JP2006332472A

JP2006332472A - 半導体素子搭載中空パッケージ

Info

Publication number: JP2006332472A
Application number: JP2005156488A
Authority: JP
Inventors: Naoyuki Kato; 奈緒之加藤; Daisuke Suzuki; 大介鈴木
Original assignee: Mitsui Chemicals Inc
Current assignee: Mitsui Chemicals Inc
Priority date: 2005-05-30
Filing date: 2005-05-30
Publication date: 2006-12-07

Abstract

【課題】本発明の課題は半導体素子搭載中空パッケージにおいて、半田フィレットを形成しやすくして、基板とパッケージの半田接着強度を高めることのできる半導体素子搭載中空パッケージを提供すること。
【解決手段】半導体素子を搭載するための中空部分を有するノンリードタイプの半導体素子搭載中空パッケージであって、リードは実装する基板面に平行に延出する外部端子を有し、該外部端子はその延出方向先端部の断面に、断面の側辺を含むことなく外部端子の下面から上面方向に凹部をすることを特徴とする半導体素子搭載中空パッケージ。
【選択図】図１

Description

本発明は、ノンリードタイプの半導体素子搭載中空パッケージに関する。さらに詳しくは半田フィレットを形成しやすくした表面実装型半導体素子搭載中空パッケージに関する。

半導体素子は、周囲の温度や湿度の変化、あるいは微細なごみや埃に大きく影響され、その特性を劣化させてしまい、また機械的振動や衝撃を受けることにより破損しやすいことが知られている。これら外的要因から半導体素子を保護するために、セラミックス製の箱や樹脂で封止し、パッケージとして使用に供されていることは良く知られている。中でも、ＣＣＤ、ＣＭＯＳを代表とする固体撮像素子や、ＬＤ、ＰＤなどのレーザ素子、フォトダイオード素子などは、パッケージ外部と光の通路が必要であり、一般的なＬＳＩ素子のように、周囲を樹脂やセラミックスで封止することができない。これらの半導体素子は、一般に一方が開放された中空タイプのパッケージに実装され、その後開放部をガラスなど透明材料で封止することにより、パッケージングされており、これらの光センサーを搭載する中空タイプのパッケージは非常に高い精度を要求されている。

一方、近年では電子機器の小型化、薄型化が求められており、前述の封止タイプの半導体パッケージや中空タイプのパッケージにも、薄型化、小型化が求められる。その解決策の一つとして、外部端子をパッケージ底面から基板と平行方向に出す、表面実装型パッケージが実用化されている。このタイプのパッケージとしては、ノンリードタイプと呼ばれる、所謂ＳＯＮ（ＳｍａｌｌＯｕｔｌｉｎｅＮｏｎ−ＬｅａｄＰａｃｋａｇｅ）や、ＱＦＮ（ＱｕａｄＦｌａｔＮｏｎ−ＬｅａｄＰａｃｋａｇｅ）などが知られる。これらのノンリードタイプの表面実装型パッケージは、ＤＩＰ（ＤｕａｌＩｎｌｉｎｅＰａｃｋａｇｅ）やＳＯＰ（ＳｍａｌｌＯｕｔｌｉｎｅＰａｃｋａｇｅ）と異なり実装する際の「足」（基板に垂直方向の外部端子）が無いため、手付け半田による実装は困難であり、一般的にフロー半田付け、リフロー半田付けの手法がとられることが多い。ここで、例えばリフロー半田付けの場合、外部端子の下部だけではなく、端子の周辺のスペースにも半田が盛られるのが通常である。この端子の周辺に盛られた半田は半田フィレットと呼ばれ、半田接着面積を大きくし実装強度を高める働きをする。半田フィレットを形成させるため、半田濡れ性の高いめっき（金めっきなど）を、端子下部および側面に施すことで、該当部をより強固に半田と接着するよう工夫している。（非特許文献１参照）
樹脂製の半導体パッケージは、セラミックス製のパッケージと比較して、その製法上、外部端子の切断面には金めっきを施すことが出来ない。そのため、端子切断面には半田が乗らないため、この半田フィレットが形成しづらいという問題があった。

さて、ＣＣＤ、ＣＭＯＳを代表とする固体撮像素子のパッケージの場合、これまではチップ自体やカラーフィルターなどの耐熱性の問題があり、パッケージ全体を加熱するフロー半田、リフロー半田実装は不具合を発生させることがあり、手付け半田実装が多く行われていた。しかし近年の薄型化要求に伴い、薄型の樹脂製ＳＯＮ、ＱＦＮを用いて固体撮像素子のパッケージを作製しようとした場合、手付け半田は困難であるため、リフロー半田付けによる実装方式、特に、素子にダメージを与えないよう低温半田を用いたリフロー実装方式が用いられようとしている。

