JP5533619B2

JP5533619B2 - 半導体装置

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Publication number: JP5533619B2
Application number: JP2010278318A
Authority: JP
Inventors: 修一伊藤; 宣正半田; 俊夫鈴木
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2010-12-14
Filing date: 2010-12-14
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2030-12-14
Also published as: JP2012125786A

Description

本発明は、はんだを用いることで半導体素子が被接合部材に接合される半導体装置に関するものである。

従来、はんだを用いることで半導体素子が被接合部材に接合される半導体装置に関する技術として、下記特許文献１に開示される半導体素子のマウント方法が知られている。この半導体素子のマウント方法では、リードフレームのヘッド部にはんだを供給してこのはんだ層を介して半導体素子をヘッド部に取り付けた後にリードフレームに対してスパンカ等で超音波振動を付与することで、はんだ層での巣の発生を抑制している。

また、下記特許文献２に開示される半導体チップの接着方法では、表面に溝を形成した半導体支持基板に溶融はんだを滴下し、この溶融はんだを加圧面に突起部を有するはんだ拡張治具により加圧することで、溶融はんだが半導体支持基板上に形成した溝に沿って拡がり、溶融はんだの厚みがはんだ拡張治具の突起部の高さと同程度に形成される。その後、半導体チップを溶融はんだの上部より圧着することにより、溶融はんだは半導体支持基板上に形成した溝に沿って半導体チップの外側に拡がる。このとき半導体支持基板の表面に形成された溝は、半導体支持基板の表面積を増す役目を果たし、溶融はんだが半導体支持基板側に引き寄せられ半導体チップ下のはんだの厚みを増すことを防止し、半導体チップと半導体支持基板間に気泡が発生するのを抑制している。

また、下記特許文献３に開示されるプリント板はんだ付け構造では、プリント板をはんだ付けする金属ケースの平面には、プリント板の大きさに応じて複数の溝部が設けられている。このとき、はんだの濡れ性やはんだの表面張力、およびはんだ付け時の熱分布状態等を考慮して各溝部の幅および数を選定して溝端部に余分なはんだを溜めることで、不安定な状態ではんだ付けされる部分を無くしている。

特公平０８−０１２８７８号公報特開平０５−０８２５６８号公報実開平０５−０７２１８２号公報

しかしながら、上記特許文献１のようにスパンカを用いてはんだに超音波を付与しても、その振動方向によってはんだの濡れ広がりがばらつくために、このはんだを用いた半導体素子の実装（接合）に悪影響を及ぼすという問題がある。また、上記特許文献２の接着方法のように単に複数の溝部が設けられてもスパンカ等を用いるために同様の悪影響が生じることとなる。また、上記特許文献３のはんだ付け構造のように、溝端部に余分なはんだを溜める構造では、はんだの厚さは制御できてもはんだの濡れ広がりを制御することができず、同様の悪影響が生じることとなる。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、半導体素子を被接合部材に対して確実にはんだ接合し得る半導体装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、特許請求の範囲に記載の請求項１の半導体装置では、はんだを用いることで半導体素子が被接合部材にはんだ接合される半導体装置であって、前記被接合部材の接合面には、内方に塗布された前記はんだの外方への流出を防止する環状溝が形成されており、前記接合面のうち前記環状溝内の中心の近傍には、前記はんだに対する濡れ性を変化させた第１表面状態と第２表面状態とが前記中心から外方に向けて放射状に区分けされるように設けられ、前記第１表面状態および前記第２表面状態は、前記環状溝に連通しないように当該環状溝内に形成される放射状溝とこの放射状溝が形成されない表面とにより前記はんだに対する濡れ性を変化させるように設けられることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の半導体装置において、前記第１表面状態および前記第２表面状態は、前記放射状溝と、前記環状溝内において表面粗さの差とめっき処理とを含めた表面状態を変化させる構成の少なくともいずれか１つとの組み合わせにより前記はんだに対する濡れ性を変えるように設けられることを特徴とする。

