実施形態における加熱室２１には、加熱室２１外に配置される冷媒供給源４３（図中、「供給源」と示す）からの冷媒を、加熱工程時に半田付け対象物３０の所定部位に供給する円環状の冷媒管路４０が配設されている。冷媒管路４０内には、冷媒供給源４３から供給される乾燥エアが流れるようになっている。冷媒管路４０の内周部には、乾燥エアを冷媒管路４０外に排出する排出孔４０ａが複数箇所（本実施形態では４箇所）に形成されている。冷媒管路４０は、半田ペースト１７の加熱時（加熱工程時）に、各排出孔４０ａから排出される乾燥エアが、半田ペースト１７の周縁部（端部１７ｂ）に吹き付けられるように配置される。具体的に言えば、冷媒管路４０は、複数本の支持柱４１を介して支持具４２で支持されている。各支持具４２は、半田付け対象物３０に対して接離動作させるための図示しない動作機構を具備している。本実施形態において冷媒管路４０は、図４及び図５に示すように、半田付け対象物３０を加熱処理位置に位置決めした際、各排出孔４０ａが半田ペースト１７の周囲に位置するように配置されている。このため、冷媒管路４０を半田ペースト１７に対して接離動作させる方向は、上方向（離間動作の方向）及び下方向（接近方向）とされる。
【００４０】
また、加熱室２１には、その上部に、半田ペースト１７を溶融するための加熱装置としてのヒータ２７が配設されている。本実施形態のヒータ２７は、加熱室２１の空間全体を加熱する非接触式（放熱面を半導体素子１２に接触させない）とされている。本実施形態では、このヒータ２７により、加熱室２１内の雰囲気温度を上昇させることによって半田ペースト１７を溶融させる。また、加熱室２１の外部には、搬送装置２２の動作、ヒータ２７のＯＮ／ＯＦＦ操作、支持具４２の作動制御及び冷媒供給源４３からの乾燥エアの供給／停止など、各種制御を実行する制御装置としての制御コントローラ２９が設けられている。搬送装置２２、ヒータ２７、冷媒供給源４３及び支持具４２の動作機構は、制御コントローラ２９に電気的に接続されている。そして、制御コントローラ２９は、予め用意された制御用プログラムに従って上記各種制御を実行する。
【００４１】
次に、本実施形態の接合装置２０を用いて半導体素子１２と金属板１５を接合する接合方法を説明する。なお、半田付け対象物３０は、第１の実施形態と同様にペースト塗布工程を経て準備される。
【００４２】
加熱室２１に投入された半田付け対象物３０は、半田ペースト１７が、ヒータ２７によって加熱された雰囲気温度で溶融される。一方、半田ペースト１７は、当該半田ペースト１７の周囲に配置される冷媒管路４０から排出される乾燥エアによって冷却される。本実施形態では、乾燥エアにより、半田ペースト１７の端部１７ｂの温度が、有機溶媒の沸点未満の温度に冷却される。本実施形態において、冷媒管路４０により雰囲気隣接部としての端部１７ｂを冷却しながら加熱を行う作業が温度調節工程となる。
【００４３】
図５には、半田ペースト１７に温度勾配が形成されている状態を黒点の密度によって示しており、黒点の密度が高い程、温度が高いことを示している。
本実施形態の加熱工程のように半田ペースト１７の端部１７ｂを冷却する場合、半田ペースト１７の端部１７ｂ寄りの部分ほど、温度は遅く上昇する。すなわち、半田ペースト１７の中央部１７ａは、端部１７ｂよりも温度は早く上昇する。これにより、半田ペースト１７は、第１の実施形態と同様に、各端部１７ｂに向かって温度上昇が遅くなる温度勾配を伴って溶融していく。その結果、半田ペースト１７に含まれる有機溶媒は、中央部１７ａから端部１７ｂに向かって徐々に気化していく。そして、中央部１７ａから押し出された有機ガスは、端部１７ｂから加熱室２１（雰囲気）中に抜け出し、最後に端部１７ｂの有機溶媒が気化する。
【００４４】
本実施形態によれば、第１の実施形態の効果（１），（３）に加えて、以下の効果を得ることができる。
（４）冷媒管路４０により、半田ペースト１７を冷却することで、加熱室２１内の雰囲気温度が上昇しても、半田ペースト１７の中央部１７ａから端部１７ｂに向かって温度上昇が遅くなる温度勾配を生じさせることができる。すなわち、半田ペースト１７を均等に加熱したとしても雰囲気隣接部から有機ガスを抜くことができる。
【００４５】
（５）冷媒管路４０により、加熱工程中に端部１７ｂを有機溶媒の沸点未満の温度に冷却することができる。このため、有機ガスが十分に抜けきるまで端部１７ｂの温度を有機溶媒の沸点未満に保つことにより、より確実に有機ガスを抜くことができる。
【００４６】
（第３の実施形態）
次に、本発明を具体化した第３の実施形態を図６及び図７に従って説明する。
図６に示すように、半導体素子１２の電極１２ｃには、制御装置５０が接続されている。そして、本実施形態では、以下に説明するように、半田ペースト１７を溶融させる加熱工程を行う。
【００４７】
図７には、半田ペースト１７に温度勾配が形成されている状態を黒点の密度によって示しており、黒点の密度が高い程、温度が高いことを示している。
