(57)【要約】  ウイスカによる電気的短絡などの不良発生を最小化する電子部品用金属フレームを提供する。このために電子素子と電気的に連結されるリード部を含み、リード部は、銅（Ｃｕ）を主な成分として含み、ホウ素（Ｂ）またはベリリウム（Ｂｅ）をさらに含む第１金属層を具備する電子部品用金属フレームが提供される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子素子と電気的に連結されるリード部を含み、
前記リード部は、銅（Ｃｕ）を主な成分として含み、ホウ素（Ｂ）またはベリリウム（Ｂｅ）をさらに含む第１金属層を具備する電子部品用金属フレーム。
【請求項２】
前記ホウ素（Ｂ）またはベリリウム（Ｂｅ）が、０．０１重量％ないし０．５重量％含まれ、残りは、前記銅（Ｃｕ）及び不回避な不純物である請求項１に記載の電子部品用金属フレーム。
【請求項３】
前記第１金属層は、鉄（Ｆｅ）をさらに含む請求項１に記載の電子部品用金属フレーム。
【請求項４】
前記鉄（Ｆｅ）は、０．１重量％ないし６重量％含まれている請求項３に記載の電子部品用金属フレーム。
【請求項５】
前記第１金属層は、リン（Ｐ）をさらに含む請求項１に記載の電子部品用金属フレーム。
【請求項６】
前記リン（Ｐ）は、０．００６重量％ないし０．２重量％含まれている請求項５に記載の電子部品用金属フレーム。
【請求項７】
前記第１金属層は、少なくとも前記リード部と一体的に形成されている請求項１ないし請求項６のうち、いずれか１項に記載の電子部品用金属フレーム。
【請求項８】
前記電子素子が載置される装着部をさらに含み、前記装着部は、前記リード部と同一材料で形成されている請求項１ないし請求項６のうち、いずれか１項に記載の電子部品用金属フレーム。
【請求項９】
少なくとも前記電子素子と電気的に連結される前記リード部の面に、スズを主な成分とする第２金属層をさらに具備する請求項１ないし請求項６のうち、いずれか１項に記載の電子部品用金属フレーム。
【請求項１０】
前記第２金属層は、純粋なスズからなるメッキ層である請求項９に記載の電子部品用金属フレーム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品用金属フレームに係り、さらに詳細には、ウイスカ（whisker）による不良発生を最小化できる電子部品用金属フレームに関する。
【背景技術】
【０００２】
各種電気及び電子機器に使われる電子部品は、半導体素子または電子発光素子のような電子素子と、これを外部回路装置と電気的に連結させ、形態を維持させる支持体としての機能を行えるように金属フレームとを具備している。代表的な電子部品用金属フレームとしては、半導体パッケージに使われるリードフレームである。
【０００３】
かような電子部品用金属フレームは、これに搭載される電子素子と電気的に連結されているだけではなく、外部回路装置とも電気的に連結されるが、外部回路装置との電気的連結は、総じてソルダリング（soldering）によってなされる。
【０００４】
ソルダリングは、４５０℃以下の融点を有するソルダ（solder）を利用し、接合しようとする被接合材料を接合させる技術であり、母材は溶かさずにソルダだけ溶かして接合させる技術である。
近年、鉛に対する国際的規制が強化されつつ、ソルダリングに使われていたソルダ合金は、鉛を全く含有せずに、スズ（Ｓｎ）を主成分にした無鉛（Ｐｂ−free）Ｓｎ系ソルダ合金が主に使われてきた。無鉛ソルダの最も代表的なものとしては、Ｓｎを主成分にしたＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ｚｎ系、及びこれらの合金に、さらにＡｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｇｅ、Ｐ及びＧａなどを適切に添加したものである。
【０００５】
一方、電子部品用金属フレームは、前記電子素子との組立て過程を経て完成された電子部品をなしているが、電気伝導性及びＰｂハンダ付け性にすぐれるＣｕ系合金が主に利用され、表面にＳｎ系メッキを施して使われている。
【０００６】
