JP4275697B2 - 電子機器用銅合金およびリードフレーム材 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置や電子部品などの電子機器に用いられる電子機器用銅合金およびリードフレーム材に関するものである。

従来、ＩＣやＬＳＩなどの半導体装置に用いられるリードフレーム、各種電子部品の端子およびコネクタは、銅合金の薄板に対してプレス加工等を施すことにより作製されている。
ここで、プレス加工により作製されたリードフレーム等には、残留応力が発生する。この残留応力を除去するために、通常、プレス加工後のリードフレーム等には４００℃から４５０℃での熱処理が施されているが、この熱処理の際に結晶組織が再結晶化することにより銅合金の強度が低下することが知られている。そこで、リードフレーム等に用いられる電子機器用銅合金には、前述の熱処理で強度が低下することがないように耐熱性が要求される。

このような電子機器用銅合金として、例えば特許文献１に開示されているような、析出硬化型合金の一種であるＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金（いわゆるコルソン系合金）が広く提供されている。Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金は、銅の母相中にＮｉ−Ｓｉ系金属間化合物を析出物粒子として分散させることで、耐熱性、強度、導電率の向上を図ったものである。

一般に、前述の析出硬化型合金においては、銅の母相中に分散する粒子のサイズがその特性に大きな影響を与えることが知られている。ここで、直径１μｍ以上の粗大粒子は、再結晶時において主要な核形成サイトとなり、この粒子のサイズが大きいほど再結晶核は形成しやすいため、耐熱性が低下してしまう。一方、銅の母相中に数１０ｎｍ以下の微細な粒子が密に分散すると、ピン止め効果によって粒界移動が拘束され、再結晶化が抑制されて耐熱性が向上するとされている。

そこで、例えば特許文献２には、従来のＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金（析出硬化型合金）において、銅の母相中に分散する粒子を１０ｎｍ以下と微細化することにより、強度および導電率の向上を図ったものが提案されている。このように、従来は、析出物粒子のサイズを微細にすることで、耐熱性、強度、導電性が向上すると考えられていた。
特公平０３−４６１３号公報 特開２００５−８９８４３号公報

ところで、近年、プレス加工技術の向上により、プレス加工によって作製されるリードフレームの多ピン化が進んでおり、これにともない加工後の残留応力が大きくなる傾向にある。この残留応力の除去するために、従来の４００〜４５０℃から５００℃といった高温領域での熱処理が行われている。
しかしながら、従来の電子機器用銅合金では、５００℃の高温領域での耐熱性が不十分であり、熱処理を行った際に強度が低下してしまうおそれがあった。そこで、耐熱性を従来よりも向上させた電子機器用銅合金が望まれていた。

本発明は、前述の事情に鑑みてなされたものであって、５００℃といった高温領域においても強度が低下することがない耐熱性を備えた電子機器用銅合金およびリードフレーム材を提供することを目的とする。

この課題を解決するために、本発明者らは鋭意研究を行った結果、直径が１０ｎｍ未満の非常に微細な析出物粒子は、５００℃といった高温領域において粒界の移動を拘束するピン止め効果が小さく再結晶の抑制効果を期待できず、ある範囲の直径を有する析出物粒子が前記高温領域での再結晶抑制に効果的であるとの知見を得た。

本発明は、かかる知見に基いてなされたものであって、本発明に係る電子機器用銅合金は、Ｎｉ；０．５〜３重量％およびＳｉ；０．１〜０．９重量％、かつ、Ｍｇ；０．００１〜０．２重量％を含み、透過型電子顕微鏡観察において、Ｎｉ _２ Ｓｉ金属間化合物を主とする析出物粒子が銅の母相中に分散しており、直径１０〜５０ｎｍの析出物粒子が１μｍ^２あたり２０個以上観察されるとともに、直径２０〜４０ｎｍの析出物粒子が、直径２０ｎｍ未満および直径４０ｎｍを超える析出物粒子よりも数多く観察されることを特徴としている。

また、本発明に係るリードフレーム材は、半導体装置に用いられるリードフレームであって、前述の電子機器用銅合金からなることを特徴としている。

本発明に係る電子機器用銅合金およびリードフレーム材によれば、銅の母相中に析出して分散される析出物粒子のサイズおよび個数について、直径１０〜５０ｎｍ、１μｍ^２あたり２０個以上と規定されているので、５００℃といった高温領域におけるピン止め効果を確実に奏功せしめることができ、再結晶化を抑制できる。したがって、５００℃の高温領域での熱処理が施されても強度が大きく低下することがない。

また、直径２０〜４０ｎｍの析出物粒子が、２０ｎｍ未満の微細な析出物粒子や、４０ｎｍを超える粗大な析出物粒子よりも数多く観察されるので、５００℃といった高温領域での再結晶化を効果的に抑制でき、強度低下を確実に防止することができる。

