(57)【要約】【課題】ボイドの発生を低減させるはんだ接合方法としてスクラブ法がある。しかし、接合する部品の形状等によっては、単純にスクラブ法を用いることができない場合がある。【解決方法】上記課題を解決するために、金属板とベースとなる金属面とで板状はんだを挟み込んだ状態で金属板をベースに向かって付勢しながらねじで固定するねじ固定ステップと、固定ステップにてベースに向かって付勢しながら金属板が固定された状態ではんだ溶融温度まで昇温する昇温ステップと、同様に付勢しながら昇温ステップにて溶融状態にあるはんだを固化するために常温まで降温する降温ステップとからなる板状はんだによる面密着接合方法などを提供する。【選択図】図１
2011177742.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属板をベースとなる金属面に対して面密着状態ではんだ接合する方法であって、
金属板とベースとなる金属面とで板状はんだを挟み込んだ状態で金属板をベースに向かって付勢しながらねじで固定するねじ固定ステップと、
固定ステップにてベースに向かって付勢しながら金属板が固定された状態ではんだ溶融温度まで昇温する昇温ステップと、
同様に付勢しながら昇温ステップにて溶融状態にあるはんだを固化するために常温まで降温する降温ステップと、
からなる板状はんだによる面密着接合方法。
【請求項２】
前記付勢はばねのワッシャー、板ばね、さらばね、たけのこバネ、つるまきばねのいずれか一又は二以上の組み合わせにより行われる請求項１に記載の板状はんだによる面密着接合方法。
【請求項３】
金属板とベースとなる金属面とを面密着状態ではんだ接合された構造を有する電気装置の製造方法であって、
金属板とベースとなる金属面とで板状はんだを挟み込んだ状態で金属板をベースに向かって付勢しながらねじで固定するねじ固定ステップと、
固定ステップにてベースに向かって付勢しながら金属板が固定された状態ではんだ溶融温度まで昇温する昇温ステップと、
同様に付勢しながら昇温ステップにて溶融状態にあるはんだを固化するために常温まで降温する降温ステップと、
からなる電気装置の製造方法。
【請求項４】
前記固定ステップの付勢は、ばねのワッシャー、板ばね、さらばね、たけのこバネ、つるまきばねのいずれか一又は二以上の組み合わせにより行われる請求項３に記載の電気装置の製造方法。
【請求項５】
金属板とベースとなる金属面とを面密着状態ではんだ接合された構造を有する電気装置の中間製造工程にて用いられる中間構体であって、
金属板とベースとなる金属面とで板状はんだを挟み込んだ状態で金属板をベースに向かって付勢しながらねじで固定された固定部を有する中間構体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属板などの平面同士をはんだにより接合する場合に、ボイドの発生を低減させるための板状はんだによる面密着接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
平面同士をボイド（気泡）の発生を抑えてはんだで接合する方法は、半導体特にパワーデバイス用の半導体のダイボンディングなどにとって非常に重要な技術である。この理由は、半導体チップ（ダイとも呼ばれる）の底面から、出力電流を取り出すとともに、チップから発生する熱を逃がさなければならないからである。言うまでも無く、この電流と熱は、はんだ層を通過して下のリードフレームや基板に流れる。もし、はんだ層にボイドがあると、電気抵抗が高くなり、ジュール熱の発生原因になる。さらに、熱伝導も悪くなるので、チップの温度が上昇し最後には破壊に至る。ボイドの発生原因としては、はんだの溶融状態での表面張力が高いためガス化したフラックスが外部に抜けきらないことや、はんだと接合面との隙間にガスが残存してしまうことなどが挙げられる。
【０００３】
そこで、平面同士をボイドの発生を抑えてはんだで接合する方法として、例えば特許文献１に記載のように、スクラブ法という方法が存在する。図４にスクラブ法の概要を示す。まず、接合面に置いたはんだ片が溶融して溶融はんだ（０４０１）となるよう昇温する（０４０３）。そして、溶融はんだに半導体チップ等（０４０２）を置く（０４０４）。さらに、はんだ上の前記チップを左右に揺動させる（０４０５、０４０６）。このように、チップを揺動させることで、チップの下のボイドを外に排出してボイドのない接合を行おうとするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１８８５２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、はんだによる面接合は、上記のように基板上に半導体チップ等を接合させる場合にのみ必要とされるものではない。最近ではＣＯ２（二酸化炭素）の排出量を低減させるための技術開発が活発になっている。そのような技術には、例えば、インバータ技術がある。これは、サイリスターやＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などの半導体を利用して、周波数、波形、電圧、電流を自由に制御する電気回路の技術である。この技術はエアコンをはじめとする家電製品の多くに採用されており、当該製品にインバータモジュールとして組み込まれている。このようなインバータモジュールは、銅や鉄ニッケル合金などをベースや端子とした骨組みにチップを搭載し、樹脂等でモールドされてユニットとして製造されている。
