特許 6054351 はんだ接合方法、ＬＤモジュールの製造方法、および、はんだ接合装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6054351

(24)【登録日】2016年12月9日

(45)【発行日】2016年12月27日

(54)【発明の名称】はんだ接合方法、ＬＤモジュールの製造方法、および、はんだ接合装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 1/14 20060101AFI20161219BHJP

   B23K 1/00 20060101ALI20161219BHJP

   H01L 21/52 20060101ALI20161219BHJP

   H01S 5/022 20060101ALI20161219BHJP

【ＦＩ】

   B23K1/14 A

   B23K1/14 E

   B23K1/00 330E

   H01L21/52 C

   H01S5/022

【請求項の数】9

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2014-215536(P2014-215536)

(22)【出願日】2014年10月22日

(65)【公開番号】特開2016-78109(P2016-78109A)

(43)【公開日】2016年5月16日

【審査請求日】2015年7月9日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005186

【氏名又は名称】株式会社フジクラ

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】特許業務法人ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】吉野 玄人

【審査官】 奥隅 隆

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−０６６３５９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ １／００−３／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の部材の接合面と第２の部材の接合面との間に、前記第１の部材の接合面と接触する第１の接触面の面積が、前記第１の部材の接合面よりも小さく、且つ、前記第２の部材の接合面と接触する第２の接触面の面積が前記第２の部材の接合面よりも小さい、固形状態のはんだを配置する配置工程と、
前記第１の部材および前記第２の部材の双方を加熱することにより、前記はんだの前記第１の接触面側の部分を、前記第１の部材の接合面上で濡れ広げさせるとともに、前記はんだの前記第２の接触面側の部分を、前記第２の部材の接合面上で濡れ広げさせ、前記はんだの前記第１の接触面側の部分と前記第２の接触面側の部分との間に、くびれ部を形成する加熱工程と、
前記はんだに前記くびれ部が形成された状態において、前記第１の部材の接合面と前記第２の部材の接合面とを互いに押し付ける押付工程と、を含み、
前記加熱工程では、
前記第１の部材および前記第２の部材のうち、重力方向における上側の部材の温度が、重力方向における下側の部材の温度以上となるように、前記第１の部材および前記第２の部材の双方を加熱する
ことを特徴とするはんだ接合方法。

【請求項2】

前記配置工程では、
前記第１の部材の接合面の中心と、前記第２の部材の接合面の中心と、前記固形状態のはんだの中心とが互いに重なり合うように、前記第１の部材の接合面と前記第２の部材の接合面との間に、前記固形状態のはんだを配置する
ことを特徴とする請求項１に記載のはんだ接合方法。

【請求項3】

前記固形状態のはんだは、
前記第１の部材の接合面および前記第２の部材の接合面のうちの面積が小さい方の接合面と接触する接触面の面積が、前記面積が小さい方の接合面の面積の０．２０〜０．４０倍である
ことを特徴とする請求項１または２に記載のはんだ接合方法。

【請求項4】

前記固形状態のはんだは、
前記第１の部材の接合面および前記第２の部材の接合面のうちの面積が小さい方の接合面と接触する接触面の各辺の長さが、当該辺と対向する、前記面積が小さい方の接合面の辺の長さの０．４０〜０．７０倍である
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のはんだ接合方法。

【請求項5】

前記固形状態のはんだは、
厚さが９５〜１５０μｍである
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のはんだ接合方法。

【請求項6】

前記加熱工程では、
前記第１の部材および前記第２の部材の双方の加熱時間を、８〜２０秒とする
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のはんだ接合方法。

【請求項7】

前記加熱工程では、
前記はんだの融点よりも４０〜６０℃高い温度に、前記第１の部材および前記第２の部材の双方を加熱する
ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のはんだ接合方法。

【請求項8】

請求項１から７のいずれか一項に記載のはんだ接合方法を用いて、ＬＤモジュールを構成する前記第２の部材を、前記ＬＤモジュールを構成する前記第１の部材に接合する接合工程
を含むことを特徴とするＬＤモジュールの製造方法。

【請求項9】

第１の部材の接合面と第２の部材の接合面との間に、前記第１の部材の接合面と接触する第１の接触面の面積が、前記第１の部材の接合面よりも小さく、且つ、前記第２の部材の接合面と接触する第２の接触面の面積が前記第２の部材の接合面よりも小さい、固形状態のはんだを配置する配置手段と、
前記第１の部材および前記第２の部材の双方を加熱することにより、前記はんだの前記第１の接触面側の部分を、前記第１の部材の接合面上で濡れ広げさせるとともに、前記はんだの前記第２の接触面側の部分を、前記第２の部材の接合面上で濡れ広げさせ、前記はんだの前記第１の接触面側の部分と前記第２の接触面側の部分との間に、くびれ部を形成する加熱手段と、
前記はんだに前記くびれ部が形成された状態において、前記第１の部材の接合面と前記第２の部材の接合面とを互いに押し付ける押付手段と、を備え、
前記加熱手段は、
前記第１の部材および前記第２の部材のうち、重力方向における上側の部材の温度が、重力方向における下側の部材の温度以上となるように、前記第１の部材および前記第２の部材の双方を加熱する
ことを特徴とするはんだ接合装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、はんだ接合方法、ＬＤモジュールの製造方法、および、はんだ接合装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、２つの部材（例えば、半導体素子とサブマウント）同士を接合するための手段として、はんだ接合が利用されている。はんだ接合では、２つの部材の間に配置された固形状態のはんだを加熱して、当該はんだを溶融することにより、上記２つの部材の間において、当該はんだを広範囲に濡れ広げさせることができる。これにより、上記２つの部材の接合強度を高めることが可能となる。

【0003】

このようなはんだ接合においては、はんだに含まれている気体がボイドとなってはんだ内に残留する場合がある。はんだ内に残留するボイドの量が多いほど、はんだの接合強度、熱伝導性、及び放熱性が低下することとなる。例えば、半導体素子とサブマウントとの接合に用いられるはんだにボイドが残留していると、半導体素子にて発生した熱がはんだを介してサブマウントに伝導し難くなり、放熱性能が低下することとなる。このような問題を解決するため、従来、はんだ接合時に、はんだに含まれている気泡を効率的に排出することを目的とした技術が考案されている。

