(57)【要約】【課題】電子部品のリフロー実装において、電子部品やプリント配線基板などへの熱負荷を抑えながら、はんだ接合に十分な加熱を行う最適な温度プロファイル設定のために、ソルダーペーストの温度を容易に評価できる半導体装置を提供する。【解決手段】リードフレームを用いた樹脂封止型半導体装置において、リード４の封止樹脂６の外に位置するアウターリード部４ｂの表面に、所定の温度で変色する示温材７を塗布する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップを封止樹脂で封止し、前記封止樹脂の外部に位置するアウターリード部の表面に任意の温度で変色する示温材を塗布したことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
変色温度の異なる複数の示温材を部分的に分けて塗布したことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記示温材が可逆性であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記示温材が非可逆性であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記示温材の変色温度は、プリント配線基板との接合に用いられるソルダーペーストの溶融温度よりも高いことを特徴とする請求項３または４に記載の半導体装置。
【請求項６】
半導体装置を乗せたプリント配線基板を連続的に搬送する搬送機と、前記搬送機を囲んで配置するリフロー炉とを備え、前記リフロー炉が前記プリント配線基板の温度を上昇させるプリヒートエリアとプリント配線基板の温度をソルダーペーストの溶融温度まで加熱するリフローエリアとプリント配線基板の温度を常温付近まで冷却する冷却エリアとの３つのエリアにより構成され、前記半導体装置のアウターリード部に塗布された示温材の変色を認識する手段をすくなくとも一つ以上備えたことを特徴とするリフロー実装機。
【請求項７】
前記半導体装置のアウターリード部に塗布された前記示温材の色を認識する手段は、前記プリント配線基板の画像を撮影するカメラ部と、前記カメラ部より取り込んだ画像データを処理するデータ処理部と、前記データ処理部からのデータを基に前記リフロー炉内の温度調整を行う温度調整部とで構成されていることを特徴とする請求項６に記載のリフロー実装機。
【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リフロー実装機に関し、半導体素子およびリードフレームを樹脂により一体的に封止してなる樹脂封止型の半導体装置および半導体装置のリフローはんだ付けの技術に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、プリント配線基板への電子部品の実装方法はリフロー実装が主流となっている。このリフロー実装は、はんだとフラックスを混合してクリーム状にしたソルダーペーストをプリント配線基板上のランド部に印刷し、その上に表面実装型の電子部品を搭載した後に、リフロー実装機で加熱してソルダーペーストを溶融させることで、プリント配線基板に電子部品をはんだ付けする方法である。
【０００３】
ここで、電子部品のリフロー実装について、図４を用いて説明する。まず、図４（ａ）に例示する構造において、プリント配線基板は、絶縁基板８に搭載する各電子部品と接続するためのランド部９およびランド部９を介して各電子部品を電気的に接続するための導体配線（図示省略）がパターニングされており、その周辺部にはソルダーレジスト１０が埋め込まれている。
【０００４】
次に、図４（ｂ）に示すように、プリント配線基板のランド部９上にソルダーペースト１１をスクリーン印刷で形成した後に、図４（ｃ）に示すように、ソルダーペースト１１の上に電子部品のアウターリード部４ｂを搭載する。
【０００５】
この状態でリフロー実装機に投入してソルダーペースト１１を溶融することにより、溶融したはんだが電子部品のアウターリード部４ｂに吸い上がり、はんだのフィレット１１ａが形成される。このはんだのフィレット１１ａが電子部品のアウターリード部４ｂをプリント配線基板上のランド部９に固定するとともに、双方を電気的に接続する。
