(57)【要約】【課題】回路基板上に複数の半導体素子を半田付けする際に、半導体素子毎に個別の錘で半導体素子を回路基板側へ加圧する半田付け方法に比較して、各接合部における半田の厚さのむらを抑制する。【解決手段】半導体モジュール１００は、回路基板１１上において一直線上に無い少なくとも３個の半導体素子１２を備えている。半田付け工程として、回路基板１１上に設けられた接合部上に半田シート３３を介して各半導体素子１２を配置するとともに、一直線上に無い少なくとも３個の半導体素子１２に跨った状態で錘３５を載置する。錘３５によって半導体素子１２を加圧しながら溶融された半田を半導体素子１２の前記接合部と対向する面全体に行き渡らせるように半田付けを行う。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路基板上に設けられた接合部に複数の半導体素子を半田付けする半田付け方法であって、
前記接合部は、一直線上に無い配置で少なくとも３箇所設けられており、前記接合部上に半田を介して半導体素子を配置するとともに、一直線上に無い少なくとも３個の半導体素子に跨った状態で錘を載置し、前記錘によって前記半導体素子を加圧しながら前記半田を溶融させて前記接合部と前記半導体素子との半田付けを行う半田付け方法。
【請求項２】
前記溶融させた半田を前記半導体素子の前記接合部と対向する面全体に行き渡らせるように半田付けを行う請求項１に記載の半田付け方法。
【請求項３】
前記回路基板は、表面に金属回路を有するセラミック絶縁体を金属製で冷媒流路を備えたヒートシンクと一体化した冷却回路基板である請求項１又は請求項２に記載の半田付け方法。
【請求項４】
前記回路基板は、表面に金属回路を有する複数のセラミック絶縁体を金属製の冷媒流路を備えたヒートシンクと一体化した冷却回路基板である請求項１又は請求項２に記載の半田付け方法。
【請求項５】
前記錘は、下面に半導体素子等を吸着するための負圧を作用させることが可能な開口を有する通路を備えるとともに、前記通路を負圧源と接続可能な接続部が錘の下面以外の面に設けられている請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の半田付け方法。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の半田付け方法を半田付け工程に使用する半導体モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半田付け方法及び半導体モジュールの製造方法に係り、詳しくは回路基板に複数の半導体素子を半田付けする方法に特徴を有する半田付け方法及び半導体モジュールの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
回路基板上に半導体素子や電子部品を実装する場合、回路基板と半導体素子等とを半田を介して接合する方法が一般的である。回路基板上に半導体素子等を半田付けする場合、半導体素子等と回路基板との間に介在する半田の溶融時に、半導体素子等が溶融した半田の表面張力でその位置がずれたり、半導体素子等の接合面全体に半田が拡がらずに接合されたりする場合がある。このような不具合を抑制する方法として、半導体素子の半田バンプをリフローして基板上に半導体素子を半田付けする際、半導体素子上に載置された錘によって半導体素子を加圧する方法が提案されている（例えば、特許文献１，２参照。）。
【０００３】
また、高融点材料からなる第１の半田の両面に、該第１の半田よりも低融点の材料からなる第２の半田が配設された三層半田を、半導体素子とこれを載置する支持体の間に挟み、三層半田に錘で圧力を付加し、加熱及び熱処理によって第２の半田のみを溶融させて半導体素子と支持体とを接合させる方法も提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
【０００４】
また、部品Ａと部品Ｂとを正確な位置関係で、安定して半田付けする方法が提案されている（例えば、特許文献４参照。）。この半田付け方法は、搬送治具ベース上に固定された部品保持手段によって部品Ａを搬送治具上に位置決め保持する工程と、搬送治具ベース上に固定された上治具位置決め手段によって上治具を位置決め保持する工程と、前記上治具上に上下移動可能に位置決め保持された錘に部品Ｂを保持させる工程とを備えている。また、前記部品保持手段に保持された部品Ａと、前記錘に保持された部品Ｂとを半田を介して対向配置した状態で加熱により半田付けを行う工程とを備えている。
【特許文献１】特開平１１−２６０８５９号公報
【特許文献２】特開２０００−３３２０５２号公報
【特許文献３】特開平６−１６３６１２号公報
【特許文献４】特開２００１−１２１２５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
半田付け時に半導体素子（半田付けする部品）上に錘を載置すると半田の拡がりを助ける。そして、特許文献１及び特許文献２のように半田バンプを用いる方法では、１個の半導体素子は溶融状態の半田に複数箇所で接触する状態となるため、半導体素子の上に載置された錘は安定した状態で半導体素子を基板側へ押圧（加圧）することができる。
【０００６】
しかし、特許文献３のように、半導体素子の接合面全体と対応する半田を溶融させて半田付けを行う場合には、半田の種類によっては、溶融状態の半田の表面張力によって半田の半導体素子と対向する面が上に凸の曲面となる。そのため、半導体素子の上に載置された錘が傾き、半導体素子と半導体素子が接合される接合面との間に存在する半田の厚さが均一ではなくなる。
