(57)【要約】【目的】  高融点材料のヒートスプレッタと低融点材料の金属板をレーザ光で溶融して接合し、高い溶接強度を得ることができる半導体装置の製造方法を提供する。    【解決手段】銅板１５に貫通孔２０を開けて、レーザ光３１を貫通孔２０から入射し銅―モリブデンいた１６の表面に焦点３２を合わせ、銅―モリブデン板１６を加熱し、その加熱により貫通孔２０の近傍の銅板１５を溶融させて銅板１５と銅―モリブデン板１６をレーザ溶接する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップ上に高融点材料からなるヒートスプレッダが固着され、該ヒートスプレッダ上に前記ヒートスプレッダより低融点材料からなる金属板がレーザ溶接される半導体装置の製造方法において、
前記金属板に貫通孔を形成し、該金属板を前記ヒートスプレッダ上に接触させて前記貫通孔に露出する前記ヒートスプレッダの表面に対して前記レーザ光を照射し、前記ヒートスプレッダの前記レーザ光が照射された箇所とその近傍の前記金属板とを加熱し溶融させることで、前記ヒートスプレッダに前記金属板を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２】
半導体チップ上に高融点材料からなるヒートスプレッダが固着され、該ヒートスプレッダ上に前記ヒートスプレッダより低融点材料からなる金属板がレーザ溶接される半導体装置の製造方法において、
前記金属板に底部が塞がった凹穴を形成し、該金属板を前記ヒートスプレッダ上に接触させて前記凹穴の底面に前記レーザ光を照射し、前記金属板の前記凹穴の底面の該レーザ光が照射された箇所とその直下の前記ヒートスプレッダを加熱し溶融させることで、前記ヒートスプレッダに前記金属板を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３】
前記レーザ光を、前記ヒートスプレッダの前記金属板との接合面から前記レーザ光の光源側に０．５ｍｍ乃至前記接合面から前記光源とは反対側に０．３ｍｍの間に焦点をあわせて照射す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の製造方法。
【請求項４】
半導体チップ上に高融点材料からなるヒートスプレッダが固着され、該ヒートスプレッダ上に前記ヒートスプレッダより低融点材料からなる金属板がレーザ溶接される半導体装置の製造方法において、
前記金属板をヒートスプレッダ上に接触させて、前記レーザ光を、前記ヒートスプレッダの前記金属板との接合面から前記レーザ光の光源側に０．５ｍｍ乃至前記接合面から前記光源とは反対側に０．３ｍｍの間に焦点をあわせて照射し、該レーザ光が照射された箇所の前記金属板と前記ヒートスプレッダを加熱し溶融させることで、前記ヒートスプレッダに前記金属板を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】
前記低融点材料が銅もしくは銅合金であり、前記高融点材料が銅−モリブデン焼結体，銅−タングステン焼結体，モリブデン，タングステンの少なくとも一つであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記レーザ光がＹＡＧレーザ、半導体レーザおよびＣＯ２レーザのいずれか一つから出射される光であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記凹穴の裏面側を含めた前記金属板の裏面が平坦であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記凹穴の裏面側が該凹穴が形成されていない箇所の前記金属板の裏面から凸となっており、該凸の表面が平坦であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記金属板に形成された前記貫通孔もしくは前記凹穴の前記レーザ光が入射する表面側の開口部を大きくし、該表面側から裏面側に向って開口部が小さくなるようして、前記貫通孔もしくは凹穴の側壁にテーパーを付けることを特徴とする請求項１、２、５〜８に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
少なくとも前記テーパー部にめっきを施したことを特徴とする請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記表面側の開口部を、該開口部を通過する前記レーザ光の光束より大きくし、該レーザ光を、前記貫通孔もしくは凹穴の側壁の少なくとも一部と、貫通孔に露出したヒートスプレッダの表面もしくは凹穴の底面の少なくとも一部とに照射することを特徴とする請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記貫通孔もしくは凹穴の開口部の平面形状が円形および多角形をしていることを特徴とする請求項1、２，５〜１１のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記貫通孔もしくは凹穴の開口部の平面形状が細線状をしており、前記レーザ光を該細線状の貫通孔もしくは凹穴の複数箇所に照射し、複数のレーザ溶接することを特徴とする請求項1、２、５〜１１のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、チップ温度低減のためにチップ上面に接合されるヒートスプレッダを有する半導体装置の製造方法に関し、特に、ヒートスプレッダと外部に配線するための金属板を接合する際の、ヒートスプレッダ上配線の接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電力変換装置の小型化・高密度化が進んできている。電力変換装置の小型化・高密度化に対しては、パッケージ内部の配線，パッケージ構造，放熱方法などを改良する必要がある。特にパワーデバイスであるＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＦＷＤ（Ｆｒｅｅ  Ｗｈｅｅｌｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）等の半導体チップでは、大電流化，小型化にともない、高電流密度で使用されることが多くなってきている。
【０００３】
ここで問題となるのが高電流密度化に伴う発熱密度の増加である。例えば、従来では定格５０Ａで使用していた半導体チップに、半導体チップの高性能化に伴って定格以上の電流、例えば７５Ａの電流を流すという使われ方が多くなってきている。半導体チップの定格電流により、必要とされるチップ面積があるが、例えば１０ｍｍ□（１０ｍｍ×１０ｍｍ）の半導体チップを１枚のウェハから取り出すことができる個数が１００個であった場合、半導体チップ面積が３０％小さなもの（約８．４ｍｍ□）では、同じウェハから取り出すことのできる半導体チップ個数は約１４２個となり、１ウェハ当たりの半導体チップの取れ数が大きくなる。このように、より小さな半導体チップで、より多くの電流を流すことができれば、１ウェハ当たりの半導体チップの取れ数増加に伴い、コスト低減につながる。
