(57)【要約】【課題】半導体モジュールを取付ける冷却器を加熱することにより、半田付け部の熱を冷却器に逃がさなくして半導体モジュールのプリント基板への半田付けを可能とすること。【解決手段】底面に加熱器５が配置された半田付け冶工具１０に、プリント基板２に設けられた半導体モジュール実装用スルーホール３ａに半導体モジュール１の半導体モジュール半田付けリード３ｂが挿入されて半田付け作業が直ぐに可能な状態にされている。そしてプリント基板２の上には通気孔４ａを有する保護カバー４が設けられ、該保護カバー４が位置決めされたうえで半田付け冶工具１０に載置・締着されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換装置用の半導体モジュールがプリント基板実装構造のモジュールであって、該半導体モジュールを冷却器に取り付けた状態でプリント基板に半田付けする際、前記冷却器を温めながら半田付けする工程を含むことを特徴とする半導体モジュールの取付方法。
【請求項２】
前記半導体モジュールが前記冷却器に締着具により締着され、前記冷却器に設けられた櫛状の板に対して、前記冷却器を温める加熱器側に設けた冷却器に設けられた櫛状の板を勝手違いに重ね合わせることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュールの取付方法。
【請求項３】
前記半導体モジュールが取り付けられた基板側の櫛状の板と、勝手違いに重ね合わせた櫛状の板を有する冷却器側の冷却面を前記加熱器により加熱することを特徴とする請求項２に記載の半導体モジュールの取付方法。
【請求項４】
前記半導体モジュールが取り付けられた基板側の櫛状の板と、勝手違いに重ね合わせた櫛状の板を有する冷却器側の冷却面に、磁性体の板を重ねて、電磁加熱器により加熱すること特徴とする請求項２に記載の半導体モジュールの取付方法。
【請求項５】
前記半導体モジュールは、ワイドバンドギャップ半導体によって形成された素子を含むことを特徴とする請求項１ないし請求項４に記載の半導体モジュールの取付方法。
【請求項６】
前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化ケイ素、窒化ガリウム、またはダイアモンドであることを特徴とする請求項５に記載の半導体モジュールの取付方法。
【請求項７】
前記請求項１ないし６のいずれか一項に記載の半導体モジュールの取付方法によって取り付けた半導体モジュールを有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
半導体モジュールを取り付けた冷却器を加熱器により加熱する半導体モジュール半田付け用治工具において、プリント基板と冷却器を配置した周囲に熱遮蔽板を配置したことを特徴とする半導体モジュール半田付け用治工具。
【請求項９】
前記プリント基板と前記冷却器の周囲に配置した熱遮蔽板の底面と上面に通気孔を設けたことを特徴とする請求項８に記載の半導体モジュール半田付け用治工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
電力変換装置に実装する半導体モジュールには、半田付け時に不良が起きないようにして半導体モジュールを基板等に取り付ける必要がある。本発明は、このような場合における、半導体モジュールの取付方法及びこの方法によって取り付けた半導体モジュールを有する電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図７は、従来の一般的な電力変換装置に適用される半田付け半導体モジュールの構成を示す斜視図であり、図８は、図７に示した半田付け半導体モジュールの構成を示す分解斜視図であって、下記に示す特許文献１の図１および図２に記載されたものと同じである。
【０００３】
図７及び図８に示されているように、第１の基板４を反転させて適当な治具に固定させ、次に、パワー半導体モジュール３を反転させ、端子を反転させた第１の基板４のスルーホール又は端子通し穴に通し、反転させた第１の基板４の上面に仮置きして載置する。次いでスペーサ２を反転させ、第１のボス２ｂを反転させた第１の基板４のネジ通し穴に係合させるとともに、第１の係止部にて係止させ、反転させた第１の基板４の上面に載置する。
【０００４】
