JP4662418B2 - リードフレーム - Google Patents

Description

本発明は、銅からなる基材の上にニッケルめっき、パラジウムめっき、金めっきを順次施してなるリードフレームに関し、特に、モールド樹脂で封止されるとともにモールド樹脂から露出する部分がはんだ付けされるリードフレームに関する。

モールド樹脂で封止されるとともにモールド樹脂から露出する部分がはんだ付けされるリードフレームは、樹脂モールドパッケージタイプの半導体装置に使用される。すなわち、このリードフレームは半導体チップとワイヤなどにより電気的に接続された後、半導体チップとともにモールド樹脂にて封止される。

ここで、従来の一般的なリードフレームは、Ｃｕからなる基材にニッケルメッキを施し、半導体チップのダイボンド部（アイランド部）とワイヤボンド部のみが銀メッキされている。そして、上述したように、ワイヤボンディング後、半導体チップ、ワイヤ、インナーリード部を含めて樹脂モールドする。

さらに、リードフレームにおいては、樹脂でモールドされていないアウターリード部に、はんだ接合性を確保するためのＳｎ−Ｐｂ、Ｓｎ−Ｂｉなどのはんだめっきを施し、アウターリードを曲げて基板にはんだ付けし、各種パッケージを製造してきた。

しかし、この一般的なリードフレームには大きくは２点の問題がある。１点はアウタリード部のはんだめっきは、後付けで行うものであり、具体的には、基板実装時にいったんニッケルめっきを除去した後、はんだめっきを行うという処置が必要で、コストアップの要因となっていた。

もう１点は、はんだのＰｂ（鉛）フリー化に伴い、はんだリフロー温度がより高温となり、モールド樹脂のリードフレームからの剥離が発生しやすくなることである。

１点目の問題対応のため、すなわち実装工程の簡略化およびコストダウンのために、はんだとの濡れ性を高めるような仕様のめっきを施したリードフレーム（Ｐｒｅ Ｐｌａｔｅｄ Ｆｒａｍｅ、以下ＰＰＦと略記する）が採用されはじめている（たとえば、特許文献１参照）。

このＰＰＦは、銅からなる基材の上にニッケルめっき、パラジウムめっき、金めっきを順次施してなるリードフレームであり、表面が金であることより、上記したはんだめっき無しではんだ付けを行うことができる。

２点目の問題対応のため、すなわち樹脂モールドパッケージタイプの半導体装置におけるリードフレームとモールド樹脂との密着性を高めるために、リードフレームのめっき表面を粗化する技術が提案されている（たとえば、特許文献２、特許文献３参照）。

このメッキ表面を粗化する技術は、リードフレームのめっき表面を粗化することによって、（１）リードフレームにおけるモールド樹脂との接着面積が大きくなる、（２）モールド樹脂が粗化されためっき膜の凹凸に食いつきやすくなる、などの効果（つまり、アンカー効果）を期待するものである。
特開平４−１１５５５８号公報 特開平６−２９４３９号公報 特開平１０−２７８７３号公報

しかしながら、上記ＰＰＦにめっき表面の粗化技術を用いたリードフレーム（以下、「ＰＰＦ＋めっき粗化」のリードフレームという）を採用した場合、以下のような弊害がでることが知られている。

「ＰＰＦ＋めっき粗化」のリードフレームにおける表面の金めっきの粗化状態を管理するために、通常、面粗度が使用されているが、面粗度を粗くしても、必ずしも樹脂密着強度が上昇するわけではなく、逆に低下する場合がある。

この様子は具体的には、図５に示される。図５は、「ＰＰＦ＋めっき粗化」のリードフレームについて、本発明者が面粗度と樹脂密着強度との関係を調査した結果の一例を示す図である。ここでは、面粗度Ｒａ（単位：ｎｍ、原子間力顕微鏡にて測定）に対し樹脂密着強度としてプリンカップ強度（単位：ＭＰａ）を採用している。

図５に示されるように、面粗度を大きくする、すなわち金めっきの表面を粗くしていくと、樹脂密着強度が上昇するが、ある時点から、逆に樹脂密着強度が低下してしまう。つまり、面粗度を管理しても、面粗度のばらつきによって樹脂密着強度が低下する場合がある。

