接合組裝裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種接合組裝裝置，通過(guò)短時(shí)間的焊接處理來(lái)將由至少一個(gè)被接合構(gòu)件與至少一個(gè)焊接材料構(gòu)成的層疊體進(jìn)行接合，從而獲得具有層中氣泡較少的焊料接合層的接合體。該接合組裝裝置在減壓路內(nèi)具備如下構(gòu)件：金屬線；傳送臺(tái)，對(duì)至少一個(gè)被接合構(gòu)件和至少一個(gè)焊接材料的層疊體進(jìn)行支承，并能在水平方向和垂直方向上移動(dòng)；冷卻板，隔著所述傳送臺(tái)對(duì)所述層疊體進(jìn)行冷卻；熱板)，隔著所述傳送臺(tái)對(duì)所述層疊體進(jìn)行加熱；活性種氣體導(dǎo)入管；惰性氣體導(dǎo)入管；以及排氣口，該接合組裝裝置還具備通過(guò)通電來(lái)對(duì)所述金屬線進(jìn)行加熱的加熱單元、即爐外的未圖示的交流或直流功率供電源。
【專利說(shuō)明】接合組裝裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種接合組裝裝置。本發(fā)明尤其涉及一種通過(guò)短時(shí)間的焊接處理來(lái)進(jìn)行接合，并能獲得具備氣泡較少的焊料接合層的層疊體的接合組裝裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]以往，作為制造功率用半導(dǎo)體裝置的方法，主要實(shí)施以下三種方法。在第I方法中，首先利用還原氣氛的連續(xù)爐(隧道爐)，進(jìn)行預(yù)焊接，在硅芯片的背面電極上設(shè)置焊料。接著，利用該焊料將硅芯片焊接到絕緣基板上。之后，進(jìn)行引線接合。然后，在大氣中利用助焊劑將焊接有硅芯片的絕緣基板焊接到由銅等構(gòu)成的金屬基座上。
[0003]第2方法中，利用還原氣氛的連續(xù)爐，將硅芯片與絕緣基板進(jìn)行焊接。之后，進(jìn)行引線接合。然后，利用還原氣氛的連續(xù)爐將焊接有硅芯片的絕緣基板焊接到金屬基座上。
[0004]在第3方法中，利用惰性氣氛的減壓爐，并通過(guò)含有助焊劑的焊料將硅芯片、絕緣基板以及金屬基座進(jìn)行焊接。之后，進(jìn)行引線接合。
[0005]然而，在功率模塊等功率用半導(dǎo)體裝置中，由于有大電流流過(guò)，因此硅芯片的發(fā)熱量非常大，在數(shù)十?數(shù)千瓦特。因此，要求功率用半導(dǎo)體裝置具有較好的散熱特性。然而，若在硅芯片與絕緣基板之間的焊料接合層、絕緣基板與金屬基座之間的焊料接合層存在氣泡(空隙)，則由于這些氣泡會(huì)阻礙散熱，因此將導(dǎo)致散熱特性的明顯下降，或成為半導(dǎo)體裝置損壞的原因。因此，盡量使焊料接合層中不存在氣泡是較為重要的。
[0006]作為焊料接合層中產(chǎn)生氣泡的原因，可列舉為:構(gòu)成層疊體的金屬構(gòu)件表面的殘留氧化物以及焊料材料中的碳酸氣等溶解氣在焊料熔融時(shí)作為氣泡殘留下來(lái)。另外，還可以列舉出以下原因:焊接時(shí)，焊料或吸附在絕緣基板等被接合構(gòu)件表面的吸附物、或者氧化氣體或氧化銅或氧化鎳被還原，由此產(chǎn)生的H20氣化從而作為氣泡殘留下。另外，焊接時(shí)所使用的助焊劑發(fā)生氣化從而產(chǎn)生的氣體或助焊劑本身殘留在接合層中也是原因之一。
[0007]因此，為了減少焊料接合層中的氣泡，一般采用如下等對(duì)策:為了防止被接合構(gòu)件表面發(fā)生氧化而清潔其表面，或者使用不存在溶解氣的焊接材料或濕潤(rùn)性較好的焊料材料。另外，還采用如下等對(duì)策:優(yōu)化焊料剖面(profile);或控制被接合構(gòu)件的變形；或在減壓氣氛下進(jìn)行焊接。
[0008]另外，還提出有其他多種焊接方法。例如已知有如下公知方法:利用焊接裝置的加熱單元對(duì)電路基板進(jìn)行加熱，并控制處理容器內(nèi)的氣氛壓力，從而進(jìn)行焊接，其中所述焊接裝置具有如下單元:處理容器；通過(guò)真空排氣及導(dǎo)入高純度氣體來(lái)生成低氧濃度氣氛，從而控制處理容器內(nèi)的氣氛及其壓力的單元；以及設(shè)置于處理容器內(nèi)的加熱單元(例如參照專利文獻(xiàn)I)。
[0009]另外，還已知有具有如下特征的半導(dǎo)體裝置的制造方法:將由金屬基座、焊料板、絕緣基板、焊料板及硅芯片構(gòu)成的層疊體設(shè)置于減壓爐內(nèi)，對(duì)爐內(nèi)進(jìn)行真空排氣后，使?fàn)t內(nèi)成為正壓的氫氣氣氛從而使層疊體的各構(gòu)件的表面還原，之后使焊料加熱熔融(例如參照專利文獻(xiàn)2)。
[0010]另外，還公開有如下為了進(jìn)行干式焊接而對(duì)金屬表面進(jìn)行處理的方法，該方法中，利用耐熱金屬的絲狀柵格(filament grid)來(lái)生成活性分子種，由此去除金屬表面的氧化物，之后進(jìn)行焊接(例如參照專利文獻(xiàn)3)。
[0011]另外，還公開了通過(guò)接觸分解反應(yīng)來(lái)生成原子氫，利用所述原子氫對(duì)接合前的焊料進(jìn)行洗凈的應(yīng)用例(例如參照非專利文獻(xiàn)1、非專利文獻(xiàn)2)。此外，還已知有如下的鉛回流焊接合金的處理方法，在該處理方法中，使以錫為主要成分的鉛回流焊接合金成為微小粉末狀，利用由熱線(hotwire)法生成的原子氫來(lái)進(jìn)行還原及蝕刻(例如參照專利文獻(xiàn)4)。
現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)
[0012]專利文獻(xiàn)1:日本專利特開平8-242069號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2:日本專利特開2003-297860號(hào)公報(bào)
專利文獻(xiàn)3:美國(guó)專利說(shuō)明書5409543 專利文獻(xiàn)4:日本專利特許第4991028號(hào)公報(bào)非專利文獻(xiàn)
[0013]非專利文獻(xiàn)1:表面科學(xué) Vol.31，N0.4，pp.196-201，2010
非專利文獻(xiàn)2 P々卜口 7実裝學(xué)會(huì)講演大會(huì)講演論文集(電子安裝學(xué)會(huì)演講大會(huì)演講論文集)，22nd, pp.167-168 (2008)


【發(fā)明內(nèi)容】

發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0014]然而，例如專利文獻(xiàn)I的方法中，利用液體來(lái)固定搭載元器件，該情況下，在投入焊接裝置前需要利用其他設(shè)備來(lái)進(jìn)行預(yù)處理(涂布液體)，從而產(chǎn)生作業(yè)工序增加、以及發(fā)生作業(yè)時(shí)間這樣的缺點(diǎn)。另外，在專利文獻(xiàn)2的方法中，氫在約300°C以上能有效地發(fā)揮出還原能力，但在其之下的溫度區(qū)域，被接合構(gòu)件以及焊料的還原不足，接合性可能變差。為提高氫氣的還原能力，也存在進(jìn)一步使加熱溫度高溫化的方法，但硅芯片可能發(fā)生熱損壞。
[0015]專利文獻(xiàn)3中公開的發(fā)明使用連續(xù)爐，無(wú)法達(dá)成足夠的真空度，因此原子氫的生成量較少，對(duì)于金屬氧化物等的還原力也不夠。因此，需要使用用于電子控制的裝置來(lái)有選擇地將原子氫集中到工件中，由此將產(chǎn)生缺點(diǎn):裝置變得復(fù)雜，氫或能量的損失也較大。
