(57)【要約】【課題】引け巣を十分に抑制することができるパワーモジュールの製造方法及び冷却治具を得る。【解決手段】凹部１を有する冷却プレート２と、凹部１の内部に敷き詰められた複数の金属球３とを有する冷却治具４を準備する。ベース板５の上面に溶融したはんだ６を介して絶縁基板７を載せる。ベース板５の下面を複数の金属球３に接触させて冷却してはんだ６を凝固させる。絶縁基板７に半導体素子８を実装する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹部を有する冷却プレートと、前記凹部の内部に敷き詰められた複数の金属球とを有する冷却治具を準備する工程と、
ベース板の上面に溶融したはんだを介して絶縁基板を載せる工程と、
前記ベース板の下面を前記複数の金属球に接触させて冷却して前記はんだを凝固させる工程と、
前記絶縁基板に半導体素子を実装する工程とを備えることを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
【請求項２】
前記凹部の中央部の方が前記凹部の外周部よりも深く、前記複数の金属球の層が厚いことを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュールの製造方法。
【請求項３】
前記ベース板の幅よりも前記凹部の幅を大きくし、前記ベース板の側面も前記複数の金属球に接触させることを特徴とする請求項１又は２に記載のパワーモジュールの製造方法。
【請求項４】
前記半導体素子はワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のパワーモジュールの製造方法。
【請求項５】
凹部を有する冷却プレートと、
前記凹部の内部に敷き詰められた複数の金属球とを備えることを特徴とする冷却治具。
【請求項６】
前記凹部の中央部の方が前記凹部の外周部よりも深く、前記複数の金属球の層が厚いことを特徴とする請求項５に記載の冷却治具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーモジュールの製造方法及びそれに用いる冷却治具に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業機器のモータ制御にパワーモジュールが用いられている。このパワーモジュールの製造工程において、従来、はんだ溶融後にベース板に冷却プレートを接触させて冷却し、はんだを凝固させる接触冷却方式が用いられていた。その際、ベース板の反り形状のばらつき又は加熱時の形状変化により冷却プレートとの接触面積が小さくなると、冷却速度の面内ばらつきが生じる。このため、はんだの凝固の際の体積収縮が最終凝固箇所に集中して、はんだに引け巣と呼ばれる空隙が発生する。
【０００３】
引け巣はチップの放熱を阻害しモジュールの能力を著しく低下させるため、製造工程において手作業による修正又は廃棄を実施しなければならなかった。この引け巣を抑制するために、絶縁基板の周縁部に沿ってベース板とのはんだ接合面に複数のディンプルを配置する手法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１４６６４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、製品の回路パターンによっては絶縁基板の周縁部にディンプルを配置できない場合があった。このため、ディンプル設置による引け巣対策ができない品種が存在した。また、ディンプル幅よりも狭い幅の細い引け巣がディンプルの間を通って発生することもあり、ディンプル設置だけでは引け巣を十分に抑制することができなかった。
【０００６】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は引け巣を十分に抑制することができるパワーモジュールの製造方法及び冷却治具を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るパワーモジュールの製造方法は、凹部を有する冷却プレートと、前記凹部の内部に敷き詰められた複数の金属球とを有する冷却治具を準備する工程と、ベース板の上面に溶融したはんだを介して絶縁基板を載せる工程と、前記ベース板の下面を前記複数の金属球に接触させて冷却して前記はんだを凝固させる工程と、前記絶縁基板に半導体素子を実装する工程とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明ではベース板の下面を冷却治具の複数の金属球に接触させるため、ベース板の形状ばらつき及び加熱時の挙動に追従した接触冷却が可能である。これにより、冷却速度の面内ばらつきを極力抑え、はんだを体積収縮が偏ることなく凝固させることで引け巣を十分に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１に係るパワーモジュールの製造方法のフローチャートである。
【図２】本発明の実施の形態１に係るパワーモジュールの製造方法を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係るパワーモジュールの製造方法を示す断面図である。
【図４】比較例に係るパワーモジュールの製造方法を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係るパワーモジュールの製造方法を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態３に係るパワーモジュールの製造方法を示す断面図である。
