(57)【要約】【課題】電気性能の不良を起こさないとともに、ボイドの発生を防止することができる上部電極、パワーモジュール、および上部電極のはんだ付け方法を提供すること。【解決手段】上部電極１０に、突起部１１とはんだ注入口１２とを形成する。そして、この突起部１１をパワー素子３２ａ，３２ｂ上に接するように、上部電極１０をパワー素子３２ａ，３２ｂ上に載置して、上部電極１０とパワー素子３２ａ，３２ｂとの間に隙間を形成する。その後、その隙間に対しはんだ注入口１２から溶融はんだ２１を供給して、上部電極１０とパワー素子３２ａ，３２ｂとをはんだ接合する。【選択図】　　　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー素子上にはんだ付けされる上部電極において、
前記パワー素子と接して溶融はんだの供給空間を形成する突起部と、
前記突起部により形成された溶融はんだの供給空間に溶融はんだを供給するためのはんだ注入口と、
を有することを特徴とする上部電極。
【請求項２】
請求項１に記載する上部電極において、
前記はんだ注入口の面積は、この注入口から前記はんだ供給空間にはんだを供給する供給孔の断面積よりも大きく前記パワー素子上面のはんだ付け面であるランド面積より小さい範囲に設定されていることを特徴とする上部電極。
【請求項３】
電極上にパワー素子がはんだ付けされ、このパワー素子上に上部電極がはんだ付けされたパワーモジュールであって、
前記上部電極は、請求項１または請求項２に記載する上部電極であることを特徴するパワーモジュール。
【請求項４】
パワー素子に対する上部電極のはんだ付け方法において、
突起部とはんだ注入口が形成された上部電極を、前記突起部を前記パワー素子に接触させることにより、前記上部電極と前記パワー素子との間にはんだの供給空間である隙間を形成し、
前記隙間に前記はんだ注入口から溶融はんだを供給して、前記上部電極を前記パワー素子にはんだ接合することを特徴とする上部電極のはんだ付け方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワー素子上にはんだ付けされる上部電極、その上部電極を備えるパワーモジュール、およびその上部電極のはんだ付け方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、例えばパワートランジスタ等の電子部品の接合には、水素還元雰囲気中ではんだ付けを行う水素還元ダイボンド法が用いられている。このようなはんだ付け方法として、例えば、特開平６−１０４２９５号公報に開示されたものがある。このはんだ付け方法は、図３に示すように、カーボンからなる第１の治具１０１上に基板１０２を置き、その上に複数の貫通孔１０５ａを有するカーボンからなる第２の治具１０５を置き、ベアチップ１０４、はんだ箔１０３を貫通孔１０５ａ内であって基板１０２の導体１０２ａ上に位置させ、これらの貫通孔１０５ａ内に対応した数の押圧部１０７ａを有するカーボンからなる第３の治具１０７の押圧部１０７ａを入れ各ベアチップ１０４上に位置させ、第３の治具１０７に垂直方向の荷重を荷重体１０８によって加えつつ水素還元ガス中にて加熱し、各ベアチップ１０４を同時に基板１０２に接合させる方法である。
【０００３】
ところが、上記した特開平６−１０４２９５号公報に開示された方法では、はんだ箔１０３の表面に形成されている酸化物を除去することができない。そのため、はんだ接合部におけるボイドの発生を容認しなければならなかった。
【０００４】
そこで、水素還元ダイボンド法においてボイドの発生を防止するための方法が種々提案されている。そのうちの１つとして、例えば、特開平９−５１０４９号公報に開示された方法がある。ここに開示された方法は、図４に示すように、接合する一方の部品１１０に突起１１５を設け、その突起１１５で他方の部品１１１を支持して、部品１１０と部品１１１との間に隙間を形成し、その隙間の側方からはんだ１０６を供給して、溶融したはんだ１０６ａを毛細管現象により隙間に侵入させてはんだ付けすることにより、はんだ接合部におけるボイドの発生を少なくするようにしている。そして、突起１１５によって支持されている部品１１１の中央部を加圧して撓ませることにより、はんだ供給部の毛細管現象を助けるようにしている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−１０４２９５号公報（第２頁、第１図）
