JP6667728B2 - リードフレーム材およびその製造方法、ならびにそれを用いた半導体パッケージ - Google Patents

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Description

本発明は、リードフレーム材およびその製造方法、ならびにそれを用いた半導体パッケージに関する。
電子機器や電気機器などには、多くの樹脂封止型半導体装置が組み込まれている。樹脂封止型半導体装置は、ワイヤなどによって互いに電気的に接続された半導体素子とリードフレーム材とがモールド樹脂で封止されてなるものである。このような樹脂封止型半導体装置において、リードフレーム材には、接合性、耐熱性、封止性などの機能付与のため、Au、Ag、Snなどの外装メッキが施されていることが多い。
近年では、組み付け工程の簡略化およびコストダウンのために、あらかじめリードフレーム材の表面に、プリント基板へのはんだなどによる実装において、はんだとの濡れ性を高めるような仕様のメッキ(たとえばNi/Pd/Au)を施しているリードフレーム材(Pre−Plated Frame、以下PPFと略記する)が使用されている(例えば、特許文献1参照)。
また、樹脂封止型半導体装置におけるリードフレーム材とモールド樹脂との密着性を高めるために、リードフレーム材のメッキ表面を粗化する技術が提案されている(例えば、特許文献2、特許文献3参照)。
これらのメッキ表面を粗化する技術は、リードフレーム材のメッキ表面を粗化することによって、(1)リードフレーム材とモールド樹脂との接着面積が大きくなる効果、(2)モールド樹脂が粗化されたメッキ膜表面の凹凸に食いつきやすくなる効果(つまり、アンカー効果)、などを期待するものである。
これらにより、モールド樹脂のリードフレーム材への密着性が向上し、リードフレーム材とモールド樹脂との間の剥離を防止することが可能となり、樹脂封止型半導体装置の信頼性が向上している。
特許第2543619号公報 特許第3228789号公報 特開平10−27873号公報
上記のようなメッキ表面の粗化により、リードフレーム材の樹脂密着性は、確かに従来よりも向上した。しかしながら、近年要求される高信頼性の水準、例えば温度85℃、湿度85%の高温高湿の環境下で168時間の曝露試験を行った後において、リードフレーム材と樹脂との間に隙間が生じてしまうケースが散見されることが分かった。これは、従来にはあまり多用されていなかったQFN(Quad Flat Non−Leaded Package)タイプおよびSOP(Small Outline Package)タイプ等のパッケージが多く用いられるようになり、より密着性に対する要求レベルが高くなってきたためと考えられる。このように、リードフレーム材の樹脂密着性には、未だに改善の余地があることが分かった。
本発明の目的は、高温高湿環境下で長時間に亘って使用された場合であっても、樹脂密着性に優れるリードフレーム材およびその製造方法、ならびにそれを用いた半導体パッケージを提供することである。
本発明の要旨構成は、以下のとおりである。
[1] 導電性基体と前記導電性基体の少なくとも片面に形成される粗化層とを有するリードフレーム材であって、前記リードフレーム材の断面で見て、前記導電性基体の表面に平行に所定長さで測定した、前記粗化層の表面に存在する結晶粒界の数は、20個/μm以下であることを特徴とするリードフレーム材。
[2] 前記リードフレーム材の断面で見て、前記粗化層の高さは0.1μm以上5.0μm以下の範囲内であることを特徴とする上記[1]に記載のリードフレーム材。
[3] 前記リードフレーム材の最表面の比表面積は120%以上であることを特徴とする上記[1]または[2]に記載のリードフレーム材。
[4] 前記リードフレーム材の断面で見て、前記粗化層中に存在する前記粗化層の全結晶粒界に占めるΣ5以下の対応粒界の割合は90.0%以上であることを特徴とする上記[1]〜[3]のいずれか1つに記載のリードフレーム材。
[5] 前記導電性基体は、銅、銅合金、鉄、鉄合金、アルミニウムおよびアルミニウム合金の群から選択される金属または合金からなることを特徴とする上記[1]〜[4]のいずれか1つに記載のリードフレーム材。
