JP6703335B2 - 電力用半導体装置及び電力用半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

この発明は、パワーモジュールの誤実装を防止する機構を備えた、電力用半導体装置及び電力用半導体装置の製造方法に関する。
近年、電力用半導体装置は、一般産業及び電鉄のみならず、自動車にも広く使用されるようになってきた。そして、エンジンとモータの両方を駆動源とするハイブリッド車及びモータのみを駆動源とする電気自動車など、自動車における電動化の比率が高まっている。
電動化された車両では、自動車の燃費向上に寄与するため、限られたスペースの中で、各部品を小型化及び軽量化することが求められる。特にハイブリッド車においては、エンジンとモータをエンジンルーム内で共存させる必要があるため、周辺の部品を配置するスペースが狭く、各部品のレイアウトが制約される。よって、電力用半導体装置を小型化することが出来れば、エンジンルームの狭いスペースの中で、各部品のレイアウトの自由度を高めることができ、車両自体の小型化も可能となる。このように、車載用の電力用半導体装置には、小型化が強く求められている（例えば特許文献１参照）。
そして、車載用の電力用半導体装置では、複数種類の電力変換器を統合して、省スペース化及び低コスト化を図るのがトレンドとなっている。例えば、２台のモータを用いて、駆動エネルギと回生エネルギとを、効率良くマネジメントするシステムにおいては、２台のモータをそれぞれ駆動するための、２つの直流−交流変換回路が必要である。さらに、バッテリからの入力電圧を低く抑えつつ、昇圧コンバータを用いて昇圧することで、所望のシステム電圧及び電流を得る、昇圧コンバータ回路が必要である。これら３つの回路を同一の基板内に収めて、機能統合型の電力用半導体装置とするものである。
電力用半導体装置を構成する部品として、パワーモジュール、制御用基板、コンデンサ、冷却器、リアクトルが挙げられる。これらの部品の中で、電力用半導体装置のサイズを決定する主な部品は、パワーモジュールと制御用基板である。２つの直流−交流変換回路と、１つの昇圧コンバータ回路とを、１つの制御用基板に実装する場合、それぞれの回路で用いられるパワーモジュールは、同一のものを使用した方が、制御用基板上で各回路の実装を行う上で、誤実装がなく、好ましい。
この場合、３つの回路に要求される出力電圧のうち、最も大きな出力電圧が要求される回路のパワーモジュールに合わせる必要があるが、他の回路では、必要以上に大きなパワーモジュールを使うことになり、制御用基板も、そのパワーモジュールを実装するために、無駄に大きくなってしまう。そこで、３つの回路のそれぞれに要求される出力電圧に応じて、異なるパワーモジュールを用いることにより、制御用基板を小型化している。
特開２００４−２５９７９１号公報
しかしながら、１つの制御用基板に収められる３つの回路に、それぞれ異なるパワーモジュールを実装する場合には、いずれか１つの回路用のパワーモジュールを、他の回路に誤って実装してしまうおそれがあった。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、同一の制御用基板上に実装される、複数種類のパワーモジュールの誤実装を防止することのできる、電力用半導体装置及び電力用半導体装置の製造方法を得るものである。
この発明に係る電力用半導体装置は、制御端子が取付けられた複数のパワーモジュールと、複数のパワーモジュールが実装される放熱板と、制御端子が固着される固着部が形成された制御用基板とを有し、複数のパワーモジュールは、第１突起部と第２突起部を有し、第１突起部は、第２突起部よりも制御端子に近い位置に形成され、放熱板は、パワーモジュールが実装されたときの、第１突起部に対応する位置に、第１突起部と係合する第１の凹部を有し、放熱板は、パワーモジュールが実装されたときの、第２突起部に対応する位置に、第２突起部と係合する第２の凹部を有し、第１の凹部は、第１突起部の外径よりも大きい内径に形成され、第２の凹部は、第２突起部の外径よりも大きい短径を有する、長穴状に形成される。
この発明に係る電力用半導体装置によれば、１つの制御用基板に複数の異なるパワーモジュールを実装する場合に、パワーモジュールの誤実装を防止することが出来る。
