JP5236973B2

JP5236973B2 - 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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Publication number: JP5236973B2
Application number: JP2008070469A
Authority: JP
Inventors: 洋介三輪; 昌泰西村; 良一尾▲崎▼; 進也桂
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2008-03-18
Filing date: 2008-03-18
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2028-03-18
Also published as: JP2009221583A

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Ｆｅ−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、Ｎｉ：０．０５〜２質量％、Ｐ：０．００１〜０．３質量％、Ｚｎ：０．００５〜５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）Ｆｅ：１質量％以下、Ｓｎ：１．５質量％未満のうち１種又は２種、（２）Ｃｏ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ｓｉのうち１種又は２種以上を合計で０．２質量％以下、（３）Ａｌ，Ｚｒ，Ｉｎ，Ｔｉ，Ｂ，Ａｇ，Ｂｅのうち、１種又は２種以上を合計で０．１質量％以下を、（１）〜（３）それぞれ単独で又は（１）〜(３)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、概ね一様伸びが０．５％未満、局部伸びが２％未満が得られる。

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量が大きくなって、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、Ｎｉ：０．０５〜２質量％、Ｐ：０．００１〜０．３質量％、Ｚｎ：０．００５〜５質量％を必須成分として含む。
ＮｉはＰとの金属間化合物を析出することで銅合金の強度及び耐熱性を向上させる。しかし、Ｎｉ含有量が０．０５質量％未満、Ｐ含有量が０．００１質量％未満であると、金属間化合物の析出量が少ないため、強度及び耐熱性が不足するとともに、ダイシング加工性が低下する。一方、Ｎｉ含有量が２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。このＮｉ含有量に対応するＰを添加し、Ｎｉ−Ｐ析出物を形成させて導電性を確保しようとすると、Ｐを０．３質量％以上添加する必要があり、その場合、材料中に粗大な晶出物が形成されやすくなるだけでなく、銅合金板製造時の熱間加工性が低下する。従って、Ｎｉ含有量は０．０５〜２質量％、Ｐ含有量は０．００１〜０．３質量％とする。粗大な晶出物の生成を防止してブレードの摩耗を抑制するため、また所定の硬さを達成する観点から、Ｎｉ：０．０７〜１．７質量％、Ｐ：０．００５〜０．２７質量％が望ましく、さらに、Ｎｉ：０．１〜１．５質量％、Ｐ：０．０１〜０．２質量％が望ましい。

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５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０．００５〜５質量％とする。導電性、耐熱剥離性の観点から、Ｚｎ含有量は０．０１〜３％が望ましく、さらに０．０１〜２質量％が望ましい。なお、リードフレーム材料としては４０％ＩＡＣＳ以上の導電率を有することが望ましい。

本発明に係る銅合金は、Ｎｉ，Ｐ，Ｚｎのほか、必要に応じて、（１）Ｆｅ又はＳｎの１種又は２種、（２）Ｃｏ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ｓｉのうち１種又は２種以上、（３）Ａｌ，Ｚｒ，Ｉｎ，Ｔｉ，Ｂ，Ａｇ，Ｂｅ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。
ＦｅはＰとの金属間化合物を析出し、銅合金の強度や耐熱性を向上させる作用があり、必要に応じて添加する。しかし、Ｆｅは１質量％を越えて添加すると、母材中に粗大な晶出物が形成されやすく、ダイシング加工性が低下するため、１質量％以下とする必要がある。晶出物の観点から望ましいＦｅ添加量は、０．７質量％以下である。
Ｓｎは銅合金中に固溶することで、銅合金の強度を向上させる作用があり、必要に応じて添加する。しかし、Ｓｎは１．５質量％以上を添加すると、リードフレーム材料としての導電性に悪影響を及ぼすため、１．５質量％未満とする必要がある。導電性の観点から望ましいＳｎ添加量は、１．３質量％以下である。

Ｃｏ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ｓｉは、Ｐ又はＮｉとの化合物として析出し（Ｃｏ，Ｃｒ，Ｍｎ，ＭｇはＰと析出物を形成し、ＳｉはＮｉと析出物を形成する）、強度と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、これらの元素の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てブレードの摩耗量が大きくなり、またはんだ濡れ性が低下するため、Ｃｏ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ｓｉ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，Ｚｒ，Ｉｎ，Ｔｉ，Ｂ，Ａｇ，Ｂｅ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，Ｚｒ，Ｉｎ，Ｔｉ，Ｂ，Ａｇ，Ｂｅ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を超えるとはんだ濡れ性が低下するため、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るようになるため、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。均質化処理及び熱間圧延開始温度は７５０〜９５０℃で、冷間圧延後、Ｎｉ−Ｐ化合物等を析出させる焼鈍を行う。冷間圧延と焼鈍を繰り返して行う場合、複数回行われる焼鈍のうち少なくとも一回はＮｉ−Ｐ化合物等を析出させる焼鈍が必要である。析出のための焼鈍前に、鋳造工程、熱間圧延中、あるいは熱間圧延後の冷却工程で析出したＮｉ−Ｐ化合物等を固溶させる（溶体化処理）ための焼鈍を行ってもよい。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。焼鈍条件は、２００℃〜６００℃×０．５〜１０時間の範囲内で選択すればよい。なお、前記の溶体化処理のための焼鈍は、例えば、５５０〜７５０℃×５秒〜５分の条件で行えばよく、その場合連続焼鈍装置による処理が可能である。低温焼鈍の条件は、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が低下し過ぎるおそれがあり、９５％を超えると、板に蓄えられている内部応力の低減が不十分であり、リードフレームへの加工により、リード間隔やリード寸法の変化、平坦度の低下などが起きやすくなる。

表１に示すＮｏ．１〜２４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．２３は鋳塊にブローホールが多数生じ、Ｎｏ．２４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、続いて冷間圧延及び焼鈍を適宜行い、最終の仕上げ冷間圧延により板厚を０．１５ｍｍｔとした。焼鈍はいずれも、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、最終焼鈍（仕上げ冷間圧延前の焼鈍）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％の範囲内となるように選択した。

以上の工程で得られたＮｏ．１〜２２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．１〜１１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．３，５，７，９〜１１のダイシング加工性が優れている。

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．１２，１３，１７〜１９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一方又は両方で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、Ｎｉ含有量が過剰なＮｏ．１４は導電率が低く、Ｆｅ含有量が過剰なＮｏ．１５はダイシング加工性及び導電率が低く、Ｓｎ含有量が過剰なＮｏ．１６は導電率が低く、他の副成分の含有量が過剰なＮｏ．２０，２１及びＯ含有量が過剰なＮｏ．２２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

Ｎｉ：０．０５〜２質量％、Ｐ：０．００１〜０．３質量％、Ｚｎ：０．００５〜５質量％、残部Ｃｕ及び不可避不純物からなり、不可避不純物のうちＯ，Ｈ，ＳはそれぞれＯ：１００ｐｐｍ以下、Ｈ：５ｐｐｍ以下、Ｓ：１００ｐｐｍ以下であり、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ダイシング加工性に優れるＱＦＮパッケージ用銅合金板。
さらにＦｅ：１質量％以下、Ｓｎ：１．５質量％未満のうち１種又は２種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。
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又は２に記載されたＱＦＮパッケージ用銅合金板。
さらに、Ｚｒ，Ｉｎ，Ｔｉ，Ｂ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１〜３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。