特許 6236834 静流体圧による加圧接合方法

(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】6236834

(24)【登録日】2017年11月10日

(45)【発行日】2017年11月29日

(54)【発明の名称】静流体圧による加圧接合方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 20/00 20060101AFI20171120BHJP

   B23K 20/16 20060101ALI20171120BHJP

【ＦＩ】

   B23K20/00 340

   B23K20/16

【請求項の数】8

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2013-79769(P2013-79769)

(22)【出願日】2013年4月5日

(65)【公開番号】特開2014-200824(P2014-200824A)

(43)【公開日】2014年10月27日

【審査請求日】2016年2月15日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105854

【弁理士】

【氏名又は名称】廣瀬 一

(74)【代理人】

【識別番号】100103850

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 秀▲てつ▼

(72)【発明者】

【氏名】木下 慶人

(72)【発明者】

【氏名】望月 英司

(72)【発明者】

【氏名】西澤 龍男

【審査官】 岩瀬 昌治

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−０３９２５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０１０７０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１２９３３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２６３４６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２５３０１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５６−００６７９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０１−２２５５０５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ２０／００

Ｂ２３Ｋ ２０／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

板状の被接合部材における一方の面に前記被接合部材よりも面積の小さい柱状の接合部材の端面を接合する際に、両者の接合面間に接合材としての金属微粒子含有ペーストを介在させた状態で予備加熱することにより、前記金属微粒子を溶融させてから冷却し前記被接合部材及び接合部材を仮接合状態とする保持工程と、
仮接合状態の被接合部材及び接合部材を昇温昇圧流体環境に保持して静流体圧を利用して前記金属微粒子を焼結させる加圧加熱接合を行う加圧接合工程とを備え、
前記保持工程は、前記金属微粒子含有ペーストを前記柱状の接合部材の端面よりも広く前記板状の被接合部材の表面に塗布し、該金属微粒子含有ペーストを前記板状の被接合部材と前記柱状の接合部材の接合面間に介在させるとともに、前記柱状の接合部材の接合側端部の側面を前記金属微粒子含有ペーストで覆った状態で予備加熱する
ことを特徴とする静流体圧による加圧接合方法。

【請求項2】

板状の被接合部材における一方の面に前記被接合部材よりも面積の小さい柱状の接合部材の端面を接合する際に、両者の接合面間に接合材としての金属微粒子含有ペーストを介在させた状態で予備加熱することにより、前記金属微粒子を溶融させてから冷却し前記被接合部材及び接合部材を仮接合状態とする保持工程と、
仮接合状態の被接合部材及び接合部材を昇温昇圧流体環境に保持して静流体圧を利用して前記金属微粒子を焼結させる加圧加熱接合を行う加圧接合工程と、
加圧加熱接合した接合部材を常温・常圧まで降温・減圧する降温減圧工程とを備え、
前記保持工程は、前記金属微粒子含有ペーストを前記柱状の接合部材の端面よりも広く前記板状の被接合部材の表面に塗布し、該金属微粒子含有ペーストを前記板状の被接合部材と前記柱状の接合部材の接合面間に介在させるとともに、前記柱状の接合部材の接合側端部の側面を前記金属微粒子含有ペーストで覆った状態で予備加熱する
ことを特徴とする静流体圧による加圧接合方法。

【請求項3】

前記加圧接合工程は、密閉容器内に仮接合状態の被接合部材及び接合部材の少なくとも一方をピン状支持部で当該密閉容器に非接触状態で支持した状態で前記密閉容器内に流体を充填し、該流体を加圧加熱して昇温昇圧流体環境を形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の静流体圧による加圧接合方法。

【請求項4】

前記加圧接合工程は、密閉容器内に仮接合状態の被接合部材及び接合部材の少なくとも一方をピン状支持部で当該密閉容器に非接触状態で支持した状態で、前記密閉容器内に流体を充填し、該流体を加圧加熱して昇温昇圧流体環境を形成するとともに、前記被接合部材及び接合部材の一方に外力を付与することを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の静流体圧による加圧接合方法。

【請求項5】

前記加圧接合工程は、超臨界流体となる流体を超臨界状態又は亜臨界状態となるように加圧加熱することを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の静流体圧による加圧接合方法。

【請求項6】

前記加圧接合工程は、密閉容器内に仮接合状態の被接合部材及び接合部材の少なくとも一方をピン状支持部で当該密閉容器に非接触状態で支持した状態で前記密閉容器内の流体を超臨界流体又は亜臨界流体として昇圧昇温環境を形成することを特徴とする請求項１に記載の静流体圧による加圧接合方法。

【請求項7】

前記加圧接合工程で高温流体を超臨界状態又は亜臨界状態となるように加圧加熱した後に、前記降温降圧工程で高温流体が気相領域を維持しながら常温・常圧に戻すことを特徴とする請求項２に記載の静流体圧による加圧接合方法。

【請求項8】

前記被接合部材及び前記接合部材の接合面を複数形成したことを特徴とする請求項１から７の何れか一項に記載の静流体圧による加圧接合方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、金属微粒子を介在させて被接合部材に接合部材を加圧接合する場合に静流体圧を利用して行う静流体圧による加圧接合方法及びこれに使用する加圧接合装置に関する。