【図７】本発明の実施の形態４に係るパワーモジュールの製造方法を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施の形態に係るパワーモジュールの製造方法及び冷却治具について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
【００１１】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るパワーモジュールの製造方法のフローチャートである。図２及び図３は、本発明の実施の形態１に係るパワーモジュールの製造方法を示す断面図である。
【００１２】
まず、上面に凹部１を有する冷却プレート２と、凹部１の内部に敷き詰められた複数の金属球３とを有する冷却治具４を準備する（ステップＳ１）。金属球３の直径は０．５ｍｍ以下、材質はアルミ等である。次に、ベース板５の上面にはんだ６を載せて、加熱によりはんだ６を溶融させる（ステップＳ２）。
【００１３】
次に、ベース板５の上面に溶融したはんだ６を介して絶縁基板７を載せる。絶縁基板７の上面と下面にはそれぞれＣｕパターン回路が形成されている。次に、ベース板５の下面を複数の金属球３に接触させて冷却してはんだ６を凝固させる（ステップＳ３）。これにより、ベース板５と絶縁基板７がはんだ６により接合される。
【００１４】
次に、図３に示すように、絶縁基板７に半導体素子８を実装し、ワイヤボンド等の工程を実施する。半導体素子８はＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＳＢＤ又はＰＮダイオードなどである。
【００１５】
続いて、本実施の形態の効果を比較例と比較して説明する。図４は、比較例に係るパワーモジュールの製造方法を示す断面図である。比較例では、冷却治具として平板の冷却プレート９を用いる。ベース板５の反り形状のばらつき又は加熱時の形状変化により冷却プレート９との接触面積が小さくなると、冷却速度の面内ばらつきが生じる。このため、はんだ６の凝固の際の体積収縮が最終凝固箇所に集中して、はんだ６に引け巣が発生する。
【００１６】
これに対して、本実施の形態ではベース板５の下面を複数の金属球３に接触させるため、ベース板５の形状ばらつき及び加熱時の挙動に追従した接触冷却が可能である。これにより、冷却速度の面内ばらつきを極力抑え、はんだ６を体積収縮が偏ることなく凝固させることで引け巣を十分に抑制することができる。
【００１７】
実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係るパワーモジュールの製造方法を示す断面図である。凹部１の中央部の方が凹部１の外周部よりも深く、複数の金属球３の層が厚い。これにより、ベース板５の外周部の方が中央部よりも冷却プレート２に近くなるため、冷却速度が速くなる。この結果、ベース板５の外周部からはんだ６の凝固が始まり、最終凝固点を中央部に誘導するため、外周部の引け巣を抑制することができる。その他の構成及び効果は実施の形態１と同様である。
【００１８】
実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３に係るパワーモジュールの製造方法を示す断面図である。ベース板５の幅よりも凹部１の幅を大きくし、ベース板５の側面も複数の金属球３に接触させる。これによりベース板５の側面からの放熱を促すことでベース板５の外周部の冷却速度が更に速くなる。この結果、最終凝固点を中央部に誘導して外周部の引け巣を更に抑制することができる。その他の構成及び効果は実施の形態１と同様である。
【００１９】
実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態４に係るパワーモジュールの製造方法を示す断面図である。本実施の形態は実施の形態２，３を組み合わせたものである。即ち、凹部１の中央部の方が凹部１の外周部よりも深く、複数の金属球３の層が厚い。さらに、ベース板５の幅よりも凹部１の幅を大きくし、ベース板５の側面も複数の金属球３に接触させる。これにより、ベース板５の外周部の方が中央部よりも冷却速度が速くなる。この結果、ベース板５の外周部からはんだ６の凝固が始まり、最終凝固点を中央部に誘導するため、外周部の引け巣を抑制することができる。その他の構成及び効果は実施の形態１と同様である。
【００２０】
なお、半導体素子８は、珪素によって形成されたものに限らず、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成されたものでもよい。ワイドバンドギャップ半導体は、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドである。このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成された半導体素子８は、耐電圧性と許容電流密度が高いため、小型化できる。この小型化された半導体素子８を用いることで、この半導体素子８を組み込んだパワーモジュールも小型化・高集積化できる。また、半導体素子８の耐熱性が高いため、ヒートシンクの放熱フィンを小型化でき、水冷部を空冷化できるので、パワーモジュールを更に小型化できる。また、半導体素子８の電力損失が低く高効率であるため、パワーモジュールを高効率化できる。
【符号の説明】
【００２１】
１  凹部、２  冷却プレート、３  金属球、４  冷却治具、５  ベース板、６  はんだ、７  絶縁基板、８  半導体素子
【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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