(57)【要約】【課題】  本発明は、半導体装置の放熱板を小さなエネルギのレーザでも安定して確実に基板の溶接部に溶接することを課題とする。【解決手段】  半導体装置は、半導体素子１１と、半導体素子が電気的に接続された回路基板１２と、半導体素子に接合された金属製のヒートスプレッダ３０とを有する。回路基板１２は金属製の溶接部２２を有し、ヒートスプレッダ３０は回路基板１２の溶接部２２に対して溶接される。ヒートスプレッダ３０の溶接部２２に対向する面の反対側の面に凹部３０ａが形成される。ヒートスプレッダ３０は凹部３０ａ内で溶接部２２に対してレーザ溶接される。凹部３０ａはエッチングにより形成される。【選択図】  図４
2005109147.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、該半導体素子が電気的に接続された回路基板と、該半導体素子に接合された金属製の放熱板とを有する半導体装置であって、
前記回路基板は金属製の溶接部を有し、前記放熱板の前記溶接部に対向する面の反対側の面に凹部が形成され、前記放熱板は該凹部内で前記溶接部に対して溶接されていることを特徴とする半導体装置。  
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置であって、
該放熱板の前記凹部はエッチングにより形成されることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
回路基板の溶接部に溶接される金属製の放熱板を備える半導体装置であって、
前記溶接部に対向する面の反対側の面に凹部が形成され、前記溶接部に対向する面に突起部が形成された放熱板を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
回路基板の溶接部に溶接された放熱板を備える半導体装置の製造方法であって、
該回路基板をセット治具のフローティング部の上に載置し、且つ該放熱板を前記回路基板上に載置し、
前記放熱板の上から溶接マスクを押圧して、該フローティング部と該溶接マスクとの間に前記回路基板と前記放熱板とを挟み込み、
前記溶接マスクに設けられた貫通孔を通じてレーザを前記放熱板の所定の部位に照射して前記放熱板を前記回路基板の前記溶接部にレーザ溶接する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
突起部が形成された放熱板を備える半導体装置の製造方法であって、
該放熱板の突起部を設ける位置に対応した位置に圧入ピンを有する金型を準備し、
前記放熱板の一方の面に前記圧入ピンを押圧して前記放熱板を変形させることにより、前記放熱板の他方の面に前記突起部を形成する
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】
本発明は半導体装置に係わり、特に半導体素子から発生する熱を外部に放出するための放熱板を有する半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体素子は高密度化に伴い消費電力も増え、半導体素子が発生する発熱量も増大する傾向にある。このため、半導体素子を搭載した半導体装置に放熱板を設け、半導体素子で発生する熱を放熱板を介して効率よく外部に放出することが行なわれている。
【０００３】
一般的に、放熱板を有する半導体装置では、接着剤を用いて放熱板を配線基板に固定する。また、半導体素子は放熱板に直接搭載されており、放熱板は半導体装置の上面に露出するように構成される。したがって、半導体素子で発生した熱は放熱板に直接伝達され、放熱板から外部に放出される。これにより、半導体素子を効率よく冷却することができる。
【０００４】
ところが、上述のように放熱板を配線基板に接着剤を用いて固定した半導体装置において、接着剤の経時劣化により放熱板が配線基板から剥離するおそれがある。このため、接着剤の使用に起因して半導体装置の信頼性が低下するおそれがある。また、半導体装置を製造する際、放熱板を配線基板に接着剤を用いて固定する半導体装置では、その製造工程において接着剤を放熱板または配線基板に塗布する工程が必要となる。接着剤塗布工程は自動化することが難しく、よって半導体装置の製造コストが上昇してしまう。
