DE3908513C2

DE3908513C2 -

Info

Publication number: DE3908513C2
Application number: DE3908513A
Authority: DE
Inventors: Rensei Futatsuka; Syun-Ichi Chiba; Tadao Aizuwakamatsu Fukushima Jp Sakakibara
Original assignee: Mitsubishi Shindoh Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Shindoh Co Ltd
Priority date: 1988-04-25
Filing date: 1989-03-15
Publication date: 1990-09-20
Also published as: KR890016193A; US4877577A; KR960010816B1; JPH0480102B2; DE3908513A1; JPH01272733A

Description

Die Erfindung betrifft eine Kupferlegierung für Leitungsrahmen von Halbleitervorrichtungen und besonders eine Kupferlegierung mit ausgezeichneter Festigkeit und Beständigkeit gegen temperaturbedingtes Abblättern eines auf die Leitungen aus dieser Legierung aufgebrachten Lots, sowie die Verbesserung der Abnutzungsfestigkeit des Stanzwerkzeugs, d. h. die Eigenschaft der Verringerung der Abnutzung von Stanzwerkzeugen, die zum Ausstanzen von Leitungsrahmen aus einem Band der Kupferlegierung benutzt werden.

Üblicherweise sind bisher Kupferlegierungen mit einer typischen Zusammensetzung in Gew.-% von im wesentlichen 2% Sn, 0,2% Ni und 0,05% P, Rest Cu, in großem Umfang als Material für Leitungsrahmen (hiernach Leitungsrahmen- Material(e) genannt), für Halbleitervorrichtungen, wie integrierte Schaltkreise (IC), großintegrierte Schaltkreise (LSI) und höchstintegrierte Schaltkreise (VLSI) benutzt worden.

In neuerer Zeit wird jedoch gefordert, daß Leitungsrahmen- Materialien weiter verbesserte Festigkeit zur Verwendung als Leitungsrahmen aufweisen, so daß sie die Forderungen nach verbesserter Leistung oder Wirkungsgrad und erhöhten Verdrahtungsdichten von Halbleitervorrichtungen erfüllen können. Die erwähnten üblichen Kupferlegierungs- Leitungsrahmenmaterialien zeigen recht gute Dauerknickfestigkeit, Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit, Beschichtbarkeit und Lötbarkeit (Lothaftung), sie weisen jedoch keine genügende Festigkeit auf und können daher diese Eigenschaften nicht in vollem Maß zeigen. Außerdem befriedigen sie nicht hinsichtlich der Beständigkeit gegen wärmebedingtes Abblättern eines auf die Leitungen aufgebrachten Lots und führen daher zu schlechter Lötbarkeit der Halbleitervorrichtungen. Außerdem wird aus wirtschaftlichen Gründen gefordert, die Verschleißfestigkeit von Stanzwerkzeugen zu erhöhen, die zum Ausstanzen von Kupferlegierungs-Leitungsrahmen verwendet werden, um die Herstellungskosten zu verringern.

Die Erfindung bezweckt daher die Bereitstellung einer Kupferlegierung für Leitungsrahmen von Halbleitervorrichtungen, welche nicht nur hohe Festigkeit, sondern auch ausgezeichnete Beständigkeit gegen wärmebedingtes Abblättern des Lots zeigt und auch die Verschleißfestigkeit der Stanzwerkzeuge verbessert und dabei ausgezeichnete andere Eigenschaften aufweist, wie Dauerknickfestigkeit, Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit, Beschichtbarkeit und Lötbarkeit, die für Leitungsrahmen erforderlich sind.

Zur Erfüllung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß eine Kupferlegierung für Leitungsrahmen von Halbleitervorrichtungen vorgeschlagen, welche folgende Bestandteile in Gew.-% aufweist:

0,5 bis 2% Nickel,
1,2 bis 2,5% Zinn,
0,05 bis 0,5% Silicium,
0,1 bis 1% Zinn,
0,001 bis 0,01% Calcium,
0,001 bis 0,05% Magnesium,
0,001 bis 0,01% Blei
und Rest Kupfer und unvermeidbare Verunreinigungen.

