JPH05283570A

JPH05283570A - 半田付け方法並びに装置

Info

Publication number: JPH05283570A
Application number: JP7699892A
Authority: JP
Inventors: Hisao Tanaka; 久雄田中
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1992-03-31
Filing date: 1992-03-31
Publication date: 1993-10-29

Abstract

(57)【要約】【目的】ベアチップ６と放熱基板４との間の電気的な
導電性、機械強度、熱の伝導性を安定させ、放熱特性を
向上させるために、接合後における接合部の半田５の気
泡をなくすとともに、接合時におけるペアチップ表面の
酸化、汚れ、および傷の発生が防止される半田付け装置
並びに方法を得る。【構成】パワー半導体チップを放熱基板４に載せ、そ
の間に半田５を挟み真空中で半田５を加熱溶融し、半田
５が加熱溶融されている状態のとき窒素ガスなどの酸化
および腐食を阻止するガスを導入し、気圧を上昇させ溶
融している半田５内の気泡を消滅させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体チップを放熱基
板等に半田付けを行う半田付け方法並びに装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】電子部品の実装密度を高めるための一つ
の方法として、金属製の放熱体、例えば放熱基板に、裸
のパワー半導体チップ等の半導体素子、例えば半導体チ
ップ、を接合固定し、電気的な接続をワイヤボンディン
グにて行う実装方法が普及してきている。この方法によ
れば、半導体チップは放熱基板に接合されるため、接合
が完全に行われれば所定の放熱特性が確保できる。な
お、この接合に当っては、清浄な部屋内で、フラックス
を使わずに半田付けする方法が通常採用される。

【０００３】図３は裸の半導体チップ（以下ベアチップ
と呼ぶ）と放熱基板とを半田付けする際に使用される従
来の半田付け装置の断面図である。図３に示す従来装置
の場合フラックスを用いないため、半田付けは還元性雰
囲気である水素雰囲気で行われる。図において、１は気
密容器、例えば、密封容器である。また、２ａは密封容
器１に水素ガスを導入する水素ガス導入口、２ｂは密封
容器１に窒素ガスを導入する窒素ガス導入口、３は密封
容器１内の水素ガス及び窒素ガスを排出するガス排出口
である。このガス排出口３には空気が流入して爆発しな
いように安全装置（図示せず）が設けられている。

【０００４】また、４は放熱基板、５は半田である。ま
た、６はベアチップ、７は重りである。なお、この半田
５は板状の形状をしている。これらの放熱基板４、半田
５、ベアチップ６、および重り７は放熱基板４の上に半
田５が載せられ、半田５の上にベアチップ６が載せら
れ、さらにベアチップ６の上に重り７が載せられた状態
で密封容器１内に置かれている。また、８は密封容器１
内に設けられた加熱手段、例えば、赤外線ヒータであ
る。また、密封容器１には、この密封容器１内に操作者
が放熱基板４、半田５、ベアチップ６、および重り７等
を入れたり取り出したり出来るように扉（図示せず）が
設けられている。

【０００５】次に図３に示す従来の半田付け装置による
半田付けの手順について説明する。まず、密封容器１の
外部において、放熱基板４、板状の半田５、ベアチップ
６、および重り７を重ねておく。このとき、放熱基板４
の所定の位置にベアチップ６が位置するように位置決め
治具（図示せず）が用いられる。このようにセットした
放熱基板４、半田５、ベアチップ６、および重り７を図
３に示すように、密封容器１のなかに入れ、密封容器１
の扉を閉め密封状態にする。

【０００６】そして、窒素ガス導入口２ｂを介して密封
容器１内に窒素ガスを導入し、密封容器１のなかの空気
を窒素ガスに置換する。その後、水素ガス導入口２ａを
介して水素ガスを導入し密封容器１内を水素雰囲気にす
る。次に、赤外線ヒータ８を点灯し、半田５を溶融す
る。そして、密封容器１内を水素雰囲気のまま赤外線ヒ
ータ８を消灯し、密封容器１内を冷却し半田５を固化さ
せて放熱基板４とベアチップ６を接合する。この場合、
密封容器１内は還元性の水素雰囲気なのでフラックスが
なくても半田接合が可能である。

