JP3379349B2

JP3379349B2 - モールド型電子部品及びその製法

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Publication number: JP3379349B2
Application number: JP23492296A
Authority: JP
Inventors: 保敏栗原; 亘右岡田; 勝治土屋; 岩道神代; 雅仁沼波; 恒雄遠藤; 一二山田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-09-05
Filing date: 1996-09-05
Publication date: 2003-02-24
Anticipated expiration: 2016-09-05
Also published as: JPH1079453A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置、特には
んだ付け部の耐熱疲労性と気密性に優れ、回路配線の短
絡を抑制するのに好適なモールド型電子部品及びその製
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体素子基体を支持する部材は
非絶縁型半導体装置の一電極を兼ねる場合が多かった。
例えば、パワートランジスタチップを銅ベース上にＰｂ
−Ｓｎはんだ材により一体化搭載したパワートランジス
タ装置では、銅ベース（金属支持部材）はトランジスタ
のコレクタ電極と支持部材を兼ねる。このような半導体
装置では、数アンペア以上のコレクタ電流が流れ、トラ
ンジスタチップは発熱する。この発熱に起因する特性の
不安定性や寿命の劣化を避けるため、銅ベースは熱放散
のための部材を兼ねる。また、高耐圧化及び高周波化さ
れ、大電流を流すことの可能な半導体素子基体を上記銅
ベースに直接はんだ付け搭載した場合は、熱放散中継部
材としての銅ベースの役割は一層重要になる。

【０００３】また、半導体装置の全ての電極を金属支持
部材から電気的に絶縁し、もって半導体装置の回路適用
上の自由度を増すことのできる構造が出現している。こ
のような絶縁型半導体装置において、全ての電極は絶縁
部材により金属支持部材を含む全てのパッケージ部材か
ら絶縁されて外部へ引き出される。そのために、一対の
主電極が回路上の接地電位から浮いている使用例であっ
ても、電極電位とは無関係にパッケージを接地電位部に
固定できるので、半導体装置の実装が容易になる。

【０００４】絶縁型半導体装置においても、半導体素子
を安全かつ安定に動作させるためには、半導体装置の動
作時に発生する熱をパッケージの外へ効率良く放散させ
る必要がある。この熱放散は通常、発熱源である半導体
基体からこれに接着された各部材を通じて気中へ熱伝達
させることで達成される。絶縁型半導体装置ではこの熱
伝達経路中に、絶縁体，半導体基体を接着する部分等に
用いられた接着材層を含む。

【０００５】また、半導体装置を含む回路の扱う電力が
高くなるほど、あるいは要求される信頼性（経時的安定
性，耐湿性，耐熱性等）が高くなるほど、完全な絶縁性
が要求される。ここで言う耐熱性には、半導体装置の周
囲温度が外因により上昇した場合のほか、半導体装置の
扱う電力が大きく、半導体基体で発生する熱が大きくな
った場合の耐熱性も含む。

【０００６】一方、混成集積回路装置あるいは半導体モ
ジュール装置では、一般に半導体素子を含むあるまとま
った電気回路が組み込まれるため、その回路の少なくと
も１部とこれらの装置の支持部材あるいは放熱部材等の
金属部とを電気的に絶縁する必要がある。例えば、第１
先行技術例としての風見明による“ＩＭＳＴ基板”：工
業材料（Ｖｏｌ．３０、Ｎo.３）、２２〜２６頁（１９
８３年）には、両面に薄いアルマイト層（１４〜３０μ
ｍ）を形成したアルミニウム基板（１〜２mm）の一方の
面上に、エポキシ系絶縁樹脂層（２８μｍ）を介して銅
箔（３５μｍ）を形成した混成集積回路装置用基板が開
示されている。また、上記銅箔を選択エッチングして回
路配線を施した上記混成集積回路装置用基板上に、はん
だ付けによりパワー半導体素子及び受動素子が搭載され
た混成集積回路装置が開示されている。

【０００７】第２先行技術例としてのN.Sakamotoらによ
る“An Improvement on SolderJoint Reliability for
Aluminum Based IMST Substrate”：IMC 1922Proceedin
gs 、５２５〜５３２頁（１９９２年）には、上記混成
集積回路基板上にＰｂ−６０wt％Ｓｎ系はんだ材により
パワートランジスタ素子やセラミック製チップコンデン
サ及びチップ抵抗を搭載し、これらの搭載素子をアルミ
ニウムと同等の熱膨張率（２５ppm／℃ ）を持つエポキ
シ樹脂によりモールド封止した構造のハイブリットＩＣ
装置が開示されている。この先行技術例では、上記基板
（Ａｌ）と熱膨張率がほぼ等価な２５ppm／℃ の樹脂で
モールドするのが好ましいことを開示している。

【０００８】上記先行技術例１及び２に基づく混成集積
回路装置は、量産性に優れるとともに経済的利点が多
く、半導体実装の分野で広く利用されている。

【０００９】上記先行技術例１及び２に基づく混成集積
回路装置やハイブリットＩＣ装置は、放熱を促進させる
ためアルミニウムフィン等のヒートシンクへ機械的に取
り付けられるか、又は、外部回路の形成された例えばプ
リント回路基板のようなものへはんだ付けされて使用さ
れる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】先行技術例１及び２に
基づく混成集積回路装置やハイブリットＩＣ装置（以
下、半導体装置と言う）の場合は、熱膨張率の小さい搭
載部品〔例えば、半導体素子基体：３.５ppm／℃(Ｓ
ｉ），チップ抵抗体：７ppm／℃（アルミナ）、チップ
コンデンサ：１０ppm／℃（チタン酸バリウム)〕が、熱
膨張率の大きい回路基板（Ａｌ：２５ppm／℃ ）上にＰ
ｂ−Ｓｎ系合金材のはんだ付けにより固着される。はん
だ付け部は搭載部品を基板上の所定位置に固定するとと
もに、上記半導体装置の配線及び熱放散路の役割を担
う。しかしながら、上記半導体装置には稼働時や休止時
に伴う熱ストレスがくり返し印加され、最終的にははん
だ付け部の熱疲労破壊を生ずるに至る。特に、回路基板
に対してモールド樹脂の熱膨張率が適切に調整されてい
ない場合は、両者の接合界面に過大な残留応力が内在す
ることとなり、これに半導体装置の稼働時の熱応力が重
畳されると、はんだ付け部の熱疲労破壊が一層加速され
る。この熱疲労破壊が進むと、断線，熱放散路の遮断等
の悪影響を生ずる。この結果、半導体装置はその回路機
能を失う。

【００１１】また、搭載部品のはんだ付けにＰｂ−６０
wt％Ｓｎ合金材が用いられた場合は、半導体装置がプリ
ント配線基板にはんだ付けする際に次のような問題点を
生ずる。一般に、半導体装置のプリント配線基板への搭
載は、Ｐｂ−６０wt％Ｓｎ（融点：１８３℃，作業温
度：２２０℃）を用いて行われる。この際、搭載部品を
固着したＰｂ−６０wt％Ｓｎ合金材の一部も溶融する。
溶融したはんだ材は体積膨張して大きな圧力を生ずると
ともに、回路基板−モールド樹脂間の接着部を剥離させ
る。この結果、溶融はんだ材は剥離間隙を通って流出
し、配線間を電気的に短絡せしめ、半導体装置の回路機
能を害する。一方、搭載部品のはんだ付けに融点の高い
Ｐｂ−５wt％Ｓｎ合金材を用いた場合は、前述のような
溶融はんだ材の流出は生じない。しかし、はんだ付けの
ためには、回路基板を３００℃以上に加熱する必要があ
る。この場合には、回路基板における絶縁樹脂層の熱的
劣化により、回路基板としての絶縁耐力が低下する。こ
れも、半導体装置の回路機能の低下につながる。