次に、ヒートシンク１を反転させ、スペーサ２の第１のボス２ｂに係合させるとともに、係合凹部を反転させたスペーサ２の係合凸部２ａに係止させ、反転させたスペーサ２の上面に載置する。この状態を保ったまま、第１の基板４、パワー半導体モジュール３、スペーサ２、ヒートシンク１を反転させて元の状態に戻した後、ネジ６を第１の基板４のネジ通しとスペーサ２の第１のボス２ｂのネジ通し穴に通すとともに、ヒートシンク１のネジ穴に螺合させて、第１の基板４を、スペーサ２を介してヒートシンク１に締付固定する。
【０００５】
次に、ネジ８をパワー半導体モジュール３のネジ通し穴に通すとともに、ヒートシンク１のネジ穴に螺合させて、パワー半導体モジュール３を、第１の基板４に設けたネジ締め用穴を介してヒートシンク１に締付固定する。この状態で、第１の基板４に半田付けされるパワー半導体モジュール３の端子を、第１の基板４に半田付けする。
【０００６】
パワー半導体モジュール３を、ヒートシンク１に締付固定した後、第２の基板５を、ネジ通し穴を介してスペーサ２の第２のボス２ｃに係合させるとともに、スペーサ２の第２の係止部にて係止させ、スペーサ２の第２のボス２ｃ上面に載置する。その後、ネジ７を第２の基板５のネジ通し穴と第２のボス２ｃのネジ通し穴に通すとともに、ヒートシンク１のネジ穴に螺合させて、第２の基板５を、スペーサ２を介してヒートシンク１に締付固定する。この状態で、第２の基板５に半田付けされるパワー半導体モジュール３の端子を、第２の基板５に半田付けする。このようにして複数のパワー半導体モジュール３が第１の基板４及び第２の基板５に半田付けされて電力変換装置に利用される。
【０００７】
また図９は、従来の半導体モジュールの取付作業を説明する斜視図であり、図１０は、図９の取付作業を正面から見た図である。図９及び図１０において、櫛状の板（放熱フィン）１１７を有する冷却器１１６に半導体モジュール１１１が取り付けられ、さらにその上にプリント基板１１２が被せられ、その状態で半田ごて１３１を用いて半導体モジュール１１１をプリント基板１１２に半田付けするようにしている。
【０００８】
図９と図１０に示される半導体モジュールにおいて、半田リード線が細く熱抵抗が大きい、あるいは、半導体モジュールの熱抵抗が大きい場合には、半導体モジュールを冷却器に取り付けた状態でも半田付けすることが可能であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１０−１７８６２５号公報（段落００１４、図１、図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで近年、シリコンカーバイト、窒化ガリウムもしくはダイアモンドなどで形成され高耐熱性を有するワイドバンドギャップ半導体素子がモジュール化されてきており、半導体素子から冷却器までの熱抵抗と、半田付けされるリード線（主回路電流を通流する半導体モジュールのピン、半導体モジュールの半田付け部）までの熱抵抗を従来よりも小さくしたモジュールが利用可能になりつつある。なお、半導体モジュールは、内蔵する半導体素子のすべてがワイドバンドギャップ半導体素子で構成されている場合もあるが、内蔵する半導体の一部がワイドバンドギャップ半導体素子で構成されている場合もある。
【００１１】
このため、従来であれば、半田付けする半導体モジュールを冷却器に取り付けた後に、プリント基板へ半田付けが可能であったが、高耐熱素子のモジュールではリード線から冷却器までの熱抵抗が小さいため、半田付け時に半田ごての熱が冷却器に移動してしまい、半田付けが出来ない（リード線（ピン）の温度が半田付けに適した温度にまで上昇しないため半田が溶融しない）、あるいは、製造不良（半田付けの状態が良好ではない）となる課題がある。換言すれば、プリント基板の導電パターンに半導体モジュールの主回路電流を流すため、導電パターンの温度が上昇しないように、導電パターンは広い面積で形成する必要がある。そのため、半田ごての熱は導電パターンにも分散し、さらに半田付け部の温度が適温まで上昇しない、という課題がある。
【００１２】
さらに、事前にプリント基板に複数個の半導体モジュールを半田付けし、半導体モジュールをプリント基板と一体化した状態で冷却器に取り付ける場合にも、事前にプリント基板に複数の半導体モジュールが半田付けされることで、冷却器への半導体モジュールの取り付け孔が合わない、また、複数の半導体モジュールの冷却面の平面度が確保できないといった課題をクリアする必要があった。
