JP2008194707A - レーザ溶接用治具およびそれを用いた半導体装置の製造方法 - Google Patents

レーザ溶接用治具およびそれを用いた半導体装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】溶接部材を良好に密着させ、飛散したスパッタが半導体装置に付着することを防止し、さらにレーザ光で損傷を受けないレーザ溶接用治具およびそれを用いた半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】このレーザ溶接用治具１００は、溶接部材であるリードフレーム２０とヒートスプレッダ１８、１９およびリードフレーム２０とエミッタ箔１３に荷重を負荷する荷重板１と、この荷重板１に形成したレーザ光６を通過させる貫通孔である窓２で構成される。窓２の開口部３端にはテーパ４が形成されている。テーパ４を形成することで照射角を有するレーザ光６によってもレーザ溶接用治具１００の損傷を防止できる。
【選択図】図１

Description

この発明は、半導体装置のヒートスプレッダとリードフレームおよび絶縁基板上の導電パターンとリードフレームなどの溶接部材（溶接ワーク）をレーザ溶接するときに用いるレーザ溶接用治具およびそれを用いた半導体装置の製造方法に関する。
インバータなどに用いられる半導体チップ（ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）及びＦＷＤ（フリーホイーリングダイオード））は、年々高発熱密度化してきており、チップ発熱を効率よく放熱してやることが重要課題となっている。チップ発熱の放熱方法としては、チップ上面に金属ブロックを搭載する方法が考えられる。
また、高密度実装・大電流化の面からは、従来のアルミワイヤによる配線方法ではアルミワイヤ自身のジュール発熱が無視できなくなり、銅箔（リードフレーム：板状配線）などの大面積配線が有効となる。チップ上面に金属ブロック（ヒートスプレッダ）をはんだで接合し、さらにヒートスプレッダ上面にリードフレームをレーザ溶接する方法が考案されている。
図６は、リードフレーム実装前の半導体装置とリードフレームを示す図であり、同図（ａ）半導体装置の要部平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図、同図（ｃ）はリードフレームの要部平面図、同図（ｄ）は同図（ｃ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図である。
図６（ａ）および図６（ｂ）において、セラミクス１１、セラミクス１１上に形成されたコレクタ銅箔１２、エミッタ銅箔１３およびセラミクス１１の裏面に形成される図示しない銅箔からなる絶縁基板のコレクタ銅箔１２の上面に、はんだ１４によりＩＧＢＴチップ１５が接合されている。尚、コレクタ銅箔１２およびエミッタ銅箔１３はセラミクス上に形成された導電パターンである。
同様に、コレクタ銅箔１２の上面に、はんだ１４によりＦＷＤチップ１６が接合されている。さらに、ＩＧＢＴチップ１５の上面には、はんだ１７によりヒートスプレッダ１８が接合され、ＦＷＤチップ１６の上面には、はんだ１７によりヒートスプレッダ１９が接合されている。
この状態のものに、図６（ｃ）、図６（ｄ）に示すリードフレーム２０をレーザ溶接する。尚、リードフレーム２０は板状配線として用いている。
図７は、リードフレーム実装前の半導体装置にリードフレームをレーザ溶接した状態の図であり、同図（ａ）は要部平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図である。
ヒートスプレッダ１８、１９とリードフレーム２０は、溶接箇所２５にて接合されている。また、セラミクス１１上のエミッタ銅箔１３とリードフレーム２０も溶接箇所２５にて接合されている。
