(57)【要約】【課題】スパッタの飛散を抑えることができる接合装置および接合体の製造方法を提供する。【解決手段】接合装置は、載置面２２ａを有する支持台２２、規制部材２３ならびにレーザ装置を有している。載置面２２ａには基板１２が半導体素子１３の表面電極１４を上へ向けて載せられる。表面電極１４には配線部材１５が重ねられる。配線部材１５の表面にはレーザ光Ｌを多重反射させるための穴４１が設けられている。配線部材１５は穴４１を上へ向けて表面電極１４に載せられる。規制部材２３は、載置面２２ａとの間で半導体素子１３が設けられた基板１２および配線部材１５を挟むことにより、表面電極１４と配線部材１５とが互いに離間する方向へ移動することを規制する。レーザ装置は、配線部材１５の表面の穴４１に規制部材２３の孔２３ａを介してレーザ光Ｌを照射することにより、表面電極１４と配線部材１５との接合界面を加熱する。【選択図】図９
2020127949.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
重ね合わせた２つの金属部材の重ね合わせ方向における動きを規制する規制装置と、
前記規制装置により前記２つの金属部材の動きが規制された状態で前記２つの金属部材のいずれか一方の表面に設けられた電磁波ビームを多重反射させるための穴に電磁波ビームを照射することにより前記２つの金属部材の接合界面に固相拡散を発生させるための熱を与える加熱装置と、を有している接合装置。
【請求項２】
前記電磁波ビームのエネルギ密度は、前記穴を有する前記金属部材における前記電磁波ビームが照射される部分を溶融させないレベルに設定される請求項１に記載の接合装置。
【請求項３】
前記規制装置は、重ね合わせた前記２つの金属部材を互いに押し付けない状態で前記２つの金属部材の互いに重ね合わせた方向における動きを規制する請求項１または請求項２に記載の接合装置。
【請求項４】
前記規制装置は、重ね合わせた前記２つの金属部材を互いに押し付けた状態で前記２つの金属部材の互いに重ね合わせた方向における動きを規制する請求項１または請求項２に記載の接合装置。
【請求項５】
重ね合わせた２つの金属部材のいずれか一方の表面に電磁波ビームを多重反射させるための穴を設ける第１の工程と、
前記２つの金属部材の重ね合わせ方向における動きを規制した状態で、前記穴に前記電磁波ビームを照射することにより前記２つの金属部材の接合界面に固相拡散を発生させるための熱を与える第２の工程と、を有している接合体の製造方法。
【請求項６】
前記電磁波ビームのエネルギ密度は、前記穴を有する前記金属部材における前記電磁波ビームが照射される部分を溶融させないレベルに設定される請求項５に記載の接合体の製造方法。
【請求項７】
前記２つの金属部材の重ね合わせ方向からみて、前記穴は、前記２つの金属部材の接合界面において接合されるべき狙いの接合範囲の投影領域の内側に位置している請求項５または請求項６に記載の接合体の製造方法。
【請求項８】
前記２つの金属部材の重ね合わせ方向からみて、前記穴は、前記２つの金属部材の接合界面において接合されるべき狙いの接合範囲の投影領域の中央に位置している請求項５〜請求項７のうちいずれか一項に記載の接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合装置および接合体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザ光を照射することによって２つの金属部材を接合する技術が知られている。たとえば特許文献１には、半導体素子表面の端子と配線とを接合する方法が記載されている。すなわち、半導体素子表面の端子と配線とを接合材を介して重ね合わせ、筒状の加圧ノズルにより半導体素子表面の端子と配線との接合部を押圧する。この状態で、レーザ光を加圧ノズルの内部を通じて配線の表面に照射することにより端子と配線との接合部を加熱して接合材を溶融させる。この溶融した接合材が接合層を形成することによって、端子と配線とが接合される。
【０００３】
また特許文献１には、配線とバスバーとを接合する方法についても記載されている。すなわち、配線とバスバーとを重ね合わせた状態でレーザ光を配線の表面に照射することにより、母材となる配線およびバスバーを溶融させる。これら配線およびバスバーにおける溶融した部分が凝固することにより、配線とバスバーとが接合される。配線およびバスバーは、たとえば銅により形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４８９４５２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の接合方法において、配線と端子とを接合する場合、半導体素子の耐熱温度の制約を受けることにより、接合材として融点が低い錫などが使用される。このため、照射するレーザ光のエネルギ密度は低くてよい。これに対し、配線とバスバーとを接合する場合、半導体素子のような耐熱温度についての制約がないため、母材となる配線およびバスバーを溶接により接合することが可能である。ただし、溶接を行う場合、融点の高い銅材を溶融させる必要があるため、照射するレーザ光のエネルギ密度を、母材を溶融させるだけのエネルギ密度まで高くする必要がある。
【０００６】
しかし、レーザ光を使用して配線と端子とを接合する場合、つぎのことが懸念される。すなわち、高エネルギ密度のレーザ光が配線に照射されることにより、配線におけるレーザ光が照射される部分は瞬時に溶融し、その溶融した金属の蒸発がはじまる。この蒸発に伴う金属蒸気の圧力によって、溶融した金属であるスパッタが飛散するおそれがある。
【０００７】
本発明の目的は、スパッタの飛散を抑えることができる接合装置および接合体の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成し得る接合装置は、重ね合わせた２つの金属部材の重ね合わせ方向における動きを規制する規制装置と、前記規制装置により前記２つの金属部材の動きが規制された状態で前記２つの金属部材のいずれか一方の表面に設けられた電磁波ビームを多重反射させるための穴に電磁波ビームを照射することにより前記２つの金属部材の接合界面に固相拡散を発生させるための熱を与える加熱装置と、を有している。