【０００７】しかし、放熱板４とベアチップ６との接合
部に気泡が発生するのを防止するために、上述のように
ベアチップ６の上に重り７を載せた状態で半田５を溶融
する必要がある。このため、ベアチップ６表面を汚した
り、傷つけたりし、動作不良や信頼性の低下を生じさせ
ることがある。また、重り７を載せたとしても完全に気
泡の発生を防止することは困難であるという問題点があ
る。また、水素ガスを高温下で使用するため爆発の危険
性について十分配慮する必要があった。

【０００８】また、フラックスなしで半田付けする別の
方法として、密封容器１内を水素雰囲気にせずに真空に
し、真空中で半田付けを行う特開平２−１３７３９３号
公報に記載されている方法がある。図４は上記公報に示
されている半田付け装置の断面図である。

【０００９】次に、図４によりこの方法について説明す
る。まず、０．００１気圧以下の密封容器３１の中に、
プリント基板４１と半田（図示せず）および半導体装置
６１をセットし、あらかじめヒータ８１で５０°Ｃ以上
１５０°Ｃ以下で加熱し、被接合物の水分を除去する。
次に、赤外線ヒータ８により半田を加熱溶融する。そし
て、その後、冷却してプリント基板４１と半導体装置６
１との接合を完了する。この場合、水素ガスを使用しな
いので、爆発の危険性はない。なお、上記公報には、冷
却の方法については記載がない。真空状態のままで冷却
すれば半導体装置６１の表面酸化の問題は発生しない
が、空気を導入し冷却する方法は、特に半導体装置６１
がベアチップの場合、表面酸化の問題が生じるので採用
できない。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】図３に示される従来装
置により水素雰囲気で接合を行う場合、フラックスなし
で半田付けが可能であるが、ベアチップ６の上に重り７
を載せた状態で半田５を溶融しても完全に気泡の発生を
防止することは困難である。このため、ベアチップ６と
放熱基板との間の熱伝導性、電気的伝導性および機械的
強度が阻害されるという問題点を有する。

【００１１】また図４に示す従来装置により真空中で接
合を行う場合においても、真空状態のまま冷却するの
で、図３に示す従来装置の場合と同様に接合部に気泡が
できやすい。従って、この場合も図３に示す従来装置の
場合と同様の問題点を有している。

【００１２】この発明は、このような問題点を解消する
ためになされたもので、半導体素子と放熱体との接合部
における気泡の発生が防止され、半導体素子と放熱体と
の間の熱伝導性、電気的伝導性および機械的強度が良好
な状態で接合できる半田付け方法並びに装置を得ること
を目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この発明による半田付け
方法は、接合面が対向するように配設された半導体素子
および放熱体と、半導体素子および放熱体の対向する接
合面にはさまれるように配設されるか、または、加熱さ
れたとき半導体素子および放熱体の対向する接合面の間
に溶融半田が流れるように配設された半田と、を収納す
る気密容器内を真空排気手段が真空排気するステップ
と、加熱手段が気密容器内の半田を加熱溶融するステッ
プと、半導体素子および放熱体と溶融状態にある半田と
が収納されている気密容器内にガス供給手段が窒素ガス
などの酸化または腐食を阻止するガスを導入し気密容器
内の気圧を上昇させるステップと、を有するようにした
ものである。

【００１４】また、この発明による半田付け装置は、接
合面が対向するように配設された半導体素子および放熱
体と、半導体素子および放熱体の対向する接合面にはさ
まれるように配設されるか、または、加熱されたとき溶
融半田が半導体素子および放熱体の対向する接合面の間
に流れるように配設された半田と、を収納する気密容器
と、気密容器内を真空排気する真空排気手段と、気密容
器内が所定の真空状態にあることを検出する真空検出手
段と、気密容器内の半田を加熱溶融する加熱手段と、半
田が所定の溶融状態にあることを検出する温度検出手段
と、真空検出手段による気密容器内が所定の真空状態に
あることの検出および温度検出手段による半田が所定の
溶融状態にあることの検出にもとづき気密容器内に窒素
ガスなどの酸化または腐食を阻止するガスを導入するガ
ス供給手段と、を備えるようにしたものである。

