專利名稱：半導(dǎo)體裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體裝置，涉及無Pb焊料連接結(jié)構(gòu)和采用該連接結(jié)構(gòu)的電子裝置，該無Pb焊料連接結(jié)構(gòu)按照適合采用毒性很小的無Pb焊料合金的方式，與引線架等的電極連接。
背景技術(shù)：
在過去，為了在有機(jī)主板等的電路主板上，連接LSI等的電子部件，制造電子電路主板，則采用Sn-Pb共晶焊料，接近該Sn-Pb共晶焊料，其熔點也類似的Sn-Pb焊料，或在這些焊料中添加有少量的Bi或Ag的焊料合金。在這些焊料中，按照重量百分比計，Pb的含量為40％。這些焊料中的任何一種焊料合金的熔點均基本為183℃，可在220～240℃的溫度下進(jìn)行焊接。
此外，待焊接的QFP(Quad Flat Package)-LSI等電子部件的電極一般采用下述電極，在該電極中，在作為Fe-Ni系合金的42合金表面上，通過電鍍等方式，形成按照重量百分比計，90％Sn-10％Pb(下面簡稱為Sn-10Pb層)。這是因為焊料浸潤性良好，并且保持性良好，不產(chǎn)生纖維狀結(jié)晶的問題。
但是，包含于上述Sn-Pb系焊料中的Pb為對人體有毒的重金屬，這樣由于將包含Pb的制品廢棄，會產(chǎn)生對地球環(huán)境造成污染，對生物產(chǎn)生惡劣影響的問題。由該電子產(chǎn)品造成的地球環(huán)境的污染是通過下述方式造成的，即在雨等作用下，從包含因放置而日曬漂白的Pb的電子制品中，析出Pb，該P(yáng)b的析出因最近的酸雨而有加速傾向。于是，為了減少環(huán)境污染，替代大量使用的上述Sn-Pb共晶系焊料的，不包含Pb的低毒性的無Pb焊料，以及作為在部件電極上所采用的Sn-10Pb層的替代材料的，不包含Pb的部件電極結(jié)構(gòu)是必須的。作為無Pb焊料，從低毒性，材料供給性，成本，浸潤性，機(jī)械性質(zhì)，連接可靠性等的觀點來看，Sn-Ag-Bi系焊料是有利的侯選者。另外，在焊接中，通常，通過加熱到220～240℃附近，在主板的電極與焊料之間產(chǎn)生化合物的方式，進(jìn)行連接。于是，由于所形成的界面隨著焊料與部件一側(cè)的電極材料的組合的不同而不同，這樣為了獲得穩(wěn)定的連接界面，必須要求適合該焊料的電極材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種無Pb焊料連接結(jié)構(gòu)，其相對引線架等的電極，采用毒性很小的Sn-Ag-Bi系的無Pb焊料合金，具有足夠高的連接強(qiáng)度，獲得穩(wěn)定的界面。
另外，本發(fā)明的另一目的在于提供一種電子裝置，該裝置采用毒性很小的Sn-Ag-Bi系的無Pb焊料合金，具有下述連接強(qiáng)度，并且獲得即使隨著時間的推移仍保持穩(wěn)定的界面，該強(qiáng)度指足以抵抗因電子部件，主板之間的熱膨脹系數(shù)之間的差別，焊接后的切割主板作業(yè)，或檢驗試驗時的主板的變形，搬運(yùn)等而在焊料連接部產(chǎn)生的應(yīng)力的連接強(qiáng)度。
此外，本發(fā)明的還一目的在于提供一種無Pb焊料連接結(jié)構(gòu)和電子裝置，其采用毒性很小的Sn-Ag-Bi系的無Pb焊料合金，確保足夠高的浸潤性，具有足夠高的連接強(qiáng)度，此外還可確保耐纖維狀結(jié)晶性等。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明涉及一種無Pb焊料連接結(jié)構(gòu)，其特征在于通過Sn-Bi系層，將Sn-Ag-Bi系的無Pb焊料與電極連接。
另外，本發(fā)明的特征在于在上述元Pb焊料連接結(jié)構(gòu)中，按照重量百分比計，上述Sn-Bi系層中的Bi含量在1～20％的范圍內(nèi)。
此外，本發(fā)明的特征在于在上述無Pb焊料連接結(jié)構(gòu)中，在上述Sn-Bi系層與上述電極之間，具有Cu層。
