JP5160256B2 - 半導体装置の表面実装構造 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置の表面実装構造および半導体装置の表面実装構造の設計方法に関するものであり、特に、収容した半導体素子が電気的に接続される導電性のケースと、該ケースに収容される半導体素子が電気的に接続されて当該ケースから導出される外部リードとを備えた半導体装置の表面実装構造および半導体装置の表面実装構造の設計方法に関するものである。

半導体装置の表面実装構造が特許文献１に開示されている。該特許文献によれば、外部リードの先端に傾斜面２ａを有するように加工を施すことを開示しており、このように傾斜面２ａを施すことで半導体装置を検査するとき、検査用のソケットに施した金メッキ層に角が接触してメッキ剥がれを招くことを防止することができる。

また、半導体装置を実装する際には、外部リードの先端形成する傾斜面２ａによって、良好な半田フィレットを形成することができる。

ところで、半導体装置には、図３に示すような構造の半導体装置も存在する。この半導体装置は、導電性のケースに半導体素子を収容し、収容した半導体素子とケースとを電気的に接続すると共に、外部リードにも電気的に接続する。半導体素子に電気的に接続された外部リードはケースの開口から導出されており、その先端が実装基板に表面実装される。尚、ケース自体も実装基板に表面実装されており、具体的には倒立させたケースの外側面が実装基板に表面実装される。

また前記した従来の半導体装置は、ケースが外側面から底面に渡って湾曲するような形状を有している。このため、ケースを実装基板に表面実装する際の半田を湾曲を利用した表面張力で吸い上げ易く、良好な半田フィレットを形成し易い。
特開平１０−２８４６７４ 第3回マイクロエレクトロニクスシンポジウム（MES ８９）、１９８９年7月東京において、株式会社ムラタ製作所 中央研究所の安部可伸氏および高橋孝雄氏によって「マンハッタン現象とランド設計」と題して発表の予稿Ｐ２１９

前記した半導体装置は、図４に示すように、外部リードがケースの開口から導出されており、ケースのサイズと比較して明らかに小さく、重量的にもケースの方が外部リードよりも重く、当該半導体装置における重量バランスはケース側にある。

半導体装置が表面実装される実装基板上には配線パターンが予め形成されており、該配線パターン上の所望の位置に半田が予め塗布されている。この上に半導体装置のケースの側面および外部リードの先端が接するように配置されており、熱を加えることで半田が溶融して、実装基板と半導体装置とが半田によって電気的に接続される。

ところで、前記した表面実装において、ケースと外部リードとの熱伝導率の違いから、外部リード先端下の半田がケース外側面下の半田よりも早く溶融する。また半導体装置は、重心がケース本体側にあり、またケースの湾曲元に支点がある為、ケースの湾曲によって形成される半田フィレットによる表面張力がγ２で示す斜め下方向に強く働く（図４参照）。

この表面張力は、非特許文献１に開示されているようにマンハッタン現象（マンハッタン現象については、株式会社ムラタ製作所 中央研究所の安部可伸氏および高橋孝雄氏によって、「マンハッタン現象とランド設計」と題して、１９８９年7月東京にて開催された第3回マイクロエレクトロニクスシンポジウムにおいて発表されている）と似たような現象と思われる。

以上述べたように従来の半導体装置は、表面張力によってケースが引かれること、更に重心がケース側にあることにより、表面実装する際に外部リードの先端が実装基板から浮き易くなり、半田不良を招き易い。

そこで、本発明は上記した事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は半田不良の発生を防止し得る半導体装置の表面実装構造を提供することにある。

