JP2016219539A - 半導体部品と金属部材との接合装置及び接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体部品と金属部材との接合にレーザ光を用いつつ、接合部が高温になっても半導体部品と金属部材との接合の信頼性の確保が可能な接合装置及び接合方法を提供する。【解決手段】金属部材６０は、第一金属皮膜との間でレーザ光通過領域を形成する対向面６１と、対向面から島状に突出し、先端部が第一金属皮膜に接触する複数の凸部６３と、を備え、レーザ光通過領域の外周部には、外方に開口する開口部６５が形成される。接合装置は、レーザ光を開口部からレーザ光通過領域に入射し、レーザ光通過領域における金属露出面にて、レーザ光の一部を複数回反射させながらレーザ光の他部を吸収させ、第一金属皮膜と凸部の先端部との各接触面を、溶融した状態である液相状態又は液相状態より低い温度で成立し固体の状態で接合が可能となる固相状態となるまで昇温させて接合させる。【選択図】図４Ａ

Description

本発明は、半導体部品と金属部材との接合をレーザ光の照射によって行なう接合装置及び接合方法に関する。

従来、シリコン等からなる半導体部品と金属部材とを接合する際に、レーザ光を用いて接合する技術がある。例えば、特許文献１には、半導体チップ（半導体部品）と基材（金属部材）とを、所定の赤外波長を有するレーザ光によって溶着（接合）することが記載されている。詳細には、まず金属部材上に半導体部品が載置されるとともに、金属部材と半導体部品との間に例えばハンダである接合材が配置される。このとき、接合材の周囲には、吸収樹脂が配置され、接合材は吸収樹脂に包囲されている。吸収樹脂には、半導体部品、及び接合材よりも、前述した所定の赤外波長を有するレーザ光の吸収率がよい部材が用いられている。そして、レーザ光が照射されると、レーザ光は半導体部品を透過し、吸収樹脂に吸収される。これにより、吸収樹脂が加熱されて溶融し、加熱した吸収樹脂の熱によって接合材が溶融して金属部材と半導体部品とが、溶融した接合材によって接合される。

特開２０１４−１５０１３０号公報

特許文献１に記載の従来技術では、接合材としての材料は、溶融温度が吸収樹脂の溶融温度より低いことが必要条件となる。このため、特許文献１には、接合材の選択対象として、鉛フリーはんだ、Ｓｎ合金はんだ等が挙げられている。

しかしながら、近年、例えば、電気自動車又はハイブリッド自動車では、電力を制御するＰＣＵ（パワーコントロールユニット）が、高電圧化及び大電流化している。このため、ＰＣＵを構成するインバータなどに用いられる半導体部品にも、高電圧が印加され、且つ、大電流が流れることにより、半導体部品と金属部材の間、即ち接合材が高温となる場合がある。このような場合、上記のような、融点の低い鉛フリーはんだ、Ｓｎ合金等からなる接合材では、接合の品質の確保が困難となる虞がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、半導体部品と金属部材との接合にレーザ光を用いつつ、接合部が高温になっても半導体部品と金属部材との接合の信頼性の確保が可能な接合装置及び接合方法を提供することを目的とする。

本発明に係る請求項１の接合装置は、半導体本体、及び、前記半導体本体の第一の表面に形成される第一金属皮膜を備える半導体部品と、前記半導体部品と別体に形成され、前記第一金属皮膜に接触して配置される金属部材と、をレーザ光によって接合する接合装置であって、前記金属部材は、前記第一金属皮膜に対して距離を隔てて対向し、前記第一金属皮膜との間でレーザ光通過領域を形成する対向面と、前記対向面から島状に突出し、先端部が前記第一金属皮膜に接触する複数の凸部と、を備え、前記レーザ光通過領域の外周部には、外方に開口する開口部が形成され、前記接合装置は、前記レーザ光を前記開口部から前記レーザ光通過領域に入射し、前記レーザ光通過領域における金属露出面にて、前記レーザ光の一部を複数回反射させながら前記レーザ光の他部を吸収させ、前記第一金属皮膜と前記凸部の前記先端部との各接触面を、溶融した状態である液相状態、又は前記液相状態より低い温度で成立し固体の状態で接合が可能となる固相状態となるまで昇温させて接合させる。

上記態様によれば、レーザ光の他部の吸収によって、第一金属皮膜及び凸部で昇温した熱は、第一金属皮膜と凸部との間で、接触面を介し、温度が高い側から低い側に向かって移動し、同時に接触面の温度も上昇させる。そして、接触面の温度が、第一金属皮膜及び凸部を形成する各材料の融点に到達すると、各接触面は、溶融した状態である液相状態となり、通常の溶接に相当する接合が可能となる。また、各接触面の温度が液相状態に至る前の低い状態では、各接触面は固相状態となり、固相拡散接合による接合が可能となる。このような、液相状態又は固相状態による何れかの接合により、各接触面同士がハンダを用いず接合されるので、各接触面同志をハンダにより接合した場合と比べて耐熱性が向上する。その結果、使用時に半導体部品が高温になったとしても、半導体部品と金属部材との各接触面の接合に対する信頼性が確保される。

本発明にかかる請求項７の接合方法は、半導体本体、及び、前記半導体本体の第一の表面に形成される第一金属皮膜を備える半導体部品と、前記半導体部品と別体に形成され、前記第一金属皮膜に接触して配置される金属部材と、をレーザ光によって接合する接合方法であって、前記金属部材は、前記第一金属皮膜に対して距離を隔てて対向し、前記第一金属皮膜との間でレーザ光通過領域を形成する対向面と、前記対向面から島状に突出し、先端部が前記第一金属皮膜に接触する複数の凸部と、を備え、前記レーザ光通過領域の外周部には、外方に開口する開口部が形成され、前記接合方法は、前記レーザ光を前記開口部から前記レーザ光通過領域に入射させ、前記レーザ光通過領域における金属露出面にて、前記レーザ光の一部を複数回反射させながら前記レーザ光の他部を吸収させる照射工程と、前記第一金属皮膜と前記凸部の前記先端部との各接触面を、溶融した状態である液相状態、又は前記液相状態より低い温度で成立し固体の状態で接合が可能となる固相状態となるまで昇温させる昇温工程と、前記昇温工程によって前記液相状態、又は前記固相状態となった前記各接触面を接合させる接合工程と、を備える。これにより、熱的に高信頼性を有した上記接合装置で得られた接合と同様の接合が得られる。

