JP3540249B2 - 半導体デバイスパッケージの外部リードを外部電極に接続する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体デバイスチップを含む半導体デバイスパッケージの外部リードを外部電極に接続する方法に関し、特に、鉄とニッケルを主要成分として含む外部リードをはんだを介して外部電極へ強固に接続する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体デバイスチップは、外部回路への電気的接続を可能にするためにリードフレーム上に装着されるとともに、樹脂モールドなどによって外界から保護される。ところで、半導体デバイスチップにおける回路の集積度の増大に伴って、リードフレームに含まれる端子数も増大させて高密度化させる必要がある。また、半導体デバイスチップの高出力化や大型化に伴って、その動作電流の増大による発熱量も増大し、リードフレームの熱膨張による影響が問題となる場合もある。
【０００３】
このような事情から、半導体デバイスパッケージの接続端子として用いられるリードフレームにおいては、打ち抜き成形性、低熱膨張率、硬度などの諸特性の観点から、一般に鉄ニッケル合金が用いられることが多い。この場合に、鉄ニッケル合金とＳｎ−Ｐｂはんだとのぬれ性を確保するために、リードフレームの外部リードのうちで少なくとも外部電極に接続される外部リード接続領域には、一般にＳｎ−Ｐｂはんだめっきが施されている。
【０００４】
他方、近年ではＰｂ汚染による環境問題の観点から、リードフレームの外部リードを無鉛はんだを用いて外部電極に接続する方法が検討されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
無鉛はんだとしては、種々の合金系が提案されているが、比較的低い融点と比較的良好なはんだ付け性を有するＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ系およびＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｃｕ系のはんだが注目されている。
【０００６】
しかしながら、半導体デバイスパッケージのリードフレームが鉄ニッケル合金からなる場合において、上記のような無鉛はんだを用いて鉄ニッケル合金の外部リードを外部電極に接続した場合に、以下のような問題が生じることを本発明者たちが見出した。
【０００７】
すなわち、本発明者たちは、鉄ニッケル合金の外部リードを有するＱＦＰ（quad flat package）型パッケージをプリント基板のような誘電体基板上の外部電極へＢｉ含有無鉛はんだを用いて接続した後に温度サイクル試験を行なったところ、鉄ニッケル合金とその無鉛はんだとの界面で急激な接合強度の低下が発生するという問題のあることを見出したのである。
【０００８】
したがって、本発明者たちが見出したこのような知見に鑑み、本発明は、半導体デバイスパッケージの外部リードが鉄ニッケル合金からなる場合であっても、その外部リードと外部電極との間のはんだによる接合力が温度サイクルによって低下することを抑制し得る接続方法を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体デバイスパッケージの外部リードを外部電極に接続する方法においては、その外部リードが鉄とニッケルを主要成分として含む合金からなっており、外部リードのうちで少なくとも外部電極に接続される外部リード接続領域はＳｎ−Ｐｂはんだめっき層を有し、半導体デバイスパッケージの状態において少なくとも外部リード接続領域におけるＳｎ−Ｐｂはんだめっき層の接合性をそのリフローによる加熱処理によって向上させ、その後に外部リード接続領域を外部電極へ付加的なＢｉ含有無鉛はんだによって接続することを特徴としている。
【００１１】
また、外部リードが有するはんだめっき層は、電気めっきによって好ましく付与され得る。
【００１２】
さらに、外部リード接続領域を外部電極に接続するための付加的なはんだは、Ｂｉを含む無鉛はんだであることが好ましい。
【００１３】
さらに、外部電極に対する外部リード接続領域の接続は、付加的なはんだのリフローによって好ましく行なわれ得る。
【００１４】
さらに、少なくとも外部リード接続領域におけるＳｎ−Ｐｂはんだめっき層の接合性をそのリフローによる加熱処理で向上させた後に、少なくともその外部リード接続領域が無鉛はんだで被覆されることが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１による接続方法において一例として用いられるＱＦＰ型パッケージを示す模式的な上面図であり、図２はそのパッケージにおける外部リードの構造を説明するための模式的な断面図である。なお、本願の各図において、長さや幅などの寸法関係は、図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表わしてはいない。
