JPH0565602A

JPH0565602A - 高強度リードフレーム材料およびその製造方法

Info

Publication number: JPH0565602A
Application number: JP25053991A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Nakamura; 秀一中村; Kazu Sasaki; 計佐々木
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1991-09-03
Filing date: 1991-09-03
Publication date: 1993-03-19

Abstract

(57)【要約】【目的】リードフレームの主要特性であるハンダ性、
メッキ性を害することなく、組織を複相とすることで高
強度化したリードフレーム材料において、強度の最終焼
鈍温度依存性を緩和して安定な製造を可能とするものお
よびその製造方法の提供。【構成】重量％にて、Ｃo 0.5〜22%、Ｎi 22〜32.5%
(ただしＣo 12%未満ではＮi 27〜32.5%、Ｃo 12%以上で
は(Ｎi＋Ｃo) 60〜74%)、Ｓi 0.5%以下、Ｍn 1.0%以下
の基礎的添加元素に加え、Ｎb,Ｔi,Ｚr,Ｍo,Ｖ,Ｗ,Ｂe
のいずれか１種または２種以上を合計で0.1〜3.0%、残
部は不純物を除き実質的にＦe(但し、Ｎiの0.5〜3%を等
量のＣuで置換可)、またはＢ,Ｍg,Ｃaの１種または２種
以上を合計で0.0001〜0.03%含み、組織が逆変態または
さらに残留による50%以上のオーステナイトと残部マル
テンサイトまたはフェライトからなるリードフレーム材
料。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は従来のものより高強度の
半導体装置用リードフレーム材料に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ロジック等の半導体装置の高容
量、高集積化およびパッケージの薄肉化に伴い、リード
フレームは多ピン化、薄板化の傾向にある。このため、
従来にも増して高強度のリードフレーム材料が要求され
ている。これら多ピン用Ｆe系リードフレーム材料とし
て、従来Ｆe-42Ｎi、Ｆe-29Ｎi-17Ｃo(コバール)が知ら
れている。これらのＦe-Ｎi系およびＦe-Ｎi-Ｃo系の改
良材の提案には、特開昭55-131155号あるいは種々の強
化元素を添加した高強度Ｆe-Ｎi系合金の提案があり、
またＦe-Ｎi-Ｃo系の改良合金については、特開昭55-12
8565号、特開昭57-82455号、特開昭61-6251号、特公平1
-817号、特公平1-15562号、本願発明の出願人が先に提
案した特開平1-61042号がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】多ピンリードフレーム
は、主に微細加工が可能なフォトエッチング法で製造さ
れる。しかし、これら微細加工したＦe-42ＮiまたはＦe
-29Ｎi-17Ｃoの薄板多ピンリードフレームは、リードの
強度不足が原因でパッケージ組立、搬送、実装などの際
に、反り、曲がりなどリードのバラツキが起こり易く、
また使用中の衝撃で座屈するなど種々の問題があった。
Ｆe-Ｎi系あるいはＦe-Ｎi-Ｃo系合金の改良について
は、Ｓi、Ｍn、Ｃrを含有させて強化する試み(特開昭55
-131155号)、あるいはその他の強化元素による高強度化
の提案、Ｆe-Ｎi-Ｃo系合金についての熱膨張に関する
もの{(イ)特開昭55-128565号、(ロ)特開昭57-82455号、
(ハ)特開昭61-6251号、(ニ)特公平1-817号、(ホ)特公平
1-15562号、(ヘ)特開平1-61042号)}があるが、前者は主
要元素の他に強化元素を過剰に含有するため、表面酸化
が起り易く、リードフレームの主要特性であるハンダ
性、メッキ性を著しく劣化させる問題があり、また、後
者のうち、(イ)以外はいずれもリードフレームの強度を
積極的に改善しようとするものではない。なお、前記
(イ)のものは、本発明材料と強化機構を異にするもので
ある。