【０００６】
次に、図５を用いて一般的なリフロー実装機について説明する。図５（ａ）は一般的なリフロー実装機の装置構成を示しており、図５（ｂ）はリフロー実装機内の各エリアにおける温度プロファイルを示している。
【０００７】
リフロー実装機１２は、入り口側からプリヒートエリア１２ａ、リフローエリア１２ｂ及び冷却エリア１２ｃの３つのエリアで構成されており、各エリアを通る搬送機１５が入口側から出口側まで配設してあり、これらのエリアで構成される温度プロファイルは、はんだ付け品質の重要な要素となる。
【０００８】
まず、プリヒートエリア１２ａは、搭載部品に対する熱衝撃を緩和するとともに、プリント配線基板全体の温度差を低減させることを主な目的としており、エリア内に配置されたヒータ１３ａとファン１４ａによって１３０℃〜１７０℃にまで温度上昇させ、一定時間の温度保持することが一般的である。
【０００９】
次に、リフローエリア１２ｂは、ソルダーペーストを溶融させ、プリント配線基板のランド部と電子部品の電極部とをはんだ付けすることを目的とし、エリア内のヒータ１３ｂおよびファン１４ｂにより、一時的に、はんだの融点を超える温度まで加熱する。
【００１０】
リフローエリア１２ｂにおける最低温度は、はんだの融点であり、最高温度は、電子部品の限界温度、フラックスの活性限界温度、金属の酸化等により制限される。鉛入りはんだを用いる場合には、その融点が１８３℃前後であることからリフローエリアの最高温度が２２０℃〜２２５℃となり、鉛フリーはんだを用いる場合には、その融点が２２０℃前後であることからリフローエリアの最高温度は２４０℃前後となる。
【００１１】
最後の冷却エリア１２ｃは、溶融した状態のはんだを速やかに凝固させることを目的とするものであり、製品を強制空冷するための冷却用ファンが配置されており、２００℃以上に熱せられた基板温度を常温付近にまで冷却する。
【００１２】
ところで、一般的なリフロー実装機１２には温度調整機能が装備されている。この温度調整機能は、炉内の雰囲気温度をモニタしながらヒータ温度あるいはファン風量を調整する装備である。部品を搭載したプリント配線基板表面の温度あるいはソルダーペーストの温度を知ることはできないので、一般的なリフロー実装機では実際にリフローするプリント配線基板の表面温度を測定しながら調整を行う。
【００１３】
このような一般的なリフロー実装機内でプリント配線基板の表面温度測定を行なう方法について、図６を用いて説明する。
従来、部品を搭載したプリント配線基板の表面温度測定では、プリント配線基板１９の温度測定箇所に熱伝対２０を固定し、リフロー実装機１２を通過するときの温度変化をペンレコーダ２１などで記録する方法をとっている。
【００１４】
この表面温度測定方法を用いた温度調整では、部品を搭載したプリント配線基板数枚をサンプルとしてその表面温度を測定した後に温度プロファイルを調整しており、その後は温度プロファイルに変動がないものとしてリフロー実装機１２の温度条件管理のみで製品を量産する。
【００１５】
しかしながら、上述した方法では、装置故障などにより炉内温度が変動するなどして、異常な温度プロファイルでリフロー実装が行われたとしても、リフロー直後に異常を発見することは不可能であり、はんだ付け異常が確認されるまで、異常な温度プロファイルのままで量産され続けるという問題が発生し得る。
【００１６】
この課題の対策として、特許文献１には、リフロー温度が適正かどうかを容易に判断でき、かつ温度管理を容易化できるプリント配線基板が提案されている。ここで、特許文献１に記載のプリント配線基板について図７を用いて説明する。
【００１７】
図７において、プリント配線基板２３の上には複数の電子部品２２が搭載されており、その電子部品２２の合間にはリフローチェッカー２４を少なくとも２箇所以上備えており、リフローチェッカーは２種類の変色温度の異なる示温材により構成されている。
【００１８】
この構成により、プリント配線基板表面の温度がリフロー温度の上限あるいは下限を超えるものであるか、超えないものであるかの判断を視覚的に行うことができ、温度管理を容易化している。
