(57)【要約】【課題】スパッタの飛散を抑えることができる接合装置を提供する。【解決手段】接合装置２１は、載置面２２ａを有する支持台２２、および筒状のノズル２３ａを有するレーザ装置２３を備えている。載置面２２ａには基板１２が半導体素子１３の表面電極１４を上へ向けて載せられる。表面電極１４には配線部材１５が重ねられる。表面電極１４と配線部材１５とを接合する際、ノズル２３ａは、載置面２２ａとの間で半導体素子１３が設けられた基板１２および配線部材１５を挟むことにより、表面電極１４と配線部材１５とが互いに離間する方向Ｄ１，Ｄ２へ移動することを規制する。このとき、ノズル２３ａは配線部材１５の表面におけるレーザ光Ｌが照射される部分を囲んだ状態に維持される。レーザ装置２３は、ノズル２３ａを介してレーザ光Ｌを照射することにより、表面電極１４と配線部材１５との接合界面Ｓｂを加熱する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
重ね合わせた２つの金属部材の重ね合わせ方向における動きが規制された状態で前記２つの金属部材のいずれか一方の表面に電磁波ビームを照射することにより前記２つの金属部材の接合界面に固相拡散を発生させるための熱を与える加熱装置を備え、
前記加熱装置は、電磁波ビームの照射時、前記金属部材の表面における電磁波ビームが照射される部分の近傍に位置する遮蔽部材を有している接合装置。
【請求項２】
前記遮蔽部材は、前記金属部材の表面における電磁波ビームが照射される部分を囲む筒状の部材である請求項１に記載の接合装置。
【請求項３】
前記遮蔽部材の内部から空気を吸い出す吸引装置を有し、
前記加熱装置は、前記吸引装置によって前記遮蔽部材の内部から空気が吸い出されている状態で電磁波ビームを照射する請求項２に記載の接合装置。
【請求項４】
電磁波ビームの照射時、前記遮蔽部材の先端が前記金属部材の表面に接触した状態に維持されることによって前記遮蔽部材は密閉された状態に保たれる請求項２または請求項３に記載の接合装置。
【請求項５】
重ねた状態の前記２つの金属部材を載置する載置面を有する支持台を備え、
前記遮蔽部材は、前記載置面との間で前記２つの金属部材を挟むことにより前記２つの金属部材の重ね合わせ方向における動きを規制する請求項１〜請求項４のうちいずれか一項に記載の接合装置。
【請求項６】
前記遮蔽部材は、前記載置面との間で前記２つの金属部材を互いに押し付けない状態で挟む請求項５に記載の接合装置。
【請求項７】
前記遮蔽部材は、前記載置面との間で前記２つの金属部材を互いに押し付けた状態で挟む請求項５に記載の接合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波ビームを使用して２つの金属部材を接合する接合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザ光を照射することによって２つの金属部材を接合する技術が知られている。たとえば特許文献１には、半導体素子表面の端子と配線とを接合する方法が記載されている。すなわち、半導体素子表面の端子と配線とを接合材を介して重ね合わせ、筒状の加圧ノズルにより半導体素子表面の端子と配線との接合部を押圧する。この状態で、レーザ光を加圧ノズルの内部を通じて配線の表面に照射することにより端子と配線との接合部を加熱して接合材を溶融させる。この溶融した接合材が接合層を形成することによって、端子と配線とが接合される。
【０００３】
また特許文献１には、配線とバスバーとを接合する方法についても記載されている。すなわち、配線とバスバーとを重ね合わせた状態でレーザ光を配線の表面に照射することにより、母材となる配線およびバスバーを溶融させる。これら配線およびバスバーにおける溶融した部分が凝固することにより、配線とバスバーとが接合される。配線およびバスバーは、たとえば銅により形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４８９４５２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の接合方法において、配線と端子とを接合する場合、半導体素子の耐熱温度の制約を受けることにより、接合材として融点が低い錫などが使用される。このため、照射するレーザ光のエネルギ密度は低くてよい。これに対し、配線とバスバーとを接合する場合、半導体素子のような耐熱温度についての制約がないため、母材となる配線およびバスバーを溶接により接合することが可能である。ただし、溶接を行う場合、融点の高い銅材を溶融させる必要があるため、照射するレーザ光のエネルギ密度を、母材を溶融させるだけのエネルギ密度まで高くする必要がある。
【０００６】
しかし、レーザ光を使用して配線と端子とを接合する場合、つぎのことが懸念される。すなわち、高エネルギ密度のレーザ光が配線に照射されることにより、配線におけるレーザ光が照射される部分は瞬時に溶融し、その溶融した金属の蒸発がはじまる。この蒸発に伴う金属蒸気の圧力によって、溶融した金属であるスパッタが飛散するおそれがある。
【０００７】
