專利名稱：具有后模制鍍鎳/鈀/金的引線的半導體裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明大體上涉及半導體裝置和工藝的領域，且更明確地說，涉及用于集成電路裝 置和半導體組件的引線框的材料和制作。
背景技術：
半導體裝置的引線框提供用于穩(wěn)固地定位半導體芯片的穩(wěn)定支撐墊，所述半導體芯 片通常是位于封裝內的集成電路(IC)芯片。由于引線框(包括墊)由導電材料制成， 因而當需要時，所述墊可被偏壓到包含半導體裝置的網(wǎng)路所要求的任何電位，特別是接 地電位。
另外，引線框提供多個傳導區(qū)段以使各種導電體緊密靠近芯片。所述區(qū)段的內部尖 端與IC表面上的接觸墊之間的剩余間隙是橋接連接器，所述橋接連接器通常是個別接合 到IC接觸墊和引線框區(qū)段的薄金屬線。因此，引線材料必須適于針腳式附接所述連接器。
并且，遠離IC芯片的引線區(qū)段末端("外部"尖端)需要電性和機械性地連接到外部
電路，例如連接到組裝印刷電路板。在壓倒多數(shù)的電子應用中，此附接通過焊接執(zhí)行，
常規(guī)上使用鉛一錫(Pb/Sn)共晶焊料在210'C到220'C范圍內的回焊溫度下執(zhí)行。
最后，引線框提供用于封裝敏感芯片和易碎連接線的框架。由于成本較低，使用塑
料材料而并非金屬罐或陶瓷來進行封裝己成為優(yōu)選的方法。在175"C下進行的環(huán)氧基熱固
性化合物的傳移模制過程已被實踐多年。用于模制和模型固化(聚合)的溫度175'C可與
用于共晶焊料回焊的21(TC到22(TC的溫度兼容。
在潮濕環(huán)境中進行的可靠性測試要求模制化合物對引線框和其封裝的裝置部件具有
良好的粘附性。對良好粘附性的兩個主要貢獻因素是模制化合物對引線框的金屬的化學
親和性以及引線框的表面粗糙度。
近來在電子工業(yè)中避免使用Pb而使用無Pb焊料的大體趨勢將回焊溫度范圍推向約
26(TC附近。此較高的回焊溫度范圍使得較難維持在潮濕條件下進行可靠性測試期間避免
裝置分層所需要的模制化合物對引線框的粘附性。對于此溫度范圍，已知的引線框未提
供具有良好粘附性以及低成本、簡易制造性和晶須避免的金屬化。
用金屬薄片(約120jam到250 Hm)制造單片引線框已成為習慣作法。由于易于制造 的原因，通常選用的起始金屬為銅、銅合金和鐵一鎳合金(例如，所謂的"合金42")。從原始薄片蝕刻或沖壓出所需的引線框形狀。以此方式，引線框的個別區(qū)段呈現(xiàn)薄金屬 條帶的形式，其特定幾何形狀由設計決定。對于大多數(shù)目的來說，典型區(qū)段的長度顯著 地長于其寬度。
己展示需要對引線框起始金屬進行鎳鍍敷，因為鎳降低具有鍍錫引線的裝置中的錫 樹枝狀結晶/晶須生長的傾向，而這種傾向是普遍擔心的故障現(xiàn)象。然而，鎳對于大多數(shù) 模制化合物具有較差的粘附性。因此，其通常涂覆有鈀或金薄層。然而，在半導體制造 中降低成本的壓力需要謹慎地使用貴金屬。
發(fā)明內容
因此，需要低成本、可靠的引線框到模制化合物的組合粘附性、用于連接線的接合 能力和避免錫樹枝狀結晶生長的風險。當所述引線框及其制作方法成本較低且具有足夠 的靈活性以應用于不同的半導體產(chǎn)品系列和廣泛的設計和裝配變化，且在達到改進過程 良率和裝置可靠性的目標方面取得改進時，存在技術優(yōu)勢。當使用已安裝的設備基座完 成這些創(chuàng)新以使得不需要投資于新型制造機器時，存在另外的技術優(yōu)勢。