【００１６】
図１と図２に示されているようなＱＦＰ型パッケージでは、樹脂モールド領域２内において半導体デバイスチップが鉄ニッケル合金のリードフレーム７の中央部上に装着されている。このようなＱＦＰ型パッケージは、たとえば以下のようにして形成されて、外部電極へ無鉛はんだで接続され得る。
【００１７】
（１） まず、鉄ニッケル合金のリードフレームがパンチプレスなどの打ち抜きによって形成される。
【００１８】
（２） 得られたリードフレームのダイボンド領域（領域２内）にＡｇめっきが施される。
【００１９】
（３） そのダイボンド領域において、たとえばインジウム合金を用いて半導体デバイスチップが接合される。
【００２０】
（４） 半導体デバイスチップに形成されている電極パッドとリードフレームの内部リードとがＡｕまたはＡｌのワイヤを用いたワイヤボンディングによって接続される。
【００２１】
（５） これらの半導体チップ、ボンディングワイヤ、およびリードフレームの内部リードを保護するために、たとえばトランスファモールドなどの方法によって樹脂パッケージ２が形成される。
【００２２】
（６） リードフレームの外部リード部にＳｎ−Ｐｂはんだ合金層が電気めっきによって形成される。
【００２３】
（７） 一連のリードフレームから各半導体チップごとのパッケージとして分離するように、外部リード部の周縁に沿ってパッケージを打ち抜いた後に、各外部リードが図２に示されているようなガルウィング（カモメの翼）の形状に成形される。
【００２４】
（８） 以後、本発明の特徴として、各外部リードにフラックスが塗布される。
【００２５】
（９） たとえばリフロー炉を用いた加熱処理によって、Ｓｎ−Ｐｂ合金の金属拡散層８が鉄ニッケル合金の外部リード１の表面に形成される（図２参照）。
【００２６】
以上のようにして得られた図２に示されているようなＱＦＰ型パッケージの外部リードを外部電極へ無鉛はんだを用いて接続した場合の温度サイクル試験が、図３に図解されているような方法によって行なわれた。
【００２７】
図３においては、プリント基板５上に外部電極としてのランド６が形成されている。ランド６上には、無鉛はんだの一例としてＳｎ−３．０Ａｇ−３．０Ｂｉ−０．７Ｃｕのクリームはんだ（ペースト状はんだ）４が塗布された。ＱＦＰ型パッケージのリードフレーム７の外部リード接続領域をランド６上に載置し、クリームはんだのリフローによって接合が行なわれた。このような無鉛はんだ４による接合に対して、−４０℃で３０分間保持しかつその後に１２５℃で３０分間保持することを１サイクルとする温度サイクル試験が行なわれた。
【００２８】
その後、図３に示されているように直径１２０μｍのピアノ線３がリードフレーム７の外部リードの１つに引っかけられ、矢印で示されているようにその外部リードがランド６から引き剥がされやすい方向に引張られた。そして、無鉛はんだ４による接続が破断するときの荷重（Ｎ）が測定された。この際に用いられた引張試験器は島津製作所製のオートグラフＡＧ−１０００Ｂであり、引張速度は３ｍｍ／ｍｉｎに設定された。このような実施例１における温度サイクル後の引張試験の結果が、表１において比較例によるＱＦＰ型パッケージとの比較において示されている。
【００２９】
【表１】

【００３０】
なお、この試験において実際に用いられたパッケージの外部リードは２００μｍの幅を有していて、０．４ｍｍのピッチで配列されていた。また、実施例１の試験と比較例の試験とにおいて、実施例１では外部リードのＳｎ−Ｐｂめっき層が大気中でピーク温度２４０℃のもとでリフローされたのに対して、比較例ではそのようなリフローが施されなかったことのみにおいて異なっていた。
【００３１】
表１から明らかなように、比較例のＱＦＰ型パッケージにおいては温度サイクル試験のサイクル数の増大とともに外部リードの接続強度が急激に低下していることがわかる。他方、実施例１によるパッケージにおける外部リードの接続強度は、温度サイクル数が増大してもその接続強度の低下割合が小さくて安定であることがわかる。特に、温度サイクルが１０００サイクル以上においては、実施例１によるパッケージの外部リードの接続強度は、比較例のものに比べて２倍以上の引張強度を有していることがわかる。
【００３２】
