(57)【要約】【課題】絶縁基板付き冷却器の基板に対して素子をはんだ付けする際、雰囲気室を減圧（気圧変動）したときに、冷却器内の異物を飛散させることなくはんだ付けを行うことができるはんだ付け方法及び装置を提供すること。【解決手段】はんだ付け装置３０にて絶縁基板付き冷却器１０の基板１２に対して半導体素子１１をはんだ付けする際、冷却器１６の出入口に対し、真空ポンプ３３に接続された冷却器内排気配管３４に取り付けられたカプラ３６ａ，３６ｂを装着した状態で、チャンバ３１内をチャンバ内排気配管３２を介して真空ポンプ３３により減圧する。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバ内で絶縁基板付き冷却器の基板に対して素子をはんだ付けする方法において、
前記チャンバ内を減圧する際に、前記チャンバとは異なる排気経路を用いて前記冷却器内を減圧して、はんだ付けを行うことを特徴とするはんだ付け方法。
【請求項２】
請求項１に記載するはんだ付け方法において、
前記冷却器内の減圧は、前記冷却器の出入口に配管付きカプラを装着し、前記配管の他端を前記チャンバ内の排気用の真空ポンプに接続して前記真空ポンプを利用して行うことを特徴とするはんだ付け方法。
【請求項３】
絶縁基板付き冷却器の基板に対して素子をはんだ付けする装置において、
前記絶縁基板付き冷却器と前記素子とを収容する密閉空間を構成するチャンバと、
前記チャンバ内を減圧するチャンバ排気系と、
前記冷却器内を減圧する冷却器排気系とを備え、
前記チャンバ排気系により前記チャンバ内を減圧する際に、冷却器排気系により前記冷却器内を減圧する
ことを特徴とするはんだ付け装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空状態又は雰囲気ガス状態とした雰囲気室内で、基板に対して素子を実装する際のはんだ付け方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、パワーモジュールでは、素子−はんだ−絶縁基板−はんだ放熱板−グリス−冷却器という積層構造が採用されていた。ところが、ハイブリッド自動車や電気自動車等に搭載される高耐圧・大電流用のパワーモジュールでは、半導体素子の動作時における自己発熱量が大きいため、高放熱性を有する冷却構造を具備する必要があり、素子−はんだ−絶縁基板付き冷却器という積層構造が採用される傾向にある。
【０００３】
ここで、素子を基板に対してはんだ付けする技術として、例えば特許文献１に記載されたものがある。ここに記載されている技術では、小型雰囲気室内を雰囲気ガス状態又は真空状態として、はんだ付けを行うようにしている。これにより、はんだ付けの際に、塵、水分、酸素の巻き込みを防止して、はんだ付けの信頼性を確保している。また、近年では環境問題の観点から、鉛フリーはんだが使用されるようになったが、鉛フリーはんだは濡れ性が悪いため、プロセス途中に強制的に雰囲気室内の気圧変動を実施して、はんだ付け性を改善することが行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０６−０２９６５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、絶縁基板付き冷却器は、その冷却性能を向上させるために、内部の流路構造が複雑な形状をしているため、製造中に多数の異物（加工カスなど）が発生し、その異物が製品内に付着して残留している。そのため、製造中及び製品完成後に、冷却器内部の洗浄を行って異物を除去しているが、流路構造が非常に複雑な形状であるために、通常の洗浄では異物を完全に除去することができていないのが実情である。
【０００６】
このような絶縁基板付き冷却器に備わる基板に対して素子をはんだ付けする場合、はんだ付けを行う際に行われる雰囲気室内の減圧（気圧変動）によって、冷却器内に残留していた異物が雰囲気室内に飛散してしまう。そうすると、雰囲気室内に飛散した異物が素子上に付着してしまい、はんだ付けを行う際に素子の温度が上昇すると、異物が素子上に固着してしまい、雰囲気室の排気等を行っても素子上に固着した異物を除去することができないと問題があった。このように、異物が素子に付着した状態では、素子性能を低下させてしまうためパワーモジュールとして不良品となる。
【０００７】
