JPH11243171A

JPH11243171A - リードフレーム用銅合金

Info

Publication number: JPH11243171A
Application number: JP5896598A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Tomioka; 靖夫富岡
Original assignee: Nippon Mining and Metals Co Ltd; Nippon Mining Co Ltd
Current assignee: Nippon Mining Holdings Inc; Eneos Corp
Priority date: 1998-02-24
Filing date: 1998-02-24
Publication date: 1999-09-07

Abstract

(57)【要約】【課題】酸化皮膜の密着性を向上することによりパッ
ケージクラックや剥離の問題を解決するとともに、強
度、エッチング性および導電率を高めることができるリ
ードフレーム用銅合金を提供する。【解決手段】９５重量％以上のＣｕを含有し、かつ表
面に大気中での加熱で生成した酸化皮膜を有するリード
フレーム用銅合金である。Ｘ線回折にて検出される反射
面（００２）でのＣｕＯのピーク高さと、反射面（１１
１）でのＣｕ₂Ｏのピークの高さの比（ＣｕＯ／Ｃｕ
₂Ｏ）を０．５以下とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はプラスチック等に対
する酸化皮膜の密着性を高めることにより、半導体の信
頼性を高めることができるリードフレーム用銅合金に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体パッケージを封止構造で見ると大
きく二つに分けられる。その一つは、セラミックパッケ
ージであり、もう一つはプラスチックパッケージであ
る。このうち、プラスチックパッケージは熱硬化性樹脂
によって封止するパッケージであり、経済性と量産性に
優れることから、現代の半導体パッケージの主流となっ
ている。

【０００３】プラスチックパッケージの構造としては、
以前はリード挿入実装デバイスであるＤＩＰ（デュアル
インラインパッケージ）が主流であったが、実装密度の
向上の要求から表面実装デバイスの割合が増え、メモリ
ーではＳＯＰ（スモールアウトラインパッケージ）、ロ
ジックではＱＦＰ（クワッドフラットパッケージ）等が
次第に主流となっている。さらに、最近の電子部品の小
型化の要求に伴って厚さ１ｍｍのＴＳＯＰ（シンスモー
ルアウトラインパッケージ）やＴＱＦＰ（シンクワッド
フラットパッケージ）、厚さ０．５ｍｍのＵＳＯＰ（ウ
ルトラスモールアウトラインパッケージ）といった薄型
のパッケージも登場している。

【０００４】これらのパッケージの信頼性に関する最大
の課題は、表面実装時に発生するパッケージクラックや
剥離の問題である。パッケージの剥離は、半導体パッケ
ージを組み立てた後、樹脂とダイパッドの密着性が低い
場合、後のリフロー（再溶融）処理時の熱応力によって
生じる。パッケージクラックの発生メカニズムは以下の
通りである。半導体パッケージを組み立てた後、モール
ド樹脂が大気より吸湿するため、後の表面実装での加熱
において水分が気化し、パッケージ内部に剥離がある
と、剥離面に水蒸気圧が印可されて内圧として作用す
る。この圧力によりパッケージに膨れを生じたり、樹脂
が内圧に絶えられずにクラックを生じたりする。表面実
装後のパッケージにクラックが発生すると、水分や不純
物が侵入してチップを腐食させるため、半導体としての
機能を害する。また、パッケージが膨れることで外観不
良となり、商品価値が失われる。このようなパッケージ
クラックや剥離の問題は、近年のパッケージの薄型化の
進展に伴って顕著となっている。

【０００５】ここで、樹脂とダイパッドの密着性に大き
な影響を及ぼしているのがリードフレーム材の酸化皮膜
の密着性である。半導体の組立工程においてリードフレ
ーム材のダイパッドは種々の加熱工程を経るため、その
表面には酸化皮膜が生成している。したがって、樹脂と
ダイパッドは酸化皮膜を介して接していることになるた
め、この酸化皮膜のリードフレーム母材への密着性が樹
脂とダイパッドの密着性を決定する。

