CN1976016A - 包含镀锡或由其形成金属间化合层的引线框 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种生产引线框的方法，其包含有以下步骤：提供一衬底；使用锡层镀覆该衬底；在该锡层上面镀覆镍层；以及然后在该镍层上面镀覆一层或多层保护层。此后，可加热该引线框，以形成一个或多个包含锡的金属间化合层，该金属间化合层阻止铜从引线框的基体材料向其表面的外扩。

Description

包含镀锡或由其形成金属间化合层的引线框
技术领域
本发明涉及引线框，其通常在半导体器件生产过程中作为半导体或集成电路芯片的载体使用，本发明特别是涉及包含有多层镀覆材料(plated material)的引线框(leadframes)。
背景技术
在半导体器件的制造中，引线框通常被用作同时安装和处理多个半导体晶粒或芯片的座体，普遍称之为半导体封装。在芯片被安装在引线框之后，在芯片和引线框之间形成电性连接。然后，使用塑性模塑料，例如环氧树脂模塑料(EMC：Epoxy Molding Compound)将芯片和部分引线框封装以形成电子封装件。模塑后的电子封装件然后可能被装配，以使半导体芯片电性连接到***电路。
图1是引线框器件100的正视图，该引线框器件已经使用环氧树脂模塑料(EMC)被部分地塑封。引线框器件100包含有以引线框102形式存在的衬底，该引线框具有内引线104以将多根导线106键合到芯片108上。芯片108被装配到晶粒座110(die pad)上，其通常设置于中央并由内引线104环绕。导线键合后的引线框然后使用EMC 112通过灌封被封装，其在引线框器件100上显示为部分地塑封。该灌封应该封锁多数的内引线104、键合导线106、芯片108和晶粒座110，以使得被灌封的材料避免环境干扰，例如电磁波，污染，机械、热量和电气冲击。引线框102还包含有多根不由EMC 112所密封的外引线114。灌封后的引线框的每个单元通过切割从载体轨道116(carrier rail)分离之后，多根外引线114可能根据需要形成不同的形状以和外部设备连接。
当半导体器件包含有组装在一起的各种元件时，引线框的质量和可靠性对于实现某个标准而言是重要的，例如内引线104和键合导线106的键合能力、外引线114和外部设备的可焊性、EMC112和引线框102表面的粘着。为了增强质量和可靠性，通常在引线框上镀有多个涂覆材料。这种引线框的一种形式普遍称之为预镀引线框(PPF：pre-plated leadframe)。在一个典型的实例中，预镀引线框包含有基体材料，如铜或铜合金，其上镀覆有多层不同的金属，如镍(Ni)和贵金属如钯(Pd)和金(Au)。
由于在世界范围内从半导体封装中去除铅是大势所趋，PPF技术作为一种有益于环境的技术获得了日益增长的普及。这是因为PPF引线框被镀覆有钯(Pd)来替代银(Ag)和锡/铅(Sn/Pb)。钯对保护位于下面的涂覆层是有用的，并且可用于提高键合能力和可焊性。在封装处理前涂覆可能覆盖整个引线框，以便于轻易完成自动封装工序。镍或镍合金层被涂覆在铜基体材料和钯层之间，以通过阻止铜散布到引线框的表面来向引线框提供抗腐蚀性。铜和空气反应形成氧化铜，其反向影响引线框的质量和可靠性。
图2是现有的三层预镀引线框的剖视示意图。该图显示了典型的三层的PPF或引线框120，其包含有基体材料，如铜或铜合金制成的衬底122。
镍层124被镀覆于衬底122的上方以阻止铜向基体材料的散布。同样也是该层便于焊料和导线最终粘着其上。
然后两层包括贵金属，如钯126，接着是金128，它们依次被镀覆以作为导线键合和焊接的服务者(facilitators)。它们为位于下面的镍层提供避免氧化的保护，并由于它们向焊料快速的扩散而提高了可焊性。
