JP4817418B2 - 回路装置の製造方法 - Google Patents

Description

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およびその製造方法に関する。

図１０および図１１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および回路素子が形成され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）。

図１０（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１０９Ａ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１０Ｃの表面に半田１０９Ａが形成される。

図１０（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１０９Ｂ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１０９Ｂ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１０９Ａも溶融される。

図１０（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。

図１１（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１０９Ａ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１０９Ａ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。

図１１（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。
特開２００２−１３４６８２号公報

しかしながら、図１２および図１３を参照して、半田１０９Ｂを加熱溶融させてチップ部品１０４Ｂ等を固着させる工程にて、半田１０９Ａにヒケの問題が発生していた。図１２（Ａ）はヒケが発生した基板１０６の平面図であり、図１２（Ｂ）は図１２（Ａ）の断面図であり、図１２（Ｃ）はヒケが発生した部分を拡大した断面図である。また、図１３は、半田１０９Ａとパッド１０８Ａとの境界を詳細に示す図である。

図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）を参照して、「ヒケ」とは、パッド１０８Ａの全面に形成された半田１０９Ａ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１０９Ａには大きな表面張力が作用し、半田のヒケが発生する。

特に、半田１０９Ａのヒケは、半田１０９Ｂを介してチップ部品１０４Ｂを固着する工程にて頻繁に発生する。具体的には、この工程では、小型のパッド１０８Ｂに塗布された半田ペーストを加熱溶融させて、チップ部品１０４Ｂ等を固着している。この工程での加熱溶融により、比較的大型のパッド１０８Ａの表面に予め形成された半田１０９Ａも再溶融する。再溶融された半田１０９Ａには、半田ペーストのようにフラックスが含まれていないので大きな表面張力が作用する。従って、再溶融された半田１０９Ａにヒケが発生する。

図１２（Ｃ）を参照して、パッド１０８Ａと半田１０９Ａとの間に合金層１１０が生成されるのも、ヒケが発生する原因の一つである。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Ｃｕ_６Ｓｎ_５またはＣｕ_３Ｓｎの金属間化合物が形成される。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。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。

更に、銅と錫とから成る合金が、半田１０９Ａに溶け込こむことにより、合金層１１０と半田１０９Ａとの界面が活性化されてしまうことも、上記したヒケが発生する原因の一つである。

図１３（Ａ）は、上述したヒケが発生した基板１０６の断面図であり、図１３（Ｂ）はパッド１０８Ａと半田１０９Ａとの境界の断面を撮影したＳＥＭ（scanning electron microscopy）画像である。

図１３（Ｂ）を参照すると、パッド１０８Ａと半田１０９Ａとの境界には、銅と錫とから成る合金層１１０が生成されている。上記したように、半田１０９Ａは複数回に渡って溶融されるので、例えば５μｍ程度以上に厚い合金層１１０が形成され、ヒケを誘発している。また、銅と錫とから成る金属間化合物が形成されるスピードは早く、半田１０９Ａとパッド１０８Ａとの境界が活性化されていることも、ヒケが発生する原因である。更に、この金属間化合物は、両者の境界のみならず、例えば、半田１０９Ａの内部にも形成されている。

更にまた、ＳＥＭ画像には明確に示されていないが、合金層１１０の上面は、例えば大きさが５μｍから１０μｍ程度の、金属間化合物から成る半球状の突起物が全面的に多数形成されており、比較的滑らかな面と成っている。このことが、合金層１１０の上面の界面抵抗を小さくして、半田１０９Ａが表面を滑り易い状況となっており、上記したヒケの発生を助長している。

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、上記したヒケの問題が更に顕著に発生する。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％程度であり比較的多い。更に、鉛フリー半田を溶融する際の温度が、鉛共晶半田よりも高いことも、厚い合金層１１０が形成される原因である。具体的には、鉛共晶半田の溶融を行う際の温度が２００℃程度であるのに対し、例えばＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕの組成の鉛フリー半田を溶融する際の温度は２４０℃程度である。このように、溶融温度が高くなると化学反応が促進されるので、濡れ性が悪い合金層１１０がより厚く形成される。

半田１０９Ａ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。従って、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。

