JP2007180458A - 半田付け方法及び半導体モジュールの製造方法並びに半田付け装置 - Google Patents

半田付け方法及び半導体モジュールの製造方法並びに半田付け装置 Download PDF

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Abstract

【課題】回路基板上に電子部品を半田付けする際に、回路基板に装備されたヒートシンクを利用して半田を効率良く加熱することができる新規な半田付け方法を提供する。
【解決手段】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の裏面に冷媒流路１５ａを備えた金属製のヒートシンク１５を一体化した冷却回路基板を使用する。金属回路１３上に半田シート３３を介在させた状態で半導体素子１２を配置するとともに、半導体素子１２の上に錘３５を載置して、錘３５で加圧しながら半田シート３３を加熱する。半田シート３３を加熱する際に、冷媒流路１５ａ中に加熱された熱媒体を流す。半田が溶融された後、加熱を停止し、その後、冷媒流路１５ａ中に冷却媒体を流して回路基板１１及び半田の冷却を行う。
【選択図】図３

Description

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並びに半田付け装置に関する。
回路基板上に半導体素子やチップ抵抗、チップコンデンサ等の電子部品を実装する場合、回路基板と電子部品とを半田を介して接合する半田付け方法が一般的である。半田付けに際して半田を溶融させる方法としては、半田を介して電子部品を搭載した回路基板がリフロー炉内を搬送される間に溶融させる方法（例えば、特許文献１参照。）や、高周波誘導加熱を利用して溶融させる方法がある（例えば、特許文献２参照。）。
特許文献１のリフロー半田付け装置は、電子部品が実装された基板を上部に積載する箱形のキャリアと、このキャリアを搬送する搬送機構と、この搬送機構の所定箇所に電子部品を基板に半田付けするリフロー炉とを備え、キャリアの外周部を断熱部材により形成し、このキャリアの内部にヒーターを配設している。この装置では、基板はリフロー炉内ヒーターにより上面側から加熱され、キャリア内部のヒーターにより基板の下側からも加熱される。
特許文献２の半田付け方法では、基板の配線回路上に半田を載置し、電子部品の電極を半田にあてがうように電子部品を配置する。そして、電極が半田と発熱体とで挾まれて当接するように、発熱体を保持する保持板を配置する。その後、誘導加熱コイルで発熱体を誘導加熱して熱伝導により半田を溶融する。
また、半田付け装置として、基板上に半田を介して半導体装置を配置し、基板の下側に半田の溶融点以上の温度に加熱された流体を供給して半田を溶融させる半田付け装置が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。半田付けは容器内で行われ、容器は密閉可能で、かつ容器内に不活性ガスや水素ガスを導入可能に構成されている。
特開２００１−３３９１５２号公報 特開平８−２９３６６８号公報 特開昭６２−２５７７３７号公報
特許文献１のリフロー半田付け装置は、通常のリフロー炉の加熱手段（ヒーター）に加えて、基板を下側から加熱するヒーターを備えている。従って、通常のリフロー炉に比較して半田を効率良く加熱することができる。しかし、特許文献１の装置では、基板を下側から加熱するために、ヒーターを内蔵した特殊なキャリアを使用する必要がある。その結果、搬送機構もキャリア搬送用に特殊な構成が必要になる。
特許文献２の半田付け方法では、誘導加熱により加熱された発熱体の熱で半田を加熱するため、通常のリフロー炉に比較して半田を効率良く加熱することができる。半田をより速く加熱するためには、発熱体の温度をより高くして熱伝導を速く行わせる必要がある。しかし、発熱体の温度をあまり高くすると、電子部品としの半導体素子（半導体装置）にダメージを与える虞がある。
特許文献３の半田付け装置も、基板を加熱された流体に直接接触させて基板の下側から加熱できるため、通常のリフロー炉に比較して半田を効率良く加熱することができる。しかし、加熱された流体を基板に接触させるための新たな構成が必要になる。
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、回路基板上に半導体素子等の電子部品を半田付けする際に、回路基板に装備されたヒートシンクを利用して半田を効率良く加熱することができる新規な半田付け方法、半導体モジュールの製造方法及び半田付け装置を提供することにある。
前記の目的を達成するため請求項１に記載の発明は、回路基板と電子部品とを半田を介して接合する半田付け方法である。前記回路基板として、表面に金属回路を有する絶縁基板の裏面に冷媒流路を備えた金属製のヒートシンクを一体化した冷却回路基板を使用する。そして、前記金属回路と前記電子部品との間に半田を介在させた状態で前記半田を加熱して溶融させる際、前記冷媒流路中に加熱された熱媒体を流す。
