JP2004172281A

JP2004172281A - ステンレス鋼製リードフレーム

Info

Publication number: JP2004172281A
Application number: JP2002335225A
Authority: JP
Inventors: Yoshiharu Iwamizu; 義治岩水; Masayoshi Tadano; 政義多々納; Keiji Izumi; 圭二和泉
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2002-11-19
Filing date: 2002-11-19
Publication date: 2004-06-17

Abstract

【目的】厚膜のＣｕめっき層を形成しても、ボンディング性に優れたリードフレームを提供する。
【構成】Ｃ：０．０３質量％以下，Ｃｒ：１１．５〜１３．５質量％を含み硬さがＨＶ２００以上のステンレス冷延鋼帯を基材とし、膜厚５〜３０μｍのＣｕめっき層が基材表面に形成したリードフレームである。Ｃｕめっき層１は、高い電気伝導性，熱伝導性を得る上で光沢化剤を含まない無光沢電気Ｃｕめっき層が好ましい。ＨＶ１００以上にＣｕめっき層を硬質化すると、ボンディング性が一層向上し、比較的厚膜のＣｕめっき層が形成されているリードフレームでも、高速ワイヤボンディング時のボンディング性が安定化し、高い接合強度でＡｕ線２が接合される。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、強度，耐食性に優れ、Ａｕ線の直接接合が可能なステンレス鋼製リードフレームに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気・電子機器を外部回路に接続するリードフレームは、Ｆｅ−４２％Ｎｉ合金，銅合金，普通鋼等を素材に使用している。リードフレームの要求特性には、高熱伝導性，高電気伝導性，低熱膨張，高強度，耐食性等がある。熱膨張係数の大きな材料では、昇温・降温を繰り返す半導体チップに対する密着性が劣化し、接続不良等のトラブル発生の原因となる。強度が不足すると、素材を複雑形状に加工した場合や使用中の繰返し曲げ作用に劣り、基盤に対するリード先端の差込みに支障をきたす程度に形状が悪化しやすい。
【０００３】
なかでも、高熱伝導性は電気・電子機器で発生した熱を外部に放散させる上で、高電気伝導性は導通路における電力損失及びジュール発熱を低減する上で重要な特性であり、何れも電気・電子機器の性能に直接的な影響を及ぼす。ジュール発熱の低減及び発生熱の放散による電気・電子機器の昇温抑制は、電気・電子機器の高性能化，高密度化に伴い従来にも増して要求が過酷になっている。ジュール発熱を低減し発生熱を放散させる上では、リードフレームの素材が電気伝導性，熱伝導性の良好な材料であるほど好ましい。この点、低熱膨張特性に重点をおいたＦｅ―４２％Ｎｉ合金の使用は、電気・電子機器の昇温抑制を考慮すると適正な材料選択とはいえない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
電気伝導性，熱伝導性の良好な材料は、銅合金で代表される。しかし、強度が低く、熱膨張係数も大きなことが銅合金の欠点である。銅合金の機械的強度を向上させることには限界があるため、Ｃｕの優れた電気伝導性，熱伝導性を確保しながらも、要求強度を兼ね備えた材料の開発が進められている。
電気伝導性，熱伝導性と機械的強度を両立させる手段として、それぞれの特性を個々の材料に分担させた複合材料が考えられる。具体的には、基材の鋼板で機械的強度を確保し、基材表面に設けたＣｕめっき層で電気伝導性，熱伝導性を改善したＣｕめっき鋼板である（特開昭５６−４３７４７号公報）。しかし、基材・鋼板上にＣｕめっき層を単に形成したのでは、電気伝導性，熱伝導性に優れたＣｕの特性を十分に活用できない。
【０００５】
たとえば、リードフレームは、Ａｕ線を用いた超音波熱圧着方式による高速ワイヤボンディングで電気・電子機器の内部回路と結線される。この方式でリードフレームにＡｕ線を接合する場合、高速接合で十分な接合信頼性を確保するため、接続部分にＡｕ，Ａｇ等の貴金属めっきを施していた。また、Ａｕ，Ａｇ等の部分めっき性を確保するため、Ａｕ，Ａｇ等の部分めっきに先立ってＮｉめっき等をＣｕめっき層の表面に被着させることもある。何れの場合も余分な工程を必要とし、製造コストの上昇を招く。
【０００６】
