(57)【要約】【課題】  携帯電話基地局、携帯電話端末、ケーブルテレビ中継機等の各種通信システムの送信段に使用される高出力半導体装置において、環境を配慮した鉛フリー材料から構成され、且つ半導体装置動作による発熱及び周囲環境により１５０℃以上の高い温度環境下で使用される半導体装置を提供する。【解決手段】  本発明の半導体装置は、リードフレーム（１）の外装めっきとして、下地にＮｉ（ニッケル）めっき（４）を０．８μｍ以上施し、表層にＢｉ（ビスマス）を１％よりも多く含有するＳｎＢｉめっき（５）を施していることを特徴とする。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
無酸素銅又は銅系合金のリードフレームと、
前記リードフレームに接続された半導体チップと、
前記半導体チップを覆うモールド樹脂と
を具備し、
前記モールド樹脂から突出した前記リードフレームの外装めっきとして、下地にＮｉ（ニッケル）の層を設け、表層にＳｎＢｉ（錫−ビスマス）の層を設けた
半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
長期高温状態にさらされてもＳｎ（錫）とＣｕ（銅）の拡散又は界面剥離が発生しない程度の厚みで前記Ｎｉの層が施されている
半導体装置。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体装置において、
前記Ｎｉの層の厚みは０．８μｍ以上である
半導体装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体装置において、
前記ＳｎＢｉの層は、長期高温状態でＮｉとＳｎとの熱膨張率差からＳｎウィスカ（微小繊維状結晶）が発生しない程度にＢｉ（ビスマス）を含有している
半導体装置。
【請求項５】
請求項４に記載の半導体装置において、
前記ＳｎＢｉの層のＢｉの含有量は１％よりも多い
半導体装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体装置において、
前記ＳｎＢｉの層は、前記リードフレームの曲げ加工の際にクラックが生じない程度にＢｉ（ビスマス）を含有している
半導体装置。
【請求項７】
請求項６に記載の半導体装置において、
前記ＳｎＢｉの層のＢｉの含有量は４％以下である
半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、環境を配慮した鉛フリー材料から構成され、且つ半導体装置動作による発熱及び周囲環境により１５０℃以上の高い温度環境下で使用される半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体事業活動において、環境への配慮として急務となっているのが、半導体部材の鉛フリー化である。鉛フリーとは、製品に鉛を使用しないことである。
現在の電子機器の心臓部とも言える電子回路基板には、Ｓｎ（錫）とＰｂ（鉛）の合金による半田（はんだ）付け工法によって電子部品が接合されている。その基板も、多機能化、軽薄短小化、低コスト化によって高密度化になり、リサイクル化がより困難になっている。一部の機器は回収もされているが、多くの電子回路基板は粉砕され、特定産業廃棄物として埋め立ての処置がされている。埋め立てられた電子回路基板に付着している半田に含まれる鉛は、酸性雨によって水に溶けやすい鉛化合物となる。この鉛化合物によって地下水が汚染され、汚染された地下水が、飲用水として人体に入ることもある。古くから鉛が人体に様々な障害をもたらすことは知られている。
【０００３】
近年、欧州において、廃電気電子機器リサイクル指令（ＷＥＥＥ）、特定有害化学物質使用禁止指令（ＲｏＨＳ指令）、欧州廃車指令（ＥＬＶ指令）など最終製品で使用される化学物質使用規制が強化されつつある。また、米国においても、電気機器の鉛規制法案が議会提出（１９９０年）されており、各メーカー及び国家プロジェクトで代替はんだの開発が急速に進められている。日本においても、家電リサイクル法や化審法（化学物質の審査及び製造などの規制に関する法律）が制定され、グローバルに地球環境に配慮した取り組みが進んでいる。こうした規制強化に伴い、電気電子機器や自動車などでも有害な化学物質を排除する動きが強まっている。１９９７年４月に通産省が、車に対してバッテリーを除いての鉛の使用量（重量）を「２０００年末迄に１９９６年比１／２、２００５年末迄に同じく１／３」にする数値目標を設定した。また、家電業界では、家電リサイクル法案で２００１年より鉛の回収が義務づけられるため、家電各社の鉛フリー化に向けた取り組みが活発に進められている。
