(57)【要約】【課題】容易かつ確実に基材の下面に半導体素子を半田付けすることができる半田付け装置を提供する。【解決手段】ロバーバル機構２０は、第１の棒材２２と第２の棒材２３が上下に離間した状態で基台２１を支点として棒材２２と棒材２３の両端が上下動可能に支持され、棒材２２の一端および棒材２３の一端に第３の棒材２４が上下に延びる状態で回動可能に連結され、棒材２２の他端および棒材２３の他端に第４の棒材２５が上下に延びる状態で回動可能に連結されている。棒材２５に重り３０が設けられ、棒材２４には半導体素子８５を載置して重り３０による重力に対するモーメントにより半導体素子８５をヒートシンク６０の下面６０ｂ側に向かって付勢する皿５０が設けられている。ヒートシンク６０の下面６０ｂ側に半田９２を挟んで半導体素子８５を押し付け、この状態で半田を溶融させることにより半導体素子８５をヒートシンク６０側に半田付けする。【選択図】図１
2010272770.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材の下面に半田を挟んで半導体素子を押し付け、この状態で前記半田を溶融させることにより前記半導体素子を半田付けする半田付け装置であって、
第１の棒材と第２の棒材が上下に離間した状態で基台を支点として前記第１の棒材と前記第２の棒材の両端が上下動可能に支持されるとともに前記第１の棒材の一端および前記第２の棒材の一端に第３の棒材が上下に延びる状態で回動可能に連結され、前記第１の棒材の他端および前記第２の棒材の他端の少なくとも一方に第４の棒材が上下に延びる状態で回動可能に連結されたロバーバル機構と、
前記ロバーバル機構の前記第４の棒材に設けられた重りと、
前記ロバーバル機構の前記第３の棒材に設けられ、前記半導体素子を載置して前記重りによる重力に対するモーメントにより前記半導体素子を前記基材の下面に向かって付勢する素子載置台と、
を備えたことを特徴とする半田付け装置。
【請求項２】
前記重りは、前記第４の棒材の上端に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の半田付け装置。
【請求項３】
前記素子載置台は、前記第３の棒材の上端に設置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半田付け装置。
【請求項４】
前記重りは、前記第４の棒材の下端に設置されていることを特徴とする請求項１または３に記載の半田付け装置。
【請求項５】
前記素子載置台は、前記第３の棒材の下端に設置されていることを特徴とする請求項１，２，４のいずれか１項に記載の半田付け装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半田付け装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１等においてプリント基板の下面に半導体素子を半田付けする技術が開示されている。
この基板等の下面において半導体素子を半田付けするために以下のような手法が採られている。
【０００３】
図８（ａ）に示すように、基板１００の上面１００ａのみならず基板１００の下面１００ｂにも半導体素子を半田付けすべく、図８（ｂ）に示すように、基板１００の下面１００ｂに対し半導体素子１０１をクリーム半田１０２等で基板１００側に仮固定する。その後に本加熱を行い基板１００の裏面（下面１００ｂ）に半田付けする。
【０００４】
あるいは、図９（ａ）に示すように、治具１１０の凹部１１１に半導体素子１０１と半田１０３を載せ、さらに、図９（ｂ）に示すように、基板１００の下面１００ｂに治具１１０の上面を当接させる。この状態で加熱することにより半田１０３を溶融させて表面張力によって基板１００の電極（パッド）Ｐと接触させて半田付けする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６２−２１９５９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、図８（ａ），（ｂ）で示した仮固定方法ではフラックス等の仮止めを行なうための薬品を使用する必要があり、半田付け時にボイドの発生を招くとともに半田付け後の洗浄工程を追加する必要がある。
【０００７】
また、図９（ａ），（ｂ）で示した治具１１０の凹部１１１に半導体素子１０１と半田１０３を載せるやり方においては、治具１１０、半導体素子１０１、半田１０３の形状の個体差（寸法誤差）があり、半田未接合、半田はみ出し等が発生してしまい、うまく半田付けすることができない場合がある。
【０００８】
