(57)【要約】【課題】  半導体素子を接合させる半田の接続信頼性を向上させる。【解決手段】  本発明の混成集積回路装置１０では、ランド状の導電パターン１３の表面に半田１８を介して半導体素子１５Ａが接合されている。半導体素子１５Ａの角部に対応する領域の半田１８には、金属粉１９が混入されている。金属粉１９が混入されることにより、半田１８の厚みＴ１は、１００μｍ程度以上に厚く形成される。従って、半田１８に作用する熱応力は低減され、接続信頼性が向上される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半田を介して半導体素子の裏面が導電パターンに固着された回路装置に於いて、
前記半導体素子の角部に対応する箇所の前記半田に、金属粉を混入させることを特徴とする回路装置。
【請求項２】
前記半導体素子は、１辺が４ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の回路装置。
【請求項３】
前記金属粉は、銅またはニッケルを含むことを特徴とする請求項１記載の回路装置。
【請求項４】
前記金属粉の粒径は、５０μｍから２００μｍの範囲であることを特徴とする請求項１記載の回路装置。
【請求項５】
金属粉が混入された第１の半田をランド状の導電パターンに配置する工程と、
前記第１の半田の上部に半導体素子を載置する工程と、
前記第１の半田を溶融させて前記半導体素子を前記導電パターンに固着させる工程とを具備することを特徴とする回路装置の製造方法。
【請求項６】
金属粉が混入された第１の半田を、ランド状の導電パターンの表面に予め溶融された第２の半田の表面に配置する工程と、
前記第１の半田の上部に半導体素子を載置する工程と、
前記第１の半田および前記第２の半田を溶融させて前記半導体素子を前記導電パターンに固着させる工程とを具備することを特徴とする回路装置の製造方法。
【請求項７】
前記第１の半田は、前記半導体素子の角部に対応する箇所に配置されることを特徴とする請求項５または請求項６記載の回路装置の製造方法。
【請求項８】
前記第１の半田は、半田ペーストの状態で配置されることを特徴とする請求項５または請求項６記載の回路装置の製造方法。
【請求項９】
前記第１の半田は、前記金属粉を被覆した状態で配置されることを特徴とする請求項５または請求項６記載の回路装置の製造方法。
【請求項１０】
前記第１の半田は、フラックスを介して固着されることを特徴とする請求項９記載の回路装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は回路装置およびその製造方法に関し、特に、回路素子の接合部の接続信頼性を向上させた回路装置およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図５を参照して、従来の混成集積回路装置の構成を説明する。
【０００３】
図５（Ａ）を参照して、従来の混成集積回路装置１００の構成を説明する（下記特許文献１を参照）。矩形の基板１０１の表面には、絶縁層１０２を介して導電パターン１０３が形成されている。そして、導電パターン１０３の所望の箇所に回路素子１０５が固着されることで、所定の電気回路が形成される。ここでは、回路素子１０５として半導体素子およびチップ素子が、導電パターン１０３に接続されている。リード１０４は、基板１０１の周辺部に形成された導電パターン１０３に接続され、外部端子として機能している。封止樹脂１０３は、基板１０１の表面に形成された電気回路を封止する機能を有する。
【０００４】
図５（Ｂ）を参照して、半導体素子１０５Ａの接続構造を説明する。半導体素子１０５Ａは、ランド状の導電パターン１０３の表面に、半田１０８を介して固着されている。そして、半導体素子１０５Ａの表面の電極は、金属細線１０７を介して導電パターン１０３に接続される。ここで、半田１０８の厚みは、３０μｍから５０μｍ程度であった。