【０００４】
また、半導体チップの小型化は、これらの半導体チップを複数個組み合わせて構成される半導体パッケージのサイズを小さくできるメリットもある。これらのことから、同じ定格電流でも、より小さなチップが嗜好される傾向が強く、結果として高発熱密度化が進んできている現状がある。
ＩＧＢＴやＦＷＤ等のパワーデバイスでは、動作温度の上限を１２５℃としている場合が多い。しかしながらチップの小型化や高電流密度化に伴って発熱密度が増加し、従来のアルミワイヤによる配線ではチップ表面の温度上昇を抑えることが不可能となっている。
【０００５】
これは、アルミワイヤが例えばφ３００μｍやφ４００μｍといった細線であり、チップで発生した熱を移動することが出来ないばかりか、アルミワイヤ自身がジュールにより発熱し、場合によっては溶断してしまう問題点がある。
片面冷却方式をとる半導体パッケージでは、半導体チップから発生した熱は半導体チップの下面からしか放熱が出来ない。半導体パッケージ内には、絶縁保護のためにシリコーン系の封止樹脂が充填されており、半導体チップの上面はこの封止樹脂で覆われている。シリコーン系封止樹脂の熱伝導率は０．１〜０．２Ｗ／ｍＫ程度であり、この構成では半導体チップ上面からの放熱は期待できない。
【０００６】
このような問題点に対し、半導体チップ上面から効率的に熱を逃がす方法として、半導体チップ上面に金属製のヒートスプレッダ（放熱体）を熱伝導性樹脂あるはんだにより接合する方法がある。
図９は従来例１を示す図である。図９において、セラミクス１、裏面銅箔２、表面回路パターン（表面銅箔）３，４，５から構成される絶縁基板の表面回路パターン４上に、ＩＧＢＴチップ６がはんだ７により接合されている。図９の例では、半導体チップとしてはＩＧＢＴチップ６を用いており、表面回路パターン３にＩＧＢＴのエミッタが、表面回路パターン４にはコレクタが、表面回路パターン５にはゲートがそれぞれ接続されている。
【０００７】
このＩＧＢＴチップ６の上面にヒートスプレッダ９がはんだ８により接合されている。さらに、このヒートスプレッダ９と表面回路パターン３を結ぶ配線として、アルミワイヤ１０が接合されている。また、ＩＧＢＴチップ６にゲート電圧を供給するために、図示しないＩＧＢＴチップ６上のゲートパッドと、表面回路パターン５間をアルミワイヤ１１が接続している。また、インバータ動作をさせるには、この他にダイオードが必要であるが、ここでは簡略化のため説明を省略してある。また、図９に示した構造のものは、ＰＰＳ（ポリ・フェニレン・サルファイド）又はＰＢＴ（ポリ・ブチレン・テレフタレート）などの樹脂ケース内に収納され、さらにその中に素子保護としてシリコーン樹脂が充填されて、半導体パッケージを構成する。このように最も高温となるチップ中央部の熱をヒートスプレッダを介してチップ周辺に拡散して、温度を下げる方法が特許文献１に開示されている。
【０００８】
図９に示す従来例１では、半導体チップとヒートスプレッダをはんだで接合した。この場合、はんだの体積固有抵抗が低いために、熱伝導性樹脂による接合に比べ電気的・熱的損失が小さいという利点がある。しかしながら、半導体チップの熱膨張係数と銅などの高熱伝導材からなるヒートスプレッダの熱膨張係数との差異により、冷熱繰り返し環境において、はんだ層に繰り返し応力が働き、はんだにクラックが生じてしまう問題点がある。
【０００９】
図１０にヒートスプレッダの接合構造における、冷熱繰り返し環境でのＩＧＢＴ及びヒートスプレッダの伸縮挙動を示す。図９のような、ＩＧＢＴを組み込んだ半導体パッケージ（ＩＧＢＴモジュールとも言う）では、ＩＧＢＴやＦＷＤがオンとなって通電すると半導体チップが発熱する。また、オフとなると、図示しない放熱構造によって冷却される。
したがって、ＩＧＢＴモジュールの使用時には、発熱と冷却が繰り返される。ＩＧＢＴモジュールの信頼性試験においては、この発熱と冷却を模して、高温側は１２５℃、低温側は−４０℃の温度条件にて、数百サイクルの繰り返し試験（ヒートサイクル試験）が実施されている。同図（ａ）は高温時の模式図であり、ＩＧＢＴチップ６に比べヒートスプレッダ９の熱膨張係数の方が大きいため、ヒートスプレッダ９によりはんだ接合部（特にその端部に大きな）左右に引っ張られる形の応力が作用する。同図（ｂ）は低温時の模式図であり、今度はヒートスプレッダ９によりはんだ接合部（特にその端部に大きな）中央に引っ張られる形の応力が作用する。
【００１０】
具体的には、半導体チップ６の熱膨張係数は約３×１０−６／℃であり、銅の熱膨張係数は１６．５×１０−６／℃である。これらの熱膨張係数の違いにより、半導体チップ６とヒートスプレッダ９を接合するはんだ８にストレスが加わる。この繰り返し応力によりはんだ８が劣化し、最も応力が大きい箇所からクラックが生じてきてしまう。
クラックが進展した場合、半導体チップ６からの電流経路が狭まり、配線抵抗増加，導通不良に発展するという不都合が生じる。
【００１１】
このようなことから、ヒートスプレッダ９の材質として、熱膨張係数が半導体チップ６に近いＭｏ（熱膨張係数は５．１×１０−６／℃），Ｗ（同４．５×１０−６／℃），ＣｕＭｏ（同７〜１４×１０−６／℃），ＣｕＷ（同６〜１２×１０−６／℃）などの低熱膨張係数の金属，焼結体を用いることにより、半導体チップ６とヒートスプレッダ９間のはんだ８に加わる熱ストレスを低減することが可能となる。
【００１２】
図１１に従来例２のＩＧＢＴモジュールの断面図を示す。従来例２では、従来例１で述べたヒートスプレッダ９上のボンディングワイヤ１０を、銅や銅合金などの金属板１２としたものである。ボンディングワイヤ１０を金属板１２とすることで、配線抵抗の低減，配線のジュール発熱の低減，半導体チップ６から発生した熱の移動が可能となる。
このヒートスプレッダ９と金属板１２との接合方法として、導電性接着剤による接合，はんだ材による接合，超音波による直接接合，レーザによる溶接などが考えられる。しかしながら、導電性接着剤では、はんだ接合や超音波接合に比べ電気抵抗が大きく、好ましくない。はんだ接合の場合、半導体チップ６より発せられた熱がヒートスプレッダ９を介して伝導してくるため、はんだ８が熱劣化し、接合信頼性の確保が難しかった。また、超音波接合では、ヒートスプレッダ９上に金属板を重ね、荷重と振動を加えるために、ヒートスプレッダ９と半導体チップ６を接合しているはんだ８にクラックが生じる場合があった。
【００１３】
これを解決するために、ＹＡＧレーザ（波長１０６４ｎｍ）を用いて金属板１２とヒートスプレッダ９とを溶接する方法つまり異種金属を溶接する方法を検討した。
