回路装置およびその製造方法
【課題】半田のヒケの発生を抑止して半田接合部の接続信頼性を向上させた回路装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】本形態の回路装置の製造方法では、先ず、パッド１８Ａの上面に複数個の離間した半田１９を形成し、同時にチップ部品１４Ｂおよびトランジスタ１４Ｃを固着する。次に、シリンジ３０を用いてパッド１８Ａの上面に半田ペースト３１を供給して、この半田ペースト３１の上部にヒートシンク１４Ｄを載置し、リフロー工程により溶融する。本発明では、パッド１８Ａの上面に離散的に半田１９を配置しているので、半田１９がヒケる恐れが小さい。
【解決手段】本形態の回路装置の製造方法では、先ず、パッド１８Ａの上面に複数個の離間した半田１９を形成し、同時にチップ部品１４Ｂおよびトランジスタ１４Ｃを固着する。次に、シリンジ３０を用いてパッド１８Ａの上面に半田ペースト３１を供給して、この半田ペースト３１の上部にヒートシンク１４Ｄを載置し、リフロー工程により溶融する。本発明では、パッド１８Ａの上面に離散的に半田１９を配置しているので、半田１９がヒケる恐れが小さい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は回路装置およびその製造方法に関し、特に、大型の回路素子の半田接続を行う回路装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図８を参照して、従来の回路装置の製造方法を説明する。ここでは、基板１０６の表面に導電パターン１０８および回路素子を形成する混成集積回路装置の製造方法を説明する（例えば、下記特許文献１を参照）。
【０００３】
図８（Ａ）を参照して、先ず、基板１０６の表面に形成された導電パターン１０８の表面に半田１０９を形成する。基板１０６は例えばアルミニウム等の金属から成る金属基板であり、導電パターン１０８と基板１０６とは、絶縁層１０７により絶縁されている。導電パターン１０８により、パッド１０８Ａ、パッド１０８Ｂおよびパッド１０８Ｃが形成されている。パッド１０８Ａは後の工程にてヒートシンクが上部に固着される。パッド１０８Ｂは後の工程にて小信号のトランジスタが固着される。パッド１０８Ｃは、後の工程にてリードが固着される。ここでは、比較的大きなパッドであるパッド１０８Ａおよびパッド１０８Ｃの表面に半田１０９が形成される。
【０００４】
図８（Ｂ）を参照して、次に、小信号系のトランジスタ１０４Ｃおよびチップ部品１０４Ｂを、半田を介して固着する。この工程では、トランジスタ１０４Ｃ等を接続する半田が溶融されるまで加熱を行う。従って、前工程にてパッド１０８Ａおよびパッド１０８Ｃに形成された半田１０９も溶融される。
【０００５】
図８（Ｃ）を参照して、次に、小信号系のトランジスタ１０４Ｃと所定の導電パターン１０８とを細線１０５Ｂにより接続する。
【０００６】
図９（Ａ）を参照して、次に、パッド１０８Ａおよびパッド１０８Ｃ上に予め形成された半田１０９を溶融させて、ヒートシンク１１１およびリード１０１を固着する。ここでは、上部にパワートランジスタ１０４Ａが載置されたヒートシンク１１１を、予め形成された半田１０９を介してパッド１０８Ａ上に固着している。更に、太線１０５Ａを用いて、所望の導電パターン１０８とトランジスタ１０４Ａとを接続する。
【０００７】
図９（Ｂ）を参照して、基板１０６の表面に形成された回路素子および導電パターン１０８が被覆されるように封止樹脂１０２を形成する。以上の工程により、混成集積回路装置１００が製造される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−１３４６８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、図１０を参照して、上記した従来の製造方法では溶融した半田１０９にヒケの問題が発生していた。図１０（Ａ）はヒケが発生した基板１０６の平面図であり、図１０（Ｂ）は断面図であり、図１０（Ｃ）はヒケが発生した部分を拡大した断面図である。
【００１０】
図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）を参照して、「ヒケ」とは、パッド１０８Ａの全面に塗布された半田を溶融すると、半田１０９が偏ってしまう現象のことである。特にヒートシンク１１１が固着されるパッド１０８Ａは、例えば１つの辺の長さが９ｍｍ以上の大型な矩形に形成される。従って、他の部位と比較するとパッド１０８Ａには多量の半田が上部に付着され、溶融した半田１０９には大きな表面張力が作用し、半田のヒケが発生する。
【００１１】
半田１０９のヒケが発生すると、ヒケが発生した部分に於いて、パッド１０８Ａと回路素子とが接合されないので、ヒケが発生した部分の熱抵抗が上昇してしまう。更に、ヒケが発生することにより半田接合の強度が低下するので、温度変化に対する半田接合部の接続信頼性が低下する。
【００１２】
図１０（Ｃ）を参照して、パッド１０８Ａと半田１０９との間に合金層１１０が生成されるのが、ヒケが発生する原因である。半田ペーストをパッド１０８Ａの上部に付着させて加熱溶融すると、パッド１０８Ａの材料である銅と半田の材料である錫から成る金属間化合物が形成される。この図では金属間化合物から成る層を合金層１１０で示している。具体的には、合金層１１０の厚みは数μｍ程度であり、組成がＣｕ６Ｓｎ５またはＣｕ３Ｓｎの金属間化合物である。この合金層１１０は、パッド１０８Ａの材料である銅と比較すると、半田の濡れ性が極めて悪い。このように半田の濡れ性に劣る合金層１１０が形成されることにより、半田のヒケが発生していた。更にまた、複数回に渡り半田を溶融させると、パッド１０８Ａの上面に形成される合金層１１０が厚くなり、このことにより半田の濡れ性は更に悪くなる。以下の説明では、銅と錫とか成る合金層をＣｕ／Ｓｎ合金層と呼ぶ。
【００１３】
一方、近年では環境への配慮から鉛フリー半田が使用されている。半田１０９Ａとして鉛フリー半田を用いると、より厚い合金層１１０が形成され、上記したヒケの問題が顕著に発生する。これは、鉛フリー半田には鉛共晶半田よりも多量の錫が含まれるからである。具体的には、一般的な鉛共晶半田に含まれる錫の割合は６０重量％程度であるのに対して、鉛フリー半田に含まれる錫の割合は９０重量％程度である。
【００１４】
更にまた、生産性向上等を目的として、ロジン系フラックスが添加された半田ペーストを採用すると、溶融した半田ペーストが濡れない問題が発生する。この理由は、水溶性フラックスと比較するとロジン系フラックスは活性力が弱いからである。また、銅から成るパッドの上面をニッケル膜により被覆し、このニッケル膜の上面にロジン系の半田ペーストを塗布して溶融すると、半田ペーストが濡れない問題が顕著と成る。
【００１５】
ここで、濡れ性が悪いとは、パッドと半田との間に合金層が形成されずに、半田が広がらないことをいう。一方、ヒケとは、半田とパッドとの間に合金層形成されて一時的に半田は濡れ広がるが、その後、半田の表面張力で半田が寄ってしまう状態のことである。従って、半田にヒケが発生すると、後述するようにパッドの上面に合金層が露出しボイドが発生する。
【００１６】
更に、回路素子を半田接続する場合において、半田とパッドとの境界部分にＣｕ／Ｓｎ合金層が厚く形成されると、厚いＣｕ／Ｓｎ層は機械的強度が弱いので、半田接続の接続信頼性が低下するおそれがある。
【００１７】
本発明は、上記問題点を鑑みてなされ、本発明の主な目的は、半田のヒケの発生を抑止して半田接合部の接続信頼性を向上させた回路装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の回路装置は、基板と、前記基板の上面に形成されたパッドと、前記パッドに半田を介して固着された回路素子とを具備し、前記半田と前記パッドとの境界には、両者を構成する金属間化合物から成る合金層が形成され、前記合金層は、第１合金層と、前記第１合金層よりも厚い第２合金層を有することを特徴とする。
【００１９】
本発明の回路装置の製造方法は、回路基板に配置されたパッドの上面に複数の第１半田を互いに離間して形成する工程と、前記第１半田および前記パッドの上面が覆われるように半田ペーストを塗布する工程と、前記半田ペーストの上面に回路素子を載置して加熱することにより、前記回路素子を前記パッドに固着する工程と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の回路装置では、回路素子を接続する半田とパッドとの境界に設けられる合金層を、厚い第１合金層と、薄い第２合金層とから構成している。このようにすることで、薄い合金層により接続強度が確保されるので、半田とパッドとの接続信頼性が向上される。
【００２１】
