KR950013291B1

KR950013291B1 - 전자 전기기기 도전부품용 재료

Info

Publication number: KR950013291B1
Application number: KR1019880700616A
Authority: KR
Inventors: 토시끼 무라마찌; 마모르 마쯔오
Original assignee: 스카이 알루미늄 가부시끼가이샤; 키다노 히사시
Priority date: 1986-10-01
Filing date: 1987-09-30
Publication date: 1995-11-02
Also published as: KR880701783A; JPS6389640A; WO1988002411A1

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 도전부품용 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 있는 것)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 표면 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 Al선으로 접속한다. 이 접속은 와이어본딩이라고 호칭되어 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, 더욱이 반도체장치의 수송이나 전자기기로의 부착시에 생기는 굴곡이나 반복굴곡에 의하여 파손이 생기지 않는 강도나 연성을 가져야 하며, 또한 내식성을 가져야 한다.

종래에는 이와같은 리드프레임로서 Fe-42% Ni 합금인 42 합금, 혹은 Fe-17% CO-29% Ni 합금인 코바르(Kovar), Cu계 합금인 인청동(CA 501), Cu-Fe-Zn-P(CA194)합금, Cu-Fe-Co-Sn-P(CA 195) 합금 등이 사용되어 왔다.

그러나, 종래의 리드프레임재 중에서, 코바르나 42 합금은 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, 값싼 재료의 개발 및 실용화에 부응하는 것이 요구된다.

일반적으로, 가격이 싼 도전재료로서 알루미늄 합금이 알려져 있으나, 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 배경으로하여 이루어진 것으로서, 내연화성 및 양호한 전기도전성, 열전도성(방열성), 납땜성 도금성 및 높은 기계적 강도와 양호한 반복굴곡성을 나타냄과 동시에 값싼 알루미늄기지 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 도저부품용 재료로서 요구되는 특성을 만족시킬 수 있는 성분과 조성에 대하여 각종 실험 및 검토를 거친 결과, 특정한 성분의 A1-Mg-Si계 합금이 상기 특성을 만족시킬 수 있다는 것을 알아내고 본 발명을 수행하게 되었던 것이다.

구체적으로 설명하면, 제 1발명의 전자 저기기기 도전부품용 재료는 Mg 0.2-3.0%(중량%, 이하 동일), Si0.2-2.0% 및 그 나머지는 A1과 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

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

제 3 발명의 전자 저기기기 도전부품용 재료는 제 1 발명에서 규정하고 있는 Mg 및 Si 이외에, Mn 0.01-3.0%, Cr 0.01-3.0%, Zr 0.01-0.30%, V 0.01-0.30%, Ni 0.01-5.7% 중의 1종 또는 2종 이상을 함유한다.

그리고, 제 4 발명의 전자 저기기기 도전부품 재료는 제 1 발명에서 규정하고 있는 Mg 및 Si 이외에, 제 2 발명에서 규정하고 있는 Cu와 Zn의 1종 또는 2종과, 제 3 발명에서 규정하고 있는 Mn, Cr, Zr, V 및 Ni 중의 1종 또는 2종 이상을 함유한다.

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

Mg :

Mg은 Si와 공존함으로써 석출물을 형성하여 강도를 높이는데 기여하는 원소이며, 리드프레임 등의 부품으로서 필요한 강도 및 내반복굴곡을 얻기에 필요한 것이다. 그러나, 0.2% 미만에서는 강도향상 효과가 충분히 얻어지지 않으며, 3.0% 이상을 함유시켜도 강도향상 효과가 증진되지 않고 비용만 상승될 따름이다. 따라서, Mg의 함량을 0.2-3.0%로 한정하였다.

Si :

Si는 Mg와 공존함으로써 석출물을 형성하여 강도를 형성하는데 기여하는 원소이며, Mg와 똑같이 리드프레임 등의 부품으로서 필요한 강도, 내반복굴곡을 얻기에 필요한 원소이다. 그러나, 0.2% 미만에서는 강도향상의 효과가 충분히 얻어지지 않으며, 2.0% 이상을 함유시켜도 강도향상 효과가 증진되지 않고 비용만 상승될 따름이다. 따라서, Si의 함량을 0.2-2.0%로 한정하였다.

본 발명에 따른 전자 전기기기 도전부품 재료로서의 알루미늄 합금은, 기본적으로는 상기한 바와같은 Mg 및 Si를 함유하고 있으면 리드프레임 등의 부품에 필요한 모든 특성을 확보할 수 있으나, 특성을 더욱 향상시키기 위하여 제 2 발명 및 제 4 발명에서는 Cu와 Zn 중의 1종 또는 2종을 함유하고 있으며, 제 3발명 및 제 4 발명에서는 Mn, Cr, Zn, V, Ni 중의 1종 또는 2종 이상을 포함한다. 이들 원소의 첨가이유 및 함량한정 이유는 다음과 같다.

