JP5659611B2 - 半導体装置の製造方法および半田付け用治具 - Google Patents
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Description
1.パワーモジュール
参考例および本実施の形態で製造されるパワーモジュール1の断面図を図1に示す。パワーモジュール1は,両面冷却型の半導体装置である。パワーモジュール1は,図1に示すように,パワー素子10と,ブロック電極20と,素子下電極30と,素子上電極40と,半田50,60,70とを有している。
参考例の半田付け用治具100の断面図を図2に示す。半田付け用治具100は,パワー素子10等の半田付けを行う際に用いられる治具である。その半田付けを行う際の加熱方法として,加熱プレート等を用いる伝熱方式,赤外線等を用いる輻射方式,高温の雰囲気中に曝して加熱する対流方式のいずれの方式をも用いることができる。もちろん,これらを適宜組み合わせてもよい。
パワーモジュール1の製造方法について説明する。参考例のパワーモジュール1の製造方法は,半田付け用治具100を用いるものである。
まず,パワー素子10等の各部品を素子下電極30に半田付けする(素子下電極接合工程)。この素子下電極接合工程は,第1の半田付け工程である。この工程では,必ずしも前述の半田付け用治具100を用いる必要はない。
続いて,図3に示した,各部を積層して半田付けした半田接合体に,さらに素子上電極40を半田付けする(素子上電極接合工程)。この工程では,半田付け用治具100を用いる。そのため,図4に示すように,蓋部材112の上に図3に示した素子下電極30,パワー素子10,ブロック電極20の接合体を載置する。
ここで,参考例の半導体装置の製造方法と従来の半導体装置の製造方法との比較について,図6により説明する。図6は,半田50における温度の時間変化を示すグラフである。横軸は時間である。縦軸は半田50の温度である。
0は溶融しない。
上記の例では,温度制御部材111として半田の融点より低い融点の材質のものを用いた。しかし,半田の融点と同じ融点である同融点温度制御部材を用いてもよい。例えば半田付けに用いる半田と同じ種類の半田を用いることができる。その場合であっても,既に半田付けされた半田が過熱されることを防止することができる。つまり,ボイドの発生や半田の飛散等を防止できる。
以上,詳細に説明したように,参考例に係る半田付け用治具100は,半田の融点よりも低い融点である温度制御部材111を下側基材110の凹部115の内部に有している。
第1の実施形態について説明する。本形態に係るパワーモジュールの製造方法は,参考例のパワーモジュールの製造方法とほぼ同様である。参考例と異なる点は,温度制御部材111として,溶融した状態の体積が固体のときの体積よりも小さいものを用いることである。
本形態の半田付け用治具200は,図7に示すように,図2に示した半田付け用治具100とほぼ同様である。異なる点は,下側基材110と蓋部材112との間に配置される温度制御部材211の材質である。温度制御部材211の液体での体積は,固体での体積よりも小さい。
2−1.可動蓋
ここで,本形態の変形例について説明する。本形態の半田付け用治具200では,下側基材110と蓋部材112とは固定されていた。そのため,温度制御部材211が配置されている空間は密閉状態であった。しかし,蓋部材を可動にしてもよい。すなわち,下側基材と,蓋部材とを固定しないのである。
ここで,本形態の別の変形例について説明する。前述のように蓋部材312を可動とする代わりに,蓋部材そのものが変形することとしてもよい。このようにしても,蓋部材から素子下電極30への伝熱経路がほとんど遮断されることに変わりないからである。
以上,詳細に説明したように,本実施の形態に係る半田付け用治具200は,半田の融点よりも低い融点である温度制御部材211を下側基材110の凹部の内部に有している。温度制御部材211の液体状態での体積は,固体状態での体積よりも小さい。そのため,温度制御部材211の融解の開始により,蓋部材112から素子下電極30への熱伝導はほとんどなくなる。よって,既に半田付けを行った半田が再度溶融するおそれがない。これにより,半田付け時の加熱によって,既に半田付けした半田を溶融させるおそれのない半田付け用治具が実現されている。
第2の実施形態について説明する。本形態に係る半導体装置の製造方法は,参考例の半導体装置の製造方法とほぼ同様である。本形態が参考例と異なる点は,温度制御部材が下側基材にも上側基材にも設けられていることである。
本形態の半田付け用治具500は,図10に示すように,下側基材110と上側基材520とを有している。下側基材110の凹部には温度制御部材111が配置されている。そして,上側基材520の凹部にも温度制御部材521が配置されている。すなわち,半田付け用治具500は,下側からの加熱の際に,温度制御部材111により温度制御を行うことができるものであるとともに,上側からの加熱の際にも,温度制御部材521により温度制御を行うことができるものである。
