(57)【要約】【課題】低パワーのレーザ光照射で、溶接バラツキの少ない溶接が高い再現性で実現できるように改良したリードフレームのレーザ溶接方法を提供する。【解決手段】絶縁基板にマウントした半導体チップの上面主電極にヒートスプレッダ５を搭載した上で、その内部配線用リード材としてストラップ状のリードフレーム６を絶縁基板の導体パターン，ヒートスプレッダ，入／出力端子の間に布設してその接合部を接合相手部材の上に重ね合わせ、この状態でリードフレームの接合部上面にレーザ光を照射して接合相手部材に重ね溶接した配線構造になる半導体装置の製造方法おいて、レーザ溶接部位に対応して前記リードフレーム６と接合相手部材であるヒートスプレッダ５との間の接合面に空隙ｇを形成した上で、リードフレームの上面にレーザ光を照射して溶接するようにし、その実施の態様としてリードフレーム／ヒートスプレッダ間にレーザ溶接部位に対応する位置に空隙穴１４ａ穴を開口したスペーサ１４を介挿する。【選択図】        図１
2008066561.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置の内部配線用リード材としてのリードフレームの接合部を接合相手部材の上に重ね合わせ、この状態で前記接合部の上面にレーザ光を照射して前記リードフレームと前記接合相手部材とを重ね溶接してなる半導体装置の製造方法において、
前記リードフレームのレーザ溶接部位に対応して前記リードフレームと接合相手部材との間の接合面に空隙を形成した上で、リードフレームの上面にレーザ光を照射して溶接することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の製造方法おいて、リードフレームと接合相手部材との間に、レーザ溶接部位に対応する位置に穴を開口した空隙形成用スペーサを介挿して空隙を形成したことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載の製造方法において、リードフレームの接合部裏面，該接合部裏面に対峙する接合相手部材の上面のいずれか一方，もしくは双方に、レーザ溶接部位と対応する位置に窪みを設けて空隙を形成したことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかの項に記載の製造方法において、リードフレームと接合相手部材との間に形成した空隙は、その深さが約１０μｍであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項１ないし４に記載の製造方法において、リードフレームの母材表面がＮｉもしくはＳｎのメッキが施されていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体モジュールなどを対象とした半導体装置の製造方法に関し、詳しくは半導体装置の構成部品間に配線したリードフレームのレーザ溶接方法に係わる。
【背景技術】
【０００２】
頭記のパワー半導体モジュールは、電流容量の増大，小形化に伴い半導体チップが高電流密度で使用されることから、ハイパワー動作での信頼性を確保するには半導体チップの発生熱を効率よく放熱することが重要課題となっている。この観点から絶縁基板にマウントした半導体チップの配線構造について、在来のボンディングワイヤに代えて通電，伝熱容量の大きなストラップ状のリードフレーム（Ｃｕ箔）を半導体チップの主電極面に接合し、該リードフレームを伝熱経路として半導体チップの発生熱を上面側からも放熱させるようにした配線構造、およびこの配線構造においてリードフレームと配線用端子との間の接合にスポット溶接，超音波接合のほか、レーザ溶接法を用いるようにしたことが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、半導体チップの上面側からの放熱性を高め、併せて温度分布の集中を緩和させる手段として、伝熱性の高い金属板で作られたヒートスプレッダを半導体チップの上面に伝熱的に接合し、このヒートスプレッダを介して半導体チップの中央部分に集中する発生熱を周囲に分散させ、チップ全体での温度分布を平均化させるようにした構成も知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
