JP5633581B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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Description

この発明は、パワー半導体モジュールなどの半導体装置およびその製造方法に関する。
近年、パワー半導体モジュールの小型、大容量化が進み、これに伴いパワー半導体モジュールに搭載するパワー半導体チップ（例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ））は高い電流密度で通電使用されることから、その放熱対策が重要課題となっている。
すなわち、ＩＧＢＴなどのパワー半導体デバイスでは、半導体チップの接合部温度Ｔｊに上限保証温度が規定されているのに対して、放熱ベース（銅ベース板）に導電パターン付絶縁基板を介して半導体チップをマウントした片面冷却方式では、半導体チップの上面側がパッケージ内に充填した封止樹脂で封止されているのでチップ上面側からの放熱は殆ど期待できない。このために半導体チップの小型、大電流化に伴い発熱密度が増大すると、半導体チップの上面電極に接続する配線リードとしてアルミワイヤをボンディングした在来の配線構造では、チップの接合部温度を上限保証温度以下に抑えることが困難となるほか、アルミワイヤのジュール発熱も加わってワイヤ溶断のおそれもあってパワーサイクル耐量の低下が懸念される。
一方、半導体チップの上面からの放熱性を高めるための手段として、前記のアルミワイヤに代えて、例えば、リードフレームが用いられる。その場合、下側リードフレームを半導体チップの上面主電極に半田で固着し、その固着された下側リードフレームの端部と重ねて上側リードフレームを配置する。この上側リードフレームと下側リードフレームをレーザ溶接などで固着し、この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チップ上面側からも放熱させるようにしたモジュール構造が知られている。
図１１〜図１３は、従来のパワー半導体モジュールの構成図であり、図１１は要部平面図、図１２は図１１のＡ部拡大図、図１３は図１１のＸ−Ｘ線で切断した要部模式断面図である。図１３にはレーザ光も追加して示した。
パワー半導体モジュール５００は、放熱ベース５１と、この放熱ベース５１上に半田５２を介して固着した導電パターン付絶縁基板５６と、この導電パターン付絶縁基板５６の導電パターン５５上に半田５７を介して固着した半導体チップ５８からなる。導電パターン付絶縁基板５６は絶縁基板５４の裏面に導電膜５３、上面に導電パターン５５が形成されている。
また、この半導体チップ５８の上面電極に半田５９を介して固着した下側リードフレーム６０と、この下側リードフレーム６０にレーザ溶接で固着した上側リードフレーム６１と、放熱ベース５１にシリコーン接着剤６２ａで固着し、外部端子となる下側リードフレーム６０を貫通固定した樹脂ケース６２と、樹脂ケース６２内に充填される図示しないゲルから構成される。前記の各リードフレーム６０，６１の配置においては、各リードフレーム６０，６１に形成されている圧延目６９の方向Ｄ（圧延方向）は特定せずにランダムである。
前記の上側リードフレーム６１と下側リードフレーム６０は、前記したようにレーザ溶接によって固着され、その固着部は電気的に接続され電流経路を形成する。
下側リードフレーム６０と上側リードフレーム６１を固着するレーザ溶接は、レーザ出射ユニット６３から出射されるレーザ光６４を上側リードフレーム６１に照射し、上側、下側のリードフレーム６０，６１を溶融させ、固化することで行われる。
レーザ光６４の照射は上側リードフレーム６１の照射面の垂直線６６に対して角度θ＝１０°〜１５°程度傾けて行われる。
また、レーザ光６４の固着部６５（レーザ溶接箇所）の特定は、レーザ出射ユニット６３内にセットされた図示しないカメラと光源およびレーザ出射ユニット６３外にセットされる図示しないモニタテレビで行われる。光源から可視光を出射し、照射面からの反射光をレーザ出射ユニット６３内にセットされたカメラで捕捉し、そのカメラからの信号をモニタテレビに伝送し、モニタテレビに映し出しされた映像で照射箇所を特定する。この可視光の光軸はレーザ光の光軸６７に一致させているので、可視光の照射も照射面の垂直線６６に対して角度θ＝１０°〜１５°程度傾けて行われる。
前記の上側リードフレーム６１と下側リードフレーム６０の固着部６５による接合点数および接合面積は、パワー半導体モジュール５００の使用条件（通電による発熱や信頼性に対する接合強度）を考慮して決定する。
