DE4319249C2

DE4319249C2 - Anschlußrahmenmaterial, das aus einer Kupferlegierung geformt ist, für mit Epoxyharz gekapselte Halbleitervorrichtungen

Info

Publication number: DE4319249C2
Application number: DE19934319249
Authority: DE
Inventors: Rensei Futasuka; Shunichi Chiba; Junichi Kumagai
Original assignee: Mitsubishi Shindoh Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Shindoh Co Ltd
Priority date: 1992-06-11
Filing date: 1993-06-09
Publication date: 1995-09-14
Anticipated expiration: 2013-06-10
Also published as: JP2797846B2; DE4319249A1; JPH05345941A

Description

Die Erfindung betrifft ein Anschlußrahmenmaterial, das aus einer Kupferlegierung geformt ist, für mit Epoxyharz gekapselte Halbleitervorrichtungen, welches eine starke Haftung an einem Epoxyharz-Versiegelungsmaterial hat.

Stand der Technik

Transistoren, IC- und weiter LSI-Elemente sind allgemein als Halbleitervorrichtungen bekannt. Von diesen wird beispiels weise ein IC vom harzgekapselten Typ nach der folgenden bekann ten Methode hergestellt, welche als wesentliche Schritte auf weist:

a) Als Anschlußrahmenmaterial wird ein Cu-Legierungsblech mit einer Blechdicke von 0,1 bis 0,3 mm hergestellt;
b) Aus diesem Anschlußrahmenmaterial wird durch Ätzen oder Ausstanzen ein Anschlußrahmen von geeigneter Form für ein herzu stellendes IC geformt;
c) Halbleiterchips von Si, Ge usw., die je eine hohe Rein heit haben, werden durch Verwendung eines elektrisch leitenden Harzes, wie einer Ag-Paste, durch Heißverklebung an vorbestimm ten Stellen des Anschlußrahmens angebracht oder statt dessen durch Löten oder Gold-Hartlöten von aufgebrachten Schichten aus Au, Ag, Ni, Cu oder einer Legierung derselben angebracht, welche zuvor auf die Oberfläche einer Seite sowohl der Halbleiterchips als auch des Anschlußrahmenmaterials aufgebracht wurden;
d) Die Halbleiterchips werden mit dem Anschlußrahmen mittels Verbindungsdrähten, wie einem besonders dünnen Draht aus Gold und einem besonders dünnen Draht aus Kupfer, verbunden;
e) Anschließend werden zum Schutz die Halbleiterchips, die Verbindungsdrähte und der Anschlußrahmen mit den darauf ange brachten Halbleiterchips durch Verwendung eines Epoxyharzes als Versiegelungsmaterial gekapselt;
f) Schließlich werden Randabschnitte des Anschlußrahmens zwischen benachbarten, mit aufgesetzten Chips versehenen Berei chen abgeschnitten und Verbindungsfinger des Anschlußrahmens mit einem Sn-Pb-Legierungslotmaterial nach dem üblichen Tauchverfah ren, elektrischen Verfahren oder dergleichen beschichtet.

Zur Herstellung der erwähnten harzgekapselten Halbleiter vorrichtung werden verschiedene Arten von Cu-Legierungen als Anschlußrahmenmaterialen verwendet, so von der Anmelderin eine Cu-Legierung mit einer chemischen Zusammensetzung im wesentli chen aus, in Gewichtsprozent (hiernach einfach als "%" bezeichnet), 1 bis 4% Ni, 0,1 bis 1% Si, 0,1 bis 2% Zn, 0,001 bis 0,05% Mg, und Rest Cu und unvermeidbare Verunreinigungen. Es ist auch bekannt, daß diese Cu-Legierung ausgezeichnete Festigkeit und hohe Beständigkeit gegen Lot-Heißablösung hat, so daß sie gegenwärtig breite praktische Anwendung findet. Diese Legierung ist nicht durckschriftlich beschrieben, jedoch beschreibt die japanische veröffentlichte Patentanmeldung (KOKAI) JP 63-247320 eine nahe kommende Cu-Legierung mit der Zusammensetzung (in Gewichtsprozent) 1,0 bis 3,5% Ni, 0,2 bis 0,9% Si, 0,1 bis 5,0% Zn, 0,001 bis 0,01% von wenigstens einem Element der Gruppe Mg, Cr, Zr und Ti und Rest Cu und unvermeidbare Verunreinigungen.