【０００９】
この構成によれば、２つの金属部材のいずれか一方の表面に設けられた穴に照射される電磁波ビームは、穴の内部で多重反射する。電磁波ビームは、穴の内壁面に反射するたびに徐々に金属部材に吸収されるため、当該金属部材は効率的に、かつ安定して加熱される。穴を有する金属部材の溶融、ひいては蒸発が急激に進むことが抑えられるため、溶融金属であるスパッタの飛散が抑制される。
【００１０】
電磁波ビームの照射を通じて金属部材に発生した熱は、当該金属部材の裏面側へ向けて伝達し、やがて２つの金属部材の接合界面に伝わる。このように、２つの金属部材の接合界面に固相拡散を発生させるための熱が与えられることによって金属部材が熱膨張する。２つの金属部材の互いに重ね合わせた方向への動きが規制されているため、金属部材の熱膨張により接合界面が加圧される。これにより、２つの金属部材の接合界面が密着するとともに、２つの金属部材の接合界面に固相拡散が発生して２つの金属部材が接合される。
【００１１】
上記の接合装置において、前記電磁波ビームのエネルギ密度は、前記穴を有する前記金属部材における前記電磁波ビームが照射される部分を溶融させないレベルに設定されることが好ましい。
【００１２】
この構成によれば、穴を含め金属部材における電磁波ビームが照射される部分の溶融が抑えられる。このため、溶融金属であるスパッタの発生を好適に抑制することができる。また、電磁波ビームが金属部材の穴の内部で多重反射することにより、当該金属部材における電磁波ビームの吸収率が大幅に増大する。このため、電磁波ビームのエネルギ密度が金属部材を溶融させないレベルに設定される場合であれ、２つの金属部材の接合界面に固相拡散を発生させるための熱を与えることができる。
【００１３】
上記の接合装置において、前記規制装置は、重ね合わせた前記２つの金属部材を互いに押し付けない状態で前記２つの金属部材の互いに重ね合わせた方向における動きを規制するようにしてもよい。
【００１４】
この構成によれば、金属部材の熱膨張による圧力を利用することによって、金属部材の外部から接合界面を加圧することなく２つの金属部材を接合することができる。このため、金属部材の外部から接合界面を加圧するための加圧装置が不要となる。
【００１５】
上記の接合装置において、前記規制装置は、重ね合わせた前記２つの金属部材を互いに押し付けた状態で前記２つの金属部材の互いに重ね合わせた方向における動きを規制するようにしてもよい。
【００１６】
この構成によれば、重ね合わせた前記２つの金属部材が互いに押し付けられることによって２つの金属部材の接合界面が加圧される。これにより、２つの金属部材をより密着させた状態で、電磁波ビームの照射を通じて２つの金属部材の接合界面に固相拡散を発生させるための熱を与えることができる。
【００１７】
上記目的を達成し得る接合体の製造方法は、重ね合わせた２つの金属部材のいずれか一方の表面に電磁波ビームを多重反射させるための穴を設ける第１の工程と、前記２つの金属部材の重ね合わせ方向における動きを規制した状態で、前記穴に前記電磁波ビームを照射することにより前記２つの金属部材の接合界面に固相拡散を発生させるための熱を与える第２の工程と、を有している。
【００１８】
この製造方法によれば、２つの金属部材のいずれか一方の表面に設けられた穴に照射される電磁波ビームは、穴の内部で多重反射する。電磁波ビームは、穴の内壁面に反射するたびに徐々に金属部材に吸収されるため、当該金属部材は効率的に、かつ安定して加熱される。穴を有する金属部材の溶融、ひいては蒸発が急激に進むことが抑えられるため、溶融金属であるスパッタの飛散が抑制される。
【００１９】
電磁波ビームの照射を通じて金属部材に発生した熱は、当該金属部材の裏面側へ向けて伝達し、やがて２つの金属部材の接合界面に伝わる。このように、２つの金属部材の接合界面に固相拡散を発生させるための熱が与えられることによって金属部材が熱膨張する。２つの金属部材の互いに重ね合わせた方向への動きが規制されているため、金属部材の熱膨張により接合界面が加圧される。これにより、２つの金属部材の接合界面が密着するとともに、２つの金属部材の接合界面に固相拡散が発生して２つの金属部材が接合される。
【００２０】
上記の製造方法において、前記電磁波ビームのエネルギ密度は、前記穴を有する前記金属部材における前記電磁波ビームが照射される部分を溶融させないレベルに設定されることが好ましい。
【００２１】
この製造方法によれば、穴を含め金属部材における電磁波ビームが照射される部分の溶融が抑えられる。このため、電磁波ビームの多重反射に伴って金属部材の溶融、ひいては蒸発の急激な進行が抑えられることと相まって、溶融金属であるスパッタの発生を好適に抑制することができる。また、電磁波ビームが金属部材の穴の内部で多重反射することにより、当該金属部材における電磁波ビームの吸収率が大幅に増大する。このため、電磁波ビームのエネルギ密度が金属部材を溶融させないレベルに設定される場合であれ、２つの金属部材の接合界面に固相拡散を発生させるための熱を与えることができる。
【００２２】
上記の接合体の製造方法において、前記２つの金属部材の重ね合わせ方向からみて、前記穴は、前記２つの金属部材の接合界面において接合されるべき狙いの接合範囲の投影領域の内側に位置していることが好ましい。
【００２３】
この製造方法によれば、電磁波ビームの照射を通じて、２つの金属部材の接合界面における狙いの接合範囲を加熱することができる。このため、２つの金属部材をこれらの接合界面における狙いの接合範囲で接合することが可能となる。
【００２４】
上記の接合体の製造方法において、前記２つの金属部材の重ね合わせ方向からみて、前記穴は、前記２つの金属部材の接合界面において接合されるべき狙いの接合範囲の投影領域の中央に位置していることが好ましい。
