JP2001110971A - 半導体パッケージ用リードフレーム及びその製造方法 - Google Patents
半導体パッケージ用リードフレーム及びその製造方法Info
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Abstract
層に形成される最外部めっき層が改善されたリードフレ
ーム及び該リードフレームの製造方法を提供する。 【解決手段】 金属基板の上面にNiまたはNi合金を
用いて保護層を形成し、前記保護層の上面にPdまたは
Pd合金よりなる中間層を形成し、前記中間層の上面に
PdとAuを交互にめっきすることによってPd粒子と
金粒子が共存する混合層を最外層として形成することに
よってリードフレームを形成する。これにより、ワイヤ
ボンディング性、はんだ付け性及び樹脂との接着性が向
上したリードフレームが得られ、かつ製造コストも低下
させることができる。
Description
リードフレームと該リードフレームの製造方法に関する
ものであり、特に、金属基板の表面に形成される最外部
めっき層が改善されたプリめっきリードフレーム(Pre-
Plated lead Frame)及び該リードフレームのめっき方
法に関するものである。
導体パッケージを構成するものであって、半導体チップ
を支持すると同時にチップと外部回路とを電気的に接続
する。
されている。図に示すように、リードフレーム10はパ
ッド11、内部リード(inner lead)12及び外部リー
ド(outer lead)13を具備する。通常、このようなリー
ドフレームはスタンピング(stamping)またはエッチング
によって製造することができる。
半導体チップ15が設けられ、このチップ15は内部リ
ード12とワイヤボンディングで接続され、外部リード
13は外部回路と電気的に接続される。次いで、前記チ
ップ15と内部リード12とが樹脂14でモールディン
グされて半導体パッケージ16を形成する。
て、前記チップ15と内部リード12とのワイヤボンデ
ィング特性、及びパッド11の特性を向上させるべく、
パッド11と内部リード12の端部を銀(Ag)のよう
な金属でめっきする。また、プリント回路基板(PC
B)への半導体パッケージの実装時のはんだ付け性を向
上させるために、外部リード13の所定領域にすず(S
n)及び鉛(Pb)からなるはんだを塗布する。しか
し、このようなめっきやはんだ付けは、樹脂モールディ
ングの後に湿式プロセスによって行われるため、製品の
信頼性が低下する問題がある。
ームの使用が提案された。このプリめっき技術では、半
導体パッケージプロセスの前に、リードフレームにはん
だ濡れ性(solder wettability)に優れた材料を予めめ
っきして、めっき層を形成する。
されたリードフレームの一例を示す図である。日本国特
許第1501723号に開示されたこの従来のリードフ
レーム20では、図3に示すように、銅(Cu)または
銅合金からなる金属基板21上に、中間層のニッケル
(Ni)めっき層22と最外層のパラジウム(Pd)め
っき層23とが順次積層されている。
0では、金属基板21のCuまたはFe成分がリードフ
レームの表面に拡散して銅酸化物または銅硫化物が生成
されるのを、Niめっき層22が防止する。また、前記
Pdめっき層23は、はんだ付け性に優れた材料から形
成されたものであり、Niめっき層22の表面を保護す
る役目を果たす。
は、めっきを行う前に前処理を行なうが、金属基板21
の表面に欠陥が存在する場合、欠陥の無い他の領域と比
較して欠陥部分の表面のエネルギーが高くなるため、こ
の欠陥部分においてはNiめっき層のめっきが局部的に
他の領域より急速に進行し、他の領域との統一性が低下
して、めっき層の表面が粗くなる。特に、欠陥部分に形
成されたNiめっき層の表面にPdめっき層を電気めっ
きする場合、Pdの析出電位が水素の析出電位に近いた
めに、Pdめっきの際にPdめっき層に多量の水素の泡
が混入し、このためPdめっき層の欠陥が更に悪化す
る。このようなPdめっき層の欠陥によってNiめっき
層の酸化が起こるとともに、ワイヤボンディング性及び
はんだ付け性が低下する。このような欠陥の他、半導体
パッケージ製造のための熱プロセスにより、リードフレ