【０００４】
これらの動きに伴い、現在、環境保護活動の一環として半導体製品の鉛フリー活動が推進されている。従来の半導体装置は、半導体チップ、モールド樹脂、リードフレームから構成されており、リードフレームの外装めっきにＳｎＰｂ（錫−鉛）めっきが使用されていた。また、半導体装置を顧客先あるいは社内で配線基板に二次実装する際にＰｂＳｎ半田が使用されていた。鉛フリー化にあたり、リードフレームの外装めっきや二次実装用半田の材料を変更することが行われている。
【０００５】
関連する技術として特開平１１−３５４７０５号公報に半導体装置が開示されている。この半導体装置は、半導体チップを封止するパッケージから外部に延伸し、パッケージ内で半導体チップと接続されているアウターリードを有し、前記アウターリードの先端の断面の一部が半田付け性を向上する材料で被膜されている。
【０００６】
また、ＴＡＢ（Ｔａｐｅ  Ａｕｔｏｍａｔｅｄ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）テ−プにおいては、アウターリード上にＳｎめっき皮膜又は半田めっき皮膜の下地としてＮｉ、Ｃｏ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈから選ばれる金属によるめっき皮膜を形成する。このめっき皮膜は、半導体素子とインナーリードとの接合の際に加わる４００〜５００℃、２秒の高温条件下にあっても、ＣｕのＳｎめっき皮膜中への拡散を防止して、外部接続用のアウターリードと外部導体回路との半田付け性を良好にする。
【０００７】
特開平０３−２３７７３５号公報にＴＡＢテープが開示されている。このＴＡＢテープは、銅又は銅合金により接続用回路パターンが形成され、インナーリード及びアウターリード上に錫めっき皮膜又は半田めっき皮膜が形成されている。このＴＡＢテープでは、少なくともアウターリード上に、錫めっき皮膜又は半田めっき皮膜の下地として、ニッケル、コバルト、錫−ニッケル合金、錫−コバルト合金、ニッケル−コバルト合金、錫−ニッケル−コバルト合金から選ばれる金属による第１のめっき皮膜と、この第１のめっき皮膜上に形成される、金、銀、白金、パラジウム、ロジウムから選ばれる金属による第２のめっき皮膜とが形成されている。
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−３５４７０５号公報
【特許文献２】特開平０３−２３７７３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特開平１１−３５４７０５号公報の従来技術では、基板実装においてのアウターリード部に十分な大きさのはんだフィレットが形成されるようになるという効果がある。そして、十分な大きさのはんだフィレットが形成されることにより、リードの接合強度の増大、余剰はんだによる配線相互の短絡の防止、検査能率と検査精度の向上を目的としている。
しかし、この従来技術では、Ｓｎを含む半田でめっきを行った場合、高温通電試験で実装装界面にＳｎとＣｕの拡散、界面剥離が発生すること、及び、Ｓｎウィスカ（微小繊維状結晶）が発生することについて言及しておらず、これらの問題に対してどのような対策を行うかについて何ら記載されていない。
なお、Ｓｎめっき皮膜と下地めっき（Ｎｉ、Ｃｏ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ）の構成の場合、製品製造工程あるいは顧客の使用環境下においてＳｎウィスカが発生する。特に下地めっきとしてＮｉ、Ｃｏといった硬く熱膨張率の小さい材料を用いた場合にはＳｎとの熱膨張率差から温度サイクルといった環境試験でＳｎウィスカが発生しやすい。従って、こうした下地めっきを付ける場合にはＳｎめっきを付けることは品質上問題がある。