[0016]另外，在專利文獻(xiàn)4所公開的方法是在接合前利用旋轉(zhuǎn)磁鼓式的裝置僅對(duì)焊料合金進(jìn)行處理的方法，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)焊料接合也包含在內(nèi)的高效的接合組裝。非專利文獻(xiàn)1、2所公開的方法只不過(guò)是實(shí)驗(yàn)性的方法，無(wú)法實(shí)際應(yīng)用于半導(dǎo)體裝置的高效的量產(chǎn)中。
[0017]本發(fā)明鑒于上述問(wèn)題而得以完成，其目的在于，提供一種接合組裝裝置，通過(guò)短時(shí)間的焊接處理來(lái)將由至少一個(gè)被接合構(gòu)件與至少一個(gè)焊接材料構(gòu)成的層疊體進(jìn)行接合，從而獲得具有層中氣泡較少的焊料接合層的層疊體。
解決技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案
[0018]本發(fā)明為解決上述問(wèn)題而得以完成。也就是說(shuō)，本發(fā)明所涉及的接合組裝裝置在減壓爐內(nèi)具備如下構(gòu)件而構(gòu)成:金屬線；傳送臺(tái)，該傳送臺(tái)對(duì)由至少一個(gè)被接合構(gòu)件與至少一個(gè)焊接材料構(gòu)成的層疊體進(jìn)行支承，且能在水平方向及垂直方向移動(dòng)；水平方向上分開設(shè)置的冷卻板及熱板，所述冷卻板能隔著所述傳送臺(tái)對(duì)所述層疊體進(jìn)行冷卻，所述熱板能隔著所述傳送臺(tái)對(duì)所述層疊體進(jìn)行加熱；活性種生成氣體導(dǎo)入管；惰性氣體導(dǎo)入管；以及排氣口，該接合組裝裝置還包括對(duì)所述金屬線進(jìn)行加熱的加熱單元。
[0019]所述接合組裝裝置中，所述金屬線是從鎢、鑰、鉬金、鎳、錸中選出的金屬，或者是由上述金屬中的一種以上的金屬構(gòu)成的合金，通過(guò)將所述金屬線加熱至1000°C，來(lái)加熱分解活性種生成氣體，生成原子氫。另外，在所述接合組裝裝置中，優(yōu)選為，所述金屬線在所述減壓爐的上部設(shè)置在所述熱板的上方。另外，在所述接合組裝裝置中，優(yōu)選為，所述金屬線設(shè)置于所述熱板的上方，以覆蓋所述熱板的整個(gè)區(qū)域。另外，在所述接合組裝裝置中，優(yōu)選為，所述金屬線與所述傳送臺(tái)的垂直方向距離能在30mm?150mm的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。
[0020]在所述接合組裝裝置中，優(yōu)選為，所述活性種生成氣體導(dǎo)入管具備多個(gè)向所述金屬線導(dǎo)入活性種生成氣體的吹出口，從所述吹出口經(jīng)由所述金屬線向所述熱板均勻地噴出活性種生成氣體。另外，在所述接合組裝裝置中，優(yōu)選為，還具備所述減壓爐內(nèi)的壓力監(jiān)視
>J-U ρ?α裝直。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，涉及一種所述任一個(gè)接合組裝裝置的工作方法，具備如下工序:一次減壓工序，對(duì)投入有層疊體的減壓爐內(nèi)進(jìn)行抽真空，所述層疊體包含至少一個(gè)被接合構(gòu)件與至少一個(gè)焊接材料；熱線式加熱工序，在所述一次減壓工序后，將所述減壓爐內(nèi)的氣氛設(shè)定為負(fù)壓的氫氣氣氛，對(duì)所述金屬線進(jìn)行加熱，生成原子氫；加熱工序，在所述熱線式加熱工序后，將所述減壓爐內(nèi)的氣氛設(shè)定為正壓的氫氣氣氛，加熱至接合溫度為止，使所述焊接材料熔融；以及氣泡去除工序，在所述加熱工序后，在保持接合溫度的狀態(tài)下，再次將所述減壓爐內(nèi)的氣氛設(shè)定為真空氣氛，從而去除焊料融液中的氣泡。
[0022]優(yōu)選為，所述接合組裝裝置的工作方法中的、所述氣泡去除工序中，斷續(xù)地重復(fù)一次以上熱線式加熱工序，所述熱線式加熱工序?qū)⑺鰷p壓爐內(nèi)的氣氛設(shè)定為負(fù)壓的氫氣氣氛，對(duì)所述金屬線進(jìn)行加熱，生成原子氫。
[0023]優(yōu)選為，所述接合組裝裝置的工作方法中的、所述熱線式加熱工序中，將氫分子氣體提供至減壓爐內(nèi)，使得該氫分子氣體與所述金屬線接觸后，被供給至所述層疊體。
[0024]優(yōu)選為，在所述接合組裝裝置的工作方法中，在所述氣泡去除工序后還包含再還原工序，在保持接合溫度的狀態(tài)下，再次將所述減壓爐內(nèi)的氣氛設(shè)定為正壓的氫氣氣氛。另夕卜，優(yōu)選為，在所述再還原工序后還包含冷卻工序，在將所述減壓爐內(nèi)的氣氛設(shè)定為正壓的氫氣氣氛的狀態(tài)下、對(duì)所述層疊體進(jìn)行急速冷卻。此外，優(yōu)選為，還包含如下工序:在所述冷卻工序后，將所述減壓爐內(nèi)進(jìn)行抽真空的二次減壓工序；以及在所述二次減壓工序后，將所述減壓爐內(nèi)的氣氛設(shè)定為正壓的惰性氣體氣氛后，開放所述減壓爐的工序。
[0025]優(yōu)選為，在所述接合組裝裝置的工作方法中，多次重復(fù)所述熱線式加熱工序至所述加熱工序?；蛘撸瑑?yōu)選為，多次重復(fù)所述氣泡去除工序至所述再還原工序，或者多次重復(fù)所述熱線式加熱工序至所述加熱工序及所述氣泡去除工序至所述再還原工序。
發(fā)明效果
[0026]根據(jù)本發(fā)明所涉及的接合組裝裝置，尤其是在現(xiàn)有的僅利用氫氣的焊料接合的基礎(chǔ)上，利用金屬線來(lái)分解氫氣等活性種生成氣體，從而產(chǎn)生具有不成對(duì)電子且活性種較高的氧化物還原效果。通過(guò)具備金屬線，在本發(fā)明所涉及的接合組裝裝置中，能夠?qū)崿F(xiàn):焊料熔融溫度以下的焊料還原、被接合構(gòu)件的加熱輔助、以及被接合構(gòu)件的氧化物還原。此外，通過(guò)使用本發(fā)明所涉及的接合組裝裝置，例如在制造半導(dǎo)體裝置的情況下，能夠在減壓爐內(nèi)同時(shí)實(shí)施金屬基座與絕緣基板的焊接、以及絕緣基板與硅芯片等元件的焊接，并且此時(shí)能去除焊料中的氣泡，還能迅速消除因不同材料的接合而產(chǎn)生的金屬基座的翹曲。此外，在接合組裝裝置運(yùn)行開始后，十分多鐘內(nèi)，與以往相比，能獲得焊料接合層質(zhì)量更好、可靠性更高，且散熱特性較優(yōu)的半導(dǎo)體裝置。
[0027]另外，根據(jù)本發(fā)明所涉及的接合組裝裝置，與以往相比，在較低溫度區(qū)域、例如300°C以下具有還原效果，且即使氫氣或惰性氣體的使用量較少也沒問(wèn)題，另外無(wú)需使用助焊劑。因此，能夠獲得如下效果:縮短處理時(shí)間、接合質(zhì)量較好、運(yùn)行成本減少、環(huán)境負(fù)荷降低。此外，由于通過(guò)使用本發(fā)明所涉及的接合組裝裝置，還具有如下優(yōu)先:能提高層疊體的接合特性，因此能消除量產(chǎn)時(shí)多個(gè)產(chǎn)品之間的偏差，使質(zhì)量穩(wěn)定。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0028]圖1是簡(jiǎn)要說(shuō)明本發(fā)明所涉及的接合組裝裝置的圖。
圖2是表示金屬線12與熱板16的位置關(guān)系的圖，圖2(a)是表示減壓爐11內(nèi)從金屬線12上方觀察爐底時(shí)的金屬線12與熱板16的位置關(guān)系的圖，圖2(b)是表示從減壓爐的正面觀察時(shí)的金屬線12與熱板16的位置關(guān)系的圖。
圖3是示意性地示出本發(fā)明所涉及的接合組裝裝置中進(jìn)行焊接的、由被接合體及焊料構(gòu)成的層疊體的結(jié)構(gòu)的圖。
