JP5116615B2 - 位置決め治具ユニット、及び、半田付け方法 - Google Patents

Description

この発明は、放熱板、回路基板及び半導体素子の半田付けに使用する治具ユニット、及び、これを用いた半田付け方法に関する。

従来の半導体ユニットには、例えば図１１に示すように、ヒートシンク（放熱板）１０１、回路基板１０２及び半導体素子１０３を順番に重ねると共に相互に接合して構成されたものがある（例えば特許文献１参照）。この半導体ユニットにおいては、ヒートシンク１０１と回路基板１０２とが接合層としての金属板１０４を介して接合されている。また、半導体素子１０３は回路基板１０２上面の所定の接合部分において半田シート１０５によって接合されている。
また、特許文献１には、回路基板１０２の接合部分に位置決めされた状態で半導体素子１０３を半田付けする手法が記載されている。すなわち、半田付けの際には、回路基板１０２上面の所定位置に第１治具１０６を配置し、回路基板１０２の接合部分を外方に露出させる第１治具１０６の位置決め孔内に半導体素子１０３及び半田シート１０５を挿入する。そして、この挿入状態において、第２治具１０７により半田シート１０５上の半導体素子１０３を回路基板１０２側に押し付けながら、半田シート１０５にリフロー処理を施している。

ところで、従来では、回路基板１０２と半導体素子１０３とを半田により接合する場合にその接合強度を向上させること目的として、リフロー処理時に半田周囲の圧力を低下させることで溶融した半田に含まれる気泡（ボイド）を取り除く手法も考えられている。
そして、前述した２つの治具を用いて上述のように気泡を除去しながら半田のリフロー処理を実施する場合には、位置決め孔と半田シート１０５の側部との隙間（流路）の圧力を低下させることで、溶融した半田シート１０５に含まれる気泡を除去することができる。これにより、半導体素子１０３を回路基板１０２の所望位置に接合することが可能となり、また、これらの接合強度の向上も同時に図ることができる。
特開２００７−１９４４７７号公報

しかしながら、従来においては、ヒートシンク１０１と回路基板１０２との接合、及び、回路基板１０２と半導体素子１０３との接合が互いに異なる材料（金属板１０４と半田シート１０５）によって実施されるため、これら２つの接合が個別の工程において行われることになる。このため、ヒートシンク１０１、回路基板１０２及び半導体素子１０３を接合した半導体ユニットの製造効率が低くなるという問題がある。
なお、ヒートシンク１０１と回路基板１０２との接合、及び、回路基板１０２と半導体素子１０３との接合を両方とも半田シートにより行う場合には、これら２つの接合を同時に行う必要があるが、従来では、ヒートシンク１０１、回路基板１０２及び半導体素子１０３の３つを同時に位置決めする手段はなく、また、リフロー処理時に溶融した２つの半田シート１０５から気泡を除去する手段もない。

この発明は、上述した事情に鑑みたものであって、順番に重ねた放熱板、回路基板及び半導体素子を半田により接合するために使用する位置決め治具ユニット、及び、これを使用した半田付け方法を提供し、半導体ユニットの製造効率を向上させると同時に、放熱板、回路基板及び半導体素子を互いに所望の位置に接合することを可能とし、さらに、放熱板、回路基板及び半導体素子の各間の接合強度向上を図ることを目的とする。

この課題を解決するために、本発明の位置決め治具ユニットは、回路基板の下面に第１半田シートを介して放熱板を半田付けすると共に、前記回路基板の上面に第２半田シートを介して半導体素子を半田付けする際に前記放熱板、前記回路基板及び前記半導体素子の位置決めに使用する位置決め治具ユニットであって、板状に形成されると共に上面から窪んで前記放熱板を保持可能な凹部を有する第１治具と、当該第１治具の上面に配される板状に形成され、厚さ方向に貫通して前記回路基板及び前記第１半田シートの側部を挿入状態で支持する基板用位置決め孔を有する第２治具と、当該第２の治具の上面に配される板状に形成され、厚さ方向に貫通して前記半導体素子及び前記第２半田シートの側部を挿入状態で支持する素子用位置決め孔を有する第３治具と、前記第１治具、前記第２治具及び前記第３治具を順番に重ねた状態で相互に固定する固定手段とを備え、前記凹部内に前記放熱板を保持した前記第１治具、前記基板用位置決め孔に前記回路基板及び前記第１半田シートを挿入した前記第２治具、及び、前記素子用位置決め孔に前記半導体素子及び前記第２半田シートを挿入した前記第３治具を順番に重ねた状態において、少なくとも前記第２治具及び前記第３治具により、前記第３治具の上面に開口して前記第１半田シート及び前記第２半田シートの側部を一括して外方に連通させる連通流路が構成されることを特徴としている。