【０００６】
図５に、インバータモジュールの概念図を示す。インバータモジュール本体（０５０３）と端子（０５０１）とは、それぞれの接合面（０５０４、０５０２）において接合される。このような構造においては、熱と電流を最大限まで処理する必要があるため、その接合面同士をボイドなしで接合する必要が生じる。しかし、このような種々なる形状となり得る端子などの一部を接合面とする場合には、半導体チップを接合するようにスクラブ法を単純に用いることは極めて困難である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そこで、本件発明では上記課題に鑑み以下に示す板状はんだによる面密着接合方法などを提供する。すなわち第一の発明としては、金属板をベースとなる金属面に対して面密着状態ではんだ接合する方法であって、金属板とベースとなる金属面とで板状はんだを挟み込んだ状態で金属板をベースに向かって付勢しながらねじで固定するねじ固定ステップと、固定ステップにてベースに向かって付勢しながら金属板が固定された状態ではんだ溶融温度まで昇温する昇温ステップと、同様に付勢しながら昇温ステップにて溶融状態にあるはんだを固化するために常温まで降温する降温ステップとからなる板状はんだによる面密着接合方法を提供する。
【０００８】
第二の発明としては、前記付勢はばねのワッシャー、板ばね、さらばね、たけのこバネ、つるまきばねのいずれか一又は二以上の組み合わせにより行われる第一の発明に記載の板状はんだによる面密着接合方法を提供する。
【０００９】
第三の発明としては、金属板とベースとなる金属面とを面密着状態ではんだ接合された構造を有する電気装置の製造方法であって、金属板とベースとなる金属面とで板状はんだを挟み込んだ状態で金属板をベースに向かって付勢しながらねじで固定するねじ固定ステップと、固定ステップにてベースに向かって付勢しながら金属板が固定された状態ではんだ溶融温度まで昇温する昇温ステップと、同様に付勢しながら昇温ステップにて溶融状態にあるはんだを固化するために常温まで降温する降温ステップとからなる電気装置の製造方法を提供する。
【００１０】
第四の発明としては、前記固定ステップの付勢は、ばねのワッシャー、板ばね、さらばね、たけのこバネ、つるまきばねのいずれか一又は二以上の組み合わせにより行われる第三の発明に記載の電気装置の製造方法を提供する。
【００１１】
第五の発明としては、金属板とベースとなる金属面とを面密着状態ではんだ接合された構造を有する電気装置の中間製造工程にて用いられる中間構体であって、金属板とベースとなる金属面とで板状はんだを挟み込んだ状態で金属板をベースに向かって付勢しながらねじで固定された固定部を有する中間構体を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、はんだによる面接合において、ボイドの発生を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態１の板状はんだによる面密着接合方法のフロー図
【図２】実施形態１の接合方法を用いた部品等を示す概念図
【図３】実施形態１の接合方法を説明するための概念図
【図４】従来のスクラブ法の概念図
【図５】インバータモジュールの概念図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本件発明の実施の形態について、添付図面を用いて説明する。なお、本件発明は、これら実施形態に何ら限定されるべきものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得る。
【００１５】
実施形態１は、主に請求項１および請求項２などに関する。実施形態２は、主に請求項３、請求項４などに関する。実施形態３は、主に請求項５などに関する。
<実施形態１>
<実施形態１  概要>
【００１６】
本実施形態は、ベースに向かって付勢しながらねじで固定された板状はんだが溶融する際に、その付勢によりベースに押しつけられながら溶融するため、ボイドが接合面の外部に排出されることを特徴とする接合方法である。
<実施形態１  構成>
【００１７】
本実施形態の板状はんだによる面密着接合方法は、金属板をベースとなる金属面に対して面密着状態ではんだ接合する方法であって、金属板とベースとなる金属面とで板状はんだを挟み込んだ状態で金属板をベースに向かって付勢しながらねじで固定するねじ固定ステップと、固定ステップにてベースに向かって付勢しながら金属板が固定された状態ではんだ溶融温度まで昇温する昇温ステップと、同様に付勢しながら昇温ステップにて溶融状態にあるはんだを固化するために常温まで降温する降温ステップとからなる板状はんだによる面密着接合方法である。