本発明の回路装置の製造方法では、比較的大型なパッドの上面に複数の第１半田を離間した状態で溶着させる。パッドの上面に一体化された第１半田を形成するのではなく、離散的に複数個の第１半田をパッド状に設けることにより、個々の第１半田に作用する表面張力が低減されるので、第１半田を形成する工程におけるヒケが防止される。
【００２２】
更に、第１半田にヒケが発生しないことにより、第１半田が形成されない領域のパッドの上面にＣｕ／Ｓｎ合金層が露出しない。半田の濡れ性が悪いＣｕ／Ｓｎ合金層が露出しないことにより、更に半田ペーストを溶融する次工程でのヒケが抑止される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明により製造される回路装置を示す図であり、（Ａ）は斜視図であり、（Ｂ）は断面図であり、（Ｃ）は拡大された断面図である。
【図２】本発明の回路装置の製造方法を示す図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は断面図である。
【図３】本発明の回路装置の製造方法を示す図であり、（Ａ）は断面図であり、（Ｂ）は平面図であり、（Ｃ）は拡大された平面図である。
【図４】本発明の回路装置の製造方法を示す図であり、（Ａ）は断面図であり、（Ｂ）は断面図であり、（Ｃ）は断面図である。
【図５】本発明の回路装置の製造方法を示す図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は拡大された平面図である。
【図６】本発明の回路装置の製造方法を示す図であり、（Ａ）は断面図であり、（Ｂ）は断面図であり、（Ｃ）は拡大された断面図である。
【図７】本発明の回路装置の製造方法を示す図であり、（Ａ）は断面図であり、（Ｂ）は断面図である。
【図８】従来の回路装置の製造方法を示す図であり、（Ａ）−（Ｃ）は断面図である。
【図９】従来の回路装置の製造方法を示す図であり、（Ａ）は断面図であり、（Ｂ）は断面図である。
【図１０】従来の回路装置の製造方法を示す図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は断面図であり、（Ｃ）は拡大された断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
＜第１の実施の形態＞
本実施の形態では、図１を参照して、本発明の回路装置の一例として混成集積回路装置１０の構成を説明する。図１（Ａ）は混成集積回路装置１０の斜視図であり、図１（Ｂ）はその断面図である。図１（Ｃ）はトランジスタ１４Ａ（回路素子）が固着される構造を示す断面図である。
【００２５】
図１（Ａ）および図１（Ｂ）を参照して、混成集積回路装置１０は、基板１６の表面に導電パターン１８が形成され、半田１９を介して導電パターン１８にトランジスタ等の回路素子が固着されている。そして、基板１６の少なくとも表面は封止樹脂１２により封止されている。
【００２６】
基板１６は、アルミニウムや銅等の金属から成る金属基板、エポキシ樹脂等の樹脂材料からなる基板である。基板１６としてアルミニウムより成る基板を採用した場合、基板１６の両主面はアルマイト処理により生成された陽極酸化膜により被覆される。基板１６の具体的な大きさは、例えば、縦×横×厚さ＝６０ｍｍ×４０ｍｍ×１．５ｍｍ程度である。
【００２７】
絶縁層１７は、基板１６の上面全域を覆うように形成されている。絶縁層１７は、Ａｌ２Ｏ３等のフィラーが高充填されたエポキシ樹脂等から成る。このことにより、内蔵される回路素子から発生した熱を、基板１６を介して良好に外部に放出することができる。絶縁層１７の具体的な厚みは、例えば５０μｍ程度である。
【００２８】
導電パターン１８は銅を主材料とする金属膜から成り、所定の電気回路が実現されるように絶縁層１７の表面に形成される。更に導電パターン１８により、パッド１８Ａ、パッド１８Ｃおよびパッド１８Ｅが形成されている。各パッドの詳細は図２を参照して後述する。
【００２９】
パワートランジスタ１４Ａ、チップ部品１４Ｂおよび小信号トランジスタ１４Ｃ等の回路素子は、半田１９を介して所定の導電パターン１８に固着されている。ここで、パワートランジスタ１４Ａは、ヒートシンク１４Ｄを介してパッド１８Ａに固着されることで、放熱性が向上されている。チップ部品１４Ｂは、両端の電極が半田１９により導電パターン１８に固着されている。小信号トランジスタ１４Ｃは、半田１９を介して裏面がパッド１８Ｃに固着されている。ここで、パワートランジスタ１４Ａとは、例えば１Ａ以上の電流が流れるトランジスタであり、小信号トランジスタ１４Ｃとは１Ａ未満の電流が流れるトランジスタである。更に、パワートランジスタ１４Ａの表面の電極は、太さが１００μｍ以上の金属細線である太線１５Ａにより導電パターン１８と接続されている。また、小信号トランジスタ１４Ｃの表面に形成された電極は、太さが８０μｍ程度以下の細線１５Ｂを介して導電パターン１８に接続されている。
【００３０】
基板１６に実装される回路素子としては、トランジスタ、ＬＳＩチップ、ダイオード等の半導体素子を採用することができる。更に、チップ抵抗、チップコンデンサ、インダクタンス、サーミスタ、アンテナ、発振器等のチップ部品も回路素子として採用することができる。さらには、樹脂封止型の回路装置も回路素子として混成集積回路装置１０に内蔵させることができる。また本形態では、下面にヒートシンク１４Ｄが固着されたトランジスタ１４Ａを、一つの回路素子としてみなしても良い。
【００３１】
リード１１は、基板１６の周辺部に設けられたパッド１８Ｅに固着され、外部との入力・出力を行う働きを有する。ここでは、一つの側辺に多数個のリード１１が固着されているが、リード１１は基板１６の４辺から導出させることも可能であり、対向する２辺から導出させることも可能である。
【００３２】
封止樹脂１２は、熱硬化性樹脂を用いるトランスファーモールドにより形成される。図１（Ｂ）を参照すると、基板１６の表面に形成された導電パターン１８および回路素子が封止樹脂１２により被覆される。ここでは、基板１６の側面および裏面も封止樹脂１２により被覆されており、このようにすることで、装置全体の耐湿性を向上させることができる。また、基板１６の放熱性を向上させるために、基板１６の裏面を封止樹脂１２から露出させても良い。更に、封止樹脂１２の替わりに、ケース材による封止を行うこともできる。
【００３３】
図１（Ｃ）を参照して、ヒートシンク１４Ｄがパッド１８Ａに溶着される構造を説明する。具体的には、銅を主材料とするパッド１８Ａの上面には半田１９を介してヒートシンク１４Ｄが固着されており、更にヒートシンク１４Ｄの上面にトランジスタ１４Ａの下側の電極が固着されている。
【００３４】
また、トランジスタ１４Ａの上面に配置された電極は太線１５Ａを経由して、パッド１８Ａの近傍に配置されたパッド状の導電パターン１８と接続される。上記したように、トランジスタ１４Ａとパッド１８Ａとの間にヒートシンク１４Ｄを配置することにより、熱が伝導する面積が大きくなり、トランジスタ１４Ａから放出された熱は良好に基板１６に伝導する。
【００３５】
トランジスタ１４ＡとしてＭＯＳＦＥＴが採用された場合、トランジスタ１４Ａの下面に設けたドレイン電極はヒートシンク１４Ｄを経由してパッド１８Ａと接続される。また、トランジスタ１４Ａの上面に設けたソース電極は、パッド１８Ａの近傍に配置された他の導電パターン１８と太線１５Ａを経由して接続される。そして、トランジスタ１４Ａの上面に配置されたゲート電極は太線１５Ａあるいは細線を経由して、パッド１８Ａの周囲に配置された他の導電パターン１８と接続される。
【００３６】
パッド１８Ａの上面と半田１９との境界部分には、半田パッド１８Ａの材料と半田１９の材料とから構成される金属間化合物が生成される。例えば、パッド１８Ａの材料が銅であり、半田１９の主材料が錫の場合は、上記したＣｕ／Ｓｎ合金層が生成される。特に、半田１９として錫を主材料とする鉛フリーはんだが採用された場合、厚いＣｕ／Ｓｎ合金層が生成される傾向にある。
【００３７】
また、本形態では、パッド１８Ａの上面に固着される素子として、トランジスタ１４Ａが上面に固着されたヒートシンクが採用されているが、その他の素子がパッド１８Ａに固着されても良い。例えば、トランジスタ１４Ａが直にパッド１８Ａの上面に固着されても良い。
【００３８】
更に本形態では、上記した合金層を部分的に薄くすることにより、半田１９とパッド１８Ａとの接続信頼性が向上する利点がある。具体的には、Ｃｕ／Ｓｎ合金から成る合金層は脆い性質を備えている。従って、この合金層が厚く形成されると、使用状況下に於いて合金層が形成された箇所にて半田１９とパッド１８Ａとが剥離してしまう恐れがある。このことを防止するために、合金層を部分的に薄く形成している。このようにすることで、厚い合金層２２では強度が弱くなるが、薄い合金層２３で強度が確保されるので、この合金層の部分で使用状況下においてクラックが発生することが抑制される。