【特許文献１】特開２０００−２２３８３０公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
ところで、リフロー実装において最も重要な温度測定ポイントは、リフロー実装機内の雰囲気温度やプリント配線基板の表面温度ではなく、ソルダーペーストの温度である。そして、リフロー実装の温度条件としてはソルダーペーストの温度を制御することが重要であり、ソルダーペーストの温度は溶融点以上で、且つ電子部品の限界温度やフラックスの活性限界温度などによる上限温度以下に抑える。
【００２０】
しかしながら、前述の従来のリフロー実装機の温度調整や特許文献１のプリント配線基板では、熱電対あるいは示温部材によってプリント配線基板表面の温度はモニタできるが、ソルダーペーストの温度を把握することはできないという課題がある。
【００２１】
本発明では、電子部品のリフロー実装においてソルダーペーストに近い温度を容易に評価できる半導体装置と、その半導体装置を用いてリフロー実装における温度を最適に制御することができるリフロー実装機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記課題を解決するために、本発明の半導体装置は、半導体チップを封止樹脂で封止し、前記封止樹脂の外部に位置するアウターリード部の表面に任意の温度で変色する示温材を塗布したことを特徴とする。
【００２３】
また、変色温度の異なる複数の示温材を部分的に分けて塗布したことを特徴とする。
また、前記示温材が可逆性であることを特徴とする。
また、前記示温材が非可逆性であることを特徴とする。
また、前記示温材の変色温度は、プリント配線基板との接合に用いられるソルダーペーストの溶融温度よりも高いことを特徴とする。
【００２４】
本発明のリフロー実装機は、半導体装置を乗せたプリント配線基板を連続的に搬送する搬送機と、前記搬送機を囲んで配置するリフロー炉とを備え、前記リフロー炉が前記プリント配線基板の温度を上昇させるプリヒートエリアとプリント配線基板の温度をソルダーペーストの溶融温度まで加熱するリフローエリアとプリント配線基板の温度を常温付近まで冷却する冷却エリアとの３つのエリアにより構成され、前記半導体装置のアウターリード部に塗布された示温材の変色を認識する手段をすくなくとも一つ以上備えたことを特徴とする。
【００２５】
また、前記半導体装置のアウターリード部に塗布された前記示温材の色を認識する手段は、前記プリント配線基板の画像を撮影するカメラ部と、前記カメラ部より取り込んだ画像データを処理するデータ処理部と、前記データ処理部からのデータを基に前記リフロー炉内の温度調整を行う温度調整部とで構成されていることを特徴とする。
【００２６】
上記した構成により、ＱＦＰあるいはＳＯＰといったリードフレームを用いた樹脂封止型の半導体装置の外部電極となるアウターリード部の表面に、所定の温度で変色する示温材を塗布することにより、ソルダーペーストにより近い温度を容易にモニタできる半導体装置が実現できる。また、リフロー実装機に、半導体装置のアウターリード部に塗布された示温材の変色をモニタ・分析して温度制御を行う機能を設けることにより、より安定した負荷の少ないリフロー実装を実現できる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明に係る半導体装置およびリフロー実装機を用いることにより、ソルダーペーストにより近い温度を容易に評価でき、電子部品やプリント基板などにかかる熱負荷を抑えながら、確実にはんだ接合ができる最適なリフロー温度に常に制御することが可能となり、リフロー実装における実装品質の向上を図ることができる。また、リフロー実装における温度管理の簡易化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施形態に係る半導体装置について図面を参照しながら説明する。
（半導体装置の実施形態）
まず、本発明の実施の形態に係る半導体装置およびその製造方法を図１から図２に基づいて説明する。図１（ａ）は本発明の実施の形態に係る半導体装置の上面図、図１（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。図２は本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を図示したものである。