また、特許文献１によれば、下治具と上治具とで重畳された溶接物であるマグネシウム合金板１、２を第１の加圧力で保持し、溶接物となるマグネシウム合金２の側からＹＡＧレーザを照射し、レーザ照射を所定時間行った後、レーザ照射を停止し、これと同時に第１の加圧力より高い第２の加圧力で加圧を行うことによって重ね合わせ溶接することが開示されている。
特開２００５−１３１６９５号公報
図７で示すようにレーザ溶接を行う際には、リードフレーム２０上面から何らかの方法で加圧力を加えてヒートスプレッダ１８、１９およびエミッタ銅箔１３とリードフレーム２０とを密着させる必要がある。
それは、部材間に隙間があった場合には、レーザ光６によるエネルギーによりリードフ
レーム２０が加熱されても、その熱がヒートスプレッダ１８、１９およびエミッタ銅箔１３にまで伝導されず、溶接不良となるからである。また、この加圧を人手で行うと、加圧力のバラツキが生じ、溶接強度のバラツキ要因となる。
また、入熱過多が生じた場合にスパッタ（溶融金属が飛散した小塊）が発生し、図示しない他の半導体チップ及び配線部に付着してダメージを与えてしまうことである。スパッタを生じないレーザ溶接条件を用いるのが望ましいが、部材バラツキやレーザパワーの時間的変動によりスパッタが生じることがある。この飛散したスパッタが他部の半導体チップや配線に付着し半導体装置を損傷させることがある。
また、前記特許文献では、レーザ光を溶接物に照射するための窓が上治具に形成されているが、この窓の壁面は垂直に切り立っている。通常、反射光でレーザ出射ユニットが損傷を受けないようにレーザ光の光軸は垂線に対して傾斜しているので、窓の側壁が傾斜していない上治具はレーザ溶接時にレーザ光が窓の淵に当たって損傷を受ける。
この発明の目的は、前記の課題を解決して、溶接部材を良好に密着させ、飛散したスパッタが半導体装置の構成部品などに付着することを防止し、さらにレーザ光で損傷を受けないレーザ溶接用治具およびそれを用いた半導体装置の製造方法を提供することである。
前記の目的を達成するために、レーザ溶接するときに溶接部材に接して溶接部材に荷重を負荷する荷重板と、該荷重板に形成されたレーザ光を通過させる開口部を有する窓とを有する構成とする。
また、前記窓の開口部端にテーパを形成するよい。
また、前記溶接部材の表面を基準として前記テーパの角度をθ４とし、前記溶接部材の表面に対する垂線を基準としてレーザ照射角をθ1とし、レーザ出射角の１／２をθ２とした場合、（９０°−（θ１＋θ２））＞θ４の関係が成り立つようにテーパを形成するとよい。
また、前記テーパ角θ４が４５°〜８１．０°であるとよい。
また、前記荷重板の材質が、カーボン、銅、銅合金、アルミニウムもしくは鉄鋼のいずれかであるとよい。
また、前記溶接部材の角部が当接する位置合わせ部を有するとよい。
また、前記溶接部材の形状に対応し、溶接部材の厚さより浅い凹部を有するとよい。
また、前記のレーザ溶接用治具を用いた半導体装置の製造方法において、
半導体素子上に設けられたヒートスプレッダおよび半導体素子を搭載する絶縁基板上に形成した導電パターンの少なくとも一方にリードフレームを載置し、リードフレームの溶接箇所に前記開口部を合わせて前記レーザ溶接用治具を載置し、前記溶接箇所にレーザ光を照射して溶接を行う半導体装置の製造方法とする。
この発明によれば、レーザ溶接治具において、レーザ光を照射する窓を設け、レーザ溶接用治具を溶接前の半導体装置に載せることで、溶接部材に荷重を負荷して所定の加圧力を与えることができる。そして溶接バラツキが少なく高い信頼性を持った接合が可能となる。
また、溶接によりスパッタが発生した場合においても、溶接箇所以外を治具で覆っているため飛散したスパッタが他部（半導体チップおよび配線）に付着するのを防止できる。その結果、良品率の向上を図ることができる。
このように、本発明のレーザ溶接用治具を用いることで、安定した溶接部の確保ができると共に飛散したスパッタの付着防止により半導体装置の良品率の向上を図ることができる。
実施の形態を以下の実施例で説明する。