制御装置５０は、半導体素子１２を駆動させる。すると、半導体素子１２の駆動に伴い半導体素子１２の表面が発熱する。この発熱は、半導体素子１２を介して半田ペースト１７に伝播される。これにより、本実施形態の加熱工程では、半導体素子１２の駆動による発熱により、半田ペースト１７を溶融させる。
【００４８】
このとき、半導体素子１２の表面は均等に発熱するため、半田ペースト１７に伝播する熱によって半田ペースト１７も均等に加熱される。すなわち、半田ペースト１７において、半導体素子１２寄りの部分ほど、温度が高くなりやすくなっている。一方、本実施形態の加熱工程では、ヒートシンク１３に冷媒を供給するようになっている。このため、半田ペースト１７は、冷媒供給により、冷却されることで、ヒートシンク１３寄りの部分ほど温度が高くなり難くなっている。これにより、本実施形態の加熱工程において半田ペースト１７には、半導体素子１２の接合面１２ｂ側から金属板１５へ向かって温度上昇が遅くなる温度勾配が形成される。本実施形態において、ヒートシンク１３により半田ペースト１７を冷却しながら加熱を行う作業が温度調節工程となる。したがって、半田ペースト１７に含まれる有機溶媒は、接合面１２ｂ側から金属板１５に向かって徐々に気化していく。そして、押し出された有機ガスは、金属板１５側から加熱室２１（雰囲気）中に抜け出し、最後に金属板１５側の端部（雰囲気隣接部）の有機溶媒が気化する。本実施形態では、電極１２ｃと、制御装置５０と、ヒートシンク１３により、調整手段が構成されるとともに、ヒートシンク１３により冷媒供給手段が構成される。
【００４９】
本実施形態によれば、第１及び第２の実施形態の効果（１），（３），（４）と同様の効果を得ることができる。
なお、実施形態は以下のように変更しても良い。
【００５０】
○ 第１及び第２の実施形態において、加熱手段としてレーザーやソフトビームなどを用いても良い。
○ 第１、第２及び第３の実施形態において、接合材は銀ペーストなど、接合材に含まれる有機溶媒の沸点よりも高い温度で接合させる他の接合材であっても良い。
【００５１】
○ 第１、第２及び第３の実施形態において、雰囲気隣接部は端部１７ｂ以外であってもよい。
○ 第１、第２及び第３の実施形態において、接合材は焼結により接合されてもよい。この場合、焼結時に接合対象物を加圧すれば接合を効率的に行うことができ、より好ましい。
【００５２】
○ 第１及び第２の実施形態において、接合体は半導体モジュール以外であってもよい。また、各実施形態の加熱工程では、半田付け対象物を、半導体素子１２と金属板１５によって構成しても良い。
【００５３】
○ 第１の実施形態において、局所加熱の部位を変更しても良い。すなわち、半田ペースト１７（接合材）において少なくとも１つの端部１７ｂを雰囲気隣接部とし、その雰囲気隣接部に向かって温度上昇させることで温度勾配を形成することができる。したがって、ヒータ２５を何れかの端部１７ｂ周縁に接触させて、加熱を行っても良い。
【００５４】
○ 第２の実施形態において、排出孔４０ａの数を変更してもよい。
○ 第２の実施形態において、ヒータ２７を、第１の実施形態のヒータ２５としても良い。
【００５５】
○ 第３の実施形態において、専用の冷媒供給手段（冷却装置）を用いて冷却を行っても良い。例えば、第２の実施形態の冷媒供給手段であっても良い。
【符号の説明】
【００５６】
１０…半導体モジュール、１１…回路基板、１２…半導体素子、１２ｃ…電極、１３…ヒートシンク、１５…金属板、１７…半田ペースト、１７ａ…中央部、１７ｂ…端部、２０…接合装置、２５…ヒータ、２７…ヒータ、４０…冷媒管路、５０…制御装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被接合材間を接合材により接合する接合装置、接合方法、該接合方法により接合された接合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属粉に有機溶媒を混合することにより、有機溶媒に金属粉同士の接触を抑制させ、ペースト状にした接合材が知られている。この接合材は被接合材に塗布された後、加熱溶融又は焼結されることにより被接合材を接合する。接合材の加熱を開始し、接合材の温度が有機溶媒の沸点に達すると、有機溶媒が気化し、有機ガスとなって接合材外に抜けるとともに、有機溶媒が気化したことにより金属粉同士が接触する。更に加熱を続けると、金属粉が溶融又は焼結し、その後冷却することにより、被接合材が接合される。
【０００３】
ところで、有機ガスが接合材外に抜けきる前に金属粉が接触してしまうと、有機ガスが接合材中に閉じ込められる。有機ガスが接合材中に閉じ込められた状態のまま被接合材が接合されると、ボイドの原因となることが知られている。そこで、特許文献１では、接合材に対しプレ加熱を行い、有機溶媒を気化させた後に、接合材を溶融し、接合を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−４４７５４号公報