【0004】

例えば、下記特許文献１には、中央部が細く、且つ、中央部から両側に向けて徐々に太くなる鼓形状となるように、クリームはんだにくびれ部を形成する技術が開示されている。そして、下記特許文献１には、このような形状のクリームはんだを用いて、サーマルパットと電極とを互いに接合することにより、はんだの溶融が進行する過程において、はんだ内部に残留するボイドを上記くびれ部に集めながら外部に放出することができるとされている。

【0005】

また、下記特許文献２には、基材の両面にはんだ材を積層することによってクラッド材を形成した後、当該クラッド材をプレス成型することによって、当該クラッド材の小片を形成し、さらに、当該小片における上記はんだを加熱溶融および冷却固化することにより、半田クラッド片を製造する方法が開示されている。当該方法によれば、凹状となっていた上記半田の表面を、加熱溶融および冷却固化することにより、平坦または凸状とし、これにより、ボイドの発生原因となる閉じた空間が形成されることを抑制できるとされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１０−２０５７５６号公報（２０１０年９月１６日公開）

【特許文献2】特開２００５−７４１２号公報（２００５年１月１３日公開）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、上記特許文献１の技術では、クリームはんだに予めくびれ部を形成しておく必要があるため、コストの増加を招来する虞がある。また、上記特許文献２の技術では、クラッド片を製造するための多くの作業工程が必要なため、コストの増加を招来する虞がある。特に、上記特許文献１の技術では、くびれ部を有する形状にはんだを成形するために、フラックスを含有するクリームはんだを用いる必要がある。このため、ノンフラックスのはんだを用いたはんだ接合を行う場合（例えば、レーザダイオードをはんだ接合する場合）には、当該技術を適用することができない。

【0008】

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、はんだを特殊な形状に加工しておく必要なく、はんだに含まれている気泡を効率的に排出することが可能なはんだ接合を実現することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上述した課題を解決するため、本発明に係るはんだ接合方法は、第１の部材の接合面と第２の部材の接合面との間に、前記第１の部材の接合面と接触する第１の接触面の面積が、前記第１の部材の接合面よりも小さく、且つ、前記第２の部材の接合面と接触する第２の接触面の面積が前記第２の部材の接合面よりも小さい、固形状態のはんだを配置する配置工程と、前記第１の部材および前記第２の部材の双方を加熱することにより、前記はんだの前記第１の接触面側の部分を、前記第１の部材の接合面上で濡れ広げさせるとともに、前記はんだの前記第２の接触面側の部分を、前記第２の部材の接合面上で濡れ広げさせ、前記はんだの前記第１の接触面側の部分と前記第２の接触面側の部分との間に、くびれ部を形成する加熱工程と、前記はんだに前記くびれ部が形成された状態において、前記第１の部材の接合面と前記第２の部材の接合面とを互いに押し付ける押付工程とを含むことを特徴とする。

【0010】

上記はんだ接合方法によれば、上記のとおりはんだをその上下双方から加熱することにより、はんだの上下方向における中央部にくびれ部を形成することができる。このため、はんだを予め特別な形状に成形しておく必要はなく、一般的な形状（例えば、四角柱形状、円柱形状等）のはんだをそのまま用いることができる。したがって、コストの増加を招来する虞はない。

【0011】

また、上記はんだ接合方法によれば、はんだにくびれ部が形成された状態で、第１の部材および第２の部材を互いに押し付けるため、第１の部材と第２の部材との間ではんだが押し潰される過程において、上記くびれ部の径が徐々に拡大するように、はんだをその外周方向に流動させることができ、それに伴って、はんだに残留している気泡を、上記くびれ部から外部へ放出することができる。したがって、はんだに含まれている気泡を効率的に排出することができる。

【0012】

さらに、上記はんだ接合方法によれば、はんだの接触面の面積を、比較的小さくすることができるため、ボイドの発生を抑制することができる。はんだの接触面と、部材の接合面との間に隙間が生じた場合、当該隙間内の空気を逃がすことができず、当該空気がはんだ内に残留してしまう場合がある。はんだの接触面の面積が小さいほど、上記隙間が発生する可能性が減少する。したがって、上記はんだ接合方法によれば、ボイドの発生を抑制することができる。

【0013】

上記はんだ接合方法において、前記加熱工程では、前記第１の部材および前記第２の部材のうち、重力方向における上側の部材の温度が、重力方向における下側の部材の温度以上となるように、前記第１の部材および前記第２の部材の双方を加熱することが好ましい。

【0014】

上記構成によれば、重力の影響によって生じる、上記下側の部材の接合面上でのはんだの濡れ広がり易さを、上記上側の部材の加熱温度を高めることによって生じる、上記上側の部材の接合面上でのはんだの濡れ広がり易さにより、相殺することができる。すなわち、はんだを、上側の部材の接合面上と下側の部材の接合面上とで、同様に、濡れ広げさせることができる。これにより、はんだの上下方向における中央部にくびれ部を形成しつつ、はんだの形状を上下対称とすることができる。このように、はんだの形状を上下対称とすることで、はんだが押し潰される過程において、はんだに含まれている気泡を、はんだの上部および下部の双方から中央部に寄せ集め、当該中央部から外部へ排出することができる。したがって、はんだに残留する気泡を、効率的に排出することができる。

【0015】

上記はんだ接合方法において、前記配置工程では、前記第１の部材の接合面の中心と、前記第２の部材の接合面の中心と、前記固形状態のはんだの中心とが互いに重なり合うように、前記第１の部材の接合面と前記第２の部材の接合面との間に、前記固形状態のはんだを配置することが好ましい。