当制造商设法使得镀覆层比以往更薄以节约成本的时候，但对于铜基体材料而言，通过材料的缺陷如以针孔和晶界(grain boundaries)形式存在的内在孔隙外扩到引线框的表面是不可避免的容易。在图2中，其表明了铜从衬底122向三层引线框120表面的移动。当扩展开的铜130到达引线框120的表面时，一旦和周围的空气接触将会氧化。结果，引线框120的表面出现了导线键合能力和可焊性的退化。
尽管镍良好的属性，但是在原材料和生产周期时间方面，镍的使用提高了制造这种引线框的成本。减小镍厚度产生的另一个好处是：更薄的镍层往往会提高引线框基体的表面粗糙度，这一点常常被引用来加强EMC和引线框的粘着。然而，如果减少了镍的使用，由于铜向引线框的表面的不断扩散引起键合能力和可焊性的退化，因此出现了可靠性问题。因此，本发明通过引入一种附加的障碍物将基体材料和镍层分离，来寻求至少减小镀覆层中镍的使用，从而阻止铜从基体材料通过多层镀覆层向外扩散。
发明内容
本发明的目的在于提供一种预镀的引线框，该引线框包含有一层或多层含锡的金属间化合层，以便于阻止引线框的基体材料向外部表面的移动。
因此，一方面，本发明提供一种生产引线框的方法，其包含有以下步骤：提供一衬底；使用锡层镀覆该衬底；在该锡层上面镀覆镍层；以及然后在该镍层上面镀覆一层或多层保护层。
另一方面，本发明提供一种引线框，其包含有：衬底；镍层，该镍层位于衬底上方；锡层，该锡层位于衬底和镍层之间；以及一个或多个保护层，该保护层位于镍层上方。
参阅后附的描述本发明实施例的附图，随后来详细描述本发明是很方便的。附图和相关的描述不能理解成是对本发明的限制，本发明的特点限定在权利要求书中。
附图说明
根据本发明所述引线框的实例现将参考附图加以描述，其中：
图1是使用环氧树脂模塑料(EMC)部分塑封后的引线框器件的俯视图。
图2是现有的三层预镀引线框的剖视示意图；
图3为根据本发明较佳实施例所述的预镀引线框的剖视示意图，该预镀引线框作为半导体封装的衬底，其在铜基体材料和镍层之间具有镀锡层；
图4为图3中预镀引线框的剖视示意图，该预镀引线框在锡层和衬底之间、在锡层和镍层之间形成有金属间化合层(intermetalliclayers)；
图5为预镀引线框的剖视示意图，该预镀引线框在衬底和镍层之间形成有单独的金属间化合层。
具体实施方式
参考附图所示，其中类似的部件引用类似的数字。图3为根据本发明较佳实施例所述的预镀引线框10的剖视示意图，该预镀引线框作为半导体封装的衬底，其在铜基体材料和镍层之间具有镀锡层。
该预镀引线框10包含有其上镀覆有多层材料的衬底12。该衬底12包含有基体材料，较合适地用铜或铜合金材料制成。锡层14镀覆于衬底12的上方，其厚度最好小于20nm。更合适地，锡层的厚度是小于5nm。
然后将镍层16镀覆在锡层14之上，其厚度较佳地在50nm和250nm之间。一个或多个保护层，较佳地包含有贵金属，其被镀覆于镍层16之上。在描述的本实施例中，包含有第一贵金属，如钯18的保护层被镀覆于镍层16之上，其厚度较佳地在1nm和50nm之间。最后，包含有第二贵金属，如金20的保护层然后被镀覆于钯层18的上方，其厚度较佳地在1nm和50nm之间。
在提升的温度下通过加热镀覆有各个所述的镀覆层的前面所提及的引线框10，衬底12和镍层16之间的锡层14开始分别在锡层14和衬底12之间、在锡层14和镍层16之间的界面形成有一个或多个金属间化合层。通常，温度越高将会加速一个或多个金属间化合层的生成。
图4为预镀引线框10的剖视示意图，该预镀引线框在锡层14和衬底12之间形成有第一金属间化合层22，在锡层14和镍层16之间形成有第二金属间化合层24。第一金属间化合层22主要包含有在锡层14和衬底12之间形成的锡铜化合物(copper-tin compounds)，例如Cu3Sn和Cu6Sn5。另一方面，第二金属间化合层24主要包含有在锡层14和镍层16之间形成的锡镍化合物(nickel-tin compounds)，例如Ni3Sn4。在二者之间，可能余下没有反应的锡层14。
结果，位于衬底12和镍层16之间的中间层可包括由锡和不同合成物的金属间化合物的分离层组成的薄片状结构。而且，大家应该知道这仅仅会出现在锡层14充分厚的位置以致能够分别提供可视为相同的第一金属间化合层22、第二金属间化合层24。