Cu-Legierungen mit den oben angegebenen Legierungsbestandteilen, z. T. auch als Materialien für Anschlußrahmen sind auch beschrieben in den japanischen ungeprüft veröffentlichten Patentanmeldungen JP-63-297531 (A); JP 1-272733 (A); JP 61-99647 (A); JP 61-127842 (A) und JP 61-174345 (A), welche alle zusätzlich Sn enthalten, jedoch auch Mn und/oder eines oder mehrere weitere Elemente, wie Ti, Cr, Zr, Ca, Pb, Te, Al.

Andererseits ist in neuerer Zeit besonders beachtlich die Entwicklung von Halbleitervorrichtungen mit größerer Integra tion, so daß die erwähnten harzgekapselten Vorrichtungen unter erschwerten Bedingungen arbeiten müssen. Jedoch zeigt das aus der oben erwähnten Cu-Legierung geformte übliche Anschlußrahmen material zur Herstellung der gekapselten Halbleitervorrichtungen keine befriedigende Haftfestigkeit an einem als Versiegelungsma terial dienenden Epoxyharz, so daß nach einer verhältnismäßig kurzen Betriebszeit eine Ablösung zu befürchten ist. Als Ergeb nis dringt Umgebungsluft, besonders Feuchtigkeit, in einen kleinen Spalt ein, der sich zwischen dem Anschlußrahmen und dem Versiegelungsmaterial bildet und verursacht eine Erosion der Komponenten der Halbleitervorrichtung. Daher sind die üblichen Anschlußrahmenmaterialien nicht genügend zuverlässig.

Nur in der oben erwähnten Druckschrift JP 61-174345 wird eine Verbesserung der Haftfähigkeit durch Zusatz von mindestens einem Element der Gruppe Al, Si, Mn, Mg zu einer Sn, Zn und Ni enthaltenden Cu-Legierung angesprochen, wobei jedoch Bedarf an weiterer Verbesserung besteht.

Beschreibung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Anschlußrahmenmate rial zu schaffen, das aus einer Cu-Legierung geformt und zur Verwendung in einer harzgekapselten Halbleitervorrichtung be stimmt ist, welches eine ausgezeichnete Haftfestigkeit an einem als Versiegelungsmaterial dienenden Epoxyharz aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient erfindungsgemäß ein An schlußrahmenmaterial, das aus einer Kupferlegierung geformt ist, die besteht aus 1 bis 4% Ni, 0,1 bis 1% Si, 0,1 bis 2% Zn, 0,001 bis 0,05 Mg, 0,05 bis 1% Sn, und Rest Cu und unvermeidbaren Verunreinigungen, wobei die unvermeidbaren Verunreinigungen 20 ppm oder weniger Schwefel (S) und 20 ppm oder weniger Kohlenstoff (C) enthalten.

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

Aufgrund des vorgenannten Sachverhalts haben die Erfinder Untersuchungen durchgeführt, um ein Anschlußrahmenmaterial zu finden, das aus einer Cu-Legierung geformt und zur Verwendung in einer harzgekapselten Halbleitervorrichtung bestimmt ist, wel ches eine ausgezeichnete Haftfestigkeit an einem als Versiege lungsmaterial dienenden Epoxyharz zeigt, und haben folgendes gefunden:

Wenn 0,05 bis 1% Sn als eine Legierungskomponente zu dem üblichen Anschlußrahmenmaterial zugesetzt wird, das aus der erwähnten üblichen Cu-Legierung geformt und zur Verwendung in der erwähnten harzgekapselten Halbleitervorrichtung bestimmt ist, und wenn dabei die Anteile der als unvermeidbare Verunrei nigungen enthaltenen Elemente Schwefel und Kohlenstoff beide auf 20 ppm oder darunter verringert werden, zeigt das erhaltene Anschlußrahmenmaterial, das aus der Cu-Legierung geformt ist, eine wesentlich verbesserte Haftfestigkeit an dem Versiegelungs material aus Epoxyharz, ohne daß seine Festigkeit und Beständig keit gegen Lot-Warmablösung verschlechtert sind. So kann die Ablösung des Anschlußrahmenmaterials auch bei einem Betrieb unter erschwerten Bedingungen auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden.

