JP2008036668A - 銅または銅合金材およびその製造方法、並びに半導体パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】表面粗さの値が低くかつ微細クラックの少ない表面特性を有する、めっき性に優れた銅または銅合金材およびその製造方法、並びにこれをリードフレーム材として備える半導体パッケージを提供する。
【解決手段】表面粗さが算術平均粗さ(Ｒａ)で０．１μｍ以下、かつ最大高さ(Ｒｍａｘ)で１μｍ以下であり、さらに材料表面の微細クラックが当該表面の任意の１００μｍ角あたり１０個以下である銅または銅合金材を、仕上げ前圧延として、ショットブラスト処理した、Ｒａで０．１〜１μｍの表面粗さを有するロールを用いて圧延を行い、仕上げ圧延として、Ｒａで０．１μｍ未満の表面粗さを有するブライトロールを用いて、トータル圧延量を１０μｍ以上２００μｍ以下の範囲で圧延を行い、製造する。
【選択図】図３

Description

本発明は、銅または銅合金材およびその製造方法、並びに半導体パッケージに関し、特に、リードフレーム材に使用される、めっき性に優れた銅または銅合金材およびその製造方法、並びに当該銅または銅合金材をリードフレーム材として備える半導体パッケージに関するものである。

半導体パッケージを構成するリードフレーム材は、半導体チップとともに重要な構成要素の１つである。このリードフレーム材は、半導体チップを搭載するダイパッド部、ワイヤボンディングによりチップに連結されるインナーリード部、基板等の回路と接続するためのアウターリード部から構成される。

半導体パッケージの組立過程においては、半導体チップとインナーリードのワイヤボンディング特性やダイパッド部のはんだ付け特性を向上させるために、ダイパッド部とインナーリード部に銀などの金属めっきをする場合が多い。さらに、モールディング後には、基板等への実装時のはんだ付け特性を向上させるためにアウターリードにはんだめっきを行う。

このアウターリードへのはんだめっき過程において、めっき液がインナーリードまで浸透することが多発するため、改善案が提案されている。これは、特許文献１に開示されている事前めっきリードフレーム(Pre-Plated Frame、以下ＰＰＦとする)方式である。

このＰＰＦ方式は、半導体パッケージング工程の前にはんだ濡れ性に優れためっきを施すものであり、外層にパラジウムめっきを施すものである。当該パラジウムめっきを施す前に、リードフレーム材の表面にニッケルのような別の金属でめっきし、パラジウムの接着が一層良くなるようにすることが必要である。

最近においては、上記の２層めっき構造に加え、より長時間の熱処理を行っても、ワイヤボンディング特性やはんだ付け特性などが低下しないことが望まれるようになったことから、パラジウムめっき皮膜上にさらに金めっき等の金属を極薄くめっきする３層めっき構造が主流になってきている。

上記のようなめっきを施す場合、めっき層の剥げや、ピンホールの発生などのめっき不良の発生リスクがある。このような不具合の原因としては、めっき工程の前処理工程の影響があることは言うまでもないが、リードフレーム材の表面状態も非常に大きく影響する。リードフレーム材の表面粗さが大きいと、めっき品質に悪影響がある。

リードフレーム材として使われる銅または銅合金材の表面粗さを低く抑える改善案としては、これまでに数多く提案されている（例えば、特許文献２及び特許文献３参照）。特許文献２及び特許文献３では、表面粗さを低く抑えた圧延ロールを用いて圧延を施すことにより粗さの小さい表面が得られ、ダイレクトボンディング性が改善されると記載されている。

一方、リードフレーム材の表面粗さのほかに、その表面に存在する微細なクラック（以下、微細クラックという）も大きな問題となる。ここで、微細クラックとは、表面に存在する小さな傷であり、接触タイプの粗さ測定器では検出されない大きさである。具体的には、幅が約５μｍ以下、長さが約１０〜４０μｍの大きさの小さな傷である。図１は、微細クラックの一例を示す図であり、微細クラックが無数に確認される。

この微細クラックの部位にめっきを施しても完全なめっきが行えずに空隙が存在することがあり、このような空隙が通常の半導体製造工程で加えられる熱負荷条件下に置かれると微細クラックからの腐食が促進される。