【０００６】
【特許文献２】
特開平９−５１０４９号公報（第２頁、第１図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平９−５１０４９号公報に開示された方法を利用して、上部電極のはんだ付けを行うと、ボイドの発生を防止することはできるが、電気性能不良となり生産良品率が悪化するという問題があった。その理由を以下に説明する。図５に示すように、この方法を利用して、電極３０に予めはんだ３１により接合されたパワー素子３２に対し上部電極５０をはんだ付けすると、上部電極５０の側方からはんだ供給装置２０を用いて溶融はんだ２１を供給するため、溶融はんだ２１がパワー素子３２の上面からはみ出してしまい、パワー素子３２の側面に付着してしまう。このため、パワー素子３２の側面にはんだブリッジが形成されてしまい、パワー素子３２内での短絡が生じてパワー素子３２の電気性能が不良となってしまうのである。
【０００８】
また、特開平９−５１０４９号公報に開示された方法では、はんだ供給部の毛細管現象を助けるために部品１１１の中央部を撓ませているが、突起１１５に支持される部品１１１が上部電極５０のような薄いものであると折れ曲がってしまうという問題もあった。
【０００９】
このような問題は、部品１１０に突起１１５を設定せずに、部品１１１を保持する保持治具を利用して部品１１０と部品１１１との間に隙間を形成することにより解消することができると考えられる。そして、この考えを上部電極のはんだ付けに適用すると、図５に示すように、パワー素子３２に対して所定の隙間を保って上部電極５０を保持する保持治具４０を使用すればよいことになる。ところが、これでは新たに保持治具４０が必要になるし、パワー素子３２の側面にはんだが付着して電気性能不良になるという問題は解消することができない。
【００１０】
そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、電気性能の不良を起こさないとともに、ボイドの発生を防止することができる上部電極、パワーモジュール、および上部電極のはんだ付け方法を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するためになされた本発明に係る上部電極は、パワー素子上にはんだ付けされる上部電極において、パワー素子と接して溶融はんだの供給空間を形成する突起部と、突起部により形成された溶融はんだの供給空間に溶融はんだを供給するためのはんだ注入口と、を有することを特徴とするものである。
【００１２】
この上部電極は、突起部を有しているので、パワー素子上に載置したときに突起部の高さに相当する隙間が形成される。この隙間は、パワー素子上に上部電極をはんだ接合するための溶融はんだの供給空間となる。また、この上部電極には、溶融はんだの供給空間に溶融はんだを供給するためのはんだ注入口が形成されている。したがって、上部電極の側方から溶融はんだを供給する必要がない。つまり、パワー素子のほぼ中央に溶融はんだを供給することができる。これにより、パワー素子の側面にはんだが付着することを防止することができるので、はんだブリッジが形成されることはない。よって、電気性能が不良となることがないので、高い生産良品率を確保することができる。
【００１３】
なお、上部電極に備わる突起部とはんだ注入口は、電極形状を形成するためのプレス行程において同時に形成することができるので、上部電極自体の製品コストが上がることはない。
【００１４】
