JPH09172124A

JPH09172124A - はんだダイボンディング用ニッケルめっき銅合金リードフレーム

Info

Publication number: JPH09172124A
Application number: JP7348684A
Authority: JP
Inventors: Toshihisa Hara; 利久原
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1995-12-18
Filing date: 1995-12-18
Publication date: 1997-06-30
Anticipated expiration: 2015-12-18
Also published as: JP3116332B2

Abstract

(57)【要約】【目的】酸素濃度の高い雰囲気下において鉛レスはん
だの拡がり性が良好で、銀めっきと同等の優れたはんだ
ダイボンディング性を有するニッケルめっき銅合金リー
ドフレーム。【構成】ニッケルめっきの鏡面反射率が２５％以上で
あり、表面から０．１μｍ以内のニッケル中の硫黄含有
量が０．０００５ｗｔ％以下であることを特徴とするは
んだダイボンディング用ニッケルめっき銅合金リードフ
レーム。この銅合金リードフレームにおいては、最表面
のニッケルめっきが０．５〜１０．０ｗｔ％のコバルト
又はパラジウムの一方又は双方を含有することではんだ
拡がりが一層良好となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、銀めっきを施さな
い状態で、ニッケルめっきに半導体チップが直接はんだ
ダイボンディングされるニッケルめっき銅合金リードフ
レームに関し、特に、酸素濃度の高い還元雰囲気中にお
いて鉛を含まないはんだを用いた状態でも、良好なはん
だダイボンディング性を持ち、かつワイヤボンディング
性に優れるニッケルめっき銅合金リードフレームに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、銅合金リードフレームのはんだダ
イボンディングされる表面には、良好なはんだ拡がりを
得るために銀めっきが施されていた。そして、半導体組
立工程は、はんだダイボンディング時の熱によるリード
フレームの酸化を防止するため、窒素ガスや水素を含む
還元雰囲気中で行われているが、銀めっきは酸化しにく
く、後述するように雰囲気中の酸素濃度が４００ｐｐｍ
以上に高くなっていても良好なはんだ拡がりが得られる
ため、銀めっき銅合金リードフレームに関して、半導体
組立雰囲気中の酸素濃度が問題とされたことはなく、ま
た、酸素濃度について十分検討が加えられたこともな
い。

【０００３】一方、生産性向上、コストダウンの観点よ
り銀めっきを省略し、ニッケルめっきに直接はんだダイ
ボンディングをすることが考えられた。以下、この技術
に関し、従来技術とその問題点につき簡単に触れる。ま
ず、ニッケルめっきに直接はんだダイボンディングをす
る場合、良好なはんだ拡がりを得るためには、還元雰囲
気中の酸素濃度を銀めっきにはんだ付けする場合に比べ
低く（例えば１００ｐｐｍ以下）制御する必要があり、
これがコストアップ要因となっていた。

【０００４】銀めっきを省略しニッケルめっきに直接ダ
イボンディングする技術として、例えば特開昭６２−２
９１９５１号公報には、Ｐ（リン）やＢ（ボロン）を含
有する耐酸化性ニッケルめっきを施した銅合金リードフ
レームが示されている。しかし、ＰやＢを含有すると、
ニッケルめっきが硬くなって加工性が低下し、めっき後
の打ち抜き加工が難しくなるため、リードフレーム形状
に加工した後めっきを施す必要があり、生産性が悪かっ
た。また、最近、電気部品の高密度集積化によりリード
フレームが受ける熱量は増加しており、耐熱性に優れる
ニッケルめっき銅合金リードフレームが望まれている
が、ＰやＢを含有するニッケルめっきは、はんだ付け後
に長時間加熱すると、はんだ剥離を発生するという問題
があった。

【０００５】また、はんだダイボンディングに用いられ
るはんだとしては、これまで鉛含有量が高いはんだ（Ｐ
ｂ−５％Ｓｎ、Ｐｂ−５％Ｓｎ−１．５％Ａｇ等）が用
いられている。この種のはんだは溶融温度が高くコスト
が安いという利点はあるが、最近鉛による環境汚染を防
止し、あるいは組立工程の低温度化指向に対応して、鉛
を含まない錫系はんだ（Ｓｎ−９％Ｚｎ、Ｓｎ−５％Ｓ
ｂ、Ｓｎ−５％Ｓｂ−０．５Ｎｉ、Ｓｎ−８％Ｂｉ等）
の使用が増えつつある。しかし、鉛含有はんだと鉛を含
まない錫系はんだでは、溶融温度が異なるだけでなく合
金層の成長速度、拡散状態が異なり、従来の鉛含有はん
だ（Ｐｂ−Ｓｎ共晶系はんだ含む）を用いた評価方法で
選ばれたこれまでのニッケルめっきに対しては、鉛を含
まない錫系はんだのはんだ拡がりが悪かった。