【０００７】
そして、回路基板としてセラミック基板と金属製のヒートシンクとを一体化した冷却回路基板を用いた場合、半導体素子と基板とを接合する半田の厚さにばらつきがあると、厚さのばらつきが熱抵抗のばらつきとなる。その結果、半田が介在して接合されている半導体素子と配線層の線膨張率の差を吸収する応力緩和効果がばらつき、熱サイクルの疲労寿命がばらつくという問題がある。
【０００８】
そのため、特許文献４の方法のように錘が傾かないようにするガイド（位置決め部材）が必要になる。しかし、回路基板上に複数の半導体素子を半田接合する半導体モジュールの場合、各半導体素子毎に載置される錘に対してガイドを設けるのは構成が複雑になるとともに、半田付けの工数が多くなる。
【０００９】
本発明は前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、回路基板上に複数の半導体素子を半田付けする際に、半導体素子毎に個別の錘で半導体素子を回路基板側へ加圧する半田付け方法に比較して、各接合部における半田の厚さのむらを抑制することができる半田付け方法及び半導体モジュールの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の目的を達成するため請求項１に記載の発明は、回路基板上に設けられた接合部に複数の半導体素子を半田付けする半田付け方法である。そして、前記接合部は、一直線上に無い配置で少なくとも３箇所設けられており、前記接合部上に半田を介して半導体素子を配置するとともに、一直線上に無い少なくとも３個の半導体素子に跨った状態で錘を載置し、前記錘によって前記半導体素子を加圧しながら前記半田を溶融させて前記接合部と前記半導体素子との半田付けを行う。
【００１１】
この発明では、回路基板上において、一直線上に無い配置で少なくとも３箇所設けられた接合部上に半田を介して半導体素子が配置される。そして、一直線上に無い少なくとも３個の半導体素子に跨った状態で錘が半導体素子上に載置され、錘によって半導体素子が接合部側に加圧された状態で半田が溶融される。錘が個別に各半導体素子上に載置される場合と異なり、錘は、水平状態又はほぼ水平状態で各半導体素子を接合面側へ加圧する。そのため、半田の溶融温度以下に冷却した状態では、各接合部における半田の厚さむらが抑制された状態で半田付けが行われる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記溶融させた半田を前記半導体素子の前記接合部と対向する面全体に行き渡らせるように半田付けを行う。従って、この発明では、半田が半導体素子と接合部との間において接合部全体に拡がった状態で各接合部における半田の厚さむらが抑制された状態で半田付けが行われる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記回路基板は、表面に金属回路を有するセラミック絶縁体を金属製で冷媒流路を備えたヒートシンクと一体化した冷却回路基板である。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記回路基板は、表面に金属回路を有する複数のセラミック絶縁体を金属製の冷媒流路を備えたヒートシンクと一体化した冷却回路基板である。
【００１５】
請求項３及び請求項４に記載に発明では、表面に金属回路を有するセラミック絶縁体を金属製の冷媒流路を備えたヒートシンクと一体化した冷却回路基板に対して、一直線上に無い少なくとも３個の半導体素子を半田付けする場合、各接合部における半田の厚さむらが抑制された状態で半田付けが行われる。従って、半田が介在して接合されている半導体素子と金属回路（配線層）の線膨張率の差を吸収する応力緩和効果が良好に行われ、熱サイクルの疲労寿命のばらつきが抑制される。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の発明において、前記錘は、下面に半導体素子等を吸着するための負圧を作用させることが可能な開口を有する通路を備えるとともに、前記通路を負圧源と接続可能な接続部が錘の下面以外の面に設けられている。この発明では、錘を接続部を介して負圧源に接続して吸着部として使用することにより、例えば、複数の半導体素子を錘の下面に吸着して接合部上に一括して載置（配置）することができる。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の半田付け方法を半田付け工程に使用する半導体モジュールの製造方法である。この発明では、半導体モジュールの製造方法において、対応する前記請求項に記載の発明の作用、効果を奏する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、回路基板上に複数の半導体素子を半田付けする際に、半導体素子毎に個別の錘で半導体素子を回路基板側へ加圧する半田付け方法に比較して、各接合部における半田の厚さのむらを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図５にしたがって説明する。
