JP2022026626A

JP2022026626A - 半導体装置およびその製造方法

Info

Publication number: JP2022026626A
Application number: JP2020130190A
Authority: JP
Inventors: 啓太本山; Keita Motoyama; 善朗竹脇; Yoshiro Takewaki
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-07-31
Filing date: 2020-07-31
Publication date: 2022-02-10

Abstract

【課題】導体パターンを備えた絶縁基板、ろう材、電極端子との間にそれぞれ間隙があった場合でも、導体パターン側の昇温不足による未接合リスクを低減する半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】導体パターン１ｃを備えた絶縁基板１ｄと、導体パターン１ｃに接合された半導体素子２と、半導体素子２に電流を流すためのリードフレーム３とを備える半導体装置１００の製造方法である。まず、表面導体パターン１ａの上にろう材４を配置し、ろう材４の上にリードフレーム３の一端に設けられた電極端子３ｂの一方主面３ｃが接するように配置する。その後、電極端子３ｂの一方主面３ｃと対面する他方主面３ｄにレーザ光を照射して、電極端子３ｂの他方主面３ｄから一方主面３ｃを溶融貫通しろう材４の層まで溶融させる。これにより、電極端子３ｂとろう材４を溶接し、表面導体パターン１ａはろう付けして半導体装置１００を製造する。【選択図】図２

Description

本開示は、半導体装置およびその製造方法に関する。

従来の半導体装置では、導体パターンを備えた絶縁基板とリードフレームの一端に設けられた電極端子をレーザにより溶接する際にレーザ光による絶縁基板の損傷を防ぐ工夫がされている。例えば特許文献１では、導体パターンを備えた絶縁基板と電極端子との間にろう材を配置し、電極端子の表面層のみレーザ光の加熱により溶融し、その伝熱でろう材を溶融することにより導体パターンと電極端子とを固着している。これにより、絶縁基板のレーザ光による損傷を防ぐことができる。

特開２００９－１０５２６６公報

特許文献１では電極端子の表面層のみレーザ光の加熱により溶融しているため、レーザ光によって直接エネルギーが投入される電極端子側は温度が上がりやすいのに対して、導体パターンを備えた絶縁基板側はろう付け可能な温度まで上がりにくい。そして、導体パターンを備えた絶縁基板と電極端子との間にろう材を配置する際に、導体パターンを備えた絶縁基板、ろう材、電極端子との間にそれぞれ間隙が生じる場合がある。間隙が生じると導体パターン側の昇温不足により導体パターンと電極端子との接合不足が生じる可能性があるため、検査が煩雑となっていた。

本開示は、上述した課題を解決するためになされたものであり、導体パターンを備えた絶縁基板、ろう材、電極端子との間にそれぞれ間隙があった場合でも、導体パターン側の昇温不足による未接合リスクを低減する半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とするものである。

本開示に係る半導体装置の製造方法は、導体パターンを備えた絶縁基板と、導体パターンに接合された半導体素子と、半導体素子に電流を流すためのリードフレームとを備える半導体装置の製造方法であって、導体パターンの上にろう材を配置する工程と、ろう材の上に一方主面が接するようにリードフレームの一端に設けられた電極端子を配置する工程と、電極端子の一方主面と対面する他方主面にレーザ光を照射して、電極端子の他方主面から一方主面を溶融貫通しろう材の層まで溶融させ、電極端子とろう材を溶接し、導体パターンはろう付けされるレーザ加熱工程とを備えた製造方法である。

また、本開示に係る半導体装置は、導体パターンを備えた絶縁基板と、導体パターンに接合された半導体素子と、半導体素子に電流を流すためのリードフレームとを備える半導体装置であって、導体パターンを備えた絶縁基板と、導体パターンの上に配置されたろう材と、ろう材の上に一方主面が接するように配置されたリードフレームの一端に設けられた電極端子と、電極端子の一方主面と対面する他方主面から一方主面を貫通しろう材の層までに形成され、電極端子とろう材が混合する溶融凝固部と、ろう材と導体パターンが接する面に形成される拡散接合部とを備えたものである。

本開示によれば、レーザを用いた導体パターンを備えた絶縁基板とリードフレームの一端に設けられた電極端子との接合において、熱源を導体パターン側近傍まで供給することにより、導体パターンを備えた絶縁基板、ろう材、電極端子との間にそれぞれ間隙があった場合でも導体パターン側の昇温不足による未接合リスクを低減することができる。