図１は、この発明の第１実施例のレーザ溶接用治具の構成図であり、同図（ａ）は要部平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＸ１−Ｘ１線で切断した要部断面図、同図（ｃ）は半導体装置の溶接状態の断面図、同図（ｄ）は同図（ａ）のＸ２−Ｘ２線で切断した要部断面図、同図（ｅ）は同図（ａ）のＹ−Ｙ線で切断した要部断面図である。レーザ溶接を行う半導体装置としては、図６（ｂ）で示したＩＧＢＴチップ１５とＦＷＤチップ１６の組み合わせの場合を例として示した。尚、図６と同一部位には同一符号を付した。
図１に示すレーザ溶接用治具１００は、溶接部材であるリードフレーム２０とヒートスプレッダ１８、１９およびリードフレーム２０とエミッタ箔１３に荷重を負荷する荷重板１と、この荷重板１に形成したレーザ光６を通過させる貫通孔である窓２で構成される。窓２の開口部３端にはテーパ４が形成されている。また、窓２を正確に位置決めするためのガイドピン３１に嵌合する貫通孔５が形成されている。尚、位置決めが容易な溶接部材の場合には貫通孔５および支持台３０とガイドピン３１は必要としない。
荷重板１には溶接箇所の密着性を高めるために、前記したように溶接部材に荷重を負荷することで所定の加圧力を加えるおもりの働きと、半導体装置１０を構成する半導体チップ（ＩＧＢＴチップ１５やＦＷＤチップ１６）および配線（リードフレーム２０）などに溶接中に飛散するスパッタが付着するのを防止する遮蔽板の働きがある。荷重板１の重さは、溶接箇所の密着性を良好にするために、溶接部材に与える加圧力が４９０Ｐａ〜１４７０Ｐａ（５ｇ／ｃｍ２〜１５ｇ／ｃｍ２）程度になるように設定する。
ここでは窓２の平面形状は四角形の場合を示したが、円形または多角形であっても構わない。
図１（ｃ）において、レーザ光６は、通常、溶接部材であるリードフレーム２０からの反射光を図示しない出射ユニットが直接受けないよう数度〜数十度傾けて照射される（この角度を照射角θ１という）。出射ユニットを傾斜させずにレーザ照射を行った場合、溶接部材より反射したレーザ光が出射ユニット内に戻り、さらにレーザ光伝送ファイバ内を通してレーザ溶接機本体に戻り、機器が焼損してしまう。
そのため、照射角θ１をリードフレーム２０より上方に引いた垂線８を基準としてレーザ光６の中心線７とのなす角と規定したとき、この照射角θ１を５°〜２０°にしている。これは５°より小さな角度では、リードフレーム２０表面で反射したレーザ光が図示しない出射ユニットに戻り、機器が焼損してしまう。また、出射角θ１を２０°以上にした場合には、リードフレーム２０表面に有効にレーザ光６が吸収されず、溶接不可能となる。
このように、出射角θ１を付けてレーザ光６を照射するため、荷重板１に形成する窓２には、斜めから照射されたレーザ光６の妨げにならぬよう、所定の角度でテーパ４を形成する。
図１（ａ）に示すように、テーパ４は紙面向かって左右に形成した例を示したが、これは、出射ユニットを紙面向かって左もしくは右に傾斜させる場合を示したのであり、テーパ４を手前側もしくは奥行き側に形成し、それらの方向に出射ユニットを傾斜させてレーザ光６を照射しても良い。また、３個ある窓２の中で一番右側にある窓２には、紙面向かって右側にしかテーパ４を形成していないが、これは左側からレーザ光６を照射するとレーザ光６が荷重板１で遮られて窓２を通してのレーザ照射ができないためである。尚、レーザ光６を図１（ｃ）に示すように右上から左下方向へ照射する場合（右側から照射する場合）には図１（ａ）に形成される窓２のテーパ４は開口部３の左側には形成しなくても構わない。
このように、荷重板１で溶接部材に所定の加圧力を加えて溶接箇所を密着させることで、溶接バラツキが少なく高い信頼性を有するリードフレーム２０による配線が可能となる。
また、レーザ溶接時にスパッタが飛散しても半導体装置１０の溶接箇所意外の部分は荷重板１で覆われているために半導体装置がスパッタによるダメージを受けることがない。
