JP5570109B2

JP5570109B2 - 電子機器用銅合金およびリードフレーム材

Info

Publication number: JP5570109B2
Application number: JP2008266684A
Authority: JP
Inventors: 一徳菊川; 淳一熊谷; 嘉裕亀山; 聖生三浦; 健太郎朝倉
Original assignee: Mitsubishi Shindoh Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Shindoh Co Ltd
Priority date: 2008-10-15
Filing date: 2008-10-15
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2028-10-15
Also published as: JP2010095749A

Description

本発明は、半導体装置や電子部品などの電子機器に用いられる電子機器用銅合金およびリードフレーム材に関するものである。

従来、ＩＣやＬＳＩなどの半導体装置に用いられるリードフレーム、各種電子部品の端子およびコネクタは、銅合金の薄板に対してプレス加工等を施すことにより作製されている。
ここで、プレス加工により作製されたリードフレーム等には、残留応力が発生する。この残留応力を除去するために、通常、プレス加工後のリードフレーム等には４００℃から４５０℃での熱処理が施されているが、この熱処理の際に結晶組織が再結晶化することにより銅合金の強度が低下することが知られている。そこで、リードフレーム等に用いられる電子機器用銅合金には、前述の熱処理で強度が低下することがないように耐熱性が要求される。

このような電子機器用銅合金として、例えば特許文献１及び非特許文献１に開示されているような、析出硬化型合金の一種であるＣｕ−Ｆｅ−Ｐ系合金（いわゆるＣ１９４系合金）が広く提供されている。このＣｕ−Ｆｅ−Ｐ系合金は、銅の母相中にＦｅ−Ｐ系化合物を析出物粒子として分散させることで、耐熱性、強度、導電率の向上を図ったものである。

一般に、前述の析出硬化型合金においては、銅の母相中に分散する粒子のサイズがその特性に大きな影響を与えることが知られている。ここで、直径１μｍ以上の粗大粒子は、再結晶時において主要な核形成サイトとなり、この粒子のサイズが大きいほど再結晶核は形成しやすいため、耐熱性が低下してしまう。一方、銅の母相中に数１０ｎｍ以下の微細な粒子が密に分散すると、ピン止め効果によって粒界移動が拘束され、再結晶化が抑制されて耐熱性が向上するとされている。
特開平０２−１１１８２９号公報大迫ら；伸銅技術研究会誌２８（１９８９），Ｐ１３３

ところで、近年、プレス加工技術の向上により、プレス加工によって作製されるリードフレームの多ピン化が進んでおり、これにともない加工後の残留応力が大きくなる傾向にある。この残留応力の除去するために、５００℃といった高温領域での熱処理が行われている。
しかしながら、従来の電子機器用銅合金では、５００℃の高温領域での耐熱性が不十分であり、熱処理を行った際に強度が低下してしまうおそれがあった。そこで、耐熱性を従来よりも向上させた電子機器用銅合金が望まれていた。

本発明は、前述の事情に鑑みてなされたものであって、５００℃といった高温領域においても強度が低下することがない耐熱性を備えた電子機器用銅合金およびリードフレーム材を提供することを目的とする。

この課題を解決するために、本発明者らは鋭意研究を行った結果、直径が１５ｎｍ未満の非常に微細な析出物粒子（Ｆｅ−Ｐ化合物）は、５００℃といった高温領域において粒界の移動を拘束するピン止め効果が小さく再結晶の抑制効果を期待できず、ある範囲の直径を有する析出物粒子（Ｆｅ−Ｐ化合物）が前記高温領域での再結晶抑制に効果的であるとの知見を得た。

本発明は、かかる知見に基いてなされたものであって、本発明に係る電子機器用銅合金は、Ｆｅ；１．５〜２．４質量％、Ｐ；０．００８〜０．０８質量％およびＺｎ；０．０１〜０．５質量％を含み、かつ、Ｎｉ；０．００３〜０．５質量％およびＳｎ；０．００３〜０．５質量％を含み、残部がＣｕと不可避不純物からなる組成を有し、透過型電子顕微鏡観察において、直径１５〜３５ｎｍの析出物粒子が１μｍ^２あたり３０個以上観察されるとともに、直径１５〜３５ｎｍの析出物粒子の個数が、観察される析出物粒子の全個数のうちの４０％以上とされ、引張強度が５００ＭＰａ以上、導電率が５０％ＩＡＣＳ以上、かつ、５００℃で５分の熱処理後におけるビッカース硬度の（熱処理後硬度）／（熱処理前硬度）で算出される保持率が９０％以上であることを特徴としている。

