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JP4858238B2 - レーザ溶接部材およびそれを用いた半導体装置 - Google Patents

レーザ溶接部材およびそれを用いた半導体装置 Download PDF

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JP4858238B2 JP2007053959A JP2007053959A JP4858238B2 JP 4858238 B2 JP4858238 B2 JP 4858238B2 JP 2007053959 A JP2007053959 A JP 2007053959A JP 2007053959 A JP2007053959 A JP 2007053959A JP 4858238 B2 JP4858238 B2 JP 4858238B2
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laser welding
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克彦 吉原
圭輔 佐藤
友彰 後藤
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Fuji Electric Co Ltd
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Description

この発明は、溶接バラツキが少なく、低パワー・低エネルギーでレーザ溶接できるレーザ溶接部材およびそれを用いた半導体装置に関する。
図７〜図９は、従来の半導体モジュールの構成図であり、図７は要部平面図、図８は図７のＹ−Ｙ線で切断した要部断面図、図９は図７のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図である。
図７に示したのは、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）が６チップ、ＦＷＤ（フリーホイーリングダイオード）が６チップで構成される半導体モジュールの例であり、コンバータ回路やインバータ回路などの上下２アーム分で１相分に相当する。
従って、例えば、三相モータを駆動するインバータ回路に用いる場合には、この半導体モジュール１００が３個必要になり、単相モータを駆動するインバータ回路に用いる場合には２個必要になる。
また、図７で半導体モジュール１００の右半分に位置する配線パターン４に形成された３個の並列接続されたＩＧＢＴチップ１６と３個の並列接続されたＦＷＤチップ１８は、後述する図１０で示す上アームを構成し、左半分に位置する配線パターン７上に形成された３個の並列接続されたＩＧＢＴチップ１６と３個の並列接続されたＦＷＤチップ１８は図１０で示す下アームを構成する。
また、半導体モジュール１００の上半分と下半分のＩＧＢＴチップ１６およびＦＷＤチップ１８の個数がそれぞれ３個づつで同数になるように配置されているのは、半導体モジュール１００の発熱が均一になるようにしているためである。
図１０は、三相モータを駆動するインバータ回路である。ＩＧＢＴ５１とＦＷＤ５２は逆並列に接続して上アームまたは下アームを構成し、その３個の出力端子１４は三相モータ５３に接続する。ＩＧＢＴ５１は図７の３個の並列接続されたＩＧＢＴチップ１６で構成され、ＦＷＤ５２は図７の３個の並列接続されたＦＷＤチップ１８で構成される。
つぎに、図７〜図９の半導体モジュールの構成について説明する。セラミックス２ａおよびセラミックス２ｂの表側にそれぞれ形成された配線パターン４、５および配線パターン３、６、７と、裏面に形成された裏面導電膜２１と、配線パターン４、７にコレクタ側がはんだ２４で固着されるＩＧＢＴチップ１６とカソード側がはんだ２２で固着されるＦＷＤチップ１８と、ＩＧＢＴチップ１６のエミッタ側にはんだ２５で固着されるヒートスプレッダ１７と、ＦＷＤチップ１８のアノード側にはんだ２３で固着されるヒートスプレッダ１９と、ヒートスプレッダ１７、１９と配線パターン６を接続するアルミワイヤ２０と、配線パターン３、５、６とプラス端子８、マイナス端子１５、出力端子１４および配線パターン３と配線パターン４および配線パターン５と配線パターン７とをそれぞれ接続するアルミワイヤ９〜１３と、裏面導電膜２１にはんだ２６で固着される放熱基板１と、これらを被覆する図示しないモールド樹脂で構成される。