【００２９】
図１から図２において、１は半導体チップ、２はダイパッド、３は接合部材、４はリード、４ａはインナーリード部、４ｂはアウターリード部、５は金属細線、６は封止樹脂、７は示温材を示す。
【００３０】
半導体チップ１は表面に薄膜の積層によって回路素子が形成されており、半導体チップ１のベース材料としてはシリコン（Ｓｉ）などが用いられる。リードフレームはダイパッド２及びダイパッド２の周囲に延びる多数のリード４により構成されており、前記リード４は樹脂封止後に樹脂内に位置するインナーリード部４ａと、樹脂外に位置するアウターリード４ｂとからなる。リードフレームの材料としては、主に、鉄・ニッケル合金・銅などを主成分とする合金材料が用いられる。
【００３１】
まず、図２（ａ）に示すように、半導体素子１は回路素子形成面を上にして、ダイパッド２に接合部材３を介して固定される。接合部材３には一般的に銀の粒子を含有した樹脂やはんだなどが用いられる。
【００３２】
次に、図２（ｂ）に示すように、半導体素子１の回路形成面には電極パッド（図中省略）が形成されており、この電極パッドはリード４の封止樹脂６内に位置するインナーリード部４ａと、ＡｕやＡｌなどの金属からなる金属細線５によるワイヤーボンディングで電気的に接続される。ワイヤーボンディングには超音波熱圧着方式を用いることが一般的である。
【００３３】
次に、図２（ｃ）に示すように、半導体素子１、ダイパッド２、接合部材３、リード４、金属細線５はエポキシ系樹脂を材料とする封止樹脂６により一体的に封止される。この封止樹脂６が半導体装置の外形を形成する。
【００３４】
次に、図２（ｄ）に示すように、封止樹脂６の外に位置するアウターリード部４ｂを曲げ加工によってガルウイング型に成型する。
最後に、図２（ｅ）に示すように、封止樹脂６の外に位置するアウターリード部４ｂの表面に示温材７を塗布する。示温材７の塗布方法としては、はけを用いて塗る方法やスプレーのように飛散させて付着させる方法などが考えられる。
【００３５】
また、上述した製造方法では、加工成型後のアウターリード部４ｂに示温材７を塗布するが、加工成型前に示温材７を塗布しても問題ない。
また、示温材７は温度制御の観点から少なくとも上限温度と下限温度の判断がつくように設ける必要があり、少なくとも２種類の変色温度の異なる示温材をそれぞれ異なる場所に塗布する必要性がある。より細かい温度判断を行うには、上限温度と下限温度の間を複数の温度領域に分割し、各温度領域に対応して変色温度の異なる多数の示温材を塗布することで実現できる。
【００３６】
ところで、示温材料には可逆性のものと非可逆性のものとがあり、可逆性とは所定の温度で変色した後に温度を下げると元の色に戻る特性であり、非可逆性とは所定の温度で変色した後に温度を下げても元に戻らない特性である。このため、リフロー実装機を通過した後に温度判定をする場合には非可逆性のものを用いる必要があるが、リフロー実装機内で温度判定をする場合はどちらを用いても問題ない。
【００３７】
示温材料の成分は、呈色性化合物、顕色剤および可逆剤からなり、温度によって示温材料の結晶構造あるいは相分離状態が変化し、その着色状態が変化する。呈色性化合物の成分としては、ロイコオーラミン類、ジアリールフタリド類、ポリアリールカルビノール類などの電子供与性有機化合物などを挙げることができる。顕色剤の成分としては、フェノール類、フェノール金属塩類、カルボン酸金属塩類等の酸化物などを挙げることができる。可逆剤としては、スタノローン、β−シトスロール、メチルアンドロステンジオールなどを挙げることができる。
【００３８】
本実施の形態ではＱＦＰパッケージを例に説明を行っているが、本発明はＱＦＰパッケージに限定されるものではない。
（リフロー実装機の実施形態）
次に、本発明の実施形態に係るリフロー実装機について図３に基づき説明する。図３は本実施の形態におけるリフロー実装機の構造図である。先に図５において説明したものと同様の構成要素には同符号を付して説明を省略する。
【００３９】
