JP3280686B2 - 民生用素子およびその製造方法 - Google Patents

民生用素子およびその製造方法

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JP3280686B2
JP3280686B2 JP01691292A JP1691292A JP3280686B2 JP 3280686 B2 JP3280686 B2 JP 3280686B2 JP 01691292 A JP01691292 A JP 01691292A JP 1691292 A JP1691292 A JP 1691292A JP 3280686 B2 JP3280686 B2 JP 3280686B2
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道彦 稲葉
友紀子 西山
廣文 大森
真也 清水
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  • Connections Effected By Soldering, Adhesion, Or Permanent Deformation (AREA)
  • Lead Frames For Integrated Circuits (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】 本発明は、民生用に用いられる
素子、特にリードフレーム、TABテープ、リード線な
どに適したはんだの接合性、界面の強度の信頼性を向上
させた低価格の民生用素子およびその製造方法に関す
る。
【0002】
【従来の技術】半導体装置のような民生用素子には、高
出力で多機能を有することが要求されているが、それと
並んで高い生産性をもって低価格で製造されることも必
要とされる。
【0003】これらの要求を満たすために種々の方法が
開発されているが、それらのうち、樹脂モールドする方
法はかなり有用な方法として一般に用いられているが、
この方法に用いるリードフレームには次のような特性が
要求されている。
【0004】すなわち、リードフレームは、表面酸化が
少ないこと、引張り強度が大きいこと、延性が充分で曲
げ加工性に富むこと、高温特性たとえば 250℃以上の温
度における機械的強度がすぐれていること、はんだとの
濡れ性や耐候性が良好であること、エッチング性が良好
であること、プレス打抜き性やプレス曲げ性のような加
工性がすぐれること等の要件を具備することが要求され
ている。
【0005】これらの特性を比較的よく満足しているこ
とから、リードフレームの材料としては従来から42Ni
ーFe合金が使用されてきたが、価格の点で未だ満足で
きるものではなく、また製造面でも直接はんだづけがで
きないという問題があった。そのため、近年、Cuの強
度不足をFe,Ni,Sn,Cr,Zrなどの補ったC
u合金が広く使用されるようになってきている。さらに
最近では、直接はんだづけが可能で、高い生産性をもっ
て低価格で製造可能なCuーFeの2相合金を用いたリ
ードフレームも提案されている(特開昭63ー103053号、
特開昭63ー293147号)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上述したCuーFeの
2相合金からなるリードフレームは、導電性、熱伝導
性、機械的強度が良好で、直接はんだづけも可能であ
り、しかも比較的高い生産性をもって安価に製造可能で
あるという利点があるが、長時間加熱しているとリード
フレームとはんだとの界面の接合強度が低下していると
いう欠点があった。
【0007】このため長時間の加熱によっても、界面の
接合強度が劣化しないリードフレームの開発が要望され
るようになっていた。
【0008】本発明は、このような事情に対処してなさ
れたもので、はんだとの界面の接合強度の経時信頼性を
向上させた民生用素子およびその製造方法の提供を目的
とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明の民生用素子は、
5〜90重量%のCuと、残部FeまたはFeとCr、Z
r、ZnおよびMgから選ばれた1種以上の元素とから
なる第1の金属素体と、これに接合される第2の金属素
体とを、Snを含むはんだにより接合して成る民生用素
子において、前記はんだと前記第1の金属素体との接合
部に、該第1の金属素体の表面のFe相をエッチング除
去することにより形成された処理層が設けられており、
該処理層に生成される金属間化合物のうち、CuとSn
を主成分とする金属間化合物とFeとSnを主成分とす
る金属間化合物の量比が、第1の金属素体のCuとFe
との量比より大きくされていることを特徴としている。
また、本発明の民生用素子の製造方法は、5〜90重量%
のCuと、残部FeまたはFeとCr、Zr、Znおよ
びMgから選ばれた1種以上の元素とからなる第1の金
属素体と、これに接合される第2の金属素体とを、Sn
を含むはんだにより接合する民生用素子の製造方法にお
いて、前記第1の金属素体の表面のFe相をエッチング
除去することにより、CuとSnを主成分とする金属間
化合物の生成を促進し、前記はんだと前記第1の金属素