一方、前記したストラップ状のリードフレームをヒートスプレッダと組合せてチップ上面側からの放熱性を高めるようにした配線構造の開発も進められており、次にその半導体装置の組立構造を図３に示す。なお、図示はブリッジ回路になる多相インバータ装置の一相分に対応するＩＧＢＴ (Insulated Gate Bipolar Transistor) モジュールである。
図３において、１は放熱用銅ベース、２Ａ，２Ｂは左右に並べて銅ベース１に搭載した絶縁基板（セラミックス基板表，裏両面に銅箔を直接接合して導体パターンを形成したＤＣＢ（Direct Copper Bonding）基板）、２ａ〜２ｅは絶縁基板２Ａ，２Ｂの上面に形成した導体パターン、３は絶縁基板２Ａ，２Ｂの導体パターン２ａ，２ｄにマウントしたＩＧＢＴチップ、４はＦＷＤ（Free Wheel Diode）、５はＩＧＢＴチップ３およびＦＷＤ４の上面電極に重ねて接合した銅，アルミ板，あるいはＭｏ，Ｗ等の焼結体に銅を含浸させた複合材で作られたヒートスプレッダ、６はヒートスプレッダ５の上面と絶縁基板２の導体パターン２ｂ，２ｅとの間に配線したリードフレーム（Ｃｕ，Ｃｕ合金箔）、７は絶縁基板２Ａと２Ｂの間に跨がって導体パターン２ｃと２ｄ，および２ｂと２ｅとの間に配線したリードフレーム、８(+)，８(-)，８(o)は入力，出力端子として導体パターン２ｂ，２ｃ，２ｅの端部から引出したリードフレームである。
【０００５】
ここで、銅ベース１と絶縁基板２Ａ，２Ｂの間、絶縁基板２Ａ，２Ｂの導体パターン２ａ，２ｄとここに搭載したＩＧＢＴチップ３，ＦＷＤ４との間、およびＩＧＢＴチップ２，ＦＷＤ３とヒートスプレッダ５との間がそれぞれ半田９で接合されている。
これに対して、リードフレーム６，７，８を接合相手部材であるヒートスプレッダ５の上面，絶縁基板２Ａ，２Ｂの各導体パターンに接合する方法として、次記のようにレーザ溶接法で重ね溶接するようにしており、その接合部（溶融部）を符号１０で示す。
【０００６】
すなわち、図４はヒートスプレッダ５の上面にリードフレーム６を接合するレーザ溶接法の工程図であり、ヒートスプレッダ５の上面にリードフレーム６の接合部を重ね合わせた状態で、レーザ発振器（例えば半導体レーザ）１１から光ファイバーを通じてレーザヘッダ１２に導光したレーザ光１３を集光し、レーザヘッダ１２からリードフレーム６の接合部上面にスポット状に照射する。これにより、レーザ光１３の光エネルギーが金属の自由電子に吸収されることで、リードフレーム６が局部的に加熱されて表面から溶融し、熱伝導的に溶融領域の深さがヒートスプレッダ５の表面まで拡大して図示のような溶接部１０が形成されることは周知の通りである。なお、レーザ溶接箇所は、ヒートスプレッダ５，リードフレーム６の外形サイズ，通電容量に応じて、１〜６箇所に分散してスポット状に溶接する。
【特許文献１】特開２００４−９６１３５号公報
【特許文献２】特開２０００−３０７０５８号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、図３に示した配線構造の半導体装置について、発明者等はリードフレーム６（厚さ0.５ｍｍの無酸素銅板）の接合部をヒートスプレッダ６の上に重ね合わせ、リードフレーム６の上面側から半導体レーザ（波長：８０８ｎｍ）により、照射条件（パワー密度：０．１〜０．３ＭＷ／ｃｍ２，照射時間：１〜４ｓｅｃ）を変えて溶接し、その溶接部１０を検証したところ、溶接強度に大きなバラツキの生じることが認められた。
【０００８】
