JP2013149892A - 電子部品およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的に簡単な構成でベアチップの位置ずれを防止することができる電子部品を提供する。
【解決手段】ヒートシンク３８の表面にベアチップ３４が支持される。ヒートシンク３８の表面には、並列に延びる複数の溝４１で分離されつつ接合面３５の輪郭よりも外側に広がる平面４２が区画される。決められた相対位置にベアチップ３４は配置される。なぜならば、製造過程で、溶融した接合材４３がヒートシンク３８の平面に沿って濡れ広がることは防止されるからである。ベアチップ３４の位置ずれは防止される。
【選択図】図２

Description

本発明はベアチップおよびヒートシンクを備える電子部品およびその製造方法に関する。

ベアチップを備える電子部品は知られる。ベアチップは平らな接合面を有する。ベアチップの接合面はヒートシンクの表面に接合材で接合される。ヒートシンクの表面は、接合面の輪郭よりも外側に広がる平面を区画する。接合にあたって接合材は接合面と平面との間で溶融する。接合材ははんだで例示されることができる。

特開２００５−３５３７２０号公報 特開２００４−３４２６８５号公報

溶融した接合材はヒートシンクの平面に沿って濡れ広がる。このとき、溶融した接合材はヒートシンクとベアチップとの間で流動体として働く。その結果、ベアチップはヒートシンク上を滑る。ベアチップは決められた位置からずれてしまう。ベアチップの位置ずれが生じると、その後工程であるワイヤボンディング工程でベアチップはワイヤボンディング装置の画像認識装置でその位置を認識されることができない。そのためワイヤボンディング装置は停止してしまう。

仮に、ヒートシンクの平面上に常に最適な量のはんだが供給されれば、位置ずれは防止されることができる。なぜならば、はんだの供給量が高い精度で制御されれば、接合面の輪郭からはんだははみ出ないからである。しかも、接合面の輪郭の内側では接合面およびヒートシンクの間は完全にはんだで満たされることから、ベアチップの電極に全面にはんだが接触する。電流の流通が滞ることは回避されることができる。こうした高い精度のはんだの供給はいまのところ実現されることはできない。

本発明のいくつかの態様によれば、比較的に簡単な構成でベアチップの位置ずれを防止することができる電子部品は提供されることができる。

電子部品の一形態は、平らな接合面を有するベアチップと、前記接合面の輪郭の内外で並列に延びる複数の溝で分離されつつ前記輪郭よりも外側に広がる平面を区画する表面を有し、当該表面で前記ベアチップを支持するヒートシンクと、前記接合面および前記表面の間に区画されて前記接合面の前記輪郭で仕切られる空間を満たす接合材とを備える。

この電子部品ではヒートシンクの表面に対して決められた位置にベアチップは配置される。なぜならば、電子部品の製造過程で、溶融した接合材がヒートシンクの平面に沿って濡れ広がることは防止されるからである。ベアチップの位置ずれは防止される。こうしてベアチップの位置ずれが防止されると、ベアチップおよびヒートシンクは画像認識装置で確実に認識されることができる。この種の電子部品は製造工程の自動化に大いに貢献することができる。画像認識装置で認識されないと、製造工程で人手の作業が要求されてしまう。生産効率が低下してしまう。

前記ベアチップは電源モジュールのスイッチング素子を構成することができる。スイッチング素子には大電流が流通する。接合面およびヒートシンクの表面の間に区画される空間が良好な熱伝導率を有する接合材で満たされれば、スイッチング素子から最大限に熱はヒートシンクに伝達されることができる。

前記ヒートシンクは前記スイッチング素子の電極端子を兼ねることができる。スイッチング素子には大電流が流通する。接合面およびヒートシンクの表面の間に区画される空間が導電体の接合材で満たされれば、スイッチング素子で電流の流通が滞ることは回避されることができる。

電子部品では、前記溝は前記接合材の溶融時に前記接合材の流動体に毛細管現象を引き起こす断面形状に形成されることができる。接合材の溶融時に流動体は確実に溝を満たす。しかも、ベアチップの重量で接合材の流動体が接合面およびヒートシンクの表面の間の空間から押し出されても、押し出された流動体は確実に溝を伝う。ヒートシンクの平面に接合材の流動体が濡れ広がることは確実に回避されることができる。

