JP4307038B2 - Method for producing metal material for electronic parts which prevents whisker generation during use - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、使用時のウイスカの発生を防止した電子部品用金属材料の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路、高密度集積回路などの半導体装置に使用されるリードフレームは、次のような工程を経て製造される。先ず半導体装置用リードフレームの半導体搭載部に導電性接着剤を塗布した後、半導体素子を搭載した後に導電性接着剤をベーク炉で硬化させる。次に、ボンディング線で半導体素子上の電極部とリードフレームにおける内部リード部を接続する。次に半導体回路を外部環境から保護するため、エポキシ樹脂で封止する。次にリードフレームの内部リードと接続している封止樹脂の外部に出ている外部リード部に半田めっき等の外装めっきを施す。外装メッキは、主に耐食性向上のために行うもので、一般的にはＳｎ−Ｐｂ二元素の電解メッキ塗装または、溶融ハンダディップ装置を用いてハンダメッキが施されるが、電解メッキ装置は、溶融ハンダディップ装置よりも、直流電源により外部リード表面に所定の厚さのＳｎ−Ｐｂメッキ層を均一に析出させやすい利点から多く使用されている。シャーシなどの金属材料に対しても以前から電解メッキ装置で、Ｓｎの単独メッキがおこなわれていたが、Ｓｎ中の内部応力が緩和されてＳｎ原子が自己拡散し、図１で示すひげ結晶と呼ばれる、針状の単結晶であるウイスカが発生、成長し、電気的な短絡を起こして信頼性を保持できない理由からＳｎにＰｂを添加した二元素のハンダメッキがおこなわれている。さらに樹脂を堰きとめているダムバーを切断した後、半導体装置個片に分離し、所定のリード長に切断する。そして最後に外部リード部をガルウィング形、Ｊ型等の所定の形状にリード成形して半導体装置は完成する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の半導体装置に使用されるリードフレーム、シャーシなどの電子部品に使用される金属材料は、Ｃｕ合金、４２％Ｎｉの鉄合金、鉄の薄板、Ａｌ合金などにハンダメッキ層を施した部品が使用されている。しかしながら、ここ数年で国際的な地球環境保全を進めていくための行動が着実にしつつあるなかで、ハンダメッキ層に含まれるＰｂの規制が必要になり、Ｐｂの使用しないメッキ層の開発が重要な課題となっている。その対策法に二つの方法が検討されている。その一つはＰｂの変わりにＢｉ成分を使用する、いわゆるＳｎ−Ｂｉメッキ層である。Ｂｉを使用することによって、有害なＰｂを使用することなくＳｎと比較して融点が低下し、ウイスカの発生しないメッキを施すことができる。その反面、ＢｉはＰｂと比較して加工性が悪いため、メッキ後の成形加工において曲げ加工性に制約を受ける問題があった。他の対策法として、従来からシャーシなどの金属材料に使用されているＳｎ単独メッキ法の転用技術がある。この対策法は、Ｓｎの柔軟な性質から上記の加工上の問題はないが、前記したように、ウィスカが発生し短絡事故を引き起こす問題から使用性能の信頼性を欠く問題があった。
【０００４】
本発明者らは上記したような問題に鑑み、ウイスカの発生を防止した半導体装置用の電子部品金属材料を提供する事を目的にＳｎメッキ方法について種々検討した結果、Ｃｕのプレメッキを施してＳｎメッキを施す事によって、ウイスカの問題が解消されることを知見した。またメッキ後の成型加工についても何ら支障がないことも判った。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明はこの知見に基づいて構成したもので、その要旨は、４２％ニッケル入鉄合金からなる電子部品用基板の表面に厚さ０．０５〜３μｍのＣｕメッキの下地層を施し、その上に外装メッキとして、Ｓｎメッキ層を電解メッキにより施す事を特徴とする使用時のウイスカの発生を防止した電子部品用金属材料の製造方法である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の要旨について詳細に説明する。
本発明は、半導体装置に使用される金属材料例えば銅および銅合金、鉄および鉄合金（含４２％Ｎｉの鉄合金）、Ａｌ合金など一般に使用される電子部品用金属（または基板）の表面に、Ｃｕメッキの下地層を施し、その上にＳｎメッキを施す。Ｃｕメッキ層は、Ｓｎメッキ層の表面から発生し成長するウイスカを抑制する効果を発揮する。図２は、Ｓｎメッキを施した時のＣｕメッキの厚さとウイスカ発生との関係を示したもので、Ｃｕメッキ層が０．０５μｍ未満の薄い厚みではウイスカ発生の抑制効果が小さくまた３μｍを超える過剰な厚みではその抑制効果が過飽和に達する。本発明において、Ｃｕメッキ層の厚みを０．０５〜３μｍに限定した理由はこの様な実験結果から定めたもので、好ましくは、０．１〜１μｍである。上層のＳｎメッキは、外部リードのハンダ濡れ性、耐食性のために施す。尚、両者のメッキ層間においてウイスカの発生を抑制する理由は、現時点で明確ではないが、本発明者らの推測によれば、Ｓｎメッキ層の下地層にＣｕメッキを薄く施すことによって、Ｓｎメッキ層の結晶方向や結晶粒径に影響を与えてウイスカの成長し難い方位にそろえるか、結晶粒を粗大化して粒界エネルギーを低下させるか、Ｓｎメッキ層にＣｕメッキ金属の拡散を促して、ウイスカの発生と成長を抑制するのか、あるいは薄いメッキ層によって界面の密着性が向上するなど、幾多の理由が考えられる。
【０００７】
また、本発明において、Ｃｕメッキ層の下地層にさらにＮｉメッキを施しても、得られるウイスカ抑制効果を損なうものではない。
【０００８】
【実施例】
次に、本発明の実施例について説明する。
表１は、電子部品用金属（基板）に各種メッキ層を施した場合の本発明の電子部品用金属材料と比較材料を−４０℃〜１２０℃の熱サイクルを１０００回繰り返した後のメッキ層表面におけるウイスカ発生状況をＳＥＭで観察し、下記の評点付けを行った結果を、比較して示したものである。
１；Ｓｎ−Ｐｂと同等レベル
２；実用上問題ないが、従来材よりは悪い。
３；３００ピン以下程度のデバイスには適用可能
４；１００ピン以下程度なら適用可能
５；どのデバイスにも適用が難しい
その結果、下層にＣｕメッキを施した本発明の電子部品用金属材料は、ウイスカの発生が抑制される。またＳｎ単独メッキあるいは過剰な厚みのＣｕメッキを下層に施した比較材は、ウイスカの発生を抑制することができなかった。
【０００９】
【表１】