還有，本發(fā)明的特征在于在上述無Pb焊料連接結(jié)構(gòu)中，通過Cu材料，形成上述電極。
再有，本發(fā)明的特征在于上述電極為Fe-Ni系合金或Cu系的引線。
另外，本發(fā)明的特征在于在上述無Pb焊料連接結(jié)構(gòu)中，上述Sn-Ag-Bi系的無Pb焊料以Sn為主成分，按照重量百分比計，Bi的含量在5～25％的范圍內(nèi)，Ag的含量在1.5～3％的范圍內(nèi)，Cu的含量在0～1％的范圍內(nèi)。
此外，本發(fā)明涉及一種電子裝置，其使形成于電子部件上的第1電極，與形成于電路主板上的第2電極導(dǎo)通，其特征在于在上述第1電極上形成Sn-Bi系層，通過Sn-Ag-Bi系的無Pb焊料，將形成有該Sn-Bi系層的第1電極與上述第2電極連接。
還有，本發(fā)明的特征在于在電子裝置中，按照重量百分比計，上述Sn-Bi系層中的Bi的含量在1～20％的范圍內(nèi)。
再有，本發(fā)明的特征在于在電子裝置中，在上述Sn-Bi系層與上述第1電極之間，具有Cu層。
另外，本發(fā)明的特征在于上述Sn-Bi系層中的第1電極側(cè)為Cu材料。
此外，本發(fā)明的特征在于在電子裝置中，上述第1電極為Fe-Ni合金或Cu系的引線。
還有，本發(fā)明的特征在于在電子裝置中，上述Sn-Ag-Bi系的Pb焊料以Sn為主成分，按照重量百分比計，Bi的含量在5～25％的范圍內(nèi)，Ag的含量在1.5～3％的范圍內(nèi)，Cu的含量在0～1％的范圍內(nèi)。
再有，本發(fā)明涉及一種無Pb焊料連接結(jié)構(gòu)，其特征在于作為與電極連接的無Pb焊料為下述Sn-Ag-Bi系，其以Sn為主成分，按照重量百分比計，Bi的含量在5～25％的范圍內(nèi)，Ag的含量在1.5～3％的范圍內(nèi)，Cu的含量在0～1％的范圍內(nèi)。
如上所述，按照上述結(jié)構(gòu)，相對引線架等的電極，采用毒性很小的Sn-Ag-Bi系的無Pb焊料合金，可具有足夠高的連接強(qiáng)度，獲得穩(wěn)定的界面。
此外，按照上述結(jié)構(gòu)，采用毒性很小的Sn-Ag-Bi系的無Pb焊料合金，可具有下述連接強(qiáng)度，并且獲得即使在隨著時間的推移，仍保持穩(wěn)定的界面，該強(qiáng)度指足以抵抗因電子部件，主板之間的熱膨脹系數(shù)之間的差別，焊接后的切割主板作業(yè)，或檢驗試驗時的主板的變形，搬運(yùn)等而在焊料連接部產(chǎn)生的應(yīng)力的連接強(qiáng)度。
還有，按照上述結(jié)構(gòu)，采用毒性很小的Sn-Ag-Bi系的無Pb焊料合金，確保比如，220～240℃的溫度下的足夠高的浸潤性，形成足夠的角焊縫，具有足夠高的連接強(qiáng)度，此外還可確保耐纖維狀結(jié)晶性等。
附圖簡述

圖1為表示本發(fā)明的QFP-LSI用的引線的截面結(jié)構(gòu)的圖。圖2為表示本發(fā)明的TSOP用的引線的截面結(jié)構(gòu)的圖。圖3為連接強(qiáng)度評價試驗方法的簡要說明圖。圖4為表示本發(fā)明的各種金屬化引線的角焊縫部強(qiáng)度的評價結(jié)果的圖。圖5為表示本發(fā)明的各種金屬化引線的浸潤時間的評價結(jié)果的圖。圖6為表示本發(fā)明的各種金屬化引線的浸潤荷載的評價結(jié)果。圖7為表示本發(fā)明的，形成Cu層的場合的角焊縫部強(qiáng)度的評價結(jié)果的圖。圖8為表示本發(fā)明的，形成Cu層的場合的角焊縫部強(qiáng)度的評價結(jié)果的圖。圖9為表示在已有的Fe-Ni合金(42合金)上形成Sn-10Pb鍍層的引線的界面的觀察結(jié)果的圖，其中圖9(a)為表示截面的圖，圖9(b)為從引線側(cè)和焊料側(cè)表示剝離部的圖，圖10為表示本發(fā)明的，在Fi-Ni合金(42合金)上形成Sn-4Bi鍍層的引線的界面的觀察結(jié)果的圖，其中圖10(a)為表示截面的圖，圖10(b)為從引線側(cè)和焊料側(cè)表示剝離部的圖。圖11為表示本發(fā)明的，在Fe-Ni合金(42合金)上，形成Cu層，之后在其上再形成Sn-4Bi鍍層的引線的界面的觀察結(jié)果的圖，其中圖11(a)為表示截面的圖，圖11(b)為從引線側(cè)和焊料側(cè)表示剝離部的圖。
