JP4339723B2 - 半導体装置およびその製造方法、電子装置ならびに実装構造体 - Google Patents

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Description

本発明は、鉛（Pb）フリーの半田材料およびそれを用いて接続された電子機器に関する。特に、鉛（Pb）フリーのダイボンド半田接続用の半田箔およびそれを用いて接続された半導体装置に関する。
従来、リード型半導体装置（QFPなど）のダイボンド半田接続部には、耐熱性の導電ペーストまたは融点が高く鉛を多く含む半田（Sn-37Pb共晶はんだ）が用いられていた。
しかし、近年、鉛が環境に与える影響を考慮し、鉛フリー半田の研究が行われている。ここで鉛フリー半田とは、積極的に鉛を含有させない半田（Ｐｂ含有量が限りなくゼロに近い半田）であり、例えばPb許容量として0.10mass%以下のものをいう。
例えば、特許文献１（特開2002-305213号）には、金属粒子(Cu等の粒子)と、半田粒子(Snの粒子)を含む半田材料を圧延して形成した半田箔、及びその半田箔を用いて接続した電子機器が開示されている。
また、特許文献２（特開2002-124533号）には、半田バンプ材料として、Ｐｂフリー半田(ベース半田)に、このＰｂフリー半田の組成元素により生成される金属間化合物粒子を含有させた電極材料が開示されている。例えば、ベース半田としてＳｎ−Ａｇ系半田を用い、金属間化合物粒子としてＡｇ３Ｓｎを用いた電極材料が開示されている。
特開2002-305213号公報 特開2002-124533号公報
我々は、半導体チップ (半導体素子)とリードフレームを接続するダイボンド半田接続部（ダイマウント接続部ともいう）の半田接続信頼性等に関して検討を行った結果、上記耐熱性の導電ペーストおよび特許文献にかかる鉛フリー半田には下記に示す課題があることがわかった。
まず、耐熱性の導電ペースト（いわゆるAgペースト）に関しては、温度階層接続の低温側接続（２次側接続）でSn-3Ag-0.5Cu(融点；217〜221℃)等を用いたリフロー温度は240℃程度の高温となるためクラックが発生し、実使用環境における熱サイクルでそのクラックが進展して剥離が発生する可能性がある。
一方、鉛フリー半田に関する特許文献１には、次に説明する(1)クラック発生、(2)半田形状の加工について考慮すべき点がある。
特許文献１で開示されるダイボンド半田接続部では、金属粒子と半田粒子から形成された金属化合物により金属粒子同士が結合されネットワークが形成される。これにより、半田接続部は十分な接続強度を有する。
しかし、逆に、この金属化合物による金属粒子の結合が強すぎることにより、半田自身の応力緩和機能が十分でなく、ダイボンド半田接続部にクラックが発生するおそれがある。
一方、熱抵抗を下げる場合には、ダイボンド半田接続部に用いられる半田箔の厚さは約50〜150μm程度にする。このとき、半田接続部の組織をなるべく均一かつ高分散とするために、金属粒子であるCu粉、半田粒子であるSn粉は最大でも粒径30μm程度の微粉を使用する必要がある。
しかし、粒径30μm程度の微粉になると、比表面積（一定体積内に含まれる粒子の表面積の割合）が大きくなるため、粉末の表面に付着できる酸素量が多くなる。この場合、例えばN2アトマイズ粉のような比較的表面の酸化含有量の低い粉を用い、かつN2にH2を混ぜた還元雰囲気中でダイボンド半田接続を行っても、半田箔の内部のCu粉およびSn粉の表面酸化物を完全に還元することは困難である。そして、この粉末表面の酸化物は粉末間に隙間を形成する場合がある。この問題は、特にダイボンド半田接続時間が短い場合、言い換えれば還元時間が短い場合に顕著になる。また、Cu粉末やSn粉末などの微紛を有する半田箔は、圧延などの製造工程において半田箔中にボイドが形成され易い。そして、上記の粉末間の隙間やボイドは、ダイボンド半田接続時にも完全に除去することは困難である。
従って、実際の使用環境を模擬した温度サイクル試験時に、これらに起因したクラックが生じるおそれがあり、接続信頼性に影響を与える。
最近、ダイマウント接続用の半田として、半田箔よりもワイヤー状の半田の需要が増してきている。これは、接続品質及びコストが有利であることによる。しかし、特許文献１の半田はＣｕ粉末およびＳｎ粉末をプレスもしくは圧延して半田箔を成形するため、半田合金をワイヤー状等に加工することが困難である。
また、鉛フリー半田に関する特許文献２には、以下のフラッシュの発生および製造工程を複雑化するという課題がある。
特許文献２は、ダイボンド半田接続用の半田材料ではなく、半導体装置のバンプ材料（C4接続用の電極材料）を開示する。そして、0034段落には、ベース半田中の金属間化合物粒子の含有量は0.01〜4.0wt%の範囲、好ましくは0.5wt%と記載されている。
しかし、この組成の電極材料を用いてダイボンド半田接続を行った場合、半導体装置にフラッシュによる接続不良が生じる可能性があることが分かった。フラッシュとは、図１に示すように、半導体チップ2を樹脂6で封止した樹脂封止型半導体装置１を基板にリフロー半田付けする際にダイボンド半田接続部4の半田が再溶融し、溶融による体積膨張によって樹脂6とリードフレーム3の界面に半田が侵入する、もしくはさらに半田の一部が樹脂6の外に漏れ出す現象である。これにより接続不良を生じる。また、ダイボンド半田接続部4に大きなボイド11が発生することにより接続不要を生じる。なお、フラッシュ現象は図１のような半導体パッケージ以外にも、例えば半導体チップを基板に実装したのちに樹脂により封止する半導体モジュールのような電子装置でも生じる。
また、特許文献２は、ベース半田の製造とは別工程で予め金属間化合物粒子を作製し、これをベース半田に混ぜる半田製造方法が開示されている。しかし、これは製造工程数が増加し、半田価格が高くなる。
本発明は上記課題を解決するためになされたものである。すなわち、本発明の目的は次の通りである。
