JPS6386838A - 半導体リ−ド用銅合金 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は優れた機械的強度、電気・熱伝＃性及び精密加
工成型性と共に、半導体パッケージに特有のメッキ性、
半田付は性、ボンディング性及びエツチング性に優れた
半導体リード用銅合金に関するものである。

〔従来の技術） ＩＣ，ＬＳＩ、ＶＬＳＩ等の半導体パッケージは、リー
ドフレームに素子を搭載してリード線によりワイヤーボ
ンディングした後、外部回路との配線を可能にして合成
樹脂等により封止したものである。リードフレームには
熱膨張率の点からＦｅ−Ｎｉ合金ヤＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合
金が用いられていたが、近年放熱性の面からＣＬＪ合金
が検討され、ペーストの利用などにより、ダイボンドの
制約が緩和されるに従い、強度が優れたＣＵ金合金求め
られるようになった。

リン青銅はＦｅ系合金に近い強度を有し、加工性も優れ
ているが、多量のＳｎを用いるため高価でおり、Ｆｅ−
Ｎｊ系合金に比較して経済上のメリットは小ざい。更に
応力腐食割れ（ＳＣＣ）の感受性を有するばかりか、半
田接合強度の経時劣化が起り易い等致命的な欠点がある
。

即ち半導体はリード部をプリンｌ−基板筈に半田付けし
て使用するのが一般的で、接合部の信頼性は重大でめり
、スルホールを用いない面実装方式の導入発展により顕
箸化している。

リン青銅より安価なＣＵ−Ｆｅ系合金、例えばＣ１９５
（Ｃｕ−１，５ｗｔ％Ｆｅ−０，８ｗｔ％Ｃ。

−０，６ｗｔ％、５ｎ−０．０３ｗｔ％Ｐ合金）（以下
ｗｔ％を単に％と略記）が一部で利用されている。この
合金はＦｅとＣＯの化合物を析出分散した組織を示し、
導電率は５０％ｌＡＣ３以上であるカベ強度はリン青銅
より劣るばかりか、加工性に乏しく、精密微細な高集積
化され、かつ小型・高密度化された最近のリードフレー
ムには不適である。更にメッキ性が劣るため、ボンディ
ング等の信頼性も劣る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

最近の高集積化と小型・高密度化にともない、これに必
要な下記特性を有するリード材が求められるようになっ
た。

（１）強度がｌ’ｍｅ−Ｎｉ系合金と同等以上、即ち６
０〜７０Ｋｇ／！ｍ又はこれ以上であること。

（２）導電率がＦｅ−Ｎｉ系合金の数倍以上、即ち２〜
３０％ｌＡＣ３又はこれ以上であること。

（３）プレス成型性２曲げ加工性及びエツチング性が優
れていること。

（４）メッキ性に富むこと。即ちＡ９メッキの加熱フク
レがなく、かつワイヤーボンディング性に冨むメッキが
可能であること。

（５）半田付は性が優れていること。特に半田濡れ性と
共に半田接合強度の経時的劣化がないこと。これはＣｕ
−Ｓｎ固相反応に起因するものであり、アウターリード
などのＳｎ。

５ｎ−Ｐｂ合金メッキの密着性についても同様である。

（６）耐熱性が優れていること。即ちダイボンド方式に
もよるが、４００〜４５０℃までの加熱で軟化しないこ
と。

（７）応力腐食割れ（ＳＣＣ）のないこと。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明はこれに鑑み種々研究の結果、上記諸性性を満足
する半導体リード用銅合金を開発したものである。

即ち本発明鋼合金の一つは、Ｎｉ０．８〜４．０％、Ｓ
ｉ０．１〜１．２％の範囲内でＮｉと８１の比（Ｎｉ／
Ｓｉ）が３〜６となるようにＮｉとＳｉを含み、Ｓ　ｎ
　１．０〜４．０％を含み、かツα含有量を０．００４
％以下、Ｓ含有量を０．００１％以下に制限し、残部Ｃ
ｕと不可避的不純物からなることを特徴とするものであ
る。