【特許文献１】特開平５−１０２６４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、半導体素子１０５Ａの発熱に伴う熱応力の為に、半田１０８にクラックが発生する問題があった。この原因は、温度変化に伴い、半導体素子１０５Ａと基板１０１とは異なる膨張量を示すからである。具体的には、基板１０１がアルミから成る基板の場合、基板１０１の熱膨張係数は、３２．１×１０−６／℃である。これに対して、シリコンから成る半導体素子１０５Ａの熱膨張係数は、２．６×１０−６／℃である。基板１０１と半導体素子１０５Ａとでは、熱膨張係数が大きく異なる。従って、両者を接合させる半田１０８に大きな圧縮・引張応力が作用して、クラックが発生していた。
【０００６】
更に、従来例に於いては、半田１０８は薄く形成されていた。このように、半田１０８が薄く形成されると、大きな圧縮・引っ張り応力が半田１０８に作用する。従って、半田１０８へのクラックの発生が更に顕著になっていた。
【０００７】
半田１０８へのクラックの発生を防止する対策として、半田１０８を厚く形成する対処方法がある。半田１０８を厚く形成すると、半田１０８に作用する圧縮・引張応力を低減させることができる。半田１０８を厚く形成するためには、多量の半田１０８を使用する必要がある。しかしながら、図５（Ｃ）に示すように、多量の半田を用いると、リフローにより半田１０８を溶融させる工程にて、半導体素子１０５Ａが傾いてしまう問題がある。
【０００８】
更には、１つの辺の長さが４ｍｍ以上の大型の半導体チップを採用すると、半導体素子１０５Ａの裏面と半田１０８との間に、ボイドが発生する。ボイドの発生は、接続不良の原因となる。
【０００９】
本発明は、上述した問題を鑑みてなされ、本発明の主な目的は、半田から成る接続部の接続信頼性が向上された回路装置およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の回路装置は、半田を介して半導体素子の裏面が導電パターンに固着された回路装置に於いて、前記半導体素子の角部に対応する箇所の前記半田に、金属粉を混入させることを特徴とする。
【００１１】
本発明の回路装置の製造方法は、金属粉が混入された第１の半田をランド状の導電パターンに配置する工程と、前記第１の半田の上部に半導体素子を載置する工程と、前記第１の半田を溶融させて前記半導体素子を前記導電パターンに固着させる工程とを具備することを特徴とする。
【００１２】
本発明の回路装置の製造方法は、金属粉が混入された第１の半田を、ランド状の導電パターンの表面に予め溶融された第２の半田の表面に配置する工程と、前記第１の半田の上部に半導体素子を載置する工程と、前記第１の半田および前記第２の半田を溶融させて前記半導体素子を前記導電パターンに固着させる工程とを具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の回路装置によれば、金属粉が混入された半田を介して半導体素子を固着することにより、半田の厚みを１００μｍ程度以上に厚くすることができる。従って、半田に加わる熱応力を小さくすることができるので、半田の接続信頼性を向上させることができる。
【００１４】
更に、本発明の回路装置の製造方法によれば、金属粉が混入された半田を用いて、半導体素子を固着している。従って、混入された金属粉により、半田の厚みを１００μｍ程度以上に厚く形成することが可能となる。また、リフローの工程にて、半田の上部に載置される半導体素子が傾くことを抑止することができる。
【００１５】
更に、本発明の回路装置の製造方法によれば、金属粉を含む第１の半田を、予め溶融されて形成された第２の半田の上部に載置している。そして、第２の半田の上部に半導体素子を載置した後に、リフローにて半導体素子を固着している。従って、リフローの工程にて、溶融された半田にボイドが発生することを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１を参照して、本発明の混成集積回路装置１０の構成を説明する。図１（Ａ）は混成集積回路装置１０の斜視図であり、図１（Ｂ）はその断面図であり、図１（Ａ）は半導体素子１５Ａの接続構造を示す断面図である。
