JP2009054690A - リードフレーム構造体 - Google Patents

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Koji Ando
幸治 安藤
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Denso Corp
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Abstract

【課題】Ｐｂフリーはんだにてリードフレームに対して半導体素子を実装するに際し、はんだ濡れ性を向上させ、はんだ付けの信頼性を確保できるようにする。
【解決手段】Ｐｂフリーはんだ７を用いて半導体素子３をリードフレーム２に実装するに際し、リードフレーム２の表面に貴金属で構成された部分メッキ６を施す。Ｐｂフリーはんだ７をリードフレーム２に接合するよりも部分メッキ６に接合する方が濡れ性を高めることが可能となる。このため、部分メッキ６を施すことにより、はんだ濡れ不良やボド率増加などを抑制することが可能となり、はんだ付け部の信頼性を向上させることが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、リードフレームに対して半導体素子をＰｂ（鉛）フリーはんだにて実装したリードフレーム構造体に関するものである。
従来、ベアチップの半導体素子の放熱性を良くするために、ヒートシンクとしての機能も果たすリードフレームに対して半導体素子をはんだ付けにて直接実装している（例えば、特許文献１参照）。そして、はんだ付け部の熱応力を緩和するために、半導体素子やはんだ付け部およびリードフレームのうちのはんだ付け部を含む領域を樹脂モールドした構造としている。
特開２００４−１１９９４４号公報
しかしながら、環境問題などに対応したはんだ材料のＰｂフリー化に伴い、リードフレームへのはんだ濡れ性が悪化し、はんだ濡れ不良やはんだのボイド率増加などが発生し、はんだ付けの信頼性が損なわれるという問題がある。
本発明は上記点に鑑みて、Ｐｂフリーはんだにてリードフレームに対して半導体素子を実装するに際し、はんだ濡れ性を向上させ、はんだ付けの信頼性を確保できるようにすることを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明では、リードフレーム（２）は、複数のフレーム（２１〜２３）を有して構成され、該複数のフレーム（２１〜２３）のうち半導体素子（３）が実装される第１フレーム（２１）の実装面に、貴金属で構成された部分メッキ（６）を備え、半導体素子（３）は、部分メッキ（６）上にＰｂフリーはんだ（７）を介して接合されることで、第１フレーム（２１）に電気的に接続されていることを特徴としている。
このように、Ｐｂフリーはんだ（７）を用いて半導体素子（３）をリードフレーム（２）に実装するに際し、リードフレーム（２）の表面に貴金属で構成された部分メッキ（６）を施すようにしている。このため、Ｐｂフリーはんだ（７）をリードフレーム（２）に接合するよりも部分メッキ（６）に接合する方が濡れ性を高めることが可能となり、はんだ濡れ不良やボイド率増加などを抑制することが可能となり、はんだ付け部の信頼性を向上させることが可能となる。
例えば、リードフレーム（２）のうち部分メッキ（６）の周囲を構成する部分はＮｉメッキであるような場合に有効である。
この場合、部分メッキ（６）のサイズを半導体素子（３）と同サイズもしくは該半導体素子（３）よりも大きなサイズとすると好ましい。
このようにすれば、半導体素子（３）をマウントする際のマウントずれ量を見込むことが可能となる。
ただし、Ｐｂフリーはんだ（７）と半導体素子（３）との接合は、ソルダダイボンダやリフロー等の工程によって行われるため、部分メッキ（６）の形成範囲を広げすぎると、半導体素子（３）がスライドしてマウント位置がずれてしまうため、部分メッキ（６）の形成範囲を半導体素子（３）よりも若干大きなサイズ、例えば、部分メッキ（６）の各辺から半導体素子（３）の各辺までの距離が所定距離（例えば１ｍｍ程度）空くようにするのが好ましい。
このような部分メッキ（６）は、Ａｇ、ＰｔもしくはＡｕのいずれかにより構成される。この部分メッキ（６）の厚みに特に制限はないが、６μｍ以下にすると良い。
例えばＡｇなどの貴金属はＰｂフリーはんだ（７）に溶け易く、Ｐｂフリーはんだ（７）内にＡｇが含まれすぎるとＡｇ−Ｓｎ合金が形成されて強度的に弱くなり、Ｐｂフリーはんだ（７）の信頼性の低下を招き兼ねない。このため、部分メッキ（６）の厚みを６μｍ以下にするのが好ましい。
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態にかかるリードフレーム構造体を示した図であり、図１（ａ）は、リードフレーム構造体のレイアウト図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。以下、これらの図を参照して、本実施形態にかかるリードフレーム構造体について説明する。
図１に示されるリードフレーム構造体１は、例えばエンジン機器の制御に用いられ、リードフレーム２、半導体素子３、ボンディングワイヤ４およびモールド樹脂５等を備えた構成とされている。