本発明は、前記目的を達成するために、収容した半導体素子が電気的に接続される導電性のケースと、該ケースに収容される半導体素子が電気的に接続されて当該ケースの底面と対向する側から導出される外部リードとを備えた半導体装置であり、半導体装置の重心がケースに有り、ケースの外側面と外部リードの接続面とが実装基板に接するように表面実装される半導体装置の表面実装構造において、導出された外部リードは、ケースの外側面と同じ面高さの接続面を得るための屈曲部および該屈曲部から先の先端において端に向かうに従い厚さ寸法が低減する面取り部を有し、ケースは、外側面から底面に渡って湾曲して成る湾曲部を有し、溶融した半田が接する箇所の曲率に基づいて形成される半田フィレットの表面張力は半田フィレットの大きさに応じており、面取り部及び湾曲部には溶融した半田が接する箇所で、該箇所の曲率に応じて半田フィレットが形成され、半田フィレットの表面張力は、当該半田フィレットの大きさに基づいているとするとき、湾曲部において形成される第１半田フィレットによる第１表面張力と、面取り部において形成される第２半田フィレットによる第２表面張力との関係が、湾曲部とケースの外側面との境界を支点とし、該支点からケースの底面までの垂直な距離を第１距離、支点から外部リードの先端の端までの距離を第２距離とするとき、（第１表面張力＊第１距離）＜（第２表面張力＊第２距離）の関係を満たすことを特徴とする。

支点から外部リードの屈曲部までの距離を第３距離および支点からケースの開口までの距離を第４距離とするとき、屈曲部において形成される第３半田フィレットによる第３表面張力と、ケースの開口する側の外側面の端に形成される第４半田フィレットによる第４表面張力とを更に加味し、（第１表面張力＊第１距離）＋（第３表面張力＊第３距離）＜（第２表面張力＊第２距離）＋（第４表面張力＊第４距離）の関係を満たすことを特徴とする。

本発明によれば、ケースは、外側面から底面に渡って湾曲して成る湾曲部において形成される第１半田フィレットによる第１張力と、外部リードの先端において端に向かうに従い厚さ寸法が低減する面取り部において形成される第２半田フィレットによる第２張力との関係が、湾曲部とケースの外側面との境界を支点とし、該支点からケースの底面までの垂直な距離を第１距離、支点から前記外部リードの先端の端までの距離を第２距離とするとき、（第１張力＊第１距離）＜（第２張力＊第２距離）の関係を満たす。

これにより、半導体装置の重心がケース側にあり、ケースと外部リードとの熱伝導率の違いで外部リード先端下の半田がケース外側面下の半田よりも早く溶融するような場合であっても、支点からの一方向の距離と第１半田フィレットによる張力とを加味した張力関係と、支点からの他方向の距離と第２半田フィレットによる張力とを加味した張力関係とのバランス関係が、外部リード側にあることから、外部リードの先端が実装基板から浮くことがなく、半田不良の発生を防止することができる。

先ず、本発明の半導体装置の表面実装構造の説明に先立ち、半導体装置について説明を行う。

半導体装置１０は、図１に示すように半導体素子１と、該半導体素子１を収容するケース２と、前記半導体素子１に電気的に接続されて前記ケース２から導出される外部リード３と、ケース内に充填される樹脂４とを備えており、その外観形状は外部リード３の先端形状を除いて図３に示す従来の半導体装置と同じである（外部リード３の先端形状を除く外観形状については、図３を適宜引用参照）。

半導体素子１は、例えば従来から知られたダイオードであり、アノードおよびカソードのための電極がそれぞれ設けられており、ケース２内底に銅製のベース板（図示省略）を介して配置された状態で電極の一方がケース２に電気的に接続されている。尚、他方の電極は外部リード３に電気的に接続されている。

半導体素子１を収容するケース２は導電性を有する金属ケースであり、金属性の板部材に絞り加工を施して形成される。絞り加工により形成されるケース２は、外側面２１から底面２２に渡って湾曲を有しており、この湾曲している部位を湾曲部２３と称して以降の説明を行う。

ところで、ケース２はケース２の外側面２１が実装面と対向するように倒立させた状態で実装基板上に実装される。

外部リード３は、一方端がケース２内に収容される半導体素子１と電気的に接続されており、ケース２から導出された他方端は、ケース２の外側面２１と同じ面高さとなる接続面３１を有するように折り曲げ加工が施されて屈曲部３２が形成されている。

また、外部リード３は、正面および側面等から見てケース２から導出された部位よりも接続面３１の幅が広くなるように形成されており、この広く形成された接続面３１によって、十分な接続面積を得て安定した状態で実装基板上に実装することができる。