本発明の目的は、スパッタの飛散を抑えることができる接合装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成し得る接合装置は、重ね合わせた２つの金属部材の重ね合わせ方向における動きが規制された状態で前記２つの金属部材のいずれか一方の表面に電磁波ビームを照射することにより前記２つの金属部材の接合界面に固相拡散を発生させるための熱を与える加熱装置を備えている。前記加熱装置は、電磁波ビームの照射時、前記金属部材の表面における電磁波ビームが照射される部分の近傍に位置する遮蔽部材を有している。
【０００９】
２つの金属部材の接合に要する時間を短縮するために、たとえば電磁波ビームのエネルギ密度をより高く設定することが考えられる。しかし、金属部材に高エネルギ密度の電磁波ビームが照射されるとき、金属部材における電磁波ビームが照射される部分が溶融し激しい蒸発が発生するところ、この蒸発に伴う金属蒸気が飛び出す反動力によって溶融した金属であるスパッタが飛散するおそれがある。
【００１０】
この点、上記の構成によれば、電磁波ビームの照射時、金属部材の表面における電磁波ビームが照射される部分の近傍には遮蔽部材が位置している。このため、金属部材の表面における電磁波ビームが照射される部分から飛び出そうとするスパッタの少なくとも一部分の進路が遮蔽部材によって遮られる。したがって、スパッタの飛散を抑えることができる。
【００１１】
ちなみに、電磁波ビームの照射を通じて金属部材に発生した熱は、当該金属部材の裏面側へ向けて伝達し、やがて２つの金属部材の接合界面に伝わる。このように、２つの金属部材の接合界面に固相拡散を発生させるための熱が与えられることによって金属部材が熱膨張する。２つの金属部材の互いに重ね合わせた方向への動きが規制されているため、金属部材の熱膨張により接合界面が加圧される。これにより、２つの金属部材の接合界面が密着するとともに、２つの金属部材の接合界面に固相拡散が発生して２つの金属部材が接合される。
【００１２】
上記の接合装置において、前記遮蔽部材は、前記金属部材の表面における電磁波ビームが照射される部分を囲む筒状の部材であることが好ましい。
この構成によれば、電磁波ビームの照射時、金属部材の表面における電磁波ビームが照射される部分が筒状の遮蔽部材によって囲まれる。このため、スパッタの飛散しようとする方向にかかわらず、スパッタの進路が筒状の遮蔽部材によって遮られる。したがって、スパッタの飛散をより確実に抑制することができる。
【００１３】
上記の接合装置において、前記遮蔽部材の内部から空気を吸い出す吸引装置を有していてもよい。この場合、前記加熱装置は、前記吸引装置によって前記遮蔽部材の内部から空気が吸い出されている状態で電磁波ビームを照射することが好ましい。
【００１４】
この構成によれば、金属部材の表面における電磁波ビームが照射される部分から飛び出そうとするスパッタの少なくとも一部分は、吸引装置によって空気と一緒に吸い出される。このため、スパッタの飛散をより確実に抑制することができる。また、スパッタが遮蔽部材に付着することも抑えられる。
【００１５】
上記の接合装置において、電磁波ビームの照射時、前記遮蔽部材の先端が前記金属部材の表面に接触した状態に維持されることによって前記遮蔽部材は密閉された状態に保たれることが好ましい。
【００１６】
この構成によれば、金属部材の表面と遮蔽部材の先端との間に隙間が形成されないため、スパッタの飛散をより確実に抑制することができる。また、吸引装置によって遮蔽部材の内部から空気を吸い出す構成が採用される場合、遮蔽部材が密閉された状態で吸引されることにより、遮蔽部材の内部は大気圧よりも低い圧力状態である真空となる。密閉された遮蔽部材の内部に存在する酸素が減少するため、電磁波ビームの照射を通じて加熱される金属部材の表面における酸化膜の形成が抑制される。これにより、金属部材の表面における電磁波ビームの吸収率が安定するため、電磁波ビームの照射を通じて金属部材を適切に加熱することができる。
【００１７】
上記の接合装置において、重ねた状態の前記２つの金属部材を載置する載置面を有する支持台を備え、前記遮蔽部材は、前記載置面との間で前記２つの金属部材を挟むことにより前記２つの金属部材の重ね合わせ方向における動きを規制することが好ましい。
【００１８】
この構成によれば、遮蔽部材は、スパッタの飛散を抑制する遮蔽機能に加え、重ねられた２つの金属部材の重ね合わせ方向における動きを規制する位置決め機能を発揮する。２つの機能を遮蔽部材に持たせることにより、接合装置の構成を簡素化することが可能である。
【００１９】
上記の接合装置において、前記遮蔽部材は、前記載置面との間で前記２つの金属部材を互いに押し付けない状態で挟むようにしてもよい。
この構成によれば、金属部材の熱膨張による圧力を利用することによって、金属部材の外部から接合界面を加圧することなく２つの金属部材を接合することができる。このため、金属部材の外部から接合界面を加圧するための圧力を加える必要がない。
【００２０】
上記の接合装置において、前記遮蔽部材は、前記載置面との間で前記２つの金属部材を互いに押し付けた状態で挟むようにしてもよい。
この構成によれば、重ね合わせた２つの金属部材が互いに押し付けられることによって２つの金属部材の接合界面が加圧される。このため、２つの金属部材をより密着させた状態で、２つの金属部材の接合界面に固相拡散を発生させるための熱を与えることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の接合装置によれば、スパッタの飛散を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】接合装置の第１の実施の形態により２つの部品が接合されてなる接合体である半導体モジュールの正面図。
