JPH0739623B2 - 高強度リードフレーム用金属板の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、強度と熱放散性および電気伝導性のバランス
に優れたリードフレーム用金属板、または銀メッキを省
略して金、銅線のワイヤーボンドを行う技術（以下ベア
ボンベと略す）を可能にする低コストIC、LSI用リード
フレーム用金属板、その他コンデンサなど高強度リード
フレーム用金属板の製造方法に関する。

［従来の技術］ IC、LSIなどのリードフレーム材としては、たとえば特
開昭59-198741号公報に記載されている鉄に26〜30重量
％ニッケル、11〜16重量％コバルトを含む合金（コバー
ル合金）、また特開昭60-111447号公報に記載されてい
る鉄に30〜55重量％ニッケルを含む合金（42Ni合金が代
表的成分）等がガラス封止剤やSiと熱膨張特性がマッチ
ングしている理由で用いられているが、コバール合金や
42Ni合金は強度、耐熱性は優れているが、熱・電気伝導
性が悪くコストが高いために近年ICの高集積化に伴う熱
放散性に対する要求から安価で熱・電気伝導性の良い銅
合金への移行が加速している。

しかしながら、一般に銅合金は耐熱性ならびに強度が劣
るために、たとえばCA−195合金、あるいは特開昭60-21
8442号公報記載の合金はその欠点を改善するために錫、
鉄、珪素、燐、ニッケル、クロム、チタン、コバルトな
どを添加したものであるが、これらの元素添加により合
金コストの上昇や熱・電気伝導性を劣化させる問題があ
る以外に、今日のICパッケージアセンブルニーズの銀メ
ッキ省略またはベアボンドで安定な接合強度が得られ難
く、コストダウンができないことや、今後金ワイヤーか
ら銅ワイヤーに変化した時にもベアボンドできないなど
の問題がある。また、特開昭62-9657、特開昭62-9658、
特開昭62-18744、特開昭63-120451、特開昭63-202050号
公報など記載の銅合金表面に所定の銅メッキを施す技術
は製造プロセスの簡略化すなわちベアボンドにより信頼
性向上と同時にコストダウンを図ることを目的としたも
のであるが、母材に銅合金を用いるため強度が低い問題
がある。一方それを改善した析出型銅合金に銅メッキを
施すのでは母材の価格が高いためベアボンドのメリット
が消えてしまう。

またこれらの強度とコストの面を考慮した特開昭58-191
456、特開昭59-58833、特開昭63-55968号公報の記載技
術があるが、これは今日のIC、LSIの大きな要求特性で
ある熱・電気伝導性への要求に応えていない問題や、鉄
系基材への銅メッキはメッキ安定性、密着性を充分満足
させるためには、ニッケル下地メッキ処理やラインの能
力向上などの考慮が必要になり、母材の価格メリットが
消滅してしまうなどの問題がある。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明はこれらのリードフレーム用金属板として優れた
特性と低コストを実現しようとするものである。鉄銅ク
ロム合金が具備すべき条件を明らかにするために、発明
者らは種々の組合せの合金を用いて問題点解決のため多
くの研究を行い、鉄中にクロムの含有する相（以下鉄相
と略す）と銅相を均一分散した形態で結晶粒度番号10番
以上にすることと、その後に科学的に鉄相を選択エッチ
ングして銅相のみを残して、その後の加工により鉄相の
空孔を展延性のある銅相で被覆し、また密着性、緻密性
を上げるために50％以上の一時冷間圧延を施し、さらに
引き続く焼鈍時の拡散反応により緻密性をより向上させ
た銅薄膜層を板面全体に設けることによる半田性に優れ
た高強度リードフレーム用金属板または、銅メッキする
ことにより優れたメッキ安定性ならびに平滑性を有する
金・銅線のベアボンドを可能にする銅メッキ被覆高強度
リードフレーム用金属板の製造方法を発明するに至っ
た。

