(57)【要約】【課題】レーザ溶接によりヒートスプレッダ／リード片間の接合する方法について、高い接合強度と高信頼性が確保できるようにした接合プロセスを提供する。【解決手段】絶縁基板１にマウントしたＩＧＢＴチップ（半導体チップ）２の上面にヒートスプレッダ３を接合した上で、該ヒートスプレッダの上面に配線部材としてストラップ状のリード片４を接合した組立構造になる半導体装置について、ヒートスプレッダ／リード片間をレーザ溶接法により接合するものとし、その接合プロセスを高パワー密度のレーザビームを照射する前段の溶接工程と、後段のアニール工程とに分けて行い、かつアニール工程では溶接工程よりも低パワー密度のレーザ光を再凝固した溶融部に照射し、その結晶組織を再結晶化して残留応力を消失させるようにする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板にマウントした半導体チップの上面にヒートスプレッダを接合した上で、該ヒートスプレッダの上面に配線部材としてストラップ状のリード片を接合した組立構造になる半導体装置の製造方法であって、
ヒートスプレッダ／リード片間をレーザ溶接法により接合するものとしてその接合プロセスを、高パワー密度のレーザを照射する前段の溶接工程と、後段のアニール工程とに分けて行い、かつアニール工程では溶接工程よりも低パワー密度のレーザを再凝固した溶融部に照射してその結晶組織を再結晶化させるようにした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に記載の製造方法において、ヒートスプレッダの材質が銅−モリブデン焼結体，銅−タングステン焼結体，モリブデン，タングステンのいずれかである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、リード片の材質が銅，銅合金，あるいはアルミニウムであ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に、発熱量の大きなパワー半導体素子を搭載した半導体装置の製造方法に関し、詳しくは半導体チップの上面に接合したヒートスプレッダとその上面に接続する配線用リード片との間のレーザ溶接法に係わる。
【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素子が高電流密度で使用されることから、半導体チップの発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素子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金属リード片（銅，アルミニウム板）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が公知である（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、併せてチップ温度の集中緩和を図る手段として、半導体チップの上面に高伝熱性の金属板で作られたヒートスプレッダを伝熱的に接合し、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のものも知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
さらに、前記したストラップ状のリード片をヒートスプレッダの上面に接合し、通電容量と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を備えた半導体装置が本発明と同一出願人より特願２００４−２９３６６２号として先に提案されており、その組立構造を図４に示す。
