(57)【要約】【課題】  両面冷却タイプの半導体モジュールの厚さのばらつきを抑制できる技術を提供する。【解決手段】  はんだ付治具４０は、裏面側導電板１４内面に半導体素子１１の裏面側電極が接続固定されている組部材の表面側電極１８に表面側導電板１２の内面をリフローはんだ付けするためのものである。そのはんだ付治具４０は、下治具４２と、上治具４６と、規制手段と、当接機構を備えている。下治具４２は、裏面側と表面側のうちの一方の導電板を、その外面が下方を向いた状態で支持する。上治具４６は、表面側導電板１２の内面と組部材の表面側電極１８との間にリフローはんだ付け用のはんだ材６６が介装された状態で、裏面側１４と表面側１２の他方の導電板の外面上に載置する。規制手段は、はんだ材が溶融して上治具が降下するときの降下限界を規制する。当接機構は、前記他方の導電板の外面を上治具に当接させる。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
裏面側導電板の内面に半導体素子の裏面側電極が接続固定されている組部材の表面側電極に表面側導電板の内面をリフローはんだ付けするための冶具であり、
裏面側と表面側のうちの一方の導電板を、その外面が下方を向いた状態で支持する下治具と、
表面側導電板の内面と組部材の表面側電極との間にリフローはんだ付け用のはんだ材が介装された状態で、裏面側と表面側のうちの他方の導電板の外面上に載置する上治具と、
はんだ材が溶融して上治具が降下するときの降下限界を規制する規制手段と、
前記他方の導電板の外面を上治具に当接させる当接機構と、
を備えていることを特徴とするはんだ付治具。
【請求項２】
当接機構は、一対の移動部材と、その一対の移動部材に互いに接近する力を加える付勢手段を有しており、各々の移動部材の内側には外側に向って上昇するとともに前記他方の導電板を支持する第１傾斜面が形成されており、各々の移動部材が下治具上を水平方向に移動可能であることを特徴とする請求項１のはんだ付治具。
【請求項３】
当接機構は、一対の移動部材と、その一対の移動部材に互いに接近する力を加える付勢手段を有しており、各々の移動部材の内側には外側に向って上昇するとともに前記他方の導電板を支持する第１傾斜面が形成されており、各々の移動部材が下治具上を水平方向に移動可能であり、
その当接機構が一対の移動部材を介して前記他方の導電板に加える上向きの力が、前記他方の導電板に下向きに作用する力よりも大きく、上治具を降下限界から上昇させるには足りない関係に調整されていることを特徴とする請求項１のはんだ付治具。
【請求項４】
付勢手段は、一対の移動部材のそれぞれに当接する錘であり、
移動部材と錘の少なくとも一方の当接部位には、外側に向って降下する第２傾斜面が形成されていることを特徴とする請求項２又は３のはんだ付治具。
【請求項５】
裏面側導電板の内面に半導体素子の裏面側電極が接続固定されている組部材の表面側電極に表面側導電板の内面をリフローはんだ付けする方法であり、
組部材の表面側電極と表面側導電板の内面との間にリフローはんだ付け用のはんだ材を介装するとともに、裏面側導電板と表面側導電板に接近方向の力を作用させた状態で、はんだ材を溶融する第１工程と、
はんだ材が溶融して裏面側導電板と表面側導電板が接近したときに、裏面側導電板の外面と表面側導電板の外面との間を所定距離に維持する第２工程と、
裏面側導電板の外面と表面側導電板の外面との間を所定距離に維持した状態で、はんだ材を凝固する第３工程と、
