JP2009235579A - リードフレーム - Google Patents

Abstract

【課題】曲げ加工時にクラックの発生が抑制され、更には、モールド樹脂との密着性に優れたリードフレームを提供する。
【解決手段】素材金属１０の表面に下地めっき層を介して貴金属めっき層１３が形成されたリードフレームにおいて、下地めっき層を、素材金属１０上に極性反転成分を有しない直流電流又はパルス電流を用いてめっきされた平滑Ｎｉめっき層１１と、平滑Ｎｉめっき層１１の上に極性反転パルスを含む電流を用いてめっきされた粗面化Ｎｉめっき層１２とによって形成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、曲げ加工性及び耐食性に優れ、しかも、モールド樹脂との密着性に優れたリードフレームに関する。

一般に半導体装置（ＩＣ）は、樹脂封止部より突出するアウターリードを半田接合させてプリント基板へ実装される。アウターリードには樹脂封止後に金属膜として、鉛（以下、Ｐｂ）−錫（以下、Ｓｎ）合金膜が形成され、この金属膜と半田材（錫半田等）との接合によりプリント基板等に実装していたが、近年では地球環境に配慮するため、Ｐｂレスの方向にあり、Ｐｂ−Ｓｎ合金膜が使用できなくなりつつある。そこで代替技術として樹脂封止前のリードフレームの表面に半田と接合性の高いニッケル（以下、Ｎｉ）／パラジウム（以下、Ｐｄ）、あるいはＮｉ／Ｐｄ／金（以下、Ａｕ）等の金属膜を予め形成しておく（Ｐｒｅ−Ｐｌａｔｅｄ Ｌｅａｄ−Ｆｒａｍｅ、以下、ＰＰＦ）が広く採用されている（例えば、特許文献１参照）。

このＰＰＦは以下のようなめっき方法によって製造されている。
スタンピング法又はエッチング法により作られたリードフレーム素材を脱脂、酸洗などの前処理をした後、このリードフレーム素材にＮｉめっき浴に浸漬してＮｉめっき層を形成し、その上にＰｄめっき層、又はＰｄめっき層の上にさらにＡｕめっき層を付着させている。なお、ＮｉめっきはＰＰＦ以外にも半導体装置に広く採用され、例えば、自動車などの専用半導体装置において、耐熱性の要求を満たすため、又は素材となる銅や銅合金の拡散を防止するために、リードフレーム表面にまず下地Ｎｉめっきを実施し、その上に全面或いは部分的にＡｕめっきや銀（以下、Ａｇ）めっきが行われている。

特開平１１−３０７７１１号公報 特許第３２５９８９４号公報

しかし、上記のようなリードフレーム（ＰＰＦ）においては、次のような問題が生じている。
現行めっき方法により得られた下地Ｎｉめっき層の柔軟性が不十分であるため、ＩＣ封止後の曲げ加工の時クラックが発生し易い。すなわち、通常のＮｉめっきにおいて、電源からめっき素材に通じた電流は全てＮｉイオンからメタルＮｉへの還元反応に消費されず、一部分の電流は副反応として水素イオンの還元反応に消費され、この還元された水素原子の大部分は水素分子になり水素ガスとして放出されるが、その一部はＮｉ結晶格子中に取り込まれ、Ｎｉと固溶体を形成するか又はＮｉ結晶粒界に吸着原子として残る。その結果、Ｎｉめっき層内に残留応力と水素脆性があるため、曲げ加工の時、クラックが発生し、本来目的とする下地金属の拡散の防止、半田濡れ性及びワイヤーボンディング性を失う。

そして、水素共析量及び水素吸蔵量は、Ｎｉめっき液の種類及びめっき条件に大きく左右される。例えば、めっき液のｐＨが２以下の場合又はめっき液中に塩化物が多い場合は水素共析量及び水素吸蔵量が多くなり、Ｎｉ膜の脆性及び加工性が著しく悪化する。そのために、現在、リードフレーム、特にＰＰＦの製造に採用されている下地Ｎｉめっき液は殆どが水素共析量及び水素吸蔵量が少ないｐＨ＝３．０〜４．５のワット浴あるいはスルファミン酸Ｎｉめっき液を使用している。