【0016】

上記構成によれば、第１の部材の接合面上および第２の部材の接合面上の各々において、はんだの中心を基準としてその周囲の全方向にはんだを濡れ広げさせることができる。これにより、はんだの上下方向における中央部においては、はんだの中心を基準としてその周囲の全方向に（すなわち、はんだの中心が対称軸となるように）、くびれ部を形成することができる。このようにはんだにくびれ部を形成することで、はんだが押し潰される過程において、はんだの周囲の全方向に向けて、はんだを流動させることができる。このため、はんだ内に在留している気泡を、はんだの周囲の全方向へ放出することができる。したがって、はんだに残留する気泡を、効率的に排出することができる。

【0017】

上記はんだ接合方法において、前記固形状態のはんだは、前記第１の部材の接合面および前記第２の部材の接合面のうちの面積が小さい方の接合面と接触する接触面の面積が、前記面積が小さい方の接合面の面積の０．２０〜０．４０倍であることが好ましい。

【0018】

上記構成によれば、より効率的に、はんだに含まれている気泡を排出できることが、発明者らの知見により明らかである。

【0019】

上記はんだ接合方法において、前記固形状態のはんだは、前記第１の部材の接合面および前記第２の部材の接合面のうちの面積が小さい方の接合面と接触する接触面の各辺の長さが、当該辺と対向する、前記面積が小さい方の接合面の辺の長さの０．４０〜０．７０倍であることが好ましい。

【0020】

上記構成によれば、より効率的に、はんだに含まれている気泡を排出できることが、発明者らの知見により明らかである。

【0021】

上記はんだ接合方法において、前記固形状態のはんだは、厚さが９５〜１５０μｍであることが好ましい。

【0022】

上記構成によれば、より効率的に、はんだに含まれている気泡を排出できることが、発明者らの知見により明らかである。

【0023】

上記はんだ接合方法において、前記加熱工程では、前記第１の部材および前記第２の部材の双方の加熱時間を、８〜２０秒とすることが好ましい。

【0024】

上記構成によれば、より効率的に、はんだに含まれている気泡を排出できることが、発明者らの知見により明らかである。なお、上記「加熱時間」とは、上記第１の部材および上記第２の部材の双方を加熱したまま待機した時間を意味する「待機時間」と表現することもできる。

【0025】

上記はんだ接合方法において、前記加熱工程では、前記はんだの融点よりも４０〜６０℃高い温度に、前記第１の部材および前記第２の部材の双方を加熱することが好ましい。

【0026】

上記構成によれば、より効率的に、はんだに含まれている気泡を排出できることが、発明者らの知見により明らかである。

【0027】

本発明に係るＬＤモジュールの製造方法は、上記はんだ接合方法を用いて、ＬＤモジュールを構成する前記第２の部材を、前記ＬＤモジュールを構成する前記第１の部材に接合する接合工程を含むことを特徴とする。

【0028】

上記ＬＤモジュールの製造方法によれば、上記はんだ接合方法と同様の効果を奏することができる。

【0029】

本発明に係るはんだ接合装置は、第１の部材の接合面と第２の部材の接合面との間に、前記第１の部材の接合面と接触する第１の接触面の面積が、前記第１の部材の接合面よりも小さく、且つ、前記第２の部材の接合面と接触する第２の接触面の面積が前記第２の部材の接合面よりも小さい、固形状態のはんだを配置する配置手段と、前記第１の部材および前記第２の部材の双方を加熱することにより、前記はんだの前記第１の接触面側の部分を、前記第１の部材の接合面上で濡れ広げさせるとともに、前記はんだの前記第２の接触面側の部分を、前記第２の部材の接合面上で濡れ広げさせ、前記はんだの前記第１の接触面側の部分と前記第２の接触面側の部分との間に、くびれ部を形成する加熱手段と、前記はんだに前記くびれ部が形成された状態において、前記第１の部材の接合面と前記第２の部材の接合面とを互いに押し付ける押付手段とを備えることを特徴とする。

【0030】

上記はんだ接合装置によれば、上記はんだ接合方法と同様の効果を奏することができる。

【発明の効果】

【0031】

本発明によれば、はんだを特殊な形状（例えば、上記特許文献１に開示されているくびれ形状、上記特許文献２に開示されている凸形状、等）に加工しておく必要なく、はんだに含まれている気泡を効率的に排出することが可能なはんだ接合を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0032】

【図1】本発明の実施形態に係るＬＤモジュールの構成を示す側面図である。

【図2】本発明の実施形態に係るはんだ接合方法の手順を示すフローチャートである。

【図3】図２に示す手順により、本発明の実施形態に係る積層構造体が製造される様子を示す図である。

【図4】本発明の実施形態に係るはんだ接合装置の構成例を示す図である。

【図5】本発明の実施形態に係るはんだ接合方法の実施例１〜１２において適用した各条件を示す。

【図6】実施例１〜１２の積層構造体を、上方から見たときの平面図であり、各構成部材の配置位置を示している。

【図7】本発明の実施形態に係るはんだ接合方法の参考例１〜１４において適用した各条件を示す。

【図8】参考例１２の積層構造体を、上方から見たときの平面図であり、各構成部材の配置位置を示している。

【発明を実施するための形態】

【0033】

以下、添付の図面を参照して、本発明の一実施形態に係る積層構造体について説明する。以下に説明する実施形態では、サブマウント（本発明に係る第１の部材の一例）の表面上に、半導体素子（本発明に係る第２の部材の一例）をはんだ接合することにより、ＬＤモジュールの一部をなす積層構造体を製造する例を説明する。但し、これに限らず、本発明は、様々な部材同士のはんだ接合に適用可能である。

【0034】

〔積層構造体１００の構成〕
まず、図１を参照して、本発明の実施形態に係る積層構造体１００の構成について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る積層構造体１００の構成を示す側面図である。積層構造体１００は、互いに積層されたサブマウント１１０（第１の部材）および半導体素子１２０（第２の部材）を備えている。サブマウント１１０および半導体素子１２０は、いずれも平板状の部材である。