【０００６】ところで、リードフレーム用の素材として
は、４２ｗｔ％Ｎｉ−Ｆｅ合金を代表とするＦｅ−Ｎｉ
系合金と銅合金が用いられている。４２ｗｔ％−Ｆｅ合
金は、セラミクスと熱膨張係数が近似するため、セラミ
クスパッケージ用素材として従来より用いられ、プラス
チックパッケージにおいても高信頼性リードフレーム素
材として用いられてきた。しかしながら、Ｆｅ−Ｎｉ系
合金は銅合金に比べて導電率が低いという欠点があり、
近年のパッケージへの要求である高熱放散化や信号伝達
の高速化への対応には不利である。この点、高い導電性
をもつ銅合金は熱放散や高速の信号伝達において有利で
あり、より高性能なパッケージの設計が可能となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、銅合金
は前述の酸化皮膜密着性においてＦｅ−Ｎｉ系合金に比
べると劣るため樹脂とリードやダイパッドの間に剥離を
生じやすく、そのためパッケージクラックや剥離といっ
た問題が発生しやすかった。このために信頼性の高いパ
ッケージを製造するための酸化皮膜密着性を向上した銅
合金が待たれていた。

【０００８】また、上記以外にリードフレーム材には次
のような性能が要求される。まず、パッケージの薄型化
の要求からは、リードフレーム材を薄くする必要があ
り、その結果、板厚は最近では０．１５ｍｍ、０．１２
５ｍｍといった薄い材料が主流となっている。このよう
なリードフレームの薄型化、リードの狭小化はフレーム
全体やリードの剛性を低下させ、アセンブリ工程中での
インナーリードの変形、デバイス実装時のアウターリー
ドの変形を引き起こす。このようなトラブルを防止する
ためには使用するリードフレーム材に対し、より高い強
度も要求される。さらに、リードフレームのパターン形
成時に必要な優れたエッチング性及びプレス加工性を有
し、更に実装における半田接合部の信頼性が高いこと等
多種多様な特性が要求される。本発明は、上記のパッケ
ージクラックや剥離の問題に対処するためになされたも
ので、酸化皮膜の密着性を向上し、しかも、強度やエッ
チング性並びに導電率を高めることができるリードフレ
ーム用銅合金を提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】一般に、銅合金を加熱し
て生成する酸化物は主としてＣｕ₂Ｏであり、これは熱
力学的に最も安定であるが、同時にＣｕＯも生成する。
Ｃｕ₂Ｏの結晶構造は等軸晶系のセキドウ鉱型であるの
に対して、ＣｕＯの結晶構造は単斜晶系のゆがんだ岩塩
型構造であり、Ｃｕ₂Ｏとは全く異なる。本発明者の検
討によれば、Ｃｕ₂Ｏ皮膜中にＣｕＯが生成すると、Ｃ
ｕ₂Ｏ皮膜内に内部応力が発生し、Ｃｕ₂Ｏの延性が乏し
いために母材との界面で剥離を生じ、その結果、酸化皮
膜の密着性が低下することが判った。このことから、本
発明者は、酸化皮膜の密着性の向上のためには、ＣｕＯ
の発生する割合を小さくすればよいという知見を得た。

【００１０】本発明のリードフレーム用銅合金は、上記
知見に基づき酸化皮膜におけるＣｕＯの許容量を定量的
に解析してなされたもので、９５重量％以上のＣｕを含
有し、かつ表面に大気中での加熱で生成した酸化皮膜を
有するリードフレーム用銅合金において、Ｘ線回折にて
検出される反射面（００２）でのＣｕＯのピーク高さ
と、反射面（１１１）でのＣｕ₂Ｏのピークの高さの比
（ＣｕＯ／Ｃｕ₂Ｏ）が０．５以下であることを特徴と
している。ここで、反射面をそれぞれミラー指数で（０
０２）と（１１１）としたのは、その面で反射のピーク
が最も大きく現れるからである。以下、本発明のより好
適な実施の形態について説明する。なお、以下の説明に
おいて「％」は「重量％」を言うものとする。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明のリードフレーム用銅合金
は、Ｃｒ：０．０５〜０．４％、Ｚｒ：０．０３〜０．
２５％、Ｚｎ：０．０６〜２．０％を含有するとともに
残部が銅及び不可避不純物からなる成分組成にすること
が望ましい。上記添加元素の数値限定の理由を以下に説
明する。

【００１２】ＣｒＣｒには、合金を溶体化処理後、時効させることにより
母相中に析出して強度を向上させる作用があるが、その
含有量が０．０５％未満ではこの作用による所望の効果
が得られず、一方、０．４％を超えて含有させると、粗
大なＣｒが母相中に残留し、エッチング性の低下を招
く。よって、Ｃｒ含有量を０．０５〜０．４％と定め
た。