【００１７】
先ず、矩形の回路基板１１の表面には、絶縁層１２が形成されている。そして、所定の形状の導電パターン１３が、絶縁層１２の表面に形成されている。更に、導電パターン１３には、半田や導電性ペーストを介して、半導体素子１５Ａおよびチップ素子１５Ｂが電気的に接続されている。回路基板１１の表面に形成された導電パターン１３、半導体素子１５Ａおよびチップ素子１５Ｂは、封止樹脂１４により被覆されている。
【００１８】
回路基板１１は、アルミや銅等の金属から成る基板である。１例として回路基板１１としてアルミより成る基板を採用した場合、回路基板１１の表面はアルマイト処理される。
【００１９】
絶縁層１２は、回路基板１１の表面全域を覆うように形成されている。絶縁層１２は、ＡＬ２Ｏ３等のフィラーが高充填されたエポキシ樹脂等から成る。このことにより、内蔵される回路素子から発生した熱を、回路基板１１を介して積極的に外部に放出することができる。
【００２０】
導電パターン１３は銅等の金属から成り、所定の電気回路が実現されるように絶縁層１２の表面に形成される。また、リード１９が導出する辺に、導電パターン１３からなるパッドが形成される。ここでは、単層の導電パターン１３が示されているが、２層以上に積層された多層の導電パターン１３が形成されても良い。
【００２１】
半導体素子１５Ａおよびチップ素子１５Ｂの回路素子は、導電パターン１３の所定の箇所に電気的に接続されている。
【００２２】
半導体素子１５Ａとしては、トランジスタ、ＬＳＩチップ、ダイオード等が採用される。ここでは、半導体素子１５Ａと導電パターン１３とは、金属細線１７を介して接続される。本形態では、金属粉が混入された半田１８を用いて、半導体素子１５Ａが固着される。従って、半田１８の厚みを１００μｍ程度以上に厚くすることが可能となる。この詳細については、図２等を参照して後述する。
【００２３】
チップ素子１５Ｂとしては、チップ抵抗やチップコンデンサ等が採用される。更に、チップ素子１５Ｂとしては、インダクタンス、サーミスタ、アンテナ、発振器など、両端に電極部を有する素子が採用される。更にまた、樹脂封止型のパッケージ等も、回路素子として導電パターン１３に固着することができる。
【００２４】
リード１９は、回路基板１１の周辺部に設けられたパッドに固着され、外部との入力・出力を行う働きを有する。ここでは、一つの側辺に多数個のリード１９が固着されている。尚、リード１９は回路基板１１の４辺から導出させることも可能であり、対向する２辺から導出させることも可能である。
【００２５】
封止樹脂１４は、熱硬化性樹脂を用いるトランスファーモールドにより形成される。図１（Ｂ）を参照して、封止樹脂１４により、導電パターン１３、半導体素子１５Ａ、チップ素子１５Ｂ、金属細線１７が封止されている。
【００２６】
図１（Ｃ）を参照して、本形態では、金属粉１９が混入された半田１８を介して、半導体素子１５Ａがランド状の導電パターン１３に固着されている。
【００２７】
半導体素子１５Ａとしては、１つの辺の長さが４ｍｍ以上の比較的大型の半導体素子を採用することができる。また、半導体素子１５Ａの種類としては、パワーＭＯＳＦＥＴ、パワートランジスタ、ＩＧＢＴまたはＩＣを採用することができる。半導体素子１５Ａとしてパワー系の半導体素子を採用した場合、数アンペア以上の大きな電流が通過することから、半導体素子１５Ａから多量の熱が発生する。従って、半導体素子１５Ａの発熱に伴い、半導体素子１５Ａの固着を行う半田１８には圧縮・引張応力が作用する。本形態では、半田１８を厚く形成することにより、この応力を緩和している。更に、ここでは、導電パターン１３の表面に半導体素子１５Ａが固着されているが、回路基板１１の表面に載置されたヒートシンクの表面に半導体素子１５Ａが固着されても良い。ここで、ヒートシンクとは、厚みが１ｍｍ程度の金属製の板である。このヒートシンクを用いることにより、半導体素子１５Ａの放熱性を向上させることができる。
