JP5214282B2 - ダイシング加工性に優れるｑｆｎパッケージ用銅合金板 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置等の電子部品、特にダイシング加工を要するＱＦＮパッケージ用銅合金板に関する。

半導体装置として、これまでのＱＦＰに代表される外部リードの有るパッケージや、リードフレームレスであるＣＳＰ、ＢＧＡといったパッケージに代わり、ＱＦＮパッケージが増加してきている。
これは、既存のＱＦＰ生産ラインを活用できるだけでなく、実装面積もＢＧＡ並みに小型化でき、かつＣＳＰ並みの薄型化が可能であるからである。また、金属製のリードフレームを持つことから生産性が高く、またＢＧＡの様なパッケージ信頼性の低さもない。さらに、裏面にヒートスプレッダーを具備できることから、熱放散の面からもＢＧＡ、ＣＳＰの様に別付けでヒートシンクを組み付ける必要が無く、低コスト化が可能である。

このＱＦＮパッケージであるが、パッケージ組立ての生産効率を高めるため、リードフレームのパターンがマトリックス状（例：縦横５×５，１０×１０など）に配置され、チップ搭載、ワイヤーボンド工程を経た後の樹脂モールド時にパッケージを一括した状態で成型、最終段階でダイシングという工程をとる(特許文献１〜３参照)。このダイシングは、元来はＳｉチップをウエハーから切り離す方法として、ダイヤモンドの粉を散りばめた極薄のブレードにて切断するために使用されていたものであるが、先の一括モールドを行ったパッケージ（例：縦横５×５，１０×１０）を一つ一つの個片に切り離す方法として活用されている。

このダイシング工程を持つＱＦＮパッケージの組立では、本ダイシング工程時に外部リードがブレードにより切断されるため、リードフレーム材料はダイシング加工性に優れることが求められている。
ダイシング工程で問題となる点は、ブレードによって切断される外部リードのバリ（リード引きずりバリという）とブレード自体の摩耗である。切断された際に発生したリードのバリが大きい場合、パッケージを基板へ実装する際にはんだ付けが安定的に行えなくなり、実装工程の生産性を阻害するばかりか、実装基板自体の信頼性を低下させる。また、ブレード摩耗が大きい場合、ブレードのドレッシング回数が増すだけでなく切り離すパッケージの寸法変化などを伴い、生産性の低下のみならず製品そのものの歩留まり低下も生じてしまう。従って、リード引きずりバリの発生を極力小さくし、ブレード摩耗も極力小さくすることがＱＦＮ用リードフレーム材料に求められている。

ＱＦＮ用リードフレーム材料として、従来のＱＦＰ用リードフレーム材料として周知の銅、銅合金及びＣｕ−Ｎｉ合金が用いられ（特許文献２，３参照)、このうち銅合金としては、主としてＣＤＡ１９４合金（Ｃｕ−２．３質量％Ｆｅ−０．０３質量％Ｐ−０．１３質量％Ｚｎ）が用いられている。しかし、ＣＤＡ１９４合金では、リード引きずりバリの発生及びブレード摩耗を十分抑えることができないため、さらにダイシング加工性に優れたリードフレーム材料が求められている。

特開２００３−３４７４９４号公報 特開２００３−１２４４２０号公報 特開２００７−１２３３２７号公報

本発明は、このような要請に応じるためになされたもので、ダイシング加工を要するＱＦＮパッケージ用銅合金板として適する、ダイシング加工性に優れたリードフレーム材料を提供することを目的とする。

本発明に係るＱＦＮパッケージ用銅合金板は、Ｆｅ：０．０１〜０．５０質量％、Ｐ：０．０１〜０．２０質量％、残部Ｃｕ及び不可避不純物からなり、マイクロビッカース硬さが１５０以上、一様伸びが５％以下、かつ局部伸びが１０％以下であることを特徴とする。
この銅合金は、さらに（１）Ｓｎ：０．００５〜５質量％、（２）Ｚｎ：０．００５〜３．０質量％、（３）Ｃｏ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｍｇのうち１種又は２種以上を合計で０．２質量％以下、（４）Ａｌ，Ａｇ，Ｂ，Ｂｅ，Ｉｎ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｚのうち、１種又は２種以上を合計で０．１質量％以下を、（１）〜（４）それぞれ単独で又は（１）〜（４）を適宜組み合わせて含有することができる。