【００１２】更に、先行技術例１及び２に基づく半導体
装置の場合は、回路基板に対してモールド樹脂の熱膨張
率が適切に調整されていないと、両者の接合界面に過大
な残留応力が内在し、これに半導体装置の稼働時の熱応
力が重畳されて、回路基板−モールド樹脂間の接合界面
の剥離が一層進行する。このような場合には、半導体装
置の内部に水分が浸入し、内部の回路機能を害する。

【００１３】以上の技術的課題、特に溶融はんだ材の流
出の問題は、セラミックス板に金属配線を施した回路基
板上に搭載部品のはんだ付けし、これを樹脂で気密封止
した半導体装置の場合にも共通する。

【００１４】したがって本発明の目的は、上述の問題
点、特に溶融はんだ材流出の問題を解決した改良された
モールド型電子部品を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明のモールド型電子
部品は、金属配線層を具備した回路基板上に半導体素子
基体及び受動素子からなる搭載部品が導電的及び機械的
に固着され、少なくとも該搭載部品がモールド樹脂によ
って被覆された半導体装置において、該搭載部品がＳ
ｎ，Ｓｂ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｉｎ及びＢｉの群から選
択された２種類以上の金属とＰｂを主成分とする合金材
により固着され、該合金材中のＰｂ濃度が１０wt％以下
に調整されていることを第１の特徴とする。

【００１６】本発明の電子装置は、金属配線が設けられ
た回路基板上に半導体素子基体，受動素子，端子の群か
ら選択された少なくとも１つを含む搭載部品が第１の合
金材によって固着され、該回路基板及び該搭載部品がモ
ールド樹脂によって被覆され、該第１の合金材がＳｎ，
Ｓｂ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｉｎ及びＢｉの群から選択さ
れた２種類以上の金属とＰｂを主成分としかつＰｂ濃度
が１０wt％以下に調整された合金である電子部品が、外
部回路基板に第２の合金材により固着されたことを第２
の特徴とする。

【００１７】本発明のモールド型電子部品の製法は、金
属配線が設けられた回路基板上に半導体素子基体，受動
素子，端子の群から選択された少なくとも１つを含む搭
載部品が合金材によって固着され、該回路基板及び搭載
部品がモールド樹脂によって被覆された半導体装置の製
法において、該搭載部品にＰｂ−Ｓｎ合金層を設け、Ｓ
ｎ，Ｓｂ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｉｎ及びＢｉの群から選
択された２種類以上の金属からなるろう材により該搭載
部品を該金属配線上に固着し、Ｓｎ，Ｓｂ，Ａｇ，Ｃ
ｕ，Ｚｎ，Ｉｎ及びＢｉの群から選択された２種類以上
の金属とＰｂからなる合金材を形成するとともに、該合
金材中のＰｂ濃度を１０wt％以下に調整することを特徴
とする。

【００１８】以上の構成を、図面を用いて説明する。

【００１９】図１は本発明の半導体装置を説明する断面
図である。この半導体装置４０は、Ａｌ板１の主面に絶
縁樹脂層２を介して銅配線層３が選択形成された回路基
板１０上に、半導体素子基体２１，セラミック製チップ
抵抗２２，チップコンデンサ２３からなる受動素子、そ
してリン青銅からなる端子２４がＳｎ，Ｓｂ，Ａｇ，Ｃ
ｕ，Ｚｎ，Ｉｎ及びＢｉの群から選択された２種類以上
の金属とＰｂを主成分とするはんだ材２５により導電的
及び機械的に固着され、半導体素子基体２１には金属線
２６によるボンディングが施され、これらの搭載部品２
１，２２，２３，２４，２５，２６や基板１０を熱膨張
率が１０〜２０ppm／℃ に選択されたモールド樹脂３０
により気密的に封止され、そして、はんだ材２５中のＰ
ｂ濃度が１０wt％以下に調整されたものである。

【００２０】はんだ材２５中のＰｂは、特に受動素子２
２，２３や端子２４等の搭載部品のはんだ付け部表面
に、あらかじめ設けられたＰｂ−Ｓｎ系合金材層を導入
源とする。表面Ｐｂ−Ｓｎ系合金材層は、搭載部品のは
んだ材へのぬれ性を付与する目的で設けられる。

【００２１】図２は第２の特長を有する本発明半導体装
置を説明する断面模式図である。半導体装置４０は、回
路配線の施された例えばプリント基板のごとき外部回路
基板５０に端子２４をＰｂとＳｎを主成分とする第２の
合金材５１により固着されている。この際、図示を省略
するけれども、半導体素子基体２１，セラミック性チッ
プ抵抗２２，チップコンデンサ２３からなる受動素子、
そしてリン青銅からなる端子２４はＳｎ，Ｓｂ，Ａｇ，
Ｃｕ，Ｚｎ，Ｉｎ及びＢｉの群から選択された２種類以
上の金属を主成分とする第１の合金材２５により回路基
板１０上に固着されている。

【００２２】本発明におけるはんだ材２５は搭載部品を
導電的かつ強固に固着するためのものであり、本質的に
高い熱疲労破壊耐量を有している必要がある。図３はは
んだ材２５の熱疲労破壊耐量を、半導体素子基体２１か
らＡｌ板１に至る放熱経路間の熱抵抗の温度サイクル数
依存性として表す。同図において、Ａははんだ材２５と
してＳｎ−５wt％Ｓｂ材、ＢはＰｂ−６０wt％Ｓｎ材、
そしてＣはＰｂ−５wt％Ｓｎ材を適用した場合を示す。
Ａの場合は温度サイクル数５００回までは熱抵抗の変動
をほとんど示していない。これに対しＢ及びＣの場合
は、５０回あたりから変動（熱抵抗の増大）を生じ始め
ている。熱抵抗増大は、熱的変動にともなう疲労破壊に
よってはんだ材にクラックを生じ、これによる放熱経路
の遮断によってもたらされる。このように、本発明に係
る合金材Ａを適用した場合は、従来の部品搭載用はんだ
材Ｂ及びＣを適用した場合に比べ、優れた熱疲労破壊耐
量を示している。これは、Ｓｎ−５wt％Ｓｂ材の剛性が
Ｐｂ−６０wt％Ｓｎ材やＰｂ−５wt％Ｓｎ材より剛性が
高く、塑性変形しにくい材料であることに基づく。合金
材Ａの代替物として、例えばＳｎ−３.５wt％Ａｇ−１.
５wt％Ｉｎ−７.５ wt％Ｐｂ，Ｓｎ−１０wt％Ｚｎ−
１.５wt％Ｉｎ−０.５wt％Ｐｂ，Ｓｎ−４wt％Ａｇ−２
wt％Ｚｎ−２wt％Ｂｉ−３.５wt％Ｐｂ，Ｓｎ−４.５wt
％Ｃｕ−１.７wt％Ｐｂ，Ｓｎ−４wt％Ｃｕ−３wt％Ａ
ｇ−５.２wt％Ｐｂ，Ｓｎ−２wt％Ｓｂ−１wt％Ｃｕ−
２wt％Ａｇ−２wt％Ｚｎ−４.２wt％Ｐｂ等のように、
Ｓｎ，Ｓｂ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｉｎ及びＢｉの群から
選択された２種類以上の金属とＰｂを主成分とする合金
材が挙げられる。この場合、合金材にはＰｂ含有量が少
なく、Ｐｂの毒性に基づく環境汚染の問題を解消するの
に役立つ。

