(57)【要約】【課題】配線部材間を確実に接続することができる。【解決手段】ヒートスプレッダ２０は、上面２０ａに溝部２１を有している。溝部２１は傾斜面２１ａと傾斜面２１ｂとを有している。傾斜面２１ａと傾斜面２１ｂとは上面２０ａ対してそれぞれ傾斜している。上部電極３０の下面３０ａはヒートスプレッダ２０の上面２０ａと離間し、端部３２が溝部２１の領域の一部を覆っている。溝部２１の領域における端部３２で覆われていない領域で溶融したはんだ４０が供給されている。はんだ４０は下面３２ａに当接し、はんだ４０は下面３０ａと上面２０ａとの間を接続する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
配線部材間の接続構造において、
第一の配線部材は、第二の配線部材と対向する面に凹部を有し、
前記第二の配線部材は、前記第一の配線部材と対向する面で前記第一の配線部材と離間して前記凹部の領域の一部を覆い、
前記凹部は、液状の導電性材料が供給される供給部と、供給された液状の導電性材料を移動させて前記第二の配線部材の前記凹部を覆っている部位に当接させる壁部を有し
前記導電性材料が硬化して、前記第一の配線部材と前記第二の配線部材とを接続していることを特徴とする配線部材間の接続構造。
【請求項２】
前記壁部は前記供給部から連続していることを特徴とする請求項１に記載の配線部材間の接続構造。
【請求項３】
前記凹部は前記供給部を備える第一の傾斜面と前記壁部を備える第二の傾斜面とを有していることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の配線部材間の接続構造。
【請求項４】
前記第一の傾斜面が前記第一の配線部材の前記第二の配線部材と対向する面に対して傾斜する角度は、前記第二の傾斜面が前記第一の配線部材の前記第二の配線部材と対向する面に対して傾斜する角度よりも大きいことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の配線部材間の接続構造。
【請求項５】
前記第一の配線部材は、ヒートスプレッダであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の配線部材間の接続構造。
【請求項６】
前記壁部の上端は前記供給部の上端に対して下方に位置することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の配線部材間の接続構造。
【請求項７】
前記導電性材料は前記凹部の一部と前記第二の配線部材とを接続していることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の配線部材間の接続構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配線部材間の接続構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電極部材をはんだ付けする技術について、例えば特許文献１において、パワー素子の上にはんだを介して上部電極を接続した構造が開示されている。詳しくは、上部電極に、突起部とはんだ注入口とを形成し、この突起部をパワー素子上に載置して、上部電極とパワー素子との間に隙間を形成している。その後、その隙間に対しはんだ注入口から溶融はんだを供給して、毛細管現象と濡れ作用により、上部電極の下面とパワー素子の上面との間の隙間に溶融はんだを侵入させて上部電極とパワー素子とをはんだで接合できるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１３４４４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１で開示された従来技術においては、上部電極の下面とパワー素子の上面との間に毛細管現象が発生するような狭小な隙間を設定する必要があった。この隙間は７０〜２００μｍ程度にする必要があり、この隙間が狭いために溶融はんだが上部電極の下面に接触しづらい。非接触の場合には毛細管現象が生じないので上部電極の下面とパワー素子の上面との間ではんだが接続されないという問題がある。
本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、その目的は配線部材間を確実に接続できる接続構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１記載の本願発明は、配線部材間の接続構造において、第一の配線部材は、第二の配線部材と対向する面に凹部を有し、前記第二の配線部材は、前記第一の配線部材と対向する面で前記第一の配線部材と離間して前記凹部の領域の一部を覆い、前記凹部は、液状の導電性材料が供給される供給部と、供給された液状の導電性材料を移動させて前記第二の配線部材の前記凹部を覆っている部位に当接させる壁部を有し、前記導電性材料が硬化して、前記第一の配線部材と前記第二の配線部材とを接続していることを特徴とする。