材質 融点
半田 SnCu 227℃程度
温度制御部材111 SnAgCu 217〜224℃
温度制御部材521 SnSb 232〜240℃
本形態の半田付け用治具500を用いたパワーモジュールの製造方法は,参考例のものとほぼ同様である。本形態のパワーモジュールの製造方法では,半田付け用治具500を用いることにより,加熱を行う両側で温度制御を行うことができる。そのため,参考例よりも強い加熱を行っても,好適な半田付けを行うことができる。すなわち,本形態のパワーモジュールの製造方法は,参考例のパワーモジュールの製造方法より,サイクルタイムを短いものとすることができる。
本形態では,下側基材110の凹部に半田の融点より低い融点の温度制御部材111を配置するとともに,上側基材520の凹部に半田の融点より高い融点の温度制御部材521を配置することとした。しかし,下側基材110に半田の融点より高い融点の高融点温度制御部材を配置するとともに,上側基材520に半田の融点より低い融点の低融点温度制御部材を配置することとしても良い。
以上,詳細に説明したように,本実施の形態に係る半田付け用治具500は,下側基材110に温度制御部材111を備えるとともに,上側基材520にも温度制御部材521を備えるものである。そのため,既に半田付けを行った半田50を溶融させないで半田70の半田付けを行うことができるとともに,半田70を好適な温度条件で半田付けすることができる。これにより,好適な半田付けを行うことのできる半田付け用治具が実現されている。
第3の実施形態について説明する。参考例から第2の実施形態にかけて説明したパワーモジュールの製造方法により製造されるパワーモジュール1は,両面冷却式の半導体装置であった。本形態の半導体装置の製造方法により製造されるパワーモジュールは,片面冷却式の半導体装置である。
本形態で製造されるパワーモジュール2を図11に示す。パワーモジュール2は片面冷却式の半導体装置である。パワーモジュール2は,パワー素子11と,基板80と,半田90とを有している。パワー素子11は,IGBT等の半導体素子である。基板80は,絶縁基板である。回路の形成された回路基板であっても適用できる。パワー素子11と基板80とは半田90により接合されている。
本形態の半田付け用治具600を図12に示す。図12は,半田付け用治具600の平面図である。半田付け用治具600は,図12に示すように,下側基材610と,上側基材620とを有している。
本形態のパワーモジュールの製造方法は,参考例のパワーモジュールの製造方法とほぼ同様である。異なる点は,半田付け時の熱伝導経路である。よって,半田付け時の熱伝導経路について説明する。
4−1.蓋部材
本形態では,参考例と同様に密閉した温度制御部材111を用いることとした。しかし,第1の実施形態で説明したような断熱効果を有する構成にしてもよい。つまり,温度制御部材211を用いることができる。その場合には,固定された蓋部材112(図7),可動である蓋部材312(図8),変形可能な蓋部材412(図9)を用いることができる。
本形態では,下側基材610に温度制御部材611を設けた。しかし,図14に示すように,パワー素子11の上部に温度制御部材を設けることとしてもよい。図14に示す半田付け用治具700は,下側基材710と,上側基材720と,素子上部材730とを有している。素子上部材730の凹部には,温度制御部材731と,蓋部材732とが設けられている。
また,図15に示すように,上側基材820そのものに温度制御部材831を設けるようにしてもよい。半田付け用治具800は,図15に示すように,下側基材810と上側基材820とを有している。上側基材820には,温度制御部材831と蓋部材832とが設けられている。
その他に,第2の実施形態で説明したように,下側基材610と上側基材620との両方に,温度制御部材を配置することとしてもよい。その場合には,上側基材620の側の配置する温度制御部材として,半田90の融点より高いものを用いるとよい。
以上,詳細に説明したように,本実施の形態に係る半田付け用治具600は,片面冷却式の半導体装置の製造に用いることのできるものである。半田付け用治具600は,下側基材610の凹部に温度制御部材611を備えるものである。そのため,半田付けを好適に行うことができる半田付け用治具600が実現されている。
第4の実施形態について説明する。本形態で製造するパワーモジュールは,第3の実施形態で製造したパワーモジュール2と同様である。すなわち,片面冷却式の半導体装置である。本形態が参考例から第3の実施形態までと異なる点は,温度制御部材の材質である。本形態の温度制御部材は,大気圧下の常温で液体であり,大気圧下の半田付け温度で気体である。または,常温で固体であっても,半田の融点付近の温度で気体である物質であってもよい。