図４において、１は絶縁基板（セラミックス基板１ａの表，裏両面に銅箔を直接接合して導体パターン１ｂ，１ｃを形成したＤＣＢ（Direct Copper Bonding）基板）、２は絶縁基板１の導体パッケージｂにマウントしたＩＧＢＴチップ（パワー半導体）、３はＩＧＢＴチップ２の上面電極（エミッタ電極層２ａ）に重ね合わせて接合した銅，アルミ材で作られたヒートスプレッダ、４はヒートスプレッダ３の上面と絶縁基板１の導体パターン１ｂとの間に配線したストラップ状のリード片（銅，アルミニウム，銅合金などの伝熱性の高い金属板）、５はＩＧＢＴチップ２のゲート電極層２ｂに接続して絶縁基板１の導体パターンとの間に配線したアルミワイヤであり、絶縁基板１の導体パターン１ｂ／ＩＧＢＴチップ２（コレクタ電極面），ＩＧＢＴチップ２／ヒートスプレッダ３の間が半田６で接合されている。また、リード片４をヒートスプレッダ３の上面に接合する方法としては、導電接着剤（特許文献２参照），半田付け，あるいは超音波ボンディングにより接合するようにしている。
【０００５】
なお、図示してないが前記の絶縁基板１はパッケージの放熱用金属ベースに搭載した上で導体パッケージ１ｂに外部導出端子を接続し、さらにパッケージの内部にシリコーンゲルなどを充填して半導体チップ２を樹脂封止している。また、半導体モジュールの実使用状態ではパッケージの金属ベースをヒートシンクに取付けて半導体チップの発生熱を系外に除熱するようにしている。
【０００６】
上記のように、ＩＧＢＴチップ２の上面側にヒートスプレッダ３を接合した上で、このヒートスプレッダに配線部材としてストラップ状のリード片４を接合することにより、ヒートスプレッダ３，リード片４を伝熱経路として半導体チップ２の発生熱をチップ上面側から効率よく放熱することができる。
これにより、半導体チップの表面温度勾配が小さくなり、温度サイクルなどの外的ストレスに起因する半田接合部に疲労破壊，クラックなどのダメージが発生を抑えて半導体装置のパワーサイクル耐性，信頼性が向上する。
【特許文献１】特開２００５−１１６７０２公報（図５）
【特許文献２】特開２０００−３０７０５８公報（図１，図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、図４に示した半導体装置について、先述のようにヒートスプレッダ３／リード片４間を導電接着剤，半田付け，あるいは超音波ボンディングにより接合する方法では次記のような問題点がある。すなわち、
（１）導電接着剤は半田接合などに比べて電気抵抗が大きく、ヒートスプレッダ，導体片の採用による半導体チップの通電性，放熱性を効果的に発揮できない。
（２）また、半田接合では、半導体チップの発熱がヒートスプレッダを介して伝熱するために半田層が熱劣化するほか、熱サイクルに伴うリード片の伸縮により熱ストレスが加わって半田層にクラックが生じ、このクラックの成長により導電経路が狭まって通電不良に進展することがある。
（３）さらに、超音波ボンディング法は、半導体チップの上面にヒートスプレッダを接合した状態で、ヒートスプレッダの上面に重ねたリード片の上から加圧荷重と超音波振動を加えるために、半導体チップ，および半導体チップ／ヒートスプレッダ間の半田接合層にクラックが生じるおそれがある。
【０００８】
そこで、発明者は超音波ボンディングのように接合部に機械的な荷重を加えずにレーザ光を照射して接合するレーザ溶接法の適用を検討し、次記のような実験を行った。すなわち、供試試料としてとして厚さ１ｍｍの銅−モリブデン焼結体（ヒートスプレッダ）に厚さ0.５ｍｍの無酸素銅板（リード片）を重ね合わせ、ＹＡＧレーザ（波長１０６４ｎｍ）により焦点距離７０ｍｍ，ファイバーコアφ0.４ｍｍ，ピークパワー３ｋＷ，パルス幅３３ｍｓｅｃ，焦点外しなしの条件で無酸素銅板側からレーザ光を照射したところ、銅−モリブデン焼結体の表面から深さ１００〜３００μｍまでの溶け込み深さで接合できた。
【０００９】
また、図４に示した半導体装置について、前記の接合条件でヒートスプレッダ／リード片間をレーザ溶接した上で、パワーサイクル試験を行ってレーザ溶接箇所の耐久性を検証したところ、比較的短いサイクルでレーザ溶接した溶融部にクラックが発生し、進展の生じることが認められ、このままでは半導体装置として要求される耐久性，信頼性の確保が難しいことが判った。さらに、レーザ溶接による溶融部の結晶組織を検査したところ、レーザ光の照射で溶融，再凝固した溶融部の結晶組織が変質し、その粒界には急冷に伴う残留応力が誘起した状態になっており、溶接継手（供試試料）の引っ張り試験でも溶融部の強度が母材強度以下に低下していることが認められた。
【００１０】