近年のＩＣパッケージは小型化、薄型化へ進んでいるため、リードフレームとモールド樹脂との密着性の問題が顕著化しており、しかも化学的方法によりその密着性を向上させることは困難である。特に最表面にＰｄ、Ａｕ等の貴金属めっき層を有するＰＰＦはその最表面の貴金属がほとんど酸化しないため、モールド樹脂との密着性が低い。
そこで、ＰＰＦ中の下地Ｎｉめっき層に関して緻密性が異なる複数のＮｉ層を形成することによりモールド樹脂との密着性の向上を図る技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。すなわち下地Ｎｉめっき層の下層は平滑且つ緻密な層を形成するＮｉめっきにより形成され、その上層は縦方向への結晶成長を優先する脈流（パルス）のＮｉめっきにより形成されている。
しかしながら、このＮｉめっきでは上層のＮｉめっきに十分な表面粗さが得られず、アンカ効果が弱い。従ってモールド樹脂との密着性が不十分である。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、曲げ加工時にクラックの発生が抑制され、更には、モールド樹脂との密着性に優れたリードフレームを提供することを目的とする。

前記目的に沿う本発明に係るリードフレームは、銅又は銅合金からなる素材金属の表面に下地めっき層を介して貴金属めっき層が形成されたリードフレームにおいて、
前記下地めっき層を、前記素材金属上に形成された平滑Ｎｉめっき層と、該平滑Ｎｉめっき層の上に形成され、表面が不定形の角状又は針状に粗面化された粗面化Ｎｉめっき層とによって形成し、前記貴金属めっき層の表面を前記粗面化Ｎｉめっき層に合わせて粗面化している。
なお、本発明に係るリードフレームにおいて、前記平滑Ｎｉめっき層の厚みは０．００１〜０．１μｍの範囲にあり、前記粗面化Ｎｉめっき層の表面粗さＲａが０．１〜０．８μｍの範囲にあるのが好ましい。

また、このリードフレームのめっき方法は、素材金属の表面に極性反転成分を有しない直流電流又はパルス電流を用いてめっきされた平滑Ｎｉめっき層を形成する第１工程と、
前記平滑Ｎｉめっき層の上面に極性反転パルスを含む電流を用いてめっきされた粗面化Ｎｉめっき層を形成する第２工程と、
前記粗面化Ｎｉめっき層の上面全部又はその一部に貴金属めっき層を形成する第３工程とを有し、
しかも、前記第２工程の粗面化Ｎｉめっき層を形成する過程での極性反転パルスによって生じる減肉厚みより、前記平滑Ｎｉめっき層の厚みを十分大きくしている。

このリードフレームのめっき方法において、前記第２工程の粗面化Ｎｉめっき層のめっき処理は、例えば、ｐＨが２．０以下で且つハロゲンイオンを含むＮｉめっき液を用いて行うのが好ましい。
なお、このリードフレーム及びそのめっき方法において、貴金属めっきとは、例えば、半田との接合性がよいＰｄ、Ｐｄ合金、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｇ合金の少なくとも１からなるものをいう。また、本発明は、前記した具体的な数字に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲での数値変更をすることもできる。

このリードフレームのめっき方法において、下地めっきの第１層に極性の反転しない電流でＮｉめっきする平滑Ｎｉめっき層を形成した。この理由は、めっき対象物であるリードフレームとなる素材金属に、極性反転パルスを含む電流を流して形成する粗面化Ｎｉめっきを直接行うと、極性が反転する電流によって、めっき表面の金属が研磨されて（減肉する）めっき液中に溶け出してしまい、めっき液を汚染すると共に、めっき表面を母材金属によって汚染する。そこで、母材（素材金属）の上の第１層として極性の反転しない電流でＮｉめっきする平滑Ｎｉめっき層を形成すると、次の工程で、極性が反転するパルス電流を流しても、第１層が削られるだけで、母材は削られず、銅等の異種金属が不純物としてめっき液中に溶け出さない。従って、第１層目の平滑Ｎｉめっき層はリードフレーム材表面の溶け出し保護の役割を果たす。

