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CN1194463A - 具有多层镀层的半导体引线框架及其制造方法 - Google Patents

具有多层镀层的半导体引线框架及其制造方法 Download PDF

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Abstract

提供了一种半导体引线框架及其制造方法,该引线框架包括一个金属衬底、金属衬底上形成的一层铜镍合金层以及形成在铜镍合金层上的一层钯或钯合金层。

Description

具有多层镀层的半导体引线框架及其制造方法
本发明涉及一种半导体引线框架，特别涉及一种在衬底的上表面覆有改进了的多层镀层的半导体引线框架及其制造方法。
常规的半导体引线框架由冲压法或腐蚀法制造。在冲压法中，通过压力冲压间歇传送的薄板材料制造引线框架，这种方法适于大规模生产。腐蚀法，即使用化学物质蚀刻掉材料的一部分而制成产品，多适用于小规模生产。
在制造半导体封装的工艺中，模压焊点和内部引线被镀上一层金属以改善半导体芯片与内部引线之间连线焊接的特性和模压焊点的性能。另外，外部引线的预定部分上也镀有铅锡镀层以改善焊接性能。然而，由于上述工艺是一种在半导体封装完成后才进行的湿镀工艺，因此会降低产品的可靠性。同时也难以形成流水作业。
为了解决上述问题，一种具有良好的焊接湿润性的预镀方法(PPF)已被提出，它在半导体封装工艺之前先在衬底上镀敷一种材料以形成中间镀层。参看图1，即在金属衬底11上形成镍镀层12，在镍镀层12上又镀敷钯或钯合金镀层。衬底11的下表面也镀敷与上述相同的镀层。
这种方法中，镍镀层12作为一种中间镀层以改善在金属衬底11上镀钯或钯合金层13出现的粘附性降低的情况。钯或钯合金镀层13可以防止镍镀层12的表面被氧化。
在形成这些多层镀层时，镍镀层12的内应力可能会集中，而当该镀层具有相当厚的厚度时，可能会在修整或成型过程中破裂。由于这种破裂的产生，金属衬底11的铜元素会扩散到钯或钯合金镀层13的表面。从而使半导体引线框架对电化学腐蚀的抗蚀性降低。另外，因为钯或钯合金镀层13不能保护镍镀层12而使得焊接湿润性受到破坏。
为解决上述问题，本发明的目的是要通过改善衬底上的多层镀层提供一种具有良好的材料性能的半导体引线框架。
为实现该目的，本发明所提供的半导体引线框架包括一个金属衬底；在金属衬底上形成的铜镍合金镀层，其中铜镍合金中所含铜的重量占20～80％并在该铜镍合金层上形成钯或钯合金层。
在金属衬底与铜镍镀层之间还可以形成一层铜镀层。
还可以在铜镍合金层与钯或钯合金层之间形成一层钯镍合金层。
按照本发明的另一种方式，提供了一种具有多层镀层的半导体引线框架的制造方法。该方法包括以下步骤：(a)制备金属衬底；(b)将金属衬底镀上铜镍合金镀层，其中铜镍合金中铜的重量含量占20～80％；(c)将铜镍合金镀层镀上钯或钯合金镀层。
在本方法中，铜镍合金镀层是在混合有镍盐、铜盐、络合剂和添加剂的镀浴中形成的。
在镀浴中，镍盐是浓度为0.1～1.0mol/l的氯化镍(NiCl2)或氨基磺酸镍(Ni(NH2SO3)24H2O)；铜盐是浓度为0.02～0.2mol/l的硫酸铜(CuSO45H2O)或焦磷酸铜(Cu2P2O73H2O)；络合剂是浓度为0.3～1.0mol/l的二磷酸钾(K4P2O7)，添加剂是浓度为0.1～0.5mol/1的四硼酸钠(Na2B4O7)。
镀浴的温度应保持在44℃～55℃之间，作用于镀溶液的电流密度为1～3.0A/dm2，pH值在9.0～9.5之间。
附图的简要说明：
本发明的上述目的和优点会通过参照附图对最佳实施例进行描述而更为明确。
图1为一个常规半导体引线框架的剖视图；
图2～图5为本发明中半导体引线框架的剖视图；
图6为常规半导体引线框架和本发明的半导体引线框架的焊接湿润性曲线图；
图7A是常规镍镀层的表面的放大照片；
图7B是本发明中的铜镍合金镀层的表面的放大照片。
参看图2，本发明一项实施例的半导体引线框架包括一个金属衬底21和镀在金属衬底21上的多层镀层20。多层镀层20即是先后在金属衬底21上形成的铜镍合金属镀层22和钯或钯合金镀层23。金属衬底21最好是由铜或镍占总重量40％的铜或镍铁合金制成的(以下简称“合金42”)。
更具体地说，在半导体引线框架的镀敷工艺中，首先，清除由铜或合金42制成的金属衬底21的表面上的润滑脂，产生活化的表面。然后将厚度为0.01～5微米的铜镍合金镀层镀在金属衬底21上。这里镀浴中含有镍盐、铜盐、络合剂和添加的混合物。例如，在含有浓度为0.02～0.2mol/l的硫酸铜(CuSO45H2O)和浓度为0.3～1.0mol/l的二磷酸钾(K4P2O7)溶液中加入氯化镍(NiCl2)，使其浓度为0.1～1.0mol/l的镀浴中能够形成铜镍镀层。硫酸铜(CuSO45H2O)可以用焦磷酸铜(Cu2P2O73H2O)取代，氯化镍(NiCl2)可以由氨基磺酸镍(Ni(NH2SO3)24H2O)代替。为了减缓pH值的变化，在镀液中加入缓冲剂四硼酸钠(Na2B4O7)。使其浓度达到0.1～0.5mol/l。