图5为预镀引线框10的剖视示意图，该预镀引线框在衬底12和镍层16之间形成有单独的金属间化合层26。金属间化合层26包含有在衬底12和镍层16之间形成的锡铜化合物例如Cu3Sn和Cu6Sn5，和锡镍化合物例如Ni3Sn4。另外，可能出现三元化合物(ternary compound)，例如(Cu，Ni)6Sn5。所以，金属间化合层包含选自下述组群的化合物(混合物)：Cu3Sn、Cu6Sn5、Ni3Sn4和(Cu，Ni)6Sn5。
实际上，含锡(tin-bearing)的金属间化合物的单独层随着合适的参数组合例如锡层厚度、处理温度和时间的控制，可能特意地形成于衬底12和镍层16之间。参考图4所示，当引线框被进一步加热时，通常金属间化合层22、24将会增长，它们将会趋向吞没锡层14。最后形成含锡(tin-bearing)的单独的金属间化合物层。另外，如果锡的镀覆非常薄，如厚度小于5nm，那么在不生成各个界面间的金属间化合层22、24的情况下，可能直接形成单独的金属间化合物层26。根据加热的温度和时间，合成的金属间化合物层的厚度是可变的，但是其通常比最初镀覆的锡层厚。
镀覆后的衬底或引线框的加热可能或者是引线框制造过程中合为一体的独立工序，或者是随着一个或多个封装工序固有。例如，在晶粒键合、导线键合和模塑处理过程中几乎不可避免地进行引线框的加热，那里的加热工序可足够导致一个或多个此处所描述的金属间化合层。因此，在根据本发明较佳实施例所述的这些引线框的生产和使用中，在引线框的运输和使用以前，首先使用热处理来产生一个或多个金属间化合层是不必要的。该一个或多个金属间化合层的形成能够或者作为引线框制造工序的一部分发生，或者作为封装工序的一部分发生，其会导致更通用、更方便和更具有选择性。
这种新的方法的优点是：锡层能够作为一很薄的层来形成(最合适的厚度是小于5nm)，藉此促进三元的(Cu，Ni)6Sn5或者其他基于锡的金属间混合物的形成，该金属间混合物沿着界面密集而又均匀的分布。除了金属间界面层上面的多个镀覆层，即镍层、钯层和金层之外，该密集、均匀，虽然很薄的金属间界面层也作为一个高效的扩散屏障。这样，铜向引线框表面的扩散将会得到大大的减少。
为了验证根据本发明较佳实施例所生产的预镀引线框10的有益之处，在其上完成工业适用的多孔性测试(porosity test)，其结果和现有的对照(control)引线框120的结果相对比。这些引线框将在450℃的温度下加热5分钟，以促进被测试的引线框中铜的扩散。然后将进行过如此加热的引线框浸入到硫酸(sulfuric acid)中，并以后测量溶解于硫酸中的铜的数量。该溶解于硫酸中铜的水平越高，意味着扩散到引线框表面的铜的数量越大。
使用第一组衬底(记做为“A类型引线框”)，和本发明较佳实施例相一致的该衬底上形成有厚度小于5nm的锡层。现有的引线框被用作为对照，其在各自的镍层、钯层和金层方面具有可比性的厚度。表1显示了针对两种引线框进行的多孔性测试的结果。
表1
  引线框   锡层   镍层   钯层   金层   铜溶解量
  A类型引线框 ＜5nm 207nm 10.0nm 2.1nm 6.2μg/cm2
  现有引线框(对照) 无 232nm 10.5nm 2.3nm 22.8μg/cm2
在另一组衬底上(记做为“B类型引线框”)重复进行该试验，该组衬底根据本发明较佳实施例进行类似的镀覆，下表2给出了测试结果。
表2
  引线框   锡层   镍层   钯层   金层   铜溶解量
  B类型引线框 ＜5nm 251nm 12.4nm 2.5nm 5.3μg/cm2
  现有引线框(对照) 无 265nm 14.2nm 2.5nm 18.0μg/cm2
表1和表2中所示的衬底厚度是从总计6次测量的平均值中所获得的，该6次测量是在每个引线框的三个典型位置处进行的。
