JP6803442B1 - 電力変換装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも少ないリフロー工程で電力変換装置を製造する。【解決手段】ベース部材の埋込配線材、半導体チップ及び接続リードを相互接続してなる電力変換装置の製造方法であって、第１治具を用いることによりベース部材、半導体チップ及び接続リードの位置関係を規定すると共にベース部材と半導体チップとの間及び半導体チップと接続リードとの間に第１接合材を配置し、第２治具を用いることにより半導体チップと接続リードを接続する第２接合材を保持し、また接続リードと埋込配線材とを接続する第３接合材を接続リード上に配置するマウント工程と、該マウント工程の組立物を加熱して接合シート、第１接合片及び第２接合片を溶融させるリフロー工程とを少なくとも有する。【選択図】図２

Description

本発明は、電力変換装置の製造方法に関する。

下記特許文献１には、電力変換装置の製造方法及びそれに用いられる治具が開示されている。この背景技術は、電力変換装置の接続リードに形成されると共に給電用のバスバーに対峙する屈曲部に半田ボールを載置し、当該半田ボールをリフロー工程で加熱溶融させることによって接続リードをバスバーに接続するものである。

特開２０１４−１８７８１７号公報

ところで、特許文献１には明記されていないが、上記背景技術は、接続リードとバスバーとを接続するリフロー工程の前工程として、半導体チップを回路基板に接続するためのリフロー工程や接続リードを半導体チップに接続するためのリフロー工程を必要する。すなわち、上記背景技術は、複数のリフロー工程を経ることにより半導体チップ、回路基板及び接続リードを相互に接続することにより電力変換装置を製造する。

したがって、上記背景技術は複数のリフロー工程を経る必要があるので、製造時間及び製造コストが掛かるという問題点がある。電力変換装置をより短時間に、またより安価に製造するためには、リフロー工程を削減することが必須の技術的課題である。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、従来よりも少ないリフロー工程で電力変換装置を製造することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、電力変換装置の製造方法に係る第１の解決手段として、ベース部材の埋込配線材、半導体チップ及び接続リードを相互接続してなる電力変換装置の製造方法であって、第１治具を用いることにより前記ベース部材、前記半導体チップ及び前記接続リードの位置関係を規定すると共に前記ベース部材と前記半導体チップとの間及び前記半導体チップと前記接続リードとの間に第１接合材を配置し、第２治具を用いることにより前記半導体チップと前記接続リードを接続する第２接合材を保持し、また前記接続リードと前記埋込配線材とを接続する第３接合材を前記接続リード上に配置するマウント工程と、該マウント工程の組立物を加熱して前記接合シート、前記第１接合材、前記第２接合材及び前記第３接合材を溶融させるリフロー工程とを少なくとも有する、という手段を採用する。

本発明では、電力変換装置の製造方法に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記第１治具は、前記ベース部材と前記半導体チップとの間に前記第１接合材を挿入した状態で前記ベース部材に対する前記半導体チップの位置関係を規定し、当該半導体チップと前記接続リードとの間に第４接合材を挿入した状態で前記半導体チップと前記接続リードと前記埋込配線材との位置関係を規定する、という手段を採用する。

本発明では、電力変換装置の製造方法に係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記電力変換装置は、前記半導体チップで発生する熱を絶縁状態で放熱する絶縁放熱回路基板を備え、前記第１治具は、前記絶縁放熱回路基板を前記半導体チップに対して位置決めする基板位置規制部を備える、という手段を採用する。

本発明では、電力変換装置の製造方法に係る第４の解決手段として、上記第１〜第３のいずれかの解決手段において、前記第１治具は、前記半導体チップの各辺に当接することによって位置決めする傾斜面を備える、という手段を採用する。

本発明では、電力変換装置の製造方法に係る第５の解決手段として、上記第１〜第４のいずれかの解決手段において、前記第２治具は、前記接続リード上において上下方向に延在し、前記第２接合材を収容する貫通孔を備える、という手段を採用する。