Ｃｕめっき層に対するＡｕ線の直接接合が可能になると、余分な工程がないので製造工程の簡略化が図られ、製造コストの上昇が抑えられる。そこで、特公平６−１７９８号公報は、硬度ＨＶ５０〜１００のＣｕめっき層を膜厚０．５〜５μｍで形成した銅合金製リードフレームを紹介している。硬質のＣｕめっき層を形成した銅合金製リードフレームを使用すると、Ａｕ，Ａｇ等のめっきを必要とせずＡｕ線の直接接合が可能になる。また、高強度で低熱膨張特性を呈するステンレス冷延鋼帯に膜厚３μｍ程度のＣｕめっき層を形成した母材にＡｕ線をワイヤボンディングすると、良好な接合性が得られる。
Ｃｕめっき層は、接合性の向上には膜厚３μｍ程度で済むが、良好な電気伝導性，熱伝導性を確保するためには膜厚不足である。Ｃｕめっき層の厚膜化によって電気伝導性，熱伝導性を改善できるが、Ｃｕめっき層の厚膜化に伴って高速ワイヤボンディング性が不安定になる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、基材，Ｃｕめっき層の硬さ規制により、電気伝導性，熱伝導性向上のためにＣｕめっき層を厚膜化しても良好なボンディング性でＡｕ線を高速ワイヤボンディングでき、放熱特性，機械的強度にも優れたリードフレームを提供することを目的とする。
【０００８】
本発明のステンレス鋼製リードフレームは、その目的を達成するため、Ｃ：０．０３質量％以下，Ｃｒ：１１．５〜１３．５質量％を含み硬さがＨＶ２００以上のステンレス冷延鋼帯を基材とし、膜厚５〜３０μｍのＣｕめっき層が基材表面に形成されていることを特徴とする。
Ｃｕめっき層は、高い電気伝導性，熱伝導性を得る上で光沢化剤を含まない無光沢電気Ｃｕめっき層が好ましい。圧延率１０％以上の鏡面ロール圧延等でＨＶ１００以上にＣｕめっき層を硬質化すると、ボンディング性が一層向上する。
【０００９】
【作用及び実施の形態】
本発明に従ったリードフレームでは、要求される機械的強度を基材のステンレス冷延鋼帯に負担させ、基材表面に設けたＣｕめっき層で電気伝導性，熱伝導性の向上を図っている。
基材には、銅合金に比較して引張強さ，降伏応力，硬さが格段に大きく、耐食性，加工性にも優れた材料であり、Ｃ：０．０３質量％以下，Ｃｒ：１１．５〜１３．５質量％を含むステンレス冷延鋼帯が使用される。Ｃ含有量の増加に従って硬度が高くなるが、加工性の低下を招くのでＣ含有量を０．０３質量％以下に規制する。また、Ｃｒ：１１．５〜１３．５質量％のマルテンサイト系ステンレス鋼では、リードフレームに要求される繰返し折り曲げ性を確保するため０．０３質量％以下のＣ含有量が必要である。Ｃｒ含有量は、耐食性向上のため１１．５質量％以上が必要であるが、コストを考慮して１３．５質量％に上限を規制する。
【００１０】
ステンレス冷延鋼帯の優れた特性は、所定形状のリードフレームに加工した後でも維持される。しかも、振動，衝撃等を弾性変形で吸収し得る材質であるため、不測の外力に対する抵抗力の高いリードフレームが得られる。熱膨張係数も１０×１０^−６程度の低値であることから半導体チップとの間に生じる熱応力が小さく、接合部の劣化が抑えられる。
ステンレス冷延鋼帯は、冷間圧延条件の調整やショットピーニング，焼入れ・焼戻し，時効硬化等の硬化処理によってＨＶ２００以上の硬さに調質されている。ＨＶ２００以上の硬さは、要求される機械的特性をリードフレームに付与すると共に、高速でワイヤボンディングする際のボンディング性を安定的に向上させることにも作用する。硬さが不足すると、ワイヤボンディング時にＡｕ線とＣｕめっき層との間の拡散反応が十分に進行せず、接合不良が生じやすくなる。
【００１１】
基材・ステンレス冷延鋼帯の表面に電気めっき法で膜厚５〜３０μｍのＣｕめっき層が形成される。基材・ステンレス冷延鋼帯の表面に密着性の良好なＣｕめっき層を形成するためには、不動態皮膜を予め除去して基材表面を活性化する必要がある。そこで、通常の脱脂，酸洗処理後に、不動態皮膜を除去しながら膜厚０．０５〜０．３μｍ程度のＮｉストライクめっきを施すことが好ましい。Ｎｉストライクめっきには、たとえば塩化ニッケル２４０ｇ／ｌ，塩酸１２５ｍｌ／ｌのめっき液中を用い、室温，５〜１０Ａ／ｄｍ^２，２０〜１２０秒の条件下で電気めっきする。
電気Ｃｕめっきには、光沢化剤を添加していない硫酸銅浴，ほうフッ化銅浴，ピロリン酸銅浴等が使用可能であるが、経済性の点から硫酸銅浴が好ましい。光沢化剤無添加のめっき浴から得られたＣｕめっき層は、光沢化剤が分散していないためＣｕ本来の優れた電気伝導性，熱伝導性が活かされるだけでなく、Ａｕ線とのワイヤボンディング時に光沢化剤が原因と考えられる接合性の低下が防止される。