圖4是表示本發(fā)明所涉及的接合組裝裝置的工作方法中的、溫度分布、腔內(nèi)氣氛及壓力、金屬線通電、以及處理動(dòng)作的一個(gè)示例的時(shí)序圖。

【具體實(shí)施方式】
[0029]下面，參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。其中，本發(fā)明并不限定于以下說(shuō)明的實(shí)施方式。
[0030]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，本發(fā)明涉及一種接合組裝裝置。圖1示出了本發(fā)明所涉及的接合組裝裝置的示意圖。本發(fā)明所涉及的接合組裝裝置在減壓爐11內(nèi)主要具備:金屬線12、傳送臺(tái)13、冷卻板15、熱板16、活性種生成氣體導(dǎo)入管17、以及惰性氣體導(dǎo)入管18。本發(fā)明中，活性種生成氣體是指經(jīng)過(guò)金屬線12接觸分解，具有較高還原性且能生成含有不成對(duì)電子的元素的氣體。上述活性種生成氣體沒有特別限定，在以下本實(shí)施方式的說(shuō)明中，以氫氣來(lái)作為活性種生成氣體的一個(gè)示例來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。
[0031]減壓爐11主要由爐主體110、以及經(jīng)由密封件112覆蓋于爐主體110、并將爐內(nèi)部保持為氣密狀態(tài)的蓋體111構(gòu)成。減壓爐11中設(shè)有:用于在爐內(nèi)提供氫分子氣體a的氫分子氣體導(dǎo)入管17、用于在爐內(nèi)提供氮?dú)鈈等惰性氣體的惰性氣體導(dǎo)入管18、以及排氣口113。爐主體110的底部分開設(shè)置有熱板16與冷卻板15。傳送臺(tái)13構(gòu)成為能利用傳送軌道14在熱板16與冷卻板15之間往返。傳送臺(tái)13構(gòu)成為還能利用未圖示的其它機(jī)構(gòu)在垂直方向上上下運(yùn)動(dòng)。
[0032]優(yōu)選為，減壓爐11內(nèi)的上部是構(gòu)成蓋體111的減壓爐11的頂部，熱板16的上方安裝有金屬線12。金屬線12連接于通過(guò)通電來(lái)對(duì)金屬線12進(jìn)行加熱的加熱單元、即爐外未圖示的交流或直流功率供電源。此外，將具備對(duì)提供至金屬線12的供電功率進(jìn)行調(diào)整的功能的電源裝置設(shè)置于減壓爐11的外部，以作為該交流或直流功率供電源。此時(shí)，金屬線12的周圍以耐熱性的構(gòu)件來(lái)構(gòu)成，并確保絕緣性。這是由于金屬線12的周圍會(huì)變得非常高溫，且施加有電流、電壓。此外，若金屬線12的安裝位置為后述的規(guī)定部位，則金屬線12無(wú)需安裝于減壓爐11的頂部，可以安裝于減壓爐11的側(cè)壁部，也可以從減壓爐11的底部由適當(dāng)?shù)膯卧獊?lái)支承。另外，由于金屬線12可能因熱或氧化而劣化，因此優(yōu)選為金屬線12可更換地安裝于減壓爐11。
[0033]金屬線12是能在1000°C以上、優(yōu)選為1500°C以上、更優(yōu)選為1600°C以上，且優(yōu)選為可加熱到2000°C以下的線狀的金屬構(gòu)件，金屬線12能通過(guò)與氫分子氣體的接觸分解反應(yīng)來(lái)生成具有還原性的原子氫(氫原子)。金屬線12能重復(fù)多次使用，例如，能重復(fù)約1000次使用，而重復(fù)使用次數(shù)并沒有特別限定。本說(shuō)明書中，氫分子氣體是指氣體狀的氫分子，與通過(guò)金屬線的加熱而生成的原子氫區(qū)別使用。構(gòu)成金屬線的材料例如可以是鎢、鉭、鑰、釩、鉬、釷、鋯、釔、鉿、鈀、鎳、錸、或以這些金屬中的一種以上為主要成分的合金，雖然優(yōu)選使用鎢，但只要有上述功能即可，并未限定于特定金屬。
[0034]金屬線12的直徑例如為0.1mm?1.0mm,優(yōu)選為0.3mm?0.8mm,但并不局限于此。金屬線12可以是單線，也可以是2條以上金屬線組合而成的復(fù)線，單線或復(fù)線的金屬線12可以分別設(shè)置多根。另外，上述單線或復(fù)線的金屬線12例如可以為鋸齒狀(Z字形、U字形)、螺旋狀、網(wǎng)格狀、格子狀、或?qū)⑸鲜鲂螤钸m宜組合后的形狀。雖并不限定于特定形狀，但優(yōu)選使得金屬線表面積增大的形狀。這是為了增大氫分子氣體與金屬線12的接觸面積，從而生成更多的具有還原性的原子氫。
[0035]另外，對(duì)于金屬線12的安裝位置，在傳送臺(tái)13位于位置B時(shí)，放置于傳送臺(tái)13上的層疊體10與金屬線12之間的垂直方向距離在150mm以內(nèi)，優(yōu)選為在30mm以上，更優(yōu)選為在50?100mm。層疊體10與金屬線12之間的垂直方向距離是指，如后述那樣，以均勻的位置關(guān)系來(lái)設(shè)置層疊體10與金屬線12的情況下，金屬線12的直徑的中心與進(jìn)行加熱接合的層疊體10的上表面的距離。此外，層疊體10與金屬線12的垂直方向距離能通過(guò)傳送臺(tái)13的垂直方向上下的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。尤其是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員能適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行調(diào)節(jié)，以使得金屬線12對(duì)氫原子氣體的分解活性、構(gòu)成層疊體10的焊料溫度保持在后述恰當(dāng)?shù)臈l件。
[0036]減壓爐11內(nèi)，在傳送臺(tái)13位于位置B或位置C時(shí)，優(yōu)選為金屬線12與作為接合對(duì)象的層疊體10的距離成為均一的位置關(guān)系。若金屬線12與層疊體10的距離不均一，則由于金屬線12被加熱到高溫，從而對(duì)層疊體10的輻射熱產(chǎn)生影響，使得層疊體10的溫度可能上升。另外，減壓爐11內(nèi)的金屬線12與熱板16在水平方向上的位置關(guān)系優(yōu)選為，在作為接合對(duì)象的層疊體10的整個(gè)形狀的范圍內(nèi)，無(wú)偏差地設(shè)置金屬線，更優(yōu)選為在熱板16表面的整個(gè)區(qū)域設(shè)置金屬線。這是由于，雖然與金屬線的接觸而分解的氫分子氣體輻射狀地產(chǎn)生于金屬線的全方向上，但會(huì)根據(jù)距離發(fā)生衰減。圖2(a)是表示減壓爐11內(nèi)從金屬線12上方觀察爐底時(shí)的金屬線12與熱板16的位置關(guān)系的圖，圖2(b)是表示從減壓爐的正面觀察時(shí)的金屬線12與熱板16的位置關(guān)系的圖。此外，為了簡(jiǎn)化圖示，省略記載傳送臺(tái)13。另外，金屬線12與熱板16的關(guān)系并不局限于該形式，例如也可以至少在作為接合對(duì)象的層疊體10的表面的整個(gè)區(qū)域的范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)置。
[0037]在圖示的實(shí)施方式中，金屬線12僅安裝于熱板16的上方，但也可以在此基礎(chǔ)上，以包圍熱板16的四條邊的方式，優(yōu)選為以垂直于熱板16的加熱面且平行于減壓爐11的側(cè)壁的方式安裝金屬線12。該情況下，通過(guò)將金屬線12與層疊體10的距離保持在上述恰當(dāng)?shù)木嚯x范圍，從而能獲得由原子氫產(chǎn)生的還原效果。