【０００４】そこで、本発明者は、常温でオーステナイ
ト相が不安定なＦe-Ｎi-Ｃo系合金に着目して、組成お
よび製造条件について種々実験を行なった結果、特定の
加工率による加工誘起マルテンサイト変態とその後の焼
鈍で逆変態オーステナイト相を析出させてその量を特定
量以上とし、他はマルテンサイトまたはフェライト相か
らなる組織とすることにより、リードフレームの各種特
性、特にハンダ性、メッキ性を損なわずに高強度化する
ことができることを見出し、本発明の基礎となる発明を
なした（特願平1-163595号等)。すなわち、該基礎発明
のリードフレーム材料の最も重要な点は、従来のＦe-Ｎ
i-Ｃo系合金が強化元素添加によるオーステナイト単相
の高強度化であるのに対し、ハンダ性、メッキ性を損な
う強化元素を添加することなく、組織的にオーステナイ
ト相およびマルテンサイト相若しくはフェライト相の複
合組織とした点である。図２は、本基礎発明材料の代表
的ミクロ組織写真（ａ)，(ｂ）を従来の材料であるコバ
ールのそれ(ｃ）と対比して示したものである。この写
真から、従来のコバール合金（ｃ）がオーステナイト単
相組織であるのに対し、本発明合金（ａ)，(ｂ）は、
γ″（逆変態オーステナイト）またはさらにγＲ（残留
オーステナイト）からなるオーステナイト相およびα″
（マルテンサイト）またはさらにα(フェライト)からな
る複合組織でなるものであることがわかり、本基礎発明
合金はこれにより高強度化を得るものである。

【０００５】該基礎発明は、具体的には、重量％にて、
Ｃo 0.5〜22%、Ｎi 22〜32.5%、Ｍn1.0%以下、Ｓi 0.5%
以下を含有し、ＮiとＣoの含有量は、Ｃo 12%未満では
Ｎi27〜32.5%、Ｃo 12%以上では66%≦2Ｎi＋Ｃo≦74%の
関係を満足し、残部は不純物を除き実質的にＦeからな
り、さらに組織が逆変態オーステナイト相、あるいはさ
らに残留オーステナイト相とでなるオーステナイト相お
よびマルテンサイト相若しくはフェライト相の単独また
は複合相からなり、前記逆変態オーステナイト相の単独
または残留オーステナイト相との合計が50%以上である
ことを特徴とする高強度リードフレーム材料、または前
記組成のＮiの0.5〜3%を等量のＣuで置換した上記各組
織の高強度リードフレーム材料、さらに、Ｂ，Ｍg,Ｃa
の１種以上を添加して、前記同様の各組成とした高強度
リードフレーム材料ならびに上記各組成の合金を、オー
ステナイト化終了温度以上の温度で溶体化処理し、次い
で40〜90%の冷間加工でオーステナイト相の一部または
全部を加工誘起マルテンサイトに変態させ、さらにオー
ステナイト化終了温度未満の温度で最終焼鈍して逆変態
オーステナイト相を析出させ、前記各請求項のいずれか
の組織とすることを特徴とする高強度リードフレーム材
料の製造方法である。さらに本基礎発明材において、ハ
ンダ性、エッチング性を評価していく過程で脱酸剤とし
て添加され残留するＭn,Ｓiおよび炭素、硫黄、酸素、
窒素の不純物については、特定の値以下に規制すると、
一段とハンダ性、メッキ性が向上し、強度や熱膨張特性
以外に求められる実用特性が改善されることがわかっ
た。

【０００６】しかしながら、該基礎発明において、マル
テンサイト相からオーステナイト相への逆変態は、温度
に敏感であるため、強度の焼鈍温度依存性が大きく、安
定生産上問題が多いことがわかった。そこで、本発明
は、この強度の焼鈍温度依存性を緩和した高強度リード
フレーム材料およびその製造方法を提供することを目的
とする。本発明は、マルテンサイト相からオーステナイ
ト相への逆変態を利用するとともに固溶硬化あるいは析
出硬化を利用することにより、ハンダ性、メッキ性、熱
膨張特性を損なうことなく、かつ強度の焼鈍温度依存性
を緩和させた高強度リードフレーム材料が得られること
を見出したことに基づくものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は前記
基礎発明の添加合金元素に加えて、Ｎb,Ｔi,Ｚr,Ｍo,
Ｖ,Ｗ,Ｂeのいずれか１種または２種以上を合計で0.1〜
3.0%含有し、残部は不純物を除き実質的にＦeからなる
組成を骨子とするものである。