铜镍合金镀层含有占合金总重量20～80％的铜。铜镍合金镀层22所期望的组分和厚度可以通过改变其形成条件，如温度、电流密度和pH值等获得。例如，当镀浴温度在44℃-55℃之间，电流密度为1～3.0A/dm2，pH值在9.75～9.80之间时，形成的铜镍合金镀层中铜含量占合金总重量的50％或更多。
最后，在铜镍合金镀层22上形成厚度为0.01～3微米的钯或钯合金镀层。钯或钯合金镀层23可防止铜镍合金镀层22的氧化。另外，钯或钯合金镀层23还防止由组装半导体引线框架后进行焊接引起的铜镍合金镀层的表面扩散。
图3～图5所示为本发明的其它实施例中半导体引线框架的结构。与图2中的相同标号标注相同的电镀层。
如图3所示金属衬底21和铜镍合金镀层22之间还形成一层铜镀层31。铜镀层31可以在不含有氰化物离子(CN-)的镀液，如焦磷酸铜(Cu2P2O73H2O)镀液中利用触击电镀形成。该电镀工艺能够去除金属衬底21表面上的缺陷部位，防止金属衬底21上的铜元素扩散。相应地，铜镍合金镀层22对金属衬底21的粘着性得到改善且镀层变得更加致密。
如图4所示，可以将钯镍合金镀层41插于衬底21上所形成的铜镍合金镀层22与最外层的钯合金镀层23之间。
此外，图5所示为一半导体引线框架。其中，铜镀层31是介于金属衬底21和铜镍合金镀层22之间，并且还在铜镍合金镀层22与最外层的钯合金镀层23之间形成钯镍合金镀层41。钯镍合金镀层41可以防止在钯镍合金镀层41的下表面上形成的铜镍合金镀层22内的镍向铜镍合金镀层22的表面扩散。
表1所示为在金属衬底21上形成的铜镍合金镀层22的抗蚀性与在金属衬底21上分别形成镍镀层、铜镀层和SUS镀层的抗蚀性的对比结果。
腐蚀液
HCl 10％ H2SO4 10％ HNO3 10％   液氨5％ NaOH 5％
  材料 铜镍合金镀层 ○ ○ △ ○ ○
镍镀层 × × ○ ○ ○
铜镀层 △ △ × × △
SUS镀层 × ○ ○ ○ ○
                     表1    (温度：20℃)
                   表中，○：良好：△：一般；×：不好
从表1中可以看出，铜镍合金镀层较镍镀层、铜镀层和SUS镀层，对于本实验中所有使用的腐蚀液均具有较高的抗蚀性。特别是，上述腐蚀溶液的最小腐蚀值是每天不超过2～3mg/m2。
图6所示为堆叠了镍镀层12和钯或钯合金镀层13的常规半导体引线框架的焊接性能曲线及根据本发明所述在其上依次形成铜镍合金镀层22和钯或钯合金镀层23的半导体引线框架的焊接性能曲线。
此处，常规半导体引线框架的镍镀层12是在镀浴中加6A/dm2的电流密度达48秒钟形成约为1.0微米的厚度。而本发明的半导体引线框架的铜镍合金镀层22是通过对硫酸铜(CuSO45H2O)或焦磷酸铜(Cu2P2O73H2O)镀浴施加8A/dm2电流密度30秒钟后形成0.02微米的厚度。同时，在上述镍镀层12和铜镍合金镀层22上分别再形成大构4微米厚的钯镀层13和23。
在图6的曲线中，X轴表示焊接所需的时间(以秒为单位)，Y轴表示焊接中作用于镀层的焊接性能。曲线A表示了在将常规引线框架浸入熔融焊剂中，再将焊剂清除后，粘附在引线框架上的焊剂量。曲线B则为本发明引线框架的情况。
参看对应于常规半导体引线框架的曲线A，由于镀层与焊剂之间存在推斥力而使焊接性能降低，甚至当常规引线框架浸入焊剂中已经历约10秒时也是如此。而参看对应于本发明的半导体引线框架的曲线B，在它浸入焊剂的最初阶段由于推斥力而使可焊接性能降低，但大约1秒过后，焊接性能大大提高。大约3-4秒过后，焊接性能就保持住恒定。
图7A和7B分别是用扫描电子显微镜放大1000倍所得到的常规引线框架和本发明的半导体引线框架的表面照片。
参看照片，与常规半导体引线框架的对应处作比较，在本发明的半导体引线框架上探测到的分布裂纹数明显减少。同样，本发明的裂纹尺寸也明显小于常规的裂纹。
本发明的半导体引线框架通过在金属衬底上形成铜镍合金镀层能够提高机械工艺性能、高温特性和焊接性能。因而在半导体制造过程中，因修整或成型操作所引起的镀层内应力的集中被减到最小。虽然铜镍合金镀层要比现有的镍镀层薄得多，但仍具有良好的材料性能，因此使制造成本有效地降低。此外，使用含有硫酸铜(CuSO45H2O)或焦磷酸铜(Cu2P2O73H2O)镀液能够减少环境污染。
通过附图所示的实施例对本发明进行了描述，但它仅是举例而已。本领域的专业人员将会理解到还可以有其它等同的实施例以及不同的变化产生出来。因此，本发明的真正的技术保护范围应当由所附权利要求的技术实质确定。

