CN100508174C - 用于半导体器件的引线框架 - Google Patents

Abstract

采用本发明半导体器件引线框架的半导体器件具有将在其上安装半导体芯片的平台部分、连接到该平台部分的内部引线部分、和连接到该内部引线部分的外部引线部分。该引线框架包括：镍(Ni)层(1)，钯(Pd)或钯合金层(2)，锡(Sn)或锡合金层或者锌(Zn)或锌合金层(3)、(3a)或(3b)，以及金(Au)层(4)、(4a)或(4b)，从构成引线框架的基板材料表面开始在该基板材料上顺序形成全部各层。

Description

用于半导体器件的引线框架

技术领域

本发明涉及一种用于半导体器件的引线框架，更具体地，涉及一种用于半导体器件的引线框架，该引线框架显示了对密封树脂的改良的粘合性以及改良的焊料润湿性。

背景技术

一种用于半导体器件的引线框架被用来在基板等上安装半导体器件，通过用树脂材料密封半导体芯片制成所述半导体器件，以便和该引线框架集成。通常，引线框架具有：安装半导体芯片的平台(stage)部分；内部引线部分，其连接到平台部分，并通过引线接合与半导体芯片的电极电连接；和外部引线部分等，其连接到内部引线部分，并且当半导体器件安装在基板等上时作为外部连接端。该引线框架需要与用于密封该芯片的树脂材料粘合。同时需要具有优良粘合能力的外部引线，该外部引线是用来将引线框架接合到基板，从而依靠焊接等将半导体器件安装在该基板上。

图6是表示用于半导体器件的引线框架实例的平面图。在引线框架10中，附图标记12表示外部引线；14表示内部引线；16表示形成了安装有半导体芯片(未示出)并且连接到导线轨(rail)20的芯片安装部分的平台部分，20是依靠支撑条18。附图标记22表示隔板(dam bar)。

半导体芯片(未示出)安装到引线框架10的平台部分16上。该半导体芯片与内部引线14依靠电线接合。处于图6所示虚线包围的区域中的半导体芯片、电线、和内部引线14都用树脂密封，从而构成半导体器件。为了将该半导体器件安装在基板等上，通常使用焊接。近年来经常使用这样一种引线框架，其中，在外部引线12上预先形成了涂层(也称为“表面焊接涂层”)。

已知一种不包含表面焊接涂层就可将半导体器件安装到基板上的引线框架，如日本专利公开平成4-115558中所公开的，该引线框架包括：与通常被称作Pd-PPF(钯预电镀引线框架)引线框架一起使用的基板，作为底层的镍(Ni)镀层，作为中间层的钯(Pd)或Pd合金涂层，和作为表面层的金(Au)镀层或银(Ag)涂层，这些层都顺序形成在基板上。

作为引线框架的另一现有技术实例，在日本专利公开平成4-337657中公开了一种用于半导体器件的引线框架，其中该半导体器件具有用焊料以外的材料为表面镀层涂覆的引线框架基板，该引线框架包括：设置在引线框架的基板材料上的Ni-基镀层；至少设置在基板材料上的内部引线部分和外部引线部分上的Pd或Pd合金镀层；和设置在Pd或Pd合金镀层上的Au镀层。而且，日本专利公开平成11-111909也公开了一种用基本类似的镀层涂覆的引线框架。另外，日本专利公开平成2001-110971公开了一种引线框架，具有设置在引线框架基板材料上的Ni-基保护涂层、镀有Pd或Pd合金的中间层、和通过在中间层上顺次镀上Pd和Au形成的最外层。

同时，从环保的角度看，近年来作为用于将半导体器件安装在基板等上所使用焊接材料，无铅(Pb)焊接材料变得普遍。锡-锌(Sn-Zn)-基焊料、锡-银-铜(Sn-Ag-Cu)-基焊料等作为这种无铅焊接材料被实际应用。

一种现有技术的引线框架(所谓Au/Pd/Ni引线框架)是通过在用于引线框架的基板材料上顺序形成Ni镀层、Pd或Pd合金镀层、和Au镀层而形成的。将半导体芯片安装在引线框架上并用树脂材料密封，从而制造出半导体器件。当通过使用无铅焊料代替传统广泛使用的锡-铅焊料来安装半导体器件时，所使用的无铅焊料的熔点高于现有技术的锡-铅焊料的熔点。因此必须增加回流温度。例如，近来被使用的Sn-Ag-Cu焊料的熔点为217℃，并且要用大约240℃到250℃的温度来对该焊料回流。