図７を用いて、半導体モジール１００内の電流経路４６、４７について説明する。
プラス端子８⇒アルミワイヤ９⇒配線パターン３⇒アルミワイヤ１０⇒配線パターン４⇒配線パターン上に搭載されたＩＧＢＴチップ１６⇒ＩＧＢＴチップ１６上に搭載されたヒートスプレッダ１７⇒アルミワイヤ２０⇒配線パターン５⇒アルミワイヤ１２⇒出力端子１４⇒図１０の三相モータ５３などの負荷装置⇒ここでは便宜的に図７の半導体モジュール１００で説明するが、実際は別の半導体モジュールの出力端子１４へ電流は流れる（図１０参照）⇒アルミワイヤ１２⇒配線パターン５⇒アルミワイヤ１１⇒配線パターン７⇒７上のＩＧＢＴチップ１６⇒ＩＧＢＴチップ１６上のヒートスプレッダ１７⇒アルミワイヤ２０⇒配線パターン６⇒アルミワイヤ１３⇒マイナス端子１５となる。この場合のアルミワイヤの線径は、φ３００μｍ〜５００μｍが用いられる。
近年のチップに通電する電流が増大するのにともない、アルミワイヤ２０、アルミワイヤ９、アルミワイヤ１０およびアルミワイヤ１２に流れる電流が増加し、これらのアルミワイヤの自己発熱による温度上昇が問題となっている。自己発熱を回避するために、これらのアルミワイヤを太くしたり、本数を増やすなどの対応がなされているが、ヒートスプレッダ１７、１９の表面積が限られているため、アルミワイヤの太線化及び本数増加には限界がある。一方、性能向上にともなって、ＩＧＢＴチップ１６やＦＷＤチップ１８は年々小型化されてきており、ワイヤボンディング可能な面積はさらに縮小化されてくるため、アルミワイヤに代わる配線方法が必要となってきている。
そこで、アルミワイヤよりも断面積が大きな銅箔（リードフレーム）などを用いることにより、大電流化に対応する技術が考案されている（特許文献１など）。
特許文献１において、半導体チップ上面のエミッタ電極に、銅箔などのリードフレームを超音波溶接する方法が開示されている。また、絶縁基板上の配線パターンと銅箔との接合は超音波接合もしくはレーザ溶接方法とすることが開示されている。
つぎに、リードフレームをレーザ溶接した従来の半導体装置（半導体モジュール）について説明する。
図１１〜図１３は、リードフレームをレーザ溶接した従来の半導体装置の構成図であり、図１１は要部平面図、図１２は図１１のＹ−Ｙ線で切断した要部断面図、図１３は図１１のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図である。
図１１〜図１３に示した構造例は、図７〜図９に示したアルミワイヤ９〜１３部分をリードフレーム２７、２８、６０とレーザ溶接部３３、３４に代え、リードフレーム２７、２８、６０の固着をレーザ溶接（レーザ溶接部３５、６１、６２、６３）にて行った場合のものである。図７で示した電流経路４６、４７は図１１でも同じであるので説明を省略する。
ここでレーザ溶接部材はヒートスプレッダ１７、１９とリードフレーム６０およびリードフレーム２７、２８、６０と配線パターン３、４、５、７さらには配線パターン３、５、６とプラス端子８、出力端子１４、マイナス端子１５であり、レーザ溶接部３３〜３５、６１〜６３でそれぞれが固着する。
また、特許文献２によれば、表面に母材よりもレーザ吸収率の高い金属膜を形成してこの高い金属膜にレーザ照射して溶接することが開示されている。
また、特許文献３によれば、銅からなるリードフレームをＹＡＧレーザ溶接する場合、そのリードフレーム表面にＮｉめっき膜が形成されていることが開示されている。
特開２００４−９６１３５号公報 特開平７−２１４３６９号公報 特開２００１−１６８２４４号公報
