KR950013290B1

KR950013290B1 - 전자 전기기기 도전부품용 재료

Info

Publication number: KR950013290B1
Application number: KR1019880700652A
Authority: KR
Inventors: 토시끼 무라마찌; 마모르 마쯔오; 시게오 쓰찌다; 히로요시 군지
Original assignee: 스카이 알루미늄 가부시끼가이샤; 키다노 히사시
Priority date: 1986-10-09
Filing date: 1987-10-08
Publication date: 1995-11-02
Also published as: JPS6396237A; WO1988002788A1; KR880701784A; JPH0674479B2; US4908078A

Abstract

내용 없음.

Description

전자 전기기기 도전부품용 재료

[발명의 상세한 설명]

[기술분야]

본 발명은 반도체나 IC(집적회로)의 리드프레임 혹은 커넥터나 스위치 등의 도전부품에 사용되는 전자 전기기기 조전부품용 재료에 관한 것이며, 특히 양호한 내연화성, 전기전도성, 열전도성(방열성), 납땜성, 도금성, 및 높은 기계적 강도와 양호한 반복 굴곡성을 나타내는 전자 전기기기 도전부품용 재료에 관한 것이다.

[배경기술]

전자 전기기기에 사용되는 도전부품의 대표적인 것으로서는, 트랜지스터 등의 개별 반도체나 IC, LSI(대규모 집적회로), SCR(Silicon Comtrolled Rectifier :사이리스터)에 사용되는 리드프레임이 있다. 이 리드프레임은 대표적으로 다음과 같은 공정을 거쳐서 IC나 반도체에 통합된다.

먼저, 리드프레임용 재료로서 도전재료로 이루어지는 판두께 0.1-0.5mm의 재료를 준비하고, 이 재료를 프레스 타발식 가공 또는 에칭가공하여 바람직한 리드프레임 형상(단, 외부 리드쪽이 상호연결되어 있는것)을 형성한다. 이어서, 리드프레임의 소정 위치에 고순도 Si 등으로 이루어지는 반도체소자(Si 칩)를 접합한다. 이 접합은 다이본딩이라고 호칭되는 것으로서, Ag 페이스트 등의 도전수지를 사용하여 가압 접착하는 방법, 또는 미리 리드프레임 소재의 단편 혹은 반도체소자(Si 칩)의 면에 Au, Ag, Ni 등 중에서 1종의 단층 또는 2종 이상의 다중층으로 이루어지는 도금층을 형성하고, 이 도금층을 통하여 가열확산 압착해서 Au-Si 등의 공정을 이용하여 리드프레임과 반도체소자를 접합하는 방법, 나아가서는 Pb-Sn 납땜 등을 사용하여 접합하는 방법 등이 있다. 그후, 기판 위의 리드프레임의 소정 위치에 다이본딩된 반도체 소자(Si 칩) 위의 A1 전극과 리드프레임의 도체단자(내부 리드)를 Au 선 혹은 A1 선으로 접속한다. 이 접속은 와이어본딩이라고 호칭되고 있다. 다음에는 반도체소자, 결선부분 및 반도체소자가 부착된 부분의 리드프레임을 보호하기 위하여 수지나 세라믹 등으로 봉해두고, 최종적으로 리드프레임의 외부 리드의 상호연결부분을 잘라낸다.

이상과 같은 공정을 거쳐서 사용되는 리드프레임 재료는, 양호한 프레스가공성 혹은 에칭성을 가져야 하고, 반도체소자(Si 칩)와 리드프레임을 다이본딩하는 공정에서 양호한 내열성(내연화성), 도금성 및 납땜성을 가져야 하며, 또한 양호한 방열성(열전도성)및 도전성을 가져야 하고, 더우기 반도체장치의 수송이나 전자기기로의 부착시에 생기는 굴곡이나 반복굴곡에 의하여 파손이 생기지 않는 강도나 연성을 가져야 하며, 또한 내식성을 가져야 한다.

종래에는 이와같은 리드프레임재로서 Fe-42% Ni 합금인 42 합금, 혹은 Fe-17% CO-29% Ni 합금인 코바르(Kovar), Cu계 합금인 인청동(CA 501), Cu-Fe-Zn-P(CA 194) 합금, Cu-Fe-Co-Sn-p(CA 195) 합금 등이 사용되어 왔다.

