專利名稱：引線框架及其電鍍方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于半導(dǎo)體封裝的引線框架和引線框架的電鍍方法，特別涉及在金屬襯底上有改進(jìn)的最外鍍層的預(yù)鍍引線框架和引線框架的電鍍方法。
引線框架與半導(dǎo)體芯片一起構(gòu)成半導(dǎo)體封裝，在封裝中，除用于把芯片連接到外部電路之外、還用于支承半導(dǎo)體芯片。


圖1示出引線框架的一個(gè)實(shí)例。如圖1所示，引線框架10包括焊盤11，內(nèi)引線12和外引線13。引線框架10通常用沖壓或腐蝕法制成。
圖2示出半導(dǎo)體封裝的一個(gè)實(shí)例。如圖2所示，安裝在焊盤11上的半導(dǎo)體芯片15用焊線連接到內(nèi)引線12。外引線13電連接到外部電路。用樹(shù)脂14模塑芯片15和內(nèi)引線12，以完成半導(dǎo)體封裝16。
這種半導(dǎo)體封裝的制造中，為了改進(jìn)芯片15與內(nèi)引線12之間的焊線連接性能和改善焊盤11的特性，用例如銀(Ag)電鍍焊盤11的邊緣和內(nèi)引線12。而且，為了改善半導(dǎo)體封裝安裝到印刷電路板(PCB)上的可焊性，在外引線13的預(yù)定區(qū)域上淀積含錫(Sn)和鉛(Pb)的焊料。但是，在用樹(shù)脂模塑后用濕式方法進(jìn)行電鍍和焊接，使可靠性問(wèn)題增多。
為解決該問(wèn)題，已提出用預(yù)電鍍的引線框架。按預(yù)電鍍法，在半導(dǎo)體封裝工序之前，在引線框架上用具有良好焊料浸潤(rùn)性的材料形成電鍍層。
圖3示出用常規(guī)預(yù)電鍍方法制成的引線框架的實(shí)例。圖3所示常規(guī)引線框架20是日本專利1501732公開(kāi)的，它包括依次形成在用銅(Cu)或銅合金制成的金屬襯底21上的用作中間層的鎳(Ni)鍍層22和用作最外層的鈀(Pd)鍍層23。
引線框架20中，Ni鍍層22防止金屬襯底21的Cu或Fe向上擴(kuò)散到引線框架的表面，而在框架表面上產(chǎn)生銅氧化物或銅硫化物。而且，可焊性好的材料Pd構(gòu)成的最外鍍層23對(duì)鎳鍍層22的表面有保護(hù)功能。
引線框架20的制造中，電鍍前進(jìn)行預(yù)處理。但是，在金屬襯底21的表面的缺陷處，由于缺陷區(qū)域的能級(jí)比無(wú)缺陷的其它區(qū)域的能級(jí)高，因此，用于形成Ni鍍層的Ni電鍍速度在缺陷區(qū)中比其它無(wú)缺陷區(qū)中要快，由于與其它區(qū)域的粘接性降低而造成鍍層表面粗糙。特別是，在缺陷區(qū)上形成的Ni鍍層表面上電鍍Pd時(shí)，在鍍Pd過(guò)程中電解液中產(chǎn)生的大量氫氣泡引入Pd鍍層中。這是因?yàn)镻d的淀積勢(shì)能與氫的淀積勢(shì)能相同。而且，由于存在氫氣泡引起的穿孔使Pd鍍層更容易產(chǎn)生缺陷。Pd鍍層中的這些缺陷使Ni鍍層氧化，因而損壞了焊線和可焊性。除這些缺陷之外，半導(dǎo)體制造中用的熱處理也會(huì)造成引線框架中的層間擴(kuò)散，從而造成焊接缺陷。而且，熱處理會(huì)使Pd最外鍍層表面氧化，使鈀固有的良好可焊性損壞。
為克服上述缺陷，已提出了如圖4所示的用預(yù)電鍍法制造的引線框架的其它實(shí)例。與圖2所示的引線框架20相比，圖4所示引線框架20＇還包括在Pd鍍層23上形成的金(Au)薄膜24。據(jù)說(shuō)，用抗氧化性好的金(Au)鍍覆Pd鍍層，以防止有更高可焊性的Pd鍍層23氧化。
