JPH01135057A - リードフレーム材料の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はリードフレーム材料に関し、さらに詳しくは、
トランジスタやＩＣ等の半導体用リードフレーム材料で
あり、特に、ボンディングワイヤの金線あるいは銅線を
材料に直接に接合することができ、半田の密着性に優れ
る半導体リードフレーム材料およびその製造方法に関す
る。

［従来の技術］ 一般に、半導体のリードフレーム材料には銅合金および
４２７０イが使用されてきているが、最近は軽薄短小化
、素子の高密度化および機器の実装密度の向上の面から
、熱伝導性に優れる銅合金が多く使用されるようになっ
てきた。

リードフレームは、シリコン素子が接合されるダイパッ
ド部あるいはアイランド部、Ａｕ線が接合されて樹脂対
じされるインナーリード部、および、信号を出入させる
ためのリード線の役割を果たし、通常は半田めっきされ
るエクスターナルリード部の３部分から成立っている。

上記の３部分について具体的に説明すると、まず、ダイ
パッド部については、シリコン素子が当該ダイパッド部
にＡｕ−３ｔ、Ａｇ−３ｉ等の共晶接合または拡散接合
、導電ペースト剤による接合あるいは半田付けによって
取り付けられる。

次に、このシリコン素子の電極とインナーリード部の先
端のフィンガーアームと称される部分は、Ａｕ線あるい
はＣｕ線が熱圧着あるいは超音波併用熱圧着によって接
合されている。

さらに、エクスターナルリード部は、前記したように信
号を出入させるためのリード部であり、通常は錫あるい
は半田付けが行われる。

前記した中でシリコン素子の電極とフィンガーアームと
の熱圧着に際しては、信頼性の高い安定した接合性を得
るため、フィンガーアーム部にＡｇめっきが施されてい
た。ただし、フィンガーアーム部のみのＡｇめつきは困
難であるため、通常ダイパッド部にも同時にＡｇめっき
が施されていた。

リードフレーム材料は取り扱い上、強度と成形加工性等
のバランスのとれた特性が必要であるが、合金化により
その特性が備えられているため、種々の含有元素が目的
に応じて適量含有されている。しかし、含有元素の種類
およびその含有量によって表面特性が変化し易く、その
ままめっき等を施さずに使用するには安定性に欠けてい
た。

したがって、従来は前記したようにフィンガーアーム部
およびダイパッド部にＡｇめつぎが施されている。しか
し、Ａｇめつきは高価であるので、Ａｇめっきに代わっ
てワイヤ接合を安定にする方法の出現が切望されていた
。

上記の方法としてリードフレームを純銅にする方法が考
えられる。純銅のみであればＡｕ線は還元性の雰囲気で
熱圧接が可能であり、したがって、Ａｕ線およびＣｕ線
は安定した接合性を有するからである。しかしながら、
純銅のみでは強度が不足したり、耐熱性が劣ったりする
ため、純銅リードフレームは採用することができなかっ
た。

そこで、前記したような銅合金に銅めっきを施す方法が
考えられる。しかし、めっき直後であればＣｕめっきに
Ａｕ線の熱圧接は可能であるが、Ｃｕめっきはポロシテ
ィが多く、表面粗度も０．８〜１．０μｍと粗くなるた
め、短時間で室温で酸化し、また、Ａｕ線との加熱接合
中に酸化し易い、また、母材に強化のために含有させた
元素が、ポロシティが多いため、拡散して表面層まで出
てきて、ＩＣ等の多ピンのリードではビン全数の接合強
度が安定しなくなるという問題がある。

また、エクスターナルリード部は特別の銅合金を除外す
れば、錫あるいは半田が剥離することなく使用できるも
のである。銅合金の上に圧延後も厚さ１μｍ以上の銅め
っきを行って、その上に錫あるいは半田めっきを行うと
半導体としての必須特性である１５０℃の温度で１ｏｏ
ｏ時間保持後も錫あるいは半田が剥離することなく、密
着していることを満足することは難しい、すなわち、銅
めっき層と半田めっき層との間に、表層にη相（Ｃｕ６
　Ｓ　ｎｓ　）　ｓその下にε相（Ｃｕ、Ｓｎ）が生じ
、ε相と銅めっき層の界面にボイドが発生し、これらの
ボイドが連なり剥離を生じることが判明している。

