JP2008210942A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【目的】レーザ溶接で制御端子を接続する半導体装置において、レーザ溶接部が絶縁回路基板に到達しない半導体装置およびその製造方法を提供する
【解決手段】半導体チップ４の制御電極パッド５と絶縁回路基板の外部電極パッド３とをリードフレーム１４で接続し、このリードフレーム１４に制御端子１５をレーザ溶接にて接合することによって、レーザ溶接部１６が絶縁回路基板のセラミックス１に到達するのを防止して、溶接バラツキによる絶縁回路基板の絶縁耐圧不良とスパッタ飛散による電気的短絡不良を防止することができ、製造歩留まりを向上できる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、半導体チップの表面に形成された制御電極パッド（ゲート電極パッドおよびセンシング電極パッド）と絶縁回路基板の表面に形成された外部電極パッドとをリードフレームで接続し、このリードフレームに制御端子をレーザ溶接した半導体装置およびその製造方法に関する。

図８は、従来の半導体装置の構成図であり、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である。
この半導体装置は、セラミックス１と、セラミックス１上に形成した各種の外部電極パッド３とコレクタ銅箔２と、コレクタ銅箔２にはんだ９で接合した半導体チップ４と、半導体チップ４上に形成された各種の制御電極パッド５と、外部電極パッド３と制御電極パッド５を電気的に接続するアルミワイヤ６と、外部電極パッド３とレーザ溶接で接合する制御端子７と、この制御端子７をあらかじめインサートして固着した図示しない樹脂ケースとで構成される。制御電極パッド５はゲート電極パッドやセンシング電極パッドなどであり、ゲート電極パッドはＩＧＢＴなどの制御半導体素子のゲート電極パッドであり、センシング電極パッドはこの制御半導体素子の温度などを検出・監視するセンシング電極パッドである。

図９〜図１１は、図８の半導体装置の製造方法を工程順に示した製造工程図である。図の（ａ）は要部平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図である。ここでは制御端子７の接続方法について説明する。
まず、図９に示すように、厚さ０．４ｍｍの外部電極パッド３及び厚さ０．４ｍｍのコレクタ銅箔２をその表面に予め形成してある厚さ０．３ｍｍのセラミックス１（Ａｌ_２Ｏ_３やＳｉ_３Ｏ_４又はＡｌＮ）のコレクタ銅箔２と半導体チップ４とをはんだ９により接合する。

次に、図１０に示すように、制御電極パッド５（アルミニウム）と外部電極パッド３（銅）とをφ１２５μｍ〜φ４００μｍのアルミワイヤ６にて接続する。アルミワイヤ６と制御電極パッド５及びアルミワイヤ６と外部電極パッド３とは、超音波接合される。
この後、図１１に示すように、外部電極パッド３と制御端子７をレーザ溶接で接合する。ここで用いられるレーザは、点溶接（スポット溶接）であるので照射時間が短時間のパルスレーザである。外部電極パッド３と制御端子７はレーザ溶接部８にて接合される。

また、特許文献によれば、半導体素子を搭載するための配線パターンを形成した基板とリードとをレーザにより接合してなる半導体素子搭載用基板であって、基板の電極パッドと接合するリードの先端部分がリードの他の部分より薄く形成されていることが開示されている。
特開平７−９４８４５号公報

前記した外部電極パッド３と制御端子７との接合構造においては、以下の課題がある。すなわち、溶接バラツキが生じた場合に、外部電極パッド３及びセラミックス１をレーザ光が貫通し、セラミックスの絶縁耐圧が低下して絶縁耐圧不良となる。
図１２は、制御端子と外部電極パッドのレーザ溶接状態を示す図であり、同図（ａ）は正常な場合の図、同図（ｂ）は異常な場合の図である。

図１２（ａ）において、レーザ溶接で適正溶け込み深さが得られ、レーザ溶接部８における溶融部は外部電極パッド３内で停止していて問題は無い。
しかし、図１２（ｂ）に示すように、絶縁回路基板のセラミック１をレーザ溶接部８が貫通した場合、セラミックス１の裏側に形成した図示しない裏面銅箔と表側に形成した外部電極パッド３の間で絶縁不良を招く。