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およびその製造方法を提供することにある。

本発明の回路装置の製造方法は、基板の上面に、一辺の長さが９ｍｍ以上の四角形形状に形成された第１パッドと、前記第１パッドよりも小さい第２パッドとを含む銅から成る導電パターンを形成し、ニッケルから成るメッキ膜で前記第１パッドの上面を被覆する工程と、鉛フリーの半田粉を含む半田ペーストを前記メッキ膜の表面に塗布し、前記半田ペーストを加熱溶融することで、前記メッキ膜の上面に鉛フリー半田を溶着する工程と、前記第２パッドの上面に半田ペーストを塗布して溶融することにより形成される半田を介して、小信号トランジスタまたはチップ部品を前記第２パッドに固着すると共に、前記第１パッドに溶着された前記鉛フリー半田が溶融される工程と、パワートランジスタが実装されたヒートシンクを前記鉛フリー半田の上面に載置した後に、前記鉛フリー半田を溶融させることで、前記鉛フリー半田を介して前記ヒートシンクを前記第１パッドに固着する工程と、を具備することを特徴とする。

本発明の回路装置およびその製造方法によれば、回路素子が実装されるパッドの表面にメッキ膜を形成することで、パッドの表面に付着される半田にヒケが発生することを抑止することができる。具体的には、パッドを覆うように形成されたメッキ膜の表面に半田を付着させ、この半田を介してヒートシンク等の回路素子を固着させている。従って、半田が直にパッドに接触しないので、半田に含まれる錫とパッドの材料である銅との金属間化合物から成る合金層が形成されない。銅と錫とから成る金属間化合物は半田付け性が悪いので、この金属間化合物の生成を防止することで、パッドに対する半田の濡れ性を向上させることができる。

従来に於いては、特に鉛フリー半田を用いると、銅と錫とから成る金属間化合物による半田のヒケの問題が発生していたが、本発明の構成によりこの化合物自体が形成されない。従って、濡れ性の悪い鉛フリー半田を比較的大型のパッドに付着させた場合でも、半田にヒケが発生することを抑止することができる。

＜第１の実施の形態＞
本実施の形態では、図１を参照して、本発明の回路装置である混成集積回路装置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）はその断面図であり、図１（Ｃ）はパッド１８Ａに固着されたヒートシンク１４Ｄを示す断面図である。

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により被覆されている。

基板１６は、アルミまたは銅等を主成分とする金属基板、エポキシ樹脂等の樹脂材料からなる基板、例えばフレキシブルシートから成る基板やプリント基板等が該当する、更には、アルミナ等から成るセラミック基板、ガラス基板等を、基板１６として採用することもできる。基板１６としてアルミより成る基板を採用した場合、基板１６の表面はアルマイト処理される。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。

絶縁層１７は、基板１６の表面全域を覆うように形成されている。絶縁層１７は、Ａｌ_２Ｏ_３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を介して積極的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。

導電パターン１８は銅を主材料とする金属から成り、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、１８Ｂおよび１８Ｃが形成されている。各パッドの詳細は図３を参照して後述する。

メッキ膜２０は、導電パターン１８から成るパッド１８Ａ、１８Ｂおよび１８Ｃの表面を覆うように形成されている。メッキ膜２０の厚みは例えば３μｍ程度である。メッキ膜２０の材料としてはニッケルが好ましい。ニッケルから成るメッキ膜２０の表面に半田を付着させると、半田に含まれる錫とニッケルとから成る金属間化合物が生成される。錫とニッケルとから成る金属間化合物は、上述した錫と銅とから成る金属間化合物と比較すると、半田の濡れ性がよい。従って、製造工程に於いて、半田に含有される錫を含む金属間化合物が生成されることによる、ヒケの発生が抑止される。

メッキ膜２０は、半田のヒケが発生する恐れがある大型のパッド１８Ａのみに形成されても良いし、全てのパッドに対して形成されても良い。更に、メッキ膜２０は、金属細線の形成を容易にするために、ボンディングパッド１８Ｅの上面にも形成されている。

