JP5453720B2 - レーザ溶接方法および半導体装置とその製造方法 - Google Patents
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Description
この発明は、２つの部材を重ね合わせた状態でレーザ溶接を行う場合において、上側部材の熱伝導率と熱容量が小さい場合でも、高い接合強度を確保できるレーザ溶接方法および半導体装置の製造方法に関する。
図６は、熱容量が大きな上側部材を溶接した場合の構成図であり、同図（ａ）は要部平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した溶接後の要部断面図である。この上側部材２は面積が広く、厚みが厚く、熱容量が大きな部材あり、レーザ照射が照射される箇所（レーザ照射箇所６）が上側部材２の端部から離れている場合である。また、溶接部材とは上側部材２と下側部材１のことである。
２つの部材を重ね合わせた状態で上側部材２の表面にレーザ光４を照射し、上側部材２と下側部材２を溶接している。熱容量が大きい上側部材２は、下側部材１との間に良好な溶接部２７が形成され、照射するレーザ光４のパワー密度を調整することで必要とする溶接面積を得ることができる。
このパワー密度はレーザ光４のパワーと、照射する面積により決まる。パワー密度を高くしたい場合には、レーザパワーを高くするか、照射面積を小さくすれば良い。パワー密度を低くしたい場合には、レーザパワーを低くするか、照射面積を大きくすれば良い。
一方、上側部材２の熱容量が小さい場合には、下側部材１が十分溶ける温度まで昇温する前に、上側部材２が溶融し、その溶け上がりにレーザパワーが消費されるため、下側部材１との溶接面積が充分得られないことになる。特に、上側部材の熱伝導率が小さな場合に溶け上がりが顕著になる。このことをつぎに説明する。
２つの部材を重ね合わせた状態で上側部材２の表面にレーザ光４を照射し、上側部材２と下側部材２を溶接している。熱容量が大きい上側部材２は、下側部材１との間に良好な溶接部２７が形成され、照射するレーザ光４のパワー密度を調整することで必要とする溶接面積を得ることができる。
このパワー密度はレーザ光４のパワーと、照射する面積により決まる。パワー密度を高くしたい場合には、レーザパワーを高くするか、照射面積を小さくすれば良い。パワー密度を低くしたい場合には、レーザパワーを低くするか、照射面積を大きくすれば良い。
一方、上側部材２の熱容量が小さい場合には、下側部材１が十分溶ける温度まで昇温する前に、上側部材２が溶融し、その溶け上がりにレーザパワーが消費されるため、下側部材１との溶接面積が充分得られないことになる。特に、上側部材の熱伝導率が小さな場合に溶け上がりが顕著になる。このことをつぎに説明する。
図７は、熱容量が小さな上側部材を溶接する場合の構成図であり、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断したレーザ照射直後の要部断面図、同図（ｃ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した溶接後の要部断面図である。図７では上側部材５が熱伝導率が小さく、細長い長方形をしており、レーザ溶接箇所６が上側部材５の端部近傍である場合を示す。
同図（ａ）に示すように下側部材１の上面に上側部材５が重ねられ、同図（ｂ）に示すようにレーザ光４が上側部材５の端部近傍の表面に照射され、同図（ｃ）に示すように上側部材５の先端部分が溶融する。
図７に示すような、幅の狭い細長い長方形で熱伝導率の小さな上側部材５を溶接する場合、照射したレーザ光４が上側部材５のレーザ照射箇所６近傍に吸収されて熱エネルギに変換され加熱される。
上側部材５の熱伝導率が小さくレーザ照射箇所６から上側部材５の端部までの最短距離Ｌが小さい場合には、下側部材１が融点温度に達する前に、レーザ照射箇所６近傍の上側部材５が急速に融点温度に達してしまい、下側部材１の溶融が不十分な状態で、同図（ｃ）に示したように上側部材５の先端部分が溶け上がり、溶接部２８に溶け上がり７を生じる。
同図（ａ）に示すように下側部材１の上面に上側部材５が重ねられ、同図（ｂ）に示すようにレーザ光４が上側部材５の端部近傍の表面に照射され、同図（ｃ）に示すように上側部材５の先端部分が溶融する。
図７に示すような、幅の狭い細長い長方形で熱伝導率の小さな上側部材５を溶接する場合、照射したレーザ光４が上側部材５のレーザ照射箇所６近傍に吸収されて熱エネルギに変換され加熱される。
上側部材５の熱伝導率が小さくレーザ照射箇所６から上側部材５の端部までの最短距離Ｌが小さい場合には、下側部材１が融点温度に達する前に、レーザ照射箇所６近傍の上側部材５が急速に融点温度に達してしまい、下側部材１の溶融が不十分な状態で、同図（ｃ）に示したように上側部材５の先端部分が溶け上がり、溶接部２８に溶け上がり７を生じる。
