專利名稱：用于半導(dǎo)體器件的引線框架的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于半導(dǎo)體器件的引線框架，更具體地，涉及一種用于半導(dǎo)體器件的引線框架，該引線框架顯示了對密封樹脂的改良的粘合性以及改良的焊料潤濕性。
背景技術(shù)：
一種用于半導(dǎo)體器件的引線框架被用來在基板等上安裝半導(dǎo)體器件，通過用樹脂材料密封半導(dǎo)體芯片制成所述半導(dǎo)體器件，以便和該引線框架集成。通常，引線框架具有安裝半導(dǎo)體芯片的平臺(stage)部分；內(nèi)部引線部分，其連接到平臺部分，并通過引線接合與半導(dǎo)體芯片的電極電連接；和外部引線部分等，其連接到內(nèi)部引線部分，并且當(dāng)半導(dǎo)體器件安裝在基板等上時作為外部連接端。該引線框架需要與用于密封該芯片的樹脂材料粘合。同時需要具有優(yōu)良粘合能力的外部引線，該外部引線是用來將引線框架接合到基板，從而依靠焊接等將半導(dǎo)體器件安裝在該基板上。
圖6是表示用于半導(dǎo)體器件的引線框架實例的平面圖。在引線框架10中，附圖標(biāo)記12表示外部引線；14表示內(nèi)部引線；16表示形成了安裝有半導(dǎo)體芯片(未示出)并且連接到導(dǎo)線軌(rail)20的芯片安裝部分的平臺部分，20是依靠支撐條18。附圖標(biāo)記22表示隔板(dam bar)。
半導(dǎo)體芯片(未示出)安裝到引線框架10的平臺部分16上。該半導(dǎo)體芯片與內(nèi)部引線14依靠電線接合。處于圖6所示虛線包圍的區(qū)域中的半導(dǎo)體芯片、電線、和內(nèi)部引線14都用樹脂密封，從而構(gòu)成半導(dǎo)體器件。為了將該半導(dǎo)體器件安裝在基板等上，通常使用焊接。近年來經(jīng)常使用這樣一種引線框架，其中，在外部引線12上預(yù)先形成了涂層(也稱為“表面焊接涂層”)。
已知一種不包含表面焊接涂層就可將半導(dǎo)體器件安裝到基板上的引線框架，如日本專利公開平成4-115558中所公開的，該引線框架包括與通常被稱作Pd-PPF(鈀預(yù)電鍍引線框架)引線框架一起使用的基板，作為底層的鎳(Ni)鍍層，作為中間層的鈀(Pd)或Pd合金涂層，和作為表面層的金(Au)鍍層或銀(Ag)涂層，這些層都順序形成在基板上。
作為引線框架的另一現(xiàn)有技術(shù)實例，在日本專利公開平成4-337657中公開了一種用于半導(dǎo)體器件的引線框架，其中該半導(dǎo)體器件具有用焊料以外的材料為表面鍍層涂覆的引線框架基板，該引線框架包括設(shè)置在引線框架的基板材料上的Ni-基鍍層；至少設(shè)置在基板材料上的內(nèi)部引線部分和外部引線部分上的Pd或Pd合金鍍層；和設(shè)置在Pd或Pd合金鍍層上的Au鍍層。而且，日本專利公開平成11-111909也公開了一種用基本類似的鍍層涂覆的引線框架。另外，日本專利公開平成2001-110971公開了一種引線框架，具有設(shè)置在引線框架基板材料上的Ni-基保護(hù)涂層、鍍有Pd或Pd合金的中間層、和通過在中間層上順次鍍上Pd和Au形成的最外層。
同時，從環(huán)保的角度看，近年來作為用于將半導(dǎo)體器件安裝在基板等上所使用焊接材料，無鉛(Pb)焊接材料變得普遍。錫-鋅(Sn-Zn)-基焊料、錫-銀-銅(Sn-Ag-Cu)-基焊料等作為這種無鉛焊接材料被實際應(yīng)用。