この発明では、回路基板として、冷媒流路を備えたヒートシンクが一体化された冷却回路基板を使用し、その冷却流路に加熱された熱媒体を流して、半田を加熱する。従って、熱媒体の熱がヒートシンクを介して半田に伝達されるため、半田を効率良く加熱することができる。
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、前記加熱を停止した後、前記冷媒流路中に冷却媒体を流して前記冷却回路基板及び半田の冷却を行う。従って、この発明では、ヒートシンクの冷媒流路が、熱媒体の通路としてだけでなく、冷却媒体の通路としても利用され、半田及び電子部品等の冷却が効率良く行われ、電子部品が所定の温度まで冷却される時間を短くできる。
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、前記半田付けは密閉可能な容器内で行われ、前記容器内に前記冷却回路基板が配置された状態で前記金属回路と前記電子部品の間に介在する半田を、前記冷媒流路中に流れる前記熱媒体の熱と、他の加熱手段による熱とにより、前記半田を加熱溶融させる。この発明では、半田の加熱が冷媒流路中に流れる熱媒体の熱だけでなく、他の加熱手段による熱の両方で行われるため、半田の加熱をより速く行うことが可能になる。また、半田付けが密閉可能な容器内で行われるため、開放された状態で行う場合に比較して、熱媒体の熱や他の加熱手段の熱が逃げ難い。
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記加熱手段は、前記電子部品上に載置されるとともに誘導加熱可能な材料で形成された錘を高周波誘導加熱で加熱して、その熱を、前記電子部品を介して前記半田に伝達する。この発明では、加熱手段が一般のリフロー炉で使用されるヒーター（電気ヒーター）の場合に比較して、半田に対して集中的に熱を伝えることができるため、回路基板全体や容器全体を加熱する場合に比べて効率的な加熱を実現することができる。
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。
請求項６に記載の発明は、回路基板上に設けられた接合部に電子部品を半田付けする半田付け装置である。前記回路基板として、表面に金属回路を有する絶縁基板の裏面に、冷媒流路を備えた金属製のヒートシンクを一体化した冷却回路基板を支持可能な支持部と、前記支持部に支持された前記冷却回路基板の前記冷媒流路の入口部及び出口部にそれぞれ接続可能な配管を備えた熱媒体供給部と、前記冷媒流路に供給される熱媒体の温度を制御する制御手段とを備えている。
この発明では、冷却回路基板をヒートシンクが下側になる状態で支持部に支持し、冷媒流路の入口部及び出口部を、それぞれ配管を介して熱媒体供給部と接続した状態で半田付けが行われる。熱媒体供給部から加熱された熱媒体が冷媒流路に供給されることにより、冷媒流路中を流れる熱媒体によって半田が加熱される。熱媒体供給部から供給される熱媒体の温度は制御手段によって制御される。従って、この発明の半田付け装置を使用して請求項１に記載の発明の半田付け方法を実施することができる。
請求項７に記載の発明は、回路基板上に設けられた接合部に電子部品を半田付けする半田付け装置である。そして、密閉可能な容器と、前記容器内に設けられ、前記回路基板として、表面に金属回路を有する絶縁基板の裏面に冷媒流路を備えた金属製のヒートシンクを一体化した冷却回路基板を支持可能な支持部と、前記支持部に支持された前記冷却回路基板の前記冷媒流路の入口部及び出口部にそれぞれ接続可能な配管を備えた熱媒体供給部と、前記冷媒流路に供給される熱媒体の温度を制御する制御手段とを備えている。
この発明では、半田付けが密閉可能な容器内で行われる点が請求項６に記載の発明と異なっている。そのため、開放された状態で行う場合に比較して、熱媒体の熱や他の加熱手段の熱が逃げ難く、半田の加熱をより効率良く行うことができる。
請求項８に記載の発明は、請求項６又は請求項７に記載の発明において、前記支持部に支持された前記冷却回路基板上の半田を加熱可能な加熱手段をさらに備えている。この発明では、半田の加熱を冷媒流路中に流れる熱媒体の熱だけでなく、他の加熱手段による熱の両方で行うことが可能であり、半田の加熱をより効率良く行うことが可能になる。
請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の発明において、前記加熱手段は、前記電子部品上に載置されるとともに誘導加熱可能な材料で形成された錘と、前記錘を高周波誘導加熱で加熱可能な高周波加熱コイルとを備えている。この発明では、加熱手段が一般のリフロー炉で使用されるヒーター（電気ヒーター）の場合に比較して、半田に対して集中的に熱を伝えることができるため、回路基板全体や容器全体を加熱する場合に比べて効率的な加熱を実現することができる。
