JP3657874B2

JP3657874B2 - 半導体装置および電子機器

Info

Publication number: JP3657874B2
Application number: JP2000334919A
Authority: JP
Inventors: 弘明奥平; 朝雄西村; 敏彦太田
Original assignee: Renesas Technology Corp
Current assignee: Renesas Technology Corp
Priority date: 2000-10-30
Filing date: 2000-10-30
Publication date: 2005-06-08
Anticipated expiration: 2020-10-30
Also published as: JP2002141456A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部リードまたは端子の表面をめっき膜などでメタライズした電子装置に関する技術である。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＣ、ＬＳＩ、ダイオード、抵抗、コンデンサ、コネクタ、スイッチなどの電子装置は、配線基板などの外部回路とはんだ等を用いて接続するために、外部に露出したリードまたは端子を有している（以後、これらを単に外部端子と呼ぶ）。これらの外部端子には、主に鉛を１０〜４０ｗｔ％含むスズー鉛合金、いわゆる鉛はんだめっきが施されている。このため、外部端子に対するめっきには、耐熱性、耐ウイスカ性、耐食性、特にはんだ濡れ性が要求される。また、外部端子は必要に応じて所定の寸法、形状に切断、成形されるため密着性、耐クラック性、折り曲げ性等の特性が要求される。鉛はんだめっきはこれらの要求特性を全て満足し、現行製品に広く使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
近年、鉛を含まない、いわゆる鉛フリーはんだの開発が進められ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｃｕ系などの鉛フリーはんだが開発されている。
【０００４】
さらに、鉛フリーはんだに対応する鉛フリーはんだめっきの開発も進められ、めっき膜材料としてはスズー亜鉛合金、スズー銀合金、スズー銅合金、スズービスマス合金などが検討されている。
【０００５】
しかし、これらの合金めっき膜はいずれも鉛はんだめっきに比べてはんだ濡れ性が劣るという欠点がある。特に高温高湿試験後の低温でのはんだ濡れ性の低下が大きい。
【０００６】
鉛フリーはんだめっき膜のはんだ濡れ性に関しては、例えば、特開平１１−２５１５０３号公報には、スズービスマス合金めっきにＡｇ、Ｃｕなどの合金成分を加えることによりはんだ付けを容易にすることが記載されている。しかしながら、高温高湿試験、スチームエージングなどの劣化試験後のはんだ濡れ性の改善については考慮されていない。
【０００７】
本発明の目的は、はんだ濡れ性を改善した高信頼な半田接続を実現できる電子装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、スズ合金めっき、特にスズービスマス合金めっきについて高温高湿試験後のはんだ濡れ性の改善について種々検討したところ、スズービスマス合金めっき膜の表面にビスマスを析出させることで、従来技術の問題点である濡れ性、特に高温高湿試験後のはんだ濡れ性の低下を解決できることを明らかにした。
【０００９】
従って、本発明は、半導体素子と、前記半導体素子と電気的に接続された外部端子と、前記外部端子上に形成されたスズ−ビスマス合金めっき層とを有する半導体装置であって、前記スズ−ビスマス合金めっき層上にビスマスを１ｃｍ ² あたり約２〜２００μｇ析出させて構成したものである。
【００１０】
また、前記ビスマスは、粒状に構成されている。あるいは、前記ビスマスは、網状に構成されている。
【００１１】
また、前記ビスマスは、１ｃｍ² あたり約４〜１００μｇ析出されたものである。
【００１２】
