(57)【要約】【課題】この発明は、長期間にわたって加熱と冷却とが繰り返し行われても、半導体素子と共通基板との接合部分が劣化しない、高い接合信頼性を備えたインバータ装置を提供することにある。【解決手段】ヒートシンク１と、このヒートシンクに絶縁材を介して接合されるバスバー７と、このバスバーにはんだ材９を介して接合されるシリコンチップ８とを具備し、上記はんだ材にニッケル粒子２６と銅粒子２７とを混入した。【選択図】　　図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒートシンクと、
このヒートシンクに絶縁材を介して接合される共通基板と、
この共通基板にはんだ材を介して接合される半導体素子とを具備し、
上記はんだ材には、はんだ材より小さい線膨張係数、及びはんだ材より大きい比重を有する粒子が混入されていることを特徴とするインバータ装置。
【請求項２】
上記はんだ材は、異なる粒径を有する複数の種類の粒子を含有することを特徴とする請求項１記載のインバータ装置。
【請求項３】
上記粒子は、はんだ材よりも熱伝導度が大きいことを特徴とする請求項１記載のインバータ装置。
【請求項４】
上記共通基板は銅材からなり、
上記半導体素子はシリコン材からなり、
上記はんだ材は、その厚さ寸法とほぼ同じ寸法の粒径を有するニッケル粒子と、このニッケル粒子よりも小径の銅粒子とを含有することを特徴とする請求項１記載のインバータ装置。
【請求項５】
上記半導体素子が対向する上記共通基板の板面に、上記粒子を半導体素子の全面にわたって均一に分散させるための複数の第１の凹部が形成されていることを特徴とする請求項１記載のインバータ装置。
【請求項６】
上記半導体素子の周縁部に対応する上記共通基板の板面に上記はんだ材の一部を収容する第２の凹部が形成されていることを特徴とする請求項１記載のインバータ装置。
【請求項７】
フラックスを含むはんだ材を基板に供給するはんだ供給工程と、
このはんだ供給工程によって供給されたはんだ材に半導体素子を載置し、上記はんだ材を加熱することで基板に半導体素子を接合する接合工程と、
この接合工程の後にはんだ材の表面に集中したフラックスを洗浄除去するフラックス除去工程と、
このフラックス除去工程の後にはんだ材を加熱しながら治具により半導体素子の姿勢を調整する姿勢調整工程と
を有することを特徴とするインバータ装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ハイブリッド式自動車などに用いられるインバータ装置とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ハイブリッド式自動車は、バッテリーから供給される直流電流を、モータや発電機などの駆動に用いられる交流電流に変換するインバータ装置を備えている。
【０００３】
このインバータ装置は大容量トランジスタや制御用チップなどの複数の半導体素子を有し、これら半導体素子を放熱性の高い素材、例えば銅材からなる共通基板に接合することで、半導体素子が所定温度以上に加熱しないようにしている。従来、共通基板に半導体素子としてのシリコンチップを接合する場合、これら共通基板とシリコンチップとの間に、シリコンとほぼ同じ線膨張係数を有するアルミナ材製の板状部材を介装するという方法が採られていた。
【０００４】
このような構成にすると、シリコンチップの温度が上昇しても、シリコンチップとアルミナとがほぼ同じ線膨張係数で膨張するため、これらの接合部分には大きな応力が発生せず、シリコンチップに不要な力が加わるのを防止することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、シリコンチップと共通基板との間にアルミナ材製の板状部材を介装すると、この板状部材の厚さ分だけ接合に要する接合高さが大きくなり、装置が大型化するという問題があった。
【０００６】
そこで、図８に示すように、シリコンチップをはんだ材によって直接に共通基板に接合するということが考えられる。
