(57)【要約】【課題】ＳｉＣデバイスの動作温度は高温となるので、その裏面にヒートシンクをハンダ接合すると動作時にハンダが溶ける。【解決手段】ヒートシンク３４ａはその前面を半導体チップ３２の裏面の金属電極膜４２に向けて配置される。ヒートシンク３４ａを構成する熱伝導板５０ａの裏面に厚みの途中まで達した開口部５２ａを設ける。開口部５２ａの底部の熱伝導板５０ａを被溶接部５４ａとし、ヒートシンク３４ａの裏面側から開口部５２ａに入射させるレーザビーム５６により、被溶接部５４ａと金属電極膜４２とを溶融・合金化してヒートシンク３４ａを半導体チップ３２に接合する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
裏面に金属電極膜を積層された半導体チップと、
前記金属電極膜に前面を接するヒートシンクと、
を有し、
前記ヒートシンクは、
前面を前記半導体チップの裏面に向けて配置され、裏面側から少なくとも厚みの途中まで達した孔又は溝である開口部を形成された熱伝導板と、金属からなり前記開口部の位置に設けられる被溶接部と、を含んで構成され、
前記開口部へのレーザビームの照射によって前記被溶接部と前記金属電極膜とを溶融・合金化され前記半導体チップに接合されていること、
を特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記熱伝導板は、金属からなり、前記開口部にて底部を形成し、
前記被溶接部は、当該底部における前記熱伝導板であること、
を特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体装置において、
前記熱伝導板は、前記底部に前記熱伝導板の前面へ貫通した底部貫通孔を有し、
前記被溶接部は、少なくとも前記底部貫通孔の縁の部分を含むこと、
を特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体装置において、
前記被溶接部は、前記底部貫通孔の位置に設けられ前記レーザビームによって前記熱伝導板より溶融しやすい金属からなる溶着部材を含むこと、を特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記開口部は、前記熱伝導板の前面へ貫通し、
前記被溶接部は、前記レーザビームによって前記熱伝導板より溶融しやすい金属である溶着部材からなること、
を特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の半導体装置において、
前記半導体チップは、ＳｉＣ半導体素子であること、
を特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項４又は請求項５に記載の半導体装置において、
前記溶着部材は、ニッケル、金、白金、アルミのいずれかを主材料とすること、
を特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか１つに記載の半導体装置において、
前記熱伝導板は、銅又はアルミニウムからなること、
を特徴とする半導体装置。
【請求項９】
請求項１から請求項８のいずれか１つに記載の半導体装置において、
前記金属電極膜は、アルミニウムからなること、
を特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
裏面に金属電極膜を積層された半導体チップと、前記金属電極膜に前面を接するヒートシンクとを有し、前記ヒートシンクが、前面を前記半導体チップの裏面に向けて配置され、裏面側から少なくとも厚みの途中まで達した孔又は溝である開口部を形成された熱伝導板と、金属からなり前記開口部の位置に設けられる被溶接部と、を含んで構成される半導体装置を製造する方法であって、
前記半導体チップと前記ヒートシンクとを重ね合わせる第１工程と、
前記第１工程後、前記開口部へレーザビームを照射し、前記被溶接部と前記金属電極膜とを溶融し合金化する第２工程と、
を有することを特徴とする製造方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の半導体装置の製造方法において、
前記開口部は、前記熱伝導板の前面へ貫通し、