実施の形態１の半導体装置の製造方法を示す断面図である。実施の形態１の半導体装置の製造方法を示す断面図である。実施の形態１の半導体装置の製造方法を示す拡大断面図および拡大上面図である。実施の形態２の半導体装置の製造方法を示す断面図である。実施の形態３の半導体装置を示す断面図である。実施の形態３の半導体装置を示す拡大断面図である。

実施の形態１．
まず、従来の導体パターンを備えた絶縁基板とリードフレームの一端に設けられた電極端子との接合方法とその課題について説明する。
従来は、はんだ接合が多く用いられていた。しかし、電極端子をはんだ付けで接合する場合、半導体素子を表面導体パターン上にはんだ付けした後で電極端子をはんだ付けする。その際、先にはんだ付けされた箇所が再溶融し、再凝固する際に接合位置がずれたり、はんだ層の厚みが変わってしまったりするといった懸念がある。そのため、表面導体パターンと電極端子との接合部には他の接合部よりも融点が低いはんだを使用しなければならない。

そこで、長期信頼性の向上を目的として超音波接合を用いるケースが増えている。超音波接合では、超音波を印加したツールを電極端子に押し付けて電極端子を塑性変形させ、接合界面に生じた新生面同士が凝着することで接合するものである。ただし、ツールによる加圧・変形で絶縁基板に割れが生じる可能性がある。また、超音波振動によって半導体素子と導体パターン間を接続するＡｌワイヤ配線が切断される場合がある。さらに、電極端子の塑性変形に伴ってツール端部から電極端子材料が横方向にはみ出す場合がある。これが針状の金属異物として周囲に飛び散ると、導電性の異物として付着し短絡の原因となったり、他の接合部で接合したい部材の間に介在して接合の強度を極端に低下させたりする等の不具合が発生する。この不具合を防止するために、検査工程が煩雑化するという課題がある。

別の方法として、レーザ溶接による接合方法がある。この方法は、レーザ光の照射方向に対して垂直な方向への熱影響範囲が狭いことから、周囲のはんだ層への熱影響を抑えられるという特徴がある。レーザ照射装置としては、近赤外レーザ光照射装置が普及している。例えば、波長１μｍ程度の近赤外レーザ光であるＹＡＧレーザ、ファイバーレーザまたはディスクレーザが比較的安価である。しかし、１μｍ程度の波長の近赤外レーザ光は非溶融状態のＣｕに対してわずか数％程度しか吸収されず、溶融状態になると吸収率が数十％まで急激に上昇する。また、キーホールを形成するとさらに上昇するという特徴があるため、溶融深さの制御が困難である。絶縁基板として用いられるセラミック板は近赤外レーザ光の吸収率が５０％以上と大きいため、キーホールがセラミック板まで到達すると絶縁基板が容易に昇華し穴が開いてしまう。樹脂絶縁基板も同様に、一般的なエポキシ樹脂の耐熱性は１０００℃以下のため、表面導体パターンを貫通したキーホールが樹脂絶縁基板層に到達すると容易に穴が開いてしまう。これらの絶縁層は絶縁基板の表裏の絶縁をつかさどっており、絶縁性維持に必要な厚みを確保するよう設計されている。そのため、凹みを生じたり穴が開いたりしている状態では使用できないため、近赤外レーザ光が絶縁層を損傷したワークは不良として廃棄する必要がある。一方で、表面導体パターンが十分溶融しなかった場合も、母材同士の融合が生じないため接合不良となる。このような場合は、通電能力を担保できないため検査によってこれらを排除し、不良ワークを廃棄する必要がある。したがって、電極端子と表面導体パターンとの接合界面を直接レーザ溶接により接合する際、キーホールは電極端子を貫通させ、表面導体パターン層内にとどめる必要があった。