그러나, 종래의 리드프레임재 중에서, 코바르나 42합금은 고가인 Ni를 다량 함유하고 있으므로 가격이 높아지지 않을 수 없고, 또한 Cu계 합금은 반복굴곡성이 좋지 않으며, 가격적인 면에서도 문제가 있었다. 따라서, 리드프레임 재료로서 대표되는 전자 전기기기 도전부품의 도전재료는 이들 부품에 요구되는 모든 특성을 만족시켜야 하고, 값산 재료의 개발 및 실용화에 부응하는 것이 요구된다.

일반적으로, 가격이 싼 도전재료로서 알루미늄 합금이 알려져 있으며, 종래에는 알루미늄 합금이 전술한 바와같이 리드프레임 등에 요구되는 모든 특성을 충분히 만족시킬 수 없었다. 따라서, 알루미늄 합금은 리드프레임 재료로 채용되지 않았다.

본 발명은 이상과 같은 사정을 배경으로 하여 이루어진 것으로서, 내연화성 및 양호한 전기도전성, 열전도성(방열성), 납땜성 도금성 및 높은 기계적 강도와 양호한 반복굴곡성을 나타냄과 동시에 값싼 알루미늄 기지 합금으로 이루어지는 전자 전기기기 도전부품용 재료를 제공하는 것을 목적으로 한다.

[발명의 개시]

본 발명자 등은 알루미늄 기지 합금에 대하여, 전술한 것과 같은 리드프레임 등의 전자 전기기기 도전부품용 재료로서 요구되는 특성을 만족시킬 수 있는 성분과 조성에 대하여 각종 실험 및 검토를 거친 결과, 특정한 성분의 A1-Mn-Mg계 합금이 상기 특성을 만족시킬 수 있다는 것을 알아내고 본 발명을 수행하게 되었던 것이다.

구체적으로 설명하면, 제 1 발명의 전자 전기기기 도전부품용 재료는 Mn 0.3-4.0%(중량%, 이하 동일),Mg0.10-5.0% 및 그 나머지의 A1과 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

제 2 발명의 전자 전기기기 도전부품용 재료는 제 1 발명에서 규정하고 있는 Mn 및 Mg 이외에, Cu 0.01-3.0%와 Zn 0.01-3.0% 중의 1종 또는 2종을 포함한다.

제 3 발명의 전자 전기기기 도전부품 재료는 제 1 발명에서 규정하고 있는 Mn 및 Mg 이외에, Cr 0.01-0.30%, Zr 0.01-0.30%, V 0.01-Ni 0.01-5.7% 중의 1종 또는 2종 이상을 함유한다.

그리고, 제 4 발명의 전자 전기기기 도전부품 재료는 제 1 발명에서 규정하고 있는 Mn 및 Mg 이외에, 제 2 발명에서 규정하고 있는 Cu 와 Zn 중의 1종 또는 2종과, 제 3 발명에서 규정하고 있는 Cr, Zr, V, Ni의 1종 또는 2종 이상을 함유한다.

다음에는 본 발명에 따라서 알루미늄 기지 합금으로 이루어지는 전자 전기기기 도전부품 재료의 성분을 한정한 이유에 대하여 설명한다.

Mn :

Mn은 강도향상 및 내열성 향상에 유효한 원소이며, 리드프레임 등의 부품으로서 필요한 강도, 내반복굴곡성 및 내연화성을 얻기에 필요하다. 그러나, 0.3% 미만에서는 이들 효과가 충분히 얻어지지 않으며, 4.0% 이상을 함유시키면 주조가 곤란하게 될 뿐만 아니라 크게 덩어리진 결정물을 형성하기 쉽게 되고, 내열성의 효과가 더이상 증진되지 않으며, 가격면에서도 바람직스럽지 못하다. 따라서, Mn의 함량을 0.3-4.0%로 한정하였다. Mn은 상기범위내에서도 특히 1.2%를 초과하여 함유시키는 것이 강도, 내반복굴곡성 및 내연화성이라는 관점에서 볼 때 바람직하다.

