JP4345075B2 - Copper and copper-based alloy excellent in wire bonding property and die bonding property and manufacturing method thereof - Google Patents

Copper and copper-based alloy excellent in wire bonding property and die bonding property and manufacturing method thereof Download PDF

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JP4345075B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体機器のリードフレーム材用銅及び銅基合金に、チップを搭載(ダイボンディング)する際にフラックスを使わず直接チップをはんだ接合(ベアダイボンディング)し、かつワイアーボンディング用リード線を直接リードフレーム材に接合(ベアワイアーボンディング)することを可能にするワイアーボンディング性およびダイボンディング性に優れた銅及び銅基合金とその製造法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、半導体機器はまず銅または銅合金のリードフレーム用素材を打抜き又はエッチングにより所定の形状にし、次に半導体素子とリードフレーム材をアルミまたは金線等でワイアーボンディングするために、リードフレーム材のダイパット部およびアウターリード部分へのめっきを行なう。そして、めっきされたダイパット部へはんだ付け等により半導体素子を接合(ダイボンディング)し、さらにリードフレームと半導体素子をワイアーで接合(ワイアーボンディング)し、封止したのち、アウターリード部が基盤にはんだ付け等によって実装されていた。
【0003】
これから分るように、リードフレーム材とワイアー(ワイアーボンディング)あるいはリードフレーム材と半導体素子(ダイボンディング)およびリードフレーム材と基盤の接合のために、リードフレーム材にはめっきは不可欠なものであった。
【0004】
ところが、微少な個所へのスポットめっきの場合は、非常に高い精度を必要とし、めっきの良否がダイボンディング及びワイアーボンディングに影響を与え、場合により不良品が発生する場合があった。この問題は、全面めっきを行うことで解消することが可能であるが、全面めっきの場合はコストがかかりすぎるという欠点がある。
【0005】
このため、半導体素子のダイボンディング時にペーストを用いて接合する技術が開発され、これによりめっきを省略する方法が開発されてはいるが、リードフレーム部分には耐久性及び電気伝導性といった問題のために、依然としてAuまたはAgといった高価な貴金属めっきを必要としている。従って、総工程数は減少せず、またコスト低減にも繋がっていない。特に、低コスト化の要求が厳しくなっているディスクリート用リードフレームにおいては、この問題は大きな障害になっており、めっきレス化の要求が非常に強くなっている。
【0006】
また、ダイボンディング時およびリード部のはんだ接合時には通常フラックスが使用されるが、この残渣の洗浄もまた問題となってきている。すなわち、通常洗浄剤として使用されてきたフロン類がオゾン層破壊の問題から使用が禁止されて、代わりの洗浄剤(代替フロン、塩素系洗浄剤)も規制が厳しくなって来ている。こういった中で、半導体製品は近年ますます高密度化実装が進み、部品間の間隔が狭くなっており、そこに存在するわずかなフラックスの残渣でさえ、マイグレーションなどの短絡を引き起こす原因となっている。このフラックス除去のための有効な洗浄方法は少なく、有効な洗浄剤の開発が待たれる一方で、洗浄を行わない即ちフラックスを使用しなくとも実装可能な材料(ノンフラックスでのダイボンディング及びはんだ付けが可能な材料)の開発が要求されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
このような現状に対し、めっきを省略してリードフレームとボンディングワイアーを直接接合する方法、すなわちベアワイアーボンディングについての多くの研究が行われてきている。ベアワイアーボンディング性を改善させるべく、過去にリードフレーム材料の観点から行われた検討には、例えば特公昭62−46071号公報があり、ここでは材料の表面粗さを最大表面粗さ(Rmax)で0.5μm以下とすること、あるいはさらに析出物、介在物等の単一面積を3×10−6mm以下にすることで、ベアボンディング性が改善されることが開示されている。
【0008】
しかしながら、実際に最大表面粗さ(Rmax)を0.5μm以下とするためには、圧延ロールを極度なまでに平滑に研磨する必要があり、このためには膨大なコストおよび時間がかかる。また、析出物、介在物等の単一面積が3×10−6mm以下にするためには、厳しい熱処理条件の制御を必要とし、量産工程としては対応が難しい。
【0009】
また、フラックスなしでのベアはんだ付け性を実施するため、例えば特開平11−12714号公報には、酸洗浄することでフレーム表面の酸化皮膜厚さを低減する技術が開示されている。しかしながら、ダイパット部のチップ接合(ダイボンディング)では、はんだを薄く均一に広げることが要求されており、このため通常フレームを加熱したのちに糸はんだ等を供給し、さらにコテ、ダイス等を使用した機械的加工によりはんだを均一にする処理が行われるが、この場合酸化皮膜厚さを制御しただけでははんだの表面張力が大きく、ダイパット部で均一なはんだの広がりが得られない。
【0010】