リードフレーム２は、外部との電気的な接続を行うための配線部材として機能すると共に、放熱を行うためのヒートシンクとして機能する。例えば、リードフレーム２は、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｏ、アロイ系等の金属材料で構成された金属板を打ち抜いたのち、表面にＮｉメッキ２ａを施したもので構成され、半導体素子３を実装する実装面を有する第１フレーム２１と、半導体素子３の所定位置と電気的に接続されていると共に第１フレーム２１から分断された第２フレーム２２および第３フレーム２３とを有して構成されている。
第１フレーム２１は、半導体素子３が搭載される実装面を構成し、半導体素子３よりも大きなサイズとされた四角形状のランド部２１ａと、ランド部２１ａの四隅の一箇所から第２、第３フレーム２２、２３と同方向に延設された端子部２１ｂにて構成されている。
第２フレーム２２および第３フレーム２３は、共に、第１フレーム２１のランド部２１ａから所定距離離間して配置されており、第１フレーム２１の端子部２１ｂと第２フレーム２２および第３フレーム２３が等間隔に並べられて配置されている。
第１フレーム２１のランド部２１ａの実装面のうち半導体素子３が実装される部分には、Ａｇ（銀）、Ｐｔ（白金）、Ａｕ（金）等の貴金属の部分メッキ６がなされており、この部分メッキ６の表面にＰｂフリーはんだ７を介して半導体素子３が接合されている。
半導体素子３は、発熱素子のように放熱が必要とされる電子部品に相当するものである。例えば、半導体素子３は、ＩＧＢＴや縦型パワーＭＯＳＦＥＴのように、表面側だけでなく裏面側にも電極が形成され、表面側と裏面側の電極との間に電流を流す素子を構成している。そして、半導体素子３の裏面に形成された電極と第１フレーム２１とが部分メッキ６およびＰｂフリーはんだ７を介して電気的および物理的に接合されている。また、半導体素子３の表面に形成された電極と第２フレーム２２や第３フレーム２３とがボンディングワイヤ４を介して電気的に接続されている。Ｐｂフリーはんだ７には、例えばＳｕ−Ｃｕ−Ｎｉ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ等のようなＳｎを主成分としたＰｂを含有しない周知のはんだ材料が用いられている。
そして、リードフレーム２のうち第１〜第３フレーム２１〜２３の外部との接続用部分を除き、リードフレーム２、半導体素子３およびボンディングワイヤ４がモールド樹脂５にて封止されることで、はんだ付け部の熱応力の緩和などが図られている。
このように構成されたリードフレーム構造体１は、以下のように形成される。例えば金属板を打ち抜いたのち電解Ｎｉメッキ、無電解Ｎｉメッキもしくは無電解Ｎｉ−ＰメッキにてＮｉメッキ２ａを形成することによってリードフレーム２を構成する。その後、リードフレーム２における第１フレーム２１の実装面に対して半導体素子３よりも一回り大きなサイズとなる貴金属の部分メッキ６を形成し、この部分メッキ６の表面にＰｂフリーはんだ７を介して半導体素子３を電気的および物理的に接合する。そして、モールド樹脂５にて樹脂封止することで形成される。
このとき、Ｐｂフリーはんだ７をリードフレーム２に対して直接接合するのではなく、ソルダダイボンダもしくはリフロー等の工程においてリードフレーム２の表面材料であるＮｉメッキ２ａよりもＰｂフリーはんだ７の濡れ性が高い貴金属で構成された部分メッキ６に接合する構造としているため、Ｐｂフリーはんだ７の濡れ性を高くすることができる。このため、はんだ濡れ不良やボイド率増加などを抑制することが可能となり、はんだ付け部の信頼性を向上させることが可能となる。
なお、部分メッキ６を形成する範囲に関しては、Ｐｂフリーはんだ７にて半導体素子３を実装しやすい範囲であれば特に制限は無いが、半導体素子３をマウントする際のマウントずれ量を見込んで半導体素子３よりも大きなサイズにするのが好ましい。ただし、Ｐｂフリーはんだ７と半導体素子３との接合は、ソルダダイボンダやリフロー等の工程によって行われるため、部分メッキ６の形成範囲を広げすぎると、半導体素子３がスライドしてマウント位置がずれてしまうため、部分メッキ６の形成範囲を半導体素子３よりも若干大きなサイズ、例えば部分メッキ６の各辺から半導体素子３の各辺までの距離が所定距離（例えば１ｍｍ程度）空くようにするのが好ましい。
また、部分メッキ６の形成厚さに関しても特に制限は無いが、例えばＡｇなどの貴金属はＰｂフリーはんだ７に溶け易く、Ｐｂフリーはんだ７内にＡｇが含まれすぎるとＡｇ−Ｓｎ合金が形成されて強度的に弱くなり、Ｐｂフリーはんだ７の信頼性の低下を招き兼ねないため、６μｍ以下、例えば５μｍ程度の厚さで部分メッキ６を形成するのが好ましい。
以上説明したように、本実施形態では、Ｐｂフリーはんだ７を用いて半導体素子３をリードフレーム２に実装するに際し、リードフレーム２の表面に貴金属で構成された部分メッキ６を施すようにしている。これにより、Ｐｂフリーはんだ７をリードフレーム２に接合するよりも部分メッキ６に接合する方が濡れ性を高めることが可能となる。このため、はんだ濡れ不良やボイド率増加などを抑制することが可能となり、はんだ付け部の信頼性を向上させることが可能となる。
