JP2007287991A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】銅板15に貫通孔20を開けて、レーザ光31を貫通孔20から入射し銅―モリブデンいた16の表面に焦点32を合わせ、銅―モリブデン板16を加熱し、その加熱により貫通孔20の近傍の銅板15を溶融させて銅板15と銅―モリブデン板16をレーザ溶接する。
【選択図】 図1
Description
IGBTやFWD等のパワーデバイスでは、動作温度の上限を125℃としている場合が多い。しかしながらチップの小型化や高電流密度化に伴って発熱密度が増加し、従来のアルミワイヤによる配線ではチップ表面の温度上昇を抑えることが不可能となっている。
片面冷却方式をとる半導体パッケージでは、半導体チップから発生した熱は半導体チップの下面からしか放熱が出来ない。半導体パッケージ内には、絶縁保護のためにシリコーン系の封止樹脂が充填されており、半導体チップの上面はこの封止樹脂で覆われている。シリコーン系封止樹脂の熱伝導率は0.1〜0.2W/mK程度であり、この構成では半導体チップ上面からの放熱は期待できない。
図9は従来例1を示す図である。図9において、セラミクス1、裏面銅箔2、表面回路パターン(表面銅箔)3,4,5から構成される絶縁基板の表面回路パターン4上に、IGBTチップ6がはんだ7により接合されている。図9の例では、半導体チップとしてはIGBTチップ6を用いており、表面回路パターン3にIGBTのエミッタが、表面回路パターン4にはコレクタが、表面回路パターン5にはゲートがそれぞれ接続されている。
したがって、IGBTモジュールの使用時には、発熱と冷却が繰り返される。IGBTモジュールの信頼性試験においては、この発熱と冷却を模して、高温側は125℃、低温側は−40℃の温度条件にて、数百サイクルの繰り返し試験(ヒートサイクル試験)が実施されている。同図(a)は高温時の模式図であり、IGBTチップ6に比べヒートスプレッダ9の熱膨張係数の方が大きいため、ヒートスプレッダ9によりはんだ接合部(特にその端部に大きな)左右に引っ張られる形の応力が作用する。同図(b)は低温時の模式図であり、今度はヒートスプレッダ9によりはんだ接合部(特にその端部に大きな)中央に引っ張られる形の応力が作用する。
クラックが進展した場合、半導体チップ6からの電流経路が狭まり、配線抵抗増加,導通不良に発展するという不都合が生じる。
このヒートスプレッダ9と金属板12との接合方法として、導電性接着剤による接合,はんだ材による接合,超音波による直接接合,レーザによる溶接などが考えられる。しかしながら、導電性接着剤では、はんだ接合や超音波接合に比べ電気抵抗が大きく、好ましくない。はんだ接合の場合、半導体チップ6より発せられた熱がヒートスプレッダ9を介して伝導してくるため、はんだ8が熱劣化し、接合信頼性の確保が難しかった。また、超音波接合では、ヒートスプレッダ9上に金属板を重ね、荷重と振動を加えるために、ヒートスプレッダ9と半導体チップ6を接合しているはんだ8にクラックが生じる場合があった。
図12は、YAGレーザ(波長1064nm)を用いて金属板12とヒートスプレッダ9とを溶接する方法を説明する図であり、同図(a)は平面図、同図(b)は同図(a)のX−X線で切断した要部断面図である。図12は図11に相当する図であるがエミッタ端子3、ゲート端子5およびアルミワイヤ11は図示されていない。また、図12(a)には出射ユニット13は図示されていない。
図12において、レーザ光31は出射ユニット13より出射され、金属板12表面に当たる。この図12で示すレーザ光31の入射角度は図13(a)で示すように垂直ではなく、実際は図13(b)に示すように照射面(X−X線)に垂直な線Pを基準にしたとき、入射角は10度程度(光軸Qが垂直な線Pに対して10度傾斜する)にする。これは、垂直(0度)にすると反射光が出射ユニット13に戻り機器が損傷してしまうためである。
図14に金属板12として銅板15を用い、ヒートスプレッダ9として銅−モリブデン板16(CuMo)を用いた場合について説明する。同図(a)はレーザ光のエネルギ小さいときの図、同図(b)はレーザ光のエネルギ大きいときの図である。
