(57)【要約】【課題】従来に比べて良好な半田付けが可能な電力半導体装置及び電力半導体装置用製造装置を提供する。【解決手段】電力半導体装置における端子６〜８に端子貫通穴３１を設け、又はケース１２にケース貫通穴２０を設け、ノズル部１４からの熱風加熱により、所望の接合部のみを局所加熱して、半田付けを行う。ノズル部には、接合部に対応して配置され熱風を噴出する開口１６を有するプレート１５が着脱可能に取り付けられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力用の半導体素子と、
上記電力用半導体素子を半田付けした絶縁基板と、
熱風が吹き付けられて溶融した半田にて上記絶縁基板に電気的に接続された接合部を有する、当該電力半導体装置用の端子と、
上記絶縁基板を包囲するケースと、を備えた電力半導体装置において、
上記端子は、上記接合部及びその近傍部分に相当する部分である加熱促進部を有し、該加熱促進部は、上記熱風が吹き付けられ、上記熱風が通過する流路となり当該端子における熱伝達面積を増加させる端子貫通穴を有することを特徴とする電力半導体装置。
【請求項２】
上記ケースは、当該ケースを貫通し上記加熱促進部を加熱した熱風が通過するケース貫通路を有する、請求項１記載の電力半導体装置。
【請求項３】
上記ケース貫通路は、途中に、当該ケース貫通路を通過する流体を滞留させる滞留部を有する、請求項２記載の電力半導体装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載する電力半導体装置を製造するための電力半導体装置用製造装置であって、
電力用半導体素子を半田付けした絶縁基板における端子接合部に半田ペーストを塗布する半田塗布装置と、
熱風を発生する熱風発生部、及び、上記熱風発生部に接続され上記熱風が通過するノズル部を有し、上記ノズル部を通過した熱風にて上記半田ペーストを溶融させ上記絶縁基板と上記電力半導体装置用の端子との半田付けを行う半田付け装置とを備え、
上記ノズル部は、
上記電力半導体装置の平面形状に対応した平面形状を有する箱状の本体部と、
上記電力半導体装置に対向して配置され上記本体部に対して着脱可能であり、かつ上記半田ペーストを塗布した上記端子接合部に対応して位置し上記熱風を上記端子接合部へ噴出する開口を有するプレートと、を備えることを特徴とする電力半導体装置用製造装置。
【請求項５】
上記本体部及び上記プレートは、外気に接する第１層材と、上記第１層材の内側に設けられ上記第１層材における熱伝導率よりも大きい熱伝導率を有する第２層材とを有する、請求項４記載の電力半導体装置用製造装置。
【請求項６】
複数の上記端子接合部及び上記開口が存在し、
それぞれの上記開口は、噴出する上記熱風を整流し各開口における圧損の調整を行う整流及び圧損調整部を有する、請求項４又は５に記載の電力半導体装置用製造装置。
【請求項７】
上記半田付け装置は、上記開口から上記端子接合部へ噴出された上記熱風を吸引する吸引機構をさらに有し、該吸引機構により上記熱風を吸引する吸引口を上記開口の周縁部に有する、請求項４から６のいずれか１項に記載の電力半導体装置用製造装置。
【請求項８】
上記開口及び上記吸引口には、上記プレートから上記端子接合部へ延びる筒状部材が取り付けられ、該筒状部材は、噴出される上記熱風が通過する熱風用部材と、該熱風用部材を包囲して配置され吸引空気が通過する吸引用部材とを有し、上記筒状部材の先端部において、上記吸引用部材は、上記熱風用部材を超えて突出する、請求項７記載の電力半導体装置用製造装置。
【請求項９】
上記吸引用部材には、吸引空気を外部へ放出する放出穴が設けられている、請求項８記載の電力半導体装置用製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大電流が流れる電力半導体装置、及び該電力半導体装置を製造する電力半導体装置用製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
回路が形成された絶縁基板に半導体素子や電子部品を搭載するため、またこれと同工程にて外部へと接続される端子をその絶縁基板上の回路と電気的に配線接続をするため、リフロー半田付け装置が用いられている。該リフロー半田付け装置では、炉内を加熱してワーク全体を均一な温度とすることにより、一括して全ての半田を溶融させ、電気的接続部分の接合を図っている。
【０００３】
例えば、特開２００２−９４３０号公報、及び特開平７−１５４０６３号公報に示されるリフロー半田付け装置は、予熱、本加熱、及び冷却の複数のゾーンから構成されている。該リフロー半田付け装置では、ベルト等の搬送機構にワークが載置され、予備加熱から本加熱、冷却へと搬送される。そしてワーク全体が均一な温度となるように、熱風や赤外線等でワークを加熱することにより、電子部品、半導体素子、及び端子を一括して半田付けしている。
【０００４】
また、半田付け箇所において所望の温度が得られない、あるいは温度ばらつきが大きい場合には、特開平６−２３５３１号公報に開示されるように、炉内の雰囲気温度を上昇させる熱風に加えて、局所的に熱風を吹きつける機構を別途設け、温度の低い半田付け箇所に対して直接に熱風を吹き付け、半田接合をしている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−９４３０号公報