【０００８】

【作用】まず本発明の数値限定理由を述べる。Ｃo含有
量は、その約17%付近および約5%付近で熱膨張係数を極
小化するのに最適であり、0.5%より少ないか、22%を越
えると熱膨張係数が大きくなり、シリコンチップとの熱
膨張整合性を劣化させる。このため、Ｃo含有量は、0.5
〜22%の範囲に限定する。Ｎi含有量は、Ｃo量との関係
で決定される。Ｃo 12%未満でＮiが27%より少ないか、
Ｃo 12%以上で(2Ｎi＋Ｃo)が66%より少ないと、マルテ
ンサイト変態開始温度が高く、オーステナイトが不安定
となり、溶体化処理時の冷却過程でマルテンサイト変態
を起し、十分なオーステナイト量が得られない。また、
Ｃo 12%未満でＮiが32.5%を越えるか、Ｃo 12%以上で(2
Ｎi＋Ｃo)が74%を越えると、室温においてオーステナイ
ト相が安定となり過ぎ、加工誘起変態が生じにくくな
る。このため、Ｃo 12%未満でＮi 27〜32.5%、Ｃo 12%
以上で、66%≦2Ｎi＋Ｃo≦74%の関係を満足するように
Ｎiを限定した。また、最適組成はマルテンサイト開始
温度が０℃以下になるようにＮi,Ｃo含有量を調整する
ことが重要である。

【０００９】Ｍnは脱酸剤として作用するが、1.0%を越
えると熱膨張係数を増大させ、また、ハンダ性、メッキ
性を劣化させるので1.0%以下に限定した。Ｓiは脱酸剤
として添加され、材料中に残存しない方が望ましいが、
0.5%までは熱膨張係数の極端な上昇や、ハンダ性、メッ
キ性の極端な劣化は生じないので許容できる。Ｂ，Ｍ
g，Ｃaは、熱間加工性向上のため必要により添加され、
１種または２種合計の添加量で0.0001%未満ではその効
果が少なく、0.03%を超えると逆に冷間加工時の延性を
低め、かつ素材エッチング性を劣化させるため、0.0001
〜0.03%に限定する。より好ましくは0.01%以下である。

【００１０】Ｃuはパッケージ樹脂とリードフレーム間
の耐隙間腐食性を向上させる元素である。Ｃuは0.5%よ
り少ないと耐隙間腐食性向上に効果がなく、また3%を越
えると、ハンダとの界面にＣuとＳnの脆い金属間化合物
を形成し、ハンダ剥離を起し易くなる。また、Ｃuはオ
ーステナイト安定化元素であるため、3%を越えて添加し
た場合はオーステナイト相が安定となり過ぎ、加工誘起
変態が生じにくくなるため0.5〜3%に限定する。

【００１１】次に不純物について述べる。本発明は通常
の不純物であれば特に問題にすることはない。しかし、
Ｃ，Ｓ，Ｏ，Ｎについては、それぞれ以下の範囲に規制
することにより、特に特性上好ましい材料となる。Ｃは
0.02%を越えるとエッチング穿孔性が劣化し、さらに炭
化物の過剰析出によりハンダ性、メッキ性を悪くするた
めち0.02%以下とすることが望ましい。Ｃのさらに望ま
しい範囲は0.015%以下である。Ｓは0.015%を越えると、
過剰のＭnＳが形成され、表面疵等が発生し易くなり、
また、固溶Ｓは熱間加工性を低下させるため、0.015%以
下に限定することが望ましい。Ｓのさらに望ましい範囲
は0.010%未満である。Ｏは150ppmを越えると脱酸剤のＳ
iおよび不可避的に混入したＡl,Ｍg等、Ｏとの親和力の
強い元素と過剰の酸化物を形成し、それが表面清浄度を
悪くし、ハンダ性、メッキ性を低下させるため150ppm以
下とすることが望ましい。Ｏのさらに望ましい範囲は10
0ppm以下である。Ｎはオーステナイト安定化作用がある
ため、150ppmを越えて添加するとオーステナイト相が安
定化しすぎ、加工誘起変態が起りにくくなる。さらに窒
化物が過剰に析出しハンダ性、メッキ性を低下させる。
好ましいＮ量は50ppm以下である。

