JPH10321789A - Loc型リードフレーム - Google Patents

Loc型リードフレーム

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JPH10321789A
JPH10321789A JP13090297A JP13090297A JPH10321789A JP H10321789 A JPH10321789 A JP H10321789A JP 13090297 A JP13090297 A JP 13090297A JP 13090297 A JP13090297 A JP 13090297A JP H10321789 A JPH10321789 A JP H10321789A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 樹脂封止工程で剥離や割れが生じず、ボンデ
ィングワイアが断線せず、耐食性、耐応力腐食割れ性に
優れるLOC型リードフレームを提供する。 【解決手段】 リード部が素子上に延長するLOC型リ
ードフレームにおいて、前記リードフレームが導電率が
5〜25%IACSの銅合金からなることを特徴とする
LOC型リードフレーム。 【効果】 導電率の低い銅合金を用いるので、熱膨張率
が素子や封止樹脂に近似し、破壊現象が起き難く、信頼
性の高いLOCパッケージが得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子実装用
リードフレーム、特に実装効率の高いLOC(Lead
on Chip)パッケージに好適なリードフレーム
に関する。
【0002】
【従来の技術】Siなどの半導体素子の実装は、通常、
金属リードフレーム上に搭載(ダイボンド)された半導
体素子上に予め形成された接続用パッド(端子)とイン
ナーリード先端とがワイアボンドされ、次にエポキシ樹
脂で封止され、タイバーカット後、封止体から外延する
アウターリード部分がSn−Pb合金でメッキされたの
ち、所定形状に成形加工されて行われる。
【0003】近年、特にPbの毒性からSn−Pb合金
の使用が敬遠され、Pdを全面に薄くメッキしたリード
フレームが一部で使用されるようになった。例えば、特
許1501723号には、Ni、Coまたはそれらの合
金層を介してPdまたはPd合金層を被覆する方法が記
載されている。Pd合金としてはPd−Ni系、Pd−
Co系、Pd−Ag系などの合金が用いられる。Pdメ
ッキ層上にAuまたはAgの極く薄い層を重ねる方法が
特開平4−115558号に開示されている。さらにP
dメッキ層の厚さは、通常、0.25〜0.1μm程度
でAgメッキ層の厚さより1桁程度薄くコスト的にも有
利と判断されている。このPdをメッキしたリードフレ
ームは、インナーリード先端部およびタブ部(素子搭載
部)にAgを部分メッキした従来のリードフレームに比
べて樹脂封止後の工程が大幅に短縮される。しかもAg
の部分メッキは生産性に劣り、またメッキ治具を押し当
てる過程でリードフレームが変形してその平坦度(Pl
anarity)が損なわれ、特に高集積半導体に用い
られる高精密なLOC型リードフレームでは、通常±3
0μmの要求平坦度に対し、±10μmの平坦度が要求
され深刻な問題となっている。
【0004】ところで、近年、素子、例えば半導体メモ
リーのDRAMにおいては、1M、4M、16M・・・
と高集積化が進み、その結果素子が大型化している。一
方、実装効率を上げるため、封止外形を可及的に小型化
する要求が強く、例えば、特許1730586号に記載
されているようなLOCパッケージが採用されるように
なってきた。前記LOCパッケージの構造は、図1
(イ)、(ロ)に示すように、素子10の表面上にリード
フレーム11のインナーリード部12が延長して配置され、
インナーリード部12に素子10が特殊な接着テープ13で固
定され、インナーリード部12先端のAgの部分メッキ層
14と素子10とがワイアボンド15で電気的に接続されたも
のである。図で16は封止樹脂である。
【0005】前記LOCパッケージのリードフレーム