また、リードフレームを曲げるベンディング工程を経ると表面に残存していたクラックが成長し、さらにはめっき側にもクラックを生じさせてしまう。
特開昭６３−２３５８号公報 特許第２７１４５６０号公報 特開平１１−１２７１４号公報

しかし、上記微細クラックは、接触タイプの表面粗さ測定器では検出されないこともあり、表面粗さの値のみでは微細クラックを管理できない問題があった。

従って、本発明の目的は、表面粗さの値が低くかつ微細クラックの少ない表面特性を有する、めっき性に優れた銅または銅合金材およびその製造方法、並びに当該銅または銅合金材をリードフレーム材として備える半導体パッケージを提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、表面粗さが算術平均粗さ(Ｒａ)で０．１μｍ以下、かつ最大高さ(Ｒｍａｘ)で１μｍ以下であり、さらに材料表面の微細クラックが当該表面の任意の１００μｍ角あたり１０個以下であることを特徴とする銅または銅合金材を提供する。

また、本発明は、上記目的を達成するため、仕上げ前圧延として、ショットブラスト処理した、算術平均粗さ(Ｒａ)で０．１〜１μｍの表面粗さを有するロールを用いて圧延を行い、仕上げ圧延として、算術平均粗さ（Ｒａ）で０．１μｍ未満の表面粗さを有するブライトロールを用いて、トータル圧延量を１０μｍ以上２００μｍ以下の範囲で圧延を行うことを特徴とする銅または銅合金材の製造方法を提供する。

また、本発明は、上記目的を達成するため、上記本発明の製造方法により製造された銅または銅合金材であって、材料表面の微細クラックが当該表面の任意の１００μｍ角あたり１０個以下であることを特徴とする銅または銅合金材を提供する。

また、本発明は、上記目的を達成するため、表面に２層又は３層構造のめっきが施された上記本発明の銅または銅合金材をリードフレーム材として備えることを特徴とする半導体パッケージを提供する。

なお、以下において、算術平均粗さ(Ｒａ)を単にＲａと表し、最大高さ(Ｒｍａｘ)を単にＲｍａｘと表すことがある。また、ショットブラスト処理したロールを単にショットブラストロールと表すことがある。

本発明によれば、表面粗さの値が低くかつ微細クラックの少ない表面特性を有する、めっき性に優れた銅または銅合金材、並びに当該銅または銅合金材をリードフレーム材として備える半導体パッケージを提供できる。

〔銅または銅合金材の表面特性〕
本発明の実施の形態に係る銅または銅合金材は、表面粗さが算術平均粗さ(Ｒａ)で０．１μｍ以下、かつ最大高さ(Ｒｍａｘ)で１μｍ以下であり、さらに材料表面の微細クラックが当該表面の任意の１００μｍ角あたり１０個以下であることを特徴とする。

銅合金材としては、リードフレーム材として一般的に使用される銅合金を用いることが望ましく、例えば、Ｃ１９４、Ｃ１５１、コルソン合金等が適している。

表面粗さは、触針式表面粗さ測定器を用いて、ＪＩＳ Ｂ０６５１−１９９６に基づきプロファイルを得る。得られたプロファイルを基に、算術平均粗さ(Ｒａ)および最大高さ(Ｒｍａｘ)を算出する（ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４）。

微細クラックとは、前述のとおり、接触タイプの粗さ測定器では検出されない程度の幅が約５μｍ以下、長さが約１０〜４０μｍの大きさの傷である。任意の１００μｍ角あたりの微細クラックの数は、金属顕微鏡により表面を拡大してカウントする。

上記表面特性を満たすことにより、リードフレーム材として適した、めっき性に優れる銅または銅合金材を得ることができる。より望ましくは、Ｒａで０．０７μｍ以下、Ｒｍａｘで０．７μｍ以下であり、材料表面の微細クラックが当該表面の任意の１００μｍ角あたり７個以下である

〔銅または銅合金材の製造方法〕
上記本発明の実施の形態に係る銅または銅合金材は、仕上げ前圧延として、ショットブラスト処理した、算術平均粗さ(Ｒａ)で０．１〜１μｍの表面粗さを有するロールを用いて圧延を行い、仕上げ圧延として、算術平均粗さ（Ｒａ）で０．１μｍ未満の表面粗さを有するブライトロールを用いて、トータル圧延量を１０〜２００μｍの範囲で圧延を行うことにより製造される。

