JPH05156393A

JPH05156393A - 電子部品用部材

Info

Publication number: JPH05156393A
Application number: JP1781892A
Authority: JP
Inventors: Michihiko Inaba; 道彦稲葉; Hirofumi Omori; 廣文大森; Shinichi Nakamura; 新一中村; Yoko Takeuchi; 曜子竹内; Mitsuhiro Tomita; 充裕富田; Yoshinori Honma; 美規本間; Masahiko Yoshiki; 昌彦吉木; Tatsuya Hatanaka; 達也畠中; Futoshi Takahashi; 太高橋; Hideki Matsunaga; 秀樹松永
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1991-09-30
Filing date: 1992-02-03
Publication date: 1993-06-22

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、半田付け性、半田耐候性にすぐれ、
かつ電子部品に必要な機械的強度、ボンディング性をも
達成する電子部品用部材を提供することを目的とする。【構成】本発明の電子部品用部材は、ＰｂおよびＩｎの
少なくとも一種を０．１〜５０重量％含有し、残部が実
質的にＣｕ、ＦｅおよびＡｌのいずれか一種からなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子部品用部材に係
り、特に民生用素子、例えば半導体装置のリードフレー
ム、キャリアフレーム（ＴＡＢ用テープ）、ボンディン
グワイヤ・バンプ、コネクタ、スイッチ等の材料として
有用な電子部品用部材に関する。

【０００２】

【従来の技術】民生用製品、例えばトランジスタ、ＩＣ
（集積回路）、ＬＳＩ（大規模集積回路）等の半導体装
置は、高出力、多機能という製品一般に要求される性質
の他に、量産性がよく、低価格で製造されることも要求
される。

【０００３】そこで、これらの要求を満たす半導体装置
として、図５に示す樹脂封止型構造のものが知られてい
る。すなわち、ダイフレーム（もしくはタブ）２１の上
に半導体チップであるペレット２２がダイボンディング
（もしくはマウント）され、ペレット２２の膜状の電極
（チップ電極）とリードフレーム２３とがリードワイヤ
２４で結線される。そして、最後にこれらを樹脂２５で
モールディングして、樹脂封止型の半導体装置が完成す
る。この際リードフレーム２３の樹脂モールド２５内に
ある部分はインナーリードと呼ばれる。

【０００４】ここで、リードフレーム２３には、上述の
要求との関連で次の性質が要求される。すなわち、表
面酸化が少ないこと、プレスによる打抜きもしくは塩
化第二鉄溶液等を用いたエッチングにより製造する際の
プレス打抜き性、プレス曲げ性（延性）等の加工性およ
びエッチング性が良好であること、高温特性（例えば
２５０℃以上の温度における機械的強度）が優れている
こと、半田付性（半田との濡れ性、半田めっき性）、
半田耐候性、めっき性がよいこと、などである。

【０００５】そこで、これまでは上記の性質を比較的満
足するリードフレーム材料として４２Ｎｉ−Ｆｅ合金が
広く使用されている。

【０００６】一方、民生用の素子でも光半導体を用いた
ＬＥＤ（発光ダイオード）等は、光の反射率を向上させ
るため、Ａｌ合金を使用することが多い。そしてこの場
合、強度を高めるためＳｉやＭｇを添加することがあ
る。また、ＬＳＩやＩＣに使用するリードフレームには
ボンディング性を向上させるためＡｌのクラッドを用い
ることがある。

【０００７】さらに、リードワイヤには、湾曲したりす
るのに適度な強度を有するＣｕ系の材料が用いられる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述の材料
を半田付けする場合を考えてみると、まず４２Ｎｉ−Ｆ
ｅの鉄系合金は、強力なフラックス（溶剤）がないと半
田付けできない。そのため有機系の溶剤（フロン洗浄さ
れる）が使用されてきた。しかし、これらは環境汚染に
つながることから、水溶性のフラックスによっても半田
付けが可能なリードフレーム材料が求められている。

【０００９】他方、Ａｌ系の材料も直接の半田付けがで
きない。よってＡｌクラッドを施した場合は、半田付け
する部分に限りそのクラッドを剥離しなければならない
という手間がある。また最近の超音波半田付け法により
Ａｌに直接半田付けする場合も、半田中のＳｎとＡｌが
反応して界面に耐蝕性のない層ができるなどの不具合が
ある。