本発明は、このような背景の下になされたものであり、その目的は、容易かつ確実に基材の下面に半導体素子を半田付けすることができる半田付け装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に記載の発明では、基材の下面に半田を挟んで半導体素子を押し付け、この状態で前記半田を溶融させることにより前記半導体素子を半田付けする半田付け装置であって、第１の棒材と第２の棒材が上下に離間した状態で基台を支点として前記第１の棒材と前記第２の棒材の両端が上下動可能に支持されるとともに前記第１の棒材の一端および前記第２の棒材の一端に第３の棒材が上下に延びる状態で回動可能に連結され、前記第１の棒材の他端および前記第２の棒材の他端の少なくとも一方に第４の棒材が上下に延びる状態で回動可能に連結されたロバーバル機構と、前記ロバーバル機構の前記第４の棒材に設けられた重りと、前記ロバーバル機構の前記第３の棒材に設けられ、前記半導体素子を載置して前記重りによる重力に対するモーメントにより前記半導体素子を前記基材の下面に向かって付勢する素子載置台と、を備えたことを要旨とする。
【００１０】
請求項１に記載の発明によれば、ロバーバル機構の第４の棒材には重りが設けられ、ロバーバル機構の第３の棒材には素子載置台が設けられ、素子載置台に半導体素子を載置して重りによる重力に対するモーメントにより半導体素子が基材の下面に向かって付勢される。
【００１１】
このとき、基材の下面に対し垂直方向において半田を挟んで半導体素子を一定の力で押さえることができる。
そして、この状態、即ち、基材の下面に半田を挟んで半導体素子を押し付けた状態において、半田が溶融されて半導体素子が基材に半田付けされる。
【００１２】
このようにして、仮止めを行なうための薬品を使用することなく、また凹部を有する治具を使用することなく、容易かつ確実に基材の下面に半導体素子を半田付けすることができることとなる。
【００１３】
請求項２に記載のように、請求項１に記載の半田付け装置において、前記重りは、前記第４の棒材の上端に設置されていてもよい。
また、請求項３に記載のように、請求項１または２に記載の半田付け装置において、前記素子載置台は、前記第３の棒材の上端に設置されていてもよい。
【００１４】
また、請求項４に記載のように、請求項１または３に記載の半田付け装置において、前記重りは、前記第４の棒材の下端に設置されていてもよい。
また、請求項５に記載のように、請求項１，２，４のいずれか１項に記載の半田付け装置において、前記素子載置台は、前記第３の棒材の下端に設置されていてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、容易かつ確実に基材の下面に半導体素子を半田付けすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態における半田付け装置の構成図。
【図２】本実施形態における半田付け装置の構成図。
【図３】パワーモジュールの構成図。
【図４】別例の半田付け装置の構成図。
【図５】別例の半田付け装置の構成図。
【図６】別例の半田付け装置の構成図。
【図７】比較のための半田付け装置の構成図。
【図８】（ａ），（ｂ）は背景技術を説明するための半田付け方法の説明図。
【図９】（ａ），（ｂ）は背景技術を説明するための半田付け方法の説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１には、本実施形態における半田付け装置１０を示す。図２には、半田付け装置１０の分解図を示す。半田付け装置１０を用いて、図３に示すパワーモジュールＭｐの構成部品を半田付けすることができる。
【００１８】
図３において、パワーモジュールＭｐは、車両に搭載されて使用される。特に、ハイブリッド車における走行モータ駆動用のインバータを構成するパワーモジュールに適用している。このインバータは複数の半導体スイッチング素子を具備し、これら半導体スイッチング素子で上アームおよび下アームを構成している。具体的には、半導体スイッチング素子として縦型素子であるＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴが用いられる。
【００１９】
図３に示すように、パワーモジュールＭｐは、ヒートシンク６０の上面６０ａに絶縁基板７０を介してインバータの上アームを構成するパワーデバイスである半導体素子７５が搭載されている。また、ヒートシンク６０の下面６０ｂに絶縁基板８０を介してインバータの下アームを構成するパワーデバイスである半導体素子８５が搭載されている。
【００２０】