また、本発明に係るリードフレーム材は、半導体装置に用いられるリードフレームであって、前述の電子機器用銅合金からなることを特徴としている。

本発明に係る電子機器用銅合金およびリードフレーム材によれば、銅の母相中に析出して分散される析出物粒子（Ｆｅ−Ｐ化合物）のサイズおよび個数について、直径１５〜３５ｎｍ、１μｍ^２あたり３０個以上と規定されているので、５００℃といった高温領域におけるピン止め効果を確実に奏功せしめることで再結晶化を抑制できる。したがって、５００℃の高温領域での熱処理が施されても強度が大きく低下することがない。

また、直径１５〜３５ｎｍの析出物粒子の個数が、透過型電子顕微鏡観察において観察される析出物粒子の全個数のうちの４０％以上とされているので、５００℃といった高温領域での再結晶化を効果的に抑制可能な大きさの析出物粒子の数を確保でき、高温強度の低下を確実に防止することができる。

ここで、本発明の電子機器用銅合金は、Ｎｉ；０．００３〜０．５質量％およびＳｎ；０．００３〜０．５質量％を有するものとすることが好ましい。
さらには、Ａｌ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｃｒ、ＭｇおよびＳｉのうち少なくとも１種以上を有し、その含有量を０．０００７〜０．５質量％に設定することが好ましい。
これらの元素は、電子機器用銅合金の特性を向上させる効果を有しており、用途にあわせて選択的に含有させることで特性を向上させることが可能となる。

さらに、引張強度が５００ＭＰａ以上、導電率が５０％ＩＡＣＳ以上、かつ、５００℃で５分の熱処理後におけるビッカース硬度の（熱処理後硬度）／（熱処理前硬度）で算出される保持率が９０％以上となるように設定したことにより、耐熱性を備えるとともに、高強度、高導電率の電子機器用銅合金を提供することができ、リードフレーム材の薄肉化を図ることができる。

本発明によれば、５００℃といった高温領域においても強度が低下することがない耐熱性を備えた電子機器用銅合金およびリードフレーム材を提供することができる。

以下に、本発明の一実施形態である電子機器用銅合金について添付した図面を参照して説明する。
本実施形態である電子機器用銅合金は、Ｆｅ；１．５〜２．４質量％、Ｐ；０．００８〜０．０８質量％およびＺｎ；０．０１〜０．５質量％を含み、かつ、Ｎｉ；０．００３〜０．５質量％およびＳｎ；０．００３〜０．５質量％を含み、残部がＣｕと不可避不純物からなる組成を有している。

Ｆｅは、銅の母相中に分散する析出物粒子を形成して強度および耐熱性を向上させる効果があるが、その含有量が１．５質量％未満では析出物粒子の個数が不足し、その効果を奏功せしめることができない。一方、２．４質量％を超えて含有すると、強度および耐熱性の向上に寄与しない粗大な析出物粒子が存在してしまい、耐熱性に効果のあるサイズの析出物粒子が不足してしまうことになる。このため、Ｆｅの含有量は１．５〜２．４質量％の範囲内とすることが好ましい。

Ｐは、Ｆｅと共に銅の母相中に分散する析出物を生成して強度および耐熱性を向上させる効果があるが、その含有量が０．００８質量％未満では析出物粒子の個数が不足し、その効果を奏功せしめることができない。一方、０．０８質量％を超えて含有すると、強度および耐熱性の向上に寄与しない粗大な析出物粒子が存在してしまい、耐熱性に効果のあるサイズの析出物粒子が不足してしまうことになるとともに、導電率および加工性が低下してしまう。このため、Ｐの含有量は０．００８質量％〜０．０８質量％の範囲内とすることが好ましい。

また、Ｚｎ、ＮｉおよびＳｎは、銅合金の特性を向上させる元素であり、用途に応じて選択的に添加することができる。以下にそれぞれの元素について説明する。

Ｚｎは、銅の母相中に固溶して半田耐熱剥離性を向上させる効果を有しており、０．０１質量％未満ではその効果を奏功せしめることができない。一方、０．５質量％を超えても更なる効果を得ることはできなくなるとともに母相中への固溶量が多くなって導電率が低下してしまう。このため、Ｚｎを含有する場合には、０．０１〜０．５質量％の範囲内とすることが好ましい。

Ｎｉは、銅の母相中に固溶して強度を向上させる効果を有しており、０．００３質量％未満ではその効果を奏功せしめることができない。一方、０．５質量％を超えると導電率の低下を招く。このため、Ｎｉを含有する場合には、０．００３〜０．５質量％の範囲内とすることが好ましい。

Ｓｎは、銅の母相中に固溶して強度を向上させる効果を有しており、０．００３質量％未満ではその効果を奏功せしめることはできない。一方、０．５質量％を超えると固溶量が多くなって導電率が大きく低下してしまう。このため、Ｓｎを含有する場合には、０．００３〜０．５質量％の範囲内とすることが好ましい。