[0038]冷卻板15至少具有冷卻面，若具備能調(diào)節(jié)冷卻溫度及速度的任意的冷卻機(jī)構(gòu)，則可以是在典型的焊接裝置中普遍使用的冷卻板。作為一個(gè)示例，冷卻板15可以是連接于爐外的、使冷卻板15的冷卻水d循環(huán)的冷卻器20。該情況下，優(yōu)選為，在爐主體110的底部、冷卻板15的下方設(shè)有用于使冷卻水循環(huán)的未圖示的出入口。此外，冷卻板15也可以利用其它機(jī)構(gòu)來(lái)冷卻層疊體。另外，熱板16至少具有加熱面，若具備能調(diào)節(jié)加熱溫度及速度的任意的加熱機(jī)構(gòu)，則可以是在典型的焊接裝置中普遍使用的熱板。例如，熱板16可以是能隔著傳送臺(tái)13在常溫?400°C的范圍內(nèi)對(duì)層疊體10進(jìn)行加熱的加熱器等。
[0039]冷卻板15與熱板16分開設(shè)置于減壓爐11的底部。冷卻板15與熱板16優(yōu)選為例如隔開1mm?50mm左右的距離進(jìn)行設(shè)置。另外，冷卻板15的冷卻面與熱板16的加熱面優(yōu)選為設(shè)置成位于距離減壓爐11內(nèi)的底部大致相同的高度上。另外，冷卻板15的冷卻面與熱板16的加熱面優(yōu)選為具有大致相同的面積。此外，在圖示的實(shí)施方式中，冷卻板15、熱板16分別遠(yuǎn)離減壓爐11內(nèi)的底部來(lái)進(jìn)行設(shè)置。這是為了避免從冷卻板15、熱板16向爐主體的熱轉(zhuǎn)移，從而進(jìn)行高效的冷卻或加熱。然而，也可以配置適當(dāng)?shù)母魺岵牧?，將冷卻板15、熱板16與減壓爐11內(nèi)的底部相接觸地進(jìn)行設(shè)置，以替代上述設(shè)置方式。
[0040]作為未圖示的任意選擇的結(jié)構(gòu)，冷卻板15與熱板16之間也可以設(shè)置起到隔熱壁作用的隔板。另外，熱板16的外周也可以設(shè)置隔熱壁。利用所述結(jié)構(gòu)，能消除熱板16與冷卻板15相接近的區(qū)域上溫度不均勻的部分。通過(guò)所述結(jié)構(gòu)能起到保溫效果。
[0041]傳送臺(tái)13保持層疊體10，起到層疊體10的移動(dòng)單元的作用。傳送臺(tái)13及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以使用典型的焊接裝置中普遍使用傳送臺(tái)及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。傳送臺(tái)13構(gòu)成為能利用傳送軌道14在熱板16與冷卻板15之間進(jìn)行水平方向的移動(dòng)。也就是說(shuō)，能在圖1中的左右方向上移動(dòng)，在位置A、B之間、位置C、D之間移動(dòng)。另外，還構(gòu)成為能利用未圖示的機(jī)構(gòu)在垂直方向上移動(dòng)，從而在位置A、B、C、D之間移動(dòng)。也就是說(shuō)，還可以在圖1中的上下方向上移動(dòng)。優(yōu)選為，傳送臺(tái)13的垂直方向的可動(dòng)范圍為Omm?50mm。另外,該可動(dòng)范圍優(yōu)選為，能在30mm?150mm,優(yōu)選為能在50mm?10mm的范圍內(nèi)對(duì)金屬線12與傳送臺(tái)13之間的垂直方向距離進(jìn)行調(diào)整。傳送臺(tái)13優(yōu)選為在其上方具備可拆卸的均熱板(未圖示)。均熱板能保持作為接合對(duì)象的層疊體10，只要能實(shí)現(xiàn)均熱化即可，例如可以使用由2?3_的碳板構(gòu)成的均熱板。
[0042]氫分子氣體導(dǎo)入管17以及惰性氣體導(dǎo)入管18安裝于減壓爐主體111。氫分子氣體導(dǎo)入管17以及惰性氣體導(dǎo)入管18分別連接于爐外的未圖示的氫分子氣體供給源以及惰性氣體供給源，對(duì)減壓爐11內(nèi)提供氫分子氣體導(dǎo)入管17以及惰性氣體導(dǎo)入管18。此外，在氫分子氣體導(dǎo)入管17不僅導(dǎo)入氫分子氣體，還能單獨(dú)導(dǎo)入其它活性種生成氣體、或與氫分子氣體一起導(dǎo)入的該情況下，活性種生成氣體除了氫分子氣體之外，例如還可舉出氨、四氟化碳、六氟化硫等含鹵氣體等，并不局限于此?；蛘撸部梢粤硗庠O(shè)置其它管道，以用于對(duì)減壓爐11內(nèi)導(dǎo)入其它活性種生成氣體。另外，惰性氣體導(dǎo)入管18—般為氮?dú)鈱?dǎo)入管，但也可以是導(dǎo)入其它惰性氣體的導(dǎo)入管
[0043]氫分子氣體導(dǎo)入管17設(shè)置于金屬線12的上方，即、氫分子氣體導(dǎo)入管17的噴出部位于蓋體111與金屬線12之間。為了簡(jiǎn)化圖示，省略了圖示，但氫分子氣體導(dǎo)入管的噴出部在吹出氫分子氣體的范圍內(nèi)設(shè)置配管而并不在金屬線的整個(gè)區(qū)域設(shè)置配管，并且在朝向金屬線12的方向上設(shè)置吹出孔。在圖1所示的實(shí)施方式的情況下，具體而言，在朝向正下方的方向上設(shè)置吹出孔。吹出的氫分子氣體通過(guò)金屬線12，在該過(guò)程中，分解為原子氫，能夠到達(dá)層疊體10。另一方面，惰性氣體導(dǎo)入管18在爐內(nèi)11內(nèi)，大致均勻地導(dǎo)入氮?dú)獾榷栊詺怏w，并能置換爐內(nèi)氣氛即可，并沒有特別限定。
[0044]減壓爐11是其內(nèi)部能耐受真空，且能保持氣密性的爐體即可，其容量等沒有限定。優(yōu)選為，其內(nèi)部由不易因原子氫或其它活性種而發(fā)生劣化的材料構(gòu)成，例如能由SUS304、SUS316等不銹鋼或表面經(jīng)過(guò)處理的不銹鋼以及鋁合金構(gòu)成。減壓爐11的排氣口113除了用于對(duì)爐內(nèi)抽真空之外，還成為作為爐內(nèi)層疊體10的構(gòu)成構(gòu)件的還原結(jié)果而生成的、包含含氧化合物、硫化物、氯化物等在內(nèi)的含氫化合物等的排出口。排氣口 113連接有真空泵等減壓裝置30。
[0045]減壓爐11內(nèi)可以具備未圖示的壓力測(cè)定裝置及/或溫度測(cè)定裝置。通過(guò)利用壓力測(cè)定裝置對(duì)爐內(nèi)全壓以及任意選擇的氫分壓進(jìn)行監(jiān)視，及/或利用溫度測(cè)定裝置對(duì)構(gòu)成層疊體10的構(gòu)件、金屬線12的溫度進(jìn)行監(jiān)視，從而能調(diào)節(jié)減壓爐11內(nèi)部的反應(yīng)。
[0046]上述接合組裝裝置用于對(duì)由至少一個(gè)被接合構(gòu)件與至少一個(gè)焊接材料構(gòu)成的層疊體進(jìn)行焊接。一般來(lái)說(shuō)，是用于制造以將焊接有硅芯片等元件的具有金屬電路板的陶瓷等的絕緣基板作為接合組裝裝置焊接在金屬基座上而成的IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor:絕緣柵雙極晶體管)模塊、IPM(Intelligent Power Module:智能功率模塊)等功率模塊為代表的半導(dǎo)體裝置的接合組裝裝置。
[0047]接下來(lái)，從接合組裝裝置的工作方法的角度來(lái)說(shuō)明本發(fā)明所涉及的接合組裝裝置。此外，本發(fā)明所涉及的圖1所示的接合組裝裝置的工作方法也可認(rèn)為是使用該接合組裝裝置的層疊體、例如半導(dǎo)體裝置的制造方法。因此，以下說(shuō)明涉及使用圖1所示的上述接合組裝裝置的層疊體的制造方法。
