CN1284235C - 半导体器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种半导体器件。作成为使得在用Sn-Zn系无铅焊料把具有作为表面处理已使钯成膜的电极端子的表面装配型的电子部件和设置在要装配该电子部件的基板上边的布线电极焊接起来的半导体器件中可以确实地进行用焊料进行的焊接。在电子部件(1)的与基板(3)相向的面上边，分别设置具有平面圆形形状的多个电极端子(2)，在基板(3)的主面上边的与各个电极端子(2)相向的区域上，分别设置具有平面圆形形状的布线电极(4)。

Description

半导体器件

技术领域

本发明涉及具备表面装配型的电子部件和要装配该电子部件的基板的半导体器件，特别是涉及在电子部件的外部电极内含有钯膜，而且用Sn-Zn系无铅焊料进行焊接的半导体器件。

背景技术

边参看附图边对由已装配在基板上边的电子部件构成的半导体器件进行说明。

图6(a)到图6(c)是现有的半导体器件，(a)示出了剖面构成，(b)示出了电子部件的下表面构成，(c)示出了基板的平面。

如图6(a)所示，表面装配型的电子部件51已装配在基板53的主面上边。在与电子部件51的基板53之间的相向面上边，形成有电极端子52，另一方面，在基板53的主面上边则在与电子部件51的电极端子52相向的位置上形成有布线电极54，这些电极端子52和布线电极54，已采用用焊料55固定焊接的办法电连起来。

若要像这样地把表面装配型的电子部件51装配到基板53上边，人们一直使用使在基板53的主面上边形成的布线电极54，和设置在电子部件51上的电极端子52彼此进行焊料焊接的方法。

电极端子52的平面形状，取决于电子部件51的种类而有种种的形状，且可根据其形状决定基板53上边的布线电极54的平面形状和平面尺寸。

例如，就像面阵列封装那样，在电子部件51上，如图6(b)所示，在其下表面上，分别设置有平面长方形形状的多个电极端子52，要用基板53上的焊料55与电极端子52焊接的布线电极54，如图6(c)所示，被设置为与电极端子52大体上同一形状。因此，在电子部件51向基板53上装配的装配工序中，例如要用印刷法用与布线电极54大体上同一形状把焊料55载置到基板53的各个布线电极54的上边之后，采用进行回流软化加热处理的办法，把电极端子52和布线电极54焊接起来。

另外，要在基板53上设置的布线电极54，通常，可以用使用镍(Ni)和金(Au)的电镀处理或助溶剂涂敷法在铜箔上边形成。

以往的焊料55大多使用Sn-Pb共晶系的焊料，由于即便是作为要在电子部件51上设置的电极端子52的表面处理实施了镀钯，仍显示出充分的焊料沾润性，故可以得到良好的焊接强度。

[专利文献1]特开平10-12773号公报

发明内容

(发明要解决的课题)

然而，作为不含铅的无铅焊料，虽然占主流的是锡(Sn)-银(Ag)系无铅焊料，但是，该Sn-Ag系无铅焊料却存在着熔融温度高而且材料价格昂贵的问题。于是，近些年来，人们都想使用熔融温度低且材料价格低的锡(Sn)-(Zn)锌系无铅焊料。

如图6(a)所示，在电子部件51的电极端子52的表面处理，实施钯系的电镀处理，而且焊料55使用Sn-Zn系无铅焊料的情况下，该Sn-Zn系无铅焊料与以往的Sn-Pb共晶系的焊料比，焊料沾润性非常不好。此外，本专利申请人等已经确认，由于借助于加热溶解后的Sn-Zn系无铅焊料的凝集力强，故特别是对于钯系电镀并未充分地使沾润性扩展。

例如，如图6(b)所示，在是QFN(Quad Flat Non-lead package：四方扁平无引线封装)型的电子部件51，且其电极端子52是平面长方形形状而且其表面处理实施了钯系电镀的情况下，虽然Sn-Zn系无铅焊料对于基板54的布线电极54焊料沾润性是良好的，但是对于设置在电子部件51上的电极端子52来说，由于焊料沾润性不好而且焊料的凝集力大，由于只有各个电极端子52的一部分能进行焊接，故存在着得不到良好的焊接和焊接强度的问题。