【発明の概要】
【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に記載の方法は、プレ加熱工程において全体を均一に加熱している。このため、接合材において雰囲気に曝されている部分（接合材外周部）の有機溶媒ほど早く気化する。すなわち、接合材において外周部寄りの金属粉ほど早く接触し、雰囲気と接合材内部とが、接触した金属粉によって遮断される。その結果、接合材内部から発生する有機ガスが、雰囲気中に抜け出し難くなるため、接合材内部に残留した有機ガスによってボイドが発生してしまう。また、金属粉の融点よりも高い温度で金属粉を溶融させた後に凝固させることにより、被接合材を接合する接合材で接合を行う場合でも、同様に接合材中に閉じ込められた有機ガスに起因するボイドが発生する。
【０００６】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、加熱溶融又は焼結時に気化した有機ガスを要因とするボイドの発生を低減させることができる接合装置、接合方法、及びその接合方法によって接合された接合体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、金属粉に有機溶媒を混合してなる接合材を加熱溶融又は焼結することで被接合材を接合する接合装置において、雰囲気に接する前記接合材の雰囲気隣接部の温度を、前記有機溶媒の沸点未満の温度に調整する調整手段を備えたことを要旨とする。
【０００８】
本発明によれば、雰囲気に接する雰囲気隣接部の温度を、有機溶媒の沸点未満の温度に調整することができるため、雰囲気隣接部の有機溶媒を最後に気化させることができる。接合材の加熱に伴い発生する有機ガスは、雰囲気隣接部から雰囲気中に抜け出すことが出来るため、接合材内部に有機ガスが残留せず、ボイドの発生を低減させることができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の接合装置において、前記調整手段には、局所加熱を行う加熱手段を含むことを要旨とする。
本発明によれば、接合材が局所加熱されることにより、接合材には、加熱手段から離間する方向に向かって温度上昇が遅くなる温度勾配が発生し、加熱手段寄りの部分程、早く有機溶媒が気化する。このため、有機ガスの逃げ道は、加熱手段から離間する方向に作られることになり、加熱手段から離間する方向に位置する雰囲気隣接部から有機ガスを押し出すことができる。この結果、より確実に有機ガスが接合材内に残留することを防ぐことができる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の接合装置において、前記加熱手段は、前記被接合材の中央を加熱可能に配置されることを要旨とする。
本発明によれば、加熱手段から雰囲気隣接部までの距離が最短になる。このため、雰囲気隣接部の温度が上昇しやすく効率がよい。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のうち何れか１項に記載の接合装置において、前記調整手段には、前記雰囲気隣接部に冷媒を供給する冷媒供給手段を含むことを要旨とする。
【００１２】
本発明によれば、接合材をどのような方法で加熱したとしても、雰囲気隣接部を冷却することにより、雰囲気隣接部の温度を、有機溶媒の沸点未満に調整することができる。
請求項５に記載の発明は、金属粉に有機溶媒を混合してなる接合材を加熱溶融又は焼結することで被接合材を接合する接合方法において、雰囲気に接する前記接合材の少なくとも一の部位である雰囲気隣接部が最後に溶融又は焼結されるように前記雰囲気隣接部の温度を調節する温度調節工程を有することを要旨とする。
【００１３】
本発明によれば、接合材において雰囲気と接している部分である雰囲気隣接部が最後に溶融又は焼結するように温度を調節することができるため、接合材の加熱に伴い発生する有機ガスは、雰囲気隣接部から雰囲気中に抜け出すことができる。このため、接合材内部に有機ガスが残留せず、ボイドの発生を低減させることができる。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の接合方法において、前記温度調節工程では、前記接合材の前記雰囲気隣接部に向かって熱を拡散させるように加熱することを要旨とする。
【００１５】
本発明によれば、接合材には、雰囲気隣接部に向かって温度上昇が遅くなる温度勾配が発生し、雰囲気隣接部が最後に溶融又は焼結する。そして、有機ガスが雰囲気隣接部から押し出されることにより、より確実に有機ガスが接合材内に残留することを防ぐことができる。
【００１６】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の接合方法において、前記温度調節工程では、前記被接合材の中央を加熱することを要旨とする。
本発明によれば、請求項３に記載の発明と同様の効果を奏する。
【００１７】