前記第１工程に先立つ前記ヒートシンクの形成工程は、前記レーザビームによって前記熱伝導板より溶融しやすい金属で、前記熱伝導板をメッキして、当該熱伝導板の前面若しくは裏面にて前記開口部を塞ぎ、又は前記開口部の内部を充填して、前記被溶接部を形成する工程を有すること、
を特徴とする製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップの裏面にヒートシンクが接合された半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、太陽光発電システムやハイブリッド自動車及び電気自動車などでは、インバータなどの電力変換器として大電力のものが求められる。当該電力変換器を構成する際に、半導体素子による集積化は低コスト、小型化を可能にする。大電力の変換では半導体チップにて発生する熱量が大きくなり、その放熱のためにヒートシンクが半導体チップに取り付けられる。
【０００３】
図１９は、従来の半導体デバイスの構造を説明する模式的な断面図である。半導体チップ２の裏面には金属電極層４が蒸着などにより被着される。例えば、金属電極層４は、半導体基板の裏面側からアルミニウム（Ａｌ）層６、チタン（Ｔｉ）層８、ニッケル（Ｎｉ）層１０、金（Ａｕ）層１２の４層により形成される。この金属電極層４が形成された半導体チップ２の裏面に、銅（Ｃｕ）からなるヒートシンク１４がハンダ１６により接合される。ちなみに、Ａｌ層６はシリコン（Ｓｉ）基板との密着性を向上させ、Ｔｉ層８はシリコンの拡散防止、Ｎｉ層１０はハンダ濡れ性の向上及び、ハンダのＳｉ基板側への拡散防止、そしてＡｕ層１２はＮｉ層１０の酸化防止の効果を有する。
【０００４】
また、次世代パワーエレクトロニクスとして炭化ケイ素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いた半導体デバイスが注目を浴びている。特に、ＳｉＣはＳｉよりもエネルギー・ギャップや融点が高く、ＳｉＣを用いた半導体デバイスは、オン抵抗が低い、耐電圧が高い、高温動作が可能など数多くの利点を有する。具体的には、電力損失の低減が可能となる。また、動作温度を高温にできるので、例えば、従来、水冷を必要としていた装置を空冷で実現可能となり、放熱コストの削減や装置の小型化が可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−１６３４６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ハンダ接合を用いた従来の半導体デバイスは、構成部材の線膨張係数の違いから生じる熱応力でヒートシンクと半導体チップとのハンダ接合部に割れやクラックを発生しやすい。そのため、実装部品において剥離等が発生しやすくなるなど、信頼性が低下するという問題があった。
【０００７】
また、ＳｉＣデバイスは動作温度が高温となり得る。この高温動作に伴い、周辺部品及びそれとの接合材料・接合方法が制約される。特に、従来用いられているハンダは融点が２２０〜２５０℃と比較的低い。ＳｉＣデバイスの動作温度はハンダの融点を超えることが可能であり、ハンダ接合を用いたＳｉＣデバイスでは信頼性が問題となる状況が生じ得る。
【０００８】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、半導体チップとヒートシンクとをハンダを用いずに接合可能な半導体装置、及びそ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】
【０００９】
本発明に係る半導体装置は、裏面に金属電極膜を積層された半導体チップと、前記金属電極膜に前面を接するヒートシンクと、を有し、前記ヒートシンクは、前面を前記半導体チップの裏面に向けて配置され、裏面側から少なくとも厚みの途中まで達した孔又は溝である開口部を形成された熱伝導板と、金属からなり前記開口部の位置に設けられる被溶接部と、を含んで構成され、前記開口部へのレーザビームの照射によって前記被溶接部と前記金属電極膜とを溶融・合金化され前記半導体チップに接合されている。
【００１０】
