ヒートスプレッダと金属板との接合方法
【課題】ヒートスプレッダと外部導出導体である金属板とをレーザ溶接することで、ヒートスプレッダ下のはんだにダメージを与えず、かつ、強固で高い信頼性を持った接合方法を提供する。
【解決手段】銅と銅−モリブデン焼結体の積層体で形成したクラッド材のヒートスプレッダ１の銅側上に外部導出導体である銅板５を配置する。レーザ出射ユニット１８の照準を溶融予定個所２１に合わせ、レーザ出射ユニット１８によりＹＡＧレーザ１９を照射し、銅板５とクラッド材のヒートスプレッダ１の銅を溶融して、溶融部２０で固着する。このヒートスプレッダ１においては、銅−モリブデン焼結体に達する深い溶融部２０を得ることができるために、高い接合強度と電気・熱抵抗に優れた溶接構造が実現できる。
【解決手段】銅と銅−モリブデン焼結体の積層体で形成したクラッド材のヒートスプレッダ１の銅側上に外部導出導体である銅板５を配置する。レーザ出射ユニット１８の照準を溶融予定個所２１に合わせ、レーザ出射ユニット１８によりＹＡＧレーザ１９を照射し、銅板５とクラッド材のヒートスプレッダ１の銅を溶融して、溶融部２０で固着する。このヒートスプレッダ１においては、銅−モリブデン焼結体に達する深い溶融部２０を得ることができるために、高い接合強度と電気・熱抵抗に優れた溶接構造が実現できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、放熱のために半導体チップ上に固着されるヒートスプレッダと外部導出導体である金属板を固着するときのヒートスプレッダと金属板と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）、ＦＷＤ（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）、パワーＭＯＳＦＥＴおよびパワーバイポーラトランジスタ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ともな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ともな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。逆に同じ電流を流すのであれば、半導体チップの高性能化により、チップの面積を小さくすることができる。例えば１０ｍｍ□の半導体チップを１枚のウェハから１００個取り出すことができたとすると、半導体チップの高性能化に伴って、その面積を３０％小さなもの（約８．４ｍｍ□）とすると、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ともない、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。
【０００５】
ＩＧＢＴやＦＷＤ等のパワー半導体素子では、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。
これは、アルミワイヤが例えば直径が３００μｍや４００μｍ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発熱により発熱し、場合によっては溶断してしまう問題点がある。
【０００６】
片面冷却方式を取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。
【０００７】
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、図６ に示すように、半導体チップ、ここではＩＧＢＴチップ上面に金属製のヒートスプレッダを熱伝導性樹脂あるいははんだ材により接合し、最も高温となるチップ中央部の熱をチップ周辺に拡散して最高温度を下げる方法が考案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
図７は、従来のＩＧＢＴモジュールの要部断面図である。セラミクス５１の裏面に裏面銅箔５２をを固着し、表面にエミッタ用導体パターン５３とコレクタ用導体パターン５４およびゲート用導体パターン５５を固着した導電パターン月絶縁基板５０と、このコレクタ用導体パターン５４上にＩＧＢＴチップ５６をはんだ６０により固着し、このＩＧＢＴチップ５６上面にヒートスプレッダ６２をはんだ５９により固着し、このヒートスプレッダ６２とエミッタ用導体パターン５３をアルミワイヤ６３で接続し、ＩＧＢＴチップ５６上のゲートパッド５８と、ゲート用導体パターン５５の間をアルミワイヤ６１で接続する。
【０００９】
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、本特許での説明では簡略化のため省略してある。また、図７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る。
【００１０】
図８に別の従来のＩＧＢＴモジュールの要部断面図を示す。ヒートスプレッダ６２上のアルミワイヤ６１を、銅やアルミニウムなどの金属板６４としたものである。アルミワイヤ６１を金属板６４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，半導体チップから発生した熱の移動が可能となる。
【００１１】
このヒートスプレッダ６２と金属板６４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などが考えられる。
【００１２】
また、特許文献２には、半導体チップ上にヒートスプレッダ（導電性の良い金属板）が超音波溶接で接合されていることが記されている。
【００１３】
また、特許文献３には、半導体素子に熱的に接続されたヒートスプレッダをレーザ溶接によりプリント配線基板に溶着させることやヒートスプレッダにＮｉめっきを施すことが記載されている。
【００１４】
また、特許文献４には、銅合金の放熱板をリードフレームにＹＡＧレーザで溶接することが記載されている。
【００１５】
また、特許文献５には、銅線とタングステン製のプローブとを金属材料を介してレーザ溶接にて接合することが記載されている。
【００１６】
また、特許文献６には、銅またはアルミニウムからなる低融点材料と高融点材料からなる接合クラッド板、接合クラッド板をレーザ溶接すること、接合クラッド材の用途としてヒートスプレッダに多用されることが記載されている。
【特許文献１】特開２０００−３０７０５８号公報
【特許文献２】特開２００４−９６１３５号公報
【特許文献３】特開２００１−１６８２４４号公報（[要約] [００２７]）
【特許文献４】特開平１１−１９１６０７号公報（[要約] [請求項１]）
【特許文献５】特開２０００−１８７０４３号公報（[請求項６]）
【特許文献６】特開第３２７２７８７号公報（[請求項１] [００２１] [０００３]）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、図８において、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、ＩＧＢＴチップ５６より発せられた熱がヒートスプレッダ６２を介して伝導してくるため、はんだ接合が熱劣化し、接合信頼性の確保が難しくなる。また、超音波接合では、ヒートスプレッダ６２上に銅板６４を重ね、荷重と振動を加えるために、ヒートスプレッダ６２とＩＧＢＴチップ５６を接合しているはんだ５９にクラックが生じる場合がある。
【００１８】
これを解決するために、レーザ溶接を用いる方法があるのでそれを説明する。
【００１９】
図９および図１０は、銅のヒートスプレッダと銅板をレーザ溶接する様子を示す図である。これは図８のＣ部を示す。レーザ射出ユニット６５からＹＡＧレーザ（波長１０６４ｎｍ）を照射し、銅板６４と銅のヒートスプレッダ６２ａを溶融し、銅板６４と銅のヒートスプレッダ６２ａを固着する。
