(57)【要約】  鉛フリーはんだを有する電子実装配置を開示する。特に、鉛フリーはんだ組成物、及びそれと共に用いるためのリードフレーム構造体を開示する。鉛フリーはんだ組成物は亜鉛ベースであってよく、主要成分として亜鉛、アルミニウム、及びゲルマニウム、並びに少量成分としてガリウム及びマグネシウムを含ませることができる。鉛フリーの亜鉛系はんだ組成物は、例えば望ましい溶融特性、機械特性、及び濡れ性を示すことができる。【選択図】  図１Ａ
2017501879.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
約７７〜約９３重量％の亜鉛；
約３〜約１５重量％のアルミニウム；
約３〜約７重量％のゲルマニウム；
約０．２５〜約０．７５重量％のガリウム；及び
約０．１２５〜約０．３７５重量％のマグネシウム；
を含むはんだ組成物。
【請求項２】
約０．２７５〜約０．７２５重量％のガリウムを含む、請求項１に記載のはんだ組成物。
【請求項３】
約０．１５〜約０．３５重量％のマグネシウムを含む、請求項１に記載のはんだ組成物。
【請求項４】
約６重量％のアルミニウム；及び
約５重量％のゲルマニウム；
を含む、請求項１に記載のはんだ組成物。
【請求項５】
約０．００１〜約２．５重量％のネオジムを含む、請求項１に記載のはんだ組成物。
【請求項６】
亜鉛、アルミニウム、ゲルマニウム、ガリウム、及びマグネシウムから構成される、請求項１に記載のはんだ組成物。
【請求項７】
８８．２５重量％の亜鉛；
６重量％のアルミニウム；
５重量％のゲルマニウム；
０．５重量％のガリウム；及び
０．２５重量％のマグネシウム；
から構成される、請求項１に記載のはんだ組成物。
【請求項８】
はんだ組成物がマグネシウムよりも多いガリウムを含む、請求項１に記載のはんだ組成物。
【請求項９】
請求項１に記載のはんだ組成物を含むはんだ線。
【請求項１０】
はんだ線が約１ミリメートル未満の直径を有する、請求項１に記載のはんだ線。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本発明は、鉛フリーはんだを有する電子実装配置に関する。特に、本発明は、鉛フリーはんだ組成物、及びそれと共に用いるためのリードフレーム構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
[0002]はんだは、種々の電気機械機器及び電子機器の製造及び組立において用いられている。例えばエレクトロニクス製造産業においては、はんだはチップとリードフレームの間のはんだ付け接続を形成するために用いられる。過去においては、はんだ組成物は、通常は溶融特性、機械特性、濡れ性、及び熱特性のような所望の特性を有するはんだ組成物を与えるために相当量の鉛を含んでいた。幾つかの錫系はんだ組成物も開発されている。
【０００３】
[0003]より最近においては、所望の性能を与える鉛フリー及び錫フリーのはんだ組成物を製造する試みが存在する。鉛フリーはんだの１つの群は、例えば本発明の譲受人に譲渡された「鉛フリーはんだ組成物」と題された米国特許出願１３／５８６，０７４（米国特許出願公開２０１３／００４５１３１）（その全ての開示事項を参照として明確に本明細書中に包含する）において議論されているような、主要成分としての亜鉛を、アルミニウムのような他の合金化元素及び／又は更なる元素と一緒に含む合金である亜鉛系はんだである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開２０１３／００４５１３１
【発明の概要】
【０００５】
[0004]本発明は、鉛フリーはんだを有する電子実装配置を提供する。特に、本発明は、鉛フリーはんだ組成物、及びそれと共に用いるためのリードフレーム構造体を提供する。
[0005]本鉛フリーはんだ組成物は亜鉛ベースであってよい。本はんだ組成物には、主要成分として亜鉛、アルミニウム、及びゲルマニウム、並びに少量成分としてガリウム及びマグネシウムを含ませることができる。この鉛フリーの亜鉛系はんだ組成物は、例えば望ましい溶融特性、機械特性、及び濡れ性を示すことができる。
【０００６】
[0006]本リードフレーム構造体には、金属製のリードフレーム、リードフレームの酸化を阻止するための金属バリヤ層、及びチップをリードフレームに接続するダイ接続プロセス中における、リードフレーム上への鉛フリーの亜鉛系はんだのようなはんだの均一な濡れを促進させるための比較的薄い濡れ促進層を含ませることができる。例えば、リードフレーム及び濡れ促進層は銅で構成することができ、バリヤ層はニッケルで構成することができる。はんだの流動及び固化中に、銅／亜鉛金属間層が形成される。銅／亜鉛金属間層の形成中に銅層中の銅の実質的に全部が消費され、金属間層は、製造及びその後の電子実装配置の使用中における内部亀裂破損に抵抗するのに十分に薄い。
【０００７】
[0007]その一形態においては、本発明は、第１の主要成分として亜鉛、第２の主要成分としてアルミニウム、第３の主要成分としてゲルマニウム、第１の少量成分としてガリウム、及び第２の少量成分としてマグネシウムを含み、それぞれの少量成分はそれぞれの主要成分よりも少ない量ではんだ組成物中に存在するはんだ組成物を提供する。
【０００８】
[0008]その他の形態においては、本発明は、約７７〜約９３重量％の亜鉛、約３〜約１５重量％のアルミニウム、約３〜約７重量％のゲルマニウム、約０．２５〜約０．７５重量％のガリウム、及び約０．１２５〜約０．３７５重量％のマグネシウムを含むはんだ組成物を提供する。
【０００９】
[0009]その更に他の形態においては、本発明は、鉛フリーの亜鉛系はんだ組成物を含むはんだ線を提供する。
[0010]その更に他の形態においては、本発明は、チップ、及チップに接続されているリードフレーム構造体を含み、リードフレーム構造体は、金属製のリードフレーム、金属製のリードフレームの上の金属バリヤ層、及び金属バリヤ層の上の金属間層を含んでいて、チップに接続されており、金属間層は金属バリヤ層上の濡れ促進層、及び鉛フリーの亜鉛系はんだ組成物から形成されている電子実装配置を提供する。