【0035】

サブマウント１１０および半導体素子１２０は、これら２つの部材の間に介在するはんだ１３０によって、互いにはんだ接合されている。すなわち、当該はんだ接合により、半導体素子１２０が、サブマウント１１０の表面上に固着されているといえる。上記はんだ接合のため、サブマウント１１０の接合面１１０Ａ（図３参照）は、上記はんだ１３０との親和性の高い材料（例えば、銅）によって形成されている。同様に、半導体素子１２０の接合面１２０Ａ（図３参照）は、上記はんだ１３０との親和性の高い材料（例えば、銅）によって形成されている。

【0036】

積層構造体１００は、ＬＤモジュール（図示省略）の一部を構成するものである。上記ＬＤモジュールは、サブマウント１１０の表面上に実装された半導体素子１２０に駆動電流が供給されることにより、当該半導体素子１２０からレーザ光を出射する光源装置である。ＬＤモジュールを製造する際には、図１に示す積層構造体１００に対し、さらにボンディングワイヤ等の他の構成部材（図示省略）が設けられる。上記ＬＤモジュールの具体的な構成については、従来から知られている構成を用いることができるため、説明を省略する。以降では、図１に示す積層構造体１００をはんだ接合する際のはんだ接合方法について、詳細に説明する。

【0037】

なお、以下に説明するはんだ接合方法は、ＬＤモジュールを構成する半導体素子１２０（第２の部材）を、上記ＬＤモジュールを構成するサブマウント１１０（第１の部材）に接合する接合工程として、上記ＬＤモジュールの製造方法に組み込まれ得る。

【0038】

〔はんだ接合方法〕
次に、図２および図３を参照して、本発明の実施形態に係るはんだ接合方法の手順について説明する。図２は、本発明の実施形態に係るはんだ接合方法の手順を示すフローチャートである。図３は、図２に示す手順により、本発明の実施形態に係る積層構造体１００が製造される様子を示す図である。図３においては、図中下側（ｚ軸負側）を、重力方向における下側とし、図中上側（ｚ軸正側）を、重力方向における上側とする。

【0039】

（ステップＳ２０２：配置工程）
まず、サブマウント１１０および半導体素子１２０を互いに重ね合せる。このとき、サブマウント１１０の接合面１１０Ａと半導体素子１２０の接合面１２０Ａとの間に、固形状態のはんだ１３０を配置する。これにより、図３（ａ）に示すように、サブマウント１１０と半導体素子１２０との間に固形状態のはんだ１３０を挟み込みつつ、サブマウント１１０と半導体素子１２０とが互いに積層された状態の積層構造体１００を構築する。

【0040】

本配置工程では、図３（ａ）に示すように、サブマウント１１０の接合面１１０Ａと接触する接触面１３０Ａ（第１の接触面）の面積が、サブマウント１１０の接合面１１０Ａよりも小さく、且つ、半導体素子１２０の接合面１２０Ａと接触する接触面１３０Ｂ（第２の接触面）の面積が、半導体素子１２０の接合面１２０Ａよりも小さい、固形状態のはんだ１３０を配置する。これにより、後述する加熱工程において、はんだ１３０の上部が大径化するように、はんだ１３０の上部を半導体素子１２０の接合面１２０Ａ上で濡れ広げさせるとともに、はんだ１３０の下部が大径化するように、はんだ１３０の下部をサブマウント１１０の接合面１１０Ａ上で濡れ広げさせることができる。その結果、図３（ｂ）に示すように、はんだ１３０の上下両端部から中央部に向かって径が小さくなるように、はんだ１３０の中央部にくびれ部１３２を形成することができる。例えば、上記固形状態のはんだ１３０には、上記の接触面１３０Ａ，Ｂに関する条件を満たす、四角柱形状のものが用いられる。但し、これに限らず、上記固形状態のはんだ１３０には、少なくとも上記の接触面１３０Ａ，Ｂに関する条件を満たすものであればよく、例えば、円柱形状のものを用いてもよい。

【0041】

特に、上記固形状態のはんだ１３０には、上記サブマウント１１０の接合面１１０Ａと上記半導体素子１２０の接合面１２０Ａとが互いに押し付けられたとき（すなわち、はんだ１３０が所定の厚さまで押し潰されたとき）に、上記サブマウント１１０の接合面１１０Ａおよび上記半導体素子１２０の接合面１２０Ａのうち、少なくとも一方の接合面（ここでは、上記半導体素子１２０の接合面１２０Ａ）の全面を覆うことが可能な体積を有するものを用いることが好ましい。これにより、上記２つの接合面よりも接触面の面積の小さいはんだ１３０を用いつつ、上記２つの部材同士の接合強度を十分に高めることができる。

【0042】

また、本配置工程では、サブマウント１１０の接合面１１０Ａの中心と、半導体素子１２０の接合面１２０Ａの中心と、固形状態のはんだ１３０の中心とが互いに重なり合うように、上記固形状態のはんだ１３０を配置することが好ましい。例えば、図３および図６に示すように、基準軸Ｘと同軸上に、サブマウント１１０の接合面１１０Ａの中心と、半導体素子１２０の接合面１２０Ａの中心と、はんだ１３０の中心とが位置するように、各構成部材を配置してもよい。このように各構成部材を配置することにより、図３（ｂ）に示すように、サブマウント１１０の接合面１１０Ａ上および半導体素子１２０の接合面１２０Ａ上の各々において、基準軸Ｘを中心として、その周囲の全方向にはんだ１３０を濡れ広げさせることができる。これにより、はんだ１３０の上下方向における中央部においては、図３（ｂ）に示すように、基準軸Ｘを中心として、その周囲の全方向に（すなわち、はんだ１３０の中心が対称軸となるように）、くびれ部１３２を形成することができる。このようにはんだ１３０にくびれ部１３２を形成することで、はんだ１３０が押し潰されたときに、はんだ１３０の周囲の全方向に向けて、はんだ１３０を流動させることができる。このため、はんだ１３０内に在留している気泡を、はんだ１３０の周囲の全方向へ放出することができる。したがって、はんだ１３０に残留する気泡を、効率的に排出することができる。