【図２】接合装置の第１の実施の形態の概略構成を示す構成図。
【図３】第１の実施の形態の接合装置において、配線部材がその表面から加熱される状態を示す接合装置の要部断面図。
【図４】第１の実施の形態における２つの金属部材の接合界面における原子流動を示す接合界面の二次元モデル。
【図５】（ａ）は第１の実施の形態におけるレーザ照射初期の配線部材の状態を示す要部断面図、（ｂ）は第１の実施の形態におけるレーザ照射途中の配線部材の状態を示す要部断面図、（ｃ）は第１の実施の形態におけるレーザ照射後の配線部材の状態を示す要部断面図。
【図６】第１の実施の形態におけるノズルをレーザ光の照射方向に直交する方向に沿って切断した断面図。
【図７】接合装置の第２の実施の形態の概略構成を示す構成図。
【図８】第２の実施の形態におけるレーザ照射途中の配線部材の状態を示す要部断面図。
【図９】（ａ），（ｂ）は、第３の実施の形態におけるノズルをレーザ光の照射方向に直交する方向に沿って切断した断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
＜第１の実施の形態＞
以下、接合装置を具体化した第１の実施の形態を説明する。接合装置は、電磁波ビームとしてのレーザ光（レーザビーム）を使用して金属あるいは金属部分を含む２つの部品を接合する装置である。
【００２４】
まず、２つの部品が接合されてなる接合体の一例を説明する。
図１に示すように、接合体としての半導体モジュール１１は、基板１２に設けられた半導体素子１３の表面電極１４と、配線部材１５とが接合されてなる。表面電極１４は、金（Ａｕ）により平板状あるいは薄膜状に設けられた金属部材である。配線部材１５は、銅（Ｃｕ）により平板状に設けられたバスバーあるいはリードフレームなどの金属部材である。配線部材１５の厚みは表面電極１４の厚みよりも厚い。
【００２５】
なお、表面電極１４と配線部材１５とは、固相拡散接合により接合される。固相拡散接合とは、接合する２つの母材（ここでは、表面電極１４および配線部材１５）を密着させて、これら母材の融点以下の温度条件で塑性変形をできるだけ生じない程度に加圧して、接合面間に生じる原子の拡散を利用して接合する方法をいう。
【００２６】
つぎに、接合装置について説明する。
図２に示すように、接合装置２１は、支持台２２、加熱装置としてのレーザ装置２３、駆動装置２４、温度センサ２５、および制御装置２６を有している。
【００２７】
支持台２２は、基板１２および配線部材１５が載置される載置面２２ａを有している。載置面２２ａには、基板１２が半導体素子１３を上（載置面２２ａと反対側）へ向けて載せられる。半導体素子１３の表面電極１４には配線部材１５が重ねられる。
【００２８】
レーザ装置２３は、遮蔽部材としての筒状のノズル２３ａを有している。レーザ装置２３は、ノズル２３ａを介して配線部材１５の表面にレーザ光Ｌを照射する。また、レーザ装置２３は、載置面２２ａに対して直交する方向（図２中の上下方向）に沿って移動可能に設けられている。レーザ装置２３は、初期位置Ｐ１と規制位置Ｐ２との間を移動する。初期位置Ｐ１は、載置面２２ａに基板１２および配線部材１５を重ねて置いたときの載置面２２ａを基準とする配線部材１５の上面の高さＨよりも高い位置である。規制位置Ｐ２は、載置面２２ａに基板１２および配線部材１５を重ねて置いたときの載置面２２ａを基準とする高さＨと同程度の高さとなる位置である。ちなみに、図２において、初期位置Ｐ１および規制位置Ｐ２は、ノズル２３ａの先端面２３ｂ（載置面２２ａ側の側面）の位置を示す。
【００２９】
なお、ノズル２３ａおよび支持台２２の載置面２２ａは、互いに共働して２つの金属部材（配線部材１５および基板１２に設けられた半導体素子１３の表面電極１４）を互いに押し付けない状態でこれら金属部材の互いに重ね合わせた方向（載置面２２ａに対して直交する方向）における動きを規制する規制装置を構成する。
【００３０】
駆動装置２４は、レーザ装置２３を載置面２２ａに対して直交する方向に沿って移動させる。駆動装置２４は、モータあるいはシリンダなどの駆動源、および駆動源が発生する動力をレーザ装置２３に伝達する伝達機構を有している。図２では、駆動装置２４からレーザ装置２３への動力伝達を破線で示す。また、駆動装置２４は、レーザ装置２３を初期位置Ｐ１から規制位置Ｐ２へ移動させたときにレーザ装置２３を規制位置Ｐ２に固定するための固定機構を有している。固定機構としては、たとえば先の駆動源あるいは伝達機構の運動を規制するブレーキ機構あるいはロック機構が採用される。
【００３１】
温度センサ２５は、ノズル２３ａの内部に設けられている。温度センサ２５は、配線部材１５の表面におけるレーザ光Ｌが照射される領域であるレーザ照射領域１５ａの表面温度を非接触で検出する。
【００３２】