【００１０】その他、Ｃｕ系の材料は半田付けは可能で
あるが、両者の界面にＣｕ₃Ｓｎ、Ｃｕ₆Ｓｎ₅等の硬
い金属間化合物が生じ、半田が剥離したりするおそれが
ある（半田耐候性が悪い）。

【００１１】以上のように、従来では電子部品用部材
（リードフレーム、キャリアフレーム（ＴＡＢテー
プ）、ボンディングワイヤ・バンプ、コネクタ等）の電
気的接続が必ずしも充分ではなかった。

【００１２】例えばリードフレームでは半田付け、半田
めっき性が不充分であり、キャリアフレームでは、Ｓ
ｎ，半田めっき性が不充分であり、ボンディングワイヤ
・バンプでは、塑性変形性が不充分であり、さらにコネ
クタ・スイッチでは半田付、半田めっき性が不充分であ
った。

【００１３】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、半田付け性、半田耐候性、めっき性にすぐれた電子
部品用部材を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段および作用】本発明は上記
課題を解決するために、ＰｂおよびＩｎの少なくとも一
種を０．１〜５０重量％含有し、残部が実質的にＣｕ、
ＦｅおよびＡｌのいずれか一種からなる電子部品用部材
を提供する。

【００１５】ＰｂおよびＩｎの少なくとも一種を０．１
〜５０重量％としたのは、０．１重量％未満では半田濡
れ性、半田耐候性の向上には不十分であり、他方５０重
量％を越えると製造する電子部品用部材の強度が低下す
るためである。

【００１６】残部が鉄の場合、Ｐｂ，ＩｎはＦｅと相互
に固溶しないため、素材内ではＰｂ（Ｉｎ）相とＦｅ相
に分れる。そこで、このＰｂ，Ｉｎ相が半田中のＳｎや
Ｉｎと共晶組織をつくり、半田付けが容易になるのであ
る。鉄の場合、Ｐｂ，Ｉｎの含有量は好ましくは０．５
〜３０重量％、より好ましくは２〜１５重量％がよい。

【００１７】Ｐｂ，Ｉｎの含有により、半田付け性、半
田めっき性、Ｓｎめっき性、Ａｕ，Ａｇめっき性、塑性
変形等の向上が図れる。

【００１８】半田付けをしやすくするための表面処理は
必要に応じて行なう。Ｐｂ，Ｉｎの添加量が少ない場合
はＦｅ相を選択的にエッチングし、半田付けに掛かる表
面にＰｂ，Ｉｎを凝縮させる。エッチングは、非酸化性
雰囲気中で塩酸、硫酸、フッ酸等の酸に浸漬（ディッ
プ）するのがよい。また苛性ソーダへの浸漬も効果的で
ある。

【００１９】不可避不純物として、Ａｌ，Ｔｉ，Ｃ，
Ｏ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｐ，Ｚｎ，Ｔａ，Ｎｂ等は、５重量％
以内であれば、製品強度、例えばリードフレームの強度
を向上させるのに役立つ。またＣｒはＦｅ相に固溶して
耐蝕性を向上させるが、所定の効果を発揮させ、かつ半
田をはじかないためには３〜１０重量％の含有が望まし
い。

【００２０】製造法は溶湯急冷法でもよいし、Ｆｅ，Ｐ
ｂ，Ｉｎそれぞれの元素と固溶体をつくるようなフラッ
クス、例えばＴｉ，Ｓｉ等を混ぜて溶解し、圧延したも
のを用いてもよい。好ましくは比重差を少なくできる溶
湯急冷法がよい。このとき溶湯急冷速度は、１００℃／
秒以上がよく、また精度のよい板厚を得るには双ロール
による冷却が適している。

【００２１】つぎに残部がアルミニウムの場合、Ｐｂあ
るいはＩｎは、半田中のＳｎと共晶組織をつくり、堅固
な接合を保つ。ただし、Ｐｂ，Ｉｎは、０．１重量％未
満であるとＡｌ相中に固溶して単独の相として出現せ
ず、半田と共晶組織をつくりにくくなる。望ましい添加
量は５〜２５重量％である。

