半田付け方法及び錘並びに電子機器の製造方法
【課題】回路基板上にチップ部品を接合面全面で半田付けする際に、接合部における半田の厚さのむらを抑制する。
【解決手段】回路基板１１上に設けられた金属回路１３に半導体素子１２を半田付けする際、半田の溶融時に半導体素子１２を金属回路１３側に押圧する錘３０として、チップ部品加圧用凸部３０ｂと、傾き規制用凸部３０ｃとを備えた錘３０を用いる。金属回路１３上に半田シート３３を介して半導体素子１２を配置するとともに、錘３０をチップ部品加圧用凸部３０ｂが半導体素子１２を押圧する状態に載置する。そして、錘３０によって半導体素子１２を加圧しながら半田シート３３を溶融させるとともに傾き規制用凸部３０ｃが金属回路１３に当接することで半導体素子１２を金属回路１３と平行な状態に半田付けする。
【解決手段】回路基板１１上に設けられた金属回路１３に半導体素子１２を半田付けする際、半田の溶融時に半導体素子１２を金属回路１３側に押圧する錘３０として、チップ部品加圧用凸部３０ｂと、傾き規制用凸部３０ｃとを備えた錘３０を用いる。金属回路１３上に半田シート３３を介して半導体素子１２を配置するとともに、錘３０をチップ部品加圧用凸部３０ｂが半導体素子１２を押圧する状態に載置する。そして、錘３０によって半導体素子１２を加圧しながら半田シート３３を溶融させるとともに傾き規制用凸部３０ｃが金属回路１３に当接することで半導体素子１２を金属回路１３と平行な状態に半田付けする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半田付け方法及び錘並びに電子機器の製造方法に係り、詳しくは回路基板上への半導体素子等のチップ部品を接合面全面で接合する半田付け方法及び錘並びに電子機器の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、金属部材とセラミックス部材や、基板と電子部品とを接合する方法として、高周波誘導加熱を用いる方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１には、複数の熱電素子と基板とを接合して熱電変換モジュールを製作する接合装置が提案されている。この接合装置は、図１０（ａ）に示すように、台６１と、基板６２に下端面を接し同基板６２を加圧する加圧治具（錘）６３と、同加圧治具６３の周りに設けられる高周波加熱コイル６４とを備える。そして、台６１上に順次カーボンシート６５、熱電素子６６、基板６２を配置するとともに、加圧治具６３により基板６２を加圧した状態で誘導加熱（高周波加熱）により加圧治具６３を加熱する。すると、加圧治具６３の熱が基板６２に伝わり、熱電素子６６が基板６２に接合される。また、接合対象との間に半田やロウ材を配置しておけば半田付けやロウ付けが行える。
【０００３】
また、回路基板上に半導体素子や電子部品を実装する場合、回路基板と半導体素子等とを半田を介して接合する方法が一般的である。回路基板上に半導体素子等を半田付けする場合、半導体素子等と回路基板との間に介在する半田の溶融時に、半導体素子等が溶融した半田の表面張力でその位置がずれたり、半導体素子等の接合面全体に半田が拡がらずに接合されたりする場合がある。
【０００４】
従来、半田付けされる電子部品の傾斜や浮き上がり等の位置ずれを有効に防止する半田付け部品の浮き防止治具が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。この浮き防止治具は、図１０（ｂ）に示すように、プリント基板７１上に載置されたリレー７２を跨いでプリント基板７１上に載置可能とすべく、リレー７２におけるプリント基板７１上の高さに対応する深さの電子部品収容凹部７５ａを有する部品押さえ治具７５を備える。部品押さえ治具７５はその自重により、プリント基板７１上の載置位置で保持される。電子部品収容凹部７５ａは、プリント基板７１の載置面側に向かって漸次拡開するテーパ状に形成されている。そして、フローソルダ等の半田付け装置によって噴流される半田上を通過させることにより、プリント基板７１側の回路と各リード７２ａとの半田付けがなされる。電子部品収容凹部７５ａの底面７５ｂとリレー７２の上面７２ｂとの間には０．１ｍｍ程度のクリアランスを有する構造とされている。
【特許文献１】実開平５−１３６６０号公報
【特許文献２】特開２００２−２６１４３３公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
半田付け時にチップ部品（半田付けする部品）上に錘を載置すると半田の拡がりを助ける。しかし、チップ部品の接合面全体と対応する半田を溶融させて半田付けを行う場合には、半田の種類によっては、溶融状態の半田の表面張力によって半田のチップ部品と対向する面が上に凸の曲面となる。そのため、半導体素子の上に載置された錘が傾き、半導体素子と半導体素子が接合される接合面との間に存在する半田の厚さが均一ではなくなる。
【０００６】
そして、回路基板としてセラミック基板と金属製のヒートシンクとを一体化した冷却回路基板を用いた場合、半導体素子と基板とを接合する半田の厚さにばらつきがあると、厚さのばらつきが熱抵抗のばらつきとなる。その結果、半田が介在して接合されている半導体素子と配線層の線膨張率の差を吸収する応力緩和効果がばらつき、熱サイクルの疲労寿命がばらつくという問題がある。
【０００７】
特許文献１では、前記のような半田溶融時の問題に関しては何ら配慮はされていない。一方、特許文献２では、半田付けされる電子部品の傾斜や浮き上がり等の位置ずれを有効に防止する目的で部品押さえ治具７５を使用する。しかし、電子部品はリード７２ａを備えたリード部品であり、半田付けも噴流される半田上を、プリント基板７１を透過させて行う方法に関してのみ記載されており、傾斜や浮き上がりも、プリント基板７１の搬送中の振動や衝撃を主原因としている。即ち、チップ部品の接合面全体と対応する半田を溶融させて半田付けを行う場合に発生する前記問題に関しては何ら配慮されていない。
【０００８】
本発明は前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、回路基板上にチップ部品を接合面全面で半田付けする際に、接合部における半田の厚さのむらを抑制することができる半田付け方法及び錘並びに電子機器の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記の目的を達成するため請求項１に記載の発明は、回路基板上に設けられた接合部にチップ部品を半田付けする半田付け方法である。半田の溶融時に前記チップ部品を前記接合部側に押圧する錘として、チップ部品加圧部と、傾き規制用凸部とを備えた錘を用い、前記接合部上に半田を介して前記チップ部品を配置するとともに、前記錘を前記チップ部品加圧部が前記チップ部品を押圧する状態に載置する。そして、前記錘によって前記チップ部品を加圧しながら前記半田を溶融させるとともに傾き規制用凸部が前記回路基板に当接することで前記チップ部品を前記接合部と平行な状態に半田付けする。
【００１０】
この発明では、回路基板上に設けられた接合部上に半田を介してチップ部品が配置される。そして、錘は、チップ部品加圧部がチップ部品を押圧する状態に回路基板上に載置された状態で半田が溶融される。溶融された半田は表面張力により、球に近づく形状に成ろうとするため、チップ部品及び錘を持ち上げる力が作用する。この力と、チップ部品及び錘の重さ（以下、錘等の重さと称す場合もある。）とがバランスした状態で半田が冷却されて固化することにより半田付けが完了する。単にチップ部品の上に錘を載せた場合には、バランスによって回路基板の接合部とチップ部品の接合面が平行にならずに傾いた状態で半田が固化する場合がある。しかし、この発明では、錘はチップ部品加圧部と傾き規制用凸部とを備えているため、半田が溶融された状態において、傾き規制用凸部の先端が回路基板と当接して、錘は、水平状態又はほぼ水平状態で各チップ部品を接合面側へ加圧する状態となる。その結果、半田がその溶融温度以下に冷却した状態では、各接合部における半田の厚さむらが抑制された状態で半田付けが行われる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記錘は、前記チップ部品加圧部が前記チップ部品を押圧する状態に載置されたときに、前記チップ部品加圧部の中心と、前記傾き規制用凸部の中心又は端とを結ぶ仮想線で囲まれる範囲の中に前記錘の重心が存在するように形成されている。この発明では、チップ部品加圧部及び傾き規制用凸部の合計数が３以上の場合は、それらの中心を結ぶ仮想線で囲まれる範囲の中に錘の重心が存在するように錘が形成されるため、半田が溶融された状態において、傾き規制用凸部の先端が回路基板と当接して、錘は、水平状態又はほぼ水平状態で各チップ部品を接合面側へ加圧する状態となる。また、チップ部品加圧部及び傾き規制用凸部の数がそれぞれ１個の場合、チップ部品加圧部の中心と、傾き規制用凸部の両端とを結ぶ仮想線で囲まれる範囲の中に錘の重心が存在するように錘が形成される。半田の溶融状態においてチップ部品加圧部の先端面は自由に角度が変わるが、傾き規制用凸部は回路基板に面で接触するため、その両端の位置と、チップ部品加圧部の中心位置とで３点が決定されるため、接合部における半田の厚さむらが抑制された状態で半田付けが行われる。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記チップ部品加圧部は、前記チップ部品をその中心を含む半分以上の面積で押圧可能に形成されている。傾き規制用凸部の数及び錘の重さによっては、チップ部品加圧部はチップ部品をその全面で押圧する必要はない。しかし、この発明では、半田の溶融状態において、チップ部品加圧部はチップ部品をその中心を含む半分以上の面積で接合部側へ押圧するため、接合部における半田の厚さむらが抑制された状態で半田付けが容易に行われる。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の発明において、前記錘を介して前記半田に熱を伝達して半田を溶融させる。この発明では、例えば、錘が誘導加熱やヒータで加熱され、その熱が半田に伝達されて半田が溶融される。半田付けは非酸化状態で行うのが好ましいため、回路基板を容器内に収容して不活性ガス中あるいは還元性ガスの雰囲気で行う場合、回路基板全体や容器全体を加熱する場合に比べて効率的な加熱を実現することができる。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の発明において、前記回路基板、半田層、前記チップ部品の順に積層された状態で半田付けが行われる。この発明では、錘による加圧が良好に行われる。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の半田付け方法に使用する錘であって、少なくとも１個の加圧面を備え、前記加圧面より先端が突出している凸部が形成されている。この発明の錘は加圧面を前記チップ部品加圧部とし、加圧面より先端が突出している凸部を前記傾き規制用凸部として用いることにより、前記請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の半田付け方法に好適に用いることができる。