【０００７】
ところで、シリコンチップの線膨張係数は約３×１０−６［１／Ｋ］、共通基板を形成する銅の線膨張係数は約１６×１０−６［１／Ｋ］であるのに対し、これらシリコンチップと共通基板との間に介装されるはんだ材（Ｓｎ−３７Ｐｂ）の線膨張係数は約２５×１０−６［１／Ｋ］であり、はんだ材の線膨張係数が突出して大きい。
【０００８】
すなわち、シリコンチップを共通基板に直接的に接合した場合、インバータ装置の使用に伴ってシリコンチップが発熱すると、線膨張係数が最も大きいはんだ材は、シリコンチップと共通基板との間に挟み込まれているため、シリコンチップと共通基板とによって膨張が規制されることで、はんだ材の内部に大きな熱応力が生じることになる。
【０００９】
さらに、使用と不使用とが繰り返される自動車に搭載されるインバータ装置では、上記熱応力がはんだ材に繰り返し応力として作用し、長い年月を経ることで、はんだ材にクラックが発生することがあった。その結果、シリコンチップと共通基板との接合信頼性が低下し、さらにはシリコンチップが共通基板から脱落する可能性もあった。
【００１０】
そこで、はんだ材に加わる熱応力を緩和するために、装置が大型化しない程度にはんだ接合高さを大きくすることが考えられる。しかしながら、はんだ接合高さを大きくすると、はんだ接合部分での熱伝導性が低下するため、シリコンチップの熱を共通基板へ効率よく放熱できず、シリコンチップが耐用温度以上に加熱されて破損の原因となることがある。
【００１１】
この発明は、長期間にわたって加熱と冷却とが繰り返し行われても、半導体素子と共通基板との接合部分が劣化し難い、高い接合信頼性を備えたインバータ装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、ヒートシンクと、このヒートシンクに絶縁材を介して接合される共通基板と、この共通基板にはんだ材を介して接合される半導体素子とを具備し、上記はんだ材には、はんだ材より小さい線膨張係数、及びはんだ材より大きい比重を有する粒子が混入されていることを特徴とするインバータ装置にある。
【００１３】
請求項２記載の発明は、上記はんだ材は、異なる粒径を有する複数の種類の粒子を含有することを特徴とする請求項１記載のインバータ装置にある。
【００１４】
請求項３記載の発明は、上記粒子は、はんだ材よりも熱伝導度が大きいことを特徴とする請求項１記載のインバータ装置にある。
【００１５】
請求項４記載の発明は、上記共通基板は銅材からなり、上記半導体素子はシリコン材からなり、上記はんだ材は、その厚さ寸法とほぼ同じ寸法の粒径を有するニッケル粒子と、このニッケル粒子よりも小径の銅粒子とを含有することを特徴とする請求項１記載のインバータ装置にある。
【００１６】
請求項５記載の発明は、上記半導体素子が対向する上記共通基板の板面に、上記粒子を半導体素子の全面にわたって均一に分散させるための複数の第１の凹部が形成されていることを特徴とする請求項１記載のインバータ装置にある。
【００１７】
請求項６記載の発明は、上記半導体素子の周縁部に対応する上記共通基板の板面に上記はんだ材の一部を収容する第２の凹部が形成されていることを特徴とする請求項１記載のインバータ装置にある。
【００１８】
請求項７記載の発明は、フラックスを含むはんだ材を基板に供給するはんだ供給工程と、このはんだ供給工程によって供給されたはんだ材に半導体素子を載置し、上記はんだ材を加熱することで基板に半導体素子を接合する接合工程と、この接合工程の後にはんだ材の表面に集中したフラックスを洗浄除去するフラックス除去工程と、このフラックス除去工程の後にはんだ材を加熱しながら治具により半導体素子の姿勢を調整する姿勢調整工程とを有することを特徴とするインバータ装置の製造方法にある。
【００１９】
