JP2007242743A - 鉛フリーはんだを用いたリード付き電子部品 - Google Patents

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Abstract

【課題】
リフローはんだ付け後にフロー工程を行うと、フローはんだ付け時の熱により発生する基板の反りやはんだ再溶融等に起因し、電子部品の剥離が生じてしまう問題があった。
【解決手段】上記課題を解決すべく、複数の電極を有する半導体チップと、前記半導体チップの複数の電極とボンディングワイヤにより電気的に接続された複数のリードと、前記半導体チップを実装する樹脂とを有する半導体装置であって、前記複数のリードは、互いに剛性の異なる二種以上のリードで構成されていることを特徴とする半導体装置を提案する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、フローはんだ付け時に生じる基板の反りに伴う部品剥離を防止するリードを有する電子部品（半導体装置、その他のチップ部品を含む）及びその製造方法、並びに該半導体装置を搭載した電子機器及びその製造方法に関するものである。
電化製品の有機基板等の回路基板へのはんだ付け方法としては、回路基板に熱風を吹き付け、電極に印刷されたはんだペーストを溶融させて表面実装部品（電子部品）のはんだ付けを行うリフローはんだ付け工程と、溶融はんだ噴流を基板下面に接触させて基板下面に存在する部品電極にはんだ付けするフローはんだ付け工程が主流となっている。そして、今日、この両工程を用いた混載実装を必要とする製品が増えている。
しかし、リフロー工程後にフロー工程がある場合、種々の問題が生じる。
一つには、リフロー工程により先付けした電子部品の接続部のはんだがフローはんだ付け時に基板に伝わる熱の影響により再溶融してしまい、接続強度が低下し、部品剥離が起こる問題である。これは、特に毒性の少ない鉛フリーはんだを用いた場合に顕著な問題となる。すなわち、低耐熱部品のリフローに使用されるＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだやＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ系はんだを用いる場合、はんだ成分偏析により低温共晶相が生成するため、その後のフロー工程で接続部が容易に再溶融してしまう。例えば、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ系の場合には、通常はんだ成分偏析により融点１３８℃の低温共晶相が生成され、接続部品側に鉛が混在しているものとの接続部においては融点９７℃の非常に低温な共晶相が生成されてしまうため、フロー時の再溶融は免れない。
また、他の問題としては、フローはんだ付け時の熱により発生する基板の反りの問題があり、反りにより基板がある曲率を持ったときには上記と同様に電子部品の剥離が生じてしまう。この部品剥離は、一般的には部品サイズが大きくなるほど発生しやすいといわれる。部品のサイズが大きいほどはんだ接続部の基板面に対して垂直の方向（Ｚ方向）への高さばらつきが大きいからである。
以上の再溶融の問題と、基板の反りによる問題とは、同時に起こるものであり、この組合わせにより、リフロー工程後のフロー工程においては部品剥離の問題がより顕著に現れる。
上記した再溶融による部品剥離の問題への対策として、リフロー工程でＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ系はんだを用いることが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ系はんだは低温はんだ付けが可能で低耐熱部品のリフローに使用できる一方で、その成分中のＩｎがはんだの主成分であるＳｎと固溶体をつくりやすく、つくられた固溶体は主成分のＳｎと良く似た性質を維持するため、低い融点を持つ低温共晶相が生成されにくい特徴を有するため有効である。
また、他の対策として、基板の反りが生じても再溶融しなければ部品剥離は生じないことを想定し、フローはんだ付け時に基板の上面から接続部に窒素ガスを吹き付けて冷却し、接続部の再溶融を防止することが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開2005-26393号公報 特開2003-181631号公報
しかしながら、上記特許文献１の場合、使用できるＰｂフリーはんだが希少金属で高コストのＩｎを含むＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ系はんだに限られ、他のＰｂフリーはんだ材料を用いることができないため実用範囲が限られてしまう。
また、上記特許文献２の場合、基板上面冷却装置内で吹き付ける窒素の気流の影響から大気の巻き込みが起こり、必要な低酸素濃度雰囲気が壊されるため、はんだのぬれ性を阻害し、接続自体が良好に得られない問題がある。この問題を解決するには特殊なはんだ付け装置が必要のため設備の入れ替えまでも必要となってしまう。
