JP2016131986A - Joining device and joining method for semiconductor component to metal member - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体部品と金属部材との接合をレーザ光の照射によって行なう接合装置及び接合方法に関する。 The present invention relates to a joining apparatus and joining method for joining a semiconductor component and a metal member by laser light irradiation.
従来、例えばシリコン等からなる半導体部品と金属部材とを接合する際に、特定の波長を備えるレーザ光を用いて接合する技術がある。例えば、特許文献1には、半導体部品(半導体チップ)と金属部材(基材)とを、所定の赤外波長を有するレーザ光によって接合(溶着)することが記載されている。詳細には、まず金属部材上に半導体部品が載置されるとともに、金属部材と半導体部品との間に例えばハンダである接合材が配置される。このとき、接合材の周囲には、吸収樹脂が配置され、接合材は吸収樹脂に包囲されている。また、吸収樹脂には、半導体部品、及び接合材よりも、前述した所定の赤外波長を有するレーザ光の吸収率がよい部材が用いられている。そして、照射されたレーザ光が、半導体部品を透過し、吸収樹脂に吸収される。これにより、吸収樹脂が加熱されて溶融し、加熱した吸収樹脂の熱によって接合材が溶融して金属部材と半導体部品とが、溶融した接合材によって接合される。 2. Description of the Related Art Conventionally, when joining a semiconductor component made of, for example, silicon or the like and a metal member, there is a technique for joining using a laser beam having a specific wavelength. For example, Patent Document 1 describes that a semiconductor component (semiconductor chip) and a metal member (base material) are joined (welded) with a laser beam having a predetermined infrared wavelength. Specifically, first, a semiconductor component is placed on a metal member, and a bonding material such as solder is disposed between the metal member and the semiconductor component. At this time, an absorbing resin is disposed around the bonding material, and the bonding material is surrounded by the absorbing resin. In addition, as the absorbing resin, a member having a better absorption rate of the laser beam having the predetermined infrared wavelength described above than the semiconductor component and the bonding material is used. Then, the irradiated laser light passes through the semiconductor component and is absorbed by the absorbing resin. Thereby, the absorption resin is heated and melted, the bonding material is melted by the heat of the heated absorption resin, and the metal member and the semiconductor component are bonded by the molten bonding material.
特許文献1に記載の従来技術では、接合材としての材料は、溶融温度が吸収樹脂の溶融温度より低いことが必要条件となる。このため、特許文献1には、接合材の選択対象として、鉛フリーはんだ、Sn合金はんだ等が挙げられている。 In the prior art described in Patent Document 1, it is a necessary condition that the material as the bonding material has a melting temperature lower than the melting temperature of the absorbent resin. For this reason, Patent Literature 1 includes lead-free solder, Sn alloy solder, and the like as selection targets for the bonding material.
しかしながら、近年、例えば、電気自動車又はハイブリッド自動車では、電力を制御するPCU(パワーコントロールユニット)が、高電圧化及び大電流化している。このため、PCUを構成するインバータなどに用いられる半導体部品にも、高電圧が印加され、且つ、大電流が流れることにより、半導体部品と金属部材の間、即ち接合材が高温となる場合がある。このような場合、上記のような、融点の低い鉛フリーはんだ、Sn合金等からなる接合材では、品質の確保が困難となる虞がある。 However, in recent years, for example, in an electric vehicle or a hybrid vehicle, a PCU (power control unit) that controls electric power has been increased in voltage and current. For this reason, a high voltage is also applied to a semiconductor component used in an inverter constituting the PCU and a large current flows, so that the temperature between the semiconductor component and the metal member, that is, the bonding material may become high. . In such a case, there is a risk that it is difficult to ensure quality with a bonding material made of lead-free solder, Sn alloy or the like having a low melting point as described above.
本発明は、半導体部品と金属部材との接合にレーザ光を用いつつ、接合部が高温になっても半導体部品と金属部材との接合の信頼性の確保が可能な接合装置及び接合方法を提供することを目的とする。 The present invention provides a bonding apparatus and a bonding method capable of ensuring the reliability of bonding between a semiconductor component and a metal member even when the bonding portion reaches a high temperature while using a laser beam for bonding the semiconductor component and the metal member. The purpose is to do.
本発明に係る接合装置は、半導体本体、及び、前記半導体本体の第一の表面に形成される第一金属皮膜を備える半導体部品と、前記半導体部品と別体に形成され、前記半導体部品の前記第一金属皮膜に接触して配置される金属部材と、を赤外波長のレーザ光によって接合する接合装置であって、前記半導体本体は、前記レーザ光を透過可能とするレーザ透過材料によって形成されるレーザ透過材料層を備え、前記第一金属皮膜は、前記レーザ光を吸収することによって溶融可能な材質で形成され、前記接合装置は、前記半導体本体が備える前記レーザ透過材料層の表面のうち前記第一金属皮膜が形成されていない面に前記レーザ光を入射させ、前記レーザ透過材料層を透過した前記レーザ光を前記第一金属皮膜に吸収させることにより、前記第一金属皮膜を溶融させて前記半導体部品と前記金属部材とを接合する。 A bonding apparatus according to the present invention is formed separately from a semiconductor body, a semiconductor component including a first metal film formed on a first surface of the semiconductor body, and the semiconductor component. A joining device that joins a metal member disposed in contact with the first metal film with an infrared wavelength laser beam, wherein the semiconductor body is formed of a laser transmitting material that allows the laser beam to pass therethrough. The first metal film is formed of a material that can be melted by absorbing the laser light, and the bonding device includes a surface of the laser transmissive material layer of the semiconductor body. The laser light is incident on a surface on which the first metal film is not formed, and the laser light transmitted through the laser transmitting material layer is absorbed by the first metal film, Melting the first metal coating to bonding the metal member and the semiconductor parts.