また本発明銅合金の他の一つは、Ｎｉ０．８〜４．０％
、Ｓｉ０．１〜１．２％の範囲内でＮｉとＳｉの比（Ｎ
ｉ／Ｓｉ）が３〜６となるようにＮｉとＳｉを含み、Ｓ
　ｎ　１．０〜４．０％を含み、更にＡ１．２％以下、
［３ｅ０．１％以以下間ｇ０．２％以下、　Ｃａ０．１
％以下、ｃｄ０．２％以下。

８０１１％以下、Ａ１０．５％以下、Ｙ０．１％以下。

希土類元素（ＲＥ）０．２％以下、■ｎ０．１％以下、
Ｔｉ０．１％以下、Ｐｂ０．０５％以下、Ｇｅ０．ｉ％
以下、Ｔｉ０．５％以下、Ｚｒ０．２％以下。

Ｐ０．１％以下、　Ｖ０．０５％以下、Ｎｂ０．０５％
以下。

Ｔａ０．０５％以下、３ｂ０．５％以下、Ａｓ０．１％
以下、Ｆｅ０．１％以下、ｆｖｌｎ０．５％以下、Ｏｒ
０．５％以下、Ｔｅ１．０％以下、００１％以下の範囲
内で何れか１種以上を合計５％以下含有し、■含有量を
０．００４％以下、Ｓ含有量を０．００１％以下に制限
し、残部Ｃｕと不可避的不純物からなることを特徴とす
るものでおる。

本発明銅合金は上記組成からなり、溶解鋳造した鋳塊を
熱間加工してから冷間加工により所望寸法に仕上げるこ
とができる。熱間加工は７００〜９５０℃で行ない、熱
間加工後は可及的速やかに冷却する。冷間加工は少なく
とも１回以上の加熱処理を含み、加熱処理は４００〜６
５０℃で１０ＳｅＣ以上行なう。加熱処理までの加工率
は少なくとも３０％以上とし、加熱処理後に再び冷間加
工して所望寸法に仕上げるか、又は加熱処理と冷間加工
を繰返す。冷間加工における過剰な加工や過剰な加熱処
理は避けるほうが望ましく、低温焼鈍、テンションレベ
ラー、テンションアニーラ等により調質することは有益
でおる。

〔作　用〕

本発明銅合金はＣｕとＳｎの均−固）ｄ７１〜リックス
にＮｉ　　Ｓ！系化合物（主にＮｉｚＳｉ。

ＮｉＳｉ＞を適度に析出分散せしめたもので、リン青銅
などのＣＬＪ−Ｓｎ系合金に比へ大ｒｌＪな強度向上を
実現し、かつ導電率の低下を僅かにとどめると共に、良
好な加工性を保持けしめたものでおる。Ｃｕ、Ｎｉ及び
Ｓｉのみで本発明合金と同等の強度（６０Ｋｇ／＃Ｉｉ
以上）を（ｊようとすると、加工性が劣るばかりか、メ
ッキ性、半田付は性等の実用特性を損なう。また多量の
Ｎｉ−Ｓｉ化合物を析出分散せしめたり、焼入れ時効に
より強度を高めることは可能であるか、上記特性を損な
う。更に多量のＮｉとＳｉを含有する銅合金を処理する
ことは、ｖＩ造、熱間加工等を困難にし、製造コストの
上昇を（８く。

本発明はＳｎ含有但を１．０〜４％とすることにより、
導電率の大巾な低下を避け、強度と加工性を改善したも
ので、特にＳｎと共にＮｉと８１を併用することにより
、応力腐食割れ（ＳＣＣ）を起し難くしたものである。

Ｓｎ含有量が本発明合金の範囲であるリン青銅ではＳＣ
Ｃの感受性が最大であるが、Ｓｎと共にＮｉとＳｉを併
用することによりＳＣＣ感受性は顕著に低下する。しか
してＳｎ含有但が下限未満では十分な強度が得られず、
上限を越えると導電率の低下が著しいためでおる。