ところが、かような電子部品用金属フレームは、長時間使用する場合、前述のソルダ合金との間、または金属フレームの表面に、ウイスカ（whisker）が形成されやすい。このウイスカは、互いに異なる物質が接合されて相互に拡散されるとき、その表面で発生する突出された結晶である。かようなウイスカは、熱と湿気とに敏感である。かようなウイスカが金属フレームの表面に形成されれば、回路内では、電気的短絡（short  circuit）が発生し、電子部品の寿命を短縮させるという問題点がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、前記のような問題を解決するためのものであり、ウイスカによる電気的短絡などの不良発生を最小化する電子部品用金属フレームを提供するところに目的がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記のような目的を達成するために、本発明は、電子素子と電気的に連結されるリード部を含み、前記リード部は、銅（Ｃｕ）を主な成分として含み、ホウ素（Ｂ）またはベリリウム（Ｂｅ）をさらに含む第１金属層を具備する電子部品用金属フレームを提供する。
【０００９】
前記ホウ素（Ｂ）またはベリリウム（Ｂｅ）は、０．０１重量％ないし０．５重量％含まれ、残りは、前記銅（Ｃｕ）及び不回避な不純物でありうる。
【００１０】
前記第１金属層は、鉄（Ｆｅ）をさらに含むことができ、鉄（Ｆｅ）は０．１重量％ないし６重量％含まれうる。
【００１１】
前記第１金属層は、リン（Ｐ）をさらに含むことができ、リン（Ｐ）は０．００６重量％ないし０．２重量％含まれうる。
【００１２】
前記第１金属層は、前記リード部と一体的に形成されうる。
【００１３】
前記電子部品用金属フレームは、前記電子素子が載置される装着部をさらに含み、前記装着部は、前記リード部と同一材料で形成されうる。
【００１４】
前記電子部品用金属フレームは、少なくとも前記外部回路と電気的に連結される前記リード部の面に、スズを主な成分とする第２金属層をさらに具備することができる。このとき、前記第２金属層は、純粋なスズからなるメッキ層でありうる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によって、ウイスカの発生を抑制できる電子部品用金属フレームを提供できる。
また、この電子部品用金属フレームの少なくとも一面にスズ系金属層を形成しても、ウイスカの問題から抜け出すことができ、さらに純粋スズメッキ層を形成する場合にも、ウイスカの発生を防止できる。従って、さらに廉価であって高品質の電子部品用金属フレームを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の電子部品用金属フレームの一例である半導体パッケージ用リードフレームの一実施形態を図示した平面図である。
【図２】図１のリードフレームに対して、モールディング工程まで完了した半導体パッケージを図示した断面図である。
【図３】図２のＡ部分に係わる他の一例を図示した部分拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の望ましい実施形態について説明する。しかし、本発明の実施形態は、さまざまな他の形態に変形され、本発明の範囲が、後述する実施形態によって限定されるものであると解釈されることがあってはならない。本発明の実施形態は、当業界で当業者に本発明をさらに完全に説明するために提供されるものである。
【００１８】
図１は、本発明の電子部品用金属フレームの一例である半導体パッケージ用リードフレームの一実施形態を図示した平面図であり、図２は、モールディング工程まで完了した半導体パッケージの断面を示している。
【００１９】
図１を参照すれば、リードフレーム１０は、他の部品、例えば、記憶素子である半導体チップ１２などが載置される装着部であるダイパッド（die pad）１１と、前記半導体チップ１２と外部回路とを互いに電気的に連結させるリード部１５とを含む。本発明の一実施形態である半導体パッケージ用リードフレーム１０は、ワイヤボンディング（wire  bonding）によって半導体チップ１２と連結される内部リード（internal  lead）１３と、外部回路との連結のための外部リード（external  lead）１４とからなりうる。
【００２０】
かような構造を有するリードフレーム１０は、図２から分かるように、ダイパッド１１に半導体チップ１２が載置され、この半導体チップ１２と内部リード１３とがワイヤ１６によってボンディングされた後、樹脂保護材１７によってモールディングされる。
【００２１】