［課題を解決するための手段］ すなわち、本発明が構成するところは、銅を20重量％以
上95重量％以下、残部が不可避的不純物以外は鉄および
クロムであり、かつクロムが鉄に対し６重量％以上12重
量％以下の比率からなる組成を持つ合金金属板が完全凝
固するまでの表面冷却速度を100℃／秒以上で鋳造し、
続いて酸洗処理で表面酸化皮膜の除去と鉄相を選択エッ
チングしてから、圧下率50％以上で一時冷間圧延後、焼
鈍・時効処理を施してから圧下率５％以上50％以下の二
次冷間圧延を施すことを特徴とする高強度リードフレー
ム用金属板の製造方法である。

また、本発明は、上記発明において、二次冷間圧延後、
銅メッキすることが好ましい。

さらに、本発明は、上記の合金の組成がさらにSi,Al,T
i,Ni,Zn,Sn,Nb,Zr,P,La,Ce,Y,Mn,V,Ca,Be,Mg,Wの１種ま
たは２種以上をAl,Ti,Ni,Nb,Zr,P,La,Ce,Y,Mn,V,Ca,Be,
Mg,Wは0.5重量％以下、Zn,Siは１重量％以下、Ni,Snは
４重量％以下の範囲で添加したものとすることが望まし
い。

［作用］ 以下本構成要件の限定理由を説明する。

まず、合金の化学組成の限定理由は以下の通りである。

熱・電気伝導性を向上させるためには銅の含有量が高い
ほど好ましいが、リードフレームの強度要求に対しては
鉄の含有量を制御して目的とする熱・電気伝導性と強度
のバランスを得ることが望ましく第１図に示すように銅
含有量が20重量％未満ではリードフレームとして必要な
熱・電気伝導性が得られず、強度への効果しか得られな
いのでこれを下限とする。また上限を95重量％以下とす
るのは、鉄およびクロムの総含有量が５重量％未満では
組織の微細化ならびに強度に有効に働くクロムを含む鉄
相の分布が不十分になり、本合金の特徴とする強度と導
電性のバランスが得られなくなる。

つぎに、クロムを鉄に対して６重量％以上添加するのは
素材での保存中やアセンブル過程、パッケージング後の
赤錆の発生を防止するものであり、6.0重量％未満では
その効果が充分でない。また、上限を12重量％とするの
は12重量％を越えると耐錆性への効果が飽和する上、
銅、ニッケルなどのメッキ性が悪くなることや、半田付
け性が劣化するからである。

さらにSi,Al,Ti,Ni,Zn,Sn,Nb,Zr,P,La,Ce,Y,Mn,V,Ca,B
e,Mg,Wの１種または２種以上をAl,Ti,Ni,Nb,Zr,P,La,C
e,Y,Mn,V,Ca,Be,Mg,Wは0.5重量％以下、Zn,Siは１重量
％以下、Ni,Snは４重量％以下の範囲で添加すること
は、鋳造組織制御や強度向上、加工性、メッキ性ならび
に半田耐候性（半田付けした後の150℃で1000時間以上
の長時間加熱剥離性）などの改善に役立つので必要に応
じて添加したほうが好ましい。とくに鉄中のCr含有量が
８重量％を超える成分では鋳造組織の制御のためにP,L
a,Ce,Si,Ti,Al,Nb,Zn,Ni,Sn,Y,Mn,V,Ca,Be,Mg,Wなどを
0.05重量％以上上記範囲内で添加することはクロムを含
む鉄相と銅相が均一に分散して結晶粒度番号10番以上の
組織を得る上で重要である。上記以外は原料および溶製
時に不可避的に混入される不純物元素とする。

本発明では双ロール法などの急冷凝固的手法によって鋳
造するものであり、組織を細粒化すると同時に、冷延と
焼鈍の繰り返しなどでは得られないクロムを含む鉄相と
銅相が微細に均一分散した形態を可能にするものであ
る。またさらに本プロセスにより熱間加工性が乏しい鉄
銅クロム合金において熱間加工工程を省略できること
や、歩留り向上のメリットも有する。

そしてこのときの冷却速度は金属板が完全凝固するまで
表面で100℃／秒以上にすることが重要である。冷却速
度と結晶粒度番号の関係は第２図に示す通りである。

第２図にように凝固時の冷却速度を大きくすると、凝固
組織のサイズは微細化する。また本プロセスで結晶粒度
番号10番以上を得るためには100度／秒以上にすること
が必要であり、この時クロムを含む鉄相と銅相が均一分
散した組織が得られる。またその後冷間圧延と焼鈍を行
ってもその効果が、さらに凝固冷却時の過飽和度の向上
による時効処理時のクロムを含む鉄相と銅相の微細分散
効果が得られることにより強度向上、時効時間短縮の効
果も得られる。