[6] 前記粗化層は銅およびニッケルの少なくとも一方の元素を含むことを特徴とする上記[1]〜[5]のいずれか1つに記載のリードフレーム材。
[7] 前記粗化層の上に形成され、前記粗化層と異なる組成を有し、ニッケル、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、白金、イリジウム、金、銀およびスズの群から選択される1種以上の元素を含む1つ以上の層をさらに有することを特徴とする上記[1]〜[6]のいずれか1つに記載のリードフレーム材。
[8] 上記[1]〜[7]のいずれか1つに記載のリードフレーム材の製造方法であって、前記粗化層は電気メッキにより形成されることを特徴とするリードフレーム材の製造方法。
[9] 上記[1]〜[7]のいずれか1つに記載のリードフレーム材を用いた半導体パッケージ。
本発明によれば、高温高湿環境下で長時間に亘って使用された場合であっても、樹脂密着性に優れるリードフレーム材およびその製造方法、ならびにそれを用いた半導体パッケージを提供することができる。
本発明に係るリードフレーム材を模式的に示したものであって、粗化層の表面に存在する結晶粒界の数え方を説明するための図である。 本発明に係るリードフレーム材を模式的に示したものであって、粗化層の高さを説明するための図である。
以下、本発明を実施の形態に基づき詳細に説明する。
本発明者らは、上記の問題点に対して鋭意研究開発を進めた結果、表面を粗化した層(以下、粗化層ともいう)の表面に存在する粗化層の結晶粒界が多いほど高温高湿試験後における樹脂の剥離が発生しやすいことに着目した。そして、リードフレーム材の断面における粗化層の表面に存在する結晶粒界の数を所定数以下に制御することで、高温高湿試験後においても樹脂のシェア強度を高く維持できることを見出し、その結果、従来よりも樹脂密着性の高いリードフレーム材を得ることに成功した。本発明はこの知見に基づいて完成するに至ったものである。
本発明に係るリードフレーム材は、導電性基体と前記導電性基体の少なくとも片面に形成される粗化層とを有する。そして、前記リードフレーム材の断面で見て、前記導電性基体の表面に平行に所定長さで測定した、前記粗化層の表面に存在する結晶粒界の数は、20個/μm以下である。
導電性基体は、銅(Cu)、鉄(Fe)またはアルミニウム(Al)を含む。導電性基体としては、導電性や放熱性に優れることから、銅、銅合金、鉄、鉄合金、アルミニウムおよびアルミニウム合金の群から選択される金属または合金からなることが好ましい。
例えば、銅合金の例として、CDA(Copper Development Association)掲載合金であるC18045(Cu−0.3Cr−0.25Sn−0.5Zn)、C19400(Cu−2.3Fe−0.03P−0.15Zn)が挙げられる。また、鉄合金の例として、42アロイ(Fe−42Ni)が挙げられる。なお、各元素の前の数字は合金中の質量%を示す。これらの合金や金属は、それぞれ導電率などの特性が異なるため、リードフレーム材に要求される特性に応じて、適宜選択される。
導電性基体の厚さは、特に限定されないが、例えば0.03mm以上1.00mm以下、好ましくは0.03mm以上0.30mm以下の範囲内である。
導電性基体の少なくとも片面には、粗化層が形成される。導電性基体の片面とは、導電性基体の上面または下面である。例えば、粗化層は、導電性基体の上面のみもしくは下面のみに形成されてもよいし、上面と下面とに形成されてもよい。
図1は、本発明に係るリードフレーム材を模式的に示したものであって、粗化層の表面に存在する結晶粒界の数え方を説明するための図である。なお、図1はリードフレーム材の断面図であるが、結晶粒界を説明するために、便宜上斜線のハッチングを施していない。
図1に示すように、リードフレーム材10の断面で見て、導電性基体20の表面に平行に所定長さLで測定した、粗化層30の表面に存在する結晶粒界の数は、20個/μm以下である。