すなわち、図５（ａ），（ｂ）のようにリードフレーム６の接合部と接合相手部材であるヒートスプレッダ５との間を密着状態に重なり合わせて溶接すると、レーザ光照射地点に生じたリードフレーム６の溶融部からヒートスプレッダ５に伝熱して放散する放熱量が多くなってリードフレーム／ヒートスプレッダ間の接合界面に十分な熱エネルギーが蓄積されず、その結果として前記したレーザ照射条件では、（ｂ）図で表すようにレーザ光照射によりリードフレーム６に生じた溶融部１０の溶け込み深さが接合相手部材であるヒートスプレッダ５の領域まで成長せずにリードフレーム６／ヒートスプレッダ５間が溶接不良となる。また、前記とは逆にレーザ光のパワー密度を高く設定すると、溶融部の溶け込み深さが接合相手部材であるヒートスプレッダ５，絶縁基板２の導体パターン２ａを貫通してしまい、そのためにセラミック基板，半導体チップ３，ＦＷＤ４を破壊するといったダメージが発生することがある。
【０００９】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、前述したレーザ溶接の検証，考察結果を基に、配線部材であるリードフレームの接合部を接合相手部材であるヒートスプレッダ，絶縁基板の導体パターンの上に重ねてレーザ溶接する際に、低パワーのレーザ光照射で、溶接バラツキの少ない溶接が高い再現性で実現できるように改良した半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明によれば、半導体装置の内部配線用リード材としてリードフレームを用い、このリードフレームの接合部を接合相手部材の上に重ね合わせた上で、前記リードフレームの接合部上面にレーザ光を照射してリードフレームと接合相手部材との間を重ね溶接してなる半導体装置の製造方法において、
前記リードフレームのレーザ溶接部位に対応して前記リードフレームと接合相手部材との間の接合面に空隙を形成した上で、リードフレームの上面にレーザ光を照射して溶接するようにし（請求項１）、その空隙は具体的に次記のよう形態で形成する。
（１）前記リードフレームと接合相手部材との間に、レーザ溶接部位に対応する位置に穴を開口した空隙形成用スペーサを介挿して空隙を形成する（請求項２）。
（２）前記リードフレームの接合部裏面，該接合部裏面に対峙する接合相手部材の上面のいずれか一方，もしくは双方に、レーザ溶接箇所と対応する位置に窪み（凹部）を設けて空隙を形成する（請求項３）。
（３）前項（１），（２）において、リードフレームと接合相手部材との間に形成した空隙の適正な深さを約１０μｍとする（請求項４）。
（４）リードフレームへのレーザ光の吸収率を高めるために、リードフレームの母材表面にＮｉもしくはＳｎのメッキが施す（請求項５）。
【発明の効果】
【００１１】
上記のように、リードフレームの接合部上面に照射するレーザ光の照射部位に合わせてリードフレームの裏面と接合相手部材との間の接合界面に空隙を形成しておくことにより、この空隙が伝熱抵抗部となってリードフレームの溶融部から接合界面を経て接合相手部材に放散する放熱量が制限される。これにより、空隙部が熱溜まりとして機能し、リードフレームの溶融部から伝熱してきた熱エネルギーが十分に蓄積されるようになる。その結果、低パワーのレーザ照射でもリードフレームに生じた溶融部の深さがリードフレームの裏面まで十分に成長し、さらにリードフレームの溶融金属が前記空隙を埋めつくすように浸透してリードフレーム／接合相手部材間が広い面域で接合されるようになる。
【００１２】
なお、この場合にリードフレームの接合部裏面／接合相手部材間の間に形成した空隙深さが極端に小さいと殆ど密着状態となって前記した熱溜まり効果が発揮できず、逆に空隙深さが極端に大きても溶融深さの成長が阻害される。かかる点、空隙深さを１０μｍ程度に設定すれば前記の熱溜まり効果を有効に発揮でき、かつその間隙範囲を照射するレーザ光のスポット径よりも大きく設定することにより、広い接合面積で接合強度の高い溶接部を形成できることが実験結果から確認されている。
【００１３】
したがって、リードフレーム／接合相手部材間の接合面にあらかじめ前記設定の空隙を形成した上で、これに合わせてリードフレームの上面に照射するレーザ光の照射条件（パワー密度，照射時間）を適正管理して溶接を行うことにより、低パワーで、しかも溶接部のバラツキを抑えた接合品質の高いレーザ溶接を再現性よく実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図１，図２に示す実施例に基づいて説明する。なお、図示実施例は図５と同様にリードフレーム６とヒートスプレッダ５との溶接部を対象としている。