このような低温半田を用いると、通常の半田と比較して半田接着強度が劣るため、半田フィレットが形成できない樹脂製のパッケージは、基板とパッケージとの接着強度が低くなってしまうという問題がある。さらに、ＣＣＤ素子やカラーフィルターなども改良され、耐熱性が高まってきたこともあり、通常のリフロー半田実装（温度２３０℃程度で実装）や、将来的には低環境負荷である鉛フリー半田実装（温度２６０℃程度で実装）も行われようとしており、半田フィレットの形成で接着強度を高めることが課題となっている。

この課題に対し、特許文献１や特許文献２においては、半田フィレットの広がりを大きくするような提案がなされている。特許文献１ではアウターリードの厚みを増やすことで半田フィレットを広げようとしているが、パッケージ全体が厚くなったり、厚さの違うリードフレームを準備する必要があったりするため、どのパッケージにも適応できるわけではないという問題がある。また特許文献２では、アウターリードを斜め方向にカットする提案であるが、薄くカットされた部分が強度的に弱く曲がるという不具合が発生する可能性があったり、カット機器に特殊なものが必要となったりするため、現実的ではない。いずれの工法もアウターリード接続部分の厚み管理が非常に困難であるため基板接続面と基板との平面精度を高めることは困難である。

また、特許文献３には樹脂封止型半導体装置の基板への搭載時に半田の塗られる部分の表面積を増大するため、基板との接合強度をアップさせるためのリードフレームが提案されている。しかしながら、該公報には樹脂封止型半導体装置への使用について記載されているのみであり、精度が要求される中空パッケージタイプについて何ら報告されていない。
田中和吉著，「はんだ付け技術」，総合電子出版社１９７４年７月２０日初版特開平１０−２７０６２８号公報特開２００４−８７９９８号公報特開２００２−２６２２２号公報

本発明の課題は半導体素子搭載中空パッケージにおいて、半田フィレットを形成しやすくして、基板とパッケージの半田接着強度を高めることのできる半導体素子搭載中空パッケージを提供しようとするものである。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、ノンリードタイプの半導体素子搭載中空パッケージにおいて、外部端子の先端部の形状を特定の形状にすることにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成した。

即ち本発明は、半導体素子を搭載するための中空部分を有するノンリードタイプの半導体素子搭載中空パッケージであって、リードは実装する基板面に平行に延出する外部端子を有し、該外部端子はその延出方向先端部の断面に、断面の側辺を含むことなく外部端子の下面から上面方向に凹部をすることを特徴とする半導体素子搭載中空パッケージであり、より好ましくは、外部端子の先端部に形成された凹部が、内部にめっきが施されている半導体素子搭載中空パッケージに関するものである。

本発明によれば、半導体素子搭載中空パッケージを基板に実装するにあたり、外部端子の先端部の断面にめっきが施された凹部を有しているため、半田実装する際に凹部内面が半田で濡れやすく、外部端子の先端部に半田フィレットの形成が容易になる。これにより、例えば低温半田を用いた実装においても、基板との接着強度に優れた実装が可能となる。また、MAP方式で製造する際、外部端子裏面に樹脂バリが発生してしまい接続不良が発生することが問題となっているが、本発明の外部端子部分の凹部は周囲から隔てられているため、該凹部に樹脂が入り込むことを防ぐことが出来る。また、凹部に樹脂が入らないことで凹部内壁にNiめっきおよびＡｕめっきを施すことが出来、切断面部分にフィレットを形成することが出来る。

以下、本発明を詳細に説明する。

本発明の半導体素子搭載中空パッケージは、封止材例えば樹脂組成物と導電性のリードからなり、基板との電気的接点となる外部端子が該リードから作製されており、該外部端子が実装する基板面に平行方向に延出された所謂ノンリードタイプのものである。本発明においては、その外部端子先端部の断面には、断面の側辺を含むことなく外部端子の下面方向から上面方向へ、下面から見て半楕円形状、半円形状、四角形状、三角形状、等の凹部を有することを特徴とするものであり、より好ましくは外部端子の上面、下面、側面と該凹部壁面にめっきが施されているものである。

本発明において、外部端子先端部の形状は、より好ましくは最も接続面積を大きく出来る形状と考えられる四角形状である。この形状を製造する方法として、塩化鉄によるハーフエッチング法、スタンピング金型を用いたハーフプレス法等の公知の方法が使用できるが、好ましくは、ハーフエッチにより製造する。このような形状にすることにより、凹部は周囲から隔たれているため、凹部への樹脂の流れ込みを防具ことが出来る。また、凹部に樹脂が入らないことで凹部内壁にNiめっきおよびＡｕめっきを施すことが出来、切断面部分にフィレットを形成することが出来る。