【背景技術】

【0002】

この種の加圧接合技術としては、例えば特許文献１に記載されている技術が提案されている。この加圧加熱接合技術では、半導体チップのおもて面電極と、ポスト電極との接合面の少なくとも一方に、有機皮膜で保護された金属粒子を塗布し、半導体チップのおもて面電極とポスト電極との間を加圧するとともに加熱して、有機皮膜を破壊して金属粒子を露出させ、この金属粒子を活性接合させておもて面電極とポスト電極とを接合するようにしている。

【0003】

また、他の加熱接合技術としては、例えば特許文献２に記載されている技術が提案されている。この加圧加熱接合技術では、第１の電子部品の金属端子と第２の電子部品の金属端子を対向させ、対向する金属端子間に金属端子の金属と同質の金属からなる金属超微粒子を配置し、酸化皮膜を還元させたうえで焼結させることで金属端子同士を接合させるようにしている。
さらに他の加熱接合技術としては、例えば特許文献３に記載されている技術が提案されている。この加圧加熱接合技術では、平均粒径１００ｎｍ程度以下の金属粒子からなる核の周囲をＣ，Ｈ及び／またはＯを主成分とする有機物で結合・被覆した複合型金属ナノ粒子を接合の主剤として２つ以上の部品を接合するようにしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１２−７４４３３号公報

【特許文献2】特開２００７−６７０５８号公報

【特許文献3】特開２００４−１０７７２８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上述した特許文献１〜３に記載の加圧加熱接合方法では、被接合部材とこれに接合する接合部材との接合面に金属粒子を介在させて接合面に対して垂直な方向から加圧しながら加熱することにより、被接合部材と接合部材とを加圧加熱接合することができる。この場合、被接合部材と接合部材との荷重印加方向に垂直な接合面の面積が広い場合には、被接合部材と接合部材とを十分な接合強度が得られるが、荷重印加方向に垂直な接合面の面積が小さい場合には十分な接合強度を得ることができないという未解決の課題がある。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、被接合部材と接合部材との接合部に対して満遍なく圧力を付与して被接合部材と接合部材との接合面の面積が小さい場合でも十分な接合強度で接合することができる静流体圧による加圧接合方法及びこれに使用する加圧接合装置を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記目的を達成するために、本発明に係る静流体圧による加圧接合方法の一態様は、板状の被接合部材における一方の面に前記被接合部材よりも面積の小さい柱状の接合部材の端面を接合する際に、両者の接合面間に接合材としての金属微粒子含有ペーストを介在させた状態で予備加熱することにより、前記金属微粒子を溶融させてから冷却し前記被接合部材及び接合部材を仮接合状態とする保持工程と、仮接合状態の被接合部材及び接合部材を昇温昇圧流体環境に保持して静流体圧を利用して前記金属微粒子を焼結させる加圧加熱接合を行う加圧接合工程とを備え、前記保持工程は、前記金属微粒子含有ペーストを前記柱状の接合部材の端面よりも広く前記板状の被接合部材の表面に塗布し、該金属微粒子含有ペーストを前記板状の被接合部材と前記柱状の接合部材の接合面間に介在させるとともに、前記柱状の接合部材の接合側端部の側面を前記金属微粒子含有ペーストで覆った状態で予備加熱する。

【0007】

また、本発明に係る静流体圧による加圧接合方法の第２の態様は、板状の被接合部材における一方の面に前記被接合部材よりも面積の小さい柱状の接合部材の端面を接合する際に、両者の接合面間に接合材としての金属微粒子含有ペーストを介在させた状態で予備加熱することにより、前記金属微粒子を溶融させてから冷却し前記被接合部材及び接合部材を仮接合状態とする保持工程と、仮接合状態の被接合部材及び接合部材を昇温昇圧流体環境に保持して静流体圧を利用して前記金属微粒子を焼結させる加圧加熱接合を行う加圧接合工程と、加圧加熱接合した接合部材を常温・常圧まで降温・減圧する降温減圧工程とを備え、前記保持工程は、前記金属微粒子含有ペーストを前記柱状の接合部材の端面よりも広く前記板状の被接合部材の表面に塗布し、該金属微粒子含有ペーストを前記板状の被接合部材と前記柱状の接合部材の接合面間に介在させるとともに、前記柱状の接合部材の接合側端部の側面を前記金属微粒子含有ペーストで覆った状態で予備加熱する。

【0008】

また、本発明に係る静流体圧による加圧接合方法の第３の態様は、前記加圧接合工程で、密閉容器内に仮接合状態の被接合部材及び接合部材の少なくとも一方をピン状支持部で当該密閉容器に非接触状態で支持した状態で、前記密閉容器内に流体を充填し、該流体を加圧加熱して昇温昇圧流体環境を形成している。

【0009】

また、本発明に係る静流体圧による加圧接合方法の第４の態様は、前記加圧接合工程で、密閉容器内に仮接合状態の被接合部材及び接合部材の少なくとも一方をピン状支持部で当該密閉容器に非接触状態で支持した状態で、前記密閉容器内に流体を充填し、該流体を加圧加熱して昇温昇圧流体環境を形成するとともに、前記被接合部材及び接合部材の一方に外力を付与する。

