(57)【要約】【課題】  基板と電子部品との間に部分的な隙間が生じないようにしたモジュール基板およびその製造方法を提供すること。【解決手段】  基板１と半導体素子２とをはんだ付けにより接合してモジュール基板とする。ここにおいて，はんだ層３を，半導体素子２の平面形状と同じ形状の本体部５と，そこから部分的にはみ出したはみ出し部４とにより構成される形状とした。はんだ層３のはみ出しが全方位でないため，載置時の位置決めに問題はない。昇温によりはんだ層３を溶融させるとその中に気泡が発生する。この気泡は，脱出しやすいはみ出し部４へ移動しそこから外部へ脱出する。その際，気泡が通過した経路にははみ出し部４からはんだが補充される。冷却の際のはんだ層３の収縮に対してもはみ出し部４からはんだが補充される。このため，基板１と半導体素子２との間に隙間が残らない。【選択図】          図１
2006108522.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子部品と，前記電子部品より大きい板面サイズを有し前記電子部品を搭載する基板と，前記電子部品と前記基板との間に位置し両者を互いに接着するはんだ層とを有するモジュール基板において，
前記はんだ層は，前記電子部品が前記基板上に占める領域より部分的にはみ出して形成されていることを特徴とするモジュール基板。
【請求項２】
電子部品と，前記電子部品より大きい板面サイズを有し前記電子部品を搭載する基板と，前記電子部品と前記基板との間に位置し両者を互いに接着するはんだ層とを有するモジュール基板の製造方法において，
基板上の電子部品に占められる領域およびそこから部分的にはみ出した領域にはんだを配置し，
そのはんだの上に電子部品を載置し，
はんだを溶融して電子部品を基板上に固定することを特徴とするモジュール基板の製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載するモジュール基板の製造方法において，
はんだが溶融している状態で，雰囲気の圧力を一旦低下させることを特徴とするモジュール基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，基板上に電子部品をはんだ接合により搭載したモジュール基板およびその製造方法に関する。さらに詳細には，基板と電子部品との間の部分的な隙間による問題を軽減したモジュール基板およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から，例えば特許文献１に記載されているような，基板上に半導体素子等の電子部品を搭載したモジュール基板が使用されている。モジュール基板の製造においては，基板と電子部品とをはんだ付けにより接合する。その際，はんだ付けを減圧雰囲気下で行うことが一般的である。はんだが溶融するとその中に気泡が発生することがあるからである。減圧雰囲気下ではんだ付けを行うと，発生した気泡が外部へ抜けてくれるのである。これにより，接合強度の確保を図っている。
【特許文献１】特開平９−８２８４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら前記した従来の技術には，次のような問題点があった。すなわち，気泡が抜けた通り道に，スパイク状の隙間が残ってしまうのである。このため結局，問題の解決にはなっていなかった。また，溶融後の冷却時のはんだの収縮によって，電子部品の縁辺部に隙間が発生しうる。特に，近年多い鉛レスはんだの場合には，この冷却時に発生する隙間が大きく問題であった。
【０００４】
本発明は，前記した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，基板と電子部品との間に部分的な隙間が生じないようにしたモジュール基板およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この課題の解決を目的としてなされた本発明のモジュール基板は，電子部品と，電子部品より大きい板面サイズを有し電子部品を搭載する基板と，電子部品と基板との間に位置し両者を互いに接着するはんだ層とを有するモジュール基板であって，はんだ層が，電子部品が基板上に占める領域より部分的にはみ出して形成されているものである。
【０００６】
また，本発明のモジュール基板の製造方法では，電子部品と，電子部品より大きい板面サイズを有し電子部品を搭載する基板と，電子部品と基板との間に位置し両者を互いに接着するはんだ層とを有するモジュール基板を製造するに際し，基板上の電子部品に占められる領域およびそこから部分的にはみ出した領域にはんだを配置し，そのはんだの上に電子部品を載置し，はんだを溶融して電子部品を基板上に固定する。
【０００７】