【００２０】
ＹＡＧレーザを照射することにより、初めに銅板６４表面から溶融が始まる。そして次第に溶融部６７が深さ方向に進展していき、銅板６４の下側に設置した銅のヒートスプレッダ６２ａに達することで銅板６４と銅のヒートスプレッダ６４界面が接合される。
【００２１】
レーザパワー及びエネルギが低すぎた場合には、図９に示すように溶融部６７が銅のヒートスプレッダ６２ａまで到達させることができず、接合が出来ない。また、レーザパワー及びエネルギが高すぎた場合には、図１０に示すように銅板６４と銅のヒートスプレッダ６２ａを貫通してしまい、接合が出来ない。
【００２２】
一方、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、はんだに繰り返し応力が働き、はんだ部にクラックが生じてしまう問題点がある。
【００２３】
図１１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チップ及びヒートスプレッダの伸縮挙動を示す図であり、同図（ａ）は高温時の模式図、同図（ｂ）は低温時の模式図である。同図（ａ）においては、ＩＧＢＴチップ５６に比べ銅のヒートスプレッダ６２ａの熱膨張係数の方が大きいため、銅のヒートスプレッダ６２ａにより左右に引っ張れる形となる。同図（ｂ）においては、反対に銅のヒートスプレッダ６２ａにより中央に引っ張られる形となる。ＩＧＢＴモジュールの信頼性試験においては、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が実施されている。この繰り返し応力によりはんだ５９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。
【００２４】
具体的には、シリコンの熱膨張係数は約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、ＩＧＢＴチップ５６と銅のヒートスプレッダ６２ａとを固着するはんだ５９にストレスが加わる。
【００２５】
このストレスで発生したクラックが進展した場合、ＩＧＢＴチップ５６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。
【００２６】
このようなことから、ヒートスプレッダ６２の材質として、熱膨張係数がシリコンに近いモリブデン（熱膨張係数は５．１×１０−６／℃）やタングステン（同４．５×１０−６／℃）、あるいは銅−モリブデン焼結体（同７〜１４×１０−６／℃）や銅−タングステン焼結体（同６〜１２×１０−６／℃）などの低熱膨張係数の金属または焼結体を用いることにより、ＩＧＢＴチップ５６と銅のヒートスプレッダ６２ａ間のはんだ５６に加わる熱ストレスを低減することが可能となる。
【００２７】
つぎに、ヒートスプレッダ６２とＩＧＢＴチップ５６との熱膨張係数の差を縮めるためにヒートスプレッダ材として銅−モリブデン焼結体を用いた場合について説明する。
【００２８】
図１２および図１３は、銅板と銅−モリブデン焼結体とをＹＡＧレーザにて溶接した要部断面図である。銅板６４の表面にレーザ射出ユニット６５から照射されたＹＡＧレーザ６６のエネルギにより銅板６４が溶融しはじめ、照射時間とともにその溶融部６７が銅−モリブデン焼結体６２ｂの表面に近づいていく。しかし、図１２に示すように、この溶融部６７は銅−モリブデン焼結体６２ｂの表面で停止するか、多少入り込んだ状態としかならない。これは、銅と銅―モリブデン焼結体６２ｂの融点に大きな差があるためである。すなわち、銅の融点は１０８３℃であるが、モリブデンの融点は２６２０℃であるため、溶融部６７が銅−モリブデン焼結体６２ｂ表面に達したとしても、その温度がモリブデンの融点である２６２０℃になっていない場合には、銅板６４と銅−モリブデン焼結体６２ｂの界面で停止してしまう。または、銅−モリブデン焼結体６２ｂの中の銅成分だけが溶融し、溶融部６７が銅−モリブデン焼結体６２ｂに少し入り込んだ状態にしかならない。
【００２９】
このような状態では、銅板６４と銅−モリブデン焼結体６２ｂとの所望の接合強度が得られない。そこで、レーザパワー及びエネルギを高くし、溶融部６７を銅−モリブデン焼結体６２ｂ中に深く入り込ませようとした場合には、図１３に示すように、溶融部６７の一部がスパッタとして消失して消失部６８が発生してしまう問題点がある。このような消失部６８が発生した場合、接合強度の低下，電気・熱抵抗の増大が引き起こされ、使用できない。
【００３０】
図１４および図１５に示すように、タングステン焼結体６２ｃとした場合についても同様なことが起きる。すなわち、タングステンの融点は３４１０℃であるため、銅の融点１０８３℃に比べ差異がありすぎ、銅−モリブデン焼結体６２ｂと銅板６４との接合の場合よりも、接合が困難となる。
【００３１】
この発明の目的は、前記の課題を解決して、ヒートスプレッダと外部導出導体である金属板とをレーザ溶接することで、ヒートスプレッダ下のはんだにダメージを与えず、かつ、強固で高い信頼性を持った接合方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
前記の目的を達成するために、半導体チップ上に固着材を介して固着されたヒートスプレッダ上に金属板を接合するヒートスプレッダと金属板との接合方法において、前記ヒートスプレッダおよび前記金属板が銅で形成され、前記ヒートスプレッダと前記金属板とをレーザで溶接し、レーザパワー密度が０．４ＭＷ／ｃｍ２を超え、１．５ＭＷ／ｃｍ２未満であり、レーザエネルギーが５０Ｊを超え、１５０Ｊ未満である接合方法とする。
【００３３】
また、半導体チップ上に固着材を介して固着されたヒートスプレッダ上に金属板を接合するヒートスプレッダと金属板との接合方法において、前記ヒートスプレッダが銅と銅−モリブデン焼結体の積層体であるクラッド材もしくは銅と銅−タングステン焼結体の積層体であるクラッド材であり、前記金属板が銅で形成され、該金属板と前記積層体であるクラッド材の銅とをレーザ溶接する接合方法とする。
【００３４】
また、半導体チップ上に固着材を介して固着されたヒートスプレッダ上に金属板を接合するヒートスプレッダと金属板との接合方法において、前記ヒートスプレッダが銅と銅−モリブデンの積層体であるクラッド材もしくは銅と銅−タングステンの積層体であるクラッド材であり、前記金属板が銅で形成され、該金属板と前記積層体であるクラッド材の銅とをレーザ溶接する接合方法とする。
【００３５】
また、半導体チップ上に固着材を介して固着されたヒートスプレッダの上に金属板を接合するヒートスプレッダと金属板との接合方法において、
前記ヒートスプレッダは、モリブデン，タングステン，銅−モリブデンの焼結体，銅−タングステンの焼結体のいずれかであり、該ヒートスプレッダの少なくとも前記金属板との接合面にＮｉめっき膜を形成し、前記金属板が銅であり、
前記ヒートスプレッダのＮｉめっき膜上に前記金属板を配置し、該金属板と前記ヒートスプレッダとをレーザ溶接する接合方法とする。
【００３６】
また、前記銅の表面にＮｉめっき膜が形成されているとよい。
【００３７】
また、前記金属板に、銅に替えてアルミニウムを用いるとよい。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、銅のヒートスプレッダと銅板との接合をレーザ溶接し、その溶接条件を所定の条件とすることで、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、ヒートスプレッダ下のはんだ及び半導体チップにダメージを与えることが無く、高い接合信頼性を確保できる。
【００３９】