(LOC型リードフレーム)には、現在、Fe−Ni系
合金、特にFe−42wt%Ni合金が使用されている。
この合金は熱膨張係数がSi素子に近似し、パッケージ
をプリント回路基板にリフロー半田付けする際の高温加
熱過程で生じる熱歪みが小さく、信頼性に優れていると
されている。
【0006】次にFeNi合金リードフレームを用いた
LOCパッケージの問題点について説明する。FeNi
合金はNiを多量に含むため高価である。さらにLOC
パッケージでは、前述のように、素子とリードフレーム
とを特殊な接着テープで接着するためコストアップとな
る。このようなことから、LOC型リードフレームに
は、コストダウンが強く求められている。しかし、コス
ト的に有利なPdメッキを適用できない。前記のFeN
i合金にPdメッキを適用できない理由は、前述の通り
Pdは極く薄くメッキされるためピンホールが生じ易
く、またタイバーカットでFeNi素地が必ず露出し、
このピンホール部分や露出部分は、腐食環境に晒される
とPdとFe合金の電位差が大きいため激しく腐食する
ためである。Pdメッキの代わりにAgを部分メッキす
ることによる平坦度低下の問題も前述の通りである。
【0007】通常のリードフレームに使用される高導電
性高強度の銅合金には、Cu−Fe(C194など)、
Cu−Ni−Si系(コルソン合金、C7025な
ど)、Cu−Cr系(Cu−O.25wt%Cr−0.2
5wt%Sn−0.22wt%Zn合金など)、Cu−Sn
系(Cu−2wt%Sn−0.2wt%Ni合金など)など
があり、これらは少なくも30%IACS以上、多くは
50〜80%IACSの高い導電率を有していてリード
材として有利であり、また安価である。しかし、LOC
パッケージに試用した結果、信頼性に欠けることが指摘
され、現時点では実用されていない。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】このようなことから、
本発明者等は、安価で、かつ電気的、放熱的にも有利な
銅合金をLOC型リードフレームに適用するため、その
信頼性に欠ける原因について鋭意研究を行った。その中
で熱衝撃や温度サイクルで電気的障害や封止体の破壊現
象が起きることを経験し、その原因の解明と対策技術の
開発を通して本発明を完成するに至った。信頼性を阻害
する現象は複雑であるが、主な要因はLOCパッケージ
の構造に起因する次の2つである。 (1)LOCパッケージでは、通常の実装における高温工
程(ダイボンドとワイアボンド)に加えて、接着テープ
による接着工程で長時間高温度に晒されるため厚い酸化
膜が生成し、これによりリードフレームと封止樹脂間の
密着力が低下して水分の進入経路となる。接着剤の種類
にも依るが、熱可塑性樹脂では、最高400℃近い高温
を要するものが多いので、酸化の影響は極めて重大であ
る。そしてアウターリードのSn−Pbメッキ工程や保
管時に外気から進入した水分はリフロー工程でポップコ
ーン現象と言われる破壊現象を引き起こす。またリフロ
ー工程の際の熱応力で微小剥離が起き、外気水分の進入
を促進してマイグレーションや腐食、引いては電気的障
害を引き起こす。この傾向は、酸化膜の厚さと共に急速
に密着性を失う銅合金の方が、純銅の場合より、強く現
れる。
【0009】(2)もう1つは熱膨張率に起因する障害
で、インナーリードが素子表面に直接接着されるLOC
パッケージの構造では、インナーリードはワイアボンド
と共に素子に直接的に影響を及ぼす。特に、LOCパッ
ケージには、大型の素子が多く用いられるが、素子が大
型になれば、当然にインナーリード長さは長くなり熱膨
張差によって生じる熱歪みは大きくなり、接着部を介し
て素子に機械的ストレスが及び、また封止樹脂との熱膨
張差でインナーリード先端部分のワイアボンドが断線し
たりする。これらの熱歪みに起因する障害は、前記 (1)
の場合は特に酷くなり、また高集積化に伴う素子の大型
化や実装効率の高度化においても顕著になる。さらに素
子が大型化すればリードフレームも大型になり、材料コ
ストの影響がより大きくなることは自明である。