本發(fā)明的一個實施例是一種半導體裝置，其具有由基底金屬、芯片安裝墊和多個引 線區(qū)段組成的引線框。所述區(qū)段中的每一者具有接近安裝墊的第一末端和遠離安裝墊的 第二末端。所述裝置進一步具有附著于所述安裝墊的半導體芯片和位于所述芯片與第一 區(qū)段末端之間的電互連。封裝材料覆蓋芯片、接合線和第一區(qū)段末端，然而使第二區(qū)段 末端保持暴露。第二區(qū)段末端的至少若干部分的基底金屬由可軟焊金屬層和犧牲貴金屬 最外層覆蓋。
優(yōu)選的引線框基底金屬是銅或鐵一鎳合金，優(yōu)選的可軟焊金屬是鎳，且優(yōu)選的貴金 屬是鈀層與金層的堆疊。
本發(fā)明的另一實施例是一種用于制作半導體裝置的方法，所述方法以提供包含基底 金屬、安裝墊和多個引線區(qū)段的引線框開始；所述區(qū)段中的每一者具有接近安裝墊的第 一末端和遠離安裝墊的第二末端。接下來，提供半導體芯片，且將其附著于安裝墊；接 著分別通過接合線或回焊元件將所述芯片與第一區(qū)段末端進行電連接。接下來，封裝所 述芯片、所述接合線和所述第一區(qū)段末端，然而第二區(qū)段末端仍保持暴露。
在優(yōu)選的方法中，接著將第二區(qū)段末端的基底金屬電解電鍍上可軟焊金屬層，且此 后電解電鍍上貴金屬層；且最后將所述第二區(qū)段末端進行修整和成形?；蛘?，緊跟封裝
步驟之后對第二區(qū)段末端進行修整和成形，且最后將已成形的第二區(qū)段末端的基底金屬 無電鍍敷上可軟焊金屬層，且此后無電鍍敷上貴金屬層。技術優(yōu)勢在于，根據(jù)本發(fā)明，在外部區(qū)段末端的鍍敷中不涉及錫；因此，不存在形 成晶須的風險。
另一技術優(yōu)勢在于，封裝化合物與所封裝裝置內部的裸露引線框基底金屬(優(yōu)選為 銅或鐵一鎳合金)直接接觸。此事實代表裝置部件之間的良好粘附性的最佳條件。
當結合附圖和所附權利要求書中陳述中的新穎特征考慮時，從下文對本發(fā)明優(yōu)選實 施例的描述中，將容易了解本發(fā)明特定實施例所代表的技術進步。
圖l說明本發(fā)明的一實施例的示意橫截面，其展示具有根據(jù)本發(fā)明加以鍍敷的暴露引 線的模制半導體裝置。
圖2說明本發(fā)明的另一實施例的示意橫截面，其展示具有根據(jù)本發(fā)明加以鍍敷的暴露 引線的另一模制半導體裝置。
具體實施例方式
圖1和圖2說明并入有本發(fā)明實施例的引線框的半導體裝置應用的實例。兩個實例均 是模制表面安裝裝置，圖l為小輪廓封裝，其具有海鷗翼形外部引線區(qū)段且內部具有線接 合的芯片，且圖2為小輪廓封裝，其具有海鷗翼形外部引線區(qū)段且內部具有倒裝芯片裝配 組件。
在圖l的示意性橫截面中，裝置(一般標示為100)具有半導體芯片101和適合于線接 合的多個接合墊102。在圖2的示意性橫截面中，裝置(一般標示為200)具有半導體芯片 201和適合于回焊金屬(例如，焊料)附著的多個接合墊202。在兩圖中，芯片均裝配在 引線框上。
如本文所定義，引線框的起始材料稱為"基底金屬"，其指示金屬類型。因此，術語 "基底金屬"不應從電化學意義(如與"貴金屬"相對)或結構意義上來解釋。
在圖1中，引線框由基底金屬110組成，且具有芯片安裝墊103和多個引線區(qū)段104的 結構元件。每一區(qū)段104具有接近芯片安裝墊103的第一末端104a和遠離芯片安裝墊103的 第二末端104b。第一區(qū)段末端104a可在一個表面上具有金屬層點105以促進基底金屬的接 合能力用于線互連；對于點105的優(yōu)選金屬選擇是鍍得較薄的銀。
在圖2中，引線框由基底金屬210組成，且僅具有多個引線區(qū)段204的結構元件，而不 具有芯片安裝墊。每一區(qū)段204具有接近芯片201的第一末端204a，藉此每一第一末端204a 專用于特定芯片接合墊202。圖2并不顯示每一第一末端204a及其到芯片接合墊202的具體 分配，而是以示意性虛線輪廓概述所有第一末端204a。圖2中的每一引線區(qū)段204進一步具有遠離芯片201的第二末端204b。
