JP7136681B2 - 電子制御装置 - Google Patents
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Description
本発明の他の一態様によると、電子制御装置は、電子部品と、基板と、前記電子部品と前記基板を接合する接合部とを備え、前記接合部は、連続する空孔を有する多孔質金属と、前記多孔質金属の前記空孔に充填された充填部、前記電子部品と前記多孔質金属との間の少なくとも一部の領域と、前記基板と前記多孔質金属との間の少なくとも一部の領域との少なくとも一方に設けられた表面接合部とを有する第1のはんだと、前記電子部品と前記基板間に設けられ、前記第1のはんだの前記表面接合部の側方側を覆うように第1のはんだと一体化された、前記一方の前記表面接合部より厚い第2のはんだと、を含み、前記多孔質金属は、少なくとも1つのコーナー部を有する五角形以上の多辺形形状を有し、前記第2のはんだは、前記多孔質金属の前記コーナー部に充填されている。
図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。特に、各実施形態における接合構造の断面模式図では、上部側および下部側の表面接合部の形状は、凹凸の波打ち形状や、局所的な空隙等を無視して、均一な厚さに簡素化して示している。
同一あるいは同様な機能を有する構成要素が複数ある場合には、同一の符号に異なる添字を付して説明する場合がある。ただし、これらの複数の構成要素を区別する必要がない場合には、添字を省略して説明する場合がある。
以下、図1~図6を参照して、本発明の第1の実施形態を説明する。
図1は、本発明の電子制御装置の一実施の形態を示す側面図である。すなわち、図1は、電子制御装置10の筐体(図示せず)内に収納された配線基板11とコネクタ12とをはんだ付けにより接続した状態を示す側面図である。
図1に図示された電子制御装置10は、例えば、自動車等の車両のエンジン制御、モータ制御、自動変速機制御等に用いられる。電子制御装置10は、配線基板11と、配線基板11上に実装されたマイコン等の発熱量が大きい半導体デバイス14、およびマイコンや受動素子などの発熱量が小さい複数の電子部品13、およびコネクタ12を備えている。
Scale Integration)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)などの半導体素子をパッケージ形態としたものである。パッケージ形態としては、例えば、QFP(Quad Flat Package)BGA(Ball Grid Array)、SOP(Small Outline Package)、DIP(Dual Inline Package)、LGA(Land Grid Array)、QFN(Quad Flat No-Leaded)などがある。半導体デバイス14の接続用リード15は、配線基板11側に向けて屈曲され、さらに屈曲された先端側に配線基板11と平行に屈曲された先端部を有している。接続用リード15は、この先端部において、配線基板11の一面に設けられた配線パターンの接続端子部(図示せず)にはんだ(図示せず)により接合されている。
配線基板11は、例えば、ガラスエポキシ材料等からなり、片面、両面、多層基板のいずれでもよい。
コネクタ12は、コネクタ本体12aに取り付けられた複数のコネクタピン12bを備えている。コネクタ本体12aの材料としては、PBT(Polybutyleneterephthalate)、PPS(Polyphenylene sulfide)などが使用される。また、コネクタピン12bには、りん青銅や黄銅などの銅合金を使用する。はんだの接合強度を高めるために、コネクタピン12b表面にはニッケル(Ni)めっき、錫(Sn)めっきなどを施すことが好ましい。
半導体デバイス14は、半導体素子(電子部品)1と、リードフレーム3と、接合部2と、ボンディングワイヤ5と、樹脂4とを備えている。
半導体素子1とリードフレーム3とは接合部2により接合されている。半導体素子1の接続端子(図示せず)は、ボンディングワイヤ5によりリードフレーム3に接続されている。樹脂4は、半導体素子1と、ボンディングワイヤ5と、接合部2と、リードフレーム3を封止する。但し、リードフレーム3の接続用リード15は、樹脂4の外部に引き出されている。なお、図2、図3において、リードフレーム3の樹脂4から露出した外部端子部は、平坦状として図示されている。