また本発明においては銅メッキを行うことによる銀メッ
キ省略およびベアボンド性付与が目的であることによ
り、メッキの安定性と密着性ならびに平滑性が大きなポ
イントであり、前処理として化学的に銅薄膜層を生成さ
せる処理を行う。この処理は結晶粒度番号10番以上で鉄
相と銅相が均一分散した状態で鉄相のみ薄帯の酸化皮膜
除去を兼ねて硫酸、硝酸、塩酸などの５から50体積％の
水溶液を40から60℃に加熱して選択エッチングして銅薄
膜層形成の下地をつくる。またこの処理は通常の酸洗ラ
インで処理することでこの効果が充分得られるため、生
産性が良く、新規設備投資を必要としない。

引続いて一時冷間圧延を行う。これはリードフレームに
必要な板厚を得ることと強度と加工性を付与することを
目的とするが、ここではさらに先に鉄相を選択エッチン
グして銅相のみを残してあるので、50％以上に一次冷間
圧延を実施することにより銅自身の展延性を利用して表
面全体に銅薄膜層を形成させるものである。50％以上の
冷間圧延を施すのは焼鈍時の回復・再結晶に必要な加工
歪の導入と、残っている銅相がエッチングされた鉄相を
充分被覆するために必要な加工率および銅メッキ後表面
粗度R_maxで0.8μｍ以下を得るための下限である。

次に、強度・加工性の付与および調整ならびに表面銅薄
膜層の緻密性を充分にするための拡散処理を目的とする
焼鈍を実施する。焼鈍の方法としては一次冷間圧延で蓄
積した加工歪の解放だけで強度を重視して、加工性や異
方性を多少犠牲にした方法としての徐加熱、徐冷却処理
で時効処理も兼ねる方法と、また一次冷間圧延で蓄積し
た加工歪により再結晶を生じさせ加工性が良好で異方性
の小さい材料を得る。さらにこの場合には焼鈍後または
冷却途中で時効処理を行う。時効処理は熱・電気伝導性
を向上させるために製造工程上必須のものであり、化学
組成と前工程条件により適正な温度を選定すべきであ
り、第３図のような時効条件と導電性ならびに硬度の関
係より低温過ぎると析出物の周りに歪が生じるため母材
の特性としての導電性の劣化や伸びの低下が生じること
や、目的の導電性を得るための加熱時間が長くなるため
設備制約や製造効率に影響してコスト増なる。また高温
過ぎると析出量が少なくなり高い導電性が得られないこ
とと、析出が粗大化して強度が低下するため450〜650℃
で500分以下の時効処理が適性条件である。合わせてそ
れらの処理中に銅の拡散処理を行うことで表面銅薄膜層
の緻密性を向上させる。

次に表面粗度と形状調整ならびに強度向上を図るために
二次冷間圧延を行うが、第４図に表面粗度と強度および
伸びの圧下率依存性を示した。表面粗度調整には５％以
上の冷間圧延が必要であり、50％を超えて冷間圧延を行
うと加工性が大幅に劣化してしまうから上限を50％とす
る。

上記金属板は、コイルまたはスリット状で銅メッキを施
した後パンチングまたはエッチングされる場合と、先に
リードフレームとしてパンチングまたはエッチングした
後に銅メッキを施し使用される。予め銅メッキする場合
も、パンチング、エッチングなどの加工後であっても銅
メッキは以下の条件で行う。

銅メッキはかかる素板に弱アルカリ系脱脂剤を用いて電
解脱脂を行い、さらに弱酸により表面を活性化した後に
硫酸銅、ピロリン酸銅、シアン銅、ホウフッ化銅浴など
を用いて銅メッキを行う。厚みと密着性、厚み安定性な
らびに経済性からは0.2〜10μｍ程度が良好な範囲で0.2
0〜3.0μｍの範囲が最良である。これは第５図に示すよ
うに厚過ぎると半田耐候性が劣化する。すなわち150℃
で1000時間あるいは1500時間で剥離するからである。

