(57)【要約】【課題】基材に半導体素子などの電気部品を半田付けする半田層中にボイドが発生することを抑制できる電気回路の製造装置及び製造方法並びに電気回路製造用治具を提供する。【解決手段】基材(１１)と電気部品(１３)との間に配置される半田材(１２１)を一時的に溶融させることで電気部品(１３)を基材(１１)に半田付けする電気回路製造装置であって、電気部品(１３)及び半田材(１２１)に重ねられたときに、電気部品(１３)及び半田材(１２１)の側方に延びるように形成されて電気部品(１３)及び半田材(１２１)との相対的な位置を定める位置決め部(１１２)と、電気部品側に凸設されて電気部品(１３)の表面に当接する突起部(１１３)と、を有する治具(１１０)と、少なくとも治具(１１０)を加熱して治具(１１０)から伝導する熱によって半田材(１２１)を一時的に溶融させるヒーター(１２０)と、を備える。【選択図】図２
2011249578.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と電気部品との間に配置される半田材を一時的に溶融させることで電気部品を基材に半田付けする電気回路製造装置であって、
前記電気部品及び半田材に重ねられたときに、電気部品及び半田材の側方に延びるように形成されて電気部品及び半田材との相対的な位置を定める位置決め部と、電気部品側に凸設されて電気部品の表面に当接する突起部と、を有する治具と、
少なくとも前記治具を加熱して治具から伝導する熱によって前記半田材を一時的に溶融させるヒーターと、
を備える電気回路製造装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電気回路製造装置において、
前記治具の位置決め部は、前記突起部が前記電気部品の中央付近に当接するように位置決めする、
ことを特徴とする電気回路製造装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の電気回路製造装置において、
前記位置決め部は、治具が前記電気部品及び半田材に重ねられて半田材が溶融する前は、宙に浮いている、
ことを特徴とする電気回路製造装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の電気回路製造装置において、
前記ヒーターは、前記治具側に設けられる治具側ヒーターと前記基材側に設けられる基材側ヒーターとを含む、
ことを特徴とする電気回路製造装置。
【請求項５】
請求項４に記載の電気回路製造装置において、
前記治具側ヒーターは、前記治具から離隔し、輻射熱によって治具を加熱し、
前記基材側ヒーターは、前記基材に当接し、伝導する熱によって基材を加熱する、
ことを特徴とする電気回路製造装置。
【請求項６】
請求項４に記載の電気回路製造装置において、
前記治具側ヒーターは、前記治具に当接し、伝導する熱によって治具を加熱し、
前記基材側ヒーターは、前記基材に当接し、伝導する熱によって基材を加熱する、
ことを特徴とする電気回路製造装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の電気回路製造装置において、
前記治具は、一体品である、
ことを特徴とする電気回路製造装置。
【請求項８】
請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の電気回路製造装置において、
前記治具は、突起部を含む電気部品当接体と、位置決め部を含む位置決め体とを有する二体品であって、電気部品当接体の突起部は位置決め体に形成された孔を挿通して前記電気部品に当接する、
ことを特徴とする電気回路製造装置。
【請求項９】
請求項８に記載の電気回路製造装置において、
前記治具の電気部品当接体は、前記半田材が溶融する前に前記電気部品に自重をかける錘体である、
ことを特徴とする電気回路製造装置。
【請求項１０】
請求項８又は請求項９に記載の電気回路製造装置において、
前記治具の電気部品当接体は、前記半田材が溶融する前は前記基材から離れており半田材が溶融した後に基材に当接する脚部を含む、
ことを特徴とする電気回路製造装置。