このような溶接部２８では、上側部材５の溶け上がり７が生じても下側部材１に溶け込むことがなく、溶接部２８は下側部材１の表面に接触しているだけの状態となる。この場合、溶接部２８の接合強度は著しく低くなる。
この溶け上がり７を回避するため、レーザ光４のパワー自体を低くするか、照射面積を広げることでパワー密度を下げることが考えられるが、パワー密度を下げた場合には下側部材１の温度が上がらず、図６（ｂ）に示したような溶接部２７を得ることは困難となる。
ところで、レーザ溶接においては、溶接部材の蒸発にともなったキーホール形成による溶接形態と、単純に熱伝導による溶接形態とがある。図６（ｂ）に示したような縦長（ナゲット径（表面の溶融径）に対して溶融深さの方が大きい）の溶接部２７を形成するためには、キーホール型の溶接形態とする必要がある。
このキーホール型溶接の特徴は、短時間のパルスレーザ照射で溶接が行えるという点にあり、図７に示したような細長の上側部材５のような表面積の小さな部材を瞬時に加熱して溶接する場合に有利である。
しかし、このキーホール型溶接の場合でも、熱伝導率が小さく熱容量が小さな部材では、熱が蓄積されて部材の溶け上がり７が生じて、接合面積が小さくなり接合強度が小さくなる。
この溶け上がり７を回避するため、レーザ光４のパワー自体を低くするか、照射面積を広げることでパワー密度を下げることが考えられるが、パワー密度を下げた場合には下側部材１の温度が上がらず、図６（ｂ）に示したような溶接部２７を得ることは困難となる。
ところで、レーザ溶接においては、溶接部材の蒸発にともなったキーホール形成による溶接形態と、単純に熱伝導による溶接形態とがある。図６（ｂ）に示したような縦長（ナゲット径（表面の溶融径）に対して溶融深さの方が大きい）の溶接部２７を形成するためには、キーホール型の溶接形態とする必要がある。
このキーホール型溶接の特徴は、短時間のパルスレーザ照射で溶接が行えるという点にあり、図７に示したような細長の上側部材５のような表面積の小さな部材を瞬時に加熱して溶接する場合に有利である。
しかし、このキーホール型溶接の場合でも、熱伝導率が小さく熱容量が小さな部材では、熱が蓄積されて部材の溶け上がり７が生じて、接合面積が小さくなり接合強度が小さくなる。
特に、上側部材５の幅が狭い場合には部材５の端部からレーザ照射箇所６までの最短距離Ｌ内にある体積Ｖが小さい小熱容量体の場合に溶け上がり７が顕著になる。
例えば、上側部材の幅Ｗが１．５ｍｍ、厚さＴが０．８ｍｍの場合に、上側部材５の端部からレーザ光照射箇所６までの最短距離Ｌを３ｍｍとした場合、体積Ｖは、Ｌ×Ｗ×Ｔ＝３ｍｍ×１．５ｍｍ×０．８ｍｍ＝３．６ｍｍ3となる。体積Ｖがこの程度小さくなると熱伝導率の小さな部材では、キーホール型であっても熱が蓄積されて溶け上がり７が生じる。この体積Ｖが４ｍｍ3程度以上となると溶け上がり７は生じにくくなることが実験的に確認されているので、ここでは体積Ｖが４ｍｍ3以下の場合を便宜的に、この箇所を小熱容量体と呼ぶことにする。
また、キーホール型のレーザ光４としては、ＹＡＧレーザ（波長１０６４ｎｍ）やＹＡＧレーザの第２高調波（波長５３２ｎｍ）が使用できる。
一方、熱伝導型の溶接形態では縦長の溶融部を得ることが出来ないため、所望の溶接面積を得るためには、ＹＡＧレーザの場合よりも長い時間レーザを照射する必要がある。
熱伝導型溶接のレーザ光としては半導体レーザ（波長６００ｎｍ〜９００ｎｍ）が使用できる。熱伝導型溶接の場合には、長い時間レーザ光を照射するため、図７に示したような熱伝導率が小さな部材で溶接箇所近傍が小熱容量体の場合では、キーホール型と同様にレーザ溶接された熱が上側部材５中に蓄積され、下側部材１と溶接されるよりも先に上側部材５自身が溶け上がってしまい、所望の溶接面積が得られない。
例えば、上側部材の幅Ｗが１．５ｍｍ、厚さＴが０．８ｍｍの場合に、上側部材５の端部からレーザ光照射箇所６までの最短距離Ｌを３ｍｍとした場合、体積Ｖは、Ｌ×Ｗ×Ｔ＝３ｍｍ×１．５ｍｍ×０．８ｍｍ＝３．６ｍｍ3となる。体積Ｖがこの程度小さくなると熱伝導率の小さな部材では、キーホール型であっても熱が蓄積されて溶け上がり７が生じる。この体積Ｖが４ｍｍ3程度以上となると溶け上がり７は生じにくくなることが実験的に確認されているので、ここでは体積Ｖが４ｍｍ3以下の場合を便宜的に、この箇所を小熱容量体と呼ぶことにする。
また、キーホール型のレーザ光４としては、ＹＡＧレーザ（波長１０６４ｎｍ）やＹＡＧレーザの第２高調波（波長５３２ｎｍ）が使用できる。
一方、熱伝導型の溶接形態では縦長の溶融部を得ることが出来ないため、所望の溶接面積を得るためには、ＹＡＧレーザの場合よりも長い時間レーザを照射する必要がある。