図１２に示した上側のリードフレーム６０（例えば、銅）を下側のヒートスプレッダ１７、１９（例えば、モリブデンの焼結体に銅を含浸させた複合材（以下、ＣｕＭｏ材という）にレーザ溶接する場合、上側のリードフレーム６０のレーザ照射面の吸収率が重要となる。例えば、レーザ光にＹＡＧレーザを用いた場合、ＹＡＧレーザの波長である１０６４ｎｍに対する銅（無酸素銅など）の吸収率は約１０％であり、そのままでは溶接が困難であることは周知である。そこで、銅のような低吸収率材の表面には、より吸収率の高いＮｉめっき膜等が形成されている。ＮｉめっきのＹＡＧレーザに対する吸収率は約２８％であり、銅の２．８倍である。
前記したように、銅からなるリードフレーム６０とＣｕＭｏ材材からなるヒートスプレッダ１７、１９をＹＡＧレーザ溶接する場合、そのリードフレーム６０表面にＮｉめっき膜が形成されていることは、特許文献３で示されている。しかし、このＮｉめっき膜の形成はレーザの吸収率を上げる目的か否かは記載されていない。また、このＮｉめっき膜の膜質が無電解Ｎｉめっき膜なのか電解Ｎｉめっき膜なのかは記載されていない。
また、特許文献２には、レーザ照射面となる金属膜と母材の融点差については触れられていない。
また、特許文献１においては、レーザ溶接するときＮｉめっき膜を銅箔に被覆することなどは示されていない。
発明者がＹＡＧレーザを用いて、図１２に示すリードフレーム６０を形成する銅の表面に無電解Ｎｉめっき処理を行い、ヒートスプレッダ１７、１９であるＣｕＭｏ材とレーザ溶接をしたので、その結果について説明する。ヒートスプレッダ１７、１９は半導体チップで発生した熱を効率よく放散させる効果があり、シリコンとの熱膨張係数が銅より近いＣｕＭｏ材やダングステンの焼結体に銅を含浸させた複合材（以下、ＣｕＷ材という）などの銅より高融点材料が多用される。
図１４は、表面に無電解Ｎｉめっき膜を形成した無酸素銅とＣｕＭｏ材との溶接強度のバラツキとレーザパワーの関係を示した図である。用いたレーザ溶接部材は上側に厚さが０．５ｍｍの無酸素銅３７、下側に厚さが１．０ｍｍのＣｕＭｏ材３９である。上側の無酸素銅３７の表面に無電解Ｎｉめっき膜３８を形成した。無電解Ｎｉめっき膜３８の厚さは２μｍ〜３μｍとした。ＹＡＧレーザ３６を用い、ファイバ径φ０．８ｍｍ、エネルギー１００Ｊおよびピークパワー７．３ｋＷ〜８．０ｋＷの範囲で溶接を行った。
図１４から分かるように、無電解Ｎｉめっき膜３８はレーザパワー７．９ｋＷ以下では強度不足であり、レーザパワー８ｋＷにするとスパッタが発生し、使用できるレーザパワー範囲が７．９ｋＷを超えて８ｋＷ未満と狭い。このように、許容されるレーザパワー範囲が狭く、溶接状態のバラツキも大きい理由について説明する。
図１５は、無酸素銅の表面に無電解Ｎｉめっき膜を形成し、ＣｕＭｏ材とレーザ溶接した場合の溶接様態を示す図で、同図（ａ）は溶接の初期状態の図、同図（ｂ）はパワーを増大させて溶接した場合の図、同図（ｃ）はパワーをさらに増大した場合の図である。これは無酸素銅３７の表面に無電解Ｎｉめっき膜３８を行ったリードフレーム６０と、ＣｕＭｏ材３９で形成したヒートスプレッダ１７、１９とをＹＡＧレーザ３６を用いて溶接した状態を示す。レーザ溶接部材としては上側が無酸素銅３７であり下側がＣｕＭｏ材３９である。
図１５（ａ）において、照射したＹＡＧレーザ光３６が無電解Ｎｉめっき３８表面に当たり、一部（約２８％）がＮｉめっきに吸収され、熱エネルギーに変換される。変換された熱エネルギーによりＮｉが加熱され、融点を超えると溶融する。ここで、用いた無電解Ｎｉめっき膜３８の融点は８９０℃であるので、熱エネルギーによってＮｉが加熱され、融点である８９０℃を超えた箇所（無電解Ｎｉめっき膜が無くなった箇所４０）から溶融が始まる。無電解Ｎｉめっき膜３８下層の無酸素銅３７の融点は１０８３℃であるので、表層の無電解Ｎｉめっき膜３８が溶融しても、下層の無酸素銅３７の融点には達しないため、溶融初期は無電解Ｎｉめっき膜３８のみが溶融した状態となる。