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，考察を基に、ヒートスプレッダ／リード片間の接合について高い接合強度，高信頼性が確保できるようにレーザ溶接の接合プロセスを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】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明によれば、絶縁基板にマウントした半導体チップの上面にヒートスプレッダを接合した上で、該ヒートスプレッダの上面に配線部材としてストラップ状のリード片を接合した組立構造になる半導体装置について、
ヒートスプレッダ／リード片間をレーザ溶接法により接合するものとしてその接合プロセスを、高パワー密度のレーザを照射する前段の溶接工程と、後段のアニール工程とに分けて行い、かつアニール工程では溶接工程よりも低パワー密度のレーザを再凝固した溶融部に照射してその結晶組織を再結晶化させるようにする（請求項１）。
【００１２】
ここで、前記のヒートスプレッダには、銅−モリブデン焼結体，銅−タングステン焼結体，モリブデン，タングステンなどの低膨張係数の金属板を採用し（請求項２）、リード片は銅，銅合金，あるいはアルミニウムで作られた導体板とする（請求項３）。
【発明の効果】
【００１３】
上記レーザ溶接法の接合プロセスによれば、前段の溶接工程でヒートスプレッダ／リード片間の接合溶融部に生じた結晶組織の変質が後段のアニール工程により再結晶化して改質され、同時に溶融部に誘起されていた残留応力も消失して高い接合強度を確保することができる。しかも、超音波ボンディングのように加圧荷重，振動を加えないので半導体チップ，ヒートスプレッダ下の半田層にダメージを与えることもなく、これにより半導体装置の信頼性向上化が図れる。
【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３に示す実施例に基づいて説明する。なお、図１（ａ）はレーザ溶接法によるヒートスプレッダ／リード片間の溶接状態を表す半導体装置の組立図、図１（ｂ），（ｃ）はそれぞれ接合プロセスの溶接工程，アニール工程におけるレーザ光の照射状態を表す模式図、図２（ａ），（ｂ）および図３（ａ），（ｂ）はそれぞれ図１（ｂ），図１（ｃ）に対応する溶融部の結晶組織、および引っ張り試験による接合継手の破壊形態を表す模式図であり、実施例の図中で図４に対応する部材には同じ符号を付してその説明は省略する。
【００１５】
すなわち、図示実施例の半導体装置では、絶縁基板１にＩＧＢＴチップ（半導体チップ）２をマウントし、さらにはチップ２の上にヒートスプレッダ３を半田接合した組立状態で、ヒートスプレッダ３と絶縁基板１の導体パターン１ｂとの間にリード片４を配線する際に、後記のような接合プロセスでリード片５／ヒートスプレッダ３，リード片５／絶縁基板１の導体パターン１ｂ間をスポット状にレーザ溶接するものとする。
【００１６】
ここで、ヒートスプレッダ３（厚さ約１ｍｍ）は、ＩＧＢＴチップ２との間の半田接合層６に加わる熱ストレスを緩和するために、その熱膨張係数がＩＧＢＴチップ２の熱膨張係数（約３×１０−６／℃）に近いモリブデン（５．１×１０−６／℃）やタングステン（４．５×１０−６／℃）などの低熱膨張係数の金属板、あるいは銅−モリブデン焼結体（７〜１４×１０−６／℃），銅−タングステン焼結体（６〜１２×１０−６／℃）などの低熱膨張係数の材質で構成する。また、リード片４（厚さ0.５ｍｍ）の材質は銅あるいは銅合金，アルミニウムである。
【００１７】
そして、レーザ溶接工程では、レーザ発振器（ＹＡＧレーザ）から出射するレーザ光（波長１０６４ｎｍ、ピークパワー３ｋＷ、パルス幅３３ｍｓｅｃ）を図示のように光ファイバー６ａ（ファイバーコアφ0.４ｍｍ）を通じてレーザ照射ヘッド６に導光し、レーザ照射ヘッド６から出射するレーザビーム７を上方より接合地点に向けて照射するようにする。また、その溶接箇所はヒートスプレッダ３のサイズ（□３mm〜□１２mm），および要求される通電容量に合わせて１〜６箇所に分けてスポット状に溶接するものとする。
【００１８】