【請求項１１】
請求項８又は請求項９に記載の電気回路製造装置において、
前記治具の電気部品当接体は、前記半田材が溶融する前は前記基材側ヒーターから離れており半田材が溶融した後に基材側ヒーターに当接する脚部を含む、
ことを特徴とする電気回路製造装置。
【請求項１２】
請求項８から請求項１１までのいずれか１項に記載の電気回路製造装置において、
前記治具の電気部品当接体は、前記治具側ヒーターに固定される、
ことを特徴とする電気回路製造装置。
【請求項１３】
請求項１から請求項１２までのいずれか１項に記載の電気回路製造装置において、
前記半田材は、前記電気部品の全面に接面する、
ことを特徴とする電気回路製造装置。
【請求項１４】
基材と電気部品との間に配置される半田材を加熱して一時的に溶融することで電気部品を基材に半田付けして電気回路を製造するときに用いられる治具であって、
前記電気部品に当接する突起部と、
前記電気部品及び半田材に対する前記突起部の位置を決める位置決め部と、
を有することを特徴とする電気回路製造用治具。
【請求項１５】
基材と電気部品との間に配置される半田材を一時的に溶融させることで電気部品を基材に半田付けする電気回路製造方法であって、
前記電気部品及び半田材に対して治具の突起部の位置を決めて電気部品に当接させる治具当て工程と、
前記治具を加熱して治具から伝導する熱によって前記半田材を一時的に溶融させる加熱工程と、
を備えることを特徴とする電気回路製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電気回路の製造装置及び製造方法並びに電気回路製造用治具に関する。
【背景技術】
【０００２】
基材に半導体素子を半田付けする際に、半田層の内部にボイドが発生することを防止する種々の技術が提案されている。特許文献１では、半導体素子の中央部付近に半田材を配置して加熱する。このようにすることで、半田材が、半導体素子の中央部付近から溶融し始めて周囲へ濡れ広がる。そのため半導体素子の中央部付近の半田層の内部にボイドが発生することを抑制できるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４２３２７２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような方法であっても、ボイドが残ってしまう可能性があることが本件発明者によって知見された。
【０００５】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、基材に半導体素子などの電気部品を半田付けする半田層中にボイドが発生することを抑制できる電気回路の製造装置及び製造方法並びに電気回路製造用治具を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。
【０００７】
本発明の電気回路製造装置は、基材と電気部品との間に配置される半田材を一時的に溶融させることで電気部品を基材に半田付けする装置である。そして電気部品及び半田材に重ねられたときに、電気部品及び半田材の側方に延びるように形成されて電気部品及び半田材との相対的な位置を定める位置決め部と、電気部品側に凸設されて電気部品の表面に当接する突起部と、を有する治具と、少なくとも治具を加熱して治具から伝導する熱によって前記半田材を一時的に溶融させるヒーターと、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、電気部品及び半田材に重ねられたときに電気部品側に凸設された突起部が電気部品の表面に当接し、その状態で少なくとも治具を加熱して治具から伝導する熱によって半田材を一時的に溶融させるので、半田層にボイドが発生しにくくなる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明による電気回路製造装置を用いて製造する電気回路の一例を示す斜視図である。
【図２】本発明による電気回路製造装置の第１実施形態を説明する図である。
【図３】本発明による電気回路製造装置の第２実施形態を説明する図である。