本形態では、メッキ膜２０は、電解メッキ法により形成されることが好ましい。メッキ膜を形成する方法は、電解メッキ法と無電界メッキ法があり、どちらの方法でもメッキ膜２０を形成することは可能である。しかしながら、無電界メッキ法によりメッキ膜２０が形成されると、触媒として用いられるリン（Ｐ）がメッキ膜２０にも混入してしまう。このことから、メッキ膜２０と半田１９との界面に形成される合金層１３にも、リンが混入する。リンが含有された合金層１３は、機械的強度が低下してしまうので、使用状況下に於いて、合金層１３にストレスが作用すると、合金層１３が容易にメッキ膜２０から剥離する問題が発生する。それに対して、電解メッキ法では、リンが使用されないので、形成されるメッキ膜２０にもリンが混入されず、機械的強度に優れたメッキ膜２０を形成することができる。

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。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１８Ｂ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。

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混成集積回路装置１０に内蔵させることができる。

リード１１は、基板１６の周辺部に設けられたパッド１８Ｃ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。尚、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。

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により被覆されている。このように基板１６の全体を封止樹脂１２により被覆することで、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、樹脂封止１２の替わりに、ケース材による封止を行うこともできる。

図１（Ｃ）を参照して、パッド１８Ａの上面に形成されたメッキ膜２０とその上部に付着された半田１９との境界には、合金層１３が形成されている。この合金層１３は、上述したように、半田１９の主成分である錫と、メッキ膜２０の材料であるニッケルとの金属間化合物から成る層である（以下の説明では、ニッケルと錫とから成る合金層をＮｉ／Ｓｎ層と呼ぶ）。合金層１３の厚みは、例えば０．１μｍから５μｍ程度である。ニッケルと錫から成る本形態の合金層１３は、銅と錫から成る合金と比較すると半田の濡れ性に優れている。本形態では、このように半田の濡れ性に優れた合金層１３が形成されることで、製造工程に途中段階に於ける半田のヒケが抑止されている。

図２の断面図を参照して、他の形態の混成集積回路装置１０の構造を説明する。ここでは、第１の配線層２２および第２の配線層２３から成る２層の導電パターンが基板１６の表面に形成されている。基板１６の表面は下層の絶縁層１７Ａにより被覆され、この絶縁層１７Ａの表面に第２の配線層２３が形成される。更に、第２の配線層２３は上層の絶縁層１７Ｂにより被覆され、この絶縁層１７Ｂの表面に第１の配線層２２が形成されている。第１の配線層２２と第２の配線層２３とは、絶縁層１７Ｂを貫通して所定の箇所にて接続されている。ここで、パッド１８Ａ等は第１の配線層２２から成る。図では２層の配線構造が示されているが、３層以上の多層の配線構造が形成されても良い。このように多層の配線構造を形成することにより、より複雑で多機能な電気回路を混成集積回路装置１０に内蔵させることができる。

本形態では、パッド１８Ａ等の表面をメッキ膜２０により被覆することにより、半田１９により接続される接続部が破壊されることを防止することができる。具体的には、パッド１８Ａ等の表面は、ニッケルから成るメッキ膜２０により被覆されているので、銅から成るパッド１８Ａは、直に半田１９が接触しない。従って、半田に含まれる錫と、パッド１８Ａの材料である銅から成る脆弱な金属化合物は生成されない。また、トランジスタ１４Ａ等の回路素子が発熱することにより、パッド１８Ａや半田１９が加熱されても、この金属化合物が更に成長する問題も小さい。パッド１８Ａの表面をメッキ膜２０により被覆することで、メッキ膜２０と半田１９との境界には、ニッケルと錫とから成る合金層１３が形成される。この合金層１３は、錫と銅とから成る金属化合物と比較すると、機械的強度に優れている。従って、使用状況下に於いて、トランジスタ１４Ａ等が動作することにより、半田１９が加熱されて合金層１３が成長しても、半田１９とメッキ膜２０との接続部は容易には破壊されない。

＜第２の実施の形態＞
本実施の形態では、図３から図８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。

第１の工程：図３参照
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３（Ａ）は本工程での基板１６の平面図であり、図３（Ｂ）はその断面図である。

図３（Ａ）および図３（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、１８Ｂおよび１８Ｃ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以上の矩形に形成される。パッド１８Ｂは、小信号系のトランジスタまたはチップ部品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１８Ｂの大きさは２ｍｍ×２ｍｍ程度の矩形である。パッド１８Ｃは、紙面上にて基板１６の上側辺の沿って複数個が等間隔に形成されている。このパッド１８Ｃは、後の工程にてリード１１が固着される。更に、各パッドを接続するように延在する配線パターン１８Ｄも形成される。