具体的に、粗化層30の表面に存在する結晶粒界32の数の数え方は次の通りである。粗化層30の結晶粒界32は、粗化層30内において実線で示している。粗化層30の表面に存在する結晶粒界は、図1に示すように、リードフレーム材10の断面で見るとき、粗化層30の内部に存在する結晶粒界32を示す実線が、粗化層30の表面(輪郭線)まで延在して交わる点(交点)として表され、粗化層30の内部に存在する結晶粒界32と、粗化層30の表面(輪郭線)との交点位置に、目印として白抜き丸印で示している。そして、導電性基体20の表面に平行な方向の所定長さLの範囲内における、白抜き丸印の数、すなわち粗化層30の内部に存在する結晶粒界32を示す実線と、粗化層30の表面との交点の数が、所定長さLで測定した、粗化層30の表面に存在する粗化層30の結晶粒界32の数である。図1に示すリードフレーム材10では、所定長さLで測定した、粗化層30の表面に存在する結晶粒界32の数は、所定長さLが1μmである場合、17個/μmである。
リードフレーム材10の表面にモールド樹脂を密着させたとき、粗化層30の表面に存在する結晶粒界32が起点となって、モールド樹脂にクラックが生じることや、モールド樹脂がリードフレーム材から剥離することがある。そのため、粗化層30の表面に存在する結晶粒界32の数が少ないほど、このようなクラックの発生や樹脂密着性の低下が抑制される。上記した粗化層30の表面に存在する結晶粒界32の数(個数密度)は、20個/μm以下、好ましくは18個/μm以下、より好ましくは15個/μm以下であり、上記の結晶粒界32の数が20個/μm以下であると、クラックの発生や樹脂密着性の低下が十分に抑制される。
粗化層30の表面に存在する粗化層30の結晶粒界32は、例えばFIB−SIM(集束イオンビーム−走査型イオン顕微鏡)を用いて、リードフレーム材10の断面を観察することによって測定することができる。
粗化層30は、銅およびニッケル(Ni)の少なくとも一方の元素を含む。粗化層30としては、樹脂密着性に優れた粗化形状を形成するために、銅、銅合金、ニッケル、ニッケル合金、銅ニッケル合金の群から選択される金属または合金からなることが好ましい。
図2は、本発明に係るリードフレーム材10を模式的に示したものであって、粗化層30の高さを説明するための図である。図1と同様に、図2はリードフレーム材10の断面図であるが、粗化層30の高さを説明するために、便宜上斜線のハッチングを施していない。
リードフレーム材10の断面で見て、粗化層30の高さは、好ましくは0.1μm以上5.0μm以下、より好ましくは0.1μm以上3.0μm以下の範囲内である。粗化層30の高さが0.1μm以上であると、樹脂に対するアンカー効果が増加すると共に粗化層30の比表面積が増加するため、樹脂密着性が増加する。また、粗化層30の高さが5.0μm以下であると、粗化層の一部が脱落する所謂粉落ちを抑制できるため、製造時に粉落ちした粗化材料を除去するメンテナンス頻度を下げ、生産性を向上することが可能となる。粗化層30の高さが上記範囲内であると、上記の効果が十分に向上する。
具体的に、粗化層30の高さは次の通りである。図2に示すように、まず、粗化層30の凸部40aの両側の付け根部41a,41b、および凸部40aの頂点部42を結んで、三角形を描く。次に、この三角形について、付け根部41a,41bを結ぶ線を底辺Bおよび頂点部42を頂点として、三角形の高さHを測る。すなわち、頂点部42から底辺Bに対して垂線を引き、この垂線の長さ(三角形の高さH)を測る。そして、所定数の凸部40aについて、三角形の高さHを測り、その測定値の平均値を粗化層30の高さとする。
ここで、粗化層30の凸部40aの一方側の付け根部41aは、図2に示すリードフレーム材10の断面で見て、凸部40aに隣接する凸部40bと凸部40aとの間にある粗化層30の表面部分のうち、最も低い表面位置(最下点位置)である。また、凸部40aの他方側の付け根部41bは、凸部40aを挟んで凸部40bとは逆側に位置する凸部40cと凸部40aとの間にある粗化層30の表面部分のうち、最も低い表面位置(最下点位置)である。また、凸部40aの頂点42は、凸部40aにおいて最も高い位置である。
凸部40bおよび凸部40cの高さの測定方法についても、上記の凸部40aの方法と同様である。
