(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上層に厚みが0.001 〜0.2 μｍの金および金合金層を持ち、中間層に厚みが0.1 〜0.5 μｍで硫黄含有量が0.02質量％以下のニッケル層を持ち、下層に硫黄含有量が0.02質量％を越える0.5 〜5 μｍのニッケル層を持つとともに、その表面の鏡面反射率が30％以上であることを特徴とするワイヤボンディング信頼性、はんだぬれ性に優れる金／ニッケル／ニッケル３層めっき銅合金電子部品。
【請求項２】
電子部品の形状に加工された銅合金素材を、脱脂、洗浄後に、めっき槽が多槽に分かれためっきラインにて、はじめに有機添加物を含むニッケルめっき液により厚さ0.5 〜5 μｍの下層めっきを施し、次に下層めっきを乾燥させることなく有機添加物を含まないニッケルめっき液により厚さ0.1 〜0.5 μｍの中間層めっきを施した後、無電解金めっき液に接触させ厚さ0.001 〜0.2 μｍの金層を施し、後処理後に乾燥することを特徴とする請求項１に記載の金／ニッケル／ニッケル３層めっき銅合金電子部品の製造方法。
【請求項３】
上層の金層および／または中間層のニッケル層がコバルト、ルテニウム、ロジウム、白金、パラジウム、リン、クロム、ボロンのうち少なくとも１種を含有する請求項１に記載の金／ニッケル／ニッケル３層めっき銅合金電子部品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大気雰囲気中で、鉛を含まないはんだを用いて、はんだ付けされる金／ニッケル／ニッケル３層めっき銅合金電子部品に関し、特には金線やアルミニウム線でのワイヤボンディング部の信頼性、および加熱後のはんだぬれ性に優れる金／ニッケル／ニッケル３層めっき銅合金電子部品に関するものである。なお、対象とする銅合金電子部品はリードフレームや自動車の電装部品、端子、コネクタ、ＪＢ（ジョイントボックス）などであるが、以下の説明では、発明を理解し易くするためリードフレームを例に説明する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、リードフレームのはんだダイボンディングされる表面には、良好なはんだぬれ性を得るために銀めっき、金めっきなどの貴金属めっきが施されている。また、半導体装置のパッケージ後のアウターリード部へのはんだめっき工程を省略するために、リードフレーム製造時に前記ダイボンディング部だけでなく、リードフレーム全面に貴金属めっきを施す技術が考えられている。
【０００３】
例えば、特開昭54− 34760号公報にはリードフレームの表面にニッケルめっきを下地として部分的に金めっきを施す技術が示されているが、ここに開示の技術では、下地となるニッケルめっきについて厚みを 6〜10μｍと限定されているものの、その他の諸条件、例えば光沢めっきや無光沢めっき、あるいはめっき中の硫黄含有量などについて検討が行われておらず、このため金めっき厚みを薄くできないとともに、ワイヤボンディング性が劣ると言った問題が懸念される。
【０００４】
特開昭61−78150 号公報にはリードフレームの表面に金めっきを薄く施し、アウターリード部へのめっきを省略する技術が示されているが、金めっき前の下地めっきについては全く検討されていない。このため、鉄系を素材とした実施例で金めっきを施した例が示されているが、銅合金電子部品に適用することはできなかった。
【０００５】
特開平 4−152661号公報には特開昭54−34760 号公報と同様にリードフレームの表面にニッケルめっきを下地として金めっきを施す技術が示されているが、ここに開示の技術では、下地となるニッケルめっきについて厚みが 0.1〜 5μｍが好ましいと記載されているものの、その実施例１には銅合金リードフレームを対象に無光沢ニッケルめっきを0.5 μｍ施した例が示されているのみであり、このような厚み 0.5μｍの無光沢ニッケルめっきでは銅の拡散防止層としての機能が十分に得られず、また 0.5μｍ以上の厚さにめっきすると、詳細を段落番号〔０００８〕に説明するようにワイヤボンディング性が低下すると言った問題が懸念される。
