JP2006332385A - 半導体装置の実装方法および実装装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体装置の変形やプリント基板の変形が大きな量であった場合でも、半導体装置の外部リードとプリント基板の電極パッドとを良好に接続することができる半導体装置の実装方法を提供する。
【解決手段】 プリント基板４に設けられた外部リード接続用の複数の電極パッド３を、その実装面の面積が少なくとも一部の電極パッド３が異なるように形成し、プリント基板４の各電極パッド３に対して、略同じ量のはんだペースト５を供給することで、はんだペースト５が溶融した際に、実装面の面積が小さい電極パッド３ほど、はんだペースト５が高くなるようにした。これにより、リフロー工程時で熱的変形によってプリント基板４の電極パッド３と外部リード２の実装面２ａとが大きく離間するおそれがある場所でも、半導体装置１の外部リード２の実装面２ａをはんだペースト５に確実に接触させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、外部リード付きの半導体装置の実装方法および実装装置に関するものである。

小型機器の軽薄短小化に伴い、半導体装置自身の薄型化が進むと同時に、その半導体装置を実装するためのプリント基板も薄型化、多層化が望まれている。半導体装置をプリント基板に実装する場合、一般的にはリフロー工法が用いられることが多い。

以下、リフロー工程中の従来の半導体装置の実装工程での課題点について、図面を参照しながら説明する。
図７（ａ）〜（ｃ）は従来の半導体装置の実装方法の各工程の流れを概略的に示す図である。図７（ａ）に示すように、まずプリント基板１１上に設けられた電極パッド（図示せず）にはんだペースト１２を塗布し（はんだ印刷工程）、次に、図７（ｂ）に示すように、半導体素子（図示せず）が樹脂封止されて内蔵された半導体装置１３を準備してプリント基板１１に載置し（マウント工程）、この後、図７（ｃ）に示すように、プリント基板１１や半導体装置１３を含む全体を高温加熱してはんだペースト１２を溶融し、その後冷却することではんだペースト１２を固形化させる（リフロー工程）。これら一連の工程を順次行うことにより、半導体装置１３内に設けられている半導体素子の電極パッドと電気的に導通している外部リード１４は、はんだペースト１２によりプリント基板１１と電気的に接続されることになる。なお、１５は半導体装置１３の熱硬化性樹脂部である。

この半導体装置１３の外部リード１４の最下面は一般的に実装面１４ａと呼ばれ、図８に示すように、この実装面１４ａの平坦性を示すコプラナリティ（平坦度）１７は、通常、数十〜百μｍ前後の範囲となるように、外部リード１４が形成されている。

前記リフロー工程においては、２５℃前後の常温から２５０℃の高温に至るまでの過程において、半導体装置１３およびプリント基板１１ともに様々な負荷がかかっており、すなわち鉄や銅をベースにした外部リード１４と熱硬化性樹脂部１５との熱膨張係数の違いによる半導体装置１３の変形があり、一方で薄型化多層化されたプリント基板１１の変形があるため、その相乗作用により外部リード１４の実装面１４ａとはんだペースト１２とが接触できずにお互いに離反して、所謂はんだオープン不良の発生を招くことがある。つまり常温環境にある状態において、半導体装置１３のコプラナリティ１７およびプリント基板１１の平坦性のいずれを厳密に管理できたとしても、高温環境に曝されれば全く意味の無いものになり、実装オープン不良が発生してしまうことになる。

これに対処するものとして、図９に示すように、半導体装置２０の外部リード２１に柔軟性を持たせる構造（図９に示す外部リード２１では湾曲部２２を形成して柔軟性を持たせている）が例えば特許文献１等で述べられている。
特開平９−２４６４５２号公報

しかしながら、半導体装置２０の外部リード２１に湾曲部２２を形成するなどして柔軟性を持たせる従来の方法では、半導体装置２０の変形やプリント基板の変形が小さな量である場合には対応できるが、変形量が過大である場合には、これらの半導体装置２０の変形やプリント基板の変形には対応できないおそれがあった。