本発明の実施の形態１における電力用半導体装置の上面図である。 実施の形態１による電力用半導体装置を構成する、放熱板の上面図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う電力用半導体装置の断面図である。 実施の形態１による電力用半導体装置を構成する、第１のパワーモジュールを示す上面図である。 実施の形態１による電力用半導体装置を構成する、第１のパワーモジュールを示す正面図である。 実施の形態１による電力用半導体装置を構成する、第１のパワーモジュールを示す背面図である。 実施の形態１による電力用半導体装置を構成する、第１のパワーモジュールを示す側面図である。 実施の形態１による電力用半導体装置を構成する、第２のパワーモジュールを示す上面図である。 実施の形態１による電力用半導体装置を構成する、第２のパワーモジュールを示す正面図である。 実施の形態１による電力用半導体装置を構成する、第２のパワーモジュールを示す背面図である。 実施の形態１による電力用半導体装置を構成する、第２のパワーモジュールを示す側面図である。 実施の形態１による電力用半導体装置を構成する、第３のパワーモジュールを示す上面図である。 実施の形態１による電力用半導体装置を構成する、第３のパワーモジュールを示す正面図である。 実施の形態１による電力用半導体装置を構成する、第３のパワーモジュールを示す背面図である。 実施の形態１による電力用半導体装置を構成する、第３のパワーモジュールを示す側面図である。 本発明の電力用半導体装置の製造方法における、製造手順を示す図である。 電力用半導体装置の製造方法における、ボイド除去工程の手順を示す図である。 電力用半導体装置の製造方法における、ボイド除去工程の手順を示す図である。 電力用半導体装置の製造方法における、ボイド除去工程の手順を示す図である。 電力用半導体装置の製造方法における、ボイド除去工程の手順を示す図である。 電力用半導体装置の製造方法における、ボイド除去工程の手順を示す図である。 電力用半導体装置の製造方法におけるボイド除去工程を説明する図である。 本発明の実施の形態２における電力用半導体装置の断面図である。 図１０の部分拡大図である。 本発明の電力用半導体装置のＸ方向とＹ方向を示す上面図である。 実施の形態３の電力用半導体装置の上面図である。 図１３Ａの電力用半導体装置の断面を示す図である。
以下、本発明の電力用半導体装置の好適な実施の形態につき、図面を用いて説明する。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１による電力用半導体装置１の上面図である。図２は電力用半導体装置１を構成する、放熱板６０の上面図、図３は図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う電力用半導体装置１の断面図である。また、図４Ａ〜図４Ｄは、それぞれ、パワーモジュール１０の上面図、正面図、背面図及び側面図である。同様に、図５Ａ〜図５Ｄは、それぞれ、パワーモジュール２０の上面図、正面図、背面図及び側面図であり、図６Ａ〜図６Ｄは、それぞれ、パワーモジュール３０の上面図、正面図、背面図及び側面図である。
図１に示すように、電力用半導体装置１は、１枚の制御用基板５０と、１つの放熱板６０と、複数のパワーモジュール１０，２０，３０を有している。なお、図１では、パワーモジュール１０，２０，３０の配置を見やすくするために、制御用基板５０を取り外した状態で示している。
図１に示すように、制御用基板５０の実装面には、パワーモジュール１０が接続される、モータ駆動回路としての直流−交流変換回路５０ａと、パワーモジュール２０が接続される、モータ駆動回路としての直流−交流変換回路５０ｂと、パワーモジュール３０が接続される、昇圧コンバータ回路５０ｃの、３つの回路が形成されている。また、制御用基板５０には、各パワーモジュール１０，２０，３０の制御端子１１，２１，３１が固着される、複数の取付孔４０を有している。
図２に二点鎖線で示したように、放熱板６０は、３つの領域Ａ〜Ｃに分けられる。領域Ａは、６つのパワーモジュール１０を実装する領域である。また、領域Ｂは、４つのパワーモジュール２０を実装する領域である。そして、領域Ｃは、６つのパワーモジュール３０を実装する領域である。各領域Ａ〜Ｃには、各パワーモジュール１０，２０，３０を位置決めする複数の凹部６０ａ〜６０ｆが形成されている。
凹部６０ａ，６０ｃ，６０ｅは、円筒状に形成されており、凹部６０ｂ，６０ｄ，６０ｆは、２つの半円の間を２本の直線で結んだ形状の長穴に形成されている。凹部６０ｂ，６０ｄ，６０ｆを長穴に形成する理由は、放熱板６０またはパワーモジュール１０，２０，３０が熱膨張することによる寸法の変化、及び放熱板６０またはパワーモジュール１０，２０，３０の製造誤差による寸法のばらつきに対応するためである。
放熱板６０は、パワーモジュールとの線膨張係数の差や、熱伝導率、重量、コスト等を総合的に考慮した材料で形成される。パワーモジュール１０，２０，３０として、例えば、Ｓｉ３Ｎ４やＡ１Ｎの絶縁材料の両面に、ＣｕやＡｌの電極材料を貼り合わせた、両面パターン貼りセラミック基板を用いた場合、実用上使われているパターン厚（０．３ｍｍ〜１．０ｍｍ）内での線膨張係数の差は、７〜１２ｐｐｍ／Ｋの低熱膨張材となる。したがって、放熱板６０とパワーモジュール１０，２０，３０との線膨張係数の差を重視する場合には、ＡｌＳｉＣまたはＣｕＭｏなどの複合材が好適である。一方、パワーモジュール１０，２０，３０の主材料として、Ｃｕと樹脂絶縁材料を用いた場合には、おおよそＣｕ（１６．８ｐｐｍ／Ｋ）が目安となるため、放熱部材にはＣｕやＡｌが好適となる。ただし、線膨張係数の差以外の要因も考慮すべきであるため、上記の組合せだけが好適というわけではない。