【００１３】ＺｒＺｒには、溶体化処理後、時効処理によりＣｕと化合物
を形成して母相中に析出し強度を向上させる作用がある
ために添加される元素である。その含有量が０．０３％
未満では、その作用による所望の効果が得られず、一
方、０．２５％を超えてＺｒを含有させると、溶体化処
理後に粗大な未固溶Ｚｒが含有するようになってエッチ
ング性の低下を招くことから、Ｚｒ含有量は０．０３〜
０．２５％と定めた。

【００１４】Ｚｎこの銅合金においてＺｎを添加すると、高温酸化時のＣ
ｕＯの発生を抑制して酸化皮膜密着性を向上させる働き
がある他、半田接合部が動作中の熱により剥離すること
を防ぐ作用があるために添加される成分であるが、その
含有量が０．０６％未満ではこれらの作用による所望の
効果が得られず、一方、２．０％を超えてＺｎを含有さ
せると導電率の低下が著しくなることから、Ｚｎ含有量
を０．０６〜２．０％と定めた。

【００１５】また、上記リードフレーム用銅合金には、
さらに、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｍｎ、Ｐ、ＭｇおよびＳｉ
の１種以上を総量で０．０１〜１．０％含有させること
が望ましい。その理由は以下のとおりである。すなわ
ち、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｍｎ、Ｐ、Ｍｇ及びＳｉは、い
ずれも主として固溶強化により強度を向上させる作用を
有するため、必要により１種または２種以上の添加がな
されるが、その含有量が総量で０．０１％未満であると
前記作用による所望の効果が得られず、一方で総量で
１．０％を超える場合には導電性を著しく劣化させ、生
産性及びエッチング性も低下する。このため、単独添加
あるいは２種以上の複合添加がなされるＮｉ、Ｓｎ、Ｉ
ｎ、Ｍｎ、Ｐ、Ｍｇ及びＳｉの含有量は総量で０．０１
〜１．０％と定めた。

【００１６】また、上記リードフレーム用銅合金には、
さらに、Ｆｅ：０．１〜１．８％、Ｔｉ：０．１〜０．
８％を含有させると好適である。その理由は以下のとお
りである。すなわち、Ｔｉ及びＦｅは合金を時効処理し
たときに母相中にＴｉとＦｅの金属間化合物を形成し、
その結果として合金強度をさらに向上させる作用を有す
るために必要に応じて添加されるが、これらの含有量が
それぞれ０．１％未満では上記作用による所望の強度が
得られない。一方、Ｔｉ含有量が０．８％を超えたり、
Ｆｅ含有量が1.８％を超える場合には、ＴｉとＦｅを主
成分とする粗大な介在物が残存し、エッチング性を著し
く阻害する。なお、本発明で言う「リードフレーム」と
は、半導体デバイスにおけるリードとダイパッドを総称
したもので、いずれか一方に限定されることはない。

【００１７】

【実施例】以下、具体的な実施例により本発明をさらに
詳細に説明する。まず、電気銅あるいは無酸素銅を主原
料とし、銅クロム母合金、銅ジルコニウム母合金、亜
鉛、チタン、ニッケル、錫、インジウム、マンガン、マ
グネシウム、軟鋼、シリコン、銅リン母合金を副原料と
し、高周波溶解炉にて表１に示す各種成分組成の銅合金
を真空中またはＡｒ雰囲気溶解中で溶製し、厚さ３０ｍ
ｍのインゴットに鋳造した。次に、これらの各インゴッ
トに対して熱間加工及び溶体化処理、１回目の冷間圧
延、時効処理、表面研磨、最終の冷間圧延、歪取焼鈍の
順に行い、厚さ０．１５ｍｍの板とした。