【0043】

（ステップＳ２０４：加熱工程）
次に、はんだ１３０を加熱することにより、当該はんだ１３０を溶融する。本加熱工程では、サブマウント１１０および半導体素子１２０の双方を加熱することにより、上記はんだ１３０をその上部および下部の双方から加熱および溶融する。これにより、はんだ１３０は、その上部が半導体素子１２０の接合面１２０Ａ上で濡れ広がるとともに、その下部がサブマウント１１０の接合面１１０Ａ上で濡れ広がる。その結果、はんだ１３０には、図３（ｂ）に示すように、上下方向（図中ｚ軸方向）における中央の径が最も小さく、中央から上下両方の端部に向かって径が徐々に大きくなるように、くびれ部１３２が形成される。

【0044】

特に、本加熱工程では、重力方向において上側に位置する半導体素子１２０の温度が、重力方向において下側に位置するサブマウント１１０の温度以上となるように、サブマウント１１０および半導体素子１２０の双方を加熱する。これにより、重力の影響によるはんだ１３０のサブマウント１１０側への偏りを、解消することができる。したがって、図３（ｂ）に示すように、はんだ１３０の中央部にくびれ部１３２を形成しつつ、はんだ１３０の形状が上下対称となるように、はんだ１３０を溶融することができる。

【0045】

なお、本加熱工程では、はんだ１３０の厚み（サブマウント１１０と半導体素子１２０との間隔）を維持したままである。また、本加熱工程では、はんだ１３０をその上部および下部の双方から加熱した状態で、はんだ１３０に上記くびれ部１３２が形成されるまで待機する。例えば、上記のとおり加熱した状態で、予め定められた時間待機することにより、はんだ１３０に上記くびれ部１３２を形成し、その後、次の押付工程へ進む。または、上記のとおり加熱した状態で、はんだ１３０の形状をモニタし、はんだ１３０に上記くびれ部１３２が形成されたことを確認した時点で、次の押付工程へ進んでもよい。

【0046】

また、上述した重力の影響を解消する他の方法として、例えば、先に上側部材の加熱を開始し、その後、下側部材の加熱を開始するようにしてもよい。この場合、上側部材の加熱温度と下側部材の加熱温度とが等しい場合であっても、上述した重力の影響を解消することができる。

【0047】

（ステップＳ２０６：押付工程）
次に、上記サブマウント１１０の接合面に対し、上記半導体素子１２０の接合面を押し付ける。具体的には、上記はんだ１３０に上記くびれ部１３２が形成されている状態（図３（ｂ）に示す状態）において、上記はんだ１３０を間に挟んで、上記サブマウント１１０に対し、上記半導体素子１２０を、下方（図中矢印Ａ方向）に押圧する。これにより、はんだ１３０は、サブマウント１１０と半導体素子１２０との間で押し潰され、図３（ｄ）に示すように、薄膜状となって、上記サブマウント１１０と上記半導体素子１２０との隙間を満たす。上記のとおり、はんだ１３０には、くびれ部１３２が形成されている。このため、はんだ１３０が押し潰される過程において、当該はんだ１３０は、くびれ部１３２によって小径化されている部分の径が徐々に拡大するように、はんだ１３０が外側（図中矢印Ｂ方向）に向かって流動する。これに伴い、はんだ１３０内に在留している気泡は、はんだ１３０の外周表面側に寄せ集められ、やがて、はんだ１３０の外周表面から放出される。

【0048】

（ステップＳ２０８：冷却工程）
最後に、上記はんだ１３０をその融点以下となるまで冷却することにより、上記はんだ１３０を固化させる。これにより、上記サブマウント１１０の表面上に、上記半導体素子１２０が固着された状態となる。本冷却工程では、例えば、周囲の大気による自然冷却により、上記はんだを冷却する。代わりに、従来から知られている何らかの冷却方式により、上記はんだ１３０を強制的に冷却してもよい。なお、自然冷却以外の強制的な冷却方式としては、例えば、圧縮空気を吹き付ける空冷方式や冷却水を供給する水冷方式などが挙げられる。

【0049】

上記のとおり、本実施形態のはんだ接合方法は、（１）上記固形状態のはんだ１３０には、その接触面の面積が、サブマウント１１０の接合面の面積および半導体素子１２０の接合面の面積よりも小さいものを用いる。また、（２）上記加熱工程において、サブマウント１１０および半導体素子１２０の双方を加熱する。これにより、はんだ１３０が溶融する過程において、当該はんだ１３０にくびれ部１３２を形成することができる。そして、（３）はんだ１３０にくびれ部１３２が形成された状態で、サブマウント１１０の接合面に半導体素子１２０の接合面を押し付ける。これにより、はんだ１３０に含まれている気泡を効率的に排出することができる。特に、本実施形態のはんだ接合方法によれば、はんだ１３０を予め特別な形状に成形しておく必要はなく、一般的な形状（例えば、四角柱形状、円柱形状等）のはんだをそのまま用いることができる。このため、コストの増加を招来する虞はない。

【0050】

〔はんだ接合装置〕
上記はんだ接合方法は、例えば、コンピュータによって制御されたはんだ接合装置によって自動的に実施され得る。但し、上記はんだ接合方法は、その少なくとも一部の工程が、人的に実施されてもよい。図４は、本発明の実施形態に係るはんだ接合装置４００の構成例を示す図である。図４に示すはんだ接合装置４００は、吸着ステージ４１０、上部加熱ヒーター４２０、吸着コレット４３０、熱伝導セラミック４４０、および下部加熱ヒーター４５０を備えている。図４では、接合装置４００において、吸着コレット４３０によって半導体素子１２０が保持され、熱伝導セラミック４４０によってサブマウント１１０が保持されている。