図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う電力用半導体装置１の断面図である。なお、図１では、制御用基板５０を取り外した状態で示したが、図３では、制御用基板５０を組み付けた状態で示している。また、ここでは、パワーモジュール１０が放熱板６０に固着された部分を例に挙げて説明するが、パワーモジュール２０及び３０が放熱板６０に固着された部分についても、寸法以外の構成は同じである。
図３に示すように、パワーモジュール１０には、パワーモジュール１０の上方に向かって突出した制御端子１１が取付けられている。そして、制御端子１１の上部には、制御用基板５０が固着されている。制御用基板５０は、図１に示す制御用基板５０に設けられた取付孔４０に、制御端子１１を挿入して、固着材８０により、制御端子１１に固着されている。
パワーモジュール１０は、制御端子１１が取付けられている側の端部に、パワーモジュール１０の底面側に突出する、円柱状に形成された突起部１２を有している。また、パワーモジュール１０は、突起部１２が形成された端部と反対側の端部に、パワーモジュール１０の底面側に突出する、円柱状に形成された、もう一つの突起部１３を有している。放熱板６０には、突起部１２に対応する凹部６０ａと、突起部１３に対応する凹部６０ｂが設けられている。パワーモジュール１０は、放熱板６０の凹部６０ａ，６０ｂに、それぞれ突起部１２，１３を挿入することにより位置決めされる。そして、パワーモジュール１０は、固着層７０により、放熱板６０に固着されている。
ここで、固着層７０及び固着材８０には、固着機能を有し、放熱性が高く、長期劣化の少ない、はんだ又は導電性接着剤などの材料が使用されるが、より高温での耐久性があるＡｇシンター材、Ｃｕシンター材、ＣｕＳｎシンター材なども利用可能である。また、固着層７０の材料が導電性接着剤の場合には、放熱板６０やパワーモジュール３０の被接着面に、特別な表面処理は必要ないが、はんだやシンター材などで金属接合する場合には、Ａｌ系材料との接合が困難であるため、電解Ｎｉめっき、無電解ＮｉＰめっき、Ｓｎめっき等の表面処理を施すことによって、良好な接合状態を得ることができる。
パワーモジュール１０，２０，３０は、それぞれが接続される回路５０ａ〜５０ｃに対して、最適なパワーチップを用いて構成されている。したがって、パワーモジュール１０，２０，３０の間には、電力的な互換性はほとんどない。よって、定められた位置に、定められた種類のパワーモジュールが実装されないと、電力用半導体装置１として、電力的な過不足が生じてしまう。
そこで、実施の形態１による電力用半導体装置１では、各パワーモジュール１０，２０，３０の誤実装を防止する機構を設けている。以下に、実施の形態１による、パワーモジュール１０，２０，３０の誤実装防止機構について説明する。
図２に示すように、放熱板６０の領域Ａには、凹部６０ａ，６０ｂの対が６つ形成されている。また、領域Ｂには、凹部６０ｃ，６０ｄの対が４つ形成されている。そして、領域Ｃには、凹部６０ｅ，６０ｆの対が６つ形成されている。
図４Ａ及び図４Ｄに示すように、パワーモジュール１０は、８本の制御端子１１を有している。制御端子１１は、パワーチップのゲート駆動、並びに電流センサ及びチップ内蔵の温度センサへの信号線である。各制御端子１１は、パワーモジュール１０を放熱板６０に実装したときに、放熱板６０の実装面に対して垂直に突出するように、パワーモジュール１０に取付けられている。これらの制御端子１１は、図１に示した制御用基板５０の取付孔４０にそれぞれ差し込まれて、制御用基板５０に対してはんだ付けされる。
また、パワーモジュール１０は、制御端子１１が取付けられた側の端面に形成された、円柱状の突起部１２と、反対側の端面に形成された、円柱状の突起部１３を有している。突起部１２は、図２に示す放熱板６０の凹部６０ａに挿入され、突起部１３は、放熱板６０の凹部６０ｂに挿入される。凹部６０ａの内径は、突起部１２の外径よりわずかに大きく形成されている。一方、凹部６０ｂの短径は、突起部１３の外径より大きく形成され、長径は、突起部１３が、凹部６０ｂの中で多少移動することが可能な大きさに形成されている。
突起部１２と凹部６０ａとの間のクリアランスは小さく、突起部１３と凹部６０ｂとのクリアランスは大きい。突起部１２を、クリアランスの小さい凹部６０ａに挿入する理由は、突起部１２の近くに取付けられた各制御端子１１の位置を、制御用基板５０の各取付孔４０の配置に合わせて位置決めするためである。