Mg :

Mg는 강도향상에 유효한 원소이며, 리드프레임 등의 부품에 충분한 강도, 내반복굴곡성을 주기 위하여 Mn과 함께 첨가된다. 그러나, 0.1% 미만에서는 강도향상 효과가 충분히 얻어지지 않으며, 5.0% 이상을 첨가하면 압연성이 극단적으로 저하한다. 따라서, Mg의 함량을 0.10-5.0%로 한정하였다. Mg는 상기 범위내에서도 특히 3.0% 미만으로 하는 것이 압연성이라는 관점에서 볼 때 바람직하다.

본 발명에 따른 전자 전기기기 도전부품 재료로서의 알루미늄 합금은, 기본적으로 상기한 바와같은 Mn 및 Mg를 함유하고 있으면 리드프레임 등의 부품에 필요한 모든 특성을 확보할 수 있으나, 특성을 더욱 향상시키기 위하여 제 2 발명 및 제 4 발명에서는 Cu와Zn중의 1종 또는 2종을 함유하고 있으며, 제 3 발명 및 제 4 발명에서는 Cr, Zr, V, Ni중의 1종 또는 2종 이상을 포함한다. 이들 원소의 첨가이유 및 함량 한정 이유는 다음과 같다.

Cu :

Cu는 도금성이나 납땜성을 가일층 향상시키는데 유효한 원소이다. Cu가 0.01% 미만일 때는 그 효과가 충분히 얻어지지 않으며, 3.0%를 초과하면 내식성이 저하된다. 따라서, Cu의 함량을 0.01-3.0%로 한정하였다. 더우기, Cu를 첨가하는 경우, 제조공정에서 열처리조건을 적절하게 제어하면 가공결화성이나 시효경화성이 향상되어 강도가 향상된다.

Zn :

Zn 또한 도금성이나 납땜성을 가일층 향상시키는데 유효한 원소이다. Zn이 0.01% 미만일 때는 그 효과가 충분히 얻어지지 않으며, 3.0%를 초과하여 함유되면 내식성이 저하된다. 따라서, Zn의 함량을 0.01-3.0%로 한정하였다. 더우기, Zn을 첨가하는 경우, 제조공정에서 열처리조건을 적절하게 제어하면 가공경화성이나 시효경화성이 향상되어 강도가 향상된다.

Cr, Zr, V, Ni :

이들 원소는 강도향상 및 내열성의 향상에 유효하다. 각각 Cr 0.01% 미만, Zr 0.01% 미만, V 0.01% 미만, Ni 0.01% 미만에서는 상기 효과가 충분히 얻어지지 않으며, 각각 Cr 0.3%, Zr 0.30%, V 0.30%, Ni 5.7% 이상을 함유시키겨도 상기 효과가 더이상 개선되지 않고, 더우기 주조시에 거대한 화합물을 쉽게 생성하게 된다. 따라서, 상기 원소의 함량을 각각 Cr 0.01-0.30%, Zr 0.01-0.30%, V 0.01-0.30%, Ni 0.01-5.7%로 한정하였다.

이상의 각 성분외에는 A1 및 불가피한 불순물을 함유할 수 있다. 불가피한 불순물로는 Fe 및 Si를 함유하는 것이 일반적이며, Fe는 0.60% 이하, Si는 0.50% 이하를 함유하면 본 발명에 따른 리드프레임재 등의 전자 전기기기 도전부품 재료로서 적당하다.

이외에, 알루미늄 합금 주괴의 제조에 있어서는, 일반적으로 주괴 결정입자의 미세화를 위하여 티타늄 또는 티타늄과 붕소를 첨가하는 경우가 많은데, 본 발명의 재료에 티타늄 또는 티타늄과 붕소가 첨가되어도 특히 리드프레임재 등의 전자 전기기기 도전부품 재료로서 지장이 없다. 단, 그 첨가량은 Ti 0.2% 이하, B 0.04% 이하가 바람직하다.

그리고, 본 발명의 계열인 알루미늄 기지 합금과 같이 Mg를 함유하는 A1 합금의 주조에 있어서는, 용탕의 산화를 방지하거나 혹은 압연성을 개선할 목적으로 베릴륨을 필요에 따라 첨가하는 경우도 있는데, 본 발명의 재료에서도 필요에 따라 베릴륨을 50ppm 이하로 첨가할 수 있다.