【実施例１】
【００１５】
まず、本発明の請求項１，２に対応する実施例を図１（ａ）〜（ｃ）により説明する。この実施例では、図３（ａ），（ｂ）に示したＩＧＢＴチップ３，ＦＷＤ４の上面電極に重ねて接合したヒートスプレッダ５とリードフレーム６（Ｃｕ）の接合部との間にスペーサ１４を介挿し、該スペーサ１４の板面に空隙穴１４ａを開口してリードフレーム／ヒートスプレッダ間に空隙ｇを形成している。
【００１６】
ここで、リードフレーム６は銅板（Ｃｕ）で作られた帯状の導体片で、半導体装置の電流容量などに応じてその導体幅，厚さを設定しており、本実施例では厚さ１ｍｍ，幅５ｍｍの銅板を用いたが、他の実施例でも同様である。なお、リードフレーム６は厚さの薄い銅箔を使用することも可能であるが、後述する実施例２のようにリードフレーム６の接合部に形成する窪み状空隙の寸法精度を確保するために、剛性のある板状の銅板を用いる方が有利である。
【００１７】
一方、スペーサ１４は、リードフレーム６とヒートスプレッダ５との間に所望の空隙ｇを形成するための部材であり、リードフレーム６とヒートスプレッダ５との間に高さ１０μｍ程度の空隙ｇを形成するのであれば、厚さ１０μｍ程度の板材、線径が１０μｍ程度である線材、あるいはリードフレーム５，ヒートスプレッダ６のいずれかの表面に形成した成層，突起なども適用できる。
【００１８】
また、スペーサ１４の材質は、金属，耐熱性樹脂などの適用が可能であるが、リードフレーム／ヒートスプレッダ間の導電性，熱伝導性を勘案して、例えば銅，銅合金，アルミニウム，アルミニウム合金などが安価で好適である。なお、本実施例では厚さが約１０μｍの銅板（銅箔）を採用した。
なお、本実施例ではリードフレーム／ヒートスプレッダ間のスポット溶接箇所を４点として、前記スペーサ１４の板面には４箇所に分散して空隙穴１４ａを開口し（図１（ｂ）参照）、その空隙穴１４ａの穴径φはリードフレーム６の上面に照射するレーザビーム径の１／２〜２倍程度の範囲に設定した。これにより、ヒートスプレッダ５の上にスペーサ１４を挟んでリードフレーム６を重ね合わせた状態では、リードフレーム／ヒートスプレッダ間に高さ１０μｍ程度の空隙ｇが形成されることになる。
【００１９】
この状態で前記の溶接箇所に位置を合わせてリードフレーム６の上面にレーザ光１３を照射すると、リードフレーム５が表面から局部的に溶け込んでいく。また、このレーザ光照射の過程では接合相手部材であるヒートスプレッダ５との間に前記したスペーサ１４の空隙ｇが形成されているために、溶融部からヒートスプレッダ５に逃げる放熱量は低く抑えられて深さ方向の溶け込みが進行する。そして、溶融部の溶け込み深さがリードフレーム６の板厚を超えると、溶融金属が前記空隙ｇに浸透してスペーサ１４の空隙穴１４ａを埋めて、リードフレーム／ヒートスプレッダ間に図１（ｃ）で表すような溶融部１０が形成される。これにより、リードフレーム６とヒートスプレッダ５との間が広い面域で確実に接合され、低パワーで溶接バラツキの少ないレーザ溶接が達成される。
【００２０】
なお、レーザ溶接は接合部材と非接触式にレーザ光を照射するので、前記したスペーサ１４はリードフレーム６とヒートスプレッダ５との間に重ね合わせるだけで固着する必要なない。
この実施例では、上記のようにスペーサ１４に空隙穴１４ａを穿孔して空隙ｇをその周囲が閉じた「室」の状態で形成している。このようにすることで、レーザ光照射による熱が空隙部に蓄熱され、この空隙を溶融部１０で満たすようになるので大きな接合面積を確保する上で効果的である。
【００２１】
一方、前記空隙ｇの高さ（例えば、１０μｍ程度）はリードフレーム６の板幅に比べて非常に小さく、また一箇所の接合箇所に照射するレーザ光の照射時間も１０ｍｓｅｃ程度で非常に短い。したがって、空隙ｇを図示例のスペーサ１４のように周囲が閉じた「室」とせずに、空隙に周囲壁がなくてもレーザ照射中にその熱が空隙の側方に拡散してしまうことは殆どない。そこで、板材のスペーサ１４に代えて、例えば線材のスペーサを接合箇所から外れた位置に並べてリードフレーム６とヒートスプレッダ５との間に隙間を確保しても、この隙間が前記空隙と同様に熱溜まりとして有効に機能し、再現性よく大きな接合面積を確保できる。なお、スペーサ１４は上記のものに限定されるものではなく、リードフレーム／ヒートスプレッダ間に所望高さの空隙ｇを形成できるものであれば、その形態に関係なく採用できる。
