JP2008240018A - すずメッキ皮膜およびウィスカー防止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 リードフレームのアウターリード上に形成したすずメッキ皮膜において、生産性を落とすことなく、また従来のメッキ条件のままで容易に管理することができる簡便な方法でウィスカーの発生を防止する。
【解決手段】 リードフレームなどの被メッキ物にすずメッキ皮膜を膜厚８〜２０μｍで形成し、すずメッキの後処理としてすずメッキ皮膜上に銀を析出させて熱拡散させ、銀含有量が０．４〜３．５ｗｔ％のすず−銀皮膜形成する。銀の析出は処理溶液中に浸漬するだけの簡便な方法で行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、すずメッキ被膜のウィスカーの防止方法に関して、すずメッキ皮膜の後処理として容易に管理可能な銀の皮膜をすずメッキ皮膜上に形成することにより、すずウィスカーの発生を有効に防止するとともに、メッキ後の加熱処理による濡れ性の低下を防止できるものを提供する。

リードフレーム上に固定されたＩＣやＬＳＩ等の半導体素子は、ワイヤーボンディングによってリードフレームに結線されたのち、モールド樹脂によって封止される。この半導体素子をプリント基板などに接続するために、モールド樹脂の外側に露出したアウターリードにメッキを施す必要がある。アウターリードに施すメッキには、耐ウィスカー性、はんだ濡れ性、密着性、折り曲げ性および耐熱性等の特性が要求される。従来、鉛を５〜２０重量％が含有するすず−鉛合金メッキが、これらの特性を全て満足することから広く利用されてきた。

しかし、近年、鉛の環境への影響が指摘されてから、環境対策として鉛を含有しないメッキ、すなわち鉛フリーメッキへの切り替えが急速に進んでいる。現状、アウターリードへのメッキとしては、すず−ビスマス、すず−銀、すず−銅などの二元系メッキが主流であるが、すず−鉛メッキと比べてコストが高くなる点、メッキ液の安定性、組成制御の難しさなどから一元系のすずメッキへの移行が望まれている。
すずメッキは、はんだ付け性向上用の皮膜、コネクタ用の皮膜などとして、電子工業部品や弱電工業の分野に広く使われているが、すずメッキ皮膜ではメッキ後の環境によって成長するウィスカーの発生が問題となる。このため、リード間隔の狭い狭ピッチＩＣなどでは、このウィスカーがリード間ショートの原因となりかねないため、電子部品の信頼性の点からすずメッキを狭ピッチＩＣに展開することは難しい。このため、すずウィスカーを抑制する対策が必要とされている。

特に重要なのは、リードフレーム上のアウターリードに形成されたすずメッキ皮膜におけるウィスカー発生の防止である。すずメッキ皮膜におけるウィスカー発生の防止対策としてはいくつかの技術が提案されている。例えば、すず皮膜上に銀置換層を形成するという観点では、すず皮膜の上に置換析出法により銀皮膜を０.０１〜０.５μｍの範囲で形成し、リフロー処理を施してすずと銀を合金化する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
しかし、対象はあくまでもリフローメッキ皮膜である。また同様の観点で、銅合金ワイヤー上にすず皮膜を形成し、その上に銀メッキ層を形成する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。これも対象基材はあくまでも銅ワイヤーである。メッキ後の表面処理という観点では、すずおよびすず合金メッキ表面をベンズイミダゾール化合物及び／又はその塩を含む処理剤で処理する方法が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。しかしメッキ表面への有機皮膜処理を嫌うアセンブリメーカーも多く、広く普及するまでには至っていない。
特開２０００−１５０００８号公報 特開２０００−１５６４５０号公報 特開２００４−１５６０９４号公報

上記のような状況に鑑み、本発明が解決しようとする課題は銅系材料、特に４２合金からなるリードフレームのアウターリード上に形成したすずメッキ皮膜において、生産性を落とすことなく、また従来のメッキ条件のままで容易に管理することができる簡便なウィスカーの発生防止方法を提供することにある。