次にＮｉ０．８〜４．０％、Ｓｉ０．１〜１．２％、の
ぞましくはＮ　ｉ　１．２〜３％、Ｓｉ０．２〜１．０
％の範囲内でＮｉとＳｉの比（Ｎｉ／Ｓｉ）が３〜６と
なるようにＮｉとＳｉを含有せしめたのは、Ｎ　ｉ　−
Ｓｉ化合物の析出による強化作用を最も有効に発揮させ
るためで、何れも下限未満では十分な強度が得られず、
上限を越えると実用特性を損なうためである。高密・高
集積パッケージのリードフレームの多くは、エツチング
法で打復成型される場合が多く、過剰のＮｉｚＳｉ化合
物はスラッジ状に残留してその後のメッキなどの工程で
致命的欠陥となる。

またＮｉとＳｉの比（Ｎｉ／Ｓｉ）を３〜６と限定した
のは、Ｎｉ−３１化合物の化学〕論比よりも著しく偏る
とＮｉ又はＳｉをｉ離して固溶し、導電率を低下するば
かりか、半田接合強度を損なうためで、経験的に定めた
ものである。

本発明において、粒度５μ以上の析出物を１０３個／ｍ
ｍ２以下としたのは、Ｎ　ｉ　−Ｓｉ化合物の析出は微
細均一に分散していることが必要で、粒径５μ以上の粗
大析出物が１０３個／ｒｒｖＡを越えると、ボンディン
グや精密加工に重大な障害となるためでおる。通常リー
ドフレームはリード先端にＡ３メッキを施し、素子のパ
ッドと直径１５〜３０μのＡＬＩ線で超音波又は熱的或
いは両者併用のボンディングを行なっている。粗大析出
物はＣＬＩ合金マトリックスと著しく異なった機械的性
質、即ち硬さと表面物理化学的性質を保有するので、直
接的に又は／ｌメッギ膜を介（）て間接的にボンディン
グを阻害する。

更に合金のα含有量を０．００４％以下、Ｓ含有量を０
．００１％以下に制限したのは、過剰なαやＳは製造加
工上割れなどの欠陥発生の原因となるばかりか、合金の
成型加工性、メッキ性、半田付は性等の障害となるため
である。

以上本発明合金はその組成条件により前記の要求特性（
１）〜（７）を実用上有利に達成することができるも、
更に下記付加的元素の少なくとも１種以上の添加により
、合金を強化し、かつ実用特性を一層向上することがで
きる。しかして１種以上の含有量は合計５％以下とする
必要があり、これを越えて含有せしめると導電率を低下
せしめるばかりか、実用特性に信影響を及ぼすようにな
る。

Ａ９≦０．２％、３ｅ≦０．１％、Ｍ９≦０．２％。

Ｃａ≦０．１％、Ｃｄ≦０．２％、Ｂ≦０．１％。

Ａ１≦０．５％、Ｙ≦０．１％、ＲＥ≦０．２％。

ｉｎ≦０．１％、Ｔｆ≦０．１％、Ｐｂ≦０．１％。

Ｇｅ≦０．１％、ＴｉＳ２．５％、ＺｒＳ２．２％。

Ｐ≦０．１％、■≦０．０５％、Ｎｂ≦０．０５％。

ＴａＳ２．０５％、３ｂ≦０．５％、ＡＳ≦０．１　％
。

ＴａＳ０．１　％９Ｍｎ≦０．５　％、Ｃｒ≦０．５　
％。

Ｆｅ≦１％、Ｇｏ≦１％ 八ｇは強化作用と共に導電率を低下させることなく耐熱
性、即ち耐食性及び半田付は性を向上する。Ｂｅは強化
作用と共に結晶を微細化し、脱Ｓ作用を示し、かつ高温
加熱を多用する半コク体のパッケージングにおいて耐酸
化及びスケール密着性に有効である。Ｍｇは３ｅと同様
に作用し、特に導電率をあまり低下せしめることなく、
耐熱性及び半田付は性を向上する。Ｃａは強化作用と共
に脱Ｓ作用を示す。Ｃｄは有毒元素であるが、強化作用
と共に導電率をあまり低下させることなく耐熱性及び半
田付は性を向上する。Ｂは強化作用と共に脱α作用を示
し、かつ過剰のＮｉと化合して導電率を回復する。