請求項１記載の発明によれば、壁部により供給された液状の導電性材料を移動させて第二の配線部材の覆っている部位に当接させることができるため、第一の配線部材と第二の配線部材とを互いに接触させることなく確実に接続させることができる。
【０００６】
請求項２に記載の本願発明は、前記壁部は前記供給部から連続していることを特徴とするため、供給部に供給された液状の導電性材料を容易に移動させて第二の配線部材の覆っている部位に当接させることができる。
【０００７】
請求項３に記載の本願発明は、前記凹部は前記供給部を備える第一の傾斜面と前記壁部を備える第二の傾斜面とを有していることを特徴とするために、容易に凹部を形成することができる。
【０００８】
請求項４に記載の本願発明は、前記第一の傾斜面が前記第一の配線部材の前記第二の配線部材と対向する面に対して傾斜する角度は、前記第二の傾斜面が前記第一の配線部材の前記第二の配線部材と対向する面に対して傾斜する角度よりも大きいことを特徴とするために、凹部の外側への液状の導電性材料のはみ出しを抑制することができる。
【０００９】
請求項５に記載の本願発明は、前記第一の配線部材は、ヒートスプレッダであることを特徴とするため、液状の導電性材料の濡れ性が悪い場合でも、上部電極とヒートスプレッダとの間を接続することができる。
【００１０】
請求項６に記載の本願発明は、前記壁部の上端は前記供給部の上端に対して下方に位置することを特徴とするために、凹部の外側への液状の導電性材料のはみ出しを抑制することができる。
【００１１】
請求項７に記載の本願発明は、前記導電性材料は前記凹部の一部と前記第二の配線部材とを接続していることを特徴とするために、所定の量の前記導電性材料を供給したにもかかわらず前記凹部の全体に前記導電性材料が濡れ広がった場合に前記導電性材料が前記上部電極の下面と前記下部電極の上面との間に接続されていないと容易に判断することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、配線部材間を確実に接続することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】（ａ）は第一の実施の形態におけるパワーモジュールの平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での縦断面図。
【図２】ははんだ付け前のパワーモジュールの平面図。
【図３】（ａ）ははんだ付け工程を説明するためのパワーモジュールの平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線での縦断面図。
【図４】（ａ）ははんだの重心移動後のパワーモジュールの平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線での縦断面図。
【図５】（ａ）は第二の実施形態におけるパワーモジュールの平面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線での縦断面図。
【図６】（ａ）は別例における平面図、（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ線での縦断面図。
【図７】（ａ）は別例における平面図、（ｂ）は（ａ）のＦ−Ｆ線での縦断面図。
【図８】（ａ）別例におけるパワーモジュールの要部、（ｂ）別例におけるパワーモジュールの要部。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（第一の実施形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施形態を図面に従って説明する。
図１には本実施形態におけるパワーモジュール１０を示す。本実施形態のパワーモジュール１０は、車両用インバータとして用いられる。電力変換装置としての車両用インバータは車両に搭載され、バッテリの直流電力を交流電力に変換して走行モータを駆動するためのものである。
【００１５】
パワーモジュール１０は、第一の配線部材に相当するヒートスプレッダ２０と、第二の配線部材に相当する上部電極３０と、パワー素子（パワートランジスタ、パワーダイオード等）５０とを備えている。
【００１６】