請求項１０に記載の発明は、請求項６〜請求項８のいずれか一項に記載の発明において、前記支持部に支持された前記冷却回路基板の前記冷媒流路に冷却媒体を供給可能な冷却媒体供給部をさらに備えている。この発明では、冷却媒体供給部からヒートシンクの冷媒流路に冷却媒体を供給することにより、ヒートシンクの冷媒流路を半田の加熱時における熱媒体の通路としてだけでなく、半田及び電子部品等の冷却媒体の通路としても利用することができる。従って、半田及び電子部品等の冷却が効率良く行われ、電子部品が所定の温度まで冷却される時間を短くできる。
本発明によれば、回路基板上に半導体素子等の電子部品を半田付けする際に、回路基板に装備されたヒートシンクを利用して半田を効率良く加熱することができる。
（第１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１〜図５にしたがって説明する。
図１に示すように、半導体モジュール１０は、回路基板１１と、回路基板１１上に半田付けにより接合された電子部品としての複数の半導体素子１２とを備えている。回路基板１１は、表面に金属回路１３を有する複数（この実施形態では６枚）の絶縁基板としてのセラミック基板１４を備えている。各セラミック基板１４上にはそれぞれ４個、全体で２４個の半導体素子１２が半田付けされている。
図２に示すように、回路基板１１は、表面に金属回路１３を有するセラミック基板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。図１に示すように、冷媒流路１５ａは、入口部１５ｂ及び出口部１５ｃを備えている。入口部１５ｂ及び出口部１５ｃは車両に装備された冷却媒体循環路に連結可能に形成されている。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。
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。
次に半導体モジュール１０の製造方法を説明する。
図３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１及び図２に示す半導体モジュール１０、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１０の半田付けを行う装置として構成されている。
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１０を位置決めして支持する支持部としての支持台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。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。
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。開閉バルブ２３ｂ，２４ｂ，２５ｂには電磁弁が使用されている。
また、本体１８には、半田を加熱する際に回路基板１１の冷媒流路１５ａに加熱された熱媒体を供給するための熱媒体供給部２６と、半田の加熱停止後に冷媒流路１５ａに冷却媒体を供給する冷却媒体供給部２７とが接続されている。
図４に示すように、熱媒体供給部２６は、本体１８の外部に設けられた熱媒体加熱部２６ａを備えており、熱媒体加熱部２６ａはヒーター２６ｂを備えている。熱媒体加熱部２６ａは、回路基板１１が支持台２０に支持された状態において、一端が冷媒流路１５ａの入口部１５ｂに連結可能な配管２８ａと、一端が冷媒流路１５ａの出口部１５ｃにそれぞれ接続可能な配管２８ｃとを介して冷媒流路１５ａに連結される。配管２８ａの途中にはポンプ２９が設けられ、配管２８ａのポンプ２９より下流側には開閉バルブ２８ｂが設けられている。そして、ポンプ２９の駆動により、熱媒体が熱媒体加熱部２６ａ、配管２８ａ、ポンプ２９、開閉バルブ２８ｂ、入口部１５ｂ、冷媒流路１５ａ、出口部１５ｃ、配管２８ｃを循環するようになっている。この実施の形態では、熱媒体として液体、例えば、ポリフェニルエーテルが使用されている。
また、冷却媒体供給部２７は、コンプレッサ３０と、一端がコンプレッサ３０に他端が開閉バルブ２８ｂより下流側において配管２８ａに連結された配管２７ａと、配管２７ａの開閉バルブ２７ｂとを備えている。開閉バルブ２７ｂ，２８ｂには電磁弁が使用されている。
前記開閉バルブ２３ｂ，２４ｂ，２５ｂ，２７ｂ，２８ｂ、ヒーター２６ｂ、ポンプ２９、コンプレッサ３０は、制御装置３１からの指令によって運転あるいは切換え制御されるようになっている。制御装置３１には、容器１７内の圧力を検出する圧力センサ（図示せず）、熱媒体加熱部２６ａで加熱された熱媒体の温度を検出する温度センサ２６ｃの検出信号が入力される。制御装置３１は、温度センサ２６ｃの検出信号に基づいてヒーター２６ｂの駆動を制御する。制御装置３１は、冷媒流路１５ａに供給される熱媒体の温度を制御する制御手段を構成する。
図５は、半田付けを行う際に使用する治具３２（図５（ａ））と錘３５（図５（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３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。