ここで、突起部の高さは、溶融はんだの毛細管現象が発生しやすい範囲内に設定するのが好ましい。具体的には、７０〜２００μｍ程度、望ましく７０μｍ程度になるようにするのがよい。なぜなら、パワー素子と上部電極との隙間が７０μｍ以下となるようにすると、はんだ接合部のはんだ厚さが薄すぎて亀裂が生じるおそれがあるからである。一方、パワー素子と上部電極との隙間が２００μｍ以上であると、溶融はんだの供給が追いつかずにパワー素子と上部電極との間に空気が入り込んでしまい、ボイドが発生するおそれがあるからである。
【００１５】
そして、本発明に係る上部電極においては、はんだ注入口の面積は、この注入口からはんだ供給空間にはんだを供給する供給孔の断面積よりも大きくパワー素子上面のはんだ付け面であるランド面積より小さい範囲に設定されていることが望ましい。
【００１６】
この範囲内にはんだ注入口の面積を設定することにより、ボイドの発生を効果的に防止するとともに溶融はんだを確実に上部電極とパワー素子との間に供給することができ、また、十分な接合力を確保したはんだ接合を行うことができるからである。つまり、はんだ注入口の面積が溶融はんだの供給孔の断面積より小さいと、はんだ注入口を介して溶融はんだを十分に供給することができず、溶融はんだを確実に上部電極とパワー素子との間に供給することができない。一方、はんだ注入口の面積がパワー素子のランド面積よりも大きいと、上部電極をパワー素子に対してしっかりとはんだ付けすることができない。したがって、はんだ注入口の面積を、溶融はんだの供給孔の断面積より大きく、パワー素子のランド面積よりも小さい範囲内に設定するのがよいのである。
【００１７】
ここで、はんだ注入口の面積は、上記した範囲内で極力大きめに設定することが好ましい。なぜなら、はんだ接合するために供給される溶融はんだには、元々、はんだ（溶融前）の表面に形成されていた酸化物が含まれている。そして、溶融はんだがパワー素子上に供給されると、比重差により酸化物は表面に浮かんでくる。このとき、はんだ注入口付近では溶融はんだが盛り上がっているので、この部分に酸化物が集まる。したがって、はんだ注入口が大きいほど、溶融はんだに含まれている酸化物が、上部電極とパワー素子との間に残存しなくなり、ボイドの発生を抑制することができるからである。
【００１８】
また、上記問題点を解決するためになされた本発明に係るパワーモジュールは、上記した上部電極が、電極上にはんだ接合されたパワー素子上にはんだ付けされていることを特徴するものである。
【００１９】
このパワーモジュールは、上記した上部電極がパワー素子上にはんだ付けされて製造されるので、パワー素子の側面にはんだが付着することがない。また、はんだ接合部にボイドが発生することもない。したがって、電気性能の不良を起こすおそれがないため、高い生産良品率を確保することができる。
【００２０】
また、上記問題点を解決するためになされた本発明の上部電極のはんだ付け方法は、パワー素子に対する上部電極のはんだ付け方法において、突起部とはんだ注入口が形成された上部電極を、突起部をパワー素子に接触させることにより、上部電極とパワー素子との間にはんだ供給空間である隙間を形成し、この隙間にはんだ注入口から溶融はんだを供給して、上部電極をパワー素子にはんだ接合することを特徴とする。
【００２１】
この上部電極のはんだ付け方法では、まず、突起部とはんだ注入口が形成された上部電極を、突起部をパワー素子に接触させて載置する。これにより、上部電極とパワー素子との間に隙間が形成される。そして、上部電極とパワー素子との隙間に対しはんだ注入口を介して、溶融はんだを供給する。つまり、溶融はんだを、パワー素子のほぼ中央に供給することができる。これにより、パワー素子の側面にはんだが付着することを防止することができる。
【００２２】