如上所述，在Pd鍍層上鍍Au以防止由半導(dǎo)體制造中用的熱處理造成的Pd鍍層氧化。由此提高在PCB上完成半導(dǎo)體封裝用的安裝中的可焊性。除鍍Au之外，金鍍層的外形對(duì)提高鍍Au的效果致關(guān)重要。但是，現(xiàn)有的鍍Au方法不足以在Pd鍍層上形成均勻的Au鍍層。通常Au鍍層的厚度為0．3毫英寸，以防止Pd氧化。遺憾的是，這種厚的Au鍍層對(duì)半導(dǎo)體組件用的EMC樹(shù)脂模塑會(huì)帶來(lái)負(fù)面影響，特別是，應(yīng)考慮前引線框架的Au最外鍍層與樹(shù)塑樹(shù)脂之間的粘接性時(shí)。用EMC樹(shù)脂模塑中，EMC樹(shù)脂對(duì)純金屬或合金的親合力很小。而且，由于Au比Pd的抗氧化能力強(qiáng)。因此，EMC模塑殼對(duì)Au鍍層的粘接力進(jìn)一步減小，造成模塑殼脫落損壞。而且，這種Au鍍層與樹(shù)脂之間的差的粘接力造成產(chǎn)品可靠性降低。
另一方面這種厚的Au鍍層對(duì)于制造成本也是不利的。而且作為Pd的抗氧化層而形成的Au鍍層使芯片與模具之間的粘接力也相應(yīng)地降低。與常規(guī)的引線框架相比，Au鍍層在焊接時(shí)能提高焊料的浸潤(rùn)性。但是，在焊接工藝中由于Au鍍層與錫(Sn)之間相互反應(yīng)，在PCB上安裝之后由于外部沖擊而使Au鍍層容易破損。
為解決這些問(wèn)題，已提出進(jìn)行局部電鍍。也就是說(shuō)，只在引線外部鍍Au。但是，局部電鍍需要電鍍用的附加掩模，這就使生產(chǎn)成品增加，明顯降低了生產(chǎn)率。為此，在鈀(Pd)中間鍍層上形成Au鍍層以防止Pd鍍層氧化而又不會(huì)增加成本。
美國(guó)專利5767574號(hào)披露了一種能克服上述缺陷的引線框架，它包括依次在金屬襯底上形成的Ni合金鍍層，Pd電解沉積鍍層和Pd合金層。這里最外層的Pd合金鍍層由Pd和Au構(gòu)成。用含Au的最外鍍層能克服Pd氧化和用Au而造成的高成本缺陷。限制在最外層中用Au能提高半導(dǎo)體封裝中與樹(shù)脂的粘接力，并使PCB上安裝后的破損可能性降至最小。但是，在以Pd為基的最外鍍層中鍍Au不能有效地防止氫氣泡滲入最外層。由于最外層中存在因氫氣泡造成的穿孔，因而損壞了對(duì)位于下面的Pd鍍層的保護(hù)功能。而且，由于存在穿孔，在熱處理中還會(huì)使焊線連接強(qiáng)度和引線框架的可焊性降低。
為克服上述缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種引線框架及其制造方法。以提高可焊性，焊線連接強(qiáng)度，半導(dǎo)體封裝中與樹(shù)脂的粘接力和對(duì)Pd鍍層的保護(hù)作用。
用按本發(fā)明的引線框架制造方法能實(shí)現(xiàn)上述目的，方法包括金屬襯底上用鎳(Ni)或Ni合金形成保護(hù)層；保護(hù)層上用鈀(Pd)或Pd合金形成中間層；中間層表面上用Pd和(Au)交替電鍍至少一次，形成含Pd和Au顆粒的最外層。
最好是交替電鍍形成最外層，無(wú)論P(yáng)d或Au均能首先鍍?cè)陔婇g層上。
最外鍍層的形成中，用脈沖電流在中間層的核心位置上首先大致地鍍Pd，之后再聚積金以填充聚積的Pd顆粒之間的空隙。由于Au的淀積勢(shì)能小于Pd的淀積勢(shì)能。因此，在Pd顆粒之間容易聚積Au顆粒。