【００３９】
また、厚い合金層２２はパッド１８Ａの上面にマトリックス状に配置されており、薄い合金層２３は合金層２２の間に格子状に形成されている。薄い合金層２３が格子状に形成されることにより、パッド１８Ａの全面に渡り合金層２３で剥離が防止される。
【００４０】
更にまた、薄い合金層２２は、パッド１８Ａの四方の周辺部に配置されており、このことによっても半田１９とパッド１８Ａとの剥離が抑制されている。
【００４１】
このような合金層は、後述するように、部分的に半田を複数個に分けて形成することで実現される。図５（Ｂ）を参照して、パッド１８Ａの上面に半田１９が形成される箇所が上記した厚い合金層２２が形成される領域である。また、パッド１８Ａの上面に於いて半田１９が形成されない領域が、薄い合金層２３が形成される領域である。
【００４２】
＜第２の実施の形態＞
本実施の形態では、図２から図７を参照して、上記した混成集積回路装置１０の製造方法を説明する。
【００４３】
第１の工程：図２参照
本工程では、基板１６の表面に導電パターン１８を形成する。図２（Ａ）は本工程での基板１６の平面図であり、図２（Ｂ）はその断面図である。
【００４４】
図２（Ａ）および図２（Ｂ）を参照して、基板１６の表面に貼着された導電箔をパターニングすることで、所定のパターン形状の導電パターン１８が形成される。ここでは、導電パターン１８により、パッド１８Ａ〜１８Ｅが形成されている。パッド１８Ａは、後の工程にてヒートシンクが固着されるパッドであり、比較的大型に形成される。例えば、パッド１８Ａは、９ｍｍ×９ｍｍ以上の四角形形状に形成される。パッド１８Ｂ、１８Ｃは、後の工程にてチップコンデンサ等のチップ素子の両電極が半田を介して固着されるパッドである。また、パッド１８Ｄは、小信号系のトランジスタまたはＬＳＩが固着されるパッドであり、パッド１８Ａと比較すると小さく形成される。例えばパッド１８Ｄの大きさは２ｍｍ×２ｍｍ程度の矩形である。パッド１８Ｅは、紙面上にて基板１６の上側辺に沿って複数個が略等間隔に形成されている。このパッド１８Ｅは、後の工程にてリード１１が固着される。更に、各パッドを相互に接続するように延在する配線パターン１８Ｆも形成される。
【００４５】
上記した導電パターン１８は、銅を主材料とする金属から構成されている。また、パッド１８Ａ等の上面はメッキ膜等により被覆されることはなく、導電パターン１８を構成する金属材料が露出する面である。更に、通常の作業雰囲気下では、パッド１８Ａの表面は薄い酸化膜により被覆される場合もあるが、この酸化膜は後に塗布される半田ペーストに含まれるフラックスにより除去される。
【００４６】
第２の工程：図３参照
本工程では、パッド１８Ａ〜１８Ｄの上面に半田ペースト２１Ａを塗布する。
【００４７】
具体的には、図３（Ａ）を参照して、スクリーン印刷を行うことにより、パッド１８Ａ〜１８Ｄの上面に半田ペースト２１Ａを塗布する。本工程では、次工程で小信号系素子が実装されるパッド１８Ｂ−１８Ｄおよび大型のパッド１８Ａの上面に、半田ペースト２１Ａが印刷して塗布される。
【００４８】
図３（Ａ）および図３（Ｂ）を参照して、パッド１８Ｂ、１８Ｃは抵抗器等のチップ素子が実装される素子であり、上面のほぼ全域に半田ペースト２１Ａが一体的に塗布される。また、パッド１８Ｄは、制御用のＬＳＩが固着されるものであり、上面のほぼ全域に半田ペースト２１Ａが一体的に塗布される。
【００４９】
ここで、図３（Ａ）で右端に配置されるパッド１８Ｅは後の工程にて外部出力端子であるリードが固着されるものであるので、本工程では半田は溶着されない。
【００５０】
一方、図３（Ｃ）を参照して、パッド１８Ａの上面では、全面的に半田ペースト２１Ａが均一の厚みで塗布されるのではなく、半田ペースト２１Ａは離散的に塗布されている。具体的には、パッド１８Ａの上面には、マトリックス状に３行３列で合計９個の半田ペースト２１Ａが互いに離間して配置されている。ここでは９個の半田ペースト２１Ａがパッド１８Ａの上面に配置されているが、この個数は２個、４個または６個程度でも良い。
【００５１】
先ず、半田ペースト２１Ａが離散して配置されるパッド１８Ａの平面視での形状は、Ｌ１＝４．５ｍｍ以上１３．０ｍｍであり、Ｌ２も同程度である。
【００５２】
各々の半田ペースト２１Ａは、平面視で四角形形状を呈しており、Ｌ３＝２．４ｍｍ以上３．４ｍｍ以下であり、Ｌ４の長さも同程度である。ここで、半田ペースト２１Ａは正方形型でも良いし長方形型でも良い。半田ペースト２１Ａの一辺の長さが大きすぎると、半田ペースト２１Ａの量が多くなり、表面張力が大きくなるので、上記したヒケが発生する恐れが大きくなる。一方、逆に半田ペースト２１Ａの一辺の長さが小さすぎると、半田ペースト２１Ａの量が不十分となり、パッド１８Ａとその上面に固着される素子との接続強度が不十分となる。
【００５３】
個々の半田ペースト２１Ａは、溶融された際に離散化された状態を維持する様に互いに離間している。半田ペースト２１Ａ同士が紙面上で縦方向に離間する距離Ｌ５は、例えば０．９ｍｍ以上１．７ｍｍ以下である。また、半田ペースト２１Ａ同士が紙面上で横方向に離間する距離Ｌ６も同様である。半田ペースト２１Ａ同士が離間する距離が短すぎると、溶融した半田ペースト２１同士が一体化してしまい、その結果液状の半田に発生する表面張力が大きくなりヒケが発生する。一方、半田ペースト２１Ａ同士が離間する距離が長すぎると、半田ペースト２１Ａの量が不足する恐れがある。
【００５４】
本工程は、スクリーン印刷塗布またはシリンジによる供給により行われる。スクリーン印刷による場合は、半田ペースト２１Ａが塗布される領域に開口部を有したスクリーンを、基板１６の上面に載置し、このスクリーンの開口部にスキージを用いて半田ペーストを供給する。その後、スクリーンを基板１６から離間させることにより、所定の位置に半田ペースト２１Ａが塗布される。
【００５５】
本工程にて用いる半田ペースト２１Ａは、フラックスと半田粉末との混合物である。半田ペースト２１Ａに混入される半田粉としては、鉛を含む半田および鉛フリー半田の両方を採用することができる。半田粉の具体的な組成としては、例えば、Ｓｎ６３／Ｐｂ３７、Ｓｎ／Ａｇ３．５、Ｓｎ／Ａｇ３．０／Ｃｕ０．５、Ｓｎ／Ａｇ２．９／Ｃｕ０．５、Ｓｎ／Ａｇ３．０／Ｃｕ０．５、Ｓｎ／Ｂｉ５８、Ｓｎ／Ｃｕ０．７、Ｓｎ／Ｚｎ９、Ｓｎ／Ｚｎ８／Ｂｉ３等が考えられる。これらの数字は半田全体に対する重量％を示す。鉛は環境に与える負荷が大きいことを考慮すると、鉛フリー半田を用いることが好ましい。
【００５６】
上記した鉛フリー半田でも、Ｓｎ／Ａｇ３．０／Ｃｕ０．５の組成を有する半田が融点の好適さ等の観点から最適である。ここで、この半田に含有されるＡｇの重量％は２．０以上４．０％以下でも良く、Ｃｕの重量％は０．５％以上０．８％以下でも良い。
【００５７】
また、鉛フリー半田はＳｎ（錫）を主材料とする場合が多いので、パッド１８Ａと半田１９との境界には、銅と錫とを含む濡れ性の悪い金属間化合物層が生成される。
【００５８】
半田ペースト２１Ａに含まれるフラックスとしては、ロジン系フラックスが適用可能である。本形態ではリフローの工程が終了した後に、フラックスの残渣を洗浄して除去している。
【００５９】
第３の工程：図４および図５参照
次に、パワートランジスタ以外の素子（小信号系トランジスタおよびチップ部品）の電気的接続を行い、パッド１８Ａの上面に離散的に半田１９を形成する。
【００６０】
先ず、図４（Ａ）を参照して、本工程で接続される素子を半田ペースト２１Ａに載置する。具体的には、パッド１８Ｂ、１８Ｃに塗布された半田ペースト２１Ａの上面に、チップ部品１４Ｂを載置して仮留する。同様に、パッド１８Ｄの上面に塗布された半田ペースト２１Ａの上面に、トランジスタ１４Ｃを載置する。
【００６１】
次に、図４（Ｂ）を参照して、リフロー工程により過熱することで、上記した半田ペースト２１Ａを溶融させて半田１９を形成している。このことにより、チップ部品１４Ｂの両端の電極は半田１９を介して、パッド１８Ｂ、１８Ｃに固着される。また、トランジスタ１４Ｃの裏面も、半田１９を介してパッド１８Ｄの上面に固着される。本工程のリフローにて、パッド１８Ａの上面に塗布された半田ペースト２１Ａも溶融して、半田１９（第１半田）となる。
【００６２】
図４（Ｃ）を参照して、次に、細線１５Ｂを介して、トランジスタ１４Ｃの上面に配置された電極を、パッド１８Ｄの周囲に配置された導電パターンから成るパッドと接続する。ここで、細線１５Ｂとしては、太さが８０μｍ程度以下の金、銅またはアルミニウムから成る金属細線である。
【００６３】
本工程が終了した後の基板１６の状態を図５に示す。図５（Ａ）は本工程が終了した後の基板１６の上面を示す平面図であり、図５（Ｂ）はパッド１８Ａを示す拡大平面図である。
【００６４】