熱伝導型溶接のレーザ光としては半導体レーザ（波長６００ｎｍ〜９００ｎｍ）が使用できる。熱伝導型溶接の場合には、長い時間レーザ光を照射するため、図７に示したような熱伝導率が小さな部材で溶接箇所近傍が小熱容量体の場合では、キーホール型と同様にレーザ溶接された熱が上側部材５中に蓄積され、下側部材１と溶接されるよりも先に上側部材５自身が溶け上がってしまい、所望の溶接面積が得られない。
短時間で溶接が可能なＹＡＧレーザにおいて、熱伝導率が小さな部材でレーザ溶接箇所近傍が小熱容量体の場合には、前記したように部材の過度な溶け上がり７が生じる。特に、上側部材５として熱伝導率の小さなステンレス鋼やリン青銅を用いた場合には、溶接される箇所の上側部材５の体積が小さく熱容量が小さい小熱容量体ときに顕著に現れる。このリン青銅はバネ作用があり、半導体装置における制御端子の材料としてよく用いられる。
図８〜図１０は、従来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り、各工程図で（ａ）は要部製造工程平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部製造工程断面図である。
図８〜図１０は制御端子１７を絶縁回路基板４０上に形成された制御端子用パッド１２にレーザ溶接する場合の工程を示す。
図８（ａ）および図８（ｂ）において、セラミクス１０・コレクタ銅箔１１・制御端子用パッド１２からなる絶縁回路基板４０にＩＧＢＴチップ１３をはんだ１５により接合する。工程としては、絶縁回路基板４０上に形成されたコレクタ銅箔１１の上面にはんだ１５を配置し、その上にＩＧＢＴチップ１３を載せ、加熱することによりはんだ１５を溶融させ、冷却することでコレクタ銅箔１１とＩＧＢＴチップ１３とを接合する。
図８〜図１０は、従来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り、各工程図で（ａ）は要部製造工程平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部製造工程断面図である。
図８〜図１０は制御端子１７を絶縁回路基板４０上に形成された制御端子用パッド１２にレーザ溶接する場合の工程を示す。
図８（ａ）および図８（ｂ）において、セラミクス１０・コレクタ銅箔１１・制御端子用パッド１２からなる絶縁回路基板４０にＩＧＢＴチップ１３をはんだ１５により接合する。工程としては、絶縁回路基板４０上に形成されたコレクタ銅箔１１の上面にはんだ１５を配置し、その上にＩＧＢＴチップ１３を載せ、加熱することによりはんだ１５を溶融させ、冷却することでコレクタ銅箔１１とＩＧＢＴチップ１３とを接合する。
次に、図９（ａ）および図９（ｂ）において、ＩＧＢＴチップ１３に形成された電気信号取り出し用の制御信号用パッド１４と、絶縁回路基板４０に形成された制御端子用パッド１２とをアルミワイヤ１６で電気的に接続する。
次に、図１０（ａ）および図１０（ｂ）において、リン青銅の制御端子１７を制御端子用パッド１２に押し当て、レーザ光１９を照射する箇所（レーザ照射箇所１８）で溶接部２２を形成する。ここで使用する制御端子１７の材質はリン青銅であり、表面にはその後のはんだ付け工程のためにスズめっきが施されている。リン青銅の熱伝導率は６７Ｗ／ｍＫであり純銅の１７％程度である。
図１１は図１０のＡ部拡大図であり、同図（ａ）はレーザ照射直後で制御端子１７がまだ解け始めていない状態の図であり、同図（ｂ）は制御端子１７がレーザ光１９によって溶融し、再凝固した状態の図である。
図１１において、例えば、制御端子の幅Ｗが１．５ｍｍ、厚さＴが０．８ｍｍの場合に、制御端子の端部からの最短距離Ｌの位置にレーザ光を照射したとすると、小容量体の体積Ｖは、３ｍｍ×１．５ｍｍ×０．８ｍｍ＝３．６ｍｍ3となる。小容量体の体積Ｖがこの程度小さくなるとリン青銅のような熱伝導率の小さな部材では、キーホール型であっても熱が蓄積されて溶接部２９に溶け上がり２０が生じる。
次に、図１０（ａ）および図１０（ｂ）において、リン青銅の制御端子１７を制御端子用パッド１２に押し当て、レーザ光１９を照射する箇所（レーザ照射箇所１８）で溶接部２２を形成する。ここで使用する制御端子１７の材質はリン青銅であり、表面にはその後のはんだ付け工程のためにスズめっきが施されている。リン青銅の熱伝導率は６７Ｗ／ｍＫであり純銅の１７％程度である。
図１１は図１０のＡ部拡大図であり、同図（ａ）はレーザ照射直後で制御端子１７がまだ解け始めていない状態の図であり、同図（ｂ）は制御端子１７がレーザ光１９によって溶融し、再凝固した状態の図である。
図１１において、例えば、制御端子の幅Ｗが１．５ｍｍ、厚さＴが０．８ｍｍの場合に、制御端子の端部からの最短距離Ｌの位置にレーザ光を照射したとすると、小容量体の体積Ｖは、３ｍｍ×１．５ｍｍ×０．８ｍｍ＝３．６ｍｍ3となる。小容量体の体積Ｖがこの程度小さくなるとリン青銅のような熱伝導率の小さな部材では、キーホール型であっても熱が蓄積されて溶接部２９に溶け上がり２０が生じる。