(1)240℃から260℃のリフロー温度においてフラッシュが発生せず、かつ実使用時の温度サイクルにおいてクラックによって接続信頼性に影響を及ぼす半田剥離が発生しないダイボンド半田接続部を有する半導体装置を提供することである。
(2)240℃から260℃のリフロー温度においてフラッシュを発生させず、かつ実使用時の温度サイクルにおいてクラックによって接続信頼性に影響を及ぼす半田剥離を発生させないダイマウント接続用の半田材料を提供することにある。すなわち、高温側接続（１次側接続）であってかつダイボンド半田接続用の鉛フリー半田材料を提供することができる。
上記目的を達成するために、本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次の通りである。
半導体チップと、リードフレームの一部であるリード部およびタブ部と、前記半導体チップと前記タブ部を接続するダイボンド半田接続部と、前記半導体チップを封止する樹脂封止部を有する半導体装置であって、前記ダイボンド半田接続部は、鉛フリーのベース半田と鉛フリーの金属を有し、前記ベース半田はSn単体もしくはSnを主成分とする化合物であり、前記鉛フリー金属は260℃において溶融しない金属であり、さらに前記鉛フリー金属同士は金属結合せず、前記ベース半田内で前記鉛フリー金属が浮島状に分布していることを特徴とする半導体装置である。
また、ベース半田と金属を有するダインボンド半田接続用の鉛フリー半田であって、前記ベース半田は、Sn単体もしくはSnを主成分とする化合物であり、前記鉛フリーの金属は260℃において溶融しない金属であり、さらに前記鉛フリー金属同士は金属結合せず、前記ベース半田内で前記鉛フリー金属が浮島状に分布していることを特徴とする鉛フリー半田である。
また、リードフレームのタブ部上に半田箔を供給する工程と、前記半田箔の上に半導体チップを配置する工程と、前記半田箔を溶融させて前記半導体チップと前記タブ部をダイボンド半田接続する工程と、前記半導体チップの電極と前記リードフレームのリードをワイヤボンディングする工程と、前記半導体チップを樹脂封止する工程を有する半導体装置の製造方法であって、Sn単体もしくはSnを主成分とする化合物である鉛フリーのベース半田と260℃において溶融しない鉛フリーの金属を有し、前記鉛フリー金属が前記ベース半田内で浮島状に分布している半田箔を用いて、前記ダイボンド半田接続時に前記ベース半田のみを溶融させ、前記鉛フリー金属同士が金属結合していないダイボンド半田接続部を形成してダイボンド半田接続することを特徴とする半導体装置の製造方法である。
なお、前記ダイボンド半田接続部または半田箔における前記鉛フリーの金属の割合は40％から80％であることが望ましい。
本発明の代表的なものによって得られる効果は次の通りである。
(1)240℃から260℃のリフロー温度においてフラッシュが発生せず、かつ実使用時の温度サイクルにおいてクラックによって接続信頼性に影響を及ぼす半田剥離が発生しないダイボンド半田接続部を有する半導体装置を提供することができる。
(2)240℃から260℃のリフロー温度においてフラッシュを発生させず、かつ実使用時の温度サイクルにおいてクラックによって接続信頼性に影響を及ぼす半田剥離を発生させないダイマウント接続用の半田材料を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について説明する。
図２は、本願発明に係る樹脂封止型半導体装置の一実施例である。ダイボンド半田接続部4によって、半導体チップ2はリードフレーム(42 AlloyまたはCu)のタブ部9上に接続されて、半導体チップの電極とリードフレームのリード7はボンディングワイヤー5により接続される。また、半導体チップ2は樹脂6により封止されている。
この半導体装置の製造方法は次の通りである。まず本案の半田箔の所定量をリードフレームのダイマウント部に供給し、その上に半導体チップ（パワー半導体素子）を搭載する。その後、250〜400℃、N2+H2雰囲気中で半導体チップとダイマウント部をダイボンド半田接続する。その後、半導体チップとリードフレームをワイヤー・ボンディング接続し、さらに樹脂封止することによりリード型半導体装置（パワー半導体装置）を完成させる。用いられる樹脂の種類によってハードレジンとソフトレジンの２種類がある。詳しくは後述する。
この半導体装置は、Sn-Ag系またはSn-Ag-Cu系のPbフリー半田等を用いて、樹脂封止後実装基板にリフロー半田付けされるため、リフロー半田付け時に半導体チップとタブ部9の接続が維持されることが必要である。
本実施例のダイボンド半田接続部はリードフレームのタブ上に供給された半田箔により形成される。この半田箔およびこの半田箔により形成されるダイボンド半田接続部は、(1) 実使用環境においてクラックによる半田剥離を防止でき、(2)リフロー温度240℃から260℃においてフラッシュを防止できる。以下、それらについて詳しく説明する。
リードフレームと半導体チップは熱膨張係数が大きく異なるため、実使用環境での温度サイクル時に熱応力が発生する。ダイボンド半田接続部が硬い場合には、この熱応力の繰り返しにより、半田にクラックが発生し、それが進展することにより半田剥離が発生する。特に、大型の半導体チップを実装する場合にはダイボンド半田接続部に係る熱応力は大きいため、この現象は顕著になる。
そこで、熱応力を緩和するために、半導体装置のダイボンド半田接続部およびそれを形成する鉛フリー半田箔は、ベース半田の部分と残りのPbフリー材料からなる金属（Pbフリー金属）の部分を有する。ここで、ベース半田は柔らかな金属、例えばSn半田、Snを主成分とする半田である。またPbフリー金属はSn-CuまたはSn-Ag-CuなどのSnと添加金属の化合物、またはAlやZnを主成分とする固相などである。
半田剥離を防止するために、半田箔においてPbフリー金属がベース半田の中で浮島状に存在することが望ましい。さらに、ダイボンド半田接続時およびその後のリフロー時に、半田箔のベース半田のみが溶融し、Pbフリー金属は溶融せず、さらにPbフリー金属同士がネットワーク化しないことが望ましい。