他の本発明に係る半導体装置においては、前記熱伝導板は、金属からなり、前記開口部にて底部を形成し、前記被溶接部は、当該底部における前記熱伝導板である。また、前記熱伝導板は、前記底部に前記熱伝導板の前面へ貫通した底部貫通孔を有し、前記被溶接部は、少なくとも前記底部貫通孔の縁の部分を含む構成とすることができる。さらに、前記被溶接部は、前記底部貫通孔の位置に設けられ前記レーザビームによって前記熱伝導板より溶融しやすい金属からなる溶着部材を含む構成とすることができる。
【００１１】
別の本発明に係る半導体装置においては、前記開口部は、前記熱伝導板の前面へ貫通し、前記被溶接部は、前記レーザビームによって前記熱伝導板より溶融しやすい金属である溶着部材からなる。
【００１２】
本発明の好適な態様は、前記半導体チップが、ＳｉＣ半導体素子である半導体装置である。
【００１３】
本発明の他の好適な態様は、前記溶着部材が、ニッケル、金、白金、アルミのいずれかを主材料とする半導体装置である。
【００１４】
本発明のさらに他の好適な態様は、前記熱伝導板が、銅又はアルミニウムからなる半導体装置である。
【００１５】
本発明の別の好適な態様は、前記金属電極膜が、アルミニウムからなる半導体装置である。
【００１６】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、裏面に金属電極膜を積層された半導体チップと、前記金属電極膜に前面を接するヒートシンクとを有し、前記ヒートシンクが、前面を前記半導体チップの裏面に向けて配置され、裏面側から少なくとも厚みの途中まで達した孔又は溝である開口部を形成された熱伝導板と、金属からなり前記開口部の位置に設けられる被溶接部と、を含んで構成される半導体装置を製造する方法であって、前記半導体チップと前記ヒートシンクとを重ね合わせる第１工程と、前記第１工程後、前記開口部へレーザビームを照射し、前記被溶接部と前記金属電極膜とを溶融し合金化する第２工程と、を有する。
【００１７】
本発明に係る他の半導体装置の製造方法においては、前記開口部は、前記熱伝導板の前面へ貫通し、前記第１工程に先立つ前記ヒートシンクの形成工程は、前記レーザビームによって前記熱伝導板より溶融しやすい金属で、前記熱伝導板をメッキして、当該熱伝導板の前面若しくは裏面にて前記開口部を塞ぎ、又は前記開口部の内部を充填して、前記被溶接部を形成する工程を有する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ハンダ融点より高温を局所的に発生させることができるレーザビームを用いて、半導体チップの裏面の金属電極層とヒートシンクの被溶接部とを溶融・合金化して接合することにより、半導体チップとヒートシンクとをハンダを用いずに接合して半導体装置を製造することができ、ハンダを用いずに接合された半導体装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体装置の模式的な垂直断面図である。
【図２】第１の実施形態におけるヒートシンク及び半導体チップの積層体の模式的な垂直断面図である。
【図３】本発明の実施形態における熱伝導板を裏面側から見た模式的な平面図である。
【図４】第１の実施形態におけるヒートシンクを半導体チップに接合する方法、及び接合された状態を示す模式的な垂直断面図である。
【図５】本発明の実施形態における熱伝導板の他の例を裏面側から見た模式的な平面図である。
【図６】本発明の実施形態における熱伝導板のさらに他の例を裏面側から見た模式的な平面図である。
【図７】第２の実施形態におけるヒートシンク及び半導体チップの積層体の模式的な垂直断面図である。
【図８】第２の実施形態におけるヒートシンクを半導体チップに接合する方法、及び接合された状態を示す模式的な垂直断面図である。
【図９】第３の実施形態におけるヒートシンク及び半導体チップの積層体の模式的な垂直断面図である。
【図１０】第３の実施形態におけるヒートシンクを半導体チップに接合する方法、及び接合された状態を示す模式的な垂直断面図である。
【図１１】第３の実施形態におけるメッキ膜の他の配置例を示すヒートシンク及び半導体チップの積層体の模式的な垂直断面図である。
【図１２】第３の実施形態におけるメッキ膜のさらに他の配置例を示すヒートシンク及び半導体チップの積層体の模式的な垂直断面図である。