ヒートスプレッダ２０は直方体形状をなし、上面２０ａが水平となる状態で配置されている。ヒートスプレッダ２０は銅よりなる。
ヒートスプレッダ２０の上面２０ａ（上部電極３０と対向する面）にはパワー素子５０が接合されている。ヒートスプレッダ２０は、パワー素子５０と電気的につながっており、電極として機能する。また、ヒートスプレッダ２０は、通電により発熱するパワー素子５０の放熱部材として機能する。このように、第一の配線部材としてのヒートスプレッダ２０はパワー素子５０と電気的かつ熱的に結合されている。
【００１７】
ヒートスプレッダ２０の上方には上部電極３０が配置されている。上部電極３０は平板状をなしている。上部電極３０は銅よりなる。
【００１８】
ヒートスプレッダ２０と上部電極３０とは、配線部材間に相当するヒートスプレッダ２０と上部電極３０との間にて導電性材料に相当するはんだ４０により接合されている。即ち、ヒートスプレッダ２０に対しボンディングワイヤーを介すのではなく上部電極３０が直接はんだ付けされている。
【００１９】
上部電極３０は本体部３１と端部３２とを有する。上部電極３０は、下面３０ａ（ヒートスプレッダ２０と対向する面）がヒートスプレッダ２０の上面２０ａとは距離ｄ１０だけ離間した状態でヒートスプレッダ２０の上面２０ａに沿って水平に延びている。距離ｄ１０は、例えば０．３ｍｍ程度である。端部３２は下面３２ａを有する。
【００２０】
ヒートスプレッダ２０の上面２０ａには凹部に相当する溝部２１が形成されている。溝部２１は上方に開口し、図１（ｂ）においてＶ字形状をなしているとともに平面視長方形状をなしている。溝部２１は第一の傾斜面に相当する傾斜面２１ａ、第二の傾斜面に相当する傾斜面２１ｂと、側面２２ａと側面２２ｂとを有している。傾斜面２１ａと傾斜面２１ｂとは互いに連続しているとともに上面２０ａに対して傾斜しており、側面２２ａと側面２２ｂとは互いに対向している。図１（ｂ）において、傾斜面２１ａは上面２０ａに対してα度傾斜し、傾斜面２１ｂは上面２０ａに対してβ度傾斜している。本実施形態では、角度αは角度βと同じ角度になっている。
側面２２ａと側面２２ｂとは傾斜面２１ａと傾斜面２１ｂとから垂直方向に延びている。また、平面視長方形状をなす溝部２１において、側面２２ａと側面２２ｂとが短辺をなし、傾斜面２１ａと傾斜面２１ｂとが長辺をなしている。
【００２１】
上部電極３０は、ヒートスプレッダ２０の上面２０ａに沿って延びる本体部３１から端部３２が溝部２１の領域に位置している。即ち、上部電極３０は溝部２１の一部を覆っている。具体的には、端部３２は傾斜面２１ｂの一部を覆っている。
【００２２】
図１（ａ）において、ヒートスプレッダ２０の溝部２１の領域での上部電極３０に覆われない領域のうち、溝部２１にはんだ４０が供給されたところが供給部に相当する。また、溝部２１において上部電極３０に覆われる部位が壁部に相当する。
【００２３】
ここで図１（ａ）に示すように、はんだ４０は溝部の全体ではなく一部を濡れ広がっている。例えば上部電極３０の幅方向にははんだ４０は広がっていない。また、図１（ｂ）に示すように、はんだ４０は下面３０ａと上面２０ａとの間を端部３２から本体部３１の方へ濡れ広がっている。さらに、はんだ４０は下面３２ａからフィレットが形成されている。
【００２４】
次に、パワーモジュール１０におけるヒートスプレッダ２０と上部電極３０とのはんだ付け工程について説明する。
【００２５】
まず、図２に示すように、ヒートスプレッダ２０の上にパワー素子５０を接合したものを用意する。そして、ヒートスプレッダ２０と上部電極３０とが離間するとともに、端部３２が溝部２１の領域を覆うような状態で、ヒートスプレッダ２０に上部電極３０を配置する。これにより、ヒートスプレッダ２０の溝部２１の上方で、端部３２に覆われない領域にはんだ供給口Ｓ１が形成される。
なお、はんだが上部電極３０に付着することなく所定の量だけ確実に溝部２１に供給するためにはんだ供給口Ｓ１は傾斜面２１ａの上方にあるほうが好ましく、さらには傾斜面２１ａに供給されるはんだが端部３２の方へ移動するところにあるほうが好ましい。また、距離ｄ１を大きくすると、はんだ供給口Ｓ１を大きくすることができる。
また、はんだ付け対象部品（ヒートスプレッダ２０、上部電極３０）は、はんだ濡れをよくするために加熱しておく。
【００２６】