一種現(xiàn)有技術(shù)的引線框架(所謂Au/Pd/Ni引線框架)是通過在用于引線框架的基板材料上順序形成Ni鍍層、Pd或Pd合金鍍層、和Au鍍層而形成的。將半導(dǎo)體芯片安裝在引線框架上并用樹脂材料密封，從而制造出半導(dǎo)體器件。當(dāng)通過使用無鉛焊料代替?zhèn)鹘y(tǒng)廣泛使用的錫-鉛焊料來安裝半導(dǎo)體器件時，所使用的無鉛焊料的熔點(diǎn)高于現(xiàn)有技術(shù)的錫-鉛焊料的熔點(diǎn)。因此必須增加回流溫度。例如，近來被使用的Sn-Ag-Cu焊料的熔點(diǎn)為217℃，并且要用大約240℃到250℃的溫度來對該焊料回流。
當(dāng)回流溫度增加時，由于引線框架基板材料中的金屬材料與密封樹脂之間的熱膨脹系數(shù)不同，所以密封樹脂很容易從引線框架脫落下來。由于被普遍用作密封樹脂的環(huán)氧基樹脂的吸濕性的原因，濕氣很容易侵入由脫落引起的裂縫中。在隨后的熱處理等中這些濕氣被蒸發(fā)，這將緊接著引起嚴(yán)重的缺陷，諸如密封樹脂中的裂縫、半導(dǎo)體芯片的破裂等等。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提供一種用于半導(dǎo)體器件的引線框架，其用來防止引起半導(dǎo)體器件缺陷，特別是防止由于引線框架基板材料和密封樹脂之間的熱膨脹系數(shù)不同而引起的缺陷。
本發(fā)明的用于半導(dǎo)體器件的引線框架是一種用于這樣的半導(dǎo)體器件的引線框架，該半導(dǎo)體器件具有將在其上安裝半導(dǎo)體芯片的平臺部分、連接到該平臺部分的內(nèi)部引線部分、和連接到該內(nèi)部引線部分的外部引線部分，該引線框架包括(1)鎳(Ni)層；(2)鈀(Pd)或鈀合金層；(3)錫(Sn)或錫合金層或者鋅(Zn)或鋅合金層；以及(4)金(Au)層，從構(gòu)成引線框架的基板材料表面開始在該基板材料上順序形成全部各層。
優(yōu)選的是，Pd或Pd合金層(2)的厚度范圍從0.005到0.05μm；Sn或Sn合金層或者Zn或Zn合金層(3)的厚度范圍從0.001到0.05μm；以及Au層(4)的厚度范圍從0.001到0.1μm。
形成在Pd或Pd合金層(2)上的Sn或Sn合金層或者Zn或Zn合金層(3)與Au層(4)的結(jié)合可能被重復(fù)兩次或多次。只有當(dāng)使用這兩個層的單次結(jié)合時，層(3)的優(yōu)選厚度和層(4)的優(yōu)選厚度才符合所述的層(3)和層(4)的厚度。同時，當(dāng)使用這兩個層的多次結(jié)合時，多個層(3)的總厚度優(yōu)選的落入范圍0.001到0.05μm，并且多個層(4)的總厚度優(yōu)選的落入范圍0.001到0.1μm。
可能在形成引線框架的基板材料的整個表面上形成層(1)到(4)，或者可能在形成引線框架的基板材料的一部分上形成層(1)到(4)。在后一種情況下，層(1)到(4)至少要形成在外部引線部分中。
本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體器件的引線框架，該引線框架顯示了對密封樹脂的改良的粘合性，而不會削弱將半導(dǎo)體器件安裝到基板等上所需的焊料潤濕性和延展性。
圖1A和1B示出了用來說明本發(fā)明用于半導(dǎo)體器件的引線框架的層結(jié)構(gòu)的橫截面示圖；圖2是示出對引線框架和密封樹脂間的粘合的測試結(jié)果的圖表；圖3是描述了用于粘合測試的樣品的透視圖；圖4是示出焊料潤濕性和延展性測試結(jié)果的圖表；圖5是描述了用于焊料潤濕性和延展性測試中的樣品的透視圖；以及圖6是現(xiàn)有技術(shù)的引線框架的平面圖。
具體實施例方式
