(57)【要約】      （修正有）【課題】空孔が残存することが少ない金属球を含む半田シート製造方法を提供する。【解決手段】金属球Ｂを含む半田シート製造方法であって、半田を主体とする第１シートＳ１と第２シートＳ２との間に半田よりも高融点の金属球を配置する配置工程と、前記配置工程の後に第１シート及び第２シートを減圧雰囲気下で圧着する圧着工程とを含む、半田シート製造方法である。圧着工程において第１シートと第２シートが圧着される前に第１シート及び／又は第２シートの圧着面の酸化物を除去する酸化物除去工程を含むことが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属球を含む半田シート製造方法であって、半田を主体とする第１シートと第２シートとの間に半田よりも高融点の金属球を配置する配置工程と、前記配置工程の後に第１シート及び第２シートを減圧雰囲気下で圧着する圧着工程とを含む、半田シート製造方法。
【請求項２】
前記圧着工程において第１シートと第２シートが圧着される前に第１シート及び／又は第２シートの圧着面の酸化物を除去する酸化物除去工程を含む請求項１に記載の半田シート製造方法。
【請求項３】
前記圧着工程において、前記金属球を挟んだ第１シートと第２シートとからなる組合体を複数体同時に圧着する請求項１又は２のいずれかに記載の半田シート製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半田シート製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、パワーデバイスであるＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）が組み込まれた半導体モジュール（いわゆるパワーモジュール）が近年ハイブリッドカーや電車などの大電流制御用電子部品として注目されている。パワーモジュールの一例の概略構成図を図５に示す。パワーモジュール９０は、例えば窒化珪素や窒化アルミニウムなどからなる絶縁基板９２の一方面に設けられた回路用金属基板９３と、他方面に設けられた放熱用金属基板９４と、第1の半田層９５を介して回路用金属基板９３と接合された半導体素子９１と、第２の半田層９６を介して放熱用金属基板９４と接合された銅などからなるベース基板９７とから構成されている。なお、以下本発明について、パワーモジュールを例にして背景技術及びその課題を説明するが、本発明の適用対象はこれに限定されることはなく、例えばパワーモジュール以外の電子部品を表面実装によって回路基板に接続する場合やセラミックス基板同士を接合する場合に利用される半田シートも本発明の対象に含まれる。
【０００３】
ここで、特に大電流制御に使用されるパワーモジュール９０では、絶縁基板９２とベース基板９７との素材の違いに起因する熱膨脹係数の相違及び半導体素子の起動・停止により生じる熱サイクルにより第２の半田層９６には熱応力が作用し、その結果第２の半田層９６に熱疲労クラックが生じる場合がある。この熱疲労クラックは、ベース基板９７に固定されたヒートシンク等を通じて半導体素子９１で生じた熱を放熱する際に、熱伝達を阻害する要因となるため、熱疲労クラックの発生を緩和する必要がある。そして、この要請に対応するため、放熱用金属基板９４とベース基板９７との間隔、即ちスタンドオフ高さを接続部分全体において一定に保つことが重要な課題として挙げられており、その対策が検討されている。
【０００４】
その対策の一例として図３に示すように内部に半田よりも融点の高い金属球Ｂが分散した半田シートＳを用いて放熱用金属基板９４とベース基板９７とを接合することで、これらの間に金属球Ｂを介在させて第２の半田層９６の厚みを確保し、スタンドオフ高さを一定とする技術が提案されている。そして、そのような半田シートＳの製造方法の一例が、特許文献１に開示されている。すなわち、特許文献１には、半田を主体とした第１シートＳ１及び第２シートＳ２の間に半田よりも融点の高い金属球Ｂを配列する配列工程と、配列工程の後に第１シートＳ１及び第２シートＳ２を圧着する圧着工程を含む半田シートＳの製造方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１７８９０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、二枚のシートＳ１・Ｓ２の間に金属球を分散し、大気中で単に圧着するだけでは、図４に示すように、圧着時に空気を巻き込むことにより第１シートＳ１の圧着面Ｓ１１と第２シートＳ２の圧着面Ｓ２１の境界や半田シートＳと金属球Ｂの境界に空孔ｇが生成される恐れがある。