外部リード３は、図１に示すように屈曲部３２から先の先端、すなわち接続面３１の先端において端に向うに従い厚さ寸法が次第に低減する面取り部３３を有している。面取り部３３は、その形状により外部リード３が実装基板上に表面実装される際の半田フィレットを良好に形成することができる。

樹脂４は、従来から知られた絶縁性を有するものであり、ケース２の内底に配置される半導体素子１を保護する。

ところで、半導体装置１０の重心は基本的に図１に示すようにケース側に在る。この半導体装置１０の重心位置は、ケース２の肉厚や形状、外部リード３の形状、ケース２内に供給される樹脂量等によって適宜調節されている。

次に、前記した半導体装置を用いた表面実装構造について説明する。
半導体装置が表面実装される実装基板上には配線パターン５が予め形成されており、該配線パターン上の所望の位置にはんだ６および７が予め塗布されている。この上に半導体装置１０のケース２の外側面２１および外部リード３の先端が接するように配置されており、熱を加えることではんだ６および７が溶融して、実装基板と半導体装置１０とがはんだ６および７によって電気的に接続される。

また半導体装置１０と配線パターン５との間に設けられたはんだ６および７が溶融することで、図１に示すように複数の半田フィレットが形成される。具体的にははんだ７の溶融によって湾曲部２３において第１半田フィレットおよび外側面２１の開口において第３半田フィレットが形成され、はんだ６の溶融によって面取り部３３において第２半田フィレットが形成され、屈曲部３２において第４半田フィレットが形成される。

ところで半導体装置１０は、重心がケース２側にあり、また表面実装する際にはケース２の湾曲部２３元が支点２４となる為、湾曲部２３によって形成される第１半田フィレットによる張力がγ１で示す斜め下方向に強く働く。

同様に第２半田フィレットによる張力γ２もγ３と同様に斜め下方向に弱く働く。また第４半田フィレットによる張力γ４および第２半田フィレットによる張力γ２は、図１に示すようにγ１と斜め下反対方向に働き、特に第２半田フィレットによる張力γ２は、強く働く。

具体的には、図２に示すように、本発明の外部リード３の先端には面取り部３３が形成されており、従来と比較して良好な形状の半田フィレット（第２半田フィレット）が形成されるため、この半田フィレットによって界面張力の増加を図ることができ、もって張力γ２が強くなる。

前記したように各表面張力の強さの違いは、半田フィレットの形状に因るものであり、一般的には形成される半田フィレットの大きさに応じて表面張力は強い。また半田フィレットの大きさは、溶融した半田が接する箇所の曲率に基づいており、例えば湾曲部２３の曲率は溶融した半田が接する他の箇所と比較して大きいことから、最も大きな半田フィレット（第１半田フィレット）が形成され、この半田フィレットによる表面張力は他の箇所よりも強い。

ところで、図１に示すように第１半田フィレットによる張力γ１（第１張力）の基点と支点２４との水平距離を第１距離とし、第２半田フィレットによる張力γ２（第２張力）の基点と支点２４との水平距離を第２距離とし、第３半田フィレットによる張力γ３（第３張力）の基点と支点２４との水平距離を第３距離とし、第４半田フィレットによる張力γ４（第４張力）の基点と支点２４との水平距離を第４距離とするとき、距離と張力が次の式に示す関係が保つように設計されている。

（第１張力＊第１距離）＜（第２張力＊第２距離）・・・・（式１）
式１に示す関係は、支点からの距離が考慮され、一方の方向の第１張力が、その張力の向きと対向する他方の方向の第２張力より弱いことを表している。

ところで、前記した式１の関係は、より厳密に示せば式２に示す関係となる。
（第１張力＊第１距離）＋（第３張力＊第３距離）＜（第２張力＊第２距離）＋（第代４張力＊第４距離）・・・・（式２）
式２では、第３張力と第３距離とを加味した張力関係と、第４張力と第４距離とを加味した張力関係とが更に考慮されている。

