JP2016178261A

JP2016178261A - ハンダ付け構造

Info

Publication number: JP2016178261A
Application number: JP2015059098A
Authority: JP
Inventors: 裕輔中田; Yusuke Nakata
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2015-03-23
Filing date: 2015-03-23
Publication date: 2016-10-06

Abstract

【課題】比較的簡易な構成で引け巣の発生を抑制することのできるハンダ付け構造を提供する。
【解決手段】半導体素子４を実装する回路基板１０と、回路基板を冷却する冷却用金属部材（ヒートシンク）７と、回路基板と冷却用金属部材とに設けられるハンダ接合面５Ａ、７ａの間に介在されて両部材を接合するハンダ層６と、冷却用金属部材のハンダ接合面側に形成され、溶融時のハンダの一部を保持する窪み５０とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、回路基板とヒートシンク等の接合に適用されるハンダ付け構造に関する。

従来におけるパワーモジュールは、一般的に半導体素子としてのＳｉチップと、Ｓｉチップを実装する回路基板（絶縁基板）と、回路基板を介してＳｉチップを冷却するヒートシンク（冷却用金属部材）で構成されており、各部材がそれぞれハンダ層を介してハンダ接合されている。

パワーモジュール等についてハンダ接合を適用したハンダ付け構造に関する技術は種々提案されている（特許文献１等）。

特開２０１４−１６０７９９号公報

パワーモジュール等に適用されるハンダ接合のような面積接合の場合には、体積に対し解放面積（側面）が小さいことから、冷却時の収縮による周縁部等のハンダの「引け」を吸収できず、比較的大きな引け巣（クラック）が発生してしまうことがある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、比較的簡易な構成で引け巣の発生を抑制することのできるハンダ付け構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るハンダ付け構造は、半導体素子を実装する回路基板と、前記回路基板を冷却する冷却用金属部材と、前記回路基板と前記冷却用金属部材とに設けられるハンダ接合面の間に介在されて両部材を接合するハンダ層と、前記冷却用金属部材のハンダ接合面側に形成され、溶融時のハンダの一部を保持する窪みとを備えることを要旨とする。

本発明に係るハンダ付け構造によれば、冷却用金属部材のハンダ接合面に形成された窪みが、溶融時のハンダの一部を保持するので、冷却時の収縮による周縁部等のハンダの「引け」の分を窪みに保持されたハンダで補うことができ、ハンダ層に引け巣が発生することを抑制することができる。

第１の実施の形態に係るハンダ付け構造を適用したパワーモジュールの構成例を示す分解断面図である。第１の実施の形態に係るハンダ付け構造の要部を示す断面図である。第１の実施の形態に係るハンダ付け構造の第１実施例を示す平面図（ａ）および窪みの形状を示す斜視図（ｂ）である。第１の実施の形態に係るハンダ付け構造の第２実施例を示す平面図（ａ）および窪みの形状を示す斜視図（ｂ）である。第１の実施の形態に係るハンダ付け構造の第３実施例を示す平面図（ａ）および窪みの形状を示す斜視図（ｂ）である。第１の実施の形態に係るハンダ付け構造の第４実施例を示す平面図（ａ）および窪みの形状を示す斜視図（ｂ）である。第２の実施の形態に係るハンダ付け構造の第１実施例を示す平面図である。第２の実施の形態に係るハンダ付け構造の第２実施例を示す平面図である。本実施の形態に係るハンダ付け構造の製造工程の例を示す工程図である。比較対象に係るハンダ付け構造の製造工程の例を示す工程図である。

以下、本発明の一例としての実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。ここで、添付図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。なお、ここでの説明は本発明が実施される最良の形態であることから、本発明は当該形態に限定されるものではない。