本形態の半田付け用治具900の断面図を図16に示す。半田付け用治具900は,下側基材910と,上側基材920と,チャンバー950とを有している。下側基材910は,温度制御部材911と,蓋部材912とを有している。また,下側基材910には,貫通孔913が設けられている。
2−1.上部に温度制御部材(その1)
本形態では,下側基材910に温度制御部材911を設けた。しかし,パワー素子11の上側に温度制御部材を設けてもよい。図17に示す半田付け用治具1000は,下側基材1010と,上側基材1020と,素子上部材1030とを有している。素子上部材1030の凹部には,温度制御部材1031と,蓋部材1032とが配置されている。蓋部材1032には,貫通孔1033が形成されている。貫通孔1033は,気化した還元性ガスをチャンバー1050の内部に流入させるためのものである。このようにしても,半田90の温度を制御することができることに変わりない。また,各部品の表面の酸化皮膜を除去できることに変わりない。
また,図18に示すような半田付け用治具1100を用いてもよい。半田付け用治具1100は,下側基材1010と,上側基材1120と,チャンバー1050とを有している。上側基材1120の凹部には,温度制御部材1121と,蓋部材1122とが配置されている。蓋部材1122には,貫通孔1123が形成されている。貫通孔1123は,気化した還元性ガスをチャンバー1050の内部に流入させるためのものである。このようにしても,半田90の温度を制御することができることに変わりない。また,各部品の表面の酸化皮膜を除去できることに変わりない。
その他に,第3の実施形態で説明したように,下側基材と上側基材との両方に,温度制御部材を配置することとしてもよい。その場合には,上側基材の側の配置する温度制御部材として,半田90の融点より高いものを用いるとよい。
以上,詳細に説明したように,本実施の形態に係る半田付け用治具900は,半田の融点付近に沸点がある温度制御部材911を用いるものである。そのため,半田が過熱するおそれがほとんどない。また,気化した温度制御部材は,還元性である。そのため,各部品の酸化皮膜を除去することができる。つまり,還元ガスを別途供給する必要はない。これにより,好適に半田付けをすることのできる半田付け用治具900が実現されている。
10,11…パワー素子
20…ブロック電極
30…素子下電極
40…素子上電極
50,60,70,90…半田
80…基板
81…上面
82…下面
100,200,300,400,500,600,700,800,900,1000,1100…半田付け用治具
110,310,410,610,710…下側基材
111,211,521,611,731,831…温度制御部材
112,312,412,522,612,732,832…蓋部材
120,520,620,720,820…上側基材
130…高さ決めピン
630…位置決めピン
730…素子上部材
Claims (13)
- 半田付け対象部品を載置するための下側部と,
前記半田付け対象部品の上側に載置される上側部とを有する半田付け用治具であって,
前記下側部と前記上側部との少なくとも一方は,
所定の温度で溶融する温度制御部材と,
前記温度制御部材の融点よりも高い融点の材質の部材であって,前記温度制御部材と前記半田付け対象部品との間に配置される中間部材とを有し,
前記下側部と前記上側部との一方に配置された第1の温度制御部材と,
前記下側部と前記上側部との他方に配置された第2の温度制御部材とを有し,
前記第1の温度制御部材は,
半田付けに用いられる半田の融点より低い融点である低融点温度制御部材であり,
前記第2の温度制御部材は,
半田付けに用いられる半田の融点より高い融点である高融点温度制御部材であることを特徴とする半田付け用治具。 - 請求項1に記載の半田付け用治具であって,
前記温度制御部材は,
溶融後の体積が溶融前の体積よりも小さい材質のものであり,
前記中間部材は,
前記下側部または前記上側部の基材に固定されている高剛性部材であることを特徴とする半田付け用治具。 - 半田付け対象部品を載置するための下側部と,
前記半田付け対象部品の上側に載置される上側部とを有する半田付け用治具であって,
前記下側部と前記上側部との少なくとも一方は,
所定の温度で溶融する温度制御部材と,
前記温度制御部材の融点よりも高い融点の材質の部材であって,前記温度制御部材と前記半田付け対象部品との間に配置される中間部材とを有し,
前記温度制御部材は,
溶融後の体積が溶融前の体積よりも小さい材質のものであり,
前記中間部材は,
前記下側部または前記上側部の基材に固定されているとともに,前記温度制御部材の溶融により弾性変形する材質のものであることを特徴とする半田付け用治具。 - 半田付け対象部品を載置するための下側部と,