【０００６】そして、最近半導体チップ、ペレットの大
型化が進んでいるが、大型のものを搭載するためにはは
んだ拡がり性がよく、撹拌などによりはんだ厚やはんだ
拡がりをコントロールできるリードフレームが必要とな
っている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上述べた
銀めっきを省略しニッケルめっきに直接ダイボンディン
グする技術の改良に関し、具体的には、コストダウンの
観点より、銀めっき付きリードフレームと同等の酸素濃
度の高い雰囲気（およそ４００〜１０００ｐｐｍ）でも
はんだダイボンディングができ、生産性もよいニッケル
めっき銅合金リードフレームを得ること、及び、鉛を含
まない錫系はんだのはんだ拡がりがよく、はんだ厚やは
んだ拡がりのコントロールが可能で、はんだダイボンデ
ィング性に優れるニッケルめっき銅合金リードフレーム
を得ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】ニッケルめっき銅合金リ
ードフレームは、先に挙げた特開昭６２−２９１９５１
号公報のようにニッケルの酸化を少なくしたリードフレ
ームであっても、銀めっき付きリードフレーム用半導体
組立ラインにおいては、ニッケルめっき表面でのはんだ
拡がりが銀めっきより劣るという問題がある。ニッケル
が銀よりはんだ拡がりが悪いのは一般に当然と考えられ
ていたが、本発明者が上記ラインにおいてはんだ拡がり
が低下する原因を鋭意検討した結果、半導体組立ライン
雰囲気中に含まれる酸素濃度が高い時に、はんだ拡がり
が低下することを確認した。

【０００９】すなわち、銀めっき付きリードフレーム用
半導体組立ライン中の雰囲気は、リードフレーム切断面
の銅やはんだボールの酸化を防ぐため、水素を５〜２０
％含む窒素ガス（還元雰囲気）が用いられているが、本
発明者の調査によれば、この窒素ガス雰囲気中には大気
の巻き込みにより４００〜１０００ｐｐｍ程度の酸素が
含まれる。そして、通常の光沢ワット浴より得られたニ
ッケルめっき銅合金リードフレームでは、還元雰囲気中
の酸素濃度が３００ｐｐｍ以下では良好なはんだ拡がり
を示すが、酸素濃度が３００ｐｐｍを越えるとはんだ拡
がりが低下し始め、５００ｐｐｍではほとんどはんだが
拡がらない。

【００１０】一方、１０％程度水素を含む還元雰囲気中
では、１０００ｐｐｍ程度の酸素を含有していても、ニ
ッケルの酸化が少ないことが確認され、はんだ拡がり低
下の原因がニッケル自体にあるのではないことが分っ
た。そして、本発明者がさらに検討を重ねた結果、ニッ
ケルめっき表面でのはんだ拡がり低下の原因は、ニッケ
ルめっき皮膜中に含まれる微量不純物の影響であること
を突き止めた。この微量不純物は、ニッケルめっき浴に
添加される光沢剤や均一電着剤、応力緩和剤などの成分
がニッケルめっき皮膜中の取り込まれるものであり、還
元雰囲気中でも酸素濃度が高い場合に、はんだ拡がりを
低下させる作用をなす。

【００１１】本発明は上記知見に基づいてなされたもの
であり、ニッケルめっきの鏡面反射率が２５％以上であ
り、表面から０．１μｍ以内のニッケル中の硫黄含有量
が０．０００５ｗｔ％以下であることを特徴とするはん
だダイボンディング用ニッケルめっき銅合金リードフレ
ームである。この銅合金リードフレームにおいては、最
表面のニッケルめっきが０．５〜１０．０ｗｔ％のコバ
ルト又はパラジウムの一方又は双方を含有することでは
んだ拡がりが一層良好となる。

【００１２】本発明において、ニッケル表面から深さ方
向へ０．１μｍ以内のニッケル層の硫黄含有量を０．０
００５ｗｔ％以下としたのは、はんだと合金層を形成
し、はんだ拡がりに影響を及ぼす表面から深さ０．１μ
ｍ以内の部分において、光沢剤などよりニッケル層に取
り込まれる硫黄元素が０．０００５ｗｔ％を越えると、
酸素濃度が高い雰囲気ではんだをはじき、はんだ拡がり
が低下するためである。この部分において硫黄の含有量
を０．０００５ｗｔ％以下とすることにより、鉛レスは
んだ（鉛を含まないはんだ）とニッケル表面の接触角が
小さくなり、はんだ拡がりが良好となって、優れたはん
だダイボンディング性を示す。

