(57)【要約】【課題】半導体素子を構成する２つの金属板がはんだ層を介して接続されている半導体装置において、はんだの流出抑制効果の高い半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置１００を構成する２つの金属板３，４がはんだ層５Ｃを介して接続されている半導体装置１００において、２つの金属板３，４のうち、一方の金属板３は他方の金属板４に比して平面積が小さくなっており、双方の金属板３，４ともに上面と下面、上面および下面を繋ぐ側面を有していて、一方の金属板３の下面３ｂと他方の金属板４の上面４ａがはんだ層５Ｃを介して接続されており、少なくとも一方の金属板３の側面３ｃには、そのはんだ濡れ性を低下させる表面処理部６が設けられている。【選択図】図２
2013118322.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置を構成する２つの金属板がはんだ層を介して接続されている半導体装置において、
２つの金属板のうち、一方の金属板は他方の金属板に比して平面積が小さくなっており、双方の金属板ともに上面と下面、上面および下面を繋ぐ側面を有していて、一方の金属板の上面もしくは下面と他方の金属板の下面もしくは上面がはんだ層を介して接続されており、
少なくとも前記一方の金属板の側面には、そのはんだ濡れ性を低下させる表面処理部が設けられている半導体装置。
【請求項２】
前記一方の金属板の側面に加えて、前記他方の金属板におけるはんだ層と接する上面もしくは下面のはんだ層周りにもはんだ濡れ性を低下させる表面処理部が設けられている請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記表面処理部が研磨処理によるものである請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記表面処理部がめっき処理によるものである請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記表面処理部が酸化被膜を形成するものである請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記２つの金属板の一方が基板とリードフレームの間の高さを確保するための上部電極であり、金属板の他方がリードフレームである請求項１〜５のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項７】
前記２つの金属板の一方が基板とリードフレームの間の高さを確保するための上部電極であり、金属板の他方が基板である請求項１〜５のいずれかに記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーモジュールや半導体パッケージなどの半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
パワーモジュールや半導体パッケージなどの半導体装置を構成するICチップ（シリコンチップ）やトランジスタ、ダイオードなどの半導体素子と、これが搭載される基板やダイパット、リードフレーム等を接続する方法として、はんだによる接続方法が一般に用いられている。
【０００３】
たとえばパワーモジュールのリードフレーム（配線）にはCu素材の金属板が使用されることが多いが、このCu素材の金属板ははんだの濡れ性が良好なことからはんだ付けする際にはんだが流出し易く、そのためにはんだ層を安定的に形成し難いという課題がある。
【０００４】
この課題に対し、特許文献１には、半導体装置を構成する基板のはんだ接合面の周囲にはんだの流出を阻止する表面処理部を形成する技術が開示されている。
【０００５】
しかし、この技術を適用した場合には、基板のはんだ接合面の周囲におけるはんだの流出は阻止できるものの、基板上にCu等の金属からなる上部電極を接続する場合、その側面ははんだ濡れ性が良好なために該側面をはんだが流出する可能性が十分にある。
【０００６】
また、基板のはんだ接合面の周囲に表面処理部を形成した場合、はんだ付け時に位置ずれが生じた際に、この表面処理部では基板と素子をはんだにて接続できないことから接続不良となる可能性が十分にある。
【０００７】
さらには、小型化が進む半導体装置においては、基板のはんだ接合面の周囲に表面処理部を形成する十分なスペースが存在しない場合があるし、基板上にワイヤボンドなどを配線する場合に表面処理部を形成するスペースを十分に確保できないことがあり、特許文献１で開示の技術ではこのような場合に対処することができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平８−２３００２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、半導体装置を構成する２つの金属板がはんだ層を介して接続されている半導体装置において、はんだの流出抑制効果の高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】