【0010】

また、本発明に係る静流体圧による加圧接合方法の第５の態様は、前記加圧接合工程で、超臨界流体となる流体を超臨界状態又は亜臨界状態となるように加圧加熱している。
また、本発明に係る静流体圧による加圧接合方法の第６の態様は、前記加圧接合工程で、密閉容器内に仮接合状態の被接合部材及び接合部材の少なくとも一方をピン状支持部で当該密閉容器に非接触状態で支持した状態で前記密閉容器内の流体を超臨界流体又は亜臨界流体として昇圧昇温環境を形成している。

【0011】

また、本発明に係る静流体圧による加圧接合方法の第７の態様は、前記加圧接合工程で高温流体を超臨界状態又は亜臨界状態となるように加圧加熱した後に、前記降温降圧工程で高温流体が気相領域を維持しながら常温・常圧に戻すようにしている。
また、本発明に係る静流体圧による加圧接合方法の第８の態様は、前記被接合部材及び前記接合部材の接合面を複数形成している。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、被接合部材及び接合部材を仮接合状態で、昇温昇圧流体環境に保持することにより、静流体圧を利用して加圧接合するので、複数の接合面での接合が可能となり、接合面積を増加させることによって接合強度の向上が図れ、信頼性の高い接合を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明による加圧加熱接合を適用し得る半導体装置を示す斜視図である。

【図2】図１の縦断面図である。

【図3】絶縁基板を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は底面図である。

【図4】図１に適用するプリント基板を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は底面図である。

【図5】絶縁基板にプリント基板を装着した状態を示す斜視図である。

【図6】本発明に係る加圧接合方法の第１の実施形態を示す工程図である。

【図7】超臨界流体の状態図である。

【図8】本発明に係る加圧接合方法の第２の実施形態を示す工程図である。

【図9】図８の加圧接合方法に適用し得る加圧加熱接合装置を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明に係る加圧加熱接合構造及び加圧加熱接合方法を半導体装置としてのパワー半導体モジュールに適用した場合の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１〜図６は本発明を半導体装置としてのパワー半導体モジュールに適用した場合の第１の実施形態を示す図である。
本発明を適用し得るパワー半導体モジュール１は、図１に示すように、エポキシ樹脂等の樹脂材でモールド成形された成形体として例えば長さ６０ｍｍ×幅２２ｍｍ×高さ１３．４ｍｍ程度の直方体状に構成されている。このパワー半導体モジュール１は、左右端部側に固定ねじを挿通する挿通孔２が形成され、これら挿通孔２を囲むように平面から見てＵ字状の絶縁用壁部３が形成されている。

【0016】

また、パワー半導体モジュール１は、上面における左右の絶縁用壁部３間の前後端部側にそれぞれ第２の部材としての同一構成のピン状円柱体に形成された外部接続用端子４Ａ、４Ｂ及び４Ｃと制御端子５Ａａ，５Ａｂ及び５Ｂａ，５Ｂｂとが上方に突出して形成されている。これら外部接続用端子４Ａ、４Ｂ及び４Ｃと制御端子５Ａａ，５Ａｂ及び５Ｂａ，５Ｂｂとは、内蔵された第１の部材としての絶縁基板１１Ａ及び１１Ｂに搭載された主回路構成部品となる半導体チップ１２Ａ及び１２Ｂに電気的に接続されている。
絶縁基板１１Ａは、伝熱性の良いアルミナ等のセラミックスを主成分とする例えば正方形状の基板１３を有し、この基板１３の表面には厚みが０．５ｍｍ以上の銅板で構成される導体パターン１４が貼り付けられており、裏面には同様の厚みを有する銅板で構成されるが貼り付けられている。

【0017】

導体パターン１４は、図３に示すように、左端部が基板１３の幅と略等しい幅を有する幅広部１４ａと、この幅広部１４ａの右側に連接する幅広部１４ａより狭い幅の幅狭部１４ｂとからなる平面形状が凸字形状に形成されたチップ搭載パターン１４ｃを有する。また、導体パターン１４は、チップ搭載パターン１４ｃの幅狭部１４ｂの外側に所定間隔を保って独立した端子接続パターン１４ｄ及び１４ｅを有する。これら端子接続パターン１４ｄ及び１４ｅの側縁はチップ搭載パターン１４ｃの幅広部１４ａの側縁と一致されている。ここで、チップ搭載パターン１４ｃの幅広部１４ａには、図３（ａ）に示すように、ハンダ等の接合部材を介して第１の半導体チップ１２Ａ及び第２の半導体チップ１２Ｂが実装されている。また、チップ搭載パターン１４ｃには、第１の半導体チップ１２Ａの幅方向外側に主回路用の外部接続端子４Ａを加圧加熱接合する接合凹部１４ｆが形成されている。また、端子接続パターン１４ｄ及び１４ｅには外部接続端子４Ｂを加圧加熱接合する接合凹部１４ｇが形成されている。

【0018】

また、絶縁基板１１Ｂも、絶縁基板１１Ａと同様にセラミックを主成分とする基板１３とその表裏に形成された導体パターン１４及び放熱用伝熱パターン１５とを有する。導体パターン１４は、絶縁基板１１Ａと同様に、幅広部１４ｈ及び幅狭部１４ｉで平面形状が凸字形状に形成されたチップ搭載パターン１４ｊと、このチップ搭載パターン１４ｊの幅狭部１４ｉの外側に所定間隔を保って独立して形成されたそれぞれ２つの端子接続パターン１４ｋａ，１４ｋｂ及び１４ｍａ，１４ｍｂとが形成されている。