電子部品は産業用機械または輸送機器または重機または家電機器に組み込まれて利用されることができる。

電子部品の製造方法の一形態は、ベアチップの輪郭よりも大きな間隔で並列に延びる複数の溝で分離されつつ前記輪郭よりも大きな範囲に広がる平面を区画する表面を有するヒートシンクの当該表面に接合材を塗布する工程と、前記接合材上に前記ベアチップを搭載する工程と、少なくとも前記接合材を加熱して前記接合材を流動化させる工程と、前記接合材を固化して前記ヒートシンクに前記ベアチップを固定する工程とを備える。

以上のように開示の装置によれば、比較的に簡単な構成でベアチップの位置ずれを防止することができる電子部品は提供されることができる。そういった電子部品の製造方法は提供されることができる。

一実施形態に係る電気機器の一具体例すなわち直流ブラシレスモータの構成を概略的に示す概念図である。 第１実施形態に係る電子部品を含む電源モジュールの構成を概略的に示す斜視図である。 ヒートシンクの垂直断面図である。 接合材を概略的に示す拡大平面図である。 第２実施形態に係る電子部品の構成を概略的に示す斜視図である。 家電機器の一具体例として空気調和装置を概略的に示す概念図である。 産業用機械の一具体例として産業用ロボットを概略的に示す概念図である。 輸送機器の一具体例として電動スクータを概略的に示す概念図である。 重機の一具体例としてショベルを概略的に示す概念図である。

以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。

図１は一実施形態に係る電気機器の一具体例すなわち直流ブラシレスモータ（以下「電動機」という）の構成を概略的に示す。電動機１１は固定子１２および回転子１３を備える。固定子１２は環状または円筒形の支持体１４を備える。支持体１４には支持体１４の円周方向に複数個の磁極１５が形成される。磁極１５はＵ相、Ｖ相およびＷ相に群分けされる。磁極１５はインダクタで構成される。インダクタは鉄心と巻線とを備える。鉄心は磁性材料から形成される。ただし、鉄心そのものは磁化されない。鉄心は支持体１４に一体に形成されることができる。

回転子１３は支持体１４に同軸に軸体１７を備える。軸体１７は回転軸回りで回転自在に支持される。軸体１７の軸心と固定子１２との相対的な位置関係は固定される。軸体１７上には回転軸周りに複数個の磁極１８が配置される。磁極１８は永久磁石で構成される。回転軸周りにＮ極およびＳ極が交互に配置される。

電動機１１は電源モジュール２１を備える。電源モジュール２１は、電源２２に接続されるインバータ回路２３を備える。インバータ回路２３はＵ相、Ｖ相およびＷ相に対応して３群のスイッチング素子２５ａ、２５ｂを備える。個々の群ごとにスイッチング素子２５ａ、２５ｂは直列に接続される。スイッチング素子２５ａ、２５ｂには電界効果トランジスタ（例えばＭＯＳＦＥＴ）が用いられることができる。上流のスイッチング素子２５ａのソースに電源２２の正端子が接続される。上流のスイッチング素子２５ａのドレインに下流のスイッチング素子２５ｂのソースが接続される。上流のスイッチング素子２５ａのドレインおよび下流のスイッチング素子２５ｂのソースに群ごとに磁極１５の巻線が接続される。スイッチング素子２５ａ、２５ｂは被駆動体としての磁極１５の巻線に接続される。下流のスイッチング素子２５ｂのドレインには電源２２の負端子が接続される。

スイッチング素子２５ａ、２５ｂのゲートには制御回路２６が接続される。制御回路２６は各スイッチング素子２５ａ、２５ｂのゲートに制御信号を供給する。制御回路２６には位置センサ２７が接続される。位置センサ２７は固定子１２の磁極１５に対して回転子１３の磁極１８の相対位置を検出する。制御信号の生成にあたって制御回路２６は位置センサ２７の出力を参照する。磁極１８の位置に応じて制御回路２６はインバータ回路２３を制御する。