そこで、他のレーザを用いた接合法としてレーザろう付け法がある。レーザろう付け法は、電極端子に近赤外レーザ光を照射し、電極端子の表面付近のみ加熱して溶融させる。この熱によって電極端子や導体パターンを備えた絶縁基板よりも低い融点をもつろう材を加熱・溶融させ、固相の電極端子や表面導体パターンと液相のろう材との間で拡散を生じることで両部材が接合される。したがって、表面導体パターン側の母材を溶融させる必要がないため、レーザ溶接のように絶縁基板にダメージを与える恐れがない。しかし、表面導体パターン上にろう材と電極端子を配置し電極端子側から近赤外レーザ光を照射する場合、近赤外レーザ光によって直接エネルギーが投入される電極端子側は温度が上がりやすいのに対して、表面導体パターン側はろう付け可能な温度まで上がりにくい。そして、表面導体パターンと電極端子との間にろう材を配置すると、導体パターンを備えた絶縁基板、ろう材、電極端子との間にそれぞれ間隙が生じる場合があるため、表面導体パターン側の昇温不足により表面導体パターンと電極端子との接合不足が生じる可能性がある。また、表面導体パターン側をろう付け可能な温度に上げるためには、直接溶接よりも長時間の加熱が必要で生産性が悪いといった課題もある。

次に、実施の形態１における半導体装置１００の製造方法について図１および図２を用いて説明する。図１は、導体パターン１ｃを備えた絶縁基板１ｄに半導体素子２を配置する工程から、リードフレーム３の一端に設けられた電極端子３ｂの下に接合前のろう材４を配置する工程までを示す断面図である。図２は、電極端子３ｂに近赤外レーザ光１１を照射することによりろう材４を溶融させる工程を示す断面図と、半導体装置１００を完成させる工程を示す断面図である。

まず、図１（ａ）に示すように導体パターン１ｃを備えた絶縁基板１ｄと放熱板５および半導体素子２とを接合する。導体パターン１ｃを備えた絶縁基板１ｄは、絶縁基板１ｄの表面に表面導体パターン１ａを設け、絶縁基板１ｄの裏面に裏面導体パターン１ｂを設けたものを使用する。絶縁基板１ｄは熱伝導率が大きい窒化アルミ（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、エポキシ樹脂などである。表面導体パターン１ａおよび裏面導体パターン１ｂは、銅（Ｃｕ）、銅（Ｃｕ）合金、アルミニウム（Ａｌ）、アルミニウム（Ａｌ）合金などの導電率が大きい金属材料で形成されたものを使用する。絶縁基板１ｄの厚さは０．３～１．０ｍｍであり、標準的な厚さは０．６３５ｍｍである。表面導体パターン１ａ及び裏面導体パターン１ｂで用いられるＣｕ箔の厚みは０．２～１．０ｍｍである。表面導体パターン１ａにはモータ等を駆動する電流が流れ、断面積が小さいと抵抗損失が増えることから、表面導体パターン１ａはある程度の断面積を確保して設計される。例えば、表面導体パターン１ａは通常１０～５０Ａ／ｍｍ^２という電流密度で設計される。したがって数百Ａを流す半導体装置１００においては表面導体パターン１ａの断面積は数十ｍｍ^２必要となる。

次に、放熱板５上にはんだシートなどの接合材６を配置し、接合材６の上に絶縁基板１ｄを裏面導体パターン１ｂが接合材６と接するように配置する。そして、表面導体パターン１ａの上にはんだシートなどの接合材７を配置し、半導体素子２の電極が接合材７と接するように配置する。このように、放熱板５、接合材６、導体パターン１ｃを備えた絶縁基板１ｄ、接合材７、半導体素子２を重ね合わせた後に、リフロー炉を用いて加熱する。接合材６および接合材７が十分に溶融したら、リフロー炉から取り出す。これにより、放熱板５と裏面導体パターン１ｂとが接合材６によりはんだ付けされ、表面導体パターン１ａと半導体素子２とが接合材７によりはんだ付けされる。ここでは、リフロー炉で加熱する場合について説明したが、ホットプレートなど他の方法によって加熱してもよい。

次に、図１（ｂ）に示すように、表面導体パターン１ａ上にろう材４を配置し、放熱板５に樹脂ケース８を接着する。そして、ろう材４の上にリードフレーム３の一端に設けられた電極端子３ｂの一方主面３ｃが接するように配置する。また、リードフレーム３の配線導体３ａの一部を樹脂ケース８にねじ９によってねじ止めする。リードフレーム３の配線導体３ａと樹脂ケース８の取り付け方法は、ねじ止め以外の固着方法であってもよい。さらに、配線導体３ａを樹脂ケース８の樹脂内部に予め包埋したインサートケースを用いてもよい。