本発明に係る銅合金板をＱＦＮパッケージのリードフレーム材料として用いることにより、ＱＦＮパッケージ組立てのダイシング加工工程において、外部リードのバリ（リード引きずりバリ）の発生を低減し、かつダイシング加工に要するブレード摩耗量を低減させることができ、ＱＦＮパッケージの生産性向上、製品の歩留まり向上及び製品の信頼性の向上が可能となる。

はじめに本発明に係る銅合金板のダイシング加工性を向上させるために要求される特性について説明する。
本発明に関る銅合金板は、マイクロビッカース硬さ（以下、ＭＨｖ）が１５０以上である。ＭＨｖが１５０未満であると、銅合金板の強度が不足するだけでなく、硬度が低いことでダイシング加工時にブレードの砥粒（ダイヤモンド粒）の銅合金材への食い込みが大きく、材料の掻き出し量が多くなり、それにより大きいリード引きずりバリが発生しやすくなる。リード引きずりバリの発生を抑制する観点から、ＭＨｖは１６０以上であることがより望ましい。上限は定めないが、本発明の組成と後述する製造方法により、概ねＭＨｖ３００以下が得られる。

また、本発明に係る銅合金板は、一様伸びが５％以下、かつ局部伸びが１０％以下であある。一様伸びが５％を超えると、材料の延性が大きすぎて、ブレードにより掻き出された材料が千切れ難く（伸びてしまう）、そのため大きいリード引きずりバリが発生しやすくなる。リード引きずりバリの発生を抑制する観点から、一様伸びは４％以下であることがより望ましい。局部伸びについても、１０％を超えると、材料の延性が大きすぎて、ブレードにより掻き出された材料が千切れ難く、そのため大きいリード引きずりバリが発生しやすくなる。リード引きずりバリの発生を抑制する観点から、局部伸びは６％以下であることがより望ましい。下限は定めないが、本発明の組成と後述する製造方法により、概ね一様伸び０．５％以上、局部伸び２％以上が得られる。

銅合金板のＭＨｖ、一様伸び及び局部伸びはブレード摩耗にも影響し、ＭＨｖが低すぎると、ブレードの砥粒の銅合金材への食い込みが大きく、また一様伸び及び局部伸びが大きすぎると掻き出された材料が千切れにくいため、いずれも材料の掻き出し抵抗が大きくなって、ブレードの摩耗が進みやすい。ブレード摩耗を抑制する観点からも、ＭＨｖは１５０以上、望ましくは１６０以上とし、一様伸びは５％以下、望ましくは４％以下、局部伸びは１０％以下、望ましくは６％以下とする。
なお、一様伸びとは、引張試験において最大荷重に達するまでの伸びをいい、局部伸びとは、最大荷重に達した時点から破断までの伸びをいう。

次に本発明に係る銅合金の成分について説明する。
本発明に係る銅合金は、Ｆｅ：０．０１〜０．５０質量％、Ｐ：０．０１〜０．２０質量％を必須成分として含む。
Ｆｅは、Ｆｅ又はＦｅ−Ｐ化合物として析出し、銅合金板の強度や耐熱性を向上させる。Ｆｅ含有量が０．０１質量％未満では析出量が少なく、強度が不足するとともにダイシング加工時のバリの発生が大きくなる。一方、Ｆｅ含有量が０．５質量％を超えると導電率が低下するとともに、Ｆｅ又はＦｅ−Ｐ粗大晶析物粒子が生成し、ダイシング加工に要するブレードの消耗量が大きくなる。従って、Ｆｅ含有量は０．０１〜０．５０質量％、望ましくは０．０５〜０．４５質量％とする。

Ｐは、脱酸効果があるほか、ＦｅとＦｅ−Ｐ化合物を形成して強度や耐熱性を向上させる。Ｐ含有量が０．０１質量％未満では上記化合物の析出量が少なく、強度が不足するとともにダイシング加工時のバリの発生が大きくなる。一方、Ｐ含有量が０．２質量％を超えると導電率が低下するほか、熱間加工性が低下するとともに、Ｆｅ−Ｐ粗大晶析物粒子が生成し、ダイシング加工に要するブレードの消耗量が大きくなる。よって、Ｐの含有量は０．０１〜０．２０質量％、望ましくは０．０２〜０．１５質量％とする。