【００１０】
[0011]添付の図面と組み合わせて本発明の幾つかの態様の以下の記載を参照することによって、本発明の上述及び他の特徴及び有利性、並びにそれらを達成する方法がより明らかになり、本発明それ自体がより良好に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】[0012]図１Ａは、リードフレームに接続されているチップを含む代表的な電子実装配置の断面概要図である。
【図１Ｂ】[0013]図１Ｂは、図１Ａの一部の部分図である。
【図２】[0014]図２Ａは、図１Ａ及び１Ｂの電子実装配置において用いられる代表的なリードフレーム構造体の断面概要図である。[0015]図２Ｂは、図２Ａの一部の部分図である。
【図３】[0016]図３は、実施例１の大角破損率試験に関する実験の構成を示す。
【図４】[0017]図４及び５は実施例２に対応し；  [0018]図４は、２μｍの厚さを有する銅層を有するリードフレーム構造体の断面光学顕微鏡画像である。
【図５】[0019]図５は、８μｍの厚さを有する銅層を有するリードフレーム構造体の断面光学顕微鏡画像である。
【図６】[0020]図６〜８は実施例３に対応し；  [0021]図６は、図４のリードフレーム上に濡れさせた亜鉛系はんだの画像である。
【図７】[0022]図７は、図５のリードフレーム上に濡れさせた亜鉛系はんだの画像である。
【図８】[0023]図８は、ニッケルバリヤ層を含むが、銅層を有しない対照のリードフレーム上に濡れさせた亜鉛系はんだの画像である。
【図９】[0024]図９〜１２は実施例４に対応し；  [0025]図９は、図６のリードフレーム上に固化させた亜鉛系はんだの走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）断面画像である。
【図１０】[0026]図１０は、図９のＸ線ラインスキャン元素分析に対応する一連のプロットである。
【図１１】[0027]図１１は、図７のリードフレーム上に固化させた亜鉛系はんだの走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）断面画像である。
【図１２】[0028]図１２は、図１１のＸ線ラインスキャン元素分析に対応する一連のプロットである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
[0029]はんだ組成物は、２以上の基材又は被加工材を接合するために用いられる易融金属であり、被加工材のものよりも低い融点を有する。例えば半導体製造産業においては、はんだ組成物はチップとリードフレームの間にはんだ付け接続を形成するためにダイ接続用途において用いられている。
【００１３】
Ｉ．はんだ組成物：
[0030]ここでは、鉛を含まないか又は実質的に含まないはんだ組成物を開示する。鉛フリーはんだ組成物は、下記に更に記載するように亜鉛系はんだ組成物であってよい。
【００１４】
[0031]はんだ組成物は、下記において更に議論するように、バルクのはんだ製品、はんだペースト、及びはんだ線など（しかしながらこれらに限定されない）の多くの異なる形態で提供することができる。
【００１５】
[0032]はんだペーストの形態のはんだ組成物は、印刷、及び例えばシリンジによる施工など（しかしながらこれらに限定されない）の種々の方法を用いて基材に施すことができる流体又はパテ様の材料であってよい。はんだペースト配合物の例は、粉末の金属はんだ組成物を、仮接着剤として機能する粘性の高い媒体であるフラックスと混合することによって形成することができる。フラックスは、はんだ付けプロセスによって粉末のはんだ組成物が溶融するまで、はんだペーストの成分を一緒に保持することができる。はんだペーストに関して好適な粘度は、はんだペーストをどのようにして基材に施すかによって変動する可能性がある。はんだペーストに関して好適な粘度としては、３００，０００〜７００，０００センチポアズ（ｃＰ）が挙げられる。
【００１６】
[0033]はんだ線の形態のはんだ組成物は、ダイを通してはんだ組成物を引き出して細いはんだ線を与えることによって形成することができる。好適なはんだ線は、約１ミリメートル（ｍｍ）未満、例えば約０．３〜約０．８ｍｍの直径を有していてよい。幾つかの態様においては、はんだ線は、２以上の片に破砕することなくスプール上に巻回又は巻き付けることができる。例えば、はんだ線は、１０２ｍｍの直径を有する２つの外側フランジの間に位置する５１ｍｍの直径の内側ハブを有するスプール上に巻回することができる。はんだ線は初めはスプール上に巻回されるので、内側ハブに最も近接しているはんだ線の部分は約５１ｍｍの有効径を有するスプールに巻き付けられる。更なるはんだ線をスプール上に巻回するにつれて、内側ハブ上のはんだ線の下層のためにスプールの有効径が１０２ｍｍまで増加する。
【００１７】
[0034]形態に関係なく、はんだ組成物は、例えばその溶融特性、機械特性、及び濡れ性に基づいて評価することができる。これらの特性を下記において更に議論する。
[0035]はんだ組成物は、その固相線温度、液相線温度、及び固相線温度と液相線温度の間の融点範囲などのその溶融特性に基づいて評価することができる。はんだ組成物の固相線温度は、はんだ組成物が溶融し始める温度を定量化するものである。固相線温度よりも低い温度においては、はんだ組成物は完全に固体である。幾つかの態様においては、固相線温度は、はんだ付け操作の工程を可能にするため、及び最終用途のデバイスにおいて熱応力を最小にするために約３００℃又はそれ以上であってよい。はんだ組成物の液相線温度は、それより高い温度においてはんだ組成物が完全に溶融する温度を定量化するものである。液相線温度は、結晶（例えば固体材料）が溶融体（例えば液体材料）と共存することができる最高温度である。液相線温度よりも高い温度においては、はんだ組成物は均一な溶融体又は液体である。はんだ組成物の融点範囲は、液相線温度と固相線温度の間で規定される。幾つかの態様においては、はんだ組成物が２つの相で存在する範囲を最小にするために、狭い融点範囲を有することが好ましい可能性がある。