ここで、Ｓｎ；０．１〜０．９重量％、Ｚｎ；０．１〜３重量％、Ｆｅ；０．００７〜０．２５重量％、Ｐ；０．００１〜０．２重量％のうち少なくとも１種以上を有するものとしてもよい。
これらの元素は、電子機器用銅合金の特性を向上させる効果を有しており、用途にあわせて選択的に含有させることで特性を向上させることが可能となる。

さらに、引張強度が６００ＭＰａ以上、かつ、導電率が４５％ＩＡＣＳ以上となるように設定してもよい。
この場合、耐熱性を備えるとともに、高強度、高導電率の電子機器用銅合金を提供することができ、リードフレーム材の薄肉化を図ることができる。

本発明によれば、５００℃といった高温領域においても強度が低下することがない耐熱性を備えた電子機器用銅合金およびリードフレーム材を提供することができる。

以下に、本発明の一実施形態である電子機器用銅合金について添付した図面を参照して説明する。
本実施形態である電子機器用銅合金は、Ｎｉ；０．５〜３重量％およびＳｉ；０．１〜０．９重量％を含み、かつ、Ｓｎ；０．１〜０．９重量％、Ｚｎ；０．１〜３重量％、Ｆｅ；０．００７〜０．２５重量％、Ｐ；０．００１〜０．２重量％およびＭｇ；０．００１〜０．２重量％のうち少なくとも１種以上を有し、残部がＣｕと不可避不純物からなる組成を有している。

ＮｉおよびＳｉは、銅の母相中に分散する析出物粒子を形成する元素である。ＮｉおよびＳｉが下限を下回ると析出物粒子の個数が不足し、強度および耐熱性を向上させることができない。一方、ＮｉおよびＳｉが上限を超えると強度や耐熱性の向上に寄与しない数μｍ以上の粗大なＮｉ−Ｓｉ系粒子が存在してしまい、耐熱性に効果のあるサイズの析出物粒子が不足してしまう。
また、析出物粒子は主にＮｉ_２Ｓｉ金属間化合物で構成されており、その構成比率からＮｉ／Ｓｉ（重量比）は、２〜８の範囲内とすることが好ましい。

Ｓｎ、Ｚｎ、Ｆｅ、ＰｂおよびＭｇは、銅合金の特性を向上させる元素であり、用途に応じて選択的に添加することができる。以下にそれぞれの元素について説明する。

Ｓｎは、銅の母相中に固溶して強度を向上させる効果を有しており、０．１重量％未満ではその効果を奏功せしめることはできない。一方、０．９重量％を超えると固溶量が多くなって導電率が大きく低下してしまう。このため、Ｓｎを含有する場合には、０．１〜０．９重量％の範囲内とすることが好ましい。

Ｚｎは、銅の母相中に固溶して半田耐熱剥離性を向上させる効果を有しており、０．１重量％未満ではその効果を奏功せしめることができない。一方、３重量％を超えても更なる効果を得ることはできなくなるとともに母相中への固溶量が多くなって導電率が低下してしまう。このため、Ｚｎを含有する場合には、０．１〜３重量％の範囲内とすることが好ましい。

Ｆｅは、結晶粒を微細化して、強度、曲げ特性を向上させる効果を有しており、０．００７重量％未満ではその効果を奏功せしめることができない。一方、０．２５重量％を超えると導電率の低下を招く。このため、Ｆｅを含有する場合には、０．００７〜０．２５重量％の範囲内とすることが好ましい。

Ｐは、溶湯の脱酸剤としての効果を有しており、０．００１重量％未満ではその効果を十分に発揮することができない。一方、０．２重量％を超えるとその効果が飽和するとともに導電率の低下を招く。このため、Ｐを含有する場合には、０．００１〜０．２重量％の範囲内とすることが好ましい。

Ｍｇは、銅合金中に微量に存在するＳ（硫黄）と反応して化合物を形成する元素であり、銅合金中のＳ量を低減する。Ｓは結晶粒界の強度を低下させ、主に熱間圧延性を劣化させるため、Ｍｇを含有することで熱間圧延性を向上させることができる。ここで、Ｍｇが０．００１重量％未満ではその効果を奏功せしめることができず、０．２重量％を超えるとさらなる効果は期待できない。また、Ｍｇは、Ｃｕとの原子半径差が大きく、固溶強化を効果的に示すが、０．００１重量％未満ではその効果が極めて小さく、０．２重量％を超えると鋳造品質を低下させる。このため、Ｍｇを含有する場合には、０．００１〜０．２重量％の範囲内とすることが好ましい。