この空孔ｇは、図５のパワーモジュール９０を製造するため、半田シートＳを溶融させ凝固させて第２の半田層９６を形成した後も消滅することなく第２の半田層９６の内に残存する。この第２の半田層９６の空孔ｇは、第２の半田層９６の熱伝導の均一性を阻害し熱応力をより拡大する原因となるばかりか、上記説明した熱応力サイクルが作用したとき熱疲労クラックの起点となる可能性がある。
【０００７】
本発明は、上記従来技術における事情を考慮してなされたもので、空孔が残存することが少ない金属球を含む半田シート製造方法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】
【０００８】
上記目的を達成する本発明の半田シート製造方法は、金属球を含む半田シート製造方法であって、半田を主体とする第１シートと第２シートとの間に半田よりも高融点の金属球を配置する配置工程と、前記配置工程の後に第１シート及び第２シートを減圧雰囲気下で圧着する圧着工程とを含む、半田シート製造方法である。
【０００９】
かかる半田シート製造方法によれば、配置工程において金属球は第１シートと第２シートの間に配置される。そして圧着工程では、金属球が配置された状態で第１シートと第２シートは圧着される。ここで、第１シートと第２シートが圧着される雰囲気には空気が存在せず、圧着工程において第１シートと第２シートの間やそれらと金属球との間に空気が巻き込まれることが回避される。その結果、内部に空孔がほとんど無い金属球を含む半田シートを得ることができる。
【００１０】
なお、上記した空気の巻き込み以外の要因として、第１シート又は第２シートの圧着面の凹凸に起因して圧着後の半田シートの接合境界面や半田シートと金属球との境界面に空孔が形成される場合もある。しかしながら、上記減圧雰囲気で圧着され形成された半田シートに内在する空孔は減圧雰囲気となる。その結果、半田シートを溶融して半田層を形成する工程において、溶融により軟化した半田シートの中の空孔は周囲の大気圧により押圧され消滅する。
【００１１】
更に、圧着工程において第１シートと第２シートが圧着される前に第１シート及び／又は第２シートの圧着面の酸化物を除去する酸化物除去工程を含むことが好ましい。第１シートと第２シートの圧着時に第１シートと第２シートの圧着面に酸化物が存在すると、その酸化物により第１シートと第２シートとの密着性が妨げられるからである。この酸化物除去工程における酸化物除去方法を例示すると、例えば各シートの圧着面にプラズマや紫外線を照射して除去したり、ショットブラストや研磨などで機械的に除去したり、還元雰囲気である一酸化炭素や水素雰囲気中において化学的に除去する方法などを適用することができる。なお、酸化物除去工程は、少なくとも第１シートと第２シートの圧着面が圧着工程において密着する前に実施されればよく、例えば圧着工程に先立って単独に酸化物除去工程を行ってもよいが、圧着工程の最中に実施しても構わない。
【００１２】
更に加えて、工業生産上効率的に半田シートを製造するためには、圧着工程において、金属球を挟んだ第１シートと第２シートとからなる組合体を複数体同時に圧着することが好ましい。なお、この場合、形成された複数の半田シートの圧着後の分離性を向上するためには、半田シートが密着し難い離型プレートを各組合体相互間に介在させておくことが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
上記説明のように本発明によれば、空孔が残存することが少ない金属球を含む半田シート製造方法を提供するという目的を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明を実施するための圧着装置の概略構成を示す正面図である
【図２】配列工程で金属球が配置された状態を示す斜視図である。
【図３】金属球を含む半田シートの構成を示す斜視図である。
【図４】従来技術の問題を説明する図である。
【図５】パワーモジュールの構成を示す正面図である。