ヒートシンク６０はアルミニウムより構成されている。ヒートシンク６０は複数の冷却水通路６１が並列状に設けられた扁平中空状をなし、通路６１に冷却水が流れる。冷却水通路６１は、図示しない入口部及び出口部を備え、入口部及び出口部は、車両に装備された冷却水循環路に連結可能に形成されている。ヒートシンク６０の冷却能力は、半導体素子７５，８５が定常発熱状態（通常状態）にある場合、半導体素子７５，８５で発生した熱が絶縁基板７０，８０を介してヒートシンク６０に伝導されて円滑に除去されるように設定されている。
【００２１】
絶縁基板７０は、絶縁性の基板であるセラミック基板７１の両面に金属層７２，７３を形成してなる。詳しくは、セラミック基板７１の一方の面（上面）である半導体素子搭載面に第１の金属層（金属回路層）７２が形成されているとともに、セラミック基板７１の他方の面（下面）に第２の金属層７３が形成されている。同様に、絶縁基板８０は、絶縁性の基板であるセラミック基板８１の両面に金属層８２，８３を形成してなる。詳しくは、セラミック基板８１の一方の面（下面）である半導体素子搭載面に第１の金属層（金属回路層）８２が形成されているとともに、セラミック基板８１の他方の面（上面）に第２の金属層８３が形成されている。
【００２２】
セラミック基板７１，８１は、例えば、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化ケイ素等により形成されている。また、金属層７２，７３，８２，８３はアルミニウムよりなる。
絶縁基板７０はヒートシンク６０の上面６０ａにロウ付けされている。また、絶縁基板８０はヒートシンク６０の下面６０ｂにロウ付けされている。絶縁基板７０の上面に半導体素子（チップ）７５が半田付けされている。また、絶縁基板８０の下面に半導体素子（チップ）８５が半田付けされている。
【００２３】
半導体素子７５の上面にはヒートマス７６が半田付けされている。また、半導体素子８５の下面にはヒートマス８６が半田付けされている。ヒートマス７６，８６は、熱的に結合した半導体素子７５，８５の温度がヒートマス７６，８６の温度より上昇したときに半導体素子７５，８５の熱を受けるべく所定の熱容量を有する。ヒートマス７６，８６は、半導体素子７５，８５で発生した熱を一時的に吸収して、その後、放出する。ヒートマス７６，８６の熱容量は、過負荷等によって半導体素子７５，８５から定常発熱状態より大きな熱が発生して、ヒートシンク６０による冷却機能が足りなくなった際、半導体素子７５，８５で発生した熱の一部を一時的に吸収して半導体素子７５，８５が過熱状態になることを抑制するのに必要な値に設定されている。例えば、ハイブリッド車の走行用モータの制御に使用されるインバータの場合、定常運転状態から急な加速あるいは急停止の場合、１秒未満の短時間で半導体素子７５，８５からの発熱で定格の３〜５倍もの損失熱量が発生する。この実施形態においては、その際に、半導体素子７５，８５の温度が動作温度の上限を超えないように設定される。なお、急停止の場合に過大な損失熱量が発生するのは、回生動作が行われるために大きな電流が流れるからである。
【００２４】
本実施形態では、上下両面に絶縁基板７０，８０をロウ付けしたヒートシンク６０が、半導体素子が半田付けされる基材であり、図１，２に示す半田付け装置１０により、その下面に半田９２を挟んで半導体素子８５を押し付け、この状態で半田９２を溶融させることにより半導体素子８５を基材（具体的には、絶縁基板８０）に半田付けすることができるようになっている。また同時に、半田９３を挟んでヒートマス８６を押し付けた状態で半田９３を溶融してヒートマス８６を半導体素子８５に半田付けすることができるようになっている。
【００２５】
半田付け装置１０は、ロバーバル機構２０と、重り３０と、重り載置台としての皿４０と、素子載置台としての皿５０を備えている。
ロバーバル機構２０は、基台２１と第１の棒材（アーム）２２と第２の棒材（アーム）２３と第３の棒材（ステー）２４と第４の棒材（ステー）２５を具備している。各棒材２２，２３，２４，２５は直線的に延びている。
【００２６】
第１の棒材２２と第２の棒材２３が上下に離間した状態で基台２１を支点として第１の棒材２２と第２の棒材２３の両端が上下動可能に支持されている。また、第１の棒材２２の一端（図１，２での左端部）および第２の棒材２３の一端（図１，２での左端部）に第３の棒材２４が上下に延びる状態で回動可能に連結されている。さらに、第１の棒材２２の他端（図１，２での右端部）および第２の棒材２３の他端（図１，２での右端部）に第４の棒材２５が上下に延びる状態で回動可能に連結されている。
【００２７】