[0048]也就是說(shuō)，根據(jù)本發(fā)明的其它方面，本發(fā)明涉及接合組裝裝置的工作方法，其包含如下工序:一次減壓工序，對(duì)投入有層疊體的減壓爐內(nèi)進(jìn)行抽真空，所述層疊體包含至少一個(gè)被接合構(gòu)件與至少一個(gè)焊接材料；熱線式加熱工序，在所述一次減壓工序后，將所述減壓爐內(nèi)的氣氛設(shè)定為負(fù)壓的氧氣氣氛，對(duì)所述金屬線進(jìn)行加熱，生成原子氫；加熱工序，在所述熱線式加熱工序后，將所述減壓爐內(nèi)的氣氛設(shè)定為正壓的氧氣氣氛，加熱至接合溫度為止，使所述焊接材料熔融；以及氣泡去除工序，在所述加熱工序后，在保持接合溫度的狀態(tài)下，再次將所述減壓爐內(nèi)的氣氛設(shè)定為真空氣氛，從而去除焊料融液中的氣泡，并且，本發(fā)明涉及接合組裝裝置的工作方法還有選擇地包含以下工序:再還原工序，在所述氣泡去除工序后，在保持接合溫度的狀態(tài)下，再次將所述減壓爐內(nèi)的氣氛設(shè)定為正壓的氫氣氣氛；冷卻工序，在所述再還原工序后，在將所述減壓爐內(nèi)的氣氛設(shè)定為正壓的氫氣氣氛的狀態(tài)下、對(duì)所述層疊體進(jìn)行急速冷卻；二次減壓工序，在所述冷卻工序后，將所述減壓爐內(nèi)進(jìn)行抽真空；以及在所述二次減壓工序后，將所述減壓爐內(nèi)的氣氛設(shè)定為正壓的惰性氣體氣氛后，開放所述減壓爐的工序。
[0049]在本發(fā)明所涉及的接合組裝裝置中，接合對(duì)象是指，由至少一個(gè)被接合構(gòu)件、與至少一個(gè)焊接材料構(gòu)成的層疊體，尤其是至少在兩個(gè)被接合構(gòu)件之間夾持有焊料的任意層疊體。作為這樣的接合對(duì)象的層疊體，可列舉為半導(dǎo)體裝置、功率轉(zhuǎn)換器、通電電路、印刷布線板等，但并不局限于此。以下中，以制造半導(dǎo)體裝置為一個(gè)示例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明，但本發(fā)明所涉及的接合組裝裝置的工作方法并不局限于用于特定裝置的制造。參照?qǐng)D3，一般經(jīng)由絕緣基板-金屬基座接合用焊接材料3將絕緣基板2層疊到在金屬基座I上，并經(jīng)由硅芯片-絕緣基板接合用焊料5將硅芯片4層疊至其上方，從而構(gòu)成作為接合組裝對(duì)象的層疊體10。此外，圖3中，作為半導(dǎo)體元件的一個(gè)示例，列舉了硅芯片來(lái)進(jìn)行說(shuō)明，本發(fā)明中的作為接合對(duì)象的半導(dǎo)體元件并不局限于硅芯片，還可列舉出SiC芯片、GaN芯片，但并不局限于此。
[0050]作為構(gòu)成半導(dǎo)體元件的集電極電極面、金屬基座、以及絕緣基板表面的典型的被接合構(gòu)件(接合母材)，可列舉出金(Au)、銅(Cu)、銀(Ag)、鎳(Ni)及/或以其一種以上為主要成分的合金，但并不局限于此。作為典型的焊接材料，可以使用鉛回流焊料、優(yōu)選使用熔點(diǎn)約190?290°C的鉛回流焊料，更優(yōu)選使用熔點(diǎn)約210?290°C的鉛回流焊料。作為優(yōu)選的實(shí)施方式，優(yōu)選使用熔點(diǎn)為190?290°C的鉛回流的含Sn的焊料。含Sn的鉛回流焊料包含=Sn焊料、Sn-Ag類焊料、Sn-Cu類焊料、Sn-Sb類焊料(熔點(diǎn):約190?290°C )、Sn-Bi類(熔點(diǎn):約270 °C )等。更優(yōu)選為Sn-Ag類焊料。Sn-Ag類焊料包含:Sn_Ag、Sn-Ag-Cu> Sn-Ag-B1、Sn-Ag-Cu-B1、Sn-Ag-Cu-1n> Sn-Ag-Cu-S> 以及 Sn-Ag-Cu-N1-Ge 等。更優(yōu)選為 Sn-3.5Ag-0.5Cu-0.lN1-0.05Ge 焊料、或 Sn_3.5Ag-0.5Cu 焊料。同樣，Sn-Sb 類焊料也廣泛用于功率器件的芯片接合(diebonding)。Sn-Sb類焊料包含Sn-Sb、Sn_Sb_Ag、Sn-Sb-Ag-Cu, Sn-Sb-Ag-Cu-Ni 等。優(yōu)選是 Sn_5Sb、Sn_8Sb、Sn_13Sb、Sn-8Sb_3Ag、Sn-8Sb-3Ag-0.5Cu、Sn-8Sb-3Ag-0.5Cu-N1.03 ?(λ 07wt.%等。另外,焊接材料可以是焊料板，也可以是糊料狀焊料，其形式?jīng)]有限定。
[0051]作為預(yù)先準(zhǔn)備，如圖3所示，層疊多個(gè)被接合構(gòu)件以及焊接材料，形成層疊體10。接著，將該層疊體10放置于減壓爐11內(nèi)的傳送臺(tái)13上?？梢岳煤线m的裝置來(lái)將層疊體10放置于傳送臺(tái)13上，也可以人工執(zhí)行。本發(fā)明所涉及的批量式接合組裝裝置中，以一次操作來(lái)進(jìn)行接合的層疊體10可以如圖所示那樣是一個(gè)，也可以是多個(gè)。
[0052]圖4是表示使用本發(fā)明所涉及的接合組裝裝置的半導(dǎo)體裝置的制造方法中的、構(gòu)成層疊體的焊料的溫度分布、金屬線通電、腔內(nèi)氣氛及壓力、以及處理動(dòng)作的一個(gè)示例的時(shí)序圖。將層疊體10裝載至傳送臺(tái)13上，按照?qǐng)D4所示的時(shí)序圖來(lái)開始焊接，之后，密封投入有層疊體10的減壓爐11，減壓裝置30工作，開始對(duì)爐內(nèi)進(jìn)行減壓(時(shí)刻T0)。該脫氣處理時(shí)，傳送臺(tái)13處于遠(yuǎn)離于熱板16及冷卻板15的待機(jī)狀態(tài)，即位于圖1的位置A。在時(shí)刻TO?T8的操作中，減壓裝置30優(yōu)選為設(shè)定成始終工作的狀態(tài)，持續(xù)對(duì)減壓爐11內(nèi)進(jìn)行排氣。
[0053]在所述一次減壓工序后，進(jìn)行如下熱線式加熱工序:使所述減壓爐內(nèi)設(shè)定為負(fù)壓的氫氣氣氛，對(duì)減壓爐內(nèi)的金屬線進(jìn)行加熱，生成原子氫(時(shí)刻Tl至T2)。所述工序中，也能在負(fù)壓的氫氣氣氛下，進(jìn)行一次還原工序，即利用原子氫使被接合構(gòu)件與焊接材料還原。本說(shuō)明書中，負(fù)壓是指低于101.3X 13Pa的壓力。氫分子氣體的流量例如由質(zhì)量流動(dòng)控制器等進(jìn)行控制。
[0054]熱線式加熱工序中，若減壓爐11內(nèi)的真空度為I?10Pa、例如達(dá)到5.7319Pa，則開始對(duì)減壓爐11內(nèi)導(dǎo)入氫分子氣體(時(shí)刻Tl)。另外，傳送臺(tái)移動(dòng)到熱板16上方不被熱板16直接加熱的位置、即圖1的位置B。也就是說(shuō)，傳送臺(tái)移動(dòng)到金屬線與層疊體能在熱線式加熱處理中確保恰當(dāng)?shù)奈恢藐P(guān)系及距離的位置。減壓爐11內(nèi)的壓力變?yōu)镮?lOOPa、優(yōu)選為I?50Pa的情況下，通過(guò)通電來(lái)加熱金屬線12。圖4的圖中，將向金屬線12通電的時(shí)刻或能進(jìn)行通電的時(shí)刻記作“金屬線通電”。在金屬線12的溫度例如達(dá)到1600°C的情況下，減壓爐11內(nèi)的氫分子氣體被分解，變?yōu)榫哂休^高還原能力的原子氫的狀態(tài)。此外，在其它實(shí)施方式中，也可以在時(shí)刻Tl，傳送臺(tái)移動(dòng)到熱板16的上方、受到熱板16的加熱的位置，也就是說(shuō)移動(dòng)到圖1的位置C，在加熱層疊體10的同時(shí)，對(duì)金屬線通電。