また、パッド１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃの表面は、ニッケルから成るメッキ膜２０により被覆されている。また、ボンディングパッド１８Ｅの表面もニッケルから成るメッキ膜により覆われており、ボンディング性が向上されている。パッド１８Ａ等の表面にメッキ膜２０を形成することにより、このパッド１８Ａ上に形成される半田のヒケを抑止することができる。この事項については下記に詳述する。

第２の工程：図４参照
本工程では、パッド１８Ａおよび１８Ｃの上面に半田１９Ａを形成する。

先ず、図４（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および１８Ｃの上面に半田ペースト２１Ａを塗布する。本工程では、比較的大型のパッドあるいは半田の使用量が多いパッドに、半田ペースト２１Ａを塗布している。パッド１８Ａは、後の工程にてヒートシンクが固着されるので、上述したように１辺が９ｍｍ以上の矩形状に形成されている。また、パッド１８Ｃは、後の工程にてリードフレームが固着されることから、多量の半田ペースト２１Ａが付着される。

本工程にて用いる半田ペースト２１Ａは、硫黄を含むフラックスと半田粉末との混合物が好ましい。硫黄はフラックスに対して２０ＰＰＭから８０ＰＰＭの範囲で混入される。このような濃度の範囲でフラックスに硫黄を混入することにより、フラックスの表面張力を低減させて、半田ペースト２１Ａの濡れ性を向上させることができる。硫黄の量が２０ＰＰＭ以下であると、濡れ性を向上させる効果が十分でなく、ヒケが発生する恐れがある。更に、硫黄の量が８０ＰＰＭ以上であると、混入された硫黄による核が半田に残留してしまい、半田の表面に局所的な窪みが形成される恐れがある。

半田ペースト２１Ａの製造方法は、先ず、粒状の硫黄（Ｓ）を溶媒に溶解させる。次に、硫黄を含む溶媒とフラックスとを混合させた後に、このフラックスと半田粉とを混合する。半田ペースト２１Ａに含有されるフラックスの割合は、例えば５〜１５重量％程度である。

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／Ａｇ３．５／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。鉛フリー半田を含む半田ペースト２１Ａは半田の濡れ性が悪くなる傾向にあるが、添加された硫黄の作用によりフラックスの表面張力が低減され、ヒケの発生が抑制されている。

フラックスとしては、ロジン系フラックスおよび水溶性フラックスの両方が適用可能であるが、水溶性フラックスの方が好ましい。これは、水溶性フラックスの半田付け性が強いので、パッド１８Ａの全面に半田１９Ａを付着させるために好適であるからである。水溶性のフラックスを使用すると、半田ペースト２１Ａを溶融することにより、腐食性の強いフラックスの残渣が発生する。従って、本形態ではリフローの工程が終了した後に、この残渣を洗浄して除去している。

本形態で用いるフラックスは、非常に活性力が強いＲＡタイプである。ＲＡタイプのフラックスを用いることにより、メッキ膜２０の表面に酸化膜が形成されても、フラックスによりこの酸化膜を除去することができる。従って、本形態では、酸化膜の形成を防止するために、メッキ膜２０の表面を金メッキ等により被覆する必要が無い。一般的にフラックスは、活性力の弱い順に、Ｒタイプ(Rosin base)、ＲＭＡタイプ(Mildly Activated Rosin base)およびＲＡタイプ(Activated Rosin base)に大別される。本形態では、最も活性力が強いＲＡタイプのフラックスを使用している。

本形態では、回路素子の実装を行う前に、溶融された半田１９Ａを予め大型のパッド１８Ａに形成している。その理由は、本形態では、小信号トランジスタ等の比較的小さな回路素子から順序よく実装を行っているからである。小信号トランジスタ等の回路素子を固着した後では、大型のパッド１８Ａの上面に半田ペーストを印刷することは困難になる。そこで、パッド１８Ａに溶融された半田１９Ａを予め用意することで、この問題を回避することができる。