本発明に係る銅合金は、Ｆｅ，Ｐのほか、必要に応じて、（１）Ｓｎ、（２）Ｚｎ、（３）Ｃｏ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｍｇのうち１種又は２種以上、（４）Ａｌ，Ａｇ，Ｂ，Ｂｅ，Ｉｎ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｚｒのうち１種又は２種以上のいずれかを、単独で又は適宜組み合わせて副成分として含み得る。
Ｓｎは、銅合金の強度向上に寄与し、ダイシング加工性を向上させる効果がある。しかし、Ｓｎ含有量が０．００５質量％未満では強度が向上せず、ダイシング加工性も向上しない。一方、Ｓｎ含有量が５質量％を超えると導電率の低下を招く。従って、Ｓｎ含有量は０．００５〜５．０質量％の範囲とし、望ましくは０．０１〜４．５質量％とする。
Ｚｎは、リードフレームに要求されるはんだ及び錫めっき耐熱剥離性を改善する効果を有する。しかし、Ｚｎ含有量が０．００５質量％以下ではこれらの効果が小さく、逆に３質量％を超えるとリードフレーム材料としての導電性に悪影響を及ぼす。従って、Ｚｎ含有量は０．００５〜３質量％の範囲とし、望ましくは０．０１〜２．５質量％とする。なお、リードフレーム材料としては２０％ＩＡＣＳ以上の導電率を有することが望ましい。

Ｃｏ，Ｃｒ，Ｍｎ，ＭｇはＰとの化合物として析出し、強度や耐熱性を向上させるとともにダイシング加工性を向上させる。ただし、１種又は２種以上の合計が０．２質量％を超えると、粗大な晶析出物が生成し、ダイシング加工に要するブレードの摩耗量が大きくなったり、成分（Ｍｎ，Ｍｇ）によってははんだ濡れ性が低下するため、Ｃｏ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｍｇの添加量は１種又は２種以上の合計で０．２質量％以下とする。

Ａｌ，Ａｇ，Ｂ，Ｂｅ，Ｉｎ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｚｒは固溶、又は単独あるいは他成分との組合せにより析出することで強度を向上させるとともに、ダイシング加工性を向上させる。ただし、１種又は２種以上の合計が０．１質量％を超えると、はんだ濡れ性を低下させたり、コスト高となることから、Ａｌ，Ａｇ，Ｂ，Ｂｅ，Ｉｎ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｚｒの添加量は１種又は２種以上の合計で０．１質量％以下とする。

そのほか、ＯはＰと反応しやすく、１００ｐｐｍを超えると析出物の生成が不足して強度やダイシング加工性を低下させ、またはんだ濡れ性を低下させるため、望ましくは１００ｐｐｍ以下、さらに望ましくは５０ｐｐｍ以下とする。Ｈは５ｐｐｍを超えると、Ｏと結びついて水蒸気となり鋳造時にブローホール欠陥を生じ、製品欠陥につながるため、望ましくは５ｐｐｍ以下、さらに望ましくは３ｐｐｍ以下とする。Ｓは１００ｐｐｍを超えると熱間圧延時に割れを生じ、製品化が困難となるため、望ましくは１００ｐｐｍ以下、さらに望ましくは５０ｐｐｍ以下とする。

本発明に関る銅合金板は、鋳塊を均質化処理し、熱間圧延した後急冷し、続いて冷間圧延及び焼鈍を行い、必要に応じて冷間圧延及び焼鈍を繰り返し、さらに仕上げ冷間圧延後、最終工程として低温焼鈍を行うことで製造することができる。マイクロビッカース硬さが１５０以上、一様伸びが５％以下、かつ局部伸びが１０％以下の特性を持たせるため、全ての焼鈍工程において再結晶粒の平均粒径が５０μｍ以下又は再結晶させないようにし、さらに仕上げ冷間圧延の加工率は４０％以上とすることが望ましい。焼鈍時には、Ｆｅ又はＦｅ−Ｐ化合物が析出し、銅合金板の強度及び耐熱性を向上させる。最終製品においてＭＨｖ１５０以上を確保するには、焼鈍条件は、２００℃〜６００℃×０．５〜１０時間の範囲内で選択すればよい。低温焼鈍の条件は、焼鈍後のＭＨｖが焼鈍前のＭＨｖに対して６５％〜９５％の範囲内になるように選択することが望ましい。