図１及び図２は、半導体モジュールを示している。半導体モジュール１０は、回路基板１１と、回路基板１１上において一直線上に無い少なくとも３個の半導体素子１２とを備えている。図１及び図２に示す半導体モジュール１０は、４個の半導体素子１２を備えている。回路基板１１は、表面に金属回路１３を有するセラミック絶縁体としてのセラミック基板１４が金属製のヒートシンク１５と金属板１６を介して一体化された冷却回路基板（ヒートシンク付き基板）である。ヒートシンク１５は冷却媒体が流れる冷媒流路１５ａを備えている。ヒートシンク１５は、アルミニウム系金属や銅等で形成されている。アルミニウム系金属とはアルミニウム又はアルミニウム合金を意味する。金属板１６は、セラミック基板１４とヒートシンク１５とを接合する接合層として機能し、例えば、アルミニウムや銅などで形成されている。
【００２０】
金属回路１３は、例えば、アルミニウムや銅等で形成されている。セラミック基板１４は、例えば、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化ケイ素等により形成されている。半導体素子１２は、金属回路１３に接合（半田付け）されている。即ち、金属回路１３は半導体素子１２を回路基板１１上に接合するための接合部を構成する。図２における符号「Ｈ」は、半田層を示している。半導体素子１２としては、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor ）やダイオードが用いられている。
【００２１】
半導体モジュール１０は、回路基板１１として表面に金属回路１３を有する１枚のセラミック基板１４を金属製で冷媒流路１５ａを備えたヒートシンク１５と一体化した構成のものに限らない。例えば、図３に示すように、回路基板１１として表面に金属回路１３を有する複数（この実施形態では６枚）のセラミック基板１４を金属製で冷媒流路１５ａを備えたヒートシンク１５と一体化した冷却回路基板を備えた半導体モジュール１００であってもよい。半導体モジュール１００は、各セラミック基板１４上にそれぞれ４個、全体で２４個の半導体素子１２が半田付けされている。
【００２２】
次に半導体モジュールの製造方法を説明する。
図５は、半田付け装置の構成を概略的に示している。半田付け装置ＨＫは、回路基板１１の金属回路１３に半導体素子１２を半田付けするための装置として構成されている。また、この実施形態の半田付け装置ＨＫは、図３に示す半導体モジュール１００、即ち、複数（６枚）のセラミック基板１４をヒートシンク１５と一体化した回路基板１１上に半導体素子１２が半田付けされて構成される半導体モジュール１００の半田付けを行う装置として構成されている。
【００２３】
半田付け装置ＨＫは、密閉可能な容器（チャンバ）１７を備え、当該容器１７は開口部１８ａを有する箱型の本体１８と、当該本体１８の開口部１８ａを開放及び閉鎖する蓋体１９とから構成されている。本体１８には、半導体モジュール１００を位置決めして支持する支持台２０が設置されている。また、本体１８には、蓋体１９の装着部位にパッキン２１が配設されている。
【００２４】
蓋体１９は、本体１８の開口部１８ａを閉鎖可能な大きさで形成されており、本体１８に蓋体１９を装着することにより容器１７内には密閉空間Ｓが形成されるようになっている。また、蓋体１９において、密閉空間Ｓと対向する部位は、磁力線（磁束）を通す電気的絶縁材で形成されている。この実施形態では、電気的絶縁材としてガラスが用いられており、蓋体１９にはガラス板２２が組み付けられている。
【００２５】
また、本体１８には、容器１７内に還元性ガス（この実施形態では水素）を供給するための還元ガス供給部２３が接続されている。還元ガス供給部２３は、配管２３ａと、当該配管２３ａの開閉バルブ２３ｂと、水素タンク２３ｃとを備えている。また、本体１８には、容器１７内に不活性ガス（この実施形態では窒素）を供給するための不活性ガス供給部２４が接続されている。不活性ガス供給部２４は、配管２４ａと、当該配管２４ａの開閉バルブ２４ｂと、窒素タンク２４ｃとを備えている。また、本体１８には、容器１７内に充満したガスを外部に排出するためのガス排出部２５が接続されている。ガス排出部２５は、配管２５ａと、当該配管２５ａの開閉バルブ２５ｂと、真空ポンプ２５ｃとを備えている。半田付け装置ＨＫは、還元ガス供給部２３、不活性ガス供給部２４及びガス排出部２５を備えることにより、密閉空間Ｓ内の圧力を調整可能な構成とされており、密閉空間Ｓ内の圧力は、圧力調整によって加圧されたり、減圧されたりする。
【００２６】
また、本体１８には、半田付け後の容器１７内に熱媒体（冷却用ガス）を供給するための供給手段としての熱媒供給部２６が接続されている。熱媒供給部２６は、配管２６ａと、当該配管２６ａの開閉バルブ２６ｂと、ガスタンク２６ｃとを備えている。熱媒供給部２６は、容器１７内に収容した半導体モジュール１００のヒートシンク１５に冷却用ガスを供給するように接続されている。なお、熱媒供給部２６から供給される熱媒体を冷却液としてもよい。また、本体１８には、容器１７内の温度を計測するための温度センサ（例えば、熱電対など）２７が設置されている。
【００２７】
半田付け装置ＨＫの上部（蓋体１９の上部）には、高周波加熱コイル２８が設置されている。この実施形態において高周波加熱コイル２８は、６枚のセラミック基板１４にそれぞれ対応するように、各セラミック基板１４の上側に１つずつ合計６つの高周波加熱コイル２８が配置されている。この実施形態の高周波加熱コイル２８は、１枚のセラミック基板１４を覆う大きさで、かつ後述する錘３５の上面の輪郭よりも大きく形成されている。また、各高周波加熱コイル２８は、渦巻き状（角形渦巻き状）に形成されており、平面的に展開されている。また、各高周波加熱コイル２８は、蓋体１９（ガラス板２２の装着部位）に対向するように配置されている。また、各高周波加熱コイル２８は、半田付け装置ＨＫが備える高周波発生装置２９に電気的に接続されているとともに、容器１７内に設置された温度センサ２７の計測結果に基づき、高周波発生装置２９の出力が制御されるようになっている。また、各高周波加熱コイル２８には、コイル内部に冷却水を通すための冷却路３０が形成されているとともに、半田付け装置ＨＫが備える冷却水タンク３１に接続されている。