請求項８に記載の発明は、請求項５〜請求項７のうち何れか１項に記載の接合方法において、前記温度調節工程では、前記雰囲気隣接部の温度を前記有機溶媒の沸点未満の温度に冷却することを要旨とする。
【００１８】
本発明によれば、請求項４と同様の効果を奏する。
請求項９に記載の発明は、被接合材の間に介在させた金属粉に有機溶媒を混合してなる接合材を、請求項５〜請求項８のうち何れか１項に記載の接合方法によって加熱溶融又は焼結した接合体であることを要旨とする。
【００１９】
本発明の接合体は、有機ガスを要因とする接合材内部のボイドの発生が低減されているため、接合信頼性が高い。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、加熱溶融又は焼結時に気化した有機ガスを要因とするボイドの発生を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】半導体モジュールの縦断面図。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は、第１の実施形態における接合装置の概略図。
【図３】第１の実施形態における接合装置の作用図。
【図４】第２の実施形態における接合装置の概略図。
【図５】第２の実施形態における接合装置の作用図。
【図６】第３の実施形態における接合装置の概略図。
【図７】第３の実施形態における接合装置の作用図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施形態について、図１及び図２に従って説明する。
図１に示すように、接合体としての半導体モジュール１０は、被接合材としての回路基板１１と、当該回路基板１１の一面に接合される被接合材としての半導体素子１２と、ヒートシンク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を接合することにより形成されている。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に半田付けにより接合されている。符号「Ｈ」は、半田層を示している。半導体素子１２は、ＩＧＢＴやダイオードからなる。金属板１６は、セラミックス基板１４とヒートシンク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。ヒートシンク１３は、金属板１６に接合されている。
【００２３】
このような半導体モジュール１０は、図２（ａ）に示す接合装置２０を用いて、回路基板１１（金属板１５）と半導体素子１２との間に介在される接合材としての半田ペースト１７が加熱溶融されるとともに、溶融後の凝固によって半田付けされることで半田層Ｈが形成される。
【００２４】
図２（ａ）に示す接合装置２０には、装置の外部に対して閉塞される閉塞空間をなす加熱室２１が設けられている。加熱室２１の下部には、当該加熱室２１に半田溶融前の半田付け対象物３０を投入するとともに、加熱処理位置に位置決めするための搬送装置２２が敷設されている。また、加熱室２１の上部には、半田ペースト１７を溶融するための加熱手段としてのヒータ２５が、支持具２６によって支持されている。
【００２５】
本実施形態のヒータ２５は、図２（ｂ）に示すように、平面視円形の放熱面２５ａを有する棒状に形成されている。そして、放熱面２５ａの表面積は、半導体モジュール１０を構成する半導体素子１２の表面積よりも小さく形成されている。なお、ここで言う半導体素子１２の表面積とは、金属板１５に塗布された半田ペースト１７に載置された状態で平面視した時の素子面１２ａの表面積であって、当該素子面１２ａは金属板１５との接合面１２ｂに対向する面である。
【００２６】
また、ヒータ２５を支持する支持具２６には、ヒータ２５の放熱面２５ａを、半導体素子１２の素子面１２ａに対して接離動作させるための図示しない動作機構を具備している。本実施形態においてヒータ２５及び支持具２６は、図２（ａ）に示すように、半田付け対象物３０を加熱処理位置に位置決めした際、半導体素子１２の直上に位置するように配置されている。このため、放熱面２５ａを素子面１２ａに対して接離動作させる方向は、上方向（離間動作の方向）及び下方向（接近方向）とされる。
【００２７】
また、本実施形態においてヒータ２５による半田ペースト１７の加熱処理は、図３に示すように、ヒータ２５の放熱面２５ａを、加熱面としての半導体素子１２の素子面１２ａに接触（当接）させて行われる。本実施形態では、前述したように、ヒータ２５の放熱面２５ａの表面積が半導体素子１２の素子面１２ａの表面積よりも小さく構成されている。このため、放熱面２５ａを素子面１２ａに接触させた状態（加熱状態）では、素子面１２ａの局所（一部）にヒータ２５からの熱が伝達されることになる。したがって、本実施形態のヒータ２５は、局所加熱を行う加熱手段として機能する。また、加熱室２１の外部には、搬送装置２２の動作、ヒータ２５のＯＮ／ＯＦＦ操作、及び支持具２６の作動制御など、各種制御を実行する制御装置としての制御コントローラ２８が設けられている。搬送装置２２、ヒータ２５及び支持具２６の動作機構は、制御コントローラ２８に電気的に接続されている。そして、制御コントローラ２８は、予め用意された制御用プログラムにしたがって、上記各種制御を実行する。