ームにおける層間の拡散が生じ、はんだ付け性が低下す
る問題が生ずることがある。また、熱プロセスによって
最外層のPdめっき層の表面の酸化が起こり、Pdの本
来の良好なはんだ付け性が低下し得る。
リめっき技術によって製造される別のリードフレームの
例を図4に示す。図4に示すリードフレーム20’で
は、Pdめっき層23の上面に金(Au)の薄膜層24
が形成されている。この例では、Auの高い耐酸化性を
利用してPdめっき層23の表面の酸化を効果的に防止
し、はんだ付け性を向上させている。
めっきすることによって、半導体パッケージ製造におけ
る熱プロセスによってPdめっき層の表面が酸化される
のを防止し、完成した半導体パッケージを基板に実装す
る際のはんだ付け性の低下の問題を解決しようとしてい
る。Auをめっきすることに加えて、Auをめっきする
層の表面の形状が、Auめっきの効果を改善するために
重要な点である。しかし、既存のAuめっき技術では、
Pdめっき層上に均一なめっき層を形成するのが困難で
ある。また、Pdの酸化を防止するために、Auめっき
層は、通常少なくとも7.62nm(0.3マイクロイ
ンチ)の厚みに形成する。しかし、このような厚いAu
めっき層は、半導体アセンブリ用のEMC(Epoxy Mold
ing Compound)樹脂でモールディングへの悪影響、具体
的にはリードフレームの最外層のAuめっき層とモール
ディング樹脂の接着に悪影響を及ぼす。一般に、EMC
樹脂のモールディングにおいて、EMC樹脂は純粋な金
属や合金との親和性が低い。また、AuはPdと比較し
て耐酸化性が高いため、EMCモールドとAuめっき層
との接着性が低下する。このようにAuめっき層と樹脂
との接着性が低いために、モールド剥離不良が起こりや
すくなり、製品の信頼性が低下する。
面に厚くめっきすることは、コストが嵩む原因となる。
また、Pdの酸化防止層としてのAuめっき層によっ
て、半導体チップのダイへの接着力が相対的に低下す
る。但し、Auめっき層によって、はんだ付けの際のは
んだ濡れ性を、従来のリードフレームと比較して向上す
るが、はんだ付けの際に起こるAuめっき層のAuと錫
(Sn)との相互作用により、Auめっき層が局部的に
脆性を有することになり、PCBに実装後の外部の衝撃
によりはんだ付け部位が破損しやすくなる。
っき、即ち外部リード部分のみをAuめっきすることが
提示されたが、このような局部めっきには、マスクを通
してめっきを行うことが必要なので、生産性を低下させ
るとともに、そのためのコストが嵩むことになる。この
ため、Auめっきのためのコストを犠牲にして、中間P
dめっき層の酸化防止のために中間Pdめっき層上全体
へのAuめっきが行われてきた。
米国特許第5,767,574号に開示されている。こ
のリードフレームでは、金属基板の上面にNiめっき層
が形成され、このNiめっき層の上面にPd薄膜層を形
成され、最外部にPd合金めっき層が形成されている。
前記Pd合金めっき層はAuとPdの合金からなる層で
あり、これによりPdの酸化の問題及びAuのコストの
問題が解決することができる。このリードフレームで
は、最外層にAuを限定的に用いることにより、半導体
パッケージの樹脂接合性を向上させ、プリント回路基板
への実装後に局部的な破損が生ずる可能性を最小限にし
ている。しかし、前記最外層の形成において、Pdベー
スの最外層にAuをめっきする際、最外層に水素の気泡
が入るのを効果的に防止することは困難である。最外層
において水素気泡が原因で孔が生ずると、最外層が、下
層をなすPdめっき層を効果的に保護することができな
くなる。更に、この孔の存在のために、熱プロセスの際
に、ワイアボンディングの強度(wire bonding strengt
h)とはんだ付け性が低下する。
解決するためのものであって、はんだ付け性、ワイヤボ
ンディング性及び半導体パッケージの樹脂接合性を同時
に向上させ、Pd層の保護機能を高めた半導体パッケー
ジ用リードフレーム及び該リードフレームの製造方法を
提供するにその目的がある。
に、本発明によれば、金属基板の上面にニッケル(N
i)またはニッケル(Ni)合金よりなる保護層を形成
する段階と、前記保護層の上面にパラジウム(Pd)ま