【０００５】
そこで、上述のような問題を解決するために、配線基板に金属製の接合部を形成し、金属製の放熱板を接合部に対してレーザ溶接等を用いて溶着することにより、放熱板と回路基板とを接続する構成が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
上述のように放熱板と回路基板とが溶着により接続された半導体装置の断面図を図１に示す。図１に示す半導体装置は、大略すると半導体素子１１、プリント配線基板１２（回路基板）、ヒートスプレッダ１３（放熱板）、封止樹脂１４、及びはんだボール１５等により構成される。ヒートスプレッダ１３は中央に凹部が形成され、凹部内に半導体素子１１が収容される。半導体素子１１の背面はヒートスプレッダ１３の凹部の底面にダイボンド材１６により固定される。
【０００７】
回路基板１２の中央において、ヒートスプレッダ１３の凹部に対応した位置に開口が設けられ半導体素子１１の各電極は、ボンディングワイヤ１７により、回路基板１２の開口を通じて回路基板１２に形成された導電層よりなるパターン配線１８に電気的に接続されている。回路基板１２は、ガラス−エポキシ等よりなるコア材１９と、コア材１９上に形成された導電層よりなるパターン配線１８とにより構成される。また、回路基板１２の両面には絶縁保護のためのレジスト層２０，２１が設けられる。
【０００８】
以上のような構成の半導体装置において、図２に示すように、回路基板１２に溶接部２２が形成され、この溶接部２２に対してヒートスプレッダ１３が、レーザ溶接により溶着されている。溶接部２２は、コア材１９のパターン配線１８が形成される側とは反対側に形成されており、溶接部２２の周囲はレジスト層２０により覆われている。
【０００９】
図２において点線円Ａで囲まれた部分を拡大した図を図３に示す。なお、図３に示す状態はヒートスプレッダ１３が溶接部２２に対して溶接される前の状態である。溶接部２２の側面及び周囲部分はレジスト２１により覆われ、レジスト２１の開口により形成される間隙２３を介して溶接部２２の表面がヒートスプレッダ１３の表面に対向している。この状態で、ヒートスプレッダ１３側からレーザを照射することにより、ヒートスプレッダ１３及び溶接部２２の一部を溶接（溶着）する。溶接部２２の周囲をレジスト２１により覆う目的は、直径１．２ｍｍ程度の溶接部２２がコア材１９から剥離しないように固定するためである。
【００１０】
以上のような溶着方法によりヒートスプレッダ１３を溶着した場合、ヒートスプレッダ１３が金属の溶接により回路基板１２に接続されるため、熱が伝わりやすく、ヒートスプレッダ１３の放熱効果を向上することができる。また、ヒートスプレッダ１３を金属の溶接により確実且つ強固に回路基板１２に接続することができる。すなわち、接着剤により接続した場合にはヒートスプレッダ１３と基板とが接着面にて剥離してしまうおそれがあるが、金属溶接により接続した場合には剥離するおそれはない。
【特許文献１】特開２００１−１６８２４４号公報（第４−９頁、第２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述のように、ヒートスプレッダ１３と溶接部２２とが、レーザ溶接でうまく接合されていれば、上述のように剥離のおそれはない。しかし、間隙２３の寸法にばらつきがあると、レーザ溶接において不具合が生じるおそれがある。すなわち、レーザ溶接において照射すべきレーザの強度を決定する要因の一つは間隙２３の寸法であり、間隙２３の寸法が大きすぎると溶接部２２までレーザのエネルギが十分届かずに溶着が不十分となるおそれがある。一方、間隙２３が小さすぎると、溶接部２２に印加されるレーザのエネルギが大きすぎて、溶接部２２を貫通して下のコア部材１９を損傷してしまうおそれがある。
【００１２】