また、接続部品側の仕様について考えると、部品のサイズが大きいほど剥離が発生しやすくなるとの考えから、サイズの小型化により剥離低減を図る考えもある。
しかし、混載実装時の部品剥離の発生の要因の一つであるフローはんだ付け時の基板の反りに対しては、サイズが大きい方が表面実装する電子部品のリードの追従がし易く、部品発生率低下に寄与することもあり、パッケージの小型化だけでは厳密には剥離低減対策とはならない。
そこで、本発明者らは、フローはんだ付け時に発生する先付けした電子部品の剥離のメカニズムを検証するために、基板に一定の曲率を与えた場合における電子部品リードが基板から受ける単位面積あたりの引剥がし力を種々の部品の部品サイズとの関係から調べることとした。
表１は、基板の曲率半径が概ね１ｍであるときに各部品のリードが基板から受ける単位面積あたりの引剥がし力（引張力）の最大値と部品サイズとの関係についての実験結果を示したものである。
Figure 2007242743
 また、上記各部品を実際に基板（厚み１．６ｍｍ、内層４層）にＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕのはんだでリフロー接続した後、２５０℃のＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕの溶融はんだにより様々な条件（基板搬送コンベア速度）でフローはんだ付けし、熱影響による剥離の発生が生じたか否かの実験結果も併せて表１に示した（剥離なしのものを○、有りのものを×と表記している）。
これによると、剥離の発生は、部品サイズに依存するところよりむしろ部品リードが基板から受ける単位面積あたりの引張力の最大値に依存することがわかった。すなわち、はんだ接続が維持できる条件は、基板の曲率半径が概ね１ｍであるときに部品リードが基板から受ける単位面積あたりの最大引張力が約１４ＭＰａ以下、望ましくは１２ＭＰａ以下であることがわかった。さらに、この最大引張力の大きさは、部品サイズの増加に伴い大きくなるものの、基板反りへの追従性の観点から各リードの持つ剛性などの物性値に大きく影響していることがわかった。
そこで、本発明者らはフローはんだ付け時の熱影響による剥離の発生を抑えるためには、部品の各リードの持つ剛性等の調整が重要であるとの知見を得て、全てのリード厚を薄くすること、全てのリード材料を軟らかくすることを試みたものの、リード全体の耐性が弱くなりすぎ、部品搭載時に物理的圧力からリードが変形したり、はんだ付け不良やリードの曲げや歪みからのリード間の絶縁不良が生じたりする等の新たな課題が生じてしまった。また、リード長さを長くした場合にも、上記と同様の課題が生じ、さらに実装基板上の実装高さ増加から小型化の実現が困難となることの問題が残った。
本発明の目的は、上記課題を解決し、リフローはんだ付け工程及びフローはんだ付け工程とを有する混載実装でありながら小型で良好な接続信頼性を有する電子部品、特に半導体装置並びに電子機器を提供することである。
本発明の他の目的と新規な特徴は、本明細書の記載および添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次の通りである。
（１）複数の電極を有する半導体チップと、前記半導体チップの複数の電極とボンディングワイヤにより電気的に接続された複数のリードと、前記半導体チップを実装する樹脂とを有する半導体装置であって、前記複数のリードは、互いに剛性の異なる二種以上のリードで構成されていることを特徴とする半導体装置である。
（２）複数の電極を有する半導体チップと、前記半導体チップの複数の電極とボンディングワイヤにより電気的に接続された複数のリードと、前記半導体チップを実装する樹脂とを有する半導体装置であって、前記複数のリードは、前記半導体装置の第一の辺から突き出した第一のリード群と、前記第一のリード群と隣接し、前記第一の辺から突き出した第二のリード群と、前記第二のリード群と隣接し、前記第一の辺から突き出した第三のリード群とを含み、前記第二のリード群の剛性は、前記第一のリード群及び前記第二のリード群の剛性よりも低いことを特徴とする半導体装置である。
（３）配線基板と、前記配線基板の複数の電極と電気的に接続された複数のリードを有する半導体装置とを有する電子機器であって、前記半導体装置の複数のリードは、第一の剛性を有する第一のリードと、前記第一の剛性とは異なる第二の剛性を有する第二のリードとを含んで構成されていることを特徴とする電子機器である。
本願で開示される発明により、リフローはんだ付け工程及びフローはんだ付け工程とを有する混載実装でありながら小型で良好な接続信頼性を有する電子部品、特に半導体装置並びに電子機器を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について、特に半導体装置１の場合を例に説明する。