体との接合部に形成される金属間化合物のうち、前記C
uとSnを主成分とする金属間化合物とFeとSnを主
成分とする金属間化合物の量比を、第1の金属素体のC
uとFeとの量比より大きくすることを特徴としてい
る。
【0010】本発明において、第1の金属素体のCuの
含有量を 5〜90重量%としたのは、Cuの含有量が 5重
量%未満では導電性が不十分となり、90重量%を越える
と強度が著しく劣るようになるためである。
【0011】また、残部のFeは機械的強度を向上させ
る成分であり、Cr,Zr,Zn,Mgは、はんだとの
界面に拡散して濃縮し、Fe−Sn金属間化合物の形成
を抑制する作用をする。CrはFe相の耐蝕性を向上さ
せる作用もする。
【0012】これらの元の素添加量は、接合強度に影響
を与えない範囲、すなわちCrは10重量%以下、Zr,
Zn,Mg等は、5重量%以下の範囲とすることが好ま
しい。なお、いずれも0.1 重量%未満では添加の効果が
認められなくなるので添加する場合には0.1 重量%以上
とすることが望ましい。なお、これらの元素は総量でF
eの量に対して、1/30以上、1/5 未満の範囲とすること
が望ましい。
【0013】本発明に使用するSnを含むはんだとして
は、PbーSn共晶はんだや、Ag添加PbーSn共晶
が適しいおり、溶湯はんだでもめっきでもかまわない。
【0014】本発明の民生用素子は、第1の金属素体と
第2の金属素体とをはんだ接合する際に、はんだと第1
の素体のCu−Fe合金により、両者の界面にCu3
nやCu6 Sn5 のようなCuーSn金属間化合物とF
3 SnのようなFeーSnの金属間化合物とを生成さ
せる。このときCuーSn金属間化合物(Feが多少固
溶していてもよい)の方が、FeーSn金属間化合物よ
りも多く形成されるように制御する。
【0015】すなわち、CuーSn金属間化合物量をM
(CuーSn)、FeーSn金属間化合物量をM(Fe
ーSn)、第1金属素体のCu含有量をM(Cu)、第
1金属素体のFe含有量をM(Fe)とし、 K={M(CuーSn)/M(FeーSn)}/{M
(Cu)/M(Fe)} としたとき、 50>K>1 程度となるようにKの値を制御する。なお、このとき金
属間化合物層の厚さは1μm以下とすることが望まし
い。
【0016】上記Kの値の範囲では、はんだの密着性、
接合性が向上する。Kの値が25を越えると、強度が低
下するようになり、Kの値が1未満になるとFeがリッ
チになって、脆くて剥離しやすいFeーSn拡散層が生
成するようになるので好ましくない。なお、Kの範囲は
25〜 1程度であることがより好ましい。
【0017】Cu−Sn金属間化合物の生成を促進する
には、第1の金属素体の表面にCuメッキを施したり、
表面のFe相だけを選択的にエッチング除去するように
すればよい。Fe相の選択的エッチングには、HFとH
2 2 の混液への浸漬や、水酸化アンモニウムや水酸化
ナトリウム液中での電解を用いることができる。また、
はんだづけを 230℃以上の高温で行ったり、Fe相を有
効に溶かすフラックスを使用したり、超音波はんだづけ
をしたり、めっき後 180℃以上で加熱したりする事によ
っても、CuーSn金属間化合物の生成を促進すること
ができる。
【0018】金属間化合物の生成量の測定は、はんだ層
を機械的研磨や過酸化水素などによる化学エッチングに
より取り除いたのちX線回析法で行うことができる。す
なわち、X線回析法により、CuーSn金属間化合物に
帰属するピーク(主としてCu3 SnやCu6 Sn5
とFeーSn金属間化合物(主としてFe3 Snあるい
は、Cuの固溶したFe3-x Cux Sn等)に帰属する
ピークを求め、それらの相対強度比較を行って生成量比
を決定する事ができる。
【0019】本発明の第1の金属素体は、リードフレー
ムに限るものではなく、TABテープやリード線などの
場合にも同様に適用可能である。
【0020】
【作用】一般に、CuーFe合金とSnを含むはんだと
の接合部を長時間加熱していると、接合界面には部は、
CuーSn金属間化合物と、FeーSn金属間化合物と
が形成されるが、この内FeーSn金属間化合物は脆
く、剥離しやすいため接合強度を著しく低下させる。
【0021】本発明においては、CuとSnを主成分と
する金属間化合物とFeとSnを主成分とする金属間化
合物の量比を、第1の金属素体のCuとFeとの量比よ
り大きくすることにより、FeーSn金属間化合物の生
成を抑制し、これにより接合強度を向上させている。
【0022】
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。
【0023】実施例1〜8 表1の実施例1〜8に示す配合となるよう各成分を調整
した後溶湯を作り、その溶湯を溶湯炉に入れて保持させ
た。次いて、この溶湯をタンデッシュに注ぎ込み、タン
デッシュから幅 500mmの溝を通して高速に回転している
冷却手段を備えた双ロール間に注ぎ込み、ここで薄板状
に成形するとともに急速冷却して金属帯を作成した。
【0024】双ロールにより作成した金属帯は 650℃ま
で冷却して時効処理した後、10℃/分で約 200℃まで徐
冷した。その後大気中で放冷し、表面のスケールを硝酸
で洗い落とし、コイルに巻き取ってCuーFe合金を得
た。