また、ＰｂＳｎ半田めっき皮膜と下地めっき（Ｎｉ、Ｃｏ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ）の構成においては、半田めっき中にＰｂ（鉛）を含有しているためＳｎウィスカの問題は回避できるが、Ｐｂが含まれるため環境に配慮した製品とならない。
また、Ｓｎめっき皮膜又はＰｂＳｎ半田めっき皮膜と下地めっき（Ｎｉ、Ｃｏ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ）の構成であっても、二次実装で鉛フリー半田を用いた場合には、実動作環境で１５０℃、１０００時間の長期高温保管試験では実装界面の剥離ポテンシャルを持つ条件がある。例えば、下地にＮｉめっき０．１μｍ〜０．７μｍの構成で二次実装に鉛フリー半田を用いた場合には、１０００時間の高温通電評価を行った結果、部分的にＳｎとＣｕの拡散が進んでいる結果となり、前述の剥離のポテンシャルを回避できない。
こうした背景から、鉛フリーであり、且つ長期高温通電保管に耐えうる新規めっき技術が必要となった。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
以下に、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。但し、それらの番号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１１】
無酸素銅又は銅系合金のリードフレーム（１）と、
前記リードフレーム（１）に接続された半導体チップ（２）と、
前記半導体チップ（２）を覆うモールド樹脂（３）と
を具備し、
前記モールド樹脂（３）から突出した前記リードフレーム（１）の外装めっきとして、下地にＮｉ（ニッケル）の層（４）を設け、表層にＳｎＢｉ（錫−ビスマス）の層（５）を設けた
半導体装置。
【発明の効果】
【００１２】
外装めっきの表層をＳｎＢｉめっきにすることにより、ＢｉがＳｎウィスカを防止し、また、下地にＮｉめっきを施すことで、１０００時間の高温通電試験で実装装界面にＳｎとＣｕの拡散、界面剥離が発生しない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、本発明の第１実施形態について添付図面を参照して説明する。
半導体装置の鉛フリー化にあたり、無酸素銅又は銅系合金のリードフレームの外装めっきとしてＳｎウィスカ（微小繊維状結晶）を回避するためにＳｎＢｉ（錫−ビスマス）めっきを採用する。また、二次実装用半田（はんだ）をＳｎＡｇＣｕ（錫−銀−銅）系の鉛フリー半田に変更する。
こうした構成にて高温通電試験を行った場合、試験時間１０００時間で半導体装置と配線基板の半田剥離が生じる。この半導体装置は高出力デバイスのため、半導体動作による発熱及び周囲環境の温度により半田実装界面に１５０℃以上の熱が加わる。こうした熱に長期間さらされることにより半田接合界面では、半田中のＳｎとリードフレーム側のＣｕが固相拡散し、脆いＳｎとＣｕの金属間化合物（Ｃｕ３Ｓｎ、Ｃｕ６Ｓｎ５）が析出する。また、半田の融点に近い高温下では、拡散速度が速くカーケンダルボイド（空隙）が形成され、半田界面の剥離が更に短時間で発生する。このカーケンダルボイドが成長するとクラックに発展し、半田接合が破壊されて故障の原因となることがある。
【００１４】
これに対して、本発明の半導体装置では、外装めっきの下地にＮｉ（ニッケル）めっきを０．８μｍ以上施すことで、例えば、顧客の二次実装で鉛フリー半田を使用しても、１０００時間の高温通電試験で実装装界面にＳｎとＣｕの拡散、界面剥離が発生しないようにした。また、表層にＢｉ（ビスマス）の含有量が１％よりも多いＳｎＢｉめっきを施すことで、温度サイクルといった環境試験下においてＳｎのウィスカを防止する効果が発揮される。本発明の半導体装置について、以下に詳述する。
【００１５】
図１（ａ）〜（ｄ）に第１実施形態の構成を示す。
本発明の半導体装置は、リードフレーム１、半導体チップ２、モールド樹脂３、Ｎｉめっき皮膜４、ＳｎＢｉめっき皮膜５を備える。
【００１６】