本発明の第一の実施の形態は、半導体チップ（図示しない）の電極と電気的に接続された第一の材料で形成された第一のリード１１ａと、第一の材料とは異なる第二の材料で形成された第二のリード１１ｂと、前記半導体チップを実装する樹脂等で形成されたパッケージ部１０１とを有する半導体装置であり、図１（ａ）には配線基板２にはんだ接続部７を介して接続された状態の側面図を示す。
図１（ｂ）に示すように、フロー時の熱により基板に反りが生じた場合、搭載された半導体装置の中央部には強い引張力、端部には強い押付力、その間にはほとんど負荷のかからないゼロレベルの位置がある。従って、基板２の反りによるリードへの引張力又は押付力が強い部分（Ｚ方向の変位に容易な追従が必要な部分）には剛性の低いＣｕリード等の材料によるリード１１ａを用い、引張力又は押付力が相対的に弱い部分（Ｚ方向の変位に容易な追従が必要でない部分）にはリードの強度を補う目的で前記リード１１ａに対して相対的に剛性の強い４２アロイ（Ｆｅ−Ｎｉ系合金）リード等の材料によるリード１１ｂを用いる。このように、引張力又は押付力の強弱に合わせてリード材料を変えることにより、基板の反りへの追従性を維持しつつ、リード変形も防止することができ、基板実装時に接続信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
また、本実施の形態の場合、機械的性質の異なる材料を併用するため、リードの形状（幅や厚み）をほぼ同じサイズにそろえて２種以上の剛性を有するリード１１を構成することができることとなり、はんだのリードへのぬれ性などに差が生じにくく、全体として良好な接続をえられるというメリットがある。また、ブリッジの発生率も局所的に大きな場所を作り出すことも防ぐことができる。
なお、図１（ｃ）に示す上面図の通り、半導体装置が４辺リード型の場合には各４辺全てで同様なリード構成とすれば良いが、これに限られず、互いに向かい合う２辺のみであってもよい。また、ここでは２種の材料のリードを示したが、これに限られず、上記趣旨において３種以上の剛性の異なる材料のリードを用いてもよい。
ここで、半導体装置の内部における半導体チップとリードとの関係については、例えば、図１０に記載の通り、リードフレーム１１のタブ上にはんだ接続部５を介して半導体チップ３が搭載され、該半導体チップ３の電極（図示しない）とリード１１とがワイヤボンディング４により接続されているものが挙げられるがこれに限らない。以下説明する実施の形態についても同様である。
この第一の実施の形態である半導体装置の製造方法について、図２を用いて説明する。
まず、図２（ａ）に示すフローチャートのように、基板の反りによる引張力又は押付力が強い部分にのみリード先端部が設けられた低剛性のリードフレーム１１ａを配置する（図２（ｂ））。次に、基板への実装時に基板の反りによる引張力又は押付力が弱い部分にのみリード先端部が設けられた高剛性のリードフレーム１１ｂを重ねて配置し（図２（ｃ））、リードフレーム１１上のタブに半導体チップ３を搭載して（図２（ｄ））、半導体チップ３の電極と各リードフレームとをワイヤボンディングにより電気的に接続する。次に、チップを樹脂等によりモールド（封止）してパッケージ部１０１を形成したのち（図２（ｅ））、リードフレームの所定の一部を切断して（図２（ｆ））、半導体装置が製造される。
本発明の第二の実施の形態は、２種以上の剛性を有するリードの提供方法が相違するのみで、その他の部分は第一の実施の形態と同様である。
具体的には、Ｃｕリード等の剛性の低い材料による複数のリードの内、基板の反りによるリード引張力が弱い部分（Ｚ方向の変位に容易な追従が必要でない部分）に配置されるリードに対してＳｎ−Ｂｉ系等の部分はんだめっき処理を施して剛性を高くすることにより、Ｃｕリード等と、Ｓｎ−Ｂｉ系めっき等がされたＣｕリード等との２種以上の剛性を有するリードを提供することを特徴とする。
本実施の形態の場合、予め準備するリードフレームの材料は一種類でよいため、製造工程が容易であり、低コスト化が図れる。
この第二の実施の形態である半導体装置の製造方法のフローチャートを、図３に示す。
まず、一のリードフレームのタブ上に半導体チップが搭載された後、ワイヤボンディングにより半導体チップの電極とリードフレームのリード先端部とが電気的に接続される。次に、半導体チップ部分を樹脂等によりモールドしたのち、リードフレームの一部を切断する。その後、基板の反りによる引張力が弱い部分にのみＳｎ−Ｂｉめっきを施して、リードの剛性を高くすることで第二の実施の形態である半導体装置が製造される。
本発明の第三の実施の形態は、半導体チップ（図示しない）の電極と電気的に接続された第一の幅を有するリード１１ａと、第一の幅よりも広い幅を有するリード１１ｂと、前記半導体チップを実装する樹脂等で形成されたパッケージ部１０１とを有する半導体装置であり、図４（ａ）には配線基板２にはんだ接続部７を介して接続された状態の側面図を示す。また、図４（ｂ）はその上面図である。第二の実施形態と同様、第一の実施例との相違は、２種以上の剛性を有するリードの提供方法であり、基板の反りによるリード引張力の小さい箇所のリード１１ｂの幅を他の箇所のリード１１ａよりも広くすることで高い剛性を得ることを特徴とする。