【００１８】
[0036]はんだ組成物はまた、伸び及び延性のようなその機械特性に基づいて評価することもできる。はんだ組成物の延性とは、はんだ組成物が引張応力下で変形する能力を指す。はんだ接合部は、デバイスの寿命にわたって最終デバイスにおけるはんだ接合強度の減少を起こす。延性のはんだ組成物はデバイスの寿命を延ばすことができ、したがって望ましい。延性のはんだ組成物はまた、本明細書において更に記載するように、はんだ線の製造において、はんだ線をスプール上に巻き付けるか又は巻回することを可能にするためにも望ましい可能性がある。延性は、大角（９０°より大きい）延性測定値を求めるスプール曲げ試験器によって測定することができる。スプール曲げ試験器はまた、小角（９０°より小さい）延性測定値を求めるために用いることもできる。好適な延性値は、はんだ組成物の最終用途によって左右される。幾つかの態様においては、好適なはんだ組成物は、例えば、０％の大角破損率、及び５０％未満、４０％未満、又は３０％未満の小角破損率を有していてよい。
【００１９】
[0037]はんだ組成物はまた、はんだ組成物が流動して基材又は被加工材の表面を濡らす能力を指すその濡れ性に基づいて評価することもできる。増加した濡れ性は、一般に被加工材の間の増加した結合強度を与える。濡れ性は、例えばドット濡れ試験を用いて測定することができる。
【００２０】
[0038]本発明の代表的なはんだ組成物は、主要成分又は主成分としての亜鉛（Ｚｎ）を、１以上の他の元素と組み合わせてか、又はそれと合金化した形態で含む亜鉛系はんだ組成物である。亜鉛に加えて、はんだ組成物の他の主要成分として、アルミニウム（Ａｌ）及びゲルマニウム（Ｇｅ）を挙げることができる。はんだ組成物の少量成分としては、ガリウム（Ｇａ）及びマグネシウム（Ｍｇ）を挙げることができ、ここで少量成分のそれぞれは、主要成分のそれぞれよりも少ない量ではんだ組成物中に存在する。これらの成分又は構成成分は、次の相対量：亜鉛＞アルミニウム＞ゲルマニウム＞ガリウム＞マグネシウム；ではんだ組成物中に存在させることができる。
【００２１】
[0039]亜鉛は、約７７〜約９３重量％の間の量ではんだ組成物中に存在させることができる。一態様においては、亜鉛は、約７７、７９、８１、８３、又は８５重量％のように少ない量、或いは約８７、８９、９１、又は９３重量％のように多い量、或いは上記の値の任意の対によって定められる任意の範囲内の量ではんだ組成物中に存在させることができる。例えば、亜鉛は、約７９〜約９１重量％の間；約８１〜約８９重量％の間；又は約７９〜約８９重量％の間；の量ではんだ組成物中に存在させることができる。特定の態様においては、亜鉛は、約８８．２５重量％の量ではんだ組成物中に存在させることができる。亜鉛は、はんだ組成物の残りを構成することができる。
【００２２】
[0040]アルミニウムは、約３〜約１５重量％の間の量ではんだ組成物中に存在させることができる。一態様においては、アルミニウムは、約３、３．５、４、４．５、５、５．５、又は６重量％のように少ない量、或いは約６．５、７、７．５、８、８．５、９、１１、１３、又は１５重量％のように多い量、或いは上記の値の任意の対によって定められる任意の範囲内の量で存在させることができる。例えば、アルミニウムは、約３．５〜約１３重量％の間；約４〜約１１重量％の間；約４．５〜約９重量％の間；約５〜約８．５重量％の間；約５．５〜約８重量％の間；約５．５〜約７．５重量％の間；約５．５〜約７重量％の間；又は約５．５〜約６．５重量％の間；の量ではんだ組成物中に存在させることができる。特定の態様においては、アルミニウムは約６重量％の量ではんだ組成物中に存在させることができる。
【００２３】
[0041]ゲルマニウムは、約３〜約７重量％の間の量ではんだ組成物中に存在させることができる。一態様においては、ゲルマニウムは、約３、３．５、４、４．５、又は５重量％のように少ない量、或いは約５．５、６、６．５、又は７重量％のように多い量、或いは上記の値の任意の対によって定められる任意の範囲内の量で存在させることができる。例えば、ゲルマニウムは、約３．５〜約６．５重量％の間；約４〜約６重量％の間；又は約４．５〜約５．５重量％の間；の量ではんだ組成物中に存在させることができる。特定の態様においては、ゲルマニウムは約５重量％の量ではんだ組成物中に存在させることができる。
【００２４】
[0042]ガリウムは、約０．２５〜約０．７５重量％の間の量ではんだ組成物中に存在させることができる。一態様においては、ガリウムは、約０．２５、０．２７５、０．３０、０．３２５、０．３５、０．３７５、０．４０、０．４２５、０．４５、０．４７５、又は０．５０重量％のように少ない量、或いは約０．５２５、０．５５、０．５７５、０．６０、０．６２５、０．６５、０．６７５、０．７０、０．７２５、又は０．７５重量％のように多い量、或いは上記の値の任意の対によって定められる任意の範囲内の量で存在させることができる。例えば、ガリウムは、約０．２５〜約０．７２５重量％の間；約０．２７５〜約０．７２５重量％の間；約０．３０〜約０．７０重量％の間；約０．３２５〜約０．６７５重量％の間；約０．３５〜約０．６５重量％の間；約０．３７５〜約０．６２５重量％の間；約０．４０〜約０．６０重量％の間；約０．４２５〜約０．５７５重量％の間；約０．４５〜約０．５５重量％の間；又は約０．４７５〜約０．５２５重量％の間；の量ではんだ組成物中に存在させることができる。特定の態様においては、ガリウムは約０．５重量％の量ではんだ組成物中に存在させることができる。
【００２５】