［第１の実施の形態に係るハンダ付け構造］
図１から図６を参照して、第１の実施の形態に係るハンダ付け構造１００Ａについて説明する。

（ハンダ付け構造の構成例について）
まず、図１を参照して、本実施の形態に係るハンダ付け構造１００Ａを適用したパワーモジュールＰＭ１の構成例について説明する。

図１は、実施の形態に係るハンダ付け構造１００Ａを適用したパワーモジュールＰＭ１の構成例を示す分解断面図である。

パワーモジュールＰＭ１は、セラミック等で形成される絶縁基板１と、絶縁基板１の一側面にハンダ層３および金属層２を介して接合されるパワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどで構成されるパワー半導体素子４と、絶縁基板１の他側面に金属層５およびハンダ層６を介して接合される冷却用金属部材（以下、ヒートシンクという）７とを備える。

ヒートシンク７は、空冷式あるいは液冷式の何れであってもよい。

なお、絶縁基板１および金属層２、５とによって、回路基板１０が構成されている。

また、回路基板１０とヒートシンク７とに設けられるハンダ接合面５Ａ、７Ａの間にハンダ層６が介在されて両部材が接合される。

そして、ヒートシンク７のハンダ接合面７Ａには、溶融時のハンダの一部を保持する窪み５０（或いは第２の実施の形態で示す溝状の窪み６０）が形成されている。

第１の実施の形態における窪み５０は、少なくとも回路基板１０の隅部の位置に合わせて形成される。なお、具体的な実施例については図３〜図６を参照して後述する。

本実施の形態に係るハンダ付け構造１００Ａによれば、ハンダ付け構造１００Ａの製造工程において、窪み５０が、溶融時のハンダの一部を保持するので、冷却時の収縮による周縁部等のハンダの「引け」の分を窪み５０に保持されたハンダで補うことができ、ハンダ層６に引け巣（クラック）が発生することを抑制することができる。なお、本実施の形態に係るハンダ付け構造１００Ａの製造工程の例については後述する。

（ハンダ付け構造の要部について）
ここで、図２を参照して、本実施の形態に係るハンダ付け構造１００Ａの要部の構成について説明する。

窪み５０（６０）は、例えば、ヒートシンク７の接合面７Ａにエッチング処理を施すなどして形成される。

ここで、窪み５０（６０）は、ヒートシンク７と対向する金属層５の端部５Ｂから外側に当該金属層５の膜厚Ｌｍ以上の幅Ｌａを有するように形成するとよい。即ち、図２において、Ｌａ≧Ｌｍの関係にあるとよい。なお、図２では左端側を示すが、図示しない右端側においても同様である。

また、窪み５０（６０）は、ヒートシンク７と対向する金属層５の端部５Ｂから内側に前記ハンダ層の膜厚Ｌｓ以上の幅Ｌｂ（図２ではハンダ層６の先端部６ａの長さに相当する）を有するように形成するとよい。即ち、図２において、Ｌｂ≧Ｌｓの関係にあるとよい。なお、図２では左端側を示すが、図示しない右端側においても同様である。

また、窪み５０（６０）は、ヒートシンク７と対向する金属層５の端部５Ｂから内側に１ｍｍ以上の幅Ｌｂを有するように形成するようにしてもよい。即ち、図２において、Ｌｂ≧１ｍｍの関係としてもよい。なお、図２では左端側を示すが、図示しない右端側においても同様である。

また、窪み５０（６０）の深さＬｃは、ヒートシンク７の厚さＬｈの１０％以上とするとよい。

（実施例について）
図３から図６を参照して、本実施の形態に係るハンダ付け構造１００Ａの第１から第４実施例について説明する。

（第１実施例）
図３（ａ）は、第１の実施の形態に係るハンダ付け構造の第１実施例を示す平面図、図３（ｂ）は窪み５０Ａの形状を示す斜視図である。

図３に示す第１実施例に係るハンダ付け構造１００Ａａでは、回路基板１０の金属層５の角部に沿って平面視で「く字状」の窪み５０Ａが、金属層５の四隅に対応させてヒートシンク７に形成されている。

