(57)【要約】【課題】鉛フリー化に際しても、半田接合部の接合性の低下を防止し、リフロー工程においても接合部の剥離の発生を引き起こすことのない半導体装置を提供するる。【解決手段】半導体素子搭載部と、前記半導体素子搭載部の近傍に、一端が位置するように配設された複数のリードとを具備してなり、鉛フリー半田を用いた実装に用いられるリードフレームであって、前記リードの、少なくとも実装基板の配線パターンとの接合部の表面が、ニッケル含有量３質量％以下の組成をもつ材料で構成される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子搭載部と、
前記半導体素子搭載部の近傍に、一端が位置するように配設され、ニッケル含有材料で構成された複数のリードとを具備し、鉛フリー半田を用いた実装に用いられるリードフレームであって、
前記リードが、少なくとも実装基板の配線パターンとの接合部の表面が、前記実装に際して前記鉛フリー半田表面に針状結晶が析出しないようにニッケル含有量３質量％以下の組成をもつ材料で構成されたリードフレーム。
【請求項２】
請求項１に記載のリードフレームであって、
前記リードの先端部がニッケル含有量３質量％以下の組成をもつ材料で被覆されたリードフレーム。
【請求項３】
請求項１に記載のリードフレームであって、
前記リードの先端部がニッケル含有量３質量％以下の組成をもつ材料で構成されたリードフレーム。
【請求項４】
半導体素子搭載部と、
前記半導体素子搭載部の近傍に、一端が位置するように配設され、ニッケル含有材料で構成された複数のリードとを具備したリードフレームと、
前記半導体素子搭載領域に搭載され、前記リードの少なくとも1つに電気的に接続された半導体素子チップと、
前記半導体素子チップを被覆すると共に、前記リードの外方の端部を外部に露呈せしめる樹脂パッケージとを備え、鉛フリー半田を用いた実装に用いられる半導体装置であって、
前記リードの、少なくとも実装基板の配線パターンとの接合部の表面が、前記実装に際して針状結晶が析出しないようにニッケル含有量３質量％以下の組成をもつ材料で構成された半導体装置。
【請求項５】
請求項４に記載の半導体装置であって、
前記リードの先端部がニッケル含有量３質量％以下の組成をもつ材料で被覆された半導体装置。
【請求項６】
請求項４に記載の半導体装置であって、
前記リードの先端部がニッケル含有量３質量％以下の組成をもつ材料で構成された半導体装置。
【請求項７】
プリント基板表面の配線パターンに、鉛フリー半田層を介して半田リフロー法により半導体装置のリードを載置し、加熱によりリフロー工程を実現するようにした半導体装置の実装方法であって、
実装に際して針状結晶が析出しないように、前記配線パターンまたは、ニッケル含有材料で構成されたリードの少なくとも一方の表面が接合部において、ニッケル含有量３質量％以下の組成をもつ材料で構成された半導体装置の実装方法。
【請求項８】
請求項7に記載の半導体装置の実装方法であって、
前記リードの前記配線パターンとの接合部は少なくとも表面がニッケル含有量３質量％以下の組成をもつ材料で被覆された半導体装置の実装方法。
【請求項９】
請求項８に記載の半導体装置の実装方法であって、
前記配線パターンの表面がニッケル含有量３質量％以下の組成をもつ材料で被覆された半導体装置の実装方法。
【請求項１０】
請求項８に記載の半導体装置の実装方法であって、
前記配線パターンがニッケル含有量３質量％以下の組成をもつ材料で構成された半導体装置の実装方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リードフレーム、これを用いた半導体装置およびこの半導体装置の実装方法にかかり、特に鉛フリー半田を用いた実装に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境汚染の問題が深刻化しており、パーソナルコンピュータ、携帯電話に代表される電子機器などの電子部品の分野でも、鉛を使用しない半田いわゆる鉛フリー半田の使用が進められている。
