(57)【要約】【課題】接合後のはんだ部材の内部の気泡を低減した接合構造体を提供する。【解決手段】枠状に成形したはんだ部材１３を第一接合部材１１の接合面と第二接合部材１２の接合面との間に形成される接合領域の周縁部に沿って配置したものを不活性ガスまたは不活性ガスと水素ガスとの混合ガスで満たした容器に収容し、容器内の雰囲気温度をはんだ部材の液相線以上に昇温してはんだ部材を溶融し、容器内の雰囲気温度をはんだ部材の液相線以上に保持しつつ、容器内の圧力を第一の圧力まで減圧し、容器内の雰囲気温度をはんだ部材の液相線以上に保持しつつ、容器内に不活性ガスを供給して、該容器内の圧力を第二の圧力に加圧し、容器内の雰囲気温度をはんだ部材の固相線以下に降温してはんだ部材を凝固させることにより、第一接合部材と、第二接合部材と、第一接合部材と第二の接合部材とを接合するはんだ部材と、を具備する接合構造体１を製造する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一接合部材と、第二接合部材と、第一接合部材と第二の接合部材とを接合するはんだ部材と、を具備する接合構造体であって、
枠状に成形したはんだ部材を第一接合部材の接合面と第二接合部材の接合面との間に形成される接合領域の周縁部に沿って配置したものを不活性ガスまたは不活性ガスと水素ガスとの混合ガスで満たした容器に収容し、
容器内の雰囲気温度をはんだ部材の液相線以上に昇温してはんだ部材を溶融し、
容器内の雰囲気温度をはんだ部材の液相線以上に保持しつつ、容器内の圧力を第一の圧力まで減圧し、
容器内の雰囲気温度をはんだ部材の液相線以上に保持しつつ、容器内に不活性ガスを供給して、該容器内の圧力を第二の圧力に加圧し、
容器内の雰囲気温度をはんだ部材の固相線以下に降温してはんだ部材を凝固させて構成した、
ことを特徴とする接合構造体。
【請求項２】
前記第一接合部材は半導体素子であり、前記第二接合部材は基板であることを特徴とする請求項１に記載の接合構造体。
【請求項３】
前記第一接合部材は基板であり、前記第二接合部材は放熱板であることを特徴とする請求項１に記載の接合構造体。
【請求項４】
前記はんだ部材は、中央部が打ち抜かれたシート状はんだからなることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の接合構造体。
【請求項５】
前記はんだ部材は、単数または複数の線状はんだからなることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の接合構造体。
【請求項６】
前記はんだ部材は、前記接合領域の略中央部に配置される余剰部を具備することを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の接合構造体。
【請求項７】
前記はんだ部材は、Ｓｎ−Ｉｎ合金またはＳｎ−Ｚｎ合金からなることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の接合構造体。
【請求項８】
枠状に成形したはんだ部材を第一接合部材の接合面と第二接合部材の接合面との間に形成される接合領域の周縁部に沿って配置したものを不活性ガスまたは不活性ガスと水素ガスとの混合ガスで満たした容器に収容する準備工程と、
容器内の雰囲気温度をはんだ部材の液相線以上に昇温して、はんだを溶融する溶融工程と、
容器内の雰囲気温度をはんだ部材の液相線以上に保持しつつ、容器内の圧力を第一の圧力まで減圧する減圧工程と、
容器内の雰囲気温度をはんだ部材の液相線以上に保持しつつ、容器内に不活性ガスを供給して、該容器内の圧力を第二の圧力に加圧する加圧工程と、
容器内の雰囲気温度をはんだ部材の固相線以下に降温して、はんだ部材を凝固させる凝固工程と、
を具備することを特徴とする接合構造体の製造方法。
【請求項９】
前記第一接合部材は半導体素子であり、前記第二接合部材は基板であることを特徴とする請求項８に記載の接合構造体の製造方法。
【請求項１０】
前記第一接合部材は基板であり、前記第二接合部材は放熱板であることを特徴とする請求項８に記載の接合構造体の製造方法。
【請求項１１】
前記はんだ部材は、中央部が打ち抜かれたシート状はんだからなることを特徴とする請求項８から請求項１０までのいずれか一項に記載の接合構造体の製造方法。
【請求項１２】
前記はんだ部材は、単数または複数の線状はんだからなることを特徴とする請求項８から請求項１０までのいずれか一項に記載の接合構造体の製造方法。
【請求項１３】
前記はんだ部材は、前記接合領域の略中央部に配置される余剰部を具備することを特徴とする請求項８から請求項１２までのいずれか一項に記載の接合構造体の製造方法。
【請求項１４】