在像这样地，焊料55不能扩展对电极端子52的沾润性的情况下，电极端子52和基板54的布线电极54之间的电连和机械性焊接就会变得不充分，从而使半导体器件的可靠性降低。

本发明在目的在于解决上述现有的问题，使得在用Sn-Zn系无铅焊料把具有作为表面处理使钯成膜的电极端子的表面装配型的电子部件，和设置在要装配该电子部件的基板上边的布线电极焊接起来的半导体器件中，可以确实地进行用焊料进行的焊接。

(具体解决方式)

为了实现上述目的，本发明，把半导体器件作成为使得要设置在表面装配型的电子部件上的电极端子的平面形状变成为圆形形状。此外，作为圆形形状，作成为其短径与长径之比为1/2以上而且为1以下的椭圆或圆的构成。此外，电极端子的平面形状，也可以不是圆形形状，而是变成为短边与长边的长度之比为1/2以上而且为1以下的长方形形状或正方形形状。再有，还可以作成为使长方形的拐角部分具有圆角的构成。

本申请发明人等，对用Sn-Zn系无铅焊料把借助于电镀使钯成膜的电极端子焊接起来的情况下，焊料焊接变成为不充分的原因进行种种研究的结果，得到了如下结论。

上述原因是，由于Sn-Zn系无铅焊料因助焊剂引起的劣化很激烈，故必须要减弱助焊剂的活性力，除此之外，作为电极端子的表面处理而实施的钯系电镀，由于与金电镀或熔融系电镀比较起来沾润性不好，故电极端子的表面不能充分的活性化。再者说，Sn-Zn系无铅焊料由于在溶解后时的凝集力强，故由于变成为球状，其结果是焊料对于电极端子的表面不能扩展沾润性。

于是，在进行使表面装配型的电子部件的电极端子的平面形状变成为圆形形状或短边与长边的长度之比为1/2以上而且为1以下，拐角部分具有圆角的长方形形状进行装配的实验时得知：在平面圆形形状的电极端子的情况下，焊料可以充分地沾润地进行焊接。这被认为是由于电极端子的平面形状变成为圆形形状或短边与长边的长度之比为1/2以上而且为1以下，拐角部分具有圆角的长方形形状，使得因溶解而凝集成球状的焊料和电极端子可以用大体上同一面积进行接连，其结果是，产生焊料沾润性而得到充分的焊接的缘故。

对于设置在装配用的基板上的布线电极，虽然可以说是同样的，但是，归因于把设置在表面装配型的电子部件上的电极端子和设置在基板上的布线电极都作成为圆形形状或短边与长边的长度之比为1/2以上而且为1以下，拐角部分具有圆角的长方形形状，就可以因减轻了焊接后的应力的集中而可以得到良好的焊料焊接。

具体地说，本发明的半导体器件，具备：具有外部电极(电极端子)的板状的电子部件，和在主面上边具有要与外部电极电连的布线电极，且要把电子部件装配在该主面上边的基板；外部电极和布线电极，用含锡和锌的焊料进行焊接固定，外部电极的平面形状为由短径与长径之比为1/2以上且不足1的椭圆或短边与长边的长度之比为1/2以上而且不足1的长方形形状。此外，还是使拐角部分具有圆角的长方形形状。

倘采用本发明的半导体器件，由于设置在电子部件上的外部电极和设置在基板上的布线电极用含锡和锌的焊料进行焊接固定，在该情况下的外部电极的平面形状为圆形形状或短边与长边的长度之比为1/2以上而且为1以下的长方形，此外，还是使拐角部分具有圆角的长方形形状，故在把电子部件装配到基板上边时，由于被加热凝集成球状的焊料与外部电极大体上用同一面积接连，故因对外部电极产生焊料沾润性而可以得到充分的焊料焊接。

在本发明的半导体器件中，布线电极的平面形状，理想的是圆形形状或短边与长边长度之比为1/2以上而且为1以下的长方形，此外，还是使拐角部分具有圆角的长方形形状。

在该情况下，理想的是焊料含有铋。

在本发明的半导体器件中，理想的是在外部电极和焊料之间形成由钯构成的金属膜。

(发明的效果)