前記半田付け対象部品の上側に載置される上側部とを有する半田付け用治具であって,
前記下側部と前記上側部との少なくとも一方は,
所定の温度で溶融する温度制御部材と,
前記温度制御部材の融点よりも高い融点の材質の部材であって,前記温度制御部材と前記半田付け対象部品との間に配置される中間部材とを有し,
前記温度制御部材は,
溶融後の体積が溶融前の体積よりも小さい材質のものであり,
前記中間部材は,
前記下側部または前記上側部の基材に固定されていないものであるとともに,
前記半田付け対象部品から遠ざかる向きに移動可能なものであることを特徴とする半田付け用治具。 - 半田付け対象部品を載置するための下側部と,
前記半田付け対象部品の上側に載置される上側部とを有する半田付け用治具であって,
前記下側部と前記上側部との少なくとも一方は,
所定の温度で溶融する温度制御部材と,
前記温度制御部材の融点よりも高い融点の材質の部材であって,前記温度制御部材と前記半田付け対象部品との間に配置される中間部材とを有し,
前記温度制御部材として,
所定の温度で溶融する材質のものに代えて所定の温度で気化する材質のものを用い,
前記温度制御部材は,
気化した状態で還元性を備える還元性ガスとなるものであり,
前記温度制御部材の配置されている箇所から前記半田付け対象部品の載置されている箇所まで達する貫通孔が形成されていることを特徴とする半田付け用治具。 - 半導体素子を第1の基材に半田付けして第1の半田接合体とする第1の半田付け工程と,第2の基材を前記第1の半田接合体に半田付けして両面冷却型の半導体装置とする第2の半田付け工程とを有する半導体装置の製造方法であって,
前記第2の半田付け工程では,
前記第1の基材の側と前記第2の基材の側との少なくとも一方に,所定の温度で溶融する温度制御部材と,前記温度制御部材の融点よりも高い融点の材質の部材であって前記第1の基材と前記第2の基材との少なくとも一方と前記温度制御部材との間に配置される中間部材とを有する第2の半田付け用治具を用い,
前記第1の基材と前記第2の基材との少なくとも一方と前記温度制御部材との間に中間部材が位置するように前記第1の基材または前記第2の基材を配置し,
その状態で加熱して半田付けを行い,
前記第2の半田付け用治具は,
前記第1の基材の側と前記第2の基材の側との一方の側に,
半田付けに用いる半田の融点より低い融点である低融点温度制御部材を備えると
ともに,
前記第1の基材の側と前記第2の基材の側との他方の側に,
半田付けに用いる半田の融点より高い融点である高融点温度制御部材を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項6に記載の半導体装置の製造方法であって,
前記高融点温度制御部材以外の前記温度制御部材として,
溶融後の体積が溶融前の体積よりも小さい材質のものを用い,
前記中間部材として,
前記第1の基材と前記第2の基材との少なくとも一方に固定されている高剛性部材を備える治具を用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 半導体素子を第1の基材に半田付けして第1の半田接合体とする第1の半田付け工程を有する半導体装置の製造方法であって,
前記第1の半田付け工程では,
所定の温度で溶融する温度制御部材と,前記温度制御部材の融点よりも高い融点の材質の部材であって,前記温度制御部材と前記第1の基材との間に配置される中間部材とを有する第1の半田付け用治具を用い,
前記温度制御部材と前記第1の基材との間に中間部材が位置するように前記第1の基材を配置し,
その状態で加熱して半田付けを行い,
前記温度制御部材として,
溶融後の体積が溶融前の体積よりも小さい材質のものを用い,
前記中間部材として,
前記第1の基材に固定されているとともに,前記温度制御部材の溶融により弾性変形する材質のものを備える治具を用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 半導体素子を第1の基材に半田付けして第1の半田接合体とする第1の半田付け工程と,第2の基材を前記第1の半田接合体に半田付けして両面冷却型の半導体装置とする第2の半田付け工程とを有する半導体装置の製造方法であって,
前記第2の半田付け工程では,
前記第1の基材の側と前記第2の基材の側との少なくとも一方に,所定の温度で溶融する温度制御部材と,前記温度制御部材の融点よりも高い融点の材質の部材であって前記第1の基材と前記第2の基材との少なくとも一方と前記温度制御部材との間に配置される中間部材とを有する第2の半田付け用治具を用い,
前記第1の基材と前記第2の基材との少なくとも一方と前記温度制御部材との間に中間部材が位置するように前記第1の基材または前記第2の基材を配置し,