ろう材４は、例えばりん銅ろうが適当である。りん銅ろうは、純Ｃｕ同士のろう付けにおいてろう材４中のＰがフラックス作用を示すため、フラックス不要でろう付けできるという利点がある。

リードフレーム３は、半導体素子２と半導体装置１００の外部の電気回路とを電気的に接合し、モータ等を駆動する電流を流す機能を有する。リードフレーム３は配線導体３ａと電極端子３ｂにより構成される。また、配線導体３ａの一端を電極端子３ｂに加工してリードフレーム３を作製する。その際、通常はプレス加工によって成形されるため配線導体３ａと電極端子３ｂは同様の板厚を有するが、接合法の制約により電極端子３ｂ部分のみ薄肉化してもよい。また、電気抵抗が小さい方が望ましいため通常はＣｕまたはＣｕ合金の圧延板を加工して成形される。近赤外レーザ光１１を照射する電極端子３ｂの板厚は０．３ｍｍ以上が好ましい。素材としては例えば純Ｃｕ系のＣ１０２０がよく用いられるが、強度が必要な場合、Ｃ１５１などを用いてもよい。リードフレーム３の幅を２０ｍｍで半導体装置１００内を引き回す場合、１～２ｍｍ程度の厚みが必要となる。

次に、近赤外レーザ光１１を照射して導体パターン１ｃを備えた絶縁基板１ｄと電極端子３ｂの一方主面３ｃとを接合する。図２（ａ）に示すように、電極端子３ｂの一方主面３ｃと表面導体パターン１ａとの間にろう材４を設けた状態で、近赤外レーザ光照射装置１０から近赤外レーザ光１１を照射する。近赤外レーザ光１１は、電極端子３ｂの一方主面３ｃと対面している他方主面３ｄに照射する。近赤外レーザ光照射装置１０は、例えば波長１μｍ程度の近赤外レーザ光１１であるＹＡＧレーザ、ファイバーレーザまたはディスクレーザが比較的安価であり１ｋＷ～１０ｋＷ程度の出力のものが普及しているため利用するとよい。本実施の形態では、電極端子３ｂとろう材４をキーホール型のレーザ溶接により、ろう材４と表面導体パターン１ａをレーザろう付けにより接合する。具体的には、近赤外レーザ光１１を電極端子３ｂの他方主面３ｄに照射し局所的に加熱する。これにより、ビード幅に対して溶け込み深さが数倍～数十倍という高アスペクト比のキーホール型の溶融池１２を形成させる。キーホールとは、近赤外レーザ光１１のエネルギー密度がおよそ１０^６Ｗ／ｃｍ^２よりも高い領域で、溶融池１２表面で蒸発した材料の反跳力によって形成される穿孔である。形成されたキーホール内で近赤外レーザ光１１が多重反射して次々に吸収されることにより、さらに深いキーホール型の溶融池１２が得られる。例えば、波長１μｍ程度のシングルモードファイバーレーザ（出力１ｋＷ、スポット径約５０μｍ）を近赤外レーザ光照射装置１０に用いると、溶接速度３００ｍｍ／ｓｅｃという速度で溶接した場合でも０．５ｍｍｔのＣｕを溶融貫通できることを実験で確かめている。そのため、導体パターン１ｃを備えた絶縁基板１ｄと電極端子３ｂとの間の接合のように接合長さが短い場合においては極めて高速に接合できる。

キーホール型の溶融池１２の深さを電極端子３ｂの他方主面３ｄから一方主面３ｃを貫通しろう材４層まで形成するようにコントロールし、電極端子３ｂとろう材４を溶融する。この際、近赤外レーザ光１１の加熱によりろう材４が溶融したろう材溶融部１８が形成される。次に、固相の表面導体パターン１ａと液相のろう材溶融部１８の間で生じる拡散現象によって拡散接合部１７が形成され両者がろう付けされる。この際、電極端子３ｂがろう付けされても良い。溶融池１２の深さをろう材４層までとする理由は、溶融池１２からの伝熱により表面導体パターン１ａをろう付けするため、熱源を表面導体パターン１ａ側に近づけ表面導体パターン１ａをろう付け可能な温度に短時間で上昇させるためである。また、溶融池１２が表面導体パターン１ａまで到達し絶縁基板１ｄが近赤外レーザ光１１により損傷する恐れがあるため、可能な限りろう材４層へ浅く溶融池１２が形成されるとよい。