【０００１０】
【発明の効果】
以上述べた様に、本発明の電子部品用金属材料は、ウィスカによる短絡不良の問題が解消され、メッキ後の成型加工においても必要な曲げ加工性もあり、また地球環境保全に適した電子部品用金属材料を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｓｎメッキ表面に発生したウィスカの一例を示す。
【図２】Ｓｎメッキ層を施した時のＣｕメッキ層の厚さとウイスカ発生状況との関係を示す。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing a metal material for electronic parts, which prevents whisker generation during use .
[0002]
[Prior art]
A lead frame used in a semiconductor device such as a semiconductor integrated circuit or a high-density integrated circuit is manufactured through the following steps. First, after applying a conductive adhesive to a semiconductor mounting portion of a lead frame for a semiconductor device, the conductive adhesive is cured in a baking furnace after mounting a semiconductor element. Next, the electrode part on the semiconductor element and the internal lead part in the lead frame are connected by a bonding line. Next, in order to protect the semiconductor circuit from the external environment, it is sealed with an epoxy resin. Next, external plating such as solder plating is applied to the external lead portions that are exposed to the outside of the sealing resin connected to the internal leads of the lead frame. The exterior plating is mainly performed to improve the corrosion resistance. Generally, Sn-Pb two-element electrolytic plating coating or solder plating is performed using a molten solder dip device. It is more often used than the melting solder dip device because of the advantage that a Sn—Pb plating layer having a predetermined thickness can be uniformly deposited on the surface of the external lead by a DC power source. For metal materials such as chassis, Sn plating has been performed with an electroplating apparatus for a long time. However, the internal stress in Sn is relaxed and Sn atoms self-diffusion . The two-element solder plating in which Pb is added to Sn is performed for the reason that whisker, which is called a needle-like single crystal, is generated and grows and an electrical short circuit cannot be maintained. Further, after cutting the dam bar holding the resin, it is separated into semiconductor device pieces and cut into a predetermined lead length. Finally, the external lead portion is lead-molded into a predetermined shape such as a gull wing shape or a J shape, thereby completing the semiconductor device.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
Metal materials used for electronic components such as lead frames and chassis used in conventional semiconductor devices include Cu alloys, 42% Ni iron alloys, iron thin plates, Al alloys, etc. with solder plating layers. in use. However, as the actions for promoting global environmental conservation have been steadily taking place in the last few years, the regulation of Pb contained in the solder plating layer is required, and the development of a plating layer that does not use Pb has become necessary. It is an important issue. Two methods have been studied for the countermeasures. One of them is a so-called Sn—Bi plating layer that uses a Bi component instead of Pb. By using Bi, the melting point is lowered as compared with Sn without using harmful Pb, and plating without generating whiskers can be performed. On the other hand, Bi has poor workability compared to Pb, and thus has a problem of being restricted by bending workability in the forming process after plating. As another countermeasure, there is a diversion technique of the Sn single plating method that has been used for metal materials such as a chassis. This countermeasure has no problem in the above processing due to the flexible nature of Sn. However, as described above, there is a problem in that the reliability of the use performance is lacking due to the problem of causing a whisker and causing a short-circuit accident.
[0004]
In view of the above problems, the present inventors have made various studies on Sn plating methods for the purpose of providing an electronic component metal material for a semiconductor device in which whisker is prevented from being generated. It has been found that the problem of whiskers can be solved by plating. It was also found that there was no problem with the molding process after plating.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is configured on the basis of this finding, and the gist thereof is that a surface of a substrate for electronic parts made of 42% nickel- containing iron alloy is provided with a Cu plating base layer having a thickness of 0.05 to 3 μm. A method for producing a metal material for electronic parts which prevents whisker generation during use , characterized in that an Sn plating layer is applied by electrolytic plating as exterior plating .
[0006]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the gist of the present invention will be described in detail.
The present invention is applied to the surface of a metal material (or substrate) generally used for electronic components such as copper and copper alloy, iron and iron alloy (including 42% Ni iron alloy), Al alloy, etc. Then, an underlayer of Cu plating is applied, and Sn plating is applied thereon. The Cu plating layer exhibits an effect of suppressing whiskers that are generated and grown from the surface of the Sn plating layer. FIG. 2 shows the relationship between the thickness of Cu plating and the occurrence of whisker when Sn plating is performed. When the Cu plating layer is thinner than 0.05 μm, the effect of suppressing the generation of whisker is small and exceeds 3 μm. If the thickness is excessive, the suppression effect reaches super saturation. In the present invention, the reason why the thickness of the Cu plating layer is limited to 0.05 to 3 μm is determined from such experimental results, and is preferably 0.1 to 1 μm. The upper Sn plating is applied for solder wettability and corrosion resistance of the external leads. The reason for suppressing the occurrence of whisker between the two plating layers is not clear at the present time, but according to the inventor's guess, the Sn plating can be performed by thinly applying the Cu plating to the underlayer of the Sn plating layer. It influences the crystal direction and grain size of the layer to align the whisker in a direction where it is difficult to grow, or coarsens the crystal grain to lower the grain boundary energy, or promotes the diffusion of the Cu plating metal in the Sn plating layer, There are a number of reasons such as suppressing the generation and growth of whiskers, or improving the adhesion at the interface by a thin plating layer.
[0007]
In the present invention, even if Ni plating is further applied to the underlayer of the Cu plating layer, the obtained whisker suppressing effect is not impaired.
[0008]
【Example】
Next, examples of the present invention will be described.
Table 1 shows the plating layer after 1000 cycles of -40 ° C to 120 ° C thermal cycles of the metal material for electronic components and the comparative material of the present invention when various plating layers are applied to the metal (substrate) for electronic components. The result of having observed the whisker generation | occurrence | production state on the surface with SEM, and having performed the following scoring is shown.
1; level equivalent to Sn—Pb 2; no problem in practical use, but worse than conventional materials.
3; Applicable to devices of about 300 pins or less 4; Applicable to devices of about 100 pins or less 5; Difficult to apply to any device As a result, the metal material for electronic parts of the present invention with Cu plating on the lower layer is Whisker generation is suppressed. Further, the comparative material in which the lower layer was plated with Sn alone or excessively thick Cu could not suppress the generation of whiskers.
[0009]
[Table 1]