また、半田箔におけるベース半田とPbフリー金属の体積割合を変化させることにより、半田箔により形成されるダイボンド半田接続部のクラックによる半田剥離を防止できる。すなわち、半田箔におけるベース半田の体積割合が少ないと、ダイボンド半田接続部が硬くなり、クラックが発生、進展して半田剥離が生じる。この半田剥離を防止するためには、ベース半田の体積割合が20％以上であることが望ましい。
上記構成により、実際の使用環境を模擬した温度サイクル試験時においても、ダイボンド半田接続部にはクラックの発生がなく、仮にクラックが発生したとしてもその進展が遅いため接続信頼性に影響を与える半田剥離が生じない。
ダイボンド半田接続された半導体装置を、Sn-Ag-Cu系Pbフリー半田（融点約220℃）を用いて実装基板に表面実装する場合、リフロー温度が約240℃となり、最大260℃に達する場合がある。また、ダイボンド半田接続後のワイヤー・ボンディングも高温で行われる場合があり、最高280℃になる場合もある。従って、ダイボンド半田接続部を形成する半田の組成により、リフロー時やワイヤー・ボンディング時に、ダイボンド半田接続部が再溶融する場合がある。一方、半田は溶融するとその体積が膨張する。
ダイボンド半田接続部の半田が再溶融して接続強度が低下すると、ワイヤー・ボンディングができない問題、またはリフロー時に樹脂封止部分から半田が漏れ出す（フラッシュ現象）問題が生じる。また、半田が漏れ出さない場合でも、半田が漏れ出そうと作用し、ダイボンド半田接続部に大きなボイドが形成され不良品となる問題が生じる。
我々が行ったダイボンド半田接続部における再溶融するベース半田の割合と接続信頼性の関係の実験、およびダイボンド半田接続部の組成と体積膨張の関係の実験によると、ダイボンド半田接続部のベース半田部分（再溶融する部分）の体積割合が60体積％以上になると、溶融による体積膨張の絶対量が大きくなり、フラッシュ等による接続不良を防止することができないことが分かった。
そこで、フラッシュを防止するために、本実施例では半田箔およびダイボンド半田接続部内のベース半田部分の体積割合を60体積％以下とする必要がある。
以上のことから、上記(1) クラックによる半田剥離防止(2)フラッシュ防止を両立するためには、半田箔およびダイボンド半田接続部のベース半田の体積割合が20体積％以上60体積％以下、いいかえればPbフリー金属の体積割合が40体積％以上80体積％以下であることが望ましい。さらにベース半田部分の体積割合は20体積％以上40体積％以下、いいかえればPbフリー金属の体積割合が60体積％以上80体積％以下であることがより望ましい。
続いて、本案の半田箔およびダイボンド半田接続部のベース半田について、詳しく説明する。ベース半田はSn半田、Snを主成分とする半田であり、例えばSn-Ag、Sn-Ag-Cu、Sn-Cu、Sn-Ag-Cu-Bi、Sn-Ag-Cu-In、Sn-Zn、Sn-Zn-Bi、Sn-Agである。表１はベース半田の組成、融点およびそれらの金属をベース半田と金属を添加して形成した半田箔が対応できるリフロー温度について記載している。さらに、半田箔を形成するときに、各ベース半田に対して望ましい添加金属について記載している。
なお、Sn半田に比べSn−Ag−Cu系半田はぬれ性が良好であるため、ぬれ性を重視する場合はベース半田としてSn半田よりもSn−Ag−Cu系半田が望ましい。
続いて、本願発明の半田箔およびダイボンド半田接続部のPbフリー金属について、詳しく説明する。Pbフリー金属はベース半田と相平衡状態となる金属が望ましい。これは、相平衡状態であれば、ダイボンド半田接続温度や実使用環境温度において、析出した化合物がさらに成長するようなことがなく、安定したダイボンド半田接続部が得られるからである。具体的にはPbフリー金属としては、Snと添加金属の化合物、Snと化合物を形成しない添加金属を主成分とする固相のどちらかが望ましい。
Snと添加金属の化合物を形成する添加金属としては、Cu, Au, Fe, Ni, Pt, Agがある。このうち、Snとの反応速度（化合物成長速度）が比較的大きいこと、およびコストが安価なことを考慮すると、Cu、Ag、Niのいずれかがより望ましい。そこで、図３を用いて、添加金属14をCu、Ag、Niのいずれかを用いた場合の半田箔およびその製造方法を説明する。
まず、SnもしくはSnを主成分とするベース半田12に、Cu、AgまたはNiの所定量を添加する（図３(a)）。そして、ベース半田およびベース半田と添加金属により形成される合金の液相線以上の温度で、ベース半田と添加金属を完全に反応させる（図３(b)）。その後、これを鋳型に流し込み、室温まで冷却して凝固することにより、ベース半田内にCu-Sn、Ag-SnまたはNi-Sn化合物などのSn化合物(Pbフリー金属13)を析出させる（図３(c)）。このとき、ベース半田がSn単体の場合はSn単体であり(ベース半田は組成変化せず)、ベース半田がSnを主成分とする半田の場合は添加金属との反応に消費された分を差し引いた組成の半田となる。その後、ロール20などによりSnとPbフリー金属を有する半田合金を圧延する（図３(d)）。
これらの製造工程を経て、本案の半田箔を提供することができる。図４はベース半田SnにCuを添加し、Pbフリー金属としてCu6Sn5を析出させた半田箔の断面写真である。詳しくは後述の（組成１）で説明する。なお、半田合金を線引き加工することによりワイヤー状半田として提供することもできる。
上記半田箔の製造では、添加金属の全部をSn化合物の形成のために消費することが望ましい。例えばベース半田がSnで添加金属がCuの場合、添加金属の割合は10重量％から20重量％であることが望ましい。これにより、ダイボンド半田接続時等において、ダイボンド半田接続部内で新たにSn化合物が生成せず、安定した接続部を形成することができるからである。なお、析出するSn化合物の量は、添加金属の量により調整されることはいうまでもない。また、添加金属は上記の１種類に限定する必要は無く、それらを組合わせて添加してもよい。