ここで、窪み５０Ａの内側の外形線５０Ａａと金属層５の端部５ａとの距離Ｌ１は、図２で示す距離Ｌｂに相当する。

したがって、先に説明したように、各窪み５０Ａは、Ｌ１≧Ｌｓ（ハンダ層の膜厚）の関係となるように形成するとよい。また、Ｌ１≧１ｍｍとしてもよい。

また、窪み５０Ａの外側の外形線５０Ａｂと金属層５の端部５ａとの距離Ｌ２は、図２で示す距離Ｌａに相当する。

したがって、先に説明したように、各窪み５０Ａは、Ｌ２≧Ｌｍ（金属層５の膜厚）の関係となるように形成するとよい。

また、図３（ｂ）に示す窪み５０Ａの深さＬｃは、ヒートシンク７の厚さＬｈの１０％以上とするとよい。

これにより、窪み５０Ａが、溶融時のハンダの一部を保持するので、冷却時の収縮による隅部のハンダの「引け」の分を窪み５０Ａに保持されたハンダで補うことができ、ハンダ層６の四隅に引け巣（クラック）が発生することを抑制することができる。

（第２実施例）
図４（ａ）は、第１の実施の形態に係るハンダ付け構造の第２実施例を示す平面図、図４（ｂ）は窪み５０Ｂの形状を示す斜視図である。

図４に示す第２実施例に係るハンダ付け構造１００Ａｂでは、回路基板１０の金属層５の角部に三角柱状の窪み５０Ｂが、金属層５の四隅に対応させてヒートシンク７に形成されている。

ここで、窪み５０Ｂの内側の外形線５０Ｂａと金属層５の端部５ａとの距離Ｌ３は、図２で示す距離Ｌｂに相当する。

したがって、先に説明したように、各窪み５０Ｂは、Ｌ３≧Ｌｓ（ハンダ層の膜厚）の関係となるように形成するとよい。また、Ｌ３≧１ｍｍとしてもよい。

また、窪み５０Ｂの外側の外形線５０Ｂｂと金属層５の端部５ａとの距離Ｌ４は、図２で示す距離Ｌａに相当する。

したがって、先に説明したように、各窪み５０Ｂは、Ｌ４≧Ｌｍ（金属層５の膜厚）の関係となるように形成するとよい。

また、図４（ｂ）に示す窪み５０Ｂの深さＬｃは、ヒートシンク７の厚さＬｈの１０％以上とするとよい。

これにより、窪み５０Ｂが、溶融時のハンダの一部を保持するので、冷却時の収縮による隅部のハンダの「引け」の分を窪み５０Ｂに保持されたハンダで補うことができ、ハンダ層６の四隅に引け巣（クラック）が発生することを抑制することができる。

（第３実施例）
図５（ａ）は、第１の実施の形態に係るハンダ付け構造の第３実施例を示す平面図、図５（ｂ）は窪み５０Ｃの形状を示す斜視図である。

図５に示す第３実施例に係るハンダ付け構造１００Ａｃでは、回路基板１０の金属層５の角部に四角柱状の窪み５０Ｃが、金属層５の四隅に対応させてヒートシンク７に形成されている。

ここで、窪み５０Ｃの内側の外形線５０Ｃａと金属層５の端部５ａとの距離Ｌ５は、図２で示す距離Ｌｂに相当する。

したがって、先に説明したように、各窪み５０Ｃは、Ｌ５≧Ｌｓ（ハンダ層の膜厚）の関係となるように形成するとよい。また、Ｌ５≧１ｍｍとしてもよい。

また、窪み５０Ｃの外側の外形線５０Ｃｂと金属層５の端部５ａとの距離Ｌ６は、図２で示す距離Ｌａに相当する。

したがって、先に説明したように、各窪み５０Ｃは、Ｌ６≧Ｌｍ（金属層５の膜厚）の関係となるように形成するとよい。

また、図５（ｂ）に示す窪み５０Ｃの深さＬｃは、ヒートシンク７の厚さＬｈの１０％以上とするとよい。

これにより、窪み５０Ｃが、溶融時のハンダの一部を保持するので、冷却時の収縮による隅部のハンダの「引け」の分を窪み５０Ｃに保持されたハンダで補うことができ、ハンダ層６の四隅に引け巣（クラック）が発生することを抑制することができる。

