專利名稱：包含鍍錫或由其形成金屬間化合層的引線框的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及引線框，其通常在半導體器件生產(chǎn)過程中作為半導體或集成電路芯片的載體使用，本發(fā)明特別是涉及包含有多層鍍覆材料(plated material)的引線框(leadframes)。
背景技術：
在半導體器件的制造中，引線框通常被用作同時安裝和處理多個半導體晶?；蛐酒淖w，普遍稱之為半導體封裝。在芯片被安裝在引線框之后，在芯片和引線框之間形成電性連接。然后，使用塑性模塑料，例如環(huán)氧樹脂模塑料(EMCEpoxy Molding Compound)將芯片和部分引線框封裝以形成電子封裝件。模塑后的電子封裝件然后可能被裝配，以使半導體芯片電性連接到外圍電路。
圖1是引線框器件100的正視圖，該引線框器件已經(jīng)使用環(huán)氧樹脂模塑料(EMC)被部分地塑封。引線框器件100包含有以引線框102形式存在的襯底，該引線框具有內(nèi)引線104以將多根導線106鍵合到芯片108上。芯片108被裝配到晶粒座110(die pad)上，其通常設置于中央并由內(nèi)引線104環(huán)繞。導線鍵合后的引線框然后使用EMC 112通過灌封被封裝，其在引線框器件100上顯示為部分地塑封。該灌封應該封鎖多數(shù)的內(nèi)引線104、鍵合導線106、芯片108和晶粒座110，以使得被灌封的材料避免環(huán)境干擾，例如電磁波，污染，機械、熱量和電氣沖擊。引線框102還包含有多根不由EMC 112所密封的外引線114。灌封后的引線框的每個單元通過切割從載體軌道116(carrier rail)分離之后，多根外引線114可能根據(jù)需要形成不同的形狀以和外部設備連接。
當半導體器件包含有組裝在一起的各種元件時，引線框的質(zhì)量和可靠性對于實現(xiàn)某個標準而言是重要的，例如內(nèi)引線104和鍵合導線106的鍵合能力、外引線114和外部設備的可焊性、EMC112和引線框102表面的粘著。為了增強質(zhì)量和可靠性，通常在引線框上鍍有多個涂覆材料。這種引線框的一種形式普遍稱之為預鍍引線框(PPFpre-plated leadframe)。在一個典型的實例中，預鍍引線框包含有基體材料，如銅或銅合金，其上鍍覆有多層不同的金屬，如鎳(Ni)和貴金屬如鈀(Pd)和金(Au)。
由于在世界范圍內(nèi)從半導體封裝中去除鉛是大勢所趨，PPF技術作為一種有益于環(huán)境的技術獲得了日益增長的普及。這是因為PPF引線框被鍍覆有鈀(Pd)來替代銀(Ag)和錫/鉛(Sn/Pb)。鈀對保護位于下面的涂覆層是有用的，并且可用于提高鍵合能力和可焊性。在封裝處理前涂覆可能覆蓋整個引線框，以便于輕易完成自動封裝工序。鎳或鎳合金層被涂覆在銅基體材料和鈀層之間，以通過阻止銅散布到引線框的表面來向引線框提供抗腐蝕性。銅和空氣反應形成氧化銅，其反向影響引線框的質(zhì)量和可靠性。
圖2是現(xiàn)有的三層預鍍引線框的剖視示意圖。該圖顯示了典型的三層的PPF或引線框120，其包含有基體材料，如銅或銅合金制成的襯底122。
鎳層124被鍍覆于襯底122的上方以阻止銅向基體材料的散布。同樣也是該層便于焊料和導線最終粘著其上。
然后兩層包括貴金屬，如鈀126，接著是金128，它們依次被鍍覆以作為導線鍵合和焊接的服務者(facilitators)。它們?yōu)槲挥谙旅娴逆噷犹峁┍苊庋趸谋Ｗo，并由于它們向焊料快速的擴散而提高了可焊性。
當制造商設法使得鍍覆層比以往更薄以節(jié)約成本的時候，但對于銅基體材料而言，通過材料的缺陷如以針孔和晶界(grain boundaries)形式存在的內(nèi)在孔隙外擴到引線框的表面是不可避免的容易。在圖2中，其表明了銅從襯底122向三層引線框120表面的移動。當擴展開的銅130到達引線框120的表面時，一旦和周圍的空氣接觸將會氧化。結果，引線框120的表面出現(xiàn)了導線鍵合能力和可焊性的退化。