【００２３】本発明におけるモールド樹脂３０は搭載部
品を機械的に保護したり、気密的に封止するものであ
る。また、モールド樹脂３０は回路基板１０と一体化さ
れるものであり、この際一体化界面に内部応力が導入さ
れないことが望ましい。この第１の理由は、回路基板１
０上に部品２１，２２，２３，２４，２５，２６がはん
だ付け搭載されており、これらの部品を固着しているは
んだ材２５に一体化にともなう内部応力が導入される
と、その後の稼働時の温度変化に起因する応力が重畳さ
れるため、熱疲労破壊を生じやすくなるためである。第
２の理由は、モールド樹脂３０と回路基板１０との一体
化界面２７や２７′（図１参照）に内部応力を内蔵する
と、その後の稼働時の温度変化に起因する応力が重畳さ
れて過大な界面応力を生ずるため、界面２７や２７′は
剥離する。この結果、稼働環境下の水分が界面２７や２
７′を通じて半導体装置４０の内部に導入され、回路配
線３，回路素子２１，２２，２３、端子２４，金属線２
６を腐食させ、半導体装置４０の正常な回路機能を損ね
る。

【００２４】図４はモールド樹脂３０と回路基板１０と
の一体化物のそり量を説明するグラフである。ここで、
回路基板１０の寸法は２０.５mm×３８mm×１.５mm、モ
ールド樹脂３０の厚さは２mmである。また、プラスのそ
り量は基板１０側が凸、マイナスのそり量はモールド樹
脂３０側が凸になることを意味する。曲線ＡはＳｎ−５
wt％Ｓｂ材、そして、曲線ＢはＰｂ−６０wt％Ｓｎ材を
用いて部品を搭載した場合を表す。長手方向（３８mm）
は、モールド樹脂３０の熱膨張率が大きくなるにつれプ
ラスの大きな値を示している。基板１０の長手方向の初
期そり量は２０μｍである（図中の破線）。トランスフ
ァーモールド後に界面内部応力が導入されないようにす
るためには、モールド後のそり量が基板１０の初期そり
量に近似（望ましくは±１０μｍ以内）している必要が
ある。このような観点から判断すると、モールド樹脂３
０の熱膨張率は１０〜２０ppm／℃ に選択されているこ
とが望ましい。これに対しＢの場合は、２２〜３０ppm
／℃ の範囲が適正であることを示している。Ｐｂ−６
０wt％Ｓｎ材は軟らかく塑性変形しやすい材料であるた
め、熱膨張率の比較的小さい搭載部品と回路基板１０の
熱膨張率差に基づく応力を吸収しやすい。この結果、そ
り量に対しては搭載部品の熱膨張率の影響は及びにく
い。これに対しＳｎ−５wt％Ｓｂ材２５の場合は、剛性
が高く塑性変形しにくい材料であるため、搭載部品と回
路基板１０の熱膨張率差に基づく応力は吸収されにく
い。この結果、そり量に対しては搭載部品の熱膨張率の
影響が及びやすい。このことが、ＡとＢの間でモールド
樹脂３０の適正膨張率範囲が異なる主たる理由であり、
Ｓｎ−５wt％Ｓｂ材２５の場合の新たなる技術課題であ
る。

【００２５】例えば、はんだ材２５としてＳｎ−４.３w
t％Ｓｂ−１.４wt％Ｐｂ材と熱膨張率１５ppm／℃ のモ
ールド樹脂３０を組み合わせて適用した半導体装置４０
の場合は、温度サイクル試験（−５５〜１５０℃、５０
００回）後に高温高湿バイアス試験（８０℃，８５％Ｒ
Ｈ，配線間印加電圧：５００Ｖ，１０００ｈ）を連続し
て実施しても、半導体装置の回路機能は損なわれない。
一方、はんだ材２５としてＰｂ−６０wt％Ｓｎ材やＳｎ
−４.５wt％Ｓｂ−１０.４wt％Ｐｂ材、モールド樹脂３
０として熱膨張率８ppm／℃及び２５ppm／℃のエポキシ
樹脂を用いた半導体装置では、単独の温度サイクル試験
（−５５〜１５０℃）２５００回あたりから搭載部品
（２１，２２，２３，２４，２５，２６）はんだ接続部
２５の疲労破断を生じ、装置の回路機能が損ねられる。
また、単独の高温高湿バイアス試験(８５℃，８５％Ｒ
Ｈ，配線間印加電圧：５００Ｖ)によっても、試験時間
５００ｈで配線３間のマイグレーションによる短絡を生
ずる。これは、モールド樹脂３０−基板１０間の接合界
面が剥離し、水分の装置４０内へ導入されやすいためで
ある。

【００２６】したがって本発明では、本質的に高い熱疲
労破壊耐量を有しているＳｎ，Ｓｂ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｚ
ｎ，Ｉｎ及びＢｉの群から選択された２種類以上の金属
とＰｂを主成分とするはんだ材２５と、熱膨張率が１０
〜２０ppm／℃ に調整されたモールド樹脂３０とを組み
合わせ、はんだ材２５中のＰｂ濃度を１０wt％以下に調
整することにより、部品搭載部が更に高信頼化された半
導体装置４０を提供できる。

【００２７】しかしながら、はんだ材２５中のＰｂ濃度
が高い場合は、次のような問題を生ずる。図５はＳｎ−
Ｓｂ系はんだ材とＳｎ−Ｓｂ−Ｐｂ系はんだ材の示差走
査熱量分析曲線を示す。（ａ）のＳｎ−４.５wt％Ｓｂ
−１０.４wt％Ｐｂ材の場合は１８６.６℃と２２４.９
℃で吸熱ピークを有しているのに対し（以下、低温側を
第１吸熱ピーク、高温側を第２吸熱ピークと言う）、
（ｂ）のＳｎ−５wt％Ｓｂの場合は２４２.６℃ で吸熱
ピークを示している。このように、はんだ材２５中に過
大な量のＰｂが含まれると、昇温過程ではＳｎ−５wt％
Ｓｂ合金本来の融点より大幅に低い温度で溶融が開始さ
れる。図６は部品搭載部の断面模式図を示す。受動素子
２２は金属配線層３上にはんだ付け２５され、モールド
樹脂３０により被覆されている。この部分にプリント配
線基板へはんだ付け（Ｐｂ−６０wt％Ｓｎ，融点：１８
３℃，作業温度：２２５℃）するための加熱が施される
と、素子２２を固着したＳｎ−４.５wt％Ｓｂ−１０.４
wt％Ｐｂ材２５は固相から完全な溶融状態に至り、この
間に１.１６倍の体積膨張を生ずる。この際、溶融はん
だ２５はモールド樹脂３０，回路基板１０，素子２２で
構成される密閉空間において圧縮力を受ける。はんだ材
２５の体積膨張率をβ（３８００ppm／℃ ，体積膨張か
ら推定）、圧縮率をκ（０.２ＧＰａ~¹）とすると、溶
融開始（186.6℃）〜溶融終了（２２４.９℃ ）の過程
で生ずるはんだ材２５の圧力変化ｄＰは(１)式で表され
る。

【００２８】ｄＰ＝（β／κ）ｄＴ …（１）ここで、ｄＴ：（溶融終了温度）−（溶融開始温度）と
すると、ｄＰは約８１kgf／mm²となり、圧力は大幅に増
大する。圧力増加に伴って素子２２搭載部のモールド樹
脂３０にはＦ₁の力が生じ、連動してはんだ付け部近傍
の基板１０とモールド樹脂３０の界面には剥離力Ｆ₂が
作用する。一方、基板１０とモールド樹脂３０の界面の
接着力は約５kgf／mm²程度と小さく、剥離力Ｆ₂の作用
によって界面は容易に剥離する。この結果、溶融はんだ
材２５は剥離による間隙を通して近傍の金属配線層３′
へ流出し、電気的短絡を引き起こす。

