JP3356993B2

JP3356993B2 - 打抜き加工性に優れるＦｅ−Ｎｉ系リードフレーム用合金およびＦｅ−Ｎｉ系プレス打抜き品

Info

Publication number: JP3356993B2
Application number: JP18749698A
Authority: JP
Inventors: 昆王; 純渡辺; 康英黒田
Original assignee: Nippon Yakin Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nippon Yakin Kogyo Co Ltd
Priority date: 1998-07-02
Filing date: 1998-07-02
Publication date: 2002-12-16
Anticipated expiration: 2018-07-02
Also published as: JP2000017400A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、良好な打抜き特性
を有するＦｅ−Ｎｉ系リードフレーム用合金と、この合
金から製造されたＦｅ−Ｎｉ系プレス打抜き品に係り、
打抜き時の剪断特性を改善するよう介在物の大きさ制御
することにより、良好な打抜き特性を得る技術に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、フラットパッケージに代表される
ようにリードフレームの多ピン化が進んでおり、微細化
加工における要求水準がますます高まっている。一般
に、リードフレーム用材料には、リードパターンが打抜
き加工で形成される打抜き用途と、リードパターンが塩
化第二鉄溶液によるエッチングで形成されるエッチング
用途に分けられ、後者のほうがより微細なリードパター
ンの形成に向いている。一般的に、リードフレーム用材
料に要求される特性としては、打抜き特性に優れるこ
と、プレス加工時における加工性に優れること、良
好なはんだ性、メッキ性を有し半導体素子とのボンディ
ング時に支障がないこと、加工後の強度が高く変形し
にくいこと、電気伝導性が高く、実作動温度である２
００℃以下での熱膨張係数が低いことなどがあげられ
る。打抜きリードフレームを用いたＩＣ半導体パッケー
ジの製造工程は、大まかには以下のように分けることが
できる。

【０００３】（１）素材（リードフレーム材）の打抜き
加工（２）リードフレームを樹脂モールドにマウントするマ
ウント工程（３）リードフレームと半導体素子を導線で接続するた
めのボンディング工程

【０００４】ここで、工程１では打抜き性が、工程２で
はプレス成形性が要求され、工程３ではメッキ性、はん
だ性がそれぞれ要求される。加工後の強度が必要なのは
ボンディング時に反りや曲がりなどの変形が起きにくい
ことが必要なためと、取り扱い時の変形による不良発生
で歩留まり低下を防ぐためである。また電気伝導性は、
リードに流れる電流による発熱を左右し、半導体素子の
動作の安定性に影響する。リードフレーム用材料には、
加熱による組立工程中の熱膨脹差による歪みに起因する
半導体素子の特性変動や、モールドレジンとの密着性の
劣化を防止するために、半導体素子またはモールドレジ
ンとの熱膨張係数が近いことが必要とされている。その
ような要求を満たす従来より代表的な金属材料として、
Ｆｅ−４２Ｎｉ合金、Ｆｅ−４５Ｎｉ合金、Ｆｅ−５０
Ｎｉ合金等の材料が用いられている。

【０００５】熱伝導の点では、銅合金がＦｅ−Ｎｉ合金
に比べてより有利であるが、最近では半導体素子の安定
性向上、放熱性の改善、リードの形状改善（薄肉化）に
よる実効比抵抗の減少などの個々の改善がなされている
ため、Ｆｅ−Ｎｉ合金の熱伝導特性は技術的なネックに
はなっていない。一方、打抜き性については、この工程
において品質のばらつきが製品の歩留まりに大きく影響
し、また、今後の高精細化、多ピン化の動向と併せて重
要な工程と考えられることから、従来から壮んに検討さ
れている。これまでの打抜き性改善の試みとしては、例
えば特開昭６１−４４１５６に見られるように、圧延方
向平行断面の介在物の大きさを５μｍ以下とし、Ａ系、
Ｂ系介在物の総数を１ｍｍ^２あたり２０個以上としたも
のや、特開昭６０−２５５９５３に見られるように、粒
径３μｍ以下の微細非金属介在物を組織内に均一分散さ
せたものがある。さらに、特開平９−８７８０８、２４
９９４３に見られるように、圧延および板圧方向に平行
な断面積１ｍｍ^２あたりの１０μｍ以上の大きさのＡ系
介在物またはＢ系介在物を１０〜１０００個、５μｍ以
下のＣ系介在物を１００〜５００００個に制限し、エッ
チング後の硫化物系介在物痕の個数を１０００〜２００
０個としているなど、打抜き性改善に介在物を積極的に
利用している例が多く見られる。また特開昭６３−２４
０１０に見られるように炉外精練温度を１７００℃以下
で行うことにより、打抜き性に対して有害な１０μｍを
越える大きさのＭｇＯ−Ａｌ_２Ｏ_３などのスピネル系酸
化物の介在物の生成を抑制する技術も提案されている。
これらのことから打抜き性に対して介在物の制御がいか
に重要かが判る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】リードフレーム材で
は、プレス打抜きの際に生じるバリやカスにより製品の
性能を劣化させるだけでなく、金型に疵を付けたり残留
応力により反りや曲がりが生じてハンドリングに不具合
が起こる。このため、半導体の製造工程において安定し
た製造に支障を来したり歩留りの低下をもたらし、重大
なトラブルの原因となることもある。特に、大きな介在
物の存在は、破面における剪断面と破断面の境界を大き
く乱し、リードフレーム材の打抜き性にとって致命的と
なる。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者の検討によれ
ば、マトリクス中に５〜１０μｍの介在物が存在してい
ると、剪断面と破断面の境界の直線性（以下、破断面の
均一性と称する）に大きな乱れが生じることが判明して
いる。図１および図２は打ち抜いた破面のＳＥＭ写真で
あり、５〜１０μｍの介在物が存在している部分では、
剪断面から介在物が引きずられて破断面に達しているこ
とが判る。そして、この部分では大きなバリが発生する
とともに、残留応力が不均一で加工後の経時変形が生じ
やすいことも確認されている。