実施形態に係る接合装置の概要図である。 実施形態に係る半導体部品及び金属部材（ヒートスプレッダ）を説明する図である。 金属部材の上面図である。 本発明に係るレーザ照射の成立状態を説明する図である。 図４ＡのＺ部拡大図である。 接合方法のフローチャートである。 変形態様における図４Ｂに対応する図である。

本発明の実施形態に係る接合装置について、図面に基づき説明する。図１は、接合装置１０の概要図である。接合装置１０は、レーザ発振器２０（本発明の発振源に相当）、レーザヘッド３０（本発明の照射角度変更装置に相当）、反射部４０、筐体７０及び制御装置８０を備える。接合装置１０は、レーザ光によって半導体部品５０とヒートスプレッダ６０（本発明の金属部材に相当）とを接合する装置である（図１参照）。接合装置１０の説明の都合上、まず、接合対象となる半導体部品５０とヒートスプレッダ６０とについて説明する。なお、以降の説明においては、図１の上側を上方、下側を下方として説明する。

（１．半導体部品５０とヒートスプレッダ６０）
図１及び図２に示すように、半導体部品５０は、例えば、電気自動車又はハイブリッド自動車において、電力を制御するＰＣＵ（パワーコントロールユニット）に使用される。具体的には、半導体部品５０は、ＰＣＵを構成するインバータの半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）として使用されるものとする。なお、半導体部品５０は、インバータの他に、半導体スイッチング素子を用いる他の装置にも用いられる。なお、ＩＧＢＴについては公知の技術であるので、詳細な説明については、省略する。

図２に示すように、半導体部品５０は平板状に形成される。半導体部品５０は、半導体本体５１、第一金属皮膜５２、及び第二金属皮膜５３を備える。第二金属皮膜５３は、半導体本体５１の第二の表面（図２において半導体本体５１の上側の面であり、後述の半導体本体５１の表面に相当）に形成される。半導体本体５１は、例えばＳｉ等の半導体により形成される半導体層である。

第一金属皮膜５２は、半導体本体５１の第一の表面（図２において半導体本体５１の下側の面）に形成される。第一金属皮膜５２は、半導体本体５１の第一の表面から、下方に向かって、順に下地接合層５２ａ及び接合層５２ｂを備える。下地接合層５２ａは、接合層５２ｂの下地として形成される。下地接合層５２ａ及び接合層５２ｂは、何れも各融点が、ハンダの融点よりも高い金属材料により形成される。また、第一金属皮膜５２は、所定の近赤外波長のレーザ光Ｌの一部を吸収することによって昇温し、固相状態（後に説明する）若しくは溶融して液相状態となることが可能である。詳細には、第一金属皮膜５２は、上記レーザ光Ｌをほとんど透過することなく、一部を反射し、他部を吸収する材質で形成される。なお、第一金属皮膜５２に照射されるレーザ光Ｌのエネルギー密度が大きいほど、吸収されるレーザ光のエネルギーは大きくなる。第一金属皮膜５２は、半導体本体５１の下側の表面（第二の表面）に電子的に結合される。

第二金属皮膜５３は、半導体本体５１の第二の表面から図２において上方に向かって順に下地電極層５３ｂ及び電極層５３ａを備える。下地電極層５３ｂは、電極層５３ａの下地として形成される。本実施形態においては、下地電極層５３ｂ及び電極層５３ａは、第一金属皮膜５２の下地接合層５２ａ及び接合層５２ｂと同様の材質で形成される。第二金属皮膜５３は、半導体本体５１の表面に電子的に結合される。

上記より、第二金属皮膜５３及び第一金属皮膜５２は、下地電極層５３ｂ、及び下地接合層５２ａの表面に電極層５３ａ及び接合層５２ｂがそれぞれ電子的に結合される。つまり、下地電極層５３ｂの図２における下側の表面が半導体本体５１と電子的に結合され、下地接合層５２ａの図２における上側の表面が半導体本体５１と電子的に結合される構造を有する。

ヒートスプレッダ６０は、例えばＣｕによって形成される金属部材である。ヒートスプレッダ６０は、半導体部品５０と別体で形成され、半導体部品５０が備える第一金属皮膜５２の図２における下側に接触して配置される。ヒートスプレッダ６０は、図２，図３に示すように、対向面６１と、複数の凸部６３と、反射部４０とを備える。反射部４０は、接合装置１０の構成部材である。

接合時において、対向面６１は、第一金属皮膜５２に対して所定の距離ｈ２を隔てて対向し、対向面６１と第一金属皮膜５２との間でレーザ光通過領域Ｐ（二点鎖線参照）を形成する。レーザ光通過領域Ｐの外周部には、外方に開口する開口部６５が形成される。

図２，図３に示すように、複数の凸部６３は、対向面６１から島状に突出し、先端部が第一金属皮膜５２に接触する。なお、島状とは、複数の凸部６３が、隣接する凸部６３の間に所定の隙間を有して対向面６１上にそれぞれ独立して配置される状態をいう。ただし、「島状」には、隣接する凸部６３の間に所定の隙間さえ有していればよく、各凸部６３が相互に一部を接触させて配置される状態も含む。

図２，図３に示すように、凸部６３は、四角錐の頂点側を四角錐の底面と平行に切断した錐台形状で形成される。凸部６３は、ヒートスプレッダ６０（金属部材）の対向面６１に接する第一底面６３ａが、第一金属皮膜５２に接する第二底面６３ｂより大きな面積を有するよう形成される。実際には、凸部６３の第一底面６３ａは、対向面６１と一体的に形成されている。なお、凸部６３は、四角錐に基づく錐台形状とした。しかし、この態様には限らない。凸部６３は、三角錐、又は他の角錐に基づく錐台形状でも良い。また、凸部６３は、他の円錐に基づく錐台形状でも良い。

反射部４０は、ヒートスプレッダ６０の外周部で、レーザ光通過領域Ｐの開口部６５の外方に開口部６５と対向して配置される。反射部４０は、開口部６５と対向する側に反射面４０ａを備える。反射面４０ａは、開口部６５に対して、所定の角度を有して形成される。反射部４０の反射面４０ａは、レーザヘッド３０（本発明の照射角度変更装置）から照射されたレーザ光Ｌを、一部反射させ、他部を吸収しながら、反射させたレーザ光Ｌを開口部６５に入射させる部位である。