【００２８】
次に、本実施形態の接合装置２０を用いて半導体素子１２と金属板１５を接合する接合方法を説明する。
最初に、接合装置２０の加熱室２１とは別の場所（別室）で、半田付け対象物３０を準備する。具体的には、回路基板１１における半導体素子１２の実装部位に対して半田ペースト１７を塗布するとともに、塗布した半田ペースト１７上に半導体素子１２を載置する。これにより、半田付け対象物３０の準備が完了し、この準備作業がペースト塗布工程となる。
【００２９】
なお、半田ペースト１７は、金属粉としての半田粉末に有機溶媒を加え、ペースト状にしたものである。有機溶媒としては、沸点が室温以上でペーストとして増粘や粘度調整ができ、混合される金属粉の溶融温度以下で気化する溶媒が用いられる。例えば、メタノール、エタノール、オクタノールなどが用いられる。
【００３０】
次に、準備した半田付け対象物３０を搬送装置２２によって加熱室２１へ搬送する。
搬送装置２２上の半田付け対象物３０は、搬送装置２２の駆動により、図２（ｂ）に示すように、ヒータ２５の放熱面２５ａが、半導体素子１２の素子面１２ａの中央に配置されるように位置決めする。この状態において放熱面２５ａは、支持具２６の接近動作によって素子面１２ａ側へ移動すると、当該素子面１２ａの中央付近に、局所的に接触可能とされる。また、半田付け対象物３０が投入された加熱室２１は閉塞空間とされる。また、加熱室２１の空間内（雰囲気内）は、半田ペースト１７に含まれる有機溶媒の沸点未満とされている。
【００３１】
そして、素子面１２ａに対して放熱面２５ａを接触させると、放熱面２５ａからの熱によって半田ペースト１７は半導体素子１２を介して加熱される。この加熱作業が加熱工程となる。ヒータ２５（放熱面２５ａ）の温度は、使用する接合材によって適宜設定されるが、本実施形態の加熱工程では半田ペースト１７を溶融可能な温度に設定される。
【００３２】
本実施形態の加熱工程のようにヒータ２５の熱を加えた場合、放熱面２５ａからの熱は、素子面１２ａの中央に集中して加えられることになる。そして、素子面１２ａに加えられた熱により接合面１２ｂの中央に熱が集中的に加えられることになる。このため、半田ペースト１７が加熱されると、半田ペースト１７においてヒータ２５寄りの部分である中央部１７ａ（図３に示す）程、早く温度が上昇する。一方で、半田ペースト１７は、中央部１７ａから離間する部分ほど温度は遅く上昇する。すなわち、半田ペースト１７は、中央部１７ａから四方に拡散するように熱が伝播されることになるので、半田ペースト１７の各端部１７ｂ（図２（ｂ）に示す４つの端面）は、温度上昇が最も遅くなる。本実施形態において、端部１７ｂは、雰囲気に接する雰囲気隣接部となり、雰囲気隣接部が最後に溶融するように、ヒータ２５により素子面１２ａの中央を局所的に加熱する作業が温度調節工程となる。これにより、半田ペースト１７は、各端部１７ｂに向かって温度上昇が遅くなる温度勾配を伴って溶融していく。なお、ヒータ２５の温度は、図２（ｂ）に示す半導体素子１２の端部１７ｂの温度が２００℃未満で、加熱される中央部１７ａとの温度差が４０℃となるような温度が望ましい。図３には、半田ペースト１７に温度勾配が形成されている状態を黒点の密度によって示しており、黒点の密度が高い程、温度が高いことを示している。
【００３３】
そして、ヒータ２５の加熱に伴い、半田ペースト１７の温度が有機溶媒の沸点に達すると、有機溶媒は気化し、有機ガスとなって雰囲気に抜け出していく。本実施形態の加熱工程では、半田ペースト１７の中央部１７ａの温度が最も高くなっているため、中央部１７ａから各端部１７ｂに向かって、徐々に有機溶媒が気化していく。有機溶媒が気化した部分では、半田粉末が接触し、有機ガスは通れなくなるため、有機ガスは中央部１７ａから端部１７ｂに向かって徐々に押し出されていく。そして、中央部１７ａから押し出された有機ガスは端部１７ｂから加熱室２１（雰囲気）中に抜け出し、最後に端部１７ｂの有機溶媒が気化する。
【００３４】
本実施形態の加熱工程によれば、ヒータ２５の局所加熱によって温度勾配を形成することから、気化した有機ガスの逃げ道が加熱室２１の雰囲気に接する部位としての端部１７ｂへ向かって作られることになる。その結果、半田ペースト１７が溶融しても、その内部に有機ガスが残留することなく、加熱室２１内に排出される。つまり、ボイドの発生要因となり得る有機ガスの残留を抑制することができる。本実施形態では、端部１７ｂが雰囲気隣接部となり、局所加熱を行うヒータ２５によって、端部１７ｂの温度を、有機溶媒の沸点未満の温度に調整する調整手段が構成される。
【００３５】
