(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面にパターン化した銅回路を有する絶縁基板を金属基板上に設け、この絶縁基板の銅回路上に半田層を介して電力用半導体チップ、出力端子等の大型部品と、小型電子部品とを搭載してなる電力用半導体モジュールの製造方法において、
上記小型電子部品用の開口部と、上記大型部品用の第１開口部とを設けた第１のメタルマスクの上記小型部品用の開口部を用いて、上記銅回路上に上記小型電子部品を半田付けするに要する厚さの半田層を、形成し、
上記第１のメタルマスクの上記大型部品用の第１開口部と同じ大きさの上記大型部品用の第２開口部を有する第２のメタルマスクを、上記第１のメタルマスク上に上記大型部品用の第１及び第２開口部同士が符合し、かつ上記小型電子部品用の開口部上に非接触に搭載し、第１及び第２の開口部を用いて、上記銅回路上に上記大型部品を半田付けするに要する厚さの半田層を、形成した
電力用半導体モジュールの製造方法。
【請求項２】
上記第１のメタルマスクの上記第１開口部の表面周囲に浅い係合溝部が形成され、この係合溝部に第２のメタルマスクが搭載されている請求項１に記載の電力用半導体モジュールの製造方法。
【請求項３】
少なくとも１層の上記第２のメタルマスクを上記第１のメタルマスク上に搭載する請求項１に記載の電力用半導体モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
この発明は、電力用半導体チップと小型の電子部品が混載される電力用半導体モジュールの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
モータ制御装置、溶接機、通信用電源、充電器、表面処理用電源等の電源装置にあっては、これら装置の小型化をはかるために、ＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴ、パワートランジスタ、サイリスタ、ダイオード等の電力用半導体チップと、チップ部品等の小型の電子部品を混載した電力用半導体モジュールを電源装置として用いている。
【０００３】
このような電力用半導体モジュールについて、その主要構成を図１を参照して説明すると、図１において、２は鉄、銅あるいはアルミニウムなどを用いた金属基板である。この金属基板２上には表面にパターン化された銅回路６ａ、６ｂを形成したアルミナ、窒化アルミニウムなどの絶縁基板４が設けられている。そして、絶縁基板４の上記銅回路６ａ上には、電力用半導体チップ８が半田層１０ａによって半田付けされている。また、銅回路６ａ、６ｂ上には小型電子部品１２のリード部１２ａ、１２ｂが半田層１０ｃ、１０ｄによって半田付けされている。さらに、銅回路６ｂ上には出力端子１４が半田層１０ｂによって半田付けされている。
【０００４】
このような構成の電力用半導体モジュールは、図５のようなメタルマスク３６を用いることで得ることができる。このメタルマスク３６は、例えばステンレス製であって、その所要個所に開口部３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄが設けられており、図１に示す主要構成の電力用半導体モジュールを得る際に、これらの開口部にクリーム半田を塗布することで半田層を形成するものである。
【０００５】
即ち、絶縁基板４表面にパターン化された銅回路６ａ、６ｂ上に電力用半導体チップ８、小型電子部品１２、出力端子１４等を半田付けするに当たって、まず図６（ａ）のように絶縁基板４の銅回路６ａ、６ｂ上に図５のメタルマスク３６を置き、このメタルマスク３６の３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄのそれぞれの開口部内にクリーム半田を塗布充填する。その後、メタルマスク３６を外すと図６（ｂ）のように銅回路６ａ、６ｂ上に１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの半田層が形成される。以後は、図１のように半田層１０ａ上に電力用半導体チップ８を、半田層１０ｂ上には出力端子１４を、また半田層１０ｃ、１０ｄ上には小型電子部品１２のリード部１２ａ、１２ｂをそれぞれ搭載したのち、赤外線加熱あるいはレーザ加熱等のリフロー炉による加熱を行って、それぞれの半田層を溶かし、銅回路６ａ、６ｂ上に電力用半導体チップ８、小型電子部品１２、出力端子１４等の半田付けを行うのである。