JP2002270633A

JP2002270633A - 電子機器

Info

Publication number: JP2002270633A
Application number: JP2001062791A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Okudaira; 弘明奥平; Tetsuya Nakatsuka; 哲也中塚; Asao Nishimura; 朝雄西村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-03-07
Filing date: 2001-03-07
Publication date: 2002-09-20

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明の目的は、上記従来技術を解決すべく、
スズービスマスめっき膜を形成した外部リードの鉛フリ
ーはんだによる接合を高信頼に行うことにある。特に、
高温高湿等の試験後にもはんだ濡れ性の低下を抑制した
スズービスマスめっきを外部リードに形成し、鉛フリー
はんだとの接合を高信頼に行うことにある。【解決手段】本発明は、上記目的を達成するために、電
子素子と該電子素子と電気的に接続された外部端子と該
外部端子に形成されたスズービスマスめっき膜とを有す
る電子装置を回路基板に鉛フリーはんだを用いて接続し
た電子機器において、該電子装置と該回路基板との接続
部に形成されたスズービスマスめっき膜と鉛フリーはん
だとの溶融生成物のビスマス含有率が０．０１〜３ｗｔ
％としたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、外部端子の表面を
めっき膜でメタライズした電子装置を鉛フリーはんだで
回路基板に接続した電子機器に関する技術である。

【０００２】

【従来の技術】ＩＣ，ＬＳＩ、ダイオード、抵抗、コン
デンサ、コネクタ、スイッチなどの電子装置は、配線基
板などの外部回路に、主に鉛を４０ｗｔ％含むいわゆる
鉛はんだを用いて接続されている。この接続に対し、鉛
はんだには所定の接続強度、熱疲労寿命などの特性が要
求される。一方、これらの電子装置の外部端子（リー
ド）には、はんだ付けを容易にするため、主に鉛を１０
〜４０ｗｔ％含むスズー鉛合金、いわゆる鉛はんだめっ
き層が形成されている。この外部リードめっきに対して
は、耐熱性、耐ウイスカ性、耐食性、特にはんだ濡れ性
が要求される。また、外部リードは必要に応じて所定の
寸法、形状に切断、成形されるため密着性、耐クラック
性、折り曲げ性等の特性が要求される。鉛はんだおよび
鉛はんだめっきはこれらの要求特性を全て満足し、現行
製品に広く使用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】近年、鉛を含まない、
いわゆる鉛フリーはんだの開発が進められ、Ｓｎ−Ａｇ
−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｃｕ系などの鉛フリーはんだが開発さ
れている。

【０００４】さらに、鉛フリーはんだに対応する鉛フリ
ーはんだめっきの開発も進められ、めっき膜材料として
はスズービスマス合金、スズー銀合金、スズー銅合金な
どが挙げられる。

【０００５】しかし、これらの鉛フリーはんだまたは鉛
フリーめっきにビスマスが含有された場合、接合部のビ
スマス含有率が一定量を超えると接続強度、熱疲労寿命
などが低下するという問題がある。また、鉛フリーめっ
き膜はいずれも鉛はんだめっきに比べてはんだ濡れ性、
耐クラック性および耐ウイスカ性が劣る場合がある。特
に高温高湿試験後の低温でのはんだ濡れ性の低下するこ
とがある。

【０００６】本発明の目的は、上記従来技術を解決すべ
く、スズービスマスめっき膜を形成した外部リードの鉛
フリーはんだによる接合を高信頼に行うことにある。特
に、高温高湿等の試験後にもはんだ濡れ性の低下を抑制
したスズービスマスめっきを外部リードに形成し、鉛フ
リーはんだとの接合を高信頼に行うことにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、スズービ
スマスめっき膜を形成した外部リードを鉛フリーはんだ
により接合した場合のその接続強度、熱疲労寿命につい
て種々検討したところ、接合部におけるめっき膜と鉛フ
リーはんだとの溶融生成物のビスマス含有率を０．０１
〜３ｗｔ％に制限することにより、従来技術の最大の問
題点である接合部の接続強度、熱疲労寿命の問題を解決
できることを明らかとした。

【０００８】ところで、めっき膜を形成した外部リード
を回路基板にはんだ接合する場合、溶融したはんだが外
部リードに形成されためっき膜上をぬれ拡がり、それに
よってはんだとめっき膜とが混ざり合い、はんだ接続部
が形成される。従って、めっき膜として、スズービスマ
スめっき膜を使用した場合、めっき膜中のビスマス成分
が溶け出し、はんだ接続部におけるビスマス量（ビスマ
ス濃度）を上昇させてしまう。はんだ中に含まれるビス
マス量（ビスマス濃度）が低い場合は、大きな影響はな
いが、はんだのビスマス含有率が１〜３ｗｔ％程度ある
と、めっき組成によっては、接合部の信頼性を確保でき
ない場合が生ずる。