[00010]
【The invention's effect】
As described above, the metal material for electronic parts according to the present invention eliminates the problem of short circuit failure due to whiskers, has a bending workability required for molding after plating, and is suitable for global environmental protection. Metal materials can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows an example of a whisker generated on a Sn plating surface.
FIG. 2 shows the relationship between the thickness of the Cu plating layer and the state of whisker generation when the Sn plating layer is applied.

Claims (2)

４２％ニッケル入鉄合金からなる電子部品用基板の表面に、厚さ０．０５〜３μｍのＣｕのプレメッキによる下地層を施し、その下地層の上に外装メッキとして、Ｓｎメッキ層を電解メッキにより施す事（但し、その後、前記Ｓｎメッキ層をリフロー処理する工程を含むものを除く）を特徴とする使用時のウイスカの発生を防止した電子部品用金属材料の製造方法。 A base layer by pre- plating of 0.05 to 3 μm thick Cu is applied to the surface of a substrate for electronic parts made of 42% nickel-containing iron alloy, and an Sn plating layer is formed by electrolytic plating on the base layer as exterior plating. A method for producing a metal material for electronic parts that prevents generation of whiskers during use, characterized in that it is applied (excluding those including the step of reflowing the Sn plating layer thereafter) . Ｓｎメッキ層の厚さが５〜１０μｍの範囲である請求項１記載の使用時のウイスカの発生を防止した電子部品用金属材料の製造方法。  The method for producing a metal material for electronic parts which prevents whisker generation during use according to claim 1, wherein the Sn plating layer has a thickness in the range of 5 to 10 μm.

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