JP2009070997A

JP2009070997A - 半導体装置

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Publication number: JP2009070997A
Application number: JP2007237077A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Nakamura; 充男中村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-09-12
Filing date: 2007-09-12
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2027-09-12
Also published as: JP5493257B2

Abstract

【課題】製造後に発生するめっき層の内部応力を緩和でき、めっき層表面からのウィスカーの発生、成長を抑制できる半導体装置を提供すること。
【解決手段】外部接続用リード１４ｂ上にめっき層１６を有する半導体装置において、めっき層１６は、低融点めっき層１６ａと、低融点めっき層１６ａ上に形成された高融点めっき層１６ｂとを有し、高融点めっき層１６ｂは、最高使用温度より固相線温度又は融点の高い金属で形成され、低融点めっき層１６ａは、最高使用温度より固相線温度又は融点の低い金属で形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、外部接続用リード上にめっき層を有する半導体装置に関し、特に、外部接続用リード上にＰｂフリーめっき層を有する半導体装置に関する。

樹脂封止型の半導体パッケージは、プリント基板と接続するための外部接続用リードを備える。外部接続用リードは、一般に、ＣｕやＦｅ−Ｎｉ合金で形成されるため、Ｓｎを含有する溶融半田に対する濡れ性が悪い。そこで、外部接続用リードには、めっき層が施される。外部接続用リードにＳｎを含むめっき層を施すことにより、半田付け性を改善することができ、外部接続用リードとプリント基板とを接続する緻密な半田層を形成することができる。

このめっき層には、従来Ｓｎ−Ｐｂ合金が用いられてきたが、環境汚染等の理由から、近年ではＰｂフリー合金が用いられている。しかしながら、めっき層をＰｂフリー合金で形成した場合、Ｓｎ−Ｐｂ合金の場合と比較して、めっき層の表面から金属ウィスカーが発生、成長し易い。この金属ウィスカーは、主としてめっき層の内部応力によって発生、成長する。金属ウィスカーが成長して、隣接する外部接続用リード間が電気的に短絡すると、半導体パッケージが正常に動作しなくなるため、従来から、Ｐｂフリーめっき層の内部応力を緩和できる半導体装置の製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

上記従来の半導体装置の製造方法では、外部接続用リードをＦｅ―Ｎｉ合金で形成し、その表面に、Ｓｎ―Ｃｕ合金からなるめっき層を形成する。次に、熱処理炉を用いて、めっき層の融点以上の温度で熱処理し、めっき層を溶融させる。このとき、めっき層の融点以上の温度が２０秒以上保持されるようにする。この熱処理により、めっき層の粒界を消失させることができる。また、この熱処理により、めっき層の表面に形成された酸化膜を破壊することができる。これにより、めっき層の内部応力を緩和させ、ウィスカーの発生を抑制することができる。
特開２００７−８１２３５号公報

しかしながら、上記従来の製造方法で製造した半導体装置は、製造時に発生するめっき層の内部応力を緩和できるが、製造後に発生するめっき層の内部応力を緩和できない。

図３は、従来の製造方法で製造した半導体装置の問題点を模式的に示しためっき層の断面図である。図３では、外部接続用リード１４ｂ上にめっき層６が積層されている。この場合、後述の第１〜第３の原因により、製造後にめっき層６で内部応力が発生する。

第１の原因は、めっき層６の熱膨張（矢印Ｂ）と外部接続用リード１４ｂの熱膨張（矢印Ａ）との差である。互いに熱膨張係数の異なるめっき層６（Ｓｎ２３×１０^−６／℃）と外部接続用リード１４ｂ（Ｆｅ−４２Ｎｉ合金（重量％、以下同じ）５×１０^−６／℃、Ｃｕ１７×１０^−６／℃）とが連結されているので、温度が上昇すると、めっき層６では圧縮応力が発生し、外部接続用リード１４ｂでは引張応力が発生する。