その状態で加熱して半田付けを行い,
前記温度制御部材として,
溶融後の体積が溶融前の体積よりも小さい材質のものを用い,
前記中間部材として,
前記第1の基材と前記第2の基材との少なくとも一方に固定されているとともに,前記温度制御部材の溶融により弾性変形する材質のものを備える治具を用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 半導体素子を第1の基材に半田付けして第1の半田接合体とする第1の半田付け工程を有する半導体装置の製造方法であって,
前記第1の半田付け工程では,
所定の温度で溶融する温度制御部材と,前記温度制御部材の融点よりも高い融点の材質の部材であって,前記温度制御部材と前記第1の基材との間に配置される中間部材とを有する第1の半田付け用治具を用い,
前記温度制御部材と前記第1の基材との間に中間部材が位置するように前記第1の基材を配置し,
その状態で加熱して半田付けを行い,
前記温度制御部材として,
溶融後の体積が溶融前の体積よりも小さい材質のものを用い,
前記中間部材として,
前記半田付け対象部品から遠ざかる向きに移動可能なものを備える治具を用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 半導体素子を第1の基材に半田付けして第1の半田接合体とする第1の半田付け工程と,第2の基材を前記第1の半田接合体に半田付けして両面冷却型の半導体装置とする第2の半田付け工程とを有する半導体装置の製造方法であって,
前記第2の半田付け工程では,
前記第1の基材の側と前記第2の基材の側との少なくとも一方に,所定の温度で溶融する温度制御部材と,前記温度制御部材の融点よりも高い融点の材質の部材であって前記第1の基材と前記第2の基材との少なくとも一方と前記温度制御部材との間に配置される中間部材とを有する第2の半田付け用治具を用い,
前記第1の基材と前記第2の基材との少なくとも一方と前記温度制御部材との間に中間部材が位置するように前記第1の基材または前記第2の基材を配置し,
その状態で加熱して半田付けを行い,
前記温度制御部材として,
溶融後の体積が溶融前の体積よりも小さい材質のものを用い,
前記中間部材として,
前記半田付け対象部品から遠ざかる向きに移動可能なものを備える治具を用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 半導体素子を第1の基材に半田付けして第1の半田接合体とする第1の半田付け工程を有する半導体装置の製造方法であって,
前記第1の半田付け工程では,
所定の温度で溶融する温度制御部材と,前記温度制御部材の融点よりも高い融点の材質の部材であって,前記温度制御部材と前記第1の基材との間に配置される中間部材とを有する第1の半田付け用治具を用い,
前記温度制御部材と前記第1の基材との間に中間部材が位置するように前記第1の基材を配置し,
その状態で加熱して半田付けを行い,
前記温度制御部材として,
所定の温度で溶融する材質のものに代えて所定の温度で気化する材質のものであるとともに,その気化したガスが還元性を備えるものを用い,
前記第1の半田付け用治具として,
前記温度制御部材の配置されている箇所から前記1の半田接合体となる構成が載置されている箇所まで達する貫通孔が形成されているものを用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 半導体素子を第1の基材に半田付けして第1の半田接合体とする第1の半田付け工程と,第2の基材を前記第1の半田接合体に半田付けして両面冷却型の半導体装置とする第2の半田付け工程とを有する半導体装置の製造方法であって,
前記第2の半田付け工程では,
前記第1の基材の側と前記第2の基材の側との少なくとも一方に,所定の温度で溶融する温度制御部材と,前記温度制御部材の融点よりも高い融点の材質の部材であって前記第1の基材と前記第2の基材との少なくとも一方と前記温度制御部材との間に配置される中間部材とを有する第2の半田付け用治具を用い,
前記第1の基材と前記第2の基材との少なくとも一方と前記温度制御部材との間に中間部材が位置するように前記第1の基材または前記第2の基材を配置し,
その状態で加熱して半田付けを行い,
前記温度制御部材として,
所定の温度で溶融する材質のものに代えて所定の温度で気化する材質のものであるとともに,その気化したガスが還元性を備えるものを用い,
前記第2の半田付け用治具として,
前記温度制御部材の配置されている箇所から前記半導体装置となる構成が載置されている箇所まで達する貫通孔が形成されているものを用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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