ここで、冷却器内の異物の飛散を防止するために、冷却器の出入口にキャップ等を装着してはんだ付けを行うことも考えられるが、雰囲気室内の減圧（気圧変動）を実施したときに生じる雰囲気室内と冷却器内とで生じる気圧差によってキャップ等が外れたり、損傷したりしてしまう。このため、冷却器内の異物の雰囲気室内への飛散を防止することができない。また、損傷したキャップの破片等によって雰囲気室に損傷を与えてしまうおそれもあった。
【０００８】
そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、絶縁基板付き冷却器の基板に対して素子をはんだ付けする際、雰囲気室を減圧（気圧変動）したときに、冷却器内の異物を飛散させることなくはんだ付けを行うことができるはんだ付け方法及び装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するためになされた本発明は、チャンバ内で絶縁基板付き冷却器の基板に対して素子をはんだ付けする方法において、前記チャンバ内を減圧する際に、前記チャンバとは異なる排気経路を用いて前記冷却器内を減圧して、はんだ付けを行うことを特徴とする。
【００１０】
このはんだ付け方法では、絶縁基板付き冷却器の基板に対して素子をはんだ付けする際、チャンバ内の酸素を除去するとともに、はんだにボイドが発生しないようにするために、チャンバ内を減圧（気圧変動）する。このとき、チャンバとは異なる排気経路を用いて冷却器内も減圧する。
【００１１】
具体的には、前記冷却器内の減圧は、前記冷却器の出入口に配管付きカプラを装着し、前記配管の他端を前記チャンバ内の排気用の真空ポンプに接続して前記真空ポンプを利用して行えばよい。
【００１２】
これにより、チャンバ内の排気とほぼ同時に冷却器内も排気されるので、チャンバ内で減圧（気圧変動）を行っても、チャンバ内と冷却器内とで気圧の差がほとんど発生しない。また、チャンバの容積よりも冷却器の容積の方が小さいので、チャンバ内に比べ冷却器内の方が早く減圧される。これらのことから、チャンバ内を減圧（気圧変動）したときに、冷却器の出入口に装着したカプラが外れたり損傷したりすることを確実に防止することができる。従って、冷却器内の異物がチャンバ内に飛散することを確実に防止することができるため、絶縁基板付き冷却器の基板に対して素子を良好にはんだ付けすることができる。
【００１３】
そして、上記したはんだ付け方法を実施するはんだ付け装置においては、前記絶縁基板付き冷却器と前記素子とを収容する密閉空間を構成するチャンバと、前記チャンバ内を減圧するチャンバ排気系と、前記冷却器内を減圧する冷却器排気系とを備え、前記チャンバ排気系により前記チャンバ内を減圧する際に、冷却器排気系により前記冷却器内を減圧するようにすればよい。
【００１４】
このようなはんだ付け装置により、上記したはんだ付け方法を確実に実施することができ、冷却器内の異物を飛散させることなくはんだ付けを行うことができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係るはんだ付け方法及び装置によれば、上記した通り、絶縁基板付き冷却器の基板に対して素子をはんだ付けする際、雰囲気室を減圧（気圧変動）したときに、冷却器内の異物を飛散させることなくはんだ付けを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】半導体素子をはんだ付けする絶縁基板付き冷却器の概略構成を示す断面図である。
【図２】はんだ付け装置の概略構成を示す図である。
【図３】チャンバ内に絶縁基板付き冷却器を配置した状態を示す図である。
【図４】絶縁基板付き冷却器にはんだを介して半導体素子を配置した状態を示す図である。
【図５】はんだ付けを行っている状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明のはんだ付け方法を具体化した実施の形態について、図面に基づき詳細に説明する。そこでまず、本実施の形態に係るはんだ付け方法により、半導体素子をはんだ付けする（実装する）絶縁基板付き冷却器について、図１を参照しながら説明する。図１は、半導体素子をはんだ付けする絶縁基板付き冷却器の概略構成を示す断面図である。
【００１８】
図１に示すように、絶縁基板付き冷却器１０は、半導体素子１１（図４参照）が実装される基板１２と、冷媒流路を備えた冷却器１６と、基板１２と冷却器１６との間に介在し両者の線膨張率差による応力歪を緩和する応力緩和部材１７とを有している。
【００１９】