第２の原因は、めっき層６と外部接続用リード１４ｂとの拡散反応である。めっき層６と外部接続用リード１４ｂとは、互いに隣接しているため、拡散反応する。外部接続用リード１４ｂにＦｅ−Ｎｉ合金を用いた場合、Ｎｉ成分がめっき層６に拡散し、めっき層６にＮｉ_３Ｓｎ、Ｎｉ_３Ｓｎ_２、Ｎｉ_３Ｓｎ_４等のＮｉ−Ｓｎ金属間化合物２が析出する。また、外部接続用リード１４ｂにＣｕを用いた場合、Ｃｕ成分がめっき層６に拡散し、めっき層６にＣｕ_３Ｓｎ、Ｃｕ_６Ｓｎ_５等のＣｕ−Ｓｎ金属間化合物２が析出する。これらの金属間化合物２は、矢印Ｃ方向に体積膨張しながら析出するため、めっき層６に圧縮応力を発生させる。また、金属間化合物２は、温度が上昇すると、めっき層６との熱膨張差によって、めっき層６に内部応力を発生させる。

第３の原因は、めっき層６の腐食である。めっき層６の表面には、空気中の水分から保護するための有機物コーティング（図示せず）が施されているが、有機物コーティングが劣化すると、腐食される。めっき層６の表面が腐食されると、めっき層６の表面にＳｎ酸化物を主成分とする微粒子４が析出する。このＳｎ酸化物を主成分とする微粒子４は、矢印Ｄ方向に体積膨張しながら析出するため、めっき層６に圧縮応力を発生させる。また、Ｓｎ酸化物を主成分とする微粒子４は、温度が上昇すると、めっき層６との熱膨張差により、めっき層６に内部応力を発生させる。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであって、製造後に発生するめっき層の内部応力を緩和でき、めっき層表面からのウィスカーの発生、成長を抑制できる半導体装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、第１の発明は、外部接続用リード上にめっき層を有する半導体装置において、
前記めっき層は、低融点めっき層と、前記低融点めっき層上に形成された高融点めっき層とを有し、
前記高融点めっき層は、最高使用温度より固相線温度又は融点の高い金属で形成され、
前記低融点めっき層は、最高使用温度より固相線温度又は融点の低い金属で形成される。

また、第２の発明は、第１の発明の半導体装置であって、前記低融点めっき層は、Ｂｉ及びＩｎのうち少なくとも何れか１つの元素を含むＳｎ合金で形成される。

本発明によれば、めっき層は、低融点めっき層と、低融点めっき層上に形成された高融点めっき層とを有し、低融点めっき層は、最高使用温度より固相線温度又は融点の低い金属で形成される。

これにより、めっき層の温度が所定値以上に上昇すると、低融点めっき層の少なくとも一部が溶融して、低融点めっき層の粘性流動により、前述の第１の原因である外部接続用リードとめっき層との熱膨張差に起因する熱応力を緩和することができる。したがって、製造後に発生するめっき層の内部応力を緩和することができ、めっき層からのウィスカーの発生、成長を抑制することができる。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。

図１は、本発明の半導体装置の構成の一実施例を示した図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａに沿った断面図である。

本実施例の半導体装置は、図１に示すように、ダイパッド１１上に半導体素子１２を搭載する。半導体素子１２は、ボンディングワイヤ１３により、内部接続用リード１４ａへ電気的に接続されている。これらのダイパッド１１、半導体素子１２、ボンディングワイヤ１３、及び内部接続用リード１４ａは、カーボンを含有するエポキシ樹脂１５で封止され、光、空気中の水分等から保護されている。外部接続用リード１４ｂは、内部接続用リード１４ａから延設され、封止樹脂１５から外部に突出している。外部接続用リード１４ｂの表面には、半田付け性改善のためのめっき層１６が形成されており、外部接続用リード１４ｂは、プリント基板（図示せず）に半田付けされている。このため、プリント基板からの信号を半導体素子１２に伝え、半導体素子１２で処理された結果を信号として取り出すことができる。

半導体素子１２には、例えば、多数のトランジスタをＳｉチップに組み込んだＩＣ、ＬＳＩを用いることができる。半導体素子１２は、プリント基板からの入力信号を処理し、処理された結果を出力信号としてプリント基板に出力する。

ダイパッド１１、及びリード１４には、導電性、放熱性に優れたＣｕや、半導体素子１２との熱膨張差に優れたＦｅ−４２Ｎｉ合金が用いられ、これらの金属板を精密金型で打ち抜くこと、又はこれらの金属板をエッチングすることで形成される。

外部接続用リード１４ｂ上には、半田付け性の改善のため、電解めっき法を用いて、Ｐｂフリーめっき層１６が形成されている。

本実施例のめっき層１６は、その特徴的な構成として、図１（ｂ）に示すように、低融点めっき層１６ａと、低融点めっき層１６ａ上に形成された高融点めっき層１６ｂとを有する。これら低融点めっき層１６ａ、高融点めっき層１６ｂは、電解めっき法で、それぞれ、０．５μｍ以上積層される。厚さ０．５μｍ未満の場合、低融点めっき層１６ａ、高融点めっき層１６ｂの厚みが十分でないため、後述の低融点めっき層１６ａ、高融点めっき層１６ｂの効果が十分に発現されない。