Cu :

Cu는 도금이나 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. 더욱이, Cu는 이 범위내에서 특히 0.5% 이상을 함유시키는 것이 도금 및 납땜성의 향상이라는 관잠에서 볼 때 바랍직하다.

Zn :

Zn 또한 도금이나 납땜성을 가일층 향상시키는데 유효한 원소이다. Zn이 0.01% 미만일 때는 그 효과가 충분히 얻어지지 않으며, 3.0% 초과하여 함유되면 내식성이 저하된다. 따라서, Zn의 함량을 0.01-3.0%로 한정하였다.

Mn :

Mn은 중간처리시, 즉 용체화 처리시의 재결정입자를 미세화하여, 보다 높은 강도향상 및 내열성(내연화성)의 향상을 도모하는데 유효한 원소이다. Mn이 0.01% 미만일 때는 상기 효과가 충분히 얻어지지 않으며, 3.0% 초과하면 강도향상 및 내열향상 효과가 더 이상 증진되지 않거나 주조시에 거대 화합물을 생성하기 쉽다. 따라서, Mn의 함량을 0.01-3.0%로 한정하였다.

Cr :

Cr 또한 중간처리시, 즉 용체화 처리시의 재결정입자를 미세화하여, 강도 및 내열성을 가일층 향상시키는데 유효한 원소이다. Cr이 0.01% 미만일 때는 상기 효과가 충분히 얻어지지 않고, 0.30% 초과하면 강도향상 및 내열향상 효과가 더이상 증진되지 않거나 주조시에 거대한 화합물을 생성하기 된다. 따라서, Cr의 함량을 0.01% 내지 0.30%로 한정하였다.

Zr :

Zr 또한 재결정입자의 미세화 및 강도향상, 내열성의 향상에 유효한 원소이다. Zr이 0.01% 미만일 때는 상기 효과가 충분히 얻어지지 않고, 0.30% 초과하면 강도향상 및 내열성 향상의 효과가 더이상 증진되지 않으며. 주조시에 거대 화합물을 생성하게 되므로, Zr의 함량을 0.01-0.30%로 한정하였다.

V :

V 또한 재결정입자의 미세화 및 강도향상, 내열성의 향상에 유효한 원소이다. V이 0.01% 미만일 때는 상기 효과가 충분히 얻어지지 않으며, 0.30%를 초과하면 강도향상 및 내열성 향상의 효과가 더이상 증진되지 않고, 주조시에 거대 화합물을 쉽게 생성하게 되므로, V의 함량을 0.01-0.30%로 한정하였다.

Ni :

Ni 또한 재결정입자의 미세화 및 강도향상, 내열성 향상에 유효한 원소이다. Ni가 0.01% 미만일 때는 상기 효과가 충분히 얻어지지 않으며, 5.7%를 초과하면 강도향상 및 내열성 향상의 효과는 얻어지지만, 주조시에 거대한 화합물을 쉽게 생성하게 되므로, Ni의 함량을 0.01-5.7%로 한정하였다.

이상의 각 성분외에는 A1 및 불가피한 불순물을 함유할 수 있다. 불가피한 불순물로는 Fe를 함유하는 것이 일반적이며, 0.60% 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 지장은 없다. 단, 그 첨가량은 Ti 0.2% 이하, B 0.04% 이하가 바람직하다.

그리고, 본 발명의 계열인 알루미늄 기지 합금과 같이 Mg 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 42합금이나 코바르 혹은 Cu계 재료 등과 비교하여 한층 경제성이 있으며, 더욱이 우수한 내연화성, 양호한 전기전도성, 열전도성, 방열성을 가지며, 또한 양호한 납땜성, 도금성과 높은 기계적 강도, 양호한 반복굴곡성을 갖는다. 따라서, 상기 특성들이 요구되는 IC, 반도체의 리드프레임재나 스위치, 커넥터 등의 전자 전기기기 도전부품용 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 바와같이 성분 조성의 알루미늄 기지 합금 용탕을 통상적인 방법에 따라 주조한다. 주조방법으로서는 반연속 주조법(DC 주조법)이 일반적이지만, 에너지 절약이나 내연화성 향상 등의 관점에서 볼 때 박판연속 주조법(연속주조 압연법)을 적용하여도 무방하다.

얻어진 주괴에 대해서는, 균열처리(균질화처리) 및 열간압연을 수해하고, 필요에 따라서 냉간압연, 중간소둔(용체화처리), 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 초래 할 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 중간소둔(용체화처리)을 수행하고, 다시 최종 냉간압연을 수행한다.