Snと化合物を形成しない添加金属を主成分とする固相を形成する添加金属としては、Zn、Al、Bi、Ge等が挙げられる。このうち、金属のやわらかさ及びコストを考慮するとZnまたはAlが望ましい。そこで、添加金属としてZnまたはAlを用いた場合の半田箔およびその製造方法を説明する。
まず、ZnまたはAlの所定量をSnもしくはSnを主成分とするベース半田に添加する。そして、ベース半田の液相線（Ｓｎ：232℃）以上の温度で、添加金属をベース半田に完全に固溶させる。その後、これを鋳型に流し込み、室温まで冷却して凝固させることにより、ベース半田内にZnまたはAl、またはZnまたはAlを主成分とする固相を析出させる。このときベース半田はＳｎ−ＺｎまたはＳｎ−Ａｌの共晶組成になる。その後、この半田合金を圧延する。
これらの製造工程を経ることにより、本実施例に係る半田箔を提供することができる。なお、この半田合金を線引き加工することによりワイヤー状半田として提供することもできる。
本実施例の半田箔の製造では、添加金属がZnまたはAlを主成分とする固相の析出するため、およびベース半田を共晶組成にするために消費されることが望ましい。具体的には、ベース半田がSnで添加金属がZnの場合、添加金属の割合は35重量％から75重量％であることが望ましい。これにより、ダイボンド半田接続時および実使用時等において、ダイボンド半田接続部内で新たにZnまたはAlを主成分とする固相が析出せず、安定した半田接続部を形成することができる。一方、ベース半田を共晶組成にすることにより、ベース半田の融解温度を下げることができる。なお、析出するZnまたはAlを主成分とする固相量は、添加金属の量により調整されることはいうまでもない。
本実施例の半田箔およびダイボンド半田接続部を有する半導体装置によれば、240℃から260℃のリフロー温度においてフラッシュが発生せず、かつ実使用時の温度サイクルにおいてクラックによって接続信頼性に影響を及ぼす半田剥離が発生しない。
また、本実施例の半導体装置であれば、さらに該半導体装置を基板に実装する際に、例えばSn-3Ag-0.5Cu(融点；217〜221℃)等の鉛フリー半田を用いて、240℃またはそれ以上の温度でリフロー半田付けを行うことができる。すなわち、温度階層接続を有する実装構造体において、鉛フリー半田のみを用いた温度階層接続を実現することができる。
また、添加金属を選択することにより、ベース半田の融解温度を調整することができる。すなわち、半導体素子の耐熱性を考慮してダイボンド半田接続温度を下げることができる。
また、リフロー半田付けおよびフロー半田付けの選択およびそれらの半田接続温度に適した半田箔を供給することができる。
なお、上記では半導体装置のリフロー半田付けを考慮して説明しているが、半導体装置をフロー半田付けするときにも本実施例にかかる半田箔を用いることができることはいうまでもない。ただし、フロー半田付けの温度が200℃程度であるのに対して、リフロー半田付けは260℃程度と高温である。従って、リフロー半田付け工程を有する半導体モジュールおよび電子機器の製造工程において、本実施例にかかる半田箔を用いることがより有効である。
続いて、本半田箔を用いて接続された高周波用ＲＦモジュールおよびその実装構造体について説明する。図５(a)はモジュールの断面図であり、図５(b)は上面のAlフィン31を透かしてみた平面図のモデルである。なお、Alフィン31を用いず半導体チップ2およびその他の部品を樹脂封止しても良い。
ＲＦモジュールは、電波を発生する1 mm×1.5mmの半導体チップ2とR,C等の部品(チップ部品22)が基板43上に搭載されたものである。実際の構造は、半導体チップのMOSFET素子をマルチバンド化に対応させるため、数個の半導体チップがフェースアップ接続で搭載され、その周辺には効率良く電波を発生させる高周波回路がR,C等のチップ部品22で形成されている。チップ部品も小型化され、1005(1ｍｍ×0.5ｍｍ)、0603(0.6ｍｍ×0.3ｍｍ)等が使用されていて、モジュールの縦横寸法も７0ｍｍ×１４0ｍｍ程度の小型で高密度実装されている。以下、半導体チップを１個、チップ部品を１個搭載したＲＦモジュールのモデルについて説明する。
半導体チップ2は本案の半田箔により形成されたダイボンド半田接続部4により基板43に接続されている。半導体チップ2の端子は基板43の有する電極49にボンディングワイヤー5により接続され、さらにスルーホール44、配線45を介して基板裏面の外部接続部となる端子46と電気的に接続される。半導体チップ2はシリコーンゲルで被覆される場合が多い。ただし、この図５ではシリコーンゲルは省略している。なお、シリコーンゲル等によって封止した場合はAlフィン31はなくてもよい。チップ下は熱放散のためのサーマルビアで裏面の熱放散用端子42に導かれるようにしてもよい。このサーマルビアはセラミック基板の場合は熱伝導性に優れるCu系の厚膜ペーストで充填される。
チップ部品22と基板の有する電極は、はんだ接続部37により接続され、さらにスルーホール44、配線45を介して基板裏面の外部接続部となる端子46と電気的に接続される。チップ部品22と基板の電極との接続には、例えば特開2002-261105号公報に開示されているようなＳｎ半田内にＣｕボールなどのＣｕ粉末を含有させて形成した半田ペーストを用いてもよい。このＲＦモジュールは、外部接続部となる端子46とプリント基板の電極をリフロー半田接続することにより実装される。
図５(c)は、ＲＦモジュール、半導体装置及びチップ部品22をプリント基板39上に搭載した実装構造体である。
ＢＧＡ型半導体装置は、上記で説明した半田箔を用いて、半導体チップ25を中継基板24上にフェースアップの状態で接続し、樹脂48により封止して形成したものである。また、中継基板24の裏側にははんだボール端子30が形成されている。はんだボール端子30には、例えば、Sn-3Ag-0.5Cuのはんだが用いられている。また、基板39の裏面には、TSOP-LSI等の半導体装置がはんだ接続されており、いわゆる両面実装の例となっている。