このように、放熱板６０凹部６０ａ,６０ｂに、パワーモジュール１０の突起部１２，１３を挿入することにより、パワーモジュール１０を放熱板６０に位置決めすることができる。そして、パワーモジュール１０の制御端子１１を、制御用基板５０の取付孔４０に対して位置決めすることができる。パワーモジュール２０及びパワーモジュール３０についても同様である。
図５Ａ及び図５Ｄに示すように、パワーモジュール２０は、８本の制御端子２１を有している。制御端子２１は、パワーモジュール１０の制御端子１１と同様に、パワーチップのゲート駆動、並びに電流センサ及びチップ内蔵の温度センサへの信号線である。各制御端子２１は、パワーモジュール１０の制御端子１１と同様に、パワーモジュール２０を放熱板６０に実装したときに、放熱板６０の実装面に対して垂直になるように、パワーモジュール２０に取付けられている。これらの制御端子２１は、パワーモジュール１０の制御端子１１と同様に、図１に示す制御用基板５０に形成された複数の取付孔４０にそれぞれ差し込まれて、制御用基板５０に対してはんだ付けされる。
また、パワーモジュール２０は、制御端子２１が取付けられた側の端面に形成された、円柱状の突起部２２と、反対側の端面に形成された、円柱状の突起部２３を有している。突起部２２は、図２に示す放熱板６０の凹部６０ｃに挿入され、突起部２３は、放熱板６０の凹部６０ｄに挿入される。
凹部６０ｃの内径は、突起部２２の外径よりわずかに大きく形成されている。一方、凹部６０ｄの短径は、突起部２３の外径より大きく形成され、長径は、突起部２３が凹部６０ｄの中で、多少移動することが可能な大きさに形成されている。このように凹部６０ｃ，６０ｄを形成して、パワーモジュール２０の突起部２２，２３を放熱板６０に組付けることにより、パワーモジュール２０が、放熱板６０に対して位置決めされる。
図６Ａ及び図６Ｄに示すように、パワーモジュール３０は、４本の制御端子３１を有している。制御端子３１は、制御端子１１，２１と同様に、パワーチップのゲート駆動、並びに電流センサ及びチップ内蔵の温度センサへの信号線である。各制御端子３１は、パワーモジュール３０を放熱板６０に実装したときに、放熱板６０の実装面に対して垂直になるように、パワーモジュール３０に取付けられている。これらの制御端子３１は、図１に示す制御用基板５０の取付孔４０に、それぞれ差し込まれ、制御用基板５０に対してはんだ付けされる。
また、パワーモジュール３０は、制御端子３１が取付けられた側の端面に形成された、円柱状の突起部３２と、反対側の端面に形成された、円柱状の突起部３３を有している。突起部３２は、図２に示す放熱板６０の凹部６０ｅに挿入され、突起部３３は、放熱板６０の凹部６０ｆに挿入される。
凹部６０ｅの内径は、突起部３２の外径よりわずかに大きく形成されている。一方、凹部６０ｆの短径は、突起部３３の外径より大きく形成され、長径は、突起部３３が、凹部６０ｆの中で多少移動することが可能な大きさに形成されている。このように凹部６０ｅ及び６０ｆを形成して、パワーモジュール３０の突起部３２及び３３を放熱板６０に組付けることにより、パワーモジュール３０が、放熱板６０に対して位置決めされる。
図１、図６Ｃ、図６Ｄに示すように、パワーモジュール３０に形成された突起部３２は、突起部３２と突起部３３とを結ぶ直線Ｄ３の方向が、パワーモジュール１０の突起部１２と突起部１３とを結ぶ直線Ｄ１の方向、及びパワーモジュール２０の突起部２２と突起部２３とを結ぶ直線Ｄ２の方向に対して、平行にならないように、互いにオフセットさせて配置されている。このオフセットは、直線Ｄ３と、直線Ｄ１，Ｄ２とのなす角度が、５°以上となるように設定される。
また、図５Ｃに示す、パワーモジュール２０の突起部２２と突起部２３との距離Ｌ２は、図４Ｃに示すパワーモジュール１０の突起部１２と突起部１３との距離Ｌ１よりも長く設定されている。
図２に示すように、放熱板６０の領域Ａに形成された一対の凹部６０ａ，６０ｂの配置は、パワーモジュール１０に形成された一対の突起部１２，１３の配置に対応している。また、領域Ｂに形成された一対の凹部６０ｃ，６０ｄの配置は、パワーモジュール２０に形成された一対の突起部２２，２３の配置に対応している。そして、領域Ｃに形成された一対の凹部６０ｅ，６０ｆの配置は、パワーモジュール３０に形成された一対の突起部３２，３３の配置に対応している。
そして、パワーモジュール１０の突起部１２，１３は、領域Ｂの凹部６０ｃ，６０ｄ及び領域Ｃの凹部６０ｅ，６０ｆには適合せず、挿入することができないようになっている。また、パワーモジュール２０の突起部２２，２３は、領域Ａの凹部６０ａ，６０ｂ及び領域Ｃの凹部６０ｅ，６０ｆには適合せず、挿入することができないようになっている。そして、パワーモジュール３０の突起部３２，３３は、領域Ａの凹部６０ａ，６０ｂ及び領域Ｂの凹部６０ｃ，６０ｄには適合せず、挿入することができないようになっている。