【００２９】上記はんだ流出とこれに伴う配線間短絡を
抑制する対策として、本発明でははんだ材２５のＰｂ濃
度を１０wt％以下に調整する。図７はＳｎ−Ｓｂ−Ｐｂ
系はんだ材の吸熱ピーク強度のＰｂ濃度依存性を示す。
ここで、吸熱ピーク強度ははんだ材１ｍｇ当たりの吸熱
量で表される。第１吸熱ピーク強度は濃度とともに増す
のに対して、第２吸熱ピーク強度は減少している。ま
た、図８はＳｎ−Ｓｂ−Ｐｂ系はんだ材の吸熱ピーク温
度のＰｂ濃度依存性を示す。第１吸熱ピーク温度は濃度
とともに緩やかに増すのに対して、第２吸熱ピーク温度
は２４３℃（０wt％）から２１０℃（約２０wt％）まで
大幅な減少を示している。２２５℃までの昇温過程では
んだ材の溶融を抑制するためには、第１吸熱ピーク強度
が低く、第２吸熱ピーク温度が高いことが必要である。
この際、第１吸熱ピーク強度：0.5ｍＷ／ｍｇ以下、第
２吸熱ピーク温度：２２５℃以上であることが望まし
い。このような観点から選択されるＰｂ濃度は１０wt％
以下である。

【００３０】以上の対策によれば、プリント配線基板へ
のはんだ付け熱処理を施した場合でも、半導体装置４０
のはんだ材流出及び配線間短絡を防止できる。

【００３１】本発明では、あらかじめ搭載部品にＰｂ−
Ｓｎ合金層を設け、Ｓｎ，Ｓｂ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｉ
ｎ及びＢｉの群から選択された２種類以上の金属からな
るろう材により搭載部品を金属配線上に固着し、Ｓｎ，
Ｓｂ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｉｎ及びＢｉの群から選択さ
れた２種類以上の金属とＰｂからなる合金材を形成する
とともに、該合金材中のＰｂ濃度を１０wt％以下に調整
する。この際、Ｐｂ−Ｓｎ合金層の組成又は厚さ、又
は、ろう材の重量又は体積を調整する。具体的には、Ｃ＝Ａ・ρ_p・ｔ_p／ρ_p・ｔ_p＋ρ_s・ｔ_s…（２）ここで、Ｃ：合金材中のＰｂ濃度Ａ：Ｐｂ−Ｓｎ合金層におけるＰｂの重量比 ρ_p：Ｐｂ−Ｓｎ合金層の比重ｔ_p：Ｐｂ−Ｓｎ合金層の厚さ ρ_s：ろう材の比重ｔ_s：ろう材の厚さなる式で算出されるＣが該Ａ，ρ_p，ｔ_p，ρ_s，ｔ_sの群
から選択された少なくとも１により調整される。

【００３２】

【発明の実施の形態】本発明を実施例により詳細に説明
する。

【００３３】〔実施例１〕本実施例の半導体装置４０
は、図１に示したように、Ａｌ板１の主面に絶縁樹脂層
２（８０μｍ）を介して銅配線層３（７０μｍ）が選択
形成された回路基板１０（２０.５mm×３８mm×１.５m
m）上に、半導体素子基体としてのパワーMOSFET 素子２
１，セラミック製チップ抵抗２２，チップコンデンサ２
３からなる受動素子、そしてリン青銅からなる端子２４
がＳｎ−４.３wt％Ｓｂ−１.４wt％Ｐｂはんだ材２５に
より導電的及び機械的に固着され、半導体素子基体２１
には金属線２６（図示を省略）によるボンディングが施
され、これらの搭載部品２１，２２，２３，２４，２
５，２６や基板１０を熱膨張率１６ppm／℃ のエポキシ
樹脂３０によりトランスファーモールドして気密封止し
たものである。

【００３４】また、本実施例半導体装置４０には、図９
に示す本実施例半導体装置のブロック図のように、半導
体素子２１を駆動させるためのゲート駆動回路とこの駆
動回路を制御するためのコントロール部が内蔵されてい
る。この半導体装置は、共振電源コントロールＩＣを採
用し、耐圧２００ＶのパワーＭＯＳトランジスタを収納
しており、小型，高効率，低ノイズの共振型電源装置、
特に共振型ＡＣ／ＤＣコンバータ電源用として好適であ
る。共振型ＡＣ／ＤＣコンバータの場合は、スイッチン
グ周波数１ＭＨｚで効率９０％以上の性能が得られてい
る。これは、（１）過電流，過電圧保護機能，（２）過
熱保護機能，（３）ゲート駆動回路，（４）ソフトスタ
ート機能，（５）特性の揃った２個のパワーＭＯＳトラ
ンジスタをそれぞれ内蔵していることに基づく。

【００３５】この半導体装置４０は、図２に示したよう
に端子２４をＰｂ−６０wt％Ｓｎ合金５１によりはんだ
付けして、プリント基板５０上に搭載される（以下、こ
の工程をプリント基板はんだ付けと言う）。このはんだ
付けでは、プリント基板の所定部にＰｂ−６０wt％Ｓｎ
はんだペーストを印刷した後、端子２４が位置的に印刷
部に対応するように上記半導体装置を搭載し、これらを
２２５℃に加熱する。本実施例の半導体装置４０では、
装置内部の回路部品２１，２２，２３，２４，２５，２
６の全てが、第１吸熱ピーク強度が０.１ｍＷ／ｍｇ以
下と低くそして第２吸熱ピーク温度が約２４１℃と高い
Ｓｎ−４.３wt％Ｓｂ−１.４wt％Ｐｂはんだ材２５で接
続されているため、プリント基板はんだ付け工程におけ
るはんだ材２５の再溶融は全く生じない。したがって、
装置内の回路定数は、プリント基板はんだ付けを経た後
であっても変動しない。

【００３６】これに対し、Ｐｂ−６０wt％Ｓｎはんだ材
やＳｎ−Ｓｂ−Ｐｂ系はんだ材（Ｐｂ濃度：１５wt％）
により回路部品２１，２２，２３，２４，２５，２６を
回路基板１０に搭載した比較例半導体装置の場合は、２
２５℃のプリント基板はんだ付け工程において上記はん
だ材が再溶融し、装置内の回路定数が変動した。また、
Ｐｂ−６０wt％Ｓｎはんだ材やＳｎ−Ｓｂ−Ｐｂ系はん
だ材（Ｐｂ濃度：１５wt％）は、再溶融により１.１６
倍の体積膨張を生ずる。この際、回路部品２１，２２，
２３，２４，２５，２６、モールド樹脂３０及び回路基
板１０で構成される密閉空間で溶融はんだ材が受ける圧
力は８０kg／mm²以上に達し、モールド樹脂３０は回路
基板１０から剥離すると同時に、溶融はんだ材は剥離間
隙を通して流出する。

【００３７】間隔２mmの配線間でリーク電流を測定した
ところ、本実施例半導体装置４０は試料数１０個のいず
れもが０.１μＡ以下（印加電圧：２００Ｖ）と低く、
良好な絶縁性を保っていた。これに対し比較例半導体装
置の場合は、試料数１０個中７個（Ｐｂ−６０wt％Ｓｎ
はんだ材適用）、そして、試料数１０個中３個（Ｓｎ−
Ｓｂ−Ｐｂ系はんだ材適用）が１００ｍＡ以上（印加電
圧：１Ｖ）と高い値を示し、良好な絶縁性は得られなか
った。これは上述の流出による配線３間短絡に基づくも
のである。また、本実施例半導体装置４０では、プリン
ト基板はんだ付け工程の再溶融は生じないため、配線３
間は短絡しない。

【００３８】なお、例えば回路部品２１，２２，２３，
２４，２５，２６を融点の高いＰｂ−５wt％Ｓｎ材を用
いて回路基板１０に搭載するには、３００℃以上の温度
に加熱する必要がある。この場合には、回路基板１０に
おける絶縁樹脂層２の熱的劣化により、樹脂層２の絶縁
耐力が低下する（交流実効値電圧１５００Ｖの印加によ
り、配線２−Ａｌ板１間は短絡する）。しかし、本実施
例半導体装置４０は、３００℃以上の熱工程を経ていな
いため絶縁樹脂層２は劣化しておらず、上記交流電圧の
印加によっても配線２−Ａｌ板１間は良好な電気絶縁性
を示す。

