JP6230087B2 - ベアボンディング性に優れたリードフレーム用銅合金 - Google Patents
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Description
Auワイヤが使われている半導体においても、近年のAuの価格高騰から、コストダウンを目的にCuワイヤを用いたワイヤボンディングの技術開発が進み、Cuワイヤを使用する製品が増加する傾向にある。また、リードフレームのめっきについては、コストダウンの観点からインナーリードの貴金属めっきを省略するベアボンディングの技術が、特許文献1〜5を含めて多く提案されている。ただし、ベアボンディングは、現状では一部で実施されているのみで、広く普及している技術ではない。
(1) 一般のIC、トランジスタのワイヤボンディング
(a)Siチップ側のワイヤボンディング
一般のIC、トランジスタはSiチップが薄く、強度が低いので、ワイヤボンディングのときにチップが損傷を受けないよう、ボンディング時の負荷を小さくできるボールボンディングが用いられている。ボールボンディングは、ワイヤ先端に放電して溶融させ、ボールを形成後、熱、超音波、圧力を加えチップの電極(Al)に接続する方法である。また、ボールボンディングは全方位にワイヤを配線できるため、多ピンIC(QFP、QFNなどのパッケージ)に好適なワイヤボンディング方法である。本用途には、直径10〜30μmのAuワイヤが主に用いられているが、前述の理由によりCuワイヤの使用が増加してきた。
一方、CuワイヤはAuに比べ酸化しやすいことから、放電溶融の雰囲気はN2−5%H2等の還元性にする必要がある。ただし、CuワイヤのSiチップ電極(Al)へのボンディングはAuワイヤと同様に、大気中、100〜300℃程度の雰囲気で可能である。
なお、溶融によりボールを形成しないAlワイヤはボールボンディングができないため、この用途には用いられない。
ワイヤ接合の信頼性を確保するため、リードフレームのインナーリード部には接合前に通常Agめっきが行なわれる。Siチップに比べ、リードフレーム側は負荷をかけてボンディングできることからボールボンディングではなく、ウェッジボンディングが用いられる。ウェッジボンディングは、ボールを形成せずに熱、超音波、圧力を加えワイヤをインナーリードに接合する。ワイヤの先端がくさび状に押しつぶされて接合することからウェッジボンディングといわれる。
Auワイヤ、Cuワイヤとも、大気中、100〜300℃程度の雰囲気でワイヤボンディングが可能である
パワー系半導体は通電電流が大きいことから、Siチップが厚く、強度が高いため、Siチップ側もウェッジボンディングが採用されている。Siチップ側、リードフレーム側ともウェッジボンディングにより接合でき、ボールボンディングの必要がないことから、Auワイヤ、Cuワイヤは使用する必要がなく、通常Alワイヤを使用する。ワイヤを流れる電流が大きいため、100μm程度、またはそれ以上の線径のAlワイヤが使用される。
(a)Siチップ側のワイヤボンディング
大気中、常温の雰囲気でSiチップのAl電極にAlワイヤをウェッジボンディングにより接合する。
(b)リードフレーム側のワイヤボンディング
ワイヤ接合の信頼性を確保するため、リードフレームのインナーリード部には接合前に通常Niめっきが行なわれる。大気中、常温の雰囲気でAlワイヤをウェッジボンディングにより接合する。
特許文献1,2,3に記載された発明では、ベアボンディングが可能なリードフレーム用銅合金について、その表面状態が規定されている。しかし、表面粗さ、酸化膜の厚さ、加工変質層の厚さを規定することにより、ベアボンディングの信頼性を高めるには限界がある。
特許文献5に記載された発明では、Al線を用いたベアボンディングが可能なリードフレーム用銅合金について、銅合金素材の導電率と表面状態(表面硬さ、鏡面反射率、酸化皮膜厚み)が規定されているが、少量のSnを含むCu−Fe−P−Sn系銅合金については、ベアボンディングに不適との事で実質的な検討が行われていない。
本発明に係るリードフレーム用銅合金は、Fe:0.03〜0.5質量%、P:0.01〜0.25質量%、Sn:0.005〜0.2質量%を含有し、必要に応じてさらにZn:0.005〜0.5wt%を含有し、残部Cu及び不可避不純物からなる銅合金において、表面のSn濃度を深さ3μmまでSIMSで分析した値を[Snsurface]とし、マトリクスのSn濃度の値を[Snmatrix]としたとき、[Snsurface]/[Snmatrix]≦10であり、かつ導電率が50%IACS以上であることを特徴とする。