粗化層30の高さは、例えば走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて、リードフレーム材10の断面を観察することによって測定することができる。
また、リードフレーム材10の最表面の比表面積は、好ましくは120%以上、より好ましくは140%以上である。比表面積とは、2次元表面積に対する3次元表面積の百分率((3次元表面積/2次元表面積)×100(%))の値である。リードフレーム材10の最表面(最表層)の比表面積が大きいほど、樹脂との接触面積が増加するため、樹脂密着性が向上する。リードフレーム材の最表面の比表面積が120%以上であると、樹脂密着性は十分に大きい。
リードフレーム材10の最表面の比表面積は、例えば3次元白色光干渉型顕微鏡を用いて表面を観察し、2次元表面積に対する3次元表面積の百分率(%)を算出することによって得ることができる。
また、リードフレーム材10の断面で見て、粗化層30中に存在する全結晶粒界に占めるΣ5以下の対応粒界の割合は、好ましくは90.0%以上、より好ましくは92.0%以上である。上記Σ5以下の対応粒界の割合が大きいほど、高温高湿環境下に長時間放置させた後のリードフレームの樹脂密着性の低下が抑制される。上記Σ5以下の対応粒界の割合が90.0%以上であると、樹脂密着性の低下が十分に抑制される。
対応粒界とは、幾何学的に整合性の高い特殊な粒界であり、対応格子点密度の逆数として定義されるΣ値が小さい程、この整合性がより高いことを意味する。
本発明者らは、種々の実験の結果、Σ値が5以下の対応粒界の割合が90.0%以上となるときに、リードフレーム材の耐熱試験前後、すなわち高温高湿環境下に放置前後の樹脂密着性が良好に維持されることを見出した。ここで、Σ値が大きな粒界は、高エネルギー構造であるために粒界劣化現象が生じやすく、加熱により粒界での剥離が生じやすいと想定され、Σ値が小さな粒界を形成することで、加熱後も樹脂密着性が良好に維持されるものと考えた。そのため、高温高湿環境下に放置された後の樹脂密着性の低下抑制の観点から、対応粒界のΣ値は低いほど好ましい。また、Σ5以下の対応粒界の割合が高い程、上記の効果が高まる。
リードフレーム材の断面、すなわち粗化層の断面における対応粒界の解析には、電子線後方散乱回折法(EBSD:Electron Back Scatter Diffraction)を用いることができる。EBSDは、SEM内で試料に電子線を照射したときに生じる反射電子菊池線回折(菊池パターン)を利用した結晶方位解析技術のことである。
また、リードフレーム材10は、粗化層30の上に形成され、粗化層30と異なる組成を有し、ニッケル、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、白金(Pt)、イリジウム(Ir)、金(Au)、銀(Ag)およびスズ(Sn)の群から選択される1種以上の元素を含む1つ以上の層(図示せず)をさらに有してもよい。
粗化層30の上に形成される層が1つである場合、この層、すなわちリードフレームの最表層は表面層である。表面層を構成する物質は、リードフレーム材の要求特性に応じて適宜選択される。表面層は、金、銀およびスズの群から選択される1種以上の元素を含む金属または合金からなる。表面層は、半田濡れ性に優れるため、金コバルト合金、金、銀またはスズからなることが好ましい。
表面層の厚さは、特に限定されないが、厚さが大きすぎると、粗化層30の高さに起因した粗化層30の凹凸を埋めてしまい、樹脂密着性の向上効果が低下する可能性があることから、表面層の厚さの上限は3.00μm以下が好ましい。さらに、表面層を構成する材料が金などの貴金属を主としている場合には、材料のコストが増加することから、貴金属を使用する場合の表面層の厚さの上限は1.00μm以下が好ましい。
粗化層30の上に形成される層が複数である場合、最表層は表面層であり、表面層と粗化層30との間に形成される層は中間層である。中間層は1層でも、2層以上でもよい。例えば中間層が2層である場合、粗化層側の層が中間下層であり、表面層側の層が中間上層である。中間層は、粗化層30と表面層との密着性を向上させるとともに、導電性基体10や粗化層30の熱による拡散や酸化を抑制する。
