特許 7687883 半導体装置および溶接方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-05-26

(45)【発行日】2025-06-03

(54)【発明の名称】半導体装置および溶接方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/21 20140101AFI20250527BHJP

   B23K 26/067 20060101ALI20250527BHJP

   H01L 21/60 20060101ALI20250527BHJP

   H01L 25/07 20060101ALI20250527BHJP

   H01L 25/18 20230101ALI20250527BHJP

【ＦＩ】

B23K26/21 N

B23K26/21 G

B23K26/067

H01L21/60 321E

H01L25/04 C

【請求項の数】 21

(21)【出願番号】P 2021106058

(22)【出願日】2021-06-25

(65)【公開番号】P2022013800

(43)【公開日】2022-01-18

【審査請求日】2024-05-29

(31)【優先権主張番号】P 2020113426

(32)【優先日】2020-06-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000005290

【氏名又は名称】古河電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】西野 史香

(72)【発明者】

【氏名】松本 暢康

(72)【発明者】

【氏名】安岡 知道

(72)【発明者】

【氏名】寺田 淳

(72)【発明者】

【氏名】尹 大烈

(72)【発明者】

【氏名】梅野 和行

(72)【発明者】

【氏名】金子 昌充

【審査官】山内 隆平

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１３／０３９０９９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１５－１１９０７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／１５９８５７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１１－０１８８２３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ２６／２１

Ｂ２３Ｋ ２６／０６７

Ｈ０１Ｌ ２１／６０

Ｈ０１Ｌ ２５／０７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第一方向の端部で当該第一方向と交差した第一面を有した基板と、
電極を有し、前記第一面上に設けられた半導体パワーデバイスと、
前記第一面上に設けられ、前記電極と電気的に接続された導体と、
前記第一方向の端部で前記第一方向と交差した表面を有し、前記導体に対して前記第一方向に隣接したバスバーと、
前記導体と前記バスバーとを機械的かつ電気的に接続する溶接部と、
を備え、
前記溶接部は、
前記表面から前記第一方向の反対方向に延びるとともに、前記表面に沿って前記第一方向と交差した第二方向に延び、
第一部位と、少なくとも当該第一部位に対して前記第一方向および前記第二方向と交差した第三方向における両側に位置し前記第一方向に沿った断面における結晶粒の断面積の平均値が前記第一部位よりも大きい第二部位と、を有した溶接金属と、
前記溶接金属の周囲に位置された熱影響部と、
を有し、
前記溶接金属の前記導体と前記バスバーとの溶融前境界よりも前記導体側の領域における前記第一部位の体積比率が、当該領域における前記第二部位の体積比率よりも小さい、半導体装置。

【請求項2】

前記第二部位は、第一部位に対して前記第一方向の反対方向に隣接した部位を含む、請求項１に記載の半導体装置。

【請求項3】

前記溶接金属の前記表面での幅に対する前記溶接金属の前記表面からの深さの比が、０．５以上かつ１０以下である、請求項１または２に記載の半導体装置。

【請求項4】

前記溶接部として、一つのバスバーについて複数の溶接部を有した、請求項１～３のうちいずれか一つに記載の半導体装置。

【請求項5】

前記導体と前記バスバーとの間には隙間が設けられ、
前記溶接部は、前記隙間内に存在する介在部位を有した、請求項１～４のうちいずれか一つに記載の半導体装置。

【請求項6】

前記導体および前記バスバーのそれぞれは、銅系金属材料、アルミニウム系金属材料、およびニッケルめっきが施された金属材料のうちのいずれか一つで作られている、請求項１～５のうちいずれか一つに記載の半導体装置。

【請求項7】

請求項１～６のうちいずれか一つに記載の半導体装置の導体部分の溶接方法であって、
前記表面にレーザ光を照射することにより、前記導体と前記バスバーとを溶接する第一ステップを有し、
前記レーザ光は、８００［ｎｍ］以上かつ１２００［ｎｍ］以下の波長の第一レーザ光と、５５０［ｎｍ］以下の波長の第二レーザ光と、を含む、溶接方法。

【請求項8】

前記第二レーザ光の波長は、４００［ｎｍ］以上かつ５００［ｎｍ］以下である、請求項７に記載の溶接方法。

【請求項9】

前記レーザ光は、前記表面上で掃引方向に掃引され、
前記表面上において、前記第二レーザ光によって前記表面上に形成される第二スポットの少なくとも一部は、前記第一レーザ光によって前記表面上に形成される第一スポットよりも前記掃引方向の前方に位置している、請求項７または８に記載の溶接方法。

【請求項10】

前記表面上において、前記第一スポットと前記第二スポットとは少なくとも部分的に重なっている、請求項９に記載の溶接方法。

【請求項11】

前記表面上において、前記第二スポットの第二外縁は、前記第一スポットの第一外縁を取り囲んでいる、請求項９に記載の溶接方法。

【請求項12】

前記バスバーの前記第一方向に沿った厚さは、０．２［ｍｍ］以上かつ１［ｍｍ］以下であり、
前記第一レーザ光によって前記表面が前記レーザ光と垂直な平面である場合の当該平面上に形成される第一スポットのスポット径は、１４［μｍ］以上かつ１５０［μｍ］以下であり、
前記第一レーザ光のパワーは、０．３［ｋＷ］以上かつ２［ｋＷ］以下であり、
前記第二レーザ光によって前記表面が前記レーザ光と垂直な平面である場合の当該平面上に形成される第二スポットのスポット径は、１００［μｍ］以上かつ９００［μｍ］以下であり、
前記第二レーザ光のパワーは、０．０１［ｋＷ］以上かつ１［ｋＷ］以下である、請求項７～１１のうちいずれか一つに記載の溶接方法。

【請求項13】

前記導体と前記バスバーとの積層体の前記第一方向の厚さは、０．２［ｍｍ］以上かつ１［ｍｍ］以下であり、
前記第一方向の単位長さあたりの前記第一レーザ光のエネルギ密度は、１２０［Ｊ／ｍｍ^３］以上であり、
前記第一方向の単位長さあたりの前記第二レーザ光のエネルギ密度は、５［Ｊ／ｍｍ^３］以上かつ５０［Ｊ／ｍｍ^３］以下である、請求項７～１２のうちいずれか一つに記載の溶接方法。

【請求項14】

前記第一面上において、前記第二レーザ光のパワー密度が、０．１５［ＭＷ／ｃｍ^２］以上かつ５［ＭＷ／ｃｍ^２］以下である、請求項７～１３のうちいずれか一つに記載の溶接方法。

【請求項15】

前記レーザ光は、複数のビームを含む、請求項７～１４のうちいずれか一つに記載の溶接方法。

【請求項16】

前記レーザ光は、ビームシェイパにより複数のビームに分割された、請求項１５に記載の溶接方法。

【請求項17】

前記レーザ光の照射時間が、０．０１［ｓ］以上かつ０．５［ｓ］以下である、請求項７～１６のうちいずれか一つに記載の溶接方法。

【請求項18】

前記半導体装置は、前記電極と電気的に接続された導体としてのワイヤを有し、
前記溶接方法は、第三レーザ光を照射することにより、前記ワイヤと前記導体とを溶接する第二ステップを有し、
前記第三レーザ光の波長は、４００［ｎｍ］以上かつ５００［ｎｍ］以下である、請求項７～１７のうちいずれか一つに記載の溶接方法。

【請求項19】

前記ワイヤは、銅系金属材料、アルミニウム系金属材料、およびニッケルめっきが施された金属材料のうちのいずれか一つで作られている、請求項１８に記載の溶接方法。

【請求項20】

前記第三レーザ光によって前記ワイヤの被照射面が前記レーザ光の照射方向と垂直な平面である場合の当該平面上に形成される第三スポットのスポット径は、５０［μｍ］以上かつ８００［μｍ］以下であり、
前記第三レーザ光のパワーは、０．０５［ｋＷ］以上かつ２［ｋＷ］以下であり、
前記第三レーザ光の一箇所あたりの照射時間は、０．０５［ｓ］以上かつ０．５［ｓ］以下である、請求項１８または１９に記載の溶接方法。