本実施の形態の場合、一種類の材料で様々な剛性のリードが作成可能であるため、一枚のリードフレームをエッチングするだけで簡易に製造することができる。
なお、リード幅に変化をもたせて２種以上の剛性を有するリードを作成するのみならず、厚みや厚みと幅との組合せにより形状を変化させてもよい。
例えば、厚みを変化させる場合には、厚さ１５０ミクロンのリードフレームの一部をハーフエッチングなどにより部分的に厚さ７０ミクロン程度のリードを作成することができる。この場合、厚さ１５０ミクロンのリードが剛性の高いリード１１ｂとなり、ハーフエッチングなどで７０ミクロン程度となったリードが剛性の低いリード１１ａとなる。
この第三の実施の形態である半導体装置の製造方法の具体例を、図５に示す。
まず、図５（ａ）のフローチャートに示すように、通常のリードフレームのうち、基板への実装時に基板への反りによるリード引張力が強い部分にあたるリード先端部にハーフエッチングを施して、薄いリード先端部を形成する。この段階でのリードフレームの上面図及び点線Ａ−Ａ´での断面図を図５（ｂ）に示す。次に、このリードフレームを配置し、そのタブ上に半導体チップが搭載され、ワイヤボンディングにより半導体チップの電極とリードフレームのリード先端部とが電気的に接続される。その後、半導体チップ部分を樹脂等によりモールドしたのち、リードフレームの一部を切断することで、第三の実施の形態である半導体装置が製造される。
本発明の第四の実施の形態は、図６に記載の通り、半導体チップ（図示しない）の電極と電気的に接続された低剛性の複数のリード１１ａと、前記リード１１ａを支持する支持部材６と、前記半導体チップを実装する樹脂等で形成されたパッケージ部１０１とを有する半導体装置である。本実施の形態では、全てを低剛性リードにすることで基板の反りに対する追従性を確保しつつ、リードを絶縁体の支持部材6で支持することでリード変形やそれに伴うリード間ショートを防ぐことができる点が特徴である。
具体的には、リード間にテフロン（テフロンは登録商標）などの耐熱性、絶縁性および潤滑性をもったシート材やワイヤー材をリード間の隙間に通して支持して補強する。これにより、基板平面に平行方向の力が部品に働いた場合でも、シート材やワイヤー材を直接挟む二本のリード間隔はシート材厚みやワイヤー材断面のサイズ（ワイヤー材断面が円形の場合直径となる）から大きく変化しにくくなる。上記直接挟む二本のリードが変化しないことにより、他の隣接する二本のリード間隔も同様に大きく変化しにくくなり、部品の１辺のどこかにシート材やワイヤー材を挟んでいれば、その辺は全体的にリード間ショートが起きる確立を減らすことができる。
従って、シート材やワイヤー材などの支持部材を部品の各辺（QFPなら４辺）ごとに少なくとも１箇所ずつ挟んでいれば、その部品は全体的にリード間ショートを防ぐことができる。もちろん、複数箇所を挟んで補強してもよいことはいうまでもない。また、図９に示すように、半導体装置全体を一周するようにテフロンシート等の支持部材６を設けてもよい。
なお、リフローなどのはんだ付けを実施するために、このシート材やワイヤー材は300℃近い耐熱性があるものが望ましい。また、同様にこのシート材やワイヤー材はそれぞれ異なる電気信号を送るリードに接触するために絶縁性も必要となる。さらに、このシート材やワイヤー材は基板に反りが発生した際、部品における各々の隣接リードが独立して変形されるようにするための潤滑性があるものが望ましい。
本発明の第五の実施の形態は、図７（ａ）及び（ｂ）に記載の通り、半導体チップ（図示しない）の電極と電気的に接続された複数のリード１１と、前記半導体チップを実装する樹脂等で形成されたパッケージ部１０１とを有し、前記パッケージ部が小片１０１ａに分割されてなる半導体装置である。パッケージ部を概ね１５ｍｍ乃至２０ｍｍの小片に分割させて隙間を設けることで、リード材や支持部材がなくとも、基板の反りにパッケージ全体で追従させることができる。この隙間は、モールド時に所定の金型を用いることで容易に形成することができる。
なお、小片間に存在するリードが塑性変形せずに弾性変形するひずみ範囲内になるように各小片間の隙間ｄを決める必要がある。チップのサイズに依存するものの、概ね１０ミクロン〜１００ミクロン程度が望ましい。この程度であれば、部品搭載時に不可避的な衝撃力が加わっても、小片間に存在するリードには小さなひずみしか加わらず、弾性変形（図８）しかしないため、搭載後は小片間に存在するリードの形状は元に戻り、はんだ接続不良を引き起こさない。一方、これを超えると、小片間に存在するリードに大きなひずみが加わることにより塑性変形し、はんだ接続不良を引き起こしてしまう。
なお、この各小片間の隙間の全体又は一部にシリコンゴム等の弾性体を挿入してもよい。この場合には、リードとシリコンゴムとにより複合弾性体が構成されるため、大きなひずみが加わっても問題はなく、１００ミクロン以上の隙間であっても構わない。