【００２８】
本形態では、半田１８に金属粉１９を混入することにより、半田１８を厚く形成している。具体的には、半田１８の厚みＴ１を、１００μｍから２００μｍ程度以上にすることができる。このように、半田１８を厚く形成することにより、温度変化の際に半田１８に作用する圧縮・引張応力を低減させることができる。具体的には、半田１８の厚みを２倍にすることにより、作用する応力の値は半分程度になる。従って、半田１８にクラックが発生することを防止して、接続信頼性を高くすることができる。半田１８としては、鉛共晶半田または鉛フリー半田のいずれも使用可能である。
【００２９】
金属粉１９としては、ＮｉまたはＣｕから成る金属を採用することができる。金属粉１９の粒径は、要求される半田１８の厚み等の条件により５０μｍから２００μｍ程度の範囲で選択することができる。半田１８の厚みＴ１は、混入される金属粉１９の最大粒径以上になる。図では、半導体素子１５Ａの周辺部に対応する箇所に複数個の金属粉１９が示されている。このように、半導体素子１５Ａの周辺部に対応する箇所に金属粉１９を配置することにより、半導体素子１５Ａの平坦性を確保しつつ、半田１８を厚く形成することができる。また、半田１８の全域に渡り金属粉１９が混入されても良い。
【００３０】
金属粉１９は、単一の粒径でも良いし、大きな幅の粒径分布を有しても良い。単一の粒径の金属粉１９を用いることにより、半田１８の厚みを正確にコントロールすることができる。例えば、粒径が１００μｍの金属粉１９を半田１８に混入させることにより、半田１８の厚みも１００μｍ程度以上にすることができる。ここで、金属粉１９は、ある程度の粒径分布の幅を有する。例えば７０μｍから１００μｍの範囲で分布する金属粉を、略単一の分布を有する金属粉１９として用いることができる。即ち、本形態では、数十μｍの幅で粒径が分布する金属粉１９を、半田１８に混入させることにより、半田１８を、所定の厚みに厚く形成することができる。また、図では数個の金属粉１９が示されているが、数十個あるいは数百個の金属粉１９が半田１８に混入されても良い。
【００３１】
図２を参照して、本形態の半田１８の詳細を更に説明する。
【００３２】
図２（Ａ）を参照して、多数個の金属粉１９が、半導体素子１５Ａの角部に対応する領域の半田１８に混入されている。
【００３３】
図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＸ−Ｘ’線での平面図である。この図では、半田１８に含まれる金属粉１９の平面的な分布を示している。上述したように、金属粉１９は、半導体素子１５Ａの角部に対応する領域に配置される。従って、半田１８の周辺部には、半田に金属粉１９が混入された領域Ａ１が形成される。それに対して、半田１８の中央部付近には、半田が主体の領域Ａ２が形成される。領域Ａ２では、基本的に金属粉１９が存在しない。
【００３４】
半田１８の周辺部に、金属粉１９が含まれる領域Ａ１が形成されることにより、半田１８に作用する応力を低減させることができる。具体的には、半田１８の熱膨張係数は、２３×１０−６／℃程度である。それに対して、金属粉１９が銅からなる場合は、熱膨張係数が１６．５×１０−６／℃である。また、金属粉１９がニッケルからなる場合は、熱膨張係数が１３．４×１０−６／℃である。即ち、金属粉１９の熱膨張係数は、半田の熱膨張係数よりも小さい。このことから、金属粉１９が含まれる領域Ａ１の熱膨張係数は、領域Ａ２の熱膨張係数よりも小さくなっており、半導体素子１５Ａの熱膨張係数（２．３×１０−６／℃）に比較的近い。従って、領域Ａ１では、金属粉１９が混入されることにより、熱応力が低減されている。
【００３５】
次に図３および図４を参照して、上記した構成の混成集積回路装置１０の製造方法を説明する。本形態では、半導体素子１５Ａを接合させる半田１８の厚みを確保するために、予め準備された第２の半田２２と、金属粉１９を含む第１の半田２１を用いている。この詳細を以下にて説明する。
【００３６】