【請求項21】

前記第三レーザ光のパワー密度が、０．２［ＭＷ／ｃｍ^２］以上かつ１．３［ＭＷ／ｃｍ^２］以下である、請求項２０に記載の溶接方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体装置および溶接方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、内部にレーザ溶接によって接合されている導体の接続部分を有した半導体装置が、知られている（例えば、特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許第５６３３５８１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

この種の溶接においては、所要の接合強度の確保は勿論のこと、周囲の素子や、基板、配線等にスパッタが飛んだり熱影響を与えたりしないようにすることは、重要である。

【0005】

そこで、本発明の課題の一つは、例えば、より改善された溶接方法によって電気的に接続された導体の接続部分を有した半導体装置、および当該溶接方法を得ること、である。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の半導体装置にあっては、例えば、第一方向の端部で当該第一方向と交差した第一面を有した基板と、電極を有し、前記第一面上に設けられた半導体パワーデバイスと、前記第一面上に設けられ、前記電極と電気的に接続された導体と、前記第一方向の端部で前記第一方向と交差した表面を有し、前記導体に対して前記第一方向に隣接したバスバーと、前記導体と前記バスバーとを機械的かつ電気的に接続する溶接部と、を備え、前記溶接部は、第一部位と、前記第一方向に沿った断面における結晶粒の断面積の平均値が前記第一部位よりも大きい第二部位と、を有した溶接金属と、前記溶接金属の周囲に位置された熱影響部と、を有している。

【0007】

前記半導体装置では、例えば、前記溶接金属の前記導体と前記バスバーとの溶融前境界よりも前記導体側の領域における前記第一部位の体積比率が、当該領域における前記第二部位の体積比率よりも小さい。

【0008】

前記半導体装置では、例えば、前記溶接金属の前記表面での幅に対する前記溶接金属の前記表面からの深さの比が、０．５以上かつ１０以下である。

【0009】

前記半導体装置では、例えば、前記溶接部は、前記表面に沿って前記第一方向と交差した第二方向に延びている。

【0010】

前記半導体装置は、例えば、前記溶接部として、一つのバスバーについて複数の溶接部を有している。

【0011】

また、本発明の半導体装置にあっては、例えば、第一方向の端部で当該第一方向と交差した第一面を有した基板と、電極を有し、前記第一面上に設けられた半導体パワーデバイスと、前記第一面上に設けられ、前記電極と電気的に接続された導体と、前記第一方向の端部で前記第一方向と交差した表面を有し、前記導体に対して前記第一方向に隣接したバスバーと、前記導体と前記バスバーとを機械的かつ電気的に接続する溶接部と、を備え、前記導体と前記バスバーとの間には隙間が設けられ、前記溶接部は、前記隙間内に存在する介在部位を有している。

【0012】

また、本発明の半導体装置にあっては、例えば、第一方向の端部で当該第一方向と交差した第一面を有した基板と、電極を有し、前記第一面上に設けられた半導体パワーデバイスと、前記第一面上に設けられ、前記電極と電気的に接続された導体と、前記第一方向の端部で前記第一方向と交差した表面を有し、前記導体に対して前記第一方向に隣接したバスバーと、前記導体と前記バスバーとを機械的かつ電気的に接続する溶接部と、を備え、前記溶接部は、前記溶接部の前記表面での幅に対する前記溶接部の前記表面からの前記第一方向の反対方向への深さの比が、０．５以上かつ１０以下である。

【0013】

前記半導体装置では、例えば、前記導体および前記バスバーのそれぞれは、銅系金属材料、アルミニウム系金属材料、およびニッケルめっきが施された金属材料のうちのいずれか一つで作られている。

【0014】

また、本発明の溶接方法にあっては、例えば、第一方向の端部で当該第一方向と交差した第一面を有した基板と、電極を有し、前記第一面上に設けられた半導体パワーデバイスと、前記第一面上に設けられ、前記電極と電気的に接続された導体と、前記第一方向の端部で前記第一方向と交差した表面を有し、前記導体に対して前記第一方向に隣接したバスバーと、前記導体と前記バスバーとを機械的かつ電気的に接続する溶接部と、を備えた半導体装置の導体部分の溶接方法であって、前記表面にレーザ光を照射することにより、前記導体と前記バスバーとを溶接する第一ステップを有し、前記レーザ光は、８００［ｎｍ］以上かつ１２００［ｎｍ］以下の波長の第一レーザ光と、５５０［ｎｍ］以下の波長の第二レーザ光と、を含んでいる。

【0015】

前記溶接方法では、例えば、前記第二レーザ光の波長は、４００［ｎｍ］以上かつ５００［ｎｍ］以下である。

【0016】

前記溶接方法では、例えば、前記レーザ光は、前記表面上で掃引方向に掃引され、前記表面上において、前記第二レーザ光によって前記表面上に形成される第二スポットの少なくとも一部は、前記第一レーザ光によって前記表面上に形成される第一スポットよりも前記掃引方向の前方に位置している。

【0017】

前記溶接方法では、例えば、前記表面上において、前記第一スポットと前記第二スポットとは少なくとも部分的に重なっている。

【0018】

前記溶接方法では、例えば、前記表面上において、前記第二スポットの第二外縁は、前記第一スポットの第一外縁を取り囲んでいる。

【0019】

前記溶接方法では、例えば、前記バスバーの前記第一方向に沿った厚さは、０．２［ｍｍ］以上かつ１［ｍｍ］以下であり、前記第一レーザ光によって前記表面が前記レーザ光と垂直な平面である場合の当該平面上に形成される第一スポットのスポット径は、１４［μｍ］以上かつ１５０［μｍ］以下であり、前記第一レーザ光のパワーは、０．３［ｋＷ］以上かつ２［ｋＷ］以下であり、前記第二レーザ光によって前記表面が前記レーザ光と垂直な平面である場合の当該平面上に形成される第二スポットのスポット径は、１００［μｍ］以上かつ９００［μｍ］以下であり、前記第二レーザ光のパワーは、０．０１［ｋＷ］以上かつ１［ｋＷ］以下である。

【0020】

前記溶接方法では、例えば、前記導体と前記バスバーとの積層体の前記第一方向の厚さは、０．２［ｍｍ］以上かつ１［ｍｍ］以下であり、前記第一方向の単位長さあたりの前記第一レーザ光のエネルギ密度は、１２０［Ｊ／ｍｍ^３］以上であり、前記第一方向の単位長さあたりの前記第一レーザ光のエネルギ密度は、５［Ｊ／ｍｍ^３］以上かつ５０［Ｊ／ｍｍ^３］以下である。

【0021】

前記溶接方法では、例えば、前記第一面上において、前記第二レーザ光のパワー密度が、０．１５［ＭＷ／ｃｍ^２］以上かつ５［ＭＷ／ｃｍ^２］以下である。

【0022】

前記溶接方法では、例えば、前記レーザ光は、複数のビームを含んでいる。

【0023】

前記溶接方法では、例えば、前記レーザ光は、ビームシェイパにより複数のビームに分割されている。

【0024】

前記溶接方法では、例えば、前記レーザ光の照射時間が、０．０１［ｓ］以上かつ０．５［ｓ］以下である。

【0025】

前記溶接方法では、例えば、前記半導体装置は、前記電極と電気的に接続された導体としてのワイヤを有し、前記溶接方法は、第三レーザ光を照射することにより、前記ワイヤと前記導体とを溶接する第二ステップを有し、前記第三レーザ光の波長は、４００［ｎｍ］以上かつ５００［ｎｍ］以下である。

【0026】

前記溶接方法では、例えば、前記ワイヤは、銅系金属材料、アルミニウム系金属材料、およびニッケルめっきが施された金属材料のうちのいずれか一つで作られている。

【0027】

前記溶接方法では、例えば、前記第三レーザ光によって前記ボンディングワイヤの被照射面が前記レーザ光の照射方向と垂直な平面である場合の当該平面上に形成される第三スポットのスポット径は、５０［μｍ］以上かつ８００［μｍ］以下であり、前記第三レーザ光のパワーは、０．０５［ｋＷ］以上かつ２［ｋＷ］以下であり、前記第三レーザ光の一箇所あたりの照射時間は、０．０５［ｓ］以上かつ０．５［ｓ］以下である。