これらの半田付けによって図１のような電力用半導体モジュールの主要構造が得られたのちは、図示省略したが、金属基板２の端縁部に樹脂ケースをシリコーンゴム等によって貼り付け、この樹脂ケース内に半導体チップ８や小型電子部品１２を保護するためにエポキシ樹脂やシリコーン樹脂等の封止剤を注入することで電力用半導体モジュールが得られるのである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記図１に示す主要構造の電力用半導体モジュールから明らかなように、電力用半導体チップ８および出力端子１４が銅回路６ａ、６ｂ上に半田付けされる場合、その半田付け面積が大きいので、銅回路６ａ、６ｂとの半田付けは確実に行うことができるが、これらに比べて半田付け面積が小さい小型電子部品１２のリード部１２ａ、１２ｂの銅回路６ａ、６ｂへの半田付けにおいては、半田の量が多すぎると、半田付け時に小型電子部品１２のリード部１２ａ、１２ｂ外に半田が食みだしてしまって、銅回路６ａ、６ｂ間を短絡する恐れがある。
【０００７】
このため、上記した図５のメタルマスク３６においては、小型電子部品１２のリード部１２ａ、１２ｂを銅回路６ａ、６ｂへ半田付けする場合の半田層１０ｃ、１０ｄの半田量を少量とするべく、半田層１０ｃ、１０ｄを形成する開口部３６ｃ、３６ｄはエッチングによって浅い溝状として形成されている。
【０００８】
しかしながら、通常メタルマスクとしては、０．４ｍｍ程度の厚さのステンレス鋼板が用いられており、このステンレス鋼板をエッチングする場合、板厚の半分、即ち０．２ｍｍ程度が限度であり、これ以上深くエッチングすることは不可能である。然して、０．４ｍｍ程度の厚さのステンレス鋼板をメタルマスクとして使用した場合に、半田層１０ｃ、１０ｄを形成する開口部３６ｃ、３６ｄを０．２ｍｍ程度の浅い溝状に形成しても、半田層１０ｃ、１０ｄの半田量が多すぎる場合があり、半田付け時に小型電子部品１２のリード部１２ａ、１２ｂ外に半田が食みだしてしまって、銅回路６ａ、６ｂ間を短絡するという問題がある。
【０００９】
この発明は、電力用半導体モジュール製造時の銅回路上への搭載部品の半田付け工程について検討し、上記した半田量に起因する短絡の問題を解決したものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項１に記載の電力用半導体モジュールの製造方法は、表面にパターン化した銅回路を有する絶縁基板を金属基板上に設け、この絶縁基板の銅回路上に半田層を介して電力用半導体チップ、出力端子等の大型部品と、小型電子部品とを搭載してなる電力用半導体モジュールの製造方法において、上記小型電子部品用の開口部と、上記大型部品用の第１開口部とを設けた第１のメタルマスクの上記小型部品用の開口部を用いて、上記銅回路上に上記小型電子部品を半田付けするに要する厚さの半田層を、形成し、上記第１のメタルマスクの上記大型部品用の第１開口部と同じ大きさの上記大型部品用の第２開口部を有する第２のメタルマスクを、上記第１のメタルマスク上に上記大型部品用の第１及び第２開口部同士が符合し、かつ上記小型電子部品用の開口部上に非接触に搭載し、第１及び第２の開口部を用いて、上記銅回路上に上記大型部品を半田付けするに要する厚さの半田層を、形成したものである。
【００１１】
請求項１に記載の発明によれば、絶縁基板の表面に有するパターン化した銅回路上に電力用半導体チップおよび出力端子等の大型部品と、小型電子部品とを半田付けにて搭載する際に、銅回路上にそれぞれを半田付けするに要する適正量の半田層を、夫々の半田層形成に相当する開口部を設けた第１および第２のメタルマスクを用いることによって形成することができるのであり、特に小型電子部品の場合の半田層を第１のメタルマスクに設けた開口部のみで形成することで、小型電子部品のリード部の半田付け時に必要とする半田量とすることができ、小型電子部品のリード部による半田付けを確実に行うことができるのであり、リード部外への半田の食みだし、それによる銅回路間の短絡を防止することができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の発明において、上記第１のメタルマスクの上記第１開口部の表面周囲に浅い係合溝部が形成され、この係合溝部に第２のメタルマスクが搭載されているものである。請求項３に記載の発明は、請求項１記載の発明において、少なくとも１層の上記第２のメタルマスクを上記第１のメタルマスク上に搭載するものである。