【０００６】
最近、電気部品の高密度集積化によりリードフレームが受ける熱量は増加しており、耐酸化性、耐食性と耐熱信頼性に優れる金めっき銅合金リードフレームが望まれている。また、ワイヤボンディング技術の向上により、より短時間で生産性良く接合し得るワイヤボンディング装置が開発されているが、その性能を十分に発揮するために、ワイヤボンディング性の良い銅合金リードフレームが望まれている。しかしながら、上述したように、従来の技術ではワイヤボンディング性が良く、耐熱信頼性に優れる金めっき銅合金電子部品の要求に応え得るものは無かった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明者は、上記要求に応えるべく研究を行った。しかしながら、従来の表面にニッケルめっきを下地として金めっきを施したリードフレームでは、下地が光沢ニッケルめっきの場合にはめっき皮膜に取り込まれた光沢剤成分が加熱により金の表面に拡散し、はんだ付け性を低下させると言った問題があり、金めっきの厚みを薄くできなかった。また金めっきが厚いと、コストが高くなるだけでなく、アルミニウム線で接合した場合に金−アルミニウム合金層の成長により、ワイヤ接合強度が極端に低下すると言った問題があった。
【０００８】
一方、下地が無光沢ニッケルめっきの場合にはニッケルめっきを厚くすると、表面の光沢がなくなり、表面が荒れると言った問題があった。表面が荒れるとワイヤボンディング性が低下するため、ニッケルめっきを厚くすることができない。また薄い無光沢ニッケルめっきでは素材の銅の拡散を防止する効果が不十分であり、信頼性に問題があった。
【０００９】
本発明は、上述した経緯を踏まえてなしたものであって、その目的は、ワイヤボンディング性と耐熱信頼性を向上させるニッケルめっきを厚く行うとともに、はんだ付け性と接合強度を向上させるべく金めっきを薄く行った、コストパーフォーマンスに優れる金めっき銅合金電子部品およびその製造方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明者は更なる研究を行った。その結果、上述した従来の下地ニッケルめっきを２層に分け、それぞれに特性を持たせ、その最上層に金めっきを施すと、従来の光沢ニッケルめっき下地を持つリードフレーム製品と同等以上である鏡面反射率30％以上の平滑な表面を持ちながら、金の特性を最大に生かした金めっき銅合金電子部品が得られることを見出し、本発明を完成したものである。
【００１１】
すなわち、本発明は、上層に厚みが0.001 〜0.2 μｍの金および金合金層を持ち、中間層に厚みが0.1 〜0.5 μｍで硫黄含有量が0.02質量％以下のニッケル層を持ち、下層に硫黄含有量が0.02質量％を越える0.5 〜5 μｍのニッケル層を持つとともに、その表面の鏡面反射率が30％以上であることを特徴とするワイヤボンディング信頼性、はんだぬれ性に優れる金／ニッケル／ニッケル３層めっき銅合金電子部品とするものである。以下、本発明の構成並びに作用効果を詳細に説明する。
【００１２】
従来の下地ニッケルめっきは金めっきへの素材の拡散を防止するものでしかなかった。しかし、ワイヤボンディング技術の発達と電子部品の高集積化・小型化・ハイブリット化により、金めっきに要求される特性が多くなり、さらに、コストダウンの観点より金めっきを薄くする必要性が生じた。しかし、金めっきを薄くすると、下地ニッケルめっきの表面特性が金の特性を大きく左右するということが分かった。
そこで、本発明者は下地ニッケルめっきがはんだぬれ性、ワイヤボンディング性、耐熱信頼性などに及ぼす影響を鋭意検討した。その結果、下記に説明するようにニッケルめっき皮膜中の硫黄含有量が特性に影響を及ぼしていることを見出した。