如圖1A的描述了本發(fā)明用于半導(dǎo)體器件的引線框架的典型層結(jié)構(gòu)的橫截面示圖中所示，Ni層1、Pd或Pd合金層2、Sn或Sn合金層(或者Zn或Zn合金層)3、以及Au層4從基板材料B的表面開始以此順序形成在引線框架的基板材料B上。該層結(jié)構(gòu)對應(yīng)于通過在Au的頂層和現(xiàn)有技術(shù)Pd-PPF(所謂Au/Pd/Ni引線框架)的中間Pd層之間插入諸如Sn、Sn合金層、Zn、或Zn合金層的兩性金屬層來實施的結(jié)構(gòu)。
如上所述，包含在本發(fā)明的引線框架中的基板材料B、Ni層1、Pd或Pd合金層2、以及Au層4基本類似于那些在現(xiàn)有技術(shù)Pd-PPF中所使用的。
特別的，該基板材料B可由用于普通引線框架的材料形成；例如，Cu或Cu合金，F(xiàn)e-Ni合金等等。
Ni層1位于基板材料B上，可形成0.05到3μm的厚度。當(dāng)厚度小于0.05μm時，由于Cu的擴(kuò)散，很難保證安裝時所需的焊料潤濕性。當(dāng)厚度超過3μm時，在形成外部引線期間會在電鍍中發(fā)生裂縫，因此基板材料會暴露出來。
Ni層1上的Pd或Pd合金層2可形成0.005到0.05μm的厚度范圍。當(dāng)厚度小于0.005μm時，由于Ni的擴(kuò)散，很難保證安裝所需的焊料潤濕性。當(dāng)厚度超過0.05μm時，在安裝操作中Pd無法完全熔化并擴(kuò)散為焊料，從而導(dǎo)致潤濕性和延展性變差。
最外層Au層4可形成0.001到0.1μm的厚度。當(dāng)厚度小于0.001μm時，由于Sn和Zn的擴(kuò)散，很難保證安裝所需的焊料潤濕性。當(dāng)厚度超過0.1μm時，在安裝操作中Au會與Sn形成合金層，這會使粘合強(qiáng)度變差。
插入到Pd或Pd合金層2與Au層4之間的層3是由Sn或Sn合金或者Zn或Zn合金形成的。這里，術(shù)語“Sn合金”表示由Sn和另一種類型的金屬形成的合金；并且術(shù)語“Zn合金”表示由Zn和另一種類型的金屬形成的合金。例如，由Sn和Zn形成的合金(Sn-Zn合金)包括在這兩個種類里，并且Sn-Zn合金可作為優(yōu)選的Sn合金或Zn合金在本發(fā)明中使用。
Sn或Sn合金(或Zn或Zn合金)層3優(yōu)選的厚度范圍從0.001到0.05μm。小于0.001μm的厚度不足以防止粘合中發(fā)生脫落，這是由引線框架和密封樹脂之間熱膨脹系數(shù)的不同引起的。當(dāng)厚度超過0.05μm時，增強(qiáng)對缺陷預(yù)防的作用飽和。而且，妨礙了安裝時所需的焊料回流的焊料潤濕性和延展性。優(yōu)選的，Sn或Sn合金層(或Zn或Zn合金層)3的厚度在0.005到0.05μm范圍內(nèi)。
可通過用來形成薄膜的任何方法來形成層1到4。例如，可使用諸如電鍍、化學(xué)鍍膜、濺射等公知方法。通常，優(yōu)選的方法是電鍍。
在圖1A所示的本發(fā)明具有典型層結(jié)構(gòu)的引線框架的優(yōu)選模式中，厚度為0.5μm的Ni底層處于Cu合金或Fe-Ni合金基板材料上，并且厚度為0.015μm的中間Pd層設(shè)置在Ni底層上。厚度為0.01μm的Sn層設(shè)置在中間Pd層上，并且厚度為0.007μm作為頂層的Au層設(shè)置在Sn層上。
Sn或Sn合金(或者Zn或Zn合金)層3與設(shè)置在其上的Au層4的結(jié)合層可能是單個結(jié)合層的或者有多個結(jié)合層。另一種方法是，可將多個Sn或Sn合金(或者Zn或Zn合金)層與Au層順次形成在Pd或Pd合金層2上。圖1B示出了具有多個Sn或Sn合金(或者Zn或Zn合金)層與Au層的引線框架的實例。在圖1B所示的引線框架中，交替形成的Sn或Sn合金(或者Zn或Zn合金)層3a、3b與Au層4a、4b處于Pd或Pd合金層2上。對于使用多組結(jié)合層模式的情況，其中每一組結(jié)合層由Sn或Sn合金(或者Zn或Zn合金)層與設(shè)置在其上的Au層組成，優(yōu)選的是，Sn或Sn合金(或者Zn或Zn合金)層的總厚度在0.001到0.05μm范圍內(nèi)。