實施本發(fā)明的最佳方式下面對本發(fā)明的實施側(cè)進(jìn)行描述。
本發(fā)明的實施例指通過下述方式，形成電子裝置，該方式為采用毒性很小的無Pb焊料，將第1電極，與形成于電路主板上的第2電極之間連接，該第1電極由形成于半導(dǎo)體裝置(LSI)等的電子部件上的QFP形引線或TSOP形引線等形成。作為無Pb焊料連接結(jié)構(gòu)，包括有下述結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，比如，對上述第1電極，或第2電極，采用毒性很小的無Pb焊料進(jìn)行連接。
作為上述毒性很小的無Pb焊料，采用Sn-Ag-Bi系焊料。
但是，采用毒性很小的Sn-Ag-Bi系的無Pb焊料合金，必須具有下述連接強(qiáng)度，并且獲得即使在隨著時間的推移，仍保持穩(wěn)定的界面，該強(qiáng)度指足以抵抗因電子部件，主板之間的熱膨脹系數(shù)之間的差別，焊接后的切割主板作業(yè)，或檢驗試驗時的主板的變形，搬運(yùn)等而在焊料連接部產(chǎn)生的應(yīng)力的連接強(qiáng)度。
此外，采用毒性很小的Sn-Ag-Bi系的無Pb焊料合金，必須確保在作為從電路主板或電子部件的耐熱性來說，適合的焊接溫度的220～240℃的范圍內(nèi)的足夠的浸潤性，形成足夠的角焊縫形狀，具有足夠高的連接強(qiáng)度。如果浸潤性較差，則不形成足夠的角焊縫形狀，無法獲得足夠高的連接強(qiáng)度，或必須要求較強(qiáng)的焊劑，會對絕緣可靠性造成惡劣影響。
還有，如果在通過電鍍等方式形成的電極表面上，產(chǎn)生纖維狀結(jié)晶，并且生長，則由于在電極間產(chǎn)生短路，從而還必須確保耐纖維狀結(jié)晶性等。
作為本發(fā)明的上述電極結(jié)構(gòu)，為了獲得足夠高的連接強(qiáng)度，如圖1和2所示，在由引線形成的電極1的表面上，形成Sn-Bi系層2。下面對本發(fā)明的電極結(jié)構(gòu)的選擇進(jìn)行描述。該選擇根據(jù)上述要求，主要通過連接強(qiáng)度，浸潤性，耐纖維狀結(jié)晶性的評價來進(jìn)行。
在開始，給出對Sn-Ag-Bi系焊料與各種電極材料之間的連接強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)查的結(jié)果。圖3表示測定方法的簡要內(nèi)容，形成樣品引線4，其是在作為由Fe-Ni系合金(42合金)形成的電極的引線上，形成下述材料層而構(gòu)成的，該材料層指在作為已有的Sn-10Pb層的替代材料的沒有Pb的系中，認(rèn)為具有可能的材料(Sn，Sn-Bi，Sn-Zn，Sn-Ag鍍層)。此外，還對與已有的Sn-10Pb鍍層相組合的場合進(jìn)行評價。上述樣品引線4的形狀是這樣的，按照寬度為3mm，長度為38mm，焊接部的長度為22mm的方式，成直角彎曲。鍍層的厚度對于各組分來說，均為10μm左右。采用按照重量百分比計，82.2％Sn-2.8％Ag-15％Bi(下面簡稱為Sn-2.8Ag-15Bi)的無Pn焊料5，將該樣品引線4焊接于作為電路主板的環(huán)氧玻璃主板6上的Cu片(Cu電極)7上。
上述環(huán)氧玻璃主板6上的Cu片(Cu電極)7的尺寸為3.5mm×25mm，焊料5是通過0.1mm×25mm×3.5mm的焊料箔片供給的。即，將上述焊料箔片5放置于上述環(huán)氧玻璃主板6上的Cu片7上，在其上，放置成直角彎曲的樣品引線4。焊接是在大氣中，在140℃預(yù)熱60秒，最高溫度為220℃的條件下進(jìn)行的。另外，焊劑是在松香系中，含有氯的焊劑。在焊接之后，通過有機(jī)溶劑進(jìn)行清洗。