また、銅―モリブデン、銅―タングステンの積層体であるクラッド材をヒートスプレッダとして用い、銅板とヒートスプレッダの銅側とをレーザ溶接し、その溶接条件を所定の条件とすることで、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、ヒートスプレッダ下のはんだ及び半導体チップにダメージを与えることが無く、高い接合信頼性を確保できる。
【００４０】
さらに、半導体チップと接合するヒートスプレッダは熱膨張係数が小さいモリブデンやタングステンのため、半導体チップが実動作状態においても、ヒートスプレッダと半導体チップを固着するはんだに加わる熱ストレスを小さくできて、クラックの発生を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
図１は、この発明を適用した半導体装置の構成図であり、同図（ａ）は要部断面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ部拡大図である。この図はＩＧＢＴモジュールの要部断面図である。
【００４２】
セラミクス１１の裏面に裏面銅箔１２を固着し、表面にエミッタ用導体パターン１３とコレクタ用導体パターン１４およびゲート用導体パターン１５を固着した導電パターン月絶縁基板１０と、このコレクタ用導体パターン１４上にＩＧＢＴチップ６をはんだ１６により固着し、このＩＧＢＴチップ６上面に銅のヒートスプレッダ１をはんだ７により固着し、この銅のヒートスプレッダ１と外部導出導体である銅板５を所定の条件（詳細は後述の図２の説明を参照のこと）のＹＡＧレーザ１９をレーザ射出ユニット１８から照射して
溶融し溶融部２０で固着する。ＩＧＢＴチップ６上のゲートパッド９と、ゲート用導体パターン１５の間をアルミワイヤ１７で接続する。
【００４３】
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、本特許での説明では簡略化のため省略してある。また、図１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る。
【実施例１】
【００４４】
図２は、この発明の第１実施例のヒートスプレッダと金属板との接合方法を示す工程図であり、同図（ａ）から同図（ｃ）は工程順に示した要部工程断面図である。この図は図１（ｂ）のＢ部である。
【００４５】
銅のヒートスプレッダ１上に外部導出導体である銅板５を配置する(同図（ａ）)。
つぎに、レーザ出射ユニット１８の照準を溶融予定個所２１に合わせる(同図（ｂ）)。
つぎに、レーザ出射ユニット１８によりＹＡＧレーザ１９を照射し、銅板６と銅のヒートスプレッダ１を溶融して、溶融部２０で固着する(同図（ｃ）)。
【００４６】
実験によると、銅板５の厚みが０．５ｍｍ，銅のヒートスプレッダ１の厚みが１．０ｍｍの場合、ファイバコア径０．４ｍｍでレーザパワー密度１．０ＭＷ／ｃｍ２，エネルギを１００Ｊとした場合、レーザ接合ができる。また、レーザパワー密度を１．５ＭＷ／ｃｍ２ｋＷ，エネルギを１００Ｊとした場合には、銅のヒートスプレッダ１の裏面まで溶融部２０が貫通してしまい、その溶融した銅はスパッタとして消失してしまったため、接合が不可能であった。
【００４７】
さらに、レーザパワー密度を０．４ＭＷ／ｃｍ２とした場合には、溶融部２０は銅のヒートスプレッダ１の表面に到達できず、接合が不可能であった。そして、レーザパワー密度を１．０ＭＷ／ｃｍ２としてエネルギを５０Ｊと低くした場合には、溶融部２０の銅のヒートスプレッダ１側への溶け込みが浅く、所望の接合強度が得られなかった。また、レーザパワー密度を１．０ＭＷ／ｃｍ２としてエネルギを１５０Ｊと高くした場合には、溶融部２０の銅のヒートスプレッダ１側への溶け込みが深く、所望の接合強度が得られなかった。
【００４８】
そのため、銅板５の厚みが０．５ｍｍ以下、銅のヒートスプレッダ１の厚みが１．５ｍｍ以下で、レーザパワー密度を０．４Ｍｗ／ｃｍ２を超え、１．５ＭＷ／ｃｍ２未満とし、エネルギーを５０Ｊを超え１５０Ｊ未満とする、適切なレーザパワーとエネルギを選定することで、所望の溶接状態を得ることができる。
【００４９】
上記接合例では、外部導出導体である金属板の材質として銅を用いた場合を述べたが、これを銅合金としても同様な結果が得られる。しかしながら、銅及び銅合金のＹＡＧレーザ（波長１０６４ｎｍ）の吸収率は１０％程度しかないため、出射したレーザの９０％程度が無駄となってしまう。そこで図３に示すように銅板５（銅及び銅合金）の表面にＹＡＧレーザの吸収率が高いＮｉめっき膜２２を形成した。Ｎｉめっき２２は少なくともレーザ光が直接照射される部分に形成されていればよいが、より簡便に金属板(銅板５)の全面をめっきしてもよい。ＮｉにおけるＹＡＧレーザの吸収率は約２５％であり、銅及び銅合金のそれより２．５倍の吸収率がある。これにより、銅及び銅合金表面にＮｉめっき膜２２を形成せずにＹＡＧレーザを照射する場合よりも低いレーザパワー及びエネルギで所望の溶接状態を得ることが可能となる。
【００５０】
また、超音波接合のように、加圧，振動を加えないために、ヒートスプレッダ１下のはんだ７及びＩＧＢＴチップ６にクラックを生じさせることがない。
【００５１】
この場合のＮｉめっき膜２２の形成は、少なくともレーザ照射面に形成してあれば目的を達成することができるため、必ずしも全面に形成しなくても良い。
【００５２】
しかし、銅のヒートスプレッダ１では、前記したように、温度サイクルやヒートサイクルなどの熱ストレスが印加されるとＩＧＢＴチップ６との接合部であるはんだ７にクラックが発生する。それを防止する方法をつぎの実施例で説明する。
【実施例２】
【００５３】
図４は、この発明の第２実施例のヒートスプレッダと金属板との接合方法を示す工程図であり、同図（ａ）から同図（ｃ）は工程順に示した要部工程断面図である。この図は銅２ａと銅−モリブデン焼結体２ｂの積層体で形成したクラッド材のヒートスプレッダ２上の銅板５を固着した配線構造を示す。この積層体はクラッド材と呼ばれている。
【００５４】
銅２ａと銅−モリブデン焼結体２ｂの積層体で形成したクラッド材のヒートスプレッダ２の銅２ａ側上に外部導出導体である銅板５を配置する(同図（ａ）)。
つぎに、レーザ出射ユニット１８の照準を溶融予定個所２１に合わせる(同図（ｂ）)。
つぎに、レーザ出射ユニット１８によりＹＡＧレーザ１９を照射し、銅板５とクラッド材のヒートスプレッダ２の銅２ａを溶融して、溶融部２０で固着する(同図（ｃ）)。
【００５５】
クラッド材のヒートスプレッダ２は、上側に銅２ａ、下側に銅−モリブデン焼結体２ｂが配置された構造である。尚、下側を銅−タングステン焼結体にしてもよい。
【００５６】
図４（ｃ）に示したように、銅板５とクラッド材のヒートスプレッダ２においては、銅−モリブデン焼結体２ｂに達する深い溶融部２０を得ることができるために、高い接合強度と電気・熱抵抗に優れた溶接構造が実現できる。このクラッド材のヒートスプレッダ２における銅板５と銅−モリブデン焼結体２ｂ（又は銅−タングステン焼結体）の厚さの比率は、必要とする熱膨張係数と銅溶融部の深さにより適宜決めればよい。
【００５７】
また、この場合も第１実施例と同様に銅板５の表面をＮｉめっき膜を形成してもよい。
【実施例３】
【００５８】
図５は、この発明の第３実施例のヒートスプレッダと金属板との接合方法を示す工程図であり、同図（ａ）から同図（ｃ）は工程順に示した要部工程断面図である。この図は銅３ａとモリブデン３ｂを積層したクラッド材のヒートスプレッダ３上の配線構造を示す。この積層体はクラッド材と呼ばれているこのモリブデンをタングステンにしてもよい。
【００５９】
銅３ａとモリブデン３ｂの積層体で形成したクラッド材のヒートスプレッダ３の銅５上に外部導出導体である銅板５を配置する(同図（ａ）)。
つぎに、レーザ出射ユニット１８の照準を溶融予定個所２１に合わせる(同図（ｂ）)。
つぎに、レーザ出射ユニット１８によりＹＡＧレーザ１９を照射し、銅板３ａとクラッド材のヒートスプレッダ３の銅３ａを溶融し、溶融部２０で固着する(同図（ｃ）)。