硫酸銅浴を用いた電気Ｃｕめっきでは、膜厚０．０５〜０．３μｍでＮｉストライクめっき層を形成したステンレス冷延鋼帯を基材に使用し、たとえば浴組成が硫酸銅２００ｇ／ｌ，硫酸５０ｇ／ｌで浴温２０〜６０℃の銅めっき浴にステンレス冷延鋼帯を浸漬すると、鋼帯表面にＣｕが電析する。Ｃｕめっき層の膜厚は電流密度，通電時間で制御され、５Ａ／ｄｍ^２，２７０秒以上の通電条件でＣｕめっき層が５μｍ以上の膜厚に成長する。
【００１２】
Ｃｕめっき層は、Ｃｕ本来の優れた電気伝導性，熱伝導性を確保するため膜厚５μｍ以上で形成される。Ｃｕめっき層を厚膜化するほど電気伝導性，熱伝導性が向上する。しかし、３０μｍを超える厚膜でＣｕめっき層を形成すると、Ｃｕめっき層をＨＶ１００以上に硬質化しても加工性，ボンディング性の低下が避けられない。
厚膜のＣｕめっき層による加工性の低下は、リードフレーム形状への成形加工時に基材ステンレス鋼と金型との間に介在する軟質のＣｕめっき層が焼付き等の加工欠陥を発生させることに起因するが、ボンディング性の低下は次のように考えられる。
【００１３】
超音波加熱圧着法でＡｕ線をリードフレームにワイヤボンディングする際、Ａｕ線とリードフレームとの間で金属成分が拡散することによりＡｕ線がリードフレームに接合される。この接合反応を前提にすると高温，高加圧力ほどボンディング性の向上が期待できるが、温度を上げすぎるとリードフレームの熱的損傷が大きくなり、Ｎ_２＋Ｈ_２の還元雰囲気中においても微量の水分や酸素によってＣｕめっき層の表面が酸化され、ボンディング性が低下してしまう。Ｃｕめっき層の表面酸化に起因する悪影響なくボンディング性を向上させる上では、接合温度を過度に高くせずに加圧力を増加させることが実際的である。
【００１４】
ところが、加圧力を大きく設定してワイヤボンディングすると、通常はＨＶ５０〜１００と軟らかい無光沢Ｃｕめっき層１がＡｕ線２の圧入により塑性変形し、拡散接合に寄与する加圧力の作用が損なわれる。基材・ステンレス鋼３の硬さが不足する場合にも、Ａｕ線の圧入で塑性変形したＣｕめっき層が基材に押し込まれ、同様に拡散接合に寄与する加圧力の作用が損なわれる（図１）。その結果、リードフレームに対するＡｕ線２の接合が不良となる。
これに対し、ＨＶ２００以上の硬さに調質した基材・ステンレス鋼３では、Ａｕ線２の圧入に抗する反力が基材３で得られ、Ｃｕめっき層１の塑性変形が抑えられるので、Ｃｕめっき層１／Ａｕ線２間で拡散反応が十分に進行し、健全な接合部４が形成される。比較的薄いＣｕめっき層１を形成したリードフレームでは接合部４の形成に必要な拡散反応を基材・ステンレス鋼３の硬さで保証できる。
【００１５】
基材・ステンレス鋼３の硬さが拡散反応に及ぼす影響は、電気伝導性，熱伝導性を向上させるためにＣｕめっき層１を厚く形成するほど少なくなる。この場合、Ｃｕめっき層１自体をＨＶ２００以上に硬質化すると、Ａｕ線２の圧入時にＣｕめっき層１の塑性変形が抑制される。硬質化したＣｕめっき層１では、Ａｕ線２の圧入に抗する反力が基材・ステンレス鋼３に加えＣｕめっき層１でも得られ、Ｃｕめっき層１／Ａｕ線２間で拡散反応が十分に進行し、健全な接合部４が形成される（図２）。
【００１６】
ＨＶ２００以上の硬さは、電気めっき後のＣｕめっきステンレス鋼板を圧下率１０％以上で鏡面ロール圧延することにより達成される。鏡面ロール圧延は、圧延後のＣｕめっき層１を平滑化して光沢を付与するので、リードフレームの商品価値を上げることにも役立つ。勿論、鏡面ロール圧延に代え、通常のロール圧延やショットピーニング等によってもＨＶ２００以上の硬さにＣｕめっき層１を調質できる。
【００１７】
基材・ステンレス鋼３，Ｃｕめっき層１の硬質化により、Ｃｕめっき層１を比較的厚く形成しても高速ワイヤボンディング時にボンディング性が不安定化することなく、健全な接合部４を介しＡｕ線２がリードフレームに接合される。そのため、Ｃｕ本来の優れた電気伝導性，熱伝導性が活用され、基材・ステンレス鋼３によって高強度化されたリードフレームが得られる。しかも、リードフレームを薄肉化しても、従来の銅合金製に比較して十分な強度が確保されるので軽量化・小型化が可能で、形状精度が高く疲労特性に優れたリードフレームとなる。
【００１８】
【実施例】
板厚０．２５ｍｍのＮＳＳ４１０Ｍ１ステンレス冷延鋼帯を仕上げ圧延の圧下率制御によりＨＶ２１０に硬質化した基材を使用し、表１に示す電気めっき条件でＣｕめっき層を基材表面に形成した。Ｃｕめっき層の膜厚は、通電時間によって種々変更した。
【００１９】