【００１３】また、本発明において、ニッケルめっきの
鏡面反射率を２５％以上としたのは、ワイヤボンディン
グ性、樹脂バリ除去性、はんだ拡がりのコントロールを
良好にするためである。すなわち、ワイヤボンディング
は金やアルミニウム、銅などの合金線を用い、超音波を
使ってチップとリードを接合するものであるが、接合信
頼性はリードフレーム表面が平滑なほど良好であり、ま
た、リードフレーム表面が平滑なほうが、はんだダイボ
ンディング時のはんだ棒によるはんだ拡がりのコントロ
ールも行いやすい。なお、リードフレーム表面の平滑さ
は鏡面反射率と相関関係があり、本発明では平滑さを鏡
面反射率で表している。

【００１４】本発明において、最表面のニッケルめっき
が０．５〜１０．０ｗｔ％のコバルト又はパラジウムの
一方又は双方を含有するとき、還元雰囲気中の酸素濃度
が高い場合でもはんだ拡がりがさらに良好になる。ここ
で、ニッケルめっき皮膜中のコバルト及び／又はパラジ
ウム含有量を合計で０．５〜１０．０ｗｔ％としたの
は、０．５ｗｔ％以下では添加の効果が少なく、１０．
０ｗｔ％を越えるとニッケルめっき皮膜の加工性が低下
するとともに、はんだ付け後に長時間加熱するとはんだ
密着性が低下するためである。

【００１５】このように、本発明では、ニッケル表面の
硫黄含有量を制限するとともに鏡面反射率を規定するこ
とにより、酸素濃度の高い雰囲気でも銀めっきと同等の
良好なはんだ拡がりとはんだ拡がりのコントロール性が
得られ、今後進展すると予想される鉛レスはんだによる
ダイボンディング性に優れたニッケルめっき銅合金リー
ドフレームを供給できる。

【００１６】

【発明の実施の形態】銅合金リードフレームにおいて、
ニッケルめっきの厚みは銅の腐食と熱酸化、拡散を防止
するために０．５μｍ以上必要であり、通常２〜５μｍ
の厚さに施されている。一方、ニッケルめっき中の硫黄
含有量を０．０００５ｗｔ％以下にするためには、光沢
剤や均一電着剤、応力緩和剤などを全く含まない無光沢
ニッケルめっきを施す方法があるが、無光沢ニッケルめ
っきを０．５μｍを越えて施すと鏡面反射率が２５％以
下になるという問題がある。従って、本発明に規定する
ように、表面から０．１μｍ以内のニッケル中の硫黄含
有量を０．０００５ｗｔ％以下とするとともに、鏡面反
射率が２５％以上とするためには、表層部のみ光沢剤等
を含まないニッケルめっき液を用いてめっきする方法
や、ニッケルめっき後の加熱により硫黄を最表面に濃縮
させた後、最表面のみを除去（エッチング等）する方法
等が考えられる。

【００１７】ニッケルめっきを２層に行う場合、下地は
銅の拡散を防止し、表面を平滑にするため光沢又は半光
沢のニッケルめっきを１〜５μｍ施すのが望ましい。こ
れが１μｍより薄いとピンホールの存在などにより銅の
拡散を防止できない場合があり、５μｍより厚くなると
生産性が低下するだけでなく、加工性が低下する。ま
た、曲げ加工が行われるリードフレームでは、加工性の
よい半光沢のニッケルめっきを２μｍ程度行うのが望ま
しい。一方、上層のめっきは光沢剤を含まないニッケル
めっきを０．１〜０．５μｍ施すのが望ましい。０．１
μｍより薄いと下地の不純物の影響によるはんだ拡がり
の低下を防止できない。また、０．５μｍを越えて厚く
めっきした場合には鏡面反射率が低下し始め、表面の平
滑さが低下（ワイヤボンディング性が低下）する。