【００６０】
図５（ｃ）はクラッド材の構成を上側に銅３ａ、下側にモリブデン３ｂ（又はタングステン）とした場合であり、図４（ｃ）で説明したことと同様な溶融部２０を得ることができる。
【実施例４】
【００６１】
図６は、この発明の第４実施例のヒートスプレッダと金属板との接合方法を示す工程図であり、同図（ａ）から同図（ｃ）は工程順に示した要部工程断面図である。４はモリブデンのヒートスプレッダである。少なくとも、モリブデンのヒートスプレッダ４の銅板５との接合面にＮｉめっき膜２２を形成しておく。
【００６２】
。まず、モリブデンのヒートスプレッダ４の上に外部導出導体である銅板５を配置する（同図（ａ））。
【００６３】
つぎにレーザ出射ユニット１８の照準を溶融予定箇所２１に合わせる（同図（ｂ））。
【００６４】
つぎに、レーザ出射ユニット１８によりＹＡＧレーザ１９を照射し、銅板５とヒートスプレッダ４の表面のＮｉめっき膜２２とを溶融し、溶融部２０で固着する（同図（ｃ））。
【００６５】
ヒートスプレッダ４をモリブデンで形成する場合、ヒートスプレッダの金属板（銅板５）との接合面側にＮｉめっき膜を設けるのは次の理由による。
【００６６】
即ち、金属板（銅板）とモリブデンとは融点ならびにＹＡＧレーザの吸収率が大きく異なる。まず、融点の高いモリブデンを溶融させうるパワーでＹＡＧレーザを照射すると、ＹＡＧレーザの照射をうけた銅は融点を大きく上回り、沸点に達すると銅が消失してしまい十分な接合が得られない。また、モリブデンの方がレーザの吸収率が高いため、照射されたレーザがモリブデンに達すると一気にパワーを吸収してしまい、モリブデンを突き抜けてしまうことがある。したがって、銅とモリブデンをレーザ溶接することは困難であり、またレーザのパワーも銅を溶融させうる程度に設定せざるを得ない。
【００６７】
Ｎｉはモリブデンほどレーザの吸収率が高くなく、また融点も高くないので、モリブデンの表面にＮｉめっき膜を設けておき、Ｎｉめっき膜に達するパワーでレーザを照射することにより、銅とＮｉが溶融して結合層を形成することができる。
【００６８】
上記において、モリブデンのヒートスプレッダを例に説明したが、モリブデンをタングステン，銅−モリブデンの焼結体，銅−タングステンの焼結体のいずれかにしてもよく、Ｎｉめっき膜を設ける理由も同様である。
【００６９】
また、図４〜図６においても、前記の図３で説明したように、銅板５の表面にＮｉめっき膜を形成すことにより、ＹＡＧレーザの吸収率を高めることが可能である。
【００７０】
尚、前記第１実施例〜第４実施例で外部導出導体である金属板を銅板で説明したが、これをアルミニウム板に替えてもよい。そのときはレーザ溶接条件の最適化が必要となるが、アルミニウムはレーザの吸収率が銅に比べて高いためレーザ照射面にＮｉめっき膜を形成しなくてもよい。また、レーザはＹＡＧレーザの場合について説明したが、半導体レーザであっても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】この発明を適用した半導体装置の構成図であり、（ａ）は要部断面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ部拡大図
【図２】この発明の第１実施例のヒートスプレッダと金属板との接合方法を示す工程図であり、（ａ）から（ｃ）は工程順に示した要部工程断面図
【図３】銅表面にＮｉめっき膜２２を形成したヒートスプレッダの要部断面図
【図４】この発明の第２実施例のヒートスプレッダと金属板との接合方法を示す工程図であり、（ａ）から（ｃ）は工程順に示した要部工程断面図
【図５】この発明の第３実施例のヒートスプレッダと金属板との接合方法を示す工程図であり、（ａ）から（ｃ）は工程順に示した要部工程断面図
【図６】この発明の第４実施例のヒートスプレッダと金属板との接合方法を示す工程図であり、（ａ）から（ｃ）は工程順に示した要部工程断面図
【図７】従来のＩＧＢＴモジュールの要部断面図
【図８】別の従来のＩＧＢＴモジュールの要部断面図
【図９】銅のヒートスプレッダと銅板をレーザ溶接する様子を示す図
【図１０】銅のヒートスプレッダと銅板をレーザ溶接する様子を示す図
【図１１】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チップ及びヒートスプレッダの伸縮挙動を示す図であり、（ａ）は高温時の模式図、（ｂ）は低温時の模式図
【図１２】銅板と銅−モリブデン焼結体とをＹＡＧレーザにて溶接した要部断面図
【図１３】銅板と銅−モリブデン焼結体とをＹＡＧレーザにて溶接した要部断面図
【図１４】銅板とタングステン焼結体とをＹＡＧレーザにて溶接した要部断面図
【図１５】銅板とタングステン焼結体とをＹＡＧレーザにて溶接した要部断面図
【符号の説明】
【００７２】
１ 銅のヒートスプレッダ
２ クラッド材のヒートスプレッダ
２ａ 銅
２ｂ 銅−モリブデン焼結体
３ クラッド材のヒートスプレッダ／モリブデン
３ａ 銅
３ｂ モリブデン
４ ヒートスプレッダ
５ 銅板
６ ＩＧＢＴチップ
７ はんだ
８ エミッタ電極
９ ゲートパッド
１０ 導電パターン付き絶縁基板
１１ セラミクス
１２ 裏面銅箔
１３ エミッタ用導体パターン
１４ コレクタ用導体パターン
１５ ゲート用導電パターン
１６ はんだ
１７ アルミワイヤ
１８ レーザ出射ユニット
１９ ＹＡＧレーザ
２０ 溶融部
２１ 溶融予定個所
２２ Ｎｉめっき膜
【技術分野】
【０００１】
この発明は、放熱のために半導体チップ上に固着されるヒートスプレッダと外部導出導体である金属板を固着するときのヒートスプレッダと金属板と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）、ＦＷＤ（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）、パワーＭＯＳＦＥＴおよびパワーバイポーラトランジスタ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ともな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ともな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。逆に同じ電流を流すのであれば、半導体チップの高性能化により、チップの面積を小さくすることができる。例えば１０ｍｍ□の半導体チップを１枚のウェハから１００個取り出すことができたとすると、半導体チップの高性能化に伴って、その面積を３０％小さなもの（約８．４ｍｍ□）とすると、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ともない、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。
【０００５】
ＩＧＢＴやＦＷＤ等のパワー半導体素子では、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。
これは、アルミワイヤが例えば直径が３００μｍや４００μｍ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発熱により発熱し、場合によっては溶断してしまう問題点がある。
【０００６】
片面冷却方式を取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。
【０００７】
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、図６ に示すように、半導体チップ、ここではＩＧＢＴチップ上面に金属製のヒートスプレッダを熱伝導性樹脂あるいははんだ材により接合し、最も高温となるチップ中央部の熱をチップ周辺に拡散して最高温度を下げる方法が考案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