引き続き、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、液状の導電性材料に相当する溶融したはんだ４０を内蔵したはんだ供給装置６０における供給口６０ａがはんだ供給口Ｓ１に接近して配置され、はんだ供給装置６０の供給口６０ａから、はんだ供給口Ｓ１にはんだ４０を供給する。このとき、はんだ４０は溝部２１から隆起するように量が調整され、供給部に相当する傾斜面２１ａに供給される。図４（ｂ）に示すように、供給されたはんだ４０は壁部に相当する傾斜面２１ｂの上部電極３０に覆われる部位の濡れ性により溝部２１から隆起したまま移動する。すなわち、図３の（ａ）および図４の（ａ）に示すように、はんだ４０の重心は端部３２の方へ移動する。そして、はんだ４０が下面３２ａに当接する。すなわち、はんだ４０は傾斜面２１ｂにより下面３２ａに誘導されることとなる。
【００２７】
最後に、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、はんだ４０が端部３２に当接すると溶融はんだ４０は上部電極３０の下面３０ａとヒートスプレッダ２０の上面２０ａとの間を濡れ広がる。このとき、はんだ４０は端部３２から本体部３１の方向に向かって濡れ広がる。よって、はんだ４０が硬化して上部電極３０の下面３０ａとヒートスプレッダ２０の上面２０ａとの間をはんだ４０で確実に接続することができる。
なお、はんだ４０は溝部２１の全体に濡れ広がっていない。これにより、所定の量のはんだを供給したにもかかわらず溝部２１の全体にはんだ４０が濡れ広がった場合、上部電極３０の下面３０ａとヒートスプレッダ２０の上面２０ａとの間にはんだ４０が接続されていないと容易に判断することができる。
【００２８】
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）第一の配線部材としてのヒートスプレッダ２０の上に、はんだ４０を介して第二の配線部材としての上部電極３０を接続したヒートスプレッダ２０と上部電極３０との接続構造として次のようにした。
ヒートスプレッダ２０は、上面２０ａに溝部２１を有している。溝部２１は傾斜面２１ａと傾斜面２１ｂと側面２２ａと側面２２ｂとを有している。傾斜面２１ａと傾斜面２１ｂとは互いに上面２０ａに対してそれぞれ角度α、角度β傾斜しており、側面２２ａと側面２２ｂとは互いに対向している。上部電極３０は、下面３０ａがヒートスプレッダ２０の上面２０ａと離間し、溝部２１の領域の一部を覆っている。このため、溝部２１において上部電極３０に覆われる部位によりはんだ４０は移動して上部電極３０の覆っている部位に当接する。なお、覆われていないところがはんだ供給口Ｓ１となり、そこからはんだ４０が供給される。
従って、はんだ４０が端部３２の下面３２ａに当接しやすく、上部電極３０の下面３０ａとヒートスプレッダ２０の上面２０ａとの間をはんだ４０で確実に接続することができる。
（２）第一の傾斜面２１ａと第二の傾斜面２１ｂとが連続しているため、供給部に供給されたはんだ４０を容易に移動させて第二の配線部材の溝部２１を覆っている部位に当接させることができる。
（３）第一の配線部材として、パワー素子５０と電気的かつ熱的に結合されたヒートスプレッダ２０を用いている。ヒートスプレッダ２０を用いた場合において、はんだ濡れ性が悪い場合でも、上部電極３０の下面３３ａとヒートスプレッダ２０の上面２０ａとの間をはんだ４０で確実に接続することができる。
（４）はんだ４０の濡れ性を利用し、溝部２１の全体にはんだ４０を満たすことなく接続している。従って、所定の量のはんだ４０を供給したにもかかわらず溝部２１の全体にはんだ４０が濡れ広がった場合にはんだ４０が上部電極３０の下面３０ａとヒートスプレッダ２０の上面２０ａとの間に接続されていないと容易に判断することができる。
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態を、第１の実施形態との相違点を中心に説明する。前記実施形態と同一部分は同一符号を付して詳しい説明を省略する。
図５には第２の実施形態のパワーモジュール１１を示す。
【００２９】
上部電極７０は本体部７１と端部７２とを有する。上部電極７０は平面視凸状に形成され、端部７２は本体部７１より溝部２１の長手方向における幅が狭く、溝部２１の一部を覆っている。
【００３０】
ヒートスプレッダ２０の溝部２１の領域内において、本体部７１の一部および端部７２が溝部２１の一部を覆っている。具体的には、図５（ａ）に示すように本体部７１の一部は傾斜面２１ｂの一部を覆い、端部７２は傾斜面２１ｂの一部および傾斜面２１ａの一部を覆っている。このとき、上部電極７０が溝部２１を覆っていない領域にはんだ供給口Ｓ２、Ｓ３が形成されている。はんだ供給口Ｓ２、Ｓ３から溝部２１にはんだ４０が供給されたところが供給部に相当する。このように、上部電極７０が溝部２１を覆っていない領域にはんだ供給口が２つ形成されている。一方、傾斜面２１ｂにおいて上部電極７０に覆われる部位が壁部に相当する。