盡管鎳良好的屬性，但是在原材料和生產(chǎn)周期時間方面，鎳的使用提高了制造這種引線框的成本。減小鎳厚度產(chǎn)生的另一個好處是更薄的鎳層往往會提高引線框基體的表面粗糙度，這一點常常被引用來加強EMC和引線框的粘著。然而，如果減少了鎳的使用，由于銅向引線框的表面的不斷擴散引起鍵合能力和可焊性的退化，因此出現(xiàn)了可靠性問題。因此，本發(fā)明通過引入一種附加的障礙物將基體材料和鎳層分離，來尋求至少減小鍍覆層中鎳的使用，從而阻止銅從基體材料通過多層鍍覆層向外擴散。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種預鍍的引線框，該引線框包含有一層或多層含錫的金屬間化合層，以便于阻止引線框的基體材料向外部表面的移動。
因此，一方面，本發(fā)明提供一種生產(chǎn)引線框的方法，其包含有以下步驟提供一襯底；使用錫層鍍覆該襯底；在該錫層上面鍍覆鎳層；以及然后在該鎳層上面鍍覆一層或多層保護層。
另一方面，本發(fā)明提供一種引線框，其包含有襯底；鎳層，該鎳層位于襯底上方；錫層，該錫層位于襯底和鎳層之間；以及一個或多個保護層，該保護層位于鎳層上方。
參閱后附的描述本發(fā)明實施例的附圖，隨后來詳細描述本發(fā)明是很方便的。附圖和相關的描述不能理解成是對本發(fā)明的限制，本發(fā)明的特點限定在權利要求書中。


根據(jù)本發(fā)明所述引線框的實例現(xiàn)將參考附圖加以描述，其中圖1是使用環(huán)氧樹脂模塑料(EMC)部分塑封后的引線框器件的俯視圖。
圖2是現(xiàn)有的三層預鍍引線框的剖視示意圖；
圖3為根據(jù)本發(fā)明較佳實施例所述的預鍍引線框的剖視示意圖，該預鍍引線框作為半導體封裝的襯底，其在銅基體材料和鎳層之間具有鍍錫層；圖4為圖3中預鍍引線框的剖視示意圖，該預鍍引線框在錫層和襯底之間、在錫層和鎳層之間形成有金屬間化合層(intermetalliclayers)；圖5為預鍍引線框的剖視示意圖，該預鍍引線框在襯底和鎳層之間形成有單獨的金屬間化合層。
具體實施例方式
參考附圖所示，其中類似的部件引用類似的數(shù)字。圖3為根據(jù)本發(fā)明較佳實施例所述的預鍍引線框10的剖視示意圖，該預鍍引線框作為半導體封裝的襯底，其在銅基體材料和鎳層之間具有鍍錫層。
該預鍍引線框10包含有其上鍍覆有多層材料的襯底12。該襯底12包含有基體材料，較合適地用銅或銅合金材料制成。錫層14鍍覆于襯底12的上方，其厚度最好小于20nm。更合適地，錫層的厚度是小于5nm。
然后將鎳層16鍍覆在錫層14之上，其厚度較佳地在50nm和250nm之間。一個或多個保護層，較佳地包含有貴金屬，其被鍍覆于鎳層16之上。在描述的本實施例中，包含有第一貴金屬，如鈀18的保護層被鍍覆于鎳層16之上，其厚度較佳地在1nm和50nm之間。最后，包含有第二貴金屬，如金20的保護層然后被鍍覆于鈀層18的上方，其厚度較佳地在1nm和50nm之間。
在提升的溫度下通過加熱鍍覆有各個所述的鍍覆層的前面所提及的引線框10，襯底12和鎳層16之間的錫層14開始分別在錫層14和襯底12之間、在錫層14和鎳層16之間的界面形成有一個或多個金屬間化合層。通常，溫度越高將會加速一個或多個金屬間化合層的生成。
圖4為預鍍引線框10的剖視示意圖，該預鍍引線框在錫層14和襯底12之間形成有第一金屬間化合層22，在錫層14和鎳層16之間形成有第二金屬間化合層24。第一金屬間化合層22主要包含有在錫層14和襯底12之間形成的錫銅化合物(copper-tin compounds)，例如Cu3Sn和Cu6Sn5。另一方面，第二金屬間化合層24主要包含有在錫層14和鎳層16之間形成的錫鎳化合物(nickel-tin compounds)，例如Ni3Sn4。在二者之間，可能余下沒有反應的錫層14。
結果，位于襯底12和鎳層16之間的中間層可包括由錫和不同合成物的金屬間化合物的分離層組成的薄片狀結構。而且，大家應該知道這僅僅會出現(xiàn)在錫層14充分厚的位置以致能夠分別提供可視為相同的第一金屬間化合層22、第二金屬間化合層24。