本発明は、上記課題を解決するもので、半導体装置の変形やプリント基板の変形が大きな量であった場合でも、半導体装置の外部リードとプリント基板の電極パッドとを良好に接続することができる半導体装置の実装方法および実装装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明は、半導体素子と電気的に導通した外部リードを有する半導体装置をプリント基板に実装させ、外部リードの実装面とプリント基板の電極パッドとをはんだペーストにより接続させる半導体装置の実装方法であって、プリント基板に設けられた外部リード接続用の複数の電極パッドを、その実装面の面積が少なくとも一部の電極パッドが異なるように形成し、プリント基板の各電極パッドに対して、略同じ量のはんだペーストを供給することで、はんだペーストが溶融した際に、実装面の面積が小さい電極パッドほど、はんだペーストが高くなるようにすることを特徴とする。

より具体的には、リフロー工程での半導体装置およびプリント基板の熱的変形を予測し、リフロー工程において、プリント基板の電極パッドと外部リードの実装面とが大きく離間する場所の電極パッドについてはその実装面の面積が小さくなるように形成し、プリント基板の電極パッドと外部リードの実装面との離間距離が小さい場所の電極パッドについてはその実装面の面積が大きくなるように形成する。

また、本発明の半導体装置の実装装置は、半導体素子と電気的に導通した外部リードを有する半導体装置がプリント基板に実装され、外部リードの実装面とプリント基板の電極パッドとがはんだペーストにより接続された半導体装置の実装装置であって、リフロー工程時において接続対象の外部リードの実装面との離間距離が大きくなる電極パッドの実装面の面積が、接続対象の外部リードの実装面との離間距離が小さい電極パッドの実装面の面積よりも大きく形成されていることを特徴とする。

この方法ならびに構成により、リフロー工程時での半導体装置およびプリント基板の熱的変形によってプリント基板の電極パッドと外部リードの実装面とが大きく離間する場所では、はんだペーストが溶融した際に、前記場所のはんだペーストが高くなるので、半導体装置の外部リードの実装面をはんだペーストに確実に接触させることができて、はんだペーストを介して半導体装置の外部リードとプリント基板の電極パッドとを良好に接続することができる。

また、本発明は、半導体素子と電気的に導通した外部リードを有する半導体装置をプリント基板に実装させ、外部リードの実装面とプリント基板の電極パッドとをはんだペーストにより接続させる半導体装置の実装方法であって、プリント基板に設けられた外部リード接続用の複数の電極パッドをその実装面の面積が略同じとなるように形成し、プリント基板の各電極パッドに対して、はんだペーストを少なくとも一部が異なる量となるように供給することで、はんだペーストが溶融した際に、はんだペーストの供給量が多い電極パッドほど、はんだペーストが高くなるようにすることを特徴とする。

より具体的には、リフロー工程での半導体装置およびプリント基板の熱的変形を予測し、リフロー工程において、プリント基板の電極パッドと外部リードの実装面とが大きな離間寸法を生じると推測される場所のマスクの開口部についてはその開口面積が大きくなる、またはその厚みが大きくなるように形成し、プリント基板の電極パッドと外部リードの実装面との離間寸法が小さいと推測される場所のマスクの開口部についてはその開口面積が小さくなる、またはその厚みが小さくなるように形成する。

この方法により、リフロー工程時での半導体装置およびプリント基板の熱的変形によってプリント基板の電極パッドと外部リードの実装面とが大きく離間すると推測される場所では、マスクの開口部の開口面積が大きい、またはその厚みが大きいマスクを用いることにより、この場所のはんだペーストの供給量が多くなるので、はんだペーストが溶融した際に、前記場所のはんだペーストが高くなり、半導体装置の外部リードの実装面をはんだペーストに確実に接触させることができて、はんだペーストを介して半導体装置の外部リードとプリント基板の電極パッドとを良好に接続することができる。