（第４実施例）
図６（ａ）は、第１の実施の形態に係るハンダ付け構造の第４実施例を示す平面図、図６（ｂ）は窪み５０Ｄの形状を示す斜視図である。

図６に示す第４実施例に係るハンダ付け構造１００Ａｄでは、回路基板１０の金属層５の角部に円柱状の窪み５０Ｄが、金属層５の四隅に対応させてヒートシンク７に形成されている。

ここで、窪み５０Ｄの円周５０Ｄａと金属層５の端部５ａとの内側の距離Ｌ７は、図２で示す距離Ｌｂに相当する。

したがって、先に説明したように、各窪み５０Ｄは、Ｌ７≧Ｌｓ（ハンダ層の膜厚）の関係となるように形成するとよい。また、Ｌ７≧１ｍｍとしてもよい。

また、同様に外側の距離Ｌ８は、図２で示す距離Ｌａに相当する。

したがって、先に説明したように、各窪み５０Ｄは、Ｌ８≧Ｌｍ（金属層５の膜厚）の関係となるように形成するとよい。

また、図６（ｂ）に示す窪み５０Ｄの深さＬｃは、ヒートシンク７の厚さＬｈの１０％以上とするとよい。

これにより、窪み５０Ｄが、溶融時のハンダの一部を保持するので、冷却時の収縮による隅部のハンダの「引け」の分を窪み５０Ｄに保持されたハンダで補うことができ、ハンダ層６の四隅に引け巣（クラック）が発生することを抑制することができる。

なお、第１から第４の実施例における窪み５０Ａ〜５０Ｄは、溶融時のハンダの一部を保持するように空の状態としてもよいし、或いは所定のハンダを予め配置するようにしてもよい。

窪み５０Ａ〜５０Ｄに予め配置するハンダとしては、例えば、粒状や粉状のハンダや、ペースト状のハンダなどが考えられる。

また、ハンダ層６を構成するハンダとしては、板状ハンダやペースト状のハンダを用いるようにできる。

［第２の実施の形態に係るハンダ付け構造］
図７および図８を参照して、第２の実施の形態に係るハンダ付け構造１００Ｂの実施例（１００Ｂａ、１００Ｂｂ）について説明する。

第２の実施の形態に係るハンダ付け構造１００Ｂでは、窪み６０（６０Ａ、６０Ｂ）は、回路基板１０の周縁５ａの全部または一部に沿って形成される溝状の窪みとされる。

（第１実施例）
図７は、第２の実施の形態に係るハンダ付け構造１００Ｂａの第１実施例を示す平面図である。

図７に示す第１実施例に係るハンダ付け構造１００Ｂａでは、回路基板１０の金属層５の全周に沿うような溝状の窪み６０Ａが、ヒートシンク７に形成されている。

ここで、窪み６０Ａの内側の側部６０Ａａと金属層５の端部５ａとの距離Ｌ９は、図２で示す距離Ｌｂに相当する。

したがって、先に説明したように、窪み６０Ａは、Ｌ９≧Ｌｓ（ハンダ層の膜厚）の関係となるように形成するとよい。また、Ｌ９≧１ｍｍとしてもよい。

また、窪み６０Ａの外側の側部６０Ａｂと金属層５の端部５ａとの距離Ｌ１０は、図２で示す距離Ｌａに相当する。

したがって、先に説明したように、窪み６０Ａは、Ｌ１０≧Ｌｍ（金属層５の膜厚）の関係となるように形成するとよい。

また、窪み６０Ａの深さＬｃ（図示せず）は、ヒートシンク７の厚さＬｈの１０％以上とするとよい。

これにより、窪み６０Ａが、溶融時のハンダの一部を保持するので、冷却時の収縮による隅部のハンダの「引け」の分を窪み６０Ａに保持されたハンダで補うことができ、ハンダ層６の周縁部等に引け巣（クラック）が発生することを抑制することができる。