図１に示すように棒材２２，２３，２４，２５により平行四辺形が形成されている。そして、棒材２２，２３の中央部が基台２１を支点として揺動可能に支持されている。これにより、棒材２２，２３の一端部（棒材２４）と棒材２２，２３の他端部（棒材２５）が上下動しても平行四辺形が保持される。
【００２８】
ロバーバル機構２０の第４の棒材２５の上端には重り載置台としての皿（上皿）４０が固定されている。この皿４０には重り３０が配置される。その結果、第４の棒材２５に重り３０が設けられることになる。また、ロバーバル機構２０の第３の棒材２４の上端には素子載置台としての皿（上皿）５０が設けられている。皿５０にはヒートマス８６や半導体素子８５が載置される。そして、皿５０が重り３０による重力Ｆ１に対するモーメント（力Ｆ２）によりヒートマス８６や半導体素子８５を基材の下面（具体的には、絶縁基板８０）に向かって付勢する。
【００２９】
次に、このように構成した半田付け装置１０の作用（半田付け工程）について説明する。
まず、図２に示すように、ヒートシンク６０の上面６０ａに絶縁基板７０を、下面６０ｂに絶縁基板８０を、それぞれロウ付けしたものを用意する。これが、半導体素子が半田付けされる基材となり、これを図示しない治具等によりヒートシンク６０の下面（絶縁基板８０の下面）を水平状態にした状態で固定する。
【００３０】
さらに、半導体素子７５とヒートマス７６と板半田（板状の半田）９０，９１を用意し、ヒートシンク６０の上面６０ａ側の絶縁基板７０の上に板半田９０、半導体素子７５、板半田９１、ヒートマス７６の順に重ねて配置する。
【００３１】
一方、半導体素子８５とヒートマス８６と板半田（板状の半田）９２，９３を用意し、半田付け装置１０におけるロバーバル機構２０の皿（素子載置台）５０にヒートマス８６、板半田９３、半導体素子８５、板半田９２の順に重ねて配置する。さらに、半田付け装置１０におけるロバーバル機構２０の皿４０に所定の重量の重り３０を載置する。これによって、図１に示すように、皿（素子載置台）５０にヒートマス８６、半導体素子８５、板半田９２，９３を載置して重り３０による重力Ｆ１に対するモーメント（力Ｆ２）によりヒートマス８６、半導体素子８５、板半田９２，９３がヒートシンク６０の下面６０ｂ側に向かって付勢される。
【００３２】
このとき、ヒートシンク６０の下面６０ｂ側に対し垂直方向において板半田９２を挟んで半導体素子８５を一定の力Ｆ２で押さえることができる。同様に、ヒートシンク６０の下面６０ｂ側に対し垂直方向において板半田９３を挟んでヒートマス８６を一定の力Ｆ２で押さえることができる。
【００３３】
そして、この状態、即ち、基材の下面（具体的には、絶縁基板８０）に半田９２を挟んで半導体素子８５を押し付けるとともに板半田９３を挟んでヒートマス８６を押し付けた状態において、半田９２，９３が溶融されて半導体素子８５が絶縁基板８０に半田付けされるとともにヒートマス８６が半導体素子８５に半田付けされる。
【００３４】
このように、ヒートシンク６０の裏面（下面６０ｂ）側において半田付けを行う際に、ロバーバル機構２０と重り（重力）３０を用いて、垂直に常に同じ力で押さえることができる。即ち、半導体素子８５と板半田９２を裏側（下側６０ａ）から垂直に適切な力で押さえることができ、これにより半田のはみ出しを防止できる。
【００３５】
ヒートシンク６０の下面６０ｂ側において半田９２，９３を溶融して半導体素子８５およびヒートマス８６を半田付けすると同時に、ヒートシンク６０の上面６０ａ側において半田９０を溶融して半導体素子７５が絶縁基板７０に半田付けされるとともに半田９１を溶融してヒートマス７６が半田付けされる。
【００３６】
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）ロバーバル機構２０を用いて重り３０による重力に対するモーメントにより半導体素子８５をヒートシンク６０の下面６０ｂ側に向かって付勢する構成としたので、ヒートシンク６０の下面（裏面）６０ｂ側の半導体素子８５と板半田９２，９３とヒートマス８６を常に垂直に（一定方向に）押さえることができる。その結果、容易かつ確実に基材の下面に半導体素子８５を半田付けすることができる。
【００３７】
より詳しくは、図８（ａ），（ｂ）で示した仮固定方法に比べてフラックス等の仮止めを行なうための薬品を用いることなく（フラックスレスでも）裏面半田付けすることができる。
【００３８】
また、図９（ａ），（ｂ）で示した治具１１０の凹部１１１に半導体素子１０１と半田１０３を載せるやり方に比べて（定寸法治具と比較して）、凹部１１１を有する治具１１０を使用しておらず、部品、治具の寸法公差による不成立を回避することができる。具体的には、図９では治具１１０の寸法や半導体素子１０１の厚さのバラツキの影響を受けるが、本実施形態では常に一定方向に一定の力で押さえることができる。