【００１８】
図１は、本実施形態の板状はんだによる面密着接合方法を構成する各ステップの流れの概要を示すフロー図である。また、図２は、本実施形態の接合方法を用いた場合の部品などを示す概念図である。以下、図１および図２などを用いて各ステップを説明する。
【００１９】
「固定ステップ」（Ｓ０１０１）は、金属板とベースとなる金属面とで板状はんだを挟み込んだ状態で金属板をベースに向かって付勢しながらねじで固定する工程である。
【００２０】
「金属板」は、例えば、図５を用いて説明した端子（０５０１）の接合面（０５０２）等に該当するものである。また、「ベースとなる金属面」とは、インバータモジュール（０５０３）の接合面（０５０４）等に該当するものである。
【００２１】
図２において、ベースとなる金属面は、何らかの部品等（０２０２）の一部に備えられ、金属板（０２０１）との間に板状はんだ（０２０３）を挟み込んだ状態でねじ（０２０４）で固定される。
【００２２】
ねじでの固定は、金属板をベースに向かって付勢しながら行う。ここで、「ベースに向かって付勢」とは、ベースに対して押しつけられる力が金属板に働くようにするという意味である。したがって、金属板とベースとの間に挟まれたはんだ板に対しても、ベースに押しつけられる力が働く。図２においては、付勢するためにばねワッシャー（０２０５）を用いている。
【００２３】
さらに、図３を用いて付勢について説明する。図３（ａ）は、固定ステップにおける固定された状態を示す概念図である。はんだ板（０３０３ａ）は、金属板（０３０１ａ）とベース（０３０２ａ）との間に挟まれ、ばねワッシャー（０３０５ａ）を介したねじ（０３０４ａ）で金属板をベースに対して固定する。この時、ばねワッシャーは平らになるまでねじで締め付けられている。したがって、ばねワッシャーのばねの作用により、金属板はベースに向って付勢されることになる。
【００２４】
このような付勢は、ばねワッシャーによってのみ行われるわけではなく、例えば、板ばね、皿ばね、たけのこばね、つるまきばね、波型ワッシャーなどの弾性を有するものにより行われることが可能であり、その弾性が、はんだの溶融温度に至っても損なわれないものであればよい。上述した、ばねワッシャーなどを単独で用いてもよいし、組み合わせて用いてもよい。
【００２５】
「昇温ステップ」（Ｓ０１０２）は、固定ステップにてベースに向かって付勢しながら金属板が固定された状態ではんだ溶融温度まで昇温する工程である。はんだ溶融温度は、接合に用いるはんだに応じたものとなる。
【００２６】
はんだを溶融させるための装置や方法を限定するものではない。赤外線や熱風を用いて加熱するヒータなど、はんだを溶融し得る熱量を加えられるものであればよい。
【００２７】
昇温ステップにおいて、板状はんだは、ベースに向かって付勢される金属板により、ベースに押しつけられながら溶融することになる。そして、溶融はんだが、その圧力により外側に押し広げられるとともに、ボイドを排出する。
【００２８】
図３（ｂ）は、板状はんだが、昇温ステップにて溶融する状態を示したものである。図示したように、板状はんだ（０３０３ｂ）は溶融し流動状態になるとともに、ばねワッシャー（０３０５ｂ）が戻る分だけ溶融した板状はんだは、金属板（０３０１ｂ）により押し広げられ、その際にボイドが外部に排出される。ここで、板状はんだは溶融した状態で、ベースに向かって押しつけられるため、はんだ接合面からあふれ出すことがあり得る。そのため、固定ステップにおいて、はんだ接合面と同じ形にせずに若干小さい形の板状はんだを用いることが、材料のロスや接合後の成形の手間などを低減させる上で好ましい。
【００２９】
「降温ステップ」（Ｓ０１０３）は、同様に付勢しながら昇温ステップにて溶融状態にあるはんだを固化するために常温まで降温する工程である。「同様に付勢しながら」とは、上述した固定ステップや昇温ステップの場合と同じように付勢が維持されているということである。
【００３０】
したがって、降温ステップにおいても、金属板がベースに向かって付勢されていることが必要である。すなわち、上述の昇温ステップにて板状はんだを溶融し、引き続き付勢された状態で板状はんだが固化するように降温することが必要である。図示したばねワッシャーを用いる場合には、ばねワッシャーが戻りきる前にはんだが固化するように降温する必要がある。ここで、鉛直方向に向かってベースが下になる状態で各ステップを行うことが望ましい。これにより、完全に固化するまでばねワッシャーによる付勢が維持され、ボイドの排出がより完全なものに近づくのである。
【００３１】
以上の各ステップにより、板状はんだは溶融から固化に至る過程のなかで常にベースに対して圧力がかかっている状態に置かれる。そして、その圧力により、板状はんだと金属板およびベースとなる金属面との各隙間に存在するガスや、溶融した板状はんだから生じるガス等は接合面の外部に排出されることになる。その結果、はんだによる面接合において、ボイドの発生を低減することが可能となる。
<実施形態１  効果>
【００３２】
本実施形態の板状はんだによる面密着接合方法により、はんだによる面接合において、ボイドの発生を低減することが可能となる。