そこで、ＰＰＦを用いる場合において、モールド樹脂との密着性を向上すべく粗化を行うときには、面粗度に代えて樹脂密着強度を予測できるような新たなパラメータ（管理項目）が必要となってくる。

本発明は上記問題に鑑み、ＰＰＦのめっき表面を粗化するにあたって、樹脂との密着性を予測可能な新規なパラメータを見出し、そのパラメータにより、樹脂との高い密着性を安定して確保できるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するため、鋭意検討を行った。本発明者は、ＰＰＦにおいて粗化された表面を走査型電子顕微鏡（ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、ＳＥＭ）で観察した。

その結果、粗化されたＰＰＦの表面は、鋭い三角錐の突起が上方に向かっている形状であり（図３参照）、鋭い突起であるほど樹脂との密着強度が高くなることを見出し、リードフレーム表面に鋭い突起があるということは、樹脂に接触するＰＰＦの表面積が大きいということに着目した。

そして、この粗化されて突起を有するＰＰＦの表面積と表面が平坦である場合のＰＰＦの表面積との比率、すなわち比表面積をパラメータとし、検討した。比表面積は原子間力顕微鏡（ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、ＡＦＭ）で測定する。

この比表面積は「ＰＰＦ＋めっき粗化」のリードフレームにおいて着目されていなかったものであり、上記検討の結果、比表面積と樹脂密着強度とが対応することがわかった（図４参照）。

請求項１に記載の発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、銅からなる基材（３０ａ）の上にニッケルめっき（３０ｂ）、パラジウムめっき（３０ｃ）、金めっき（３０ｄ）を順次施してなるリードフレームにおいて、比表面積が１．３以上、１．５以下であり、当該リードフレームの表面は、三角錐の突起が上方に向かっている形状であることを特徴とするリードフレームを提供するものである。

本発明のように、銅からなる基材（３０ａ）の上にニッケルめっき（３０ｂ）、パラジウムめっき（３０ｃ）、金めっき（３０ｄ）を順次施してなるリードフレーム、すなわちＰＰＦにおいて、表面の粗化を行い、比表面積を１．３以上とすることにより、樹脂密着強度を実用レベルで十分に高いものとすることができる。

このように、本発明によれば、比表面積という樹脂との密着性を予測可能な新規なパラメータを見出し、そのパラメータにより、樹脂との高い密着性を安定して確保することができる。

ここで、請求項２に記載の発明のように、請求項１に記載のリードフレームにおいては、比表面積が１．４以上であることが好ましい。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

図１は、本発明の実施形態に係る樹脂モールドパッケージタイプの半導体装置Ｓ１の概略断面構成を示す図である。

図１に示されるように、半導体装置Ｓ１は、アイランド部１０に、半導体チップ２０を搭載し、リードフレーム３０とボンディングワイヤ４０を介して結線され電気的に接続されている。

ここで、半導体チップ２０は、シリコン半導体基板に周知の半導体製造技術を用いてトランジスタ素子などを形成してなるものである。また、ボンディングワイヤ４０は、ワイヤボンディングにより形成された金（Ａｕ）やアルミニウム（Ａｌ）などからなるワイヤである。

これら半導体チップ２０、ボンディングワイヤ４０、およびリードフレーム３０におけるインナーリード３１はモールド樹脂５０により包み込まれるようにモールドされ封止されている。

このモールド樹脂５０は、通常の樹脂封止型半導体装置に用いられるエポキシ系樹脂などのモールド材料を採用して、金型を用いたトランスファーモールド法などにより形成されるものである。そして、このモールド樹脂５０が、半導体装置の本体すなわちパッケージボディを構成している。

ここで、リードフレーム３０のうちアウターリード３２は、モールド樹脂５０から突出している。このアウターリード３２は、図１に示されるように、曲がり形状を有しており、その先端部が、プリント基板などの外部基板に対してはんだを介して接続される部位である。