図４（Ｂ）および図４（Ｃ）を参照して、次に、加熱溶融を行うリフローの工程により半田ペースト２１Ａを溶融させて、パッド１８Ａおよび１８Ｃの上面に半田１９Ａを形成する。図４（Ｂ）は半田１９Ａが形成された後の基板１６の断面図であり、図４（Ｃ）はその平面図である。

半田ペースト２１Ａの加熱溶融は、基板１６の裏面をヒータブロックで加熱し、上方から赤外線を照射して行う。半田ペースト２１Ａが錫鉛の共晶半田を含む場合は、リフローの温度は、２２０℃程度である。また、半田ペースト２１Ａが鉛フリー半田（例えばＳｎ／Ａｇ３．５／Ｃｕ０．５）の場合は、リフローの温度は２５０℃程度である。

本形態では、半田ペースト２１Ａに所定の割合で硫黄が含有されることにより、半田のヒケを抑止して、半田ペースト２１Ａを加熱溶融して半田１９Ａを形成することができる。従って、図４（Ｃ）を参照して、パッド１８Ａ、１８Ｃの表面は全面的に半田１９Ａにより覆われている。特にヒートシンクが固着される大型のパッド１８Ａでは、ヒケが起こりやすい傾向にあるが、硫黄を含む本形態の半田ペースト２１Ａを用いるとその危険性を排除することができる。

図４（Ｄ）は、半田１９Ａが上部に形成されたパッド１８Ａの拡大断面図である。同図を参照して、硫黄を含む半田ペースト２１Ａを溶融することにより、半田１９Ａはパッド１８Ａの上面全域に形成されている。従って、半田１９Ａの上面は、平坦面に形状が近い滑らかな曲面と成っており、半田ペースト２１Ａを溶融する際に発生するフラックス２４は、半田１９Ａの上面に付着する。このことから、周囲に流出するフラックスの量は制限されており、腐食力の強いフラックスにより周囲のパターンが腐食してしまうことを抑止することができる。上述したように、本形態で用いるフラックスは、最も活性力が強いＲＡタイプである。活性力が強いＲＡタイプのフラックスは、酸化力も強いので、このフラックスが基板１６の表面に漏出すると、導電パターン１８を腐食させる恐れがある。そこで本形態では、半田１９Ａの上面を滑らかな曲面とし、フラックス２４を半田１９Ａの上面に付着させて周囲への漏出を防止している。

更に本形態では、パッド１８Ａの表面にニッケルから成るメッキ膜２０が形成されており、このこともヒケの防止に寄与している。具体的には、銅から成るパッド１８Ａの表面にメッキ膜２０を形成し、このメッキ膜２０の表面に半田１９Ａを形成することで、半田１９Ａとパッド１８Ａとが直に接触することを防止することができる。従って、半田の主成分である錫と、パッドの材料である銅との金属間化合物の生成されない。本形態の構成により、半田の主成分である錫とメッキ膜２０の材料であるニッケルとの金属間化合物が生成される。即ち、メッキ膜２０と半田１９Ａとの境界面に、Ｎｉ／Ｓｎ合金層１３が形成される。Ｎｉ／Ｓｎ合金層１３は、Ｃｕ／Ｓｎ合金層よりも半田の濡れ性に優れている。従って、本形態では、金属間化合物の半田の濡れ性が悪いことによるヒケの発生は抑止される。

半田ペースト２１Ａを加熱溶融することにより、硫黄の殆どはフラックス成分と共に半田１９Ａの外部に流出すると考えられる。しかしながら、僅かな量の硫黄は半田１９Ａの内部に残留し、半田１９Ａが再溶融する後の工程にて、溶融した半田１９Ａの表面張力を低減させている可能性もある。

第３の工程：図５参照
本工程では、小信号トランジスタ等を基板１６に固着する。

図５（Ａ）を参照して、先ず、スクリーン印刷により、パッド１８Ｂの上面に半田ペースト２１Ｂを塗布する。そして、半田ペースト２１Ｂの上部にチップ部品１４Ｂおよびトランジスタ１４Ｃを仮載置する。本工程で用いる半田ペースト２１Ｂは、ロジン系のフラックスを含むものが好ましい。水溶性のものと比較して腐食性が弱いロジン系のフラックスを用いることにより、パッド１８Ｂの周囲に位置する導電パターン１８が腐食することを防止することができる。また、半田ペースト２１Ｂとしては、前工程にて用いた硫黄を含む半田ペーストでも良いし、硫黄を含まない半田ペーストでも良い。パッド１８Ｂは、小信号トランジスタ１４Ｃやチップ部品１４Ｂ等が固着される小さなパッドである。従って、大型のパッド１８Ａと比較すると半田のヒケが発生する恐れが少ない。