按本發(fā)明的另一方案，提供一種用于半導(dǎo)體封裝的引線框架，包括金屬襯底上用Ni或Ni合金形成的保護(hù)層；保護(hù)層上用Pd形成的中間層；Pd中間層上用Pd和Au的形成的最外層。
另一實(shí)施例中，本發(fā)明提供用于半導(dǎo)體封裝的引線框架，包括金屬襯底上用Ni或Ni合金形成的保護(hù)層；保護(hù)層上用鈀(Pd)和金(Au)形成的最外層。
Pd或Pd合金的中間層和Au或Au合金的電鍍區(qū)的形成中，加高脈沖電流，用濺射或氣相淀積法。
通過(guò)結(jié)合附圖對(duì)最佳實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明，便能更好理解本發(fā)明的上述發(fā)明目的和優(yōu)點(diǎn)。
圖1是普通引線框架的平面圖；圖2是半導(dǎo)體封裝的部分分解透視圖；圖3和4是常規(guī)引線框架的實(shí)例的截面圖；圖5是按本發(fā)明的引線框架的實(shí)施例的截面圖；圖6是按本發(fā)明的引線框架的另一實(shí)施例的截面圖；圖7是按本發(fā)明的引線框架的另一實(shí)施例的截面圖；圖8是圖7所示引線框架的局部放大的透視圖；圖9A至9C是說(shuō)明按本發(fā)明的引線框架制造的截面圖；圖10是表示按本發(fā)明的引線框架的與樹(shù)脂的粘接力和對(duì)比例的與樹(shù)脂粘接力的曲線圖；圖11是表示按本發(fā)明的引線框架的可焊性和對(duì)比例的引線框架的可焊性曲線圖。
如圖5所示的用于半導(dǎo)體封裝的引線框架實(shí)施例，引線框架包括用銅(Cu)，銅合金或鐵-鎳(Fe-Ni)合金構(gòu)成的金屬襯底31，金屬襯底31上用Ni或Ni合金形成的保護(hù)層32。保護(hù)層32上用鈀(Pd)或Pd合金形成的中間層33和在中間層33上形成的包含Pd和Au顆粒的最外層34。
圖6示出按本發(fā)明的引線框架的另一實(shí)施例。圖6中的引線框架40包括依次疊置于金屬襯底上41上用Ni或Ni合金形成的保護(hù)層42和最外層43。最外層43中存在如圖5所示引線框架中存在的Pd和Au顆粒。
上述實(shí)施例中，最外層的金屬不限于Pd和Au。例如，可用銀(Ag)代替Au。
圖7示出按本發(fā)明的引線框架的另一實(shí)施例。如圖7所示，引線框架50有在金屬襯底51上用Ni或Ni合金形成的保護(hù)層52。保護(hù)層52上用Pd或Pd合金形成的中間層53；中間層53上用Au或Au合金局部形成的厚度薄的電鍍層54。從圖8中能看到中間層53上的電鍍區(qū)54的位置。這里，電鍍區(qū)的厚度為12個(gè)分子的高度。因此，如圖8所示，電鍍區(qū)54使中間層53局部露出或占據(jù)。電鍍區(qū)54用的Au合金最好是Au-Pd或Au-Ag合金。
圖9A至9C說(shuō)明了按本發(fā)明的引線框架制造的一個(gè)實(shí)施例。首先，制備用Cu、Cu合金或Fe合金制成的金屬襯底31，如圖9A所示。在金屬襯底31用Ni或Ni合金形成保護(hù)層32。之后，如圖9B所示，在保護(hù)層32上用Pd或Pu合金形成中間層33。保護(hù)層32和中間層33可用加脈沖電流電鍍制成、或用濺射或真空淀積制成。之后，在中間層33上同時(shí)存在Pd和Au顆粒處形成最外層34，制成引線框架30(見(jiàn)圖9C)。用加脈沖電流電鍍形成最外層34。換句話說(shuō)，調(diào)節(jié)電流密度和電鍍時(shí)間，只在保護(hù)層32上的核心位置聚積鈀在中間層33表面上生成鈀點(diǎn)。
