JPH03290957A - プラスチックスパッケージ用リードフレーム材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 利用産業分野 この発明は、プラスチックスで封着した半導体パッケー
ジにおいて、大容量化した半導体チップを搭載した際の
熱放散性にすぐれ、かつチップとの熱膨張係数の不整合
に伴うチップ損傷を防止したＣｕ系リードフレーム用材
料に係り、Ｃｕ系リードフレーム用材料の半導体チップ
搭載予定面及び裏面側にチップの熱膨張係数に近い低熱
膨張金属箔をスポット状に部分クラッドし、熱放散性に
すぐれたＣｕ系材料の大容量半導体チップとの熱的接合
性を改善し、チップ搭載加熱時の基板のそり等を低減し
て剥離あるいは割れ等のチップ損傷を防止したプラスチ
ックスパッケージ用リードフレーム材料に関する。

背景技術 半導体パッケージの集積回路チップ（以下チップ）、と
りわけ、大型コンピューター用のＬＳＩやＵＬＳＩは、
高集積度化、演算速度の高速化の方向に進んでおり、作
動中における消費電力の増加に伴う発熱量が非常に大き
くなっている。

すなわち、チップは大容量化して、発熱量が大きくなっ
ており、基板材料の熱膨張係数がチップ材料であるシリ
コンやガリウムヒ素等と大きな差があると、チップが剥
離あるいは割れを生ずる問題がある。

これに伴ない、半導体パッケージの設計も、熱放散性を
考慮したものとなり、チップを搭載する基板にも放熱性
が要求されるようになり、基板材料の熱伝導率が大きい
ことが求められている。

第６図に示す如き、樹脂封止の半導体パッケージにおい
ては、リードフレームがチップの外部への電気的接続の
経路となるだけでなく、チップで発生する熱の放散経路
として重要な役割を果している。

すなわち、プラスチックスパッケージにおいて、チップ
（２）はリードフレーム（１）の中央部に形成されるア
イランド（１１）に載置され、ろう材や接着材、はんだ
等にて固着されるとともに、内部リード（１２）とボン
ディングワイヤ（３）を介して電気的に接続され、さら
に周囲を樹脂（４）にて封止されている。

チップ（２）から発生する熱は、アイランド（１１）、
樹脂（４）、内部リード（１２）という経路にてリード
フレーム（１）の外部リード（１３）に達し、樹脂（４
）外面と合わせて外部に放散されることになる。

従って、リードフレーム（１）には、チップから発生す
る熱を半導体パッケージの外部に放散するために熱伝導
率の良い材料が望まれる。

一方、チップ（２）とアイランド（１１）との接着界面
の剥離や、樹脂（４）にみられるクラック等は、チップ
（２）や封止樹脂（４）とリードフレーム（１）との熱
膨張係数の差を要因として発生しており、これを防止す
るためには、前記チップ（２）及び樹脂（４）とリード
フレーム（１）との熱膨張係数の整合性が不可欠となる
。

上述したようにプラスチックス半導体パッケージにおけ
るリードフレームには、従来から、熱の放散性の観点か
ら熱伝導率の良い銅合金からなるリードフレームが多用
されている。

ところが、高信頼性を要求される用途には、銅合金は、
チップとの熱膨張係数の整合性が悪く、チップとアイラ
ンドとの接着界面の剥離やチップの割れ等が懸念される
ため、チップとの熱膨張係数の整合性から４２％Ｎｉ−
Ｆｅ合金等の低熱膨張係数を有するＮｉ−Ｆｅ系合金を
採用した半導体パッケージも提案されている。

しかし、Ｎｉ−Ｆｅ系合金は熱伝導率が悪いため、現在
の要求を満すだけの熱の放散性が得られていない。また
、チップと封止樹脂との熱膨張差は非常に大きく、リー
ドフレームとチップとの熱膨張係数の整合性がよい場合
でも、リードフレームと樹脂との間の整合性が悪く、封
止樹脂に発生するクラックを完全に防止することは困難
であった。