共晶半田の融点が約１８３℃であったのに対し、鉛フリー半田の場合、半田融点が、通常は約２２０℃と、共晶半田に比べ約４０℃程度高い。そこで従来はせいぜい２３０℃程度に設定されていたリフロー温度が、最近では２４０℃から２４５℃となっており、高い物では２６０℃とされているものもある。
このように、リフロー工程で使用する半田が、共晶半田から鉛フリーとなるのに伴い、リフロー炉の温度設定を高くしているものが多い。
プリント基板上への半導体素子部品の実装に際し、多数の部品を実装するのは煩雑であり、共通部品を実装した汎用型ボードとして市販されることが多い。このような場合、ボードの製造メーカーにおいて少なくとも一回のリフロー工程を実施し、さらに組み立て工場で必要な部品を追加するためのリフロー工程を実施することになる。このような場合、先に実装された部品は多数回リフロー工程を経ることになり、剥がれが生じ易いという問題があった。
例えば、現在、携帯電話などに用いられる電圧制御発振機（VCO）のボードには、以下に示すような材質のリードフレームを用いているが、複数回のリフロー工程を経るものに対しては脱落が生じ易いという問題があった。とくに鉛フリー工程への変更に伴い、剥がれが生じるという問題が顕著となっている。これは鉛フリー工程によって特に顕著であり、ピーク温度２４０℃、チッ素ガス中で錫−銀（Ｓｎ−３．５％Ａｇ）半田を用いて５０〜８０μｍの半田量でリフローにより半導体装置部品をプリント基板上に実装する。
この場合も、数回のリフロー工程を経ると、接合部が剥離し部品が脱落するという問題があった。
また、このような問題は鉛半田を用いた場合にも、リフロー工程の回数が多い場合には、同様に生じていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このように、近年、鉛フリー化により、従来よりもリフロー温度は４０℃程度も高くなっており、この温度差は大きいため、種々のプロセスで不良発生の原因となっている。
特に、前述したように、VCOのボード場合、近年高密度化が進んでおり、実装に使用し得る面積が少なくなっており、多数回のリフロー工程に耐えうるようにするためには半田の流出を少なくするために使用する半田量を少なくする必要がある。このため単位面積あたりの半田層の厚さも小さくせざるを得ず、十分な接合強度を得ることができず剥離が生じ易いという問題があった。
【０００４】
このようにして実装されたボードを断面解析により分析した結果、図１０に断面図を示すように、リードフレームのニッケルが半田層に拡散し、半田の接合性を低下させていることがわかった。
特に１５０℃を越える温度では、Cｕ-Ｓｎ合金の成長速度よりもＮｉ−Ｓｎ合金の成長速度が速くなることが知られている（非特許文献１参照）。
つまり、従来からリードフレームに用いられているＣＡＣ−９２はＮｉを９％程度も含むためＮｉ−Ｓｎの合金化が進行し易くなり、それに伴いＣｕ−Ｓｎの合金化が促進されるためと考えられる。
【０００５】
本発明は、前記実情に鑑みてなされたものであり、鉛フリー化に際しても、半田接合部の接合性の低下を防止し、リフロー工程においても接合部の剥離の発生を引き起こすことのない半導体装置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】
【０００６】
本発明は、半導体素子搭載部と、前記半導体素子搭載部の近傍に、一端が位置するように配設され、ニッケル含有材料で構成された複数のリードとを具備してなり、鉛フリー半田を用いた実装に用いられるリードフレームであって、前記実装に際して前記鉛フリー半田表面に針状結晶が析出しないように、前記リードの、少なくとも実装基板の配線パターンとの接合部の表面が、ニッケル含有量３質量％以下の組成をもつ材料で構成される。
【０００７】