この高融点めっき層１６ｂは、最高使用温度より固相線温度又は融点の高いＰｂフリー合金で形成される。尚、本実施例において、最高使用温度とは、半導体装置を実際に使用した場合のめっき層１６の最高温度を意味する。最高使用温度は、車載用半導体装置の場合、車内の設置場所にもよるが、炎天下の太陽光の照射熱、他の車載部品の発熱等により、７０℃以上に達することがある。

例えば、最高使用温度が１２０℃の場合、高融点めっき層１６ｂには、Ｓｎ（融点２３２℃）、Ｓｎ−３．５Ａｇ合金（融点２２１℃）、Ｓｎ−０．７Ｃｕ合金（融点２２７℃）、Ｓｎ−４Ｂｉ合金（固相線温度２１７℃）を用いることができる。

高融点めっき層１６ｂは、最高使用温度であっても溶融しないので、高融点めっき層１６ｂの表面に施される有機物コーティングと反応しにくい。このため、有機物コーティングの劣化を抑制することができ、高融点めっき層１６ｂを空気中の水分等から保護することができる。

また、高融点めっき層１６ｂは、最高使用温度であっても溶融しないので、固体の高融点めっき層１６ｂの内壁と、固体の外部接続用リード１４ｂの外壁とにより、溶融した低融点めっき層１６ａの流失を防止することができる。

この低融点めっき層１６ａは、最高使用温度より固相線温度又は融点の低いＰｂフリー合金で形成される。

例えば、最高使用温度が１２０℃の場合、低融点めっき層１６ａには、１２０℃で全部溶融するＳｎ−５２Ｉｎ合金（融点１１７℃）、１２０℃で一部溶融するＳｎ−４８Ｉｎ合金（固相線温度１１７℃、液相線温度１３１℃）を用いることができる。

或いは、最高使用温度が１５０℃の場合、上記Ｓｎ−５２Ｉｎ合金、Ｓｎ−４８Ｉｎ合金の他にも、１５０℃で全部溶融するＳｎ−５８Ｂｉ合金（融点１３９℃）、１５０℃で一部溶融するＳｎ−２０Ｂｉ合金（固相線温度１４４℃、液相線温度２０８℃）を用いることができる。

このように、低融点めっき層１６ａは、少なくとも最高使用温度で一部溶融する。このため、前述した第１〜第３の原因により、製造後に発生するめっき層１６の内部応力を緩和することができる。以下、図２を参照しながら、めっき層１６の内部応力の緩和の詳細について説明する。

まず、第１の原因である、めっき層１６と外部接続用リード１４ｂとの熱膨張差について説明する。前述したように、温度が上昇すると、めっき層１６と外部接続用リード１４ｂとの熱膨張差により、めっき層１６で圧縮応力が発生する。

ここで、低融点めっき層１６ａの少なくとも一部が溶融すると、低融点めっき層１６ａの粘性流動により、めっき層１６は、外部接続リード１４ｂに拘束されることなく自由に熱膨張できるようになる。これにより、熱膨張差に起因してめっき層１６で発生する圧縮応力を緩和することができる。

この結果、製造後に発生するめっき層１６の内部応力を緩和することができ、めっき層１６からのウィスカーの発生、成長を抑制することができる。

次に、第２の原因である、外部接続用リード１４ｂとめっき層１６との拡散反応について説明する。前述したように、外部接続用リード１４ｂとめっき層１６との拡散反応により、金属間化合物２が体積膨張しながら析出すると、めっき層１６で圧縮応力が発生する。また、前述したように、析出した金属間化合物２は、温度が上昇すると、めっき層１６との熱膨張差によって、めっき層１６に内部応力を発生させる。

ここで、低融点めっき層１６ａの少なくとも一部が溶融すると、図２に示すように、低融点めっき層１６ａの対流により、低融点めっき層１６ａに析出した金属間化合物２を分解して広範囲に分散することができる。低融点めっき層１６ａが凝固した後も、金属間化合物２が広範囲に分散しているので、めっき層１６と金属間化合物２との熱膨張差に起因して発生する内部応力を分散することができる。これにより、金属間化合物の析出に起因してめっき層１６で発生する圧縮応力を緩和することができる。