請求項１の発明では、半導体素子がはんだ接合される被接合部材の接合面には、内方に塗布されたはんだの外方への流出を防止する環状溝が形成されている。そして、接合面のうち環状溝内の中心の近傍には、はんだに対する濡れ性を変化させた第１表面状態と第２表面状態とが上記中心から外方に向けて放射状に区分けされている。

このため、接合面の環状溝の中心に塗布されたはんだは、第１表面状態および第２表面状態のうち濡れ性の良い表面でより濡れ広がるため、放射状に濡れ広がることとなる。これにより、接合面上にてはんだの濡れ広がり方向が制御されて、不均一なはんだの濡れ広がりを防止することができる。さらに、濡れ広がったはんだは、環状溝に流れ込むことでそれ以上外方に流出しないので、所望の範囲を超えるはんだの濡れ広がりを抑制することができる。
したがって、はんだが所望の範囲に均一に濡れ広がるため、半導体素子を被接合部材に対して確実にはんだ接合することができる。

特に、第１表面状態および第２表面状態は、環状溝に連通しないように当該環状溝内に形成される放射状の溝とこの溝が形成されない表面とによりはんだに対する濡れ性を変化させるように設けられる。これにより、環状溝内に当該環状溝に連通しない放射状の溝を形成するだけで、はんだに対する濡れ性を変化させた第１表面状態および第２表面状態を容易に設けることができる。

請求項２の発明では、第１表面状態および第２表面状態は、放射状溝と、環状溝内において表面粗さの差とめっき処理とを含めた表面状態を変化させる構成の少なくともいずれか１つとの組み合わせによりはんだに対する濡れ性を変えるように設けられる。これにより、放射状溝に加えて、表面粗さの差やめっき処理等により表面状態を放射状に区分けされるように変化させるだけで、はんだに対する濡れ性を変化させた第１表面状態および第２表面状態を容易に設けることができる。

第１実施形態に係る半導体装置を示す説明図であり、図１（Ａ）は、上面図を示し、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の１Ｂ−１Ｂ線相当の切断面による断面図である。図１の接合面の状態を示す上面図である。図１の接合面に対するはんだの塗布状態示す斜視図である。図１の接合面に対するはんだの濡れ広がりを示す説明図であり、図４（Ａ）は、はんだの塗布直後の状態を示し、図４（Ｂ）は、はんだの濡れ広がり中の状態を示し、図４（Ｃ）は、はんだの濡れ広がり終了時の状態を示す。図５（Ａ）は、第１実施形態の第１変形例に係る半導体装置の要部を示す説明図であり、図５（Ｂ）は、第１実施形態の第２変形例に係る半導体装置の要部を示す説明図である。図６（Ａ）は、第１実施形態の第３変形例に係る半導体装置の要部を示す説明図であり、図６（Ｂ）は、第１実施形態の第４変形例に係る半導体装置の要部を示す説明図である。接合面に形成される溝の参考形状を例示する説明図である。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態に係る半導体装置１０について、図面を参照して説明する。図１は、第１実施形態に係る半導体装置１０を示す説明図であり、図１（Ａ）は、上面図を示し、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の１Ｂ−１Ｂ線相当の切断面による断面図である。図２は、接合面１２の状態を示す上面図である。

半導体装置１０は、はんだを用いることで半導体素子が被接合部材に接合されて構成されており、図１（Ａ），（Ｂ）に例示するように、ＩＣ素子２０がはんだ３０を用いてリードフレーム１１の接合面１２上にはんだ接合（ダイボンディング）されている。なお、リードフレーム１１およびＩＣ素子２０は、特許請求の範囲に記載の「被接合部材」および「半導体素子」の一例に相当し得る。

図１および図２に示すように、接合面１２には、区形状の環状溝１３と、この環状溝１３の内方に放射状溝１４とが形成されている。環状溝１３は、はんだ接合されるＩＣ素子２０よりも範囲が広くなるように形成されており、その内方に塗布されたはんだ３０の外方への流出を防止する機能を有する。なお、環状溝１３は、一辺が４ｍｍの矩形状で深さが０．１５ｍｍとなるように形成されているが、これに限らず、例えば、円環状に形成されてもよいし、ＩＣ素子２０よりも範囲が狭くなるように形成されてもよい。