前記はんだ部材は、Ｓｎ−Ｉｎ合金またはＳｎ−Ｚｎ合金からなることを特徴とする請求項８から請求項１３までのいずれか一項に記載の接合構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第一接合部材と第二接合部材とをはんだ部材により接合した接合構造体およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体素子と基板との間、あるいは基板と放熱板との間にペースト状のはんだ（以下、「はんだペースト」という。）を塗布し、昇温してはんだペーストに含まれる粒状のはんだを溶融し、その後降温してはんだペーストを凝固することにより、半導体素子と基板、あるいは基板と放熱板を接合する接合構造体は公知となっている。
また、はんだペースト自体が高価であることから、はんだペーストに代えてシート状はんだを使用する接合構造体も検討されている。
【０００３】
このような接合構造体においては、溶融後凝固したはんだの内部に気泡（ボイド）が含まれていないことが要求される。これは、当該気泡が（Ａ）放熱性の低下、すなわちはんだにより接合される部材間の熱伝導が阻害されること、あるいは（Ｂ）接合強度の低下、の要因となるからである。
特に、近年、ＩＧＢＴ等の半導体素子を具備する半導体モジュールは高電圧・大電流化が進み、該半導体素子の発熱量は増大する傾向にある。従って、半導体素子と基板、あるいは基板と放熱板を接合した接合構造体には優れた放熱性が要求される。
【０００４】
当該気泡を除去または低減する方法としては、特許文献１および特許文献２に記載のいわゆる真空脱泡法が知られている。ここで、真空脱泡法は、はんだが溶融した状態で減圧してはんだの内部に巻き込まれた気泡を膨張させることにより、該気泡の大部分をはんだの外部に押し出し、次に加圧して残った一部の気泡を収縮させた状態ではんだを凝固させる方法である。
また、当該気泡を除去する別の方法としては、特許文献３に記載の方法が知られている。特許文献３に記載の方法は、はんだが溶融した状態で半導体素子を絶縁基板に対して傾斜させることにより気泡を除去する方法である。
【特許文献１】特開平５−２８３５７０号公報
【特許文献２】特開平６−６９３８７号公報
【特許文献３】特開平１０−３２２０１０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、特許文献１および特許文献２に記載の方法は、溶融したはんだに巻き込まれた気泡が開いている場合、すなわち、気泡が溶融したはんだおよび半導体素子や基板等の接合面で完全に囲まれておらず、外部と連通している場合には有効でないという問題がある。
これは、気泡が外部と連通していると、該気泡内の圧力と外部の圧力とが常に略同じとなるため、当該気泡に減圧による気泡の膨張および加圧による気泡の収縮という真空脱泡法のメカニズムが作用しないからである。
そして、このような開いた気泡は、特に、半導体素子や基板の接合面とはんだとの濡れ性が低く、かつ、溶融時のはんだの粘度が高い場合に発生しやすい。
【０００６】
また、特許文献３に記載の方法は、真空脱泡法に必要な減圧・加圧可能な容器を必要としない点では有効であるが、半導体素子を基板に対して傾斜させる際に半導体素子の位置精度に影響を与えるおそれがあるとともに、半導体素子を基板に対して傾斜させるための複雑な機構、または追加的な部材を必要とするという問題がある。
【０００７】
本発明は以上の如き状況に鑑み、接合後のはんだ部材の内部の気泡を低減した接合構造体、および、接合後のはんだ部材の内部に巻き込まれた気泡を低減することが可能な接合構造体の製造方法、を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【０００９】
即ち、請求項１においては、
第一接合部材と、第二接合部材と、第一接合部材と第二の接合部材とを接合するはんだ部材と、を具備する接合構造体であって、
枠状に成形したはんだ部材を第一接合部材の接合面と第二接合部材の接合面との間に形成される接合領域の周縁部に沿って配置したものを不活性ガスまたは不活性ガスと水素ガスとの混合ガスで満たした容器に収容し、
容器内の雰囲気温度をはんだ部材の液相線以上に昇温してはんだ部材を溶融し、
容器内の雰囲気温度をはんだ部材の液相線以上に保持しつつ、容器内の圧力を第一の圧力まで減圧し、
容器内の雰囲気温度をはんだ部材の液相線以上に保持しつつ、容器内に不活性ガスを供給して、該容器内の圧力を第二の圧力に加圧し、
容器内の雰囲気温度をはんだ部材の固相線以下に降温してはんだ部材を凝固させて構成したものである。
【００１０】
請求項２においては、前記第一接合部材は半導体素子であり、前記第二接合部材は基板であるものである。
【００１１】