この両面実装法としては、まず、プリント基板39上の電極部分18に、例えばSn-3Ag-0.5Cuのはんだペーストを印刷する。そして、TSOP-LSI50等の半導体装置の搭載面側からはんだ接続を行うために、TSOP-LSI50を搭載した後、260℃以下、望ましく240℃以下でリフロー接続する。次に、チップ部品、モジュール、半導体装置を搭載し、260℃以下、望ましくは240℃以下であって、基板裏面のリフロー温度以下でリフロー接続することで両面実装を実現する。このように、先に耐熱性のある軽い部品をリフローし、後で、耐熱性のない、重い部品を接続する。後でリフロー接続する場合、最初に接続した側のはんだを落下させないことが必要条件であり、再溶融させないほうがよい。
なお、リフロー、リフローの両面実装の場合、既に実装した裏面の継手温度がはんだの融点以上に達する場合もあるが、部品が落下しなければ問題はない。リフローの場合は、基板面及び基板の上下面の温度差が少ないため、基板の反りが少なく、軽量部品は溶けても表面張力の作用で落下しない。
なお、上記ＲＦモジュール実装は、セラミック基板、有機のメタルコア基板、ビルドアップ基板にも適用できる。また、半導体チップはフェースアップ、フェースダウン接続でも良い。また、モジュールとしては弾性表面波モジュール、パワーMOSIC、メモリモジュール、マルチチップモジュール等にも応用できる。
RFモジュールでは半導体チップが樹脂封止される場合が多い。封止用樹脂としては、いわゆるハードレジンとソフトレジンがある。ハードレジンとは弾性率が常温で12〜17GPaであり、エポキシ樹脂に硬化剤、フィラー等を混ぜたものである。またソフトレジンとは曲げ弾性率が約3GPaであり、例えばシリコーン系樹脂、ポリイミド系樹脂、またはシリコーン系樹脂とポリイミド系樹脂とエポキシ系樹脂のうちの少なくとも2つの混成樹脂がある。
フィラー入りのエポキシ樹脂などのハードレジンを用いた場合、半導体チップは硬く固定される。すなわち、封止樹脂の柔軟性が乏しいため、半田接続部の溶融による体積膨張を2.0％以下に押さえる必要がある。これを満たすには、半田箔中または半田接続部におけるベース半田の割合を40体積％以下にすることが望ましい。従って、クラック防止も考慮するとベース半田の割合は30体積％以上40体積％以下とすることが望ましい。
一方、ソフトレジンを用いた場合、半導体チップは硬く固定されていない。すなわち、封止樹脂が高い柔軟性を有するため、ハードレジンに比べ半田接続部の溶融による体積膨張の条件が緩和され、半田接続部の溶融による体積膨張を3.5％以下に押さえればよい。すなわち、フラッシュが生じなければよいので、半田箔中または半田接続部におけるベース半田の割合を70体積％以下にすることが望ましい。従って、クラック防止も考慮するとベース半田の割合は30体積％以上70体積％以下とすることが望ましい。
本実施例のRFモジュールでは、樹脂封止する材料に最適な半田箔を用いることができる。
以下、本願に係る半田箔およびダイボンド半田接続部の組成について、実験結果を含めてより具体的に説明する。
半田箔中のCuの割合が10重量％となるように、Snベース半田にCuを添加し、600℃に加熱することにより、Cuを完全にSnと反応させた。これを鋳型に流しこんで、室温まで冷却して凝固させた。さらにこれを冷間圧延して、図4に示す厚さ約100μmの半田箔を製造した。
図４に示すように、ベース半田12（Snのマトリックス12）内には、Pbフリー金属13であるCu6Sn5化合物が浮島状に析出している。Cu6Sn5化合物の全体に占める体積割合は約50％であった。なお、Cu6Sn5化合物以外のＣｕＳｎ化合物も微量に生じる可能性もあるが、Cu6Sn5は接続強度が強く安定した化合物であるので、積極的にCu6Sn5化合物を析出させることにした。
この合金箔を用いたパワー半導体装置の製造プロセスを図６に示す。この合金箔をパワー半導体素子と同じ大きさに切断したもの（半田箔16）を表面にNiめっきが施されたCu系リードフレーム3のダイ部分に搭載した（図６(a)）。その上に、半田接続面側にTi/Ni/Agメタライズが施された、大きさ約5mm□、厚さ約300μmのパワー半導体素子2を400℃、N2+10%H2中で搭載し、溶融させることによりダイボンド半田接続した（図６(b)）。
次にパワー半導体素子の上表面に形成されている電極とリードフレームをAlのボンディングワイヤー5を用いて超音波ボンディングした（図６(c)）。今回はワイヤー・ボンディングを室温で行ったため、ダイボンド半田接続部が溶融し、ボンディングが出来なくなるようなことはなかった。
次に蓋体であるエポキシ系樹脂6をリードフレーム3の下側の面が露出するように、リードフレーム3、半田接続部（ダイボンド半田接続部）4、パワー半導体素子2、Alのボンディングワイヤー5を封止した（図６(d)）。パワー半導体素子は高い放熱性が要求されるため、積極的にリードフレームの下面は樹脂封止しないことにした。以上のプロセスによりパワー半導体装置を製造した。
半田箔16の合金は、ダイ・ボンダーの半田供給方法により、上記のような半田箔の形状だけでなく、半田ワイヤーの形状で供給してもよい。パワー半導体素子2の半田接続面側のメタライズはTi/Ni/Auの場合もある。またCu系リードフレーム3はNiめっき品だけでなく、Ni/Agめっき品を使用することも可能である。さらに、半田接続部中の260℃において溶融しないPbフリー金属部分の割合を比較的多くする（例えば60〜80体積％）ことにより、Cuリードフレームを用いて、220℃から280℃でAuワイヤー・ボンディングをすることも可能である。これは、Pbフリー金属部分の割合を多くすることより、半田接続部がある程度固定でき、Auワイヤーをボンディングする時に半田接続部が動いてしまってボンディングが出来なくなるようなことがないためである。