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。錘３５は、半導体素子１２上に載置された状態において、錘３５の自重で各半導体素子１２を回路基板１１側へ押圧（加圧）して、半田溶融時に溶融状態の半田が半導体素子１２の接合面と回路基板１１の接合部との間に存在する半田を接合面全体に拡がらせる役割を果たす。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。図５（ａ）は錘３５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。
次に、前記半田付け装置ＨＫを用いて半導体モジュール１０の製造方法の一工程である半田付け工程において、回路基板１１に対する半導体素子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。
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３に示すように本体１８の支持台２０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。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。また、錘３５の加圧面３５ａが半導体素子１２の非接合面に接触し、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。
次に、蓋体１９を本体１８に取り付け、開口部１８ａを閉塞し、容器１７内に密閉空間Ｓを形成する。次に、制御装置３１の制御信号により、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。
次に制御装置３１は、開閉バルブ２７ｂを閉状態に、開閉バルブ２８ｂを開状態にそれぞれ切換え制御するとともに、ポンプ２９を駆動制御する。すると、熱媒体加熱部２６ａでヒーター２６ｂにより加熱された熱媒体がポンプ２９の作用により配管２７ａ等を経て冷媒流路１５ａに供給される。そして、加熱された熱媒体の熱がヒートシンク１５、セラミック基板１４、金属回路１３を介して半田シート３３に伝達されて、半田シート３３は、溶融温度以上の温度になることにより溶融する。なお、制御装置３１は、熱媒体加熱部２６ａ内の熱媒体の温度が半田シート３３の溶融温度より高い所定温度になるようにヒーター２６ｂを制御しており、ポンプ２９が駆動された時点では半田シート３３の溶融温度より高温に加熱された熱媒体が冷媒流路１５ａに供給される。冷媒流路１５ａに供給された熱媒体は、出口部１５ｃ、配管２８ｃを介して熱媒体加熱部２６ａに戻り、ヒーター２６ｂで加熱されて循環使用される。
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、ポンプ２９を停止させるとともに、開閉バルブ２８ｂを閉じて冷媒流路１５ａへの熱媒体の供給を停止する。その結果、半田の加熱が停止される。半田シート３３が完全に溶融したことの確認を直接行うのではなく、予め試験を行って、冷媒流路１５ａへの加熱された熱媒体の供給開始から半田シート３３が完全に溶融するまでの所要時間を求めておく。そして、制御装置３１は加熱された熱媒体の供給開始から前記所要時間が経過した時点で熱媒体の供給を停止するようにポンプ２９等を制御する。
なお、熱媒体加熱部２６ａに設置した温度センサ２６ｃの検出結果に基づき、ヒーター２６ｂの駆動が制御される。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。
冷媒流路１５ａへの加熱された熱媒体の供給を停止した後、開閉バルブ２７ｂを開いてコンプレッサ３０から冷却媒体としての圧縮空気を冷媒流路１５ａへ供給する。その結果、配管２７ａと配管２８ａとの分岐部より下流側に存在する熱媒体が熱媒体加熱部２６ａに回収される。冷媒流路１５ａへ供給された圧縮空気はヒートシンク１５及び半田付け対象物（セラミック基板１４、半導体素子１２）を冷却した後、出口部１５ｃ、配管２８ｃを介して熱媒体加熱部２６ａへ送られ、熱媒体加熱部２６ａに設けられた図示しない排気孔から外部に排出される。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１０が完成する。
そして、半田の温度が所定温度まで低下した後、開閉バルブ２８ｂを閉じて冷却媒体の冷媒流路１５ａへの供給を停止する。次に蓋体１９を本体１８から取り外した後、錘３５及び治具３２を取り外する。また、配管２８ａの一端を入口部１５ｂから取り外し、配管２８ｃの一端を出口部１５ｃから取り外した後に容器１７内から半導体モジュール１０を取り出す。半田の温度が所定温度まで低下したことの確認を直接行うのではなく、予め試験を行って、冷媒流路１５ａへの冷却媒体の供給開始から半田の温度が所定温度に低下するまでの所要時間を求めておく。そして、制御装置３１は冷却媒体の供給開始から前記所要時間が経過した時点で冷却媒体の供給を停止するように開閉バルブ２８ｂ等を制御する。