また、本実施形態である電子機器用銅合金は、透過型電子顕微鏡観察を行った場合に、直径１０〜５０ｎｍの析出物粒子が１μｍ^２あたり２０個以上観察される。また、視野内において、直径２０〜４０ｎｍの析出物粒子が２０ｎｍ未満の微細な析出物粒子や、４０ｎｍを超える粗大な析出物粒子よりも数多く観察される。

ここで、透過型電子顕微鏡観察においては、その観察倍率によって分解能が変化し、観察される析出物粒子のサイズや個数に変動が生じる。そこで、本実施形態においては、１５ｎｍ以上の析出物粒子を測定する際には観察倍率を２万倍とし、１５ｎｍ未満の析出物粒子を測定する際には観察倍率を５万倍としている。なお、５万倍での観察で把握されない極めて微細な粒子は、再結晶の抑制には寄与しないため考慮する必要はない。

電子機器用銅合金の薄板から、透過型電子顕微鏡観察用の薄膜を作製し、観察倍率２万倍および５万倍で組織観察を行い、析出物粒子のサイズおよび個数を測定した。図１に、本実施形態である電子機器用銅合金の観察倍率２万倍での観察写真を、図２に観察倍率５万倍での観察写真を示す。なお、図１、図２に示された写真の実際の倍率については、これらの写真の右下に記載されたスケールバーから換算する。
図１および図２において、矢印で示す粒子が析出物である。矢印Ａで示される粒子が直径２０〜４０ｎｍのものであり、矢印Ｂで示される粒子が直径２０ｎｍ未満、矢印Ｃで示される粒子が直径４０ｎｍを超えるものである。

図１に示す写真（観察倍率２万倍）の視野面積は、約１６．７μｍ^２である。したがって、この写真内でカウントされた析出物粒子の個数を１６．７で除することで１μｍ^２あたりの析出物の個数が算出される。
同様に、図２に示す写真（観察倍率５万倍）の視野面積は、約２．３７μｍ^２である。よって、この写真内でカウントされた析出物粒子の個数を２．３７で除することで１μｍ^２あたりの析出物の個数が算出される。
なお、透過型電子顕微鏡観察は局所的な観察となるため、このような観察を複数回行うことが好ましい。

析出物粒子のサイズおよび個数の調整は、鋳造、熱間圧延後の焼鈍条件および冷間圧延条件を変更することで行う。本実施形態では、鋳塊を熱間圧延した後に中間焼鈍と冷間圧延を繰り返し、最終圧延後に２００〜６００℃×１秒間〜１．０時間の低温焼鈍を行っている。また、熱間圧延後に焼鈍を入れたり、途中工程で溶体化処理・時効処理を入れてもよい。ただし、これら焼鈍条件および冷間圧延条件は、熱間圧延後の銅合金板材の板厚や幅、銅合金の組成、製造設備等によって大きく変化するため、最終的な銅合金薄板の組織を観察した結果、前述の析出物粒子が観察されればよい。

前述のような構成とされた本実施形態である電子機器用銅合金によれば、５００℃といった高温領域での粒界移動を拘束するのに効果的な直径１０〜５０ｎｍの析出物粒子が１μｍ^２あたり２０個以上存在しているので、高温領域においても再結晶化を抑制でき、耐熱性を向上させることができる。
また、直径２０〜４０ｎｍの析出物が最も多く存在し、耐熱性向上に大きく寄与しない２０ｎｍ未満の微細な析出物粒子および４０ｎｍを超える粗大な析出物粒子の数が少ないので、５００℃といった高温領域での再結晶化を効果的に抑制でき、強度低下を確実に防止することができる。

以上、本発明の実施形態である電子機器用銅合金について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｆｅ、ＰｂおよびＭｇ以外の元素については、不可避不純物として含有されていてもよい。不可避不純物としては総量で２．０重量％以下に抑えることが好ましい。また、Ｃｕは９５重量％以上含まれていることが好ましい。

以下に、本発明の有効性を確認するために行った確認実験の結果について説明する。
まず、溶解炉にて原料を溶解した後に鋳造を行い、表１に示す組成の鋳塊を得た。この鋳塊に熱間圧延を施し、表面酸化層を除去した後に４つに分割し、分割後のサンプルにそれぞれ冷間圧延および焼鈍を行い、試験片となる銅合金薄板を作製した。すなわち、組成を同じくする鋳塊を用いて熱間圧延後の冷間圧延条件および焼鈍条件を変化させ、析出状態を調整した試験片を作製した。