【００１６】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の半田付け方法を半田付け工程に使用する電子機器の製造方法である。この発明では、電子機器の製造方法において、対応する前記請求項に記載の発明の作用、効果を奏する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、回路基板上にチップ部品を接合面全面で半田付けする際に、接合部における半田の厚さのむらを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（第１の実施形態）
以下、本発明を電子機器の部品となる半導体モジュールの製造方法の一工程である半導体素子の半田付け方法に具体化した第１の実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。
【００１９】
図１（ａ），（ｂ）に示すように、半導体モジュール１０は、回路基板１１と、回路基板１１上に半田付けにより接合されたチップ部品としての複数（２個）の半導体素子１２とを備えている。回路基板１１は、表面に金属回路１３を有する絶縁体としてのセラミック基板１４が金属製のヒートシンク１５と金属板１６を介して一体化された冷却回路基板（ヒートシンク付き基板）である。ヒートシンク１５は冷却媒体が流れる冷媒流路１５ａを備えている。ヒートシンク１５は、アルミニウム系金属や銅等で形成されている。アルミニウム系金属とはアルミニウム又はアルミニウム合金を意味する。金属板１６は、セラミック基板１４とヒートシンク１５とを接合する接合層として機能し、例えば、アルミニウムや銅等で形成されている。
【００２０】
金属回路１３は、例えば、アルミニウムや銅等で形成されている。セラミック基板１４は、例えば、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化ケイ素等により形成されている。半導体素子１２は、金属回路１３に接合（半田付け）されている。即ち、金属回路１３は半導体素子１２を回路基板１１上に接合するための接合部を構成する。図２における符号「Ｈ」は、半田層を示している。半導体素子１２としては、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor ）やダイオードが用いられている。
【００２１】
次に半導体モジュールの製造方法を説明する。
図２は、半田付け装置の構成を概略的に示している。図２に示すように、半導体モジュール１０の製造に使用する半田付け装置ＨＫは、密閉可能な容器（チャンバ）１７を備え、当該容器１７は開口部１８ａを有する箱型の本体１８と、当該本体１８の開口部１８ａを開放及び閉鎖する蓋体１９とから構成されている。本体１８には、半導体モジュール１０を位置決めして支持する支持台２０が設置されている。また、本体１８には、蓋体１９の装着部位にパッキン２１が配設されている。
【００２２】
蓋体１９は、本体１８の開口部１８ａを閉鎖可能な大きさで形成されており、本体１８に蓋体１９を装着することにより容器１７内には密閉空間Ｓが形成されるようになっている。また、蓋体１９において、密閉空間Ｓと対向する部位は、磁力線（磁束）を通す電気的絶縁材で形成されている。この実施形態では、電気的絶縁材としてガラスが用いられており、蓋体１９にはガラス板２２が組み付けられている。
【００２３】
また、本体１８には、容器１７内に還元性ガス（この実施形態では水素）を供給するための還元ガス供給部２３が接続されている。還元ガス供給部２３は、配管２３ａと、当該配管２３ａの開閉バルブ２３ｂと、水素タンク２３ｃとを備えている。また、本体１８には、容器１７内に不活性ガス（この実施形態では窒素）を供給するための不活性ガス供給部２４が接続されている。不活性ガス供給部２４は、配管２４ａと、当該配管２４ａの開閉バルブ２４ｂと、窒素タンク２４ｃとを備えている。また、本体１８には、容器１７内に充満したガスを外部に排出するためのガス排出部２５が接続されている。ガス排出部２５は、配管２５ａと、当該配管２５ａの開閉バルブ２５ｂと、真空ポンプ２５ｃとを備えている。半田付け装置ＨＫは、還元ガス供給部２３、不活性ガス供給部２４及びガス排出部２５を備えることにより、密閉空間Ｓ内の圧力を調整可能な構成とされており、密閉空間Ｓ内の圧力は、圧力調整によって加圧されたり、減圧されたりする。
【００２４】
また、本体１８には、半田付け後の容器１７内に熱媒体（冷却用ガス）を供給するための供給手段としての熱媒供給部（図示せず）が接続されている。
半田付け装置ＨＫの上部（蓋体１９の上方）には、高周波加熱コイル２６が設置されている。この実施形態の高周波加熱コイル２６は、１枚のセラミック基板１４を覆う大きさに形成されている。高周波加熱コイル２６は、渦巻き状（角形渦巻き状）に形成されており、平面的に展開されている。また、高周波加熱コイル２６は、蓋体１９（ガラス板２２の装着部位）に対向するように配置されている。高周波加熱コイル２６は、半田付け装置ＨＫが備える高周波発生装置２７に電気的に接続されているとともに、容器１７内に設置された温度センサ（図示せず）の計測結果に基づき、高周波発生装置２７の出力が制御されるようになっている。また、高周波加熱コイル２６には、コイル内部に冷却水を通すための冷却路２８が形成されているとともに、半田付け装置ＨＫが備える冷却水タンク２９に接続されている。
【００２５】
蓋体１９には、半田付けを行う際に、半導体素子１２を加圧する錘３０を支持可能な支持プレート３１が水平に取り付けられている。支持プレート３１は磁力線を通す絶縁材料（例えば、セラミックス）で形成されるとともに、錘３０のフランジ部３０ａより下側が嵌挿可能な孔３１ａを備えている。錘３０は孔３１ａに嵌挿された状態で支持プレート３１に装備されている。そして、図２に示すように、蓋体１９が閉鎖位置に配置された状態では、錘３０が半導体素子１２の接合面と反対側の面（非接合面）に当接するとともに、フランジ部３０ａが支持プレート３１の上面から浮き上がった状態となって、錘３０が半導体素子１２を錘３０の自重で加圧するようになっている。
【００２６】
錘３０は、チップ部品加圧部としてのチップ部品加圧用凸部３０ｂと、傾き規制用凸部３０ｃとを備えている。チップ部品加圧用凸部３０ｂは、図２に示すように、半田付け時において半導体素子１２の上面全体に当接可能な大きさに形成されており、傾き規制用凸部３０ｃは、半田付け時において金属回路１３の一部に当接可能な大きさに形成されている。錘３０は、半田が溶融された状態でチップ部品加圧用凸部３０ｂが半導体素子１２を押圧し、かつ傾き規制用凸部３０ｃが回路基板１１に当接することで半導体素子１２の接合面が金属回路１３と平行な状態に保持可能な形状及び重さに形成されている。この実施形態では、半導体素子１２は正方形状のセラミック基板１４の対角線上の二隅に位置するように配置されているため、図３（ａ），（ｂ）に示すように、チップ部品加圧用凸部３０ｂは、平面正方形状の錘３０の対角線上の二隅に位置するように配置され、傾き規制用凸部３０ｃは別の対角線上の二隅に位置するように配置されている。なお、図３（ａ）において、フランジ部３０ａの外形を二点鎖線で示している。
【００２７】
傾き規制用凸部３０ｃはチップ部品加圧用凸部３０ｂより長く形成されている。チップ部品加圧用凸部３０ｂ及び傾き規制用凸部３０ｃの長さは、半田の溶融状態において、傾き規制用凸部３０ｃの先端面が金属回路１３に当接した状態でチップ部品加圧用凸部３０ｂが半導体素子１２を水平状態で押圧可能な長さに設定されている。半田は溶融状態において錘３０の重さにより、溶融前の状態より拡がった状態で半導体素子１２を半田付けするため、チップ部品加圧用凸部３０ｂの長さと規制用凸部３０ｃの長さの差は、溶融前の半田シート３３の厚さと半導体素子１２の厚さとの和より小さく設定されている。また、錘３０は、チップ部品加圧用凸部３０ｂ及び傾き規制用凸部３０ｃの中心と、傾き規制用凸部３０ｃの中心とを結ぶ仮想線Ｌ１で囲まれる範囲の中に錘３０の重心Ｇが存在するように形成されている。
【００２８】
錘３０は、錘３０を介して半田に熱を伝達して半田を溶融させることが可能な材料で形成されている。この実施形態では、錘３０は、磁束の変化により電流が発生し、自身の電気抵抗によって発熱する材料、即ち誘導加熱可能な材料を用いて形成されている。この実施形態の錘３０は、ステンレスで形成されている。
【００２９】
また、半田付けを行う際には、位置決め用の治具３２を用いて、セラミック基板１４上に半田シート３３と、半導体素子１２と、錘３０とを位置決めするようになっている。図３（ｃ）に示すように、治具３２は平面正方形状に形成されている。図２及び図３（ｃ）に示すように、治具３２には、その裏面に金属回路１３の外周部と係合可能な正方形状の凹部３２ａが形成されるとともに、半導体素子１２のサイズに応じた大きさで形成された位置決め用の孔３２ｂと、規制用凸部３０ｃのサイズに応じた大きさで形成された位置決め用の孔３２ｃとが形成されている。この実施形態においては、両孔３２ｂ，３２ｃはそれぞれ２個形成されている。なお、図３（ｃ）において、フランジ部３０ａの外形及び金属回路１３の外形を二点鎖線で示しており、金属回路１３の外形を示す二点鎖線の一部は凹部３２ａを示す点線と重なっている。
【００３０】
次に、前記半田付け装置ＨＫを用いて半導体モジュール１０の製造方法の一工程である半田付け工程において、回路基板１１に対する半導体素子１２の半田付けを行う方法について説明する。なお、半田付け装置ＨＫを用いて半田付けを行うのに先立って、金属回路１３を有するセラミック基板１４をヒートシンク１５と一体化した回路基板１１を予め作製しておく。
【００３１】
半田付けを行う際には、最初に、本体１８から蓋体１９を外し、開口部１８ａを開放する。そして、図２に示すように本体１８の支持台２０上に回路基板１１を置き、位置決めする。次に、回路基板１１のセラミック基板１４上に治具３２を置き、治具３２の各孔３２ｂ内に半田シート３３と半導体素子１２を配置する。治具３２は、凹部３２ａが金属回路１３の周縁部と係合して位置決めされた状態でセラミック基板１４上に載置される。半田シート３３は、金属回路１３と半導体素子１２との間に配置する。
【００３２】
次に蓋体１９を本体１８に取り付け、開口部１８ａを閉鎖して、容器１７内に密閉空間Ｓを形成する。蓋体１９を本体１８に取り付けると、図２に示すように、錘３０のチップ部品加圧用凸部３０ｂ側が治具３２の孔３２ｂに嵌挿され、規制用凸部３０ｃが孔３２ｃに嵌挿される。そして、錘３０のチップ部品加圧用凸部３０ｂの先端が半導体素子１２の非接合面（上面）に当接するとともに、フランジ部３０ａが支持プレート３１の上面から離間した状態になり、各錘３０は２個の半導体素子１２に跨った状態で、錘３０の自重によって半導体素子１２を加圧する状態に配置される。この状態において、セラミック基板１４上には、金属回路１３側から順に半田シート３３、半導体素子１２、錘３０が重なった状態で配置される。
【００３３】
次に、ガス排出部２５を操作して容器１７内を真空引きするとともに、不活性ガス供給部２４を操作して容器１７内に窒素を供給し、密閉空間Ｓ内を不活性ガスで充満させる。この真空引きと窒素の供給を数回繰り返した後、還元ガス供給部２３を操作して容器１７内に水素を供給し、密閉空間Ｓ内を還元ガス雰囲気とする。
【００３４】