また、本発明の半田付け方法は、前記位置決め治具ユニットを用いて前記放熱板、前記回路基板及び前記半導体素子を半田付けする方法であって、前記放熱板、前記第１半田シート、前記回路基板、前記第２半田シート及び前記半導体素子を順番に重ねた状態で前記位置決め治具ユニットに取り付ける取付工程と、当該位置決め治具ユニットを真空炉内に配置し、当該真空炉内の圧力を低下させ、前記第１半田シート及び前記第２半田シートにリフロー処理を施すことで前記放熱板と前記回路基板とを接合すると共に前記回路基板と前記半導体素子とを接合するリフロー工程と、を備えることを特徴とする。

本発明の位置決め治具ユニットを用いて放熱板、回路基板及び半導体素子を半田付けする場合には、前述した本発明の半田付け方法を実施すればよい。この場合、リフロー工程においては真空引きによって連通流路内の圧力も低下するため、溶融した第１半田シート及び第２半田シート内に含まれる気泡を同時に取り除くことができる。特に、第１半田シート及び第２半田シートの側部は、同一の連通流路によって位置決め治具ユニットの外方に連通されるため、真空引きの際に２つの半田シートの側部における圧力を揃えることができる。このため、両方の半田シートに含まれる気泡の除去効率を揃えることが可能となり、２つの半田シートから気泡を効率的に除去することができる。

また、半田付けの際に固定手段によって３つの治具を相互に固定することで、放熱板、回路基板及び半導体素子が、それぞれ凹部、基板用位置決め孔、及び、素子用位置決め孔によって相対的に位置決めされるため、これら放熱板、回路基板及び半導体素子を互いに所望の位置に接合することができる。
以上のようにして、放熱板、回路基板及び半導体素子の３つの部品を同時に接合することができるため、放熱板、回路基板及び半導体素子からなる半導体ユニットの製造効率の向上を図ることができる。

なお、前記位置決め治具ユニットにおいては、前記連通流路が、前記第２治具に形成されて、前記基板用位置決め孔の内周面に開口する複数の連通孔を備え、前記基板用位置決め孔の内周面に対する複数の連通孔の開口位置が、前記基板用位置決め孔の中心を基準点として相互に点対称となる位置に配されていてもよい。
また、前記位置決め治具ユニットにおいては、前記連通流路が、前記回路基板の上面に当接する前記第３治具の下面から窪んで形成されて、前記素子用位置決め孔の内周面に開口する複数の連通用溝を備え、前記素子用位置決め孔の内周面に対する複数の連通用溝の開口位置が、前記素子用位置決め孔の中心を基準点として相互に点対称となる位置に配されていてもよい。

これらの場合には、基板用位置決め孔や素子用位置決め孔の内周面の周方向にわたって、第１半田シートや第２半田シートの側部から均等に気泡を取り除くことができるため、リフロー処理された半田シートの厚さ寸法が回路基板や半導体素子の下面にわたってばらつくことを抑制できる。すなわち、回路基板や半導体素子の下面にわたる半田シートの厚さ寸法の均一化を図って、回路基板が放熱板に対して傾いた状態で接合されること、あるいは、半導体素子が回路基板に対して傾いた状態で接合されることを防止できる。

さらに、前記位置決め治具ユニットは、前記凹部内に前記放熱板を保持した前記第１の治具、前記基板用位置決め孔に前記回路基板及び前記第１半田シートを挿入した前記第２の治具、及び、前記素子用位置決め孔に前記半導体素子及び第２半田シートを挿入した前記第３の治具を順番に重ねた状態において、順番に重ねられた前記放熱板、前記第１半田シート、前記回路基板、前記第２半田シート及び前記半導体素子を互いに押し付けるように付勢する付勢手段を備えていてもよい。

この場合には、リフロー処理の後に真空炉内の圧力を回復させた際に半導体素子や回路基板、放熱板が互いに剥離することを防止できる。
また、リフロー処理を施す際に、溶融した第１半田シート及び第２半田シートが平滑に形成されるため、回路基板が放熱板に対して傾いた状態で接合されること、及び、半導体素子が回路基板に対して傾いた状態で接合されることを防止できる。

本発明によれば、リフロー工程において放熱板、回路基板及び半導体素子の３つの部品を同時に接合することができるため、放熱板、回路基板及び半導体素子からなる半導体ユニットの製造効率の向上を図ることができる。
また、放熱板、回路基板及び半導体素子は、位置決め治具ユニットに形成される凹部、基板用位置決め孔及び素子用位置決め孔によって相対的に位置決めされるため、これら放熱板、回路基板及び半導体素子を互いに所望の位置に接合することができる。
さらに、リフロー工程において第１半田シート及び第２半田シート内に含まれる気泡を同時に取り除くことができるため、放熱板、回路基板及び半導体素子の各間の接合強度向上を図ることができる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。
図１，２に示すように、この実施形態に係る位置決め治具ユニット１は、回路基板５の下面５ｂに第１半田シート４を介して放熱板３を半田付けすると共に、回路基板５の上面５ａに第２半田シート６を介して半導体素子７を半田付けする際に、放熱板３、回路基板５及び半導体素子７の相対的な位置決めに使用するものである。この位置決め治具ユニット１は、放熱板３、回路基板５及び半導体素子７を半田付けにより接合した半導体ユニット１０を、複数（図示例では２つ）同時に製造できるように構成されており、板状に形成された３つの治具１１，２１，３１を備えている。
なお、本実施形態において、放熱板３、回路基板５および半導体素子７は、いずれも平面視矩形の板状に形成されている。また、回路基板５の平面視面積は、放熱板３よりも小さく、半導体素子７よりも大きく形成されている。そして、第１半田シート４は回路基板５と同じ平面視形状を有し、第２半田シート６は半導体素子７と同じ平面視形状を有している。