【００１８】なお、リードフレームの表面硬さはリード
部の加工性に影響を与え、ニッケルの酸化ははんだ拡が
りに影響を与える。そして、表面硬度及びニッケルの酸
化状態を測定することにより、ニッケルめっき製造時の
状態を管理することができる。例えば、ニッケルめっき
の浴やめっき条件が変化すると、不純物、光沢剤の取り
込み量が変化し、光沢剤が多くなるとニッケルの表面硬
度は高くなる。本発明においては、表面硬度はＨｖ２０
０〜４５０が望ましい。表面硬度がＨｖ２００より小さ
いとワイヤボンディング性が低下し、Ｈｖ４５０を越え
ると加工性が悪くなる。また、ニッケルの酸化はめっき
液の温度、乾燥条件や清浄度の影響を受け、温度が高く
なったり、めっきが汚れるとＥＳＣＡ分析によるニッケ
ル酸化物ピークとニッケル金属ピーク強度比（Ｎｉoxid
e／Ｎｉmetal）が高くなり、１．０を越えるとはんだ拡
がりが低下する。水素を含み酸素含有量が１０００ｐｐ
ｍ以下の還元雰囲気中ではんだダイボンディングする場
合、ニッケルの保管時の酸化はほとんど問題にはならな
いが、めっき直後のニッケルの酸化は少ない（Ｎｉoxid
e／Ｎｉmetal≦１．０）方が望ましい。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。［実施例１］Ｆｅ：０．１ｗｔ％とＰ：０．０３ｗｔ％
を含む高導電率の銅合金リードフレーム素材に、鏡面反
射率が３５％のニッケルめっきを１．７μｍ施し、その
後、硫黄を含まないニッケルめっきを０．３μｍ施し
た。めっき後にスタンピング加工を施し、表１の実施例
１〜３に示す鏡面反射率及び硫黄含有量（表面から０．
１μｍ以下の硫黄含有量）をもつ銅合金リードフレーム
を得た。なお、硫黄を含まないニッケルめっき層は、実
施例１では無光沢ワット浴を用いて浴温４０℃、電流密
度６Ａ／ｄｍ²の条件で作成した。実施例２では光沢剤
を含まないスルファミン酸浴を用いて作成し、実施例３
では光沢剤を微量含むスルファミン酸浴を用いてめっき
し加熱後表層の硫黄を除去して作成した。また、上記銅
合金リードフレーム素材に光沢剤を添加したスルファミ
ン酸ニッケル浴でめっきしたもの、通常の無光沢ニッケ
ルめっき浴でめっきしたもの、及び通常の光沢ワット浴
でめっきしたものを比較例１〜３とし、それぞれの鏡面
反射率及び硫黄含有量を測定した。なお、比較例１〜３
のめっき厚はいずれも２μｍである。

【００２０】

【表１】

【００２１】なお、実施例１の銅合金リードフレームの
表面硬さはビッカース硬度（荷重１０ｇ）Ｈｖ２２０で
あり、ニッケルの酸化はＥＳＣＡ分析におけるニッケル
酸化物ピーク強度とニッケル金属ピーク強度の比で（Ｎ
ｉoxide／Ｎｉmetal）＝０．７であった。

【００２２】これらの銅合金リードフレームを使用し、
還元雰囲気中（水素１０％と酸素７００ｐｐｍを含む窒
素ガス雰囲気）において、錫系はんだ（Ｓｎ−３．５％
Ｓｂ）を用いてはんだダイボンディング性を試験し、ま
たアルミニウム線によるワイヤボンディング性の試験を
行った。なお、本実施例における各試験方法は次の通り
である。（表面硬さ）ＪＩＳＺ２２５１に準じ、試験荷重１０ｇ
ｆにてニッケルめっき表面よりビッカース硬さを測定し
た。（鏡面反射率）ＪＩＳＺ８７４１に準じ、４５度で光束
を入射し、鏡面反射において反射光束の入射光束に対す
る比を測定した。（はんだダイボンディング性）１０％水素を含む酸素濃
度７００ｐｐｍの窒素ガス雰囲気中にて、銅合金リード
フレームを３２０℃のプレート上で１分加熱後、直径１
ｍｍの鉛を含まないはんだ（錫９６．５ｗｔ％、アンチ
モン３．５ｗｔ％）ボールを載せ、フラックスなし、撹
拌なしで、１０秒後までにはんだボールが拡がった面積
を測定した。（ワイヤボンディング性）５ｍｉｌ（１２５μｍ）のア
ルミニウム線（９９．９９％、Ａｎｎｅａｌｅｄ）を用
いて、大気中、２５℃で超音波（パルス６０ｋＨｚ）印
可法によるワイヤボンディング（ボンディング時間：１
００ｍｓ、荷重２５０ｇ、ＵＶ出力５．５Ｗ）を行っ
た。次いで、接合されたアルミニウム線を真中で切断
し、アルミニウム線が銅合金リードフレームと接合され
ている２ｎｄボンド部の接合状態を調査し（ツィザー強
度）、下記式によるワイヤ破断率を求めた。ワイヤ破断率（％）＝（ワイヤ破断した本数／全試験本
数）×１００