ろう材４のサイズおよび近赤外レーザ光照射装置１０の照射条件により、上述した溶融池１２の深さをろう材４層までにコントロールすることができる。例えば、ろう材４が薄い場合、溶融池１２がろう材４層を貫通して導体パターン１ｃを備えた絶縁基板１ｄを損傷する可能性がある。そのためろう材４は０．１ｍｍ以上とすることが好ましい。一方で、ろう材４層が厚すぎると、表面導体パターン１ａ側がろう付け可能な温度まで十分に上がらず未接合リスクが高くなる。そのためろう材４は１．０ｍｍ以下にすることが好ましい。したがって、ろう材４の厚みを例えば０．１以上１．０ｍｍ以下とすることで、キーホール型の溶融池１２がろう材４層に到達すると、近赤外レーザ光１１のエネルギーはろう材４の溶融潜熱により消費される。これにより、導体パターン１ｃを備えた絶縁基板１ｄ層への急速な溶融池１２の進展を抑制しつつ、表面導体パターン１ａをろう付け可能な温度まで上昇させることができる。また、電極端子３ｂとろう材４の厚みが合計２ｍｍ程度である場合、電極端子３ｂとろう材４を溶融貫通して導体パターン１ｃを備えた絶縁基板１ｄを溶融することは難しいため、絶縁基板１ｄが損傷しにくい。したがって、電極端子３ｂとろう材４の厚みを合わせて２ｍｍ程度となるように調整してもよい。さらに、ろう材４は電極端子３ｂの一方主面３ｃの面積より表面積を大きくすることで、ろう材４の位置ずれや供給の有無の検出が容易となる。電極端子３ｂの一方主面３ｃよりも小さい表面積のろう材４を使用する場合は、近赤外レーザ光１１の照射領域をろう材４のサイズ以下に調整する。

近赤外レーザ光照射装置１０の照射条件は、レーザ出力（エネルギー密度）、走査速度、走査形状等のパラメータを実験的に調整し溶融池１２の深さをコントロールする。例えば、近赤外レーザ光１１はレンズによって集光し、エネルギー効率を高めるため焦点を電極端子３ｂ表面近傍にジャストフォーカスするとよい。逆に、溶融池１２の深さを制限するためにデフォーカスやインフォーカス側に集光位置をずらしてもよい。また、ガルバノスキャナ（図示せず）等を用いて近赤外レーザ光１１を電極端子３ｂの他方主面３ｄを走査してもよい。図３は、近赤外レーザ光１１を走査させる工程を示す拡大断面図と、近赤外レーザ光１１を走査させる工程における電極端子３ｂの他方主面３ｄの拡大上面図である。図３に示すように、近赤外レーザ光１１を電極端子３ｂの他方主面３ｄを走査することにより、必要な溶融池１２の面積を自在に得ることができる。また、走査速度を遅くしたり、同じ場所を複数回走査したりすることで溶融池１２を深くすることができる。

溶融池１２の深さがろう材４層に到達し、ろう材４が溶融して表面導体パターン１ａとろう材の接合が完了したのち、図２（ｂ）に示すように樹脂ケース８の開口部に熱硬化性樹脂からなる封止樹脂１３を封入し、加熱処理を行って封止樹脂１３を熱硬化させ、樹脂ケース８の開口部を封止する。熱硬化性の封止樹脂に変えて、シリコーンゲル等を用いて封止してもよい。以上のように、半導体装置１００は製造される。

次に、本実施の形態の作用と効果について説明する。
導体パターン１ｃを備えた絶縁基板１ｄと電極端子３ｂとの間にろう材４を配置し、電極端子３ｂの他方主面３ｄに近赤外レーザ光１１を照射して、電極端子３ｂの他方主面３ｄから一方主面３ｃを溶融貫通しろう材４層までの深さを有するキーホール型の溶融池１２を形成する。キーホール型の溶融池１２内部では近赤外レーザ光１１が多重反射し、溶融池１２壁面全体でエネルギーの吸収が生じており、母材中に線熱源を挿入したものと考えることができる。そのため、キーホール型の溶融池１２をろう材４層まで到達させるということは、熱源を表面導体パターン１ａの近傍まで近づけることになる。これにより、導体パターン１ｃを備えた絶縁基板１ｄ、ろう材４、電極端子３ｂとの間にそれぞれ間隙があった場合でも、十分な熱を表面導体パターン１ａ側近傍まで供給することが可能となり表面導体パターン１ａ側の昇温不足による未接合リスクを低減することができる。