【００１５】

【作用】この発明に係わる半田付け方法並びに装置は、
接合面が対向するように配設された半導体素子および放
熱体と、半導体素子および放熱体の対向する接合面には
さまれるように配設されるか、または、加熱されたとき
半導体素子および放熱体の対向する接合面の間に溶融半
田が流れるように配設された半田と、を収納する気密容
器内を真空排気した後、半田を加熱し、半田が加熱溶融
された状態で、この気密容器内に窒素ガスなどの酸化ま
たは腐食を阻止するガスを導入し、空気の侵入が阻止さ
れた状態で気密容器内の気圧を上昇させ、溶融された半
田の中に生じている気泡を消滅させる。

【００１６】

【実施例】実施例１．図１はこの発明の一実施例におけ
る半田付け装置のブロック構成図である。図において、
４、５、６、８は図３に示す従来装置におけるものと同
様である。２０はプログラマブルコントローラ（以下Ｐ
Ｃと略す）である。９は真空排気手段、例えば、真空ポ
ンプである。そして、９ａはＰＣ２０により与えられる
指令にもとづき真空ポンプ９の電源をＯＮ・ＯＦＦ駆動
する真空ポンプ電源ＯＮ・ＯＦＦ駆動部である。１０は
密封容器、１０ａは密封容器１０に設けられた窒素ガス
導入口、１０ｂは密封容器１０に設けられた窒素ガス排
出口、１０ｃは密封容器１０に設けられ、ここから密封
容器１０の内部の気体を排出し密封容器１０内を真空に
する真空排気口である。また、１１は密封容器１０内の
真空度を測定する真空検出手段、例えば、真空検出器で
ある。なお、この真空検出器１１はピラニ真空計と称さ
れるもので、大気中において通電すると寿命を短くする
ので、大気中においては電源をＯＦＦするようにして使
用する。

【００１７】１２は密封容器１０内の窒素ガスの圧力を
検出する圧力検出器、１３は放熱基板４に温度検出部が
取り付けられている熱電対、１３ａは熱電対１３が検出
した温度信号を増幅しＰＣ２０へ送出する温度信号増幅
器である。なお、熱電対１３および温度信号増幅器１３
ａにより温度検出手段が構成される。また、１４はＰＣ
２０の指令にもとづく大きさの電力を赤外線ヒータ８に
供給する赤外線ヒータ駆動部である。なお、ＰＣ２０は
温度信号増幅器１３ａから送出される温度信号と半田５
の所要加熱温度との差異をなくすように赤外線ヒータ駆
動部１４に指令を与える。

【００１８】１５は赤外線ヒータ８と赤外線ヒータ駆動
部１４の出力との間を接続または遮断する赤外線ヒータ
スイッチである。また、１５ａは赤外線ヒータスイッチ
１５をＯＮ・ＯＦＦ駆動する赤外線ヒータスイッチＯＮ
・ＯＦＦ駆動部である。なお、赤外線ヒータスイッチＯ
Ｎ・ＯＦＦ駆動部１５ａはＰＣ２０の指令にもとづき動
作する。１６は真空検出器１１の電源をＯＮ、ＯＦＦさ
せる真空検出器電源ＯＮ・ＯＦＦ駆動部である。なお、
この真空検出器電源ＯＮ・ＯＦＦ駆動部１６はＰＣ２０
の指令にもとづき動作する。