また、前記スズ−ビスマス合金めっき層がＳｎ−約（０．５〜６）ｗｔ％Ｂｉであるこものである。前記スズ−ビスマス合金めっき層におけるビスマス含有量が０．５重量％以上、６重量％以下である。前記外部端子は、４２アロイリードである。前記外部端子は、銅合金リードである。前記ビスマスは、スズとビスマスの置換反応により析出させたものである。
【００１３】
また、本発明の電子機器は、前記半導体装置をＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系鉛フリーはんだにより接続した回路基板を備えたものである。前記鉛フリーはんだは、Ｓｎ−約（２〜３．５）ｗｔ％Ａｇ−（０．３〜１．０）ｗｔ％Ｃｕである。また、本発明の電子機器は、前記半導体装置をＳｎ−Ｃｕ系鉛フリーはんだにより接続した回路基板を備えたものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明にかかる電子装置およびその実装構造体の実施形態について、以下、半導体装置を例に図を用いて説明する。
【００１５】
図１は本発明に係る半導体装置の断面図を示しており、実施の形態の全体を示す概略構成図である。なお、これはあくまでも一例であり、外部リードや外部端子を有するものであれば全て適用可能であることは言うまでもない。
【００１６】
図示した半導体装置は、鉄―ニッケル合金である４２アロイまたは銅合金で作られたリードフレーム（リード基材）２上に半導体素子１を固定した後、半導体素子１の不図示の電極をワイヤボンディング３などによりリードフレーム２と電気的に接続し、モールド樹脂４により樹脂封止して製造する。
【００１７】
そして、モールド樹脂４の外側に露出したリードフレーム（リード基材）２に対して、脱脂、酸洗浄処理した後、有機酸、有機酸スズ、有機酸ビスマス等の有機酸金属および添加剤からなるめっき液を用いて、図２に示す断面図のように、リード６の表面にスズ−ビスマス合金めっき膜７を形成し、さらにその表面にビスマス８を析出させてリード５を形成する。ビスマス８の析出量、析出方法については後述するが、スズービスマス合金めっき膜７は、リード曲げ時の対クラック性の点からそのＢｉ含有率は約６ｗｔ％以下が好ましく、また対ウイスカ性の点からは約０．５ｗｔ％以上が好ましい。実際には２wt％程度のばらつきはある。
【００１８】
その後、リード５をフレームから切断し、所定の形状に折り曲げ成形して半導体装置を完成させる。
【００１９】
このように完成された半導体装置は、不図示の配線基板などの外部回路に設けられた電極とそのリード（外部リード）５とを鉛フリーはんだ等を用いてはんだ接続（はんだ接合）される。この時、鉛フリーはんだの濡れ性が悪いと、充分な接続強度を確保することが出来ず、接続不良を生ずることとなる。
【００２０】
図３にスズービスマス合金めっき膜表面にビスマスを析出させることで濡れ性が改善されるメカニズムを示す。図示するように、溶融はんだは、スズービスマス合金めっき膜７の表層部Ａと一体化するように濡れ拡がっていけば濡れ性は良いが、スズービスマス合金めっき膜７の場合、組成比によってはその融点自体が高く、溶融しにくい場合があり、濡れ性に影響を与える。特に、鉛フリーはんだと接続する場合、鉛フリーはんだ（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ）によっては濡れ性が良くないため、スズービスマス合金めっき膜７の果たす役割は大きい。
【００２１】
そこで、図示するように、ビスマス８を析出させれば、スズービスマス合金めっき膜７の表層部Ａが溶け込むとき、ビスマス８とスズービスマスめっき膜７の表層部Ａとが一体化し、見掛けのビスマス含有率の高いスズービスマスめっき膜として挙動する。すなわち、実質上スズービスマス合金めっき膜７の融点を低下させたに等しい効果が得られる。図４に示すように、スズービスマス合金はビスマス含有率０〜２１ｗｔ％において急激に融点が低下する。従って、使用するスズービスマス合金めっき膜７のビスマス含有率が０．５〜６ｗｔ％であれば、見かけのビスマス含有率が２１ｗｔ％になるまでは、ビスマス８が析出するほど効果的に融点は低下する。
【００２２】