上記態様によれば、半導体本体のレーザ透過材料層内を透過するレーザ光によって第一金属皮膜が溶融温度となるまで直接加熱されて溶融し、その後冷却固化して半導体部品と金属部材とが接合される。このように、レーザ光が第一金属皮膜を直接照射して溶融させるので、第一金属皮膜としては、ハンダの融点温度よりもはるかに高い融点温度を有する金属を用いることができる。これにより、接合部は、ハンダにより接合した接合部よりも耐熱性が向上される。その結果、使用時に半導体部品が高温になったとしても、半導体部品と金属部材との接合部の接合に対する信頼性が確保される。 According to the above aspect, the first metal film is directly heated and melted by the laser beam transmitted through the laser transmitting material layer of the semiconductor body until the melting temperature is reached, and then cooled and solidified to join the semiconductor component and the metal member. Is done. As described above, since the laser light directly irradiates and melts the first metal film, a metal having a melting point temperature much higher than the melting point temperature of the solder can be used as the first metal film. Thereby, the heat resistance of the bonded portion is improved as compared with the bonded portion bonded by solder. As a result, even when the semiconductor component becomes high temperature during use, the reliability of the bonding between the semiconductor component and the metal member is ensured.
本発明にかかる接合方法は、半導体本体、及び、前記半導体本体の第一表面に形成される第一金属皮膜を備える半導体部品と、前記半導体部品と別体に形成され、前記半導体部品の前記第一金属皮膜に接触して配置される金属部材と、を赤外波長のレーザ光によって接合する接合方法であって、前記半導体本体は、前記レーザ光を透過可能とするレーザ透過材料によって形成されるレーザ透過材料層を備え、前記第一金属皮膜は、前記レーザ光を吸収することによって溶融可能な材質で形成され、前記接合方法は、前記レーザ光が、前記半導体本体の前記レーザ透過材料層に入射し、前記レーザ透過材料層を透過する透過工程と、前記レーザ光が、前記レーザ透過材料層内を透過後、前記第一金属皮膜に吸収されて前記第一金属皮膜を溶融させ前記半導体部品と前記金属部材とを接合する接合工程と、を備える。これにより、熱的に高信頼性を有した上記接合装置で得られた接合と同様の接合が得られる。 A bonding method according to the present invention includes a semiconductor body, a semiconductor component including a first metal film formed on a first surface of the semiconductor body, and the semiconductor component formed separately from the semiconductor component. A bonding method for bonding a metal member disposed in contact with a metal film by laser light having an infrared wavelength, wherein the semiconductor body is formed of a laser transmitting material capable of transmitting the laser light. A laser transmitting material layer, wherein the first metal film is formed of a material that can be melted by absorbing the laser beam, and the bonding method includes the step of applying the laser beam to the laser transmitting material layer of the semiconductor body. A transmission step of entering and transmitting through the laser transmitting material layer; and the laser light is transmitted through the laser transmitting material layer and then absorbed by the first metal film to melt the first metal film. And a bonding step of bonding the metallic member and the semiconductor component. Thereby, joining similar to the joining obtained with the said joining apparatus with high reliability thermally is obtained.
本発明の実施形態に係る接合装置について、図面に基づき説明する。図1は、接合装置10の概要図である。接合装置10は、レーザ発振器20(本発明の発振源に相当)、レーザヘッド30(本発明の照射角度変更装置に相当)、反射板40、及び筐体70を備える。接合装置10は、レーザ光によって半導体装置100を構成する半導体部品50とヒートスプレッダ60(本発明の金属部材に相当)とを接合する装置である(図1参照)。接合装置10の説明の都合上、まず、接合対象となる半導体装置100について説明する。なお、以降の説明においては、図1の上側を上方、下側を下方として説明する。