次に、このパワー半導体装置を基板へPbフリー半田を用いてリフロー半田付けする工程を模擬して、ピーク温度を260℃としたリフロー・プロファイルに３回通した。40個のパワー半導体装置について検討したが、フラッシュは１個もおきていなかった。これは、接続部中で260℃で再溶融するSnの部分の割合が約50体積％と少なかったことにより、溶融による体積膨張量が小さく、フラッシュが抑止できたものと考えられる。
半導体チップ2をリードフレーム3に実装し、実際の使用環境を模擬した-55℃〜150℃、1000サイクルの温度サイクル試験を行った後のダイボンド半田接続部4の断面写真を図7に、ダイボンド半田接続部4の剥離の状況を調べた結果を図8に示す。図7より、本案の半田箔を用いて形成されたダイボンド半田接続部4では、1000サイクル後でもクラック17の進展長は短く、剥離面積割合は要求信頼性を十分に満足している。
これより、1000回以上のサイクル信頼性を確保するためには、半田箔またはダイボンド半田接続部のPbフリー金属（Cu6Sn5）の割合が80重量％以下であることが望ましく、より望ましくは60重量％以下である。
半田箔中のCuの割合が10重量％となるようにSn-Ag(-Cu)系の共晶に近い半田のベース半田にCuを添加し、600℃に加熱することにより、Cuを完全にSnと反応させ、溶融させた。これを鋳型に流しこんで、室温まで冷却し、凝固させた。これをさらに冷間圧延して厚さ約100μmの合金箔を製造した。
ベース半田内には、Cu6Sn5が浮島状に析出していた。このCu6Sn5の全体に占める体積割合は約50％であった。この製造方法によれば、（組成１）に比べCu３Snなどの他のCuSn化合物は析出されず接続部の信頼性は高い。また、（組成１）に比べて半田のぬれ性が良好である。
この合金箔を用いたパワー半導体装置の製造プロセスは上記と同様である。製造したパワー半導体装置を基板へPbフリー半田を用いてリフロー半田付けする工程を模擬して、ピーク温度を260℃としたリフロー・プロファイルに３回通した。40個のパワー半導体装置について検討したが、フラッシュは１個もおきていなかった。
このパワー半導体装置を、実際の使用環境を模擬した-55℃〜150℃、1000サイクルの温度サイクル試験を行った後の接続部の剥離の状況を調べた結果を図9に示す。1000サイクル後の剥離面積割合は要求信頼性を十分に満足している。
これより、1000回以上のサイクル信頼性を確保するためには、半田箔またはダイボンド半田接続部のPbフリー金属（Cu6Sn5）の割合が80重量％以下であることが望ましく、より望ましくは60重量％以下である。
半田箔中のZnの割合が約55重量％となるように、Sn-9Zn共晶半田のベース半田にZnを添加し、500℃に加熱することにより、Znを完全に溶融させた。これを鋳型に流しこんで、室温まで冷却し、凝固させた。これをさらに冷間圧延して厚さ約100μmの合金箔を製造した。ベース半田内には、全体に占める体積割合で50重量％から55重量％のZnを主成分とする固相が浮島状に存在していた。
この合金箔を用いたパワー半導体装置の製造プロセスは実施例1と同様である。製造したパワー半導体装置を基板へPbフリー半田を用いてリフロー半田付けする工程を模擬して、ピーク温度を260℃としたリフロー・プロファイルに３回通した。40個のパワー半導体装置について検討したが、フラッシュは１個もおきていなかった。
このパワー半導体装置を、実際の使用環境を模擬した-55℃〜150℃、1000サイクルの温度サイクル試験を行った後の接続部の剥離の状況を調べた結果を図10に示す。1000サイクル後の剥離面積割合は要求信頼性を十分に満足している。
これより、1000回以上のサイクル信頼性を確保するためには、半田箔中のPbフリー金属（Znを主成分とする固相）の割合が80重量％以下であることが望ましく、より望ましくは60重量％以下である。
図１１は、その他の半田組成を用いて製造した半導体装置を用いた、260℃リフロー模擬におけるフラッシュの発生結果と接続信頼性試験の結果を示す。これより、260℃リフロー模擬時のフラッシュ抑止と接続信頼性を両立させるためには、Pbフリー金属がCu-Sn、Ag-Sn、Ni-Sn化合物、Znを主成分とする固相、またはAlを主成分とする固相の何れの場合でも、Pbフリー金属部分の割合を40〜80体積％の範囲とすることが必要であることが分かる。
比較実験として、特許文献１に開示されている半田材料を用いて、半導体装置を製造し、接続信頼性の実験を行った。具体的には、平均粒径30μmのN2アトマイズCu粉と平均粒径25μmのN2アトマイズSn粉を30：70の体積比でV型混合器を用いて乾式混合後、約300Mpaの圧力で、室温、大気中で、一軸加圧成形して、0.2ｍｍ厚の箔状にした。この箔を用いたパワー半導体装置の製造プロセスは実施例1と同様である。
このパワー半導体装置を基板へPbフリー半田を用いてリフロー半田付けする工程を模擬して、ピーク温度を260℃としたリフロー・プロファイルに３回通した。40個のパワー半導体装置について検討したが、フラッシュは１個もおきていなかった。これは、接続部中で260℃で再溶融するSnの部分の体積割合が約半分と少なかったことにより、溶融による体積膨張量が小さく、フラッシュが抑止できたものと考えられる。
しかし、実際の使用環境を模擬した-55℃〜150℃、200サイクルの温度サイクル試験では、半田剥離が生じた。図12は200サイクルの温度サイクル試験後の接続部の断面写真を、図13は接続部の剥離の状況を調べた結果を示す。図11より、200サイクル後で既に接続部内のクラックは完全につながっており、要求信頼性よりもはるかに短いサイクル数で全面剥離が生じてしまっていることが分かる。
これは、ダイボンド半田接続部内でCu粉同士がCu-Sn化合物のネットワークにより強固に接続されているため、接続部が硬すぎて、応力緩和機能が足りないために生じたものである。また、接続部内部の粉末表面の酸化物およびボイド起因のクラックも多発し、これもクラック進展を加速している。