そして、ヒートスプレッダ６０は、凸部６３の第二底面６３ｂ（接触面）と、第一金属皮膜５２の接触面とが接合されることで、半導体部品５０と結合される。つまり、ヒートスプレッダ６０は、第一金属皮膜５２を介して半導体本体５１の第一の表面に接合される。ヒートスプレッダ６０は、所定容量のマスを有し、昇温した半導体部品５０の熱を、第一金属皮膜５２、凸部６３の第二底面６３ｂを介して逃がす作用を有する。このような接合により、従来技術のように、ハンダが、接合剤として第一金属皮膜５２とヒートスプレッダ６０との間に介在される場合と比べ、熱が接合された接触面を移動する速度を非常に速くすることができる。

これにより、半導体部品５０で生じた熱が、接合された接触面を介してヒートスプレッダ６０に向かって逃げることができず、半導体部品５０内に蓄熱され高温となることはない。このため、半導体部品５０が、高温となる前に、熱は接合された接触面を介して速やかにヒートスプレッダ６０側に流れ、ヒートスプレッダ６０において良好に放熱される。従って、ヒートスプレッダ６０の温度も上昇しないので、例えばこれまで水冷であったヒートスプレッダ６０の冷却を、空冷に変更することも可能となる。また、ヒートスプレッダ６０の熱容量も下げることが可能となるので、ヒートスプレッダ６０を小型化できる。

なお、半導体部品５０において、第二金属皮膜５３の図２における上側の表面には、図略のリードフレームが接触して配置される。リードフレームは、例えばＣｕによって形成される金属部材である。リードフレームは、半導体部品５０と別体に形成される。そして、リードフレームは、半導体部品５０に電気的に導通可能に接合される。つまり、リードフレームは、第二金属皮膜５３を介して半導体本体５１の第二の表面に接合される。リードフレームは、半導体部品５０に電力を供給する配線用部材である。半導体本体５１とリードフレームとは、どのような方法を用いて接合してもよい。一例として、ハンダより融点が高い別の接合材料を用いて溶接を行ないリードフレームと半導体部品５０とを接合してもよい。

（２．接合装置１０の構成）
図１に示すように、接合装置１０は、レーザ発振器２０、レーザヘッド３０、反射部４０、筐体７０及び制御装置８０を備える。レーザヘッド３０、及び反射部４０が筐体７０内に配置される。なお、前述したとおり反射部４０は、ヒートスプレッダ６０（金属材料）の一部である。

レーザ発振器２０は、波長が予め設定された所定の近赤外波長となるよう発振させてレーザ光を生成する。このとき、一例として第一金属皮膜５２の下地接合層５２ａの材質をＴｉ／Ｎｉとし、接合層５２ｂの材質をＡｕとした場合、レーザ光Ｌの所定の近赤外波長の大きさは、１．０μｍ前後でよい。レーザ光Ｌの近赤外波長が１．０μｍ前後の範囲にあることにより、レーザ光Ｌが、レーザ光通過領域Ｐ内に露出されている第一金属皮膜５２、及び凸部６３の金属露出面に照射されると、レーザ光Ｌは一部が金属露出面で反射される。金属露出面で反射したレーザ光Ｌは、レーザ光通過領域Ｐ内で他の金属露出面に照射されながら反射を複数回繰り返す。また、レーザ光Ｌのうち、反射したレーザ光Ｌ以外の他部は、照射された金属露出面に吸収され、金属露出面を形成する第一金属皮膜５２、又は各凸部６３（ヒートスプレッダ６０）等の温度を上昇させる。この温度上昇速度は、レーザ光Ｌの出力を増大させる、又はレーザ光Ｌの照射時間を増加させることにより、制御可能である。

そして、本実施形態においては、第一金属皮膜５２、及び各凸部６３の接触面を、レーザ光Ｌの照射によって、溶融した状態である液相状態より低い温度で成立し固体の状態で相互に接合（公知の固相拡散接合）が可能となる固相状態となるまで昇温させる。前述したように、接触面の昇温は、レーザ光Ｌのうち他部のレーザ光Ｌの吸収によって昇温される第一金属皮膜５２、及び各凸部６３からの熱の移動によって実現される。一例として、固相状態は、摂氏２００度程度でも得られる。このとき、レーザ光Ｌの照射条件等は事前の実験等に基づき設定される。

レーザ光Ｌとしては、具体的に、ＨｏＹＡＧ（波長：約１．５μｍ）、ＹＶＯ（イットリウム・バナデイト、波長：約１．０６μｍ）、Ｙｂ（イッテルビウム、波長：約１．０９μｍ）およびファイバーレーザなどが採用される。また、レーザ発振器２０は、レーザ発振器２０から発振されたレーザ光Ｌをレーザヘッド３０に伝送する光ファイバ２２を備える。

図４Ａに示すように、レーザヘッド３０は、半導体部品５０の第二金属皮膜５３から所定の距離を隔て、且つ第二金属皮膜５３に対向して配置される。レーザヘッド３０は、レーザ発振器２０から発振されたレーザ光Ｌの照射角度を変更可能である。なお、図４Ａは、接合装置１０を用い、レーザ光Ｌを開口部６５に入射した後、初めに第一金属皮膜５２に照射する場合を例示している。

図４Ａでは、上側を上方、下側を下方とする。また、接合装置１０の構成の前提として、半導体部品５０は、例えば、底面が正方形の角柱形状とし、底面の一辺の長さをＤ１とする。また、第一金属皮膜５２を含む半導体部品５０の厚みをｔとする。また、第二金属皮膜５３の上面とレーザヘッド３０（照射角度変更装置）におけるレーザ光Ｌの照射中心位置Ｃまでの高さ（所定の距離）をｈ３とする。

図１に示すように、レーザヘッド３０は、コリメートレンズ３２、ミラー３４、ガルバノスキャナ３６、及びｆθレンズ３８を有している。前述したとおり、コリメートレンズ３２、ミラー３４、ガルバノスキャナ３６、及びｆθレンズ３８は、筐体７０内に配置される。コリメートレンズ３２は、光ファイバ２２から出射されたレーザ光Ｌをコリメートして平行光に変換する。