【0010】要するに、LOC型リードフレームには、
従来の銅合金は使用できず、高価なFeNi合金を用い
ざるを得なかった。そしてFeNi合金では、Pdメッ
キが適応できないので、トータルコストは元より地球環
境的にも有害なPbなどの元素の使用が避けられず環境
管理上の障害にもなっていた。本発明は、製造工程で破
壊現象が起きず、耐食性や耐応力腐食割れ性にも優れる
LOC型リードフレームの提供を目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】請求項1記載の発明は、
リード部が素子上に延長するLOC型リードフレームに
おいて、前記LOC型リードフレームが導電率が5〜2
5%IACSの銅合金からなることを特徴とするLOC
型リードフレームである。
【0012】請求項2記載の発明は、銅合金が、第一合
金成分としてZnを含み、第二合金成分としてSn、S
i、Niの群から選ばれる少なくも1元素を含む銅合金
であることを特徴とする請求項1記載のLOC型リード
フレームである。
【0013】請求項3記載の発明は、銅合金が、少なく
ともNiを含む銅合金であることを特徴とする請求項1
または2記載のLOC型リードフレームである。
【0014】請求項4記載の発明は、LOC型リードフ
レームの表面の少なくとも一部がPd、Ruまたはそれ
らの合金で被覆されていることを特徴とする請求項1、
2、3のいずれかに記載のLOC型リードフレームであ
る。
【0015】
【発明の実施の形態】本発明のLOC型リードフレーム
では、従来のリードフレーム用銅合金より低い導電率
(5〜25%IACS)の銅合金を用いる。金属におい
ては、導電率と熱伝導率とは比例関係(Wiedema
nn−Franzの法則)にあり、本発明でも低い導電
率は低い熱伝導率を意味する。本発明者らは、前記の信
頼性向上研究の中で、熱応力・歪みの多くが静的な(温
度の平衡条件での)熱膨張差に加えて熱衝撃時の動的な
熱膨張差に大きく左右されることを知見した。すなわ
ち、リードフレームの温度上昇は、樹脂やSi素子に比
べて速く、結果として大きな膨張差が生じる。通常の銅
合金では、電気特性や放熱性の観点から可及的に高い導
電率の銅合金を採用する結果、過剰に大きな熱応力・歪
みが発生する。半導体においては、熱膨張率は銅合金リ
ード部が一番大きく、封止樹脂、Si素子の順なので、
リード部が選択的に温度上昇すれば熱膨張の差が加速さ
れるのは自明の理である。本発明は、導電率を実用の範
囲内で低く抑えることにより上記不都合を緩和したLO
C型リードフレームである。
【0016】本発明のリードフレームに用いられる銅合
金の導電率の上限は25%IACSで、これは経験的に
得た値で、特に望ましくは20%IACSである。他
方、前記銅合金の下限値は5%IACSとするが、5%
IACS未満では銅合金本来の特長である電気的、放熱
的特性が失われる。また、合金成分の大量添加による導
電率の低下は加工性を悪化させ製造上も不利である。
【0017】本発明において、特に有利な銅合金は改良
されたCu−Zn系合金である。この銅合金は最も安価
な合金であり、且つ加工性や強度などの特性を兼ね備え
ている。さらに、表面に安定なZnO皮膜が生成するた
めに、純銅や通常のリードフレーム用銅合金に比べて酸
化し難く、且つ酸化皮膜は密着性に勝っているので、封
止樹脂との密着性に優れている。Znの含有量が8wt%
未満ではその効果が十分に得られず、35wt%を超える
と加工性や耐食性が低下する。従ってZnの含有量は8
〜35wt%が望ましい。
【0018】第一合金成分(Zn)に加えて添加する第
二合金成分はSn、Si、Niの群から選ばれる少なく
とも1元素である。いずれもの元素も固溶限が広く、固
溶限以下の添加量で導電率を著しく低下させることがで
きる。従って、所望の導電率が得易い。また加工性を損
なわずに強度向上が可能であり、さらに、いずれの元素
も酸化を抑制し且つ生成する酸化膜は密着性が良い。こ
れら元素の他の効果は、Cu−Zn系合金特有の応力腐
食割れ(アンモニアや亜硫酸ガスなどを含む環境下で発