そして、供給された溶融はんだは、毛細管現象と濡れ作用により、パワー素子と上部電極との間の隙間に侵入していく。このとき、パワー素子と上部電極とにより形成されたはんだ供給空間は、突起部以外は開放されているため、空間内に存在する空気は溶融はんだの侵入により、空間外へ押し出される。また、上記したように、溶融はんだに含まれている酸化物ははんだ注入口付近に集まるので、パワー素子と上部電極と間に酸化物が残存しない。したがって、ボイドの発生をも防止することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の上部電極、その上部電極を備えるパワーモジュール、およびその上部電極のはんだ付け方法を具体化した最も好適な実施の形態について、図面に基づき詳細に説明する。
【００２４】
まず、実施の形態に係るパワーモジュールの概略構成を図１および図２を用いて説明する。図１は、上部電極をパワー素子にはんだ付けする方法を説明するための図である。図２は、パワーモジュールを示す斜視図である。このパワーモジュール１５は、図２に示すように、電極３０（厚さ５００μｍ程度）と、パワー素子３２ａ（厚さ３００μｍ程度），３２ｂ（厚さ１００μｍ程度）と、上部電極１０とを備えている。そして、電極３０とパワー素子３２ａ，３２ｂとの間にそれぞれはんだ層３１，３１（厚さ１００μｍ程度）が形成されている。つまり、電極３０とパワー素子３２ａ，３２ｂとがそれぞれはんだ接合されている。また、パワー素子３２ａ，３２ｂと上部電極１０との間にはんだ層２１ａ，２１ａが形成されている。つまり、パワー素子３２ａ，３２ｂと上部電極１０とがそれぞれはんだ付けされている。
【００２５】
ここで、実施の形態に係る上部電極１０は、厚さ０．４ｍｍ程度の金属薄板をプレス加工したものであり、突起部１１とはんだ注入口１２とが形成されている。これらの突起部１１とはんだ注入口１２は、上部電極１０の電極形状を成形するプレス加工により形成されるようになっている。つまり、上部電極１０は、一度のプレス加工により、図２に示すような形状に成形される。したがって、上部電極１０に突起部１１およびはんだ注入口１２を設けても、上部電極１０自体の製造コストが上昇することはない。
【００２６】
上部電極１０に形成された突起部１１は、上部電極１０とパワー素子３２ａ，３２ｂとを接合するための溶融はんだ２１を供給する空間を作るためのものである。この突起部１１の高さによって、はんだ層２１ａの厚さが決定されるようになっている。そして、突起部１１の高さは、７０μｍ程度に設定されており、上部電極１０をパワー素子３２ａ，３２ｂ上に配置すると、上部電極１０とパワー素子３２ａ，３２ｂとの間に隙間が形成されるようになっている。
【００２７】
このように突起部１１の高さを７０μｍ程度に設定するのは、上部電極１０とパワー素子３２ａ，３２ｂとの隙間に供給する溶融はんだ２１の毛細管現象が発生しやすいようにするとともに、はんだ接合部に亀裂が生じないようにするためである。つまり、上部電極１０とパワー素子３２ａ，３２ｂとの隙間が７０μｍ以下しかないと、振動などによりはんだ接合部に亀裂が生じるおそれがあるからである。一方、上部電極１０とパワー素子３２ａ，３２ｂとの隙間を大きくすると（具体的には２００μｍ程度）、亀裂が生じるおそれはなくなるが、溶融はんだ２１の供給が追いつかずに上部電極１０とパワー素子３２ａ，３２ｂとの間に空気が入り込んでしまい、ボイドが発生するおそれがあるからである。
【００２８】
また、上部電極１０に形成されたはんだ注入口１２は、はんだ供給装置２０から溶融はんだ２１を注入するための注入口である。このはんだ注入口１２は、四角形状に開口しており、その開口面積ははんだ供給装置２０のノズル孔２０ａの断面積よりも大きく、パワー素子３２ａ，３２ｂ上面のはんだ付け面であるランド面積よりも小さくなるように設定されている。はんだ注入口１２の開口面積をこのような範囲内に設定するのは、以下の理由による。すなわち、はんだ注入口１２の開口面積がはんだ供給装置２０のノズル孔２０ａの断面積より小さいと、はんだ注入口１２を介して溶融はんだ２１を、上部電極１０とパワー素子３２ａ，３２ｂとの間に十分に供給することができないからである。一方、はんだ注入口１２の開口面積がパワー素子３２ａ，３２ｂにおける前記ランド面積よりも大きいと、上部電極１０をパワー素子３２ａ，３２ｂに対してしっかりとはんだ付けすることができないからである。