本発明では、電力変換装置の製造方法に係る第６の解決手段として、上記第１〜第５のいずれかの解決手段において、前記半導体チップは、ワイヤボンディング用パッドを備え、前記第２治具は、前記ワイヤボンディング用パッドを保護するパッド保護部を備える、という手段を採用する。

本発明によれば、従来よりも少ないリフロー工程で電力変換装置を製造することが可能である。

本発明の一実施形態における電力変換装置Ａの機械的構成を示す正面図である。 本発明の一実施形態における電力変換装置の電気的構成を示す回路図である。 本発明の一実施形態に係る電力変換装置の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る電力変換装置の製造方法を示す第１の斜視図である。 本発明の一実施形態に係る電力変換装置の製造方法を示す正面図（ａ）、背面図（ｂ）及び縦断面図（ｃ）である。 本発明の一実施形態に係る電力変換装置の製造方法を示す第２の斜視図（ａ）及び第２の縦断面図（ｂ）である。

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。
最初に、本実施形態における電力変換装置Ａについて、図１及び図２を参照して説明する。この電力変換装置Ａは、ハイブリッド自動車や電気自動車等の車両に搭載されるＰＣＵ（パワーコントロールユニット）であり、昇降圧回路Ｅ１及び２つのインバータ回路（第１、第２インバータ回路Ｅ２，Ｅ３）を備えている。図１において、領域Ｒ１は昇降圧回路Ｅ１の実装領域であり、領域Ｒ２は第１インバータ回路Ｅ２の実装領域であり、また領域Ｒ３は他方の第２インバータ回路Ｅ３の実装領域である。

図２に示すように、昇降圧回路Ｅ１は２つのパワートランジスタ１，２を電子部品として備え、第１インバータ回路Ｅ２は６つのパワートランジスタ３〜８を電子部品として備え、第２インバータ回路Ｅ３は６つのパワートランジスタ９〜１４を電子部品として備えている。これら１４個のパワートランジスタ１〜１４は、図１に示すように半導体チップＣ１〜Ｃ１４としてベース部材Ｂ上に実装されている。

ここで、昇降圧回路Ｅ１を構成する２つのパワートランジスタ１，２は、第１、第２インバータ回路Ｅ２、Ｅ３を構成するパワートランジスタ３〜１４によりも電流容量が極端に大きい。このような電流容量の関係から、パワートランジスタ１は、２つの半導体チップＣ１を並列接続することにより所望の電流容量を確保している。また、パワートランジスタ２は、２つの半導体チップＣ２を並列接続することにより所望の電流容量を確保している。

なお、以下では各半導体チップＣ１〜Ｃ１４のいずれか１つを特定することなく全体を総称する場合に半導体チップＣと記載する。半導体チップＣは、図１及び図４等に示すように矩形の板状部品であり、上面に複数の接続パッド（第１、第２接続パッドＰ１、Ｐ２）を備える。

第１接続パッドＰ１は、後述する第１接続リードＬ１が接続され、面積が比較的大きい。第２接続パッドＰ２は、後述するボンディングワイヤが接続されるワイヤボンディング用パッドであり、面積が比較的小さい。

なお、昇降圧回路Ｅ１は、図２に示すように、パワートランジスタ１，２に加えて、１つのリアクトル及び２つのコンデンサを電子部品として備えている。これらリアクトル及びコンデンサは、図１（正面図）には現れておらず、ベース部材Ｂの背面側に実装されている。

ベース部材Ｂは、バスバー等の配線材が埋込配線材として埋め込まれた樹脂成型部品である。すなわち、このベース部材Ｂは、インサート成形によって形成された樹脂成型部品であり、各半導体チップＣを収容する複数のチップ収容部ｂが形成されている。

このようなベース部材Ｂは、電気回路としての電力変換装置Ａを機械的（物理的）に収容する一種のケース（ＩＰＭケース）であり、車両に固定される。なお、このようなベース部材Ｂの背面には、電力変換装置Ａが発する熱を放熱するための放熱部品（例えばヒートシンク）が装着される。