本発明の半導体素子搭載中空パッケージにおいてリードは実装する基板面に平行に延出する外部端子を有し、該外部端子はその延出方向先端部の断面に、断面の側辺を含むことなく外部端子の下面から上面方向に凹部をするものであるが、凹部の深さはフィレットの高さとなる。凹部の深さは、特に制限は無く、深いほうが好ましいが、好ましくは20〜100μm程度である。

本発明において、半導体素子搭載中空パッケージを封止する樹脂材料としては、封止樹脂用材料として知られている公知の樹脂が使用可能であり特に限定されないが、好ましくはエポキシ樹脂とフェノール樹脂に充填材としてシリカを混練させた、半導体封止材を好適に用いることが出来る樹脂が使用される。この一例として三井化学（株）製；ＥＰＯＸ（登録商標）シリーズや、住友ベークライト（株）製；スミコン（登録商標）ＥＭＥシリーズ、ＴＭ−２５０Ｇ（三井化学（株）製）などが挙げられる。言うまでも無くこれは一例であり、リードフレームとの一体成形が可能であれば、樹脂の種類は問わないため、耐湿性の用途に応じて、必要な樹脂を用いることが出来る。

本発明の半導体素子搭載中空パッケージの一例の概略図を図１に示す。この例は、封止型のパッケージ１であり、外部端子先端2の凹部3の凹部内にめっきが施されている。そのために、半田実装を行う際、この部分も半田で濡れるため、凹部は基板と半田接続される。このために、従来は外部端子先端部断面には半田がつかなかったが、本手法により半田フィレットを形成させることが出来る。

ここで、凹部に施されるめっきの種類としては、用いるリードフレーム金属種類、半田の種類などにより、適宜選択することが出来、特に限定されない。通常、リードフレームには４２アロイ、銅合金等を用いることが多く、スズ／鉛系の半田で実装されることが多いため、その場合はめっきとしては下地ニッケルめっき、表面金めっきを選択することが好ましい。また別途、半田めっき、パラジウムめっきなど用途に応じて採用することも可能である。めっき厚みは用途に応じて選択され、特に限定されないが、一般的には下地がニッケルめっきの場合、ニッケル層が１μｍ〜２０μｍであり、好ましくは３μｍ〜１０μｍ、表面の金めっきは好ましくは０．１μｍ〜１μｍ、より好ましくは０．１μｍ〜０．５μｍが選択される。

本発明の半導体素子搭載中空パッケージの製造方法としては、外部端子となるリードの形状が本発明の特徴を有するものを用いれば、公知の方法にて製造することが可能である。製造方法の一例を示すと、外部端子に相当する部位の、リードフレームの切断位置に、予め円形状、楕円形状、長穴形状、菱形状、四角形状等の貫通孔を有するリードフレームを用い、該リードフレームを挿入した成形金型に、例えば三井化学（株）製ＴＭ−２５０Ｇエポキシ樹脂組成物の顆粒を圧縮して得られたタブレットを用いた場合は、金型温度１６０℃程度、射出圧力役１．５ＭＰａで注入し、中空パッケージを成形することができる。その後、下地処理としてＮｉを５μｍ程度の均一な膜が形成する条件でメッキし、さらにＡｕを０．３μｍの均一な膜が形成する条件でメッキするなどしてパッケージを得ることができる。得られたパッケージは、例えば半田ペーストが塗られた基板上に乗せ、窒素気流下で約２３０℃の半田リフロー実装を行うことができる。

通常の半導体素子搭載中空パッケージの製造方法では、めっき工程の後の切断工程で外部端子とリードフレームが切り離されるので、この切断面にはめっきが施されていないので半田フィレットが形成されにくい。一方、挿入型のパッケージ（例えば、ＤＩＰやＳＯＰ）では、「足」を有するために、切断後、めっきを施されたこの足で接合されるため半田フィレットが形成できる。

そこで、本発明によると、外部端子先端面には凹部を設けることができ、この壁面にめっきを施すことが可能となる。図２に、パッケージを個片化する前の、リードフレームと接続されている状態の、本発明の製造方法で得られるパッケージの一例の概略裏面平面図を示す。この例は、外部端子の切断部5に凹部６が形成されており、この凹部の内壁面にめっきが施されることにより、切断後の外部端子先端部にめっきが施された凹部が形成される。

また、本発明は半導体素子搭載中空パッケージについて述べたが、言うまでも無く同様の形状を持つパッケージであり、基板に半田実装を行うパッケージであれば、他のパッケージにも適応することが可能である。例えば、ＬＤ、ＬＥＤ素子を搭載する光パッケージ、圧力センサ、圧電センサ、ジャイロセンサ、温度センサ、キャパシタ、マイクロモータなどのＭＥＭＳパッケージなどにも適応することが出来る。