Ａ１は強化作用と共に脱α作用を示し、高温葭化防止に
有効であるが、過剰の添加は導電率の低下をまねく。Ｙ
、ＲＥ、Ｉｎ、Ｔ１は何れも強化作用と共に脱Ｑ、脱Ｓ
作用を示し、同時に組織を微細均一化するばかりか、耐
熱性及び耐酸化性を向上する。ｐｂは強化作用と共に脱
Ｓ作用を示し、耐熱性を向上すると共に高速プレス性に
大きく貢献する。（３ｅは強化作用と共に組織を均質化
する。Ｔｉ、Ｚｒは強化作用と共に脱Ｓ作用を有し、組
織を微細化する。特にｚｒはＣＬＪ−Ｚｒ化合物を析出
し、導電率を低下することなく耐熱性を向上し、Ｔｉは
Ｔｉ−Ｎｉ化合物やＴｉ−Ｎｉ−８ｉ化合物を析出する
など強化作用が大きい。Ｐは過剰のＮｉとＮｉχＰ化合
物を生成して強度を向上すると共に脱α作用を示し、同
時に０．０００１％以上で湯沢れを向上するも、過剰の
添加は半田付は性、特に半田接合強度を劣化する。Ｖ、
Ｎｂ、Ｔａは強化作用と共に結晶を微細化し、かつ脱Ｓ
作用を示し、製造９０王時の欠陥発生を防止する。

ｓｂは強化作用と共に半田付は性を向上する。

ＡＳ、ｌ’−ｅは強化作用と共に結晶粒を微細化し、か
つ耐熱性及び高速プレス性を向上する。Ｍｎは強化作用
と共に脱α、ｌ見Ｓ作用を有し、かつ耐酸化性や半田付
は性を向上する。しかし過剰の添加は導電率を低下する
ので添加ｉｔよ０，０１〜０．２％とすることが望まし
い。Ｃｒは結晶微細化と共に強度を向上する。これはＣ
「の一部がＣｒ−Ｓｉ化合物として析出するためであり
、過剰では粗大析出となり易いため含有量は０．０５〜
０．４％とすることが望ましい。Ｆｅ、Ｑｏも結晶を微
細化すると共に、一部Ｓ；と化合析出して合金を強化す
る。しかし過剰な添加は導電率、加工性、半田付は性、
メッキ性等を劣化するので含有量は０．０５〜０，５％
とすることが望ましい。以上付加的元素の添加は単独で
も有効であり、また複数を利用して各々作用を併用する
こともできる。

（実施例〕 実施例（１） 第１表に示す組成の合金鋳塊〈巾４０馴、厚さ４０醋、
長さ３００厩）を外削してから、８５０°Ｃで１５分間
加熱して熱間圧延により厚さ１０馴とした。

圧延時間は約３分でおり、上り温度は６７０〜７００℃
であった。これを直ちに水冷して１００’Ｃ以下とした
後、酸洗してから厚さ１．２ｍまで冷間圧延し、次に４
５０’Ｃで２５分間加熱処理した。

これを厚さ０．４０ｍまで冷間圧延し、再び４２０’Ｃ
で３０分間加熱処理してから厚さ０．２０ｍまで冷間圧
延し、更に３００°Ｃで５分間加熱処理して仕上げた。

これについて、引張強さ、伸び及び導電率を測定すると
共に、■曲げ試験及び応力腐食割れ試験を行ない、更に
半田付は性とＡ３メッキ性を調べた。これ等の結果を従
来合金であるＣ１９５及びリン青銅と比較して第２表に
示す。

■曲げ試験は各種先端半径（Ｒ）の９０°角曲げを行な
い、曲げ部の割れ状態を検鏡により調ぺ、マイクロクラ
ックのない最小先端半径（Ｒ）と板厚（１）の比（Ｒ／
ｌ）を求めた。応力腐食割れハＪＩｓ　Ｃ８３０６に準
じ、３　ｖｏ１％ＮＨ３蒸気中の定荷重法により割れ発
生の時間を求めた。