[0043]マグネシウムは、約０．１２５〜約０．３７５重量％の間の量ではんだ組成物中に存在させることができる。一態様においては、マグネシウムは、約０．１２５、０．１５、０．１７５、０．２０、又は０．２２５重量％のように少ない量、或いは約０．２７５、０．３０、０．３２５、０．３５、又は０．３７５重量％のように多い量、或いは上記の値の任意の対によって定められる任意の範囲内の量で存在させることができる。例えば、マグネシウムは、約０．１５〜約０．３５重量％の間；約０．１７５〜約０．３２５重量％の間；約０．２０〜約０．３０重量％の間；又は約０．２２５〜約０．２７５重量％の間；の量ではんだ組成物中に存在させることができる。特定の態様においては、マグネシウムは約０．２５重量％の量ではんだ組成物中に存在させることができる。
【００２６】
[0044]はんだ組成物には、例えばインジウム、スズ、銅、銀、金、ニッケル、白金、パラジウム、バナジウム、及び／又はモリブデンのような１以上の随意的なドーパントを含ませることもできる。幾つかの態様においては、好適なドーパントとしては、ネオジム、ランタニド系列の元素（ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウム）、周期律表第ＩＩＡ族からの元素（カルシウム、ストロンチウム、バリウム）、周期律表の第ＩＩＩＢ族からの元素（スカンジウム、イットリウム）、周期律表の第ＩＶＢ族からの元素（チタン、ジルコニウム、ハフニウム）、或いはこれらの任意の組合せが挙げられる（ここで族番号システムはＣＡＳ族番号システムである）。合計で、ドーパントは約２．５重量％以下の量ではんだ組成物中に存在させることができる。一態様においては、ドーパントは、約０．００１、０．００５、０．０１、０．０５、０．１、又は０．５重量％のように少ない量、或いは約１．０、１．５、２．０、又は２．５重量％のように多い量、或いは上記の値の任意の対によって定められる任意の範囲内の量で存在させることができる。例えば、ドーパントは、０．００１〜約２．５重量％の間；約０．００５〜約２重量％の間；約０．０１〜約１．５重量％の間；約０．０５〜約１．５重量％の間；約０．１〜約１．５重量％の間；、約０．５〜約１．５重量％の間；約０．０５〜約１重量％の間；約０．１〜約１重量％の間；又は約０．５〜約１重量％の間；の量で存在させることができる。
【００２７】
[0045]幾つかの態様においては、ドーパントは高い酸素親和性を有して脱酸化剤として機能させることができ、及び／又はダイボンドプロセス中において低酸化溶融成分を与えることができる。幾つかの態様においては、ドーパントははんだの濡れ性を向上させることができる。即ち幾つかの態様においては、ドーパントは、はんだが流動して基材又は被加工材の表面を濡らす能力を向上させることができる。ここに記載するように、増加又は向上した濡れ性は、一般に被加工材の間の増加した結合強度を与える。
【００２８】
[0046]はんだ組成物が１以上のドーパントを含む態様においては、成分は下表１に示す量で存在させることができる。
【００２９】
【表１】
2017501879.tif 000003
【００３０】
[0047]はんだ組成物が、亜鉛、アルミニウム、ゲルマニウム、ガリウム、及びマグネシウムから構成されるか、又は実質的に構成され、ドーパントを有しない態様においては、成分は下表２に示す量で存在させることができる。
【００３１】
【表２】
2017501879.tif 000004
【００３２】
[0048]特定の態様においては、成分は
[0049]下表３に示す量で存在させることができる。
【００３３】
【表３】
2017501879.tif 000005
【００３４】
[0050]他の特定の態様においては、成分は下表４に示す量で存在させることができる。
【００３５】
【表４】
2017501879.tif 000006
【００３６】
[0051]他の特定の態様においては、成分は下表５に示す量で存在させることができる。
【００３７】
【表５】
2017501879.tif 000007
【００３８】
[0052]はんだ組成物は鉛フリー及び／又は錫フリーにすることができる。ここで用いる「鉛フリー」とは０．１重量％未満の鉛を有するはんだ組成物を指し、「錫フリー」とは０．１重量％未満のスズを有するはんだ組成物を指す。
【００３９】
[0053]ここに記載するか又は特許請求するいずれのはんだ組成物に関しても、全ての成分の重量％の合計は１００％になる。
ＩＩ．リードフレーム構造体：
[0054]ここではまた、上記に記載の鉛フリーの亜鉛系はんだ組成物と共に用いるためのリードフレーム構造体も開示する。
【００４０】
[0055]図１Ａ及び１Ｂを参照すると、下記に記載するタイプの多層はんだ付け接続によってリードフレーム１４に接続されているチップ１２（即ち集積回路及び／又はマイクロプロセッサー）を含む、本発明による代表的な電子実装配置１０の断面概要図が示されている。
【００４１】
[0056]はんだ付け接続によってチップ１２をリードフレーム構造体１６に接続して図１Ａに示す電子実装配置１０を形成するダイ接続プロセスにおいて用いる前の本発明によるリードフレーム構造体１６を、図２Ａ及び２Ｂに示す。リードフレーム構造体１６は、それに１以上のチップ（例えば図１Ａのチップ１２）を取り付けることができる金属製の導電性基材の形態のリードフレーム１４を含み、リードフレーム１４及び／又は取り付けられたチップにはまた、それに接続されている導線又は他の部品（図示せず）を含ませることもできる。リードフレーム１４は、通常は純銅又は銅合金から製造される。
【００４２】
[0057]しかしながら、リードフレーム１４が純銅又は銅合金から製造されている場合には、リードフレーム１４の銅の表面は、大気中の酸素と接触することによって自発的に酸化銅に酸化して、それによって酸化銅層を形成する傾向がある。酸化銅は電気絶縁性であり、リードフレーム１４の導電性を劣化させる可能性があり、形成される酸化銅層はまた、ダイ接続プロセス中に液体のはんだがリードフレーム１４の表面を濡らす能力を妨げる可能性があり、及び／又はリードフレーム１４とチップ１２の間に形成される接続の強度を弱める可能性がある。
【００４３】