図５（Ａ）および図５（Ｂ）を参照して、パッド１８Ａの上面には、３行３列で合計９個の半田１９が互いに離間して配置されている。個々の半田１９の平面的な大きさは図３（Ｃ）を参照して説明した場合よりも若干大きくなっており、その形状はやや膨らんだ四角形形状を呈している。これは、半田ペーストが溶融して外部に広がった事による。また、各半田１９同士が離間する距離Ｌ５、Ｌ６は、図３（Ｃ）に示した場合と比較すると、若干距離が短くなっている。しかしながら、本工程を経ても、半田１９同士は離間した状態を保っている。
【００６５】
本形態では、このようにパッド１８Ａの上面に離散的に小型の半田１９を設けることで、半田ヒケが防止される。
【００６６】
具体的には、上記したように、後の工程にてヒートシンクが実装されるパッド１８Ａは、例えば一辺が９ｍｍ以上の大型なものである。従って、パッド１８Ａの上面全域に半田ペーストを塗布して溶融すると、大量の液状の半田に対して大きな表面張力が作用する。このようになると、表面張力の作用で半田１９がヒケてしまう。また、半田１９がヒケた部分では、パッド１８Ａと半田１９とから生成されるＣｕ／Ｓｎ合金が露出する。このＣｕ／Ｓｎ合金が露出する面では、半田の濡れ性が極めて悪いので、後の工程にてこの領域に半田が溶着せずにボイドが発生する。
【００６７】
本形態では、小型の半田１９をパッド１８Ａの上面に離間的に形成することで、表面張力を小さくした結果、半田１９はヒケが防止された状態でパッド１８Ａの上面に溶着されている。従って、半田１９が形成されてない領域のパッド１８Ａの上面には、Ｃｕ／Ｓｎ層は露出しない。即ち、この領域では、パッド１８Ａの材料である銅等の金属材料が露出する。このことにより、この領域にて半田の濡れ性が低下することが防止されている。
【００６８】
第４の工程：図６参照
図６を参照して、次に、トランジスタ１４Ａが固着されたヒートシンク１４Ｄを、パッド１８Ａの上面に固着する。
【００６９】
図６（Ａ）を参照して、先ず、パッド１８Ａの上面に新たに半田ペースト３１を供給する。本工程では、基板１６の上面にチップ部品１４Ｂ等の回路素子が既に配置されており、スクリーン印刷が困難であるので、シリンジ３０を用いて半田ペースト３１をパッド１８Ａの上面に供給している。本工程では、既にパッド１８Ａの上面に形成された半田１９の間を埋めるように団子状に半田ペースト３１を供給する。本工程で使用される半田ペースト３１の組成は、図３（Ａ）に示す半田ペースト２１Ａと同様で良い。
【００７０】
本工程では、半田ペースト３１は、半田１９が形成されていない領域のパッド１８Ａの上面に接触する。更に、半田１９の表面は半田ペースト３１に被覆される。
【００７１】
図６（Ｂ）を参照して、次に、パワー系のトランジスタ１４Ａが固着されたヒートシンク１４Ｄを、半田１９の上面に載置する。ここでは、予めヒートシンク１４Ｄの上面にトランジスタ１４Ａが半田を介して固着されているが、ヒートシンク１４Ｄをパッド１８Ａに固着した後に、トランジスタ１４Ａをヒートシンク１４Ｄに固着しても良い。
【００７２】
この状態で、リフロー工程を行うことにより、パッド１８Ａの上面に形成された半田１９と、半田ペースト３１が溶融する。この結果、予め形成された半田１９と半田ペースト３１とが溶融して混合された結果、図６（Ｃ）に示す新たな半田１９（第２半田）を介してヒートシンク１４Ｄがパッド１８Ａの上面に固着される。また、チップ部品１４Ｂとトランジスタ１４Ｃを固着する半田１９も本工程にて溶融された後に固化する。
【００７３】
ここで、半田１９が溶着されていない領域のパッド１８Ａの上面は、パッド１９Ａの材料である銅が露出する面である。即ち、半田の濡れ性が悪いＣｕ／Ｓｎ合金層がこの領域に露出していない。従って、本形態で生成される半田はこの領域に良好に密着し、ボイドの発生は抑止されている。
【００７４】
図６（Ｃ）を参照して、半田１９を介したヒートシンク１４Ｄの固着が終了した後に、トランジスタ１４Ａの上面に配置された電極を、太線１５Ａを経由して導電パターン１８と接続する。
【００７５】
本工程にて、半田ペーストを溶融して半田１９を形成することにより、パッド１８Ａと半田１９との間に上記した合金層が生成される。具体的には、パッド１８Ａと半田１９との境界部分には、厚みの異なる２種類の合金層２２、２３が生成される。
【００７６】
合金層２２は、上記した半田１９が離散的に配置される箇所に有り、半田の溶融が２回行われるので、比較的厚い合金層となる。換言すると、合金層２２は、図４に示す工程で生成された合金層と、本工程にて生成された合金層とを含むものである。
【００７７】
一方、合金層２３は、本工程のみ（即ち一回のみの溶融）で生成されたものであり、その厚みは、例えば合金層２２の半分以下程度である。図６（Ａ）を参照して、厚みが不均一な合金層は、最初に形成される半田１９を部分的に形成し、再度形成される半田ペースト３１を全体的に行き渡らせることで設けられる。
【００７８】
本形態では、上記のように、最初に離散的に半田を設け、その後再び半田ペースト３１を供給して半田１９を形成することにより、ヒートシンク１４Ｄを実装するために十分な半田量が確保されると共に、この半田のヒケが防止できる２つの効果が得られる。
【００７９】
第５の工程：図７参照
本工程では、リード１１の固着および封止樹脂１２の形成を行う。
【００８０】
図７（Ａ）を参照して、先ずパッド１８Ｅの上部に半田ペースト２１Ａを塗布してリード１１を載置した後に、半田ペースト２１Ａを溶融させてリード１１を固着する。
【００８１】
図７（Ｂ）を参照して、次に、基板１６の表面に固着された回路素子が被覆されるように封止樹脂１２を形成する。本形態では、基板１６の側面および裏面も被覆されるように封止樹脂１２が形成されている。ここで、基板１６の裏面を外部に露出させて封止樹脂１２を形成することもできる。更に、ケース材を用いて基板１６の表面を封止することもできる。
【００８２】
上述した工程により、図１に示すような混成集積回路装置１０が形成される。
【符号の説明】
【００８３】
１０ 混成集積回路装置
１１ リード
１２ 封止樹脂
１４Ａ トランジスタ
１４Ｂ チップ部品
１４Ｃ トランジスタ
１４Ｄ ヒートシンク
１５Ａ 太線
１５Ｂ 細線
１６ 基板
１７ 絶縁層
１８ パターン
１８Ａ パッド
１８Ｂ パッド
１８Ｃ パッド
１８Ｄ パッド
１８Ｅ パッド
１８Ｆ 配線パターン
１９ 半田
２１ 半田ペースト
２１Ａ 半田ペースト
２２ 合金層
２３ 合金層
３０ シリンジ
３１ 半田ペースト
【技術分野】
【０００１】
本発明は回路装置およびその製造方法に関し、特に、大型の回路素子の半田接続を行う回路装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図８を参照して、従来の回路装置の製造方法を説明する。ここでは、基板１０６の表面に導電パターン１０８および回路素子を形成する混成集積回路装置の製造方法を説明する（例えば、下記特許文献１を参照）。
【０００３】
図８（Ａ）を参照して、先ず、基板１０６の表面に形成された導電パターン１０８の表面に半田１０９を形成する。基板１０６は例えばアルミニウム等の金属から成る金属基板であり、導電パターン１０８と基板１０６とは、絶縁層１０７により絶縁されている。導電パターン１０８により、パッド１０８Ａ、パッド１０８Ｂおよびパッド１０８Ｃが形成されている。パッド１０８Ａは後の工程にてヒートシンクが上部に固着される。パッド１０８Ｂは後の工程にて小信号のトランジスタが固着される。パッド１０８Ｃは、後の工程にてリードが固着される。ここでは、比較的大きなパッドであるパッド１０８Ａおよびパッド１０８Ｃの表面に半田１０９が形成される。
【０００４】
図８（Ｂ）を参照して、次に、小信号系のトランジスタ１０４Ｃおよびチップ部品１０４Ｂを、半田を介して固着する。この工程では、トランジスタ１０４Ｃ等を接続する半田が溶融されるまで加熱を行う。従って、前工程にてパッド１０８Ａおよびパッド１０８Ｃに形成された半田１０９も溶融される。
【０００５】
図８（Ｃ）を参照して、次に、小信号系のトランジスタ１０４Ｃと所定の導電パターン１０８とを細線１０５Ｂにより接続する。
【０００６】
図９（Ａ）を参照して、次に、パッド１０８Ａおよびパッド１０８Ｃ上に予め形成された半田１０９を溶融させて、ヒートシンク１１１およびリード１０１を固着する。ここでは、上部にパワートランジスタ１０４Ａが載置されたヒートシンク１１１を、予め形成された半田１０９を介してパッド１０８Ａ上に固着している。更に、太線１０５Ａを用いて、所望の導電パターン１０８とトランジスタ１０４Ａとを接続する。
【０００７】