【００１２】Ｎb,Ｔi,Ｚr,Ｍo,Ｖ,Ｗ,Ｂeは、本発明合
金の固溶強化あるいは析出強化により基地を強化する元
素として重要である。本発明合金は、最終焼鈍の際の逆
変態オーステナイト相の析出により強化されるが、熱膨
張特性の点からオーステナイト量は多い方が望ましく、
最終焼鈍温度はできるだけ高くとる必要がある。しか
し、後述の図１の実線に示すようにＦe-Ｎi-Ｃo系で
は、焼鈍温度の上昇とともに、機械的特性が急激に低下
する。このため、生産安定上から機械的特性の焼鈍温度
依存性を緩和することが必要である。本発明は、これら
固溶強化元素等を添加することで、図１の点線（後述の
表１のＮo.7実施例)に示すように機械的特性の焼鈍温度
依存性を緩和することができ、さらに高温側の特性を大
幅に改善できることを見出したことによるものである。
これらの強化元素の添加量が0.1%未満では、安定化に効
果がなく、3%を越えると表面酸化を促進し、ハンダ性、
メッキ性を著しく損なう。また、これらの元素はオース
テナイト生成側に作用するので添加量が増えると基質の
オーステナイトが安定化し過ぎるため0.1〜3%に限定す
る。

【００１３】また、本発明において最終の組織は、溶体
化処理時のままの残留オーステナイト相、加工誘起マル
テンサイト相、最終焼鈍で析出する逆変態オーステナイ
ト相で決まる。しかしながら、前述の理由により逆変態
オーステナイト相γ″（一部残留オーステナイトγRを
含む)とマルテンサイトα″(一部フェライトαを含む)
の相構成には金属組織的に種々組合せが可能である。 γ″＋α″：冷間加工にてγRの全てをα″に変態さ
せ、さらに最終焼鈍にて、α″の一部をγ″に変態させ
たとき γ″＋γR＋α″：冷間加工にてγRの一部をα″に変態
させ、さらに最終焼鈍にて、α″の一部をγ″に変態さ
せたとき γ″＋γR＋α″＋α：冷間加工にてγRの一部をα″に
変態させ、さらに最終焼鈍にて、α″の一部をγ″に変
態させ、そのとき下記の数１の分解を伴うとき

【００１４】

【数１】

【００１５】γ″＋γR＋α：冷間加工にてγRの一部を
α″に変態させ、さらに最終焼鈍にて、α″の全てが数
１の分解を伴うとき γ″＋α：冷間加工にてγRの全てをα″に変態させ、
さらに最終焼鈍にて、α″の全てが数１に分解されたと
き γ″＋α″＋α：冷間加工にてγRの全てをα″に変態
させ、さらに最終焼鈍にて、α″の全部をγ″に変態さ
せ、そのとき数１の分解を伴うときいずれにしても、逆変態またはさらに残留のオーステナ
イトが50%より少ないと熱膨張係数が大きくなり、シリ
コンチップとの熱膨張整合性を劣化させる。また、オー
ステナイト相が100%になると基質の強度が著しく低下す
るため、組織は残留オーステナイト相と逆変態オーステ
ナイト相およびフェライト相またはマルテンサイト相の
複合相からなり、前記オーステナイト相の総和を50%以
上に限定した。なお、本発明におけるオーステナイト相
の量(%)は、後述の実施例にて説明するＸ線回折強度か
ら求めた値とする。

【００１６】次に、本発明の材料の製造方法において、
冷間加工前の溶体化処理がオーステナイト化終了温度以
下では、オーステナイト相が十分な量にならないため、
溶体化処理温度はオーステナイト化終了温度以上とす
る。ただし、好ましくは、次工程で結晶粒を微細化する
必要から、この溶体化処理温度は950℃以下の温度とす
ることがより好ましい。冷間加工率は、40%より小さい
と十分な量の加工誘起マルテンサイト変態が起こらず、
また、これが90%を越えると素材異方性が強くなるた
め、40〜90%に限定する。さらに最終焼鈍温度は、これ
がオーステナイト化終了温度を越えるとすべての加工誘
起マルテンサイト相が逆変態オーステナイトに変態し、
複合組織による所望の析出強化が得られないため、オー
ステナイト化終了温度未満に限定する。なお、α₃₀₀(室
温〜300°の平均熱膨張係数)、硬さ、引張強さについて
は、パッケージ組立工程、および使用環境を検討した結
果、α₃₀₀は(3〜9)×10マイナス６乗/℃、硬さはＨvで2
60以上、引張強さは80kgf/mm²以上で十分に使用に耐え
うるものであると判断した。