図７は、従来のＩＧＢＴモジュールの要部断面図である。セラミクス５１の裏面に裏面銅箔５２をを固着し、表面にエミッタ用導体パターン５３とコレクタ用導体パターン５４およびゲート用導体パターン５５を固着した導電パターン月絶縁基板５０と、このコレクタ用導体パターン５４上にＩＧＢＴチップ５６をはんだ６０により固着し、このＩＧＢＴチップ５６上面にヒートスプレッダ６２をはんだ５９により固着し、このヒートスプレッダ６２とエミッタ用導体パターン５３をアルミワイヤ６３で接続し、ＩＧＢＴチップ５６上のゲートパッド５８と、ゲート用導体パターン５５の間をアルミワイヤ６１で接続する。
【０００９】
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、本特許での説明では簡略化のため省略してある。また、図７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る。
【００１０】
図８に別の従来のＩＧＢＴモジュールの要部断面図を示す。ヒートスプレッダ６２上のアルミワイヤ６１を、銅やアルミニウムなどの金属板６４としたものである。アルミワイヤ６１を金属板６４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，半導体チップから発生した熱の移動が可能となる。
【００１１】
このヒートスプレッダ６２と金属板６４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などが考えられる。
【００１２】
また、特許文献２には、半導体チップ上にヒートスプレッダ（導電性の良い金属板）が超音波溶接で接合されていることが記されている。
【００１３】
また、特許文献３には、半導体素子に熱的に接続されたヒートスプレッダをレーザ溶接によりプリント配線基板に溶着させることやヒートスプレッダにＮｉめっきを施すことが記載されている。
【００１４】
また、特許文献４には、銅合金の放熱板をリードフレームにＹＡＧレーザで溶接することが記載されている。
【００１５】
また、特許文献５には、銅線とタングステン製のプローブとを金属材料を介してレーザ溶接にて接合することが記載されている。
【００１６】
また、特許文献６には、銅またはアルミニウムからなる低融点材料と高融点材料からなる接合クラッド板、接合クラッド板をレーザ溶接すること、接合クラッド材の用途としてヒートスプレッダに多用されることが記載されている。
【特許文献１】特開２０００−３０７０５８号公報
【特許文献２】特開２００４−９６１３５号公報
【特許文献３】特開２００１−１６８２４４号公報（[要約] [００２７]）
【特許文献４】特開平１１−１９１６０７号公報（[要約] [請求項１]）
【特許文献５】特開２０００−１８７０４３号公報（[請求項６]）
【特許文献６】特開第３２７２７８７号公報（[請求項１] [００２１] [０００３]）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、図８において、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、ＩＧＢＴチップ５６より発せられた熱がヒートスプレッダ６２を介して伝導してくるため、はんだ接合が熱劣化し、接合信頼性の確保が難しくなる。また、超音波接合では、ヒートスプレッダ６２上に銅板６４を重ね、荷重と振動を加えるために、ヒートスプレッダ６２とＩＧＢＴチップ５６を接合しているはんだ５９にクラックが生じる場合がある。
【００１８】
これを解決するために、レーザ溶接を用いる方法があるのでそれを説明する。
【００１９】
図９および図１０は、銅のヒートスプレッダと銅板をレーザ溶接する様子を示す図である。これは図８のＣ部を示す。レーザ射出ユニット６５からＹＡＧレーザ（波長１０６４ｎｍ）を照射し、銅板６４と銅のヒートスプレッダ６２ａを溶融し、銅板６４と銅のヒートスプレッダ６２ａを固着する。
【００２０】
ＹＡＧレーザを照射することにより、初めに銅板６４表面から溶融が始まる。そして次第に溶融部６７が深さ方向に進展していき、銅板６４の下側に設置した銅のヒートスプレッダ６２ａに達することで銅板６４と銅のヒートスプレッダ６４界面が接合される。
【００２１】
レーザパワー及びエネルギが低すぎた場合には、図９に示すように溶融部６７が銅のヒートスプレッダ６２ａまで到達させることができず、接合が出来ない。また、レーザパワー及びエネルギが高すぎた場合には、図１０に示すように銅板６４と銅のヒートスプレッダ６２ａを貫通してしまい、接合が出来ない。
【００２２】
一方、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、はんだに繰り返し応力が働き、はんだ部にクラックが生じてしまう問題点がある。
【００２３】
図１１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チップ及びヒートスプレッダの伸縮挙動を示す図であり、同図（ａ）は高温時の模式図、同図（ｂ）は低温時の模式図である。同図（ａ）においては、ＩＧＢＴチップ５６に比べ銅のヒートスプレッダ６２ａの熱膨張係数の方が大きいため、銅のヒートスプレッダ６２ａにより左右に引っ張れる形となる。同図（ｂ）においては、反対に銅のヒートスプレッダ６２ａにより中央に引っ張られる形となる。ＩＧＢＴモジュールの信頼性試験においては、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が実施されている。この繰り返し応力によりはんだ５９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。
【００２４】
具体的には、シリコンの熱膨張係数は約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、ＩＧＢＴチップ５６と銅のヒートスプレッダ６２ａとを固着するはんだ５９にストレスが加わる。
【００２５】
このストレスで発生したクラックが進展した場合、ＩＧＢＴチップ５６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。
【００２６】
このようなことから、ヒートスプレッダ６２の材質として、熱膨張係数がシリコンに近いモリブデン（熱膨張係数は５．１×１０−６／℃）やタングステン（同４．５×１０−６／℃）、あるいは銅−モリブデン焼結体（同７〜１４×１０−６／℃）や銅−タングステン焼結体（同６〜１２×１０−６／℃）などの低熱膨張係数の金属または焼結体を用いることにより、ＩＧＢＴチップ５６と銅のヒートスプレッダ６２ａ間のはんだ５６に加わる熱ストレスを低減することが可能となる。
【００２７】
つぎに、ヒートスプレッダ６２とＩＧＢＴチップ５６との熱膨張係数の差を縮めるためにヒートスプレッダ材として銅−モリブデン焼結体を用いた場合について説明する。
【００２８】
図１２および図１３は、銅板と銅−モリブデン焼結体とをＹＡＧレーザにて溶接した要部断面図である。銅板６４の表面にレーザ射出ユニット６５から照射されたＹＡＧレーザ６６のエネルギにより銅板６４が溶融しはじめ、照射時間とともにその溶融部６７が銅−モリブデン焼結体６２ｂの表面に近づいていく。しかし、図１２に示すように、この溶融部６７は銅−モリブデン焼結体６２ｂの表面で停止するか、多少入り込んだ状態としかならない。これは、銅と銅―モリブデン焼結体６２ｂの融点に大きな差があるためである。すなわち、銅の融点は１０８３℃であるが、モリブデンの融点は２６２０℃であるため、溶融部６７が銅−モリブデン焼結体６２ｂ表面に達したとしても、その温度がモリブデンの融点である２６２０℃になっていない場合には、銅板６４と銅−モリブデン焼結体６２ｂの界面で停止してしまう。または、銅−モリブデン焼結体６２ｂの中の銅成分だけが溶融し、溶融部６７が銅−モリブデン焼結体６２ｂに少し入り込んだ状態にしかならない。