（第２実施例）
図８は、第２の実施の形態に係るハンダ付け構造１００Ｂｂの第２実施例を示す平面図である。

図８に示す第２実施例に係るハンダ付け構造１００Ｂｂでは、回路基板１０の金属層５の周縁に沿うような分割された溝状の窪み６０Ｂａ〜６０Ｂｃが、ヒートシンク７に形成されている。

なお、窪み６０Ｂａ〜６０Ｂｃの幅に関する寸法は、第１実施例に係る窪み６０Ａと同様である。

また、窪み６０Ｂａ〜６０Ｂｃの深さＬｃ（図示せず）は、ヒートシンク７の厚さＬｈの１０％以上とするとよい。

これにより、窪み６０Ｂａ〜６０Ｂｃが、溶融時のハンダの一部を保持するので、冷却時の収縮による隅部のハンダの「引け」の分を窪み６０Ｂａ〜６０Ｂｃに保持されたハンダで補うことができ、ハンダ層６の周縁部等に引け巣（クラック）が発生することを抑制することができる。

なお、窪み６０Ｂの分割数等は、図８に示す例（計８個に分割）に限定されず、任意の数とすることができる。

また、第１実施例および第２実施例における窪み６０Ａ、６０Ｂ（６０Ｂａ〜６０Ｂｃ）は、溶融時のハンダの一部を保持するように空の状態としてもよいし、或いは所定のハンダを予め配置するようにしてもよい。

窪み６０Ａ、６０Ｂ（６０Ｂａ〜６０Ｂｃ）に予め配置するハンダとしては、例えば、粒状や粉状のハンダや、ペースト状のハンダなどが考えられる。

（ハンダ付け構造の製造工程）
図９および図１０の工程図を参照して、上記実施の形態に係るハンダ付け構造１００Ａ、１００Ｂの製造工程の例および比較対象に係るハンダ付け構造の製造工程の例について簡単に説明する。

図９（ａ）は、上記実施の形態に係るハンダ付け構造１００Ａ、１００Ｂについて、リフロー炉によるハンダ付け処理を行う前の状態を示す。

次いで、図９（ｂ）は、構造物をリフロー炉においてＤ１方向に搬送して加熱処理を行う工程を示す。これにより、ハンダ層６を構成するハンダは溶融された状態となる。この際に、ハンダ層６の両端のハンダの一部は、窪み６０Ａ、６０Ｂに流れ込んで保持される。

次いで、図９（ｃ）は、構造物を冷却してハンダ層６を凝固させる工程を示す。

この際に、ハンダ層６には、冷却時の収縮（仮想線２００より内側に収縮する）によるハンダの「引け」が生じるが、このハンダの「引け」の分を窪み６０Ａ、６０Ｂに保持されたハンダで補うことができ、ハンダ層６に引け巣が発生することが抑制される。

なお、上述のように窪み６０Ａ、６０Ｂに、予めハンダを配置する場合にも、ハンダの「引け」の分を窪み６０Ａ、６０Ｂに存在するハンダで補うことができ、ハンダ層６に引け巣が発生することを一層抑制することができる。

一方、図１０（ａ）は、ヒートシンク７に窪み６０Ａ、６０Ｂを設けない比較対象に係るハンダ付け構造５００について、リフロー炉によるハンダ付け処理を行う前の状態を示す。