Claims (11)

1、一种半导体引线框架，其特征在于，它包括：
一个金属衬底；
形成于金属衬底上的铜镍合金层，所述铜镍合金中含铜占总重量的20～80％；以及
形成于铜镍合金层上的钯或钯合金层。
2、根据权利要求1所述的半导体引线框架，其特征在于，它还包括：在金属衬底和铜镍合金层之间的一层铜镀层。
3、根据权利要求2所述的半导体引线框架，其特征在于，它还包括：在铜镍合金层与钯或钯合金层之间的一层钯镍合金层。
4、根据权利要求1所述的半导体引线框架，其特征在于，它还包括：在铜镍合金层与钯或钯合金层之间的一层钯镍合金层。
5、根据权利要求1所述的半导体引线框架，其特征在于，所说的铜镍合金层的厚度为0.01至5微米。
6、根据权利要求1所述的半导体引线框架，其特征在于，所说的钯或钯合金层的厚度为0.01至3微米。
7、一种具有多层镀层的半导体引线框架的制造方法，其特征在于，它包括以下步骤：
(a)制备一个金属衬底；
(b)在金属衬底上镀一层铜镍合金层，其中铜镍合金的铜含量为总重量的20～80％；
(c)在铜镍合金层上镀一层钯或钯合金镀层。
8、根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，它还包括：在金属衬底和铜镍合金层之间镀一层铜的镀层的步骤。
9、根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，在所述步骤(b)中，铜镍合金层是在混合有镍盐、铜盐、络合剂和添加剂的镀浴中形成的。
10、根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，所说的镍盐是浓度为0.1至1.0mol/l的氯化镍(NiCl2)或氨基磺酸镍(Ni(NH2SO3)24H2O)；所说的铜盐是浓度为0.02至0.2mol/l的硫酸铜(CuSO45H2O)或焦磷酸铜(Cu2P2O73H2O)；络合剂是浓度为0.3至1.0mol/l的二磷酸钾(K4P2O7)；添加剂是浓度为0.1至0.5mol/l的四硼酸钠(Na2B4O7)。
11、根据权利要求10所述的制造方法，其特征在于，镀浴的温度在44℃与55℃之间，加于镀液的电流密度为1至3.0A/dm2，pH值在9.75和9.80之间。
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