【特許文献２】特開平７−１５４０６３号公報
【特許文献３】特開平６−２３５３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したようなリフロー半田付け装置では、炉内全体を熱風や赤外線等で加熱し、さらに低温箇所があれば、別途設けた熱風や赤外線等の発生装置にて加熱することにより、ワーク全体を均一な温度として半田接合を行っていた。ワークは、半田が溶融する温度、つまり少なくとも１８０℃以上といった高温になるまで加熱されていた。
【０００７】
上述の各特許文献に開示されるリフロー半田付け装置では、処理される基板は、主にガラスエポキシ材からなり、その熱伝導率は０．２Ｗ／ｍｋ程である。つまり、上記リフロー半田付け装置は、熱容量が小さいプリント基板への部品実装を対象としている。
【０００８】
一方、大電流が流れる電力半導体装置では、熱伝導率が２００〜４００Ｗ／ｍｋの銅又は銅合金からなる厚いベース板上に、約２０〜２００Ｗ／ｍｋの熱伝導率の絶縁基板と、樹脂からなるケースと、銅又は銅合金からなる端子とが一体成型されたものが接合され組み合わされた複雑な構造となっている。このように、材料及びサイズが異なった部材から形成された大型の電力半導体装置において、所望の半田付け箇所である電力半導体装置の端子と、絶縁基板とのみを半田接合することは、ワーク全体を均一温度まで加熱して半田接合を行う、上述の特許文献に開示されるような従来のリフロー半田付け装置及び方法では困難であった。
【０００９】
即ち、半田が溶融する温度までワーク全体を均一に加熱するため、過度な加熱状況となり、電子部品及び樹脂からなるケースは、その耐熱温度を超えてしまう。よって、故障や熱変形といった不具合が発生していた。
【００１０】
さらに、上記電力半導体装置では、ベース板と絶縁基板とを半田付けする工程、絶縁基板上に半導体素子を半田付けする工程、及び、ケースと一体となった端子を絶縁基板上の回路に半田付けする工程のように、複数の半田付け工程が必要である。よって、従来のリフロー半田付け方法では、端子と絶縁基板とを半田付けしようとする場合、ワーク全体が均一な温度となるように高温まで加熱されてしまうので、前工程で既に接合済みである、ベース板と絶縁基板との半田付け部、及び、絶縁基板と半導体素子との半田付け部が再溶融してしまうという問題もある。
【００１１】
本発明は、上述のような問題点を解決するためになされたものであり、従来に比べて良好な半田付けが可能な電力半導体装置及び電力半導体装置用製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の第１態様における電力半導体装置は、電力用の半導体素子と、上記電力用半導体素子を半田付けした絶縁基板と、熱風が吹き付けられて溶融した半田にて上記絶縁基板に電気的に接続された接合部を有する、当該電力半導体装置用の端子と、上記絶縁基板を包囲するケースと、を備える。上記端子は、上記接合部及びその近傍部分に相当する部分である加熱促進部を有し、該加熱促進部は、上記熱風が吹き付けられ、上記熱風が通過する流路となり当該端子における熱伝達面積を増加させる端子貫通穴を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の第１態様における電力半導体装置によれば、絶縁基板に半田付けされる端子は、熱風が吹き付けられる加熱促進部を有し、該加熱促進部には、上記熱風が通過する流路となり当該端子における熱伝達面積を増加させる端子貫通穴が形成されている。よって、端子を形成する銅若しくは銅合金といった大きな熱容量を小さくするとともに、吹き付けられる熱風にさらされる表面積を確保することができ、加熱促進部を所望の温度まで速やかに上昇させることができる。したがって、上記第１態様によれば、従来のようにワーク全体を均一に加熱する必要はなく、耐熱温度を超えることに起因して変形や故障が生じたり、再溶融部分が生じたりすることもない。よって、上記第１態様によれば、従来に比べて良好な半田付けが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の実施形態である電力半導体装置、該電力半導体装置を製造する電力半導体装置用製造装置、及び電力半導体装置の製造方法について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。
【００１５】
実施の形態１．
図１に、本発明の実施の形態１に係る電力半導体装置１０１の概略の断面図を示す。又、図２に、図１に示す電力半導体装置１０１の上面図を示す。電力半導体装置１０１の基本的構成としては、符号４，５を付した電力用半導体装置と、符号３を付した絶縁基板と、符号６〜８を付した電力半導体装置用の端子とを備え、電力半導体装置１０１はさらに以下に説明する構成部分を備える。尚、以下の説明にて示す各部の寸法は、一例であり、記載の寸法に限定するものではない。
【００１６】