<実施形態２>
<実施形態２  概要>
【００３３】
本実施形態は、実施形態１に係る板状はんだによる面密着接合方法によりはんだ接合された構造を有する電気装置の製造方法である。
<実施形態２  構成>
【００３４】
本実施形態は、金属板とベースとなる金属面とを面密着状態ではんだ接合された構造を有する電気装置の製造方法であって、金属板とベースとなる金属面とで板状はんだを挟み込んだ状態で金属板をベースに向かって付勢しながらねじで固定するねじ固定ステップと、固定ステップにてベースに向かって付勢しながら金属板が固定された状態ではんだ溶融温度まで昇温する昇温ステップと、同様に付勢しながら昇温ステップにて溶融状態にあるはんだを固化するために常温まで降温する降温ステップとからなる電気装置の製造方法である。
【００３５】
半導体のダイボンディングをはじめ、電気装置の製造工程において平面同士をはんだで接合する工程は少なくない。そして、そのようにはんだ接合された構造を有する電気装置において、はんだ接合の信頼性は当該電気装置の信頼性に直接的な影響を及ぼすものである。そこで、金属板とベースとなる金属面とを面密着状態ではんだ接合された構造を有する電気装置を製造する工程において、そのはんだ接合に実施形態１の板状はんだによる面密着接合方法を採用することにより、はんだ接合された構造の信頼性を高めた電気装置が実現できる。本実施形態における各ステップおよび語句の意味などは、実施形態１におけるものと同様であるので、ここでの詳細な説明は省略する。
<実施形態２  効果>
【００３６】
本実施形態の電気装置の製造方法により、はんだによる面接合の信頼性の高い電気装置を製造することが可能となる。
<実施形態３>
<実施形態３  概要>
【００３７】
本実施形態は、金属板をベースに向かって付勢しながらねじで固定される固定部を有することを特徴とする中間構体に関するものである。この中間構体を電気装置の中間製造工程に用いることで、はんだによる面接合の信頼性の高い電気装置を製造することができる。
<実施形態３  構成>
【００３８】
本実施形態の中間構体は、金属板とベースとなる金属面とを面密着状態ではんだ接合された構造を有する電気装置の中間製造工程にて用いられる中間構体であって、金属板とベースとなる金属面とで板状はんだを挟み込んだ状態で金属板をベースに向かって付勢しながらねじで固定された固定部を有する。
【００３９】
「固定部」は、中間構体の構成の一部であって、金属板とベースとなる金属面とで板状はんだを挟み込んだ状態で金属板をベースに向かって付勢しながらねじで固定された部分である。固定部は、実施形態１および２で説明した「固定ステップ」を行うことで実現される。そして、「付勢をしながらねじで固定する」などの意味や作用等についても、固定ステップにて述べたことと同様である。したがって、ここでの詳細な説明は省略する。
【００４０】
固定部を有することで、昇温して板状はんだを溶融させ、さらに降温して固化させることで、金属板とベースとなる金属面とは良好にはんだ接合される。中間構体における面接合がボイドの少ない良好な状態となることにより、最終製造物である電気装置の信頼性を高め得る。
【００４１】
中間構体の具体例としては、例えば、図５に示したインバータモジュールが挙げられる。このインバータモジュールは、電動機制御装置に組み込まれるものであり、放熱板を兼ねた銅製の本体と、電気装置に組み込まれるための端子とが板状はんだにより接合されるものである。この銅製の本体の寸法は、１４ｍｍ×１５ｍｍ×１００ｍｍであり、その重量は、１８８ｇである。また、これとはんだ接合される端子は、１０ｇである。これらを接合するにあたって、接合面の面積が１０ｍｍ×１３ｍｍ程度である場合には、厚さ０．１ｍｍで、その組成が、錫９６．５％、銀３％、銅０．５％、である板状はんだを挟み込み、Ｍ２サイズのばねワッシャーを介して、０．０１トルク・メーターの締め付けトルクでねじを締めて固定したものである。これを、３００℃で１５分間の加熱によりはんだを溶融させ、その後、雰囲気ベルト炉を用いて５０℃まで降温する。この場合におけるボイドの発生率は、ばねワッシャーによる付勢を加えずに、単にねじで固定した場合、あるいは、ねじをも用いない場合と比較して、ボイド面積が２０〜５０％程度であったものが、０〜２％程度まで大幅に低減することが確認されている。
<実施形態３  効果>
【００４２】
本実施形態により、中間構体における、はんだ面接合をボイドの少ない状態とすることができ、その結果、電気装置の信頼性を高めることが可能となる。
【符号の説明】
【００４３】
Ｓ０１０１  固定ステップ
Ｓ０１０２  昇温ステップ
Ｓ０１０３  降温ステップ
【図１】
2011177742.tif 000003
【図２】
2011177742.tif 000004
【図３】
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【図４】
2011177742.tif 000006
【図５】
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