基板１２は、セラミック絶縁基板１３と、その上下面に設けられた高純度アルミ１４，１５とから構成されている。セラミック絶縁基板１３は、必要とされる絶縁特性、熱伝導率および機械的強度を満たしていれば、どのようなセラミックから形成されていてもよい。例えば、酸化アルミニウムや窒化アルミニウムが適用可能であり、ここではセラミック絶縁基板１３として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いている。また、高純度アルミ１４，１５は純度が９９．９９％以上のものを用いればよい。
【００２０】
冷却器１６は、冷媒の出入口が設けられた二分割ケース１８内にフィン部材１９が収容されており、フィン部材１９により内部に冷媒を流す流路が構成されている。この冷却器１６を構成する各部品は、高熱伝導性を有しかつ軽量であるアルミ製部材によって形成されており、各部品がロウ付けされている。ロウ材としては、Ａｌ−Ｓｉ系合金，Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金等のアルミニウムロウ材が使用されている。
【００２１】
ここで、この冷却器１６は、冷却性能を向上させるために複雑な形状のフィン部材１９を用いて複雑な流路構成としている。このような流路構成を可能とするために、フィン部材１９は微細形状をなしており、その製造工程中に発生した異物が完全に除去されずに冷却器１６内部に残留し付着している。なお、この異物は、製造中及び製品完成後に行われる通常の洗浄では完全には除去することができない。
【００２２】
応力緩和部材１７は、高熱伝導性を有する材料からなり、応力吸収空間が幾つか設けられている。応力緩和部材１７として、例えば、純度が９９．９９％以上のアルミ板で、複数の貫通穴が千鳥状に配置されているものを用いることができる（いわゆるパンチングアルミ）。高純度アルミである応力緩和部材１７の線膨張率は，アルミニウムの固有値と等しい２３．５ｐｐｍ／℃である。高純度アルミは、ヤング率が７０．３ＧＰａと比較的軟らかい材料であり、応力に対する変形が大きい。そのため、アルミ製の冷却器１６とセラミック絶縁基板１３との線膨張率差による応力歪を緩和することができるようになっている。
【００２３】
そして、基板１２と応力緩和部材１７とが、基板１２に実装（はんだ付け）される半導体素子１１から発せられる熱を効率よく冷却器１６に伝達させるために、ロウ付けによって冷却器１６上に直接接合され、絶縁基板付き冷却器１０が構成されている。なお、ロウ材としては、上記したＡｌ−Ｓｉ系合金，Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金等のアルミニウムロウ材が使用されている。
【００２４】
続いて、本発明のはんだ付け方法を実施するはんだ付け装置について、図２を参照しながら簡単に説明する。図２は、はんだ付け装置の概略構成を示す図である。
図２に示すように、はんだ付け装置３０には、チャンバ３１と、チャンバ内排気配管３２と、真空ポンプ３３と、冷却器内排気配管３４と、ヒータ３５とが備わっている。
【００２５】
チャンバ３１は、はんだ付けを行う対象である、絶縁基板付き冷却器１０と半導体素子１１をその内部に収容可能な密閉空間である。このチャンバ３１にチャンバ内排気配管３２が接続されている。そして、チャンバ内排気配管３２の他端が真空ポンプ３３に接続されている。これにより、真空ポンプ３３を作動させることにより、チャンバ３１内を減圧することができるようになっている。本実施の形態では、チャンバ内排気配管３２と真空ポンプ３３とにより、本発明の「チャンバ排気系」が構成されている。
【００２６】
また、真空ポンプ３３には、冷却器内排気配管３４が接続されている。この冷却器内排気配管３４は、二股に分岐しており各先端部に冷却器１６の出入口に着脱可能なカプラ３６ａ，３６ｂが取り付けられている。これらのカプラ３６ａ，３６ｂを冷却器１６の出入口に装着し真空ポンプ３３を作動させることにより、冷却器１６内を減圧することができるようになっている。本実施の形態では、冷却器内排気配管３４と真空ポンプ３３とにより、本発明の「冷却器排気系」が構成されている。
【００２７】
なお、ヒータ３５は、チャンバ３１の底部に設けられており、はんだ付けを行う際に、ヒータ上面に配置される絶縁基板付き冷却器１０を加熱して、基板上に配置されたはんだ４０（図４参照）を溶融させるためのものである。
【００２８】
次に、上記したはんだ付け装置３０を用いて、本発明のはんだ付け方法を実施する手順について、図３〜図５を参照しながら説明する。図３は、チャンバ内に絶縁基板付き冷却器を配置した状態を示す図である。図４は、絶縁基板付き冷却器にはんだを介して半導体素子を配置した状態を示す図である。図５は、はんだ付けを行っている状態を示す図である。