【００２９】
このような状態では、銅板６４と銅−モリブデン焼結体６２ｂとの所望の接合強度が得られない。そこで、レーザパワー及びエネルギを高くし、溶融部６７を銅−モリブデン焼結体６２ｂ中に深く入り込ませようとした場合には、図１３に示すように、溶融部６７の一部がスパッタとして消失して消失部６８が発生してしまう問題点がある。このような消失部６８が発生した場合、接合強度の低下，電気・熱抵抗の増大が引き起こされ、使用できない。
【００３０】
図１４および図１５に示すように、タングステン焼結体６２ｃとした場合についても同様なことが起きる。すなわち、タングステンの融点は３４１０℃であるため、銅の融点１０８３℃に比べ差異がありすぎ、銅−モリブデン焼結体６２ｂと銅板６４との接合の場合よりも、接合が困難となる。
【００３１】
この発明の目的は、前記の課題を解決して、ヒートスプレッダと外部導出導体である金属板とをレーザ溶接することで、ヒートスプレッダ下のはんだにダメージを与えず、かつ、強固で高い信頼性を持った接合方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
前記の目的を達成するために、半導体チップ上に固着材を介して固着されたヒートスプレッダ上に金属板を接合するヒートスプレッダと金属板との接合方法において、前記ヒートスプレッダおよび前記金属板が銅で形成され、前記ヒートスプレッダと前記金属板とをレーザで溶接し、レーザパワー密度が０．４ＭＷ／ｃｍ２を超え、１．５ＭＷ／ｃｍ２未満であり、レーザエネルギーが５０Ｊを超え、１５０Ｊ未満である接合方法とする。
【００３３】
また、半導体チップ上に固着材を介して固着されたヒートスプレッダ上に金属板を接合するヒートスプレッダと金属板との接合方法において、前記ヒートスプレッダが銅と銅−モリブデン焼結体の積層体であるクラッド材もしくは銅と銅−タングステン焼結体の積層体であるクラッド材であり、前記金属板が銅で形成され、該金属板と前記積層体であるクラッド材の銅とをレーザ溶接する接合方法とする。
【００３４】
また、半導体チップ上に固着材を介して固着されたヒートスプレッダ上に金属板を接合するヒートスプレッダと金属板との接合方法において、前記ヒートスプレッダが銅と銅−モリブデンの積層体であるクラッド材もしくは銅と銅−タングステンの積層体であるクラッド材であり、前記金属板が銅で形成され、該金属板と前記積層体であるクラッド材の銅とをレーザ溶接する接合方法とする。
【００３５】
また、半導体チップ上に固着材を介して固着されたヒートスプレッダの上に金属板を接合するヒートスプレッダと金属板との接合方法において、
前記ヒートスプレッダは、モリブデン，タングステン，銅−モリブデンの焼結体，銅−タングステンの焼結体のいずれかであり、該ヒートスプレッダの少なくとも前記金属板との接合面にＮｉめっき膜を形成し、前記金属板が銅であり、
前記ヒートスプレッダのＮｉめっき膜上に前記金属板を配置し、該金属板と前記ヒートスプレッダとをレーザ溶接する接合方法とする。
【００３６】
また、前記銅の表面にＮｉめっき膜が形成されているとよい。
【００３７】
また、前記金属板に、銅に替えてアルミニウムを用いるとよい。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、銅のヒートスプレッダと銅板との接合をレーザ溶接し、その溶接条件を所定の条件とすることで、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、ヒートスプレッダ下のはんだ及び半導体チップにダメージを与えることが無く、高い接合信頼性を確保できる。
【００３９】
また、銅―モリブデン、銅―タングステンの積層体であるクラッド材をヒートスプレッダとして用い、銅板とヒートスプレッダの銅側とをレーザ溶接し、その溶接条件を所定の条件とすることで、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、ヒートスプレッダ下のはんだ及び半導体チップにダメージを与えることが無く、高い接合信頼性を確保できる。
【００４０】
さらに、半導体チップと接合するヒートスプレッダは熱膨張係数が小さいモリブデンやタングステンのため、半導体チップが実動作状態においても、ヒートスプレッダと半導体チップを固着するはんだに加わる熱ストレスを小さくできて、クラックの発生を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
図１は、この発明を適用した半導体装置の構成図であり、同図（ａ）は要部断面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ部拡大図である。この図はＩＧＢＴモジュールの要部断面図である。
【００４２】
セラミクス１１の裏面に裏面銅箔１２を固着し、表面にエミッタ用導体パターン１３とコレクタ用導体パターン１４およびゲート用導体パターン１５を固着した導電パターン月絶縁基板１０と、このコレクタ用導体パターン１４上にＩＧＢＴチップ６をはんだ１６により固着し、このＩＧＢＴチップ６上面に銅のヒートスプレッダ１をはんだ７により固着し、この銅のヒートスプレッダ１と外部導出導体である銅板５を所定の条件（詳細は後述の図２の説明を参照のこと）のＹＡＧレーザ１９をレーザ射出ユニット１８から照射して
溶融し溶融部２０で固着する。ＩＧＢＴチップ６上のゲートパッド９と、ゲート用導体パターン１５の間をアルミワイヤ１７で接続する。
【００４３】
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、本特許での説明では簡略化のため省略してある。また、図１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る。
【実施例１】
【００４４】
図２は、この発明の第１実施例のヒートスプレッダと金属板との接合方法を示す工程図であり、同図（ａ）から同図（ｃ）は工程順に示した要部工程断面図である。この図は図１（ｂ）のＢ部である。
【００４５】
銅のヒートスプレッダ１上に外部導出導体である銅板５を配置する(同図（ａ）)。
つぎに、レーザ出射ユニット１８の照準を溶融予定個所２１に合わせる(同図（ｂ）)。
つぎに、レーザ出射ユニット１８によりＹＡＧレーザ１９を照射し、銅板６と銅のヒートスプレッダ１を溶融して、溶融部２０で固着する(同図（ｃ）)。
【００４６】
実験によると、銅板５の厚みが０．５ｍｍ，銅のヒートスプレッダ１の厚みが１．０ｍｍの場合、ファイバコア径０．４ｍｍでレーザパワー密度１．０ＭＷ／ｃｍ２，エネルギを１００Ｊとした場合、レーザ接合ができる。また、レーザパワー密度を１．５ＭＷ／ｃｍ２ｋＷ，エネルギを１００Ｊとした場合には、銅のヒートスプレッダ１の裏面まで溶融部２０が貫通してしまい、その溶融した銅はスパッタとして消失してしまったため、接合が不可能であった。
【００４７】
さらに、レーザパワー密度を０．４ＭＷ／ｃｍ２とした場合には、溶融部２０は銅のヒートスプレッダ１の表面に到達できず、接合が不可能であった。そして、レーザパワー密度を１．０ＭＷ／ｃｍ２としてエネルギを５０Ｊと低くした場合には、溶融部２０の銅のヒートスプレッダ１側への溶け込みが浅く、所望の接合強度が得られなかった。また、レーザパワー密度を１．０ＭＷ／ｃｍ２としてエネルギを１５０Ｊと高くした場合には、溶融部２０の銅のヒートスプレッダ１側への溶け込みが深く、所望の接合強度が得られなかった。
【００４８】
そのため、銅板５の厚みが０．５ｍｍ以下、銅のヒートスプレッダ１の厚みが１．５ｍｍ以下で、レーザパワー密度を０．４Ｍｗ／ｃｍ２を超え、１．５ＭＷ／ｃｍ２未満とし、エネルギーを５０Ｊを超え１５０Ｊ未満とする、適切なレーザパワーとエネルギを選定することで、所望の溶接状態を得ることができる。