【０００９】さらに、スズービスマスめっき膜の最外層
のビスマス含有率を４ｗｔ％以上とし、膜厚を０．０２
μｍ以上とすることが、スズービスマスめっき膜のはん
だ濡れ性、耐クラック性および耐ウイスカ性を満足させ
る上で好ましいが、このような場合、めっき膜中のビス
マス含有量が多く、それによってはんだ接合部の信頼性
を確保できない可能性が高い。

【００１０】以上から、本発明は、電子素子と該電子素
子と電気的に接続された外部端子と該外部端子に形成さ
れたスズービスマスめっき膜とを有する電子装置を回路
基板に鉛フリーはんだを用いて接続した電子機器におい
て、該電子装置と該回路基板との接続部に形成されたス
ズービスマスめっき膜と鉛フリーはんだとの溶融生成物
のビスマス含有率を０．０１〜３ｗｔ％としたものであ
る。

【００１１】また、前記スズービスマスめっき膜がＳｎ
−約（０．５〜６）ｗｔ％Ｂｉであるものである。

【００１２】また、前記スズ−ビスマスめっき膜の最表
層のビスマス含有率が４ｗｔ％以上であるものである。

【００１３】また、前記鉛フリーはんだがＳｎ−約（０
〜３．５）ｗｔ％Ａｇ−（０．１〜１．０）ｗｔ％Ｃｕ
−約（０〜３.０）ｗｔ％Ｂｉを主成分としたものであ
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明にかかる電子装置およびそ
の実装構造体の実施形態について、以下、半導体装置を
例に図を用いて説明する。

【００１５】図１は本発明に係る半導体装置の断面図を
示しており、実施の形態の全体を示す概略構成図であ
る。なお、これはあくまでも一例であり、外部リードや
外部端子を有するものであれば全て適用可能であること
は云うまでもない。

【００１６】図示した半導体装置は、鉄―ニッケル合金
である４２アロイまたは銅合金で作られたリードフレー
ム２上に半導体素子１を固定した後、半導体素子１の不
図示の電極をワイヤボンディング３などによりリードフ
レーム２と電気的に接続し、モールド樹脂４により樹脂
封止されて製造する。

【００１７】そして、モールド樹脂４の外側に露出した
リードフレーム２に対して、脱脂、酸洗浄処理した後、
例えば有機酸、有機酸スズ、有機酸ビスマス等の有機酸
金属および添加剤からなるめっき液を用いて、図２に示
す断面のように、リード基材６の表面にスズービスマス
めっき膜７を形成して外部リード５を形成する。場合に
よっては、スズービスマスめっき膜８を形成し、めっき
膜を２層に形成しても良い。

【００１８】その後、外部リード５をフレームから切断
し、所定の形状に折り曲げ成形して半導体装置を完成さ
せる。

【００１９】そして、図３に示すように、このようにし
て完成された半導体装置８は、回路基板９の外部回路に
設けられた電極１０と鉛フリーはんだを用いてはんだ接
続（はんだ接合）されて電子機器になる。

【００２０】図４は、半導体装置としてＱＦＰタイプの
外部リードを回路基板の外部回路に設けられた電極にＳ
ｎ−Ａｇ−Ｃｕを主成分とした鉛フリーはんだを用いて
接合し、リードを４５°方向に引っ張ったときの破断強
度と接合部のビスマス含有率との関係である。外部リー
ドにはスズービスマスめっき膜が形成されており、めっ
き膜に含まれるビスマス量と鉛フリーはんだ中に含まれ
るビスマス量を調節することにより接合部のビスマス量
を変化させた。

【００２１】図から分かるように、ＱＦＰタイプの半導
体装置では破断強度としてリード当たり５Ｎ程度の強度
が必要とされているが、接合部のビスマス含有率が３ｗ
ｔ％を越えると、接合強度は５Ｎ以下となり、接合部の
ビスマス含有率は３ｗｔ％以下にすることが必要であ
る。

【００２２】次に、ＴＳＯＰタイプの半導体装置の外部
リードを回路基板の外部回路に設けられた電極にＳｎ−
Ａｇ−Ｃｕを主成分とした鉛フリーはんだを用いて接合
し、―５５〜１２５℃の温度サイクル試験を行ったとき
の接合部のビスマス含有率と接合部の破断寿命との関係
を示したのが図６である。図から分かるように、破断寿
命はビスマス含有率の増加とともに短くなり、約３．５
ｗｔ％で寿命の目安である１０００サイクルを切ってお
り、これからも接合部のビスマス含有率は３ｗｔ％以下
にすることが必要である。これは、ＱＦＰ等の他のタイ
プの半導体装置においても同様である。