【００１９】１７は圧縮された窒素ガスを蓄えている窒
素ボンベ、１７ａは窒素ボンベ１７と密封容器１０の窒
素ガス導入口１０ａとの間を結ぶ気体通路を開閉する窒
素バルブ、１７ｂはＰＣ２０の指令にもとづき窒素バル
ブ１７ａを開閉駆動する窒素バルブ駆動部である。な
お、窒素バルブ１７ａが開くと窒素ボンベ１７より窒素
ガスが密封容器１０内に導入される。なお、窒素ボンベ
１７、窒素バルブ１７ａ、および、窒素バルブ駆動部１
７ｂよりガス供給手段が構成される。

【００２０】１８は密封容器１０の真空排気口１０ｃと
真空ポンプ９との間を結ぶ気体通路を開閉するゲートバ
ルブ、１８ａはＰＣ２０の指令にもとづきゲートバルブ
１８を開閉駆動するゲートバルブ駆動部である。１９は
密封容器１０の窒素ガス排出口１０ｂと密封容器１０の
外部を結ぶ気体通路を開閉するリークバルブ、１９ａは
ＰＣ２０の指令によりリークバルブ１９を開閉駆動する
リークバルブ駆動部である。なお、リークバルブ１９が
開くと密封容器１０内に蓄えられている窒素ガス等の気
体は密封容器１０の外部に放出される。

【００２１】次に、図２によりこの発明による半田付け
装置を用いた半田付けの手順について説明する。動作に
先立ち、あらかじめ放熱基板４の上に半田５を載せ、さ
らに半田５の上にベアチップ６を載せたものを密封容器
１０の中に入れ、扉を閉めておく。そして、図２のステ
ップ１において、各部の状態を初期状態に設定してお
く。

【００２２】すなわち、真空ポンプ９をＯＦＦ状態に
し、リークバルブ１９を閉じ、ゲートバルブ１８を閉
じ、真空検出器１１の電源をＯＦＦにし、赤外線ヒータ
スイッチ１５を消灯し、温度信号増幅器１３ａの出力が
１３０°Ｃ以下の温度を示すように密封容器１０内の温
度を下げ、電磁バルブ１７ａを閉じ、密封容器内１０の
気圧を大気圧になるように、それぞれあらかじめ設定し
ておく。そして、この状態において操作者がＰＣ２０か
ら動作開始指令を入力すると、次のステップ２に進み、
動作を開始する。

【００２３】ステップ２において、ＰＣ２０は真空ポン
プ電源ＯＮ・ＯＦＦ駆動部９ａに指令を与え、真空ポン
プ９の電源をＯＮにするとともに、ゲートバルブ駆動部
１８ａに指令を与え、ゲートバルブ１８を開く。そし
て、密封容器１０内の真空排気を開始し次のステップ３
に進む。ステップ３において、ＰＣ２０は真空検出器電
源ＯＮ・ＯＦＦ駆動部１６に指令を与え、真空検出器１
１の電源をＯＮにしステップ４に進む。

【００２４】ステップ４において、真空検出器１１の真
空検出出力が所定の真空度１０^ー3Ｔｏｒｒに達するまで
待ち、ステップ５に進む。ステップ５において、ＰＣ２
０は赤外線ヒータスイッチＯＮ・ＯＦＦ駆動部１５ａに
指令を与え、赤外線ヒータ８に通電が可能な状態にし、
ステップ６に進む。ステップ６では、放熱基板４の温度
が上昇し、温度信号増幅器１３ａから送られてくる温度
信号が３５０°Ｃを示すまでこのステップに留まり、次
のステップ７に進む。

【００２５】ステップ７では、ＰＣ２０は真空検出器電
源ＯＮ・ＯＦＦ駆動部１６に指令を与え、真空検出器１
１の電源をＯＦＦにし、ゲートバルブ駆動部１８ａに指
令を与え、ゲートバルブ１８を閉じ、さらに真空ポンプ
電源ＯＮ・ＯＦＦ駆動部９ａに指令を与え、真空ポンプ
９の電源をＯＦＦにし、ステップ８に進む。ステップ８
では、ＰＣ２０は窒素バルブ駆動部１７ｂに指令を与
え、窒素バルブ１７ａを開き密封容器１０内に窒素ガス
を導入し、ステップ９に進む。