【0051】

吸着ステージ４１０は、吸着コレット４３０を吊持しており、当該吸着コレット４３０の水平移動（図中ｘ軸方向およびｙ軸方向への移動）、垂直移動（図中ｚ軸方向への移動）、および吸着エアのＯＮおよびＯＦＦを制御する。吸着コレット４３０は、対象物（例えば、半導体素子１２０）を保持することができる。具体的には、吸着コレット４３０は、内部にその底面４３０Ａに通じる通路が形成されており、吸着ステージ４１０の制御によって当該通路内に発生した吸着エアにより、底面４３０Ａに上記対象物を吸着させる。吸着コレット４３０は、上記対象物を保持した状態で、水平移動および垂直移動することができる。上部加熱ヒーター４２０は、吸着コレット４３０の一部を挟持しており、吸着コレット４３０における熱伝導を介して、吸着コレット４３０によって保持された上記対象物を加熱する。熱伝導セラミック４４０は、その表面上において、対象物（例えば、サブマウント１１０）を保持する。下部加熱ヒーター４５０は、熱伝導セラミック４４０の底面を支持しており、上記熱伝導セラミック４４０における熱伝導を介して、上記熱伝導セラミック４４０によって保持された対象物を加熱する。

【0052】

例えば、上記配置工程では、サブマウント１１０が熱伝導セラミック４４０によって保持された状態において、吸着コレット４３０（配置手段）により、サブマウント１１０の表面上に固形状態のはんだ１３０が載置される。さらに、吸着コレット４３０により、半導体素子１２０がはんだ１３０の表面上に重ねられる。

【0053】

また、上記加熱工程では、上部加熱ヒーター４２０（加熱手段）によって半導体素子１２０が、予め設定された温度に加熱されるとともに、下部加熱ヒーター４５０（加熱手段）によってサブマウント１１０が、予め設定された温度に加熱される。これにより、はんだ１３０が溶融され、当該はんだ１３０にくびれ部１３２が形成される。

【0054】

また、上記押付工程では、吸着コレット４３０（押付手段）の下方への移動により、半導体素子１２０がサブマウント１１０に向かって（図中ｚ軸負方向に）押し当てられる。これにより、サブマウント１１０の接合面と半導体素子１２０の接合面との間ではんだ１３０が押し潰され、当該はんだ１３０により、サブマウント１１０と半導体素子１２０とが互いに押し付けられる。

【0055】

また、上記冷却工程では、上部加熱ヒーター４２０による加熱、および、下部加熱ヒーター４５０による加熱が停止される。これにより、はんだ１３０が常温まで冷却される。はんだ接合装置４００は、はんだ１３０を強制的に冷却するための冷却手段（従来知られている何らかの冷却手段）を備えてもよい。

【0056】

上述したはんだ接合装置４００の各動作は、例えば、メモリに格納されているプログラムを、プロセッサが実行することにより、実現される。上記メモリおよび上記プロセッサは、はんだ接合装置４００が備えていてもよく、外部装置が備えていてもよい。

【0057】

〔実施例〕
次に、図５および図６を参照して、本発明の実施形態に係るはんだ接合方法の実施例１〜１２について説明する。図５は、本発明の実施形態に係るはんだ接合方法の実施例１〜１２において適用した各条件を示す。図６は、実施例１〜１２の積層構造体２００を、上方（図中ｚ軸正方向）から見たときの平面図であり、各構成部材の配置位置を示している。実施例１〜１２では、図５に示すように、各条件を具体的に規定した。そして、実施例１〜１２では、上記実施形態で説明したはんだ接合方法を用いて、下側部材２１０（実施形態のサブマウント１１０に相当する）の表面上に上側部材２２０（実施形態の半導体素子１２０に相当する）を、はんだ２３０（実施形態のはんだ１３０に相当する）によってはんだ接合し、積層構造体２００（実施形態の積層構造体１００に相当する）を形成した。さらに、実施例１〜１２では、はんだ接合後の積層構造体において、はんだ２３０におけるボイド率を、Ｘ線透過装置により測定した。ボイド率とは、はんだに含まれるボイドの割合である。実施例１〜１２では、ボイド率が１０％以下であれば、合格とした。

【0058】

（共通条件）
下記条件は、実施例１〜１２に共通して適用した条件である。

【0059】

・はんだの材料 ：ＡｕＳｎ９０（融点：２１７℃）
・上側部材の材料 ：Ｃｕ−ＡｌＮ−Ｃｎ合板
・下側部材の材料 ：Ｃｕ−ＡｌＮ−Ｃｎ合板
・押付工程においてはんだに加えた荷重 ：１０ｇ
さらに、実施例１〜１２では、図６に示すように、基準軸Ｘと同軸上に、下側部材２１０の接合面の中心と、上側部材２２０の接合面の中心と、はんだ２３０の中心とが位置するように、各構成部材を重ね合せた。

【0060】

〔実施例１，２〕
実施例１では、下記条件（１）〜（６）を適用した。

【0061】

（１）上側部材の接合面のサイズ ：４．２ｍｍ×３．５ｍｍ（＝１４．７ｍｍ^２）
（２）はんだの接触面のサイズ ：２．５ｍｍ×２．０ｍｍ（＝５．０ｍｍ^２）
（３）はんだの厚さ ：１００μｍ
（４）上側部材の温度 ：２６７℃
（５）下側部材の温度 ：２６７℃
（６）加熱工程における待機時間 ：１０秒
実施例１では、上記のとおり、「（３）はんだの厚さ」を、「１００μｍ」に設定した。その結果、実施例１では、ボイド率「８．５％」が得られた。また、実施例２では、上記実施例１から、「（３）はんだの厚さ」を、「１５０μｍ」に変更した。その結果、実施例２では、ボイド率「８．８％」が得られた。実施例１、２の結果を鑑み、はんだの厚さを、９５〜１５０μｍとすることで、ボイド率を１０％以下とすることができることが判明した。