張拉試驗針對下述3種場合進(jìn)行，該3種場合包括在剛焊接之后進(jìn)行焊接；考慮到隨著時間的推移，連接部強(qiáng)度變差，在進(jìn)行125℃168小時的高溫放置之后進(jìn)行焊接；為了對引線的浸潤性變差的場合的界面強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)查，在將樣品引線在150℃下放置68小時之后進(jìn)行焊接。在該張拉試驗中，將主板固定，夾住樣品引線的前端，沿垂直方向，按照5mm/分鐘的速度進(jìn)行張拉。將此時的，最大強(qiáng)度，以及一定值的張拉強(qiáng)度分別作為角焊縫部強(qiáng)度，平直部強(qiáng)度，對各組分的樣品引線進(jìn)行評價。該試驗針對各條件進(jìn)行10次，計算其平均值。
圖4表示各組分的樣品引線的角焊縫部強(qiáng)度的評價結(jié)果。如果考慮到在普通的QFP-LSI等的塑料包裝部件中，印刷電路主板的熱膨脹系數(shù)的差別，則上述角焊縫部強(qiáng)度必須大于5kgf。由此，在按照在Fe-Ni系合金(42合金)上，形成除了含有按照重量百分比計23％的Bi的Sn-23Bi以外的Sn-Bi系層的方式所形成的樣品引線中，獲得大于5kgf的角焊縫部強(qiáng)度，但是可知道在Sn-Zn，Sn-Ag，Sn-Pb層的場合，無法獲得足夠高的連接界面。此外，在42合金上，形成厚度為2μm的Ni鍍層。在其上，形成Au鍍層，Pd鍍層，Pb鍍層，再在其上形成Au鍍層，從而形成3種樣品引線，同樣地進(jìn)行焊接，調(diào)查其界面強(qiáng)度，但是如圖4所示，無法獲得足夠高的角焊縫部強(qiáng)度。由此，可知道，在作為電極的引線上，必須形成Sn-Bi系層。
對于進(jìn)行了上述張拉試驗的各組分的樣品引線中的，形成了獲得足夠高的界面強(qiáng)度的Sn-Bi系鍍層的引線，通過半月形圖解法(メニスコグラフ)，對Sn-2.8Ag-15Bi焊料的浸潤性進(jìn)行分析。為了調(diào)查浸潤性，焊劑采用活性較差的類型。試驗片是采用在將上述樣品引線切割成1cm的長度后形成的制品。浸潤性的試驗條件是這樣的，焊料軟熔溫度為220℃，浸漬速度為1mm/分，浸漬深度為2mm，浸漬時間為20秒，以荷載恢復(fù)到0的時間為浸潤時間，以浸漬20秒后的荷載作為浸潤荷載。另外，浸潤性的測定是針對剛電鍍后的引線，以及在150℃下放置168小時的引線這兩種進(jìn)行的。此外，在各條件下，測定10次，取其平均值。
圖5，6分別表示各組分的浸潤時間，浸潤荷載。根據(jù)圖5的浸潤時間的結(jié)果可知道，在浸潤初期的Sn-Bi系電鍍引線中，Bi濃度較高的引線的浸潤性良好，而在150℃下進(jìn)行168小時的高溫放置的場合，在按照重量百分比計，Bi的濃度小于1％，以及為23％時，其浸潤性變差。在按照重量百分比計，Bi的濃度小于1％的場合，如圖6所示，確保浸潤荷載，但是由于浸潤時間變差，這樣難于實現(xiàn)浸潤。因此，可知道，同樣在Sn-Bi系層的中，為了獲得足夠高的浸潤性，最好按照重量百分比計，Bi的含量在1～20％的范圍內(nèi)。
此外，在用于熱膨脹系數(shù)的差別較大的材料之間的連接，溫度差較大的環(huán)境的場合等情況下，由于產(chǎn)生于界面處的應(yīng)力較大，這樣為了確保足夠的可靠性，界面的連接強(qiáng)度必須大于10kgf。因此，從圖4可看出，由于在Fe-Ni系合金(4 2合金)上直接形成Sn-Bi系層，這樣無法獲得大于10kgf的角焊縫部強(qiáng)度?？烧J(rèn)為其原因在于在界面處的化合物層未充分地形成。于是，為了提高對界面處的焊料的靈敏性，在Fe-Ni系合金(42合金)上，形成平均厚度為7μm的Cu鍍層，在其上形成Sn-Bi系鍍層，測定其界面強(qiáng)度。圖7按照還對應(yīng)于沒有Cu層的場合的方式，列出此時的角焊縫部強(qiáng)度的結(jié)果，但是除了按照重量百分比計，Bi含量為23％的場合以外，獲得大于10kgf的連接強(qiáng)度，可確認(rèn)基層的Cu層的效果。另外，通過采用該電極結(jié)構(gòu)，如圖7一起所示的那樣，可獲得在下述場合獲得的剛焊接后的界面強(qiáng)度，大于12.1kgf的界面強(qiáng)度，該場合指在42合金上直接形成有Sn-10Pb層的引線上，焊接Sn-Pb共晶焊料的已有的場合。