Die Erfindung wird mit weiteren Einzelheiten und Vorteilen erläutert durch die folgende genauere Beschreibung.

Besonders besitzt diese Kupferlegierung eine hohe Zugfestigkeit von 590 N/mm² oder mehr, ausgezeichnete Beständigkeit gegen wärmebedingtes Abblättern des Lots und ausgezeichnete Verschleißfestigkeit des Stanzwerkzeugs und zeigt gleichzeitig Werte der Dauerknickfestigkeit, Wärmeleitfähigkeit und elektrischen Leitfähigkeit, Beschichtbarkeit und Lötbarkeit, die fast so hoch sind wie die des üblichen Leiterrahmenmaterials.

Die Erfindung beruht auf diesen Feststellungen.

Die Anteile der Bestandteile (Elemente) des erfindungsgemäßen Kupferlegierungs-Leitungsrahmenmaterials für Halbleitervorrichtungen wurden aus den folgenden Gründen in der oben angegebenen Weise begrenzt:

(a) Nickel (Ni)

Nickel verbessert die Festigkeit und Dauerknickfestigkeit des Leitungsrahmenmaterials. Wenn jedoch der Nickelgehalt unter 0,5 Gew.-% liegt, tritt diese Wirkung nicht im gewünschten Ausmaß ein. Wenn andererseits der Nickelgehalt über 2 Gew.-% liegt, hat das Leitungsrahmenmaterial eine schlechtere Heißbearbeitbarkeit. Daher wurde der Nickelgehalt auf einen Bereich von 0,5 bis 2 Gew.-% und vorzugsweise einen Bereich von 1,0 bis 2,0 Gew.-% begrenzt.

(b) Zinn (Sn)

Zinn bewirkt zusammen mit dem Nickel eine Erhöhung der Festigkeit und Dauerknickfestigkeit des Leitungsrahmenmaterials. Wenn jedoch der Zinngehalt unter 1,2 Gew.-% liegt, tritt diese Wirkung nicht im gewünschten Ausmaß ein. Wenn andererseits der Zinngehalt über 2,5 Gew.-% liegt, wird die Heißbearbeitbarkeit des Leitungsrahmenmaterials ähnlich wie im Fall von Nickel verschlechtert. Daher wurde der Zinngehalt auf einen Bereich von 1,2 bis 2,5 Gew.-% und vorzugsweise einen Bereich von 1,5 bis 2,5 Gew.-% begrenzt.

(c) Silicium (Si)

Silicium verbindet sich hauptsächlich mit Ni unter Bildung einer Ni₃Si-Verbindung, welche eine Erhöhung der Festigkeit des Leitungsrahmenmaterials bewirkt. Wenn jedoch der Siliciumgehalt unter 0,05 Gew.-% liegt, tritt diese Wirkung nicht im gewünschten Ausmaß ein, so daß die erforderliche Festigkeit nicht erreicht wird. Wenn andererseits der Siliciumgehalt über 0,5 Gew.-% liegt, wird im Material freies Silicium gebildet, das die Beständigkeit gegen wärmebedingtes Abblättern des Lots beeinträchtigt. Daher wurde der Siliciumgehalt auf einen Bereich von 0,05 bis 0,5 Gew.-% begrenzt.

(d) Zink (Zn)

Zink dient zur weiteren Verbesserung der Beständigkeit gegen wärmebedingtes Abblättern des Lots. Wenn jedoch der Zinkgehalt unter 0,1 Gew.-% liegt, kann die Beständigkeit gegen wärmebedingtes Abblättern nicht im erforderlichen Ausmaß verbessert werden. Wenn andererseits der Zinkgehalt über 1 Gew.-% liegt, zeigt das Leitungsrahmenmaterial eine verschlechterte Lötfähigkeit. Daher wurde der Zinkgehalt auf einen Bereich von 0,1 bis 1 Gew.-% begrenzt.