また、底が塞がれた凹穴を形成し、この凹穴にレーザ光を照射してレーザ溶接することが特許文献3に開示されている。底が塞がれた凹穴を形成しその凹穴の裏面側を丸みを帯びた凸型にしてレーザ溶接する場合について記載されており、レーザ溶接する箇所の接触面積が極めて小さく溶接強度が十分に確保することが困難である。
この発明の目的は、前記の課題を解決して、高融点材料のヒートスプレッダと低融点材料の金属板をレーザ光で溶融して接合し、高い溶接強度を得ることができる半導体装置の製造方法を提供することにある。
また、半導体チップ上に高融点材料からなるヒートスプレッダが固着され、該ヒートスプレッダ上に前記ヒートスプレッダより低融点材料からなる金属板がレーザ溶接される半導体装置の製造方法において、
前記金属板をヒートスプレッダ上に接触させて、前記レーザ光を、前記ヒートスプレッダの前記金属板との接合面から前記レーザ光の光源側に0.3mm乃至前記接合面から前記光源とは反対側に0.5mmの間に焦点をあわせて照射し、該レーザ光が照射された箇所の前記金属板と前記ヒートスプレッダを加熱し溶融させることで、前記ヒートスプレッダに前記金属板をレーザ溶接するものとする。
また、前記レーザ光がYAGレーザ、半導体レーザおよびCO2レーザのいずれか一つから出射される光であるとよい。
また、前記凹穴の裏面側が該凹穴が形成されていない箇所の前記金属板の裏面から凸となっており、該凸の表面が平坦であるとよい。
また、前記金属板に形成された前記貫通孔もしくは前記凹穴の前記レーザ光が入射する表面側の開口部を大きくし、該表面側から裏面側に向かって開口部が小さくなるようして、前記貫通孔もしくは凹穴の側壁にテーパーを付けるとよい。また、少なくともテーパー部にめっきを施すとよい。
また、前記貫通孔もしくは凹穴の開口部の平面形状が円形および多角形をしているとよい。
図1において、15は金属板であり、本実施例では銅板(Cu)を用いた(以下銅板15という)。16はヒートスプレッダであり、同じく板状の銅−モリブデンの焼結体(CuMo)を用いた(以下銅−モリブデン板16という)。そして銅−モリブデン板16上に銅板15をレーザ溶接にて接合する。
尚、図1では図示は省略するが、銅−モリブデン板16は、IGBTなどの半導体チップにはんだ接合され、半導体チップははんだにより絶縁基板の表面回路パターンに接合されている。銅板15は、図11の金属板12のごとく表面回路パターンに接続してもよいし、外部へ導出してもよい。また、半導体チップのうちIGBTチップのゲートパッドと表面回路パターンとの間をアルミワイヤで接続している。また、インバータ動作をさせるには、この他にダイオード(FWD)が必要であり、FWDについても同様に絶縁基板に接合し、必要に応じて銅−モリブデン板16を接合し、銅−モリブデン板16上に銅板15を接合する。このように絶縁基板上に搭載されたIGBTやFWDをPPSやPBTなどの樹脂ケース内に収納し、さらにその中に素子保護としてシリコーン樹脂が充填を充填して半導体パッケージ(IGBTモジュール)を構成する。また、樹脂ケースへの収納に替えて、所望の箇所を熱硬化性の樹脂でモールドしてもよい。また、セラミクスを用いた絶縁基板に替えて金属板に絶縁層を介して表面回路パターンを形成した金属絶縁基板を用いてもよい。このように、種々変更が可能である。なお、半導体パッケージの構成については、後述の他の実施例についても同様であるので、各実施例での説明は省略する。
同図(a)に示すように、銅板15に貫通孔20を設けている。銅板15は所望の電流容量や他の製造・組立工程での作業性を勘案して厚さを選択している。例えば、0.3mm〜2mmから選択が可能であり、図1の例では1mmである。銅板15に形成される貫通孔20は、銅板15を所望の外形寸法に加工する際に同時にプレス打ち抜きにて加工するのが最も簡便でありコスト的にも有利である。貫通孔20の直径が銅板15の暑さに対して小さく、銅板15のプレス打ち抜き加工時に同時に形成するのが難しい場合は、銅板15に対して、レーザ溶接工程とは別の工程で、レーザ光による穴あけ加工を施せばよい。