本发明的半导体器件，即便是在使用含锡和锌的焊料的情况下，由于在要把电子部件装配到基板上边时，被加热凝集成球状的焊料与外部电极大体上用同一面积接连，故因对外部电极产生焊料沾润性而可以得到良好的焊料焊接。

附图说明

图1(a)～(c)示出了本发明的一个实施方式的具有表面装配型的电子部件和要装配该电子部件的基板的半导体器件，(a)是剖面图，(b)示出了电子部件的仰视图，(c)示出了基板的俯视图。

图2的构成剖面图，示出了本发明的一个实施方式的半导体器件的电子部件的电极端子。

图3(a)～(c)的工序顺序的构成剖面图，示出了本发明的一个实施方式的半导体器件的制造方法。

图4是本发明的一个实施方式的表面装配型电子部件的不良率对电极端子的形状的特性图。

图5(a)～(e)的构成图，示出了本发明的另一实施方式的表面装配型的电子部件的电极端子的形状与焊料之间的焊接状态，(a)示出的是使用现有的Sn-Pb系或Sn-Ag系的焊料的形状，(b)示出的是不良率高的情况下的形状，(c)示出的是短边与长边之比为1/2以上而且为1以下的长方形，(d)示出的是长方形的拐角部分具有圆角的形状，(e)示出的是由短边与长边之比为1/2以上而且为1以下的椭圆构成的圆形形状。

图6(a)～(c)示出了现有的具有表面装配型电子部件和装配该电子部件的基板的半导体器件，(a)是剖面图，(b)是电子部件的仰视图，(c)是基板的俯视图。

符号说明：

1-表面装配型的部件；2-电极端子(外部电极)；3-基板；4-布线电极；5-Sn-Zn系无铅焊料；6-导电性基材；7-镍镀层；8-钯镀层；9-金镀层；10-金属掩模；10a-开口图形；12-焊料。

具体实施方式

下面边参看附图边对本发明的一个实施方式进行说明。

图1(a)～(c)是本发明的一个实施方式的具有表面装配型的电子部件和要装配该电子部件的基板的半导体器件，(a)示出了剖面图，(b)示出了电子部件的仰视图，(c)示出了基板的俯视图。

如图1(a)所示，表面装配型的电子部件1已装配到基板3的主面上边。在电子部件1的与基板3相向面上边，形成有作为外部电极的电极端子2。

在基板3的主面上边，在电子部件1的电极端子2相向的位置上形成有布线电极4，这些电极端子2和布线电极4，已用以锡和锌为主要成分的焊料(以下，叫做Sn-Zn系无铅焊料)5焊接固定并电连起来。在这里，作为Sn-Zn系无铅焊料5的组成的一个例子，理想的是作成为锌(Zn)7％～10％，铋(Bi)0％～3％，其余为锡(Sn)。例如，在使Sn-Zn系无铅焊料5的组成为锌9％，锡为91％的情况下，共晶点为199℃，因此，采用使锌的含有量变成为7％～10％的办法，就可以使熔点降低。此外，采用把铋添加到约3％左右的办法，在可以使熔点降低的同时还可以改善焊料的沾润性。但是，人们认为当铋添加到超过3％时，焊料的焊接强度就会劣化。

此外，如图1(b)所示，在电子部件1的与基板3之间的相向面上边的两侧部分上，分别设置有具有平面圆形形状的多个电极端子2，另一方面，如图1(c)所示，在与基板3的主面上边的各个电极端子2相向的区域上，分别设置有具有平面圆形形状的多个布线电极4。在这里，在铜箔上边，用使用镍(Ni)和金(Au)的电镀处理或助溶剂涂敷法形成各个布线电极4。

图2示出了在本发明的一个实施方式的半导体器件上设置的电极端子2的扩大剖面构成。

如图2所示，电极端子2，由从电子部件1一侧开始依次形成的铜(Cu)或铁(Fe)-镍(Ni)合金等构成的导电性基材6，镍镀层7、防止氧化用的钯(Pd)镀层8和进一步促进焊料的沾润性的金镀层9构成。

在这里，钯镀层8的厚度，理想的是约0.005微米～0.05微米左右，金镀层9的厚度理想的是约0.001微米～0.3微米左右。得益于这样的构成，钯镀层8和金镀层9在防止镍镀层7的氧化的同时，含于Sn-Zn系无铅焊料5内的锡和构成电极端子2的镍形成合金地彼此进行接合。