(e) Calcium (Ca), Magnesium (Mg) und Blei (Pb)

Calcium, Magnesium und Blei wirken zusammen, wenn sie alle im Material vorhanden sind, zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit des Stanzwerkzeugs beim Ausstanzen des Leitungsrahmenmaterials. Wenn jedoch irgendeines dieser Elemente nicht in einer vorbestimmten Menge vorhanden ist, d. h. wenn der Gehalt an irgendeinem Element unter 0,001 Gew.-% liegt, kann die gewünschte Verschleißfestigkeit des Stanzwerkzeugs nicht erreicht werden. Wenn andererseits der Calciumgehalt über 0,01 Gew.-% liegt, wird bei seinem Zusatz eine große Menge des Calciums durch Oxidation verbraucht, wodurch die Ausbeute verringert wird, das unwirtschaftlich ist. Wenn der Magnesiumgehalt über 0,05 Gew.-% liegt, zeigt die Kupferlegierungsschmelze eine schlechtere Vergießbarkeit zu einem Legierungsblock, und dementsprechend weist der erhaltene Legierungsblock mehr Fehler auf. Wenn der Bleigehalt über 0,01 Gew.-% liegt, fällt ein Teil des im Material enthaltenen Bleis während des Gießens an den Korngrenzen aus, was die Warmwalzbarkeit des Leitungsrahmenmaterials verschlechtert. Daher wurde der Calciumgehalt auf einen Bereich von 0,001 bis 0,01 Gew.-%, der Magnesiumgehalt auf einen Bereich von 0,001 bis 0,05 Gew.-% und der Bleigehalt auf einen Bereich von 0,001 bis 0,01 Gew.-% begrenzt.

Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Kupferlegierungs- Leitungsrahmenmaterials können während der Herstellung der Kupferlegierungsschmelze zweckmäßigerweise Phosphor, Aluminium, Titan oder Bor als Desoxidationsmittel zugesetzt werden. Obgleich das erhaltene Leitungsrahmenmaterial eine geringe Menge von einem oder mehreren dieser Elemente enthalten kann, falls sie zugesetzt wurden, haben das Element oder die Elemente im wesentlichen keinen Einfluß auf die Eigenschaften des Materials, wenn der Gesamtgehalt dieser Elemente nicht mehr als 0,02 Gew.-% beträgt.

Im folgenden wird ein Beispiel der Erfindung erläutert um zu zeigen, daß das erfindungsgemäße Kupferlegierungs- Leitungsrahmenmaterial ausgezeichnete Eigenschaften im Vergleich mit außerhalb der erfindungsgemäßen Bereiche liegenden und üblichen Kupferlegierungs-Leitungsrahmenmaterialien zeigt.

Beispiel

Kupferlegierungen mit den in der Tabelle angegebenen chemischen Zusammensetzungen wurden in der Atmosphäre in einem gewöhnlichen Niederfrequenz-Schmelzofen vom Kanaltyp in solcher Weise zu einer Legierungsschmelze geschmolzen, daß auf der Oberfläche der Legierungsschmelze Holzkohlenstücke schwammen, um eine Oxidation der Legierungsschmelze zu verhindern, worauf die Legierungsschmelze nach einem üblichen halbkontinuierlichen Gießverfahren zu Kupferlegierungsblöcken von jeweils 160 mm Dicke, 450 mm Breite und 2400 mm Länge gegossen wurde. Die Blöcke wurden mit einer Warmwalztemperatur von 800°C zu warmgewalzten Platten von jeweils 10 mm Dicke warmgewalzt, und die warmgewalzten Platten wurden sofort abgeschreckt. Nach dem Abschrecken wurden die warmgewalzten Platten an ihren beiden Seiten geschält und anschließend wiederholt abwechselnd kalt gewalzt, getempert (geglüht) und gebeizt, in dieser Reihenfolge, bis man kaltgewalzte Bleche von jeweils 0,5 mm Dicke erhielt. Diese kaltgewalzten Bleche wurden dann zwei Stunden bei einer Temperatur von 500°C angelassen und wieder kaltgewalzt auf eine Dicke von 0,25 mm. Diese kaltgewalzten Bleche wurden schließlich zur Aufhebung innerer Spannungen in einem kontinuierlich arbeitenden Temperofen bei einer Temperatur von 500°C während 20 Sekunden getempert, um die erfindungsgemäßen Kupferlegierungs- Leitungsbänder Nr. 1-15 und die zum Vergleich dienenden Kupferlegierungs-Leitungsbänder Nr. V1-V8 zu erhalten, wie in der Tabelle angegeben.