第１治具１１は、図３，４に示すように、その上面１１ａから窪んで放熱板３を保持可能な平面視矩形状の凹部１２を複数（図示例では２つ）有して構成されている。凹部１２の深さ寸法は、放熱板３の厚さ寸法と同等に形成されている（図２参照）。なお、凹部１２の短辺寸法（図３，４においてＸ方向に沿う凹部１２の長さ寸法）及び長辺寸法（図３においてＹ方向に沿う凹部１２の長さ寸法）は、放熱板３の寸法と同等あるいは僅かに大きくに形成されており、放熱板３を凹部１２内に挿入した状態で放熱板３に応力がかからないようになっている。

さらに、この第１治具１１には、凹部１２を構成して放熱板３の側部を支持する側壁部の一部を切り欠いた切欠部１３が複数形成されている。これら切欠部１３を介して第１治具１１の側方に放熱板３の側部を露出させることで、放熱板３を第１治具１１に対して容易に出し入れすることが可能となる。なお、複数の切欠部１３は、側壁部が放熱板３の各側辺の一部を支持できるように形成されているため、切欠部１３の形成によって凹部１２に挿入された放熱板３が第１治具１１に対して位置ずれすることはない。
また、複数の凹部１２の配列方向（Ｘ方向）の両端には、第１治具１１の上面１１ａから突出する位置決めボルト１５が取り付けられている。なお、これら一対の位置決めボルト１５は、Ｙ方向に関して各凹部１２の長辺の中間位置に配置されている。

第２治具２１は、第１治具１１の上面１１ａに配されるものであり、図５，６に示すように、その厚さ方向に貫通する基板用位置決め孔２２を複数（図示例では２つ）有して構成されている。
各基板用位置決め孔２２は、これに回路基板５及び第１半田シート４を挿入した状態（図２参照）において、回路基板５及び第１半田シート４の側部を支持するように、回路基板５の平面視形状に合わせて平面視矩形状に形成されている。なお、基板用位置決め孔２２の短辺寸法（図５，６においてＸ方向に沿う基板用位置決め孔２２の長さ寸法）及び長辺寸法（図５においてＹ方向に沿う基板用位置決め孔２２の長さ寸法）は、回路基板５の寸法と同等あるいは僅かに大きくに形成されている。

また、第２治具２１には、その厚さ方向に貫通して各基板用位置決め孔２２の内周面に開口する連通孔２４が複数形成されている。これら複数の連通孔２４は、いずれも平面視で同一の曲率半径を有する円弧状に形成されている。そして、基板用位置決め孔２２の内周面に対する複数の連通孔２４の開口位置は、基板用位置決め孔２２の中心Ｏ２を基準点として相互に点対称となる位置に配されている。さらに、基板用位置決め孔２２の内周面に対する複数の連通孔２４の開口面積も互いに等しく設定されている。
なお、図示例において、連通孔２４は各基板用位置決め孔２２に対して６つ開口している。さらに詳述すれば、連通孔２４は、基板用位置決め孔２２の相対する２つ長辺の中間位置に１つずつ配され、基板用位置決め孔２２の４つの角部に１つずつ配置されている。そして、基板用位置決め孔２２の長辺の中間位置に配された連通孔２４Ａ（以下、長辺連通孔２４Ａとも呼ぶ。）は平面視で半円状に形成されている。また、角部に配された連通孔２４Ｂ（以下、角部連通孔２４Ｂとも呼ぶ。）は、その曲率中心が長辺と短辺との交点に一致しており、３／４円状に形成されている。

また、複数の基板用位置決め孔２２の配列方向（Ｘ方向）の両端には、第１治具１１に設けられた位置決めボルト１５を挿通させる挿通孔２５が形成されている。そして、図２に示すように、これら一対の挿通孔２５に位置決めボルト１５を挿通させた上で第２治具２１を第１治具１１の上面に配した状態においては、凹部１２の中心と基板用位置決め孔２２の中心Ｏ２とが重なるように位置する。

第３治具３１は、第２治具２１の上面２１ａに配されるものであり、図７，８に示すように、その厚さ方向に貫通する素子用位置決め孔３２を複数（図示例では２つ）有して構成されている。
各基板用位置決め孔２２は、これに半導体素子７及び第２半田シート６を挿入した状態（図１，２参照）において、半導体素子７及び第２半田シート６の側部を支持するように、半導体素子７の平面視形状に合わせて平面視矩形状に形成されている。なお、図示例において、半導体素子７及び基板用位置決め孔２２は、平面視正方形状に形成されている。そして、素子用位置決め孔３２の一辺の長さ寸法は、半導体素子７の寸法と同等あるいは僅かに大きくに形成されている。