【００１３】
すなわち、金線およびアルミニウム線によるワイヤボンディング性は被接合表面の平滑さの影響を受ける。ワイヤボンディング装置の荷重と超音波の関係でも異なるが、超音波の効果を有効に得るには被接合表面は平滑な方が望ましい。ニッケルめっきでは光沢剤などを添加することにより鏡面反射率50％以上の平滑な表面を得ることができる。しかし、調査した結果、光沢度の高い、平滑なニッケルめっき皮膜中には光沢剤や均一電着剤、応力緩和剤などの成分が取り込まれており、そこには0.02質量％を越える硫黄やカーボン、リンなどの不純物を含むことが分かった。
これらの不純物は電子部品組み立て工程において受ける熱によって表面層に拡散し、ワイヤボンディング性やはんだぬれ性、接触抵抗、接合信頼性を低下させることを見出した。また、ワイヤボンディングとは金やアルミニウム、銅などの合金線を用い、超音波を使ってチップとリードを接合するものであるが、接合信頼性はリードフレーム表面が平滑なほど良好であること、また表面が平滑な方が、はんだ接合時のはんだが拡がり易いことを見い出した。
また、最表面に金めっき層を施し、ワイヤボンディング性やはんだぬれ性を向上させる場合にも、金めっき層を 0.2μｍを越えて厚くしなければ、上記下地ニッケルめっき層の不純物の悪影響を受けることが分かった。
【００１４】
上述の検討、研究により、本発明者は下地ニッケルめっき層の不純物を制御することにより、ワイヤボンディング性やはんだぬれ性などの問題を解決できることを突き止めたが、添加剤を含まない無光沢ニッケルめっきを厚く施すと、鏡面反射率は30％より低くなり、表面が荒れるとともにワイヤボンディング性が低下すると言った新たな問題が発生し、また無光沢ニッケルめっきは光沢ニッケルめっきに比べピンホールができ易く、銅素材の拡散防止効果や加工後の信頼性が劣っていた。なお、ピンホールは、本発明で下地ニッケルめっき層を２層にしたことにより低減した。ピンホールが低減する理由は次のような理由による。すなわち、無光沢ニッケルめっきのニッケルの組織は素材から表面に向け縦方向に成長しており、最初に未めっき部が発生した場合、表面まで穴が貫通してピンホールとなる。光沢ニッケルめっきでは光沢剤が縦方向の結晶成長を抑制するため無光沢ニッケルめっきより素材に沿って層状のめっきが成長する。光沢ニッケルめっきであっても無光沢ニッケルめっきと同様にめっき初期のめっき核生成時にピンホールの起点ができる。ニッケルめっきを２層にした場合、めっき初期の核生成が２度行われることになり、下層めっき時にあったピンホールが中間層めっき時のめっき核生成により消されるためピンホールが低減できる。
【００１５】
そこで、本発明者は、ニッケルめっき厚みと光沢度の関係を鋭意検討した結果、添加剤を含まない無光沢ニッケルめっきでもめっき厚みが 0.5μｍ以下であれば、鏡面反射率を低下させない範囲があることを見い出した。
さらに、無光沢ニッケルめっき厚みと硫黄やカーボン、リンなどの不純物の拡散抑制効果の関係を検討した結果、通常の電子部品組み立て工程では、無光沢ニッケルめっきが 0.1μｍ以上であれば光沢ニッケルめっき皮膜中の不純物の影響を低減できることを見い出したのである。
【００１６】
また、ニッケルめっきの上にパラジウムめっきを施し、その上に金めっきを施すという３層めっきも考えたが、コストが高くなり実用化には問題点があった。
これらの知見により、それぞれの特徴を最大限に生かすべく検討を重ねた結果、本発明に係る金／ニッケル／ニッケルの３層めっき銅合金電子部品を得たものである。
【００１７】
上層の金層厚みを 0.001〜 0.2μｍとしたのは、金層厚みが 0.001μｍより小さいとニッケルの酸化を防止する効果が弱く、電子部品に組み立てた後のはんだぬれが低下するとともに、金線によるワイヤボンディング性が低下するためであり、金層厚みが 0.2μｍ以下としたのは 0.2μｍを越えてめっきするとコストが高くなるだけでなく、アルミニウム線で接合した部分に金−アルミニウム合金層が厚く成長し、耐熱試験において接合部の剥離が起こるためである。