以上のように本発明を用いることで、半導体装置の外部リードを確実にはんだペーストと接触させることができて、はんだペーストを介して半導体装置の外部リードとプリント基板の電極パッドとを良好に接続することができるので、この結果、いわゆるオープン不良が発生することを防止することができ、実装工程での信頼性を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態に係る半導体装置の実装方法および実装装置について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の実装装置を側面から見た側面図である。図１に示すように、半導体装置１の側面から外部リード２が突出しており、前記外部リード２と対向した位置に、複数の電極パッド３を有するプリント基板４が配設されている。プリント基板４の電極パッド３上にははんだペースト５が塗布されており、このあとのリフロー工程で外部リード２と電極パッド３ははんだペースト５を介して金属間結合により電気的に接続されることになる。なお、図１における６は半導体装置１の熱硬化性樹脂部、２ａは外部リード２の実装面、７はプリント基板４のレジストである。

図２は図１における点線部の拡大図であり、図２（ａ）ははんだペースト５が溶融する前の状態、図２（ｂ）はリフロー工程における高温過熱によりはんだペースト５が溶融した後の状態をそれぞれ示している。図２（ａ）に示すように、プリント基板４の各電極パッド３に対して、はんだペースト５はいずれも同じ量が塗布される。一方、電極パッド３は、その実装面の面積が互いに異なるように形成されており、例えば一部のみ面積が小さく形成されている。

ここで、電極パッド３の実装面の面積が異なるように形成されている理由ならびに具体的構成を以下に述べる。
図３はリフロー工程での高温加熱時の半導体装置の実装装置を側面から見た側面図である。リフロー工程においては高温に加熱するため、この高温加熱時には半導体装置１の本体（熱硬化性樹脂部６）自身が反ったり、プリント基板４が反ることがある。これは外部リード２を構成する金属フレームと半導体装置１の本体を包む熱硬化性樹脂部６との熱膨張係数の違いから起こる現象であったり、プリント基板４の厚みやプリント基板４を構成する各層の物性の違いから起こる現象であったりする。この現象に対応すべく、このような現象に影響される、図３に示すような高温加熱時での半導体装置１およびプリント基板４の熱的変形の状態（図３においては、半導体装置１が中央側が盛り上がるように変形している場合を示しているが、これに限るものでないことはもちろんである）を、同様な材質ならびに構造の半導体装置１およびプリント基板４のサンプルを用いて予め調べておく。そして、図１〜図３に示すように、半導体装置１の外部リード２が実装されるプリント基板４の各電極パッド３を、リフロー工程時において接続対象の外部リード２の実装面２ａとの離間距離が大きくなると推測される電極パッド３の実装面の面積が、接続対象の外部リード２の実装面２ａとの離間距離が小さい電極パッド３の実装面の面積よりも大きくなるように形成されている。

このように、プリント基板４の各電極パッド３に対して、はんだペースト５はいずれも同じ量が塗布されている一方、電極パッド３が、その実装面の面積が互いに異なるように形成されている状態で、高温に加熱されてリフロー工程が行われると、図２（ｂ）に示すように、はんだペースト５が溶融するとはんだ高さに違いが現れる。はんだペースト５は電極パッド３上では濡れ拡がるがそれ以外の部分であるプリント基板４のレジスト７上では離反する特性があるためであり、電極パッド３の面積が広ければ（大きければ）はんだペースト５の高さは低くなり、逆に電極パッド３の面積が狭ければ（小さければ）はんだペースト５の高さは高くなる傾向になる。