次いで、図１０（ｂ）は、構造物をリフロー炉においてＤ１方向に搬送して加熱処理を行う工程を示す。これにより、ハンダ層６を構成するハンダは溶融された状態となる。

次に、図１０（ｃ）は、構造物を冷却してハンダ層６を凝固させる工程を示す。

この際に、ハンダ層６には、冷却時の収縮（仮想線２００より内側に収縮する）によるハンダの「引け」が生じるが、比較対象に係るハンダ付け構造５００では、そのハンダの「引け」を吸収できず、比較的大きな引け巣（クラック）Ｃが発生してしまうことがある。

このような引け巣は、ハンダ層６の熱伝導率を低下させたり、電気抵抗が高くなるという不都合を生じさせる。

これに対して、本実施の形態に係るハンダ付け構造１００Ａ、１００Ｂでは、このような引け巣（クラック）Ｃの発生を抑制することができるので、ハンダ層６の熱伝導率が低下したり、電気抵抗が高くなるという事態を有効に回避することができる。

以上本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本明細書で開示された実施の形態はすべての点で例示であって開示された技術に限定されるものではないと考えるべきである。すなわち、本発明の技術的な範囲は、前記の実施の形態における説明に基づいて制限的に解釈されるものでなく、あくまでも特許請求の範囲の記載にしたがって解釈すべきであり、特許請求の範囲の記載技術と均等な技術および特許請求の範囲内でのすべての変更が含まれる。

１…絶縁基板
２…金属層
３…ハンダ層
４…半導体素子（パワー半導体素子）
５…金属層
５Ａ…ハンダ接合面
５Ｂ…端部
５ａ…周縁（端部）
６…ハンダ層
６ａ…先端部
７…冷却用金属部材（ヒートシンク）
７Ａ…ハンダ接合面
１０…回路基板
５０、６０…窪み
１００Ａ、１００Ｂ…ハンダ付け構造
ＰＭ１…パワーモジュール

Claims

半導体素子（４）を実装する回路基板（１０）と、
前記回路基板を冷却する冷却用金属部材（７）と、
前記回路基板と前記冷却用金属部材とに設けられるハンダ接合面（５Ａ、７Ａ）の間に介在されて両部材を接合するハンダ層（６）と、
前記冷却用金属部材のハンダ接合面側に形成され、溶融時のハンダの一部を保持する窪み（５０）と、
を備えることを特徴とするハンダ付け構造。
前記窪みは、少なくとも前記回路基板の隅部の位置に対応させて形成されることを特徴とする請求項１に記載のハンダ付け構造。
前記窪みは、前記回路基板の周縁（５ａ）の全部または一部に沿って形成されることを特徴とする請求項１に記載のハンダ付け構造。
前記回路基板は、絶縁層の両面側に金属層（２、５）を備えた構成とされ、
前記窪みは、前記冷却用金属部材と対向する前記金属層（５）の端部（５Ｂ）から外側に当該金属層の膜厚以上の幅（Ｌａ）を有するように形成されることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載のハンダ付け構造。
前記回路基板は、絶縁層の両面側に金属層（２、５）を備えた構成とされ、
前記窪みは、前記冷却用金属部材と対向する前記金属層（５）の端部（５Ｂ）から内側に前記ハンダ層の膜厚（Ｌｓ）以上の幅（Ｌｂ）を有するように形成されることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか１項に記載のハンダ付け構造。
前記回路基板は、絶縁層の両面側に金属層（２、５）を備えた構成とされ、
前記窪みは、前記冷却用金属部材と対向する前記金属層（５）の端部から内側に１ｍｍ以上の幅（Ｌｂ）を有するように形成されることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか１項に記載のハンダ付け構造。
前記窪みの深さ（Ｌｃ）は、前記冷却用金属部材の厚さ（Ｌｈ）の１０％以上とされることを特徴とする請求項１から請求項６の何れか１項に記載のハンダ付け構造。
前記窪みに、ハンダが予め配置されていることを特徴とする請求項１から請求項７の何れか１項に記載のハンダ付け構造。