【００１０】
前記目的を達成すべく、本発明による半導体装置は、半導体装置を構成する２つの金属板がはんだ層を介して接続されている半導体装置において、２つの金属板のうち、一方の金属板は他方の金属板に比して平面積が小さくなっており、双方の金属板ともに上面と下面、上面および下面を繋ぐ側面を有していて、一方の金属板の上面もしくは下面と他方の金属板の下面もしくは上面がはんだ層を介して接続されており、少なくとも前記一方の金属板の側面には、そのはんだ濡れ性を低下させる表面処理部が設けられているものである。
【００１１】
本発明の半導体装置は、はんだ層を介して接続される２つの金属板のうち、一方の金属板が他方の金属板に比して平面積が小さくなっている関係を前提とし、この場合に、平面積の相対的に小さな一方の金属板の側面に少なくともはんだ濡れ性を低下させる表面処理部を設けたものである。このことにより、たとえば相対的に広い平面積の他方の金属板のはんだ層周りに表面処理部を形成するだけの十分なスペースが存在しない場合や、はんだ付けの際に位置ずれが生じた場合に、一方の金属板の側面の表面処理部によってはんだ層の流出を効果的に抑制することができる。
【００１２】
ここで、２つの金属板はいずれも、上面と下面、上面および下面を繋ぐ側面を有している。たとえば金属板が直方体の場合には、上面と下面と４つの側面を有することになるし、金属板が円柱体の場合には、上面と下面と無端の周側面を有することになる。本発明では、相対的に平面積の小さな金属板の側面に少なくとも表面処理部を有するものである。
【００１３】
平面積が相対的に小さな金属板と相対的に大きな金属板をはんだ層で接続する場合、このはんだ層の側面は垂直面とはならず、相対的に小さな平面積の金属板の表面から他方の金属板の表面に向かってはんだ層がその断面を広げるようにして形成されるのが一般的であり、この傾斜角（フィレット角ともいう）は20〜40度程度の範囲になるのが一般的である。そして、一方の金属板の側面（たとえば垂直面）にある表面処理部ではんだの流出が抑制されると、このフィレット角を有するようにしてはんだ層が形成されることから、相対的に大きな他方の金属板の表面に表面処理部が存在しない場合であってもこの表面上をたとえば水平にはんだが流出することが抑制される。
【００１４】
本発明が対象とする半導体装置の構成は、基板、リードフレーム、半導体素子のほか、基板とリードフレームの間に所望の高さを確保するために設けられる上部電極、ダイパットやヒートシンクなどが存在し、これらはいずれも上記する金属板に包含されるものである。
【００１５】
また、「少なくとも前記一方の金属板の側面には、そのはんだ濡れ性を低下させる表面処理部が設けられている」とは、平面積の相対的に小さな一方の金属板の側面のみに表面処理部が設けられた形態のほかに、これに加えて、他方の金属板におけるはんだ層と接する上面もしくは下面のはんだ層周りにもはんだ濡れ性を低下させる表面処理部が設けられた形態をも包含する意味である。
【００１６】
後者の形態では、相対的に平面積の大きな他方の金属板のはんだ層周りに表面処理部を形成できる十分なスペースがある場合に適用できる。
【００１７】
上記する一方の金属板と他方の金属板としては、以下の具体的な半導体装置の構成要素の組み合わせがある。すなわち、相対的に平面積の小さな一方の金属板が上部電極であって他方の金属板が基板である形態、一方の金属板が上部電極であって他方の金属板がリードフレームである形態、一方の金属板が基板であって他方の金属板がヒートシンクである形態、一方の金属板が上部電極であって他方の金属板が半導体素子である形態などである。
【００１８】
また、表面処理部には多様な形態が存在するが、はんだに対して金属板の素材よりも濡れ性が低いものであればその処理方法は特に限定されるものでない。
【００１９】
表面処理部の具体的な形態としては、たとえば金属板がCu素材の場合にはCuよりも濡れ性の低いNiめっき処理やNi被膜を蒸着にて形成する方法、カーボンコーティングによる方法、金属酸化物被膜を形成する方法などが挙げられる。さらには、ブラスト処理や局部的な熱処理によって金属板の所望箇所に酸化被膜を形成する方法などであってもよい。
【発明の効果】
【００２０】