【図４】本発明による電気回路製造装置の第３実施形態を説明する図である。
【図５】本発明による電気回路製造装置の第４実施形態を説明する図である。
【図６】本発明による電気回路製造装置の第５実施形態を説明する図である。
【図７】本発明による電気回路製造装置の第６実施形態を説明する図である。
【図８】本発明による電気回路製造装置の第７実施形態を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下では図面等を参照して本発明を実施するための形態について、さらに詳しく説明する。
【００１１】
（第１実施形態）
図１は、本発明による電気回路製造装置を用いて製造する電気回路の一例を示す斜視図である。
【００１２】
図１に示される電気回路１０は、たとえば電動自動車やハイブリッド車などの電動車に搭載されるインバーターに使用される。
【００１３】
半導体素子などの電気部品１３は、電気回路１０の基盤１１に半田付けされる。半導体素子１３は、駆動時に発熱して高温になる。その熱を逃がすために、半田層１２にボイドが含まれないことが望ましい。特に半導体素子１３は、中央付近が最も高温になる。そのため、半導体素子１３の中央付近の領域で半田層１２にボイドが含まれないことが特に望ましい。
【００１４】
そこで本件発明者らは、鋭意研究を重ねることによって、電気部品(半導体素子)を接合する半田層にボイドが含まれないようにする本発明を完成するに至った。
【００１５】
以下では具体的な内容を説明する。
【００１６】
図２は、本発明による電気回路製造装置の第１実施形態を説明する図である。
【００１７】
電気回路製造装置１００は、基材１１と半導体素子(電気部品)１３との間に配置される半田ペレット１２１を一時的に溶融させることで半導体素子１３を基材１１に半田付けする装置である。電気回路製造装置１００は、図２(Ｃ)に示されるように、治具１１０と、治具側ヒーター１２０と、基材側ヒーター１３０と、を含む。
【００１８】
半田ペレット１２１は、半導体素子１３と同じ大きさ又は半導体素子１３よりも少し大きく、半導体素子１３の全面に接面する。なお図２では、半田ペレット１２１が半導体素子１３よりも少し大きい場合が示されている。
【００１９】
治具１１０は、図２(Ｂ)に示されるように、位置決め部１１２と突起部１１３とを含んだ一体品である。治具１１０の材質としては、線膨張率が低く熱伝導率のよいもの、たとえばカーボン、ステンレス、タングステンなどが好適である。
【００２０】
位置決め部１１２は、天井部１１１から延設された脚である。図２(Ｂ)では、位置決め部１１２は、天井部１１１から下方に延設されている。
【００２１】
図２(Ｃ)に示されるように、位置決め部１１２は、基材１１に載置された半田ペレット１２１及び半導体素子１３に対して治具１１０が重ねられときに、半田ペレット１２１及び半導体素子１３の側方に延びるように形成されている。そして位置決め部１１２の内壁面１１２ａが半田ペレット１２１の側方に位置する。これによって治具１１０と半田ペレット１２１との相対的な位置が定められる。特に位置決め部１１２の内壁面１１２ａが半田ペレット１２１の側面１２１ａに接触すれば、相対的な位置が正確に定められる。また半導体素子１３は、半田ペレット１２１と同じ大きさ又は半田ペレット１２１よりも少し小さい。したがって、位置決め部１１２の内壁面１１２ａが半田ペレット１２１の側方に位置すれば、位置決め部１１２から半導体素子１３の隙間も小さいので、治具１１０と半導体素子１３との相対的な位置も概ね定められる。
【００２２】
なお半田ペレット１２１と半導体素子１３とが同じ大きさであれば、位置決め部１１２によって、半田ペレット１２１及び半導体素子１３と治具１１０との相対的な位置関係が正確に定められる。
【００２３】
突起部１１３は、天井部１１１から半導体素子１３側(図２の下側)に凸設された部分である。図２(Ｃ)に示されるように、基材１１に載置された半田ペレット１２１及び半導体素子１３に対して治具１１０が重ねられときに、突起部１１３が半導体素子１３の表面に当接する。上述のように半導体素子１３は、中央付近が最も高温になる。そのため、半導体素子１３の中央付近の領域で半田層１２１にボイドが含まれないことが非常に好ましい。そこで図２では、突起部１１３は、特に半導体素子１３の表面の中央付近に当接する。