図９（Ｂ）を参照して、基板１０６の表面に形成された回路素子および導電パターン１０８が被覆されるように封止樹脂１０２を形成する。以上の工程により、混成集積回路装置１００が製造される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−１３４６８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、図１０を参照して、上記した従来の製造方法では溶融した半田１０９にヒケの問題が発生していた。図１０（Ａ）はヒケが発生した基板１０６の平面図であり、図１０（Ｂ）は断面図であり、図１０（Ｃ）はヒケが発生した部分を拡大した断面図である。
【００１０】
図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）を参照して、「ヒケ」とは、パッド１０８Ａの全面に塗布された半田を溶融すると、半田１０９が偏ってしまう現象のことである。特にヒートシンク１１１が固着されるパッド１０８Ａは、例えば１つの辺の長さが９ｍｍ以上の大型な矩形に形成される。従って、他の部位と比較するとパッド１０８Ａには多量の半田が上部に付着され、溶融した半田１０９には大きな表面張力が作用し、半田のヒケが発生する。
【００１１】
半田１０９のヒケが発生すると、ヒケが発生した部分に於いて、パッド１０８Ａと回路素子とが接合されないので、ヒケが発生した部分の熱抵抗が上昇してしまう。更に、ヒケが発生することにより半田接合の強度が低下するので、温度変化に対する半田接合部の接続信頼性が低下する。
【００１２】
図１０（Ｃ）を参照して、パッド１０８Ａと半田１０９との間に合金層１１０が生成されるのが、ヒケが発生する原因である。半田ペーストをパッド１０８Ａの上部に付着させて加熱溶融すると、パッド１０８Ａの材料である銅と半田の材料である錫から成る金属間化合物が形成される。この図では金属間化合物から成る層を合金層１１０で示している。具体的には、合金層１１０の厚みは数μｍ程度であり、組成がＣｕ６Ｓｎ５またはＣｕ３Ｓｎの金属間化合物である。この合金層１１０は、パッド１０８Ａの材料である銅と比較すると、半田の濡れ性が極めて悪い。このように半田の濡れ性に劣る合金層１１０が形成されることにより、半田のヒケが発生していた。更にまた、複数回に渡り半田を溶融させると、パッド１０８Ａの上面に形成される合金層１１０が厚くなり、このことにより半田の濡れ性は更に悪くなる。以下の説明では、銅と錫とか成る合金層をＣｕ／Ｓｎ合金層と呼ぶ。
【００１３】
一方、近年では環境への配慮から鉛フリー半田が使用されている。半田１０９Ａとして鉛フリー半田を用いると、より厚い合金層１１０が形成され、上記したヒケの問題が顕著に発生する。これは、鉛フリー半田には鉛共晶半田よりも多量の錫が含まれるからである。具体的には、一般的な鉛共晶半田に含まれる錫の割合は６０重量％程度であるのに対して、鉛フリー半田に含まれる錫の割合は９０重量％程度である。
【００１４】
更にまた、生産性向上等を目的として、ロジン系フラックスが添加された半田ペーストを採用すると、溶融した半田ペーストが濡れない問題が発生する。この理由は、水溶性フラックスと比較するとロジン系フラックスは活性力が弱いからである。また、銅から成るパッドの上面をニッケル膜により被覆し、このニッケル膜の上面にロジン系の半田ペーストを塗布して溶融すると、半田ペーストが濡れない問題が顕著と成る。
【００１５】
ここで、濡れ性が悪いとは、パッドと半田との間に合金層が形成されずに、半田が広がらないことをいう。一方、ヒケとは、半田とパッドとの間に合金層形成されて一時的に半田は濡れ広がるが、その後、半田の表面張力で半田が寄ってしまう状態のことである。従って、半田にヒケが発生すると、後述するようにパッドの上面に合金層が露出しボイドが発生する。
【００１６】
更に、回路素子を半田接続する場合において、半田とパッドとの境界部分にＣｕ／Ｓｎ合金層が厚く形成されると、厚いＣｕ／Ｓｎ層は機械的強度が弱いので、半田接続の接続信頼性が低下するおそれがある。
【００１７】
本発明は、上記問題点を鑑みてなされ、本発明の主な目的は、半田のヒケの発生を抑止して半田接合部の接続信頼性を向上させた回路装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の回路装置は、基板と、前記基板の上面に形成されたパッドと、前記パッドに半田を介して固着された回路素子とを具備し、前記半田と前記パッドとの境界には、両者を構成する金属間化合物から成る合金層が形成され、前記合金層は、第１合金層と、前記第１合金層よりも厚い第２合金層を有することを特徴とする。
【００１９】
本発明の回路装置の製造方法は、回路基板に配置されたパッドの上面に複数の第１半田を互いに離間して形成する工程と、前記第１半田および前記パッドの上面が覆われるように半田ペーストを塗布する工程と、前記半田ペーストの上面に回路素子を載置して加熱することにより、前記回路素子を前記パッドに固着する工程と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の回路装置では、回路素子を接続する半田とパッドとの境界に設けられる合金層を、厚い第１合金層と、薄い第２合金層とから構成している。このようにすることで、薄い合金層により接続強度が確保されるので、半田とパッドとの接続信頼性が向上される。
【００２１】
本発明の回路装置の製造方法では、比較的大型なパッドの上面に複数の第１半田を離間した状態で溶着させる。パッドの上面に一体化された第１半田を形成するのではなく、離散的に複数個の第１半田をパッド状に設けることにより、個々の第１半田に作用する表面張力が低減されるので、第１半田を形成する工程におけるヒケが防止される。
【００２２】
更に、第１半田にヒケが発生しないことにより、第１半田が形成されない領域のパッドの上面にＣｕ／Ｓｎ合金層が露出しない。半田の濡れ性が悪いＣｕ／Ｓｎ合金層が露出しないことにより、更に半田ペーストを溶融する次工程でのヒケが抑止される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明により製造される回路装置を示す図であり、（Ａ）は斜視図であり、（Ｂ）は断面図であり、（Ｃ）は拡大された断面図である。
【図２】本発明の回路装置の製造方法を示す図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は断面図である。
【図３】本発明の回路装置の製造方法を示す図であり、（Ａ）は断面図であり、（Ｂ）は平面図であり、（Ｃ）は拡大された平面図である。
【図４】本発明の回路装置の製造方法を示す図であり、（Ａ）は断面図であり、（Ｂ）は断面図であり、（Ｃ）は断面図である。
【図５】本発明の回路装置の製造方法を示す図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は拡大された平面図である。
【図６】本発明の回路装置の製造方法を示す図であり、（Ａ）は断面図であり、（Ｂ）は断面図であり、（Ｃ）は拡大された断面図である。
【図７】本発明の回路装置の製造方法を示す図であり、（Ａ）は断面図であり、（Ｂ）は断面図である。
【図８】従来の回路装置の製造方法を示す図であり、（Ａ）−（Ｃ）は断面図である。
【図９】従来の回路装置の製造方法を示す図であり、（Ａ）は断面図であり、（Ｂ）は断面図である。
【図１０】従来の回路装置の製造方法を示す図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は断面図であり、（Ｃ）は拡大された断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
＜第１の実施の形態＞
本実施の形態では、図１を参照して、本発明の回路装置の一例として混成集積回路装置１０の構成を説明する。図１（Ａ）は混成集積回路装置１０の斜視図であり、図１（Ｂ）はその断面図である。図１（Ｃ）はトランジスタ１４Ａ（回路素子）が固着される構造を示す断面図である。
【００２５】
図１（Ａ）および図１（Ｂ）を参照して、混成集積回路装置１０は、基板１６の表面に導電パターン１８が形成され、半田１９を介して導電パターン１８にトランジスタ等の回路素子が固着されている。そして、基板１６の少なくとも表面は封止樹脂１２により封止されている。
【００２６】
基板１６は、アルミニウムや銅等の金属から成る金属基板、エポキシ樹脂等の樹脂材料からなる基板である。基板１６としてアルミニウムより成る基板を採用した場合、基板１６の両主面はアルマイト処理により生成された陽極酸化膜により被覆される。基板１６の具体的な大きさは、例えば、縦×横×厚さ＝６０ｍｍ×４０ｍｍ×１．５ｍｍ程度である。
【００２７】
絶縁層１７は、基板１６の上面全域を覆うように形成されている。絶縁層１７は、Ａｌ２Ｏ３等のフィラーが高充填されたエポキシ樹脂等から成る。このことにより、内蔵される回路素子から発生した熱を、基板１６を介して良好に外部に放出することができる。絶縁層１７の具体的な厚みは、例えば５０μｍ程度である。