前述の如く、スズービスマス合金めっき膜７のビスマス含有率は、リード曲げ時の耐クラック性を考慮して６ｗｔ％以下に制限されており、そのため融点も高かったが、このようにスズービスマスめっき膜７上にビスマス８を析出した構成にすれば、耐クラック性に適したスズービスマス合金めっき膜７の組成には影響を与えることなく、融点を下げて濡れ性を改善することが出来るのである。融点が下がると、その部分はさらに溶融状態が加速され、周りにあるスズービスマス合金めっき膜７を巻き込み、波及的に溶融状態となるので、溶融はんだは容易に濡れ拡がり、その濡れ性は向上したこととなる。
【００２３】
一方、スズービスマス合金めっき膜７表面に形成される酸化膜が、濡れ性を阻害させる要因の一つとして考えられる。スズービスマス合金めっき膜７上にビスマス８を粒状もしくは網状に析出させると、ビスマス８直下のスズービスマス合金めっき膜７表面は大気に曝されないため、酸化膜は形成されず、上記の溶融メカニズムに従い、そのビスマス粒子を起点としてスズービスマス合金めっき膜７の溶融が開始される。溶融が開始されると溶けたスズービスマス合金めっき膜７が酸化膜を取り込むようにして溶融が進行し、はんだは濡れ拡がって行く。従って、図５や図６に示すようにビスマスはスズービスマスめっき膜表面の一部が見えるように粒状もしくは網状に構成することが好ましい。ビスマスを膜状に形成すると、融点が高いビスマスがスズービスマスめっき膜の全面を被うことになり、粒状もしくは網状に形成したときよりはスズービスマス合金めっき膜７を溶融させにくい状態となる。なお、ビスマスは、図５に示すように粒状に析出し始め、時間の経過とともにスズービスマスの粒界からも析出して図6に示すような網状となる。この時、粒状のビスマスは成長して隣のビスマスと結合した形となる。さらに時間が経つと膜状になるものである。
【００２４】
ところで、ビスマスの析出量については、１ｃｍ²当たり２μｇ以上からはんだ濡れ性の改善効果はあるが、さらに好ましくは５μｇ以上が良い。一方、１ｃｍ²当たり１００μｇを超えると、外観不良にはならないものの、めっき色調は黒味が増して灰白色から灰色に変化するので、１００μｇ以下にすることが好ましい。また、２００μｇを超えると析出したビスマスにより色調が黒灰色となり外観不良となるので、これを超えてはいけない。
【００２５】
スズービスマス合金めっき膜７の表面にビスマスを析出させるには、スズとビスマスの電気化学的ポテンシャルの差、いわゆるイオン化傾向の差によるスズとビスマスの置換反応を利用すればよい。
【００２６】
例えば、めっき後に通電を止めた状態でめっき液中に保持して置換反応させる方法や、めっき槽の後ろにビスマスを含有する溶液槽を設け、そこで置換反応をさせる方法や、被めっき物をめっき液から引き上げ、次の水洗槽に入れるまでの間に置換反応をさせる方法などを利用すればよい。
【００２７】
次に、本発明に係るスズ合金めっきの実施例について具体的に説明する。本実施例に於いては、スズービスマス合金めっき７のビスマス含有率が約０．５〜６ｗｔ％に対して有効となるビスマスの析出について検討した。スズービスマス合金めっき７には、Ｓｎ−２ｗｔ％Ｂｉを用いた。
【００２８】
＜実施例１＞
４２アロイを基材とするリード数１００本のＱＦＰタイプのリードフレームを用いて、通常の方法で脱脂、酸洗処理した後、有機酸ズズ（スズ濃度８０ｇ／ｌ）、有機酸ビスマス（ビスマス濃度２、４、６ｇ／ｌ）、有機酸および添加剤からなるめっき液を用いてスズービスマス合金めっきを行った。電流密度１５Ａ／ｄｍ²、液温５０℃、膜厚１０μｍである。
【００２９】
次に、めっき終了後に電流を切った状態で表１に示す時間に応じてめっき液中に放置し、スズービスマス合金めっき膜表面にビスマスを置換析出させた。
【００３０】
次に、リードフレームから個々のパッケージを切り離し、温度６５℃、湿度９５％で１６８時間の高温高湿試験をした後、はんだ濡れ性をディップ法により評価した。評価条件は、はんだがスズー鉛共晶、温度２１５℃、フラックスがＲタイプである。
【００３１】
その結果は表１に示す通りである。ビスマスの置換析出量が０および１μｇ／ｃｍ²のとき（試料Ｎｏ．１、６）は、はんだ濡れ面積は所定の目標値を満足せず（×で表示）、２〜４μｇ／ｃｍ²以上のとき（試料Ｎｏ．２、７、８）は、はんだ濡れ面積は充分ではないものの所定の目標値をほぼ満足し（△で表示）、５μｇ／ｃｍ²以上のとき（試料Ｎｏ．３〜５、９〜１６）は、はんだ濡れ性はいずれも目標値以上（○で表示）であった。
【００３２】
しかし、２５０μｇ／ｃｍ²のときは色調は黒灰色になり、外観不良（×で表示）となった。また、外観不良ではないが、２００μｇ／ｃｍ²のときは色調は灰色になる（△で表示）。