を備えていることを特徴とするはんだ付方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体モジュールにおいて、半導体素子に導電板をはんだ付けする技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図９に示す半導体モジュール１０が知られている。半導体モジュール１０は、半導体素子１１と、表面側導電板１２と、裏面側導電板１４と、封止樹脂１６を備えている。半導体素子１１は、表面側電極１８と裏面側電極１９を有している。半導体素子１１の表面側電極１８と表面側導電板１２は、はんだ層１７によってはんだ付けされている。半導体素子１１の裏面側電極１９と裏面側導電板１４は、はんだ層２０によってはんだ付けされている。表面側導電板１２には、導電経路としてのバスバー２１が設けられている。裏面側導電板１４にも、バスバー２３が設けられている。封止樹脂１６は、表面側導電板１２と裏面側導電板１４との間の空間と、表面側導電板１２と裏面側導電板１４の外周部を封止している。バスバー２１、２３は、封止樹脂１６から突き出している。半導体素子１１は、通電されると発熱する。表面側導電板１２と裏面側導電板１４は、半導体素子１１が発生する熱の伝熱経路としても機能する。このような半導体モジュール１０は、両面冷却タイプとも呼ばれる。
図１０に示すように、半導体モジュール１０を、冷却器２５に挟み込まれた状態で積層することが行われている。冷却器２５は、その内部を冷却液が通過しているとともに、半導体モジュール１０の表面側導電板１２と裏面側導電板１４に密着している。半導体素子１１は、表面側導電板１２と裏面側導電板１４を介して、冷却器２５を通過する冷却液によって冷却される。半導体モジュール１０のバスバー２１、２３の端部は、基板２６に形成されているスルーホールに差し込まれた状態で、基板２６にはんだ付けされている。
【０００３】
特許文献１には、半導体モジュール１０の表面側導電板１２と裏面側導電板１４との間の寸法を設定する技術が開示されている。具体的には、半導体素子１１の裏面側電極１９と裏面側導電板１４をはんだ層２０によってはんだ付けする。次に、半導体素子１１の表面側電極１８の上にはんだ材を載せ、さらにはんだ材の上に表面側導電板１２を載せる。その状態で、表面側導電板１２と裏面側導電板１４との間にスペーサ治具を装着する。リフロー装置を用いてはんだ材を溶融させると、表面側導電板１２が重力によって降下する。表面側導電板１２は、降下するとその下面がスペーサ治具の上面に当接する。従って、表面側導電板１２と裏面側導電板１４との間の寸法が、所定の値に設定される。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１１００６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示されている技術によれば、表面側導電板１２と裏面側導電板１４との間の寸法を所定値に設定することができる。しかしながら、この技術では、表面側導電板１２と裏面側導電板１４の厚さがばらついた場合、半導体モジュール１０の厚さもばらつく。半導体モジュール１０の厚さがばらつくと、それらを積層した場合に、不都合な事象が生じてしまう。例えば、半導体モジュールの厚さがばらついていると、積層された各半導体モジュールの厚さ方向の位置関係は、バスバー２１、２３が基板２６のスルーホールにはんだ付けされることによって規制されるので、表面側導電板１２と裏面側導電板１４が冷却器２５に密着しないことがある。表面側導電板１２と裏面側導電板１４が冷却器２５に密着しないと、半導体素子１１を冷却することができない。
【０００６】
本発明は、その問題を解決するためになされたものであり、両面冷却タイプの半導体モジュールの厚さのばらつきを抑制できる技術を提供すること課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明が提供するはんだ付治具は、裏面側導電板の内面に半導体素子の裏面側電極が接続固定されている組部材の表面側電極に表面側導電板の内面をリフローはんだ付けするためのものである。そのはんだ付治具は、下治具と、上治具と、規制手段と、当接機構を備えている。下治具は、裏面側と表面側のうちの一方の導電板を、その外面が下方を向いた状態で支持する。上治具は、表面側導電板の内面と組部材の表面側電極との間にリフローはんだ付け用のはんだ材が介装された状態で、裏面側と表面側のうちの他方の導電板の外面上に載置する。規制手段は、はんだ材が溶融して上治具が降下するときの降下限界を規制する。当接機構は、前記他方の導電板の外面を上治具に当接させる。