从A类型和B类型的引线框中得到的溶解于硫酸的铜的质量总计不到对照用的引线框120的1/3，表明：和现有的对照物进行比较，预镀引线框10上的多层的整体性(integrity)得到了显著的加强。通过薄锡层的独特引入和随后在铜和镍层之间(之中)形成合成的含锡金属间化合层这是可以实现的。
在各个引线框所进行的其他测试中，根据本发明的预镀引线框10能够通过使用于预镀引线框制造中键合能力和可焊性的标准得到了验证，即使它们在镍的数量方面有意义重大的减少。例如，可以发现仅仅增加用来形成一个或多个金属间化合层的锡层，满足工业所需标准的典型的引线框中镀镍的厚度能够从约500nm减少到小于约250nm。虽然根据基体材料中铜合金的组成，镍层的厚度可从50nm变化到750nm，但是和现有的方法相比，使用本发明实施例所述的方法能够实质上减少镍层。因此，在所使用的镀覆材料的成本和周期时间方面，都能实现节余。同样，通过镀覆较薄的镍层来实现基体粗糙度方面的更高的表面均匀度也是更加容易，以便于促进EMC与引线框的粘着。由于显著的成本和其他的优势，本发明实施例所述的预镀引线框10能替代现在普遍使用的现有的引线框120。
此处描述的本发明在所具体描述的内容基础上很容易产生变化、修正和/或补充，可以理解的是所有这些变化、修正和/或补充都包括在本发明的上述描述的精神和范围内。

Claims (20)

1、一种生产引线框的方法，其包含有以下步骤：
提供一衬底；
使用锡层镀覆该衬底；
在该锡层上面镀覆镍层；以及
然后在该镍层上面镀覆一层或多层保护层。
2、如权利要求1所述的方法，该方法还包含有下面的步骤：
在该衬底和镍层之间形成一个或多个包含有锡的金属间化合层。
3、如权利要求2所述的方法，其中，该形成一个或多个金属间化合层的步骤还包含有下面的步骤：
在提升的温度下加热该镀覆的衬底。
4、如权利要求3所述的方法，其中，加热镀覆的衬底以形成一个或多个金属间化合层的步骤在半导体封装工序中完成，该半导体封装工序包括引线框的加热。
5、如权利要求2所述的方法，其中，该金属间化合层包含有选自下述组群的化合物，该组群包括：Cu3Sn、Cu6Sn5、Ni3Sn4和(Cu，Ni)6Sn5。
6、如权利要求1所述的方法，其中，该锡层被形成时厚度小于20nm。
7、如权利要求6所述的方法，其中，该锡层被形成时厚度小于5nm。
8、如权利要求1所述的方法，其中，该镍层的厚度在50nm和750nm之间。
9、如权利要求1所述的方法，其中，该一个或多个保护层包含有钯层，该钯层的厚度在1nm和50nm之间。
10、如权利要求9所述的方法，其中，该一个或多个保护层还包含有位于钯层上方的金层，该金层的厚度在1nm和50nm之间。
11、如权利要求1所述的方法，其中，该衬底包含有铜或铜合金。
12、一种引线框，其包含有：
衬底；
镍层，该镍层位于衬底上方；
锡层，该锡层位于衬底和镍层之间；以及
一层或多层保护层，该保护层位于镍层上方。
13、如权利要求12所述的引线框，该引线框还包含有：
一个或多个金属间化合层，其分别通过锡层和衬底、镍层之间的反应形成于衬底和镍层之间。
14、如权利要求13所述的引线框，其中，该金属间化合层包含有选自下述组群的化合物，该组群包括：Cu3Sn、Cu6Sn5、Ni3Sn4和(Cu，Ni)6Sn5。
15、如权利要求12所述的方法，其中，该锡层的厚度小于20nm。
16、如权利要求15所述的方法，其中，该锡层的厚度小于5nm。
17、如权利要求12所述的方法，其中，该镍层的厚度在50nm和750nm之间。
18、如权利要求12所述的方法，其中，该一个或多个保护层包含有钯层，该钯层的厚度在1nm和50nm之间。
19、如权利要求18所述的方法，其中，该一个或多个保护层还包含有位于钯层上方的金层，该金层的厚度在1nm和50nm之间。
20、如权利要求12所述的方法，其中，该衬底包含有铜或铜合金。
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