【０００８】また、図１及び図２から観察される破断面
は多数のディンプルからなっているが、個々のディンプ
ルを詳細に観察すると、中に微細なＭｎＳが残っている
ことが判明した。このことから、ＭｎＳは破断の起点に
なっているものと推定され、微細なＭｎＳを分散させる
ことにより、破断面の均一性が確保されるとの推論に達
した。

【０００９】本発明の第１のＦｅ−Ｎｉ系リードフレー
ム用合金は、上記推論に基づいてＭｎＳの打抜き性に及
ぼす影響を定量的に解析してなされたもので、Ｎｉを３
０〜５０重量％含有したＦｅ−Ｎｉ系リードフレーム用
合金において、粒径が３μｍ以下のＭｎＳを１０００〜
６００００個／ｍｍ^２の割合で分散させたことを特徴と
している。上記数値限定の根拠は以下のとおりである。

【００１０】まず、ＭｎＳの粒径が３μｍを上回ると、
上述のように破断面の均一性を悪化させる。また、Ｍｎ
Ｓが破断の起点に確実になるためには、ＭｎＳの粒径は
０．２μｍ以上であることが望ましい。破断面の均一性
を確実に確保するために、ＭｎＳの粒径は２μｍ以下が
好ましく、１μｍ以下であればさらに好適である。ま
た、ＭｎＳの個数は、１０００個／ｍｍ^２未満であると
破断の起点が少ないために破断面の均一性に寄与しなく
なる。ＭｎＳの個数は、２０００個／ｍｍ^２以上である
ことが好ましく、５０００個／ｍｍ２以上であればより
好適であり、１００００個／ｍｍ^２以上であればさらに
好適である。一方、ＭｎＳの個数が６００００個／ｍｍ
^２を上回ると、熱間加工性と靭性を著しく劣化させ、メ
ッキ性も損なわれる。ＭｎＳの個数は、５００００個／
ｍｍ^２以下が好ましく、４００００個／ｍｍ２以下であ
ればより好ましく、３００００個／ｍｍ^２以下であれば
さらに好適である。

【００１１】特公幣−４３９８０号では、介在物の個数
及び大きさと合金の清浄度には相関関係があることを提
示している。本発明者の検討によっても、清浄度が大き
い（悪い）程、大きな介在物が多く生成されることが確
認されている。一方、清浄度が小さい（良い）と、図３
に示すように破断面の割合が少なすぎてバリが生じるこ
とも確認されている。本発明者は、清浄度と微細なＭｎ
Ｓの生成との関係についてさらに検討を行った結果、以
下のような知見を得るに至った。すなわち、微細なＭｎ
Ｓを生成させるためには、ある程度の量の微細な酸化物
系介在物の存在が必要である。この理由は定かではない
が、微細な酸化物系介在物をコアとしてＭｎＳが析出す
るか、あるいは、酸化物系介在物の一部としてＭｎＳが
析出するためと推測される。

