(57)【要約】【課題】２つの接合対象物を半田付けする際に、空隙を減少させる。【解決手段】内部の温度及び圧力を調整可能な半田付け装置８内に、２つの接合対象物２、４を、それらの対向する２つの接合面２ａ、４ａ間に半田６を挿入した状態で配置する。半田付け装置８内の温度を上昇させることによって、半田６を溶融し、その後に半田付け装置８内の温度を低下させて、接合面２ａ、４ａを半田付けする。半田６の溶融後に、半田付け装置８内の圧力を上昇させる。【選択図】　　　　図１
2004114074.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部の温度及び圧力を調整可能な半田付け装置内に、２つの接合対象物の対向する２つの接合面間に半田を挿入したものを配置し、前記半田付け装置内の温度を上昇させることによって、前記半田を溶融し、その後に前記半田付け装置内の温度を低下させることによって凝固させて、前記２つの接合面を半田付けする半田接合方法、または一方の接合対象物上の半田の塊を溶融させる方法において、
前記半田の溶融中に、前記半田付け装置内の圧力を上昇させることを特徴とする半田接合方法。
【請求項２】
請求項１記載の半田接合方法において、前記半田付け装置の温度上昇開始時には、前記半田付け装置内の圧力が、或る圧力とされ、前記半田の溶融後の圧力が前記或る圧力よりも高い圧力に設定されている半田接合方法。
【請求項３】
請求項１記載の半田接合方法において、前記半田付け装置の温度を上昇させる際に、前記接合対象物及び前記半田に遊離基ガスを供給する半田接合方法。
【請求項４】
内部の温度及び圧力を調整可能な半田付け装置内に、２つの接合対象物の対向する２つの接合面間に半田を挿入したものを配置し、前記半田付け装置内の温度を上昇させることによって、前記半田を溶融し、その後に前記半田付け装置内の温度を低下させることによって凝固させて、前記２つの接合面を半田付けする半田接合方法において、
前記半田の溶融後に、前記半田付け装置の圧力を低下させることにより、前記半田内に含まれる空隙の体積を膨張させて、半田−気相界面を破壊し、前記空隙を前記半田外部に放出させ、その後に前記半田付け装置内の圧力を上昇させることを特徴とする半田接合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半田によって接合対象物を接合する半田接合方法に関し、特に、接合時に半田内に形成される空隙を減少させるものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数、例えば２つの接合対象物を半田接合することがある。例えば半導体装置のような電気素子と、この電気素子に対する放熱板とを、電気素子からの放熱を目的として、半田接合することがある。
【０００３】
このような半田接合は、例えば放熱板の接合面に半田を配置し、その半田の上に電気素子を配置し、加熱することによって半田を溶融させ、その後に冷却することによって溶融された半田を凝固させて、電気素子と放熱板とを半田接合する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような半田接合では、凝固後の半田内部に多数の空隙が存在することがある。この空隙が放熱のための熱伝導率を低下させる。
【０００５】
本発明は、接合後の半田内の空隙を減少させることができる半田接合方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による半田接合方法では、内部の温度及び圧力を調整可能な半田付け装置内に、２つの接合対象物をそれらの対向する２つの接合面間に半田を挿入した状態で配置する。半田付け装置内の温度を上昇させることによって、半田を溶融し、その後に半田付け装置内の温度を低下させて、溶融半田を凝固させて、２つの接合面を半田付けする。あるいは、一方の接合対象物上の半田の塊を溶融させる前記半田の溶融中に、半田付け装置内の圧力を上昇させている。この圧力上昇状態は、半田の凝固が行われている間も、継続することが望ましい。
【０００７】