圖5為預鍍引線框10的剖視示意圖，該預鍍引線框在襯底12和鎳層16之間形成有單獨的金屬間化合層26。金屬間化合層26包含有在襯底12和鎳層16之間形成的錫銅化合物例如Cu3Sn和Cu6Sn5，和錫鎳化合物例如Ni3Sn4。另外，可能出現(xiàn)三元化合物(ternary compound)，例如(Cu，Ni)6Sn5。所以，金屬間化合層包含選自下述組群的化合物(混合物)Cu3Sn、Cu6Sn5、Ni3Sn4和(Cu，Ni)6Sn5。
實際上，含錫(tin-bearing)的金屬間化合物的單獨層隨著合適的參數(shù)組合例如錫層厚度、處理溫度和時間的控制，可能特意地形成于襯底12和鎳層16之間。參考圖4所示，當引線框被進一步加熱時，通常金屬間化合層22、24將會增長，它們將會趨向吞沒錫層14。最后形成含錫(tin-bearing)的單獨的金屬間化合物層。另外，如果錫的鍍覆非常薄，如厚度小于5nm，那么在不生成各個界面間的金屬間化合層22、24的情況下，可能直接形成單獨的金屬間化合物層26。根據(jù)加熱的溫度和時間，合成的金屬間化合物層的厚度是可變的，但是其通常比最初鍍覆的錫層厚。
鍍覆后的襯底或引線框的加熱可能或者是引線框制造過程中合為一體的獨立工序，或者是隨著一個或多個封裝工序固有。例如，在晶粒鍵合、導線鍵合和模塑處理過程中幾乎不可避免地進行引線框的加熱，那里的加熱工序可足夠?qū)е乱粋€或多個此處所描述的金屬間化合層。因此，在根據(jù)本發(fā)明較佳實施例所述的這些引線框的生產(chǎn)和使用中，在引線框的運輸和使用以前，首先使用熱處理來產(chǎn)生一個或多個金屬間化合層是不必要的。該一個或多個金屬間化合層的形成能夠或者作為引線框制造工序的一部分發(fā)生，或者作為封裝工序的一部分發(fā)生，其會導致更通用、更方便和更具有選擇性。
這種新的方法的優(yōu)點是錫層能夠作為一很薄的層來形成(最合適的厚度是小于5nm)，藉此促進三元的(Cu，Ni)6Sn5或者其他基于錫的金屬間混合物的形成，該金屬間混合物沿著界面密集而又均勻的分布。除了金屬間界面層上面的多個鍍覆層，即鎳層、鈀層和金層之外，該密集、均勻，雖然很薄的金屬間界面層也作為一個高效的擴散屏障。這樣，銅向引線框表面的擴散將會得到大大的減少。
為了驗證根據(jù)本發(fā)明較佳實施例所生產(chǎn)的預鍍引線框10的有益之處，在其上完成工業(yè)適用的多孔性測試(porosity test)，其結果和現(xiàn)有的對照(control)引線框120的結果相對比。這些引線框?qū)⒃?50℃的溫度下加熱5分鐘，以促進被測試的引線框中銅的擴散。然后將進行過如此加熱的引線框浸入到硫酸(sulfuric acid)中，并以后測量溶解于硫酸中的銅的數(shù)量。該溶解于硫酸中銅的水平越高，意味著擴散到引線框表面的銅的數(shù)量越大。
使用第一組襯底(記做為“A類型引線框”)，和本發(fā)明較佳實施例相一致的該襯底上形成有厚度小于5nm的錫層?，F(xiàn)有的引線框被用作為對照，其在各自的鎳層、鈀層和金層方面具有可比性的厚度。表1顯示了針對兩種引線框進行的多孔性測試的結果。
表1

在另一組襯底上(記做為“B類型引線框”)重復進行該試驗，該組襯底根據(jù)本發(fā)明較佳實施例進行類似的鍍覆，下表2給出了測試結果。
表2

表1和表2中所示的襯底厚度是從總計6次測量的平均值中所獲得的，該6次測量是在每個引線框的三個典型位置處進行的。
從A類型和B類型的引線框中得到的溶解于硫酸的銅的質(zhì)量總計不到對照用的引線框120的1/3，表明和現(xiàn)有的對照物進行比較，預鍍引線框10上的多層的整體性(integrity)得到了顯著的加強。通過薄錫層的獨特引入和隨后在銅和鎳層之間(之中)形成合成的含錫金屬間化合層這是可以實現(xiàn)的。
