(57)【要約】【課題】溶接部の接合強度を高めることができる、レーザ溶接方法とレーザ溶接治具およびこの方法を用いた半導体装置を提供する。【解決手段】レーザ溶接治具１００の押圧部である複数の爪３９で加圧することで、第１部材である第１被溶接部材１と第２部材である第２被溶接部材２の間の隙間１０を３００μｍ以下にして、爪３９で挟まれた箇所の第２被溶接部材２にレーザ光３５を照射して２つの部材１，２をレーザ溶接する。【選択図】        図３
2015119072.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板と、
前記絶縁基板のおもて面に固定された表面導体パターンと、
前記表面導体パターンに電気的に接続された半導体チップと、
前記半導体チップに電気的に接続された第１部材と、
前記第１部材と複数の箇所でレーザ溶接されて電気的に接続された第２部材とを備え、
前記レーザ溶接箇所間の前記第１部材と前記第２部材との間隔が３００μｍ以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記レーザ溶接箇所の外縁間の距離が２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第１部材の厚さが０．５ｍｍ以上、前記第２部材の厚さが１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
少なくとも前記レーザ溶接箇所間の前記第１部材および前記第２部材が平面であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１部材と前記第２部材との位置を決める嵌合部を前記第１部材および前記第２部材に備え、前記レーザ溶接箇所が、前記嵌合部以外の場所であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記絶縁基板と前記表面導体パターンと前記半導体チップと前記第１部材の一部とを封止する封止材を備え、
複数の前記レーザ溶接箇所は、前記封止材で封止されていないことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項７】
複数の押圧部を備えたレーザ溶接治具を用いたレーザ溶接方法であって、
第１部材上に第２部材を載置する設置工程と、
前記第２部材を前記第１部材へ押し付ける方向へ複数の前記押圧部で前記第２部材を加圧し、前記第１部材と前記第２部材の間の隙間を３００μｍ以下にする加圧工程と、
前記加圧工程を行いながら前記押圧部間の前記第２部材の表面にレーザ光を照射し、前記第１部材と前記第２部材をレーザ溶接する第１溶接工程と、
を含むことを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項８】
前記第１溶接工程の後に、前記第１部材と前記第２部材との間隔が３００μｍ以下の領域で、前記第１部材と前記第２部材とをレーザ溶接する第２溶接工程
を含むことを特徴とする請求項７に記載のレーザ溶接方法。
【請求項９】
前記レーザ溶接箇所の中心点間の距離が４ｍｍ以下であることを特徴とする請求項８に記載のレーザ溶接方法。
【請求項１０】
前記第１部材および前記第２部材に前記第１部材と前記第２部材との位置を決める嵌合部を備えたレーザ溶接用法であって、
前記レーザ溶接箇所が、前記嵌合部以外の場所であることを特徴とする請求項８に記載のレーザ溶接方法。
【請求項１１】
絶縁基板と、前記絶縁基板のおもて面に固定された表面導体パターンと、前記表面導体パターンに電気的に接続された半導体チップと、前記半導体チップに電気的に接続された第１部材と、前記第１部材と複数の箇所でレーザ溶接されて電気的に接続された第２部材とを備えた半導体装置のレーザ溶接方法であって、
前記設置工程の前に、前記絶縁基板と前記表面導体パターンと前記半導体チップと前記第１部材の一部とを封止材で封止する封止工程を含むことを特徴とする請求項７から１０のいずれか一項に記載のレーザ溶接方法。
【請求項１２】
複数の押圧部を備え、
前記押圧部の間の距離は、レーザ光で溶接される幅の左右に０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下の距離を加えた距離であることを特徴とするレーザ溶接治具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、レーザ溶接方法とレーザ溶接治具およびこのレーザ溶接方法を用いた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１５は、一般的なパワー半導体モジュール５００の構成図である。このパワー半導体モジュール５００は、放熱ベース５１と、この放熱ベース５１に半田などの接合材５２を介して裏面導体パターン５３が固着するＤＣＢ基板５４と、ＤＣＢ基板５４の表側導体パターン５５に半田などの接合材５６を介して固着する半導体チップ５７と、放熱ベース５１に固着される端子インサート型樹脂ケース５８と、この端子インサート型樹脂ケース５８に固着される端子５９，６０，６１とを備える。