この発明によれば、はんだ材に加わる熱応力を緩和、均一化することができるから、共通基板と半導体素子との間の接合信頼性を向上させることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながらこの発明の実施の形態を説明する。図１〜図７はこの発明の一実施の形態を示し、図１はインバータ装置の斜視図、図２はインバータ装置の断面図、図３はバスバーセットの斜視図、図４はバスバーとシリコンチップとの接合部分を示す断面図、図５はシリコンチップがバスバーに対して傾斜して接合された様子を示す概略図、図６は治具によってシリコンチップの姿勢を調整する様子を示す概略図、図７は治具によって姿勢を調整されたシリコンチップの様子を示す概略図である。
【００２１】
図２に示すインバータ装置は、冷却手段としてのほぼ矩形状のヒートシンク１を有する。このヒートシンク１の上面には後述するバスバー７Ａ、７Ｂが接合されており、その上面側は箱体３によって覆われている。上記ヒートシンク１は、例えばアルミ材などの高い熱伝導性を有する素材からなり、内部には冷却流路５が蛇行状に形成されている。
【００２２】
図１に示すように、冷却流路５の両端は、それぞれヒートシンク１の側面に開口し、各開口部にはそれぞれ流入口金４と流出口金（図示しない）とが接続されている。冷却流路５にはエンジン冷却用の冷却水が流される。この冷却水は、エンジン作動時には約７０［℃］〜９０［℃］となり、流入口金４からヒートシンク１内に流入した後、冷却流路５を還流しながら装置を冷却し、流出口金から排出されるようになっている。
【００２３】
ヒートシンク１の上面には、絶縁材としての絶縁シート６を介して共通基板としての複数、この実施の形態では３セットのバスバーセット７が、長手方向をヒートシンク１の幅方向に沿わせて、かつヒートシンク１の長手方向に対して並べて設けられている。
【００２４】
図３に示すように、各バスバーセット７は、平面ほぼＵ字状に形成された第１のバスバー７Ａと、棒状の第２のバスバー７Ｂとからなり、それぞれ銅材で形成されている。
【００２５】
第１のバスバー７Ａ、及び第２のバスバーＢには、それぞれ半導体素子としての複数、この実施の形態では７つのシリコンチップ８が長手方向に沿って一列に設けられている。これらシリコンチップ８は、４つのＩＧＢＴ８ａと３つのダイオード８ｂとからなり、いずれも後述するはんだ材９によって上記バスバー７Ａ、７Ｂの上面に接合されている。
【００２６】
なお、各バスバー７Ａ、７Ｂ上面とシリコンチップ８下面との間隔、すなわち図４にｔで示すはんだ接合厚さは所定の寸法、この実施の形態では約１８０×１０−６［ｍ］となっている。
【００２７】
図１〜図３に示すように、上記第１のバスバー７Ａを構成する一対の棒状部の間には、この第１のバスバー７Ａと絶縁された銅材からなる中継用配線１０が設けられている。
【００２８】
次に、バスバー７Ａ、７Ｂとシリコンチップ８との接合部分２１について説明する。図４に示すように、各バスバー７Ａ、７Ｂの上面には、それぞれシリコンチップ８と対向する位置に複数の第１の凹部２２（２つのみ図示）がプレスによって石畳状に形成されている。これら第１の凹部２２の深さは所定の寸法、この実施の形態では後述するニッケル粒子２６の粒径とほぼ同等の約１８０×１０−６［ｍ］に設定されている。
【００２９】
また、シリコンチップ８の周縁部には、第１の凹部２２よりも大きな深さ寸法、この実施の形態では約３６０×１０−６［ｍ］を有する第２の凹部２３がシリコンチップ８の全周にわたって第１の凹部２２と同じくプレスによって形成されている。それによって、バスバー７Ａ、７Ｂの上面には、第１の凹部２２および第２の凹部２３との間にそれぞれ擬凸部３１（３つのみ図示）が形成されている。
【００３０】
第２の凹部２３を構成する一対の側壁面２３ａ、２３ｂのうちのシリコンチップ８の中心部寄りの側壁面２３ａは、シリコンチップ８の周縁部よりもわずかにシリコンチップ８の中心部側に位置し、他方の側壁面２３ｂはシリコンチップ８の周縁部よりも外側に位置している。すなわち、シリコンチップ８の周縁部は、第２の凹部２３の開口部の上方に位置している。
【００３１】