【００２８】
図４は、半田付けを行う際に使用する治具３２（図４（ａ））と錘３５（図４（ｂ））を示している。治具３２は、回路基板１１を構成するセラミック基板１４と同一の大きさ（外形）をなす略平板状に形成されている。治具３２は、例えば、グラファイトやセラミックスなどの材料で形成されている。治具３２は、図５に示すように、半田付け時においてセラミック基板１４上に半田シート３３と、半導体素子１２と、錘３５とを位置決めするために使用される。このため、治具３２には、セラミック基板１４における半導体素子１２の接合部に対応する部位に位置決め用の孔３４が形成されている。孔３４は、半導体素子１２のサイズに応じた大きさで形成されている。そして、この実施形態においては、セラミック基板１４上に複数個（４つ）の半導体素子１２が接合されるので、治具３２には複数個（４つ）の孔３４が形成されている。
【００２９】
錘３５は、当該錘３５を通る磁束の変化により電流が発生し、自身の電気抵抗によって発熱する材料、即ち誘導加熱可能な材料を用いて形成されている。この実施形態の錘３５は、ステンレスで形成されている。錘３５は、半田付け時において治具３２で位置決めされた４個の半導体素子１２の直上において当該半導体素子１２の上面（非接合面）に接するように配置可能な大きさに形成されている。即ち、錘３５は、一直線上に無い少なくとも３個の半導体素子１２に跨った状態で載置される大きさに形成されている。
【００３０】
この実施形態においては、図４（ａ），（ｂ）に示すように、錘３５は、加圧面３５ａ側、即ち、半田付け時において半導体素子１２と当接する側が、治具３２の各孔３４に嵌挿可能な形状に形成されている。また、加圧面３５ａと反対側の端部には掛止部としてのフランジ３５ｂが形成されている。図４（ａ）は錘３５の加圧面３５ａ側の外形を二点鎖線で示し、錘３５が治具３２の孔３４に嵌挿された際の治具３２と錘３５との位置関係を示している。
【００３１】
また、この実施形態においては、全ての錘３５を一括して半導体素子１２を加圧可能な位置へ配置可能、かつ全ての錘３５を一括して半導体素子１２から離間した位置へ配置可能に構成されている。具体的には、図５に示すように、蓋体１９には錘３５を支持可能な支持プレート３６が水平に取り付けられている。支持プレート３６は磁力線を通す絶縁材料（例えば、セラミックス）で形成されるとともに、錘３５のフランジ３５ｂより下側が嵌挿可能な孔３６ａを錘３５の数だけ備えている。孔３６ａは、蓋体１９が本体１８に取り付けられた状態において、支持台２０上に位置決めされた回路基板１１の接合部（金属回路１３）と対向する位置に形成されている。錘３５は各孔３６ａに嵌挿された状態で支持プレート３６に装備されている。そして、図５に示すように、蓋体１９が閉鎖位置に配置された状態では、錘３５の加圧面３５ａが半導体素子１２の非接合面に当接するとともに、フランジ３５ｂが支持プレート３６の上面から浮き上がった状態となって、錘３５が半導体素子１２を錘３５の自重で加圧するようになっている。
【００３２】
次に、前記半田付け装置ＨＫを用いて半導体モジュール１００の製造方法の一工程である半導体素子１２の半田付けを行う方法について説明する。なお、この実施形態の半田付け装置ＨＫを用いて半田付けを行うのに先立って、金属回路１３を有する複数（６枚）のセラミック基板１４をヒートシンク１５と一体化した回路基板１１を予め作製しておく。
【００３３】
半田付けを行う際には、最初に、本体１８から蓋体１９を外し、開口部１８ａを開放する。そして、図５に示すように本体１８の支持台２０上に回路基板１１を置き、位置決めする。次に、回路基板１１の各セラミック基板１４上に治具３２を置き、治具３２の各孔３４内に半田シート３３と半導体素子１２を配置する。半田シート３３は、金属回路１３と半導体素子１２との間に配置する。
【００３４】
次に蓋体１９を本体１８に取り付け、開口部１８ａを閉鎖して、容器１７内に密閉空間Ｓを形成する。蓋体１９を本体１８に取り付けると、図５に示すように、錘３５の加圧面３５ａ側が治具３２の孔３４に嵌挿される。そして、錘３５の加圧面３５ａが半導体素子１２の非接合面（上面）に当接するとともに、フランジ３５ｂが支持プレート３６の上面から離間した状態になり、各錘３５は４個の半導体素子１２に跨った状態で、錘３５の自重によって半導体素子１２を加圧する状態に配置される。この状態において、各セラミック基板１４上には、金属回路１３側から順に半田シート３３、半導体素子１２、錘３５が重なった状態で配置される。
【００３５】
密閉空間Ｓ内に回路基板１１、半田シート３３、半導体素子１２及び錘３５を収容した状態において、各高周波加熱コイル２８は、各錘３５の上方に配置されるとともに、各高周波加熱コイル２８と各錘３５との間には蓋体１９に組み付けられたガラス板２２が配置される。この実施形態では、高周波加熱コイル２８を錘３５の上方に配置した場合、当該錘３５の上面の輪郭によって形成される領域から高周波加熱コイル２８がはみ出るようになっている。この実施形態のように渦巻き状に形成した高周波加熱コイル２８は、中央寄りに磁束が多く発生することから、当該高周波加熱コイル２８の中央寄りに錘３５を配置することが好ましい。