【図１３】第４の実施形態におけるヒートシンク及び半導体チップの積層体の模式的な垂直断面図である。
【図１４】第４の実施形態におけるヒートシンクを半導体チップに接合する方法、及び接合された状態を示す模式的な垂直断面図である。
【図１５】第４の実施形態におけるメッキ膜の第１の他の配置例を示すヒートシンク及び半導体チップの積層体の模式的な垂直断面図である。
【図１６】第４の実施形態におけるメッキ膜の第２の他の配置例を示すヒートシンク及び半導体チップの積層体の模式的な垂直断面図である。
【図１７】第４の実施形態におけるメッキ膜の第３の他の配置例を示すヒートシンク及び半導体チップの積層体の模式的な垂直断面図である。
【図１８】第４の実施形態におけるメッキ膜の第４の他の配置例を示すヒートシンク及び半導体チップの積層体の模式的な垂直断面図である。
【図１９】従来の半導体デバイスの構造を説明する模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）について、図面に基づいて説明する。
【００２１】
図１は本発明の実施形態に係る半導体装置３０の模式的な垂直断面図である。半導体装置３０は、半導体チップ３２、ヒートシンク３４、リードフレーム３６、ワイヤ３８及びパッケージ４０を含んで構成される。
【００２２】
本実施形態では半導体チップ３２はＳｉＣ基板を用いて構成され、その主面（前面）にトランジスタ等の素子からなる例えば、インバータ回路等の電子回路を形成される。また、裏面には例えばＡｌからなる金属電極膜４２が例えば、蒸着等により積層される。金属電極膜４２は半導体チップ３２の基板とオーミック接触を実現する他の材料で形成されていてもよく、例えば、銅（Ｃｕ）やＮｉとすることも可能である。
【００２３】
ヒートシンク３４は例えば、Ｃｕからなる熱伝導板を含んで構成され、その前面を半導体チップ３２の裏面の金属電極膜４２に接して配置される。熱伝導板は、熱容量を確保する上では厚くすることが好適であり、例えば、数ミリメートルに設定される。熱伝導板の材料はＣｕ以外にも熱伝導率や熱容量が好適な他の物質を採用でき、例えば、熱伝導板をＡｌで構成することも好適である。
【００２４】
ワイヤ３８は例えばＡｕやＡｌからなり、一方端を、半導体チップ３２の前面に形成された電極パッドにボンディングされ、他方端をリードフレーム３６にボンディングされ、その両端を電気的に接続する。
【００２５】
リードフレーム３６は既に述べたようにワイヤ３８を介して半導体チップ３２に接続され、半導体装置３０の外部接続端子として機能する。
【００２６】
パッケージ４０は、ヒートシンク３４の裏面側、及びリードフレーム３６の一方端を外側へ露出させつつ半導体チップ３２、ヒートシンク３４、リードフレーム３６及びワイヤ３８を包み込むように封止する。従来のＳｉデバイスではパッケージとしてエポキシ樹脂を用いることができるが、ＳｉＣデバイスでは動作温度がＳｉデバイスより高くなり得ることを考慮して、パッケージ４０はより耐熱温度が高く、また良好な熱伝導性を有する材料を用いて作ることが好適である。例えば、パッケージ４０はセラミックを材料として作ることができる。
【００２７】
半導体装置３０は、半導体チップ３２とヒートシンク３４との接合の仕方に大きな特徴を有する。ヒートシンク３４を構成する熱伝導板はその裏面側から少なくとも厚みの途中まで達した孔又は溝である開口部を有する。その開口部の位置には金属からなる被溶接部が設けられる。そして、半導体チップ３２とヒートシンク３４とは、熱伝導板の開口部へのレーザビームの照射によって被溶接部と半導体チップ３２の金属電極膜４２とを溶融・合金化することにより接合される。
【００２８】
以下、ヒートシンク３４の構成が異なる各種の実施形態を説明する。
【００２９】
［第１の実施形態］
図２は、第１の実施形態におけるヒートシンク３４及び半導体チップ３２の積層体の模式的な断面図である。同図は、半導体チップ３２の主面に垂直な断面図であり、前面を半導体チップ３２の裏面に接触させた状態でのヒートシンク３４の断面を示している。この図２に示す状態ではヒートシンク３４はまだ半導体チップ３２に固着されていない。
【００３０】