【００２４】
治具側ヒーター１２０は、治具側(図２では治具１１０の上方)に設けられるヒーターである。治具側ヒーター１２０は、治具１１０から離隔されている。治具側ヒーター１２０は、輻射熱によって治具１１０を加熱する。その熱は治具１１０から半導体部品１３を介して半田ペレット１２１に伝導する。
【００２５】
基材側ヒーター１３０は、基材側(図２では基材１１の下面)に設けられるヒーターである。基材側ヒーター１３０は、伝導する熱によって基材１１を加熱する、その熱は基材１１から半田ペレット１２１に伝導する。
【００２６】
（電気回路の製造方法）
次に図２を参照して、電気回路の製造方法について説明する。
【００２７】
最初に、基材１１に半田ペレット１２１を重ね、さらに半導体素子１３を重ねる(部品配置工程＃１０１；図２(Ａ))。
【００２８】
次に、半導体素子１３の上方から治具１１０を重ねる(治具当て工程＃１０２；図２(Ｂ))。このとき治具１１０に位置決め部１１２が形成されているので、位置決め部１１２の内壁面１１２ａが半田ペレット１２１の側面１２１ａに接触し、治具１１０と半田ペレット１２１との相対的な位置が定められる。また半導体素子１３は、半田ペレット１２１よりも少し小さい。したがって、位置決め部１１２の内壁面１１２ａが半田ペレット１２１の側方に位置すれば、位置決め部１１２から半導体素子１３の隙間も小さいので、治具１１０と半導体素子１３との相対的な位置も概ね定められる。
【００２９】
続いて、治具側ヒーター１２０及び基材側ヒーター１３０で加熱する(加熱工程＃１０３；図２(Ｃ))。すると治具側ヒーター１２０からの輻射熱が、治具１１０から半導体部品１３を介して半田ペレット１２１に伝導する。また基材側ヒーター１３０から伝導する熱が、基材１１から半田ペレット１２１に伝導する。これによって半田ペレット１２１が溶融する。
【００３０】
そして半田層１２が形成されて半導体部品１３が基材１１に半田付けされて電気回路１０が完成する(図２(Ｄ))。
【００３１】
本実施形態によれば、治具１１０には、位置決め部１１２が設けられている。したがって、治具１１０と半田ペレット１２１及び半導体素子１３との相対的な位置が定められる。
【００３２】
そして、基材１１に載置された半田ペレット１２１及び半導体素子１３に対して治具１１０が重ねられときに、突起部１１３が半導体素子１３の表面に当接する。このためヒーターからの熱が効率よく伝達される。特に本実施形態では、突起部１１３が半導体素子１３の表面の中央付近に当接する。したがって半導体素子１３を熱が伝導して、半田ペレット１２１の中央付近が特に高温になり、ボイドが発生しにくくなる。
【００３３】
また半田ペレット１２１は、半導体素子１３と同じ大きさ又は半導体素子１３よりも少し大きく、半導体素子１３の全面に接面する。そのため半導体素子１３の下にボイドが発生しにくくなる。
【００３４】
（第２実施形態）
図３は、本発明による電気回路製造装置の第２実施形態を説明する図である。
【００３５】
なお以下では前述と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。
【００３６】
第１実施形態の治具側ヒーターは、治具１１０から離隔されて輻射熱によって治具１１０を加熱するヒーター１２０であった。
【００３７】
これに対して本実施形態の治具側ヒーターは、図３(Ｃ)に示されるように、治具１１０に接面し、伝導する熱によって基材１１を加熱するヒーター１４０である。
【００３８】
このような治具側ヒーター１４０を使用しても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３９】
（第３実施形態）
図４は、本発明による電気回路製造装置の第３実施形態を説明する図である。
【００４０】
第１実施形態の治具は、位置決め部１１２と突起部１１３とを含んだ一体品であった。
【００４１】