用いるレーザ光はＹＡＧレーザ（波長１０６４ｎｍ）でスポット径はφ０．４ｍｍ〜φ１．０ｍｍである。制御端子１７の素材に純銅を用いた場合には、熱容量が小さな上述の制御端子１７でも、下側の制御端子用パッド１２に溶接時の熱が逃げやすいために、図１１に示したような過度の溶け上がり２０は無い。
しかし、リン青銅に比べてバネ作用が無いため、制御端子用パッド１２に押し当てた状態を保持することが困難である。このため、制御端子１７の素材に純銅を用いるには、溶接時に制御端子１７を加圧保持するような治具が必要となる。リン青銅を用いた場合には、図示しないリン青銅をインサート成型した端子ケースにより、制御端子１７が制御端子用パッド１２に押し当てられた状態を保持できるため治具が不要である。
しかしながら、制御端子１７の素材としてリン青銅を用いた場合には、熱伝導率が純銅の１／５程度であり、体積Ｖが４ｍｍ3以下の小熱容量体となる場合には、熱が蓄積されて過度に溶け上がり２０が生じてしまうという不都合が生じる。
このように、溶け上がり２０が生じると、溶融・再凝固した制御端子１７の溶接部２９は、制御端子用パッド１２に溶け込むことが無く、極めて接合強度が低下してしまう。
また、特許文献１において、高強度鋼板をレーザ溶接方法で溶接する場合、溶接進行方向に対して、レーザ照射位置の後方近傍にロール式抜熱体を接触させて冷却しながら溶接することが開示されている。
特開２００６−６８８０８号公報
しかし、リン青銅に比べてバネ作用が無いため、制御端子用パッド１２に押し当てた状態を保持することが困難である。このため、制御端子１７の素材に純銅を用いるには、溶接時に制御端子１７を加圧保持するような治具が必要となる。リン青銅を用いた場合には、図示しないリン青銅をインサート成型した端子ケースにより、制御端子１７が制御端子用パッド１２に押し当てられた状態を保持できるため治具が不要である。
しかしながら、制御端子１７の素材としてリン青銅を用いた場合には、熱伝導率が純銅の１／５程度であり、体積Ｖが４ｍｍ3以下の小熱容量体となる場合には、熱が蓄積されて過度に溶け上がり２０が生じてしまうという不都合が生じる。
このように、溶け上がり２０が生じると、溶融・再凝固した制御端子１７の溶接部２９は、制御端子用パッド１２に溶け込むことが無く、極めて接合強度が低下してしまう。
また、特許文献１において、高強度鋼板をレーザ溶接方法で溶接する場合、溶接進行方向に対して、レーザ照射位置の後方近傍にロール式抜熱体を接触させて冷却しながら溶接することが開示されている。
このように、熱伝導率が小さい上側部材５（制御端子１７）で溶接箇所近傍が小熱容量体である場合、溶接部２８（溶接部２９）は過度に溶け上がってしまうため、充分な溶接面積を確保することが困難となる。
また、前記の特許文献１では、上側部材も下側部材も大面積の鋼板を対象としおり、抜熱体としてはロール式が記載されているが、半導体装置の制御端子のような上側部材で溶接箇所近傍が小熱容量体である場合に抜熱体で押さえて吸熱し、レーザ溶接による上側部材の過度な溶け上がり量を防止する方法については記載されていない。
この発明の目的は、前記の課題を解決して、熱伝導率が小さい上側部材で溶接箇所近傍が小熱容量体の場合でも、過度な溶け上がりがなく十分な溶接面積を確保し、高い接合強度を得ることができるレーザ溶接方法および半導体装置とその製造方法を提供することである。
また、前記の特許文献１では、上側部材も下側部材も大面積の鋼板を対象としおり、抜熱体としてはロール式が記載されているが、半導体装置の制御端子のような上側部材で溶接箇所近傍が小熱容量体である場合に抜熱体で押さえて吸熱し、レーザ溶接による上側部材の過度な溶け上がり量を防止する方法については記載されていない。
この発明の目的は、前記の課題を解決して、熱伝導率が小さい上側部材で溶接箇所近傍が小熱容量体の場合でも、過度な溶け上がりがなく十分な溶接面積を確保し、高い接合強度を得ることができるレーザ溶接方法および半導体装置と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、上側部材と下側部材を重ね合わせて、前記上側部材のレーザ照射される箇所近傍に抜熱体を接した状態で前記上側部材にレーザ光を照射することにより、前記上側部材と下側部材を接合するレーザ溶接方法において、前記上側部材の形状が前記下側部材より細長い長方形であり、前記レーザ照射される箇所から前記上側部材の長手方向の一方の端部までの最短距離と前記上側部材の幅と前記上側部材の厚さの積で算出される前記上側部材の体積が所定の体積以下の小熱容量体であることを特徴とするレーザ溶接方法とする。
また、前記上側部材の熱伝導率が純銅の熱伝導率の半分以下であり、前記所定の体積が４ｍｍ３である上側部材の場合に効果的である。
また、前記抜熱体が熱を外部に伝達する伝熱プローブであり、該伝熱プローブを前記上側部材に押し当てながらレーザ溶接する方法とする。