また、上側リードフレーム６１と下側リードフレーム６０のレーザ溶接にはバラツキが発生するため、レーザ溶接の溶接点数はバラツキを考慮して余裕のある点数に決定される。
また、特許文献１、２には複数のリードフレームをレーザ溶接する技術が開示されている。
また、特許文献３には、レーザ溶接において、バラツキを少なくするとの課題に対し、リードフレームを粗面化する半導体装置の製造方法が記載されている。
特開２００８−９８５８５号公報 特開２００８−４２０３９号公報 特開２００８−２８２８６号公報
図１４は、リードフレームの形成方法であり、同図（ａ）〜同図（ｃ）は工程順に示した要部工程図である。先ず、同図（ａ）において、厚い銅板７２ａを圧延用ロール７１で圧延して所定の厚さの銅板７２にする。つぎに、同図（ｂ）において、この所定の厚さの銅板７２から所望のリードフレーム６１を打ち抜く（ここでは上側リードフレームを示す）。つぎに、同図（ｃ）において、銅板７２からリードフレーム６１を取り出し所定の箇所を折り曲げる（図示せず）。リードフレーム６１の表面には銅板７２ａを圧延したときの筋状の圧延目６９が形成される。この筋状の圧延目６９は圧延方向Ｄに形成されるので、形成された圧延目６９の方向Ｄは圧延する方向Ｄ（圧延方向）と一致する。
図１２に示すように、上側リードフレーム６１の配置において、上側リードフレーム６１の圧延目６９の方向Ｄはランダム（ここでは、直角と平行のみを示した）である。レーザ溶接予定箇所を検出するために、可視光を上側リードフレーム６１に照射すると、上側リードフレーム６１の圧延目６９の方向Ｄがランダムであるため、可視光の照射面からの反射強度のバラツキが大きくなる。そのため、カメラの視認性が低下して、溶接予定箇所の検出ミスが発生する。
尚、レーザ光６４の吸収率を上げるために、リードフレーム６１（Ｃｕ）の表面には、例えば、厚さが１０μｍ程度のＮｉメッキ層が形成されている。
前記の特許文献１〜３では、配置される複数のリードフレームの圧延目の方向（圧延方向）を揃えてレーザ溶接することは示唆されていない。
この発明の目的は、前記の課題を解決して、カメラの視認性を向上させて溶接予定箇所の検出ミスを低減できる半導体装置およびその製造方法を提供することである。
前記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明によれば、放熱ベースと、前記放熱ベース上に半田を介して固着した導電パターン付絶縁基板と、前記導電パターン付絶縁基板の導電パターンに半田を介して固着した半導体チップと、前記半導体チップ上に半田を介して固着した導体部材と、前記放熱ベースに接着剤で固着した樹脂ケースと、前記導体部材とレーザ溶接で固着した上側リードフレームとを有する半導体装置において、全ての前記上側リードフレームが圧延加工で形成され、その表面に圧延方向に筋状に形成される圧延目を有し、前記圧延目の方向を揃えて前記導体部材上に配置されている。
また、請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明において、前記レーザ溶接時のレーザ光の光軸を前記上側リードフレームの表面に垂直な垂直線に対して傾け、前記光軸を前記上側リードフレームの表面に投影した投影軸に対して、前記圧延目の方向を直角にするとよい。
また、請求項３に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明において、前記導体部材が、下側リードフレームであるとよい。
また、請求項４に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明において、前記導体部材が、ヒートスプレッダもしくは前記導電パターンであるとよい。
また、請求項５に記載の発明によれば、可視光を上側リードフレームのレーザ溶接予定箇所に照射し、前記レーザ溶接予定箇所からの反射光をカメラで捕らえ、前記カメラの画像をモニタテレビに映し出して前記レーザ溶接予定箇所を特定し、前記レーザ溶接予定箇所にレーザ光を照射して導体部材と前記上側リードフレームとをレーザ溶接する半導体装置の製造方法において、圧延加工で形成された圧延目の方向を全ての前記上側リードフレームで揃え、前記可視光の出射光軸を前記レーザ光の光軸に一致させ、前記レーザ光の光軸を前記上側リードフレームの表面に垂直な垂直線に対して傾け、前記レーザ光の光軸を前記上側リードフレームの表面に投影した投影軸に対して、前記圧延目の方向を直角にする半導体装置の製造方法とする。