以上のように、本発明に従って半導体デバイスパッケージの外部リードの表面上のＳｎ−Ｐｂめっき層をリフローさせて金属拡散層８を形成することによって、その外部リードを外部電極に無鉛はんだを用いて接続した場合にも温度サイクルによる強度低下を抑制し得ることがわかる。
【００３３】
（実施例２）
図４は、本発明の実施例２による外部リードの接続方法を説明するための模式的な断面図である。図４の半導体デバイスパッケージにおける鉄ニッケル合金外部リード１の表面には、実施例１の場合と同様にＳｎ−Ｐｂ合金の金属拡散層８が形成されている。しかし、図４における外部リードにおいては、その金属拡散層８が、さらに無鉛はんだ層９によって被覆されている。このような無鉛はんだ層９は、めっきによって好ましく形成され得る。
【００３４】
図４に示されているような外部リードを有する半導体デバイスパッケージを用いれば、実施例１の場合と同様に外部電極に対して無鉛はんだを用いてリードを強固に接続し得るのみならず、Ｓｎ−Ｐｂ合金の金属拡散層８が直接的に外界に露出されることがない。したがって、図４に示されているような半導体デバイスパッケージを含む電子機器が廃棄された場合にも、酸性雨などの影響によって鉛イオンが外部リードから外部環境に流出することを防止し得る。
【００３５】
なお、上述の実施例ではＱＦＰ型パッケージを例にして説明されたが、本発明はＳＯＪ（small outline j lead）型やＤＩＰ（dual inline package）型のパッケージなどに対しても同様に適用し得ることは言うまでもない。また、上述の実施例では外部リード部の全面にわたってＳｎ−Ｐｂはんだの金属拡散層を形成する場合が説明されたが、そのような金属拡散層は少なくとも外部リードが外部電極に接続される外部リード接続領域に形成されれば十分であることも言うまでもない。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、半導体デバイスパッケージに用いられる鉄ニッケル合金外部リードをＢｉ含有無鉛はんだを介して外部電極へ強固に接続することができ、温度サイクルに対する良好な信頼性を確保することができる。
【００３７】
また、Ｓｎ−Ｐｂ合金の金属拡散層を有する外部リード表面を無鉛はんだで被覆することにより、そのような外部リードを有する半導体デバイスパッケージが廃棄された場合においても、鉛イオンの流出を防止して環境汚染を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による接続方法が適用され得るＱＦＰ型パッケージを示す模式的な上面図である。
【図２】図１のＱＦＰ型パッケージにおける外部リードの構造を示す模式的な断面図である。
【図３】図２に示された外部リードが無鉛はんだを介して外部電極に接続された場合の温度サイクル後における接合強度を測定する引張試験方法を示す模式的な断面図である。
【図４】本発明の実施例２による接続方法において用いられ得るＱＦＰ型パッケージにおける外部リードの構造を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
１ 鉄ニッケル合金リード、２ 樹脂モールド領域、３ ピアノ線、４ 無鉛はんだ、５ プリント基板、６ 外部電極としてのランド、７ リードフレーム、８ 金属拡散層、９ 無鉛はんだ層。

Claims (4)

1. 半導体デバイスパッケージの外部リードを外部電極に接続する方法であって、
   前記外部リードは鉄とニッケルを主要成分として含む合金からなっており、
   前記外部リードのうちで少なくとも前記外部電極に接続される外部リード接続領域はＳｎ−Ｐｂはんだめっき層を有し、
   半導体デバイスパッケージの状態において、少なくとも前記外部リード接続領域における前記Ｓｎ−Ｐｂはんだめっき層の接合性をそのリフローによる加熱処理によって向上させ、
   その後に前記外部リード接続領域を前記外部電極へ付加的なＢｉ含有無鉛はんだによって接続することを特徴とする接続方法。
2. 前記外部リードが有する前記Ｓｎ−Ｐｂはんだめっき層は電気めっきによって付与されたものであることを特徴とする請求項１に記載の接続方法。
3. 前記外部電極に対する前記外部リード接続領域の接続は前記付加的なＢｉ含有無鉛はんだのリフローによって行なわれることを特徴とする請求項１または２に記載の接続方法。
4. 少なくとも前記外部リード接続領域における前記Ｓｎ−Ｐｂはんだめっき層の接合性を前記リフローによる加熱処理で向上させた後に、少なくとも前記外部リード接続領域を無鉛はんだで被覆することを特徴とする請求項１から３のいずれかの項に記載の接続方法。

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