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）回路基板１１と半導体素子１２とを半田付けする際に、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（絶縁基板）の裏面に冷媒流路１５ａを備えた金属製のヒートシンク１５を一体化した冷却回路基板を使用する。そして、金属回路１３と半導体素子１２との間に半田を介在させた状態で冷媒流路１５ａ中に加熱された熱媒体を流して半田を加熱溶融させた後、加熱を停止し、溶融した半田を冷却して半田付けを行う。従って、熱媒体の熱がヒートシンク１５を介して半田に伝達されるため、容器１７全体を加熱する場合や半導体素子１２の上方からヒーターで加熱する場合と異なり、熱伝導率が二桁以上小さい気体を介さずに半田に熱が伝達されるため、半田を効率良く加熱することができる。
（２）半田の加熱を停止した後、冷媒流路１５ａ中に冷却媒体を流して回路基板１１（冷却回路基板）及び半田の冷却を行う。従って、ヒートシンク１５の冷媒流路１５ａが、熱媒体の通路としてだけでなく、冷却媒体の通路としても利用され、半田及び半導体素子１２等の冷却が効率良く行われ、半導体素子１２が所定の温度まで冷却される時間を短くできる。
（３）半田付けは密閉可能な容器１７内で行われるため、開放された状態で行う場合に比較して、熱媒体の熱が逃げ難く、半田の加熱をより効率良く行うことができる。
（４）一直線上に無い複数の半導体素子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、半導体素子１２の金属回路１３と対向する面全体に拡がり、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。
（５）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。
（６）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。
（７）熱媒体として液体を使用するとともに、冷却媒体として気体を使用している。従って、冷媒ガスを冷媒流路１５ａに供給することにより、冷媒流路１５ａ内に残った熱媒体と冷却媒体とが混合せずに、熱媒体を容易に熱媒体加熱部２６ａに回収することができる。
（８）冷却媒体として圧縮空気を使用するため、他のガスを使用する場合に比較して低コストになる。
（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、回路基板１１上の半田を、冷媒流路１５ａ中を流れる加熱された熱媒体の熱で加熱する他に、半田を加熱可能な加熱手段をさらに備えている点が前記第１の実施形態と異なり、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。
半田付け装置ＨＫは、加熱手段として、半導体素子１２上に載置されるとともに誘導加熱可能な材料で形成された錘３５と、錘３５を高周波誘導加熱で加熱可能な高周波加熱コイル３６とを備えている。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。
高周波加熱コイル３６は、半田付け装置ＨＫの上部（蓋体１９の上部）に設置されている。この実施形態において高周波加熱コイル３６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３６が配置されている。この実施形態の高周波加熱コイル３６は、１枚のセラミック基板１４を覆う大きさで、かつ錘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３６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３６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３６は、半田付け装置ＨＫが備える高周波発生装置３７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３８の計測結果に基づき、高周波発生装置３７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３６には、コイル内部に冷却水を通すための冷却路３６ａ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３９に接続されている。
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。
次に、前記半田付け装置ＨＫを用いて半導体モジュール１０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。