この発明によると、各リードフレームの圧延目の方向（圧延方向）を揃えることで、各リードフレームからの反射光の強度のバラツキを低減できるため、カメラの視認性を向上できて、溶接予定箇所の検出ミスを低減できる。
特に、圧延目の方向を可視光の投影軸に対して直角にすると、可視光の反射強度のバラツキが小さくなり、効果が大きい。
本発明の上記および他の目的、特徴および利点は本発明の例として好ましい実施の形態を表す添付の図面と関連した以下の説明により明らかになるであろう。
この発明の第１実施例の半導体装置の要部平面図である。 図１のＡ部拡大図である。 図１のＸ−Ｘ線で切断した要部模式断面図である。 可視光の投影軸に対する圧延目の方向と可視光の反射強度のバラツキの関係を示す図である。 レーザ光の投影軸に対する圧延目の方向とレーザ溶接のバラツキの関係を示す図である。 この発明の第２実施例の半導体装置の製造方法を示す要部製造工程断面図である。 図６に続く、この発明の第２実施例の半導体装置の製造方法を示す要部製造工程断面図である。 図７に続く、この発明の第２実施例の半導体装置の製造方法を示す要部製造工程断面図である。 図８に続く、この発明の第２実施例の半導体装置の製造方法を示す要部製造工程断面図である。 図９に続く、この発明の第２実施例の半導体装置の製造方法を示す要部製造工程断面図である。 従来のパワー半導体モジュールの要部平面図である。 図１１のＡ部拡大図である。 図１１のＸ−Ｘ線で切断した要部模式断面図である。 リードフレームの形成方法であり、（ａ）〜（ｃ）は工程順に示した要部工程図である。
実施の形態を以下の実施例で説明する。
図１〜図３は、この発明の第１実施例の半導体装置の構成図であり、図１は要部平面図、図２は図１のＡ部拡大図、図３は図１のＸ−Ｘ線で切断した要部模式断面図である。図１の半導体装置１００は、図１１に示すパワー半導体モジュール５００に相当した半導体装置である。図１において、Ａ部と同じ部分がＡ部を含めて３箇所横に並んでおり、全てのリードフレームの圧延目１９（パワー半導体モジュール５００の圧延目６９に相当する）の方向は矢印Ｄの方向に揃っている。この矢印Ｄの方向が、圧延目１９の方向であり、圧延方向である。
半導体装置１００は、放熱ベース１と、この放熱ベース１上に半田２を介して固着した導電パターン付絶縁基板６と、この導電パターン付絶縁基板６の導電パターン５上に半田７を介して固着した半導体チップ８からなる。導電パターン付絶縁基板６は絶縁基板４の裏面に導電膜３（導電箔）、上面に導電パターン５が形成されている。
また、この半導体チップ８の上面電極に半田９を介して固着した下側リードフレーム１０と、この下側リードフレーム１０にレーザ溶接で固着した上側リードフレーム１１と、放熱ベース１にシリコーン接着剤１２ａで固着し、外部端子となる下側リードフレーム１０を貫通固定した樹脂ケース１２と、樹脂ケース１２内に充填される図示しないゲルから構成される。
前記の上側リードフレーム１１と下側リードフレーム１０は、前記したようにレーザ溶接によって固着され、その固着部１５（レーザ溶接箇所）は電気的に接続され電流経路を形成する。
下側リードフレーム１０と上側リードフレーム１１を固着する固着部１５は、レーザ出射ユニット１３から出射されるレーザ光１４を上側リードフレーム１１に照射し、上側および下側のリードフレーム１０，１１を溶融させ、固化することで行われる。
レーザ光１４の照射は上側リードフレーム１１の照射面（上側リードフレーム１１の表面）の垂直線１６に対して角度θ＝１０°〜１５°程度傾けて行われる。レーザ光１４を傾けることで、反射光によるダメージを防止する。
また、レーザ光１４の照射箇所すなわち固着部１５の特定は、レーザ出射ユニット１３内にセットされたカメラ２５と図示しない光源およびレーザ出射ユニット１３外にセットされるモニタテレビ２６で行われる。図９に示すように、光源から可視光（出射光２７）を出射し、照射面からの反射光２８をレーザ出射ユニット１３内にセットされたカメラ２５で捕捉し、そのカメラ２５からの信号をモニタテレビ２６に伝送し、モニタテレビ２６に映し出しされた映像で照射箇所を特定する。この可視光の光軸１７ａは図３のレーザ光１４の光軸１７に一致させているので、可視光の光軸１７ａも照射面の垂直線１６ａに対して１０°〜１５°程度傾けて行われる。
また、図２には、上側リードフレーム１１の圧延方向Ｄに形成される圧延目１９が示されている。図３（ａ）には、レーザ光１４も合わせて表示し、図３（ｂ）には、レーザ光１４の上側リードフレーム１１上へ投影された投影軸１８を示した。
図４は、可視光の投影軸に対する圧延目の方向と可視光の反射強度のバラツキの関係を示す図である。圧延目１９の方向Ｄが、従来のように直角と平行が混在している場合が一番バラツキが大きくなり、直角の場合が一番バラツキが小さくなる。