【0019】

そして、チップ搭載パターン１４ｊには、図３（ａ）に示すように、第１の半導体チップ１２Ａ及び第２の半導体チップ１２Ｂがハンダ等の接合部材を介して実装されている。また、チップ搭載パターン１４ｊには、第１の半導体チップ１２Ａの幅方向外側に外部接続端子４Ｃを加圧加熱接合する断面円形の接合凹部１４ｏが形成されている。
さらに、端子接続パターン１４ｋａ，１４ｋｂ及び１４ｍａ,１４ｍｂには、制御端子５Ａａ，５Ａｂ及び５Ｂａ，５Ｂｂを加圧加熱接合する接合凹部１４ｐ及び１４ｑが形成されている。

【0020】

ここで、外部接続端子４Ａ、４Ｂ、４Ｃ及び５Ａａ，５Ａｂ、５Ｂａ，５Ｂｂの材質は、絶縁基板１１Ａ及び１１Ｂの導体パターン１４の接合凹部１４ｆ、１４ｇ、１４ｏ及び１４ｐ，１４ｑに加圧加熱接合する関係で、接合相手となる導体パターン１４を構成する銅（Ｃｕ）の線膨張係数（α１＝１６．５×１０^−６）に対して大きな線膨張係数（α２＝２３．１×１０^−６）を有するアルミニウム（Ａｌ）系のものであることが望ましい。しかし、はんだ接合の容易さを考慮するとき、外部接続端子４Ａ〜４Ｃ及び５Ａ，５Ｂにはニッケル（Ｎｉ）あるいは錫（Ｓｎ）系の表面処理を施して、はんだ接合の濡れ性を改善することによって、実装効率を高めることが可能である。

【0021】

さらに、半導体チップ１２Ａ及び１２Ｂは、図３に示すように、上面に所定距離離間して配置されたプリント基板１６に形成された導電性ポスト１７ａが電気的接合材としての半田を介して電気的に接続されている。また、導体パターン１４の端子接続パターン１４ｄ及び１４ｅの上面がプリント基板１６に形成された導電性ポスト１７ｂに電気的接合材としての半田を介して電気的に接続されている。さらに、絶縁基板１１Ａの導体パターン１４ａがプリント基板１６に形成された一対の導体パターン１６ａ及び１６ｂのうち導体パターン１６ｂと接続された導電性ポスト１７ｃに電気的接合材としての半田を介して電気的に接続されている。

【0022】

次に、本発明に係る静流体圧による加圧接合方法の概要を図６について説明する。
この加圧接合方法は、図６（ａ）に示すように、例えば絶縁基板１１Ｂの導体パターン１４に相当する板状のベース部材２１に例えば導電体ポスト１７ｃに対応する接合部材２２をＡｇ微粒子等の金属微粒子を含有した金属微粒子含有ペースト２３を介して接合する場合を一例として説明する。

【0023】

加圧接合方法では、先ず、図６（ｂ）に示すように、ベース部材２１に接合部材としての銀（Ａｇ）微粒子等の金属微粒子含有ペースト２３をベース部材２１の表面から盛り上がるように接合部材２２の断面積に応じて接合部材２２の接合側端部を十分に覆うことができる所定量塗布する。
ここで、金属微粒子含有ペースト２３としては、揮発性のバインダー材中にＡｇ微粒子等の金属微粒子を分散させて、Ａｇ微粒子等の金属微粒子の表面をバインダー材で被覆して、ペースト状としたものが適用できる。また、金属微粒子としては、銀（Ａｇ）のほかに銅（Ｃｕ）等を適用することができる。バインダー材は、例えば、カルボン酸類、アルコール類、アミン類のうち少なくとも１種からなる有機物を適用することができる。

【0024】

次いで、図６（ｃ）に示すように、ベース部材２１に塗布した金属微粒子含有ペースト２３内に接合部材２２の接合端部を接触させた状態で予備加熱することにより、金属微粒子含有ペースト２３に含まれる有機溶剤を揮発させると共に金属微粒子を溶融させてから冷却してベース部材２１に対して接合部材２２を分離しない程度に仮接合状態として一体化する。

【0025】

次いで、図６（ｄ）に示すように、密閉容器２５内にその例えば上面側に設けたロッククランプ式の開閉蓋２５ａを開け、仮接合状態として一体化したベース部材２１及び接合部材２２を密閉容器２５内に搬入する。このとき、ベース部材２１の底面側を例えば密閉容器２５の底面２５ｂに植立させたピン状支持部２６で３点以上支持し、ベース部材２１の底面を密閉容器２５の底面２５ａから上方に所定距離浮かした状態で位置決め支持する。