各群ごとに上流のスイッチング素子２５ａおよび下流のスイッチング素子２５ｂのいずれかでゲートに制御電圧が供給される。制御電圧が供給されると、電源２２の電流はＵ相、Ｖ相およびＷ相ごとに磁極１５の巻線に供給される。スイッチング素子２５ａ、２５ｂのオンオフが規定のパターンで繰り返される結果、固定子１２に対して回転子１３は回転する。こうして電動機１１は作動する。

図２は電源モジュール２１の構成を概略的に示す。電源モジュール２１はプリント基板３１を備える。プリント基板３１には第１実施形態に係る電子部品３２が実装される。実装にあたってはんだ３３が用いられる。はんだ３３はプリント基板３１上の導電パッド（図示されず）に電子部品３２を接合する。

電子部品３２はベアチップ３４を備える。ベアチップ３４は電源モジュール２１のスイッチング素子２５ａ（２５ｂ）を構成する。ベアチップ３４は平らな接合面３５を有する。ここでは、ベアチップ３４は矩形（または正方形）の板状に形成される。したがって、接合面３５の輪郭は矩形（または正方形）に仕切られる。ベアチップ３４は表面（上向き面）および裏面（下向き面）でそれぞれ電極を構成する。ベアチップ３４はプリント基板３１の導電パッド３６に接続される。接続にあたってボンディングワイヤ３７が用いられることができる。ボンディングワイヤ３７は導電材から形成される。ボンディングワイヤ３７にはアルミニウムが用いられることができる。裏面全面すなわち接合面３５はドレイン電極に相当する。

電子部品３２はヒートシンク３８を備える。ヒートシンク３８は例えば高い熱伝導率を有する材料で構成される。ヒートシンク３８は例えば銅やアルミニウムで成形されることができる。銅やアルミニウムの表面にはニッケルのめっき膜が形成されることができる。ヒートシンク３８は平らな接合面３９を有する。接合面３９の輪郭は四角形に仕切られる。ヒートシンク３８はプリント基板３１の表面ではんだ３３に受け止められる。ヒートシンク３８の接合面３９は全面ではんだ３３に接合される。ヒートシンク３８の表面にベアチップ３４は搭載される。

ヒートシンク３８の表面は、接合面３５の輪郭の内外で並列に延びる複数の溝４１で分離されつつ接合面３５の輪郭よりも外側に広がる平面４２を区画する。ベアチップ３４の接合面３５とヒートシンク３８の表面との間には接合面３５の輪郭で仕切られる空間が形成される。空間は接合材４３で満たされる。接合材４３にははんだが用いられることができる。リフロー工程で溶融した接合材４３すなわち流動体４４は接合面３５の輪郭よりも外側で平面４２上にはみ出ない。リフロー工程で溶融した接合材４３すなわち流動体４４は溝４１に沿って接合面３５の輪郭よりも外側にはみ出てもよい。

図３はヒートシンク３８の断面構造を概略的に示す。溝４１はヒートシンク３８の表面で全面にわたって相互に平行に延びる。望ましくは、溝４１は、接合材４３が溶融時に接合材４３の流動体４４に毛細管現象を引き起こす断面形状に形成される。特に、溝４１の幅Ｗが調整されれば、毛細管現象は実現されることができる。ここでは、溝４１の幅Ｗは例えば０．２ｍｍ程度以下に設定される。溝４１同士の間隔Ｓは、溶融時にベアチップ３４の重量で接合材４３の流動体４４が接合面３５およびヒートシンク３８の表面の間の空間から押し出されても、平面４２に沿って接合面３５の輪郭から外側に接合材４３の流動体がはみ出す以前に流動体が溝４１に引き寄せられる大きさに設定される。溝４１同士の間隔Ｓが大きすぎると、溝４１同士の間で接合面３５および平面４２の間に挟まれる接合材４３の流動体は十分に溝４１に向かって引き寄せられることができず、平面４２に沿って接合面３５の外側に接合材４３の流動体ははみ出てしまう。溝４１同士の間隔Ｓが小さすぎると、接合面３５の輪郭の内側で接合材４３の流動体が過度に溝４１に流れ込んでしまい、平面４２上で十分な接合が確保されることができない。溝４１の深さＤは、接合材４３の流動体が過度に流れ込まないように幅Ｗおよび間隔Ｓとの相対関係で決定されることができる。尚、図では溝の断面は矩形で描かれているが、この形状に限るものではなく、毛細管現象を引き起こす形状であれば例えば溝の断面は三角形状や半円形状などでもよい。

