JP5439794B2 - 電子装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、はんだを介してリードフレームに電子部品を接合してなる電子装置およびそのような電子装置の製造方法に関する。

従来、リードフレームには加工性や、放熱性の観点からＣｕ（銅）材料を用いることが一般的である。そして、リードフレームの表面には、酸化防止や、はんだの濡れ性向上を目的として、Ｎｉメッキすることが一般的である。

ここで、リードフレームとはんだとの接合界面において、Ｃｕとはんだとの合金層が形成されるが、リードフレームのＣｕが当該合金層へ拡散していき、当該接合界面においてボイドが発生し、放熱性や接合性に問題が発生する。そのため、従来では、Ｎｉメッキの厚さを厚くする（たとえば１μｍ以上）ことで、この問題を回避してきた。

たとえば、特許文献１では、はんだ濡れ性の良い無電解Ｎｉメッキと、比較的拡散のしにくい電気Ｎｉメッキ層とを組み合わせることで、上記ボイドの抑制を行っているが、この手法では、メッキ工程を２回行う必要があり、コスト面でのデメリットがある。
特開２０００−３４９１１１号公報

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、母材がＣｕ合金よりなるリードフレームと電子部品とを、はんだを介して接合してなる電子装置において、母材表面上のＮｉメッキの厚さが不十分もしくは０の場合であっても、リードフレームの母材中のＣｕがはんだ側へ拡散するのを抑制し、リードフレームとはんだとの接合界面におけるボイドの発生を極力防止することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明においては、はんだ（３０）は、Ｓｎ−Ｃｕ合金を含むものであり、リードフレーム（１０）の母材（１１）は、当該母材全体を１００としたとき、Ｃｕが９７〜９９、Ｓｎが０．３〜２．３の重量比であるＣｕ−Ｓｎ合金よりなるものであり、リードフレーム（１０）の母材（１１）とはんだ（３０）との間には、Ｃｕとはんだ（３０）の成分との合金よりなる合金層（４０）が介在しており、母材（１１）と合金層（４０）、はんだ（３０）と合金層（４０）はそれぞれ、直接接していることを特徴とする。

本発明は、実験的に見出されたものである。そして、本発明によれば、リードフレーム（１０）の母材（１１）の表面に施すＮｉメッキ（１２）の厚さが不十分もしくは０の場合であっても、母材（１１）中のＣｕがはんだ（３０）側へ拡散するのを抑制し、リードフレーム（１０）とはんだ（３０）との接合界面におけるボイドの発生を極力防止することができる。

ここで、請求項２に記載の発明のように、はんだ（３０）は、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉの合金よりなるものにできる。

請求項３に記載の発明では、Ｃｕ合金よりなる母材（１１）の表面に、０．５μｍ以下の厚さのＮｉメッキ（１２）が施されてなるリードフレーム（１０）を用意し、リードフレーム（１０）に、はんだ（３０）を介して電子部品（２０）を接合する電子装置の製造方法であって、はんだ（３０）として、Ｓｎ−Ｃｕ合金を含むものを用い、リードフレーム（１０）の母材（１１）として、当該母材全体を１００としたとき、Ｃｕが９７〜９９、Ｓｎが０．３〜２．３の重量比であるＣｕ−Ｓｎ合金よりなるものを用いることを特徴とする。

本発明は、実験的に見出されたものであり、それによれば、リードフレーム（１０）の母材（１１）の表面に施すＮｉメッキ（１２）の厚さが不十分もしくは０の場合であっても、母材（１１）中のＣｕがはんだ（３０）側へ拡散するのを抑制し、リードフレーム（１０）とはんだ（３０）との接合界面におけるボイドの発生を極力防止することができる。

この製造方法においても、請求項４に記載の発明のように、はんだ（３０）としては、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉの合金よりなるものを用いることができる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

図１は、本発明の実施形態に係る電子装置の概略断面構成を示す図である。本実施形態の電子装置は、大きくは、リードフレーム１０と、リードフレーム１０に対向して配置された電子部品２０と、リードフレーム１０と電子部品２０との間に介在し、これら両部材１０、２０を接合するはんだ３０とを備えて構成されている。