【０００３】
さらに、パワー半導体モジュール５００は、半導体チップ５７の図示しない表面電極、ゲートパッド、表側導体パターン５５および端子５９，６０，６１を備え、表面電極、ゲートパッド、表側導体パターン５５と、端子５９，６０，６１とをそれぞれ接続するボンディングワイヤ６２と、端子インサート型樹脂ケース５８に充填されるゲル封止材６３を備える。
【０００４】
ＤＣＢ基板５４は、セラミック絶縁基板５４ａ，裏面導体パターン５３および表側導体パターン５５で構成される。
近年、パワー半導体モジュール５００は、電流容量の増大と小型化が要求されており、それに伴い半導体チップ５７は、大電流を通電でき、かつ従来より小型化された形状にするため、高電流密度で使用される。このことから、近年のパワー半導体モジュール５００の重要課題は、ハイパワー動作での信頼性を確保するために、半導体チップ５７の発熱を効率よく放熱することである。
【０００５】
この課題を解決するために、従来のボンディングワイヤ６２に比べて通電経路の断面積が大きく熱容量の大きなリードフレームを、ボンディングワイヤ６２の代わりに利用し、配線用端子や外部導出端子としても利用する。この配線用端子を半導体チップ５７の上面側の主電極面に接合し、配線端子を伝熱経路として活用し、半導体チップ５７の発熱を上面側からも放熱させるようにした配線構造がある。
【０００６】
さらに、前記放熱性の向上とチップ温度分布を平均化させる手段として、高伝熱性のヒートスプレッダを半導体チップ上面に接合して、半導体チップ中央部の熱を周囲に分散させるようにした構造も特許文献１に記載されている。
【０００７】
また、前述のような配線構造において、リードフレームを用いた外部導出端子と前記配線用端子との間の接合に抵抗溶接，超音波接合の他、特許文献２に記載されているレーザ溶接が用いられている。レーザ溶接は、レーザ光のエネルギーで被溶接材を溶融後、冷却して凝固させることで被溶接材同士を接合する手法である。レーザ溶接は、抵抗溶接や超音波接合などの接合方法とは異なり、接合機器を部材に接触させることなく接合できる特徴を有する。レーザ溶接としては、レーザ光を連続的に照射して被溶接材を溶融するシーム溶接や、高出力のパルス波でレーザ光を照射して被溶接材を部分的に溶融させるスポット溶接が知られている。このスポット溶接は、レーザ光のエネルギー密度が高いため、シーム溶接に比べて深い溶け込みを得ることができ、被溶接材として厚みのある金属板材を用いて、金属板材を重ね合わせた状態でも接合が可能となる。
【０００８】
また、特許文献３では、リードフレーム端子を複数個所でレーザ溶接することや、重ねられた被溶接材のレーザ溶接する部分に凹凸を予め形成して被溶接材の位置決めをすることが開示されている。
【０００９】
また、特許文献４では、リードフレーム端子のレーザ溶接箇所が樹脂外に露出していることが開示されている。
また、特許文献５では、リードフレームを押えてレーザ溶接すること、レーザ溶接箇所の近傍を円柱状や角柱状の熱を抜き取る伝熱プローブで押さえてレーザ溶接することが開示されている。
【００１０】
また、特許文献６では、レーザ溶接箇所をメッキ処理すること、スパッタが半導体チップなどに飛散しないように半導体チップ上を樹脂で被覆することが開示されている。
また、特許文献７では、メッキ材がニッケル、パラジウム、金などであることが開示されている。
【００１１】
また、特許文献８では、リードフレームを局所的に薄くすることで剛性を低下させることが開示されている。
また、特許文献９では、スリットを介してレーザ溶接することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２０００−３０７０５８号公報
【特許文献２】特開２００４−９６１３５号公報
【特許文献３】特開２００１−４５６３４号公報（図１〜図７）
【特許文献４】特開２００７−２６５９６２号公報（図２、図８）
【特許文献５】特開２００９−１９００６７号公報（０００７段落、０００８段落、００１７段落）
【特許文献６】ＷＯ２００９−８１７２３明細書（図１、図８、００２４段落）
【特許文献７】特開２０１１−７７２７８号公報（００２６段落）
【特許文献８】特開２００８−９８５８５号公報（００４３段落）
【特許文献９】特開平７−１４９６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