たはパラジウム(Pd)合金よりなる中間層を形成する
段階と、前記中間層の上面にパラジウム(Pd)と金
(Au)とを交互にめっきすることによってPd粒子と
Au粒子とが共存する混合層を最外層として形成する段
階とを含むことを特徴とする半導体パッケージ用リード
フレームの製造方法が提供される。
u、Pd、Auの順にめっきするか、或いはAu、P
d、Au、Pdの順にめっきするのが好ましい。
パルス電流を印加することにより、前記中間層の核形成
部位にもにみPdをめっきし、次いで堆積したPd粒子
の間の空間を埋めるようにAuを堆積させる。Au析出
電位がPd析出電位より低いため、Pd粒子の間へのA
uの電気めっきが容易に行えることになる。
の上面に形成されたパラジウム(Pd)よりなる中間層
と、前記中間層の表面の一部が露出されるように前記中
間層の表面上に部分的に形成された金(Au)または金
(Au)合金めっき部とを含んでなることを特徴とする
半導体パッケージ用リードフレームが提供される。
ル(Ni)またはニッケル(Ni)合金よりなる保護層
と、前記保護層の上面に形成されたパラジウム(Pd)
及び金(Au)よりなる最外層とを有することを特徴と
する半導体パッケージ用リードフレームが提供される。
及びAuまたはAu合金めっき部の形成においては、高
いパルス電流の印加、スパッタリングまたは化学蒸着技
術が用いられる。
明の実施の形態について詳細に説明する。
レームの好ましい実施例の1つを図5に示す。図に示す
ように、銅(Cu)、Cu合金または鉄−ニッケル(F
e−Ni)系合金の何れかで形成された金属基板31の
上面に、ニッケル(Ni)またはNi合金よりなる保護
層32が形成される。前記保護層32の上面にはパラジ
ウム(Pd)またはPd合金よりなる中間層33が形成
され、中間層33の上面には、Pd粒子とAu粒子とを
含む最外層34が形成される。前記最外層34はPdま
たはAuを交互にめっきすることによって形成すること
ができる。
を図6に示す。図6のリードフレーム40は、金属基板
41と、金属基板41の上面に形成された、Niまたは
Ni合金よりなる保護層42と、保護層42の上面に形
成された、Pd粒子とAu粒子とを含む最外層43とを
含む。
属は、Pd及びAuに限定されない。例えば、Auの代
りにAgを使用し得る。
らに別の実施例を示す。図に示すように、リードフレー
ム50では、金属基板51の上面にNiまたはNi合金
よりなる保護層52が形成され、保護層52の上面には
PdまたはPd合金よりなる中間層53が形成される。
Pd及びPd合金よりなる中間層53の上には、図8に
示すように、部分的にAuまたはAu合金が薄くめっき
されためっき部54が形成される。前記めっき部54の
厚みは、原子数個分の高さに等しい厚みである。図8に
示すように、中間層53の上面に部分的にめっき部が形
成されると、前記中間層53の表面にはめっき部54の
領域と、めっきされずに露出された領域とが形成される
ことになる。前記Au合金としてはAu−Pd、Au−
Ag合金等が望ましい。
一実施例を図9A乃至図9Cに示す。本発明のリードフ
レームの製造方法では、まず、図9Aに示すように、リ
ードフレーム30を作るためのCu、Cu合金、または
Fe系合金からなる金属基板31を用意し、この金属基
板31の上面にNiまたはNi合金よりなる保護層32
を形成する。次に、図9Bに示すように、前記保護層3
2の上面にPdまたはPd合金を用いて中間層33を形
成する。ここで、前記保護層32と中間層33をめっき
するためには、パルス電流を印加することにより、或い
はスパッタリング法または真空蒸着法によってめっきす
る。次に、中間層33の上面に、Pd粒子とAu粒子が
共存する最外層34を形成する(図9C参照)。最外層
34は、パルス電流を印加してめっきすることにより形
成する。即ち、電流密度及びめっき処理時間を調節する
ことにより、保護層32上の核形成部位にのみパラジウ
ム(Pd)を堆積させ、中間層33の表面上にPd粒子
がスポット状に点在するようにする。
被着されたPd粒子の間の空間を堆積したAuが埋める
ようにする。Au析出電位がPd析出電位より低いた
め、Pd粒子の間へのAuの電気めっきが容易に行える
ことになる。Auの電気めっきの終了後、再度Pdを堆