本発明はかかる問題点に鑑みなされたものであって、優れたワイアーボンディング性を有するとともに、ダイパット部でのはんだが均一に広がるダイボンディング性に優れた銅及び銅合金とその製造方法を提案するものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、ダイボンディング時のはんだ付け性に及ぼす種々の材料因子について鋭意検討を行ったところ、フレーム表面の酸化皮膜厚さおよび表面粗さ(大きさ)と共にフレーム素材の結晶粒径、さらには表面粗さの形状を制御することが重要であることを見いだした。すなわち、結晶粒径の大きさが適切でないと、材料の表面粗さが充分小さくかつ酸化皮膜厚さも充分小さいにもかかわらず、フラックスなしでのはんだ付けの際、ダイパット部ではんだが均一に広がらず、ダイボンディング不良を起こす場合があることが分った。
【0012】
一方、結晶粒径が適切であっても、酸化皮膜厚さと表面粗さの両者について満足しなければ、優れたワイアーボンディング性が得られない。また、同じ表面粗さであっても、はんだの均一性が表面粗さの形状で異なることが分った。このことより、フレーム表面の酸化皮膜厚さ、表面粗さとともに、結晶粒径さらには表面粗さの形状を制御することで、はじめてフラックスなしでのダイパット部でのはんだ付け性が良好である材料が実現できることが判明した。
【0013】
すなわち、本発明は、
1.結晶粒径が10μm以上150μm以下であり、中心線平均粗さ(Ra)が0.15μm以下であり、さらに酸化皮膜厚さが6nm以下であることを特徴とするワイアーボンディング性およびダイボンディング性に優れた銅及び銅基合金。
【0014】
2.重量%においてP0.01〜0.5%、またはFe,Ni,Sn,Zn,Cr,Co,Si,Mg,Ti,Zrの群のうちから選ばれる少なくとも1種を総量0.01〜5.5%含有し、残部がCuおよび不可避的不純物からなり、結晶粒径が10μm以上150μm以下であり、中心線平均粗さ(Ra)が0.15μm以下であり、さらに酸化皮膜厚さが6nm以下であることを特徴とするワイアーボンディング性およびダイボンディング性に優れた銅及び銅基合金。
【0015】
3.重量%においてP0.01〜0.5%、またはFe,Ni,Sn,Zn,Cr,Co,Si,Mg,Ti,Zrの群から選ばれる1種または2種以上を総量0.01〜5.5%含有し、さらに必要に応じてMn,Cd,Al,Pb,Be,Te,ln,Ag,B,Y,La,Ce,Au,Caの群から選ばれる1種または2種以上を総量で0.01〜2.0%含有し、残部がCuおよび不可避的不純物からなり、結晶粒径が10μm以上150μm以下であり、中心線平均粗さ(Ra)が0.15μm以下であり、さらに酸化皮膜厚さが6nm以下であることを特徴とするワイアーボンディング性およびダイボンディング性に優れた銅及び銅基合金。
【0016】
4.酸素濃度5%以下の雰囲気で熱処理することにより、結晶粒径が10μm上150μm以下とすることを特徴とする上記1〜3に記載のワイアーボンディング性およびダイボンディング性に優れた銅及び銅基合金の製造方法。
【0017】
5.前記結晶粒径を10μm以上150μm以下にする熱処理温度が300℃以上900℃以下で、熱処理時間が0.01から72時間までであることを特徴とする上記1〜3に記載のワイアーボンディング性およびダイボンディング性に優れた銅及び銅基合金の製造方法。
である。
【0018】
【作用】
以下、本発明について、その範囲の限定理由を詳細に説明する。
結晶粒径を10μm以上150μm以下とした理由としては、ダイボンディング時にはんだとチップの間には安定した強い接合力が必要なためである。特に、はんだをコテ、ダイス等の機械的な加工法を薄く均一化させようとするとき、はんだが粒界に侵入することで毛細管現象が起こり、はんだが均一に広がりやすくなる。この場合、結晶粒径は10μm未満の場合、上記毛細管現象によるはんだの広がりの効果が小さく、均一なはんだの広がりが期待できない。従って、結晶粒径は10μm以上とする。また、150μmより大きい粗大な結晶粒径はリードフレームの加工性を阻害するため好ましくない。なお、他の特性とのバランスから結晶粒径は20μm以上50μmまでが好ましい。
【0019】
表面粗さについて、中心線平均粗さ(Ra)を0.15μm以下としたのは、リードフレームとボンディングワイアーとの接合において安定して強い接合力を得ることが必要なためある。Ra:0.15μm以上では、リードフレームにめっきを施した材料ほど、安定で強い接合力が得られなかった。また、Ra:0.06μm以下の表面粗さでは、はんだの均一性が低下する上、ロール研磨にコストがかかるため好ましくない。従って、材料の表面粗さはRaで0.06〜0.15μmの範囲とし、さらに好ましくはRaで0.06〜0.12μm以下とする。
【0020】
また、はんだが均一で広がるためには表面粗さの形状が下向きに凹であることが好ましく、中心線から凸側の高さと凹側の高さの比が1:2以上、好ましくは1:5以上がよい。
【0021】
酸化皮膜厚さを6nm以下とした理由は、ノンフラックスでのはんだ付け性を行うために、表面の酸化皮膜が充分薄いことが必要なためである。すなわち、表面酸化皮膜厚さが6nmを越えるとリードフレームとワイアーの接合強度やはんだ付け性が低下する。従って、材料の表面酸化皮膜厚さは6nm以下、好ましくは5nm以下とする。なお、ここでは、酸化皮膜厚さの定義として、定電流電解法による酸化物の還元電気量をCuO+CuO換算した値を用いた。
【0022】
次に、本発明に係わる銅基合金の添加元素の選択と、その含有量の範囲の限定理由について述べる。
(1)P
Pは脱酸効果を持ち、溶解・鋳造時の製造性を向上する。また、Pの含有及びりん化物の形成により、耐熱性を向上させる働きがある。さらに、ボンディング性およびはんだ付け性を向上させる効果がある。しかし、P含有量が0.01重量%未満ではこれらの効果が不充分であり、また他の添加元素と化合物を形成して分散析出する効果も充分に引き出せない。また、0.5重量%を越えると電気伝導性、はんだ耐候性が低下するほか、ボンディング性およびはんだ付け性も低下する。従って、Pの含有量は0.01〜0.50重量%とする。