另外，如圖8所示，通過在Sn-Bi層的下面形成Cu層，也可使角焊縫部強(qiáng)度提高。在這里，對于該Cu層，在采用42合金的引線架的場合，按照上述方式，可在42合金上形成Cu層，但是在采用Cu系引線架的場合，也可將其按照原樣作為Cu層，還有，由于在引線架材料中添加有其它元素以便使剛性提高，但是為了不會對其產(chǎn)生影響，故也可再次采用Cu層。此外，形成了該Cu層的樣品引線的浸潤性一起表示于圖5，6中，但是在幾乎沒有Cu層影響的情況下，Bi含量按照重量百分比計仍在1％以下，在高溫放置的場合，浸潤性變差，在Bi含量按照重量百分比計在1～20％的范圍內(nèi)的情況下，可獲得足夠的浸潤性。還有，圖7，圖8的實例采用Sn-2.8Ag-15Bi，但是即使在采用Bi含量很少的系，比如Sn-2Ag-7.5Bi-0.5Cu系的情況下，通過在基層上形成Cu層，仍可獲得界面強(qiáng)度提高的效果。
上述Sn-Bi系層，Cu層不限于電鍍方式，其也可通過浸漬，蒸鍍，滾壓涂敷，通過金屬粉末涂敷的方式形成。
按照上述方式，為了分析隨電極材料不同而改變的原因，對連接部的截面進(jìn)行研磨，分析界面的狀況。此外，通過SEM觀察進(jìn)行了張拉試驗的試料的剝離面。下面對其中的有代表性的組合的結(jié)果進(jìn)行說明。
首先，圖9表示下述場合的觀察結(jié)果，該場合指將直接在過去使用的Fe-Ni系合金(42合金)上形成有Sn-10Pb鍍層的引線，通過Sn-Ag-Bi系焊料連接，但是在該組合中，在界面處，Pb與Bi形成化合物而匯集，剝離產(chǎn)生于42合金與焊料的界面處。另外，在剝離掉的引線中的42合金表面上，檢測有較薄的Sn，可認(rèn)為焊料中的Sn與引線中的42合金形成化合物。因此，可認(rèn)為，由于上述Pb與Bi的化合物集中于界面上，這樣Sn與42合金的連接面積減小，連接強(qiáng)度非常弱。
圖10表示下述場合的觀察結(jié)果，該場合指Sn-10Pb鍍層改變?yōu)镾n-4Bi鍍層，但是在界面處形成的化合物較薄，剝離同樣地產(chǎn)生于焊料與42合金的界面處。然而，由于Bi在粒狀的結(jié)晶的狀態(tài)下，Sn與42合金的連接面積的降低不象Sn-10Pb的場合那樣低，這樣可認(rèn)為可獲得大于5kgf的連接強(qiáng)度。經(jīng)俄歇能譜分析，此時的化合物層為約70nm的Sn-Fe層。
此外，圖11表示在Sn-4Bi層下面形成Cu層的觀察結(jié)果，可知道在界面處，形成較厚的Cu與Sn的化合物層。上述剝離產(chǎn)生于該化合物層與焊料的界面處，或化合物層中。剝離面在于圖10的42合金引線上直接形成有Sn-Bi層的引線的場合，幾乎是平齊的，與此相對，在形成有Cu層的場合，剝離面是凹凸不平的。于是，可認(rèn)為這樣的剝離面的差異與界面強(qiáng)度的提高有關(guān)。另外，上面的分析結(jié)果與采用Sn-Ag-Bi系焊料的其它的成分而獲得的結(jié)果相同。
對上述各成分的樣品引線，調(diào)查纖維狀結(jié)晶的發(fā)生，但是可看到在形成Sn-Zn鍍層的樣品引線中，產(chǎn)生纖維狀結(jié)晶。另外，對于Sn鍍層，在過去，具有纖維狀結(jié)晶性的問題。但是，對于Sn-Bi系層，看不到產(chǎn)生纖維狀結(jié)晶，耐纖維狀結(jié)晶性也沒有問題。
因此，按照本發(fā)明的電極結(jié)構(gòu)，對于Sn-Ag-Bi系焊料，可獲得連接強(qiáng)度，浸潤性，耐纖維狀結(jié)晶性優(yōu)良的連接部。