以下では、半導体素子1側を上方側、リードフレーム3側を下方側として説明する。
接合構造30は、半導体素子1、接合部2、リードフレーム3により構成されている。換言すれば、接合構造30は、半導体デバイス14のうち、ボンディングワイヤ5および樹脂4を除いた部分の構造である。
半導体素子1は、平面視で矩形形状を有する。半導体素子1は、例えば、IGBT(Insulating Gate Bipolar Transistor)、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)等の集積回路である。
接合部2は、多孔質金属21とはんだ22とから構成されている(図3も参照)。
ここで、連続する空孔とは次の意味で使用する。すなわち、多孔質金属の表面には無数の開口が設けられ、その開口から内部に連通し、内部で縦横に形成された無数の空孔のそれぞれが連通していることである。そのため、後述するはんだ印刷工程において、多孔質金属に塗布したはんだ材をスキージで伸ばしたときに、多孔質金属の表面からはんだ材が空孔にまんべんなく、十分に充填される。
第1のはんだ23および第2のはんだ24は、多孔質金属21上およびその周囲にはんだ材を印刷などにより付着し、リフロー炉等に投入して加熱することにより形成される。はんだ印刷工程において、多孔質金属21の空孔にはんだ材が充填されるとともに、多孔質金属21の表の面と側面全周にもはんだ材が塗布される。このように多孔質金属21の周囲に塗布されたはんだ材がリフローで溶融してはんだ22が形成される。
第1のはんだ23は、多孔質金属21の空孔内に充填されたはんだ(以下、充填部と呼ぶ)23aと、半導体素子1と多孔質金属21の上段部21bの上面との間に設けられたはんだ(以下、上部側の表面接合部と呼ぶ)23bと、リードフレーム3と多孔質金属21の下段部21aの下面との間に設けられたはんだ(以下、下部側の表面接合部と呼ぶ)23cを有する。
なお、図4(b)に示す接合構造30の断面模式図では、上部側および下部側の表面接合部23b、23cの形状は、凹凸の波打ち形状や、局所的な空隙等を無視して、均一な厚さに簡素化して示している。また、上部側および下部側の表面接合部23b、23cは、それぞれ、多孔質金属21の上段部21bの上面の一部の領域のみ、または多孔質金属21の下段部21aの下面の一部の領域のみに形成されることもある。また、上部側の表面接合部23bと下部側の表面接合部23cの一方のみが形成されることもある。
以下、実施例と共に、このことを説明する。
以下の部材を用いて、図3および図4(a)、(b)に示す半導体デバイス14を作製した。
半導体素子1は、5mm角のSi-MOSFETを用いた。リードフレーム3として、材質がC19400で、厚さ0.5mmの板材を用いた。ボンディングワイヤ5として、直径200μmのAlワイヤを用いた。多孔質金属21として、材質が銅で、空孔率が80%の連続する空孔を有する多孔質金属部材を用いた。第1のはんだ23として、Sn-10Sbを用いた。また、第2のはんだ24も、第1のはんだ23と同じ、Sn-10Sbを用いた。
図5は、比較例1の半導体デバイスの要部である接合構造を示し、図5(a)は、半導体デバイスの要部である接合構造を上方からみた平面図であり、図5(b)は、図5(a)のVb-Vb線断面模式図である。
比較例1の接合構造30Rは、半導体素子1と、接合部2rと、リードフレーム3から構成されている。比較例1の半導体素子1およびリードフレーム3の構造および材料は、それぞれ、実施例1の半導体素子1およびリードフレーム3と同一である。また、比較例1として示す半導体デバイスの接合構造30Rを除いた部分の構造および材料は、本実施形態の半導体デバイス14の接合構造30を除いた部分の構造および材料と同一である。つまり、比較例1の半導体デバイスは接合部2rを有する点でのみ、接合部2を有する本実施形態の半導体デバイス14と相違する。
比較例1の接合部2rは、多孔質金属21rと第1のはんだ23とを有する。