この図１に示されるような半導体装置Ｓ１は、アイランド部１０に搭載された半導体チップ２０とリードフレーム３０との間でワイヤボンディングを行い、ワイヤ４０により電気的に接続した後、半導体チップ２０、リードフレーム３０、ワイヤ４０をモールド樹脂５０にて封止することにより、製造される。

図２は、図１中の丸で囲んだＡ部分の拡大図である。図２に示されるように、このリードフレーム３０は、銅や銅合金を基材３０ａとしており、その基材３０ａの表面には、めっき膜３０ｂ、３０ｃ、３０ｄが形成されている。

このようなめっき膜３０ｂ、３０ｃ、３０ｄは、リードフレームの素材板をエッチングやスタンピングなどで、リードフレーム形状にパターニングした後、めっき処理することで形成されるものである。

そして、このめっき膜３０ｂ、３０ｃ、３０ｄは、下地である基材３０ａ側より、厚さ０．８μｍ〜２．１μｍ程度のＮｉめっき３０ｂ、厚さ０．０２μｍ以下のＰｄめっき３０ｃ、厚さ０．０２μｍ以下のＡｕめっき３０ｄの３層構造となっている。

また、このめっき膜３０ｂ、３０ｃ、３０ｄはリードフレーム３０とモールド樹脂５０との密着性を向上させるためのものであり、めっき膜３０ｂ、３０ｃ、３０ｄの表面は粗化されている。

つまり、本実施形態のリードフレーム３０は「ＰＰＦ＋めっき粗化」のものである。具体的には、図２に示されるように、めっき膜３０ｂ、３０ｃ、３０ｄの表面は凹凸形状となっている。

このめっき膜３０ｂ、３０ｃ、３０ｄの粗化方法は公知である。たとえば、本例では、Ｎｉめっき３０ｂのめっき成膜時にめっき条件や薬液成分を調整するなどにより粗化を行っている。

そして、この粗化されたＮｉめっき３０ｂの上に薄いＰｄめっき３０ｃ、さらにその上に薄いＡｕめっき３０ｄを形成することで、「ＰＰＦ＋めっき粗化」のリードフレーム３０となる。

この場合、粗化されたＮｉめっき３０ｂの上のＰｄ、Ａｕめっき３０ｃ、３０ｄが薄く、均一にめっきされるため、Ａｕめっき３０ｄの表面はＮｉめっき３０ｂの粗化状態を継承している。

なお、めっき膜３０ｂ、３０ｃ、３０ｄの粗化方法としては、めっき前のリード基材３０ａの表面に、サンドブラスト等による機械的粗化や薬品による化学的粗化を施すようにしてもよい。

このように粗化された本実施形態のリードフレーム３０においては、その比表面積を１．３以上、好ましくは１．４以上としている。

この比表面積は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により測定することができる。図３は、このように粗化されたリードフレーム３０の表面形状を模式的に示す図であり、この図は走査型電子顕微鏡で観察した像を模式化したものである。

図３に示されるように、粗化されたリードフレーム３０の表面は、鋭い三角錐の突起が上方に向かっている凹凸形状となっている。そして、比表面積は、この凹凸面の表面積を表面が平坦である場合のリードフレーム３０の表面積で割った値である。

具体的には、比表面積は、図３中の長さａの辺と長さｂの辺からなる四角形の面積（ａ×ｂ）を用い、この四角形内の凹凸面の表面積を（ａ×ｂ）で除した比率として表すことができる。このような比表面積は、原子間力顕微鏡の画像処理を行うことで求めることができる。

ここで、図４は、上記「ＰＰＦ＋めっき粗化」のリードフレーム３０において、比表面積と樹脂密着強度との関係について調査した結果を示す図である。ここでは、比表面積に対し樹脂密着強度としてプリンカップ強度（単位：ＭＰａ）を採用している。

このプリンカップ強度は、リードフレーム３０の表面にプリンカップ形状のモールド樹脂５０を密着させた状態における、せん断強度を示すものである。つまり、モールド樹脂５０の密着強度を示すものである。このプリンカップ強度が１４ＭＰａ以上あれば、実用レベルにおいて十分な強度と言える。