当回流温度增加时，由于引线框架基板材料中的金属材料与密封树脂之间的热膨胀系数不同，所以密封树脂很容易从引线框架脱落下来。由于被普遍用作密封树脂的环氧基树脂的吸湿性的原因，湿气很容易侵入由脱落引起的裂缝中。在随后的热处理等中这些湿气被蒸发，这将紧接着引起严重的缺陷，诸如密封树脂中的裂缝、半导体芯片的破裂等等。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种用于半导体器件的引线框架，其用来防止引起半导体器件缺陷，特别是防止由于引线框架基板材料和密封树脂之间的热膨胀系数不同而引起的缺陷。

本发明的用于半导体器件的引线框架是一种用于这样的半导体器件的引线框架，该半导体器件具有：将在其上安装半导体芯片的平台部分、连接到该平台部分的内部引线部分、和连接到该内部引线部分的外部引线部分，该引线框架包括：(1)镍(Ni)层；(2)钯(Pd)或钯合金层；(3)锡(Sn)或锡合金层或者锌(Zn)或锌合金层；以及(4)金(Au)层，从构成引线框架的基板材料表面开始在该基板材料上顺序形成全部各层。

优选的是，Pd或Pd合金层(2)的厚度范围从0.005到0.05μm；Sn或Sn合金层或者Zn或Zn合金层(3)的厚度范围从0.001到0.05μm；以及Au层(4)的厚度范围从0.001到0.1μm。

形成在Pd或Pd合金层(2)上的Sn或Sn合金层或者Zn或Zn合金层(3)与Au层(4)的结合可能被重复两次或多次。只有当使用这两个层的单次结合时，层(3)的优选厚度和层(4)的优选厚度才符合所述的层(3)和层(4)的厚度。同时，当使用这两个层的多次结合时，多个层(3)的总厚度优选的落入范围0.001到0.05μm，

并且多个层(4)的总厚度优选的落入范围0.001到0.1μm。可能在形成引线框架的基板材料的整个表面上形成层(1)到(4)，或者可能在形成引线框架的基板材料的一部分上形成层(1)到(4)。在后一种情况下，层(1)到(4)至少要形成在外部引线部分中。

本发明提供一种半导体器件的引线框架，该引线框架显示了对密封树脂的改良的粘合性，而不会削弱将半导体器件安装到基板等上所需的焊料润湿性和延展性。

附图说明

图1A和1B示出了用来说明本发明用于半导体器件的引线框架的层结构的横截面示图；

图2是示出对引线框架和密封树脂间的粘合的测试结果的图表；

图3是描述了用于粘合测试的样品的透视图；

图4是示出焊料润湿性和延展性测试结果的图表；

图5是描述了用于焊料润湿性和延展性测试中的样品的透视图；以及

图6是现有技术的引线框架的平面图。

具体实施方式

如图1A的描述了本发明用于半导体器件的引线框架的典型层结构的横截面示图中所示，Ni层1、Pd或Pd合金层2、Sn或Sn合金层(或者Zn或Zn合金层)3、以及Au层4从基板材料B的表面开始以此顺序形成在引线框架的基板材料B上。该层结构对应于通过在Au的顶层和现有技术Pd-PPF(所谓Au/Pd/Ni引线框架)的中间Pd层之间插入诸如Sn、Sn合金层、Zn、或Zn合金层的两性金属层来实施的结构。

如上所述，包含在本发明的引线框架中的基板材料B、Ni层1、Pd或Pd合金层2、以及Au层4基本类似于那些在现有技术Pd-PPF中所使用的。

特别的，该基板材料B可由用于普通引线框架的材料形成；例如，Cu或Cu合金，Fe-Ni合金等等。

Ni层1位于基板材料B上，可形成0.05到3μm的厚度。当厚度小于0.05μm时，由于Cu的扩散，很难保证安装时所需的焊料润湿性。当厚度超过3μm时，在形成外部引线期间会在电镀中发生裂缝，因此基板材料会暴露出来。