積させて、AuとPd粒子の間に存在し得、不安定なリ
ードフレームが形成される原因になり得る孔、つまりマ
イクロクラックをPdで埋め、中間層33の上の最外層
34が完成する。
に、図8に示すように、中間層53の上に分散させた複
数のめっき「部」54を、AuまたはAu合金のめっき
により形成することもできる。
順またはAu、Pdの順に交互にめっきすることによっ
て、本発明のリードフレームのPdとAuの粒子が共存
する最外層34を形成することができる。この最外層を
形成する電気めっき過程の間にパルス電流を印加する
が、このパルス電流は、所定の時間間隔で周期的に正の
パルス波が流れる矩形波電流である。或いは、このパル
ス電流は、所定の時間間隔で周期的に正負が逆転する反
転パルス矩形波電流であり得る。この場合、正のパルス
と負のパルスとの間に所定の時間間隔をおいてもよい。
また、このパルス電流の波形は、正のパルスと負のパル
スが交番するとともに、正のパルス及び負のパルスのそ
れぞれが小さいパルス列で変調されてもよい。
りなる中間層53の平坦性を向上させるべく、リードフ
レーム50を高速パルスを印加することによって形成す
る。また中間層53の上面の、AuまたはAu合金より
なるめっき部54の形成は、高速パルス電流を印加する
ことにより、或いはスパッタリングまたは蒸着等により
行うことができる。
用いた半導体パッケージの製造では、熱プロセスにおい
てNiまたはNi合金よりなる保護層32のNiが最外
層34に拡散するのを中間層33によって遮断できるの
で、リードフレームの酸化や腐蝕を防止することができ
る。
34、または前記めっき部54が形成された中間層53
の上面ではPd粒子とAu粒子が共存しており、Auと
Pdの優れたワイヤボンディング性が得られる。また、
初期熱プロセスで酸化されるPdが占める最外層上の面
積が小さくなるので、ワイヤボンディングにおける従来
の問題点を解消し得る。また、ワイヤボンディング後に
Pdが酸化されるため、最外層34の表面とモールド樹
脂との親和力が向上し、優れた樹脂接合性が得られる。
また、PdとAuとを交互にめっきすることによって水
素の気泡が除去され、Pdからなる中間層33の保護機
能が向上する。また、最外層34におけるPdとAuの
相互作用により、最外層をAuのみで形成した場合と比
較して、はんだ付け性とボンディング性が向上する。ま
た、AuまたはAu合金層はできる限り薄く形成するの
で、コストの嵩む貴金属のAuの使用量を少なくし、製
造コストを減らすことができる。
以下の実施例によって示す。
Pdめっき中間層を5.08nm(0.2マイクロイン
チ)の厚さに形成し、その上面にPd粒子とAu粒子が
共存する最外層を形成したものを使用した。比較例とし
てはPd中間層上にAuのみをめっきした最外層を有す
る第1比較例と、Pdめっき層を最外層とする第2比較
例と、Pd中間層上にPd−Auをめっきした第3比較
例とを使用した。
間ベーキングし、270℃で1時間硬化させて、フレー
ムのリードを曲げ加工(bending)した後、175℃で
1時間硬化させた。そして、95℃で8時間スチームエ
ージング処理(steam aging)を行った。ワイヤボンデ
ィング力の試験では、ボンディングに使用したAuワイ
ヤの直径は1mmで、チップ部位及び内部リードに加え
られたボンディングパワー(bonding power)及びボン
ディング力(bonding force)は、各々90mW、10
0mN及び90mW、100mNであった。そして、チ
ップ部位と内部リードにおけるボンディング時間は各々
15ミリ秒と20ミリ秒であった。
対して、リードフレームの内部リードとチップのボンデ
ィング部中間地点で引張り試験を行った。破断強度と各
リードの表面のはんだ付け性に対する測定結果を表1に
示す。
ィング性とはんだ付け性が大きく向上していることが分
かる。
Pdめっき中間層を5.08nm(0.2マイクロイン
チ)の厚さに形成し、その上面にPd粒子とAu粒子が
共存する最外層を形成したものを使用した。比較例とし
ては、Pdめっき中間層を20.32nm(0.8マイ
クロインチ)の厚みに形成し、その上にAuをめっきし
た最外層を形成した第1比較例と、5.08nm(0.