また連続処理ラインとしては、他の連続電気、無電解メ
ッキラインによる処理が可能であり、新規設備投資がい
らないメリットがある。

［実施例］ （実施例１） 第１表に本発明の成分範囲の合金Ａ〜Ｅ、Ｊ〜Ｄ′と比
較の成分範囲の比較材Ｆ〜Ｉの化学組成を示す。

第２表には得られた合金の材質特性を示す。ここで試料
番号１〜30は双ロール鋳造機を用いて、3.2〜10²℃／秒
の冷却速度で板厚2.2mmと、試料番号31は本発明の範囲
外の10×10^-1℃／秒の冷却速度で板厚10.0mmに水平連続
鋳造機により鋳造したものである。また冷間圧延時の割
れ対策として鋳片に800℃で１時間の軟化焼鈍を施して
から10体積％の硝酸水溶液を50℃に加熱した1.5mの槽中
を1m/minの速度で通板して鉄相を選択エッチング処理し
て一次冷間圧延を85％行い、焼鈍を550℃で３時間行い
引続く冷却途中で時効を480℃で３時間行い100℃まで50
℃／時間で冷却して抽出し、さらに二次冷間圧延を８％
行った。

結晶粒度番号はASTM、引張強さ・全伸びはJIS 13号Ｂ、
導電率は４端子法、耐食性は塩水噴霧試験48時間による
赤錆発生率でFe−42Niレベルを基準にした。また半田性
は濡れ面積率95％以上を合格とし、Cuメッキ性はCuメッ
キを２μｍ施した後大気中で350℃において５分処理後
表面の膨れ発生の有り無しで判定した。表中にはFe−42
Ni、リン青銅、CDA194の特性も比較に加えた。

また、ここで試料番号７はCu添加量が20重量％以下の場
合であり、リン青銅なみの低い導電性しか得られていな
い。試料番号８はCu添加量が95重量％以上の場合で鉄の
添加量が少ないため強度が低い。試料番号９は鉄に対し
てのCrの添加量が６重量％以下の場合であって耐食性が
不十分であり、試料番号10はCrが12重量％以上の場合半
田性・銅メッキ性が劣り、試料番号24は冷却速度が本発
明の範囲外の小さい場合で結晶粒度10以下で半田性・銅
メッキ性が劣り、さらに強度も低く本発明の特性が優れ
ていることは明らかである。

（実施例２） 第３表では、第１表のＤ試料を用いて双ロール鋳造機を
用いて3.2×10²℃／秒の冷却速度で2.2mmに鋳造して、
冷間圧延時の割れ対策として鋳片に800℃で１時間の軟
化焼鈍を施してから10体積％の硝酸水溶液を50℃に加熱
した1.5mの槽中を1m/minの速度処理して一次冷間圧延を
35,55,85％の３水準で行い、焼鈍を550℃で３時間行い
引続く冷却途中で時効を480℃で３時間行い100℃まで50
℃／時間で冷却して抽出した。さらに二次冷間圧延を８
％行った。評価は実施例１と同様に行った。結果より明
らかなように試料番号33の一次冷間圧延率の低いものは
表面銅薄膜層の密着性、緻密性が充分でないため、耐食
性・Cuメッキ性が悪く、表面粗度も大きい。

（実施例３） 第４表では、第１表のB,D,E試料を用いて双ロール鋳造
機を用いて3.2×10²℃／秒の冷却速度で2.2mmに鋳造し
て、冷間圧延時の割れ対策として鋳片に800℃で１時間
の軟化焼鈍を施してから10体積％の硝酸水溶液を50℃に
加熱した1.5mの槽中を1m/minの速度処理して一次冷間圧
延を85％で行い、焼鈍を550℃で３時間行い引続く冷却
途中で時効を480℃で３時間行い100℃まで50℃／時間で
冷却して抽出した。さらに二次冷間圧延を８％行った。
さらにそのコイルにピロリン酸銅メッキ浴中で電流密度
2A/cmの条件で２μｍ厚の銅メッキを施し、そのコイル
を25.64mmにスリットしてDIP−16Pin用にパンチングし
てSiチップをダイボンディングした後に25μｍΦのAu線
を雰囲気超音波熱圧着法によりワイヤーボンドを行っ
た。ボンディングの条件は雰囲気10％H₂−N₂、リードフ
レーム温度195℃、ファーストボンディング圧50g、セカ
ンドボンディング圧90gで実施した。