【００３９】図１０は、温度サイクル試験による、チッ
プ抵抗体はんだ付け部の熱疲労破断寿命を示す。図中の
○印はモールド樹脂３０を設けない場合、□印はモール
ド樹脂３０を設けた場合をそれぞれ示す。モールド樹脂
３０を設けない場合は、温度サイクルの際の高温−低温
間の温度差により、破断サイクル数が変る。破断サイク
ル数の下限値に直線を当てはめると、実線が得られる。
これが、非モールド構造はんだ付け部の熱疲労破断寿命
を表す。一方、モールド樹脂３０を設けた場合は、温度
差２０５deg の条件下でも６０００回の時点で破断は見
られない(□印)。非モールド構造の結果を線形被害則を
適用して□印に当てはめると、破線の寿命特性が得られ
る。モールド構造の寿命特性から、半導体装置の実稼働
条件（温度差：７０deg ）における破断寿命を見積もる
と、約１７万回以上と推定される。本実施例でこのよう
に長い破断寿命が得られたのは、（１）はんだ材２５自
体優れた耐熱疲労特性を有していることに加えて、
（２）モールド樹脂３０と回路基板１０との一体化界面
に内部応力を内蔵せず、外部要因の熱応力が重畳されて
もはんだ付け部に過大な応力が作用しないことに基づ
く。

【００４０】図１１は、温度サイクル試験による、チッ
プコンデンサはんだ付け部の熱疲労破断寿命を示す。図
の見方は図１０の場合と同様である。コンデンサの場合
の実稼働条件（温度差：７０℃）における破断寿命は、
約１００万回以上と推定される。このように長い破断寿
命が得られた理由は、基本的にチップ抵抗体の場合と同
様である。なお、チップ抵抗体よりもチップコンデンサ
の場合に長い寿命が得られる。これは、チップ抵抗体
（母材：アルミナ）よりもチップコンデンサ（母材：チ
タン酸バリウム）の方が、基板１０との熱膨張率の整合
性に優れるためである。

【００４１】図１２はパワーＭＯＳＦＥＴ素子搭載部
熱抵抗の推移を示す。図中の曲線Ａは本実施例の半導体
装置４０、曲線Ｂ及びＣはそれぞれモールド樹脂の熱膨
張率８ppm／℃及び２５ppm／℃の場合（比較例、はんだ
材：Ｓｎ−Ｓｎ−Ｐｂ系、Ｐｂ濃度：５wt％）を示す。
曲線Ａは温度サイクル数２万回までの試験で熱抵抗の上
昇を示していないのに対し、曲線Ｂ及びＣはそれぞれ２
０００回及び4000回以降で上昇を示している。このよう
に本実施例半導体装置４０の場合に長い破断寿命が得ら
れたのは、基本的にチップ抵抗体の場合と同様の理由に
基づく。逆に比較例の場合は、モールド樹脂と回路基板
との一体化界面に内部応力を内蔵するため、外部要因の
熱応力が重畳されてはんだ付け部に過大な応力が作用す
る。この点が、比較例の場合にはんだ付け部の熱疲労破
断を生じやすい理由である。

【００４２】図１３は端子はんだ付け部の熱疲労破断特
性を示す。図中の曲線Ａは本実施例の半導体装置４０、
曲線Ｂ及びＣはそれぞれモールド樹脂の熱膨張率８ppm
／℃及び２５ｐｐｍ／℃ の場合（比較例、はんだ材：
Ｓｎ−Ｓｂ−Ｐｂ系、Ｐｂ濃度：１５wt％、端子：リン
青銅）を示す。曲線Ａは温度サイクル数２万回の試験で
破断率０％を示しているのに対し、曲線Ｂ及びＣはそれ
ぞれ５００回及び１０００回以降で破断率の上昇を示し
ている。このように本実施例半導体装置４０の場合に長
い破断寿命が得られたこと、そして、比較例の場合に寿
命が短いのは、基本的にチップ抵抗体の場合と同様の理
由に基づく。

【００４３】上述したように、はんだ材２５中のＰｂ
は、はんだぬれ性を確保するため搭載部品の表面にあら
かじめ設けられる、はんだめっき層を導入源とする。こ
の際、本実施例では、次の手法によりＰｂ濃度を調節し
た。図１４ははんだ付け前後における部品搭載部の断面
模式図を示す。はんだ付け前では、例えば部品２２側に
厚さ５μｍのＰｂ−６０wt％Ｓｎ（比重：８.５ｇ／c
m³）めっき層２５Ａ、そして、回路基板１０側にＳｎ−
５wt％Ｓｂはんだペースト２５Ｂ（金属分の換算厚さ：
３０μｍ、金属分の比重：７.３ｇ／cm³）が設けられて
いる。これらがはんだ付けされると、めっき層２５Ａと
はんだ２５Ｂは融合し、Ｓｎ−Ｓｂ−Ｐｂ系はんだ材２
５が形成される。このモデルでは、はんだ材２５におけ
る構成金属の濃度は（２）式で表される。

【００４４】Ｃ＝Ａ・ρ_p・ｔ_p＋Ｂ・ρ_s・ｔ_s／ρ_p・ｔ_p＋ρ_s・ｔ_s…（３）ここで、ρ_pとρ_sはそれぞれめっき層２５Ａとはんだ
２５Ｂの比重、ｔ_pとｔ_sはそれぞれめっき層２５Ａと
はんだ２５Ｂの厚さ、そして、ＡとＢはめっき層２５Ａ
とはんだ２５Ｂにおける各金属の重量比である。

【００４５】図１５は（２）式より算出されたはんだ付
け後のはんだ材におけるＰｂ濃度を示す。ここで、曲線
Ａはめっき層２５ＡがＰｂ−５wt％Ｓｎ（比重：１０.
７ｇ／cm³）、曲線ＢはＰｂ−６０wt％Ｓｎ、そして、
曲線ＣはＰｂ−９０wt％Ｓｎ（比重：７.４ｇ／cm³）で
構成された場合である。Ｐｂ濃度は、はんだ２５Ｂが厚
くなると低下する。曲線Ａの場合はんだ２５Ｂが６５μ
ｍ以上、そして、曲線Ｂの場合２０μｍ以上で、Ｐｂ濃
度は１０wt％以下となる。また、曲線Ｃの場合は、はん
だ２５Ｂが５μｍ以下でもＰｂ濃度を１０wt％以下に調
整できる。この場合は、５μｍ以上であればＰｂ濃度１
０wt％以下を満たすことができる。図１６はＰｂ−Ｓｎ
めっきの組成とＰｂ濃度が１０wt％以下になるはんだ材
の厚さを示す。ここで、曲線Ａはめっき層２５Ａの厚さ
が２.５μｍ，曲線Ｂは５μｍ、そして、曲線Ｃは１０
μｍの場合である。いずれの場合も、はんだ層２５Ｂが
曲線で表される厚さ以上に調整されていれば、Ｐｂ濃度
を１０wt％以下に制御できる。

【００４６】上述のように本実施例では、はんだ材２５
のＰｂ濃度は、めっき層２５Ａの組成又は厚さ、又は、
はんだ２５Ｂの厚さの調整によって制御された。はんだ
材２５のＰｂ濃度は、これ以外の方法によっても制御で
きる。例えば、めっき層２５Ａを蒸着やスパッタリング
の如き手法で形成することも可能である。この際、組成
の調整を併せて行うこともできる。また、はんだ２５Ｂ
はペースト状であることに限定されるものではなく、例
えばシート状の材料を用いてもよい。