【００４９】
上記接合例では、外部導出導体である金属板の材質として銅を用いた場合を述べたが、これを銅合金としても同様な結果が得られる。しかしながら、銅及び銅合金のＹＡＧレーザ（波長１０６４ｎｍ）の吸収率は１０％程度しかないため、出射したレーザの９０％程度が無駄となってしまう。そこで図３に示すように銅板５（銅及び銅合金）の表面にＹＡＧレーザの吸収率が高いＮｉめっき膜２２を形成した。Ｎｉめっき２２は少なくともレーザ光が直接照射される部分に形成されていればよいが、より簡便に金属板(銅板５)の全面をめっきしてもよい。ＮｉにおけるＹＡＧレーザの吸収率は約２５％であり、銅及び銅合金のそれより２．５倍の吸収率がある。これにより、銅及び銅合金表面にＮｉめっき膜２２を形成せずにＹＡＧレーザを照射する場合よりも低いレーザパワー及びエネルギで所望の溶接状態を得ることが可能となる。
【００５０】
また、超音波接合のように、加圧，振動を加えないために、ヒートスプレッダ１下のはんだ７及びＩＧＢＴチップ６にクラックを生じさせることがない。
【００５１】
この場合のＮｉめっき膜２２の形成は、少なくともレーザ照射面に形成してあれば目的を達成することができるため、必ずしも全面に形成しなくても良い。
【００５２】
しかし、銅のヒートスプレッダ１では、前記したように、温度サイクルやヒートサイクルなどの熱ストレスが印加されるとＩＧＢＴチップ６との接合部であるはんだ７にクラックが発生する。それを防止する方法をつぎの実施例で説明する。
【実施例２】
【００５３】
図４は、この発明の第２実施例のヒートスプレッダと金属板との接合方法を示す工程図であり、同図（ａ）から同図（ｃ）は工程順に示した要部工程断面図である。この図は銅２ａと銅−モリブデン焼結体２ｂの積層体で形成したクラッド材のヒートスプレッダ２上の銅板５を固着した配線構造を示す。この積層体はクラッド材と呼ばれている。
【００５４】
銅２ａと銅−モリブデン焼結体２ｂの積層体で形成したクラッド材のヒートスプレッダ２の銅２ａ側上に外部導出導体である銅板５を配置する(同図（ａ）)。
つぎに、レーザ出射ユニット１８の照準を溶融予定個所２１に合わせる(同図（ｂ）)。
つぎに、レーザ出射ユニット１８によりＹＡＧレーザ１９を照射し、銅板５とクラッド材のヒートスプレッダ２の銅２ａを溶融して、溶融部２０で固着する(同図（ｃ）)。
【００５５】
クラッド材のヒートスプレッダ２は、上側に銅２ａ、下側に銅−モリブデン焼結体２ｂが配置された構造である。尚、下側を銅−タングステン焼結体にしてもよい。
【００５６】
図４（ｃ）に示したように、銅板５とクラッド材のヒートスプレッダ２においては、銅−モリブデン焼結体２ｂに達する深い溶融部２０を得ることができるために、高い接合強度と電気・熱抵抗に優れた溶接構造が実現できる。このクラッド材のヒートスプレッダ２における銅板５と銅−モリブデン焼結体２ｂ（又は銅−タングステン焼結体）の厚さの比率は、必要とする熱膨張係数と銅溶融部の深さにより適宜決めればよい。
【００５７】
また、この場合も第１実施例と同様に銅板５の表面をＮｉめっき膜を形成してもよい。
【実施例３】
【００５８】
図５は、この発明の第３実施例のヒートスプレッダと金属板との接合方法を示す工程図であり、同図（ａ）から同図（ｃ）は工程順に示した要部工程断面図である。この図は銅３ａとモリブデン３ｂを積層したクラッド材のヒートスプレッダ３上の配線構造を示す。この積層体はクラッド材と呼ばれているこのモリブデンをタングステンにしてもよい。
【００５９】
銅３ａとモリブデン３ｂの積層体で形成したクラッド材のヒートスプレッダ３の銅５上に外部導出導体である銅板５を配置する(同図（ａ）)。
つぎに、レーザ出射ユニット１８の照準を溶融予定個所２１に合わせる(同図（ｂ）)。
つぎに、レーザ出射ユニット１８によりＹＡＧレーザ１９を照射し、銅板３ａとクラッド材のヒートスプレッダ３の銅３ａを溶融し、溶融部２０で固着する(同図（ｃ）)。
【００６０】
図５（ｃ）はクラッド材の構成を上側に銅３ａ、下側にモリブデン３ｂ（又はタングステン）とした場合であり、図４（ｃ）で説明したことと同様な溶融部２０を得ることができる。
【実施例４】
【００６１】
図６は、この発明の第４実施例のヒートスプレッダと金属板との接合方法を示す工程図であり、同図（ａ）から同図（ｃ）は工程順に示した要部工程断面図である。４はモリブデンのヒートスプレッダである。少なくとも、モリブデンのヒートスプレッダ４の銅板５との接合面にＮｉめっき膜２２を形成しておく。
【００６２】
。まず、モリブデンのヒートスプレッダ４の上に外部導出導体である銅板５を配置する（同図（ａ））。
【００６３】
つぎにレーザ出射ユニット１８の照準を溶融予定箇所２１に合わせる（同図（ｂ））。
【００６４】
つぎに、レーザ出射ユニット１８によりＹＡＧレーザ１９を照射し、銅板５とヒートスプレッダ４の表面のＮｉめっき膜２２とを溶融し、溶融部２０で固着する（同図（ｃ））。
【００６５】
ヒートスプレッダ４をモリブデンで形成する場合、ヒートスプレッダの金属板（銅板５）との接合面側にＮｉめっき膜を設けるのは次の理由による。
【００６６】
即ち、金属板（銅板）とモリブデンとは融点ならびにＹＡＧレーザの吸収率が大きく異なる。まず、融点の高いモリブデンを溶融させうるパワーでＹＡＧレーザを照射すると、ＹＡＧレーザの照射をうけた銅は融点を大きく上回り、沸点に達すると銅が消失してしまい十分な接合が得られない。また、モリブデンの方がレーザの吸収率が高いため、照射されたレーザがモリブデンに達すると一気にパワーを吸収してしまい、モリブデンを突き抜けてしまうことがある。したがって、銅とモリブデンをレーザ溶接することは困難であり、またレーザのパワーも銅を溶融させうる程度に設定せざるを得ない。
【００６７】
Ｎｉはモリブデンほどレーザの吸収率が高くなく、また融点も高くないので、モリブデンの表面にＮｉめっき膜を設けておき、Ｎｉめっき膜に達するパワーでレーザを照射することにより、銅とＮｉが溶融して結合層を形成することができる。
【００６８】
上記において、モリブデンのヒートスプレッダを例に説明したが、モリブデンをタングステン，銅−モリブデンの焼結体，銅−タングステンの焼結体のいずれかにしてもよく、Ｎｉめっき膜を設ける理由も同様である。
【００６９】
また、図４〜図６においても、前記の図３で説明したように、銅板５の表面にＮｉめっき膜を形成すことにより、ＹＡＧレーザの吸収率を高めることが可能である。
【００７０】
尚、前記第１実施例〜第４実施例で外部導出導体である金属板を銅板で説明したが、これをアルミニウム板に替えてもよい。そのときはレーザ溶接条件の最適化が必要となるが、アルミニウムはレーザの吸収率が銅に比べて高いためレーザ照射面にＮｉめっき膜を形成しなくてもよい。また、レーザはＹＡＧレーザの場合について説明したが、半導体レーザであっても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】この発明を適用した半導体装置の構成図であり、（ａ）は要部断面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ部拡大図
【図２】この発明の第１実施例のヒートスプレッダと金属板との接合方法を示す工程図であり、（ａ）から（ｃ）は工程順に示した要部工程断面図
【図３】銅表面にＮｉめっき膜２２を形成したヒートスプレッダの要部断面図
【図４】この発明の第２実施例のヒートスプレッダと金属板との接合方法を示す工程図であり、（ａ）から（ｃ）は工程順に示した要部工程断面図
【図５】この発明の第３実施例のヒートスプレッダと金属板との接合方法を示す工程図であり、（ａ）から（ｃ）は工程順に示した要部工程断面図
