(57)【要約】【課題】  パワー素子と絶縁基板又は冷却部材とが高い位置精度で半田接合されたパワーモジュールと，パワー素子と絶縁基板又は冷却部材とを高精度で位置決めしつつ，短い所要時間で半田接合できるパワーモジュールの製造方法とを提供すること。【解決手段】  冷却器の金属板１１０に位置決め基準形状１１１を設ける。金属板１１０上に絶縁基板２０をろう付け等により接合する。認識カメラにより位置決め基準形状１１１を認識し，位置決め基準形状１１１を原点とする。仕様データを利用し，絶縁基板２０があるはずの位置を決定する。決定した位置を基に絶縁基板２０の実際の位置を認識する。認識した絶縁基板２０の位置を基にパワー素子１０を配置する。この配置により，パワー素子１０と絶縁基板２０とを半田接合する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却部材と，前記冷却部材に接合した絶縁基板と，前記絶縁基板に半田接合したパワー素子とを有するパワーモジュールの製造方法であって，
前記冷却部材として，前記絶縁基板を接合することによって隠れない箇所に位置決め基準形状を設けたものを用い，
前記冷却部材に前記絶縁基板を接合し，
前記絶縁基板上に半田箔と前記パワー素子とを，前記位置決め基準形状を基準として前記パワー素子の位置決めをしつつ，前記パワー素子が上になるように置き，
その位置決めした状態で前記パワー素子を前記絶縁基板に半田接合することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載のパワーモジュールの製造方法であって，
前記パワー素子の位置決めを，
前記位置決め基準形状を認識カメラにより認識し，
前期位置決め基準形状が認識された位置と仕様データとにより，前記絶縁基板が存在するはずの位置を決定し，
その決定された位置を基に前記絶縁基板の実際の位置を認識カメラにより認識し，
その認識された前記絶縁基板の位置を基準として，前記パワー素子を配置する位置を決定し，
前記パワー素子を収納する窓を有する位置決め治具を，前記窓の位置が，決定された前記パワー素子を配置する位置に一致するように設置し，
前記パワー素子を，前記窓に挿入することにより行うことを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載のパワーモジュールの製造方法であって，
前記パワー素子の位置決めを，
前記位置決め基準形状を認識カメラにより認識し，
前期位置決め基準形状が認識された位置と仕様データとにより，前記パワー素子を配置する位置を決定し，
前記パワー素子を収納する窓を有する位置決め治具を，前記窓の位置が，決定された前記パワー素子を配置する位置に一致するように設置し，
前記パワー素子を，前記窓に挿入することにより行うことを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
【請求項４】
パワー素子と，
前記パワー素子を半田接合した絶縁基板と，
前記絶縁基板を冷却部材に接合したパワーモジュールであって，
前記冷却部材に位置決め基準形状を有することを特徴とするパワーモジュール。
【請求項５】
請求項４に記載のパワーモジュールであって，
前記位置決め基準形状を基準としてパワー素子の取付位置が位置決めされていることを特徴とするパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，パワー素子と絶縁基板と冷却部材とを有するパワーモジュールとその製造方法に関する。さらに詳細には，絶縁基板又は冷却部材に対して高い位置精度でパワー素子が絶縁基板に半田接合されたパワーモジュールとその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
抵抗又はコンデンサのような２端子の電子部品を基板に半田接合する場合，端子数が少ないため取付精度はそれほど要求されない。ところが，多数のリードを有する電子部品を基板に半田接合する場合，電子部品及び基板に配設されているリード幅およびリードのピッチに応じて，高い取付精度が要求される。また，パワー素子の絶縁基板への接合においても，その後に行われるワイヤボンディングのため，高い位置精度が要求される。
【０００３】
このような精度の高い取付を行うために，カメラを用いた画像認識により取付位置を決定することがある。例えば，特許文献１に開示された方法では，機械的動作の座標原点と画像認識の座標原点とのオフセットを補正することにより，取付精度の向上が図られている。
【０００４】
取付精度が要求される一方，製造効率のため作業に要する時間の短縮も要求される。例えば，特許文献２では，基板を放熱板に半田付けする場合に精密な位置決めと冷却後の容易な取り外しとを行うことができる位置決め治具について開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１０１２９７