本発明は、４２合金からなるリードフレームなどの被メッキ物にすずのメッキ皮膜を膜厚８〜２０μｍで形成し、すずメッキの後処理として０．４〜３．５ｗｔ％のすず−銀皮膜を前記すずメッキ皮膜上に形成することを特徴とする。すなわち、本発明のアウターリードのすずメッキ皮膜は、表面が銀組成０．４〜３．５ｗｔ％であるすず−銀メッキ皮膜である。
本発明においては、すずメッキ皮膜の膜厚は８〜２０μｍであることが好ましい。表面がすず−銀合金になっていればよい。
また、リードフレームが４２合金からなるものである場合に効果が著しい。

本発明のウィスカーの防止方法は、先ずリードフレーム先端にすずメッキを施したのち、該すずメッキ皮膜表面に銀皮膜を形成し、次いで拡散熱処理を施してすず−銀合金化することを特徴とするすずメッキ皮膜のウィスカー防止方法を採用した。
本発明のウィスカーの防止方法では、前記すず−銀メッキ皮膜の銀組成が４．０〜３．５ｗｔ％であることが好ましい。また、前記すずメッキ皮膜の膜厚が８〜２０μｍであることが好ましい。
本発明のウィスカーの防止方法においては、前記銀皮膜の形成方法は無電解メッキでもよいし、あるいは電解メッキであっても良い。

本発明によれば、鉛フリーメッキ、特に４２合金からなるリードフレームのアウターリード上に形成した膜厚８〜２０μｍのすずメッキ皮膜において、生産性を落とすことなく、また従来のメッキ条件のままで、容易に管理することができる、簡便なウィスカーの発生防止方法が提供可能である。特にメッキの後処理としてすずメッキ皮膜の最表面に銀の皮膜を形成し、さらにはその厚さに比例する蛍光Ｘ線膜厚計によるＡｇ組成管理により簡便に管理することが可能であり、ウィスカーの発生を有効に防止できる。
同一のすずメッキ条件において、すずメッキの最表面に形成した銀皮膜が、０．４ｗｔ％未満の場合と、０．４〜３．５ｗｔ％の場合では、ウィスカーの発生状態が異なっていた。前者では５０μｍ以上のウィスカーが多数確認されたが、後者では５０μｍ以上のウィスカーの発生はなく、また５０μｍ以下のウィスカーの発生数も大幅に減少しており、メッキの後処理として銀皮膜を０．４〜３．５ｗｔ％で形成することによってウィスカーの発生が有効に防止することが可能となる。

まず、本発明のウィスカーの防止方法を図面を用いて説明する。図１は本発明のウィスカーの発生防止のためのすずメッキおよび銀皮膜形成、並びにその後の拡散熱処理の工程フローを説明する図である。本発明のウィスカーの防止方法のフローとしては、従来のすずメッキ工程のあとに、銀皮膜形成工程とその水洗工程の２工程を追加している（図１（ｊ）、（ｋ）参照。）が、一連の連続処理によるため、特に生産性を下げることはない。また、メッキ装置の構造は従来のシートメッキタイプでもラックメッキタイプでもよく、特に装置構造を制約することはない。

図１の（ａ）〜（ｆ）はメッキ処理を施すための前処理工程であって、被処理物表面を清浄化することを目的とする。このため常套手段によるアルカリ電解、酸電解を施し、必要により化学研磨をして表面の清浄度を確保する。各工程終了後には清浄水で充分水洗しておく。
図１の（ｇ）〜（ｉ）のすずメッキ工程自体は、従来のメッキ方法と何ら変わる点はない。すずメッキ液も従来の市販薬品でよい。一般的にはアルカンスルホン酸浴系が多い。例えば、レイボルド製のＭＳＴ４００浴であれば、酸濃度；５０〜１００ｍＬ／Ｌ、すず濃度；３５〜９０ｇ／Ｌ、添加剤４０〜８０ｍＬ／Ｌのような液組成でよい。また、メッキ時の設定条件は、液温度；３５〜６０℃、電流密度；５〜４０Ａ／ｄｍ^２ のような設定でよい。すずメッキ皮膜の膜厚は、８〜２０μｍ程度あればよい。