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場合も、前記第１の実施形態と同様に、本体１８の支持台２０上に支持された回路基板１１の各セラミック基板１４上に治具３２を載置した状態で、治具３２の各孔３４内に半田シート３３、半導体素子１２を配置した後、錘３５を半導体素子１２の上に配置する。
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。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３６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３６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３６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３６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３６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３６の中央寄りに錘３５を配置することが好ましい。
次に、制御装置３１の制御信号により、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。
次に前記第１の実施形態と同様にして、制御装置３１により開閉バルブ２７ｂが閉状態に、開閉バルブ２８ｂが開状態にそれぞれ切換え制御されるとともに、ポンプ２９が駆動制御されて、熱媒体加熱部２６ａで加熱された熱媒体がポンプ２９の作用により配管２７ａ等を経て冷媒流路１５ａに供給される。そして、加熱された熱媒体の熱がヒートシンク１５、セラミック基板１４、金属回路１３を介して半田シート３３に伝達されて、半田シート３３が加熱される。
また、高周波発生装置３７を作動させ、各高周波加熱コイル３６に高周波電流を流す。すると、高周波加熱コイル３６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３６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（半田シート３３）の加熱は、冷媒流路１５ａ中に流れる熱媒体の熱だけでなく、他の加熱手段である高周波加熱コイル３６による誘導加熱で錘３５に発生した熱の両方で行われるため、半田が上側と下側の両方から加熱されて、加熱がより速く効率良く行われる。
そして、半田シート３３が完全に溶融した後、ポンプ２９を停止させるとともに、開閉バルブ２８ｂを閉じて冷媒流路１５ａへの熱媒体の供給を停止する。また、高周波発生装置３７を停止させる。その結果、半田の加熱が停止される。半田シート３３が完全に溶融したことの確認を直接行うのではなく、第１の実施形態と同様に予め試験を行って、冷媒流路１５ａへの加熱された熱媒体の供給開始及び高周波加熱コイル３６への高周波電流の供給から半田シート３３が完全に溶融するまでの所要時間を求めておく。そして、制御装置３１は前記所要時間が経過した時点で熱媒体の供給を停止するようにポンプ２９等を制御するとともに、高周波発生装置３７を停止させる。
次に第１の実施形態と同様にして、冷媒流路１５ａに冷却媒体としての圧縮空気を供給する。そして、制御装置３１は冷却媒体の供給開始から予め設定された所定時間が経過した時点で冷却媒体の供給を停止するように開閉バルブ２８ｂ等を制御する。
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）〜（８）と同様な効果を有する他に次の効果を有する。
（９）半田（半田シート３３）の加熱が、冷媒流路１５ａ中に流れる加熱された熱媒体の熱と、他の加熱手段による熱とにより行われる。従って、半田の加熱をより速く行うことが可能になる。
（１０）他の加熱手段は、半導体素子１２上に載置されるとともに誘導加熱可能な材料で形成された錘３５を高周波誘導加熱で加熱して、その熱を、半導体素子１２を介して半田に伝達する。従って、加熱手段が一般のリフロー炉で使用されるヒーター（電気ヒーター）の場合に比較して、半田に対して集中的に熱を伝えることができるため、半田を効率良く加熱することができる。即ち、冷媒流路１５ａに供給される熱媒体でヒートシンク１５全体を均一に加熱して、誘導加熱で加熱された錘３５により半田近傍を局部的に加熱することにより、両者の利点が合わさって良好な温度制御が可能になる。
（１１）他の加熱手段によっても半田が加熱されるため、熱媒体の温度を半田の溶融温度より高温に上げなくても半田を溶融させることができる。従って、加熱された熱媒体による加熱を補助的に使用して、他の加熱手段による加熱で半田をその溶融温度より高く加熱する構成にすることにより、熱媒体として使用できる材料の自由度が高くなる。
（１２）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３６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３６で発熱させる場合に比較して効率が良い。