【００２５】
この製造方法によれば、電磁波ビームの照射を通じて、２つの金属部材の接合界面における狙いの接合範囲をその中央を基準として均等に加熱することができる。このため、２つの金属部材をこれらの接合界面における狙いの接合範囲で適切に接合することが可能となる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の接合装置および接合体の製造方法によれば、スパッタの飛散を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】接合装置の一実施の形態により２つの部品が接合されてなる接合体である半導体モジュールの正面図。
【図２】接合装置の一実施の形態の概略構成を示す構成図。
【図３】一実施の形態の接合装置を使用した接合体の第１の製造方法において、配線部材がその表面から加熱される状態を示す接合装置の要部断面図。
【図４】一実施の形態における２つの金属部材の接合界面における原子流動を示す接合界面の二次元モデル。
【図５】（ａ）は比較例におけるレーザ照射初期の金属部材の状態を示す要部断面図、（ｂ）は比較例におけるレーザ照射途中の金属部材の状態を示す要部断面図、（ｃ）は比較例におけるレーザ照射後の金属部材の状態を示す要部断面図。
【図６】（ａ）はキーホールと吸収率との関係を示すグラフ、（ｂ）はレーザ照射時間と吸収率との関係を示すグラフ。
【図７】一実施の形態の接合装置を使用した接合体の第２の製造方法において使用される配線部材の断面図。
【図８】一実施の形態の接合装置に重ね合わせた状態でセットされた２つの部材を規制部材側から見た要部平面図。
【図９】一実施の形態の接合装置を使用した接合体の第２の製造方法において、配線部材がその表面から加熱される状態を示す接合装置の要部断面図。
【図１０】一実施の形態におけるレーザ装置の出力の経時的変化を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、接合装置および接合体の製造方法を具体化した一実施の形態を説明する。接合装置は、電磁波ビームとしてのレーザ光（レーザビーム）を使用して金属あるいは金属部分を含む２つの部品を接合する装置である。
【００２９】
まず、２つの部品が接合されてなる接合体の一例を説明する。
図１に示すように、接合体としての半導体モジュール１１は、基板１２に設けられた半導体素子１３の表面電極１４と、配線部材１５とが接合されてなる。表面電極１４は、金（Ａｕ）により平板状あるいは薄膜状に設けられた金属部材である。配線部材１５は、銅（Ｃｕ）により平板状に設けられたバスバーあるいはリードフレームなどの金属部材である。配線部材１５の厚みは表面電極１４の厚みよりも厚い。
【００３０】
なお、表面電極１４と配線部材１５とは、固相拡散接合により接合される。固相拡散接合とは、接合する２つの母材（ここでは、表面電極１４および配線部材１５）を密着させて、これら母材の融点以下の温度条件で塑性変形をできるだけ生じない程度に加圧して、接合面間に生じる原子の拡散を利用して接合する方法をいう。
【００３１】
つぎに、接合装置について説明する。
図２に示すように、接合装置２１は、支持台２２、規制部材２３、駆動装置２４、加熱装置としてのレーザ装置２５、温度センサ２６、および制御装置２７を有している。
【００３２】
支持台２２は、基板１２および配線部材１５が載置される載置面２２ａを有している。載置面２２ａには、基板１２が半導体素子１３を上（載置面２２ａと反対側）へ向けて載せられる。半導体素子１３の表面電極１４には配線部材１５が重ねられる。
【００３３】
規制部材２３は、平板状に設けられている。規制部材２３は、支持台２２の載置面２２ａに対して平行をなしている。規制部材２３には、通過部としての孔２３ａが設けられている。孔２３ａの内周面には、載置面２２ａへ向かうにつれて縮径するテーパ面が設けられている。規制部材２３は、載置面２２ａに対して直交する方向に沿って移動可能に設けられている。規制部材２３は、初期位置Ｐ１と規制位置Ｐ２との間を移動する。初期位置Ｐ１は、載置面２２ａに基板１２および配線部材１５を重ねて置いたときの載置面２２ａを基準とする配線部材１５の上面の高さＨよりも高い位置である。規制位置Ｐ２は、載置面２２ａに基板１２および配線部材１５を重ねて置いたときの載置面２２ａを基準とする高さＨと同程度の高さとなる位置である。ちなみに、図２において、初期位置Ｐ１および規制位置Ｐ２は、規制部材２３の下面（載置面２２ａ側の側面）の位置を示す。
【００３４】
なお、規制部材２３および支持台２２の載置面２２ａは、互いに共働して２つの金属部材（配線部材１５および基板１２に設けられた半導体素子１３の表面電極１４）を互いに押し付けない状態でこれら金属部材の互いに重ね合わせた方向（載置面２２ａに対して直交する方向）における動きを規制する規制装置を構成する。
【００３５】
駆動装置２４は、規制部材２３を載置面２２ａに対して直交する方向に沿って移動させる。駆動装置２４は、モータあるいはシリンダなどの駆動源、および駆動源が発生する動力を規制部材２３に伝達する伝達機構を有している。図２では、駆動装置２４から規制部材２３への動力伝達を破線で示す。また、駆動装置２４は、規制部材２３を初期位置Ｐ１から規制位置Ｐ２へ移動させたときに規制部材２３を規制位置Ｐ２に固定するための固定機構を有している。固定機構としては、たとえば先の駆動源あるいは伝達機構の運動を規制するブレーキ機構あるいはロック機構が採用される。
【００３６】
レーザ装置２５は、規制部材２３の孔２３ａを介して配線部材１５の表面にレーザ光Ｌを照射する。
温度センサ２６は、配線部材１５の表面における規制部材２３の孔２３ａから露出する領域、すなわちレーザ光Ｌが照射される領域であるレーザ照射領域１５ａの表面温度を非接触で検出する。
【００３７】