なお、第１層目の膜厚はリードフレーム素材からの金属の溶け出しに防止効果を得るために、第２層目が作られるときのアノード電流で溶けるＮｉの膜厚より１０倍以上厚くするのが好ましい。例えば、第２層目のＮｉめっきをするときに採用された電流波形中の、アノード電流の電気量（アノード電流密度×通電時間）により換算したＮｉの溶ける膜厚が０．００１μｍである場合、第１層目の厚さは０．０１μｍ以上とするのが好ましい。なお、リードフレーム材の銅など異種金属が溶けた場合、めっきムラ、欠陥等の不良の原因となる。

そして、第２層目のＮｉめっきに周期的に極性が反転する電流波形、即ち極性反転パルスを採用する理由は、めっき中に周期的に極性の反転する電流を含むので、共析した水素原子、特にＮｉめっき層中に取り込まれた水素原子をアノード電流で除去することができる。従って水素原子の固溶又は吸蔵に起因するＮｉめっき層の脆性がなくなり、曲げ加工などの加工性が向上する。
また、極性が反転する電流波形を用いためっきでは、粒径の大きなＮｉ結晶粒子が形成され易い。結晶粒子は粒径が小さいほど、表面自由エネルギーが高く不安定であるため、反転電流（溶解電流）をかけると結晶粒径が小さいものから優先的に溶ける。このように周期的に極性が反転する電流波形を用いてカソード電流とアノード電流が交互に繰り返し印加すると、結晶粒子が大きい角状又は針状の粗いＮｉめっき層が形成される。よって、リードフレームとモールド樹脂との間に強力なアンカー効果が生じ、強い樹脂密着性を得ることができる。更に、大きな結晶粒子のＮｉ膜が形成されることにより熱処理（焼鈍）を加えた場合の効果と同様にＮｉ膜が軟らかくなり、曲げ加工などの加工性をさらに向上させる。

次に、このリードフレームのめっき方法において、第２工程の粗面化Ｎｉめっき層のめっき処理は、例えば、ｐＨが２．０以下で且つハロゲンイオンを含むＮｉめっき液を用いて行うのが好ましい理由は以下の通りである。即ち、アノード電流を流すとき、通常のＮｉめっき溶液中でＮｉ膜の不動態化が非常に発生し易い。そうすると、上記の微小結晶粒子の優先溶解効果を十分に発揮できず、粗い表面を有し結晶粒子が大きなＮｉめっき層が得られなくなる。Ｎｉめっき液中に塩素イオンのようなハロゲンイオンが存在し、且つめっき液のｐＨが低い場合、Ｎｉアノード溶解がスムーズに行われ０．１μｍ（平均粗さＲａ）以上の粗さが得られる。
従って、十分な粗い表面を得るためには、第２層目のＮｉめっき条件として、周期的に極性が反転する電流による電流波形を用いる上でｐＨが２．０以下で且つハロゲンイオンを含むＮｉめっき液が必要となる。

請求項１〜５記載のリードフレームは、下地めっき層を、平滑Ｎｉめっき層と、平滑Ｎｉめっき層の上にめっきされた粗面化Ｎｉめっき層とによって形成しているので、下地めっき表面及びその上にめっきされる貴金属めっき層の表面が粗面化され、モールド樹脂との密着性に優れている。
そして、粗面化Ｎｉめっき層の下層に平滑Ｎｉめっき層が形成されているので、リードフレームの素材金属がめっき液に溶け込んだり、あるいはめっき表面に露出することがなく、マイグレーション等に起因する製品不良の問題が生じない。

本発明の一実施の形態に係るリードフレームの部分断面図である。 （Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係るリードフレームのめっき方法に用いる極性反転成分を有する電流波形の説明図である。