[0058]リードフレーム１４には、下層のリードフレーム１４の金属の酸化を阻止するために、用途に応じてリードフレーム１４の少なくとも１つの表面上、及び場合によってはリードフレーム１４の対向する表面のそれぞれの上に金属バリヤ層１８が与えられる。バリヤ層１８は、リードフレーム１４の金属と比べて減少した酸化傾向を有する金属で形成することができる。一態様においては、バリヤ層１８は純ニッケル又はニッケル合金から形成される。而して、バリヤ層１８は、リードフレーム１４の表面を覆って、リードフレーム１４の金属が周囲環境と接触して、自発的に酸素によって酸化するのを阻止する。更に、下記において議論するように、バリヤ層１８はまた、ダイ接続プロセス中にリードフレーム１４の金属がチップ１２をリードフレーム１４に固定するために用いるはんだと接触して、リードフレーム１４の金属とはんだの１種類又は複数の金属の間で金属間化合物が形成されるのを阻止するようにも機能する。
【００４４】
[0059]バリヤ層１８は、電気メッキ又は無電解メッキなどによるメッキプロセスによってリードフレーム１４上に形成することができる。更に、バリヤ層１８は、リードフレーム１４の全表面の上に連続的又は一面に形成することができ、或いはリードフレーム１４の表面のダイパッド領域及び／又は他の選択された領域の上に選択的に形成することができる。
【００４５】
[0060]電気メッキプロセスにおいては、リードフレーム１４は、析出させる溶解金属の溶液の電気メッキ浴中のカソードである。析出させる金属は、通常はアノードである。電流を印加すると、浴中の溶解金属イオンが還元されてリードフレームカソード上に析出してバリヤ層１８が形成される。
【００４６】
[0061]一態様においては、スルファミン酸塩電解液浴に溶解ニッケルを含ませることができ、電気メッキ浴はまた、通常は例えば光沢剤の形態で存在する有機添加剤は含まないようにすることもできる。上記の浴を使用することによって、多少粗いか、又は「艶消し」の仕上げ面を有する析出金属表面を得ることができる。
【００４７】
[0062]或いは、印加電流の存在下では行わず、それよりは水和次亜リン酸ナトリウム（ＮａＰＯ２Ｈ２・Ｈ２Ｏ）のような還元剤を用いて、溶液から析出金属のイオンを還元して、金属をリードフレーム１４の表面上に析出させる自触媒反応である無電解析出プロセスを用いることができる。かかるプロセスにしたがってリードフレーム上にメッキされたニッケルのバリヤ層は、「無電解ニッケル」層と呼ぶことができ、通常は例えば約２〜４重量％のリンと合金化されたニッケルを含むニッケル合金になる。
【００４８】
[0063]通常は、バリヤ層１８の厚さは、１０ミクロン（μｍ）以下、例えば１μｍ〜１０μｍの間である。一態様においては、バリヤ層１８の厚さは、例えば、１、２、又は３μｍのように薄く、５、６、７、８、９、又は１０μｍのように厚くてよく、或いは上記の値の任意の対の間で規定される任意の範囲内の厚さを有していてよい。例えば、バリヤ層１８の厚さは、約２〜約９μｍの間；約２〜約８μｍの間；約２〜約７μｍの間；約２〜約６μｍの間；約２〜約５μｍの間；約３〜約９μｍの間；約３〜約８μｍの間；約３〜約７μｍの間；約３〜約６μｍの間；又は約３〜約５μｍの間；であってよい。
【００４９】
[0064]図２Ａ及び２Ｂを参照すると、リードフレーム構造体１６は、或いは濡れ促進性「フラッシュ」と呼ぶこともでき、下記において議論する理由のためにバリヤ層１８と比べて相対的に薄くてよい濡れ促進層２０を含む。濡れ促進層２０は、ダイ接続プロセス中に液体はんだをリードフレーム１４上に流動させる際に液体はんだがリードフレーム１４全体を均一に濡らすことを助けるために、バリヤ層１８上に形成する。
【００５０】
[0065]濡れ促進層２０は銅又は銅合金層であってよいが、或いは亜鉛、ビスマス、スズ、又はインジウム、並びに上記の合金の層であってもよい。特に、幾つかのはんだ組成物、特に上記に開示したタイプの亜鉛系はんだ組成物は、銅又は銅合金表面を非常に均一且つ有効に濡らすことが見出された。所望の場合には、リードフレーム構造体１６は、濡れ促進層２０の酸化を阻止するために、ダイ接続プロセスにおいて用いる前に不活性雰囲気中で実装することができる。はんだの濡れの促進に加えて酸化抵抗が所望の場合には、層２０は、或いは金、白金、パラジウム、ルテニウム、又は銀の層であってもよい。
【００５１】
[0066]濡れ促進層２０は、１０ミクロン（μｍ）以下、例えば１μｍ〜１０μｍの間の厚さを有していてよい。一態様においては、銅層１６の厚さは、例えば、１、２、又は３μｍのように薄く、５、６、７、８、９、又は１０μｍのように厚くてよく、或いは上記の値の任意の対の間で規定される任意の範囲内の厚さを有していてよい。例えば、濡れ促進層２０の厚さは、約２μｍ〜約９μｍの間；約２μｍ〜約８μｍの間；約２μｍ〜約７μｍの間；約２μｍ〜約６μｍの間；約２μｍ〜約５μｍの間；約３μｍ〜約９μｍの間；約３μｍ〜約８μｍの間；約３μｍ〜約７μｍの間；約３μｍ〜約６μｍの間；又は約３μｍ〜約５μｍの間；であってよい。
【００５２】
[0067]バリヤ層１８をリードフレーム１４上に形成する方法と同様に、濡れ促進層２０は、例えば電解メッキ又は無電解メッキプロセスによってバリヤ層１８上に析出させることができ、また、リードフレーム及び／又はバリヤ層全体の上に連続的又は一面に析出させることもでき、或いはリードフレーム及び／又はバリヤ層の表面のダイパッド領域及び／又は他の選択された領域のみの上に析出させることができる。
【００５３】
[0068]図１Ａ及び１Ｂに戻って、上記に開示したタイプの鉛フリーの亜鉛系はんだ組成物は、本実装配置において、チップ１２をリードフレーム１４に接続させるために用いるはんだ層２２のために有利に用いることができる。はんだ層２２において用いるための他の好適な亜鉛系はんだ組成物は、上記の本明細書中に包含した米国特許出願１３／５８６，０７４において開示されている。
【００５４】