以下に、本発明で得られる、半田実装性に優れるパッケージを具体的に述べるが、本発明は、以下に限られるものではない。尚、表中の評価は以下のようにして測定した。

クラックの測定；リフロー実装したサンプルを120℃で18時間DRY bakeし、基板から取り外した。そのサンプルを測定ステージにセットし、軟Ｘ線測定装置（ＳＶ-100Ａ；ソフテックス社製）により、管電圧70ｋＶｐ、管電流2mAの条件で観察し、X-ray解析をおこなった。基板とアウターリード部分の半田接合状態を観察した。内部ボイド（剥離）が生じている場合、クラックと判定した。尚、評価実施したSONパッケージのアウターリードの足の数は24あるものを使用し、そのうちいくつクラックが生じたかを測定した。

実施例１
外部端子に相当する部位の、リードフレームの切断位置に、予め0.2×0.4ｍｍの角状の凹部深さ０．０７５ｍｍを有する厚さ０．１５ｍｍのリードフレームを金型に設置し、樹脂パッケージを成形した。エポキシ樹脂組成物（三井化学（株）製ＴＭ−２５０Ｇ）の顆粒を圧縮して得られた樹脂タブレットを、金型温度１６０℃、射出圧力１．５ＭＰａの条件で金型に注入し、ＳＯＮ（ＳｍａｌｌＯｕｔｌｉｎｅＮｏｎ−ＬｅａｄＰａｃｋａｇｅ）型の半導体パッケージを成形した。その後、凹部を含むリードフレーム全体を、ニッケルめっき（厚さ５μｍ）、金めっき（厚さ０．３μｍ）の順にめっきし、前述のリードフレームに予め形成してある凹部を横断してリードフレームを切断して、個片化されたパッケージを得た。得られたパッケージを半田ペーストが塗られた基板上に乗せ、窒素気流下で２３０℃の半田リフロー実装を行った。

実装後、半田フィレット高さを測定した。フィレット高さは、パッケージ外部端子（アウターリード）の高さをｈとし、アウターリード先端のフィレット高さをｆとした場合の、リード高さに対するフィレット高さの割合（ｆ／ｈ）×１００（％）で表わした。また、X-ray解析により基板と外部端子との接合状態の確認を行った。半田内部にクラックが生じているものを不良ピン数として求めた。結果を表１に示した。なお、フィレット高さｆと外部端子の高さをｈとの関係を示す外部端子部の側面拡大図を図４に示す。

実施例２
用いたリードフレームの凹部を０．１０ｍｍとした以外は、実施例１と同様にパッケージを作製し、同様にフィレット高さ割合を求めた。

比較例１
切断位置に凹部を有していない厚さ０．１５ｍｍのリードフレームを用いた以外は、実施例１と同様にパッケージを作製し、同様にフィレット高さ割合求めた。

表１の結果の通り、本発明を用いることで、表面実装型パッケージに対して、効果的に半田フィレットを形成させることが出来ることが明らかとなった。

本発明の表面実装型の半導体パッケージは、従来難しいとされていた外部端子先端部における半田フィレットを効果的に形成させることが可能であり、特に基板との接着強度の優れた半導体パッケージを作製することが出来、例えば半田強度の低い低温半田実装や、リフロー実装などにおいて、パッケージの信頼性を高めることが出来る。そのため、本発明は他のパッケージ、例えば、LD、LED素子を搭載する光パッケージ、圧力センサ、圧電センサ、ジャイロセンサ、温度センサ、キャパシタ、マイクロモータなどのMEMSパッケージなどにも適応することが出来る。

本発明によるパッケージの一例（ＳＯＮ型中空パッケージ）の概略平面図である。本発明の製造方法で得られるパッケージの一例の、個片化する前の裏面形状を示す概略平面図である。フィレット高さｆと外部端子の高さをｈとの関係を示す外部端子部の側面拡大図である。

符号の説明

１パッケージ
２外部端子（アウターリード）
３凹部
４樹脂パッケージ
５外部端子切断部
６凹部
７基板
８外部端子
９半田フィレット

Claims

半導体素子を搭載するための中空部分を有するノンリードタイプの半導体素子搭載中空パッケージであって、リードは実装する基板面に平行に延出する外部端子を有し、該外部端子はその延出方向先端部の断面に、断面の側辺を含むことなく外部端子の下面から上面方向に凹部をすることを特徴とする半導体素子搭載中空パッケージ。
外部端子の先端部に形成された凹部は、内部にめっきが施されているものである請求項１記載の半導体素子搭載中空パッケージ。