第１の実施形態に係るヒートシンク３４ａは、その厚みの途中まで達した複数の開口部５２ａを有する熱伝導板５０ａからなる。開口部５２ａの底部全体には熱伝導板５０ａが薄く残され、当該底部の熱伝導板５０ａが被溶接部５４ａとなる。
【００３１】
図３は熱伝導板５０ａを裏面側から見た模式的な平面図であり、開口部５２ａの開口形状の一例を示している。本実施形態の開口形状は円形であり、円形の開口部５２ａが行列配置される。
【００３２】
図４はヒートシンク３４ａを半導体チップ３２に接合する方法、及び接合された状態を示す模式的な垂直断面図である。図４には、一つの開口部５２ａを拡大して示している。図４（ａ）は半導体装置３０の製造工程のうち、半導体チップ３２にヒートシンク３４ａを重ね合わせる工程の後、開口部５２ａへレーザビーム５６を照射する工程を模式的に示している。熱伝導板５０の厚い部分にレーザビームを照射しても発生する熱は周囲に拡散してしまい、熱伝導板５０の前面側にて局所的に温度を上昇させることは困難である。これに対し、開口部５２ａの底面の熱伝導板５０ａは金属電極膜４２とのレーザ溶接が可能な厚みまで薄くされている。よって、当該底面内のレーザビーム５６の照射位置５８ａにて被溶接部５４ａの熱伝導板５０ａ及び金属電極膜４２が局所的に溶融し、両者が合金化して接合される。図４（ｂ）はレーザビーム５６の照射によってヒートシンク３４ａが半導体チップ３２に接合された状態を示しており、開口部５２ａの底部にて照射位置５８ａを中心として被溶接部５４ａの熱伝導板５０ａが半導体チップ３２の金属電極膜４２と合金化し接合部分６０ａを形成していることを模式的に表している。
【００３３】
開口部５２の開口の形状・大きさ及び底部の厚みは、（１）照射位置５８での局所的な溶融を少ないエネルギーで起こせること、（２）接合部分６０近傍での強度が確保されること、（３）ヒートシンク３４の機能が損なわれないこと、などを考慮して設定される。
【００３４】
上記（１）に関しては、まずレーザビーム５６の全体が開口部５２内に入射するようにし、開口部５２の周囲の熱伝導板５０の厚い部分にレーザビーム５６が当たらないようにすることが好適である。この観点からは開口部５２を大きくすればよいが、その一方で、熱伝導板５０の厚い部分が減ることになり、上記（３）への配慮が必要となる。
【００３５】
また上記（１）に関しては、底面での熱伝導板５０が薄いほど、レーザビーム５６によって生じた熱は熱伝導板５０の前面及び金属電極膜４２に達しやすくなるので、局所的な溶融には有利である。また、底面での熱伝導板５０が薄いこと、及び照射位置５８と開口部５２の底面の縁との距離が大きいことは、照射位置５８と熱伝導板５０が厚い部分との間の熱抵抗を増加させて照射位置５８の熱を横方向に拡散しにくくする点で局所的な溶融には有利となる。上記（２）に関しては、接合部分６０の横方向の広がりが開口部５２ａの底面より小さい場合、接合部分６０と底面の縁との間に熱伝導板５０が薄い部分が存在することになり、そこが薄いほど断裂を生じやすくなり得る。
【００３６】
以上の点を勘案し、本実施形態の開口部５２ａの径はレーザビーム５６の太さに応じて設定され、例えば、レーザビーム５６を入射できる必要十分な大きさに設定できる。溶接ではレーザの径は基本的に数十〜数百μｍに設定され、これに対応して、本実施形態の開口部５２ａも径が例えば数百μｍの微細孔に構成される。なお、レーザビーム５６は光学系で集光されることに対応し、開口部５２ａの入り口では照射位置５８ａよりレーザビーム５６の径が大きくなり得る。開口部５２ａの径はこのことを考慮に入れて設定される。また、底面の熱伝導板５０ａの厚みは上記（１）の観点から薄い方が好適である。例えば、底面の厚みが開口部５２ａの半径より小さいことを、底面の外側よりも金属電極膜４２へ照射位置５８ａの熱が伝達されやすいことの１つの目安と考えて、本実施形態では上述の数百μｍの径に対して底面の厚みを１００μｍ程度に設定する。厚みをこのような小さな値に設定しても、開口部５２ａの径を小さく設定することで、接合部分６０ａが底面の縁近傍に達し、上記（２）で述べた強度の確保を図ることが可能である。
【００３７】
金属電極膜４２は上述のように蒸着などの方法で形成され、例えば、数十μｍ程度の厚さである。なお、レーザビーム５６による熱が半導体チップ３２に伝わるのを避けたい場合には、金属電極膜４２を厚くしてもよい。