ミラー３４は、コリメートされたレーザ光Ｌが、ガルバノスキャナ３６に入射するようレーザ光Ｌの進行方向を変換する。本実施形態において、ミラー３４は、レーザ光Ｌの進行方向を９０度変換する。

ガルバノスキャナ３６は、レーザ光Ｌの進行方向を変更し、レーザ光Ｌを、ｆθレンズ３８を介して、図２に示す開口部６５に対向する反射部４０の反射面４０ａのうち演算された位置に照射する。ガルバノスキャナ３６には、例えば、直交する２方向に首ふり運動の可能な一対の可動ミラー（図示しない）を含む周知のスキャナが用いられる。

ｆθレンズ３８は、ガルバノスキャナ３６から入射された平行なレーザ光Ｌを集光するレンズである。なお、このレーザ光Ｌの照射角度θは、図４Ａに示すように、第二金属皮膜５３より外側（外径側）の任意の位置に向かう角度であり、具体的には前述した反射部４０の反射面４０ａに向かう角度である。

図４Ｂに示すように、反射部４０は、開口部６５に直交する方向に対し、予め設定された角度γを有して対向し、開口部６５の外周面を連続して包囲するように配置される。言い換えると、角度γは、図４Ｂにおいて上下方向に延在する垂線ＶＬ１と直交する水平線と、開口部６５の外周面に対向する反射部４０の反射面４０ａとの為す角である。

また、レーザヘッド３０からのレーザ光Ｌの照射角度をθとする。なお、照射角度θは、レーザヘッド３０のレーザ光Ｌの照射中心位置Ｃから垂下した垂線ＶＬ１とレーザ光Ｌの光路の中心軸線との間の角度である。また、第一金属皮膜５２から反射部４０の反射面４０ａにおけるレーザ光Ｌの反射位置までの高さを反射位置高さｈ１、垂線ＶＬ１から反射部４０の反射面４０ａにおけるレーザ光Ｌの反射位置までの距離を水平距離ｒとする。また、第一金属皮膜５２と対向面６１との距離を距離ｈ２とする。なお、図４Ａにおける開口部６５の上下方向の幅の大きさは距離ｈ２と等しい。

また、図４Ｂに示すように、レーザヘッド３０から照射され反射部４０の反射面４０ａで反射されるレーザ光Ｌの反射角をβとし、反射面４０ａを反射するレーザ光Ｌと図４Ｂにおける水平（左右）線との為す角度をαとする。また、レーザヘッド３０から照射され反射面４０ａを反射するレーザ光Ｌが開口部６５に入射し、第一金属皮膜５２の下面に照射された点ｐ１と反射部４０の反射面４０ａを反射するレーザ光Ｌの反射位置との水平距離をＬ１とし、第一金属皮膜５２の下面で反射されたレーザ光Ｌが、第一金属皮膜５２の下面との間で形成する角度をαとする。さらに、開口部６５に入射したレーザ光Ｌが、第一金属皮膜５２の下面に反射された点ｐ１から、次に対向面６１に反射される点ｐ２までの水平（左右）方向距離を水平距離ｗ１とする。

このように、レーザヘッド３０から照射されたレーザ光Ｌが、反射部４０の反射面４０ａで反射され、開口部６５に入射された後、第一金属皮膜５２の下面に反射されてレーザ光通過領域Ｐ内を移動していく場合には、下記（数１）式〜（数６）式が成立する。

（数１）
α＝ｔａｎ^−１（ｈ２／ｗ１）
α；反射面４０ａを反射するレーザ光Ｌと水平線との角度
ｈ２；第一金属皮膜５２と対向面６１との距離
ｗ１；レーザ光Ｌが開口部６５に入射された後、第一金属皮膜５２の下面に反射されて次に対向面６１に反射されるまでの水平距離

（数２）
α＋β＝ｔａｎ^−１（ｈ／ｒ）
β；反射面４０ａを反射するレーザ光Ｌの反射角
ｈ；反射面４０ａにおけるレーザ光Ｌの反射位置とレーザヘッド３０（照射角度変更装置）におけるレーザ光Ｌの照射中心位置Ｃまでの高さ（距離）
ｒ；垂線ＶＬ１から反射面４０ａにおけるレーザ光Ｌの反射位置までの水平距離

（数３）
γ＝（１８０−β）／２−α
γ；垂線ＶＬ１と直交する水平線と、開口部６５の外周面に対向する反射部４０の反射面４０ａとの為す角

（数４）
θ≧ｔａｎ^−１（（Ｄ１／２）／ｈ３）
θ；レーザヘッド３０からのレーザ光Ｌの照射角度
Ｄ１；半導体部品５０の一辺の長さ
ｈ３；第二金属皮膜５３の上面とレーザヘッド３０（照射角度変更装置）におけるレーザ光Ｌの照射中心位置Ｃまでの高さ（距離）

（数５）
ｒ＝ｈ×ｔａｎθ
（数６）
（ｒ−（Ｄ１／２））＜Ｌ１＝ｈ１／ｔａｎα
Ｌ１；反射面４０ａを反射されるレーザ光Ｌが開口部６５から入射し第一金属皮膜５２の下面に照射された位置と反射部４０の反射面４０ａを反射するレーザ光Ｌの反射位置との水平距離
ｈ１；第一金属皮膜５２の下面から反射部４０の反射面４０ａにおけるレーザ光Ｌの反射位置までの高さ

図１に示す制御装置８０は、半導体部品５０及びヒートスプレッダ６０の接合を行なうときに、レーザヘッド３０の位置、及びレーザヘッド３０から照射されるレーザ光Ｌの照射角度を、接合される半導体部品５０及びヒートスプレッダ６０の形状から事前に演算する。そして、制御装置８０は、演算結果に基づきレーザヘッド３０の位置、及び照射角度を制御する。具体的には、制御装置８０は、半導体部品５０及びヒートスプレッダ６０の基本情報（Ｄ１，ｔ等）を入力することによって、第二金属皮膜５３の上面からレーザヘッド３０におけるレーザ光Ｌの照射中心位置Ｃまでの高さｈ３（距離）を演算する。また、制御装置８０は、図略の駆動装置を作動させ、レーザヘッド３０の照射中心位置Ｃを、演算された高さｈ３の位置まで移動させる。また、制御装置８０は、レーザヘッド３０によるレーザ光Ｌの照射角度θを演算し、演算された方向に照射できるよう照射角度の制御を行なう。