この剥離を防止するために銅めっき浴として資化銅浴を
選定するが、効果はあっても完全には剥離を防止するこ
とはできない。

このようなことから、ダイパッド部およびフィンガーア
ーム部のみ、部分鋼めっきを行う方法が考えられる。し
かし、表面粗度が０．８〜１．０μｍと粗大になり、ポ
ロシティが多いため（特に多ビンの場合）ワイヤボンデ
ィング中に母材中の含有元素が表面に拡散して出てきて
、ボンディング性を劣化させるという問題が生じ、結局
Ａｇの局部めっきを行わなければならないことになる。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明は上記に説明した従来における半導体リードフレ
ーム材料の種々の問題点に鑑み、本発明者が鋭意研究を
行った結果、半導体リードフレーム材料のダイパッド部
およびフィンガーアーム部に銀めっき等を施すことなく
、リードフレームに直接に金線および銅線を信頼性高く
、確実に接合することが可能な、またエクスターナルリ
ード部の上記の問題点を解決し得る半導体リードフレー
ム材料を開発したのである。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、表面に厚さ１μｍ以上の銅層な有するリード
フレーム材料であフて、当該銅層の表面粗さが０．４μ
ｍ以下であり、かつ当該銅層のビッカース硬さが６５以
下であることを特徴とするリードフレーム材料に第１の
要旨があり、表面に銅層を有する金属材料に減面率１％
以上、５％以下の冷間圧延加工を行フた後に、表面厚さ
１μｍ以上の銅層を有するリードフレーム材料とし、そ
の後、当該リードフレーム材料を２００〜４００℃の温
度で少なくとも５秒間の焼鈍を施すことを特徴とするリ
ードフレーム材料の製造方法に第２の要旨がある。

°［作用］ 本発明に係る半導体用リードフレーム材料について以下
詳細に説明する。

本発明に係る半導体用のリードフレーム材料は、その表
面に１μｍ以上の銅層が設けられており、最大表面粗さ
が０．４μｍ以下であって、通常のめっきでは銅層のめ
つき層の最大表面粗さが、０，８〜１．０μｍであるの
に比較して綿かい、また、内部のポロシティが小さく、
ビッカース硬さ６５以下と軟質の金属銅となっているた
め、耐酸化性および耐食性も純銅と路間等となっており
、その結果、還元性雰囲気下における金線の加熱圧接に
よるワイヤボンディング性も安定したものとなる。

さらに、本発明に係るリードフレーム材料は、表面の銅
層は少なくとも１％以上の減面率でスキンパス圧延ある
いは冷間圧延を行うことによって、めフき時に保有して
いたボイドな変化させると同時に、最大表面粗さを０，
４μｍ以下に調整し、その後、２００〜４００℃の温度
で少なくとも５秒間の焼鈍を行うことによって、ボイド
を減少させると同時にめっき時に含まれたＨ２ガスおよ
び不純物等を除去拡散させ、表面のビッカース硬さが６
５以下の表面性状の安定した半導体用のリードフレーム
材料となる。

すなわち、圧延後の銅層の厚みが１μｍ未満の場合は５
％以下の圧下率の冷間圧延では表面粗さが０．４μｍ以
下に安定し難い。また、銅層の冷間圧延時の減面率の上
限を５％と規制したのは、圧延ロールがスキンパス専用
ロールであり、そのパスでの最大圧下能力によるもので
ある。なお、銅層は厚い程導電率等が向上するが、価格
上昇となるため上限は５μｍとした。

また、本発明に係るリードフレーム材料の母材は、Ｈｖ
ｌＯＯ以上、導電率３０％ｌＡＣ３以上および軟化温度
４００℃以上の銅合金であり、これはパワートランジス
タとして必要な最低の硬度、ＩＣを設計する上で最小の
導電率、さらには、トランジスタやＩＣの製造工程を加
味した必須の耐熱性を有しているものである。

母材の含有成分および含有割合として、特にＺｎとＳｎ
の両元素をＺｎ≦０．５ｗｔ％、Ｓｎ≦３．０ｗｔ％と
限定した銅合金に銅めっき後、減面率１％以上のスキン
パス加工で減面率５％以下の圧延を行い、その後２００
〜４００℃の温度で少なくとも５秒間の焼鈍によって、
厚さ１μｍの銅層を拡散してＺｎあるいはＳｎが表面層
に現れるのを防止している。

なお、本発明では圧延によって母材にも局部的な応力が
加わるため１１表面層のＣｕを軟化させると同時に母材
の残留応力を除去可能な焼鈍条件としては２００〜４０
０℃の温度で少なくとも５秒間とするのがよい。

また、本発明によれば、エクスターナルリード部におい
ても半田付は後、１５０℃の温度で１０００時間保持後
も半田の剥離を生じることはない、これは銅層が軟質の
金属鋼となっており、めりき時の空孔の数が減少したた
めと考えられる。

なお、母材としてＺｎ≦０．５ｗｔ％、Ｓｎ≦３．０ｗ
ｔ％の銅合金について説明したが、本発明に使用する具
体的な合金としては、例えば、Ｃｕ−０，１ｗｔ％Ｆｅ
−０，０３ｗｔ％ＰあるいはＣｕ−２，３ｗｔ％Ｆｅ−
０，０３ｗｔ％Ｐ−０，１５ｗｔ％Ｚｎを代表とするＣ
ｕ−Ｆｅ−Ｐ系合金、Ｃｕ−３，２ｗｔ％Ｎｉ−０，７
ｗｔ　％５ｉ−０，３ｗｔ％Ｚｎ、Ｃｕ−３，２ｗｔ％
Ｎｉ　　−０，７ｗｔ％５ｉ−１，２５ｗｔ％５ｎ−０
，３ｗｔ％ＺｎあるいはＣｕ−１，６ｗｔ％ＮＬ−０．
　３５ｗｔ％５ｉ−０，３ｗｔ％Ｚｎを代表とするＣｕ
−Ｎｉ２Ｓｉ系合金、Ｃｕ−１ｗｔ％５ｎ−０，１ｗｔ
％Ｆｅ−０，０３ｗｔ％Ｐ％Ｃｕ−２ｗｔ％５ｎ−０，
１ｗｔ％Ｆｅ−０，０３ｗｔ％ＰおよびＣｕ−２ｗｔ％
５ｎ−０，２ｗｔ％Ｎｉ−０，０５ｗｔ％Ｐを代表する
Ｃｕ−３ｎ−Ｐ系合金を挙げることができる。