図１２は、ＹＡＧレーザ（波長１０６４ｎｍ）を用いて金属板１２とヒートスプレッダ９とを溶接する方法を説明する図であり、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図である。図１２は図１１に相当する図であるがエミッタ端子３、ゲート端子５およびアルミワイヤ１１は図示されていない。また、図１２（ａ）には出射ユニット１３は図示されていない。
【００１４】
また、図１３は、ＹＡＧレーザの場合のレーザ光の焦点を説明する図であり、同図（ａ）は照射面（Ｘ−Ｘ線で示す）に垂直に入射した場合の図、同図（ｂ）は照射面に垂直な線に対して傾いて入射した場合の図である。焦点３２はある面積をもっており、その焦点３２の平面形状は同図（ａ）では円形であり、同図（ｂ）では楕円形である。円形の直径をＤ（例えば、０．４ｍｍ程度であり出射ユニットと接続する光ファイバの直径とほぼ同じである）、楕円形の長軸をＬ１、短軸をＬ２とすると、Ｌ１＞Ｌ２、Ｌ１＞Ｄ、Ｌ２＝Ｄとなる。
図１２において、レーザ光３１は出射ユニット１３より出射され、金属板１２表面に当たる。この図１２で示すレーザ光３１の入射角度は図１３（ａ）で示すように垂直ではなく、実際は図１３（ｂ）に示すように照射面（Ｘ−Ｘ線）に垂直な線Ｐを基準にしたとき、入射角は１０度程度（光軸Ｑが垂直な線Ｐに対して１０度傾斜する）にする。これは、垂直（０度）にすると反射光が出射ユニット１３に戻り機器が損傷してしまうためである。
【００１５】
図１２において、レーザ光３１のエネルギにより金属板１２が加熱され、溶融部１４を形成する。レーザ光３１の出射時間（パルス幅）を長くしていくと、溶融部１４は次第に金属板１２下部に配置したヒートスプレッダ９表面に到達し、今度はヒートスプレッダ９内部まで溶融部１４が形成されてくる。この状態は、金属板１２及びヒートスプレッダ９の材質が共に銅または銅合金を使用した場合には容易にレーザ溶接が実現できた。ところが、先に述べたように、ヒートスプレッダ９の材質が熱膨張係数の大きな銅及び銅合金の場合には、ヒートサイクルによってヒートスプレッダ９とＩＧＢＴチップ６を固着するはんだ８にクラックが生じてしまう。このため、ヒートスプレッダ９の材質としては、熱伝導率が高く、電気抵抗が低く、熱膨張係数の小さなＭｏ（熱膨張係数は５．１×１０−６／℃），Ｗ（同４．５×１０−６／℃），ＣｕＭｏ（同７〜１４×１０−６／℃），ＣｕＷ（同６〜１２×１０−６／℃）などの材料を用いる必要がある。
【００１６】
しかしながら、ヒートスプレッダ９をこれらの低熱膨張係数材とした場合には、これらの材料は高融点材料でもあり、銅のような低融点材料である金属板１２とを確実に溶接することが困難であった。具体的な検討内容を以下に述べる。
図１４に金属板１２として銅板１５を用い、ヒートスプレッダ９として銅−モリブデン板１６（ＣｕＭｏ）を用いた場合について説明する。同図（ａ）はレーザ光のエネルギ小さいときの図、同図（ｂ）はレーザ光のエネルギ大きいときの図である。
【００１７】
図１４（ａ）の場合、金属板１２上面より照射されたレーザ光３１は銅板１５表面より吸収・加熱され、その温度が銅の融点を超えることで溶融が起きる。この溶融部１７は次第に銅−モリブデン板１６の方向に進行していき、銅−モリブデン板１６表面に達するが、モリブデンの融点（２６２０℃）が銅の融点（１０８３℃）より１５３７℃も高いため、溶融部１７の進行が銅−モリブデン板１６表面で停止する。また、レーザ光３１のパワー密度を高くしたり、出射時間（パルス幅）を長くすることで、エネルギーを増して行くと、銅−モリブデン板１６（焼結されたモリブデンの微小空洞に銅が染み込んだもの）中の銅成分が溶融し、モリブデン成分を押し広げる形で溶融部１７が形成される。
【００１８】
しかしながら、この銅−モリブデン板１６側では、溶融部１７はなかなか進行せず、浅い溶融部（底部溶融部１７ａ）が形成されるだけであった。例えば、レーザファイバのコア径をφ０．４ｍｍ，ピークパワーを３ｋＷ，エネルギを１００Ｊとし、０．５ｍｍ厚の銅板１５と１．０ｍｍ厚の銅−モリブデン板１６のヒートスプレッダとをレーザ溶接した場合、銅−モリブデン板１６側に形成される溶融部は深さ（底部溶融部１７ａの厚さ）約０．１ｍｍ程度であり、溶接部１７の強度を測定すると、アルミワイヤボンディングワイヤ１本の接合強度を下回るレベルであった。
【００１９】
また、さらにパワー密度やエネルギを増していくと、図１４（ｂ）に示すように銅−モリブデン溶融部１７ｂは多少深くなるが、銅板１５の溶融部１７の表面に消失部１８が生じてしまう。この消失部１８はスパッタとして周囲に飛散し、飛散した銅がＩＧＢＴモジュール内部の不用な部分に付着することが懸念されるため、半導体パッケージ（ＩＧＢＴモジュール）の製造上好ましくない。
【００２０】
図１５はヒートスプレッダ材としてモリブデン板１９（Ｍｏ）を用いた場合を示している。この場合には、図１４（ａ）、（ｂ）で示したように、ヒートスプレッダ９であるモリブデン板１９中には銅が無いため、銅が溶融する温度ではモリブデン板１９は溶融しない。具体的には、銅（Ｃｕ）の融点は１０８３℃であるが、Ｍｏの融点は２６２０℃であり、銅が溶融しても必ずしもＭｏは溶融しない。また、銅の沸点は２５７０℃であるため、Ｍｏが溶融すると銅の沸点を超えるため、銅板１５は蒸気圧により図１５（ｂ）に示すようにスパッタや金属蒸気として消失して消失部１８が形成されてしまう。
【００２１】
ここで、貫通孔を開けてレーザ光で溶接することが特許文献２に開示されている。鋼板同士を溶接することが記載されているものの、異種金属のレーザ溶接については記載されていない。
また、底が塞がれた凹穴を形成し、この凹穴にレーザ光を照射してレーザ溶接することが特許文献３に開示されている。底が塞がれた凹穴を形成しその凹穴の裏面側を丸みを帯びた凸型にしてレーザ溶接する場合について記載されており、レーザ溶接する箇所の接触面積が極めて小さく溶接強度が十分に確保することが困難である。
【特許文献１】特開２０００−３０７０５８号公報
【特許文献２】特開２００１−７１１６２号公報
【特許文献３】特開平１１−１４４７７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
上述した、従来例ではＣｕとＣｕＭｏや、ＣｕとＭｏとをＹＡＧレーザを用いてワイヤボンディング以上の溶接強度を得ることが出来なかった。従来例では述べていないが、ＣｕとＣｕＷ，ＣｕとＷの場合も同様である。つまり、低融点材料であるＣｕと高融点材料であるＣｕＭｏ，ＣｕＷ，Ｍｏ，Ｗとのレーザ溶接では高い溶接強度が得られない。
この発明の目的は、前記の課題を解決して、高融点材料のヒートスプレッダと低融点材料の金属板をレーザ光で溶融して接合し、高い溶接強度を得ることができる半導体装置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】