【００２３】上記試験の結果と評価を表１に示す。な
お、表１において、はんだ拡がり面積の評価は、◎が非
常に良い、○が良い、×が悪いであり、ワイヤ破断率の
評価は○が１００％、×が１００％に満たないものであ
る。ニッケルめっきの鏡面反射率２５％以上、表面から
０．１μｍ以内のニッケル層の硫黄含有量が０．０００
５ｗｔ％以下という本発明に規定する要件を満たす実施
例１〜３は、還元雰囲気中の酸素濃度が７００ｐｐｍと
高い状態で、フラックスなしで良好なはんだ拡がり、つ
まり優れたはんだダイボンディング性を示し、アルミニ
ウム線によるワイヤボンディングでもワイヤ破断率は１
００％と高い接合信頼性を示した。一方、比較例１は硫
黄含有量が高いため、酸素濃度の高い雰囲気ではんだ拡
がりが劣り、比較例２は鏡面反射率が低く表面が粗れて
おり、ワイヤボンディング性に劣る。比較例３は硫黄含
有量が高いため、酸素濃度の高い雰囲気ではんだ拡がり
が劣っていた。なお、比較例２は樹脂バリ除去性やはん
だ拡がりのコントロールも難しかった。

【００２４】［実施例２］ここでは、最表面のニッケル
めっきに対するコバルト（Ｃｏ）又はパラジウム（Ｐ
ｄ）の添加効果（請求項２に対応）について試験した。
まず、［実施例１］に示した銅合金リードフレーム素材
に、光沢剤を含むニッケルめっきを１．７μｍ施し、そ
の上にＣｏ、Ｐｄ、Ｃｏ＋Ｐｄをそれぞれ添加した無光
沢ワット浴により、該合金元素を種々の割合で含有する
ニッケル（合金）めっきを０．３μｍ施した。めっき後
にスタンピング加工を施し、ニッケルめっきの鏡面反射
率が３０％、表面から０．１μｍ以下の硫黄含有量が
０．０００１％の銅合金リードフレームを得た。この銅
合金リードフレームの表面硬さはビッカース硬度Ｈｖ１
１５であった。

【００２５】この銅合金リードフレームに対し、［実施
例１］に示した要領ではんだダイボンディング性の試験
と、下記要領で加工性試験を行った。（加工性試験）リード部を正逆方向に繰り返し曲げ加工
（内半径０．５ｍｍ、９０°曲げ）し、破断するまでの
曲げ回数を求めた。

【００２６】上記試験の結果と評価を表２に示す。な
お、表２において、はんだ広がり面積の評価は［実施例
１］と同じであり、繰り返し曲げ回数の評価は、○が良
い、×が悪いである。０．５〜１０．０ｗｔ％のＣｏ又
はＰｄの一方又は双方を含有するという請求項２の要件
を満たす実施例４〜７は、酸素濃度が７００ｐｐｍと高
い雰囲気でのはんだ拡がり面積が大きく、繰り返し曲げ
回数も多い。つまり、はんだダイボンディング性が非常
に優れ、加工性の低下も少ないという特性を示した。一
方、比較例４はＣｏの含有量が少ないため、はんだとの
拡散接合速度が遅く、はんだ拡がり面積の改善の度合が
小さく、比較例５、６はＣｏ又はＰｄの含有量が高いた
め、加工性の低下が認められた。なお、比較例５、６で
は、はんだ耐熱剥離性の低下も認められた。

【００２７】

【表２】

【００２８】

【発明の効果】本発明のニッケルめっき銅合金リードフ
レームは、鉛を含まない錫系はんだと良好なぬれを示
し、半導体組立工程中の酸素濃度が高い雰囲気でも、フ
ラックスなしで銀めっき品と同等のはんだ拡がりを得る
ことができ、はんだ拡がりコントロールも可能で、優れ
たはんだダイボンディング性を示す。さらに、アルミニ
ウム線と良好なワイヤボンディング性を持つほか、加工
性の低下もなく、生産性、作業性に優れた特性を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ニッケルめっきの鏡面反射率が２５％以
上であり、表面から０．１μｍ以内のニッケル中の硫黄
含有量が０．０００５ｗｔ％以下であることを特徴とす
るはんだダイボンディング用ニッケルめっき銅合金リー
ドフレーム。
【請求項２】最表面のニッケルめっきが０．５〜１
０．０ｗｔ％のコバルト又はパラジウムの一方又は双方
を含有することを特徴とする請求項１に記載されたはん
だダイボンディング用ニッケルめっき銅合金リードフレ
ーム。