図１５（ｂ）において、所望の溶接強度を得るために、さらにレーザパワーを高くすると、溶融した無電解Ｎｉめっき膜３８が除去され、下層の無酸素銅３７の表面が出現すると考えられる。無酸素銅３７のＹＡＧレーザ光３６に対する吸収率は約１０％に過ぎないため、表層の無電解Ｎｉめっき膜３８が溶融するレーザパワーであっても、無酸素銅３７を溶融することができない。このため、レーザパワーを高くすると、今度は無電解Ｎｉめっき膜３８が飛散してしまい、レーザ吸収率が低い下層の無酸素銅３７が露出する。無電解Ｎｉめっき膜の除去状態により、下層の無酸素銅３７に対するＹＡＧレーザ光３６の当たり方にバラツキが生じるため、溶接バラツキが生じるものと考えられる。
また、この無酸素銅３７の面にＹＡＧレーザ光３６が照射されても吸収率が低いため、なかなか溶融させることができない。銅溶融部４１の面積が少なく、下側のＣｕＭｏ材３９との接合面積が不足しており、充分な溶接強度が得られていない。
図１５（ｃ）において、充分な溶接強度を得るためにさらにレーザパワーを高くすると、今度は銅溶接部４１が下側のＣｕＭｏ材３９を貫通してしまう。図１５では省略しているが、下側のＣｕＭｏ材３９の下には、はんだ２３、２５を介してＩＧＢＴチップ１６およびＦＷＤチップ１８が配置されているため、銅溶接部４１が貫通することでチップ破壊を引き起こしてしまう。また、仮に下側のＣｕＭｏ材３９がセラミックス２ａ、２ｂ上の配線パターン３〜７である場合（通常は銅であるが）には、銅溶融部４１が配線パターン３〜７下のセラミックス２ａ、２ｂを破壊し、電気的な不具合を引き起こしてしまう。
また、図１５（ｃ）に示したように、銅溶融部４１の一部がスパッタ４２として飛散した場合には、セラミックス２ａ、２ｂ上のＩＧＢＴチップ１６およびＦＷＤチップ１８の損傷、配線間の短絡が起こり、使用できなくなる。
このように、表面がＮｉめっき膜などの他の金属膜で被覆されていない無垢の無酸素銅３７の表面ではレーザ吸収率が低いため、無酸素銅３７の表面に無電解Ｎｉめっき膜３８を形成しても、無酸素銅３７で形成されたリードフレーム６０とＣｕＭｏ材３９で形成されたヒートスプレッダ１７、１９とのレーザ溶接においては所望の溶接状態を得ることが困難である。また、無電解Ｎｉめっき膜３８の飛散状態により、溶接状態が左右されるため溶接バラツキが多く、所望の溶接強度が得られるレーザパワー領域は狭い。これにより、出力の変動や、部材厚さのバラツキ、表面状態のバラツキなど、許容寸法公差内であっても、無電解めっき膜３８を形成した無酸素銅３７とＣｕＭｏ材３９のレーザ溶接部材の場合には、溶接バラツキが大きく、高パワー・高エネルギーのレーザ溶接となる。
この発明の目的は、前記の課題を解決して、溶接バラツキが少なく、低パワー・低エネルギーでレーザ溶接できるレーザ溶接部材およびそれを用いた半導体装置を提供することある。
前記の目的を達成するために、第１部材と該第１部材より融点の高い金属を主体主材とする第２部材で構成されるレーザ溶接部材において、前記第１部材の表面に該第１部材より融点の高い金属膜を被覆し、該金属膜をレーザ光の照射面とすることを特徴とするレーザ溶接部材。
また、前記第１部材が、無酸素銅もしくはタフピッチ銅であるとよい。
また、前記第２部材が、モリブデンもしくはタングステンを主材とし、その気孔部に銅を有する複合材であるとよい。この複合材はたとえば、モリブデンもしくはタングステンの焼結体に銅を含浸させて形成する。
また、前記金属膜が、電解Ｎｉメッキ膜、Ｃｒ膜、Ｃｏ膜、Ｔｉ膜もしくはＰｄ膜のいずれか一つであるとよい。
また、前記金属膜の膜厚が、１μｍ〜１００μｍであるとよい。
また、前記金属膜の膜厚が、１μｍ〜１０μｍであるとさらに好ましい。
また、前記のレーザ溶接部材を用いて形成した半導体装置において、ヒートスプレッダが前記第２部材で形成され、リードフレームが前記金属膜を被覆した前記第１部材で形成される半導体装置とする。
この発明によれば、銅であるリードフレームと銅より高融点材料であるＣｕＭｏ材やＣｕＷ材で形成されたヒートスプレッダとをレーザ溶接する場合に、リードフレームの表面に電解Ｎｉめっき膜を形成し、この電解Ｎｉめっき膜面にレーザ光を照射してレーザ溶接することで、溶接バラツキが少なく、低パワー・低エネルギーでレーザ溶接することができる。その結果、良好なレーザ溶接とスパッタの飛散防止により、半導体装置の良品率を高めることができる。