次に、高周波発生装置２７を作動させ、高周波加熱コイル２６に高周波電流を流す。すると、高周波加熱コイル２６には、対応する錘３０を通る高周波の磁束が発生し、錘３０には磁束の通過によって渦電流が発生する。高周波加熱コイル２６の磁束内に置かれた錘３０は、電磁誘導作用によって発熱し、その熱が錘３０のチップ部品加圧用凸部３０ｂから半導体素子１２に伝わる。そして、回路基板１１の各接合部上に載置された半田シート３３には、錘３０に生じた熱が当該錘３０のチップ部品加圧用凸部３０ｂ及び半導体素子１２を介して集中的（局所的）に伝わり、加熱される。この結果、半田シート３３は、半導体素子１２を介して伝わる熱で溶融温度以上の温度になることにより溶融する。
【００３５】
半田シート３３が溶融すると、溶融した半田の表面張力と半導体素子１２の重心とのバランスによっては、半導体素子１２が傾こうとする場合がある。しかし、錘３０は、チップ部品加圧用凸部３０ｂの他に規制用凸部３０ｃを備えており、半田が溶融された状態において、傾き規制用凸部３０ｃの先端が回路基板１１上の金属回路１３と当接して、錘３０は、水平状態又はほぼ水平状態で各半導体素子１２を接合面側へ加圧する状態となる。その結果、半田がその溶融温度以下に冷却した状態では、各接合部における半田の厚さむらが抑制された状態で半田付けが行われる。そして、例えば、後工程においてワイヤボンディングで配線を行って回路基板１１上の各半導体素子１２間及び半導体素子１２と配線との間を接続する際に、ワイヤボンディングに支障を来すことが回避される。
【００３６】
半田が完全に溶融した後、高周波発生装置２７を停止させる。なお、容器１７内に設置した温度センサ（図示せず）の検出結果に基づき、高周波加熱コイル２６に流れる高周波電流の大きさが制御される。また、容器１７内（密閉空間Ｓ）の圧力は、半田付け作業の進行状況に合わせて加圧及び減圧され、雰囲気調整が行われる。
【００３７】
そして、半田シート３３が完全に溶融した後、冷却用の熱媒供給部を操作して容器１７内に冷却用ガスを供給する。冷却用ガスは、ヒートシンク１５の冷媒流路１５ａの入口又は出口に向かって吹き込まれるとともに、容器１７内に供給された冷却用ガスは、冷媒流路１５ａ及びヒートシンク１５の周囲を流れて、半田付け対象物（半導体モジュール１０）を冷却する。この結果、溶融した半田は、溶融温度未満に冷却されることによって凝固し、金属回路１３と半導体素子１２とを接合する。この状態において、半田付けが終了し、半導体モジュール１０が完成する。そして、蓋体１９を本体１８から取り外し、治具３２を外した後に容器１７内から半導体モジュール１０を取り出す。
【００３８】
したがって、この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）回路基板１１上に設けられた金属回路１３に半導体素子１２を接合面全面で半田付けする半田付け方法において、半田の溶融時に半導体素子１２を金属回路１３側に押圧する錘３０として、チップ部品加圧用凸部３０ｂと、傾き規制用凸部３０ｃとを備えた錘３０を用いる。金属回路１３上に半田を介して半導体素子１２を配置するとともに、錘３０をチップ部品加圧用凸部３０ｂが半導体素子１２を押圧する状態に載置する。そして、錘３０によって半導体素子１２を加圧しながら半田を溶融させるとともに傾き規制用凸部３０ｃが回路基板１１（正確には金属回路１３）に当接することで半導体素子１２を金属回路１３と平行な状態に半田付けする。したがって、半田がその溶融温度以下に冷却された状態では、各接合部における半田の厚さむらが抑制された状態で半田付けが行われる。
【００３９】
（２）錘３０は、チップ部品加圧用凸部３０ｂが半導体素子１２を押圧する状態に載置されたときに、チップ部品加圧用凸部３０ｂの中心と、傾き規制用凸部３０ｃの中心とを結ぶ仮想線Ｌ１で囲まれる範囲の中に錘３０の重心Ｇが存在するように形成されている。したがって、半田の溶融状態において、２個の傾き規制用凸部３０ｃの先端面が回路基板１１と当接して、錘３０は、水平状態又はほぼ水平状態で各半導体素子１２を接合面側へ加圧する状態となる。その結果、回路基板１１上に半導体素子１２を接合面全面で半田付けする際に、確実に接合部における半田の厚さむらが抑制された状態で半田付けが行われる。
【００４０】
（３）チップ部品加圧用凸部３０ｂは、半導体素子１２をその中心を含む半分以上の面積で押圧可能に形成されている。傾き規制用凸部３０ｃの数及び錘３０の重さによっては、チップ部品加圧用凸部３０ｂは半導体素子１２をその全面で押圧する必要はない。しかし、半田の溶融状態において、チップ部品加圧用凸部３０ｂは半導体素子１２をその中心を含む半分以上の面積で接合部側へ押圧するため、接合部における半田の厚さむらが抑制された状態で半田付けが容易に行われる。
【００４１】
（４）半田付けは非酸化状態で行うのが好ましいため、回路基板１１を容器１７内に収容して不活性ガス中あるいは還元性ガスの雰囲気で行われるが、錘３０を介して半田に熱を伝達して半田を溶融させるため、回路基板１１全体や容器１７全体を加熱する場合に比べて効率的な加熱を実現することができる。
【００４２】
（５）錘３０を誘導加熱で発熱させるとともに、半導体素子１２を介して半導体素子１２と金属回路１３との間に配置された半田シート３３を加熱するため、半田シート３３に対して集中的に熱を伝えることができる。したがって、回路基板１１全体や容器１７全体を加熱する場合に比べて効率的な加熱を実現できる。
【００４３】
（６）回路基板１１、半田シート３３（半田層）、半導体素子１２の順に積層され、その上に錘３０を載置した状態で半田付けが行われる。したがって、錘３０による加圧が良好に行われる。
【００４４】
（７）錘３０は、一つの面に複数の凸部、即ちチップ部品加圧用凸部３０ｂ及び規制用凸部３０ｃが形成されるとともに、チップ部品加圧用凸部３０ｂは長さが規制用凸部３０ｃより短く形成されている。即ち、複数の凸部のうち少なくとも１個の凸部は他の凸部より短く形成されている。
【００４５】
（８）錘３０はフランジ部３０ａ（掛止部）を備えている。そして、錘３０は、蓋体１９に取り付けられるとともに、所定位置に孔３１ａが形成された支持プレート３１の孔３１ａに嵌挿されて、フランジ部３０ａの下面が支持プレート３１の上面と係合する状態で支持プレート３１に支持される。したがって、蓋体１９を本体１８に取り付けると、錘３０が自動的に半導体素子１２と対向する所定位置に配置されるとともに、蓋体１９を本体１８から取り外すと、錘３０が自動的に半導体素子１２と離間する位置へ配置される。
【００４６】
（９）半田シート３３及び半導体素子１２は、治具３２を介してセラミック基板１４上の所定位置に位置決めされた状態で配置される。したがって、錘３０を前記構成で支持プレート３１に取り付ける構成を採用した場合、錘３０を精度良く、各半導体素子１２と当接する位置に効率良く配置することができる。
【００４７】
（１０）高周波加熱コイル２６を容器１７の外部に配置した。したがって、錘３０を支持する支持プレート３１を蓋体１９に支持する構成が簡単になる。
（１１）電子機器の部品となる半導体モジュール１０の製造方法の一工程である半導体素子１２の半田付け工程において前記の方法で半田付けを行っている。したがって、電子機器の製造方法において、前記各効果を得ることができる。
【００４８】
（第２の実施形態）
次に、本発明を具体化した第２の実施形態を図４（ａ），（ｂ）を参照しながら説明する。なお、第２の実施形態は、錘３０及び治具３２の構成が異なりその他の構成は第１の実施形態と基本的に同様であるため、同様の部分についてはその詳細な説明を省略する。
【００４９】
この実施形態では、錘３０は、１個の半導体素子１２毎に設けられている。図４（ｂ）に示すように、錘３０は１個のチップ部品加圧用凸部３０ｂと２個の規制用凸部３０ｃとを備えている。錘３０は、平面形状が金属回路１３の検出に対応した略Ｌ字状に形成されるとともに、Ｌのコーナ部にチップ部品加圧用凸部３０ｂが形成され、端部に規制用凸部３０ｃが形成されている。また、治具３２にはチップ部品加圧用凸部３０ｂを挿通するための孔３２ｂが２個と、規制用凸部３０ｃを挿通するための孔３２ｃが４個形成されている。
【００５０】
この実施形態の錘３０及び治具３２を用いて半導体素子１２を回路基板１１に半田付けする場合も前記第１の実施形態と同様に、容器１７内に回路基板１１を配置し、回路基板１１のセラミック基板１４上に治具３２を置き、治具３２の各孔３２ｂ内に半田シート３３と半導体素子１２を配置する。そして、蓋体１９を閉じると、図４（ａ）に示すように、各錘３０によって半導体素子１２が押圧される状態となる。そして、高周波発生装置２７が作動されて錘３０が高周波加熱されて半田の溶融が行われる。
【００５１】
各錘３０のチップ部品加圧用凸部３０ｂ及び規制用凸部３０ｃの中心は一直線上になく、チップ部品加圧用凸部３０ｂ及び規制用凸部３０ｃの中心を結ぶ仮想線Ｌ１で囲まれる範囲の中に錘３０の重心が存在する。したがって、半田の溶融状態において、錘３０は、水平状態又はほぼ水平状態で各半導体素子１２を接合面側へ加圧する状態となる。その結果、半田がその溶融温度以下に冷却した状態では、各接合部における半田の厚さむらが抑制された状態で半田付けが行われる。
【００５２】
この実施形態においては、前記第１の実施形態における効果（１）〜（１１）と同様な効果の他に次の効果を得ることができる。
（１２）錘３０が複数設けられているため、１個の錘３０で両半導体素子１２を押圧する構成に比べて錘３０の合計重量を軽くすることができる。回路基板１１はセラミック基板１４が１個とは限らず、複数のセラミック基板１４をヒートシンク１５と一体化した回路基板１１上に半導体素子１２が半田付けされて構成される半導体モジュール１０もある。したがって、同じ能力であれば、合計重量が軽い方が有利となる。
【００５３】
（第３の実施形態）
次に、本発明を具体化した第３の実施形態を図５及び図６を参照しながら説明する。この実施形態は、複数の規制用凸部３０ｃの先端面が金属回路１３に当接してチップ部品加圧用凸部３０ｂの先端面の位置が設定されて、溶融後の半田層Ｈと半導体素子１２の厚さの合計が設定される点が前記第１及び第２の実施形態と大きく異なっている。
【００５４】
図６に示すように、錘３０は、平面正方形状に形成されるとともに、４個の規制用凸部３０ｃが錘３０の四隅に形成され、２個のチップ部品加圧用凸部３０ｂが各規制用凸部３０ｃの外側を結ぶ仮想線（図示せず）で囲まれる範囲に形成されている。チップ部品加圧用凸部３０ｂ及び規制用凸部３０ｃの長さの差は、溶融状態の半田を錘３０がその重さで押圧して各規制用凸部３０ｃの先端面が全て金属回路１３に当接する状態になるように設定されている。使用される半田シート３３の厚さ及び面積により、チップ部品加圧用凸部３０ｂ及び規制用凸部３０ｃの長さの差の適切な値が異なる。そのため、実験でチップ部品加圧用凸部３０ｂ及び規制用凸部３０ｃの長さの差の適切な値を求めて、設定するのが好ましい。
【００５５】
この実施形態では、半田シート３３の溶融前は規制用凸部３０ｃは、金属回路１３から若干離れた状態に配置される。そして、半田が溶融されると、錘３０の重さによって各規制用凸部３０ｃの先端面が金属回路１３に当接する状態となり、錘３０は、水平状態で各半導体素子１２を接合面側へ加圧する状態となる。その結果、半田がその溶融温度以下に冷却した状態では、各接合部における半田の厚さむらが抑制された状態で半田付けが行われる。
【００５６】
この実施形態においては、前記第１の実施形態における効果（１）、（３）〜（１１）と同様な効果の他に次の効果を得ることができる。