図３に示すように、リフロー工程での高温加熱時においては、半導体装置１の本体自身が反ったり、プリント基板４が反ることがある。しかしながら本発明の半導体装置の実装方法を用いれば、半導体装置１やプリント基板４の変形があった場合でも、プリント基板４の上の電極パッド３の面積を操作することにより、外部リード２との接続が容易になる。すなわち、リフロー工程時での半導体装置１およびプリント基板４の熱的変形によってプリント基板４の電極パッド３と外部リード２の実装面２ａとが大きく離間すると推測される場所では、はんだペースト５が溶融した際にこのはんだペースト５の高さが高くなり、半導体装置１の外部リード２の実装面２ａとはんだペースト５とが確実に接触する。また、プリント基板４の電極パッド３と外部リード２の実装面２ａとがあまり離間しないと推測される場所では、はんだペースト５が溶融した際にこのはんだペースト５の高さが低いが、上記したように、この場所では外部リード２の実装面２ａとはんだペースト５との離間距離が小さい（または接触して全くない）ため、この場所においても半導体装置１の外部リード２の実装面２ａとはんだペースト５とは接触する。したがって、はんだペースト５を介して半導体装置１の外部リード２とプリント基板の電極パッドとが良好に接続され、いわゆるオープン不良が発生することを防止することができて、実装歩留まりや実装工程での信頼性を向上させることができる。
（実施の形態２）
図４は本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の実装装置を側面から見た側面図である。図４に示すように、半導体装置１の側面から外部リード２が突出しており、前記外部リード２と対向した位置に、複数の電極パッド３を有するプリント基板４が配設されている。プリント基板４の電極パッド３上にははんだペースト５が塗布されており、このあとのリフロー工程で外部リード２と電極パッド３ははんだペースト５を介して金属間結合により電気的に接続されることになる。なお、図１における６は半導体装置１の熱硬化性樹脂部、２ａは外部リード２の実装面、７はプリント基板４のレジストである。

図５は図４における点線部の拡大図であり、図５（ａ）ははんだペースト５が溶融する前の状態、図５（ｂ）はリフロー工程における高温過熱によりはんだペースト５が溶融した後の状態をそれぞれ示している。図５（ａ）に示すように、この半導体装置の実装装置では、プリント基板４に設けられた外部リード接続用の複数の電極パッド３がその実装面の面積が略同じとなるように形成されている一方、はんだペースト５の供給工程において、各電極パッド３に供給されるはんだペースト５が少なくとも一部が異なる量となるように塗布される。

ここで、各電極パッド３に供給されるはんだペースト５の量が異なる理由、ならびに量を異ならせて供給する方法について以下に具体的に述べる。
図６はリフロー工程での高温加熱時の半導体装置の実装装置を側面から見た側面図である。リフロー工程においては高温に加熱するため、この高温加熱時には半導体装置１の本体（熱硬化性樹脂部６）自身が反ったり、プリント基板４が反ることがある。これは外部リード２を構成する金属フレームと半導体装置１の本体を包む熱硬化性樹脂部６との熱膨張係数の違いから起こる現象であったり、プリント基板４の厚みやプリント基板４を構成する各層の物性の違いから起こる現象であったりする。この現象に対応すべく、このような現象に影響される、図６に示すような高温加熱時での半導体装置１およびプリント基板４の熱的変形の状態（図６においては、半導体装置１が中央側が盛り上がるように変形している場合を示しているが、これに限るものでないことはもちろんである）を、同様な材質ならびに構造の半導体装置１およびプリント基板４のサンプルを用いて予め調べておく。そして、図４〜図６に示すように、リフロー工程時において接続対象の外部リード２の実装面２ａとの離間距離が大きくなる電極パッド３に対応するはんだペースト５の量が、接続対象の外部リード２の実装面２ａとの離間距離が小さい電極パッド３に対応するはんだペースト５の量よりも多くなるように、はんだペースト５を供給する。

さらに具体的には、はんだペースト５の供給動作は、プリント基板４上に、開口部が形成されたマスク（図示せず）を載せてはんだペースト５が塗布されることで行われ、各電極パッド３に対応するマスクの開口部が、プリント基板４の電極パッド３と外部リード２の実装面２ａとが大きな隙間寸法を生じると推測される場所については、その開口面積が大きくなるように形成され、プリント基板４の電極パッド３と外部リード２の実装面２ａとの隙間寸法が小さいと推測される場所のマスクの開口部についてはその開口面積が小さくなるように形成されている。なお、このマスクの厚みは均一である。したがって、このマスクを用いてプリント基板４の電極パッド３上にはんだペースト５を塗布すると、図５（ａ）に示すように、プリント基板４の電極パッド３と外部リード２の実装面２ａとが大きな隙間寸法を生じると推測される場所については、広い面積の、すなわち多くの量のはんだペースト５が塗布され、また、プリント基板４の電極パッド３と外部リード２の実装面２ａとの隙間寸法が小さいと推測される場所については、狭い面積の、すなわち少ない量のはんだペースト５が塗布される。