【００１８】
金層は純金層が望ましいが、金層が薄ければ接合後はワイヤまたははんだ中に金が拡散し、接合信頼性には影響を及ぼさないので、Au−Co、Au−P 、Au−Niなど合金層でも良い。薄い金層を作る方法としては電気めっき法や蒸着めっきなどが行われるが、最近多くの無電解金めっき浴が実用化され、使用されている。非シアンの置換金めっきやパルスめっきを用いて金層を施しても良い。金−アルミニウム合金層の成長抑制のためには金層は0.01μｍより薄い方が望ましい。
【００１９】
中間層の不純物（特に硫黄）の少ないニッケルめっきの厚みを 0.1〜 0.5μｍとしたのは、 0.1μｍより薄いと下層ニッケルめっき中の不純物の拡散による特性低下を抑制できないためであり、 0.5μｍ以下としたのは 0.5μｍを越えると表面が荒れるためである。
また、中間層のニッケルめっき層の硫黄含有量を0.02質量％以下としたのは、硫黄含有量が0.02質量％を越えてると、段落番号〔００１３〕に説明したように、電子部品組み立て工程において受ける熱によって表面層に拡散し、組み立て後に表面より不純物が確認され、はんだ拡がりなどが低下するためである。
【００２０】
下層のニッケルめっきの厚みを 0.5〜 5μｍとしたのは、 0.5μｍより薄いと銅素材からの銅拡散を抑制することができないためであり、 5μｍ以下としたのはニッケルめっきを厚く施すと生産性が低下するだけでなく、曲げ加工性が悪くなるためである。
下層のニッケルめっきは光沢剤を含むニッケルめっきやスルファミン酸ニッケルめっきやニッケル合金めっきでも加工性の低下が顕著でなく、光沢を向上させるものであれば良い。
また、下層のニッケルめっき層の硫黄含有量を0.02質量％を越える量としたのは、銅合金電子部品の鏡面反射率を30％以上とし、ワイヤボンディング性の低下を防ぐためで、銅合金電子部品の鏡面反射率を30％以上とするにはニッケルめっき皮膜中の硫黄含有量は0.02質量％を越える量が必要となるためで、硫黄含有量が0.02質量％以下ではこのような作用効果が期待できないためである。さらに下層のニッケルめっき皮膜中の硫黄含有量が0.02質量％を越える量であれば、中間層のニッケルめっき層との腐食電流の差により、下層ニッケルめっき層が中間層ニッケルめっき層の犠牲陽極となり、腐食が生じた場合でも中間層ニッケルめっき層は守られる。
【００２１】
なお、金層の上に、通常のめっき封孔処理や溶剤洗浄で除去できるか、または加熱により分解する防錆剤、酸化防止剤を施しても良い。金層は金線接合部や加熱後のはんだ付け部のみに限定して施してもよいが、全面に施すことが望ましい。前記封孔処理、酸化防止剤としてはペトロラクタムやアルケニルコハクサンエステルなどの有機皮膜でも良いが、加熱により分解し、気化性の高いジシクロヘキシルアンモニウム塩やエチレンジアミン四酢酸ナトリウム塩などが望ましい。ニッケルめっき条件により結晶配向性が変化する。酸化防止のためには原子密度が小さく、酸化速度の遅い(111) 面の結晶配向指数が(200) 面の結晶配向指数より高いことが望ましい。また、めっき層間の密着性を確保するため、めっきはめっき槽が多槽に分かれた１ラインで行うことが望ましい。これにより下層ニッケルめっきを乾燥させることなく中間層ニッケルめっきを施すことができ、めっき層間の密着性を高めることができる。
【００２２】
本発明の金／ニッケル／ニッケル３層めっき銅合金電子部品に、１つ以上の半導体チップを鉛レスはんだまたはペーストで接合し、金線とアルミニウム線の１種以上でワイヤボンディングを行い、パッケージング後にリードと基盤を融点 240℃以下のはんだで接合し、金／ニッケル／ニッケル３層めっき銅合金電子部品を用いたＩＣを製造することができる。