（１３）冷却後の半田層Ｈの厚さが、規制用凸部３０ｃ及びチップ部品加圧用凸部３０ｂの長さの差で決まるため、第１及び第２の実施形態のように溶融状態における半田の厚さと、規制用凸部３０ｃ及びチップ部品加圧用凸部３０ｂの長さの差とのバランスで決める場合より、錘３０の重さの自由度が高くなる。
【００５７】
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 錘３０は、チップ部品加圧部及び傾き規制用凸部３０ｃを備え、金属回路１３上に半田を介して配置された半導体素子１２をチップ部品加圧用凸部３０ｂが押圧する状態に錘３０を載置して半田を溶融させたとき、傾き規制用凸部３０ｃが回路基板１１に当接することで半導体素子１２を金属回路１３と平行な状態に半田付けできればよい。例えば、セラミック基板１４上に半導体素子１２を２個半田付けする場合、図７（ａ）に示すように、チップ部品加圧用凸部３０ｂ及び規制用凸部３０ｃを１個ずつ備えた錘３０を２個用いてもよい。錘３０は、チップ部品加圧用凸部３０ｂの中心と、傾き規制用凸部３０ｃの両端とを結ぶ仮想線Ｌ１で囲まれる範囲の中に錘３０の重心が存在するように形成されている。例えば、規制用凸部３０ｃは、チップ部品加圧用凸部３０ｂ及び規制用凸部３０ｃの中心を結ぶ仮想線Ｌ１と直交する方向の長さが、半導体素子１２の同方向の長さと同程度に形成される。この場合、半田の溶融状態においてチップ部品加圧用凸部３０ｂの先端面は自由に角度が変わるが、傾き規制用凸部３０ｃは回路基板１１（正確には金属回路１３）に面で接触するため、その両端の位置と、チップ部品加圧用凸部の中心位置との３点を結ぶ仮想線Ｌ１の範囲の中に錘３０の重心が存在する状態となる。その結果、錘３０が傾くことが抑制され、接合部における半田の厚さむらが抑制された状態で半田付けが行われる。
【００５８】
○ 第３の実施形態のように、溶融状態の半田を錘３０の重さで押し付けるとともに、規制用凸部３０ｃとチップ部品加圧用凸部３０ｂの長さの差で半田の厚さ（高さ）を決める構成において、半導体素子１２の数は１個であってもよい。例えば、図７（ｂ）に示すように、錘３０は、平面正方形状に形成されるとともに、下面中央にチップ部品加圧用凸部３０ｂが１個形成され、四隅に規制用凸部３０ｃがそれぞれ１個形成されていてもよい。
【００５９】
○ 治具３２は、凹部３２ａが金属回路１３の周縁部と係合して位置決めされた状態でセラミック基板１４上に載置される構成に限らない。例えば、図８に示すように、凹部３２ａの周面がセラミック基板１４の周面１４ａと係合可能な形状にしてもよい、金属回路１３の厚さはセラミック基板１４の厚さに比較して薄いため、周面１４ａと係合可能に形成する方が凹部３２ａの形成が容易になる。
【００６０】
○ 錘３０は、チップ部品加圧部として機能する少なくとも１個の加圧面を備え、傾き規制用凸部として前記加圧面より先端が突出している凸部が形成されていればよい。即ち、チップ部品加圧部はチップ部品加圧用凸部３０ｂに限らない。例えば、図９に示すように、チップ部品加圧用凸部３０ｂに代えて加圧面３０ｄを備え、加圧面３０ｄより先端が突出している規制用凸部３０ｃが形成されている錘３０を使用してもよい。なお、チップ部品加圧部としてチップ部品加圧用凸部３０ｂを備えている場合は、チップ部品加圧用凸部３０ｂの先端面が加圧面となる。
【００６１】
○ 回路基板１１上に設けられるセラミック基板１４の数は１個に限らず複数であってもよい。また、回路基板１１上に設けられるセラミック基板１４の数が１個の場合、複数の回路基板１１を容器１７に収容して同時に半田付けをするようにしてもよい。
【００６２】
○ 錘３０は、フランジ部３０ａを備えずに１個ずつ回路基板１１上に載置する構成であってもよい。しかし、フランジ部３０ａにより支持プレート３１に支持された状態で載置位置と離間位置とに移動される構成の方が、錘３０を所定の位置に配置するのが容易になる。特に、一回の半田付けにおいて、複数個の錘３０を回路基板１１上に載置する必要がある場合、錘３０の載置を同時に、かつ容易に行うことができる。
【００６３】
○ 半導体素子１２（チップ部品）は、例えば、トランジスタとダイオードでは一般に厚さが異なるため、錘３０としてチップ部品加圧用凸部３０ｂ及び規制用凸部３０ｃの長さの差が異なるものを準備しておき、半田付けすべきチップ部品に対応して最適な錘３０を使用するようにしてもよい。
【００６４】
○ 傾き規制用凸部３０ｃの数及び錘３０の重さによっては、チップ部品加圧用凸部３０ｂはチップ部品（半導体素子１２）をその全面で押圧する必要はないため、チップ部品加圧用凸部３０ｂはその先端面が必ずしも押圧すべき半導体素子１２の非接合面と同じ大きさである必要はない。しかし、第１及び第２の実施形態のように規制用凸部３０ｃと、溶融状態の半田とのバランスで半田の厚さが規制される半田付け方法の場合は、チップ部品加圧用凸部３０ｂはチップ部品をその中心を含む半分以上の面積で接合部側へ押圧する大きさに形成されているのが好ましい。チップ部品加圧用凸部３０ｂの先端面がチップ部品をその中心を含む半分以上の面積で接合部側へ押圧すると、接合部における半田の厚さむらが抑制された状態で半田付けが容易に行われる。
【００６５】
○ 錘３０を支持プレート３１の孔３１ａに嵌挿した状態で移動させる場合、錘３０を支持プレート３１に掛止するための構成はフランジ部３０ａに限らず、錘３０の上部の側面に掛止部として複数の凸部を設けてもよい。
【００６６】
○ 治具３２は、半田シート３３、半導体素子１２及び錘３０の位置決め機能を有する構成に限らず、半田シート３３及び半導体素子１２の位置決め機能のみを有する構成でもよい。
【００６７】
○ 誘導加熱で錘３０を加熱してその熱で半田を溶融させる構成において、錘３０はステンレス製に限らず、誘導加熱可能な材料であればよく、例えば、ステンレスに代えて、鉄やグラファイトで形成したり、熱伝導率の異なる２種類の導体材料を用いて構成してもよい。
【００６８】
○ 半田は半田シート３３として金属回路１３の接合部と対応する箇所に配置する方法に限らず、半田ペーストを接合部と対応する箇所に塗布するようにしてもよい。
○ 半田を溶融温度以上に加熱する加熱方法は誘導加熱以外の方法であってもよい。例えば、容器１７内に電気ヒータを設けて半田を加熱するようにしてもよい。
【００６９】
○ 回路基板１１は、セラミック基板１４が冷媒流路１５ａを有しないヒートシンク１５と一体化された構成や、ヒートシンク１５を有しない構成であってもよい。
○ 蓋体１９は、本体１８に対して取り外し不能な構成、例えば、開閉式でもよい。
【００７０】
○ 蓋体１９は、少なくとも高周波加熱コイル２６と対向する部位が電気的絶縁材で形成されているのが好ましく、当該部位をガラスに代えて、例えば、セラミックスや樹脂で形成してもよい。また、蓋体１９全体を同じ電気的絶縁材で形成してもよい。
【００７１】
○ 高周波加熱コイル２６は、複数の錘３０の上方に跨って配置する構成としてもよい。この場合、高周波加熱コイル２６に対する高周波電流の供給経路や冷却水の供給経路を少なくすることができ、半田付け装置ＨＫの構造をさらに簡素化できる。
【００７２】
○ 回路基板１１上に設けられた接合部（金属回路２３）に接合される電子部品は、接合部と対向する面全体が接合されるものに限らず、チップ抵抗やチップコンデンサ等のように電子部品の両端に端子を有し、各端子が異なる接合部に接合されるものであってもよい。
【００７３】
○ 半田付けの際に規制用凸部３０ｃが回路基板１１の上面に当接して錘３０の傾きを規制する構成であればよく、金属回路１３に当接して錘３０の傾きを規制する構成に限らない。例えば、規制用凸部３０ｃがセラミック基板１４の上面に当接する構成であってもよい。
【００７４】
○ 規制用凸部３０ｃは、先端が面接触する形状に限らず、点接触や線接触する形状であってもよい。例えば、規制用凸部３０ｃの先端に線状の凸部が形成された形状や、規制用凸部３０ｃの先端に小さな凸部が形成された形状としてもよい。
【００７５】
○ 高周波加熱コイル２６を、容器１７（密閉空間Ｓ）内に配置してもよい。
以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の発明において、前記錘は誘導加熱可能な導電材料により形成されている。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】（ａ）はセラミック基板が１枚の半導体モジュールの平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図。
【図２】第１の実施形態の半田付け方法に用いる半田付け装置の概略縦断面図。
【図３】（ａ）は金属回路、チップ部品加圧用凸部、規制用凸部等の関係を示す模式図、（ｂ）は錘の模式斜視図、（ｃ）は治具の模式平面図。
【図４】第２の実施形態を示し、（ａ）は半田付け時の状態を示す模式断面図、（ｂ）は金属回路、チップ部品加圧用凸部、規制用凸部等の関係を示す模式図。
【図５】第３の実施形態における半田付け時の状態を示す模式断面図。
【図６】同じく金属回路、チップ部品加圧用凸部、規制用凸部等の関係を示す模式図。
【図７】（ａ）は別の実施形態における錘とチップ部品との関係を示す模式図、（ｂ）は別の実施形態における錘とチップ部品との関係を示す模式図。
【図８】別の実施形態の治具の形状を示す模式断面図。
【図９】別の実施形態の錘を示す模式斜視図。
【図１０】（ａ）は従来技術を示す断面図、（ｂ）は別の従来技術を示す模式断面図。
【符号の説明】
【００７７】
Ｈ…半田層、Ｇ…重心、Ｌ１…仮想線、１１…回路基板、１２…チップ部品としての半導体素子、１３…接合部としての金属回路、３０…錘、３０ｂ…チップ部品加圧部としてのチップ部品加圧用凸部、３０ｃ…規制用凸部、３０ｄ…チップ部品加圧部としての加圧面。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半田付け方法及び錘並びに電子機器の製造方法に係り、詳しくは回路基板上への半導体素子等のチップ部品を接合面全面で接合する半田付け方法及び錘並びに電子機器の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、金属部材とセラミックス部材や、基板と電子部品とを接合する方法として、高周波誘導加熱を用いる方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１には、複数の熱電素子と基板とを接合して熱電変換モジュールを製作する接合装置が提案されている。この接合装置は、図１０（ａ）に示すように、台６１と、基板６２に下端面を接し同基板６２を加圧する加圧治具（錘）６３と、同加圧治具６３の周りに設けられる高周波加熱コイル６４とを備える。そして、台６１上に順次カーボンシート６５、熱電素子６６、基板６２を配置するとともに、加圧治具６３により基板６２を加圧した状態で誘導加熱（高周波加熱）により加圧治具６３を加熱する。すると、加圧治具６３の熱が基板６２に伝わり、熱電素子６６が基板６２に接合される。また、接合対象との間に半田やロウ材を配置しておけば半田付けやロウ付けが行える。
【０００３】
また、回路基板上に半導体素子や電子部品を実装する場合、回路基板と半導体素子等とを半田を介して接合する方法が一般的である。回路基板上に半導体素子等を半田付けする場合、半導体素子等と回路基板との間に介在する半田の溶融時に、半導体素子等が溶融した半田の表面張力でその位置がずれたり、半導体素子等の接合面全体に半田が拡がらずに接合されたりする場合がある。
【０００４】