発明の目的 この発明は、上述したプラスチックスパッケージにおけ
るＣｕ系リードフレーム材のチップとの熱的整合性が得
られない問題に鑑み、熱放散性にすぐれたＣｕ系材料の
大容量半導体チップとの熱的接合性を改善し、チップ搭
載加熱時の基板のそり等を低減して剥離あるいは割れ等
のチップ損傷を防止したプラスチックスパッケージ用リ
ードフレーム材料の提供を目的としている。

発明の概要 この発明は、熱の放散性にすぐれる銅または銅合金板と
、大容量チップとの熱的接合性の改善を目的に、チップ
搭載加熱時のアイランド部のわん曲について種々検討し
た結果、半導体チップ搭載予定面の裏面側に低熱膨張金
属箔をスポット状に部分クラッドすることにより、チッ
プ搭載加熱時の基板側のそり等を低減でき、剥離あるい
は割れ等のチップ損傷を防止できることを知見し、ざら
に検討した結果、半導体チップ搭載予定面の表裏面にチ
ップの熱膨張係数に近い低熱膨張金属箔をスポット状に
部分クラッドして、チップとの熱膨張係数差を少なくす
ることにより、そり等を低減できることを知見し、この
発明を完成したものである。

すなわち、この発明は、 帯状の基板材から打ち抜き等の加工成形したリードフレ
ームのアイランド部に半導体チップを搭載して樹脂封着
するプラスチックスパッケージに用いる帯状の銅または
銅合金板からなるリードフレーム材料において、 基板材の長手方向の各アイランド部予定位置で、かつ半
導体チップの搭載予定表面及びその裏面に所定寸法の低
熱膨張金属材料箔を圧接して所定間隔で配列したスポッ
ト状部分クラッド材であることを特徴とするプラスチッ
クスパッケージ用リードフレーム材料である。

図面に基づ〈発明の開示 第１図はこの発明によるリードフレーム材料の説明図で
ある。第２図ａ、ｂ、ｃはこの発明によるリードフレー
ム材料のクラッドした低熱膨張金属材料箔を示す縦断説
明図である。第３図はこの発明に用いる低熱膨張金属材
料箔の一例を示す斜視説明図である。第４図ａ、ｂ、ｃ
はこの発明によるリードフレーム材料を用いたプラスチ
ックスパッケージの縦断説明図である。第５図ａは温度
とクラッドする低熱膨張金属材料箔と基板材の厚み比と
の関係を示すグラフであり、同図すは試験材の斜視説明
図である。

榎戊 この発明によるリードフレーム材料は、第１図に示す如
く、銅または銅合金からなる帯状のＣｕ系基板材（１０
）の両面に、所定寸法の低熱膨張金属材料箔（１１）を
接合して所定間隔で配列したスポット状部分クラッド材
である。

詳述すると、帯状のＣｕ系基板材（１０）はその長手方
向に複数個の所要パターンのリードフレームに打ち抜き
成形するが、Ｃｕ系基板材（１０）の長手方向の各アイ
ランド部予定位置で、かつ半導体チップの搭載側表面及
びその裏面側表面に、所定寸法の低熱膨張金属材料箔（
１１）を圧接して長手方向に所定間隔で配列したもので
ある。

低熱膨張金属材料箔（１１）は、後述する如く、Ｃｕ系
基板材（１０）厚み、搭載予定チップ寸法等を考慮して
選定された厚み、寸法を有する。

また、Ｃｕ系基板材（１ｏ）との圧接状態は、第２図ａ
、ｂ、ｃに示す如く、Ｃｕ系基板材（１ｏ）表面に低熱
膨張金属材料箔（１１）が圧接されるほか、基板材側に
一部あるいは全部が埋入して圧接されてもよい。