以该顺序形成钯镀层8和金镀层9的理由在于：向焊料进行的扩散速度钯比金快，且抗氧化性更强。但是，在金镀层9的厚度小于0.001微米的情况下，则就几乎不能期待抗氧化性，此外，当其厚度超过0.3微米时，焊接后的焊料5的强度将会劣化。因为形成了金与锌之间的合金后，会使得焊料的强度劣化。

以下，边参看附图边对如上所述地构成的半导体器件的制造方法进行说明。

图3(a)～(c)的工序顺序的构成剖面图，示出了本发明的一个实施方式的半导体器件的制造方法。

首先，例如用蒸镀法或电镀法等，在分别与基板3的主面上边的电子部件1的电极端子2相向的位置上形成多个布线电极4。接着，如图3(a)所示，用具有使各个布线电极4露出来的开口图形10a的金属掩模10，用印刷法涂敷Sn-Zn系无铅焊料5。

其次，如图3(b)所示，在使得已涂敷到各个布线电极4上的Sn-Zn系无铅焊料5和设置在电子部件1上的各个电极端子2彼此相向那样地进行位置对准后，把电子部件1载置到基板3上边。

其次，如图3(c)所示，对已载置上电子部件1的基板3进行回流软化加热处理，使Sn-Zn系无铅焊料5熔融和凝固，用Sn-Zn系无铅焊料5把电极端子2个布线电极4焊接起来。这时，如上所述，由于Sn-Zn系无铅焊料5活性力减弱，而电极端子2的钯镀层8与金镀层9或熔融系的电镀材料比较起来焊料沾润性不好，故电极端子2的表面难于活性化。其结果是，Sn-Zn系无铅焊料5因溶解后的焊料的凝集力强而变成为球状，焊料的沾润性不会扩展。

于是，在本实施方式中，采用使电极端子2和布线电极4都变成为圆形形状的办法，由于因溶解而凝集成球状的Sn-Zn系无铅焊料5和电极端子2及布线电极4总是进行接连，故因对Sn-Zn系无铅焊料5产生焊料沾润性而可以得到充分的焊料焊接。

此外，由于归因于设置在电子部件1上的电极端子2和设置在基板3的主面上边的布线电极4的平面形状都变成为圆形形状，在焊接后可以减轻加在Sn-Zn系无铅焊料5上的应力的集中，故可以得到良好且可靠性高的焊料焊接，可以使焊料焊接的焊接品质稳定。

另外，在本实施方式中，理想的是使电极端子2和布线电极4的平面形状为正圆或接近于正圆形状。这样的话，在Sn-Zn系无铅焊料5因溶解而凝集成球状时，由于已溶解成球状的焊料与具有平面正圆形状的电极端子2和布线电极4的表面分别均一地接触焊料，故变成为易于产生焊料沾润性的构造。

此外，设置在金属掩模10上的开口图形10a的开口直径，考虑到Sn-Zn系无铅焊料5的凝集，也可以设定为比基板3的布线电极4的直径大0.1微米左右。如果这样，则在Sn-Zn系无铅焊料5因溶解而凝集成球状时，由于在已溶解成球状的焊料与具有平面正圆形状的电极端子2和布线电极4的表面上焊料分别接连而使得接触面积变大，故变成为易于产生焊料沾润性的构造。但是，当开口图形10a的开口径变得比布线电极4的直径大0.1微米以上时，则存在着彼此相邻接的电极端子2(布线电极4)彼此间焊料进行焊接的可能性。

就如以上所说明的那样，具备本实施方式的表面装配型的电子部件1和装配它的基板3的半导体器件，即便是使用Sn-Zn系无铅焊料5的情况下，由于要设置在电子部件1上的电极端子2和要设置在基板3上的布线电极4的平面形状都变成为圆形形状，故可以得到良好的焊料焊接。