また、荷重板１にはガイドピン３１用の貫通孔５が設けられており、後述する支持台３０のガイドピン３１に嵌合させ、溶接箇所の正確な位置決めが行えるようにしてある。
つぎに、テーパ角の決め方について説明する。
図２はテーパ角の設定方法を説明する図である。レーザ溶接用治具１００の荷重板１には前記したようにテーパ４が設けられている。このテーパ角をθ４とする。また、出射ユニットより出射されたレーザ光６の中心線７と、リードフレーム２０の上方に引いた垂線８とのなす角を照射角θ１とし、レーザ光６の出射角（レーザ出射角）の１／２の角度をθ２とし、レーザ光６の外側部分（光束の外端線６ａ）とリードフレーム２０表面とのなす最小の角度をθ３とすると、θ３＝９０°−（θ１＋θ２）とあらわされる。尚、レーザ出射角はレーザ光が焦点を結ぶときの光束の角度でθ２の２倍で表される。
角度θ３がテーパ角θ４より小さい場合、テーパ４にレーザ光６がかかってしまい、レーザ溶接用治具１００（荷重板１）の焼損を招き、また溶接不良を発生させる。そのため、テーパ角θ４は角度θ３より小さく設定する必要（θ３＞θ４）がある。θ１＝５°〜２０°、θ２＝４°〜２５°とすると、このテーパ角θ４は４５°〜８０．０°の範囲となり、このテーパ角θ４にするとレーザ溶接用治具１００がレーザ光６によって損傷を受けることを防止できる。
θ１を５°以上としたのは、レーザ光の反射光により光源を損傷させないためであり、θ１が２０°より大きいと反射光が多くなって溶接が不良ｔｐなるためである。
また、θ２を４°以上としたのはレーザ光を収束させて所望のエネルギーを溶接箇所に集めるためであり、２５°より大きいと光源（レンズ）から溶接箇所までの距離が短くなって作業性が低下するためである。
図３は、図１のレーザ溶接用治具を用いて半導体装置をレーザ溶接する様子を示した図であり、同図（ａ）は要部平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図である。この半導体装置１０は図６（ａ）、（ｂ）の半導体装置と同じである。
リードフレーム２０実装前の半導体装置は、セラミクス１１に形成されたコレクタ銅箔１２およびエミッタ銅箔１３と半導体チップであるＩＧＢＴチップ１５およびＦＷＤチップ１６とヒートスプレッダ１８、１９で構成される。
まず、この半導体装置１０を支持台３０に設置した後、ヒートスプレッダ１８、１上およびエミッタ銅箔１３上にリードフレーム２０を重ねる。支持台３０には、半導体装置１０の位置出しを行うための位置合わせ部が設けられている。図３の例では、支持台３０の凹部に半導体装置１０が嵌合して位置出しされている。
つぎに、その上に荷重板１を重ねてリードフレーム２０を介してヒートスプレッダ１８、１９およびエミッタ銅箔１３に加圧力を加えることで溶接箇所の密着性を高める。尚、半導体チップより上に配置されるヒートスプレッダ１８、１９とリードフレーム２０の上部は荷重板１の内壁１ａ内に収納される。
つぎに、支持台３０に形成されたガイドピンに、荷重板１に形成した貫通孔５を嵌合させることでと、溶接箇所の位置出しを正確に行う。
本実施例では、リードフレーム２０に屈曲部があるため、この屈曲部と荷重板１とが当接することによりリードフレーム２０と溶接位置と荷重板１の窓２との位置を合わせることができる。
なお、リードフレームの角部（屈曲部でもよいし端部でもよい）を荷重板１に当接させれば、リードフレーム２０と溶接位置と窓２との位置を合わせることができる。荷重板１のリードフレームと接する部分に凹部や凸部を設けて位置合わせ用部とすればよい。
また、図８は荷重板１を図３（ａ）のＹ−Ｙ線で切断したものである。図８に示すように、荷重板１に凹部３２を設けてある。この凹部３２にリードフレーム２０を嵌合させれば、荷重板１とリードフレーム２０との位置合わせを行うことができる。このとき凹部３２の溝の深さをリードフレーム２０の厚さより浅くしておくことにより、荷重板１の凹部３２以外の部分がヒートスプレッダ１８、１９などに干渉することがないので、正規の荷重を溶接箇所に与えることができる。また、凹部３２に傾斜を持たせておけばよい。この傾斜により、荷重板１をリードフレーム２０上に載置することで、リードフレーム２０が斜面に倣って移動して位置合わせがなされ、リードフレーム２０が凹部３２の底面に密接しやすくなる。また、荷重板１を外す際にも、リードフレーム２０が凹部３２の側壁に引っかかることなく、容易に取り外すことができる。