請求項３においては、前記第一接合部材は基板であり、前記第二接合部材は放熱板であるものである。
【００１２】
請求項４においては、前記はんだ部材は、中央部が打ち抜かれたシート状はんだからなるものである。
【００１３】
請求項５においては、前記はんだ部材は、単数または複数の線状はんだからなるものである。
【００１４】
請求項６においては、前記はんだ部材は、前記接合領域の略中央部に配置される余剰部を具備するものである。
【００１５】
請求項７においては、前記はんだ部材は、Ｓｎ−Ｉｎ合金またはＳｎ−Ｚｎ合金からなるものである。
【００１６】
請求項８においては、
枠状に成形したはんだ部材を第一接合部材の接合面と第二接合部材の接合面との間に形成される接合領域の周縁部に沿って配置したものを不活性ガスまたは不活性ガスと水素ガスとの混合ガスで満たした容器に収容する準備工程と、
容器内の雰囲気温度をはんだ部材の液相線以上に昇温して、はんだを溶融する溶融工程と、
容器内の雰囲気温度をはんだ部材の液相線以上に保持しつつ、容器内の圧力を第一の圧力まで減圧する減圧工程と、
容器内の雰囲気温度をはんだ部材の液相線以上に保持しつつ、容器内に不活性ガスを供給して、該容器内の圧力を第二の圧力に加圧する加圧工程と、
容器内の雰囲気温度をはんだ部材の固相線以下に降温して、はんだ部材を凝固させる凝固工程と、
を具備するものである。
【００１７】
請求項９においては、前記第一接合部材は半導体素子であり、前記第二接合部材は基板であるものである。
【００１８】
請求項１０においては、前記第一接合部材は基板であり、前記第二接合部材は放熱板であるものである。
【００１９】
請求項１１においては、前記はんだ部材は、中央部が打ち抜かれたシート状はんだからなるものである。
【００２０】
請求項１２においては、前記はんだ部材は、単数または複数の線状はんだからなるものである。
【００２１】
請求項１３においては、前記はんだ部材は、前記接合領域の略中央部に配置される余剰部を具備するものである。
【００２２】
請求項１４においては、前記はんだ部材は、Ｓｎ−Ｉｎ合金またはＳｎ−Ｚｎ合金からなるものである。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
【００２４】
請求項１においては、第一接合部材と第二接合部材とを接合した後のはんだ部材の内部に含まれる気泡を低減することが可能である。
【００２５】
請求項２においては、半導体素子と基板とを接合した後のはんだ部材の内部に含まれる気泡を低減することが可能であり、放熱性に優れる。
【００２６】
請求項３においては、基板と放熱板とを接合した後のはんだ部材の内部に含まれる気泡を低減することが可能であり、放熱性に優れる。
【００２７】
請求項４においては、はんだ部材を容易かつ安価に成形可能である。
【００２８】
請求項５においては、はんだ部材を容易かつ安価に成形可能である。
【００２９】
請求項６においては、接合前のはんだ部材の体積、ひいては接合後のはんだ部材の厚さを容易に調整することが可能である。
【００３０】
請求項７においては、特に、溶融時の濡れ性が低く、かつ、粘度が高いはんだからなるはんだ部材であっても、第一接合部材と第二接合部材とを接合した後のはんだ部材の内部に含まれる気泡を容易に低減することが可能である。
【００３１】
請求項８においては、第一接合部材と第二接合部材とを接合した後のはんだ部材の内部に含まれる気泡を低減することが可能である。
【００３２】
請求項９においては、半導体素子と基板とを接合した後のはんだ部材の内部に含まれる気泡を低減することが可能であり、放熱性に優れる。
【００３３】
請求項１０においては、基板と放熱板とを接合した後のはんだ部材の内部に含まれる気泡を低減することが可能であり、放熱性に優れる。
【００３４】
請求項１１においては、はんだ部材を容易かつ安価に成形可能である。
【００３５】
請求項１２においては、はんだ部材を容易かつ安価に成形可能である。
【００３６】
請求項１３においては、接合前のはんだ部材の体積、ひいては接合後のはんだ部材の厚さを容易に調整することが可能である。
【００３７】
請求項１４においては、特に、溶融時の濡れ性が低く、かつ、粘度が高いはんだからなるはんだ部材であっても、第一接合部材と第二接合部材とを接合した後のはんだ部材の内部に含まれる気泡を容易に低減することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下では、図１、図２、図３、および図５を用いて本発明の接合構造体の実施の一形態である接合構造体１の全体構成について説明する。
図１に示す如く、接合構造体１は、第一接合部材の実施の一形態である基板１１と、第二接合部材の実施の一形態である放熱板１２と、はんだ部材の実施の一形態であるはんだ部材１３と、を具備する。