１は、一辺の長さが５０〜５００ｍｍであり、厚さが３〜５ｍｍであるＣｕもしくはＡｌからなる熱容量の大きいベース板である。該ベース板１には、約２００μｍ厚の半田２を介して、絶縁基板３が接合されている。絶縁基板３は、０．２〜１ｍｍの一定厚からなるＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、又はＺｒＡｌ２Ｏ３等にて形成されている。絶縁基板３の両面には、２〜１０μｍ厚のＮｉめっきが施されている。よって、絶縁基板３は、ベース板１に半田付け可能である。又、ベース板１とは反対側に位置する絶縁基板３の面には回路が形成されている。該回路形成面にも上述のようにＮｉメッキが施されている。絶縁基板３に形成された回路上には、電力用半導体素子として、ＩＧＢＴやＤｉといった大電力を扱う第１の半導体素子４及び第２の半導体素子５が半田２を介して接続されている。
【００１７】
第１半導体素子４及び第２半導体素子５であるＤｉやＩＧＢＴは、それぞれＡＣ出力に対応すべく３相回路を形成している。尚、本実施形態では、第１半導体素子４及び第２半導体素子５をＤｉ、ＩＧＢＴとしたが、用途に応じてＭＯＳＦＥＴ等を用いても構わない。
【００１８】
第１半導体素子４及び第２の半導体素子５であるＤｉやＩＧＢＴは、各相毎に、絶縁基板３上の回路とアルミニウム等でワイヤボンディングされ、それぞれ電力半導体装置内において配線接続されている。
又、ＰＰＳ、ＰＢＴ、又はエポキシといった樹脂と一体成型された厚さ１ｍｍほどの銅もしくは銅合金からなる、外部との入出力を行うＡＣ出力端子６、入出力端子であるＰ電極端子７、及びＮ電極端子８が、絶縁基板３に形成されている回路における端子接合部に半田２を介して接続されている。
【００１９】
ここで、ＡＣ出力端子６、Ｐ電極端子７、及びＮ電極端子８は、加熱促進部３０を有する。加熱促進部３０は、上記端子接合部と半田接合され絶縁基板３と電気的に接続される接合部及びその近傍部分に相当し、後述するように熱風が吹き付けられ、さらに上記熱風が通過する流路となり上記端子６〜８における熱伝達面積を増加させる端子貫通穴３１を形成している。端子貫通穴３１は、端子６〜８の厚み方向に直交する方向、例えば幅方向に延在し、一又は複数本が設けられる。尚、図１等では、ＡＣ出力端子６における加熱促進部３０にのみ端子貫通穴３１を図示しているが、勿論、Ｐ電極端子７及びＮ電極端子８の加熱促進部３０にも端子貫通穴３１は形成されている。
【００２０】
又、ＩＧＢＴのゲート電極は、信号端子９へアルミニウム等でワイヤボンディングされ、駆動回路や保護回路を搭載した制御基板１０に接続される。電力半導体装置１０１では、このような配線接続構造を有する。尚、制御基板１０は、図示するように、信号端子９にて支持されて絶縁基板３の上方にて絶縁基板３にほぼ平行な状態に配置される。
【００２１】
ＡＣ出力端子６は、モータ等の電動機へ接続され、Ｐ電極端子７、Ｎ電極端子８、及びＢ端子１９は、バッテリやハーネスへとそれぞれ外部と配線接続される。又、ベース板１及び絶縁基板３を包囲して制御基板１０を超える高さを有する樹脂製のケース１２が設けられ、第１半導体素子４及び第２の半導体素子５を保護する。図１では図示していないが、後述するように、ケース１２には、該ケース１２を貫通し熱風を通過可能とするケース貫通路を形成することができる。
尚、ベース板１とケース１２とは接着剤１３にて固定される。さらに、ベース板１は、グリスを介して、放熱性を有するヒートシンク１８に取り付けられる。
以上のように、電力半導体装置１０１は構成される。
【００２２】
次に、電力半導体装置１０１を製造する電力半導体装置用製造装置について説明する。
図４には、後述する前工程完成品が搬入されて電力半導体装置１０１を製造する電力半導体装置用製造装置２０１の概略構成が示されている。電力半導体装置用製造装置２０１は、接着剤及び半田を塗布する塗布装置２１１と、接着剤硬化装置２１２と、半田付け装置２１３と、冷却装置２１４とを備える。以下には、半田付け装置２１３の構造について簡単に説明する。
【００２３】
図５に示すように、半田付け装置２１３は、熱風を発生し送出する熱風発生器１７と、上記熱風が通過するノズル部１４とを備え、上述したように絶縁基板３の上記端子接合部に塗布した上記半田ペーストを熱風にて溶融させて、絶縁基板３と端子６〜８との半田付けを行う装置である。熱風発生器１７及びノズル部１４は、アーム２５として一体構成される。さらに、半田付け装置２１３は、電力半導体装置１０１の半完成品に対して、アーム２５を高精度に位置制御することができるアクチュエータを備える。尚、上記半完成品とは、絶縁基板３と端子６〜８との半田付けが完了していない状態の電力半導体装置が相当し、具体的には、後述するステップＳ２の工程が終了した状態の電力半導体装置が相当する。
【００２４】
よって、上記アクチュエータによって、アーム２５は、熱風を吹き出しながらノズル部１４を上記半完成品に向かうように降下させ、例えば、約６０秒間、ノズル部１４を降下させたまま熱風の吹きつけを続行し、その後、ノズル部１４を上昇させ、元の位置に戻す。
【００２５】
熱風発生器１７は、本実施形態では４０００Ｗクラスのものであり、風量が約８００ｌ／ｍｉｎ、可変温度が常温から約８００℃まで可能である。本実施形態では、熱風発生器１７は、約２５０〜４００℃の熱風を熱風発生器１７内のヒータ部で発生させ、ファンにより乱流としながらノズル部１４に熱風を送り出す（図中の矢印の方向）。尚、発生させる熱風の温度は、電力半導体装置の構造、つまり各端子６〜８及び絶縁基板３の熱容量、サイズ、材料等により変化させる。