【0026】

次いで、密閉容器２５の開閉蓋２５ｂを閉じて密閉状態とし、この密閉容器２５内に高温・高圧流体を充填して密閉容器２５内を高温・高圧流体雰囲気状態とし、この高温・高圧流体雰囲気状態を一定時間保持して加熱・加圧接合を行う。この高温・高圧流体雰囲気を形成するには、予め加熱された流体を高圧ポンプで密閉容器２５内に充填するか又は流体を高圧ポンプで密閉容器２５内に充填してから加熱する密閉容器２５毎加熱するようにしてもよい。

【0027】

すなわち、図６（ｄ）に示すように、ベース部材２１に接合部材を仮接合した状態で、密閉容器２５内で高温・高圧流体雰囲気状態で時間維持されると、静流体圧となる静水圧がベース部材２１、接合部材及び金属微粒子含有ペースト２３の全部位に均等に作用することになり、接合面となるベース部材２１の金属微粒子含有ペースト２３で覆われる平面部分と接合部材２２の金属性微粒子含有ペースト２３で覆われる底面部及びこれに隣接する底面側の円周部とに十分な接合圧力を与えて、加熱・加圧接合することができる。
金属微粒子含有ペースト２３は、加熱によってバインダー成分が分解され金属微粒子が露出する。金属微粒子含有ペースト２３からバインダー成分が分解されて金属微粒子が露出しているので、加圧力が作用した箇所については、露出した金属微粒子が焼結する。

【0028】

そして、所定時間経過後に、まず圧力を低下させてから温度を低下させることにより、気相状態を保ったまま常温・常圧まで降温及び降圧することにより、液体残渣を抑制することができる。
その後、密閉容器２５内が常温・常圧まで低下した後に開閉蓋２５ａを開けて加熱・加圧接合されたベース部材２１及び接合部材２２を外部に取り出す。

【0029】

このように、静流体圧を利用して加熱・加圧接合を行うことにより、ベース部材２１及び接合部材２２の接合面を含む全ての外表面に静流体圧を均等に付与することができる。このため、ベース部材２１と接合部材２２との間の接合面が、ベース部材２１及び接合部材２２間の対向面に限定されることがなく、ベース部材２１上では接合部材２２の外側の金属微粒子含有ペースト２１の外周まで接合面ＪＦ３を広げることができると共に、接合部材２２では、底面部の接合面ＪＦ１及びこれに隣接して金属微粒子含有ペースト２３と接触する円周部の接合面ＪＦ２まで含めることができる。したがって、ベース部材２１と接合部材２２との接合面の面積を従来例に比較して大きくすることができるので、ベース部材２１及び接合部材２２間の接合強度を向上させることができる。この結果、ベース部材２１と接合部材２２との対向面積が小さい場合でもベース部材２１及び接合部材２２の加熱・加圧接合を確実に行うことができる。

【0030】

同様に、半導体チップ１２Ａ及び１２Ｂの上面とプリント基板１６に形成された導電体ポスト１７ａとの間の接合についても上記と同様に行うことができる。このため、これら半導体チップ１２Ａ及び１２Ｂと導電体ポスト１７ａの加熱・加圧接合と、上述した絶縁基板１１Ａ及び１１Ｂとプリント基板１６に形成された導電体ポスト１７ｂ及び１７ｃとの加熱・加圧接合とを同時に行うことができる。

【0031】

なお、上記第１の実施形態においては、密閉容器２５内に充填する流体は任意の圧縮性の低い流体を適用することができ、温度及び圧力も任意に設定することができる。
また、接合部材としてはベース部材２１と柱状の接合部材２２とに限定されるものではなく、半導体チップをベース配線回路基板に金属微粒子含有ペーストを介して接合したり、半導体チップと柱状接合部材とを接合したりしてもよい。

【0032】

次に、本発明の第２の実施形態を図８について説明する。
この第２の実施形態では、超臨界状態又は亜臨界状態となる流体を利用して加圧・加熱接合を行うようにしたものである。
すなわち、第２の実施形態では、密閉容器２５内に充填する流体としては超臨界状態又は亜臨界状態となる流体を適用したものである。この超臨界状態又は亜臨界状態となる流体としては、水、二酸化炭素、メタン、エタン、プロパン、メタノール、エタノール等が適用される。これら超臨界状態又は亜臨界状態となる流体の臨界温度及び臨界圧力は下記表１に示す通りである。

【0033】

【表1】

【0034】

これらの流体のうち、超臨界流体として良く使用されるのが水及び二酸化炭素であり、これらの状態図は、図７に示すように、水の場合は温度Ｔ＝３７４℃且つ圧力Ｐ＝２２．１ＭＰａで臨界点となり、これら以上の温度及び圧力で気体と流体の区別がつかない超臨界状態となり、この超臨界状態から液相領域側に温度を低下させると共に、圧力を低下させると亜臨界状態となる。

【0035】

一方、二酸化炭素の場合には、温度Ｔ＝３１．１℃且つ圧力Ｐ＝７．３８で臨界点となり、これら以上の温度及び圧力で超臨界状態となり、この超臨界状態から液相領域側に温度を低下させると共に、圧力を低下させると亜臨界状態となる。
したがって、高温・高圧流体として水を使用する場合には、臨界温度が３７４．１℃であり、接合部材としての金属微粒子含有ペースト２３の金属微粒子を溶融させることができると共に、接合部に十分な接合圧力を与えることができる。