【図６】この発明の第４実施例のヒートスプレッダと金属板との接合方法を示す工程図であり、（ａ）から（ｃ）は工程順に示した要部工程断面図
【図７】従来のＩＧＢＴモジュールの要部断面図
【図８】別の従来のＩＧＢＴモジュールの要部断面図
【図９】銅のヒートスプレッダと銅板をレーザ溶接する様子を示す図
【図１０】銅のヒートスプレッダと銅板をレーザ溶接する様子を示す図
【図１１】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チップ及びヒートスプレッダの伸縮挙動を示す図であり、（ａ）は高温時の模式図、（ｂ）は低温時の模式図
【図１２】銅板と銅−モリブデン焼結体とをＹＡＧレーザにて溶接した要部断面図
【図１３】銅板と銅−モリブデン焼結体とをＹＡＧレーザにて溶接した要部断面図
【図１４】銅板とタングステン焼結体とをＹＡＧレーザにて溶接した要部断面図
【図１５】銅板とタングステン焼結体とをＹＡＧレーザにて溶接した要部断面図
【符号の説明】
【００７２】
１ 銅のヒートスプレッダ
２ クラッド材のヒートスプレッダ
２ａ 銅
２ｂ 銅−モリブデン焼結体
３ クラッド材のヒートスプレッダ／モリブデン
３ａ 銅
３ｂ モリブデン
４ ヒートスプレッダ
５ 銅板
６ ＩＧＢＴチップ
７ はんだ
８ エミッタ電極
９ ゲートパッド
１０ 導電パターン付き絶縁基板
１１ セラミクス
１２ 裏面銅箔
１３ エミッタ用導体パターン
１４ コレクタ用導体パターン
１５ ゲート用導電パターン
１６ はんだ
１７ アルミワイヤ
１８ レーザ出射ユニット
１９ ＹＡＧレーザ
２０ 溶融部
２１ 溶融予定個所
２２ Ｎｉめっき膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップ上に固着材を介して固着されたヒートスプレッダ上に金属板を接合するヒートスプレッダと金属板との接合方法において、前記ヒートスプレッダおよび前記金属板が銅で形成され、前記ヒートスプレッダと前記金属板とをレーザで溶接し、レーザパワー密度が０．４ＭＷ／ｃｍ２を超え、１．５ＭＷ／ｃｍ２未満であり、レーザエネルギーが５０Ｊを超え、１５０Ｊ未満であることを特徴とするヒートスプレッダと金属板との接合方法。
【請求項２】
半導体チップ上に固着材を介して固着されたヒートスプレッダ上に金属板を接合するヒートスプレッダと金属板との接合方法において、前記ヒートスプレッダが銅と銅−モリブデン焼結体の積層体であるクラッド材もしくは銅と銅−タングステン焼結体の積層体であるクラッド材であり、前記金属板が銅で形成され、該金属板と前記積層体であるクラッド材の銅とをレーザ溶接することを特徴とするヒートスプレッダと金属板との接合方法。
【請求項３】
半導体チップ上に固着材を介して固着されたヒートスプレッダ上に金属板を接合するヒートスプレッダと金属板との接合方法において、前記ヒートスプレッダが銅と銅−モリブデンの積層体であるクラッド材もしくは銅と銅−タングステンの積層体であるクラッド材であり、前記金属板が銅で形成され、該金属板と前記積層体であるクラッド材の銅とをレーザ溶接することを特徴とするヒートスプレッダと金属板との接合方法。
【請求項４】
半導体チップ上に固着材を介して固着されたヒートスプレッダの上に金属板を接合するヒートスプレッダと金属板との接合方法において、
前記ヒートスプレッダは、モリブデン，タングステン，銅−モリブデンの焼結体，銅−タングステンの焼結体のいずれかであり、該ヒートスプレッダの少なくとも前記金属板との接合面にＮｉめっき膜を形成し、前記金属板が銅であり、
前記ヒートスプレッダのＮｉめっき膜上に前記金属板を配置し、該金属板と前記ヒートスプレッダとをレーザ溶接することを特徴とするヒートスプレッダと金属板との接合方法。
【請求項５】
前記銅の表面にＮｉめっき膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のヒートスプレッダと金属板との接合方法。
【請求項６】
前記金属板に、銅に替えてアルミニウムを用い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ヒートスプレッダと金属板との接合方法。
【請求項１】
半導体チップ上に固着材を介して固着されたヒートスプレッダ上に金属板を接合するヒートスプレッダと金属板との接合方法において、前記ヒートスプレッダおよび前記金属板が銅で形成され、前記ヒートスプレッダと前記金属板とをレーザで溶接し、レーザパワー密度が０．４ＭＷ／ｃｍ２を超え、１．５ＭＷ／ｃｍ２未満であり、レーザエネルギーが５０Ｊを超え、１５０Ｊ未満であることを特徴とするヒートスプレッダと金属板との接合方法。
【請求項２】
半導体チップ上に固着材を介して固着されたヒートスプレッダ上に金属板を接合するヒートスプレッダと金属板との接合方法において、前記ヒートスプレッダが銅と銅−モリブデン焼結体の積層体であるクラッド材もしくは銅と銅−タングステン焼結体の積層体であるクラッド材であり、前記金属板が銅で形成され、該金属板と前記積層体であるクラッド材の銅とをレーザ溶接することを特徴とするヒートスプレッダと金属板との接合方法。
【請求項３】
半導体チップ上に固着材を介して固着されたヒートスプレッダ上に金属板を接合するヒートスプレッダと金属板との接合方法において、前記ヒートスプレッダが銅と銅−モリブデンの積層体であるクラッド材もしくは銅と銅−タングステンの積層体であるクラッド材であり、前記金属板が銅で形成され、該金属板と前記積層体であるクラッド材の銅とをレーザ溶接することを特徴とするヒートスプレッダと金属板との接合方法。
【請求項４】
半導体チップ上に固着材を介して固着されたヒートスプレッダの上に金属板を接合するヒートスプレッダと金属板との接合方法において、
前記ヒートスプレッダは、モリブデン，タングステン，銅−モリブデンの焼結体，銅−タングステンの焼結体のいずれかであり、該ヒートスプレッダの少なくとも前記金属板との接合面にＮｉめっき膜を形成し、前記金属板が銅であり、
前記ヒートスプレッダのＮｉめっき膜上に前記金属板を配置し、該金属板と前記ヒートスプレッダとをレーザ溶接することを特徴とするヒートスプレッダと金属板との接合方法。
【請求項５】
前記銅の表面にＮｉめっき膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のヒートスプレッダと金属板との接合方法。
【請求項６】
前記金属板に、銅に替えてアルミニウムを用い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ヒートスプレッダと金属板との接合方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００７−１６５６９０（Ｐ２００７−１６５６９０Ａ）
【公開日】平成１９年６月２８日（２００７．６．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３６１６２４（Ｐ２００５−３６１６２４）
【出願日】平成１７年１２月１５日（２００５．１２．１５）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機ホールディングス株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年６月２８日（２００７．６．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１２月１５日（２００５．１２．１５）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機ホールディングス株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
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