【００２６】
ノズル部１４は、本体部１４ａと、プレート１５とを備える。本体部１４ａは、電力半導体装置１０１の平面形状に対応した平面形状を有する箱形状である。プレート１５は、電力半導体装置１０１に対向して配置されて本体部１４ａに対して着脱可能な板状の部材であり、かつ図６に示すように開口１６を有する。プレート１５の厚さは、例えば１〜５ｍｍである。又、図５に示すように、プレート１５には、開口１６に対応して、プレート１５から上記端子接合部の近傍へ延びる筒状の熱風用部材１６ｂを取り付けることもできる。熱風用部材１６ｂを設けることで、熱風の吹き付け範囲を狭小化することができ、衝突噴流領域を小さくでき、局所加熱が可能となる。尚、上述のようにノズル部１４は下降するが、その際、熱風用部材１６ｂが、端子６〜８、絶縁基板３、及びケース１２等の他の部材に接触することはない。又、図５では、熱風用部材１６ｂは、ストレート形状にて図示するが、端子６〜８、絶縁基板３、ケース１２等の他の部品に触れないよう、曲線形状や、例えばＬ字状の屈曲形状にて構成することもできる。
【００２７】
開口１６は、図５に示すように、上記半田ペーストを塗布した上記端子接合部に対応して位置し、上記熱風を上記端子接合部へ噴出する部分である。本実施形態では、電力半導体装置１０１の半完成品には複数の端子接合部が存在することから、複数の開口１６が設けられている。各開口１６のサイズは、一辺２ｍｍ〜１５ｍｍであり、各開口１６から吹き出される熱風の流速は、約１０〜３０ｍｓである。該流速は、絶縁基板３、並びに、半田付けされる各端子接合部の形状、熱容量及び材料に対応し調整される。又、開口１６の形状は、四角形に限定されず、楕円形や円形状等でも良い。
【００２８】
又、ノズル部１４の本体部１４ａ、又はプレート１５の開口１６に設けた熱風用部材１６ｂの内部には、複数のメッシュ１６ａを層状に設けている。該メッシュ１６ａは、格子状の部材であり、整流及び圧損調整部の機能を果たす一例に相当する。上述のようにプレート１５には複数の開口１６が存在するが、メッシュ１６ａを設けたことで、熱風発生器１７から生じた熱風が一部の開口１６に集中して流れないように、又、一つの開口１６の内部で熱風が均等に流れるようにすることができる。即ち、メッシュ１６ａは、開口１６より噴出される熱風を整流し、また、自由噴流領域を狭め、さらに、各開口１６の圧損を調整する。このようにメッシュ１６ａを設けることで、端子６〜８と絶縁基板３との半田付け部分を効率よく加熱することが可能となる。
【００２９】
次に、電力半導体装置１０１の組み立て工程について、図３等を参照して説明する。
電力半導体装置１０１を製造するに当たり、まず初めに、電力半導体装置１０１を製造するための前工程完成品が作製される。即ち、前工程として、ベース板１に半田２を塗布し、さらに、絶縁基板３の回路形成面における第１半導体素子４及び第２半導体素子５の搭載箇所にペースト状の半田２を塗布する。そして、ベース板１と絶縁基板３とを半田付けするとともに、第１半導体素子４及び第２半導体素子５を絶縁基板３に半田付けする。
そして第１半導体素子４及び第２半導体素子５と、絶縁基板３上に形成された回路とを、アルミニウム等の複数のワイヤにてワイヤボンディングし、配線接続を行う。
以上の工程にて上記前工程完成品が完成する。以下には、該前工程完成品が搬入されて電力半導体装置１０１を製造する組み立て工程について説明する。
【００３０】
電力半導体装置用製造装置２０１に備わるインローダに上記前工程完成品を載置することで、搬送機構により上記前工程完成品がチャックされ、塗布装置２１１へ搬送される。
図３に示すステップＳ１において、塗布装置２１１では、自動半田塗布装置にて、Ｐ電極端子７、Ｎ電極端子８、及びＡＣ出力端子６が接合される、絶縁基板３上の端子接合部に半田ペーストが塗布される。次に、Ｐ電極端子７、Ｎ電極の端子８、及びＡＣ出力端子６が樹脂とともに一体成形されたケース１２を接合する絶縁基板３に対して、塗布装置２１１に備わる自動接着剤塗布装置にて、絶縁基板３の周囲に沿って接着剤が塗布される。
【００３１】
次の、ステップＳ２では、接着剤硬化装置２１２にて、ベース板１と半田接合されている絶縁基板３にケース１２が取り付けられ、そして、ヒータを備えたプレートに載置される。上記ヒータが発した熱がベース板１を介して伝導し、上記接着剤の温度が約４０〜１３０℃となり、上記接着剤は、約２０〜６０ｓ間、加熱される。これにより、絶縁基板３とケース１２との接着剤が硬化し、両者の接着が完了する。これにて両者間の防水性が満たされる。尚、タクトタイムの関係から、製品の種類によっては、接着キュアのプレート上で２パラ使用することもある。
【００３２】
次の、ステップＳ３では、絶縁基板３とケース１２とが固定された、上述の半完成品に相当するものが半田付け装置２１３へ搬入され、絶縁基板３上の回路における端子接合部と、Ｐ電極端子７、Ｎ電極端子８及びＡＣ出力端子６との半田付けが行われる。尚、３相回路となっているので、ＡＣ出力の端子が３箇所、Ｐ電極の端子、Ｎ電極の端子がそれぞれ３箇所の半田接合となる。また、他に、ブレーキ等の回路があれば、それに応じてＰ電極端子７、Ｎ電極端子８の接合箇所が増加する。
【００３３】