圖1和圖2中的引線框的優(yōu)選基底金屬為銅或銅合金。其它替代物包括黃銅、鋁、鐵 一鎳合金(實例為所謂的合金42)和殷鋼。
通常，基底金屬110和210源于優(yōu)選厚度范圍為100 nm到300 (am的金屬薄片；更薄的 薄片也是可能的。此厚度范圍內的延展性提供5%到15%的伸長率，其促進區(qū)段彎曲和成 形操作。從起始金屬薄片沖壓或蝕刻得到引線框。
在圖1中，使用粘著材料106 (通常是必須經(jīng)過聚合的環(huán)氧樹脂或聚酰亞胺)將半導 體芯片101附著到芯片墊103。電互連107跨越芯片接合墊102與第一區(qū)段末端104a (具體 來說，引線框點105)之間的間隙。優(yōu)選的接合技術為線球接合；替代方法包括帶式接合 和楔式接合。由針腳接頭107a提供與點105的接觸?？蓮?例如)金、銅、鋁及其合金或 其它適合的導電互連中選擇接合線。這些金屬中的任一者為本發(fā)明的引線框區(qū)段提供可 靠的焊接。
在圖2中，芯片墊202與區(qū)段第一末端204a之間的電互連由回焊金屬元件207 (例如， 焊球)提供。為了促進回焊過程并提供可靠的焊接點，第一末端204a可具有(例如)由 鈀或金制成的用以增強焊接能力的薄層金屬點(圖2中未圖示)。優(yōu)選的回焊金屬包括錫 和錫合金，例如錫/銅、錫/銦、錫/銀、錫/鉍和錫/鉛。另一替代物為銦。
在圖1和圖2中，封裝材料120和220分別覆蓋芯片(101和201)、互連(107和207)和 第一區(qū)段末端(104a和204a)，但使第二區(qū)段末端(104b和204b)保持暴露。通常，封裝 材料120和220是環(huán)氧基模制化合物(其填充有例如氧化鋁等無機填充物)，其適合粘附于 硅和引線框表面。所述模制化合物需要延長的聚合周期("固化"；通常在175'C下進行5 到6小時)。
如圖1和圖2示意性說明，第二區(qū)段末端104b和204b的至少若干部分的基底金屬110和 210分別由可軟焊金屬層與貴金屬最外層的堆疊所覆蓋。在圖1中，所述可軟焊金屬層被 標示為130，且在圖2中，可軟焊金屬層被標示為230。所述貴金屬最外層分別被標示為140 和240。
優(yōu)選的可軟焊金屬為鎳或鎳合金；厚度范圍優(yōu)選地為0.5 nm到2.0(im。優(yōu)選的最外層 金屬為鈀或金；或者，可能具有兩個連續(xù)層，即，與鎳層接觸的鈀層，接著是位于所述 鈀層上方的最外金層。鈀層的優(yōu)選厚度范圍為O.Ol nm到O.lO 金層的優(yōu)選厚度范圍為 0.003 nm到0.015 pm。在用于附接所述裝置的焊料回焊過程中，鈀層和/或金層是犧牲的 且溶解到液態(tài)焊料中。典型焊料包括錫或錫合金，例如錫/銀、錫/銅、錫/銦、錫/鉍或錫/鉛；或者，銦可用作焊料。
本發(fā)明的另一實施例是一種用于制作具有后模制鍍鎳/鈀/金的引線的半導體裝置的 方法。所述方法以提供具有多個接合墊的半導體芯片開始。
接下來，提供由基底金屬組成且具有多個引線區(qū)段的引線框，其中這些區(qū)段中的每 一者具有接近芯片的第一末端和遠離芯片的第二末端。優(yōu)選的基底金屬為銅。優(yōu)選地，
以由條帶形軌條連接的多個個別引線框的條帶形式提供引線框。
下一工藝步驟將芯片接合墊分別與第一區(qū)段末端進行電連接。在某些裝置中，通過 線接合來提供此連接，在其它裝置中通過回焊元件(例如，焊球)來提供此連接。