接著Au聚積，以填充在中間層33上淀積的Pd顆粒之間的空隙中。由于Au淀積勢(shì)能低于Pd淀積勢(shì)能，因而在Pd顆粒之間容易電鍍Au。完成鍍Au之后，再聚積的Pd再填充Au和Pd之間可能存在的孔位置或微小裂縫，造成引線框架不穩(wěn)定，在中間層33上生成最外層34。
如圖8所示，電鍍Au或Au合金而在中間層53上形成分散的“電鍍區(qū)”54，以此來(lái)代替在中間層上形成最外“層”。
如上所述，用電鍍法交替聚積Pd和Au，能形成按本發(fā)明的引線框架的最外層34。形成最外層的電鍍過(guò)程中加脈沖電壓。脈沖電流的矩形波可以是由預(yù)定間隔隔開(kāi)的一串正脈沖。電流波形也可以在正負(fù)脈沖之間交替。也可以是正負(fù)脈沖之間的預(yù)定間隔。而且，電流波形可以在正負(fù)脈沖之間交替，其中，用小脈沖串來(lái)調(diào)制每個(gè)正負(fù)脈沖。
而且，為改善用Pd或Pd合金制成的中間層53的均勻性。用加高脈沖制成圖8所示的引線框架50。而且，用加高脈沖，濺射或淀積法也能在中間層53表面上用Au或Au合金形成電鍍區(qū)54。
用按本發(fā)明的引線框架的半導(dǎo)體封裝制造中，用中間層33能防止從用Ni或Ni合金制成的保護(hù)層32中擴(kuò)散出的Ni，在熱處理過(guò)程中向引線框架的最外層34擴(kuò)散。因此能避免引線框架被氧化或腐蝕。
最外層34在中間層33上或在具有包含Pd和Au顆粒的電鍍區(qū)54和有良好焊線連接特性的中間層53的表面上。Au的存在還使經(jīng)氧化的Pd占據(jù)的最外層的面積減小。由此能消除常有的缺陷。此外，由于Pd氧化出現(xiàn)在焊線連接之后，因此使最外層34與模塑樹(shù)脂之間的粘接力提高。用Pd和Au交替電鍍也使中間層33的保護(hù)功能提高，消除了由氫氣泡造成的穿孔。與只含Au的最外層相比，最外層34由Pd和Au的相互作用提高了可焊性和焊線的連接性能。而且，由于Au或Au合金能形成盡可能的薄。因此，而減少Au的消耗量，降低了制造成本。
通過(guò)以下實(shí)例能更詳細(xì)的完整地了解按本發(fā)明的引線框架的作用。
例1按本發(fā)明的引線框架，形成厚0．2微英寸的Pd中間層，在Pd中間層上形成含Pd和Au顆粒的最外層。而且，制成在Pd中間層上有Au最外層的引線框架作為對(duì)比例1，制成Pd鍍層上無(wú)最外層的引線框架作為對(duì)比例2，制成在Pd中間層上有Pd-Au鍍層的引線框架作為對(duì)比例3。
引線框架在250℃烘烤5分鐘并在270℃處理1小時(shí)，進(jìn)行可焊性試驗(yàn)。引線框架的引線折彎之后，引線框架放在175℃下處理1小時(shí)，隨后在95℃的蒸汽中老化8小時(shí)。用直徑為1mil的金絲進(jìn)行焊線連接試驗(yàn)。給安裝在焊盤上的芯片和給內(nèi)引線加焊接功率90毫瓦(mW)和焊接力100毫牛頓(mN)。給焊盤上的芯片和內(nèi)引線分別用的焊接時(shí)間為15毫秒(msec)和20毫秒(msec)。之后，測(cè)試跨接在芯片和內(nèi)引線上的金絲的張力。
可焊性和焊線連接試驗(yàn)的結(jié)果列于表1中。
表1
從表1可看出，按本發(fā)明的引線框架的可焊性和焊線連接強(qiáng)度均提高了。