また、低熱膨張金属材料箔（１１）自体も第２図Ｃに示
す如く、種々形状の孔を設けた所謂パンチングメタルと
すると、孔内にＣｕ系基板材が入り、銅または銅合金と
低熱膨張金属材料の体積比により、銅または銅合金ない
し低熱膨張金属材料の間の任意の熱膨張係数値を選択す
ることができる。

さらに、低熱膨張金属材料箔（１１）に、第３図に示す
如く、例えば、銅または銅合金板（２０）の少なくとも
一方主面に、厚み方向に多数の貫通孔（２２）を有する
低熱膨張金属板（２１）を圧接一体化して、前記貫通孔
（２２）から銅または銅合金が低熱膨張金属板（２１）
表面に部分的に露出するよう構成し、銅または銅合金と
低熱膨張金属材料の体積比を選定することにより、銅ま
たは銅合金ないし低熱膨張金属材料の間の任意の熱膨張
係数値を選択した金属材料を用いることができる。また
、前記銅または銅合金材に代えて他の金属材料を用いる
こともできる・。

悲 また、Ｃｕ系基板材（１０）には、純Ｃｕのほか、Ｃｕ
−８ｎ系、Ｃｕ−Ｆｅ系、Ｃｕ−Ｚｎ系、Ｃｕ−Ｃｏ系
、Ｃｕ−Ｎｉ系、Ｃｕ−Ｚｒ系など、あるいはさらに前
記Ｃｕ系にＰ、　Ｃｒ等を添加した公知のＣｕ合金のい
ずれをも採用でき、用途や要求される性能等に応じて適
宜選定できる。

低熱膨張金属材料箔（１１）には、３６Ｎｉ−Ｆｅ合金
、３１Ｎｉ−４Ｃｏ−Ｆｅ合金、４２Ｎｉ−Ｆｅ合金な
どの各種組成からなるＮｉ−Ｆｅ系合金の他、所謂コバ
ール合金、Ｍｏ、　Ｆｅ−Ｃｒ合金等の公知の低熱膨張
金属が採用できる。

作用効果 第２図ａ、ｂ、ｃに示すこの発明による各種のリードフ
レーム材料を用いて、長手方向に複数個の所要パターン
のリードフレームを、例えば、打ち抜き成形し、得られ
たリードフレームでプラスチックスパッケージを作成す
ると、第４図ａ、ｂ、ｃに示す如く、チップ（２）はリ
ードフレーム（１）の中央部に形成されるアイランド（
１１）に載置され、ろう材や接着材、はんだ等にて固着
され、内部リード（１２）とボンデイングワイヤ（３）
を介して電気的に接続され、周囲が樹脂（４）にて封止
されている。

第４図ａに示す例では、チップ（２）が搭載されるアイ
ランド（工１）の表裏面に、低熱膨張金属材料箱（１１
）が圧接されており、同図すでは、低熱膨張金属材料箱
（１１）がアイランド（１１）部内に埋入されて、他リ
ード部と同厚みとなっており、さらに同図Ｃでは、同様
にパンチングメタル構成の低熱膨張金属材料箱（１１）
がアイランド（１１）部内に埋火されている。

第４図ａ、ｂ、ｃに示すいずれのパッケージにおいても
、チップ（２）から発生する熱は、アイランド（１１）
、樹脂（４）、内部リード（１２）という経路にてリー
ドフレーム（１）のリード部（１３）に達して外部に放
散されるが、この経路全体がＣｕ系基板材からなるため
、熱の放散性が極めて良い。

さらに、チップ（２）が搭載されるアイランド（１１）
では、その表裏面に所要の低熱膨張金属材料箱（１１）
７＞（圧接、埋入されていることから、加熱時の反りが
極僅かしかなく、チップ（２）とアイランド（１□）の
低熱膨張金属材料箱（１１）との接着界面の剥離等を防
止することができ、信頼性の高いプラスチックスパッケ
ージが得られる。