【００３９】
なお、本実施例の接合構造体１は、基板１１を第一接合部材、放熱板１２を第二接合部材とする接合構造体であるが、本発明の接合構造体はこれに限定されず、はんだ部材により二つの部材を接合したものを広く含むものとする。
本発明の接合構造体の他の実施例としては、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ（またはＩｎｅｒｔｅｄ）  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＧＴＯサイリスタ（Ｇａｔｅ  Ｔｕｒｎ  Ｏｆｆ  Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）、その他のダイオード等を含む半導体素子を第一接合部材、基板を第二接合部材とする接合構造体等が挙げられる。
【００４０】
基板１１は本発明の接合構造体に係る第一接合部材の実施の一形態であり、絶縁基板１１ａと回路パターン１１ｂ・１１ｃと、を具備する。
【００４１】
絶縁基板１１ａは絶縁性材料からなる板状の部材であり、該絶縁基板１１ａの上面側に実装される半導体素子（図示せず）と放熱板１２とを絶縁しつつ、該半導体素子にて発生する熱を放熱板１２に伝達することにより放熱するものである。
絶縁基板１１ａの具体例としては、紙フェノールやガラスエポキシ等の樹脂系の材料、あるいは、ＡｌＮ等のセラミックスが挙げられる。
【００４２】
回路パターン１１ｂ・１１ｃは導電性材料からなり、それぞれ絶縁基板１１ａの上面および下面に形成される。回路パターン１１ｂ・１１ｃは該絶縁基板１１ａの上面側に実装される半導体素子や他の実装部品等と外部との電流経路となるものである。
回路パターン１１ｂ・１１ｃの具体例としては、銅やアルミニウム、あるいはこれらを母材とする合金等が挙げられる。回路パターン１１ｂ・１１ｃの表面には耐食性、耐摩耗性、あるいは耐薬品性を向上させるためにニッケル等のメッキが施される。
なお、第一接合部材を半導体素子、第二接合部材を基板とする接合構造体であって、該基板に放熱板を接合しない場合には、該基板の半導体素子が接合されない方の板面の回路パターンは省略可能である。
【００４３】
放熱板１２は本発明の接合構造体に係る第二接合部材の実施の一形態であり、モリブデン、銅−モリブデン合金、あるいはモリブデンの表面に銅をコーティングしたもの、その他の金属材料からなる板状の部材である。放熱板１２ははんだ部材１３により基板１１に接合され、基板１１の熱を放熱板１２に接触する冷却水路等に伝達することにより接合構造体１から放熱するものである。
【００４４】
はんだ部材１３は、本発明の接合構造体に係るはんだ部材の実施の一形態であり、基板１１と放熱板１２とを接合する部材である。言い換えれば、はんだ部材１３は、接合構造体１の接合部を成す部材である。
はんだ部材１３ははんだからなる。ここで、本出願に係る「はんだ」とは、錫（Ｓｎ）を母材とし、かつ、鉛（Ｐｂ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、アンチモン（Ｓｂ）、インジウム（Ｉｎ）、ビスマス（Ｂｉ）のうち、いずれか一つまたは二つ以上を添加材として含む合金を指すものとする。
また、「錫を母材とする」とは、錫がはんだの組成に必須であることを示すが、錫の重量比が他の添加材の重量比の合計よりも大きいことを要しない。すなわち、錫以外の添加材の合計が５０ｗｔ％を超えても良い。
本出願に係るはんだの具体例としては、一般的な共晶はんだであるＳｎ−Ｐｂ合金の他、Ｓｎ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金等の高融点の鉛フリーはんだ、錫−インジウム合金、Ｓｎ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ｉｎ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ｉｎ合金、Ｓｎ−Ｚｎ合金等の低融点の鉛フリーはんだが挙げられる。
このうち、特にＳｎ−Ｉｎ合金、Ｓｎ−Ｚｎ合金は、いずれも溶融時の濡れ性が低く、かつ、溶融時の粘度が高いため、これらをはんだ部材１３を構成するはんだとして用いた場合には、接合後のはんだ部材１３に含まれる気泡を低減することが一般的には困難である。
【００４５】
本実施例のはんだ部材１３は一本の線状はんだからなり、該線状はんだを屈曲して成形したものである。はんだ部材１３は、主に枠部１３ａと、余剰部１３ｂとを具備する。
ここで、線状はんだとは、線状に成形されたはんだであり、通常はその内部に予めフラックスが含まれている。
枠部１３ａは、該一本の線状はんだの一端から中途部までを屈曲して略矩形の枠状に成形したものである。また、余剰部１３ｂは、該線状はんだの中途部から他端までを屈曲して成形したものである。