前記のような構造のリードフレーム１０において、少なくとも、前記リード部１５、特に外部リード１４は、銅（Ｃｕ）を主な成分として含む合金によって形成される。そしてまた、少なくとも、前記リード部、特に、外部リード１４は、前記銅を主な成分として、ホウ素（Ｂ）またはベリリウム（Ｂｅ）をさらに含む第１金属層をさらに含むことができる。ここで、主な成分として銅を含むということは、合金の中心元素が銅である銅系多元合金を意味し、このとき、銅（Ｃｕ）は、少なくとも８０重量％以上含有していることが望ましい。このように、銅を主な成分とすることによって、リード部での役割を担うのに十分なほどの伝導性と強度とを備えるようになる。
【００２２】
本発明において、前記第１金属層を、前記リードフレーム１０の少なくともリード部１５の、少なくともソルダ材との接合部分に位置させることができ、少なくとも、リード部１５と一体的に形成することができ、リード部１５全体が単一の第１金属層となりうる。
【００２３】
かようなリードフレーム１０のリード部１５、特に、外部リード１４は、特にその第１金属層が、スズを主な成分とするソルダ材によって外部回路と電気的に連結される。このとき、リード部１５の銅成分とソルダ材のスズ成分との相互拡散によって、前述のようなウイスカ（whisker）が発生しうる。
【００２４】
本発明者らは、かようなウイスカの発生を抑制するために、前記銅を主な成分とするリード部１５の第１金属層に、ベリリウム（Ｂｅ）またはホウ素（Ｂ）を第２元素として含有させた。
【００２５】
半導体パッケージ用リードフレームのように、電子部品用金属フレームは、スズを主にするソルダ材を媒介として外部回路と接合される。このとき、金属フレームとソルダ材との反応によって、ソルダ材の表面にウイスカが発生しうるが、かようなウイスカの発生原因は今のところ明確にされていない。
【００２６】
本発明者らは、銅を主な成分とする金属フレームと、スズを主な成分とするソルダ材とが接合される場合、この金属フレームとソルダ材との間で相互拡散が引き起こされるという点に注目した。
【００２７】
すなわち、金属フレームの銅成分と、ソルダ材のスズ成分とが相互拡散するときに、金属フレームの銅成分のソルダ材への拡散速度が、ソルダ材のスズ成分の金属フレームへの拡散速度よりさらに速い。特に、ソルダ材の結晶粒界（grain  boundary）に沿った銅成分の拡散速度が速い。この後、金属フレームとソルダ材との接合界面には、金属間化合物（intermetallic  compound）がＣｕｘＳｎｙの組成で形成される。
【００２８】
本発明者らは、かような拡散によって、ソルダ材に圧縮応力（compressive  stress）が生じ、この圧縮応力を解消させるために、ソルダ材の表面にひげ状の単結晶であるウイスカが生じると考えた。
【００２９】
従って、本発明者らは、金属フレームとソルダ材との間の相互拡散を抑制させるために、ソルダ材のスズ結晶の格子間サイト（interstitial site）に原子サイズが小さい金属を浸透させ、銅とスズとの間の金属間拡散を抑制させることによって、ソルダ材に対する圧縮応力の発生を減少させ、これによって、ウイスカの発生自体を抑制しようとしたのである。すなわち、前記金属フレームの前記第１金属層に含まれていた前記原子サイズが小さい金属は、前記銅とスズとの間の相互拡散時に、銅より先にスズ結晶の格子間サイトに浸透する。これによって、銅とスズとの間の金属間拡散が抑制されるのである。
【００３０】
このための前記原子サイズが小さい金属として、ＢｅまたはＢを使用したのである。
【００３１】
従って、前記第１金属層は、銅（Ｃｕ）を主とする合金に、第２元素としてベリリウム（Ｂｅ）またはホウ素（Ｂ）を含めばよく、銅及びベリリウム、または銅及びホウ素のみを含んでも差し支えない。
【００３２】
本発明で、前記銅系合金に含まれたベリリウムまたはホウ素を、０．００５重量％ないし０．５重量％含めることができる。
【００３３】
この場合、前記第２元素であるベリリウム（Ｂｅ）またはホウ素（Ｂ）が、それぞれ０．００５重量％未満である場合に比べ、第２元素であるベリリウム（Ｂｅ）またはホウ素（Ｂ）が、ソルダ材に拡散し、スズ結晶の格子間サイトに位置することによって、ウイスカの成長を抑制するのに十分な量になる。従って、後述のような熱衝撃試験、恒温恒湿試験のような苛酷条件下でも、ウイスカを発生させないことが可能である。一方、第２元素であるベリリウム（Ｂｅ）またはホウ素（Ｂ）が、それぞれ０．５重量％を超えて含まれる場合、銅（Ｃｕ）の格子間サイトに入り込むベリリウムまたはホウ素が飽和するために、コストが上昇して経済性にも劣る。
【００３４】
本発明の一実施形態である前記リードフレーム１０は、ダイパッド１１とリード部１５とが同じ材料によって形成されうる。すなわち、同じ材料である板材で形成された後、プレス成形されうる。