このようなベース部材Ｂの埋込配線材の代表的なものは、図１に示す一対のバスバーＵ１、Ｕ２である。これら一対のバスバーＵ１、Ｕ２のうち、一方のバスバーＵ１は昇降圧回路Ｅ１の高電位側出力線を構成する埋込配線材であり、他方のバスバーＵ２は昇降圧回路Ｅ１の低電位側出力線を構成する埋込配線材である。

このような一対のバスバーＵ１、Ｕ２は、主部が平行対峙した状態で埋め込まれており、一部が第１、第２接続リードＬ１、Ｌ２との接続部として露出している。なお、以下では一対のバスバーＵ１、Ｕ２のいずれか１つを特定することなく全体を総称する場合にバスバーＵと記載する。

第１、第２接続リードＬ１、Ｌ２は、ベース部材Ｂとは別体の個別配線材であり、半導体チップＣ毎に設けられると共に半導体チップＣとバスバーＵとの接続、また後述する絶縁放熱回路基板ＤとバスバーＵとの接続を中継する。すなわち、第１、第２接続リードＬ１、Ｌ２のうち、第１接続リードＬ１は、一端が半導体チップＣの第１接続パッドＰ１に接続され、他端がバスバーＵと接続されている。第２接続リードＬ２は、一端が絶縁放熱回路基板Ｄに接続され、他端がバスバーＵと接続されている。なお、個別配線材には、第１、第２接続リードＬ１、Ｌ２の他に後述するボンディングワイヤがある。

このような電子部品、埋込配線材及び個別配線材は、接合シート及び接合片等の接合材を用いることにより相互接続される。なお、接合シートは、後述する第１半田シート及び第２半田シートである。また、接合片は、後述する第１半田片及び第２半田片である。本実施形態における電力変換装置Ａは、このような接合材によって電子部品、埋込配線材及び個別配線材が相互接続されることにより、図２に示す電気回路として機能する。

次に、本実施形態に係る電力変換装置Ａの製造方法、つまり上記電子部品、埋込配線材及び個別配線材の接合材を用いた接続方法について、図３に示すフローチャートに沿って詳しく説明する。

この電力変換装置Ａの製造方法は、図３に示すように、マウント工程Ｓ１、リフロー工程Ｓ２、ワイヤボンディング工程Ｓ３及び検査工程Ｓ４を有する。

マウント工程Ｓ１は、本製造方法において最も特徴的な製造工程であり、図４〜図６に示すように、第１治具Ｊを用いることによりベース部材Ｂ（埋込配線材）、半導体チップＣ及び第１、第２接続リードＬ１、Ｌ２の位置関係を規定すると共に、第１半田シートＨ１（第１接合材）、第２半田シートＨ２（第４接合材）、第１半田片Ｈ３（第２接合材）及び第２半田片Ｈ４（第３接合材）を所定位置に配置する製造工程である。

ここで、本実施形態における電力変換装置Ａは、半導体チップＣで発生する熱を絶縁状態で放熱する絶縁放熱回路基板Ｄを付加部品として備える。この絶縁放熱回路基板Ｄは、半導体チップＣ毎に設けられる矩形の板状部品であり、電気的に絶縁しつつ半導体チップＣの熱をヒートシンク等の放熱部品に伝熱する電子部品である。

この絶縁放熱回路基板Ｄは、図４に示すように各半導体チップＣとベース部材Ｂとの間に介装され、第３半田シートＨ５を介してベース部材Ｂに接合される。また、この絶縁放熱回路基板Ｄは、図４に示すように、第２半田シートＨ２を介して第２接続リードＬ２に接続される。