以上の説明から理解できるように、本発明の半導体装置によれば、半導体装置を構成する２つの金属板のうち、相対的に平面積の小さな一方の金属板の側面に少なくともはんだ濡れ性を低下させる表面処理部が設けられていることにより、半導体装置の小型化が図られている場合や、はんだ付けの際に位置ずれが生じた場合であっても、その構成要素である２つの金属板を接続するはんだ層のはんだの流出を効果的に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の半導体装置の一実施の形態を説明した模式図である。
【図２】（ａ）は図１のII部を抜き出して反転させた２つの金属板の接続構造の一実施の形態を模擬した図であり、（ｂ）は図２ａのｂ矢視図である。
【図３】図２ｂに対応する図であって、２つの金属板の接続構造の他の実施の形態を模擬した図である。
【図４】表面処理部の有無によってはんだ流出が抑制されることを検証した実験モデルを説明した模式図であって、（ａ）はその正面図であり、（ｂ）は図４ａのｂ矢視図（平面図）である。
【図５】表面処理部の有無によってはんだ流出が抑制されることを検証した実験結果のうち、はんだ流出距離の最大値の結果を示す図である。
【図６】表面処理部の有無によってはんだ流出が抑制されることを検証した実験結果のうち、はんだ流出面積率の結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して本発明の半導体装置とこの半導体装置を構成する２つの金属板の接続構造の実施の形態を説明する。なお、半導体装置の構成は図示例に何等限定されるものではなく、半導体装置を構成し、相互にはんだ層を介して接続される２つの金属板のうち、平面積の小さな一方の金属板の側面に少なくとも表面処理部が形成されているものであればよく、半導体装置の構成要素やその積層形態は多様である。
【００２３】
（半導体装置の実施の形態）
図１は、本発明の半導体装置の一実施の形態を説明した模式図である。同図で示す半導体装置１００は、Cu素材の基板１（金属板）と、ICチップやトランジスタ、ダイオードなどの半導体素子２（金属板）がはんだ層５Ａを介して接続され、この半導体素子２とCu素材の上部電極３（金属板）がはんだ層５Ｂを介して接続され、さらにこの上部電極３とCu素材のリードフレーム４（金属板）がはんだ層５Ｃを介して接続されてその全体が構成されている。
【００２４】
そして、はんだ層を介して接続される２つの金属板は、その一方の金属板の平面積が相対的に小さい関係を有している。すなわち、基板１に比して半導体素子２は相対的に平面積が小さくなっており、半導体素子２に比して上部電極３は相対的に平面積が小さくなっており、リードフレーム４に比して上部電極３は相対的に平面積が小さくなっている。
【００２５】
したがって、図示する半導体装置１００は、その構成要素によって平面積の異なる２つの金属板がはんだ層を介して接続された複数の接続構造を有している。
【００２６】
この２つの金属板の接続構造に関し、図１のII部に相当する上部電極３とリードフレーム４の接続構造に関し、以下２つの実施の形態を説明する。
【００２７】
（２つの金属板の接続構造の実施の形態１）
図２ａは、図１のII部を抜き出して反転させた上部電極３とリードフレーム４の接続構造の実施の形態１を模擬した図であり、図２ｂは、図２ａのｂ矢視図（斜視図）である。
【００２８】
図示するように、上部電極３は直方体を呈し、上面３ａとはんだ層５Ｃと密着する下面３ｂ、これらを繋ぐ４つの側面３ｃから構成されており、同様に、リードフレーム４は、はんだ層５Ｃとその一部で密着する上面４ａと下面４ｂ、これらを繋ぐ４つの側面４ｃから構成されている。
【００２９】
はんだ層５Ｃは、相対的に小さな平面積の上部電極３の下面３ｂからリードフレーム４の上面４ａに向かってその断面が広がるように形成され、この傾斜角θ（フィレット角）は20〜40度程度の範囲にある。
【００３０】
上部電極３の側面３ｃの周囲には、そのはんだ濡れ性を低下させる表面処理部６が形成されており、この表面処理部６ではんだ付け時のはんだの流出が抑制されるようになっており、このフィレット角θを有するようにしてはんだ層５Ｃが形成されることから、相対的に平面積の大きなリードフレーム４の上面４ａに表面処理部が存在しない場合であっても、この上面４ａ上をたとえば水平にはんだが流出することが抑制される。
【００３１】
このようにして、はんだの流出が抑制された２つの金属板の接続構造１０が形成される。
【００３２】
ここで、表面処理部６の形成方法としては、Cu素材の上部電極３やリードフレーム４よりも濡れ性の低いNiめっき処理やNi被膜を蒸着にて形成する方法、カーボンコーティングによる方法、金属酸化物被膜を形成する方法などがある。また、その他の方法としては、ブラスト処理（アルミナ、シリカ、炭化ケイ素、ガラスビーズなどを使用）や局部的な熱処理によって上部電極３の側面３ｃに酸化被膜を形成する方法などもある。