【００３５】
かような第１金属層には、鉄（Ｆｅ）がさらに含まれうるが、鉄を含むことによって、剛性がさらに向上しうる。
【００３６】
前記鉄（Ｆｅ）は、０．１重量％ないし６重量％含まれうる。
【００３７】
かような鉄の混入による析出強化によって、合金の強度が向上しうる。
【００３８】
また、前記リードフレーム１０には、リン（Ｐ）がさらに含まれうる。
【００３９】
前記リン（Ｐ）は、０．００６重量％ないし０．２重量％含まれうる。
【００４０】
前記リンは、合金の強度を向上させることができる。
【００４１】
これ以外にも、前記第１金属層には、合金の強度向上のために、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃｒなどを微量にさらに含めることができ、ソルダ材との酸化膜密着性及び耐熱剥離性を向上させるために、Ｚｎをさらに含めることができる。
【００４２】
一方、本発明の望ましい他の一実施形態によれば、図３から分かるように、少なくとも、前記リード部１５、特に外部リード１４に、第２金属層２０がさらに備わりうる。
【００４３】
前記第２金属層２０は、リードフレーム１０の腐食を防止し、前述のソルダ材との接合において、接合性をさらに向上させるために形成されるものであり、ソルダ材との接合性のために、スズを主な成分とすることが望ましい。
【００４４】
本発明は、かようなスズを主成分とする第２金属層２０の場合にも、前述のソルダ材との間でのウイスカを防止する場合と同様に、リードフレーム１０と第２金属層２０との反応による、第２金属層２０表面、またはソルダ材でのウイスカ発生を防止できる。
【００４５】
すなわち、リードフレーム１０に含まれていたベリリウムまたはホウ素が、スズ結晶の格子間サイトに拡散して入り込むことによって、銅とスズとの間の拡散が抑制され、ウイスカの発生自体を抑制するのである。
【００４６】
従って、前記第２金属層２０が形成されているリードフレーム１０は、長時間放置されても、ウイスカの発生が抑制されうる。
【００４７】
一方、本発明によれば、前記第２金属層２０は、純粋スズからなるメッキ層によって形成されうる。
【００４８】
一般的に、リードフレームにおいて、前述のスズ系ソルダ材との接合性向上のために、スズ系金属でメッキすることは一般的であると言えるが、純粋スズによるメッキは、前述のウイスカ発生がさらに多くなるので、行われなかった。
【００４９】
しかし、本発明によれば、前述のように、リードフレームが銅成分内に、ベリリウムまたはホウ素が含まれている金属材によって形成されており、その表面に純粋スズによるメッキ層が形成されるとしても、このメッキ層とリードフレーム母材との間での、前述のような拡散が抑制され、ウイスカの発生を防止できる。
【００５０】
純粋スズは、合金スズに比べてさらに廉価に得ることができ、またソルダ材との接合性も、さらに優れているが、本発明は、かような純粋スズで、リードフレーム表面にメッキ層を形成できるのである。
【００５１】
従って、本発明は、ウイスカがない優秀な特性のリードフレームをさらに廉価に提供できる。
【００５２】
一方、かような第２金属層２０は、図３から分かるように、リード部１５、特に、外部リード１４の全体にわたって形成できるが、リードフレーム１０全体の腐食防止のためには、ダイパッド１１を含んだリードフレーム１０全体の表面に形成されうる。
【００５３】
しかし、別途の処理が施されている場合には、外部リード１４のソルダ材との接合部位１４ａの表面にのみ第２金属層２０を形成しても差し支えない。
【００５４】
以上、本発明について、望ましい実施形態を挙げて詳細に説明したが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で、当業界での当業者によって、さまざまな変形が可能である。
【００５５】
例えば、前述の実施形態のようなリードフレームだけではなく、ＢＧＡ（ball  grid array）のような他の構造の半導体パッケージのフレームにも同一に適用され、また、コネクタのようなその他の電子部品用金属フレームにも同一に適用可能である。
【００５６】
前述のような本発明は、スズ系金属材料と接する各種電子部品用金属フレームに使われうる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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