間隙２３の寸法は、溶接部２２の周囲を被覆するレジスト２１の厚みに相当するが、レジスト２１の厚みを精度よく制御することは難しいため、間隙２３の寸法にある程度ばらつきが生じることは避けられない。したがって、上述のようなレーザ溶接時の問題が発生するおそれがある。
【００１３】
また、間隙２３内の空気が溶接時に膨張し、ヒートスプレッダ１３の表面が盛り上がるといった現象が発生するおそれがある。このような現象が発生すると、ヒートスプレッダ１３のレーザ照射側表面が大きく膨らんでヒートスプレッダ１３の表面に塊（通常、ナゲットと称する）が形成されるという問題が発生するおそれがある。
【００１４】
本発明は上述の問題に鑑みなされたものであり、小さなエネルギのレーザでも安定して確実に放熱板を基板の溶接部に溶接することができる半導体装置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】
【００１５】
上述の目的を達成するために、本発明によれば、半導体素子と、該半導体素子が電気的に接続された回路基板と、該半導体素子に接合された金属製の放熱板とを有する半導体装置であって、前記回路基板は金属製の溶接部を有し、前記放熱板の前記溶接部に対向する面の反対側の面に凹部が形成され、前記放熱板は該凹部内で前記溶接部に対して溶接されていることを特徴とする半導体装置が提供される。上述の発明において、該放熱板の前記凹部はエッチングにより形成されることが好ましい。
【００１６】
また、本発明によれば、回路基板の溶接部に溶接される金属製の放熱板を備える半導体装置であって、前記溶接部に対向する面の反対側の面に凹部が形成され、前記溶接部に対向する面に突起部が形成された放熱板を備えることを特徴とする半導体装置が提供される。
【００１７】
また、本発明によれば、回路基板の溶接部に溶接された放熱板を備える半導体装置の製造方法であって、該回路基板をセット治具のフローティング部の上に載置し、且つ該放熱板を前記回路基板上に載置し、前記放熱板の上から溶接マスクを押圧して、該フローティング部と該溶接マスクとの間に前記回路基板と前記放熱板とを挟み込み、前記溶接マスクに設けられた貫通孔を通じてレーザを前記放熱板の所定の部位に照射して前記放熱板を前記回路基板の前記溶接部にレーザ溶接することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【００１８】
さらに、本発明によれば、突起部が形成された放熱板を備える半導体装置の製造方法であって、該放熱板の突起部を設ける位置に対応した位置に圧入ピンを有する金型を準備し、前記放熱板の一方の面に前記圧入ピンを押圧して前記放熱板を変形させることにより、前記放熱板の他方の面に前記突起部を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、放熱板の溶接する部分の厚みが小さくなるため、小さなエネルギのレーザでも安定して確実に放熱板を基板の溶接部に溶接することができる。また、放熱板の溶接部に対向する面に突起部を設けて突起部が溶接部に接触した状態でレーザ溶接を行なうことにより、より一層確実なレーザ溶接を行なうことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２１】
まず、本発明の第１実施例による半導体装置について、図４及び図５を参照しながら説明する。図４は本発明の第１実施例による半導体装置に用いられるヒートスプレッダ及び回路基板の断面図である。図５は図４における点線円Ｂで囲まれた部分の拡大図である。なお、本発明の第１実施例による半導体装置において、ヒートスプレッダ以外の構成部品は図１に示す半導体装置の構成部品と同等であり、その図示及び説明は省略する。また、図４に示す状態は、ヒートスプレッダ３０が溶接部２２に対して溶接される前の状態である。
【００２２】