A joining apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram of the joining
(1.半導体装置100の構成)
半導体装置100は、図1及び図2に示すように、半導体部品50と、金属部材としてのヒートスプレッダ60と、他の金属部材としてのリードフレーム62とを備える。半導体部品50は、例えば、電気自動車又はハイブリッド自動車において、電力を制御するPCU(パワーコントロールユニット)に使用される。具体的には、半導体部品50は、PCUを構成するインバータの半導体スイッチング素子(IGBT)として使用されるものとする。なお、半導体部品50は、インバータの他に、半導体スイッチング素子を用いる他の装置にも用いられる。なお、IGBTについては公知の技術であるので、詳細な説明については、省略する。
(1. Configuration of the semiconductor device 100)
As shown in FIGS. 1 and 2, the
図2に示すように、半導体部品50は平板状に形成される。半導体部品50は、半導体本体51、第一金属皮膜52、及び第二金属皮膜53を備える。第二金属皮膜53は、半導体本体51の第二の表面(図2において半導体本体51の上側の面であり、後述のワイドバンドギャップ半導体層51aの表面に相当)に形成される。
As shown in FIG. 2, the
半導体本体51は、所定の赤外波長のレーザ光を透過可能とするレーザ透過材料により形成されるレーザ透過材料層51bと、ワイドバンドギャップ半導体層51aとを備える。レーザ透過材料層51bは、例えばSi等のレーザ透過材料により形成される半導体層である。ワイドバンドギャップ半導体層51aは、例えばGaN、SiC等により形成される半導体層である。ワイドバンドギャップ半導体層51aは、Siよりも広い幅のバンドギャップ(禁制帯)を有する。なお、レーザ透過材料層51bに限らずワイドバンドギャップ半導体層51aもレーザ透過材料により形成されてもよい。
The
第一金属皮膜52は、半導体本体51の第一の表面(図2において半導体本体51の下側の面)に形成される。第一金属皮膜52は、半導体本体51の第一の表面から、下方に向かって、順に下地接合層52a及び接合層52bを備える。下地接合層52aは、接合層52bの下地として形成される。下地接合層52a及び接合層52bは、何れも各融点が、ハンダの融点よりも高い金属材料により形成される。また、第一金属皮膜52は、所定の赤外波長のレーザ光を吸収することによって溶融可能である。つまり、第一金属皮膜52は、上記レーザ光をほとんど透過することなく、吸収するか、若しくは、反射する。なお、第一金属皮膜52に照射されるレーザ光のエネルギー密度が大きいほど、吸収されるレーザ光のエネルギーは大きくなる。第一金属皮膜52は、レーザ透過材料層51bの下側の表面(第二の表面)に電子的に結合される。
The
第二金属皮膜53は、半導体本体51の第二の表面から上方に向かって順に下地電極層53b及び電極層53aを備える。下地電極層53bは、電極層53aの下地として形成される。本実施形態においては、下地電極層53b及び電極層53aは、第一金属皮膜52の下地接合層52a及び接合層52bと同様の材質で形成される。ワイドバンドギャップ半導体層51aは、レーザ透過材料層51bの少なくとも1つの表面(本実施形態では上面)に電子的に結合される。つまり、第二金属皮膜53は、ワイドバンドギャップ半導体層51aの表面に電子的に結合される。
The
上記より、第二金属皮膜53及び第一金属皮膜52は、下地電極層53b、及び下地接合層52aの表面に電極層53a及び接合層52bがそれぞれ電子的に結合される。つまり、下地電極層53bの図2における下側の表面がワイドバンドギャップ半導体層51aと電子的に結合され、下地接合層52aの図2における上側の表面がレーザ透過材料層51bと電子的に結合される構造を有する。
From the above, in the
ヒートスプレッダ60は、例えばCuによって形成される金属部材である。ヒートスプレッダ60は、半導体部品50と別体で形成され、半導体部品50が備える第一金属皮膜52の図2における下側の表面に接触して配置される。そして、ヒートスプレッダ60は、第一金属皮膜52が溶融し、その後固化することにより半導体部品50に接合される。つまり、ヒートスプレッダ60は、第一金属皮膜52を介して半導体本体51の第一の表面に接合される。ヒートスプレッダ60は、所定容量以上のマスを有し、昇温した半導体部品50の熱を逃がす作用を有する。なお、マスの所定容量は、任意に設定する。
The
リードフレーム62は、例えばCuによって形成される金属部材である。リードフレーム62は、半導体部品50と別体に形成され、半導体部品50が備える第二金属皮膜53の図2における上側の表面に接触して配置される。そして、リードフレーム62は、半導体部品50に電気的に導通可能に接合される。つまり、リードフレーム62は、第二金属皮膜53を介して半導体本体51の第二の表面に接合される。リードフレーム62は、半導体部品50に電力を供給する配線用部材である。
The
なお、上記においては、リードフレーム62と半導体部品50とを導通可能に接合するとのみ説明し、その具体的な方法については説明しなかった。しかし、半導体本体51とリードフレーム62とは、どのような方法を用いて接合してもよい。一例として、可能であれば、ヒートスプレッダ60を半導体部品50に接合する場合と同様、接合装置10によって第二金属皮膜53にレーザ光を照射し第二金属皮膜53を溶融させてリードフレーム62と半導体部品50とを接合させてもよい。この場合、レーザ光は、半導体部品50の側面から入射し、レーザ透過材料層51b及びワイドバンドギャップ半導体層51aを透過させて第二金属皮膜53を溶融させればよい。また、他の方法によって第二金属皮膜53を溶融させ、リードフレーム62と半導体部品50とを接合させてもよい。また、第二金属皮膜53を溶融させず、ハンダより融点が高い別の接合材料を用いて溶接を行ないリードフレーム62と半導体部品50とを接合してもよい。
In the above description, only the
(2.接合装置10の構成)
図1に示すように、接合装置10は、レーザ発振器20、レーザヘッド30、反射板40、及び筐体70を備える。レーザヘッド30、及び反射板40が筐体70内に配置される。
(2. Configuration of the joining apparatus 10)
As shown in FIG. 1, the