多孔質金属21rは、半導体素子1とほぼ同じ平面サイズを有し、厚さ方向(上下方向)全体に亘り同一面積の矩形断面を有する角柱形状に形成されている。接合部2rは、第1のはんだ23のみを有し、第2のはんだ24を有していない。第1のはんだ23は、上記実施形態の接合構造30と同様、多孔質金属21rの空孔に充填された充填部23aと、半導体素子1と多孔質金属21の上面との間に設けられた上部側の表面接合部23bと、リードフレーム3と多孔質金属21の下面との間に設けられた下部側の表面接合部23cを有する。
比較例1の半導体デバイスの材料やその他の構造は、すべて、実施例1と同様である。
温度サイクル試験としては、-40℃と200℃とを繰り返し2000サイクル行った。
図6は、本発明の実施例1と比較例1の半導体デバイスにおける、温度サイクル試験後のき裂進展率を示す図である。
き裂進展率は、半導体素子1の対角線下の断面におけるものである。
図6に示すように、比較例1の半導体デバイスのき裂進展率は70%であり、実施例1の半導体デバイス14のき裂進展率は59%であった。
これにより、実施例1の半導体デバイス14は、比較例1の半導体デバイスよりもき裂進展率が小さくなることを確認することができた。
(1)電子制御装置10は、半導体素子(電子部品)1と、リードフレーム(基板)3と、接合部2とを備える。接合部2は、多孔質金属21と、第1のはんだ23および第2のはんだ24を有する。第1のはんだ23は、多孔質金属21の空孔に充填された充填部23aと、半導体素子1と多孔質金属21との間の少なくとも一部の領域と、リードフレーム3と多孔質金属21との間の少なくとも一部の領域との少なくとも一方に設けられた表面接合部23bまたは23cを有する。第2のはんだ24は、第1のはんだ23の表面接合部23bまたは23cのいずれの厚さより厚い。このように、厚さの小さい第1のはんだ23の表面接合部23b、23cに、厚さの大きい第2のはんだ24を一体化するため、第1のはんだ23の表面接合部23b、23cのき裂の進展が抑制され、半導体デバイス14の信頼性を向上し、高寿命化を図ることができる。
図7は、本発明の半導体デバイスの要部である接合構造の第2の実施形態の断面模式図である。
第2の実施形態の接合構造30は、リードフレーム3の多孔質金属21と対向する面にニッケル(Ni)めっき層7を有する点で、第1の実施形態と相違する。
[実施例2]
リードフレーム3は、実施例1と同様、材質がC19400、厚さ0.5mmの板材を用い、ニッケルめっき層7は、無電解めっきにより厚さ3μmに形成した。実施例2の接合構造30は、リードフレーム3の一面にニッケルめっき層7を形成する以外は、材料およびその他の構成のすべてが、実施例1と同一の接合構造30と同一である。
温度サイクル試験は、第1の実施形態と比較例1の場合と同様、-40℃と200℃とを繰り返し2000サイクル行ったものである。
図8に示すように、比較例1の半導体デバイスき裂進展率は70%であり、実施例2の半導体デバイス14のき裂進展率は56%であった。
これにより、実施例2の半導体デバイス14も、比較例1の半導体デバイスよりもき裂進展率を小さくすることを確認することができた。しかも、実施例2の半導体デバイス14の方が、実施例1の半導体デバイス14よりもき裂進展率が小さい。
これに対し、リードフレーム3の一面にニッケルめっき層7を形成する実施例2では、ニッケルめっき層7によりCu-Sn化合物の形成が阻止され、ニッケルめっき層7とSnまたはSn合金との界面にNi―Sn化合物が形成される。
図9に示されるように、実施例2の平均化合物厚さは15μmであり、比較例1の平均化合物厚さ26μmより薄かった。
金属間化合物は、SnまたはSn合金からなる、はんだに比し、硬くて脆いため、その厚さが厚いほど、き裂が進展し易い。
リードフレーム3とはんだ22との間にニッケルめっき層7を形成した実施例2は、リードフレーム3とはんだ22との間にニッケルめっき層7が形成されていない比較例1よりも第1のはんだ23の表面接合部23b、23cのき裂の進展率が小さくなり、長寿命化を図ることができることを確認することができた。
従って、第2の実施形態においても、第1の実施形態と同様な効果を奏する。
さらに、第2の実施形態では、リードフレーム3の一面に形成するニッケルめっき層7により硬くて脆いCu-Sn化合物の形成が阻止される。このため、き裂進展率の低下に一層の効果を奏する。