従来、半田付けされる電子部品の傾斜や浮き上がり等の位置ずれを有効に防止する半田付け部品の浮き防止治具が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。この浮き防止治具は、図１０（ｂ）に示すように、プリント基板７１上に載置されたリレー７２を跨いでプリント基板７１上に載置可能とすべく、リレー７２におけるプリント基板７１上の高さに対応する深さの電子部品収容凹部７５ａを有する部品押さえ治具７５を備える。部品押さえ治具７５はその自重により、プリント基板７１上の載置位置で保持される。電子部品収容凹部７５ａは、プリント基板７１の載置面側に向かって漸次拡開するテーパ状に形成されている。そして、フローソルダ等の半田付け装置によって噴流される半田上を通過させることにより、プリント基板７１側の回路と各リード７２ａとの半田付けがなされる。電子部品収容凹部７５ａの底面７５ｂとリレー７２の上面７２ｂとの間には０．１ｍｍ程度のクリアランスを有する構造とされている。
【特許文献１】実開平５−１３６６０号公報
【特許文献２】特開２００２−２６１４３３公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
半田付け時にチップ部品（半田付けする部品）上に錘を載置すると半田の拡がりを助ける。しかし、チップ部品の接合面全体と対応する半田を溶融させて半田付けを行う場合には、半田の種類によっては、溶融状態の半田の表面張力によって半田のチップ部品と対向する面が上に凸の曲面となる。そのため、半導体素子の上に載置された錘が傾き、半導体素子と半導体素子が接合される接合面との間に存在する半田の厚さが均一ではなくなる。
【０００６】
そして、回路基板としてセラミック基板と金属製のヒートシンクとを一体化した冷却回路基板を用いた場合、半導体素子と基板とを接合する半田の厚さにばらつきがあると、厚さのばらつきが熱抵抗のばらつきとなる。その結果、半田が介在して接合されている半導体素子と配線層の線膨張率の差を吸収する応力緩和効果がばらつき、熱サイクルの疲労寿命がばらつくという問題がある。
【０００７】
特許文献１では、前記のような半田溶融時の問題に関しては何ら配慮はされていない。一方、特許文献２では、半田付けされる電子部品の傾斜や浮き上がり等の位置ずれを有効に防止する目的で部品押さえ治具７５を使用する。しかし、電子部品はリード７２ａを備えたリード部品であり、半田付けも噴流される半田上を、プリント基板７１を透過させて行う方法に関してのみ記載されており、傾斜や浮き上がりも、プリント基板７１の搬送中の振動や衝撃を主原因としている。即ち、チップ部品の接合面全体と対応する半田を溶融させて半田付けを行う場合に発生する前記問題に関しては何ら配慮されていない。
【０００８】
本発明は前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、回路基板上にチップ部品を接合面全面で半田付けする際に、接合部における半田の厚さのむらを抑制することができる半田付け方法及び錘並びに電子機器の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記の目的を達成するため請求項１に記載の発明は、回路基板上に設けられた接合部にチップ部品を半田付けする半田付け方法である。半田の溶融時に前記チップ部品を前記接合部側に押圧する錘として、チップ部品加圧部と、傾き規制用凸部とを備えた錘を用い、前記接合部上に半田を介して前記チップ部品を配置するとともに、前記錘を前記チップ部品加圧部が前記チップ部品を押圧する状態に載置する。そして、前記錘によって前記チップ部品を加圧しながら前記半田を溶融させるとともに傾き規制用凸部が前記回路基板に当接することで前記チップ部品を前記接合部と平行な状態に半田付けする。
【００１０】
この発明では、回路基板上に設けられた接合部上に半田を介してチップ部品が配置される。そして、錘は、チップ部品加圧部がチップ部品を押圧する状態に回路基板上に載置された状態で半田が溶融される。溶融された半田は表面張力により、球に近づく形状に成ろうとするため、チップ部品及び錘を持ち上げる力が作用する。この力と、チップ部品及び錘の重さ（以下、錘等の重さと称す場合もある。）とがバランスした状態で半田が冷却されて固化することにより半田付けが完了する。単にチップ部品の上に錘を載せた場合には、バランスによって回路基板の接合部とチップ部品の接合面が平行にならずに傾いた状態で半田が固化する場合がある。しかし、この発明では、錘はチップ部品加圧部と傾き規制用凸部とを備えているため、半田が溶融された状態において、傾き規制用凸部の先端が回路基板と当接して、錘は、水平状態又はほぼ水平状態で各チップ部品を接合面側へ加圧する状態となる。その結果、半田がその溶融温度以下に冷却した状態では、各接合部における半田の厚さむらが抑制された状態で半田付けが行われる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記錘は、前記チップ部品加圧部が前記チップ部品を押圧する状態に載置されたときに、前記チップ部品加圧部の中心と、前記傾き規制用凸部の中心又は端とを結ぶ仮想線で囲まれる範囲の中に前記錘の重心が存在するように形成されている。この発明では、チップ部品加圧部及び傾き規制用凸部の合計数が３以上の場合は、それらの中心を結ぶ仮想線で囲まれる範囲の中に錘の重心が存在するように錘が形成されるため、半田が溶融された状態において、傾き規制用凸部の先端が回路基板と当接して、錘は、水平状態又はほぼ水平状態で各チップ部品を接合面側へ加圧する状態となる。また、チップ部品加圧部及び傾き規制用凸部の数がそれぞれ１個の場合、チップ部品加圧部の中心と、傾き規制用凸部の両端とを結ぶ仮想線で囲まれる範囲の中に錘の重心が存在するように錘が形成される。半田の溶融状態においてチップ部品加圧部の先端面は自由に角度が変わるが、傾き規制用凸部は回路基板に面で接触するため、その両端の位置と、チップ部品加圧部の中心位置とで３点が決定されるため、接合部における半田の厚さむらが抑制された状態で半田付けが行われる。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記チップ部品加圧部は、前記チップ部品をその中心を含む半分以上の面積で押圧可能に形成されている。傾き規制用凸部の数及び錘の重さによっては、チップ部品加圧部はチップ部品をその全面で押圧する必要はない。しかし、この発明では、半田の溶融状態において、チップ部品加圧部はチップ部品をその中心を含む半分以上の面積で接合部側へ押圧するため、接合部における半田の厚さむらが抑制された状態で半田付けが容易に行われる。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の発明において、前記錘を介して前記半田に熱を伝達して半田を溶融させる。この発明では、例えば、錘が誘導加熱やヒータで加熱され、その熱が半田に伝達されて半田が溶融される。半田付けは非酸化状態で行うのが好ましいため、回路基板を容器内に収容して不活性ガス中あるいは還元性ガスの雰囲気で行う場合、回路基板全体や容器全体を加熱する場合に比べて効率的な加熱を実現することができる。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の発明において、前記回路基板、半田層、前記チップ部品の順に積層された状態で半田付けが行われる。この発明では、錘による加圧が良好に行われる。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の半田付け方法に使用する錘であって、少なくとも１個の加圧面を備え、前記加圧面より先端が突出している凸部が形成されている。この発明の錘は加圧面を前記チップ部品加圧部とし、加圧面より先端が突出している凸部を前記傾き規制用凸部として用いることにより、前記請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の半田付け方法に好適に用いることができる。
【００１６】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の半田付け方法を半田付け工程に使用する電子機器の製造方法である。この発明では、電子機器の製造方法において、対応する前記請求項に記載の発明の作用、効果を奏する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、回路基板上にチップ部品を接合面全面で半田付けする際に、接合部における半田の厚さのむらを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（第１の実施形態）
以下、本発明を電子機器の部品となる半導体モジュールの製造方法の一工程である半導体素子の半田付け方法に具体化した第１の実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。
【００１９】
図１（ａ），（ｂ）に示すように、半導体モジュール１０は、回路基板１１と、回路基板１１上に半田付けにより接合されたチップ部品としての複数（２個）の半導体素子１２とを備えている。回路基板１１は、表面に金属回路１３を有する絶縁体としてのセラミック基板１４が金属製のヒートシンク１５と金属板１６を介して一体化された冷却回路基板（ヒートシンク付き基板）である。ヒートシンク１５は冷却媒体が流れる冷媒流路１５ａを備えている。ヒートシンク１５は、アルミニウム系金属や銅等で形成されている。アルミニウム系金属とはアルミニウム又はアルミニウム合金を意味する。金属板１６は、セラミック基板１４とヒートシンク１５とを接合する接合層として機能し、例えば、アルミニウムや銅等で形成されている。
【００２０】
金属回路１３は、例えば、アルミニウムや銅等で形成されている。セラミック基板１４は、例えば、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化ケイ素等により形成されている。半導体素子１２は、金属回路１３に接合（半田付け）されている。即ち、金属回路１３は半導体素子１２を回路基板１１上に接合するための接合部を構成する。図２における符号「Ｈ」は、半田層を示している。半導体素子１２としては、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor ）やダイオードが用いられている。
【００２１】
次に半導体モジュールの製造方法を説明する。
図２は、半田付け装置の構成を概略的に示している。図２に示すように、半導体モジュール１０の製造に使用する半田付け装置ＨＫは、密閉可能な容器（チャンバ）１７を備え、当該容器１７は開口部１８ａを有する箱型の本体１８と、当該本体１８の開口部１８ａを開放及び閉鎖する蓋体１９とから構成されている。本体１８には、半導体モジュール１０を位置決めして支持する支持台２０が設置されている。また、本体１８には、蓋体１９の装着部位にパッキン２１が配設されている。
【００２２】
蓋体１９は、本体１８の開口部１８ａを閉鎖可能な大きさで形成されており、本体１８に蓋体１９を装着することにより容器１７内には密閉空間Ｓが形成されるようになっている。また、蓋体１９において、密閉空間Ｓと対向する部位は、磁力線（磁束）を通す電気的絶縁材で形成されている。この実施形態では、電気的絶縁材としてガラスが用いられており、蓋体１９にはガラス板２２が組み付けられている。
【００２３】