對于焊料，選擇下述Sn-Ag-Bi系焊料，其主成分為Sn，按照重量百分比計，Bi含量在5～25％的范圍內(nèi)，Ag含量在1.5～3％的范圍內(nèi)，Cu含量在0～1％的范圍內(nèi)，之所以這樣選擇是因為該范圍內(nèi)的組分的焊料可在220～240℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行焊接，相對Cu，獲得與具有已有情況的Sn-Ag共晶基本相同的浸潤性，并且具有在高溫條件下足夠的可靠性。即，雖然有如下?lián)模摀?dān)心指在Sn-Ag-Bi系焊料中，按照重量百分比計，Bi含量大于10％，具有在138℃附近熔融的部分(3元共晶)，對高溫下的可靠性造成影響，但是將該3元共晶析出量控制在實際上沒有問題的值，并且還確保125℃下的高溫強(qiáng)度。于是，通過采用該組分的焊料，對上述電極進(jìn)行焊接，則可獲得實用的，高可靠度的電子裝置。
(實施例1)圖1表示本發(fā)明的QFP-LSI用的引線的截面結(jié)構(gòu)。該圖表示具有引線的截面結(jié)構(gòu)的一部分，但是在作為Fe-Ni系合金(42合金)的電極的引線1上，形成Sn-Bi系層2。該Sn-Bi系層2通過電鍍形成，其厚度為10μm。另外，Sn-Bi鍍層中的Bi濃度按照重量百分比計為8％。采用Sn-2.8-Ag-15Bi-0.5Cu焊料，將具有該電極結(jié)構(gòu)的上述QFP-LSI，焊接于作為電路主板的環(huán)氧玻璃主板上。該焊接是在最高溫度為220℃，采用氮軟溶爐的條件下進(jìn)行。由此，可獲得具有足夠高的連接強(qiáng)度的連接部。此外，同樣，采用Sn-2Ag-7.5Bi-0.5Cu焊料，在環(huán)氧玻璃主板上，在240℃下，于大氣中，進(jìn)行軟溶，經(jīng)軟溶的接縫中的，特別是在高溫下的可靠性較高。
(實施例2)圖2表示本發(fā)明的TSOP用的引線的截面結(jié)構(gòu)。該圖表示具有引線的截面結(jié)構(gòu)的一部分，在作為Fe-Ni系合金(42合金)的電極的引線1上，形成Cu層，在其上形成Sn-Bi系層2。該Cu層，Sn-Bi系層2通過電鍍方式形成。該Cu層3的厚度為8μm，Sn-Bi系鍍層2的厚度為10μm。Sn-Bi系鍍層2的厚度為10μm。此外，按照重量百分比計，Sn-Bi系鍍層中的Bi含量為5％。由于TSOP的引線剛性較大，這樣在實際工作時的部件本身的發(fā)熱，另外用于高溫下的場合，發(fā)生于界面處的應(yīng)力大于QFP-LSI。在這樣的場合，必須形成具有足以抵抗該界面應(yīng)力的界面強(qiáng)度的界面，在Sn-Bi系層2下面形成Cu層3，則效果更好。
采用Sn-Ag-Bi系焊料，通過紙軟溶爐，將該TSOP焊接于印刷電路主板上，進(jìn)行溫度循環(huán)試驗。該試驗條件為下述2個條件，即-55℃30分鐘，125℃30分鐘的1個小時/1次循環(huán)，以及0℃30分鐘，90℃30分鐘的1個小時/1次循環(huán)，在500次循環(huán)，1000次循環(huán)后，對截面進(jìn)行觀察，調(diào)查開裂的發(fā)生狀況。將該情況，與下述場合進(jìn)行比較，該場合指通過Sn-Pb共晶焊料，將包括形成有Sn-10Pb層的引線的，相同尺寸的TSOP，直接焊接于42合金引線上，但是在-55℃/125℃的溫度循環(huán)中，開裂的發(fā)生較早，在0℃/90℃的溫度循環(huán)中，特別是不會發(fā)生問題，獲得實際上充分的連接界面。
(實施例3)本發(fā)明的電極結(jié)構(gòu)還可適合用于主板上的電極。比如，為了使主板的焊接性提高，最好形成焊料涂層，但是在過去，采用包含Sn-Pb焊料，特別是Sn-Pb共晶焊料等中的Pb的焊料。為此，使上述涂層用焊料中不具有Pb，可采用本發(fā)明的Sn-Bi層。還有，由于通常，主板的電極由Cu形成，這樣在采用Sn-Ag-Bi系焊料的場合，可獲得足夠高的連接強(qiáng)度。圖中表示是適合采用該結(jié)構(gòu)的實例，但是在電路主板的環(huán)氧玻璃主板上的Cu片(Cu電極)上，通過滾壓涂敷方式，形成厚度約為5μm的Sn-8Bi層。
由于形成有該焊接涂層，這樣相對主板的浸潤性提高，并且還可使連接強(qiáng)度提高。
工業(yè)的可利用性按照本發(fā)明，獲得下述效果，該效果指獲得適合用于作為無Pb材料，優(yōu)良的Sn-Ag-Bi系的電極結(jié)構(gòu)。