レーザ発振器20は、波長が予め設定された所定の赤外波長となるよう発振させてレーザ光を生成する。このとき、一例として第一金属皮膜52の下地接合層52aの材質をTi/Niとし、接合層52bの材質をAuとした場合、レーザ光Lの所定の赤外波長の大きさは、1.127μm〜6μmの範囲にあることが好ましい。レーザ光Lの赤外波長が1.127μm〜6μmの範囲にあることにより、レーザ光Lは、半導体本体51を良好に透過し、且つ第一金属皮膜52では、良好に吸収されて第一金属皮膜52を溶融する。なお、半導体本体51が別の材質の半導体に置き換えられた場合、及び第一金属皮膜52が別の材質の金属層に置き換えられた場合には、赤外波長を、置き換えられた材料の赤外波長吸収特性に応じて所定の大きさに変更すればよい。
The
レーザ光Lとしては、具体的に、ErYAG(波長:約3μm)、HoYAG(波長:約1.5μm)、およびファイバーレーザなどが採用される。また、レーザ発振器20は、レーザ発振器20から発振されたレーザ光Lをレーザヘッド30に伝送する光ファイバ22を備える。
Specifically, ErYAG (wavelength: about 3 μm), HoYAG (wavelength: about 1.5 μm), fiber laser, and the like are employed as the laser light L. The
図1に示すように、レーザヘッド30は、半導体部品50の第二金属皮膜53から距離を隔て、且つ第二金属皮膜53に対向して配置される。レーザヘッド30は、レーザ発振器20から発振されたレーザ光Lの照射角度を変更する。
As shown in FIG. 1, the
レーザヘッド30は、コリメートレンズ32、ミラー34、ガルバノスキャナ36、及びfθレンズ38を有している。前述したとおり、コリメートレンズ32、ミラー34、ガルバノスキャナ36、及びfθレンズ38は、筐体70内に配置される。コリメートレンズ32は、光ファイバ22から出射されたレーザ光Lをコリメートして平行光に変換する。
The
ミラー34は、コリメートされたレーザ光Lが、ガルバノスキャナ36に入射するようレーザ光Lの進行方向を変換する。本実施形態において、ミラー34は、レーザ光Lの進行方向を90度変換する。
The
ガルバノスキャナ36は、レーザ光Lの進行方向を変更し、レーザ光Lを、fθレンズ38を介して反射板40の半導体部品50側の面のいずれかの位置に照射する。ガルバノスキャナ36には、例えば、直交する2方向に首ふり運動の可能な一対の可動ミラー(図示しない)を含む周知のスキャナが用いられる。
The
fθレンズ38は、ガルバノスキャナ36から入射された平行なレーザ光Lを集光するレンズである。なお、このレーザ光Lの照射角度は、第二金属皮膜53より外側(外径側)の任意の位置に向かう角度であり、具体的には後述する反射板40の反射面に向かう角度である。
The
反射板40は、半導体部品50のうち、第一金属皮膜52及び第二金属皮膜53が形成されていない半導体部品50の外周面(側面)に対し、予め設定された角度θを有して対向し、半導体部品50の外周面を連続して包囲するように配置される。角度θは、重力方向に延在する垂線VL1と、半導体部品50の外周面に対向する側の反射板40の面(以降、反射面と称す)との為す角である。反射板40は、半導体部品50の外周面に対向する側の面が鏡になっている。
The
図3は、接合装置10を用いて、半導体部品50の外周面(側面)に、レーザ光Lを入射し、且つ第一金属皮膜52に照射する場合の寸法関係の一例を示している。図3では、上側を上方、下側を下方とする。なお、構成の前提条件として、半導体部品50は角柱形状とし、角柱の少なくとも一辺の長さを5mmとする。また、第一金属皮膜52を除いた半導体部品50の厚みtを0.5mm(図略)とする。また、第一金属皮膜52の上面とレーザヘッド30(照射角度変更装置)におけるレーザ光Lの照射中心位置Cまでの高さh(距離)を100mmとする。
FIG. 3 shows an example of the dimensional relationship when the laser beam L is incident on the outer peripheral surface (side surface) of the
このような条件下で、レーザヘッド30からのレーザ光Lの照射角度βが5°となるようレーザ光Lを照射する。なお、照射角度βは、レーザヘッド30のレーザ光Lの照射中心位置Cから垂下した垂線VL2とレーザ光Lの光路の中心軸線との間の角度である。これによって、反射板40の角度θが31.58°、第一金属皮膜52から反射板40におけるレーザ光Lの反射位置高さh1が、5.07mm、垂線VL2から反射板40におけるレーザ光Lの反射位置までの水平距離rが、25.38mmであるときに、レーザ光Lは、半導体本体51のレーザ透過材料層51bの側面の上端Pから入射し、レーザ透過材料層51b内を透過して、第一金属皮膜52上のほぼ中央位置に照射可能である。
Under such conditions, the laser beam L is irradiated so that the irradiation angle β of the laser beam L from the
そして、第一金属皮膜52の上面全面にレーザ光Lを照射するためには、反射板40の角度θを31.58°に固定した状態で、ガルバノスキャナ36を制御する。具体的には、ガルバノスキャナ36によって、レーザ光Lの反射位置高さh1が5.07mmよりも小さくなる方向、且つ垂線VL2回りの周回方向にレーザ光Lが走査されるよう制御すればよい。
In order to irradiate the entire upper surface of the
このように、あくまで一実施例の寸法の例示であるが、十分実施可能であることがわかる。これにより、第一金属皮膜52は、平面視で見た場合、図4に示すように第一金属皮膜52の全面に分布する接合点Sによって半導体本体51とヒートスプレッダ60とを接合する。なお、図4において、丸印によって記載された複数の接合点Sは、レーザ光Lの照射によって接合された接合点の一例を示している。図4では、描画の都合上、接合点S相互の間隔が疎な状態で示しているが、ガルバノスキャナ36の制御次第で、密な状態にできることはいうまでもない。また、図4は、あくまで模式図である。よって実際の接合の形状とは異なる。
Thus, although it is the illustration of the dimension of one Example to the last, it turns out that it can fully implement. Thereby, when the
(3.接合方法)
次に、接合装置10の接合方法について図1、及び図5のフローチャートに基づき説明する。図5に示すように、接合方法は、照射工程S10と、透過工程S12と、接合工程S14と、を備える。
(3. Joining method)