上記製造方法において、焼鈍後に（複数回焼鈍を行う場合は１回でも）再結晶粒の平均粒径が５０μｍを超えると、素材自体が軟化しすぎて、最終製品においてＭＨｖ１５０以上を確保し難く、仕上げ圧延加工率が４０％未満であると、同様に最終製品においてＭＨｖ１５０以上を確保し難い。さらに最終工程の低温焼鈍において、低温焼鈍後のＭＨｖが焼鈍前のＭＨｖに対して６５％〜９５％の範囲内になるようにすることで延性を回復させるが、このときＭＨｖが６５％未満では一様伸び及び局部伸びの値が大きくなり過ぎ、またＭＨｖが低下しすぎるおそれがあり、９５％を超えると板歪みや内部応力の低減が不十分となり、リードフレームに要求されるフラットネスが得られないおそれがある。

表１に示すＮｏ．１〜２１の組成の銅合金を、小型電気炉で大気中にて木炭被膜下で溶解し、厚さ５０ｍｍ、幅８０ｍｍ、長さ１８０ｍｍの鋳塊を溶製した。この鋳塊の表裏面を各５ｍｍ面削した後、９５０℃で熱間圧延を行い、厚さ１２ｍｍｔの板材とし、さらに板材の表裏面をそれぞれ約１ｍｍ面削した。なお、Ｎｏ．２０は鋳塊にブローホールが多数生じ、Ｎｏ．２１は熱間圧延割れを生じたため、それぞれ熱間圧延以降の工程を取りやめた。

これらの板材について、冷間圧延を行った後、焼鈍を行い、仕上げ冷間圧延により板厚を０．１５ｍｍｔとした。焼鈍は、２００℃〜６００℃×０．５〜１０時間の範囲内で、焼鈍後の再結晶粒の平均粒径が５０μｍ以下、又は再結晶しない条件を選択した。また、焼鈍前の板厚は仕上げ冷間圧延の加工率が２０％以上になるように設定した(仕上げ冷間圧延の加工率を表１に示す)。
仕上げ冷間圧延後の板材について、２０〜３００秒程度の範囲で低温焼鈍を行った。このときの焼鈍条件は、いずれの板材についても仕上げ低温焼鈍前の硬さに対し低温焼鈍後の硬さが６５％〜９５％となるように選択した。

以上の工程で得られたＮｏ．１〜１９の板材から試料を採取し、マイクロビッカース硬さ（ＭＨｖ）、一様伸び、局部伸び、引きずりバリ長さ、ブレード摩耗量、導電率、及びはんだ濡れ性の各特性の測定試験に供した。測定結果を表２に示す。なお、各試験の手順等は下記のとおりである。

＜硬さ測定＞
ＪＩＳＺ２２４４の規定に基づき、荷重４．９Ｎにてビッカース硬さ試験を行い、マイクロビッカース硬さ（ＭＨｖ）を測定した。
＜一様伸び及び局部伸び測定＞
各板材から長手方向が圧延方向になるようにＪＩＳ５号試験片を採取し、引張試験を行って一様伸び及び局部伸びをそれぞれ測定した。

＜導電率測定＞
導電率はＪＩＳＨ０５０５に基づいて測定した。なお、導電率４０％ＩＡＣＳ以上を合格と評価した。
＜はんだ濡れ評価＞
各板材から短冊状試験片を採取し、弱活性フラックスを塗布し、メニコスグラフ試験機によりはんだ濡れ時間を測定した。はんだは２６０±５℃に保持したＳｎ−３質量％Ａｇ−０．５質量％Ｃｕを用いた。はんだ濡れ時間が２ｓｅｃ未満の場合を合格（○）、２ｓｅｃ以上の場合を不合格（×）と評価した。

＜リード引きずりバリ長さ測定＞
板材を図１に示す試験フレームにエッチング加工にて作製した後（試験フレームに符号１を付与し、エッチングした部位に符号２を付与)、図２に示す試験パッケージに樹脂モールドした（モールド樹脂に符号３を付与)。次いで１７５℃で８Ｈｒ程度のキュアリングを行った後、酸洗により表面酸化膜を除去し、ダイシング評価用サンプルとした。
このサンプルに対し、いずれもダイヤモンド砥粒のレジンボンドブレード（表面砥粒粗さ＃３６０）及び電鋳ボンドブレード（表面砥粒粗さ＃４００）を用いて、ダイシング試験を行った。
ダイシングカット位置は、樹脂モールドされた幅０．２５ｍｍのリードに対して垂直方向（フレーム長手方向に対して垂直方向）に、８本のリード（図１においてリードに符号４を付与）が切断できる位置とし、１パッケージ当たり２箇所切断した。切断位置及び方向を図２（ａ）に矢印で示す。各リード毎に切断により発生した板幅方向へのリード引きずりバリの最大長さをそれぞれ測定し、その平均値を測定値とした。評価は、リード引きずりバリ長さが６０μｍ未満のものを合格とした。
なお、図３に示すように、リード引きずりバリ５は、ブレード６により掻き出された材料が板幅方向（矢印方向）に伸びたもので、同図にバリ長さｄが示されている。