【００２３】
前記の目的を達成するために、半導体チップ上に高融点材料からなるヒートスプレッダが固着され、該ヒートスプレッダ上に前記ヒートスプレッダより低融点材料からなる金属板がレーザ溶接される半導体装置の製造方法において、前記金属板に貫通孔を形成し、該金属板を前記ヒートスプレッダ上に接触させて前記貫通孔に露出する前記ヒートスプレッダの表面に対して前記レーザ光を照射し、前記ヒートスプレッダの前記レーザ光が照射された箇所とその近傍の前記金属板とを加熱し溶融させることで、前記ヒートスプレッダに前記金属板をレーザ溶接するものとする。
【００２４】
また、半導体チップ上に高融点材料からなるヒートスプレッダが固着され、該ヒートスプレッダ上に前記ヒートスプレッダより低融点材料からなる金属板がレーザ溶接される半導体装置の製造方法において、前記金属板に底部が塞がった凹穴を形成し、該金属板を前記ヒートスプレッダ上に接触させて前記凹穴の底面に前記レーザ光を照射し、前記金属板の前記凹穴の底面の該レーザ光が照射された箇所とその直下の前記ヒートスプレッダを加熱し溶融させることで、前記ヒートスプレッダに前記金属板をレーザ溶接するものとする。
【００２５】
また、前記レーザ光を、前記ヒートスプレッダの前記金属板との接合面から前記レーザ光の光源側に０．３ｍｍ乃至前記接合面から前記光源とは反対側に０．５ｍｍの間に焦点をあわせて照射するとよい。
また、半導体チップ上に高融点材料からなるヒートスプレッダが固着され、該ヒートスプレッダ上に前記ヒートスプレッダより低融点材料からなる金属板がレーザ溶接される半導体装置の製造方法において、
前記金属板をヒートスプレッダ上に接触させて、前記レーザ光を、前記ヒートスプレッダの前記金属板との接合面から前記レーザ光の光源側に０．３ｍｍ乃至前記接合面から前記光源とは反対側に０．５ｍｍの間に焦点をあわせて照射し、該レーザ光が照射された箇所の前記金属板と前記ヒートスプレッダを加熱し溶融させることで、前記ヒートスプレッダに前記金属板をレーザ溶接するものとする。
【００２６】
また、前記低融点材料が銅もしくは銅合金であり、前記高融点材料がＣｕＭｏ（銅−モリブデン焼結体），ＣｕＷ（銅−タングステン焼結体），Ｍｏ（モリブデン），Ｗ（タングステン），の少なくとも一つであるとよい。
また、前記レーザ光がＹＡＧレーザ、半導体レーザおよびＣＯ２レーザのいずれか一つから出射される光であるとよい。
【００２７】
また、前記凹穴の裏面側を含めた前記金属板の裏面が平坦であってもよい。
また、前記凹穴の裏面側が該凹穴が形成されていない箇所の前記金属板の裏面から凸となっており、該凸の表面が平坦であるとよい。
また、前記金属板に形成された前記貫通孔もしくは前記凹穴の前記レーザ光が入射する表面側の開口部を大きくし、該表面側から裏面側に向かって開口部が小さくなるようして、前記貫通孔もしくは凹穴の側壁にテーパーを付けるとよい。また、少なくともテーパー部にめっきを施すとよい。
【００２８】
また、前記表面側の開口部を、該開口部を通過する前記レーザ光の光束より大きくし、該レーザ光を、前記貫通孔もしくは凹穴の側壁の少なくとも一部と、貫通孔に露出したヒートスプレッダの表面もしくは凹穴の底面の少なくとも一部とに照射するとよい。
また、前記貫通孔もしくは凹穴の開口部の平面形状が円形および多角形をしているとよい。
【００２９】
また、前記貫通孔もしくは凹穴の開口部の平面形状が細線状をしており、前記レーザ光を該細線状の貫通孔もしくは凹穴の複数箇所に照射し、複数のレーザ溶接するとよい。
【発明の効果】
【００３０】
この発明によれば、高融点材料のＣｕＭｏ，ＣｕＷ，Ｍｏ，Ｗ，などのヒートスプレッダとヒートスプレッダより低融点材料の銅板（もしくは銅合金）とのレーザ溶接において、銅板に貫通孔または底部が塞がれた凹穴を形成し、これらの箇所にレーザ光を照射してレーザ溶接することで、高い接合信頼性を確保することができる。また、貫通孔や凹穴の側壁にテーパーを付けこのテーパー部にもレーザ光が当たるようにすることで、溶融箇所を広げてさらに強固な接合を得ることができる。テーパー部にめっきを施すことでレーザ光の吸収率を高くすることができる。また、貫通孔や凹穴の平面形状を細線状に形成して、この細線状の貫通孔や凹穴の複数箇所にレーザ光を照射することで、複数のレーザ溶接を行い、製造コストの低減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
この発明は、パワーデバイスであるＩＧＢＴやＦＷＤ等の半導体チップの上面に高融点材料のＣｕＭｏ（銅−モリブデンの焼結体），ＣｕＷ（銅−タングステンの焼結体），Ｍｏ，Ｗなどのヒートスプレッダを接合したものにおいて、ヒートスプレッダよりも低融点の金属板（銅または銅合金）をレーザ溶接にてヒートスプレッダに接合するものである。発明の実施の形態を以下の実施例にて説明する。
【実施例１】
【００３２】
図１は、この発明の第１実施例の半導体装置の主要部を示す図である。
図１において、１５は金属板であり、本実施例では銅板（Ｃｕ）を用いた（以下銅板１５という）。１６はヒートスプレッダであり、同じく板状の銅−モリブデンの焼結体（ＣｕＭｏ）を用いた（以下銅−モリブデン板１６という）。そして銅−モリブデン板１６上に銅板１５をレーザ溶接にて接合する。
【００３３】
同図（ａ）、（ｂ）は銅−モリブデン板１６と銅板の要部断面図であり、同図（ａ）はレーザ照射前の状態の図、同図（ｂ）はレーザ照射時の状態を示す図、同図（ｃ）は溶融部の平面図である。
尚、図１では図示は省略するが、銅−モリブデン板１６は、ＩＧＢＴなどの半導体チップにはんだ接合され、半導体チップははんだにより絶縁基板の表面回路パターンに接合されている。銅板１５は、図１１の金属板１２のごとく表面回路パターンに接続してもよいし、外部へ導出してもよい。また、半導体チップのうちＩＧＢＴチップのゲートパッドと表面回路パターンとの間をアルミワイヤで接続している。また、インバータ動作をさせるには、この他にダイオード（ＦＷＤ）が必要であり、ＦＷＤについても同様に絶縁基板に接合し、必要に応じて銅−モリブデン板１６を接合し、銅−モリブデン板１６上に銅板１５を接合する。このように絶縁基板上に搭載されたＩＧＢＴやＦＷＤをＰＰＳやＰＢＴなどの樹脂ケース内に収納し、さらにその中に素子保護としてシリコーン樹脂が充填を充填して半導体パッケージ（ＩＧＢＴモジュール）を構成する。また、樹脂ケースへの収納に替えて、所望の箇所を熱硬化性の樹脂でモールドしてもよい。また、セラミクスを用いた絶縁基板に替えて金属板に絶縁層を介して表面回路パターンを形成した金属絶縁基板を用いてもよい。このように、種々変更が可能である。なお、半導体パッケージの構成については、後述の他の実施例についても同様であるので、各実施例での説明は省略する。