続いて、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。
鉄ニッケル合金あるいは銅又は銅合金などからなるリードフレームの素材金属１０（以下、ＬＦ材１０という）を脱脂、酸洗し、Ｎｉめっき浴に浸漬し、極性が反転しない直流電流あるいはパルス電流を用いて、第１層目のＮｉめっきである平滑Ｎｉめっき層１１を形成する。ＬＦ材１０の溶出防止効果を得るために、第１層目のＮｉめっき層厚は０．０１μｍ以上であることが望ましいが、場合によっては、以下に説明する極性反転パルス電流を制御することによって、平滑Ｎｉめっき層１１の厚みを０．００１〜０．１μｍの範囲にすることもできる。これによって、以下に説明する極性反転パルス電流による減肉厚みを確保することができる。

さらに、第２層目のＮｉめっきである粗面化Ｎｉめっき層１２は、ｐＨが２．０以下で且つハロゲンイオンを含むＮｉめっき液中で周期的に極性が反転する電流波形により形成される。ここで、周期的に極性が反転する電流波形とは、図２（Ａ）に示すように、周期的に極性が単純に反転する矩形ＰＲ波だけではなく、例えば、図２（Ｂ）に示すように非対称交流波であってもよい。なお、平滑Ｎｉめっき層１１と粗面化Ｎｉめっき層１２によって下地めっき層が形成される。
そして、０．１μｍ以上の平均粗さを得るには、アノード電流（反転電流）の電気量はカソード電流の電気量の２０％〜８０％、周波数は１０〜１０００Ｈｚ（周期１〜１００ｍｓ）の電流波形でめっきすることが望ましい。その平均電流密度は０．５〜２０Ａ／ｄｍ²である。なお、この粗面化Ｎｉめっき層１２の厚みは、０．５〜５μｍの範囲であれば、経済性を考慮して十分にその表面を粗面化することができる。なお、粗面化Ｎｉめっき層１２の厚みによっては、平均粗さを最大０．８μｍにすることもできる。

第２層目のＮｉめっきにおいて使用するＮｉめっき液は、Ｎｉがスムーズに溶解するように（例えばワット浴を使用する場合）、十分な溶解活性を得るために浴のｐＨを０．０〜２．０に調整しなければならない。一方、このような溶解活性があれば、めっき液の組成と条件は特に制限されない。例えば、全塩化物浴や塩化物を含むスルファミン酸塩浴であってもよく、あるいは有機酸塩浴であってもよい。
なお、第２層目のＮｉめっき層の上に使用目的に応じて機能めっきを実施してもよい。例えば、全面あるいは部分的にＰｄ、Ａｕ、Ａｇ等のめっき又はこれらの合金めっきを行い、表面に貴金属めっき層１３を形成する。例えば、ＰＰＦなら第２層目のＮｉめっき層の上にＰｄめっきを行いさらにその上にＡｕフラッシュめっきを行ってもよい。

以下、本発明の作用、効果を確認するために行った実施例１〜４及び比較例１〜３について説明する。
〔実施例１〕
（１）銅合金基材のリードフレーム表面に、周知の方法により脱脂及び活性化を行った後、通常のワット浴（硫酸Ｎｉ２４０ｇ／Ｌ、塩化Ｎｉ４５ｇ／Ｌ、ホウ酸３５ｇ／Ｌ、ｐＨ３．５、温度６０℃）を用い、電流は周期的に極性の反転しない電流波形であって、電流密度２Ａ／ｄｍ²、めっき時間１０秒の条件で第１層目のＮｉめっきを実施した。
（２）上記の（１）で得られたサンプルにさらに第２層目のＮｉめっきを施した。使用したＮｉめっき液はｐＨが１．０のワット浴（浴組成は上記（１）と同じ）であった。電流波形は周期的に極性が反転する矩形ＰＲ波で平均電流密度が５Ａ／ｄｍ²、アノード電流（反転電流）の電気量がカソード電流の電気量の５０％、周波数が２０Ｈｚ（周期５０ｍｓ）の条件でめっきを行った。めっき時間はトータルのＮｉめっき層厚が１．０μｍとなるように設定した。

