JP2006013195A

JP2006013195A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2006013195A
Application number: JP2004189525A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Yugawa; 昌行湯川
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-06-28
Filing date: 2004-06-28
Publication date: 2006-01-12

Abstract

【課題】表面実装型の電子部品とそれを実装する基板上に設けられた配線電極とをＳｎ−Ｚｎ系鉛フリー半田材で接合する半導体装置において、半田材による接合品質を向上させる。
【解決手段】電子部品１における基板３との対向面上に、複数の電極端子２を設け、基板３の主面上における各電極端子２と対向する領域に、凹凸形状を有する複数の配線電極４を設けることにより、電子部品１を基板３上に実装後の接合部に生成する金属間化合物層を凹凸に形成させ、発生する応力を金属間化合物層以外に分散させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、表面実装型の電子部品及び該電子部品を実装する基板を備えた半導体装置に関し、Ｓｎ−Ｚｎ系鉛フリー半田材により接合される半導体装置に関する。

基板上に表面実装された電子部品からなる半導体装置について図面を参照しながら説明する。

図２は従来の半導体装置の断面構成を示す図である。図２に示すように、表面実装型の電子部品１が基板３の主面上に実装されている。電子部品１における基板３との対向面上には、電極端子２が形成されており、一方、基板３の主面上には、電子部品１の電極端子２と対向する位置に配線電極４が形成されており、これら電極端子２と配線電極４とは、半田材５により固着されて電気的に接続されている。

このように、表面実装型の電子部品１を基板３上に実装するには、基板３の主面上に形成された配線電極４と、電子部品１に設けられた電極端子２とを互いに半田接合するという方法が用いられ、電極端子２と半田材５の間には、電極端子２と半田材５との金属間化合物６が、配線電極４と半田材５との間には、配線電極４と半田材５との金属間化合物７が生成される。

なお、基板３に設ける配線電極４は、通常、銅箔で、フラックスコートされて形成される。

従来の半田材５にはＳｎ−Ｐｂ共晶系の半田材が多く用いられており、良好な半田接合強度を得られている。
特開２０００−２２３６３８号公報

ところで、鉛を含まない鉛フリー半田材として、錫（Ｓｎ）−Ａｇ（銀）系鉛フリー半田材が主流を占めていたが、このＳｎ−Ａｇ系鉛フリー半田材は溶融温度が高くかつ材料コストが高いという問題がある。そこで、近年、溶融温度が低くかつ材料コストが低い錫（Ｓｎ）−Ｚｎ（亜鉛）系鉛フリー半田材が用いられようとしている。

図２に示すように、配線電極４に銅箔、プリフラックス処理を施し、かつ半田材５にＳｎ−Ｚｎ系鉛フリー半田材を用いた場合には、該Ｓｎ−Ｚｎ系鉛フリー半田材は従来のＳｎ−Ｐｂ共晶系の半田材と比べると半田接合部の接合信頼性の耐温度サイクル性が極めて悪い。

表面実装型の電子部品と、該電子部品を実装する基板上に設けられた配線電極とをＳｎ−Ｚｎ系鉛フリー半田材で接合する場合に半田接合部の接合信頼性が不十分となる原因を種々検討した結果、次のような結論を得ている。

すなわち、Ｓｎ−Ｚｎ系鉛フリー半田材は硬度が高く、温度サイクル時に半田に発生する応力の緩和能力に乏しく、その上、配線電極端子が銅の場合、生成される銅と亜鉛の金属間化合物と半田の界面は脆い特徴があり、その結果、温度サイクル試験での低寿命が発生する、という問題があった。

また、Ｓｎ−Ｚｎ系鉛フリー半田材と配線電極との金属間化合物７には、銅と亜鉛の金属間化合物が生成され、半田材との界面での破壊が確認されている。

本発明は、前記従来の問題を解決し、表面実装型の電子部品と、該電子部品を実装する基板上に設けられた配線電極とをＳｎ−Ｚｎ系鉛フリー半田材で接合する半導体装置において、半田材による接合部の信頼性を高めることを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明は、外部電極を有する板状の電子部品と、主面上に前記外部電極と電気的に接続される配線電極を有しかつ該主面上に前記電子部品を実装する基板とを備え、前記配線電極または前記外部電極の少なくとも一方の断面形状を凹凸とし、前記外部電極と前記配線電極とを錫及び亜鉛を含む半田材によって固着したことを特徴とする。

また本発明は、前記外部電極の断面形状は凹凸であることを特徴とする。

また本発明は、前記凹凸の段差を、形成される金属間化合物の厚み以上に設定したことを特徴とする
また本発明は、前記凹凸の間隔を、形成される金属間化合物の厚み以上に設定したことを特徴とする。