【００１３】
そこで本発明の半導体モジュールの取付方法の目的は、半導体モジュールを取付ける冷却器を加熱することにより、半田付け部の熱を冷却器に逃がさなくして半導体モジュールのプリント基板への半田付けを可能とすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
電力変換装置用の半導体モジュールを冷却器に取り付けた状態でプリント基板に半田付けする半導体モジュールの取付方法において、半導体モジュールを取り付けた冷却器の櫛状の板（放熱フィン）と、勝手違いに重ね合わせた加熱側の冷却器の櫛状の板（放熱フィン）を組み合わせて、加熱側の冷却器を加熱器により加熱するように構成したものである。
【００１５】
上記において半導体モジュールを取り付けた冷却器の櫛状の板（放熱フィン）と、勝手違いに重ね合わせた櫛状の板（放熱フィン）を有する冷却器側の冷却面に、磁性体の板を重ねて、加熱側の冷却器を電磁加熱器により加熱するように構成したものである。
【００１６】
より具体的に示せば請求項１記載の発明は、電力変換装置用の半導体モジュールがプリント基板実装構造のモジュールであって、該半導体モジュールを冷却器に取り付けた状態でプリント基板に半田付けする際、前記冷却器を温めながら半田付けする工程を含むことを特徴とする。
【００１７】
また請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記半導体モジュールが前記冷却器に締着具により締着され、前記冷却器に設けられた櫛状の板に対して、前記冷却器を温める加熱器側に設けた冷却器に設けられた櫛状の板を勝手違いに重ね合わせることを特徴とする。
【００１８】
また請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明において、前記半導体モジュールが取り付けられた基板側の櫛状の板と、勝手違いに重ね合わせた櫛状の板を有する冷却器側の冷却面を前記加熱器により加熱することを特徴とする。
【００１９】
また請求項４記載の発明は、請求項２記載の発明において、前記半導体モジュールが取り付けられた基板側の櫛状の板と、勝手違いに重ね合わせた櫛状の板を有する冷却器側の冷却面に、磁性体の板を重ねて、電磁加熱器により加熱すること特徴とする。
【００２０】
また請求項５記載の発明は、請求項１ないし請求項４に記載の発明において、前記半導体モジュールが、ワイドバンドギャップ半導体によって形成された素子を含むことを特徴とする。
【００２１】
また請求項６記載の発明は、請求項５記載の発明において、前記ワイドバンドギャップ半導体が、炭化ケイ素、窒化ガリウム、またはダイアモンドであることを特徴とする。
また請求項７記載の発明は、電力変換装置が請求項１ないし６のいずれか一項に記載の半導体モジュールの取付方法の発明によって取り付けた半導体モジュールを有することを特徴とする。
【００２２】
また請求項８記載の発明は、半導体モジュールを取り付けた冷却器を加熱器により加熱する半導体モジュール半田付け用治工具において、プリント基板と冷却器を配置した周囲に熱遮蔽板を配置したことを特徴とする。
【００２３】
また請求項９記載の発明は、請求項８記載の発明において、前記プリント基板と前記冷却器の周囲に配置した熱遮蔽板の底面と上面に通気孔を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の半導体モジュールの取付方法によれば、半導体モジュールを取付ける冷却器を加熱することにより、半田付け部の熱を冷却器に逃がさなくして半導体モジュールのプリント基板への半田付けが可能となる。
【００２５】
つまり、半田付けリード線から冷却器までの熱抵抗が小さいプリント基板実装用の半導体モジュールの半田付けにおいて、半導体モジュールを取付ける冷却器を加熱することにより、半田付け部の熱が冷却器に逃げなくなる、すなわち半田付け部の温度を半田付けに適した温度にすることができるようになるため、半導体モジュールをプリント基板に半田付けすることが可能となり、半田付け時間を短く出来るとともに製造不良を低減することができる。
【００２６】