【図６】酸化物除去手段を含む圧着装置の概略構成を示す正面図である。
【図７】圧着工程に供される前の複数の組合体の姿を示す正面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１の実施形態について、図１及び２を参照しつつ説明する。ここで、図１は本発明を実施するための圧着装置の概略構成を示す正面図、図２は配列工程で金属球が配置された状態を示す図である。なお、本実施形態で製造される半田シートは、図３を参照して説明したものと同一であり、縦横の長さが３０ｍｍ程度で７５〜１００μｍの厚みを有するＳｎ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ａｇ、Ａｌ等を含む半田を主体とし圧着面Ｓ１１と圧着面Ｓ２１で圧着された第１シートＳ１と第２シートＳ２と、圧着された第１シートＳ１と第２シートＳ２の中に埋め込まれた半田よりも高融点の例えばＮｉやＣｕなどからなる直径１５０μｍの金属球Ｂとで構成されている。なお、スタンドオフを一定に保つという観点から、金属球Ｂの直径は半田シートＳの厚みとほぼ同程度のものを用いることが望ましい。また、本実施形態では第１シートＳ１と第２シートＳ２の厚みを同じにしているが、その厚みが異なっていてもよく、例えば第１シートＳ１の厚みを７５μｍ、第２シートＳ２の厚みを１００μｍとしてもよい。
【００１６】
まず、図１を参照して第１態様の製造方法における圧着工程を実施する圧着装置について説明する。なお、配列工程の実施は、例えば作業者が手作業で金属球を一個ずつ配列してもよいし、金属球の配列パターンに対応し金属球が挿通可能な貫通孔が形成されたマスクを使用して配列装置で機械的に配列するようにしてもよく、本発明の目的に反しない範囲で周知の技術を用いることができる。
【００１７】
図１に示す圧着装置１０において、符号１２はベースである。符号１３はベース１２の上面に配置された矩形平板状のテーブルであり、テーブル１３には、圧着面Ｓ２１を上方に向け第２シートＳ２が水平な姿勢で載置される。このテーブル１３には、第２シートＳ２が載置後に移動しないよう例えば真空吸着機構等のシート固定手段を設けておくことが望ましい。さらに、圧着工程において金属球を半田シートＳへ確実に埋め込むため、各シートＳ１・Ｓ２を軟化させるための加熱手段を設けておいても良い。
【００１８】
図１において符号１１は、下部に矩形平板状の金型１４を有する圧下部である。圧下部１１は、不図示の油圧シリンダー及び上下方向にのみ圧下部１１を案内する不図示の案内部に接続されており、油圧シリンダーで駆動されて図１（ａ）に示す初期位置である上昇端から同図（ｂ）に示す終端位置である下降端まで一定のストロークだけ下降し、第２シートＳ２の圧着面Ｓ２１へ第１シートＳ１の圧着面Ｓ１１を圧着させるとともに、各シートＳ１・Ｓ２の中に金属球Ｂを圧入して埋め込む。なお、テーブル１３及び金型１４の各シートＳ１・Ｓ２と接触する表面には、形成された半田シートの離型性を向上するための処理がなされていることが好ましい。
【００１９】
図１において符号１５は、ベース１２と圧下部１１とに接続され、これらで区画される空間を気密室１６にするとともに、圧下部１１の移動ともない上下方向に伸縮する蛇腹状の可撓部材であり、符号１７は、この可撓部材１５で形成された気密室１６に配管を介して接続され、気密室１６の中の大気を排気して減圧雰囲気とする真空ポンプである。なお、可撓部材１５を用いることなく、例えば上記説明した圧着装置の構成要素を気密室の中に組み込んで、圧着工程における減圧雰囲気を形成するようにしてもよい。
【００２０】
上記圧着装置を使用した第１態様の製造方法について、以下図１・２を参照して説明する。まず、配列工程である。図２に示すように、準備した第２シートＳ２の圧着面Ｓ２１に金属球Ｂを所望のパターンで配列する。そして、第２シートＳ２の圧着面Ｓ２１と圧着面Ｓ１１が相対するよう水平方向に位置決めし、配列された金属球Ｂを間に挟んで第１シートＳ１を第２シートＳ２の上に置く。
【００２１】
次に圧着工程である。金属球Ｂを挟んだシートＳ１・Ｓ２を、図１（ａ）に示すように、圧着装置１０のテーブル１３に載置し、その後気密室１６を密閉する。続いて、圧着装置１０を作動させると、圧着装置１０は真空ポンプ１７を作動させ、大気を排気して気密室１６を減圧雰囲気とする。なお、このときの気密室１６の圧力は、１００Ｐａａｂｓ以下とすることが望ましい。