【0023】
(2)Fe,Ni,Sn,Zn,Cr,Co,Si,Mg,Ti,Zr
Fe,Ni,Sn,Zn,Cr,Co,Si,Mg,Ti,Zrは、結晶粒径を均一化する働きがあり、強度、弾性を向上させる効果も併せ持つ。また、Fe,Ni,CoはPと化合物を形成して耐熱性をも向上させる。さらに、適度の含有は、ボンディング性はんだ付け性を向上させる効果を持つ。この効果を発揮させるためには、0.01重量%以上の含有が必要であるが、5.5重量%を越えて含有すると、電気伝導性の低下が顕著になる。また、ボンディング性やはんだ付け性が低下し、さらには経済的にも不利になる。従って、これらの含有量の総量は0.01〜5.5重量%の範囲とする。
【0024】
(3)副成分について
副成分として、ln,Cd,Al,Pb,Be,Te,ln,Ag,B,Y,La,Ce,Au,Caの群から選ばれる1種または2種以上を総量で0.01〜2.0%含有させると、上記諸特性をより向上させる。すなわち、これらの元素の添加により、本発明に係わる銅基合金の電気伝導性を低下させることなく、強度、耐熱性およびプレス加工性を向上させる。しかしながら、2.0%以上の含有は、ボンディング性およびはんだ付け性、またはんだの均一広がり性を低下させる。従って、これらの含有量の総量は0.01〜2.0重量%の範囲とする。
【0025】
次に、熱処理条件の範囲限定理由を述べる。
酸素濃度を5%以下としたのは、300℃以上の温度で5%以上の酸素濃度雰囲気中で熱処理すると、表面に生成した酸化皮膜が厚くなり、次工程以降で酸化皮膜厚さを所定の厚さに制御することが困難になるためである。なお、均一で薄い酸化皮膜に制御するため好ましくは酸素濃度1%以下が望ましい。
【0026】
焼鈍温度を300〜900℃、焼鈍時間を0.01から72時間としたのは、上記に示した結晶粒径を得るためである。この場合、300℃以下の温度では熱処理により所定の結晶粒径を得るためにあまりにも時間がかかり過ぎ、経済的にも不利となる。また、900℃以上の温度では結晶粒径を均一に制御することが難しい。従って、熱処理温度は300から900℃とする。なお、結晶粒径を均一に制御するために、熱処理温度は400℃以上750℃以下にすることが望ましい。
次に、本発明の実施の形態を実施例により説明する。
【0027】
【発明の実施の形態】
実施例
表1に示す組成の合金を高周波溶解炉を用いて溶製し、850℃に加熱した後、厚さ5.0mmまで熱間圧延した。次に、表面の面削により厚さ4.8mmとし、冷間圧延と熱処理を繰り返し、板厚0.25mmの板材を得た。この際、途中工程で適宜所定の熱処理を実施し、さらには最終圧延加工時圧延ロールの粗さを調整した。このようにして得られた板材に酸洗浄を行った。
【0028】
次に、上記材料について結晶粒径、酸化皮膜厚さ、中心線平均粗さ(Ra)、90°W曲げ加工性、ボンディング性およびはんだ付け性とはんだの厚さの均一性を調査した。
結晶粒径の測定には、塩化鉄によるエッチング法を採用した。5%塩化鉄により試験片表面をエッチングし、150倍の光学顕微鏡で観察し、結晶粒径を求めた。このときの結晶組織の顕微鏡写真(×75)を図1に示す。
中心線平均粗さ(Ra)は、JIS B0601に従い、万能表面粗さ測定器を用い、最小単位0.01μmまで測定を行った。また、中心線から凸方向の高さの平均と凹方向の高さの平均を算出してこの比率求めた。
【0029】
はんだ付け性は、垂直式試験法で270±5℃のはんだ浴(Sn:63重量%、Pb:37重量%)に9±1s浸漬した。フラックスは使用しなかった。はんだ付け性の評価は、ぬれ面積を測定することで行い、濡れ面積が99%以上であるものを最良(◎)、95%以上であるものを良好(○)、それ以下を不可(×)とした。
【0030】
はんだ厚さについては、試験片を水素10%−窒素90%の還元性雰囲気の下、あらかじめ380℃に加熱したホットプレート上に置き、95Pb−5Snの糸はんだ約1gを乗せ、溶融した後にダイス(超硬材)で押し広げ、空冷した後に、SEMおよびEPMAによりその厚さを確認した。ここで、厚さは任意の5個所を測定し、10%以内のバラツキを○とした。10%以上のバラツキがあるか、あるいは空隙等の異常があるものは×とした。
【0031】
酸化皮膜厚測定には、電解液:0.1N−KCl、電流密度0.25mA/cmの条件で定電流電解を行い、その還元電気量をもって酸化皮膜厚さに換算した。ここで酸化皮膜については、CuO+CuOと仮定して計算した。また、合金の場合も添加元素を含んだ酸化皮膜が形成されるが、添加元素量が少量であり、酸化皮膜の主体は銅を主体とした酸化物であると考え、CuO+CuOとして酸化皮膜厚さを算出した。
【0032】
ボンディング性の評価方法としては、プルテスタにより接合強度および次式のワイアー破断率を求め評価した。
ワイアー破断率(%)=(ワイアー破断した本数/全試験本数)×100
なお、ワイアーボンディングには超音波接合法を用い、以下に示すボンディング条件で行った。
【0033】
ボンディングワイアーの材質およびワイアー系:Al線25μmφ、
雰囲気:超音波出力:0.2W、
基盤温度:加圧力:0.25N、
時間:30ms、
ボンディング本数:20本/試料
90°W曲げ加工性はR=0.2の曲げ治具を用い、CES M0002に準拠し、曲げ試験を実施した。試験後、両端を拘束されたW曲げ部中央を実体顕微鏡で24倍に拡大観察し、割れが生じているかどうか確認した。その結果を表1に示す。
【0034】
【表1】

Figure 0004345075
【0035】