また、半導体モジュールを半田付け作業の前に冷却器に取り付けることが出来るため、冷却器と半導体モジュールの取り付け孔が合わないなどの不具合が生じず、さらに複数の半導体モジュールを同時に扱う場合にも冷却面の平面度を確保することができるため、組立てにおける製造不良を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体モジュールの取付方法によって半田付け作業が可能になる半導体モジュール全体の様子を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態に係る半導体モジュールの取付方法によって半田付け作業が可能になる半導体モジュールの構成を示す平面図、正面図、断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る半導体モジュールの取付方法を説明する正面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る半導体モジュールの取付方法によって半田付け作業が可能になる半導体モジュールの構成を示す平面図で保護カバーを外した状態を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係る半導体モジュールの取付方法によって半田付け作業が可能になるまでの過程を説明する分解斜視図である。
【図６】本発明の実施形態に係る半導体モジュールの他の取付方法によって半田付け作業が可能になるまでの過程を説明する分解斜視図である。
【図７】従来の一般的な電力変換装置に適用される半田付け半導体モジュールの構成を示す斜視図である。
【図８】図７に示した半田付け半導体モジュールの構成を示す分解斜視図である。
【図９】従来の半導体モジュールの取付作業を説明する斜視図である。
【図１０】図９の取付作業を正面から見た図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る半導体モジュールの取付方法によって半田付け作業が可能になる半導体モジュール全体の様子を示す斜視図である。図１に示された配置構成は、底面に加熱器５が配置された半田付け冶工具１０に、プリント基板２に設けられた半導体モジュール実装用スルーホール３ａに半導体モジュール１の半導体モジュール半田付けリード３ｂが挿入されて半田付け作業が直ぐに可能な状態にされている。そしてプリント基板２の上には通気孔４ａを有する保護カバー４が設けられ、該保護カバー４が位置決めされたうえで半田付け冶工具１０に載置されている。
【００２９】
図２は、本発明の実施形態に係る半導体モジュールの取付方法によって半田付け作業が可能になる半導体モジュールの構成を示す平面図、正面図、断面図である。すなわち、図２（ａ）は平面図であり、図２（ｂ）は正面図であり、図２（ｃ）は断面図である。図２（ａ）〜図２（ｃ）から分かるように、半田付け冶工具１０の底面には加熱器５が配置され、当該加熱器５の上に加熱側の冷却器７と冷却側の冷却器６、さらに冷却器６の上にプリント基板２が配置されて締着具、例えばネジ（図示省略）、により締着され、さらに半田付け冶工具１０の上面に保護カバー４が位置決めされて配置・締着される構成になっている。
【００３０】
図３は、本発明の実施形態に係る半導体モジュールの取付方法を説明する正面図である。図３に示されているように、半導体モジュール１を取り付けた冷却器６の放熱フィン（櫛状の板）と、勝手違いに重ね合わせた加熱側の冷却器７の放熱フィン（櫛状の板）を組み合わせる。そして加熱側の冷却器７に加熱器５を配置する。半田付けを行う場合には、加熱器５を加熱して半田付け部（図１の半田付けリード３ｂ参照）の温度を４０℃程度に加熱したのち、半田ごて３１を半導体モジュール１のリード線（ピン）に当てて、半田付けを行う。このとき、あらかじめプリント板２に実装されている電子・電気部品に影響を与えないように温度を管理することが肝要である。
【００３１】
図４は、本発明の実施形態に係る半導体モジュールの取付方法によって半田付け作業が可能になる半導体モジュールの構成を示す平面図で保護カバーを外した状態を示す図である。図４においては、図１および図２（ａ）では図示されていた半田付け冶工具１０の上面の保護カバー４が取り外されている。加熱器５は、半田付け冶工具１０に設けたガイドリブ１０ｃにより適正な位置になるようにセットされている。またプリント基板２を取り付ける冷却器６は、半田付け冶工具１０の通気孔１０ａ、及び、ガイドリブ１０ｂ、１０ｄにより、加熱器５との関係が適正な位置になるようにセットされる。