2マイクロインチ)の厚さに形成したPdめっき層の上
に層を形成せず、Pd層を最外層とした第2比較例とを
使用した。
間ベーキングした。ワイヤボンディング力の試験では、
ボンディングに使用したAuワイヤの直径は1mmで、
チップ部位及び内部リードに加えられたボンディングパ
ワー及びボンディング力は各々90mW、100mN及
び90mW、100mNであった。そして、チップ部位
と内部リードにおけるボンディング時間は各々1ミリ秒
と20ミリ秒である。
対して、リードフレームの内部リードとチップのボンデ
ィング部の中間地点で引張り試験を行った。破断強度と
各リードの表面に対するはんだ付性についての測定結果
を表2に示す。
ィング性とはんだ付け性が大きく向上していることが分
かる。
樹脂との接着力を試験した。実施例1に使用した本発明
のリードフレームと第1、2比較例を使用し、市販の2
種の熱硬化性樹脂(SL7300及びT16BC)によ
りモールディングを行った後にリードフレームと樹脂と
の接着力を試験した。試験の結果を図10に示す。
発明のリードフレームのAuとPd粒子が共存する最外
層と樹脂との間の接着力が最大となることが分かった。
上にNiよりなる保護層及びその上のPdよりなる中間
層とを各々762nm(30マイクロインチ)及び2
0.32nm(0.8マイクロインチ)の厚さに形成
し、その上に約0.762nm(約0.03マイクロイ
ンチ)の厚さのAuまたはAu合金よりなるめっき部
を、それが分散して存在するように形成したものを使用
した。
レームの上に全体にAuまたはAu合金よりなるめっき
部が7.62nm(0.3マイクロインチ)の厚さに形
成されたものを使用し、第2比較例として、Niよりな
る保護層とPdよりなる中間層を各々762nm(30
マイクロインチ)と25.4nm(1.0マイクロイン
チ)の厚さに形成し、その上にめっき部を有していない
ものを使用した。
を275℃で1時間硬化させ、フレームのリードを曲げ
加工した後、再び175℃で2時間硬化させ、95℃で
8時間スチームエージングを行った。一方、ワイヤボン
ディング力の試験では、ボンディングに使用したAuワ
イヤの直径は1mmであり、チップ部位及び内部リード
におけるボンディングパワーとボンディング力は各々9
0mW、100mN及び90mW、100mN、ワイヤ
ボンディングを行った温度は215℃であった。そして
チップ部位と内部リードにおけるボンディング時間は各
々15ミリ秒と20ミリ秒であった。
245℃のRフラックス(flux)に5秒間浸漬して
取り出した後に外部リード部分に残留するフラックスの
割合(%)の測定し、次に上記の条件でボンディングさ
れたワイヤに対して、リードフレームの内部リードとチ
ップのボンディング部の中間地点で引張り試験を行い、
破断強度を測定した。測定結果を図11に示す。
性を表し、線はワイヤボンディング力、即ちワイアボン
ディング強度を表す。第1比較例は60%のはんだ付け
性と、2.69gfのワイヤボンディング強度を示し、
第2比較例は80%のはんだ付け性と2.69gfのワ
イヤボンディング強度を示す。一方本発明のリードフレ
ームは100%のはんだ付け性と5.91gfのワイヤ
ボンディング強度を示す。
さくなるにつれてワイヤボンディングに用いられるキャ
ピラリーのサイズも小さくなるとともに、ボンディング
時加えられるパワーや力が小さくなる。このような小さ
いパワーや力を用いる場合の、本発明によるリードフレ
ームと従来のリードフレームのボンディング強度を比較
した。
80マイクロメートルであり、本発明によるリードフレ
ームとして、Pd中間層のめっき厚さを25.4nm
(1.0マイクロインチ)に形成し、その表面にめっき
部を前述した方法により形成したものを使用した。比較
例には、最外部のPdめっき部を30.47nm(1.