中間層は、ニッケル、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、白金およびイリジウムの群から選択される1種以上の元素を含む金属または合金からなる。
中間層は必要特性に応じて元素や厚さを選択すればよく、中間層が1層の場合、耐熱性が要求されるのであればニッケルの厚さが0.02μm以上2.50μm以下、より好ましくは0.08μm以上2.00μm以下の範囲内で形成することが望ましい。表面層や粗化層との密着性などが要求されるのであれば、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、白金、イリジウムの厚さが0.014μm以上0.100μm以下の範囲内で形成することが望ましい。中間層が2層の場合、中間層の元素と厚さは上記の組合せにより決定すれば良い。また、中間層が3層以上で構成されている場合には加工性や粗化形状維持の観点から合計厚さが2.5μm以下の範囲を超えないように形成することが望ましい。
表面層および中間層の厚さは、蛍光X線膜厚計などの膜厚計によって測定することができる。
リードフレーム材の用途に応じて、表面層および中間層の有無、ならびに中間層の数は適宜選択される。
リードフレーム材の製造方法としては、各層をメッキ、クラッド、蒸着、スパッタ等の皮膜形成法で形成することができ、生産性や粗化層の表面に存在する結晶粒界数の制御性から、各層、特に粗化層を電気メッキ法で形成することが好ましい。電気メッキ液の組成およびメッキ条件は、適宜定めることができる。また、リードフレーム材の製造に必要な原料の使用量を抑えるために、片面メッキや、差厚メッキも有効な手段である。
電気メッキ法で形成した粗化層(電気メッキ層)の表面に存在する結晶粒界の数(個数密度)を制御する方法としては、例えば電気メッキによる粗化層形成において、電析時の結晶成長を制御することが挙げられる。結晶粒界の数を上記の範囲内にするためには、粗化形成(電気メッキ)時の電圧を5V以上10V以下になるように適宜調整すればよい。また、電析時の結晶成長を制御するために、導電性基体周りのメッキ液の流速が重要となる。メッキ液の流速が高いと小さな結晶粒が多く成長してしまうために適宜調整すればよい。ただし流速を定量的に測定することは難しく、撹拌子を用いてメッキ浴を撹拌しながら電気メッキ法で粗化層を形成する場合には、撹拌子の回転数を適宜調整すればよい。粗化層の形成方法として、その他のメッキ条件としては、電流密度、メッキ液中の導電性塩の濃度、浴温などを適宜変更することが特に有効である。
リードフレーム材は、半導体素子を支持固定し、外部と電気、信号のやり取りを行うための接続端子として、例えば半導体パッケージに用いられる。実装される半導体素子によって、リードフレーム材はトランジスタやキャパシタ、LEDなどに好適に用いられる。
以上説明した実施形態によれば、リードフレーム材は、粗化層の表面に存在する結晶粒界数が所定値以下に制御されているため、高温高湿環境下で長時間に亘って使用された場合であっても、樹脂密着性が良好である。
以上、実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の概念および特許請求の範囲に含まれるあらゆる態様を含み、本発明の範囲内で種々に改変することができる。
次に、実施例および比較例について説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
(実施例1〜19、比較例1〜5)
表1に示す種類であり板厚を有する導電性基体に対して、以下に示す条件で前処理としてカソード電解脱脂および酸洗を施した後、表1および以下に示す条件の電気メッキ法で、粗化層を導電性基体上に形成した。続いて、中間層(中間下層や中間上層)や表面層を形成する場合には、表1および以下に示す条件の電気メッキ法で、表1に示す厚さになるように中間層や表面層を粗化層上に形成した。こうして、リードフレーム材を得た。
前処理条件は以下の通りである。
[カソード電解脱脂]
液組成
水酸化ナトリウム:60g/L
液温:60℃
電流密度:2.5A/dm
処理時間:60秒
[酸洗]
液組成
10%硫酸
液温:室温
処理時間:30秒