[0069]本発明者らは、液体の亜鉛系はんだを銅リードフレームに直接適用することの欠点は、ダイ接続プロセス中に亜鉛系はんだが銅リードフレームの表面を均一に濡らすが、液体の流動可能な亜鉛系はんだの上昇した液相温度（通常は、亜鉛系はんだに関しては３３０℃より高い）によって、比較的脆性で、亜鉛系はんだを固化させることによってＣｕ／Ｚｎ金属間層又は銅リードフレームと亜鉛系はんだの間の界面が形成される際に通常は現れる銅／亜鉛（Ｃｕ／Ｚｎ）金属間化合物が形成されることであることを見出した。金属間層は、液体の亜鉛系はんだを銅リードフレームに直接適用する場合には比較的厚い可能性がある。
【００５５】
[0070]更に、例えば実装配置の製造後であって、電子実装配置を約１５０℃より高い温度のような高温に曝露する用途において使用中においては、更なるＣｕ／Ｚｎ金属間化合物が形成される可能性があり、このようにしてＣｕ／Ｚｎ金属間層又は界面の厚さが時間経過と共に増加する可能性がある。多くの電子実装構成において、特に例えば２５ｍｍ２より大きいチップ−リードフレーム接続を有する「大型フレーム」用途においては、Ｃｕ／Ｚｎ金属間層の厚さは望ましくない厚さを有する可能性があり、或いは使用中に最終的に望ましくない厚さに増加する可能性があり、これによって潜在的にチップとリードフレームの間の接続が比較的脆性の金属間層を横切って欠落するダイクラックの事象が引き起こされる。更に、亜鉛系はんだの比較的高い弾性率は、上記の接続に少ししか応力緩和を与えない傾向がある。
【００５６】
[0071]更に、亜鉛系はんだは、上記で議論したように下層のリードフレームを酸化から保護するために与えられるニッケルのような金属バリヤ層上を僅かしか濡らさない傾向がある。
【００５７】
[0072]しかしながら、ここに開示する本実装配置１０において与えられている濡れ促進層２０は比較的薄く、下記において議論する理由のために濡れを誘発させる犠牲層とみなすことができる。例えば、銅又は銅合金から形成される場合には、濡れ促進層２０は、まず曝露された銅層又は表面を与えて、ダイ接続プロセス中に流動適用することによって亜鉛系はんだの均一な濡れを促進し、更に亜鉛系はんだ中の亜鉛と実質的に完全に反応して、図１Ａ及び１Ｂに示されるように、バリヤ層１８とはんだ層２２の間に薄い特定目的のＣｕ／Ｚｎ金属間層２４又は界面を形成する。特定目的のＣｕ／Ｚｎ金属間層２４は、銅濡れ促進層２０中に当初に存在する銅の実質的に全部が消費されることによって形成され、これにより比較的薄く、ダイ接続プロセスにおけるはんだ流動中に銅濡れ促進層２０中の銅の実質的に全部がはんだ層２２中の亜鉛と結合して金属間層２４を形成するという事実のために電子実装配置の使用中に増加する可能性を有しないＣｕ／Ｚｎ金属間層２４が形成される。また、特定目的のＣｕ／Ｚｎ金属間層２４は十分に薄くて、かかる層内の亀裂破損の可能性が大きく減少し、これにより実装構造体１０のために好ましい耐久性がもたらされる。
【００５８】
[0073]特定目的のＣｕ／Ｚｎ金属間層２４は、３μｍ〜１０μｍの間のような１０ミクロン（μｍ）以下の厚さを有していてよい。一態様においては、銅層１６の厚さは、例えば、３、４、又は５μｍのように薄く、５、６、７、８、９、又は１０μｍのように厚くてよく、或いは上記の値の任意の対の間で規定される任意の範囲内の厚さを有していてよい。例えば、銅層１６の厚さは、約４μｍ〜約９μｍの間；約４μｍ〜約８μｍの間；約４μｍ〜約７μｍの間；約４μｍ〜約６μｍの間；約４μｍ〜約５μｍの間；約５μｍ〜約９μｍの間；約５μｍ〜約８μｍの間；約５μｍ〜約７μｍの間；又は約５μｍ〜約６μｍの間；であってよい。
【００５９】
[0074]本発明を好ましいデザインを有するものとして記載したが、本発明は発明の精神及び範囲内で更に修正することができる。したがって、本出願は、その一般原理を用いる本発明の任意の変更、使用、又は適応をカバーすると意図される。更に、本出願は、本発明が属する技術における公知又は慣習的な手順に包含され、特許請求の範囲の限界内に包含される本発明からのかかる逸脱をカバーすると意図される。
【実施例】
【００６０】
[0075]以下の非限定的な実施例は本発明の種々の特性及び特徴を示すものであり、それに対する限定と解釈すべきではない。
実施例１：
はんだ組成物の製造及び分析：
Ｉ．試料の製造：
[0076]本実施例においては、下表６にしたがって、種々の量の亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ガリウム（Ｇａ）、及びマグネシウム（Ｍｇ）を含む複数のはんだ合金試料を調製した。それぞれの試料は、材料を４１０℃の温度に加熱して溶融体を形成することによって調製した。次に、それぞれの溶融体を、窒素雰囲気中で成形して直径１インチのビレットを形成した。
【００６１】
【表６】
2017501879.tif 000008
【００６２】
ＩＩ．押出し：
[0077]はんだビレットを、２００〜３００℃及び１０，３４２〜１３，７９０キロパスカル（１５００〜２０００ポンド／平方インチ（ｐｓｉ））においてダイを用いて押出して、約０．７６２ｍｍ（０．０３０インチ）の直径を有するはんだ線を形成した。次に、はんだ線を、５１ｍｍ（２インチ）の直径の内側ハブ、及び１０２ｍｍ（４インチ）の直径を有する２つの外側フランジを有するスプール上に巻回した。
【００６３】
[0078]押出の結果を下表７に示す。「合格」と印された試料は、２以上の片に破断することなく、成功裏に線に押出されて、スプール上に巻付けられた。「不合格」と印された試料は、非常に脆性であったので巻き付け線に形成することができなかった。
【００６４】
【表７】
2017501879.tif 000009
【００６５】
ＩＩＩ．溶融特性：
[0079]Perkin Elmer DSC7装置を用いる示差走査熱量測定（ＤＳＣ）によって、試料はんだ線の溶融特性を求めた。この装置を用いて固相線温度及び液相線温度を測定した。融点範囲は、液相線温度と固相線温度の間の差として算出した。試料はんだ線の溶融特性を下表８に示す。
【００６６】
【表８】
2017501879.tif 000010
【００６７】
ＩＶ．機械特性：