ここで、本発明によるレーザ溶接法では、次記のようにプロセスを前段の溶接工程と後段のアニール工程とに分けて行うようにする。すなわち、前段の溶接工程では図１（ｂ）で示すように、焦点距離ｆ＝７０ｍｍ，焦点外しなしの条件でリード片４の表面側からレーザビーム７を照射する。これにより、レーザビームの照射を受けた部分が溶融，再凝固して溶融部８を形成し、ヒートスプレッダ３の表面から深さ１００〜３００μｍまでの溶け込み深さで接合されるようになる。
【００１９】
また、前記の溶接工程に続く後段のアニール工程では、図１（ｃ）で示すようにレーザ照射ヘッド６を若干上方に移動してリード片４の表面との間の高さをｈ（ｈ＞ｆ）に設定し、アウトフォーカス（焦点外し距離：０＜３０ｍｍ以下）の状態で前記溶融部８にレーザビーム７を照射する。これにより、再凝固の状態にある溶融部８は銅の融点（１０８３℃）以下，銅の再結晶温度（２００〜２５０℃）以上の温度で焼鈍されることになる。その結果、溶融部８が再結晶化されて先の溶接工程で溶融部８に誘起された残留応力が消失し、強度が母材強度と同等レベルに復元するようになる。
【００２０】
なお、レーザパワー密度の調整方法としては、前記のようにレーザ照射ヘッド６をアウトフォーカス位置に変位させる方法以外に、レーザ発振器の出力を調整してピークパワーを下げる、あるいはレーザ光を伝送する光ファイバー６ａをコア径の太いファイバーに代えて照射するようにしてもよい。
また、前記はヒートスプレッダ３／リード片４間のレーザ溶接について述べたが、リード片４と絶縁基板１の導体パターン１ｂとの間の接合についても、前記と同様なプロセスでレーザ溶接するものとする。
【００２１】
次に、前記プロセスによりレーザ溶接されたヒートスプレッダ３／リード片４間の接合部について検証した結果を図２，図３で説明する。まず、図２（ａ）は前記の溶接工程（アニール工程を行う以前の段階）で融接されたリード片（無酸素銅）４の溶融部８（破線で囲んだＡ部）を表した結晶組織の模式図であり、リード片４の母材部分の結晶粒度がφ２０〜３０μｍであるのに対して、レーザ照射を受けた溶融部８は結晶粒度がφ１０μｍ以下に変質している。しかも、レーザ照射後の急冷により溶融部８の粒界には残留応力が誘起して溶融部８の溶接強度が母材強度以下に低下し、その溶接強度を検証するために行った引っ張り試験では、溶融部８に生じたクラックが強度の弱い部分に沿って成長し、その破壊形態は図２（ｂ）で表すようになる。
【００２２】
これに対して、後段のプロセスでアニールを施した後の状態では、図３（ａ）で表すように結晶組織が再結晶して溶融部８の結晶粒度は母材の結晶粒度（φ２０〜３０ｍｍ）と同等な粒度に戻り、同時に残留応力も消失してその強度が母材強度と同等レベルに復元するようになることか確認された。なお、アニール処理後に行った引っ張り試験では、溶融部８の破壊形態は図２（ｂ）で表すようになる。
【００２３】
これにより、ヒートスプレッダ／リード片間のレーザ溶接による接合部において、高い接合信頼性を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施例によるレーザ溶接法の説明図で、（ａ）はヒートスプレッダ／リード片間の溶接状態を表す半導体装置の組立図、（ｂ），（ｃ）はそれぞれ接合プロセスの溶接工程，アニール工程におけるレーザ光の照射状態を表す模式図
【図２】レーザ溶接によるリード片の結晶組織を表す図で、（ａ），（ｂ）はそれぞれを図１（ｂ），（ｃ）に対応する結晶組織の模式図
【図３】レーザ溶接による接合部の強度を検証するために行った引っ張り試験での破壊形態を表す図で（ａ），（ｂ）はそれぞれ、図１（ａ），（ｂ）に対応する溶接継手の破壊形態を表す模式図
【図４】本発明の実施対象となる半導体装置の組立構造図
【符号の説明】
【００２５】
１    絶縁基板
１ａ  導体パターン
２    ＩＧＢＴチップ（半導体チップ）
３    ヒートスプレッダ
４    リード片
６    レーザ照射ヘッド
【図１】
2007305620.tif 000003
【図２】
2007305620.tif 000004
【図３】
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【図４】
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