【００３８】
上述の開口部５２ａは円形としたが、これ以外の形状とすることもできる。図５、図６は熱伝導板５０ａを裏面側から見た模式的な平面図であり、開口部５２ａの開口形状の他の例を示している。図５に示す例は、矩形の開口形状の開口部５２ａが行列配置される。また図６に示す例は、溝形状の開口部５２ａが複数並列に配置される。例えば、溝形状の開口部５２には、溝の方向に沿って複数箇所にてレーザビーム５６の照射位置５８を設けることができる。なお、以下に述べる各実施形態も開口部５２が円形である場合を例に説明するが、本実施形態と同様に円形以外の開口部５２とすることができる。
【００３９】
［第２の実施形態］
図７は、第２の実施形態におけるヒートシンク３４及び半導体チップ３２の積層体の模式的な垂直断面図であり、上記第１の実施形態の図２に相当する図である。本実施形態において、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して説明の簡素化を図る。
【００４０】
第２の実施形態に係るヒートシンク３４ｂは、大まかには第１の実施形態のヒートシンク３４ａの開口部５２ａの底部に、熱伝導板５０の前面へ貫通した底部貫通孔６２を設けた構造である。底部貫通孔６２は開口部５２ｂの底面の一部に開けられる。例えば、底部貫通孔６２は、開口部５２ｂの中心に円形に開けられる。開口部５２ａの底面は底部貫通孔６２の縁にて段差を生じる。本実施形態での被溶接部５４ｂは、少なくとも底部貫通孔６２の縁に位置する熱伝導板５０ｂを含み、この被溶接部５４ｂに対応してレーザビーム５６の照射位置が設定される。
【００４１】
図８はヒートシンク３４ｂを半導体チップ３２に接合する方法、及び接合された状態を示す模式的な垂直断面図であり、第１の実施形態の図４に相当する図である。本実施形態では、底部貫通孔６２の縁に設定される照射位置５８ｂにて発生した熱は、熱伝導板５０ｂが存在しない底部貫通孔６２の方面には拡散しにくい。すなわち、熱が照射位置５８ｂに集中しやすく、薄い底部の熱伝導板５０ｂ及び金属電極膜４２を効率的に溶融させやすい。また、底部貫通孔６２の端部にレーザビーム５６を照射すれば、端部の熱伝導板５０ｂの段差が上述の熱の集中で速やかに溶ける一方、レーザビーム５６の一部が底部貫通孔６２を通過して直接、金属電極膜４２を溶かすので、両部材を少ないエネルギーで効率的に溶融させ接合することができる。図８（ｂ）は、接合部分６０ｂにて底部貫通孔６２の縁の熱伝導板５０ｂの段差が溶融されると共に、金属電極膜４２が溶融された様子を模式的に表している。
【００４２】
照射位置５８ｂは底部貫通孔６２の縁に沿って複数配置することが好適であり、例えば、本実施形態では、底部貫通孔６２の中心に対して９０°ずつ位置をずらした４箇所に照射位置５８ｂを配置する。
【００４３】
開口部５２ｂの開口の形状・大きさ及び底部の厚みは第１の実施形態で述べた考慮に基づいて設定される。なお、開口部５２ｂの径は、位置をずらした複数のレーザビーム５６を入射可能に設定されるので、その分は基本的にレーザビーム５６の径より大きくする必要がある。底部貫通孔６２は例えば、レーザビーム５６と同程度の径とすることができる。
【００４４】
［第３の実施形態］
図９は、第３の実施形態におけるヒートシンク３４及び半導体チップ３２の積層体の模式的な垂直断面図であり、上記実施形態に関する図２、図７に相当する図である。本実施形態において、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して説明の簡素化を図る。
【００４５】
第３の実施形態に係るヒートシンク３４ｃが、第２の実施形態のヒートシンク３４ｂと異なる点は、レーザビームによって熱伝導板５０ｂより溶融しやすい金属からなる溶着部材７０を有し、底部貫通孔６２の縁の熱伝導板５０ｂと共に底部貫通孔６２の位置の当該溶着部材７０が被溶接部とされる点にある。
【００４６】