図４に示すヒートスプレッダ３０（放熱板）は、図１に示すヒートスプレッダ１３の代わりに用いられる。ヒートスプレッダ３０は銅板のような金属板により形成される。ヒートスプレッダ３０の厚みは例えば０．２５ｍｍであり、図１に示すヒートスプレッダ１３より大きな厚みとなっている。したがって、ヒートスプレッダ３０の剛性はヒートスプレッダ１３の剛性より大きくなっており、半導体装置として組立てる際にヒートスプレッダ３０が変形したり撓んだりすることを抑制することができる。
【００２３】
しかし、ヒートスプレッダ３０の厚みを大きくすると、溶接あるいは溶着のためのレーザにはより大きなエネルギが必要となり、安定した溶接を得にくくなる。したがって、上述のように間隙２３のバラツキに起因したレーザ溶接の不安定性にヒートスプレッダの厚みによる不安定性が加わり、確実なレーザ溶着を行なうことがより一層難しくなってしまう。
【００２４】
そこで、図４に示すヒートスプレッダ３０では、ヒートスプレッダ３０のレーザを照射する部分に凹部３０ａを設けている。すなわち、レーザ溶接される部分のヒートスプレッダ３０の厚みを小さくして、小さなエネルギのレーザでも確実なレーザ溶接が行なえるようにしている。
【００２５】
ヒートスプレッダ３０に設けられた凹部３０ａは、エッチングによりヒートスプレッダ３０を部分的に取り除くことにより形成することが好ましい。例えば、０．２５ｍｍ（２５０μm）の厚みのヒートスプレッダ３０に対して、凹部３０ａの深さは０．１ｍｍ（１００μm）程度とする。凹部３０ａは直径２ｍｍ程度の円形であることが好ましい。すなわち、回路基板１２に設けられた溶接部２２の直径が約１．２ｍｍであれば、凹部３０ａの直径は溶接部２２の直径より僅かに大きい程度でよい。
【００２６】
凹部３０ａが形成された部分のヒートスプレッダ３０の厚みは、０．１５ｍｍ（１５０μm）程度となり、この程度の厚みであれば、比較的小さなエネルギのレーザを照射しても、安定して確実な溶接を行なうことができる。
【００２７】
なお、ヒートスプレッダ３０及び溶接部２２が銅で形成されている場合は、溶接部２２の表面にはニッケル（Ｎｉ）めっきを施し、その上に金（Ａｕ）めっきを施すことが好ましい。また、ヒートスプレッダ３０の溶接部２２に対向する面には厚さ５μm程度のニッケル（Ｎｉ）めっきを施すことが好ましい。銅と銅とをレーザ溶接するのは難しいが、このようにニッケルめっきや金めっきを施すことで、銅製のヒートスプレッダを銅製の溶接部に容易にレーザ溶接することができる。
【００２８】
次に、ヒートスプレッダ３０と回路基板１２とをレーザ溶接により接続する工程について、図６乃至図８を参照しながら説明する。図６は基板とヒートスプレッダとを治具上に配置する工程を示す図である。図７は基板とヒートスプレッダが治具上に配置された状態を示す図である。図８はレーザを照射してヒートスプレッダと基板の溶接部とを溶接する工程を示す図である。
【００２９】
まず、図６に示すように、溶接部２２が形成された回路基板１２を、溶接部２２が露出した面を上に向けてセット治具４０の上に配置し、次に凹部３０ａを上に向けた状態でヒートスプレッダ３０を回路基板１２の上に配置する。セット治具４０は、回路基板１２が載置される部分にフローティング部４１を有しており、フローティング部４１は底部がスプリング４２により支持されて、上下に移動可能である。フローティング部４１をセット治具４０に設けることにより、レーザ溶接工程において後述するようにヒートスプレッダ３０を回路基板１２に対して均一に押し付けることができる。
【００３０】
回路基板１２をセット治具４０のフローティング部４１の上に載置した後、ヒートスプレッダ３０を回路基板１２の上に載置する。この際、回路基板１２の溶接部２２とヒートスプレッダ３０の凹部３０ａとが垂直方向に整列するように、ヒートスプレッダ３０を回路基板１２に対して位置決めする。回路基板１２とヒートスプレッダ３０とがセット治具に載置された状態が図７に示されている。
【００３１】
次に、図８に示すように、溶接マスク４３をヒートスプレッダ３０の上から押し付けてヒートスプレッダ３０と回路基板１２とをセット治具４０に対して押圧する。溶接マスク４３は中央に凹部４３ａを有しており、ヒートスプレッダ３０の中央の凹部を形成する部分（反対側から見ると凸部となる）は溶接マスク４３の凹部４３ａに収容される。また、溶接マスクは、ヒートスプレッダ３０の凹部３０ａに対応する位置に溶接用貫通孔４３ｂを有する。