【0036】

そして、第２の実施形態では、導電体ポスト１７ａと半導体チップ１２Ａ及び１２Ｂとの接合、導電体ポスト１７ｂ及び１７ｃと絶縁基板１２Ａ及び１２Ｂの導体パターン１４との接合を同時に行うことができる。
すなわち、前述したパワー半導体モジュール１の絶縁基板１１Ａ及び１１Ｂの導体パターン１４上における半導体チップ１２Ａ及び１２Ｂの接合位置に、図８（ａ）に示すように、金属微粒子含有ペースト２７を塗布する。

【0037】

次いで、図８（ｂ）に示すように、金属微粒子含有ペースト２７上に面実装型の半導体チップ１２Ａ及び１２Ｂを載置する。そして、各半導体チップ１２Ａ及び１２Ｂの上面の導電体ポスト１７ａを接合する位置に金属微粒子含有ペースト２８を塗布すると共に、絶縁基板１１Ａ及び１１Ｂの導電パターン１４上の導電体ポスト１７ｂ及び１７ｃの接合位置に金属微粒子含有ペースト２９を塗布する。

【0038】

次いで、図８（ｃ）に示すように、半導体チップ１２Ａ及び１２Ｂ上に導電体ポスト１７ａ〜１７ｃを形成したプリント基板１６を位置決めして載置した状態で、予備加熱を行って金属微粒子含有ペースト４１〜４３の有機溶剤を蒸発させると共に、金属微粒子を溶融させてから冷却することにより、半導体チップ１２Ａ及び１２ｂを絶縁基板１１Ａ及び１１Ｂの導体パターン１４上に仮接合状態として一体化する。これと同時に導電体ポスト１７ａ〜１７ｃの底面側を半導体チップ１２Ａ及び１２Ｂの上面側と絶縁基板１１Ａ及び１１Ｂの導体パターン１４の上面とに仮接合状態として一体化する。

【0039】

この一体化された絶縁基板１１Ａ及び１１Ｂ、半導体チップ１２Ａ及び１２Ｃ及びプリント基板１６を、図９に示す加圧接合装置を構成する例えばロッククランプ式の開閉蓋２５ａを開けた状態の密閉容器２５内に、絶縁基板１１Ａ及び１１Ｂの放熱用伝熱パターン１５の底面をピン状支持部２５ｂで３点以上支持した状態で、放熱要伝熱パターン１４を密閉容器２５の底面２５ｃから所定距離浮かせた状態で位置決め保持する。

【0040】

この密閉容器２５には、図９に示すように、例えばプランジャー式やダイヤフラム式の往復動形の高圧ポンプ３０及び電磁開閉弁３１が介挿された加圧部となる加圧水系配管３２の一端が接続されている。この加圧水系配管３２の他端は、タンク等の水供給源３３に接続されている。また、加圧水系配管３２の高圧ポンプ３０及び電磁開閉弁３２をバイパスするように電磁開閉弁３４を介挿したバイパス配管３５が設けられている。

【0041】

さらに、バイパス配管３５と圧力水系配管３２との接続点に電磁開閉弁３６及び電磁圧力制御弁３７を介挿した排出配管３８の一端が接続され、この配排出配管３８の他端が水供給源３３のリターン側に接続されている。
また、密閉容器２５の下面側には加熱ヒータ等の加熱部を配置した加熱装置４０が配設され、密閉容器２５の上面側の開閉蓋２５ａにはペルチェ効果素子等の冷却部を配置した冷却装置４１が配置されている。

【0042】

そして、高圧ポンプ３０、電磁開閉弁３１、３４及び３６、電磁圧力制御弁３７、加熱装置４０及び冷却装置４１が制御装置４２によって制御される。この制御装置４２には、密閉容器２５内の温度を検出する温度センサ４３から出力される温度検出値と密閉容器２５内の圧力を検出する圧力センサ４４から出力される圧力検出値とが入力され、さらに起動スイッチ４５が設けられている。この制御装置４２では、起動スイッチ４５がオン状態となると、先ず、電磁開閉弁３４を開状態に制御して水供給源３３からの常温で常圧よりは僅かに高く送水可能な圧力に設定された水をパイパス配管３５を介して密閉容器２５内に注入を開始する。その後、密閉容器２５内に水が充満して圧力センサ４１の圧力が送水圧に達すると、電磁開閉弁３４を閉じて、密閉容器２５内への水の注入を停止する。

【0043】

この状態で、加熱装置４０を作動させて、密閉容器２５内に充満された水の加熱を開始し、水の温度が１００℃を超えると、高圧ポンプ３０を作動状態とするとともに、電磁開閉弁３１を開状態として密閉容器２５内の水の加圧を開始する。そして、密閉容器２５内の温度及び圧力を監視して前述した図７の状態図における気相領域を通って超臨界点を超えて超臨界領域となるように温度及び圧力を制御する。

【0044】

その後、超臨界領域に達すると、高圧ポンプ３０による加圧を停止し、電磁開閉弁３１を閉じるが、加熱装置３７については超臨界領域の温度を維持するように定温制御する。
その後、所定時間経過後に、加熱装置４０による加熱を停止し、これに代えて冷却装置４１を作動させて密閉容器２５内の冷却を開始し、密閉容器２５内の温度が下がって超臨界領域から気相領域に入ると、電磁圧力制御弁３７の設定圧力を超臨界領域の圧力から徐々に下げるとともに、電磁開閉弁３６を開状態とする。これにより、密閉容器２５内の水が電磁開閉弁３６及び電磁圧力制御弁３７を介して水供給源３３のリターン側に戻される。このため、密閉容器２５内の温度及び圧力が気相領域内を通って降温・降圧制御される。