【特許文献２】特開２００６−１２０９１８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで，電力の供給や制御を行うパワー素子は，電力の消費が大きく発熱しやすい。このため，パワーモジュールは，図１にあるようにパワー素子１０と，絶縁基板２０と，冷却器１００との３つの部材を接合した構造をしている。このため，使用時にパワー素子から発生する熱を絶縁基板を介して冷却器から放熱することができる。
【０００７】
この３つの部材の十分な取付精度を確保するために，３つの部材を位置決めピンで串刺しにする方法がある。しかし，３つの部材を位置決めピンで串刺しにするには，クリアランスを大きくとっておく必要がある。このため，高い位置決め精度を保証することができない。位置決め精度がよくないと，その後に行うワイヤボンディングの際に接続不良が生じることがある。
【０００８】
カメラを用いた画像認識により取付位置を決める場合，機械的位置と画像認識位置との間に整合をとるために，位置認識エリアを設定する。このとき，絶縁基板の位置精度が前述の理由により高くないため，位置認識エリアを広く設定する必要がある。それに伴い工程における所要時間が長くなってしまう。また，取付位置を決定する際に絶縁基板を位置認識エリアに入れることができなかった場合，認識エラーが発生し，再度絶縁基板を探すことになる。このため，時間的ロスが大きい。また，広い位置認識エリアを設定するために設備にも制約を与えることになる。
【０００９】
本発明は，前記した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，パワー素子と絶縁基板又は冷却部材とが高い位置精度で半田接合されたパワーモジュールと，パワー素子と絶縁基板又は冷却部材とを高精度で位置決めしつつ，短い所要時間で半田接合できるパワーモジュールの製造方法とを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この課題の解決を目的としてなされた本発明のパワーモジュールの製造方法は，冷却部材と，前記冷却部材に接合した絶縁基板と，前記絶縁基板に半田接合したパワー素子とを有するパワーモジュールの製造方法であって，前記冷却部材として，前記絶縁基板を接合することによって隠れない箇所に位置決め基準形状を設けたものを用い，前記冷却部材に前記絶縁基板を接合し，前記絶縁基板上に半田箔と前記パワー素子とを，前記位置決め基準形状を基準として前記パワー素子の位置決めをしつつ，前記パワー素子が上になるように置き，その位置決めした状態で前記パワー素子を前記絶縁基板に半田接合することを特徴とするものである。
【００１１】
かかるパワーモジュールの製造方法は，冷却部材の位置決め基準形状を基準としてパワー素子を高い位置精度で絶縁基板に半田接合できる。また，パワー素子を配置する位置の決定を早く行うことができ，半田接合工程に要する時間を短くすることができる。
【００１２】
上記において，前記パワー素子の位置決めを，前記位置決め基準形状を認識カメラにより認識し，前期位置決め基準形状が認識された位置と仕様データとにより，前記絶縁基板が存在するはずの位置を決定し，その決定された位置を基に前記絶縁基板の実際の位置を認識カメラにより認識し，その認識された前記絶縁基板の位置を基準として，前記パワー素子を配置する位置を決定し，前記パワー素子を収納する窓を有する位置決め治具を，前記窓の位置が，決定された前記パワー素子を配置する位置に一致するように設置し，前記パワー素子を，前記窓に挿入することにより行うとよい。
【００１３】
冷却部材の位置決め基準形状を基準とすることにより，絶縁基板に対して高い位置精度でパワー素子を絶縁基板に半田接合できるからである。また，絶縁基板の位置認識を早く行うことができ，半田接合工程に要する時間を短くすることができる。
【００１４】
上記において，前記パワー素子の位置決めを，前記位置決め基準形状を認識カメラにより認識し，前期位置決め基準形状が認識された位置と仕様データとにより，前記パワー素子を配置する位置を決定し，前記パワー素子を収納する窓を有する位置決め治具を，前記窓の位置が，決定された前記パワー素子を配置する位置に一致するように設置し，前記パワー素子を，前記窓に挿入することにより行っても構わない。
【００１５】
冷却部材の位置決め基準に対して高い位置精度でパワー素子を絶縁基板に半田接合できるからである。また，パワー素子を配置する位置の決定を早く行うことができ，半田接合工程に要する時間を短くすることができる。
【００１６】