この構成により、半田層にニッケルが拡散したとしても、３質量％以下であるため、接合性の低下を招くこともなく、確実な接続性を維持することができる。なお、１５０℃を越えるとＮｉとＳｎが反応しＮｉの含有量が多い場合、合金層を形成してしまい針状結晶が析出し、接合が破壊され剥がれが生じてしまうことがあるが、３質量％以下であるため剥がれが生じることはない。
【０００８】
本発明は、前記リードフレームにおいて、前記リードの先端部がニッケル含有量３質量％以下の組成をもつ材料で被覆される。
すなわち、全体がニッケル含有量３質量％以下の組成をもつ材料で被覆される必要はなく、先端部のみニッケル含有量が低下せしめられるとよい。
【０００９】
本発明は、前記リードフレームにおいて、前記リードの先端部がニッケル含有量３質量％以下の組成をもつ材料で構成される。
【００１０】
この構成により、リードの先端部全体がニッケル含有量３質量％以下の組成をもつ材料で構成されるようにすれば、表面層のみがこの組成比をもつ場合に比べてより確実にリードとプリント基板上の配線パターンとの接合性を維持することができる。
【００１１】
本発明の半導体装置は、半導体素子搭載部と、前記半導体素子搭載部の近傍に、一端が位置するように配設され、ニッケル含有材料で構成された複数のリードと、前記半導体素子搭載領域に搭載され、前記リードの少なくとも1つに電気的に接続された半導体素子チップと、前記半導体素子チップを被覆すると共に、前記リードの外方の端部を外部に露呈せしめる樹脂パッケージとを備え、鉛フリー半田を用いた実装に用いられる半導体装置であって、前記実装に際して針状結晶が析出しないように、前記リードの、少なくとも実装基板の配線パターンとの接合部の表面が、ニッケル含有量３質量％以下の組成をもつ材料で構成される。
【００１２】
この構成により、リードの先端部全体がニッケル含有量３質量％以下の組成をもつ材料で構成されるようにすれば、表面層のみがこの組成比をもつ場合に比べてより確実にリードとプリント基板上の配線パターンとの接合性を維持することができる。
【００１３】
本発明の半導体装置は、上記半導体装置において、前記リードの先端部がニッケル含有量３質量％以下の組成をもつ材料で被覆される。
【００１４】
本発明の半導体装置は、上記半導体装置において、前記リードの先端部がニッケル含有量３質量％以下の組成をもつ材料で構成される。
【００１５】
本発明の半導体装置の実装方法は、プリント基板表面の配線パターンに、鉛フリー半田層を介して半田リフロー法により半導体装置の、ニッケル含有材料で構成されたリードを載置し、加熱によりリフロー工程を実現するようにした半導体装置の実装方法であって、実装に際して針状結晶が析出しないように、前記配線パターンまたは、ニッケル含有材料で構成されたリードの少なくとも一方の表面が接合部においてニッケル含有量３質量％以下の組成をもつ材料で構成される。
【００１６】
本発明は、上記半導体装置の実装方法において、前記リードの前記配線パターンとの接合部は少なくとも表面がニッケル含有量３質量％以下の組成をもつ材料で被覆される。
【００１７】
本発明は、上記半導体装置の実装方法において、前記配線パターンの表面がニッケル含有量３質量％以下の組成をもつ材料で被覆される。
【００１８】
本発明は、上記半導体装置の実装方法において、前記配線パターンがニッケル含有量３質量％以下の組成をもつ材料で構成される。
なおここで、通常のリードは実装時に曲げる必要があるため、曲げに対する硬さと半田の濡れ性を維持する必要がある。そこで硬さと濡れ性を向上するために、フレーム素材中にＮｉを含有するものが望ましい。
また、リードあるいは配線パターン表面の被覆材料としては、Ｓｎ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ、Ｐｄ，Ｐｄ−Ａｕなど、Ｎｉ含有量３質量％以下の材料が適用可能である。また、基材からのＮｉの拡散を防止するため、Ｃｕなどの拡散防止層を介在させるのが望ましい。また拡散防止層としては、Ｎｉ単体でもよいことが実験的にわかっている。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の半導体装置によれば、鉛フリー工程において、高温でのリフロー工程を経ても、接合部の剥離のおそれがなく、高歩留まりで信頼性の高い接合強度をもつリードフレーム、半導体装置およびその実装方法を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