（仕上げ前圧延）
仕上げ圧延前の中間圧延作業においては、積極的に表面をあらしたショットブラストロールを用いて圧延を行ない、材料表面にロールの粗さを転写させる。ロールの粗度は材質により使い分けても良いが、算術平均粗さＲａで０．１〜１μｍとする。適度にロール表面を荒らすことにより、ロールにおいて材料のかみ込みが起こり圧延速度を上げることが可能となり、生産効率が良い。

中間圧延作業において、Ｒａが０．１μｍ未満のロールを使用すると、ロールの粗さが足りず、材料とロールの間で十分な摩擦抵抗が得られないため、圧延１パスあたり十分な圧延量が得られない。そのような場合、圧延パス回数が増加するため、生産効率が良くない。更に、そのまま圧延を続けると、スキンパスと呼ばれる材料表層付近のみを圧延する加工状態となる。この場合、材料厚み方向における表層と中心部で圧延加工時に受ける材料の伸びに差が生じ、結果として微細クラックが表層に生じてしまう。

また、Ｒａが１μｍよりも大きくなると後の仕上げ圧延を経ても、荒れた表面が残留してしまう。よって、中間圧延作業で用いるショットブラストロールの粗さはＲａで０．１〜１μｍと規定する。より望ましくは、０．２〜０．５μｍと規定する。

なお、適度な粗さを得るために圧延工程の合間に材料の表面を荒らすバフ工程を導入する方法もある。しかしながら、バフ工程で荒らした材料表面は洗浄工程を経るもののバフ砥粒や銅粉が残留する可能性があるため、表面品質上、良くない。

（仕上げ圧延）
仕上げ前圧延を行なった圧延材を用いて仕上げ圧延を実施する。仕上げ圧延の圧延量はトータルで１０μｍ以上２００μｍ以下とする。ここでのトータルとは仕上げ圧延にて加工される圧延量のトータル量であり、パス数は規定しない。

仕上げ圧延のトータル圧延量を１０μｍ未満にするとショットブラストロールで圧延した材料の表面の凹凸が仕上げ圧延によって消失できず、材料表面の粗さ値が高くなってしまう。仕上げ圧延のトータル圧延量を２００μｍより大きくするとショットブラストロールで圧延した材料の表面の凹凸は消失でき、材料表面の粗さは低くなるものの、前述のスキンパス状態が生じ、材料表層部に微細クラックが生じてしまう。よって、仕上げ圧延のトータル圧延量は１０μｍ以上２００μｍ以下と規定する。より望ましくは、２０μｍ以上１５０μｍ以下と規定する。

ロールには、粗さを抑えたブライトロールを用いる。上記の適度な圧延量をブライトロールで仕上げ圧延することにより表面の凹凸部が引き伸ばされ、微細クラックの無い表面特性が得られる。

ブライトロールの粗度は、算術平均粗さＲａで０．１μｍ未満とする。中間圧延作業でショットブラストロールを用いて作業するため適度な凹凸が材料表面に生じており、圧延工程による材料変形挙動もスムースに進行する。凸部を潰し、延ばすため、表層だけが延びるスキンパス状態とはならない。その過程において、粗度の低いブライトロールを使用することから、圧延加工しながら粗さ値も小さい材料表面が得られる。

ブライトロールの粗さをＲａで０．１μｍ以上にすると仕上げ圧延作業後にも材料表面粗さＲａで０．１μｍ以下、最大高さＲｍａｘで１μｍ以下が得られない。よって、ブライトロールのＲａは０．１μｍ未満と規定する。より望ましくは、０．０７μｍ以下と規定する。

〔半導体パッケージ〕
本発明の実施の形態に係る半導体パッケージは、上記本発明の実施の形態に係る銅または銅合金材をリードフレーム材として備え、当該リードフレーム材表面にめっき、特に、２層又は３層構造のめっきが施されてなることを特徴とする。