尚、第３張力と第３距離とを加味した張力関係と第４張力と第４距離とを加味した張力関係は、式１における第１張力と第１距離とを加味した張力関係および第２張力と第２距離とを加味した張力関係などと比較して、支点からの距離が短く、また形成される半田フィレットの大きさも小さいことから、その張力関係による影響は小さい。

前記した式は、支点からの一方向の距離（第１距離）と第１半田フィレットによる第１張力γ１を加味した張力関係と、支点からの他方向の距離（第２距離）と第２半田フィレットによる第２張力γ２とを加味した張力関係とのバランス関係が、ケース２側では無く外部リード３側にあることを示している。

従って、ケース２と外部リード３との熱伝導率の違いから、外部リード３先端下のはんだ６がケース外側面下のはんだ７よりも早く溶融しても、外部リード３先端の接続面３１が実装基板から浮くことがない。従って、本発明の半導体装置１０は、外部リード３先端の接続面３１が実装基板から浮くことがないため、半田不良の発生を防止することができる。

尚、前記した式関係を満たすために、外部リード３の面取り部３３の形状変更を適宜行うことが好ましい。つまり第１張力＊第１距離を加味した張力関係に対し、第２張力＊第２距離を加味した張力関係が支点２４から最も離れた対向する位置関係にあり、その位置に形成される第２半田フィレットのための面取り部３３の形状を適宜変更することが最も効果的である。

本発明の半導体装置の表面実装構造の特長を示す図である。 従来および本発明の外部リードの先端の半田の濡れ状態を示す比較図である。 半導体装置の構造を示す外観図である。 従来の半導体装置の表面実装構造の課題を示す図である。

符号の説明

１ 半導体素子
２ ケース
３ 外部リード
４ 樹脂
５ 配線パターン
６、７ はんだ
１０ 半導体装置
２１ 外側面
２２ 底面
２３ 湾曲部
２４ 支点
３１ 接続面
３２ 屈曲部
３３ 面取り部

Claims (2)

1. 収容した半導体素子が電気的に接続される導電性のケースと、該ケースに収容される半導体素子が電気的に接続されて当該ケースの底面と対向する側から導出される外部リードとを備えた半導体装置であり、前記半導体装置の重心は前記ケースに有り、前記ケースの外側面と前記外部リードの接続面とが実装基板に接するように表面実装される半導体装置の表面実装構造において、
   導出された前記外部リードは、前記ケースの外側面と同じ面高さの接続面を得るための屈曲部および該屈曲部から先の先端において端に向かうに従い厚さ寸法が低減する面取り部を有し、
   前記ケースは、外側面から底面に渡って湾曲して成る湾曲部を有し、
   溶融した半田が接する箇所の曲率に基づいて形成される半田フィレットの表面張力は半田フィレットの大きさに応じており、
   前記面取り部及び湾曲部には溶融した半田が接する箇所で、該箇所の曲率に応じて半田フィレットが形成され、前記半田フィレットの表面張力は、当該半田フィレットの大きさに基づいているとするとき、
   前記湾曲部において形成される第１半田フィレットによる第１表面張力と、
   前記面取り部において形成される第２半田フィレットによる第２表面張力との関係が、前記湾曲部と前記ケースの外側面との境界を支点とし、該支点から前記ケースの底面までの垂直な距離を第１距離、前記支点から前記外部リードの先端の端までの距離を第２距離とするとき、
   （第１表面張力＊第１距離）＜（第２表面張力＊第２距離）の関係を満たすことを特徴とする半導体装置の表面実装構造。
2. 前記支点から前記外部リードの前記屈曲部までの距離を第３距離および前記支点から前記ケースの開口までの距離を第４距離とするとき、
   前記屈曲部において形成される第３半田フィレットによる第３表面張力と、
   前記ケースの開口する側の外側面の端に形成される第４半田フィレットによる第４表面張力とを更に加味し、
   （第１表面張力＊第１距離）＋（第３表面張力＊第３距離）＜（第２表面張力＊第２距離）＋（第４表面張力＊第４距離）の関係を満たすことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の表面実装構造。