よって、比較例の半田箔では、260℃リフロー温度におけるフラッシュを抑止することはできるが、耐クラック剥離などの接続信頼性の要求仕様を満足するのは難しい。
半導体装置のフラッシュ現象を示す図である。 本発明に係る半導体装置の一例を示す図である。 本発明に係る半田箔の製造方法の一例を示す図である。 本発明に係る半田箔の一例の断面写真である。 本発明に係る半導体モジュールの一例を示す図である。 本発明に係る半導体装置の製造方法の一例を示す図である。 本発明に係る半導体装置の温度サイクル試験後のダイマウント半田接続部の断面写真である。 本発明に係る半導体装置の半田接続部の温度サイクル試験結果の一例を示す図である。 本発明に係る半導体装置の半田接続部の温度サイクル試験結果の一例を示す図である。 本発明に係る半導体装置の半田接続部の温度サイクル試験結果の一例を示す図である。 本発明に係る半田箔の組成と接続信頼性を示す図である。 従来の半導体装置の温度サイクル試験後の半田接続部の断面写真である。 従来の半導体装置の半田接続部の温度サイクル試験結果の一例を示す図である。
符号の説明
１ 半導体装置
２ 半導体チップ（半導体素子）
３ リードフレーム
４ ダイボンド半田接続部
５ ボンディングワイヤー
６ 樹脂
７ リード
８ 基板
９ タブ部
１１ ボイド
１２ ベース半田
１３ Pbフリー金属
１４ 添加金属
１６ 半田箔
１７ クラック
２０ ロール

Claims (22)

  1. 半導体チップと、
    リードフレームの一部であるリード部およびタブ部と、
    前記半導体チップと前記タブ部を接続するダイボンド半田接続部と、
    前記半導体チップを封止する樹脂封止部を有する半導体装置であって、
    前記ダイボンド半田接続部は、Sn単体もしくはSnを主成分とするベース半田と、前記ベース半田内で浮島状に分布し260℃において溶融しない金属である鉛フリー金属とを備え、前記ベース半田にCu, Au, Fe, Ni, Pt, Agのいずれかの添加金属を添加して当該ベース半田と当該添加金属とを全部反応させて溶融させた後に、当該添加金属とSnとの反応物を前記鉛フリー金属として析出させ、当該鉛フリー金属を析出させた後の当該ベース半田により前記半導体チップと前記タブ部とを接続することにより製造したことを特徴とする半導体装置。
  2. 半導体チップと、
    リードフレームの一部であるリード部およびタブ部と、
    前記半導体チップと前記タブ部を接続するダイボンド半田接続部と、
    前記半導体チップを封止する樹脂封止部を有する半導体装置であって、
    前記ダイボンド半田接続部は鉛フリーのベース半田と鉛フリー金属を有し、前記半導体装置を実装基板に実装するときの体積膨張が3.5％以下であり、
    前記ベース半田は、Sn単体もしくはSnを主成分とする化合物であり、
    前記鉛フリー金属は前記半導体装置を実装基板に実装するときに溶融しない金属であり、さらに前記鉛フリー金属同士は金属結合せず、前記ベース半田内で前記鉛フリー金属が浮島状に分布し、
    前記ダイボンド半田接続部は、Sn単体もしくはSnを主成分とする前記ベース半田と、前記ベース半田内で浮島状に分布し260℃において溶融しない金属である前記鉛フリー金属とを備え、前記ベース半田にCu, Au, Fe, Ni, Pt, Agのいずれかの添加金属を添加して当該ベース半田と当該添加金属とを全部反応させて溶融させた後に、当該添加金属とSnとの反応物を前記鉛フリー金属として析出させ、当該鉛フリー金属を析出させた後の当該ベース半田により前記半導体チップと前記タブ部とを接続することにより製造したことを特徴とする半導体装置。
  3. 半導体チップと、
    リードフレームの一部であるリード部およびタブ部と、
    前記半導体チップと前記タブ部を接続するダイボンド半田接続部と、
    前記半導体チップを封止する樹脂封止部を有する半導体装置であって、
    前記ダイボンド半田接続部は、Sn単体もしくはSnを主成分とする化合物であるベース半田に少なくともCu、AgまたはNiのいずれかの金属を添加し、前記ベース半田の液相線および前記ベース半田と添加金属により形成される化合物の液相線以上の温度に加熱して前記ベース半田と添加金属を全部反応させ、前記ベース半田と添加金属との化合物である鉛フリー金属を前記ベース半田に浮島状に析出させ、その後圧延して形成した半田箔を用いて形成されたものであることを特徴とする半導体装置。
  4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
    前記ダイボンド半田接続部における前記鉛フリー金属の割合が40体積％から80体積％であることを特徴とする半導体装置。
  5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
    前記鉛フリー金属の大きさが3から15μmであることを特徴とする半導体装置。
  6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
    前記ベース半田がSn-Cu系半田またはSn-Ag-Cu系半田であることを特徴とする半導体装置。
  7. 請求項６に記載の半導体装置であって、
    前記ベース半田がSn-(0.7〜0.75wt％)Cu半田またはSn-3Ag-0.5Cu半田であることを特徴とする半導体装置。
  8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
    前記鉛フリー金属は、Cu-Sn化合物、Ni-Sn化合物、Ag-Sn化合物またはこれらの複合化合物であることを特徴とする半導体装置。
  9. 請求項８に記載の半導体装置であって、
    前記鉛フリー金属はCu6Sn5化合物であることを特徴とする半導体装置。