また、低融点めっき層１６ａの少なくとも一部が溶融すると、低融点めっき層１６ａの粘性流動により、金属間化合物２の析出によりめっき層１６で発生した圧縮応力を解放することができる。これにより、金属間化合物の析出に起因してめっき層１６で発生する圧縮応力を緩和することができる。

最後に、第３の原因である、めっき層１６の腐食について説明する。前述したように、高融点めっき層１６ｂの腐食により、Ｓｎ酸化物を主成分とする微粒子４が体積膨張しながら析出すると、めっき層１６で圧縮応力が発生する。また、前述したように、析出したＳｎ酸化物を主成分とする微粒子４は、温度が上昇すると、めっき層１６との熱膨張差によって、めっき層１６に内部応力を発生させる。

ここで、低融点めっき層１６ａの少なくとも一部が溶融すると、図２に示すように、低融点めっき層１６ａの対流により、高融点めっき層１６ｂに析出したＳｎ酸化物を主成分とする微粒子４を分解して広範囲に分散することができる。低融点めっき層１６ａが凝固した後も、Ｓｎ酸化物を主成分とする微粒子４が広範囲に分散しているので、めっき層１６と微粒子４との熱膨張差に起因して発生する内部応力を分散することができる。これにより、めっき層１６の腐食に起因してめっき層１６で発生する圧縮応力を緩和することができる。

また、低融点めっき層１６ａの少なくとも一部が溶融すると、低融点めっき層１６ａの粘性流動により、Ｓｎ酸化物を主成分とする微粒子４の析出によりめっき層１６で発生した圧縮応力を解放することができる。これにより、めっき層１６の腐食に起因してめっき層１６で発生する圧縮応力を緩和することができる。

このように、本実施例の半導体装置では、めっき層１６は、低融点めっき層１６ａと、低融点めっき層１６ａ上に形成された高融点めっき層１６ｂとを有し、低融点めっき層１６ａは、最高使用温度より固相線温度又は融点の低い金属で形成される。これにより、めっき層１６の温度が所定値以上に上昇すると、低融点めっき層１６ａの少なくとも一部が溶融して、低融点めっき層１６ａの粘性流動、対流により、製造後に発生しためっき層１６の内部応力を緩和することができ、めっき層１６からのウィスカーの発生、成長を抑制することができる。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、本実施例のめっき層１６は、低融点めっき層１６ａと、低融点めっき層１６ａ上に形成された高融点めっき層１６ｂとを有するとしたが、少なくとも前述の第１の原因であるめっき層１６と外部接続用リード１４ｂとの熱膨張差に起因する内部応力を緩和することができる限り、その積層構造に制限はなく、例えば、低融点めっき層１６ａと高融点めっき層１６ｂとの間に、第３のめっき層を形成しても良く、或いは、外部接続用リード１４ｂと低融点めっき層１６ａとの間に第３のめっき層を形成しても良い。

また、本実施例では、低融点めっき層１６ａには、Ｓｎ−５２Ｉｎ合金、Ｓｎ−４８Ｉｎ合金、Ｓｎ−５８Ｂｉ合金、Ｓｎ−２０Ｂｉ合金を用いたが、最高使用温度より固相線温度又は融点の低いＰｂフリー合金である限り、その化学組成に制限はない。

本発明の半導体装置の構成の一実施例を示した図である。低融点めっき層１６ａの少なくとも一部が溶融した状態の一例を示しためっき層１６の断面図である。従来の製造方法で製造した半導体装置の問題点を模式的に示しためっき層６の断面図である。

符号の説明

１２半導体素子
１４ａ内部接続用リード
１４ｂ外部接続用リード
１６めっき層
１６ａ低融点めっき層
１６ｂ高融点めっき層

Claims

外部接続用リード上にめっき層を有する半導体装置において、
前記めっき層は、低融点めっき層と、前記低融点めっき層上に形成された高融点めっき層とを有し、
前記高融点めっき層は、最高使用温度より固相線温度又は融点の高い金属で形成され、
前記低融点めっき層は、最高使用温度より固相線温度又は融点の低い金属で形成される半導体装置。
前記低融点めっき層は、Ｂｉ及びＩｎのうち少なくとも何れか１つの元素を含むＳｎ合金で形成される請求項１記載の半導体装置。