玉盈立沫 この発明によるリードフレーム材料は、第１図に示す如
く、銅または銅合金からなる帯状のＣｕ系基板材（１０
）に、Ｃｕ系基板材（１０）厚み、搭載予定チップ寸法
等を考慮して選定された材質、厚み、寸法を有する低熱
膨張金属材料箱（１１）を、重ね合わせ圧接、圧延して
所定間隔で配列したスポット状部分クラッド材である。

低熱膨張金属材料箱（１１）のかかる特定厚み、寸法を
選定するには、実装試験で確認することが主になるが一
応の目安として以下の手段を採用することができる。

Ｃｕ系基板材の両面に低熱膨張金属材料箱を圧接した場
合の熱膨張係数は、低熱膨張金属材料（Ｍ）／ＣｕＣｕ
系基板材種類層全面クラッド材の厚み比を基に算出でき
、また、該金属材料箔がパンチングメタルである場合（
以下Ｈ８材という）も同様に推定できる。

計算手順を説明すると、 イ）低熱膨張金属材料＜Ｍ）とＣｕ系基板材の熱膨張係
数（α）を測定 口）ある厚み比のＨ８材の熱膨張係数（α）を測定ハ）
上記イ、口を基に、種々温度での、ヤング率比（ＥＣｕ
／　ＥＭ）を求める 二）上記イ、ハの熱膨張係数の実測値、ヤング率比を基
に、種々の厚み比でのＱＨ８を求める例えば、純Ｃｕと
コバール材の場合は、第５図ａに示す如き、熱膨張曲線
が得られる。

Ｈ８ ｃｕｌＥＭ 熱膨張係数α　　　ＱＣｕ　”銅、 αＭ＝低熱膨張金属材料、 板厚比ｔ　　　　　　ｊＣｕ　＝銅、 ｔＭ＝低熱膨張金属材料、 ヤング率比　　　ＥＣｕ　”銅、 ＥＭ＝＝低熱膨張金属材料、 上記方法にて、低熱膨張金属材料箱をスポット状に部分
クラッドしたＣｕ系基板材の当該クラッド部分の熱膨張
係数を所要値にして、搭載予定チップに近くするため、
低熱膨張金属材料箔／Ｃｕ系基板材ｌ低熱膨張金属材料
箔の３クラッド部の各材料の厚み比を適宜選定する。

また、各材料の厚み比（低熱膨張金属材料箱／Ｃｕ系基
板材／低熱膨張金属材料箔ンは、 １：１：１〜１：６：１が好ましい。

上述の如く、Ｃｕ系基板材種類及び厚み比、熱膨張係数
、搭載予定チップ寸法等を考慮して選定された材質、厚
み、寸法を有する低熱膨張金属材料箱を、所要の厚み比
となるまで重ね合わせ圧接、圧延するが、Ｃｕ系基板材
の長手方向にスポット状に部分クラッドされる低熱膨張
金属材料箔は、リードフレームへの加工に際して、高精
度のビ・ソチ、寸法を有する必要がある。

高精度のピッチ、寸法を有するスポット状部分クラッド
材を得るには、例えば、コイルから巻き戻し定寸送りし
た該金属材打箔とＣｕ系基板材を所定間隔で連続的に超
音波溶接して仮止めした後、一対の回転カッターで所定
間隔で金属箔を切断して止着されない金属箔片を除去、
あるいは、定寸送りした金属材打箔をパンチで挾み切断
すると同時に定寸送りされるＣｕ系基板材上でパンチに
組み込んだ電極でスポット溶接して仮止めするか、ある
いは同様にパンチに組み込んだ超音波溶接用加振板にて
超音波溶接して仮止めした後、圧接、圧延するとよい。