  10. 請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
    前記鉛フリー金属は、Znを主成分とする固相またはAlを主成分とする固相であることを特徴とする半導体装置。
  11. 請求項１から１０のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
    前記樹脂はエポキシ樹脂に硬化剤が混合された樹脂であり、前記ダイボンド半田接続部の溶融による体積膨張が2.0体積％以下であることを特徴とする半導体装置。
  12. 請求項１から１０のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
    前記樹脂はエポキシ樹脂にフィラーが混合された樹脂であり、前記ダイボンド半田接続部における前記鉛フリー金属の割合が60体積％から80体積％であることを特徴とする半導体装置。
  13. 請求項１から１０のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
    前記樹脂はシリコーン系樹脂、ポリイミド系樹脂、またはシリコーン系樹脂とポリイミド系樹脂とエポキシ系樹脂のうちの少なくとも2つの混成樹脂のいずれかであり、
    前記ダイボンド半田接続部の溶融による体積膨張が3.5体積％以下であることを特徴とする半導体装置。
  14. 請求項１から１３のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
    前記ベース半田と前記鉛フリー金属は相平衡状態になっていることを特徴とする半導体装置。
  15. 半導体チップと、
    電子部品と、
    前記半導体チップおよび前記電子部品を実装する第一の基板と、
    前記半導体チップおよび前記電子部品を樹脂により封止した樹脂封止部を有する電子装置であって、
    前記半導体チップと前記第一の基板はダイボンド半田接続による第一の半田接続部により接続され、前記電子部品と前記第一の基板は第二の半田接続部により接続され、
    前記第一の半田接続部は、Sn単体もしくはSnを主成分とするベース半田と、前記ベース半田内で浮島状に分布し260℃において溶融しない金属である鉛フリー金属とを備え、前記ベース半田にCu, Au, Fe, Ni, Pt, Agのいずれかの添加金属を添加して当該ベース半田と当該添加金属とを全部反応させて溶融させた後に、当該添加金属とSnとの反応物を前記鉛フリー金属として析出させ、当該鉛フリー金属を析出させた後の当該ベース半田により前記半導体チップと前記第一の基板とを接続することにより製造したものであり、
    前記第二の半田接続部は、前記第一の半田接続部と異なる半田材料によって形成されていることを特徴とする電子装置。
  16. 請求項１５に記載の電子装置であって、
    前記第二の半田接続部は、Sn単体もしくはSnを主成分とする化合物である第二のベース半田と第二の鉛フリー金属を有し、前記第二の鉛フリー金属同士は前記第二のベース半田と前記第二の鉛フリー金属により形成された化合物で連結されていることを特徴とする電子装置。
  17. 請求項１５または１６に記載の電子装置であって、
    前記第一の半田接続部は半田箔により形成され、前記第二の半田接続部はペースト半田により形成されたものであることを特徴とする電子装置。
  18. 請求項１から１４のいずれか１項に記載の半導体装置と前記半導体装置を実装する実装基板を有する実装構造体であって、
    前記半導体装置と前記実装基板は、Sn-Ag 系またはSn-Ag-Cu系の鉛フリー半田により形成された半田接続部により接続されていることを特徴とする実装構造体。
  19. 請求項１から１４のいずれか１項に記載の半導体装置と前記半導体装置を実装する実装基板を有する実装構造体であって、
    前記半導体装置と前記実装基板は、240℃から260℃のリフロー半田付けにより形成された半田接続部により接続されていることを特徴とする実装構造体。
  20. リードフレームのタブ部上に半田箔を供給する工程と、
    前記半田箔の上に半導体チップを配置する工程と、
    前記半田箔を溶融させて前記半導体チップと前記タブ部をダイボンド半田接続する工程と、
    前記半導体チップの電極と前記リードフレームのリードをワイヤボンディングする工程と、
    前記半導体チップを樹脂封止する工程を有する半導体装置の製造方法であって、
    Sn単体もしくはSnを主成分とするベース半田と、前記ベース半田内で浮島状に分布し260℃において溶融しない金属である鉛フリー金属とを備え、前記ベース半田にCu, Au, Fe, Ni, Pt, Agのいずれかの添加金属を添加して全部反応させて溶融させた後に、当該添加金属とSnとの反応物を前記鉛フリー金属として析出させることにより製造した半田箔を用いて、
    前記ダイボンド半田接続時に前記ベース半田のみを溶融させ、前記鉛フリー金属同士が金属結合していないダイボンド半田接続部を形成してダイボンド半田接続することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  21. 請求項２０に記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記タブ部との接続面にTi、Ni、Ag、Snの順に金属層が形成された前記半導体チップと前記タブ部をダイボンド半田接続することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  22. 請求項１から１４のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
    前記添加金属は、Cu, Ag, Niのいずれかであることを特徴とする半導体装置。
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