【0028】

前記溶接方法では、例えば、前記第三レーザ光のパワー密度が、０．２［ＭＷ／ｃｍ^２］以上かつ１．３［ＭＷ／ｃｍ^２］以下である。

【発明の効果】

【0029】

本発明によれば、例えば、より改善された溶接方法によって電気的に接続された導体の接続部分を有した半導体装置、および当該溶接方法を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1】図１は、第１実施形態のレーザ溶接装置の例示的な概略構成図である。

【図2】図２は、第１実施形態のレーザ溶接装置の加工対象としての積層体の例示的かつ模式的な断面図である。

【図3】図３は、第１実施形態の半導体装置の例示的かつ模式的な側面図である。

【図4】図４は、第１実施形態のレーザ溶接装置によって加工対象の表面上に形成されるレーザ光のビーム（スポット）を示す例示的な模式図である。

【図5】図５は、照射するレーザ光の波長に対する各金属材料の光の吸収率を示すグラフである。

【図6】図６は、第１実施形態のレーザ溶接装置に含まれる回折光学素子の原理の概念を示す説明図である。

【図7】図７は、第１実施形態のレーザ溶接装置による導体とバスバーとの溶接部における第一レーザ光のパワー密度と第二レーザ光のパワー密度との組み合わせによる溶接の実験結果を示すグラフである。

【図8】図８は、第１実施形態のレーザ溶接装置によるバスバーとボンディングワイヤとの溶接部における第三レーザ光の照射時間と第三レーザ光のパワー密度との組み合わせによる実験結果を示すグラフである。

【図9】図９は、第２実施形態のレーザ溶接装置の加工対象としての積層体の例示的かつ模式的な断面図である。

【図10】図１０は、第３実施形態のレーザ溶接装置の加工対象としての積層体の例示的かつ模式的な断面図である。

【図11】図１１は、第３実施形態の半導体装置の一部の例示的かつ模式的な平面図である。

【図12】図１２は、第４実施形態の半導体装置の例示的かつ模式的な側面図である。

【図13】図１３は、実施形態のレーザ溶接装置によって加工対象の表面上に形成されるレーザ光のビーム（スポット）の一例を示す模式図である。

【図14】図１４は、実施形態のレーザ溶接装置によって加工対象の表面上に形成されるレーザ光のビーム（スポット）の一例を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0031】

以下、本発明の例示的な実施形態および変形例が開示される。以下に示される実施形態および変形例の構成、ならびに当該構成によってもたらされる作用および結果（効果）は、一例である。本発明は、以下の実施形態および変形例に開示される構成以外によっても実現可能である。また、本発明によれば、構成によって得られる種々の効果（派生的な効果も含む）のうち少なくとも一つを得ることが可能である。

【0032】

以下に示される実施形態および変形例は、同様の構成を備えている。よって、各実施形態および変形例の構成によれば、当該同様の構成に基づく同様の作用および効果が得られる。また、以下では、それら同様の構成には同様の符号が付与されるとともに、重複する説明が省略される場合がある。

【0033】

また、各図において、Ｘ方向を矢印Ｘで表し、Ｙ方向を矢印Ｙで表し、Ｚ方向を矢印Ｚで表している。Ｘ方向、Ｙ方向、およびＺ方向は、互いに交差するとともに直交している。Ｚ方向は、加工対象Ｗの表面Ｗａ（加工面、溶接面）の法線方向であり、積層体１０の厚さ方向であり、導体１２とバスバー１３との積層方向である。また、各図では、便宜上、レーザ光Ｌの表面Ｗａにおける掃引方向ＳＤがＸ方向に沿っている例が図示されているが、掃引方向ＳＤは、表面Ｗａに沿うとともにＺ方向と交差していればよく、Ｘ方向のみに沿うものではない。

【0034】

また、本明細書において、序数は、部品や、部材、部位、レーザ光、方向等を区別するために便宜上付与されており、優先度や順番を示すものではない。

【0035】

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態のレーザ溶接装置１００の概略構成図である。図１に示されるように、レーザ溶接装置１００は、レーザ装置１１１と、レーザ装置１１２と、光学ヘッド１２０と、光ファイバ１３０と、を備えている。レーザ溶接装置１００は、溶接装置の一例である。

【0036】

レーザ装置１１１，１１２は、それぞれ、レーザ発振器を有しており、例えば、数ｋＷのパワーのレーザ光を出力できるよう構成されている。レーザ装置１１１，１１２は、３８０［ｎｍ］以上かつ１２００［ｎｍ］以下の波長のレーザ光を出射する。レーザ装置１１１，１１２は、内部に、例えば、ファイバレーザや、半導体レーザ（素子）、ＹＡＧレーザ、ディスクレーザのような、レーザ光源を有している。レーザ装置１１１，１１２は、複数の光源の出力の合計として、数ｋＷのパワーのマルチモードのレーザ光を出力できるよう構成されてもよい。

【0037】

レーザ装置１１１は、８００［ｎｍ］以上かつ１２００［ｎｍ］以下の波長の第一レーザ光を出力する。レーザ装置１１１は、第一レーザ装置の一例である。一例として、レーザ装置１１１は、レーザ光源として、ファイバレーザかあるいは半導体レーザ（素子）を有する。レーザ装置１１１が有するレーザ発振器は、第一レーザ発振器の一例である。

【0038】

他方、レーザ装置１１２は、５５０［ｎｍ］以下の波長の第二レーザ光を出力する。レーザ装置１１２は、第二レーザ装置の一例である。一例として、レーザ装置１１２は、レーザ光源として、半導体レーザ（素子）を有する。レーザ装置１１２は、４００［ｎｍ］以上かつ５００［ｎｍ］以下の波長の第二レーザ光を出力するのが好適である。レーザ装置１１２が有するレーザ発振器は、第二レーザ発振器の一例である。

【0039】

光ファイバ１３０は、それぞれ、レーザ装置１１１，１１２から出力されたレーザ光を光学ヘッド１２０に導く。

【0040】

光学ヘッド１２０は、レーザ装置１１１，１１２から入力されたレーザ光を、加工対象Ｗに向かって照射するための光学装置である。光学ヘッド１２０は、コリメートレンズ１２１と、集光レンズ１２２と、ミラー１２３と、フィルタ１２４と、を備えている。コリメートレンズ１２１、集光レンズ１２２、ミラー１２３、およびフィルタ１２４は、光学部品とも称されうる。

【0041】

光学ヘッド１２０は、加工対象Ｗの表面Ｗａ上でレーザ光Ｌの照射を行いながらレーザ光Ｌを掃引するために、加工対象Ｗとの相対位置を変更可能に構成されている。光学ヘッド１２０と加工対象Ｗとの相対移動は、光学ヘッド１２０の移動、加工対象Ｗの移動、または光学ヘッド１２０および加工対象Ｗの双方の移動により、実現されうる。

【0042】

なお、光学ヘッド１２０は、図示しないガルバノスキャナ等を有することにより、表面Ｗａ上でレーザ光Ｌを掃引可能に構成されてもよい。

【0043】

コリメートレンズ１２１（１２１－１，１２１－２）は、それぞれ、光ファイバ１３０を介して入力されたレーザ光をコリメートする。コリメートされたレーザ光は、平行光になる。

【0044】

ミラー１２３は、コリメートレンズ１２１－１で平行光となった第一レーザ光を反射する。ミラー１２３で反射した第一レーザ光は、Ｚ方向の反対方向に進み、フィルタ１２４へ向かう。なお、第一レーザ光が光学ヘッド１２０においてＺ方向の反対方向へ進むように入力される構成にあっては、ミラー１２３は不要である。

【0045】

フィルタ１２４は、第一レーザ光を透過し、かつ第二レーザ光を透過せずに反射するハイパスフィルタである。第一レーザ光は、フィルタ１２４を透過してＺ方向の反対方向へ進み、集光レンズ１２２へ向かう。他方、フィルタ１２４は、コリメートレンズ１２１－２で平行光となった第二レーザ光を反射する。フィルタ１２４で反射した第二レーザ光は、Ｚ方向の反対方向に進み、集光レンズ１２２へ向かう。