【００３４】
レーザ光３１の光軸Ｑは照射面（銅−モリブデン板１６の露出面）に垂直な線Ｐ（図１３参照）に対して１０度程度傾斜している。光軸を傾斜させる理由は前述のとおりである。なお、図１２〜図１４と同一部位には同一符号を付した。
同図（ａ）に示すように、銅板１５に貫通孔２０を設けている。銅板１５は所望の電流容量や他の製造・組立工程での作業性を勘案して厚さを選択している。例えば、０．３ｍｍ〜２ｍｍから選択が可能であり、図１の例では１ｍｍである。銅板１５に形成される貫通孔２０は、銅板１５を所望の外形寸法に加工する際に同時にプレス打ち抜きにて加工するのが最も簡便でありコスト的にも有利である。貫通孔２０の直径が銅板１５の暑さに対して小さく、銅板１５のプレス打ち抜き加工時に同時に形成するのが難しい場合は、銅板１５に対して、レーザ溶接工程とは別の工程で、レーザ光による穴あけ加工を施せばよい。
【００３５】
図１は、貫通孔２０の側壁２０ａが垂直な場合を示しており、貫通孔２０の直径Ｍ１はＹＡＧレーザ(波長１０６４ｎｍ)の出射ユニット１３から出射されるレーザ光３１の焦点３２の長軸Ｌ１（図１３（ｂ）参照）の１．５倍から２倍程度である。貫通孔２０の直径Ｍ１が焦点３２の長軸Ｌ１より小さいとレーザ光の照射によって銅板１５の表面１５ａ（貫通孔２０の外周部）が溶融して所望の接合が得られず、直系Ｍ１が、焦点３２の長軸より大きすぎると、銅板１５が十分に溶融せず所望の接合が得られないためである。このように、貫通孔の直径Ｍ１を選択することにより、レーザ光３１の光束３３は銅板１５に形成した貫通孔２０の開口部より小さく、銅板１５の表面１５ａには当たらず、また側壁２０ａも当たらずに、所望の領域のレーザ溶接を行うことができる。
【００３６】
銅板１５および銅−モリブデン板１６へのレーザ光の照射は次のように行う。銅−モリブデン板１６が接合された半導体チップもしくは絶縁基板を治具に固定し、銅板１５を銅−モリブデン板１６上の所定の位置に接触させる。強固な接合を得るためには、レーザ光が照射される付近では銅板１５と銅−モリブデン板１６とが接触していることが望ましいため、銅板１５を銅−モリブデン板１６へ押圧して保持し、レーザ光を照射する。
【００３７】
この貫通孔２０を通し、銅−モリブデン板１６表面にレーザ光３１が照射される。その全エネルギは５０Ｊから１００Ｊ程度である。この照射されるレーザ光３１のエネルギは数ｍｓ〜数十ｍｓのパルスである。時間の経過とともに階段的に照射パワー（単位はＷａｔｔ）を上昇させてもよい。このようにすると、レーザ光を照射した部材の温度をゆっくりと上昇させることができる。
【００３８】
レーザ光３１の焦点３２は、貫通孔２０に露出する銅−モリブデン板１６の表面となるように、出射ユニット１３にて調整する。しかしながら、レーザ光を照射する対象は半導体チップと銅−モリブデン板１６とをはんだにて接合した積層構造体である。銅−モリブデン板１６には製造上のバラツキ（公差）があり、またはんだ接合の際はんだ層の厚さにもバラツキ（公差）がある。その結果出射ユニット１３から銅−モリブデン板１６の表面までの距離が当初設定した距離からずれてしまい、所定の焦点が得られない場合がある。その場合でも銅−モリブデン板１６の表面（接合面）からレーザ光の光源側に０．５ｍｍ乃至銅−モリブデン板１６の表面（接合面）から光源とは反対側に０．３ｍｍの範囲にレーザ光３１の焦点３２が位置すれば所望の溶接部２１が得られる。焦点位置が上記の範囲から大きく外れる場合には、レーザ光３１の焦点３２が、貫通孔２０に露出する銅−モリブデン板１６の表面となるように、出射ユニット１３にて再調整する。
【００３９】
図１６は、レーザ光３１のスポット径（図１３（ａ），（ｂ）に示す焦点の平面図における径）と焦点位置からのずれ量との関係を示す図である。図１６において、Ｄ０は、レーザ溶接を行うのに必要な照射パワーが得られるパワー密度の下限である。これよりスポット径が大きくなるとレーザ光のパワー密度が低下して、所望の溶接が得られない。
図１６の例では、出射ユニットと接続する光ファイバの直径が０．４ｍｍの場合であるが、焦点位置から「＋」側（焦点位置よりレーザ光の光源側）に０．５ｍｍ，「−」側（焦点位置よりレーザ光の光源とは反対側）には０．３ｍｍの範囲で、所望の照射パワー密度が得られる。なお、図１６では、「＋」側の方が曲線の傾斜がゆるやかである。光学系の特性などの影響によるものである。このため、同一の照射パワー密度を得るために許容できる焦点位置からのずれ量は、「−」側の方が小さくなっている。
【００４０】
図１（ｂ）では、レーザ光３１は銅−モリブデン板１６の表面より吸収され、銅−モリブデン板１６はレーザエネルギーにより加熱され、この熱が銅−モリブデン板１６上面に配置した銅板１５に伝導し、貫通孔２０近傍の銅板１５と銅−モリブデン板１６がレーザ溶接される。この溶融部２１（レーザ溶接部）の平面形状は同図（ｃ）で示すように貫通孔２０の側壁２０ａ近傍となりドーナッツ状になる。
【００４１】
本発明では、レーザ光３１により銅−モリブデン板１６中には殆ど溶融部２１が生じないが、銅−モリブデン板１６面に照射されたレーザ光３１により銅板１５が溶融し、この溶融部２１が銅−モリブデン板１６表面に濡れ拡がり、銅−モリブデン板１６と銅板１５とが溶接される。この場合、銅−モリブデン板１６の深さ方向への溶け込みはほとんど無いが、溶融部２１の濡れ拡がりにより、充分な接合強度（溶接強度）を得ることができる。なお、図１では貫通孔２０の側壁２０ａは銅板１５の表面に対して垂直であったが、図２に示すようにテーパーを付けた側壁２０ｂにするとレーザ光３１が表面１５ａに、より当たり難くなり、より好ましくなる。
【実施例２】
【００４２】
図３は、この発明の第２実施例の半導体装置の主要部を示す図である。
図３において、１５は金属板であり、本実施例では銅板（Ｃｕ）を用いた（以下銅板１５という）。１６はヒートスプレッダであり、同じく板状の銅−モリブデンの焼結体（ＣｕＭｏ）を用いた（以下銅−モリブデン板１６という）。そして銅−モリブデン板１６上に銅板１５をレーザ溶接にて接合する。
【００４３】
同図（ａ），（ｂ）は銅−モリブデン板１６と銅板１５の要部断面図であり、同図（ａ）はレーザ照射前の状態の図、同図（ｂ）はレーザ照射時の状態を示す図、同図（ｃ）は溶融部の平面図である。
同図（ａ）では、銅板１５に貫通孔ではなく底部が塞がれた凹穴２２を設けている。この凹穴２２部の裏面は飛び出しておらず平坦になっている。銅板１５は所望の電流容量や他の製造・組立工程での作業性を勘案して厚さを選択している。例えば、０．３ｍｍ〜２ｍｍから選択が可能であり、図３の例では１ｍｍである。銅板１５に形成される凹穴２２は、銅板１５を所望の外形寸法に加工する際に同時にプレス加工するのが最も簡便でありコスト的にも有利である。凹穴２２の直径が銅板１５の厚さに対して小さく、銅板１５のプレス加工時に同時に形成するのが難しい場合は、銅板１５に対して、レーザ溶接工程とは別の工程で、レーザ光による穴あけ加工を施せばよい。