此外，按照本發(fā)明，獲得下述效果，該效果指可形成下述無Pb焊料連接結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，采用相對引線架等的電極，毒性很小的Sn-Ag-Bi系中的無Pb焊料合金，具有足夠高的連接強(qiáng)度，并且可獲得穩(wěn)定的連接界面。
另外，按照本發(fā)明，獲得下述效果，該效果指采用Sn-Ag-Bi系中的無Pb焊料合金，具有下述連接強(qiáng)度，并且獲得即使在隨著時間的推移，仍保持穩(wěn)定的界面，該強(qiáng)度指足以抵抗因電子部件，主板之間的熱膨脹系數(shù)之間的差別，焊接后的切割主板作業(yè)，或檢驗試驗時的主板的變形，搬運(yùn)等而在焊料連接部產(chǎn)生的應(yīng)力的連接強(qiáng)度。
還有，按照本發(fā)明，采用毒性很小的Sn-Ag-Bi系的無Pb焊料合金，確保比如，在220～240℃溫度下的足夠高的浸潤性，形成足夠的角焊縫，具有足夠高的連接強(qiáng)度，此外還可確保耐纖維狀結(jié)晶性等。
再有，按照本發(fā)明，通過采用Sn-Ag-Bi系焊料，對電子部件進(jìn)行焊接，則可獲得具有足夠高的連接強(qiáng)度，并且在實際上還可確保足夠高的浸潤性。另外，纖維狀結(jié)晶性也不會有問題。于是，便獲得下述效果，該效果指可采用與已有技術(shù)相同的設(shè)備，工藝，形成有利于環(huán)境的無Pb的電子制品。
權(quán)利要求
1.一種具有引線的半導(dǎo)體裝置，在引線上形成了按重量百分比計含有1％-20％的Bi的Sn-Bi合金層。
2.一種具有引線的半導(dǎo)體裝置，引線由Cu或Cu合金制成，在該引線上具有Sn-Bi合金制成的表面層，其中上述Sn-Bi合金包括按重量百分比計1％-20％的Bi。
3.一種具有引線的半導(dǎo)體裝置，引線由Cu或Cu合金制成，將Sn-Bi合金層作為表面層而直接形成在引線上，其中上述Sn-Bi合金包括按重量百分比計約1％-20％的Bi。
4.一種具有引線的半導(dǎo)體裝置，引線由Fe-Ni合金制成，在該引線上形成有Sn-Bi合金的表面層，上述Sn-Bi合金包括按重量百分比計1％-20％的Bi。
5.一種具有引線的半導(dǎo)體裝置，引線由Fe-Ni合金制成，將Sn-Bi合金層作為表面層而直接形成在引線上，其中上述Sn-Bi合金包括按重量百分比計約1％-20％的Bi。
6.一種具有引線的半導(dǎo)體裝置，引線由Cu或Cu合金制成，在該引線上Sn-Bi合金層形成為一個表面層，而在引線和Sn-Bi合金層之間沒有任何層，上述Sn-Bi合金包括按重量百分比計約1％-20％的Bi。
7.一種具有引線的半導(dǎo)體裝置，引線由Fe-Ni合金制成，在該引線上Sn-Bi合金層形成為一個表面層，而在引線和Sn-Bi合金層之間沒有任何層，上述Sn-Bi合金包括按重量百分比計約1％-20％的Bi。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的具有引線的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，該引線只帶有單層的Sn-Bi合金層。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的具有引線的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，該引線只帶有單層的Sn-Bi合金層，作為包含Sn，或Sn和Bi的層。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有引線的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，在該Fe-Ni合金引線和該Sn-Bi合金層之間設(shè)置有Cu層。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項所述的具有引線的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，該Sn-Bi合金層含有按重量百分比計1％-5％的Bi。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項所述的具有引線的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，該Sn-Bi合金層是鍍層。