在各個引線框所進行的其他測試中，根據(jù)本發(fā)明的預鍍引線框10能夠通過使用于預鍍引線框制造中鍵合能力和可焊性的標準得到了驗證，即使它們在鎳的數(shù)量方面有意義重大的減少。例如，可以發(fā)現(xiàn)僅僅增加用來形成一個或多個金屬間化合層的錫層，滿足工業(yè)所需標準的典型的引線框中鍍鎳的厚度能夠從約500nm減少到小于約250nm。雖然根據(jù)基體材料中銅合金的組成，鎳層的厚度可從50nm變化到750nm，但是和現(xiàn)有的方法相比，使用本發(fā)明實施例所述的方法能夠?qū)嵸|(zhì)上減少鎳層。因此，在所使用的鍍覆材料的成本和周期時間方面，都能實現(xiàn)節(jié)余。同樣，通過鍍覆較薄的鎳層來實現(xiàn)基體粗糙度方面的更高的表面均勻度也是更加容易，以便于促進EMC與引線框的粘著。由于顯著的成本和其他的優(yōu)勢，本發(fā)明實施例所述的預鍍引線框10能替代現(xiàn)在普遍使用的現(xiàn)有的引線框120。
此處描述的本發(fā)明在所具體描述的內(nèi)容基礎上很容易產(chǎn)生變化、修正和/或補充，可以理解的是所有這些變化、修正和/或補充都包括在本發(fā)明的上述描述的精神和范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種生產(chǎn)引線框的方法，其包含有以下步驟提供一襯底；使用錫層鍍覆該襯底；在該錫層上面鍍覆鎳層；以及然后在該鎳層上面鍍覆一層或多層保護層。
2.如權利要求1所述的方法，該方法還包含有下面的步驟在該襯底和鎳層之間形成一個或多個包含有錫的金屬間化合層。
3.如權利要求2所述的方法，其中，該形成一個或多個金屬間化合層的步驟還包含有下面的步驟在提升的溫度下加熱該鍍覆的襯底。
4.如權利要求3所述的方法，其中，加熱鍍覆的襯底以形成一個或多個金屬間化合層的步驟在半導體封裝工序中完成，該半導體封裝工序包括引線框的加熱。
5.如權利要求2所述的方法，其中，該金屬間化合層包含有選自下述組群的化合物，該組群包括Cu3Sn、Cu6Sn5、Ni3Sn4和(Cu，Ni)6Sn5。
6.如權利要求1所述的方法，其中，該錫層被形成時厚度小于20nm。
7.如權利要求6所述的方法，其中，該錫層被形成時厚度小于5nm。
8.如權利要求1所述的方法，其中，該鎳層的厚度在50nm和750nm之間。
9.如權利要求1所述的方法，其中，該一個或多個保護層包含有鈀層，該鈀層的厚度在1nm和50nm之間。
10.如權利要求9所述的方法，其中，該一個或多個保護層還包含有位于鈀層上方的金層，該金層的厚度在1nm和50nm之間。
11.如權利要求1所述的方法，其中，該襯底包含有銅或銅合金。
12.一種引線框，其包含有襯底；鎳層，該鎳層位于襯底上方；錫層，該錫層位于襯底和鎳層之間；以及一層或多層保護層，該保護層位于鎳層上方。
13.如權利要求12所述的引線框，該引線框還包含有一個或多個金屬間化合層，其分別通過錫層和襯底、鎳層之間的反應形成于襯底和鎳層之間。
14.如權利要求13所述的引線框，其中，該金屬間化合層包含有選自下述組群的化合物，該組群包括Cu3Sn、Cu6Sn5、Ni3Sn4和(Cu，Ni)6Sn5。
15.如權利要求12所述的方法，其中，該錫層的厚度小于20nm。
16.如權利要求15所述的方法，其中，該錫層的厚度小于5nm。
17.如權利要求12所述的方法，其中，該鎳層的厚度在50nm和750nm之間。
18.如權利要求12所述的方法，其中，該一個或多個保護層包含有鈀層，該鈀層的厚度在1nm和50nm之間。
19.如權利要求18所述的方法，其中，該一個或多個保護層還包含有位于鈀層上方的金層，該金層的厚度在1nm和50nm之間。
20.如權利要求12所述的方法，其中，該襯底包含有銅或銅合金。
全文摘要
本發(fā)明提供一種生產(chǎn)引線框的方法，其包含有以下步驟提供一襯底；使用錫層鍍覆該襯底；在該錫層上面鍍覆鎳層；以及然后在該鎳層上面鍍覆一層或多層保護層。此后，可加熱該引線框，以形成一個或多個包含錫的金屬間化合層，該金屬間化合層阻止銅從引線框的基體材料向其表面的外擴。
文檔編號H01L21/48GK1976016SQ20061014529
公開日2007年6月6日 申請日期2006年11月29日 優(yōu)先權日2005年12月1日
發(fā)明者付苒, 劉德明, 關耀輝 申請人:先進自動器材有限公司