制御装置２６は、レーザ装置２３および駆動装置２４の動作を制御する。制御装置２６は、駆動装置２４を通じてレーザ装置２３を初期位置Ｐ１と規制位置Ｐ２との間で移動させる。また、制御装置２６は、温度センサ２５により検出されるレーザ照射領域１５ａの表面温度に基づき、表面電極１４と配線部材１５との接合界面Ｓｂの温度を推定する。接合界面Ｓｂとは、表面電極１４および配線部材１５において互いに接合される部分である２つの接合面１４ａ，１５ｂの境界をいう。接合面１４ａは、表面電極１４の表面、換言すれば表面電極１４の配線部材１５側の界面である。接合面１５ｂは、配線部材１５の裏面、換言すれば配線部材１５の表面電極１４側の界面である。制御装置２６は、接合界面Ｓｂの温度に基づきレーザ装置２３の出力を調節する。
【００３３】
制御装置２６は、記憶装置２６ａを有している。記憶装置２６ａには目標温度Ｔ＊が記憶されている。目標温度Ｔ＊は、表面電極１４と配線部材１５とを適切に接合するために必要とされる接合界面Ｓｂの温度の目標値である。目標温度Ｔ＊は、接合対象の金属部材（１４，１５）を固相拡散接合することが可能とされる下限温度（たとえば銅の場合、２００℃程度）以上、かつ接合対象の金属部材（１４，１５）の融点以下の範囲内の温度に設定される。
【００３４】
目標温度Ｔ＊は、表面電極１４と配線部材１５との接合率と、接合界面Ｓｂの温度との関係に基づき設定される。接合率とは、接合界面Ｓｂにおける実際に接合された部分の面積である真実接合面積と、接合界面Ｓｂにおける真実接合面積と実際には接合されていない部分の面積である見かけの接合面積とを合算した面積との比をいう。接合率と接合界面Ｓｂの温度との関係は、実験あるいはシミュレーションにより求められる。たとえば、接合界面Ｓｂの温度の上昇に対して接合率は徐々に増加し、やがて接合率は温度にかかわらず一定の値となる。表面電極１４と配線部材１５とを接合する際には、まず目標とする接合率が決定されて、その決定された接合率に基づき目標温度Ｔ＊が決定される。
【００３５】
制御装置２６は、接合界面Ｓｂの温度が目標温度Ｔ＊に一致するように、レーザ光Ｌの照射条件を制御する。レーザ光Ｌの照射条件としては、たとえば照射パワーおよび照射時間が挙げられる。レーザ光Ｌの照射パワーおよび照射時間が増加するほど、接合界面Ｓｂの温度は上昇する。
【００３６】
＜接合体の製造方法＞
つぎに、半導体モジュール１１の製造方法を説明する。ただし、半導体素子１３が設けられた基板１２は、あらかじめ用意される。また、接合装置２１において、レーザ装置２３は初期位置Ｐ１に保持されている。載置面２２ａには、基板１２が半導体素子１３を上に向けた姿勢で載せられている。半導体素子１３の表面電極１４には、配線部材１５が重ねられている。この状態で、接合装置２１の動作が開始される。
【００３７】
図３に示すように、制御装置２６は、駆動装置２４を通じてレーザ装置２３を初期位置Ｐ１から規制位置Ｐ２へ移動させる。これにより、ノズル２３ａの先端面２３ｂ（載置面２２ａ側の側面）が配線部材１５の上面（表面電極１４と反対側の側面）に接触した状態に維持される。このとき、配線部材１５が表面電極１４に対して積極的に押し付けられることはない。半導体素子１３が設けられた基板１２および配線部材１５が載置面２２ａとノズル２３ａとの間に挟まれることにより、表面電極１４および配線部材１５の互いに離間する方向Ｄ１，Ｄ２への移動が規制される。方向Ｄ１，Ｄ２は、載置面２２ａに対して直交する方向であって、表面電極１４および配線部材１５の重ね合わせ方向でもある。
【００３８】
つぎに、制御装置２６は、レーザ装置２３を通じてレーザ光Ｌを配線部材１５のレーザ照射領域１５ａに照射する。レーザ光Ｌが配線部材１５に吸収されることにより、配線部材１５が加熱される。図３に網掛けで示すように、レーザ光Ｌの照射により発生した熱は、配線部材１５の表面から裏面へ向けて伝達する。制御装置２６は、レーザ装置２３を通じて、最終的には配線部材１５の裏面である接合面１５ｂと表面電極１４の表面である接合面１４ａとの境界である接合界面Ｓｂの温度が目標温度Ｔ＊に達するまでレーザ光Ｌをレーザ照射領域１５ａに照射する。ちなみに、図３における網掛けは、網目（ドット）が密であるほど温度が高い領域であることを示し、網目が粗であるほど温度が低い領域であることを示す。
【００３９】
配線部材１５は加熱による温度上昇に伴い熱膨張する。ここで配線部材１５は、ノズル２３ａによって載置面２２ａと反対側（図３中の上側）へ向けた変形が規制されることから、配線部材１５は最も変形しやすい表面電極１４側（図３中の下側）へ向けて膨張する。このため、配線部材１５の厚み方向における熱膨張に伴って発生する下向きの圧力Ｐが表面電極１４の表面である接合面１４ａに作用する。この加圧に伴い、配線部材１５の接合面１５ｂおよび表面電極１４の接合面１４ａの微細な凹凸の峰同士が接触して潰れることにより、接合面１５ｂと接合面１４ａとの密着が進行する。
【００４０】
図４の接合界面の二次元モデルに示すように、接合開始の直後において、接合面１５ｂと接合面１４ａとの境界である接合界面Ｓｂには、ボイドＶｓが生じる。接合面１５ｂと接合面１４ａとの密着が進行することにより、やがて表面電極１４と配線部材１５との接合界面Ｓｂにおいて原子の拡散が生じる。この原子の拡散には、表面拡散Ａｓ、界面拡散Ａｂ、および体積拡散Ａｖが含まれる。表面拡散Ａｓとは、ボイドＶｓの表面を経路とする拡散をいう。界面拡散Ａｂとは、接合界面Ｓｂを経路とする拡散をいう。体積拡散Ａｖとは、結晶内を経路とする拡散をいう。この原子の拡散（固相拡散）および接合界面Ｓｂ近傍のクリープ変形を通じて接合界面ＳｂのボイドＶｓが収縮あるいは消滅し、表面電極１４の接合面１４ａと配線部材１５の接合面１５ｂとの接合が進行する。すなわち、ボイドＶｓが収縮して消滅するにつれて、接合界面Ｓｂにおける実際には接合されていない部分の面積である見かけの接合面積が減少する一方、接合界面Ｓｂにおける実際に接合された部分の面積である真実接合面積が増加する。