また、キーホール型の溶融池１２が形成されると、溶融池１２の深さをコントロールすることは難しく溶融池１２により導体パターン１ｃを備えた絶縁基板１ｄが損傷する可能性が高い。しかし、ろう材４を表面導体パターン１ａと電極端子３ｂとの間に挿入したことにより、溶融池１２がろう材４層に達すると近赤外レーザ光１１のエネルギーはろう材４の溶融潜熱によって消費されるため、導体パターン１ｃを備えた絶縁基板１ｄ側への急速な溶融池１２の進展を抑制することができる。これにより、導体パターン１ｃを備えた絶縁基板１ｄの近赤外レーザ光１１による損傷を予防できる。

さらに、従来のレーザろう付け法は溶融池がリードフレームを溶融貫通しないようにレーザ光のエネルギーを制限する必要があった。そのため、レーザ光が直接当たらず溶融したろう材からの伝熱によって加熱される表面導体パターン側は母材の温度が上がりにくいためレーザ溶接よりも接合時間がかかる。それに対して、本実施の形態では電極端子３ｂを溶融貫通することを許容し十分な厚みのろう材４（例えば０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下）を用いることで、一度に投入可能なエネルギーの総量を従来のレーザ溶接と同等に大きくすることができる。これにより、従来のレーザ溶接と同じスピードでキーホール型の溶融池１２をろう材４層まで形成し熱源を表面導体パターン１ａの近傍まで近づけることが可能であり、表面導体パターン１ａ側を短時間でろう付け温度以上に上げることができる。

したがって、ろう材４はレーザ溶接による導体パターン１ｃを備えた絶縁基板１ｄの損傷を防止する防護壁としての役割と、導体パターン１ｃを備えた絶縁基板１ｄと電極端子３ｂを接合する接合材としての役割を果たす。

なお、ろう材４にりん銅ろうを用いた例を説明したが、母材の材質や継手に要求される強度によっては、銀ろうやはんだ等を用いてもよい。

実施の形態２．
実施の形態２における半導体装置１００の製造方法について図４を用いて説明する。図４は、電極端子３ｂに可視レーザ光１５を照射することによりろう材４を溶融させる工程を示す断面図を示す断面図である。

本実施の形態は、例えば４００～６００ｎｍ付近の波長を有する可視レーザ光１５を用いて、熱伝導型の溶融池１２を形成することにより表面導体パターン１ａと電極端子３ｂを接合する。したがって、実施の形態１は近赤外レーザ光１１によるキーホール型の溶接であり、実施の形態２は可視レーザ光１５による熱伝導型の溶接である点が相違する。それ以外の点については同様であるため、詳細な説明は省略する。

従来、４００～６００ｎｍ程度の波長を有する可視レーザ光照射装置はレーザマーキングや微細溶接用途の２０Ｗ未満の低出力が主であった。しかし、近年ではｋＷ級の高出力レーザも市販されるようになり、ｍｍオーダーの板厚を有するＣｕの接合にも用いることが可能となった。そこで、本実施の形態では、例えば４００～６００ｎｍ程度の波長を有する可視レーザ光照射装置１４を用いた製造方法について説明する。

実施の形態１において、図２で例として挙げた波長１μｍ程度の近赤外レーザ光１１は、Ｃｕの溶融前後で吸収率が急激に変化する。そのため、エネルギー密度を高めてキーホール型の溶融池１２を形成しレーザ吸収率を安定させる必要があった。一方、４００～６００ｎｍ程度の波長を有する可視レーザ光１５は、非溶融状態のＣｕに対しても４０～６０％程度の吸収率を有しており溶融前後で吸収率の変化が小さい。したがって、キーホールを形成しない熱伝導型の溶融池１２を形成することができる。