（第1の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態の半導体装置を示す斜視図、図２はその要部断面図、図３は同半導体装置の実装基板としてのプリント基板２０上への実装状態を示す図、図４は、同半導体装置で用いられるリードフレームの半導体チップ搭載例を示す斜視図、図５は同実施の形態に用いられるリードフレームを示す図、図６は同半導体装置の製造工程の一部であって、半導体素子チップを搭載しワイヤボンディングを行った状態を示す図、図７は、この半導体装置の樹脂封止工程を示す説明図、図８は半田リフロー後の要部断面図である。
この半導体装置は、樹脂パッケージ１から導出された、リード２ａ、２ｂ、２ｃ、吊りリード３ａ、３ｂが、Ｃｕ−２．０％Ｓｎ−０．２％Ｎｉで構成されたことを特徴とするもので、プリント基板２０上の配線パターン２１との接合が鉛フリー半田からなる半田層２２によって実現され、複数回のリフロー工程を経てもこの半導体装置がプリント基板２０から脱落しないように構成したものである。
またこの半導体装置は、矩形の半導体素子搭載領域としてのダイパッド５ａ、５ｂに半導体素子チップ４ａ、４ｂが搭載され、樹脂パッケージ１で被覆されたものである。そしてこの樹脂パッケージ１から、リード２ａ、２ｂ、２ｃ、３ａ、３ｂが導出されている。
またこの樹脂パッケージの外径は２．９ｍｍ×１．５ｍｍ×１．１ｍｍであった。
【００２１】
すなわち、この半導体装置は、リードフレームと、半導体素子チップ４ａ、４ｂと、この周りを囲む樹脂パッケージ１とで構成される。そして２個のトランジスタチップを構成する半導体素子チップ４ａ、４ｂを、リードフレームのダイパッド５ａ、５ｂにそれぞれ載置固定するとともに、この半導体素子チップ４ａ、４ｂのパッドを、リード端子２ａ、２ｂ、２ｃ、３ａ、３ｂに夫々ボンディングワイヤ６を介して電気的接続を行うものである。このように、リードフレーム上に電気的接続のなされた半導体素子チップを樹脂パッケージ１ａ、１ｂで封止し、樹脂パッケージ１ａ、１ｂから導出されたリードをガルウィング型に成形したものである。なお、樹脂封止後、プリント基板への実装に先立ち図２に示すようにリード端子２ｂ（、２ａ、２ｃ、３ａ、３ｂ）の表面は半田層Ｓ０で被覆される。このリード端子２ａ、２ｂ、２ｃ、３ａ、３ｂの外方端を、半田を介してプリント基板（図示せず）上の回路パターンに載置し、、リフロー法により、２４５℃程度で加熱することにより、プリント基板２０表面の回路パターン２１上への実装が鉛フリー半田層２２を介してなされる。
【００２２】
そしてこのリードフレームは、図４に拡大斜視図、図５に平面図を示すように、送り穴９を備えた２本のサイドバー８の間に、第１および第２の半導体素子チップ搭載部としてのダイパッド５ａ、５ｂと、これを支持する吊りリード３ａ、３ｂと、この吊りリードに相対向してリード端子２ａ、２ｂ、２ｃとからなるリードフレームユニットが多数個順次配設されたものである。
【００２３】
次に、この半導体装置の実装方法について説明する。
まず、このリードフレームの製造方法について説明する。
この方法では、Ｃｕ−０．２Ｓｎ−０．２Ｎｉの組成比をもつＣｕ−Ｓｎ−Ｎｉ合金（商品名ＭＦ２０２Ｈ）の板状体（銅板）からなる条材を打ち抜き加工し、図５に示すように、送り穴９を備えたサイドバー８の間に、ダイパッド５ａ、５ｂと、これを支持する吊りリード３ａ、３ｂと、リード端子２ａ、２ｂ、２ｃとからなるリードフレームユニットが多数個順次配設されたリードフレーム本体の形状加工を行う。このとき抜き型を変更し、打ち抜きと同時に切り欠きが形成できるようになっている。そしてめっきを必要とする場合にはこのようにして形成されたリードフレーム本体の基材ｍ０表面を、電解めっきにより図９に変形例（後述）を示すように多層構造の金属層からなるリード部を備えたリードフレームを形成する。