荷重は引張強ざの５０％とした。半田付は性は直径９＃
の部分にリード線を共晶半田により半田付けしてから、
１５０℃で３００ｈｒエージングを行なってプル試験に
より接合強度を求めた。またメッキ性はアルカリ電解脱
脂して力目ら各々Ｈｚ　Ｓ　Ｏａによるエツチング（○
μ）とト１ｚ　Ｓ　０４＋Ｈ２Ｏ２浴によるエツチング
（約１０μ）を行い、下記条件で厚さ５μのＡＪメッキ
を施し、これを４７５℃のホットプレート上で３分間加
熱し、フクレの発生を調へた。

Ａ９ストライクメッキ ／ＩｃＮ　　　　ｌ／ｊ！ ＫＣＮ　　　　　３０ｇ＃２ 電流密度　　　５Ａ／ｄＴｄ 時間　　　　　５　ｓｅｃ へｇメッキ Ａ’ｊＣＮ　　　　３０’Ｊ／Ｉ ＫＣＮ　　　　　５５ｇ／！ に２　Ｃ０３１０ｇ／　１ 浴温　　　　　２５℃ 電流密度　　　３Ａ／ｄ尻 第１表及び第２表から明らかなように、本発明台金Ｎα
１〜１２は何れも従来合金であるＣ１９５（ＮＨ２５＞
及びリン青銅（ＮＨ２６）と比較し全ての特性において
優れていることが判る。尚Ｎｉ含有瓜が３％を越える本
発明合金Ｎ（１１，４，１２で、１０μのエツチング後
のメッキにフクレの発生が見られたが、これはエツチン
グ部に多口の析出物が露出し、メッキ密着性を低下させ
たためである。通常のメッキでは０．１μ前後のエツチ
ングであり、本例はエツチング後型したエツチング部の
特性を示すものである。

これに対し本発明で規定する合金組成より外れる比較合
金＋ｉ０．１３〜２４では、所望特性の何れか一つ以上
が劣ることが判る。即ちＳｎを含有しないか又は含有す
るもその１が少ない比較合金Ｎα１３〜１５では成型加
工性が劣るばかりか、伸びが欠ける。Ｓｎ含有量が過剰
な比較合金Ｎ０１６では導電率の低下が著しい。Ｎｉと
Ｓｉの比（Ｎｉ／Ｓｉ）が３〜６より外れる比較合金Ｎ
０１７、１８では強度及び半田付は性が劣る。Ｎｉ含有
■とＳｉ含有量が不足する比較合金Ｎ０１９では強度が
劣るばかりか、応力腐食割れを起し易い。

またＯ２含有量か多い比較合金Ｎα２０では成型加工性
とメッキ性が劣り、半田付は性も劣化の傾向にあり、Ｓ
含有量の多い比較合金Ｎα２１も同様で、これ等は製造
中、特に熱間加工中に割れ欠陥を発生し、歩留りを低下
した。同様の割れは程度の大小はあるが、比較合金Ｎα
１４．２３．２４にも見られた。更にＺｎ含有母が過剰
な比較合金Ｎα２２は導電率を低下すると共に応力腐食
割れを起し易い。ＯｒヤＦｅの含有量が多い比較合金Ｎ
（１２３゜２４では成型加工性、メッキ性及び半田付は
性が劣る。

実施例（２） 第１表中、本発明合金Ｎα１〜１２．比較合金ＮＱ２０
、２３及び従来合金であるＣ１９５　　（Ｎα２５）に
つき、板面をＮＨ４０Ｈ−ＨｚＯｚ浴で軽くエツチング
してから、電子顕微鏡により１０００倍で表面を観察し
、直径５μ以上の析出物の分布を調べた。

また実施例（１）にあける△３メッキのフクレテスト後
、Ｈ２Ｓ　０４によるエツチング（Ｏμ）材について、
自動式超音波併用熱圧着式ボングーにより、直径２３μ
のＡｕ線をボールボンドとステッチボンドして長さ２＃
のループを１０００個形成し、これについてループをプ
ルテストしてボンディング収率を求めた。これ等の結果
を第３表に示す。