【００４６】
図２、図３および図５に示す如く、はんだ部材１３は、基板１１と放熱板１２との間に配置される。
このとき、はんだ部材１３の枠部１３ａは、第一接合部材たる基板１１の接合面と第二接合部材たる放熱板１２の接合面との間に形成される接合領域、すなわち、基板１１の下面と放熱板１２の上面とで挟まれ、かつ平面視で基板１１と放熱板１２とが重なる領域、の周縁部に沿って配置される。
また、はんだ部材１３の余剰部１３ｂは、基板１１の接合面と放熱板１２の接合面との間に形成される接合領域の略中央部に配置される。
【００４７】
以下では、接合構造体１の製造方法の実施例について説明する。
図４に示す如く、接合構造体１の製造方法は、（１）準備工程と、（２）溶融工程と、（３）減圧工程と、（４）加圧工程と、（５）凝固工程とを具備する。以下、各工程について詳述する。
【００４８】
図４の（１）に示す準備工程は、基板１１と放熱板１２との間にはんだ部材１３を配置したもの、すなわち、図２および図５に示す状態の接合構造体１を不活性ガスで満たした容器（図示せず）に収容する工程である。ここで、不活性ガスとしては、アルゴンガス等の希ガスや窒素ガス、およびこれらを混合したものが挙げられる。また、本実施例で使用される容器は、密閉容器であって該容器内の圧力および雰囲気温度を調整可能である。
図４に示す如く、本実施例の準備工程においては、容器内に基板１１と放熱板１２との間にはんだ部材１３を配置したものを収容する。その後、図示せぬ真空ポンプによる容器内の真空引きおよび容器内への窒素ガスの供給を二回繰り返す。
準備工程が終了したら、溶融工程に移行する。
【００４９】
図４の（２）に示す溶融工程は、容器内の雰囲気温度をはんだ部材１３の液相線以上に昇温して、はんだ部材１３を溶融する工程である。
なお、本実施例の場合、溶融工程では容器内の雰囲気温度を約３２０℃まで昇温しているが、この温度に限定されるものではなく、はんだ部材１３を構成するはんだの種類および組成により定まる液相線以上に昇温すれば良い。ここで、液相線とは、「溶融工程における容器内の圧力下において、はんだ部材１３を構成するはんだが、平衡状態で全て液相と成り得る最低の温度」を指す。
また、溶融工程において、容器内の圧力を略一定に保持しつつ、該容器内に不活性ガスを所定の流量で供給することも可能である。
【００５０】
図６に示す如く、溶融工程の途中ではんだ部材１３が溶融し始めると、第一接合部材たる基板１１の接合面と第二接合部材たる放熱板１２の接合面との間に形成される接合領域、すなわち、基板１１の下面と放熱板１２の上面とで挟まれ、かつ平面視で基板１１と放熱板１２とが重なる領域、において溶融前のはんだ部材１３が占めていない部分に存在する不活性ガスが、溶融したはんだ部材１３、基板１１の下面および放熱板１２の上面に囲まれ、閉じ込められる。
【００５１】
図７に示す如く、溶融工程の終期には、はんだ部材１３の溶融が進み、はんだ部材１３を構成するはんだが自己の表面張力および粘度に応じてある程度までは上記接合領域内を濡れ広がっていくが、上記溶融したはんだ部材１３、基板１１の下面および放熱板１２の上面に囲まれ、閉じ込められた不活性ガスは、依然として気泡２１・２２・２３として溶融したはんだ部材１３の内部に残留する。
溶融工程が終了したら、減圧工程に移行する。
【００５２】
図４の（３）に示す減圧工程は、容器内の雰囲気温度をはんだ部材１３の液相線以上に保持しつつ、容器内の圧力を第一の圧力まで減圧する工程である。
ここで、減圧工程において「容器内の雰囲気温度をはんだ部材１３の液相線以上に保持する」とは、減圧工程が終了するまではんだ部材１３が溶融した状態を保持することを指し、容器内の雰囲気温度を液相線以上の所定の温度で略一定に保持することを指すものではない。
また、「第一の圧力」は、溶融工程が終了した時点における容器内の圧力よりも低い圧力を指す。
なお、本実施例では溶融工程が終了した時点における容器内の圧力は常圧（約１０５Ｐａ）であり、第一の圧力は１０３Ｐａであるが、これに限定されるものではない。
【００５３】
減圧工程では、溶融したはんだ部材１３の内部に残留する気泡２１・２２・２３の圧力が常圧であり、容器内の圧力が第一の圧力まで低下していく。その結果、気泡２１・２２・２３内の不活性ガスと容器内の不活性ガスとの間に圧力差が生じる。言い換えれば、気泡２１・２２・２３内の不活性ガスの圧力が、容器内の不活性ガスの圧力に比べて相対的に高くなっていく。
そのため、気泡２１・２２・２３は膨張してはんだ部材１３の外部、すなわち容器内の不活性ガスと連通し、気泡２１・２２・２３内の不活性ガスの大部分ははんだ部材１３の外部に勢いよく排出される。