また、分割させるパッケージサイズについては、１５ｍｍ以下では小片への分割数増加によりパッケージモールディング工程が複雑化していき、部品剥がれ防止効果も大きく向上しない問題があり、逆に20ｍｍ以上となると、部品の基板反りへの追従効果が十分でなくなるため、１５ｍｍ乃至２０ｍｍ程度が望ましい。
以上、いくつかの実施の形態について記載したが、例えば第一の実施の形態と第四の実施の形態との組合せ等、各実施の形態は可能な範囲で組み合わせてよい。また、各実施の形態は、半導体チップを搭載した半導体装置を例にとり説明したが、これに限られるものではなく、コンデンサ、トランジスタ等リードを有する電子部品であれば同様に適用できる。さらに、各実施の形態は４辺リード型を示したが、２辺リード型でも同様であることはいうまでもない。
次に、これまで挙げた各実施の形態のLSIパッケージ等の半導体装置、部品等の電子部品をプリント基板やマザーボード等の配線基板に実装させた電子機器について説明する。
図１１は、配線基板２上に上記した実施の形態のいずれかの半導体装置１及びチップ部品８がリフローはんだ付け工程により複数個実装された電子機器を示す。ここで図示しないが、半導体装置１及びチップ部品８のリード部分は配線基板２上の電極とはんだ接続部を介して電気的に接続されている。本発明の半導体装置１及びチップ部品８によれば、その後のフローはんだ付け工程による高温化に置かれても、配線基板とのＺ方向の変位に容易な追従が必要な部分に低剛性リード１１ａが設けられ、Ｚ方向の変位に容易な追従が必要でない部分についてはリード強度を補うべく高剛性リード１１ｂが設けられているため、基板の反りに伴う部品剥離が生じることはなく、接続信頼性の高い電子機器を提供することができる。
以下、具体的に行った実験結果について示す。
[実験例１]
Ｓｎ−４Ａｇ−０．５Ｃｕ−７Ｉｎ（単位：重量％）（固相線温度：１９８℃、液相線温度：２１１℃）はんだを用いて、厚さ１．６ｍｍ、層数６の回路基板に、
パッケージサイズ：３２ｍｍ角、
リードピッチ：０．５ｍｍ、
リード幅：０．２ｍｍ、
リード数：２４０本、
リードめっき：Ｓｎ−１０Pｂ
のQFP（Quad Flat Package）をリフローはんだ付けをした後、該回路基板の下面をＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ（単位：重量％）はんだにより、はんだ温度：２５０℃、コンベア速度：０．５〜１．２ｍ／分でフローはんだ付けをする工程において、フローはんだ付けの熱影響で該回路基板に発生する反りによる該QFPの剥がれを起きにくさを調べるために、
（１）全部のリードが４２アロイのもの
（２）部品左右両端のコーナーから１０本づつ、および、中央の２０本を４２アロイよりも剛性の低い銅、それ以外を４２アロイとしたもの
の２種類のQFPを用いて、はんだ付けを行うことにした。
その結果、部品剥がれを防止するための該QFPの接続部温度（部品剥がれが発生しない範囲の最高温度）条件はそれぞれ、
（１）の場合：最高１５３℃
（２）の場合：最高１６２℃
となった。
これにより、フローはんだ付けの熱影響で該回路基板に発生する反りによる該リード付き表面実装部品の剥がれを起きにくくするために、２種類以上の剛性のリードを複合させて持たせることに効果があることがわかった。
[実験例２]
Ｓｎ−４Ａｇ−０．５Ｃｕ−７Ｉｎ（単位：重量％）（固相線温度：１９８℃、液相線温度：２１１℃）はんだを用いて、厚さ１．６ｍｍ、層数６の回路基板に、
パッケージサイズ：３２ｍｍ角、
リードピッチ：０．５ｍｍ、
リード幅：０．２ｍｍ、
リード数：２４０本、
リードめっき：Ｓｎ−１０Pｂ
のQFPをリフローはんだ付けをした後、該回路基板の下面をＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ（単位：重量％）はんだにより、はんだ温度：２５０℃、コンベア速度：０．５〜１．２ｍ／分でフローはんだ付けをする工程において、フローはんだ付けの熱影響で該回路基板に発生する反りによる該QFPの剥がれを起きにくさを調べるために、
（１）リードが厚み１５０ミクロンの４２アロイのもの
（２）部品左右両端のコーナーから１０本ずつ、及び、中央の２０本のリードを厚み７０ミクロン、残りを１５０ミクロンの４２アロイとしたもの
の２種類のQFPを用いて、はんだ付けを行うことにした。
その結果、部品剥がれを防止するための該QFPの接続部温度（部品剥がれが発生しない範囲の最高温度）条件はそれぞれ、
（１）の場合：最高１５３℃
（２）の場合：最高１６１℃
となった。
これにより、フローはんだ付けの熱影響で該回路基板に発生する反りによる該リード付き表面実装部品の剥がれを起きにくくするために、リード厚みを薄くすることによってリード剛性を低減させることに効果があることがわかった。
［実験例３］
Ｓｎ−４Ａｇ−０．５Ｃｕ−７Ｉｎ（単位：重量％）（固相線温度：１９８℃、液相線温度：２１１℃）はんだを用いて、厚さ１．６ｍｍ、層数６の回路基板に、以下の部品（リード材：銅）をリフローはんだ付けをした。
（部品A）
部品名：QFJ（Quad Flat J-lead Package）