【００３６】
次に、ガス排出部２５を操作して容器１７内を真空引きするとともに、不活性ガス供給部２４を操作して容器１７内に窒素を供給し、密閉空間Ｓ内を不活性ガスで充満させる。この真空引きと窒素の供給を数回繰り返した後、還元ガス供給部２３を操作して容器１７内に水素を供給し、密閉空間Ｓ内を還元ガス雰囲気とする。
【００３７】
次に、高周波発生装置２９を作動させ、各高周波加熱コイル２８に高周波電流を流す。すると、高周波加熱コイル２８には、対応する錘３５を通る高周波の磁束が発生し、錘３５には磁束の通過によって渦電流が発生する。高周波加熱コイル２８の磁束内に置かれた錘３５は、電磁誘導作用によって発熱し、その熱が錘３５の加圧面３５ａから半導体素子１２に伝わる。そして、回路基板１１の各接合部上に載置された半田シート３３には、錘３５に生じた熱が当該錘３５の加圧面３５ａ及び半導体素子１２を介して集中的（局所的）に伝わり、加熱される。この結果、半田シート３３は、半導体素子１２を介して伝わる熱で溶融温度以上の温度になることにより溶融する。
【００３８】
また、半導体素子１２は、錘３５によって回路基板１１側に加圧されているので、溶融した半田の表面張力で動かされることはない。そして、半田シート３３が完全に溶融したならば、高周波発生装置２９を停止させる。なお、容器１７内に設置した温度センサ２７の検出結果に基づき、各高周波加熱コイル２８に流れる高周波電流の大きさが制御される。また、容器１７（密閉空間Ｓ）内の圧力は、はんだ付け作業の進行状況に合わせて加圧及び減圧され、雰囲気調整が行われる。
【００３９】
そして、半田シート３３が完全に溶融した後、冷却用の熱媒供給部２６を操作して容器１７内に冷却用ガスを供給する。冷却用ガスは、ヒートシンク１５の冷媒流路１５ａの入口又は出口に向かって吹き込まれるとともに、容器１７内に供給された冷却用ガスは、冷媒流路１５ａ及びヒートシンク１５の周囲を流れて、半田付け対象物（半導体モジュール１００）を冷却する。この結果、溶融した半田は、溶融温度未満に冷却されることによって凝固し、金属回路１３と半導体素子１２とを接合する。この状態において、半田付けが終了し、半導体モジュール１００が完成する。そして、蓋体１９を本体１８から取り外し、治具３２を外した後に容器１７内から半導体モジュール１００を取り出す。
【００４０】
したがって、この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）複数の半導体素子１２を回路基板１１の接合部（金属回路１３）に半田付けする半田付け工程において、金属回路１３上に半田を介して配置されるとともに、一直線上に無い少なくとも３個の半導体素子１２に跨った状態で半導体素子１２上に錘３５が配置される。そして、錘３５により各半導体素子１２が回路基板１１側へ加圧された状態で半田が加熱溶融される。従って、半田が溶融状態になった場合、錘３５が個別に各半導体素子１２上に載置される場合と異なり、錘３５は、水平状態又はほぼ水平状態で各半導体素子１２を接合面側へ加圧する。そのため、半導体素子１２と金属回路１３との間に存在する溶融状態の半田は、半田の溶融温度以下に冷却した状態では、各接合部における半田の厚さむらが抑制された状態で半田付けが行われる。また、溶融された半田を半導体素子１２の金属回路１３と対向する面全体に行き渡るように拡がらせることができる。
【００４１】
（２）錘３５は、各半導体素子１２の外形に対応した形状の加圧面３５ａを備えるとともに、加圧面３５ａ全体で各半導体素子１２を加圧する。従って、各半導体素子１２に作用する加圧力が均一化されて各接合部における半田の厚さのむらをより抑制することができる。
【００４２】
（３）半導体モジュール１０，１００は、回路基板１１として、表面に金属回路１３を有するセラミック基板１４を金属製で冷媒流路１５ａを備えたヒートシンク１５と一体化した冷却回路基板を備えている。そして、各半導体素子１２は回路基板１１の金属回路１３と対向する面全体に半田が行き渡るとともに半田の厚さのむらが抑制された状態で半田付けが行われている。従って、半導体モジュール１０，１００において、半田が介在して接合されている半導体素子１２と金属回路１３の線膨張率の差を吸収する応力緩和機能が良好に発揮され、熱サイクルの疲労寿命のばらつきが抑制される。
【００４３】
（４）複数のセラミック基板１４を有する回路基板１１の各セラミック基板１４上に、それぞれ一直線上に無い状態に配置された少なくとも３個の半導体素子１２に跨った状態で、各セラミック基板１４毎に１個の錘３５が配置される。そして、錘３５は半導体素子１２と当接して半導体素子１２を加圧するための所定位置に、全錘３５一括して配置されるとともに、一括して半導体素子１２と離間する位置に配置される。従って、錘３５が複数個存在しても、錘３５の所定位置への配置及び所定位置から離間する位置への配置を効率良く行うことができる。
【００４４】
（５）錘３５は加圧面３５ａと反対側にフランジ３５ｂ（掛止部）を備えている。そして、錘３５は、蓋体１９に取り付けられるとともに、所定位置に孔３６ａが形成された支持プレート３６の孔３６ａに嵌挿されて、フランジ３５ｂの下面が支持プレート３６の上面と係合する状態で支持プレート３６に支持される。孔３６ａは、蓋体１９が本体１８に取り付けられた状態において、位置決めされた回路基板１１上の金属回路１３の所定位置と対向可能な位置に形成されている。従って、蓋体１９を本体１８に取り付けると、錘３５が自動的に半導体素子１２と対向する所定位置に配置されるとともに、蓋体１９を本体１８から取り外すと、錘３５が自動的に半導体素子１２と離間する位置へ配置される。