【００４１】
制御装置２６は、接合界面Ｓｂの温度が目標温度Ｔ＊に達したとき、この状態を所定の加熱時間だけ継続する。これにより、接合界面Ｓｂ近傍のクリープ変形および原子の拡散によりボイドＶｓの収縮および消滅が進行する。このボイドＶｓの収縮および消滅の進行に伴い接合率が増加して、やがて目標とする接合率に達する。目標とする接合率がたとえば「１（最大値）」である場合、表面電極１４の接合面１４ａおよび配線部材１５の接合面１５ｂにおける狙いの接合範囲の全面にわたって完全に接合される。接合面１４ａ，１５ｂにおいて相互に接合された部分においては、接合開始の直後に存在していた接合界面Ｓｂは消滅している。
【００４２】
ここで、配線部材１５の形成材料である銅は、金、銀およびアルミニウムとともに、熱吸収率（熱輻射率）が鉄などと比べて非常に小さい金属材料の一つである。また、配線部材１５の厚みは製品仕様などに応じて設定されるところ、配線部材１５の厚みが厚くなるほど、レーザ光Ｌが照射される配線部材１５の表面から裏面への熱伝導に時間を要するため、配線部材１５と表面電極１４との接合界面Ｓｂが適切な温度に加熱されるまでに時間を要する。このため、厚板部材としての配線部材１５と表面電極１４との接合界面Ｓｂを適切に、かつ迅速に加熱するために、少なくともレーザ光Ｌの照射初期において、レーザ装置２３の出力をより増大させること、換言すれば、エネルギ密度がより高いレーザ光Ｌを配線部材１５の表面に照射することが考えられる。
【００４３】
図５（ａ）に示すように、配線部材１５の溶融に必要とされる高エネルギ密度（たとえば１０５〜１０６Ｗ／ｃｍ２以上）を有するレーザ光Ｌが配線部材１５の表面に照射されると、このレーザ光Ｌが配線部材１５の表面で吸収されることによって配線部材１５の表面は瞬時に溶融し、さらにこの溶融した部分が気化して金属蒸気３１が発生する。そして、この金属蒸気３１の反挑力によって配線部材１５の表面における溶融した部分が押し広げられて凹み３２が形成される。凹み３２に照射されるレーザ光Ｌが凹み３２を囲むかたちで形成される溶融部３３に吸収されることによって、凹み３２では溶融および気化が繰り返される。
【００４４】
ちなみに、銅などの金属は、固体の状態である場合よりも溶融した状態である場合の方が、レーザ光Ｌをよく吸収する性質がある。
図５（ｂ）に示すように、溶融および気化の繰り返しを通じて凹部３２がレーザ光Ｌの照射方向へ向けて徐々に深く成長することにより、やがて溶融部３３に囲まれた細く深い穴であるキーホール３４が形成される。キーホール３４は、金属蒸気圧と溶融部３３の表面張力による収縮圧とのバランスにより持続される。キーホール３４が持続している間、レーザ光Ｌは、キーホール３４の壁面において反射と吸収を繰り返してキーホール３４のより深い部分へ向けて進む。これにより、キーホール３４の底部における溶融および蒸発が進行し、キーホール３４はレーザ光Ｌの照射方向へ向けて徐々に深く成長する。
【００４５】
このように、高エネルギ密度を有するレーザ光Ｌの照射を通じて配線部材１５の表面にキーホール３４が形成されることにより、配線部材１５、ひいては接合界面Ｓｂは、より速く加熱される。これは、キーホール３４の内部でレーザ光Ｌが多重反射することにより配線部材１５におけるレーザ光Ｌの吸収率が大幅に増大するとともに、配線部材１５の内部が直接加熱されるからである。
【００４６】
また、キーホール３４の形成過程においては、金属蒸気３１の圧力によって、溶融金属であるスパッタ３５がレーザ光Ｌの照射点Ｐｓから激しく飛び出す。しかし、図６に示すように、レーザ光Ｌの照射方向からみて、配線部材１５の表面におけるレーザ光Ｌの照射点Ｐｓは、ノズル２３ａによって囲まれている。このため、レーザ光Ｌの照射点Ｐｓを起点として飛散しようとするスパッタ３５の進路は、スパッタ３５の飛散方向にかかわらず、ノズル２３ａによって遮られる。
【００４７】
図５（ｃ）に示すように、配線部材１５と表面電極１４との接合が完了するタイミングで、レーザ光Ｌの照射が停止される。レーザ光Ｌの照射が停止されると、金属蒸気圧と溶融部３３の表面張力による収縮圧とのバランスが崩れることによって溶融部３３がキーホール３４の中に流れ込む。このキーホール３４の中に流れ込んだ溶融金属が冷却されて凝固することによって、凝固部３６が形成される。凝固部３６は、配線部材１５においてレーザ光Ｌの照射を通じた加熱による影響を受けて組織変化が生じた熱影響部を含む。
【００４８】
＜第１の実施の形態の効果＞