パワー半導体モジュール５００は大電流の制御が可能なことから、電気自動車のモータ制御、モータ駆動用制御装置などあらゆる分野で使用されており、これらへの実装に際してパワー半導体モジュール５００には更なる小型化と高信頼性が求められている。モジュールの小型化への対応策の一つとして半導体チップ５７の小型化が進んでおり、これにより半導体チップ５７あたりの電流密度が高くなり、ハイパワー動作での高い信頼性を確保するためには半導体チップ５７の発熱を効率よく放熱することが課題となっている。
【００１４】
放熱性の向上を目的として、配線用端子を半導体チップ５７の主電極面に接合し、前記外部導出端子と前記配線用端子をレーザ溶接する場合に、レーザ溶接部の接合状態は放熱性および通電性などの接合部の長期信頼性に影響を及ぼす。
【００１５】
レーザ溶接部の接合面積が小さくなると、放熱経路が狭くなるだけでなく、大電流を通電した際に異常な発熱部位になる可能性がある。
また、パワー半導体モジュール５００などの半導体装置では温度変化の激しい環境下での使用と、大電流通電に伴うジュール発熱によりモジュール全体および局所的な熱変形が生じ、レーザ溶接部に応力が集中することが想定される。
【００１６】
レーザ溶接部の接合状態を不安定にする主要因としては、外部導出端子と配線用端子との位置づれと端子間の隙間が挙げられる。これらは部材（外部導出端子と配線用端子）の寸法公差や組立公差、組立作業性、モジュールの熱変形など様々な要因により発生する。また、重ね合わせた端子の位置ずれは、レーザ光による端子の貫通やモジュールの損傷を引き起こす恐れがある。さらに、端子間の隙間が大きい場合、下側の端子まで熱エネルギーが伝わらず、接合できない状態を引き起こす恐れがあった。
【００１７】
すなわち、外部導出端子と配線用端子をレーザ溶接する構成において、端子の位置ずれと端子間の隙間を最小限に抑え、安定したレーザ溶接部を形成することが重要である。
また、前記の特許文献１〜９において、複数の押圧部を有するレーザ溶接治具を用いて、重ねられた被溶接部材を一方から押さえてレーザ溶接することについては記載されていない。
【００１８】
この発明の目的は、前記の課題を解決して、溶接部の接合強度を高めた、半導体装置、レーザ溶接方法、およびレーザ溶接治具を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
前記の目的を達成するために、本発明の半導体装置は、絶縁基板と、前記絶縁基板のおもて面に固定された表面導体パターンと、前記表面導体パターンに電気的に接続された半導体チップと、前記半導体チップに電気的に接続された第１部材と、前記第１部材と複数の箇所でレーザ溶接されて電気的に接続された第２部材とを備え、前記レーザ溶接箇所間の前記第１部材と前記第２部材との間隔が３００μｍ以下であることを特徴とする。
【００２０】
この構成によれば、第１部材と第２部材の接合強度を高められる。
また、上記半導体装置において、前記レーザ溶接箇所の外縁間の距離が２ｍｍ以下であることが望ましい。
【００２１】
この構成によれば、溶接部間の距離が短いので、第１部材と第２部材の接合強度を高められる。
また、上記半導体装置において、前記第１部材の厚さが０．５ｍｍ以上、前記第２部材の厚さが１ｍｍ以下であることが望ましい。
【００２２】
この構成によれば、レーザ光のエネルギーを第１部材まで十分に熱伝導させることができ、第１部材と第２部材の接合強度を高められる。
また、上記半導体装置において、少なくとも前記レーザ溶接箇所間の前記第１部材および前記第２部材が平面であることが望ましい。
【００２３】
この構成によれば、第１部材と第２部材との間隔を３００μｍ以下にすることが容易になる。
また、上記半導体装置において、前記第１部材と前記第２部材との位置を決める嵌合部を前記第１部材および前記第２部材に備え、前記レーザ溶接箇所が、前記嵌合部以外の場所であることが望ましい。
【００２４】
この構成によれば、嵌合部で第１部材と第２部材とが位置決めされるので、溶接時に位置ずれし難くなる。
また、上記半導体装置において、前記絶縁基板と前記表面導体パターンと前記半導体チップと前記第１部材の一部とを封止する封止材を備え、複数の前記レーザ溶接箇所は、前記封止材で封止されていないことが望ましい。
【００２５】
この構成によれば、絶縁基板と前記表面導体パターンと前記半導体チップが封止材に封止されているので、レーザ溶接の際にスパッタが飛散しても周囲に付着して短絡させる等の害を及ぼさない。
【００２６】
本発明のレーザ溶接方法は、複数の押圧部を備えたレーザ溶接治具を用いたレーザ溶接方法であって、第１部材上に第２部材を載置する設置工程と、前記第２部材を前記第１部材へ押し付ける方向へ複数の前記押圧部で前記第２部材を加圧し、前記第１部材と前記第２部材の間の隙間を３００μｍ以下にする加圧工程と、前記加圧工程を行いながら前記押圧部間の前記第２部材の表面にレーザ光を照射し、前記第１部材と前記第２部材をレーザ溶接する第１溶接工程とを含むことを特徴とする。