圧力を上昇させる前の半田装置内の圧力をＰ１、圧力上昇前の溶融半田内の空隙の体積をＶ１、上昇後の圧力をＰ２、圧力上昇後の溶融半田内の空隙の体積をＶ２とすると、Ｐ２／Ｐ１＝Ｖ１／Ｖ２が成立するので、圧力上昇後の半田内の空隙の体積Ｖ２は、圧力上昇前の体積Ｖ１よりも小さくなる。特に、Ｐ２／Ｐ１を例えば１０００とすれば、圧力上昇後の空隙の体積Ｖ２は、圧力上昇前の体積Ｖ１の１／１０００となり、空隙の体積を大きく減少させることができる。
【０００８】
上記のような圧力変化は、半田の溶融状態において、その前半と後半とにおいて圧力を変化させるものであるが、このような圧力変化の方法としては、他に、半田が溶融してから所定時間にわたって圧力を上昇させ、その後、半田が溶融状態を維持している状態で、圧力を大きく低下させることが考えられる。この圧力の低下による外力により、半田内の空隙は半田外に放出される。この方法によっても、半田内の空隙を減少させることができる。
しかし、この方法では、溶融半田全体にわたって空隙の体積を減少させることができない。従って、最終的には圧力を上昇させる方が望ましい。
【０００９】
半田付け装置の温度上昇開始時には、半田付け装置内の圧力が、或る圧力、例えば大気圧よりも減圧された圧力とされ、半田の溶融後の圧力が、或る圧力よりも高い圧力、例えば大気圧に設定することができる。
【００１０】
例えば、上昇前の圧力を大気圧とし、上昇後の圧力を大気圧よりもかなり大きな圧力とすることも考えられる。しかし、これでは、半田付け装置に加圧装置を設けなければならず、しかも圧力上昇前後に大きな圧力差を持たせることはかなり困難である。これに対し、圧力上昇前を真空状態とし、圧力上昇後の圧力を大気圧とすることは、真空ポンプを使用して比較的容易に行うことができるし、圧力上昇前後の圧力差を大きくとることができ、空隙の体積を非常に大きく減少させることができる。
【００１１】
半田付け装置の温度を上昇させる際に、接合対象物及び半田に遊離基ガスを供給することもできる。このようにすれば、溶融状態になる半田に含まれる酸化物を還元することができ、フラックスが不要になる。
【００１２】
また、半田付け装置内の圧力を上昇させる前に、半田溶融時の溶融開始圧力よりも低い圧力まで、一旦低下させることもある。この圧力の低下によって、半田内に含まれる空隙の体積を膨張させて、半田−気相界面を破壊し、空隙を前記半田外部に放出させることができる。この技術によっても残存する空隙を、上述したように圧力を上昇させることによって大きく減少させることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の１実施形態の半田接合方法は、図２（ｃ）に示すように、２つの接合対象物２、４を半田によって接合する。接合対象物２、４としては、例えば半導体装置のような電気素子と、半導体装置に対する下地、例えば放熱板を使用することができる。接合対象物２、４は、図２（ａ）に示すように、接合面２ａ、４ａを有している。
【００１４】
接合対象物２の接合面２ａ上には、半田、例えば糸半田６が配置されている。糸半田６は、例えばＵ字状のもので、接合面２ａと糸半田６の一部との間に隙間を有するものである。糸半田６が接合面２ａに載置された接合対象物２と、別の接合対象物４とが、図３に示す半田付け装置８内に収容される。
【００１５】
この半田付け装置８は、真空室１０を有している。真空室１０は、チャンバー１２を有し、チャンバー１２は、下部室１２ａと上部室１２ｂとからなる。下部室１２ａは、上縁に開口を有する箱形のもので、その開口を被蓋可能に上部室１２ｂが、蝶番によって結合されている。下部室１２ａを上部室１２ｂが被蓋している状態では、両者の内部は気密状態になる。被蓋状態において、真空ポンプ１４を作動させることによって、真空室１０の内部を真空状態とすることができる。
【００１６】
下部室１２ａ側には、加熱手段、例えば加熱装置１６が設けられている。この加熱装置１６は、上述した接合対象物２、４を支持可能な平板状の支持台１８を有し、この支持台１８の内部にヒータ２０が埋設されている。また、図示していないが、支持台１８の裏面全体に接触可能な大きさの冷却装置が、真空室１０内に、支持台１８の裏面に接触及び非接触可能に設けられている。
【００１７】