本発明の特徴は、すずメッキ後のメッキ表面に銀皮膜を形成することにより、ウィスカーの発生を有効に防止するものである。
銀皮膜形成工程は、図１（ｊ）、（ｋ）に示すように、銀を含有した液に浸漬するだけであり、特に電解処理は必要としないが、電解処理により銀皮膜を形成してもよい。銀皮膜形成のための液は、銀を含有し、銀の析出速度がコントロール可能な液であることが必要である。このような液としては、例えばレイボルド製の有機酸銀メッキ浴ＡＧ−１１０であれば、ＡＧ１１１を１００〜２００ｇ／Ｌ、ＡＧ１１２を１５０〜５００ｇ／Ｌ、及び銀を１〜１５ｇ／Ｌ含む液組成でよい。また、処理条件は液温度；１５〜５０℃、処理時間；５〜６０秒のような設定でよい。この液を使用すれば、浸漬時間は装置搬送速度で一定になるので、液濃度および液温度管理のみで、生成する銀皮膜の状態は一定に保たれる。

図２に、４２合金剤の表面に厚さ５〜１５μｍのすずメッキを施したものを、上記ＡＧ１１０メッキ液に浸漬した場合の浸漬時間と銀組成の関係を示す。なお、図は１５０℃×１０秒の加熱処理をした後のメッキ皮膜表面を、蛍光Ｘ線膜厚計により測定した値をプロットしたものである。蛍光Ｘ線膜厚計では予め組成既知の標準サンプルを用いて測定した検量線に基づき、すずメッキ皮膜表面にＸ線を照射した際に放出される蛍光Ｘ線を捕捉して、すずメッキ皮膜の厚さと組成を知ることができる。
図２に従って、すずメッキ皮膜の厚さ、浸漬液のＡｇ濃度、浸漬時間等を適宜選択すれば、すずメッキ皮膜表面のＡｇ組成を任意に安定して制御することが可能となる。

銀皮膜を形成した後中和、水洗、及び乾燥の各処理を施し（図１（ｌ）〜（ｎ）参照）、すず皮膜中への銀の拡散を目的とした加熱処理を行う（図１（ｏ）参照。）。加熱処理条件は、加熱温度；１２０〜１６０℃、加熱時間１０〜１５秒程度でよい、この程度の加熱時間ですず皮膜表面中へ銀が拡散して、すず皮膜の表面近傍はすず−銀合金化する。ウィスカーの発生を抑制するためには、すずメッキ皮膜中の銀組成は０.４〜３.５ｗｔ％が適当である

リードフレーム上に形成したアウターリードのメッキ皮膜でははんだ付けする際のはんだ濡れ性が重要である。一般にはんだ濡れ性は“ゼロクロスタイム”と呼ばれる指標で評価される。“ゼロクロスタイム”とは、２４５℃に加熱したＪＩＳ Ｍ７０５はんだ（Ｓｎ−３．５Ａｇ−０．５Ｃｕ３元はんだ）に浸漬したとき、サンプルのメッキ皮膜が溶けて馴染むまでの時間と考えられ、数値が小さいほど濡れ性が良好で好ましいといえる。一般的にはゼロクロスタイムが１秒以下であれば問題はない。なお、ゼロクロスタイム測定時にはフラックスが使用され、このフラックスの種類によってゼロクロスタイムが異なるので、ゼロクロスタイム測定時にはフラックス名を明記する必要がある。例えば、より厳しい結果が出るものとして、「ラピックスＲ」が一般的に良く使用されている。

このようにして得られた表面に銀を含有したすずメッキ皮膜を具備したアウターリードは、ウィスカーの発生が抑制され、はんだ濡れ性にも優れたアウターリードとなる。特に、４２合金材製のリードフレームにおいてウィスカー発生防止の効果が著しい。
［実施例］