Die Erfindung beruht auf diesen Ergebnissen.

Im einzelnen stellt die Erfindung ein Anschlußrahmenmate rial zur Verfügung, das aus einer Cu-Legierung geformt ist, die aus 1 bis 4% Ni, 0,1 bis 1% Si, 0,1 bis 2% Zn, 0,001 bis 0,05% Mg, 0,05 bis 1% Sn und Rest Cu und unver meidbaren Verunreinigungen besteht, wobei die unvermeidbaren Verunreinigungen 20 ppm oder weniger Schwefel (S) und 20 ppm oder weniger Kohlenstoff (C) enthalten.

Die Anteile der Legierungselemente der erfindungsgemäßen Cu-Legierung wurden aus den folgenden Gründen in der oben angegebenen Weise festgelegt.

a) Nickel (Ni) und Silicium (Si)

Diese beiden Elemente sind chemisch miteinander verbunden und wirken zusammen bei der Bildung von intermetallischen Ver bindungen, die Ni₂Si enthalten, die in der Basis der Legierung fein abgeschieden und dispergiert sind, wodurch deren Festigkeit gesteigert wird. Wenn jedoch der Nickelgehalt weniger als 1% oder der Siliciumgehalt weniger als 0,1% betragen, kann eine gewünschte Festigkeitssteigerung nicht erhalten werden. Wenn andererseits der Nickelgehalt 4% übersteigt, nimmt die elektri sche Leitfähigkeit der Legierung ab. Weiterhin, wenn der Sili ciumgehalt 1% übersteigt wird die Warmbearbeitbarkeit herab gesetzt. Daher werden der Nickel- und der Siliciumgehalt auf die Bereiche von 1 bis 4% beziehungsweise 0,1 bis 1% begrenzt. Vorzugsweise liegen der Nickel- und der Siliciumgehalt in den Bereichen von 2,0 bis 3,8% beziehungsweise 0,3 bis 0,9%.

b) Zink (Zn)

Zink verbessert die Beständigkeit gegen Lot-Warmablösung. Wenn jedoch der Zinkgehalt weniger als 1% beträgt, tritt diese Wirkung nicht im gewünschten Ausmaß ein. Wenn andererseits der Zinkgehalt 2% übersteigt, wird die elektrische Leitfähigkeit wesentlich verringert. Der Zinkgehalt wird daher auf den Bereich von 0,1 bis 2% , vorzugsweise 0,2 bis 1,5% begrenzt.

c) Magnesium (Mg)

Magnesium verbessert die Warmbearbeitbarkeit. Wenn jedoch der Magnesiumgehalt unter 0,001% liegt, kann die gewünschte Steigerung der Warmbearbeitbarkeit nicht erhalten werden. Andererseits kann man keine weitere Steigerung der Warmbearbeit barkeit erwarten, wenn der Magnesiumgehalt 0,05% übersteigt.

Daher wird der Magnesiumgehalt auf den Bereich von 0,001 bis 0,05%, vorzugsweise 0,003 bis 0,03% begrenzt.

d) Zinn (Sn)

Zinn verbessert die Haftfestigkeit des Anschlußrahmen materials an einem als Versieglungsmaterial verwendeten Epoxyharz, wie oben erwähnt. Wenn jedoch der Zinngehalt weniger als 0,05% beträgt, wird die gewünschte Steigerung der Haft festigkeit nicht erreicht. Wenn andererseits der Zinngehalt 1% übersteigt, nimmt die elektrische Leitfähigkeit ab. Daher wird der Zinngehalt auf den Bereich von 0,05 bis 1%, vorzugsweise 0,15 bis 0,8% begrenzt.