本発明合金1〜5においては、いずれも結晶粒径を10μm以上150μm以下とし、最終圧延時の圧延ロールの中心線平均粗さ(Ra)を0.15μm以下に制御することで、材料の表面粗さをRaで0.15μm以下に制御した。また、試験片を5%の硫酸で洗浄することで、酸化皮膜を6nm以下に制御した。この結果、いずれも均一なはんだ厚さ及びはんだ濡れ性、また良好なワイアーボンディング性が得られていることが分る。
【0036】
一方、結晶粒径の小さい比較例No.6〜8では、ワイアーボンディング性に優れていても、均一なはんだ厚さが得られていない。特に、比較例8は粗さの比率も1/2超えていた。
また、圧延ロールの中心線平均粗さRaが大きく、酸洗浄を行っていない比較例No.9〜10は、材料の中心線中心線平均粗さRaが大きく、また酸化皮膜厚さも厚かった。この場合、いずれもワイアー破断率が小さく、接合強度及びはんだ付け性とも低下していた。
【0037】
比較例11,12は、圧延ロールの中心線中心線平均粗さRaが大きい例である。この場合、結晶粒径、酸化皮膜厚が本発明の範囲を満たしているものであっても、ワイアー破断率が低下していた。
【0038】
比較例13,14は、結晶粒径が本発明の範囲を越えている例である。比較例13は酸化皮膜も厚いため、はんだ付け性も劣り、またワイアー破断率も低下していた。また、粗さの比率が1/2超えていた比較例14では、はんだの均一性に劣っていた。
比較例15は、酸化皮膜厚さが厚い例である。この場合、はんだ付け性に劣ることが分る。
【0039】
比較例16は、結晶粒径および表面粗さが本発明の範囲を越えている例である。この場合、はんだの均一性、ワイアー破断率の低下が観察された。また、比較例16は粗さの比率も1/2超えていた。
【0040】
すなわち、結晶粒径が10μm以上150μm以下で、表面酸化皮膜が6nm以下で、中心線平均粗さ(Ra)が0.10μmという条件を備えた本発明のみ、はじめて従来のめっき材である従来品17〜20並みのワイアーボンディング性、はんだ付け性及びはんだの均一な広がり性が得られることが分る。ここで、従来のNo.17〜20はNiめっき品であり、コスト面で問題がある。従って、本発明は従来のNiめっき品に相当するボンディング性、はんだ付け性及びはんだの均一性による歩留まりの安定性を得たものであり、大幅なコスト削減が可能である。
【0041】
【発明の効果】
本発明および本発明法は銅及び銅基合金において、結晶粒径、表面酸化皮膜の厚さ及び表面粗さの大きさや形状を共に制御することによって、これまでなし得なかったベア材でのワイアーボンディング性と同時にダイボンディング性を可能としたものであり、信頼性が要求されるリードフレーム材において、めっき工程を省略することが可能となり、大幅なコスト低減を実現できる極めて実用価値の高いものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明合金の結晶組織の顕微鏡写真(×75)である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention directly solders a chip (bare die bonding) without using a flux when mounting the chip (die bonding) on copper and a copper base alloy for a lead frame material of a semiconductor device, and leads for wire bonding The present invention relates to a copper and a copper-based alloy excellent in wire bonding property and die bonding property that enables direct bonding to a lead frame material (bare wire bonding), and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in a semiconductor device, a lead frame material made of copper or a copper alloy is first formed into a predetermined shape by punching or etching, and then the semiconductor element and the lead frame material are wire-bonded with aluminum or gold wire. Plating the die pad part and the outer lead part. Then, the semiconductor element is joined to the plated die pad part by soldering or the like (die bonding), and the lead frame and the semiconductor element are joined by wire (wire bonding) and sealed, and then the outer lead part is soldered to the substrate. It was implemented by attaching.
[0003]
As can be seen, plating is indispensable for leadframe materials for bonding leadframe materials and wires (wire bonding) or leadframe materials and semiconductor elements (die bonding) and leadframe materials and substrates. It was.