本発明では，基板上にはんだおよび電子部品を載置した状態では，はんだが，電子部品から部分的にはみ出している。このため，溶融時に気泡がはんだ中から脱出しても，はみ出し部分からはんだが補充される。よって，脱出経路にスパイク状の隙間が残ることがない。また，冷却時のはんだの収縮に対しても，はみ出し部分からはんだが補充される。このため，電子部品の縁辺部にも隙間が発生しない。なお，はんだの電子部品からのはみ出しは全方位でなく部分的である。すなわち，はみ出し部分以外では，電子部品の縁辺とはんだの縁辺とが一致している。このため，載置時の位置決めには支障がない。
【０００８】
なお，はんだが溶融している状態で，雰囲気の圧力を一旦低下させるとさらによい。圧力低下により気泡が外部に脱出しやすくなるからである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば，基板と電子部品との間に部分的な隙間が生じないようにしたモジュール基板およびその製造方法が提供されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下，本発明を具体化した最良の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は，基板上にパワーモジュール用半導体素子をはんだ接合により搭載したモジュール基板およびその製造方法に本発明を適用したものである。
【００１１】
本形態に係るモジュール基板は，図１に示すように構成されている。すなわち本形態のモジュール基板は，基板１上に半導体素子２を搭載したものである。基板１と半導体素子２との間には，はんだ層３が設けられている。はんだ層３により，基板１と半導体素子２とが接合されている。はんだ層３には部分的に，半導体素子２からはみ出たはみ出し部４が設けられている。
【００１２】
続いて，本形態のモジュール基板の製造プロセスを説明する。本形態で使用する基板１のサイズは，縦横とも半導体素子２のサイズより大きい。この基板１上にまず，図２に示すはんだ層３を形成する。はんだ層３は，四角形の本体部５と，その対辺に接して設けられたはみ出し部４，４により構成されている。本体部５の形状は，搭載される半導体素子２の平面形状と同じである。すなわちはんだ層３の縁辺は，はみ出し部４においては半導体素子２より外側にあり，それ以外の部分は半導体素子２の縁辺と一致する。言い替えると，はんだ層３は，全方位でなく部分的にのみ半導体素子２の領域からはみ出している。はんだ層３の形成は，はんだ箔を図２の形状に切り抜いて基板１上に載置することにより行う。あるいは，印刷その他の方法により基板１上に当該形状のはんだパターンを形成してもよい。ここでははんだとして鉛レスはんだを用いることとする。
【００１３】
次に，図３に示すようにはんだ層３上に半導体素子２を載置する。このとき，はんだ層３のうちはみ出し部４以外の本体部５の部分の上に半導体素子２を載置すればよい。これにより，半導体素子２をはんだ層３に対して正しく位置決めして載置することができる。この結果，はんだ層３のうち本体部５は半導体素子２の下に位置し，はみ出し部４は半導体素子２の外で露出している状態となる。以下の説明では，この状態のものを「ワーク」という。
【００１４】
そして，はんだ層３の溶融による接合を行う。この接合は，真空加熱炉を用いて次の手順で行う。
(１)炉内の窒素パージ
(２)水素雰囲気で還元
(３)はんだ溶融温度まで昇温
(４)減圧
(５)復圧および冷却
【００１５】
(１)の炉内の窒素パージは，真空加熱炉内にワークをセットした状態で，炉内雰囲気を窒素ガスで置換する工程である。酸素を含んだ雰囲気のまま昇温すると，はんだ等の酸化による不具合が著しいからである。続く(２)では，炉内雰囲気を窒素−水素混合ガスとする。それとともに，炉内温度をはんだの溶融に至らない程度の温度（２００〜２５０℃）まで昇温する。
【００１６】
そして(３)では，炉内温度をはんだが溶融する温度（２５０〜３００℃）まで昇温する。このときの炉内雰囲気は，窒素ガスと，窒素−水素混合ガスとのいずれでもよい。はんだ層３が溶融すると，図４に示すように，その中に気泡６が発生する。本形態では前述のように鉛レスはんだを使用しているので，気泡６の発生が多い傾向にある。
【００１７】
続いて(４)では，温度を維持したまま，炉内を１０〜１０００Ｐａ程度まで減圧する。これにより，はんだ層３中の気泡６に，以下のような現象が起こる。まず，図５に示すように，気泡６が膨張する。さらに，図６に示すように気泡６は，はみ出し部４へ向かって移動する。そして図７に示すように気泡６は，はみ出し部４から外部へ脱出する。このとき，気泡６が通過してきた経路には，はみ出し部４からはんだが補充される。このため，経路にスパイク状の隙間が残ることはない。
【００１８】