【0025】得られたCuーFe合金をプレスによりリ
ードフレームに成形し、その1組を溶融しているPbー
Sn共晶はんだに浸漬し、(一部ははんだめっき後120
℃で3時間加熱させた)接合させた後、リードフレーム
とはんだとの界面の状態を調べた。図1は接合界面の状
態を模式的に示す拡大断面図であり、1はリードフレー
ム、2ははんだ、3はCu−Sn金属間化合物、4はF
e−Sn金属間化合物、5はCu相、6はFe相を示
す。
【0026】結果と総合評価を表1に示す。なお、表中
の総合評価は、はんだぬれ性とはんだ耐候性( 150℃で
500時間、剥離強度試験)で評価し、全面密着で良好で
あるものを○、一部剥離で好ましくないものを△、ほぼ
全面剥離で不良のものを×とした。
【0027】比較例1〜2 表1比較例1〜2に示す配合となるよう各成分を調整し
た後、実施例1の場合と同じ条件でリードフレームを製
造した。
【0028】得られたリードフレームについて実施例と
同ー方法で特性を調査した。その結果を表1に示す。
【0029】
【表1】 表1から明らかなように、K値がK>1の範囲ではすべ
てその総合評価は良好であり、K値を1以下とした比較
例の場合はすべてその総合評価は不良もしくは好ましく
なかった。
【0030】
【発明の効果】本発明の民生用素子は、はんだと前記第
1の金属素体との接合部に形成される金属間化合物のう
ち、CuとSnを主成分とする金属間化合物とFeとS
nを主成分とする金属間化合物の量比を、第1の金属素
体のCuとFeとの量比より大きくしたので、はんだと
の接合性、界面の強度の信頼性に優れており、リードフ
レーム、TABテープ、リード線などの用途に好適に適
用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るはんだ接合部の金属組織を模式的
に示す断面図である。
【符号の説明】
1……リードフレーム、2……はんだ、3……Cu−S
n金属間化合物、4……FeーSn金属間化合物、5…
…Cu相、6……Fe相
フロントページの続き (72)発明者 清水 真也 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株式会社東芝 多摩川工場内 (72)発明者 工藤 好正 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株式会社東芝 多摩川工場内 (56)参考文献 特開 平1−230213(JP,A) 特開 昭62−142067(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01R 4/02 C22C 9/00 H01L 23/50 H01G 4/228

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 5〜90重量%のCuと、残部Feまたは
    FeとCr、Zr、ZnおよびMgから選ばれた1種以
    上の元素とからなる第1の金属素体と、これに接合され
    る第2の金属素体とを、Snを含むはんだにより接合し
    て成る民生用素子において、前記はんだと前記第1の金
    属素体との接合部に、該第1の金属素体の表面のFe相
    をエッチング除去することにより形成された処理層が設
    けられており、該処理層に生成される金属間化合物のう
    ち、CuとSnを主成分とする金属間化合物とFeとS
    nを主成分とする金属間化合物の量比が、第1の金属素
    体のCuとFeとの量比より大きくされていることを特
    徴とする民生用素子。
  2. 【請求項2】 前記処理層のCu−Sn金属間化合物量
    をM(Cu−Sn)、Fe−Sn金属間化合物量をM
    (Fe−Sn)、前記第1金属素体のCu含有量をM
    (Cu)、Fe含有量をM(Fe)とし、K={M(C
    u−Sn)/M(Fe−Sn)}/{M(Cu)/M
    (Fe)}としたとき、25≧K>1であることをこと
    を特徴とする請求項1記載の民生用素子。
  3. 【請求項3】 第1の金属素体と前記はんだとの界面
    に、Cr、Zr、Zn、Mgの中から選ばれる少なくと
    も1種の元素が濃縮されていることを特徴とする請求項
    1または2記載の民生用素子。
  4. 【請求項4】 5〜90重量%のCuと、残部Feまたは
    FeとCr、Zr、ZnおよびMgから選ばれた1種以
    上の元素とからなる第1の金属素体と、これに接合され
    る第2の金属素体とを、Snを含むはんだにより接合す
    る民生用素子の製造方法において、前記第1の金属素体
    の表面のFe相をエッチング除去することにより、Cu
    とSnを主成分とする金属間化合物の生成を促進し、前
    記はんだと前記第1の金属素体との接合部に形成される
    金属間化合物のうち、前記CuとSnを主成分とする金
    属間化合物とFeとSnを主成分とする金属間化合物の
    量比を、第1の金属素体のCuとFeとの量比より大き
    くすることを特徴とする民生用素子の製造方法。
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