その後、半田ペースト１７が完全に溶融したならば、溶融した半田が凝固するまでの間、冷却する（冷却工程）。なお、溶融した半田の冷却は、自然冷却でも良いし、冷媒を供給する強制冷却の何れでも良い。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を接合する。
【００３６】
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）加熱室２１の空間内は、半田ペースト１７に含まれる有機溶媒の沸点未満とされている。このため、半田ペースト１７の各端部１７ｂが、雰囲気により冷却されることにより雰囲気隣接部は最後に溶融することとなる。このため半田ペースト１７の加熱に伴い発生する有機ガスは、各端部１７ｂから抜け出すことができ、半田ペースト１７内に残留する有機ガスが低減される。
【００３７】
（２）ヒータ２５は、半導体素子１２の素子面１２ａの中央を局所的に加熱している。ヒータ２５の局所加熱によって、半田ペースト１７には、中央部１７ａから各端部１７ｂに向かって温度上昇が遅くなる温度勾配が発生する。このため、気化した有機ガスの逃げ道が加熱室２１の雰囲気に接する部位である端部１７ｂへ向かって作られることになり、より確実に有機ガスを加熱室２１に排出することができる。
【００３８】
（３）半田ペースト１７を溶融する段階で、半田ペースト１７の加熱に伴う有機ガスを排出できるようにした。このため、特許文献１に記載の接合方法と比べると、プレ加熱工程を省略することができる。従って、工程が簡略化され、製造コストの削減につながる。
（第２の実施形態）
次に、本発明を具体化した第２の実施形態について図４及び図５に従って説明する。なお、以下に説明する実施形態では、既に説明した実施形態と同一構成について同一の符号を付すなどして、その重複する説明は省略又は簡略する。
【００３９】
図４に示すように、本実施形態における加熱室２１には、加熱室２１外に配置される冷媒供給源４３（図中、「供給源」と示す）からの冷媒を、加熱工程時に半田付け対象物３０の所定部位に供給する円環状の冷媒管路４０が配設されている。冷媒管路４０内には、冷媒供給源４３から供給される乾燥エアが流れるようになっている。冷媒管路４０の内周部には、乾燥エアを冷媒管路４０外に排出する排出孔４０ａが複数箇所（本実施形態では４箇所）に形成されている。冷媒管路４０は、半田ペースト１７の加熱時（加熱工程時）に、各排出孔４０ａから排出される乾燥エアが、半田ペースト１７の周縁部（端部１７ｂ）に吹き付けられるように配置される。具体的に言えば、冷媒管路４０は、複数本の支持柱４１を介して支持具４２で支持されている。各支持具４２は、半田付け対象物３０に対して接離動作させるための図示しない動作機構を具備している。本実施形態において冷媒管路４０は、図４及び図５に示すように、半田付け対象物３０を加熱処理位置に位置決めした際、各排出孔４０ａが半田ペースト１７の周囲に位置するように配置されている。このため、冷媒管路４０を半田ペースト１７に対して接離動作させる方向は、上方向（離間動作の方向）及び下方向（接近方向）とされる。
【００４０】
また、加熱室２１には、その上部に、半田ペースト１７を溶融するための加熱装置としてのヒータ２７が配設されている。本実施形態のヒータ２７は、加熱室２１の空間全体を加熱する非接触式（放熱面を半導体素子１２に接触させない）とされている。本実施形態では、このヒータ２７により、加熱室２１内の雰囲気温度を上昇させることによって半田ペースト１７を溶融させる。また、加熱室２１の外部には、搬送装置２２の動作、ヒータ２７のＯＮ／ＯＦＦ操作、支持具４２の作動制御及び冷媒供給源４３からの乾燥エアの供給／停止など、各種制御を実行する制御装置としての制御コントローラ２９が設けられている。搬送装置２２、ヒータ２７、冷媒供給源４３及び支持具４２の動作機構は、制御コントローラ２９に電気的に接続されている。そして、制御コントローラ２９は、予め用意された制御用プログラムに従って上記各種制御を実行する。
【００４１】
次に、本実施形態の接合装置２０を用いて半導体素子１２と金属板１５を接合する接合方法を説明する。なお、半田付け対象物３０は、第１の実施形態と同様にペースト塗布工程を経て準備される。
【００４２】
加熱室２１に投入された半田付け対象物３０は、半田ペースト１７が、ヒータ２７によって加熱された雰囲気温度で溶融される。一方、半田ペースト１７は、当該半田ペースト１７の周囲に配置される冷媒管路４０から排出される乾燥エアによって冷却される。本実施形態では、乾燥エアにより、半田ペースト１７の端部１７ｂの温度が、有機溶媒の沸点未満の温度に冷却される。本実施形態において、冷媒管路４０により雰囲気隣接部としての端部１７ｂを冷却しながら加熱を行う作業が温度調節工程となる。
【００４３】
図５には、半田ペースト１７に温度勾配が形成されている状態を黒点の密度によって示しており、黒点の密度が高い程、温度が高いことを示している。