制御装置２７は、駆動装置２４およびレーザ装置２５の動作を制御する。制御装置２７は、駆動装置２４を通じて規制部材２３を初期位置Ｐ１と規制位置Ｐ２との間で移動させる。また、制御装置２７は、温度センサ２６により検出されるレーザ照射領域１５ａの表面温度に基づき、表面電極１４と配線部材１５との接合界面Ｓｂの温度を推定する。接合界面Ｓｂとは、表面電極１４および配線部材１５において互いに接合される部分である２つの接合面１４ａ，１５ｂの境界をいう。接合面１４ａは、表面電極１４の表面、換言すれば表面電極１４の配線部材１５側の界面である。接合面１５ｂは、配線部材１５の裏面、換言すれば配線部材１５の表面電極１４側の界面である。制御装置２７は、接合界面Ｓｂの温度に基づきレーザ装置２５の出力を調節する。
【００３８】
制御装置２７は、記憶装置２７ａを有している。記憶装置２７ａには目標温度Ｔ＊が記憶されている。目標温度Ｔ＊は、表面電極１４と配線部材１５とを適切に接合するために必要とされる接合界面Ｓｂの温度の目標値である。目標温度Ｔ＊は、接合対象の金属部材（１４，１５）を固相拡散接合することが可能とされる下限温度（たとえば銅の場合、２００℃程度）以上、かつ接合対象の金属部材（１４，１５）の融点以下の範囲内の温度に設定される。
【００３９】
目標温度Ｔ＊は、表面電極１４と配線部材１５との接合率と、接合界面Ｓｂの温度との関係に基づき設定される。接合率とは、接合界面Ｓｂにおける実際に接合された部分の面積である真実接合面積と、接合界面Ｓｂにおける真実接合面積と実際には接合されていない部分の面積である見かけの接合面積とを合算した面積との比をいう。接合率と接合界面Ｓｂの温度との関係は、実験あるいはシミュレーションにより求められる。たとえば、接合界面Ｓｂの温度の上昇に対して接合率は徐々に増加し、やがて接合率は温度にかかわらず一定の値となる。表面電極１４と配線部材１５とを接合する際には、まず目標とする接合率が決定されて、その決定された接合率に基づき目標温度Ｔ＊が決定される。
【００４０】
制御装置２７は、接合界面Ｓｂの温度が目標温度Ｔ＊に一致するように、レーザ光Ｌの照射条件を制御する。レーザ光Ｌの照射条件としては、たとえば照射パワーおよび照射時間が挙げられる。レーザ光Ｌの照射パワーおよび照射時間が増加するほど、接合界面Ｓｂの温度は上昇する。
【００４１】
＜接合体の製造方法＞
つぎに、半導体モジュール１１の第１の製造方法を説明する。ただし、半導体素子１３が設けられた基板１２は、あらかじめ用意される。また、接合装置２１において、規制部材２３は初期位置Ｐ１に保持されている。載置面２２ａには、基板１２が半導体素子１３を上に向けた姿勢で載せられている。半導体素子１３の表面電極１４には、配線部材１５が重ねられている。この状態で、接合装置２１の動作が開始される。
【００４２】
図３に示すように、制御装置２７は、駆動装置２４を通じて規制部材２３を初期位置Ｐ１から規制位置Ｐ２へ移動させる。これにより、規制部材２３の下面（載置面２２ａ側の側面）が配線部材１５の上面（表面電極１４と反対側の側面）に接触した状態に維持される。このとき、配線部材１５が表面電極１４に対して積極的に押し付けられることはない。半導体素子１３が設けられた基板１２および配線部材１５が載置面２２ａと規制部材２３との間に挟まれることにより、表面電極１４および配線部材１５の互いに離間する方向Ｄ１，Ｄ２への移動が規制される。方向Ｄ１，Ｄ２は、載置面２２ａに対して直交する方向であって、表面電極１４および配線部材１５の重ね合わせ方向でもある。
【００４３】
つぎに、制御装置２７は、レーザ装置２５を通じてレーザ光Ｌを配線部材１５のレーザ照射領域１５ａに照射する。レーザ光Ｌが配線部材１５に吸収されることにより、配線部材１５が加熱される。図３に網掛けで示すように、レーザ光Ｌの照射により発生した熱は、配線部材１５の表面から裏面へ向けて伝達する。制御装置２７は、レーザ装置２５を通じて、最終的には配線部材１５の裏面である接合面１５ｂと表面電極１４の表面である接合面１４ａとの境界である接合界面Ｓｂの温度が目標温度Ｔ＊に達するまでレーザ光Ｌをレーザ照射領域１５ａに照射する。ちなみに、図３における網掛けは、網目（ドット）が密であるほど温度が高い領域であることを示し、網目が粗であるほど温度が低い領域であることを示す。
【００４４】
配線部材１５は加熱による温度上昇に伴い熱膨張する。ここで配線部材１５は、規制部材２３によって載置面２２ａと反対側（図３中の上側）へ向けた変形が規制されることから、配線部材１５は最も変形しやすい表面電極１４側（図３中の下側）へ向けて膨張する。このため、配線部材１５の厚み方向における熱膨張に伴って発生する下向きの圧力Ｐが表面電極１４の表面である接合面１４ａに作用する。この加圧に伴い、配線部材１５の接合面１５ｂおよび表面電極１４の接合面１４ａの微細な凹凸の峰同士が接触して潰れることにより、接合面１５ｂと接合面１４ａとの密着が進行する。
【００４５】
図４の接合界面の二次元モデルに示すように、接合開始の直後において、接合面１５ｂと接合面１４ａとの境界である接合界面Ｓｂには、ボイドＶｓが生じる。接合面１５ｂと接合面１４ａとの密着が進行することにより、やがて表面電極１４と配線部材１５との接合界面Ｓｂにおいて原子の拡散が生じる。この原子の拡散には、表面拡散Ａｓ、界面拡散Ａｂ、および体積拡散Ａｖが含まれる。表面拡散Ａｓとは、ボイドＶｓの表面を経路とする拡散をいう。界面拡散Ａｂとは、接合界面Ｓｂを経路とする拡散をいう。体積拡散Ａｖとは、結晶内を経路とする拡散をいう。この原子の拡散（固相拡散）および接合界面Ｓｂ近傍のクリープ変形を通じて接合界面ＳｂのボイドＶｓが収縮あるいは消滅し、表面電極１４の接合面１４ａと配線部材１５の接合面１５ｂとの接合が進行する。すなわち、ボイドＶｓが収縮して消滅するにつれて、接合界面Ｓｂにおける実際には接合されていない部分の面積である見かけの接合面積が減少する一方、接合界面Ｓｂにおける実際に接合された部分の面積である真実接合面積が増加する。
【００４６】