【００１８】以下に評価方法を述べる。酸化皮膜の組成
および密着性を調査するため、各板材から２０×５０ｍ
ｍの試験片を切り出し、アセトン脱脂と１０％希硫酸酸
洗処理を行った後、大気中所定温度で５分間加熱し、各
試験片の表面に酸化皮膜を生成した。酸化皮膜の組成調
査には、４００℃で５分加熱し、材料から剥がれた酸化
皮膜を粉砕したサンプルをＸ線回折装置により分析し、
ＣｕＯ（００２）とＣｕ₂Ｏ（１１１）のピーク高さの
比（ＣｕＯ／Ｃｕ₂Ｏ）を求めた。そして、ピーク高さ
の比（ＣｕＯ／Ｃｕ₂Ｏ）が０．５以下である１４つの
試験片を実施例１〜１４とし、比が０．５を上回る４つ
の試験片を比較例１〜４とし、以下の諸特性の評価を行
った。

【００１９】まず、酸化皮膜の密着性の評価は、上記方
法により各種温度で５分間加熱して酸化皮膜の生成した
試験片表面に市販のテ−プ（住友スリーエム社製、＃８
５１）を貼り付け、引き剥がすことにより行った。この
場合において、加熱温度を１０℃ずつ徐々に上げてゆ
き、酸化皮膜が初めて剥がれてテ−プに付着したときの
加熱温度を求め、この加熱温度が３５０℃以上の場合を
○、３４０℃以下の場合を×とした。次に、リードフレ
ーム材として必要な特性である以下の諸特性の評価も行
った。

【００２０】まず、引張強さは引張試験により測定し、
導電性は導電率を測定することにより評価した。エッチ
ング性は、試料を塩化第２鉄でエッチングした後、壁面
の走査電子顕微鏡観察によって得られる最大の介在物の
サイズを測定することにより評価した。この場合、介在
物のサイズが５μｍ未満の場合を○、５μｍ以上の場合
を×とした。

【００２１】表１に結果を示す。表１から判るように、
本発明の実施例１〜１４では、いずれも酸化皮膜が剥離
する温度が３７０℃以上であり、比較例１〜４と比較す
ると格段に高い。特に、各種添加元素を好ましい範囲で
含有する実施例１〜１４では、良好な酸化皮膜密着性に
加えて、引張強さ、導電率およびエッチング性も良好で
あり、中でも実施例９〜１３では、ＴｉとＦｅを好まし
い範囲で含有しているため、強度が群を抜いて優れてい
る。ただし、実施例１４では、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔｉを含有
していないため、強度がさほど向上されていない。ま
た、比較例３では、Ｚｒの含有量が多いためにエッチン
グ性が劣っている。

【００２２】

【表１】

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のリードフ
レーム用銅合金によれば、酸化被膜の密着性を高めるこ
とができるので、パッケージクラックや剥離の問題に対
する信頼性を高めることが可能となる。さらに、適切な
量のＣｒ、Ｚｒ等を含有することにより、強度やエッチ
ング性を向上させることができる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】９５重量％以上のＣｕを含有し、かつ表
面に大気中での加熱で生成した酸化皮膜を有するリード
フレーム用銅合金において、Ｘ線回折にて検出される反
射面（００２）でのＣｕＯのピーク高さと、反射面（１
１１）でのＣｕ₂Ｏのピークの高さの比（ＣｕＯ／Ｃｕ₂
Ｏ）が０．５以下であることを特徴とするリードフレー
ム用銅合金。
【請求項２】重量比でＣｒ：０．０５〜０．４％、Ｚ
ｒ：０．０３〜０．２５％、Ｚｎ：０．０６〜２．０％
を含有するとともに残部が銅及び不可避不純物からなる
ことを特徴とする請求項１に記載のリードフレーム用銅
合金。
【請求項３】重量比でＣｒ：０．０５〜０．４％、Ｚ
ｒ：０．０３〜０．２５％、Ｚｎ：０．０６〜２．０を
含有し、さらに、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｍｎ、Ｐ、Ｍｇお
よびＳｉの１種以上を総量で０．０１〜１．０％含有
し、残部が銅及び不可避不純物からなることを特徴とす
る請求項１に記載のリードフレーム用銅合金。
【請求項４】重量比でＣｒ：０．０５〜０．４％、Ｚ
ｒ：０．０３〜０．２５％、Ｚｎ：０．０６〜２．０
％、Ｆｅ：０．１〜１．８％、Ｔｉ：０．１〜０．８％
を含有し、さらに、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｍｎ、Ｐ、Ｍｇ
およびＳｉの１種以上を総量で０．０１〜１．０％含有
し、残部が銅及び不可避不純物からなることを特徴とす
る請求項１に記載のリードフレーム用銅合金。