また、本体１８には、容器１７内に還元性ガス（この実施形態では水素）を供給するための還元ガス供給部２３が接続されている。還元ガス供給部２３は、配管２３ａと、当該配管２３ａの開閉バルブ２３ｂと、水素タンク２３ｃとを備えている。また、本体１８には、容器１７内に不活性ガス（この実施形態では窒素）を供給するための不活性ガス供給部２４が接続されている。不活性ガス供給部２４は、配管２４ａと、当該配管２４ａの開閉バルブ２４ｂと、窒素タンク２４ｃとを備えている。また、本体１８には、容器１７内に充満したガスを外部に排出するためのガス排出部２５が接続されている。ガス排出部２５は、配管２５ａと、当該配管２５ａの開閉バルブ２５ｂと、真空ポンプ２５ｃとを備えている。半田付け装置ＨＫは、還元ガス供給部２３、不活性ガス供給部２４及びガス排出部２５を備えることにより、密閉空間Ｓ内の圧力を調整可能な構成とされており、密閉空間Ｓ内の圧力は、圧力調整によって加圧されたり、減圧されたりする。
【００２４】
また、本体１８には、半田付け後の容器１７内に熱媒体（冷却用ガス）を供給するための供給手段としての熱媒供給部（図示せず）が接続されている。
半田付け装置ＨＫの上部（蓋体１９の上方）には、高周波加熱コイル２６が設置されている。この実施形態の高周波加熱コイル２６は、１枚のセラミック基板１４を覆う大きさに形成されている。高周波加熱コイル２６は、渦巻き状（角形渦巻き状）に形成されており、平面的に展開されている。また、高周波加熱コイル２６は、蓋体１９（ガラス板２２の装着部位）に対向するように配置されている。高周波加熱コイル２６は、半田付け装置ＨＫが備える高周波発生装置２７に電気的に接続されているとともに、容器１７内に設置された温度センサ（図示せず）の計測結果に基づき、高周波発生装置２７の出力が制御されるようになっている。また、高周波加熱コイル２６には、コイル内部に冷却水を通すための冷却路２８が形成されているとともに、半田付け装置ＨＫが備える冷却水タンク２９に接続されている。
【００２５】
蓋体１９には、半田付けを行う際に、半導体素子１２を加圧する錘３０を支持可能な支持プレート３１が水平に取り付けられている。支持プレート３１は磁力線を通す絶縁材料（例えば、セラミックス）で形成されるとともに、錘３０のフランジ部３０ａより下側が嵌挿可能な孔３１ａを備えている。錘３０は孔３１ａに嵌挿された状態で支持プレート３１に装備されている。そして、図２に示すように、蓋体１９が閉鎖位置に配置された状態では、錘３０が半導体素子１２の接合面と反対側の面（非接合面）に当接するとともに、フランジ部３０ａが支持プレート３１の上面から浮き上がった状態となって、錘３０が半導体素子１２を錘３０の自重で加圧するようになっている。
【００２６】
錘３０は、チップ部品加圧部としてのチップ部品加圧用凸部３０ｂと、傾き規制用凸部３０ｃとを備えている。チップ部品加圧用凸部３０ｂは、図２に示すように、半田付け時において半導体素子１２の上面全体に当接可能な大きさに形成されており、傾き規制用凸部３０ｃは、半田付け時において金属回路１３の一部に当接可能な大きさに形成されている。錘３０は、半田が溶融された状態でチップ部品加圧用凸部３０ｂが半導体素子１２を押圧し、かつ傾き規制用凸部３０ｃが回路基板１１に当接することで半導体素子１２の接合面が金属回路１３と平行な状態に保持可能な形状及び重さに形成されている。この実施形態では、半導体素子１２は正方形状のセラミック基板１４の対角線上の二隅に位置するように配置されているため、図３（ａ），（ｂ）に示すように、チップ部品加圧用凸部３０ｂは、平面正方形状の錘３０の対角線上の二隅に位置するように配置され、傾き規制用凸部３０ｃは別の対角線上の二隅に位置するように配置されている。なお、図３（ａ）において、フランジ部３０ａの外形を二点鎖線で示している。
【００２７】
傾き規制用凸部３０ｃはチップ部品加圧用凸部３０ｂより長く形成されている。チップ部品加圧用凸部３０ｂ及び傾き規制用凸部３０ｃの長さは、半田の溶融状態において、傾き規制用凸部３０ｃの先端面が金属回路１３に当接した状態でチップ部品加圧用凸部３０ｂが半導体素子１２を水平状態で押圧可能な長さに設定されている。半田は溶融状態において錘３０の重さにより、溶融前の状態より拡がった状態で半導体素子１２を半田付けするため、チップ部品加圧用凸部３０ｂの長さと規制用凸部３０ｃの長さの差は、溶融前の半田シート３３の厚さと半導体素子１２の厚さとの和より小さく設定されている。また、錘３０は、チップ部品加圧用凸部３０ｂ及び傾き規制用凸部３０ｃの中心と、傾き規制用凸部３０ｃの中心とを結ぶ仮想線Ｌ１で囲まれる範囲の中に錘３０の重心Ｇが存在するように形成されている。
【００２８】
錘３０は、錘３０を介して半田に熱を伝達して半田を溶融させることが可能な材料で形成されている。この実施形態では、錘３０は、磁束の変化により電流が発生し、自身の電気抵抗によって発熱する材料、即ち誘導加熱可能な材料を用いて形成されている。この実施形態の錘３０は、ステンレスで形成されている。
【００２９】
また、半田付けを行う際には、位置決め用の治具３２を用いて、セラミック基板１４上に半田シート３３と、半導体素子１２と、錘３０とを位置決めするようになっている。図３（ｃ）に示すように、治具３２は平面正方形状に形成されている。図２及び図３（ｃ）に示すように、治具３２には、その裏面に金属回路１３の外周部と係合可能な正方形状の凹部３２ａが形成されるとともに、半導体素子１２のサイズに応じた大きさで形成された位置決め用の孔３２ｂと、規制用凸部３０ｃのサイズに応じた大きさで形成された位置決め用の孔３２ｃとが形成されている。この実施形態においては、両孔３２ｂ，３２ｃはそれぞれ２個形成されている。なお、図３（ｃ）において、フランジ部３０ａの外形及び金属回路１３の外形を二点鎖線で示しており、金属回路１３の外形を示す二点鎖線の一部は凹部３２ａを示す点線と重なっている。
【００３０】
次に、前記半田付け装置ＨＫを用いて半導体モジュール１０の製造方法の一工程である半田付け工程において、回路基板１１に対する半導体素子１２の半田付けを行う方法について説明する。なお、半田付け装置ＨＫを用いて半田付けを行うのに先立って、金属回路１３を有するセラミック基板１４をヒートシンク１５と一体化した回路基板１１を予め作製しておく。
【００３１】
半田付けを行う際には、最初に、本体１８から蓋体１９を外し、開口部１８ａを開放する。そして、図２に示すように本体１８の支持台２０上に回路基板１１を置き、位置決めする。次に、回路基板１１のセラミック基板１４上に治具３２を置き、治具３２の各孔３２ｂ内に半田シート３３と半導体素子１２を配置する。治具３２は、凹部３２ａが金属回路１３の周縁部と係合して位置決めされた状態でセラミック基板１４上に載置される。半田シート３３は、金属回路１３と半導体素子１２との間に配置する。
【００３２】
次に蓋体１９を本体１８に取り付け、開口部１８ａを閉鎖して、容器１７内に密閉空間Ｓを形成する。蓋体１９を本体１８に取り付けると、図２に示すように、錘３０のチップ部品加圧用凸部３０ｂ側が治具３２の孔３２ｂに嵌挿され、規制用凸部３０ｃが孔３２ｃに嵌挿される。そして、錘３０のチップ部品加圧用凸部３０ｂの先端が半導体素子１２の非接合面（上面）に当接するとともに、フランジ部３０ａが支持プレート３１の上面から離間した状態になり、各錘３０は２個の半導体素子１２に跨った状態で、錘３０の自重によって半導体素子１２を加圧する状態に配置される。この状態において、セラミック基板１４上には、金属回路１３側から順に半田シート３３、半導体素子１２、錘３０が重なった状態で配置される。
【００３３】
次に、ガス排出部２５を操作して容器１７内を真空引きするとともに、不活性ガス供給部２４を操作して容器１７内に窒素を供給し、密閉空間Ｓ内を不活性ガスで充満させる。この真空引きと窒素の供給を数回繰り返した後、還元ガス供給部２３を操作して容器１７内に水素を供給し、密閉空間Ｓ内を還元ガス雰囲気とする。
【００３４】
次に、高周波発生装置２７を作動させ、高周波加熱コイル２６に高周波電流を流す。すると、高周波加熱コイル２６には、対応する錘３０を通る高周波の磁束が発生し、錘３０には磁束の通過によって渦電流が発生する。高周波加熱コイル２６の磁束内に置かれた錘３０は、電磁誘導作用によって発熱し、その熱が錘３０のチップ部品加圧用凸部３０ｂから半導体素子１２に伝わる。そして、回路基板１１の各接合部上に載置された半田シート３３には、錘３０に生じた熱が当該錘３０のチップ部品加圧用凸部３０ｂ及び半導体素子１２を介して集中的（局所的）に伝わり、加熱される。この結果、半田シート３３は、半導体素子１２を介して伝わる熱で溶融温度以上の温度になることにより溶融する。
【００３５】
半田シート３３が溶融すると、溶融した半田の表面張力と半導体素子１２の重心とのバランスによっては、半導体素子１２が傾こうとする場合がある。しかし、錘３０は、チップ部品加圧用凸部３０ｂの他に規制用凸部３０ｃを備えており、半田が溶融された状態において、傾き規制用凸部３０ｃの先端が回路基板１１上の金属回路１３と当接して、錘３０は、水平状態又はほぼ水平状態で各半導体素子１２を接合面側へ加圧する状態となる。その結果、半田がその溶融温度以下に冷却した状態では、各接合部における半田の厚さむらが抑制された状態で半田付けが行われる。そして、例えば、後工程においてワイヤボンディングで配線を行って回路基板１１上の各半導体素子１２間及び半導体素子１２と配線との間を接続する際に、ワイヤボンディングに支障を来すことが回避される。
【００３６】
半田が完全に溶融した後、高周波発生装置２７を停止させる。なお、容器１７内に設置した温度センサ（図示せず）の検出結果に基づき、高周波加熱コイル２６に流れる高周波電流の大きさが制御される。また、容器１７内（密閉空間Ｓ）の圧力は、半田付け作業の進行状況に合わせて加圧及び減圧され、雰囲気調整が行われる。
【００３７】
そして、半田シート３３が完全に溶融した後、冷却用の熱媒供給部を操作して容器１７内に冷却用ガスを供給する。冷却用ガスは、ヒートシンク１５の冷媒流路１５ａの入口又は出口に向かって吹き込まれるとともに、容器１７内に供給された冷却用ガスは、冷媒流路１５ａ及びヒートシンク１５の周囲を流れて、半田付け対象物（半導体モジュール１０）を冷却する。この結果、溶融した半田は、溶融温度未満に冷却されることによって凝固し、金属回路１３と半導体素子１２とを接合する。この状態において、半田付けが終了し、半導体モジュール１０が完成する。そして、蓋体１９を本体１８から取り外し、治具３２を外した後に容器１７内から半導体モジュール１０を取り出す。
【００３８】
したがって、この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）回路基板１１上に設けられた金属回路１３に半導体素子１２を接合面全面で半田付けする半田付け方法において、半田の溶融時に半導体素子１２を金属回路１３側に押圧する錘３０として、チップ部品加圧用凸部３０ｂと、傾き規制用凸部３０ｃとを備えた錘３０を用いる。金属回路１３上に半田を介して半導体素子１２を配置するとともに、錘３０をチップ部品加圧用凸部３０ｂが半導体素子１２を押圧する状態に載置する。そして、錘３０によって半導体素子１２を加圧しながら半田を溶融させるとともに傾き規制用凸部３０ｃが回路基板１１（正確には金属回路１３）に当接することで半導体素子１２を金属回路１３と平行な状態に半田付けする。したがって、半田がその溶融温度以下に冷却された状態では、各接合部における半田の厚さむらが抑制された状態で半田付けが行われる。