【００３９】
さらに、図７に示すようなシーソー板Ｓの中央を支点にして揺動する構成としシーソー板Ｓの右側に力Ｆ１０を付与してそのモーメント（力Ｆ２０）により押さえる場合には、重力方向とは反対方向に対し力Ｆ２０で示すように押さえる方向（押さえ面）の傾きが発生する。これに対し本実施形態ではロバーバル機構２０を用いており、重力方向とは反対方向に押さえ力を付与して溶融した半田がはみ出すことを防止することができる。
【００４０】
さらには、バネで押さえる方式やネジの調整で押さえる機構の場合には半田付け時の熱により押さえ力が変化してしまうが、本実施形態では重力を利用した機構のため半田付け時の熱による押さえ力（Ｆ２）の変化が小さい。即ち、重力を利用しているため熱による押さえ力の変動が小さく、半田付け時の熱の影響が小さい。また、バネ方式やボルト方式では半田が溶融して液体になったときに力が抜けてしまうが、本実施形態では半田が溶融して液体になったときにも一定の力で押さえることができる。
【００４１】
さらに、図７の場合にはモーメントの問題、即ち、力点が異なると（例えば支点からの距離がＬ１とＬ２で異なると）押さえ力Ｆ２０が変化してしまうが、ロバーバル機構２０ではモーメントの問題が発生せず、力点の変化による押さえ力の変化もない。つまり、ヒートマス８６（半導体素子８５）、重り３０共に、皿４０，５０の上にあればよく、力点の位置による押さえ力の変動がない。
【００４２】
（２）重り３０は、第４の棒材２５の上端に設置されているので、安定した動作が可能である。
（３）素子載置台としての皿５０は、第３の棒材２４の上端に設置されているので、安定した動作が可能である。
【００４３】
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
・図１に代わり、図４に示すように、重り３０は、第４の棒材２５の下端に設置されていてもよい。つまり、押さえ側における棒材２２，２３，２４による平行四辺形が維持され、重り側において棒材２３は無くしており、重り３０は棒材２５に垂下支持されている。要は、第１の棒材２２および第２の棒材２３の他端の少なくとも一方に第４の棒材２５が上下に延びる状態で回動可能に連結されていればよい。
【００４４】
・図１に代わり、図５に示すように、素子載置台としての皿５０は第３の棒材２４の下端に設置されていてもよい。図５において皿５０の周りに皿５０の水平方向への移動を規制するガイド部材９５，９６が設けられており、これにより、皿５０を確実に上下方向のみ移動させることができる構成となっている。また、図示しなかったが、ヒートマス８６の周りにヒートマス８６の水平方向への移動を規制するガイド部材を配置してもよい。
【００４５】
・図１ではヒートシンク６０の上面６０ａ側と下面６０ｂ側に半導体素子７５，８５を半田付けする場合について説明したが、これに代わり、図６に示すように、ヒートシンク６０の下面６０ｂ側のみに半導体素子８５を半田付けする場合に用いてもよい。
【００４６】
・半導体素子８５にヒートマス８６を半田付けした構造について説明してきたが、ヒートマスを設けない場合に適用してもよい。
・ヒートシンク６０と絶縁基板８０（７０）はロウ付けであったが、ヒートシンク６０と絶縁基板８０（７０）は半田付けとし、半導体素子８５の半田付けに加えてヒートシンク６０に絶縁基板８０（７０）を同時に半田付けするようにしてもよい。
【００４７】
・ヒートシンク６０の下面６０ｂ側に半導体素子８５を半田付けする場合に限らず、他にも、例えば、プリント基板の裏面（下面）に半導体素子を半田付けする場合に用いてもよい。この場合、プリント基板が、半導体素子が半田付けされる基材となる。
【符号の説明】
【００４８】
１０…半田付け装置、２０…ロバーバル機構、２１…基台、２２…第１の棒材、２３…第２の棒材、２４…第３の棒材、２５…第４の棒材、３０…重り、４０…皿、５０…皿、６０…ヒートシンク、７０…絶縁基板、８０…絶縁基板、８５…半導体素子、８６…ヒートマス、９２…板半田、９３…板半田。
【図１】
2010272770.tif 000003
【図２】
2010272770.tif 000004
【図３】
2010272770.tif 000005
【図４】
2010272770.tif 000006
【図５】
2010272770.tif 000007
【図６】
2010272770.tif 000008
【図７】
2010272770.tif 000009
【図８】
2010272770.tif 000010
【図９】
2010272770.tif 000011