図16の例では、出射ユニットと接続する光ファイバの直径が0.4mmの場合であるが、焦点位置から「+」側(焦点位置よりレーザ光の光源側)に0.5mm,「−」側(焦点位置よりレーザ光の光源とは反対側)には0.3mmの範囲で、所望の照射パワー密度が得られる。なお、図16では、「+」側の方が曲線の傾斜がゆるやかである。光学系の特性などの影響によるものである。このため、同一の照射パワー密度を得るために許容できる焦点位置からのずれ量は、「−」側の方が小さくなっている。
図3において、15は金属板であり、本実施例では銅板(Cu)を用いた(以下銅板15という)。16はヒートスプレッダであり、同じく板状の銅−モリブデンの焼結体(CuMo)を用いた(以下銅−モリブデン板16という)。そして銅−モリブデン板16上に銅板15をレーザ溶接にて接合する。
同図(a)では、銅板15に貫通孔ではなく底部が塞がれた凹穴22を設けている。この凹穴22部の裏面は飛び出しておらず平坦になっている。銅板15は所望の電流容量や他の製造・組立工程での作業性を勘案して厚さを選択している。例えば、0.3mm〜2mmから選択が可能であり、図3の例では1mmである。銅板15に形成される凹穴22は、銅板15を所望の外形寸法に加工する際に同時にプレス加工するのが最も簡便でありコスト的にも有利である。凹穴22の直径が銅板15の厚さに対して小さく、銅板15のプレス加工時に同時に形成するのが難しい場合は、銅板15に対して、レーザ溶接工程とは別の工程で、レーザ光による穴あけ加工を施せばよい。
銅板15および銅−モリブデン板16へのレーザ光の照射は次のように行う。銅−モリブデン板16が接合された半導体チップもしくは絶縁基板を治具に固定し、銅板15を銅−モリブデン板16上の所定の位置に接触させる。強固な接合を得るためには、レーザ光が照射される付近では銅板15と銅−モリブデン板16とが接触していることが望ましいため、銅板15を銅−モリブデン板16へ押圧して保持し、レーザ光を凹穴22の底部へ照射する。
図4において、15は金属板であり、本実施例では銅板(Cu)を用いた(以下銅板15という)。16はヒートスプレッダであり、同じく板状の銅−モリブデンの焼結体(CuMo)を用いた(以下銅−モリブデン板16という)。そして銅−モリブデン板16上に銅板15をレーザ溶接にて接合する。
第2実施例との違いは、銅板15に設けた凹穴24の裏面(凹穴裏面24b)が凸型に突出している点である。銅板15は所望の電流容量や他の製造・組立工程での作業性を勘案して厚さを選択している。例えば、0.3mm〜2mmから選択が可能であり、図4の例では0.5mmである。また、銅板15の凹穴24の裏面に形成される凸部は、銅板15の裏面より0.2mmほど突出している。
銅板15および銅−モリブデン板16へのレーザ光の照射は次のように行う。銅−モリブデン板16が接合された半導体チップもしくは絶縁基板を治具に固定し、銅板15を銅−モリブデン板16上の所定の位置に接触させる。強固な接合を得るためには、レーザ光が照射される付近では銅板15と銅−モリブデン板16とが接触していることが望ましいため、銅板15を銅−モリブデン板16へ押圧して保持しする。レーザ溶接箇所である凹穴24の裏面側は、銅板15の裏面より突出しているため、銅板15を銅−モリブデン板16へ押圧した際に、両者が確実に接触する。そして、レーザ光を凹穴24の底部へ照射する。
図5において、15は金属板であり、本実施例では銅板(Cu)を用いた(以下銅板15という)。16はヒートスプレッダであり、同じく板状の銅−モリブデンの焼結体(CuMo)を用いた(以下銅−モリブデン板16という)。そして銅−モリブデン板16上に銅板15をレーザ溶接にて接合する。
従来の溶接の説明で示した図14、図15においては、レーザ光31の焦点32を銅板15表面に合わせていたが、この実施例では、その焦点32の位置を銅−モリブデン板16表面に設定している。具体的には、銅−モリブデン板16表面に焦点32を合わせるように出射ユニット13の位置を調整することにより、図5(b)に示すように、銅−モリブデン板16の溶融部である底部溶融部26aを形成できる。