ここにおいて，図６で気泡６が移動する理由は，気泡６の抜けやすさにあると考えられる。すなわち，本体部５内では，半導体素子２により上方を覆われている状態にある。このため，本体部５内の位置では気泡６は脱出することができない。一方，はみ出し部４は，上方を半導体素子２に覆われておらず露出している。このため，はみ出し部４の気泡６は容易に脱出することができる。このように，本体部５とはみ出し部４とで気泡６の抜けやすさに大きな違いがある。このために，気泡６の抜けにくい本体部５内の気泡６は，気泡６の抜けやすいはみ出し部４へ向かうものと考えられる。
【００１９】
そして(５)で復圧する。このときの炉内への供給ガスは，窒素ガスと，窒素−水素混合ガスとのいずれでもよい。このとき図８に示すように，外圧の上昇に伴い，はんだ層３中に残っている気泡６は縮小する。また，復圧時には，冷却板をワークに押し当てることにより，ワークを冷却する。これにより，溶融しているはんだ層３が凝固し，基板１と半導体素子２とが接合される。この冷却の際，凝固前にはんだ層３全体が収縮するが，はみ出し部４からはんだが補充される。このため，周縁部に隙間が残ることはない。このようにして製造されたモジュール基板では，基板１と半導体素子２との間がほとんど隙間なくはんだで充填されている。このため接合強度が不十分となることがない。
【００２０】
以上詳細に説明したように本形態では，基板１と半導体素子２との間に配置されるはんだ層３の形状に特徴を持たせている。すなわち，部分的にはみ出し部４を有し，残りの部分は半導体素子２の形状と一致している形状としている。これにより，半導体素子２の位置決め性を確保しつつ，はんだ層３の溶融時に基板１と半導体素子２との間に隙間ができないようにしている。本形態ではまた，はんだ層３の溶融時に一旦炉内を減圧し，その後復圧することとしている。これにより，溶融時にはんだ層３内に生じる気泡６が容易に外部に抜けるようにしている。かくして，基板１と半導体素子２との間が隙間なくはんだで充填されたモジュール基板およびその製造方法が実現されている。
【００２１】
なお，本形態は単なる例示であり，本発明を何ら拘束するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形ないし改良が可能である。例えば，はんだ層３の形状であるが，図２等に示したもの以外にも，図９〜図１３に示したような変形が考えられる。図２のものおよび図９〜図１３のものではいずれも，対向する２辺に１つずつはみ出し部が設けられているが，このことは必須ではない。位置決めに支障ない限り，４辺すべてにはみ出し部を設けることも可能である。１辺に２つ以上のはみ出し部を設けることも可能である。ただし，実装スペースの観点からは２辺のみにはみ出し部を設けた方が有利である。また，はんだの材質は，本形態では鉛レスはんだを用いることしたが，これに限定されない。また，基板上に搭載される電子部品も，半導体素子に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】実施の形態に係るモジュール基板を示す斜視図である。
【図２】実施の形態に係るはんだ層（溶融前）を示す平面図である。
【図３】実施の形態に係るモジュール基板の製造プロセスを示す斜視図である。
【図４】溶融したはんだ層の中に気泡が発生した状況を示す平面図である。
【図５】はんだ層中の気泡が減圧により膨張した状況を示す平面図である。
【図６】はんだ層中の気泡がはみ出し部へ向かって移動する状況を示す平面図である。
【図７】気泡がはみ出し部から外部へ脱出する状況を示す平面図である。
【図８】復圧時に気泡が縮小する状況を示す平面図である。
【図９】はんだ層の形状の別の例を示す平面図である。
【図１０】はんだ層の形状の別の例を示す平面図である。
【図１１】はんだ層の形状の別の例を示す平面図である。
【図１２】はんだ層の形状の別の例を示す平面図である。
【図１３】はんだ層の形状の別の例を示す平面図である。
【符号の説明】
【００２３】
１  基板
２  半導体素子（電子部品）
３  はんだ層
４  はみ出し部
５  本体部
【図１】
2006108522.tif 000003
【図２】
2006108522.tif 000004
【図３】
2006108522.tif 000005
【図４】
2006108522.tif 000006
【図５】
2006108522.tif 000007
【図６】
2006108522.tif 000008
【図７】
2006108522.tif 000009
【図８】
2006108522.tif 000010
【図９】
2006108522.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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