また、複数の素子用位置決め孔３２の配列方向（Ｘ方向）の両端には、第２治具２１と同様に、第１治具１１に設けられた位置決めボルト１５を挿通させる挿通孔３５が形成されている。そして、これら一対の挿通孔３５に位置決めボルト１５を挿通させた上で第３治具３１を第２治具２１の上面２１ａに配した状態においては、素子用位置決め孔３２の中心Ｏ３と基板用位置決め孔２２の中心Ｏ２とが３つの治具１１，２１，３１の重ね合わせ方向に重なるように位置する。

また、第３治具３１は、回路基板５の上面５ａに当接する第３治具３１の下面３３から厚さ方向に窪んで形成され、素子用位置決め孔３２の内周面に開口する連通用溝３４を複数有して構成されている。そして、素子用位置決め孔３２の内周面に対する複数の連通用溝３４の開口位置は、素子用位置決め孔３２の中心Ｏ３を基準点として相互に点対称となる位置に配されている。また、素子用位置決め孔３２の内周面に対する複数の連通孔２４の開口面積も互いに等しく設定されている。
さらに詳細に説明すれば、各連通用溝３４は、第３治具３１の下面３３に沿って直線状に延びて形成されており、その長手方向の一端が素子用位置決め孔３２の各辺の長手方向の中間位置に開口している。また、各連通用溝３４の長手方向は、素子用位置決め孔３２の各辺に対して直交している。

また、第３治具３１には、その厚さ方向に貫通して平面視矩形状の素子用位置決め孔３２の角部の内周面に開口する円形状孔３６が同一の素子用位置決め孔３２に４つ形成されている。
さらに、第３治具３１には、厚さ方向に貫通する複数の円形孔３７が形成されている。これら複数の円形孔３７は、複数の素子用位置決め孔３２の配列方向に並べられ、相互に隣り合う円形孔３７の間に１つの素子用位置決め孔３２が位置するように配置されている。各円形孔３７の大きさは、第２治具２１の上面に第３治具３１を重ねた状態において各円形孔３７が第２治具２１の長辺連通孔２４Ａの一部に重なるように、また、各円形孔３７が基板用位置決め孔２２には重ならない程度の大きさに設定されている。

ところで、この第３治具３１においては、複数の連通用溝３４及び円形状孔３６の形成領域を含む各素子用位置決め孔３２の周縁部分３８のみが素子用位置決め孔３２の平面視形状に相似する平面視矩形の厚板状に形成されており、周縁部分３８を除く他の部分が薄板状に形成されている。なお、周縁部分３８を除く他の部分には、挿通孔３５や円形孔３７の形成領域が含まれている。
さらに詳細に説明すると、第３治具３１は、その上面からの高さ位置が相互に異なる２つの下面３３Ａ，３３Ｂを有しており、これら２つの下面３３Ａ，３３Ｂの間には第３治具３１の厚さ方向に延びる段差面３３Ｃが形成されている。そして、周縁部分３８における第３治具３１の第１下面３３Ａが、周縁部分３８を除く他の部分における第３治具３１の第２下面３３Ｂよりも下側に位置しており、第１下面３３Ａから窪んで形成される連通用溝３４の長手方向の他端が段差面３３Ｃに開口している。なお、図示例において、第１下面３３Ａから窪む連通用溝３４の底面は、第２下面３３Ｂと共に同一平面をなしているが、例えば第２下面３３Ｂとの間に段差を有していてもよい。

第３治具３１の面方向に沿う周縁部分３８の寸法は、第３治具３１を第２治具２１の上面２１ａに配した状態において、周縁部分３８が第２治具２１の基板用位置決め孔２２に入り込む程度の大きさに設定されており、この状態においては、周縁部分３８の外縁（段差面３３Ｃ）と基板用位置決め孔２２の内周面との間に隙間が生じる。
また、周縁部分３８の高さ寸法（第２下面３３Ｂから第１下面３３Ａまでの高さ寸法）は、第３治具３１を第２治具２１の上面２１ａに配した状態において、第２下面３３Ｂが第２治具２１の上面２１ａに当接すると共に、第１下面３３Ａが基板用位置決め孔２２に挿入された回路基板５の上面に当接するように設定されている（図２参照）。すなわち、周縁部分３８の高さ寸法、回路基板５の厚さ寸法及び第１半田シート４の厚さ寸法の合計が基板用位置決め孔２２の長さ寸法に一致するように設定されている。