【００４７】〔実施例２〕本実施例では、発熱素子とし
てのＩＧＢＴ素子基体及びダイオード素子基体を搭載し
た半導体装置について説明する。

【００４８】図１７は本実施例の半導体装置４０を説明
する断面図である。この半導体装置４０は、Ａｌ板（厚
さ３mm，面積５５mm×７０mm）１の主面にエポキシ絶縁
樹脂層（厚さ３５μｍ）２を介して銅配線層（厚さ１０
０μｍ）３が選択形成された回路基板１０上に、ＩＧＢ
Ｔ素子基体（１３mm×１３mm，４個）２１ａ，ダイオー
ド素子基体（１３mm×１３mm，２個）２１ｂ、そして端
子２４が、銅配線層３上にＳｎ−４.５wt％Ｓｂ−４.４
wt％Ｐｂはんだ材（厚さ２００μｍ）２５により導電的
及び機械的に固着されている。また、基体２１ａ，２１
ｂと銅配線層３間には直径３００μｍのＡｌワイヤ２６
（図示省略）によるボンディングが施されている。これ
らの搭載部品２１ａ，２１ｂ，２４，２６や基板１０
は、熱膨張率１２ppm／℃ のエポキシ樹脂３０によるト
ランスファーモールドで気密封止されている。

【００４９】以上の構成からなる半導体装置４０は、エ
ポキシ樹脂３０側が凸のそりを有していた。そのそり量
は３３μｍと小さい値であった。また、Ａｌ板１の初期
そり量は２６μｍ(部品２１ａ，２１ｂ，２４，２６の
搭載側が凸)であり、半導体装置４０完成後のそり量の
変動は極めて僅少に抑えられた。このため、部品２１
ａ，２１ｂ，２４，２６の搭載部のはんだ材２５には、
応力はあまり残留していない。一方、熱膨張率９ppm／
℃ のエポキシ樹脂３０によってトランスファーモール
ドを施した比較例半導体装置の場合は、装置完成後のそ
り量は２μｍと小さかった（そりの変動量：２２μ
ｍ）。

【００５０】上述の本実施例半導体装置４０及び比較例
半導体装置に、基板１０の温度が３０〜１００℃の範囲
で変動するように、完欠通電を施した。完欠通電回数５
万回後の素子（２１ａ，２１ｂ）−Ａｌ板１間の熱抵抗
は、本実施例半導体装置４０では初期熱抵抗の１.０７
倍であるのに対し、比較例半導体装置では２.２５倍で
あった。このように本実施例半導体装置４０の熱抵抗変
動が小さいのは、実施例１の場合と同様に、はんだ材２
５に過大な熱応力が作用しないこと及びはんだ材２５自
身の耐熱疲労性が優れることに起因して、はんだ材の破
壊による熱流路の遮断が抑制されたことによる。一方、
比較例半導体装置は本実施例半導体装置４０と同質のは
んだ材を用いていながら、熱抵抗変動が大きい。これ
は、〔モールド樹脂３０−Ａｌ板１〕間の熱膨張率の不
整合に基づく応力が、完欠通電による熱応力に重畳され
てはんだ材に作用し、その破壊が助長されたためであ
る。また、本実施例半導体装置４０及び比較例半導体装
置に、高温高湿バイアス試験（８５℃，８５％ＲＨ，
〔配線３−Ａｌ板１間〕の印加電圧：５００Ｖ）を１０
００ｈ施した。この結果、本実施例半導体装置４０の試
験後の〔配線３−Ａｌ板１〕間リーク電流（印加電圧１
２００Ｖ，室温）は、約０.１μＡと初期リーク電流値
とほぼ同等であった。一方、比較例半導体装置の場合
は、試験時間５００ｈ以前の段階で〔配線３−Ａｌ板１
間〕の短絡を生じた。このように本実施例半導体装置４
０及び比較例半導体装置との間で〔配線３−Ａｌ板１
間〕の絶縁耐力に明確な差を生じたのは、前述と同様の
〔モールド樹脂３０−Ａｌ板１〕間界面接合性の優劣に
基づくもので、本実施例半導体装置４０では水分がほと
んど導入されないのに対し、比較例半導体装置では顕著
な導入がなされたためである。

【００５１】以上の半導体装置４０は、図１８に示すよ
うに４個のＩＧＢＴ素子２１ａと２個のダイオード素子
２１ｂが並列に結線された回路を構成している。この半
導体装置４０は、電動機の回転数を制御するためのイン
バータ回路に組み込まれた。インバータ回路に組み込む
に当り半導体装置４０は２２５℃に加熱され、端子２４
と外部の配線とをはんだ付けにより結線した。このよう
な熱処理を経た後、配線３間（間隔：２mm）のリーク電
流を測定したところ、本実施例半導体装置４０では試料
数１０個のいずれもが０.１μＡ以下（印加電圧：１２
００Ｖ）と低く、良好な絶縁性が保たれていた。これは
上述のはんだ付け工程で、部品搭載用はんだ材２５が再
溶融せず、配線３間への流出が抑えられたためである。
これに対し同時に作製した比較例半導体装置では、試料
数１０個中６個（Ｐｂ−６０wt％Ｓｎはんだ材適用）、
そして、試料数１０個中４個（Ｓｎ−Ｓｂ−Ｐｂ系はん
だ材適用、Ｐｂ濃度：１２.６wt％）が１００ｍＡ以上
（印加電圧：１Ｖ）と高い値を示し、良好な絶縁性は得
られなかった。これははんだ材流出による配線３間短絡
に基づくものである。

【００５２】〔実施例３〕本実施例半導体装置４０は、
図１と同様の構造を有しており、Ａｌ−ＳｉＣ複合材板
１の一主面に絶縁樹脂層２（８０μｍ）を介して銅配線
層３（７０μｍ）を選択形成した回路基板１０（２０.
５mm×３８mm×１.５mm）上に、半導体素子基体として
のパワーＭＯＳＦＥＴ素子２１，セラミック製チップ
抵抗２２，チップコンデンサ２３からなる受動素子、そ
して銅からなる端子２４がＳｎ−3.5wt％Ａｇ−３.５wt
％Ｐｂはんだ材２５により導電的及び機械的に固着さ
れ、半導体素子基体２１には金属線２６によるボンディ
ングが施され、これらの搭載部品２１，２２，２３，２
４，２５，２６や基板１０を熱膨張率１６ppm／℃ のエ
ポキシ樹脂３０でトランスファーモールドして気密封止
したものである。

【００５３】本実施例において、Ａｌ−ＳｉＣ複合材板
１は粒径１０〜４００μｍのＳｉＣの圧粉成形体に溶融
Ａｌを含浸させて得たものである（ＳｉＣ含有量：７５
％）。複合材板１の物性は、密度：３.０２ｇ／cm³、熱
伝導率：１８５Ｗ／ｍ・Ｋ，熱膨張率：６.０ppm／℃、
ヤング率：２５５ＧＰａである。

【００５４】また、本実施例半導体装置４０には、図９
と同様の回路が形成されている。この半導体装置４０
は、共振電源コントロールＩＣを採用し、耐圧２００Ｖ
のパワーＭＯＳトランジスタを収納しており、小型，高
効率，低ノイズの共振型電源装置、特に共振型ＡＣ／Ｄ
Ｃコンバータ電源用として好適である。これは、（１）
過電流，過電圧保護機能，（２）過熱保護機能，（３）
ゲート駆動回路，（４）ソフトスタート機能，（４）特
性の揃った２個のパワーＭＯＳトランジスタをそれぞれ
内蔵していることに基づく。