Next, the joining method of the joining
照射工程S10では、レーザ発振器20を駆動してレーザ光Lを所定の赤外波長で発振する。前述したように、このとき、レーザ光Lの所定の赤外波長は、1.127μm〜6μmの範囲である。そして、レーザ発振器20から発振したレーザ光Lは、光ファイバ22に入射されてレーザヘッド30まで伝送される(図1参照)。
In the irradiation step S10, the
光ファイバ22から出射したレーザ光Lは、コリメートレンズ32で平行化された後、ミラー34で反射されてガルバノスキャナ36を通り、fθレンズ38を介して反射板40に向けて照射される。このとき、ガルバノスキャナ36は、図示しない直交する一対の可動ミラーを首ふり運動させることによって、fθレンズ38に入射させるレーザ光Lの角度を変更する。変更するレーザ光Lの角度は、図略の制御装置からの指令値に基づく。
The laser light L emitted from the optical fiber 22 is collimated by the
これにより、レーザ光Lは、fθレンズ38を介して、上述した反射板40のミラー側の所定位置に照射され、反射板40で全反射して、半導体本体51の側面の所定位置に入射される(図1、図3参照)。ここで、半導体本体51の側面とは、半導体本体51が露出する面であり、第一金属皮膜52及び第二金属皮膜53が形成されていない面である。即ち、半導体本体51の側面とは、ワイドバンドギャップ半導体層51a及びレーザ透過材料層51bの側面である。なお、本実施形態においては、レーザ光Lが入射する半導体本体51の側面の所定位置とは、レーザ透過材料層51bの側面のうちの何れかの位置である。
As a result, the laser light L is irradiated to a predetermined position on the mirror side of the
なお、fθレンズ38は、ガルバノスキャナ36から入射されたレーザ光Lの入射角度に応じて、焦点距離fを変化させる公知のレンズである。従って、fθレンズ38を通過し、反射板40に向かって進行するレーザ光Lは、レーザ光Lの光路の中心軸線と直交するレーザ光Lの断面の径(以降、光路径と称す)が、進行方向前方に向かって徐々に小さくなりながら進行する(図1参照)。
The
次に、透過工程S12では、半導体本体51が備えるレーザ透過材料層51bの側面の所定位置に入射したレーザ光Lは、更に光路径が小さくなりながら、レーザ透過材料層51b内を透過していく。本実施形態では、このとき、レーザ光Lのエネルギーの殆どがレーザ透過材料層51b内を透過する。その後、レーザ光Lは、第一金属皮膜52の上面の所定の位置に到達する。第一金属皮膜52の上面におけるレーザ光Lの到達位置では、レーザ光Lの焦点があった状態で集光されている。焦点があった状態とは、第一金属皮膜52に対し、レーザ光Lのエネルギー密度が上昇し吸収が最も良好となる状態である。
Next, in the transmission step S12, the laser light L incident on a predetermined position on the side surface of the laser
接合工程S14では、第一金属皮膜52が、レーザ光Lのエネルギーを吸収し、加熱される。これにより、第一金属皮膜52は昇温して、融点に達し溶融する。その後、第一金属皮膜52は、再び冷えて固化する際に、上下で隣接する半導体本体51及びヒートスプレッダ60と結合され、延いては半導体本体51とヒートスプレッダ60とが接合される。このとき、第一金属皮膜52は、レーザ光Lの照射によって、非常に短時間で昇温し溶融される。このため、レーザ光Lが透過する半導体本体51(レーザ透過材料層51b)には熱的な影響を殆ど与えない。
In the joining step S14, the
なお、上記では、第一金属皮膜52上では、レーザ光Lの焦点が合った状態となる旨、説明した。しかし、レーザ光Lの焦点が合った状態でなくとも、各状態それぞれに応じたエネルギー量が、第一金属皮膜52に吸収される。このため、第一金属皮膜52は加熱され溶融可能であるので、焦点があった状態が必須の条件ではない。
In the above description, it has been described that the laser light L is in focus on the
また、上記工程の説明においては、説明の都合上、一本のレーザ光Lによる、一回の照射のみについて説明した。しかし、実際には、照射工程S10において、ガルバノスキャナ36は、直交する一対の可動ミラーを、それぞれ垂線VL2に対して径方向及び回転方向に移動させながら(図3、矢印Ar1、Ar2参照)断続的にレーザ光Lを照射する。つまり、図5に示すフローチャートを繰り返し実行する。
In the description of the above process, only one irradiation with one laser beam L has been described for convenience of description. However, actually, in the irradiation step S10, the
これによって、レーザ光Lは、fθレンズ38を通って反射板40で全反射されながら、第一金属皮膜52の上面全面を高速且つ短時間でスキャニングすることができる(図4参照)。従って、第一金属皮膜52の全面で、半導体部品50と、ヒートスプレッダ60とが短時間で強固に結合される。ただし、上記で説明したように、一本のレーザ光Lによる、一回の照射のみによって半導体部品50と、ヒートスプレッダ60とを接合させてもよい。これによっても相応の効果を奏する。
As a result, the laser beam L can be scanned at high speed in a short time over the entire upper surface of the
また、上記において、レーザ光Lの照射は、レーザ光Lを断続的に照射する、いわゆるパルスレーザであると説明した。これは、断続的に照射することにより、第一金属皮膜52でのレーザ光Lの吸収効率が向上するという知見に基づくものである。しかし、この態様には限らない。レーザ光Lは、断続的に照射せず、エネルギー制御が容易なCWレーザ(Continuous wave laser)によって連続照射してもよい。これによっても相応の効果は得られる。