このはんだ付治具の下治具は、裏面側と表面側のうちの一方の導電板を、その外面が下方を向いた状態で支持する。規制手段は、はんだ材が溶融して上治具が降下するときの降下限界を規制する。当接機構は、他方の導電板の外面を上治具に当接させる。よって、裏面側導電板の外面と表面側導電板の外面との距離を、所定の値に設定することができる。このため、裏面側導電板と表面側導電板の厚さがばらついても、厚さのばらつきが抑制された半導体モジュールを実現できる。
なお、裏面側電極、表面側電極、裏面側導電板、表面側導電板の「表面／裏面」は、相対的な位置関係を意味しており、半導体素子や半導体モジュールの表面／裏面と必ずしも一致しない。また、導電板の「外面」とは、その内面の反対側の面を意味する。
【０００８】
上記のはんだ付治具において、当接機構は、一対の移動部材と、その一対の移動部材に互いに接近する力を加える付勢手段を有しており、各々の移動部材の内側には外側に向って上昇するとともに前記他方の導電板を支持する第１傾斜面が形成されており、各々の移動部材が下治具上を水平方向に移動可能であることが好ましい。
このはんだ付治具は、当接機構が有する一対の移動手段と、付勢手段を利用することによって、他方の導電板の外面を上治具に当接させる。
【０００９】
上記のはんだ付治具において、当接機構が一対の移動部材を介して前記他方の導電板に加える上向きの力が、前記他方の導電板に下向きに作用する力よりも大きく、上治具を降下限界から上昇させるには足りない関係に調整されていることが好ましい。
当接機構が一対の移動部材を介して前記他方の導電板に加える上向きの力がこのように調整されていると、上治具が降下限界に規制された状態で、他方の導電板の外面が上治具に当接する。
【００１０】
上記のはんだ付治具において、付勢手段は、一対の移動部材のそれぞれに当接する錘であり、移動部材と錘の少なくとも一方の当接部位には、外側に向って降下する第２傾斜面が形成されていることが好ましい。
このように構成されていると、一対の移動部材のそれぞれに第２傾斜面を介して錘の重量が伝わることによって、一対の移動部材に互いに接近する力が加わる。
【００１１】
本発明が提供するはんだ付方法は、裏面側導電板の内面に半導体素子の裏面側電極が接続固定されている組部材の表面側電極に表面側導電板の内面をリフローはんだ付けする。そのはんだ付け方法は、第１工程と、第２工程と、第３工程を備えている。第１工程は、半導体素子の表面側電極と表面側導電板の内面との間にリフローはんだ付け用のはんだ材を介装するとともに、裏面側導電板と表面側導電板に接近方向の力を作用させた状態で、はんだ材を溶融する。第２工程は、はんだ材が溶融して裏面側導電板と表面側導電板が接近したときに、裏面側導電板の外面と表面側導電板の外面との間を所定距離に維持する。第３工程は、裏面側導電板の外面と表面側導電板の外面との間を所定距離に維持した状態で、はんだ材を凝固する。
裏面側導電板の外面と表面側導電板の外面との間を所定距離に維持した状態ではんだ材を凝固すると、裏面側導電板と表面側導電板の厚さがばらついても、半導体モジュールの厚さのばらつきが抑制される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明が提供する技術によれば、裏面側導電板と表面側導電板の厚さがばらついても、半導体モジュールの厚さのばらつきを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の他の１つの実施形態を例示する。
（形態１）
裏面側導電板の内面と半導体素子の裏面側電極、並びに表面側電極の内面と半導体素子の表面側電極をリフローはんだ付けするための冶具であり、