【００３３】
従って、スズービスマスめっき膜上に析出させるビスマスは２〜２００μｇ／ｃｍ²が好ましく、さらに好ましくは５〜１００μｇ／ｃｍ²である。
【００３４】
なお、本例では、めっき液のビスマス濃度２、４、６ｇ/ｌの場合について記したが、所定の組成のめっき膜およびビスマス置換析出が得られればよく、特に制限されるものではない。また、リードフレームの基材が銅合金の場合も全く同様の効果が得られ、基材の材質が制限されるものではない。
【００３５】
【表１】

【００３６】
＜実施例２＞
実施例１と同様に、４２アロイを基材とするリードフレームにスズービスマス合金めっきを行った。その後、ビスマス濃度１ｇ／ｌの有機酸ビスマス溶液に表２に示す時間だけ浸漬し、スズービスマス合金めっき膜表面にビスマスを置換析出させた。
【００３７】
次に、リードフレームから個々のパッケージを切り離し、温度６５℃、湿度９５％で１６８時間の高温高湿試験をした後、はんだ濡れ性をディップ法により評価した。評価条件は、はんだがスズー鉛共晶、温度２１５℃、フラックスがＲタイプである。
【００３８】
その結果は表２に示す通りである。ビスマスの置換析出量が０および１.３μｇ／ｃｍ²のとき（試料Ｎｏ．１、２）は、はんだ濡れ面積は所定の目標値を満足せず（×で表示）、２μｇ／ｃｍ²のとき（試料Ｎｏ．３）は、はんだ濡れ面積は充分ではないものの所定の目標値をほぼ満足し（△で表示）、５μｇ／ｃｍ²以上のとき（試料Ｎｏ．４〜９）は、はんだ濡れ性はいずれも目標値以上（○で表示）であった。
【００３９】
しかし、２４０μｇ／ｃｍ²のときは色調は黒灰色になり、外観不良（×で表示）となった。また、外観不良ではないが、２００μｇ／ｃｍ²のときは色調は灰色になる（△で表示）。
【００４０】
従って、スズービスマスめっき膜上に析出させるビスマスは２〜２００μｇ／ｃｍ²が好ましく、さらに好ましくは５〜１００μｇ／ｃｍ²である。
【００４１】
なお、本例では、めっき液のビスマス濃度１ｇ/ｌの場合について記したが、所定の組成のめっき膜およびビスマス置換析出が得られればよく、特に制限されるものではない。また、ビスマス置換時間を調節するために、スズ合金めっき液用の添加剤、ノニルフェニルエーテル等の界面活性剤などビスマスの置換速度をコントロールする成分を有機酸ビスマス液に加えても良く、液温を０〜８０℃の範囲で変えても良い。また、リードフレームの基材が銅合金の場合も全く同様の効果が得られ、基材の材質が制限されるものではない。
【００４２】
【表２】

【００４３】
〈実施例３〉
実施例１と同様に、４２アロイを基材とするリードフレームにスズービスマス合金めっきを行った後、電流を切った状態でめっき液中に放置し、ビスマスを置換析出させた。次に、実施例１と同様にリードフレームから個々のパッケージを切り離し、温度６５℃、湿度９５％で１６８時間の高温高湿試験をした後、はんだ濡れ性をディップ法により評価した。評価条件は、はんだがスズー銀―銅系のいわゆる鉛フリーはんだで温度２３５℃、フラックスがＲタイプである。
【００４４】
その結果は表３に示す通りである。ビスマスの置換析出量が１μｇ／ｃｍ²のとき（試料Ｎｏ．１）は、はんだ濡れ面積が所定の目標値を満足せず（×で表示）、２μｇ／ｃｍ²のとき（試料Ｎｏ．２）は、はんだ濡れ面積は充分ではないものの所定の目標値をほぼ満足し（△で表示）、５μｇ／ｃｍ²以上のとき（試料Ｎｏ．３〜８）は、はんだ濡れ性はいずれも目標値以上（○で表示）であった。
【００４５】
しかし、２５０μｇ／ｃｍ²のときは色調は黒灰色になり、外観不良（×で表示）となった。また、外観不良ではないが、２００μｇ／ｃｍ²のときは色調は灰色になる。
【００４６】
従って、スズービスマスめっき膜上に析出させるビスマスは２〜２００μｇ／ｃｍ²が好ましく、さらに好ましくは５〜１００μｇ／ｃｍ²である。
【００４７】
【表３】

【００４８】
実施例１〜３では４２アロイリードの例について示したが、銅めっきをした４２アロイリード、銅合金リードについても同様の結果となる。また、上記実施例では半導体装置を例について示したが、トランジスタ、ダイオード、抵抗、コンデンサ、スイッチ、コネクタ等の電子部品についても同様の結果となる。
【００４９】