放射状溝１４は、環状溝１３の中心１３ａを基準にして放射状に広がるように形成されている。具体的には、放射状溝１４は、中心１３ａを基準に当該環状溝１３に連通することなく８本の溝が等間隔に配置されるように形成される。これにより、環状溝１３の内側において、はんだ３０が比較的濡れ広がりやすい第１表面状態Ｓ１が放射状溝１４により構成され、はんだ３０が比較的濡れ広がりにくい第２表面状態Ｓ２が放射状溝１４が形成されない表面により構成される。すなわち、接合面１２のうち環状溝１３内の中心１３ａの近傍には、はんだに対する濡れ性を変化させた第１表面状態Ｓ１と第２表面状態Ｓ２とが中心１３ａから外方に向けて放射状に区分けされるように設けられることとなる。なお、放射状溝１４は、その深さが、例えば、０．０５ｍｍとなるように形成されている。

次に、このように構成される接合面１２に塗布されたはんだ３０の濡れ広がり状態について、図３および図４を用いて説明する。図３は、接合面１２に対するはんだ３０の塗布状態示す斜視図である。図４は、接合面１２に対するはんだ３０の濡れ広がりを示す説明図であり、図４（Ａ）は、はんだ３０の塗布直後の状態を示し、図４（Ｂ）は、はんだ３０の濡れ広がり中の状態を示し、図４（Ｃ）は、はんだ３０の濡れ広がり終了時の状態を示す。

まず、図３に示すように、リードフレーム１１の接合面１２のうち環状溝１３の中心１３ａに対してはんだ３０を塗布する。なお、本実施形態では、はんだ３０の塗布方法としてはんだ供給装置４０を用いた糸はんだによる塗布方法が採用されているが、これに限らず、例えば、はんだボールやはんだ箔による塗布方法を採用してもよい。また、複数のリードフレーム１１の接合面１２のそれぞれにはんだ３０を塗布する場合には、はんだ供給装置４０を移動させて各接合面１２にはんだ３０を塗布してもよいし、複数のはんだ供給装置４０を用いて複数の接合面１２に対してはんだ３０を同時に塗布してもよい。

上述のようなはんだ塗布直後では、はんだ３０は、図４（Ａ）に例示するように、環状溝１３の中心１３ａ近傍に位置している。そして、はんだ３０が中心１３ａから濡れ広がる際、第１表面状態Ｓ１ではより濡れ広がり、第２表面状態Ｓ２では濡れ広がりにくいため、図４（Ｂ）に例示するように、はんだ３０が放射状に濡れ広がる。

そして、さらにはんだ３０が濡れ広がると、第１表面状態Ｓ１を濡れ広がるはんだ３０が環状溝１３内に流れ込み、その後、第２表面状態Ｓ２を濡れ広がるはんだ３０が環状溝１３内に流れ込む。このように、濡れ広がるはんだ３０がばらつくことなく環状溝１３内に流れ込むので、はんだ３０の濡れ広がりを、所望の範囲内、具体的には、環状溝１３の範囲内に好適に抑制することができる。

以上説明したように、本実施形態に係る半導体装置１０では、ＩＣ素子２０がはんだ接合されるリードフレーム１１の接合面１２には、内方に塗布されたはんだ３０の外方への流出を防止する環状溝１３が形成されている。そして、接合面１２のうち環状溝１３内の中心１３ａの近傍には、はんだ３０に対する濡れ性を変化させた第１表面状態Ｓ１と第２表面状態Ｓ２とが上記中心１３ａから外方に向けて放射状に区分けされている。