【００２６】ステップ９では、圧力検出器１２の検出出
力が大気圧より０．５Ｋｇ／ｃｍ²高い値に達するまで
待ち、ステップ１０に進む。ステップ１０では、ＰＣ２
０は赤外線ヒータスイッチＯＮ・ＯＦＦ駆動部１５ａに
指令を与え、赤外線ヒータスイッチ１５をＯＦＦにする
とともに、リークバルブ駆動部１９ａに指令を与え、リ
ークバルブ１９を開きステップ１１に進む。

【００２７】なお、リークバルブ１９および窒素バルブ
１７ａが開の状態においては、窒素ボンベ１７より密封
容器１０内に新しい窒素ガスが導入されるとともに、す
でに導入されている窒素ガスがリークバルブ１９より外
部へ排出されるため、冷却が速やかに行われる。このと
き、ＰＣ２０により密封容器１０の内部の圧力は大気圧
より０．５Ｋｇ／ｃｍ²高い値に保持されるように制御
されるので、リークバルブ１９より外気が侵入すること
はない。

【００２８】ステップ１１では、ＰＣ２０は温度信号増
幅器１３ａの出力が１３０°Ｃ以下の温度を示すように
なるまで待ち、ステップ１２に進む。ステップ１２で
は、ＰＣ２０は窒素バルブ駆動部１７ｂに指令を与え、
窒素バルブ１７ａを閉じさせ、窒素ボンベ１７から密封
容器１０への窒素ガスの導入を中止する。このとき、リ
ークバルブ１９は開の状態なので密封容器１０内は速や
かに大気圧にもどる。このあと、密封容器１０の扉を開
き、接合が完了した放熱基板４およびベアチップ６を取
り出せばよい。

【００２９】次に、図２に示す手順により下記に示すサ
ンプルを半田付けした場合の半田接合の結果について述
べる。サンプルのベアチップ６は接合面に金蒸着が施さ
れ、大きさが４ｍｍＸ４．５ｍｍ、厚さが０．４ｍｍあ
る。また、サンプルの放熱基板４は銅にニッケルメッキ
が施され、大きさが６ｍｍＸ８ｍｍ、厚さ２ｍｍある。
そして、半田５の溶融範囲は２７０〜３１２°Ｃであ
り、組成は５％ＳｎーＰｂである。

【００３０】放熱基板４、板状の半田５、およびベアチ
ップ６を重ねたサンプルを、重り７は載せずに密封容器
１０の中に入れ、図２に示す手順で半田接合を行なっ
た。結果は、重り７を使用しないにもかかわらず、接合
を完了したサンプルは、半田５が放熱基板４及びベアチ
ップ６によくなじみ、良好な状態で半田付けがなされて
いた。また、放熱基板４、半田５およびベアチップ６が
高温状態において外気に曝されることがないため、これ
らの表面は酸化による影響を殆ど受けていない。

【００３１】また、図２に示す手順によれば、真空の密
封容器１０内で半田５が溶融している状態において密封
容器１０内に窒素ガスを導入し、この導入された窒素ガ
スにより密封容器１０内の気圧が上昇した後に冷却する
ので、図４に示すように重り７を使用して真空中で半田
を溶融し、そのまま真空中で冷却した場合に比べて格段
に半田５内の気泡が少ないことがＸ線透過試験により判
明した。また、真空の密封容器１０内で半田５が溶融し
ている状態において密封容器１０内に導入するガスは窒
素ガスに限らず酸化および腐食を発生させないガスであ
ればいずれであってもよい。

【００３２】また、放熱基板４、半田５およびベアチッ
プ６を垂直に重ねずに、水平に重ね、放熱基板４および
ベアチップ６により半田５が押圧されるように放熱基板
４、半田５およびベアチップ６を支持するようにしても
よい。また、半田５を放熱基板４およびベアチップ６の
間に挟まずに、加熱されたとき溶融半田が放熱基板４お
よびベアチップ６の対向する接合面の間に流れるように
半田５を配設するようにしてもよい。なお、この場合、
半田５の形状は板状でなくてもよい。