[0080] 試料はんだ線の伸びは、「金属材料の引張試験に関する標準的な試験方法」と題されたＡＳＴＭ−Ｅ８にしたがってInstron 4465装置を室温で運転することによって評価した。
【００６８】
[0081]試料はんだ線の延性は、曲げ大角破損率（曲げＢＲ−ＨＡ）試験を室温で行うことによって求めた。図３に、曲げＢＲ−ＨＡ延性試験のための実験構成を示す。示されているように、スプール１１０は、平行なフランジ１１２、内側ハブ１１４、及びスロット１１６を含む。内側ハブ１１４は平行なフランジ１１２の間に位置して、その間に空間を形成している。内側ハブ１１４は５１ｍｍの直径を有し、フランジ１１２は１０２ｍｍの直径を有する。内側ハブ１１４内にスロット１１６が形成されている。線１１８の一端をスロット１１６中に挿入し、線１１８を内側ハブ１１４上に巻回する。図３に示されているように、孔１１６内の線１１８の端部は、内側ハブ１１４内に巻回される線１１８と角度Ａを形成しており、角度Ａは９０°より大きい。試験は、それぞれの線１１８が成功裏に曲がって、破断することなく空のスプール１１０のハブ１１４の周りに一回巻回されるかどうかを評価する。それぞれの試料に関して、曲げＢＲ−ＨＡ延性試験の１０回の実験を行った。
【００６９】
[0082]試料はんだ線の機械特性を下表９に示す。曲げＢＲ−ＨＡ延性試験に関しては、「合格」と印された試料は、１０回の実験の少なくとも７回の間に破断することなく成功裏に曲がって巻回され、一方、「不合格」と印された試料は、１０回の実験の少なくとも４回の間に破断した。
【００７０】
【表９】
2017501879.tif 000011
【００７１】
Ｖ．濡れ性：
[0083]試料はんだ線の濡れ性は、９５体積％の窒素及び５体積％の水素を含むフォーミングガスを用いて、ASM-SD890Aダイボンダーを４１０℃で運転することによって求めた。はんだ線を高温の銅リードフレームに供給して、はんだ線を溶融させて、リードフレーム上にドットを形成した。
【００７２】
[0084]「ドットサイズ」を評価するために、それぞれのドットの寸法を１〜５のスケールで測定した。ここで、１は小さいドット（即ち低い濡れ性）を表し、５は大きなドット（即ち高い濡れ性）を表す。
【００７３】
[0085]「濡れパターン」を評価するために、それぞれのドットをプレス下に配置して約１００グラムの荷重をかけた。それぞれのプレスしたドットの寸法を１〜５のスケールで測定した。ここで、１は小さい展開（即ち低い濡れ性）を表し、５は大きな展開（即ち高い濡れ性）を表す。
【００７４】
[0086]試料はんだ線の濡れ性を下表１０に示す。
【００７５】
【表１０】
2017501879.tif 000012
【００７６】
ＶＩ．分析：
[0087]試料１は最も良好な総合的な性能−良好な押出性（表７）、伸び及び延性などの良好な機械特性（表９）、並びに良好な濡れ性（表１０）−を示した。
【００７７】
[0088]高いレベルのマグネシウムは、試料１と比べて濡れ性を向上させることなく、押出性及び延性に悪影響を与えることが示された。試料１は０．２５重量％のマグネシウムを含んでいた。１重量％以上のマグネシウムを含んでいた試料１０及び１５〜１７は、非常に脆性であったので押出線を形成することができなかった（表７）。０．５重量％以上のマグネシウムを含んでいた試料６及び１４は、成功裏に押出された（表７）が、曲げＢＲ−ＨＡ延性試験は不合格であった（表９）。試料６、１０、及び１４〜１７のいずれも、試料１と比べて向上した濡れ性を示さなかった（表１０）。
【００７８】
[0089]低いレベルのマグネシウムも、試料１と比べて濡れ性を向上させなかった。ここでも、試料１は０．２５重量％のマグネシウムを含んでいた。０．１２重量％以下のマグネシウムを含んでいた試料８、９、及び１１は、試料１よりも小さい濡れ性を示した（表１０）。
【００７９】
[0090]ガリウムの高いレベルは、試料１と比べて濡れ性を向上させることなく押出性及び延性に悪影響を与えることが示された。試料１は０．５重量％のガリウムを含んでいた。１重量％以上のガリウムを含んでいた試料１０、１５、１６、及び１８は、非常に脆性であったので押出線を形成することができなかった（表７）。これも１重量％以上のガリウムを含んでいた試料２及び１４は、成功裏に押出された（表７）が、曲げＢＲ−ＨＡ延性試験は不合格であった（表９）。試料２、１０、１４〜１６、及び１８のいずれも、試料１と比べて向上した濡れ性を示さなかった（表１０）。
【００８０】
[0091]低いレベルのガリウムも、試料１と比べて濡れ性を向上させなかった。ここでも、試料１は０．５重量％のガリウムを含んでいた。０．０５重量％のガリウムを含んでいた試料５及び１１は、試料１よりも小さい濡れ性を示した（表１０）。
【００８１】
[0092]ゲルマニウムの高いレベル及び低いレベルも、試料１と比べて濡れ性を向上させなかった。試料１は５重量％のゲルマニウムを含んでいた。それぞれ８、２、及び０重量％のゲルマニウムを含んでいた試料１２、１３、及び１４は、試料１よりも小さい濡れ性を示した（表１０）。
【００８２】
実施例２：
リードフレーム構造体の製造：
[0093]本実施例においては、本発明によるリードフレーム構造体を製造した。純銅リードフレームを入手し、無電解メッキプロセスを用いて純ニッケルを６μｍの厚さまでメッキした。
【００８３】
[0094]銅の相対的に薄い層を、無電解メッキプロセスによってニッケル層の上に析出させた。
[0095]図４は、厚さ２μｍの銅層を有する第１のリードフレーム構造体のＳＥＭ断面画像であり、図５は、厚さ８μｍの銅層を有する第２のリードフレーム構造体のＳＥＭ断面画像である。それぞれのリードフレーム構造体は、銅リードフレーム２００、ニッケルメッキ２０２、及び銅フラッシュ又は銅層２０４を含む。
【００８４】
実施例３：
はんだの濡れ性の検討：
[0096]亜鉛系はんだ組成物をその液相線温度よりも高い温度に加熱し、ASM 890ダイボンダーを用いて図４及び５のリードフレーム上を濡らした。結果をそれぞれ図６及び７の画像において示す。図６及び７において示されるように、亜鉛系はんだはリードフレームの銅層を横切って均一に濡らし、２μｍ（図６）及び８μｍ（図７）の銅層を有するリードフレームの両方の上を広く被覆した。