【００４５】
（６）半田シート３３及び半導体素子１２は、治具３２を介してセラミック基板１４上の所定位置に位置決めされた状態で配置される。従って、錘３５を前記構成で支持プレート３６に取り付ける構成を採用した場合、錘３５を精度良く、各半導体素子１２と当接する位置に効率良く配置することができる。
【００４６】
（７）半導体素子１２を加圧する錘３５を誘導加熱で発熱させるとともに、半導体素子１２を介して半導体素子１２と金属回路１３との間に配置された半田シート３３を加熱するため、半田シート３３に対して集中的に熱を伝えることができる。従って、回路基板１１全体や容器１７全体を加熱する場合に比べて効率的な加熱を実現できる。
【００４７】
（８）半導体素子１２の直上に配置される錘３５の上方に高周波加熱コイル２８を配置した。このため、回路基板１１における複数の接合部に対して平面的に熱を伝えることができ、均等に加熱することができる。この結果、各接合部に配置した半田シート３３の溶融の開始と終了を近似（ほぼ同時に）させることができ、半田付け作業の効率化を図ることができる。
【００４８】
（９）高周波加熱コイル２８を容器１７の外部に配置した。このため、錘３５を支持する支持プレート３６を蓋体１９に支持する構成が簡単になる。
（１０）複数のセラミック基板１４を備えた回路基板１１への半田付けを行う場合に、各セラミック基板１４（錘３５）に対して１つの高周波加熱コイル２８を対応付けて配置し、当該セラミック基板１４に配置した錘３５を発熱させるようにした。このため、複数のセラミック基板１４に配置される複数の錘３５を纏めて１つの高周波加熱コイル２８で発熱させる場合に比して効率が良い。
【００４９】
（１１）高周波加熱コイル２８を容器１７の外部に配置することにより、容器１７内に加熱部材（この実施形態では高周波加熱コイル２８）を配置する構成に比べて容器１７の容積が小さくなる。したがって、容器１７の小型化を図ることができる。また、雰囲気調整としては、主に、容器１７内からの空気の排出（真空引き）、不活性ガス（窒素ガスなど）の供給と排出、還元性ガス（水素など）の供給と排出がある。このため、容積を小さくすることにより、例えば、空気の排出においては排出に掛かる時間を短くしたり、排出に掛かるエネルギー（例えば、真空ポンプ２５ｃを動作させる）の消費量を少なくしたりすることができる。また、不活性ガスや還元性ガスの供給又は排出においては、供給又は排出に掛かる時間を短くしたり、供給又は排出に掛かるエネルギーの消費量を少なくしたり、あるいは供給するガスの消費量を少なくしたりすることができる。
【００５０】
（１２）冷却時において、セラミック基板１４に接合されたヒートシンク１５に冷却用ガスを供給し、冷却するようにした。このため、ヒートシンク１５を通じて金属回路１３の接合部を効率的に冷却することができ、冷却時間の短縮化を図ることができる。その結果、半田付け作業に係る時間の短縮化を図ることもできる。
【００５１】
（第２の実施形態）
次に、本発明を具体化した第２の実施形態を図６を参照しながら説明する。なお、第２の実施形態は、錘３５の構成が異なりその他の構成は第１の実施形態と基本的に同様であるため、同様の部分についてはその詳細な説明を省略する。
【００５２】
この実施形態では、錘３５は、下面（加圧面３５ａ）に半導体素子１２等を吸着するための負圧を作用させることが可能な開口を有する通路３７を備えるとともに、通路３７を容器１７の外部に設けられた負圧源３８と接続可能な接続部３９が錘３５の下面以外の面に設けられている。通路３７は、各加圧面３５ａに垂直に延びる部分を備えており、その下端が開口になっている。接続部３９はフレキシブルな配管４０を介して負圧源３８に接続されており、配管４０の途中にバルブ４０ａが設けられている。配管４０は、蓋体１９を経て容器１７の内部に導入されている。バルブ４０ａは、接続部３９を負圧源３８と連通可能な状態と、接続部３９を大気と連通可能な状態とに切り換え可能に構成されている。即ち、バルブ４０ａの切り換え操作により、通路３７に負圧が作用する状態と、通路３７に対する負圧の作用が解除される状態とに切り換えられる。
【００５３】
この実施形態の半田付け装置ＨＫを使用して半田付け作業を行う場合、半田シート３３及び半導体素子１２を各セラミック基板１４上に載置された治具３２の孔３４と対応する位置に配置する作業が錘３５を吸着部として使用することによって行われる。例えば、半田シート３３を治具３２の孔３４と対応する位置に配置する場合は、本体１８の外部において、必要な数の半田シート３３を回路基板１１上の配置位置に対応した位置に配置し、その半田シート３３に各錘３５の加圧面３５ａが対応する状態に蓋体１９を配置する。その状態で各錘３５の通路３７に負圧源３８の負圧を作用させる。そして、各錘３５の加圧面３５ａに半田シート３３を吸着させた状態で蓋体１９を移動させて、本体１８の開口部１８ａを閉鎖する位置に配置する。このとき、各錘３５の加圧面３５ａ側が半田シート３３を吸着した状態で治具３２の孔３４に嵌挿されて、半田シート３３が接合部と対応する位置に配置される。次に通路３７に対する負圧の作用を解除して、錘３５による吸着作用を解除した後、蓋体１９を本体１８から取り外す。そして、半田シート３３が接合部上に載置される。