本発明に係るパワーモジュールは，パワー素子と，前記パワー素子を半田接合した絶縁基板と，前記絶縁基板を冷却部材に接合したパワーモジュールであって，前記冷却部材に位置決め基準形状を有することを特徴とするものである。かかるパワーモジュールは，冷却部材又は絶縁基板に対して高い位置精度でパワー素子を半田接合されている。
【００１７】
上記において，前記位置決め基準形状を基準としてパワー素子の取付位置が位置決めされているとよい。上記と同様，冷却部材又は絶縁基板に対して高い位置精度でパワー素子を半田接合されている。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば，パワー素子と絶縁基板又は冷却部材とが高い位置精度で半田接合されたパワーモジュールと，パワー素子と絶縁基板又は冷却部材とを高精度で位置決めしつつ，短い所要時間で半田接合できるパワーモジュールの製造方法とが提供されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
［第１の形態］
以下，本発明を具体化した最良の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は，パワーモジュールとその製造方法について，本発明を具体化したものである。
【００２０】
図２は本形態におけるパワーモジュールを説明する正面図である。本形態に係るパワーモジュール２００は，パワー素子１０と，絶縁基板２０と，冷却器１００とを有している。パワー素子１０は電力の供給及び制御を行う半導体素子である。パワー素子１０は使用時に発熱するため，絶縁基板２０を介して冷却器１００に熱を伝えるようになっている。冷却器１００はその熱を放熱するための冷却部材である。絶縁基板２０は窒化アルミ２２の両側をアルミニウム２１によりはさんだものである（図９参照）。
【００２１】
冷却器１００は，金属板１１０と冷却フィン１２０とを有しており，これらは予め接合されている。また，金属板１１０と絶縁基板２０とは，ろう付けされている。絶縁基板２０とパワー素子１０とは半田接合されている。
【００２２】
パワーモジュール２００の平面図を図３に示す。金属板１１０は，全体として長方形に近い形状である。金属板１１０には，絶縁基板２０が６個配置されており，各々の絶縁基板２０にはパワー素子１０が各２個ずつ配置されている。ここで，金属板１１０の端面に，Ｌ字型の位置決め基準形状１１１が設けられている。この位置決め基準形状１１１は，絶縁基板２０により隠れていない。また，位置決め基準形状１１１は画像認識のための基準となる部位であり，図３中では相対する２箇所に設けられている。
【００２３】
ここで，本形態に係るパワーモジュールの製造方法について説明する。まず，図４のように冷却器１００の金属板１１０の上面に絶縁基板２０をろう付けする。ろう材の融点は半田の融点よりも高いため，製造過程では金属板１１０と絶縁基板２０とのろう付けが，絶縁基板２０とパワー素子１０との半田付けより先に行われる。この手順を逆にした場合，ろう付けの最中に半田が溶融してしまうからである。
【００２４】
次に，パワー素子１０を冷却器１００上の絶縁基板２０に半田接合する。ここで，パワー素子１０を配置する場合の手順を図５〜７により説明する。図５〜７では，パワー素子１０を配置する前の状態を図の右側で，パワー素子１０を現に配置している状態を図の中央で，パワー素子１０を配置した後の状態を図の左側で各々示している。
【００２５】
パワー素子１０の絶縁基板２０への実装には，図５にあるような吸着器６０を有する認識カメラ５０を用いる。認識カメラ５０は下を向いており，冷却器１００の上側を撮像するものである。吸着器６０は位置決め治具７０（図７参照）を吸着して配置するためのものである。
【００２６】
認識カメラ５０は，冷却器１００の上を水平方向に移動することができ，吸着器６０は鉛直方向に移動することができる。これにより，認識カメラ５０は所望の位置に位置決め治具７０を置くことができるのである。
【００２７】
位置決め治具７０は，パワー素子１０を絶縁基板２０に半田接合する際に，パワー素子１０を配置するための基準として用いるものである。位置決め治具７０は，図８のように厚さ方向に貫通する窓７１が設けられている。窓７１は，パワー素子１０がちょうど収まる形状をしている。また，絶縁基板２０に干渉しないように，位置決め治具７０の下面側には凹み７２があり，金属板１１０上の所望の位置に設置することができる。
【００２８】
ここで，図９に示すようにパワー素子１０と窓７１とのクリアランスはわずかであり，絶縁基板２０と凹み７２とのクリアランスは少し余裕をもたせてある。絶縁基板２０の位置が多少ずれていてもそれにより位置決め治具７０の配置の邪魔にならないようにするためである。
【００２９】
まず，認識カメラ５０は冷却器１００の外部から冷却器１００の上部に向けて移動する。認識カメラ５０は下を向いているため，冷却器１００の金属板１１０の上側の画像情報を収集する。認識カメラ５０の認識エリアは図５に示したように認識カメラ５０の真下である。