【００４４】
図３は、凹穴２２の側壁２２ａが垂直な場合を示しており、凹穴２２の直径Ｍ１はＹＡＧレーザ(波長１０６４ｎｍ)の出射ユニット１３から出射されるレーザ光３１の焦点３２の長軸Ｌ１（図１３（ｂ）参照）の１．５倍から２倍程度である。凹穴２２のの直径Ｍ１が焦点３２の長軸Ｌ１より小さいとレーザ光の照射によって銅板１５の表面１５ａ（凹穴２２の外周部）が溶融して所望の接合が得られない。直系Ｍ１が、焦点３２の長軸より大きすぎると、複数箇所にてレーザ溶接を行うような場合には、溶接箇所の間隔が不要に広くなって、銅板１５の面積を十分に活用できない。このように、凹穴の直径Ｍ１を選択することにより、レーザ光３１の光束３３は銅板１５に形成した凹穴２２の開口部より小さく、銅板１５の表面１５ａには当たらず、また側壁２０ａも当たらずに、所望の領域のレーザ溶接を行うことができる。
【００４５】
この凹穴２２の底面にレーザ光３１を照射し、凹穴２２部の底部を溶融させてレーザ溶接を行う。次にこのレーザ溶接の工程について説明する。
銅板１５および銅−モリブデン板１６へのレーザ光の照射は次のように行う。銅−モリブデン板１６が接合された半導体チップもしくは絶縁基板を治具に固定し、銅板１５を銅−モリブデン板１６上の所定の位置に接触させる。強固な接合を得るためには、レーザ光が照射される付近では銅板１５と銅−モリブデン板１６とが接触していることが望ましいため、銅板１５を銅−モリブデン板１６へ押圧して保持し、レーザ光を凹穴２２の底部へ照射する。
【００４６】
ここで、レーザ光３１の焦点３２は、凹穴２２の直下であって銅−モリブデン板１６の表面となるように、出射ユニット１３にて調整する。しかしながら、レーザ光を照射する対象は半導体チップと銅−モリブデン板１６とをはんだにて接合した積層構造体である。銅−モリブデン板１６には製造上のバラツキ（公差）があり、またはんだ接合の際はんだ層の厚さにもバラツキ（公差）がある。その結果出射ユニット１３から銅−モリブデン板１６の表面までの距離が当初設定した距離からずれてしまい、所定の焦点が得られない場合がある。その場合でも銅−モリブデン板１６の表面（接合面）からレーザ光の光源側に０．５ｍｍ乃至銅−モリブデン板１６の表面（接合面）から光源とは反対側に０．３ｍｍの範囲にレーザ光３１の焦点３２が位置すれば所望の溶接部２３が得られる。凹穴２２の底部の厚さを例えば０．１ｍｍ程度とすると、焦点３２がレーザ光の光源側に最大０．３ｍｍずれて、凹穴２２の底面から０．２ｍｍ上方に焦点３２が来た場合でも、所望の溶融部２３を得ることができる。焦点位置が上記の範囲から大きく外れる場合には、レーザ光３１の焦点３２が、貫通孔２０に露出する銅−モリブデン板１６の表面となるように、出射ユニット１３にて再調整する。
【００４７】
同図（ｂ）では、凹穴２２の底面に照射されたレーザにより凹穴２２の底部の銅が溶融し、さらに凹穴２２下の銅−モリブデン板１６の銅も溶融して、銅−モリブデン板１６と銅板１５が溶融部２３によりレーザ溶接される。この凹穴２２の底部の厚さは、銅板１５の他の部分よりも薄いため、照射したレーザエネルギーが低くても充分に凹穴２２の底部の銅を溶融することが可能であり、低エネルギでレーザ溶接できるために凹穴２２でのスパッタによる消失が無い。
【００４８】
本実施例では、銅板１５の凹穴２２の底面にレーザ光３１が照射される。その全エネルギは、凹穴が形成されていない場合に比べて低くてよく、例えば、３０Ｊから７０Ｊ程度である。この照射されるレーザ光３１のエネルギは数ｍｓ〜数十ｍｓのパルスである。時間の経過とともに階段的に照射パワー（単位はＷａｔｔ）を上昇させてレーザ溶接してもよい。
【００４９】
この溶融部２３（レーザ溶接部）の平面形状は同図（ｃ）で示すように凹穴２２の底面には、銅−モリブデン板１６は露出しない。
【実施例３】
【００５０】
図４は、この発明の第３実施例の半導体装置の主要部を示す図である。
図４において、１５は金属板であり、本実施例では銅板（Ｃｕ）を用いた（以下銅板１５という）。１６はヒートスプレッダであり、同じく板状の銅−モリブデンの焼結体（ＣｕＭｏ）を用いた（以下銅−モリブデン板１６という）。そして銅−モリブデン板１６上に銅板１５をレーザ溶接にて接合する。
【００５１】
同図（ａ）および同図（ｂ）は銅−モリブデン板１６と銅板１５の要部断面図であり、同図（ａ）はレーザ照射前の状態の図、同図（ｂ）はレーザ照射時の状態を示す図、同図（ｃ）は溶融部の平面図である。
第２実施例との違いは、銅板１５に設けた凹穴２４の裏面（凹穴裏面２４ｂ）が凸型に突出している点である。銅板１５は所望の電流容量や他の製造・組立工程での作業性を勘案して厚さを選択している。例えば、０．３ｍｍ〜２ｍｍから選択が可能であり、図４の例では０．５ｍｍである。また、銅板１５の凹穴２４の裏面に形成される凸部は、銅板１５の裏面より０．２ｍｍほど突出している。
【００５２】
銅板１５に形成される凹穴２４は、銅板１５を所望の外形寸法に加工する際に同時にプレス加工するのが最も簡便でありコスト的にも有利である。凹穴２２の直径が銅板１５の厚さに対して小さく、銅板１５のプレス加工時に同時に形成するのが難しい場合は、銅板１５に対して、まずプレス加工にて裏面の凸部を形成しレーザ溶接工程とは別の工程で、表面にレーザ光による穴あけ加工を施せばよい。
【００５３】
図４は、凹穴２４の側壁２４ａが垂直な場合を示しており、凹穴２４の直径Ｍ１はＹＡＧレーザ(波長１０６４ｎｍ)の出射ユニット１３から出射されるレーザ光３１の焦点３２の長軸Ｌ１（図１３（ｂ）参照）の１．５倍から２倍程度である。凹穴２２のの直径Ｍ１が焦点３２の長軸Ｌ１より小さいとレーザ光の照射によって銅板１５の表面１５ａ（凹穴２２の外周部）が溶融して所望の接合が得られない。直系Ｍ１が、焦点３２の長軸より大きすぎると、複数箇所にてレーザ溶接を行うような場合には、溶接箇所の間隔が不要に広くなって、銅板１５の面積を十分に活用できない。このように、凹穴の直径Ｍ１を選択することにより、レーザ光３１の光束３３は銅板１５に形成した凹穴２２の開口部より小さく、銅板１５の表面１５ａには当たらず、また側壁２０ａも当たらずに、所望の領域のレーザ溶接を行うことができる。
【００５４】
この凹穴２４の底面にレーザ光３１を照射し、凹穴２４部の底部を溶融させてレーザ溶接を行う。次にこのレーザ溶接の工程について説明する。
銅板１５および銅−モリブデン板１６へのレーザ光の照射は次のように行う。銅−モリブデン板１６が接合された半導体チップもしくは絶縁基板を治具に固定し、銅板１５を銅−モリブデン板１６上の所定の位置に接触させる。強固な接合を得るためには、レーザ光が照射される付近では銅板１５と銅−モリブデン板１６とが接触していることが望ましいため、銅板１５を銅−モリブデン板１６へ押圧して保持しする。レーザ溶接箇所である凹穴２４の裏面側は、銅板１５の裏面より突出しているため、銅板１５を銅−モリブデン板１６へ押圧した際に、両者が確実に接触する。そして、レーザ光を凹穴２４の底部へ照射する。