【００２３】
銅合金素材は、電子部品に強度と熱放散性を持たせるので強度が高く、導電率が高い程望ましいが、熱放散性が重要なものでは導電率が80％IACS以上のFeやP を含む銅合金素材がよく、強度が重要なものでは引張強さが588MPa以上のSnやNiを含む銅合金素材が望ましい。
本発明の金／ニッケル／ニッケル３層めっき銅合金電子部品は、金線とアルミニウム線の両方でワイヤボンディング性が良く、さらにボンディング部の接合信頼性も高い。またはんだぬれ性が良好であり、外装はんだめっきを省略できるなど優れた特性を持ち、金めっきに代えてパラジウムを用いためっきより安価な銅合金電子部品を提供できる。
なお、本発明の金／ニッケル／ニッケル３層めっき銅合金電子部品においては、上層の金層および／または中間層のニッケル層にコバルト、ルテニウム、ロジウム、白金、パラジウム、リン、クロム、ボロンのうち少なくとも１種を含有してもよく、これらの元素を含有させることにより、金層の被膜硬度を高くしたり、金層中のニッケルの拡散を抑制する効果がある。また中間層のニッケルの酸化を抑制したり、ニッケルの上層への拡散および下層ニッケルからの硫黄の拡散を抑制する効果がある。
金層の硬さは金の磨耗性や挿抜性やワイヤボンディング性に影響を与える。
酸化を防止する方法としては酸化しにくい金属（ルテニウム、ロジウム、白金、パラジウム）や優先的に酸化して昇華する成分（リン、ボロン）を添加する方法が行える。
加熱時間が長い製造条件では硫黄の拡散防止やニッケルの拡散を抑制するために、ニッケルまたは金に対して拡散係数の低い金属（コバルト、クロム）を添加することが有効である。またコバルトやリンはめっき製造条件により不可避的にめっき被膜中に取り込まれる場合がある。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について実施例をもとに説明する。
【００２５】
【実施例】
Fe：0.1 質量％、 P：0.03質量％、Sn： 2質量％とZn： 2質量％を含む銅合金素材に、表１に示す硫黄含有量と厚さの下層ニッケルめっきおよび中間層ニッケルめっきを施し、さらにその中間層ニッケルめっきの上に表１に示す厚さの金メッキを施し、金／ニッケル／ニッケル３層めっき銅合金リードフレームを製造した。そして、得られた金／ニッケル／ニッケル３層めっき銅合金リードフレームの鏡面反射率を測定した。その測定結果を表１に併せて示す。またさらに、得られた金／ニッケル／ニッケル３層めっき銅合金リードフレームを対象に、はんだぬれ性、金線ワイヤボンディング性、アルミニウム(Al)線ワイヤボンディング性および繰り返し曲げ回数の調査評価を行った。その結果を表２に示す。なお表２の評価の欄の○は合格、×は不合格を意味する。
【００２６】
【表１】
0003667926.tif 000002
【００２７】
【表２】
0003667926.tif 000003
【００２８】
鏡面反射率の測定方法について：JIS Z 8741に準じ、45度で光束を入射し、鏡面反射において反射光束の入射光束に対する比を測定した。
【００２９】
繰り返し曲げ回数評価について：３層めっきを施した幅 0.9mmのリードに荷重600gを掛け、 0.25Rで90°曲げを繰り返し、破断するまでの繰り返し曲げ回数を測定した。 3回以上を合格とした。
【００３０】
はんだぬれ性評価について：３層めっき銅合金リードフレームを大気中 350℃のプレート上で 3分加熱後、メニスコグラフ法で60Sn−40Pbはんだを用いて 230℃ではんだぬれ時間を測定した。 3秒以下を合格とした。
【００３１】
金線ワイヤボンディング性評価について：１mil(25μｍ）の金線（99.99 ％）を用いて、大気中、 240℃で超音波印加法によるワイヤボンディング（ボンディング時間：10ms、荷重：50g 、ＵＶ出力：0.1w）を行った。 150℃で50時間加熱後に接合された金線を真ん中で切断し、金線が３層めっきと接合されているセカンドボンド部の接合状態を調査した（ツィザー強度）。