チャンバー１２の上部室１２ｂには、遊離基ガス発生手段、例えば水素ラジカル発生装置２２が設けられている。この水素ラジカル発生装置２２は、プラズマ発生手段によって水素ガスをプラズマ化して、水素ラジカルを発生させるものである。この水素ラジカル発生装置２２は、マイクロ波発生器２４を上部室１２ｂの外部に有し、これにおいて発生されたマイクロ波を伝送する導波管２６を、上部室１２ｂに有している。この導波管２６は、マイクロ波導入窓２８を有し、これは、支持台１８と対面するように、かつ支持台１８の全面を覆う形状に形成されている。従って、マイクロ波は、支持台１８の全面を覆う広い領域にわたって、上部室１２ｂ内に進入する。この導入窓２８の近傍に位置するように、水素ガス供給管３０が上部室１２ｂ内に設けられている。この供給管３０は、真空装置８の外部にある水素ガス供給源３２から水素ガスを上部室１２ｂ内に供給するためのものである。この供給された水素ガスが、マイクロ波導入窓２８を介して導入されたマイクロ波によってプラズマ化されて、水素ラジカルを発生する。この水素ラジカルは、上部室１２ｂの内部に、イオンのような不要荷電粒子を捕集するための金網３４を介して接合対象物２、４の全域に向かう。
【００１８】
さらに、チャンバー１２の上部室１２ｂの外部には、不活性ガス、例えば窒素ガス源３６が設けられている。この窒素ガス源３６から、窒素ガスを上部室１２ｂ内に供給するために、窒素ガス供給管３８が、窒素ガス源３６から上部室１２ｂ内に導入されている。
【００１９】
この半田付け装置８の支持台１８上に、接合対象物２、４が載せられるが、接合面２ａ、４ａが、マイクロ波導入窓２８側を向くように、接合対象物２、４が配置されている。
【００２０】
この半田付け装置８での処理では、真空ポンプ１４を作動させて、真空室１０の圧力が例えば１Ｐａ以下になるまで、真空状態にした後、水素ガス供給源３２から水素ガスを真空室内１０に導入し、例えば圧力が１３３Ｐａになるように圧力調整する。この状態になったとき、ヒータ２０による加熱と、マイクロ波発生による水素ラジカルの供給を開始する。加熱温度は、糸半田６の融点よりも高温、例えば摂氏２７５度になるように行う。糸半田６が溶融し始めたときから、約１分以上にわたって、半田が溶融している状態を維持する。この間に、水素ラジカルによって糸半田６の酸化物の還元及び接合面２ａ、４ａの還元が行われる。このとき、糸半田６が、接合面２ａと全面で接触せずに、一部の空隙を形成するように、Ｕ字状に形成されているので、水素ラジカルが糸半田６及び接合面２ａに効率よく供給され、糸半田６の酸化物の還元及び接合面２ａの還元が効率よく行われる。糸半田６を溶融させた状態を図２（ｂ）に示す。この状態では、半田６の濡れ性が良好である。上記１分が経過すると、加熱を中止し、接合対象物２、４の温度が摂氏約１００度以下になるまで、圧力１３３Ｐａの水素雰囲気中で冷却が行われ、溶融された半田は凝固する。この間における真空室１０の温度、圧力の変化状態を図４に示す。
【００２１】
このように水素ラジカルの供給下において、糸半田６を溶融させて、糸半田６の酸化物の還元及び接合面２ａ、４ａの還元を行っているので、フラックスを使用しなくても、半田付けが可能になる。
【００２２】
この後、図２（ｃ）に示すように、接合対象物２、４の接合面２ａ、４ａを重ね合わせて、再び真空室１０内に収容する。そして、真空ポンプ１４を作動させて、真空室１０の圧力が例えば１Ｐａ以下になるまで、真空状態にする。その後、水素ガス供給源３２から水素ガスを真空室内１０に導入し、圧力が例えば１３３Ｐａになるように圧力調整する。この状態になったとき、ヒータ２０による加熱と、マイクロ波発生による水素ラジカルの供給を開始する。加熱温度は、半田６の融点よりも高温、例えば摂氏２７５度になるように行う。半田６が溶融したときから、約１分以上にわたって、半田が溶融している状態を維持するように加熱を継続する。上記１分が経過すると、水素ラジカルの供給を停止する。即ち水素ガスの供給を停止し、かつマイクロ波発生器２４も停止させる。これに代えて、窒素ガス源３６から、窒素ガスを真空室１０内に供給し、約１分の期間に大気圧になるまで、真空室１０内の圧力を上昇させる。この後、大気圧を維持したまま、加熱を中止し、接合対象物２、４の温度が摂氏約１００度以下になるまで、冷却が行われる。この間における真空室１０の温度、圧力の変化状態を図１に示す。