設(shè)置在基板材料B上的層(圖1A的實施例中的層1到4和圖1B的實施例中的層1到4b)可能形成在基板材料B的整個表面上，或者形成在基板材料B的一部分上。在后一種情況下，這些層至少要形成在外部引線部分或平臺部分中。
圖2示出了對引線框架和密封樹脂間的粘合的測試結(jié)果。通過使用測試引用框架樣品來進(jìn)行該粘合測試，所述樣品是通過在Cu基板材料上用電鍍方法順序形成1μm厚的Ni層、0.01μm厚的Pd和Sn層、和0.07μm厚的Au層來制備的。Sn層的厚度在0.005到0.1μm范圍內(nèi)變化。用CEL9200(由Hitachi Chemical Co.，Ltd.公司生產(chǎn))作為密封樹脂。作為預(yù)處理，將測試引線框架在175℃下進(jìn)行1小時的熱處理(模擬用于將芯片安裝在引線框架上的芯片鍵合粘合加工的條件)，并且隨后在240℃下進(jìn)行1分鐘的另一熱處理(模擬當(dāng)在加熱板上執(zhí)行引線接合時使用的加熱條件)。如圖3中所示，由密封樹脂32形成的截錐體(下底面直徑3.568mm，上底面直徑3mm，高3mm)形成在經(jīng)過預(yù)處理的測試引線框架31上。平行于引線框架表面的剪力如箭頭F所示施加到該截錐體上，并且測量在該引線框架31從樹脂32上脫落下來時所得到的抗剪強(qiáng)度。在由樹脂形成截錐體之后，以及在成形后對截錐體進(jìn)行300℃下10秒鐘加熱(模擬安裝半導(dǎo)體器件時使用的焊料回流條件)之后，在每一采樣基礎(chǔ)上執(zhí)行測量。
圖4示出了引線框架上焊料潤濕性和延展性的測試結(jié)果。通過使用與前述粘合測試中所使用的樣品相同的測試引線框架樣品來執(zhí)行對焊料潤濕性和延展性的測試。用焊膏填充覆在測試引線框架樣品上的金屬掩模的洞，并將金屬掩模移除。如圖5所示，形成焊膏52并以墊塊的形式提供在測試引線框架51上，該墊塊的直徑為1.57mm并且高度為0.15mm。所使用的焊膏是由Senju Metal Industry Co.，Ltd生產(chǎn)的Sn-Ag-Cu基焊膏M705-221CM5-42-11。將如此提供的焊膏在針對該回流的230℃的溫度下加熱1分鐘。測量在任意方向上回流的直徑。確定5組數(shù)據(jù)的平均值。計算回流之前獲得的直徑與回流之后獲得的平均半徑的比率即為焊料潤濕性和延展性。通過使用在涂覆焊膏前在400℃下加熱30秒的測試引線框架樣品，對其進(jìn)行相似的測試。在具有厚度為0.1μm的夾在Pd層和Au層之間的Sn層的樣品中，當(dāng)該引線框架在400℃下加熱之后被涂覆上焊膏時，其直徑減小，并且顯示出焊料潤濕性和延展性的惡化。
由于這些原因，發(fā)現(xiàn)Sn層期望的厚度優(yōu)選的為范圍自0.001到0.05μm。
已知用作引線框架外部材料的貴金屬(Au、Pd、Ag)與共用的環(huán)氧基密封樹脂的粘合性較差。同時，已知諸如Cu或Ni的材料由于其表面被氧化并通過氫鍵結(jié)合與環(huán)氧基密封樹脂結(jié)合，從而增加了與密封樹脂的粘合性。然而，當(dāng)引線框架的表面層中存在氧化的金屬時，該引線框架的焊料潤濕性和延展性會相當(dāng)程度的惡化，繼而引起安裝的失敗。因此，在迄今可利用的引線框架中，為了達(dá)到保證粘合性的目的，會犧牲焊料潤濕性和延展性。相反的情況也存在。