制御装置２７は、接合界面Ｓｂの温度が目標温度Ｔ＊に達したとき、この状態を所定の加熱時間だけ継続する。これにより、接合界面Ｓｂ近傍のクリープ変形および原子の拡散によりボイドＶｓの収縮および消滅が進行する。このボイドＶｓの収縮および消滅の進行に伴い接合率が増加して、やがて目標とする接合率に達する。目標とする接合率がたとえば「１（最大値）」である場合、表面電極１４の接合面１４ａおよび配線部材１５の接合面１５ｂにおける狙いの接合範囲の全面にわたって完全に接合される。接合面１４ａ，１５ｂにおいて相互に接合された部分においては、接合開始の直後に存在していた接合界面Ｓｂは消滅している。
【００４７】
ここで、配線部材１５の形成材料である銅は、金、銀およびアルミニウムとともに、熱吸収率（熱輻射率）が鉄などと比べて非常に小さい金属材料の一つである。また、配線部材１５の厚みは製品仕様などに応じて設定されるところ、配線部材１５の厚みが厚くなるほど、レーザ光Ｌが照射される配線部材１５の表面から裏面への熱伝導に時間を要するため、配線部材１５と表面電極１４との接合界面Ｓｂが適切な温度に加熱されるまでに時間を要する。このため、厚板部材としての配線部材１５と表面電極１４との接合界面Ｓｂを適切に、かつ迅速に加熱するために、少なくともレーザ光Ｌの照射初期において、レーザ装置２５の出力をより増大させること、換言すれば、エネルギ密度がより高いレーザ光Ｌを配線部材１５の表面に照射することが考えられる。この場合、配線部材１５の表面では、つぎのような事象が生じる。
【００４８】
図５（ａ）に示すように、配線部材１５の溶融に必要とされる高エネルギ密度（たとえば１０５〜１０６Ｗ／ｃｍ２以上）を有するレーザ光Ｌが配線部材１５の表面に照射されると、このレーザ光Ｌが配線部材１５の表面で吸収されることによって配線部材１５の表面は瞬時に溶融し、さらにこの溶融した部分が気化して金属蒸気３１が発生する。そして、この金属蒸気３１の反挑力によって配線部材１５の表面における溶融した部分が押し広げられて凹み３２が形成される。凹み３２に照射されるレーザ光Ｌが凹み３２を囲むかたちで形成される溶融部３３に吸収されることによって、凹み３２では溶融および気化が繰り返される。
【００４９】
ちなみに、銅などの金属は、固体の状態である場合よりも溶融した状態である場合の方が、レーザ光Ｌをよく吸収する性質がある。
図５（ｂ）に示すように、溶融および気化の繰り返しを通じて凹部３２がレーザ光Ｌの照射方向へ向けて徐々に深く成長することにより、やがて溶融部３３に囲まれた細く深い穴であるキーホール３４が形成される。キーホール３４は、金属蒸気圧と溶融部３３の表面張力による収縮圧とのバランスにより持続される。キーホール３４が持続している間、レーザ光Ｌは、キーホール３４の壁面において反射と吸収を繰り返してキーホール３４のより深い部分へ向けて進む。これにより、キーホール３４の底部における溶融および蒸発が進行し、キーホール３４はレーザ光Ｌの照射方向へ向けて徐々に深く成長する。ちなみに、キーホール３４の形成過程においては、金属蒸気３１の圧力によって、溶融金属であるスパッタ３５がレーザ光Ｌの照射点から激しく飛び出す。やがて配線部材１５と表面電極１４との接合が完了するタイミングで、レーザ光Ｌの照射が停止される。
【００５０】
図５（ｃ）に示すように、レーザ光Ｌの照射が停止されると、金属蒸気圧と溶融部３３の表面張力による収縮圧とのバランスが崩れることによって溶融部３３がキーホール３４の中に流れ込む。このキーホール３４の中に流れ込んだ溶融金属が冷却されて凝固することによって、凝固部３６が形成される。凝固部３６は、配線部材１５においてレーザ光Ｌの照射を通じた加熱による影響を受けて組織変化が生じた熱影響部を含む。
【００５１】
キーホール３４の深さとレーザ光Ｌの吸収率との関係は、つぎの通りである。すなわち、図６（ａ）のグラフに示すように、キーホール３４の深さが深くなるほど、レーザ光Ｌの吸収率が増加する。これは、キーホール３４の深さが深くなるほど、キーホール３４の内部におけるレーザ光Ｌの反射回数、換言すればレーザ光Ｌを吸収する回数が増加するからである。また、キーホール３４の深さが深くなるほど、レーザ光Ｌがキーホール３４の外に散乱されにくくなることもレーザ光Ｌの吸収率が増大する一因として考えられる。
【００５２】
また、レーザ光Ｌの吸収率の時間変化は、つぎの通りである。すなわち、図６（ｂ）のグラフに二点鎖線で示すように、キーホール３４が貫通する時刻ｔ１の前までは、レーザ光Ｌの照射時間の経過に対してレーザ光Ｌの吸収率は急激に上昇する。これは、キーホール３４が深く成長することに伴い、レーザ光Ｌから配線部材１５へ伝達されるエネルギが急激に増加することが一因として考えられる。キーホール３４が配線部材１５を貫通した後はレーザ光Ｌの中心部がキーホール３４を通過するため、レーザ光Ｌの照射時間の経過に対して出口側の穴径の拡大とともにレーザ光Ｌの吸収率は減少する。
【００５３】
このように、高エネルギ密度のレーザ光Ｌの照射を通じて配線部材１５の表面にキーホール３４が形成されることにより、配線部材１５、ひいては接合界面Ｓｂは、より速く加熱される。これは、キーホール３４の内部でレーザ光Ｌが多重反射することにより配線部材１５におけるレーザ光Ｌの吸収率が大幅に増大するとともに、配線部材１５の内部が直接加熱されることによる。
【００５４】
しかし、キーホール３４が形成される過程において溶融状態の金属であるスパッタ３５が飛散し、この飛散するスパッタ３５が基板１２の表面に付着するおそれがある。基板１２の表面に電気回路（図示略）が設けられる場合、この電気回路にスパッタ３５が付着することによって、たとえば電気回路の動作不良が発生することが懸念される。
【００５５】
このため、配線部材１５として熱が伝わりにくい厚板部材を採用する場合、スパッタ３５の飛散を抑えつつ、配線部材１５と半導体素子１３の表面電極１４とを接合することが要求される。そこで本実施の形態では、配線部材１５として厚板部材が採用される場合、前述した半導体モジュール１１の第１の製造方法に代えて、半導体モジュール１１の第２の製造方法により半導体モジュール１１を製造する。