【００３０】
次に，図５にあるように認識カメラ５０の認識エリアの中に金属板１１０に設けた位置決め基準形状１１１が入る。このとき，位置決め基準形状１１１の箇所を認識カメラ５０の座標の原点と設定する。ここで，位置決め基準形状１１１は，上から見て絶縁基板２０に隠れていない位置にあるため確実に位置を認識することができる。次に，認識カメラ５０は，反対側にある位置決め基準形状１１１を認識する。２点を確認することにより，金属板１１０の２次元座標が確定する。
【００３１】
金属板１１０の位置が定まると，仕様データにより，その座標において絶縁基板２０が存在するはずの位置が決まる。また，パワー素子１０を配置すべき位置も決まる。これにより，広いエリアを探すことなく絶縁基板２０の位置を早く探すことができる。
【００３２】
次に，読み出した座標を基に位置決め治具７０を配置する絶縁基板２０の位置を確認する（図６）。このとき，仕様データと絶縁基板２０の実際の座標に少しずれがあった場合には，実際の絶縁基板２０の座標によりパワー素子を配置する座標を修正する。
【００３３】
次に，認識カメラ５０は，位置決め治具７０を取りに行く。認識カメラ５０は，吸着器６０により位置決め治具７０を吸着する。次に，認識カメラ５０は位置決め治具７０を設置する箇所の真上に移動する。この後，図７のように吸着器６０を鉛直方向に降下させ，位置決め治具７０を設置する。
【００３４】
次に，位置決め治具７０の窓７１を利用して絶縁基板２０の上に半田箔を載せる。次に，位置決め治具７０の窓７１の中の半田箔の上にパワー素子１０を載せる。このときの様子を図９に示す。図９は，図３におけるＣＣの断面の一部に相当する図である。
【００３５】
この後，加熱して半田箔を溶融させる。これにより，パワー素子１０と絶縁基板２０とが半田接合される。同様にして，他のパワー素子１０も絶縁基板２０に半田接合する。これにより，パワーモジュール２００が製造された。なお，位置決め治具７０はその後取り除く。
【００３６】
本形態によれば，パワー素子１０が絶縁基板２０に対して高い位置精度を有するパワーモジュール２００を製造することができるようになった。また，一旦位置決め基準形状１１１を認識カメラ５０により認識することにより，絶縁基板２０の位置を早く探すことができるようになった。また，位置決め基準形状１１１を一旦経由するために，絶縁基板認識時に認識カメラ５０の認識エリアが外れるリスクを回避できるようになった。このため，パワーモジュール２００において絶縁基板２０に対してパワー素子が高い位置精度を確保しつつ，パワー素子１０を絶縁基板２０に半田付けする工程に要する時間が短縮された。
【００３７】
［第２の形態］
次に，第２の形態について説明する。本形態で製造するパワーモジュールは，第１の形態と同様のものである。パワーモジュール２００は，図２及び図３にあるように，パワー素子１０と，絶縁基板２０と，冷却器１００とを有する。また，冷却器１００は金属板１１０と冷却フィン１２０とを有し，さらに金属板１１０は，位置決め基準形状１１１を有することも同様である。
【００３８】
本形態に係るパワーモジュールの製造方法において，第１の形態と同様に吸着器６０を有する認識カメラ５０を用いる。また，認識カメラ５０は下を向いており，冷却器１００の上側を撮像する。認識カメラ５０の認識エリアは図５に示したように認識カメラ５０の真下であることも同様である。
【００３９】
第１の形態と異なる点は，絶縁基板２０と金属板１１０との位置精度はそれほど高くなくてもよいことである。第１の形態では，金属板１１０の位置決め基準形状１１１から絶縁基板２０の位置を認識し，絶縁基板２０の位置を基準にパワー素子１０を半田付けした。本形態では，金属板１１０の位置決め基準形状１１１を基準にし，絶縁基板２０を基準にせず，パワー素子１０の位置決めを行うのである。
【００４０】
ここで，本形態に係るパワーモジュールの製造方法について説明する。認識カメラ５０は冷却器１００の外部から冷却器１００の上側に向けて移動する。図５のように認識カメラ５０の認識エリアの中に金属板１１０に設けた位置決め基準形状１１１が入る。このとき，位置決め基準形状１１１の箇所を認識カメラ５０の座標の原点と設定する。次に，認識カメラ５０は，反対側にある位置決め基準形状１１１を認識する。２点を確認することにより，金属板１１０の２次元座標が確定する。
【００４１】
次に，図６のように絶縁基板２０が存在することを認識カメラ５０により確認する。このとき，絶縁基板２０の位置をもとにパワー素子１０の配置する位置を補正しない。
【００４２】
次に，認識カメラ５０は，位置決め治具７０を取りに行く。認識カメラ５０は，吸着器６０により位置決め治具７０を吸着する。次に，認識カメラ５０は位置決め治具７０を設置する箇所の真上に移動する。この後，図７のように吸着器６０を鉛直方向に降下させ，位置決め治具７０を設置する。