図10は、本発明の半導体デバイスの要部である接合構造の第3の実施形態を示し、図10(a)は、接合部の上面からみた平面図であり、図10(b)は、図10(a)のXb-Xb線断面模式図であり、図10(c)は、図10(a)のXc-Xc線断面模式図である。なお、図10(a)では、半導体素子1を透明とし、その外形を二点鎖線により図示している。
第3の実施形態の接合構造30では、多孔質金属21は、矩形体の4つのコーナー部44の三角形の領域24aを取り除いた、平面視で、八角形形状を有する。つまり、多孔質金属21は、一対の長辺41と、一対の短辺42と、4つの斜辺43を有する八角形形状を有する。多孔質金属21は、厚さ方向全体に亘り断面積がほぼ同一であり、八角柱形状を有する。
つまり、第3の実施形態では、第1の実施形態よりも、4つのコーナー部44における、半導体素子1の長辺と半導体素子1の短辺と多孔質金属21の斜辺で囲まれる平面視で三角形の領域24aの部分だけ、第2のはんだ24の領域の面積が大きい。
従って、第3の実施形態においても、第1の実施形態と同様な効果を奏する。また、第3の実施形態では、平面視で三角形の領域24aの部分だけ、第1のはんだ23の上・下部側の表面接合部23b、23cとの接合の面積が第1の実施形態よりも大きいので、第1の実施形態よりも第1のはんだ23の表面接合部23b、23cのき裂の進展を抑制できる可能性がある。
また、上記実施形態では、多孔質金属21を、平面視で矩形体の4つのコーナー部で取り除いた、平面視で八角形形状として例示した。しかし、多孔質金属21を、平面視で矩形体の1以上のコーナー部で取り除いた五角形以上の多辺形形状を有する部材としたり、平面視で半導体素子1の長辺と半導体素子1の短辺との少なくとも一辺と略接する円や楕円形状を有する部材としたりすることができる。この構造の場合でも、矩形形状の半導体素子1のコーナー部44に対応する領域には、第2のはんだ24が充填される。
図11は、本発明の半導体デバイスの要部である接合構造の第4の実施形態を示し、図11(a)は、接合構造を上面からみた平面図であり、図11(b)は、図11(a)のXIb-XIb線断面模式図であり、図11(c)は、図11(a)のXIc-XIc線断面模式図である。なお、図11(a)では、半導体素子1を透明とし、その外形を二点鎖線で示している。
第4の実施形態の半導体デバイス14の接合構造30では、多孔質金属21は、平面視で矩形形状の半導体素子1の4つのコーナー部に対応する領域のみに設けられている。つまり、多孔質金属21は、半導体素子1の長辺に沿う第1辺と、半導体素子1の短辺に沿う第2辺と、第1辺と第2辺とを結ぶ斜辺である第3辺とを有する直角三角形形状を有する4つの多孔質金属部材26a~26dを有する。
図12(a)~(d)は、第5の実施形態の半導体デバイスの接合構造の製造方法を示す工程図である。以下、図12(a)~(d)を参照して半導体デバイス14の接合構造30の製造方法を説明する。
なお、以下の説明は、第1のはんだ23と第2のはんだ24とを同じ材料を用いて形成するものとする。
図12(a)に示されるように、予め、上段部21bおよび下段部21aを有する段付き角柱形状の多孔質金属21を形成しておき、この多孔質金属21をリードフレーム3上に搭載する。
そして、この状態でN2雰囲気のリフロー炉に投入して加熱し、フラックス含有はんだ22Aを溶融、凝固することにより図12(d)に示される接合構造30を作製する。図12(d)の接合構造30は、図4(b)の接合構造30と同一構造である。
上記図12(a)~(d)に記載した方法により実施例5の半導体デバイス14を作製した。
実施例5の半導体デバイス14の接合構造30は、実施例1のはんだ22をフラックス含有はんだ22Aに替えた以外はすべて実施例1と同一であり、多孔質金属21は、空孔率80%の銅により形成されている。
比較例2として、多孔質金属21が、空孔率20%の銅により形成されている以外は、すべて実施例5の半導体デバイスの製造方法と同じ製造方法を用いて比較例2の半導体デバイス(図示せず)を作製した。
図13に示す通り、空孔率が20%でCuの網目が密な比較例2の構造の接合部のボイド率は多孔質金属21を含まない接合部のボイド率に比べて高かった。これに対し、実施例5の構造の接合部のボイド率は,多孔質金属21を含まない接合部のボイド率と同等であった。この結果から、多孔質金属21の空孔率が大きくなるとボイド率が小さくなる傾向が確認される。従って、空孔率が30%以上の多孔質金属21のボイド率は、多孔質金属21の空孔率が20%の場合のボイド率25%より小さくなる。このボイド率は、実用に供して支障が無い。