【００２４】
次にこのリードフレームを用いた半導体装置の製造方法について説明する。
【００２５】
まず図６に示すように、図５に示したリードフレームのダイパッド５ａ、５ｂに半導体素子チップ４ａ、４ｂの裏面が搭載されるように固着し、ボンディングワイヤ１２によって半導体素子チップ４ａ、４ｂとリード端子２ａ、２ｂ、２ｃとの電気的接続を行う。
【００２６】
この後、図７に示すように、上金型１０ａと下金型１０ｂによって形成されるキャビティ空間１１ａ、１１ｂ内の空間領域にエポキシ樹脂が注入され、樹脂パッケージ１で被覆された半導体装置を形成する。
【００２７】
そして最後に、樹脂パッケージから露呈するリード表面にめっきにより半田層Ｓ０を形成した後、サイドバー８を除去し、リード端子をガルウイング形状に成形し、図１に示した半導体装置が形成される。
【００２８】
そして、プリント基板２０への装着時には鉛フリー半田により、効率よくリフローされる。
この結果、接合部断面を図８に示す。この図８と図１０に示した従来例のリードフレームを用いた場合の接合部断面とを比較した結果、従来例ではＣＡＣ９２からなる基材ｍ１に含まれるＮｉがＳｎと合金層をつくり、またＣｕとも合金層を作っていくため合金層の厚みは図１０に示したように厚くなる。そしてリードの表面ではＣｕを含んだＮｉ−Ｓｎ合金からなる針状結晶が形成されていることがわかる。Ｓｎは多くの金属と金属間化合物をつくり、Ｓｎ比率が増すほど合金層成長を助長させることになる。特に鉛フリー半田ではＳｎの比率が高くなるため合金層成長を助長させる結果となる。この合金層Ｓ１の厚みが厚くなると半田中のＳｎがくわれる率が高くなり半田中のＳｎ含有率が下がるためもろい半田となる。このように、半田層がリードフレームのニッケル層にくわれ、空洞が生じていることがわかる。これに対し、本発明ではわずかに合金層Ｓ１は厚くなっているが、それ以上は進行せず良好な接合界面を維持している。
本実施の形態によれば、２４５℃の高温でのリフロー工程を５回程度、経た場合にも脱落もなく良好な接合界面を得ることができた。また、ＥＤＸ分析による断面解析によっても合金層が厚くなったり、Ｃｕを含んだＮｉ−Ｓｎ合金からなる針状結晶が現われたりすることもなく、強固な接合を維持することができた。
【００２９】
なお、上記実施の形態の他、他の組成のリードフレームについて同様の実験を行った。実施例として次表に示すようなＮｉ含有率の少ないリードフレームを用いた場合には１００％脱落が生じなかったのに対し、比較例として次表に示すような材質をリードフレームとしても用いた場合には、１００％脱落が生じた。なお、ここで以下に示すようフレームの材質を用いた。
【表１】
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【００３０】
さらにまた、本実施の形態では、プリント基板の配線パターンとの接合部でリード表面のＮｉ含有量が３質量％以下となるように構成されているため、リフロー工程において２４５℃以上の高温となっても、針状結晶が析出することもなく良好な接合状態を維持することができる。このため、接合状態が破壊される確率は大きく低減される。
【００３１】
（第２の実施の形態）
次に本発明の第２の実施の形態について説明する。
【００３２】
なお、前記実施の形態では、リードをバルクで構成したが、変形例を図９に示すようにリード表面にめっき層を形成し２層構造で構成してもよい。
すなわち、このダイパッド、吊りリード、リードは、ニッケルからなる基体ｍ１にめっき層の被膜を形成し２層構造をなすようにしたもので、この基体ｍ１の上層に形成された膜厚２〜３μｍのＣｕ層からなるめっき層ｍ２とを備えている。
また、半導体装置の封止樹脂から露呈するリードの表面のニッケル含有量が３質量％以下であるため、ＮｉとＳｎとノ反応がなくなるため合金層の形成は少なくなり、リフロー５回後においても、半田層２２との間に形成される合金層Ｓ０は大きくは増大せず、強固に接続されており、安定な外部端子構造を形成することが可能となる。