絶縁基板３上の回路における端子接合部と、各端子６〜８との半田付け動作は、上述した半田付け装置２１３に備わるアーム２５にて行われる。具体的には、上述のように、熱風発生器１７にて生成した熱風を開口１６から吹き出しながらノズル部１４が上記半完成品に向かって降下する。このとき、プレート１５さらには熱風用部材１６ｂと、電力半導体装置の一部、例えばケース１２及び各端子６〜８とが接触することはない。また、上述のように、熱風を噴出する各開口１６は、半田付け箇所である、絶縁基板３上の回路における端子接合部に対応して配置されている。よって、半田ペーストが塗布され各端子６〜８が配置された上記端子接合部は、規定の時間、例えば６０秒間、開口１６を通して熱風が吹き付けられ、これにより半田は溶融する。そして、上記規定時間の経過後、ノズル部１４は上昇し、元の位置に戻る。そして上記半田は凝固する。
このようにして、端子６〜８と、絶縁基板３との半田付けが終了する。
【００３４】
上述したように、電力半導体装置の構造、つまり各端子６〜８及び絶縁基板３の熱容量、サイズ、及び材料等により、熱風発生器１７における発熱量が調整され、又、開口１６においてメッシュ１６ａの工夫等を行うことで、より良好な半田付けが実行可能なようにしている。
【００３５】
一方、端子６〜８は、銅若しくは銅合金から作製されており、また外部と配線接続可能なようにケース１２の外側まで延びて配線されているため、その熱容量が大きい。よって、上述したように、端子６〜８は、加熱促進部３０を有し、該加熱促進部３０には、上述の端子貫通穴３１を設けている。これにより、端子６〜８の熱容量を小さくするとともに、ノズル部１４におけるプレート１５の開口１６から吹き出される熱風が端子６〜８内を通過する流路を確保することができる。よって、端子６〜８において、熱伝達面積が大きくなり、温度上昇が容易となる。よって端子６〜８における加熱促進部３０の局所加熱が可能となる。そして上記局所加熱の実現により、他の半田接合部や既に半田付けした接合部に対し熱影響を与えることなく、半田付けが可能となる。
尚、熱風が作用する端子６〜８の表面積をより大きくするため、端子貫通穴３１の形状を三又等に分岐した形状としてもよい。
【００３６】
このようにして、半田材料に応じた温度プロファイルを得ることができ、半田接合を完了する。
そして、電力半導体装置は、冷却装置２１４へ搬送されて冷却工程に移動し、半田、接着剤共々冷却され、常温程度に達した時点で、アンローダに移動し、次工程へと排出される。尚、この冷却工程においても、タクトタイムとの関係から製品の種類によっては、接着キュアのプレート上で２〜４パラ使用することもある。又、温度が徐々に低く設定された数ステージから構成される場合もある。
【００３７】
次の工程では、制御基板１０と信号端子９との配線接続が行われ、その後ゲル１１や樹脂にて、第１半導体素子４、第２半導体素子５等が封止され、さらに必要であれば、ケース１２の開口部に蓋をする。以上の工程にて、電力半導体装置１０１の組み立てが完了する。
【００３８】
尚、電力半導体装置用製造装置２０１において、電力半導体装置の搬送方法は、電力半導体装置をチャックし、接着剤及び半田塗布工程、各加熱プレート、冷却そしてアンローダ間を移動しているが、熱容量の小さい治具板に搭載させられながら、その治具をチャックすることにより搬送・移動する機構も備えている。
【００３９】
以上説明したような電力半導体装置用製造装置２０１によれば、以下のような効果が得られる。
即ち、従来のリフロー半田付け装置では、ワーク全体が均一温度になるように、熱風、赤外線を用いて加熱される。従って、本実施形態のような電力半導体装置、つまりサイズが大きく、多種にわたる材料を用い、複雑な形状を有し、かつ複数回の半田付け工程からなる電力半導体装置においては、従来のリフロー半田付け装置を用いた半田付けに対応することは難しかった。
【００４０】
一方、本実施形態の電力半導体装置用製造装置２０１では、温度コントロール可能な熱風発生器１７から一定風量の熱風を生成し吹き出し、ノズル部１４を通して、プレート１５に設けられた開口１６から、所望の半田接合箇所、つまり端子と絶縁基板３との複数の半田接合箇所に、熱風が吹きつけられる。このような構成を採ることで、ワーク全体を均一な温度、一定上以上の温度にすることを追求した従来リフロー半田付け方法とは異なる発想にて、所望の半田付け箇所以外に熱影響を与えることなく、所望の半田接合部のみの局所加熱が可能であり、かつ一括して半田接合が可能となる。
【００４１】
又、上述の本実施形態の半田付け方法により、従来のリフロー半田付け方法では問題点であった、（１）前工程で実施されたベース板と絶縁基板との半田接合部の半田を再溶融してしまう、（２）樹脂で成形されているケースを熱変形させてしまう、及び（３）既に搭載された電子部品の耐熱温度を超えて加熱してしまう、といった不具合はなくなる。よって所望の複数の端子６〜８と絶縁基板３との半田接合を同時に一括して行うことができる。
【００４２】