上記第１治具Ｊの詳細について説明すると、当該第１治具Ｊは、ベース部材Ｂのチップ収容部ｂに嵌合するように形状設定された金属成型部品である。この第１治具Ｊは、図４及び図５に示すように、収容部ｊ１、第１リード収容部ｊ２、第２リード収容部ｊ３、基板位置規制部ｊ４、チップ位置規制部ｊ５及びリード位置規制部ｊ６を備えている。

収容部ｊ１は、第１治具Ｊの正面側に設けられた窪み部であり、図４及び図５（ａ）に示すように半導体チップＣ、第１半田シートＨ１及び第１接続リードＬ１の一部（下端側）並びに絶縁放熱回路基板Ｄ及び第３半田シートＨ５を積層状態で収容する。第１リード収容部ｊ２は、リード位置規制部ｊ６を挟んで上記収容部ｊ１に隣接する窪み部であり、図５（ａ）に示すように第１接続リードＬ１の一部（上端側）を収容する。

第２リード収容部ｊ３は、収容部ｊ１及び第１リード収容部ｊ２に隣接する窪み部であり、図５（ａ）に示すように第２接続リードＬ２を収容する。基板位置規制部ｊ４は、図５（ｂ）に示すように第１治具Ｊの背面側に絶縁放熱回路基板Ｄの外形に符合する位置関係、つまり絶縁放熱回路基板Ｄの外周を取り囲むように設けられた複数の突起であり、絶縁放熱回路基板Ｄをベース部材Ｂに対して位置決めする。

チップ位置規制部ｊ５は、各半導体チップＣの位置を絶縁放熱回路基板Ｄに対して入り決めする部位である。チップ位置規制部ｊ５は、図５（ｃ）に示すように絶縁放熱回路基板Ｄ上に第１半田シートＨ１を介して積層状に載置された半導体チップＣの外周に上方から当接する傾斜面である。

すなわち、このチップ位置規制部ｊ５は、半導体チップＣ（矩形）の外周を構成する４つの辺に対峙すると共に外開き状態で傾斜する４つの傾斜面である。このようなチップ位置規制部ｊ５は、各傾斜面で半導体チップＣを上方から押圧することにより絶縁放熱回路基板Ｄに対する半導体チップＣの位置を規定する。

リード位置規制部ｊ６は、第１接続リードＬ１の位置を各半導体チップＣに対して入り決めする部位である。このリード位置規制部ｊ６は、図４及び図５（ａ）に示すように第１接続リードＬ１に形成された窪み部に係合する一対の突起部である。このようなリード位置規制部ｊ６は、第１接続リードＬ１の窪み部に係合することによって、各半導体チップＣ上における位置を所定位置に規制する。

すなわち、マウント工程Ｓ１において、第１治具Ｊは、図４に示すように、各絶縁放熱回路基板Ｄとベース部材Ｂ（埋込配線材）との間に各第３半田シートＨ５を挿入した状態でベース部材Ｂ（埋込配線材）に対する各絶縁放熱回路基板Ｄの位置関係を規定し、各絶縁放熱回路基板Ｄと各半導体チップＣとの間に第１半田シートＨ１を挿入した状態で各絶縁放熱回路基板Ｄに対する各半導体チップＣの位置関係を規定し、また各半導体チップＣと第２接続リードＬ２との間に第２半田シートＨ２を挿入した状態で各半導体チップＣと第２接続リードＬ２との位置関係を規定する。

また、このマウント工程Ｓ１では、第１、第２接続リードＬ１、Ｌ２上に載置された第２治具Ｋを用いることにより、各半導体チップＣと第１接続リードＬ１を接続する第１半田片Ｈ３を保持する。上記第２治具Ｋは、各半導体チップＣについて所定位置に載置される金属成型部品であり、第１半田片Ｈ３を収容する貫通孔ｋ１を備える。この貫通孔ｋ１は、第１接続リードＬ１上において上下方向に延在する。