Ni层1上的Pd或Pd合金层2可形成0.005到0.05μm的厚度范围。当厚度小于0.005μm时，由于Ni的扩散，很难保证安装所需的焊料润湿性。当厚度超过0.05μm时，在安装操作中Pd无法完全熔化并扩散为焊料，从而导致润湿性和延展性变差。

最外层Au层4可形成0.001到0.1μm的厚度。当厚度小于0.001μm时，由于Sn和Zn的扩散，很难保证安装所需的焊料润湿性。当厚度超过0.1μm时，在安装操作中Au会与Sn形成合金层，这会使粘合强度变差。

插入到Pd或Pd合金层2与Au层4之间的层3是由Sn或Sn合金或者Zn或Zn合金形成的。这里，术语“Sn合金”表示由Sn和另一种类型的金属形成的合金；并且术语“Zn合金”表示由Zn和另一种类型的金属形成的合金。例如，由Sn和Zn形成的合金(Sn-Zn合金)包括在这两个种类里，并且Sn-Zn合金可作为优选的Sn合金或Zn合金在本发明中使用。

Sn或Sn合金(或Zn或Zn合金)层3优选的厚度范围从0.001到0.05μm。小于0.001μm的厚度不足以防止粘合中发生脱落，这是由引线框架和密封树脂之间热膨胀系数的不同引起的。当厚度超过0.05μm时，增强对缺陷预防的作用饱和。而且，妨碍了安装时所需的焊料回流的焊料润湿性和延展性。优选的，Sn或Sn合金层(或Zn或Zn合金层)3的厚度在0.005到0.05μm范围内。

可通过用来形成薄膜的任何方法来形成层1到4。例如，可使用诸如电镀、化学镀膜、溅射等公知方法。通常，优选的方法是电镀。

在图1A所示的本发明具有典型层结构的引线框架的优选模式中，厚度为0.5μm的Ni底层处于Cu合金或Fe-Ni合金基板材料上，并且厚度为0.015μm的中间Pd层设置在Ni底层上。厚度为0.01μm的Sn层设置在中间Pd层上，并且厚度为0.007μm作为顶层的Au层设置在Sn层上。

Sn或Sn合金(或者Zn或Zn合金)层3与设置在其上的Au层4的结合层可能是单个结合层的或者有多个结合层。另一种方法是，可将多个Sn或Sn合金(或者Zn或Zn合金)层与Au层顺次形成在Pd或Pd合金层2上。图1B示出了具有多个Sn或Sn合金(或者Zn或Zn合金)层与Au层的引线框架的实例。在图1B所示的引线框架中，交替形成的Sn或Sn合金(或者Zn或Zn合金)层3a、3b与Au层4a、4b处于Pd或Pd合金层2上。对于使用多组结合层模式的情况，其中每一组结合层由Sn或Sn合金(或者Zn或Zn合金)层与设置在其上的Au层组成，优选的是，Sn或Sn合金(或者Zn或Zn合金)层的总厚度在0.001到0.05μm范围内。

设置在基板材料B上的层(图1A的实施例中的层1到4和图1B的实施例中的层1到4b)可能形成在基板材料B的整个表面上，或者形成在基板材料B的一部分上。在后一种情况下，这些层至少要形成在外部引线部分或平台部分中。

图2示出了对引线框架和密封树脂间的粘合的测试结果。通过使用测试引用框架样品来进行该粘合测试，所述样品是通过在Cu基板材料上用电镀方法顺序形成1μm厚的Ni层、0.01μm厚的Pd和Sn层、和0.07μm厚的Au层来制备的。Sn层的厚度在0.005到0.1μm范围内变化。用CEL9200(由Hitachi Chemical Co.，Ltd.公司生产)作为密封树脂。作为预处理，将测试引线框架在175℃下进行1小时的热处理(模拟用于将芯片安装在引线框架上的芯片键合粘合加工的条件)，并且随后在240℃下进行1分钟的另一热处理(模拟当在加热板上执行引线接合时使用的加热条件)。如图3中所示，由密封树脂32形成的截锥体(下底面直径3.568mm，上底面直径3mm，高3mm)形成在经过预处理的测试引线框架31上。平行于引线框架表面的剪力如箭头F所示施加到该截锥体上，并且测量在该引线框架31从树脂32上脱落下来时所得到的抗剪强度。在由树脂形成截锥体之后，以及在成形后对截锥体进行300℃下10秒钟加热(模拟安装半导体器件时使用的焊料回流条件)之后，在每一采样基础上执行测量。