このように、プリント基板４の各電極パッド３の実装面の面積が同じである一方、各電極パッド３に供給されたはんだペースト５の量が互いに異なっている状態で、高温に加熱されてリフロー工程が行われると、図５（ｂ）に示すように、はんだペースト５が溶融するとはんだ高さに違いが現れる。はんだペースト５は電極パッド３上では濡れ拡がるがそれ以外の部分であるプリント基板４のレジスト７上では離反する特性があるため、はんだペースト５の量が多ければ、はんだペースト５の高さは高くなり、逆にはんだペースト５の量が少なければ、はんだペースト５の高さは低くなる傾向になる。

図６に示すように、リフロー工程での高温加熱時においては、半導体装置１の本体自身が反ったり、プリント基板４が反ることがある。しかしながら本発明の半導体装置の実装方法を用いれば、半導体装置１やプリント基板４の変形があった場合でも、プリント基板４の電極パッド３上のはんだペースト５の量を操作することにより、外部リード２との接続が容易になる。すなわち、リフロー工程時での半導体装置１およびプリント基板４の熱的変形によってプリント基板４の電極パッド３と外部リード２の実装面２ａとが大きく離間すると推測される場所では、図５（ｂ）に示すように、はんだペースト５が溶融した際にこのはんだペースト５の高さが高くなり、半導体装置１の外部リード２の実装面２ａとはんだペースト５とが確実に接触する。また、プリント基板４の電極パッド３と外部リード２の実装面２ａとがあまり離間しないと推測される場所では、はんだペースト５が溶融した際にこのはんだペースト５の高さが低いが、上記したように、この場所では外部リード２の実装面２ａとはんだペースト５との離間距離が小さい（または接触して全くない）ため、この場所においても半導体装置１の外部リード２の実装面２ａとはんだペースト５とは接触する。したがって、はんだペースト５を介して半導体装置１の外部リード２とプリント基板の電極パッドとが良好に接続され、いわゆるオープン不良が発生することを防止することができて、実装歩留まりや実装工程での信頼性を向上させることができる。

なお、上記のように開口部の開口面積が異なるマスクに代えて、以下のように各開口部における厚みが異なるマスクを用いてもよい。すなわち、このマスクにおいては、各開口部の開口面積は略同一であるが、各開口部箇所での厚みが異なるように形成されており、、リフロー工程において、プリント基板４の電極パッド３と外部リード２の実装面２ａとが大きく離間すると推測される場所のマスクの厚みが大きくなるように形成され、プリント基板４の電極パッド３と外部リード２の実装面２ａとの離間寸法が小さいと予測される場所のマスクの開口部についてはその開口部箇所の厚みが小さくなるように形成されている。

このマスクを用いても、リフロー工程時において接続対象の外部リード２の実装面２ａとの離間距離が大きくなると推測される電極パッド３に対応するはんだペースト５の量が、接続対象の外部リード２の実装面２ａとの離間距離が小さいと推測される電極パッド３に対応するはんだペースト５の量よりも多くなり、上記のように開口部の開口面積が異なるマスクを用いた場合と同様な作用効果を得ることができる。

なお、上記したように、はんだペースト５の塗布量を操作する方法としては、はんだ印刷工程で使用する金属マスクの開口寸法を操作する方法のほかに、所望する箇所のみ金属マスクの厚みを厚くする方法などがあるが、この開口寸法や厚みについては、配線ルールや使用するはんだペースト５の粒径などの物性などを鑑みながら検討することが望ましい。

以上のように、本発明の半導体装置の実装方法は、加熱時に変形し易い半導体装置やプリント基板が設けられている実装装置に対して、実装歩留まりを向上させる手段として有用である。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の実装装置の側面図 図１における点線部の拡大図であり、（ａ）ははんだペーストが溶融する前の状態、（ｂ）はリフロー工程における高温過熱によりはんだペーストが溶融した後の状態 リフロー工程での高温加熱時の半導体装置の実装装置の側面図 本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の実装装置の側面図 図４における点線部の拡大図であり、（ａ）ははんだペーストが溶融する前の状態、（ｂ）はリフロー工程における高温過熱によりはんだペーストが溶融した後の状態 リフロー工程での高温加熱時の半導体装置の実装装置の側面図 （ａ）〜（ｃ）はそれぞれ従来の基板実装方法の各工程の流れを概略的に示す側面図 従来の半導体装置の側面図 その他の従来の半導体装置の簡略的な断面図