したがって、第１の実施の形態によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）レーザ光Ｌの照射時、ノズル２３ａはレーザ照射領域１５ａにおけるレーザ光Ｌの照射点Ｐｓの全周を囲んだ状態に維持される。このため、キーホール３４の形成過程において、レーザ光Ｌの照射点Ｐｓを起点として飛散しようとするスパッタ３５の進路は、スパッタ３５の飛散方向にかかわらず、ノズル２３ａによって遮られる。すなわち、スパッタ３５がノズル２３ａの外部へ飛散することが抑制されるため、スパッタ３５が配線部材１５、さらには基板１２の表面に付着することも抑制される。また、スパッタ３５が基板１２の表面に設けられる電気回路に付着することもないため、スパッタ３５の付着に起因する電気回路の動作不良の発生を抑えることもできる。さらには、配線部材１５の表面、あるいは基板１２の表面に付着したスパッタ３５を除去するなどの無駄な作業も不要となる。
【００４９】
（２）ノズル２３ａは、スパッタ３５の飛散を抑制する遮蔽機能に加え、重ねられた２つの金属部材である表面電極１４および配線部材１５の重ね合わせ方向における動きを規制する位置決め機能を有している。２つの機能をノズル２３ａに持たせることにより、接合装置２１の構成を簡素化することが可能である。
【００５０】
（３）重ね合わせた２つの金属部材（１４，１５）の互いに離間する方向Ｄ１，Ｄ２への動きを規制した状態で２つの金属部材の接合界面Ｓｂに熱を与えることによって生じる金属部材の熱膨張による圧力を利用して２つの金属部材が接合される。このため、金属部材の外部から接合界面Ｓｂを積極的に加圧することなく２つの金属部材を接合することができる。また、駆動装置２４はレーザ装置２３を移動させることができる程度の力を発生させるだけでよく、接合界面Ｓｂを外部から加圧するための大きな力を発生させる必要がない。このため、駆動装置２４の体格の大型化を抑えることができる。
【００５１】
（４）載置面２２ａに重ねて置かれた２つの金属部材（１４，１５）に対して、最も上に位置する金属部材（１５）の表面にノズル２３ａの先端面２３ｂを接触させた状態に維持するだけで２つの金属部材の互いに離間する方向Ｄ１，Ｄ２への移動を規制することができる。また、接合装置２１の構成が複雑になることもない。
【００５２】
（５）ノズル２３ａは中空の筒状に設けられている。レーザ光Ｌは、ノズル２３ａの内部を通じて配線部材１５の表面に照射される。このため、配線部材１５に対するレーザ光Ｌの照射を邪魔することなく、表面電極１４および配線部材１５の互いに離間する方向Ｄ１，Ｄ２への移動を規制することができる。
【００５３】
＜第２の実施の形態＞
つぎに、接合装置の第２の実施の形態を説明する。本実施の形態は、基本的には先の図１に示される第１の実施の形態と同様の構成を有している。したがって、第１の実施の形態と同一の部材構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を割愛する。
【００５４】
図７に示すように、接合装置２１は、吸引装置４１および吸引管４２を有している。吸引装置４１としては、たとえば真空ポンプが採用される。吸引装置４１の動作は制御装置２６により制御される。吸引装置４１は、吸引管４２を介してノズル２３ａに連結されている。ノズル２３ａにおける吸引管４２の接続点は、ノズル２３ａの先端の近傍に設定されている。吸引管４２としては、可撓性あるいは柔軟性を有するフレキシブル配管が採用される。これは、レーザ装置２３が昇降する際、吸引管４２がレーザ装置２３の位置変化に応じて撓んだり変形したりすることにより、レーザ装置２３の昇降を許容するためである。
【００５５】
さて、表面電極１４と配線部材１５とを接合する際、制御装置２６は、駆動装置２４を通じてレーザ装置２３を初期位置Ｐ１から規制位置Ｐ２へ移動させることにより、ノズル２３ａの先端面２３ｂを配線部材１５の表面に接触させる。この後、制御装置２６は、吸引装置４１を動作させる。これにより、ノズル２３ａの内部の空気は吸引管４２を介して吸引装置４１に吸引され始める。
【００５６】
ちなみに、ノズル２３ａの先端面２３ｂが配線部材１５の表面に対して隙間なく密接することによってノズル２３ａの内部が密閉された状態である場合、ノズル２３ａの内部の空気が吸引管４２を介して外部に排出されることに伴って、ノズル２３ａの内部は真空状態となる。真空状態とは、大気圧よりも低い圧力である状態をいう。
【００５７】
つぎに、制御装置２６は、吸引装置４１による吸引動作が継続されている状態で、レーザ装置２３を通じて配線部材１５の表面にレーザ光Ｌを照射する。レーザ光Ｌは、配線部材１５が溶融するレベルの高エネルギ密度を有している。
【００５８】
ノズル２３ａの内部が密閉された状態である場合、吸引装置４１による吸引動作を通じてノズル２３ａの内部に存在する酸素が減少する。このため、レーザ光Ｌが配線部材１５の表面で吸収されることによって配線部材１５の表面が加熱されるところ、この加熱に伴う配線部材１５の表面における酸化膜の形成が抑制される。したがって、配線部材１５の表面におけるレーザ光Ｌの吸収率が安定する。
【００５９】
図８に示すように、高エネルギ密度のレーザ光Ｌが配線部材１５の表面で吸収されることによって配線部材１５の表面は瞬時に溶融して蒸発し、やがてキーホール３４が形成される。キーホール３４が形成される過程で発生するスパッタ３５の一部分は、吸引管４２を介してノズル２３ａの外部に排出される。吸引管４２に吸引されないスパッタ３５の進路は、ノズル２３ａにより遮られる。
【００６０】
なお、図７に二点鎖線で示すように、吸引管４２にはフィルタ４３を設けてもよい。フィルタ４３によって、ノズル２３ａの内部から吸い出されたスパッタ３５および粉塵などの異物が捕捉される。このため、ノズル２３ａの内部から吸い出された異物が吸引装置４１に吸い込まれることが抑制される。