图4示出了引线框架上焊料润湿性和延展性的测试结果。通过使用与前述粘合测试中所使用的样品相同的测试引线框架样品来执行对焊料润湿性和延展性的测试。用焊膏填充覆在测试引线框架样品上的金属掩模的洞，并将金属掩模移除。如图5所示，形成焊膏52并以垫块的形式提供在测试引线框架51上，该垫块的直径为1.57mm并且高度为0.15mm。所使用的焊膏是由Senju Metal Industry Co.，Ltd生产的Sn-Ag-Cu基焊膏M705-221CM5-42-11。将如此提供的焊膏在针对该回流的230℃的温度下加热1分钟。测量在任意方向上回流的直径。确定5组数据的平均值。计算回流之前获得的直径与回流之后获得的平均半径的比率即为焊料润湿性和延展性。通过使用在涂覆焊膏前在400℃下加热30秒的测试引线框架样品，对其进行相似的测试。在具有厚度为0.1μm的夹在Pd层和Au层之间的Sn层的样品中，当该引线框架在400℃下加热之后被涂覆上焊膏时，其直径减小，并且显示出焊料润湿性和延展性的恶化。

由于这些原因，发现Sn层期望的厚度优选的为范围自0.001到0.05μm。

已知用作引线框架外部材料的贵金属(Au、Pd、Ag)与共用的环氧基密封树脂的粘合性较差。同时，已知诸如Cu或Ni的材料由于其表面被氧化并通过氢键结合与环氧基密封树脂结合，从而增加了与密封树脂的粘合性。然而，当引线框架的表面层中存在氧化的金属时，该引线框架的焊料润湿性和延展性会相当程度的恶化，继而引起安装的失败。因此，在迄今可利用的引线框架中，为了达到保证粘合性的目的，会牺牲焊料润湿性和延展性。相反的情况也存在。

相反，通过本发明在保证出色的焊料润湿性和延展性的同时增加与密封树脂的粘合性的原因如下。例如，当Sn层位于表面Au层以下时，由于依靠在安装时焊料回流温度下实现的加热实现的固体相扩散，Au层的Au部分扩散到Sn层，并且Sn层的Sn部分扩散到Au层。从而Sn以及Au都出现在作为顶层的Au层表面。表面上含有Au从而保证了焊料润湿性和延展性。同时出现在表面上的Sn被适度氧化，这就为与密封树脂的粘合性增加作出贡献。

Claims (8)

1.一种用于半导体器件的引线框架，所述半导体器件具有：将在其上安装半导体芯片的平台部分、连接到该平台部分的内部引线部分和连接到该内部引线部分的外部引线部分，所述引线框架具有多个层，包括：

镍层；

钯或钯合金层；

两性金属层，其中所述两性金属层的厚度范围从0.001到0.05μm，从而保证焊料润湿性和延展性的同时提供与密封树脂的增加的粘合性；以及

金层，其中从构成引线框架的基板材料表面开始在该基板材料上顺序形成全部各层。

2.根据权利要求1的用于半导体器件的引线框架，其中所述两性金属层从锡、锡合金、锌或锌合金中选取。

3.根据权利要求1的用于半导体器件的引线框架，其中所述钯或钯合金层的厚度范围从0.005到0.05μm；以及所述金层的厚度范围从0.001到0.1μm。

4.根据权利要求1的用于半导体器件的引线框架，其中在所述钯或钯合金层上形成所述两性金属层与所述金层的结合层。

5.根据权利要求1的用于半导体器件的引线框架，其中在所述钯或钯合金层上形成多组所述两性金属层与所述金层的结合层。

6.根据权利要求1的用于半导体器件的引线框架，其中在形成所述引线框架的基板材料的整个表面上形成所述多个层。

7.根据权利要求1的用于半导体器件的引线框架，其中在形成所述引线框架的基板材料的一部分上形成所述多个层。

8.根据权利要求7的用于半导体器件的引线框架，其中所述多个层至少要形成在所述引线框架的外部引线部分上。

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