[0055]金屬線12的優(yōu)選加熱溫度因構(gòu)成金屬線12的金屬材料或合金材料的不同而不同，例如在使用鎢來(lái)作為金屬線的情況下，加熱溫度可以設(shè)為1600?1800°C。構(gòu)成層疊體10的各構(gòu)件表面的還原處理所需的金屬線12的加熱持續(xù)時(shí)間(時(shí)刻Tl與時(shí)刻T2之間的時(shí)間)例如可設(shè)為10秒?5分鐘，優(yōu)選為30秒?120秒。金屬線12的優(yōu)選加熱時(shí)間也因構(gòu)成金屬線12的金屬材料或合金材料的不同而不同，例如在使用鎢來(lái)作為金屬線的情況下，加熱時(shí)間可以設(shè)為30秒?120秒。另外，此時(shí)的金屬線12與層疊體10的距離優(yōu)選設(shè)定為30?150mm,更優(yōu)選設(shè)定為50?100mm。通過(guò)將金屬線12的加熱溫度、通電時(shí)間以及金屬線12與層疊體10的距離設(shè)定為恰當(dāng)?shù)姆秶?，從而能防止?gòu)成金屬線12的金屬材料對(duì)層置體10的污染等。
[0056]此期間，對(duì)氫分子氣體流量進(jìn)行控制，以使得減壓爐11內(nèi)的壓力例如保持在I?lOOPa、優(yōu)選為10?50Pa，并同時(shí)持續(xù)對(duì)爐內(nèi)進(jìn)行減壓(排氣)。由此，利用原子氫的還原反應(yīng)的結(jié)果是，所生成的放出至減壓爐內(nèi)的氣氛的物質(zhì)、例如屬于水或氫化物的硫化氫、氯化氫等作為排氣c排出至減壓爐11外。另外，在金屬線12通電的期間，同時(shí)利用熱板16對(duì)構(gòu)成層疊體10的各構(gòu)件進(jìn)行加熱，使得構(gòu)成層疊體10的焊接材料3、5的溫度變?yōu)榧s100?200°C，該溫度因構(gòu)件的不同而有所不同。由此，在熱線式加熱工序中，能夠在比利用現(xiàn)有的氫分子氣體進(jìn)行還原所需的溫度要低的溫度下實(shí)現(xiàn)還原效果。此外，在熱線式加熱工序中，也可以使用氨氣、四氟化碳、六氟化硫等含鹵氣體以代替作為原子氫源而導(dǎo)入爐內(nèi)的氫分子氣體，或者一起使用。
[0057]時(shí)刻T2中，停止對(duì)金屬線12通電，金屬線加熱結(jié)束。另外，傳送臺(tái)13從位置B移動(dòng)至位置C。在熱線式加熱工序后執(zhí)行加熱工序，將所述減壓爐內(nèi)的氣氛設(shè)定為正壓的氫氣氣氛，加熱至接合溫度，使所述焊接材料熔融(時(shí)刻T2至T3)。所述工序也稱作二次還原工序，在熱線式加熱工序后，將所述減壓爐內(nèi)的氣氛設(shè)定為正壓的氫氣氣氛，使所述層疊體的各構(gòu)件的至少被接合表面還原。本說(shuō)明書中，正壓是指高于101.3X 13Pa的壓力。加熱工序中，對(duì)減壓爐11內(nèi)導(dǎo)入氫分子氣體，將爐內(nèi)設(shè)定為正壓的氫氣氣氛。隔著移動(dòng)到位置C的傳送臺(tái)13對(duì)層疊體10進(jìn)行加熱，保持該狀態(tài)，直到到達(dá)目標(biāo)接合溫度為止。圖4中的時(shí)刻T3?T5中的恒定溫度表示接合溫度?？梢詫⑸郎厮俣仍O(shè)定為每秒約I?30°C，優(yōu)選設(shè)定為每秒約5?10°C。
[0058]此處，熱板16的溫度優(yōu)選為高于焊料的液相線溫度約25°C左右以上的溫度。例如在使用液相線溫度為221°C的Sn-3.5Ag焊料來(lái)作為硅芯片-絕緣基板接合用焊接材料5、且使用液相線溫度為243°C的Sn-8Sb焊料來(lái)作為絕緣基板-金屬基座接合用焊料3的情況下，考慮熱板16的面內(nèi)的偏差，能夠?qū)岚?6的溫度設(shè)定為270?280°C。另外，例如在使用液相線溫度為221°C的Sn-Ag類焊料來(lái)作為硅芯片-絕緣基板接合用焊接材料5、且使用液相線溫度為219°C的Sn-3.0Ag-0.5Cu焊料來(lái)作為絕緣基板-金屬基座接合用焊料3的情況下，若按照上述所述那樣，則熱板16的溫度為245?250°C。然而，鑒于氫分子的還原效果在250°C以上顯著發(fā)揮，優(yōu)選為，用于充分發(fā)揮還原力的熱板16的加熱溫度為290°C以上，350°C以下。此外，半導(dǎo)體元件為SiC芯片的情況下，熱板16的加熱溫度例如可以為290°C?500°C左右，但并沒有限定于特定的加熱溫度。
[0059]在達(dá)到目標(biāo)接合溫度為止的升溫過(guò)程中(時(shí)刻T2?T3)，減壓爐11內(nèi)的壓力為正壓，因此層疊體10的各構(gòu)件的間隙容易滲透氫分子氣體，氫分子氣體的還原作用也會(huì)發(fā)揮作用。因此，絕緣基板-金屬基座接合用焊接材料3、硅芯片-絕緣基板接合用焊料5、絕緣基板2及金屬基座I的各表面的還原得到促進(jìn)，被接合表面、例如進(jìn)行引線接合的表面等的濕潤(rùn)性得到保證。另外，各焊接材料3、5熔融，此時(shí)產(chǎn)生的氣泡中填充有氫分子氣體，由此，氣泡活性化。也就是說(shuō)，氣泡中的氣體成分被置換成氫，通過(guò)之后的時(shí)刻T3?T5中的氣泡除去工序、以及再還原工序，使其充分活性化。焊接材料3、5熔融的期間，減壓爐11內(nèi)的氧濃度例如保持在30ppm以下,優(yōu)選保持在1ppm以下,且露點(diǎn)保持在_30°C以下,優(yōu)選保持在-50°C以下。
[0060]所述加熱工序后，實(shí)施氣泡除去工序，S卩，在若層疊體10的構(gòu)成構(gòu)件達(dá)到目標(biāo)接合溫度后，在保持于接合溫度的狀態(tài)下將所述減壓爐內(nèi)再次設(shè)定為真空氣氛，從而去除焊料融液中的氣泡(時(shí)刻T3至T4)。在氣泡除去工序中，再次開始對(duì)減壓爐11內(nèi)進(jìn)行減壓(時(shí)刻T3)。然后，在減壓爐11內(nèi)的真空度例如達(dá)到1Pa之后，進(jìn)一步持續(xù)例如30秒?I分鐘的減壓。由此，減壓爐11內(nèi)的真空度大致達(dá)到IPa。通過(guò)該持續(xù)的減壓，因焊接材料與被接合構(gòu)件之間的濕潤(rùn)不足而產(chǎn)生的氣泡、以及因包含在焊料中的溶解氣而產(chǎn)生的氣泡這兩種氣泡幾乎均被除去。此處，使減壓的持續(xù)時(shí)間(T3?T4)為30秒?I分鐘是由于，在進(jìn)行急劇的減壓等情況下，液體中產(chǎn)生的氣泡急劇地排出到外部時(shí)，與氣泡被彈出的作用相同，焊料可能發(fā)生飛濺，產(chǎn)生焊球或焊料飛濺到外周部，且即使減壓的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)于I分鐘，也無(wú)法獲得進(jìn)一步的氣泡去除效果。
[0061]時(shí)刻T3至T4的期間，可以僅進(jìn)行減壓，而不將氫分子氣體導(dǎo)入減壓爐11內(nèi)?；蛘?，在時(shí)刻T3開始減壓后，一旦真空度達(dá)到例如I?1Pa左右后，在到達(dá)時(shí)刻T4之前的期間，可以再次實(shí)施一次以上的熱線式加熱工序。也就是說(shuō)，對(duì)爐內(nèi)提供氫分子氣體，將爐內(nèi)壓力設(shè)定為I?lOOPa、優(yōu)選為10?50Pa之后，對(duì)金屬線12進(jìn)行通電，利用原子氫進(jìn)行還原處理。此時(shí)，在時(shí)刻T3至T4的期間，也可以僅對(duì)金屬線12通電一次，也可以以通電及停止通電作為一組，重復(fù)多組。也就是說(shuō)，也可以間斷地重復(fù)一次以上將減壓爐11內(nèi)設(shè)定為負(fù)壓的氫氣氣氛、對(duì)金屬線12進(jìn)行加熱、產(chǎn)生原子氫的發(fā)熱熱線式加熱工序。能夠?qū)淞髁考盃t內(nèi)壓力進(jìn)行控制，以使得在以通電與停止通電為一組來(lái)重復(fù)的情況下，在對(duì)金屬線12通電的時(shí)刻，爐內(nèi)壓力變?yōu)镮?lOOPa，優(yōu)選為10?50Pa，在停止通電的時(shí)刻，變?yōu)榻咏谡婵盏膲毫?、例如為I?10Pa。另外，能夠?qū)⑼姇r(shí)刻如上所述那樣設(shè)定為10秒?5分鐘，優(yōu)選為，將停止通電的時(shí)間設(shè)定為30秒?120秒。在重復(fù)向金屬線12進(jìn)行通電、與停止通電的情況下，重復(fù)次數(shù)優(yōu)選設(shè)定為2?5次，但并不局限于特定次數(shù)。此外，圖4中，在時(shí)刻T3?T4間，記作“金屬線通電”表示能在該區(qū)間進(jìn)行通電，而并不是必須要在該區(qū)間內(nèi)持續(xù)通電。