このため、接合面１２の環状溝１３の中心１３ａに塗布されたはんだ３０は、濡れ性の良い表面（第１表面状態Ｓ１）でより濡れ広がるため、放射状に濡れ広がることとなる。これにより、接合面１２上にてはんだ３０の濡れ広がり方向が制御されて、不均一なはんだ３０の濡れ広がりを防止することができる。さらに、濡れ広がったはんだ３０は、環状溝１３に流れ込むことでそれ以上外方に流出しないので、所望の範囲を超えるはんだ３０の濡れ広がりを抑制することができる。
したがって、はんだ３０が所望の範囲に均一に濡れ広がるため、ＩＣ素子２０をリードフレーム１１の接合面１２に対して確実にはんだ接合することができる。

特に、第１表面状態Ｓ１および第２表面状態Ｓ２は、環状溝１３内に形成される放射状溝１４とこの放射状溝１４が形成されない表面とによりはんだ３０に対する濡れ性を変化させるように設けられている。これにより、環状溝１３内に放射状溝１４を形成するだけで、はんだ３０に対する濡れ性を変化させた第１表面状態Ｓ１および第２表面状態Ｓ２を容易に設けることができる。

図５（Ａ）は、第１実施形態の第１変形例に係る半導体装置１０の要部を示す説明図であり、図５（Ｂ）は、第１実施形態の第２変形例に係る半導体装置１０の要部を示す説明図である。図６（Ａ）は、第１実施形態の第３変形例に係る半導体装置１０の要部を示す説明図であり、図６（Ｂ）は、第１実施形態の第４変形例に係る半導体装置１０の要部を示す説明図である。

図５（Ａ）に例示するように、第１実施形態の第１変形例として、放射状溝１４ａは、中心１３ａを基準に４本の溝が等間隔であって中心１３ａから最も離れた環状溝１３の部位に向かうように形成されてもよい。また、図５（Ｂ）に例示するように、第１実施形態の第２変形例として、放射状溝１４ｂは、中心１３ａを基準に４本の溝が等間隔であって中心１３ａから最も近い環状溝１３の部位に向かうように形成されてもよい。また、上記放射状溝は、中心１３ａを基準に複数本の溝が等間隔に配置されるように形成されてもよい。

また、図６（Ａ）に例示するように、第１実施形態の第３変形例として、放射状溝１４ｃは、中心１３ａを基準に４本の溝が等間隔であって中心１３ａから最も離れた環状溝１３の部位に連結するように形成されてもよい。また、上記放射状溝は、中心１３ａを基準に複数本の溝が等間隔であって環状溝１３の部位に連結するように形成されてもよい。

また、放射状溝１４に代えて、環状溝１３の中心１３ａの近傍のみが放射状になる溝を採用してもよい。具体的には、図６（Ｂ）に例示するように、第１実施形態の第４変形例として、溝１４ｄは、中心１３ａの近傍では当該中心１３ａを基準に４本の溝が等間隔に配置され、各溝の中間部位にて円環状に連結するように形成されてもよい。

図７は、接合面１２に形成される溝の参考形状を例示する説明図である。
なお、はんだ３０の塗布状態等によっては、放射状溝１４に代えて、環状溝１３の中心１３ａの近傍には溝が形成されずこの中心１３ａを囲うように形成される環状の溝を採用してもよい。具体的には、図７（Ａ）に例示するように、中心１３ａを囲うように矩形状の溝１５が形成されてもよい。また、図７（Ｂ）に例示するように、矩形状の溝の四隅にそれぞれ円形状の溝を連結した溝１５ａが形成されてもよいし、図７（Ｃ）に例示するように、矩形状の溝の四隅にそれぞれ放射状の溝を連結した溝１５ｃが形成されてもよい。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る半導体装置１０について説明する。
本第２実施形態では、第１表面状態Ｓ１および第２表面状態Ｓ２が、放射状溝と異なり、表面粗さの差を利用することで設けられる点が上記第１実施形態と異なる。

第１表面状態Ｓ１および第２表面状態Ｓ２は、環状溝１３内に形成される表面粗さを放射状に区分けされるように変化させた２種類の表面によりはんだ３０に対する濡れ性を変化させるように設けられている。具体的には、例えば、図３に示す第２表面状態Ｓ２の表面粗さを、Ｓａ：１．１〜３．０μｍの間で、第１表面状態Ｓ１の表面粗さよりも粗くする。