このような第２治具Ｋは、上記貫通孔ｋ１に加え、パッド保護部ｋ２を備える。このパッド保護部ｋ２は、半導体チップＣの上面に設けられた第２接続パッドＰ２（ワイヤボンディング用パッド）を保護する。すなわち、このパッド保護部ｋ２は、図６（ａ）及び（ｂ）に示すように第２治具Ｋの本体に対して上下動自在に支持された金属片であり、下面（平面）が第２接続パッドＰ２（ワイヤボンディング用パッド）に当接することにより、当該第２接続パッドＰ２（ワイヤボンディング用パッド）を保護する。

さらに、このマウント工程Ｓ１では、第１、第２接続リードＬ１、Ｌ２とバスバーＵ（埋込配線材）とを接続する第２半田片Ｈ４（２個）を第１、第２接続リードＬ１、Ｌ２上にそれぞれ配置する。すなわち、第２半田片Ｈ４は、マウント工程Ｓ１の最終段階で配置されるものであり、図６（ｂ）に示すように、第１、第２接続リードＬ１、Ｌ２上に第２治具Ｋが載置された後、第１、第２接続リードＬ１、Ｌ２において先端が下がるように傾斜した部位（接続部）と垂直姿勢のバスバーＵの接続部とに架け渡すように設けられる。

リフロー工程Ｓ２は、このようなマウント工程Ｓ１の組立物、つまり各電子部品、各埋込配線材及び各個別配線材並びに各接合材が第１治具Ｊ及び第２治具Ｋにいよって所定の位置関係に設定された状態の被リフロー部材を一時的に加熱することにより各接合材を溶融／固化させる製造工程である。このリフロー工程Ｓ２によって各電子部品、埋込配線材及び個別配線材が相互接続される。

すなわち、第１半田シートＨ１、第２半田シートＨ２、第１半田片Ｈ３、第２半田片Ｈ４及び第３半田シートＨ５のうち、第３半田シートＨ５が溶融／固化することにより絶縁放熱回路基板Ｄとベース部材Ｂの埋込配線材とが接合され、第１半田シートＨ１が溶融／固化することにより半導体チップＣと絶縁放熱回路基板Ｄとが接合される。また、第２半田シートＨ２が溶融／固化することにより第２接続リードＬ２と半導体チップＣの第２接続パッドＰ２とが接合される。

さらに、第１半田片Ｈ３が溶融／固化することにより第１接続リードＬ１と半導体チップＣの第１接続パッドＰ１とが接合される。そして、２個の第２半田片Ｈ４のうち、一方が溶融／固化することにより第２接続リードＬ２とバスバーＵとが接合され、他方が溶融／固化することにより絶縁放熱回路基板ＤとバスバーＵとが接合される。

ワイヤボンディング工程Ｓ３は、リフロー工程Ｓ２の組立物から第１治具Ｊ及び第２治具Ｋを除去し、この上で専用のボンディング装置を用いて半導体チップＣの第２接続パッドＰ２（ワイヤボンディング用パッド）とベース部材Ｂの埋込配線材とを接続する製造工程である。このワイヤボンディング工程Ｓ３を経ることによって、図２に示す結線状態の電力変換装置Ａが完成する。

検査工程Ｓ４は、電力変換装置Ａが所望の性能を発揮するか否かを確認する製造工程である。この検査工程Ｓ４では、電力変換装置Ａの電気的な性能だけではなく、機械的な性能をも確認される。すなわち、本実施形態における検査工程Ｓ４は、電力変換装置Ａは車両に搭載されて使用されるものなので、この搭載環境において電気的かつ機械的に十分な性能を発揮するか否かが確認される。

本実施形態によれば、電力変換装置Ａを機械的（物理的）に構成する各電子部品、各埋込配線材及び各個別配線材並びに各接合材を第１治具Ｊ及び第２治具Ｋを用いることにより所定の位置関係に設定するマウント工程Ｓ１を採用するので、従来よりも少ないリフロー工程つまり１回のリフロー工程で電力変換装置Ａを製造することが可能である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、接合材として第１半田シートＨ１，第２半田シートＨ２、第１半田片Ｈ３、第２半田片Ｈ４及び第３半田シートＨ５を採用したが、本発明はこれに限定されない。すなわち、本発明における接合シート及び接合片は、ろう材としての半田に限定されない。