【００３２】
溶接マスク４３をヒートスプレッダ３０上に配置した後、溶接マスク４３によりヒートスプレッダ３０を回路基板１２に対して押圧しながら、溶接用貫通孔４３ｂを通じてレーザビームをヒートスプレッダ３０の凹部３０ａ内に順次照射する。照射されたレーザビームにより凹部３０ａの底部及び回路基板１２の溶接部２２が融解して直ちに固化し、レーザ溶接が行なわれる。
【００３３】
この際、回路基板１２は上下移動可能なフローティング部４１上に載置されているため、溶接マスク４３が僅かに傾いていた場合や、回路基板１２の厚みが一様でなかった場合でも、フローティング部４１が傾くことで、ヒートスプレッダ３０を全体的に均一な押圧力で回路基板１２に押圧することができる。
【００３４】
以上のように、ヒートスプレッダ３０の溶接する部分に凹部３０ａを設けることにより、ヒートスプレッダ３０の厚みを大きくしても、小さなエネルギのレーザで確実にレーザ溶接を行なうことができる。
【００３５】
次に本発明の第２実施例について、図９及び図１０を参照しながら説明する。図９は本発明の第２実施例による半導体装置に用いられるヒートスプレッダ及び回路基板の断面図である。図１０は図４における点線円Ｃで囲まれた部分の拡大図である。なお、本発明の第２実施例による半導体装置において、ヒートスプレッダ以外の構成部品は図１に示す半導体装置の構成部品と同等であり、その図示及び説明は省略する。また、図１０に示す状態は、ヒートスプレッダ５０が溶接部２２に対して溶接される前の状態である。
【００３６】
図９に示すヒートスプレッダ５０は、図４に示すヒートスップレッダ３０と同様に、レーザが照射される部分に凹部５０ａを有する。ヒートスプレッダ５０の各部寸法は、ヒートスプレッダ３０と同様であり、その説明は省略する。ヒートスップレッダ５０とヒートスプレッダ３０との相違点は、ヒートスプレッダ５０に突起部５０ｂが形成されていることである。
【００３７】
突起部５０ｂは凹部５０ａが形成された部分の反対側に突出するように形成されている。したがって、レーザ溶接を行なうためにヒートスプレッダ５０が回路基板１２上に載置された際に、突起部５０ｂは回路基板１２の溶接部２２が露出した間隙２３内に配置される。突起部５０ｂの突出寸法は、レーザ溶接する際に突起部５０ｂの先端部が溶接部２２に接触しているように、例えば、３０μｍ〜５０μｍ程度である。すなわち、溶接部２２の周囲を覆うレジスト２１の厚みが３０μｍ〜５０μｍ程度であるため、突起部５０ｂの突出寸法を３０μｍ〜５０μｍとすれば、突起部５０ｂの先端を確実に溶接部２２に接触させることができる。ただし、上記寸法は、レジスト２１により画成される間隙２３の寸法により変化するものであり、具体的に示された寸法に限られるものではない。
【００３８】
上述のように、突起部５０ｂが溶接部２２に接触した状態でレーザ溶接を行なうことにより、確実にレーザ溶接を行なうことができ、レーザ溶接不良率を大きく低減することができる。レーザ溶接が確実になる理由として、突起部５０ｂが直接溶接部２２に接触することで突起部５０ｂを介してレーザエネルギが溶接部２２に伝わり易くなることが考えられる。
【００３９】
次に、上述の突起部５０ｂのような小さな突起をヒートスプレッダ５０のような金属板に形成する方法の一例について、図１１及び図１２を参照しながら説明する。図１１は金属板に突起部を形成する工程を説明するための図であり、図１２は図１１において形成された突起部の近傍を拡大して示す断面図である。
【００４０】
図１１に示す突起部形成方法は、金型プレスにより金属板を変形させて突起部を形成する方法である。図１１（ａ）において、突起部５４ａが形成される金属板５４（ヒートスプレッダに相当する）は、下金型５１のテーブル５１ａ上に載置される。テーブル５１ａには、突起部５４ａが形成される部分に対応した位置に凹部５１ｂが形成されている。下金型の上方には、上金型５２が下金型５１に対して移動可能に設けられる。