2マイクロインチ)の厚さに形成したものを使用した。
ボンディングに使われたワイヤの直径は0.8mm、ボ
ンディング時の温度は200/220℃、パワーは60
/80mW、力は60/80mN、ボンディング処理時
間は15/20ミリ秒であった。
す。表3のように、本発明のリードフレームのボンディ
ング力の最小値は3gfであって比較例の1.75gf
より向上していることが分かった。
す実施例は例示的なものに過ぎず、当業者であれば様々
な実施形態の改変が可能であることを理解できるであろ
う。従って、本発明の真の範囲は特許請求の範囲の記載
のみによってにのみ決まるものである。
構造を有するリードフレームは、Auめっき層が有する
長所とPdめっき層が有する長所とを兼ね備えており、
従来のリードフレームと比較してワイヤボンディング
性、はんだ付け性及び樹脂との接着性が向上し、かつ製
造コストも低下させることができる。
視図である。
断面図である。
す断面図である。
例を示す断面図である。
斜視図である。
フレームの製造方法における一段階を示す断面図であ
る。
の接着力を示すグラフである。
け性を示すグラフである。
Claims (7)
- 【請求項1】 金属基板の上面にニッケル(Ni)ま
たはニッケル(Ni)合金よりなる保護層を形成する段
階と、 前記保護層の上面にパラジウム(Pd)またはパラジウ
ム(Pd)合金よりなる中間層を形成する段階と、 前記中間層の上面にパラジウム(Pd)と金(Au)と
を交互にめっきすることによってPd粒子とAu粒子と
が共存する混合層を最外層として形成する段階とを含む
ことを特徴とする半導体パッケージ用リードフレームの
製造方法。 - 【請求項2】 前記最外層のめっきを行う際に、P
d、Au、Pd、Auの順にめっきするか、或いはA
u、Pd、Au、Pdの順にめっきすることを特徴とす
る請求項1に記載の半導体パッケージ用リードフレーム
の製造方法。 - 【請求項3】 金属基板の上面に形成されたニッケル
(Ni)またはニッケル(Ni)合金よりなる保護層
と、 前記保護層の上面に形成されたパラジウム(Pd)より
なる中間層と、 前記中間層の上面に形成された、Pd粒子とAu粒子と
が共存する最外層とを含んでなることを特徴とする半導
体パッケージ用リードフレーム。 - 【請求項4】 金属基板の上面に形成されたニッケル
(Ni)またはニッケル(Ni)合金よりなる保護層
と、 前記保護層の上面に形成された、パラジウム(Pd)粒
子と金(Au)粒子とが共存する混合層である最外層と
を含んでなることを特徴とする半導体パッケージ用リー
ドフレーム。 - 【請求項5】 金属基板の上面にニッケル(Ni)ま
たはニッケル(Ni)合金よりなる保護層と、 前記保護層の上面に形成されたパラジウム(Pd)より
なる中間層と、 前記中間層の表面の一部が露出されるように前記中間層
の表面上に部分的に形成された金(Au)または金(A
u)合金めっき部とを含んでなることを特徴とする半導
体パッケージ用リードフレーム。 - 【請求項6】 前記めっき部の厚さが、0.762n
m(0.03マイクロインチ)以下であることを特徴と
する請求項5に記載の半導体パッケージ用リードフレー
ム。 - 【請求項7】 前記Au合金が、金−パラジウム(A
u−Pd)合金または金−銀(Au−Ag)合金である
ことを特徴とする請求項5に記載の半導体パッケージ用
リードフレーム。
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