制御装置８０は、基本情報記憶部８１と、距離演算部８２と、照射角度演算部８３と、照射角度変更装置移動制御部８４と、照射角度変更制御部８５とを備える。
基本情報記憶部８１は、入力される半導体部品５０、開口部６５、及び反射部４０の各位置及び各形状である基本情報を記憶する。これらの基本情報は、作業者が自らの手によって図略の入力部から入力してもよい。また、基本情報は、所定の位置に配置された撮像装置によって、半導体部品５０及びヒートスプレッダ６０を読み込み、取得した画像から各種寸法データを読み取っても良い。このとき、入力されるデータの一例としては、たとえば正方形（矩形）で形成された半導体部品５０の一辺の長さＤ１、半導体部品５０の厚さｔ、開口部６５に対する反射部４０の相対位置、反射部４０の反射面４０ａの傾きγ、開口部６５の図４における上下方向の幅（＝距離ｈ２）等が挙げられる。なお、以降に説明する距離演算部８２及び照射角度演算部８３での各演算は、上述した（数１）式〜（数６）式に基づき行なう。

距離演算部８２は、反射部４０で反射させたレーザ光Ｌを、開口部６５に入射可能とするための、第二金属皮膜５３からレーザヘッド３０（照射角度変更装置）の照射中心位置Ｃまでの高さｈ３を基本情報に基づき演算する。なお、高さｈ３は、レーザ光Ｌを開口部６５に入射可能とする範囲の例えば中央値とする。

照射角度演算部８３は、レーザヘッド３０が第二金属皮膜５３からの高さが高さｈ３で配置されたと仮定した場合において、反射部４０の反射面４０ａで反射させたレーザ光Ｌを、開口部６５に入射可能とするためにレーザヘッド３０が反射部４０に向けて照射すべきレーザ光Ｌの照射角度θを基本情報に基づき演算する。このとき、照射角度θは、例えば、反射面４０ａで反射させたレーザ光Ｌが、開口部６５から入射し、第一金属皮膜５２の下面の開口部６５近傍の任意の位置に照射される角度とする。これにより、レーザ光通過領域Ｐ内における露出金属面に対してより多くの回数の反射が期待できる。なお、距離演算部８２と照射角度演算部とは、別々に記載したが、実際には、結果を交換しながら同時に演算される。

照射角度変更装置移動制御部８４は、図略の駆動装置を作動させ、レーザヘッド３０が、高さｈ３となる位置に配置されるようにレーザヘッド３０を移動させる。
照射角度変更制御部８５は、レーザ光Ｌが、演算された照射角度θで照射されるようレーザヘッド３０の照射角度の設定を変更する。

（３．接合方法）
次に、接合装置１０の接合方法について図４Ａ、図４Ｂ、及び図５のフローチャートに基づき説明する。図５に示すように、接合方法は、入射工程Ｓ１０と、昇温工程Ｓ１２と、接合工程Ｓ１４と、を備える。

まず、初めに作動させる制御装置８０の動作について簡単に説明しておく。作業者が、例えば、これまで接合していた半導体部品とヒートスプレッダではない、別の半導体部品とヒートスプレッダの接合を開始するものとする。

この場合、作業者はまず、今から接合作業を行なう半導体部品とヒートスプレッダの基本情報（Ｄ１、ｔ等の相対位置関係等）を、制御装置８０の基本情報記憶部８１に入力する。次に、距離演算部８２によって、第二金属皮膜５３からレーザヘッド３０（照射角度変更装置）の照射中心位置Ｃまでの高さｈ３が基本情報に基づき演算される。また、照射角度演算部８３によって、高さｈ３にレーザヘッド３０が配置された場合における、反射部４０の反射面４０ａで反射させたレーザ光Ｌを開口部６５に入射可能とするためにレーザヘッド３０が反射部４０に向けて照射するレーザ光Ｌの照射角度θが基本情報に基づき演算される。

そして、照射角度変更装置移動制御部８４によって、レーザヘッド３０が、演算された高さｈ３に配置されるように、図略の駆動装置が作動され移動される。また、照射角度変更制御部８５が、レーザ光Ｌが演算された照射角度θで照射されるようレーザヘッド３０の照射角度の設定を変更する。このように基本情報の入力以外の作業が、自動で行なわれる。

そして、入射工程Ｓ１０では、まず、レーザ発振器２０を駆動してレーザ光Ｌを所定の近赤外波長で発振する。前述したように、このとき、レーザ光Ｌの所定の近赤外波長は、約１．０μｍである。そして、レーザ発振器２０から発振したレーザ光Ｌは、光ファイバ２２に入射されてレーザヘッド３０まで伝送される（図１参照）。

光ファイバ２２から出射したレーザ光Ｌは、コリメートレンズ３２で平行化された後、ミラー３４で反射されてガルバノスキャナ３６を通り、ｆθレンズ３８を介して反射部４０に向けて照射される。このとき、ガルバノスキャナ３６は、図示しない直交する一対の可動ミラーを首ふり運動させることによって、ｆθレンズ３８に入射させるレーザ光Ｌの角度を変更する。変更するレーザ光Ｌの角度は、前述したとおり、照射角度変更制御部８５からの指令値に基づく。

これにより、レーザ光Ｌは、ｆθレンズ３８を介して、上述したヒートスプレッダ６０に形成された反射部４０の開口部６５側の所定位置に照射され、反射部４０でレーザ光Ｌの一部が反射し、反射したレーザ光Ｌが、開口部６５からレーザ光通過領域Ｐに入射される（図４Ａ，４Ｂ参照）。

昇温工程Ｓ１２では、レーザ光通過領域Ｐにおける金属露出面にて、レーザ光Ｌの一部を複数回反射させながら、その都度、レーザ光Ｌの他部を吸収させる。金属露出面とは、レーザ光通過領域Ｐ内に露出している、主にヒートスプレッダ６０の対向面６１の一部、凸部６３の側面、及び第一金属皮膜５２の下面のことをいう。