パッケージサイズ：２８ｍｍ角
リードピッチ：１．２７ｍｍ
リード幅：０．６ｍｍ
リード厚：０．１５ｍｍ
リード数：８４本
リードめっき：Ｓｎ−１０Pｂ
（部品B）
部品名：QFJ
パッケージサイズ：２４ｍｍ角
リードピッチ：１．２７ｍｍ
リード幅：０．６ｍｍ
リード厚：０．１５ｍｍ
リード数：６８本
リードめっき：Ｓｎ−１０Pｂ
（部品C）
部品名：QFP
パッケージサイズ：４０ｍｍ角
リードピッチ：０．５ｍｍ
リード幅：０．２ｍｍ
リード厚：０．１５ｍｍ
リード数：３０４本
リードめっき：Ｓｎ−１０Pｂ
（部品D）
部品名：QFJ
パッケージサイズ：２０ｍｍ角
リードピッチ：１．２７ｍｍ
リード幅：０．６ｍｍ
リード厚：０．１５ｍｍ
リード数：５２本
リードめっき：Ｓｎ−１０Pｂ
（部品E）
部品名：QFP
パッケージサイズ：２０ｍｍ角
リードピッチ：０．５ｍｍ
リード幅：０．２ｍｍ
リード厚：０．１５ｍｍ
リード数：１４４本
リードめっき：Ｓｎ−１０Pｂ
上記５種類の部品をＳｎ−４Ａｇ−０．５Ｃｕ−７Ｉｎ（単位：重量％）（固相線温度：１９８℃、液相線温度：２１１℃）はんだを用いて、厚さ１．６ｍｍ、層数６の回路基板にリフローはんだ付けした。
その後、該回路基板の下面をＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ（単位：重量％）はんだにより、
はんだ温度：２５０℃、コンベア速度：０．５〜１．２ｍ／分でフローはんだ付けを行ったところ、フローはんだ付けの熱影響で該回路基板に発生する反りにより、部品A、B、Cが、自らの接続部温度が１６０℃になる条件の場合、回路基板より剥がれることがわかった。
そこで、基板面の反りを調べたところ、局所的な最大曲率半径が１．３ｍとなる基板の反りが発生しており、この状態で、おのおのの部品接続部基板面に対して働く接続部引き剥がし力の垂直方向成分の最大値を調べたところ、
（部品A）１６．７ＭＰａ
（部品B）１４．２ＭＰａ
（部品C）１３．４ＭＰａ
（部品D）１１．６ＭＰａ
（部品E）８．０ＭＰａ
となった。
これにより、剥がれが発生した部品Ａ，Ｂ，Ｃは該垂直方向成分が概ね１２ＭＰａを超えることから部品がはがないようにリードの剛性を調整するため、剥がれが発生した各部品のリード仕様を以下のように部分的に調整し、これらを部品Ａ’，Ｂ’，Ｃ‘と呼ぶことにする。
（部品A’）
リードの剛性を調整した箇所：
部品左右両端のコーナーから４本ずつ、および、中央の７本
リード幅：０．４ｍｍ
リード厚：０．１１ｍｍ
（部品B’）
リードの剛性を調整した箇所：
部品左右両端のコーナーから２本ずつ、および、中央の５本
リード幅：０．４ｍｍ
リード厚：０．１１ｍｍ
（部品C’）
リードの剛性を調整した箇所：
部品左右両端のコーナーから１４本ずつ、および、中央の２４本
リード幅：０．２ｍｍ
リード厚：０．１０ｍｍ
この場合、局所的な最大曲率半径が１．３ｍとなる基板の反りが発生する状態で、おのおのの部品接続部基板面に対して働く接続部引き剥がし力の垂直方向成分の最大値を調べたところ、
（部品A’）
１１．７ＭＰａ
（部品B’）
１０．５ＭＰａ
（部品C’）
９．１ＭＰａ
に改善されていることがわかった。
そこで、次に上記と同様にリード仕様変更を行った部品Ａ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ，Ｅの５種類の部品をＳｎ−４Ａｇ−０．５Ｃｕ−７Ｉｎ（単位：重量％）（固相線温度：１９８℃、液相線温度：２１１℃）はんだを用いて、厚さ１．６ｍｍ、層数６の回路基板にリフローはんだ付けした。
その後、該回路基板の下面をＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ（単位：重量％）はんだにより、はんだ温度：２５０℃、コンベア速度：０．５〜１．２ｍ／分でフローはんだ付けを行ったところ、フローはんだ付けの熱影響で該回路基板に発生する反りにより、全部品の接続部温度が１６０℃になる条件の場合においても、回路基板より剥がれは発生しないことがわかった。
[実験例４]
Ｓｎ−４Ａｇ−０．５Ｃｕ−７Ｉｎ（単位：重量％）（固相線温度：１９８℃、液相線温度：２１１℃）はんだを用いて、厚さ１．６ｍｍ、層数６の回路基板に、
パッケージサイズ：３２ｍｍ角
リード材：４２アロイ
リードピッチ：０．５ｍｍ
リード幅：０．２ｍｍ
リード厚：７０ミクロン
リード数：２４０本
リードめっき：Ｓｎ−１０Pｂ
のQFPをリフローはんだ付けをした後、該回路基板の下面をＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ（単位：重量％）はんだにより、はんだ温度：２５０℃、コンベア速度：０．５〜１．２ｍ／分でフローはんだ付けをする工程において、該QFP接続部に発生する不具合を調べるために、
（１）図９に示すように、８箇所のコーナーリードとその内側の隣のリード間の間隙を通過し部品を一周するように厚さ１０ミクロンのテフロンシートを設けたもの
（２）（１）の措置を行わないもの