本実施の形態による製造方法は、導体パターン１ｃを備えた絶縁基板１ｄと電極端子３ｂとの間にろう材４を配置する。その後、電極端子３ｂの他方主面３ｄに可視レーザ光１５を照射して、電極端子３ｂの他方主面３ｄから一方主面３ｃを溶融貫通しろう材４層までの深さを有する熱伝導型の溶融池１２を形成する。熱伝導型の溶融池１２をろう材４層まで到達させることにより、可視レーザ光１５の熱源を表面導体パターン１ａの近傍まで近づけることになる。これにより、導体パターン１ｃを備えた絶縁基板１ｄ、ろう材４、電極端子３ｂとの間にそれぞれ間隙があった場合でも、十分な熱を表面導体パターン１ａ側近傍まで供給することが可能となり表面導体パターン１ａ側の昇温不足による未接合リスクを低減することができる。

なお、ろう材４を導体パターン１ｃを備えた絶縁基板１ｄと電極端子３ｂとの間に挿入したことにより、溶融池１２がろう材４層に達すると可視レーザ光１５のエネルギーはろう材４の溶融潜熱によって消費されるため、絶縁基板１ｄ側への溶融池１２の進展を抑制することができる。これにより、絶縁基板１ｄの可視レーザ光１５による損傷を予防できる。

また、熱伝導型の溶融池１２はキーホール型の溶融池１２と比較して溶融池１２の深さ方向への進展速度が遅い。そのため、可視レーザ光照射装置１４の投入エネルギーを制御することにより溶融池１２の深さ制御が容易になる。これにより、ろう材４のサイズおよび可視レーザ光１５の照射条件の設定マージンを大きくすることができる。また、反射率のばらつき等のレーザ溶接にまつわる揺らぎがあっても安定して導体パターン１ｃを備えた絶縁基板１ｄと電極端子３ｂを接合できる。

また、従来のレーザろう付け法は溶融池がリードフレームを溶融貫通しないようにレーザ光のエネルギーを制限する必要があったが、本実施の形態では電極端子３ｂを溶融貫通することを許容しているため、一度に投入可能なエネルギーの総量を大きくすることができる。これにより、溶融池１２をろう材４層まで形成し熱源を表面導体パターン１ａの近傍まで近づけることで、従来のレーザろう付け法より短時間で表面導体パターン１ａ側をろう付け温度以上に上げることができる。また、実施の形態１のキーホール型の溶融池１２に比べ熱伝導型の溶融池１２は深さ方向の進展速度が遅いため溶接速度も遅くなる。しかし、キーホール型の溶融池１２を形成するためには近赤外レーザ光１１の集光径をおよそ１００μｍ以下まで絞る必要がある。そのため、数ｍｍ^２のエリアを接合するためには近赤外レーザ光１１を走査して接合面積を広くする必要がある。それに対し、４００～６００ｎｍ付近の波長を有する可視レーザ光１５を用いると、可視レーザ光１５の照射スポット径を数百μｍ～数ｍｍまで広げることができ大面積を一度に接合できる。

また、本実施の形態の熱伝導型の溶接は実施の形態１のキーホール型の溶接と比べて、溶融池１２の幅が広く、溶融池１２内の溶融金属の対流が遅いため溶融池１２表面に生じる表面張力が大きい。そのため、スパッタが発生しづらく、半導体装置１００内に飛散したスパッタが落下する可能性が低い。これにより、本来接続されるべきでない表面導体パターン１ａ間の導通パス形成、半導体素子２やＡｌワイヤ配線等の損傷、歩留まりの悪化を防ぐことができる。さらに、スパッタの付着を防止するカバーを取り付けるコストなどを軽減できる。

実施の形態３．
実施の形態１または実施の形態２の製造方法により製造された半導体装置１００について図５および図６を用いて説明をする。半導体装置１００を構成する部材は、実施の形態１または実施の形態２に記載したものと同様であるため、詳細な説明は省略する。

図５は、本実施の形態における半導体装置１００を示す断面図である。半導体装置１００は、導体パターン１ｃを備えた絶縁基板１ｄと、表面導体パターン１ａの上に配置されたろう材４と、ろう材４の上に一方主面３ｃが接するように配置された電極端子３ｂとを備えている。