【００１７】

【実施例】本発明材料を実施例により説明する。表１お
よび表２に示す組成の合金を真空誘導溶解炉で溶解、鋳
造し、1100〜1150℃の鍛造、熱間圧延で3mm厚さとし、
さらに、1000℃×1時間(水冷)の溶体化処理後0.35mmま
で冷間圧延を施した。表３および表４に、上記0.35mm厚
さのそれぞれの材料に、750℃溶体化処理−0.1mmまでの
冷間圧延(71%)−530℃最終焼鈍の一連の処理を施した材
料の各種特性を示す。なお３４′は、上記0.35mmの３４
材料を従来コバールの標準製造工程により、0.1mm厚み
に仕上げた材料を示すものである。なお、オーステナイ
ト相の量(%)は、数式２により求めた値である。メッキ
性の評価は、溶剤脱脂−電解脱脂−酸処理後、厚さ 0.5
μmのＣuストライクメッキを施し、その上に3μmのＡg
メッキを施した後、450℃×5min大気中加熱し、フクレ
を観察した。いずれもフクレがなく良好であった
（Ａ）。ハンダ性については、ハンダ耐候性試験(大
気中150℃×1000Hr保持後、90°曲げを行ない、リード/
ハンダ界面の剥離の有無を観察した。いずれも剥離はな
く良好であった（Ａ）。隙間耐食性については、65℃,1
%ＮaＣl溶液中に浸漬し、樹脂/リード間の腐食数(個/c
m)をカウントした。

【００１８】

【表１】

【００１９】

【表２】

【００２０】

【表３】

【００２１】

【表４】

【００２２】

【数２】

【００２３】表１および表２の材料Ｎo.1〜32はいずれ
も本発明の材料であり、オーステナイト単相(オーステ
ナイト量 100%)である従来材料３４または３４′に対し
て、前述の図３（ａ），（ｂ）に示すごとく、オーステ
ナイト相とフェライト相またはマルテンサイト相との混
合相であり、これより高い機械的特性を示すことがわか
る。図１は、強化元素としてＮb 0.9%を含有する本発明
材料および強化元素を含まない比較材料(表１および表
２のＮo.7およびＮo.33)について、最終焼鈍温度に対す
る硬さの変化を調べた結果を示すものである。これによ
ると、強化元素(Ｎb)の添加により、硬さの最終焼鈍温
度依存性が大きく緩和させることが明らかである。ま
た、Ｂ，Ｍg, Ｃaを適当添加したＮo.2,4,6,21〜32は表
３および表４に見られるごとく各種特性を劣化すること
なく、熱間加工性向上の効果が認められた。Ｃuを添加
したＮo.4,5、Ｎo.14〜20およびＮo.27〜32は高強度に
加え、耐隙間腐食性に優れることがわかる。

【００２４】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明材料は、Ｆ
e-Ｎi-Ｃo系の特定組成における、最終の冷間加工およ
び最終焼鈍で、それぞれ加工誘起によるマルテンサイト
変態および逆変態オーステナイトの析出を組合せること
で、多ピン薄型用リードフレームに必要な高強度を得る
ものにおいて、ハンダ性、メッキ性等主要な特定性を低
下することなく、強度の最終焼鈍温度依存性を緩和して
安定生産の確保を実現するものであり、工業上の効果は
極めて大きいものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】最終焼鈍温度と機械的性質の関係を示す図であ
る。