このような金属露出面への照射により、レーザ光Ｌの他部が金属露出面から吸収される。これにより、凸部６３及び第一金属皮膜５２が徐々に昇温され、凸部６３の先端部である第二底面６３ｂと第一金属皮膜５２との接触面も熱の移動によって昇温される。そして、各接触面がこのようにして昇温し、溶融して液相状態となるより低い温度で成立し、固体の状態で各接触面同士の接合が可能となる固相状態となる。このとき、固相状態となったか否かは、事前の実験によって、固相状態となるまでの時間を取得しておき、その時間によって管理すればよい。

接合工程Ｓ１４では、固相状態となった凸部６３の第二底面６３ｂと第一金属皮膜５２との各接触面を、接合される方向に加圧する（図４Ａ参照）。このとき、加圧の圧力は、事前の実験により、設定すればよい。また、加圧方法は問わない。半導体部品５０が破壊しなければ、どのような方法で加圧してもよい。これにより、凸部６３の第二底面６３ｂと第一金属皮膜５２とは固相拡散接合によって接合される。このため、ハンダを介さず凸部６３の第二底面６３ｂと第一金属皮膜５２とを接合できるので、接触面の接合に対し高い耐熱性が得られる。なお、固相拡散接合とは、接触する二つの金属の表面間で自由電子が行き交うことにより結合力を生じさせて接合させる公知の技術である。このように、公知であるので詳細な説明は省略する。

なお、上記実施形態においては、凸部６３の第二底面６３ｂと第一金属皮膜５２とを接合させる際、接合される方向に加圧した。しかし、この態様には限らない。第二底面６３ｂ及び第一金属皮膜５２の各接触面の面粗度を更に向上させ、鏡面仕上げとすることにより、加圧しなくても両者を接合できる場合があり、そのようなときには、加圧する必要はない。

また、上記工程の説明においては、説明の都合上、一本のレーザ光Ｌによる、一回の照射のみについて説明した。しかし、実際には、入射工程Ｓ１０において、ガルバノスキャナ３６は、直交する一対の可動ミラーを、それぞれ垂線ＶＬ１に対して回転方向に移動させながら断続的にレーザ光Ｌを照射する。つまり、図５に示すフローチャートを繰り返し実行する。これにより、凸部６３は万遍なく昇温され、第一金属皮膜５２との間で良好な接合状態が得られる。

また、上記において、レーザ光Ｌの照射は、レーザ光Ｌを断続的に照射する、いわゆるパルスレーザであってもよい。また、レーザ光Ｌは、断続的に照射せず、エネルギー制御が容易なＣＷレーザ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ ｌａｓｅｒ）によって連続照射してもよい。

（４．実施形態による効果）
上記実施形態によれば、半導体本体５１、及び、半導体本体の第一の表面に形成される第一金属皮膜５２を備える半導体部品５０と、半導体部品５０と別体に形成され、第一金属皮膜５２に接触して配置されるヒートスプレッダ６０（金属部材）と、をレーザ光Ｌによって接合する接合装置１０であって、ヒートスプレッダ６０は、第一金属皮膜５２に対して距離を隔てて対向し、第一金属皮膜５２との間でレーザ光通過領域Ｐ形成する対向面６１と、対向面６１から島状に突出し、先端部が第一金属皮膜５２に接触する複数の凸部６３と、を備える。そして、レーザ光通過領域Ｐの外周部には、外方に開口する開口部６５が形成され、接合装置１０は、レーザ光Ｌを開口部６５からレーザ光通過領域Ｐに入射し、レーザ光通過領域Ｐにおける金属露出面にて、レーザ光の一部を複数回反射させながらレーザ光Ｌの他部を吸収させ、第一金属皮膜５２と凸部６３の先端部との各接触面を、溶融した状態である液相状態より低い温度で成立し固体の状態で接合が可能となる固相状態となるまで昇温させて接合させる。

これによれば、レーザ光Ｌの他部の吸収によって、第一金属皮膜５２及び凸部６３で昇温した熱は、第一金属皮膜５２と凸部６３との間で、接触面を介し、温度が高い側から低い側に向かって移動し、同時に接触面の温度も上昇させる。そして、接触面の温度が、固相状態となると、各接触面は、固相拡散接合によって接合される。これにより、接触面同士がハンダを用いず接合されるので、各接触面同志をハンダにより接合した場合と比べて耐熱性が向上する。その結果、使用時に半導体部品が高温になったとしても、半導体部品と金属部材との各接触面の接合に対する信頼性が確保される。

また、上記実施形態によれば、接合装置１０は、第一金属皮膜５２と凸部６３の先端部との各接触面を接合させる際、各接触面を接合させる方向に加圧する。これにより、第一金属皮膜５２と凸部６３とが、面粗度が荒くても確実に接合できる。

また、上記実施形態によれば、凸部６３は、ヒートスプレッダ６０（金属部材）が備える対向面６１に一体的に形成される第一底面６３ａが、第一金属皮膜５２に接する第二底面６３ｂより大きな面積を有する錐台形状で形成される。これにより、レーザ光Ｌがレーザ光通過領域Ｐ内を自由に通過することと、第二底面６３ｂによって第一金属皮膜５２との接触面積が十分確保できるため、凸部６３と第一金属皮膜５２との接合を強固に行なうことと、が両立できる。

また、上記実施形態によれば、接合装置１０は、レーザ光Ｌを発振するレーザ発振器２０（発振源に相当）と、半導体部品５０において第一金属皮膜５２の反対側に設けられた第二金属皮膜５３から距離を隔てて且つ第二金属皮膜５３に対向して配置され、レーザ発振器２０から発振されたレーザ光Ｌの照射角度を変更し、半導体部品より外側の任意の位置にレーザ光Ｌを照射可能なレーザヘッド３０（照射角度変更装置）と、レーザ光通過領域Ｐの開口部６５の外方に開口部６５と対向して配置され、レーザヘッド３０から照射されたレーザ光Ｌを反射して開口部６５に入射させる反射部４０と、を備える。これにより、半導体部品５０とヒートスプレッダ６０（金属部材）とを、所定の位置にセットし、接合装置を起動させるだけで、簡易に半導体部品５０とヒートスプレッダ６０（金属部材）とが接合できる。