相反，通過本發(fā)明在保證出色的焊料潤濕性和延展性的同時增加與密封樹脂的粘合性的原因如下。例如，當(dāng)Sn層位于表面Au層以下時，由于依靠在安裝時焊料回流溫度下實現(xiàn)的加熱實現(xiàn)的固體相擴(kuò)散，Au層的Au部分?jǐn)U散到Sn層，并且Sn層的Sn部分?jǐn)U散到Au層。從而Sn以及Au都出現(xiàn)在作為頂層的Au層表面。表面上含有Au從而保證了焊料潤濕性和延展性。同時出現(xiàn)在表面上的Sn被適度氧化，這就為與密封樹脂的粘合性增加作出貢獻(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種用于半導(dǎo)體器件的引線框架，所述半導(dǎo)體器件具有將在其上安裝半導(dǎo)體芯片的平臺部分、連接到該平臺部分的內(nèi)部引線部分、和連接到該內(nèi)部引線部分的外部引線部分，所述引線框架具有多個層，包括鎳(Ni)層；鈀(Pd)或鈀合金層；兩性金屬層；以及金(Au)層，從構(gòu)成引線框架的基板材料表面開始在該基板材料上順序形成全部各層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的用于半導(dǎo)體器件的引線框架，其中所述兩性金屬層從錫(Sn)、錫合金、鋅(Zn)或鋅合金層中選取。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的用于半導(dǎo)體器件的引線框架，其中所述Pd或Pd合金層的厚度范圍從0.005到0.05μm；所述兩性金屬層的厚度范圍從0.001到0.05μm；以及所述Au層的厚度范圍從0.001到0.1μm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的用于半導(dǎo)體器件的引線框架，其中在所述Pd或Pd合金層上形成所述兩性金屬層與所述Au層的結(jié)合層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的用于半導(dǎo)體器件的引線框架，其中在所述Pd或Pd合金層上形成多組所述兩性金屬層與所述Au層的結(jié)合層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的用于半導(dǎo)體器件的引線框架，其中在形成所述引線框架的基板材料的整個表面上形成所述多個層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的用于半導(dǎo)體器件的引線框架，其中在形成所述引線框架的基板材料的一部分內(nèi)形成所述多個層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的用于半導(dǎo)體器件的引線框架，其中所述多個層至少要形成在所述引線框架的外部引線部分上。
全文摘要
采用本發(fā)明半導(dǎo)體器件引線框架的半導(dǎo)體器件具有將在其上安裝半導(dǎo)體芯片的平臺部分、連接到該平臺部分的內(nèi)部引線部分、和連接到該內(nèi)部引線部分的外部引線部分。該引線框架包括鎳(Ni)層(1)，鈀(Pd)或鈀合金層(2)，錫(Sn)或錫合金層或者鋅(Zn)或鋅合金層(3)、(3a)或(3b)，以及金(Au)層(4)、(4a)或(4b)，從構(gòu)成引線框架的基板材料表面開始在該基板材料上順序形成全部各層。
文檔編號H01L23/50GK1838407SQ20061006556
公開日2006年9月27日 申請日期2006年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月25日
發(fā)明者關(guān)和光, 佐藤晴信, 吳宗昭 申請人:新光電氣工業(yè)株式會社