【００１３】
上記した請求項２に記載の発明によれば、第１のメタルマスクの第１開口部と符合する第２開口部を有する第２のメタルマスクが搭載される第１のメタルマスクの表面周囲に浅い係合溝部を形成したことで、該係合溝部に第２のメタルマスクを滑らせて重ねるだけで、第１のメタルマスク上への第２のメタルマスクの搭載を簡単に、かつ的確に行うことができるので、電力用半導体チップ及び出力端子等の大型部品を簡単に所定位置にセットすることができる。また、請求項３に記載の発明によれば、電力用半導体モジュールにおいて、小型電子部品に比べて形状の大きい電力用半導体チップや出力端子の半田付けにおいて、第１のメタルマスク上に第１及び第２開口部同士が符合する第２のメタルマスクを１層以上重ね合わせることで、半田層の厚さ調整が可能となり、半田付けを適切に行うことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明について詳細に説明する。なお、この発明に係る電力用半導体モジュールの主要構成は、上記した図１と同様であるので、その説明は省略する。また、以下に示す図において、図１と同部位には同符号を用いた。
【００１５】
図２は、この発明で図１と同じ主要構成の電力用半導体モジュールを得るに当たって銅回路６ａ、６ｂ上に小型電子部品１２や電力用半導体チップ８などを半田付けするための所要の半田層を形成するに用いるメタルマスク２０である。このメタルマスク２０は、第１メタルマスク２２と第２メタルマスク２４、２６から構成される。第１メタルマスク２２は、図１における小型電子部品１２のリード部１２ａ、１２ｂを銅回路６ａ、６ｂ上に半田付けするに必要な半田層１０ｃ、１０ｄを与える板厚であって、そのための開口部２２ｃ、２２ｄが設けられている。このほかに電力用半導体チップ８を半田付けするための半田層１０ａを形成する開口部２２ａと、出力端子１４を半田付けするための半田層１０ｂを形成する開口部２２ｂが形成されている。
【００１６】
第２メタルマスク２４は第１メタルマスク２２における開口部２２ａと同じ大きさの開口部２４ａを有している。また、第２メタルマスク２６は第１メタルマスク２２における開口部２２ｂと同じ大きさの開口部２６ａを有している。そして、第２メタルマスク２４は、その開口部２４ａが第１メタルマスク２２の開口部２２ａに一致するように第１メタルマスク２２上に載置され、第２メタルマスク２６は、その開口部２６ａが第１メタルマスク２２の開口部２２ｂに一致するようにして第１メタルマスク２２上に載置される。
【００１７】
上記のようにメタルマスク２０は、第１メタルマスク２２と第２メタルマスク２４、２６をそれぞれ重ね合わせたときに開口部２２ａと２４ａ、２２ｂと２６ａによって電力用半導体チップ８および出力端子１４を半田付けするために必要な半田層１０ａ、１０ｂが形成される。従って、第２メタルマスク２４、２６の厚さは、電力用半導体チップ８および出力端子１４を半田付けするために必要な半田層１０ａ、１０ｂの厚みから第１メタルマスク２２の板厚を減じたものとすればよい。
【００１８】
上記したメタルマスク２０による半田層形成の実施形態を説明すると、絶縁基板４表面にパターン化された銅回路６ａ、６ｂ上に電力用半導体チップ８、小型電子部品１２、出力端子１４等を半田付けするに当たって、まず図３（ａ）のように絶縁基板４の銅回路６ａ、６ｂ上に図２のメタルマスク２０を構成する第１メタルマスク２２を置く。次いで、第１メタルマスク２２の開口部２２ａに開口部２４ａが一致するように第１メタルマスク２２上に第２メタルマスク２４を置く。また、第１メタルマスク２２の開口部２２ｂに開口部２６ａが一致するように第１メタルマスク２２上に第２メタルマスク２６を置く。その後、このメタルマスク２０の２２ａと２４ａ、２２ｂと２６ａ、２２ｃ、２２ｄのそれぞれの開口部内にクリーム半田を塗布充填する。その後、メタルマスク２０を外すと図３（ｂ）のように銅回路６ａ、６ｂ上に１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの半田層が形成される。
【００１９】
