JP2018206979A - 接合構造体とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性能を高め、デバイスの高性能化を可能とする接合構造体とその製造方法を提供すること。【解決手段】回路基板３の電極３ａと、電極と接合された半田４と、半田と接合された電子部品２のリード２ａと、電極と半田とリートとを接続する熱伝導膜５と、を含む接合構造体を用いる。また、回路基板の電極の貫通穴８に、電子部品のリード２ａを挿入する工程と、貫通穴に、半田と熱伝導膜の材料とを含む材料を供給する工程と、半田を加熱する工程と、を含む接合構造体の製造方法を用いる。【選択図】図１

Description

本発明は、電子部品、半導体装置、金属接合材料を半田付けした際の構造体に関するものである。

近年、多くの研究開発機関によってシリコンカーバイド（ＳｉＣ：Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ）や窒化ガリウム（ＧａＮ：Ｇａｌｌｉｕｍ Ｎｉｔｒｉｄｅ）デバイスの開発が進められており、パワーモジュールが進化している。ＳｉＣやＧａＮデバイスの特徴は、従来のＳｉデバイスと比較して低オン抵抗、高速スイッチングおよび高温動作などが挙げられる。この高温動作という点については、従来のＳｉデバイスでは動作可能な動作温度範囲が１５０℃程度であるが、ＳｉＣやＧａＮデバイスでは、理論的に、約４００℃まで動作可能であり、その特性を活かすモジュール構造および基板への接合構造が必要となる。

特に、デバイス自体が高温で駆動したときに、モジュール全体として熱影響を受ける。例えば、パッケージのクラックや接合部が剥離するなど、パワーモジュールの信頼性を損なうものとなってしまう。

このような大電流を扱うパワーモジュールなどの電子部品や、高温動作を必要とする電子部品に対する回路基板には、バスバーが使用され、大電流に対応し、放熱性が高められている。例えば、特許文献１では、電子部品のリードと、バスバーを半田接合する場合の断面構造が示されている。

図７は特許文献１の電子部品のリード２ａとバスバー７の接合部の断面図である。

特開２０１１−２５８６１２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の構造では、電子部品のリード２ａから半田４を介してバスバー７への熱経路しかない。そのため高温動作時は、接合構造体１のクラックや半田４の溶融などの不具合が発生することがあり、デバイスの信頼性を損なってしまう。

そこで、本発明は上記従来の課題を解決するもので、放熱性能を高め、デバイスの高性能化を可能とする接合構造体とその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、回路基板の電極と、上記電極と接合された半田と、上記半田と接合された電子部品のリードと、上記電極と上記半田と上記リートとを接続する熱伝導膜と、を含む接合構造体を用いる。

また、回路基板の電極の貫通穴に、電子部品のリード２ａを挿入する工程と、上記貫通穴に、半田と熱伝導膜の材料とを含む材料を供給する工程と、上記半田を加熱する工程と、を含む接合構造体の製造方法を用いる。

以上のように、本発明の半田接合構造体によれば、電子部品のリードとバスバーとを半田接合する場合に、半田接合部の外周に熱伝導体を配置することで、半田接合部の放熱性を高めることができ、デバイスの高温動作が可能となり、高性能化が可能となる。

本発明の実施の形態１における半田接合構造体の断面概略図 本実施の形態１におけるカーボン厚による放熱効果を熱解析した結果を示した図 本実施の形態１におけるプロセスフロー図 本発明の実施の形態２における半田接合構造体の断面概略図 本実施の形態２におけるプロセスフロー図 本実施の形態２におけるコート材形状の異なる半田接合構造体の断面概略図 特許文献１の電子部品のリードとバスバーの接合部の断面図

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について、図面を参照しながら説明する。
＜構造＞
図１は本発明の実施の形態１における接合構造体の断面概略図である。

接合構造体１は、電子部品２のリード２ａと回路基板３の電極３ａとを半田４によって半田付けされた部分を示している。

電子部品２は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）に代表される高温動作が可能なデバイスなどである。