粗化層の形成は、内径80mmの筒状のめっき電解槽に、φ5mm、長さ30mmの撹拌子を投入し、1Lのメッキ液を入れ、マグネチックスターラーにて、回転数0〜800r.p.m.で変化させて撹拌状態を調整した。粗化層の形成条件は以下に示すとともに、粗化メッキ時の電圧(V)および撹拌子の回転数(r.p.m.)については表1に示す。
[粗化Cuメッキ]
液組成
硫酸銅:銅濃度として5〜10g/L
硫酸:30〜120g/L
モリブデン酸アンモニウム:Mo金属として0.1〜5.0g/L
液温:20〜60℃
電流密度:10〜60A/dm
[粗化Niメッキ]
液組成
硫酸ニッケル:10〜50g/L
ホウ酸:10〜30g/L
塩化ナトリウム:30〜g/L
25%アンモニア水:10〜30mL/L
浴温:50℃
電流密度:4〜10A/dm
中間層の形成条件は以下の通りである。
[Niメッキ]
液組成
スルファミン酸ニッケル:300〜500g/L
塩化ニッケル:20〜40g/L
ホウ酸:20〜40g/L
液温:50℃
電流密度:6〜10A/dm
[Pdメッキ]
液組成
ジクロロテトラアンミンパラジウム:1〜50g/L
スルファミン酸アンモニウム:0.1〜300g/L
グリコール酸:0.001〜100g/L
リン酸アンモニウム:0.1〜50g/L
塩化アンモニウム:0.1〜300g/L
液温:30〜70℃
電流密度:0.2〜50A/dm
[Rhメッキ]
液組成
硫酸ロジウム:2〜10g/L
硫酸:50〜90g/L
液温:50℃
電流密度:0.1〜5A/dm
[Ruメッキ]
液組成
ニトロソ塩化ルテニウム:2〜20g/L
スルファミン酸:10〜30g/L
液温:60℃
電流密度:0.1〜50A/dm
表面層の形成条件は以下の通りである。
[Auストライクメッキ]
液組成
シアン化金カリウム:1〜5g/L
クエン酸:10〜60g/L
クエン酸カリウム:50〜100g/L
液温:40℃
電流密度:0.1〜1A/dm
[AuCoメッキ]
液組成
シアン化金カリウム:6〜20g/L
クエン酸:60〜120g/L
リン酸水素二カリウム:10〜30g/L
炭酸コバルト:0.1〜2g/L
液温:40℃
電流密度:0.1〜5A/dm
[Auメッキ]
液組成
シアン化金カリウム:8〜20g/L
クエン酸:10〜100g/L
リン酸水素二カリウム:10〜150g/L
液温:60℃
電流密度:0.1〜10A/dm
[Agストライクメッキ]
液組成
シアン化銀カリウム:1〜5g/L
シアン化カリウム:50〜150g/L
液温:30℃
電流密度:1〜5A/dm
[Agメッキ]
液組成
シアン化銀:10〜100g/L
シアン化カリウム:20〜150g/L
液温:30℃
電流密度:0.1〜5A/dm
[Snメッキ]
液組成
硫酸スズ:20〜120g/L
硫酸:30〜150g/L
クレゾールスルホン酸:10〜100g/L
液温:20℃
電流密度:0.1〜6A/dm
[Cuメッキ]
液組成
硫酸銅:200g/L
硫酸:50g/L
液温:40℃
電流密度:5A/dm
Auストライクメッキは、実施例3〜15および比較例3〜4で行い、Auメッキは、実施例15および比較例5で行った。また、AgストライクメッキおよびAgメッキは、実施例16〜17で行った。さらに、Snメッキは、実施例18〜19で行った。実施例1は、Cuメッキの粗化層、実施例2は、Niメッキの粗化層を形成し、中間層および表面層の形成は行なわなかった。比較例1は、粗化層および中間層を形成せずに、Cuメッキの表面層のみの形成を行った。比較例2は、Cuメッキの粗化層を形成し、中間層および表面層の形成は行なわなかった。比較例5は、粗化層を形成せずに、中間層および表面層のメッキを行った。
<評価方法>
次に、各層およびリードフレーム材の特性と評価について、以下のようにして行った。結果を表1および表2に示す。なお、各層の特性については、リードフレーム材の作製中に随時測定した。
(結晶粒界数)
FIB−SIM(集束イオンビーム−走査型イオン顕微鏡)により、作製したリードフレーム材の粗化層を断面観察した。断面観察において、導電性基体の表面に平行に所定長さLを4μmとして測定したときの、粗化層の表面に存在する粗化層の結晶粒界の数を計測し、上記の1μmの長さあたりの結晶粒界の数(個/μm)を算出した。