在下一工藝步驟中，通過轉移模制技術將芯片、互連和第一區(qū)段末端封裝在(例如) 模制化合物中。然而，所述封裝材料使第二區(qū)段末端保持暴露。所述裝置仍具有引線框 的條帶形式。此后，對暴露的區(qū)段末端進行修邊和清潔，且接著通過還原暴露的引線金 屬的表面上的氧化物來激活所述暴露的區(qū)段末端。
下一工藝步驟采用電解電鍍以在第二區(qū)段末端的基底金屬上沉積可軟焊金屬層，接 著沉積犧牲貴金屬層。優(yōu)選的可軟焊金屬為鎳，且優(yōu)選的犧牲金屬包含貴金屬鈀和金。 對于電鍍過程，將多個引線框條帶懸掛成一行以暴露于電鍍槽中的電鍍溶液，同時施加 電偏壓。引線框條帶上的所有暴露的金屬經(jīng)電連接且因此允許電解電鍍。接著沖洗并干 燥引線框條帶。
所述工藝流程中的最后步驟包含修整和成形第二區(qū)段末端的操作(當然，保存來自 這些操作的所有廢料以回收寶貴的金屬)。所述修整步驟去除引線框連接軌條并使所述裝 置單一化，且所述成形步驟導致(例如)圖1和圖2所說明的區(qū)段的海鷗翼形狀。
以上工藝流程是優(yōu)選的工藝流程；其在模制步驟之后執(zhí)行電鍍步驟。替代的工藝流 程在修整/成形步驟之后執(zhí)行電鍍步驟。此流程如下進行-
所述方法以提供具有多個接合墊的半導體芯片開始。接下來，提供引線框，所述引 線框由基底金屬組成且具有多個引線區(qū)段，其中這些區(qū)段中的每一者具有接近芯片的第 一末端和遠離芯片的第二末端。優(yōu)選的基底金屬為銅。優(yōu)選地，以由條帶形軌條連接的 多個個別引線框的條帶形式提供所述引線框。
下一工藝步驟將芯片接合墊分別與第一區(qū)段末端進行電連接。在某些裝置中，通過 線接合來提供此連接，在其它裝置中通過回焊元件(例如，焊球)來提供此連接。
在下一工藝步驟中，通過轉移模制技術將芯片、互連和第一區(qū)段末端封裝在(例如) 模制化合物中。然而，所述封裝材料使第二區(qū)段末端保持暴露。所述裝置仍具有引線框的條帶形式。
下一工藝步驟包含修整和成形第二區(qū)段末端(當然，保存來自這些操作的所有廢料 以回收寶貴的金屬)。所述修整步驟去除引線框連接軌條并使裝置單一化，且所述成形步 驟導致(例如)圖1和圖2所說明的區(qū)段的海鷗翼形狀。
此后，對暴露的區(qū)段末端進行修邊和清潔，且接著通過還原暴露的引線金屬的表面 上的氧化物來激活所述暴露的區(qū)段末端。
下一工藝步驟采用無電鍍敷，以便在第二區(qū)段末端的基底金屬上沉積可軟焊金屬層， 隨后沉積犧牲貴金屬層。(需要對可軟焊金屬以及貴金屬進行無電鍍敷或浸漬鍍敷，因為 在修整/成形步驟之后，外部區(qū)段末端是電絕緣的。)優(yōu)選的可軟焊金屬為鎳，且優(yōu)選的 犧牲金屬包含貴金屬鈀和金。所述鍍敷工藝在逐條鍍敷加工線上執(zhí)行；所述材料處理與 市售的逐條加工線中的材料處理相同，但不需要矯正器。
最后的工藝步驟涉及沖洗和干燥引線框條帶。
后一工藝流程具有絕對不會在完成的裝置中導致暴露的基底金屬(例如，銅)的優(yōu) 勢。在前一工藝流程中，在設計上在連接軌條(障壁條)的切口處存在暴露的基底金屬 (例如，銅)區(qū)域；另外，在外部區(qū)段末端由于成形過程而彎曲的地方常有某些暴露的 基底金屬，因為所述過程具有在已鍍敷的可軟焊金屬中產(chǎn)生微裂紋的趨勢。
后一工藝流程的成本略高于前一流程的成本，因為無電鍍敷固有地比電解電鍍更昂
蟲 貝。
盡管己參考說明性實施例描述了本發(fā)明，但并不希望在限制性意義上解釋所述描述。 所屬領域的技術人員通過參考所述描述將了解到所述說明性實施例的各種修改和組合以 及本發(fā)明的其它實施例。舉例來說，半導體芯片的材料可包含硅、硅鍺、砷化鎵或任何 其它用于IC制造的半導體或化合物材料。