【００２２】Ｐｂ，Ｉｎ相は、Ａｌ相とはある程度の固
溶幅をもちながら、金属素体内で相分離している。図１
はこの相分離している状態を示す金属組織図である。Ａ
ｌ相１の結晶粒度は、ＪＩＳ−０５５１オーステナイト
の粒度番号６以上が好ましい（６未満では粗大化しすぎ
るためである）。図中、符号２はＰｂ相もしくはＩｎ相
である。結晶方位については、特に規定する必要がな
い。

【００２３】なお、金属素体へは、Ａｌ，Ｐｂ，Ｉｎ以
外に、Ｃｕ，Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｔｉ，ＦｅおよびＮｉ
を含んでもよい。５重量％までのＳｉ，Ｚｎは強度向上
に効果があり、また５０重量％までのＣｕ，ＮｉはＡｌ
相中にＡｌとの金属間化合物をつくるため最も強度を向
上させる。Ａｌ，Ｃｕ，Ｆｅは母材を構成する。特にＣ
ｕは導電性、Ｆｅは強度を向上させる。Ａｌは接続性を
向上させ、反射率向上によりＬＥＤ等の応用に好適とな
る。

【００２４】図２は、本発明のＡｌ相１とＰｂもしくは
Ｉｎ相２からなる金属素体（電子部品用部材）３に半田
４を接合したときの金属組織図であるが、金属素体３と
半田４の界面には、ＰｂあるいはＩｎ相２とＳｎ５の共
晶組織が形成される。符号６は、半田４中のＰｂを示
す。このとき金属素体３表面のＡｌ相１を希塩酸や希フ
ッ酸で選択的にエッチングし、Ｐｂ，Ｉｎに富む（Ｐｂ
−richもしくはＩｎ−rich）状態にすると、共晶組織が
できやすくなる。

【００２５】このＡｌ−Ｐｂ，Ｉｎ金属素体に対してワ
イヤボンディングするときは、ワイヤはＡｕ，Ｃｕ，Ａ
ｌ製のいずれでも直接ボンディングが可能である。この
とき、図３に示すように、ワイヤ７はＡｌ相１とＰｂも
しくはＩｎ相２の両相に接触するが、ワイヤ７がＡｕ製
の場合は両相１，２と、Ｃｕ製，Ａｌ製の場合はＡｌ相
１と接合するので問題はない。

【００２６】最後に残部が銅の金属素体の場合は、Ｐ
ｂ，Ｉｎを添加すると、半田ディップ時あるいは半田め
っき後のバーンインで両者に界面にＳｎとＣｕの間で前
述の有害な金属間化合物が生成されにくくなり、長時間
使用に対する信頼性が増す。このとき、好ましいＰｂの
含有範囲は２〜２０重量％である。

【００２７】なお、不可避的不純物としては、Ｚｎ、
Ｓ、Ｐ、Ｏ、Ｃ、Ｎ、Ａｕ、Ｓｎ等が考えられるが、微
量ならば性質に影響はない。

【００２８】

【実施例】

＜実施例１〜１４＞（リードフレームとしての実施例）下記表１に示す成分（表中、例えば実施例１のＦｅ−５
Ｐｂは、Ｐｂが５重量％、残部がＦｅであることを示
す。以下の実施例、表においても同じ。）を有する実施
例１〜１４の金属素体を製造した。すなわち、素材は双
ロール法でつくり、板厚１mmまでにおとす。冷却速度は
１００℃／秒以上で、その後に板厚０．２５mmまで冷間
圧延と焼鈍を繰り返しておとす。金属相はＰｂあるいは
Ｉｎを主成分とした少なくとも１種の相（ＰｂとＩｎが
両方入っていると２０％までは固溶するが、それ以上で
あるとＰｂとＩｎは分離する）と、Ａｌ，Ｃｕ，Ｆｅの
相に分かれる。外層表面には半田めっき、あるいは一部
半田デッップを行なう。評価としては、半田めっき性、
半田付け性、強度（ビッカース硬度）、ボンディング性
である、Ａｌ材については反射率も対象とした。実施例
１〜５については溶湯急冷法で、また実施例６について
は溶解法で製造し、さらに前者は冷間圧延を行ない、後
者は熱間圧延と冷間圧延を繰返して厚さ０．２５mmの板
に仕上げた。そして、この薄板状のコイルをプレス打抜
きで所定形状のリードフレームにした。