【実施例２】
【００２２】
次に、本発明の請求項３に対応する実施例を図２に示す。この実施例では、先記実施例１のスペーサ１４を使用する代わりに、レーザ溶接の箇所に対応してリードフレーム６の裏面側にプレス，あるいはエッチング加工を施して窪み状の凹部６ａを形成しておき、リードフレーム６をヒートスプレッダ５の上面に重ね合わせた状態で両者の間に空隙ｇを確保するようにしている。なお、凹部６ａは、図１のスペーサ１４に形成した空隙穴１４ａと同様にその深さを１０μｍ程度，凹部径φをレーザビーム径の１／２〜２倍程度に設定する。
【００２３】
これにより、レーザ溶接時には前記凹部６ａが実施例１の空隙穴１４ａと同じように熱溜まりとして機能し、リードフレーム／ヒートスプレッダ間を低パワーでバラツキなしにレーザ溶接することができる。
なお、図２ではリードフレーム６の裏面に凹部６ａを形成しているが、これに代わる応用実施例としてヒートスプレッダ５の上面に同様な窪み状の凹部を形成するか、あるいはリードフレーム６の裏面とヒートスプレッダ５の上面の双方に浅い凹部を形成しても同様な効果を奏することができる。
【００２４】
なお、前記の各実施例において、レーザ光１３を照射するリードフレーム（Ｃｕ，Ｃｕ合金）６の表面にＮｉメッキを施してＮｉもしくはＳｎメッキを施しておくことにより、レーザ光１３の吸収率が大幅に向上するようになる。すなわち、リードフレーム６の母材であるＣｕに照射したレーザ光１３（半導体レーザ（波長０．８０８μｍ））の吸収率は高々約１５％であるのに対して、Ｎｉ，Ｓｎのメッキを施すと、レーザ光の吸収率は約３０％まで改善され、これにより低パワーでのレーザ溶接が可能となる。
【００２５】
また、前記の各実施例ではリードフレーム６／ヒートスプレッダ５間の溶接について述べたが、リードフレーム６の接合相手部材が図７に示した絶縁基板２Ａ，２Ｂの導体パターンであっても同様な効果を奏することは勿論である。
また、このレーザ溶接方法に適用するレーザ光は、各実施例で述べた半導体レーザ（波長：０．８０８μｍ）に限定されるものではなく、ＹＡＧレーザ，ＣＯ２レーザなどでも同様な効果が得られることが確認されている。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施例１に対応するリードフレーム／ヒートスプレッダ間のレーザ溶接法の説明図で、（ａ）はレーザ光の照射状態を模式的に表す側面図、（ｂ）は空隙用スペーサの平面図、（ｃ）はレーザ溶接後の接合状態を表す断面図
【図２】本発明の実施例２に対応するリードフレーム／ヒートスプレッダ間のレーザ溶接法の説明図でレーザ光の照射状態を模式的に表す側面図、
【図３】本発明の実施対象となる半導体装置の組立構造図で、（ａ）は平面図、（ｂ），（ｃ）はそれぞれ（ａ）の矢視Ａ−Ａ，Ｂ−Ｂに対応する断面側視図
【図４】レーザ光照射によるリードフレーム／ヒートスプレッダ間の溶接工程図
【図５】従来のレーザ溶接法の説明図で、（ａ），（ｂ）はそれぞれレーザ光の照射状態、溶接接合部を表す模式図
【符号の説明】
【００２７】
２Ａ，２Ｂ  絶縁基板
２ａ〜２ｅ  導体パターン
３    ＩＧＢＴチップ（半導体チップ）
４    ＦＷＤ（半導体チップ）
５    ヒートスプレッダ
５ａ  粗面（上面）
６〜８    リードフレーム
６ａ  凹部
１０    溶融部
１３    レーザ光
１４    空隙形成用スペーサ
１４ａ  空隙穴
【図１】
2008066561.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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