【００３２】
図５は、本発明の実施形態に係る半導体モジュールの取付方法によって半田付け作業が可能になるまでの過程を説明する分解斜視図である。図５に示す取付けの分解構成では、図下部に示す加熱器５を覆うように半田付け冶工具１０が配置され、当該半田付け冶工具１０には、プリント基板側の冷却器６と加熱側の冷却器７を位置決めするガイドリブ１０ｂ〜１０ｄが設けられている。そしてガイドリブ１０ｂ〜１０ｄに合わせて（加熱側の）冷却器７、（基板側の）冷却器６に載置されたプリント基板２、及び、保護カバー４の順に配置・締着される。
【００３３】
図６は、本発明の実施形態に係る半導体モジュールの他の取付方法によって半田付け作業が可能になるまでの過程を説明する分解斜視図である。図６に示す取付けの分解構成では、図下部に示す電磁加熱器５ａを覆うように半田付け冶工具１０が配置され、当該半田付け冶工具１０には、プリント基板側の冷却器６、電磁加熱側の冷却器７、及び、磁性体の板８を位置決めするガイドリブ１０ｂ〜１０ｄが設けられている。
【００３４】
そしてガイドリブ１０ｂ〜１０ｄに合わせて磁性体の板８、（加熱側の）冷却器７、（基板側の）冷却器６に載置されたプリント基板２、及び、保護カバー４の順に配置される。図６に示す他の取付け分解構成と図５に示す取付け分解構成との違いは、図６では加熱器として電磁加熱器５ａを配置し、当該電磁加熱器５ａと冷却器７の間に、電磁加熱器５ａによって発生される電磁波がプリント基板２に搭載される電子・電気部品に影響を与えないようにするために磁性体の板８を配置する構成にしたことである。
【００３５】
図６の構成では電磁加熱器を採用したため、電源投入後、急峻な立ち上がりですぐに加熱することが可能となり、また図５の加熱器に比べて、安定した出力が得られ且つ必要な部分のみを加熱することができるため作業環境への影響を少なくすることができる。
【００３６】
なお、半導体モジュール半田付け用治工具の周囲を、熱遮蔽する熱遮蔽板で覆うようにすれば、熱効率を上げることが可能となり、少ない電力で冷却器６を加温することが可能となる。また、局所的に高熱となって熱が籠ることを避けるため、熱遮蔽板の底面に通気孔（図示せず）およびプリント基板２を覆う保護カバー４には通気孔４ａを設けて熱を逃がすことが望ましい。
【００３７】
また図２、図３、図５および図６の説明では、加熱側の冷却器７を設ける例について説明しているが、加熱側の冷却器７を設けずに基板側の冷却器６だけ設けるようにしてもよい。このように構成した場合には、上述したような半導体モジュール１を取り付けた冷却器６の放熱フィン（櫛状の板）と、加熱側の冷却器７の放熱フィン（櫛状の板）とを勝手違いに重ね合わせて組み合わせる必要がなくなるため工数が削減される。さらに半田付け冶工具１０の厚みも加熱側の冷却器７を設けなくて済むことから薄くなり、半田付け冶工具１０のコストを低減することができる。また加熱器５又は５ａは基板側の冷却器６に対向して配置されることになる。
【００３８】
上記で説明した半導体モジュールの取付方法は、シリコンカーバイト、窒化ガリウムもしくはダイアモンドなどで形成され高耐熱性を有するワイドバンドギャップ半導体素子を含む半導体モジュール１のリード線（ピン）をプリント基板２に半田付けする場合に、特に有効である。
【符号の説明】
【００３９】
１  半導体モジュール
２  プリント基板
３ａ  半導体モジュール実装用スルーホール
３ｂ  半導体モジュール半田付リード
４  保護カバー
５  加熱器
６  (基板側)冷却器
７  (加熱側)冷却器
８  磁性体の板
１０  半田付け冶工具
３１  半田ごて
４ａ  通気孔
５ａ  電磁加熱器
１０ａ  通気孔
１０ｂ  ガイドリブ
１０ｃ  ガイドリブ
１０ｄ  ガイドリブ
【図１】
2015225911.tif 000003
【図２】
2015225911.tif 000004
【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】
2015225911.tif 000009
【図８】
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【図９】
2015225911.tif 000011
【図１０】
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