符号の説明

１ 半導体装置
２ 外部リード
２ａ 実装面
３ 電極パッド
４ プリント基板
５ はんだペースト
６ 熱硬化性樹脂部
７ レジスト

Claims (8)

1. 半導体素子と電気的に導通した外部リードを有する半導体装置をプリント基板に実装させ、外部リードの実装面とプリント基板の電極パッドとをはんだペーストにより接続させる半導体装置の実装方法であって、プリント基板に設けられた外部リード接続用の複数の電極パッドを、その実装面の面積が少なくとも一部の電極パッドが異なるように形成し、プリント基板の各電極パッドに対して、略同じ量のはんだペーストを供給することで、はんだペーストが溶融した際に、実装面の面積が小さい電極パッドほど、はんだペーストが高くなるようにすることを特徴とする半導体装置の実装方法。
2. リフロー工程での半導体装置およびプリント基板の熱的変形を予測し、リフロー工程において、プリント基板の電極パッドと外部リードの実装面とが大きく離間すると推測される場所の電極パッドについてはその実装面の面積が小さくなるように形成し、プリント基板の電極パッドと外部リードの実装面との離間距離が小さいと推測される場所の電極パッドについてはその実装面の面積が大きくなるように形成することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の実装方法。
3. 半導体素子と電気的に導通した外部リードを有する半導体装置がプリント基板に実装され、外部リードの実装面とプリント基板の電極パッドとがはんだペーストにより接続された半導体装置の実装装置であって、リフロー工程時において接続対象の外部リードの実装面との離間距離が大きくなる電極パッドの実装面の面積が、接続対象の外部リードの実装面との離間距離が小さい電極パッドの実装面の面積よりも大きく形成されていることを特徴とする半導体装置の実装装置。
4. 半導体素子と電気的に導通した外部リードを有する半導体装置をプリント基板に実装させ、外部リードの実装面とプリント基板の電極パッドとをはんだペーストにより接続させる半導体装置の実装方法であって、プリント基板に設けられた外部リード接続用の複数の電極パッドをその実装面の面積が略同じとなるように形成し、プリント基板の各電極パッドに対して、はんだペーストを少なくとも一部が異なる量となるように供給することで、はんだペーストが溶融した際に、はんだペーストの供給量が多い電極パッドほど、はんだペーストが高くなるようにすることを特徴とする半導体装置の実装方法。
5. はんだペーストを塗布するためのマスクの開口面積を異ならせることにより、各電極パッドに対するはんだペーストの供給量を調整することを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の実装方法。
6. リフロー工程での半導体装置およびプリント基板の熱的変形を予測し、リフロー工程において、プリント基板の電極パッドと外部リードの実装面とが大きな離間寸法を生じると推測される場所のマスクの開口部についてはその開口面積が大きくなるように形成し、プリント基板の電極パッドと外部リードの実装面との離間寸法が小さいと推測される場所のマスクの開口部についてはその開口面積が小さくなるように形成することを特徴とする請求項５記載の半導体装置の実装方法。
7. はんだペーストを塗布するためのマスクの厚みを異ならせることにより、各電極パッドに対するはんだペーストの供給量を調整することを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の実装方法。
8. リフロー工程での半導体装置およびプリント基板の熱的変形を予測し、リフロー工程において、プリント基板の電極パッドと外部リードの実装面とが大きな離間寸法を生じると推測される場所のマスクの開口部についてはその開口部箇所の厚みが大きくなるようにマスクを形成し、プリント基板の電極パッドと外部リードの実装面との離間寸法が小さいと推測される場所のマスクの開口部についてはその開口部箇所の厚みが小さくなるようにマスクを形成することを特徴とする請求項７記載の半導体装置の実装方法。

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