溶着部材７０を構成する金属が熱伝導板５０ｂよりレーザビーム５６によって溶けやすいかは、照射されるレーザビーム５６の波長での反射率又は吸収率、熱容量、融点、熱伝導率といった属性に依存する。例えば、Ｎｉは熱伝導板５０ｂに用いられるＣｕより融点は高いが、ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザに対する吸収率はＣｕより高く、また熱伝導率は低く、Ｎｉ合金を溶着部材７０として用いることが可能である。また、Ｎｉ以外にもＡｕ，Ａｌ，白金（Ｐｔ）などもＹＡＧレーザに対する吸収率がＣｕより高い点で溶着部材７０の材料として用いることができる。特にＡｕ、Ａｌの融点はそれぞれ１０６４℃、６６０℃でありＣｕの融点１０８４℃より低いので溶着部材７０として好適である。Ｃｕも他の金属との合金とすることで、Ｃｕより融点が低くなったり、レーザに対する吸収効率が高くなったりし得るので、そのようなＣｕ合金も溶着部材７０として好適である。
【００４７】
本実施形態では、開口部５２ｂの底面にＮｉメッキを施す。メッキ膜７２ａは、微細な底部貫通孔６２の開口を覆い、当該メッキ膜７２ａが溶着部材７０となる。照射位置５８ｂは第２の実施形態と同様、底部貫通孔６２の縁に設定される。
【００４８】
図１０はヒートシンク３４ｃを半導体チップ３２に接合する方法、及び接合された状態を示す模式的な垂直断面図であり、第２の実施形態の図８に相当する図である。底部貫通孔６２の縁に設けられた照射位置５８ｂにて発生した熱は、第２の実施形態で説明したように底部貫通孔６２の縁の熱伝導板５０ｂの段差を効率的に溶融させると共に、本実施形態では溶着部材７０も溶かす。溶けて底部貫通孔６２に流れ込んだ溶着部材７０は、熱伝導板５０ｂの端部と共に、金属電極膜４２との接合に寄与し、接合強度を増すことができる。また、照射位置５８ｂにＣｕより吸収率が高いＮｉメッキを施したことにより、レーザビーム５６が効率的に吸収されるので、その下の熱伝導板５０ｂがより効果的に加熱される。図１０（ｂ）は、接合部分６０ｃにて底部貫通孔６２の縁の熱伝導板５０ｂの段差、溶着部材７０、及び金属電極膜４２が溶融され合金化して接合した様子を模式的に表している。
【００４９】
上述のメッキ膜７２ａは開口部５２ｂの底面だけに形成したが、メッキ膜７２は基本的には底部貫通孔６２の位置に溶着部材７０を形成できれば、他の範囲に形成することもできる。図１１、図１２に示すヒートシンク３４及び半導体チップ３２の積層体の模式的な垂直断面図はメッキ膜７２の他の形成位置の例を示している。図１１に示す例ではヒートシンク３４ｄは熱伝導板５０ｂの裏面全体にメッキ膜７２ｂを形成される。また図１２に示す例では、ヒートシンク３４ｅは熱伝導板５０ｂの前面にメッキ膜７２ｃを形成される。なお、溶着部材７０とされるメッキ膜７２は底部貫通孔６２の開口を覆うように形成されていてもよいし、底部貫通孔６２を充填してもよい。
【００５０】
なお、溶着部材７０をメッキ処理で形成する場合、溶着部材７０が熱伝導板５０と同じ金属であっても、底部貫通孔６２の位置にメッキ膜で形成される溶着部材７０は熱伝導板５０より遙かに厚みが薄いので熱伝導板５０より溶融しやすい。よって、本実施形態にて熱伝導板５０ｂと同じＣｕからなるＣｕメッキ膜を溶着部材７０として用い被溶接部を形成することも可能である。
【００５１】
［第４の実施形態］
図１３は、第４の実施形態におけるヒートシンク３４及び半導体チップ３２の積層体の模式的な垂直断面図であり、上記実施形態に関する図２等に相当する図である。本実施形態において、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して説明の簡素化を図る。
【００５２】
第４の実施形態に係るヒートシンク３４ｆは、裏面から前面まで貫通する開口部５２ｃが形成された熱伝導板５０ｃを有し、レーザビームによって熱伝導板５０ｃより溶融しやすい金属からなる溶着部材７０を開口部５２ｃの位置に被溶接部として有する。
【００５３】
本実施形態では、熱伝導板５０ｃの裏面にＮｉメッキを施す。メッキ膜７２ｄは、微細な開口部５２ｃを覆い、当該メッキ膜７２ｄが溶着部材７０となる。
【００５４】