なお、Ｙ方向に沿う第３治具３１の長さ寸法は、Ｙ方向に沿う第２治具２１の長さ寸法よりも短く、かつ、基板用位置決め孔２２の長辺寸法よりも長く設定されている。これにより、図１，２に示すように、一対の挿通孔３５に位置決めボルト１５を挿通させた上で第３治具３１を第２治具２１の上面２１ａに配した状態においては、第２治具２１の角部連通孔２４Ｂの一部が、第３治具３１によって覆われることなく直接外方に露出することになる。なお、この状態において、基板用位置決め孔２２が第３治具３１の側部から外方に露出することはない。

また、位置決め治具ユニット１は、上述した第１治具１１、第２治具２１及び第３治具３１を順番に重ねた状態で相互に固定する固定手段４１を備えている。固定手段４１は、第１治具１１に設けられた位置決めボルト１５及びこれに螺着されるナット４２によって構成されている。そして、第２治具２１及び第３治具３１の挿通孔２５，３５に位置決めボルト１５を挿通させた上で第２治具２１及び第３治具３１を第１治具１１上に順番に重ねた状態で、位置決めボルト１５にナット４２を螺着することにより、第２治具２１及び第３治具３１が第１治具１１及びナット４２によって挟み込まれ、第１治具１１上に固定されることになる。

さらに、この位置決め治具ユニット１は、凹部１２内に放熱板３を保持した第１治具１１、基板用位置決め孔２２に回路基板５及び第１半田シート４を挿入した第２治具２１、及び、素子用位置決め孔３２に半導体素子７及び第２半田シート６を挿入した第３治具３１を順番に重ねた状態において、順番に重ねられた放熱板３、第１半田シート４、回路基板５、第２半田シート６及び半導体素子７を互いに押し付けるように付勢する付勢手段を備えている。
付勢手段は、各位置決めボルト１５に挿通されると共に位置決めボルト１５に螺着されたナット４２と第３治具３１の上面との間に挟み込まれるコイルばね５２、及び、半導体素子７の上面に載置される錘５３によって構成されている。

コイルばね５２は、ナット４２と第３治具３１の上面との間に挟み込まれることで、第１治具１１を第３治具３１に向けて付勢すると共に基板用位置決め孔２２に挿入された回路基板５を放熱板３の上面に押し付けるように付勢する役割を果たしている。なお、回路基板５を放熱板３の上面に押し付ける力は、第３治具３１の上面に対するナット４２の位置を調整することで、すなわち、コイルばね５２の弾性変形量を調整することで、変化させることができる。
一方、半導体素子７の上面に載置された錘５３は、これに作用する重力によって、放熱板３、第１半田シート４、回路基板５、第２半田シート６及び半導体素子７を互いに押し付けるように付勢する役割を果たす。すなわち、３つの治具１１，２１，３１の重ね合わせ方向が鉛直方向に一致するように位置決め治具ユニット１を配することで、錘５３の重さにより半導体素子７を回路基板５に向けて押し付けると共に回路基板５を放熱板３の上面に押し付けることができる。

次に、上記構成の位置決め治具ユニット１を用いて放熱板３、回路基板５及び半導体素子７を半田付けする方法について説明する。
本実施形態の半田付け方法では、はじめに、放熱板３、第１半田シート４、回路基板５、第２半田シート６及び半導体素子７を順番に重ねた状態で位置決め治具ユニット１に取り付ける（取付工程）。
この取付工程においては、はじめに、第１治具１１の凹部１２に放熱板３を取りつけ、次いで第２治具２１の挿通孔２５に位置決めボルト１５に挿通させた上で第２治具２１を第１治具１１の上面１１ａに重ねて配置する。この状態においては、放熱板３の上面が、第２治具２１の厚さ方向に貫通して形成される基板用位置決め孔２２及び連通孔２４を介して外方に露出する。

その後、第１半田シート４及び回路基板５を順番に基板用位置決め孔２２に挿入し、さらに第３治具３１の挿通孔３５に位置決めボルト１５に挿通させた上で第３治具３１を第２治具２１の上面に重ねて配置する。
この状態においては、回路基板５の上面５ａの中央部分のみが素子用位置決め孔３２及び円形状孔３６を介して外方に露出し、回路基板５の上面５ａの周縁部分は、第３治具３１によって覆い隠される。

そして、この状態においては、図１，１０に示すように、第２治具２１の角部連通孔２４Ｂの一部が外方に直接露出するため、角部に位置する第１半田シート４及び回路基板５の側部は角部連通孔２４Ｂのみを介して外方に連通することになる。
一方、図１，９に示すように、第２治具２１の長辺連通孔２４Ａの一部は円形孔３７と厚さ方向に重なるため、長辺の中間に位置する第１半田シート４及び回路基板５の側部は長辺連通孔２４Ａ及び円形孔３７を介して外方に連通することになる。なお、別個の基板用位置決め孔２２に形成されて相互に隣り合う２つの長辺連通孔２４Ａは、２つの素子用位置決め孔３２の間に形成された同一の円形孔３７Ａと厚さ方向に重なる。このため、第２治具２１の２つの基板用位置決め孔２２に挿入された第１半田シート４及び回路基板５の側部は、前述した２つの長辺連通孔２４Ａ及び同一の円形孔３７を介して外方に連通することになる。