【００５５】
ここで、レーザ光３１の焦点３２は、凹穴２４の直下であって銅−モリブデン板１６の表面となるように、出射ユニット１３にて調整する。しかしながら、レーザ光を照射する対象は半導体チップと銅−モリブデン板１６とをはんだにて接合した積層構造体である。銅−モリブデン板１６には製造上のバラツキ（公差）があり、またはんだ接合の際はんだ層の厚さにもバラツキ（公差）がある。その結果出射ユニット１３から銅−モリブデン板１６の表面までの距離が当初設定した距離からずれてしまい、所定の焦点が得られない場合がある。その場合でも銅−モリブデン板１６の表面（接合面）からレーザ光の光源側に０．５ｍｍ乃至銅−モリブデン板１６の表面（接合面）から光源とは反対側に０．３ｍｍの範囲にレーザ光３１の焦点３２が位置すれば所望の溶接部２３が得られる。凹穴２２の底部の厚さを例えば０．１ｍｍ程度とすると、焦点３２がレーザ光の光源側に最大０．３ｍｍずれて、凹穴２４の底面から０．２ｍｍ上方に焦点３２が来た場合でも、所望の溶融部２５を得ることができる。焦点位置が上記の範囲から大きく外れる場合には、レーザ光３１の焦点３２が、貫通孔２０に露出する銅−モリブデン板１６の表面となるように、出射ユニット１３にて再調整する。
【００５６】
また、凹穴裏面２４ｂを平坦にすることで、この箇所が円弧状の突出（特許文献２参照）に比べて、銅−モリブデン板１６と接触する面積を大きくできる。このように凸型に突出させ、突出部を平坦とすることで、第２実施例より低エネルギで同じ溶接強度を得ることができる。これは、銅−モリブデン板１６との接触が凸部で行われるため、第２実施例のように全面が平坦な場合に比べ接触面積を小さくすることができて、レーザ光３１により発生した熱の銅−モリブデン板１６への拡散を防げて、レーザ照射した部分が効率的に高温に達することができるからである。また、この凹穴２４部の厚みＷ２は、第２実施例で述べた場合（Ｗ１）と同様に、銅板１５の他の部分よりも薄くしてあり、第２実施例で述べた理由と同様に低エネルギでレーザ溶接ができる。
【００５７】
第２実施例及び第３実施例でも、第１実施例の場合と同様に、銅−モリブデン板１６の深さ方向への溶け込みは殆ど無いが、溶融部２３及び溶融部２５の濡れ拡がりにより、充分な接合強度を得ることができる。
【実施例４】
【００５８】
図５は、この発明の第４実施例の半導体装置の主要部を示す図である。
図５において、１５は金属板であり、本実施例では銅板（Ｃｕ）を用いた（以下銅板１５という）。１６はヒートスプレッダであり、同じく板状の銅−モリブデンの焼結体（ＣｕＭｏ）を用いた（以下銅−モリブデン板１６という）。そして銅−モリブデン板１６上に銅板１５をレーザ溶接にて接合する。
【００５９】
同図（ａ）、同図（ｂ）および同図（ｄ）は銅−モリブデン板１６と銅板１５の要部断面図であり、同図（ａ）はレーザ照射前の状態の図、同図（ｂ）はレーザ照射時の状態を示す図、同図（ｃ）は溶融部の平面図、同図（ｄ）はレーザ光のエネルギをさらに大きくした場合の図である。
従来の溶接の説明で示した図１４、図１５においては、レーザ光３１の焦点３２を銅板１５表面に合わせていたが、この実施例では、その焦点３２の位置を銅−モリブデン板１６表面に設定している。具体的には、銅−モリブデン板１６表面に焦点３２を合わせるように出射ユニット１３の位置を調整することにより、図５（ｂ）に示すように、銅−モリブデン板1６の溶融部である底部溶融部２６ａを形成できる。
【００６０】
さらに、レーザ光３１のエネルギを上昇させ、ファイバコア径φ０．４ｍｍ，ピークパワー３ｋＷ，エネルギ１００Ｊの条件で、銅板１５の厚さ０．５ｍｍ，銅−モリブデン板１６の厚さ１．０ｍｍの組合せで、銅−モリブデン板１６中に深さ４００μｍの銅−モリブデン溶融部２６ｂ（モリブデンの微細空洞を埋めた銅が溶融する）を形成することができた。
【００６１】
焦点３２の位置は、銅−モリブデン板１６の表面とした場合が最も深い溶け込みを得たが、必要とする接合強度との関係で、銅−モリブデン板１６表面から＋０．５ｍｍ（銅−モリブデン板１６表面よりレーザ光の光源側）〜−０．３ｍｍ（銅−モリブデン板１６表面より光源とは反対側）の範囲に焦点を合わせることで、所望の溶接部２６（２６ａ、２６ｂを含む）を得ることができた。
【００６２】
焦点３２を銅−モリブデン板１６の表面近傍に合わせることで、深い溶接部２６ｂが形成された理由を、図１２及び図５を用いて説明する。
図１２では、レーザ光３１の焦点３２を金属板１２表面に合わせており、故にパワー密度は金属板１２表面で最大値をとる。しかしながら、レーザ光３１には出射角があり、出射ユニット１３より発せられたレーザ光３１は、金属板１２表面でそのスポット径が最小となるが、金属板１２内部に行くにしたがい、今度はスポット径が大きくなっていくため、パワー密度は低下する。いま、溶融したいヒートスプレッダ９に届いたレーザ光３１は、金属板１２表面のスポット径よりも大きく、パワー密度が低下してしまっている。
【００６３】
図５においては、出射ユニット１３の位置を、銅板１５表面に対して下側に移動させ、銅−モリブデン板１６表面にレーザ光３１の焦点３２が来るように調節してある。例えば、銅板１５の板厚が０．５ｍｍであった場合には、銅板１５表面に焦点３２を合わせた後に、銅板１５表面に対して下側に焦点３２を０．５ｍｍ移動させると１６銅−モリブデン板の表面に焦点３２の位置が移動することになる。
【００６４】
また、図５のようにすることで、レーザ光３１のエネルギが高くなっても銅板１５の表面には消失部が形成されないために、レーザエネルギーの範囲を広くすることができて確実にレーザ溶接を行うことができる。
【実施例５】
【００６５】
図６は、この発明の第５実施例の半導体装置の主要部を示す図である。
図６において、１５は金属板であり、本実施例では銅板（Ｃｕ）を用いた（以下銅板１５という）。１６はヒートスプレッダであり、同じく板状の銅−モリブデンの焼結体（ＣｕＭｏ）を用いた（以下銅−モリブデン板１６という）。そして銅−モリブデン板１６上に銅板１５をレーザ溶接にて接合する。
【００６６】
同図（ａ）および同図（ｄ）は銅−モリブデン板１６と銅板１５の要部断面図であり、同図（ａ）はレーザ光の照射状態を説明する断面図、同図（ｂ）はレーザ光の照射状態を説明する平面図、同図（ｃ）は溶融部を説明する平面図、同図（ｄ）は溶融部を説明する断面図である。