【００２９】
まず、絶縁基板付き冷却器１０をチャンバ３１内に配置する。具体的には、図３に示すように、ヒータ３５の上面に絶縁基板付き冷却器１０を、冷却器１６がヒータ３５に接するようにして配置する。その後、冷却器１６の出入口に対して、冷却器内排気配管３４の各カプラ３６ａ，３６ｂを装着する。
【００３０】
続いて、図４に示すように、チャンバ３１内に配置された絶縁基板付き冷却器１０の基板１２上面（より正確には高純度アルミ１４の上面）にはんだ４０を介在させて半導体素子１１を配置する。
なお、半導体素子１１の配置を先に行ってから、各カプラ３６ａ，３６ｂを冷却器１６の出入口に装着することもできる。但し、この場合には、カプラ装着時に半導体素子１１の配置位置がずれるおそれがある。このため、半導体素子１１の配置よりもカプラ３６ａ，３６ｂの装着を先に行った方がよい。
【００３１】
その後、真空ポンプ３３を作動させてチャンバ３１内の気圧変動を行いながら、ヒータ３５を作動させ、絶縁基板付き冷却器１０を加熱する。絶縁基板付き冷却器１０が加熱されることにより、基板１２上に配置されているはんだ４０が溶融して、基板１２と半導体素子１１とがはんだ付けされる。
【００３２】
ここで、チャンバ３１内が減圧される際、真空ポンプ３３が作動すると、冷却器内排気配管３４が真空ポンプ３３に接続されているため、冷却器１６内もほぼ同時に減圧される。このため、チャンバ３１内が減圧されたときに、チャンバ３１内と冷却器１６内とでほとんど圧力差が生じない。また、チャンバ３１の容積よりも冷却器１６の容積の方が小さいので、チャンバ３１内に比べ冷却器１６内の方が早く減圧される。これらのことから、チャンバ３１内の気圧変動を実施したときに、冷却器１６の出入口に装着されたカプラ３６ａ，３６ｂが外れたり、損傷したりすることを確実に防止することができる。その結果、はんだ付けを行っているときに、冷却器１６内に残留した異物がチャンバ３１内に飛散することがないので、基板１２に対して半導体素子１１を良好にはんだ付けすることができる。
【００３３】
以上、詳細に説明したように本実施の形態に係るはんだ付け方法によれば、冷却器１６の出入口に対し、真空ポンプ３３に接続された冷却器内排気配管３４に取り付けられたカプラ３６ａ，３６ｂを装着した状態で、チャンバ３１内をチャンバ内排気配管３２を介して真空ポンプ３３により減圧する。このため、チャンバ３１内の排気とほぼ同時に冷却器１６内も排気されるので、チャンバ３１内を減圧しても、チャンバ３１内と冷却器１６内とで気圧の差がほとんど発生しない。また、チャンバ３１の容積よりも冷却器１６の容積の方が小さいので、チャンバ３１内に比べ冷却器１６内の方が早く減圧される。これらのことから、冷却器１６の出入口に装着したカプラ３６ａ，３６ｂが外れたり損傷したりすることを確実に防止することができる。従って、冷却器１６内の異物がチャンバ３１内に飛散することを確実に防止することができるため、絶縁基板付き冷却器１０の基板１２に対して半導体素子１１を良好にはんだ付けすることができる。
【００３４】
なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。例えば、上記した実施の形態では、チャンバ３１内を減圧して真空状態としているだけであるが、チャンバ３１内に水素などの雰囲気ガスを充填してもよい。
【００３５】
また、上記した実施の形態では、冷却器１６内の排気をチャンバ３１内の排気を行う真空ポンプ３１を利用して行っているが、もちろん、冷却器１６内の排気を行うための真空ポンプを別に設けることもできる。この場合には、冷却器内排気用の真空ポンプをチャンバ内排気用の真空ポンプと同時に作動させる、あるいは冷却器内排気用の真空ポンプをチャンバ内排気用の真空ポンプよりも若干早めに作動させるようにすればよい。
【符号の説明】
【００３６】
１０    絶縁基板付き冷却器
１１    半導体素子
１２    基板
１３    セラミック絶縁基板
１４    高純度アルミ
１５    高純度アルミ
１６    冷却器
１７    応力緩和部材
１８    二分割ケース
１９    フィン部材
３０    はんだ付け装置
３１    チャンバ
３２    チャンバ内排気配管
３３    真空ポンプ
３４    冷却器内排気配管
３５    ヒータ
４０    はんだ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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