リード２ａは、電子部品２の接続端子である。

回路基板３は、バスバーに代表される大電流に対応した基板である。表面の一部には、絶縁膜９が設けられている。

電極３ａは、回路基板３に設けられた電子部品２との接続端子である。

半田４は、リード２ａと電極３ａとを電気的および機械的に接続するための材料であり、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕなどの組成が一般的である。

熱伝導膜５は、半田４を覆うように位置し、リード２ａと電極３ａとの間の熱伝導を効率よく行うための材料である。

図１の接合構造体１では、回路基板３の電極３ａと、電極３ａと接合された半田４と、半田４と接合された電子部品のリード２ａと、電極３ａと半田４とリード２ａとを接続する熱伝導膜５と、がある。

また、接合構造体１では、熱伝導膜５は、半田４の表面を覆い、熱伝導膜５の一方端は、リード２ａと接続され、熱伝導膜５の他方端は、電極３ａに接続されている。

また、接合構造体１では、回路基板３と電極３ａに渡って貫通穴８があり、貫通穴８の側面に電極３ａが位置し、貫通穴８の内側にリード２ａが位置し、貫通穴８とリード２ａとの間に半田４が位置する。

また、接合構造体１では、リード２ａと電極３ａとの間に半田４が位置し、半田４の側面を熱伝導膜５が覆う。

図１の構造において、電子部品２が高温動作した場合、その熱が、リード２ａに伝わり、接合構造体１に到達する。接合構造体１で熱は熱伝導膜５と半田４の両方に伝わり、回路基板３の電極３ａに伝わっていく。

表１は、各材料の熱伝導率を示す。熱伝導膜５は接合材料である半田４よりも熱伝導率が高い材料が好ましい。一般的な半田材料であるＳｎ−Ａｇ−Ｃｕに対して、にカーボンやカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）などの材料の熱伝導率は高い。熱伝導膜５としては、カーボンやＣＮＴを用いることで、電子部品２の熱を効率的にリード２ａから回路基板３の電極３ａに放熱することができる。

図２は、図１の構造において、熱伝導膜５をカーボンとした場合に、カーボンの厚みによる放熱の効果を熱解析で求めた結果である。

横軸は、カーボン厚み、縦軸は、カーボンが無い場合と比較した時のリード２ａの温度比である。カーボン厚みが増すと、リード温度が下がる。

カーボン厚さが０．１ｍｍ以上の場合には、リード２ａの温度は、約１５％の低下する。熱伝導膜５の厚みとしては、０．１ｍｍ以上が好ましい。
＜製法＞
図３は本実施の形態１におけるプロセスフロー図である。

図３において、まず回路基板３の電極３ａの貫通穴８に、電子部品２のリード２ａを挿入する。その接合構造体１に半田４および熱伝導膜５としてカーボン含有したペースト半田を供給する。カーボン含有ペースト半田の供給はディスペンス塗布等で実施される。

この状態に電磁波を印加することで、誘導加熱によりカーボンが発熱し、その熱がペースト半田に伝わり融点を超えたときに溶融が始まる。溶融した半田は、リード２ａおよび電極３ａに濡れ広がると同時に、比重の小さいカーボンは溶融した半田から表面に排出される。この時に電磁波の印加を停止することで、冷却が始まり、凝固点よりも低下することで半田４が凝固し、半田４の外周には溶融時に排出されたカーボンが熱伝導膜５として形成される。

なお、本実施の形態１において、半田４材料としてＳｎ−Ａｇ−Ｃｕを用いたが、公知の半田４材料を用いても同様の効果を得ることができる
なお、本実施の形態１において、熱伝導膜５としてカーボンやＣＮＴを挙げたが、使用する半田４材料に対して、熱伝導率が高い材料を用いることで同様の効果を得ることができる。

なお、本実施の形態１において、半田４を含むカーボン含有ペーストの供給方法としてディスペンス塗布を用いたが、供給方法により効果が低下することはなく、印刷供給など公知の供給方法を用いても同様の効果を得ることができる。