In the above description, it has been described that the irradiation with the laser beam L is a so-called pulse laser that irradiates the laser beam L intermittently. This is based on the knowledge that the absorption efficiency of the laser light L in the
(変形態様)
次に、上記実施形態の変形態様に係る接合装置について図3、図6に基づき説明する。上記実施形態で説明したガルバノスキャナ36によるレーザ光Lの走査方法は、あくまで一例であって、別の走査方法でもよい。例えば、変形例1として、レーザ光Lの照射角度を第二金属皮膜53との対向方向に対して変化させ、反射板40は、レーザヘッド30(照射角度変更装置)から照射されたレーザ光Lを反射させて、第一金属皮膜52の異なる位置にレーザ光を吸収させてもよい。つまり、ガルバノスキャナ36によってレーザ光Lを、垂線VL2に対して所定の径方向(図3中、矢印Ar1参照)のみに走査させ、これによって、第一金属皮膜52の異なる位置の範囲にレーザ光を吸収させ、半導体部品50と、ヒートスプレッダ60とを接合してもよい(図6、S参照)。これによっても、相応の効果を奏する。なお、変形例1においては、反射板40は、半導体部品50の外周面全体に対向して配置される必要はない。
(Modification)
Next, a joining apparatus according to a modification of the above embodiment will be described with reference to FIGS. The scanning method of the laser light L by the
また、ガルバノスキャナ36の走査方法に係る変形例2として、レーザヘッド30(照射角度変更装置)が、レーザ光Lの照射位置を第二金属皮膜53より外側の周囲に一周だけ連続的に変化するようにしてもよい(図3中、矢印Ar2参照)。これによって、レーザ光Lが照射されると、第一金属皮膜52では、全面ではなく、レーザ光Lの照射位置に応じた所定の円の上のみがスキャニングされて接合され(図7、S参照)、半導体部品50と、ヒートスプレッダ60とが接合される。なお、図7では、一重円であるが、上記変形例1と組み合わせて、径の異なる二重以上の円で半導体部品50と、ヒートスプレッダ60とを接合させてもよい。これらによっても、相応の効果を奏する。
Further, as a second modification related to the scanning method of the
(実施形態に係る効果)
上記実施形態によれば、接合装置10は、半導体本体51、及び、半導体本体51の第一の表面に形成される第一金属皮膜52を備える半導体部品50と、半導体部品50と別体に形成され、半導体部品50の第一金属皮膜52に接触して配置される金属部材としてのヒートスプレッダ60と、を赤外波長のレーザ光Lによって接合する装置である。半導体本体51は、レーザ光Lを透過可能とするレーザ透過材料によって形成されるレーザ透過材料層51bを備える。また、第一金属皮膜52は、レーザ光Lを吸収することによって溶融可能な材質で形成される。そして、接合装置10は、半導体本体51が備えるレーザ透過材料層の表面のうち第一金属皮膜52が形成されていない面(側面)にレーザ光を入射させ、レーザ透過材料層51bを透過したレーザ光Lを第一金属皮膜52に吸収させることにより、第一金属皮膜52を溶融させて半導体部品50とヒートスプレッダ60(金属部材)とを接合する。
(Effect according to the embodiment)
According to the above embodiment, the
このように、半導体本体51のレーザ透過材料層51b内を透過するレーザ光Lによって、直接、第一金属皮膜52が融点まで短時間で加熱されて溶融され、半導体部品50とヒートスプレッダ60とが接合される。このように、皮膜であるため容量が小さな第一金属皮膜52が短時間で溶融されて半導体部品50とヒートスプレッダ60とを接合するので、溶融した第一金属皮膜52の保持する熱容量は大きくない。これによって、第一金属皮膜52が半導体本体51に対して熱的に大きな影響を及ぼすことはない。また、半導体本体51が熱的に大きな影響を受けにくいので、接合材となる第一金属皮膜52として、ハンダの融点温度よりも高い融点温度を有する金属を用いることができる。これにより、半導体部品50とヒートスプレッダ60(金属部材)との接合部は、ハンダにより接合する従来技術における接合部よりも耐熱性が向上する。
As described above, the
また、上記実施形態によれば、半導体部品50は、半導体本体51の第一の表面とは反対側の第二の表面に形成される第二金属皮膜53を備える。そして、接合装置10は、半導体本体51が備えるレーザ透過材料層51bの表面のうち第一金属皮膜52及び第二金属皮膜53が形成されていない側面にレーザ光Lを入射させ、半導体本体51のレーザ透過材料層51bを透過したレーザ光Lを第一金属皮膜52に吸収させ第一金属皮膜52を溶融させる。このように、第二金属皮膜53を備えることによりリードフレーム62と半導体部品50とを簡易に接合できる。また、このとき、半導体部品50において、外部に露出する部位をレーザ光Lの半導体部品50への入射面として利用できるので、簡易に対応できる。
Moreover, according to the said embodiment, the
また、上記実施形態によれば、レーザヘッド30(照射角度変更装置)は、レーザ光Lの照射位置を第二金属皮膜53より外側の周囲に連続的に変化させ、反射板40は、第一金属皮膜52及び第二金属皮膜53が形成されていない半導体部品50の外周面全体に対向して配置される。これにより、レーザ光Lは、第一金属皮膜52の全面をスキャニングし、第一金属皮膜52の全面で接合可能となる。これにより、半導体部品50とヒートスプレッダ60(金属部材)との間で強固な接合が得られる。
Further, according to the above embodiment, the laser head 30 (irradiation angle changing device) continuously changes the irradiation position of the laser light L to the outer periphery of the
また、上記実施形態によれば、接合装置10は、レーザ光Lを発振するレーザ発振器20(発振源)と、第二金属皮膜53から距離を隔てて且つ第二金属皮膜53に対向して配置され、レーザ発振器20から発振されたレーザ光Lの照射角度を変更し、第二金属皮膜53より外側の任意の位置にレーザ光Lを照射可能なレーザヘッド30(照射角度変更装置)と、第一金属皮膜52及び第二金属皮膜53が形成されていない半導体部品50の外周面に対向して配置され、レーザヘッド30から照射されたレーザ光Lを反射して半導体本体51に入射させる反射板40と、を備える。このような装置を備えることにより、レーザ発振器20で生成されたレーザ光Lを伝送し、小さな半導体本体51の側面に良好に入射させることができる。