また、上記実施形態によれば、反射部４０は、ヒートスプレッダ６０（金属部材）に形成される。これにより、反射部を別に製作し、筐体７０に固定する必要がないので、反射部と開口部６５との相対位置を合わせ込む等の作業が不要となり運用が容易になる。これは、低コスト化にも寄与する。

また、上記実施形態によれば、接合装置１０は、制御装置８０を備え、制御装置８０は、入力される半導体部品５０、開口部６５、及び反射部４０の各位置及び各形状である基本情報を記憶する基本情報記憶部８１と、反射部４０で反射させたレーザ光Ｌを開口部６５に入射可能とするための第二金属皮膜５３からレーザヘッド３０（照射角度変更装置）までの高さｈ３を基本情報に基づき演算する距離演算部８２と、高さｈ３にレーザヘッド３０が配置された場合において、反射部４０で反射させたレーザ光Ｌを開口部６５に入射可能とするためにレーザヘッド３０が反射部４０に向けて照射するレーザ光Ｌの照射角度θを基本情報に基づき演算する照射角度演算部８３と、レーザヘッド３０が、演算された高さｈ３に配置されるようにレーザヘッド３０を移動させる照射角度変更装置移動制御部８４と、レーザ光Ｌが演算された照射角度θで照射されるようレーザヘッド３０の照射角度の設定を変更する照射角度変更制御部８５と、を備える。これにより、接合部分に耐熱性を有する半導体部品５０とヒートスプレッダ６０（金属部材）との結合体が得られる。

また、上記実施形態によれば、接合装置１０が、半導体本体５１、及び、半導体本体５１の第一の表面に形成される第一金属皮膜５２を備える半導体部品５０と、半導体部品５０と別体に形成され、第一金属皮膜５２に接触して配置されるヒートスプレッダ６０（金属部材）と、をレーザ光Ｌによって接合する接合方法であって、ヒートスプレッダ６０は、第一金属皮膜５２に対して距離を隔てて対向し、第一金属皮膜５２との間でレーザ光通過領域Ｐを形成する対向面６１と、対向面６１から島状に突出し、先端部が第一金属皮膜５２に接触する複数の凸部６３と、を備え、レーザ光通過領域Ｐの外周部には、外方に開口する開口部６５が形成される。そして接合方法は、レーザ光Ｌを開口部６５からレーザ光通過領域Ｐに入射させる入射工程Ｓ１０と、レーザ光通過領域Ｐにおける金属露出面にて、入射したレーザ光Ｌの一部を複数回反射させながらレーザ光Ｌの他部を吸収させ、第一金属皮膜５２と凸部６３の先端部との各接触面を、液相状態より低い温度で成立し固体の状態で接合が可能となる固相状態となるまで昇温させる昇温工程Ｓ１２と、昇温工程Ｓ１２によって固相状態となった各接触面を接合させる接合工程Ｓ１４と、を備える。これにより、接合装置１０によって得られた、半導体部品５０とヒートスプレッダ６０との接合が得られる。

上記実施形態の接合方法によれば、接合工程Ｓ１４では、各接触面を接合する際、各接触面を接合させる方向に加圧する。これにより、各接触面は、面粗度が荒くても確実に接合できる。

＜変形態様＞
上記実施形態においては、反射部４０は、ヒートスプレッダ６０（金属部材）と一体で形成された。しかし、この態様には限らず、反射部４０は、ヒートスプレッダ６０と別体で形成されてもよい。この場合、反射部４０は、筐体７０の内周面に固定すればよい（図略）。

また、上記実施形態においては、反射部４０の反射面４０ａは、開口部６５に対して所定の角度を有して形成された。しかし、この態様に限らず、図６に示すように、反射面４０ａは開口部６５と平行に形成されても良い。この場合、反射面４０ａに反射されたレーザ光Ｌを図６に示すように、一度、開口部６５の外方に形成されるヒートスプレッダ６０（金属部材）の対向面６１に照射した後、反射させて開口部６５内に入射させればよい。これによっても同様の効果が得られる。

なお、上記実施形態、及び変形態様によれば、図２，図３に示すように、凸部６３は、ヒートスプレッダ６０（金属部材）の対向面６１側の第一底面６３ａが、第一金属皮膜５２に接する第二底面６３ｂより大きな面積を有する錐台形状で形成される。しかし、この態様には限らない。隣接する凸部６３の間に所定の隙間を有しており、レーザ光Ｌがレーザ光通過領域Ｐにおいて移動可能であれば、どのような形状でもよい。例えば、凸部６３の間の隙間が上下方向において平行であってもよい。これによっても相応の効果は期待できる。

また、上記実施形態、及び変形態様においては、固相拡散結合によって、ヒートスプレッダ６０の凸部６３と第一金属皮膜５２とを接合したが、この態様には限らない。昇温工程Ｓ１２において、凸部６３の先端部である第二底面６３ｂと第一金属皮膜５２との各接触面が溶融する液相状態となるまで昇温させ、従来の溶接と同様、液相状態でヒートスプレッダ６０と第一金属皮膜５２とを接合させても良い。これによって、昇温までの時間はかかるが、同様の効果が期待できる。

また、上記実施形態、及び変形態様においては、レーザ光Ｌは、近赤外波長を有するレーザ光Ｌであるとした。しかし、この態様には限らず、レーザ光Ｌはブルーレーザでもよい。

また、上記実施形態、及び変形態様においては、接合装置１０は、制御装置８０を備え、サイズの異なる半導体部品とヒートスプレッダとを接合装置１０に投入しても、良好に半導体部品とヒートスプレッダとの接合ができる汎用機として説明した。しかし、この態様には限らない。接合装置１０が、制御装置８０を備えず、１種類の半導体部品５０及びヒートスプレッダ６０のみの接合を行なう専用機であっても良い。

また、上記実施形態、及び変形態様においては、レーザ光Ｌは、レーザ光通過領域Ｐ内にて反射されるとき、ヒートスプレッダ６０（金属部材）が有する凸部６３と半導体部品５０の第一金属皮膜５２との間を往復反射しながら移動すると説明した。しかし、この態様には限らない。レーザ光Ｌは、ヒートスプレッダ６０（金属部材）の凸部６３と対向面６１との間、若しくは複数の凸部６３の間だけを反射しながら移動し、凸部６３のみを昇温させるだけでも良い。これによっても、時間さえかければ、凸部６３から、やがて接触面にも熱が伝達し、温度は昇温されるので接合は行なえる。