【0046】

集光レンズ１２２は、平行光としての第一レーザ光および第二レーザ光を集光し、レーザ光Ｌ（出力光）として、加工対象Ｗへ照射する。

【0047】

加工対象Ｗは、基板１１上の導体１２とバスバー１３とが、Ｚ方向に積層された積層体１０である。積層体１０は、積層体の一例である。

【0048】

図２は、積層体１０の断面図である。積層体１０は、導体１２と、バスバー１３と、溶接部１４と、を有している。溶接部１４は、導体１２とバスバー１３とを、機械的かつ電気的に接続している。導体１２およびバスバー１３は、導電性を有した金属材料で作られており、金属部材とも称されうる。

【0049】

導体１２は、基板１１の面１１ａ上に設けられている。面１１ａは、基板１１のＺ方向の端部に位置し、Ｚ方向と交差するとともに直交して広がっている。面１１ａは、第一面の一例である。基板１１は、絶縁性を有しており、例えば、セラミック基板である。

【0050】

導体１２は、一例として、Ｚ方向と交差して広がった板状の形状を有している。ただし、導体１２は、板状の部材には限定されない。また、バスバー１３も、一例として、Ｚ方向と交差して広がった板状の形状を有している。ただし、バスバー１３は、板状の部材には限定されない。バスバー１３は、溶接部１４によって溶接される部分（以下、被溶接部分と称する）においては、導体１２に対してＺ方向に隣接して設けられ、導体１２に対して当該Ｚ方向に略密着した状態に積層されている。

【0051】

積層体１０は、レーザ溶接装置１００によって溶接されるに際し、不図示の固定具によって上述した積層状態で一体的に仮止めされ、例えば、表面Ｗａの法線方向がＺ方向と略平行となる姿勢で、セットされる。表面Ｗａは、バスバー１３の被溶接部分において、Ｚ方向の端部でＺ方向と交差するとともに直交して広がっている。表面Ｗａは、バスバー１３の被溶接部分のＺ方向の端面であり、積層体１０のＺ方向の端面でもある。

【0052】

レーザ光Ｌは、光学ヘッド１２０から、表面Ｗａに対してＺ方向の反対方向に向けて、言い換えると、表面Ｗａに対して導体１２とは反対側からＺ方向に沿って、照射される。表面Ｗａは、レーザ光Ｌの照射面であり、光学ヘッド１２０と面した対向面とも称されうる。Ｚ方向は、第一方向の一例である。

【0053】

このようなレーザ光Ｌの照射により、溶接部１４は、表面Ｗａから、Ｚ方向の反対方向に向けて、すなわち導体１２に向けて延びることになる。Ｚ方向の反対方向は、溶接部１４の深さ方向とも称されうる。また、レーザ光Ｌが表面Ｗａ上でＸ方向（掃引方向ＳＤ）に掃引されることにより、溶接部１４は、図２と略同様の断面形状で、表面Ｗａに沿って、Ｘ方向にも延びることになる。Ｘ方向は、第二方向の一例であり、溶接部１４の長手方向や延び方向とも称されうる。また、Ｙ方向は、溶接部１４の幅方向とも称されうる。

【0054】

溶接部１４は、表面ＷａからＺ方向の反対方向に延びた溶接金属１４ａと、当該溶接金属１４ａの周囲に位置される熱影響部１４ｂと、を有している。溶接金属１４ａは、レーザ光Ｌの照射によって溶融し、その後凝固した部位である。溶接金属１４ａは、溶融凝固部とも称されうる。また、熱影響部１４ｂは、加工対象Ｗの母材が熱影響を受けた部位であって、溶融はしていない部位である。

【0055】

また、発明者らによる当該断面の詳細な分析により、溶接金属１４ａは、第一部位１４ａ１と、第二部位１４ａ２と、を含むことが判明した。第一部位１４ａ１は、第一レーザ光の照射によるキーホール型の溶融によって得られた部位であり、第二部位１４ａ２は、第二レーザ光の照射による熱伝導型の溶融によって得られた部位である。図２の例では、第一部位１４ａ１は、溶接部１４の幅方向（Ｙ方向）の略中央部において、表面ＷａからＺ方向の反対方向に延びている。第二部位１４ａ２は、第一部位１４ａ１に対してＹ方向の両側に隣接して位置されている。ＥＢＳＤ法（electron back scattered diffraction pattern、電子線後方散乱回折)による解析により、第一部位１４ａ１と第二部位１４ａ２とでは、結晶粒のサイズが異なっており、具体的には、Ｘ方向（掃引方向ＳＤ）と直交する断面において、第二部位１４ａ２の結晶粒の断面積の平均値は、第一部位１４ａ１の結晶粒の断面積の平均値よりも大きいことが判明した。発明者らは、実験的な分析により、第二部位１４ａ２内の結晶粒の断面積の平均値は、第一部位１４ａ１内の結晶粒の断面積の平均値の１．８倍以上であることを確認した。

【0056】

また、発明者らの実験的な解析により、図２に示されるように、溶接部１４の導体１２とバスバー１３との溶融前境界ＢＬよりも導体１２側の領域Ｚｄにおける第一部位１４ａ１の体積比率が、当該領域Ｚｄにおける第二部位１４ａ２の体積比率よりも小さいのが好ましいことが判明した。これは、第一部位１４ａ１が、領域Ｚｄ内、すなわち、導体１２内へ深く進入するほど、基板１１に対する熱影響が大きくなるからである。

【0057】

また、発明者らの実験的な解析により、溶接金属１４ａの表面ＷａにおけるＹ方向の幅ｗｂに対する溶接金属１４ａの表面ＷａからのＺ方向の反対方向への深さｄｍの比（ｄｍ／ｗｂ、以下アスペクト比と称する）は、０．５以上かつ１０以下であるのが好適であることが判明した。これは、アスペクト比が小さすぎると溶接前境界ＢＬにおける溶接金属１４ａの幅が小さくなって溶接強度が不足し、逆にアスペクト比が大きすぎると溶接金属１４ａが基板１１の面１１ａへ到達し当該基板１１への熱影響が大きくなるからである。このような効果は、第一部位１４ａ１と第二部位１４ａ２とを有しない溶接金属１４ａ、すなわち、第一部位１４ａ１のみまたは第二部位１４ａ２のみを有する溶接金属１４ａによっても得られる。ただし、発明者らの実験的な解析により、溶接金属１４ａのアスペクト比が０．５以上かつ１０以下となる形態は、光学ヘッド１２０から第一レーザ光と第二レーザ光とを照射した場合に得られやすいことが、判明した。

【0058】

図３は、半導体装置１の一部の側面図である。半導体装置１は、半導体パワーデバイス２０を有したアセンブリ（パッケージ）である。半導体パワーデバイス２０は、例えば、ＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）であるが、これには限定されない。

【0059】

半導体装置１は、半導体パワーデバイス２０の他、絶縁性材料で構成された不図示のハウジングと、基板１１と、導体１２と、バスバー１３，１６と、熱伝導体１７と、接合層１５，１８と、放熱部材１９と、を備えている。

【0060】

基板１１は、板状の形状を有している。基板１１は、Ｚ方向と交差するとともに直交して広がっている。基板１１は、Ｚ方向の端面としての面１１ａと、Ｚ方向の反対方向の端面としての面１１ｂと、を有している。面１１ａと面１１ｂとは、互いに略平行である。面１１ａは、第一面の一例である。面１１ｂは、第二面とも称されうる。

【0061】

面１１ａ上には、導体１２が設けられている。導体１２は、Ｚ方向と交差するとともに直交して広がっている。導体１２のＺ方向の端部には、面１２ａが設けられている。面１２ａは、Ｚ方向と交差するとともに直交して広がっている。