まず、電子部品２０は、リードフレーム１０にはんだ接合可能な一般的な電子部品であればよいが、たとえば、電子部品２０としては、パワー素子、フリップチップ、コンデンサなどの受動素子などがあげられる。

次に、リードフレーム１０は、母材１１がＣｕ合金よりなるが、ここでは、母材１１は、Ｓｎを０．３重量％以上含有するＣｕ−Ｓｎ合金である。この０．３重量％以上とは、母材１１全体を１００としたときに、重量比で０．３以上ということである。

より具体的には、母材１１は、当該母材１１全体を１００としたとき、Ｃｕが９７〜９９、Ｓｎが０．３〜２．３の重量比であるＣｕ−Ｓｎ合金である。なお、このＣｕ−Ｓｎ合金は、不純物としてＮｉ、Ｐ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｆｅなどを含んでいてもよい。

また、ここでは、リードフレーム１０は、母材１１の表面にＮｉメッキ１２を施したものである。このＮｉメッキ１２は、無電解Ｎｉ−Ｐメッキでもよいし、電気Ｎｉメッキでもよい。

ここで、はんだ３０による接合前のリードフレーム１０では、Ｎｉメッキ１２は母材１１の表面に０．５μｍ以下の厚さで形成されたものであるが、この厚さは、従来のＮｉメッキの厚さ（たとえば１μｍ以上）に比べてかなり薄いものである。

そのため、はんだ３０による接合後では、図１に示されるように、リードフレーム１０の成分とはんだ３０の成分との合金層４０にＮｉメッキ１２が溶け込むため、Ｎｉメッキ１２が消滅している部位が発生している。図１では、リードフレーム１０とはんだ３０との接合界面にて、部分的にＮｉメッキ１２が残っているが、当該接合界面の全域にてＮｉメッキ１２が消滅していてもよい。

ここで、はんだ３０は、Ｓｎ−Ｃｕ合金を含むものである。具体的には、Ｓｎ−Ｃｕ合金を主成分とする（つまり、５０重量％以上）はんだ材料であり、好ましくは、Ｐｂを含まない鉛フリーはんだである。このようなはんだ３０としては、たとえば、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉはんだである。なお、はんだ３０には、さらに他の成分としてＦｅ、Ｚｒなどが含まれたものであってもよい。

また、上記合金層４０は、リードフレーム１０の成分とはんだ３０の成分との合金よりなるが、本実施形態では、さらに、Ｎｉメッキが溶け込んだ合金よりなる。つまり、本実施形態の合金層４０は、はんだ−Ｎｉ−Ｃｕ合金よりなる。

そして、リードフレーム１０とはんだ３０との接合界面にて、Ｎｉメッキ１２が消滅している部位では、母材１１とはんだ３０との間に合金層４０が介在し、母材１１と合金層４０とが直接接触するとともに、はんだ３０と合金層４０とが直接接触している。

次に、本実施形態の電子装置の製造方法について、図２も参照して述べる。図２は、本製造方法の工程図であり、各工程におけるワークを断面的に示したものである。

まず、図２（ａ）に示されるように、リードフレーム１０を用意する。このリードフレーム１０は、上記母材１１の表面に、０．５μｍ以下の厚さのＮｉメッキ１２が施されてなる。

次に、図２（ｂ）に示されるように、Ｎｉメッキ１２の表面に、はんだ３０を配置する。このはんだ３０の配置は、溶融状態のはんだ３０を塗布するダイボンド方式や、印刷などにより行われる。

次に、図２（ｃ）に示されるように、はんだ３０の上に電子部品２０を搭載し、はんだ接合を行う。上記ダイボンド方式の場合には、溶融状態のはんだ３０の上に、直接、電子部品２０を搭載し、はんだ３０を固化させる。上記印刷の場合には、電子部品２０を搭載した後、はんだ３０をリフローさせる。

このはんだ接合の熱により、はんだ３０の成分と母材１１のＣｕとが溶け合った合金層４０が形成されるとともに、母材１１の表面のＮｉメッキ１２は、上記図１に示されるように上記接合界面の一部において、または上記接合界面の全域において、合金層４０に溶け込んで消滅する。こうして、はんだ接合が終了すると、上記図１に示されるように、本実施形態の電子装置ができあがる。