【００２９】
そして、上部電極１０に形成されたはんだ注入口１２の開口面積は、上記の範囲内で極力大きめに確保する方がよい。これにより、溶融はんだ２１に含まれている酸化物が、上部電極１０とパワー素子３２ａ，３２ｂとの間に残存し難くなるため、はんだ層２１ａにおけるボイドの発生を効果的に防止することができるからである。
【００３０】
次に、上記の構成を有する上部電極１０を使用して本実施の形態に係るパワーモジュール１５を製造する際における上部電極１０のはんだ付け工程について、図１を参照しながら詳細に説明する。なお、このはんだ付け行程は、水素還元雰囲気内で行われる。まず、電極３０上にはんだ接合されたパワー素子３２ａ，３２ｂが所定の位置にセットされる。そして、上部電極１０に形成されている突起部１１がパワー素子３２ａ，３２ｂ上に接するようにして上部電極１０を所定の位置に配置する。これにより、保持治具（図５に示す符号４０に相当するもの）を使用しなくても上部電極１０はパワー素子３２ａ，３２ｂに対して所定の高さ（７０μｍ程度）に保持される。すなわち、上部電極１０とパワー素子３２ａ，３２ｂとの間に７０μｍ程度の隙間が形成される。その結果、はんだ供給装置２０から供給される溶融はんだ２１の毛細管現象が生じやすくなる。
【００３１】
そして、上部電極１０の配置が完了すると、はんだ供給装置２０を上部電極１０に形成されているはんだ注入口１２の上方へ移動させる。このとき、はんだ供給装置２０のノズル孔２０ａがはんだ注入口１２のほぼ中央に位置するように、はんだ供給装置２０が配置される。次いで、はんだ供給装置２０から溶融はんだ２１が供給される。すなわち、溶融はんだ２１がはんだ注入口１２から上部電極１０とパワー素子３２ａとの間に供給される。そうすると、溶融はんだ２１は、毛細管現象とはんだ濡れ作用により、上部電極１０とパワー素子３２ａとの隙間に侵入していく。このとき、上部電極１０とパワー素子３２ａとの隙間が均一に７０μｍ程度に保たれているから、溶融はんだ２１を確実に隙間に侵入させることができる。
【００３２】
なお、本実施の形態では、パワー素子３２ａと上部電極１０との間に溶融はんだ２１を供給して、その後に、パワー素子３２ｂと上部電極１０との間に溶融はんだ２１を供給する。もちろん、パワー素子３２ｂと上部電極１０との間に溶融はんだ２１を供給する方法は、パワー素子３２ａと上部電極１０との間に溶融はんだ２１を供給する方法と同じである。なお、はんだ供給装置２０を２つ設けて、パワー素子３２ａと上部電極１０との間、およびパワー素子３２ｂと上部電極１０との間に、同時に溶融はんだ２１を供給するようにしてもよい。
【００３３】
このように、上部電極１０をパワー素子３２ａ，３２ｂにはんだ付けする際に、溶融はんだ２１を上部電極１０の側方から供給しないので、パワー素子３２ａの側面にはんだが付着することを防止することができる。これにより、パワー素子３２ａ，３２ｂにはんだブリッジが形成されることはないので、パワーモジュール１５の電気性能が不良になることはない。したがって、高い生産良品率を確保することができる。
【００３４】
ここで、はんだ供給装置２０から上部電極１０とパワー素子３２ａ，３２ｂとの隙間へ供給される溶融はんだ２１には、溶融前のはんだ表面に形成されていた酸化物が含まれている。このため、上部電極１０とパワー素子３２ａ，３２ｂとの隙間に、溶融はんだ２１とともに酸化物も供給されてしまう。しかしながら、溶融はんだ２１と酸化物との比重差により、酸化物は溶融はんだ２１の表面に浮かんでくる。そして、溶融はんだ２１ははんだ注入口１２付近で盛り上がるため、酸化物はこの盛り上がった部分に集まる。このため、上部電極１０とパワー素子３２ａ，３２ｂとの隙間に供給された溶融はんだ２１の中に酸化物が残存しない。したがって、はんだ層２１ａにおけるボイドの発生が防止される。
【００３５】