このように、表面粗さを放射状に区分けされるように変化させるだけで、はんだ３０に対する濡れ性を変化させた第１表面状態Ｓ１および第２表面状態Ｓ２を容易に設けることができる。その他の作用効果は、上記第１実施形態および変形例等と同様である。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態に係る半導体装置１０について説明する。
本第３実施形態では、第１表面状態Ｓ１および第２表面状態Ｓ２の一方にめっき処理を施すことで設けられる点が上記第１実施形態と異なる。

第１表面状態Ｓ１および第２表面状態Ｓ２は、環状溝１３内に施されるめっき処理とこのめっき処理が施されない表面とによりはんだ３０に対する濡れ性を変化させるように設けられている。具体的には、例えば、図３に示す第１表面状態Ｓ１に相当する領域のみにはんだ３０に対する濡れ性を向上させるめっき処理を施す。

このように、環状溝内のうち放射状の領域にめっき処理を施すだけで、はんだ３０に対する濡れ性を変化させた第１表面状態Ｓ１および第２表面状態Ｓ２を容易に設けることができる。その他の作用効果は、上記第１実施形態および変形例等と同様である。

［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態に係る半導体装置１０について説明する。
本第４実施形態では、第１表面状態Ｓ１および第２表面状態Ｓ２が、放射状溝、表面粗さの差やめっき処理等の表面状態を変化させる構成の少なくとも２つ以上の組み合わせにより設けられる点が上記第１実施形態と異なる。

具体的には、例えば、図３に示す第１表面状態Ｓ１に相当する領域に放射状溝１４を形成するとともに第２表面状態Ｓ２に相当する領域に表面粗さが粗くなる処理を施す。また、例えば、第１表面状態Ｓ１に相当する領域にめっき処理を施すとともに第２表面状態Ｓ２に相当する領域に表面粗さが粗くなる処理を施す。また、めっき処理を施した面の方が溝よりもはんだ３０が濡れ広がりにくくなる場合には、第１表面状態Ｓ１に相当する領域に放射状溝１４を形成するとともに第２表面状態Ｓ２に相当する領域にめっき処理を施してもよい。

このように、放射状溝、表面粗さの差やめっき処理等により表面状態を放射状に区分けされるように変化させるだけで、はんだ３０に対する濡れ性を変化させた第１表面状態Ｓ１および第２表面状態Ｓ２を容易に設けることができる。その他の作用効果は、上記第１実施形態および変形例等と同様である。

なお、本発明は上記各実施形態およびその変形例に限定されるものではなく、以下のように具体化してもよい。
（１）放射状溝１４は、環状溝１３に連通するように形成されてもよい。他の放射状溝についても同様である。

（２）ＩＣ素子２０等の半導体素子がはんだ接合される接合面は、リードフレーム１１の接合面１２に限らず、他のフレームなどの被接合部材の接合面であってもよい。

１０…半導体装置
１１…リードフレーム（被接合部材）
１２…接合面
１３…環状溝
１４…放射状溝
２０…ＩＣ素子（半導体素子）
３０…はんだ

Claims

はんだを用いることで半導体素子が被接合部材にはんだ接合される半導体装置であって、
前記被接合部材の接合面には、内方に塗布された前記はんだの外方への流出を防止する環状溝が形成されており、
前記接合面のうち前記環状溝内の中心の近傍には、前記はんだに対する濡れ性を変化させた第１表面状態と第２表面状態とが前記中心から外方に向けて放射状に区分けされるように設けられ、
前記第１表面状態および前記第２表面状態は、前記環状溝に連通しないように当該環状溝内に形成される放射状溝とこの放射状溝が形成されない表面とにより前記はんだに対する濡れ性を変化させるように設けられることを特徴とする半導体装置。
前記第１表面状態および前記第２表面状態は、前記放射状溝と、前記環状溝内において表面粗さの差とめっき処理とを含めた表面状態を変化させる構成の少なくともいずれか１つとの組み合わせにより前記はんだに対する濡れ性を変えるように設けられることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。