【0045】

その後、密閉容器２５内の温度及び圧力が常温・常圧に復帰すると、電磁開閉弁３６を閉じて加熱・加圧処理を終了し、制御装置４２に接続された密閉容器２５の開操作が可能であることを表示する表示器４６を点灯させる。
そして、図９に示すように、密閉容器２５内に図８（ｃ）に示す仮接合状態で一体化された絶縁基板１１Ａ及び１１Ｂ、半導体チップ１２Ａ及び１２Ｂ及びプリント基板１６を絶縁基板１１Ａ及び１１Ｂの放熱用伝熱パターン１５をピン状支持体２５ｂに載置した状態で、開閉蓋２５ａを閉じてロッククランプすることにより、密閉容器２５を密閉状態とする。

【0046】

この状態で、制御装置４２の起動スイッチ４５をオン状態とすることにより、制御装置４２で静流体圧による加圧加熱接合処理が実行される。この加圧加熱接合処理は、先ず、バイパス配管３５の電磁開閉弁３４を開いて水供給源３３から供給される常圧よりは僅かに高い送水圧を有する水を密閉容器２５内に注入する。この状態では、送水圧を低く抑制することで注入された水によって仮接合状態の絶縁基板Ａ，１１Ｂ、半導体チップ１２Ａ，１２Ｂ及びプリント基板１６が移動することを抑制することができる。このとき、密閉容器２５内に溜まっている空気は密閉容器２５の上部に配設された電磁開閉弁を有する空気抜き配管から排出する。

【0047】

その後、密閉容器２５内に水が充満して、圧力センサ４４で検出される圧力が送水圧に達すると、電磁開閉弁３４が閉制御される。これと同時に又はその前に加熱装置４０が作動されて密閉容器４５内の水の加熱が開始される。
その後、密閉容器４５内の温度が例えば１００℃を超えると、電磁開閉弁３４が開制御されると共に、高圧ポンプ３０が作動されて、高圧ポンプ３０から出力される高圧水が密閉容器２５内に供給される。この場合、密閉容器２５内は既に水で満たされているので、高圧ポンプ３０から供給される水量は僅かであり、圧力のみが上昇するこのため、ピン状支持部材２５ｂに支持されている仮接合状態の絶縁基板１１Ａ，１１Ｂ、半導体チップ１２Ａ，１２Ｂ及びプリント基板１６は水圧によって移動することはない。

【0048】

このようにして、加熱装置４０で昇温しながら高圧ポンプ３０で昇圧するので、図７における状態図で、気相領域を通りながら昇温及び昇圧を継続し、温度及び圧力の双方が臨界点を超えると、超臨界状態に達する。この超臨界状態では、水温が３７４．１℃以上となり、圧力が２２．１ＭＰａ以上となる。このため、仮接合状態となっている金属微粒子含有ペースト２７〜２９が溶融すると共に、前述した第１の実施形態と同様に、静水圧が絶縁基板１１Ａ，１１Ｂ、半導体チップ１２Ａ，１２Ｂ及びプリント基板１６と金属粒子含有ペースト２７〜２９とに均等に作用することになり、各部の接合部に静水圧による接合圧力を作用させることができる。このため、前述した第１の実施形態と同様に複数の接合面に接合圧を付与することができる。

【0049】

この臨界状態となると、高圧ポンプ３０の作動が停止されるとともに開閉弁３１が閉制御されて、圧力一定状態に制御されると共に、加熱装置４０を定温度制御する。
この超臨界状態を所定時間維持してから例えばリリーフ弁３７のリリーフ圧を臨界点圧力に制御した状態で、電磁開閉弁３６を開制御することにより、密閉容器２５の内圧の降圧を開始し、これによって密閉容器２５内の圧力が臨界点まで降圧され、その後リリーフ弁３７のリリーフ圧を徐々に低下させて気相領域で降圧を開始し、その後、加熱装置４０での加熱を停止し、これに代えて冷却装置４１を作動させることにより、密閉容器２５内の水温を降温制御する。このとき、圧力と温度とが常に気相領域内を通るように降温・降圧制御を行う。

【0050】

その後、密閉容器２５内の水の殆どが戻り配管３８を通じて水供給源３３に戻され、密閉容器２５内の温度及び圧力が常温・常圧状態に復帰すると、電磁開閉弁３６が閉制御されると共に、表示器４６が点灯される。
このため、密閉容器２５の開閉蓋２５ａを開けて接合された絶縁基板１１Ａ，１１Ｂ、半導体チップ１２Ａ，１２Ｂ及びプリント基板１６を取り出し、次いで新たな仮接合状態の絶縁基板１１Ａ，１１Ｂ、半導体チップ１２Ａ，１２Ｂ及びプリント基板１６をセットしてから開閉蓋２５ｂを閉じてロッククランプし、再度静流体圧による加熱加圧接合処理を実行する。