また、前記伝熱プローブの材料の熱伝導率が、溶接する上側部材と同等かそれ以上であるとよい。
また、前記上側部材と接しない前記伝熱プローブの他方の端部が冷却手段（冷却体など）に接続されていると連続してレーザ溶接する場合に抜熱効果を高めることができる。
また、前記上側部材の熱伝導率が純銅の熱伝導率の半分以下であり、前記所定の体積が４ｍｍ３である上側部材の場合に効果的である。
また、前記抜熱体が熱を外部に伝達する伝熱プローブであり、該伝熱プローブを前記上側部材に押し当てながらレーザ溶接する方法とする。
また、前記伝熱プローブの材料の熱伝導率が、溶接する上側部材と同等かそれ以上であるとよい。
また、前記上側部材と接しない前記伝熱プローブの他方の端部が冷却手段（冷却体など）に接続されていると連続してレーザ溶接する場合に抜熱効果を高めることができる。
また、前記レーザ溶接に用いるレーザ光の波長が１０６４ｎｍ（ＹＡＧレーザ）または５３２ｎｍ（ＹＡＧレーザの第２高調波）であると効果的である。
また、絶縁回路基板を構成する第１の回路パターンおよび第２の回路パターンと、前記第１の回路パターンにはんだで固着される半導体チップと、前記第２の回路パターンにレーザ溶接で固着される制御信号を伝達する制御端子とを備える半導体装置において、前記レーザ溶接で発生する熱を前記制御端子に押し当てた伝熱プローブで抜熱しながら形成された溶接部で前記制御端子と前記第２の回路パターンとが重ね合わせて固着され、前記制御端子の形状が前記第２の回路パターンより細長い長方形であり、前記レーザ溶接される箇所から前記制御端子の長手方向の一方の端部までの最短距離と前記制御端子の幅と前記制御端子の厚さの積で算出される前記制御端子の体積が所定の体積以下の小熱容量体であるとよい。
また、前記制御端子の熱伝導率が純銅の熱伝導率の半分以下であるとよい。
また、前記制御端子の材質がバネ作用を有するリン青銅である場合に効果を発揮する。また、絶縁回路基板を構成する第１の回路パターンおよび第２の回路パターンと、前記第１の回路パターンにはんだで固着される半導体チップと、前記第２の回路パターンにレーザ溶接で固着される制御信号を伝達する制御端子とを備える半導体装置の製造方法において、前記レーザ溶接で発生する熱を前記制御端子に押し当てた伝熱プローブで抜熱しながら前記制御端子と前記第２の回路パターンとを重ね合わせて溶接し、前記制御端子の形状が前記第２の回路パターンより細長い長方形であり、前記レーザ溶接される箇所から前記制御端子の長手方向の一方の端部までの最短距離と前記制御端子の幅と前記制御端子の厚さの積で算出される前記制御端子の体積が所定の体積以下の小熱容量体であるとよい。
また、絶縁回路基板を構成する第１の回路パターンおよび第２の回路パターンと、前記第１の回路パターンにはんだで固着される半導体チップと、前記第２の回路パターンにレーザ溶接で固着される制御信号を伝達する制御端子とを備える半導体装置において、前記レーザ溶接で発生する熱を前記制御端子に押し当てた伝熱プローブで抜熱しながら形成された溶接部で前記制御端子と前記第２の回路パターンとが重ね合わせて固着され、前記制御端子の形状が前記第２の回路パターンより細長い長方形であり、前記レーザ溶接される箇所から前記制御端子の長手方向の一方の端部までの最短距離と前記制御端子の幅と前記制御端子の厚さの積で算出される前記制御端子の体積が所定の体積以下の小熱容量体であるとよい。
また、前記制御端子の熱伝導率が純銅の熱伝導率の半分以下であるとよい。
また、前記制御端子の材質がバネ作用を有するリン青銅である場合に効果を発揮する。また、絶縁回路基板を構成する第１の回路パターンおよび第２の回路パターンと、前記第１の回路パターンにはんだで固着される半導体チップと、前記第２の回路パターンにレーザ溶接で固着される制御信号を伝達する制御端子とを備える半導体装置の製造方法において、前記レーザ溶接で発生する熱を前記制御端子に押し当てた伝熱プローブで抜熱しながら前記制御端子と前記第２の回路パターンとを重ね合わせて溶接し、前記制御端子の形状が前記第２の回路パターンより細長い長方形であり、前記レーザ溶接される箇所から前記制御端子の長手方向の一方の端部までの最短距離と前記制御端子の幅と前記制御端子の厚さの積で算出される前記制御端子の体積が所定の体積以下の小熱容量体であるとよい。
実施の形態を以下の実施例で説明する。尚、従来構造の部位と同一の部位には同一の符号を付した。
図１は、この発明の第１実施例の小熱容量体のレーザ溶接方法を示す構成図であり、同図（ａ）は要部平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断したレーザ照射直後の要部断面図、同図（ｃ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した溶接後の要部断面図である。