【0062】

面１２ａ上には、バスバー１３（の被溶接部分）が隣接するとともに、接合層１５を介して半導体パワーデバイス２０が実装されている。バスバー１３は、上述したように溶接部１４（図１，２参照）によって導体１２と電気的かつ機械的に接続されている。接合層１５は、例えばはんだである。接合層１５は、半導体パワーデバイス２０のＺ方向の反対方向の端面に設けられた電極２０ｂと導体１２とを電気的かつ機械的に接続している。このような構成により、電極２０ｂとバスバー１３とは、接合層１５、導体１２、および溶接部１４を介して、電気的に接続されている。

【0063】

半導体パワーデバイス２０のＺ方向の端面には、電極２０ａが設けられている。電極２０ａは、ボンディングワイヤ２１を介して、バスバー１６と電気的に接続されている。ボンディングワイヤ２１の一端は、はんだ接合や溶接等により電極２０ａと電気的かつ機械的に接続されている。また、ボンディングワイヤ２１の他端は、バスバー１６のＺ方向の端面１６ａ上に隣接して位置され、光学ヘッド１２０からのレーザ光Ｌ３の照射による溶接により、当該バスバー１６と電気的かつ機械的に接続されている。このような構成により、電極２０ａとバスバー１６とは、ボンディングワイヤ２１を介して電気的に接続されている。なお、図３では、電極２０ａ、ボンディングワイヤ２１、およびバスバー１６は、それぞれ一つのみ図示されているが、半導体パワーデバイス２０は、互いに電気的に接続された電極２０ａ、ボンディングワイヤ２１、およびバスバー１６の二つの組み合わせを備えている。ボンディングワイヤ２１は、ワイヤの一例である。レーザ光Ｌ３は、第三レーザ光の一例である。

【0064】

バスバー１３および二つのバスバー１６は、それぞれ不図示のハウジングを貫通し、当該ハウジング外に露出している。すなわち、バスバー１３，１６は、半導体パワーデバイス２０の外部端子である。なお、外部端子は、対応するバスバー１３，１６と電気的に接続された別部材であってもよい。

【0065】

また、基板１１の面１１ｂ上には、熱伝導体１７が設けられている。熱伝導体１７は、基板１１のＺ方向の反対方向に隣接している。また、熱伝導体１７は、Ｚ方向と交差するとともに直交して広がっている。熱伝導体１７のＺ方向の反対側、言い換えると、熱伝導体１７に対して基板１１とは反対側には、放熱部材１９が位置されている。放熱部材１９は、接合層１８を介して熱伝導体１７と熱的かつ機械的に接続されている。接合層１８は、例えばはんだである。放熱部材１９は、不図示のハウジングを貫通し、当該ハウジング外に露出している。放熱部材１９は、ヒートシンクとも称されうる。

【0066】

半導体装置１にあっては、半導体パワーデバイス２０から、接合層１５、導体１２、基板１１、熱伝導体１７、および接合層１８を介して、放熱部材１９へ至る伝熱経路（放熱経路）が構成されている。すなわち、接合層１５、導体１２、基板１１、熱伝導体１７、および接合層１８は、いずれも、熱伝導性の比較的良好な材料で作られる。

【0067】

レーザ光Ｌの照射による溶接の加工対象Ｗとしての導体１２およびバスバー１３、ならびに、レーザ光Ｌ３の照射による溶接の加工対象であるバスバー１６およびボンディングワイヤ２１のそれぞれは、導電性を有した金属材料で作られ得る。このような金属材料は、例えば、銅系金属材料や、アルミニウム系金属材料、ニッケルめっきが施された金属材料などであり、具体的には、銅や、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケルめっきが施された銅、ニッケルめっきが施された銅合金、ニッケルめっきが施されたアルミニウム、ニッケルめっきが施されたアルミニウム合金等である。導体１２およびバスバー１３は、同じ材料で作られてもよいし、異なる材料で作られてもよい。また、熱伝導体１７は、導体１２と同じ材質で作られるのが好適であるが、導体１２とは異なる材料で作られてもよい。

【0068】

図４は、表面Ｗａ上に照射されたレーザ光Ｌのビーム（スポット）を示す模式図である。ビームＢ１およびビームＢ２のそれぞれは、そのビームの光軸方向と直交する断面の径方向において、たとえばガウシアン形状のパワー分布を有する。ただし、ビームＢ１およびビームＢ２のパワー分布はガウシアン形状に限定されない。また、図４のように各ビームＢ１，Ｂ２を円で表している各図において、当該ビームＢ１，Ｂ２を表す円の直径が、各ビームＢ１，Ｂ２のビーム径である。各ビームＢ１，Ｂ２のビーム径は、そのビームのピークを含み、ピーク強度の１／ｅ^２以上の強度の領域の径として定義する。なお、図示されないが、円形でないビームの場合は、掃引方向ＳＤと垂直方向における、ピーク強度の１／ｅ^２以上の強度となる領域の長さをビーム径と定義できる。また、表面Ｗａにおけるビーム径は、スポット径と称する。

【0069】

図４に示されるように、本実施形態では、一例として、レーザ光Ｌのビームは、表面Ｗａ上において、第一レーザ光のビームＢ１と第二レーザ光のビームＢ２とが重なり、ビームＢ２がビームＢ１よりも大きく（広く）、かつ、ビームＢ２の外縁Ｂ２ａがビームＢ１の外縁Ｂ１ａを取り囲むよう、形成されている。この場合、ビームＢ２のスポット径Ｄ２は、ビームＢ１のスポット径Ｄ１よりも大きい。表面Ｗａ上において、ビームＢ１は、第一スポットの一例であり、ビームＢ２は、第二スポットの一例である。

【0070】

また、本実施形態では、図４に示されるように、表面Ｗａ上において、レーザ光Ｌのビーム（スポット）は、中心点Ｃに対する点対称形状を有しているため、任意の掃引方向ＳＤについて、スポットの形状は同じになる。よって、レーザ光Ｌの表面Ｗａ上での掃引のために光学ヘッド１２０と加工対象Ｗとを相対的に動かす移動機構を備える場合、当該移動機構は、少なくとも相対的に並進可能な機構を有すればよく、相対的に回転可能な機構は省略できる場合がある。

【0071】

［波長と光の吸収率］
ここで、金属材料の光の吸収率について説明する。図５は、照射するレーザ光Ｌの波長に対する各金属材料の光の吸収率を示すグラフである。図５のグラフの横軸は波長であり、縦軸は吸収率である。図５には、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、タンタル（Ｔａ）、およびチタン（Ｔｉ）について、波長と吸収率との関係が示されている。

【0072】

材料によって特性が異なるものの、図５に示されている各金属に関しては、一般的な赤外線（ＩＲ）のレーザ光（第一レーザ光）を用いるよりも、青や緑のレーザ光（第二レーザ光）を用いた方が、エネルギの吸収率がより高いことが理解できよう。この特徴は、銅（Ｃｕ）や、金（Ａｕ）等においては顕著となる。

【0073】

使用波長に対して吸収率が比較的低い加工対象Ｗにレーザ光が照射された場合、大部分の光エネルギは反射され、加工対象Ｗに熱としての影響を及ぼさない。そのため、十分な深さの溶融領域を得るには比較的高いパワーを与える必要がある。その場合、ビーム中心部は急激にエネルギが投入されることで、昇華が生じ、キーホールが形成される。

【0074】

他方、使用波長に対して吸収率が比較的高い加工対象Ｗにレーザ光が照射された場合、投入されるエネルギの多くが加工対象Ｗに吸収され、熱エネルギへと変換される。すなわち、過度なパワーを与える必要はないため、キーホールの形成を伴わず、熱伝導型の溶融となる。

【0075】

本実施形態では、加工対象Ｗの第二レーザ光に対する吸収率が、第一レーザ光に対する吸収率よりも高くなるよう、第一レーザ光の波長、第二レーザ光の波長、および加工対象Ｗの材質が、選択される。この場合、掃引方向が図５に示される掃引方向ＳＤである場合、レーザ光Ｌのスポットの掃引により、加工対象Ｗの溶接される部位（以下、被溶接部位と称する）には、まずは、第二レーザ光のビームＢ２の、図５におけるＳＤの前方に位置する領域Ｂ２ｆによって、第二レーザ光が照射される。その後、被溶接部位には、第一レーザ光のビームＢ１が照射され、その後、第二レーザ光のビームＢ２の、掃引方向ＳＤの後方に位置する領域Ｂ２ｂによって、再度第二レーザ光が照射される。