なお、はんだが上部電極３０に付着することなく所定の量だけ確実に溝部２１に供給するためにはんだ供給口Ｓ２、Ｓ３は傾斜面２１ａの上方にあるほうが好ましく、さらには傾斜面２１ａに供給されるはんだが本体部７１側へ移動するところにあるほうが好ましい。
ヒートスプレッダ２０の溝部２１の傾斜面２１ａに、はんだ供給口Ｓ２、Ｓ３からはんだ４０が供給されている。
【００３１】
ヒートスプレッダ２０と上部電極７０とのはんだ付けの際には、図５（ｂ）に示すように、はんだ供給装置６０の供給口６０aから、はんだ４０をはんだ供給口Ｓ２、Ｓ３に供給する。そして、はんだ供給口Ｓ２、Ｓ３からヒートスプレッダ２０の溝部２１にはんだ４０が供給される。
はんだ４０の重心は傾斜面２１ｂ側へ移動し、はんだ４０が上部電極７０に当接するとはんだ４０は上部電極７０の下面７０ａとヒートスプレッダ２０の上面２０ａとの間に端部７２から本体部７１の方向へ濡れ広がる。このとき、端部７２が傾斜面２１ａと傾斜面２１ｂとの境界を覆っているため下面７２ａにはんだ４０が当接しやすい。よって、上部電極７０の下面７０ａとヒートスプレッダ２０の上面２０ａとの間をはんだ４０で確実に接続することができる。また、溝部２１において、はんだ４０の接合面積を広くすることができるので接合強度が良好になる。
【００３２】
以上のごとく本実施形態によれば、前述の（１）〜（４）に加えて、以下のような効果を得ることができる。
（５）上部電極７０は平面視凸状に形成され、端部７２は本体部７１より溝部２１の長手方向における幅が狭く、下面７０ａがヒートスプレッダ２０の上面２０ａと離間し、端部７２が傾斜面２１ａと傾斜面２１ｂとの境界を覆っている。よって、下面７２ａにはんだ４０が当接しやすく、上部電極７０の下面７０ａとヒートスプレッダ２０の上面２０ａとの間をはんだ４０で確実に接続することができる。また、溝部２１において、はんだ４０の接合面積を広くすることができるので接合強度が良好になる。
なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能であり、例えば、次のように変更しても良い。
・電極間の接合材（導電性材料）としてはんだ４０を用いたが、導電性があるものであれば材質は問わない。例えば、ロウ材でも良い。
・第一の配線部材としてヒートスプレッダ２０を用いたが、これに限ることはない。例えば、半導体素子の電極でもよい。
・溝部２１の形状は平面視長方形以外でもよい。
・上部電極３０は平板状以外のものを用いてもよい。
・角度αは角度βより大きくてもよい（α＞β）。例えば、図６のような形状でもよい。このとき、傾斜面２１ａに供給されるはんだの重心をより早く端部３２の方へ移動させることができるとともに、傾斜面２１ａにおけるヒートスプレッダ２０の上面２０ａへのはんだのはみ出しを抑制することができる。
・傾斜面２１ａの上端を傾斜面２１ｂの上端より上方に設けてもよい。例えば、図７のような形状でもよい。このとき、傾斜面２１ａにおけるヒートスプレッダ２０の上面２０ａへのはんだのはみ出しをより抑制することができる。また、傾斜面２１ｂの上端を傾斜面２１ａの上端より下方に設けてもよい。このとき、パワーモジュール１０の小型化が可能になるとともに、はんだが供給されてから端部３２へ当接するまでの時間を短縮することができる。このため、はんだ付けにかかる時間を短縮することができる。
・凹部としての溝部２１の形状について、壁部を備える傾斜面２１ｂを用いたが、供給されたはんだ４０を移動させて上部電極３０の溝部２１を覆っている部位に当接させるものであれば形状は問わない。例えば、図８（ａ）に示すような階段状の形状を用いて溝部２１を形成しても良い。この場合、はんだの接合面積を広くすることができるので接合強度が良好になる。
・凹部としての溝部２１の形状について、供給部を備える傾斜面２１ａを用いたが、例えば、図８（ｂ）に示すような階段状の形状を用いて溝部２１を形成しても良い。この場合、はんだの接合面積を広くすることができるので接合強度が良好になる。
【符号の説明】
【００３３】
１０…パワーモジュール、１１…パワーモジュール、２０…ヒートスプレッダ、２０ａ…上面、２１…溝部、２１ａ…傾斜面、２１ｂ…傾斜面、２２ａ…側面、２２ｂ…側面、３０…上部電極、３０ａ…下面、３１…本体部、３２…端部、３２ａ…下面、４０…はんだ、７０…上部電極、７０ａ…下面、７１…本体部、７２…端部、７２ａ…下面、ｄ１…距離、α…角度、β…角度、Ｓ１…はんだ供給口、Ｓ２…はんだ供給口、Ｓ３…はんだ供給口
【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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