以後は、図１のように半田層１０ａ上に電力用半導体チップ８を、半田層１０ｂ上には出力端子１４を、また半田層１０ｃ、１０ｄ上には小型電子部品１２のリード部１２ａ、１２ｂをそれぞれ搭載したのち、赤外線加熱あるいはレーザ加熱等のリフロー炉による加熱を行って、それぞれの半田層を溶かし、銅回路６ａ、６ｂ上に電力用半導体チップ８、小型電子部品１２、出力端子１４等の半田付けを行うのである。これらの半田付けによって図１のような電力用半導体モジュールの主要構造が得られたのちは、図示省略したが、金属基板２の端縁部に樹脂ケースをシリコーンゴム等によって貼り付け、この樹脂ケース内に半導体チップ８や小型電子部品１２を保護するためにエポキシ樹脂やシリコーン樹脂等の封止剤を注入することで電力用半導体モジュールが得られるのである。
【００２０】
図４は、この発明で用いるメタルマスクの他の実施形態を示すものである。
このメタルマスク２０′は上記で説明した図２のメタルマスク２０とその構成はほぼ同一であり、異なるのは第１メタルマスク２２の第２メタルマスク２４および２６が搭載される部分、即ち第１メタルマスク２２の開口部２２ａ、２２ｂの表面周囲にそれぞれ浅い係合溝部２２ｅ、２２ｆを形成したことである。この係合溝部２２ｅ、２２ｆを形成したことで、該係合溝部に第２メタルマスク２４、２６を滑らせて重ねるだけで、第１メタルマスク上への第２メタルマスクの搭載を簡単に、かつ的確に行うことができ、電力用半導体チップおよび出力端子を簡単に所定位置にセットすることができる。
【００２１】
上記した図２および図４のメタルマスクにおいては、第１メタルマスク２２上に第２メタルマスク２４、２６をそれぞれ１層搭載した実施形態を示したが、これは１層に限られるものではなく、２層以上重ね合わせることで、半田層の厚さの調整が可能となり、半田付けを適切に行うことができる。
また、第２メタルマスク２４、２６は、これらを１つの大きなメタルマスクとすることもできる。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の電力用半導体モジュールは、銅回路上に小型電子部品と、電力用半導体チップおよび出力端子等の大型部品とを半田付けするに当たって、銅回路上に小型電子部品を半田付けするに要する厚さの半田層を、所要の開口部を設けた第１のメタルマスクを用いて形成するようにし、同じく上記銅回路上に電力用半導体チップおよび出力端子のような大型部品を半田付けするに要する厚さの半田層を、上記第１のメタルマスクに設けた開口部と同じ開口部を有し、上記第１のメタルマスク上に開口部同士が符合するように重ね合わせた第２のメタルマスクとを用いて形成するようにしたものであり、小型電子部品、電力半導体チップおよび出力端子等のそれぞれを半田付けするに要する量の半田層を上記第１のメタルマスクおよび第２のメタルマスクの板厚によって調整することができるので、食みだした半田層によって銅回路間を短絡する恐れもなく、性能のよい電力用半導体モジュールを得ることができるのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】電力用半導体モジュールの主要構成を示す説明図である。
【図２】この発明で半田層形成に用いるメタルマスクの構成の一例を示す説明図である。
【図３】図２のメタルマスクによる半田層形成の実施態様を示す説明図である。
【図４】この発明で半田層形成に用いるメタルマスクの構成の他の例を示す説明図である。
【図５】従来のメタルマスクの構成を示す説明図である。
【図６】図５のメタルマスクによる半田層形成の実施態様を示す説明図である。
【符号の説明】
２  金属基板
４  絶縁基板
６ａ、６ｂ  銅回路
８  電力用半導体チップ
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ  半田層
１２  小型電子部品
１２ａ、１２ｂ  小型電子部品のリード部
１４  出力端子
２０  メタルマスク
２２  第１メタルマスク
２２ａ、２２ｂ、２０ｃ、２０ｄ  開口部
２２ｅ、２２ｆ  係合溝部
２４、２６  第２メタルマスク
２４ａ、２６ａ  開口部
【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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【図６】
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