本実施形態の加熱工程のように半田ペースト１７の端部１７ｂを冷却する場合、半田ペースト１７の端部１７ｂ寄りの部分ほど、温度は遅く上昇する。すなわち、半田ペースト１７の中央部１７ａは、端部１７ｂよりも温度は早く上昇する。これにより、半田ペースト１７は、第１の実施形態と同様に、各端部１７ｂに向かって温度上昇が遅くなる温度勾配を伴って溶融していく。その結果、半田ペースト１７に含まれる有機溶媒は、中央部１７ａから端部１７ｂに向かって徐々に気化していく。そして、中央部１７ａから押し出された有機ガスは、端部１７ｂから加熱室２１（雰囲気）中に抜け出し、最後に端部１７ｂの有機溶媒が気化する。
【００４４】
本実施形態によれば、第１の実施形態の効果（１），（３）に加えて、以下の効果を得ることができる。
（４）冷媒管路４０により、半田ペースト１７を冷却することで、加熱室２１内の雰囲気温度が上昇しても、半田ペースト１７の中央部１７ａから端部１７ｂに向かって温度上昇が遅くなる温度勾配を生じさせることができる。すなわち、半田ペースト１７を均等に加熱したとしても雰囲気隣接部から有機ガスを抜くことができる。
【００４５】
（５）冷媒管路４０により、加熱工程中に端部１７ｂを有機溶媒の沸点未満の温度に冷却することができる。このため、有機ガスが十分に抜けきるまで端部１７ｂの温度を有機溶媒の沸点未満に保つことにより、より確実に有機ガスを抜くことができる。
【００４６】
（第３の実施形態）
次に、本発明を具体化した第３の実施形態を図６及び図７に従って説明する。
図６に示すように、半導体素子１２の電極１２ｃには、制御装置５０が接続されている。そして、本実施形態では、以下に説明するように、半田ペースト１７を溶融させる加熱工程を行う。
【００４７】
図７には、半田ペースト１７に温度勾配が形成されている状態を黒点の密度によって示しており、黒点の密度が高い程、温度が高いことを示している。
制御装置５０は、半導体素子１２を駆動させる。すると、半導体素子１２の駆動に伴い半導体素子１２の表面が発熱する。この発熱は、半導体素子１２を介して半田ペースト１７に伝播される。これにより、本実施形態の加熱工程では、半導体素子１２の駆動による発熱により、半田ペースト１７を溶融させる。
【００４８】
このとき、半導体素子１２の表面は均等に発熱するため、半田ペースト１７に伝播する熱によって半田ペースト１７も均等に加熱される。すなわち、半田ペースト１７において、半導体素子１２寄りの部分ほど、温度が高くなりやすくなっている。一方、本実施形態の加熱工程では、ヒートシンク１３に冷媒を供給するようになっている。このため、半田ペースト１７は、冷媒供給により、冷却されることで、ヒートシンク１３寄りの部分ほど温度が高くなり難くなっている。これにより、本実施形態の加熱工程において半田ペースト１７には、半導体素子１２の接合面１２ｂ側から金属板１５へ向かって温度上昇が遅くなる温度勾配が形成される。本実施形態において、ヒートシンク１３により半田ペースト１７を冷却しながら加熱を行う作業が温度調節工程となる。したがって、半田ペースト１７に含まれる有機溶媒は、接合面１２ｂ側から金属板１５に向かって徐々に気化していく。そして、押し出された有機ガスは、金属板１５側から加熱室２１（雰囲気）中に抜け出し、最後に金属板１５側の端部（雰囲気隣接部）の有機溶媒が気化する。本実施形態では、電極１２ｃと、制御装置５０と、ヒートシンク１３により、調整手段が構成されるとともに、ヒートシンク１３により冷媒供給手段が構成される。
【００４９】
本実施形態によれば、第１及び第２の実施形態の効果（１），（３），（４）と同様の効果を得ることができる。
なお、実施形態は以下のように変更しても良い。
【００５０】
○ 第１及び第２の実施形態において、加熱手段としてレーザーやソフトビームなどを用いても良い。
○ 第１、第２及び第３の実施形態において、接合材は銀ペーストなど、接合材に含まれる有機溶媒の沸点よりも高い温度で接合させる他の接合材であっても良い。
【００５１】
○ 第１、第２及び第３の実施形態において、雰囲気隣接部は端部１７ｂ以外であってもよい。
○ 第１、第２及び第３の実施形態において、接合材は焼結により接合されてもよい。この場合、焼結時に接合対象物を加圧すれば接合を効率的に行うことができ、より好ましい。
【００５２】
○ 第１及び第２の実施形態において、接合体は半導体モジュール以外であってもよい。また、各実施形態の加熱工程では、半田付け対象物を、半導体素子１２と金属板１５によって構成しても良い。
【００５３】
○ 第１の実施形態において、局所加熱の部位を変更しても良い。すなわち、半田ペースト１７（接合材）において少なくとも１つの端部１７ｂを雰囲気隣接部とし、その雰囲気隣接部に向かって温度上昇させることで温度勾配を形成することができる。したがって、ヒータ２５を何れかの端部１７ｂ周縁に接触させて、加熱を行っても良い。
【００５４】
○ 第２の実施形態において、排出孔４０ａの数を変更してもよい。
○ 第２の実施形態において、ヒータ２７を、第１の実施形態のヒータ２５としても良い。