Die Vergleichs-Leitungsbänder Nr. V1-V8 haben jeweils eine chemische Zusammensetzung, in welcher der Gehalt an einem der Bestandteile außerhalb, nämlich unterhalb des erfindungsgemäßen Bereiches liegt, ausgenommen das Vergleichs- Leitungsband Nr. V4, dessen Si-Gehalt außerhalb, nämlich oberhalb des erfindungsgemäßen Bereichs liegt.

Die erfindungsgemäßen Leitungsbänder Nr. 1-15, die Vergleichs-Leitungsbänder V1-V8, und ein übliches Leitungsband mit einer chemischen Zusammensetzung wie in der Tabelle angegeben und der gleichen Dicke wie die anderen Leitungsbänder, nämlich 0,25 mm, welches im Handel erhältlich ist, wurden einer Zugfestigkeitsprüfung, einer Prüfung auf wärmebedingtes Lot-Abblättern, einer Dauerknickfestigkeitsprüfung, einer Prüfung auf Verschleißfestigkeit des Stanzwerkzeugs zur Bewertung der Festigkeit, der Beständigkeit gegen wärmebedingtes Abblättern des Lots, der Dauerknickfestigkeit und der Verschleißfestigkeit des Stanzwerkzeugs unterworfen.

In der Zugfestigkeitsprüfung wurden Prüfstücke verwendet, die aus einem gewalzten Blech in der Walzrichtung entsprechend JIS (Japanischer Industrie-Standard) Prüfstück Nr. 5 ausgeschnitten waren, und diese wurden hinsichtlich der Zugfestigkeit und Dehnung geprüft.

In der Prüfung auf wärmebedingtes Abblättern des Lots wurden die Prüfstücke, die je eine Größe von 0,25 mm Dicke, 15 mm Breite und 60 mm Länge hatten, mit einem Kolophonium-Flußmittel behandelt und dann in ein Lötbad mit einer chemischen Zusammensetzung von 60% Sn und 40% Pb getaucht, um ihre äußeren Flächen mit dem Lot zu beschichten, worauf sie in der Atmosphäre 1000 Stunden bei einer Temperatur von 150°C wärmebehandelt wurden. Die wärmebehandelten Prüfstücke wurden dann jedes um 180 Grad flach auf sich selbst zurückgebogen und dann in ihre Anfangsstellung zurückgebogen, und das Auftreten von Abblättern des Lots von den Prüfstücken an den gebogenen Abschnitten wurde festgestellt.

Weiter wurden bei der Dauerknickfestigkeitsprüfung Prüfstücke mit je einer Größe von 0,25 mm Dicke und 0,5 mm Breite waagerecht und mit einem Ende an einem Prüfgerät befestigt gehalten. Die Prüfstücke wurden jeweils um 90 Grad gebogen, indem man an ihrem anderen Ende ein Gewicht von 226,8 g (8 ounces) anbrachte, und wurden in ihre Anfangsstellungen zurückgebogen. Dieser Zyklus wurde wiederholt, bis das Prüfstück schließlich zerbrach. Zehn Prüfstücke wurden für die Prüfung jedes der Leiterbänder verwendet. Die Anzahl von wiederholten Zyklen bis zum Bruch jedes der zehn Prüfstücke wurde festgestellt, und ein Durchschnittswert der gezählten Zyklen für die zehn Prüfstücke wurde berechnet.

Weiter wurde bei der Prüfung des Stanzwerkzeug-Verschleißes ein Satz von Stanzwerkzeugen verwendet, die aus einem WC-Sinterhartmetall mit einer chemischen Zusammensetzung von 16% Co und Rest WC, das im Handel erhältlich ist, geformt waren. Leitungsrahmen mit je 16 Leitungen wurden einer nach dem anderen unter Verwendung einer Presse ausgestanzt bis Grate der maximalen Höhe von 0,015 mm am ausgestanzten Leitungsrahmen auftraten. Die Anzahl Stanzvorgänge bis zum Auftreten des Grats wurde gezählt.