【００３９】
（２）錘３０は、チップ部品加圧用凸部３０ｂが半導体素子１２を押圧する状態に載置されたときに、チップ部品加圧用凸部３０ｂの中心と、傾き規制用凸部３０ｃの中心とを結ぶ仮想線Ｌ１で囲まれる範囲の中に錘３０の重心Ｇが存在するように形成されている。したがって、半田の溶融状態において、２個の傾き規制用凸部３０ｃの先端面が回路基板１１と当接して、錘３０は、水平状態又はほぼ水平状態で各半導体素子１２を接合面側へ加圧する状態となる。その結果、回路基板１１上に半導体素子１２を接合面全面で半田付けする際に、確実に接合部における半田の厚さむらが抑制された状態で半田付けが行われる。
【００４０】
（３）チップ部品加圧用凸部３０ｂは、半導体素子１２をその中心を含む半分以上の面積で押圧可能に形成されている。傾き規制用凸部３０ｃの数及び錘３０の重さによっては、チップ部品加圧用凸部３０ｂは半導体素子１２をその全面で押圧する必要はない。しかし、半田の溶融状態において、チップ部品加圧用凸部３０ｂは半導体素子１２をその中心を含む半分以上の面積で接合部側へ押圧するため、接合部における半田の厚さむらが抑制された状態で半田付けが容易に行われる。
【００４１】
（４）半田付けは非酸化状態で行うのが好ましいため、回路基板１１を容器１７内に収容して不活性ガス中あるいは還元性ガスの雰囲気で行われるが、錘３０を介して半田に熱を伝達して半田を溶融させるため、回路基板１１全体や容器１７全体を加熱する場合に比べて効率的な加熱を実現することができる。
【００４２】
（５）錘３０を誘導加熱で発熱させるとともに、半導体素子１２を介して半導体素子１２と金属回路１３との間に配置された半田シート３３を加熱するため、半田シート３３に対して集中的に熱を伝えることができる。したがって、回路基板１１全体や容器１７全体を加熱する場合に比べて効率的な加熱を実現できる。
【００４３】
（６）回路基板１１、半田シート３３（半田層）、半導体素子１２の順に積層され、その上に錘３０を載置した状態で半田付けが行われる。したがって、錘３０による加圧が良好に行われる。
【００４４】
（７）錘３０は、一つの面に複数の凸部、即ちチップ部品加圧用凸部３０ｂ及び規制用凸部３０ｃが形成されるとともに、チップ部品加圧用凸部３０ｂは長さが規制用凸部３０ｃより短く形成されている。即ち、複数の凸部のうち少なくとも１個の凸部は他の凸部より短く形成されている。
【００４５】
（８）錘３０はフランジ部３０ａ（掛止部）を備えている。そして、錘３０は、蓋体１９に取り付けられるとともに、所定位置に孔３１ａが形成された支持プレート３１の孔３１ａに嵌挿されて、フランジ部３０ａの下面が支持プレート３１の上面と係合する状態で支持プレート３１に支持される。したがって、蓋体１９を本体１８に取り付けると、錘３０が自動的に半導体素子１２と対向する所定位置に配置されるとともに、蓋体１９を本体１８から取り外すと、錘３０が自動的に半導体素子１２と離間する位置へ配置される。
【００４６】
（９）半田シート３３及び半導体素子１２は、治具３２を介してセラミック基板１４上の所定位置に位置決めされた状態で配置される。したがって、錘３０を前記構成で支持プレート３１に取り付ける構成を採用した場合、錘３０を精度良く、各半導体素子１２と当接する位置に効率良く配置することができる。
【００４７】
（１０）高周波加熱コイル２６を容器１７の外部に配置した。したがって、錘３０を支持する支持プレート３１を蓋体１９に支持する構成が簡単になる。
（１１）電子機器の部品となる半導体モジュール１０の製造方法の一工程である半導体素子１２の半田付け工程において前記の方法で半田付けを行っている。したがって、電子機器の製造方法において、前記各効果を得ることができる。
【００４８】
（第２の実施形態）
次に、本発明を具体化した第２の実施形態を図４（ａ），（ｂ）を参照しながら説明する。なお、第２の実施形態は、錘３０及び治具３２の構成が異なりその他の構成は第１の実施形態と基本的に同様であるため、同様の部分についてはその詳細な説明を省略する。
【００４９】
この実施形態では、錘３０は、１個の半導体素子１２毎に設けられている。図４（ｂ）に示すように、錘３０は１個のチップ部品加圧用凸部３０ｂと２個の規制用凸部３０ｃとを備えている。錘３０は、平面形状が金属回路１３の検出に対応した略Ｌ字状に形成されるとともに、Ｌのコーナ部にチップ部品加圧用凸部３０ｂが形成され、端部に規制用凸部３０ｃが形成されている。また、治具３２にはチップ部品加圧用凸部３０ｂを挿通するための孔３２ｂが２個と、規制用凸部３０ｃを挿通するための孔３２ｃが４個形成されている。
【００５０】
この実施形態の錘３０及び治具３２を用いて半導体素子１２を回路基板１１に半田付けする場合も前記第１の実施形態と同様に、容器１７内に回路基板１１を配置し、回路基板１１のセラミック基板１４上に治具３２を置き、治具３２の各孔３２ｂ内に半田シート３３と半導体素子１２を配置する。そして、蓋体１９を閉じると、図４（ａ）に示すように、各錘３０によって半導体素子１２が押圧される状態となる。そして、高周波発生装置２７が作動されて錘３０が高周波加熱されて半田の溶融が行われる。
【００５１】
各錘３０のチップ部品加圧用凸部３０ｂ及び規制用凸部３０ｃの中心は一直線上になく、チップ部品加圧用凸部３０ｂ及び規制用凸部３０ｃの中心を結ぶ仮想線Ｌ１で囲まれる範囲の中に錘３０の重心が存在する。したがって、半田の溶融状態において、錘３０は、水平状態又はほぼ水平状態で各半導体素子１２を接合面側へ加圧する状態となる。その結果、半田がその溶融温度以下に冷却した状態では、各接合部における半田の厚さむらが抑制された状態で半田付けが行われる。
【００５２】
この実施形態においては、前記第１の実施形態における効果（１）〜（１１）と同様な効果の他に次の効果を得ることができる。
（１２）錘３０が複数設けられているため、１個の錘３０で両半導体素子１２を押圧する構成に比べて錘３０の合計重量を軽くすることができる。回路基板１１はセラミック基板１４が１個とは限らず、複数のセラミック基板１４をヒートシンク１５と一体化した回路基板１１上に半導体素子１２が半田付けされて構成される半導体モジュール１０もある。したがって、同じ能力であれば、合計重量が軽い方が有利となる。
【００５３】
（第３の実施形態）
次に、本発明を具体化した第３の実施形態を図５及び図６を参照しながら説明する。この実施形態は、複数の規制用凸部３０ｃの先端面が金属回路１３に当接してチップ部品加圧用凸部３０ｂの先端面の位置が設定されて、溶融後の半田層Ｈと半導体素子１２の厚さの合計が設定される点が前記第１及び第２の実施形態と大きく異なっている。
【００５４】
図６に示すように、錘３０は、平面正方形状に形成されるとともに、４個の規制用凸部３０ｃが錘３０の四隅に形成され、２個のチップ部品加圧用凸部３０ｂが各規制用凸部３０ｃの外側を結ぶ仮想線（図示せず）で囲まれる範囲に形成されている。チップ部品加圧用凸部３０ｂ及び規制用凸部３０ｃの長さの差は、溶融状態の半田を錘３０がその重さで押圧して各規制用凸部３０ｃの先端面が全て金属回路１３に当接する状態になるように設定されている。使用される半田シート３３の厚さ及び面積により、チップ部品加圧用凸部３０ｂ及び規制用凸部３０ｃの長さの差の適切な値が異なる。そのため、実験でチップ部品加圧用凸部３０ｂ及び規制用凸部３０ｃの長さの差の適切な値を求めて、設定するのが好ましい。
【００５５】
この実施形態では、半田シート３３の溶融前は規制用凸部３０ｃは、金属回路１３から若干離れた状態に配置される。そして、半田が溶融されると、錘３０の重さによって各規制用凸部３０ｃの先端面が金属回路１３に当接する状態となり、錘３０は、水平状態で各半導体素子１２を接合面側へ加圧する状態となる。その結果、半田がその溶融温度以下に冷却した状態では、各接合部における半田の厚さむらが抑制された状態で半田付けが行われる。
【００５６】
この実施形態においては、前記第１の実施形態における効果（１）、（３）〜（１１）と同様な効果の他に次の効果を得ることができる。
（１３）冷却後の半田層Ｈの厚さが、規制用凸部３０ｃ及びチップ部品加圧用凸部３０ｂの長さの差で決まるため、第１及び第２の実施形態のように溶融状態における半田の厚さと、規制用凸部３０ｃ及びチップ部品加圧用凸部３０ｂの長さの差とのバランスで決める場合より、錘３０の重さの自由度が高くなる。
【００５７】
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 錘３０は、チップ部品加圧部及び傾き規制用凸部３０ｃを備え、金属回路１３上に半田を介して配置された半導体素子１２をチップ部品加圧用凸部３０ｂが押圧する状態に錘３０を載置して半田を溶融させたとき、傾き規制用凸部３０ｃが回路基板１１に当接することで半導体素子１２を金属回路１３と平行な状態に半田付けできればよい。例えば、セラミック基板１４上に半導体素子１２を２個半田付けする場合、図７（ａ）に示すように、チップ部品加圧用凸部３０ｂ及び規制用凸部３０ｃを１個ずつ備えた錘３０を２個用いてもよい。錘３０は、チップ部品加圧用凸部３０ｂの中心と、傾き規制用凸部３０ｃの両端とを結ぶ仮想線Ｌ１で囲まれる範囲の中に錘３０の重心が存在するように形成されている。例えば、規制用凸部３０ｃは、チップ部品加圧用凸部３０ｂ及び規制用凸部３０ｃの中心を結ぶ仮想線Ｌ１と直交する方向の長さが、半導体素子１２の同方向の長さと同程度に形成される。この場合、半田の溶融状態においてチップ部品加圧用凸部３０ｂの先端面は自由に角度が変わるが、傾き規制用凸部３０ｃは回路基板１１（正確には金属回路１３）に面で接触するため、その両端の位置と、チップ部品加圧用凸部の中心位置との３点を結ぶ仮想線Ｌ１の範囲の中に錘３０の重心が存在する状態となる。その結果、錘３０が傾くことが抑制され、接合部における半田の厚さむらが抑制された状態で半田付けが行われる。
【００５８】
○ 第３の実施形態のように、溶融状態の半田を錘３０の重さで押し付けるとともに、規制用凸部３０ｃとチップ部品加圧用凸部３０ｂの長さの差で半田の厚さ（高さ）を決める構成において、半導体素子１２の数は１個であってもよい。例えば、図７（ｂ）に示すように、錘３０は、平面正方形状に形成されるとともに、下面中央にチップ部品加圧用凸部３０ｂが１個形成され、四隅に規制用凸部３０ｃがそれぞれ１個形成されていてもよい。
【００５９】
○ 治具３２は、凹部３２ａが金属回路１３の周縁部と係合して位置決めされた状態でセラミック基板１４上に載置される構成に限らない。例えば、図８に示すように、凹部３２ａの周面がセラミック基板１４の周面１４ａと係合可能な形状にしてもよい、金属回路１３の厚さはセラミック基板１４の厚さに比較して薄いため、周面１４ａと係合可能に形成する方が凹部３２ａの形成が容易になる。
【００６０】
○ 錘３０は、チップ部品加圧部として機能する少なくとも１個の加圧面を備え、傾き規制用凸部として前記加圧面より先端が突出している凸部が形成されていればよい。即ち、チップ部品加圧部はチップ部品加圧用凸部３０ｂに限らない。例えば、図９に示すように、チップ部品加圧用凸部３０ｂに代えて加圧面３０ｄを備え、加圧面３０ｄより先端が突出している規制用凸部３０ｃが形成されている錘３０を使用してもよい。なお、チップ部品加圧部としてチップ部品加圧用凸部３０ｂを備えている場合は、チップ部品加圧用凸部３０ｂの先端面が加圧面となる。
【００６１】