また、絶縁回路基板のセラミックス１までレーザ溶接部８が到達すると、セラミックス１のレーザエネルギーの吸収率が高いために、セラミックス１の温度が急激に上昇して、瞬時にセラミックス１が溶融してセラミックス１に貫通孔１１が開き、溶融した電極パッド３や制御端子７の一部がスパッタ１０となって大量に飛散する。このスパッタ１０が半導体チップ４表面や図示しない回路部分に飛散することで焼損したり、短絡したりする。

この発明の目的は、前記の課題を解決して、レーザ溶接部が絶縁回路基板に到達しない半導体装置およびそ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、外部電極パッドを有する絶縁回路基板と、該絶縁回路基板上に固着し制御電極パッドを有する半導体チップとを具備する半導体装置において、前記外部電極パッドと前記制御電極パッドとを互いに接続する接続導体板（リードフレーム）と、該接続導体板にレーザ溶接で固着される制御端子とを備えた構成とする。
また、前記接続導体板は、複数の外部電極パッドと複数の制御電極パッドとをそれぞれ接続するために複数設けられ、該複数の接続導体板は、相互に樹脂で固定されているとよい。

また、前記制御電極パッドは、ゲート信号またはセンシング信号を伝えるパッドである。
また、外部電極パッドを有する絶縁回路基板と、該絶縁回路基板上に固着し制御電極パッドを有する制御用半導体チップとを具備し、前記外部電極パッドと前記制御電極パッドとを接続導体板で互いに接続し、該接続導体板に制御端子をレーザ溶接で固着する半導体装置の製造方法において、
位置決め治具を用いて前記接続導体板の一端を前記外部電極パッドに、他端を前記制御電極パッドにそれぞれ位置決めする工程と、前記接続導体板の一端を前記外部電極パッドに、他端を前記制御電極パッドにそれぞれ固着する工程と、前記固定治具を前記接続導体板から取り去る工程と、前記接続導体板に前記制御端子をレーザ溶接する工程と、を含む製造方法とする。

この発明によれば、半導体チップの制御電極パッドと絶縁回路基板の外部電極パッドとを接続導体板（リードフレーム）で接続し、この接続導体板に制御端子をレーザ溶接にて接合することによって、レーザ溶接部が絶縁回路基板のセラミックスに到達するのを防止して、溶接バラツキによる絶縁回路基板の絶縁耐圧不良とスパッタ飛散による電気的短絡不良を防止することができ、製造歩留まりを向上できる。

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実施例の半導体装置の構成図であり、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である。この半導体装置は、例えば、パワーＩＣのように、半導体チップにＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）やＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳゲート型電界効果トランジスタ）などのゲート電極を有する制御半導体素子と、この制御半導体素子の温度や電流および印加電圧などを検知・監視するセンシング機能を有する素子（検知・監視素子）などが内蔵された場合を例として挙げた。図ではエミッタ電極（もしくはソース電極）は省略されている。本実施例では制御端子が３個の場合を例に挙げたがこれに限るものではない。

勿論、半導体チップとしてはＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどの制御半導体素子のみの場合もあるがここでは説明を省略する。
図１の半導体装置は、セラミックス１と、セラミックス１上に形成した各種の外部電極パッド３とコレクタ銅箔２と、コレクタ銅箔２にはんだ９で接合した半導体チップ４と、半導体チップ４上に形成された各種の制御電極パッド５と、外部電極パッド３および制御電極パッド５にはんだ１２、１３で固着されるリードフレーム１４（接続導体板）と、このリードフレーム１４とレーザ溶接で接合する制御端子１５と、図示しない樹脂ケースとで構成される。樹脂ケースにはあらかじめ制御端子１５がインサートされて固着されている。制御電極パッド５はゲート電極パッドやセンシング電極パッドなどであり、ゲート電極パッドはＩＧＢＴなどの制御半導体素子のゲート信号を伝達する電極パッドであり、センシング電極パッドはこの制御半導体素子の温度などを検出・監視するセンシング信号を伝達する電極パッドである。図１の例では制御電極パッドは３つあり、それぞれに対応する外部電極パッド３とリードフレーム１４で接続されている。

図２〜図４は、図１の半導体装置の製造方法を工程順に示した製造工程図である。各図の（ａ）は要部平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図である。ここでは制御端子１５の接続方法について説明する。ここでは制御端子１５はリードフレーム１４を介して半導体チップ４に形成されたゲート電極パッドやセンシング電極パッドに接続する。