【００２０】
Ｃｕめっき層が形成されたステンレス冷延鋼帯から試験片を切り出し、電気伝導性を調査した。電気伝導性試験では、ＪＩＳＨ０５０５に基づき幅２０ｍｍ，長さ３５０ｍｍの平均断面積法に従って平均断面積を測定した試験片を電極間距離３００ｍｍに設定し、４探針法で測定した体積抵抗率から導電率を算出した。
無光沢電気Ｃｕめっき層を形成した試験片は、電気伝導性，熱伝導性が比較的劣るステンレス鋼を基材にしているにも拘らず、Ｃｕめっき層の厚膜化に応じて電気伝導性が向上し、リードフレームの要求特性を十分に満足する電気伝導性を示した。
光沢化剤を含むＣｕめっき層を形成した試験片においても、Ｃｕめっき層の厚膜化に伴い電気伝導性が向上したが、無光沢電気Ｃｕめっき層に比較すると電気伝導性の向上度合いが劣っていた。
【００２１】

【００２２】
高い電気伝導性，熱伝導性を示した無光沢Ｃｕめっきステンレス鋼帯（ＮＳＳ４１０Ｍ１），現行の４２Ｎｉ合金，Ｃｕ合金について、機械的強度，加工性を調査した。機械試験では、ＪＩＳＺ２２０１で規定されている金属材料引張試験片１３号Ｂを用い、ＪＩＳＺ２２４１による金属材料引張試験で強度，伸びを測定した。加工試験では、長手方向を圧延方向に一致させて切り出した幅１０ｍｍ，６０ｍｍの試験片を用い、ＪＩＳＺ２２４８に規定される金属材料曲げ試験（Ｖ曲げ試験：Ｒ＝１ｔ）後に曲げ部を調査し、割れが発生した試験片を×，割れのない試験片を○として加工性を評価した。
表３の試験結果にみられるように、Ｃｕめっきしたステンレス鋼は、機械的強度が６１０〜６４５Ｎ／ｍｍ^２であり、４２Ｎｉ合金や銅合金に比較すると高強度の材料である。加工性評価においても、曲げ部に割れ等の欠陥発生が検出されなかった。
【００２３】