【００５５】
○ 第３の実施形態において、専用の冷媒供給手段（冷却装置）を用いて冷却を行っても良い。例えば、第２の実施形態の冷媒供給手段であっても良い。
【符号の説明】
【００５６】
１０…半導体モジュール、１１…回路基板、１２…半導体素子、１２ｃ…電極、１３…ヒートシンク、１５…金属板、１７…半田ペースト、１７ａ…中央部、１７ｂ…端部、２０…接合装置、２５…ヒータ、２７…ヒータ、４０…冷媒管路、５０…制御装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属粉に有機溶媒を混合してなる接合材を加熱溶融又は焼結することで被接合材を接合する接合装置であって、
雰囲気に接する前記接合材の雰囲気隣接部の温度を、前記有機溶媒の沸点未満の温度に調整する調整手段を備えたことを特徴とする接合装置。
【請求項２】
前記調整手段には、局所加熱を行う加熱手段を含むことを特徴とする請求項１に記載の接合装置。
【請求項３】
前記加熱手段は、前記被接合材の中央を加熱可能に配置されることを特徴とする請求項２に記載の接合装置。
【請求項４】
前記調整手段には、前記雰囲気隣接部に冷媒を供給する冷媒供給手段を含むことを特徴とする請求項１〜請求項３のうち何れか１項に記載の接合装置。
【請求項５】
金属粉に有機溶媒を混合してなる接合材を加熱溶融又は焼結することで被接合材を接合する接合方法であって、
雰囲気に接する前記接合材の少なくとも一の部位である雰囲気隣接部が最後に溶融又は焼結されるように前記雰囲気隣接部の温度を調節する温度調節工程を有することを特徴とする接合方法。
【請求項６】
前記温度調節工程では、前記接合材の前記雰囲気隣接部に向かって熱を拡散させるように加熱することを特徴とする請求項５に記載の接合方法。
【請求項７】
前記温度調節工程では、前記被接合材の中央を加熱することを特徴とする請求項６に記載の接合方法。
【請求項８】
前記温度調節工程では、前記雰囲気隣接部の温度を前記有機溶媒の沸点未満の温度に冷却することを特徴とする請求項５〜請求項７のうち何れか１項に記載の接合方法。
【請求項９】
被接合材の間に介在させた金属粉に有機溶媒を混合してなる接合材を、請求項５〜請求項８のうち何れか１項に記載の接合方法によって加熱溶融又は焼結した接合体。
【請求項１】
金属粉に有機溶媒を混合してなる接合材を加熱溶融又は焼結することで被接合材を接合する接合装置であって、
雰囲気に接する前記接合材の雰囲気隣接部の温度を、前記有機溶媒の沸点未満の温度に調整する調整手段を備えたことを特徴とする接合装置。
【請求項２】
前記調整手段には、局所加熱を行う加熱手段を含むことを特徴とする請求項１に記載の接合装置。
【請求項３】
前記加熱手段は、前記被接合材の中央を加熱可能に配置されることを特徴とする請求項２に記載の接合装置。
【請求項４】
前記調整手段には、前記雰囲気隣接部に冷媒を供給する冷媒供給手段を含むことを特徴とする請求項１〜請求項３のうち何れか１項に記載の接合装置。
【請求項５】
金属粉に有機溶媒を混合してなる接合材を加熱溶融又は焼結することで被接合材を接合する接合方法であって、
雰囲気に接する前記接合材の少なくとも一の部位である雰囲気隣接部が最後に溶融又は焼結されるように前記雰囲気隣接部の温度を調節する温度調節工程を有することを特徴とする接合方法。
【請求項６】
前記温度調節工程では、前記接合材の前記雰囲気隣接部に向かって熱を拡散させるように加熱することを特徴とする請求項５に記載の接合方法。
【請求項７】
前記温度調節工程では、前記被接合材の中央を加熱することを特徴とする請求項６に記載の接合方法。
【請求項８】
前記温度調節工程では、前記雰囲気隣接部の温度を前記有機溶媒の沸点未満の温度に冷却することを特徴とする請求項５〜請求項７のうち何れか１項に記載の接合方法。
【請求項９】
被接合材の間に介在させた金属粉に有機溶媒を混合してなる接合材を、請求項５〜請求項８のうち何れか１項に記載の接合方法によって加熱溶融又は焼結した接合体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１４８３２７（Ｐ２０１２−１４８３２７Ａ）
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１００２９（Ｐ２０１１−１００２９）
【出願日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【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２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【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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