이상과 같은 성분 조성으로 이루어지는 본 발명의 전자 전기기기 도전부품 재료는 알루미늄 기지 합금이므로, 종래의 42 합금이나 코바르 혹은 Cu계 재료 등과 비교하여 한층 경제성이 있으며, 더우기 우수한 내연화성, 양호한 전기전도성, 열전도성, 방열성을 가지며, 또한 양호한 납땜성, 도금성과 높은 기계적 강도, 양호한 반복굴곡성을 갖는다. 따라서, 상기 특성들이 요구되는 IC, 반도체의 리드프레임재나 수위치, 커넥터 등의 전자 전기기기 도전부품 재료로서 가장 바람직하다. 특히, 리드프레임재에 있어서 와이어본딩을 A1 선에서 행할 경우에, 본 발명의 재료를 리드프레임으로 사용하면 반도체소자 부착부 및 와이어 접속부에 Au 도금이나 Ag 도금 등을 수행할 필요가 없으며, 있는 그대로의 상태로 와이어본딩이 가능해져서 반도체소자 제조비용을 한층 절감할 수 있게 된다.

[제조방법]

다음에는 본 발명에 따른 전자 전기기기 도전부품 재료로서의 알루미늄 기지 합금의 제조방법에 대하여 서술한다.

먼저, 전술한 바와같은 성분 조성의 알루미늄 기지 합금 용탕을 통상적인 방법에 따라 주조한다. 주조방법으로서는 반연속 주조법(DC 주조법)이 일반적이지만, 에너지 절약이나 강도향상, 특히 내연화성 향상 등의 관점에서 볼 때 3-15mm 정도의 박판에 직접 주조하는 박판연속 주조법(연속주조 압연법)을 적용하는 것이 바람직하다.

반연속주조로 얻어진 주괴에 대해서는, 균열처리(균질화처리) 및 열간압연을 수행하고, 필요에 따라 냉간압연, 중간소둔, 최종 냉간압연을 수행하여 0.1-0.5mm 정도의 두께를 갖는 압연판을 형성한다. 단, 박판연속 주조법의 경우에는, 상기 공정중 열간압연까지의 공정을 생략할 수 있다.

상기 각 공정중, 균열처리는 450-600℃의 온도에서 48시간동안 수행하면 된다. 균열온도가 450℃ 미만일때는 열간압연성이 저하되며, 600℃를 초과하면 공정용융이 발생하기 쉽다. 그리고, 균열처리 시간이 48시간을 초과하면 균열에 의한 조직의 균질화 효과가 한계에 달하고, 에너지 소비에 따른 비용의 증대를 초래할 뿐이다.

균열처리 후에는 통상적으로 재가열해서 열간압연을 수행한다. 재가열은 통상적인 방법에 따라서 400-550℃의 온도로 수행하며, 열간압연도 400-550℃에서 수행하면 된다. 균열처리(균질화처리)와 열간압연을 위한 가열처리는 상술한 바와같이 개별적으로 수행할 필요는 없으며, 균질화처리와 열간압연을 위한 가열을 겸해서 1회의 가열처리를 수행하고, 계속해서 열간압연을 수행하여도 무방하다.

열간압연 종료 후에는, 필요에 따라서 1차 냉간압연을 수행한 후에 다시 필요에 따라 중간소둔(용체화처리)를 수행하고, 다시 최종 냉간압연을 수행한다.