【0051】

このように、第２の実施形態では、密閉容器２５内で水を超臨界状態とすることで、金属微粒子含有ペーストを溶解し、その後、気相領域を通って降温・降圧制御を行うことにより、水は蒸発して金属微粒子含有ペーストのみが接合部に残り、確実な加熱加圧接合を行うことができる。この場合の接合面が前述した第１の実施形態と同様に導電体ポスト１７ａ〜１７ｃのような接合面積の小さい接合部材であっても接合強度を向上させた接合を行うことができる。

【0052】

なお、上記第２の実施形態では、密閉容器２５内に水を充填して、超臨界状態とする場合について説明したが、これに限定されるものではなく、二酸化炭素を充填して超臨界状態とするようにしてもよい。この場合には、超臨界状態で二酸化炭素がさまざまな物質を良く溶解する。このため、超臨界状態から気相領域で降温・降圧を行うことにより、二酸化炭素が気化して溶質となる金属微粒子ペーストのみが残り、確実な加熱加圧接合を行うことができる。この場合、気化した二酸化炭素は回収して再利用することができる。

【0053】

その他、密閉容器２５内に充填する流体としては、超臨界状態となるメタン、エタン、プロパン、エチレン、プロピレン、メタノール、エタノール、アセトン等を適用することができる。
また、超臨界状態の水は酸化力が極めて高くなるので、亜臨界状態で使用するようにしてもよい。

【0054】

なお、上記第１及び第２の実施形態においては、図１〜図５に示すパワー半導体モジュール１を構成する絶縁基板１１Ａ，１１Ｂ、半導体チップ１２Ａ．１２Ｂ及びプリント基板１６の接合を行う場合について説明したが、これに限定されるものではなく、２つの部材の接合を、金属微粒子含有ペーストを使用して行う場合に、本発明を適用することができる。
また、上記第１及び第２の実施形態においては、静流体圧のみによって接合圧力を付与する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、密閉容器２５内に流体シリンダ等の加圧手段を配置して、この加圧手段で被接合部材及び接合部材の一方に外力を付与して、接合圧力をさらに高めることができる。

【0055】

また、上記第１及び第２の実施形態における絶縁基板１１Ａ及び１１Ｂは、上記構成に限定されるものではなく、セラミックスと銅をロウ付けし、エッチングによって銅をパターニングした所謂ＡＭＢ（Ａｃｔｉｖｅ Ｍｅｔａｌ Ｂｒａｚｉｎｇ）基板、セラミックス基板と銅とを直接接合したＤＣＢ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏｐｐｅｒ Ｂｏｎｄｉｎｇ）基板を適用することができる。また、セラミックス基板材料としては、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等を適用することができる。さらに、セラミックス基板に代えて樹脂基板を適用することもできる。要は絶縁性を確保できる基板であればよい。

【0056】

また、上記第１及び第２の実施形態では、第１の半導体チップ１２ＡにＩＧＢＴを形成する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、第１の半導体チップ１２Ａにパワー電界効果トランジスタを形成するようにしてもよく、他の電圧制御型半導体素子を内蔵するようにしてもよい。
また、上記第１及び第２の実施形態においては、絶縁基板１１Ａ及び１１Ｂに第１の半導体チップ１２Ａ及び第２の半導体チップ１２Ｂを複数配置する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、トランジスタ内蔵ダイオードを使用できる場合や、同期整流方式を採用する場合などは、第２の半導体チップ１２Ｂとしてのフリー・ホイーリング・ダイオード（Free Wheeling Diode，ＦＷＤ）を省略してパワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等のパワー半導体素子のみで構成することもできる。

【0057】

また、本発明は、半導体モジュールの端子接続の組み合わせだけで所望する回路構成が得られることから、本発明は上述した電力変換用インバータ装置に限定されるものではなく、パワー半導体モジュールを使用する他の電力変換装置や高周波用途のスイッチングＩＣ等の他の半導体装置に本発明を適用することができる。

【産業上の利用可能性】

【0058】

本発明によれば、被接合部材及び接合部材を仮接合状態で、昇温昇圧流体環境に保持することにより、静流体圧を利用して加圧接合するので、複数の接合面での接合が可能となり、接合面積を増加させることによって接合強度の向上が図れ、信頼性の高い接合方法及び加圧接合装置を提供することができる。

【符号の説明】

【0059】

１…パワー半導体モジュール、４Ａ〜４Ｃ…外部接続端子、５Ａａ，５Ａｂ，５Ｂａ，５Ｂｂ…制御端子、１１Ａ，１１Ｂ…絶縁基板、１２Ａ…第１の半導体チップ、１２Ｂ…第２の半導体チップ、１４…導体パターン、１５…放熱用伝熱パターン、１６…プリント基板、１７ａ〜１７ｃ…導電体ポスト、２１…ベース部材、２２…接合部材、２３…金属微粒子含有ペースト、２５…密閉容器、２７〜２９…金属微粒子含有ペースト、３０…高圧ポンプ、３１，３４，３６…電磁開閉弁、３３…水供給源、３７…電磁リリーフ弁、４０…加熱装置、４１…冷却装置、４２…制御装置、４３…温度センサ、４４…圧力センサ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】