又、従来のリフロー半田付け方法では、ワーク全体が加熱されるので、ベース板、絶縁基板、ケース、及び半田に、半田溶融点又はそれ以上の高温温度となる熱履歴が与えられる。ここで、絶縁基板は、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、もしくはＺｒＡｌ２Ｏ３から作製され、その線膨張係数は、約３〜７×１０−６である。一方、各端子及びベース板は、銅もしくは銅合金から作製されており、ベース板及び端子の線膨張係数は、約１７×１０−６である。また、半田の線膨張係数は約２３１７×１０−６であり、樹脂から作製されるケース１２の線膨張係数は、約２６〜１１０×１０−６である。このように、サイズが大きく、多種の材料、複雑な形状から構成されている電力半導体装置に対して、従来のリフロー半田付け方法を行ったのでは、半田付け後の冷却、熱収縮時に、各接合部に対し大きな熱応力、熱歪が生じていた。
【００４３】
これに対し本実施形態では、各端子６〜８と絶縁基板３との半田接合部にのみ熱風により局所加熱を行うことにより、所望の接合部以外に熱履歴を与えることはない。よって、例えば、ベース板１、絶縁基板３、ケース１２、及び既に接合した半田２は、半田溶融点又はそれ以上の温度である約１８０〜２５０℃まで加熱されることない。よって、上述のような大きな熱応力、熱歪が電力半導体装置１０１に作用するのを抑制することができ、半田接合部の寿命を維持することができる。
【００４４】
尚、各端子６〜８と絶縁基板３とを半田接合するにあたり、熱風に加えて、ステージにヒータを備えベース板１を介する熱伝導により、ある程度加熱することもできる。こうすることにより、温度上昇速度が加速されるので、半田付け工程のタクトタイムの向上、また、ケース１２と一体成形された端子６を絶縁基板３に半田付けするとともに、ケース１２と絶縁基板３との接着する工程をほぼ同時に行うことができる。従って、生産性を大幅に向上させることができる。
【００４５】
尚、ベース板１側からのみにて加熱を行うと、電力半導体装置の構造上４０〜１００μｍほどの反りが発生する場合がある。即ち、ベース板１からの伝熱だけで加熱したのでは、各端子６〜８と絶縁基板３との各半田接合部に対して、ΔＴ＝１０〜２０℃の大きな温度分布が生じることになる。この点、本実施形態では、上述のように、半田接合部の熱容量つまり形状、材料、サイズから流速、衝突噴流域を考慮した熱風を用いて加熱することから、その温度分布をΔＴ＝５℃以内に抑制できる効果もある。
【００４６】
又、本実施形態の電力半導体装置用製造装置２０１では、上述したように、ノズル部１４の本体部１４ａにプレート１５を挿入して取り付けるという構造を採ることで、プレート１５を容易に着脱可能とした。
一方、生産時には、ノズル部１４及びプレート１５は、高温となっている。又、生産ラインでは、製品サイズ、端子接合部のサイズ、材料、接合箇所数といった構造が異なった多品種製品に対応する必要もある。
【００４７】
本実施形態では、上記多品種の製品を生産するに際し、プレート１５のみを交換することで、手間、時間をかけることなく、生産製品品種の変更に対して容易に対応することが可能である。よってこの点からも、電力半導体装置１０１の生産性の向上を図ることが可能である。さらに、プレート１５の交換可能構造は、フラックス等の付着に対しも迅速な清掃を可能とし、メンテナンス性、保守性に対しても優れている。
【００４８】
又、プレート１５には、上述のように、複数の開口１６を備えており、Ｐ、Ｎの各電極端子７，８、及びＵ、Ｖ、Ｗ端子との複数の端子を、同時に半田付けすることができる。図６に示すように、プレート１５の開口面積は、各々の端子における半田付け部の熱容量、つまりサイズ、形状、材料構成に対応した熱伝達を与えられるように設定している。例えば、サイズが大きく熱容量が大きい端子に対しては、開口１６から流れる流速が略変わらないのであれば、開口面積を大きくすることにより、風量を上げ、温度上昇させている。
【００４９】
又、熱風発生器１７の空気吸入口に、窒素等の不活性ガス、又は窒素に水素を混入することにより、半田接合部の酸化を抑制し還元作用を与えることができる。このような低酸素濃度の雰囲気で半田付けを行うことにより、端子６〜８と絶縁基板３との半田接合部のフィレット形状が、望ましい形状となり、接合部の高寿命化を図ることができる。
【００５０】
実施の形態２
図７は、本発明の実施の形態２に係る電力半導体装置１０２、及び電力半導体装置用製造装置に備わる半田付け装置２１３ａを示す概略の断面図である。
半田付け装置２１３ａは、実施の形態１にて説明した半田付け装置２１３と同様に、温度調整可能な熱風発生器１７で熱風を発生させ、ノズル部１４を通して、複数の開口１６を有したプレート１５から熱風を噴出し、該熱風を、半田付け箇所である端子６〜８、絶縁基板３、及び半田２に吹きつけ、熱伝達により加熱し半田接合する装置である。以下に説明する構成を除き、半田付け装置２１３ａは、半田付け装置２１３と同じ構成を有する。
【００５１】
半田付け装置２１３ａでは、ノズル部１４及びプレート１５は、異なる熱伝導率を有する２つの材料からなる２層構造となっている。即ち、ノズル部１４において、大気と接する外側は、熱伝導率が小さい第１層材１４１にてなり、熱風と接する内側は、第１層材１４１の熱伝導率よりも大きい熱伝導率を有する第２層材１４２にてなる。又、プレート１５において、大気と接する外側は、熱伝導率が小さい第１層材１５１にてなり、熱風と接する内側は、第１層材１５１の熱伝導率よりも大きい熱伝導率を有する第２層材１５２にてなる。
【００５２】