図３（Ａ）を参照して、先ず、導電パターン１３の表面に半田を塗布する。ここでは、回路基板１１の表面に絶縁層１２を介して導電パターン１３が形成されている。また、導電パターン１３から成るランド１３Ａが形成され、このランド１３Ａの表面に半田が形成される。
【００３７】
本形態では、ランドの表面に予め溶融されている第２の半田２２の表面に、金属粉１９を含む第１の半田２１を載置している。第２の半田２２は、リフローの工程を経て、溶融された状態で準備されている。第２の半田２２には、金属粉１９が混入されても良いし、混入されなくても良い。ここでは、第２の半田２２には、金属粉１９が混入されてない状態を示している。
【００３８】
第１の半田２１は、金属粉１９が含まれたペースト状の状態で、第２の半田の上面に配置される。ここでは、ロジン系のフラックスに、半田と金属粉１９が混入されている。第１の半田２１は、載置予定の半導体素子１５Ａの角部に対応する４箇所に形成される。第１の半田２１の塗布は、スクリーン印刷またはシリンジ塗布により行われる。ここでは、半田全体の重量に対して３％程度の割合になるように、金属粉１９が第１の半田２１に混入される。混入される金属粉１９の粒径は、上述したように５０μｍから２００μｍ程度の範囲で選択される。また、スクリーン印刷を行う場合は、金属粉１９の粒径は、印刷の妨げに成らない程度に選択される。たとえば、１５０μｍ程度以下の金属粉１９を採用すると、スクリーン印刷により、第１の半田２１を問題無く印刷することができる。
【００３９】
図３（Ｂ）を参照して、第１の半田２１に半導体素子１５Ａを載置する。半導体素子１５Ａとしては、上述したようにパワー系のトランジスタやＬＳＩが採用できる。ここでは、ペースト状の第１の半田２１により、半導体素子１５Ａが接着されている。そして、リフローにより、第１の半田２１および第２の半田２２が溶融されて一体化する。一体化した半田により、半導体素子１５Ａはランド１３Ａに固着される。このリフローの工程により、半田成分は溶融するが、金属粉１９は溶融せずに固体のままで存在する。従って、角部に配置された金属粉１９により、所定の厚みが確保された状態で、リフローが行われる。このことから、半導体素子１５Ａの重みにより、半田が薄くなってしまうのを防止することができる。更に、半導体素子１５Ａが傾いてしまうことも抑止されている。
【００４０】
図３（Ｃ）を参照して、溶融した半田１８により半導体素子１５Ａがランド１３Ａに固着される。半田１８の厚みＴ１は、例えば１００μｍから２００μｍ程度以上に厚く形成される。また、半田１８の厚みＴ１は、混入される金属粉１９の粒径を変化させることにより制御することができる。例えば、半田１８の厚みＴ１を１００μｍにするときは、混入される金属粉１９の最大粒径を１００μｍ程度にすればよい。
【００４１】
半導体素子１５Ａの固着と同時に、チップ素子等の他の回路素子やリード等も半田１８を介して固着される。その後に、半導体素子１５Ａの上面に設けられた電極と導電パターン１３とを、金属細線１７により接続する。更に、封止樹脂１４の形成等を行い、図１に示すような混成集積回路装置１０が完成する。
【００４２】
上記した本形態の固着方法により、半田１８にボイドが発生することを防止することができる。これは、フラックスを含むペースト状の第１の半田２１と、予め溶融された第２の半田２２を用いてリフローを行うからである。このことにより、使用されるフラックスの量が低減され、リフローの工程にて、気化したフラックスが容易に外部に放出される。従って、残留したフラックスによるボイドが低減される。実験では、半田１８の平面的な面積に対するボイドの面積を、２％程度にすることができる。このことにより、半田１８の接続信頼性が向上されている。
【００４３】
更に、本形態では、フラックスを含む第１の半田２１が、半導体素子１５Ａの角部に対応する領域に配置されている。このことにより、気化したフラックスが良好に外部に放出される。
【００４４】
次に、図４を参照して、半導体素子１５Ａを接合する他の方法を説明する。ここでは、第１の半田２１は、金属粉１９が含有された粒の状態で用いられている。