여기에서 중간소둔은 Mg와 Si에 의해 시효경화성을 줄 수 있도록 Mg와 Si를 미리 고용시켜두기 위한 것으로서,일반의 JIS 6000계 합금의 용체화 처리조건에 준한 조건으로 수행한다. 즉 소둔 온도는 480-560℃로 하고, 판두께에 따라서 상이하지만 상기 소둔 온도에서 1시간동안 유지하며, 1℃/sec 이상의 냉각속도로 냉각한다. 냉각속도가 1℃/sec 미만인 경우에는 시효에 의한 경화가 적어지고 가공경화성도 낮아지게 되므로, 1℃/sec 이상의 냉각속도가 바람직하다. 코일재에 대하여 상기 중간소둔(용체화처리)을 수행할 경우에는 연속 소둔로를 사용하는 것이 일반적이지만, 연속 소둔의 경우에는 유지시간이 거의 제로일지라도 그후의 시효경화성 및 가공경화성이 크게 손상되는 일이 없다.

이와같이 중간소둔(용체화처리)을 수행한 후에 냉간압연을 수행한다. 냉간압연은 바람직한 판두께를 달성하기 위해서 뿐만 아니라 가공경화에 의한 강도향상을 위하여 필요하다. 최종 압연판의 강도는, 리드프레임재 등의 전자 전기기기 도전부품에 대하여 인장강도로 30Kgf/mm 이상, 내력으로 25Kgf/mm 이상이 요구되지만, 본 발명에 따른 알루미늄 기지 합금의 경우, 냉간압연 후의 압연재 강도로서 상기 값을 충분히 확보할 수가 있다. 또한, 상기의 강도를 확보할 수 있다면, 내반복굴곡성을 가일층 향상시키기 위하여 최종 냉간압연 후에 100℃ 이상의 온도에서 최종 소둔을 수행하여도 무방하다.

[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. 반연속 주조한 주괴는, 각 면을 벗겨내서 500mm의 두께, 1000mm의 폭과 3500mm의 길이를 갖게 하고, 표 2에서와 같이 제조조건 No. 1 내지 No. 3에서 0.30mm의 두께를 갖는 압연판이 되게 하였다. 연속 주조의 경우에는 주조판의 두께를 4mm로 하고, 표 2의 No. 4 혹은 No. 5에 제시한 제조조건에서 0.30mm의 두께를 갖는 압연판이 되게 하였다.

이들의 알루미늄 합금 압연판에 대하여, 기계적 성질 및 내연화성, 도전율, 도금성, 납땝성에 대하여 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 수행함으로써 내연화성을 측정하고, 250℃×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, 납땜 부착부의 박리가 생기지 않게 된다. 이와같은 사전의 표면처리로서는 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 그 위에 수행되는 Au나 Ag의 도금성이나 납땜성이 양호해진다. 따라서, 본 실시예에 있어서도, 도금성이나 납땝성을 판정하기 위하여 압연판에 아연처리를 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 왕복굴곡을 수행하고 끊어질 때까지의 왕복횟수를 측정하였다. 이 왕복굴곡성은 상기 왕복회수가 5회 이상이면 성능상 문제는 없다.

[표 1]

[표 2]

*1 : 로의 아래쪽에 물통이 있으며, 뜨거운 물을 넣을 수 있는 배치형의 공업규모의 소둔로.

[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, 250℃×5분간의 열처리 후에 30Kgf/mm²이상의 인장강도를 갖는다. 따라서, 내열성이 양호하며, 반복굴곡성도 양호하고, 도전율은 종래의 리드프레임재인 42합금과 비교하여 매우 높고, 방열성이나 열전도성, 전기전도성이 우수하다. 또한, 아연처리시의 Zn의 균일성이 양호하다는 점에서 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 42합금이나 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, LSI, 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 리드프레임으로서 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

0.2 내지 3.0중량%의 Mg 및 0.2 내지 2.0중량%의 Si를 함유하고, 0.01 내지 3.0중량%의 Cu 및 0.01 내지 3.0중량%의 Zn 중 1종 또는 2종을 함유하며, 그 나머지가 A1 및 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 알루미늄 기지 합금의 전기압연 스트립.
0.2 내지 3.0중량%의 Mg 및 0.2 내지 2.0중량%의 Si를 함유하고, 0.01 내지 3.0중량%의 Cu 와 0.01 내지 3.0중량%의 Zn 중 1종 또는 2종을 함유하며, 0.01 내지 3.0중량%의 Mn, 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 A1 및 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 알루미늄 기지 합금의 전기압연 스트립.