【００２７】
この構成によれば、第１部材と第２部材の接合強度を高められる。
また、上記レーザ溶接方法は、前記第１溶接工程の後に、前記第１部材と前記第２部材との間隔が３００μｍ以下の領域で、前記第１部材と前記第２部材とをレーザ溶接する第２溶接工程を含むことが望ましい。
【００２８】
この構成によれば、第２溶接工程の溶接の接合強度を高められる。第２溶接工程を行なう際には、加圧工程を
また、上記レーザ溶接方法は、前記レーザ溶接箇所の中心点間の距離が４ｍｍ以下であることが望ましい。
【００２９】
この構成によれば、溶接部間の距離が短いので、第１部材と第２部材の接合強度を高められる。
また、上記レーザ溶接方法は、前記第１部材および前記第２部材に前記第１部材と前記第２部材との位置を決める嵌合部を備えたレーザ溶接用法であって前記レーザ溶接箇所が前記嵌合部以外の場所であることが望ましい。
【００３０】
この構成によれば、嵌合部がレーザ溶接によって直接変形することがないので、第１部材と第２部材の位置ずれを生じ難くさせることができる。
また、上記レーザ溶接方法は、絶縁基板と、前記絶縁基板のおもて面に固定された表面導体パターンと、前記表面導体パターンに電気的に接続された半導体チップと、前記半導体チップに電気的に接続された第１部材と、前記第１部材と複数の箇所でレーザ溶接されて電気的に接続された第２部材とを備えた半導体装置のレーザ溶接方法であって前記設置工程の前に、前記絶縁基板と前記表面導体パターンと前記半導体チップと前記第１部材の一部とを封止材で封止する封止工程を含むことが望ましい。
【００３１】
この構成によれば、絶縁基板と前記表面導体パターンと前記半導体チップが封止材に封止されているので、レーザ溶接の際にスパッタが飛散しても周囲に付着して短絡させる等の害を及ぼさない。
【００３２】
本発明のレーザ溶接治具は、複数の押圧部を備え、前記押圧部の間の距離は、レーザ光で溶接される幅の左右に０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下の距離を加えた距離であることを特徴とする。
【００３３】
この構成によれば、押圧部がレーザ光で溶接される溶融部分に接触することなく、溶接部の近傍を押圧できるので、第１部材と第２部材との位置ずれを生じ難くさせることができる。
【発明の効果】
【００３４】
この発明によれば、溶接部の接合強度を高められた、レーザ溶接方法とレーザ溶接治具およびこれを用いた半導体装置の製造方法と半導体装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】この発明に係る第１実施例のレーザ溶接の工程図である。
【図２】図１に続く、レーザ溶接の工程図である。
【図３】図２に続く、レーザ溶接の工程図である。
【図４】図３に続く、レーザ溶接の工程図である。
【図５】この発明に係る第２実施例のレーザ溶接治具の要部構成図である。
【図６】この発明に係る第３実施例の半導体装置の製造工程断面図である。
【図７】図６に続く、半導体装置の製造工程断面図である。
【図８】図７に続く、半導体装置の製造工程断面図である。
【図９】図８に続く、半導体装置の製造工程断面図である。
【図１０】エミッタ上側端子をエミッタ下側端子に重ねて載置した箇所の拡大図である。
【図１１】端子間の隙間と接合部のせん断強度の関係を示す図である。
【図１２】端子間の隙間と溶接部の関係を示した図である。
【図１３】樹脂封止なし場合のレーザ溶接時に発生するスパッタを示す図である。
【図１４】この発明に係る第４実施例の半導体装置の要部断面図である。
【図１５】一般的なパワー半導体モジュールの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
実施の形態を以下の実施例で説明する。
【実施例１】
【００３７】
図１〜図４は、この発明に係る第１実施例のレーザ溶接方法を示し、工程順に示した工程図である。図１〜図４の（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＹ−Ｙ線で切断した断面図である。
【００３８】
図１において、下側の第１部材である第１被溶接部材１上に、上側の第２部材である第２被溶接部材２を重ねて載置する。このときは溶接する箇所の両被溶接部材１，２の間の隙間１０は３００μｍより広い場合もある。第１、第２被溶接部材１，２は熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱伝導体であり、例えば、Ｃｕ（銅），Ｃｕ−Ｍｏ（銅・モリブデン），Ｃｕ−Ｗ（銅・タングステン），Ｍｏ（モリブデン），Ｗ（タングステン），Ａｌ−ＳｉＣ（アルミ・シリコンカーバイト），Ｓｉ−ＳｉＣ（シリコン・シリコンカーバイト）などである。また、レーザ光が照射される第２被溶接部材２の表面に、例えば、無電解Ｎｉ−Ｐ（ニッケル・リン）めっき、無電解Ｎｉ−Ｂ（ニッケル・ボロン）めっき、電気Ｎｉ（ニッケル）めっきを施すと、レーザ光の吸収率が向上するので好ましい。