＜ブレード摩耗量＞
前記ダイシング評価用サンプルを用い、前記レジンボンドブレード及び電鋳ボンドブレードにて、１パッケージ当たり２カ所（２ライン）、１フレーム当たり９個のパッケージで１８ライン、合計で５フレーム分のダイシング加工を行った。ダイシング前のブレード径φ＝５４ｍｍからの減少径をブレード摩耗量として測定した。いずれもブレード摩耗量７０μｍ未満のものを合格とした。

表２に示すように、本発明に規定する組成を有し、ＭＨｖ、一様伸び及び局部伸びの値がいずれも本発明の規定を満たすＮｏ．１〜１０の銅合金板は、リード引きずりバリ長さがレジンボンドブレード及び電鋳ボンドブレードの両方で６０μｍ以下、ブレード摩耗量がレジンボンドブレード及び電鋳ボンドブレードの両方で７０μｍ未満であり、いずれもダイシング加工性に優れている。特にＭＨｖ、一様伸び及び局部伸びの全ての値が望ましい範囲内に入るＮｏ．３〜１０のダイシング加工性が優れている。組成的には、Ｓｎ及びその他の副成分を含むＮｏ．５〜１０は硬度が向上し、ダイシング加工性も優れている。

一方、ＭＨｖ、一様伸び及び局部伸びの値のいずれかが本発明の規定を外れるＮｏ．１１，１３〜１６は、リード引きずりバリ長さがレジンボンドブレード及び電鋳ボンドブレードの両方で６０μｍを超え、ブレード摩耗量がレジンボンドブレードで７０μｍを超えており、ダイシング加工性が劣る。
また、Ｆｅ含有量が過剰なＮｏ．１２は、レジンボンドブレードのブレード摩耗量が大きく、導電率が低く、Ｃｏ，Ｍｇの含有量が過剰なＮｏ．１７は、レジンボンドブレードのブレード摩耗量が大きく、はんだ濡れ性が劣り、Ａｌ，Ｔｉの含有量が過剰なＮｏ．１８及びＯ含有量が過剰なＮｏ．１９ははんだ濡れ性が劣る。

本発明の実施例に用いたエッチング後の銅合金フレームの平面図である。 同じく樹脂モールド後の銅合金フレームの平面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。 実施例で測定したリード引きずりバリを説明する模式図である。

符号の説明

１ 試験フレーム
２ エッチング部位
３ モールド樹脂
４ フレームのリード
５ 引きずりバリ
６ ブレード

Claims (6)

1. Ｆｅ：０．０１〜０．５０質量％、Ｐ：０．０１〜０．２０質量％、残部Ｃｕ及び不可避不純物からなり、マイクロビッカース硬さが１５０以上、一様伸びが４％以下、かつ局部伸びが６％以下であることを特徴とするダイシング加工性に優れるＱＦＮパッケージ用銅合金板。
2. さらに、Ｓｎ：０．００５〜１質量％を含むことを特徴とする請求項１に記載されたダイシング加工性に優れるＱＦＮパッケージ用銅合金板。
3. さらに、Ｚｎ：０．００５〜３．０質量％を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載されたダイシング加工性に優れるＱＦＮパッケージ用銅合金板。
4. さらに、Ｃｏ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｍｇのうち１種又は２種以上を、合計で０．２質量％以下含むことを特徴とするダイシング加工性に優れる請求項１〜３のいずれかに記載されたＱＦＮパッケージ用銅合金板。
5. さらに、Ａｌ，Ａｇ，Ｂ，Ｂｅ，Ｉｎ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｚｒのうち１種又は２種以上を合計で０．１質量％以下含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載されたダイシング加工性に優れるＱＦＮパッケージ用銅合金板。
6. Ｏ：１００ｐｐｍ以下、Ｈ：５ｐｐｍ以下、Ｓ：１００ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載されたダイシング加工性に優れるＱＦＮパッケージ用銅合金板。

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