【0062】

〔実施例３〜５〕
実施例３では、上記実施例１から、「（２）はんだの接触面のサイズ」を、「２．３ｍｍ×２．３ｍｍ（＝５．２９ｍｍ^２）」に変更した。その結果、実施例３では、ボイド率「９．７％」が得られた。また、実施例４では、上記実施例１から、「（２）はんだの接触面のサイズ」を、「２．０ｍｍ×１．５ｍｍ（＝３．０ｍｍ^２）」に変更した。その結果、実施例４では、ボイド率「９．５％」が得られた。また、実施例５では、上記実施例１から、「（２）はんだの接触面のサイズ」を、「２．９ｍｍ×２．３ｍｍ（＝６．６７ｍｍ^２）」に変更した。その結果、実施例５では、ボイド率「９．２％」が得られた。

【0063】

実施例３，４の結果を鑑み、はんだの面積を、上側部材の接合面の面積の０．２０〜０．４０倍とすることで、ボイド率を１０％以下とすることができることが判明した。また、実施例４，５の結果を鑑み、はんだの接触面の辺の長さを、上側部材の接合面の対応する辺（平行な辺）の長さの０．４０〜０．７０倍とすることで、ボイド率を１０％以下とすることができることが判明した。

【0064】

〔実施例６〕
実施例６では、上記実施例１から、「（５）下側部材の温度」を、「２５９℃」に変更した。その結果、実施例６では、ボイド率「５．４％」が得られた。実施例６の結果を鑑み、上側部材の温度を、下側部材の温度よりも高くすることで、ボイド率をより低下させることができることが判明した。

【0065】

〔実施例７，８〕
実施例７では、上記実施例１から、「（４）上側部材の温度」および「（５）下側部材の温度」を、それぞれ「２５８℃」に変更した。その結果、実施例７では、ボイド率「９．７％」が得られた。また、実施例８では、上記実施例１から、「（４）上側部材の温度」および「（５）下側部材の温度」を、それぞれ「２７５℃」に変更した。その結果、実施例８では、ボイド率「９．１％」が得られた。実施例７，８の結果を鑑み、上側部材の温度および下側部材の温度を、それぞれはんだの融点よりも４０〜６０℃高くすることで、ボイド率を１０％以下とすることができることが判明した。

【0066】

〔実施例９，１０〕
実施例９では、上記実施例１から、「（１）上側部材の接合面のサイズ」を、「４．０ｍｍ×５．９ｍｍ（＝２３．６ｍｍ^２）」に変更すると共に、「（２）はんだの接触面のサイズ」を、「２．５ｍｍ×２．４ｍｍ（＝６．０ｍｍ^２）」（上側部材の接合面の面積の約０．２５倍の面積）に変更した。その結果、実施例９では、ボイド率「７．２％」が得られた。また、実施例１０では、上記実施例１から、「（１）上側部材の接合面のサイズ」を、「６．２ｍｍ×３．５ｍｍ（＝２１．７ｍｍ^２）」に変更した。この際、（２）はんだの接触面のサイズ」は、変更せずに、「２．５ｍｍ×２．０ｍｍ（＝５．０ｍｍ^２）」（上側部材の接合面の面積の約０．２３倍）とした。その結果、実施例１０では、ボイド率「８．３％」が得られた。実施例９，１０の結果を鑑み、「はんだの面積を、上側部材の接合面の面積の０．２０〜０．４０倍とする」という条件を満たしていれば、ボイド率を１０％以下とすることができることが判明した。

【0067】

〔実施例１１，１２〕
実施例１１では、上記実施例１から、「（６）加熱工程における待機時間」を、「１８秒」に変更した。その結果、実施例１１では、ボイド率「９．７％」が得られた。また、実施例１２では、上記実施例１から、「（６）加熱工程における待機時間」を、「８秒」に変更した。その結果、実施例１２では、ボイド率「９．８％」が得られた。実施例１１，１２の結果を鑑み、加熱工程における待機時間を、８〜２０秒とすることで、ボイド率を１０％以下とすることができることが判明した。

【0068】

〔参考例〕
次に、図７，８を参照して、上述した各実施例が特に好ましい実施例であることを示す参考例１〜１４について説明する。図７は、参考例１〜１４において適用した各条件を示す。図８は、参考例１２の積層構造体を、上方から見たときの平面図であり、各構成部材の配置位置を示している。参考例１〜１４では、図７に示すように、各条件を具体的に規定した。そして、参考例１〜１４では、上記実施形態で説明したはんだ接合方法を用いて、下側部材（実施形態のサブマウント１１０に相当する）の表面上に上側部材（実施形態の半導体素子１２０に相当する）をはんだ接合し、積層構造体（実施形態の積層構造体１００に相当する）を形成した。さらに、参考例１〜１４では、はんだ接合後の積層構造体において、はんだにおけるボイド率を、Ｘ線透過装置により測定した。参考例１〜１４では、ボイド率が１０％以下であれば、合格とした。

【0069】

〔参考例１，２〕
参考例１では、上記実施例１から、「（３）はんだの厚さ」を、「９０μｍ」に変更した。その結果、参考例１では、ボイド率「１０．８％」が得られた。また、参考例２では、上記実施例１から、「（３）はんだの厚さ」を、「１６０μｍ」に変更した。その結果、参考例２では、ボイド率「１０．９％」が得られた。参考例１、２の結果を鑑み、はんだの厚さを、９５〜１５０μｍとすることで、ボイド率を１０％以下とすることができることの確証が得られた。

【0070】

〔参考例３〜６〕
参考例３では、上記実施例１から、「（２）はんだの接触面のサイズ」を、「２．５ｍｍ×２．５ｍｍ（＝６．２５ｍｍ^２）」（上側部材の接合面の面積１４．７ｍｍ^２の０．４０倍よりも大きい面積）に変更した。その結果、参考例３では、ボイド率「１５．２％」が得られた。また、参考例４では、上記実施例１から、「（２）はんだの接触面のサイズ」を、「１．５ｍｍ×１．５ｍｍ（＝２．２５ｍｍ^２）」（上側部材の接合面の面積１４．７ｍｍ^２の０．２０倍よりも小さい面積）に変更した。その結果、参考例４では、ボイド率「１０．５％」が得られた。また、参考例５では、上記実施例１から、「（２）はんだの接触面のサイズ」を、「３．１ｍｍ×１．５ｍｍ（＝４．６５ｍｍ^２）」（長辺の長さが上側部材の接合面の長辺の長さ４．２ｍｍの０．７倍よりも長い）に変更した。その結果、参考例５では、ボイド率「１３．３％」が得られた。また、参考例６では、上記実施例１から、「（２）はんだの接触面のサイズ」を、「２．８ｍｍ×１．２ｍｍ（＝３．３６ｍｍ^２）」（短辺の長さが上側部材の接合面の短辺の長さ３．５ｍｍの０．４倍よりも短い）に変更した。その結果、参考例６では、ボイド率「１２．７％」が得られた。