なお、本実施の形態１において、半田４の加熱方法として電磁波印加を用いたが、加熱方法により効果が低下することはなく、高温炉内加熱などの公知の加熱方法を用いても同様の効果を得ることができる。

なお、本実施の形態１において、製造方法として半田接合および熱伝導膜供給を一括で行うために、カーボン含有ペースト半田を用いた。別の製造方法としては、例えばペースト半田を用いてリフロー半田付けを行った後、熱伝導膜供給を行うなど、公知の半田接合工程と材料供給工程の組み合わせによっても、同様の効果を得ることができる。
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について、図面を参照しながら説明する。

図４は本発明の実施の形態２における半田接合構造体の断面概略図である。
実施の形態２は、実施の形態１と異なるところを説明する。説明しない事項は実施の形態１と同様である。

図４において、コート材６は、熱伝導膜５の外周に位置するエポキシ系の熱硬化材料である。コート材６は、熱伝導膜５の全体を覆うのが好ましい。コート材６によって、熱伝導膜５はリード２ａと半田４および電極３ａに密着される。これにより熱伝導の効率が向上する。

図５は本実施の形態２におけるプロセスフロー図である。
接合構造体１の熱伝導膜５を覆うようにコート材６を供給し、熱硬化させることで半田接合構造が完成する。
なお、本実施の形態２において、コート材６は成分を限定するものではなく、公知の材料を用いることで、同様の効果を得ることができる。
＜変形例＞
図６は本実施の形態２におけるコート材形状の異なる半田接合構造体の断面概略図である。

本実施の形態２で述べた図５では、コート材６は各々の接合構造体１を覆うように形成したが、図６のように回路基板３全体を覆うように形成しても、同様の効果が得られる。

なお、本実施の形態において、回路基板３の電極３ａと、電子部品２のリード２ａの半田接合について述べたが、回路基板３の電極３ａと表面実装部品の半田接合や、バスバーとバスバーの半田接合などの接合構造においても同様の効果が得られる。
以上のように、本発明の実施の形態によれば、電子部品のリードと回路基板の電極とを半田接合する場合に、半田接合部の外周に熱伝導体を配置することで、半田接合部の放熱性を高めることができ、デバイスの高温動作が可能となり、高性能化が可能となる。

本発明に係る半田接合構造体は、高放熱を必要とする半田接合部、特にパワーモジュール全般に適用可能である。

１ 接合構造体
２ 電子部品
２ａ リード
３ 回路基板
３ａ 電極
４ 半田
５ 熱伝導膜
６ コート材
７ バスバー
８ 貫通穴
９ 絶縁膜

Claims (8)

1. 回路基板の電極と、
   前記電極と接合された半田と、
   前記半田と接合された電子部品のリードと、
   前記電極と前記半田と前記リードとを接続する熱伝導膜と、を含む接合構造体。
2. 前記熱伝導膜は、前記半田の表面を覆い、
   前記熱伝導膜の一方端は、前記リードと接続され
   前記熱伝導膜の他方端は、前記電極に接続されている請求項１記載の接合構造体。
3. 前記電極に貫通穴があり、
   前記貫通穴の内側に前記リードが位置し、
   前記貫通穴と前記リードとの間に前記半田が位置する請求項１または２記載の接合構造体。
4. 前記リードと前記電極との間に前記半田が位置し、前記半田の側面を前記熱伝導膜が覆う請求項１〜３のいずれか１項に記載の接合構造体。
5. 前記熱伝導膜の外周に配置されたコート材を含む請求項１〜４のいずれか１項に記載の接合構造体。
6. 前記コート材は、前記熱伝導膜を覆う請求項５に記載の接合構造体。
7. 前記コート材は、さらに、前記回路基板を覆う請求項５または６に記載の接合構造体。
8. 回路基板の電極の貫通穴に、電子部品のリード２ａを挿入する工程と、
   前記貫通穴に、半田と熱伝導膜の材料とを含む材料を供給する工程と、
   前記半田を加熱する工程と、を含む接合構造体の製造方法。
   

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