また、ボンディングワイヤとして、Au,Al,Cu以外に、AuとCuの中間の特性を有するPdめっきCuワイヤやAgワイヤも使用されるようになっている。本発明に係るCu−Fe−P−Sn系銅合金からなるリードフレームは、これらのワイヤを使用した場合も同様にベアボンディング性に優れている。
(表面のSn濃度)
先に述べたように、Cu−Fe−P−Sn系銅合金は、製造工程中に表面酸化や内部酸化が起こり、銅合金中のSnに加えて生成したSn酸化物が表面層に凝集し、銅合金の表面のSn濃度が上昇する。硬いSn酸化物が銅合金の表面に凝集することで、Au,Al,Cu等のワイヤによるベアボンディング性が阻害されるものと推測される。
銅合金表面(深さ3μmまで)のSn濃度はSIMS(二次イオン質量分析計)で測定することができる。この表面Sn濃度[Snsurface]が2質量%を超え、又は表面/マトリクスSn濃度比[Snsurface]/[Snmatrix]が10を超えると、ベアボンディングの接合強度が低下する。本発明では銅合金のSn含有量を0.2質量%以下に限定しているため、表面/マトリクスSn濃度比[Snsurface]/[Snmatrix]が10以下であれば、同時に表面Sn濃度[Snsurface]は2質量%以下である。なお、製造工程中に銅合金中のSn及び生成したSn酸化物が表面層に凝集すること自体は避けられず、表面Sn濃度[Snsurface]はマトリクスのSn濃度[Snmatrix]以上となる。
Cu−Fe−P−Sn系銅合金の導電率が低いとベアボンディング性が低下する。Cu−Fe−P−Sn系銅合金の導電率が低いということは、固溶した状態のFeとPを多く含んでいるということであり、固溶した状態のFeとPは銅合金の表面付近でFe酸化物やP酸化物を生成しやすい。このため、ワイヤと銅合金の金属接合が阻害され、ベアボンディング性が低下するものと推定される。
Cu−Fe−P−Sn系銅合金の導電率が50%IACSを下回ると、ベアボンディングの接合強度が低下することから、導電率は50%IACS以上とする。望ましくは55%IACS以上であり、さらに好ましくは60%IACS以上である。
Fe:0.03〜0.5質量%
Feは銅合金の強度や耐熱性を向上させるのに必要な元素である。銅合金マトリクスに微細な析出物を析出させ、高強度化の効果を有効に発揮させるため、Fe含有量は0.03質量%以上とする必要がある。ただし、Feを過剰に含有すると銅合金の導電率が低下するとともに、ベアボンディング性も低下する。このため、Feの含有量は0.03〜0.5質量%の範囲とする。
Pは、脱酸作用を有するほか、Feとの析出物を形成し、銅合金の強度や耐熱性を向上させるのに必要な元素である。銅合金マトリクスに微細な析出物を析出させ、高強度化の効果を有効に発揮させるため、P含有量は0.01質量%以上とする必要がある。ただし、Pを過剰に含有すると導電率が低下するとともに、ベアボンディング性も低下する。このため、Pの含有量は0.01〜0.25質量%の範囲とする。
Snは銅合金の強度や耐熱性の向上に寄与する。この効果を発揮するには、Sn含有量は0.005質量%以上とすることが望ましい。しかし、Snを過剰に含有すると、銅合金の表面のSn濃度[Snsurface]が高まり、硬いSn酸化物が銅合金表面に多く発生して、ワイヤボンディング性を低下させる。このため、Snの含有量は0.005〜0.2質量%の範囲とする。このSn含有量がマトリクスのSn濃度[Snmatrix]である。
Znは、Snよりも優先的に酸化されSnの酸化を抑制する効果がある。Znの酸化物は洗浄工程で容易に除去でき、また、Snの酸化物よりも硬くないため、ワイヤボンディング性を低下させにくい。この効果を発揮するには、Zn含有量は0.005質量%以上とすることが望ましい。しかし、Znを過剰に含有すると導電率が低下するためZnの含有量は0.005〜0.5質量%の範囲とする。
その他の元素
本発明に係るCu−Fe−P−Sn系銅合金には通常の不可避不純物が含まれるが、そのうちNi,Co,Cr,Zr,Ti,Mn,Si,Mg,Al,Pbは総量で0.05質量%未満であることが望ましい。さらに望ましくは総量で0.03質量%未満である。
製品板厚のCu−Fe−P−Sn系銅合金は、溶解鋳造により必要な組成を有する銅合金鋳塊を得た後、均熱処理、熱間圧延、面削、冷間圧延、焼鈍、洗浄、及び仕上げ冷間圧延の工程で製造することができる。洗浄後、必要に応じて研磨工程を付加することができる。この研磨工程により表面のSn酸化物やFe酸化物、P酸化物を除去する効果が高まる。仕上げ冷間圧延後、必要に応じて低温焼鈍を行うこともできる。