【００１２】本発明の第２のＦｅ−Ｎｉ系リードフレー
ム用合金は、上記知見に基づいて清浄度を定量的に解析
してなされたもので、Ｎｉを３０〜５０重量％含有した
Ｆｅ−Ｎｉ系リードフレーム用合金において、Ｍｎ：
０．１〜１．５重量％、Ｓ：１〜５００ｐｐｍを含有
し、さらに、ＪＩＳ０５５５に規定する清浄度が０．０
０６〜０．０３であることを特徴としている。上記数値
限定の根拠は以下のとおりである。

【００１３】まず、清浄度が０．００６未満であると、
破断面の均一性は確保されるものの、破断面の割合が少
なすぎてバリが発生するようになる。また、清浄度が
０．０３を上回ると、大きな介在物の存在により破断面
の均一性が低下し、部分的なバリの発生や残留応力の不
均一が生じる。清浄度は０．００７以上が好ましく、
０．００８以上であればより好適である。また、清浄度
は、０．０２５以下が好ましく、０．０２以下であれば
より好ましく、０．０８〜０．０１７以下であればさら
に好適である。

【００１４】また、Ｍｎは脱酸成分の一つであるが、熱
間加工性に有害なＳと結合してＭｎＳを形成することか
ら、熱間加工性の改善に有効である。また、Ｓｉと同様
に、Ｍｎ酸化物は組織中に不均一核生成により発生する
ＭｎＳ等の硫化物の析出起点となるため、適当な量の添
加が望ましい。一方、Ｍｎの添加量が多すぎると熱膨張
係数が高くなり、半導体素子との熱膨張係数との差が大
きくなって基盤材として不適当になる。以上の観点から
Ｍｎの含有量は０．１〜１．５重量％とした。Ｍｎの含
有量は０．２〜１．０重量％が好適である。

【００１５】次に、Ｓは熱間加工性に対して有害な成分
であるが、打抜き性に対して有用なＭｎＳ等の硫化物を
生成するのに必要な成分であるため、適量の添加が必要
である。このような観点から、Ｓの含有量は１〜５００
ｐｐｍとした。Ｓの含有量は５〜２００ｐｐｍが好まし
く、７〜１００ｐｐｍがより好ましく、１０〜１００ｐ
ｐｍであればさらに好適である。

【００１６】本発明の第３のＦｅ−Ｎｉ系リードフレー
ム用合金は、上記した第１、第２の発明の特徴を兼ね備
えたものであり、Ｎｉを３０〜５０重量％含有したＦｅ
−Ｎｉ系リードフレーム用合金において、粒径が５μｍ
以下のＭｎＳを１０００〜２００００個／ｍｍ^２の割合
で分散させるとともに、ＪＩＳ０５５５に規定する清浄
度が０．００６〜０．０３であることを特徴としてい
る。そして、このようなＦｅ−Ｎｉ系リードフレーム用
合金においても、破断面の均一性を向上させることがで
き、これにより、バリの発生を抑制するとともに内部応
力の均一性を向上させることができる。

【００１７】なお、上記Ｆｅ−Ｎｉ系リードフレーム用
合金においても、清浄度は０．００７〜０．０２５が好
ましく、より好ましくは０．００８〜０．０２、さらに
好ましい範囲は０．０８〜０．０１７である。また、Ｍ
ｎＳの粒径は０．０５〜３μｍが望ましい。さらに、Ｍ
ｎＳの個数は、１５００〜１５０００個／ｍｍ^２である
ことが望ましく、２０００〜１００００個／ｍｍ^２であ
ればさらに好適である。

【００１８】次に、本発明の好適な成分組成について説
明する。本発明のＦｅ−Ｎｉ系リードフレーム用合金の
好ましい成分組成は、重量％で、Ｃ：０．００３〜０．
０２％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．１〜
１．５％、Ｎｉ：３０〜５０％、Ｓ：０．０００５〜
０．０２％、Ｎ：０．００１〜０．０２％、残部：Ｆｅ
および不可避的不純物からなる。以下、上記数値限定の
根拠を説明する。なお、以下の説明で「％」は「重量
％」を意味する。

【００１９】Ｃ：Ｃは、固溶強化および加工硬化による
材質強化に寄与する元素であるため、０．００３％以上
の添加を必要とする。一方、Ｃ含有量が多すぎると、電
気抵抗の増大を招いて導電性を悪化させるとともに、炭
化物が多く析出して熱間加工性、靭性（繰り返し曲げ性
等）および打抜き性を劣化させ、さらに、Ｆｅ−Ｎｉ系
合金本来の低熱膨張特性をも損なうことになる。そのた
め、Ｃは、０．００３〜０．０２ｗｔ％に規定した。以
上の理由から、Ｃの含有量は０．００３〜０．０２％と
した。