４２合金材製のリードフレーム上に膜厚５、１０、１５μｍを目標にすずメッキを施した。メッキ条件はシートメッキ装置を前提に、電流密度を１２Ａ／ｄｍ^２ に設定した。このすずメッキ皮膜の表面に銀皮膜を形成した。銀皮膜を形成するための銀を含有した液としては、レイボルド製「ＡＧ−１１０」を使用し、銀皮膜形成は今回は無電解の浸漬処理とした。浸漬処理時間は１０〜６０ｓｅｃ、液温は２５℃とした。銀皮膜形成および中和処理を行い、乾燥した後、形成した銀皮膜のすずメッキ皮膜中への銀の拡散を目的として加熱処理を行った。熱処理温度は１５０℃で時間は１０ｓｅｃとした。サンプル作製条件を表１に示す。

ウィスカーを成長させるための加速試験として、温度サイクル試験器による−４０〜＋８５℃の温度サイクルを１時間１サイクルの設定で５００サイクル実施した。このあと、１００倍の金属顕微鏡で各サンプルの同一エリアを観察し、２０〜５０μｍおよび５０μｍ以上の針状ウィスカーの本数を計測した。この結果を表１に併記して示す。
この結果から、従来のリファレンスとして銀皮膜形成処理を実施しなかったすずメッキ皮膜（サンプルＮｏ．Ａ−１、Ｂ−１、Ｃ−１）と比較して、銀皮膜を形成したサンプルではウィスカー発生数が大きく減少していることがわかる。

各サンプルについては、蛍光Ｘ線膜厚計によるＡｇ組成の計測および濡れ性の測定を実施した。
蛍光Ｘ線で測定したＡｇ組成は、浸漬処理時間が１０〜６０秒で０.４〜３.３ｗｔ％になっていた。
濡れ性測定は前処理をしない場合とウィスカー発生を促進させるための前処理を施した場合について測定した。濡れ性測定の前処理としては、高温高湿処理（８５℃８５％）で１６時間とした。この結果を図３及び図４に示す。
銀皮膜形成の有無にかかわらず、ゼロクロスタイムは０．９秒以下となっており、銀皮膜の形成が濡れ性に影響を与えることはなかった。この結果も表１に併記して示す。

本発明のすずメッキおよび銀皮膜形成に関わる工程フローを示す図である。 Ａｇ処理時間と組成の関係を示す図である。 前処理なしの場合のＡｇ処理時間とゼロクスタイムの関係を示す図である。 前処理ありの場合のＡｇ処理時間とゼロクスタイムの関係を示す図である。

Claims (7)

1. リードフレーム先端に形成されたアウターリードのすずメッキ皮膜であって、銀組成が０.４〜５.０ｗｔ％であることを特徴とするアウターリードのメッキ皮膜。
2. すずメッキ皮膜の膜厚が８〜２０μｍであることを特徴とする請求項１に記載のアウターリードのメッキ皮膜。
3. 前記リードフレーム物が４２合金からなることを特徴とする請求項１または２に記載のアウターリードのメッキ皮膜。
4. リードフレーム先端にすずメッキを施したのち、該すずメッキ皮膜表面に銀皮膜を形成し、次いで拡散熱処理を施してすず−銀合金化することを特徴とするすずメッキ皮膜のウィスカーの防止方法。
5. 前記すず−銀メッキ皮膜の銀組成が０.４〜３.５ｗｔ％であることを特徴とする請求項４に記載のすずメッキ皮膜のウィスカーの防止方法。
6. 前記すず−銀メッキ皮膜の膜厚が８〜２０μｍであることを特徴とする請求項４または５に記載のすずメッキ皮膜のウィスカーの防止方法。
7. 前記銀皮膜の形成方法が、無電解メッキまたは電解メッキであることを特徴とする請求項４ないし６に記載のすずメッキ皮膜のウィスカーの防止方法。