つぎに、荷重板１に形成した窓２を通してリードフレーム２０表面にレーザ光６を照射し、リードフレーム２０とヒートスプレッダ１８、１９およびリードフレーム２０とエミッタ銅箔１３の溶接箇所２５をそれぞれレーザ溶接する。
図１で示したレーザ溶接用治具１００の荷重板１の材質は、カーボン、銅合金、アルミニウムおよび鉄鋼などを用いると良い。特に、銅合金としてはクロム銅および真鍮が好ましい。また、カーボンは熱膨張係数が小さいため反りが発生しにくく、レーザ溶接用治具１００としての寸法精度が確保できる。クロム銅及び真鍮はレーザ光６に対する吸収率が低く、レーザ光６が荷重板１に当たっても、荷重板１が溶融に至ることは無い。
尚、前記の溶接部材は半導体装置１０の構成部品であるヒートスプレッダ１８、１９とリードフレーム２０およびエミッタ銅箔１３とリードフレーム２０を例に挙げて説明したが半導体装置の構成部品に限るものではない。
また、前記のレーザ溶接するときに用いるレーザ光６の波長は０．１９mｍ〜１０．６mｍの範囲が好適である。
図４は、この発明の第２実施例のレーザ溶接用治具の構成図であり、同図（ａ）は要部平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図、同図（ｃ）は溶接状態の断面図である。
図１との違いは、荷重板１に形成される窓２がヒートスプレッダ１８、１９上にのみ配置され、エミッタ箔１３上に配置されていない点である。これは、リードフレーム２０の歪みが大きい場合、ヒートスプレッダ１８、１９とエミッタ銅箔１３の両方にリードフレーム２０を密着させることが困難になる。そのようなときに、上方にあるヒートスプレッダ１８、１９にのみに荷重板１で荷重を負荷できるようにしたレーザ溶接用治具２００である。そのために、エミッタ銅箔１３上に配置される部分の荷重板１の厚さを薄くしてリードフレーム２０と荷重板１の間に隙間を設けて接触しないようにしている。つまり、内壁２１ａの垂直壁の高さＬ１をリードフレーム２０の折れ曲がり箇所の長さＬ２より短くする。こうすることで、リードフレーム２０とヒートスプレッダ１８、１９の溶接箇所を良好に密着させることができる。
図５は、この発明の第３実施例のレーザ溶接用治具の構成図であり、同図（ａ）は要部平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図、同図（ｃ）は溶接状態の断面図である。
図１との違いは、図１の荷重板１が２個の荷重板２２ａ、２２ｂになっており、荷重板２２ａに形成された凸ガイド２３と荷重板２２ｂに形成された凹ガイド２４で互いに垂直方向に自由移動できるようになっている点である。
このように荷重板２２ａと荷重板２２ｂが垂直方向（重力方向）に自由に移動できるレーザ溶接用治具３００を用いることで、リードフレーム２０の歪みが大きい場合でもヒートスプレッダ１８、１９とコレクタ箔１３の両方にリードフレーム２０を良好に密着させることができる。その結果、ヒートスプレッダ１８、１９とエミッタ箔１３の両方をリードフレーム２０に良好にレーザ溶接することができる。