【００４１】
上金型５２は、金型が閉じられた際に下金型５１のベース５１ｃに当接する脚部５２ｂが設けられる。脚部５２ｂは上金型５２のベース５２ａに対してシム５２ｃを介して取り付けられ、シム５２ｃの厚みを調節することにより、ベース５２ａから脚部５２ｂの先端までの距離を調節することができる。
【００４２】
上金型５２のベース５２ａの面で、下金型５１のテーブル５１ａに対向する面には、圧入ピン５２ｄが取り付けられている。圧入ピン５２ｄは、金属板５４の突起部５４ａを形成する位置に対応して設けられる。したがって、上金型５２の圧入ピン５２ｄは、下金型５１の凹部５1ｂと垂直方向に整列した状態で配置される。
【００４３】
下金型５１のテーブル５１ａ上の所定の位置に金属板５４が配置された後、図１１（ｂ）に示すように、上金型５２を下金型５１に向かって移動して金型を閉じる。したがって、金属板５４は、上金型５２のベース５２ａと下金型５１のテーブル５１ａとの間に挟まれる状態となり、圧入ピン５２ｄは金属板５４に食い込むように圧入される。この圧入ピン５２ｄの圧入により、金属板５４は図１２に示すように変形し、変形した部分が突起部５４ａとして形成される。
【００４４】
以上のような金型プレスによる突起部の形成方法を用いれば、上述の実施例におけるヒートスプレッダに突起部を容易に精度よく形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】放熱板と回路基板とが溶接により接続された半導体装置の断面図である。
【図２】図１に示す放熱板と回路基板とを示す断面図である。
【図３】図２において点線円Ａで囲まれた部分を拡大して示す断面図である。
【図４】本発明の第１実施例による半導体装置に用いられるヒートスプレッダ及び回路基板の断面図である。
【図５】図４における点線円Ｂで囲まれた部分を拡大して示す断面図である。
【図６】基板とヒートスプレッダとを治具上に配置する工程を示す図である。
【図７】基板とヒートスプレッダが治具上に配置された状態を示す図である。
【図８】レーザを照射してヒートスプレッダと基板の溶接部とを溶接する工程を示す図である。
【図９】本発明の第２実施例による半導体装置に用いられるヒートスプレッダ及び回路基板の断面図である。
【図１０】図９における点線円Ｃで囲まれた部分を拡大して示す断面図である。
【図１１】図９示す突起部を形成する工程を説明するための図である。
【図１２】図１１において形成された突起部の近傍を拡大して示す断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１１  半導体素子
１２  基板
１３  ヒートスプレッダ
１４  封止樹脂
１５  はんだボール
１６  ダイ付け材
１７  ボンディングワイヤ
１８  パターン配線
１９  コア材
２０，２１  レジスト
２２  溶接部
２３  空隙
３０，５０  ヒートスプレッダ
３０ａ，５０ａ  凹部
４０  セット治具
４１  フローティング部
４２  スプリング
４３  溶接マスク
４３ａ  凹部
４３ｂ  溶接用貫通孔
５０ｂ  突起部
５１  下金型
５１ａ  テーブル
５１ｂ  凹部
５１ｃ  ベース
５２  上金型
５２ａ  ベース
５２ｂ  脚部
５２ｃ  シム
５２ｄ  圧入ピン
５４  金属板
５４ａ  突起部
【図１】
2005109147.tif 000003
【図２】
2005109147.tif 000004
【図３】
2005109147.tif 000005
【図４】
2005109147.tif 000006
【図５】
2005109147.tif 000007
【図６】
2005109147.tif 000008
【図７】
2005109147.tif 000009
【図８】
2005109147.tif 000010
【図９】
2005109147.tif 000011
【図１０】
2005109147.tif 000012
【図１１】
2005109147.tif 000013
【図１２】
2005109147.tif 000014