図５（Ｂ）を参照して、次に、上部にチップ部品１４Ｂ等が載置された半田ペースト２１Ｂを加熱溶融して、これらの回路素子を固着する。本工程でのリフロー温度は、半田１９Ａを溶融した前工程と同等である。従って、半田ペースト２１Ｂを溶融して半田１９Ｂを形成することにより、パッド１８Ａの上部に形成された半田１９Ａも再び溶融される。

大型のパッド１８Ａに付着された半田１９Ａが再溶融されると、ヒケが発生してしまう恐れが高い。この理由は、再溶融される半田１９Ａには、半田付け性を向上させるフラックスが含有されていないからである。更に、大型のパッド１８Ａに付着された多量の半田１９Ａが溶融されると、大きな表面張力が作用することも、ヒケの発生の原因である。

そこで本形態では、パッド１８Ａの表面にニッケルから成るメッキ膜２０を形成して、半田１９Ａがパッド１８Ａに直に接触しないようにすることで、ヒケの発生を抑止している。具体的には、メッキ膜２０の形成により、半田に含まれる錫とパッドの材料である銅とが直に接触しないので、両者の金属間化合物から成るＣｕ／Ｓｎ合金層が形成されない。本形態の構成によりメッキ膜の表面に形成されるＮｉ／Ｓｎ合金層は、Ｃｕ／Ｓｎ合金層よりも半田付け性に優れるので、本工程では半田１９Ａのヒケが抑止されている。

上記工程が終了した後に、細線１５Ｂを介して、小信号のトランジスタ１４Ｃは、導電パターン１８と電気的に接続される。また、小信号トランジスタ１４Ｃの固着は、Ａｇペースト等の導電性ペーストを介して行っても良い。

図５（Ｃ）に本工程が終了した後の基板１６の平面図を示す。パッド１８Ａの表面に形成された半田１９Ａには、ヒケが発生していない。即ち、パッド１８Ａの表面全域は半田１９Ａにより被覆されている。

図６を参照して、上記工程が終了した後の、半田１９Ａとメッキ膜２０との境界の詳細を説明する。図６（Ａ）は上記工程が終了した後の基板１６の断面であり、図６（Ｂ）は半田１９Ａとメッキ膜２０との境界を撮影したＳＥＭ画像である。

図６（Ｂ）を参照して、半田１９Ａとメッキ膜２０との境界には、厚みが２μｍ程度の合金層１３が生成されている。この合金層１３は、上述したように、半田１９Ａに含まれる錫と、メッキ膜２０の材料であるニッケルとから成る。本形態の合金層１３が生成される速度は、背景技術で述べた銅を含む合金層と比較すると非常に遅い。

またニッケルは、その下に形成されるＣｕのバリア膜となり、Ｎｉの表面にＣｕが析出することを抑止できる。よってＣｕとＳｎの反応が極力抑えられヒケの発生が抑止されている。更に、合金層１３の表面は、背景技術と比較すると粗面となっており、液状化した半田１９Ａが移動し難い環境と成っている。この事項も、ヒケの防止に寄与している。

第４の工程：図７参照
本工程では、パッド１８Ａにヒートシンク１４Ｄを載置する。

図７（Ａ）を参照して、先ず、上部にパワートランジスタ１４Ａが固着されたヒートシンク１４Ｄを、パッド１８Ａの上部に形成された半田１９Ａに載置する。その後に、ホットプレートを用いて基板１６を加熱することで、パッド１８Ａの上部に形成された半田１９Ａを再び溶融して、ヒートシンク１４Ｄをパッド１８Ａに固着させる。ここで、ヒートシンク１４Ｄの具体的な大きさは、縦×横×厚さが、８ｍｍ×８ｍｍ×２ｍｍ程度である。本形態に於いては、ホットプレートを用いた手法に替えて、リフロー炉を用いたリフロー工程により、半田を溶融させても良い。