まず、図２に示すように、厚さ０．４ｍｍの外部電極パッド３及び厚さ０．４ｍｍのコレクタ銅箔２をその表面に予め形成してある厚さ０．３ｍｍのセラミックス１（Ａｌ_２Ｏ_３やＳｉ_３Ｏ_４又はＡｌＮ）のコレクタ銅箔２と半導体チップ４とをはんだ９により接合する。
次に、図３において、外部電極パッド３とリードフレーム１４及び制御電極パッド５とリードフレーム１４とをそれぞれはんだ１２及び１３で接合する。このとき、図５に示すような位置決め治具１７を用いる。図５は、位置決め治具の構成図であり、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）の矢印Ａから見た側面図である。図６は位置決め治具でリードフレームを開口部に挿入し位置決めした後ではんだ付けした状態の図であり、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）の矢印Ａから見た側面図である。同図（ｂ）には半導体チップ４および絶縁回路基板（セラミックス１上にコレクタ銅箔２、外部電極パッド３および図示しない裏面銅箔を形成したもの）も示した。まず、位置決め治具１７の底部の段差を半導体チップ４の端部に合わせ、位置決め治具１７の開口部１８から外部電極パッド３および制御電極パッド５が見えるように位置決め治具１７をセットする。つぎに、位置決め治具１７の開口部１８にリードフレーム１４をセットしてリードフレーム１４の一端を外部電極パッド３に他端を制御電極パッド５に位置決めする。

ここで、図１に示した半導体チップ４を絶縁回路基板のコレクタ銅箔２にはんだ接合する際に、同時にリードフレーム１４をはんだ接合しても良い。リードフレーム１４の形状は、要するに、外部電極パッド３、制御電極パッド５にそれぞれはんだ接合可能な平坦な面と、制御端子１５をレーザ溶接するための平坦な面を備えていればよい。また外部電極パッド３と制御電極パッド５の間の電気的な接続を行うための導電性と、制御端子１５をレーザ溶接するための機械的な強度が必要となる。リードフレーム１４は、例えば、図１に示すように上面が平坦なΩ字型としてもよい。あるいはコ字型（コの字の開いている下）にしてもよい。

リードフレーム１４のはんだ接合の後、リードフレームから位置決め治具１７を取り外し、図４に示すように制御端子１５とリードフレーム１４をレーザ溶接する。このとき用いるレーザ光の波長は０．１９μｍ〜１０．６μｍが好適である。また、レーザ光のスポット径は、例えば、φ０．４、φ０．６、φ０．８などがある。
本発明の制御端子１５の接合方法は、従来の制御端子７の接合方法と異なり、絶縁回路基板上に直接レーザ溶接を行うのではなく、リードフレーム１４にレーザ溶接を行う。制御端子１５のリードフレーム１４への溶接箇所は、精度と溶接強度が確保できれば、リードフレーム１４上のどの部分でもよい。例えば、リードフレーム１４の端部であって、外部電極パッドにはんだ接合されている部分に制御端子１５を溶接してもよい。あるいは、図１に示すように、リードフレーム１４の上面の平坦な部分に制御端子１５を溶接してもよい。制御電極パッド５は半導体チップ４の表面に微小な間隔（例えば、２ｍｍ）を隔てて並んでいるため、これに接合されるリードフレーム１４の幅も狭い。

従って、制御端子１５を溶接するには、上面の平坦な部分で行った方が溶接工程は容易である。さらに、上面の平坦な部分の下側は、図１に示すように、絶縁回路基板との間に空間があるため、溶接バラツキによりレーザ溶接部１６が絶縁回路基板の外部電極パッド３を貫通してセラミックス１に到達してしまう危険性は無くなる。
また、リードフレーム１４を制御電極パッド５及び外部電極パッド３にはんだ１３、１２接合する工程を、絶縁回路基板上に半導体チップ４をはんだ９接合する工程と同時に行えば、従来の端子接合方法での工程におけるアルミワイヤ６の接合工程分、工程削減が行えるメリットがある。