【００６１】
＜第２の実施の形態の効果＞
したがって、第２の実施の形態によれば、先の第１の実施の形態における（１）〜（５）の効果に加え、以下の効果を得ることができる。
【００６２】
（６）吸引装置４１は、吸引管４２を介してノズル２３ａの内部で発生するスパッタ３５を空気と一緒に吸引する。これにより、スパッタ３５の飛散がより好適に抑えられる。また、スパッタ３５がノズル２３ａの内面に付着することが抑制される。このため、ノズル２３ａの目詰まりなどが抑制される。ノズル２３ａの清掃などのメンテナンスも簡単になる。
【００６３】
（７）吸引管４２の吸引装置４１と反対側の端部は、ノズル２３ａの先端の近傍に連結されている。このため、ノズル２３ａの先端面２３ｂが配線部材１５の表面に接触した状態において、吸引管４２の吸引装置４１と反対側の端部は、配線部材１５の表面におけるレーザ光Ｌの照射点Ｐｓの近傍に位置する。このため、レーザ光Ｌの照射点Ｐｓから飛び出そうとするスパッタ３５をより迅速に、かつより適切に吸引管４２に吸い込んでノズル２３ａの外部へ排出することができる。
【００６４】
（８）ノズル２３ａの内部が密閉された状態であれば、吸引装置４１の動作を通じてノズル２３ａの内部の空気がノズル２３ａの外部へ排出されることによって、ノズル２３ａの内部が大気圧よりも低い圧力状態である真空状態となる。ノズル２３ａの内部の酸素が少なくなるため、レーザ光Ｌの照射を通じて加熱される配線部材１５の表面における酸化膜の形成が抑制される。配線部材１５の表面におけるレーザ光Ｌの吸収率が安定するため、レーザ光Ｌの照射を通じて配線部材１５を適切に加熱することができる。
【００６５】
＜第３の実施の形態＞
つぎに、接合装置の第３の実施の形態を説明する。本実施の形態は、基本的には先の図１に示される第１の実施の形態と同様の構成を有している。第１の実施の形態では、レーザ装置２３にはレーザ光の照射方向に沿った方向からみて閉じた形状である筒状のノズル２３ａを設けたが、このノズル２３ａに代えて、開いた形状を有する遮蔽部材を設けてもよい。ここでは、遮蔽部材として２つの例を挙げて説明する。
【００６６】
図９（ａ）に示すように、第１の例として、遮蔽部材２３ｃは、３つの壁５１，５２，５３が組み合わせられてなる。遮蔽部材２３ｃをレーザ光Ｌの照射方向に直交する方向に沿って切断した断面形状は、Ｕ字状をなしている。レーザ光Ｌの照射点Ｐｓを起点として飛散しようとするスパッタ３５の進路は、遮蔽部材２３ｃの３つの壁５１〜５３によって遮られる。レーザ光Ｌの照射点Ｐｓを基準として、スパッタ３５の飛散を抑えたい特定の方向Ａ１，Ａ２，Ａ３に応じて３つの壁５１〜５３を配置することにより、スパッタ３５が特定の方向Ａ１，Ａ２，Ａ３へ向けて飛散することが抑えられる。
【００６７】
図９（ｂ）に示すように、第２の例として、遮蔽部材２３ｄは平板状の壁として設けられている。レーザ光Ｌの照射点Ｐｓを起点として飛散しようとするスパッタ３５の進路は、遮蔽部材２３ｄによって遮られる。レーザ光Ｌの照射点Ｐｓを基準として、スパッタ３５の飛散を抑えたい特定の方向Ａ４に応じて遮蔽部材２３ｄを配置することにより、スパッタ３５が特定の方向Ａ４へ向けて飛散することが抑えられる。
【００６８】
ちなみに、遮蔽部材２３ｃおよび遮蔽部材２３ｄの形状はスパッタ３５の飛散を抑制する観点に基づき適宜の形状を採用すればよい。たとえば、遮蔽部材２３ｃおよび遮蔽部材２３ｄは、円筒の一部分である円弧壁として設けてもよいし、所定の曲率で湾曲する湾曲壁として設けてもよい。また、遮蔽部材２３ｃ，２３ｄは、支持台２２の載置面２２ａとともに、表面電極１４および配線部材１５の互いに重ね合わせた方向（Ｄ１，Ｄ２）における動きを規制する規制装置を構成する。
【００６９】
＜第３の実施の形態の効果＞
したがって、第３の実施の形態によれば、先の第１の実施の形態における（１）〜（５）の効果に加え、以下の効果を得ることができる。
【００７０】
（９）配線部材１５の表面に対するレーザ光Ｌの照射点Ｐｓを基準として、スパッタ３５の飛散を抑制すべき特定の方向（Ａ１〜Ａ３，Ａ４）に応じて壁である遮蔽部材２３ｃ，２３ｄを設けることにより、スパッタ３５の特定方向（スパッタ３５の飛散を望まない方向）へ向けた飛散を狙って阻止することが可能である。
【００７１】
＜他の実施の形態＞
なお、第１〜第３の実施の形態は、つぎのように変更して実施してもよい。
・接合装置２１は、表面電極１４と配線部材１５との接合だけでなく、金属線材（ワイヤ）と基板１２上のパッド（電極）との接合、あるいは基板１２の表面にめっきなどにより成膜された金属と配線部材１５との接合など、種々の形状を有する金属部材同士を接合することが可能である。また、接合装置２１は、基板１２に設けられた金属部材としての半導体素子１３と、金属部材としての放熱部材（ヒートシンク）とを接合することもできる。固相拡散を利用した接合方法を実行することにより、半導体素子１３あるいは基板１２に対する熱的な影響を抑えつつ半導体素子と放熱部材とを接合することができる。
【００７２】