【００５５】本実施例では、熱膨張率１６ppm／℃ 以外
のエポキシ樹脂でトランスファーモールドした半導体装
置も作製した。図１９はモールド樹脂と回路基板との一
体化物のそり量を説明するグラフである。そり量はモー
ルド樹脂の熱膨張率が大きくなるにつれプラスの大きな
値を示している。基板１０の初期そり量は２０μｍであ
る（図中の一点鎖線）。本実施例構造の場合も、トラン
スファーモールド後に界面内部応力が導入されないよう
にするためには、モールド後の基板１０のそり量が初期
値の±１０μｍ以内に制御されている必要がある。この
観点から、本実施例Ａｌ−ＳｉＣ複合材板１を適用した
場合も、モールド樹脂３０の熱膨張率は１０〜２０ppm
／℃ に調整されていることが望ましい。

【００５６】また、半導体装置を高さ１.５の高所から
コンクリート製床面に落下させたところ、モールド樹脂
３０の熱膨張率が１０〜２０ppm／℃ に調整されている
半導体装置３０の場合は、基板１０の破壊発生率は試料
数２０個に対して１個であった。これに対し、モールド
樹脂の熱膨張率が１０〜２０ppm／℃ 以外の半導体装置
（比較例）では、基板１０の破壊発生率は試料数２０個
に対して１１個と多かった。このように比較例半導体装
置の場合に基板１０の破壊が顕著であったのは、〔基板
−モールド樹脂〕間の界面内部応力が大きく、これに落
下時の衝撃力が重畳されたため、〔基板−モールド樹
脂〕間界面を起点とした破壊（割れ）が生じやすいため
である。一方、モールド樹脂の熱膨張率が１０〜２０pp
m／℃ に調整されている半導体装置３０では、界面内部
応力が小さいため落下時の衝撃力が重畳されても、基板
１０の割れを生ずるまでには至らない。

【００５７】図２０は、温度サイクル試験による、チッ
プ抵抗体はんだ付け部の熱疲労破断寿命を示す。図中の
〇印はモールド樹脂３０を設けない場合、□印はモール
ド樹脂３０を設けた場合をそれぞれ示す。モールド樹脂
３０を設けない場合の当てはめ直線から線形被害則を適
用すると、モールド樹脂３０を設けた場合（□印、温度
差２０５deg の条件下でも６０００回の時点で破断は見
られない）は破線で示す寿命特性が得られる。破線から
半導体装置４０の実稼働条件（温度差：７０deg ）にお
ける破断寿命を見積もると、約１７万回以上と推定され
る。本実施例でこのように長い破断寿命が得られたの
は、（１）はんだ材２５自体優れた耐熱疲労特性を有し
ていることに加えて、（２）モールド樹脂３０と回路基
板１０との一体化界面に内部応力を内蔵せず、外部要因
の熱応力が重畳されてもはんだ付け部に過大な応力が作
用しないことに基づく。

【００５８】本実施例半導体装置４０では、チップコン
デンサはんだ付け部，端子はんだ付け部及び半導体基体
はんだ付け部とも、実施例１と同様の長い破断寿命を示
した。これらも、前述と同様の理由に基づく。

【００５９】更に、半導体装置４０はＰｂ−６０wt％Ｓ
ｎはんだによりプリント基板にはんだ付け（２２５℃）
された。本実施例の半導体装置４０では、装置内部の回
路部品２１，２２，２３，２４，２５，２６の全てが、
第１吸熱ピーク強度が０.３ｍＷ／ｍｇ以下と低くそし
て第２吸熱ピーク温度が約２２６℃と高いＳｎ−3.5wt
％Ａｇ−３.５wt％Ｐｂはんだ材２５で接続されている
ため、プリント基板はんだ付け工程におけるはんだ材２
５の再溶融は全く生じない。したがって、装置内の回路
定数は、プリント基板はんだ付けを経た後であっても変
動しない。

【００６０】これに対し、Ｐｂ−６０wt％Ｓｎはんだ材
やＳｎ−Ａｇ−Ｐｂ系はんだ材（Ｐｂ濃度：１５wt％）
により回路部品２１，２２，２３，２４，２５，２６を
回路基板１０に搭載した比較例半導体装置の場合は、２
２５℃のプリント基板はんだ付け工程において上記はん
だ材が再溶融し、装置内の回路定数が変動した。また、
比較例半導体装置の場合は、溶融はんだ材が近傍の配線
に流出した。

【００６１】間隔２mmの配線間でリーク電流を測定した
ところ、本実施例半導体装置４０は試料数１０個のいず
れもが０.１μＡ以下（印加電圧：２００Ｖ）と低く、
良好な絶縁性を保っていた。これは、プリント基板はん
だ付け工程でのはんだ材２５の再溶融を生じないためで
ある。これに対し比較例半導体装置の場合は、試料数１
０個中７個（Ｐｂ−６０wt％Ｓｎはんだ材適用）、そし
て、試料数１０個中７個（Ｓｎ−Ａｇ−Ｐｂ系はんだ材
適用）が１００ｍＡ以上（印加電圧：１Ｖ）と高い値を
示し、良好な絶縁性は得られなかった。これは上述の流
出による配線３間短絡に基づくものである。

【００６２】以上までに、実施例を用いて本発明を説明
した。しかし、本発明は上述の記述の範囲以外にも適用
され得る。

【００６３】本発明においてＡｌ板１は、例えば銅，
鉄，ニッケル，モリブデン，タングステン，真鍮，鉄−
ニッケル合金，鉄−ニッケル−コバルト合金，銅−イン
バ−銅ラミネート複合金属，銅−モリブデン−銅ラミネ
ート複合金属の如き他の金属に置き換えることが可能で
あり、このような場合でも本発明の効果、利点を享受で
きる。また、Ａｌ−ＳｉＣ複合材板１は例えば、Ａｌマ
トリックスを銅、ニッケル等の金属で代替でき、そし
て、ＳｉＣ粒子はＡｌＮ，Ａｌ₂Ｏ₃，ＢＮ等のセラミッ
クス粉末で代替できる。これらのマトリックス金属とセ
ラミックス粉末は、必要に応じて任意の組み合わせ及び
組成を選択することが可能である。このような場合で
も、本発明の効果を引き出すためには、はんだ材２５と
してＳｎ，Ｓｂ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｉｎ及びＢｉの群
から選択された２種類以上の金属とＰｂを主成分とする
合金材と、熱膨張率１０〜２０ppm／℃ の樹脂によるト
ランスファーモールドが適用される必要がある。

【００６４】本発明において銅配線層３は、ニッケル，
アルミニウム，銀等の金属で代替でき、そして、銅を含
むこれらの金属を積層したもので代替できる。また、こ
れらの場合、半導体装置の電流容量に応じて任意の厚さ
を選択することができる。

【００６５】本発明においてモールド樹脂３０は、フィ
ラーとしてＳｉＯ₂(溶融シリカ，結晶シリカ）やＺｎＯ
粉末を添加したフェノール硬化型エポキシ樹脂が用いら
れる。この場合、フィラーは５０〜９０％添加される
が、所望の熱膨張率及びモールド処理温度に応じて、任
意の組成を選ぶことが可能である。また、ゴム変性エポ
キシ樹脂を用いた場合でも、その熱膨張率が１０〜２０
ppm／℃ の範囲に選択される限り、本発明の効果を享受
できる。

【００６６】図２１は本発明の変形例を説明する半導体
装置の断面図を示す。この半導体装置４０は、セラミッ
クス板１の主面に金属配線層３が選択形成された回路基
板１０上に、半導体素子基体２１，受動素子２２，２
３，端子２４が、はんだ材２５により導電的及び機械的
に固着され、半導体素子基体２１には金属線２６による
ボンディングが施され、これらの搭載部品２１，２２，
２３，２４，２６や基板１０を熱膨張率が１０〜２０pp
m／℃ に選択されたモールド樹脂３０により気密的に封
止され、そして、はんだ材２５がＳｎ，Ｓｂ，Ａｇ，Ｃ
ｕ，Ｚｎ，Ｉｎ及びＢｉの群から選択された２種類以上
の金属とＰｂを主成分とし、Ｐｂ濃度が１０wt％以下に
調整されている。このような構成の場合であっても、本
発明の効果を享受できる。なお、セラミックス板１とし
ては、アルミナ，窒化アルミニウム，ベリリヤ，炭化珪
素等、金属配線層３としてはＣｕ，Ａｇ，Ａｇ−Ｐｄ，
Ａｇ−Ｐｔ，Ａｕ等からなる厚膜が適用可能である。ま
た、この半導体装置４０は、金属等のパッケージに収納
されて使用に供される、例えば、セラミックス板１をパ
ッケージ材に接合（はんだ付け，樹脂接着）されてもよ
い。