13.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項所述的具有引線的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，該半導(dǎo)體裝置是TSOP類型的。
14.一種按照權(quán)利要求1-7中任一項所述的具有引線的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，該引線通過無Pb焊料與電路板的電極相連。
15.一種按照權(quán)利要求1-7中任一項所述的具有引線的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，該引線通過含有Sn，Ag和Bi的無Pb焊料與電路板的電極相連。
16.一種按照權(quán)利要求1-7中任一項所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，該引線通過含有Sn，Ag，Bi和Cu的無Pb焊料與電路板的電極相連。
17.一種帶有引線的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，該引線設(shè)置有Sn-Bi合金層，該合金層位于該Sn-Bi合金層與當(dāng)該引線和半導(dǎo)體裝置安裝于電路板時所用的無Pb焊料相接觸之處。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的帶有引線的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，該引線是Cu或Cu合金制成。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的帶有引線的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，該引線是Fe-Ni合金制成。
20.一種按照權(quán)利要求17-19中任一項所述的帶有引線的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，該引線通過含有Sn，Ag和Bi的無Pb焊料與電路板的電極相連。
21.一種按照權(quán)利要求17-19中任一項所述的帶有引線的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，該引線通過含有Sn，Ag，Bi和Cu的無Pb焊料與電路板的電極相連。
全文摘要
一種無Pb焊料連接結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體裝置，該無Pb焊料連接結(jié)構(gòu)具有足夠高的連接強(qiáng)度，獲得即使在隨時間的推移的情況下仍保持穩(wěn)定的界面，保持足夠的浸潤性和對纖維狀結(jié)晶的抵抗性。特別是，無Pb焊料的特征在于作為代表性的無Pb焊料的Sn－Ag－Bi與電極連接，該電極的表面上形成有Sn－Bi層。最好，按照重量百分比計，上述Sn－Bi層中的Bi濃度在1～20％的范圍內(nèi)，以便獲得足夠高的浸潤性。當(dāng)要求更加可靠的接縫時，在上述Sn－Bi層的下面形成Cu層，以便獲得具有足夠高的界面強(qiáng)度的連接部。
文檔編號B23K1/00GK1505137SQ0212864
公開日2004年6月16日 申請日期1998年12月9日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月16日
發(fā)明者下川英惠, 曾我太佐男, 奧平弘明, 石田壽治, 中冢哲也, 稻葉吉治, 西村朝雄, 也, 佐男, 明, 治, 雄 申請人:株式會社日立制作所