【００２３】ここで、スズービスマスめっき膜の最適組
成、すなわちはんだ濡れ性、耐クラック性および耐ウイ
スカ性を考慮しためっき組成について検討する。表１は
その測定結果である。

【００２４】

【表１】まず、はんだ濡れ性について検討する。表において、は
んだ濡れ性はディップ法による濡れ試験で良好な濡れ性
を示した場合を○印で、一部濡れ不良を示した場合を×
印で示した。表から分かるように、良好な濡れ性が得ら
れるビスマス含有率は４ｗｔ％以上であった。

【００２５】次に、耐クラック性について検討する。ス
ズービスマスめっき膜はビスマス含有率が大きくなる
と、リードを曲げ成形したときめっき膜にクラックを生
じやすくなる。表から分かるように、ビスマス含有率４
ｗｔ％以下ではリード基材面に達するクラックは発生し
ない（○印で表示）が、４〜６ｗｔ％では、支障のない
程度ではあるが、リード基材面に達するクラックがわず
かに発生する（△印で表示）。６ｗｔ％以上ではリード
基材面に達する多くのクラックが発生し、耐食性等に支
障をきたした（×印で表示）。従って、ビスマス含有率
が６ｗｔ％未満、より好ましくは４ｗｔ％未満が良い。

【００２６】次に、耐ウイスカ性について検討する。表
から分かるように、ウイスカはビスマス含有率０．５ｗ
ｔ％以上では発生しない（○印で表示）が、０．５ｗｔ
％未満では発生が認められた（×印で表示）。従って、
ビスマス含有率が０．５ｗｔ％以上が良い。

【００２７】以上から、はんだ濡れ性、耐クラック性お
よび耐ウイスカ性の全てを満足するビスマス含有率は４
ｗｔ％の一点だけであり、耐クラック性を△印まで拡大
しても４〜６ｗｔ％であることが分かる。

【００２８】これでは安定したスズービスマスめっき膜
を容易に形成できないため、次に、これらの３条件を満
足するビスマス含有率の範囲を広げる方法について検討
を行った。その結果、はんだ濡れ性はスズービスマスめ
っき膜の表面の問題であるので、スズービスマスめっき
膜を２層に形成し、その最外層のビスマス含有率を４ｗ
ｔ％以上とし、最外層以外のビスマス含有率を０．５〜
６ｗｔ％に、好ましくは０．５〜４ｗｔ％にすることが
明らかとなった。

【００２９】図５は、最外層のビスマス含有率とめっき
膜厚を変えて、はんだ濡れ性を調べた結果を示したもの
である。図中、はんだ濡れ性が良好なものを○印で表示
し、良好でないものを×印で表示した。

【００３０】図から、最外層のビスマス含有率を４ｗｔ
％以上にすれば良好な濡れ性が得られることが分かる。
このとき最外層の膜厚は０．０２μｍ以上あればよいこ
とも分かる。なお、ビスマス含有率が１０ｗｔ％以上の
ときは０．０１μｍでも良好な濡れ性を示すことも分か
る。また、最外層の膜厚は２μｍ程度あれば十分である
が、５μｍまでは耐クラック性に影響が無いことを確認
している。

【００３１】以上のスズービスマス２層めっきを使用す
ることがはんだ濡れ性、耐クラック性、耐ウイスカ性の
面から好ましいが、最外層のビスマス含有率を４ｗｔ％
以上、最外層の膜厚を０．０２μｍ以上にすればする
程、前述の通り、はんだ接続部へのビスマス含有量が増
え、接続信頼性の低下を招くこととなる。そこで、これ
らのめっき組成を適用した例と、それによるはんだ接続
部への影響について具体的に検討する。＜実施例１＞４２アロイを基材とし、リード数１００本
のＱＦＰタイプのパッケージ４個を有するリードフレー
ムにスズービスマスめっきを行った。めっき液には有機
酸スズ、有機酸ビスマス、有機酸および添加剤からなる
液を用いて、電流密度１５Ａ／ｄｍ^２、液温５０℃でビ
スマス含有率２ｗｔ％の膜を１０μｍ形成し、次いで電
流密度を０．３Ａ／ｄｍ^２に低下させてビスマス含有率
１１ｗｔ％の膜を０．０６μｍ形成した。すなわち、リ
ード上に２層のスズービスマスめっき膜を形成した。