１０・・・接合装置、 ２０・・・レーザ発振器（発振源）、 ３０・・・レーザヘッド（照射角度変更装置）、 ４０・・・反射部、 ４０ａ・・・反射面、 ５０・・・半導体部品、 ５１・・・半導体本体、 ５２・・・第一金属皮膜、 ５３・・・第二金属皮膜、 ６０・・・ヒートスプレッダ（金属部材）、 ６１・・・対向面、 ６３・・・凸部、 ６３ａ・・・第一底面、 ６３ｂ・・・第二底面、 ６５・・・開口部、 ７０・・・筐体、 ８０・・・制御装置、 ８１・・・基本情報記憶部、 ８２・・・距離演算部、 ８３・・・照射角度演算部、 ８４・・・照射角度変更装置移動制御部、 ８５・・・照射角度変更制御部、 Ｃ・・・照射中心位置、 ｈ１・・・反射位置高さ、 ｈ２・・・距離、 ｈ３・・・高さ、 Ｌ・・・レーザ光、 Ｐ・・・レーザ光通過領域、 Ｓ１０・・・入射工程、 Ｓ１２・・・昇温工程、 Ｓ１４・・・接合工程、 ＶＬ１・・・垂線、 θ・・・照射角度。

Claims (8)

1. 半導体本体、及び、前記半導体本体の第一の表面に形成される第一金属皮膜を備える半導体部品と、
   前記半導体部品と別体に形成され、前記第一金属皮膜に接触して配置される金属部材と、
   をレーザ光によって接合する接合装置であって、
   前記金属部材は、
   前記第一金属皮膜に対して距離を隔てて対向し、前記第一金属皮膜との間でレーザ光通過領域を形成する対向面と、
   前記対向面から島状に突出し、先端部が前記第一金属皮膜に接触する複数の凸部と、
   を備え、
   前記レーザ光通過領域の外周部には、外方に開口する開口部が形成され、
   前記接合装置は、
   前記レーザ光を前記開口部から前記レーザ光通過領域に入射し、
   前記レーザ光通過領域における金属露出面にて、前記レーザ光の一部を複数回反射させながら前記レーザ光の他部を吸収させ、
   前記第一金属皮膜と前記凸部の前記先端部との各接触面を、溶融した状態である液相状態、又は前記液相状態より低い温度で成立し固体の状態で接合が可能となる固相状態となるまで昇温させて接合させる、半導体部品と金属部材との接合装置。
2. 前記第一金属皮膜と前記凸部の前記先端部との前記各接触面を前記接合させる際、前記各接触面を前記接合させる方向に加圧する、請求項１に記載の半導体部品と金属部材との接合装置。
3. 前記凸部は、前記金属部材の前記対向面に接する第一底面が、前記第一金属皮膜に接する第二底面より大きな面積を有する錐台形状で形成される、請求項１又は２に記載の半導体部品と金属部材との接合装置。
4. 前記接合装置は、
   前記レーザ光を発振する発振源と、
   前記半導体部品において前記第一金属皮膜の反対側に設けられた第二金属皮膜から距離を隔てて且つ前記第二金属皮膜に対向して配置され、前記発振源から発振された前記レーザ光の照射角度を変更し、前記半導体部品より外側の任意の位置に前記レーザ光を照射可能な照射角度変更装置と、
   前記レーザ光通過領域の前記開口部の外方に前記開口部と対向して配置され、前記照射角度変更装置から照射された前記レーザ光を反射して前記開口部に入射させる反射部と、
   を備える、請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体部品と金属部材との接合装置。
5. 前記反射部は、前記金属部材に形成される、請求項４に記載の半導体部品と金属部材との接合装置。
6. 前記接合装置は、制御装置を備え、
   前記制御装置は、
   入力される前記半導体部品、前記開口部、及び前記反射部の各位置及び各形状である基本情報を記憶する基本情報記憶部と、
   前記反射部で前記反射させた前記レーザ光を前記開口部に入射可能とするための前記第二金属皮膜から前記照射角度変更装置までの最適距離を前記基本情報に基づき演算する距離演算部と、
   前記最適距離に前記照射角度変更装置が配置された場合において、前記反射部で反射させた前記レーザ光を前記開口部に入射可能とするために前記照射角度変更装置が前記反射部に向けて照射する前記レーザ光の最適照射角度を前記基本情報に基づき演算する照射角度演算部と、
   前記照射角度変更装置が、前記演算された前記最適距離に配置されるように前記照射角度変更装置を移動させる照射角度変更装置移動制御部と、
   前記レーザ光が前記演算された前記最適照射角度で照射されるよう前記照射角度変更装置の照射角度の設定を変更する照射角度変更制御部と、
   を備える、請求項５に記載の半導体部品と金属部材との接合装置。
7. 半導体本体、及び、前記半導体本体の第一の表面に形成される第一金属皮膜を備える半導体部品と、
   前記半導体部品と別体に形成され、前記第一金属皮膜に接触して配置される金属部材と、
   をレーザ光によって接合する接合方法であって、
   前記金属部材は、
   前記第一金属皮膜に対して距離を隔てて対向し、前記第一金属皮膜との間でレーザ光通過領域を形成する対向面と、
   前記対向面から島状に突出し、先端部が前記第一金属皮膜に接触する複数の凸部と、
   を備え、
   前記レーザ光通過領域の外周部には、外方に開口する開口部が形成され、
   前記接合方法は、
   前記レーザ光を前記開口部から前記レーザ光通過領域に入射させる入射工程と、
   前記レーザ光通過領域における金属露出面にて、前記入射した前記レーザ光の一部を複数回反射させながら前記レーザ光の他部を吸収させ、前記第一金属皮膜と前記凸部の前記先端部との各接触面を、溶融した状態である液相状態、又は前記液相状態より低い温度で成立し固体の状態で接合が可能となる固相状態となるまで昇温させる昇温工程と、
   前記昇温工程によって前記液相状態、又は前記固相状態となった前記各接触面を接合させる接合工程と、
   を備える、半導体部品と金属部材との接合方法。
8. 前記接合工程では、前記各接触面を前記接合する際、前記各接触面を前記接合させる方向に加圧する、請求項７に記載の半導体部品と金属部材との接合方法。

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