裏面側と表面側のうちの一方の導電板を、その外面が下方を向いた状態で支持する下治具と、
裏面側導電板の内面と半導体素子の裏面側電極の間にリフローはんだ付け用の第１はんだ材が介装され、表面側導電板の内面と半導体素子の表面側電極の間にリフローはんだ付け用の第２はんだ材が介装された状態で、裏面側と表面側のうちの他方の導電板の外面上に載置する上治具と、
第１はんだ材と第２はんだ材が溶融して上治具が降下するときの降下限界を規制する規制手段と、
前記他方の導電板の外面を上治具に当接させる当接機構と、
を備えていることを特徴とするはんだ付治具。
【実施例】
【００１４】
本発明のはんだ付治具に係る一実施例について、図面を参照しながら説明する。はんだ付治具は、図９に示す半導体モジュール１０の半導体素子１１に設けられている表面側電極１８と、表面側導電板１２をはんだ付けする。
図１に示すように、はんだ付治具４０は、下治具４２、第１スライド駒（移動部材）４３、第２スライド駒４４、上治具４６、第１錘４７、第２錘４８を備えている。図２に示すように、下治具４２は、上部が開放された略箱状に形成されている。下治具４２の外周部分には、枠部４９が形成されている。下治具４２の中央部分には、方形状の凹部５０が設けられている。凹部５０の周りには、枠部５１が形成されている。
第１スライド駒４３と第２スライド駒４４は、枠部５１を挟むようにして、下治具４２の底面５２に載置されている。図１に良く示すように、第１スライド駒４３には、外側傾斜面５３と内側傾斜面５４が形成されている。第２スライド駒４４にも、外側傾斜面５５と内側傾斜面５６が形成されている。
【００１５】
図３に示すように、上治具４６は、略平板状に形成されている。上治具４６には、板厚方向に貫通する第１貫通孔６０と第２貫通孔６１が形成されている。第１貫通孔６０と第２貫通孔１は、矩形状の平面形を有している。図１に示すように、上治具４６は、その下面５７が下治具４２の枠部４９の上面５８と当接する。下治具４２には、枠部４９の上面５８から上方に突出した４本のピン６２が設けられている。上治具４６の下面５７には、下治具４２のピン６２が入り込むピン孔６５が形成されている。
第１錘４７と第２錘４８は、同様の形状を有している。図４に示すように、錘４７、４８には、傾斜面６３と、水平方向に僅かに突出した掛止部６４が形成されている。図１に示すように、第１錘４７と第２錘４８は、それぞれ上治具４６の第１貫通孔６０と第２貫通孔６１に挿通されている。第１錘４７の傾斜面６３は、第１スライド駒４３の外側傾斜面５３と当接する。第２錘４８の傾斜面６３は、第２スライド駒４４の外側傾斜面５５と当接する。第１錘４７が第１スライド駒４３と当接し、第２錘４８が第２スライド駒４４と当接している状態では、第１スライド駒４３と第２スライド駒４４は、下治具４２の枠部５１に当接する。
図１に示されている状態から上治具４６を持ち上げると、第１錘４７と第２錘４８の掛止部６４が上治具４６の上面４５に掛止する。このため、上治具４６から第１錘４７と第２錘４８が落下してしまうのが防止されている。
【００１６】
はんだ付治具４０ではんだ付けを行う前に、図５に示すように、半導体素子１１の裏面側電極１９と裏面側導電板１４を、はんだ付けする。具体的には、半導体素子１１の裏面側電極１９と裏面側導電板１４との間にはんだ材を介装した状態で、それらをリフロー装置で加熱する。リフロー装置で加熱すると、はんだ材が溶融する。リフロー装置による加熱を終了すると、はんだ材が凝固してはんだ層２０を形成することによって、半導体素子１１と裏面側導電板１４がはんだ付けされる。なお、図５では、裏面側導電板１４に設けられているバスバー２３（図９参照）が紙面直角方向を向いている状態での断面図である。従って、バスバー２３は図示されていない。