従って、減圧工程の終期には、図８に示す如く、気泡２１・２２・２３内の不活性ガスの一部のみが気泡２１ａ・２１ｂ・２２ａ・２２ｂ・２３ａとして溶融したはんだ部材１３の内部に残留する。
減圧工程が終了したら、加圧工程に移行する。
【００５４】
図４の（４）に示す加圧工程は、容器内の雰囲気温度をはんだ部材１３の液相線以上に保持しつつ、容器内に不活性ガスを流入させ、該容器内の圧力を第二の圧力に加圧する工程である。
ここで、加圧工程において「容器内の雰囲気温度をはんだ部材１３の液相線以上に保持する」とは、加圧工程が終了するまではんだ部材１３が溶融した状態を保持することを指し、容器内の雰囲気温度を液相線以上の所定の温度で略一定に保持することを指すものではない。
また、「第二の圧力」は、前記第一の圧力よりも高い圧力を指す。なお、本実施例では第二の圧力は常圧（約１０５Ｐａ）であるが、これに限定されるものではない。
【００５５】
加圧工程では、溶融したはんだ部材１３の内部に残留する気泡２１ａ・２１ｂ・２２ａ・２２ｂ・２３ａの圧力が第一の圧力であり、容器内の圧力が第二の圧力まで上昇していく。その結果、気泡２１ａ・２１ｂ・２２ａ・２２ｂ・２３ａ内の不活性ガスと容器内の不活性ガスとの間に圧力差が生じる。言い換えれば、気泡２１ａ・２１ｂ・２２ａ・２２ｂ・２３ａ内の不活性ガスの圧力が、容器内の不活性ガスの圧力に比べて相対的に低くなっていく。
従って、加圧工程の終期には、図９に示す如く、気泡２１ａ・２１ｂ・２２ａ・２２ｂ・２３ａは収縮してその体積が小さくなる。
加圧工程が終了したら、凝固工程に移行する。
【００５６】
図４の（５）に示す凝固工程は、容器内の雰囲気温度をはんだ部材１３の固相線以下に降温して、はんだ部材１３を凝固させる工程である。
ここで、固相線とは、「凝固工程における容器内の圧力下において、はんだ部材１３を構成するはんだが平衡状態で全て固相と成り得る最高の温度」を指す。
凝固工程では、溶融したはんだ部材１３の温度が下降していき、凝固する。その結果、はんだ部材１３は基板１１と放熱板１２とを接合する。
なお、凝固工程における容器内の圧力は、はんだ部材１３が凝固するまでに気泡２１ａ・２１ｂ・２２ａ・２２ｂ・２３ａが再び膨張することを防止するという観点から見て、第二の圧力以上に保持することが望ましい。
【００５７】
なお、Ｓｎ−Ｉｎ合金、Ｓｎ−Ｚｎ合金は、いずれも溶融時の濡れ性が低く、かつ、溶融時の粘度が高いため、はんだ部材１３を構成するはんだとしてＳｎ−Ｉｎ合金またはＳｎ−Ｚｎ合金を用いた場合には、接合後のはんだ部材１３に含まれる気泡を低減することが一般的には困難である。
しかし、上記本実施例の接合構造体１の製造方法は、このような場合であっても、接合後のはんだ部材１３に含まれる気泡を容易に低減することが可能であるという利点を有する。
【００５８】
本実施例の接合構造体１の製造方法において、準備工程において接合構造体１を不活性ガスで満たした容器に収容する（容器内の雰囲気を不活性ガスに置換する）とともに、加圧工程において容器内に不活性ガスを供給するのは、溶融したはんだ部材１３が酸化するのを防止するためである。
【００５９】
また、溶融工程および加圧工程において、容器内に不活性ガスに代えて、水素ガスまたは水素ガスと不活性ガスとを混合したものを供給することも可能である。
水素ガスまたは水素ガスと不活性ガスとを混合したものが容器内に供給されると、特に基板１１の下面、すなわち、回路パターン１１ｃの表面に施されたニッケルメッキの表面の酸化物が水素と反応して還元され、該ニッケルメッキ表面の濡れ性が改善される。その結果、溶融したはんだ部材１３が接合領域に濡れ広がりやすくなり、凝固後のはんだ部材１３に最終的に含まれる気泡を更に低減することが可能である。
【００６０】
以下では、本発明の接合構造体に係るはんだ部材の形状について詳述する。
図３に示す如く、本実施例のはんだ部材１３は、枠部１３ａと余剰部１３ｂとを一体的に成形している。しかし、本発明の接合構造体におけるはんだ部材は、本実施例のはんだ部材１３に限定されず、その他にも種々の実施形態を採ることが可能である。
以下、本発明の接合構造体に係るはんだ部材の別実施例について説明する。
【００６１】
図１０に示すはんだ部材１１３は、本発明の接合構造体に係るはんだ部材の別実施例の一つである。はんだ部材１１３がはんだ部材１３と異なる点は、枠部１１３ａと余剰部１１３ｂとを切り離して別体としている点である。このように、本発明の接合構造体におけるはんだ部材は、枠部と余剰部とが一体であっても、別体であっても良い。
ただし、本発明の接合構造体の製造方法における作業性を考慮すると、図３に示す如く枠部１３ａと余剰部１３ｂとを一体的に成形することが望ましい。
【００６２】