【００６７】

【発明の効果】以上までに説明したように本発明によれ
ば、はんだ付け部の耐熱疲労性と気密性に優れ、後続の
熱工程におけるはんだ付け部の再溶融を抑制できるモー
ルド型電子部品を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体装置を説明する断面図である。

【図２】本発明の半導体装置を説明する断面図である。

【図３】はんだ材の熱疲労破壊耐量を説明する断面図で
ある。

【図４】モールド樹脂と回路基板との一体化物のそり量
を示すグラフである。

【図５】Ｓｎ−Ｓｂ系はんだ材とＳｎ−Ｓｂ−Ｐｂ系は
んだ材の示差走査熱量分析曲線のグラフである。

【図６】部品搭載部の断面模式図である。

【図７】Ｓｎ−Ｓｂ−Ｐｂ系はんだ材の吸熱ピーク強度
のＰｂ濃度依存性を示すグラフである。

【図８】Ｓｎ−Ｓｂ−Ｐｂ系はんだ材の吸熱ピーク温度
のＰｂ濃度依存性を示すグラフである。

【図９】一実施例半導体装置のブロック図である。

【図１０】チップ抵抗体はんだ付け部の熱疲労破断寿命
を示すグラフである。

【図１１】チップコンデンサはんだ付け部の熱疲労破断
寿命を示すグラフである。

【図１２】ＭＯＳＦＥＴ素子搭載部熱抵抗の推移を示
すグラフである。

【図１３】端子はんだ付け部の熱疲労破断特性を示すグ
ラフである。

【図１４】はんだ付け前後における部品搭載部の断面模
式図である。

【図１５】はんだ付け後のはんだ層におけるＰｂ濃度を
示すグラフである。

【図１６】Ｐｂ−Ｓｎめっきの組成とＰｂ濃度が１０wt
％以下になるはんだ層の厚さを示すグラフである。

【図１７】一実施例の半導体装置を説明する断面図であ
る。

【図１８】一実施例半導体装置の回路を説明する図であ
る。

【図１９】モールド樹脂と回路基板との一体化物のそり
量を示すグラフである。

【図２０】チップ抵抗体はんだ付け部の熱疲労破断寿命
を示すグラフである。

【図２１】本発明の変形例を説明する半導体装置の断面
図である。

【符号の説明】

１…金属板、２…絶縁樹脂層、３…金属配線層、１０…
回路基板、２１…半導体素子基体、２２…チップ抵抗
体、２３…チップコンデンサ、２４…端子、２５…はん
だ材（第１の合金材）、２６…金属細線、２７、２７′
…界面、３０…モールド樹脂、４０…半導体装置、５０
…外部回路基板、５１…第２の合金材。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者神代岩道東京都小平市上水本町五丁目20番１号株式会社日立製作所半導体事業部内 (72)発明者沼波雅仁東京都小平市上水本町五丁目20番１号株式会社日立製作所半導体事業部内 (72)発明者遠藤恒雄東京都小平市上水本町五丁目20番１号株式会社日立製作所半導体事業部内 (72)発明者山田一二茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (56)参考文献特開平２−41794（ＪＰ，Ａ) 特開平７−249714（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 23/29,23/31,21/52 H05K 3/34 B23K 35/26

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】金属配線が設けられた回路基板上に半導体
素子基体，受動素子，端子の群から選択された少なくと
も１つを含む搭載部品が合金材によって固着され、該回
路基板及び搭載部品がモールド樹脂によって被覆された
半導体装置において、該搭載部品がＳｎ，Ｓｂ，Ａｇ，
Ｃｕ，Ｚｎ，Ｉｎ及びＢｉの群から選択された２種類以
上の金属とＰｂを主成分とする合金材により固着され、
該合金材中のＰｂ濃度が１０ｗｔ％以下であり、該モー
ルド樹脂の熱膨張率が１０〜２０ppm／℃ に選択されて
いることを特徴とするモールド型電子部品。
【請求項２】請求項１において、該回路基板が金属板の
一方の主面に樹脂絶縁層を介して金属配線が形成された
もの、又は、セラミックス板の少なくとも一方の主面に
金属配線が形成されたものであることを特徴とするモー
ルド型電子部品。
【請求項３】請求項２において、該金属板がアルミニウ
ム，銅，鉄，ニッケル，モリブデン，タングステン，真
鍮，鉄−ニッケル合金，鉄−ニッケル−コバルト合金，
銅−インバ−銅ラミネート複合金属，銅−モリブデン−
銅ラミネート複合金属の群から選択された１種の金属、
又は、アルミニウム，銅，ニッケルの群から選択された
１種の金属からなるマトリックスにＳｉＣ，ＡｌＮ，Ａ
ｌ₂Ｏ₃，ＢＮの群から選択された少なくとも１種のセラ
ミックス粒子を分散してなる複合金属であり、該金属配
線が銅，アルミニウム，ニッケル，銀の群から選択され
た少なくとも１種からなることを特徴とするモールド型
電子部品。
【請求項４】請求項２において、該セラミックス板がア
ルミナ，窒化アルミニウム，炭化珪素，ベリリヤの群か
ら選択された１種のセラミックスからなり、該セラミッ
クス板にＣｕ，Ａｇ−Ｐｄ，Ａｇ−Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇの
群から選択された１種の厚膜配線が設けられたことを特
徴とするモールド型電子部品。
【請求項５】請求項１〜４のいずれかにおいて、該モー
ルド樹脂が無機質フィラーを含有したエポキシ系樹脂を
主成分とすることを特徴とするモールド型電子部品。
【請求項６】金属配線が設けられた回路基板上に半導体
素子基体，受動素子，端子の群から選択された少なくと
も１つを含む搭載部品が第１の合金材によって固着さ
れ、該回路基板及び該搭載部品がモールド樹脂によって
被覆された半導体装置において、該搭載部品がＳｎ，Ｓ
ｂ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｉｎ及びＢｉの群から選択され
た２種類以上の金属とＰｂを主成分とする合金材により
固着され、該合金材中のＰｂ濃度が１０ｗｔ％以下に調
整され、該モールド樹脂の熱膨張率が１０〜２０ppm／
℃ に選択されたモールド型電子部品が、外部回路基板
に第２の合金材により固着されたことを特徴とする電子
装置。
【請求項７】請求項６において、該第２の合金材が共晶
組成を有することを特徴とするモールド型電子部品。
【請求項８】金属配線が設けられた回路基板上に半導体
素子基体，受動素子，端子の群から選択された少なくと
も１つを含む搭載部品が合金材によって固着され、該回
路基板及び搭載部品がモールド樹脂によって被覆された
電子部品の製法において、該搭載部品にＰｂ−Ｓｎ合金
層を設け、Ｓｎ，Ｓｂ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｉｎ及びＢ
ｉの群から選択された２種類以上の金属からなるろう材
により該搭載部品を該金属配線上に固着し、Ｓｎ，Ｓ
ｂ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｉｎ及びＢｉの群から選択され
た２種類以上の金属とＰｂからなる合金材を形成すると
ともに、該合金材中のＰｂ濃度を１０ｗｔ％以下に調整
し、該回路基板及び搭載部品を熱膨張率が１０〜２０pp
m／℃ に選択された該モールド樹脂で被覆することを特
徴とするモールド型電子部品の製法。