これらの試験片から、透過型電子顕微鏡観察用の薄膜をそれぞれ作製し、観察倍率２万倍および５万倍で組織観察を行った。そして、観察された析出物粒子の直径を測定するとともに個数をカウントした。析出物粒子の測定結果を図３に示す。
本発明例では、直径１０〜５０ｎｍの析出物粒子が１μｍ^２あたり３４個観察され、直径３０ｎｍの析出物粒子が最も多く観察されている。
一方、比較例１では、直径１０〜５０ｎｍの析出物粒子が１μｍ^２あたり２７個観察されているが、直径５ｎｍの微細な析出物粒子が最も多く観察されている。
また、比較例２では、直径１０〜５０ｎｍの析出物粒子が１μｍ^２あたり１８個観察され、直径５ｎｍの微細な析出物粒子が最も多く観察されている。また、直径２０〜４０ｎｍの析出物粒子が他のサンプルに比べて最も少ない。
同様に、比較例３では、直径１０〜５０ｎｍの析出物粒子が１μｍ^２あたり１９個観察され、直径５ｎｍの微細な析出物粒子が最も多く観察されている。

これらの試験片の引張強度、ビッカース硬度及び導電率の測定結果を表２に示す。本発明例および比較例１〜３において、引張強度、ビッカース硬度及び導電率に大きな差はなく組成も同一であることから、析出物の総量はすべての試験片で略同一であり、析出物の析出状態のみが異なっていることになる。

そして、これらの試験片の耐熱性をビッカース硬度により評価した。まず、熱処理前の試験片のビッカース硬度を測定し、試験片に５００℃の熱処理を行った後にそれぞれの試験片のビッカース硬度を測定した。そして、熱処理前の硬度と熱処理の硬度とを比較して硬度の保持率を評価した。なお、保持率は、（保持率）＝（熱処理後硬度）／（熱処理前硬度）で算出される。熱処理時間と保持率との関係を図４に示す。

本発明例においては、熱処理時間５分経過後においても保持率が９６％以上であり、５００℃の高温領域においても十分な耐熱性を備えていることが確認される。
一方、比較例１〜３においては、熱処理時間２分経過時に既に保持率が９５％未満であり、耐熱性が不十分である。特に、直径２０〜４０ｎｍの析出物粒子が他のサンプルに比べて最も少ない比較例２においては、２分経過後に９０％まで低下している。

この確認実験の結果、Ｎｉ；０．５〜３重量％およびＳｉ；０．１〜０．９重量％を含み、かつ、Ｓｎ；０．１〜０．９重量％、Ｚｎ；０．１〜３重量％、Ｆｅ；０．００７〜０．２５重量％、Ｐ；０．００１〜０．２重量％およびＭｇ；０．００１〜０．２重量％のうち少なくとも１種以上を有し、残部がＣｕと不可避不純物からなり、透過型電子顕微鏡観察において、直径１０〜５０ｎｍの析出物粒子が１μｍ^２あたり２０個以上観察されるとともに、直径２０〜４０ｎｍの析出物粒子が、直径２０ｎｍ未満および直径４０ｎｍを超える析出物粒子よりも数多く観察されるように構成された電子機器用銅合金によれば、５００℃の高温領域においても十分な耐熱性を有していることが確認された。

５００℃の高温領域でも十分な耐熱性を有するとともに、高強度、高導電率の電子機器用銅合金を提供できる。

本発明の実施形態である電子機器用銅合金の観察倍率２万倍による透過型電子顕微鏡観察写真である。 本発明の実施形態である電子機器用銅合金の観察倍率５万倍による透過型電子顕微鏡観察写真である。 試験片の析出物粒子の分布状態を示すグラフである。 耐熱性評価試験結果を示すグラフである。

Claims (4)

1. Ｎｉ；０．５〜３重量％およびＳｉ；０．１〜０．９重量％、かつ、Ｍｇ；０．００１〜０．２重量％を含み、透過型電子顕微鏡観察において、Ｎｉ _２ Ｓｉ金属間化合物を主とする析出物粒子が銅の母相中に分散しており、直径１０〜５０ｎｍの析出物粒子が１μｍ^２あたり２０個以上観察されるとともに、直径２０〜４０ｎｍの析出物粒子が、直径２０ｎｍ未満および直径４０ｎｍを超える析出物粒子よりも数多く観察されることを特徴とする電子機器用銅合金。
2. 請求項１に記載の電子機器用銅合金において、
   Ｓｎ；０．１〜０．９重量％、Ｚｎ；０．１〜３重量％、Ｆｅ；０．００７〜０．２５重量％、Ｐ；０．００１〜０．２重量％のうち少なくとも１種以上を有することを特徴とする電子機器用銅合金。
3. 請求項１または請求項２に記載の電子機器用銅合金において、
   引張強度が６００ＭＰａ以上、かつ、導電率が４５％ＩＡＣＳ以上であることを特徴とする電子機器用銅合金。
4. 半導体装置に用いられるリードフレーム材であって、
   請求項１から請求項３のいずれかに記載の電子機器用銅合金からなることを特徴とするリードフレーム材。

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