電動機１１の動作にあたって電源２２から電源モジュール２１のスイッチング素子２５ａ、２５ｂには大電流（高い電流値を有する電流）が供給される。電子部品３２では、接合面３５およびヒートシンク３８の表面の間に区画される空間が接合材４３で満たされる。接合材４３にはんだが用いられると、接合材４３は良好な熱伝導率を有することができる。したがって、ベアチップ３４の熱は最大限にヒートシンク３８に伝達されることができる。

加えて、接合材４３にはんだが用いられると、接合材４３は導電性を有することができる。接合面３５およびヒートシンク３８の表面の間に区画される空間が接合材４３で満たされれば、ベアチップ３４で電流の流通が滞ることは回避されることができる。

次に電子部品３２の製造方法を簡単に説明する。ヒートシンク３８が用意される。溝４１は一方向に相互に平行に延びることから、ヒートシンク３８は例えばアルミニウムの押し出し加工で形成されることができる。その他、溝４１の形成にあたって鍛造や鋳造やエッチング、その他の加工技術が用いられることができる。

ヒートシンク３８の表面に接合材４３の素材が供給される。例えば接合材４３にはんだが使用される場合には、はんだペーストがヒートシンク３８の表面に印刷される。接合材の素材は接合面３５の輪郭で仕切られる。素材上にベアチップ３４が搭載される。素材の輪郭と接合面３５の輪郭とは一致する。こうして接合材の素材は、接合面３５およびヒートシンク３８の表面の間に区画されて接合面３５の輪郭で仕切られる空間内に配置される。

続いてリフローが実施される。ベアチップ３４、接合材４３の素材およびヒートシンク３８の組立体は炉内で加熱される。接合材の素材は溶融する。素材は流動体に相変化する。溝４１の毛細管現象の働きで流動体は溝４１に進入する。接合面３５の輪郭の内側では流動体は溝４１を満たす。したがって、接合面３５の輪郭の内側では溝４１内の空間（ボイド）は解消される。

このとき、ベアチップ３４の重量で流動体４４が接合面３５およびヒートシンク３８の表面の間の空間から押し出されても、図４に示されるように、押し出された流動体４４は確実に溝４１を伝う。接合面３５の外側ではヒートシンク３８の平面４２に接合材の流動体が濡れ広がることは確実に回避されることができる。流動体４４は確実に輪郭を維持する。こうして接合面３５と流動体４４との間で輪郭が一致することから、流動体４４上でベアチップ３４の滑りは防止される。その結果、ベアチップ３４の位置ずれは防止されることができる。

はんだペーストが用いられる場合には、はんだペーストに含まれるフラックスがはんだペーストの溶融時にガスを発生する。ガスは溝４１を伝って接合面３５の外側に排出されることができる。ガスの影響でベアチップ３４が位置ずれすることは防止されることができる。ここでは、溝４１の幅Ｗや深さＤ、溝４１同士の間隔Ｓの設定にあたってガスの影響が考慮されることができる。

その後、流動体４４は冷却される。流動体４４は固化する。その結果、ベアチップ３４はヒートシンク３８の表面に固定される。こうして電子部品３２は製造される。

続いてプリント基板３１が用意される。プリント基板３１の導電パッド上にははんだペーストが印刷される。はんだペースト上に電子部品３２は搭載される。リフローが実施されると、はんだペーストは溶融する。こうして電子部品３２はプリント基板３１に実装される。

プリント基板３１はワイヤボンダーに設置される。前述のようにベアチップ３４の位置ずれは防止されることから、ベアチップ３４は画像認識装置で確実に認識されることができる。したがって、ワイヤボンダーはベアチップの電極とプリント基板３１上の導電パッド３６との間をボンディングワイヤ３７で接続する。こうして電源モジュール２１は製造される。仮にベアチップ３４の位置ずれが生じると、ベアチップ３４は画像認識装置の認識可能範囲からはみ出てしまうため認識されることができない。ワイヤボンダーでベアチップ３４の位置が特定されることができない。ワイヤボンダーは停止してしまう。人手の作業でワイヤボンダーの動作の復旧が図られる。しかも、ワイヤボンダーの停止は製造ライン全体の停止を引き起こす。生産効率は低下する。こうしてワイヤボンダーの停止は製造コストの上昇を招く。