図４に示されるように、比表面積が大きくなるにつれてプリンカップ強度も大きくなっている。そして、比表面積が１．３以上になるとプリンカップ強度の増加傾向が頭打ちになり、おおよそ飽和した形になる。

ただし、比表面積が１．３以上の範囲で増大していってもプリンカップ強度が下がることはないので、比表面積によりプリンカップ強度すなわち樹脂密着強度を予測することができる。

つまり、リードフレーム３０の比表面積が１．３以上好ましくは１．４以上であれば、十分に高いレベルのプリンカップ強度すなわち樹脂密着強度を安定して実現することができる。粗化をしないＰＰＦの場合、比表面積は１．０５程度であり、比表面積が１．３以上である本実施形態のリードフレーム３０は「ＰＰＦ＋めっき粗化」のリードフレームである。

実際に、比表面積が１．３以上のリードフレーム３０を用いた本実施形態の半導体装置Ｓ１において、高温耐久試験を行ったところ、モールド樹脂５０のリードフレーム３０からの剥離は、比表面積が１．３未満のリードフレーム３０を用いた場合に比べて大幅に抑制できることが確認された。

また、リードフレーム３０とボンディングワイヤ４０との接合性については、リードフレーム３０の比表面積が１．３以上であって１．５以下程度ならば、十分実用レベルを確保できる。

これは、図２または図３に示されるようなリードフレーム３０の凹凸表面において、凸凹面の凸部においてワイヤボンディング接合性が良好なためである。また、凹部の接合部にボイドが残ることがあっても、耐久性は良好であった。

以上のように、本実施形態によれば、銅からなる基材３０ａの上にニッケルめっき３０ｂ、パラジウムめっき３０ｃ、金めっき３０ｄを順次施してなるリードフレーム３０において、その比表面積が１．３以上（好ましくは１．４以上）であることを特徴とするリードフレーム３０が提供される。

その効果としては、上述したように、ＰＰＦにおいて表面の粗化を行い、比表面積を１．３以上とすることにより、樹脂密着強度を実用レベルで十分に高いものとすることができるというものである。

このように、本実施形態によれば、「ＰＰＦ＋めっき粗化」のリードフレームにおいて、比表面積という樹脂との密着性を予測可能な新規なパラメータを見出し、そのパラメータにより、モールド樹脂５０との高い密着性を安定して確保することができる。

そして、このような比表面積が１．３以上である「ＰＰＦ＋めっき粗化」のリードフレーム３０を用いた本実施形態の半導体装置Ｓ１によれば、リードフレーム３０とモールド樹脂５０との剥離が抑制され、当該剥離によるボンディングワイヤ４０の断線などを適切に防止できる。

また、この半導体装置Ｓ１を外部基板に実装するとき、リードフレーム３０のアウターリード３２において、はんだ付けを行うが、このはんだをＰｂ（鉛）フリーはんだとした場合、従来のＰｂ含有はんだよりもリフロー温度は高温になる。そのような場合でも、本実施形態の半導体装置Ｓ１においては、モールド樹脂５０の剥離が生じにくいため有利である。

本発明の実施形態に係る樹脂モールドパッケージタイプの半導体装置の概略断面構成を示す図である。 図１中のＡ部拡大図である。 表面が粗化されたリードフレームの表面形状を原子間力顕微鏡で観察した像に基づいて模式的に示した図である。 表面が粗化されたＰＰＦタイプのリードフレームについてプリンカップ強度と比表面積との関係を示す図である。 表面が粗化されたＰＰＦタイプのリードフレームについて面粗度とプリンカップ強度との関係を調査した結果の一例を示す図である。

符号の説明

３０…リードフレーム、３０ａ…リードフレームの基材、３０ｂ…ニッケルめっき、
３０ｃ…パラジウムめっき、３０ｄ…金めっき。

Claims (1)

1. 銅からなる基材（３０ａ）の上にニッケルめっき（３０ｂ）、パラジウムめっき（３０ｃ）、金めっき（３０ｄ）を順次施してなるリードフレームにおいて、
   比表面積が１．３以上、１．５以下であり、
   当該リードフレームの表面は、三角錐の突起が上方に向かっている形状であることを特徴とするリードフレーム。

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