２層構造のめっきとしては、外層として、はんだ濡れ性に優れためっき、例えば、パラジウムめっきを施し、内層として、外層めっき（パラジウム）の接着性を向上させるめっき、例えば、ニッケルめっきをリードフレーム材の表面に施す。

３層構造のめっきとしては、上記２層構造のパラジウムめっき皮膜上にさらに金めっき等の金属を極薄くめっきする。

〔実施の形態の効果〕
上記の本発明の実施の形態によれば、下記の効果を奏する。
（１）本実施の形態に係る銅または銅合金材は、材料表面に微細なクラックも無く、表面粗さも低い良好な表面特性を有することから良好なめっき性を持つため、リードフレーム材として好適に用いることができる。これにより、半導体パッケージ製造工程において重要なめっき工程でめっき不具合の発生を抑え、安定した品質を示すことができる。
（２）表面を荒らしたショットブラストロールを使用して圧延するため、材料のかみ込みが良く、圧延速度も上げることが可能となり、生産効率が向上する。１セットあたりのショットブラスト加工はそれほど高価ではないため、生産効率向上を考慮すればコストにおいて実用上の問題とはならない。

以下、本発明を実施例に基づいて更に詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

〔実施例１〕
リードフレーム材として一般的な銅−鉄合金であるＣ１９４００(ＣＤＡ番号)に、熱間圧延、焼鈍および冷間圧延の各工程を施し、幅６００ｍｍ、厚み０．２ｍｍのコイルを供試材として用意した。

用意した上記コイルを、Ｒａで０．２μｍの粗さにショットブラスト加工した圧延ロールを用いて、厚み０．１５ｍｍまで圧延した。

図２は、ショットブラストロールを用いて圧延した直後の材料表面を示したものであり、鱗状の表面状態となっている。

次に、Ｒａで０．０４μｍの粗さのブライトロールを用いて、厚み０．１２７ｍｍまで圧延した。

以上のようにして製作した試料Ｎｏ．１について、株式会社東京精密製の触針式表面粗さ測定器を用いて、ＪＩＳ Ｂ０６５１−１９９６に基づき、表面粗さを測定し、表面状態を観察した。得られたプロファイルを基に、算術平均粗さ(Ｒａ)および最大高さ(Ｒｍａｘ)を算出した（ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４）。

図３は、ブライトロールを用いて圧延した直後の材料表面を示したものであり、表面に微細クラックは殆ど観察されない。また、Ｒａは０．０６μｍ、Ｒｍａｘは０．７μｍであり、良好な表面特性を有する材料が得られた。

更に、得られた材料についてニッケルめっきを施した。
まず、得られたコイル材から材料を採取し、電解脱脂、酸洗処理の順に処理し、その後、表１に示す液組成および条件にて、およそ０．５μｍ厚みのニッケルめっきを施した。

その後、得られた試料中の任意に選んだ１ｍｍ^２のエリア内にめっき未着部がないか顕微鏡にて観察した。その結果、ニッケルめっき未着部が無かった。これより、良好なめっき性を持つ材料（試料Ｎｏ．１）が得られたことが判る。

〔比較例１〜１０〕
次に、実施例１とは異なる製造条件の比較例を挙げて説明する。
実施例１と同じ組成の銅合金について、試料Ｎｏ.１と同様の工程で加工する際、そのショットブラストロールの表面粗さＲａ(μｍ)、ブライトロールの表面粗さＲａ(μｍ)、仕上げ圧延でのトータル圧延量(μｍ)を表２に示す条件で実施して試料Ｎｏ．２〜１１を製造した。

得られた各試料について、その表面の任意の１００μｍ角エリア内の微細クラックが１０個以下かどうか、仕上げ圧延後の表面粗さ−算術平均粗さＲａおよび最大高さＲｍａｘ、およびニッケルめっき後の任意の１ｍｍ^２エリア内でのめっき未着部の有無を測定した結果を表３に示す。

本発明の実施の形態に係る試料Ｎｏ.１（実施例１）は、微細クラックが１０個以下／１００μｍ角、Ｒａが０．０６μｍ、Ｒｍａｘが０．７μｍ、ニッケルめっきの未着部無し／１ｍｍ^２であり、良好な特性を有しているのに対して、試料Ｎｏ.２〜１１（比較例１〜１０）は、いずれも特性が劣っている。