以上、詳細に説明したように本実施の形態に係る上部電極１０には、突起部１１が形成されているので、パワー素子３２ａ，３２ｂ上に載置したときに、上部電極１０とパワー素子３２ａ，３２ｂとの間に突起部１１の高さに相当する隙間を形成することができる。また、上部電極１０には、突起部１１によって形成される隙間に対し、溶融はんだ２１をはんだ供給空間の隙間に供給するためのはんだ注入口１２が形成されている。したがって、上部電極１０の側方から溶融はんだ２１を供給せず、はんだ注入口１２を介して溶融はんだ２１を供給するので、パワー素子３２ａ，３２ｂの側面にはんだが付着することを防止することができる。これにより、パワー素子３２ａ，３２ｂにはんだブリッジが形成されないので、上部電極１０がはんだ付けされたパワーモジュール１５において電気性能が不良となることがないため、高い生産良品率を確保することができる。
【００３６】
そして、上部電極１０におけるはんだ注入口１２の開口面積は、はんだ供給装置２０のノズル孔２０ａの断面積より大きく、パワー素子３２ａ，３２ｂ上面のはんだ付け面であるランド面積よりも小さい範囲内に設定しているので、ボイドの発生を効果的に防止するとともに溶融はんだ２１を確実に上部電極１０とパワー素子３２ａ，３２ｂとの隙間に供給することができ、また、十分な接合力を確保したはんだ接合を行うことができる。
【００３７】
なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。例えば、上記した実施の形態では、上部電極１０に形成したはんだ注入口１２は四角形状であるが、その形状は四角形状以外の多角形状であってもよいし、丸形状であってもよい。
【００３８】
また、上記した実施の形態では、突起部１１をライン状に形成しているが、突起部の形状はライン状に限られず、上部電極１０とパワー素子３２ａ，３２ｂとの隙間を一定に保つことができる形状であればよい。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明した通り本発明に係る上部電極によれば、パワー素子上にはんだ付けされる上部電極において、パワー素子と接して溶融はんだの供給空間を形成する突起部と、突起部により形成された溶融はんだの供給空間に溶融はんだを供給するためのはんだ注入口とを有している。そして、本発明に係る上部電極のはんだ付け方法は、上記の上部電極を、突起部をパワー素子に接触させることにより、上部電極とパワー素子との間に隙間を形成し、その隙間にはんだ注入口から溶融はんだを供給して、上部電極をパワー素子にはんだ接合する。このため、突起部によって形成された溶融はんだの供給空間に対し、上部電極の側方からではなく、はんだ注入口を介して溶融はんだを供給することができる。したがって、パワー素子の側面にはんだが付着することを防止することができるので、パワー素子にはんだブリッジが形成されない。
【００４０】
そして、本発明に係るパワーモジュールは、上記の上部電極が、電極上にはんだ接合されたパワー素子上に、はんだ付けされているものであるから、電気性能が不良となることがない。このため、高い生産良品率を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】上部電極をパワー素子にはんだ付けする方法を説明するための図である。
【図２】実施の形態に係るパワーモジュールを示す斜視図である。
【図３】従来の水素還元ダイボンド法によるはんだ付け方法を説明するための図である。
【図４】従来の水素還元ダイボンド法においてボイドの発生を防止したはんだ付け方法を説明するための図である。
【図５】図４に示す方法を上部電極のはんだ付けに適用した場合の問題点を説明するための図である。
【符号の説明】
１０　　上部電極
１１　　突起部
１２　　はんだ注入口
１５　　パワーモジュール
２１　　溶融はんだ
３２ａ，３２ｂ　パワー素子
【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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