Further, according to the embodiment, the
また、上記実施形態によれば、接合方法は、半導体本体51、及び半導体本体51の第一の表面に形成される第一金属皮膜52を備える半導体部品50と、半導体部品50と別体に形成され、半導体部品50の第一金属皮膜52に接触して配置されるヒートスプレッダ60(金属部材)と、を赤外波長のレーザ光によって接合する接合方法である。半導体本体51は、レーザ光Lを透過可能とするレーザ透過材料(例えばSi等)によって形成されるレーザ透過材料層51bを備える。第一金属皮膜52は、レーザ光を吸収することによって溶融可能な材質で形成される。そして、接合方法は、レーザ光Lが、半導体本体51のレーザ透過材料層51bの側面に入射されレーザ透過材料層51bを透過する透過工程S12と、レーザ光Lが、レーザ透過材料層51b内を透過後、第一金属皮膜52に吸収されて第一金属皮膜52を溶融させ半導体部品50とヒートスプレッダ60とを接合する接合工程と、を備える。これにより、接合装置10によって得られた、半導体部品50とヒートスプレッダ60との接合と同様の接合が得られる。
Moreover, according to the said embodiment, the bonding | joining method is formed in the
なお、上記実施形態においては、一例として、半導体部品50は、GaN層を備えるGaN素子、またはSiC層を備えるSiC素子として説明した。しかしこの態様には限らない。上記以外の半導体部品として、Si層を備えるSi素子を適用してもよい。さらに、レーザ透過材料層51bは、Si層であるとして説明したが、所定の赤外波長を有するレーザ光Lが透過可能であればどのような材料によって形成してもよい。
In the above embodiment, as an example, the
また、上記実施形態においては、半導体部品50の側面からレーザ光Lを入射した。しかしこの態様には限らない。半導体部品50の半導体本体51のうち、側面以外で外部に露出している部分があれば、その露出部分からレーザ光Lを入射し、第一金属皮膜52に照射するようにしてもよい。これによっても同様の効果が期待できる。ただし、このとき、レーザ光Lが第一金属皮膜52に到達するまでの経路上の各層は、全てレーザ透過材料によって形成されている必要があることはいうまでもない。
In the above embodiment, the laser beam L is incident from the side surface of the
10・・・接合装置、 20・・・発振源(レーザ発振器)、 30・・・照射角度変更装置(レーザヘッド)、 32・・・コリメートレンズ、 34・・・ミラー、 36・・・ガルバノスキャナ、 38・・・fθレンズ、 40・・・反射板、 50・・・半導体部品、 51・・・半導体本体、 51a・・・ワイドバンドギャップ半導体層、 51b・・・レーザ透過材料層、 52・・・第一金属皮膜、 52a・・・下地接合層、 53b・・・下地電極層、 52b・・・接合層、 53a・・・電極層、 53・・・第二金属皮膜、 60・・・金属部材(ヒートスプレッダ)、 62・・・リードフレーム、 70・・・筐体、 100・・・半導体装置、 L・・・レーザ光、 S10・・・照射工程、 S12・・・透過工程、 S14・・・接合工程。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記半導体部品と別体に形成され、前記半導体部品の前記第一金属皮膜に接触して配置される金属部材と、
を赤外波長のレーザ光によって接合する接合装置であって、
前記半導体本体は、前記レーザ光を透過可能とするレーザ透過材料によって形成されるレーザ透過材料層を備え、
前記第一金属皮膜は、前記レーザ光を吸収することによって溶融可能な材質で形成され、
前記接合装置は、前記半導体本体が備える前記レーザ透過材料層の表面のうち前記第一金属皮膜が形成されていない面に前記レーザ光を入射させ、前記レーザ透過材料層を透過した前記レーザ光を前記第一金属皮膜に吸収させることにより、前記第一金属皮膜を溶融させて前記半導体部品と前記金属部材とを接合する、接合装置。 A semiconductor component comprising a semiconductor body and a first metal film formed on a first surface of the semiconductor body;
A metal member formed separately from the semiconductor component and disposed in contact with the first metal film of the semiconductor component;
Is a joining device that joins a laser beam of infrared wavelength,
The semiconductor body includes a laser transmitting material layer formed of a laser transmitting material that can transmit the laser light,
The first metal film is formed of a material that can be melted by absorbing the laser beam,
The bonding apparatus causes the laser light to be incident on a surface of the laser transmissive material layer included in the semiconductor body, on which the first metal film is not formed, and transmits the laser light transmitted through the laser transmissive material layer. A joining apparatus that melts the first metal film and joins the semiconductor component and the metal member by absorbing the first metal film.