【００２９】ついでＳｉ半導体ペレットをダイボンディ
ングし、Ａｕ製ワイヤでワイヤボンディングする。そし
てこのペレットとリードフレームを電気的に接続した
後、モールド樹脂でペレットを保護し、カッティングと
ベンディングを施して電子部品を完成させた。

【００３０】この電子部品のリードフレームのアウター
リード（リードフレームのうち樹脂モールドから露出し
た部分）について、半田付け試験を行なった。半田はＰ
ｂ−Ｓｎ共晶半田で、”２６０℃で５秒間浸漬した。フ
ラックスは水溶性のものを用いた。判定は目視で、９０
％以上の表面が濡れていれば良好、それ未満は不良とし
た。なお、実施例２と６には表の備考欄に示す表面処理
を行ない、実施例６ではめっきで半田を付けた。

【００３１】他方、比較例１として４２Ｎｉ−Ｆｅ合金
のリードフレームについても同様の実験を行なった。

【００３２】

【表１】

【００３３】表１から分かるように、本実施例１〜６の
リードフレームは、いずれも良好な半田濡れ性を示し、
不良の４２Ｎｉ−Ｆｅ合金とは好対照をなした。

【００３４】＜実施例７〜１１＞上記表１に示す成分を
含んだ溶湯を双ロールドラムで急速に冷却（冷却速度は
約１００℃／秒）し、ＡｌとＰｂもしくはＩｎが均一に
混合してできた３mm厚の板を製造する。この後さらにひ
ずみとりの焼鈍しを行ない、冷間圧延により０．２５mm
厚の板材にした。そしてこの板材をプレス成形してイン
ナーリードとアウターリードをもつリードフレームを形
成し、前記実施例１〜１４と同様にして樹脂モールドし
た電子部品を製作した。

【００３５】その後アウターリードを希フッ酸で洗浄
し、Ａｇを５重量％含んだＰｂ−Ｓｎ共晶半田（いわゆ
る含銀半田）により、２６０℃でアウターリードの接合
を完成させた。この際一部、Ｐｂ，Ｉｎ量の少ないもの
については水溶性フラックスを使用した。他方、Ｐｂ，
Ｉｎの含有量が０．５〜５０重量％の範囲外にある比較
例２および３のリードフレームを製造した。

【００３６】表２は、これら実施例と比較例のリードフ
レームの機械的強度（ビッカース硬度計）、半田界面と
の接合性（前記実施例１〜６と同じ評価法により「良
好」を○、「不良」×で示した）およびボンディング性
（ピール試験機）を合せて示す。表中、「組織」の欄の
「二相」とはＡｌ相とＰｂ，Ｉｎ相に分れていることを
示し、「単相」とはＡｌ相以外の相が認められないこと
を示す。

【００３７】上記表から分かるように、実施例７〜１１
のリードフレームは、半田付性、強度、ボンディング性
のいずれにおいても、良好な結果を示した。しかし、Ｐ
ｂの含量が足りない比較例２は半田付性が悪く、他方Ｉ
ｎの含量が多すぎる比較例３は強度において劣ってい
る。

【００３８】

【表２】

【００３９】上記表２の実施例２４，２５，２６に係る
成分のＡｌ−Ｉｎ溶湯をタンディッシュにとり、このタ
ンディッシュの底に設けた５０μｍの穴を通して、冷却
した回転ロールの上にＡｌ−Ｉｎ溶湯を噴射・急冷し、
Ａｌ−Ｉｎが均一に混じり合ったワイヤを得た（単ロー
ル法あるいは双ロール法）。この際の冷却温度は１５０
℃／秒とした。その後１００℃でこのワイヤを３０分時
効処理し、さらに室温まで温度を下げた。そして、この
ワイヤをロールに巻き取ってリードワイヤ（ボンディン
グワイヤ）とした。

【００４０】このリードワイヤを、超音波ボンダを用い
て、半導体チップのＡｌ電極およびリードフレームに接
続した。この際、半導体チップを載せたステージは２０
０℃まで加熱した。その結果、これらＡｌ−Ｉｎリード
ワイヤと半導体チップＡｌ電極の接合強度は、６０ｇ／
ワイヤと良好で、電極の損傷もなかった。また各Ａｌ−
Ｉｎリードワイヤとリードフレームとの接合強度もほぼ
同じ程度であった。