リフロー実装機１２は、入り口側からプリヒートエリア１２ａ、リフローエリア１２ｂ及び冷却エリア１２ｃの３つのエリアで構成されており、各エリアを通る搬送機１５が入口側から出口側まで配設してあり、これらのエリアで構成される温度プロファイルは、はんだ付け品質の重要な要素となる。
【００４０】
最初のプリヒートエリア１２ａは、搭載部品に対する熱衝撃を緩和するとともに、プリント配線基板１９の全体の温度差を低減させることを主な目的とするものであり、エリア内に配置されたヒータ１３ａとファン１４ａにより、雰囲気をはんだの溶融温度以下の所定の温度に制御して、プリント配線基板を一定時間保持することが一般的に行なわれる。
【００４１】
次に、リフローエリア１２ｂは、ソルダーペーストを溶融させてプリント配線基板のランド部と電子部品の電極部とをはんだ付けすることを目的とするものであり、エリア内のヒータ１３ｂおよびファン１４ｂにより、一時的にはんだの融点を超える温度まで加熱する。
【００４２】
このとき、本発明に係る半導体装置を搭載したプリント配線基板はアウターリード部４ｂに塗布された示温材７がその変色状態を温度により変化させるので、カメラ部１６によりアウターリード部４ｂの示温材７の変色状態を画像データとして取り込み、データ処理部１７で画像データを分析して温度データに換算する。この分析データにより温度制御部１８でリフロー炉１２内の温度調整を行う。
【００４３】
ちなみに、鉛入りはんだの場合は融点が１８３℃前後であり、鉛フリーはんだの場合は融点が２２０℃前後である。従来の温度プロファイルでは融点に対してリフロー温度を調整しており、鉛入りはんだでは＋４０℃前後、鉛フリーはんだでは＋２０℃前後のマージンをみていた。しかし、本発明における温度評価の方法及び温度制御の方法によると、マージンを従来よりも抑えて余分な熱負荷を抑えることができる。
【００４４】
最後の冷却エリア１２ｃは、溶融した状態のはんだを速やかに凝固させることを目的とするものであり、製品を強制空冷する冷却用ファン１４ｃが配置されており、２００℃以上に熱せられた基板温度を常温付近まで冷却させる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
以上のように、本発明はリードフレームを用いた樹脂封止型半導体装置に有効であり、それを用いた電子機器全般に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】（ａ）は本発明の実施の形態における半導体装置の上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線における断面図
【図２】同実施形態に係る半導体装置の各製造工程を示す断面図
【図３】本発明の実施の形態におけるリフロー実装機の構造図
【図４】リフロー実装の各工程を示す断面図
【図５】（ａ）は従来のリフロー実装機の構造図、（ｂ）は従来の調整における温度プロファイル
【図６】一般的なリフロー実装機内でのプリント配線基板の表面温度測定方法
【図７】従来のプリント配線基板の上面図
【符号の説明】
【００４７】
１    半導体チップ
２    ダイパッド
３    接合部材
４    リード
４ａ  インナーリード
４ｂ  アウターリード
５    金属細線
６    封止樹脂
７    示温材
８    絶縁基板
９    ランド部（導体）
１０    ソルダーレジスト
１１    ソルダーペースト
１１ａ  フィレット（ソルダーレジスト）
１２    リフロー炉
１２ａ  プリヒートエリア
１２ｂ  リフローエリア
１２ｃ  冷却エリア
１３ａ  （プリヒートエリア用）ヒーター
１３ｂ  （リフローエリア用）ヒーター
１４ａ  （プリヒートエリア用）ファン
１４ｂ  （リフローエリア用）ファン
１４ｃ  （冷却エリア用）ファン
１５    搬送機
１６    カメラ部
１７    データ処理部
１８    温度制御部
１９    プリント配線基板
２０    熱伝対
２１    ペンレコーダ
２２    電子部品
２３    プリント配線基板
２４    リフローチェッカー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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