図１４はヒートシンク３４ｆを半導体チップ３２に接合する方法、及び接合された状態を示す模式的な垂直断面図であり、第１の実施形態の図４に相当する図である。開口部５２ｃの位置がレーザビーム５６の照射位置５８ｃとされる。ヒートシンク３４ｆに照射されたレーザビーム５６はヒートシンク３４ｆの裏面にて開口部５２ｃを覆う部分の溶着部材７０を溶かす。溶けた溶着部材７０は開口部５２ｃ内に入り込んで、図１４（ｂ）に示すように開口部５２ｃの底面にて金属電極膜４２と接合し、開口部５２の側面にて熱伝導板５０ｃと接合する。これにより、ヒートシンク３４ｆが金属電極膜４２に固着される。
【００５５】
開口部５２ｃの径は、第１の実施形態の開口部５２ａと同様、レーザビーム５６の太さに応じて設定され、例えば、レーザビーム５６を入射できる必要十分な大きさに設定できる。
【００５６】
本実施形態におけるメッキ膜７２は，溶着部材７０が開口部５２ｃの位置に形成されれば上述の範囲とは異なる他の範囲に形成することもできる。図１５〜図１８に示すヒートシンク３４及び半導体チップ３２の積層体の模式的な垂直断面図はメッキ膜７２の他の形成位置の例を示している。図１５に示す例ではヒートシンク３４ｇは熱伝導板５０ｃの前面にメッキ膜７２ｅを形成される。図１６に示す例では、ヒートシンク３４ｈはメッキ膜７２ｆを熱伝導板５０ｃの裏面に形成されると共に、開口部５２ｃの内部もメッキ膜７２ｆで充填される。図１７に示す例では、ヒートシンク３４ｉはメッキ膜７２ｇを熱伝導板５０ｃの前面に形成されると共に、開口部５２ｃの内部もメッキ膜７２ｇで充填される。図１８に示す例では、ヒートシンク３４ｊはメッキ膜７２ｈを熱伝導板５０ｃの前面及び裏面に形成されると共に、開口部５２ｃの内部もメッキ膜７２ｈで充填される。
【００５７】
なお、本実施形態では熱伝導板５０ｃはレーザビーム５６により溶融される必要がないので、例えば、第１から第３の実施形態におけるＣｕやＡｌなどの金属に代えて、熱伝導率の高いセラミックなどの他の材料で形成することもできる。
【００５８】
また、上記各実施形態では半導体チップ３２がＳｉＣデバイスであるとしたが、半導体チップ３２は他の材料の基板からなるものであってもよく、例えば、ＳｉＣと同様、ワイドギャップ半導体に属するＧａＮ、ＧａＡｓ、ダイヤモンドなどからなる基板、またＳｉ基板を用いた半導体チップ３２へのヒートシンク３４の接合に本発明を適用することも可能である。なお、Ｓｉデバイスのように動作温度が低いものにおいては、溶着部材７０として上述の実施形態で挙げたものより低融点の金属を用いることもでき、例えば、スズ、鉛、亜鉛やそれらの合金を使用することも可能である。
【００５９】
上述したように熱伝導板５０の厚みはヒートシンクとして必要な熱容量等を考慮して設計される。その厚みは従来においては例えば、２ミリメートル程度であり、このような厚みの部分を直接、レーザビームにより半導体チップ３２に溶着しようとするとエネルギー効率が低くなる。そこで上記第１の実施形態などでは熱伝導板５０に底面の厚みが１００μｍ程度の孔や溝を設け、当該個所にレーザビームを照射することで少ないエネルギーで半導体チップ３２との溶着を実現する。しかしながら、熱伝導板５０の本来の厚み自体が例えば、１００μｍ以下といった薄さでもヒートシンクの機能が確保される場合には、当該熱伝導板に孔や溝を形成する加工をせずに直接にヒートシンク３４と半導体チップ３２とをレーザビームで接合することが可能である。そのような孔加工等をせず平板のまま接合可能なヒートシンク３４は基本的に総厚みが例えば１００μｍ以下であればよく、その構造は問わない。つまり、当該薄いヒートシンク３４は、熱伝導板５０にメッキ膜７２を被着したものでもよいし、複数枚の同種材料／異種材料の熱伝導板５０を重ねたものであってもよい。
【符号の説明】
【００６０】
３０  半導体装置、３２  半導体チップ、３４  ヒートシンク、３６  リードフレーム、３８  ワイヤ、４０  パッケージ、４２  金属電極膜、５０  熱伝導板、５２  開口部、５４  被溶接部、５６  レーザビーム、５８  照射位置、６０  接合部分、６２  底部貫通孔、７０  溶着部材、７２  メッキ膜。
【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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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