[0062]在所述氣泡去除工序后實(shí)施再還原工序，在保持接合溫度的狀態(tài)下，再次將所述減壓爐內(nèi)的氣氛設(shè)定為正壓的氫氣氣氛(時(shí)刻T4?T5)。所述工序是接著時(shí)刻Tl?T2中的利用原子氫的一次還原工序、時(shí)刻T2?T3中的利用氫分子氣體的二次還原工序之后的還原工序，可稱作三次還原工序。在還原工序中，首先再次向爐內(nèi)導(dǎo)入氫分子氣體(時(shí)刻T4)。在減壓爐11內(nèi)的壓力到達(dá)正壓之后，進(jìn)一步持續(xù)30秒?I分鐘以上5分鐘左右來(lái)導(dǎo)入氫分子氣體(T4?T5)。其中，該時(shí)間因加熱對(duì)象的層疊體的大小的不同而發(fā)生變化，因此并不局限于該時(shí)間。持續(xù)導(dǎo)入氫分子氣體是為了，如上所那樣持續(xù)I分鐘的減壓時(shí)，焊料3、5中的氣泡被去除到焊接材料3、5之外時(shí)，殘留在焊料3、5中的隧道狀的孔(氣泡通過(guò)的痕跡)因氫分子氣體的還原作用而被密封。也就是說(shuō)，焊接材料3、5中的氣泡充滿有氧化成分的氣體，因此在該氣泡通過(guò)時(shí)所接觸到的焊料部分發(fā)生氧化。因此，氣泡通過(guò)部分的焊料可能不濕潤(rùn)，而留下隧道狀的開口氣泡。通過(guò)在時(shí)刻T4?T5中實(shí)施再還原工序，使得該開口氣泡中充滿氫分子氣體，從而氧化的內(nèi)表面被還原，焊料的濕潤(rùn)更好，開口氣泡被焊料填埋。
[0063]另外，持續(xù)導(dǎo)入氫分子氣體的另一個(gè)理由在于，通過(guò)利用氫分子氣體來(lái)還原、并利用熱板16來(lái)進(jìn)行加熱保持，從而降低焊接材料5的表面張力，由此使焊料圓角形狀穩(wěn)定，提高焊料開裂發(fā)生壽命。若不持續(xù)導(dǎo)入氫分子氣體而在爐內(nèi)減壓后立刻開始冷卻使焊接材料凝固，則焊接材料的表面張力較大，使得焊料圓角形狀不均一，可能使得因溫度周期等而產(chǎn)生的焊料開裂的發(fā)生壽命變短。為了降低焊接材料5的表面張力，可以在時(shí)刻T4?T5，將焊接材料5加溫保持在接合溫度，或?qū)⒑附硬牧?暴露于氫分子氣體中的時(shí)間加長(zhǎng)，或者將這兩種做法相結(jié)合。然而，即使使持續(xù)導(dǎo)入氫分子氣體的時(shí)間加長(zhǎng)超過(guò)I分鐘，填埋氣泡通過(guò)的痕跡的孔的效果、焊料圓角形狀的穩(wěn)定化效果也沒有較大的變化，因此優(yōu)選將氫分子氣體的持續(xù)導(dǎo)入時(shí)間設(shè)定為30秒?I分鐘。
[0064]本發(fā)明的某個(gè)實(shí)施方式中，可以重復(fù)多次所述熱線式加熱工序至加熱工序(Tl?T3)。也就是說(shuō)，也可以將該時(shí)刻Tl?T3的操作設(shè)為I個(gè)周期，重復(fù)Tl?T3的多個(gè)周期，例如重復(fù)2?5個(gè)周期。通過(guò)重復(fù)Tl?T3的多個(gè)周期，能在焊料熔融前，有效地改質(zhì)金屬表面。
[0065]或者，也可以不重復(fù)上述時(shí)刻Tl?T3的操作，或者在重復(fù)Tl?T3的操作的同時(shí)，重復(fù)多次時(shí)刻T3?T5的氣泡去除工序以及再循環(huán)工序。作為一個(gè)示例，在接合大面積基板的情況、氣泡較難去除的情況下，可以以T3?T5的氣泡去除工序以及再循環(huán)工序的操作為一個(gè)周期，重復(fù)T3?T5的多個(gè)周期，例如重復(fù)2?5個(gè)周期。由此，通過(guò)重復(fù)減壓與加壓，熔融中的焊料發(fā)生搖動(dòng)，氣泡易于去除，因此能獲得氣泡去除效果。其中，大多情況下，當(dāng)氣泡去除工序的重復(fù)次數(shù)達(dá)到5次以前，隨著次數(shù)的增加，氣泡率會(huì)變小，而若重復(fù)6個(gè)周期以上，則無(wú)法獲得更佳的效果。
也可以在上述重復(fù)操作的基礎(chǔ)上，重復(fù)多次Tl?T5。
[0066]在再還原工序后，實(shí)施冷卻工序，即、將減壓爐11內(nèi)設(shè)定為正壓的氫氣氣氛的狀態(tài)下，對(duì)層疊體10進(jìn)行急速冷卻(時(shí)刻T5?T6)。在冷卻工序中，傳送臺(tái)13在軌道14上移動(dòng)，從熱板16移動(dòng)到冷卻板15 (位置D)。由此，開始對(duì)層疊體10進(jìn)行冷卻(時(shí)刻T5)。層疊體10例如以每分鐘300°C的速度進(jìn)行冷卻。此時(shí),爐內(nèi)維持正壓的氫氣氣氛。
[0067]將焊料的冷卻速度(凝固速度)考慮在內(nèi)來(lái)選定冷卻板15的溫度及冷卻時(shí)間。也就是說(shuō)，在本實(shí)施方式中，由于同時(shí)對(duì)熱膨脹系數(shù)不同的硅芯片4與絕緣基板2與金屬基座I進(jìn)行焊接，因此在焊接完成的狀態(tài)下，熱膨脹系數(shù)最大的金屬基座I可能發(fā)生翹曲，使得向絕緣基板2—側(cè)呈凸?fàn)睢?br> 在該影響下，通過(guò)焊料接合層相接合的層疊體10上可能發(fā)生最大0.3mm左右的翹曲。該翹曲若保持到接下來(lái)的引線接合工序，則其將成為電特性不良的發(fā)生原因，因此需要在引線接合前消除翹曲。為此，使絕緣基板2與金屬基座I之間的焊料接合層在短時(shí)間內(nèi)蠕變即可。
[0068]為了加快蠕變速度，優(yōu)選為，將冷卻速度設(shè)定為每分鐘250°C以上，例如設(shè)定為每分鐘300°C。本 申請(qǐng)人:在日本專利特開2003-297860號(hào)公報(bào)中示出了在冷卻速度為每分鐘250°C以上的情況下，金屬基座I的翹曲在24小時(shí)內(nèi)收斂于O?-0.1mm的范圍(表示向絕緣基板2 —側(cè)凸出)，從而能消除對(duì)引線接合的消極影響。換言之，在冷卻速度在每分鐘250°C以下的情況下，金屬基座I的翹曲無(wú)法充分恢復(fù)，可能會(huì)對(duì)引線接合帶來(lái)消極影響。另外，若加速焊料的蠕變從而盡可能在之前的工序中去除接合后的層疊體10的殘留應(yīng)力，則能使金屬基座I的變形穩(wěn)定。因此，選定冷卻板15的溫度及冷卻時(shí)間，使得焊料的冷卻速度變?yōu)槊糠昼?50°C以上。
[0069]然后，在所述冷卻工序后，實(shí)施對(duì)所述減壓爐內(nèi)進(jìn)行抽真空的二次減壓工序(時(shí)刻T6?T7)。在二次減壓工序中，若層疊體10的溫度例如變?yōu)?0?60°C，則開始排出減壓爐11內(nèi)的氫(時(shí)刻T6)。
[0070]在所述二次減壓工序后，將所述減壓爐內(nèi)的氣氛設(shè)定為正壓的氮?dú)鈿夥蘸螅瑢?shí)施開放所述減壓爐的工序(時(shí)刻T7?T8)。在所述工序中，通過(guò)排出氫，使得減壓爐11內(nèi)的真空度例如變?yōu)镮?1Pa后，對(duì)減壓爐11內(nèi)導(dǎo)入氮?dú)?時(shí)刻T7)。然后，減壓爐11內(nèi)被氮?dú)庵脫Q，爐內(nèi)的氫濃度達(dá)到爆炸界限以下之后，開放減壓爐11 (時(shí)刻T8)。圖4的時(shí)刻TO?T8的一連串的操作能大致在15分鐘內(nèi)完成，但也因重復(fù)工序的次數(shù)而有所不同。然后，通過(guò)這一連串的操作，所獲得的半導(dǎo)體裝置具有無(wú)氣泡且質(zhì)量高的接合層。此外，此處以氮?dú)鈿夥諡橐粋€(gè)示例來(lái)進(jìn)行說(shuō)明，但并不局限于氮?dú)?，也可以使用任意的惰性氣體，來(lái)設(shè)定為惰性氣體氣氛。