【００５６】
つぎに、半導体モジュール１１の第２の製造方法を説明する。半導体モジュール１１の第２の製造方法は、第１の工程および第２の工程を有している。
図７に示すように、第１の工程では、厚板部材としての配線部材１５の表面に有底筒状の穴４１が設けられる。穴４１のサイズは、配線部材１５の表面に対して直交する方向に沿って照射されるレーザ光Ｌを穴４１の内部で多重反射させる観点に基づき設定される。穴４１のサイズには、穴４１の内径および深さ、ならびにアスペクト比が含まれる。穴４１のアスペクト比とは、穴４１の深さを穴４１の内径で除した値をいう。
【００５７】
穴４１は、配線部材１５が接合装置２１にセットされる前において、接合装置２１とは異なる他の加工装置によって形成される。穴４１は、配線部材１５の表面にレーザ光を照射することにより形成してもよいし、ドリルなどの刃具による除去加工を通じて形成してもよいし、治具あるいはパンチなどによる塑性加工を通じて形成してもよい。
【００５８】
穴４１は、配線部材１５の表面においてレーザ光Ｌが照射される部分であるレーザ照射領域１５ａに開口している。穴４１は、配線部材１５の表面を基準として接合面１５ｂの近傍位置まで延びている。穴４１は、表面電極１４と配線部材１５との接合界面Ｓｂにおいて実際に固相拡散接合により接合されるべき狙いの接合範囲４２に対応する位置に設けられる。狙いの接合範囲４２は、実験あるいはシミュレーションにより求められる。
【００５９】
図８に示すように、基板１２および配線部材１５が載置面２２ａと規制部材２３とによって挟まれた状態において、規制部材２３を上（配線部材１５と反対側）からみたとき、穴４１は規制部材２３の孔２３ａの中央、すなわちレーザ照射領域１５ａの中央に位置している。また、基板１２および配線部材１５が載置面２２ａと規制部材２３とによって挟まれた状態において、規制部材２３を上からみたとき、穴４１は、配線部材１５に対する狙いの接合範囲４２の投影領域４３の内側、かつ中央に位置している。
【００６０】
つぎに、第２の工程では、まず接合装置２１の載置面２２ａに基板１２が半導体素子１３を上に向けた姿勢で載せられる。この後、半導体素子１３の表面電極１４に配線部材１５が穴４１を上に向けた姿勢で重ねられる。規制部材２３は初期位置Ｐ１に保持されている。この状態で、接合装置２１の動作が開始される。
【００６１】
図９に示すように、制御装置２７は、駆動装置２４を通じて規制部材２３を初期位置Ｐ１から規制位置Ｐ２へ移動させる。これにより、表面電極１４および配線部材１５の互いに離間する方向Ｄ１，Ｄ２への移動が規制される。
【００６２】
つぎに、制御装置２７は、レーザ装置２５を通じてレーザ光Ｌを配線部材１５のレーザ照射領域１５ａにおける穴４１へ向けて照射する。このとき、制御装置２７は、配線部材１５におけるレーザ光Ｌが照射される部分が溶融しないようにレーザ装置２５の出力を制御する。制御装置２７は、たとえばレーザ光Ｌのエネルギ密度が配線部材１５の溶融に必要とされるエネルギ密度未満となるように、あるいは温度センサ２６を通じて検出される配線部材１５の表面におけるレーザ照射領域１５ａの表面温度が配線部材１５の融点を超えないように、レーザ装置２５の出力を調節する。
【００６３】
穴４１の開口から進入するレーザ光Ｌは、穴４１の内壁面において反射と吸収を繰り返しながら穴４１のより深い部分へ向けて進み、やがて穴４１の底部に至る。レーザ光Ｌは、穴４１の内部で多重反射することにより配線部材１５に効率的に、かつ安定して吸収される。レーザ光Ｌは、穴４１の内壁面に反射するたびに徐々に配線部材１５に吸収されるところ、穴４１の深さによっては最終的にレーザ光Ｌを１００％近く配線部材１５に吸収させることも可能である。配線部材１５は、内部から直接的に加熱される。
【００６４】
このときの時間の経過とレーザ光Ｌの吸収率との関係は、つぎの通りである。すなわち、先の図６（ｂ）のグラフに実線で示すように、時間の経過に対してレーザ光Ｌの吸収率は高いレベル（たとえば８０％以上）でほぼ一定となる。厚板部材である配線部材１５として一定の厚みを有するものが採用される場合と異なり、時間の経過に対してレーザ光Ｌの吸収率が急激に増加すること、すなわち配線部材１５が急激に加熱されることがない。これは、レーザ光Ｌの照射初期から穴４１の内部でレーザ光Ｌが多重反射することによって、レーザ光Ｌが徐々に配線部材１５に吸収されるからである。このため、配線部材１５の溶融あるいは蒸発の急激な進行が抑えられることによって、スパッタの飛散も抑制される。
【００６５】
また、レーザ光Ｌの照射初期から、レーザ光Ｌが穴４１の内部で多重反射することによって、配線部材１５は効率的に、かつ安定して加熱される。このため、図１０のグラフに実線で示されるように、レーザ光Ｌの照射初期から接合範囲４２の接合が完了するまでの期間、レーザ装置２５の出力、すなわちレーザ光Ｌのエネルギ密度を配線部材１５が溶融しないレベルに維持することが可能となる。図１０のグラフに二点鎖線で示されるように、厚板部材である配線部材１５として一定の厚みを有するものが採用される場合と異なり、少なくともレーザ光Ｌの照射初期において、レーザ装置２５の出力を配線部材１５が溶融するレベルまで増大させる必要はない。したがって、基本的には配線部材１５が溶融することがないことから、溶融金属であるスパッタも発生しない。
【００６６】
図９に網掛けで示すように、レーザ光Ｌの照射により発生した熱は、穴４１の半径方向における外側へ向けて均等に伝達するとともに、穴４１の内底面から配線部材１５の接合面１５ｂへ向けて伝達する。やがて配線部材１５と表面電極１４との接合界面Ｓｂにおける接合範囲４２の温度が目標温度Ｔ＊に達する。また、配線部材１５の厚み方向における熱膨張に伴って発生する下向きの圧力Ｐが表面電極１４の接合面１４ａに作用する。この加圧に伴い表面電極１４と配線部材１５との接合界面Ｓｂにおいて生じる原子の拡散を通じて、表面電極１４と配線部材１５とが狙いの接合範囲４２において接合される。