このように構成することで、熱風発生器１７で生じた熱風の温度を低下させることなく維持しながら、該熱風を、ノズル部１４及びプレート１５を経て、半田接合部に吹きつけることができる。尚、ノズル部１４、及びプレート１５において、上述の２層に限らず、３層以上にて構成し、内側から外側に向けて順次熱伝導率が小さくなる材料にて構成してもよい。
【００５３】
さらに、実施の形態２に係る電力半導体装置１０２では、図７に示すように、端子６〜８と絶縁基板３との半田接合部の近傍部分にて、ケース１２に、ケース貫通路２０を設けている。尚、電力半導体装置１０２におけるその他の構成は、上述の実施形態１における電力半導体装置１０１の構成に同じである。又、図７は電力半導体装置１０２に対する半田付け工程の状態を図示しているので、制御基板１０は、図示されておらず、ゲル１１は仮想線にて図示している。
【００５４】
ケース貫通路２０は、ケース１２の側面をケース１２の厚み方向に貫通し、端子６〜８と絶縁基板３との半田接合部を加熱した熱風が通過し、ケース１２の外部へ排出される通路である。本実施形態では、ケース１２の内側に位置する、ケース貫通路２０の熱風入射口２０ａは、図示するように、ケース１２内に注入されるゲル１１が侵入不可能な高さに位置する。
ケース貫通路２０を設けた理由を以下に説明する。
【００５５】
即ち、開口１６から上記半田接合部へ吹き付けられる熱風は、衝突噴流となる。局所領域に限った局所加熱を行うため、上述のように、開口１６には、開口１６と略同一の開口面積を有する熱風用部材１６ｂを設け、上記半田接合部に対して近距離にて熱風が吹き付けられる。その際、吹きつけた熱風は乱流となり、樹脂製のケース１２に熱影響を与えることも考えられる。そこでケース１２にケース貫通路２０を設けることで、上記熱風は、ケース貫通路２０を通してケース１２の外部へ排出される。よって、ケース１２等に熱影響を与えることはない。
【００５６】
ケース貫通路２０を設けることで、壁噴流領域を小さくすることができ、局所加熱が可能となる。又、熱風は、ケース貫通路２０を吹き抜けることから、実施の形態１に比べて熱風の流速を約１．２〜３倍に向上させることができる。よって、熱伝達が向上し、上記半田接合部の温度上昇速度を向上させることができる。
【００５７】
本実施形態では、それぞれの半田接合部に対応して、一本のケース貫通路２０を設けているが、一箇所の半田接合部に対して、複数のケース貫通路２０を設けても良い。また、ケース貫通路２０を設けたケース１２の樹脂厚を、約２ｍｍ〜８ｍｍと厚くすることにより、ケース１２の強度を確保することができる。
【００５８】
実施の形態３．
図８は、本発明の実施の形態３に係る電力半導体装置１０３、及び電力半導体装置用製造装置に備わる半田付け装置２１３ｂを示す概略の断面図である。
半田付け装置２１３ｂは、上述の実施形態２における半田付け装置２１３ａと同様の構成を有するが、開口１６に熱風用部材１６ｂの取り付けを省略している。尚、半田付け装置２１３、２１３ａでは、整流及び圧損調整部の機能を果たす一例に相当するメッシュ１６ａを、主に熱風用部材１６ｂに設けたが、半田付け装置２１３ｂでは、開口１６部分にメッシュ１６ａを設けている。勿論、本実施形態において、半田付け装置２１３ｂに代えて半田付け装置２１３ａを使用することもできる。
【００５９】
実施の形態３における電力半導体装置１０３は、基本的に実施形態２の電力半導体装置１０２と同じ構成を有するが、ケース貫通路２０とは形状の異なるケース貫通路３５を形成した点で異なる。その他の構成は同じである。
【００６０】
ケース貫通路３５は、ケース貫通路２０と同様に、ケース１２の側面をその厚み方向に貫通し、端子６〜８と絶縁基板３との半田接合部を加熱した熱風が通過してケース１２の外部へ排出される通路である。一方、ケース貫通路３５では、ケース１２の内側に位置する、ケース貫通路３５の熱風入射口３５ａは、図示するように、ケース１２内に注入されるゲル１１が侵入可能な高さであり、かつ端子６〜８と絶縁基板３との半田接合部よりも低い高さに開口する。又、ケース１２の外面に開口するケース貫通路３５の熱風噴出口３５ｂは、ケース１２内に注入されるゲル１１の表面よりも高い位置に開口する。さらにまた、ケース貫通路３５では、通路は直線状に延びるのではなく、例えば屈曲した部分、つまり当該ケース貫通路３５を通過する流体を滞留させる滞留部３６を有する。
【００６１】
このように構成したケース貫通路３５は、上述のケース貫通路２０が奏する効果と同様の効果を奏することができる。さらに、ケース貫通路３５では以下の効果を奏することが可能である。即ち、絶縁基板３、端子６〜８等を覆い、さらに半導体素子４，５に設けたアルミワイヤの接合部分を覆う高さまで、又は、電力半導体装置の内部全体に、ゲル１１が注入される。よって、ケース貫通路３５には、ゲル１１が侵入する。これにより、完成した電力半導体装置１０３では、ケース貫通路３５は、ゲル１１にて閉塞することができる。又、滞留部３６を有することから、ケース貫通路３５内に流入したゲル１１がケース１２の外部へ流出するのを防止することができる。
【００６２】
尚、ケース貫通路３５の径を、全路にわたり一定とするのではなく、途中で変更することで、滞留部３６を形成してもよい。又、ケース貫通路３５の径を大きく変化させることで、熱風路が確保され、流速の向上を図ることができる。また、上述したように、注入される材料は、ゲルに限らず樹脂等でも構わない。