ところで、上記した本実施形態の製造方法では、Ｓｎを０．３重量％以上含有するＣｕ合金よりなる母材１１の表面に、０．５μｍ以下の厚さのＮｉメッキ１２が施されてなるリードフレーム１０を用意し、このリードフレーム１０に、Ｓｎ−Ｃｕ合金を含むはんだ３０を介して電子部品２０を接合している。

それにより、リードフレーム１０の母材１１とはんだ３０との間には、Ｃｕとはんだ３０の成分との合金よりなる合金層４０が介在し、また、薄いＮｉメッキ１２が消滅することで、母材１１と合金層４０、はんだ３０と合金層４０がそれぞれ、直接接している構成が形成される。

そして、本実施形態では、このような製造方法および構成とすることにより、リードフレーム１０の母材１１の表面に施すＮｉメッキ１２の厚さが不十分もしくは０の場合であっても、母材１１中のＣｕがはんだ３０側へ拡散するのを抑制し、リードフレーム１０とはんだ３０との接合界面におけるボイドの発生を極力防止することができる。

このような本実施形態は、次に示すような実験検討の結果、得られたものである。上述したが、従来では、Ｃｕ合金よりなる母材の表面にＮｉメッキが施されてなるリードフレームに、はんだを介して電子部品を接合した場合、Ｎｉメッキの厚さが不十分であると、図３に示されるように、リードフレームの母材１１とはんだ３０との接合界面に、ボイド１００が発生する。

本発明者は、リードフレーム１０におけるＣｕ合金よりなる母材１１の構成を工夫することに着目し、上記ボイド１００の対策を試みた。そこで、当該母材１１として、以下の各サンプルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを用意した。ここで、母材全体を１００重量％としており、サンプルＡは実質的に純Ｃｕであるが、その他のサンプルＢ〜Ｄの残部はＮｉ、Ｆｅなどの不純物成分である。

サンプルＡ → 純Ｃｕ（Ｃｕ：９９．９６重量％以上）
サンプルＢ → Ｃｕ：９９重量％、Ｓｎ０．１重量％であるＣｕ−Ｓｎ合金
サンプルＣ → Ｃｕ：９９重量％、Ｓｎ０．３重量％であるＣｕ−Ｓｎ合金
サンプルＤ → Ｃｕ：９７重量％、Ｓｎ２．３重量％であるＣｕ−Ｓｎ合金。

そして、これらサンプルとしての各母材に対して、０．５μｍの厚さのＮｉメッキを形成し、その後、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉを主成分とするはんだ３０を介して、電子部品２０をはんだ接合し、高温放置による加速試験を行った。

この加速試験の後、断面研磨法により、母材とはんだとの界面を電子顕微鏡で観察した。その結果を図４、図５に示す。図４において、（ａ）はサンプルＡの接合界面を示す電子顕微鏡写真、（ｂ）はサンプルＢの接合界面を示す電子顕微鏡写真であり、図５において、（ａ）はサンプルＣの接合界面を示す電子顕微鏡写真、（ｂ）はサンプルＤの接合界面を示す電子顕微鏡写真である。

図４、図５に示されるように、各サンプルにおいて、はんだ接合界面では、Ｎｉメッキは合金層中へ拡散し消滅していることが確認された。また、サンプルＡ、Ｂでは、界面にボイドが発生し、それが観察面のほぼ全面に広がっているのに対し、サンプルＣ、Ｄでは小さなボイドがわずかに存在するだけである。

この実験結果より、Ｃｕに添加するＳｎの量は０．３重量％以上が望ましいことがわかった。以上が、本実施形態において、Ｓｎを０．３重量％以上含有するＣｕ合金よりなる母材１１の表面に、０．５μｍ以下の厚さのＮｉメッキ１２が施されてなるリードフレーム１０に対して、Ｓｎ−Ｃｕ合金を含むはんだ３０を介して電子部品２０を接合することの根拠である。

また、上記実験検討におけるサンプルＣおよびサンプルＤの結果に基づくならば、リードフレーム１０の母材１１は、当該母材１１全体を１００重量％としたとき、Ｃｕが９７〜９９重量％、Ｓｎが０．３〜２．３重量％の組成であるＣｕ−Ｓｎ合金よりなることが好ましい。また、上記実験検討に基づくならば、はんだ３０は、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉの合金よりなるものが好ましい。