[0071]然而，例如在硅芯片4等元件為5mm見方以下的尺寸的情況下，硅芯片-絕緣基板接合用焊接材料5的尺寸也在5_見方以下。在上述那樣硅芯片及焊接材料的尺寸顯著較小的情況下，焊接的預(yù)先準(zhǔn)備可能較費(fèi)時(shí)，或者硅芯片4與焊接材料5的對(duì)準(zhǔn)不充分，發(fā)生接合不良。因此，在焊接上述尺寸的硅芯片4的情況下，優(yōu)選利用本發(fā)明所涉及的接合組裝裝置來(lái)進(jìn)行預(yù)焊接，預(yù)先在硅芯片4的背面、例如集電極電極面設(shè)置硅芯片-絕緣基板接合用焊料5。尤其是，若作為焊接材料，使用以容易氧化的Sn為主要成分且不含有Pb的焊料，則減壓爐11內(nèi)的氧濃度為數(shù)十PPm以下的極低的氧氣氣氛，因此能極力地減少預(yù)焊接后的焊料的表面氧化膜。然后，同樣地能夠使用本發(fā)明所涉及的接合組裝裝置，并利用通過(guò)預(yù)焊接而設(shè)置于硅芯片4背面的焊料，將硅芯片4焊接于絕緣基板2。此外，預(yù)焊接并不是僅對(duì)上述那樣尺寸較小的硅芯片4等元件進(jìn)行的處理，對(duì)于更大尺寸的硅芯片4等元件等、任意的元件進(jìn)行預(yù)焊接時(shí)，也能有效地適用本發(fā)明所涉及的半導(dǎo)體裝置的制造方法。
工業(yè)上的實(shí)用性
[0072]本發(fā)明所涉及的半導(dǎo)體裝置的制造裝置及其工作方法優(yōu)選用于IGBT模塊、IPM等功率模塊的制造中。
標(biāo)號(hào)說(shuō)明
[0073]I金屬基座
2絕緣基板
3絕緣基板-金屬基座接合用焊接材料 4硅芯片
5硅芯片-絕緣基板接合用焊接材料
10層疊體
11減壓爐
110爐主體
111蓋體
112密封件
113排氣口
12金屬線
13傳送臺(tái)
14傳送軌道
15冷卻板
16熱板
17氫氣導(dǎo)入管
18惰性氣體導(dǎo)入管
20冷卻器
30減壓裝置
a氫分子氣體
b氮?dú)?br> c排氣
d冷卻水
【權(quán)利要求】
1.一種接合組裝裝置，其特征在于， 所述接合組裝裝置的減壓爐內(nèi)具備如下構(gòu)件: 金屬線； 傳送臺(tái)，該傳送臺(tái)對(duì)由至少一個(gè)被接合構(gòu)件與至少一個(gè)焊接材料構(gòu)成的層疊體進(jìn)行支承，且能在水平方向及垂直方向移動(dòng)； 水平方向上分開設(shè)置的冷卻板及熱板，所述冷卻板能隔著所述傳送臺(tái)對(duì)所述層疊體進(jìn)行冷卻，所述熱板能隔著所述傳送臺(tái)對(duì)所述層疊體進(jìn)行加熱； 活性種生成氣體導(dǎo)入管； 惰性氣體導(dǎo)入管；以及 排氣口， 該接合組裝裝置還包括對(duì)所述金屬線進(jìn)行加熱的加熱單元。
2.如權(quán)利要求1所述的接合組裝裝置，其特征在于， 所述金屬線是從鎢、鑰、鉬金、鎳、錸中選出的金屬，或者是由上述金屬中的一種以上的金屬構(gòu)成的合金，通過(guò)將所述金屬線加熱至ΙΟΟΟ?，來(lái)加熱分解活性種生成氣體，生成原子氫。
3.如權(quán)利要求1或2所述的接合組裝裝置，其特征在于， 所述金屬線在所述減壓爐的上部設(shè)置在所述熱板的上方。
4.如權(quán)利要求3所述的接合組裝裝置，其特征在于， 所述金屬線設(shè)置于所述熱板的上方，以覆蓋所述熱板的整個(gè)區(qū)域。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的接合組裝裝置，其特征在于， 所述金屬線與所述傳送臺(tái)的垂直方向距離能在30mm?150mm的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的接合組裝裝置，其特征在于， 所述活性種生成氣體導(dǎo)入管具備多個(gè)向所述金屬線導(dǎo)入活性種生成氣體的吹出口，從所述吹出口經(jīng)由所述金屬線向所述熱板均勻地噴出活性種生成氣體。
7.如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的接合組裝裝置，其特征在于， 還具備所述減壓爐內(nèi)的壓力監(jiān)視裝置。
8.—種如權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的接合組裝裝置的工作方法，其特征在于，具備如下工序: 一次減壓工序，對(duì)投入有層疊體的減壓爐內(nèi)進(jìn)行抽真空，所述層疊體包含至少一個(gè)被接合構(gòu)件與至少一個(gè)焊接材料； 熱線式加熱工序，在所述一次減壓工序后，將所述減壓爐內(nèi)的氣氛設(shè)定為負(fù)壓的氫氣氣氛，對(duì)所述金屬線進(jìn)行加熱，生成原子氫； 加熱工序，在所述熱線式加熱工序后，將所述減壓爐內(nèi)的氣氛設(shè)定為正壓的氫氣氣氛，加熱至接合溫度為止，使所述焊接材料熔融；以及 氣泡去除工序，在所述加熱工序后，在保持接合溫度的狀態(tài)下，再次將所述減壓爐內(nèi)的氣氛設(shè)定為真空氣氛，從而去除焊料融液中的氣泡。
9.如權(quán)利要求8所述的接合組裝裝置的工作方法，其特征在于， 在所述氣泡去除工序中，斷續(xù)地重復(fù)一次以上熱線式加熱工序，所述熱線式加熱工序?qū)⑺鰷p壓爐內(nèi)的氣氛設(shè)定為負(fù)壓的氫氣氣氛，對(duì)所述金屬線進(jìn)行加熱，生成原子氫。
10.如權(quán)利要求8或9所述的接合組裝裝置的工作方法，其特征在于， 在所述熱線式加熱工序中，將氫分子氣體提供至減壓爐內(nèi)，使得該氫分子氣體與所述金屬線接觸后，被供給至所述層疊體。
11.如權(quán)利要求8至10中任一項(xiàng)所述的接合組裝裝置的工作方法，其特征在于， 在所述氣泡去除工序后還包含再還原工序，在保持接合溫度的狀態(tài)下，再次將所述減壓爐內(nèi)的氣氛設(shè)定為正壓的氫氣氣氛。
12.如權(quán)利要求11所述的接合組裝裝置的工作方法，其特征在于， 在所述再還原工序后還包含冷卻工序，在將所述減壓爐內(nèi)的氣氛設(shè)定為正壓的氫氣氣氛的狀態(tài)下、對(duì)所述層疊體進(jìn)行急速冷卻。
13.如權(quán)利要求12所述的接合組裝裝置的工作方法，其特征在于， 還包含如下工序: 在所述冷卻工序后，將所述減壓爐內(nèi)進(jìn)行抽真空的二次減壓工序；以及在所述二次減壓工序后，將所述減壓爐內(nèi)的氣氛設(shè)定為正壓的惰性氣體氣氛后，開放所述減壓爐的工序。
14.如權(quán)利要求8至13的任一項(xiàng)所述的接合組裝裝置的工作方法，其特征在于， 多次重復(fù)所述熱線式加熱工序至所述加熱工序。
15.如權(quán)利要求8至14的任一項(xiàng)所述的接合組裝裝置的工作方法，其特征在于， 多次重復(fù)所述氣泡去除工序至所述再還原工序。
【文檔編號(hào)】H01L21/52GK104517860SQ201410394901
【公開日】2015年4月15日 申請(qǐng)日期:2014年8月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月27日
【發(fā)明者】齋藤俊介, 渡邊裕彥, 小野真裕, 大西一永, 渡邊孝志, 佐野真二 申請(qǐng)人:富士電機(jī)株式會(huì)社