【００６３】
実施の形態４．
本実施形態は、上述した半田付け装置２１３、２１３ａに対する改良である。即ち、半田付け装置２１３、２１３ａでは、プレート１５の開口１６部分に熱風用部材１６ｂが取り付けられている。本実施形態では、図９に示すように、熱風用部材１６ｂに加えて、熱風用部材１６ｂの外側に、熱風用部材１６ｂを取り囲む筒状の吸引用部材２３を設け、該吸引用部材２３には吸引機構２１を接続する。熱風用部材１６ｂ及び吸引用部材２３にて、筒状部材２４を構成する。吸引機構２１は、絶縁基板３上で半田ペーストが塗布された端子接合部へ開口１６から噴出された熱風を吸引する機構であり、例えばアーム２５に取り付けられる。又、上記熱風を吸引する吸引用部材２３の吸引口２３ａは、熱風用部材１６ｂにおける開口１６の周縁部に位置する。
【００６４】
さらに、吸引用部材２３の先端は、熱風用部材１６ｂの先端を超えて延びている。よって、吸引用部材２３の壁面の長さは、熱風用部材１６ｂの壁面よりも長くなっている。このように構成することで、熱風用部材１６ｂから噴出した熱風が吸引され易くなり、周囲に熱影響を与えることのない理想的な衝突噴流を生成でき、上記熱風の自由噴流領域の幅を抑制し、さらに壁噴流領域を小さくすることが可能である。
【００６５】
従って、半田付けされる部分の周囲に存在するケース１２の熱変形、並びに、既に半田付けされた箇所、例えば第１の半導体素子４及び第２の半導体素子５と絶縁基板３の回路上との半田付け部の再溶融を避けることができ、さらに電子部品の熱影響を回避した、極めて小さな領域（半田接合部）においても局所加熱が可能となる。さらに、本実施形態における筒状部材２４を設けることで、半田付けされる箇所の周囲に熱影響を与えることなく、熱風の温度及び流速を大きくし、加熱時間を小さくすことができ、生産性を向上させることができる。
【００６６】
実施の形態５．
本実施形態は、実施の形態４にて示した筒状部材２４の変形例を示す。即ち、図１０に示すように、吸引用部材２３には、吸引した空気を外部へ放出する放出穴２３ｂを設けた。放出穴２３ｂは、放出された空気が電力半導体装置に影響を与えない程度に半導体素子４，５等から離れた高さに形成される。
このような構成を採ることで、吸引機構２１において大きな吸引力は必要とせず、吸引した熱風の大規模な吹き出し口を必要としない。よって、吸引機構２１を安価で簡易な構造とすることができる。
【００６７】
尚、上述した各実施形態を適宜、組み合わせた構成を採ることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の実施の形態１における電力半導体装置を示す断面図である。
【図２】図１に示す電力半導体装置の上面図である。
【図３】本発明の実施形態における電力半導体装置の製造工程を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施形態における電力半導体装置の製造装置の構成を示す図である。
【図５】図４に示す電力半導体装置用製造装置に備わる半田付け装置のアーム部分の構成を示す図である。
【図６】図５に示すアーム部に備わるプレートの平面図である。
【図７】本発明の実施の形態２による電力半導体装置の断面図、及び電力半導体装置用製造装置に備わる半田付け装置のアーム部分の構成を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態３による電力半導体装置の断面図、及び電力半導体装置用製造装置に備わる半田付け装置のアーム部分の構成を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態４における電力半導体装置用製造装置に備わる半田付け装置のアーム部分に取り付けられる円筒部材の構成を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態５における電力半導体装置用製造装置に備わる半田付け装置のアーム部分に取り付けられる円筒部材の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００６９】
２  半田、３  絶縁基板、４  第１半導体素子、５  第２半導体素子、
６  ＡＣ出力端子、７  Ｐ電極端子、８  Ｎ電極端子、１２  ケース、
１４  ノズル部、１４ａ  本体部、１５  プレート、１６  開口、
１６ａ  メッシュ、１６ｂ  熱風用部材、１７  熱風発生器、２０  ケース貫通路、
２１  吸引機構、２３  吸引用部材、２３ａ  吸引口、２３ｂ  放出穴、
２４  筒状部材、３０  加熱促進部、３５  ケース貫通路、３６  滞留部、
１０１〜１０３  電力半導体装置、
１４１  第１層材、１４２  第２層材、１５１  第１層材、１５２  第２層材、
２０１  電力半導体装置用製造装置、２１３  半田付け装置。
【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】
2009026924.tif 000009
【図８】
2009026924.tif 000010
【図９】
2009026924.tif 000011
【図１０】
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