前記接合装置は、前記半導体本体が備える前記レーザ透過材料層の表面のうち前記第一金属皮膜及び前記第二金属皮膜が形成されていない面に前記レーザ光を入射させ、前記レーザ透過材料層を透過した前記レーザ光を前記第一金属皮膜に吸収させる、請求項1に記載の接合装置。 The semiconductor component includes a second metal film formed on a second surface opposite to the first surface of the semiconductor body,
The bonding apparatus causes the laser light to enter a surface of the surface of the laser transmitting material layer provided in the semiconductor body, on which the first metal film and the second metal film are not formed, and the laser transmitting material layer The bonding apparatus according to claim 1, wherein the transmitted laser light is absorbed by the first metal film.
前記レーザ光を発振する発振源と、
前記第二金属皮膜から距離を隔てて且つ前記第二金属皮膜に対向して配置され、前記発振源から発振された前記レーザ光の照射角度を変更し、前記第二金属皮膜より外側の任意の位置に前記レーザ光を照射可能な照射角度変更装置と、
前記第一金属皮膜及び前記第二金属皮膜が形成されていない前記半導体部品の外周面に対向して配置され、前記照射角度変更装置から照射された前記レーザ光を反射して前記半導体本体の前記レーザ透過材料層に入射させる反射板と、
を備える、請求項2に記載の接合装置。 The joining device includes:
An oscillation source for oscillating the laser beam;
Arranged at a distance from the second metal film and opposed to the second metal film, changing the irradiation angle of the laser light oscillated from the oscillation source, and arbitrary outside the second metal film An irradiation angle changing device capable of irradiating the laser beam at a position;
The first metal film and the second metal film are disposed so as to face the outer peripheral surface of the semiconductor component, and reflect the laser light emitted from the irradiation angle changing device to reflect the laser light of the semiconductor body. A reflector that is incident on the laser transmitting material layer;
The bonding apparatus according to claim 2, comprising:
前記反射板は、前記照射角度変更装置から照射された前記レーザ光を反射させて、前記第一金属皮膜の異なる位置に前記レーザ光を吸収させる、請求項3に記載の接合装置。 The irradiation angle changing device changes an irradiation angle of the laser light with respect to a direction facing the second metal film,
The bonding apparatus according to claim 3, wherein the reflecting plate reflects the laser light irradiated from the irradiation angle changing device and absorbs the laser light at a different position of the first metal film.
前記反射板は、前記第一金属皮膜及び前記第二金属皮膜が形成されていない前記半導体部品の外周面全体に対向して配置される、請求項3又は4に記載の接合装置。 The irradiation angle changing device continuously changes the irradiation position of the laser light around the outside of the second metal film,
5. The joining device according to claim 3, wherein the reflector is disposed to face the entire outer peripheral surface of the semiconductor component on which the first metal film and the second metal film are not formed.
前記半導体部品と別体に形成され、前記半導体部品の前記第一金属皮膜に接触して配置される金属部材と、
を赤外波長のレーザ光によって接合する接合方法であって、
前記半導体本体は、前記レーザ光を透過可能とするレーザ透過材料によって形成されるレーザ透過材料層を備え、
前記第一金属皮膜は、前記レーザ光を吸収することによって溶融可能な材質で形成され、
前記接合方法は、
前記レーザ光が、前記半導体本体の前記レーザ透過材料層に入射し、前記レーザ透過材料層を透過する透過工程と、
前記レーザ光が、前記レーザ透過材料層内を透過後、前記第一金属皮膜に吸収されて前記第一金属皮膜を溶融させ前記半導体部品と前記金属部材とを接合する接合工程と、
を備える接合方法。 A semiconductor component comprising a semiconductor body and a first metal film formed on the first surface of the semiconductor body;
A metal member formed separately from the semiconductor component and disposed in contact with the first metal film of the semiconductor component;
Is a bonding method for bonding with infrared laser light,
The semiconductor body includes a laser transmitting material layer formed of a laser transmitting material that can transmit the laser light,
The first metal film is formed of a material that can be melted by absorbing the laser beam,
The joining method is:
The laser beam is incident on the laser transmitting material layer of the semiconductor body and transmits through the laser transmitting material layer; and
The laser beam is transmitted through the laser transmitting material layer and then absorbed by the first metal film to melt the first metal film and join the semiconductor component and the metal member;
A joining method comprising:
Priority Applications (1)
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