【００３２】次に、リードフレームから個々のパッケー
ジを切り離し、リードを所定の形状に曲げ成形した。前
述の如く、下層のスズービスマスめっき膜組成は、ビス
マス含有率２ｗｔ％の膜を１０μｍ形成したものであ
り、リードの曲げ加工においてクラックは発生しなかっ
た。なお、上層のスズービスマスめっき膜にクラックが
入ったとしても下層の存在するので問題はないが、下層
にクラックが入ると、その部分からリードが酸化する等
の問題が生じ好ましくない。

【００３３】その後、パッケージをＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−
Ｂｉ系はんだを用いて回路基板にはんだ付けした。はん
だはＡｇが３ｗｔ％、Ｃｕが０．５ｗｔ％、Ｂｉが０、
１、２、３、４、５ｗｔ％である。はんだ付けは２３５
℃で大気中でリフローした。この場合、上層のスズービ
スマスめっき膜は、ビスマス含有率１１ｗｔ％の膜を
０．０６μｍで形成しており、リフロー時のはんだ濡れ
性は良好であった。このようにしてはんだ接続した後、
リードを４５°方向に引っ張って接合部の破断強度を測
定した。

【００３４】次に、パッケージを回路基板にはんだ付け
した後、−５５〜１２５℃の温度サイクル試験をした。

【００３５】さらに、パッケージを回路基板にはんだ付
けしない状態で、温度６５℃、湿度９５％で１６８時間
の高温高湿試験をした後、ディップ法によりはんだ濡れ
性を測定した。はんだはＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｂｉ、温
度は２１５℃である。

【００３６】その結果は表２に示すとおりである。な
お、本実施例においては、スズービスマスめっき膜とは
んだとの重量比を１：１９に設定している。従って、め
っき膜中のビスマスによる接合部のビスマス含有率の増
加分は０．１ｗｔ％となり、接合部のビスマス含有率は
はんだ中のビスマス含有率に０．１を加えた値となる。
例えば、はんだ中のビスマス含有率が２．０ｗｔ％の場
合、最終的なはんだ接合部におけるビスマス含有率は、
スズービスマスめっきからのビスマスの溶け込み量が加
算され、２．１ｗｔ％となる。

【００３７】

【表２】表から分かるように、はんだのビスマス含有率が３．１
ｗｔ％以下のときは５Ｎ以上の接合強度が得られたが、
４．１ｗｔ％のときは４．６Ｎで５Ｎ以上の接合強度を
得ることが出来なかった。また、３．１ｗｔ％以下のと
きは温度サイクル寿命が１０００サイクル以上になった
が、４．１ｗｔ％以上では１０００サイクル以下であっ
た。従って、この結果からも、接合部のビスマス含有率
は、約３．０ｗｔ％以下にすることが好ましいことが分
かる。なお、各試料は、めっき組成、めっき膜厚とも同
じであり、いずれの試料についてもそのはんだ濡れ性は
高温高湿試験後も良好であった。＜実施例２＞次に、スズービスマスめっきに含まれるビ
スマス量を変えた場合（ビスマス含有率を変えた場合）
について検討する。この場合、最終的な接合部における
ビスマス含有量が３．０ｗｔ％以上とならないように、
ビスマスを含有しないはんだを用いてリフロー接続を行
った。

【００３８】実施例２においては、実施例１と同様に、
ＱＦＰタイプのパッケージにスズービスマスめっきを行
った。めっきはビスマス含有率２ｗｔ％の膜を１０μｍ
形成した後、ビスマス含有率４、６、１０、１５、２５
ｗｔ％の膜を０．１μｍ形成した。はんだ付けはＳｎ−
３Ａｇ−０．５Ｃｕである。めっき膜とはんだの比率は
１：９とした。めっき膜中のビスマスによる接合部のビ
スマス含有率は０．２０４、０．２０６、０．２１、
０．２１５、０．２２５ｗｔ％になった。実施例１と同
様に測定した接合強度、温度サイクル寿命およびはんだ
濡れ性の測定結果を表３に示す。

【００３９】

【表３】表から分かるように、めっき自体のビスマス含有量は比
較的多いものの、はんだ中のビスマスがないため、接合
強度は何れの場合も５Ｎ以上の値が得られ、温度サイク
ル寿命も１０００サイクル以上の値が得られた。はんだ
濡れ性も良好であった。なお、めっき中のビスマス量が
増すほど接合部におけるビスマス濃度が増ので、はんだ
のビスマス含有率が多くなると、めっきに使用できるビ
スマス量は制限され、はんだ濡れ性に影響が及ぶ。＜実施例３＞次に、スズービスマスめっきに含まれるビ
スマス量を変えた場合（膜厚を変えた場合）について検
討する。この場合も、最終的な接合部におけるビスマス
含有量が３．０ｗｔ％以上とならないように、ビスマス
を含有しないはんだを用いてリフロー接続を行った。