図12では、レーザ光31の焦点32を金属板12表面に合わせており、故にパワー密度は金属板12表面で最大値をとる。しかしながら、レーザ光31には出射角があり、出射ユニット13より発せられたレーザ光31は、金属板12表面でそのスポット径が最小となるが、金属板12内部に行くにしたがい、今度はスポット径が大きくなっていくため、パワー密度は低下する。いま、溶融したいヒートスプレッダ9に届いたレーザ光31は、金属板12表面のスポット径よりも大きく、パワー密度が低下してしまっている。
図6において、15は金属板であり、本実施例では銅板(Cu)を用いた(以下銅板15という)。16はヒートスプレッダであり、同じく板状の銅−モリブデンの焼結体(CuMo)を用いた(以下銅−モリブデン板16という)。そして銅−モリブデン板16上に銅板15をレーザ溶接にて接合する。
図2との違いは、貫通孔35の底面の開口部の直径M2をレーザ光31の焦点32の長軸L1より小さくする点である。つまり、M2<L1とする。また、この側壁35aのテーパー角はレーザ光31が銅板15の表面15aに当たらないように、レーザ光の入射角より大きくする。つまり、側壁35aのテーパー角θ3を垂直の線Pからの角度とし、レーザ光31の光軸Qの角度θ1を垂直軸Pからの角度とし、レーザ光31の絞り角度(光束の角度)θ2を光軸Qからの角度とした場合、θ3>θ1+θ2とする。また、レーザ光31の側壁照射部の外周端32aが側壁35a内に位置するように、その高さHを銅板15の厚さTの半分以下とする。つまり、H≦Tとする。こうすることで、側壁35aの銅が溶けて図1や図2の場合より溶融部27の面積を広くすることができる。前記の条件を満たせば貫通孔35の上部の開口部の直径M3の中にレーザ光31の光束が入るようになり表面15aには当たらない。なお、このテーパー部を設ける方法は第2実施例、第3実施例にも同様に適用できる。さらに、第1〜第3、第5実施例の銅板15に形成した貫通孔や凹穴の平面パターンは円形であるが図7のように正方形や図示しないが多角形であってもよい。なお、図7(a)は図7(b)のX−X線で切断した断面図である。
また、断面形状が図7と同じで、図8のように、細線状でテーパーを付けた側壁29aを有する貫通孔29を形成し、これに複数箇所にレーザ光31の焦点32を当て複数の溶融部を形成すると、図1や図7の場合より製造コストを低減することができる。また、図3、図4の凹穴22、24を図8のようなテーパーを付けた側壁を有する細線状の底が塞がれた凹穴にして、複数の溶融部を形成することで、図3、図4の場合より製造コストを低減することができる。
なお、前記したレーザ溶接は、超音波接合のように加圧,振動を加えることが無いために、図12に示すヒートスプレッダ9下のはんだ8及び半導体チップ6にダメージを与えることが無い。さらに、銅板(もしくは銅合金)などの金属板12とヒートスプレッダ9の境界に、これらの金属材料よりも高抵抗なはんだや導電性接着剤などが挟まれていないため、低抵抗・低熱抵抗の接合が実現される。
15 銅板
15a 表面
16 銅−モリブデン板
20、28、35 貫通孔
20a、20b、22a、24a、28a,35a 側壁
21、23、25、26、27 溶融部
22、24 凹穴
24b 凹穴裏面
26a、27a 底部溶融部
26b 銅−モリブデン溶融部
31 レーザ光
32 焦点
32a 側壁照射部の外周端
33 光束
Claims (13)
- 半導体チップ上に高融点材料からなるヒートスプレッダが固着され、該ヒートスプレッダ上に前記ヒートスプレッダより低融点材料からなる金属板がレーザ溶接される半導体装置の製造方法において、
前記金属板に貫通孔を形成し、該金属板を前記ヒートスプレッダ上に接触させて前記貫通孔に露出する前記ヒートスプレッダの表面に対して前記レーザ光を照射し、前記ヒートスプレッダの前記レーザ光が照射された箇所とその近傍の前記金属板とを加熱し溶融させることで、前記ヒートスプレッダに前記金属板をレーザ溶接することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 半導体チップ上に高融点材料からなるヒートスプレッダが固着され、該ヒートスプレッダ上に前記ヒートスプレッダより低融点材料からなる金属板がレーザ溶接される半導体装置の製造方法において、