半導体素子１１と裏面側導電板１４をはんだ付けしてから、図６に示すように、はんだ付治具４０の下治具４２の凹部５０に裏面側導電板１４をセットする。そして、半導体素子１１の表面側電極１８の上にはんだ材６６を載せた状態で、さらにその上に表面側導電板１２を載せる。そして、第１貫通孔６０に第１錘４７が挿通されているとともに、第２貫通孔６１に第２錘４８が挿通されている上治具４６を、はんだ材６６に載せる。そのときには、下治具４２のピン６２を上治具４６のピン孔６５に入り込ませる。ピン６２がピン孔６５に入り込むことによって、下治具４２と上治具４６が位置決めされる。はんだ材６６の厚さは、裏面側導電板１４や、はんだ層２０や、半導体素子１１や、表面側導電板１２の厚さがばらついても、上治具４６の下面５７と、下治具４２の枠部４９の上面５８との間に隙間が生じる寸法に調整されている。
【００１７】
上治具４６をはんだ材６６に載せると、第１錘４７の傾斜面６３と第１スライド駒４３の外側傾斜面５３が当接する。同様に、第２錘４８の傾斜面６３と第２スライド駒４４の外側傾斜面５５が当接する。第１錘４７の傾斜面６３と第１スライド駒４３の外側傾斜面５３が当接すると、第１スライド駒４３は内方側にスライドする。第２錘４８の傾斜面６３と第２スライド駒４４の外側傾斜面５５が当接すると、第２スライド駒４４も内方側にスライドする。第１スライド駒４３が内方側にスライドすると、その内側傾斜面５４が表面側導電板１２の下面の一方側端部７０に当接する。第２スライド駒４４が内方側にスライドすると、その内側傾斜面５６が表面側導電板１２の下面の他方側端部７１に当接する。第１スライド駒４３の内側傾斜面５４が表面側導電板１２の一方側端部７０に当接するとともに、第２スライド駒４４の内側傾斜面５６が表面側導電板１２の他方側端部７１に当接すると、表面側導電板１２に上向きの力が作用する。表面側導電板１２に作用する上向きの力は、第１錘４７と第２錘４８の重量と、傾斜面５３、５４、５５、５６、６３の傾斜角度を調整することによって、表面側導電板１２を上方に移動させない（持ち上げない）大きさに設定されている。言い換えると、表面側導電板１２に作用する上向きの力は、表面側導電板１２と上治具４６のトータル重量よりも小さい。また、表面側導電板１２に作用する上向きの力は、表面側導電板１２の重量よりも大きく設定されている。
【００１８】
続いて、はんだ付治具４０にセットされた状態の表面側導電板１２とはんだ材６６と半導体素子１１とはんだ層２０と裏面側導電板１４を、リフロー装置で加熱する。はんだ材６６の溶融温度は、はんだ層２０の溶融温度よりも低く調整されている。リフロー装置の加熱温度は、はんだ材６６が溶融し、はんだ層２０が溶融しない値に設定する。上述したように、第１スライド駒４３と第２スライド駒４４によって表面側導電板１２に作用する上向きの力は、表面側導電板１２と上治具４６のトータル重量よりも小さい。このため、はんだ材６６が溶融すると、表面側導電板１２と上治具４６が降下する。すると、表面側導電板１２に当接している第１スライド駒４３と第２スライド駒４４が、当接している状態を維持しながら外方に移動する。
図７に示すように、上治具４６が降下すると、その下面５７が下治具４２の枠部４９の上面５８と当接する。既に説明したように、表面側導電板１２に作用する上向きの力は、表面側導電板１２の重量よりも大きい。従って、上治具４６が降下した状態で、上治具４６の下面５７と表面側導電板１２の外面２２が当接する。
上治具４６が下治具４２と当接した状態では、上治具４６の下面５７と下治具４２の凹部５０の底面５９との距離は、半導体モジュール１０の厚さの正規寸法（所望の厚さ）と精度良く一致している。従って、上治具４６の下面５７と表面側導電板１２の外面２２が当接した状態で、表面側導電板１２の外面２２と裏面側導電板１４の外面２４との距離は、半導体モジュール１０の厚さのばらつきが抑制される（厚さの正規寸法に対する誤差が小さくなる）。
【００１９】