銅合金の強度及び導電率に関係するFe析出物およびFe−P析出物は、冷間圧延後の焼鈍により析出させる。一方、焼鈍工程の高温環境下で銅合金の酸化が進行すると、硬いSn酸化物が銅合金表面に凝集し、表面のSn濃度[Snsurface]が高くなるとともに、Fe酸化物やP酸化物も生成しやすくなるため、焼鈍行程において酸化を抑制する必要がある。このため、焼鈍工程は還元雰囲気、例えば水素100%雰囲気で行うことが望ましい。焼鈍時間は、0.5〜20時間の範囲で調質に応じた最適な時間を選択するとよい。
焼鈍はNo.1〜14のいずれも水素100%の還元雰囲気で行った。焼鈍後の洗浄はNo.1〜14のいずれも2段階で行い、このうちNo.1〜8、12〜14は、1段階目は70%硫酸30W/V%と酸性フッ化アンモニウム4W/V%を含む洗浄液、2段階目は70%硫酸35W/V%と30%過酸化水素水1.3W/V%を含む洗浄液を用いた。一方、No.9は、2段目の洗浄液が過酸化水素水を含まない点でのみNo.1〜8と異なり、No.10、11は、1段目の洗浄液が酸性フッ化アンモニウムを含まない点でのみNo.1〜8と異なる。
ワイヤボンディング性の評価については、Auワイヤはφ25μm、Alワイヤはφ150μm、Cuワイヤはφ25μmを使用し、No.1〜14の板材とワイヤボンディング接合し、リードフレームとの接合部にあたる2ndボンディング部分の接合強度(PULL強度)を測定した。測定数はNo.1〜14のそれぞれについてn=20とした。表2のMAX欄は接合強度の最大値を、MIN欄は最小値を、AVE欄は平均値を示す。AuワイヤとCuワイヤでは、接合強度の最小値(MIN)が5.0g以上のものを合格とした。なお、5.0gの接合強度は、Auワイヤを使用し、Agめっきしたリードフレームに接合したときに合格とされる強度である。Alワイヤでは、接合強度の最小値(MIN)が60g以上のものを合格とした。なお、60gの接合強度は、Alワイヤを使用し、Niめっきしたリードフレームに接合したときに合格とされる強度である。
ワイヤボンディング性の評価に用いた機器類及び条件等を表3〜5に示す。
表面のSn濃度については、SIMSにより表面から深さ3μmまで分析を行い、Snの二次イオン強度を検出した。マトリクスの成分分析についてはICP(高周波誘導結合プラズマ)発光分光分析法を用いて、成分の濃度を特定した。SIMS分析の分析強度を濃度換算して、表面のSn濃度[Snsurface]を求めた。また、表面のSn濃度をマトリックスのSn濃度で割ることにより、マトリクスと表面の濃度比率(表面の濃縮度)[Snsurface]/[Snmatrix]を確認した。
SIMS分析に用いた機器類及び条件等は下記表6のとおりである。
銅合金板材の導電率は、ミーリングにより幅10mm×長さ300mmの短冊状の試験片を加工し、ダブルブリッジ式抵抗測定装置により電気抵抗を測定して平均断面積法により算出した。
(引張強さ)
引張強さの測定は、圧延方向に平行に切り出したJIS5号試験片を作製して行なった。
(耐熱性)
耐熱性は、450℃×1分加熱後の硬さと加熱前の硬さをマイクロビッカース硬度計にて4.9Nの荷重を加えて測定し、硬さ保持率=加熱後の硬さ/加熱前の硬さで評価した。
これに対し、No.8は表面/マトリクスSn濃度比[Snsurface]/[Snmatrix]が10以下であり、導電率も50%IACS以上であることから、No.1〜7と同様にワイヤボンディング性はAu,Al,Cuワイヤの全てで良好であるが、Fe、P、Snともに請求範囲の下限を下回っていることから、引張強さと耐熱性が低く実用に耐えない。
また、No.12は、Fe量がP量に比較して多いことによりFeの固溶量が多く、導電率が50%IACS未満のものであり、No.13はFe量がP量に比較して少ないことによりPの固溶量が多く、導電率が50%IACS未満のものであり、No.14はFe量、P量が請求範囲の上限を超えて導電率も50%IACS未満のものであり、いずれもAu,Al,Cuワイヤの全てで接合強度の最大値(MAX)及び平均値(AVE)が低く、最小値(MIN)が合格値に達しなかった。
Claims (2)
- Fe:0.03〜0.5質量%、P:0.01〜0.25質量%、Sn:0.005〜0.2質量%を含有し、残部Cu及び不可避不純物からなり、表面のSn濃度を深さ3μmまでSIMSで分析した値を[Snsurface]とし、マトリクスのSn濃度の値を[Snmatrix]としたとき、[Snsurface]/[Snmatrix]≦10であり、導電率が50%IACS以上であることを特徴とするワイヤボンディングにおいてベアボンディング性に優れたリードフレーム用銅合金。
- さらにZn:0.005〜0.5質量%を含有することを特徴とする請求項1に記載されたワイヤボンディングにおいてベアボンディング性に優れたリードフレーム用銅合金。
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