【００５４】
次に本体１８の外部において、必要な数の半導体素子１２を回路基板１１上の配置位置に対応した位置に配置し、その半導体素子１２に各錘３５の加圧面３５ａが対応する状態に蓋体１９を配置する。その状態で各錘３５の通路３７に負圧源３８の負圧を作用させて各錘３５の加圧面３５ａに半導体素子１２を吸着させる。次に蓋体１９を本体１８に取り付ける。この状態では、図６に示すように、錘３５の加圧面３５ａ側が治具３２の孔３４に嵌挿されて、各半導体素子１２が半田シート３３上に載置された状態になる。次に通路３７に対する負圧の作用が解除されて、錘３５による吸着作用が解除される。その結果、各半導体素子１２及び各錘３５の所定位置への配置が完了する。その後、第１の実施形態と同様にして半田付け作業が行われる。
【００５５】
なお、配管４０の荷重が錘３５による加圧作用に悪影響を及ぼさないように、容器１７の内部に存在する配管４０は図示しない支持部により支持される。また、配管４０により加わる荷重を考慮して各錘３５の重さが設定される。
【００５６】
この実施形態においては、前記第１の実施形態における効果（１）〜（１２）と同様な効果を有する他に次の効果を有する。
（１３）錘３５は、下面に半導体素子１２等を吸着するための負圧を作用させることが可能な開口を有する通路３７を備えるとともに、通路３７を負圧源３８と接続可能な接続部３９が錘３５の下面以外の面に設けられている。従って、錘３５を接続部３９を介して負圧源３８に接続して吸着部として使用することにより、複数の半導体素子１２や半田シート３３を錘３５の下面（加圧面３５ａ）に吸着して接合部（金属回路１３）上に一括して載置（配置）することができる。
【００５７】
（１４）負圧源３８が容器１７の外部に設けられるとともに、配管４０が蓋体１９を経て容器１７の内部に導入されている。従って、蓋体１９を本体１８から取り外したり閉鎖位置に取り付けたりする作業の際に、配管４０が作業の支障となり難い。
【００５８】
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○  半導体モジュールを製造する際の半田付け工程において、接合部上に半田を介して配置された一直線上に無い少なくとも３個の半導体素子１２に跨った状態で錘３５を載置して半田付けを行えばよく、半導体素子１２の配置や大きさ、高さ等は前記両実施形態の配置や大きさ、高さ等に限らない。例えば。図７に示すように、異なる大きさ及び高さの半導体素子１２を接合する場合に適用してもよい。錘３５は、図７に図示された３個以外の図示しない半導体素子１２にも跨る大きさに形成されている。この場合も第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５９】
○  全ての錘３５が大きさ及び同じ形状である必要はなく、例えば、図８（ａ）に示すように、複数の半導体素子１２を異なる個数（図の場合３個と４個）で構成されるグーループに分けて配置し、錘３５（二点鎖線で図示）を各グループの半導体素子１２の配置に対応した形状に形成してもよい。この場合、図８（ｂ）に示すように、支持プレート３６に形成される孔３６ａも錘３５の形状に対応して２種類形成される。
【００６０】
○  錘３５は、削り出しによって形成された一体化部品に限らず、複数の分割体を接合し、一つ錘３５を構成してもよい。
○  錘３５を支持する支持プレート３６は、蓋体１９に取り付けられる構成に限らず、蓋体１９と独立して移動可能に構成してもよい。その場合、本体１８に支持プレート３６を所定位置に支持する支持部材を設ける。支持部材は、錘３５が各半導体素子１２上に載置された状態において、錘３５のフランジ３５ｂが支持プレート３６の上面から浮いた（離れた）状態に支持プレート３６を保持する位置に設けるのが好ましい。
【００６１】
○  支持プレート３６と独立して蓋体１９が移動可能な構成において、錘３５に形成された通路３７が配管４０を介して負圧源３８と接続された状態で、錘３５を吸着部として用いて、半田シート３３及び半導体素子１２を接合部と対応する位置に配置する場合、錘３５を半導体素子１２と共に所定位置に配置した後、配管４０を取り外す構成とする。この場合、蓋体１９を閉鎖位置に配置する際に、配管４０が蓋体１９の取り付けに支障を来さないようにする構成が簡単になる。また、配管４０が錘３５の姿勢や加圧作用に悪影響を及ぼすことを回避することができる。
【００６２】
○  全ての錘３５を全部同時に所定位置に配置せず、１個ずつ又は適宜の数ずつ所定位置、即ち一直線上に無い少なくとも３個の半導体素子１２に跨る状態の位置に配置してもよい。錘３５を１個ずつ所定位置に配置する場合は、フランジ３５ｂ（掛止部）を設けなくてもよい。
【００６３】
○  錘３５を支持プレート３６の孔３６ａに嵌挿した状態で移動させる場合、錘３５を支持プレート３６に掛止するための構成はフランジ３５ｂに限らず、錘３５の上部の側面に掛止部として複数の凸部を設けてもよい。
【００６４】
○  錘３５の加圧面３５ａの大きさは、必ずしも対応する半導体素子１２の非接合面の全面に当接可能な大きさに限らず、それより大きくてもあるいは小さくてもよい。
○  治具３２は、半田シート３３、半導体素子１２及び錘３５の位置決め機能を有する構成に限らず、半田シート３３及び半導体素子１２の位置決め機能のみを有する構成でもよい。この場合でも、錘３５が一直線上に無い少なくとも３個の半導体素子１２に跨る状態で配置されるため、半導体素子１２毎に個別の錘で半導体素子１２を回路基板１１側へ加圧する半田付け方法に比較して、各接合部における半田の厚さのむらを抑制することができる。