バスバー７Ａ、７Ｂとシリコンチップ８との間には、Ｓｎ−３７Ｐｂを主成分とするはんだ材９が介装されている。このはんだ材９は、粒径が１８０×１０−６［ｍ］以下のニッケル粒子２６と、粒径が約４５×１０−６［ｍ］の銅粒子２７とをほぼ同数だけ含有している。なお、下記［表１］にシリコン、はんだ（Ｓｎ−３７Ｐｂ）、銅粒子２７、及びニッケル粒子２６の特性値を示す。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
上記はんだ材９は、ソルダペーストとして、バスバー７Ａ、７Ｂの上面に第１の凹部２２および第２の凹部２３を覆うように供給される。このソルダペーストは、固形状のはんだ粒子、フラックス、溶剤、およびニッケル粒子２６、銅粒子２７とを混合してなる。
【００３４】
バスバー７Ａ、７Ｂの上面には、上記ソルダペーストを介してシリコンチップ８が載置される。そして、このソルダペーストはバスバー７Ａ、７Ｂおよびシリコンチップ８とともにリフロー炉内で加熱される。
【００３５】
この加熱によりソルダペーストは溶融し、液状となる。それによって、［表１］に示すように、比重が大きいニッケル粒子２６および銅粒子２７は、液状となったソルダペースト内を下方に沈み、第１の凹部２２の底部、第２の凹部２３の底部、および擬凸部３１の上面に分布することになる。
【００３６】
このとき、粒径の小さい銅粒子２７は、バスバー７Ａ、７Ｂ上を転動して第１の凹部２２および第２の凹部２３に入り易いため、これら第１及び第２の凹部２２、２３内には、擬凸部３１の上面より多く分布することになる。
【００３７】
そして、溶融したソルダペーストは、この状態を保ったまま冷却されることにより、ニッケル粒子２６および銅粒子２７を後述する分布状態で含有することになる。
【００３８】
このように、ニッケル粒子２６と銅粒子２７は、はんだ材９の下方に位置している。そのため、これらニッケル粒子２６と銅粒子２７との粒径の相違、および第１、第２の凹部２２、２３によって、はんだ材９中におけるはんだ（Ｓｎ−３７Ｐｂ）、ニッケル粒子２６、および銅粒子２７の存在割合がシリコンチップ８側からバスバー７Ａ、７Ｂ側に向って変化することになる。
【００３９】
ここで、接合部分２１を水平面に沿って図４に矢印イ〜矢印ハで示す位置で切断した際に、各切断面内において、はんだ（Ｓｎ−３７Ｐｂ）、ニッケル粒子２６および銅粒子２７が占める割合について説明する。
【００４０】
図４に示すように、断面イ内では、ニッケル粒子２６が大きな割合を占めている。そのため、はんだ材９の線膨張係数は、線膨張係数が約１３×１０−６［１／Ｋ］であるニッケル粒子２６によって、線膨張係数が約２５×１０−６［１／Ｋ］であるはんだ（Ｓｎ−３７Ｐｂ）だけの場合よりも小さな値、すなわち、シリコンチップ８を構成するシリコンの線膨張係数である約２５×１０−６［１／Ｋ］に近い値となっている。
【００４１】
断面ロ内では、ニッケル粒子２６が球形状をなしているため、はんだ材９内に含まれるニッケル粒子２６の割合は、上記断面イで切断した場合に比べて、ニッケル粒子２６の断面積減少分だけ減少している。しかし、線膨張係数が約１６×１０−６［１／Ｋ］である銅粒子２７が占める割合が増加するため、はんだ材９の線膨張係数は上記断面イにおける値より大きくなっている。
【００４２】
断面ハ内では、バスバー７Ａ、７Ｂの擬凸部３１を構成する銅材によってバスバー７Ａ、７Ｂの凹部以外の部分が占められており、さらに第１の凹部２２および第２の凹部２３内には銅粒子２７が多く分布している。すなわち、断面ハにおいては、銅材が占める割合が非常に高くなっており、はんだ材９とバスバー７Ａ、７Ｂとの境界部分における線膨張係数は、銅材の線膨張係数に近い値となっている。
【００４３】
このように、はんだ材９の線膨張係数をシリコンチップ８側からバスバー７Ａ、７Ｂ側に向かって傾斜させたため、シリコンチップ８の発熱によってはんだ材９の温度が上昇しても、大きな熱応力が加わらないようになっている。
【００４４】
次に、上記構成のインバータ装置の製造方法について説明する。
【００４５】