接合性の評価はプルテスターにてボンディング強度測定
し、さらにボンディングしたリードフレームをエポキシ
樹脂でモールドして、130℃でプレッシャークッカーに2
00時間、12V印加で保定して断線および短絡の確率を測
定した。その結果は第４表に示した通りである。無酸素
銅なみの優れた特性を有する。

（実施例４） 第１表のB,D,E試料のCuメッキコイルを25.64mmにスリッ
トしてDIP−16Pin用にパンチングしてSiチップをダイボ
ンディングした後に25μｍΦのCu線を雰囲気超音波熱圧
着法によりワイヤーボンドを行った。ボンディングの条
件は雰囲気10％H₂−N₂、リードフレーム温度195℃、フ
ァーストボンディング圧50g、セカンドボンディング圧9
0gで実施した。その結果を第５表に示す。

接合性の評価はプルテスターにてホンディング強度測定
し、さらにボンディングしたリードフレームをエポキシ
樹脂でモールドして、130℃でプレッシャークッカーに2
00時間、12V印加で保定して断線および短絡の確率を測
定した。その結果は第５表に示した通りであり、無酸素
銅なみの優れた特性を有する。

［発明の効果］ 本発明方法によれば、従来よりIC、LSI、トランジスタ
およびコンデンサーに用いられてきた、リードフレーム
用金属板に代わり、鉄銅クロム合金とその製造方法の組
合せにより、従来材を上回る高強度と導電性のバランス
ならびにベアボンドを可能にした、安価な高強度リード
フレームを得ることができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は鉄に銅を添加した時の添加量を変化させた時
の、強度と導電性の関係を示すグラフ、第２図は鋳片表
面冷却速度と結晶粒度番号の関係を示すグラフ、第３図
は時効処理時の温度と時間におよぼす導電性と硬度（強
度）の関係を示すグラフ、第４図は二次冷間圧延率と強
度および伸びの関係を示すグラフ、第５図は半田耐候性
とCuメッキ厚みの関係を示すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｂ２２Ｄ 11/124 Ｌ 7362−4Ｅ Ｃ２１Ｄ 9/46 Ｐ Ｃ２２Ｃ 9/00 38/00 ３０２ Ｚ 38/20 Ｃ２３Ｆ 1/00 Ａ 8417−4Ｋ Ｈ０１Ｇ 4/228 Ｈ０１Ｌ 23/50 Ｖ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】銅を20重量％以上95重量％以下、残部が不
   可避的不純物以外は鉄およびクロムであり、かつクロム
   が鉄に対し６重量％以上12重量％以下の比率からなる組
   成を持つ合金金属板が完全凝固するまでの表面冷却速度
   を100℃／秒以上で鋳造し、続いて酸洗処理で表面酸化
   皮膜の除去と鉄相を選択エッチングしてから、圧下率50
   ％以上で一次冷間圧延後、焼鈍・時効処理を施してから
   圧下率５％以上50％以下の二次冷間圧延を施すことを特
   徴とする高強度リードフレーム用金属板の製造方法。
2. 【請求項２】二次冷間圧延後、銅メッキすることを特徴
   とする請求項１記載の高強度リードフレーム用金属板の
   製造方法。
3. 【請求項３】合金の組成がさらにSi,Al,Ti,Ni,Zn,Sn,N
   b,Zr,P,La,Ce,Y,Mn,V,Ca,Be,Mg,Wの１種または２種以上
   をAl,Ti,Ni,Nb,Zr,P,La,Ce,Y,Mn,V,Ca,Be,Mg,Wは0.5重
   量％以下、Zn,Siは１重量％以下、Ni,Snは４重量％以下
   の範囲で添加したものであることを特徴とする請求項１
   又は２記載の高強度リードフレーム用金属板の製造方
   法。