これに対して本実施形態の治具は、図４(Ｂ)に示されるように、突起部１１３が形成された電気部品当接体１１０−１と、位置決め部１１２を含む位置決め体１１０−２と、からなる二体品である。電気部品当接体１１０−１の材質としては、熱伝導率のよいもの、たとえば銅、真鍮などが好適である。位置決め体１１０−２の材質としては、線膨張率が低く熱伝導率のよいカーボン、ステンレス、タングステンなどが好適である。位置決め体１１０−２の背面１１４には孔１１４ａがあけられている。
【００４２】
そして図４(Ｃ)に示されるように、電気部品当接体１１０−１の突起部１１３は、位置決め体１１０−２にあけられた孔１１４ａを挿通して半導体部品１３に当接する、半田ペレット１２１が溶解する前は、電気部品当接体１１０−１は位置決め体１１０−２から離れている。そのため電気部品当接体１１０−１の質量が半導体部品１３にかけられる。すなわち電気部品当接体１１０−１は、半導体部品１３に自重をかける錘体として機能する。本実施形態では、電気部品当接体１１０−１の突起部１１３が半導体素子１３の中央付近に当接して、半導体素子１３の中央付近に自重をかけている。
【００４３】
そして加熱工程＃１０３(図４(Ｃ))で治具側ヒーター１２０及び基材側ヒーター１３０によって加熱されると、半田ペレット１２１が溶解し始める。そして電気部品当接体１１０−１が位置決め体１１０−２に当接する。このようにすることで、電気部品当接体１１０−１の突起部１１３が、半導体素子１３の中央付近に自重をかけるので、特に半導体素子１３の中央付近の半田層１２にボイドが発生しにくくなる。
【００４４】
（第４実施形態）
図５は、本発明による電気回路製造装置の第４実施形態を説明する図である。
【００４５】
第３実施形態の治具側ヒーターは、治具１１０から離隔されて輻射熱によって治具１１０を加熱するヒーター１２０であった。
【００４６】
これに対して本実施形態の治具側ヒーターは、図５(Ｃ)に示されるように、治具１１０に接面し、伝導する熱によって基材１１を加熱するヒーター１４０である。
【００４７】
本実施形態によれば、半導体素子１３の中央付近には、電気部品当接体１１０−１の質量をかけるだけでなく、治具側ヒーター１４０によっても荷重を加えることができるので、半導体素子１３の中央付近の半田層１２にがさらに発生しにくくなる。
【００４８】
（第５実施形態）
図６は、本発明による電気回路製造装置の第５実施形態を説明する図である。
【００４９】
第４実施形態の治具側ヒーター１４０は、電気部品当接体１１０−１と別体であった。
【００５０】
これに対して本実施形態の治具側ヒーター１４０は、図６(Ｂ)に示されるように、電気部品当接体１１０−１を一体に固定する。
【００５１】
本実施形態によれば、電気部品当接体１１０−１が治具側ヒーター１４０に固定されているので、治具側ヒーター１４０を上下動することで、電気部品当接体１１０−１の突起部１１３が半導体素子１３にかける荷重をさらに精緻に調整できる。そのため半導体素子１３の中央付近の半田層１２にボイドが一層発生しにくくなる。
【００５２】
（第６実施形態）
図７は、本発明による電気回路製造装置の第６実施形態を説明する図である。
【００５３】
本実施形態の治具の電気部品当接体１１０−１は、図７(Ｂ)に示されるように、位置決め体１１０−２よりも外側に天井部１１１から脚１１５が延設される。図７(Ｂ)では、脚１１５が天井部１１１から下方に延設されている。
【００５４】
そして図７(Ｃ)に示されるように、電気部品当接体１１０−１の突起部１１３は、位置決め体１１０−２にあけられた孔１１４ａを挿通して半導体部品１３に当接する、半田ペレット１２１が溶解する前は、電気部品当接体１１０−１の脚１１５は基材１１から離れている。そのため電気部品当接体１１０−１の質量が半導体部品１３にかけられる。すなわち電気部品当接体１１０−１は、半導体部品１３に自重をかける錘体として機能する。本実施形態では、電気部品当接体１１０−１の突起部１１３が半導体素子１３の中央付近に当接して、半導体素子１３の中央付近に自重をかけている。
【００５５】
そして加熱工程＃１０３(図７(Ｃ))で治具側ヒーター１２０及び基材側ヒーター１３０によって加熱されると、半田ペレット１２１が溶解し始める。