バスバー７Ａ、７Ｂ上面にシリコンチップ８を接合する場合、予め、バスバー７Ａ、７Ｂの上面にそれぞれ第１の凹部２２および第２の凹部２３をプレスによって形成しておく。そして、このバスバー７Ａ、７Ｂの上面に、第１の凹部２２および第２の凹部２３を覆うように、はんだ粒子、フラックス、溶剤、およびニッケル粒子２６、銅粒子２７などからなるソルダペーストをそれぞれ供給する。
【００４６】
なお、ソルダペーストには、ほぼ同数のニッケル粒子２６および銅粒子２７が混入される。その混入方法としては、ソルダペーストを製造する際、はんだとニッケル粒子２６と銅粒子２７を１８６：６４：１（体積比）、或いは４３００：１５：１（重量比）となるように混合すればよい。
【００４７】
次いで、このソルダペースト上にシリコンチップ８を載せ、このソルダペーストをシリコンチップ８およびバスバー７Ａ、７Ｂとともにリフロー炉内で加熱する。
【００４８】
このとき、ソルダペーストは加熱によって溶融して液状になり、その後の冷却、及び凝固によって、図５に示すようにシリコンチップ８がバスバー７Ａ、７Ｂの上面に接合される。このとき、ソルダペースト内の溶剤は加熱によって気化し、外部に放出される。
【００４９】
次いで、はんだ材９の表面を有機溶剤によって洗浄し、はんだ材９表面に集中したフラックスを除去する。
【００５０】
ところで、ソルダペーストを加熱する際、図５に示すように、シリコンチップ８の各側面に対するはんだ材９の濡れ性の違いによって、表面張力のバランスがくずれ、シリコンチップ８がバスバー７Ａ、７Ｂに対して傾斜して接合されることがある。
【００５１】
そのため、バスバー７Ａ、７Ｂにシリコンチップ８が接合されたならば、図６に示すように、シリコンチップ８の上から治具４１を設定し、この治具４１とともにシリコンチップ８およびバスバー７Ａ、７Ｂを再びリフロー炉内で加熱する。
【００５２】
それによって、はんだ材９は再び溶融し、治具４１によってシリコンチップ８の姿勢がバスバー７Ａ、７Ｂに対して平行となるように調整される。そして、その後の冷却により、シリコンチップ８はバスバー７Ａ、７Ｂに対してほぼ平行に接合される。以上で、バスバー７Ａ、７Ｂにシリコンチップ８を接合する工程が終了する。
【００５３】
上記構成のインバータ装置によれば、バスバー７Ａ、７Ｂとシリコンチップ８とを接合するはんだ材９を、その線膨張係数の値がシリコンチップ８側からバスバー７Ａ、７Ｂ側に行くにつれて緩やかにシリコンの線膨張係数値から銅の線膨張係数値に変化させるようにした。
【００５４】
そのため、インバータ装置を使用するときに、シリコンチップ８から発生した熱によりはんだ材９が膨張しても、その膨張率である線膨張係数の変化がはんだ接合厚さ方向に対して緩やかとなるから、はんだ材９の各部分に加わる熱応力を抑制することができる。その結果、シリコンチップ８が加熱と冷却とを繰り返しても、はんだ材９にはクラックなどが発生し難くなっている。
【００５５】
さらに、［表１］に示すように、ニッケル粒子２６および銅粒子２７は、はんだ（Ｓｎ−３７Ｐｂ）に比べて熱伝導度が大きいため、シリコンチップ７からの熱の大部分はニッケル粒子２６および銅粒子２７を介してバスバー７Ａ、７Ｂに排出される。
【００５６】
そのため、はんだ材９は、ニッケル粒子２６及び銅粒子２７を含まない場合に比べて加熱され難い。そのことによっても、はんだ材９にはクラックが発生し難くなっている。
【００５７】
また、バスバー７Ａ、７Ｂの上面にシリコンチップ８と対応位置して複数の第１の凹部２２を形成した。そのため、はんだ材９に混入したニッケル粒子２６および銅粒子２７は凝集することなく、シリコンチップ８の下面側に均一に分布させることができるから、はんだ材９の線膨張係数をはんだ材９全体にわたってほぼ均一に傾斜させることができる。
【００５８】
さらに、バスバー７Ａ、７Ｂの上面にシリコンチップ８の周縁部と対応位置して第２の凹部２３を形成した。そのため、シリコンチップ８の周縁部において、はんだ接合厚さｔを見かけ上大きくすることができるから、加熱によってシリコンチップ８の周縁部に発生し易い集中応力を緩和することができる。