本形態では、半田１９Ａのヒケが抑止されているので、ヒートシンク１４Ｄの裏面全体が半田１９Ａを介してパッド１８Ａに固着されている。従って、ヒートシンク１４Ｄの上部に載置されたパワートランジスタ１４Ａの放熱性は確保されている。

図７（Ｂ）を参照して、次に、パワートランジスタ１４Ａのエミッタ電極およびベース電極と所定の導電パターン１８とを、径が３００μｍ程度の太線１５Ａを用いて接続する。

本形態では、小型の小信号トランジスタ１４Ｃの固着および細線１５Ｂの形成を行った後に、ヒートシンク１４Ｄを固着している。これは、ヒートシンク１４Ｄを固着した後では、その近傍にトランジスタ１４Ｃの配置および細線１５Ｂの形成が困難になるからである。小型の回路素子を固着した後に、大型の回路素子であるヒートシンク１４Ｄを配置することで、小型の回路素子をヒートシンク１４Ｄの直近に配置することができる。

第５の工程：図８参照
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。

図８（Ａ）を参照して、先ずパッド１８Ｃの上部にリード１１を載置した後に、半田１９Ａを溶融させてリードを固着する。具体的には基板１６をホットプレートにて加熱しつつ、光ビームを照射して半田１９Ａを溶融させて、リード１１を固着している。

図８（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トランスファーモールドにより封止樹脂１２を形成する。具体的には、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。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。

＜第３の実施の形態＞
本実施の形態では、混成集積回路装置を製造する他の製造方法を説明する。ここでは、半田ペーストを一括して溶融し、回路素子を固着している。

図９（Ａ）を参照して、先ず、表面に導電パターン１８が形成された基板１６を用意して、所望のパッドに半田ペースト２１を塗布する。本形態では、導電パターン１８により、パッド１８Ａおよびパッド１８Ｂが形成されている。パッド１８Ａはヒートシンクが固着されるパッドであり、例えば９ｍｍ×９ｍｍ程度以上に大型に形成されている。パッド１８Ｂは、チップ抵抗等のチップ部品や小信号トランジスタが固着されるパッドであり、パッド１８Ａよりも小さく形成される。

本形態では、ヒケが発生しやすい大型のパッド１８Ａの表面に、ニッケルから成るメッキ膜２０が形成されている。従って、半田ペースト２１を溶融させても、半田付け性が悪いＣｕ／Ｓｎ合金層は形成されない。本形態は、Ｃｕ／Ｓｎ合金層よりも半田付け性に優れるＮｉ／Ｓｎ合金層が、メッキ膜２０の表面に形成される。

更に、本工程で用いる半田ペースト２１は、第２の実施の形態と同様に硫黄が混入されたフラックスを用いることができる。硫黄はフラックスに対して２０ＰＰＭから８０ＰＰＭの範囲で混入される。硫黄が添加されることにより、溶融した半田ペースト２１の表面張力が低減される。

図９（Ｂ）を参照して、次に、ヒートシンク１４Ｄ等の回路素子を半田ペースト２１に仮接着した後に、リフローを行うことで回路素子を固着する。具体的には、パワートランジスタ１４Ａが上部に載置されたヒートシンク１４Ｄを、チップマウンタを用いてパッド１８Ａに仮接着する。そして、チップ部品１４Ｂおよび小信号トランジスタ１４Ｃを、小型のパッド１８Ｂに仮接着する。更に、これらの回路素子の仮接着が全て終了した後に、加熱溶融を行うことで半田ペーストを溶融させて、回路素子を半田１９により固着させる。本工程では、硫黄が含まれた半田ペーストを用いていることから、半田のヒケが抑止されている。更に本工程では、半田を介して固着される素子を一括してリフローしているので、製造工程を短縮化できる利点がある。また、半田のリフローが終了した後に、Ａｇペースト等の導電性ペーストを介して、小信号のトランジスタが固着されても良い。

上述したように、本形態では、パッド１８Ａ等の上面はメッキ膜２０により覆われている。従って、パッド１８Ａの上部に塗布された半田ペースト２１を溶融させると、半田付け性に優れるＮｉ／Ｓｎ合金層がメッキ膜２０の表面に形成されるので、半田１９のヒケが抑止されている。