【００２０】Ｓｉ：Ｓｉは、脱酸剤として添加される
が、その含有量が多すぎるとＣと同様に低熱膨張特性を
損ない、打抜き性を低下させる。一方、Ｓｉの酸化物は
組織中に不均一核生成により発生するＭｎＳ等の硫化物
の析出起点となるため、適当な量の添加が望ましい。こ
のような観点から、Ｓｉの含有量は０．０５〜１．０％
とした。

【００２１】Ｎ：Ｎも熱間加工性に対して有害な成分で
あるが、Ｃと同様に固溶強化および加工硬化による材質
強化に寄与する元素であるため、適量の添加が必要であ
る。このような観点から、Ｎの含有量は０．００１〜
０．０２％とした。

【００２２】Ｎｉ：Ｎｉは、３０％未満であると焼鈍状
態でもマルテンサイトが形成され、磁気特性、熱膨張、
強度、その他の物理的特性が損なわれるので３０ｗｔ％
以上の添加が必要である。しかしながら、Ｎｉを５０ｗ
ｔ％を超えて含有させると電気抵抗や飽和磁束密度が減
少し、熱膨張係数を増大させる、その上、コスト的にも
不利になるので、上限は５０ｗｔ％とした。このような
観点から、Ｎｉの含有量は３０〜５０％とした。

【００２３】また、Ｔｉ、Ｚｒ、ＭｇおよびＣａのうち
少なくとも１種以上を総量で０．０００１〜０．０１重
量％含有することが望ましい。これらはいずれも凝固時
にＭｎＳが析出する核サイトとなる酸化物を形成する元
素であり、ＭｎＳの形態を球状にし、微細に分散させる
ために必要な元素である。これら元素の総量は、０．０
００１重量％未満では上記した効果が期待できず、ま
た、０．０１重量％を上回ると、熱膨張係数が大きくな
るとともにメッキ性を阻害する。

【００２４】次に、本発明者は、打ち抜いた破面におけ
る破断面の均一性を以下の方法で定量的に解析した。ま
ず、プレスで打ち抜いた破面を光学顕微鏡で観察し、５
μｍ間隔で破断面高さを５０点測定して破断面高さｈ_ｎ
の平均値ｓを求めた。そして、ｈ_ｎおよびｓを式１に代
入して標準偏差を算出した。

【数２】

【００２５】本発明者の検討によれば、破断面高さの標
準偏差が１５以下であると、打抜き後の材料の変形は殆
ど生じないことが判明した。また、平均値ｓを板厚で除
算して破断面の割合を算出したところ、破断面割合が１
０％を下回ると残留応力が高く打抜き後の経時変形が生
じ易いことが判明した。また、破断面割合が６０％を上
回ると、材料が脆化することが判明した。この材料の脆
化の原因の一つに、破断面に形成されたディンプルのノ
ッチ効果があると考えられる。本発明のＦｅ−Ｎｉ系プ
レス打抜き品は、このような知見に基づいてなされたも
ので、上記のようなＦｅ−Ｎｉ系リードフレーム用合金
から製造されたプレス打抜き品であって、打ち抜いた破
面を光学顕微鏡で観察して５μｍ間隔で破断面幅を５０
点測定して得た標準偏差が１５以下であり、かつ、打ち
抜いた破面における破断面の割合が１０〜６０％である
ことを特徴としている。

【００２６】この場合において、上記標準偏差は、１０
以下であることが好ましく、５以下であればさらに好適
である。また、破断面割合は、１５％以上が好ましく、
２０％以上であればさらに好適である。また、破断面割
合は、５０％以下が好ましい。そして、このようなＦｅ
−Ｎｉ系プレス打抜き品から高品質なリードフレームを
製造することができ、そのようなリードフレームも本発
明の特徴の一つである。

【００２７】

【実施例】以下、具体的な実施例により本発明をより詳
細に説明する。Ｆｅ−４２％Ｎｉを主成分とするＦｅ−
Ｎｉ系合金を、真空溶解炉にて鋼塊に溶製した。その
際、酸化物系介在物とＭｎＳの形態および大きさ並びに
個数を変化させるために、溶製条件、造塊条件及び脱酸
剤の添加時期、添加量を適宜選定した。その後、各鋼塊
に対して鍛造を行い、通常の熱間圧延、冷間圧延及び焼
鈍を行って板厚０．１５ｍｍの冷延板を得た。この冷延
板の表面をSPEED法でエッチングしてマトリクスを選択
的に除去した。その面をＳＥＭ（７０００倍、１７μｍ
×１１μｍの範囲）で１０視野観察し、１視野内のＭｎ
Ｓの個数を計数してその平均を１ｍｍ^２当たりの個数に
換算した。図９は、そのＳＥＭ写真の例であり、（ａ）
では７個、（ｂ）では２個確認されている。また、ＪＩ
Ｓ０５５５に基づいて各冷延板の清浄度を測定した。Ｍ
ｎＳの個数と清浄度を図１０に示すとともに、各冷延板
の成分組成とともに表１に示した。