【００２８】
導電パターン１８は銅を主材料とする金属膜から成り、所定の電気回路が実現されるように絶縁層１７の表面に形成される。更に導電パターン１８により、パッド１８Ａ、パッド１８Ｃおよびパッド１８Ｅが形成されている。各パッドの詳細は図２を参照して後述する。
【００２９】
パワートランジスタ１４Ａ、チップ部品１４Ｂおよび小信号トランジスタ１４Ｃ等の回路素子は、半田１９を介して所定の導電パターン１８に固着されている。ここで、パワートランジスタ１４Ａは、ヒートシンク１４Ｄを介してパッド１８Ａに固着されることで、放熱性が向上されている。チップ部品１４Ｂは、両端の電極が半田１９により導電パターン１８に固着されている。小信号トランジスタ１４Ｃは、半田１９を介して裏面がパッド１８Ｃに固着されている。ここで、パワートランジスタ１４Ａとは、例えば１Ａ以上の電流が流れるトランジスタであり、小信号トランジスタ１４Ｃとは１Ａ未満の電流が流れるトランジスタである。更に、パワートランジスタ１４Ａの表面の電極は、太さが１００μｍ以上の金属細線である太線１５Ａにより導電パターン１８と接続されている。また、小信号トランジスタ１４Ｃの表面に形成された電極は、太さが８０μｍ程度以下の細線１５Ｂを介して導電パターン１８に接続されている。
【００３０】
基板１６に実装される回路素子としては、トランジスタ、ＬＳＩチップ、ダイオード等の半導体素子を採用することができる。更に、チップ抵抗、チップコンデンサ、インダクタンス、サーミスタ、アンテナ、発振器等のチップ部品も回路素子として採用することができる。さらには、樹脂封止型の回路装置も回路素子として混成集積回路装置１０に内蔵させることができる。また本形態では、下面にヒートシンク１４Ｄが固着されたトランジスタ１４Ａを、一つの回路素子としてみなしても良い。
【００３１】
リード１１は、基板１６の周辺部に設けられたパッド１８Ｅに固着され、外部との入力・出力を行う働きを有する。ここでは、一つの側辺に多数個のリード１１が固着されているが、リード１１は基板１６の４辺から導出させることも可能であり、対向する２辺から導出させることも可能である。
【００３２】
封止樹脂１２は、熱硬化性樹脂を用いるトランスファーモールドにより形成される。図１（Ｂ）を参照すると、基板１６の表面に形成された導電パターン１８および回路素子が封止樹脂１２により被覆される。ここでは、基板１６の側面および裏面も封止樹脂１２により被覆されており、このようにすることで、装置全体の耐湿性を向上させることができる。また、基板１６の放熱性を向上させるために、基板１６の裏面を封止樹脂１２から露出させても良い。更に、封止樹脂１２の替わりに、ケース材による封止を行うこともできる。
【００３３】
図１（Ｃ）を参照して、ヒートシンク１４Ｄがパッド１８Ａに溶着される構造を説明する。具体的には、銅を主材料とするパッド１８Ａの上面には半田１９を介してヒートシンク１４Ｄが固着されており、更にヒートシンク１４Ｄの上面にトランジスタ１４Ａの下側の電極が固着されている。
【００３４】
また、トランジスタ１４Ａの上面に配置された電極は太線１５Ａを経由して、パッド１８Ａの近傍に配置されたパッド状の導電パターン１８と接続される。上記したように、トランジスタ１４Ａとパッド１８Ａとの間にヒートシンク１４Ｄを配置することにより、熱が伝導する面積が大きくなり、トランジスタ１４Ａから放出された熱は良好に基板１６に伝導する。
【００３５】
トランジスタ１４ＡとしてＭＯＳＦＥＴが採用された場合、トランジスタ１４Ａの下面に設けたドレイン電極はヒートシンク１４Ｄを経由してパッド１８Ａと接続される。また、トランジスタ１４Ａの上面に設けたソース電極は、パッド１８Ａの近傍に配置された他の導電パターン１８と太線１５Ａを経由して接続される。そして、トランジスタ１４Ａの上面に配置されたゲート電極は太線１５Ａあるいは細線を経由して、パッド１８Ａの周囲に配置された他の導電パターン１８と接続される。
【００３６】
パッド１８Ａの上面と半田１９との境界部分には、半田パッド１８Ａの材料と半田１９の材料とから構成される金属間化合物が生成される。例えば、パッド１８Ａの材料が銅であり、半田１９の主材料が錫の場合は、上記したＣｕ／Ｓｎ合金層が生成される。特に、半田１９として錫を主材料とする鉛フリーはんだが採用された場合、厚いＣｕ／Ｓｎ合金層が生成される傾向にある。
【００３７】
また、本形態では、パッド１８Ａの上面に固着される素子として、トランジスタ１４Ａが上面に固着されたヒートシンクが採用されているが、その他の素子がパッド１８Ａに固着されても良い。例えば、トランジスタ１４Ａが直にパッド１８Ａの上面に固着されても良い。
【００３８】
更に本形態では、上記した合金層を部分的に薄くすることにより、半田１９とパッド１８Ａとの接続信頼性が向上する利点がある。具体的には、Ｃｕ／Ｓｎ合金から成る合金層は脆い性質を備えている。従って、この合金層が厚く形成されると、使用状況下に於いて合金層が形成された箇所にて半田１９とパッド１８Ａとが剥離してしまう恐れがある。このことを防止するために、合金層を部分的に薄く形成している。このようにすることで、厚い合金層２２では強度が弱くなるが、薄い合金層２３で強度が確保されるので、この合金層の部分で使用状況下においてクラックが発生することが抑制される。
【００３９】
また、厚い合金層２２はパッド１８Ａの上面にマトリックス状に配置されており、薄い合金層２３は合金層２２の間に格子状に形成されている。薄い合金層２３が格子状に形成されることにより、パッド１８Ａの全面に渡り合金層２３で剥離が防止される。
【００４０】
更にまた、薄い合金層２２は、パッド１８Ａの四方の周辺部に配置されており、このことによっても半田１９とパッド１８Ａとの剥離が抑制されている。
【００４１】
このような合金層は、後述するように、部分的に半田を複数個に分けて形成することで実現される。図５（Ｂ）を参照して、パッド１８Ａの上面に半田１９が形成される箇所が上記した厚い合金層２２が形成される領域である。また、パッド１８Ａの上面に於いて半田１９が形成されない領域が、薄い合金層２３が形成される領域である。
【００４２】
＜第２の実施の形態＞
本実施の形態では、図２から図７を参照して、上記した混成集積回路装置１０の製造方法を説明する。
【００４３】
第１の工程：図２参照
本工程では、基板１６の表面に導電パターン１８を形成する。図２（Ａ）は本工程での基板１６の平面図であり、図２（Ｂ）はその断面図である。
【００４４】
図２（Ａ）および図２（Ｂ）を参照して、基板１６の表面に貼着された導電箔をパターニングすることで、所定のパターン形状の導電パターン１８が形成される。ここでは、導電パターン１８により、パッド１８Ａ〜１８Ｅが形成されている。パッド１８Ａは、後の工程にてヒートシンクが固着されるパッドであり、比較的大型に形成される。例えば、パッド１８Ａは、９ｍｍ×９ｍｍ以上の四角形形状に形成される。パッド１８Ｂ、１８Ｃは、後の工程にてチップコンデンサ等のチップ素子の両電極が半田を介して固着されるパッドである。また、パッド１８Ｄは、小信号系のトランジスタまたはＬＳＩが固着されるパッドであり、パッド１８Ａと比較すると小さく形成される。例えばパッド１８Ｄの大きさは２ｍｍ×２ｍｍ程度の矩形である。パッド１８Ｅは、紙面上にて基板１６の上側辺に沿って複数個が略等間隔に形成されている。このパッド１８Ｅは、後の工程にてリード１１が固着される。更に、各パッドを相互に接続するように延在する配線パターン１８Ｆも形成される。
【００４５】
上記した導電パターン１８は、銅を主材料とする金属から構成されている。また、パッド１８Ａ等の上面はメッキ膜等により被覆されることはなく、導電パターン１８を構成する金属材料が露出する面である。更に、通常の作業雰囲気下では、パッド１８Ａの表面は薄い酸化膜により被覆される場合もあるが、この酸化膜は後に塗布される半田ペーストに含まれるフラックスにより除去される。
【００４６】
第２の工程：図３参照
本工程では、パッド１８Ａ〜１８Ｄの上面に半田ペースト２１Ａを塗布する。
【００４７】
具体的には、図３（Ａ）を参照して、スクリーン印刷を行うことにより、パッド１８Ａ〜１８Ｄの上面に半田ペースト２１Ａを塗布する。本工程では、次工程で小信号系素子が実装されるパッド１８Ｂ−１８Ｄおよび大型のパッド１８Ａの上面に、半田ペースト２１Ａが印刷して塗布される。
【００４８】
図３（Ａ）および図３（Ｂ）を参照して、パッド１８Ｂ、１８Ｃは抵抗器等のチップ素子が実装される素子であり、上面のほぼ全域に半田ペースト２１Ａが一体的に塗布される。また、パッド１８Ｄは、制御用のＬＳＩが固着されるものであり、上面のほぼ全域に半田ペースト２１Ａが一体的に塗布される。
【００４９】
ここで、図３（Ａ）で右端に配置されるパッド１８Ｅは後の工程にて外部出力端子であるリードが固着されるものであるので、本工程では半田は溶着されない。
【００５０】