（１３）高周波加熱コイル３６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３６）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。
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。
○ 冷媒流路１５ａに供給される熱媒体は気体であってもよい。例えば、気体として水素ガス、窒素ガス等を用いてもよい。熱媒体に気体を用いる場合、他の気体に比較して熱伝導率が大きく比熱も大きな水素ガスを使用するのが好ましい。熱媒体及び冷却媒体の両者に水素ガスを用いても良いが、水素ガスの使用量が多くなるため、冷却媒体には水素ガス以外のガス、例えば、窒素ガスを用いた方が低コストになる。
○ 熱媒体として気体を使用する場合、熱媒体を圧縮機で圧縮することによる加熱と、ヒーターによる加熱を併用してもよい。この場合、圧縮機がポンプ２９の役割も果たす。
○ 液体の熱媒体は、ポリフェニルエーテルに限らない。例えば、熱媒体としてＬＬＣ（ロングライフクーラント）を使用してもよい。この場合、熱媒体の温度を半田の溶融温度より高く加熱するのが難しいため、他の加熱手段と併用する第２の実施形態の構成での使用が望ましい。
○ 冷却媒体に液体を用いてもよい。
○ 冷却媒体を使用する場合、配管２７ａの途中に熱交換器を設けて、冷却された冷却媒体を冷媒流路１５ａに供給するようにしてもよい。この場合、より短時間で冷却が可能になる。また、最初は冷却されていない冷却媒体を冷媒流路１５ａに供給するとともに途中から冷却された冷却媒体を冷媒流路１５ａに供給するようにしてもよい。
○ 半田を加熱する冷媒流路１５ａに供給される加熱された熱媒体の他の加熱手段は、誘導加熱可能な錘３５と、高周波加熱コイル３６とを備える構成に限らない。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たり、レーザーを照射する装置を設けたりしてもよい。
○ 半導体モジュールを構成する回路基板１１の金属回路１３に半田付けで接合される電子部品は半導体素子１２に限らず、半導体素子１２と他の電子部品、例えば、チップ抵抗、チップコンデンサなどが混在してもよい。
○ 半導体モジュールを構成する回路基板１１の金属回路１３に半田付けで接合される電子部品の配置や大きさ、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。異なる大きさ及び高さの半導体素子１２等を接合する場合に適用してもよい。
○ 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、複数の半導体素子１２を異なる個数で構成されるグーループに分けて配置し、錘３５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。
○ 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。
○ 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たりしてもよい。
○ 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。
○ 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。
○ 蓋体１９は、少なくとも高周波加熱コイル３６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。
○ 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。
○ 高周波加熱コイル３６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３６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。
○ 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３６を配置してもよい。この場合、高周波加熱コイル３６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。
○ 高周波加熱コイル３６を、錘３５の側面に配置してもよい。
○ 高周波加熱コイル３６を、容器１７（密閉空間Ｓ）内に配置してもよい。
○ 半田付けの際に錘３５の自重で加圧する代わりに、ばね等の付勢手段を用いて加圧力を加える方法を採用してもよい。
○ 回路基板１１に対して半田付けする部品はチップ部品に限らず、リードを備えたリード部品が混在してもよい。
○ 半田付けは密閉可能な容器１７内に限らず、例えば、ベルトコンベヤ等の搬送手段上に載置されて回路基板１１が容器内に搬入される搬入口や、容器内から搬出される搬出口を介して外部と連通された構成の容器内で行うようにしたり、容器の無い状態、即ち半田付けを行う周囲を囲む部材の無い状態で半田付けを行うようにしたりしてもよい。