さらに、この状態においては、図９，１０に示すように、第３治具３１の第１下面３３Ａが回路基板５の上面５ａに当接するため、回路基板５の上面５ａと連通用溝３４とによって中空の第１空洞部６１が画成される。また、第３治具３１の第２下面３３Ｂが第２治具２１の上面２１ａに当接すると共に、回路基板５の上面５ａと第３治具３１の第２下面３３Ｂとの間には隙間が形成されるため、回路基板５の上面５ａ、第２治具２１の基板用位置決め孔２２、並びに、第３治具３１の第２下面３３Ｂ及び段差面３３Ｃによって、平面視矩形環状に形成された中空の第２空洞部６２が画成されることになる。
ここで、第１空洞部６１は、連通用溝３４の一端によって素子用位置決め孔３２の内周面に開口し、連通用溝３４の他端によって第２空洞部６２に連通している。また、第２空洞部６２は、複数の連通孔２４に連通している。

最後に、第２半田シート６及び半導体素子７を順番に各素子用位置決め孔３２に挿入すると共に各位置決めボルト１５にコイルばね５２及びナット４２を取り付け、さらに各半導体素子７上に錘５３を載置することで取付工程が完了する。
この状態においては、回路基板５の上面５ａが半導体素子７によって覆い隠されるため、第３治具３１の円形状孔３６のみを介して外方に露出することになる。

さらに、この状態においては、図９に示すように、各辺の長手方向の中間に位置する第２半田シート６及び半導体素子７の側部が、前述した第１空洞部６１、第２空洞部６２、第２治具２１の長辺連通孔２４Ａ、及び、第３治具３１の円形孔３７を介して外方に連通することになる。
ここで、長辺連通孔２４Ａは、前述したように、長辺の中間に位置する第１半田シート４及び回路基板５の側部も外方に連通させる役割も果たしていることから、長辺連通孔２４Ａ、第１空洞部６１、第２空洞部６２及び円形孔３７によって、第３治具３１の上面に開口して第１半田シート４及び第２半田シート６の側部を一括して外方に露出させる第１連通流路７１が構成されることになる。

また、各辺の中間に位置する第２半田シート６及び半導体素子７の側部は、図１０に示すように、第１空洞部６１、第２空洞部６２及び角部連通孔２４Ｂを介しても外方に連通することになる。
ここで、角部連通孔２４Ｂは、前述したように、角部に位置する第１半田シート４及び回路基板５の側部も外方に連通させる役割も果たしていることから、角部連通孔２４Ｂ、第１空洞部６１及び第２空洞部６２によって、第２治具２１の上面２１ａに開口して第１半田シート４及び第２半田シート６の側部を一括して外方に露出させる第２連通流路７２が構成されることになる。
なお、これら第１連通流路７１及び第２連通流路７２は、同一の第２空洞部６２によって相互に連通している。

上述した取付工程の後には、位置決め治具ユニット１を真空炉内に配置し、真空炉内の圧力を低下させ、第１半田シート４及び第２半田シート６にリフロー処理を施すことで放熱板３と回路基板５とを接合すると共に回路基板５と半導体素子７とを接合すればよい（リフロー工程）。このリフロー工程においては、真空炉内の真空引きによって第１連通流路７１内及び第２連通流路７２内の圧力も低下するため、溶融した第１半田シート４及び第２半田シート６内に含まれる気泡を同時に取り除くことができる。

以上説明したように、上記実施形態による位置決め治具ユニット１、及び、これを用いた半田付け方法によれば、第１半田シート４及び第２半田シート６の側部が、同一の第１連通流路７１及び第２連通流路７２によって位置決め治具ユニット１の外方に連通されるため、リフロー工程において真空引きする際に２つの半田シート４，６の側部における圧力を揃えることができる。このため、両方の半田シート４，６に含まれる気泡の除去効率を揃えることが可能となる。したがって、２つの半田シート４，６から気泡を効率的に除去することができ、放熱板３、回路基板５及び半導体素子７の各間の接合強度向上を図ることができる。
また、上述したように、放熱板３、回路基板５及び半導体素子７の３つの部品を同時に接合することができるため、放熱板３、回路基板５及び半導体素子７からなる半導体ユニット１０の製造効率の向上を図ることができる。
さらに、放熱板３、回路基板５及び半導体素子７は、位置決め治具ユニット１に形成される凹部１２、基板用位置決め孔２２及び素子用位置決め孔３２によって相対的に位置決めされるため、これら放熱板３、回路基板５及び半導体素子７を互いに所望の位置に接合することができる。