例2按本發(fā)明的引線框架，形成厚度為0．2亳英寸的Pd中間層。在厚0．2毫英寸的Pd中間層上形成含Pd和Au的最外層。制成有在厚0．8毫英寸的Pd中間層上有Au最外層的引線框架作為對(duì)比例1，制成有在厚0．2毫英寸的Pd鍍層上無(wú)最外層的引線框架作為對(duì)比例2。
引線框架在360℃烘烤1分鐘，進(jìn)行可焊性試驗(yàn)。用直徑為1mil(密耳)的金絲進(jìn)行焊線連接試驗(yàn)。給安裝在焊盤上的芯片和給內(nèi)引線加焊接功率90mW和焊接力100mN。焊盤上的芯片和內(nèi)引線的焊接時(shí)間分別為15msec和20msec。之后，測(cè)試跨接在芯片和內(nèi)引線上的Au絲的張力。
可焊性和焊線連接試驗(yàn)的結(jié)果列于表2中。
表2
從表2能看出，按本發(fā)明的引線框架的可焊性和焊線的連接強(qiáng)度均提高了。
例3對(duì)例1中制成的引線框架測(cè)試最外層與樹(shù)脂之間的粘接力。用兩種市售的可熱固化的樹(shù)脂(SL7300和T16BC)模塑引線框架。結(jié)果如圖10所示。
如圖10所示，Pd中間層上有Pd-Au最外層的引線框架，對(duì)兩種樹(shù)脂而言，其最外層與樹(shù)脂之間的粘接力最大。
例4按本發(fā)明的引線框架，在Cu制成的金屬襯底上形成30微英寸厚的Ni保護(hù)層。并在Ni保護(hù)層上形成0．8微英寸厚的Pd中間層。接著，形成0．03微英寸厚的分散在Pd中間層上的用Au或Au合金形成的電鍍區(qū)。
在普通的PPF引線框架上用Au或Au合金形成厚0．3微英寸的電鍍區(qū)作對(duì)比例1。制成有30微英寸厚的Ni保護(hù)層和1．0微英寸厚的Pd中間層而沒(méi)有電鍍區(qū)的引線框架作對(duì)比例2。
引線框架在爐內(nèi)在275℃下處理1小時(shí)，而進(jìn)行可焊性試驗(yàn)。引線框架的引線折彎之后，引線框架放在175℃的溫度下處理2小時(shí)，之后，在蒸汽中在95℃下老化8小時(shí)。用直徑為1mil的金絲進(jìn)行焊線連接試驗(yàn)。給安裝在焊盤上的芯片和引線框架的內(nèi)引線加焊接功率90mW和焊接力100mN。焊盤上的芯片和內(nèi)引線的焊接時(shí)間分別是15msec和20msec，焊接溫度是215℃。之后，測(cè)試跨接在芯片和內(nèi)引線上的金絲的張力。
可焊性試驗(yàn)中，引線架的外引線浸入R焊劑中，在245℃下保持5秒鐘，然后，從焊劑中取出。用百分?jǐn)?shù)表示帶有焊劑的外引線面積占外引線總面積之量。
可焊性和焊線連接試驗(yàn)的結(jié)果示于圖11中。
圖11中，剖面線表示可焊性試驗(yàn)結(jié)果，曲線表示焊線連接試驗(yàn)結(jié)果。對(duì)比例1的可焊性和焊線連接強(qiáng)度分別是60％和2．69gf。對(duì)比例2的可焊性和焊線連接強(qiáng)度分別是80％和2．69gf。與對(duì)比例1和2的可焊性和焊線連接強(qiáng)度相比，按本發(fā)明的引線框架的可焊性和焊線連接強(qiáng)度均有提高，分別為100％和5．91gf。
例5隨著引線框架的引線節(jié)距和芯片尺寸的減小，焊線用的細(xì)絲(capillary)尺寸也減小，為與該趨勢(shì)保持一致，測(cè)試按本發(fā)明的引線框架的焊線連接強(qiáng)度所用的焊接功率和焊接力也減小了。
測(cè)試具有1．0微英寸厚的在Pd中間層上的電鍍區(qū)的按本發(fā)明的引線框架。測(cè)試具有1．2微英寸厚的pd層作散列層的對(duì)比例的引線框架。用直徑為80微米的細(xì)絲和直徑為0．8mil的金絲進(jìn)行焊線連接試驗(yàn)。