【００４０】実施例３においては、実施例１と同様に、
ＱＦＰタイプのパッケージにスズービスマスめっきを行
った。めっきはビスマス含有率２ｗｔ％の膜を５μｍ形
成した後、ビスマス含有率２０ｗｔ％の膜を０．０１、
０．１、１、３、５μｍ形成した。はんだ付けはＳｎ−
３Ａｇ−０．５Ｃｕである。めっき膜とはんだの比率は
１：９とした。めっき膜中のビスマスによる接合部のビ
スマス含有率は０．１０２、０．１２、０．３、０．
７、１．１ｗｔ％になった。実施例１と同様に測定した
接合強度、温度サイクル寿命およびはんだ濡れ性の測定
結果を表４に示す。

【００４１】

【表４】表から分かるように、接合強度は何れの場合も５Ｎ以上
の値が得られ、温度サイクル寿命も１０００サイクル以
上の値が得られた。はんだ濡れ性も良好であった。な
お、めっき膜厚が厚くなるほど接合部のビスマス含有率
も増加するので、めっき膜厚の制御もはんだ接続部での
接続信頼性を確保する上で重要である。

【００４２】以上説明したように、はんだ濡れ性等を改
善するのに、めっきのビスマス含有量を増やすことなど
が有効ではあるが、はんだ接続に於いては、めっきから
のビスマス溶け込み量をも考慮することが、接続信頼性
を向上させる上で非常に重要である。上記の実施例に於
いては、スズービスマス２層めっきを例に示したが、め
っき組成にビスマスを含むものであればスズービスマス
１層の場合はもとより、他のめっき組成についても本発
明を適用できることは言うまでもない。

【００４３】

【発明の効果】本発明によれば、電子装置の外部リード
と回路基板との接合において十分な接合強度と熱疲労寿
命を有する信頼性の高いはんだ接続が実現できる。ま
た、外部リードのスズービスマスめっきに対して、高温
高湿試験後もはんだ濡れ性の低下がなく、かつ耐クラッ
ク性および耐ウイスカ性に優れためっき膜の形成が可能
となり、この点からも信頼性の高いはんだ接続が実現で
きるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る電子装置の一実施例の形態を示す
断面図。

【図２】本発明に係るリードの一実施例の形態を示す断
面図。

【図３】本発明に係る電子装置と回路基板との接続の一
実施例の形態を示す断面図。

【図４】本発明に係る接続部の破断強度の評価結果を示
す図。

【図５】本発明に係る接続部の温度サイクル試験結果を
示す図。

【図６】本発明に係る外部リードに形成したスズービス
マスめっき膜のはんだ濡れ性の評価結果を示す図。

【符号の説明】

１…半導体素子２…リードフレーム３…ボンデイングワイヤ４…モールド樹脂５…外部リード６…リード基材７…スズービスマスめっき膜８…半導体装置９…回路基板１０…電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０５Ｋ 3/34 ５１２Ｈ０５Ｋ 3/34 ５１２Ｃ (72)発明者西村朝雄東京都小平市上水本町五丁目20番１号株式会社日立製作所半導体グループ内Ｆターム(参考） 4K024 AA21 BB09 BB11 BB13 5E319 BB01 5F044 KK01 LL01 5F067 DC16

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子素子と該電子素子と電気的に接続され
た外部端子と該外部端子に形成されたスズービスマスめ
っき膜とを有する電子装置を回路基板に鉛フリーはんだ
を用いて接続した電子機器において、該電子装置と該回
路基板との接続部に形成されたスズービスマスめっき膜
と鉛フリーはんだとの溶融生成物のビスマス含有率が
０．０１〜３ｗｔ％であることを特徴とする電子機器。
【請求項２】前記スズービスマスめっき膜がＳｎ−約
（０．５〜６）ｗｔ％Ｂｉであることを特徴とする請求
項１記載の電子機器。
【請求項３】前記スズ−ビスマスめっき膜の最外層のビ
スマス含有率が４ｗｔ％以上であることを特徴とする請
求項１または２項に記載の電子機器。
【請求項４】前記鉛フリーはんだがＳｎ−約（０〜３．
５）ｗｔ％Ａｇ−（０．１〜１．０）ｗｔ％Ｃｕ−約
（０〜３.０）ｗｔ％Ｂｉを主成分とした鉛フリーはん
だであることを特徴とする請求項１記載の電子機器。