【００３９】
つぎに、図２において、レーザ溶接治具１００の支柱４０は、例えば、図示しない空気圧駆動のシリンダなどの加圧装置により加圧される。レーザ溶接治具１００は、支柱４０の先端に設けられた押圧部である二本の爪３９の間に溶接部５となる箇所が位置するように移動され、第２被溶接部材２上を３×９．８Ｎ程度の力４で加圧して、両被溶接部材１，２の間の隙間１０を３００μｍ以下にする。この二本の爪３９は前記したように、第１、第２被溶接部材１，２を重ねて両者の隙間１０を小さくするために必要である。また、二本の爪３９の第２被溶接部材２に接触する箇所の長さＬは例えば１ｍｍ程度の直線状である。また、図では接触する２箇所は一直線上に並んだ場合を示したが、互いに対向して平行な場合もある。
【００４０】
つぎに、図３において、溶接箇所となる照射面６にレーザ光３５を照射し溶接する。レーザ光３５はパルス波のレーザ光である。爪３９は、溶接箇所が凝固するまで状態を保持している。なお、溶接箇所は、周囲の被溶接部材１，２に熱を拡散するため速やかに冷却され凝固する。
【００４１】
溶接箇所が多数ある場合には、さらに、図４において、１回目のレーザ溶接が終了した後、二本の爪３９を１回目のレーザ溶接した箇所（溶接部５）とは異なる場所に移動し、２回目以降のレーザ溶接は二本の爪３９で第２被溶接部材２を圧接しないで、溶融部５に隣接して行なう。２回目以降のレーザ溶接では、１回目のレーザ溶接で２つの被溶接部材１，２の間の隙間が３００μｍ以下に確保されているため、爪３９で第２被溶接部材２を圧接する必要がない。２回目以降にレーザ溶接される箇所は、２つの被溶接部材１，２の間の隙間が３００μｍ以下に確保されている領域であれば、特に限定されない。
【００４２】
上記の溶接方法によれば、２回目以降のレーザ溶接で、二本の爪３９で押える工程を省略できるため、デットタイムを短縮できる。また、２回目以降のレーザ溶接する箇所を、一回目のレーザ溶接箇所の近傍（２ｍｍ以内）に設けることで、レーザ溶接による溶接部５の間の間隔を狭くすることができ、接合強度を向上できる。
【００４３】
勿論、二本の爪３９とレーザ光３５を一体で移動させ、その都度、二本の爪３９で押えて、レーザ溶接しても構わない。
また、第１被溶接部材１（図７のエミッタ下側端子３０に相当ずる部材）の厚さを０．５ｍｍ以上にし、第２被溶接部材２（図８のエミッタ上側端子３３に相当する部材）の厚さを１ｍｍ以下にすると良好にレーザ溶接ができる。第１被溶接部材１の厚さが０．５ｍｍ未満であると、溶接される部位が第１被溶接部材１の裏面側を突き抜ける恐れがある。第２被溶接部材２の厚さが１ｍｍを超えると、溶接される部位が第１被溶接部材１の内部まで十分に拡大できず、溶接強度が低下する恐れがある。この溶接強度を増加させるためにレーザ光の出力を上げすぎると、爪３９への熱伝導が増え、爪３９が変形する恐れがある。
【００４４】
また、レーザ溶接箇所の中心点間の距離が４ｍｍ以下であることが望ましい。中心点間の距離が４ｍｍより広いと、４ｍｍ以下の場合に比べて第１部材と第２部材の接合強度が弱くなり易い。
【実施例２】
【００４５】
図５は、この発明に係る第２実施例のレーザ溶接治具１００の要部構成図であり、同図（ａ）は全体の斜視図、同図（ｂ）は二本の爪３９の側面図、同図（ｃ）は二本の爪３９の正面図である。
【００４６】
このレーザ溶接治具１００は、支柱４０と、この支柱４０に接続し、溶接位置近傍の両端を押さえる２つの対向する二本の爪３９を備える。二本の爪３９の先端は、ナイフの刃のように直線状であり、丸められている。図５では、二本の爪３９の直線状の先端の方向は爪３９の延長方向に対して水平方向に９０度回転させた角度で設けられているが、爪３９の延長方向と同じ方向にしても構わない。
【００４７】
前記した図３に示すように、この二本の爪３９の間の間隔Ｔはレーザ光３５と干渉しない程度に広くした構造であり、レーザ光３５で溶融し、固化した溶接部５（溶融痕）の大きさより広くする。具体的には例えば、レーザ光３５の照射面６の直径Ｄ１が０．４ｍｍ程度の場合、溶接部５の直径Ｄ２は１．５ｍｍ程度である。溶接部５から二本の爪３９を０．５ｍｍ〜３ｍｍ程度それぞれ離して、二本の爪３９の間隔Ｔを２．５〜７．５ｍｍ程度にすると、二本の爪３９とレーザ光３５が干渉せず（二本の爪３９にレーザ光３５が当たることがなく）、さらに溶接部５が二本の爪３９に接することもないので好ましい。レーザ光３５は、この二本の爪３９の間の箇所に照射される。爪３９で押圧される場所はレーザ光３５の照射面６の近傍に位置し、この二本の爪３９で第２被溶接部材２の溶接部５となる箇所の近傍を加圧して、２つの被溶接部材１，２の間の隙間を３００μｍ以下にする。この状態で、レーザ光３５を二本の爪３９の間に照射して、被溶接部材１，２をレーザ溶接する。