の２種類のQFPを用いて、はんだ付けを行うことにした。
その結果、部品剥がれを防止するための該QFPの接続部温度条件はそれぞれ、最高１６１℃となった。
しかし、部品搭載時の衝撃でリードにわずかな変形が生じるために生じるリード間のショート発生率において、以下のような差が生じた。
（１）の場合：約１％
（２）の場合：１００ｐｐｍ
これにより、フローはんだ付けの熱影響で該回路基板に発生する反りによる該リード付き表面実装部品の剥がれを起きにくくするために、リード厚みを薄くすることによってリード剛性を低減させることに効果があるものの、該回路基板の反りに追従しやすい低剛性のリードを持つ表面実装部品のリード間にテフロンなどの耐熱性、絶縁性および潤滑性を持ったシート材をリード間の間隙に通して補強することにより、さらには部品搭載時などにおけるリード変形による隣接リード間の絶縁不良発生率を低減させる効果もあることがわかった。
[実験例５]
Ｓｎ−４Ａｇ−０．５Ｃｕ−７Ｉｎ（単位：重量％）（固相線温度：１９８℃、液相線温度：２１１℃）はんだを用いて、厚さ１．６ｍｍ、層数６の回路基板に、
（部品A）
パッケージサイズ：３２ｍｍ角
リード材：４２アロイ
リードピッチ：０．５ｍｍ
リード幅：０．２ｍｍ
リード厚：１５０ミクロン
リード数：２４０本
リードめっき：Ｓｎ−１０Pｂ
（部品B）
パッケージサイズ：３２ｍｍ角
（ただし、図７のように、パッケージを約１６ｍｍの小片に分割させ、小片間に存在するリードが塑性変形せず弾性変形する範囲内にするため各小片間の隙間を概ね９０ミクロンにし、部品を基板反りに追従しやすくさせている。）
リード材：４２アロイ
リードピッチ：０．５ｍｍ
リード幅：０．２ｍｍ
リード厚：１５０ミクロン
リード数：２３２本
リードめっき：Ｓｎ−１０Pｂ
のQFPをリフローはんだ付けをした後、該回路基板の下面をＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ（単位：重量％）はんだにより、はんだ温度：２５０℃、コンベア速度：０．５〜１．２ｍ／分でフローはんだ付けを実施した。
その結果、部品剥がれを防止するための該QFPの接続部温度（部品剥がれが発生しない範囲の最高温度）条件はそれぞれ、
部品A：最高１５３℃
部品B：最高１７０℃
となった。
これにより、フローはんだ付けの熱影響で該回路基板に発生する反りによる該リード付き表面実装部品の剥がれを起きにくくするために、パッケージを小片に分割させ、部品を基板反りに追従しやすくさせることが有効であることがわかった。
以上のように、鉛フリーはんだにより表面実装する電子部品を配線基板へリフローはんだ接続後、該配線基板の下面にフローはんだ付け時の基板反り発生時に、はんだ接続部が基板表面のZ方向の変位に容易に追従できるように部品を支える必要最小限度付近のリード剛性を与えることにより該電子部品の剥がれを防止することができる。
さらには、電子部品のリード間にテフロンなどの耐熱性、絶縁性および潤滑性を持ったシート材をリード間の間隙に通して補強することにより、リード剛性の低下にともない部品搭載時などにおけるリード変形による隣接リード間の絶縁不良発生率を低減することができる。
（ａ）は、基板に実装された第一の実施の形態のリード型半導体装置の側面図である。（ｂ）は、基板の反りから生じるリード型半導体装置への応力を示す図である。（ｃ）は、第一の実施の形態のリード型半導体装置の上面図である。 （ａ）は、第一の実施の形態のリード型半導体装置の製造方法のフローチャートであり、（ｂ）〜（ｆ）はその製造工程の模式図である。 第二の実施の形態のリード型半導体装置の製造方法のフローチャートを示す図である。 （ａ）は、基板に実装された第三の実施の形態のリード型半導体装置の側面図であり、（ｂ）は当該半導体装置の上面図である。 （ａ）は、第三の実施の形態のリード型半導体装置の製造方法のフローチャートを示す図であり、（ｂ）はリードハーフエッチング処理後のリードフレームの上面図とＡ−Ａ´断面図である。 第四の実施の形態のリード型半導体装置の上面図である。 （ａ）は、第五の実施の形態のリード型半導体装置の上面図であり、（ｂ）はその端部の拡大断面図である。 小片間に存在するリードに大きなひずみが加わる際の応力ひずみ曲線を示す図である。 （ａ）は、第四の実施の形態の他のリード型半導体装置の側面図であり、（ｂ）はその上面図である。 リード型半導体装置の断面図である。 本発明リード型電子部品を搭載した電子機器の斜視図である。
符号の説明
１：リード型半導体装置
２：配線基板
３：半導体チップ
４：ボンディングワイヤ
５：はんだ接続部
６：支持部材
７：はんだ接続部
８：チップ部品
１１：リード
１１ａ：低剛性リード
１１ｂ：高剛性リード
１０１：パッケージ部

Claims (20)

  1. 複数の電極を有する半導体チップと、
    前記半導体チップの複数の電極とボンディングワイヤにより電気的に接続された複数のリードと、
    前記半導体チップを実装する樹脂とを有する半導体装置であって、
    前記複数のリードは、互いに剛性の異なる二種以上のリードを含むことを特徴とする半導体装置。