[0004]
However, in the case of spot plating on a minute part, very high accuracy is required, and the quality of plating affects die bonding and wire bonding, and in some cases, defective products may occur. This problem can be solved by performing full-surface plating, but there is a drawback that it is too costly in the case of full-surface plating.
[0005]
For this reason, a technique for bonding using a paste at the time of die bonding of a semiconductor element has been developed, and thus a method of omitting plating has been developed. However, the lead frame portion has problems such as durability and electrical conductivity. In addition, expensive noble metal plating such as Au or Ag is still required. Therefore, the total number of processes does not decrease and does not lead to cost reduction. In particular, this problem is a major obstacle in discrete lead frames where the demand for cost reduction is becoming strict, and the demand for plating-less is very strong.
[0006]
Further, a flux is usually used during die bonding and soldering of the lead portion, but cleaning of this residue has also become a problem. That is, the use of chlorofluorocarbons, which have been used as a normal cleaning agent, is prohibited due to the problem of ozone layer destruction, and the regulation of alternative cleaning agents (alternative chlorofluorocarbons and chlorine-based cleaning agents) is becoming stricter. Under these circumstances, semiconductor products have been increasingly mounted with higher density in recent years, and the spacing between components has become narrower. Even a small amount of flux residue can cause short circuits such as migration. ing. There are few effective cleaning methods for removing the flux, and development of an effective cleaning agent is awaited. On the other hand, materials that can be mounted without using cleaning, that is, without using flux (non-flux die bonding and soldering) Development of materials that can be used is required.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In response to this situation, much research has been conducted on a method of directly bonding a lead frame and a bonding wire without plating, that is, a bare wire bonding. In order to improve the bare wire bonding property, for example, Japanese Examined Patent Publication No. Sho 62-46071 has been studied in the past from the viewpoint of the lead frame material. Here, the surface roughness of the material is set to the maximum surface roughness (Rmax). It is disclosed that the bare bonding property is improved by setting it to 0.5 μm or less, or by further setting the single area of precipitates and inclusions to 3 × 10 −6 mm 2 or less.
[0008]
However, in order to actually set the maximum surface roughness (Rmax) to 0.5 μm or less, it is necessary to grind the rolling roll extremely smoothly, which requires enormous cost and time. Further, in order to make the single area of precipitates, inclusions, etc. 3 × 10 −6 mm 2 or less, it is necessary to control severe heat treatment conditions, and it is difficult to deal with as a mass production process.
[0009]
In order to implement bare solderability without flux, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-12714 discloses a technique for reducing the thickness of the oxide film on the surface of the frame by acid cleaning. However, in chip bonding (die bonding) of the die pad part, it is required to spread the solder thinly and uniformly. For this reason, the solder is usually supplied after heating the frame, and further, a trowel, a die, etc. are used. A process for making the solder uniform is performed by mechanical processing. In this case, the surface tension of the solder is large only by controlling the thickness of the oxide film, and a uniform spread of the solder cannot be obtained at the die pad portion.
[0010]
The present invention has been made in view of such problems, and proposes copper and a copper alloy having excellent wire bonding properties and excellent die bonding properties in which solder in a die pad portion spreads uniformly and a method for manufacturing the same. Is.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present inventor conducted extensive studies on various material factors affecting the solderability during die bonding, and found that the oxide film thickness and surface roughness (size) on the frame surface as well as the crystal grain size of the frame material, Found that it is important to control the shape of the surface roughness. That is, if the crystal grain size is not appropriate, the solder will spread evenly at the die pad portion when soldering without flux, even though the surface roughness of the material is sufficiently small and the oxide film thickness is also sufficiently small. However, it was found that die bonding failure may occur.
[0012]
On the other hand, even if the crystal grain size is appropriate, excellent wire bondability cannot be obtained unless both the oxide film thickness and the surface roughness are satisfied. Further, it was found that even with the same surface roughness, the uniformity of the solder differs depending on the shape of the surface roughness. This makes it possible to control the crystal grain size and the surface roughness as well as the oxide film thickness and surface roughness on the surface of the frame for the first time. Was found to be feasible.
[0013]
That is, the present invention
1. A wire bonding property and a die bonding property characterized by having a crystal grain size of 10 μm or more and 150 μm or less, a center line average roughness (Ra) of 0.15 μm or less, and an oxide film thickness of 6 nm or less. Excellent copper and copper base alloy.
[0014]
2. The total amount of 0.01 to 0.5% by weight, P 0.01 to 0.5%, or at least one selected from the group consisting of Fe, Ni, Sn, Zn, Cr, Co, Si, Mg, Ti, and Zr. 5% content, the balance is made of Cu and inevitable impurities, the crystal grain size is 10 μm or more and 150 μm or less, the center line average roughness (Ra) is 0.15 μm or less, and the oxide film thickness is 6 nm or less A copper and copper-based alloy excellent in wire bonding and die bonding, characterized by being
[0015]
3. The total amount is 0.01 to 5% by weight in terms of P 0.01 to 0.5% or one or more selected from the group consisting of Fe, Ni, Sn, Zn, Cr, Co, Si, Mg, Ti, and Zr. 0.5%, and further, if necessary, one or more selected from the group of Mn, Cd, Al, Pb, Be, Te, In, Ag, B, Y, La, Ce, Au, Ca The total amount is 0.01 to 2.0%, the balance is made of Cu and inevitable impurities, the crystal grain size is 10 μm or more and 150 μm or less, and the center line average roughness (Ra) is 0.15 μm or less, Furthermore, the oxide film thickness is 6 nm or less, copper and copper-based alloy excellent in wire bonding property and die bonding property.
