JP2014123760A5 - - Google Patents
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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。
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。
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。
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。
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、素材金属の表面に下地Ni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Niめっき層の表面粗さRaが0.1〜0.8μmの範囲にあり、該下地Niめっき層の表面に、該下地Niめっき層の表面の角状又は針状の凹凸プロファイルに合わせてフラッシュめっきにより、パラジウムめっきとその上になされた金めっきからなる前記貴金属めっき層を形成した。
前記下地Niめっき層の表面粗さRaが0.1〜0.8μmの範囲にあり、該下地Niめっき層の表面に、該下地Niめっき層の表面の角状又は針状の凹凸プロファイルに合わせてフラッシュめっきにより、パラジウムめっきとその上になされた金めっきからなる前記貴金属めっき層を形成した。
請求項1、2記載のリードフレームは、下地Niめっき層の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ているので、モールド樹脂との密着性に優れている。
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。
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。
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。
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。
(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。
(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。
(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。
(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。
(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。
(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。
(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。
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 (2)
- 素材金属の表面に下地Ni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Niめっき層の表面粗さRaが0.1〜0.8μmの範囲にあり、該下地Niめっき層の表面に、該下地Niめっき層の表面の角状又は針状の凹凸プロファイルに合わせてフラッシュめっきにより、パラジウムめっきとその上になされた金めっきからなる前記貴金属めっき層を形成したことを特徴とするリードフレーム。 - 請求項1記載のリードフレームにおいて、前記パラジウムめっきの厚みは0.03μmであり、前記金めっきの厚みは0.01μmであることを特徴とするリードフレーム。
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2014
- 2014-02-17 JP JP2014027512A patent/JP5766318B2/ja not_active Expired - Lifetime
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