図５は第２実施形態に係る電子部品４６を概略的に示す。この第２実施形態では、ヒートシンク４７の表面に、第１方向ＤＲ１に並列に延びる複数の第１溝４９と、第１方向ＤＲ１に交差する第２方向ＤＲ２に並列に延びる複数の第２溝５１とで分離されつつ接合面３５の輪郭よりも外側に広がる平面５２が区画される。ここでは、第２方向ＤＲ２は第１方向ＤＲ１に直交する。したがって、第１溝４９および第２溝５１は格子状に広がる。こういったヒートシンク４７はヒートシンク３８と同様な素材から成形されることができる。成形にあたって例えば鍛造や鋳造が用いられることができる。第１溝４９および第２溝５１は溝４１と同様に機能することができる。したがって、接合材４３の溶融時に接合材４３の流動体がヒートシンク４７の平面５２に沿って接合材４３の輪郭の外側に濡れ広がることは防止されることができる。前述の第１実施形態と均等な構成や構造には同一の参照符号が付され、重複する説明はできる限り割愛される。

図６は家電機器の一具体例として空気調和装置５５を概略的に示す。空気調和装置５５は室外機５６および室内機５７を備える。室外機５６と室内機５７とには冷凍回路が構築される。室外機５６には圧縮機、第１熱交換器および膨張弁が組み込まれる。室内機５７には第２熱交換器が組み込まれる。例えば冷房運転時には圧縮機で圧縮された高圧の気体冷媒は第１熱交換器に流入する。第１熱交換器で冷媒は冷却される。その後、冷媒は膨張弁を通過する。低圧の冷媒は室内機５７の第２熱交換器に流入する。冷媒は空気から熱を奪う。冷気が生成される。冷媒は気化する。気化した冷媒は室外機５６の圧縮機に戻る。第１熱交換器は、ファンで生成される気流で冷却される。ファンには駆動源５９が連結される。駆動源５９には電動機１１が用いられることができる。この電動機１１を駆動する図示しない駆動回路内のスイッチング素子の搭載において本発明が適用されている。電動機１１には電源２２が接続される。電動機１１は電源２２から供給される電力で動作する。電動機１１の動作に応じてファンは回転する。家電機器には、空気調和装置のほか、掃除機、洗濯機その他のものが含まれることができる。これらは単なる例示に過ぎない。

図７は産業用機械の一具体例として産業用ロボット（以下「ロボット」という）６１を概略的に示す。ロボット６１は例えば基礎６２を備える。基礎６２には垂直軸回りに回転自在に本体６３が支持される。基礎６２には駆動源６４が組み込まれる。駆動源６４には電動機１１が用いられることができる。この電動機１１を駆動する図示しない駆動回路内のスイッチング素子の搭載において本発明が適用されている。電動機１１には電源２２が接続される。電動機１１は電源２２の電力で動作する。電動機１１の動作に応じて本体６３は回転する。本体６３には水平軸回りに回転自在に第１アーム６５が連結される。本体６３には駆動源６６が組み込まれる。駆動源６６には電動機１１が用いられることができる。電動機１１には電源２２が接続される。電動機１１は電源２２から供給される電力で動作する。電動機１１の動作に応じて第１アーム６５は揺動する。第１アーム６５の先端には水平軸回りに回転自在に第２アーム６７が連結される。第１アーム６５には駆動源６８が組み込まれる。駆動源６８には電動機１１が用いられることができる。電動機１１には電源２２が接続される。電動機１１は電源２２の電力で動作する。電動機１１の動作に応じて第２アーム６７は揺動する。第２アーム６７の先端には第２アーム６７の軸心回りで回転自在にチャック６９が連結される。第２アーム６７には駆動源７１が組み込まれる。駆動源７１には電動機１１が用いられることができる。電動機１１には電源２２が接続される。電動機１１は電源２２の電力で動作する。電動機１１の動作に応じてチャック６９は回転する。産業用機械には、産業用ロボット６１のほか、半導体製造装置、研削機、切削機その他のものが含まれることができる。これらは単なる例示に過ぎない。