[0016]
4). The copper and copper-based alloy having excellent wire bonding properties and die bonding properties according to the above 1 to 3, wherein the crystal grain size is 10 μm to 150 μm or less by heat treatment in an atmosphere having an oxygen concentration of 5% or less Manufacturing method.
[0017]
5. The wire bonding properties according to the above 1 to 3, wherein the heat treatment temperature for setting the crystal grain size to 10 μm or more and 150 μm or less is 300 ° C. or more and 900 ° C. or less, and the heat treatment time is 0.01 to 72 hours. A method for producing copper and a copper-based alloy having excellent die bonding properties.
It is.
[0018]
[Action]
Hereinafter, the reason for limiting the scope of the present invention will be described in detail.
The reason why the crystal grain size is 10 μm or more and 150 μm or less is that a stable and strong bonding force is required between the solder and the chip during die bonding. In particular, when trying to make the mechanical processing method such as soldering and dies thin and uniform, a capillary phenomenon occurs when the solder enters the grain boundary, and the solder tends to spread uniformly. In this case, when the crystal grain size is less than 10 μm, the effect of spreading of the solder due to the capillary phenomenon is small, and uniform spreading of the solder cannot be expected. Therefore, the crystal grain size is 10 μm or more. Further, a coarse crystal grain size larger than 150 μm is not preferable because it impedes the workability of the lead frame. From the balance with other characteristics, the crystal grain size is preferably 20 μm to 50 μm.
[0019]
Regarding the surface roughness, the center line average roughness (Ra) is set to 0.15 μm or less because it is necessary to stably obtain a strong bonding force in bonding the lead frame and the bonding wire. When Ra: 0.15 μm or more, the more stable and strong bonding force was not obtained as the material in which the lead frame was plated. Further, when the surface roughness is Ra: 0.06 μm or less, the uniformity of the solder is lowered and the roll polishing is expensive, which is not preferable. Therefore, the surface roughness of the material is Ra in the range of 0.06 to 0.15 μm, and more preferably Ra is 0.06 to 0.12 μm or less.
[0020]
Further, in order for the solder to spread uniformly, the shape of the surface roughness is preferably concave downward, and the ratio of the height on the convex side to the height on the concave side from the center line is 1: 2 or more, preferably 1: 5 or more is good.
[0021]
The reason why the thickness of the oxide film is 6 nm or less is that the surface oxide film needs to be sufficiently thin in order to perform soldering with non-flux. That is, when the surface oxide film thickness exceeds 6 nm, the bonding strength and solderability between the lead frame and the wire are lowered. Therefore, the surface oxide film thickness of the material is 6 nm or less, preferably 5 nm or less. Here, as the definition of the oxide film thickness, a value obtained by converting the reduced electric energy of the oxide by the constant current electrolysis method into CuO + Cu 2 O was used.
[0022]
Next, the selection of the additive element of the copper base alloy according to the present invention and the reason for limiting the content range will be described.
(1) P
P has a deoxidizing effect and improves manufacturability during melting and casting. Moreover, there exists a function which improves heat resistance by content of P and formation of a phosphide. Furthermore, there is an effect of improving the bondability and solderability. However, if the P content is less than 0.01% by weight, these effects are insufficient, and the effect of forming a compound with other additive elements to be dispersed and precipitated cannot be sufficiently brought out. On the other hand, if it exceeds 0.5% by weight, the electrical conductivity and solder weatherability are lowered, and the bonding property and solderability are also lowered. Therefore, the content of P is set to 0.01 to 0.50% by weight.
[0023]
(2) Fe, Ni, Sn, Zn, Cr, Co, Si, Mg, Ti, Zr
Fe, Ni, Sn, Zn, Cr, Co, Si, Mg, Ti, and Zr have a function of making the crystal grain size uniform, and also have an effect of improving strength and elasticity. Fe, Ni and Co also form a compound with P to improve heat resistance. Furthermore, moderate inclusion has an effect of improving the bonding solderability. In order to exert this effect, it is necessary to contain 0.01% by weight or more, but if it exceeds 5.5% by weight, the electrical conductivity is remarkably lowered. Moreover, bonding property and solderability are deteriorated, and further, it is economically disadvantageous. Therefore, the total amount of these contents is in the range of 0.01 to 5.5% by weight.
[0024]
(3) Subcomponents As subcomponents, the total amount of one or more selected from the group of ln, Cd, Al, Pb, Be, Te, In, Ag, B, Y, La, Ce, Au, Ca When the content is 0.01 to 2.0%, the above characteristics are further improved. That is, the addition of these elements improves the strength, heat resistance and press workability without reducing the electrical conductivity of the copper-based alloy according to the present invention. However, if the content is 2.0% or more, the bondability and solderability, or the uniform spread of the solder deteriorates. Therefore, the total amount of these contents is in the range of 0.01 to 2.0% by weight.
[0025]
Next, the reason for limiting the range of heat treatment conditions will be described.