  2. 複数の電極を有する半導体チップと、
    前記半導体チップの複数の電極とボンディングワイヤにより電気的に接続された複数のリードと、
    前記半導体チップを実装する樹脂とを有する半導体装置であって、
    前記複数のリードは、第一の剛性を有する第一のリードと、前記第一の剛性とは異なる第二の剛性を有する第二のリードとを含んで構成されていることを特徴とする半導体装置。
  3. 請求項２記載の半導体装置であって、
    前記第一のリードは複数個隣接して設けられ、前記第二のリードも複数個隣接して設けられていることを特徴とする半導体装置。
  4. 請求項２又は３記載の半導体装置であって、
    前記第一のリードは、前記第二のリードと異なる材料で形成されていることを特徴とする半導体装置。
  5. 請求項４記載の半導体装置であって、
    前記第一のリードはCuリードであり、前記第二のリードは４２アロイリードであることを特徴とする半導体装置。
  6. 請求項２又は３記載の半導体装置であって、
    前記第一のリードは、前記第二のリードと異なる幅を有することを特徴とする半導体装置。
  7. 請求項２又は３記載の半導体装置であって、
    前記第一のリードは、前記第二のリードと異なる厚みを有することを特徴とする半導体装置。
  8. 請求項７記載の半導体装置であって、
    前記第一のリードと前記第二のリードは同材料であることを特徴とする半導体装置。
  9. 請求項２又は３記載の半導体装置であって、
    前記第一のリードは、前記第二のリードと同材料のリードの表面に金属膜を設けたものであることを特徴とする半導体装置。
  10. 複数の電極を有する半導体チップと、
    前記半導体チップの複数の電極とボンディングワイヤにより電気的に接続された複数のリードと、
    前記半導体チップを実装する樹脂とを有する半導体装置であって、
    前記複数のリードは、
    前記半導体装置の第一の辺から突き出した第一のリード群と、
    前記第一のリード群と隣接し、前記第一の辺から突き出した第二のリード群と、
    前記第二のリード群と隣接し、前記第一の辺から突き出した第三のリード群とを含み、
    前記第二のリード群の剛性は、前記第一のリード群及び前記第二のリード群の剛性よりも低いことを特徴とする半導体装置。
  11. 複数の電極を有する半導体チップと、
    前記半導体チップの複数の電極とボンディングワイヤにより電気的に接続された複数のリードと、
    前記半導体チップを実装する樹脂とを有する半導体装置であって、
    前記複数のリードは、
    前記半導体装置の第一の辺から突き出した第一のリードと、
    前記第一のリードと隣接し、前記第一の辺から突き出した第二のリードと、
    前記第二のリードと隣接し、前記第一の辺から突き出した第三のリードとを含み、
    前記第二のリードの剛性は、前記第一のリード及び前記第二のリードの剛性よりも低いことを特徴とする半導体装置。
  12. 配線基板と、前記配線基板の複数の電極と電気的に接続された複数のリードを有する半導体装置とを有する電子機器であって、
    前記半導体装置の複数のリードは、第一の剛性を有する第一のリードと、前記第一の剛性とは異なる第二の剛性を有する第二のリードとを含んで構成されていることを特徴とする電子機器。
  13. 請求項１２記載の電子機器であって、
    前記第一のリードは複数個隣接して設けられ、前記第二のリードも複数個隣接して設けられていることを特徴とする電子機器。
  14. 請求項１２又は１３記載の電子機器であって、
    前記第一のリードは、前記第二のリードと異なる材料で形成されていることを特徴とする電子機器。
  15. 請求項１４記載の電子機器であって、
    前記第一のリードはCuリードであり、前記第二のリードは４２アロイリードであることを特徴とする電子機器。
  16. 請求項１２又は１３記載の電子機器であって、
    前記第一のリードは、前記第二のリードと異なる幅を有することを特徴とする電子機器。
  17. 請求項１２又は１３記載の電子機器であって、
    前記第一のリードは、前記第二のリードと異なる厚みを有することを特徴とする電子機器。
  18. 請求項１８記載の電子機器であって、
    前記第一のリードと前記第二のリードは同材料であることを特徴とする電子機器。
  19. 請求項１２又は１３記載の電子機器であって、
    前記第一のリードは、前記第二のリードと同材料のリードの表面に金属膜を設けたものであることを特徴とする電子機器。
  20. 請求項１２又は１３記載の電子機器であって、
    前記配線基板には複数のリードを有するチップ部品も搭載されており、
    前記チップ部品の複数のリードは、互いに剛性の異なる二種以上のリードを含むことを特徴とする電子機器。
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