なお、上記実験検討では、Ｎｉメッキ１２は、母材１１表面の酸化防止のために設けられる程度のものであり、はんだ接合後には消滅してもかまわない程度の薄いものである。それゆえ、母材１１表面の酸化が防止される雰囲気ではんだ接合が行われるならば、母材１１にＮｉメッキが施されていなくてもよい。

つまり、本実施形態のリードフレーム１０は、Ｓｎを０．３重量％以上含有するＣｕ合金よりなる母材１１のみで構成されたものであってもよく、この場合、母材１１に直接、はんだ３０が接触して接合がなされる。この場合、はんだ接合後には、当然ながらＮｉメッキは存在しないが、上記合金層４０は存在する。

それゆえ、この場合でも、Ｓｎを０．３重量％以上含有するＣｕ合金よりなる母材１１のみよりなるリードフレーム１０に対して、Ｓｎ−Ｃｕ合金を含むはんだ３０を介して電子部品２０を接合すれば、同様の効果が得られるものと推定される。

このように、本実施形態では、Ｎｉメッキは、母材１１のＣｕのはんだ側への拡散を抑制するのに必要な厚さを確保しなくてもよく、母材１１の酸化防止をする程度の薄さであれば、あるいは、Ｎｉメッキが無いものであってもよい。

そして、このようなリードフレーム１０について、上記母材１１の材質やはんだ３０の材質を規定することにより、母材１１中のＣｕのはんだ３０側への拡散を抑制し、上記ボイドの発生を極力防止できるものである。

本発明の実施形態に係る電子装置の概略断面図である。 上記実施形態に係る電子装置の製造方法を示す工程図である。 従来の電子部品において接合界面にボイドが発生した状態を模式的に示す概略断面図である。 （ａ）はサンプルＡの接合界面を示す電子顕微鏡写真、（ｂ）はサンプルＢの接合界面を示す電子顕微鏡写真である。 （ａ）はサンプルＣの接合界面を示す電子顕微鏡写真、（ｂ）はサンプルＤの接合界面を示す電子顕微鏡写真である。

符号の説明

１０ リードフレーム
１１ リードフレームの母材
１２ Ｎｉメッキ
２０ 電子部品
３０ はんだ
４０ 合金層

Claims (4)

1. 母材（１１）がＣｕ合金よりなるリードフレーム（１０）と、
   前記リードフレーム（１０）に対向して配置された電子部品（２０）と、を備え、
   前記リードフレーム（１０）と前記電子部品（２０）とが、はんだ（３０）を介して接合されてなる電子装置において、
   前記はんだ（３０）は、Ｓｎ−Ｃｕ合金を含むものであり、
   前記リードフレーム（１０）の前記母材（１１）は、当該母材全体を１００としたとき、Ｃｕが９７〜９９、Ｓｎが０．３〜２．３の重量比であるＣｕ−Ｓｎ合金よりなるものであり、
   前記リードフレーム（１０）の前記母材（１１）と前記はんだ（３０）との間には、Ｃｕと前記はんだ（３０）の成分との合金よりなる合金層（４０）が介在しており、前記母材（１１）と前記合金層（４０）、前記はんだ（３０）と前記合金層（４０）はそれぞれ、直接接していることを特徴とする電子装置。
2. 前記はんだ（３０）は、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉの合金よりなることを特徴とする請求項１に記載の電子装置。
3. Ｃｕ合金よりなる母材（１１）の表面に、０．５μｍ以下の厚さのＮｉメッキ（１２）が施されてなるリードフレーム（１０）を用意し、
   前記リードフレーム（１０）に、はんだ（３０）を介して電子部品（２０）を接合する電子装置の製造方法であって、
   前記はんだ（３０）として、Ｓｎ−Ｃｕ合金を含むものを用い、
   前記リードフレーム（１０）の前記母材（１１）として、当該母材全体を１００としたとき、Ｃｕが９７〜９９、Ｓｎが０．３〜２．３の重量比であるＣｕ−Ｓｎ合金よりなるものを用いることを特徴とする電子装置の製造方法。
4. 前記はんだ（３０）として、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉの合金よりなるものを用いることを特徴とする請求項３に記載の電子装置の製造方法。