図１〜図３において、上側リードフレーム１１の圧延目１９の方向Ｄを全て揃えて上側リードフレーム１１を下側リードフレーム１０に重ねて配置する。図には、上側リードフレーム１１が３種類と下側リードフレーム１０が３種類示されている。図３に示すように、圧延目１９の方向Ｄ（圧延方向Ｄと同じ）は、レーザ光１４の光軸１７を上側リードフレーム１１に投影した投影軸１８に対して略直角になるようにする。このとき、可視光の光軸１７ａとレーザ光１４の光軸１７を一致させているので、可視光の光軸１７ａの投影軸１８ａも圧延目１９の方向Ｄに対し略直角になる。ここでは略直角とは９０°±１０°の範囲をいう。以下の説明では、略直角を単に直角と称す。尚、投影軸１８とは、図３に示すように、レーザ光１４の光軸１７を直下の上側リードフレームに投影した軸のことをいう。
このように、各上側リードフレーム１１の圧延目１９の方向Ｄを可視光（光軸１７ａ）の投影軸１８ａに対して直角に揃えることで、図４に示すように、可視光の固着部１５の照射面からの反射光の強度のバラツキが小さくなり、カメラ２５の視認性を向上できる。その結果、固着部１５の検出ミスを減少させることができる。
尚、レーザ出射ユニット１３およびカメラ２５や半導体装置１００（パワー半導体モジュール）の方向を可動させることができる場合は、圧延目１９の方向Ｄ（圧延方向）を考慮する必要は無いが、本発明の構成であればその可動機構を設ける必要が無いので装置コストを低減できる。
尚、実施例１は、リードフレーム１０，１１同士をレーザ溶接する場合を例に挙げて説明したが、上側リードフレーム１１をヒートスプレッダにレーザ溶接する場合や上側リードフレーム１１を導電パターン付絶縁基板６にレーザ溶接する場合にも適用できる。
また、実施例１では、圧延目１９の方向Ｄに対して可視光（光軸１７ａ）の投影軸１８ａが直角の場合を示したが、平行にした場合でもよい。つまり、圧延目１９の方向Ｄを揃えることで、圧延目１９の方向Ｄがランダムな場合（直角、並行が混在した場合）に比べて、図４から分かるように、可視光の反射光の強度のバラツキが小さくなる。
なお、図１１〜図１３を用いて説明した従来のパワー半導体モジュールにおいては、多数の上側リードフレーム６１と下側リードフレーム６０のレーザ溶接にバラツキが発生して、レーザ溶接されない箇所や不完全な溶接の箇所が発生している。このため、溶接される箇所を確実に確保するために、レーザ溶接をする箇所の点数を実質的な必要数以上に増やす必要があり、製造コストが増大している。なお、レーザ溶接のバラツキとは、固着部６５の溶接深さのバラツキ、溶接時の溶融物の飛び出しの有無、溶接面積のバラツキなどをいう。
この従来技術に対し、本実施例の構成においては、各リードフレームの圧延目の方向（圧延方向）を揃えることによりカメラの視認性を向上できることから、さらに、各リードフレームでのレーザ光の吸収が均一になり、レーザ溶接のバラツキの低減を期待できる。その結果、溶接点数を減じて、製造コストの低減を期待できる。特に、圧延目の方向をレーザ光の投影軸に対して直角にすると大きな効果を期待できる。
図５はこの効果を示すものであり、レーザ光の投影軸に対する圧延目の方向とレーザ溶接のバラツキの関係を示す図である。圧延目１９の方向Ｄが、従来のように直角と平行がランダムに混在している場合はバラツキが最も大きくなり、直角の場合はバラツキが最も小さくなると予測される。
図３に示したように、上側リードフレーム１１の圧延目１９の方向Ｄをレーザ光１４の投影軸１８に対して直角に揃えて配置することで、レーザ溶接のバラツキが小さくなり、溶接点数の低減を期待できる。
また、図中のＰは高電位側端子、Ｎは低電位側端子、ＵはＵ相端子、ＶはＶ相端子、ＷはＷ相端子を示す。
図６〜図１０は、この発明の第２実施例の半導体装置の製造方法を示す工程図であり、工程順に示した要部製造工程断面図である。
図６において、上側リードフレーム１１を圧延加工された銅板２１から切り出す。このとき、半導体装置１００（パワー半導体モジュール）で配置される箇所を予測して、全ての上側リードフレーム１１（ここではＡ部の箇所を示す）の圧延目１９の方向Ｄ（圧延方向）が同じになるように切り出す。
つぎに、図７において、半導体チップ８の表面電極上に下側リードフレーム１０を配置する。この下側リードフレーム１０の圧延方向は上側リードフレーム１１のように揃える必要はなくランダムで構わない。勿論、揃えてもよい。
つぎに、図８において、下側リードフレーム１０上に上側リードフレーム１１を圧延目１９の方向が揃うように配置する。