生する)の感受性を著しく低減させることである。前記
第二合金元素の望ましい含有量は、Sn0.5〜5wt
%、Si0.5〜5wt%、Ni1〜20wt%である。こ
れら元素は単独で添加しても、複合添加しても良好な効
果が得られる。これら元素の過剰添加は導電率並びに加
工性を低下させる上、その効果が飽和し不経済である。
不足する場合はその効果が十分に得られない。
【0019】本発明では第三の合金成分として、Pb、
Bi、Sb、As、Be、およびアルカリ土類金属、稀
土類元素、Fe、Co、V、Ge、Ti、Zr、Hf、
Cr、Al、B、Inなどを少量添加することにより、
加工性、強度、結晶粒度、導電率、耐食性、耐酸化性な
どが改善される。添加量は各々2wt%以下が望ましい。
【0020】本発明に好適な他の合金はCu−Ni系合
金である。実用的なNi量は5〜30wt%である。第二
成分としてP、Sn、Si、Feなどを添加することに
より、強度を高め、導電率を低下させる。高温において
安定な緻密なNiOリッチの酸化膜が生成するので、密
着性に優れている。また前記Cu−Zn系合金に比べて
やや高価ではあるが、応力腐食割れ性が殆どなく、か
つ、熱膨張率が小さいなどのリードフレームとして好都
合な物性を有する。代表的なCu−Ni系合金として、
Cu−10wt%Ni合金(9%IACS)、Cu−20
wt%Ni合金(6.5%IACS)、Cu−30wt%N
i合金(5%IACS)、Cu−9wt%Ni−2wt%S
n合金(11%IACS)などが挙げられる。
【0021】本発明のLOC型リードフレームに用いら
れる銅合金としては、以上の他、Cu−Sn系、Cu−
Al系、Cu−Si系、Cu−Ti系などの銅合金が用
いられる。
【0022】本発明のLOC型リードフレームは、例え
ば、次のようにして製造される。すなわち、所定組成の
銅合金を溶解鋳造し、鋳塊を熱間および冷間で圧延する
か、薄板鋳造後、直ちに冷間圧延して板材に加工し、こ
れを中間焼鈍し、必要によりソーキング処理したのち、
テンションレベラー処理や低温焼鈍処理を加えて平坦度
や残留応力特性を改善する。次に前記板材をプレス打抜
きまたはエッチングでリードフレーム形状に成形加工す
る。しかるのち、Ni、Co、またはNi−CO系、N
i−P系、Ni−B系などの合金をメッキし、その上に
Pd、RuまたはこれらのPd−Ni系、Pd−Co
系、Pd−Ag系、Pd−Au系などの合金を薄くメッ
キする。またリードフレーム成形に先立ち、予めPdメ
ッキを施しておいても良い。
【0023】本発明のLOC型リードフレームは、テー
プ型LOCパッケージや接着剤を用いないマルチフレー
ム型LOCパッケージにも適用できる。またインナーリ
ード部と素子との接着を、接着テープの代わりに、接着
剤を予め塗布しておくとか、実装時に塗布するなどの方
法により行う場合にも適用できる。さらにLOCパッケ
ージの応用として開発されたCSP(Chip Sca
le Package)などにも適用できる。CSPも
素子上面または下面にリードが配置された実装効率の高
い構造である。SON(Small Outline
non leaded)パッケージやBLP(Bott
om LeadedPlastic Package)
などにも適用できる。
【0024】
【実施例】以下に本発明を実施例により詳細に説明す
る。 (実施例1)所定組成の銅合金を溶解鋳造し、得られた
鋳塊に熱間圧延と冷間圧延を順に施して0.15mm厚
さの板材とし、この板材をプレス法により26ピンのL
OC型リードフレーム形状に成形し、これを洗浄脱脂し
て活性化したのち、全面にNiを0.5μm厚さメッキ
し、さらにその上にPdを0.075μm厚さ全面メッ
キしてLOC型リードフレームを製造した。NiとPd
のメッキ条件はそれぞれ下記の通りである。 〔Niメッキ〕メッキ浴組成:NiSO4 …250g/
リットル、NiCl2 …30g/リットル、H3 BO4
…30g/リットル。pH:3.2。温度:50℃。電
流密度:3A/dm2 。時間:40秒。 〔Pdメッキ〕メッキ浴組成:市販のPdめっき浴(日