【００３３】

【発明の効果】以上に説明したように、接合面が対向す
るように配設された半導体素子および放熱体と、半導体
素子および放熱体の対向する接合面にはさまれるように
配設されるか、または、加熱されたとき半導体素子およ
び放熱体の対向する接合面の間に溶融半田が流れるよう
に配設された半田と、を収納する気密容器内を真空排気
した後、加熱し半田が溶融された状態において、この気
密容器内に窒素ガスなどの酸化または腐食を阻止するガ
スを導入し、空気の侵入が阻止された状態で気密容器内
の気圧を上昇させ、溶融された半田の中に生じている気
泡を消滅させるので、半導体素子および放熱体の表面の
酸化が防止できるとともに、半田接合部における気泡の
発生が防止され、半導体素子と放熱体との間の電気的伝
導性および機械的強度を向上させることができるととも
に、半導体素子と放熱体との間の熱伝導性を著しく向上
させることができ放熱特性の良い半田接合ができる効果
がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例半田付け装置のブロック構成
図である。

【図２】図１に示す半田付け装置による半田付けの手順
を示す図である。

【図３】従来の半田付け装置（水素雰囲気中）の断面図
である。

【図４】従来の半田付け装置（真空雰囲気中）の断面図
である。

【符号の説明】

４放熱基板５半田６ベアチップ８赤外線ヒータ９真空ポンプ９ａ真空ポンプ電源ＯＮ・ＯＦＦ駆動部１０密封容器１０ａ窒素ガス導入口１０ｂ窒素ガス排出口１０ｃ真空排気口１１真空検出器１２圧力検出器１３熱電対１３ａ温度信号増幅器１４赤外線ヒータ駆動部１５赤外線ヒータスイッチ１５ａ赤外線ヒータスイッチＯＮ・ＯＦＦ駆動部１６真空検出器電源ＯＮ・ＯＦＦ駆動部１７窒素ガスボンベ１７ａ窒素バルブ１７ｂ窒素バルブ駆動部１８ゲートバルブ１８ａゲートバルブ駆動部１９リークバルブ１９ａリークバルブ駆動部２０プログラマブルコントローラ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】接合面が対向するように配設された半導
体素子および放熱体と、上記半導体素子および放熱体の
対向する接合面にはさまれるように配設されるか、また
は、加熱されたとき上記半導体素子および放熱体の対向
する接合面の間に溶融半田が流れるように配設された半
田と、を収納する気密容器内を真空排気手段が真空排気
するステップ、加熱手段が上記気密容器内の上記半田を加熱溶融するス
テップ、上記半導体素子および放熱体と溶融状態にある上記半田
とが収納されている上記気密容器内にガス供給手段が窒
素ガスなどの酸化または腐食を阻止するガスを導入し上
記気密容器内の気圧を上昇させるステップ、を有することを特徴とする半田付け方法。
【請求項２】接合面が対向するように配設された半導
体素子および放熱体と、上記半導体素子および放熱体の
対向する接合面にはさまれるように配設されるか、また
は、加熱されたとき溶融半田が上記半導体素子および放
熱体の対向する接合面の間に流れるように配設された半
田と、を収納する気密容器、上記気密容器内を真空排気
する真空排気手段、上記気密容器内が所定の真空状態に
あることを検出する真空検出手段、上記気密容器内の上
記半田を加熱溶融する加熱手段、上記半田が所定の溶融
状態にあることを検出する温度検出手段、上記真空検出
手段による上記気密容器内が所定の真空状態にあること
の検出および上記温度検出手段による上記半田が所定の
溶融状態にあることの検出にもとづき上記気密容器内に
窒素ガスなどの酸化または腐食を阻止するガスを導入す
るガス供給手段、を備えた半田付け装置。