試料Ｎｏ.２（比較例１）は、ブライトロールの粗さが規定から外れた例である。規定よりも粗いため、仕上げ圧延後の材料表面粗さが粗くなる。結果として、めっき未着部が発生する。

試料Ｎｏ.３および４（比較例２および３）は、仕上げ圧延でのトータル圧延量が規定から外れた例である。トータル圧延量が少ないと（比較例２）、ショットブラストロール圧延後の凹凸を平滑に圧延しきれないため、材料表面粗さが粗くなる。トータル圧延量が多いと（比較例３）、材料表面粗さは良好になるが、微細クラックが大量に発生する。結果として、めっき未着部が発生する。

試料Ｎｏ.５および９（比較例４および８）は、ショットブラストロールの表面粗さが規定から外れた例である。表面粗さが小さいと（比較例４）、微細クラックが大量に発生する。表面粗さが大きいと（比較例８）、仕上げ圧延後の材料表面粗さが大きくなる。結果として、めっき未着部が発生する。

試料Ｎｏ.６および１１（比較例５および１０）は、ショットブラストロールの表面粗さおよびブライトロールの表面粗さが規定から外れた例である。ショットブラストロールの表面粗さが小さく、ブライトロールの表面粗さが大きいと（比較例５）、微細クラックは大量に発生し、仕上げ圧延後の材料表面粗さも大きくなる。ショットブラストロールの表面粗さが大きく、ブライトロールの表面粗さが大きいと（比較例１０）、微細クラックの発生は抑えられるものの材料表面粗さは大きくなる。結果としてめっき未着部が発生する。

試料Ｎｏ.７および１０（比較例６および９）は、ショットブラストロールの表面粗さおよび仕上げ圧延のトータル圧延量が規定から外れた例である。ショットブラストロールの表面粗さが小さく、仕上げ圧延でのトータル圧延量が少ないと（比較例６）、材料表面粗さは小さく抑えられるものの、微細クラックが大量に発生する。ショットブラストロールの表面粗さが大きく、仕上げ圧延でのトータル圧延量が大きいと（比較例９）、微細クラックは抑えられるものの材料表面粗さが大きくなる。結果として、めっき未着部が発生する。

試料Ｎｏ.８（比較例７）は、全ての項目が規定から外れた例である。ショットブラストロールの表面粗さが小さく、ブライトロールの表面粗さが大きく、仕上げ圧延でのトータル圧延量が多いと、微細クラックが大量に発生し、材料表面粗さも大きくなる。結果として、めっき未着部が発生する。

微細クラックの一例を示す図である。 ショットブラストロールを用いて圧延した直後の材料表面を示した図である。 ブライトロールを用いて圧延した直後の材料表面を示した図である。

Claims (5)

1. 表面粗さが算術平均粗さ(Ｒａ)で０．１μｍ以下、かつ最大高さ(Ｒｍａｘ)で１μｍ以下であり、さらに材料表面の微細クラックが当該表面の任意の１００μｍ角あたり１０個以下であることを特徴とする銅または銅合金材。
2. 仕上げ前圧延として、ショットブラスト処理した、算術平均粗さ(Ｒａ)で０．１〜１μｍの表面粗さを有するロールを用いて圧延を行い、仕上げ圧延として、算術平均粗さ（Ｒａ）で０．１μｍ未満の表面粗さを有するブライトロールを用いて、トータル圧延量を１０μｍ以上２００μｍ以下の範囲で圧延を行うことを特徴とする銅または銅合金材の製造方法。
3. 請求項２に記載の製造方法により製造された銅または銅合金材であって、材料表面の微細クラックが当該表面の任意の１００μｍ角あたり１０個以下であることを特徴とする銅または銅合金材。
4. 表面に２層又は３層構造のめっきが施された請求項１又は請求項３に記載の銅または銅合金材をリードフレーム材として備えることを特徴とする半導体パッケージ。
5. 前記めっきの１層目はニッケルめっきであり、任意に選んだ１ｍｍ^２エリア内においてニッケルめっき未着部が無いことを特徴とする請求項４に記載の半導体パッケージ。

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