〔実施例２〕
（１）銅合金基材のリードフレーム表面に、周知の方法により脱脂及び活性化を行った後に、通常のワット浴（硫酸Ｎｉ２４０ｇ／Ｌ、塩化Ｎｉ４５ｇ／Ｌ、ホウ酸３５ｇ／Ｌ、ｐＨ３．５、温度６０℃）を用い、電流は周期的に極性の反転しない電流波形であって、電流密度２Ａ／ｄｍ²、めっき時間１０秒の条件で第１層目のＮｉめっきを実施した。
（２）上記の（１）で得られたサンプルにさらに第２層目のＮｉめっきを施した。使用したＮｉめっき液はｐＨが１．０のワット浴（浴組成は上記（１）と同じ）であった。電流波形は周期的に極性が反転する矩形ＰＲ波で平均電流密度が５Ａ／ｄｍ²、アノード電流（反転電流）の電気量がカソード電流の電気量の５０％、周波数が２０Ｈｚ（周期５０ｍｓ）の条件でめっきを行った。めっき時間はトータルのＮｉめっき層厚が１．０μｍのように設定した。
（３）その上に０．０３μｍのパラジウムめっき、さらにパラジウムめっきの上に０．０１μｍの金フラッシュめっきを実施した。

〔実施例３〕
（１）合金基材のリードフレーム表面に、周知の方法により脱脂及び活性化を行った後に、通常のワット浴（硫酸Ｎｉ２４０ｇ／Ｌ、塩化Ｎｉ４５ｇ／Ｌ、ホウ酸３５ｇ／Ｌ、ｐＨ３．５、温度６０℃）を用い、電流は周期的に極性の反転しない電流波形であって、電流密度２Ａ／ｄｍ²、めっき時間１０秒の条件で第１層目のＮｉめっきを実施した。
（２）上記の（１）で得られたサンプルにさらに第２層目のＮｉめっきを施した。使用したＮｉめっき液はｐＨが１．５のワット浴（浴組成は上記（１）と同じ）であった。電流波形は周期的に極性が反転する矩形ＰＲ波で平均電流密度が５Ａ／ｄｍ²、アノード電流（反転電流）の電気量がカソード電流の電気量の５０％、周波数が２０Ｈｚ（周期５０ｍｓ）の条件でめっきを行った。めっき時間はトータルのＮｉめっき層厚が１．０μｍとなるように設定した。
（３）その上に通常のシアン化銅めっき浴にて０．１μｍのスポット銅めっきを施し、さらにスポット銅めっき層の表面に４．０μｍのスポット銀めっき層を付けた。

〔実施例４〕
（１）Ａ４２材（銅合金材）のリードフレーム表面に、周知の方法により脱脂及び活性化を行った後に、ｐＨが０．５のワット浴（硫酸Ｎｉ２４０ｇ／Ｌ、塩化Ｎｉ４５ｇ／Ｌ、ホウ酸３５ｇ／Ｌ、温度６０℃）を用い、電流は周期的に極性の反転しない電流波形であって、平均電流密度４Ａ／ｄｍ²、めっき時間１０秒の条件で第１層目のＮｉめっきを実施した。
（２）上記の（１）で得られたサンプルにさらに第２層目のＮｉめっきを施した。使用したＮｉめっき液はｐＨが上記の（１）と同じワット浴であった。電流波形は周期的に極性が反転する矩形ＰＲ波で平均電流密度が１０Ａ／ｄｍ²、アノード電流（反転電流）の電気量がカソード電流の電気量の７０％、周波数が１０Ｈｚ（周期１００ｍｓ）の条件でめっきを行った。めっき時間はトータルのＮｉめっき層厚が１．０μｍとなるように設定した。
（３）その上に酸性金めっき液中で０．１μｍの金めっきを実施した。