Alle Ergebnisse der in dieser Weise durchgeführten Prüfungen sind in der Tabelle angegeben.

Aus den in der Tabelle angegebenen Prüfungsergebnissen ist ersichtlich, daß alle erfindungsgemäßen Kupferlegierungs- Leitungsbänder Nr. 1-15 hinsichtlich Festigkeit, Beständigkeit gegen wärmebedingtes Abblättern des Lots und Verbesserung der Stanzwerkzeug-Verschleißfestigkeit dem üblichen Kupferlegierungs-Leitungsband weit überlegen sind und hinsichtlich der Dauerknickfestigkeit ebensogut wie das übliche Kupferlegierungs-Leitungsband sind. Andererseits sieht man bei den Vergleichs-Kupferlegierungs-Leitungsbändern Nr. V1-V8, daß diese deutlich verschlechterte Werte hinsichtlich wenigstens einer der Eigenschaften Festigkeit, Beständigkeit gegen wärmebedingtes Abblättern des Lots und Verbesserung der Stanzwerkzeug-Verschleißfestigkeit zeigen, wenn der Gehalt an einem der Bestandteile (Elemente) außerhalb, nämlich unterhalb des erfindungsgemäßen Bereichs oder im Fall von Silicium oberhalb des erfindungsgemäßen Bereichs liegt.

Außerdem wurden die erfindungsgemäßen Kupferlegierungs- Leitungsbänder Nr. 1-15 auch hinsichtlich Wärmeleitfähigkeit und elektrischer Leitfähigkeit, Beschichtbarkeit und Lötbarkeit untersucht, und die Prüfergebnisse zeigten, daß sie eine elektrische Leitfähigkeit von 20% und mehr aufwiesen, was weit höher ist als 3% (ICAS % = International Copper Association Standard %), was der geforderte Mindestwert für Leitungsrahmenmaterialien (z. B. eine Fe-42% Ni-Legierung), für Halbleitervorrichtungen ist, und sie zeigen demnach auch ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit und ihre Beschichtbarkeit und Lötbarkeit ist fast so hoch wie die der üblichen Leitungsrahmenmaterialien.

Wie oben angegeben weisen die erfindungsgemäßen Kupferlegierungs-Leitungsrahmenmaterialien nicht nur verbesserte Festigkeit, ausgezeichnete Beständigkeit gegen wärmebedingtes Abblättern des Lots und ausgezeichnete Verbesserung der Verschleißfestigkeit des Stanzwerkzeugs auf, sondern sie zeigen auch ausgezeichnete Eigenschaften, wie Dauerknickfestigkeit, Beschichtbarkeit und Lötbarkeit, welche alle von Leitungsrahmen gefordert werden, wodurch die Leistung oder der Wirkungsgrad von Halbleitervorrichtungen verbessert und deren Verdrahtungsdichten erhöht werden, die Lebensdauer von Stanzwerkzeugen, die zur Herstellung der Leitungsrahmen aus dem Material verwendet werden, verlängert wird und die damit hergestellten Halbleitervorrichtungen ausgezeichnete Leistung und Zuverlässigkeit über einen langen Zeitraum zeigen.

Claims

1. Kupferlegierung für Leitungsrahmen von Halbleitervorrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß sie (in Gew.-%) aus: 0,5 bis 2%Nickel,
1,2 bis 2,5% Zinn,
0,05 bis 0,5% Silicium,
0,1 bis 1% Zink,
0,001 bis 0,01% Calcium,
0,001 bis 0,05% Magnesium,
0,001 bis 0,01% Blei
und Rest Kupfer und unvermeidbare Verunreinigungenbesteht.

2. Kupferlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Nickel in einem Bereich von 1,0 bis 2,0 Gew.-% enthalten ist.

3. Kupferlegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Zinn in einem Bereich von 1,5 bis 2,5 Gew.-% enthalten ist.