また本発明は、前記半田材はビスマスを含むことを特徴とする。

このように構成したことにより、温度サイクルテストで発生する応力を、凸部は金属間化合物に、凹部は半田にと分散することができ、その結果、良好な半田接合強度を得られるようになる。表面実装型の電子部品に設ける電極端子についても同様により、半田接合後の応力の集中が軽減されて良好な半田接合を得ることができる。

本発明に係る半導体装置は、錫及び亜鉛を含む半田材を用いた場合であっても、電子部品を基板上に実装後の接合部に生成する金属間化合物層を凹凸に形成させ、発生する応力を金属間化合物層以外に分散することで、半田接合部の良好な信頼性を得ることができる。

本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る表面実装型の電子部品と該電子部品を実装する基板とを有する半導体装置の断面構成を示す図である。

図１に示すように、表面実装型の電子部品１が基板３の主面上に実装されている。電子部品１における基板３との対向面上には、外部電極としての電極端子２が形成されている。

基板３の主面上には、電子部品１の電極端子２と対向する位置に配線電極４が形成されており、これら電極端子２と配線電極４とは、錫と亜鉛とを主成分とする半田材（以下、Ｓｎ−Ｚｎ系鉛フリー半田材と称する）５により固着されて電気的に接続されている。ここで、Ｓｎ−Ｚｎ系鉛フリー半田材５の組成の一例として、亜鉛（Ｚｎ）が７％〜１０％で、ビスマス（Ｂｉ）が０％〜３％で、残りを錫（Ｓｎ）とすることが好ましい。例えば、Ｓｎ−Ｚｎ系鉛フリー半田材５の組成を亜鉛が９％で、錫が９１％である場合には、共晶点が１９９℃であり、したがって、亜鉛の含有量を７％〜１０％とすることにより融点を下げることができる。また、ビスマスを３％程度にまで添加することにより、融点を下げると共に半田材の濡れ性を良好にすることができる。ただし、ビスマスを添加すると、半田の接合強度が劣ることが考えられる。

また、基板３の主面上における各電極端子２と対向する配線電極４には、凹凸形状が設けられており、各配線電極４は銅で形成されている。

ここで、Ｓｎ−Ｚｎ系鉛フリー半田材５に含まれる亜鉛と基板の配線電極４を構成する銅とが互いに金属間化合物８を形成して接合し、金属間化合物８の断面形状は、凹凸形状に生成され、Ｓｎ−Ｚｎ系鉛フリー半田材５においても、脆い金属間化合物と半田界面への応力集中を緩和し、良好で信頼性の高い半田接合を得ることができる。

そこで、本実施形態においては、配線電極４とＳｎ−Ｚｎ系鉛フリー半田材５との金属間化合物８を凹凸形状とするため、配線電極４の凹凸形状として、凹凸の段差が生成される金属間化合物８の厚み以上とし、また、凹凸の幅においても金属間化合物層８の厚み以上をすることで、有効な凹凸形状をもつ金属間化合物８が形成でき、良好で信頼性の高い半田接合を得ることができる。

なお、本実施形態においては、基板３の配線電極４が銅の場合について説明したが、電子部品の電極端子２が銅である場合にも同様に適用できる。

本発明は、銅箔上にフラックスコートされた電極に対し、Ｓｎ−Ｚｎ系鉛フリー半田を接合させるいかなる実装部品と基板の設計および実装する場合に有用であり、接合時に生成される金属間化合物への応力集中を防止し、良好な接合信頼性を得るのに有効である。

本発明の一実施形態に係る表面実装型の電子部品と該電子部品を実装する基板とを有する半導体装置を示す断面図従来の表面実装型の電子部品と該電子部品を実装する基板とを有する半導体装置を示す断面図

符号の説明

１電子部品
２電極端子
３基板
４配線電極
５Ｓｎ−Ｚｎ系鉛フリー半田
６，７，８金属間化合物

Claims

外部電極を有する板状の電子部品と、主面上に前記外部電極と電気的に接続される配線電極を有しかつ該主面上に前記電子部品を実装する基板とを備え、
前記配線電極または前記外部電極の少なくとも一方の断面形状を凹凸とし、前記外部電極と前記配線電極とを錫及び亜鉛を含む半田材によって固着したことを特徴とする半導体装置。
前記凹凸の段差を、形成される金属間化合物の厚み以上に設定したことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
前記凹凸の間隔を、形成される金属間化合物の厚み以上に設定したことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
前記半田材はビスマスを含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の半導体装置。