【００２２】
次いで、圧着装置１０は、油圧シリンダーを作動させて図１（ａ）に示す上昇端に位置する圧下部１１を好ましくは３５ｔｏｎ以上の荷重Ｆが加わるよう下降させる。そして、圧下部１１の下降動作において、金型１４は、金属球Ｂが間に挟まれた第１シートＳ１と第２シートＳ２を圧下する。すると、図１（ｂ）に示す下降端に達したとき各シートＳ１・Ｓ２は圧着面Ｓ１１・Ｓ２１において所定の荷重で圧着される。また、各シートＳ１・Ｓ２の間に挟まれた金属球Ｂは金型１４の圧下により各シートＳ１・Ｓ２に埋め込まれる。ここで、圧下部１１の下降動作に応じて可撓部材１５は縮長するので気密室１６の気密は保持され、その減圧雰囲気は維持される。したがって、圧着工程において、第１シートＳ１の圧着面Ｓ１１と第２シートＳ２のＳ２１の間や、第１シートＳ１及び第２シートＳ２と金属球Ｂとの間に空気が巻き込まれることが少なく、形成された半田シートの中に空孔が生じることが回避される。圧下部１１が下降端に達することで荷重が一定の値に到達した後、圧着装置１０は、油圧シリンダーを作動させて圧下部１１を上昇端まで復帰させ、その後気密室１６の気密を解除する。以上の工程により、空孔が残存することが少ない金属球を含む図３に示す半田シートを得ることができる。
【００２３】
なお、上記の実施形態においては、単板の第１シート及び第２シートを用いて金属球を含む半田シートを製造する場合に配列工程と圧着工程とをバッチ処理で行う例に基づき本発明を説明したが、例えば特許文献１に記載されているように、帯状の第１シート及び第２シートに金属球を配列し、引き続いて連続的に圧延ロールで圧着する連続処理の場合であっても圧着工程を減圧雰囲気とすれば本発明を適用することは可能である。
【００２４】
〔第２実施形態〕
本発明の第２の実施形態について図６を参照しつつ説明する。以下説明する第２態様の製造方法は、酸化物除去工程を有する点で第１態様と相違し、図６は、その酸化物除去工程を実施する酸化物除去手段２０を含む圧着装置３０の概略構成を正面図で示している。なお、図６において、上記第１態様の圧着装置と同一の構成要素については同一符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００２５】
図６に示すように、第２態様の製造方法を実施する圧着装置３０は、上記第１態様の構成要素に加え、圧着面Ｓ１１を下方に向け水平な姿勢で第１シートＳ１を吸着する金型３４と、酸化物除去手段２０とを有している。まず金型３４について説明すると、この金型３４には、圧着面Ｓ１１を下方に向けた水平な姿勢で第１シートＳ１を吸着するため例えば不図示の静電気力発生部が組み込まれており、その静電気力発生部の生じる静電気力で第１シートＳ１を吸着する。なお、第１シートＳ１の吸着手段としては、例えば真空ポンプに接続された小径の吸着孔を金型３４の下面に開口するよう多数形成しておき、その吸着孔により第１シートＳ１を真空吸着するよう構成してもよい。また、粘着性のある粘着部材を金型３４の下面に設け、その粘着部材で第１シートＳ１を吸着保持するようにしてもよい。
【００２６】
次に、酸化物除去手段２０について説明する。第２態様の圧着装置３０における酸化物除去手段はプラズマ発生装置であり、金型３４が通過可能な穴部２３を有する略円環状のプラズマ発生部２２と、プラズマ発生部２２を駆動制御するコントローラ２１とで構成されている。そして、圧着装置３０の気密室１６に内蔵されたプラズマ発生部２２は、テーブル１３に載置された第２シートＳ２と金型３４に吸着された第１シートＳ１の各々の圧着面Ｓ１１・Ｓ２１を包含するように配置されており、発生したプラズマが上記圧着面Ｓ１１・Ｓ２１に照射されるよう構成されている。なお、本態様の酸化物除去手段２０は圧着装置３０に組み込んだ形態としているが、圧着工程とは別体の装置としてもよい。
【００２７】
上記圧着装置３０による第２態様の製造方法について説明する。上記第１態様の配列工程と同様にして金属球Ｂを第２シートＳ２に配列する。次に、図６に示すように、金属球Ｂが配列された第２シートＳ２をその圧着面Ｓ２１を上方に向け水平な姿勢でテーブル１３に載置し更に圧着面Ｓ２１を下方に向け水平な姿勢で第１シートＳ１静電気力で金型３４に吸着させる。このとき、第１シートＳ１と第２シートＳ２の各々の圧着面Ｓ１１・圧着面Ｓ２１は所定の距離だけ離間して相対する状態となっている。