作為另一實例，第二 (外部)區(qū)段末端可具有不同于海鷗翼的形式。舉例來說，它 們可成形為針形，或如所謂的無引線裝置所需要的平直金屬片。 因此，希望本發(fā)明包括任何此類修改或實施例。
權利要求
1.一種半導體裝置，其包含半導體芯片，其具有多個接合墊；引線框，其包含基底金屬且具有多個引線區(qū)段，所述區(qū)段中的每一者具有接近所述芯片的第一末端和遠離所述芯片的第二末端；電互連，其分別位于所述芯片接合墊與所述第一區(qū)段末端之間；封裝材料，其覆蓋所述芯片、電互連和第一區(qū)段末端，但使所述第二區(qū)段末端仍保持暴露；和所述第二區(qū)段末端的至少若干部分，其所述基底金屬由可軟焊金屬層和貴金屬最外層的堆疊所覆蓋。
2. 根據(jù)權利要求l所述的裝置，其中所述基底金屬選自由銅、銅合金、鋁、鐵一鎳合 金和殷鋼組成的群組。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的裝置，其中所述可軟焊金屬包含鎳或鎳合金。
4. 根據(jù)權利要求l-3中任一權利要求所述的裝置，其中所述最外層包含鈀、金或鈀與金 兩者。
5. 根據(jù)權利要求l-4中任一權利要求所述的裝置，其中所述最外層是與所述可軟焊金屬 接觸的鈀層和與所述鈀層接觸的金層的堆疊。
6. 根據(jù)權利要求l-5中任一權利要求所述的裝置，其進一步包含位于所述第一區(qū)段末端 中的每一者上的可接合金屬層。
7. 根據(jù)權利要求6所述的裝置，其中所述可接合金屬是銀。
8. 根據(jù)權利要求l-7中任一權利要求所述的裝置，其中位于所述芯片接合墊與所述第一 區(qū)段末端之間的所述電互連是接合線或回焊金屬元件。
9. 一種用于制作半導體裝置的方法，其包含以下步驟提供具有多個接合墊的半導體芯片；提供引線框，所述引線框包含基底金屬且具有多個引線區(qū)段，所述區(qū)段中的每一者具有接近所述芯片的第一末端和遠離所述芯片的第二末端； 分別將所述芯片接合墊與所述第一區(qū)段末端進行電連接； 封裝所述芯片、互連和第一區(qū)段末端，但使所述第二區(qū)段末端仍保持暴露； 將所述第二區(qū)段末端的所述基底金屬電解電鍍上可軟焊金屬層，隨后電解電鍍上貴金屬層；和修整和成形所述第二區(qū)段末端。 10.根據(jù)權利要求9所述的方法，其進一步包含以下步驟在所述封裝步驟之后，對所述暴露的第二區(qū)段末端進行修邊和清潔；和 在所述電解電鍍步驟之前，激活所述暴露的第二區(qū)段末端。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有引線框的半導體裝置，所述引線框由基底金屬(110，例如，銅)、芯片安裝墊(103)和多個引線區(qū)段(104)組成。所述區(qū)段中的每一者具有接近所述安裝墊的第一末端(104a)和遠離所述安裝墊的第二末端(104b)。所述裝置進一步具有附著于所述安裝墊的半導體芯片(103)和位于所述芯片與所述第一區(qū)段末端之間的電互連(107)。封裝材料(120)覆蓋所述芯片、接合線和所述第一區(qū)段末端，然而使所述第二區(qū)段末端保持暴露。所述第二區(qū)段末端的至少若干部分的所述基底金屬由可軟焊金屬層(130，例如，鎳)和貴金屬最外層(140，例如，鈀與金的堆疊)覆蓋。
文檔編號H01L21/00GK101405862SQ200580042625
公開日2009年4月8日 申請日期2005年10月28日 優(yōu)先權日2004年11月9日
發(fā)明者唐納德·C·阿博特, 埃德加·R·祖尼加-奧爾蒂斯 申請人:德州儀器公司