○ 回路基板１１上に設けられるセラミック基板１４の数は１個に限らず複数であってもよい。また、回路基板１１上に設けられるセラミック基板１４の数が１個の場合、複数の回路基板１１を容器１７に収容して同時に半田付けをするようにしてもよい。
【００６２】
○ 錘３０は、フランジ部３０ａを備えずに１個ずつ回路基板１１上に載置する構成であってもよい。しかし、フランジ部３０ａにより支持プレート３１に支持された状態で載置位置と離間位置とに移動される構成の方が、錘３０を所定の位置に配置するのが容易になる。特に、一回の半田付けにおいて、複数個の錘３０を回路基板１１上に載置する必要がある場合、錘３０の載置を同時に、かつ容易に行うことができる。
【００６３】
○ 半導体素子１２（チップ部品）は、例えば、トランジスタとダイオードでは一般に厚さが異なるため、錘３０としてチップ部品加圧用凸部３０ｂ及び規制用凸部３０ｃの長さの差が異なるものを準備しておき、半田付けすべきチップ部品に対応して最適な錘３０を使用するようにしてもよい。
【００６４】
○ 傾き規制用凸部３０ｃの数及び錘３０の重さによっては、チップ部品加圧用凸部３０ｂはチップ部品（半導体素子１２）をその全面で押圧する必要はないため、チップ部品加圧用凸部３０ｂはその先端面が必ずしも押圧すべき半導体素子１２の非接合面と同じ大きさである必要はない。しかし、第１及び第２の実施形態のように規制用凸部３０ｃと、溶融状態の半田とのバランスで半田の厚さが規制される半田付け方法の場合は、チップ部品加圧用凸部３０ｂはチップ部品をその中心を含む半分以上の面積で接合部側へ押圧する大きさに形成されているのが好ましい。チップ部品加圧用凸部３０ｂの先端面がチップ部品をその中心を含む半分以上の面積で接合部側へ押圧すると、接合部における半田の厚さむらが抑制された状態で半田付けが容易に行われる。
【００６５】
○ 錘３０を支持プレート３１の孔３１ａに嵌挿した状態で移動させる場合、錘３０を支持プレート３１に掛止するための構成はフランジ部３０ａに限らず、錘３０の上部の側面に掛止部として複数の凸部を設けてもよい。
【００６６】
○ 治具３２は、半田シート３３、半導体素子１２及び錘３０の位置決め機能を有する構成に限らず、半田シート３３及び半導体素子１２の位置決め機能のみを有する構成でもよい。
【００６７】
○ 誘導加熱で錘３０を加熱してその熱で半田を溶融させる構成において、錘３０はステンレス製に限らず、誘導加熱可能な材料であればよく、例えば、ステンレスに代えて、鉄やグラファイトで形成したり、熱伝導率の異なる２種類の導体材料を用いて構成してもよい。
【００６８】
○ 半田は半田シート３３として金属回路１３の接合部と対応する箇所に配置する方法に限らず、半田ペーストを接合部と対応する箇所に塗布するようにしてもよい。
○ 半田を溶融温度以上に加熱する加熱方法は誘導加熱以外の方法であってもよい。例えば、容器１７内に電気ヒータを設けて半田を加熱するようにしてもよい。
【００６９】
○ 回路基板１１は、セラミック基板１４が冷媒流路１５ａを有しないヒートシンク１５と一体化された構成や、ヒートシンク１５を有しない構成であってもよい。
○ 蓋体１９は、本体１８に対して取り外し不能な構成、例えば、開閉式でもよい。
【００７０】
○ 蓋体１９は、少なくとも高周波加熱コイル２６と対向する部位が電気的絶縁材で形成されているのが好ましく、当該部位をガラスに代えて、例えば、セラミックスや樹脂で形成してもよい。また、蓋体１９全体を同じ電気的絶縁材で形成してもよい。
【００７１】
○ 高周波加熱コイル２６は、複数の錘３０の上方に跨って配置する構成としてもよい。この場合、高周波加熱コイル２６に対する高周波電流の供給経路や冷却水の供給経路を少なくすることができ、半田付け装置ＨＫの構造をさらに簡素化できる。
【００７２】
○ 回路基板１１上に設けられた接合部（金属回路２３）に接合される電子部品は、接合部と対向する面全体が接合されるものに限らず、チップ抵抗やチップコンデンサ等のように電子部品の両端に端子を有し、各端子が異なる接合部に接合されるものであってもよい。
【００７３】
○ 半田付けの際に規制用凸部３０ｃが回路基板１１の上面に当接して錘３０の傾きを規制する構成であればよく、金属回路１３に当接して錘３０の傾きを規制する構成に限らない。例えば、規制用凸部３０ｃがセラミック基板１４の上面に当接する構成であってもよい。
【００７４】
○ 規制用凸部３０ｃは、先端が面接触する形状に限らず、点接触や線接触する形状であってもよい。例えば、規制用凸部３０ｃの先端に線状の凸部が形成された形状や、規制用凸部３０ｃの先端に小さな凸部が形成された形状としてもよい。
【００７５】
○ 高周波加熱コイル２６を、容器１７（密閉空間Ｓ）内に配置してもよい。
以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の発明において、前記錘は誘導加熱可能な導電材料により形成されている。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】（ａ）はセラミック基板が１枚の半導体モジュールの平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図。
【図２】第１の実施形態の半田付け方法に用いる半田付け装置の概略縦断面図。
【図３】（ａ）は金属回路、チップ部品加圧用凸部、規制用凸部等の関係を示す模式図、（ｂ）は錘の模式斜視図、（ｃ）は治具の模式平面図。
【図４】第２の実施形態を示し、（ａ）は半田付け時の状態を示す模式断面図、（ｂ）は金属回路、チップ部品加圧用凸部、規制用凸部等の関係を示す模式図。
【図５】第３の実施形態における半田付け時の状態を示す模式断面図。
【図６】同じく金属回路、チップ部品加圧用凸部、規制用凸部等の関係を示す模式図。
【図７】（ａ）は別の実施形態における錘とチップ部品との関係を示す模式図、（ｂ）は別の実施形態における錘とチップ部品との関係を示す模式図。
【図８】別の実施形態の治具の形状を示す模式断面図。
【図９】別の実施形態の錘を示す模式斜視図。
【図１０】（ａ）は従来技術を示す断面図、（ｂ）は別の従来技術を示す模式断面図。
【符号の説明】
【００７７】
Ｈ…半田層、Ｇ…重心、Ｌ１…仮想線、１１…回路基板、１２…チップ部品としての半導体素子、１３…接合部としての金属回路、３０…錘、３０ｂ…チップ部品加圧部としてのチップ部品加圧用凸部、３０ｃ…規制用凸部、３０ｄ…チップ部品加圧部としての加圧面。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路基板上に設けられた接合部にチップ部品を半田付けする半田付け方法であって、
半田の溶融時に前記チップ部品を前記接合部側に押圧する錘として、チップ部品加圧部と、傾き規制用凸部とを備えた錘を用い、前記接合部上に半田を介して前記チップ部品を配置するとともに、前記錘を前記チップ部品加圧部が前記チップ部品を押圧する状態に載置し、前記錘によって前記チップ部品を加圧しながら前記半田を溶融させるとともに傾き規制用凸部が前記回路基板に当接することで前記チップ部品を前記接合部と平行な状態に半田付けすることを特徴とする半田付け方法。
【請求項２】
前記錘は、前記チップ部品加圧部が前記チップ部品を押圧する状態に載置されたときに、前記チップ部品加圧部の中心と、前記傾き規制用凸部の中心又は端とを結ぶ仮想線で囲まれる範囲の中に前記錘の重心が存在するように形成されている請求項１に記載の半田付け方法。
【請求項３】
前記チップ部品加圧部は、前記チップ部品をその中心を含む半分以上の面積で押圧可能に形成されている請求項１又は請求項２に記載の半田付け方法。
【請求項４】
前記錘を介して前記半田に熱を伝達して半田を溶融させる請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の半田付け方法。
【請求項５】
前記回路基板、半田層、前記チップ部品の順に積層された状態で半田付けが行われる請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の半田付け方法。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の半田付け方法に使用する錘であって、少なくとも１個の加圧面を備え、前記加圧面より先端が突出している凸部が形成されていることを特徴とする錘。
【請求項７】
請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の半田付け方法を半田付け工程に使用することを特徴とする電子機器の製造方法。
【請求項１】
回路基板上に設けられた接合部にチップ部品を半田付けする半田付け方法であって、
半田の溶融時に前記チップ部品を前記接合部側に押圧する錘として、チップ部品加圧部と、傾き規制用凸部とを備えた錘を用い、前記接合部上に半田を介して前記チップ部品を配置するとともに、前記錘を前記チップ部品加圧部が前記チップ部品を押圧する状態に載置し、前記錘によって前記チップ部品を加圧しながら前記半田を溶融させるとともに傾き規制用凸部が前記回路基板に当接することで前記チップ部品を前記接合部と平行な状態に半田付けすることを特徴とする半田付け方法。
【請求項２】
前記錘は、前記チップ部品加圧部が前記チップ部品を押圧する状態に載置されたときに、前記チップ部品加圧部の中心と、前記傾き規制用凸部の中心又は端とを結ぶ仮想線で囲まれる範囲の中に前記錘の重心が存在するように形成されている請求項１に記載の半田付け方法。
【請求項３】
前記チップ部品加圧部は、前記チップ部品をその中心を含む半分以上の面積で押圧可能に形成されている請求項１又は請求項２に記載の半田付け方法。
【請求項４】
前記錘を介して前記半田に熱を伝達して半田を溶融させる請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の半田付け方法。
【請求項５】
前記回路基板、半田層、前記チップ部品の順に積層された状態で半田付けが行われる請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の半田付け方法。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の半田付け方法に使用する錘であって、少なくとも１個の加圧面を備え、前記加圧面より先端が突出している凸部が形成されていることを特徴とする錘。
【請求項７】
請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の半田付け方法を半田付け工程に使用することを特徴とする電子機器の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００８−１４７５５５（Ｐ２００８−１４７５５５Ａ）
【公開日】平成２０年６月２６日（２００８．６．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３３５６４８（Ｐ２００６−３３５６４８）
【出願日】平成１８年１２月１３日（２００６．１２．１３）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年６月２６日（２００８．６．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月１３日（２００６．１２．１３）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]