リフロー装置による加熱を終了すると、溶融していたはんだ材６６は凝固してはんだ層１７になる。はんだ層１７が形成されてから、一体になった表面側導電板１２とはんだ層１７と半導体素子１１とはんだ層２０と裏面側導電板１４を、はんだ付治具４０から取り出す。
はんだ付治具４０ではんだ付けすると、裏面側導電板１４と、はんだ層２０と、半導体素子１１と、表面側導電板１２の厚さにばらつきがあっても、そのばらつきは溶融したはんだ材６６によって吸収される。従って、厚さのばらつきが抑制された半導体モジュール１０を製造することができる。
【００２０】
（１）図８に示すように、第１スライド駒４３と第２スライド駒４４に、下部内側を切り欠いた切欠部７３を形成すれば、より大きな裏面側導電板１４に対応することができる。
（２）第１錘４７や第２錘４８を用いずに、第１スライド駒４３と第２スライド駒４４を内側方向にスライドさせることもできる。例えば、弾性体の付勢力によって、第１スライド駒４３と第２スライド駒４４を内側方向にスライドさせる。
（３）第１スライド駒４３や第２スライド駒４４を用いずに、表面側導電板１２に上向きの力を作用させることもできる。例えば、弾性体の付勢力によって、表面側導電板１２に上向きの力を作用させる。
（４）以上説明したのとは上下を逆にして、表面側導電板１２と半導体素子１１と裏面側導電板１４を、はんだ付治具４０にセットすることもできる。すなわち、表面側導電板１２の外面２２を下方に向けた状態で下治具４２にセットし、その上にはんだ材を載せる。はんだ材の上に、はんだ付けされた状態の裏面側導電板１４と半導体素子１１を、裏面側導電板１４の外面が上方を向いた状態でセットする（載せる）。
（５）はんだ付治具４０にセットする前に、半導体素子１１の裏面側電極１９と裏面側導電板１４をはんだ付けしておかなくてもよい。その場合には、半導体素子１１の裏面側電極１９と裏面側導電板１４との間と、半導体素子１１の表面側電極１８と表面側導電板１２との間のそれぞれにはんだ材を介装した状態で、それらをはんだ付治具４０にセットする。そして、リフロー装置を用いて、半導体素子１１の裏面側電極１９と裏面側導電板１４との間に介装されたはんだ材と、半導体素子１１の表面側電極１８と表面側導電板１２との間に介装されたはんだ材を溶融する。
【００２１】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】はんだ付治具の断面図。
【図２】下治具に第１スライド駒と第２スライド駒が入れられた状態の斜視図。
【図３】上治具の斜視図。
【図４】第１錘、第２錘の斜視図。
【図５】裏面側導電板に半導体素子がはんだ付けされた状態の断面図。
【図６】はんだ付治具に裏面側導電板等がセットされた状態の断面図（はんだ付け前）。
【図７】はんだ付治具に裏面側導電板等がセットされた状態の断面図（はんだ付け後）。
【図８】はんだ付治具に裏面側導電板等がセットされた状態の断面図（はんだ付け前）（変形例）。
【図９】半導体モジュールの断面図。
【図１０】半導体モジュールが積層された状態の断面図。
【符号の説明】
【００２３】
１０：半導体モジュール
１１：半導体素子
１２：表面側導電板
１４：裏面側導電板
１６：封止樹脂
１７：はんだ層
１８：表面側電極
１９：裏面側電極
２０：はんだ層
２１、２３：バスバー
２４：外面
２５：冷却器
２６：基板
４０：はんだ付治具
４２：下治具
４３：第１スライド駒
４４：第２スライド駒
４５：上面
４６：上治具
４７：第１錘
４８：第２錘
４９：枠部
５０：凹部
５１：枠部
５２：底面
５３：外側傾斜面
５４：内側傾斜面
５５：外側傾斜面
５６：内側傾斜面
５７：下面
５８：上面
５９：底面
６０：第１貫通孔
６１：第２貫通孔
６２：ピン
６３：傾斜面
６４：掛止部
６５：ピン孔
６６：はんだ材
７３：切欠き部
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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