このように、実施の形態１による電力用半導体装置１では、各パワーモジュール１０，２０，３０が有する２つの突起部の位置関係を互いに異ならせている。そして、放熱板６０の各領域Ａ〜Ｃに形成される各凹部６０ａ〜６０ｆの配置を、各領域Ａ〜Ｃに実装されるパワーモジュール１０，２０，３０の、各突起部の位置関係に対応させることにより、各パワーモジュール１０，２０，３０を、実装すべき領域以外の領域に誤って実装することを防止することができる。
なお、実施の形態１では、電力用半導体装置１を、６つのパワーモジュール１０と、４つのパワーモジュール２０と、６つのパワーモジュール３０により形成したが、パワーモジュールの種類及び数は、これに限らない。また、実施の形態１では、各パワーモジュールに、それぞれ一対の突起部を形成したが、これに限るものではない。例えば、各パワーモジュールに設ける突起部を３つ以上としてもよい。
また、実施の形態１では、パワーモジュールに設ける突起部を円柱状とし、放熱板に設ける凹部を円筒状及び長穴状としたが、これに限るものではない。例えば、突起部の先端を半球状としてもよいし、突起部を角柱状とし、凹部を角穴またはと長穴としてもよい。なお、突起部を角柱状とする場合には、先端に面取りを施すとよい。
そして、実施の形態１では、パワーモジュール３０の突起部３２，３３の配置をオフセットさせ、パワーモジュール２０の突起部２２，２３間の距離を、他のパワーモジュール１０，３０の突起部間の距離と異ならせることにより、パワーモジュールの誤実装を防止したが、これに限るものではない。例えば、各パワーモジュールの突起部の数または形状を異ならせることにより、誤実装を防止してもよい。
さらに、実施の形態１では、パワーモジュール３０に４本の制御端子３１を取付け、パワーモジュール１０及び２０に、８本の制御端子１１及び２１を取付けたが、制御端子の数はこれに限るものではなく、電力用半導体装置１の仕様または、パワーモジュールの使用に応じて、適宜変更可能である。
また、パワーモジュール１０，２０，３０に形成される各突起部は、射出成型可能で耐熱性の高い樹脂材料で成形することが好ましい。特に、固着層７０に鉛フリーはんだを用いる場合には、はんだの融点が２２０℃〜２４０℃程度になるため、はんだ付けプロセス中の温度バラツキを鑑みて、固着層７０は、２６０℃以上の耐熱性を有することが好ましい。例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、液晶ポリマー樹脂、フッ素系樹脂などが好適である。また、金属系のシンター材で接合する際には、約２５０℃〜３００℃の範囲で処理される場合が多いことから、更に高耐熱性を有する材料を選択することで、突起部の熱変形を抑制する。
次に、本発明の電力用半導体装置１の製造方法について説明する。図７は、電力用半導体装置１の組み付け手順を示す図である。また、図８Ａ〜図８Ｅは、電力用半導体装置１の製造方法における、ボイド除去工程を説明する図である。
図９は、パワーモジュール１０と放熱板６０を固着する、固着層７０の温度Ｔと、固着層７０の雰囲気の気圧Ｐの経時変化を表したグラフである。図９において、横軸は時間ｔ、縦軸は固着層７０の温度Ｔと、固着層７０の雰囲気の気圧Ｐである。グラフ中の実線は、固着層７０の温度Ｔの変化を表し、破線は、固着層７０の雰囲気の気圧Ｐの変化を表している。また、グラフ中の一点鎖線は、固着層７０の溶融温度Ｔｍを示している。
なお、ここでは、パワーモジュール１０を例に挙げて説明しているが、パワーモジュール２０及び３０についても同様である。
図７に示すように、まず、放熱板６０の実装面における、パワーモジュール１０を実装する位置に、固着層７０としてのクリーム状のはんだ７１を塗布する。
次に、パワーモジュール１０の、制御端子１１に近い突起部１２を、放熱板６０の凹部６０ａに合わせて挿入する。次に、パワーモジュール１０のもう一つの突起部１３の先端を、放熱板６０の凹部６０ｂに挿入する。
パワーモジュール１０の突起部１２と突起部１３の距離は、熱膨張により変化し、また製造誤差によりばらつく。しかし、凹部６０ｂは長穴となっているので、この変化及びばらつきを吸収することができる。
次に、パワーモジュール１０全体を放熱板６０に対して軽く押し、パワーモジュール１０と放熱板６０との間に、隙間なく、はんだ７１を行きわたらせる。
ここで、はんだ７１の中で発生する、ボイドと呼ばれる気泡を取り除く、ボイド除去工程を行う。ボイドがはんだ７１の中に残っていると、パワーモジュール１０の放熱経路を遮断してしまうので、除去する必要がある。このボイド除去工程については、図８及び図９を用いて説明する。
まず、図８Ａの状態において、図９に示すように、はんだ７１の温度Ｔを、はんだ７１の溶融温度Ｔｍ以上まで加熱し、はんだ７１を溶融させる。すると、図８Ｂに示すように、溶融したはんだ７１の中に、ボイドＶｏが現れる。