図６は、導体パターン１ｃを備えた絶縁基板１ｄと電極端子３ｂの接合部分の構成を示す拡大断面図であり、半導体装置１００の内部の構造を分かりやすくするために封止樹脂１３を省略している。半導体装置１００は、溶融凝固部１６と拡散接合部１７とを備える。溶融凝固部１６は、実施の形態１または実施の形態２に記載した製造方法におけるキーホール型または熱伝導型の溶融池１２が凝固することにより形成される。そのため、電極端子３ｂの他方主面３ｄから一方主面３ｃを貫通しろう材４層までに形成され、溶融凝固部１６は電極端子３ｂとろう材４の成分が混合している。拡散接合部１７は、ろう材溶融部１８と表面導体パターン１ａが接する面に、ろう材溶融部１８のぬれ現象により形成される。また、溶融池１２を形成する工程において、溶融池１２が電極端子３ｂの他方主面３ｄから一方主面３ｃを溶融貫通しろう材４層まで到達する際に、溶融池１２内の対流によって電極端子３ｂとろう材４の成分が混合する。そのため溶融凝固部１６ではろう材４の成分が電極端子３ｂの他方主面３ｄ表面に現れる。そのため、目視の外観検査で溶融凝固部１６が電極端子３ｂとろう材４が混合することにより変色しているかを確認することが可能である。したがって、ろう材４が溶融されたか目視で判断することができ検査の手間を大幅に省略することができる。より正確に表面導体パターン１ａと電極端子３ｂの接合具合を検査したい場合は、元素分析等の手法によりろう材４の成分であるＡｇやＰが溶融凝固部１６から検出されるか確認するとよい。

このように、半導体装置１００では、電極端子３ｂの他方主面３ｄから一方主面３ｃを貫通しろう材４層までに形成され、電極端子３ｂとろう材４が混合する溶融凝固部１６と、ろう材４と表面導体パターン１ａが接する面に、ろう材４のぬれ現象により形成される拡散接合部１７とを備えることにより、導体パターン１ｃを備えた絶縁基板１ｄ、ろう材４、電極端子３ｂとの間にそれぞれ間隙があった場合でも、十分な熱を表面導体パターン１ａ側近傍まで供給することが可能となり表面導体パターン１ａ側の昇温不足による未接合リスクを低減することができる。

１ａ表面導体パターン、１ｂ裏面導体パターン、１ｃ導体パターン、１ｄ絶縁基板、２半導体素子、３リードフレーム、３ａ配線導体、３ｂ電極端子、３ｃ一方主面、３ｄ他方主面、４ろう材、５放熱板、６接合材、７接合材、８樹脂ケース、９ねじ、１０近赤外レーザ光照射装置、１１近赤外レーザ光、１２溶融池、１３封止樹脂、１４可視レーザ光照射装置、１５可視レーザ光、１６溶融凝固部、１７拡散接合部、１８ろう材溶融部、１００半導体装置

Claims

導体パターンを備えた絶縁基板と、前記導体パターンに接合された半導体素子と、前記半導体素子に電流を流すためのリードフレームとを備える半導体装置の製造方法であって、
前記導体パターンの上にろう材を配置する工程と、
前記ろう材の上に一方主面が接するように前記リードフレームの一端に設けられた電極端子を配置する工程と、
前記電極端子の前記一方主面と対面する他方主面にレーザ光を照射して、前記電極端子の前記他方主面から前記一方主面を溶融貫通し前記ろう材の層まで溶融させ、前記電極端子と前記ろう材を溶接し、前記導体パターンはろう付けされるレーザ加熱工程と、
を備える半導体装置の製造方法。
前記レーザ光は近赤外レーザ光である
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記レーザ光は可視レーザ光である
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記ろう材の厚みは０．１以上１．０以下ｍｍである
ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
導体パターンを備えた絶縁基板と、前記導体パターンに接合された半導体素子と、前記半導体素子に電流を流すためのリードフレームとを備える半導体装置であって、
前記導体パターンの上に配置されたろう材と、
前記ろう材の上に一方主面が接するように配置された前記リードフレームの一端に設けられた電極端子と、
前記電極端子の前記一方主面と対面する他方主面から前記一方主面を貫通し前記ろう材の層までに形成され、前記電極端子と前記ろう材が混合する溶融凝固部と、
前記ろう材と前記導体パターンが接する面に形成される拡散接合部と、
を備える半導体装置。