【００４５】
図４（Ａ）を参照して、先ず、第１の半田２１を第２の半田２２の表面に配置する。第２の半田２２は、ランド１３Ａの表面に溶融して付着されている。また、第１の半田２１は、内部に金属粉１９を含んだ粒の状態で用意される。換言すると、金属粉１９の表面には、溶融された第１の半田２１が付着している。第１の半田２１は、フラックス２３を介して第２の半田２２の表面に配置されている。即ち、第１の半田２１は、フラックスの粘着性により、第２の半田２２の表面に仮止めされる。ここでも、第１の半田２１は、載置予定の半導体素子１５Ａの角部に対応する箇所に配置される。また、第２の半田２２の中央部付近にもフラックス２３が配置される。
【００４６】
図４（Ｂ）を参照して、次に、半導体素子１５Ａを配置する。ここでは、第２の半田２２の表面に配置されたフラックス２３を介して、半導体素子１５Ａを仮止めしている。
【００４７】
図４（Ｃ）を参照して、次に、リフローを行うことにより、第１の半田２１および第２の半田２２を溶融させる。溶融された第１の半田２１および第２の半田２２は、一体化されて、半田１８となる。また、フラックス２３は、気化して外部に放出される。そして、半田１８により、半導体素子１５Ａはランド１３Ａに固着される。
【００４８】
上記した半導体素子１５Ａの固着方法でも、半田１８の厚みＴ１を１００μｍ程度以上に厚くすることができる。更に、半田１８の内部にボイドが発生することを抑止することができる。
【００４９】
本形態では、半田１８に金属粉１９を混入することにより、以下の効果を得ることができる。
【００５０】
金属粉１９を半田１８に混入することにより、半田１８の粘性が向上されるので、溶融した半田１８が外部に流出するのを防止することができる。従って、流出した半田１８によるショートを防止されている。
【００５１】
更に、半田１８の機械的強度を向上させることができる。特に、粒径が数十μｍ程度以上の比較的大きな金属粉１９が混入されると、この効果が大きくなる。
【００５２】
また、上述した本形態では、回路基板１１の表面に導電パターン１３が形成される混成集積回路装置１０を一例に説明した。しかしながら、他の種類の回路装置にも、本形態の接合材を適用させることができる。例えば、リードフレームを用いる回路装置に、本形態を適用させることができる。具体的には、ＱＦＰ（Quad Flat Package）やＱＦＮ（Quad Flat Non-leaded package）等に、本形態を適用させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の混成集積回路装置を示す斜視図（Ａ）、断面図（Ｂ）、断面図（Ｃ）である。
【図２】本発明の混成集積回路装置を示す断面図（Ａ）、平面図（Ｂ）である。
【図３】本発明の混成集積回路装置の製造方法を示す断面図（Ａ）−（Ｃ）である。
【図４】本発明の混成集積回路装置の製造方法を示す断面図（Ａ）−（Ｃ）である。
【図５】従来の混成集積回路装置を示す断面図（Ａ）−（Ｃ）である。
【符号の説明】
【００５４】
１０            混成集積回路装置
１１            回路基板
１２            絶縁層
１２Ａ          第１の絶縁層
１２Ｂ          第２の絶縁層
１３            導電パターン
１４            封止樹脂
１５            回路素子
１５Ａ          半導体素子
１５Ｂ          チップ素子
１８            半田
１９            金属粉
２１            第１の半田
２２            第２の半田
【図１】
2006073554.tif 000003
【図２】
2006073554.tif 000004
【図３】
2006073554.tif 000005
【図４】
2006073554.tif 000006
【図５】
2006073554.tif 000007