The reason why the oxygen concentration is set to 5% or less is that when the heat treatment is performed in an atmosphere having an oxygen concentration of 5% or more at a temperature of 300 ° C. or higher, the oxide film formed on the surface becomes thicker. This is because it becomes difficult to control the thickness. In order to control a uniform and thin oxide film, an oxygen concentration of 1% or less is desirable.
[0026]
The reason why the annealing temperature is set to 300 to 900 ° C. and the annealing time is set to 0.01 to 72 hours is to obtain the crystal grain size shown above. In this case, at a temperature of 300 ° C. or lower, it takes too much time to obtain a predetermined crystal grain size by heat treatment, which is economically disadvantageous. Moreover, it is difficult to control the crystal grain size uniformly at a temperature of 900 ° C. or higher. Therefore, the heat treatment temperature is set to 300 to 900 ° C. In order to uniformly control the crystal grain size, the heat treatment temperature is desirably 400 ° C. or higher and 750 ° C. or lower.
Next, embodiments of the present invention will be described by way of examples.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Example An alloy having the composition shown in Table 1 was melted using a high-frequency melting furnace, heated to 850 ° C., and then hot-rolled to a thickness of 5.0 mm. Next, the thickness was set to 4.8 mm by surface chamfering, and cold rolling and heat treatment were repeated to obtain a plate material having a thickness of 0.25 mm. Under the present circumstances, predetermined heat processing was implemented suitably in the middle process, and also the roughness of the rolling roll at the time of final rolling was adjusted. The plate material thus obtained was subjected to acid cleaning.
[0028]
Next, the crystal grain size, oxide film thickness, centerline average roughness (Ra), 90 ° W bending workability, bonding property, solderability, and uniformity of solder thickness were investigated for the above materials.
For the measurement of the crystal grain size, an etching method using iron chloride was employed. The surface of the test piece was etched with 5% iron chloride and observed with a 150 × optical microscope to determine the crystal grain size. A micrograph (× 75) of the crystal structure at this time is shown in FIG.
The centerline average roughness (Ra) was measured to a minimum unit of 0.01 μm using a universal surface roughness measuring instrument in accordance with JIS B0601. Further, the average of the height in the convex direction and the average of the height in the concave direction from the center line was calculated to obtain this ratio.
[0029]
Solderability was immersed for 9 ± 1 s in a solder bath (Sn: 63 wt%, Pb: 37 wt%) at 270 ± 5 ° C. by a vertical test method. Flux was not used. Solderability is evaluated by measuring the wetted area, where the wetted area is 99% or more is the best (◎), 95% or more is good (○), and less is not possible (×) It was.
[0030]
Regarding the solder thickness, the test piece was placed on a hot plate preheated to 380 ° C. in a reducing atmosphere of 10% hydrogen and 90% nitrogen, and about 1 g of 95Pb-5Sn thread solder was placed on the test piece and melted in the die. After spreading with (super hard material) and air cooling, the thickness was confirmed by SEM and EPMA. Here, the thickness was measured at five arbitrary points, and the variation within 10% was evaluated as ◯. The case where there was a variation of 10% or more or there was an abnormality such as a void was rated as x.
[0031]
For the measurement of the oxide film thickness, constant current electrolysis was performed under the conditions of electrolytic solution: 0.1 N-KCl, current density of 0.25 mA / cm 2 , and the amount of reduced electricity was converted to the oxide film thickness. Here, the oxide film was calculated assuming CuO + Cu 2 O. Also, in the case of an alloy, an oxide film containing an additive element is formed, but the amount of the additive element is small, and the oxide film is considered to be mainly an oxide mainly composed of copper, and the oxide film is formed as CuO + Cu 2 O. The thickness was calculated.
[0032]
As a bonding property evaluation method, a pull tester was used to determine and evaluate the bonding strength and the wire breakage rate of the following equation.
Wire breakage rate (%) = (number of wire breaks / total number of tests) × 100
The wire bonding was performed using an ultrasonic bonding method under the bonding conditions shown below.
[0033]
Bonding wire material and wire system: Al wire 25 μmφ,
Atmosphere: Ultrasonic output: 0.2 W
Base temperature: Applied pressure: 0.25N
Time: 30ms,
Number of bonding: 20 pieces / sample 90 ° W The bending workability was performed using a bending jig with R = 0.2, in accordance with CES M0002. After the test, the center of the W-bending part where both ends were constrained was magnified 24 times with a stereomicroscope, and it was confirmed whether or not cracking occurred. The results are shown in Table 1.
[0034]
[Table 1]
Figure 0004345075
[0035]
In the alloys 1 to 5 of the present invention, the surface of the material is controlled by setting the crystal grain size to 10 μm or more and 150 μm or less, and controlling the center line average roughness (Ra) of the rolling roll at the final rolling to 0.15 μm or less. The roughness was controlled to 0.15 μm or less with Ra. Moreover, the oxide film was controlled to 6 nm or less by washing the test piece with 5% sulfuric acid. As a result, it can be seen that uniform solder thickness and solder wettability, and good wire bonding properties are obtained.
[0036]
On the other hand, Comparative Example No. having a small crystal grain size. In 6-8, even if it is excellent in wire bonding property, uniform solder thickness is not obtained. In particular, Comparative Example 8 also had a roughness ratio exceeding 1/2.