e) Schwefel (S) und Kohlenstoff (C) als unvermeidbare Verunreinigungen

Kupferlegierungen dieses Typs enthalten im allgemeinen Schwefel und Kohlenstoff in einer Menge von je 30 ppm oder weniger. Wenn jedoch der Gehalt sowohl an Schwefel wie an Kohlenstoff nicht jeweils auf 20 ppm oder darunter begrenzt wird, wird die auf Sn zurückzuführende Steigerung der Haft festigkeit, wie oben erwähnt, nicht erreicht. Daher werden der Gehalt an Schwefel und Kohlenstoff je auf 20 ppm oder weniger, vorzugsweise auf 15 ppm oder weniger beziehungsweise 10 ppm oder weniger begrenzt.

Beispiele

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden erläutert.

Schmelzen von Cu-Legierungen mit den in den Tabellen 1 bis 3 angegebenen Zusammensetzungen wurden in einem üblichen Hoch frequenz-Induktionsschmelzofen hergestellt. Die so hergestellten geschmolzenen Legierungen wurden einzeln nach einer üblichen halbkontinuierlichen Gießmethode gegossen, um Cu-Legierungs barren von je 150 mm Dicke, 500 mm Breite und 3000 mm Länge zu formen. Jeder Barren wurde bei einer anfänglichen Warmwalztempe ratur von 950°C zu einem warmgewalzten Blech mit einer Dicke von 11 mm warm gewalzt. Jedes der warmgewalzten Bleche wurde mit Wasser gekühlt und wurde dann durch Abschälen seiner oberen und unteren Seiten auf eine Dicke von 10 mm gebracht, worauf wieder holtes Kaltwalzen, Tempern und Beizen durchgeführt wurde, um so ein kaltgewalztes Blech mit einer Dicke von 0,4 mm zu erhalten. Die so erhaltenen kaltgewalzten Bleche wurden einer kontinuier lichen Lösungsbehandlung unterworfen, indem man sie 2 min bei 900°C hielt und dann mit Wasser kühlte. Die so behandelten Bleche wurden einem weiteren abschließenden Kaltwalzen unter worfen, um kaltgewalzte Bleche mit je einer Dicke von 0,25 mm zu erhalten, worauf eine Alterungsbehandlung bei 450°C während 3 Stunden folgte, wodurch man die erfindungsgemäßen Anschlußrah menmaterialien Nr. 1 bis 11, die üblichen Anschlußrahmenmate rialien Nr. 1 bis 9 (die kein Sn als Legierungskomponente ent hielten) und die Vergleichs-Anschlußrahmenmaterialien Nr. 1 bis 7 erhielt, die je aus einer Cu-Legierung geformt waren, bei der eine der Elementkomponenten außerhalb des erfindungsgemäßen Bereiches lag, wie in Tabelle 3 durch einen Stern bezeichnet.

An den erhaltenen Anschlußrahmenmaterialien wurden dann Messungen der Vickers-Härte (Last: 500 g) zur Bewertung der Festigkeit und eine Messung der elektrischen Leitfähigkeit wie weitere Prüfungen der Haftfestigkeit an einem Epoxyharz sowie der Beständigkeit gegen Lot-Warmablösung vorgenommen.

Die Prüfung auf Widerstand gegen Lot-Warmablösung wurde wie folgt durchgeführt: Teststücke von je einer Größe von 15 mm Breite und 60 mm Länge wurden jeweils in einem Kolophonium- Flußmittel behandelt und dann in ein Lotbad getaucht, das mit einem geschmolzenen Lot aus einer 60% Sn-40% Pb-Legierung bei einer Temperatur von 230°C gefüllt war, wodurch die Oberfläche der Teststücke mit diesem Lot beschichtet wurde. Dann wurde jedes der beschichteten Teststücke in Luft 1000 Stunden auf 150°C erwärmt und dann in der Mitte um 180 Grad flach auf sich selbst gebogen und um 180 Grad in seine ursprüngliche Form zurückgebogen, um die Lot-Warmablösefestigkeit des aus der Cu-Legierung gebildeten Anschlußrahmens beim Biegen zu bewerten. Die Prüfstücke wurden dann je auf vorhandene oder nicht vorhandene Ablösung des Lots am gebogenen Teil untersucht.