以上詳述したように、電子装置の外部リードへのスズービスマス合金めっき膜の形成において、その表面にビスマスを析出させることにより、高温高湿試験後もはんだ濡れ性に優れた電子装置を製造することが可能となった。また、外部リードへ形成したスズービスマス合金めっき膜のビスマス含有率を小さく設定することが可能となり、耐クラック性が向上し、信頼性の高い電子装置を製造することが可能となった。特にビスマスを粒状もしくは網状に析出することが効果的であり、スズービスマス合金めっき層がＳｎ−約（０．５〜６）ｗｔ％Ｂｉの場合に効果的である。
【００５０】
なお、析出したビスマスには、工程中に酸素または水分により生成した酸化物、水酸化物および共析した微量のスズ等を含むことは言うまでもない。また、析出させたビスマスは必ずしも膜状である必要はなく、粒状、網目状などであってもよい。
【００５１】
また、いずれの場合も、スズービスマス合金めっき膜に含まれる成分であるので、製造プロセスの簡略化、製造効率の向上を図ることが出来ることは言うまでもない。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば、はんだ濡れ性を改善した高信頼な半田接続が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電子装置の一実施例の形態を示す断面図。
【図２】本発明に係るリードの一実施例の形態を示す断面図。
【図３】本発明に係るリードの濡れ性を示す断面図。
【図４】スズービスマス合金の融点を示す図。
【図５】ビスマスの析出を示す図。
【図６】ビスマスの析出を示す図。
【符号の説明】
１…半導体素子
２…リードフレーム
３…ボンデイングワイヤ
４…モールド樹脂
５…モールド樹脂の外側に露出したリード（外部リード）
６…リード基材
７…スズービスマスめっき膜
８…ビスマス

Claims

半導体素子と、前記半導体素子と電気的に接続された外部端子と、前記外部端子上に形成されたスズ−ビスマス合金めっき層とを有する半導体装置であって、
前記スズ−ビスマス合金めっき層上にビスマスを１ｃｍ²あたり２〜２００μｇ析出させて構成したことを特徴とする半導体装置。
請求項１記載の半導体装置において、
前記ビスマスは、粒状に構成されていることを特徴とする半導体装置。
請求項１記載の半導体装置において、
前記ビスマスは、網状に構成されていることを特徴とする半導体装置。
請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記ビスマスは、１ｃｍ²あたり４〜１００μｇ析出されたことを特徴とする半導体装置。
請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記スズ−ビスマス合金めっき層がＳｎ−（０．５〜６）ｗｔ％Ｂｉであることを特徴とする半導体装置。
請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記スズ−ビスマス合金めっき層におけるビスマス含有量が０．５重量％以上、６重量％以下であることを特徴とする半導体装置。
請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記外部端子は、４２アロイリードであることを特徴とする半導体装置。
請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記外部端子は、銅合金リードであることを特徴とする半導体装置。
請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記ビスマスは、スズとビスマスの置換反応により析出させたものであることを特徴とする半導体装置。
請求項１から９のいずれか１項に記載された半導体装置をＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系鉛フリーはんだにより接続した回路基板を備えたことを特徴とする電子機器。
請求項１０記載の電子機器において、
前記鉛フリーはんだは、Ｓｎ−（２〜３．５）ｗｔ％Ａｇ−（０．３〜１．０）ｗｔ％Ｃｕであることを特徴とする電子機器。
請求項１から９のいずれか１項に記載された半導体装置をＳｎ−Ｃｕ系鉛フリーはんだにより接続した回路基板を備えたことを特徴とする電子機器。