【００２８】
続いて圧着装置３０を作動させると、圧着装置３０は、酸化物除去工程を実施するため気密室１６を所定の真空度に到達するまで減圧する。引き続いて、圧着装置３０は、酸化物除去手段２０で発生したプラズマを各シートＳ１・Ｓ２の圧着面Ｓ１１・Ｓ２１に照射してその表面に生じている酸化膜を除去する。酸化物除去工程が終了した後、圧着装置３０は気密室１６の減圧雰囲気を保持したまま、図６（ｂ）に示すように上記第１態様と同様の圧着工程を行う。その圧着工程において、下降した金型３４はプラズマ発生部２２の穴部２３の中を通過し、その下面に吸着した第１シートＳ１を第２シートＳ２に圧着し、金属球Ｂを含む半田シートＳを形成する。
【００２９】
なお、本態様では、上記酸化物除去工程において酸化物を除去する手段として用いたプラズマ照射に代えて、紫外線照射を使用することができる。また、酸化物除去工程と圧着工程とは明確に分離して行う必要は必ずしもなく、圧着工程が行われている過程、すなわち圧着工程において第１シートＳ１が下方に移動している最中に酸化物除去工程を行ってもよい。
【００３０】
上記第１態様及び第２態様の製造方法では、金属球を挟んだ第１シートと第２シートの一組（以下これらを組み立てたもの一組を組合体と言う。）を圧着して１枚の半田シートを形成する場合を例に説明したが、複数体の組合体を同時に圧着できるようにすれば、効率的に半田シートを製造でき工業生産上有利であるので、以下その例について図７を参照して説明する。図７は、圧着工程に供される前において積層された複数の組合体の姿を示す正面断面図である。なお、複数の組合体により半田シートを製造する製造装置及び製造方法は基本的には上記第１態様のものと同一であるので詳細な説明は省略する。
【００３１】
図７に示すように、複数の組合体Ｋを同時に圧着する場合には、鉛直方向に積層された姿で組合体Ｋは圧着工程に供されるが、圧着後の半田シートを損傷することなく分離できるよう組合体Ｋの相互間には半田シートとの分離性に優れた離型プレート４０が挟まれており、組合体Ｋどうしを分離している。なお、半田シートの分離性を高める離型プレート４０に代えて、例えば組合体Ｋの相互間に離型剤を塗布してもよいし、第１シートＳ１又は第２シートＳ２の圧着面と反対側の表面に分離性に富む層を形成しておいてもよい。
【００３２】
上記複数の組合体Ｋを用いた半田シート製造方法について説明する。まず、配列工程を行い、複数の組合体Ｋを準備する。次いで、積層工程である。積層工程では、準備した組合体Ｋを所望の数だけ離型プレート４０を挟みながら順次積層する。続けて、積層された姿の複数の組合体Ｋを上記第１態様の圧着工程と同様に圧着装置を使用して圧着すると、積層された姿で複数の半田シートが形成される。その後、離型プレート４０から剥がし、半田シートを分離する。なお、図７では３体の組合体Ｋを積層しているが、各シートの圧着面に均一な荷重Ｆを負荷することができれば、組合体Ｋの積層数は問わない。
【符号の説明】
【００３３】
１０（３０）  圧着装置
１１          圧下部
１２          ベース
１３          テーブル
１４          金型
１５          可撓部材
１６          気密室
１７          真空ポンプ
２０          酸化物除去手段
２１          プラズマ発生部
４０          離型プレート
Ｓ            半田シート
Ｓ１          第１シート
Ｓ２          第２シート
Ｂ            金属球
【図１】
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【図２】
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【図３】
2010179314.tif 000005
【図４】
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【図５】
2010179314.tif 000007
【図６】
2010179314.tif 000008
【図７】
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