図２との違いは、貫通孔３５の底面の開口部の直径Ｍ２をレーザ光３１の焦点３２の長軸Ｌ１より小さくする点である。つまり、Ｍ２＜Ｌ１とする。また、この側壁３５ａのテーパー角はレーザ光３１が銅板１５の表面１５ａに当たらないように、レーザ光の入射角より大きくする。つまり、側壁３５ａのテーパー角θ３を垂直の線Ｐからの角度とし、レーザ光３１の光軸Ｑの角度θ１を垂直軸Ｐからの角度とし、レーザ光３１の絞り角度（光束の角度）θ２を光軸Ｑからの角度とした場合、θ３＞θ１＋θ２とする。また、レーザ光３１の側壁照射部の外周端３２ａが側壁３５ａ内に位置するように、その高さＨを銅板１５の厚さＴの半分以下とする。つまり、Ｈ≦Ｔとする。こうすることで、側壁３５ａの銅が溶けて図１や図２の場合より溶融部２７の面積を広くすることができる。前記の条件を満たせば貫通孔３５の上部の開口部の直径Ｍ３の中にレーザ光３１の光束が入るようになり表面１５ａには当たらない。なお、このテーパー部を設ける方法は第２実施例、第３実施例にも同様に適用できる。さらに、第１〜第３、第５実施例の銅板１５に形成した貫通孔や凹穴の平面パターンは円形であるが図７のように正方形や図示しないが多角形であってもよい。なお、図７（ａ）は図７（ｂ）のＸ−Ｘ線で切断した断面図である。
【００６７】
銅板１５に形成される貫通孔３５は、銅板１５を所望の外形寸法に加工する際に同時にプレス加工するのが最も簡便でありコスト的にも有利である。貫通孔３５の直径が銅板１５の厚さに対して小さく、銅板１５のプレス加工時に同時に形成するのが難しい場合は、銅板１５に対して、まずレーザ溶接工程とは別の工程で、表面にレーザ光による穴あけ加工を施した後、機械加工で面取りを行って、所望のテーパー角を形成すればよい。
【００６８】
さらに、テーパー部にめっきを施すとよい。例えばニッケル（Ｎｉ）のめっきを施すことにより、レーザ光の吸収率を高くすることができる。よって、テーパー部においても効率よく温度を上昇させて溶接することができ、強固な溶接を得ることができる。
また、断面形状が図７と同じで、図８のように、細線状でテーパーを付けた側壁２９ａを有する貫通孔２９を形成し、これに複数箇所にレーザ光３１の焦点３２を当て複数の溶融部を形成すると、図１や図７の場合より製造コストを低減することができる。また、図３、図４の凹穴２２、２４を図８のようなテーパーを付けた側壁を有する細線状の底が塞がれた凹穴にして、複数の溶融部を形成することで、図３、図４の場合より製造コストを低減することができる。
【００６９】
本発明の実施例１〜５においては、低融点材料である銅板１５と高融点材料である銅−モリブデン板１６の組合せについて示したが、銅板１５は低融点材料である銅合金でもよく、また、銅−モリブデン板１６は高融点材料であるＣｕＷ，Ｍｏ，Ｗで形成した金属板としても、実施例に示したことと同様な効果が得られる。さらに、低融点材料である銅，銅合金の表面，あるいは高融点材料であるＣｕＷ，ＣｕＭｏ，Ｗ，Ｍの表面にあらかじめめっきを施してもよい。例えばニッケル（Ｎｉ）のめっきを施すことにより、レーザ光の吸収率が高くなり、溶接の効率を高くすることができる。
【００７０】
また、第１〜第５実施例ではレーザ種としてＹＡＧレーザを用いたが、ＹＡＧレーザに限定するものではなく、半導体レーザ，ＣＯ２レーザを用いても良い。
なお、前記したレーザ溶接は、超音波接合のように加圧，振動を加えることが無いために、図１２に示すヒートスプレッダ９下のはんだ８及び半導体チップ６にダメージを与えることが無い。さらに、銅板（もしくは銅合金）などの金属板１２とヒートスプレッダ９の境界に、これらの金属材料よりも高抵抗なはんだや導電性接着剤などが挟まれていないため、低抵抗・低熱抵抗の接合が実現される。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】この発明の第１実施例の半導体装置の図であり、（ａ）はレーザ照射前の状態の断面図、（ｂ）はレーザ照射時の状態を示す断面図、（ｃ）は溶融部の平面図
【図２】図１の貫通孔の側壁にテーパーを付けた場合の断面図
【図３】この発明の第２実施例の半導体装置の図であり、（ａ）はレーザ照射前の状態の断面図、（ｂ）はレーザ照射時の状態を示す断面図、（ｃ）は溶融部の平面図
【図４】この発明の第３実施例の半導体装置の図であり、（ａ）はレーザ照射前の状態の断面図、（ｂ）はレーザ照射時の状態を示す断面図、（ｃ）は溶融部の平面図
【図５】この発明の第４実施例の半導体装置の図であり、（ａ）はレーザ照射前の状態の断面図、（ｂ）はレーザ照射時の状態を示す断面図、（ｃ）は溶融部の平面図、（ｄ）はレーザ光のエネルギをさらに大きくした場合の断面図である。
【図６】この発明の第５実施例の半導体装置の図であり、（ａ）はレーザ光の照射状態を説明する断面図、（ｂ）はレーザ光の照射状態を説明する平面図、（ｃ）は溶融部を説明する平面図、（ｄ）は溶融部を説明する断面図
【図７】貫通孔がテーパーの付いた側壁を有し、平面形状が正方形の場合の図で、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図
【図８】細線状でテーパーを付けた側壁２９ａを有する貫通孔の平面図
【図９】従来例１のＩＧＢＴモジュールの要部断面図
【図１０】ヒートスプレッダの接合構造における、冷熱繰り返し環境でのＩＧＢＴ及びヒートスプレッダの伸縮挙動を示す図で、（ａ）は高温時の模式図、（ｂ）は低温時の模式図
【図１１】従来例２のＩＧＢＴモジュールの断面図
【図１２】ＹＡＧレーザ（波長１０６４ｎｍ）を用いて金属板１２とヒートスプレッダ９とを溶接する方法を説明する図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図
【図１３】ＹＡＧレーザの場合のレーザ光の焦点を説明する図であり、（ａ）は照射面（Ｘ−Ｘ線で示す）に垂直に入射した場合の図、（ｂ）は照射面に垂直な線に対して傾いて入射した場合の図
【図１４】銅板に銅−モリブデン板１６をレーザ光で溶接した図であり、（ａ）はレーザ光のエネルギ小さいときの図、（ｂ）はレーザ光のエネルギ大きいときの図
【図１５】銅板にモリブデン板をレーザ光で溶接しようとした図であり、（ａ）はレーザ光のエネルギ小さいときの図、（ｂ）はレーザ光のエネルギ大きいときの図
【図１６】レーザ光３１のスポット径と焦点位置からのずれ量との関係を示す図
【符号の説明】
【００７２】
１３    出射ユニット
１５    銅板
１５ａ  表面
１６    銅−モリブデン板
２０、２８、３５  貫通孔
２０ａ、２０ｂ、２２ａ、２４ａ、２８ａ，３５ａ  側壁
２１、２３、２５、２６、２７  溶融部
２２、２４    凹穴
２４ｂ  凹穴裏面
２６ａ、２７ａ  底部溶融部
２６ｂ  銅−モリブデン溶融部
３１    レーザ光
３２    焦点
３２ａ  側壁照射部の外周端
３３    光束
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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