また、定寸送りした該金属材打箔とＣｕ系基板材を所定
間隔で連続的にレーザー溶接して仮止めした後、回転カ
ッターで所定間隔で金属材打箔を切断して止着されない
金属箔片を除去、あるいは、定寸送りした金属材打箔を
パンチで挾み切断すると同時に定寸送りされるＣｕ系基
板材上にノ（ンチで押圧しながらレーザー溶接して仮止
めした後、圧接、圧延し、この際、圧延機の一対のワー
クロールにバックアップロールを当接させて、巻き戻さ
れたＣｕ系基板材を加圧するときの荷重を検出する装置
と板厚計を備えることにより、圧延荷重制御装置にて、
金属材料箔片の所要原点からの絶対位置測定値を基に、
圧延荷重の変動とピッチ及び絶対位置の変動との定量的
関係、制御モデルを求め、目標とする圧延荷重を計算し
、荷重一定制御を行うと、高精度ピッチ制御を実現でき
る。

（特願平１−１０２３１６号、特願平１−２１６７５８
号、特願平１−２１６７５９号、特願平１−２１６７６
０号参照）この発明の低熱膨張金属材料箔の重ね合わせ
圧接時に同時に表裏面で部分クラッドするほか、時間差
をおいて表裏面で個別に部分クラッドすることもでき、
例えば、アンコイリングしたＣｕ系基板材の一方面に先
に該金属材打箔を仮止めしたのち、ループさせて表裏を
反転させ、他面に該金属材打箔を仮止めし、その後圧接
、圧延することができる。

上述した圧接、圧延機による製造方法のほか、プレス機
によってもＣｕ系基板材に該金属材料箔片を埋入配置す
ることができる。

また、低熱膨張金属材料箔（１１）がＣｕ系基板材（１
０）に所謂ビンダウンで瓜接していても前述のわん曲防
止効果は同等であり、さらに第２図すに示す如く、低熱
膨張金属材料箔（１１）がＣｕ系基板材（１０）のアイ
ランド予定位置の表裏面に埋入される場合に、該金属材
打箔（１１）がとの厚み端面のみを挟持されるだけであ
っても、前述のわん曲防止効果は同等である。

夾施厘様 この発明によるリードフレーム材料のチップ搭載面側、
すなわち、リードフレームのボンディングエリアを含む
所要表面位置に、ＡｇあるいはＡｕめっきをストライプ
状、スポット状めっきを施すことができる。

また、同様にリードフレーム材料のチップ搭載面側の所
要表面位置に、ボンディングワイヤ一種に応じて、Ａｇ
箔、Ａｕ箔、Ａ１箔、Ｃｕ箔等をストライプ状に圧接、
圧延することもでき、また、前述した箔片に切断して仮
止め後に圧接、圧延する方法を採用し、上記各種金属箔
をスポット状に部分クラッドすることができる。

さらに、リードフレームのボンディングエリアを含む表
面位置に、１条あるいはそれ以上のストライプ状の純度
９９．９％以上の純りｕ箔を、２〜５０νｍ厚みに冷間
あるいは温間圧接することにより、熱放散性にすぐれた
Ｃｕ合金系リードフレーム材料に高価なＡｕ、　Ａｇス
ポットめっきなどを必要とせず、組立工程でＣｕワイヤ
ーをボンディングに使用でき、かつボンディングが容易
に確実にできる。

圧接方法は、例えば、軟化ワイヤーブラシによる表面清
浄化後、両者を冷間圧接し、さらに、拡散焼鈍を施した
後、所要厚みまで圧延を行う方法が好ましい。また、純
Ｃｕ箔表面が純度９９．９％以上の純Ｃｕとしての特性
を維持し続けて良好なボンディング性を保持し、かつ高
い機械的強度を保持させることを考慮すると、１０ｐｍ
を越える厚みが好ましい。

実施例 去加シ。

１５．６ｘ６．２４ｘＯ，４（厚み）ｍｍ寸法のチップ
を搭載できる２６ピン用のプラスチックスパッケージ用
のリードフレームを８個、打ち抜き成形するため、０．
２ｘ３６．５ｘ２３０ｍｍ（ｔｘｗｘｌ）寸法の純Ｃｕ
基板材からなるリードフレーム材料を製造した。