【００２８】

【表１】

【００２９】次に、各冷延板について以下の方法で打抜
き試験を行った。まず、１０トンプレスを２３０ｓｐｍ
の条件で使用し、冷延板を１２ｍｍ角の正方形に打ち抜
いた。その際の破面を光学顕微鏡で観察し、破断面比率
と破断面の均一性を求めた。破断面比率（％）は、破面
に対して５μｍ間隔で破断面高さｈ_ｎを５０点測定し、
その平均値ｓを板厚で除算して算出した。また、破断面
の均一性は、破断面高さｈ_ｎとその平均値ｓを前記数１
に代入して標準偏差を算出し、その値で評価した。

【００３０】清浄度が０．００６未満でＭｎＳの個数が
１０００個／ｍｍ^２未満の合金Ｃ（図３参照）では、破
断面割合がわずか８％で大きなバリが発生していた。一
方、清浄度が０．０３を上回る合金Ｄでは、図４に示す
ように不均一な破断面となった。合金Ｄの破断面の均一
性を示す標準偏差は２０であり、部分的に大きなバリが
発生した。また、清浄度が０．０３を上回る合金Ｅで
も、図５に示すように破断面割合が４４％で大きいが不
均一な破断面となり、標準偏差は１９で部分的に大きな
バリが発生した。なお、図１及び図２は、それぞれ表１
における合金Ａ及びＢである。これに対して、本発明例
の合金Ｆ〜Ｈでは、図６〜８に示すように破断面の均一
性は非常に良好であり、標準偏差も全て１０以下でバリ
は発生していなかった。

【００３１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、破断面の
均一性を向上させることができるので、リードフレーム
材の打抜き工程でのバリ発生による材料不具合や、ハン
ドリングによる不具合がなくなるとともに、金型の寿命
を大幅に向上することが期待でき、近年のＩＣパッケー
ジ用リードフレーム材の高精細化、高信頼性化および生
産効率の向上に対して優れた部品を供給することが可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】比較合金Ａの破面のＳＥＭ写真である。

【図２】比較合金Ｂの破面のＳＥＭ写真である。

【図３】比較合金Ｃの破面の光学顕微鏡写真である。

【図４】比較合金Ｄの破面の光学顕微鏡写真である。

【図５】比較合金Ｅの破面の光学顕微鏡写真である。

【図６】本発明合金Ｆの破面の光学顕微鏡写真であ
る。

【図７】本発明合金Ｇの破面の光学顕微鏡写真であ
る。

【図８】本発明合金Ｈの破面の光学顕微鏡写真であ
る。

【図９】本発明合金ＩのＳＥＭ写真である。

【図１０】実施例における清浄度とＭｎＳの個数との
関係を示す線図であり、線で囲んだ矩形の範囲が本発明
の範囲である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者黒田康英神奈川県川崎市川崎区小島町４番２号日本冶金工業株式会社研究開発本部技術研究所内 (56)参考文献特開昭60−255953（ＪＰ，Ａ) 特開平９−249943（ＪＰ，Ａ) 特開平９−118963（ＪＰ，Ａ) 特開平９−235656（ＪＰ，Ａ) 特開2000−17399（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 38/00 - 38/60

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ：０．００３〜０．０２
％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．１〜１．５
％、Ｎｉ：３０〜５０％、Ｓ：０．０００５〜０．０２
％、Ｎ：０．００１〜０．０２％、残部Ｆｅからなり、
粒径０．２〜３μｍのＭｎＳを１０００〜６００００個
／ｍｍ^２の割合で分散させ、ＪＩＳ０５５５に規定する
清浄度が０．００６〜０．０３のＦｅ−Ｎｉ系リードフ
レーム用合金から製造されるプレス打抜きリードフレー
ムにおいて、打ち抜いた破面を光学顕微鏡で観察し、５
μｍ間隔で破断面高さを５０点測定して、破断面高さｈ
_ｎの平均値ｓを求め、ｈ _ｎおよびｓを式１に代入して算
出される標準偏差が１５以下であり、かつ、打ち抜いた
破面における破断面の割合が１０〜６０％であることを
特徴とするリードフレーム。【数１】