［実施例〕 本発明に係るリードフレーム材料について実施例を挙げ
て具体的に説明する。

Ｎｏ、１．Ｃｕ−２ｗｔ％５ｎ−０，１ｗｔ％Ｆｅ−０
，０３ｗｔ％ＰのＨ／２材、板厚０．１５ｍｍと、Ｎ　
ｏ　、　　Ｉｆ　、　　Ｃｕ　−３、２ｗ　ｔ％Ｎｉ−
０，７ｗｔ％５ｔ−ｓ、２５ｗｔ％５ｎ−０，３ｗｔ％
ＺｎのＨ材、板厚０．１５ｍｍの材料を硫酸銅浴でめっ
きを行い、圧延後の銅めっき厚さ、圧延時の減面率、お
よび焼鈍条件を第１表に示す。

これらの材料を１０ｗｔ％硫酸水溶液で酸洗し、水で洗
浄後乾燥し、Ａｕ線によるワイヤボンディ−ング性、湿
潤試験（温度４０℃、湿度９５％以上、時間４時間）に
よる耐蝕性、さらに、半田付け（Ｐｂ−５ｎ共晶半田、
フラックスはアルファ１００、温度２３０℃、浸漬時間
５秒間）後に１５０℃の温度でｔ　ｏｏｏ時間の恒温保
持試験を行い、半田の密着性を調べた。また、いずれの
材料も予めエスカによる表面分析を行った。この結果も
第１表に示す。なお、硫酸銅めっき条件は以下のように
した。

・硫酸銅めつぎ条件 硫酸銅（５Ｈ２０）　２００　ｇ　／　１２　。

Ｃｆ１．−４０ｐｐｍ 硫酸（比重１．８４）　　５０ｇ／立 浴温度　　２５℃ 陽極　　　電解銅 電流密度　　５Ａ／ｄｔｎ’ また、ワイヤボンデイン試験は以下のように行った。

・ワイヤボンディング試験 熱圧着式ワイヤボンダーのホルダーにリードフレーム材
料を装着し、１１００ｐｐのＨ３を含むＮ、ガスでシー
ルドし、ホルダーのステージ温度を２５０℃、接圧荷重
１００ｇの条件下で直径３０μｍのＡｕワイヤで接合間
距離を１ｍｍとしてウェッジ型の接合を行う、その後、
プルテスターで破断部および破断荷重を測定した。ただ
しＡｕワイヤの破断強度は１５ｇである。

第１表において、Ｎｏ、１〜Ｎ００６は本発明の実施例
であり、銅めっき後の表面粗さが０．８〜１．０ｎｍ、
スキンバス加工後のめつき層の厚さを１．５〜３．０μ
ｍに表面加工を行うことによフて、表面粗さ０．３〜０
．４μｍとなり、さらに、２００〜４００℃の温度で５
秒間以上熱処理することによりて耐食性と半田の１５０
℃の温度で１０００時間における密着性が向上すること
を示している。

ボンディング強さは、めっき材のままでもその後引き続
いて行われる圧延＋焼鈍材でも１０ｇ以上の値を示し、
合格ラインにある。しかし、耐食性を考慮するとＮｏ、
７〜Ｎｏ、１０に示した銅めっぎのままの比較例では、
表面が活性化されたままで非常に変色し易いため、表面
特性が不安定であり、ボンディング性の経時的な劣化が
回避できないことを示している。

Ｎｏ、１１はボンディング性、耐食性および半田の密着
性は良好であるが、スキンバス圧延ロールのバス回数が
２回となり経済的に不利となる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、金線のワイヤボ
ンディング時の接合性が安定し、さらに、外部リード部
においても半田の剥離のないリードフレーム材料および
その製造方法を提供でき、トランジスタおよびＩＣ等を
組立てる時に、銀などのめっき時間の短縮による生産性
の向上と低価格化とを同時に可能とすることができる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）表面に厚さ１μｍ以上の銅層を有するリードフレ
   ーム材料であって、当該銅層の表面粗さが０．４μｍ以
   下であり、かつ当該銅層のビッカース硬さが６５以下で
   あることを特徴とするリードフレーム材料。
2. （２）表面に銅層を有する金属材料に減面率１％以上、
   ５％以下の冷間圧延加工を行った後に、表面厚さ１μｍ
   以上の銅層を有するリードフレーム材料とし、その後、
   当該リードフレーム材料を２００〜４００℃の温度で少
   なくとも５秒間の焼鈍を施すことを特徴とするリードフ
   レーム材料の製造方法。