この発明の第１実施例のレーザ溶接用治具の構成図であり、（ａ）は要部平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ１−Ｘ１線で切断した要部断面図、（ｃ）は溶接状態の断面図、（ｄ）は（ａ）のＸ２−Ｘ２線で切断した要部断面図、（ｅ）は（ａ）のＹ−Ｙ線で切断した要部断面図 テーパ角の設定方法を説明する図 図１のレーザ溶接用治具を用いて半導体装置をレーザ溶接する様子を示した図であり、（ａ）は要部平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図 この発明の第２実施例のレーザ溶接用治具の構成図であり、（ａ）は要部平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図、（ｃ）は溶接状態の断面図 この発明の第３実施例のレーザ溶接用治具の構成図であり、（ａ）は要部平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図、（ｃ）は溶接状態の断面図 リードフレーム実装前の半導体装置とリードフレームを示す図であり、（ａ）半導体装置の要部平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図、（ｃ）はリードフレームの要部平面図、（ｄ）は（ｃ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図 リードフレーム実装前の半導体装置にリードフレームをレーザ溶接した状態の図であり、（ａ）は要部平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図 荷重板１を図３（ａ）のＹ−Ｙ線で切断した要部断面図
符号の説明
１、２１、２２ａ、２２ｂ 荷重板
２ 窓
３ 開口部
４ テーパ
５ 貫通孔
６ レーザ光
７ 中心線
８ 垂線（リ−ドフレーム面に垂直な線）
１０ 半導体装置
１１ セラミクス
１２ コレクタ銅箔
１３ エミッタ銅箔
１４、１７ はんだ
１５ ＩＧＢＴチップ
１６ ＦＷＤチップ
１８、１９ ヒートスプレッダ
２０ リードフレーム
２３ 凸ガイド
２４ 凹ガイド
２５ 溶接箇所
３０ 支持台
３１ ガイドピン
３２ 凹部
１００、２００、３００ レーザ溶接用治具

Claims (8)

  1. レーザ溶接するときに溶接部材に接して溶接部材に荷重を負荷する荷重板と、該荷重板に形成されたレーザ光を通過させる開口部を有する窓とを有することを特徴とするレーザ溶接用治具。
  2. 前記窓の開口部端にテーパを形成することを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接用治具。
  3. 前記溶接部材の表面を基準として前記テーパの角度をθ４とし、前記溶接部材の表面に対する垂線を基準としてレーザ照射角をθ1とし、レーザ出射角の１／２をθ２とした場合、（９０°−（θ１＋θ２））＞θ４の関係が成り立つように前記テーパを形成することを特徴とする請求項２に記載のレーザ溶接用治具。
  4. 前記テーパ角θ４が４５°〜８１．０°であることを特徴とする請求項３に記載のレーザ溶接用治具。
  5. 前記荷重板の材質が、カーボン、銅、銅合金、アルミニウムもしくは鉄鋼のいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ溶接用治具。
  6. 前記溶接部材の角部が当接する位置合わせ部を有することを特徴とする
    請求項１に記載のレーザ溶接用治具。
  7. 前記溶接部材の形状に対応し、溶接部材の厚さより浅い凹部を有することを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接用治具。
  8. 請求項１ないし７のいずれか一項に記載のレーザ溶接用治具を用いた半導体装置の製造方法において、
    半導体素子上に設けられたヒートスプレッダおよび半導体素子を搭載する絶縁基板上に形成した導電パターンの少なくとも一方にリードフレームを載置し、
    リードフレームの溶接箇所に前記開口部を合わせて前記レーザ溶接用治具を載置し、
    前記溶接箇所にレーザ光を照射して溶接を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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