【0071】

参考例３，４の結果を鑑み、はんだの面積を、上側部材の接合面の面積の０．２０〜０．４０倍とすることで、ボイド率を１０％以下とすることができることの確証が得られた。また、参考例５，６の結果を鑑み、はんだの接触面の辺の長さを、上側部材の接合面の対応する辺（平行な辺）の長さの０．４０〜０．７０倍とすることで、ボイド率を１０％以下とすることができることの確証が得られた。

【0072】

〔参考例７，８〕
参考例７では、上記実施例１から、「（５）下側部材の温度」を、「２３７℃」（はんだの融点２１７℃に４０℃を加えた温度よりも低い温度）に変更した。その結果、参考例７では、ボイド率「１８．４％」が得られた。また、参考例８では、上記実施例１から、「（４）上側部材の温度」を、「２８８℃」（はんだの融点２１７℃に６０℃を加えた温度よりも高い温度）に変更した。その結果、参考例８では、ボイド率「１１．６％」が得られた。参考例７，８の結果を鑑み、上側部材の温度および下側部材の温度を、それぞれはんだの融点よりも４０〜６０℃高くすることで、ボイド率を１０％以下とすることができることの確証が得られた。

【0073】

〔参考例９〕
参考例９では、上記実施例１から、「（４）上側部材の温度」を、「２５７℃」（下側部材の温度より低い温度）に変更した。その結果、参考例９では、ボイド率「１０．９％」が得られた。参考例９の結果を鑑み、上側部材の温度を、下側部材の温度よりも高くすることで、ボイド率をより低下させることができることの確証が得られた。

【0074】

〔参考例１０，１１〕
参考例１０では、上記実施例１から、「（１）上側部材の接合面のサイズ」を、「４．０ｍｍ×５．９ｍｍ（＝２３．６ｍｍ^２）」に変更した。この際、「（２）はんだの接触面のサイズ」は、変更せずに「２．５ｍｍ×２．０ｍｍ（＝５．０ｍｍ^２）」（面積は上側部材の面積の０．２倍よりも大きいが、短辺の長さは上側部材の接合面の対応する辺の長さ５．９ｍｍの０．４倍よりも短い）とした。その結果、参考例１０では、ボイド率「１１．１％」が得られた。また、参考例１１では、上記実施例１から、「（１）上側部材の接合面のサイズ」を、「６．２ｍｍ×３．５ｍｍ（＝２１．７ｍｍ^２）」に変更すると共に、「（２）はんだの接触面のサイズ」を「２．５ｍｍ×１．５ｍｍ（＝３．７５ｍｍ^２）」（上側部材の接合面の面積２１．７ｍｍ^２の０．２０倍よりも小さい面積）に変更した。その結果、参考例１１では、ボイド率「１４．７％」が得られた。

【0075】

〔参考例１２〕
参考例１２では、積層構造体２００（図６参照）に対し、図８に示すように、上側部材２２０の中心および下側部材２１０の中心を基準軸Ｘに合わせたまま、はんだ２３０の中心を基準軸Ｘからずらし、積層構造体２００’を形成した。そして、当該積層構造体２００’に対し、上記実施例１と同様の条件を適用して、本発明の実施形態に係るはんだ接合方法を実施した。その結果、参考例１２では、ボイド率「２３．１％」が得られた。参考例１２の結果を鑑み、はんだの中心を、基準軸Ｘ（すなわち、上側部材の接合面の中心および下側部材の接合面の中心）にできるだけ近づけることで、ボイド率をより低下させることができることの確証が得られた。

【0076】

〔参考例１３，１４〕
参考例１３では、上記実施例１から、「（６）加熱工程における待機時間」を、「２５秒」に変更した。その結果、参考例１３では、ボイド率「１１．２％」が得られた。また、参考例１４では、上記実施例１から、「（６）加熱工程における待機時間」を、「４秒」に変更した。その結果、参考例１４では、ボイド率「１５．５％」が得られた。参考例１３，１４の結果を鑑み、加熱工程における待機時間を、８〜２０秒とすることで、ボイド率を１０％以下とすることができることの確証が得られた。上記待機時間を８秒よりも短くした場合、はんだにくびれ部が十分に形成されず、気泡の排出効果が低下することが考えられる。上記待機時間を２０秒よりも長くした場合、はんだが上下で分離してしまい、気泡の排出効果が低下することが考えられる。

【0077】

〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

【産業上の利用可能性】

【0078】

本発明は、２つの部材同士をはんだ接合する際のはんだ接合方法として好適に利用することができる。また、本発明は、２つの部材同士のはんだ接合を伴うＬＤモジュールの製造方法として、好適に利用することができる。

【符号の説明】

【0079】

１００ 積層構造体（ＬＤモジュールの一部）
１１０ サブマウント（第１の部材）
１１０Ａ 接合面
１２０ 半導体素子（第２の部材）
１２０Ａ 接合面
１３０ はんだ
１３０Ａ 接触面（第１の接触面）
１３０Ｂ 接触面（第２の接触面）
１３２ くびれ部
４００ はんだ接合装置
４１０ 吸着ステージ
４２０ 上部加熱ヒーター（加熱手段）
４３０ 吸着コレット（配置手段）
４４０ 熱伝導セラミック
４５０ 下部加熱ヒーター（加熱手段）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】