図１（ａ）に示す通り、無酸素銅あるいは銅系合金からなるリードフレーム１に半導体チップ２を搭載、ボンディングしたのちモールド樹脂３で封止を行い、図１（ｂ）に示す通り、外装めっきを施す。なお、リードフレーム１は、リードとアイランドを含む。その後、リードフレームの曲げ加工及びフレーム切断を行う。リードフレーム１への外装めっきとしては、下地に０．８μｍ以上のＮｉめっき皮膜４を施した後、表層にＢｉの含有量が１〜４％のＳｎＢｉめっき皮膜５を施す。
このように構成された半導体装置は、例えば顧客先あるいは社内で、ＳｎＡｇＣｕ（錫−銀−銅）から構成される鉛フリー半田６にて配線基板７に二次実装される。
【００１７】
通常のＰｂ（鉛）入り半田で二次実装した場合には、ＰｂがＳｎのＣｕへの拡散を抑制する働きがあるため剥離の問題はないが、鉛フリー半田を二次実装に使用した場合にはＳｎがＣｕへ熱拡散しやすい。従って、二次実装された鉛フリー半田は、融点まで到達しなくても１５０℃程度の長期高温保管下にさらされると半田中のＳｎとリードフレーム側のＣｕの固相拡散が徐々に進み脆いＳｎとＣｕの金属間化合物（Ｃｕ３Ｓｎ、Ｃｕ６Ｓｎ５）を析出し剥離の問題が発生する。また、半田の融点に近い高温下では、拡散速度が速くカーケンダルボイドが形成されるため、半田界面の剥離が更に短時間で発生する。そこで、本発明の半導体装置ではＮｉめっきを施すことで、半田中のＳｎとリードフレームのＣｕの固相拡散を防止し剥離の問題を回避している。また、実験結果では１５０℃、１０００時間の長期高温保管で、Ｎｉめっき厚が０．８μｍ以上で拡散防止バリヤの効果を確認している。また、ＢｉにはＳｎウィスカの成長を抑制する効果があり、表層をＳｎＢｉめっきにすることにより、温度サイクルといった環境試験下においてもＳｎのウィスカを防止する。特に下地めっきとしてＮｉのように硬くＳｎに比べ熱膨張率の小さい材料を用いた場合にはＳｎとの熱膨張率差から温度サイクルといった環境試験でＳｎウィスカが発生しやすい。従って、Ｎｉめっきを下地めっきとした構成においてはＳｎＢｉめっきを付けることは必要不可欠である。実験結果ではＢｉの含有量が１％よりも多い場合に効果が発揮される。また、Ｓｎ中にＢｉを含有させることでめっき自身が硬く脆くなるため、本実施形態のようにモールド樹脂封止後にリード曲げ加工を必要とするものについては、リードフレーム曲げ加工の際にＳｎＢｉめっきにクラックが生じないように、Ｂｉの含有量を４％以下に管理する必要がある。
【００１８】
図１（ｃ）、（ｄ）に示す通り、鉛フリー半田にて二次実装された後に、接合部が１５０℃以上、１０００時間の長期高温状態にさらされても、実装界面にＳｎとＣｕの拡散、界面剥離が発生しない。また、表層をＢｉ含有量１〜４％のＳｎＢｉめっきにすることにより、Ｓｎウィスカが発生しない。
【００１９】
このように、本発明の半導体装置は、リードフレーム１の外装めっきとして、下地にＮｉめっき皮膜４を０．８μｍ以上施し、表層にＢｉを１％よりも多く含有するＳｎＢｉめっき皮膜５を施していることを特徴とする。
【００２０】
図２（ａ）〜（ｄ）に第２実施形態の構成を示す。
本発明の半導体装置は、リードフレーム１、半導体チップ２、モールド樹脂封止３、Ｎｉめっき皮膜４、ＳｎＢｉめっき皮膜５を備える。
【００２１】
図２（ａ）に示す通り、無酸素銅あるいは銅系合金からなるリードフレーム１に半導体チップ２を搭載、ボンディングしたのちモールド樹脂３で封止を行い、図２（ｂ）に示す通り、外装めっきを施す。その後、隣接する製品どうしをダイシング加工により切り離し製品化する。リードフレーム１への外装めっきとしては、下地に０．８μｍ以上のＮｉめっき皮膜４を施した後、表層にＢｉの含有量が１％よりも多いＳｎＢｉめっき皮膜５を施す。このように構成された半導体装置は、例えば顧客先あるいは社内で、ＳｎＡｇＣｕから構成される鉛フリー半田６にて配線基板７に二次実装される。
【００２２】
図２（ｃ）、（ｄ）に示す通り、鉛フリー半田にて二次実装された後に、接合部が１５０℃以上、１０００時間の長期高温状態にさらされても、実装界面にＳｎとＣｕの拡散、界面剥離が発生しない。また、表層をＢｉの含有量が１％よりも多いＳｎＢｉめっきにすることにより、Ｓｎウィスカが発生しない。
【００２３】