次に、図９に示すように、電力用半導体装置１を真空引きして、溶融したはんだ７１の雰囲気を減圧する。なお、減圧を開始するタイミングは、はんだ７１を加熱する前であってもよい。減圧するにしたがって、溶融したはんだ７１内に捉えられたボイドＶｏの内圧が、外部に対して相対的に高くなり、ボイドＶｏは、図８Ｃに示すように大きくなる。このとき、パワーモジュール１０は、大きくなったボイドＶｏにより、放熱板６０から浮き上がる。
そして、溶融したはんだ７１の雰囲気が、少なくとも１０ｋＰａ以下になるまで減圧を継続する。すると、図８Ｄに示すように、さらにボイドＶｏは大きくなって、はんだ７１の層の端部まで到達する。そして、ボイドＶｏの内部が、溶融したはんだ７１の外部と連通して、ボイドＶｏ内の空気が溶融したはんだ７１の外へ排斥される。このとき、放熱板６０から浮き上がっていたパワーモジュール１０は、図８Ｅに示すように、再び沈み込む。
パワーモジュール１０の挙動が落ち着いたら、図９に示すように、減圧を停止し、溶融したはんだ７１の雰囲気を大気圧に戻す。ここで、溶融したはんだ７１内のボイドＶｏが排斥しきれなかった場合、溶融したはんだ７１を減圧下から大気圧に戻す際に、残存したボイドＶｏが収縮する挙動を示す。収縮することでボイドＶｏのサイズを極力小さくすることが出来る。一方、ボイドが収縮する過程において、ボイドＶｏの位置が移動することによってパワーモジュール１０に浮きが生じたり、ボイドＶｏが収縮することによってパワーモジュール１０に沈みこみが発生する。この時、パワーモジュール１０に形成された突起部と放熱板に設けた凹部により、パワーモジュール１０に浮き沈みが発生しても、パワーモジュール１０の位置ズレを最小限に留めることが可能となる。
そして、溶融したはんだ７１の加熱を停止する。以上でボイド除去工程は終了する。
次に、溶融したはんだ７１が凝固したら、各パワーモジュール１０，２０，３０の複数の制御端子１１，２１，３１に、制御用基板５０を組み付ける。具体的には、制御用基板５０の各取付孔４０からの、各制御端子１１，２１，３１の突出量が、はんだ付け可能な長さになるまで、制御用基板５０を、制御端子１１，２１，３１に対して押し込む。
次に、制御用基板５０から突出した、各制御端子１１，２１，３１の上部を、制御用基板５０にはんだ付けする。以上により、電力用半導体装置１の製造が終了する。
ボイド除去工程では、パワーモジュール１０が、放熱板６０から浮き上がり、そして沈み込むという挙動をする。パワーモジュール１０の対角線の長さを５５ｍｍ、はんだ７１の層の厚みを０．０５０〜０．５００ｍｍ程度とした場合、このボイド除去工程で、パワーモジュール１０の突起部１２，１３が、放熱板６０の凹部６０ａ、６０ｂから抜けないようにするためには、突起部１２及び１３の、パワーモジュール１０の底面からの高さを、１．５ｍｍ〜３．０ｍｍ程度に形成するとよい。なお、突起部１２及び１３の高さは、パワーモジュール１０の対角線の長さに比例させて決定する。
次に、本発明の電力用半導体装置１の実施の形態２について、図１０及び図１１を用いて説明する。
実施の形態２．
実施の形態２では、制御用基板５０にガイド部材９０が取付けられている点が、実施の形態１とは異なる。他の構成は実施の形態１と同様である。
図１０に示すように、実施の形態２による制御用基板５０には、制御端子１１の先端を、制御用基板５０の取付孔４０に案内する、ガイド部材９０が取付けられている。なお、ここではパワーモジュール１０の制御端子１１に、制御用基板５０を取付ける場合を例に挙げて説明するが、パワーモジュール２０及び３０の制御端子２１及び３１についても、同様に取付けられる。
ガイド部材９０は、液晶ポリマー樹脂、フッ素系樹脂など、高耐熱性を有する、絶縁性の樹脂材料で形成されている。ガイド部材９０は、制御用基板５０の回路面の裏面に、耐熱性の接着剤などにより固定されている。
図１１は、図１０のＥ部拡大図である。ガイド部材９０は、直方体のブロック材で形成されており、図１１に示すように、ガイド部材９０の中央部には、テーパ状の貫通穴が設けられている。テーパ状の貫通穴の開口部のうち、小さい方の内径は、制御端子１１が通過可能な大きさに形成されている。そして、ガイド部材９０は、内径が小さい方の開口部を、制御用基板５０の取付孔４０に合わせるように固定されている。
制御用基板５０を制御端子１１に取付けるときには、ガイド部材９０の内径が大きい方の開口部に、制御端子１１の先端を沿わせて、制御用基板５０の取付孔４０まで案内させる。制御端子１１の先端が、制御用基板５０の回路面側に突出したら、制御用基板５０と制御端子１１を、はんだなどの固着材８０で固定する。
このように、実施の形態２の電力用半導体装置１によれば、制御用基板５０に、制御端子１１を取付孔４０に案内するガイド部材９０が取付けられている。これにより、制御用基板５０の複数の取付孔４０に、迅速に複数の制御端子１１を位置決めして挿入することができる。よって、電力用半導体装置１の生産性を向上させることができる。