【0076】

したがって、被溶接部位には、まずは、領域Ｂ２ｆにおける吸収率が高い第二レーザ光の照射により、熱伝導型の溶融領域が生じる。その後、被溶接部位には、第一レーザ光の照射によって、より深いキーホール型の溶融領域が生じる。この場合、被溶接部位には、予め熱伝導型の溶融領域が形成されているため、当該熱伝導型の溶融領域が形成されない場合に比べて、より低いパワーの第一レーザ光によって所要の深さの溶融領域を形成することができる。さらにその後、被溶接部位には、領域Ｂ２ｂにおける吸収率が高い第二レーザ光の照射により、溶融状態が変化する。このような観点から、第二レーザ光の波長は５５０［ｎｍ］以下が好ましく、５００［ｎｍ］以下がより好ましい。

【0077】

また、発明者らの実験的な研究により、図４のようなビームのレーザ光Ｌの照射による溶接にあっては、スパッタやブローホールのような溶接欠陥を低減できることが確認されている。これは、ビームＢ１が到来する前にビームＢ２の領域Ｂ２ｆによって加工対象Ｗを予め加熱しておくことにより、ビームＢ２およびビームＢ１によって形成される加工対象Ｗの溶融池がより安定化するためであると推定できる。

【0078】

［溶接方法］
レーザ溶接装置１００を用いた溶接にあっては、まず、不図示の保持具によって導体１２とバスバー１３とが一体的に仮止めされた積層体１０が、レーザ光Ｌが表面Ｗａに照射されるようにセットされる。そして、ビームＢ１およびビームＢ２を含むレーザ光Ｌが表面Ｗａに照射されている状態で、レーザ光Ｌと積層体１０とが相対的に動かされる。これにより、レーザ光Ｌが表面Ｗａ上に照射されながら当該表面Ｗａ上を掃引方向ＳＤに移動する（掃引する）。レーザ光Ｌが照射された部分は、溶融し、その後、温度の低下に伴って凝固することにより、導体１２とバスバー１３とが溶接され、積層体１０が一体化される（第一ステップ）。

【0079】

次に、不図示の保持具によってボンディングワイヤ２１とバスバー１６とが一体的に仮止めされた積層体が、レーザ光Ｌ３がボンディングワイヤ２１に照射されるようにセットされレーザ光Ｌ３が照射される。レーザ光Ｌ３が照射された部分は、溶融し、その後、温度の低下に伴って凝固することにより、ボンディングワイヤ２１とバスバー１６とが溶接され一体化される（第二ステップ）。

【0080】

［ＤＯＥ］
また、図１に示されるように、光学ヘッド１２０は、コリメートレンズ１２１－１とミラー１２３との間に、ＤＯＥ１２５を有している。

【0081】

ＤＯＥ１２５は、第一レーザ光のビームＢ１の形状（以下、ビーム形状と称する）を成形する。図６に概念的に例示されるよう、ＤＯＥ１２５は、例えば、周期の異なる複数の回折格子１２５ａが重ね合わせられた構成を備えている。ＤＯＥ１２５は、平行光を、各回折格子１２５ａの影響を受けた方向に曲げたり、重ね合わせたりすることにより、ビーム形状を成形することができる。ＤＯＥ１２５は、ビームシェイパとも称されうる。

【0082】

なお、光学ヘッド１２０は、コリメートレンズ１２１－２の後段に設けられ第二レーザ光のビーム形状を調整するビームシェイパや、フィルタ１２４の後段に設けられ第一レーザ光および第二レーザ光のビーム形状を調整するビームシェイパ等を有してもよい。ビームシェイパによってレーザ光Ｌのビーム形状を適宜に整えることにより、溶接において溶接欠陥の発生をより一層抑制することができる。また、ＤＯＥ１２５により、第一レーザ光のビームを、複数のビームに分割することができる。

【0083】

［レーザ光のパワー密度］
図７は、加工対象Ｗの表面Ｗａ上における第一レーザ光のパワー密度Ｐｄ１と第二レーザ光のパワー密度Ｐｄ２との組み合わせにおける溶接の実験結果を示すグラフである。図７中、「○」は、ブローホールが非常に少なかった場合（優）、「△」は、ブローホール数が少なかった場合、また、「×」は、ブローホールが多かった場合（不可）を示す。ここでは、一例として、「優」は、線状の溶接部位の単位長さ（例えば、１［ｃｍ］）あたりのブローホール数が１個以下であった場合を示し、「良」は、溶接部位の単位長さあたりのブローホール数が２個以上かつ５個未満である場合を示し、「不可」は、溶接部位の単位長さあたりのブローホール数が５個以上であった場合を示す。また、この実験において、第一レーザ光の波長は、１０７０［ｎｍ］、出力は、１．０または１．３［ｋＷ］であり、第二レーザ光の波長は、４６５［ｎｍ］、出力は、１５０［Ｗ］であった。

【0084】

図７に示されるように、第二レーザ光のパワー密度Ｐｄ２が、０．１５［ＭＷ／ｃｍ^２］以上かつ５．０［ＭＷ／ｃｍ^２］以下である場合に、ブローホール数を抑制できることが判明した。さらに、第二レーザ光のパワー密度Ｐｄ２が０．１５［ＭＷ／ｃｍ^２］以上かつ１．５［ＭＷ／ｃｍ^２」以下であると、ブローホール数をより一層抑制できることができ、より一層好ましいことが判明した。これは、第二レーザ光のパワー密度Ｐｄ２が０．１５［ＭＷ／ｃｍ^２］（下限値）未満である場合には、銅板表面に吸収される光エネルギ量が不足することにより予熱効果が充分には得られず、１．５［ＭＷ／ｃｍ^２］を超える場合には第二レーザ光における加工と第一レーザ光における加工の相互作用により溶接形状の不安定化につながるためである。

【0085】

［バスバーの厚さ、各ビームのスポット径、各ビームのパワー］
また、発明者らは、実験的な解析により、バスバー１３の厚さ、各ビームＢ１，Ｂ２の表面Ｗａ上におけるビーム径（スポット径）、および各ビームＢ１，Ｂ２のパワーについて、積層体１０において好適な溶接状態が得られる条件を見いだした。ここで、好適な溶接状態とは、ブローホールの状態が上記の「優」または「良」であることを意味する。

【0086】

発明者らの実験的な解析により、バスバー１３の、Ｚ方向における厚さＴ（図２参照）が、０．２［ｍｍ］以上かつ１［ｍｍ］以下である場合にあっては、
ビームＢ１によるスポット径（第一スポット径）が、１４［μｍ］以上かつ１５０［μｍ］以下であり、かつ、
ビームＢ１のパワー（レーザ装置１１１の出力）が、０．３［ｋＷ］以上かつ２［ｋＷ］以下であり、かつ、
ビームＢ２によるスポット径（第二スポット径）が、１００［μｍ］以上かつ９００［μｍ］以下であり、かつ、
ビームＢ１のパワー（レーザ装置１１２の出力）が、０．０１［ｋＷ］以上かつ１［ｋＷ］以下である場合に、好適な溶接状態が得られることが、判明した。

【0087】

［エネルギ密度］
また、発明者らは、当該実験的な解析において、積層体１０の単位体積あたりのレーザ光の照射のエネルギ密度という新規な指標を導入し、当該エネルギ密度について、好適な溶接状態が得られる条件を見いだした。当該エネルギ密度は、以下の式（１）で表すことができる。
Ｅ_ｎ＝Ｐ_ｎ／（Ｖ×Ｄ_ｎ×Ｔａ） ・・・ （１）
ここに、Ｅ_ｎは、エネルギ密度［Ｊ／ｍｍ^３］、Ｐ_ｎは、レーザ装置によるレーザ光のパワー［Ｗ］、Ｖは、掃引速度［ｍｍ／ｓ］、Ｄ_ｎは、表面Ｗａにおけるスポット径［ｍｍ］、Ｔａは、積層体１０のＺ方向の厚さ［ｍｍ］である。ここでは、下付のｎにより、各パラメータを区別しており、ｎ＝１は、第一レーザ光のパラメータ、ｎ＝２は、第二レーザ光のパラメータを示す。