一方、図３（Ｃ）を参照して、パッド１８Ａの上面では、全面的に半田ペースト２１Ａが均一の厚みで塗布されるのではなく、半田ペースト２１Ａは離散的に塗布されている。具体的には、パッド１８Ａの上面には、マトリックス状に３行３列で合計９個の半田ペースト２１Ａが互いに離間して配置されている。ここでは９個の半田ペースト２１Ａがパッド１８Ａの上面に配置されているが、この個数は２個、４個または６個程度でも良い。
【００５１】
先ず、半田ペースト２１Ａが離散して配置されるパッド１８Ａの平面視での形状は、Ｌ１＝４．５ｍｍ以上１３．０ｍｍであり、Ｌ２も同程度である。
【００５２】
各々の半田ペースト２１Ａは、平面視で四角形形状を呈しており、Ｌ３＝２．４ｍｍ以上３．４ｍｍ以下であり、Ｌ４の長さも同程度である。ここで、半田ペースト２１Ａは正方形型でも良いし長方形型でも良い。半田ペースト２１Ａの一辺の長さが大きすぎると、半田ペースト２１Ａの量が多くなり、表面張力が大きくなるので、上記したヒケが発生する恐れが大きくなる。一方、逆に半田ペースト２１Ａの一辺の長さが小さすぎると、半田ペースト２１Ａの量が不十分となり、パッド１８Ａとその上面に固着される素子との接続強度が不十分となる。
【００５３】
個々の半田ペースト２１Ａは、溶融された際に離散化された状態を維持する様に互いに離間している。半田ペースト２１Ａ同士が紙面上で縦方向に離間する距離Ｌ５は、例えば０．９ｍｍ以上１．７ｍｍ以下である。また、半田ペースト２１Ａ同士が紙面上で横方向に離間する距離Ｌ６も同様である。半田ペースト２１Ａ同士が離間する距離が短すぎると、溶融した半田ペースト２１同士が一体化してしまい、その結果液状の半田に発生する表面張力が大きくなりヒケが発生する。一方、半田ペースト２１Ａ同士が離間する距離が長すぎると、半田ペースト２１Ａの量が不足する恐れがある。
【００５４】
本工程は、スクリーン印刷塗布またはシリンジによる供給により行われる。スクリーン印刷による場合は、半田ペースト２１Ａが塗布される領域に開口部を有したスクリーンを、基板１６の上面に載置し、このスクリーンの開口部にスキージを用いて半田ペーストを供給する。その後、スクリーンを基板１６から離間させることにより、所定の位置に半田ペースト２１Ａが塗布される。
【００５５】
本工程にて用いる半田ペースト２１Ａは、フラックスと半田粉末との混合物である。半田ペースト２１Ａに混入される半田粉としては、鉛を含む半田および鉛フリー半田の両方を採用することができる。半田粉の具体的な組成としては、例えば、Ｓｎ６３／Ｐｂ３７、Ｓｎ／Ａｇ３．５、Ｓｎ／Ａｇ３．０／Ｃｕ０．５、Ｓｎ／Ａｇ２．９／Ｃｕ０．５、Ｓｎ／Ａｇ３．０／Ｃｕ０．５、Ｓｎ／Ｂｉ５８、Ｓｎ／Ｃｕ０．７、Ｓｎ／Ｚｎ９、Ｓｎ／Ｚｎ８／Ｂｉ３等が考えられる。これらの数字は半田全体に対する重量％を示す。鉛は環境に与える負荷が大きいことを考慮すると、鉛フリー半田を用いることが好ましい。
【００５６】
上記した鉛フリー半田でも、Ｓｎ／Ａｇ３．０／Ｃｕ０．５の組成を有する半田が融点の好適さ等の観点から最適である。ここで、この半田に含有されるＡｇの重量％は２．０以上４．０％以下でも良く、Ｃｕの重量％は０．５％以上０．８％以下でも良い。
【００５７】
また、鉛フリー半田はＳｎ（錫）を主材料とする場合が多いので、パッド１８Ａと半田１９との境界には、銅と錫とを含む濡れ性の悪い金属間化合物層が生成される。
【００５８】
半田ペースト２１Ａに含まれるフラックスとしては、ロジン系フラックスが適用可能である。本形態ではリフローの工程が終了した後に、フラックスの残渣を洗浄して除去している。
【００５９】
第３の工程：図４および図５参照
次に、パワートランジスタ以外の素子（小信号系トランジスタおよびチップ部品）の電気的接続を行い、パッド１８Ａの上面に離散的に半田１９を形成する。
【００６０】
先ず、図４（Ａ）を参照して、本工程で接続される素子を半田ペースト２１Ａに載置する。具体的には、パッド１８Ｂ、１８Ｃに塗布された半田ペースト２１Ａの上面に、チップ部品１４Ｂを載置して仮留する。同様に、パッド１８Ｄの上面に塗布された半田ペースト２１Ａの上面に、トランジスタ１４Ｃを載置する。
【００６１】
次に、図４（Ｂ）を参照して、リフロー工程により過熱することで、上記した半田ペースト２１Ａを溶融させて半田１９を形成している。このことにより、チップ部品１４Ｂの両端の電極は半田１９を介して、パッド１８Ｂ、１８Ｃに固着される。また、トランジスタ１４Ｃの裏面も、半田１９を介してパッド１８Ｄの上面に固着される。本工程のリフローにて、パッド１８Ａの上面に塗布された半田ペースト２１Ａも溶融して、半田１９（第１半田）となる。
【００６２】
図４（Ｃ）を参照して、次に、細線１５Ｂを介して、トランジスタ１４Ｃの上面に配置された電極を、パッド１８Ｄの周囲に配置された導電パターンから成るパッドと接続する。ここで、細線１５Ｂとしては、太さが８０μｍ程度以下の金、銅またはアルミニウムから成る金属細線である。
【００６３】
本工程が終了した後の基板１６の状態を図５に示す。図５（Ａ）は本工程が終了した後の基板１６の上面を示す平面図であり、図５（Ｂ）はパッド１８Ａを示す拡大平面図である。
【００６４】
図５（Ａ）および図５（Ｂ）を参照して、パッド１８Ａの上面には、３行３列で合計９個の半田１９が互いに離間して配置されている。個々の半田１９の平面的な大きさは図３（Ｃ）を参照して説明した場合よりも若干大きくなっており、その形状はやや膨らんだ四角形形状を呈している。これは、半田ペーストが溶融して外部に広がった事による。また、各半田１９同士が離間する距離Ｌ５、Ｌ６は、図３（Ｃ）に示した場合と比較すると、若干距離が短くなっている。しかしながら、本工程を経ても、半田１９同士は離間した状態を保っている。
【００６５】
本形態では、このようにパッド１８Ａの上面に離散的に小型の半田１９を設けることで、半田ヒケが防止される。
【００６６】
具体的には、上記したように、後の工程にてヒートシンクが実装されるパッド１８Ａは、例えば一辺が９ｍｍ以上の大型なものである。従って、パッド１８Ａの上面全域に半田ペーストを塗布して溶融すると、大量の液状の半田に対して大きな表面張力が作用する。このようになると、表面張力の作用で半田１９がヒケてしまう。また、半田１９がヒケた部分では、パッド１８Ａと半田１９とから生成されるＣｕ／Ｓｎ合金が露出する。このＣｕ／Ｓｎ合金が露出する面では、半田の濡れ性が極めて悪いので、後の工程にてこの領域に半田が溶着せずにボイドが発生する。
【００６７】
本形態では、小型の半田１９をパッド１８Ａの上面に離間的に形成することで、表面張力を小さくした結果、半田１９はヒケが防止された状態でパッド１８Ａの上面に溶着されている。従って、半田１９が形成されてない領域のパッド１８Ａの上面には、Ｃｕ／Ｓｎ層は露出しない。即ち、この領域では、パッド１８Ａの材料である銅等の金属材料が露出する。このことにより、この領域にて半田の濡れ性が低下することが防止されている。
【００６８】
第４の工程：図６参照
図６を参照して、次に、トランジスタ１４Ａが固着されたヒートシンク１４Ｄを、パッド１８Ａの上面に固着する。
【００６９】
図６（Ａ）を参照して、先ず、パッド１８Ａの上面に新たに半田ペースト３１を供給する。本工程では、基板１６の上面にチップ部品１４Ｂ等の回路素子が既に配置されており、スクリーン印刷が困難であるので、シリンジ３０を用いて半田ペースト３１をパッド１８Ａの上面に供給している。本工程では、既にパッド１８Ａの上面に形成された半田１９の間を埋めるように団子状に半田ペースト３１を供給する。本工程で使用される半田ペースト３１の組成は、図３（Ａ）に示す半田ペースト２１Ａと同様で良い。
【００７０】
本工程では、半田ペースト３１は、半田１９が形成されていない領域のパッド１８Ａの上面に接触する。更に、半田１９の表面は半田ペースト３１に被覆される。
【００７１】
図６（Ｂ）を参照して、次に、パワー系のトランジスタ１４Ａが固着されたヒートシンク１４Ｄを、半田１９の上面に載置する。ここでは、予めヒートシンク１４Ｄの上面にトランジスタ１４Ａが半田を介して固着されているが、ヒートシンク１４Ｄをパッド１８Ａに固着した後に、トランジスタ１４Ａをヒートシンク１４Ｄに固着しても良い。
【００７２】
この状態で、リフロー工程を行うことにより、パッド１８Ａの上面に形成された半田１９と、半田ペースト３１が溶融する。この結果、予め形成された半田１９と半田ペースト３１とが溶融して混合された結果、図６（Ｃ）に示す新たな半田１９（第２半田）を介してヒートシンク１４Ｄがパッド１８Ａの上面に固着される。また、チップ部品１４Ｂとトランジスタ１４Ｃを固着する半田１９も本工程にて溶融された後に固化する。
【００７３】
ここで、半田１９が溶着されていない領域のパッド１８Ａの上面は、パッド１９Ａの材料である銅が露出する面である。即ち、半田の濡れ性が悪いＣｕ／Ｓｎ合金層がこの領域に露出していない。従って、本形態で生成される半田はこの領域に良好に密着し、ボイドの発生は抑止されている。