【００６５】
○  誘導加熱で錘３５を加熱してその熱で半田を溶融させる構成において、錘３５はステンレス製に限らず、誘導加熱可能な材料であればよく、例えば、ステンレスに代えて、鉄やグラファイトで形成したり、熱伝導率の異なる２種類の導体材料を用いて構成してもよい。
【００６６】
○  半田は半田シート３３として金属回路１３の接合部と対応する箇所に配置する方法に限らず、半田ペーストを接合部と対応する箇所に塗布するようにしてもよい。
○  半田を溶融温度以上に加熱する加熱方法は誘導加熱以外の方法であってもよい。例えば、容器１７内に電気ヒーターを設けて半田を加熱するようにしてもよい。
【００６７】
○  回路基板１１は、セラミック基板１４が冷媒流路１５ａを有しないヒートシンク１５と一体化された構成や、ヒートシンク１５を有しない構成であってもよい。
○  蓋体１９は、本体１８に対して取り外し不能な構成、例えば、開閉式でもよい。
【００６８】
○  蓋体１９は、少なくとも高周波加熱コイル２８と対向する部位が電気的絶縁材で形成されているのが好ましく、当該部位をガラスに代えて、例えば、セラミックスや樹脂で形成してもよい。また、蓋体１９全体を同じ電気的絶縁材で形成してもよい。
【００６９】
○  容器１７の内外の圧力差に対応して蓋体１９の強度を上げる必要がある場合には、蓋体１９を、例えば、グラスファイバーと樹脂との複合材（ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）で構成してもよい。また、蓋体１９を、金属で構成してもよい。金属としては非磁性材の金属が好ましい。なお、蓋体１９に磁性材製の金属を用いる場合には、錘３５よりも電気抵抗率が高いものを用いた方が良い。また、蓋体１９を金属と絶縁材との複合材で構成してもよい。また、錘３５に効果的に磁束を導くように錘３５直上部には強磁性体の電磁鋼板等を用いると良い。
【００７０】
○  高周波加熱コイル２８は、複数の錘３５の上方に跨って配置する構成としてもよい。この場合、高周波加熱コイル２８に対する高周波電流の供給経路や冷却水の供給経路を少なくすることができ、半田付け装置ＨＫの構造をさらに簡素化できる。
【００７１】
○  生産ライン化に伴って容器１７を移動可能とし、当該容器１７とともに移動する錘３５の移動経路に沿って高周波加熱コイル２８を配置してもよい。この場合、高周波加熱コイル２８を移動経路に沿った形状に構成して配置してもよいし、移動経路に沿って複数配置してもよい。このように構成することで、容器１７を移動させながら加熱することが可能である。
【００７２】
○  高周波加熱コイル２８を、錘３５の側面に配置してもよい。
○  高周波加熱コイル２８を、容器１７（密閉空間Ｓ）内に配置してもよい。
以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
【００７３】
（１）請求項３又は請求項４に記載の発明において、前記ヒートシンクはアルミニウム製又は銅製である。
（２）請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の発明において、前記半田付けは蓋体を有する密閉可能な容器内で前記錘が複数使用される状態で行われ、前記蓋体には前記錘を支持する支持プレートが取り付けられており、前記支持プレートには蓋体が本体に取り付けられた状態において前記錘の配置箇所と対応する位置に孔が形成され、前記錘は前記支持プレートに形成された孔を貫通するとともに掛止部において支持プレートの上面に掛止された状態で蓋体と共に移動可能に設けられている。
【００７４】
（３）請求項１〜請求項６及び前記技術的思想（１），（２）のいずれか一項に記載の発明において、前記錘は誘導加熱可能な導電材料により形成されている。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】セラミック基板が１枚の半導体モジュールの平面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図。
【図３】セラミック基板が複数枚の半導体モジュールの平面図。
【図４】（ａ）は冶具の平面図、（ｂ）は錘の斜視図。
【図５】第１の実施形態の半田付け方法に用いる半田付け装置の概略縦断面図。
【図６】第２の実施形態における半田付け装置の縦断面図。
【図７】別の実施形態における半田付け装置の部分断面図。
【図８】（ａ）は別の実施形態の半導体素子の配置及び錘の形状を示す模式平面図、（ｂ）は支持プレートの平面図。
【符号の説明】
【００７６】
１０，１００…半導体モジュール、１１…回路基板、１２…半導体素子、１３…金属回路、１４…セラミック絶縁体としてのセラミック基板、１５…ヒートシンク、１５ａ…冷媒流路、３３…半田としての半田シート、３５…錘、３７…通路、３８…負圧源、３９…接続部。
【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】
2007180456.tif 000007
【図６】
2007180456.tif 000008
【図７】
2007180456.tif 000009
【図８】
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