【００４８】
前記の二本の爪３９の間隔Ｔが広すぎると、第１被溶接部材１と第２被溶接部材２の密着性が悪くなり、互いの間の隙間１０が３００μｍより広くなり溶接部５の接合強度が低下する。このレーザ溶接治具１００を用いることにより、溶接部５となる箇所の近傍を押さえることが可能となり、レーザ光３５が照射される直下の被溶接部材１，２の間の隙間１０を３００μｍ以下に狭め、接合状態を安定化することができる。
【実施例３】
【００４９】
図６〜図９は、この発明に係る第３実施例の半導体装置２００の製造方法であり、工程順に示した製造工程断面図である。この工程は、半導体チップ上の配線用端子を外部導出端子にレーザ溶接により接合した半導体装置の組立工程を示す。尚、この組み立て工程では前記したレーザ溶接方法が適用されている。
【００５０】
図６において、伝熱性の高い材料（例えばＣｕ、Ａｌ）からなる放熱ベース２１上にＤＣＢ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｕｐｐｅｒ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）基板２４の裏面導体パターン２３を半田などの接合材２２を介して配置する。続いて、前記ＤＣＢ基板２４の表面に形成された表側導体パターン２５上に半導体チップ２７およびコレクタ端子３１を半田などの接合材２６，２９を介して配置する。続いて、前記半導体チップ２７の図示しない主電極面上にエミッタ下側端子３０を接合材２８を介して配置する。このエミッタ下側端子３０は、例えば厚さが１．５ｍｍ程度の配線用端子である。加熱工程により各接合材２２，２６，２８，２９を溶融させた後、冷却・再凝固させることで各部材が一体となり、半導体チップ２７（例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）チップとＦＷＤ（Ｆｒｅｅ  Ｗｈｅｅｌｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）チップ）はエミッタ下側端子３０を介して電気的に接続される。エミッタ下側端子３０は配線用端子（第１導体）であり、導電性および伝熱性の高い材料で形成され、例えば銅部材が用いられる。尚、ＤＣＢ基板２４は、セラミック絶縁基板２４ａと、裏面導体パターン２３および表側導体パターン２５で構成される。
【００５１】
つぎに、図７において、図６の各部材を樹脂封止材３２で封止する。樹脂封止材３２としては、例えば、エポキシ系樹脂が用いられる。放熱ベース２１の周囲を壁で囲みその中に液状のエポキシ樹脂をポッテングし、それを硬化させることで封止が行なわれる。このとき、エミッタ下側端子３０の上面およびコレクタ端子３１の上面は封止せずに露出させて、半導体チップ２７上と接合材２８を樹脂封止する。
【００５２】
尚、樹脂封止する領域は、放熱ベース２１の上部、ＤＣＢ基板、半導体チップ２７および表側導体パターン２５上である。この樹脂封止材３２の表面３２ａはエミッタ下側端子３０の裏面３０ａに接触しないようにする。樹脂封止材３２の表面３２ａとエミッタ下側端子３０の裏面３０ａとが接触した構造である場合、レーザ溶接時にエミッタ下側端子３０の裏面３０ａからの放熱が抑制されて溶融部が拡大し易くなる、そうすると、溶融部がエミッタ下側端子３０を貫通し易くなるので好ましくない。
【００５３】
また、レーザ溶接時のスパッタが少ない場合には、樹脂封止の工程を省く場合もある。
つぎに、図８において、図７に示したエミッタ下側端子３０の上に、外部導出端子（第２導体）であるエミッタ上側端子３３を重ねる。エミッタ上側端子３３の厚さは、例えば１．０ｍｍである。このとき、端子３０，３３間の隙間２０は３００μｍ超になることがある。エミッタ上側端子３３は導電性および伝熱性の高い材料で形成され、例えば銅部材が用いられる。エミッタ上側端子３３の表面は、例えば電気Ｎｉめっきが施されている。
【００５４】
つぎに、図９において、エミッタ上側端子３３の表面をレーザ溶接治具１００の二本の爪３９で押さえて、端子３０，３３の間の隙間２０を３００μｍ以下にする。続いて、二本の爪３９の間のエミッタ上側端子３３の表面にレーザ光３５を照射して、エミッタ上側端子３３とエミッタ下側端子３０をレーザ溶接する。隣接した箇所に２回目のレーザ溶接する時には、エミッタ上側端子３３とエミッタ下側端子３０の間の隙間２０は３００μｍ以下になっているので、エミッタ上側端子３３の表面を二本の爪３９で押えなくてもよい。勿論、二本の爪３９で押えながらレーザ溶接しても構わない。
【００５５】