○ ヒートシンク１５を備えた回路基板１１に電子部品の半田付けを行う場合、半田の溶融加熱を冷媒流路１５ａに加熱された冷媒を流さずに、他の加熱手段で行い、冷却のみにヒートシンク１５を使用することも可能である。
以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項１〜請求項１０のいずれか一項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１０に記載の発明において、前記熱媒体は液体であり、冷却媒体は気体である。
（３）回路基板と電子部品とを半田を介して接合する半田付け方法であって、前記回路基板として、表面に金属回路を有する絶縁基板の裏面に冷媒流路を備えた金属製のヒートシンクを一体化した冷却回路基板を使用し、前記金属回路と前記電子部品との間に半田を介在させた状態で前記半田を加熱して溶融させた後、加熱を停止した後の冷却時に、前記冷媒流路中に冷却媒体を流して前記冷却回路基板及び半田の冷却を行う半田付け方法。
第１の実施形態の半導体モジュールの平面図。 図１のＡ−Ａ線に対応する端面図。 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断面図。 熱媒体加熱部及び冷却媒体供給部と冷媒流路との関係を示す模式図。 （ａ）は治具の平面図、（ｂ）は錘の斜視図。 第２の実施形態における半田付け装置の部分概略断面図。
符号の説明
ＨＫ…半田付け装置、１０…半導体モジュール、１１…回路基板、１３…金属回路、１４…絶縁基板としてのセラミック基板、１５…ヒートシンク、１５ａ…冷媒流路、１５ｂ…入口部、１５ｃ…出口部、１７…容器、２３ａ，２４ａ，２５ａ，２７ａ，２８ａ，２８ｃ…配管、２６…熱媒体供給部、２７…冷却媒体供給部、３５…錘、３６…高周波加熱コイル。

Claims (10)

  1. 回路基板と電子部品とを半田を介して接合する半田付け方法であって、
    前記回路基板として、表面に金属回路を有する絶縁基板の裏面に冷媒流路を備えた金属製のヒートシンクを一体化した冷却回路基板を使用し、前記金属回路と前記電子部品との間に半田を介在させた状態で前記半田を加熱して溶融させる際、前記冷媒流路中に加熱された熱媒体を流すことを特徴とする半田付け方法。
  2. 前記加熱を停止した後、前記冷媒流路中に冷却媒体を流して前記冷却回路基板及び半田の冷却を行う請求項１に記載の半田付け方法。
  3. 前記半田付けは密閉可能な容器内で行われ、前記容器内に前記冷却回路基板が配置された状態で前記金属回路と前記電子部品の間に介在する半田を、前記冷媒流路中に流れる前記熱媒体の熱と、他の加熱手段による熱とにより、前記半田を加熱溶融させる請求項１又は請求項２に記載の半田付け方法。
  4. 前記加熱手段は、前記電子部品上に載置されるとともに誘導加熱可能な材料で形成された錘を高周波誘導加熱で加熱して、その熱を、前記電子部品を介して前記半田に伝達する請求項３に記載の半田付け方法。
  5. 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。
  6. 回路基板上に設けられた接合部に電子部品を半田付けする半田付け装置であって、
    前記回路基板として、表面に金属回路を有する絶縁基板の裏面に、冷媒流路を備えた金属製のヒートシンクを一体化した冷却回路基板を支持可能な支持部と、
    前記支持部に支持された前記冷却回路基板の前記冷媒流路の入口部及び出口部にそれぞれ接続可能な配管を備えた熱媒体供給部と、
    前記冷媒流路に供給される熱媒体の温度を制御する制御手段と
    を備えていることを特徴とする半田付け装置。
  7. 回路基板上に設けられた接合部に電子部品を半田付けする半田付け装置であって、
    密閉可能な容器と、
    前記容器内に設けられ、前記回路基板として、表面に金属回路を有する絶縁基板の裏面に冷媒流路を備えた金属製のヒートシンクを一体化した冷却回路基板を支持可能な支持部と、
    前記支持部に支持された前記冷却回路基板の前記冷媒流路の入口部及び出口部にそれぞれ接続可能な配管を備えた熱媒体供給部と、
    前記冷媒流路に供給される熱媒体の温度を制御する制御手段と
    を備えていることを特徴とする半田付け装置。
  8. 前記支持部に支持された前記冷却回路基板上の半田を加熱可能な加熱手段をさらに備えている請求項６又は請求項７に記載の半田付け装置。
  9. 前記加熱手段は、前記電子部品上に載置されるとともに誘導加熱可能な材料で形成された錘と、前記錘を高周波誘導加熱で加熱可能な高周波加熱コイルとを備えている請求項８に記載の半田付け装置。
  10. 前記支持部に支持された前記冷却回路基板の前記冷媒流路に冷却媒体を供給可能な冷却媒体供給部をさらに備えている請求項６〜請求項９のいずれか一項に記載の半田付け装置。
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