【００７４】
図６（Ｃ）を参照して、半田１９を介したヒートシンク１４Ｄの固着が終了した後に、トランジスタ１４Ａの上面に配置された電極を、太線１５Ａを経由して導電パターン１８と接続する。
【００７５】
本工程にて、半田ペーストを溶融して半田１９を形成することにより、パッド１８Ａと半田１９との間に上記した合金層が生成される。具体的には、パッド１８Ａと半田１９との境界部分には、厚みの異なる２種類の合金層２２、２３が生成される。
【００７６】
合金層２２は、上記した半田１９が離散的に配置される箇所に有り、半田の溶融が２回行われるので、比較的厚い合金層となる。換言すると、合金層２２は、図４に示す工程で生成された合金層と、本工程にて生成された合金層とを含むものである。
【００７７】
一方、合金層２３は、本工程のみ（即ち一回のみの溶融）で生成されたものであり、その厚みは、例えば合金層２２の半分以下程度である。図６（Ａ）を参照して、厚みが不均一な合金層は、最初に形成される半田１９を部分的に形成し、再度形成される半田ペースト３１を全体的に行き渡らせることで設けられる。
【００７８】
本形態では、上記のように、最初に離散的に半田を設け、その後再び半田ペースト３１を供給して半田１９を形成することにより、ヒートシンク１４Ｄを実装するために十分な半田量が確保されると共に、この半田のヒケが防止できる２つの効果が得られる。
【００７９】
第５の工程：図７参照
本工程では、リード１１の固着および封止樹脂１２の形成を行う。
【００８０】
図７（Ａ）を参照して、先ずパッド１８Ｅの上部に半田ペースト２１Ａを塗布してリード１１を載置した後に、半田ペースト２１Ａを溶融させてリード１１を固着する。
【００８１】
図７（Ｂ）を参照して、次に、基板１６の表面に固着された回路素子が被覆されるように封止樹脂１２を形成する。本形態では、基板１６の側面および裏面も被覆されるように封止樹脂１２が形成されている。ここで、基板１６の裏面を外部に露出させて封止樹脂１２を形成することもできる。更に、ケース材を用いて基板１６の表面を封止することもできる。
【００８２】
上述した工程により、図１に示すような混成集積回路装置１０が形成される。
【符号の説明】
【００８３】
１０ 混成集積回路装置
１１ リード
１２ 封止樹脂
１４Ａ トランジスタ
１４Ｂ チップ部品
１４Ｃ トランジスタ
１４Ｄ ヒートシンク
１５Ａ 太線
１５Ｂ 細線
１６ 基板
１７ 絶縁層
１８ パターン
１８Ａ パッド
１８Ｂ パッド
１８Ｃ パッド
１８Ｄ パッド
１８Ｅ パッド
１８Ｆ 配線パターン
１９ 半田
２１ 半田ペースト
２１Ａ 半田ペースト
２２ 合金層
２３ 合金層
３０ シリンジ
３１ 半田ペースト
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上面に形成されたパッドと、
前記パッドに半田を介して固着された回路素子とを具備し、
前記半田と前記パッドとの境界には、両者を構成する金属間化合物から成る合金層が形成され、
前記合金層は、第１合金層と、前記第１合金層よりも厚い第２合金層を有することを特徴とする回路装置。
【請求項２】
前記第１合金層は、互いに離間してマトリックス状に配置されることを特徴とする請求項１に記載の回路装置。
【請求項３】
前記第１合金層は、前記第２合金層の間に格子状に形成されることを特徴とする請求項２に記載の回路装置。
【請求項４】
前記回路素子は、上面に半導体素子が固着されたヒートシンクであることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の回路装置。
【請求項５】
回路基板に配置されたパッドの上面に複数の第１半田を互いに離間して形成する工程と、
前記第１半田および前記パッドの上面が覆われるように半田ペーストを塗布する工程と、
前記半田ペーストの上面に回路素子を載置して加熱することにより、前記回路素子を前記パッドに固着する工程と、
を備えることを特徴とする回路装置の製造方法。
【請求項６】
前記第１半田は前記パッドの上面に直に形成され、前記半田ペーストは前記第１半田の表面および前記パッドの上面に塗布されることを特徴とする請求項５に記載の回路装置の製造方法。
【請求項７】
前記第１半田を前記パッドの上面にマトリックス状に配置することを特徴とする請求項
５または請求項６に記載の回路装置の製造方法。
【請求項８】
前記第１半田と前記パッドとの境界部分には第１合金層が生成され、
前記半田ペーストを溶融することにより形成された第２半田と前記パッドとの境界部分には第２合金層が生成され、
前記第２合金層は、前記第１合金層よりも薄いことを特徴とする請求項５から請求項７の何れかに記載の回路装置の製造方法。
【請求項９】
前記第１半田は平面視で、一辺の長さが３ｍｍ以下の四角形状に形成されることを特徴とする請求項５から請求項８の何れかに記載の回路装置の製造方法。
【請求項１０】
前記第１半田を形成する工程では、チップ素子または小信号トランジスタを、半田を介して前記回路基板の上面に固着することを特徴とする請求項５から請求項９の何れかに記載の回路装置の製造方法。
【請求項１１】
前記回路素子は、上面にトランジスタが固着されたヒートシンクであることを特徴とする請求項５から請求項１０の何れかに記載の回路装置の製造方法。
【請求項１】
基板と、
前記基板の上面に形成されたパッドと、
前記パッドに半田を介して固着された回路素子とを具備し、
前記半田と前記パッドとの境界には、両者を構成する金属間化合物から成る合金層が形成され、
前記合金層は、第１合金層と、前記第１合金層よりも厚い第２合金層を有することを特徴とする回路装置。
【請求項２】
前記第１合金層は、互いに離間してマトリックス状に配置されることを特徴とする請求項１に記載の回路装置。
【請求項３】
前記第１合金層は、前記第２合金層の間に格子状に形成されることを特徴とする請求項２に記載の回路装置。
【請求項４】
前記回路素子は、上面に半導体素子が固着されたヒートシンクであることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の回路装置。
【請求項５】
回路基板に配置されたパッドの上面に複数の第１半田を互いに離間して形成する工程と、
前記第１半田および前記パッドの上面が覆われるように半田ペーストを塗布する工程と、
前記半田ペーストの上面に回路素子を載置して加熱することにより、前記回路素子を前記パッドに固着する工程と、
を備えることを特徴とする回路装置の製造方法。
【請求項６】
前記第１半田は前記パッドの上面に直に形成され、前記半田ペーストは前記第１半田の表面および前記パッドの上面に塗布されることを特徴とする請求項５に記載の回路装置の製造方法。
【請求項７】
前記第１半田を前記パッドの上面にマトリックス状に配置することを特徴とする請求項
５または請求項６に記載の回路装置の製造方法。
【請求項８】
前記第１半田と前記パッドとの境界部分には第１合金層が生成され、
前記半田ペーストを溶融することにより形成された第２半田と前記パッドとの境界部分には第２合金層が生成され、
前記第２合金層は、前記第１合金層よりも薄いことを特徴とする請求項５から請求項７の何れかに記載の回路装置の製造方法。
【請求項９】
前記第１半田は平面視で、一辺の長さが３ｍｍ以下の四角形状に形成されることを特徴とする請求項５から請求項８の何れかに記載の回路装置の製造方法。
【請求項１０】
前記第１半田を形成する工程では、チップ素子または小信号トランジスタを、半田を介して前記回路基板の上面に固着することを特徴とする請求項５から請求項９の何れかに記載の回路装置の製造方法。
【請求項１１】
前記回路素子は、上面にトランジスタが固着されたヒートシンクであることを特徴とする請求項５から請求項１０の何れかに記載の回路装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−９９６８８（Ｐ２０１２−９９６８８Ａ）
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４７０６３（Ｐ２０１０−２４７０６３）
【出願日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【出願人】（３１１００３７４３）オンセミコンダクター・トレーディング・リミテッド (166)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【出願人】（３１１００３７４３）オンセミコンダクター・トレーディング・リミテッド (166)
【Ｆターム（参考）】
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