〔比較例１〕
（１）銅合金基材のリードフレーム表面に、周知の方法により脱脂及び活性化を行った後、通常のワット浴（硫酸Ｎｉ２４０ｇ／Ｌ、塩化Ｎｉ４５ｇ／Ｌ、ホウ酸３５ｇ／Ｌ、ｐＨ３．５、温度６０℃）を用い、電流密度２Ａ／ｄｍ²の条件でＮｉめっきを実施した。Ｎｉのめっき時間は膜厚が１．０μｍとなるように設定した。

〔比較例２〕
（１）合金基材のリードフレーム表面に、実施例２の（１）と同じ条件でＮｉめっきを実施した。Ｎｉめっき層厚は１．０μｍであった。
（２）その上に０．０３μｍのパラジウムめっき、さらにパラジウムめっきの上に０．０１μｍの金フラッシュめっきを実施した。

〔比較例３〕
（１）実施例４の（１）と同じ条件でＮｉめっきを実施した。しかし、Ｎｉめっき層厚は３．０μｍであった。
（２）その上に、実施例４の（３）と同じく金めっきを実施した。
以上の実施例１〜４と比較例１〜３の評価結果を表１に示している。

表１において◎は良好、○は普通、△はやや悪い、×は不良を示す。この表１からも明らかなように、実施例１〜４に示されるリードフレームにおいては、比較例１〜３に示すリードフレームに比較して、以下のことが分かる。
（１）曲げ加工などの加工性が優れている
通常のＮｉめっき層が加工性が劣る主な原因は、共析した水素原子がＮｉ膜中へ吸蔵し、膜内の残留応力が溜まるためである。本発明では、共析した水素原子をアノード電流で除去することができるため、残留応力が殆どない。そのため、得られためっき層の脆性が小さく、曲げ加工後のクラックが発生しにくい。

（２）モールド樹脂との密着性が優れている
本発明では、第２層目のＮｉめっきをするとき、アノード電流を含むので、Ｎｉの析出は結晶核の生成より結晶のエピタキシャル成長の方が速くなり、Ｎｉめっき層の結晶粒径と表面粗さが大きくなり、表面が不定形の角状や針状となる。この不定形な角状／針状の表面形態により、リードフレームとモールド樹脂との間で物理的なアンカー効果が生じ、通常品に比べてモールド樹脂との密着性が約２倍になる。しかもこのようなアンカー効果はアノード電流の電気量の割合を大きくすると共に強くなる。
（３）優れた耐食性を有する
通常の直流めっきに比べて、本実施例では、アノード電流を含むので、Ｎｉめっき層への水素吸蔵などによる歪みや不純物の混入が少ない。そのために、めっき層のピンホールなどの欠陥が少なく、優れた耐食性が得られる。

１０：素材金属、１１：平滑Ｎｉめっき層、１２：粗面化Ｎｉめっき層、１３：貴金属めっき層

Claims (5)

1. 素材金属の表面に下地めっき層を介して貴金属めっき層が形成されたリードフレームにおいて、
   前記下地めっき層を、前記素材金属上に形成された平滑Ｎｉめっき層と、該平滑Ｎｉめっき層の上に形成された粗面化Ｎｉめっき層とによって形成したことを特徴とするリードフレーム。
2. 請求項１記載のリードフレームにおいて、前記粗面化Ｎｉめっき層の表面粗さが０．１〜０．８μｍの範囲にあることを特徴とするリードフレーム。
3. 請求項２記載のリードフレームにおいて、前記平滑Ｎｉめっき層の厚みは、０．００１〜０．１μｍの範囲にあることを特徴とするリードフレーム。
4. 請求項１〜３のいずれか１記載のリードフレームにおいて、前記貴金属めっき層は、Ｐｄ、Ａｕ、及びＡｇめっきの少なくとも１であることを特徴とするリードフレーム。
5. 請求項４記載のリードフレームにおいて、前記貴金属めっき層は厚みが０．１μｍのＡｕめっきであることを特徴とするリードフレーム。

Images