【００５６】
そして電気部品当接体１１０−１の脚１１５が基材１１に当接する(図７(Ｄ))。すると基材側ヒーター１３０の熱が、矢印のように伝導し、基材１１を介して電気部品当接体１１０−１に伝わる。したがって基材側ヒーター１３０の熱を効率よく利用でき、半導体素子１３の中央付近の半田層１２にボイドがさらに一層発生しにくくなる。
【００５７】
（第７実施形態）
図８は、本発明による電気回路製造装置の第７実施形態を説明する図である。
【００５８】
本実施形態の治具の電気部品当接体１１０−１は、図８(Ｂ)に示されるように、位置決め体１１０−２よりも外側に天井部１１１から壁面１１７が延設され、その壁面１１７から外方にアーム１１６が形成され、そのアーム１１６の先端に脚１１５が形成される。
【００５９】
そして図８(Ｃ)に示されるように、電気部品当接体１１０−１の突起部１１３は、位置決め体１１０−２にあけられた孔１１４ａを挿通して半導体部品１３に当接する、半田ペレット１２１が溶解する前は、電気部品当接体１１０−１の脚１１５は基材側ヒーター１３０から離れている。そのため電気部品当接体１１０−１の質量が半導体部品１３にかけられる。すなわち電気部品当接体１１０−１は、半導体部品１３に自重をかける錘体として機能する。本実施形態では、電気部品当接体１１０−１の突起部１１３が半導体素子１３の中央付近に当接して、半導体素子１３の中央付近に自重をかけている。
【００６０】
そして加熱工程＃１０３(図８(Ｃ))で治具側ヒーター１２０及び基材側ヒーター１３０によって加熱されると、半田ペレット１２１が溶解し始める。
【００６１】
そして電気部品当接体１１０−１の脚１１５が基材側ヒーター１３０に当接する(図８(Ｄ))。すると基材側ヒーター１３０の熱が、矢印のように伝導し、電気部品当接体１１０−１に伝わる。したがって基材側ヒーター１３０の熱をさらに効率よく利用でき、半導体素子１３の中央付近の半田層１２にボイドがさらに一層発生しにくくなる。
【００６２】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。
【００６３】
たとえば、第６実施形態や第７実施形態においても、治具側ヒーターが、治具１１０に接面し、伝導する熱によって基材１１を加熱するヒーターであってもよい。またそのヒーターに電気部品当接体１１０−１が一体に固定されていてもよい。
【００６４】
また各実施形態において、上下を逆にしてもよい。
【００６５】
さらに第１実施形態や第２実施形態において、半田ペレット１２１が溶解する前は、治具１１０の位置決め部１１２が基材１１から離れて、半田ペレット１２１が溶解したら位置決め部１１２が基材１１に接面するように、位置決め部１１２の長さを設定してもよい。そのようにすれば、治具１１０の自重を半導体素子１３にかけることができ、半田層にボイドが発生することをさらに抑制できる。
【００６６】
また上記説明においては、突起部１１３は、主に半導体素子１３の中央付近に当接する場合で説明したが、中央付近以外が特に高温になる半導体素子や電気部品もある。そのような部品であれば、半田層の特にその高温部分にあたる部分にボイドを発生させたくない。そこでこのような場合は、部品の特性に応じて突起部１１３の位置を決めればよい。
【符号の説明】
【００６７】
１１  基材
１２  半田層
１２１  半田ペレット(半田材)
１３  電気部品
１１０  治具
１１０−１  電気部品当接体
１１０−２  位置決め体
１１２  位置決め部
１１３  突起部
１１５  脚
１２０  治具側ヒーター(輻射熱ヒーター)
１３０  基材側ヒーター
１４０  治具側ヒーター(熱伝導ヒーター)
【図１】
2011249578.tif 000003
【図２】
2011249578.tif 000004
【図３】
2011249578.tif 000005
【図４】
2011249578.tif 000006
【図５】
2011249578.tif 000007
【図６】
2011249578.tif 000008
【図７】
2011249578.tif 000009
【図８】
2011249578.tif 000010