つぎに、図９において、レーザ出射ユニット１３内の光源から可視光を上側リードフレーム１１に照射し、照射面からの反射光２８をカメラ２５で捉え、その信号をモニタテレビ２６に伝送してモニタテレビ２６の画像からレーザ溶接する固着部１５ａ（レーザ溶接箇所）を特定する。前記したように、可視光の上側リードフレーム１１上の投影軸１８ａに対して圧延目１９の方向Ｄを直角にする。
つぎに、図１０において、レーザ出射ユニット１３からレーザ光１４を上側リードフレーム１１の表面の垂直線１６に対して角度θ＝１０°〜１５°程度傾斜させて固着部１５ａに照射して、上側リードフレーム１１と下側リードフレーム１０をレーザ溶接する。前記したように、レーザ光１４の上側リードフレーム１１上の投影軸１８に対して圧延目１９の方向Ｄを直角にする。
このように、各上側リードフレーム１１の圧延目１９の方向Ｄを揃えて配置し、前記したように、この圧延目１９の方向Ｄを可視光の投影軸１８ａに対して直角にすることで、カメラ２５の視認性を向上できて、固着部１５ａの検出ミスを減少させることができる。
また、各上側リードフレーム１１の圧延目１９の方向Ｄを揃えて配置し、圧延目１９の方向Ｄをレーザ光１４の投影軸１８に対して直角にすることにより、レーザ溶接のバラツキが小さくなり、溶接点数の低減を期待できる。
上記については単に本発明の原理を示すものである。さらに、多数の変形、変更が当業者にとって可能であり、本発明は上記に示し、説明した正確な構成および応用例に限定されるものではなく、対応するすべての変形例および均等物は、添付の請求項およびその均等物による本発明の範囲とみなされる。
１ 放熱ベース
２，７，９ 半田
３ 導電膜（導電箔）
４ 絶縁基板
５ 導電パターン
６ 導電パターン付絶縁基板
８ 半導体チップ
１０ 下側リードフレーム
１１ 上側リードフレーム
１２ 樹脂ケース
１２ａ シリコーン接着剤
１３ レーザ出射ユニット
１４ レーザ光
１５，１５ａ 固着部
１６，１６ａ 垂直線
１７ レーザ光の光軸
１７ａ 可視光の光軸
１８ レーザ光の投影軸
１８ａ 可視光の投影軸
１９ 圧延目
２５ カメラ
２６ モニタテレビ
２７ 出射光（可視光）
２８ 反射光(可視光)
Ｄ 圧延目の方向（圧延方向と同じ）

Claims (5)

  1. 放熱ベースと、前記放熱ベース上に半田を介して固着した導電パターン付絶縁基板と、前記導電パターン付絶縁基板の導電パターンに半田を介して固着した半導体チップと、前記半導体チップ上に半田を介して固着した導体部材と、前記放熱ベースに接着剤で固着した樹脂ケースと、前記導体部材とレーザ溶接で固着した上側リードフレームとを有する半導体装置において、
    全ての前記上側リードフレームが圧延加工で形成され、その表面に圧延方向に筋状に形成される圧延目を有し、前記圧延目の方向を揃えて前記導体部材上に配置されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記レーザ溶接時のレーザ光の光軸を前記上側リードフレームの表面に垂直な垂直線に対して傾け、前記光軸を前記上側リードフレームの表面に投影した投影軸に対して、前記圧延目の方向を直角にすることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記導体部材が、下側リードフレームであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  4. 前記導体部材が、ヒートスプレッダもしくは前記導電パターンであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  5. 可視光を上側リードフレームのレーザ溶接予定箇所に照射し、前記レーザ溶接予定箇所からの反射光をカメラで捕らえ、前記カメラの画像をモニタテレビに映し出して前記レーザ溶接予定箇所を特定し、前記レーザ溶接予定箇所にレーザ光を照射して導体部材と前記上側リードフレームとをレーザ溶接する半導体装置の製造方法において、
    圧延加工で形成された圧延目の方向を全ての前記上側リードフレームで揃え、前記可視光の出射光軸を前記レーザ光の光軸に一致させ、前記レーザ光の光軸を前記上側リードフレームの表面に垂直な垂直線に対して傾け、前記レーザ光の光軸を前記上側リードフレームの表面に投影した投影軸に対して、前記圧延目の方向を直角にすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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