すなわち、第４図ａに示す如く、アイランド（１１）の
裏面側に低熱膨張金属材打箔（１工）が圧接された構成
とするため、 各材料の厚み比が、Ｍ／Ｃｕ／Ｍ−ｉ−１：２：１とな
るように、低熱膨張金属材打箔には、０．１ｍｍ厚みの
３６Ｎｉ−Ｆｅ＃を選定した。

純Ｃｕ基板材の表裏面の１６箇所に、３６Ｎｉ−Ｆｅ材
を上記厚み比となるように圧接、圧延して、各々１４．
５Ｘ５．４ｍｍ寸法でＯ，ｉｍｍＪｌｌみの低熱膨張金
属材打箔がスポット状に配列されたリードフレーム材を
作製した。

上記リードフレーム材を用いて、プラスチックスパッケ
ージを５０個作成して実装試験したところ、剥がれや割
れのチップ損傷は皆無であった。

去蓬！徨 実施例１において、第４図すに示す如く、低熱膨張金属
材打箔（１１）がアイランド（１１）部内に埋入されて
、他リード部と同厚みとなる構成とするため、各材料の
厚み比が、Ｍ／Ｃｕ／Ｍａｌ：１：１となるように、低
熱膨張金属材打箔には、０．０６３ｍｍＪｉＥみのコバ
ール材を選定した。

純Ｃｕ基板材の表裏面の１６箇所に、コバール材を上記
厚み比ｄｃＪｌめ込むように圧接、圧延して、各々１４
．４ｘ５．２ｍｍ寸法で０．０６３ｍｍ厚みの低熱膨張
金属材打箔がスポット状に配列されたリードフレーム材
を作製した。

上記リードフレーム材を用いて、プラスチックスパッケ
ージを５０個作成して実装試験したところ、剥がれや割
れのチップ損傷は皆無であった。

発明の効果 Ｃｕ系リードフレーム用材料の半導体チップ搭載予定面
及びその裏面側に低熱膨張金属箔をスポット状に部分ク
ラッドした、この発明によるリードフレーム用材料はＣ
ｕ系基板材からなるため、熱の放散性が極めて良く、さ
らに、チップが搭載されるアイランド部の裏面側に所要
の低熱膨張金属材打箔が圧接、埋入されているため、加
熱時の反りが極僅かしかなく、チップとアイランドとの
接着界面の剥離等を防止することができ、信頼性の高い
プラスチックスパッケージを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明によるリードフレーム材料の説明図で
ある。第２図ａ、ｂ、ｃはこの発明によるリードフレー
ム材料のクラッドした低熱膨張金属材打箔を示す縦断説
明図である。第３図はこの発明に用いる低熱膨張金属材
打箔の一例を示す斜視説明図である。 第４図ａ、ｂ、ｃハこの発明によるリードフレーム材料
を用いたプラスチックスパッケージの縦断説明図である
。 第５図ａは厘度とクラッドする低熱膨張金属材打箔と基
板材の厚み比との関係を示すグラフであり、同図すは試
験材の斜視説明図である。 第６図は従来のプラスチックスパッケージの縦断説明図
である。 １・・・リードフレーム、１１・・・アイランド、１２
・・・内部リード、１３・・・外部リード、２・・・チ
ップ、３・・・ボンディングワイヤ、４・・・樹脂、１
０・・・Ｃｕ系基板材、１１・・・低熱膨張金属材打箔
、２０・・・銅または銅合金板、２１・・−低熱膨張金
属板、２２・・・貫通孔。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 帯状の基板材から加工成形したリードフレームのアイラ
   ンド部に半導体チップを搭載して樹脂封着するプラスチ
   ックスパッケージに用いる帯状の銅または銅合金板から
   なるリードフレーム材料において、 基板材の長手方向の各アイランド部予定位置で、かつ半
   導体チップの搭載予定表面及びその裏面に所定寸法の低
   熱膨張金属材料箔を圧接して所定間隔で配列したスポッ
   ト状部分クラッド材であることを特徴とするプラスチッ
   クスパッケージ用リードフレーム材料。