【００４３】
次に，位置決め治具７０の窓７１を利用して絶縁基板２０の上に半田箔を載せる。次に，位置決め治具７０の窓７１の中の半田箔の上にパワー素子１０を載せる。このときの様子を図９に示す。
【００４４】
このとき，図９に示すようにパワー素子１０と窓７１とのクリアランスはわずかであり，絶縁基板２０と凹み７２とのクリアランスは少し余裕をもたせてある。絶縁基板２０の位置が多少ずれていてもそれにより位置決め治具７０の配置の邪魔にならないようにするためである。
【００４５】
この後，加熱して半田箔を溶融させる。これにより，パワー素子１０と絶縁基板２０とが半田接合される。同様にして，他のパワー素子１０も絶縁基板２０に半田接合する。これにより，パワーモジュール２００が製造された。なお，位置決め治具７０はその後取り除く。
【００４６】
本形態によれば，パワー素子１０が位置決め基準形状１１１に対して高い位置精度を有するパワーモジュール２００を製造することができるようになった。また，係るパワーモジュールの製造方法は，第１の形態よりも過程が少ないため，より短時間にパワーモジュールを製造することができる。また，絶縁基板２０の位置精度によらないため，絶縁基板２０を冷却器１００に取り付ける工程により生ずる誤差を吸収することができる。また，この後のワイヤボンディングの際に，位置決め基準形状１１１を基準に行うことにより，高い位置精度で行うことができる。
【００４７】
以上，詳細に説明したように，本実施の形態に係るパワーモジュールは，冷却部材に，位置決め基準形状を設けたので，パワー素子が絶縁基板又は冷却部材に対して高い位置精度を有するようになった。また，パワーモジュールの製造方法においては，パワー素子の配置する位置を決めるときに認識に要する時間を短縮し，認識カメラの認識エラーを回避することができるようになった。これにより，パワー素子を絶縁基板に半田接合する工程における所要時間を短縮できるパワーモジュールの製造方法が実現されている。
【００４８】
第１の形態は，絶縁基板に対して高い位置精度を有するため，回路を有する絶縁基板にも有効である。第２の形態は，通常の絶縁基板に対して有効である。
【００４９】
なお，本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い。したがって本発明は当然に，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。例えば，位置認識形状は図示したようなＬ字型でなくても構わない。代わりに円形の孔を穿ってもよい。また，位置認識形状の箇所は冷却部材の端面でなくても構わない。絶縁基板に隠れていなければ，認識カメラで位置を認識できることに変わりはないからである。
【００５０】
また，冷却部材として，金属板に冷却フィンを接合したものを用いているが，ただの金属板でも構わない。また，絶縁基板は窒化アルミをアルミではさんだものでなくともよい。また，冷却部材に実装する絶縁基板の枚数及びパワー素子の枚数は例示であり，異なる枚数であって構わない。また，冷却部材と絶縁基板との接合はろう付けでなくてもよい。また，位置決め基準形状の箇所を原点として定義したが，原点は別の場所でも構わない。。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】パワーモジュールの接合状態を説明する正面図である。
【図２】本発明に係るパワーモジュールを説明する正面図である。
【図３】本発明に係るパワーモジュールを説明する平面図である。
【図４】冷却器に絶縁基板を接合した後パワー素子を配置する前の状態を示す正面図である。
【図５】パワー素子を位置決めして配置する手順の途中を説明する正面図（その１）である。
【図６】パワー素子を位置決めして配置する手順の途中を説明する正面図（その２）である。
【図７】パワー素子を位置決めして配置する手順の途中を説明する正面図（その３）である。
【図８】位置決め治具を説明する断面図である。
【図９】パワー素子を位置決めした位置に配置している状態を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１０…パワー素子
２０…絶縁基板
５０…認識カメラ
７０…位置決め治具
７１…窓
１００…冷却器
１１０…金属板
１１１…位置決め基準形状
１２０…冷却フィン
２００…パワーモジュール
【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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【図９】
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