其次，作为本发明的另一实施方式，边参看附图边对电极端子2和布线电极4的平面形状作为与正圆或接近于正圆的形状不同的形状，为椭圆或长方形的情况进行说明。

图4是在椭圆的情况下，是Sn-Zn系无铅焊料5和电极端子2的焊接不良率，对短径对长径之比，在长方形的情况下，是Sn-Zn系无铅焊料5和电极端子2的焊接不良率，对短边对长边的长度之比如何变化的特性图。在这里，对于每一个短长比，都把电子部件1的电极端子2和基板3的布线电极4的形状在装配后的温度循环试验后(在-25℃、125℃下各进行5分钟的保持定为1个循环，300个循环后的总体判定)的不良率定为不良率。图5示出了电极端子2与焊料之间的焊接状态的俯视图。在短长比为3.5∶1的椭圆或长方形的情况下，若使用现有的Sn-Pb系或Sn-Ag系的焊料12，虽然不良率为0％没有问题(图5(a))，但是，若使用Sn-Zn系无铅焊料5，则不良率变成为100％，在焊接品质上就有了问题(图5(b))。在Sn-Zn系焊料的情况下，采用使短长比变成为2.75∶1的办法，则不良率变成为40％，在包括短长比为2∶1，短长比为1∶1的椭圆的圆形形状、长方形形状或正方形形状中，不良率则变成为0％，得以使焊接品质稳定下来。在图5中，带箭头的虚线表示椭圆的短径和长径，在长方形的情况下则表示短边和长边的长度。

图5(c)示出的是本身为本发明的的另一实施方式的电极端子2的平面形状为短边与长边的长度之比为1/2以上而且为1以下的长方形的情况下的Sn-Zn系无铅焊料5的焊接，除去拐角部分之外，大体上都可以焊接。图5(d)示出的是电极端子2的平面形状为使长方形的拐角部分具有圆角的长方形形状的情况，图5(e)示出的是电极端子2的平面形状由短径与长径之比为1/2以上而且为1以下的椭圆的情况，这些情况，大体上就像平面形状那样，可以进行与Sn-Zn系无铅焊料5之间的焊接。由于变成为使长方形的拐角部分具有圆角的长方形形状，故焊接性变得比长方形要好。

在椭圆的情况下，在短径与长径之比为1的情况下变成为圆，作为实施方式来说，就变成为由短径与长径之比为1/2以上1以下的椭圆或圆构成的圆形形状。

另外，在本实施方式中，虽然把电子部件1的电极端子2和基板3的布线电极4的平面形状都作成为圆形形状或短边与长边的长度之比为1/2以上1以下的长方形形状，但是，理想的是至少要把电极端子2的平面形状作成为圆形形状或短边与长边的长度之比为1/2以上1以下的长方形形状，以及作成为正圆形状。此外，虽然说明的是电子部件1的电极端子2已进行了镀钯的情况，但是，在对基板的布线电极实施了镀钯的情况下也同样可以应用。

(工业上利用的可能性)

本发明，对于要使Sn-Zn系无铅焊料对已进行了镀钯的电极进行焊接的不论进行什么样的装配部件和基板的设计和装配的情况都是有利的，对于防止焊料的不沾润，得到良好的焊接，是有效的。

Claims (6)

1、一种半导体器件，具备：

具有外部电极的板状的电子部件，

在主面上边具有与所述外部电极电连的布线电极，且把所述电子部件装配在该主面上边的基板，其特征在于：

所述外部电极和所述布线电极，用含锡和锌的焊料进行焊接固定，

外部电极的平面形状为由短径与长径之比为1/2以上且不足1的椭圆。

2、根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：所述布线电极的平面形状为由短径与长径之比为1/2以上且不足1的椭圆或圆构成的圆形形状。

3、一种半导体器件，具备：

具有外部电极的板状的电子部件、

在主面上边具有与所述外部电极电连的布线电极，且把所述电子部件装配在该主面上边的基板，其特征在于：

所述外部电极和所述布线电极，用含锡和锌的焊料进行焊接固定，

所述外部电极的平面形状为短边与长边的长度之比为1/2以上而且不足1的长方形形状。

4、根据权利要求3所述的半导体器件，其特征在于：

所述布线电极的平面形状是长方形，其拐角部分具有圆角。

5、根据权利要求1至4中任一项权利要求所述的半导体器件，其特征在于：所述焊料含有铋。

6、根据权利要求1至4中任一项权利要求所述的半导体器件，其特征在于：在外部电极和所述焊料之间形成由钯构成的金属膜。

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