実施の形態を以下の実施例で説明する。
図１〜図４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Ｙ−Ｙ線で切断した要部断面図、図３は図１のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図、図４は図２のＡ部拡大図である。この半導体装置は複数の半導体チップ（ここでは３個のＩＧＢＴチップ１６と３個のＦＷＤチップ１８である）で構成される半導体モジュールである。図１１〜図１３と同一部位には同一の符号を付した。但し、ヒートスプレッダ１７、１９とレーザ溶接されるリードフレームは本発明のポイントとなる部位のため、その符号を６０（図１１）から２９（図１）と変更した。
セラミックス２ａおよびセラミックス２ｂの表側にそれぞれ形成された配線パターン４、５および配線パターン３、６、７と、裏面に形成された裏面導電膜２１と、配線パターン４、７にコレクタ側がはんだ２４で固着されるＩＧＢＴチップ１６とカソード側がはんだ２２で固着されるＦＷＤチップ１８と、ＩＧＢＴチップ１６のエミッタ側およびＦＷＤチップ１８のアノード側にはんだ２５、２３でそれぞれ固着されるヒートスプレッダ１７、１９と、これらのヒートスプレッダ１７、１９および配線パターン６にレーザ溶接でそれぞれ固着されるリードフレーム２９と、配線パターン３、５、６にレーザ溶接でそれぞれ固着されるプラス端子８、出力端子１４およびマイナス端子１５と、配線パターン３と配線パターン４にレーザ溶接で固着されるリードフレーム２７と、配線パターン５と配線パターン７にレーザ溶接で固着されるリードフレーム２８と、裏面導電膜２１にはんだ２６で固着される放熱基板１と、この放熱基板１の裏面を露出させ前記したＩＧＢＴチップ１６やＦＷＤチップ１８などを被覆した図示しないモールド樹脂（パッケージなど）で構成される。
ここでレーザ溶接部材はヒートスプレッダ１７、１９とリードフレーム２９およびリードフレーム２７、２８、２９と配線パターン３、４、５、７さらには配線パターン３、５、６とプラス端子８、出力端子１４、マイナス端子１５であり、レーザ溶接部３０〜３５でそれぞれが固着する。各部のレーザ溶接部の個数は流れる電流の大きさに応じて１個から１０個程度である。
前記のヒートスプレッダ１７、１９は、高融点部材であり、モリブデンもしくはタングステンを主材とし、その気孔部に銅を有する複合材である。この複合材はたとえば、モリブデンもしくはタングステンの焼結体に銅を含浸させて形成する。
モリブデンの焼結体に銅を含浸させた複合材（ＣｕＭｏ材）、タングステンの焼結体に銅を含浸させた複合材（ＣｕＷ材）である。また、このヒートスプレッダ１７、１９とレーザ溶接で固着されるリードフレーム２９は無酸素銅３７（もしくはタフピッチ銅）の表面にこれらの銅より融点の高い金属膜（例えば、電解Ｎｉめっき膜４３）などが被覆されている。この電解Ｎｉめっき膜４３の厚さは１μｍ〜１００μｍとし、好ましくは１μｍ〜１０μｍの範囲とする。厚さが１μｍ未満にするとＮｉ膜が形成されない箇所が発生する。また、１００μｍを超えるとめっきする時間が長くなり製造コストが増大する。尚、前記のヒートスプレッダ１７、１９の表面にも電解Ｎｉめっき膜４３を形成した場合にも同様の結果が得られる。
またレーザ溶接に用いるレーザ光の波長は０．１９μｍ（エキシマレーザ）〜１０．６μｍ（ＣＯ２ガスレーザ）の範囲で所望の波長を用いる。通常よく用いられるのはＹＡＧレーザ（波長が１．０６４μｍ）である。
尚、前記の電解Ｎｉめっき膜４３の代わりに、銅（Ｃｕ：融点１０８３℃）より高融点材料である、クロム（Ｃｒ：同１８５７℃）、コバルト（Ｃｏ：同１４９５℃）、チタン（Ｔｉ：同１６６０℃）およびパラジウム（Ｐｄ：同１５５４℃）などを用いてもよい。膜厚や使用するレーザ光の波長の範囲は電解Ｎｉめっき膜４３の場合と同じである。
また、これらの金属膜はめっき法で形成しても良いし、加熱圧接法を用いても良い。工業的に簡便なのは電気めっき法であるが、形成させる母材（無酸素銅もしくはタフピッチ銅）と金属膜の種類により、適宜選定すれば良い。