【００２４】
更に、基材，Ｃｕめっき層の硬さがボンディング性に及ぼす影響を調査するため、種々の硬さに調質した板厚０．２５ｍｍのステンレス冷延鋼帯に膜厚１０μｍのＣｕめっき層を形成した後、Ｃｕめっき層を鏡面ロール圧延により硬質化したＣｕめっきステンレス鋼帯を製造した。ステンレス冷延鋼帯，Ｃｕめっき層の硬さは、仕上げ圧延時，鏡面ロール圧延時の圧下率により調節した。圧下率とステンレス冷延鋼帯，Ｃｕめっき層の硬さとの関係を表４に示す。
【００２５】

【００２６】
各Ｃｕめっきステンレス鋼帯から試験片を切り出し、径３０μｍのＡｕ線を超音波併用熱圧着式ワイヤボンディング装置で１サンプルにつき２０箇所をワイヤボンディングした。なお、ワイヤボンディング条件は、雰囲気Ｎ_２＋１０％Ｈ_２，プレート温度３００℃，荷重５０ｇに設定した。
ワイヤボンディング後、レスカー社製ＰＴＲ−１０を用いて０．２ｍｍ／秒でプルテストし、Ａｕ線の切断強度及び切断位置を測定した。ワイヤ引張り位置からＡｕ線が切断された場合を十分な接合強度，接合個所（ステッチ）でＡｕ線が破断した場合を不十分な接合強度としてボンディング性を評価した。
【００２７】
ワイヤボンディングの試験結果を示す表５にみられるように、ＨＶ２００以上の硬さに調質したステンレス冷延鋼帯を基材に用いたリードフレームは、高速ワイヤボンディングにおいて安定したボンディング性を示した。プルテストによるＡｕ線の平均引張り強度が５ｇ以上となっており、ワイヤ切断位置も全てＡｕ線引張り位置であった。この結果は、リードフレームに対してＡｕ線が安定して接合されていることを示す。なかでも、基材の硬質化に加えＣｕめっき層をＨＶ１００以上に硬質化したリードフレームでは、一層高い強度でＡｕ線が接合された。優れた接合強度は、Ｃｕめっき層を３０μｍと厚膜化したリードフレームでも維持されていた。
【００２８】
これに対し、硬さがＨＶ２００に達しないステンレス冷延鋼帯を基材に用いたリードフレームでは、Ａｕ線の平均引張り強度が５ｇ未満と小さく、３ｇ未満の引張り強度で切断するＡｕ線も散見された。引張り強度の小さな試験番号１の接合部を観察したところ、Ｃｕめっき層／Ａｕ線の界面にボイド（隙間）が検出され、Ｃｕめっき層／Ａｕ線の間で十分な拡散反応が生じなかったことが判った。引張り強度は、Ｃｕめっき層が厚膜になるほど低下する傾向にあった。
【００２９】

【００３０】
【発明の効果】
以上に説明したように、ＨＶ２００以上の硬さに調質したステンレス冷延鋼帯を基材に使用してＣｕめっき層を基材表面に形成すると、Ｃｕめっき層が比較的厚い場合でも高速ワイヤボンディング時にボンディング性が不安定化せず、十分な接合強度でＡｕ線を接合できるリードフレームが得られる。そのため、電気伝導性，熱伝導性の向上に有効な５μｍ以上の膜厚でＣｕめっき層を形成でき、機械的特性，耐食性の良好なステンレス冷延鋼帯を基材に使用していることから薄肉化，小型化しても十分な機械強度をもつリードフレームとなる。このように放熱特性に優れ、軽量化，小型化に適しているため、高密度化，高性能化が進められている電気・電子機器に好適なリードフレームとして使用される。
【図面の簡単な説明】
【図１】基材・ステンレス冷延鋼帯，Ｃｕめっき層の硬さが不足する場合にボンディング性が劣ることを説明する図
【図２】硬さ調節によって良好なボンディング性でリードフレームにＡｕ線が接合されることを説明する図
【符号の説明】
１：Ｃｕめっき層２：Ａｕ線３：基材・ステンレス鋼４：接合部

Claims

Ｃ：０．０３質量％以下，Ｃｒ：１１．５〜１３．５質量％を含み硬さがＨＶ２００以上のステンレス冷延鋼帯を基材とし、膜厚５〜３０μｍのＣｕめっき層が基材表面に形成されていることを特徴とするステンレス鋼製リードフレーム。
Ｃｕめっき層が光沢化剤を含まない無光沢電気Ｃｕめっき層である請求項１記載のステンレス鋼製リードフレーム。
Ｃｕめっき層がＨＶ１００以上に硬質化されている請求項１記載のステンレス鋼製リードフレーム。