なお、本実施形態である電子機器用銅合金は、Ａｌ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｃｒ、ＭｇおよびＳｉのうち少なくとも１種以上が、０．０００７〜０．５質量％含有されていてもよい。Ａｌ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｃｒ、ＭｇおよびＳｉは、銅合金の様々な特性を向上させる元素であり、用途に応じて選択的に添加することが好ましい。

そして、本実施形態である電子機器用銅合金においては、透過型電子顕微鏡観察を行った場合に、直径１５〜３５ｎｍの析出物粒子が１μｍ^２あたり３０個以上観察されるように、析出状態が制御されている。
また、前述の透過型電子顕微鏡観察において、直径１５〜３５ｎｍの析出物粒子の個数が、観察される析出物粒子の全個数のうちの４０％とされている。

ここで、透過型電子顕微鏡観察においては、その観察倍率によって分解能が変化し、観察される析出物粒子のサイズや個数に変動が生じる。そこで、本実施形態においては、１５ｎｍ以上の析出物粒子を測定する際には観察倍率を５万倍とし、１５ｎｍ未満の析出物粒子を測定する際には観察倍率を１０万倍としている。なお、１０万倍での観察で把握されない極めて微細な粒子は、再結晶の抑制には寄与しないため考慮する必要はない。

電子機器用銅合金の薄板から、透過型電子顕微鏡観察用の薄膜を作製し、観察倍率５万倍および１０万倍で組織観察を行い、析出物粒子のサイズおよび個数を測定する。図１に、本実施形態である電子機器用銅合金の観察倍率５万倍での観察写真を、図２に観察倍率１０万倍での観察写真を示す。なお、図１、図２に示された写真の実際の倍率については、これらの写真の右下に記載されたスケールバーから換算することになる。
図１および図２において、矢印で示す粒子が析出物である。矢印Ａで示される粒子が直径１５〜３５ｎｍのものであり、矢印Ｂで示される粒子が直径１５ｎｍ未満、矢印Ｃで示される粒子が直径３５ｎｍを超えるものである。また、透過型電子顕微鏡観察にはレプリカ法により作製した試料を用いても良い。

図１に示す写真（観察倍率５万倍）の視野面積は、約２．６μｍ^２である。したがって、この写真内でカウントされた析出物粒子の個数を２．６で除することで１μｍ^２あたりの析出物の個数が算出されることになる。
同様に、図２に示す写真（観察倍率１０万倍）の視野面積は、約０．６５μｍ^２である。よって、この写真内でカウントされた析出物粒子の個数を０．６５で除することで１μｍ^２あたりの析出物の個数が算出されることになる。
なお、透過型電子顕微鏡観察は局所的な観察となるため、このような観察を複数回行うことが好ましい。

析出物粒子のサイズおよび個数の調整は、鋳造、熱間圧延後の焼鈍条件および冷間圧延条件を変更することで行う。本実施形態では、鋳塊を熱間圧延した後に中間焼鈍と冷間圧延を繰り返し、最終圧延後に２００〜５００℃×１秒〜１時間の低温焼鈍を行っている。また、熱間圧延後に焼鈍を入れたり、途中工程で溶体化処理・時効処理を入れてもよい。ただし、これら焼鈍条件および冷間圧延条件は、熱間圧延後の銅合金板材の板厚や幅、銅合金の組成、製造設備等によって大きく変化するため、最終的な銅合金薄板の組織を観察した結果、前述の析出物粒子が観察されればよい。

前述のような構成とされた本実施形態である電子機器用銅合金によれば、５００℃といった高温領域での粒界移動を拘束するのに効果的な直径１５〜３５ｎｍの析出物粒子が１μｍ^２あたり３０個以上存在しているので、高温領域においても再結晶化を抑制でき、耐熱性を向上させることができる。

また、直径１５〜３５ｎｍの析出物粒子の個数が、前述の透過型電子顕微鏡観察でカウントされる析出物粒子の全個数のうちの４０％以上とされているので、耐熱性向上に最も効果的なサイズの析出物粒子の数を確保でき、５００℃といった高温領域での再結晶化を効果的に抑制して強度低下を確実に防止することができる。

以上、本発明の実施形態である電子機器用銅合金について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、Ｆｅ、Ｐ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｃｒ、ＭｇおよびＳｉ以外の元素については、不可避不純物として含有されていてもよい。不可避不純物としては総量で０．５質量％以下に抑えることが好ましい。また、Ｃｕは９７質量％以上含まれていることが好ましい。

以下に、本発明の有効性を確認するために行った確認実験の結果について説明する。
まず、溶解炉にて原料を溶解した後に鋳造を行い、表１に示す組成の鋳塊を得た。この鋳塊に熱間圧延を施し、表面酸化層を除去した後に３つに分割し、分割後のサンプルにそれぞれ冷間圧延および焼鈍を行い、試験片となる銅合金薄板を作製した。すなわち、組成を同じくする鋳塊を用いて熱間圧延後の冷間圧延条件および焼鈍条件を変化させ、析出状態を調整した試験片を作製した。