【００３３】
この接続構造１０によれば、半導体装置１００の小型化が図られ、したがって接続構造１０を構成するリードフレーム４の上面４ａのうち、はんだ層５Ｃの周囲の領域が狭い場合（したがって、この上面４ａのはんだ層５Ｃの周囲に表面処理部を形成できない場合）でも、はんだ付け時のはんだの流出を効果的に抑制することができ、初期のはんだ厚さを保証することができる。
【００３４】
（２つの金属板の接続構造の実施の形態２）
図３は、図２ｂに対応する図であって、２つの金属板の接続構造の実施の形態２を模擬した図である。
【００３５】
同図で示す接続構造２０では、上部電極３の側面３ｃの周囲に表面処理部６が形成されていることに加えて、リードフレーム４の上面４ａのうち、はんだ層５Ｃの周囲の領域にも別途の表面処理部７が形成されているものである。
【００３６】
図示する接続構造２０は、リードフレーム４の上面４ａのうち、はんだ層５Ｃの周囲の領域に表面処理部７を形成できるスペースが存在する場合に構成されるものである。
【００３７】
[表面処理部の形成有無によってはんだ流出が抑制されることを検証した実験とその結果]
本発明者等は、図２で示すように平面積の小さな金属板の側面にのみ表面処理部を形成した試験片（実施例2,3）と、図３で示すようにさらに平面積の大きな金属板の表面のはんだ層周囲の一定領域にも表面処理部を形成した試験片（実施例1）を試作し、さらに、表面処理部を具備しない試験片（比較例）も試作して、それらのはんだ流出距離の最大値とはんだ流出面積率を算出する実験をおこなった。
【００３８】
図４は実施例1の試験片を模擬した図であり、図４ａは試験片Ｍの正面図、図４ｂは図４ａのｂ矢視図であって試験片Ｍの平面図である。
【００３９】
試験片Ｍの構成要素は、Cu素材の基板Ｍ１（40mm×22mm×3mm（厚さ））と、Cu素材の上部電極Ｍ２（10mm×9mm×3mm（厚さ））の各接続面を過硫酸ナトリウムで洗浄して脱脂と酸化被膜の除去をおこなった後、Sn−Cu系板はんだ（厚さが0.15mm）をこれらの間に介層し、リフロー炉で加熱してはんだ付けをおこない（300℃で160秒保持）、試験片Ｍを形成した。
【００４０】
実施例1は、図４ａ，ｂで示す上部電極Ｍ２の側面Ｍ２ａの周囲と基板Ｍ１の上面のはんだ層Ｍ３の周囲領域Ｍ１ａに対し、SiC研磨紙で研磨をおこなって表面処理部を形成したものである。
【００４１】
一方、実施例2は、上部電極Ｍ２の側面Ｍ２ａの周囲にのみ、SiC研磨紙で研磨をおこなって表面処理部を形成したものである。
【００４２】
さらに、実施例3は、上部電極Ｍ２の側面Ｍ２ａの周囲にのみ、Niめっき処理をおこなって表面処理部を形成したものである。
【００４３】
はんだ流出距離の最大値は、各試験片を上からＣＣＤカメラで撮像してコンピュータに取り込み、コンピュータ内の画像解析ソフトを使用して、上部電極Ｍ２の端辺からはんだ流出の距離が最も長い点までの距離を算出する方法でおこなった。
【００４４】
一方、はんだ流出面積率の算定は、コンピュータ内で平面的に見た際のはんだ流出面積を自動算出し、これを上部電極Ｍ２の平面積で除して算出した。なお、この算出方法は、はんだの濡れ広がりを定量的に測定する際に一般に用いられる方法である。
【００４５】
はんだ流出距離の最大値の結果を図５に示しており、はんだ流出面積率の結果を図６に示している。
【００４６】
図５，６より、比較例に比して実施例1〜3はいずれも、はんだの流出量が大幅に抑制されていることが実証されている。
【００４７】
そして、上部電極Ｍ２の側面Ｍ２ａの周囲と基板Ｍ１の上面のはんだ層Ｍ３の周囲領域Ｍ１ａの双方をSiC研磨紙で研磨処理して表面処理部を形成した実施例1よりも、上部電極Ｍ２の側面Ｍ２ａの周囲のみにNiめっき処理にて表面処理部を形成した実施例3の方がはんだ流出抑制効果が高いことが実証されている。このことから、表面処理部の形成方法により、その効果が大きく異なることも実証されている。
【００４８】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４９】
１…基板（金属板）、２…半導体素子（金属板）、３…上部電極（金属板）、４…リードフレーム（金属板）、５Ａ，５Ｂ，５Ｃ…はんだ層、６，７…表面処理部、１０，２０…２つの金属板の接続構造、１００…半導体装置
【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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