【図２】本発明材（ａ),(ｂ)と従来材であるコバール
(ｃ)の顕微鏡金属組織写真である(倍率×400)。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％にて、Ｃo 0.5〜22%、Ｎi 22〜3
2.5%、Ｍn 1.0%以下、Ｓi 0.5%以下を含有し、ＮiとＣo
の含有量は、Ｃo 12%未満ではＮi 27〜32.5%、Ｃo 12%
以上では66%≦2Ｎi＋Ｃo≦74%の関係を満足し、さらに
Ｎb,Ｔi,Ｚr,Ｍo,Ｖ,Ｗ,Ｂeのいずれか１種または２種
以上を0.1〜3.0%含有し、残部は不純物を除き実質的に
Ｆeからなり、さらに組織が逆変態オーステナイト相と
残留オーステナイト相およびマルテンサイト相とフェラ
イト相からなり、前記両オーステナイト相の合計が50%
以上であることを特徴とする高強度リードフレーム材
料。
【請求項２】請求項１の組成の合金からなり、さらに
組織が逆変態オーステナイト相と残留オーステナイト相
およびフェライト相からなり、前記両オーステナイト相
の合計が50%以上であることを特徴とする高強度リード
フレーム材料。
【請求項３】請求項１の組成の合金からなり、さらに
組織が逆変態オーステナイト相およびフェライト相から
なり、前記オーステナイト相が50%以上であることを特
徴とする高強度リードフレーム材料。
【請求項４】請求項１の組成の合金からなり、さらに
組織が逆変態オーステナイト相およびマルテンサイト相
とフェライト相からなり、前記オーステナイト相が50%
以上であることを特徴とする高強度リードフレーム材
料。
【請求項５】請求項１の組成のＮiの0.5〜3%を等量の
Ｃuで置換した成分の合金からなり、さらに組織が請求
項１〜４のいずれかに記載されたものであることを特徴
とする高強度リードフレーム材料。
【請求項６】請求項１の添加合金元素に加え、Ｂ，Ｍ
g,Ｃaの１種または２種以上を合計で0.0001〜0.03wt%含
有し、残部は不純物を除き実質的にＦeからなり、さら
に組織が請求項１〜４のいずれかに記載されたものであ
ることを特徴とする高強度リードフレーム材料。
【請求項７】請求項５の添加合金元素に加え、Ｂ，Ｍ
g,Ｃaの１種または２種以上を合計で0.0001〜0.03wt%含
有し、残部は不純物を除き実質的にＦeからなり、さら
に組織が請求項１〜４のいずれかに記載のものであるこ
とを特徴とする高強度リードフレーム材料。
【請求項８】請求項５の組成の合金からなり、さらに
組織が逆変態オーステナイト相（残留オーステナイト相
を含むことを得）およびマルテンサイト相からなり、前
記オーステナイト相が50%以上であることを特徴とする
高強度リードフレーム材料。
【請求項９】請求項１の添加合金元素に加え、Ｃaを
単独またはＢとＭgの１種または２種と複合して、(Ｃa
＋Ｂ＋Ｍg）で0.0001〜0.03wt%含有し、残部は不純物を
除き実質的にＦeからなり、さらに組織が請求項８に記
載のものであることを特徴とする高強度リードフレーム
材料。
【請求項１０】請求項５の添加合金元素に加え、Ｂ，
Ｍg,Ｃaの１種または２種以上を合計で0.0001〜0.03wt%
含有し、残部は不純物を除き実質的にＦeからなり、さ
らに組織が請求項８に記載のものであることを特徴とす
る高強度リードフレーム材料。
【請求項１１】室温から300℃までの平均熱膨張系数
が、(3〜9)×10マイナス６乗/℃、硬さがＨvで260以
上、引張強さが80kgf/mm²以上であることを特徴とする
請求項１〜１０の高強度リードフレーム材料。
【請求項１２】請求項１〜１０に記載の高強度リード
フレーム材料の製造方法であって、それぞれの組成の合
金を、オーステナイト化終了温度以上の温度で溶体化処
理し、次いで40〜90%の冷間加工でオーステナイト相の
一部を加工誘起マルテンサイトに変態させ、さらにオー
ステナイト化終了温度を越えない温度で最終焼鈍して逆
変態オーステナイト相を析出させ、最終的に逆変態オー
ステナイト相あるいはさらに残留オーステナイト相でな
るオーステナイト相およびフェライト相とマルテンサイ
ト相の少なくとも一方とからなる組織とすることを特徴
とする高強度リードフレーム材料の製造方法。