特に、配線部材１５に代えて、放熱部材と半導体素子１３の表面電極１４とを接合する場合、第１〜第３の実施の形態は好適である。すなわち、半導体素子１３の発熱量によるものの、放熱部材は必要とされる放熱効果を発揮すべくサイズが大型化することがある。放熱部材のレーザ照射方向における厚みが増大するほど、放熱部材の表面から裏面へ向けた熱伝導に時間を要する。この点、第１〜第３の実施の形態によれば、高エネルギ密度を有するレーザ光Ｌの照射に伴いスパッタ３５が発生する場合であれ、このスパッタ３５の飛散がノズル２３ａあるいは遮蔽部材２３ｃ，２３ｄによって抑制される。このため、スパッタ３５の飛散を抑えつつ、放熱部材、ひいては放熱部材と表面電極１４との接合界面Ｓｂをより迅速に加熱することができる。
【００７３】
・接合対象の金属材料としては、金および銅のみならず、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、アルミシリコン合金（Ａｌ−Ｓｉ系）などの種々の金属材料を採用することができる。接合装置２１により、同種金属同士および異種金属同士を接合することが可能である。
【００７４】
・温度センサ２５に代えて、配線部材１５のレーザ照射領域１５ａからの赤外線量、あるいはレーザ光Ｌの反射量を検出するセンサを採用してもよい。赤外線量およびレーザ光Ｌの反射量（レーザ光Ｌの吸収量）は、配線部材１５の表面温度と相関がある。このため、レーザ照射領域１５ａからの赤外線量およびレーザ光Ｌの反射量に基づき接合界面Ｓｂの温度を推定することができる。また、非接触式の温度センサ２５に代えて、接触式の温度センサを使用してもよい。接触式の温度センサは、たとえばノズル２３ａの配線部材１５に対する接触面に設けたり、ノズル２３ａを配線部材１５に近づける際に配線部材１５に接触するように設けたりする。また、基板１２に接触式の温度センサを設けるようにしてもよい。
【００７５】
・温度センサ２５に代えて、圧力センサを使用してもよい。圧力センサは、配線部材１５の熱膨張による圧力を検出する。制御装置２６は、配線部材１５の熱膨張による圧力（加圧力）と接合率との関係をあらかじめ記憶していて、圧力センサにより検出される圧力が目標とする接合率に対応する値に達したとき、接合界面Ｓｂが目標とする接合率に対応する温度に達したと判定する。
【００７６】
・駆動装置２４の駆動源および伝達機構の構成あるいは種類（タイプ）によるものの、駆動装置２４が停止した状態で駆動源および伝達機構における接触運動を行う部分の摩擦力によってレーザ装置２３を規制位置Ｐ２に固定できる場合、駆動装置２４としてレーザ装置を規制位置Ｐ２に固定するための固定機構を割愛した構成を採用してもよい。
【００７７】
・接合装置２１として、表面電極１４と配線部材１５とを固相拡散接合する際、ノズル２３ａを介して表面電極１４と配線部材１５との接合界面Ｓｂを配線部材１５の外部から加圧するようにしてもよい。このようにすれば、表面電極１４と配線部材１５とをより密着させた状態で、これらの接合界面Ｓｂに固相拡散を発生させるための熱を与えることができる。
【００７８】
・第１の実施の形態および第３の実施の形態において、表面電極１４および配線部材１５の互いに離間する方向Ｄ１，Ｄ２への移動を規制するための規制部材を、ノズル２３ａあるいは遮蔽部材２３ｃ，２３ｄとは別個に設けてもよい。このようにしても、レーザ光Ｌの照射時、規制部材と載置面２２ａとの間で、半導体素子１３が設けられた基板１２および配線部材１５を挟むことにより、表面電極１４および配線部材１５の互いに離間する方向Ｄ１，Ｄ２への移動を規制することができる。この構成を採用する場合、レーザ光Ｌの照射時において、ノズル２３ａあるいは遮蔽部材２３ｃ，２３ｄの先端を配線部材１５の表面に接触させなくてもよい。駆動装置２４によって規制部材を初期位置Ｐ１から規制位置Ｐ２へ移動させることにより規制部材を配線部材１５の表面に接触させる。
【００７９】
・第２の実施の形態において、ノズル２３ａを含むレーザ装置２３、駆動装置２４および吸引装置４１を、配線部材１５を移動させるために機能させてもよい。たとえば所定位置に用意された配線部材１５を吸引装置４１の作動を通じてノズル２３ａの先端面２３ｂに吸着させる。この状態で、駆動装置２４の作動を通じて、レーザ装置２３のノズル２３ａに吸着された配線部材１５を所定位置から載置面２２ａ上の半導体素子１３の上方かつ表面電極１４の近傍位置へ移動させる。この位置で吸引装置４１の動作を停止させてノズル２３ａに対する配線部材１５の吸着状態を解除する。これにより、配線部材１５は表面電極１４に重ねられる。
【００８０】
・表面電極１４と配線部材１５との接合界面Ｓｂに固相拡散を発生させるための熱を与える加熱装置として、レーザ装置２３に代えて、電子ビームを照射する電子ビーム照射装置を採用してもよい。
【符号の説明】
【００８１】
１２…基板、１３…半導体素子、１４…表面電極（金属部材）、１５…配線部材（金属部材）、１５ａ…レーザ照射領域（ビーム照射領域）、１４ａ，１５ｂ…接合面、２１…接合装置、２２…支持台、２２ａ…載置面、２３…レーザ装置（加熱装置）、２３ａ…ノズル（遮蔽部材）、２３ｃ，２３ｄ…遮蔽部材、２６…制御装置、Ｌ…レーザ光（電磁波ビーム）、Ｓｂ…接合界面。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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