レーザ溶接箇所の外縁間の距離は、２ｍｍ以下であることが望ましい。この距離が２ｍｍより長いと、第１部材と第２部材との間の距離が長くなり易くなるので、第１部材と第２部材の接合強度が弱くなり易い。
【００５６】
図１０（ａ）〜（ｃ）は、エミッタ上側端子３３（第２部材）をエミッタ下側端子３０（第１部材）に重ねて載置した箇所の拡大図であり、図１０（ａ）はエミッタ上側端子３３に凸部３６加工、エミッタ下側端子３０に凹３７加工を施した断面図、図１０（ｂ）はエミッタ上側端子３３の凸部３６とエミッタ下側端子３０の凹部３７を嵌合させた断面図、図１０（ｃ）は二本の爪３９で押しながらレーザ溶接している断面図である。各々の端子３０，３３に凹凸加工を施すことで、エミッタ上側端子３３の位置決めを行い、組み立て時の端子の位置ずれを抑制する。
【００５７】
さらに、端子３０，３３の間に生じる隙間２０を低減するために、レーザ溶接治具１００の二本の爪３９でエミッタ上側端子３３の上面を押さえつけ、エミッタ上側端子３３とその下の配置されるエミッタ下側端子３０の間の隙間２０を３００μｍ以下にした状態でレーザ光を照射することで良好な溶接部３４が得られる。
【００５８】
図１１は、端子３０，３３間の隙間２０と溶接部３４のせん断強度の関係を示す図である。図１１に示すように、エミッタ上側端子３３とエミッタ下側端子３０をスペーサを介して重ね合わせ、端子３０，３３間の隙間２０を制御した状態でレーザ溶接し、そのせん断強度を密着時（隙間なし）を基準にした規格値で示した。また、ここではせん断強度は端子３０，３３間を左右に引っ張ったときの引張強度であり溶接部３４の接合強度を表わす。
【００５９】
図１１から端子３０，３３間の隙間２０が３００μｍまでは，隙間なしのせん断強度より大きなせん断強度を示し、隙間が４００μｍになると、隙間なしの時に比べてせん断強度が３０％程度低下し、隙間が５００μｍではレーザ溶接ができなくなることが分かる。密着させた場合（隙間なし）のせん断強度以上を得るためには、端子３０，３３間の隙間を３００μｍ以下にする必要がある。また、図５に示すレーザ溶接治具１００を用いることで、密着した場合以上のせん断強度を容易に得ることができる。
【００６０】
また、隙間が３００μｍ超になると、せん断強度の低下と伴に溶接部３４の熱抵抗が増大するなどの影響が出てくる。そのため、端子３０，３３間の隙間は３００μｍ以下にすることが好ましい。
【００６１】
図１２（ａ）〜（ｃ）は、端子３０，３３間の隙間２０と溶接部３４の関係を示した図であり、図１２（ａ）は端子３０，３３間の隙間２０がない場合の断面図、図１２（ｂ）は端子３０，３３間の隙間２０が３００μｍ以下の場合の断面図、図１２（ｃ）は端子３０，３３間の隙間２０が３００μｍ超の場合の断面図である。
【００６２】
図１２（ａ）において、端子３０，３３間の隙間なし（密着した）の場合には端子３０，３３の境界部４９での溶接部３４ａの広がりはない。
図１２（ｂ）において、端子３０，３３間の隙間が３００μｍ以下の場合には、隙間で溶融部が広がりより、溶接部３４ｂの面積が隙間なしの場合より大きくなる。そのため、せん断強度が隙間なしの場合より大きくなる。
【００６３】
図１２（ｃ）において、端子３０，３３間の隙間２０が３００μｍ超になると、隙間２０での溶接部３４ｃは中央部で狭まり面積が小さくなり、せん断強度を低下させる。
図１３は、樹脂封止しない場合のレーザ溶接時に発生するスパッタ４２（金属飛散）を示す図である。このスパッタ４２が半導体チップ２７および表側導体パターン２５上に付着して絶縁不良等を引き起こす。そのため、半導体チップ２７上と接合材２８上まで樹脂封止することで、これを防止することができる。
【００６４】
前記したように、前記のレーザ溶接治具１００を用いて、エミッタ下側端子３０およびエミッタ上側端子３３との隙間を３００μｍ以下になるように加圧し、前記したレーザ溶接方法で、エミッタ下側端子３０とエミッタ上側端子３３を接合することで、安定した接合強度を確保する。
【００６５】
また、エミッタ下側端子３０およびエミッタ上側端子３３の材質は、熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱伝導体であること好ましい。例えば、Ｃｕ（銅）、Ｃｕ−Ｍｏ（銅・モリブデン）、Ｃｕ−Ｗ（銅・タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）、Ａｌ−ＳｉＣ（アルミニウム・シリコンカーバイト）、Ｓｉ−ＳｉＣ（シリコン・シリコンカーバイト）が好適に用いられる。
【００６６】
また、エミッタ下側端子３０の厚みは０．５ｍｍ以上、エミッタ上側端子３３のの厚みは１ｍｍ以下にするとよい。これは０．５ｍｍ未満ではレーザ溶接部がエミッタ下側端子３０を貫通するため好ましくない。そのため、より好ましくは、０．８ｍｍ以上にするとよい。
【００６７】