図８は輸送機器の一具体例として電動スクータ７２を概略的に示す。電動スクータ７２は本体７３を備える。本体７３には水平軸回りで回転自在に前輪７４および後輪７５が支持される。本体７３は前輪７４および後輪７５で地面に支持される。後輪７５には駆動源７６が連結される。駆動源７６には電動機１１が用いられることができる。この電動機１１を駆動する図示しない駆動回路内のスイッチング素子の搭載において本発明が適用されている。電動機１１には電源２２が接続される。電動機１１は電源２２から供給される電力で動作する。電動機１１の動作に応じて後輪７５は回転する。輸送機器には、電動スクータ７２のほか、電気自動車、燃料自動車、ハイブリッド自動車、電車その他のものが含まれることができる。これらは単なる例示に過ぎない。

図９は重機の一具体例としてショベル８１を概略的に示す。ショベル８１は自走式の機械本体８２を備える。機械本体８２にはブーム８３が水平軸回りで揺動自在に連結される。ブーム８３の先端には水平軸回りで揺動自在にアーム８４が連結される。アーム８４の先端には水平軸回りで揺動自在にバケット８５が連結される。ブーム８３の揺動は駆動源８６の動力で実現される。駆動源８６には電動機１１が用いられることができる。この電動機１１を駆動する図示しない駆動回路内のスイッチング素子の搭載において本発明が適用されている。電動機１１には電源２２が接続される。電動機１１は電源２２の電力で動作する。ブーム８３の屈折は駆動源８７の動力で実現される。駆動源８７には電動機１１が用いられることができる。電動機１１には電源２２が接続される。電動機１１は電源２２から供給される電力で動作する。アーム８４の揺動は駆動源８８の動力で実現される。駆動源８８には電動機１１が用いられることができる。電動機１１には電源２２が接続される。電動機１１は電源２２の電力で動作する。バケット８５の揺動は駆動源８９の動力で実現される。駆動源８９には電動機１１が用いられることができる。電動機１１には電源２２が接続される。電動機１１は電源２２の電力で動作する。重機には、ショベル８１のほか、クレーンやホイールローダー、杭打ち機その他のものが含まれることができる。これらは単なる例示に過ぎない。

１１ 電気機器（直流ブラシレスモータ）、１３ 被駆動体（回転子）、２１ 電源モジュール、２５ａ スイッチング素子、２５ｂ スイッチング素子、３２ 電子部品、３４ ベアチップ、３５ 接合面、３８ ヒートシンク、４１ 溝、４２ 平面、４３ 接合材、４４ 流動体、５５ 家電機器（空気調和装置）、６１ 産業用機械（産業用ロボット）、７２ 輸送機器（電動スクータ）、８１ 重機（ショベル）。

Claims (6)

1. 平らな接合面を有するベアチップと、
   前記接合面の輪郭の内外で並列に延びる複数の溝で分離されつつ前記輪郭よりも外側に広がる平面を区画する表面を有し、当該表面で前記ベアチップを支持するヒートシンクと、
   前記接合面および前記表面の間に区画されて前記接合面の前記輪郭で仕切られる空間を満たす接合材と
   を備えることを特徴とする電子部品。
2. 請求項１に記載の電子部品において、前記ベアチップは電源モジュールのスイッチング素子を構成することを特徴とする電子部品。
3. 請求項２に記載の電子部品において、前記ヒートシンクは前記スイッチング素子の電極端子を兼ねることを特徴とする電子部品。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の電子部品において、前記溝は前記接合材の溶融時に前記接合材の流動体に毛細管現象を引き起こす断面形状に形成されることを特徴とする電子部品。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の電子部品を備えることを特徴とする産業用機械または輸送機器または重機または家電機器。
6. ベアチップの輪郭よりも大きな間隔で並列に延びる複数の溝で分離されつつ前記輪郭よりも大きな範囲に広がる平面を区画する表面を有するヒートシンクの当該表面に接合材を塗布する工程と、
   前記接合材上に前記ベアチップを搭載する工程と、
   少なくとも前記接合材を加熱して前記接合材を流動化させる工程と、
   前記接合材を固化して前記ヒートシンクに前記ベアチップを固定する工程と、
   を備えることを特徴とする電子部品の製造方法。

Images