前記金属板に底部が塞がった凹穴を形成し、該金属板を前記ヒートスプレッダ上に接触させて前記凹穴の底面に前記レーザ光を照射し、前記金属板の前記凹穴の底面の該レーザ光が照射された箇所とその直下の前記ヒートスプレッダを加熱し溶融させることで、前記ヒートスプレッダに前記金属板をレーザ溶接することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記レーザ光を、前記ヒートスプレッダの前記金属板との接合面から前記レーザ光の光源側に0.5mm乃至前記接合面から前記光源とは反対側に0.3mmの間に焦点をあわせて照射することを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。
- 半導体チップ上に高融点材料からなるヒートスプレッダが固着され、該ヒートスプレッダ上に前記ヒートスプレッダより低融点材料からなる金属板がレーザ溶接される半導体装置の製造方法において、
前記金属板をヒートスプレッダ上に接触させて、前記レーザ光を、前記ヒートスプレッダの前記金属板との接合面から前記レーザ光の光源側に0.5mm乃至前記接合面から前記光源とは反対側に0.3mmの間に焦点をあわせて照射し、該レーザ光が照射された箇所の前記金属板と前記ヒートスプレッダを加熱し溶融させることで、前記ヒートスプレッダに前記金属板をレーザ溶接することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記低融点材料が銅もしくは銅合金であり、前記高融点材料が銅−モリブデン焼結体,銅−タングステン焼結体,モリブデン,タングステンの少なくとも一つであ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半導体装置の製造方法。
- 前記レーザ光がYAGレーザ、半導体レーザおよびCO2レーザのいずれか一つから出射される光であ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半導体装置の製造方法。
- 前記凹穴の裏面側を含めた前記金属板の裏面が平坦であることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記凹穴の裏面側が該凹穴が形成されていない箇所の前記金属板の裏面から凸となっており、該凸の表面が平坦であることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記金属板に形成された前記貫通孔もしくは前記凹穴の前記レーザ光が入射する表面側の開口部を大きくし、該表面側から裏面側に向って開口部が小さくなるようして、前記貫通孔もしくは凹穴の側壁にテーパーを付けることを特徴とする請求項1、2、5〜8に記載の半導体装置の製造方法。
- 少なくとも前記テーパー部にめっきを施したことを特徴とする請求項9に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記表面側の開口部を、該開口部を通過する前記レーザ光の光束より大きくし、該レーザ光を、前記貫通孔もしくは凹穴の側壁の少なくとも一部と、貫通孔に露出したヒートスプレッダの表面もしくは凹穴の底面の少なくとも一部とに照射することを特徴とする請求項9に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記貫通孔もしくは凹穴の開口部の平面形状が円形および多角形をしていることを特徴とする請求項1、2,5〜11のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記貫通孔もしくは凹穴の開口部の平面形状が細線状をしており、前記レーザ光を該細線状の貫通孔もしくは凹穴の複数箇所に照射し、複数のレーザ溶接することを特徴とする請求項1、2、5〜11のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
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