【００６７】
＜実施の形態の効果＞
したがって、本実施の形態によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）配線部材１５の表面に設定されるレーザ照射領域１５ａには、レーザ光Ｌを多重反射させるための穴４１が設けられている。この穴４１に向けてレーザ光Ｌが照射される。穴４１の内部においてレーザ光Ｌが多重反射することにより、レーザ照射初期からレーザ光Ｌの吸収率が大幅に増大する。このため、レーザ光Ｌは効率的に、かつ安定して配線部材１５に吸収される。配線部材１５の溶融、ひいては蒸発が急激に進むことがないため、溶融金属であるスパッタ３５の飛散が抑制される。
【００６８】
（２）また、レーザ光Ｌの照射初期であれ、レーザ光Ｌが穴４１の内部で多重反射することにより、配線部材１５は効率的に、かつ安定して加熱される。このため、レーザ光Ｌの照射初期から接合範囲４２の接合が完了するまでの期間、レーザ装置２５の出力を配線部材１５が溶融しないレベルに維持することが可能となる。配線部材１５として一定の厚みを有するものを採用する場合と異なり、レーザ光Ｌの照射初期においてキーホールを生成するために配線部材１５の表面を溶融させるレベルのレーザ光Ｌを照射する必要がない分、レーザ装置２５の出力を抑えることができる。また、レーザ装置２５の出力を抑えられる分、レーザ装置２５の電力消費量を低減することも可能である。さらに、レーザ装置２５としてより小型かつ低出力の安価な装置を採用可能となることにより、接合装置２１としての製品コストを低減することも可能である。
【００６９】
（３）また、制御装置２７は、配線部材１５のレーザ光Ｌが照射される部分を溶融させないようにレーザ装置２５の出力を制御する。基本的には配線部材１５が溶融することがないため、溶融金属であるスパッタの発生を好適に抑えることができる。また、レーザ光Ｌが穴４１の内部で多重反射することにより、配線部材１５におけるレーザ光Ｌの吸収率が大幅に増大する。このため、レーザ光Ｌのエネルギ密度が配線部材１５を溶融させないレベルに設定される場合であれ、表面電極１４と配線部材１５との接合界面Ｓｂに固相拡散を発生させるための熱を与えることができる。
【００７０】
（４）表面電極１４に対する配線部材１５の重ね合わせ方向からみて、穴４１は、配線部材１５に対する狙いの接合範囲４２の投影領域４３の内側に位置している。このため、穴４１の内部におけるレーザ光Ｌの多重反射を通じて、接合界面Ｓｂにおける狙いの接合範囲４２を適切に加熱することが可能である。ちなみに、穴４１が投影領域４３から外れた位置に存在する場合、接合界面Ｓｂにおける狙いの接合範囲４２から外れた部分で配線部材１５と表面電極１４が接合されるおそれがある。
【００７１】
（５）さらに、表面電極１４に対する配線部材１５の重ね合わせ方向からみて、穴４１は、配線部材１５に対する狙いの接合範囲４２の投影領域４３の中央に位置している。このため、穴４１の内部におけるレーザ光Ｌの多重反射を通じて、接合界面Ｓｂにおける狙いの接合範囲４２がその中央を基準として均等に、かつ安定して加熱される。したがって、表面電極１４と配線部材１５とをそれらの接合界面Ｓｂにおける狙いの接合範囲４２において好適に接合することができる。
【００７２】
（６）重ね合わせた２つの金属部材（１４，１５）の互いに離間する方向Ｄ１，Ｄ２への動きを規制した状態で２つの金属部材の接合界面Ｓｂに熱を与えることによって生じる金属部材の熱膨張による圧力を利用して２つの金属部材が接合される。金属部材の外部から接合界面Ｓｂを積極的に加圧することなく２つの金属部材を接合することができるため、金属部材の外部から接合界面Ｓｂを加圧するための加圧装置が不要である。接合装置２１には、加圧装置ではなく、規制部材２３を移動させる駆動装置２４が設けられるところ、この駆動装置２４は規制部材２３を移動させることができる程度の力を発生させるだけでよい。すなわち、加圧装置と異なり接合界面Ｓｂを加圧するための大きな力を発生させる必要がない。このため、駆動装置２４は、加圧装置に比べて体格を小さくすることができる。したがって、接合装置２１の体格を、加圧装置が設けられる接合装置の体格よりも小さくすることができる。
【００７３】
（７）載置面２２ａに重ねて置かれた２つの金属部材（１４，１５）に対して、最も上に位置する金属部材（１５）の表面に規制部材２３を接触させた状態に維持するだけで２つの金属部材の互いに離間する方向Ｄ１，Ｄ２への移動を規制することができる。また、接合装置２１の構成が複雑になることもない。
【００７４】
（８）規制部材２３には、配線部材１５の表面におけるレーザ照射領域１５ａに対応する孔２３ａが設けられている。このため、配線部材１５に対するレーザ光Ｌの照射を邪魔することなく、表面電極１４および配線部材１５の互いに離間する方向Ｄ１，Ｄ２への移動を規制することができる。
【００７５】
＜他の実施の形態＞
なお、本実施の形態は、つぎのように変更して実施してもよい。
・接合装置２１は、表面電極１４と配線部材１５との接合だけでなく、金属線材（ワイヤ）と基板１２上のパッド（電極）との接合、あるいは基板１２の表面にめっきなどにより成膜された金属と配線部材１５との接合など、種々の形状を有する金属部材同士を接合することが可能である。また、接合装置２１は、基板１２に設けられた金属部材としての半導体素子１３と、金属部材としての放熱部材（ヒートシンク）とを接合することもできる。固相拡散を利用した接合方法を実行することにより、半導体素子１３あるいは基板１２に対する熱的な影響を抑えつつ半導体素子と放熱部材とを接合することができる。
【００７６】
・接合対象の金属材料としては、金および銅のみならず、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、アルミシリコン合金（Ａｌ−Ｓｉ系）などの種々の金属材料を採用することができる。接合装置２１により、同種金属同士および異種金属同士を接合することが可能である。
【００７７】