【００２３】
このように半田６が溶融した後に、真空室１０内の圧力を約１０００倍にしているので、溶融された半田内の空隙の体積が非常に小さくなる。
【００２４】
例えば、図５（ｂ）は、図１において、圧力を１３３Ｐａに常に維持して、半田６の溶融から冷却までを行ったときに得られたサンプル品４０（接合対象物２、４を半田付けしたもの）のＸ線透視図を模式的に示したもので、半田溶融から凝固までを１３３Ｐａという低い圧力下で行うと、接合内部に多数の空隙４２が発生している。このとき、半田６の厚みは約０．０７ｍｍであった。
【００２５】
一方、図５（ａ）は、図１に示すように圧力を途中で大気圧まで上昇させて、半田６の溶融から冷却までを行ったときに得られたサンプル品４０ａのＸ線透視図を模式的に示したもので、圧力を途中で大きくすることによって、接合内部には殆ど空隙が見あたらない程に小さくなっている。このとき、半田６の厚みは約０．０３５ｍｍであり、圧力が１３３Ｐａの場合の約１／２まで圧縮されている。
【００２６】
なお、加熱の開始から幾分遅れて真空室１０内の圧力を大気圧まで上昇させて、この大気圧の状態で溶融状態を約１分間維持し、加熱を継続したまま、圧力を真空まで低下させた後、圧力を大気圧の約１／１０００で１３３Ｐａとして約２分間その状態を維持したときのサンプル品では、接合部の中央付近では空隙の体積が余り減少していなかった。この点からも圧力は、低圧から高圧に上昇させることが必要であることが判る。
【００２７】
上記の実施の形態では、圧力が１３３Ｐａの状態で加熱し、半田が溶融後に大気圧まで上昇させたが、図１に二点鎖線で示すように、圧力を１３３Ｐａに低下させた状態であって、かつ半田が溶融している状態で、更に圧力を低下させて、例えば１Ｐａまで低下させて、溶融された半田内に存在する空隙を膨張させて、半田−気相界面を破壊し、半田内の空隙を半田外部に放出させ、その後に大気圧まで上昇させて、半田内部に残った空隙を圧縮することもできる。
【００２８】
上記の実施の形態では、水素ラジカルの供給を、加熱の開始から開始し、圧力の上昇開始まで継続したが、例えば温度が半田の溶融温度以上になった時点で停止することも可能である。また、遊離基ガスとして水素ラジカルを使用したが、これに限ったものではなく、他の遊離基ガスを使用することもできる。また、糸半田６を使用したが、これに限ったものではなく、他の種々の形状の半田を使用することもできる。また、半田の種類も、例えばＳｎＡｇＣｕやＳｎＡｇのような鉛フリー半田であっても、ＳｎＰｂのような鉛半田であってもよい。更に、上記の実施の形態では、水素ラジカルの供給によってフラックスを使用しない半田接合を行ったが、フラックスを使用する半田接合であっても、本発明を実施することができる。上記の実施の形態では、２つの接合対象物間に半田を挿入したが、例えば半田バンプ等を形成するために、１つの接合対象物の１つの面上に半田の塊を配置し、これを溶融させる場合にも、本発明を実施することができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、２つの接合対象物を半田接合する際に、半田内に形成される空隙を減少させることができ、例えば接合対象物が電気素子と放熱板である場合、熱伝導率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による半田接合方法の１実施形態における温度及び圧力の変化状態を示す図である。
【図２】図１の半田接合方法の工程図である。
【図３】図１の半田接合方法に使用する半田付け装置の縦断面図である。
【図４】図１の半田接合方法の前工程での温度及び圧力の変化状態を示す図である。
【図５】図１の半田付け方法によって半田付けされたサンプル品と比較サンプル品とのＸ線透視図を模式的に表した図である。
【符号の説明】
２、４　接合対象物
６　糸半田
８　半田付け装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
2004114074.tif 000005
【図４】
2004114074.tif 000006
【図５】
2004114074.tif 000007