図９（Ｃ）を参照して、次に、金属細線を介して所望の導電パターン１８と回路素子とを接続する。具体的には、径が８０μｍ程度のアルミ線から成る細線１５Ｂを介して、小信号トランジスタ１４Ｃの電極と、所望の導電パターン１８とを接続する。そして、径が３００μｍ程度のアルミ線から成る太線１５Ａを介して、パワートランジスタ１４Ａの電極と所望の導電パターン１８とを接続する。

図９（Ｄ）を参照して、次に、基板１６の周辺部に設けたパッド１８Ｃにリード１１を固着した後に、少なくとも基板１６の表面が被覆されるように封止樹脂１２を形成する。上述した工程にて混成集積回路装置が製造される。

本形態では、半田ペーストを用いて固着される回路素子を一括してリフローしているので、工程を短縮化した製造方法を提供することができる。

本発明の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）は断面図である。 本発明の回路装置を示す断面図である。 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。 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）は平面図であり、（Ｄ）は断面図である。 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）は平面図である。 本発明の回路装置の製造方法を示す図であり、（Ａ）は基板の断面図であり、（Ｂ）はＳＥＭ画像である。 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。 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。 本発明の回路装置の製造方法を示す図であり、（Ａ）−（Ｄ）は断面図である。 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。 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。 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。 従来の回路装置の製造方法を示す図であり、（Ａ）は基板の断面図であり、（Ｂ）はＳＥＭ画像である。

符号の説明

１０ 混成集積回路装置
１１ リード
１２ 封止樹脂
１３ 合金層
１４Ａ トランジスタ
１４Ｂ チップ部品
１４Ｃ トランジスタ
１５Ａ 太線
１５Ｂ 細線
１６ 基板
１７ 絶縁層
１８ 導電パターン
１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ パッド
１８Ｄ 配線パターン
１８Ｅ ボンディングパッド
１９ 半田
２０ メッキ膜
２１、２１Ａ、２１Ｂ 半田ペースト
２２ 第１の配線層
２３ 第２の配線層
２４ フラックス

Claims (8)

1. 基板の上面に、一辺の長さが９ｍｍ以上の四角形形状に形成された第１パッドと、前記第１パッドよりも小さい第２パッドとを含む銅から成る導電パターンを形成し、ニッケルから成るメッキ膜で前記第１パッドの上面を被覆する工程と、
   鉛フリーの半田粉を含む半田ペーストを前記メッキ膜の表面に塗布し、前記半田ペーストを加熱溶融することで、前記メッキ膜の上面に鉛フリー半田を溶着する工程と、
   前記第２パッドの上面に半田ペーストを塗布して溶融することにより形成される半田を介して、小信号トランジスタまたはチップ部品を前記第２パッドに固着すると共に、前記第１パッドに溶着された前記鉛フリー半田が溶融される工程と、
   パワートランジスタが実装されたヒートシンクを前記鉛フリー半田の上面に載置した後に、前記鉛フリー半田を溶融させることで、前記鉛フリー半田を介して前記ヒートシンクを前記第１パッドに固着する工程と、
   を具備することを特徴とする回路装置の製造方法。
2. 前記鉛フリー半田と前記メッキ膜との境界に、前記メッキ膜に含まれるニッケルと、前記鉛フリー半田に含まれる錫との金属間化合物から成る合金層が生成されることを特徴とする請求項１に記載の回路装置の製造方法。
3. 前記メッキ膜は、電解メッキ法により形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回路装置の製造方法。
4. 前記鉛フリー半田と前記メッキ膜との間に生成される合金層の表面は、粗面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の製造方法。
5. 前記半田ペーストはフラックスと半田粉との混合物であり、
   前記フラックスとして水溶性フラックスが採用されることを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の回路装置の製造方法。
6. 前記鉛フリー半田を溶着する工程では、前記基板の裏面をヒータブロックで加熱することを特徴とする請求項１から請求項５の何れかに記載の回路装置の製造方法。
7. 前記半田ペーストは硫黄を含むことを特徴とする請求項１から請求項６の何れかに記載の回路装置の製造方法。
8. 前記基板およびその上面に実装された回路素子を封止樹脂で被覆する工程を更に具備することを特徴とする請求項１から請求項７の何れかに記載の回路装置の製造方法。