下側部材１の上面に上側部材５を重ね、さらに上側部材５のレーザ照射箇所６（レーザ照射を行う場所）に近い部分に伝熱プローブ８を押し当てた状態でレーザ光４を照射する。上側部材５は細長い長方形をしておりその幅は狭い。レーザ光４が上側部材５の表面に吸収され、熱エネルギに変換されることによって上側部材５のレーザ照射箇所６が溶融する。ここで、レーザ光が照射された上側部材５は、照射されたレーザスポット径に対してその幅が数倍程度しかないために熱が蓄積されていく。特に、上側部材５の材質が純銅の熱伝導率の半分以下で、上側部材５の形状が細長い長方形であり、前記レーザ照射箇所６が上側部材６の端部近傍に位置し、前記レーザ照射箇所６から端部まで最短距離Ｌと上側部材５の幅Ｗと上側部材６の厚さＴの積で算出される前記上側部材の体積２５が４ｍｍ3以下と体積が小さい場合には、この箇所が小熱容量体となり熱の蓄積が著しくなる。
しかしながら、レーザ照射箇所６の近傍に伝熱プローブ８が押し当てられているため、熱は伝熱プローブ８に伝導して抜熱されるので、上側部材５の溶接部９への入熱過多となることが無い。このため、図７（ｃ）に示すような溶け上がりが無く、充分な溶接面積を確保できる。
下側部材１の上面に上側部材５を重ね、さらに上側部材５のレーザ照射箇所６（レーザ照射を行う場所）に近い部分に伝熱プローブ８を押し当てた状態でレーザ光４を照射する。上側部材５は細長い長方形をしておりその幅は狭い。レーザ光４が上側部材５の表面に吸収され、熱エネルギに変換されることによって上側部材５のレーザ照射箇所６が溶融する。ここで、レーザ光が照射された上側部材５は、照射されたレーザスポット径に対してその幅が数倍程度しかないために熱が蓄積されていく。特に、上側部材５の材質が純銅の熱伝導率の半分以下で、上側部材５の形状が細長い長方形であり、前記レーザ照射箇所６が上側部材６の端部近傍に位置し、前記レーザ照射箇所６から端部まで最短距離Ｌと上側部材５の幅Ｗと上側部材６の厚さＴの積で算出される前記上側部材の体積２５が４ｍｍ3以下と体積が小さい場合には、この箇所が小熱容量体となり熱の蓄積が著しくなる。
しかしながら、レーザ照射箇所６の近傍に伝熱プローブ８が押し当てられているため、熱は伝熱プローブ８に伝導して抜熱されるので、上側部材５の溶接部９への入熱過多となることが無い。このため、図７（ｃ）に示すような溶け上がりが無く、充分な溶接面積を確保できる。
尚、前記の体積Ｖが４ｍｍ3より大きい場合には、熱容量が大きくなるため、溶け上がりが少なくなり、必ずしも伝熱プローブ８を押し当てる必要はない。
また、図１（ｃ）では上側部材５の端部が溶融していないが、前記の体積Ｖがさらに小さくなると端部まで溶融するようになるが、伝熱プローブ８で抜熱しているので溶接部９が盛り上がることはなく、高い接合強度が得られる。
図２に示すように上側部材５と接しない伝熱プローブ８の他方の端に冷却体３０を取り付けて、伝熱プローブ８が蓄熱されないようにするとよい。特に、連続してレーザ溶接する場合には伝熱プローブ８が徐々に蓄熱されて行くため、熱を逃がす冷却体３０の取り付けは有効である。また、伝熱プローブ８から効果的に抜熱できる冷却手段であれば冷却体３０に限らない。
また、伝熱プローブ８の熱伝導率は、上側部材５の熱伝導率と同等以上であるとよい。勿論大きければ大きいほど伝熱プローブ８での抜熱効果が大きくなるので望ましい。
また、熱を効率的に外部へ逃がすヒートパイプで伝熱プローブ８を製作すると効果的である。
また、伝熱プローブ８の先端の大きさは、接触する熱容量の小さな上側部材５の幅よりも広くした方が効率よく熱伝導ができて好ましい。
また、用いるレーザ光４の波長は、１０６４ｎｍ（ＹＡＧレーザ）または５３２ｎｍ（ＹＡＧレーザの第２高調波）が好適である。
また、図１（ｃ）では上側部材５の端部が溶融していないが、前記の体積Ｖがさらに小さくなると端部まで溶融するようになるが、伝熱プローブ８で抜熱しているので溶接部９が盛り上がることはなく、高い接合強度が得られる。
図２に示すように上側部材５と接しない伝熱プローブ８の他方の端に冷却体３０を取り付けて、伝熱プローブ８が蓄熱されないようにするとよい。特に、連続してレーザ溶接する場合には伝熱プローブ８が徐々に蓄熱されて行くため、熱を逃がす冷却体３０の取り付けは有効である。また、伝熱プローブ８から効果的に抜熱できる冷却手段であれば冷却体３０に限らない。
また、伝熱プローブ８の熱伝導率は、上側部材５の熱伝導率と同等以上であるとよい。勿論大きければ大きいほど伝熱プローブ８での抜熱効果が大きくなるので望ましい。
また、熱を効率的に外部へ逃がすヒートパイプで伝熱プローブ８を製作すると効果的である。
また、伝熱プローブ８の先端の大きさは、接触する熱容量の小さな上側部材５の幅よりも広くした方が効率よく熱伝導ができて好ましい。
また、用いるレーザ光４の波長は、１０６４ｎｍ（ＹＡＧレーザ）または５３２ｎｍ（ＹＡＧレーザの第２高調波）が好適である。