・温度センサ２６に代えて、配線部材１５のレーザ照射領域１５ａからの赤外線量、あるいはレーザ光Ｌの反射量を検出するセンサを採用してもよい。赤外線量およびレーザ光Ｌの反射量（レーザ光Ｌの吸収量）は、配線部材１５の表面温度と相関がある。このため、レーザ照射領域１５ａからの赤外線量およびレーザ光Ｌの反射量に基づき接合界面Ｓｂの温度を推定することができる。また、非接触式の温度センサ２６に代えて、接触式の温度センサを使用してもよい。接触式の温度センサは、たとえば規制部材２３の配線部材１５に対する接触面に設けたり、規制部材２３を配線部材１５に近づける際に配線部材１５に接触するように設けたりする。また、基板１２に接触式の温度センサを設けるようにしてもよい。
【００７８】
・温度センサ２６に代えて、圧力センサを使用してもよい。圧力センサは、配線部材１５の熱膨張による圧力を検出する。制御装置２７は、配線部材１５の熱膨張による圧力（加圧力）と接合率との関係をあらかじめ記憶していて、圧力センサにより検出される圧力が目標とする接合率に対応する値に達したとき、接合界面Ｓｂが目標とする接合率に対応する温度に達したと判定する。
【００７９】
・駆動装置２４の駆動源および伝達機構の構成あるいは種類（タイプ）によるものの、駆動装置２４が停止した状態で駆動源および伝達機構における接触運動を行う部分の摩擦力によって規制部材２３を規制位置Ｐ２に固定できる場合、駆動装置２４として規制部材２３を規制位置Ｐ２に固定するための固定機構を割愛した構成を採用してもよい。
【００８０】
・規制部材２３の孔２３ａの形状は、円形あるいは四角形などの適宜の形状が採用される。すなわち、レーザ光Ｌを通過させることができれば孔２３ａの形状は問わない。また、規制部材２３には、孔２３ａに代えて切り欠き（除去される部分）を設けてもよい。切り欠きは、規制部材２３の側縁からレーザ光Ｌの照射経路に対応する部分（たとえば規制部材２３の中央部分）にわたって設けられる。
【００８１】
・規制部材２３として、つぎの構成を採用してもよい。たとえば規制部材２３は、間隔をあけて配置された複数（たとえば２つ）の部材を備えてなる。この構成を採用する場合、２つの部材の間の隙間はレーザ光Ｌを通過させる通過部として機能し、これら２つの部材の間の隙間を通じて表面電極１４の表面（レーザ照射領域１５ａ）にレーザ光Ｌが照射される。
【００８２】
・接合装置２１として、表面電極１４と配線部材１５とを固相拡散接合する際、規制部材２３を介して表面電極１４と配線部材１５との接合界面Ｓｂを配線部材１５の外部から加圧するようにしてもよい。この場合、接合装置２１には、駆動装置２４に代えて、あるいは駆動装置２４に加えて、配線部材１５の外部から接合界面Ｓｂを加圧するための加圧装置を設ける。また、加圧装置を設ける場合、規制部材２３を筒状の加圧ノズルとして設けてもよい。レーザ光Ｌは加圧ノズルの内部を通過して配線部材１５の表面に照射される。
【００８３】
・表面電極１４と配線部材１５との接合界面Ｓｂに固相拡散を発生させるための熱を与える加熱装置として、レーザ装置２５に代えて、電子ビームを照射する電子ビーム照射装置を採用してもよい。
【００８４】
・穴４１の形状として、円形に限らず、楕円、四角、三角および多角形などの適宜の形状を採用してもよい。すなわち、レーザ光Ｌの多重反射が発生するのであれば、穴４１の形状は問わない。穴４１のサイズ（深さ、内径、アスペクト比）についても同様である。
【００８５】
・接合装置２１に穴４１の加工機能を持たせてもよい。たとえば、接合装置２１に穴開け専用のレーザ装置を設け、このレーザ装置を通じて配線部材１５の表面にレーザ光を照射することにより穴４１を形成してもよい。ちなみに、レーザ光を使用して穴４１を設ける場合、接合装置２１のレーザ装置２５を使用してもよい。また、接合装置２１にドリルなどの刃具を有する穴開け機構を設け、この穴開け機構による除去加工を通じて穴４１を形成してもよい。また、接合装置２１にパンチなどを有するプレス機構を設け、このプレス機構による塑性加工を通じて穴４１を形成してもよい。このように穴４１の加工を接合装置２１で行う場合、基板１２が接合装置２１の載置面２２ａに載置される前の段階で配線部材１５の表面に穴加工を施すことが好ましい。これは、穴加工に伴い飛散する溶融金属あるいは粉塵が基板１２に付着することを抑制するためである。
【００８６】
・２つの金属部材（１４，１５）の接合界面Ｓｂが溶融しなければ、配線部材１５の表面、あるいは穴４１の内部は溶融してもよい。このようにしても、レーザ光Ｌが穴４１の内部で多重反射することにより配線部材１５が急激に加熱されることがない。このため、配線部材１５の溶融あるいは蒸発の急激な進行が抑えられることによって、溶融金属であるスパッタの飛散が抑制される。ちなみに、接合界面Ｓｂは溶融することがないため、接合界面Ｓｂが適切な温度に加熱されることによって接合界面Ｓｂに固相拡散を適切に発生させることが可能である。
【符号の説明】
【００８７】
１２…基板、１３…半導体素子、１４…表面電極（金属部材）、１５…配線部材（金属部材）、１５ａ…レーザ照射領域（ビーム照射領域）、１４ａ，１５ｂ…接合面、２１…接合装置、２２…支持台、２２ａ…規制装置を構成する載置面、２３…規制装置を構成する規制部材、２３ａ…孔、２５…レーザ装置（加熱装置）、２７…制御装置、４１…穴、Ｌ…レーザ光（電磁波ビーム）、Ｓｂ…接合界面。
【図１】
2020127949.tif 000003
【図２】
2020127949.tif 000004
【図３】
2020127949.tif 000005
【図４】
2020127949.tif 000006
【図５】
2020127949.tif 000007
【図６】
2020127949.tif 000008
【図７】
2020127949.tif 000009
【図８】
2020127949.tif 000010
【図９】
2020127949.tif 000011
【図１０】
2020127949.tif 000012