第２実施形態の構造の場合には、めっき後のリードフレーム曲げ加工がなくＳｎＢｉめっきクラックが生じないため、ＳｎＢｉめっきのＢｉ含有量を第１実施形態よりも多くすることが可能である。従って、特に顧客の使用環境が苛酷な場合あるいはパッケージの構成上大きな応力が加わる場合でも、Ｓｎウィスカに対してより有利な構成となる。
【００２４】
図３に、Ｂｉ濃度についての評価結果を示す。
無酸素銅又は銅系合金のリードフレームを用い、ＳｎＢｉめっき厚を５μｍ、８μｍ、２０μｍとして、Ｂｉの含有量が１％、３％、５％のそれぞれの場合について−４５〜１２５℃の温度環境下で１０００サイクルの温度サイクル試験を行った。
ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：走査式電子顕微鏡）にて観察した結果、いずれのＳｎＢｉめっき厚の場合においても、Ｂｉの含有量が１％の場合ではＳｎウィスカが発生するのに対して、Ｂｉの含有量が３％又は５％の場合ではＳｎウィスカが発生しない。従って、上記のような温度環境下でＳｎウィスカが発生しないようにするには、Ｂｉの含有量を１％よりも多くすれば良い。
【００２５】
なお、リードフレーム１に半導体チップ２を搭載した際に行うボンディングについては、ワイヤボンディング、ワイヤレスボンディングを問わない。例えば、本発明の半導体装置において、フリップチップ搭載ＢＧＡ（Ｂａｌｌ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）パッケージを用いる場合、ワイヤレスボンディングを行う。この時、リードフレーム１として半導体チップ２の電極パッドに銅箔、銅めっきを用い、鉛フリー半田６として半田ボールといったバンプを用いる。バンプの原材料には鉛フリーの材料を用いる。
【００２６】
また、配線基板７上の銅配線の外装めっきとして、下地にＮｉめっき皮膜４、表層にＳｎＢｉめっき皮膜５を用いても良い。
【００２７】
以上のように、各種通信システムの送信段に使用される高出力半導体装置に関して、環境を配慮した鉛フリー材料から構成され、且つ半導体装置動作による発熱及び周囲環境により１５０℃以上の高い温度環境下にさらされても品質上安定した半導体装置を提供する。
本発明の半導体装置は、無酸素銅あるいは銅系合金からなるリードフレームに半導体チップを搭載、又はボンディングしたのちモールド樹脂封止を行い、その後、外装めっきを施した半導体装置である。このリードフレームへの外装めっきとして、下地めっきに０．８μｍ以上のＮｉめっき皮膜を施した後、表層めっきにＢｉの含有量が１％よりも多いＳｎＢｉめっき皮膜を施している。このように構成され、且つ１５０℃以上の温度環境下で使用される半導体装置を、鉛を含有しない半田にて配線基板に実装して使用する。
更に、本発明の半導体装置は、携帯電話基地局、携帯電話端末、ケーブルテレビ中継機等の各種通信システムの送信段に使用される高出力半導体装置として使用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態の構成図である。（ａ）は、半導体装置を示す図である。（ｂ）は、半導体装置のリードフレームに施した外装めっきを示す図である。（ｃ）は、配線基板に二次実装した半導体装置を示す図である。（ｄ）は、二次実装した時の構成を示す図である。
【図２】図２は、本発明の第２実施形態の構成図である。（ａ）は、半導体装置を示す図である。（ｂ）は、半導体装置のリードフレームに施した外装めっきを示す図である。（ｃ）は、配線基板に二次実装した半導体装置を示す図である。（ｄ）は、二次実装した時の構成を示す図である。
【図３】図３は、Ｂｉ濃度の評価結果を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１…  リードフレーム
２…  半導体チップ
３…  モールド樹脂
４…  Ｎｉ（ニッケル）めっき皮膜
５…  ＳｎＢｉ（錫−ビスマス）めっき皮膜
６…  鉛フリー半田（半田）
７…  配線基板
【図１】
2006319288.tif 000003
【図２】
2006319288.tif 000004
【図３】
2006319288.tif 000005