また、絶縁回路基板と離れているリードフレーム１４に制御端子１５をレーザ溶接することで、レーザ溶接部１６が絶縁回路基板のセラミックス１に到達することはなくなり、溶接バラツキによる絶縁回路基板の絶縁耐圧不良とスパッタ飛散による電気的短絡不良を防止することができ、製造歩留まりを向上できる。
本発明の制御端子１５の材質としては、銅・銅合金・アルミニウム・アルミニウム合金が使用できる。レーザ溶接の際のスパッタが発生しにくい銅合金のリン青銅を用いるのが好適である。

図７は、この発明の第２実施例の半導体装置の構成図であり、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である。
図１との違いは、複数のリードフレーム１４をあらかじめ樹脂１９中にインサートして、複数のリードフレーム１４を樹脂１９で相互に固定している点である。リードフレーム１４の固定は、制御端子１５の溶接に支障のない部分を樹脂で覆って行う。

リードフレーム１４は樹脂１９にインサートされて固定されているので外部電極パッド３および制御電極パッド５へのはんだ１２、１３付けが容易にできる。
また、複数のリードフレーム１４の相互の位置および外部電極パッド３、制御電極パッド５との位置について、樹脂１９でリードフレーム１４があらかじめ固定されているので位置決めが容易である。

第１実施例では位置決め治具１７に複数本のリードフレーム１４を一つづつセットする必要があったが、第２実施例では位置決め治具１７にリードフレーム１４を一括セットできるので作業性が向上し製造工数を減じることができる。
複数のリードフレーム１４を、あらかじめ樹脂１９で固定したのち、所定の箇所にはんだ付けする。はんだ接合の加熱に耐えられるように、樹脂１９には耐熱性のある（例えば、熱硬化性樹脂）を用いる。

この発明の第１実施例の半導体装置の構成図であり、（ａ）は要部平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図 図１の半導体装置の製造工程図 図２に続く、図１の半導体装置の製造工程図 図３に続く、図１の半導体装置の製造工程図 位置決め治具の構成図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の矢印Ａから見た側面図 位置決め治具でリードフレームを開口部に挿入し位置決めした後ではんだ付けした状態の図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の矢印Ａから見た側面図 この発明の第２実施例の半導体装置の構成図であり、（ａ）は要部平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図 従来の半導体装置の構成図であり、（ａ）は要部平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図 図８の半導体装置の製造工程図 図９に続く、図８の半導体装置の製造工程図 図１０に続く、図８の半導体装置の製造工程図 制御端子と外部電極パッドのレーザ溶接状態を示す図であり、（ａ）は正常な場合の図、（ｂ）は異常な場合の図

符号の説明

１ セラミックス
２ コレクタ銅箔
３ 外部電極パッド
４ 半導体チップ
５ 制御電極パッド
６ アルミワイヤ
７ 制御端子
８、１６ レーザ溶接部
９、１２、１３ はんだ
１０ スパッタ
１１ 貫通穴
１４ リードフレーム
１５ 制御端子
１７ 位置決め治具
１８ 開口部
１９ 樹脂

Claims (4)

1. 外部電極パッドを有する絶縁回路基板と、該絶縁回路基板上に固着し制御電極パッドを有する半導体チップとを具備する半導体装置において、前記外部電極パッドと前記制御電極パッドとを互いに接続する接続導体板と、該接続導体板にレーザ溶接で固着される制御端子とを備えたことを特徴とする半導体装置。
2. 前記接続導体板は、複数の外部電極パッドと複数の制御電極パッドとをそれぞれ接続するために複数設けられ、該複数の接続導体板は、相互に樹脂で固定されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記制御電極パッドが、ゲート信号またはセンシング信号を伝えるパッドであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
4. 外部電極パッドを有する絶縁回路基板と、該絶縁回路基板上に固着し制御電極パッドを有する制御用半導体チップとを具備し、前記外部電極パッドと前記制御電極パッドとを接続導体板で互いに接続し、該接続導体板に制御端子をレーザ溶接で固着する半導体装置の製造方法において、
   位置決め治具を用いて前記接続導体板の一端を前記外部電極パッドに、他端を前記制御電極パッドにそれぞれ位置決めする工程と、前記接続導体板の一端を前記外部電極パッドに、他端を前記制御電極パッドにそれぞれ固着する工程と、前記固定治具を前記接続導体板から取り去る工程と、前記接続導体板に前記制御端子をレーザ溶接する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
   

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