また、枠部１３ａを成す線状はんだの直径や枠部１３ａの周の長さによっては、はんだ部材１３の余剰部１３ｂを省略して枠部１３ａのみとすることが可能である。
すなわち、本実施例における第一接合部材である基板１１の面積と接合後のはんだ部材１３の厚さとの積で求められるはんだ部材１３の体積が、枠部１３ａの体積と略等しい場合にははんだ部材１３から余剰部１３ｂを省略し、枠部１３ａの体積よりも大きい場合にははんだ部材１３に余剰部１３ｂを具備すればよい。
このように、余剰部１３ｂの有無、および余剰部１３ｂの長さで、接合前のはんだ部材１３の体積、ひいては接合後のはんだ部材１３の厚さを容易に調整することが可能である。
【００６３】
図１１に示すはんだ部材２１３、および、図１２に示すはんだ部材３１３は、いずれも本発明の接合構造体に係るはんだ部材の別実施例の一つである。
はんだ部材２１３は、略Ｌ字型に屈曲された二本の線状はんだであるはんだ片２１３ａおよびはんだ片２１３ｂを組み合わせて枠状に成形したものである。
また、はんだ部材３１３は、四本の線状はんだであるはんだ片３１３ａ、はんだ片３１３ｂ、はんだ片３１３ｃおよびはんだ片３１３ｄを組み合わせて枠状に成形したものである。
このように、本発明の接合構造体に係るはんだ部材は、複数の線状はんだを組み合わせて枠状に成形したものでも良い。
【００６４】
図１３に示すはんだ部材４１３は、本発明の接合構造体に係るはんだ部材の別実施例の一つである。はんだ部材４１３は、一本の線状はんだを二重に巻いたリング状とし、さらにこれを適宜屈曲して枠状に成形したものである。
このように、枠状に成形されるはんだ部材は、接合領域の周縁部に二重に配置されても良い。
【００６５】
図１４に示すはんだ部材５１３は、本発明の接合構造体に係るはんだ部材の別実施例の一つである。はんだ部材５１３は、基板１１の平面視形状と略同じ形状のシート状はんだの略中央部を打ち抜いて枠状に成形したものである。
ここで、シート状はんだとは、シート状に成形されたはんだを指す。
このように、本発明の接合構造体に係るはんだ部材は、線状はんだだけでなく、シート状はんだを出発材とすることが可能である。
【００６６】
以上の如く、はんだ部材１３、はんだ部材１１３、はんだ部材２１３、はんだ部材３１３およびはんだ部材４１３は、いずれも単数または複数の線状はんだからなり、枠状に成形したはんだ部材である。
また、はんだ部材５１３は、中央部が打ち抜かれたシート状はんだからなり、枠状に成形したはんだ部材である。
従って、はんだ部材１３、はんだ部材１１３、はんだ部材２１３、はんだ部材３１３、はんだ部材４１３およびはんだ部材５１３は、いずれも、本発明の接合構造体に係るはんだ部材に含まれる。
【００６７】
以上の如く、本発明の接合構造体は、
第一接合部材と、第二接合部材と、第一接合部材と第二の接合部材とを接合するはんだ部材と、を具備する接合構造体であって、
枠状に成形したはんだ部材を第一接合部材の接合面と第二接合部材の接合面との間に形成される接合領域の周縁部に沿って配置したものを不活性ガスまたは不活性ガスと水素ガスとの混合ガスで満たした容器に収容し、
容器内の雰囲気温度をはんだ部材の液相線以上に昇温してはんだ部材を溶融し、
容器内の雰囲気温度をはんだ部材の液相線以上に保持しつつ、容器内の圧力を第一の圧力まで減圧し、
容器内の雰囲気温度をはんだ部材の液相線以上に保持しつつ、容器内に不活性ガスを供給して、該容器内の圧力を第二の圧力に加圧し、
容器内の雰囲気温度をはんだ部材の固相線以下に降温してはんだ部材を凝固させて構成したものである。
また、本発明の接合構造体の製造方法は、
枠状に成形したはんだ部材を第一接合部材の接合面と第二接合部材の接合面との間に形成される接合領域の周縁部に沿って配置したものを不活性ガスまたは不活性ガスと水素ガスとの混合ガスで満たした容器に収容する準備工程と、
容器内の雰囲気温度をはんだ部材の液相線以上に昇温して、はんだを溶融する溶融工程と、
容器内の雰囲気温度をはんだ部材の液相線以上に保持しつつ、容器内の圧力を第一の圧力まで減圧する減圧工程と、
容器内の雰囲気温度をはんだ部材の液相線以上に保持しつつ、容器内に不活性ガスを供給して、該容器内の圧力を第二の圧力に加圧する加圧工程と、
容器内の雰囲気温度をはんだ部材の固相線以下に降温して、はんだ部材を凝固させる凝固工程と、
を具備するものである。
このように構成することにより、第一接合部材と第二接合部材とを接合した後のはんだ部材の内部に含まれる気泡を低減することが可能である。
【００６８】
また、本発明の接合構造体の第一接合部材は半導体素子であり、第二接合部材は基板である。
このように構成することにより、半導体素子と基板とを接合した後のはんだ部材の内部に含まれる気泡を低減することが可能であり、放熱性に優れる。
【００６９】
また、本発明の接合構造体の第一接合部材は基板であり、前記第二接合部材は放熱板である。