Moreover, the comparative example No. which the centerline average roughness Ra of a rolling roll is large, and has not performed acid washing | cleaning. Nos. 9 to 10 had a large centerline average roughness Ra of the material and a thick oxide film. In this case, the wire breakage rate was small, and both the joint strength and the solderability were reduced.
[0037]
Comparative Examples 11 and 12 are examples in which the centerline centerline average roughness Ra of the rolling roll is large. In this case, even when the crystal grain size and the oxide film thickness satisfy the scope of the present invention, the wire breakage rate was reduced.
[0038]
Comparative Examples 13 and 14 are examples in which the crystal grain size exceeds the range of the present invention. Since Comparative Example 13 had a thick oxide film, the solderability was inferior and the wire breakage rate was also reduced. Further, in Comparative Example 14 in which the roughness ratio exceeded 1/2, the solder uniformity was inferior.
Comparative Example 15 is an example in which the oxide film thickness is thick. In this case, it turns out that it is inferior to solderability.
[0039]
Comparative Example 16 is an example in which the crystal grain size and the surface roughness exceed the scope of the present invention. In this case, a decrease in solder uniformity and wire breakage rate was observed. Further, Comparative Example 16 also had a roughness ratio exceeding 1/2.
[0040]
That is, the present invention is the only conventional plating material for the first time with the present invention having the condition that the crystal grain size is 10 μm or more and 150 μm or less, the surface oxide film is 6 nm or less, and the center line average roughness (Ra) is 0.10 μm. It can be seen that wire bondability, solderability, and uniform spreadability of solder of about 17 to 20 can be obtained. Here, the conventional No. 17 to 20 are Ni plated products, which are problematic in terms of cost. Therefore, the present invention obtains the stability of the yield due to the bondability, solderability, and solder uniformity equivalent to the conventional Ni-plated product, and can greatly reduce the cost.
[0041]
【The invention's effect】
The present invention and the method of the present invention are based on the control of the crystal grain size, the thickness of the surface oxide film, and the size and shape of the surface roughness in copper and copper-based alloys. Die bonding is possible at the same time as bonding, and it is possible to omit the plating process for lead frame materials that require high reliability. is there.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a micrograph (× 75) of a crystal structure of an alloy of the present invention.

Claims (4)

重量%においてP0.01〜0.5%、残部がCuおよび不可避的不純物からなり、結晶粒径が10μm以上150μm以下であり、中心線平均粗さ(Ra)が0.15μm以下であり、中心線から凸方向の高さの平均と凹方向の高さの平均の比率が1:2以上であり、さらに酸化皮膜厚さが6nm以下であることを特徴とするワイアーボンディング性およびダイボンディング性に優れた銅及び銅基合金。 P0.01~0.5% in weight%, the balance being Cu and unavoidable impurities, the grain size is at 10μm or 150μm or less, the center line average roughness (Ra) is not more 0.15μm or less, the center The ratio of the average height in the convex direction to the average height in the concave direction from the line is 1: 2 or more, and the oxide film thickness is 6 nm or less. Excellent copper and copper base alloy. 重量%においてP0.01〜0.5%と、さらにFe,Ni,Sn,Coの群のうちから選ばれる少なくとも1種を総量で0.01〜5.5%含有し、残部がCuおよび不可避的不純物からなり、結晶粒径が10μm以上150μm以下であり、中心線平均粗さ(Ra)が0.15μm以下であり、中心線から凸方向の高さの平均と凹方向の高さの平均の比率が1:2以上であり、さらに酸化皮膜厚さが6nm以下であることを特徴とするワイアーボンディング性およびダイボンディング性に優れた銅及び銅基合金。 And P0.01~0.5% in weight%, further Fe, Ni, Sn, at least one selected from among the group of Co containing 0.01 to 5.5% in total, the balance being Cu and unavoidable The crystal grain size is 10 μm or more and 150 μm or less, the center line average roughness (Ra) is 0.15 μm or less, the average of the height in the convex direction and the average of the height in the concave direction from the center line. A copper and copper-based alloy having excellent wire bonding property and die bonding property, wherein the ratio is 1: 2 or more and the oxide film thickness is 6 nm or less. 酸素濃度5%以下の雰囲気で熱処理することにより、結晶粒径が10μm以上150μm以下とすることを特徴とする請求項1又は2に記載のワイアーボンディング性およびダイボンディング性に優れた銅及び銅基合金の製造方法。 3. The copper and copper base excellent in wire bonding property and die bonding property according to claim 1 or 2 , wherein the crystal grain size is 10 μm or more and 150 μm or less by heat treatment in an atmosphere having an oxygen concentration of 5% or less. Alloy manufacturing method. 前記結晶粒径を10μm以上150μm以下にする熱処理温度が300℃以上900℃以下で、熱処理時間が0.01〜72時間であることを特徴とする請求項1又は2に記載のワイアーボンディング性およびダイボンディング性に優れた銅及び銅基合金の製造方法。The wire bonding property and the wire bonding property according to claim 1 or 2 , wherein the heat treatment temperature for setting the crystal grain size to 10 µm or more and 150 µm or less is 300 ° C or more and 900 ° C or less, and the heat treatment time is 0.01 to 72 hours. A method for producing copper and a copper-based alloy having excellent die bonding properties.
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