用60mW的焊接功率，60mN的焊接力在200℃下經(jīng)過(guò)15msec焊接裝在引線框架的焊盤上的芯片，應(yīng)用80mW焊接功率。80mN的焊接力在220℃下經(jīng)20msec進(jìn)行引線框架的內(nèi)引線上的焊接。
焊線連接試驗(yàn)的結(jié)果列于表3中。
表3
如表3所示，與焊線連接強(qiáng)度是1．75gf的對(duì)比例相比，按本發(fā)明的引線框架的最小連接強(qiáng)度提高到約3gf。
從焊線連接強(qiáng)度、可焊性和與樹(shù)脂粘接性等方面看，按本發(fā)明的有多個(gè)電鍍層的引線框架具有Au和Pd鍍層的優(yōu)點(diǎn)。而且提高了這些性能，按本發(fā)明的引線框架的制造成本也能降低。
盡管用本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例具體展示和說(shuō)明了本發(fā)明。但是，本行業(yè)的普通技術(shù)人員應(yīng)了解，對(duì)本發(fā)明的形式和細(xì)節(jié)上的各種改變并不能脫離由權(quán)利要求書所確定的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1．一種半導(dǎo)體封裝的引線框架的制造方法，包括在金屬襯底上用鎳(Ni)或Ni合金形成保護(hù)層；在保護(hù)層上用鈀(Pd)或Pd合金形成中間層；用Pd和金(Au)交替電鍍中間層表面至少一次，形成包含Pd和Au顆粒的最外層。
2．按權(quán)利要求1的方法，其中，在交替電鍍形成最外層的步驟中，可以首先在中間層上電鍍Pd或Au。
3．一種半導(dǎo)體封裝的引線框架，包括在金屬襯底上用鎳(Ni)或Ni合金形成的保護(hù)層；保護(hù)層上用鈀(Pd)形成的中間層；在Pd中間層上用Pd和Au形成的最外層。
4．一種半導(dǎo)體封裝的引線框架，包括在金屬襯底上用鎳(Ni)或Ni合金形成的保護(hù)層；和在保護(hù)層上用Pd和Au形成的最外層。
5．一種半導(dǎo)體封裝的引線框架，包括在金屬襯底上用Ni或Ni合金形成的保護(hù)層；在保護(hù)層上用鈀(Pd)形成的中間層；和在中間層上用金(Au)或金合金形成的電鍍區(qū)，中間層的表面部分露出。
6．按權(quán)利要求5的引線框架，其中，電鍍區(qū)的厚度在0．03微英寸之下。
7．按權(quán)利要求5的引線框架，其中，Au合金是Au-Pd合金或Au-Ag(銀)合金。
全文摘要
一種半導(dǎo)體封裝的引線框架及其制造方法。引線框架的制造中,在金屬襯底上用鎳(Ni)或Ni合金形成保護(hù)層。之后,在保護(hù)層上用鈀(Pd)或Pd合金形成中間層。之后,在中間層表面上交替電鍍Pd和Au(金),形成含Pd和Au顆粒的最外層。
文檔編號(hào)C25D7/00GK1290963SQ0010199
公開(kāi)日2001年4月11日 申請(qǐng)日期2000年2月4日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月1日
發(fā)明者李圭漢, 李尚勛, 姜圣日, 樸世哲 申請(qǐng)人:三星航空產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社