このように構成することにより、基板と放熱板とを接合した後のはんだ部材の内部に含まれる気泡を低減することが可能であり、放熱性に優れる。
【００７０】
また、本発明の接合構造体のはんだ部材は、中央部が打ち抜かれたシート状はんだからなるものである。
このように構成することにより、はんだ部材を容易かつ安価に成形可能である。
【００７１】
また、本発明の接合構造体のはんだ部材は、単数または複数の線状はんだからなるものである。
このように構成することにより、はんだ部材を容易かつ安価に成形可能である。
【００７２】
また、本発明の接合構造体のはんだ部材は、前記接合領域の略中央部に配置される余剰部を具備するものである。
このように構成することにより、接合前のはんだ部材の体積、ひいては接合後のはんだ部材の厚さを容易に調整することが可能である。
【００７３】
また、本発明の接合構造体のはんだ部材は、Ｓｎ−Ｉｎ合金またはＳｎ−Ｚｎ合金からなるものである。
このように構成することにより、特に、溶融時の濡れ性が低く、かつ、粘度が高いはんだからなるはんだ部材であっても、第一接合部材と第二接合部材とを接合した後のはんだ部材の内部に含まれる気泡を容易に低減することが可能である。
【００７４】
なお、本発明の接合構造体に係るはんだ部材は、より厳密には、「枠状に成形された結果、溶融工程ではんだ部材が溶融した時に、第一接合部材と、第二接合部材と、溶融したはんだ部材とで接合領域内の雰囲気（本実施例では不活性ガス）を閉じ込めることが可能である」ことが要件として求められる。
従って、図１４に示すはんだ部材５１３の如く、基板１１と放熱板１２とはんだ部材５１３とで囲まれる空間が外部と遮断されていない場合であっても、上記要件を満たす場合がある。
すなわち、図１１に示すはんだ部材２１３の如く、溶融前のはんだ片２１３ａとはんだ片２１３ｂの端部が連結されておらず、はんだ部材２１３の溶融前には、基板１１と、放熱板１２とはんだ部材２１３とで囲まれる空間と、外部と、が連通する隙間Ｇ（図１１に図示）が形成されていても、溶融したはんだ部材２１３が濡れ広がってはんだ片２１３ａに由来する溶融状態のはんだと、はんだ片２１３ｂに由来する溶融状態のはんだとが繋がり、隙間Ｇが無くなれば、「溶融工程で枠状に成形されたはんだ部材が溶融した時に、第一接合部材と、第二接合部材と、溶融したはんだ部材とで接合領域内の雰囲気を閉じ込めることが可能である」という要件を満たす。図３に示すはんだ部材１３、図１０に示すはんだ部材１１３、図１２に示すはんだ部材３１３、図１３に示すはんだ部材４１３も同様である。
ただし、当該隙間Ｇがあまり大きいと上記要件を満たすことが不可能となる。よって、隙間Ｇの広さについては、はんだ部材を構成するはんだの組成、粘度、濡れ性、溶融時の温度等に応じて適宜選択する必要がある。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の接合構造体の実施の一形態を示す側面図。
【図２】準備工程における本発明の接合構造体の実施の一形態を示す側面一部断面図。
【図３】本発明の接合構造体の実施の一形態の接合前の各部材の配置を示す斜視図。
【図４】本発明の接合構造体の製造方法の実施例における温度および圧力の変化を示す図。
【図５】準備工程における本発明の接合構造体の実施の一形態を示す平面図。
【図６】溶融工程の途中における本発明の接合構造体の実施の一形態を示す平面図。
【図７】溶融工程の終期における本発明の接合構造体の実施の一形態を示す平面図。
【図８】減圧工程の終期における本発明の接合構造体の実施の一形態を示す平面図。
【図９】加圧工程の終期における本発明の接合構造体の実施の一形態を示す平面図。
【図１０】本発明の接合構造体の別実施例の接合前の各部材の配置を示す斜視図。
【図１１】本発明の接合構造体の別実施例の接合前の各部材の配置を示す斜視図。
【図１２】本発明の接合構造体の別実施例の接合前の各部材の配置を示す斜視図。
【図１３】本発明の接合構造体の別実施例の接合前の各部材の配置を示す斜視図。
【図１４】本発明の接合構造体の別実施例の接合前の各部材の配置を示す斜視図。
【符号の説明】
【００７６】
１      接合構造体
１１    基板（第一接合部材）
１２    放熱板（第二接合部材）
１３    はんだ部材
【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】
2006116564.tif 000009
【図８】
2006116564.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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