また、基板用位置決め孔２２の内周面に対する複数の連通孔２４の開口位置が、基板用位置決め孔２２の中心Ｏ２を基準点として相互に点対称となる位置に配されているため、真空引きの際に基板用位置決め孔２２の内周面の周方向にわたって、第１半田シート４の側部から均等に気泡を取り除くことができる。したがって、リフロー処理された第１半田シート４の厚さ寸法が回路基板５の下面５ｂにわたってばらつくことを抑制できる。すなわち、回路基板５の下面５ｂにわたってリフロー処理された第１半田シート４（第１半田フィレット）の厚さ寸法の均一化を図って、回路基板５が放熱板３に対して傾いた状態で接合されることを防止できる。
さらに、素子用位置決め孔３２の内周面に対する複数の連通用溝３４の開口位置も、素子用位置決め孔３２の中心を基準点として相互に点対称となる位置に配されているため、真空引きの際に素子用位置決め孔３２の内周面の周方向にわたって、第２半田シート６の側部から均等に気泡を取り除くことができる。したがって、リフロー処理された第２半田シート６（第２半田フィレット）の厚さ寸法も、第１半田シート４と同様に、半導体素子７の下面にわたってばらつくことを抑制でき、その結果として、半導体素子７が回路基板５に対して傾いた状態で接合されることを防止できる。

また、リフロー処理後には真空炉内の圧力を回復させるが、この際には、放熱板３、回路基板５及び半導体素子７を相互に離間させようとする力が生じる。ここで、本実施形態の位置決め治具ユニット１は、放熱板３、第１半田シート４、回路基板５、第２半田シート６及び半導体素子７を互いに押し付けるように付勢する付勢手段を備えているため、リフロー処理後の圧力回復時に放熱板３、回路基板５及び半導体素子７が互いに剥離することを防止できる。
さらに、上記付勢手段が設けられていることで、リフロー工程におけるボイドの除去効率をさらに向上させることができる。

また、放熱板３と回路基板５とにより第１半田シート４を挟み込む力や回路基板５と半導体素子７とにより第２半田シート６を挟み込む力は付勢手段の付勢力に基づいているが、この付勢手段による付勢力が過度に強い場合には、リフロー工程において溶融した半田シート４，６が回路基板５や半導体素子７の下面の外側にはみ出してしまう。ここで、本実施形態の位置決め治具ユニット１では、付勢手段としてコイルばね５２や錘５３を使用しているため、溶融した半田シート４，６が回路基板５や半導体素子７の下面の外側にはみ出さないように、付勢手段の付勢力を容易に調整することができる。すなわち、コイルばね５２の弾性変形量はナット４２を回転させるだけで容易に調整することができ、また、半導体素子７上に載置する錘５３の重さも容易に変更することができる。

さらに、付勢手段の付勢力によって放熱板３と回路基板５とにより第１半田シート４が挟み込まれると共に、回路基板５と半導体素子７とにより第２半田シート６が挟み込まれるため、リフロー工程においては、溶融した半田シート４，６が平滑に形成されることになる。したがって、回路基板５が放熱板３に対して傾いた状態で接合されること、及び、半導体素子７が回路基板５に対して傾いた状態で接合されることも防止できる。
また、位置決めボルト１５、ナット４２及びコイルばね５２によって３つの治具１１，２１，３１を相互に押し付けるように固定することで、仮にリフロー工程において３つの治具１１，２１，３１が熱変形して３つの治具１１，２１，３１に反り等が生じたとしても、第１治具１１と第２治具２１との間、及び、第２治具２１と第３治具３１との間に余分な隙間が生じることを防止できる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲はこれに限定されることはなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、第３治具３１の下面３３は、素子用位置決め孔３２の周縁部分３８と他の部分との間で段差が生じるように形成されるとしたが、連通用溝３４が第２治具２１の連通孔２４と共に第１半田シート４及び第２半田シート６の側部を一括して第３治具３１の上面から外方に連通させる連通流路７１を構成するように形成されていれば、例えば周縁部分３８と他の部分とにわたって平坦面に形成されていてもよい。この場合、連通用溝３４は、例えば第２治具２１の連通孔２４に直接連通するように形成されてもよいし、連通孔２４に連通する第３治具３１の円形孔３７に連通するように形成されていてもよい。

さらに、第２治具２１の角部連通孔２４Ｂは、第２治具２１の上面２１ａから直接外方に露出するとしたが、例えば長辺連通孔２４Ａと同様に、第３治具３１の円形孔３７を介して外方に露出するとしてもよい。
また、上記実施形態のリフロー工程においては、真空炉内の圧力を低下させる際に真空炉内のエアーを位置決め治具ユニット１の下方側から吸引してもよい。この場合には、位置決め治具ユニット１の上方から下方に向かう気流が発生するため、この気流によって半導体素子７及び回路基板５を放熱板３に向けて押さえつけることができる。したがって、上記実施形態の付勢手段によって得られる効果と同様に、リフロー工程におけるボイドの除去効率をさらに向上させることができる。

また、上記実施形態においては、回路基板５の平面視面積が放熱板３よりも小さく、半導体素子７よりも大きく形成された構成に適用して説明したが、本発明に係る位置決め治具ユニットは、放熱板３及び回路基板５の平面視面積が相互に異なると共に回路基板５及び半導体素子７の平面視面積が相互に異なる構成に適用することが可能であり、また、放熱板３、回路基板５及び半導体素子７の平面視面積が相互に等しい構成にも適用することができる。