図３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。この半導体装置は、図１のレーザ溶接方法を用いて製造した半導体装置の構成図である。
この半導体装置の構成は、絶縁回路基板４０の回路パターンであるコレクタ銅箔１１にはんだ１５を介して半導体チップであるＩＧＢＴチップ１３が固着し、ＩＧＢＴチップ１３の制御信号パッド１４と絶縁回路基板４０の制御端子用パッド１２をアルミワイヤ１６で接続する。純銅の制御端子用パッド１２とリン青銅の制御端子１７を伝熱プローブ２１を押し当てながらのレーザ溶接による溶接部２２で固着する。制御端子１７は制御信号を伝達する端子である。
リン青銅の制御端子１７に伝熱プローブ２１を押し当てながらレーザ溶接することで溶け上がりなく接合面積も広く良好に制御端子１７と絶縁回路基板４０の制御端子用パッド２１が溶接されている。伝熱プローブ２１を押し当てた制御端子１７にはその押し当てた痕跡（図３の痕跡３１）が残留している場合もある。
また、このリン青銅の制御端子１７はバネ作用があるので、外部からの圧接力が小さい場合でも制御端子１７と制御端子用パッド１２の密着性が良好となり、レーザ溶接ができる。
この半導体装置の構成は、絶縁回路基板４０の回路パターンであるコレクタ銅箔１１にはんだ１５を介して半導体チップであるＩＧＢＴチップ１３が固着し、ＩＧＢＴチップ１３の制御信号パッド１４と絶縁回路基板４０の制御端子用パッド１２をアルミワイヤ１６で接続する。純銅の制御端子用パッド１２とリン青銅の制御端子１７を伝熱プローブ２１を押し当てながらのレーザ溶接による溶接部２２で固着する。制御端子１７は制御信号を伝達する端子である。
リン青銅の制御端子１７に伝熱プローブ２１を押し当てながらレーザ溶接することで溶け上がりなく接合面積も広く良好に制御端子１７と絶縁回路基板４０の制御端子用パッド２１が溶接されている。伝熱プローブ２１を押し当てた制御端子１７にはその押し当てた痕跡（図３の痕跡３１）が残留している場合もある。
また、このリン青銅の制御端子１７はバネ作用があるので、外部からの圧接力が小さい場合でも制御端子１７と制御端子用パッド１２の密着性が良好となり、レーザ溶接ができる。
尚、制御端子１７のリン青銅は熱伝導率が純銅の１／５程度と小さい。また、図１に相当する箇所で、レーザ照射箇所１８から制御端子１７の端部まで最短距離Ｌと制御端子１７の幅Ｗと制御端子１７の厚さＴの積で表される制御端子の体積Ｖ（後述の図４の体積Ｖ）は３ｍｍ×１．５ｍｍ×０．８ｍｍ＝３．６ｍｍ3である。この体積Ｖは４ｍｍ3以下であり、小熱容量体であるので、レーザパワーで容易に温度が上昇し、溶け上がりが起こるが、伝熱プローブ２１により抜熱しながらレーザ溶接することで溶け上がりを防止できる。
図４は、この発明の第３実施例の半導体装置の製造方法を示した図であり、同図（ａ）、同図（ｂ）は工程順に示した製造工程断面図であり、同図（ａ）はレーザ照射直後の製造工程断面図、同図（ｂ）は溶接後の製造工程断面図である。この製造工程断面図は図３（ｂ）のＡ部の断面に相当する。
図４は図３の半導体装置の製造方法であり、半導体装置に使用される絶縁回路基板４０の純銅の制御端子用パッド１２とリン青銅の制御端子１７とのレーザ溶接時に、伝熱プローブ２１を用いている。
リン青銅の制御端子１７が絶縁回路基板４０上に形成された純銅の制御端子用パッド１２に押し当てられた状態でレーザ光１９が照射される。このとき、レーザ照射箇所１８近傍に伝熱プローブ２１が押し当てられているため、レーザ光により生じた熱は熱容量の小さな制御端子１７に蓄積されずに伝熱プローブ２１に伝導していき、溶接部２２は過度に溶け上がることが無く、充分な溶接面積を確保することができる。
伝熱プローブ２１の材質としては、溶接する制御端子１７（リン青銅）の熱伝導率と同等以上のものを用いるのが良い。例えば、純銅や銅合金などがよい。
図４の伝熱プローブ２１の形状はテーパの付いた円柱状としたが、これに限らず熱伝導できれば角柱状でも構わない。また、図５に示す伝熱プローブ２３のように段差を持った形状としても構わない。
図４は図３の半導体装置の製造方法であり、半導体装置に使用される絶縁回路基板４０の純銅の制御端子用パッド１２とリン青銅の制御端子１７とのレーザ溶接時に、伝熱プローブ２１を用いている。
リン青銅の制御端子１７が絶縁回路基板４０上に形成された純銅の制御端子用パッド１２に押し当てられた状態でレーザ光１９が照射される。このとき、レーザ照射箇所１８近傍に伝熱プローブ２１が押し当てられているため、レーザ光により生じた熱は熱容量の小さな制御端子１７に蓄積されずに伝熱プローブ２１に伝導していき、溶接部２２は過度に溶け上がることが無く、充分な溶接面積を確保することができる。
伝熱プローブ２１の材質としては、溶接する制御端子１７（リン青銅）の熱伝導率と同等以上のものを用いるのが良い。例えば、純銅や銅合金などがよい。