尚ボンディング条件は温度２５０°Ｃ１荷重５０３゜Ｕ
Ｓパワー０．１　Ｗ、Ｕ３時間５０μｓｅｃとし、Ａｕ
線の切断を正常とし、その他（ステッチボンド側の剥離
）を不良とした。

第３表 第３表から明らかなように本発明合金ＮＱ１〜１２は何
れも粗大析出物の数が少なく、高いボンディング収率を
示した。これに対し比較合金Ｎα２０、２３及びＣ１９
５（Ｎα２５）は何れも粗大析出物の析出が多く、ボン
ディング収率が低いことが判る。

〔発明の効果〕

このように本発明銅合金は、従来のＦｅ−Ｎｉ系やＦｅ
−Ｎｉ−Ｃｏ系よりも安価で、導電性及び放熱性に優れ
、特に半導体リードフレームとして優れた特性を有し、
近年要求の強い高集積化、高密度化を可能にする等顕著
な効果を奏するものである。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｎｉ０．８〜４．０ｗｔ％、Ｓｉ０．１〜１．２
   ｗｔ％の範囲内でＮｉとＳｉの比（Ｎｉ／Ｓｉ）が３〜
   ６となるようにＮｉとＳｉを含み、Ｓｎ１．０〜４．０
   ｗｔ％を含み、かつＯ＿２含有量を０．００４ｗｔ％以
   下、Ｓ含有量を０．００１ｗｔ％以下に制限し、残部Ｃ
   ｕと不可避的不純物からなる半導体リード用銅合金。
2. （２）粒径が５μを越える析出物を１０＾３個／ｍｍ＾
   ２以下に制限する特許請求の範囲第１項記載の半導体リ
   ード用銅合金。
3. （３）Ｎｉ０．８〜４．０ｗｔ％、Ｓｉ０．１〜１．２
   ｗｔ％の範囲内でＮｉとＳｉの比（Ｎｉ／Ｓｉ）が３〜
   ６となるようにＮｉとＳｉを含み、Ｓｎ１．０〜４．０
   ｗｔ％を含み、更にＡｇ０．２ｗｔ％以下、Ｂｅ０．１
   ｗｔ％以下、Ｍｇ０．２ｗｔ％以下、Ｃａ０．１ｗｔ％
   以下、Ｃｄ０．２ｗｔ％以下、Ｂ０．１ｗｔ％以下、Ａ
   ｌ０．５ｗｔ％以下、Ｙ０．１ｗｔ％以下、希土類元素
   （ＲＥ）０．２ｗｔ％以下、Ｉｎ０．１ｗｔ％以下、Ｔ
   ｌ０．１ｗｔ％以下、Ｐｂ０．０５ｗｔ％以下、Ｇｅ０
   ．１ｗｔ％以下、Ｔｉ０．５ｗｔ％以下、Ｚｒ０．２ｗ
   ｔ％以下、Ｐ０．１ｗｔ％以下、Ｖ０．０５ｗｔ％以下
   、Ｎｂ０．０５ｗｔ％以下、Ｔａ０．０５ｗｔ％以下、
   Ｓｂ０．５ｗｔ％以下、Ａｓ０．１ｗｔ％以下、Ｔｅ０
   ．１ｗｔ％以下、Ｍｎ０．５ｗｔ％以下、Ｃｒ０．５ｗ
   ｔ％以下、Ｆｅ１．０ｗｔ％以下、Ｃｏ１ｗｔ％以下の
   範囲内で何れか１種以上を合計５ｗｔ％以下含有し、Ｏ
   ＿２含有量を０．００４ｗｔ％以下、Ｓ含有量を０．０
   ０１ｗｔ％以下に制限し、残部Ｃｕと不可避的不純物か
   らなる半導体リード用銅合金。
4. （４）粒径５μを越える析出物を１０＾３個／ｍｍ＾２
   以下に制限する特許請求の範囲第３項記載の半導体リー
   ド用銅合金。