従って、各実施形態において、空孔率30%以上の多孔質金属21を用いることで、第1のはんだ23の表面接合部23b、23cのき裂の進展を抑制する効果と、ボイド率の発生を抑制する効果とを両立することができる。
2 接合部
3 リードフレーム(基板)
4 樹脂
7 ニッケルめっき層
10 電子制御装置
21 多孔質金属
21a 下段部
21b 上段部
22、22A はんだ
23 第1のはんだ
23a 充填部
23b 上部側の表面接合部
23c 下部側の表面接合部
24 第2のはんだ
24a 領域
26a~26d 多孔質金属部材
30 接合構造
44 コーナー部
Claims (13)
- 電子部品と、
基板と、
前記電子部品と前記基板を接合する接合部とを備え、
前記接合部は、
連続する空孔を有する多孔質金属と、
前記多孔質金属の前記空孔に充填された充填部、前記電子部品と前記多孔質金属との間の少なくとも一部の領域と、前記基板と前記多孔質金属との間の少なくとも一部の領域との少なくとも一方に設けられた表面接合部とを有する第1のはんだと、
前記電子部品と前記基板間に設けられ、前記第1のはんだの前記表面接合部の側方側を覆うように第1のはんだと一体化された、前記一方の前記表面接合部より厚い第2のはんだと、を含み、
前記多孔質金属の平面視での面積は、前記基板対向側と前記電子部品対向側で異なる電子制御装置。 - 請求項1に記載の電子制御装置において、
前記基板はリードフレームである電子制御装置。 - 請求項1に記載の電子制御装置において、
前記基板の前記多孔質金属と対向する面に、ニッケルめっき層が形成されている電子制御装置。 - 請求項1に記載の電子制御装置において、
前記第1のはんだと前記第2のはんだとは、同じ材料で形成されている電子制御装置。 - 請求項1に記載の電子制御装置において、
前記多孔質金属の平面視での面積は、前記基板対向側の方が前記電子部品対向側よりも大きい電子制御装置。 - 請求項1に記載の電子制御装置において、
前記第2のはんだは、前記多孔質金属の周側面を覆って形成されている電子制御装置。 - 請求項1に記載の電子制御装置において、
前記多孔質金属は、少なくとも1つのコーナー部を有する五角形以上の多辺形形状を有し、
前記第2のはんだは、前記多孔質金属の前記コーナー部に充填されている電子制御装置。 - 請求項1に記載の電子制御装置において、
前記多孔質金属は、円または楕円形状を有し、
前記第2のはんだは、矩形形状の前記電子部品の各コーナー部に対応する領域に充填されている電子制御装置。 - 請求項1に記載の電子制御装置において、
前記多孔質金属は、厚さ方向に貫通する中空部を有し、
前記第2のはんだは、前記多孔質金属の前記中空部内に充填されている電子制御装置。 - 請求項1に記載の電子制御装置において、
前記多孔質金属は、銅、ニッケルの少なくとも1つを含む金属または合金からなる電子制御装置。 - 請求項1に記載の電子制御装置において、
前記多孔質金属の空孔率は、30%以上である電子制御装置。 - 請求項1に記載の電子制御装置において、
前記電子部品と、前記接合部と、前記接合部により前記電子部品に接合された少なくとも前記基板の領域とを封止する樹脂をさらに備える電子制御装置。 - 電子部品と、
基板と、
前記電子部品と前記基板を接合する接合部とを備え、
前記接合部は、
連続する空孔を有する多孔質金属と、
前記多孔質金属の前記空孔に充填された充填部、前記電子部品と前記多孔質金属との間の少なくとも一部の領域と、前記基板と前記多孔質金属との間の少なくとも一部の領域との少なくとも一方に設けられた表面接合部とを有する第1のはんだと、
前記電子部品と前記基板間に設けられ、前記第1のはんだの前記表面接合部の側方側を覆うように第1のはんだと一体化された、前記一方の前記表面接合部より厚い第2のはんだと、を含み、
前記多孔質金属は、少なくとも1つのコーナー部を有する五角形以上の多辺形形状を有し、
前記第2のはんだは、前記多孔質金属の前記コーナー部に充填されている電子制御装置。
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