また、エミッタ上側端子３３の厚さが１ｍｍより厚くなると、レーザ溶接のエネルギーがエミッタ上側端子３３で消費されるエネルギーの割合が増加し、エミッタ下側端子３０で消費されるエネルギーの割合が小さくなる。その結果、エミッタ下側端子３０の溶融箇所の面積が小さくなり、せん断強度が低下するので好ましくない。
【００６８】
また、エミッタ下側端子３０およびエミッタ上側端子３３の双方、もしくはレーザ光が照射されるエミッタ上側端子３３がレーザ光のエネルギーを吸収し易い素材でめっき処理されていることが好ましい。例えば、無電解Ｎｉ−Ｐ（ニッケル・リン）めっき、無電解Ｎｉ−Ｂ（ニッケル・ボロン）めっき、電気Ｎｉ（ニッケル）めっきが用いられる。
【実施例４】
【００６９】
図１４は、この発明に係る第４実施例の半導体装置２００の要部断面図である。この半導体装置２００は、前記実施例１のレーザ溶接方法と前記実施例２のレーザ溶接治具１００を用いて製造されたものである。
【００７０】
この半導体装置２００は、放熱ベース２１と、この放熱ベース２１に半田などの接合材２２を介して裏面導電膜２３が固着するＤＣＢ基板２４と、ＤＣＢ基板２４の表側導体パターン２５に半田などの接合材２６を介して固着する半導体チップ２７を備える。尚、前記のＤＢＣ基板は絶縁板２４ａと裏面に固着した裏面導電膜２３とおもて面に固着した表面側導体パターン２５からなる。また、前記の半導体チップ２７の表面電極に半田などの接合材２８を介して固着されるエミッタ下側端子３０と、このエミッタ下側端子３０にレーザ溶接で固着されたエミッタ上側端子３３と、表側導体パターン２５に半田などの接合材２９を介して固着されたコレクタ端子３１を備える。放熱ベース２１の側面および裏面と、エミッタ下側端子３０の表面と、コレクタ端子３１の先端およびエミッタ上側端子３３を露出して全体を封止する樹脂封止材３２を備える。
【００７１】
前記エミッタ下側端子３０と前記エミッタ上側端子３３の間の隙間２０を３００μｍ以下に確保することで高いせん断強度が得られる。さらに、図１０に示すように、前記のエミッタ下側端子３０に凹部３７、エミッタ上側端子３３に凸部３６を付加的に形成し、この凹凸箇所で端子３０，３３の溶接箇所を位置決めすることで、半導体装置２００の組立時のエミッタ上側端子３３の位置づれを防止することができる。また、前記のエミッタ下側端子３０に凸部、エミッタ上側端子３３に凹部を付加的に形成し、この凹凸箇所で端子３０，３３の溶接箇所を位置決めすることで、半導体装置２００の組立時のエミッタ上側端子３３の位置づれを防止してもよい。凹部は、貫通孔であってもよい。
【００７２】
また、この半導体装置２００では、溶接部３４（溶接痕）を挟んで二箇所に二本の１ｍｍ程度の長さの直線状の圧接跡がエミッタ上側端子３３の表面に形成される場合がある。
【符号の説明】
【００７３】
１    第１被溶接部材（第１部材）
２    第２被溶接部材（第２部材）
４    力
５、３４  溶接部
６    照射面
１０，２０  隙間
２１、５１  放熱ベース
２２，２６，２８，２９，５２，５６  接合材
２３，５３  裏面導体パターン
２４，５４  ＤＣＢ基板
２４ａ，５４ａ  セラミック絶縁基板
２５，５５  表側導体パターン
２７，５７  半導体チップ
３０    エミッタ下側端子（第１部材）
３０ａ  裏面
３１    コレクタ端子
３２    樹脂封止材
３２ａ  表面
３３    エミッタ上側端子（第２部材）
３５    レーザ光
３６    凸部
３７    凹部
３９    爪（押圧部）
４０    支柱
４２    スパッタ
４９    境界部
５８    端子インサート型樹脂ケース
５９，６０，６１  端子
６２    ボンディングワイヤ
６３    ゲル封止材
１００    レーザ溶接治具
２００    半導体装置
５００    パワー半導体モジュール
Ｄ１，Ｄ２  直径
Ｌ    長さ
Ｔ    間隔
【図１】
2015119072.tif 000003
【図２】
2015119072.tif 000004
【図３】
2015119072.tif 000005
【図４】
2015119072.tif 000006
【図５】
2015119072.tif 000007
【図６】
2015119072.tif 000008
【図７】
2015119072.tif 000009
【図８】
2015119072.tif 000010
【図９】
2015119072.tif 000011
【図１０】
2015119072.tif 000012
【図１１】
2015119072.tif 000013
【図１２】
2015119072.tif 000014
【図１３】
2015119072.tif 000015
【図１４】
2015119072.tif 000016
【図１５】
2015119072.tif 000017