これらの試験片から、透過型電子顕微鏡観察用の薄膜をそれぞれ作製し、観察倍率５万倍および１０万倍で組織観察を行った。そして、観察された析出物粒子の直径を測定するとともに１μｍ^２あたりの個数を算出した。析出物粒子の測定結果を図３及び表２に示す。

本発明例では、直径１５〜３５ｎｍの析出物粒子が１μｍ^２あたり約３２個観察され、直径１５〜３５ｎｍの析出物粒子の個数が、観察された析出物粒子の全個数の約４０％とされている。
一方、比較例１では、直径１５〜３５ｎｍの析出物粒子が１μｍ^２あたり約８個観察され、直径１５〜３５ｎｍの析出物粒子の個数が、観察される析出物粒子の全個数の約４％とされている。なお、この比較例１では、直径１０μｍより小さな析出物粒子が観察される析出物粒子の全個数の約８０％とされ、微細な析出物粒子が数多く観察されている。
また、比較例２では、直径１５〜３５ｎｍの析出物粒子が１μｍ^２あたり約２個観察され、直径１５〜３５ｎｍの析出物粒子の個数が、観察される析出物粒子の全個数の約３．８％とされている。

これらの試験片の引張強度、ビッカース硬度及び導電率の測定結果を表３に示す。

本発明例および比較例１、２において、引張強度、ビッカース硬度及び導電率に大きな差はない。

そして、これらの試験片の耐熱性をビッカース硬度により評価した。まず、熱処理前の試験片のビッカース硬度を測定し、試験片に５００℃の熱処理を行った後にそれぞれの試験片のビッカース硬度を測定した。そして、熱処理前の硬度と熱処理の硬度とを比較して硬度の保持率を評価した。なお、保持率は、（保持率）＝（熱処理後硬度）／（熱処理前硬度）で算出される。熱処理時間と保持率との関係を図４に示す。

本発明例においては、熱処理時間５分経過後においても保持率が９０％以上であり、５００℃の高温領域においても十分な耐熱性を備えていることが確認される。
一方、比較例１、２においては、熱処理時間３分経過時に既に保持率が７５％未満となり、熱処理時間５分経過後には保持率が７０％未満となり、耐熱性が不十分であることが確認される。

この確認実験の結果、Ｆｅ；１．５〜２．４質量％、Ｐ；０．００８〜０．０８質量％およびＺｎ；０．０１〜０．５質量％を含み、かつ、Ｎｉ；０．００３〜０．５質量％およびＳｎ；０．００３〜０．５質量％を含み、残部がＣｕと不可避不純物からなり、透過型電子顕微鏡観察において、直径１５〜３５ｎｍの析出物粒子が１μｍ^２あたり３０個以上観察されるとともに、直径１５〜３５ｎｍの析出物粒子の個数が、透過型電子顕微鏡観察で観察される析出物粒子の全個数のうちの４０％以上とされた電子機器用銅合金によれば、５００℃の高温領域においても十分な耐熱性を有していることが確認された。

５００℃の高温領域でも十分な耐熱性を有するとともに、高強度、高導電率の電子機器用銅合金を提供できる。

本発明の実施形態である電子機器用銅合金の観察倍率５万倍による透過型電子顕微鏡観察写真である。本発明の実施形態である電子機器用銅合金の観察倍率１０万倍による透過型電子顕微鏡観察写真である。試験片の析出物粒子の分布状態を示すグラフである。耐熱性評価試験結果を示すグラフである。

Claims

Ｆｅ；１．５〜２．４質量％、Ｐ；０．００８〜０．０８質量％およびＺｎ；０．０１
〜０．５質量％を含み、かつ、Ｎｉ；０．００３〜０．５質量％およびＳｎ；０．００３〜０．５質量％を含み、残部がＣｕと不可避不純物からなる組成を有し、透過型電子顕微鏡観察において、直径１５〜３５ｎｍの析出物粒子が１μｍ^２あたり３０個以上観察されるとともに、直径１５〜３５ｎｍの析出物粒子の個数が、観察される析出物粒子の全個数のうちの４０％以上とされ、引張強度が５００ＭＰａ以上、導電率が５０％ＩＡＣＳ以上、かつ、５００℃で５分の熱処理後におけるビッカース硬度の（熱処理後硬度）／（熱処理前硬度）で算出される保持率が９０％以上であることを特徴とする電子機器用銅合金。
半導体装置に用いられるリードフレーム材であって、
請求項１に記載の電子機器用銅合金からなることを特徴とするリードフレーム材。