本高純度化学(株)製)。PH:7.0。温度:60
℃。電流密度:3A/dm2 。時間:24秒。
【0025】次に前記LOC型リードフレームのワイア
ボンド位置より外側のインナーリード先端部に、ポリイ
ミドテープの両面に接着剤を塗布した接着テープを張り
合わせ、この接着テープを4M−DRAM素子に約27
0℃で2分間加熱圧着してインナーリードに素子を固定
した。次に、直径25μmのAu線を250℃でワイア
ボンドしたのち、エポキシ樹脂で封止して、LOCパッ
ケージを作製した。
【0026】(比較例1)C194(Cu−2.4wt%
Fe−0.13wt%Zn−0.04wt%P合金)、Cu
−1.9wt%Sn−0.2wt%Ni−0.04wt%P合
金、Cu−31wt%Zn合金、Cu−15wt%Zn合金
の各々の板材にPdを0.075μm全面メッキした板
材、Fe−42wt%Ni合金の板材に常法によりAgを
部分メッキした板材またはPdを全面メッキした板材を
用い、実施例1と同じ方法によりLOCパッケージを作
製した。
【0027】得られた各々のLOCパッケージについ
て、リフロー半田工程を想定して加湿と加熱の両処理を
施したのち、下記〜の調査を行った。結果を表1に
示す。 SAM(Scanning Acoustic Mi
crograph)によりLOCパッケージ内部の剥
離、クラックの有無を調査した。前記加湿処理は85%
RH、80℃、48Hrの条件で行い、加熱処理は20
0℃共晶半田浴ディップ5秒の条件で行った。 動作試験後の断線の有無をテスターにより調査した。 JISに準拠して塩水噴霧試験を行いアウターリード
部の腐食状況を調査した。 リードフレームの一部を短冊状に切り出し、切断面を
樹脂で被覆したサンプルを用いてJISC8306の3
vol%アンモニア蒸気中で、荷重20Kg/mm2 の定
荷重を300Hrかけて耐応力腐食割れ性を調べた。
【0028】
【表1】 (注)No.1〜9 は本発明例、No.41 〜46は比較例。 :48H 、255Hは割れ発生までの時間。 *:C194:Cu+2.4Fe+0.13Zn+0.04P。
【0029】表1より明らかなように、本発明例品のN
o.1〜9 はいずれも、全ての調査で良好な結果が得られ
た。これに対し、比較例のNo.41,42(従来銅合金)はい
ずれも剥離または断線を起こした。 No.43,44 (Cu−
Zn合金)は剥離と応力腐食割れを起こした。No.45,46
(FeNi合金)はタイバーカット部に大きな赤錆が発
生した。この他No.12 ではPdメッキ部分に点状の錆が
観察された。
【0030】(実施例2)実施例1で形成したリードフ
レーム形状体に常法によりAgを1.5μm厚さ部分メ
ッキし、以下実施例1と同じ方法によりLOCパッケー
ジを作製した。
【0031】(比較例2)C194、Cu−1.9wt%
Sn−0.2wt%Ni−0.04wt%P合金、Cu−3
1wt%Zn合金、Cu−15wt%Zn合金、Cu−35
wt%Zn−1.5wt%Sn合金の各々の板材にPdを
0.075μm全面メッキした板材を用い、実施例1と
同じ方法によりLOCパッケージを作製した。得られた
LOCパッケージについて、加湿処理をRH60%、温
度30℃、時間48Hrの条件で行った他は、実施例1
と同じ方法で前記〜の調査を行った。結果を表2に
示す。
【0032】
【表2】 (注) No.10〜17は本発明例、 No.47〜51は比較例。 :21H 、120Hは割れ発生までの時間。 ※:MMはミッシュメタル。*:C194:Cu+2.4Fe+0.13Zn+0.04P。
【0033】表2より明らかなように、本発明例のNo.1
0 〜17はいずれも、全ての調査で良好な結果が得られ
た。これに対し、比較例のNo.47,48(従来銅合金)はい
ずれも剥離を起こした。No.49,50(Cu−Zn合金)は
剥離と応力腐食割れを起こした。No.51 (Cu−Zn−
Sn合金)はベータ相が発生して圧延途中で割れを起こ
し板に加工することができなかった。
【0034】(実施例3)実施例2で用いた本発明銅合
金のNo.10 〜14、および比較例2で用いた銅合金の No.