여기에서 중간소둔은 압연성을 개선시키거나, 혹은 Zn 과 Cu의 첨가 합금에 있어서는 그후의 냉간압연에 의한 가공경화성을 높이거나 또는 시효경화성을 갖도록 하기 위하여 수행하는 것이다. 압연시의 균열방지나 압연성를 개선시키고자 하는 경우에는, 연속소둔(가열속도, 냉각속도수 10℃/sec)과 배치소둔(가열속도, 냉각속도수 10℃/sec)중 어느 것을 수행하여도 좋으며, 그 소둔온도는 300-450℃ 정도로 하면 좋다. Zn나 Cu를 포함한 합금에 있어서, 가공경화성을 높이거나 경화성을 갖도록 하기 위하여 중간소둔을 사용할 경우에는, Mg와 Zn이나 Cu를 A1중에 고용시킬 필요가 있다. 이와같은 목적으로 중간소둔을 행하기 위해서는, 일반의 2000계 합금이나 7000계 합금의 용체화 처리조건에 준한 조건으로 수행하면 좋다. 즉, 판두께에 따라 다르지만, 480 내지 560℃의 소둔온도하에서 1시간동안 유지한다. 1℃/sec미만의 냉각속도에서는 시효경화 효과가 적고 가공경화성도 낮아지게 되므로 1℃/sec이상의 냉각속도가 바람직하다. 코일을 사용하여 중간소둔을 행하는 경우에는 연속소둔을 사용한다. 이 경우, 유지시간이 거의 제로일지라도 그 후의 시효경화성 및 가공경화성이 크게 손상되지 않는다.

최종 냉간압연은, 필요한 판두께를 얻기 위한 것 뿐만 아니라, 가공경화에 의한 강도향상을 위해서도 필요하다. 최종 압연판의 강도는, 리드프레임재 등의 전자 전기기기 도전부재로서는 인장강도로 30Kgf/mm²이상, 내력으로 25Kgf/mm이상이 요구되지만, 본 발명에 따른 알루미늄 기지 합금의 경우,냉각엽연 후의 압연재 강도로서 상기 값을 충분히 확보할 수 있다. 또한, 상기의 강도를 확보할 수 있다면, 내반복굴곡성을 가일층 향상시키기 위하여 최종 냉각압연 후에 100℃ 이상의 온도에서 최종 소둔을 수행하여도 좋다. 그리고 중간소둔 조건에 의하여 시효경화성을 부여하는 경우, 100-250℃의 온도로 시효처리하여 강도향상을 도모할 수 있다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

하기 표 1에서 보여주는 바와같이 본 발명의 합금 및 비교합금을 통상의 반연속 주조법 혹은 박판연속 주조법(연속 주조압연)에 의하여 주조하였다. 반여속 주조한 주괴는, 각각의 면을 벗겨내서 300mm의 두께, 1000mm의 폭과 350mm의 길이를 갖게 하고, 표 2에서와 같이 제조조건 No. 1에서 0.30mm의 두꼐를 갖는 압연판이 되게 하였다. 연속 주조의 경우에는 주조판의 두계를 4mm 혹은 5mm로 하고, 표 2의 No. 2 혹은 No. 3에 제시한 제조조건에서 0.30mm의 두께를 갖는 압연판이 되게 하였다. 이들 알루미늄 합금 압연판에 대하여, 기계적 성질 및 내연화성, 도전율, 도금성, 납땜성을 조사하였으며, 그 결과를 표 3에 나타내었다.

다음에는 기계적 성질로서 압연재의 성능을 조사하였다.

일반적인 리드프레임재의 다이본딩에 있어서, Pb-Sn 납땜을 사용하는 경우는 불활성 가스중에서 200-300℃의 온도로 수초간 열처리를 수행하고, Au-Si의 공정을 이용한 다이본딩에 있어서는 불활성 가스중에서 400-500℃의 온도로 수초간의 열처리를 수행함으로써 내연화성을 측정하고, 450℃×5분간의 열처리를 수행하여 열처리 후의 인장강도를 측정하였다.

알루미늄 합금의 경우, Au나 Ag 등의 도금을 할 때에 도금을 양호하게 하기 위해서는 일반적으로 도금전에 미리 표면처리를 수행할 필요가 있다. 그리고, 납땜을 수행할 경우에도 사전에 표면처리를 수행하면 납을 부착하기 쉽고, 부착부의 박리가 생기지 않게 된다. 이와같은 사전의 표면철리로서는 일반적으로 Ni 도금이나 Cu 도금이 있으며, 표면처리를 위한 전처리로서는 진케이트(Zincate) 처리가 유효하다. 진케이트 처리시의 아연의 분포가 균일할수록 진케이트 처리면상의 Ni나 Cu의 도금성이 양호해지며, 특히 그위에 수행되는 Au 나 Ag의 도금성이나 납땜성이 양호해진다. 따라서, 본 실시예에 있어서도, 도금성이나 납땜을 판정하기 위하여 압연판에 진케이트 처리를 하고, 진케이트 처리면의 Zn의 분포를 광학현미경으로 관찰하여서 Zn의 분포가 균일한 순서로○, △, ×로서 평가하였다. △이상이면 도금성이나 납땜성은 일단 합격이라고 판정된다. 진케이트 처리조건은 다음과 같다.