なお、実施の形態２では、ガイド部材９０を、直方体のブロック材に、断面が円形のテーパ状の貫通穴を設けた形状としたが、これに限るものではない。例えば、ガイド部材９０は、円柱状の材料に、テーパ状の貫通穴を設けた形状としてもよいし、テーパ状の貫通穴の断面形状は、多角形であってもよい。
実施の形態.３
本発明における実施の形態３について、図１２、図１３Ａ、図１３Ｂを用いて説明する。図１２は、本発明の電力用半導体装置のＸ方向とＹ方向を示す上面図である。図１３Ａは、実施の形態３の電力用半導体装置の上面図である。そして、図１３Ｂは、図１３Ａの電力用半導体装置の断面を示す図である。
はんだ付けの方法として、実施の形態１のようなフラックス入りのはんだ７１を用いる他に、はんだが溶融するまでの間に処理室を還元雰囲気下にし、はんだ材料には還元作用を含ませない方法がある。還元雰囲気は、低酸素濃度と酸化還元作用を両立させる必要があり、Ｈ２、ＨＣＯＯＨ、Ｎ２などの雰囲気にし、酸素濃度を１０ｐｐｍ以下にすることが好ましい。
このような方法を用いた場合、はんだは所定の分量を確保したバルク状の形態で供給することが出来る。バルクの形態としては、薄板のシート状、球状、立方体状、直方体状など、はんだ付け部の必要な体積、形状に応じて使い分けることが出来る。
バルク状のはんだは、フラックス入りのはんだのように残渣成分を含まないため、はんだ付け後に製品を洗浄する必要がない。さらに、はんだ付け設備の汚染による清掃等のメンテナンス頻度を抑制することが出来る。一方で、バルク状のはんだは金属の塊であるため、粘着性がなく、はんだ自体に位置決め機能がない。はんだが位置決めされないと、はんだ付け前の搬送工程において、例えば、搬送レール間の継ぎ目部での乗り上げ、ワークを運ぶ際の加減速中の加速度によって、バルク状のはんだが所定の位置から外れてしまうことがある。すると、必要な場所に必要な量のはんだが充填出来ず、はんだ付け不良となってしまう恐れがある。
図１２に示すように、パワーモジュール１０，２０，３０は、それぞれ第１の突起部及び第２の突起部を有しているため、バルク状はんだのＸ方向の位置ズレを規制することはできるが、Ｙ方向の位置ズレを規制することはできない。また、バルク状はんだの中で、特に薄いシート状のはんだで大面積を接合すると、シート状のはんだが反ってしまい、放熱板６０とはんだ、または、はんだとパワーモジュール１０との間に空気の層が出来て、均熱化の阻害要因となる。
ここで、薄いシート状のはんだとは、厚さが０．１００ｍｍ〜０．５００ｍｍ程度のものをいう。また、大面積の接合とは、１辺が１０ｍｍ〜６０ｍｍ程度のはんだ接合面を意味する。
はんだ付けの加熱プロセス中に十分な均熱化が図れないと、２つの被接合面のうち、はんだが融点を超えた方に、はんだが偏って濡れ拡がる。よって、はんだが必要な場所に拡がらず、はんだ付け不良となってしまう恐れがある。
このような、Ｙ方向のはんだの位置ズレと、シート状のはんだを用いた場合の均熱化という２つの課題を解決するため、実施の形態３では、図１３Ａに示すように、放熱板６０の長手方向に沿って、パワーモジュール１０，２０，３０の上部に、熱伝導率の高い金属製のブロック１００を配置している。
そして、金属製のブロック１００によって、パワーモジュール１０，２０，３０の上部に伝熱経路を形成する。さらに、図１３Ｂに示すように、金属製のブロック１００から、下方に突起部１０１を突出させて、シート状のはんだ７２のＹ方向の位置を規制している。金属製のブロック１００は、放熱板６０に脱着可能に取付けられる。そして、金属製のブロック１００は、少なくとも両端部に設けられた位置決めピン１０２と、放熱板６０に設けられた図示しない位置決め穴とによって、放熱板６０上に位置決めされる。なお、位置決めピン１０２を放熱板６０側に設け、位置決め穴を金属製のブロック１００側に設けてもよい。
これにより、はんだ付けの品質を安定させることができるとともに、電力用半導体装置１の生産性を向上させることができる。また、一列に並んだ複数のパワーモジュール１０，２０，３０に跨って金属製のブロック１００を配置することにより、炉内に搬送された大型の電力用半導体装置１の均熱化を図ることができる。
１ 電力用半導体装置、１０ パワーモジュール（第１パワーモジュール）、２０ パワーモジュール（第２パワーモジュール）、３０ パワーモジュール（第３パワーモジュール）、１１，２１，３１ 制御端子、１２，２２，３２ 突起部（第１突起部）、１３，２３，３３ 突起部（第２突起部）、４０ 取付孔（固着部）、５０ 制御用基板、６０ 放熱板、６０ａ，６０ｃ，６０ｅ 凹部（第１の凹部）、６０ｂ，６０ｄ，６０ｆ 凹部（第２の凹部）、７０ 固着層、７１，７２ はんだ（はんだ材料）、８０ 固着材、９０ ガイド部材、１００ ブロック。

Claims (8)

  1. 制御端子が取付けられた複数種類のパワーモジュールと、
    前記複数種類のパワーモジュールが実装される放熱板と、
    前記制御端子が固着される固着部が形成された制御用基板とを有する、