ここで、電解Ｎｉめっき膜４３で被覆した無酸素銅３７とＣｕＭｏ材３９とのレーザ溶接について詳細に説明する。
従来例に示した無電解Ｎｉめっき膜３８は非晶質であるため、融点は８９０℃であるが、電解Ｎｉめっき膜４３は微結晶から結晶性（結晶化されていること）であるため融点が高く、１４５０℃である。
図５は、電解Ｎｉめっき膜を形成した銅と銅より高融点材料であるＣｕＭｏ材との溶接強度のバラツキとレーザパワーの関係を示した図である。参考までに図１４で説明した無電解Ｎｉめっき膜３８の場合も図示した。
用いたレーザ溶接部材は上側に厚さが０．５ｍｍの無酸素銅３７（リードフレーム２９）、下側に厚さが１．０ｍｍのＣｕＭｏ材３９（ヒートスプレッダ１７、１９）である。上側の無酸素銅３７の表面に電解Ｎｉめっき膜４３（従来は無電解Ｎｉめっき膜３８）を形成した。電解Ｎｉめっき膜４３の厚さは２μｍ〜３μｍとした。レーザはＹＡＧレーザ３６を用い、ファイバ径φ０．８ｍｍ、エネルギー１００Ｊおよびピークパワー７．３ｋＷ〜８．０ｋＷの範囲で溶接を行った。
従来の無電解Ｎｉめっき膜３８では前記したように溶接強度のバラツキが大きいが、電解Ｎｉめっき膜４３ではバラツキが小さく抑制された。また、前記したように、無電解Ｎｉめっき膜３８では使用できるレーザパワー範囲が７．９ｋＷを超えて８ｋＷ未満と狭いが、電解Ｎｉめっき膜４３では、レーザパワー７．４ｋＷ〜７．６ｋＷの広い範囲で充分な接合強度が得られ、スパッタの発生も無く良好であった。
ここで、電解Ｎｉめっき膜４３にすることで、溶接バラツキが少なくなりレーザパワーが低くても溶接が可能となった理由について、以下に説明する。
図６は、無酸素銅に電解Ｎｉめっき膜を形成し、ＣｕＭｏ材とレーザ溶接した場合の溶接形態を説明する図で、同図（ａ）は溶接の初期状態の図、同図（ｂ）は溶接後の状態の図である。
図６（ａ）において、無酸素銅３７の表面に形成された電解Ｎｉめっき膜４３の表面をレーザ照射面としてＹＡＧレーザ光３６を照射すると、無電解Ｎｉめっき膜３８で説明した場合と同じように、一部のレーザ光（ＮｉのＹＡＧレーザ光３６に対する吸収率は約２８％）はＮｉに吸収され、熱エネルギーに変換される。この熱エネルギーによって電解Ｎｉめっき膜４３が加熱され、電解Ｎｉめっき膜４３の融点１４５０℃に達すると、溶融し始め溶融したＮｉめっき層４４が形成される。ここで、電解Ｎｉめっき膜４３の下層である無酸素銅３７の融点は１０８３℃であるので、表層の電解Ｎｉめっき膜４３が溶融した時（溶融したＮｉめっき層４４が形成された時）は、既に下層の無酸素銅３７は溶融状態にあると考えられる。
溶融した電解Ｎｉめっき膜４４（融点１４５０℃）が無酸素銅３７表面から一部除去され、無垢（電解Ｎｉめっき膜４３のない）の無酸素銅３７表面が露出したとしても、既に無酸素銅３７表面は融点の１０８３℃以上に達していると思われるため、もはや固体の銅のレーザ吸収率ではなくなり、レーザ吸収率は高くなっている。
溶融状態の金属に対するＹＡＧレーザ３６の吸収率は、固体状態の金属より数倍高くなることは一般的によく知られていることである。よって、表面に電解Ｎｉめっき膜４３を形成したものは、表面に無電解Ｎｉめっき膜３８を形成した場合よりも低いレーザパワーで溶接が可能となったと考えられる。
電解Ｎｉめっき膜４３を表層に形成することで、表面材質自体の融点は高くなるが、一度溶融すればその下層の無酸素銅３７も溶融状態にあるため、低いレーザパワーで容易に溶接が可能となるものと考えられる。
また、図６（ｂ）に示すように、レーザパワーとしては、表層の電解Ｎｉめっき膜４３を溶融させることができるパワーを少し超えたパワーで下側のＣｕＭｏ材３９を溶融させ、所望の深さの銅溶融部４５（レーザ溶接部３０、３１）が形成されるので、溶融状態のコントロールがしやすく、溶接バラツキの少ない接合が可能となる。