욕조성 : NaOH 525g/ℓ

산화아연 98g/ℓ

욕온도 : 20℃

침지시간 : 30초

그리고, 반복굴곡성은 0.30mm의 압연제를 90도 각도로 한쪽 진동의 반복굴곡을 수행하고, 파단될 때까지의 왕복횟수를 측정하였다. 이 반복굴곡성은 상기 왕복횟수가 5회 이상이면 성능상 문제는 없다.

[표 1]

[표 2]

[표 3]

제 3 표에 나타낸 바와같이, 본 발명에 의한 전자 전기기기 도전부품 재료로서의 알루미늄 기지 합금은, 압연재에서의 강도가 인장강도로 30Kgf/mm²이상인 충분한 강도를 가지며, 450℃×5분간의 열처리 후에 30Kgf/mm²이상의 인장강도를 갖는다. 따라서, Pb-Sn 납땜을 사용하여 저온에서의 다이본딩은 물론, Au-Si 공정을 이용하는 고온에서의 다이본딩도 충분히 적용될 정도의 우수한 내연화성을 가지고 있다. 또한, 반복굴곡성도 양호하며, 도전율도 종래의 리드프레임재인 42 합금과 비교하여 매우 높다. 그리고, 방열성이나 열전도성 및 전기전도성이 우수하고, 아연처리시의 Zn의 균일성이 양호하다는 사실로부터 도금성이나 납땜성이 우수하다는 것을 알 수 있다. 표 3중에는 특별히 제시하지 않았지만 내식성도 우수하다는 것이 확인되었다.

[산업상의 이용가능성]

본 발명에 따른 전자 전기기기 도전부품 재료는, 종래의 42 합금이나 코바르 혹은 Cu계 재료 등과 비교하여 월등히 저렴하며, 우수한 내연화성, 양호한 전기전도성, 열전도성, 방열성을 가지고 있으며, 또한 양호한 납땜성, 도금성과 같은 기계적강도, 양호한 반복굴곡성을 가지고 있다. 따라서, 이들 특성이 요구되는 IC, SCR, 기타 각종 반도체의 리드프레임재나 스위치, 커넥터 등의 전자 전기기기 도전부품용의 재료로서 가장 바람직하다. 특히, 리드프레임재에 있어서 와이어본딩을 A1 선으로 수행하는 경우에 본 발명의 재료를 리드레임으로서 사용하면, 반도체소자 부착부 및 와이어 접속부에 Au 도금이나 Ag 도금 등을 수행할 필요가 없으며, 그 상태대로 와이어본딩이 가능해진다. 따라서, 반도체소자의 제조비용을 한층 낮출 수 있다.

Claims

0.3 내지 4.0중량%의 Mn 및 0.10 내지 5.0중량%의 Mg를 함유하고, 0.01 내지 3.0중량%의 Cu와 0.01내지 3.0중량%의 Zn 중 1종 또는 2종을 함유하며, 그 나머지가 A1 및 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 알루미늄 기지 합금의 전기압연 스트립.
0.3 내지 4.0중량%의 Mn및 0.10 내지 5.0중량%의 Mg를 함유하고, 0.01 내지 3.0중량%의 Cu와 0.01 내지 3.0중량%의 Zn 중 1종 또는 2종을 함유하며, 0.01 내지 0.30중량%의 Cr, 0.01 내지 0.30중량%의 Zr, 0.01 내지 0.30중량%의 V, 0.01 내지 5.7중량%의 Ni 중 1종 또는 2종 이상을 함유하고, 그 나머지가 A1및 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 알루미늄 기지 합금의 전기압연 스트립.