本発明の一実施形態である位置決め治具ユニットに放熱板、回路基板及び半導体素子を取り付けた状態を示す概略平面図である。 図１のＡ−Ａ矢視断面図である。 図１の位置決め治具ユニットを構成する第１治具を示す概略平面図である。 図３のＢ−Ｂ矢視断面図である。 図１の位置決め治具ユニットを構成する第２治具を示す概略平面図である。 図５のＣ−Ｃ矢視断面図である。 図１の位置決め治具ユニットを構成する第３治具を示す概略平面図である。 図７のＤ−Ｄ矢視断面図である。 図１の位置決め治具ユニットにおいて、第１連通流路を示す拡大断面図である。 図１の位置決め治具ユニットにおいて、第２連通流路を示す拡大断面図である。 回路基板の上面に半導体素子を接合する従来の半田付け方法の一例を示す概略断面図である。

符号の説明

１ 位置決め治具ユニット
３ 放熱板
４ 第１半田シート
５ 回路基板
５ａ 上面
５ｂ 下面
６ 第２半田シート
７ 半導体素子
１１ 第１治具
１１ａ 上面
１２ 凹部
２１ 第２治具
２１ａ 上面
２２ 基板用位置決め孔
２４ 連通孔
３１ 第３治具
３２ 素子用位置決め孔
３４ 連通用溝
４１ 固定手段
５２ コイルばね（付勢手段）
５３ 錘（付勢手段）
Ｏ２ 基板用位置決め孔２２の中心
Ｏ３ 素子用位置決め孔３２の中心

Claims (5)

1. 回路基板の下面に第１半田シートを介して放熱板を半田付けすると共に、前記回路基板の上面に第２半田シートを介して半導体素子を半田付けする際に前記放熱板、前記回路基板及び前記半導体素子の位置決めに使用する位置決め治具ユニットであって、
   板状に形成されると共に上面から窪んで前記放熱板を保持可能な凹部を有する第１治具と、当該第１治具の上面に配される板状に形成され、厚さ方向に貫通して前記回路基板及び前記第１半田シートの側部を挿入状態で支持する基板用位置決め孔を有する第２治具と、当該第２の治具の上面に配される板状に形成され、厚さ方向に貫通して前記半導体素子及び前記第２半田シートの側部を挿入状態で支持する素子用位置決め孔を有する第３治具と、前記第１治具、前記第２治具及び前記第３治具を順番に重ねた状態で相互に固定する固定手段とを備え、
   前記凹部内に前記放熱板を保持した前記第１治具、前記基板用位置決め孔に前記回路基板及び前記第１半田シートを挿入した前記第２治具、及び、前記素子用位置決め孔に前記半導体素子及び前記第２半田シートを挿入した前記第３治具を順番に重ねた状態において、少なくとも前記第２治具及び前記第３治具により、前記第３治具の上面に開口して前記第１半田シート及び前記第２半田シートの側部を一括して外方に連通させる連通流路が構成されることを特徴とする位置決め治具ユニット。
2. 前記連通流路が、前記第２治具に形成されて、前記基板用位置決め孔の内周面に開口する複数の連通孔を備え、
   前記基板用位置決め孔の内周面に対する複数の連通孔の開口位置が、前記基板用位置決め孔の中心を基準点として相互に点対称となる位置に配されていることを特徴とする請求項１に記載の位置決め治具ユニット。
3. 前記連通流路が、前記回路基板の上面に当接する前記第３治具の下面から窪んで形成されて、前記素子用位置決め孔の内周面に開口する複数の連通用溝を備え、
   前記素子用位置決め孔の内周面に対する複数の連通用溝の開口位置が、前記素子用位置決め孔の中心を基準点として相互に点対称となる位置に配されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の位置決め治具ユニット。
4. 前記凹部内に前記放熱板を保持した前記第１の治具、前記基板用位置決め孔に前記回路基板及び前記第１半田シートを挿入した前記第２の治具、及び、前記素子用位置決め孔に前記半導体素子及び第２半田シートを挿入した前記第３の治具を順番に重ねた状態において、順番に重ねられた前記放熱板、前記第１半田シート、前記回路基板、前記第２半田シート及び前記半導体素子を互いに押し付けるように付勢する付勢手段を備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の位置決め治具ユニット。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の位置決め治具ユニットを用いて前記放熱板、前記回路基板及び前記半導体素子を半田付けする半田付け方法であって、
   前記放熱板、前記第１半田シート、前記回路基板、前記第２半田シート及び前記半導体素子を順番に重ねた状態で前記位置決め治具ユニットに取り付ける取付工程と、
   当該位置決め治具ユニットを真空炉内に配置し、当該真空炉内の圧力を低下させ、前記第１半田シート及び前記第２半田シートにリフロー処理を施すことで前記放熱板と前記回路基板とを接合すると共に前記回路基板と前記半導体素子とを接合するリフロー工程と、を備えることを特徴とする半田付け方法。

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