Die Prüfung auf Haftfestigkeit an einem Epoxyharz wurde wie folgt durchgeführt: Teststücke von je einer Blechgröße von 20 mm×20 mm wurden in eine Metallform einer Kunstharz-Spritzguß maschine gelegt und die gesamte Form mit dem Teststück wurde 20 min auf 175°C erhitzt, worauf ein Epoxyharz eingeblasen wurde, um ein Verbundstück aus dem obigen Teststück und einem an einer Seite desselben in der Mitte daran gebundenen Epoxydharzstück, das einen Durchmesser von 15 mm und eine Länge von 20 mm hatte, zu bilden. Dann wurde jedes der Verbundstücke einer Druck-Bruch prüfung unter einem umgebenden Druck von 2 bar (2 atm) bei einer Temperatur von 85°C und einer Feuchtigkeit von 85% während 24 Stunden unterworfen. Anschließend wurde eine Wärmebehandlung durchgeführt, indem man das Verbundstück in Luft bei einer Temperatur von 215°C eine Minute lang hielt. So wurde die Haftfestigkeit des Teststücks am Epoxyharzstück gemessen. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 1 bis 3 angegeben.

Aus den in den Tabellen 1 bis 3 angegebenen Ergebnissen ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäßen Anschlußrahmenmaterialien Nr. 1 bis 11 hinsichtlich der Haftfestigkeit an einem Epoxyharz als Versiegelungsmaterial den üblichen Ansschlußrahmenmateria lien Nr. 1 bis 9, die kein Sn als eine Legierungskomponente enthalten, weit überlegen sind, wobei sie eine ebenso hohe Festigkeit (Härte), elektrische Leitfähigkeit und Beständigkeit gegen Lot-Warmablösung zeigen wie die üblichen Anschlußrahmen materialien. Andererseits sind die zum Vergleich dienenden Anschlußrahmenmaterialien Nr. 1 bis 7, bei denen jeweils einer der Bestandteile der Zusammensetzung außerhalb des erfindungs gemäßen Bereiches liegt (in Tabelle 3 mit Stern versehen), hinsichtlich wenigstens einer der Eigenschaften von Festigkeit, elektrischer Leitfähigkeit und Beständigkeit gegen Lot-Warmab lösung den erfindungsgemäßen Anschlußmaterialien unterlegen.

Wie oben beschrieben, zeigt das erfindungsgemäße Cu-Legie rungs-Anschlußrahmenmaterial eine bemerkenswert hohe Haftfestig keit an einem als Versiegelungsmaterial dienenden Epoxyharz und daher in einer harzgekapselten Halbleitervorrichtung, worin das erfindungsgemäße Anschlußrahmenmaterial eingebaut ist, und ferner zeigt das Anschlußrahmenmaterial selbst bei Betrieb unter erschwerten Bedingungen keine Ablösung vom Versiegelungsmate rial, wodurch eine hohe Zuverlässigkeit erhalten wird.

Claims

1. Anschlußrahmenmaterial geformt aus einer Kupferlegierung zur Verwendung in einer harzgekapselten Halbleitervorrichtung, wobei die Kupferlegierung in Gewichtsprozent aus 1 bis 4% Ni, 0,1 bis 1% Si, 0,1 bis 2% Zn, 0,001 bis 0,05% Mg, 0,05 bis 1% Sn und Rest Kupfer und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, und die unvermeidbaren Verunreinigungen 20 ppm oder weniger Schwefel (S) und 20 ppm oder weniger Kohlenstoff (C) enthalten.

2. Anschlußrahmenmaterial nach Anspruch 1, wobei die Kupferlegierung in Gewichtsprozent aus 2,0 bis 3,8% Ni, 0,3 bis 0,9% Si, 0,2 bis 1,5% Zn, 0,003 bis 0,03% Mg, 0,15 bis 0,8% Sn und Rest Kupfer und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, wobei die unvermeidbaren Verunreini gungen 15 ppm oder weniger Schwefel (S) und 10 ppm oder weniger Kohlenstoff (C) enthalten.