（２）上記実施形態では、絶縁放熱回路基板Ｄを備える電力変換装置Ａについて説明したが、本発明はこれに限定されない。すなわち、本発明は、絶縁放熱回路基板Ｄを備えない電力変換装置の製造工程にも適用可能である。

（３）上記実施形態では、図４〜図６に示す形状の第１治具Ｊ及び第２治具Ｋを採用したが、本発明はこれに限定されない。第１治具Ｊ及び第２治具Ｋと同等な機能を発揮するものであれば、他の形状の治具を採用してもよい。

Ａ 電力変換装置
Ｂ ベース部材Ｂ
Ｃ，Ｃ１〜Ｃ１４ 半導体チップ
Ｄ 絶縁放熱回路基板
Ｅ１ 昇降圧回路
Ｅ２ 第１インバータ回路
Ｅ３ 第２インバータ回路
Ｈ１ 第１半田シート（第１接合材）
Ｈ２ 第２半田シート（第４接合材）
Ｈ３ 第１半田片（第２接合材）
Ｈ４ 第２半田片（第３接合材）
Ｈ５ 第３半田シート
Ｊ 第１治具
ｊ１ 収容部
ｊ２ 第１リード収容部
ｊ３ 第２リード収容部
ｊ４ 基板位置規制部
ｊ５ チップ位置規制部
ｊ６ リード位置規制部
Ｋ 第２治具
ｋ１ 貫通孔
ｋ２ パッド保護部
Ｌ１ 第１接続リード
Ｌ２ 第２接続リード
Ｐ１ 第１接続パッド
Ｐ２ 第２接続パッド（ワイヤボンディング用パッド）
Ｒ１〜Ｒ３ 実装領域
Ｕ，Ｕ１，Ｕ２ バスバー
１〜１４ パワートランジスタ

Claims (6)

1. ベース部材の埋込配線材、半導体チップ及び接続リードを相互接続してなる電力変換装置の製造方法であって、
   第１治具を用いることにより前記ベース部材、前記半導体チップ及び前記接続リードの位置関係を規定すると共に前記ベース部材と前記半導体チップとの間及び前記半導体チップと前記接続リードとの間に第１接合材を配置し、第２治具を用いることにより前記半導体チップと前記接続リードを接続する第２接合材を保持し、また前記接続リードと前記埋込配線材とを接続する第３接合材を前記接続リード上に配置するマウント工程と、
   該マウント工程の組立物を加熱して前記第１接合材、前記第２接合材及び前記第３接合材を溶融させるリフロー工程と
   を少なくとも有することを特徴とする電力変換装置の製造方法。
2. 前記第１治具は、前記ベース部材と前記半導体チップとの間に前記第１接合材を挿入した状態で前記ベース部材に対する前記半導体チップの位置関係を規定し、当該半導体チップと前記接続リードとの間に第４接合材を挿入した状態で前記半導体チップと前記接続リードと前記埋込配線材との位置関係を規定することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置の製造方法。
3. 前記電力変換装置は、前記半導体チップで発生する熱を絶縁状態で放熱する絶縁放熱回路基板を備え、
   前記第１治具は、前記絶縁放熱回路基板を前記半導体チップに対して位置決めする基板位置規制部を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置の製造方法。
4. 前記第１治具は、前記半導体チップの各辺に当接することによって位置決めする傾斜面を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置の製造方法。
5. 前記第２治具は、前記接続リード上において上下方向に延在し、前記第２接合材を収容する貫通孔を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の電力変換装置の製造方法。
6. 前記半導体チップは、ワイヤボンディング用パッドを備え、
   前記第２治具は、前記ワイヤボンディング用パッドを保護するパッド保護部を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の電力変換装置の製造方法。
   
   

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