尚、前記の実施例での説明は、電解Ｎｉめっき膜４３をリードフレーム２９の表面に形成し場合であるが、リードフレーム２７、２８、プラス端子８、出力端子１４およびマイナス端子１５が無酸素銅３７で形成されている場合、その表面に電解Ｎｉめっき膜４３を形成しても、前記と同様に溶接バラツキが少なくなりレーザパワーを低くても溶接が可能となる。但し、この場合には下地が、通常、銅（例えば、無酸素銅）で形成された配線パターン３〜７である場合には、レーザ溶接時にスパッタが発生しやすいので、溶接箇所以外の領域にスパッタが飛散するのを防止する方策が必要となる。
この発明の第１実施例の半導体装置の要部平面図 図１のＹ−Ｙ線で切断した要部断面図 図１のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図 図２のＡ部拡大図 電解Ｎｉめっき膜を形成した銅と銅より高融点材料であるＣｕＭｏ材との溶接強度のバラツキとレーザパワーの関係を示した図 無酸素銅に電解Ｎｉめっき膜を形成し、ＣｕＭｏ材とレーザ溶接した場合の溶接形態を説明する図で、（ａ）は溶接の初期状態の図、（ｂ）は溶接後の状態の図 従来の半導体モジュールの要部平面図 図７のＹ−Ｙ線で切断した要部断面図 図７のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図 三相モータを駆動するインバータ回路 リードフレームをレーザ溶接した従来の半導体装置の要部平面図 図１１のＹ−Ｙ線で切断した要部断面図 図１１のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図 表面に無電解Ｎｉめっき膜を形成した無酸素銅とＣｕＭｏ材との溶接強度のバラツキとレーザパワーの関係を示した図 無酸素銅の表面に無電解Ｎｉめっき膜を形成し、ＣｕＭｏ材とレーザ溶接した場合の溶接様態を示す図で、（ａ）は溶接の初期状態の図、（ｂ）はパワーを増大させて溶接した場合の図、（ｃ）はパワーをさらに増大した場合の図
符号の説明
１ 放熱基板
２ａ セラミックス（上アーム）
２ｂ セラミックス（下アーム）
３、４、５、６、７ 配線パターン
８ プラス端子
１４ 出力端子
１５ マイナス端子
１６ ＩＧＢＴチップ
１７ ヒートスプレッダ（ＩＧＢＴ上）
１８ ＦＷＤチップ
１９ ヒートスプレッダ（ＦＷＤ上）
２１ 裏面導電膜
２２、２３、２４、２５、２６ はんだ
２７、２８ リードフレーム（配線パターン間接続）
２９ リードフレーム（ヒートスプレッダと接続）
３０、３１、３２、３３、３４、３５ レーザ溶接部
３６ レーザ光
３７ 無酸素銅
３９ ＣｕＭｏ材
４３ 電解Ｎｉめっき膜
４４ 溶融したＮｉめっき層
４５ 銅溶融部

Claims (7)

  1. 第１部材と該第１部材より融点の高い金属を主材とする第２部材で構成されるレーザ溶接部材において、前記第１部材の表面に該第１部材より融点の高い金属膜を被覆し、該金属膜をレーザ光の照射面とすることを特徴とするレーザ溶接部材。
  2. 前記第１部材が、無酸素銅もしくはタフピッチ銅であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接部材。
  3. 前記第２部材が、モリブデンもしくはタングステンを主材とし気孔部に銅を有する複合材であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接部材。
  4. 前記金属膜が、電解Ｎｉメッキ膜、Ｃｒ膜、Ｃｏ膜、Ｔｉ膜もしくはＰｄ膜のいずれか一つ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レーザ溶接部材。
  5. 前記金属膜の膜厚が、１μｍ〜１００μｍであることを特徴とする請求項４に記載のレーザ溶接部材。
  6. 前記金属膜の膜厚が、１μｍ〜１０μｍであることを特徴とする請求項５に記載のレーザ溶接部材。
  7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載のレーザ溶接部材を用いて形成した半導体装置において、ヒートスプレッダが前記第２部材で形成され、リードフレームが前記金属膜を被覆した前記第１部材で形成されることを特徴とする半導体装置。
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