【００５９】
また、はんだ材９に固形状の粒子２６、２７を混入したため、たとえクラックが発生したとしても、はんだ（Ｓｎ−３７Ｐｂ）内の結晶粒界が各粒子２６、２７によって遮られるから、クラックの進展を抑制することができる。
【００６０】
さらに、シリコンチップ８をバスバー７Ａ、７Ｂに接合する際、治具４１によってシリコンチップ８の姿勢を調整するようにした。そのため、シリコンチップ８をバスバー７Ａ、７Ｂに対してほぼ平行に接合することができる。
【００６１】
しかも、シリコンチップ８の接合を２つの工程にわけ、先の加熱時にシリコンチップ８をバスバー７Ａ、７Ｂに接合し、後の加熱時に治具４１によってシリコンチップ８の姿勢を調整するようにした。
【００６２】
そのため、後の加熱時には、ソルダペースト内に含まれる有機溶剤やフラックスが取り除かれているから、これら有機溶剤やフラックスは治具４１に付着し難くなっている。それによって、治具４１の精度が低下するのを防止している。
【００６３】
なお、この発明は上記一実施の形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更可能である。たとえば、半導体素子としてはシリコンチップ８に限定されるものではなく、ゲルマニウムなどの半導体材料を用いてもよい。また、共通基板としては銅材製のバスバーに限定されるものではなく、放熱性を有していれば、たとえばアルミ材などを用いてもよい。
【００６４】
これらの場合、はんだ材に混入する粒子としては、使用した半導体素子およびバスバーの素材にしたがって、はんだ材の線膨張係数が半導体素子側からバスバー側に行くにつれて緩やかに傾斜させることができる粒子等を用いればよく、この組み合わせとしては種々に考えられる。
【００６５】
また、異なる線膨張係数を有するニッケル粒子２６と銅粒子２７とを用いたが、同じ素材からなり粒径が異なる粒子を用いてもよい。すなわち、このような粒子を用いても、粒子の比重をはんだ（Ｓｎ−３７Ｐｂ）よりも大きくすることで、各粒子は下方に沈むため、粒径の差によってはんだ材９内における粒子が占める割合を変化させることができる。そのため、上記はんだ材９の線膨張係数に所望の傾斜をもたせることができる。
【００６６】
さらに、はんだ材に混入させる物質としては、粒子である必要はなく例えばフィラーなどのような繊維状物質であってもよい。
【００６７】
【発明の効果】
この発明によれば、半導体素子から共通基板に対して線膨張係数の急激な変化をなくすことで、はんだ材に加わる熱応力を小さくしたため、この熱応力が長期間にわたって繰り返されることで生じるクラックの発生を抑制することができる。また、クラックが発生しても、その進展を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態に係るインバータ装置の斜視図。
【図２】インバータ装置の断面図。
【図３】バスバーセットの斜視図。
【図４】バスバーとシリコンチップとの接合部分を示す断面図。
【図５】シリコンチップがバスバーに対して傾斜して接合された様子を示す概略図。
【図６】治具によってシリコンチップの姿勢を調整する様子を示す概略図。
【図７】治具によって姿勢を調整されたシリコンチップの様子を示す概略図。
【図８】従来における共通基板とシリコンチップとの接合部分を示す断面図。
【符号の説明】
１…ヒートシンク
８…シリコンチップ（半導体素子）
７Ａ、７Ｂ…第１、第２のバスバー（共通基板）
９…はんだ材
ｔ…はんだ接合厚さ（所定厚さ）
２６…ニッケル粒子（粒子）
２７…銅粒子（粒子）
６…絶縁シート（絶縁材）
２２…第１の凹部
２３…第２の凹部
４１…治具
【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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【図８】
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