(中間層および表面層の厚さ)
中間層および表面層の厚さは、JIS H8501:1999に準拠した蛍光X線式試験方法によって測定した。具体的には、蛍光X線膜厚計(SFT9400、エスアイアイ・ナノテクノロジー社製)を用い、コリメータ径0.5mmとして、各層の任意の10箇所を測定し、これらの測定値の平均値を算出することで、中間層および表面層の厚さを得た。また、表面層が銅の場合、JIS H8501:1999に準拠した電解式試験方法によって厚さを測定した。具体的には、電解式膜厚計(CT−4、株式会社電測製)を用い、1cmの領域(任意の5箇所)についてそれぞれ測定し、平均値(n=5)を算出して、表面層の厚さを得た。なお、電解式試験方法で用いた電解液は、株式会社電測製K52とした。
(粗化層の高さ)
作製したリードフレーム材の断面をミクロトーム加工し、SEMを用い20000倍で観察した。粗化層の観察像の中から無作為に選択した10個の凸部の高さを測定し、これらの測定値の平均値を粗化層の高さとした。断面SEM画像から10個の凸部を観察することができない場合には、撮影箇所の異なる断面SEM画像を2〜3枚用いて、凸部を観察した。
(リードフレーム材の最表面の比表面積)
リードフレーム材の最表面の比表面積は、3次元白色光干渉型顕微鏡(ContourGT−K、BRUKER社製)を用い、2次元表面積に対する3次元表面積の百分率((3次元表面積/2次元表面積)×100(%))を測定(測定条件は、測定倍率10倍、ハイレゾCCDカメラを使用し、測定後に特別なフィルタをかけずに数値化した)し、その平均値(n=5)を比表面積(%)とした。
(対応粒界)
粗化層の断面における対応粒界の解析には、EBSDを用いた。なお、EBSD測定では、鮮明な菊池線回折像を得るために、測定面に付着した異物を取り除くと共に測定面を鏡面仕上げする必要がある。そのため、測定試料を樹脂埋後にCP(クロスセクションポリッシャ)加工を行い、粗化層断面の研磨加工を施し、観察面を得た。
EBSD測定は、6μm×16μmの範囲を25nmのステップでスキャンし、粗化層のみが解析できるよう粗化層の厚さに応じて高さ方向をクロップした。解析用ソフトウェア(Orientation Imaging Microscopy v5、EDAX/TSL社(現 AMETEK社)製)を用い、粗化層の断面を解析した。予め観察範囲内の樹脂の影響を排するため、0.1μm以下のグレインサイズのデータを除去し、粗化層のみを抽出したデータにて、Σ1〜Σ49までの対応粒界(Coincidence Site Lattice:CSL)を算出した。尚、測定対象において、隣り合うピクセルの方位差(ずれ)が15°以上の場合に粒界として判断している。表1には、対応粒界として、粗化層中に存在する粗化層の全結晶粒界に占めるΣ5以下の対応粒界の割合を示した。
(樹脂密着性)
トランスファーモールド試験装置(Model FTS、コータキ精機社製)を用い、作製したリードフレーム材の表面上に、直径2.6mmの接触面を有する樹脂からなるプリン状試験片を射出成形した。リードフレーム材の最表面に密着させた試験片についてせん断力を測定する試験を行い、リードフレーム材と試験片との樹脂密着性を評価した。評価試験に使用した樹脂および装置を下記に示す。
樹脂:スミコンG630L(商品名)、住友ベークライト社製
装置:4000Plus(商品名)、ノードソン・アドバンスト・テクノロジー社製
また、評価試験の測定条件を以下に示す。
ロードセル:S50KG
測定レンジ:50kg
テストスピード:100μm/s
テスト高さ:200μm
評価試験回数:12回
まず、リードフレーム材に密着している試験片について、上記測定条件によりせん断力を測定し、その平均値(n=12)を高温高湿試験前の樹脂密着強度とした。次に、試験片を密着させたリードフレーム材を高温高湿試験(85℃、85%RH、168時間)に投入した後、上記測定条件によりせん断力を測定し、その平均値(n=12)を高温高湿試験後の樹脂密着強度とした。そして、高温高湿試験前および試験後の樹脂密着強度について、それぞれ、10kgf/mm以上を「A」(優)、7kgf/mm以上10kgf/mm未満を「B」(良)、0kgf/mm以上7kgf/mm未満を「C」(不可)とランク付けした。AおよびBランクが合格である。また、高温高湿試験前後における樹脂密着強度の低下割合(樹脂密着強度の低下抑制性)について、(高温高湿試験後の樹脂密着強度/高温高湿試験前の樹脂密着強度)×100(%)の値が、80%以上を「A」(優)、70%以上80%未満を「B」(良)、70%未満を「C」(不可)とランク付けした。AおよびBランクが合格である。