47〜51について、前記実施例1と同じ条件で加湿と加熱
の両処理を施し、実施例1と同じ、の調査を行っ
た。結果を表3に示す。
【0035】
【表3】 (注) No.18〜25は本発明例、 No.52〜55は比較例。※:MMはミッシュメタル。 *:C194は Cu+2.4 wt%Fe+0.13 wt%Zn+0.04 wt%P 合金。
【0036】表3より明らかなように、本発明例の No.
18,19,21に軽度の剥離が生じたが、前記剥離は軽度で実
用上問題ない程度のものであった。なお、剥離の程度は
導電率の低い方が軽度であった。
【0037】(実施例4)Cu−20wt%Zn−2.9
wt%Sn合金を用い、Pdメッキに代えてRuを0.0
8μm厚さメッキした他は実施例1と同じ方法によりL
OC形リードフレームを製造し、このリードフレームを
用いて実施例1と同じ方法によりLOCパッケージを作
製し、実施例1と同じ方法により〜の調査を行っ
た。結果を表4に示す。なお、Ruメッキは下記条件で
行った。 〔Ruメッキ〕メッキ浴組成:RuNOCl3 5H2
…10g/リットル、NH2 SO3 H…15g/リット
ル。pH:1〜2。温度:60℃。電流密度:1A/d
2 。時間:200秒。
【0038】
【表4】
【0039】表4より明らかなように、本発明例のNo.2
6 はいずれも、全ての調査で良好な結果が得られた。
【0040】
【発明の効果】以上に述べたように、本発明のLOC型
リードフレームは、導電率の低い銅合金を用いるので、
熱膨張率が素子や封止樹脂に近似し、破壊現象が起き難
く、信頼性の高いLOCパッケージが得られ、さらにP
dやRuを被覆することにより信頼性が一層向上する。
また本発明のLOC型リードフレームは、従来のFeN
i合金にAgを部分めっきしたものに較べて材料コスト
が安価であり、その効果は半導体装置の高集積化により
素子の大型化が続き、実装効率の向上が強く要求される
中で益々大きなものとなる。本発明のLOC型リードフ
レームは、現在主流の樹脂封止型パッケージにも適用で
き、さらに高密度実装の強い要請に応えて開発される類
似の実装方式(LOC応用CSPなど)にも十分適用で
きる。依って、工業上顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】(イ)はLOCパッケージの透明平面図、
(ロ)は(イ)のA−A矢視断面図である。
【符号の説明】
10 素子 11 リードフレーム 12 インナーリード部 13 接着テープ 14 Agの部分メッキ層 15 ワイアボンド 16 封止樹脂
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宇野 岳夫 東京都千代田区丸の内2丁目6番1号 古 河電気工業株式会社内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 リード部が素子上に延長するLOC型リ
    ードフレームにおいて、前記LOC型リードフレームが
    導電率が5〜25%IACSの銅合金からなることを特
    徴とするLOC型リードフレーム。
  2. 【請求項2】 銅合金が、第一合金成分としてZnを含
    み、第二合金成分としてSn、Si、Niの群から選ば
    れる少なくも1元素を含む銅合金であることを特徴とす
    る請求項1記載のLOC型リードフレーム。
  3. 【請求項3】 銅合金が、少なくともNiを含む銅合金
    であることを特徴とする請求項1または2記載のLOC
    型リードフレーム。
  4. 【請求項4】 LOC型リードフレームの表面の少なく
    とも一部がPd、Ruまたはそれらの合金で被覆されて
    いることを特徴とする請求項1、2、3のいずれかに記
    載のLOC型リードフレーム。
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