【0088】

発明者らの実験的解析によれば、導体１２とバスバー１３との積層体１０のＺ方向の厚さが０．２［ｍｍ］以上かつ１［ｍｍ］以下である場合においては、ビームＢ１のエネルギ密度Ｅ_１が、１２０［Ｊ／ｍｍ^３］以上であり、かつ、ビームＢ２のエネルギ密度Ｅ_２が、５［Ｊ／ｍｍ^３］以上かつ５０［Ｊ／ｍｍ^３］以下である場合に、好適な溶接状態が得られることが判明した。

【0089】

［ボンディングワイヤとバスバーとの溶接条件］
また、発明者らは、ボンディングワイヤ２１とバスバー１６との溶接についても、実験的な解析を行い、好適な溶接条件を見いだした。

【0090】

発明者らの実験的な解析により、レーザ装置１１２からのレーザ光（第二レーザ光）のみを含み、すなわち、レーザ光Ｌ３の波長は、５５０［ｎｍ］以下、より好ましくは４００［ｎｍ］以上かつ５００［ｎｍ］以下であり、
レーザ光Ｌ３のボンディングワイヤ２１の被照射面が当該レーザ光Ｌ３の照射方向と垂直な平面である場合の当該平面上に形成されるスポット（第三スポット）のスポット径が、５０［μｍ］以上かつ８００［μｍ］以下であり、かつ、
レーザ光Ｌ３のパワー（レーザ装置１１２の出力）が、０．０５［ｋＷ］以上かつ２［ｋＷ］以下であり、かつ、
レーザ光Ｌ３の一箇所あたりの照射時間が、０．０５［ｓ］以上かつ０．５［ｓ］以下である場合に、好適な溶接状態が得られることが、判明した。この場合、ボンディングワイヤ２１とバスバー１６との溶接形態は、レーザ光Ｌ３によるスポット溶接となる。

【0091】

ボンディングワイヤ２１に関し、電動車両用のパワーモジュール等では、従来のアルミニウム系材料で作られたボンディングワイヤ２１から、より電導率の高い銅系材料で作られたボンディングワイヤ２１への変更が、求められている。ここで、銅系材料で作られたボンディングワイヤ２１は、アルミニウム系材料で作られたボンディングワイヤ２１に比べて剛性が高いため、例えば、接合前の状態において隙間があるような場合にあっては、ボンディングワイヤ２１から接合部材に作用する力が大きくなりやすい。界面に薄く合金層を形成する接合であるはんだ接合の場合には、ボンディングワイヤ２１から作用する力に耐えられなくなる虞があるため、各部材の寸法管理を厳しくせざるを得ない場合もある。これに対し、レーザ溶接の場合には、溶接部が二つの部材間に渡って形成されるとともに、溶接部がはんだ接合の場合と比較してより深く二つの部材の内部に進入した状態が得られるため、より強固なかつより確実な接合状態が得られる。さらに、４００［ｎｍ］以上かつ５００［ｎｍ］以下のレーザ光Ｌ３の照射によるレーザ溶接によれば、熱伝導型の溶接となり、溶融池の湯面が安定するとともに溶融池が大きくより広い溶融領域が得られるため、接合前の状態において隙間があるような場合にも、所要の接合状態が得られやすい。また、内部空隙のような溶接欠陥を抑制することができるため、電気抵抗が小さくかつより強固な接合状態を得ることができる。

【0092】

また、図８は、レーザ光Ｌ３の照射時間Ｔｒとレーザ光Ｌ３による加工対象の表面（ボンディングワイヤ２１の表面）上におけるレーザ光Ｌ３のパワー密度Ｐｄ３との組み合わせにおける溶接の実験結果を示すグラフである。図８中の結果を示す印の意味は、図７と同じである。

【0093】

図８に示されるように、レーザ光Ｌ３のパワー密度Ｐｄ３が、０．２［ＭＷ／ｃｍ^２］以上かつ１．３［ＭＷ／ｃｍ^２］以下である場合に、ブローホール数を抑制できることが判明した。

【0094】

また、レーザ光Ｌ３による溶接部にあっては、溶接金属の表面Ｗａでの幅に対する溶接金属の表面Ｗａからの深さの比が、０．５以上かつ１．５以下であるのが好ましいことが判明した。

【0095】

以上、説明したように、本実施形態の半導体装置１およびその内部導体の溶接方法にあっては、例えば、導体１２とバスバー１３とを接合する溶接部１４を、レーザ光Ｌの照射によって形成し、当該レーザ光Ｌは、８００［ｎｍ］以上かつ１２００［ｎｍ］以下の波長のビームＢ１と５５０［ｎｍ］以下の波長のビームＢ２とを含む。

【0096】

また、本実施形態では、例えば、第二レーザ光の波長は、４００［ｎｍ］以上かつ５００［ｎｍ］以下である。

【0097】

また、本実施形態では、例えば、溶接部１４の溶接金属１４ａは、第一部位１４ａ１と、Ｚ方向（第一方向）に沿った断面における結晶粒の断面積の平均値が第一部位１４ａ１よりも大きい第二部位１４ａ２と、を有している。

【0098】

また、本実施形態では、例えば、溶接金属１４ａの導体１２とバスバー１３との溶融前境界ＢＬよりも導体１２側の領域Ｚｄにおける第一部位１４ａ１の体積比率が、当該領域Ｚｄにおける第二部位１４ａ２の体積比率よりも小さい。

【0099】

また、本実施形態では、例えば、溶接金属１４ａの表面Ｗａでの幅ｗｂに対する溶接金属１４ａの表面Ｗａからの深さｄｍの比が、０．５以上かつ１０以下である。

【0100】

このような構成および方法によれば、例えば、所要の接合強度を確保しながら、スパッタやブローホールのような溶接欠陥の少ないより高品質な溶接を実行することができる上、基板１１や半導体パワーデバイス２０等に対する熱影響を抑制することができる。これにより、内部に溶接により飛散したスパッタ等の無い高品質な溶接構造を有した半導体装置１を得ることができる。

【0101】

また、本実施形態では、例えば、第一レーザ光と第二レーザ光とを含むレーザ光Ｌが表面Ｗａ上でＸ方向（第二方向、掃引方向ＳＤ）掃引され、溶接部１４は、表面Ｗａに沿って当該Ｘ方向に沿って延びている。

【0102】

また、本実施形態では、例えば、表面Ｗａ上において、第二レーザ光のビームＢ２（第二スポット）の少なくとも一部は、第一レーザ光のビームＢ１（第一スポット）よりも掃引方向ＳＤの前方に位置している。

【0103】

また、本実施形態では、例えば、表面Ｗａ上において、ビームＢ１とビームＢ２とは少なくとも部分的に重なっている。

【0104】

また、本実施形態では、例えば、表面Ｗａ上において、ビームＢ２は、ビームＢ１よりも広い。

【0105】

また、本実施形態では、例えば、表面Ｗａ上において、ビームＢ２の外縁Ｂ２ａ（第二外縁）は、ビームＢ１の外縁Ｂ１ａ（第一外縁）を取り囲んでいる。

【0106】

上述したように、発明者らは、表面Ｗａ上にこのようなビームＢ１，Ｂ２を形成するレーザ光Ｌの照射による溶接にあっては、溶接欠陥をより一層低減できることを確認した。これは、上述したように、ビームＢ１が到来する前にビームＢ２の領域Ｂ２ｆによって加工対象Ｗを予め加熱しておくことにより、ビームＢ２およびビームＢ１によって形成される加工対象Ｗの溶融池がより安定化するためであると推定できる。よって、このようなビームＢ１，Ｂ２を有したレーザ光Ｌによれば、例えば、より溶接欠陥の少ないより溶接品質の高い溶接を実行することができる。また、このようなビームＢ１，Ｂ２の設定によれば、例えば、第一レーザ光のパワーをより低くすることができるという利点も得られる。また、ビームＢ１とビームＢ２とが同軸で照射される場合にあっては、光学ヘッド１２０と加工対象Ｗとの相対的な回転が不要となるという利点も得られる。