【００３２】
アルミニウム線ワイヤボンディング性評価：５mil(125 μｍ）のアルミニウム線（99.99 ％, annealed）を用いて、大気中、25℃で超音波（パルス60kHz)印加法によるワイヤボンディング（ボンディング時間：100ms 、荷重：250g、ＵＶ出力：5.5w）を行った。 150℃で50時間加熱後に接合されたアルミニウム線を真ん中で切断し、アルミニウム線が３層めっきと接合されているセカンドボンド部の接合状態を調査した。
ワイヤ破断率（％）＝（ワイヤ破断本数）／（全試験本数）×100
なお、はんだぬれ性評価と繰り返し曲げ回数評価はそれぞれ 5本づつ、また金線ワイヤボンディング性評価とAl線ワイヤボンディング性評価はそれぞれ20本づつを行った。
【００３３】
上述した測定結果および試験結果は表１および表２に示す通りのもので、これら表１および表２より明らかなように、本発明例１〜５のものは、表面の鏡面反射率が30％以上であって、下地ニッケルめっき層の硫黄含有量が0.02質量％を越えて高いにもかかわらず、その上の中間層のニッケルめっきにより下地ニッケルめっき層下地からの硫黄等の不純物の拡散が制御され、はんだぬれ性が優れており、組み立て時の加熱を受けても良好なはんだ拡がりを示した。またワイヤボンディング性が良好であり、 150℃で50時間加熱を受けても良好な接合強度を示した。
【００３４】
上記の本発明例に対し、比較例１は金層が無い例で、金層が無いため、加熱により表面のニッケルが酸化し、はんだぬれ性、ワイヤボンディング性が低下していた。
比較例２は中間の無光沢ニッケルめっき層が無い例で、中間の無光沢ニッケルめっき層が無いため、加熱により下地ニッケルめっき皮膜中の硫黄が表面まで拡散し、はんだぬれ性、ワイヤボンディング性が低下していた。
比較例３は下層の光沢ニッケルめっきが無い例で、下層の光沢ニッケルめっきが無いため、加熱により銅素材が表面へ拡散し、はんだぬれ性、ワイヤボンディング性が低下していた。
比較例４は中間の無光沢ニッケルめっき層を厚くした例で、中間の無光沢ニッケルめっき層が厚いため、鏡面反射率が低く、表面が荒れており、ワイヤボンディング性が低下した。
比較例５は中間の無光沢ニッケルめっき層中の硫黄含有量が多い例で、中間の無光沢ニッケルめっき層中の硫黄含有量が多いため、加熱により硫黄が表面まで拡散し、はんだ拡がり、ワイヤボンディング性が低下していた。
比較例６は下層の光沢ニッケルめっきを厚くした例で、下層の光沢ニッケルめっきが厚いため、繰り返し曲げ回数が低下していた。
比較例７は下層の光沢ニッケルめっき中の硫黄含有量が少ない例で、下層の光沢ニッケルめっき中の硫黄含有量が少ないため、鏡面反射率が低く、表面が荒れており、ワイヤボンディング性が低下し、樹脂バリも除去しにくかった。
比較例８は金層が厚い例で、金層が厚いため、コストが高くなるだけでなく、硫黄などとの合金層の成長により加熱後にアルミニウム線接合部で剥離が発生した。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る金／ニッケル／ニッケル３層めっき銅合金電子部品であれば、金線とアルミニウム線の両方でワイヤボンディング性が良好であり、また加熱後のボンディング部の接合信頼性も高く、さらにはんだぬれ性が良好であることから、この銅合金電子部品を用いて信頼性の高い高品質の製品ができる。またさらに、金めっきが薄く特性が優れており、他の貴金属（パラジウムなど）めっき銅合金電子部品に比較してコストパーフォーマンスに優れる  。
【００３６】
また、本発明に係る金／ニッケル／ニッケル３層めっき銅合金電子部品によれば、めっき層間の接合強度を高めることができるとともに、上記効果を有する金／ニッケル／ニッケル３層めっき銅合金電子部品を経済的に製造することができる。