    電力用半導体装置であって、
    前記複数種類のパワーモジュールは、それぞれ、前記制御端子が取付けられている側の端部に設けられた円柱状の第１突起部と、前記第１突起部が形成された端部と反対側の端部に設けられた第２突起部とを有し、
    前記第１突起部と前記第２突起部との位置関係は、前記パワーモジュールの種類ごとに異なっており、
    前記放熱板は、
    前記複数種類のパワーモジュールが実装されたときの、前記第１突起部に対応する位置に、前記第１突起部と係合する円筒状の第１の凹部を有するととともに、前記第２突起部に対応する位置に、前記第２突起部と係合する長穴状の第２の凹部を有し、
    前記第２の凹部の長径は、前記第２の凹部の中で前記第２突起部が移動可能な大きさであり、
    前記複数種類のパワーモジュールは、それぞれバルク状のはんだ材料で形成された固着層によって、前記放熱板に固着されている、
    電力用半導体装置。
  2. 前記複数種類のパワーモジュールは、
    第１パワーモジュールと、
    前記第１パワーモジュールとは種類の異なる、第２パワーモジュールとを有し、
    前記第１パワーモジュールにおける、前記第１突起部から前記第２突起部までの距離は、
    前記第２パワーモジュールにおける、前記距離に対応する距離と異なる、
    請求項１に記載の電力用半導体装置。
  3. 前記複数種類のパワーモジュールは、
    少なくとも１つの第１パワーモジュールと、
    前記第１パワーモジュールとは種類の異なる、第３パワーモジュールとを有し、
    前記複数種類のパワーモジュールが実装されたときの、前記第１パワーモジュールにおける、前記第１突起部が形成されている位置に対する前記第２突起部が形成されている方向は、
    前記第３パワーモジュールにおける、前記方向に対応する方向と異なる、
    請求項１に記載の電力用半導体装置。
  4. 前記第１突起部及び前記第２突起部の、前記パワーモジュールの底面からの高さは１．５ｍｍ以上であり、
    前記第１の凹部及び前記第２の凹部の深さ方向の寸法は、
    前記第１突起部及び前記第２突起部の高さより大きい、
    請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電力用半導体装置。
  5. 前記第１突起部及び前記第２突起部は、
    軟化温度が２７０℃以上の樹脂材料で形成されている、
    請求項１から４のいずれか一項に記載の電力用半導体装置。
  6. 前記制御用基板は、
    前記制御端子を前記固着部に案内する、ガイド部材を有する、
    請求項１から５のいずれか一項に記載の電力用半導体装置。
  7. 制御端子が取付けられた複数種類のパワーモジュールと、
    前記複数種類のパワーモジュールが実装される放熱板と、
    前記制御端子が固着される固着部が形成された制御用基板とを有する、
    電力用半導体装置の製造方法であって、
    前記複数種類のパワーモジュールのそれぞれにおける、前記制御端子が取付けられている側の端部に円柱状の第１突起部を設けるとともに、前記第１突起部が形成された端部と反対側の端部に、前記第１突起部との位置関係が前記パワーモジュールの種類ごとに異なるように第２突起部を設け、
    前記放熱板における、
    前記パワーモジュールが実装されたときの、前記第１突起部に対応する位置に、前記第１突起部と係合する円筒状の第１の凹部を設けるとともに、前記第２突起部に対応する位置に、前記第２突起部と係合する長穴状の第２の凹部を設け、
    前記第２の凹部の長径は、前記第２の凹部の中で前記第２突起部が移動可能な大きさとし、
    前記放熱板の前記第１の凹部と前記第２の凹部との間に、バルク状のはんだ材料を配置する工程と、
    前記第１突起部を前記第１の凹部に合わせて挿入するとともに、前記第２突起部を前記第２の凹部に挿入して、
    前記第１突起部及び前記第２突起部によって、前記第１の凹部と前記第２の凹部とが並ぶ方向の前記はんだ材料の位置ズレを規制しつつ、前記はんだ材料の上に前記パワーモジュールを配置する工程と、
    前記はんだ材料を加熱して溶融する工程と、
    前記はんだ材料の雰囲気が、１０ｋｐａ以下になるまで真空引きする工程とを有する、
    電力用半導体装置の製造方法。
  8. 前記はんだ材料を加熱して溶融する工程に先立って、下方に突出した複数の突起部を有する金属製のブロックを複数の前記パワーモジュールに跨って配置して、前記複数の突起部によって、前記第１の凹部と前記第２の凹部とが並ぶ方向に垂直な方向の前記はんだ材料の位置ズレを規制する工程を有する、請求項７に記載の電力用半導体装置の製造方法。
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