【0107】

また、本実施形態では、例えば、導体１２、バスバー１３，１６、ボンディングワイヤ２１（ワイヤ）のそれぞれは、銅系金属材料、アルミニウム系金属材料、およびニッケルめっきが施された金属材料のうちのいずれか一つで作られる。

【0108】

本実施形態の溶接方法による効果は、導体１２、バスバー１３，１６、ボンディングワイヤ２１のそれぞれが上記材料のうちのいずれかで作られている場合に、得られる。

【0109】

［第２実施形態］
図９は、第２実施形態の半導体装置１Ａの積層体１０の断面図である。図９に示されるように、本実施形態では、導体１２とバスバー１３との間に、敢えて隙間ｇが設けられている。また、レーザ光Ｌは、レーザ装置１１１からの第一レーザ光のみを含んでおり、溶接部１４Ａ中の溶接金属１４ａは、第一部位１４ａ１のみを含んでいる。この場合、溶接金属１４ａは、バスバー１３を貫通して、隙間ｇ内に漏出する。これにより、溶接金属１４ａは、隙間ｇ内に介在する介在部位１４ｃを有することになる。導体１２とバスバー１３とは、介在部位１４ｃにより電気的かつ機械的に接合される。このような構成および方法によれば、溶接部１４が導体１２内に深く進入するのを抑制することができるため、溶接部１４による基板１１への熱影響をより一層抑制することができる。

【0110】

［第３実施形態］
図１０は、第３実施形態の半導体装置１Ｂの積層体１０の断面図であり、図１１は、本実施形態の半導体装置１Ｂの一部の平面図である。図１０，１１から明らかとなるように、本実施形態では、溶接部１４Ｂは、一つのバスバー１３について、Ｘ方向に離間した複数箇所に、スポット溶接として形成されている。発明者らの実験的な解析により、このようなスポット溶接の場合においても、加工対象Ｗの表面Ｗａ近傍においてより吸収率の高い第二レーザ光による熱伝導型の溶融が生じることが、加工対象Ｗに対して予熱効果を与えることになり、第一レーザ光が単独で照射される場合に比べて、よりスパッタやブローホールの少ない高品質な溶接部１４Ｂが得られることが判明した。発明者らの実験的な解析によれば、この場合のレーザ光Ｌの照射時間は、０．０１［ｓ］以上かつ０．５［ｓ］以下であるのが好適であることが判明した。

【0111】

［第４実施形態］
図１２は、第４実施形態の半導体装置１Ｃの側面図である。図１２に示されるように、本実施形態では、基板１１の面１１ａ上には、導体１２とは別に、当該導体１２とは絶縁された導体１２Ｃが設けられている。導体１２Ｃには、バスバー１６が溶接されるとともに、ボンディングワイヤ２１が溶接されている。導体１２Ｃとバスバー１６との溶接は、光学ヘッド１２０からのレーザ光Ｌの照射により、導体１２とバスバー１３との溶接と同様の溶接条件で行われる。すなわち、導体１２Ｃと、当該導体１２Ｃに対してＺ方向に隣接するとともに面１２Ｃａ上に積層されたバスバー１６と、を有する積層体１０Ｃ（加工対象Ｗ）に、レーザ光Ｌが照射されることにより、導体１２とバスバー１３との溶接部１４と同様の溶接部１４（図２参照、図１２には不図示）が形成される。レーザ光Ｌは、バスバー１６のＺ方向の端面１６ａ（表面Ｗａ）に照射される。

【0112】

他方、ボンディングワイヤ２１と導体１２Ｃとの溶接は、導体１２Ｃに対してＺ方向に隣接するとともに面１２Ｃａ上に積層されたボンディングワイヤ２１の端部に対する光学ヘッド１２０からのレーザ光Ｌ３の照射により、第１実施形態におけるボンディングワイヤ２１とバスバー１６との溶接と同様の溶接条件で行われる。このような本実施形態によっても、第１実施形態と同様の効果が得られる。

【0113】

［ビームの配置の変形例］
図１３，１４は、表面Ｗａ上に形成されたレーザ光のビームＢ１，Ｂ２の例を示している。発明者らの研究により、表面Ｗａ上において、図１３，１４のように、ビームＢ２（第二スポット）の少なくとも一部がビームＢ１（第一スポット）よりも掃引方向ＳＤの前方に位置している場合、およびビームＢ１とビームＢ２とが互いに接するかあるいは少なくとも部分的に重なっている場合においては、ビームＢ２の予熱効果による第１実施形態と同様の効果が得られることが判明している。また、ビームＢ２の少なくとも一部がビームＢ１よりも掃引方向ＳＤの前方に位置している場合にあっては、ビームＢ１とビームＢ２とは微少距離離間していてもよいことも判明している。なお、図１３，１４は、それぞれ一例に過ぎず、ビームＢ１，Ｂ２の配置や各ビームＢ１，Ｂ２のサイズは、図１３，１４の例には限定されない。

【0114】

以上、本発明の実施形態が例示されたが、上記実施形態は一例であって、発明の範囲を限定することは意図していない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、組み合わせ、変更を行うことができる。また、各構成や、形状、等のスペック（構造や、種類、方向、型式、大きさ、長さ、幅、厚さ、高さ、数、配置、位置、材質等）は、適宜に変更して実施することができる。

【0115】

また、加工対象に対してレーザ光を掃引する際に、公知のウォブリングやウィービングや出力変調等により掃引を行い、溶融池の表面積を調節するようにしてもよい。

【符号の説明】

【0116】

１，１Ａ～１Ｃ…半導体装置
１０，１０Ｃ…積層体
１１…基板
１１ａ…面（第一面）
１１ｂ…面（第二面）
１２，１２Ｃ…導体
１２ａ，１２Ｃａ…面
１３…バスバー
１４，１４Ａ，１４Ｂ…溶接部
１４ａ…溶接金属
１４ａ１…第一部位
１４ａ２…第二部位
１４ｂ…熱影響部
１４ｃ…介在部位
１５…接合層
１６…バスバー
１６ａ…端面
１７…熱伝導体
１８…接合層
１９…放熱部材
２０…半導体パワーデバイス
２０ａ，２０ｂ…電極
２１…ボンディングワイヤ（ワイヤ）
１００…レーザ溶接装置（溶接装置）
１１１…レーザ装置（第一レーザ発振器）
１１２…レーザ装置（第二レーザ発振器）
１２０…光学ヘッド
１２１，１２１－１，１２１－２…コリメートレンズ
１２２…集光レンズ
１２３…ミラー
１２４…フィルタ
１２５…ＤＯＥ（回折光学素子）
１２５ａ…回折格子
１３０…光ファイバ
Ｂ１…ビーム（第一スポット）
Ｂ１ａ…外縁
Ｂ２…ビーム（第二スポット）
Ｂ２ａ…外縁
Ｂ２ｂ…領域
Ｂ２ｆ…領域
ＢＬ…境界
Ｃ…中心点
Ｄ１…スポット径（外径）
Ｄ２…スポット径（外径）
Ｄ_ｎ…スポット径
ｄｍ…深さ
Ｅ_ｎ，Ｅ_１，Ｅ_２…エネルギ密度
ｇ…隙間
Ｌ…レーザ光
Ｌ３…レーザ光（第三レーザ光）
Ｐｄ１～Ｐｄ３…パワー密度
Ｐ_ｎ…パワー
ＳＤ…掃引方向
Ｔ…（バスバーの）厚さ
Ｔｒ…照射時間
Ｖ…掃引速度
Ｗ…加工対象
Ｗａ…表面
ｗｂ…（溶接金属の表面での）幅
Ｘ…方向（第二方向）
Ｙ…方向
Ｚ…方向（第一方向）
Ｚｄ…領域

【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】