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態のリードフレーム構造体１は、第１実施形態に対して制御基板を追加したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
図２は、本実施形態にかかるリードフレーム構造体を示した図であり、図２（ａ）は、リードフレーム構造体のレイアウト図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
この図に示すように、リードフレーム２における第１フレーム２１の実装面に、処理回路などが形成された制御基板８が実装されており、半導体素子３および制御基板８等がモールド樹脂５にて樹脂封止された構成とされている。
制御基板８は、例えばセラミック基板などにより構成されており、第１フレーム２１に対して接着剤等を介して貼り合わされている。そして、半導体素子３の各部が制御基板８の各部にボンディングワイヤ４にて接合されたのち、制御基板８の各部が第２フレーム２２や第３フレーム２３の各部にボンディングワイヤ４を介して接続されることにより、半導体素子３と外部との電気的接続が行えるようになっている。
このような構成のリードフレーム構造体１においても、第１実施形態と同様、半導体素子３とリードフレーム２とをＰｂフリーはんだ７にて接合するに際し、リードフレーム２の第１フレーム２１における実装面に貴金属の部分メッキ６を形成している。このため、第１実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。
（他の実施形態）
上記実施形態において、リードフレーム２や半導体素子３および制御基板８の形状、材料などの例を示したが、これらは単なる一例を示したものに過ぎず、これらの形状、材料などを適宜変更しても構わない。
本発明の第１実施形態にかかるリードフレーム構造体を示す図であり、（ａ）は、リードフレーム構造体のレイアウト図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 本発明の第２実施形態にかかるリードフレーム構造体を示す図であり、（ａ）は、リードフレーム構造体のレイアウト図、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
符号の説明
１…リードフレーム構造体、２…リードフレーム、３…半導体素子、４…ボンディングワイヤ、５…モールド樹脂、６…メッキ、７…Ｐｂフリーはんだ、８…制御基板、２１…第１フレーム、２１ａ…ランド部、２１ｂ…端子部、２２…第２フレーム、２３…第３フレーム

Claims (7)

  1. ヒートシンクとして機能すると共に外部との電気的な接続を行う端子として機能するリードフレーム（２）と、
    前記リードフレーム（２）に対して実装される半導体素子（３）と、
    前記リードフレーム（２）に対して前記半導体素子（３）を電気的に接続するＰｂフリーはんだ（７）と、
    前記リードフレーム（２）のうち外部との電気的な接続を行う部分が露出するように、前記半導体基板（３）および前記リードフレーム（２）を樹脂封止するモールド樹脂（５）と、を備えたリードフレーム構造体であって、
    前記リードフレーム（２）は、複数のフレーム（２１〜２３）を有して構成され、該複数のフレーム（２１〜２３）のうち前記半導体素子（３）が実装される第１フレーム（２１）の実装面に、貴金属で構成された部分メッキ（６）を備え、
    前記半導体素子（３）は、前記部分メッキ（６）上に前記Ｐｂフリーはんだ（７）を介して接合されることで、前記第１フレーム（２１）に電気的に接続されていることを特徴とするリードフレーム構造体。
  2. 前記部分メッキ（６）は、前記リードフレーム（２）のうち前記部分メッキ（６）の周囲よりも前記Ｐｂフリーはんだ（７）に対する濡れ性が高い貴金属で構成されていることを特徴とする請求項１に記載のリードフレーム構造体。
  3. 前記リードフレーム（２）のうち前記部分メッキ（６）の周囲を構成する部分はＮｉメッキであることを特徴とする請求項１または２に記載のリードフレーム構造体。
  4. 前記部分メッキ（６）は、前記半導体素子（３）と同サイズもしくは該半導体素子（３）よりも大きなサイズとされていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のリードフレーム構造体。
  5. 前記半導体素子（３）は上面形状が四角形を成しており、前記部分メッキ（６）も前記半導体素子（３）と同じ上面形状が四角形とされ、前記半導体素子（３）の各辺と前記部分メッキ（６）の各辺とが対向しており、前記半導体素子（３）の各辺と前記部分メッキ（６）の各辺との距離が所定距離離れていることを特徴とする請求項４に記載のリードフレーム構造体。
  6. 前記部分メッキ（６）は、Ａｇ、ＰｔもしくはＡｕのいずれかにより構成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載のリードフレーム構造体。
  7. 前記部分メッキ（６）の厚みは６μｍ以下とされていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載のリードフレーム構造体。
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