なおこのめっき層としては、金、銅、錫、パラジウム半田など、安定でＮｉの拡散を防止可能な金属で構成すればよい。この場合も樹脂封止後、表面に半田層Ｓ０が形成される。
【００３３】
また、本発明のリードフレームにおいては、前記めっき層は、半田と共晶を形成し易い金などの金属で構成すれば、プリント基板などへの実装に際し、良好に接続を行うことが可能となる。またこのめっき層は、拡散防止層に加えてその外側に他のめっき層を形成し多層構造を形成してもよい。
【００３４】
また、本発明のリードフレームの製造方法では、打ち抜き法によって形成したが、打ち抜き法とエッチング法との組み合わせあるいはエッチング法を用いるようにしてもよい。
【００３５】
なお、前記実施の形態では、リードフレームのリードについて説明したが、プリント基板などの実装基板の配線パターンについても同様であり、少なくとも接合部の表面が３質量％以下のニッケル含有量であるものを用いることにより、さらに接合は確実となる。また、配線パターンのみの表面が３質量％以下のニッケル含有量であるものを用いることによっても接合部の剥離を防止することができる。
【００３６】
また、前記実施の形態では、２個のトランジスタの実装について説明したが、１個のトランジスタを実装する場合にも適用可能であり、またこのようなディスクリート素子に限定されることなく、ICやLSIなどにも適用可能であることはいうまでもない。
【００３７】
さらにまた、材料については前記実施の形態に限定されることなく種々の場合に適用可能である。例えば第２表に示すような組み合わせが可能である。
【表２】
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【産業上の利用可能性】
【００３８】
以上説明してきたように、本発明の半導体装置によれば、鉛フリー工程において、高温でのリフロー工程によって実装される半導体装置の、歩留まりの向上に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置を示す図
【図２】本発明の第１の実施の形態の要部拡大図を示す図
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の実装例を示す図
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の（樹脂パッケージを除いた状態を示す）説明図
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程の一部を示す図
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程の一部を示す図
【図７】本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程の一部を示す図
【図８】同実施の形態の半導体装置のリフロー後の接合部断面を示す図
【図９】本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の要部を示す図
【図１０】従来例の半導体装置のリフロー後の接合部断面を示す図
【符号の説明】
【００４０】
１  樹脂パッケージ
１ａ  樹脂パッケージ
１ｂ  樹脂パッケージ
２ａ、２ｂ、２ｃ  リード端子
３ａ、３ｂ  吊りリード
４ａ、４ｂ  半導体素子チップ
５ａ、５ｂ  ダイパッド（半導体素子搭載部）
５ｅ  伸張部
６  ボンディングワイヤ
７  切欠き
８  サイドバー
９  送り穴
ｍ０、ｍ１  基材
ｍ２  めっき層
Ｓ０  半田（合金）層
Ｓ１  合金層
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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