次に、高温高湿試験後のリードフレーム材と樹脂からなる試験片との剥離界面の状態を目視観察した。そして、リードフレーム材上に樹脂が残存している場合を「○」、リードフレーム材上に樹脂が残存していない場合を「×」とした。
実施例1〜19では、リードフレーム材上に樹脂が残存する状態が観察された。これは、粗化層を樹脂密着性に適した状態で形成することにより、リードフレーム材と樹脂との密着強度が上昇し、従来のようなリードフレーム材と樹脂との界面剥離が起こらずに樹脂の破壊が生じたものと推定される。粗化メッキ条件として、5〜10V、撹拌子回転数を100〜250r.p.m.の最適な条件で電析時の結晶成長を制御することによって、従来よりも樹脂密着性を向上したリードフレーム材を製造することができた。
一方、比較例1〜5のリードフレーム材では、特に高温高湿試験後の樹脂密着性が不合格で、高温高湿試験後のせん断時にリードフレーム材と樹脂(試験片)との界面から剥離が生じてリードフレーム材上に樹脂は観察されていなかった。
Figure 0006667728
Figure 0006667728
10 リードフレーム材
20 導電性基体
30 粗化層
32 結晶粒界
40a、40b、40c 凸部
41a、41b 凸部の付け根部
B 三角形の底辺
H 三角形の高さ
L 所定長さ

Claims (9)

  1. 導電性基体と前記導電性基体の少なくとも片面に形成される粗化層とを有するリードフレーム材であって、
    前記リードフレーム材の断面で見て、前記導電性基体の表面に平行に所定長さで測定した、前記粗化層の表面に存在する結晶粒界の数は、20個/μm以下であることを特徴とするリードフレーム材。
  2. 前記リードフレーム材の断面で見て、前記粗化層の高さは0.1μm以上5.0μm以下の範囲内であることを特徴とする請求項1に記載のリードフレーム材。
  3. 前記リードフレーム材の最表面の比表面積は120%以上であることを特徴とする請求項1または2に記載のリードフレーム材。
  4. 前記リードフレーム材の断面で見て、前記粗化層中に存在する前記粗化層の全結晶粒界に占めるΣ5以下の対応粒界の割合は90.0%以上であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のリードフレーム材。
  5. 前記導電性基体は、銅、銅合金、鉄、鉄合金、アルミニウムおよびアルミニウム合金の群から選択される金属または合金からなることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のリードフレーム材。
  6. 前記粗化層は銅およびニッケルの少なくとも一方の元素を含むことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のリードフレーム材。
  7. 前記粗化層の上に形成され、前記粗化層と異なる組成を有し、ニッケル、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、白金、イリジウム、金、銀およびスズの群から選択される1種以上の元素を含む1つ以上の層をさらに有することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のリードフレーム材。
  8. 請求項1〜7のいずれか1項に記載のリードフレーム材の製造方法であって、前記粗化層は電気メッキにより形成されることを特徴とするリードフレーム材の製造方法。
  9. 請求項1〜7のいずれか1項に記載のリードフレーム材を用いた半導体パッケージ。
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