【００４１】この後、接合した半導体チップ、Ａｌ−Ｉ
ｎリードワイヤおよびリードフレームをエポキシ樹脂で
コート・硬化した後、リードフレームのアウターリード
についてカッティングとベンディングを行い、半導体装
置（電子部品）として完成させた。この半導体装置につ
いて、熱応力に対する耐性を調べる温度サイクル試験
（−５５℃×３０分→２５℃×２０分→１５０℃×３０
分の温度変化のサイクルを与える試験）を２００サイク
ル繰り返してもワイヤの断線は起こらなかった。

【００４２】つぎに前記実施例２４，２５，２６と同様
の方法で、上記表３に示した実施例２７の成分を有する
リードワイヤを得、そのＡｌ−Ｉｎリードワイヤを用い
て図４に示す半導体装置１０を製造した。すなわち、半
導体チップ１２の電極膜にこのＡｌ−Ｉｎリードワイヤ
をボールボンディングした後、ボールを残してワイヤを
切断し、ボール型バンプ１３を形成した。このとき電極
膜の損傷は見られなかった＜実施例１５〜２３＞（キャリアフレームとしての実施
例）つぎにＣｕ−３ＩｎでつくったＴＡＢ（Tape Automated
Bonding）用キャリアフレーム１４のインナーリード１
４ａとボール型バンプ１３を接合した。この接合の際に
はインナーリード１４ａ表面のＳｎメッキがボール型バ
ンプ１３のＰｂと共晶組織をつくった。その結果、イン
ナーリード１４ａとボール型バンプ１３の接合強度は、
７０ｇ／リードと良好な値を示した。キャリアフレーム
のつくり方は、絶縁テープ（ポリイミド）を接着剤で付
け、所定のパターンをエッチングでおとしてつくる。圧
延材のつくり方はリードフレームと同じで、板厚は０．
０１mmであり、金属相は同じである。

【００４３】

【表３】

【００４４】さらに、これら半導体チップ１２、ボール
型バンプ１３およびインナーリード１４ａをポッティン
グ樹脂１５で封止した後、前実施例と同様の温度サイク
ル試験を行ったが、半導体装置１０の動作に異常は見ら
れなかった。

【００４５】評価はＳｎまたは半田めっき性、ポリイミ
ドとの接着性、エッチング性、強度等である。実施例２
１では電蝕もなくなった（比較例５は電蝕有り）。

【００４６】＜実施例２８〜３３＞（コネクタ、スイッ
チの実施例）前記実施例と同様にして、コネクタ、スイッチを製造し
た。

【００４７】

【表４】

【００４８】スイッチ、コネクタにおいては、接点での
摺動性が必要である。上記表４に示したように、めっき
性、半田付け性、強度に加え、摺動性も評価項目とし
た。

【００４９】本実施例によれば、半田付、半田めっき性
および強度、摺動性等の向上が確認できる。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の電子部品
用部材は半田付け性、半田耐候性にすぐれ、かつ電子部
品に必要な機械的強度、ボンディング性をも達成する。
したがって、電子部品用の材料としては極めて有用であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る成分からなる金属素体の金属組織
図。

【図２】図１の金属素体に半田付けをしたときの金属組
織図。

【図３】図１の金属素体にワイヤをボンディングしたと
きの金属組織図。

【図４】本発明の一実施例に係るリードワイヤのバンプ
接続により形成した半導体装置の断面図。

【図５】樹脂封止型半導体装置の断面図。

【符号の説明】

１Ａｌ相２Ｐｂ，Ｉｎ相４半田５Ｓｎ相６Ｐｂ相７リードワイヤ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者竹内曜子神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝総合研究所内 (72)発明者富田充裕神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝総合研究所内 (72)発明者本間美規神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝総合研究所内 (72)発明者吉木昌彦神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝総合研究所内 (72)発明者畠中達也神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝総合研究所内 (72)発明者高橋太神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝総合研究所内 (72)発明者松永秀樹神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝総合研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＰｂおよびＩｎの少なくとも一種を０．
１〜５０重量％含有し、残部が実質的にＣｕ、Ｆｅおよ
びＡｌのいずれか一種からなる電子部品用部材。
【請求項２】前記ＰｂおよびＩｎの含有量は、部材内
部より表面部において多い請求項１記載の電子部品用部
材。