【００８５】
[0097]比較例においては、同じ亜鉛系はんだ組成物で、ニッケルバリヤ層を含んでいるが、上層の銅層を含んでいない対照リードフレーム上を濡らした。図８において示されるように、はんだの濡れは均一でなく、大きな面積の濡らしていないはんだが、一定体積のはんだを表すはんだボールと一緒に観察され、これははんだの流動中に主はんだ領域から分離し始めた。
【００８６】
実施例４：
Ｃｕ／Ｚｎ金属間層の分析：
[0098]図９及び１１は、リードフレーム上に亜鉛系はんだを流動させて固化させた後の、それぞれ図６及び７のリードフレームから撮ったＳＥＭ断面画像である。図１０及び１２は、材料のリードフレームの断面全体にわたって種々の深さで撮ったＸ線ラインスキャン元素分析結果である。
【００８７】
[0099]図９及び１０を参照すると、リードフレーム構造体は、２μｍの銅層を有するリードフレームに関して、銅リードフレーム３００、ニッケル層３０２、銅層３０４、銅／亜鉛金属間層３０６、及び亜鉛系はんだ３０８を含み、層中の銅の実質的に全部が亜鉛系はんだからの亜鉛と反応して約２μｍの厚さを有するＣｕ／Ｚｎ金属間層を形成しており、層中の銅は未反応の純銅としては実質的に残留していなかった。図１０を参照すると、純ニッケルの別個の層、及びＣｕ／Ｚｎ金属間層が形成されたことが分かる。
【００８８】
[00100]図１１及び１２を参照すると、８μｍの銅層を有するリードフレームに関して、銅層中の約４μｍの深さまでの銅が亜鉛系はんだからの亜鉛と反応して、約４μｍの厚さを有するＣｕ／Ｚｎ金属間層を形成しており、元の銅層の純銅の約４μｍが純粋で未反応の状態のままであった。図１２を参照すると、純ニッケル及び純銅の別個の層、並びにＣｕ／Ｚｎ金属間層が形成されたことが分かる。
【００８９】
[00101]本発明の範囲から逸脱することなく、議論した代表的な態様に対して種々の修正及び付加を行うことができる。例えば、上記に記載の態様は特定の特徴に関するものであるが、本発明の範囲はまた、記載されている特徴の全部は含んでいない複数の特徴及び態様の異なる組合せを有する態様も包含する。したがって、本発明の範囲は、特許請求の範囲及びその全ての等価物の範囲内に含まれる全てのかかる代替、修正、及び変更を包含すると意図される。
【図１Ａ】
2017501879.tif 000013
【図１Ｂ】
2017501879.tif 000014
【図２Ａ】
2017501879.tif 000015
【図２Ｂ】
2017501879.tif 000016
【図３】
2017501879.tif 000017
【図４】
2017501879.tif 000018
【図５】
2017501879.tif 000019
【図６】
2017501879.tif 000020
【図７】
2017501879.tif 000021
【図８】
2017501879.tif 000022
【図９】
2017501879.tif 000023
【図１０】
2017501879.tif 000024
【図１１】
2017501879.tif 000025
【図１２】
2017501879.tif 000026
【手続補正書】
【提出日】平成28年8月9日(2016.8.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
約７７〜約９３重量％の亜鉛；
約３〜約１５重量％のアルミニウム；
約３〜約７重量％のゲルマニウム；
約０．２５〜約０．７５重量％のガリウム；及び
約０．１２５〜約０．３７５重量％のマグネシウム；
を含むはんだ組成物。
【請求項２】
約０．００１〜約２．５重量％のネオジムを含む、請求項１に記載のはんだ組成物。
【請求項３】
はんだ組成物がマグネシウムよりも多いガリウムを含む、請求項１に記載のはんだ組成物。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８９】
[00101]本発明の範囲から逸脱することなく、議論した代表的な態様に対して種々の修正及び付加を行うことができる。例えば、上記に記載の態様は特定の特徴に関するものであるが、本発明の範囲はまた、記載されている特徴の全部は含んでいない複数の特徴及び態様の異なる組合せを有する態様も包含する。したがって、本発明の範囲は、特許請求の範囲及びその全ての等価物の範囲内に含まれる全てのかかる代替、修正、及び変更を包含すると意図される。
本発明の具体的態様は以下のとおりである。
[１]
約７７〜約９３重量％の亜鉛；
約３〜約１５重量％のアルミニウム；
約３〜約７重量％のゲルマニウム；
約０．２５〜約０．７５重量％のガリウム；及び
約０．１２５〜約０．３７５重量％のマグネシウム；
を含むはんだ組成物。
[２]
約０．２７５〜約０．７２５重量％のガリウムを含む、[１]に記載のはんだ組成物。
[３]
約０．１５〜約０．３５重量％のマグネシウムを含む、[１]に記載のはんだ組成物。
[４]
約６重量％のアルミニウム；及び
約５重量％のゲルマニウム；
を含む、[１]に記載のはんだ組成物。
[５]
約０．００１〜約２．５重量％のネオジムを含む、[１]に記載のはんだ組成物。
[６]
亜鉛、アルミニウム、ゲルマニウム、ガリウム、及びマグネシウムから構成される、[１]に記載のはんだ組成物。
[７]
８８．２５重量％の亜鉛；
６重量％のアルミニウム；
５重量％のゲルマニウム；
０．５重量％のガリウム；及び
０．２５重量％のマグネシウム；
から構成される、[１]に記載のはんだ組成物。
[８]
はんだ組成物がマグネシウムよりも多いガリウムを含む、[１]に記載のはんだ組成物。
[９]
[１]に記載のはんだ組成物を含むはんだ線。
[１０]
はんだ線が約１ミリメートル未満の直径を有する、[１]に記載のはんだ線。
【国際調査報告】
2017501879.tif 000027
2017501879.tif 000028