図４の伝熱プローブ２１の形状はテーパの付いた円柱状としたが、これに限らず熱伝導できれば角柱状でも構わない。また、図５に示す伝熱プローブ２３のように段差を持った形状としても構わない。
１ 下側部材
２、５ 上側部材
４、１９ レーザ光
６ レーザ照射箇所
７ 溶け上がり
８、２１、２３ 伝熱プローブ
９、２２ 溶接部
１０ セラミックス
１１ コレクタ銅箔
１２ 制御端子用パッド
１３ ＩＧＢＴチップ
１４ 制御信号用パッド
１５ はんだ
１６ アルミワイヤ
１７ 制御端子
１８ レーザ照射箇所
３０ 冷却体
３１ 押さえ痕跡
４０ 絶縁回路基板
Ｌ 最短距離
Ｗ 幅
Ｔ 厚さ
Ｖ 体積（小熱容量体の体積）
２、５ 上側部材
４、１９ レーザ光
６ レーザ照射箇所
７ 溶け上がり
８、２１、２３ 伝熱プローブ
９、２２ 溶接部
１０ セラミックス
１１ コレクタ銅箔
１２ 制御端子用パッド
１３ ＩＧＢＴチップ
１４ 制御信号用パッド
１５ はんだ
１６ アルミワイヤ
１７ 制御端子
１８ レーザ照射箇所
３０ 冷却体
３１ 押さえ痕跡
４０ 絶縁回路基板
Ｌ 最短距離
Ｗ 幅
Ｔ 厚さ
Ｖ 体積（小熱容量体の体積）
Claims (10)
- 上側部材と下側部材を重ね合わせて、前記上側部材のレーザ照射される箇所近傍に抜熱体を接した状態で前記上側部材にレーザ光を照射することにより、前記上側部材と下側部材を接合するレーザ溶接方法において、前記上側部材の形状が前記下側部材より細長い長方形であり、前記レーザ照射される箇所から前記上側部材の長手方向の一方の端部までの最短距離と前記上側部材の幅と前記上側部材の厚さの積で算出される前記上側部材の体積が所定の体積以下の小熱容量体であることを特徴とするレーザ溶接方法。
- 前記上側部材の熱伝導率が純銅の熱伝導率の半分以下であり、前記所定の体積が４ｍｍ３であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接方法。
- 前記抜熱体が熱を外部に伝達する伝熱プローブであり、該伝熱プローブを前記上側部材に押し当てながらレーザ溶接することを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接方法。
- 前記伝熱プローブの材料の熱伝導率が、溶接する上側部材と同等かそれ以上であることを特徴とした請求項３に記載のレーザ溶接方法。
- 前記上側部材と接しない前記伝熱プローブの他方の端部が冷却手段に接続されていることを特徴とした請求項３または４に記載のレーザ溶接方法。
- 前記レーザ溶接に用いるレーザ光の波長が１０６４ｎｍ（ＹＡＧレーザ）または５３２ｎｍ（ＹＡＧレーザの第２高調波）であることを特徴とした請求項１のレーザ溶接方法。
- 絶縁回路基板を構成する第１の回路パターンおよび第２の回路パターンと、前記第１の回路パターンにはんだで固着される半導体チップと、前記第２の回路パターンにレーザ溶接で固着される制御信号を伝達する制御端子とを備える半導体装置において、前記レーザ溶接で発生する熱を前記制御端子に押し当てた伝熱プローブで抜熱しながら形成された溶接部で前記制御端子と前記第２の回路パターンとが重ね合わせて固着され、前記制御端子の形状が前記第２の回路パターンより細長い長方形であり、前記レーザ溶接される箇所から前記制御端子の長手方向の一方の端部までの最短距離と前記制御端子の幅と前記制御端子の厚さの積で算出される前記制御端子の体積が所定の体積以下の小熱容量体であることを特徴とする半導体装置。
- 前記制御端子の熱伝導率が純銅の熱伝導率の半分以下であることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
- 前記制御端子の材質がバネ作用を有するリン青銅であることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
- 絶縁回路基板を構成する第１の回路パターンおよび第２の回路パターンと、前記第１の回路パターンにはんだで固着される半導体チップと、前記第２の回路パターンにレーザ溶接で固着される制御信号を伝達する制御端子とを備える半導体装置の製造方法において、前記レーザ溶接で発生する熱を前記制御端子に押し当てた伝熱プローブで抜熱しながら前記制御端子と前記第２の回路パターンとを重ね合わせて溶接し、前記制御端子の形状が前記第２の回路パターンより細長い長方形であり、前記レーザ溶接される箇所から前記制御端子の長手方向の一方の端部までの最短距離と前記制御端子の幅と前記制御端子の厚さの積で算出される前記制御端子の体積が所定の体積以下の小熱容量体であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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